KJEMIPRSOESSFAGET Pådragsorganer Sist revidert: 01.08.2013
MODUL PÅDRAGSORGANER Modulen har følgene innhold: Kompendium (dette dokumentet) Nettleksjon Nettoppgaver (inkludert i nettleksjonen) Skriftlig øvingsoppgave LÆRINGSMÅL Etter å ha gjennomført denne modulen skal du kunne: forklare hva pådragsorgan er e velge rett pådragsorgan til formålet skille mellom forskjellige ventiltyper og deres bruksområde forklare forskjellige aktuatortyper MÅL NEDSATT I LÆREPLANEN beskrive enhetsoperasjoner med tilhørende prosessutstyr og forklare virkemåten Beskrive virkemåten for måle-, styre og reguleringsutstyr Beskrive reguleringsprinsipper som er hensiktsmessige for prosesser 2
Innhold 1 Innledning... 4 2 Ventil som pådragsorgan... 5 2.1 Funksjon... 5 2.2 Karakteristikk... 5 2.3 Kapasitetsindeks... 7 2.4 Reguleringsventiler... 7 3 Ventiltyper... 9 3.1 Seteventil... 9 3.2 Dobbeltseteventil... 10 3.3 Spjeldventil... 11 3.4 Sluseventil... 11 3.5 Kuleventil... 12 3.6 Kulesegmentventil... 12 3.7 Kalottventil... 13 3.8 Membranventiler... 13 3.9 Treveisventiler... 14 3.10 Reduksjonsventil... 15 4 Aktuatorer... 16 4.1 Membranaktuator... 16 4.2 Sylinderaktuator... 16 4.3 Elektriske aktuatorer... 17 4.4 I/P-omformer... 17 4.5 Ventilstiller... 19 3
1 Innledning I de tidligere modulene har vi konsentrert oss om å hente inn informasjon fra prosesser ved hjelp av instrumenter. I denne modulen skal vi gå motsatt vei, vi skal påvirke prosesser slik at de får den tilstanden vi ønsker. For hva er poenget med å lese inn trykk, temperaturer og nivåer hvis vi ikke har noen mulighet til å påvirke disse til og nå ønsket verdi? Utstyr som er ment for å påvirke prosesser, kalles med en fellesbetegnelse pådragsorganer. Eksempler på slikt utstyr kan være ventiler, pumper, motorer, hydrauliske og pneumatiske sylindre. Det er vanskelig å styre en prosess uten bruk av pådragsorganer, og disse står derfor sentralt innenfor styrings- og reguleringsteknikk. Det er helt avgjørende at riktig type pådragsorgan er valgt for at en prosess skal fungere optimalt. Det betyr at vi må kjenne egenskapene til de forskjellige typer pådragsorganer for å kunne gjøre de riktige valgene. Denne modulen omhandler først og fremst ventiler. Et pådragsorgan de fleste er kjent med. 4
2 Ventil som pådragsorgan 2.1 Funksjon Ventiler brukes til å regulere strømning av mange typer medier som gass, væske og tørrstoffer i forskjellige prosesser. De kan enten være håndbetjente eller automatisk styrt av et styresystem. Det finnes også ventiler som bare har sikkerhetsfunksjoner og helst ikke skal betjenes i det hele tatt, for eksempel sikkerhetsventiler mot overtrykk. For å forstå hvordan ventiler fungerer og påvirker prosesser, kan det være nyttig å gjøre en sammenlikning mellom en elektrisk strømkrets og en væskestrømkrets. Figur 2.1 Sammenlikning av elektrisk strømkrets og væskestrømkrets. I den elektriske strømkretsen lager spenningskilden (batteriet) en elektrisk potensialforskjell som driver den elektriske strømmen i kretsen. Med R E kan vi øke eller minske kretsens elektriske motstand, noe som igjen fører til at strømmen varierer tilsvarende. I væskestrømkretsen lager pumpen en trykkforskjell inn og ut av pumpen (p 1 og p 2 ). Trykkforskjellen er en potensialforskjell tilsvarende den spenningskilden lager i en elektrisk krets. Potensialforskjellen i trykk driver væskestrømmen i kretsen. Med ventilen R V kan vi øke eller redusere væskestrømsmotstanden i kretsen, og dermed øke og minke væskestrømmen tilsvarende. De to strømningskretsene er prinsipielt like i virkemåte, selv om de bygger på forskjellige fysiske prinsipper. 2.2 Karakteristikk Ventiler er konstruert på forskjellige måter og basert på forskjellige fysiske prinsipper. Dette gir dem naturlig nok også forskjellige egenskaper. Dersom en ventil skal benyttes til reguleringstekniske formål, er det spesielt viktig å kjenne til forholdet mellom ventilåpning og gjennomstrømning. Dette forholdet kan vi lese ut av ventilkarakteristikken. 5
