Гидравлика систем отопления и охлаждения

Автоматические регуляторы перепала давления

Автоматические регуляторы перепада давления — устройства, стабилизирующие располагаемое давление регулируемого участка на заданном уровне. Общий вид регуляторов перепада давления показан на рис. 5.6.

Регулятор перепада давления комплектуют клапаном-спутником. Этот клапан может быть запорным (с обозначением "М") либо регулирующим

щ

V*.

ASV-PV+ASV-M ASV-P+ASV-M

и ASV-PV Plus+ASV-M

Р

І

ASV-PV+ASV-I

и ASV-PV Plus+ASV-l USV-I+USV-PV

Рис. 5.6. Общий вид автоматических регуляторов перепада давления

(с обозначением "I"). Его устанавливают на подающем трубопроводе, а ре­гулятор — на обратном. Сообщены они между собой капиллярной трубкой длиной 1,5 м либо 5 м. Отбор импульса давления у регулирующего клапана осуществляется до него, а у запорного — после него. У клапанов с обозначе­нием "I" предусмотрены дополнительные штуцеры для отбора импульсов давления при диагностике регулируемого участка прибором PFM-3000.

Регулятор ASV-PV имеет возможность регулировки автоматичес­ки поддерживаемого давления в диапазоне от 5 до 25 кПа. Регулятор ASV-PV Plus — от 20 до 40 кПа. Регулятор ASV-P выполнен с постоян­ной настройкой на 10 кПа. Отличительной чертой регулятора USV-PV является возможность его трансформации в запорный вентиль USV-M путем замены мембранной коробки на крышку со шпинделем. Регуля­тор USV-PV имеет возможность регулировки автоматически поддер­живаемого давления в диапазоне от 5 до 25 кПа. Кроме того, комплект USV-PV +USV-I имеет спускные краники и в регуляторе, и в клапане - спутнике.

Рассмотренные регуляторы относят к классу регуляторов прямого действия, т. е. к таким, у которых воздействие измерительного элемента на регулирующий элемент осуществляется непосредственно без приме­нения дополнительного источника энергии (рис. 5.7). Измерительным элементом регулятора является диафрагма (мембрана) 7. Она воспри­нимает импульсы давления с обеих сторон и сопоставляет разницу этих давлений с заданной величиной. При наличии рассогласования актива­ция диафрагмы передается на шток 8 и перемещает затвор клапана 9 от­носительно регулирующего отверстия 13. Импульс давления попадает в пространство мембранной коробки 6 над диафрагмой через входное от­верстие 5 из капиллярной трубки. В трубку он попадает через отверстие в корпусе клапана-спутника. Импульс давления под диафрагму отбира­ется через отверстие 12 в затворе клапана 9 и проходит через отвер­стия 11 в полом штоке 8. Задают автоматически поддерживаемый пере­пад давления сжатием пружины настройки 4. Для этого вращают шпин­дель настройки 2. Каждому числу оборотов шпинделя соответствует ав­томатически поддерживаемый перепад давления на регулируемом участке. У регуляторов ASV-P шпиндель настройки пружины отсут­ствует, а сила упругости пружины установлена пропорционально воз­действию 10 кПа. Перекрытие потока теплоносителя вручную осущест­вляется вращением запорной рукоятки 1 по часовой стрелке до упора. В рабочем положении рукоятка 1 должна быть повернута против часовой стрелки до упора. Вращение рукоятки в любую сторону не изменяет на­стройку клапана, т. к. установку настроечного шпинделя 2 осуществля­ют торцевым ключиком через центральное отверстие в рукоятке.

