Гидравлика систем отопления и охлаждения

Линейная рабочая расходная характеристика клапана

Линейную рабочую расходную характеристику имеют регулирую­щие клапаны RLV-S, предназначенные для обвязки отопительных при­боров, а также ASV-I, USV-I, MSV-I, MSV-F (d > 250 мм), MSV-F Plus (d ^ 250 мм) (рис. 3.7), устанавливаемые на стояках, приборных ветках, магистралях и т. д. Отличительной особенностью клапанов больших диаметров MSV-F (d= 250...400) и MSV-F Plus (d= 250...400) является то, что для обеспечения стабильности их работы затвор выполнен полым с прямоугольными окнами (см. рис. 3.5,а).

У клапанов с линейной расходной характеристикой при идеальных условиях соблюдается зависимость между расходом воды и ходом штока:

AV AG, М /Ч1ЧЇ

— = 7^ = с—, (3.13)

*100 ^100 /7100

где П100 и G100 — максимально возможный соответственно объемный, м3/ч, либо массовый, кг/ч, расход воды через клапан; 1гш — полное перемещение (ход) штока клапана, мм; с — коэффициент пропорциональности.

.> :S <4

MSV-F MSV-F Plus

(d= 250. ..400) (d= 250. ..400)

Рис. 3.7. Регулирующие клапаны с линейной расходной характеристикой

пгк

Зависимость (3.13) справедлива при полном внешнем авторитете кла­пана а+ = 1 (все располагаемое давление регулируемого участка теряется в регулирующем отверстии). Во всем диапазоне хода штока его относитель­ное перемещение Шгш приводит к равному относительному изменению расхода Д1/Т'100. Однако данная пропорция нарушается с уменьшением ав­торитета клапана. Чем меньше авторитет, тем больше кривизна расходной характеристики, т. е. значительнее разрегулирование системы. При этом коэффициент пропорциональности с становится переменной величиной.

В реальных условиях при выборе клапана без учета авторитета его расходная характеристика отличается от проектной. Так, если затвор кла­пана установлен в положение Дh/hlm = 0,6, то превышение расхода при а+ = 0,3 составляет 100(0,8 - 0,6)/0,6 = 33 % (см. линии из точек на рис, 3.8). Следовательно, данный клапан вызовет перераспределение потоков в сис­теме и не будет обеспечивать эффективной работы теплообменного обору­дования. Его необходимо дополнительно настраивать при наладке систе­мы. Однако этого можно избежать, выбрав клапан с учетом авторитета.

Расходные характеристики клапана могут отличаться от идеальных, и регулирование происходит по деформированному линейному закону даже при внешнем авторитете а = 1. Для лучшего понимания данного ут­верждения необходимо условно разделить сопротивление клапана на две составляющие: сопротивление регулирующего отверстия под затвором клапана и сопротивление остальной части канала для прохода теплоноси­теля внутри корпуса клапана. Идеальные условия наступят тогда, когда второе составляющее будет равным нулю. Гидравлическое сопротивление корпуса клапана можно интерпретировать соответствующим сопротивле­нием участка трубопровода, которое создает первоначальную деформа­цию идеальной характеристики. Примененный подход в гидравлике назы­вают методом эквивалентных длин. Поэтому гидравлические характерис­тики регулирующих клапанов (кроме клапанов с нулевым сопротивлени­ем в максимально открытом положении), предоставляемые производите­лями, уже имеют искажение идеального закона регулирования, которое характеризуется базовым авторитетом. А внешний авторитет способству­ет дальнейшей деформации расходной характеристики. Реальное искаже­ние расходной характеристики клапана происходит под влиянием полно­го внешнего авторитета а+, который учитывает совместное действие начального искажения и искажения от внешнего авторитета:

а+ = а6а, (3.14)

где а6 — базовый авторитет клапана; а — внешний авторитет клапана.

В существующей практике проектирования систем часто принима­ют первоначальную (базовую) расходную характеристику клапана, предоставляемую производителем как начальную точку отсчета для

дальнейшего определения ее деформации под действием внешнего авто­ритета. Однако базовое искажение этой характеристики различно у каж­дого клапана, что усложняет обобщение (определение рекомендуемого диапазона внешнего авторитета) для гидравлических расчетов. Приме­ром могут быть различные конструкции корпусов клапанов: с перпенди­кулярным к потоку штоком, косым штоком, со штоком внутри шарового крана... Гораздо практичнее за начало отсчета деформации расходных характеристик клапанов взять его идеальную характеристику. Тогда для всех конструкций клапанов можно применить общие уравнения.

