Двухходовой регулирующий клапан: принцип работы, виды

Условный диаметр

Регулирующая арматура никогда не подбирается по диаметру трубопровода. Однако диаметр трубопровода до и после клапана необходимо рассчитывать для подбора обвязки регулирующих клапанов. Так как регулирующий клапан подбирается по величине Kvs, часто условный диаметр клапана оказывается меньше условного диаметра трубопровода, на котором он установлен, особенно при большом перепаде на клапане. В этом случае допускается выбирать клапан с условным диаметром меньше условного диаметра трубопровода на одну-две ступени. При большей разнице рекомендуется использовать клапаны с пониженной пропускной способностью Kvs. Данное решение позволяет снизить стоимость оборудования, а также при таком подборе оборудование оказывается более компактным по габаритам и массе.

• w — рекомендуемая скорость потока среды, м/c;
• Q — рабочий объемный расход среды м3/ч;
• d — диаметр трубопровода, м.

Пропускная способность регулирующего клапана kv/kvs

Регулирующий клапан — это вид трубопроводной арматуры наиболее часто применяемый для регулирования расхода и давления.
Правильный подбор регулирующего клапана является необходимым условием для обеспечения нормальной работы трубопроводной системы. Подбор регулирующего клапана сводится к определению его пропускной способности, при которой на заданном расходе будет дросселирован заданный избыток напора. Пропускная способность регулирующего клапана характеризуется коэффициентом пропускной способности Kv. Коэффициент Kv равен расходу рабочей среды с плотностью 1000 кг/м3 через клапан при перепаде давления на нем 0,1 МПа.

Формулы для определения коэффициента Kv различаются для различных типов среды и величин давления, формулы для расчета Kv представлены в таблице 1.

Таблица 1.

• P1 — давление на входе клапана, бар;
• P2 — давление на выходе клапана, бар;
• dP=Р1 – Р2 — перепад давления на клапане, бар;
• t1 — температура среды на входе, 0C;
• Q — расход для жидкости, м3/ч;
• Qn — расход для газов при Н.У., нм3/ч;
• G — расход для водяного пара, кг/ч;
• ρ — плотность кг/м3 (для газов плотность при Н.У. кг/нм3)

Величина Kv умножается на коэффициент запаса k1 (который обычно принимается в диапазоне 1,2-1,3): Kvs=k1*Kv. И получаем величину Kvs – условная пропускная способность клапана.

По рассчитанному значению Kvs, по каталогам производителей, подбирается регулирующий клапан с максимально близким большим значением Kvs c учетом рекомендуемого диаметра.

При подборе регулирующего клапана так же рекомендуется определять условный диаметр клапана и проводить проверку на возникновение кавитации.

Условный диаметр регулирующего клапана

Регулирующая арматура никогда не подбирается по диаметру трубопровода. Однако диаметр необходимо определять для подбора обвязки регулирующих клапанов. Так как регулирующий клапан подбирается по величине Kvs, часто условный диаметр клапана оказывается меньше условного диаметра трубопровода, на котором он установлен. В этом случае допускается выбирать клапан с условным диаметром меньше условного диаметра трубопровода на одну-две ступени.

Определение расчетного диаметра клапана ведется по формуле:

• d — расчетный диаметр клапана в, мм;
• Q — расход среды, м3/час;
• V – рекомендуемая скорость потока м/с.

Рекомендуемая скорость потока:

• жидкость – 3 м/с;
• пар насыщенный – 40 м/с;
• газ (при давлении < 0,001 МПа) – 2 м/с;
• газ (0,001 – 0,01 МПа) – 4 м/с;
• газ (0,01 – 0,1 МПа) – 10 м/с;
• газ (0,1 – 1,0 МПа) – 20 м/с;
• газ ( > 1,0 МПа) – 40 м/с;

По расчетному значению диаметра (d) выбирается ближайший больший условный диаметр клапан Ду.

Проверка клапана на кавитацию

Кавитация — процесс образования и последующего схлопывания пузырьков вакуума в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, что в свою очередь приводит к преждевременному износу элементов регулирующей арматуры.

Для определения возможности возникновения кавитации на клапане проверяется условие: dP ≤ 0,6P1.

Условное давление

Условное давление Ру является единственным параметром для изготовляемой арматуры, гарантирующим ее прочность и учитывающим как рабочее давление, так и рабочую температуру. Условное давление соответствует допустимому рабочему давлению для данного вида арматуры при нормальной температуре (20 оС). При повышении температуры механические свойства конструкционных материалов ухудшаются, поэтому для арматуры с высокой рабочей температурой допустимые рабочие давления ниже, чем условные. Это снижение зависит от материала деталей арматуры и температурной зависимости прочностных свойств этого материала. Чем выше рабочая температура, тем ниже максимальное рабочее давление при одном и том же значении условного давления.

Ниже приведены таблицы зависимости максимального рабочего давления в зависимости от температуры для различных материалов исполнения:

2.9. Расчет регулирующих клапанов

При расчете регулирующих клапанов необходимо рассмотреть все основные характеристики и свойстваклапана. Это касается главных вопросов выбора материала корпуса, материала сальника, определения условного давления и присоединительных размеров. Процесс выбора такой же, как и у обычных запорных клапанов.

