Zawór napowietrzająco-odpowietrzający, trzystopniowy - Hawle nr kat. 9842
Zawór napowietrzająco-odpowietrzający, trzystopniowy - Hawle nr kat. 9842

Zawór odpowietrzająco-napowietrzający służy do automatycznego napowietrzenia i odpowietrzenia sieci wodociągowej lub kanalizacyjnej. W dalszej części artykułu odpowiem na najważniejsze pytania związane z odpowietrzaniem rurociągi i jego prawidłowym napowietrzaniu.

Jednym z typów zaworów odpowietrzających jest zawór nadmiarowy. Zawór ten jest jednak stosowany jako zawór bezpieczeństwa i montowany na górze zbiorników ciśnieniowych, aby zapewnić ochronę przed wzrostem ciśnienia. Zawory te zostaną omówione w odrębnym artykule.

1.    JAK POWIETRZE DOSTAJE SIĘ DO INSTALACJI?

Powietrze dostaje się do instalacji w miejscach, gdzie ciśnienie wewnętrzne jest bliskie ciśnieniu atmosferycznemu. Instalacja jest podatna na zbieranie się powietrza pochodzącego z cieczy, pomp oraz uszczelnień w połączeniach. Woda zawiera również w przybliżeniu 2% rozpuszczonego powietrza lub gazu, ale może zawierać więcej, w zależności od ciśnienia cieczy i temperatury. Obniżenie ciśnienia i wzrost temperatury powoduje uwolnienie powietrza z wody do instalacji. Powietrze gromadzi się w kieszeniach w wysokich punktach wzdłuż systemu przewodów rurowych.

 W instalacjach ściekowych może występować więcej powietrza, ze względu na rozkład materiałów w ściekach.

Najczęstsze przyczyny występowania powietrza w instalacji to:

  • powietrze pozostało w instalacji z powodu złego napełniania rurociągu,
  • powietrze zasysane jest przez instalacje, gdy poziom wody znajduje się poniżej osi pompy (należy stosować zawory zalewowe i pamiętać, aby pompa była cały czas zalana i prawidłowo odpowietrzona),
  • powietrze dostaje się do instalacji w momencie startu pompy,
  • powietrze wytwarzane jest przez wirnik pompy (najczęściej przy pracy w złych warunkach napływu na pompę, jest to szczególnie szkodliwe dla wirnika i wpływa na wydajność pompy).

2.    DLACZEGO STOSUJEMY ODPOWIETRZENIE INSTALACJI?

Jak są najważniejsze skutki zapowietrzenia rurociągu ciśnieniowego:

  • korek powietrzny i gazowy w ściekach może zmniejszyć przepływ cieczy w instalacji poprzez zmniejszenie pola powierzchni przekroju poprzecznego rury,
  • zmniejszenie pola powierzchni przekroju poprzecznego rury powoduje spadek wydajności i sprawności pomp, a w niektórych przypadkach może nawet dojść do zatrzymania przepływu,
  • zwiększenie strat w instalacji wymaga zwiększenia mocy pompy, zwiększają się koszty zużycia energii elektrycznej przez pompy.
  • hałas w instalacji,
  • tlen wchodzi w reakcję z żelazem i powoduję korozje rur,
  • korek powietrzny, który tworzy się w rurociągu stanowi dodatkowe opory hydrauliczne,
  • złe chłodzenie i smarowanie powoduje zużywanie się łożysk i uszczelnień pompy,
  • przy zbyt szybkim odpływie wody może dojść do wytworzenia się podciśnienia. Takie przypadki zdarzają się przede wszystkim przy opróżnianiu rurociągów lub przy pęknięciach rur. Takie samo zjawisko występuje w przypadku wyłączenia pomp oraz za armaturą zamykającą, jak np. za zaworem odcinającym lub zaworem zwrotnym, tu strumień wodny zostaje nagle zerwany, wskutek czego wytwarza się podciśnienie pomiędzy armaturą a odpływającym strumieniem wody. W takim przypadku przez zawór napowietrzająco-odpowietrzający musi zostać doprowadzona do rurociągu wystarczająca ilość powietrza, aby podciśnienie zostało ograniczone na tyle, by rurociąg nie uległ uszkodzeniu.
Rysunek 1. Opracowanie własne. Na górnym rysunku widać korek powietrzny w najwyższym punkcie instalacji. Na dolnym rysunku widać korek powietrzny w rurociągu opadającym.  HL – dodatkowa wysokość oporów do pokonania
Rysunek 1. Opracowanie własne. Na górnym rysunku widać korek powietrzny w najwyższym punkcie instalacji. Na dolnym rysunku widać korek powietrzny w rurociągu opadającym. HL – dodatkowa wysokość oporów do pokonania

3.    JAK USUNĄĆ POWIETRZE Z INSTALACJI?

Powietrze możemy usunąć dwoma metodami.

