Подбор регулирующих клапанов для водяных систем

Размер регулирующего клапана можно подобрать под определённый перепад давления с помощью графика, связывающего расход, перепад давления и коэффициенты расхода клапана.

В качестве альтернативы коэффициент расхода можно вычислить по формуле. После определения коэффициента расхода его используют для выбора клапана нужного типоразмера по техническим данным производителя.

Исторически формула для коэффициента расхода выводилась в имперских единицах и задавала расход в gallons/minute при перепаде давления one pound per square inch. Существует две версии имперского коэффициента: британская и американская, и при использовании нужно соблюдать осторожность, так как они различаются, хотя для обеих принят символ 'Cv'. Британская версия использует Imperial gallons, а американская - American gallons, объём которых составляет 0.833 объёма Imperial gallon. Для обеих версий принят символ Cv.

Метрическая версия коэффициента расхода первоначально выводилась через расход в cubic metres per hour (m³/h) при перепаде давления в kilogram force per square metre (kgf/m²). Это определение появилось ещё до согласования общеевропейского стандарта, определившего Kv в единицах SI (bar). Однако с 1987 года существует стандарт SI в форме IEC 534 -1 (теперь EN 60534 -1). Согласно текущему определению, расход задаётся в m³/h при перепаде давления 1 bar. Обе метрические версии по-прежнему используются с обозначением Kv, и хотя различие между ними невелико, важно точно знать и явно указывать, какая именно версия используется. Некоторые производители ошибочно приводят значения пересчёта Kv, не уточняя единицу перепада давления.

Table 6.3.1 показывает пересчёт между различными типами коэффициентов расхода:

Например, умножьте Kv (bar) на 1.16, чтобы получить Cv (US).

В этих модулях версия Kv всегда понимается как Kv (bar), то есть в единицах m³/h bar, если не указано иное.

Для расхода жидкостей в общем случае формула для Kv приведена в Equation 6.3.1.

Иногда требуется определить объёмный расход, используя коэффициент расхода клапана и перепад давления.

Для воды G = 1, поэтому уравнение для воды можно упростить до вида Equation 6.3.2.

Example 6.3.1 По контуру прокачивается 10 m³/h воды; определите перепад давления на клапане с Kv, равным 16, используя Equation 6.3.2:

Альтернативно для этого примера можно использовать график на Figure 6.3.1. (Примечание: более подробный график water Kv показан на Figure 6.3.2):

1. Войдите в график с левой стороны по значению 10 m³/h.
2. Проведите линию горизонтально вправо до пересечения с линией Kv = 16 (примерно).
3. Опустите линию вертикально вниз и считайте перепад давления по оси 'X' (примерно 40 kPa или 0.4 bar).

Примечание: прежде чем подбирать клапаны для жидкостных систем, необходимо понимать характеристики самой системы и её оборудования, например насосов.

Насосы В отличие от паровых систем, жидкостным системам для циркуляции жидкости требуется насос. Часто используются центробежные насосы, имеющие характеристику, подобную показанной на Figure 6.3.3. Обратите внимание: с увеличением расхода давление на нагнетании насоса уменьшается.

Характеристики циркуляционной системы Важно учитывать не только размер регулирующего клапана для воды, но и саму систему, в которой вода циркулирует; это влияет на выбор типа и размера клапана, а также на место его установки в контуре.

При циркуляции воды через систему возникают потери на трение. Эти потери можно выразить как потери давления, которые растут пропорционально квадрату скорости. Расход через трубу постоянного диаметра при любом другом значении потери давления можно рассчитать с помощью Equation 6.3.3, где v̇1 и v̇2 должны быть в одинаковых единицах, а P1 и P2 - также в одинаковых единицах.

Example 6.3.2

Наблюдается, что расход v̇1 через трубу определённого размера составляет 2500 m³/h при потере давления (P1) 4 bar. Определите потерю давления через ту же трубу (P2), если расход v̇2 составит 3 500 m³/h, используя Equation 6.3.3.