Кроме того, для регулирующей арматуры нужно подобрать соответствующую дроссельную систему с учетом перепада давления и других условий расхода среды через клапан (кавитация, испарение среды, абразивные включения, течение сжимаемых сред при сверхкритическом перепаде давления и т. д.), а также привод, который в определенной степени влияет на исполнение клапана (разгруженный, неразгруженный, прямой, реверсивный). Вышеназванное является главным критерием для выбора конструктивного исполнения клапана.

Сделав выбор, можем уделить внимание расчету регулирующих свойств клапана.

Основной функцией регулирующей арматуры является регулирование расхода или потери давления в трубопроводной системе до заданного значения посредством переменного коэффициента расхода. Регулирующая арматура в отрегулированной системе в действительности показывает не то значение коэффициента расхода Kvs, на которое была рассчитана, а такое моментальное значение коэффициента расхода или потерь, которое установлено регулятором после достижения требуемого регулируемого значения. Это значит , что в конкретный момент находится значение коэффициента расхода между нулем (положение закрыто) и условным значением (полностью открыто). Плавность и тонкость регулирования заданы положением рабочей точки на регулирующей характеристике управляемого процесса, значит , как было указано выше, в значительной степени зависят от моментального положения рабочей точки на расходной характеристике регулирующей арматуры и всей системы (значительное влияние авторитета).

Рабочая кривая потребителя протекающей среды, следовательно, зависимость регулируемой величины от расхода среды через потребитель, определяет положение рабочей точки на расходной характеристике системы. В случае если не существуют точной зависимости, целесообразно определить, как минимум, три основных рабочих состояния при максимальном, номинальном и минимальном расходе среды. Гидравлические потери давления всей трубопроводной сети, вычтенные из моментальной доступной разности давления на источнике, определяют при данном отборе доступное давление на регулирующем клапане, которое будет этим клапаном переработано. Необходимо подчеркнуть, что гидравлическая потеря трубопроводной системы не постоянная, а квадратически зависимая от расхода среды через эту систему. Следует иметь в виду, что характеристика источника тоже непостоянная, но, благодаря внутреннему сопротивлению источника, падает доступный перепад давления на источнике (высота напора насоса и т. д.). Исходя из вышесказанного, необходимо уделить большое внимание определению доступного давления p на регулирующем клапане.

В каждом из трех состояний будет другой перепад давления на клапане, поэтому для каждого из них нужно отдельно рассчитать Kv коэффициент клапана. И только после обсуждения всех результатов расчетов можем выбрать Kvs коэффициент клапана. Но предварительно следует ответить на вопросы:

— Действительно ли требуется вычисленный максимальный расход через клапан?

— Есть ли необходимость в этом состоянии еще регулировать (повышать расход в зависимости от других регулирующих параметров)?

— Что случится , если не будет достигнуто требуемого расхода?

— Где находится рабочая точка (ход при выбранной характеристике) клапана при регулировании условного расхода?

— Где располагается рабочая точка клапана при регулировании минимального количества?

— Реально ли регулировать одним клапаном максимальный и минимальный расход?

— Что случится, если не буду способен регулировать минимальное количество?

— Что лучше — недостижение максимального или минимального расходов?

Несмотря на то, что предыдущие вопросы могут показаться опытным проектантам само собой разумеющимися, полезно их задать, т. к. в них содержится не только расчет при условных значениях, но и реальное рабочее состояние при частичной загрузке, которое на практике создает проблемы, касающиеся качества регулирования, особенно в горячеводных установках.

И только теперь можем выбрать значение Kvs. В случае необходимости достижения максимального расхода рекомендуем повысить данное значение на 25 до 30%, что включает в себя как возможное отрицательное отклонение максимального Kv значения от Kvs (-10%), так и деформацию расходной характеристики (гидравлические потери и падение давления источника, засорение фильтра, авторитет вентиля). Повышение значения Kvs необходимо в случаях, особенно в технологических процессах, когда требуется от оборудования определенная способность выдерживать перегрузки.

В реальной практике в отоплении, наоборот, чаще рекомендуется выбирать Kvs значение ближайшее низшее, так как нередко не проводятся ни тепловые, ни гидравлические расчеты, напорные и расходные отношения, к сожалению, отгадываются, причем здесь проявляется тенденция подстраховки. Если первое завышение размеров отопительной системы начинается при расчетах тепловых потерь, продолжается при выборе теплоотдающей поверхности, трубопроводной сети, заканчивается источником тепла, то не удивительно, что процентное завышение отопительной системы бывает довольно высоким. Кроме того, большее влияние на изменение мощности оказывает температура подачи или температурный градиент, чем расход. Поэтому вышеупомянутая подстраховка оказывается лишней. После выбора Kvs желательно проконтролировать регулирующий диапазон клапана. Если отношение Kvs/Kvs min

приближается или даже превышает значение теоретического регулирующего отношения клапана, следует задуматься, как избежать проблемы с регулированием минимального количества. Прежде всего, следует установить, существует ли возможность повышения авторитета клапана. Существуют две возможности: повысить давление источника в области полной мощности или снизить гидравлические потери на трубопроводной трассе. При отсутствии таких возможностей следует использовать более качественный вентиль с высшим регулирующим отношением (при наличии) или решить регулирование минимального количества при помощи меньшего клапан, параллельно присоединенного к главному клапану (параллельно включенные клапана).

