ЛЕКЦІЯ 1.

РЕГУЛЮЮЧІ ОРГАНИ

1.1 Класифікації регулюючих органів

Регулюючий орган (РО) - це пристрій, який встановлюється на трубопроводі і призначений для зміни (регулювання ) витрат (тиску) рідини, або газу шляхом зміни гідравлічного опору за рахунок зміни площі свого прохідного січення.

РО відносять до трубопровідної арматури. Трубопровідна арматура - це сукупність пристроїв, які встановлюються на трубопроводах і призначенні для керування (розподілення, вимикання, регулювання, відсічка, тощо) потоками робочих середовищ (газу, рідини, пульпи).

РО класифікують за двома ознаками – видом та типом.

Вид – це характеристика призначення РО. По виду РО можуть бути:

- регулюючими;

- відсічними;

- запірними;

- скидними.

Тип – це класифікаційна ознака, яка характеризує взаємодію рухомого елементу РО – затвору з потоком робочого середовища і яка визначає основні конструктивні особливості РО. Основні типи РО це:

- заслона;

- клапан;

- кран;

- затвор дисковий (заслона поворотна).

Заслона – це РО, в якому елемент запирання (затвор) переміщується перпендикулярно направленню потоку середовища (рис. 4.1).

Рисунок 1.1 - РО типу прямохідна заслона

Клапан – це РО, в якому елемент запирання (затвор) переміщується паралельно потоку середовища (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 - РО типу клапан

Кран – це РО, в якому елемент запирання (затвор) має форму тіла обертання, або його частини, і повертається навколо своєї вісі перпендикулярно потоку середовища (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 - РО типу кран

Затвор дисковий (заслона поворотна) – це РО, в якому елемент запирання має форму диску і повертається навколо своєї вісі перпендикулярно до вісі трубопроводу (рис. 1.4).

Рисунок 1.4 - РО типу затвор дисковий (заслона поворотна)

1.2 Конструкція РО та їх технічні параметри

Кожний тип РО має свою конструкцію, але спільними для них є:

- нерухома частина – корпус з фланцями для приєднання до трубопроводу;

- сідло, або отвір певної конфігурації;

- рухому частину – затвор, який може мати різну конструкцію (клапан, диск, тіло обертання) і який переміщується за допомогою прикріпленого до нього штоку;

- сальник та гранбукса, за допомогою яких герметизують внутрішню частину РО.

РО мають певні технічні параметри, які потрібно враховувати при виборі того, чи іншого РО. Найважливішими параметрами є такі:

- пропускна здатність Kv;

- умовний (номінальний) діаметр Dу (Dн);

- умовний (номінальний тиск) Ру (Рн);

- робочий тиск Рр;

- габарітні розміри H, L;

- момент, потрібний для переміщення РО.

Пропускна здатність Kv – це величина об’ємних витрат [м3/с], які проходять через РО, середовища з питомою вагою ρ=1000 [кг/м3] і при перепаді на РО ΔР = 98,0665 [кПа]. Визначають умовну пропускну здатність Kvу та пропускну здатність при 100% відкритті затвору Kv100.

Kv100 – це параметр, який визначає розмір конкретного РО. Величину Kv100 визначає експериментально виробник і вказує у технічному паспорті на даний РО.

Умовна пропускна здатність Kvу – це номінальна пропускна здатність Kv100 при нормалізованому переміщенні затвору РО.

Нормалізоване переміщення затвору для даного РО дається у каталозі, або технічній документації на даний РО. 100 не повинно відрізнятись від на ± 8% . Для РО з = 15-300мм значення задаються нормальним рядом чисел:

1; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 2500 [м3/год].

Співвідношення між та умовним діаметром визначають (для турбулентного режиму руху) виразом:

(4.1)

де а =1,25 для односидільних клапанів;

а = 1,6 для двох сидільних клапанів;

а = 2,5 для повнопрохідних заслонів.

