|
В системах кондиционирования
воздуха и вентиляции для управления расходами воздуха и теплохладоносителя
применяют воздушные и водяные клапаны. Их правильный выбор, обеспечение
требуемой регулировочной характеристики обеспечивает качество процесса
регулирования. С учетом этого в современной литературе кратко описывается
методика выбора типоразмера клапана. Прежде ошибочно полагали, что клапан
должен выбирать специалист по автоматизации, хотя существо протекающих в нем
процессов связано с гидравликой и аэродинамикой. В этой главе рассматривается
вопрос о характеристиках группы синхронно управляемых
воздушных клапанов системы. Он до сих пор не нашел отражения в литературе, хотя
известно, что такие клапаны взаимно влияют друг на друга. Для решения задачи
в общем виде предлагается математическая модель аэродинамических процессов в
системе, приводятся результаты этих исследований.
6.1. Классификация, характеристики и выбор воздушных
клапанов
Управление расходами воздуха на разных участках является
одной из основных задач управления системами. При управлении одним клапаном
достигается изменение расхода воздуха. При управлении двумя клапанами с пора,
компенсацию удаляемого воздуха и утечек. Такое управление расходами применяют
в многозональных системах переменной производительности. Приходится учитывать
и устранять специальными мерами происходящее перераспределение давлений и
расходов.
Управление расходами воздуха, байпасируемого в аппаратах
тепловлажностной обработки воздуха (клапан 4) для стабилизации одного из
параметров состояния. Однако такой способ управления имеет ограниченный
диапазон изменения коэффициента эффективности процесса (см. п. 5.2) и в силу
этого специально рассматриваться не будет.
Описанные уровни управления расходами воздуха в системе,
регулирующие органы (клапаны) и регулируемые участки для них поясняет 6.1,
где изображена технологическая схема центральной многозональной системы
переменного расхода. Регулируемый участок есть часть сети, где клапан
управляет расходом. В этом отличие от понятия «участок» в аэродинамике, когда
участку приписывают постоянство расхода, сечения и шероховатости поверхности.
Для центрального клапана регулируемый участок охватывает всю сеть, т. е.
последовательный ряд участков от атмосферы и до атмосферы. На основе
представления о регулируемом участке вычисляют его аэродинамическое
сопротивление и выбирают сечение клапана, согласованное с параметрами
регулируемого участка. Границами регулируемых участков являются узлы системы,
т. е. места соединения или разделения потоков.
Управление расходами воздуха в системе на разных уровнях
взаимно влияет друг на друга. Даже управление на нижнем уровне оказывает
влияние на другие уровни управления, хотя иногда и малозначительное.
Поскольку управление расходом происходит путем дросселирования участка, то
это отражается на характеристике всей сети и, как следствие, — на
производительности вентилятора. Степень такого влияния можно приближенно
оценить по величине отношения характеристики регулируемого в данном случае
участка к характеристике всей системы: чем больше эта величина, тем
значительнее изменяется производительность вентилятора. Кроме расходов
воздуха иногда требуется учитывать изменение давления в узлах системы.
Проблема управления расходами воздуха становится все более актуальной как в
связи с развитием общей теории, так и в связи с более широким применением
систем переменного расхода.
Как вытекает из рассмотрения технологической схемы
многозональной системы переменного расхода, число воздушных клапанов как
регулирующих органов значительно и может составлять несколько десятков,
поэтому важно понимать их назначение, особенности характеристик и правила
выбора сечения.
Серийно выпускаемые клапаны имеют створчатую конструкцию (
6.2). Внутри рамы 1 на оси 2 размещена створка 3, которая может
поворачиваться в пределах угла а от нуля до 90° (закрытие). На раме клапана
имеются упоры 4, к которым прижимается створка при закрытии. Сама створка
имеет вытянутую ромбоидальную форму, что обеспечивает лучшее обтекание ее
потоком. Если створка повернута на некоторый угол а, то картина ее обтекания
ясна из 6.2. В зауженном сечении происходит поджатие потока, изменение
(повышение) скорости и изменение направления движения воздуха. Перед клапаном
и за ним образуются парные вихри, т. е. вращательное движение масс воздуха.
Поток по оси перед клапаном притормаживается, скорости в поперечном сечении
перераспределяются (по сравнению с эпюрой в турбулентном потоке). За клапаном
скорости воздуха распределяются неравномерно, что видно из 6.2. Искажение
скоростей сглаживается по мере удаления от клапана и при большом числе
калибров (l!ddKв) поток приобретает характерную для режима движения эпюру
скоростей.
Все описанные явления определяют сопротивление,
создаваемое клапаном. По мере закрытия створки эти явления усиливаются и
сопротивление клапана растет.