ASV-PV: 1 - запорная рукоятка; 2 - шпинлель настройки пере­пала давления; 3 - уплотнительное кольцо; 4 - пружина на­стройки; 5 - входное отверстие в пространство над диафраг­мой; 6 - мембранная коробка; 7 - мембрана (диафрагма); 8 - шток; 9 - затвор клапана; 10 - корпус; 11 - входное отверстие в пространство под диафрагмой; 12 - отверстие отбора им­пульса давления пол диафрагму; 13 - регулирующее отверстие

Взаимодействие терморегуляторов, например, RTD-N и автомати­ческого регулятора перепада давления, например, ASV-PV+ASV-M по­казано на рис. 5.8. Основная суть их совместной работы заключается в том, что любые возмущения перепада давления в точках отбора устра­няются создаваемым перепадом давления АРк на клапане автоматичес­кого регулятора. При этом заданный перепад давления на регуляторе АР pv остается постоянным и соответствует потерям давления на регу­лируемом участке (например, стояке) АРст, т. е. APPV = АРст = const.

Закрывание терморегуляторов приводит к возрастанию перепада давления на них APj и соответствующему перемещению характеристи­ки регулируемого участка из положения 10 в положение 12 (на верхней части рисунка при использовании ASV-PV+ASV-M) и уменьшению расхода теплоносителя. Это вызывает также изменение характеристики всей системы обеспечения микроклимата из положения 4 в положе­ние 6 (на средней части рисунка) и возрастание потерь давления АРк на ASV-PV соответственно точек А и Б.

при полностью открытых и при частично закрытых, сравни­тельно с расчетным положением, терморегуляторах; 7 - зона лиапазона изменения активной составляющей потерь лавле - ния на автоматическом регуляторе перепала лавления; 8 - зона постоянного лиапазона потерь лавления на регулируе­мом участке; 9 - характеристика регулируемого участка без сопротивления терморегуляторов; 9' - то же, с учетом ASV-I; 10 - характеристика регулируемого участка в расчетном ре­жиме; 11 и 12 - характеристика регулируемого участка соот­ветственно при полностью открытых и частично закрытых терморегуляторах; 13 - зона изменения лиапазона потерь лавления на терморегуляторах

При открывании терморегуляторов уменьшается сопротивление APj на них (кривая 11 верхней части рисунка) и на ASV-PV соответ­ственно точки С. При работе ASV-PV+ASV-M поддерживаемый им пе­репад давления всегда равен потерям давления (без учета влияния есте­ственного давления) на регулируемом участке, т. е. APPV= АРст. Однако потери давления в системе до автоматического регулятора изменяются соответственно точек А, Б и С. Поэтому для наглядности верхней части рисунка основание оси ординат является общим для указанных точек (АРл, АРБ, АРс). При рассмотрении кривой 12 за основу следует прини­мать АРБ, кривой 10 — АРА, кривой 11 — АРС.

Для дополнительной возможности манипулирования внешними авторитетами терморегуляторов относительно перепада давления на регулируемом участке применяют комплект ASV-PV+ASV-I (либо USV-PV+USV-I). Такая надобность возникает при необходимости ог­раничения максимального расхода на регулируемом участке. Совмест­ная работа данного автоматического регулятора перепада давления с терморегуляторами показана на нижней части рис. 5.8 и аналогична верхней части. Однако при этом уменьшается зона 13 за счет гидравли­ческого сопротивления клапана ASV-I (USV-I), поскольку отбор им­пульса давления осуществляется до него. Смещение кривой 11 (сравни верхнюю часть рисунка с нижней) означает ограничение максимально­го расхода теплоносителя относительно точки С' при открывании тер­морегуляторов. Включение дополнительного сопротивления регули­рующего клапана ASV-I (USV-I) в сопротивление регулируемого участка приводит также к изменению пропорции потокораспределения терморегуляторов в сторону уменьшения максимального расхода при их открывании, что аналогично влиянию дросселя терморегулятора (см. п. 4.2.4.4).

