Почему производители редукторов давления воды не выпускают нормальные квартирные гидроредукторы?

Проблема, обозначенная во вступлении к статье, возникла по всей нашей стране и уже давно, ещё в прошлом веке. В 2012 году в России даже появился ГОСТ Р 55023–2012 «Регуляторы давления квартирные» [1]. Однако, по сути, никто из производителей гидроредукторов не обратил должного внимания на этот исключительно важный нормативный документ, за исключением, пожалуй, отечественного производителя редукторов давления воды ЗАО «ТВЭСТ». Сейчас эта компания выпускает квартирные редукторы давления воды ФРД 10–2,0 — единственные, которые отвечают требованиям ГОСТ 55023–2012 [1]. Автор этой статьи попробовал разобраться в причинах сложившихся обстоятельств.

Прежде всего необходимо пояснить, чем требуемые эксплуатационные характеристики и показатели «квартирных гидроредукторов давления воды» отличаются от таковых у «обыкновенных» гидроредукторов.

С момента появления гидроредукторов давления от них требовалось только одно: понижение давления на выходе. Только в конце ХХ века к этому требованию стали прибавлять: «и поддержания этого давления на заданном уровне». И лишь в начале XXI века дополнительно уточнили: «независимо от объёмного расхода рабочего тела». Это было сделано уже с учётом проблем в пневматике.

Более того, вдруг стали появляться сообщения, что гидроредукторы якобы предохраняют водопроводную систему от гидравлических ударов. Поскольку автор занимался вопросами гидроударов, то он может смело утверждать — это миф, созданный и распространяемый людьми, не очень разбирающимися в данном вопросе. Увы, в реальной жизни гидравлический удар в системе весьма быстротечен, а подвижные элементы гидроредуктора слишком инерционны, чтобы он успел среагировать на гидроудар. Впрочем, при малых расходах воды гидроредуктор может слегка уменьшить пик гидроудара, а может и сам пострадать.

Квартирный редуктор давления воды ФРД 10–2,0, который, по мнения автора данной статьи, отвечает требованиям ГОСТ 55023–2012

В настоящее время к «квартирным гидроредукторам давления» воды предъявляются довольно жёсткие требования, отличные от требований к «просто гидроредукторам». Опыт последних десятилетий показал, что выполнить эти требования можно. Доказательством этому служат квартирные гидроредукторы ФРД 10–2,0(1) и КФРД 10–2,0(2), которые в 2015 году перестали выпускаться по организационно-техническим причинам.

Главные технические требования к квартирным редукторам давления воды таковы:

1. Минимальная зависимость давления на выходе редуктора от объёмного расхода воды в диапазоне расходов 0–0,5 л/с. В идеале графически это должна быть прямая линия, параллельная оси расхода на уровне значения давления на выходе гидроредуктора в безрасходном режиме работы. С точки зрения потребителя это требование должно быть сформулировано так: если вода из одного смесителя вытекает с температурой, настроенной до комфортной (например, 38°C), то открытие других кранов с холодной водой не должно понизить температуру воды, вытекающей из смесителя, более чем на 2°C.

2. Квартирный гидроредуктор должен обеспечить многолетнюю (минимум 30 лет) работу без вмешательства в процесс его эксплуатации. В современных гидроредукторах в результате тяжёлых условий работы быстро выходят из строя эластичные уплотнительные элементы, заиливаются мелкие щели и каналы, иногда нарушается герметичность запорно-регулирующего устройства, возникают также наружные утечки воды. Устройства почти одновременно выходят из строя в течение первого десятилетия эксплуатации.

3. Некоторые гидроредукторы, особенно зарубежные, даже не обеспечивая полных требований к квартирным гидроредукторам, имеют необоснованно высокие цены. Их производители называют свои гидроредукторы «квартирными», хотя по качеству характеристик и по эксплуатационным показателям они таковыми не являются. Данное название («квартирные») эти производители присвоили своим гидроредукторам, видимо, потому что они предназначены для квартир, но тогда они должны называться «бытовыми».

4. Каждый квартирный гидроредуктор давления воды должен иметь паспорт, в котором должны быть приведены графические зависимости выходного давления от объёмного расхода воды при двух постоянных давлениях напора на входе в гидроредуктор (0,5 и 0,9 МПа). Очень важно, чтобы эти зависимости были представлены в безразмерном виде, не позволяющем «приукрасить» показатели за счёт вытягивания графика вдоль оси расходов и обеспечивающем истинные показатели в сравнении с аналогичными показателями других гидроредукторов.

