(Технический Университет)

Кафедра АПХП

Курсовой проект

«Расчёт и проектирование регулирующего клапана»

Выполнил: студент гр. 891 Солнцев П.В.

Руководитель: Сягаев Н.А.

Санкт-Петербургг 2003

1. Дроссельные регулирующие органы

Для транспортировкии жидкостей и газов в технологических процессах применяют, как правило, напорные трубопроводы. В них поток двигается засчёт давления, создаваемого насосами (для жидкостей) или компрессорами (для газов). Выбор необходимого насоса или компрессора производится по двум параметрам: максимальной производительности и необходимому давлению.

Максимальная производительность определяется требованиями технологического регламента, давление необходимое для обеспечения максимального расхода, расчитывается по законам гидравлики, исходя из длины трассы, количества и величин местных сопротивлений и допустимой максимальной скорости продуктав трубопроводе (для жидкостей – 2-3 м/с, для газов – 20-30 м/с).

Изменение расхода в технологическом трубопроводе может быть осуществлено двумя способами:

дросселированием – изменением гидравлического сопротивления дросселя, установленного на трубопроводе (рис. 1а)

байпассированием – изменением гидравлического сопротивления дросееля, установленного на тркбопроводе, соединяющем нагнетательную линию с всасывающей (рис. 1б)

Выбор способа изменения расхода определяется типом используемого насоса или компрессора. Для наиболее распространённых в помышленности насосов и компрессоров возможно применение обоих способов управления потоком.

Для объёмных насосов, например, поршневых, допустимо только байпассирование жидкости. Дросселирование потока для таких насосов недопустимо, т.к. оно может привести к выходу из строя насоса или трубопровода.

Для поршневых компрессоров применяют оба способа управления.

Изменение расхода жидкости или газа засчёт дросселирования является основным управляющим воздействием в системаах автоматического регулирования. Дроссель, используемый для регулирования технологических параметров, - «регулирующий орган ».

Основной статической характеристикой регулирущего органа являестя зависимость расхода через него от степени открытия:

где q=Q/Q max - относительный расход

h=H/H max – относительный ход затвора регулирующего органа

Эта зависимостьт называется расходной характеристикой регулирующего органа. Т.к. регулирующий орган является частью трубопроводной сети, включающей в себя участки трубопровода, вентили, повороты и изгибы труб, восходящие и нисходящие участки, его расходная характеристика отражает фактически поведение гидравлической системы «регулирующий орган + трубопроводная сеть». Поэтому расходные характеристики двух одинаковых регулирующих органов, установленных на трубопроводах разной длины, будут существенно различаться между собой.

Характеристика регулирующего органа, не зависящая от его внешних соединений – «пропускная характеристика ». Этот зависимость относительной прорпускной способности регулирующего органа s от его относительного открытия h , т.е.

где: s=K v /K vy – относительная пропускная способность

Другими показателями, служащими для выбора регулирующего органа являются: диаметр его присоединительных фланцев Ду, максимально допустимое давление Ру, температура Т и свойства вещества. Индекс «у» указывает на условное значение показателей, чтот объясняется невозможностью обеспечить их точное соблюдение для серийных регулирующих органов. Поскольку расходная характеристика регулирующего органа зависит от гидравлического сопрротивления трубопроводной сети, в которой он установлен, необходимо иметь возможность корректировать эту характеристику. Регулирующие органы, допускающие возможность такой корректировки, - «регулирующие клапаны ». Они имеют сплошные или пустотелые цилиндрические плунжеры, допускающие изменение профиля для плучения требуемой расходной характеристики.Для облегчения корректировки расходной характеристики выпускают клапана с различными видами пропускной характеристики: линейной и равнопроцентной.

У клапанов с линейной характеристикой увеличение пропуской способности пропорционально ходу плунжера, т.е.

где: а – коэффициент пропорциональности.

У клапаанов с равнопроцентной пропускной характеристикой увеличение пропускной способности пропорционально ходу плунжера и текущему значению пропускной способности, т.е.

ds=a*K v *dh (4)

Различие между пропускной и расходной харктеристиками тем больше, чем больше гидравлическое сопротивление трубопроводной сети. Отношение пропускной способности клапана к пропускной способности сети – гидравлический модуль системы:

n=K vy /K vT (5)

При значениях n>1.5 клапана с линенйной пропускной характеристикой становятся непригодными из-за непостоянства коэффициента пропорциональности a на протяжении всего хода. Для регулирующих клапанов с равнопроцентной пропускной характеристикой расходная характеристика близка к линейной при значениях n от 1,5 до 6. Поскольку диаметр технологического трубопровода Дт обычно выбирается с запасом, может оказаться, что регулирующий клапан с таким же или близким диаметром условного прохода Ду имеет избыточную пропускную способность и, соответственно, гидравлический модуль. Для уменьшения пропускной способности клапанабез изменения его присоединительных размеров заводы-изготовители выпускают клапаны, отличающиеся только диаметром седла Дс.

