Регуляторы давления, редуцирующие устройства и закритические режимы течения.
Конструирование регуляторов всегда начинается с гидравлических расчётов. Они подробно описываются во многих источниках [1]. Обычно там же уделяется особое внимание режимам закритического истечения для газов и паров и кавитационным режимам для жидкостей. Но надо заметить, что на практике приходится сталкиваться с обстоятельствами, которые говорят о том, что проектанты систем при выборе регуляторов особенности этих режимов не учитывают. Характерным свойством режима закритического течения является то, что при определённом, так называемом, критическом отношении давления, в значении гидравлического сопротивления (в рассматриваемом случае в затворе регулятора или редуцирующего устройства) берется критическая скорость, равная скорости звука в рабочей среде, и при дальнейшем уменьшении этого отношения (снижении давления за затвором) эта скорость, а следовательно и расход, не увеличивается.
Например, для воздуха критическое отношение давлений:
Р′2/Р′1= 0,528 ………………………………………….(1),
где:
Р′1- абсолютное давление перед регулятором;
Р′2- абсолютное давление за регулятором.
Для любой другой газовой или паровой среды его можно определить по формуле:
βкр = (2/(k + 1))k/k-1 ……………………………………(2),
где k- показатель адиабаты.
Приведём такой пример. Известны общепромышленные регуляторы давления «после себя» на РN40, DN25,50 c диапазоном настройки от 0,5 до 35кгс/см2 ( в зависимости от исполнений) для газообразных, паровых и жидких сред с температурой до 300⁰С. Благодаря своим уникальным параметрам и имеющемуся «малошумному» исполнению они находят широкое применение. Также, как и в случае с другими регуляторами при конструировании их максимальная пропускная способность определялась из условия задания максимального расхода при минимальном перепаде давления, а минимальная пропускная способность определялась из условия задания минимального расхода при максимальном перепаде давления.
Далее, после проведения испытаний и подтверждения, заданных заказчиком характеристик, они были внесены в Технические условия и в каталог. Итак, параметры регулятора стали достоянием проектировщиков систем и эксплуатационников. Заметим, однако, что редко и только в некоторых иностранных каталогах регуляторов автору удавалось найти расходные характеристики G = f(P1) при определённом Р2 для распространённых газов и паров, из которых можно было бы увидеть, что при закритических условиях течения среды в регуляторах не всегда достигается максимальная производительность, соответствующая максимальной пропускной способности по ТУ или каталогу. Это происходит в тех случаях, когда в выходном патрубке регулятора происходит так называемое «запирание потока» при достижении критической скорости в нём.
В работе [1] показано, как можно избежать этого явления, правильно определив размер выходного патрубка регулятора для случаев, если Р′2/Р′1˂ βкр. Определим по (2) необходимый размер выходного патрубка рассматриваемого регулятора с DN25 для режима Р′1= 41кгс/см2, Р′2 = 1,15кгс/см2, рабочая среда: воздух, Kvу=6,3. Изменением температуры при дросселировании в рассматриваемом примере пренебрегаем, так как оно незначительно и влияет в сторону повышения надёжности расчёта (при дросселировании потока температура воздуха уменьшается, снижается удельный объём и патрубок получится фактически немного меньшего диаметра, чем расчётный).
βкр………………………………..(2),
где:
F2- площадь выходного патрубка;
f-максимальная площадь для прохода среды в затворе регулятора.
Обычно в ТУ и в каталогах не указывается величина f, но достаточно точно её можно определить по формуле (3):
f = 20∙Kvу/μ, мм2………………………………………………………………(3),
где:
μ – коэффициент расхода [cм.2];
Kvу - указан в ТУ и в каталоге.
Выражая из (2) площадь выходного патрубка и определив из(3) f получаем:
F2 = (P'1/Р'2)∙f = (41/1,5)∙ 2,52 = 68,88см2;DN2= (68,88/0,785)0,5= 9,367см =100мм.
f = 20∙Κv/μ = 20∙6,3/0,5 = 252мм2= 2,52см2
На рис. 1.15 работы [1] показано схемное решение этой проблемы. То есть, к существующему выходному патрубку регулятора через переходник предлагается присоединить трубопровод
DN 100мм и перенести забор импульса к чувствительному элементу регулятора из его корпуса на трубопровод.
В заключение хотелось бы заметить, что как отмечалось ещё в работе [3], каталоги нашей арматуры ( в том числе и регуляторов) по наличию необходимой информации для выбора изделий значительно уступают соответствующим каталогам передовых иностранных фирм. Это заметно снижает конкурентоспособность отечественной арматуры. Причины этого понятны, но, господа директоры, пора бы уже и проснуться!
Список литературы:
В.П.Эйсмонт. Регуляторы. Учебно-справочное пособие. С.-Пб, 2012г,336с
Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: «Машиностроение», 1992.
В.П.Эйсмонт. О каталогах. Журнал «ТПА Экспресс». №3. 2011 г.