5. В квартирный гидроредуктор давления воды должен быть встроен «грязевик» (фильтр грубой очистки), при доступе к которому (для очистки фильтрующего элемента) не обеспечивался бы доступ к другим узлам и элементам устройства.

6. Квартирный гидроредуктор должен быть полностью ремонтопригодным без необходимости демонтажа его корпуса с водопроводной трубы, в которую он встроен. Встречаются гидроредукторы, у которых прокладки крепятся к люлькам путём вулканизации (они часто разрушаются), однако не везде есть возможность для проведения данной операции.

У квартирных гидроредукторов имеется множество других показателей, которые перечислены в ГОСТ Р 55023–2012 [1].

Однако все эти требования являются главными, характерными в основном только для квартирных редукторов давления воды. К «простым» гидроредукторам давления требования скромнее, так как они предназначены в основном просто для понижения давления воды на выходе. При этом нет никаких намёков на другие важные параметры, например, на герметичность запорно-регулирующего органа гидроредуктора в безрасходном режиме. В большинстве простых, уже выпущенных устройств это сложно обеспечить.

На рис. 1а приведена принципиальная схема одного из первых массовых зарубежных гидроредукторов давления, который является прообразом большой части современных гидроредукторов. Он включает в себя корпус 1, крышку 2, поршень 3 со штоком 4 и с осевым отверстием 5. В нижней части центрального осевого отверстия 5 штока 4 в стенке штока выполнены отверстия 6 и 7, которые соединяют полость 8 под крышкой с полостью 9, то есть с полостью давления выхода.

В рассматриваемой схеме гидроредуктора не приведён грязевик для простоты объяснения путей получения отличных характеристик и показателей квартирного редуктора давления воды. Он со временем засоряется, что приводит к увеличению его гидравлического сопротивления. Это отражается на регулировочной характеристике гидроредуктора, которая круто падает в области увеличенных расходов воды (фильтроэлемент грязевика следует почистить). В остальных случаях грязевик не оказывает существенного влияния на вид регулировочной характеристики. Поэтому в схемах гидроредукторов, рассматриваемых в этой статье, грязевики не показаны.

Регулировочная характеристика рассмотренного гидроредуктора, полученная его создателями, приведена на рис. 1б. Гидроредуктор с такой характеристикой нельзя использовать в качестве квартирного. Этого не позволяет сделать крутой наклон петли гистерезиса и её недопустимо большая ширина. Автор считает, что увеличенная ширина петли гистерезиса обусловлена трением большого числа уплотнительных колец на поршне и на штоке. Крутой наклон петли гистерезиса обусловлен неудачно выбранной и слишком завышенной жёсткостью пружины.

Из открытых публикаций создателей этого гидроредуктора известно, что замена поршня с уплотнением резиновыми кольцами круглого сечения на эластичную диафрагму, а также замена слишком жёсткой пружины на пружину с существенно меньшей жёсткостью в корне изменила характер регулировочной характеристики. Наклон петли гистерезиса существенно уменьшился, уменьшилась и ширина петли гистерезиса. Однако вновь полученные параметры, характеризующие качество работы гидроредуктора, не позволяют ещё считать этот гидроредуктор именно «квартирным». Проблема заключается в том, что в модернизированном гидроредукторе остались уплотнительные кольца на штоке. Поэтому ширина петли гистерезиса уменьшилась только до трети от ширины петли базовой конструкции гидроредуктора.

Непропорциональность уменьшения ширины петли гистерезиса (было четыре уплотнительных кольца, а стало два) можно объяснить тем, что были удалены только кольца большего диаметра.

Вообще, рассмотренная конструктивная схема гидроредуктора не имеет права на то, чтобы её внедрять, даже при установке в качестве чувствительного элемента (вместо поршня) эластичной диафрагмы, обычно армированной тканью. Последние появились давно, даже в прошлом веке. Однако в результате их эксплуатации выяснилось, что они склонны к разрушению, поскольку работают в очень жёстких условиях и с большими перегрузками. При этом армирующий материал не очень хорошо адгезируется к эластичным основам диафрагм.

