Технические характеристики регулирующих клапанов. Подбор регулирующих клапанов

Бытует мнение, что подбор трёхходового клапана не требует предварительных расчётов. Это мнение основано на предположении, что суммарный расход через патрубок AB - не зависит от хода штока и всегда постоянен. В действительности, расход через общий патрубок AB колеблется в зависимости от хода штока, а амплитуда колебания зависит от авторитета трёхходового клапана на регулируемом участке и его расходной характеристики.

Методика расчёта трёхходового клапана

Расчёт трёхходового клапана выполняют в следующей последовательности:

• 1. Подбор оптимальной расходной характеристики.
• 2. Определение регулирующей способности (авторитета клапана).
• 3. Определение пропускной способности и номинального диаметра.
• 4. Подбор электропривода регулирующего клапана.
• 5. Проверка на возникновение шума и кавитации.

Выбор расходной характеристики

Зависимость расхода через клапан от хода штока называют расходной характеристикой. Тип расходной характеристики определяет форма затвора и седла клапана. Так как у трёхходового клапана два затвора и два седла — расходных характеристик у него тоже две, первой обозначают характеристику по прямому ходу - (A-AB), а второй по перпендикулярному - (B-AB).

Линейно/линейная . Суммарный расход через патрубок АВ постоянен лишь при авторитете клапана равном 1, что обеспечить практически невозможно. Работа трёхходового клапана с авторитетом равным 0.1 приведёт к колебаниям суммарного расхода при перемещении штока, в диапазоне от 100% до 180%. Поэтому клапаны с линейно/линейной характеристикой применяются в системах нечувствительных к колебаниям расхода, либо в системах с авторитетом клапана не менее 0.8.

Логарифмическо/логарифмическая . Минимальные колебания суммарного расхода через патрубок AB в трёхходовых клапанах с логарифимическо/логарифмической расходной характеристикой наблюдаются при авторитете клапана равном 0.2. При этом, снижение авторитета, относительно указанного значения - увеличивает, а повышение – уменьшает суммарный расход через патрубок АВ. Колебание расхода в диапазоне авторитетов от 0.1 до 1 составляет от +15% до -55%.

Логарифмическо/линейная . Трёхходовые клапаны с логарифмическо/линейной расходной характеристикой применяются если в циркуляционных кольцах проходящих через патрубки A-AB и B-AB необходимо регулирование по различным законам. Стабилизация расхода во время движения штока клапана происходит при авторитете равном 0.4. Колебание суммарного расхода через патрубок AB в диапазоне авторитетов от 0.1 до 1 составляет от +50% до -30%. Регулирующие клапаны с лограрифмическо/линейной расходной характеристикой получили широкое применение в узлах управления системами отопления и теплообменными аппаратами.

Расчёт авторитета

Авторитет трёхходового клапана равен отношению потерь напора на клапане к потерям напора на клапане и регулируемом участке. Значение авторитета для трёхходовых клапанов определяет диапазон колебания суммарного расхода через порт АB.

10% отклонение мгновенного расхода через порт AB во время движения штока обеспечивается при следующих значениях авторитета:

• A+ = (0.8-1.0) – для клапана с линейно/линейной характеристикой.
• A+ = (0.3-0.5) - для клапана с логарифмическо/линейной характеристикой.
• A+ = (0.1-0.2) - для клапана с логарифмическо/логарифмической характеристикой.

Расчёт пропускной способности

Зависимость потерь напора на клапане от расхода через него, характеризуется коэффициентом пропускной способности Kvs. Значение Kvs численно равно расходу в м³/ч, через полностью открытый клапан, при котором потери напора на нём составят 1бар. Как правило, значение Kvs трёхходового клапана одинаково для хода A-AB и B-AB, но бывают клапаны и с различными значениями пропускной способности по каждому из ходов.

Зная, что при изменении расхода в «n» раз потери напора на клапане изменяются в «n²» раз, не сложно определить требуемый Kvs регулирующего клапана подставив в уравнение расчётный расход и потери напора. Из номенклатуры подбирают трёхходовой клапан с ближайшим значением коэффициента пропускной способности к значению полученному в результате расчёта.

Подбор электропривода

Электропривод подбирается под ранее выбранный трёхходовой клапан. Электрические приводы рекомендуется выбирать из списка совместимых устройств, указанных в характеристиках клапана, при этом следует обратить внимание на:

• 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.
• Один и тот же электропривод обеспечивает перекрытие трёхходового клапана работающего на смешение и разделение потока, при разных перепадах давления.
• Напряжение питания и управляющий сигнал привода должны соответствовать напряжению питания и управляющему сигналу контроллера.
• Поворотные трёхходовые клапаны применяются с ротационными, а седельные с линейными электроприводами.

Расчёт 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. Проходное сечение между затвором и седлом трёхходового 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.


• Давление воды – перед регулирующим клапаном, чем оно выше, тем меньше 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 трёхходового 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.

