Клапан регулирующий — это трубопроводная арматура, предназначенная для управления потоком воды за счёт изменения площади проходного сечения. Регулирующие клапаны применяют в качестве исполнительного органа в схемах автоматизации систем отопления, горячего водоснабжения и других технологических процессов. Управляют клапаном с помощью электрического привода и электронного регулятора, по сигналу датчика температуры, давления или расхода в зависимости от функции узла автоматизации. Кроме электрических приводов для управления регулирующим клапаном могут быть применены пневматические, гидравлические, термоэлектрические или термические приводы.
   Регулирующие клапаны получили широкое распространение с ужесточением требований к энергетической эффективности инженерных систем зданий и теперь уже сложно представить современный тепловой пункт или котельную без устройств автоматического регулирования.
В инженерных системах зданий регулирующие клапаны используют для программного управления системами отопления, горячего водоснабжения или калориферами приточных установок. Совместно с датчиками давления муфтовые регулирующие клапаны можно использовать в качестве регуляторов давления или постоянства расхода.

Устройство и конструкция регулирующего клапана

   Седельный регулирующий клапан (линейный) — выполнен на базе седельного клапана. Регулирование осуществляется за счёт изменения проходного сечения между затвором и седлом. Линейными регулирующие клапаны этого типа называются потому, что управляются электрическими приводами с поступательным движением штока. Универсальная конструкция регулирующего клапана позволяет создать практически любую расходную характеристику за счёт модификаций затвора и седла, а отличные регулирующие характеристики и простое устройство регулирующего клапана с седельным затвором способствовали его широкому распространению в инженерных системах зданий. Единственный недостаток линейных клапанов – сложная форма проточной части непригодная для применения с вязкими средами.

   Шаровый регулирующий клапан (ротационный) — выполнен на базе шарового крана. Регулирование осуществляется за счёт изменения проходного сечения поворотом шара вокруг оси перпендикулярной направлению потока воды. Проходное сечение шара может быть круглой или иной формы. Ротационными регулирующие клапаны этого типа называются потому, что они управляются приводами с радиальным вращением штока. Шаровые регулирующие клапана используются совместно с ротационными приводами с высоким усилием закрытия и управляются радиальным движением штока. Недостатками шаровых регулирующих клапанов является необходимость использования дорогостоящих электроприводов с высоким усилием закрытия и сложность создания линейной или равнопроцентной расходной характеристики - как следствие низкая точность регулирования. К достоинствам можно отнести простую форму проточной части пригодную для использования с вязкими рабочими средами.

По наличию защитной функции регулирующие клапана делятся на:
 -  Нормально открытые - при отключении питания открывают проходное сечение.
 -  Нормально закрытые - при отключении питания перекрывают поток.
 -  Без защитной функции - при отключении питания электропривода останавливаются.

Принцип работы регулирующего клапана

   Все типы регулирующих клапанов по принципу действия можно разделить на ограничивающие, смешивающие или разделяющие поток рабочей среды. Клапаны, перекрывающие поток называются двухходовыми, а смешивающие четырёх и трёхходовыми клапанами.
   Двухходовой регулирующий клапан — имеет два патрубка для присоединения к трубопроводу и предназначен для ограничения расхода воды. В зависимости то конструкции запорного органа, принцип работы регулирующего клапана аналогичен принципу действия седельного клапана (вентиля) или шарового крана.
Двухходовые регулирующие клапаны широко применяются в инженерных системах зданий с централизованным теплоснабжением (от тепловых сетей). Это обусловлено тем, что используя двухходовой клапан можно ограничить расход теплоносителя и при этом обеспечить требуемый коэффициент смешения, чего не сделаешь с помощью трёхходовых клапанов. Двухходовые регулирующие клапаны используются для управления теплоотдачей теплообменных аппаратов систем горячего водоснабжения и независимых систем отопления, управления процессом смешения в тепловых пунктах с зависимым подключением к тепловой сети и в качестве исполнительного органа регулятора расхода, давления или перепада давления непрямого действия.

   Трёхходовой регулирующий клапан — предназначен для смешения или разделения потока теплоносителя, поэтому их ещё называют смесительными и разделительными клапанами. Трёхходовые регулирующие клапаны имеют три патрубка для присоединения к трубопроводу.
Наиболее широкое распространение получили в системах теплоснабжения подключённых от автономных котельных, в которых нет необходимости в ограничении расхода при сохранении коэффициента смешения. Они устанавливаются для управления теплоотдачей калориферов системы вентиляции, теплообменных аппаратов систем горячего водоснабжения и отопления подключённых по независимой схеме, управления процессом смешения в системах отопления с зависимым подключением в котельной.