Из этого видно, что при прокачке большего количества жидкости через трубу того же размера расход увеличивается. На этой основе можно построить характеристическую кривую системы, как на Figure 6.3.4, используя Equation 6.3.3, где расход изменяется по квадратному закону.

Фактическая работа По характеристикам насоса и системы видно, что при росте расхода и трения насос развивает всё меньшее давление. В определённый момент давление насоса становится равным сопротивлению контура, и дальнейший рост расхода невозможен.

Если характеристику насоса и характеристику системы нанести на один график - Figure 6.3.5, то точка их пересечения будет фактической рабочей точкой комбинации насос/контур.

Трёхходовой клапан Трёхходовой клапан можно рассматривать как клапан постоянного расхода, поскольку независимо от того, используется ли он для смешения или переключения, суммарный расход через клапан остаётся постоянным. В системах, где применяются такие клапаны, водяной контур естественным образом разделяется на два отдельных контура: с постоянным расходом и с переменным расходом.

Простая система на Figure 6.3.6 показывает смесительный клапан, поддерживающий постоянный расход воды через контур 'load'. В системе отопления под load circuit понимается контур с отопительными приборами, например радиаторами здания.

Количество тепла, отдаваемого радиаторами, зависит от температуры воды, протекающей через load circuit, которая, в свою очередь, зависит от того, сколько воды поступает в mixing valve от котла и сколько возвращается к mixing valve по балансировочной линии.

В балансировочной линии необходимо установить balance valve. Этот клапан настраивают так, чтобы обеспечить такое же гидравлическое сопротивление в переменной части трубопроводной сети, как показано на Figures 6.3.6 и 6.3.7. Это помогает поддерживать плавное регулирование при изменении положения клапана.

На практике смесительный клапан иногда проектируют так, чтобы port A не закрывался полностью; это гарантирует минимальный расход через котёл под действием насоса при любых условиях.

В качестве альтернативы у котла может быть первичный контур с собственным насосом, который обеспечивает постоянный поток воды через котёл и предотвращает его перегрев.

Простая система на Figure 6.3.7 показывает diverting valve, поддерживающий постоянный расход воды через контур постоянного расхода. В этой системе load circuit получает переменный расход воды в зависимости от положения клапана.

Температура воды в load circuit будет постоянной, поскольку независимо от положения клапана вода поступает туда из котлового контура. Количество тепла, доступного радиаторам, зависит от объёма воды, проходящей через load circuit, а он, в свою очередь, определяется степенью открытия diverting valve.

Эффект отсутствия balance valve и его настройки показан на Figure 6.3.8. На этом графике видно, как меняются характеристика насоса и характеристика системы при изменении положения клапана. Две системные кривые показывают разницу в требуемом давлении насоса между load circuit P1 и bypass circuit P2 вследствие меньшего сопротивления балансировочного контура, если balance valve не установлен. Если контур сбалансирован неправильно, возможны short-circuiting и «голодание» других подконтуров (не показаны), а load circuit может недополучать воду.

Двухходовые клапаны Когда в водяной системе используется двухходовой клапан, по мере его закрытия расход уменьшается, а давление до клапана возрастает. По мере дросселирования регулирующего клапана к закрытию меняется напор насоса. Эти эффекты показаны на Figure 6.3.9.

Снижение расхода не только увеличивает давление насоса, но и может повысить потребляемую насосом мощность. Изменение давления насоса можно использовать как сигнал для включения двух или более насосов разной производительности либо для управления приводом(ами) насоса с регулируемой скоростью. Это позволяет согласовать производительность насосов со спросом и сократить затраты на перекачку.

Двухходовые регулирующие клапаны используются для управления подачей воды в процесс, например для регулирования уровня воды в паровом котле или поддержания уровня воды в питательном баке.

Их также можно использовать на теплообменных процессах, однако при закрытии двухходового клапана поток воды в участке трубопровода перед клапаном прекращается, образуя 'dead-leg'. Вода в этом тупиковом участке может охлаждаться за счёт теплопотерь в окружающую среду. Когда регулирующий клапан снова откроется, более холодная вода поступит в теплообменные змеевики и нарушит температуру процесса. Чтобы избежать этого, в системе управления может быть предусмотрена схема поддержания минимального расхода через малый байпасный трубопровод с регулируемым globe valve, который обходит регулирующий клапан и контур нагрузки.