Расчёт на возникновение шума

Высокая скорость потока во входном патрубке трёхходового клапана может стать причиной высокого уровня шума. Для большинства помещений в которых устанавливаются регулирующие клапаны допустимый уровень шума составляет 35-40 dB(A) который соответствует скорости во входном патрубке клапана примерно 3м/c. Поэтому, при подборе трёхходового клапана не рекомендуется превышать выше указанной скорости.

Пропускная способность регулирующего клапана Kvs — значение коэффициента пропускной способности Kvs численно равно расходу воды через клапан в м³/ч с температурой 20°C при котором потери давления на нём составят 1бар. Расчёт пропускной способности регулирующего клапана под конкретные параметры системы вы можете выполнить в разделе сайта Расчёты.

DN регулирующего клапана — номинальный диаметр отверстия в присоединительных патрубках. Значение DN применяется для унификации типоразмеров трубопроводной арматуры. Фактический диаметр отверстия может незначительно отличаться от номинального в большую или меньшую сторону. Альтернативным обозначением номинального диаметра DN, распространённым в странах постсоветского пространства, был условный диаметр Ду регулирующего клапана. Ряд условных проходов DN трубопроводной арматуры регламентирован ГОСТ 28338-89 «Проходы условные (размеры номинальные)».

PN регулирующего клапана — номинальное давление - наибольшее избыточное давление рабочей среды с температурой 20°C, при котором обеспечивается длительная и безопасная эксплуатация. Альтернативным обозначением номинального давления PN, распространённым в странах постсоветского пространства, было условное давление Ру клапана. Ряд номинальных давлений PN трубопроводной арматуры регламентирован ГОСТ 26349-84 «Давления номинальные (условные)».

Динамический диапазон регулирования , это отношение наибольшей пропускной способности регулирующего клапана при полностью открытом затворе (Kvs) к наименьшей пропускной способности (Kv), при которой сохраняется заявленная расходная характеристика. Динамический диапазон регулирования ещё называют регулирующим отношением.

Так, например, динамический диапазон регулирования клапана равный 50:1 при Kvs 100, означает, что клапан может управлять расходом в 2м³/ч, сохраняя зависимости присущие его расходной характеристике.

Большинство регулирующих клапанов обладают динамическими диапазонами регулирования 30:1 и 50:1, но существуют и клапаны с очень хорошими регулирующими свойствами, их диапазон регулирования равен 100:1.

Авторитет регулирующего клапана — характеризует регулирующую способность клапана. Численно значение авторитета равно отношению потерь давления на полностью открытом затворе клапана к потерям давления на регулируемом участке.

Чем ниже авторитет регулирующего клапана, тем сильнее его расходная характеристика отклоняется от идеальной и тем менее плавным будет изменение расхода при движении штока. Так, например, в системе управляемой клапаном с линейной расходной характеристикой и низким авторитетом - закрытие проходного сечения на 50% может уменьшить расход всего лишь на 10%, при высоком же авторитете закрытие на 50% должно снижать расход через клапан на 40-50%.

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

Линейная расходная характеристика — одинаковые приросты относительного хода штока вызывают одинаковые приросты относительного расхода. Регулирующие клапаны с линейной расходной характеристикой применяются в системах, где существует прямая зависимость между управляемой величиной и расходом среды. Регулирующие клапаны с линейной расходной характеристикой идеально подходят для поддержания температуры смеси теплоносителя в тепловых пунктах с зависимым подключением к тепловой сети.

Равнопроцентная расходная характеристика (логарифмическая) — зависимость относительного прироста расхода от относительного прироста хода штока - логарифмическая. Регулирующие клапана с логарифмической расходной характеристикой применяются в системах, где управляемая величина нелинейно зависит от расхода через регулирующий клапан. Так, например, регулирующие клапаны с равнопроцентной расходной характеристикой рекомендуется применять в системах отопления для регулирования теплоотдачи отопительных приборов, которая нелинейно зависит от расхода теплоносителя. Регулирующие клапана с логарифмической расходной характеристикой отлично регулируют теплоотдачу скоростных теплообменных аппаратов с низким перепадом температур теплоносителя. Рекомендуется применять клапана с равнопроцентной расходной характеристикой в системах где требуется регулирование по линейной расходной характеристике, а поддерживать высокий авторитет на регулирующем клапане нет возможности. В таком случае сниженный авторитет искажает равнопроцентную характеристику клапана приближая её к линейной. Такая особенность наблюдается при авторитетах регулирующих клапанов не ниже чем 0,3.

Параболическая расходная характеристика — зависимость относительного прироста расхода от относительного хода штока подчиняется квадратичному закону (проходит по параболе). Регулирующие клапаны с параболической расходной характеристикой применяются как компромисс между клапанами с линейной и равнопроцентной характеристиками.