   Четырёхходовые регулирующие клапаны — предназначены для смешения потока теплоносителя и работают по принципу двойного перепуска, они имеют четыре патрубка для присоединения к трубопроводу. Этот тип регулирующих клапанов применяется довольно редко и, как правило, в системах теплоснабжения подключённых от автономных котельных.

Технические характеристики регулирующих клапанов

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%.

Рекомендуется терять на регулирующем клапане с линейной характеристикой не менее 50% располагаемого напора на участке, а на клапане с логарифмической характеристикой не менее 10%.

Расходная характеристика регулирующего клапана 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.

Установка и монтаж регулирующего клапана

   Монтаж регулирующего клапана следует выполнять в соответствии с инструкцией производителя и учесть ниже приведенные рекомендации:
 - До и после клапана следует установить манометры.
 - Перед регулирующим клапаном должен быть установлен сетчатый фильтр.
 - Корпус не должен испытывать нагрузок кручения, растяжения, изгиба или сжатия.
 - Направление стрелки на корпусе должно совпадать с направлением потока среды в месте установки.
 - Для оптимального регулирования на клапане рекомендуется поддерживать постоянный перепад давления.
 - Муфтовую арматуру, в тепловых пунктах присоединённых к тепловым сетям, допускается устанавливать только по согласованию с теплоснабжающей организацией.
 - Установку регулирующего клапана следует выполнять на горизонтальном трубопроводе электроприводом вверх, если иное не оговорено инструкцией по монтажу.
 - При установке на трубопровод транспортирующий воду с температурой ниже 2°C рекомендуется применить нагреватель штока, а на теплоноситель более 130 °C охладитель штока клапана.
 - Различные производители представляют различные данные, но в среднем, рекомендуется выдерживать прямые участки 5DN перед и 10DN после регулирующего клапана. В противном случае характеристики клапана могут отличаться от заявленных в техническом описании.

Методика расчёта регулирующего клапана

   Двухходовые регулирующие клапаны в инженерных системах имеют массу применений, самым распространённым из них стало использование в комплекте с контроллером и датчиками температуры, в качестве регулятора теплопотребления систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. Независимо от поставленной задачи, расчёт регулирующего клапана сводится к определению его пропускной способности, при которой на заданном расходе будет дросселирован заданный избыток напора. Кроме соответствия по пропускной способности, подобранный регулирующий клапан должен быть проверен на возможность возникновения кавитации и шумообразование из-за высокой скорости течения воды через него. Регулирующий клапан необходим, прежде всего, - для регулирования, поэтому подбираться он должен таким образом, чтобы максимально приблизить зависимость регулируемой величины от хода штока к линейной, при этом следует учесть важность таких параметров как расходная характеристика клапана и авторитет регулирующего клапана.

Зависимость потерь напора от расхода через регулирующий клапан называется пропускной способностью - Kvs.
Kvs - пропускная способность численно равная расходу в м3/ч, через полностью открытый регулирующий клапан, при котором потери напора на нём равны 1бар.
Kv – то же, при частичном открытии затвора клапана.

  Зная, что при изменении расхода в «n» раз потери напора на клапане изменяются в «n²» раз не сложно определить требуемый Kv регулирующего клапана подставив в уравнение расчётный расход и избыток напора.
   Некоторые производители рекомендуют выбирать регулирующий клапан с ближайшим большим значением Kvs от полученного значения Kv. Такой подход выбора позволяет с большей точностью регулировать расходы ниже заданного при расчёте, но не даёт возможности увеличить расход выше заданного значения, которое довольно часто приходится превышать. Мы не критикуем вышеописанный метод, но рекомендуем подбирать двухходовой регулирующий клапан таким образом, чтобы требуемое значение пропускной способности находилось в диапазоне от 50 до 80% хода штока. Регулирующий клапан, рассчитанный таким образом, сможет с достаточной точностью как уменьшить расход относительно заданного, так и несколько увеличить его.

   Выше приведенный алгоритм расчёта выводит список регулирующих клапанов, для которых требуемое значение Kv попадает в диапазон хода штока от 50 до 80%.
В результатах подбора приведен процент открытия затвора регулирующего клапана, при котором дросселируется заданный избыток напора на заданном расходе. Приведенные значения процента открытия учитывают кривизну расходной характеристики регулирующего клапана и её искажение за счёт отклонения авторитета от 1.
Подбор расходной характеристики регулирующего клапана

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

   Регулирующие клапаны с линейной расходной характеристикой рекомендуется применять для регулирования процессов в которых изменение регулируемой величины линейно зависит от расхода, они могут применяться в качестве исполнительных клапанов регуляторов расхода и для регулирования температуры смеси в с тепловых пунктах систем отопления с зависимым присоединением к тепловой сети.