2. Задание на курсовой проект

Вариант №7

3. расчёт регулирующих клапанов

1. Определение числа Рейнольдса

, где - скорость потока при максимальном расходе

r=988.07 кг/м 3 (для воды при 50 о С) [табл. 2]

m=551*10 -6 Па*с [табл. 3]

Re> 10000, следовательно, режим течения турбулентный.

2. Определение потери давления в трубопроводной сети при максимальной скорости потока

, где , x Мвент =4.4, x Мколен =1.05 [табл. 4]

3. Определение перепада давлений на регулирующем клапане при максимальной скорости потока

4. Определение расчётного значения условной пропускной способности регулирующего клапана:

, где h=1.25 - коэффициент запаса

5. Выбор регулирующего клапана с ближайшей большей пропускной способностью K Vy (по K Vз и Ду):

выбираем двухседельный чугунный регулирующий клапан 25 ч30нжМ

условное давление 1,6 Мпа

условный проход 50 мм

условная пропускная способность 40 м3/ч

пропускная характеристика линейная, равнопроцентная

вид действия НО

материал серый чугун

температура регулируемой среды от –15 до +300

6. Определение пропускной способности трубопроводной сети

7. Определение гидравлического модуля системы

<1.5, следовательно выбираем регулирующий клапан с линейной пропускной характеристикой (ds=a*dh)

Коэффициент, показывающий степень уменьшения площади проходного сечения седла клапана относительно площади проходного сечения фланцев К=0,6 [табл. 1]

4. профилирование плунжера регулирующего клапана

Требуемая пропускная характеристика регулирующего клапана обеспечивается изготовлением специальной формы поверхности окон. Оптимальный профиль плунжера получается в результате расчёта гидравлического сопротивления дроссельной пары (плунжер – седло) как функции относительного открытия регулирующего клапана.

8. Определение коэффициента гидравлического сопротивления клапана

, где , В=2 для двухседельного клапана

9. Определение коэффициента гидравлического сопротивления регулирующего клапана в зависимости от относительного хода плунжера

,где h=0.1, 0.2,…,1.0 ,

x др - коэффициент гидравлического сопротивления дроссельной пары клапана x 0 =2.4 [табл. 5]

10. По графику на [рис. 5] определяется величина a k для относительного сечения дроссельной пары

Величина m уточняестя по формуле:

.

Определение новых значений m продолжается до тех пор, пока новое максимальное значение m не будет отличаться от предыдущего менее, чем на 5%.

Бытует мнение, что подбор трёхходового клапана не требует предварительных расчётов. Это мнение основано на предположении, что суммарный расход через патрубок AB - не зависит от хода штока и всегда постоянен. В действительности, расход через общий патрубок AB колеблется в зависимости от хода штока, а амплитуда колебания зависит от авторитета трёхходового клапана на регулируемом участке и его расходной характеристики.

Методика расчёта трёхходового клапана

Расчёт трёхходового клапана выполняют в следующей последовательности:

• 1. Подбор оптимальной расходной характеристики.
• 2. Определение регулирующей способности (авторитета клапана).
• 3. Определение пропускной способности и номинального диаметра.
• 4. Подбор электропривода регулирующего клапана.
• 5. Проверка на возникновение шума и кавитации.

Выбор расходной характеристики

Зависимость расхода через клапан от хода штока называют расходной характеристикой. Тип расходной характеристики определяет форма затвора и седла клапана. Так как у трёхходового клапана два затвора и два седла — расходных характеристик у него тоже две, первой обозначают характеристику по прямому ходу - (A-AB), а второй по перпендикулярному - (B-AB).

Линейно/линейная . Суммарный расход через патрубок АВ постоянен лишь при авторитете клапана равном 1, что обеспечить практически невозможно. Работа трёхходового клапана с авторитетом равным 0.1 приведёт к колебаниям суммарного расхода при перемещении штока, в диапазоне от 100% до 180%. Поэтому клапаны с линейно/линейной характеристикой применяются в системах нечувствительных к колебаниям расхода, либо в системах с авторитетом клапана не менее 0.8.

Логарифмическо/логарифмическая . Минимальные колебания суммарного расхода через патрубок AB в трёхходовых клапанах с логарифимическо/логарифмической расходной характеристикой наблюдаются при авторитете клапана равном 0.2. При этом, снижение авторитета, относительно указанного значения - увеличивает, а повышение – уменьшает суммарный расход через патрубок АВ. Колебание расхода в диапазоне авторитетов от 0.1 до 1 составляет от +15% до -55%.

