Подбор регулирующего клапана


Методика расчёта регулирующего клапана

Двухходовые регулирующие клапаны в инженерных системах имеют массу применений, самым распространённым из них стало использование в комплекте с контроллером и датчиками температуры, в качестве регулятора теплопотребления систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Независимо от поставленной задачи, расчёт регулирующего клапана сводится к определению его пропускной способности, при которой на заданном расходе будет дросселирован заданный избыток напора. Кроме соответствия по пропускной способности, подобранный регулирующий клапан должен быть проверен на возможность возникновения кавитации и шумообразование из-за высокой скорости течения воды через него.

Регулирующий клапан необходим, прежде всего, — для регулирования, поэтому подбираться он должен таким образом, чтобы максимально приблизить зависимость регулируемой величины от хода штока к линейной, при этом следует учесть важность таких параметров как расходная характеристика клапана и авторитет регулирующего клапана.

Расчёт пропускной способности Регулирующего клапана


Зависимость потерь напора от расхода через регулирующий клапан называется пропускной способностью — Kvs.

Kvs — пропускная способность численно равная расходу в м³/ч, через полностью открытый регулирующий клапан, при котором потери напора на нём равны 1бар.

Kv – то же, при частичном открытии затвора клапана.

Зная, что при изменении расхода в «n» раз потери напора на клапане изменяются в «n²» раз не сложно определить требуемый Kv регулирующего клапана подставив в уравнение расчётный расход и избыток напора.

Некоторые производители рекомендуют выбирать регулирующий клапан с ближайшим большим значением Kvs от полученного значения Kv. Такой подход выбора позволяет с большей точностью регулировать расходы ниже заданного при расчёте, но не даёт возможности увеличить расход выше заданного значения, которое довольно часто приходится превышать. Мы не критикуем вышеописанный метод, но рекомендуем подбирать двухходовой регулирующий клапан таким образом, чтобы требуемое значение пропускной способности находилось в диапазоне от 50 до 80% хода штока. Регулирующий клапан, рассчитанный таким образом, сможет с достаточной точностью как уменьшить расход относительно заданного, так и несколько увеличить его.

Выше приведенный алгоритм расчёта выводит список регулирующих клапанов, для которых требуемое значение Kv попадает в диапазон хода штока от 50 до 80%.

В результатах подбора приведен процент открытия затвора регулирующего клапана, при котором дросселируется заданный избыток напора на заданном расходе. Приведенные значения процента открытия учитывают кривизну расходной характеристики регулирующего клапана и её искажение за счёт отклонения авторитета от 1.

Подбор расходной характеристики регулирующего клапана


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

Регулирующие клапаны с линейной расходной характеристикой рекомендуется применять для регулирования процессов в которых изменение регулируемой величины линейно зависит от расхода, они могут применяться в качестве исполнительных клапанов регуляторов расхода и для регулирования температуры смеси в с тепловых пунктах систем отопления с зависимым присоединением к тепловой сети.

Регулирующие клапаны с логарифмической (равнопроцентной) расходной характеристикой рекомендуется применять в системах изменение регулируемой величины в которых нелинейно зависит от расхода и в системах с низким авторитетом регулирующего клапана. Регуляторы с равнопроцентной расходной характеристикой отлично подходят для регулирования теплоотдачи теплообменников независимых систем отопления и систем горячего водоснабжения со скоростными теплообменными аппаратами. При авторитете регулирующего клапана 0,1 — 0,3 логарифмическая характеристика искажается на столько, что регулирование происходит практически по линейному закону (линейная характеристика).

Основной задачей подбора регулирующего клапана, является создание линейной зависимости между регулирующим воздействием и изменением регулируемой величины, поэтому при выборе расходной характеристики следует учитывать её искажение за счёт отличия авторитета клапана от единицы.


Подбор привода регулирующего клапана

Электропривод подбирается под ранее выбранный регулирующий клапан. Электрические приводы рекомендуется выбирать из списка совместимых устройств, указанных в характеристиках клапана.

  • 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.
  • Напряжение питания и управляющий сигнал привода должны соответствовать напряжению питания и управляющему сигналу контроллера.

Расчёт регулирующего клапана 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.


оходное сечение между затвором и седлом регулирующего 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.
    • 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 регулирующего 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.