Специфика расчета двухходового клапана

Дано:

среда - вода, 115C,

∆pдоступ = 40 кПа (0,4 бар), ∆pтрубопр = 7 кПа (0,07 бар),

∆pтеплообм = 15 кПа (0,15 бар), условный расход Qном = 3,5 м3/ч,

минимальный расход Qмин = 0,4 м3/ч

Расчет:

∆pдоступ = ∆pвентил + ∆pтрубопр + ∆pтеплообм =
∆pвентил = ∆pдоступ - ∆pтрубопр - ∆pтеплообм = 40-7-15 = 18 кПа (0,18 бар)

Предохранительный припуск на рабочий допуск (при условии, что расход Q не был завышен):

Kvs = (1,1 до 1,3). Kv = (1,1 до 1,3) x 8,25 = 9,1 до 10,7 м3/ч
Из серийно производимого ряда Kv величин выберем ближайшую Kvs величину, т.е. Kvs = 10 м3/ч. Этой величине соответствует диаметр в свету DN 25. Если выбираем клапан с резьбовым присоединением PN 16 из серого чугуна получим номер (артикул заказа) типа:
RV 111 R 2331 16/150-25/T
и соответствующий привод.

Определение гидравлической потери подобранного и рассчитанного регулирующего клапана при полном открытии и данном расходе.

Таким образом вычисленная действительная гидравлическая потеря регулирующей арматуры должна быть отражена в гидравлическом расчете сети.

причем a должно равняться как минимум 0,3. Проверка установила: подбор клапана соответствует условиям.

Предупреждение: Расчет авторитета двухходового регулирующего клапана осуществляется относительно перепада давлений на вентиле в закрытом состоянии, т.е. имеющегося давления ветви ∆pдоступ при нулевом расходе, и никогда относительно давления насоса ∆pнасоса, так как из-за влияния потерь давления в трубопроводе сети до места присоединения регулируемой ветви. В таком случае для удобства предполагаем

Контроль регулирующего отношения

Осуществим такой же расчет для минимального расхода Qмин = 0,4 м3/ч. Минимальному расходу соответствуют перепады давления , , .

Требуемое регулирующее отношение

должно быть меньше, чем задаваемое регулирующее отношение вентиля r = 50. Расчет данным условиям удовлетворяет.

Типичная схема компоновки регулирующей петли с применением двухходового регулирующего клапана .

Специфика расчета трехходового смесительного клапана

Дано:

среда - вода, 90C,

статическое давление в точке присоединения 600 кПа (6 бар),

∆pнасоса2 = 35 кПа (0,35 бар), ∆pтрубопр = 10 кПа (0,1 бар),

∆pтеплообм = 20 кПа (0,2), номинальный расход Qном = 12 м3/ч

Расчет:

Предохранительный припуск на рабочий допуск (при условии, что расход Q не был завышен):
Kvs = (1,1-1,3)xKv = (1,1-1,3)x53,67 = 59,1 до 69,8 м3/ч
Из серийно производимого ряда значений Kv выберем ближайшее Kvs значение, т.е. Kvs = 63 м3/ч. Этому значению соответствует диаметр в свету DN65. Если выберем фланцевый клапан из чугуна с шаровидным графитом, получим тип №
RV 113 M 6331 -16/150-65

Затем мы выбираем подходящий привод в соответствии с требованиями.

Определение действительной гидравлической потери выбранного клапана при полном открытии

Таким образом, вычисленная действительная гидравлическая потеря регулирующей арматуры должна быть отражена в гидравлическом расчете сети.

Предупреждение: у трехходовых клапанов самым главным условием безошибочного функционирования является соблюдение минимальной разности давлений
на штуцерах A и B. Трехходовые клапаны в состоянии справиться и со значительным дифференциальным давлением между штуцерами A и B, но за счет деформации регулирующей характеристики, и тем самым ухудшением регулирующей способности. Поэтому при малейшем сомнении относительно разности давлений между обоими штуцерами (например, в случае, если трехходовой клапан без напорного отделения напрямую присоединен к первичной сети), рекомендуем для качественного регулирования использовать двухходовой клапан в соединении с жестким замыканием.

Типичная схема компоновки регулирующей линии с использованием трехходового смесительного клапана .

Значение величины kv.

Регулирующий клапан создает в сети дополнительную потерю давления для ограничения расхода воды в требуемых пределах. Расход воды зависит от дифференциального давления на клапане:

kv – показатель расхода на клапане, ρ – плотность (для воды ρ=1,000 кг/м 3 при температуре в 4°С, а при 80°С ρ=970 кг/м 3), q – расход жидкости, м 3 /час, ∆р – дифференциальное давление, бар.

Максимальная величина k v (k vs) достигается при полностью открытом клапане. Эта величина соответствует расходу воды, выраженному в м 3 /час, для дифференциального давления равного 1 бару. Регулирующий клапан выбирают таким образом, чтобы величина k vs обеспечивала расчетный расход для данного располагаемого дифференциального давления при работе клапана в заданных условиях.