Логарифмическо/линейная . Трёхходовые клапаны с логарифмическо/линейной расходной характеристикой применяются если в циркуляционных кольцах проходящих через патрубки A-AB и B-AB необходимо регулирование по различным законам. Стабилизация расхода во время движения штока клапана происходит при авторитете равном 0.4. Колебание суммарного расхода через патрубок AB в диапазоне авторитетов от 0.1 до 1 составляет от +50% до -30%. Регулирующие клапаны с лограрифмическо/линейной расходной характеристикой получили широкое применение в узлах управления системами отопления и теплообменными аппаратами.

Расчёт авторитета

Авторитет трёхходового клапана равен отношению потерь напора на клапане к потерям напора на клапане и регулируемом участке. Значение авторитета для трёхходовых клапанов определяет диапазон колебания суммарного расхода через порт АB.

10% отклонение мгновенного расхода через порт AB во время движения штока обеспечивается при следующих значениях авторитета:

• A+ = (0.8-1.0) – для клапана с линейно/линейной характеристикой.
• A+ = (0.3-0.5) - для клапана с логарифмическо/линейной характеристикой.
• A+ = (0.1-0.2) - для клапана с логарифмическо/логарифмической характеристикой.

Расчёт пропускной способности

Зависимость потерь напора на клапане от расхода через него, характеризуется коэффициентом пропускной способности Kvs. Значение Kvs численно равно расходу в м³/ч, через полностью открытый клапан, при котором потери напора на нём составят 1бар. Как правило, значение Kvs трёхходового клапана одинаково для хода A-AB и B-AB, но бывают клапаны и с различными значениями пропускной способности по каждому из ходов.

Зная, что при изменении расхода в «n» раз потери напора на клапане изменяются в «n²» раз, не сложно определить требуемый Kvs регулирующего клапана подставив в уравнение расчётный расход и потери напора. Из номенклатуры подбирают трёхходовой клапан с ближайшим значением коэффициента пропускной способности к значению полученному в результате расчёта.

Подбор электропривода

Электропривод подбирается под ранее выбранный трёхходовой клапан. Электрические приводы рекомендуется выбирать из списка совместимых устройств, указанных в характеристиках клапана, при этом следует обратить внимание на:

• Узлы стыковки привода и клапана должны быть совместимы.
• Ход штока электропривода должен быть не менее хода штока клапана.
• В зависимости от инерционности регулируемой системы следует применять приводы с различной скоростью действия.
• От усилия закрытия привода зависит максимальный перепад давления на клапане при котором привод сможет его закрыть.
• Один и тот же электропривод обеспечивает перекрытие трёхходового клапана работающего на смешение и разделение потока, при разных перепадах давления.
• Напряжение питания и управляющий сигнал привода должны соответствовать напряжению питания и управляющему сигналу контроллера.
• Поворотные трёхходовые клапаны применяются с ротационными, а седельные с линейными электроприводами.

Расчёт на возможность возникновения кавитации

Кавитация – образование пузырьков пара в потоке воды проявляющееся при снижении давления в нём ниже давления насыщения водяного пара. Уравнением Бернулли описан эффект увеличения скорости потока и снижения давления в нём, возникающий при сужении проходного сечения. Проходное сечение между затвором и седлом трёхходового клапана является тем самым сужением, давление в котором может опуститься до давления насыщения, и местом наиболее вероятного образования кавитации. Пузырьки пара нестабильны, они резко появляются и также резко схлопываются, это приводит к выеданию частиц метала из затвора клапана, что неизбежно станет причиной его преждевременного износа. Кроме износа кавитация приводит к повышению шума при работе клапана.

Основные факторы, влияющие на возникновение кавитации:

• Температура воды – чем она выше, тем большие вероятность возникновения кавитации.


• Давление воды – перед регулирующим клапаном, чем оно выше, тем меньше вероятность возникновения кавитации.


• Допустимые потери давления – чем они выше, тем выше вероятность возникновения кавитации. Здесь следует отметить, что в положении затвора близком к закрытию дросселируемое давление на клапане стремиться к располагаемому давлению на регулируемом участке.


• Кавитационная характеристика трёхходового клапана – определяется особенностями дросселирующего элемента клапана. Коэффициент кавитации различен для различных типов регулирующих клапанов и должен указываться в их технических характеристиках, но так, как большинство производителей не указывают данную величину, в алгоритм расчёта заложен диапазон наиболее вероятных коэффициентов кавитации.

В результате проверки на кавитацию может быть выдан следующий результат:

• «Нет» - кавитации точно не будет.
• «Возможна» – на клапанах некоторых конструкций возникновение кавитации возможно, рекомендуется изменить один из вышеописанных факторов влияния.
• «Есть» – кавитация точно будет, измените один из факторов влияющих на возникновение кавитации.

