Aktuální vydání

celé číslo

12

2022

Automatizace výrobních, montážních a balicích strojů a linek

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

Poznejte své ventily

Článek připomíná problémy s kavitací a aerodynamickým hlukem provázejícími činnost regulačních ventilů a ukazuje, jak je lze vhodnou volbou ventilu minimalizovat.
 
Při výběru regulačního ventilu určeného do namáhavých provozních podmínek musí projektant řídicího systému vždy pečlivě dbát na to, aby vlastnosti vybraného ventilu odpovídaly požadavkům dané úlohy. Každý výrobce nabízí svůj vlastní způsob výběru a určování rozměrů ventilů a uživatelé naproti tomu musí mít jistotu, že vybraný ventil úsporně a přitom spolehlivě vyřeší daný problém.
 
Nevhodně vybraný ventil sice může pracovat na první pohled uspokojivě, jeho výkonnost však často není taková, jaká by skutečně měla být. Výsledkem je menší provozní účinnost a větší riziko vynucené odstávky technologického zařízení.
 
Ztráty zapříčiněné sníženou účinností zařízení mohou být dosti významné a v nejhorších případech se může stát, že ventil bude třeba předčasně opravit nebo vyměnit. V důsledku s tím souvisejícího přerušení provozu závodu a nerealizované výroby tak vzniknou další ztráty.
 
Dva nejčastější problémy provázející výběr provozně značně namáhaných regulačních ventilů jsou kavitace a aerodynamický hluk.
 
Kavitace je hydrodynamický jev, který, není-li vzat v úvahu při výběru regulačního ventilu, může způsobit poškození vnitřních částí i tělesa ventilu, popř. i okolního potrubí. Poškození kavitací může být v krajních případech příčinou poruchy výrobního zařízení a přerušení provozu závodu.
 
Aerodynamický hluk vzniká jako důsledek turbulentního proudění a vyskytuje se pouze u ventilů regulujících průtok plynů, nikoliv kapalin. Zdroji turbulencí v proudu plynu mohou být překážky v průtočné cestě, rychlá expanze nebo zpomalení velmi rychle proudícího plynu a nebo změny směru proudění. Potlačit aerodynamický hluk je důležité nejen z důvodu plnění předpisů platných v oblasti ochrany zdraví a bezpečnosti při práci, ale i z hlediska péče o životní prostředí. Důvodem je skutečnost, že energie proudu plynu se přetváří v teplo, které popř. může být příčinou poškození ventilu.
 

Co je příčinou kavitace?

Při průchodu tekutiny regulačním ventilem anebo jakýmkoliv jiným zúženým místem potrubí tlak v tekutině klesá, až těsně za zúžením dosáhne své nejmenší hodnoty, a poté se opět vrací nazpět na hodnotu o něco menší, než jakou měl před zúžením. Bod, v němž je tlak v tekutině nejmenší, se nazývá vena contracta (bod největšího seškrcení proudu, obr. 1). Při průtoku kapalin platí, že je-li tlak v kapalině v bodě největšího seškrcení proudu menší než tlak syté páry kapaliny (Pv), začne kapalina měnit skupenství a tvoří se v ní bubliny její páry. Vrátí-li se tlak v kapalině zpět nad hodnotu tlaku páry, bubliny se náhle zhroutí za současného vzniku velmi rychlých proudů kapaliny, které mohou narážet na vnitřní části ventilu anebo stěny potrubí.
 
Uvedený jev, známý jako kavitace, může rychle poškodit součástky, v jejichž blízkosti probíhá. V mezních případech kavitace „provrtá“ otvory do tělesa ventilu nebo do potrubí. K příznakům kavitace dále patří menší průtočná schopnost ventilu (potrubí) v důsledku jeho zaplnění vznikajícími bublinami a zvýšený hluk a vibrace zařízení. Nelze-li se kavitaci vyhnout změnou hodnot technologických proměnných, nabízejí se různá uspořádání vnitřních částí regulačního ventilu umožňující předcházet jejímu vzniku.
 

Jak předejít poškození kavitací

Výrobci regulačních ventilů brání vzniku kavitace a následnému poškození dvěma základními způsoby uspořádání vnitřku ventilu.
 
