Статья подготовлена на основе материалов сборника докладов VI Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» НИУ МГСУ.
Энергосберегающие технологии обеспечения микроклимата в помещениях предполагают автоматизацию всех потокораспределяющих узлов, но добиться более высокой эффективности посредством количественного регулирования можно при применении устройств, характеризующихся минимальными потерями [1, 2]. Представленное на рынке оборудование от различных производителей ставит перед проектировщиками сложную задачу поиска оптимального решения для конкретных условий эксплуатации инженерных систем.
Выбор подходящей конструкции клапана для потокораспределения в автоматизированно управляемых сетях целесообразно начинать с рассмотрения их расходных характеристик, которые показывают изменение пропускной способности от начального положения до полного открытия. Идеальные расходные характеристики, в зависимости от профиля затворов для дросселируемых отверстий клапанов, подразделяются на линейные, линейно-линейные с фиксируемой точкой излома, равнопроцентные (логарифмические), логарифмически-линейные и параболические [3]. Так, например, идеальная линейная и параболическая характеристики могут быть выражены обобщённой формулой:
где G и Gmax — действительный и максимально возможный расходы воды, проходящей через клапан, кг/ч; h и hmax — перемещение штока и его конечное положение при полном открытии клапана, мм; n — показатель степени, для линейной зависимости n = 1, для параболической — n = 2, при разработке оборудования с более плавным регулированием на малых значениях расхода теплоносителя можно получить показатель степени, превышающий 2, тогда для обобщённого выражения (1) n = 1, 2, 3...
Выбор подходящей конструкции клапана для потокораспределения в автоматизированно управляемых сетях целесообразно начинать с рассмотрения их расходных характеристик, которые показывают изменения пропускной способности от начального положения до полного открытия
Идеальные расходные характеристики вида (1) справедливы, если всё располагаемое давление регулируемого участка теряется в отверстии клапана. Для этого необходимо, чтобы данный регулятор был не только единственным устройством на рассматриваемом участке, но и его корпус обладал нулевым сопротивлением, что не соответствует действительным режимам эксплуатации каких-либо сетей [3]. В реальных условиях самую близкую к идеальной характеристике имеет клапан, посредством которого осуществляется изменение как расхода жидкости, так и перепада давления.
Совмещение данных функций достигнуто в автоматических комбинированных балансировочных клапанах АВ-QM фирмы «Данфосс» [3] (рис. 1), что дополнительно сокращает потери давления при регулировании поступления теплоносителя, в отличие от двух отдельно установленных для этих целей устройств.
В реальных условиях эксплуатации все расходные характеристики при полном закрытии клапана, то есть при h = 0, имеют значения, отличные от нулевого, в соответствии с которым выражение (1) изменяется до вида:
Величина с0, обусловленная технологическими причинами, как правило, стремится к нулю и не превышает 3 %. Форма поверхности затвора, перепад давления с его разных сторон и люфт резьбы в совокупности усложняют регулирование в области, близкой к полному закрытию отверстия, и способствуют незначительной протечке.
Для каждой конструкции клапана эту область минимизируют, чтобы не допустить потери регулируемости [3].
Наиболее часто встречаются клапаны с линейной и логарифмической характеристикой. Линейная характеристика (а, особенно, линейно-линейная) может иметь при создании определённых форм затворов разный угол наклона, поэтому при пренебрежении малым значением со выражение (2) принимает вид:
где с — коэффициент пропорциональности.
При линейно-линейной характеристике соотношение (3) переходит в систему следующих уравнений:
где c1, с2 — коэффициенты пропорциональности; h1 — перемещение в пределах от 0 до положения штока hp, при дальнейшем поднятии которого изменение расхода теплоносителя будет подчиняться выражению (5), мм; h2 — перемещение штока в пределах от hp до hmax, мм.
Равнопроцентная (иными словами, логарифмическая) характеристика по традиционной теории регулирования [3] подчиняет распределение расхода следующей зависимости от хода штока:
где е — основание натурального логарифма (е ≈ 2,718281828).
При эксплуатации инженерных систем расходные параметры клапанов претерпевают существенные изменения, оцениваемые коэффициентом искажения идеальных характеристик, или, как принято называть его в зарубежных технических регламентах, внешним авторитетом. Внешний авторитет клапана равен соотношению:
где Δp и Δpvs — потери на регулируемом участке и на клапане, бар.
Внешний авторитет усугубляет возникающую деформацию расходной характеристики, но реальное её проявление происходит под влиянием полного авторитета а+, который учитывает совместное действие начального искажения и деформации от внешнего авторитета:
где аб = Δррег/Δpvs — базовый авторитет клапана; Δpрег — потери давления в регулируемом сечении при полностью открытом клапане, бар.
При проектировании систем жизнеобеспечения, как правило, принимают первоначальную расходную характеристику клапана, предоставляемую производителем, как базовую для дальнейшего определения её деформации под действием внешнего авторитета.
Регулирующие клапаны чаще имеют линейную или логарифмическую расходные характеристики. Влияние полного внешнего авторитета на зависимость относительного расхода от относительного хода затвора клапана при базовой линейной характеристике имеет вид [3]:
В уравнении (9) подстановка нулевого значения подъёма штока приводит к некорректному результату, выраженному в бесконечности получаемого знаменателя, поэтому данную зависимость следует представлять в предлагаемой форме:
Классическая теория регулирования [3] предполагает для равнопроцентной расходной характеристики зависимость следующего вида:
Как показывают экспериментальные данные, традиционная теория не в полной мере отвечает действительности [4]. Искажение идеальной логарифмической расходной характеристики под воздействием полного внешнего авторитета с большей достоверностью описывается следующим выражением:
Влияние полного авторитета на искажение расходных характеристик наглядно демонстрируют графики, построенные по зависимостям (10, 11, 12) на рис. 2, 3 и 4. Уравнения (10, 12) можно применять для разных типов клапанов автоматических и ручных с соответствующей формой затворов. Они позволяют выполнить правильную оценку пропускной способности оборудования и его ресурсных возможностей в изменении параметров. Это является необходимым условием при проектировании, так как значительные потери давления на участке за счёт установки дополнительных устройств, создающих существенные гидравлические сопротивления, искажают расходные характеристики, зачастую переводя работу клапанов в двухпозиционный режим (рис. 4, а+ = 0,1).
В этом случае регулирование затруднено из-за достижения максимальной пропускной способности при незначительном перемещении затвора, что в конечном итоге приводит к необоснованному увеличению потребления энергии.
Для эффективного регулирования посредством автоматических клапанов следует стремиться к созданию технических условий, способствующих повышению полного авторитета до значений не менее 0,7 [3, 5]. При применении двух последовательно установленных устройств, действие которых направлено на изменение давления и расхода теплоносителя, соблюдение указанного условия приводит к существенным потерям энергии потока. Замена на участках требуемого комплекта оборудования на автоматические комбинированные балансировочные клапаны АВ-QM (рис. 1) позволяет добиться необходимого повышения полного авторитета при снижении потерь, и при возможности выбора целесообразно рекомендовать их к применению как многофункциональное и энергоэффективное оборудование.