Расчёт на возникновение шума

Высокая скорость потока во входном патрубке трёхходового клапана может стать причиной высокого уровня шума. Для большинства помещений в которых устанавливаются регулирующие клапаны допустимый уровень шума составляет 35-40 dB(A) который соответствует скорости во входном патрубке клапана примерно 3м/c. Поэтому, при подборе трёхходового клапана не рекомендуется превышать выше указанной скорости.

Пропускная способность регулирующего клапана Kvs — значение коэффициента пропускной способности Kvs численно равно расходу воды через клапан в м³/ч с температурой 20°C при котором потери давления на нём составят 1бар. Расчёт пропускной способности регулирующего клапана под конкретные параметры системы вы можете выполнить в разделе сайта Расчёты.

DN регулирующего клапана — номинальный диаметр отверстия в присоединительных патрубках. Значение DN применяется для унификации типоразмеров трубопроводной арматуры. Фактический диаметр отверстия может незначительно отличаться от номинального в большую или меньшую сторону. Альтернативным обозначением номинального диаметра DN, распространённым в странах постсоветского пространства, был условный диаметр Ду регулирующего клапана. Ряд условных проходов DN трубопроводной арматуры регламентирован ГОСТ 28338-89 «Проходы условные (размеры номинальные)».

PN регулирующего клапана — номинальное давление - наибольшее избыточное давление рабочей среды с температурой 20°C, при котором обеспечивается длительная и безопасная эксплуатация. Альтернативным обозначением номинального давления PN, распространённым в странах постсоветского пространства, было условное давление Ру клапана. Ряд номинальных давлений PN трубопроводной арматуры регламентирован ГОСТ 26349-84 «Давления номинальные (условные)».

Динамический диапазон регулирования , это отношение наибольшей пропускной способности регулирующего клапана при полностью открытом затворе (Kvs) к наименьшей пропускной способности (Kv), при которой сохраняется заявленная расходная характеристика. Динамический диапазон регулирования ещё называют регулирующим отношением.

Так, например, динамический диапазон регулирования клапана равный 50:1 при Kvs 100, означает, что клапан может управлять расходом в 2м³/ч, сохраняя зависимости присущие его расходной характеристике.

Большинство регулирующих клапанов обладают динамическими диапазонами регулирования 30:1 и 50:1, но существуют и клапаны с очень хорошими регулирующими свойствами, их диапазон регулирования равен 100:1.

Авторитет регулирующего клапана — характеризует регулирующую способность клапана. Численно значение авторитета равно отношению потерь давления на полностью открытом затворе клапана к потерям давления на регулируемом участке.

Чем ниже авторитет регулирующего клапана, тем сильнее его расходная характеристика отклоняется от идеальной и тем менее плавным будет изменение расхода при движении штока. Так, например, в системе управляемой клапаном с линейной расходной характеристикой и низким авторитетом - закрытие проходного сечения на 50% может уменьшить расход всего лишь на 10%, при высоком же авторитете закрытие на 50% должно снижать расход через клапан на 40-50%.

Отображает зависимость изменения относительного расхода через клапан от изменения относительного хода штока регулирующего клапана при постоянном перепаде давления на нём.

Линейная расходная характеристика — одинаковые приросты относительного хода штока вызывают одинаковые приросты относительного расхода. Регулирующие клапаны с линейной расходной характеристикой применяются в системах, где существует прямая зависимость между управляемой величиной и расходом среды. Регулирующие клапаны с линейной расходной характеристикой идеально подходят для поддержания температуры смеси теплоносителя в тепловых пунктах с зависимым подключением к тепловой сети.

Равнопроцентная расходная характеристика (логарифмическая) — зависимость относительного прироста расхода от относительного прироста хода штока - логарифмическая. Регулирующие клапана с логарифмической расходной характеристикой применяются в системах, где управляемая величина нелинейно зависит от расхода через регулирующий клапан. Так, например, регулирующие клапаны с равнопроцентной расходной характеристикой рекомендуется применять в системах отопления для регулирования теплоотдачи отопительных приборов, которая нелинейно зависит от расхода теплоносителя. Регулирующие клапана с логарифмической расходной характеристикой отлично регулируют теплоотдачу скоростных теплообменных аппаратов с низким перепадом температур теплоносителя. Рекомендуется применять клапана с равнопроцентной расходной характеристикой в системах где требуется регулирование по линейной расходной характеристике, а поддерживать высокий авторитет на регулирующем клапане нет возможности. В таком случае сниженный авторитет искажает равнопроцентную характеристику клапана приближая её к линейной. Такая особенность наблюдается при авторитетах регулирующих клапанов не ниже чем 0,3.