Кроме того, в этой схеме гидроредуктора (рис. 1а) запорно-регулирующий орган выполнен в виде конструкции типа «сопло — уплотняющая прокладка» в прямом потоке, что означает, что вода подаётся в нерабочий торец сопла и дросселируется в кольцевом зазоре между рабочей круговой ножеобразной поверхностью сопла и уплотняющей прокладкой. Это плохо с точки зрения герметичности запорно-регулирующего органа, ведь у гидроредукторов, находящихся в безрасходном режиме, при повышении давления уплотняющая прокладка может отжаться от сопла, и даже за счёт капельных перетечек выходное давление может увеличиться до значения, равного давлению в водопроводной сети. При уменьшении давления в сети прокладка снова прижмётся к рабочей поверхности седла, но увеличившееся выходное давление останется на прежнем уровне, поскольку режим «безрасходный» и воде некуда утекать из полости 9.

Помимо этого, как показывает опыт, в гидроредукторах с запорно-регулирующими органами прямого потока имеется большая вероятность появления кавитации, что сопровождается повышенным шумом и соответствующими разрушениями. В гидроредукторах с запорно-регулирующими органами обратного потока кавитационные явления менее выражены, и от них легче избавиться.

На рис. 2а приведён гидроредуктор с аналогичной схемой направления воды в запорно-регулирующем органе (прямого потока), который конструктивно с целью обеспечения герметичности в безрасходном режиме работы выполнен несколько иначе, чем в гидроредукторе, приведённом на рис. 1а. На рис. 2а цифрами обозначены: 1 — корпус; 2 — конусообразный клапан с кольцеобразной прокладкой 3 прямоугольного сечения, с цилиндрической частью 4, в проточке которого установлено одно эластичное уплотнение круглого сечения 5. В корпусе 1 размещены также эластичная мембрана 6 и пружина 7. Клапан 2 и цилиндр 4 выполнены из одного куска металла и прикреплены к нижней поверхности мембраны 6. В качестве седла служит кольцевое углубление 8. Следует отметить, что запорно-регулирующий орган такой конструкции позволяет обеспечить достаточно хорошую степень герметичности в безрасходном режиме работы редуктора.

Однако всё хорошо не бывает. Борьба за высокую степень герметичности такого запорно-регулирующего устройства привела к неудовлетворительному виду регулировочной характеристики гидроредуктора, которая приведена на рис. 2б.

Большая ширина петли гистерезиса, естественно, является результатом сил контактного трения уплотнительного кольца 5, а крутой наклон регулировочной характеристики демонстрирует непонимание создавшими это устройство конструкторами нюансов выбора жёсткости пружины для обеспечения удовлетворительной работы гидроредукторов.

Кстати, если уплотнительное кольцо 4 убрать и заменить его эластичным уплотнением мембранного типа, то ширина петли гистерезиса уменьшится до минимума, но гидроредуктор начнёт «визжать», так как войдёт в режим автоколебаний (с возникновением цепочек вихрей — так называемых «вихрей Кáрмана», которые обычно генерируют бóльшую часть шумов в сантехнических устройствах), то есть потеряет работоспособность. Оживить гидроредуктор можно только после основательной модернизации, установив в нём демпфер контактного трения или классический гидродемпфер, состоящий из поршня и микродросселя. Быстрое заиливание или засорение микродросселя также приводит к неработоспособности гидроредуктора, а демпфер контактного трения приведёт к нежелательному увеличению ширины петли гистерезиса.

В квартирных гидроредукторах давления для приведения их регулировочных характеристик к прямолинейности, особенно в области малых расходов, лучше делать запорно-регулирующие органы с ножеобразным седлом и с плоской уплотняющей прокладкой.

Автор мог бы привести ещё много схем гидроредукторов и описать их работу, характеристики, достоинства и недостатки, но лимит на объём статьи не позволяет этого сделать. Поэтому сразу предлагается схема настоящего «квартирного» гидроредуктора (редуктора давления воды), в конструкции которого учтены все известные автору недостатки существующих гидроредукторов, а также причины, приводящие к их появлению.

Конструктивная схема такого квартирного гидроредуктора приведена на рис. 3а. Его основой является крышка и корпус 1.

В них размещены все его элементы. Среди них самые важные: шток 2; уплотнительная прокладка 3 в люльке 4; неармированная эластичная диафрагма 5 с опорным диском 6, имеющим по периферии отбортовку; гайка 7 для крепления диафрагмы на штоке 2, пружина 8 и корпус сапуна 9.

Кроме того, для соединения объёма воздуха под крышкой 1 и предотвращения затопления помещения в случае прорыва диафрагмы 5 в верхней точке крышки 1 установлен корпус 9 сапуна и зафиксирован гайкой 13. На нижнем торце корпуса 9 сапуна с дренажным отверстием 12 установлен клапан 14, который с воздухом работает как проходное отверстие, а при появлении воды — как обратный клапан (последнее является важным требованием ГОСТ Р 55023–2012 [1]).