Устройства преобразования дельта «Р» в сигнал расхода

Тремя самыми распространенными устройствами являются манометры, мембраны и сильфоны. При помощи манометра можно снимать показание перепада давления непосредственно с прибора. Мембраны же и сильфоны можно подсоединять к контрольно-измерительным приборам.

Схема с манометром
Схема с манометром

Манометр является одним из самых распространенных приборов, применяемых для контроля и измерения перепада давления. На изображенной схеме манометром измеряют перепад давления, созданный при помощи диафрагмы. Один конец манометра подсоединен к отбору высокой стороны, расположенному вверх по потоку относительно диафрагмы. Другой конец манометра подсоединен к отбору низкой стороны, расположенному вниз по потоку относительно диафрагмы. Во время того, как поток жидкости, газа или пара проходит через диафрагму, манометр воспринимает разницу в давлении, созданную диафрагмой, и показывает эту разницу посредством высоты жидкости в трубке. Шкала манометра позволяет снимать показание этой измеренной дельты «Р» фактически непосредственно с прибора.

Обратите внимание!

Защита манометра от попадания жидкости, газа или пара из трубопровода обычно осуществляется в измерительных системах с помощью изолирующих мембран или с помощью каких-либо других способов.

Схема с мембраной
Схема с мембраной

На рисунке выше изображена схема, на которой мембрана выступает в роли устройства определения дельта «Р». На этой схеме мембрана помещена в камеру, в которую имеются входы с двух сторон. Один вход подсоединен к отбору высокой стороны, а другой вход подсоединен к отбору низкой стороны. Индикаторный рычаг закреплен в верхней части камеры, а его нижний конец крепится к мембране. Разница давлений внутри камеры приводит в движение мембрану, которая, в свою очередь, приводит в движение стрелку, заставляя ее отклоняться то в одну, то в другую сторону. По мере увеличения или уменьшения величины перепада давления механическое движение мембраны передается на индикаторный рычаг.


Схема с двумя сильфонами
Схема с двумя сильфонами

Это схема, в которой для преобразования величины дельты «Р» в механическое движение использованы два гофрированных сильфона. Детали изображенной схемы включают в себя: два соединенных вместе сильфона с перегородкой между ними, рычаг, индикаторную стрелку и шкалу.

Сильфон, обозначенный буквой «А», подсоединяется к отбору высокой стороны, а сильфон под буквой «В» подсоединяется к отбору низкой стороны. Сильфоны помещены в камеру. Перегородка же между сильфонами может свободно перемещаться. С помощью рычага, закрепленного на перегородке, механическое движение сильфонов передается на индикаторную стрелку, которая может перемещаться вдоль шкалы.

Формула для расчета расхода на основе перепада давления

Формула для расчета расхода звучит так — величина расхода прямо пропорциональна квадратному корню отношения, измеренному в данный момент показанию дельты-Р к величине максимальной дельты-Р в процентном выражении.

Формула для преобразования разности давлений в расход
Формула для преобразования разности давлений в расход

Для того, чтобы преобразовать фактическое показание дельты-Р в показание расхода требуются три основные величины: величина максимального расхода в системе, величина максимального перепада давления при максимальном расходе и измеренное показание перепада давления. Упрощенной формулой, в которой для преобразования перепада давления в расход использованы эти три величины, будет следующее выражение:


Этой формулой будет легче воспользоваться, если разбить ее на три последовательных действия:

1) Разделить измеренное показание перепада давления на величину максимального перепада давления;

2) Вычислить квадратный корень от результата, полученного в первом действии;

3) Умножить полученный результат квадратного корня на величину максимального расхода. Полученный в третьем действии результат равен фактическому расходу в измеряемой системе.

Условный диаметр регулирующего клапана

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

Определение расчетного диаметра клапана ведется по формуле:

Подбор регулирующего клапана

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

Рекомендуемая скорость потока:

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

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

Проверка клапана на кавитацию

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

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

Если смотреть на диаграмму перепад-Kvs-расход, то по ней давление до 1 бар, но это на открытом клапане, а если клапан прикрывается, то скорость на седле растет, проходное сечение уменьшается и перепад может быть больше чем по графику.


Использованные источники

  1. ktto.com.ua/calculation/krm
  2. kipiavp.ru/info/metod-perepada-davleniya.html
  3. engineerhelper.ru/tube_valve/calculation/valve_kv.html
  4. forum.abok.ru/index.php?showtopic=95571&st=60

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.