Vi skiller mellom tre hovedtyper karakteristikker: - Lineær: Forholdet mellom ventilåpning og mengde er konstant for hele området - Likeprosentlig: En endring i ventilåpning gir større og større virkning på gjennomstrømningen jo større ventilåpningen er. - Hurtigåpnende: En endring i ventilåpningen gir mindre og mindre virkning på gjennomstrømningen jo større ventilåpningen er. Figur 2.2 De tre hovedtypene ventilkarakteristikker; lineær, likeprosentlig og hurtigåpnende. Reguleringsteknisk er et lineært forhold alltid det beste. Da vil en like stor endring i ventilåpningen alltid bety en like stor endring i gjennomstrømningen. Dersom en endring fra 5 % til 10 % ventilåpning for eksempel gir 3 m 3 /h mer væske, vil en endring fra 85 % til 90% gjøre akkurat det samme. Forholdet blir likt uansett hvor på skalaen man befinner seg. Men det betyr ikke nødvendigvis at en lineær ventilkarakteristikk alltid er det riktige valget. Det kan være forhold i prosessen som gjør at karakteristikken i utgangspunktet er ulineær. Velger man en ventil med ulineær karakteristikk i "motsatt retning", kan disse i sum gi et lineært forhold. Figur 2.3 En ulineær prosess og en ulineær ventil kan i sum gi et lineært forhold. 6
2.3 Kapasitetsindeks Ventilens kapasitetsindeks (kv), forteller oss hvor stor vannmengde målt i m 3 /h, som strømmer gjennom helt åpen ventil når trykkfallet over ventilen er 1 bar og vannets temperatur er 20 o C. Figur 2.4 Måling av ventilens kapasitetsindeks (kv). Noen land bl.a. USA og England bruker en annen kapasitetsindeks med betegnelsen Cv. Prinsippet for måling av indeksen er det samme, men det brukes andre enheter under målingen. Vannmengden skal måles i gallons/min og trykkfallet over ventilen skal være 1 psi. Forholdet mellom kv og Cv er som følger: kv = 0,86 Cv 2.4 Reguleringsventiler En reguleringsventil består av to hoveddeler: Ventilen: Den enheten som sørger for en variabel struping av prosessmediet. Styreenhet: Den enheten som styrer ventilåpningen (kalles ofte aktuator). Vi skiller videre mellom to hovedtyper ventiler ut fra hvilken bevegelse vi må gjøre for å åpne eller lukke ventilen: Lineær bevegelse: Ventiler som regulerer gjennomstrømningen ved at spindelen beveger seg lineært. Dreiebevegelse: Ventiler som regulerer gjennomstrømningen ved at ventilakselen dreier seg. Figur 2.5 Reguleringsventiler består av en ventildel og en aktuatordel, hvor aktuatoren betjener ventilen. 7
Figur 2.6 Ventilen til venstre er en seteventil som åpnes eller lukkes med en lineær bevegelse, mens ventilen til høyre er en spjeldventil som åpnes eller lukkes med en dreiebevegelse. For å hindre at mediet slipper ut langs spindelen, går spindelen gjennom en pakkboks. Spindelen beveger seg i pakkboksen, noe som gjør at den slites over tid. Pakkboksen er derfor konstruert slik at den kan strammes. Dette gjøres med muttere på toppen av pakkboksstempelet. På undersiden av pakningene er det her en fjær. Fjæren sørger for at strammingen av pakkboksen ikke blir for hard. For hard stramming kan forårsake hakkete gange (hysterese), og i verste tilfelle kan spindelen bli sittende helt fast. Figur 2.7 Spindelen går gjennom en pakkboks som sørger for at prosessmediet (gass, væske etc.) ikke lekker ut langs spindelen. Pakkboksen blir slitt under bruk og kan derfor strammes slik at den holdes tett. 8