Не так просто определить необходимую для регулирующего клапана величину k vs , поскольку располагаемое дифференциальное давление на клапане зависит от многих факторов:

• Фактического напора насоса.
• Потери давления в трубах и на арматуре.
• Потери давления на терминалах.

Потери давления в свою очередь зависят от точности балансировки.

При проектировании котельных установок рассчитывают теоретически правильные величины потерь давления и расхода для различных элементов системы. Однако на практике редко различные элементы обладают точно заданными характеристиками. При установке, как правило, выбирают насосы, регулирующие клапаны и терминалы по стандартным характеристикам.

Регулирующие клапаны, например, выпускают с величинами k vs , возрастающими в геометрической пропорции, называемыми рядами Рейнарда:

k vs: 1.0 1.6 2.5 4.0 6.3 10 16......

Каждая величина приблизительно на 60% больше предыдущей.

Нетипично, чтобы регулирующий клапан обеспечивал точно расчетную потерю давления для заданного расхода. Если, например, регулирующий клапан должен создавать потерю давления равную 10 кПа при заданном расходе, то на практике может оказаться, что клапан незначительно большей величиной k vs создаст потерю давления, равную лишь 4 кПа, а клапан с незначительно меньшей величиной k vs обеспечит потерю давления в 26 кПа для расчетной величины расхода.

∆р (бар), q (м 3 /ч)	∆р (кПа), q (л/сек)	∆р (мм ВС), q (л/ч)	∆р (кПа), q (л/ч)
		q = 10 k v √∆p	q = 100 k v √∆p
	∆p = (36 q/k v)2	∆p = (0.1 q/k v)2	∆p = (0.01 q/k v)2
	kv = 36 q/√∆p	k v = 0.1 q/√∆p	kv = 0.01 q/√∆p

Некоторые формулы содержат расход, k v и ∆р (ρ = 1,000 кг/м 3)

Кроме того, насосы и терминалы, зачастую, превышают размер по той же причине. Это означает, что регулирующие клапаны работают почти закрытыми, в результате регулировка не может быть устойчивой. Возможно так же, что периодически эти клапаны максимально открываются, при запуске обязательно, что приводит к чрезмерному расходу в данной системе и недостаточному расходу в других. В результате следует задать вопрос:

Что делать, если регулирующий клапан избыточного размера?

Понятно, что, как правило, невозможно точно подобрать необходимый регулирующий клапан.

Рассмотрим случай с калорифером на 2000 Вт, предназначенной для падения температуры на 20 К. Потеря давления составит 6 кПа для расчетного расхода 2000х0.86/20=86 л/ч. Если располагаемое дифференциальное давление равно 32 кПа и потеря давления в трубах и на арматуре составляет 4 кПа, на регулирующем клапане должна быть разность 32 - 6 - 4 = 22 кПа.

Требуемая величина k vs составит 0,183.

Если минимальная располагаемая величина k vs равна 0.25, например, расход вместо желаемых 86 л/час составит 104 л/час, превышение на 21%.

В системах с переменным расходом величина дифференциального давления на терминалах переменная, поскольку потеря давления в трубах зависит от расхода. Регулирующие клапаны выбирают для расчетных условий. При низких нагрузках максимальный потенциальный расход на всех установках повышен и не возникает опасность чрезмерно низкого расхода на одном отдельном терминале. Если при расчетных условиях требуется максимальная нагрузка, очень важно избежать избыточного расхода.

A . Ограничение расхода с помощью балансировочного клапана, установленного последовательно.

Если в расчетных условиях расход на открытом регулирующем клапане выше требуемой величины, для ограничения этого расхода можно последовательно установить балансировочный клапан. Это не изменит действительный коэффициент управления регулирующего клапана, а даже улучшит его характеристику (см. рисунок на странице 51). Балансировочный клапан также является инструментом диагностики и отсечным клапаном.

B . Снижение максимального подъема клапана.

Для компенсации избыточного размера регулирующего клапана можно ограничить степень открытия клапана. Это решение можно рассмотреть для клапанов с равными процентными характеристиками, поскольку можно значительно снизить величину k v , соответственно уменьшив степень максимального открытия клапана. Если степень открытия клапана снизить на 20%, максимальная величина k v снизится на 50%.

На практике балансировку производят с помощью последовательно установленных балансировочных клапанов при полностью открытом регулирующем клапане. Балансировочные клапаны настраивают в каждом контуре, чтобы при расчетной величине расхода потеря давления составила 3 кПа.

Степень подъема регулирующего клапана ограничивают при получении на балансировочном клапане 3 кПа. Поскольку установка сбалансирована и остается сбалансированной, то требуемый расход фактически получают в расчетных условиях.

C . Снижение расхода с помощью клапана, регулирующего ∆р, в группе.

Дифференциальное давление на регулирующем клапане может быть стабилизировано, как показано на рисунке ниже.