Параболическая расходная характеристика — зависимость относительного прироста расхода от относительного хода штока подчиняется квадратичному закону (проходит по параболе). Регулирующие клапаны с параболической расходной характеристикой применяются как компромисс между клапанами с линейной и равнопроцентной характеристиками.

Номинальный диаметр арматуры. Данное значение указывает диаметр арматуры в свету и имеет название диаметра условного прохода. Один из основных параметров регулирующих клапанов . От этого параметра напрямую зависит значение kvs арматуры. Чаще всего условный диаметр меньше диаметра трубопровода, благодаря чему возможна экономия денежных стредств, однако при расчете регулирующего клапана следует помнить о потреях на конфузоре и диффузоре, которые имеют место до и после клапана соответственно. В РФ, а также в странах бывшего СССР в настоящее время можно встретить также обозначение номинального диаметра как Ду (условный диаметр). Условный диаметр обозначают буквами DN или Ду с добавлением величины условного прохода в миллиметрах: например, условный проход диаметром 150 мм обозначают DN 150 (Ду150).

Регулирующее отношение - это отношение между наибольшим коэффициентом расхода и наименьшим коэффициентом расхода. Практически это отношение между наибольшим и наименьшим регулируемыми расходами (иначе в одинаковых условиях).

Максимальная неплотность в закрытом состоянии относится также к характерным параметрам арматуры. У регулирующих клапанов данное значение нередко выражается в процентах максимального расхода (Kvs, Avs, Cvs), причем стандартом IEC 534-4-1982 четко определенны условия испытаний. Если значение неплотности указывается, например, как 0,01% Kvs, это значит, что через данный вентиль в закрытом состоянии протечет максимально одна сотая процента Kvs (т. е. 0,01 Kvs) испытательной жидкости при условиях испытания. Если это значение играет важную роль в эксплуатации оборудования, следует обратиться за информацией об условиях его испытания к изготовителю или затребовать более высокую плотность, если позволяют технические возможности данного типа арматуры.

), внутри которого находится сильфонная ёмкость, заполненная рабочим телом (газ, жидкость, твёрдое вещество) с высоким коэффициентом объемного расширения. При изменении температуры воздуха, окружающего сильфон, рабочее тело расширяется или сжимается, деформируя сильфон, который, в свою очередь, воздействует на шток клапана, открывая или закрывая его (рис. 1 ).

Рис. 1. Схема работы термостатического клапана

Основной гидравлической характеристикой термостатического клапана является пропускная способность Kv . Это расход воды, который способен пропустить через себя клапан при перепаде давления на нем в 1 бар. Индекс « V » обозначает, что коэффициент отнесен к часовому объемному расходу и измеряется в м 3 /ч. Зная пропускную способность клапана и расход воды через него, можно определить потерю давления на клапане по формуле:

ΔP к = (V / K v) 2 · 100, кПа.

Регулирующие клапаны, в зависимости от степени открытия, имеют разную пропускную способность. Пропускная способность полностью открытого клапана обозначается Kvs . Потери давления на термостатическом радиаторном клапане при гидравлических расчетах, как правило, определяются не при полном открытии, а для определенной зоны пропорциональности – X p.

X p – это зона работы термостатического клапана в интервале от температуры воздуха при полном закрытии (точка S на графике регулирования) до установленного пользователем значения допустимого отклонения температуры. Например, если коэффициент Kv дан при X p = S – 2, и термоэлемент установлен в такое положение, что при температуре воздуха 22 ˚С клапан будет полностью закрыт, то этот коэффициент будет соответствовать положению клапана при температуре окружающего воздуха 20 ˚С.

Отсюда можно сделать вывод, что температура воздуха в помещении будет колебаться в пределах от 20 до 22 ˚С. Показатель Xp влияет на точность поддержания температуры. При Xp = (S – 1) диапазон поддержания температуры внутреннего воздуха будет в пределах 1 ˚С. При Xp = (S – 2) – диапазон 2 ˚С. Зона X p = (S – max) характеризует работу клапана без термочувствительного элемента.

В соответствии с ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», в холодный период года в жилой комнате оптимальные температуры лежат в пределах от 20 до 22 ˚С, то есть, диапазон поддержания температуры в жилых помещениях зданий должен быть 2 ˚С. Таким образом, для расчёта жилых зданий требуется выбор значений пропускной способности при Xp = (S – 2).

Рис. 2. Термостатический клапан VT.031

На рис. 3 показаны результаты стендового испытания (рис. 2 ) с термостатическим элементом VТ.5000 с установленным значением «3». Точка S на графике это теоретическая точка закрытия клапана. Это температура, при которой клапан имеет настолько маленький расход, что его можно считать, практически, закрытым.