3 Ventiltyper 3.1 Seteventil En seteventil består av følgende hoveddeler: Sete Plugg Spindel Ventilhus Prinsippet for en seteventil er at åpningen gjennom ventilen justeres ved at spindelen trykker ned eller løfter opp en plugg i et sete, nesten slik som en kork tetter en vinflaske. Mediet som strømmer inn i ventilhuset trykkes gjennom åpningen mellom plugg og sete. Med forskjellige utforminger av pluggen kan vi tilpasse ventilkarakteristikken. Det betyr at seteventilen kan konstrueres slik at den gir en lineær ventilkarakteristikk, noe som gjør den godt egnet som reguleringsventil. Figur 3.1 Konstruksjon av en seteventil. Pluggens utforming bestemmer ventilens karakteristikk. Gjennomstrømningen skal alltid gå opp gjennom setet, og alltid i samme retning som pluggen beveger seg ved åpning. Hvis ventilen blir montert feil vei, slik at strømningen går ned gjennom setet, kan prosesstrykket bli større enn innstillingskraften på spindelen, og pluggen vil slå mot setet såkalt hammerslagseffekt. I verste fall vil ventilen ikke klare å åpne. 9
3.2 Dobbeltseteventil Seteventiler finnes i to typer; enkeltseteventil og dobbeltseteventil. Enkeltseteventilen har ett sete og én plugg, mens en dobbeltseteventil har to seter og to plugger. På en enkeltseteventil vil prosessmediet som strømmer gjennom ventilen, trykke mot pluggen. Det betyr at spindelen må trykke med en like stor kraft i motsatt retning for at pluggen skal stå i stille i en bestemt posisjon. En dobbeltseteventil har to seter og to plugger og er konstruert slik at prosessmediet strømmer opp gjennom det ene setet og ned gjennom det andre, samtidig. Dette medfører at ventilspindelen blir belastet med tilnærmet lik kraft i begge retninger og ventilen trenger mindre innstillingskraft. Ventilen kalles derfor en balansert ventil. I likhet med enkeltseteventilen, kan ventilkarakteristikken bestemmes ut fra pluggens utforming. Figur 3.2 I en enkeltseteventil trykker prosessmediet med en kraft opp mot pluggen. For at ventilen skal stå stille i en bestemt posisjon, må kraften på spindelen være like stor som kraften fra prosessmediet. Det kan være vanskelig å få begge pluggene til å stenge eksakt samtidig. Det gjør at dobbelseteventilen har større risiko for lekkasje av prosessmediet gjennom ventilen. Figur 3.3 I en dobbeltseteventil motvirker kreftene fra prosessmediet hverandre, slik at kraften som virker på spindelen blir lavere. 10
3.3 Spjeldventil Spjeldventiler brukes ofte til å håndtere store mengder i store rørdimensjoner. Diameteren på en spjeldventil er gjerne fra 50 til 3000 millimeter, og den kan anvendes i et bredt temperaturområde. Spjeldet og setet har ofte et lag eller pakninger av teflon for å sikre god tetting og at spjeldet ikke setter seg fast. Spjeldventiler har dårligere reguleringsegenskaper enn seteventiler, men brukes allikevel som reguleringsventil i noen prosesser. Det kan eksempelvis være i prosesser hvor mediet inneholder partikler som lett kan sette seg fast mellom plugg og sete i en seteventil. Spjeldventiler har likeprosentig karakteristikk. Figur 3.4 Spjeldventil. 3.4 Sluseventil Sluseventilen er en enkel og billig ventil. Den består av en plate som glir opp og ned i røret for å åpne og stenge. Sluseventilen har en hurtigåpnende ventilkarakteristikk, og allerede ved 15 % åpning strømmer halvparten av maksimal mengde gjennom ventilen. Derfor egner denne ventilen seg dårlig som reguleringsventil, men er en billig og enkel løsning dersom den bare skal åpne og lukke. Figur 3.5 Sluseventil. 11