   Регулирующие клапаны с логарифмической (равнопроцентной) расходной характеристикой рекомендуется применять в системах изменение регулируемой величины в которых нелинейно зависит от расхода и в системах с низким авторитетом регулирующего клапана. Регуляторы с равнопроцентной расходной характеристикой отлично подходят для регулирования теплоотдачи теплообменников независимых систем отопления и систем горячего водоснабжения со скоростными теплообменными аппаратами. При авторитете регулирующего клапана 0,1 - 0,3 логарифмическая характеристика искажается на столько, что регулирование происходит практически по линейному закону (линейная характеристика).

   Основной задачей подбора регулирующего клапана, является создание линейной зависимости между регулирующим воздействием и изменением регулируемой величины, поэтому при выборе расходной характеристики следует учитывать её искажение за счёт отличия авторитета клапана от единицы.
Подбор привода регулирующего клапана

 Электропривод подбирается под ранее выбранный регулирующий клапан. Электрические приводы рекомендуется выбирать из списка совместимых устройств, указанных в характеристиках клапана.

 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.
 Напряжение питания и управляющий сигнал привода должны соответствовать напряжению питания и управляющему сигналу контроллера.

Расчёт регулирующего клапана 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 регулирующего 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 регулирующего 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 регулирующего клапана на возникновение шума

   Высокая скорость потока во входном патрубке регулирующего 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 регулирующего клапана рекомендуется не превышать выше указанной скорости.

Требования норм, касающиеся регулирующих клапанов

   Ниже собраны требования норм и правил касающиеся подбора, монтажа и эксплуатации регулирующих клапанов. Приведенный перечень нормативных требований не является исчерпывающим, и со временем будет расширяться. Выдержки взяты из нормативных документов регулирующих порядок проектирования, монтажа и эксплуатации инженерных систем жилых, общественных и административно бытовых зданий. В разделе не приведены требования норм и правил которые относятся к Регулирующим клапанам применяемым в промышленности и технологических установках.

ДБН В.2.2-15 Жилые здания

Пункт 5 — ДБН В.2.2-15 Жилые здания Инженерное оборудование зданий

ДБН В.2.5-39 Тепловые сети

Пункт 9.8.3 — Раздел 9.8 Регулирование отпуска тепловой энергии — Глава 9 Теплоноситель и его параметры

На абонентском вводе тепловой сети следует обеспечить регулирование теплового потока системы отопления по погодным условиям.

Пункт 9.8.4 — Раздел 9.8 Регулирование отпуска тепловой энергии — Глава 9 Теплоноситель и его параметры

На источниках тепловой энергии в отопительный период следует выполнять качественное регулирование температуры теплоносителя в подающем трубопроводе в соответствии с температурным графиком.

Пункт 9.8.9 — Раздел 9.8 Регулирование отпуска тепловой энергии — Глава 9 Теплоноситель и его параметры

В зданиях, для которых допускается снижение температуры воздуха в ночное и нерабочее время, следует предусматривать программное регулирование температуры или расхода теплоносителя в тепловых пунктах.

Пункт 9.8.10 — Раздел 9.8 Регулирование отпуска тепловой энергии — Глава 9 Теплоноситель и его параметры

В жилых и гражданских зданиях при отсутствии местного регулирования следует применять автоматическое корректирование температурного графика по усреднённой температуре внутреннего воздуха здания дополнительно к корректировке по температуре наружного воздуха.

Пункт 12.11 — Глава 12 Конструкции трубопроводов

Использовать запорную арматуру как регулирующую не допускается.

Пункт 12.12 — Глава 12 Конструкции трубопроводов

Для тепловых сетей, как правило, используют арматуру с концами под приварку или фланцевую.

Муфтовую арматуру допускается использовать с условным проходом Dу<100мм с давлением 1,6МПа и ниже, и температурой 115°C и ниже для случаев использования водо-газопроводных труб.

Пункт 12.20 — Глава 12 Конструкции трубопроводов

Устройство обводных трубопроводов вокруг грязевиков и регулирующих клапанов не допускается.