Рис. 3. График закрытия клапана VT.031 с термоэлементом VT.5000 (поз. 3) при перепаде давлений 10 кПа

Как видно на графике, клапан закрывается при температуре 22 ˚С. При понижении температуры воздуха, пропускная способность клапана увеличивается. На графике показаны значения расхода воды через клапан при температуре 21 (S – 1) и 22 (S – 2) ˚С.

В табл. 1 представлены паспортные значения пропускной способности термостатического клапана VТ.031 при различных Xp .

Таблица 1. Паспортные значения пропускной способности клапана VT.031

Клапаны испытываются на специальном стенде, показанном на рис. 4 . В ходе испытаний поддерживается постоянный перепад давления на клапане равный 10 кПа. Температура воздуха имитируется при помощи термостатической ванны с водой, в которую погружается термоголовка. Температура воды в ванне постепенно повышается, при этом фиксируются расходы воды через клапан до полного закрытия.

Рис. 4. Стендовые испытания клапана VT.032 на пропускную способность по ГОСТу 30815-2002

Кроме значений пропускной способности термостатические клапаны характеризуются таким показателем, как максимальный перепад давления. Это такой перепад давления на клапане, при котором он сохраняет паспортные регулировочные характеристики, не создает шум, а также при котором все элементы клапана не будут подвержены преждевременному износу.

В зависимости от конструкции, термостатические клапаны имеют различные значения максимального перепада давления. У большинства представленных на рынке радиаторных термостатических клапанов эта характеристика составляет 20 кПа. При этом, согласно п. 5.2.4 ГОСТ 30815-2002, температура, при которой клапан закроется, при максимальном перепаде давления, не должна отличаться от температуры закрытия при перепаде давления 10 кПа более чем на 1 ˚С.

Из графика на рис. 5 видно, что клапан VТ.031 при перепаде давления 10 кПа и уставке термоэлемента «3» закрывается при 22 ˚С.

Рис. 5. Графики закрытия клапана VT.031 с термоэлементом VT.5000 при перепаде давления 10 кПа (синяя линяя) и 100 кПа (красная линия)

При перепаде давления 100 кПа клапан закрывается при температуре 22,8˚С. Влияние дифференциального давления составляет 0,8 ˚С. Таким образом, в реальных условиях эксплуатации такого клапана при перепадах давления от 0 до 100 кПа, при настройке термоэлемента на цифру «3», диапазон температур закрытия клапана составит от 22 до 23 ˚С.

Если в реальных условиях эксплуатации перепад давления на клапане вырастет больше максимального, то клапан может создавать недопустимый шум, а также его характеристики будут существенно отличаться от паспортных.

Из-за чего же происходит увеличение перепада давления на термостатическом клапане во время эксплуатации? Дело в том, что в современных двухтрубных системах отопления расход теплоносителя в системе постоянно меняется, в зависимости от текущего теплопотребления. Какие-то терморегуляторы открываются, какие-то – закрываются. Изменение расходов по участкам приводит к изменению распределения давлений.

Для примера рассмотрим простейшую схему (рис. 6 ) с двумя радиаторами. Перед каждым радиатором установлен термостатический клапан. На общей линии находится регулирующий вентиль.

Рис. 6. Расчетная схема с двумя радиаторами

Допустим, что потери давления на каждом термостатическом клапане составляет 10 кПа, потери давления на вентиле – 90 кПа, общий расход теплоносителя – 0,2 м 3 /ч и расход теплоносителя через каждый радиатор – 0,1 м 3 /ч. Потерями давления в трубопроводах пренебрегаем. Полные потери давления в этой системе составляют 100 кПа, и они поддерживаются на постоянном уровне. Гидравлику такой системы можно представить следующей системой уравнений:

где V о – общий расход, м 3 /ч, V р – расход через радиаторы, м 3 /ч, kv в – пропускная способность вентиля, м 3 /ч, kv т.к. – пропускная способность термостатических клапанов, м 3 /ч, ΔP в – перепад давления на вентиле, Па, ΔP т.к – перепад давления на термостатическом клапане, Па.

Рис. 7. Расчетная схема с отключенным радиатором

Предположим, что в помещении, где установлен верхний радиатор, температура увеличилась, и термостатический клапан полностью перекрыл поток теплоносителя через него (рис. 7 ). В этом случае весь расход будет идти только через нижний радиатор. Перепад давления в системе выразится следующей формулой:

где V о ′ – общий расход в системе после отключения одного термостатического клапана, м 3 /ч, V p ′ – расход теплоносителя через радиатор, в данном случае он будет равен общему расходу; м 3 /ч.

Если принять во внимание, что перепад давления поддерживается постоянным (равным 100 кПа), то можно определить расход, который установится в системе после отключения одного из радиаторов.