3.5 Kuleventil Kuleventiler har en kule med hull i som kan dreies rundt i et ventilhus. Dersom hullet har samme diameter som røret, vil trykkfallet være svært lavt i åpen stilling. Kuleventiler brukes mye i prosesser hvor mediet inneholder faste stoffer. Den er godt egnet der det stilles store krav til tetthet ved høye prosesstrykk. Ventilen har likeprosentig karakteristikk og er dårlig egnet som reguleringsventil. Den genererer også mye støy under drift dersom den ikke står helt åpen. Kuleventiler benyttes derfor først og fremst som av/på-ventiler. Figur 3.6 Tverrsnitt av kuleventil. 3.6 Kulesegmentventil Kulesegmentventilen er en videreutvikling av kuleventilen, med den forskjellen at den bare har en halv kule som regulerer væskestrømmen. I tillegg er kanten på kulen utformet som "V", for å kunne regulere bedre enn kuleventilen. Denne utformingen påvirker ventilkarakteristikken. Kulesegmentventiler har ofte et belegg eller pakning av teflon for å gi god tetning og jevn bevegelse. På samme måte som kuleventilen, egner kulesegmentventilen seg svært godt for å håndtere tyktflytende væsker som for eksempel tremasse i papirproduksjon. Figur 3.7 Kulesegmentventil. 12
3.7 Kalottventil Kalottventilen likner kulesegmentventilen både i utforming og funksjon. I stedet for et kulesegment, har den en kalott som åpner og stenger for gjennomstrømning. Kalottventilen har lavt trykkfall og håndterer partikler i mediet og store gjennomstrømninger. Den krever små stengekrefter. Ventilhuset kan meget enkelt utstyres med teflonbelegg eller et keramisk materiale innvendig. Ventilen egner seg derfor godt til regulering av korrosive og slitende medier. Kalottventiler har lavere kostnad enn seteventiler, særlig når dimensjonene er store (over 100 mm). Kalottventiler brukes mye som reguleringsventil i papirindustrien. Figur 3.8 Kalottventil med sylinderaktuator. 3.8 Membranventiler Membranventilen regulerer gjennomstrømningen ved å presse et membran inn i røret. Ventilen finnes i to typer; med og uten terskel (sete). Terskelutgaven er godt egnet til gass, fordi den tetter helt mot terskelen og har lite trykkfall når den er helt åpen. Utgaven med rett gjennomløp (uten terskel) er godt egnet til tykkflytende medier. Membranventiler lages i mange forskjellige størrelser alt etter bruksområde. Figur 3.9 Membranventil. 13
3.9 Treveisventiler Treveisventiler brukes der det er behov for å dele eller å samle prosesstrømmer. Ved deling har ventilen ett innløp og to utløp, mens den ved samling har to innløp og et utløp. Treveisventilen for samling av prosessstrømmer brukes for eksempel når man skal blande kaldt og varmt vann. Treveisventilen justeres inn slik at vi får det blandingsforholdet mellom innløpene som gir ønsket temperatur i mediet på utløpet. Treveisventiler for industrielt bruk virker prinsipielt på samme måte som et blandebatteri for varmt og kalt vann. Figur 3.11 viser eksempel på en industriell treveisventil. Ventilen har to innløp (A og B), og et utløp (C). Prosessmediet som strømmer inn i innløp A blandes med prosessmediet fra innløp B. Blandingen på ventilens utløp blir prosessmediet C. Figur 3.10 Blandebatteriet på badet inneholder en treveisventil. Den har to innløp, et for varmt og et for kaldt vann, og et utløp for blandet vann. Ventilen i figur 3.11 er en seteventil med én plugg for hvert innløp. Begge pluggene er festet til samme spindel, slik at de beveges samtidig. Når den øvre pluggen åpnes lukkes den nedre pluggen like mye. Dersom den øvre pluggen for eksempel åpner 13 %, vil den nedre pluggen lukke 13 %. Treveisventiler har som oftest lineær karakteristikk Figur 3.11 Treveisventil for industrielt bruk med to innløp (A og B), og ett utløp (C). 14