О критериях выбора расходной характеристики уже упоминалось раньше. Прежде всего, необходимо позаботиться, чтобы регуляция работала хорошо и в полном диапазоне, т. е., чтобы регулирующая характеристика всего управляемого процесса приближалась к идеальной линейной зависимости. Если это невозможно, следует выбрать приоритетное рабочее состояние. Линейная характеристика больше подходит для области высших — относительных расходов и при высоком авторитете клапана, равнопроцентную характеристику, наоборот, целесообразно использовать там, где требуется хорошая чувствительность регулирования при малых относительных расходах и при низшем авторитете клапана. Параболическая зависимость представляет собой компромисс между обеими вышеуказанными характеристиками. Характеристика LDMspline -это оптимизированный (форма соответствует статистически чаще всего характеристике теплообменника типа вода-вода) вариант, выведенный из равнопроцентной характеристики, с той разницей, что содержит в себе деформацию расходной кривой и по сравнению с равнопроцентной характеристикой имеет высшую чувствительность в начале и конце хода.

Вероятность возникновения кавитации

Одной из серьезных проблем, возникающих при применении запорной и регулирующей арматуры, является возникновение кавитации. Особенно сильно этот эффект проявляется при использовании регуляторов, понижающих давление «после себя» — редукционных клапанов.

Кавитация — процесс образования и последующего схлопывания пузырьков вакуума в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, что в свою очередь приводит к преждевременному износу элементов регулирующей арматуры.

Для проверки возможности появлении кавитации при больших перепадах давления на клапане применяется следующая формула:

Energy education

Подбор клапанов регулирующих устройств

Принцип подбора клапанов — общий для всех исполнительных механизмов регулирующих устройств (регуляторов температуры и давления прямого действия, регулирующих клапанов с электроприводами). Он также может использоваться при выборе балансировочной, подпиточной (соленоидных клапанов) и другой трубопроводной арматуры. Регулирующий клапан должен пропустить в бескавитационном и бесшумном режиме расчетное количество теплоносителя через теплоиспользующую систему при заданных параметрах теплоносителя, обеспечив требуемое качество и точность регулирования (в совокупности с исполнительными устройствами и регулирующими приборами).

Пропускная способность

В основе подбора регулирующего клапана лежит его условная пропускная способность $K_{vs}$, которая соответствует расходу $G$ (м3/ч) холодной воды ($Т = 20$ °C), проходящей через полностью открытый клапан при перепаде давлений на нем $ΔР_{кл.} = 1$ бар. $K_{vs}$ — конструктивная характеристика клапана. При выборе клапана его $K_{vs}$ должна быть равна или близка значению требуемой пропускной способности $K_v$ с рекомендуемым запасом:

$$K_{vs} ≥ K_v$$

Требуемая пропускная способность определяется в зависимости от расчетного расхода теплоносителя через клапан и от фактического перепада давлений на нем по формуле, м3/ч:

$$K_v = \frac{1.2·G_p}{\sqrt{ΔР_{кл.}}}$$

где $G_р$ — расчетный расход теплоносителя через клапан, м3/ч; $ΔР_{кл.}$ — заданный перепад давлений на клапане, бар.

Расчетный расход теплоносителя

Системы отопления и вентиляции.

При определении требуемой пропускной способности регулирующего клапана для систем отопления и вентиляции расчетный расход теплоносителя $G_{рО(В)}$ определяется по их тепловой нагрузке $Q_{О(В)}$ (кВт) и температурному перепаду $ΔT = (Т_1 – Т_2)$ в контуре, где установлен клапан, м3/ч:
$$G_{рО(В)} = \frac{0.86·Q_{О(В)}}{Т_1 – Т_2}.$$
При этом температурный перепад принимается по температурному графику при расчетной температуре наружного воздуха для проектирования отопления (например, 150–70 °C).

Система ГВС.

Подбор регулирующих клапанов для подогревателей сис-темы ГВС производится при расходе греющего теплоносителя, который определяется по максимальной часовой тепловой нагрузке на ГВС $Q_{ГВС}$ (кВт) и перепаду температур греющего теплоносителя в точке излома температурного графика (например, 70–40 °C). Расчетный расход теплоносителя через клапан системы ГВС при непосредственном водоразборе из тепловой сети принимается в размере максимального часового расхода горячей воды для хозяйственно-питьевых нужд или на технологический процесс.

Пропускная способность клапанов регулирующих устройств, обслуживающих одновременно систему отопления и систему ГВС, например общего для этих систем регулятора перепада давлений, определяется:

• при одноступенчатом нагреве воды для системы ГВС — по сумме их расчетных расходов;
• при двухступенчатой смешанной схеме нагрева воды (I ступень водоподогревателя и система отопления подключены к тепловой сети последовательно, II ступень — параллельно системе отопления) — по сумме расчетных расходов на отопление и ГВС с коэффициентом 0.8.

Система подпитки.