První spočívá v řízení tlaku uvnitř ventilu rozkladem celkové tlakové ztráty na ventilu na několik dílčích stupňů, z nichž dílčí ztráta na prvním stupni je největší a na posledním nejmenší (obr. 2). Tím je zajištěno, že tlak v bodě vena contracta posledního stupně je dostatečně vysoko nad hodnotou Pv. Požadovaného účinku se přitom dosáhne jen tehdy, jsou-li jednotlivé stupně navzájem nezávislé. Mezi jednotlivými stupni uvnitř ventilu musí být tudíž ponechán dostatek prostoru, v němž se kapalina zotaví před vstupem do dalšího stupně. Odstupňování je dosaženo mnoha otvory vyvrtanými v kleci ventilu, kterými při zdvihu kuželky proudí kapalina. Otvory přitom mohou být tvarovány tak, aby se dosáhlo malé hodnoty koeficientu zotavení, která dále zmenšuje nebezpečí vzniku kavitace.
 
Druhou metodou je řídit rychlost průtoku kapaliny vnitřkem ventilu při použití expanzního prostoru v podobě mnoha zakřivených průtočných kanálků; často se hovoří o vnitřcích „s křivolakou dráhou“. V kanálcích s mnoha ohyby do pravého úhlu se pohybová energie kapaliny postupně utlumí, což ovšem vyžaduje mnohem větší počty ohybů, než je počet dílčích stupňů u předchozí metody s odstupňovanou tlakovou ztrátou. Cílem je řídit rozptyl energie uvnitř ventilu tak, aby bylo zajištěno, že tlak v kapalině neklesne pod hodnotu Pv. Nedostatkem této metody je, že vytvořit průtočné kanálky lze pouze v kleci se stěnou mnohem větší tloušťky, a tudíž i s větším vnějším průměrem. Vedle toho, že jsou dražší, jsou tyto ventily i rozměrnější, a proto mohou vzniknout potíže s jejich instalací.
 

Kritéria výběru ventilu s ohledem na kavitaci

Při výběru ventilů určených k použití tam, kde hrozí kavitace, lze volit ze dvou různých metod.
 
První z nich je založena na výpočtu tzv. kavitačního součinitele Kc. Jde o metodu podporovanou v doporučení ISA Recommended Practice RP75023, která používá součinitel Kc k předpovědi tlakové ztráty na vybraném vnitřku ventilu, a tudíž podmínek, při nichž může dojít ke vzniku kavitace. Úkolem je vybrat vnitřek ventilu s Kc stanovujícím hodnotu tlakové ztráty umožňující vznik kavitace větší, než bude tlaková ztráta, která skutečně nastane v praxi. Hodnota součinitele Kc závisí na mnoha skutečnostech, např. na uspořádání a rozměrech ventilu, profilu proudění, materiálu vnitřních částí ventilu a velikosti tlakové ztráty.
 
Alternativním kritériem používaným některými výrobci ventilů je omezení rychlosti proudění na výstupu na 23 m/s. Patrně jde o subjektivní číslo, vycházející ze zkušenosti a neodsouhlasené nezávislým orgánem, jako je např. ISA. Metodu obvykle doporučují výrobci ventilů s vnitřky konstruovanými na principu křivolaké dráhy a nelze ji použít pro vnitřní části ventilů s odstupňovanou ztrátou.
 
Stručně řečeno se metoda kavitačního součinitele zaměřuje na řízení tlaku, přičemž cílem je zajistit, že tlak ve vnitřních částech ventilu nikdy neklesne natolik, aby mohly vznikat a poté zanikat bubliny páry jako příčina kavitace. Metoda omezené rychlosti se naproti tomu jednouše zabývá rychlostí, kterou kapalina prochází mnoha ohyby, a tudíž nebere v potaz příčinu problému, a to jmenovitě tlak syté páry kapaliny.
 

Příčiny aerodynamického hluku

Příčinou aerodynamického hluku regulačních ventilů jsou Reynoldsova napětí neboli smykové síly vznikající v tekutině při turbulentním proudění. Vzhledem k větším srovnatelným rychlostem se velmi intenzivní hluk způsobovaný turbulentním prouděním obvykle vyskytuje především u ventilů řídících průtok plynů. Zdroji turbulence v potrubích vedoucích plyn jsou např. překážky v průtočné cestě, rychlá expanze nebo zpomalení velmi rychle proudícího plynu a změny směru jeho toku.
 