Основные требования, предъявляемые к клапанам, сводятся к
простоте конструкции, хорошей герметичности, возможности получения
аэродинамической характеристики, при которой коэффициент передачи клапана
будет постоянным или мало меняющимся. Существующие конструкции не в полной
мере соответствуют предъявляемым требованиям; к их недостаткам можно отнести
невозможность изменения расходов при углах, близких к открытию, недостаточную
герметичность, т. е. утечки через клапан при полном закрытии створок, а также
значительное изменение эпюры скоростей за ним, что может быть существенным
для оборудования, установленного за клапаном.
Рассмотрим кратко основные разновидности воздушных
клапанов как регулирующих органов систем. По форме поперечного сечения рамы
различают клапаны круглого и прямоугольного сечения ( 6.3, а, б); последние
применяются сравнительно редко и только в качестве местных (зональных). По
количеству створок различают одно- и многостворчатые клапаны; первые
применяют при малой высоте рамы. По взаимному направлению вращения смежных
створок различают клапаны с параллельными и встречными створками ( 6.3, в,
г); последние называют оппозитными. Особенности вращения створок определяют
характер движения воздуха через клапан и за ним. При использовании оппозитных
створок происходит меньшее отклонение потока и меньшее искажение
аэродинамического
(а значит и теплового) режима установленного за клапаном
аппарата. Клапаны бывают проходные (для изменения расхода воздуха) и
смесительные (или распределительные) для одновременного управления двумя
расходами воздуха с разными температурами.
По виду используемого привода различают клапаны с ручным и
автоматическим приводом; первые применяют для испытания и наладки сетей
воздуховодов, а также эксплуатационного изменения расходов. Для этой цели
используют не только воздушные клапаны, но и другие дросселирующие
устройства, например шиберы, диафрагмы и пр.
Нижеописываемый выбор сечения клапанов относится только к
автоматизированным клапанам недвухпозиционного действия. Сечения клапанов с
ручным приводом можно выбирать исходя из наличия клапанов на объекте, по
сечению воздуховода или другим соображениям.
Рассмотрим аэродинамическую характеристику воздушного
клапана ( 6.4) и выделим на ней некоторые участки. На горизонтальной оси
отложим угол поворота створки а, а на вертикальной— коэффициент сопротивления
£кл. Последний меняется на несколько порядков (от десятых долей единицы
до сотен и тысяч) и поэтому на
вертикальной оси применен логарифмический масштаб. При
углах поворота, близких к начальному, створка вносит в поток незначительное
возмущение (слабое поджатие, незначительное вихреобра- зование и изменение
направления), в результате чего коэффициент сопротивления меняется
незначительно. На основном участке характеристики при «средних» углах
поворота створки (от 20° до 70°) коэффициент сопротивления резко растет и при
этом меняется сложным образом, что объясняется наложением таких явлений, как
поджатие, изменение направления и вихреобразование перед створкой и за ней.
При углах, близких к закрытию (а > 70°), на характеристику £кл = /
(а) все в большей степени влияет качество подгонки створок друг к другу и к
упорам. Теоретически при идеальной герметичности коэффициент сопротивления
должен быть бесконечно большим, а расход при закрытой створке — бесконечно
малым. На практике идеальная герметизация обычно (кроме специальных случаев)
не обеспечивается и поэтому коэффициент сопротивления, как и расход, имеет
конечное значение. Сам расход на один-два порядка меньше расчетного, в
экспериментах его определяют с большой погрешностью.
Аэродинамическая характеристика зависит от геометрических
характеристик клапана, числа створок и характера их вращения (параллельное
или встречное). Аэродинамические характеристики воздушных клапанов разных
конструкций исследованы во ВНИИ Охраны труда, а в последнее время во
ВНИИкондиционере. Эти характеристики приводятся в справочной литературе по
вентиляции и кондиционированию воздуха [34]. Поскольку качество герметизации
клапана определяет его коэффициент сопротивления £3а«р, то эта величина
регламентирована для клапанов разных типов и с разным числом створок. В СНиП
II-33—75 приводится требуемый коэффициент сопротивления полностью закрытого
клапана.
При малых расчетных расходах воздуха в ответвлениях
(зонах) многозональных систем переменного расхода сечения клапанов
оказываются малыми, а режим движения (по Re) соответствует переходной области
турбулентного течения. Так, при эквивалентном диаметре клапана dmB — 0,2 м, расходе LB = 700 м3/ч скорость равна wB — 700/(3600 0,785- 0,22) = 6,2 м/с, критерий
гидродинамического подобия Re = avdaKB/vB = 6,2-0,2/(15-Ю-6) = 0,82-105. В
этих условиях коэффициент сопротивления может зависеть не только от угла
поворота створки а, но и от критерия Рейнольдса. Характерные зависимости
£кл = / (a, Re) для неавтомодельного режима движения показаны на 6.5.