При выборе подпиточных устройств расчетный часовой расход берется в размере 20 % от полного объема воды в системе теплопотребления, включая подогреватель и расширительный сосуд. Объем воды в системе отопления с достаточной точностью можно принимать из расчета 15 л на каждый кВт тепловой мощности системы.

Расчетный перепад давлений

Выбор расчетного перепада давлений на регулирующих клапанах — наиболее сложно решаемая проблема. Если расход теплоносителя через клапан задан однозначно, то перепадом давлений на нем можно варьировать. От принятого перепада давлений зависит не только калибр клапана, но также работоспособность и долговечность регулирующего устройства, бесшумность его функционирования, качество регулирования. Выбор перепада давлений для всех регулирующих клапанов теплового пункта следует производить комплексно, во взаимосвязи, с учетом конкретных условий и приведенных ниже требований. Исходной величиной для выбора перепада давлений на регулирующих клапанах теплового пункта является перепад давлений в трубопроводах тепловой сети на вводе в здание (на узле ввода теплового пункта) $ΔР_с$. Обычно перепад давлений на вводе в здание принимается по официальным данным теплоснабжающей организации с запасом 20% ($0.8·ΔР_с$). Для обеспечения качественного процесса регулирования и долговечной работы регулирующего клапана перепад давлений на нем должен быть больше или равен половине перепада давлений на регулируемом участке:

$$ΔР^{откр}_{кл} ≥ 0.5·ΔР_{ру}$$

или

$$ΔР^{откр}_{кл} ≥ Р{то}.$$

Регулируемый участок — это часть трубопроводной сети с теплоиспользующей установкой, где расположен клапан, между точками со стабилизированным перепадом давлений или при его колебаниях в пределах ±10 %.

Рекомендуемое абсолютно минимальное значение перепада давлений на регулирующем клапане $ΔР^{мин}_{кл} = 0.3$ бар. В то же время перепад давлений на клапане не должен превышать предельно допустимое значение, гарантирующее работу клапана в бескавитационном режиме. Проверку клапана на возникновение кавитации следует осуществлять при температурах проходящего через него теплоносителя. С этой целью для выбранного клапана определяется предельно допустимый перепад давлений $ΔР^{пред}_{кл}$ и сравнивается с принятым перепадом при расчете $K_v$. Предельно допустимый перепад давлений на регулирующем клапане рассчитывается по формуле, бар:

$$ΔР^{пред}_{кл} = Z·(P_1 – Р^{из б}_{нас.}),$$

где $Z$ — коэффициент начала кавитации. Принимается по каталогам на регулирующие клапаны в зависимости от их типа и диаметра; $P_1$ — избыточное давление теплоносителя перед регулирующим клапаном, бар; $Р^{из б}_{нас.}$ — избыточное давление насыщенных паров воды в зависимости от ее температуры $Т_1$ в бар. Если рассчитанный $ΔР^{пред}_{кл}$ окажется меньше принятого ранее $ΔР_{кл}$, то необходимо либо уменьшить заданный перепад давлений на клапане путем перераспределения его между элементами трубопроводной сети, в том числе за счет дополнительной установки какого-либо дросселирующего устройства (например, ручного балансировочного клапана) перед клапаном, либо переместить клапан на обратный трубопровод, где температура теплоносителя менее 100 °C. При применении не разгруженного по давлению клапана перепад давлений на нем не должен превышать также предельного значения, свыше которого клапан не будет закрываться под воздействием привода, у которого ограничено усилие. Во всех случаях в целях минимизации шумообразования перепад давлений на регулирующих клапанах рекомендуется принимать не более 2.5 бар.

Регулирующие клапаны в сочетании с электрическими приводами имеют относительный диапазон регулирования не менее 1:30, т. е. клапан обеспечивает пропорциональное регулирование при уменьшении расхода проходящей через него среды по сравнению со значением $K_{vs}$ в 30 раз. Если требуется расширить диапазон регулирования, можно установить два клапана параллельно: один — с бóльшей пропускной способностью, подобранный на номинальный расход теплоносителя, а второй — с мéньшей пропускной способностью, рассчитанный на пропуск 1/30 части номинального расхода. При этом электрические соединения клапанов должны быть выполнены таким образом, чтобы сначала открывался «маленький» клапан и только после его полного открытия — «большой». Для обеспечения такой последовательности работы клапанов можно использовать их концевые выключатели (встроенные или дополнительные). Для системы подпитки перепад давлений на соленоидном клапане определяется как разность между требуемым статическим давлением в системе теплопотребления при ее независимом присоединении к тепловой сети и давлением перед клапаном (в обратном трубопроводе тепловой сети или создаваемое подпиточным насосом). Определение расчетных параметров и последовательность выбора регулирующих клапанов проиллюстрированы в приведенных ниже примерах.

Пример 1

Подобрать регулирующий клапан при следующих условиях:

• клапан устанавливается на обратном трубопроводе после теплоиспользующей установки;
• теплоноситель — вода с температурой в обратном трубопроводе: $Т_2 = 70$ °C;
• потери давления в теплоиспользующей установке (в сети): $ΔР_{то} = 1.5$ бар;
• располагаемый напор на регулируемом участке произвольный (определяется по результатам подбора клапана);
• расчетный расход теплоносителя: $G_р = 10$ м3/ч.