Величина настройки клапана STAP, регулирующего перепад давления, выбирается таким образом, чтобы получить требуемый расход для полностью открытого регулирующего клапана. В этом случае регулирующий клапан должен быть точно по размеру, а его коэффициент управления - близок к единице.

Несколько эмпирических правил

Если двухходовые регулирующие клапаны используют на терминалах, большая часть регулирующих клапанов будет закрыта или почти закрыта при низких нагрузках. Поскольку мал расход воды, потеря давления на трубах и арматуре будет незначительной. Весь напор насоса приходится на регулирующий клапан, который должен быть способен противостоять ему. Такое увеличение дифференциального давления затрудняет регулировку при малом расходе, поскольку фактически коэффициент управления β" значительно уменьшается.

Предположим, что регулирующий клапан спроектирован для потери давления, составляющей 4% напора насоса. Если система работает с низким расходом, дифференциальное давление в этом случае умножают на 25. Для одинаковой величины открытия клапана расход затем умножают на 5 (√25 = 5). Клапан принудительно работает в почти закрытом положении. Это может привести к возникновению шума и колебанию регулированной величины (в этих новых рабочих условиях параметры клапана завышаются в пять раз).

Именно поэтому некоторые авторы рекомендуют проектировать систему таким образом, чтобы расчетное падение давления на регулирующих клапанах составляло не мене 25% напора насоса. В этом случае при низких нагрузках превышение расхода на регулирующих клапанах не будет превышать коэффициент 2.

Всегда очень трудно найти регулирующий клапан, способный выдержать столь высокое дифференциальное давление, не создавая при этом шумов. Также трудно найти достаточно малые клапаны, отвечающие вышеуказанным критериям, при использовании терминалов низкой мощности. Кроме того, необходимо ограничить изменения дифференциального давления в системе, например, используя вторичные насосы.

Если принять во внимание указанную дополнительную концепцию, калибровка двухходового регулирующего клапана должна удовлетворять следующим условиям:

• При работе системы в нормальных условиях расход на полностью открытом клапане должен быть расчетным. Если расход выше указанного, балансировочный клапан, установленный последовательно, должен ограничить расход. Тогда для контроллера типа PI коэффициент управления равный 0.30 окажется приемлемым. Если значения параметров регулирования, ниже, регулирующий клапан следует заменить клапаном меньшего размера.
• Напор насоса должен быть таким, чтобы потери давления на двухходовых регулирующих клапанах составляли не менее 25% напора насоса.

Для контроллеров вкл-выкл, концепция параметров регулирования не имеет значения, поскольку регулирующий клапан либо открыт, либо закрыт. Поэтому его характеристика не имеет большого значения. В этом случае расход незначительно ограничен последовательно установленным балансировочным клапаном.

), внутри которого находится сильфонная ёмкость, заполненная рабочим телом (газ, жидкость, твёрдое вещество) с высоким коэффициентом объемного расширения. При изменении температуры воздуха, окружающего сильфон, рабочее тело расширяется или сжимается, деформируя сильфон, который, в свою очередь, воздействует на шток клапана, открывая или закрывая его (рис. 1 ).

Рис. 1. Схема работы термостатического клапана

Основной гидравлической характеристикой термостатического клапана является пропускная способность Kv . Это расход воды, который способен пропустить через себя клапан при перепаде давления на нем в 1 бар. Индекс « V » обозначает, что коэффициент отнесен к часовому объемному расходу и измеряется в м 3 /ч. Зная пропускную способность клапана и расход воды через него, можно определить потерю давления на клапане по формуле:

ΔP к = (V / K v) 2 · 100, кПа.

Регулирующие клапаны, в зависимости от степени открытия, имеют разную пропускную способность. Пропускная способность полностью открытого клапана обозначается Kvs . Потери давления на термостатическом радиаторном клапане при гидравлических расчетах, как правило, определяются не при полном открытии, а для определенной зоны пропорциональности – X p.

X p – это зона работы термостатического клапана в интервале от температуры воздуха при полном закрытии (точка S на графике регулирования) до установленного пользователем значения допустимого отклонения температуры. Например, если коэффициент Kv дан при X p = S – 2, и термоэлемент установлен в такое положение, что при температуре воздуха 22 ˚С клапан будет полностью закрыт, то этот коэффициент будет соответствовать положению клапана при температуре окружающего воздуха 20 ˚С.

Отсюда можно сделать вывод, что температура воздуха в помещении будет колебаться в пределах от 20 до 22 ˚С. Показатель Xp влияет на точность поддержания температуры. При Xp = (S – 1) диапазон поддержания температуры внутреннего воздуха будет в пределах 1 ˚С. При Xp = (S – 2) – диапазон 2 ˚С. Зона X p = (S – max) характеризует работу клапана без термочувствительного элемента.