Metoda pierwsza – zwiększenie prędkości przepływu cieczy oraz mocy pompy

Korek powietrzny i gazowy w ściekach może zmniejszyć przepływ cieczy w rurociągu poprzez zmniejszenie pola powierzchni przekroju poprzecznego rury. W momencie kiedy prędkość przepływu cieczy będzie większa od prędkości krytycznej powietrza i gazów powietrze zostanie przepchnięte przez rurociąg. Dodatkowa strata wysokości oznaczona HL (rys. 1) zmniejsza przepływ cieczy i zwiększa zużycie energii wymaganej do pompowania cieczy oraz powoduje szybsze zużywanie podzespołów pomp.

Dzięki zwiększeniu mocy pompy strumień wody może przepchnąć powietrze z instalacji.

Poniżej przedstawiam wymaganą prędkość przepływu cieczy, aby usunąć powietrze z instalacji:

Tabela 1. Wymagana prędkość przepływu przy danych spadku instalacji, aby usunąć powietrze z instalacji oraz gazy ze ścieków. Źródło https://www.valvemagazine.com/

Metoda druga – zastosowanie zaworów odpowietrzająco-napowietrzających

Zawory napowietrzająco-odpowietrzające są urządzeniami hydromechanicznymi tzn. pod wpływem wody lub ciśnienia panującego w rurociągu wprawiony jest w ruch pływak, który zwiększa światło otworu. W zależności od ciśnienia lub podciśnienia panującego w rurociągu, następuje uwolnienie powietrza lub zassanie powietrza.

Podstawowe zadania zaworów:

  • odprowadzanie małych ilości powietrza pod ciśnieniem roboczym,
  • odprowadzanie dużych ilości powietrza,
  • doprowadzanie dużych ilości powietrza (opróżnienie rurociągu i zabezpieczenie przed pęknięciem rury).

4.    TYPY ZAWORÓW. JAK DZIAŁA ZAWÓR?

  • Zawór napowietrzający,

– Pływak służy do otwierania zaworu w celu wpuszczenia powietrza, gdy następuje opróżnianie rurociągu i ciśnienie w rurze spadnie poniżej ciśnienia atmosferycznego,
– Zawory te są przeznaczone również do zainstalowania na wyjściu z pomp turbinowych, aby umożliwić dopływ powietrza do kolumny pompy.

Zawór odpowietrzający,

Zawory te wykorzystują pływak, aby powoli się otwierać i stale usuwać nagromadzone powietrze.

  • Zawór kombinowany odpowietrzająco-napowietrzający.

Zawory te pełnią dwie funkcje: otwieranie w celu wpuszczenia dużej ilości powietrza, gdy powstają podciśnienia podczas opróżniania rurociągu, oraz w celu usunięcia dużych ilości powietrza, gdy rura jest napełniana i powietrze gromadzi się w jej najwyższych miejscach. Przepływ powietrza do środka i na zewnątrz jest kontrolowany przez pojedynczy duży otwór. Powierzchnie otworu dobieramy z nomogramów producenta.

Zawory napowietrzająco-odpowietrzające dostępne są w wersji:

w zależności od funkcji:
– dwufunkcyjne – napowietrzająco – odpowietrzające,
– jednofunkcyjne – odpowietrzające.

w zależności od sposobu zabudowy:
– do zabudowy nadziemnej,
– do zabudowy podziemnej.

w zależności od stopnia odpowietrzania:
– jednostopniowe,
– dwustopniowe,

Rysunek 2.1. Przykład działania zaworu dwustopniowego Hawle nr kat. 9876 DN 2”

– trzystopniowe.