Влияние полного внешнего авторитета на зависимость относитель­ного расхода от относительного хода затвора клапана с линейной харак­теристикой имеет вид [24]:

(3.15)

Уравнение (3.15) в [24] основано на понятии авторитета клапана, которое по физической сути в полной мере соответствует понятию полного внешнего авторитета, рассматриваемому в настоящей работе. Поэтому все уравнения из [24] преобразованы с учетом разграничений в принятой терминологии.

При проектировании либо наладке системы обеспечения микро­климата необходимо определить настройку регулирующего клапана. Для этого следует преобразовать формулу (3.15).

Настройку регулирующего клапана с резьбовым шпинделем осу­ществляют путем его вращения. Отсчет оборотов начинают с положения «закрыто». Так как резьба шпинделя равномерная, то его полный подъем фдо пропорционален максимальной настройке клапана wmax. Этот пара­метр является технической характеристикой клапана и указывается про­изводителем. Промежуточному положению шпинделя h соответствует промежуточная настройка п. Тогда, заменив в формуле (3.15) отношение h/hwo на и/итах, получим уравнение настройки регулирующего клапана:

SHAPE * MERGEFORMAT

(3.16)

Из уравнения (3.16) следует, что настройка клапана зависит не только от расхода, но и от полного авторитета. При идеальных услови­ях (а+ = 1) уравнение (3.16) приобретает линейную зависимость (3.13).

Расход F10O определяют расчетным способом. Совпадение этого расхо­да с номинальным является частным случаем уравнения (3.16), когда

п = wmax. Такое положение клапана не позволяет увеличивать поток тепло­носителя. При этом весьма маловероятно равенство перепада давления, создаваемого максимально открытым регулирующим клапаном при номи­нальном расходе, с перепадом давления, который необходимо потерять на нем для уравновешивания циркуляционного кольца. Из-за ограниченности выбора гидравлических характеристик трубопроводов, гидравлических ха­рактеристик клапанов в максимально открытом положении, разветвленно - сти систем и многого другого в большинстве случаев применяют регулиру­ющие клапаны с установленной предварительной настройкой. Тогда расход І7!оо и расход Пне совпадают. Графическое пояснение этого дано на рис. 3.9.

Регулируемый участок, рассмотренный на рис. 3.9, расположен меж­ду точками отбора импульса давления регулятором перепада давления по схеме на рис. 3.3,г. Давление, поддерживаемое данным регулятором АР, является располагаемым. По нему увязывают регулируемые участки. Потери давления регулируемого участка без учета потерь давления на ре­гулирующем клапане равны АР. Следовательно, потери давления на регу­лирующем клапане должны составлять APV = АР - АР. Так как слишком мала вероятность совпадения этой разности давления с создаваемой
максимально открытым клапаном, клапан приходится настраивать. Тогда потери давления на клапане целесообразно разделить на два слагаемых: потери давления ДPvs, характеризуемые конструктивными особенностя­ми пути протекания теплоносителя внутри полностью открытого клапа­на, и потери давления ДРп, возникающие вследствие перемещения штока с максимально открытого положения до положения требуемой настрой­ки. Потери ДPvs, бар, определяют по максимальной пропускной способ­ности клапана kvs, (м3/ч)/бар0’5, и номинальному расходу 1^, м3/ч:

А(3.17)

vs

Расход теплоносителя Vl00, м3/ч, определяют по перепадам давле­ния на клапане АР, APvs и АР, бар, при номинальном расходе и макси­мальной пропускной способности kvs, (м3/ч)/бар°’5:

АРАР

АР+А>- О-18)

Подставляя а+ из уравнения (3.14) и (1 шг^ дг)2113 уравнения (3.19) в уравнение (3.16), получают уравнение настройки регулирующего клапана с линейной рабочей расходной характеристикой в виде:

п= (3.20)

L 1 , АР L APV+AP - 1 АР

а+ a6APvs V «6APVJ a6APvs

В данном и последующих уравнениях настройки клапанов примене­но видоизмененное уравнение внешнего авторитета а = APVS /(APVS - АР ), в котором все параметры рассчитывают по номинальному расходу, а не по максимальному, как в уравнении (3.12). Такой подход практичнее, поскольку номинальный расход является расчетным параметром при проектировании систем в отличие от максимального расхода.