Пропускна здатність в системі СІ визначається так:

. (4.2)

Формула для визначення дозволяє для даного РО вирішувати наступні задачі:

1. Знаходити пропускну здатність , яка забезпечує задані витрати речовини при відомому перепаді тису ΔР на РО;

2. Знаходити витрати Q речовини, яка проходить через даний РО, з відомою пропускною здатністю при заданому перепаді тиску ΔР на ньому;

3. Знаходити перепад тиску ΔР на РО, необхідний для забезпечення заданих витрат речовини при відомій пропускній здатності його.

У Великобританії та США використовуються пропускна здатність Сv. Ця величина визначається, як витрати води при 60°F (15,6°С) у американських галонах на хвилину (1 галон = 3,78 л) при перепаді на РО у 1фунт/дюйм (0,07 кгс/см2). Зв’язок між та визначається так:

(4.3)

(4.4)

МЕК (міжнародна електротехнічна комісія) рекомендує ще один показник пропускної здатності РО – величину .

чисельно дорівнює площі деякого еквівалентного січення РО, яке забезпечує проходження заданих витрат, з урахуванням ефекту стискання струї та гідравлічного опору РО. Величина обчислюється згідно формули:

(4.5)

Співвідношення між Kv, Сv та Аv таке:

; (4.6)

(4.7)

В каталогах на РО наводяться Kv, Сv, Аv при повному відчиненні РО.

Умовний (номінальний) діаметр Ду (Dn) [мм] - це номінальний внутрішній діаметр фланцю РО, за допомогою якого РО приєднується до трубопроводу.

Значення Ду відповідають згідно ГОСТ 28338-89 параметричному ряду чисел:

0,01; 0,016; 0,025; 0,032; 0,040; 0,063; 0,1; 0,16; 0,25; 0,32; 0,40; 0,63; 1,00...80.

Умовний (номінальний) тиск Рн (Pn) [Па, мПа] – це найбільший надлишковий тиск при температурі робочого середовища +20°, при якому забезпечується заданий термін служби РО.

Значення Ру відповідають (згідно ГОСТ 26343-84) параметричному ряду 26 чисел [Па, МПа]: 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, (16), 20, 25, 32, 40, 50, (63), 65, 80, 100, 125, 150, 160, (175), 200, 250...

Робочий тиск Рр [Па, МПа] – це найбільший надлишковий тиск, при якому забезпечується заданий режим експлуатації РО при заданій робочий температури середовища. Робочий тиск визначається по даним технічного паспорту РО для заданої робочої температури середовища.

Габаритні розміри РО[мм] – це його найбільша висота, довжина та ширина. Габаритні розміри вказані у технічному паспорті РО.

1.3 Основні технічні характеристики регулюючих органів

Для визначення характеру зміни витрат речовини у всьому діапазоні переміщення затвору РО використовують певні технічні характеристики.

Основними з них є:

- конструктивна;

- пропускна;

- робоча витратна.

Щоб порівнювати технічні характеристики різних РО використовують відносні значення їх основних параметрів.

Відносне значення переміщення затвору (ступінь відкриття) l:

(4.8)

де , - поточне та максимальне положення затвору РО;

, - поточний та максимальний кут переміщення заслони поворотної РО.

Відносне значення площі f прохідного січення РО:

(4.9)

де , - поточне та максимальне значення площі прохідного січення РО.

Відносні витрати q:

, (4.10)

де - поточне та максимальне значення об’ємних витрат РО;

- поточне та максимальне значення масових витрат РО.

Відносна пропускна здатність s:

(4.11)

де - поточне та максимальне значення пропускної здатності РО.

Розглянемо тепер основні технічні характеристики РО.

Конструктивна характеристика РО - це залежність площі прохідного січення РО від переміщення, або кута повороту його затвору. У відносних величинах:

. (4.12)

Конструктивна характеристика відображає конструктивні особливості РО. Вона може мати різний вигляд, але для конкретного РО вона є незмінною. Заданий вигляд конструктивної характеристики можливо досягнути шляхом профілювання його затвору, тобто зробити певний профіль затвору.