Сапун необходим для того, чтобы замкнутый объём под крышкой при изменении температуры не приводил бы к изменению давления, и не оказывал бы влияния на величину давления на выходе гидроредуктора из-за увеличенной эффективной площади мембраны 5.

Следует особо отметить конструктивные особенности эластичной диафрагмы 5. Она не армирована по причине недостаточно высокой надёжности армированных диафрагм вообще. Они появились тогда, когда кроме резины для изделий бытового назначения ничего применить было нельзя. Однако резина боится питьевой воды, расслаивается и плохо адгезируется с разными армирующими тканями.

Поэтому срок службы изделий, в которых используется резина, небольшой. Нужны эластичные материалы, которые способны служить по полвека и более.

Такие материалы к настоящему времени появились, и грех ими не воспользоваться. Это так называемые «термоэластопласты», то есть термопластические эластомеры, проявляющие свойства мягких резин (эластомеров) в условиях эксплуатации (отсутствие текучести), а при высоких температурах (при переработке) способные течь подобно расплавам термопластов. Термоэластопласты обладают высокой химической стойкостью, устойчивостью к температурам до 140°C, хорошо выдерживают циклические нагрузки и имеют высокую прочность на разрыв. Изготовленная с толщиной 3–4 мм и с высоким гофром, такая диафрагма в квартирном редукторе давления воды прослужит «относительно вечно».

Важно, что направление течения воды, в отличие от предыдущих схем гидроредукторов, здесь обратное, то есть вода течёт из напорной полости к прокладке 3, а затем через зазор между прокладкой 3 и седлом сопла 10 внутрь сопла. Кроме того, сопло 10 выполнено из нержавеющей стали, что вкупе с использованием обратного потока позволяет обеспечить высокую герметичность запорно-регулирующего органа в безрасходном режиме и длительный срок службы седла сопла 10.

Если седло ножеобразного типа выполнено с радиусом закругления примерно 0,5 мм и даже несколько меньше, а эффективная площадь диафрагмы будет сравнительно большой, то «ложка» в регулировочной характеристике в области малых расходов будет небольшой. В существующих гидроредукторах их седла обычно выполняют из латуни или из ходовых сортов пластмассы, что не позволяет обеспечить требуемого срока службы таких гидроредукторов. Такие седла разрушаются из-за присутствия в воде различных солей и кислот, в результате кавитационных процессов или воздействия твёрдых механических частиц, которые всегда присутствуют в воде и могут двигаться в ней с большой скоростью.

Важно также и то, что пружина 8 выбрана с минимально низкой жёсткостью, а это позволяет такому квартирному редуктору давления воды обеспечить минимально возможный наклон регулировочной характеристики, приведённой на рис. 3б. Технически низкую жёсткость без потери устойчивости легко обеспечить применением пружины 8 бочкообразной формы. Она также без дополнительных деталей «низводит на нет» существование боковых сил, вызванных сжатием обыкновенных пружин сжатия, что позволяет иметь одну силу, направленную строго по оси узла «мембрана — прокладка». У этой характеристики отсутствует петля гистерезиса, так как здесь нет узлов контактного трения. Возможность появления автоколебаний блокируется увеличенной эффективной площадью диафрагмы (около 30 см²), которая захватывает близлежащие слои воды, увеличивая массу диафрагмы, увеличению которой способствует упорный диск 11, который ограничивает максимальную величину открытия запорно-регулирующего органа.

Вот это и есть «настоящий квартирный редуктор давления воды», к которому должны стремиться производители гидроредукторов. Однако, изучая рынок гидравлических редукторов, начинаешь понимать, что многие изготовители ставят на первое место не качество изделия и его высокие эксплуатационные характеристики, а простоту изготовления, снижение стоимости и миниатюризацию гидроредукторов, совершенно не ориентируясь на ГОСТ Р 55023–2012 [1].

Некоторые производители называют свои гидроредукторы «квартирными», даже не заботясь о доказательствах законности такого названия. Это — результат небрежного чтения ГОСТа.

Следует также отметить, что габариты квартирного гидроредуктора не являются главным показателем при выборе его схемы и конструктивных особенностей исполнения. Главное — обеспечение комфортных условий пользования им, длительность срока безремонтной работы даже при интенсивном использовании, а также высокая степень ремонтопригодности и надёжности.