Ke snížení aerodynamického hluku se používají dva mechanismy, a to buď zmenšení rychlosti uvnitř ventilu, nebo zvýšení frekvence generovaného hluku. Zmenšením rychlosti plynu ve ventilu se zmenšuje jeho pohybová energie i účinnost přeměny dynamické energie proudícího plynu na hluk. Hluk představuje problém pouze tehdy, projde-li přes stěnu potrubí do vnějšího prostoru; zvýšit frekvenci hluku znamená zmenšit hluk, který je takto přenášen. Skutečností také je, že lidské ucho je relativně citlivější na nízké než na vysoké frekvence, takže zvýšení frekvence má za následek zdánlivý pokles intenzity hluku ventilu.
 
Do jaké míry projde hluk stěnou potrubí, závisí na hodnotě frekvence, na níž je intenzita generovaného hluku maximální, a přenosové funkci potrubí. Experimentálně bylo zjištěno, že spektrum aerodynamického hluku vznikajícího v regulačním ventilu má v zásadě tvar zvonu, kde maximální intenzitu má hluk na jedné centrální, tzv. špičkové frekvenci, od níž na obě strany klesají postranní pásma spektra. Hluk s vyššími frekvencemi má sklon putovat podél potrubí a jeho stěnou neproniká tak snadno, jak je patrné z obr. 3, znázorňujícího logaritmickou amplitudovou frekvenční charakteristiku příslušné mechanické soustavy.
 
U většiny konstrukcí regulačních ventilů se snížení úrovně jimi vytvářeného hluku dosahuje změnou jeho charakteristik. Například lze omezit tvorbu hluku u samého zdroje jak s použitím speciálních uspořádání vnitřních částí ventilu, tak i jeho pečlivým výběrem a dimenzováním. Konstrukce málo hlučných vnitřků ventilů prošly vývojem od vnitřků s vrtanými otvory posouvajícími špičkovou frekvenci hluku mimo slyšitelné pásmo po uspořádání založená na využití rozličných technik zahrnujících posouvání frekvence, odstupňování tlakové ztráty, tvarovaných kanálků ovlivňujících turbulenci, samostatných výtoků i zmenšování rychlosti provozního média.
 
Metoda snižování úrovně hluku s použitím vrtaných otvorů využívá skutečnost, že hluk na vyšších frekvencích se hůře přenáší do atmosféry. Menší průměr otvorů znamená vyšší výslednou frekvenci. Jestliže např. s otvory o průměru 1/4" je generován hluk s úrovní 92 dB(A) , s otvory o průměru 1/8" se za stejných podmínek dosáhne hodnoty 85 dB(A). Uvedená čísla nezávisejí na výrobci.
 
Moderní konstrukce vnitřních částí ventilu zmenší úroveň hluku generovaného uvnitř ventilu. Současně je ovšem také důležité použít osvědčené metody výběru typu i rozměrů ventilu, které zajistí, že rychlost média na výstupu z ventilu nebude natolik velká, aby byla příčinou hluku mnohem intenzivnějšího, než je hluk z vnitřku ventilu. Existují výrobci, kteří doporučují řídit se hladinou hluku v bodě vena contracta, a ignorují vlivy tělesa ventilu a potrubí. Takto specifikované hodnoty mohou být až o 15 dB(A) menší než skutečná hladina hluku generovaného tímto ventilem v praxi.
 
Vhodným příkladem konstrukce vnitřku regulačního ventilu, který při současném použití několika z uvedených metod poskytuje vynikající výsledky, je vložka typu Fisher® WhisperFlo® od firmy Emerson (obr. 4). Jejím význačným rysem je zvláštní tvar kanálku, který zmenšuje turbulenci proudění a minimalizuje hluk doprovázející tlakový ráz. Využívá se několikastupňová redukce tlaku dělící energii média mezi jednotlivé stupně a udržující ji jako celek na přijatelné úrovni.
Posunutím frekvenčního spektra se dosahuje maximálního útlumu hluku ve stěně potrubí, a tím snížení úrovně vyzařovaného hluku, a současně také zmenšení množství energie vyzařované na slyšitelných frekvencích. Proudy, kterými médium opouští vnitřek ventilu, zůstávají navzájem nezávislé, protože při jejich sloučení rostou úrovně hluku; to je něco, co je u vnitřků s křivolakou dráhou celkem běžné. Použitý princip rozšířeného prostoru vyrovnává objemovou expanzi plynu při poklesu tlaku a udržuje jeho rychlost v přijatelných mezích. Konstrukčně je ventil proveden tak, že daná vložka přesně zapadne do odpovídajícího tělesa ventilu, což také přispívá k menší hlučnosti.
 
