Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика. Пырков В.В. , 2005. Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика
 Скачать 10.16 Mb.
|
|
Пропускная (расходная) характеристика клапана — зависимость между относительной пропускной способностью и относительным пе ремещением затвора клапана при изменении распределения давления между регулирующим отверстием и регулируемым участком. В том слу чае, если на регулирующем отверстии теряется все давление регулируе мого участка, пропускную характеристику клапана называют идеальной (внутренней) расходной характеристикой. При любых других соотно шениях — рабочей (эксплуатационной) расходной характеристикой клапана. Все эти характеристики представляют зависимость относи тельного массового G/G 100 либо объемного V/V 100 расхода, %, от отно сительного подъема затвора клапана h/h 100 , %. Клапаны конструируют по законам идеальных расходных характе ристик, каждому виду которых соответствует определенная форма по верхности затвора клапана. Затвор клапана изготавливают сплошным с внешним искривлением, что показано на верхней части рис. 3.5, либо 42 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА a б в г Рис. 3.5. Профили затвора клапана для характеристик: а линейной; б логарифмической; в параболической; г логарифмическо линейной 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 h , % /h 0 0 1 G , % /G 0 0 1 Рис. 3.6. Идеальные расходные характе ристики регулирующих клапанов: 1 линейная; 2 логарифмичес кая; 3 параболическая; 4 лога рифмическо линейная установленный сразу после насоса. В системах обеспечения микрокли мата зданий с замкнутой циркуляцией приближения к идеальным усло виям достигают при схемах на рис. 3.4,б. В инженерных системах зданий наибольшее распространение по лучили клапаны с линейной и логарифмической (равнопроцентной) характеристикой. Шире начинают применять клапаны с совмещением этих характеристик. При этом нередко на одном регулируемом участке устанавливают различные клапаны без учета их расходных характе ристик и возникающего несоответствия декларируемой производите лем пропускной способности. Такой подход отражается на качестве ре гулирования и может привести к нарушению оптимального управле ния системой, а в некоторых случаях — к потере регулируемости. По этому рассмотрим подробнее идеальные расходные характеристики клапанов и определим их деформации, возникающие при изготовле нии клапанов и установке их в системе обеспечения микроклимата. Форма затвора клапана определяется видом идеальной расходной характеристики. Для практических расчетов применяют рабочую расходную характеристику клапана. 3.4.1. Линейная рабочая расходная характеристика клапана Линейную рабочую расходную характеристику имеют регулирую щие клапаны RLV S, предназначенные для обвязки отопительных при боров, 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: , (3.13) где V 100 и G 100 — максимально возможный соответственно объемный, м 3 /ч, либо массовый, кг/ч, расход воды через клапан; h 100 — полное перемещение (ход) штока клапана, мм; c — коэффициент пропорциональности. ≤ ≤ 45 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА клапана эту область минимизируют, чтобы не допустить потери регулируемости. Профили затворов на рис. 3.5,а в идеальных условиях создают ли нейную зависимость между относительным ходом штока и относитель ным расходом, изображенную линией 1 на рис. 3.6. В абсолютных коор динатах линейная характеристика, создаваемая плоским затвором, от личается от характеристики, создаваемой полым затвором с прямо угольными отверстиями (окнами). Первая круче второй. Прямоуголь ные отверстия полого затвора клапана, показанного на нижней части рис. 3.5,а, позволяют точнее регулировать расход теплоносителя. Криволинейный профиль затвора либо криволинейные отверстия в поверхности полого цилиндрического затвора, изображенные на рис. 3.5,б, при идеальных условиях создают логарифмическую взаимо связь между относительным ходом штока и относительным расходом. Этой взаимосвязи соответствует кривая 2 на рис. 3.6. При логарифми ческой характеристике перемещение затвора клапана на одинаковую величину из любого начального положения обеспечивает постоянство доли изменения расхода теплоносителя относительно начального зна чения. Если указанную долю выражают в процентах, то эту характерис тику называют равнопроцентной. Промежуточной между идеальной линейной и идеальной логариф мической характеристикой является идеальная параболическая харак теристика (кривая 3 на рис. 3.6). Ее получают при полом цилиндричес ком затворе с криволинейной прорезью (рис. 3.5,в). Сочетание различных профилей в затворе клапана дает совмещен ные расходные характеристики, например, логарифмическо линейную. Ей присущи черты логарифмической и линейной характеристик в зави симости от высоты подъема затвора клапана, что отображено