Балансировочный клапан (вентиль) — это трубопроводная арматура с регулируемым гидравлическим сопротивлением предназначенная для дросселирования потока воды. Принцип работы балансировочного клапана основан на настройке необходимого гидравлического сопротивления за счёт изменения проходного сечения клапана.
   Конструктивно балансировочный клапан похож на запорный вентиль, но в отличие от вентиля он имеет специфическую форму затвора определяющую фиксированную зависимость между ходом штока и расходом воды через клапан, которую можно описать по линейному или логарифмическому закону, кроме того для балансировочного клапана допускается работа с промежуточным положением затвора, а рукоятка оборудована настроечной шкалой.
   Балансировочные клапаны применяют в системах со статическим гидравлическим режимом. Они позволяют вручную, плавно изменить расход воды и поддерживать его на заданном уровне лишь при неизменном перепаде давлений между входным и выходным патрубком вентиля. Ручные балансировочные клапаны не рекомендуется применять в системах с устройствами автоматически изменяющими расход или давление воды. Предшественницей ручного балансировочного клапана в отечественных инженерных системах была дроссельная диафрагма (шайба).

  
Достоинства:
 - Низкая цена
 - Простая настройка
 - Возможность измерения или расчёта расхода по пропускной способности
 - Высокая надёжность и ремонтопригодность
Недостатки:
 - Не рекомендуется для систем с динамическим режимом.

Устройство и конструкция балансировочного клапана

   Ручные балансировочные клапаны, изготавливаются на базе седельного клапана или шарового крана с некоторыми доработками в конструкции соответствующими специфике использования и режиму работы. По сравнению с запорной, регулирующая арматура работает на более жёстких режимах с возможной кавитацией, высокими перепадами давления и скоростями рабочей среды. Конструкция балансировочных клапанов надёжнее конструкции запорной арматуры, а устройство приспособлено для регулирования с максимально возможным удобством.

Устройство балансировочного клапана для удобства регулирования может иметь следующие приспособления:
 - Фиксатор настроенного положения
 - Индикатор положения затвора и значения настройки
 - Патрубок для дренажа участка на котором установлен клапан
 - Измерительную диафрагму для высокоточного определения расхода
 - Патрубки для измерения расхода, давления и перепада давлений на клапане
 - Возможность реализации запорной функции с сохранением значения настройки

Устройство балансировочного клапана седельной конструкции

   Седельный балансировочный клапан — регулирующим органом в клапанах этого типа является седельный затвор. Балансировочный клапан седельной конструкции состоит из корпуса с неподвижной резьбовой гайкой, затвора шарнирно насаженного на резьбовой шток и настроечной рукоятки. Корпус балансировочных клапанов изготавливается из чугуна, стали, латуни или бронзы, с фланцевым или муфтовым присоединением к трубопроводу. Устройство уплотнительного узла штока балансировочного вентиля, может предполагать сальниковую, сильфонную или мембранную конструкцию. Балансировочные клапана с сальниковым уплотнением, отличаются возможностью выбора материала сальника в зависимости от параметров рабочей среды и наиболее низкой ценой, но требуют периодической подтяжки сальника. Клапаны с сильфонным и мембранным уплотнением штока, не требуют технического обслуживания, но и стоят несколько дороже. Затвор и седло определяют расходную характеристику балансировочного клапана и могут быть плоской, конусной, цилиндрической или радиальной формы. Шток балансировочного клапана может быть поднимающимся или не поднимающимся, косым или прямым. Наличие поднимающегося шпинделя для монтажа в ограниченном пространстве может быть решающим фактором при выборе клапана. Балансировочные вентили с косым штоком отличаются меньшим гидравлическим сопротивлением, по сравнению с клапанами у которых прямой шток. Этот тип балансировочных клапанов отличается плавностью настройки, высокой точностью регулирования и практически идеальными расходными характеристиками, но сложная форма проточной части не позволяет его использовать с вязкими рабочими средами.