Rysunek 2.2. Przykład działania zaworu trzystopniowego Hawle nr kat. 9842

5.    TRZY WAŻNE ZAGADNIENIE ZWIĄZANE Z ZAWORAMI NAPOWIETRZAJĄCO – ODPOWIETRZAJĄCYMI

  • Odpowiednie zaprojektowanie sieci, aby umożliwić powietrzu zebranie się w najwyższych punktach. Niekorzystne jest projektowanie długiego rurociągu tłocznego poziomego lub z minimalnym spadkiem. Długi rurociąg tranzytowy powinien zostać zaprojektowany jako falisty. Takie ukształtowanie rurociągu pozwoli akumulować powietrze w najwyższych punktach i odpowietrzenie przez zawór.

Oczywiście należy podejść do tego racjonalnie i w krótkich odcinkach do 1000 m nie należy sztucznie tworzyć układu ze wzniesieniami. Instalację należy zawsze projektować do warunków terenowych, pamiętając, że płaski rurociąg jest niekorzystny. Przy płaskiej wznoszącej strukturze rurociągu, należy projektować zawory odpowietrzające na rurociągu wznoszącym co ok 400-800 m.

  • Wybranie odpowiedniego typu zaworu (odpowietrzenie lub napowietrzenie rurociągu, ochrona przed pęknięciem rury),
  • Właściwe usytuowanie zaworów oraz dobór średnicy.

6.    W JAKICH UKŁADACH STOSUJEMY ZAWORY NAPOWIETRZAJĄCO – ODPOWIETRZAJĄCE?

  • Pompownie wodociągowe i przeciwpożarowe:

– odpowietrzenie układu oraz zabezpieczenie przed wzrostem podciśnienia w rurociągu

Zdjęcie 3: Źródło: https://www.pumpindustry.com.au/tende-design-and-construction-of-sewage-pump-station-upgrades

Sieci wodociągowe i kanalizacyjne:

– odpowietrzenie układu oraz zabezpieczenie przed wzrostem podciśnienia w rurociągu

Zdjęcie 4: Źródło: fotografia A. Masłowski

7.    GDZIE NALEŻY LOKALIZOWAĆ ZAWORY?

Odpowietrzanie rurociągu przez zawór napowietrzająco-odpowietrzający

Na ogół możemy oczekiwać poduszek powietrznych tam, gdzie mogą pojawić się niskie ciśnienia robocze, niższe niż w sąsiadujących odcinkach rurociągu.

A) w każdym najwyższym punkcie sieci,
B) w każdym lokalnym najwyższym punkcie,
C) na długich wznoszących się lub opadających trasach rurociągów (zaleca się zabudowę zaworów w odstępach co ok. 400-800 m),
D) za pompami i przed miejscami dławienia przepływu.

Napowietrzanie rurociągu przez zawór napowietrzająco-odpowietrzający

Rurociąg poddaje się napowietrzaniu w każdym zagrożonym przez podciśnienie miejscu, jak np.:
E) za armaturą szybkozamykającą się (zabezpieczenie przed pęknięciem rury – RBS).

Na rurociągu ssawnym zasilanym ze zbiornika grawitacyjnego

Rysunek 5. Opracowanie własne – Schemat rozmieszczenia zaworów napowietrzająco – odpowietrzających w układzie pompowni z odcinkiem grawitacyjnym doprowadzającym wodę ze zbiornika
A – lokalizacja zaworu w najwyższym punkcie instalacji
B – lokalizacja zaworu w lokalnych przewyższeniach
C – lokalizacja zaworu na długich odcinkach wznoszących lub opadających co 400-800 m
D – lokalizacja zaworu za pompami i przed miejscami dławienia przepływu
E – lokalizacja za armaturą szybkozamykającą się (zabezpieczenie przed podciśnieniem i pęknięciem rury – RBS)
  • w pompowniach wodociągowych i przeciwpożarowych w najwyższych punktach instalacji
Rysunek 6. Opracowanie własne – schemat pompowni wodociągowej.
1 – rurociąg ssawny, 2 – zasuwa odcinająca na ssaniu, 3 -pompa, 4 – napęd pompy, 5 – zawór zwrotny, 6 – zasuwa/przepustnica odcinająca na tłoczeniu, 7 – rurociąg tłoczny, 8 – zawór odcinający, 9 – zawór odpowietrzająco – napowietrzający, 10 – budynek pompowni.
(Źródło bloków armatury i pomp w DWG: Fabryka Armatury Hawle Spółka z o.o., KSB)
  • Na rurociągu tłocznym wznoszącym
Rysunek 7. Opracowanie własne – Schemat rozmieszczenia zaworów napowietrzająco – odpowietrzających w układzie pompowni z odcinkiem wznoszącym.
A – lokalizacja zaworu w najwyższym punkcie instalacji
B – lokalizacja zaworu w lokalnych przewyższeniach
C – lokalizacja zaworu na długich odcinkach wznoszących lub opadających co 400-800 m
D – lokalizacja zaworu za pompami i przed miejscami dławienia przepływu
  • Na rurociągu tłocznym opadającym
Rysunek 8. Opracowanie własne – Schemat rozmieszczenia zaworów napowietrzająco – odpowietrzających w układzie pompowni z odcinkiem opadającym
A – lokalizacja zaworu w najwyższym punkcie instalacji
C – lokalizacja zaworu na długich odcinkach wznoszących lub opadających co 400-800 m
D – lokalizacja zaworu za pompami i przed miejscami dławienia przepływu

