You are here

Регулирующие клапаны. Практический расчет. Про кавитацию

Предыдущая страница.

Итак, мы подобрали размер регулирующего клапана. Теперь нужно подобрать его тип. В размере DN250 наиболее распространенными регуляторами являются:

шаровой клапан, кран с V-образным вырезом, дисковый затвор и шаровой кран*.

*Важно понимать разницу между шаровым клапаном vs шаровым краном. В кране запорный орган поворачивается, в клапане перемещается линейно.

Даже просто глядя на картинку выше понятно, что при равных номинальных размерах DN регуляторов самый материалоемкий и, соответственно, дорогой будет шаровой клапан. Самый компактный, легкий и дешевый это дисковый поворотный затвор. При условии, конечно же, использования материалов примерно одинакового качества. Однако, несмотря на более низкую цену, затворы не вытеснили другие типы регулирующей арматуры. Почему? Основная причина в явлении кавитации. Дисковые затворы в большей степени подвержены риску возникновения кавитации по сравнению с шаровыми клапанами и именно кавитация полностью вычеркивает шаровые краны в стандартном исполнении из группы регулирующей арматуры. Многие производители шаровых кранов пытаются решать проблему кавитации путем усложнения конструкции, всевомозжными тримерными пластинами, глушителями и т.д. Однако, все это ведет к закономерному удорожанию, что опять таки не способствует широкому применению шаровых кранов в качестве регуляторов.

Итак, потенциальный риск возникновения кавитации это серьезный аргумент при выборе регулятора. Как его можно просчитать – проверить?

Немного теории.

Кому теория ну совсем не интересна, могут смело кликать на следующую страницу.

Википедия дает такое определение кавитации:

Кавита́ция (cavita — пустота) — процесс парообразования и последующей конденсации пузырьков пара в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить при увеличении её скорости. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением кавитационный пузырёк схлопывается, создавая при этом ударную волну.

Наибольший вред оказывают пузырьки, которые схлопываются в непосредственной близости от деталей арматуры.

Классический клапан-регулятор имеет переменное проходное сечение проточной части. Проходя через сужение поток жидкости ускоряется, а где ускорение, там давление понижается в соответствии с известным эффектом Бернулли. Область самой высокой скорости потока называется областью Vena contracta, соответственно здесь же находится область самого низкого давления. Область VC находится, как правило чуть дальше по ходу за самым узким местом трубопровода.

Градиент скоросnи потока и Vena contracta в регуляторе

На рисунке выше различные цвета обозначают разницу в скоростях потока. Красный – максимальная скорость, темно-синий – минимальная.

В области vena contracta поток имеет форму плоской струи.   

После этой области поток замедляется, что приводит к повышению давления.

Итак, независимо от конструкции регулятора, график изменения давления вдоль течения жидкости будет иметь вид:

График изменения давления вдоль хода жидкости в регуляторе.

Для нас полезная работа клапана регулятора это созданный перепад давления Р2-Р1, просадка давления до Pvc это неизбежное следствие сужения потока среды внутри регулятора. Нас глубина этой просадки не интересует до тех пор, пока давление Pvc остается выше, чем давление насыщенного пара при заданной температуре. Поскольку как только давление Pvc сравняется с давлением насыщенного пара начинается кавитация. Глубина просадки Pvc при одинаковом заданном перепаде давления Р2-Р1 зависит только от геометрии проточной части клапана и является одной из важнейших характеристик регулятора. Отношение «полезного» перепада давления к «неизбежной просадке» принято называть коэффициентом восстановления давления Fl

Формула коэффициент восстановления давления

Очевидно, что, коэффициент Fl не может быть выше 1, поскольку давление в Vena contracta Pvc всегда ниже, чем давление после регулятора. Также очевидно, что чем выше значение Pvc (ближе  к единице), тем выше способность клапана рассеивать энергию посредством трения, а не за счет высокой скорости потока.

Итак, возможность для кавитации появляется тогда, когда давление насыщенного пара становится примерно равно или выше давления Pvc. Давление насыщенного пара берем из таблиц, гуглим «давление насыщенного пара».

Давление Pvc вычисляем по формуле:

формула давление в vena contacta

Очевидно, что, чем меньше просадка Pvc по отношению к перепаду давления Р2-Р1, тем лучше клапан в качестве регулятора.

Vjacheslav Divonin

 

Russian