Очертания кривых напоминают известные зависимости Я = / (Re, А) для труб при
искусственной шероховатости, получившие название «ложек» Никурадзе.
Отмеченное сходство подтверждает идентичность потерь давления на трение и в
местных сопротивлениях. Штриховая линия ограничивает область, в которой
следует учитывать неавтомодельность. По мере роста угла поворота створки
автомодельность наступает раньше, т. е. при меньших значениях критерия
Рейнольдса. Неавтомодельный (по Re) режим движения воздуха через клапан может
искажать аэродинамическую и регулировочную характеристики клапана как
регулирующего органа системы.
Другой причиной изменения аэродинамической характеристики
клапана является его установка на нестабилизированном потоке, в
непосредственной близости от предшествующей по ходу воздуха фасонной части.
Это явление специально исследовано во ВНИИ Охраны труда J1. В. Павлухиным.
Регулировочной характеристикой клапана называют
зависимость расхода воздуха через клапан от угла поворота его створки. Так
как аэродинамическая характеристика задается не аналитически, а таблично или
графически, то и регулировочная не имеет простого аналитического решения (в
явном виде), а строится чаще всего графически. Расход воздуха удобно
рассматривать не в абсолютном, а в относительном виде, деля текущее
В процессе расчета сечения клапана может оказаться,
что нужного сечения клапана нет, а можно поставить клапан другого сечения —
большего. Это вполне допустимо, если изменить расчетное сечение клапана. Для
этого часть створок отсоединяют от управления и закрывают, а оставшиеся должны
иметь требуемое по расчету сечение. Другой вариант, когда сечение клапана
меньше требуемого, более сложен. Для улучшения регулировочной характеристики
нужно ввести на участке дополнительное сопротивление и при этом проверить, не
уменьшится ли ниже допустимого расчетный расход воздуха на участке.
Как следует из анализа формулы (6.2), выбор сечения
клапана прост и обеспечивает близкую к линейной регулировочную
характеристику. Однако несмотря на простоту расчета, сечения клапдна долгое
время не подбирали, а ставили их без расчета, например, по сечению
воздуховода. Нужное качество регулировочной характеристики при этом не
обеспечивалось, коэффициент передачи клапана менялся в широких пределах и
регулятор создавал автоколебания.
Конструкции клапанов наружного и рециркуляционного
воздуха в центральных кондиционерах КТЦ отличаются от сетевых клапанов.
Из-за большей ширины створок и конструктивных особенностей [14] живое сечение
открытого клапана оказывается значительно меньше фронтального и как следствие
— большее начальное сопротивление клапана. Для этих клапанов ВНИИкондиционер
[29] предлагает выбирать сечение клапана по формуле сопротивление
вентиляционной сети или давление приточного вентилятора, Па; р, —
относительное сопротивление клапана на регулируемом участке, рекомендуется
принимать ц в интервале 0,05-0,14.
Рассмотрим регулировочные характеристики клапана,
поставленного без расчета сечения. По отношению к требуемому площадь клапана
может оказаться либо значительно большей, либо, наоборот, значительно меньшей.
Обычно поставленный без расчета клапан имеет площадь сечения значительно
больше, чем требуется, поэтому если в смонтированной системе
автоматизированный клапан имеет одинаковое с воздуховодом сечение, то можно
предположить, что его сечение не рассчитано. Случай, когда сечение клапана
значительно больше требуемого, отражает регулировочная характеристика 1 на 6
7 Ее отличает значительная криволинейность, тем большая, чем значительнее
сечение отличается от требуемого. Так, при начальных углах поворота створки
ее поворот практически не изменяет расхода. Наоборот, при углах, близких к
закрытию, расход резко «садится». В результате коэффициент передачи клапана
при разных углах значительно меняется. Например, при малом угле ах
касательная к точке А на регулировочной характеристике 1 наклонена к оси а
под малым углом, тангенс которого пропорционален коэффициенту передачи.
Наоборот, при большом угле а2 касательная в точке В наклонена к оси а под
большим углом и коэффициент передачи клапана велик. Исправить регулировочную
характеристику в этом случае просто: нужно закрыть часть створок.
Рассмотрим другой случай, когда сечение клапана
значительно меньше требуемого. В этом случае регулировочная характеристика
имеет вид линии 4 на 6.7. Ее тоже отличает значительная кривизна. Уже при
малых углах а расход может резко снизиться и при дальнейшем прикрытии створки
практически не будет меняться. Коэффициент передачи клапана и в этом случае
значительно меняется.