Пример 2. Регулирующий клапан MSV-I d = 25 мм имеет линейную расходную характеристику. Зависимость пропускной способности клапа­на от настройки приведена в таблице, предоставляемой производителем.

Необходимо определить базовый авторитет клапана.

Решение. Базовый авторитет клапана рассчитывают из уравнения настройки (3.16), записанного в виде:

а а =а+ =1пШм_1 <KJKf 1 1

В данном примере следует принимать внешний авторитет а = 1, исходя из условий гидравлического испытания клапана. Тогда, подстав­ляя максимальные параметры из последней колонки, а промежуточные параметры из любой другой колонки таблицы, находят базовый автори­тет клапана:

1-(4.0/2,7);

6 1 - (3,2/1,5)

Для большей точности данного параметра необходимо найти его значение при каждой настройке и усреднить. Результаты расчетов пока­заны в таблице.

Среднеарифметическое значение а6 = 0,35.

Незначительный разброс табличных данных базового авторитета вы­зван округлением пропускной способности клапана и погрешностью ее оп­ределения. Рассчитать точнее пропускную способность клапана можно аналитически. Для этого необходимо гидравлическим испытанием клапа­на установить с достаточной достоверностью пропускную способность клапана лишь при одной настройке. Сходимости практических и теорети­ческих расчетов способствует также конструктивное усовершенствование клапана — уменьшение люфта резьбы и уменьшение ее шага на шпинделе. В последнем случае увеличивается также количество положений настроек.

Таким образом, из рассмотренного примера 2 видно, что регулирова­ние потока данным клапаном при внешнем авторитете а = 1 будет осу­ществляться по расходной характеристике, отображаемой кривой пол­ного внешнего авторитета а+ = 0,35 на рис. 3.8. Дальнейшая деформация этой характеристики происходит под влиянием внешнего авторитета.

Существующая практика проектирования систем обеспечения микро­климата, как правило, не учитывает должным образом взаимовлияния базового и внешнего авторитетов регулирующего клапана на его настрой­ку. Производители предоставляют графики, таблицы или диаграммы, соот­ветствующие базовой расходной характеристике при внешнем авторитете а = 1. Но этого недостаточно для определения расходной характеристики клапана в реальных условиях. При существующих подходах уже на ста­дии проектирования системы могут быть созданы условия для непреду­смотренного регулирования потоков теплоносителя. Возникающее пере­распределение снижает энергоэффективность системы обеспечения мик­роклимата, т. к. увеличивается энергопотребление, ухудшает обеспечение теплового комфорта в помещении, усложняет пуско-наладочные работы.

Результат расчета настройки клапана по общему внешнему авторите­ту аналогичен результату расчета по kv либо графическому методу, кото­рые предоставляет производитель в техническом описании клапана. Однако, этот расчет имеет существенное отличие: при помощи общего внешнего авторитета он отображает видоизменение процесса регулиро­вания в зависимости от характеристик регулируемого участка, что рассмотрено в примере 3.

Пример 3. Проектируют систему обеспечения микроклимата с от­ветвлением (стояком или горизонтальной веткой). Ближайшим и един­ственным автоматическим устройством стабилизации давления в системе является регулятор перепада давления, установленный в индивидуальном тепловом пункте по схеме на рис. 3.3,г. Поддерживаемый им перепад давле­ния АР = 0,45 бар. Сопротивление регулируемого у частка без учета потерь давления на регулирующем клапане составляет ДР = 0,25 бар. Номиналь­ный расход теплоносителя на регулируемом у частке равен VN = 0,8 м3/ч.

Необходимо подобрать регулирующий клапан и определить настройку для увязки ответвления.

Решение. Гидравлическое увязывание ответвления обеспечивают определением настройки регулирующего клапана на перепад давления:

Д Pv = АР - А Р~ = 0,45 - 0,25 = 0,20 бар.