Потери давления на вентиле снизятся, так как общий расход через вентиль уменьшился с 0,2 до 0,17 м 3 /ч. Потери давления на термостатическом клапане наоборот вырастут, потому что расход через него вырос с 0,1 до 0,17 м 3 /ч. Потери давления на вентиле и термостатическом клапане составят:

Из приведенных расчетов можно сделать вывод, что перепад давления на термостатическом клапане нижнего радиатора при открытии и закрытии термостатического клапана верхнего радиатора будет варьироваться от 10 до 30,8 кПа.

Но что будет, если оба клапана перекроют движение теплоносителя? В этом случае потери давления на вентиле будут нулевыми, так как движения теплоносителя через него не будет. Следовательно, разница давлений до золотника/после золотника в каждом радиаторном клапане будет равна располагаемому напору и составит 100 кПа.

Если используются клапаны с допустимым перепадом давлений меньше этой величины, то клапан может открыться, несмотря на отсутствии реальной потребности в этом. Поэтому перепад давлений на регулируемом участке сети должен быть ниже максимально допустимого перепада давления на каждом терморегуляторе.

Предположим, что вместо двух радиаторов в системе установлено некое множество радиаторов. Если в какой-то момент все терморегуляторы, кроме одного, закроются, то потери давления на вентиле будут стремиться к 0, а перепад давления на открытом термостатическом клапане будет стремиться к располагаемому напору, т.е., для нашего примера, к 100 кПа.

В этом случае расход теплоносителя через открытый радиатор будет стремиться к значению:

То есть в самом неблагоприятном случае (если из множества радиаторов открытым останется только один) расход на открытом радиаторе вырастет более чем в три раза.

Насколько же измениться мощность отопительного прибора при таком увеличении расхода? Теплоотдача Q секционного радиатора считается по формуле:

где Q н – номинальная мощность отопительного прибора, Вт, Δt ср – средняя температура отопительного прибора, ˚С, t в – температура внутреннего воздуха, ˚С, V пр – расход теплоносителя через отопительный прибор, n – коэффициент зависимости теплоотдачи от средней температуры прибора, p – коэффициент зависимости теплоотдачи от расхода теплоносителя.

Предположим, что отопительный прибор имеет номинальную теплоотдачу Q н = 2900 Вт, расчётные параметры теплоносителя 90/70 ˚С. Коэффициенты для радиатора принимаются: n = 0,3, p = 0,015. В расчётный период при расходе 0,1 м 3 /ч такой отопи- тельный прибор будет иметь мощность:

Чтобы узнать мощность прибора при Vр’’=0,316 м³⁄ч необходимо решить систему уравнений:

Методом последовательных приближений получаем решение этой системы уравнений:

Отсюда можно сделать вывод, что в системе отопления при самых неблагоприятных условиях, когда все отопительные приборы, кроме одного, на участке перекрыты, перепад давления на термостатическом клапане может вырасти до располагаемого напора. В приведенном примере при располагаемом напоре 100 кПа расход увеличится в три раза, при этом мощность прибора возрастёт всего на 17 %.

Повышение мощности отопительного прибора приведёт к увеличению температуры воздуха в отапливаемом помещении, что, в свою очередь, вызовет закрытие термостатического клапана. Таким образом, колебание перепада давления на термостатическом клапане во время эксплуатации в пределах паспортного максимального значения перепада является допустимым, и не приведет к нарушению в работе системы.

В соответствии с ГОСТ 30815-2002 максимальный перепад давления на термостатическом клапане определяется производителем из соблюдения требований бесшумности и сохранения регулировочных характеристик. Однако, изготовление клапана с широким диапазоном допустимых перепадов давления сопряжено с определенными конструктивными трудностями. Особые требования так же предъявляются к точности изготовления деталей клапана.

Большинство производителей выпускают клапаны с максимальным перепадом давления 20 кПа.

Исключение составляют клапаны VALTEC VT.031 и VT.032 () с максимальным перепадом давления 100 кПа (рис. 8 ) и клапаны фирмы Giacomini серии R401–403 с максимальным перепадом давления 140 кПа (рис. 9 ).

Рис. 8. Технические характеристики радиаторных клапанов VT.031, VT.032

Рис. 9. Фрагмент технического описания термостатического клапана Giacomin R403

Рис. 10. Фрагмент технического описания термостатического клапана

При изучении технической документации необходимо быть внимательным, так как некоторые производители переняли практику банкиров - вставлять мелкий текст в примечаниях.

На рис. 10 представлен фрагмент из технического описания одного из типов термостатических клапанов. В основной графе указано значение максимального перепада давления 0,6 бара (60 кПа). Однако в сноске есть примечание, что действительный диапазон работы клапана ограничен всего лишь 0,2 барами (20 кПа).