Пункт 16.2 — Глава 16 Тепловые пункты

В тепловых пунктах должно быть расположено оборудование, арматура, приборы контроля, управления и автоматизации, при помощи которых осуществляют:
 регулирование температуры теплоносителя по погодным условиям;
 преобразование вида теплоносителя либо его параметров;
 контроль параметров теплоносителя;
 учёт тепловых нагрузок, расхода теплоносителя;
 регулирование расхода теплоносителя и распределение между системами потребления тепловой энергии
 защита местных систем от аварийного повышения параметров теплоносителя;
 доочистки теплоносителя;
 заполнения и подпитки систем теплопотребления;
 сбора, охлаждения, возвращения конденсата и контроль его качества;
 аккумулирования тепловой энергии;
 водоподготовка для систем горячего водоснабжения;
 комбинированное теплоснабжение с использованием тепловой энергии от альтернативных источников.

Пункт 16.7.1 — Раздел 16.7 Схемы присоединения потребителей к тепловой сети — Глава 16 Тепловые пункты

Присоединение потребителей тепловой энергии к тепловой сети в тепловых пунктах следует предусматривать по схемам, обеспечивающим минимальный расход воды в тепловых сетях, а также экономию тепловой энергии за счёт использования автоматических регуляторов теплового потока (температуры) и ограничения максимального расхода сетевой воды.

Пункт 16.7.2 — Раздел 16.7 Схемы присоединения потребителей к тепловой сети — Глава 16 Тепловые пункты

Не допускается присоединять систему отопления к тепловой сети через элеватор совместно с автоматическим регулятором теплового потока.

Пункт 16.7.3 — Раздел 16.7 Схемы присоединения потребителей к тепловой сети — Глава 16 Тепловые пункты

Ограничительное устройство (лимитную дроссельную диафрагму) допускается не устанавливать на абонентском вводе, если ввод оснащён регулятором перепада давления (расхода) и избыточный напор не превышает 50-80кПа, а ограничение расхода достигнуто за счёт соответствующей настройки автоматически поддерживаемого перепада давления на максимально открытом автоматическом регуляторе теплового потока (температуры).

Пункт 16.7.4 — Раздел 16.7 Схемы присоединения потребителей к тепловой сети — Глава 16 Тепловые пункты

Использование муфтовых соединений трубопроводов подающей линии допускается при согласовании с теплоснабжающей организацией.

Пункт 16.15 — Глава 16 Тепловые пункты

В тепловых пунктах не допускается устройство пусковых перемычек между подающим и обратным трубопроводами тепловой сети. Не допускается устройство обводных трубопроводов для насосов (кроме подпиточных), элеваторов, регулирующих клапанов, грязевиков и приборов учёта тепловых потоков и расхода воды.
Регуляторы перелива и конденсатоотводчики следует оборудовать обводными трубопроводами.

СНиП 2.04.05 Отопление вентиляция и кондиционирование

Пункт 3.15 — Глава 3 Отопление

Системы отопления следует проектировать с установкой автоматических регуляторов теплового потока на абонентском вводе тепловой сети или в местной котельной. Если планировка здания позволяет расчленить систему отопления на фасадные ветви, обогревающие помещения одной ориентации, то регуляторы теплового потока должны устанавливаться на каждой фасадной ветви.
В системах отопления зданий, строящихся в районах, где имеются или проектируются объединенные диспетчерские системы, следует предусматривать устройства для получения и передачи на диспетчерский пункт информации об основных параметрах системы отопления в объёмах, определяемых службой диспетчеризации.

Пункт 3.16 — Глава 3 Отопление

Системы отопления общественных и производственных зданий с фиксированной продолжительностью рабочего дня должны проектироваться с устройствами уменьшения теплового потока в нерабочее время.

СНиП II-35 Котельные установки

Пункт 15.27 — Глава 15 Автоматизация

В котельной следует предусматривать автоматическое поддержание заданной температуры воды, поступающей в тепловые сети централизованного теплоснабжения.
Для котельных с водогрейными котлами, оборудованными топками, не предназначенными для автоматического регулирования процесса горения, автоматическое регулирование температуры воды допускается не предусматривать.

ГОСТ 12.2.063-81 Общие требования безопасности. Арматура промышленная трубопроводная
ГОСТ 12893-83 Клапаны регулирующие односедельные, двухседельные и клеточные. Общие технические условия
ГОСТ 23866-87 Клапаны регулирующие односедельные, двухседельные и клеточные. Основные параметры
ГОСТ 24856-81 (ISO 6552-80) Арматура трубопроводная промышленная. Термины и определения
ГОСТ 4666-75 Маркировка и отличительная окраска. Арматура трубопроводная

Благодарность за предоставленные материалы:
http://www.ktto.com.ua