По уравнению из табл. 3.1 находят расчетную пропускную способ­ность клапана:

Подбирают регулирующий клапан с большим значением максималь­ной пропускной способности. Таковым является клапан MSV-I d = 20 мм с линейной расходной характеристикой. Его максимальная пропускная способность kvs = 2,5 (м3/ч)/бар°'5 и максимальная настройка wmax = 3,2. Следует заметить, что допускается применение клапанов с меньшей от расчетного значения пропускной способностью, если система с постоян­ным гидравлическим режимом и в дальнейшем не предусматривается ее регулирование в сторону увеличения расхода теплоносителя. Невязка давления в таком случае не должна превышать 15 %. В практике проек­тирования зачастую выбирают регулирующий клапан по диаметру, сов­падающему с диаметром ответвления. При выборе настройки, особенно в системах с переменным гидравлическим режимом, рекомендуется, что - бы клапан был открыт не менее чем на 20 % от kvs и не более чем на 80 % от kvs. Это позволит регулировать поток теплоносителя в процессе на­ладки систем как в большую, так и в меньшую сторону.

По методике примера 2 определяют базовый авторитет клапана. Результаты расчетов показаны в таблице.

Среднее значение базового авторитета а6 = 0,3.

Минимальные потери давления на клапане при номинальном расходе:

V2 о я2 ДР = If = - ДД. = о 1024 бар. vs hi 2,5

Внешний авторитет клапана:

АР„, 0,1024

-=0,291.

АР +АР~ 0,1024+0,25

Полный внешний авторитет клапана:

а+ = ag а =0,3x0,291 = 0,0873.

Подставляя известные параметры в уравнение (3.20), находят настройку клапана:

3,2

г = 1,56.

1_ 1 ■ °’45

0,0873 0,3x0,1024

Настройку принимают с округлением до указанной на шкале дольной кратности. У данного типа клапана шкала настройки размечена через десятые доли, следовательно, устанавливают настройку п = 1,6.

Определить настройку регулирующего клапана можно также по диаграмме, графику или таблице, которые предоставляет производи­тель при базовой деформации расходной характеристики. В данном
примере — по вышеприведенной таблице. Настройку находят интерпо­лированием табличных значений. Для обеспечения требуемой пропуск­ной способности 1,79 (м3/ч)/бар°’5 необходимо установить клапан на на­стройку п = 1,65 ~ 1,7.

Из результатов расчета следует, что при различных методах проек­тирования получают незначительно отличающиеся значения настройки регулирующего клапана: по теоритическому — 1,6; по данным производи­теля — 1,7. Такое увеличение настройки клапана приводит к незначитель­ному возразтанию потока теплоносителя, протекающего через него. Рас­ход теплоносителя в этом случае по преобразованному уравнению (3.16) составит:

О 45

= 2,5 -------------------------------------- =0,812- м3/ч.

0,3 А! _0,з+^

0,65 ) 0,291

Расхождение расходов при различных подходах определения настрой­ки в процентном соотношении для данного примера равно

^100 о/о = 0’812-0’800 100 о/о = 1,5 о/0.

VN 0,800

Как следует из примера 3, рассматриваемый теоретический подход соответствует данным производителя, полученным эксперименталь­ным путем. В то же время, теоретический расчет на основании общего внешнего авторитета отображает гидравлические процессы, происходя­щие в регулируемой системе. Он позволяет определить регулировоч­ные характеристики клапана в системе любой конфигурации, предоста­вляет возможность получения требуемых регулировочных характери­стик объекта регулирования путем манипулирования внешними авто­ритетами как автоматических, так и ручных клапанов, выявляет чув­ствительную область хода штока клапана, создавая пропорциональное регулирование объекта и предотвращая работу клапана в двухпози­ционном режиме.