кривой 4 на рис. 3.6. Для такой характеристики изготавливают укороченный затвор с неполным логарифмическим профилем поверхности (рис. 3.5,г). Лога рифмическая характеристика появляется под влиянием криволинейной поверхности затвора клапана, а линейная формируется его нижней час тью, которая может быть либо плоской, либо несколько выпуклой. На рис. 3.6 показаны идеальные расходные характеристики. Они могут быть получены только при идеальных условиях, когда все распо лагаемое давление регулируемого участка теряется в регулирующем отверстии клапана либо терморегулятора. Для этого необходимо, что бы данный клапан был не только единственным устройством регули руемого участка, но и чтобы сопротивление корпуса клапана было ну левым. В реальных условиях это встречается крайне редко. Некоторым приближением является водоразборный кран системы водоснабжения, 44 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Зависимость (3.13) справедлива при полном внешнем авторитете кла пана a + = 1 (все располагаемое давление регулируемого участка теряется в регулирующем отверстии). Во всем диапазоне хода штока его относитель ное перемещение h/h 100 приводит к равному относительному изменению расхода V/V 100 . Однако данная пропорция нарушается с уменьшением ав торитета 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 кла пана установлен в положение h/h 100 = 0,6, то превышение расхода при a + = 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 сис теме и не будет обеспечивать эффективной работы теплообменного обору дования. Его необходимо дополнительно настраивать при наладке систе мы. 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 ут верждения необходимо условно разделить сопротивление клапана на две составляющие: сопротивление регулирующего отверстия под затвором клапана и сопротивление остальной части канала для прохода теплоноси теля внутри корпуса клапана. Идеальные условия наступят тогда, когда второе составляющее будет равным нулю. Гидравлическое сопротивление корпуса клапана можно интерпретировать соответствующим сопротивле нием участка трубопровода, которое создает первоначальную деформа цию идеальной характеристики. Примененный подход в гидравлике назы вают методом эквивалентных длин. Поэтому гидравлические характерис тики регулирующих клапанов (кроме клапанов с нулевым сопротивлени ем в максимально открытом положении), предоставляемые производите лями, уже имеют искажение идеального закона регулирования, которое характеризуется базовым авторитетом. А внешний авторитет способству ет дальнейшей деформации расходной характеристики. Реальное искаже ние расходной характеристики клапана происходит под влиянием полно го внешнего авторитета а + , который учитывает совместное действие начального искажения и искажения от внешнего авторитета: a + = a б a , (3.14) где a б — базовый авторитет клапана; a — внешний авторитет клапана. В существующей практике проектирования систем часто принима ют первоначальную (базовую) расходную характеристику клапана, предоставляемую производителем как начальную точку отсчета для Δ Δ Δ 46 47 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА USV I ASV I MSV F (d = 250Ö400) MSV F Plus (d = 250Ö400) Рис. 3.7. Регулирующие клапаны с линейной расходной характеристикой RLV S прямой MSV I RLV S угловой 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,05 0,1 0,3 0,5 0,7 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0 ∆V /V 00 1 V/V 0 0 1 h /h 0 0 1 ∆h/h 100 a + = 1,0 Рис. 3.8. Линейная рабочая расходная характеристика клапана n = n max . Такое положение клапана не позволяет увеличивать поток тепло носителя. При этом весьма маловероятно равенство перепада давления, создаваемого максимально открытым регулирующим клапаном при номи нальном расходе, с перепадом давления, который необходимо потерять на нем для уравновешивания циркуляционного кольца. Из за ограниченности выбора гидравлических характеристик трубопроводов, гидравлических ха рактеристик клапанов в максимально открытом положении, разветвленно сти систем и многого другого в большинстве случаев применяют регулиру ющие клапаны с установленной предварительной настройкой. Тогда расход V 100 и расход V не совпадают. Графическое пояснение этого дано на рис. 3.9. Регулируемый участок, рассмотренный на рис. 3.9, расположен меж ду точками отбора импульса давления регулятором перепада давления по схеме на рис. 3.3,г. Давление, поддерживаемое данным регулятором P , является располагаемым. По нему увязывают регулируемые участки. Потери давления регулируемого участка без учета потерь давления на ре гулирующем клапане равны P - . Следовательно, потери давления на регу лирующем клапане должны составлять P v = P P - . Так как слишком мала вероятность совпадения этой разности давления с создаваемой Δ Δ Δ Δ Δ 49 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА дальнейшего определения ее деформации под действием внешнего авто ритета. Однако базовое искажение этой характеристики различно у каж дого клапана, что усложняет обобщение (определение рекомендуемого диапазона внешнего авторитета) для гидравлических расчетов. Приме ром могут быть различные конструкции корпусов клапанов: с перпенди кулярным 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 относитель ного расхода от относительного хода затвора клапана с линейной харак теристикой 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 микро климата необходимо определить настройку регулирующего клапана. Для этого следует преобразовать формулу (3.15). Настройку регулирующего клапана с резьбовым шпинделем осу ществляют путем его вращения. Отсчет оборотов начинают с положения «закрыто». Так как резьба шпинделя равномерная, то его полный подъем h 100 пропорционален максимальной настройке клапана n max . Этот пара метр является технической характеристикой клапана и указывается про изводителем. Промежуточному положению шпинделя h соответствует промежуточная настройка n. Тогда, заменив в формуле (3.15) отношение h/h 100 на n/n max , получим уравнение настройки регулирующего клапана: (3.16) Из уравнения (3.16) следует, что настройка клапана зависит не только от расхода, но и от полного авторитета. При идеальных услови ях ( a + = 1 ) уравнение (3.16) приобретает линейную зависимость (3.13). Расход V 100 определяют расчетным способом. Совпадение этого расхо да с номинальным является частным случаем уравнения (3.16), когда 48 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 100 = сonst Рис. 3.9. Распределение давлений на регулируемом участке: 1 ñ харак теристика нерегулируемого насоса; 2 ñ характеристика авто матического регулятора перепада давления; 3 ñ характерис тика регулируемого участка в расчетных условиях; 4 ñ харак теристика регулируемого участка при полностью открытом регулирующем клапане; 5 ñ характеристика регулируемого участка без учета сопротивления регулирующего клапана Решение. Базовый авторитет клапана рассчитывают из уравнения настройки (3.16), записанного в виде: В данном примере следует принимать внешний авторитет a = 1 , исходя из условий гидравлического испытания клапана. Тогда, подстав ляя максимальные параметры из последней колонки, а промежуточные параметры из любой другой колонки таблицы, находят базовый автори тет клапана: Для большей точности данного параметра необходимо найти его значение при каждой настройке и усреднить. Результаты расчетов пока заны в таблице. Среднеарифметическое значение a б = 0,35. Незначительный разброс табличных данных базового авторитета вы зван округлением пропускной способности клапана и погрешностью ее оп ределения. Рассчитать точнее пропускную способность клапана можно аналитически. Для этого необходимо гидравлическим испытанием клапа на установить с достаточной достоверностью пропускную способность клапана лишь при одной настройке. Сходимости практических и теорети ческих 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 регулирова ние потока данным клапаном при внешнем авторитете a = 1 будет осу ществляться по расходной характеристике, отображаемой кривой пол ного внешнего авторитета a + = 0,35 на рис. 3.8. Дальнейшая деформация этой характеристики происходит под влиянием внешнего авторитета. Существующая практика проектирования систем обеспечения микро климата, как правило, не учитывает должным образом взаимовлияния базового и внешнего авторитетов регулирующего клапана на его настрой ку. Производители предоставляют графики, таблицы или диаграммы, соот ветствующие базовой расходной характеристике при внешнем авторитете 51 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА максимально открытым клапаном, клапан приходится настраивать. Тогда потери давления на клапане целесообразно разделить на два слагаемых: потери давления P vs , характеризуемые конструктивными особенностя ми пути протекания теплоносителя внутри полностью открытого клапа на, и потери давления P n , возникающие вследствие перемещения штока с максимально открытого положения до положения требуемой настрой ки. Потери P vs , бар, определяют по максимальной пропускной способ ности клапана k vs , (м 3 /ч)/бар 0,5 , и номинальному расходу V N , м 3 /ч: (3.17) Расход теплоносителя V 100 , м 3 /ч, определяют по перепаду давления на клапане P v , бар, при номинальном расходе и максимальной пропускной способности клапана k vs , (м 3 /ч)/бар 0,5 : (3.18) Тогда (3.19) Подставляя a + из уравнения (3.14) и ( V 100 / V N ) 2 из уравнения (3.19) в уравнение (3.16), получают уравнение настройки регулирующего клапана с линейной рабочей расходной характеристикой в виде: (3.20) В данном и последующих уравнениях настройки клапанов примене но видоизмененное уравнение внешнего авторитета а = P vs ( P vs P - ) в котором все параметры рассчитывают по |