Пропускна характеристика РО – це залежність пропускної здатності РО від переміщення, або кута повороту його затвору. У відносних величинах:

. (4.13)

Пропускна характеристика РО може бути:

- лінійною;

- параболічною;

- рівнопроцентною;

- спеціальною.

Лінійна пропускна характеристика у відносних величинах описується рівнянням:

(4.14)

коли при l = 0. Якщо при l = 0 , то рівняння є таким:

. (4.15)

У загальному вигляді рівняння (4.15) може бути записане так:

. (4.16)

Якщо показник степені С = 1, то це лінійна, якщо С = 2, - параболічна, якщо С = 3 кубічна пропускна характеристика РО.

Рівнопроцентна пропускна характеристика має швидкість зміни пропускної здатності пропорційну поточному значенню пропускної здатності, тобто у відносних величинах це є рівняння:

(4.17)

У рівнянні (4.17) розділимо змінні:

(4.18)

Тепер візьмемо інтеграл від правої та лівої частини цього виразу:

(4.19)

Графіки лінійних пропускних характеристик представлені на (рис. 1.5).

Рисунок 1.5 - Графік лінійної пропускної характеристики РО

Оскільки інтеграл невизначений, то з’являється стала інтегрування С, тобто

.

Знайдемо значення сталої С. При l=0 величина s не може дорівнюватись 0, оскільки тоді ln s не існує. Таким чином при l=0, повинна дорівнювати деякій величині sо. підставляючи у вираз (4.19) l=0 та , одержуємо:

ln sо = m · 0 + C1.

Звідси .

Тоді вираз (4.19) дорівнює:

ln s = m l + ln. (4.20)

Знайдемо тепер значення m у виразі (4.20).

Для цього дамо величині відносного переміщення затвору РО l максимальне значення l=1, при цьому відносна пропускна здатність s повинна бути теж максимальною, тобто s = 1.

Тоді: .

Як відомо ln 1 = 0, тоді:

.

Звідси:

. (4.21)

Підставляючи (4.21) у (4.20), маємо:

;

.

Або:

(4.22)

Вираз (4.22) є формулою рівнопроцентної пропускної характеристики РО. Графік рівнопроцентної пропускної характеристики представлений на (рис. 1.6).

Рисунок 1.6 - Графік рівнопроцентної пропускної характеристики РО

Двопозиційна відносна пропускна характеристика – має вигляд статичної характеристики релейного елементу (рис. 4.7).

Рисунок 1.7 - Двопозиційна відносна пропускна характеристика РО

Відносна пропускна характеристика заслони поворотної – може бути описана наступним виразом при зміні кута повороту α у межах 0-60°:

(4.23)

де ; відношення діаметру диску РО до умовного діаметру самого РО.

Спеціальна відносна пропускна характеристика РО – це характеристика, вид якої може бути одержаний шляхом відповідного профілювання затвору РО. Потрібний вид спеціальної пропускної характеристики задається і РО з такою характеристикою може бути замовлений у виробника.

Робоча витратна характеристика РО - це залежність витрат речовини від положення затвору в робочих умовах.

q = j(l); (4.24)

Інакше кажучи, це статична характеристика РО. Робочі умови визначаються параметрами речовини (витрати, тиск, температура), параметрами трубопровідної системи (втрати тиску) та РО (падінням тиску на РО, типом пропускної характеристики). Таким чином, робоча і витратна характеристика РО може бути знайдена тільки для конкретних робочих умов речовини, трубопровідної системи та РО.

У загальному вигляді робоча витратна характеристика РО може бути визначена наступним рівнянням:

(4.25)

де - є відношення втрат тиску у трубопроводі до втрат тиску на РО;

q – пропускна характеристика даного РО.

Як видно з цього рівняння витратна робоча характеристика співпадає з пропускною тільки коли n=0, тобто коли всі втрати тиску відбуваються на РО.