Устройство балансировочного крана шаровой конструкции

   Шаровый балансировочный кран — регулирующим органом в трубопроводной арматуре этого типа является шаровый затвор, форма проходного сечения которого определяет расходную характеристику. Шаровый балансировочный кран состоит из корпуса и шарового затвора насаженного на ось вращения перпендикулярную оси трубопровода. Клапан снабжён градуированным диском для определения положение настройки. Корпус балансировочного крана изготавливают из латуни, бронзы или стали с резьбовым, фланцевым или приварным присоединением к трубопроводу. Шар изготавливают из высококачественной легированной стали стойкой к абразивному износу. Основное достоинство шаровых балансировочных кранов — это простая форма проточной части пригодная для использования с вязкими средами. К недостаткам относят низкую точность регулирования и сложность создания линейной или логарифмической расходной характеристики.

Принцип работы балансировочного клапана

   Принцип работы балансировочного клапана основан на изменении проходного сечения рабочей парой золотник - седло. В плоскости перпендикулярной оси трубопровода расположен резьбовой шпиндель на котором шарнирно закреплён золотник. Плоскость золотника параллельна оси трубопровода. В корпусе балансировочного клапана предусмотрена неподвижная резьбовая гайка образующая совместно со шпинделем ходовую пару. Вращение настроечной рукоятки передаёт крутящий момент через шпиндель и неподвижную резьбовую гайку, преобразуя его в поступательное движение золотника перемещающегося из крайнего нижнего положения в крайнее верхнее положение. В крайнем нижнем положении золотник плотно садится на седло в корпусе балансировочного клапана, герметично перекрывая поток. В зависимости от параметров рабочей среды герметичное перекрытие потока балансировочным клапаном достигнуто уплотнением между затвором и седлом с помощью фторопластовых или резиновых колец, либо по типу метал-метал.
Изменение проходного сечения влияет на сопротивление клапана проходящему потоку воды — изменяется пропускная способность балансировочного клапана Kv. Зависимость пропускной способности от положения затвора приведена в технических характеристиках балансировочных клапанов. Отличие балансировочного клапана от запорного клапана (вентиля) в том, что для большинства конструкций вентилей не допускается работа с промежуточным положением затвора, а для балансировочного клапана — допускается.
Выше приведенный принцип действия балансировочного клапана рассмотрен на примере клапана с прямым штоком и плоским золотником, но в зависимости от конструкции шток может находится под углом к направлению движения потока, а золотник иметь различную форму например, цилиндрическую, конусную или радиальную.

Места установки балансировочных клапанов

   Балансировочный клапан это, регулируемое гидравлическое сопротивление, поэтому и схемы его применения могут быть самые различные. Но закладывая в схему ручной балансировочный клапан следует помнить о том, что с изменением расхода изменяются и потери напора на клапане, поэтому их рекомендуют использовать лишь в системах со статическим гидравлическим режимом без устройств автоматически изменяющих расход. 

   В наружных тепловых сетях со статическим гидравлическим режимом балансировочные клапаны заменили дроссельные диафрагмы (шайбы). С их помощью дросселируют избыток напора и ограничивают расчётный расход теплоносителя. Ручные балансировочные клапаны не могут применяться в тепловых сетях, если в тепловых пунктах абонентов установлены устройства, которые автоматически изменяют расход теплоносителя в зависимости от потребности в тепле.
   В схемах тепловых пунктах и котельных балансировочные клапаны применяются для ограничения расхода теплоносителя, дросселирования избытка напора и увязки на одном коллекторе гидравлических режимов нескольких систем с потребностью в разном располагаемом напоре.
  В разветвлённых системах отопления, охлаждения и даже водоснабжения со статическим гидравлическим режимом, помощью балансировочных клапанов решают проблему неравномерности распределения расхода через ближние и дальние циркуляционные кольца.
  Роль ручного балансировочного клапана в современной системе отопления - предопределена. Необходимость применения радиаторных термостатических клапанов изменила гидравлический режим в системах отопления, со статического на динамический. Это означает, что расход в циркуляционных кольцах и в самой системе отопления может быть различен и зависеть от дня недели, времени суток, температуры наружного воздуха или температуры теплоносителя.
  Ручные балансировочные вентили применяются для балансировки статических систем, на примере систем отопления, статическими являются все системы без радиаторных термостатических клапанов и устройств количественного регулирования, а это все классические однотрубные вертикальные системы и системы с П - образными стояками. В таких системах ручные балансировочные клапаны могут использоваться для отладки, балансировки систем и восстановления циркуляции через неработающие стояки. В системах же с динамическим гидравлическим режимом следует применять, так называемые - автоматические балансировочные клапаны (регуляторы перепада давления и регуляторы расхода).