Решение

1. Расчетный перепад давлений на клапане из условия $ΔР_{кл} ≥ 0.5·ΔР_{ру}$, т.е. $ΔР_{кл} ≥ ΔР_{то}$, принимается равным $ΔР_у$, бар:
$$ΔР_{кл} = ΔР_{то} = 1.5.$$
2. Рассчитывается требуемая пропускная способность клапана по формуле, м3/ч:

$$K_v = \frac{1.2·10}{\sqrt{1.5}} = 9.8.$$

3. Из технического каталога выбирается клапан Ду 25 с $K_{vs} = 10$ м3/ч (ближайший больший к $K_v$).

Пример 2

Выбрать регулирующий клапан при следующих исходных данных:

• теплоноситель — вода с температурой: $Т_1 = 150$ °C, и давлением насыщенных паров: $Р_{нас} = 3.85$ бар;
• избыточное давление теплоносителя перед клапаном: $Р_1 = 7$ бар;
• предварительно заданный перепад давлений на регулирующем клапане: $ΔР_{кл} = 2.5$ бар;
• расчетный расход теплоносителя: $G_р = 40$ м3/ч.

Решение

1. Рассчитывается требуемая пропускная способность клапана по формуле, м3/ч:
$$K_v = \frac{1.2·40}{\sqrt{2.5}} = 30.4.$$
2. Из каталога «Регулирующие клапаны с электроприводами и гидравлические регуляторы температуры и давления» предварительно выбирается клапан Ду 50 с $K_{vs} = 32$ м3/ч и коэффициентом начала кавитации $Z = 0.5$.

3. Рассчитывается предельно допустимый перепад давлений на клапане с запасом 10 %, бар:

$$ΔР^{пред}_{кл} = 0.5 · (7 – 3.85) · 0.9 = 1.4.$$

4. Так как принятый первоначально перепад давлений на клапане оказался больше предельно допустимого по условиям кавитации ($ΔР_{кл} = 2.5 > ΔР^{пред}_{кл} = 1.4$), $K^{тр}_{v} пересчитывается при $ΔР_{кл} = 1.4$ бар, м3/ч:

$$K_v = \frac{1.2·40}{\sqrt{1.4}} = 40.6.$$

5. По скорректированному значению $K_v$ выбирается клапан Ду 65 с $K_{vs} = 50$ м3/ч и коэффициентом начала кавитации $Z = 0.5$.

Пример 3

Выбрать моторные регулирующие клапаны и клапаны регуляторов перепада давлений для теплового пункта.

Исходные данные:

• Теплоноситель — вода, подаваемая из закрытой системы теплоснабжения по температурному графику с «летней» срезкой для ГВС.
• Расчетная температура теплоносителя в тепловой сети: $Т_1 = 150$ °C и $Т_2 = 70$ °C. Температура в точке «излома» графика: $T’_1 = 70$ °C и $T’_2 = 40$ °C.
• Избыточное давление в трубопроводах тепловой сети: подающем: $Р_1 = 12$ бар, обратном: $Р_2 = 4$ бар.
• Расчетная тепловая нагрузка: на отопление: $Q_О = 1000$ кВт, на вентиляцию: $Q_В = 2000$ кВт, на ГВС: $Q_{ГВС} = 500$ кВт.
• Потеря давления: в системе отопления: $∆Р_О = 0.5$ бар, в системе вентиляции: $∆Р_В = 1$ бар, в первой ступени водоподогревателя ГВС (по греющей воде): $∆Р_{ГВС1} = 0.3$ бар, во второй ступени водоподогревателя ГВС (по греющей воде): $∆Р_{ГВС2} = 0.2$ бар.

Решение

1. Расчетный расход через регулирующий клапан в узле приготовления теплоносителя для системы отопления рассчитывается по формуле, м3/ч:
$$G_{ОТ} = 0.86 · Q_О / (T_1–T_2) = 0.86 · 1000 / (150 – 70) = 10.75.$$
2. Расчетный расход через клапан регулятора перепада давлений для системы вентиляции, м3/ч:

$$G_В = 0.86 · Q_В / (T_1 – T_2) = 0.86 · 2000 / (150 – 70) = 21.5.$$

3. Расчетный расход через регулирующий клапан системы ГВС, м3/ч:

$$G_{ГВС} = 0.86 · Q_{ГВС} / (T’_1 – T’_2) = 0.86 · 500 / (70 – 40) = 14.33.$$

4. Расчетный расход через клапан регулятора перепада давлений РПД1 для систем отопления и ГВС, м3/ч:

$$G_{РПД1} = 0.8 · (G_О + G_{ГВС}) = 0.8 · (10.75 + 14.33) = 20.06.$$

5. Предельно допустимый перепад давлений по условию бескавитационной работы на клапанах регуляторов перепада давлений для систем отопления с ГВС ($∆P^{макс}_{РПД1}$) и системы вентиляции ($∆P^{макс}_{РПД2}$) при $Z = 0.5$ (рекомендуемое значение для предварительного расчета) и $Р_{нас} = 3.85$ бар, бар:

$$∆P^{макс}_{РПД1} = ∆P^{макс}_{РПД2} = Z · (Р_1 – Р_н) = 0.5 · (12 – 3.85) = 4.1.$$