На рис. 5.8 указана пассивная составляющая потерь давления в ав­томатическом регуляторе перепада давления, равная разнице между кривой 3 и кривой 2. Пассивная составляющая характеризует регуля­тор при полностью поднятом затворе клапана, т. е. в максимально от­крытом положении. Ее определяют по уравнению в табл. 3.1, исполь­зуя максимальную пропускную способность автоматического регуля­тора kvs. Такой подход позволяет рассмотреть работу автоматического регулятора во всех режимах работы терморегуляторов и предотвра­тить потерю регулируемости. Потеря регулируемости может возник­нуть вследствие полного открывания терморегуляторов при запуске системы, ее выходе в рабочий режим после ночного режима и т. д. Ес­ли при этом сопротивление регулируемого участка становится мень­ше автоматически поддерживаемого регулятором, а максимальная пропускная способность регулируемого участка больше максималь­ной пропускной способности регулятора, то мембрана залипает к мем­бранной коробке, т. е. кривая 5 совпадает с кривой 3 на рис. 5.8. Тогда в системе происходит неконтролируемое перераспределение потоков между регулируемыми участками и, как следствие, неравномерный прогрев помещений.

Предотвращают такое развитие ситуации несколькими способами: ориентировочным либо расчетным завышением располагаемого давле­ния системы.

По первому способу ориентировочный запас давления опреде­лен опытным путем и равен 8...10 кПа. С учетом такого подхода рас­полагаемое давление системы АРс при использовании комплекта ASV-PV+ASV-M должно составлять:

где (0,8... 1)104 — запас давления на стабильную работу автоматичес­кого регулятора перепада давления, Па; АРст — потери давления на регулируемом участке (стояке), Па; АР ы — потери давления на запор­ном клапане-спутнике ASV-M; АР — потери давления на участке системы до точек отбора импульса давления для автоматического ре­гулятора (в трубопроводах...), Па; 1 х104 — автоматически поддержи­ваемый регулятором ASV-P перепад давления на регулируемом участке, Па.

Отличительной особенностью уравнений (5.1) и (5.2) от уравне­ния (5.3) является то, что потери давления АРм на запорном клапане - спутнике ASV-M учитывают отдельной составляющей потерь давления системы. Это вызвано конструктивной особенностью данного клапана: отбор импульса давления осуществлен на выходе клапана. У клапанов - спутников ASV-I и USV-I отбор импульса давления происходит перед регулирующим отверстием — на входе клапана. Поэтому потери давле­ния, вносимые их сопротивлением, являются составляющей потерь дав­ления регулируемого участка (стояка) АРст.

Указанный запас давления является рекомендованным, но необяза­тельным. Он может быть выше, но не превышать верхнюю границу работоспособности регулятора — 150 кПа.

По второму способу определяют нижнюю границу гарантирован­ной работы регулятора перепада давления. Осуществляют это, прирав­нивая максимально возможный расход на регулируемом участке при полностью открытых терморегуляторах к максимально возможному расходу при полностью открытом автоматическом регуляторе. Макси­мальный расход на регулируемом участке находят по общему авторите­ту терморегулятора основного циркуляционного кольца регулируемого участка, который характеризует потокораспределение. Его рассчитыва­ют при минимальном значении внешнего авторитета а = 0,5 и мини­мальном сопротивлении дросселя терморегулятора. У остальных тер­морегуляторов будет примерно такое же потокораспределение, т. к. при гидравлическом уравновешивании циркуляционных колец по мере приближения к автоматическому регулятору у них уменьшается на­стройка дросселя, но увеличивается внешний авторитет (смотри ниж­ние заштрихованные строчки таблицы примера 15 при внешнем автори­тете а = 0,5 с настройкой N и внешним авторитетом а = 1,0 с настрой­кой 4). Следовательно, суммарное потокораспределение терморегуля­торов равно потокораспределению регулируемого участка (стояка либо приборной ветки) в целом. Максимальный расход на автоматическом регуляторе определяют по уравнению в табл. 3.1. В результате получа­ют уравнение требуемого запаса давления для автоматического регуля­тора АР, бар:

Ар = ^ma> = — Y Vn’ =------------ ^------------------------ (5 4)

kl kljll-a] **(1-0 ’

где Fmax — максимально возможный расход теплоносителя на регулиру­емом участке (стояке либо приборной ветке), м3/ч; krs — максимальная пропускная способность автоматического регулирующего клапана, (м3/ч)/бар°’5; р — количество терморегуляторов на регулируемом участке, шт.; VN — номинальный расход на терморегуляторе, м3/ч; а* — общий авторитет терморегулятора; VN — номинальный расход на регулируемом участке (стояке либо приборной ветке), м3/ч; а*ст — общий авторитет регулируемого участка.

Пример 18. Проектируют двухтрубную систему обеспечения ми­кроклимата с терморегуляторами RTD-N20 UK. Общий авторитет терморегулятора а* = 0,276 при внешнем авторитете а = 0,5 с на - стройкой N (см. пример 15; kvs=,00(M3/4)/6ap0'5; kv=0,67(м3/ч)/бар°'5). Расход теплоносителя в нем VM = 0,3 (м3/ч). Граница бесшумности терморегулятора АР = 27 кПа. Протяженность основного циркуля­ционного кольца I = 90 м (от насоса до самого удаленного теплообменно­го прибора и обратно). Высота самого удаленного стояка в основном циркуляционном кольце h: = 30 м (общая длина трубопроводов стояка 2x30 = 60 м). Диаметр стояка 25 мм. Расход теплоносителя в стояке Vcm = 0,8 (м3/ч).

Необходимо определить целесообразность установки регулятора перепада давления на стояке и потери давления в системе.

Решение. Определяют потери давления в системе без терморегуля­тора из условия обеспечения его внешнего авторитета а = 0,5 относи­тельно автоматически поддерживаемого давления у насоса:

Ар~ = V*/к* = 0,32/1,002 = 0,09бар = 9,0 кПа.

Потери давления в терморегуляторе

АРТ = / &2 = 0,32 / 0,672 = 0,20 бар = 20,0 кПа.

Суммарные потери давления в основном циркуляционном кольце системы

АРс = АР + АРТ = 9,0 + 20,0 = 29,0 кПа.

Полученное давление может возникнуть на терморегуляторах в процессе эксплуатации системы (при закрытии большинства терморе­гуляторов). Т. к. это давление превышает минимальный перепад давле­ния по условию бесшумности терморегуляторов АР = 27 кПа, необходи­мо обязательно устанавливать автоматический регулятор перепада давления по схеме на рис. 3.3,й.

Принимают к установке автоматический регулятор перепада да­вления ASV-PV Plus+ASV-M. Регулируемый ним участок системы обеспечения микроклимата образует подсистему, которой является стояк со свойственным только ему гидравлическим режимом: автома­тически поддерживаемым перепадом давления.

Потери давления в стояке (подсистеме) без учета потерь давления в терморегуляторе определяют пропорционально длине трубопроводов: АР~„, = АР~ (60/90) = 9,0 (60/90) = 6,0 кПа.

Внешний авторитет терморегулятора в этом случае составит:

TOC o "1-5" h z VI 0,32

г і пп2

К _ 1.00

V2 о з2 ^

^f + AP; ^у + 0,06

,2 cm 1 00

Потери давления в стояке:

АРст = 6,0 + 20,0 = 26 кПа.

Этот перепад давления должен поддерживать ASV-PV Plus + ASV-M, т. е. APpV = АРст. Выбирают типоразмер автоматического регулятора перепада давления по диаметру стояка 25 мм. Его максимальная пропу­скная способность kvs = 4,0 (м3/ч)/бар0'5).

Определяют минимальный запас давления для автоматического регулятора по уравнению (5.4):

Vі 0,82

АР = , ст. =--------------- 5-^---------- = 0,055 бар = 5,5 кПа.