Настройка балансировочного клапана

   Настройка балансировочного клапана выполняется для дросселирования определённого давления, либо для ограничения заданного расхода. В случае с дросселированием избытка напора в обвязке клапана должны быть установлены манометры и настройка производится вращением настроечной рукоятки до момента достижения заданного падения давления. Ограничение расхода балансировочным клапаном выполняют также вращением настроечной рукоятки, но при этом за расходом следят по показаниям счётчика тепла, расходомера, а при их отсутствии с помощью прибора определяющего расход на клапане на основании данных о потерях давления на нём и настроечного положения. Но в большинстве случаев нет ни счётчика, ни расходомера, ни тем более дорогостоящего прибора, а расход хотя бы приблизительно следует ограничить. В таком случае можно использовать один из косвенных методов определения расхода воды проходящей через балансировочный клапан.

   Каждому настроечному положению балансировочного клапана соответствует определённая пропускная способность Kv и она приведена в технических характеристиках балансировочных клапанов. Значение Kv численно равно расходу воды с температурой 20°C в м³/ч при котором потери напора на клапане составят 1 бар. А зная фактические потери напора на балансировочном клапане (для этого до и после клапана должны быть установлены манометры) и тот факт, что изменение расхода в «n» раз влечёт за собой изменение потерь напора в «n²» раз, не сложно определить фактический расход через клапан.
Если речь идёт о системе отопления с известной тепловой мощностью и известны температуры теплоносителя на входе и выходе из неё, расход можно определить по формуле:
G = (3.6 * Q)/(4,19 * (t1 - t2)), кг/ч
где
 Q - тепловая мощность системы, Вт
 t1 - температура теплоносителя на входе в систему, °C
 t2 - температура теплоносителя на выходе из системы, °C
 3,6 - коэффициент перевода из Вт в Дж
 4,19 - удельная теплоёмкость воды кДж/(кг K)

Технические характеристики ручных балансировочных клапанов

   DN балансировочного 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 балансировочного вентиля. Ряд условных проходов DN трубопроводной арматуры регламентирован ГОСТ 28338-89 «Проходы условные (размеры номинальные)».

   PN балансировочного 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 балансировочного вентиля. Ряд номинальных давлений PN трубопроводной арматуры регламентирован ГОСТ 26349-84 «Давления номинальные (условные)».

   Авторитет балансировочного 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 балансировочного 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 балансировочном клапане с линейной характеристикой не менее 50% располагаемого напора участка, а на клапане с логарифмической характеристикой не менее 10%.

   Пропускная способность балансировочного 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 балансировочного клапана под конкретные параметры системы вы можете выполнить в разделе сайта Расчёты.

  Расходная характеристика балансировочного клапана показывает зависимость изменения относительного расхода от изменения относительного хода штока балансировочного клапана при постоянном перепаде давления на нём.

   Линейная расходная характеристика — одинаковые приросты относительного хода штока вызывают одинаковые приросты относительного расхода. Балансировочные клапаны с линейной расходной характеристикой применяются в системах, где существует прямая зависимость между управляемой величиной и расходом среды, например в узлах смешения теплоносителя.

