Клапан снижает скорость потока, увеличивая сопротивление на пути жидкости. Жидкость или газ движутся только потому, что между двумя точками существует разница давлений, и частично закрытый клапан забирает себе долю этой разницы. То, что потребляет клапан, больше не может проталкивать жидкость через остальную часть линии, поэтому поток устанавливается на более низкое значение. Вот и весь механизм в одном предложении.
Полезная деталь заключается в том, какое давление требует клапан, как изменяется форма трима при движении клапана и что происходит с остальной частью системы, когда поток падает. Мы поставляем клапаны и фитинги из нержавеющей стали для контрольно-измерительных, гидравлических и общепромышленных линий уже более десяти лет, и вопросы, которые клиенты задают о дросселировании, следуют очень знакомой схеме. Вот.
Что происходит внутри частично закрытого клапана
Ограничение создается тримом: игла, заглушка, диск или шарик, движущиеся к своему седлу. Закрытие клапана сужает открытую область, что приводит к двум эффектам.
- Жидкость ускоряется. Непрерывность требует, чтобы одна и та же масса проходила через меньшую площадь, поэтому скорость в горловине возрастает и, согласно принципу Бернулли, местное статическое давление падает.
- Энергия теряется ниже по течению. Ускоренная жидкость никогда полностью не восстанавливает свое давление. Турбулентность и трение, возникающие вследствие ограничения, превращают механическую энергию в тепло, которое уносит жидкость.
Этот второй эффект — вот что действительно важно. Клапан – это не заглушка, которая просто перекрывает трубу; он преобразует энергию давления в необратимые потери. Чем больше растут эти потери, тем меньшая разница давлений остается для управления потоком и тем ниже становится скорость потока.
Падение давления — это валюта, которая покупает поток
Считайте давление, создаваемое насосом, регулятором или газовым коллектором, бюджетом. Подающие трубопроводы, фильтры, теплообменники, клапаны и выпускные трубопроводы расходуют часть жидкости, а все, что остается, фактически перемещает жидкость. Дроссельное регулирование увеличивает долю клапана, избыток сокращается, а поток падает до тех пор, пока бухгалтерские балансы снова не сбалансируются.
Фиксированное давление подачи по сравнению с насосом
При наличии регулятора давления или газового коллектора на входе давление подачи остается примерно постоянным при закрытии клапана. Падение давления на клапане возрастает, расход падает, и результат описывает приведенное ниже уравнение расчета.
При использовании центробежного насоса картина меняется. Дроссельное регулирование увеличивает сопротивление и делает кривую системы более крутой, поэтому рабочая точка смещается вдоль кривой насоса в сторону более высокого давления нагнетания и меньшего расхода. Клапан управляет насосом, а не действует самостоятельно. Насос, дросселируемый далеко назад, может работать влево от точки наилучшего КПД, иметь внутреннюю рециркуляцию, работать с большей температурой и шумом и быстрее изнашивать уплотнения.
Числа: Cv, Kv и правило квадратного корня
Пропускная способность клапана выражается как коэффициент расхода. В американских единицах измерения это Cv, галлоны воды температурой 60°F в минуту, проходящие через клапан с падением в один фунт на квадратный дюйм. Метрический эквивалент — Kv. Для жидкости:
Q = Cv × √(ΔP/SG)
где Q — расход, ΔP — перепад давления на клапане, а SG — удельный вес жидкости. Поскольку Cv само по себе зависит от положения клапана, уравнение несет в себе оба эффекта одновременно: открытие изменяет Cv, а дросселирование изменяет ΔP.
Квадратный корень – это то, что привлекает людей. Расход пропорционален не падению давления, а его квадратному корню, поэтому при фиксированном открытии сокращение доступного падения давления до четверти уменьшает расход вдвое. Та же самая математика объясняет, почему небольшой поворот штока на почти закрытом клапане так резко меняет расход: при малом подъеме незначительное изменение открытой площади приводит к большому процентному изменению Cv.
Характеристики клапана: насколько плавно падает поток
Два клапана одинаковой пропускной способности при полностью открытом положении могут вести себя по-разному при полуоткрытом положении. Внутренняя характеристика описывает, как Cv растет по мере путешествия.
| Стволовое путешествие | Линейная обрезка | Равнопроцентная обрезка | Быстрооткрывающаяся накладка |
|---|---|---|---|
| 10% | 10% | 3% | 50% |
| 30% | 30% | 7% | 85% |
| 50% | 50% | 14% | 100% |
| 70% | 70% | 31% | 100% |
| 100% | 100% | 100% | 100% |
Быстрооткрывающиеся триммеры достигают большей части своей мощности в первой трети хода, что подходит для работы и отдыха. Равнопроцентные подстройки обеспечивают самый широкий диапазон регулирования и являются обычным выбором для контуров управления. Линейные тримы подходят для случаев, когда перепад давления на клапане остается достаточно постоянным.
Установленное поведение никогда не соответствует в точности опубликованной кривой, поскольку ΔP на клапане изменяется по мере изменения расхода, что является еще одной причиной, по которой равнопроцентная триммировка так распространена в дроссельных насосных системах.
При дальнейшем закрытии прекращается уменьшение потока
Существует предел возможностей одного клапана. Когда жидкость ускоряется через самое узкое место сразу за седлом, известное как контрактная вена, ее давление может упасть ниже давления пара жидкости. Образуются пузырьки, и когда они разрушаются дальше по течению, они забивают обвязку и стенки трубы. Это кавитация, и она проявляется грохотом и медленно разрушающимся седлом.