кЦі-а") 4,0 (1-0,276)

Допускается принимать диаметр автоматического регулятора пе­репада давления с меньшим либо большим диаметром относительно стояка, при этом соответственно увеличится или уменьшится мини­мальный запас давления.

Запас давления для клапана-спутника (ASV-M) принимают таким же, как и для ASV-PV Plus, т. е, равным 5,5 кПа. Это обусловлено тем, что у клапана спутника одинаковая с регулятором максимальная про­пускная способность. Тогда общий минимальный запас давления для комплекта ASV-PV Plus +ASV-M составляет 5,5 + 5,5 = 11,0 кПа.

Общие потери давления в системе обеспечения микроклимата с учетом ASV-PV Plus + ASV-M

АРс = 29,0 +11,0 = 40,0 кПа.

Определяют настройку автоматического регулятора перепада давления по приведенной таблице:

Для установки регулятора на давление АРст = 26 кПа необходимо сделать 14 оборотов шпинделя настройки (см. рис. 5.7) против часо­вой стрелки. Отсчет следует производить от закрученного до упора шпинделя. В углублении сверху запорной рукоятки необходимо приклеить самоклеящуюся этикетку с указанием выставленного пере - пада давления.

После определения запаса давления на автоматический регулятор основного циркуляционного кольца системы для остальных аналогичных регуляторов запас давления не рассчитывают, у них он будет выше, но необходимо, чтобы не превышал 150 кПа.

Регулятор перепада давления исключает гидравлическое влияние элементов системы, установленных до точек отбора импульсов давле­ния. Если сопротивление этих элементов превышает необходимый минимум запаса давления для его работоспособности (рекомендуется не менее 8...10 кПа; по расчету примера 18-11 кПа), то проявляется эффект снижения сопротивления системы, причем эффект будет тем значительнее, чем ближе к терморегулятору расположен регулятор перепада давления.

Для получения вышеуказанного эффекта необходимо устанавли­вать регулятор перепада давления на поквартирных приборных ветках (см. рис. 9,13...9,18). Применение такого регулятора на общем стояке си­стемы с горизонтальными ветками зачастую оказывается менее эффек­тивным, поскольку в регулируемом участке исключается всего лишь незначительная часть сопротивления, создаваемая магистральными трубопроводами.

Получаемый эффект приводит к экономии капитальных и эксплуа­тационных затрат. При сохранении одинакового сопротивления срав­ниваемых вариантов получают снижение капитальных затрат за счет применения трубопроводов и фитингов меньшего диаметра. Но такой подход не является лучшим решением. Он приводит к увеличению ско­рости теплоносителя в трубопроводах и, следовательно, к вероятности шумообразования. Гораздо целесообразнее воспользоваться преимуще­ствами снижения сопротивления. В таком случае уменьшаются капи­тальные затраты на приобретение насоса с меньшим напором, а также снижаются эксплуатационные затраты на перекачивание теплоносите­ля. Поскольку потребляемая мощность насоса напрямую зависит от сопротивления системы, то полученное снижение сопротивления сис­темы с автоматическими регуляторами перепада давления дает такую же экономию электропотребления насоса.

При потерях давления в циркуляционном кольце стояка (прибор­ной ветки), равных 4...6 кПа, без учета потерь давления в терморегуля­торе целесообразнее, с финансовой точки зрения, применять комплект ASV-P+ASV-M. Он автоматически поддерживает перепад давления на уровне 10 кПа.

Особенностью определения минимального запаса давления для ком­плектов ASV-PV+ASV-I и USV-PV+USV-I является то, что запас давле­ния определяют лишь для автоматических регуляторов, т. к. потери давле­ния клапанов-спутников ASV-I или USV-I включают в общие потери дав­ления подсистемы (стояка или приборной ветки). Кроме того, эти клапа­ны-спутники, внося дополнительное сопротивление и уменьшая внешние авторитеты терморегуляторов, ограничивают максимальный поток (см. последнюю строку в таблице примера 15 при а = 0,3). Вследствие это­го максимальный поток через автоматический регулятор примерно будет равен номинальному потоку. Тогда запас давления для автоматического ре­гулятора определяют по левой части уравнения (5.4) с заменой Г'тах на VN.