Hladina zvukového tlaku aerodynamického hluku způsobovaného regulačním ventilem se počítá podle normy IEC 534-8-3. Jde o normu založenou na kombinaci fundamentálních teorií vytvořených vědními obory termodynamika a akustika. Z nich odvozené základní rovnice byly následně upraveny podle poznatků z experimentů. Norma, s použitím postupu o pěti krocích, určuje, jaká část z dané hladiny zvukového tlaku se dostane k hypotetickému pozorovateli nacházejícímu se na standardním místě, tj. ve vzdálenosti 1 m od ventilu po směru toku média a současně 1 m od vnějšího povrchu potrubí.
 
Jednou důležitou a často přehlíženou okolností je vliv, který má na celkový hluk generovaný ventilem rychlost, s jakou médium ventil opouští. Standardní výpočtové vztahy v normě IEC platí pro výstupní rychlost do 0,3 M (Machovo číslo). Nad touto hodnotou je třeba použít korekci zohledňující hluk generovaný ve výstupním kanálu ventilu. Například vypočítaný hluk ventilu s charakteristickým rozměrem tělesa 8" při výstupní rychlosti 0,25 M (tj. méně než 0,3 M uvedených v normě) je 84 dB(A). Zvolí-li se 6" ventil, rychlost na výstupu z ventilu překročí hodnotu 0,3 M, a je třeba přidat korekci 11 dB(A), čímž předpovídaný hluk ventilu při stejné jeho vnitřní části vzroste na 95 dB(A). Někteří výrobci ventilů využívající techniku křivolakých kanálků uvádějí, že tlakový spád na výstupní části ventilu by měl být menší než 480 kPa. Tato hodnota je ovšem empirická a standard ISA ji neuvádí.
 

Závěr

Je-li regulační ventil vybrán z hlediska kavitace nebo hluku nesprávně, může se předčasně porouchat anebo způsobovat problémy v oblasti bezpečnosti či životního prostředí. Povinnost dodat ventil „vyhovující danému účelu“ má výrobce; jsou to také výrobci, kdo se postará o výpočty potvrzující jimi provedený výběr. Příčinou problémů je vysoce technická povaha jak fenoménu kavitace, tak i hluku spolu se skutečností, že mnoho dodavatelů bude trvat na použití svých vlastních metod výpočtu, vycházejících z jimi provedených zkoušek, a na podporu svých tvrzení budou předkládat spoustu detailních technických dokumentů a důvodů.
 
Jestliže dodavatel, co se týče kavitace, chybuje, během času se to projeví. Špatný výběr ovšem již mezitím může způsobit větší než nezbytně nutné počáteční výdaje, popř. také zapříčinit poruchu ventilu a vynucenou odstávku výrobního zařízení.
 
Naproti tomu dokázat dodavateli, že nesprávně vypočítal budoucí hluk ventilu, může být obtížné pro nesčetné jiné zvuky vyskytující se v závodě, z nichž v praxi téměř jistě nelze izolovat hluk způsobený daným ventilem.
 
Aby bylo jisté, že o koupi ventilu bude rozhodnuto správně, je třeba ověřit, zda vybraný dodavatel ventilu zakládá výběr typu a rozměrů jím dodávaných regulačních ventilů na standardech garantovaných nezávislými organizacemi. Aby se uživatelé mohli rozhodovat snáze a rychleji, někteří výrobci již do svých nástrojů pro dimenzování ventilů zařadili požadavky obsažené v odpovídajících standardech. Takovým výrobcům je třeba dát přednost.
 
Steve Brame,
Emerson Processs Management,
Velká Británie
 
Z anglického originálu Know your valves, poprvé publikovaného v Hydrocarbon Engineering, July 2005; překlad a svolení k otištění Emerson Process Management, s. r. o.; úprava redakce.
 
Obr. 1. Příčiny kavitace (Pv– tlak syté páry)
Obr. 2. Odstupňování tlakové ztráty (P1– tlak před ventilem, P2– tlak za ventilem)
Obr. 3. Útlum hluku ve stěně potrubí (fc– mezní frekvence, f0– první rezonanční frekvence potrubí, fr– radiální frekvence)
Obr. 4. Vnitřní část ventilu Fisher WhisperFlo