6. Принимаем перепад давлений на регуляторах перепада давлений с запасом 10 %, бар:

$$∆Р_{РПД1} = ∆Р_{РПД2} = 0.9 · 4.1 = 3.7.$$

7. Давление в подающем трубопроводе перед регулирующими клапанами систем отопления и ГВС, бар:

$$Р_3 = Р_1 – ∆Р_{РПД1} = 12 – 3.7 = 8.3.$$

8. Предельно допустимый перепад давлений по условию бескавитационной работы на регулирующих клапанах системы отопления ($∆Р_{клОТ}$) и ГВС ($∆Р_{клГВС}$) при предварительно принятом $Z = 0.5$ и $Р_{нас} = 3.85$ бар, бар:

$$∆Р^{макс}_{клОТ} = ∆Р^{макс}_{клГВС} = Z · (Р_3 – Р_{нас.}) = 0.5 · (8.3 – 3.85) = 2.2.$$

9. Принимаем перепад давлений на клапанах систем отопления и ГВС с запасом 10 %, бар:

∆Р_{кл.О} = ∆Р_{кл.ГВС} = 0.9·2.2 = 2.

10. Излишний напор в кольце систем отопления и ГВС гасим на дополнительно устанавливаемом на вводе ручном балансировочном клапане БКI, принимая располагаемый напор на вводе с запасом 10 %, бар:

$$∆Р_{БК1} = 0.9 · (Р_1 – Р_2) – ∆Р_{РПД1} – ∆Р_{кл.О} – ∆Р_{ГВСI} = 0.9 · (12 – 4) – 3.7 – 2 – 0.3 = 1.2.$$

11. Излишний напор в кольце системы вентиляции гасим на дополнительно устанавливаемом ручном балансировочном клапане БК2, бар:

$$∆Р_{БК2} = 0.9 · (Р_1 – Р_2) – ∆Р_{БКI} – ∆Р_{РПД2} – ∆Р_В = 0.9 · (12 – 4) – 1.2 – 3.7 – 1 = 1.3.$$

12. Требуемая пропускная способность регулирующих клапанов, м3/ч:

для отопления:

$$K_v = \frac{1.2·G_О}{\sqrt{∆Р_{кл.О}}} = \frac{1.2·10.75}{\sqrt{2}} = 9.14;$$

для ГВС:

$$K_v = \frac{1.2·G_ГВС}{\sqrt{∆Р_{кл.ГВС}}} = \frac{1.2·14.33}{\sqrt{2}} = 12.2;$$

для РПД1:

$$K_v = \frac{1.2·G_РПД1}{\sqrt{∆Р_{РПД1}}} = \frac{1.2·20.06}{\sqrt{3.7}} = 12.54;$$

для РПД2:

$$K_v = \frac{1.2·G_В}{\sqrt{∆Р_{РПД2}}} = \frac{1.2·21.5}{\sqrt{3.7}} = 13.44.$$

13. Клапаны выбираются по каталогу на основе требуемых пропускных способностей: для отопления: Ду = 25 мм c $K_{vs} = 10$ м3/ч и $Z = 0.5$; для ГВС: Ду = 32 мм c $K_{vs} = 16$ м3/ч и $Z = 0.5$; для РПД1: Ду = 32 мм c $K_{vs} = 16$ м3/ч и $Z = 0.55$; для РПД2: Ду = 32 мм c $K_{vs} = 16$ м3/ч и $Z = 0.55$.

Уровень шума

При выборе регулятора давления необходимо учитывать явления, связанные с шумом работающего регулятора. Возникновение шумов вызвано газодинамическими колебательными процессами у регулирующих органов и стенок регуляторов. При совпадении частоты колебаний амплитуда колебаний клапана может резко возрасти, что приведет к износу и разрушению клапана, а также к сильной вибрации регулятора.

Главной причиной повышенного шума является повышенная скорость среды в выбранном трубопроводе относительно рекомендуемой. Фактическая скорость среды может быть рассчитана по формуле:

• w – скорость потока среды, м/c;
• Q – рабочий объемный расход среды м3/ч;
• d – диаметр трубопровода, м.

Ниже приведены рекомендуемые скорости сред для снижения риска появления критического уровня шума:

Одним из способов снижения уровня шума в системах, помимо использования клапанов специальной конструкции, является применение гибких вставок (виброкомпенсаторов) на участках до и после клапана.

Как выбрать и применить трехходовой клапан

Трехходовой клапан нужно правильно подобрать по пропускной способности. Также он должен иметь нужный диаметр резьб (1/2 или 3/4 дюйма), и совмещаться должным образом с термоголовкой или сервоприводом.

Есть варианты конструкций клапана со встроенным температурным датчиком, поэтому он в термоголовке не нуждается.

В перечнях оборудования компаний можно встретить весьма много устройств подобного типа, из всего этого предстоит выбрать то, что нужно, что не всегда просто. Во многом сделать правильный выбор помогут знающие специалисты торгующей организации. Но полагаться только на их мнение не следует, лучше разобраться в вопросе самостоятельно.