6.2. Регулировочные характеристики синхронизируемых
воздушных клапанов
и направляющих аппаратов
Среди различных по назначению воздушных клапанов в
распространенных системах с рециркуляцией есть такие, управление которыми
должно производиться синхронно. Это клапаны наружного, рециркуляционного и
выбросного воздуха, применяемые для стабилизации одного из параметров
состояния воздуха в режиме, при котором система не потребляет ни теплоты, ни
холода. Переменное количество наружного воздуха достигается тем, что клапаны
наружного и рециркуляционного воздуха имеют противоположное направление
движения створок. Кроме того, клапан выбросного воздуха движется в одном
направлении с наружным клапаном Кроме поддержания параметра состояния воздуха
при таком алгоритме управления клапанами обеспечивается подача санитарной
нормы наружного воздуха, компенсация утечек воздуха в неплотностях ограждений
помещения, местных отсосов, постоянство производительности приточного и
рециркуляционно-вытяжного вентиляторов.
На практике бывает трудно добиться нужной синхронизации
управления тремя клапанами по положению их исполнительных механизмов. В таких
системах один из клапанов является ведущим, управляемым термо- или
влагорегулятором, а другой — ведомым и одновременно ведущим для третьего
клапана. Учитывая сложность практической отладки этой системы, ее иногда
упрощают, отказываясь от синхронизации управления тремя клапанами,
ограничиваясь двумя синхронизируемыми клапанами или даже оставляя один
(обычно рециркуляционный) управляемый клапан.
До последнего времени оставалось неясным, к каким последствиям
природят такие решения. В частности, требуется ответить на ряд вопросов:
каковы регулировочные характеристики LHap (a), Lp (а),
LBbl6p (а) при управлении расходами наружного, рециркуляционного и выбросного
воздуха в схемах управления тремя, двумя и одним клапаном;
в какой мере изменяется производительность приточного и
рециркуляционно-вытяжного вентиляторов в зависимости от применяемых схем
синхронизации управления клапанами;
в какой мере изменяется полное давление воздуха в узлах
системы, т. е. в местах соединения регулируемых участков наружного,
рециркуляционного и выбросного воздуха при разных схемах синхронизации
клапанов;
какие минимальные расходы наружного и выбросного воздуха
получаются при упрощении схемы управления воздушными клапанами.
В результате решения этих вопросов можно сделать вывод о
допустимости упрощения схем синхронизации управления воздушными клапанами
исходя из требований системного анализа.
Для решения поставленной задачи в ЛТИХП были проведены
исследования на математической модели, описывающей аэродинамику
рассматриваемой в общем виде системы. В системе, принципиальная
аэродинамическая схема которой изображена на 6.8, установлены два
вентилятора Ц4-76 с регулирующими производительность органами и три клапана
для управления расходами наружного, рециркуляционного и выбросного воздуха.
Приточная и вытяжная части системы образовали два контура за счет того, что
путь движения воздуха замкнут через атмосферу и помещение.
Исследовались закономерности распределения расходов на
участках и давлений в узлах при синхронном управлении тремя и двумя
(рециркуляционным и выбросным) клапанами, а также одним рециркуляционным
клапаном. Результаты проведенных на математической модели исследований
обрабатывались в виде зависимости изменения относительных давлений в узлах
системы, производительности каждого из вентиляторов и расходов наружного,
рециркуляционного и выбросного воздуха от угла синхронного поворота створок
клапанов. На 6.9 показан характерный график зависимостей при давлении в
узлах I я II (см. 6.8), равном 0,1 давления вентилятора при разных схемах
управления клапанами. Цифра в индексе на 6.9 означает вариант управления: /
— синхронное управление ИМ трех клапанов; 2 — синхронное управление ИМ
клапанов рециркуляционного и выбросного воздуха; 3 — управление ИМ
рециркуляционного клапана. Сравнение линий изменения одной величины позволяет
оценить влияние способа синхронизации на исследуемую величину. Сравнение
относительных расходов и давлений при разных начальных давлениях в узлах
делает возможным установить влияние этого фактора на исследуемые зависимости.
Для аргументированного анализа полученных на основе
расчета на ЭВМ зависимостей сформулируем основные требования, предъявляемые к
изменению расходов и давлений. Каждый из расходов (LHар, Lp, LBbl6) должен
меняться во всем диапазоне его изменения по требованиям системы. Например,
расход наружного воздуха должен меняться от LHapmin до LHapmax = Lnv. Если
минимальный расход наружного воздуха в некоторой схеме управления не
обеспечивается, а превышается, то изменяются границы режимов работы,
продолжительность режима потребления теплоты, мгновенные и годовые расходы
теплоты и холода. Несоблюдение этого условия делает невозможным стабилизацию
того параметра, который поддерживается управлением воздушными клапанами.
