Рис. 1. Расходная характеристика первого (ближайшего к насосу) вентиля при изменении состояния («открыто–закрыто») остальных вентилей системы
Рис. 2. Расходная характеристика вентиля при работе других вентилей системы
Рис. 3. Расходная характеристика вентиля при ступенчатом переключении скорости вращения насоса
Рис. 4. Расходная характеристика вентиля при ступенчатом изменении скорости вращения насоса
Идеальный процесс регулирования теплообменного прибора (радиатора, калорифера, фанкойла) заключается в адекватной реакции регулирующего (контролирующего) клапана на возмущающее воздействие (отклонение температуры теплоносителя или воздуха) и изменении теплового потока прибора пропорционально этому воздействию. Обеспечение такого процесса осуществляют совмещением характеристики теплообменного прибора (зависимость теплового потока от расхода теплоносителя) и расходной характеристики клапана.
На практике зачастую этим основным требованием проектирования автоматизированных систем обеспечения микроклимата (отопления, охлаждения, теплоснабжения.) пренебрегают, не проверяя искривление расходной характеристики клапана и, тем более, не совмещая ее с искривлением характеристики прибора. Следствие — существенное искривление расходной характеристики клапана в реальной системе до двухпозиционной. Результат — снижение энергоэффективности регулирования, сложность наладки системы, уменьшение срока службы клапана.
Некоторого устранения указанных недостатков достигают обеспечением приемлемого искривления расходной характеристики клапана. Для этого выполняют требования по необходимому авторитету клапана (коэффициент искажения идеальной характеристики клапана, либо коэффициент управления, либо отношение потерь давления на клапане к потерям давления на регулируемом участке или у некоторых производителей — на теплообменном приборе) [1–3]. Такой подход — традиционен.
Однако он весьма далек от происходящего процесса регулирования. В результате теоретических, экспериментальных и практических исследований было подтверждено, что традиционное определение авторитета не соответствует реальному искривлению расходной характеристики клапана, установленного в системе [4]. Причина — существенное влияние на это искривление конструктивных особенностей клапана, определяемых его базовым авторитетом, которое ранее не принималось во внимание.
Результатом развития теории регулирования стало подтверждение того, что реальная расходная характеристика клапана в системе определяется произведением базового авторитета клапана на его внешний авторитет. Однако этот подход еще весьма нов и при всем своем соответствии гидравлическим процессам пока не нашел широкого распространения. Причиной тому является необходимость определения нового параметра клапана — базового авторитета, что требует дополнительных расчетов.
Для практики был найден более простой выход в реализации этой необходимости: к рекомендациям о соблюдении высокого авторитета терморегулятора (выше 0,5) добавились рекомендации о применении высоких значений его настроек (выше примерно средних значений). Этим уменьшается базовый авторитет терморегулятора, вызываемый сопротивлением дросселя, то есть уменьшается искривление его расходной характеристики [5].
Еще одна из существенных особенностей определения авторитетов по современной теории — необходимость оперирования такими характеристиками клапана, которые не являются задействованными в традиционном гидравлическом расчете. Так, для определения авторитета необходимо знать потери давления на полностью открытом клапане или, соответственно, максимальный расход на полностью открытом клапане.
Однако эти параметры известны лишь при подборе нормально открытого клапана, например, регулятора теплового потока или регулятора температуры при проектировании теплового пункта. В то время как для терморегулятора системы отопления всегда расчетным является промежуточное положение штока (при зоне пропорциональности 2K — открытие терморегулятора примерно на 1/3 [6]) и для ручного балансировочного вентиля в подавляющем большинстве случаев также расчетным является промежуточное положение штока, соответствующее настройке клапана.
Учет этих особенностей осуществляется уравнениями перехода гидравлических параметров от максимального открытого положения штока клапана до его расчетного положения [5]. И вновь усложнение традиционного гидравлического расчета. Но без привлечения этих уравнений происходит некорректное применение на практике понятий: «авторитет терморегулятора» и «авторитет ручного балансировочного вентиля». В том числе и в компьютерных программах.
Другими словами — гидравлические расчеты и компьютерные программы не только отстали от современных подходов теории регулирования, но и не соответствуют традиционному определению авторитета. А верен ли традиционный подход определения авторитета клапана через потери давления, особенно в системе, где происходит взаимовлияние клапанов и изменяется располагаемое давление регулируемого участка? По крайне мере, традиционное уравнение внешнего авторитета не дает однозначного ответа. Внешний авторитет a определяется:
где Δpvs — потери давления полностью открытого клапана (вентиля), Па; Δр — потери давления на регулируемом участке, Па. Из данного уравнения следует, что при изменении числителя (например, во время закрывания одного из клапанов регулируемого участка и возникновении перетока теплоносителя к другим клапанам, то есть возрастании потерь давления на них) должны изменяться авторитеты клапана; при изменении знаменателя (например, от переключения насоса с одной ступени на другую), также должны поменяться авторитеты клапанов.