Двухходовые клапаны успешно применяются на крупных отопительных контурах, где в общую систему включено множество клапанов. В больших системах крайне маловероятно, что все двухходовые клапаны одновременно окажутся закрыты, в результате чего система обладает естественной способностью к 'self-balancing'. Такие системы также часто используют насосы с регулируемой скоростью, изменяющие свою характеристику в зависимости от потребности системы; это помогает поддерживать самобалансировку.

При выборе двухходового регулирующего клапана для конкретного применения:

• если в системе установить сильно заниженный по размеру двухходовой регулирующий клапан, насос будет тратить большое количество энергии просто на то, чтобы продавить через клапан необходимый расход воды. Даже если достаточный расход удастся обеспечить, регулирование будет точным, поскольку даже малые перемещения клапана вызовут изменение расхода. Это означает, что для регулирования может использоваться почти весь ход клапана.
• если в той же системе установить сильно завышенный по размеру двухходовой регулирующий клапан, требуемая от насоса энергия уменьшится, поскольку при полностью открытом положении перепад давления на клапане будет малым. Однако начальный ход клапана от полностью открытого положения в сторону закрытия будет слабо влиять на расход в процессе. Когда же будет достигнута область реального регулирования, большое проходное сечение клапана приведёт к тому, что очень малые перемещения вызовут большое изменение расхода. Это может привести к неустойчивому регулированию, плохой стабильности и низкой точности.

Требуется компромисс между хорошей управляемостью малого клапана и меньшими энергетическими потерями большого клапана. Выбор клапана влияет на размер насоса, капитальные затраты и эксплуатационные расходы. Хорошей практикой считается учитывать эти параметры, поскольку они влияют на суммарную стоимость системы за срок службы.

Такого баланса можно добиться, вычислив 'авторитет клапана' относительно системы, в которой он установлен.

Авторитет клапана Авторитет клапана определяется по Equation 6.3.4.

Значение N должно быть близко к 0.5, но не выше, и уж точно не ниже 0.2.

Это гарантирует, что каждое приращение хода клапана будет влиять на расход, не приводя при этом к чрезмерному росту затрат на перекачку.

Example 6.3.3 Контур имеет суммарный перепад давления ΔP1 + ΔP2, равный 125 kPa, включая регулирующий клапан.

a) Если регулирующий клапан должен иметь авторитет клапана (N), равный 0.4, какой перепад давления нужно принять для его подбора?

b) Если расход системы/контура v̇ равен 3.61 l/s, каково требуемое значение Kv?

Часть a) Определение ΔP

Следовательно, для подбора клапана используется ΔP, равный 50 kPa, оставляя 75 kPa (125 kPa - 50 kPa) на остальную часть контура.

Часть b) Определение Kv

В качестве альтернативы можно использовать water Kv chart (Figure 6.3.2).

Трёхходовые регулирующие клапаны и авторитет клапана Трёхходовые регулирующие клапаны применяются как в схемах смешения, так и в схемах переключения, как уже объяснялось ранее в этом модуле. При выборе клапана для схемы переключения:

• сильно заниженный по размеру трёхходовой регулирующий клапан приведёт к высоким затратам на перекачку, а небольшие перемещения клапана будут заметно влиять на количество жидкости, направляемой через каждый из выходных патрубков;
• сильно завышенный по размеру клапан снизит затраты на перекачку, но перемещения клапана в начале и в конце его хода будут почти не влиять на распределение жидкости. Это может привести к неточному регулированию с большими резкими изменениями нагрузки. Излишне крупный клапан также будет дороже, чем клапан подходящего размера.

Та же логика применима и к смесительным схемам.

И здесь авторитет клапана обеспечивает компромисс между этими крайностями.

Для трёхходовых клапанов авторитет клапана всегда рассчитывается по P2 относительно контура с переменным расходом. Схематически это показано на Figure 6.3.10.