В соответствии с ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», в холодный период года в жилой комнате оптимальные температуры лежат в пределах от 20 до 22 ˚С, то есть, диапазон поддержания температуры в жилых помещениях зданий должен быть 2 ˚С. Таким образом, для расчёта жилых зданий требуется выбор значений пропускной способности при Xp = (S – 2).

Рис. 2. Термостатический клапан VT.031

На рис. 3 показаны результаты стендового испытания (рис. 2 ) с термостатическим элементом VТ.5000 с установленным значением «3». Точка S на графике это теоретическая точка закрытия клапана. Это температура, при которой клапан имеет настолько маленький расход, что его можно считать, практически, закрытым.

Рис. 3. График закрытия клапана VT.031 с термоэлементом VT.5000 (поз. 3) при перепаде давлений 10 кПа

Как видно на графике, клапан закрывается при температуре 22 ˚С. При понижении температуры воздуха, пропускная способность клапана увеличивается. На графике показаны значения расхода воды через клапан при температуре 21 (S – 1) и 22 (S – 2) ˚С.

В табл. 1 представлены паспортные значения пропускной способности термостатического клапана VТ.031 при различных Xp .

Таблица 1. Паспортные значения пропускной способности клапана VT.031

Клапаны испытываются на специальном стенде, показанном на рис. 4 . В ходе испытаний поддерживается постоянный перепад давления на клапане равный 10 кПа. Температура воздуха имитируется при помощи термостатической ванны с водой, в которую погружается термоголовка. Температура воды в ванне постепенно повышается, при этом фиксируются расходы воды через клапан до полного закрытия.

Рис. 4. Стендовые испытания клапана VT.032 на пропускную способность по ГОСТу 30815-2002

Кроме значений пропускной способности термостатические клапаны характеризуются таким показателем, как максимальный перепад давления. Это такой перепад давления на клапане, при котором он сохраняет паспортные регулировочные характеристики, не создает шум, а также при котором все элементы клапана не будут подвержены преждевременному износу.

В зависимости от конструкции, термостатические клапаны имеют различные значения максимального перепада давления. У большинства представленных на рынке радиаторных термостатических клапанов эта характеристика составляет 20 кПа. При этом, согласно п. 5.2.4 ГОСТ 30815-2002, температура, при которой клапан закроется, при максимальном перепаде давления, не должна отличаться от температуры закрытия при перепаде давления 10 кПа более чем на 1 ˚С.

Из графика на рис. 5 видно, что клапан VТ.031 при перепаде давления 10 кПа и уставке термоэлемента «3» закрывается при 22 ˚С.

Рис. 5. Графики закрытия клапана VT.031 с термоэлементом VT.5000 при перепаде давления 10 кПа (синяя линяя) и 100 кПа (красная линия)

При перепаде давления 100 кПа клапан закрывается при температуре 22,8˚С. Влияние дифференциального давления составляет 0,8 ˚С. Таким образом, в реальных условиях эксплуатации такого клапана при перепадах давления от 0 до 100 кПа, при настройке термоэлемента на цифру «3», диапазон температур закрытия клапана составит от 22 до 23 ˚С.

Если в реальных условиях эксплуатации перепад давления на клапане вырастет больше максимального, то клапан может создавать недопустимый шум, а также его характеристики будут существенно отличаться от паспортных.

Из-за чего же происходит увеличение перепада давления на термостатическом клапане во время эксплуатации? Дело в том, что в современных двухтрубных системах отопления расход теплоносителя в системе постоянно меняется, в зависимости от текущего теплопотребления. Какие-то терморегуляторы открываются, какие-то – закрываются. Изменение расходов по участкам приводит к изменению распределения давлений.

Для примера рассмотрим простейшую схему (рис. 6 ) с двумя радиаторами. Перед каждым радиатором установлен термостатический клапан. На общей линии находится регулирующий вентиль.

Рис. 6. Расчетная схема с двумя радиаторами

Допустим, что потери давления на каждом термостатическом клапане составляет 10 кПа, потери давления на вентиле – 90 кПа, общий расход теплоносителя – 0,2 м 3 /ч и расход теплоносителя через каждый радиатор – 0,1 м 3 /ч. Потерями давления в трубопроводах пренебрегаем. Полные потери давления в этой системе составляют 100 кПа, и они поддерживаются на постоянном уровне. Гидравлику такой системы можно представить следующей системой уравнений:

где V о – общий расход, м 3 /ч, V р – расход через радиаторы, м 3 /ч, kv в – пропускная способность вентиля, м 3 /ч, kv т.к. – пропускная способность термостатических клапанов, м 3 /ч, ΔP в – перепад давления на вентиле, Па, ΔP т.к – перепад давления на термостатическом клапане, Па.

Рис. 7. Расчетная схема с отключенным радиатором

Предположим, что в помещении, где установлен верхний радиатор, температура увеличилась, и термостатический клапан полностью перекрыл поток теплоносителя через него (рис. 7 ). В этом случае весь расход будет идти только через нижний радиатор. Перепад давления в системе выразится следующей формулой:

где V о ′ – общий расход в системе после отключения одного термостатического клапана, м 3 /ч, V p ′ – расход теплоносителя через радиатор, в данном случае он будет равен общему расходу; м 3 /ч.