3.10 Reduksjonsventil En reduksjonsventil er en selvregulerende ventil som regulerer (reduserer) trykket på ventilens utløp. Ventilen regulerer trykket ved hjelp av en plugg som tetter et sete (seteventil). Pluggen styres av en membran hvor trykket i prosessmediet presser fra undersiden, mens en manuelt justerbar fjær presser fra oversiden. Dersom fjærkraften er sterkere enn trykkraften fra mediet, beveger pluggen seg nedover og det oppstår en åpning mellom pluggen og setet. Prosessmediet begynner å strømme gjennom ventilen, og trykket på undersiden av membranen øker. Når fjærkraften og trykkraften på membranen er like stor, står pluggen stille og trykket på utløpet holdes konstant. Øker trykket i mediet, blir trykkraften på undersiden av membranen større enn fjærkraften, og pluggen begynner å bevege seg oppover. Ventilåpningen blir mindre og trykket reduseres til pluggen finner et nytt punkt hvor kreftene på over- og undersiden av membranen er i balanse. Det vil si at trykket på utløpet (p ut ) holdes konstant selv om forbruket og trykket på innløpet varierer. Det ønskede trykket på utløpet settes ved manuelt å justere i fjæren. Figur 3.12 Reduksjonsventil. 15
4 Aktuatorer 4.1 Membranaktuator En membranaktuator styrer ventilposisjonen ved hjelp av lufttrykk (styretrykk). Som navnet sier, har aktuatoren en membran. På den ene siden av membranen presser styretrykket, mens en fjær presser i motsatt retning på den andre siden. Når styretrykket endres, vil membranen bevege seg i den ene eller andre retningen inntil trykkraften og fjærkraften er i balanse. Membranen er festet til spindelen slik at spindelen vil bevege seg opp og ned sammen med membranen. På denne måten kan vi justere ventilposisjonen for ventiler med lineær bevegelse. Figur 3.13 Membranaktuator kontrolleres av et styretrykk som presser mot en fjær. Spindelen beveger seg opp eller ned når kraften fra styretrykket er høyere eller lavere enn fjærkraften. De fleste membranaktuatorer er konstruert slik at man kan velge hvilken vei fjæra skal virke. Dersom fjæra virker slik at ventilen stengers når trykket reduseres, sier vi at ventilen er "fail closed" (FC) eller "normally closed" (NC). Ved bortfall av luft eller en svikt i styresignalet går ventilen til lukket posisjon. Dersom ventilen er montert slik at fjæra virker i motsatt retning, sier vi at ventilen er "fail open" eller "normally open" (NO). Den går da til åpen posisjon ved bortfall av styresignal eller luft. 4.2 Sylinderaktuator En sylinderaktuator består av en sylinder med et stempel som beveger spindelen inn eller ut når den tilføres trykkluft. Sylinderaktuatoren er laget i to forskjellige utgaver; med eller uten fjærretur. Aktuator med fjærretur har en kraftig fjær som utgjør et mottrykk i motsatt retning av lufttrykket, tilsvarende som for membranaktuatoren. Den andre typen bruker trykkluft i begge retninger. Luften 16