   Равнопроцентная расходная характеристика (логарифмическая) — зависимость относительного прироста расхода от относительного прироста хода штока - логарифмическая. Балансировочные клапаны с логарифмической расходной характеристикой применяются в системах, где управляемая величина нелинейно зависит от расхода, они отлично подходят для регулирования теплоотдачи скоростных теплообменных аппаратов и отопительных приборов, а также в системах с низким авторитетом регулирующего клапана.

   Параболическая расходная характеристика — зависимость относительного прироста расхода от относительного хода штока подчиняется квадратичному закону (проходит по параболе). Балансировочные клапаны с параболической расходной характеристикой применяются как компромисс между клапанами с линейной и равнопроцентной характеристиками.

Методика paсчёта балансировочного клапана

   С помощью ручных балансировочных клапанов в инженерных системах решают массу задач, например таких, как ограничение расхода, балансировка циркуляционных колец или просто дросселирование давления. Независимо от поставленной задачи, расчёт балансировочного клапана сводится определению его пропускной способности, при которой на заданном расходе будет дросселирован заданный избыток напора. Кроме соответствия по пропускной способности, подобранный балансировочный клапан должен быть проверен на возможность возникновения кавитации и шумообразование из-за высокой скорости течения воды через него.

Расчёт пропускной способности Балансировочного клапана
Зависимость потерь напора от расхода через балансировочный клапан называется пропускной способностью - Kvs.
Kvs - пропускная способность численно равная расходу в м3/ч, через полностью открытый балансировочный 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 «n» в квадрате раз не сложно определить требуемый Kv балансировочного клапана подставив в уравнение расчётный расход и избыток напора.
Некоторые производители рекомендуют выбирать балансировочный 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 балансировочный клапан таким образом, чтобы требуемое значение пропускной способности находилось в диапазоне от 50 до 70% хода штока. Балансировочный клапан, рассчитанный таким образом, сможет с достаточной точностью как уменьшить расход относительно заданного, так и несколько увеличить его.
Выше приведенный алгоритм расчёта выводит список балансировочных клапанов, для которых требуемое значение Kv попадает в диапазон хода штока от 50 до 70%.
В результатах подбора приведен процент открытия затвора балансировочного клапана, при котором дросселируется заданный избыток напора на заданном расходе. Приведенные значения действительны, только для клапанов с линейной расходной характеристикой. Степень открытия клапанов иной характеристикой будет другая.

Расчёт балансировочного 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 балансировочного 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 балансировочным клапаном, чем оно выше, тем меньше вероятность возникновения кавитации.
  - Дросселируемое давление – чем оно выше, тем выше вероятность возникновения кавитации.
 Кавитационная характеристика балансировочного клапана – определяется особенностями дросселирующего элемента клапана. Коэффициент кавитации различен для различных типов балансировочных 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 балансировочного клапана на возникновение шума

   Высокая скорость потока во входном патрубке балансировочного клапана может стать причиной высокого уровня шума. Для большинства помещений в которых устанавливаются балансировочные клапаны допустимый уровень шума составляет 35-40 dB(A) который соответствует скорости во входном патрубке клапана примерно 3м/c. Поэтому, при подборе балансировочного клапана рекомендуется не превышать выше указанной скорости.

Установка и монтаж ручного балансировочного клапана

Установка балансировочного клапана выполняется в соответствии с инструкцией по монтажу, кроме того следует принять во внимание следующие рекомендации:
  - Перед клапаном следует установить сетчатый фильтр.
  - До и после клапана рекомендуется установить манометры.
  - Монтажное положение любое, если это не противоречит инструкции по установке.
  - Стрелка на корпусе должна совпадать с направлением потока воды в месте установки клапана.
  - Корпус балансировочного клапана не должен испытывать нагрузок кручения растяжения или сжатия.
  - Место установки балансировочного клапана, должно быть доступным для его обслуживания, настройки и измерения расхода.
  - Различные производители представляют различные данные, но в среднем, рекомендуется выдерживать прямые участки 5DN перед и 10DN после ручного балансировочного клапана.