Чувствительная область хода штока возрастает с увеличением вне­шнего авторитета клапана (а > 0,5). При наличии двух клапанов на регу­лируемом участке эта область сужается. Поэтому ручные балансировоч­ные клапаны целесообразно применять в системе с постоянным гидра­влическим режимом, где их внешние авторитеты практически не изме­няются и где на них не оказывают влияние автоматические клапаны. Если ручные балансировочные клапаны применены в системе с пере­менным гидравлическим режимом, к тому же с низкими внешними авто­ритетами (а < 0,5), то изначально создаются неблагоприятные условия

для наладки системы из-за уменьшения влияющей области хода штока на регулирование расхода (двухпозиционное регулирование). В этом случае необходимо проведение тщательных пусконаладочных работ. Го­раздо проще предотвратить такую ситуацию путем применения автома­тических регуляторов перепада давления, обеспечив внешние авторите­ты клапанов на регулируемых участках а > 0,5, упростив расчеты и наладку системы, а также уменьшив погрешность потокораспределения.

Определение настройки ручного балансировочного клапана при на­ладке системы, если этот клапан является единственным на регулируемом участке, не представляет особых сложностей. Однако если таких клапанов несколько, то наладка системы с ручными балансировочными клапанами значительно усложняется, что требует определенных навыков и, самое главное, значительных затрат времени (см. р. 10). Определение настройки одиночного клапана при наладке системы рассмотрено в примере 4.

Пример 4. В действующей системе обеспечения микроклимата на ответвлении (стояке или горизонтальной ветке) установлен регули­рующий клапан MSV-I d = 15 мм с линейной расходной рабочей харак­теристикой. Максимальное значение его настройки итх = 3,2. Макси­мальная пропускная способность клапана kvs = 1,6 (м3/ч)/бар°'5. Бли­жайшим и единственным устройством стабилизации давления в сис­теме является автоматический регулятор перепада давления, уста­новленный в индивидуальном тепловом пункте по схеме на рис. 3.3,г. Поддерживаемый им перепад давления ДР = 20 кПа = 0,2 бар.

Необходимо обеспечить расчетный расход теплоносителя, равный VN = 400 л/ч = 0,4 м3/ч.

Решение, Обеспечения расчетного расхода на ответвлении достига­ют подбором настройки регулирующего клапана. Для этого используют измеритель давления теплоносителя, подключаемый к штуцерам на регулирующем клапане.

По методике примера 2 рассчитывают базовый авторитет клапа­на. Результаты показаны в таблице.

Рассчитывают потери давления на полностью открытом клапане при номинальном расходе

О 42

АР = ^ = 0,063 бар.

1,62

Далее подставляют известные параметры в преобразованное уравнение настройки (3.20)

-т «шах 3,2

V я6 a6APVJ V °’3 0,3x0,063

В уравнении два неизвестных параметра. Следовательно, может быть несколько решений (см. табл.).

Область допустимых значений ограничена настройкой 1,2, так как при меньших настройках наступает несоответствие автоматически поддерживаемому давлению АР= 0,2 бар.

Изменение настройки п регулирующего клапана влечет соответ­ствующее изменение потерь давления APv, поэтому окончательное положение настройки определяют последовательным приближением к истинному значению. В процессе вращения настроечной рукоятки (ма­ховика) регулирующего клапана сравнивают измеряемые и расчетные потери давления на регулирующем клапане APv. Процесс настройки заканчивают при погрешности менее 15 %. Хорошим результатом явля­ется диапазон погрешности от -5 до +10 %.

Необходимо отметить, что применение приведенного алгоритма вычислений в микропроцессорных устройствах диагностики клапанов значительно упрощает определение настройки и в конечном итоге сокращает время наладки всей системы.

Рабочую расходную характеристику клапана определяют его об­щим внешним авторитетом. Общий внешний авторитет учиты­вает искажение идеальной расходной характеристики клапана под воздействием сопротивления корпуса клапана (определяют базовым авторитетом клапана) и сопротивления остальных элементов регулируемого участка (определяют внешним автори­тетом клапана ).

Линейная рабочая расходная характеристика клапана не претер­певает существенного искажения под воздействием внешнего авто­ритета, если его значение находится в диапазоне 0,5...1,0.

С уменьшением внешнего авторитета ниже 0,5 линейная рабочая расходная характеристика клапана значительно искажается, что следует учитывать при обеспечении регулируемости системы и возможности ее наладки.

Для упрощения расчетов и наладки системы, а также уменьшения погрешности потокораспределения рекомендуется применять ав­томатические регуляторы перепада давления на стояках верти­кальных или на приборных ветках горизонтальных систем, обеспе­чивая внешние авторитеты клапанов а > 0,5.