Каждый из расходов должен меняться по возможности линейно от угла поворота и
быть минимальным при закрытии створки. При управлении клапанами
производительность вентиляторов не должна меняться. Наконец, давление в уз
чах системы как границах регулируемых участков полагают неизменным, что
является условием построения регулировочной характеристики и выбора сечения
одиночного воздушного клапана.
Сравним требуемые характеристики с полученными
зависимостями. Наилучшей из регулировочных характеристик является синхронное
управление тремя клапанами; при таком управлении расходы в основной части
регулировочной характеристики меняются линейно; может быть изменен процент
наружного воздуха в смеси; производительность вентиляторов остается
практически неизменной, а давление в узлах системы изменяется не более, чем
на 10 %.
При управлении двумя, а особенно одним клапаном,
неуправляемые расходы не могут меняться в заданном диапазоне и без
специальных мер, например дополнительного дросселирования участка, не
достигают требуемых минимальных значений. Тад, по результатам исследований
минимальный расход наружного воздуха составил около 50 % при неуправляемом
клапане ( 6.9), а должен был составлять 10 %. При таком результате не
достигается нужная переменная пропорция наружного воздуха в смеси и в
результате заданный параметр не поддерживается. При увеличенном расходе
наружного воздуха возрастают текущие и расчетные расходы теплоты и холода, а
также продолжительность режима потребления теплоты.
Действительно, мгновенный расход теплоты, записанный по
методологии А. А. Рымкевича [24—27] через исходные данные, равен QT = Gmp min
(/в — /нар) — Qn0M — GBJn — AQnp, а мгновенный расход холода Qx = QnoM +
GB3lin + AQnp — G„apmin (/B — — /нар) и при /нар > /в растет с увеличением
GHap mln. При управлении двумя, а тем более одним клапаном заметно изменяется
произ- родительность вентиляторов и давления в узлах системы. Проведенные
эксперименты показывают, что упрощение схемы синхронного управления тремя
клапанами приводит к изменению режимов работы системы от расчетных, к
перерасходам теплоты и холода, к изменению производительности вентиляторов и
давлений в узлах, поэтому изменение схемы управления клапанами при системной
оценке такого решения оказывается недопустимым.
В заключение кратко рассмотрим еще одну задачу управления,
возникающую в системах переменного расхода. В большинстве кондиционируемых
объектов минимальный расход наружного воздуха — некоторое постоянное число,
которое нужно обеспечить при переменной производительности приточного
вентилятора. Аналогично
задан минимальный расход выбросного воздуха, постоянный
при переменной производительности рециркуляционно-вытяжного вентилятора.
Одним из возможных решений такой задачи является
синхронизация управления рециркуляционным клапаном с направляющим аппаратом
приточного вентилятора (в многозональной системе) и дополнительно с
регулирующим органом рециркуляционно-вытяжного вентилятора (в однозональной
системе). Для проверки работы такой схемы управления были проведены исследования
на математической модели. Рассмотрены варианты, когда вентиляторы управляются
направляющими аппаратами и дроссельными клапанами. Методика исследований в
основном аналогична вышеописанной. Результаты исследований обрабатывались в
виде зависимостей всех расходов воздуха в системе и давлений в узлах от
положения регулирующих органов вентиляторов. Характерные зависимости показаны
на графике 6.10 для случая, когда начальное относительное давление в узлах I
я II схемы (см. 6.8) составляет 0,1. Цифра в индексе на 6.10 означает
вариант управления: 1 —синхронное управление ИМ направляющих аппаратов
вентиляторов и рециркуляционного клапана; 2 — синхронное управление ИМ
направляющего аппарата приточного вентилятора, клапанов
рециркуляционно-вытяжного вентилятора и рециркуляционного воздуха; 3 —*
синхронное управление ИМ клапанов обоих вентиляторов и
рециркуляционного воздуха. Анализ данных 6.10 показывает, что синхронное
управление производительностью вентиляторов и расходом рециркуляционного
воздуха обеспечивает относительное постоянство расходов наружного и
выбросного воздуха. Данное решение может рассматриваться наряду с другими при
управлении системами переменного расхода.