Обслуживание и ремонт ручных балансировочных клапанов

   Обслуживание балансировочного клапана выполняется по мере необходимости, но не реже одного раза в год следует выполнить ниже приведенные операции, если они не противоречат инструкции по эксплуатации на клапан:
  - Выполнить смазку резьбовых соединений и резьбового штока.
  - Произвести очистку от пыли, грязи и ржавчины.
  - В клапанах с сальниковым уплотнением штока, подтянуть сальник, а при необходимости заменить.
  - Прогнать затвор балансировочного клапана из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее для предотвращения прикипания затвора.
Основная причина выхода из строя балансировочного вентиля это прикипание затвора или засорение проточной части твёрдыми частицами. В этом случае ремонт балансировочного клапана будет заключаться в демонтаже с трубопровода и чистке проточной части. В случае течи по штоку, подтяните сальник, а при необходимости замените его. Если причина выхода из строя иная, для ремонта клапана потребуются оригинальные запасные части.

Требования норм, касающиеся балансировочных клапанов

   Ниже собраны требования норм и правил касающиеся подбора, монтажа и эксплуатации балансировочных 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 Балансировочным 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 12.11 — Глава 12 Конструкции трубопроводов

Использовать запорную арматуру как регулирующую не допускается.

Пункт 12.20 — Глава 12 Конструкции трубопроводов

Устройство обводных трубопроводов вокруг грязевиков и регулирующих клапанов не допускается.

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 16.7.3 — 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 16.15 — 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.

Пункт 17.13 — Глава 17 Электроснабжение и система управления

Автоматизация теплового пункта должна обеспечивать:

 регулирование расхода тепловой энергии в системе отопления и ограничение максимального расхода сетевой воды у потребителя;
 заданную температуру воды в системе горячего водоснабжения;
 поддержание статического давления в системах потребителей теплоты при их независимом присоединении;
 заданное давление в обратном трубопроводе или необходимый перепад давлений воды в подающем и обратном трубопроводах тепловых сетей;
 защиту систем теплопотребления от повышенного давления и температуры воды в случаях появления опасности превышения допустимых граничных параметров;
 включение резервного насоса при отключении рабочего;
 прекращение подачи воды в бак-аккумулятор при достижении верхнего уровня воды в баке и разбора воды из бака при достижении нижнего уровня;
 другие мероприятия повышающие эффективность работы оборудования.

СНиП 2.04.01 Внутренний водопровод и канализация зданий

Пункт 8.6 — Глава 8 Расчёт водопроводной сети горячей воды

При невозможности увязки давлений в сети трубопроводов систем горячего водоснабжения путем соответствующего подбора диаметров труб следует предусматривать установку регуляторов температуры или диафрагм на циркуляционном трубопроводе системы.

Диаметр диафрагмы не следует принимать менее 10 мм. Если по расчету диаметр диафрагм необходимо принимать менее 10 мм, то допускается вместо диафрагмы предусматривать установку кранов для регулирования давления.

Пункт 10.19 — Глава 10 Трубопроводы и арматура

Дросселирующие диафрагмы для системы горячего водоснабжения следует предусматривать из полимерных материалов, латуни или нержавеющей стали.

ГОСТ 10944-97 Краны регулирующие и запорные ручные для систем водяного отопления зданий. Общие технические условия
ГОСТ 12.2.063-81 Общие требования безопасности. Арматура промышленная трубопроводная
ГОСТ 24856-81 (ISO 6552-80) Арматура трубопроводная промышленная. Термины и определения
ГОСТ 4666-75 Маркировка и отличительная окраска. Арматура трубопроводная
ГОСТ 5761-74 Клапаны на условное давление Pу<25 МПа. Общие технические условия

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