Для розрахунків конкретної САР нам якраз і потрібна саме робоча витратна характеристика. Тому вибір та розрахунки РО і зводяться до знаходження потрібного для даної САР РО та потрібної його робочої характеристики.

1.4 Регулюючий орган, як елемент трубопровідної системи

1.4.1 Трубопровідна система, її склад та параметри

Об’єкт автоматизації, у якого вхідною величиною є витрати рідини, або газу, повинен мати трубопровід для подачі цього середовища зі встановленими на ньому регулюючими та запірними органами, джерело напору середовища (насос, магістральний трубопровід). Все це устаткування, починаючі з джерела напору і закінчуючи агрегатом автоматизації складають трубопровідну систему, або гідравлічну ланку системи автоматизації (рис. 1.8).

В даній трубопровідній системі маємо насос з початковим тиском середовища Ро, агрегат автоматизації з кінцевим тиском середовища Рк, місцевими опорами тиску (звуження, розширення, повороти тощо) з коефіцієнтами втрат тиску ς i трубопровід довжиною L з коефіцієнтом лінійних втрат тиску λ. На трубопроводі встановлений РО, перед яким середовище має тиск Р1 та Р2 після нього. Точка споживання середовища (де тиск Рк) відрізняється по висоті від точки джерела середовища (де тиск Ро) на величину ±Zр. Загальні втрати тиску у трубопровідній системі будуть дорівнювати:

ΔРс = Ро – Рк ± Zρ. (4.26)

Величина Zρ враховує геометричний напір, який утворюється за рахунок різниці висот розташування насосу та агрегату автоматизації. Знак(+) перед цим напором береться коли джерело напору розташовується вище агрегату автоматизації і (-) – коли навпаки. Для газу та пари величина Zρ є не суттєвою і може не враховуватись, а для рідини вона може досягати значної величини.

З іншої сторони сумарні втрати тиску (4.26) складаються з втрат тиску на трубопроводі ΔРтр та втрат тиску на РО ΔРро, тобто:

ΔРс = ΔРтр + ΔРро. (4.27)

Рисунок 1.8 - Трубопровідна система

Розглянемо, як змінюються всі складові рівняння (4.27) при зміні витрат середовища Q. Залежність ΔРс = f1 (Q) є гідравлічною (робочою) характеристикою джерела напору (насосу). Залежність ΔРтр = f2 (Q) визначається параметрами трубопроводу, а ΔРро = f3 (Q) - параметрами РО. Якщо розглянути графічно всі ці залежності (рис. 4.9), то рівняння (4.27) для втрат тиску зберігається для будь яких витрат, але змінюється величина ΔРс та співвідношення ΔРтр і ΔРро.

Із графіків (рис. 1.9) бачимо, що при витратах Q = 0 всі втрати тиску у системі відбуваються на РО. По мірі збільшення витрат Q втрати тиску у трубопроводі ΔРтр ростуть пропорційно квадрату швидкості руху v² середовища, а втрати тиску на РО ΔРро падають. Крім того згідно робочої характеристики джерела напору при збільшенні витрат речовини Q у системі зменшується величина втрат ΔРс, оскільки зменшується тиск Ро джерела напору (насосу). Із графіків видно також, що для конкретного трубопроводу та джерела напору при заданому значенні витрат Q величина падіння тиску на РО ΔРро є певною і не може бути вибраною будь-якою. Таким чином,для розрахунків та вибору РО треба знати параметри трубопровідної системи та джерела напору.

Рисунок 1.9 - Гідравлічна характеристики трубопровідної системи

Розглянемо тепер від чого залежать складові рівняння (4.9). Величина ΔРтр складається із втрат тиску на прямих дільницях (по довжині) трубопроводу ΔРп та втрат тиску на місцевих опорах ΔРм:

ΔРтр = ΔРп + ΔРм. (4.28)

Таким чином сумарні втрати тиску в системі ΔРс дорівнюють:

ΔРс = ΔРп + ΔРм + ΔРро. (4.29)

Втрати тиску на прямих дільницях трубопроводу визначаються згідно формули Вейсбаха так:

. (4.30)

де λi – коефіцієнт тертя для на i-й прямій дільниці трубопроводу;

Li – довжина i-ї дільниці трубопроводу [м];

Di - діаметр i-ї дільниці трубопроводу [м];

Vi – швидкість руху середовища на i-й дільниці трубопроводу [м/с];

ρ - густина середовища [кг/м3].