8.    PODSTAWOWE PARAMETRY DOBORU

Typową praktyką projektantów jest dobór zaworu w odniesieniu do średnicy zaworu i powierzchni ujścia powietrza, bez dalszej analizy ilości gromadzonego powietrza.

Podstawowe zagadnienia do analizy w trakcie doboru zaworu:

– otwór napływu powietrza – wielkość otworu wlotowego musi gwarantować prawidłowe napowietrzanie rurociągu w momencie zatrzymania pompy, awarii pompy lub rurociągu. Odpowiednia ilość powietrza wlotowego zapewnia zabezpieczenie rurociągu przez uszkodzeniem z powodu podciśnienia,

– napowietrzenie rurociągu – doboru należy wykonać w oparciu o karty katalogowe producenta; W typowych układach tłocznych armatura, uszczelnienia i rurociągi nie gwarantują należytego zabezpieczenia przed podciśnieniem i uderzeniami hydraulicznymi, dlatego należy zapewnić odpowiedni dopływ powietrza przy opróżnianiu rurociągu,

– otwór ujścia powietrza i odpowietrzenie rurociągu – wielkość otworu wylotowego musi gwarantować prawidłowe odpowietrzenie rurociągu z dużą wydajnością w momencie startu pompy i napełniania rurociągu oraz automatyczne odpowietrzenie z małą wydajnością w trakcie normlanej pracy instalacji.

Kryteria doboru opierają się na określeniu szybkości napełnienia rury, ilości powietrza i ciśnienia zapadania się rury oraz odporności rurociągu na podciśnienia i powstające naprężenia.

Poniżej przedstawiamy wstępny dobór zaworu na podstawie średnicy rurociągu tłocznego:

Tabela 2. Przybliżony dobór średnicy zaworu

Poniższy wykres przedstawia, jaki związek zachodzi pomiędzy wydajnością odpowietrzania zaworu i ciśnieniem w zaworze

Poniższy wykres przedstawia, jaki związek zachodzi między wydajnością napowietrzania a występującym wówczas podciśnieniem w zaworze.

Przykłady:

a) wydajność odpowietrzania zaworu 1” przy ciśnieniu 5 bar: ≈ 6 m3/h
b) wydajność odpowietrzania zaworu 9876 – 2” przy ciśnieniu 0,05 bar: ≈ 180 m3/h
c) wydajność odpowietrzania zaworu 9876 – 2” przy ciśnieniu 5 bar: ≈ 7,5 m3/ h
(ponieważ strumień powietrza zamyka duży otwór)
c) wydajność napowietrzania zaworu 9876 – 2”: ≈ 550 m3/h

Przy wykresach i obliczeniach dla doboru wielkości zaworów bądź ich wolnych przekrojów przepływu wychodzi się z następujących założeń:

a) Odpowietrzanie przy napełnianiu rurociągu:

  • maksymalne uderzenie hydrauliczne przy zamykaniu armatury napowietrzająco-odpowietrzającej zostaje ograniczone do 3 bar (wartość ta odpowiada maksymalnej prędkości przepływu w rurociągu równej 0,25 m/s),
  • przyjmuje się szybkość rozchodzenia się fal ciśnieniowych w rurociągu jako równą a = 1200
    m/s,
  • maksymalna prędkość przepływu w wolnym przekroju armatury napowietrzająco-odpowietrzającej zostaje ograniczona do VE = 20 m/s, ponieważ zbyt duża prędkość przepływu powietrza mogłaby porwać ze sobą pływak zaworu i w ten sposób zawór zostałby zamknięty jeszcze przed właściwym wystąpieniem procesu odpowietrzania.

b) Napowietrzanie przy opróżnianiu rurociągu:

  • absolutne ciśnienie w rurociągu zostaje ograniczone do pR = 0,95 bar (= „podciśnieniu” o wartości 0,05 [bar]),
  • współczynnik oporów armatury napowietrzająco-odpowietrzającej wynosi µ = 0,52.

Wykres 1: Napełnianie rurociągu

Wykres 2: Opróżnianie rurociągu

Przykład doboru armatury napowietrzająco-odpowietrzającej dla rurociągu o średnicy wewnętrznej di = 200 [mm] mamy znaleźć wymaganą wielkość zaworu napowietrzająco-odpowietrzającego.

– Napełnianie rurociągu:

Zgodnie z wykresem 1 rurociąg o di = 200 mm musi być wyposażony w zawór napowietrzająco-odpowietrzający o wolnym przekroju przepływu przynajmniej 400 mm2. Przepływ w rurociągu może wynosić maksymalnie 8 l/s.

– Opróżnianie rurociągu:

Z wykresu 2 wynika, że dla wolnego przekroju przepływu równego 400 mm2 przy opróżnianiu dopuszczalny jest maksymalny przepływ ~ 19 l/s.

Oznacza to, że jeden zawór napowietrzająco-odpowietrzający Hawle nr kat. 9864 (A = 480 mm2) przy przyjętych założeniach może sprostać napowietrzeniu potrzebnych lub odpowietrzeniu zbędnych w rurociągu DN 200 ilości powietrza.

Do pobrania:

Przykład zabudowy podziemnej zaworu zaworu na sieci kanalizacji tłocznej – DWG Auto CAD 2004
Przykład zabudowy podziemnej zaworu zaworu na sieci wodociągowej – DWG Auto CAD 2004
Darmowe rysunki DWG będą do pobrania w drugie części artykułu pt. „Przykłady zabudowy zaworów napowietrzająco – odpowietrzających w dwg Auto CAD”. Artykuł zostanie opublikowany w przyszłym tygodniu. Zapraszam za kilka dni 🙂
Pobierz tutaj: Zestawienie zaworów napowietrzająco-odpowietrzających

Opracował

mgr inż. Adam Masłowski przy współpracy z Fabryką Armatury Hawle Spółka z o.o.

Źródła:
Strony internetowe:
http://www.hawle.pl/
https://www.valvemagazine.com/
Katalogi techniczne i artykuły:
– Poradnik techniczny Fabryki Armatury Hawle Spółka z o.o. „Zawory napowietrzająco odpowietrzające do wody nieuzdatnionej, wody pitnej, a także do ścieków komunalnych i przemysłowych Informacje dla projektantów i techników”,
– Radosław Szeinig Kierownik Działu Technicznego Fabryki Armatury Hawle Spółka z o.o. „Zawór napowietrzająco-odpowietrzający Hawle” – Wodociągi – Kanalizacja nr 9/2014,
– American Water Works Association, VALVE Magazine, “Why Air Valves are Needed in Water Applications,” Spring, 2017,
– American Water Works Association, AWWA C512-2015, Air Release, Air/Vacuum, and Combination Air Valves for Water and Wastewater Service,
– American Water Works Association, AWWA M51, 2nd ed., Air Valves: Air Release, Air/Vacuum, and Combination, 2016.

2 KOMENTARZE

  1. […] Jest to druga część artykułu z tematyki zaworów niezapowietrzająco-odpowietrzających.W pierwszym artykule omówiłem zagadnienia związane z gromadzeniem się powietrza w instalacji oraz poprawną lokalizacją zaworów. Cały artykuł znajdziecie poniżej:Jak dobrać zawory napowietrzająco – odpowietrzające do sieci wodociągowych i kanalizacji >P… […]

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here