blir styrt av en retningsventil alt ettersom ventilen skal åpne eller lukke. Denne typen ventil kan også ha en fjær for å returnere ved feil. På grunn av sin solide konstruksjon tåler sylinderaktuatorer mye høyere styretrykk enn membranaktuatorer. Dette gjør at sylinderaktuatoren får mye større skyvekraft enn membranaktuatoren, og at dimensjonene på stempelet kan reduseres. Selv om sylinderaktuatoren er lineær, omformes bevegelsen til dreiebevegelse ved hjelp av en armkonstruksjon. Figur 3.14 Sylinderaktuator uten fjærretur. 4.3 Elektriske aktuatorer Elektriske aktuatorer består normalt av en elektrisk motor og et gir, og finnes både med lineær og roterende bevegelse. Elektromotoren beveger ventilen mot åpen eller lukket posisjon ved å endre motorens dreieretning. Aktuatorer beregnet for av/på-ventiler har som regel to digitale styresignaler, ett for å åpne og ett for å lukke ventilen, mens aktuatorer for reguleringsventiler har et analogt styresignal som 4..20mA eller 0..10V. De fleste aktuatorene har også endeposisjonsbrytere som automatisk stopper motoren i åpen eller lukket endeposisjon. Vandringstiden fra lukket til åpen posisjon er betydelig lengre enn for de fleste andre aktuatortyper. Elektriske reguleringsventiler benyttes spesielt mye i ventilasjons-, klima- og varmeanlegg. Figur 3.14 Sylinderaktuator uten fjærretur. Figur 3.15 Eksempler på ventiler med elektriske aktuatorer. 4.4 I/P-omformer Det er svært vanlig å bruke luftstyrte reguleringsventiler i industrielle anlegg. Samtidig er det sjeldent at det finnes regulatorer eller styresystemer som kan levere et luftsignal. De fleste regulatorer leverer et elektrisk signal, for eksempel 4..20mA. Det betyr at styresignalet fra regulatoren må 17
omformes til et luftsignal før det når ventilen. En slik omforming gjøres ved hjelp av en I/Pomformer. De fleste I/P-omformere forsynes med 1,4 bar, og gir ut et trykk på 0,2..1 Bar ved 4..20mA på signalinngangen. Figur 3.16 I/P-omformer konverterer et elektrisk styresignal til et luftsignal. Det elektriske styresignalet kan for eksempel være 4 20mA eller 0..10V, mens lufttrykket ut er 0,2..1 Bar. I/P-omformere med høyere lufttrykk finnes også. Figur 3.17 Diagrammet viser forholdet mellom I/P-omformerens inngangssignal og utgangssignal. Signalområdet inn er 4..20mA. Tilsvarende lufttrykk ut er 0,2..1 Bar. Vi ser av kurven at et styresignal på 12mA vil gi et lufttrykk på 0,6 Bar. 18
4.5 Ventilstiller I forrige avsnitt så vi at en I/P-omformer gir ut et lufttrykk som er proporsjonalt med strømsignalet inn på omformeren. Dersom strømsignalet er 50 %, settes også lufttrykket til 50 %. Men er vi sikker på at ventilen faktisk står med 50 % åpning? Det er mange krefter som virker på en ventil, og disse kreftene varierer gjerne med variasjoner i mengden som strømmer gjennom ventilen. Trykkfallet over ventilen vil være svært forskjellig mellom åpen og nesten stengt stilling. Friksjonen i pakkboksen er også ofte med på å gi motkrefter mot ventilspindelen og skape hysterese spesielt når prosesstrykket er høyt og pakkboksen trenger å trekkes mer til (se kapittel 2.4). For å kompensere for variabel påvirkningen av krefter på ventilen, bruker vi en ventilstiller. En ventilstiller overvåker ventilens faktiske posisjon og sørger for at den er proporsjonal med utgangssignalet (strømsignalet) fra regulatoren. Dersom det oppstår et posisjonsavvik, gir ventilstilleren en tilbakemelding til I/P-omformeren slik at utgangstrykket kan kompenseres. Ventilstillere kalles også posisjonsregulator eller positioner (engelsk). Ventilstillere finnes både som rene pneumatiske regulatorer (luft inn og luft ut), og som elektro-pneumatiske regulatorer (strøm inn og luft ut). 19