Смесительные и разделительные трехходовые клапана

Трехходовой клапан представляет из себя узел смешения (разделения) потоков жидкости с тремя подключениями. На корпусе клапана стрелками указывается выполняемая им функция. Например, устройство смешивает 2 потока в разных пропорциях в зависимости от положения тарельчатого клапана.

В первом крайнем положении на выход попадет только первый поток, в другом крайнем – только второй поток, в среднем положении потоки смешаются в равных пропорциях, например.

• Если подаются жидкости с разной температурой, то с помощью клапана можно регулировать температуру жидкости на выходе, получаемую в результате смешения двух потоков.

Клапан разделения будет разделять потоки на 2 направления, подмешивая в той или иной пропорции теплоноситель в разные ветви. Его применение точно такое же, как и клапана смешения, только установка по ветвям зеркальная.

• На основе обоих клапанов можно создать узлы регулировки температуры в отопительных сетях. При этом температура на выходе может настраиваться встроенным термодатчиком или клапан может регулироваться термоголовкой, с выносным температурным датчиком.

Конструкции трехходовых клапанов

Чаще применяются седельные клапана, в которых седло перемещается на подпружиненном штоке и перекрывает входные отверстия. Это распространенная конструкция, которая применяется с термоголовками нажимного действия.

Другой вариант – поворотно-шарикового переключения. Переключение между потоками происходит при поворачивании регулятора, что обычно делается сервоприводом по команде от термодатчика. Такая система дороже и энергозависимая.

Схема применения трехходового клапана

Типичная схема подключения трехходового клапана, для защиты теплообменника твердотопливного котла от холодной обратки. Осуществляется подмес теплоносителя с подачи в обратку по малому кругу. Цель – поддерживать на обратке всегда больше, чем 55 градусов, чтобы не происходило конденсации водяных паров на теплообменнике, и соответственно, чтобы не было значительных загрязнений и кислотной коррозии.

Сильфонный датчик термоголовки устанавливается на обратке и дает команду термоголовке о степени нажима на шток седельного трехходового клапана смешения. Предварительное открытие регулируется вращением настройки.

Где еще применяются трехходовые клапаны

Типичное применение регулировки температуры теплоносителя с помощью трехходовых клапанов следующее.

• Регулировка температуры теплоносителя подаваемого с буферной емкости. В заряженном теплоаккумуляторе может быть слишком горячая жидкость, не востребованная в доме. Поэтому клапаном осуществляется подмес холодной обратки в подающую струю согласно настройкам владельцев.

• Поддержание температуры теплоносителя в контурах теплого пола. Для нормальной работы теплых полов, температура на подаче не должна превышать 55 град. Котлы же для радиаторной сети выдают обычно побольше. В большинстве схем теплых полов устанавливаются насосно-смесительные узлы поддерживающие стабильную температуру при перепадах давления и расхода теплоносителя.

• В сложных схемах отопления, где после выравнивателя давления (буфера, гидрострелки, кольца) подключены контуры с разной потребностью в температуре. Регулировку надежней выполнить не путем уменьшения расхода по контуру, а смесительным узлом на основе трехходового клапана.

Вместо трехходового клапана во многих схемах может применяться двухходовой, регулирующий количество потока, который затем будет подмешиваться на тройнике в основную струю. Но эти узлы требуют стабильного давления, а также особого расчета, поэтому двухходовой клапан можно встретить в заводских насосно-смесительных узлах.

Как подобрать трехходовой клапан по пропускной способности

Основной характеристикой трехходового клапана является условная пропускная способность, обозначенная как Kvs, м³/ч. Она указывается при условии разницы давлений на штуцерах клапана 1 Бар.

Например, в каталоге (в характеристиках) можно встретить Kvs = 2,5 в м³/ч, это значит, что при давлении 1 бар через полностью открытый клапан за час пройдет 2,5 куба теплоносителя. Но как пользоваться этой цифрой в реальных условиях?

• Во первых, нужно узнать, сколько нам нужно пропустить жидкости через такой клапан? Во вторых, — какой перепад давления будет на клапане в нашей схеме?

Требуемый расход жидкости Ктр, м куб./час через клапан для любой схемы не сложно вычислить по формуле:

Расчет трехходового клапана

Ктр=0,86 Q/∆t, где Q – мощность ветви (тепловая нагрузка), для котла или цепи отопления всего дома принимается по мощности теплогенерации кВт, ∆t – разница температур подачи и обратки, обычно это 20 град, а для теплого пола – 10 град.

Тогда для обвязки 20 кВт-ного котла через клапан должно проходить жидкости не менее чем Ктр=0,86 20/20=0,86 м куб/час, при перепаде давления 1 бар.

Но у нас перепад давления намного меньше – порядка 0,2 бар. При таком давлении пропускная способность клапана должна быт значительно больше. Какая именно?

• Перепад давления для любой схемы между подачей и обраткой не будет превышать 0,2 бар, типично находится в пределах 0,1 – 0,2 бар.

Существует некая импирическая формула на этот счет, — пропускная способность клапана в нашей схеме должна быть не менее, чем

К= Ктр/√р, м куб/час, К= 0.86 / √0.2 = 1.9 м³/ч.