Если давление на выходе остается ниже давления пара, пузырьки никогда не схлопываются, и жидкость покидает клапан частично испаренной. Это мигание, и оно может испортить клапан за несколько недель. У газов есть свой потолок: как только скорость в горле достигает звуковой скорости, поток дросселируется, и дальнейшее снижение давления на выходе ничего не меняет. Симптом всегда один и тот же. Вы продолжаете закрывать клапан, поток перестает реагировать, а шум растет.
Обычными мерами являются разделение перепада давления на двух последовательно соединенных клапанах, установка антикавитационного трима или повышение давления на выходе.
Соответствие типа клапана работе
Не каждый клапан предназначен для дросселирования. Использование запорного клапана для регулирования потока — одна из наиболее распространенных ошибок, с которыми мы сталкиваемся, и обычно она заканчивается повреждением седла и загадочной потерей контроля.
| Тип клапана | Поведение регулирования | Типичная роль |
|---|---|---|
| Игольчатый клапан | Точная, повторяемая регулировка в небольшом диапазоне расхода. | Инструментальные линии, отбор проб, регулирование низкого расхода |
| Шаровой клапан | Плавное, постепенное изменение с хорошим диапазоном регулирования. | Общий контроль и регулирование потока |
| Шаровой кран | Незначительные изменения, пока почти не закрываются, затем резко | Изоляция и режим включения/выключения |
| Задвижка | Бедный; ворота и сиденье могут быть повреждены | Только изоляция |
| Поворотный клапан | Умеренная и сильно зависит от положения диска | Большие линии, общее регулирование |
| Обратный клапан | Не регулируется; реагирует на направление потока | Предотвращение обратного потока |
Игольчатые клапаны: естественный выбор для точного редуцирования.
Коническая игла, перемещающаяся в маленькое седло, производит длительное и постепенное изменение открытой зоны, поэтому игольчатые клапаны являются стандартным ответом, когда поток необходимо точно регулировать и удерживать на этом месте: линии отбора проб, продувочные потоки, каналы подачи анализатора и контуры с низким расходом. Наш гид по применение игольчатого клапана обложки, где они заслужили свое место.
Игольчатый клапан из нержавеющей стали с внутренней резьбой Этот игольчатый клапан из нержавеющей стали предназначен для линий отбора проб и контуров с низким расходом и обеспечивает точную регулировку расхода, а отверстие с зеркальной полировкой обеспечивает стабильное регулирование. Посмотреть продукт → Шаровые краны: отличная изоляция, плохое дросселирование
Шаровой кран лучше всего открыт или полностью закрыт. Частично открыт, путь потока неудобен, седло подвергается воздействию высокоскоростной жидкости, а поток резко меняется на последних нескольких градусах перемещения.
Шаровой кран с двойным наконечником из нержавеющей стали Когда поток необходимо полностью открыть или закрыть, а не дросселировать, этот инструментальный шаровой клапан высокого давления предлагает цельную конструкцию и удобство обслуживания с верхним доступом. Посмотреть продукт → Использование его в приборных и гидравлических схемах
В приборостроении уменьшение потока обычно представляет собой небольшую локальную работу: изолирование преобразователя, вентиляция манометра или регулировка потока пробы, поступающей в анализатор. Двухходовой коллектор с игольчатым клапаном обеспечивает такую регулировку и принудительное закрытие в одном узле, что сводит к минимуму количество соединений и количество потенциальных путей утечки.
Игольчатый клапан двухходового клапана из нержавеющей стали Для изоляции приборов и регулировки потока пробы этот двухходовой игольчатый клапан сочетает в себе точную регулировку и отсечку в одном узле. Посмотреть продукт → В гидравлических контурах принцип тот же, но при гораздо более высоком давлении, где эрозия представляет собой реальный риск, а закаленная отделка, большая толщина стенок и надежное уплотнение оправдывают небольшие дополнительные затраты.
Практический контрольный список для уменьшения потока
- Установите необходимый расход при нормальных и минимальных условиях, а также давление, доступное на каждом конце контура.
- Рассчитайте требуемое значение Cv или Kv, а не гадать по размеру трубы.
- Подберите клапан таким образом, чтобы нормальная работа была открыта примерно на 20–80 процентов, оставляя место для регулировки в обоих направлениях.
- Сопоставьте характеристику с контуром: равнопроцентная, если клапан принимает на себя большую часть перепада давления, и линейная, если этого не происходит.
- Разделяйте функции изоляции и дросселирования и проверяйте наличие кавитации или дросселирования потока всякий раз, когда за один этап происходит большое падение давления.
Краткая версия
Клапан снижает скорость потока, поскольку он снимает давление с жидкости и превращает его в тепло, которое никогда не восстанавливается. Закрытие клапана увеличивает его долю в доступной разнице давлений, и того, что остается, уже недостаточно для поддержания первоначального потока. Насколько плавно это произойдет, зависит от дифферента; насколько далеко он может зайти, зависит от жидкости. Если вы подбираете клапан для определенного расхода, мы будем рады обсудить с вами цифры. Взгляните на решения для жидкостных систем мы создаем, или просто пришлите нам условия вашей линии, и мы вместе определим ее размер.