В примере 18 необходимость применения автоматических регуля­торов перепада давления обусловлена нормативным требованием по шуму в помещении, если располагаемый перепад давления системы превышает границу бесшумности терморегуляторов. Но даже если это требование соблюдено без автоматических регуляторов, то целесооб­разность их применения заключается также в устранении перетоков теплоносителя между стояками (приборными ветками). Совместная работа автоматических регуляторов перепада давления, установленных на двух стояках, показана на рис. 5.9.

На графике рассмотрено осредненное действие группы терморегуля­торов. Аналогичную оценку распространяют и на осредненную работу групп автоматических регуляторов перепада давления, установленных на стояках разных фасадов здания. Если система обеспечения микрокли­мата состоит из двух стояков с одинаковыми характеристиками 10, тогда их параллельному присоединению соответствует результирующая кри­вая 4. Частичное закрывание группы терморегуляторов одного из стоя­ков (верхний график) уменьшает расход теплоносителя на AG как в дан­ном стояке, так и в системе в целом, что приводит к изменению характе­ристики системы по кривой 6. Поскольку при этом возрастает давление в системе, автоматические регуляторы перепада давления на обоих стоя­ках, пропорционально реагируя, прикрывают клапанами регулирующие отверстия и увеличивают потери давления АРк относительно точек А и Б.

Таким образом, гидравлические режимы стояков не взаимосвязаны. Любые изменения расходных характеристик стояка не влияют на рабо­ту остальных стояков. Между стояками не возникает перераспределения теплоносителя при закрытии части терморегуляторов. Реагирование автоматических регуляторов на изменение гидравлического режима сис­темы, по сравнению с терморегуляторами, практически моментальное. Это дает возможность получить дополнительный экономический и са­нитарно-гигиенический эффект. Гидравлическое перераспределение

при работе терморегуляторов будут возникать лишь в пределах стояка. Полного устранения перетоков теплоносителя между теплообменными приборами с терморегуляторами достигают при проектировании систем обеспечения микроклимата по схемам на рис. 3.4.

На рис. 5.8 и рис. 5.9 условно показаны зоны автоматически поддер­живаемого перепада давления на регулируемых участках АРст = const. Высота этих зон зависит от перепадов давления, установленных на автоматических регуляторах.

Решаемые задачи автоматическими регуляторами перепада давле­ния в системах обеспечения микроклимата:

• предотвращение шумообразования терморегуляторов автома­тическим поддержанием перепада давления на заданном уров­не;

• предотвращение шумообразования в трубопроводах и элемен­тах систем ограничением максимального потока теплоносите-

ЛЯ j

• обеспечение оптимальных условий работы терморегуляторов во всех режимах их работы;

• создание условий эффективного потокораспределения термо­регуляторами образованием подсистем в пределах регулируе­мых участков, по располагаемому давлению которых определя­ют внешние авторитеты терморегуляторов;

• обеспечение дополнительного экономического и санитарно-гиги­енического эффекта моментальным предотвращением перето­ков теплоносителя между подсистемами;

• упрощение гидравлических расчетов дроблением разветвленных систем на подсистемы, в пределах которых уравновешивают циркуляционные кольца;

• стабилизация работы системы в течение длительного времени эксплуатации компенсацией возрастания гидравлического со­противления элементов системы от коррозии и накипи;

• устранение влияния естественного давления до регулируемого участка;

• упрощение монтажа и обслуживания системы совмещением функций перекрытия регулируемого участка, спуска теплоно­сителя, спуска воздуха, возможностью компьютерной диагнос­тики;

• автоматическая балансировка системы после ее модернизации (расширения и т. п.);

• снижение энергопотребления насосов.