Подбираем клапан с большей характеристикой: Kvs больше чем К, но не намного, чтобы не сильно переплачивать за объемность конструкции, подходит Kvs =2,5 м³/ч.

Подбираем трехходовой смесительный клапан с такой пропускной способностью от известного производителя и считаем, что он обеспечивает нам нормальное смешения в схеме с мощностью 20 кВт.

В целом, подбор термоголовок, их размещение, настройка работы с выбранным трехходовым или двухходовым клапаном является не столь простой задачей. Для новичков желательна консультация, по крайней мере, опытного продавца с демонстрацией монтажа и инструкцией по применению, созданию смесительного узла, и определению подходит ли он для конкретной схемы. Тем более, если планируется применять электропривод. Или остается доверить эту работу специалисту.

Отношение входного давления к выходному или допустимый перепад давления на клапане

Для некоторых редукционных клапанов ограничено отношение входного давления к выходному. Входное давление, воздействуя на плунжер редукционного клапана, стремится его открыть. Выходное давление воздействует на мембрану (или другой управляющий элемент) клапана, стремясь закрыть клапан. При превышении ограничения по отношению входного и выходного давления клапан не сможет закрыться — и выходное давление будет больше давления настройки. Ограничения по указанному параметру также исключают кавитацию в седле регулирующего клапана.

Выполнение данных указаний при подборе регуляторов позволит значительно улучшить показатели технологических процессов и увеличить срок службы регулирующей арматуры. Примеры расчетов приведены в статье. По вопросам подбора оборудования просьба обращаться к инженерам отдела регулирующей арматуры компании АДЛ.

Диапазон регулирования клапанов

Выполняя свою функцию управления потоком вещества или энергии, регулирующий клапан должен обеспечить изменение расхода в заданном диапазоне. Определим параметр расходной характеристики, называемый диапазоном регулирования. Этот параметр определяется отношением максимального расхода через регулирующий клапан к минимальному регулируемому расходу и обозначается символом εр (эпсилон-эр). Понятие «минимальный регулируемый расход» теоретически не определено, однако на практике принято считать минимальным регулируемым расходом расход при ходе затвора клапана, равном 5% от максимального (условного) хода. В соответствии с этим определением для линейной расходной характеристики диапазон регулирования равен 20.

Однако на практике расходная характеристика не бывает линейной. Ее форма определяется двумя факторами:

— формой пропускной характеристики – зависимости пропускной характеристики Кvy от положения (хода) затвора;

— параметром трубопроводной системы, определяемым отношением перепада давления в линии и на регулирующем органе при полностью открытом клапане (обозначим этот параметр символом n ).

Параметр n является характеристикой трубопроводной системы: сколько в нее входит гидравлических сопротивлений (технологические аппараты, прямые участки трубопроводов, местные сопротивления, запорная арматура), кроме регулирующего клапана. Если n = 0, то это значит, что единственны сопротивлением в трубопроводной системе является регулирующий клапан (ситуация довольно редкая, но возможная). Общепринятая практика устанавливает, перепад давления на регулирующем клапане при полном его открытии не должен быть менее 10% от общего перепада давления в системе (это – предел!). Этот предел соответствует n = 9.

Говоря о форме пропускной характеристики, мы имеем в виду ее параметр, называемый минимальной пропускной способностью. Речь идет о пропускной способности, с которой начинается процесс регулирования. И здесь мы опять-таки используем «правило 5%»: минимальная пропускная способность – это пропускная способность при ходе, равном 5% от максимального (условного) хода. Отношение условной пропускной способности Кvy к минимальной пропускной способности называется диапазоном изменения пропускной способности; обозначим этот параметр символом ε (эпсилон). Таким образом, диапазон изменения пропускной способности зависит от формы пропускной характеристики. Для линейной пропускной характеристики ε=20; для равнопроцентной пропускной характеристики принято считать ε=50. Можно применить специальную дроссельную пару с более высоким значением диапазона изменения пропускной способности. Насколько можно увеличить значение этого параметра, зависит от многих факторов (диаметр седла, условный ход), но в общем случае получить значение ε=100 представляется возможным.

Для конкретной трубопроводной системы диапазон регулирования εр зависит от диапазона изменения пропускной способности ε и от отношения перепадов n:

εр = f(ε,n)

Для жидкости, например, это соотношение имеет вид:

Из этого довольно несложного соотношения можно сделать важные выводы:

— Диапазон регулирования εр всегда меньше, чем диапазон изменения пропускной способности ε.

— Диапазон регулирования εр для клапана с равнопроцентной пропускной характеристикой примерно в 2,5 раз больше, чем для клапана с линейной характеристикой.

— Представляется возможным, по крайней мере удвоить диапазон регулирования (по сравнению с равнопроцентной характеристикой), применив регулирующий клапан со специальной пропускной характеристикой.

И, наконец о применении двухседельного клапана в ситуации, когда требуется высокое значение диапазона регулирования. В силу особенности конструкции диапазон изменения пропускной способности для двухседельного клапана не превышает 25 вне зависимости от формы пропускной характеристики. Поэтому при помощи двухседельного регулирующего клапана высокое значение диапазона регулирования достигнуто быть не может.