5. Регулирующие органы

Регулирующий орган в системе регулирования воздействует непосредственно на объект регулирования обычно путем изменения количества подводимой к объекту регулируемой среды. При выборе регулирующего органа необходимо согласовать его характеристики с характеристикой работы других элементов системы регулирования.

Выбор регулирующего органа обычно определяется следующими основными факторами: 1) физическими свойствами регулирующей среды; 2) требуемым характером воздействия на регулируемую среду; 3) надежностью.

По принципу действия регулирующие органы можно разделить на неэлектрические и электрические.

К неэлектрическим регулирующим органам относятся: 1) регулирующие клапаны (вентили); 2) регулирующие заслонки (задвижки); 3) комбинированные устройства.

К электрическим регулирующим органам следует отнести: 1) реостаты; 2) фазовращатели.

Регулирующие клапаны

Как уже отмечалось, регулирующий клапан служит для изменения количества подводимого к объекту регулирования потока жидкости, пара, газа, воздуха и т. д. Изменение потока производится степенью открытия проходного сечения клапана. Клапаны изготовляются размером от 6 до 400 мм. Клапаны бывают односедельные (рис. 10 а) и двухседельные (рис. 10 б). Двухседельные клапаны получили большое распространение благодаря меньшему усилию, необходимому для их перемещения по сравнению с односедельными.

Рис. 10. Регулирующие клапаны: а — односедельные; б — двухседельные.

Рабочая поверхность клапана может быть выполнена как плоской (рис. 11 а), так и конической (рис. 11 б). Если угол конуса (рис. 11 в) имеет минимальную величину, равную 15—35°, то клапан называется игольчатым. Регулирующие клапаны с точки зрения гидравлической характеристики можно разделить на пропорциональные, параболические и логарифмические. На рис. 12 показан регулирующий клапан с пропорциональной характеристикой. Проходное отверстие его выполнено в седле в виде цилиндрического отверстия с небольшой фаской. Тарелка плунжера имеет форму усеченного конуса. Клапан имеет прямолинейную зависимость между подъемом плунжера и проходным сечением. Регулирующие пропорциональные клапаны применяются почти исключительно при двухпозицион ном регулировании в объектах с большим коэффициентом емкости. Для обеспечения более устойчивого регулирования применяются клапаны с проходным сечением в виде равнобедренных треугольников. В них зависимость, между подъемом плунжера и проходным сечением имеет параболический характер, вследствие чего их называют параболическими.

Рис. 11. Рабочие поверхности клапанов.

Рис. 12. Регулирующий клапан с пропорциональной характеристикой.

Клапаны, у которых зависимость между подъемом плунжера и проходным сечением выражается логарифмической функцией, называются логарифмическими.

Регулирующие клапаны можно разделить на клапаны прямого и обратного действия. В клапанах прямого действия при опускании плунжера вниз проходное отверстие закрывается. В клапанах обратного действия при движении плунжера вниз проходное отверстие открывается.

Большую часть выпускаемых клапанов можно перевести с прямого на обратное действие без существенных переделок.

При выборе регулирующего клапана следует учитывать характер его работы. Например, если требуется установить клапан длярегулирования давления пара, поступающего в объект, и он устанавливается на главном трубопроводе, то клапан должен быть прямого действия. Выполнение этого условия предусматривает бесперебойную подачу пара в объект в случае порчи клапана. При регулировании подачи газа к печам, наоборот, следует установить клапаны обратного действия. В этом случае при порче регулятора клапан приоткроет доступ топливного газа в печь. В месте установки регулирующих клапанов необходимо предусматривать обводные линии, чтобы на случай неисправности клапана иметь возможность пропустить поток, минуя неисправный участок. Расход регулируемого вещества (несжимаемой жидкости) через проходное сечение клапана определяется уравнением

(2)

где Q — расход, м³/сек;

- безразмерный коэффициент расхода;

F — площадь проходного сечения, м², изменяющаяся в результате перемещения штока; h — перепад давления перед клапаном и после клапана, кгс/м²;

— объемный вес протекающего вещества, кг/м³;

g — ускорение силы тяжести, м/сек².

В приведенной формуле при линейно измеряющейся площади проходного сечения F и постоянном значении — 2g отклонение расхода от линейной зависимости может происходить за счет изменения величины коэффициента расхода. Поэтому для получения характеристики клапана, близкой к идеальной, необходимо, чтобы его конструкция обладала формой, учитывающей изменение коэффициента расхода при перемещении плунжера. Это достигается за счет профиля рабочей поверхности клапана.

Идеальная характеристика клапана сохраняется лишь при постоянном перепаде давления, в противном случае рабочая характеристика отличается от идеальной.

Параболистическая характеристика клапана может быть выражена уравнением параболы с вершиной в начале координат

(3)

где у — ход штока клапана, %;

Q — расход среды, протекающей через клапан, %;

А — постоянный коэффициент, который определяется экспериментально для данной конструкции клапана.

Чтобы получить логарифмический закон изменения проходного сечения клапана, необходимо иметь профиль проходного сечения, удовлетворяющий зависимости:

где А и С — постоянные коэффициенты, определяемые опытным путем для данной конструкции клапана.