Втрати тиску на місцевих опорах визначаються згідно формули:

(4.31)

де ρ - густина середовища [кг/м3];

g – прискорення вільного падіння [м/с²];

i - коефіцієнт i-го місцевого опору.

Втрати тиску на прямих дільницях ΔРп включають довжину як прямих дільниць трубопроводу, так і довжину місцеві опорів по їх середній лінії, тобто всю довжину трубопроводу. Втрати тиску на місцевих опорах ΔРм включають втрати тиску тільки при зміні напрямку та швидкості руху середовища. У виразах (4.30) та (4.31) коефіцієнти λi та i залежать від режиму руху середовища.

1.4.2 Режими руху рідини або газу

Із гідродинаміки відомо, що в залежності від швидкості руху та параметрів трубопроводу рідина, або газ може мати різні режими руху. Розрізнюють наступні режими руху рідини або газу:

- ламінарний;

- перехідний;

- турбулентний;

- кавітаційний;

- критичний.

Визначають конкретний режим руху по безрозмірному критерію Рейнольдса, який обчислюють за формулою:

(4.32)

де V = швидкість руху середовища [м/с];

Dтр - діаметр трубопроводу [м];

Q - витрати середовища[м3/с];

ν = μ/ρ - кінематична в’язкість речовини [м2/с];

μ - динамічна в’язкість речовини [Па·с = кг/м·с];

ρ – густина речовини [кг/м3].

Режим руху речовини визначають по числовому значенню критерію Рейнольдса:

- при Re < 100 – режим руху ламінарний;

- при 100 < Re < 33000 - режим руху перехідний;

- при Re > 33000 – режим руху турбулентний.

Ці три режими є робочими режимами трубопровідних систем. Режим кавітації та критичний режими є небажаними, оскільки вони можуть призвести до розриву РО, або трубопроводу. Визначення останніх двох режимів виконують при виборі та розрахунку РО шляхом перевірки умов кавітації по певній методиці.

1.4.3 Розрахунки параметрів трубопровідних систем

Параметри трубопровідних систем розраховують, як при їх проектуванні так і для існуючих при встановленні на них РО. Розрахунки параметрів необхідні для проектування самої трубопровідної системи, а також для вибору РО, який треба на ньому встановити. Для розрахунку параметрів трубопровідної системи необхідні первісні дані, а саме:

- тип рідини, або газу;

- тиск речовини у джерела напору Ро;

- тиск речовини у споживача (об’єкту регулювання) Рк;

- максимальні Qmax та робочі Qр витрати речовини при нормальних умовах;

- креслення (траса) трубопроводу у трьох проекціях з розташуванням на ньому всієї арматури.

Послідовність розрахунків.

1. Вибір діаметру трубопроводу.

Трубопровід повинен забезпечити проходження заданих максимальних витрат речовини, при умові обмеження на швидкість руху речовини. Для забезпечення робочих режимів руху речовини рекомендуються наступні значення максимальної швидкості руху у робочих умовах (табл. 1.1).

Таблиця 1.1 - Рекомендовані швидкості руху рідин та газів в робочих умовах

пп/п	Речовина	Тиск речовини (надлишковий) [кПа]	Швидкість руху у робочих умовах [м/с]
11	Рідина	100 - 1000	1,0 - 3,0
22	Газ низького тиску	2 - 5	6,0 - 12,0
33	Газ високого тиску	200 - 1500	12,0 - 20,0
44	Насична пара	-	20,0 - 30,0
55	Перегріта пара	-	30,0 - 40,0

Оскільки швидкість руху задається у робочих умовах, переводимо максимальні об’ємні витрати із нормальних умов у робочі.