Другими словами, иначе — авторитет клапана в системе с переменным гидравлическим режимом является переменным. Так, в работе [3] сделан аналогичный теоретический вывод: авторитет клапана изменяется при переключении ступеней насоса. Для проверки правильности вышеприведенных выводов о непостоянстве авторитета, а также изучения поведения авторитетов при взаимовлиянии нескольких клапанов и изменении скорости вращения насоса проведены экспериментальные исследования.
Исследования осуществлены на гидравлическом стенде «Системы обеспечения микроклимата» [7]. Объект исследования — клапаны двухтрубной системы. Система двухтрубная с тремя ручными балансировочными вентилями фирмы «Данфосс» — MSV-C Ду = 15 мм с диапазоном настройки n (полное количество оборотов штока) от 0 до 8. В циркуляционном кольце каждого вентиля установлен ротаметр. Количество циркуляционных колец — три, с разной удаленностью от насоса. Насос со ступенчатым регулированием Top-S 25/10 фирмы Wilo. У насоса установлена перемычка с перепускным клапаном AVDO фирмы «Данфосс» и шаровым краном.
Исследование 1
Задача исследования: определить взаимовлияние параллельно несинхронно работающих клапанов на их полные внешние авторитеты. Гидравлическое состояние стенда: шаровой кран на перемычке у насоса открыт; AVDO настроен на 30 кПа; регулируемый участок ручного балансировочного вентиля — вся система от и до точки присоединения перемычки у насоса. Ход исследования: попеременное закрывание вентилей MSV-C и построение их расходных характеристик.
Результат исследования: получены расходные характеристики каждого из трех вентилей MSV-C: при открытых остальных двух (опыт А), при одном из остальных двух закрытом (опыт Б) и при остальных обоих закрытых (опыт В). Закономерности изменения расходных характеристик всех вентилей гидравлически подобны. Расходные характеристики ближнего к насосу вентиля, как наиболее восприимчивого к изменению гидравлических характеристик системы, показаны на рис. 1 в абсолютных значениях параметров.
В результате исследования вентиля установлено, что при закрывании одного или двух остальных вентилей системы на нем увеличивается расход, то есть происходит так называемый «переток теплоносителя» от закрываемого вентиля к открытым. Переток теплоносителя к первому вентилю (ближнему к насосу) привел к увеличению расхода в нем от 4,8 л/мин. (опыт А) до 5,7 л/мин. (опыт Б), на втором вентиле в этом случае расход изменился с 4,2 до 5,5 л/мин. и до 7,0 л/мин. (опыт В).
Расходная характеристика вентиля для каждого из опытов (рис. 1) не изменяет своей формы, а лишь растягивается вдоль оси ординат вследствие перетока теплоносителя. Для подтверждения данного утверждения расходные характеристики с рис. 1 перенесены на рис. 2 с переходом от абсолютных к относительным значениям расхода по оси ординат. Выявлено полное совпадение формы (искривления) расходных характеристик вентиля в различных опытах.
Поскольку форма расходной характеристики вентиля соответствует его полному внешнему авторитету а, то из этого следует, что полный авторитет вентиля остается неизменным в различных опытах. К тому же, поскольку гидравлические процессы в вентилях и терморегуляторах идентичны, то работа терморегуляторов в системе также не приводит к изменению их полных авторитетов. Искривление рабочей расходной характеристики исследуемого вентиля соответствует а+ ≈ 0,003.
Оно существенно отличается от идеального (а+ = 1) искривления логарифмической (равнопроцентной) расходной характеристики. Отличие характеристик вызвано влиянием всего лишь нескольких метров циркуляционного кольца гидравлического стенда и конструктивных особенностей вентиля. В реальной системе с циркуляционными кольцами длиной в сотни метров рабочая расходная характеристика будет еще более выпуклой. Вывод — полный внешний авторитет клапана (искривление расходной характеристики) остается постоянным при работе других клапанов в системе.