Конструкция клапана с логарифмической характеристикой приведена на рис. 13. Клапан состоит из корпуса 1 с фланцем 2. Внутри корпуса сделано седло 3, в которое входит плунжер 4 с переходными окнами. Последние расположены в два яруса и имеют очертания, отвечающие логарифмической кривой. К верхней части плунжера прикреплен шток 5. С верхней и нижней частей корпус закрывается крышками 6 и 7. Для уменьшения трения в клапане установлен сальник 8.

Рис. 13. Регулирующий клапан с логарифмической характеристикой.

Уплотнение в сальнике достигается подачей на шток с помощью масленки 9 и винта 10 густой смазки, заполняющей полость специальной втулки 11.

Регулирующие заслонки

Регулирующие (дроссельные) заслонки получили широкое применение для регулирования потока газа и пара при небольшом избыточном давлении или вакууме в трубопроводах большого диаметра. Это объясняется их конструктивной простотой, достаточно хорошими регулировочными свойствами и небольшими потерями давления. Прямоугольные заслонки имеют наименьшую зависимость между степенью открытия и приростом проходного сечения.

Рис. 14. Регулирующая заслонка с мембранным приводом пневматического действия.

На рис. 14 показана регулирующая заслонка с пневматическим мембранным приводом. Заслонки могут иметь также гидравлический и электрический приводы. Заслонка является регулирующим органом неуравновешенного типа. При протекании через заслонку газа или другого вещества возникает реактивный вращающий момент, который стремится закрыть заслонку.

Величина реактивного момента может быть определена по формуле

кг/см,

где — коэффициент, зависящий от угла поворота заслонки; h — перепад давления газа, кгс/см²; d — диаметр заслонки, см.

Диаметр круглой заслонки, предназначенной для газов и воздуха, может быть определен по формуле

(4)

где d — диаметр заслонки, см;

Q — максимальный расход газа или воздуха, м³/час

— вес единицы объема газа или воздуха, кг/м³; h — перепад давления в заслонке, мм вод. ст.

Для регулирования газовых потоков в трубопроводах большого сечения применяются поворотные многолопастные регулирующие заслонки.

Регулирующие электрические органы

В качестве электрических регулирующих органов применяются реостаты, угольные столбы и фазовращатели.

Реостаты обычно применяются проволочные с плавным или ступенчатым изменением сопротивления. В некоторых случаях применяются жидкостные реостаты. Ввиду неэкономичности этого способа регулирования он имеет ограниченное применение, особенно в мощных цепях. Угольные столбы применяются при небольшой мощности в цепи.

Фазовращатели находят широкое применение для регулирования скорости исполнительных двигателей постоянного тока, питаемых от ионных приборов. В качестве фазовращателей используются фазовращающие мосты, индукционные фазовращатели и др. В фазовращающем мосте вращение фазы осуществляется посредством изменения величины активного r или реактивного x сопротивлений, включенных в плечи фазового моста. В индукционном фазовращателе вращение фазы осуществляется путем поворота ротора.

Характеристики регулирующих органов.

Регулирующие органы принято оценивать по ряду показателей, наиболее важными из которых являются: пропускная способность, диаметр условного прохода, характеристики - конструктивная и расходные.

Зависимость между расходом вещества и площадью проходного сече­ния, образуемого затвором регулирующего органа, определяется по формуле:

где  - коэффициент расхода, f- площадь проходного сечения, м², ρ - плотность потока, кг/м³, Р - перепад давления на затворе, Н/м².

При перепаде давления Р расход вещества через регулирующий орган определяется площадью проходного сечения f и коэффициентом α. Для определения диаметра клапана универсальных формул нет. Для каждой конструктивной разновидности регулирующего органа имеются свои значения коэффициента расхода. Ниже приводятся формулы, наиболее часто используемые при расчете регулирующих органов.

После преобразования формула для расхода запишется в виде

K_v - коэффициент, называемый пропускной способностью и имеющий размерность м².

K_v = A f , где А - числовой коэффициент.

Из последней формулы следует, что при прочих равных условиях величина K_v зависит от проходного сечения регулирующего органа. А это значит, что каждому положению затвора соответствует определенное значение K_v. При полном открытии регулирующего органа пропускная способность максимальна.

Коэффициент K_v позволяет сравнить между собой регулирующие органы различных видов и размеров. Так как плотность сжимаемой среды (газ, пар) за регулирующим органом меньше, чем перед ним, то при определении расхода Q по уравнению в него вводятся соответствующие поправки на сжимаемость.

Ниже приводятся формулы, по которым определяют пропускную способность K_v клапанов и заслонок.

Для жидкости

Для газов

При

При

Для пара

При

При

здесь Q - расход жидкости, м³ /с; Р₁ - давление перед регулирующим органом, Н/м² ; Р₂ - давление за регулирующим органом, Н/м² ;  - плотность жидкости, кг/м³; Q_н - расход газа при 0°С и 760 мм рт. ст., м³/с; _н - плотность газа при 0 ⁰С и 760 мм рт. ст., кг/м³ ; Т₁ — абсолютная температура газа до регулирующего органа, К; W - расход пара, кг/с; ₂ - плотность пара при Р₂ и t₁; ₁ - плотность пара при 0,5 P₁ и t₁.

Обычно определяют максимальную пропускную способность K_{V max}, которая имеет место при наименьшем перепаде давления. Условная пропускная способность K_Vy должна быть ближайшей большей по отношению к K_{V max}. По найденному значению K_Vy и выбранной характеристике регулирующего органа определяют диаметр условного прохода D_y.

1