(4.33)

Оскільки

,

то звідси:

(4.34)

де коефіцієнт теплового розширення матеріалу трубопроводу, який знаходиться по формулі:

-20°С), (4.35)

де

°С він дорівнює:

(4.36)

По знайденій величині Dтр, з каталогу на труби вибираємо трубу з Dу найближчим більшим за Dтр. Марку сталі труби вибирають по каталогам у відповідності до типу речовини та максимального її надлишкового тиску Ро. Якщо діаметри труб по довжині трубопроводу повинні бути різними, то вище наведений розрахунок Dу виконують для дільниці з найменшим діаметром труби.

2. Визначення довжини кожної i-ї дільниці трубопроводу по їх середній лінії .

3. Визначення кількості та значення кутів повороту трубопроводу.

4. Визначення кількості, місць встановлення та Dу арматури (запірної, відсічної, регулюючої, тощо).

5. Знаходження загальних втрат тиск у у системі:

ΔРс = Ро – Рк ± Zρ (4.37)

6. Знаходження режиму руху речовини, для цього знаходять значення критерію Re і по його значенню визначають режим.

7. Знаходження коефіцієнтів лінійних втрат тиску в залежності від режиму руху і значення критерію Re. Величина визначається по певним формулам для кожного режиму руху і кожного i-го діаметру трубопроводу .

8. Знаходження лінійних втрат тиску у всьому трубопроводі ΔРп:

(4.38)

9. Знаходження по кресленню трубопроводу і його розташуванню на плані цеху (дільниці) всіх місцевих опорів (звуження, розширення, повороти, тощо) і обчислення, або знаходження по довідниках значення коефіцієнтів місцевих опорів .

10. Знаходження місцевих втрат тиску у всьому трубопроводі ΔРм:

(4.39)

11. Знаходження втрат тиску у трубопроводі, як суму втрат тиску на прямих дільницях і місцевих опорах:

ΔРтр = ΔРп + ΔРм. (4.40)

12. Знаходження втрат тиску на регулюючому органі ∆Рро:

ΔРро = ΔРс - ΔРтр. (4.41)

Таким чином ми знайшли втрати ( перепад) тиску на регулюючому органі при максимальних витратах речовини у трубопроводі. Це дає можливість розраховувати і вибирати регулюючий орган з потрібними параметрами та характеристикою.

Питання для самоперевірки

1. Що характеризує вид РО ?

2. Які бувають види РО?

3. Що характеризує тип РО?

4. Які існують основні типи РО?

5. Що таке заслона?

6. Що таке клапан?

7. Що таке вентиль?

8. Що таке кран?я вибір та розрахунки потрібного РО

9. Основні технічні параметри РО?

10. Що таке умовний діаметр РО?

11. Що таке пропускна здатність РО?

12 .Що таке конструктивна характеристика РО?

13 .Що таке пропускна характеристика РО?

14. Що таке робоча витратна характеристика?

15. Які бувають пропускні характеристики?

16. Вираз для лінійної пропускної характеристики?

17. Вираз для рівнопроцентної пропускної характеристики?

18. Що таке спеціальна пропускна характеристика?

20. До чого зводиться вибір та розрахунки потрібно

21. Що таке трубопровідна система?

22. Склад трубопровідної системи?

23. Як знаходиться діаметр трубопроводу по заданим максимальним витратам?

24. Що таке коефіцієнт місцевих втрат тиску у трубопроводі?

25. Що таке коефіцієнт лінійних втрат тиску у трубопроводі?

26. З чого складаються втрати тиску у трубопровідній системи?

27. З чого складаються втрати тиску у трубопроводі?

28. Для чого необхідно знати перепад тиску на РО?

29. Як знаходяться втрати тиску на прямих дільницях трубопроводу?

30. Як знаходяться втрати тиску на місцевих опорах?

31. Замалювати і пояснити гідравлічну характеристику трубопровідної системи?

На початок сторінки