6.3. Технические характеристики и выбор водяных клапанов
Для управления процессами, протекающими в тепломассооб-
менных аппаратах систем, в качестве регулирующих органов применяют водяные
клапаны. В зависимости от вида управляющего воздействия — изменения расхода
тепло-, хладоносителя или его температуры — на 'входе в аппарат устанавливают
один проходной водяной клапан либо два проходных, что равносильно одному
смесительному. Водяные клапаны как регулирующие органы систем весьма
распространены для управления аппаратами систем (воздухонагревателями,
оросительными камерами, поверхностными воздухоохладителями).
Водяные клапаны делят на проходные и смесительные. Первые
изменяют расход тепло-, хладоносителя (воды), дросселируя поток при
переменном положении плунжера. Смесительные клапаны изменяют оба расхода воды
с разной температурой, подводимой к клапану, и, как следствие, изменяют
температуру воды на входе в аппарат.
Схема размещения клапанов для управления поверхностными
аппаратами в системе тепло-, хладоснабжения приведена на 6.11. Здесь
показаны разные варианты обвязок аппаратов, соответствующие схемам управления
расходом воды и температурой воды перед аппаратом. Регулируемый участок для
клапана—это часть сети трубопроводов, где расход воды одинаковый. На границах
регулируемого участка, так же, как и у воздушных клапанов, стараются обеспечить
постоянное давление. При этом учитывают, что при использовании в сети
нескольких теплообменных аппаратов, управляемых автоматически, происходит
постоянное перераспределение расходов и давлений, поэтому в подающей и
обратной магистралях устанавливают регуляторы давления. Это позволяет вести
независимое управление каждым аппаратом.
При управлении расходом воды регулируемый участок
ограничивается местами присоединения к подающей и обратной сети, например
участок db—для клапана К,л1, причем к сопротивлению участка
относится и гидравлическое сопротивление управляемого
аппарата. При управлении температурой воды перед аппаратом с помощью двух
проходных клапанов (Кл2 и КлЗ) границами регулируемых участков будут cd и ef
для Кл2 и ed для КлЗ. Клапан Кл2 одновременно изменяет расход как обратной,
так и подаваемой из теплосети воды. В этой схеме сам аппарат не относится ни
к одному из регулируемых участков.
Основные технические характеристики водяных
автоматизированных клапанов приведены в 6.1. Каждый клапан харак
теризуется диаметром, условным расходом и типом
характеристики плунжера. Диаметр клапана определяется размером
присоединительного фланца. Условный расход С (м3/ч) через клапан есть расход
несжимаемой жидкости с плотностью р = 1000 кг/м3 при полностью открытом
плунжере, при котором сопротивление клапана равно 100 кПа (1 кг/см2).
Условный расход зависит от конструкции клапана и его диаметра. При известной
конструкции условный расход можно найти для любого диаметра клапана,
учитывая, что он пропорционален квадрату диаметра клапана.
Проходные клапаны с пневматическими ИМ выпускают двух
модификаций. Клапаны типа ВЗ (воздух закрывают) являются нормально открытыми
или прямого действия, сокращающими расход регулируемой среды при повышении
давления сжатого воздуха на мембрану. Проходные клапаны типа ВО (воздух
открывает) являются нормально закрытыми или обратного действия и увеличивают
расход регулируемой среды при повышении давления сжатого воздуха.
Как и для воздушных клапанов, для водяных различают три
типа характеристик: конструктивную, внутреннюю (собственную) и
регулировочную.
Конструктивная характеристика клапана определяет
зависимость между перемещением плунжера и изменением площади открытого
сечения для прохода среды. Эта зависимость является основной при
конструировании регулирующего клапана. При переделке плунжера в процессе
наладки системы конструктивная характеристика меняется. Несмотря на различие
конструктивных характеристик, основные элементы клапана одни и те же: корпус,
плунжер, седло (одно или два), привод и исполнительная связь. Клапаны с одним
седлом имеют неуравновешенный плунжер, испытывающий значительные усилия от
давления среды, и обеспечивают плотное закрытие. Двухседельный клапан имеет
уравновешенный плунжер, пропуск воды при закрытом плунжере составляет 2—6 %
от расчетного расхода.
Выбор того или иного типа характеристики обычно
производят, согласуя ее с регулировочной характеристикой аппарата как объекта
управления. При таком выборе можно обеспечить примерное постоянство
произведения коэффициентов передачи регулирующего органа (водяного клапана) и
объекта управления — аппарата.