Если принять во внимание, что перепад давления поддерживается постоянным (равным 100 кПа), то можно определить расход, который установится в системе после отключения одного из радиаторов.

Потери давления на вентиле снизятся, так как общий расход через вентиль уменьшился с 0,2 до 0,17 м 3 /ч. Потери давления на термостатическом клапане наоборот вырастут, потому что расход через него вырос с 0,1 до 0,17 м 3 /ч. Потери давления на вентиле и термостатическом клапане составят:

Из приведенных расчетов можно сделать вывод, что перепад давления на термостатическом клапане нижнего радиатора при открытии и закрытии термостатического клапана верхнего радиатора будет варьироваться от 10 до 30,8 кПа.

Но что будет, если оба клапана перекроют движение теплоносителя? В этом случае потери давления на вентиле будут нулевыми, так как движения теплоносителя через него не будет. Следовательно, разница давлений до золотника/после золотника в каждом радиаторном клапане будет равна располагаемому напору и составит 100 кПа.

Если используются клапаны с допустимым перепадом давлений меньше этой величины, то клапан может открыться, несмотря на отсутствии реальной потребности в этом. Поэтому перепад давлений на регулируемом участке сети должен быть ниже максимально допустимого перепада давления на каждом терморегуляторе.

Предположим, что вместо двух радиаторов в системе установлено некое множество радиаторов. Если в какой-то момент все терморегуляторы, кроме одного, закроются, то потери давления на вентиле будут стремиться к 0, а перепад давления на открытом термостатическом клапане будет стремиться к располагаемому напору, т.е., для нашего примера, к 100 кПа.

В этом случае расход теплоносителя через открытый радиатор будет стремиться к значению:

То есть в самом неблагоприятном случае (если из множества радиаторов открытым останется только один) расход на открытом радиаторе вырастет более чем в три раза.

Насколько же измениться мощность отопительного прибора при таком увеличении расхода? Теплоотдача Q секционного радиатора считается по формуле:

где Q н – номинальная мощность отопительного прибора, Вт, Δt ср – средняя температура отопительного прибора, ˚С, t в – температура внутреннего воздуха, ˚С, V пр – расход теплоносителя через отопительный прибор, n – коэффициент зависимости теплоотдачи от средней температуры прибора, p – коэффициент зависимости теплоотдачи от расхода теплоносителя.

Предположим, что отопительный прибор имеет номинальную теплоотдачу Q н = 2900 Вт, расчётные параметры теплоносителя 90/70 ˚С. Коэффициенты для радиатора принимаются: n = 0,3, p = 0,015. В расчётный период при расходе 0,1 м 3 /ч такой отопи- тельный прибор будет иметь мощность:

Чтобы узнать мощность прибора при Vр’’=0,316 м³⁄ч необходимо решить систему уравнений:

Методом последовательных приближений получаем решение этой системы уравнений:

Отсюда можно сделать вывод, что в системе отопления при самых неблагоприятных условиях, когда все отопительные приборы, кроме одного, на участке перекрыты, перепад давления на термостатическом клапане может вырасти до располагаемого напора. В приведенном примере при располагаемом напоре 100 кПа расход увеличится в три раза, при этом мощность прибора возрастёт всего на 17 %.

Повышение мощности отопительного прибора приведёт к увеличению температуры воздуха в отапливаемом помещении, что, в свою очередь, вызовет закрытие термостатического клапана. Таким образом, колебание перепада давления на термостатическом клапане во время эксплуатации в пределах паспортного максимального значения перепада является допустимым, и не приведет к нарушению в работе системы.

В соответствии с ГОСТ 30815-2002 максимальный перепад давления на термостатическом клапане определяется производителем из соблюдения требований бесшумности и сохранения регулировочных характеристик. Однако, изготовление клапана с широким диапазоном допустимых перепадов давления сопряжено с определенными конструктивными трудностями. Особые требования так же предъявляются к точности изготовления деталей клапана.

Большинство производителей выпускают клапаны с максимальным перепадом давления 20 кПа.

Исключение составляют клапаны VALTEC VT.031 и VT.032 () с максимальным перепадом давления 100 кПа (рис. 8 ) и клапаны фирмы Giacomini серии R401–403 с максимальным перепадом давления 140 кПа (рис. 9 ).

Рис. 8. Технические характеристики радиаторных клапанов VT.031, VT.032

Рис. 9. Фрагмент технического описания термостатического клапана Giacomin R403

Рис. 10. Фрагмент технического описания термостатического клапана

При изучении технической документации необходимо быть внимательным, так как некоторые производители переняли практику банкиров - вставлять мелкий текст в примечаниях.