Рис. 11. Золотник термостатического клапана с осевым креплением уплотнителя

Ограничение вызвано шумом, возникающим в клапане при высоких перепадах давления. Как правило, это касается клапанов с устаревшей конструкцией золотника, в котором уплотнительная резинка просто крепится по центру заклепкой или болтом (рис. 11 ).

При больших перепадах давления уплотнитель такого клапана начинает вибрировать из-за неполного прилегания к золотниковой тарелке, вызывая акустические волны (шум).

Повышенный допустимый перепад давления в клапанах VALTEC и Giacomini достигнут за счёт принципиально иной конструкции золотниковых узлов. В частности, у клапанов VT.031 использован латунный золотниковый плунжер, «футерованный» эластомером EPDM (рис. 12 ).

Рис. 12. Вид золотникового узла клапана VT.031

Сейчас разработка термостатических клапанов с широким диапазоном рабочих перепадов давления является одной из приоритетных задач специалистов многих компаний.

Исходя из изложенного, можно дать следующие рекомендации по проектированию систем отопления с термостатическими клапанами:
1. Коэффициент пропускной способности термостатического клапана рекомендуется определять, исходя из допустимого диапазона температур обслуживаемого помещения. Например, для жилых комнат по ГОСТ 30494-2011 оптимальные пара- метры внутреннего воздуха находятся диапазоне 20–22 ˚С. Значение Kv в этом случае принимается при Xp = S – 2.
   В помещениях категории 3а (помещения с массовым пребыванием людей, в которых люди находятся преимущественно в положении сидя без уличной одежды) оптимальный диапазон температур 20–21 ˚С. Для этих помещений значение Kv рекомендуется принимать при Xp = S – 1.
2. На циркуляционных кольцах системы отопления должны быть установлены устройства (перепускные клапаны либо регуляторы перепада давления), ограничивающие максимальный перепад давления таким образом, чтобы перепад давления на клапане не превысил предельного паспортного значения.

Приведем несколько примеров подбора и установки устройств, для ограничения перепада давления на участке с термостатическими клапанами.

Пример 1. Расчётные потери давления в квартирной системе отопления (рис. 13 ), включая термостатические клапаны, составляют 15 кПа. Максимальный перепад давления на термостатических клапанах равен 20 кПа (0,2 бара). Потери давления на коллекторе, включая потери на теплосчётчиках, балансировочных клапанах и прочей арматуре примем 8 кПа. В итоге перепад давления до коллектора составляет 23 кПа.

Если установить регулятор перепада давления или перепускной клапан до коллектора, то в случае перекрытия всех термостатических клапанов в данной ветке, перепад на них составит 23 кПа, что превышает паспортное значение (20 кПа). Таким образом, в данной системе регулятор перепада давления или перепускной клапан должен устанавливаться на каждом выходе после коллектора, и должен быть настроен на перепад 15 кПа.

Рис. 13. Схема к примеру 1

Пример. 2 . Если принять не тупиковую, а лучевую систему поквартирного отопления (рис. 14 ), то потери давления в ней будут значительно ниже. В приведенном примере коллекторно-лучевой системы потери в каждой радиаторной петле составляют 4 кПа. Потери давления на квартирном коллекторе примем 3 кПа, а потери давления на этажном коллекторе – 8 кПа.

В этом случае регулятор перепада давления можно расположить перед этажным коллектором и настроить его на перепад 15 кПа. Такая схема позволяет сократить количество регуляторов перепада давления и существенно удешевить систему.

Рис. 14. Схема к примеру 2

Пример 3. В данном варианте используются с максимальным перепадом давления 100 кПа (рис. 15 ). Так же как и в первом примере, примем, что потери давления в квартирной системе отопления составляют 15 кПа. Потери давления на квартирном узле ввода (квартирной станции) 7 кПа. Перед квартирной станцией перепад давления составит 23 кПа. В десятиэтажном здании общую длину пары стояков системы отопления можно принять порядка 80 м (сумма подающего и обратного трубопроводов).

Рис. 15. Схема к примеру

При средних линейных потерях давления по стояку 300 Па/м, общие потери давления в стояках составят 24 кПа. Отсюда следует, что перепад давления у основания стояков составит 47 кПа, что меньше максимально допустимого перепада давления на клапане.

Если установить регулятор на перепад давления на стояк и настроить его на давление 47 кПа, то даже когда все радиаторные клапаны, подключенные к этому стояку, закроются, перепад давления на них будет ниже 100 кПа.

Таким образом, можно существенно снизить стоимость системы отопления, установив вместо десяти регуляторов перепада давления на каждом этаже, один регулятор у основания стояков.