Рассмотрим методику выбора типа характеристики плунжера
клапана на примере. Пусть поверхностный теплообменный аппарат
управляется изменением расхода воды с помощью проходного
клапана. Регулировочная характеристика аппарата при известном и для простоты
постоянном расходе воздуха GB, поверхности аппарата F как зависимость
конечного параметра tK или коэффициента эффективности процесса Кв от
управляющего воздействия Gw известна и показана на 6.13, а. Если расчетный
коэффициент эффективности Кв. расч 1, то его значению соответствует точка 1
на характеристике и расчетный расход воды через аппарат GropaCql. Смеж-
6.13. Согласование ха- HbIg квадрат используем для построения
рактеристики регулирующе- хяпяктРпигтик-и кляпяня r
копплинятях го органа за счет выбора характеристики клапана в координатах. Если
левее рабочей точки 1 ровочной характеристикой характеристику аппарата можно
считать аппарата (а) практически линейной, то и характеристика плунжера
клапана должна быть линейной, как это показано на 6.13, б. Изменим условия,
увеличим расчетный коэффициент эффективности процесса в аппарате до ^Св. расч
г — этому будет соответствовать точка .2 на характеристике и расчетный расход
воды Gu;paCq2. Левее точки 2 ( 6.13) характеристика аппарата нелинейна,
поэтому в таком случае применим клапан с логарифмической характеристикой
плунжера, показанной на 6.13,6. В итоге обе характеристики (аппарата и
клапана) могут быть нелинейны, а результирующая характеристика обоих
аппаратов практически линейна. В таком случае произведение коэффициентов
передачи этих двух звеньев будет мало меняющимся.
Следует обратить внимание, что расход воды может не
снижаться до нуля, т. е. происходят утечки через клапан. В некоторых случаях
это может быть нежелательным, т. е. не позволит получить коэффициент
эффективности управляемого процесса равным нулю. В других случаях это может
быть полезным, например устранит опасность замерзания воды в трубках воздухонагревателя
в нерабочее время
При наличии утечек теплоносителя через закрытый клапан в
некоторых случаях не требуется применять защиту от замерзания, например при
управлении аппаратом температурой воды на входе. При управлении двумя
проходными клапанами изменяют температуру воды — характеристики клапанов в
этом случае должны быть линейными.
Регулировочная характеристика водяного клапана есть
зависимость расхода воды Gw (в долях от расчетного расхода G^p^) от положения
плунжера h и относительного сопротивления клапана на участке s. Характерные
регулировочные характеристики водяных клапанов при разных типах плунжеров
показаны на 6.14. При увеличении s регулировочные характеристики
приближаются к собственной характеристике клапана. Наоборот, при малых s
регулировочные характеристики отклоняются от собственных характеристик
клапана и становятся нелинейными.
Выбор сечения водяного клапана описан в справочной
литературе [34 ], хотя этому вопросу в ряде случаев не уделяют должного
внимания. Это приводит к невозможности управления аппаратом и необходимости
замены клапана другим или переделке плунжера. Водяной клапан, поставленный
без расчета, можно определить визуально на системе после ее монтажа. Сечение
такого клапана обычно совпадает с сечением трубопровода на регулируемом
участке. Наоборот, правильно выбранный клапан имеет сечение меньше, чем
сечение трубопровода. Выбор сечения клапана обычно несложен и при этом
обеспечивает требуемую регулировочную характеристику клапана.
Исходными данными для выбора водяного клапана являются
схема управления аппаратом, регулировочная характеристика аппарата, расчетный
расход тепло-, хладоносителя через клапан, сопротивление регулируемого
участка, на котором установлен клапан при расчетном расходе воды.
При расчете водяных клапанов приближенно принимают pw = =
1000 кг/м3 и = 1. По вычисленной величине С и 6.1 выбирают условный диаметр
клапана dY и условный расход С. Если рассчитанная и принятая величины С
заметно различаются, то можно в обратном порядке найти АрКл из уравнения (6.4)
и величину s по уравнению (6.3). Регулировочную характеристику выбранного
клапана можно представить по данным 6.14 при известном s. Особенности выбора
типа плунжера были описаны выше и поэтому здесь не приводятся.
Поясним методику выбора клапанов на примерах.
Выбрать сечение и тип характеристики плунжера водяного
клапана, управляющего расходом теплоносителя через воздухонагреватель по
схеме 6.11, Расчетный расход воды Gw расч = 2700 кг/ч, сопротивление
воздухонагревателя, трубопроводов и арматуры в пределах регулируемого участка
ah по схеме 6.11 от подающей до обратной магистрали Д/?р. у =fc4 кПа,
диаметр трубопровода d = = 40 мм, расчетная скорость воды в трубопроводе w =
0,57 м/с, скорость воды в трубках изменяется от 0,5 м/с до нуля. В этом
диапазоне изменения скорости (расхода) регулировочная характеристика аппарата
Къ — f (w) нелинейна. Система регулирования электрическая, режим работы
системы двухсменный.