Исследование 2
Задача исследования: определить влияние скорости вращения насоса на полный внешний авторитет клапана. Гидравлическое состояние стенда: шаровой кран на перемычке у насоса закрыт; регулируемый участок ручного балансировочного вентиля — вся система от и до точки присоединения насоса. Ход исследования: закрывание вентиля MSV-C и построение его расходной характеристики при изменении скорости вращения насоса ступенчатым переключением.
Результат исследования: получены расходные характеристики вентиля MSV-C для каждой из трех ступеней насоса: при скорости вращения насоса N (опыт I), при скорости вращения насоса N2 (опыт II) и при скорости вращения насоса N3 (опыт III). Результаты представлены на рис. 3. Из данного эксперимента следует, что форма расходной характеристики вентиля остается постоянной при изменении скорости насоса и лишь растягивается вдоль оси ординат.
Это вызвано увеличением расхода теплоносителя при возрастании напора, соответствующего скорости насоса. Для подтверждения данного утверждения все имеющиеся расходные характеристики с рис. 3 перенесены на рис. 4 с применением перехода от абсолютных к относительным значениям расхода по оси ординат. При этом выявлено полное совпадение формы (искривления) расходных характеристик вентиля в различных опытах.
В дополнение к экспериментальным данным на рис. 4 показана теоретическая кривая 2, полученная в работе [3]. Эта кривая построена путем скачкообразного перехода от одной расходной характеристики клапана, характеризуемой полным внешним авторитетом а1 +, ко второй с авторитетом а2 и к третьей с авторитетом а3 при соответствующем ступенчатом переключении скорости вращения насоса от N1 к N2 и N3.
При сопоставлении вида экспериментальной кривой 1 с теоретической кривой 2 видно их полное несовпадение. Вывод — полный внешний авторитет клапана (искривление расходной характеристики) остается постоянным при изменении скорости вращения насоса. Из проведенных исследований следует, что уравнение (1) не раскрывает полного физического смысла происходящих гидравлических процессов в системе, хотя математически им соответствует.
Другими словами — в уравнении фигурируют переменные параметры — потери давления, в то время как полный внешний авторитет клапана, включающий в себя традиционное понятие внешнего авторитета, остается постоянным в системе с переменными гидравлическими параметрами. Следовательно, данные авторитеты также необходимо определять постоянными, а не переменными характеристиками клапанами.
При этом математически эти определения (через переменные либо постоянные параметры) должны быть идентичны. Постоянными характеристиками клапана могут быть только параметры, отражающие его сопротивление, например, — коэффициент местного сопротивления, характеристика сопротивления, расходная характеристика и т.п. Такой подход при определении внутреннего авторитета клапана через пропускную способность был предпринят в [5]. Для внешнего авторитета — в [3]:
где Svs — характеристика сопротивления полностью открытого клапана, Па/ (кг/ч)2; S — характеристика сопротивления регулируемого участка, Па/(кг/ч)2. Несмотря на предпринятые ранее другие формы представления авторитета и даже равенства частей уравнения (2), попытки нетрадиционного определения авторитетов через постоянные характеристики не получили развития и должной оценки отличия их физического смысла.
Это предопределило выбор в [3] традиционной (средней) части уравнения (2) и послужило основой теоретическим выводам об изменении авторитета клапана, что опровергнуто вышеприведенными исследованиями. Физический смысл последней части уравнения (2) значительно обширней, чем его средней части. Именно последняя часть уравнения дает однозначные ответы на ранее поставленные вопросы.
Авторитет клапана не изменяется при взаимодействии с другими клапанами и не изменяется при переключении насоса, поскольку он определяется постоянными гидравлическими характеристиками, а не переменными, как по средней части уравнения. То есть форма расходной характеристики клапана остается постоянной. Но главное состоит в том, что при использовании последней части уравнения внешний авторитет клапана теперь можно определять гораздо проще — с привлечением имеющихся характеристик в техническом описании клапана, которые применяются в традиционном гидравлическом расчете: характеристика сопротивления, либо проводимость, либо коэффициент местных сопротивлений, либо пропускная способность.
Взаимосвязь между перечисленными параметрами при необходимости осуществляется традиционно: приравниванием уравнений потерь давления, выражаемых через перечисленные параметры. Это в значительной мере упрощает совершенствование компьютерного и ручного расчета автоматизированных систем в соответствии с современным развитием теории регулирования.
Таким образом, уравнения авторитетов в теории регулирования систем обеспечения микроклимата [5, 8] без потери математического, но с приобретением гораздо более глубокого физического смысла могут быть видоизменены путем замены потерь давления на соответствующие характеристики, отражающие сопротивление регулирующего отверстия клапана, сопротивление клапана и сопротивление регулируемого участка.