На рис. 10 представлен фрагмент из технического описания одного из типов термостатических клапанов. В основной графе указано значение максимального перепада давления 0,6 бара (60 кПа). Однако в сноске есть примечание, что действительный диапазон работы клапана ограничен всего лишь 0,2 барами (20 кПа).

Рис. 11. Золотник термостатического клапана с осевым креплением уплотнителя

Ограничение вызвано шумом, возникающим в клапане при высоких перепадах давления. Как правило, это касается клапанов с устаревшей конструкцией золотника, в котором уплотнительная резинка просто крепится по центру заклепкой или болтом (рис. 11 ).

При больших перепадах давления уплотнитель такого клапана начинает вибрировать из-за неполного прилегания к золотниковой тарелке, вызывая акустические волны (шум).

Повышенный допустимый перепад давления в клапанах VALTEC и Giacomini достигнут за счёт принципиально иной конструкции золотниковых узлов. В частности, у клапанов VT.031 использован латунный золотниковый плунжер, «футерованный» эластомером EPDM (рис. 12 ).

Рис. 12. Вид золотникового узла клапана VT.031

Сейчас разработка термостатических клапанов с широким диапазоном рабочих перепадов давления является одной из приоритетных задач специалистов многих компаний.

Исходя из изложенного, можно дать следующие рекомендации по проектированию систем отопления с термостатическими клапанами:
1. Коэффициент пропускной способности термостатического клапана рекомендуется определять, исходя из допустимого диапазона температур обслуживаемого помещения. Например, для жилых комнат по ГОСТ 30494-2011 оптимальные пара- метры внутреннего воздуха находятся диапазоне 20–22 ˚С. Значение Kv в этом случае принимается при Xp = S – 2.
   В помещениях категории 3а (помещения с массовым пребыванием людей, в которых люди находятся преимущественно в положении сидя без уличной одежды) оптимальный диапазон температур 20–21 ˚С. Для этих помещений значение Kv рекомендуется принимать при Xp = S – 1.
2. На циркуляционных кольцах системы отопления должны быть установлены устройства (перепускные клапаны либо регуляторы перепада давления), ограничивающие максимальный перепад давления таким образом, чтобы перепад давления на клапане не превысил предельного паспортного значения.

Приведем несколько примеров подбора и установки устройств, для ограничения перепада давления на участке с термостатическими клапанами.

Пример 1. Расчётные потери давления в квартирной системе отопления (рис. 13 ), включая термостатические клапаны, составляют 15 кПа. Максимальный перепад давления на термостатических клапанах равен 20 кПа (0,2 бара). Потери давления на коллекторе, включая потери на теплосчётчиках, балансировочных клапанах и прочей арматуре примем 8 кПа. В итоге перепад давления до коллектора составляет 23 кПа.

Если установить регулятор перепада давления или перепускной клапан до коллектора, то в случае перекрытия всех термостатических клапанов в данной ветке, перепад на них составит 23 кПа, что превышает паспортное значение (20 кПа). Таким образом, в данной системе регулятор перепада давления или перепускной клапан должен устанавливаться на каждом выходе после коллектора, и должен быть настроен на перепад 15 кПа.

Рис. 13. Схема к примеру 1

Пример. 2 . Если принять не тупиковую, а лучевую систему поквартирного отопления (рис. 14 ), то потери давления в ней будут значительно ниже. В приведенном примере коллекторно-лучевой системы потери в каждой радиаторной петле составляют 4 кПа. Потери давления на квартирном коллекторе примем 3 кПа, а потери давления на этажном коллекторе – 8 кПа.

В этом случае регулятор перепада давления можно расположить перед этажным коллектором и настроить его на перепад 15 кПа. Такая схема позволяет сократить количество регуляторов перепада давления и существенно удешевить систему.

Рис. 14. Схема к примеру 2

Пример 3. В данном варианте используются с максимальным перепадом давления 100 кПа (рис. 15 ). Так же как и в первом примере, примем, что потери давления в квартирной системе отопления составляют 15 кПа. Потери давления на квартирном узле ввода (квартирной станции) 7 кПа. Перед квартирной станцией перепад давления составит 23 кПа. В десятиэтажном здании общую длину пары стояков системы отопления можно принять порядка 80 м (сумма подающего и обратного трубопроводов).

Рис. 15. Схема к примеру

При средних линейных потерях давления по стояку 300 Па/м, общие потери давления в стояках составят 24 кПа. Отсюда следует, что перепад давления у основания стояков составит 47 кПа, что меньше максимально допустимого перепада давления на клапане.

Если установить регулятор на перепад давления на стояк и настроить его на давление 47 кПа, то даже когда все радиаторные клапаны, подключенные к этому стояку, закроются, перепад давления на них будет ниже 100 кПа.

Таким образом, можно существенно снизить стоимость системы отопления, установив вместо десяти регуляторов перепада давления на каждом этаже, один регулятор у основания стояков.