Учитывая криволинейность регулировочной характеристики
воздухонагревателя, выбираем клапан с логарифмической характеристикой
плунжера Учитывая режим работы системы и возможность замерзания воды в
нерабочее время при плотно закрытом клапане, выбираем клапан с утечкой воды в
закрытом положении В даЦ"
Ном Случае при выбранной схеме управления защита от
замерзания может потребоваться при аварийной ситуации в рабочее время. (Если
температура теплоносителя на входе в аппарат будет выше соответствующего
графика tWa = f(tuaV))).
Пример 6.3. Выбрать один из двух проходных клапанов (Кл2
на схеме 6.11) в схеме управления аппаратом температурой воды на входе в
аппарат, если клапан установлен на трубопроводе охлажденной воды при ее
расчетном расходе от теплосети Gw, расч = 1200 кг/ч. Диаметр трубопроводов cd
и ef (см. 6.11) в пределах регулируемого участка для клапана Кл2 dY — 32 мм, расчетная скорость воды wvур = 0,33 м/с, сопротивление трубопроводов и арматуры Арр.у= 1,5 кПа
(аппарат не относится ни к одному из двух регулируемых уча- стков).
Регулировочная характеристика теплообменного аппарата в схеме управления при
постоянном расходе воды, а также воздуха — линейна. Система регулирования
электрическая, режим работы системы — односменный.
Предварительно задаемся относительным сопротивлением
клапана на регулируемом участке s = 0,9, тогда сопротивление клапана составит
А/?кл " 1,5/(1/0,90 — — 1) = 13,5 кПа. В этих условиях требуется
установить клапан с условным расходом воды
1200/(3,16-1 V 13,5-1000) = 3,2 м3/ч.
По 6.1 и вычисленной величине С= 3,2 м3/ч выбираем
проходной клапан с электроприводом типа 25ч931нж с диаметром условного
прохода dy = 15 мм и условным расходом С — 4 м®/ч. Сечение клапана
значительно меньше сечения трубопровода, установка клапана без расчета по
сечению трубопровода была бы ошибочной, искажающей регулировочную
характеристику. Уточним сопротивление выбранного клапана Д/>ю1=
[1200/(4-3,16-1 1^1000) ]2 = 9 ,0 кПа. Относительное сопротивление клапана
составит s = 9,0/(9,0 + 1,5) = 0,89, эта величина по сравнению с
первоначально выбранной изменилась незначительно.
Учитывая линейность регулировочной характеристики
теплообменного аппарата, выбираем клапан с линейной характеристикой плунжера.
Учитывая возможность замерзания воды при закрытом клапане в нерабочее время,
выбираем клапан с утечкой воды в закрытом положении. В таком случае при
данной схеме управления не потребуется применение защиты от замерзания воды.
В проектах и на практике встречаются решения, когда
аппарат управляется переменной температурой воды путем смешения двух расходов
воды с разными температурами. В одних случаях применяют один клапан, в других
—два синхронизируемых водяных клапана. Один клапан можно ставить при
выполнении нескольких условий. Во-первых, расчетные температуры воды от
внешнего источника и для данного аппарата должны быть разными; например,
минимальная температура воды перед камерой орошения должна быть выше
расчетной температуры воды, подаваемой от холодильной станции. Во-вторых, на
участке, где установлен аппарат, должно быть значительное гидравлическое
сопротивление по сравнению с участком, где устанавливают клапан. Это
обеспечивает относительное постоянство расхода воды через аппарат при
управлении одним клапаном. Изменение расхода воды было бы дополнительным
возмущающим воздействием.
При выборе воздушных и водяных клапанов нужно учитывать
номенклатуру выпускаемого оборудования, которая не является неизменной.
Основной вид клапанов для управления расходами тепло- и хладоносителя в
системах кондиционирования и вентиляции — это клапаны 25ч931нж; они
выпускаются в явно недостаточном количестве, что в конечном счете приводит к
существенным перерасходам теплоты и холода. Недостатком их конструкции можно
считать неплотное закрытие (утечки воды), что изменяет положение границ
режимов обработки воздуха, увеличивает расходы теплоты и холода.
Исполнительный механизм на клапанах с большими диаметрами прохода соединяется
через редуктор с прямозубыми шестернями и не обеспечивает торможения клапана
в выключенном состоянии при давлении жидкости 200—300 кПа. К тому же узел
сочленения клапана с ИМ мало надежен. Наконец, для малых расходов воды в
местных кондиционерах нужны клапаны малого условного прохода (dy равно 6 и 10 мм). Таким образом, совершенствование регулирующих органов систем является насущной задачей и
средством повышения экономической эффективности решений.
|