2.1.1. Введение.

В результате изучения введения студент должен четко представлять роль исполнительного устройства в системе управления, его влияние на качество переходных процессов.

В качестве исполнительных устройств для целей регулирования техноло­гических процессов могут использоваться: трубопроводная арматура, допус­кающая возможность сочленения с автоматизированным приводом; направ­ляющие аппараты тягодутьевых агрегатов; специальные приспособления и устройства, технологическое оборудование и агрегаты, обеспечивающие полу­чение регулирующего воздействия; реостаты, автотрансформаторы и другие элементы электрических цепей; клапаны - устройства, выпускаемые как за­конченные изделия, не требующие дополнительных работ по сочленению их функциональных блоков.

Среди исполнительных устройств особое место занимают стандартные исполнительные устройства - клапаны для изменения расхода жидкости, газа, пара в соответствии с командным сигналом регулятора. Особенность этих уст­ройств состоит в том, что они, являясь, с одной стороны, элементами гидрав­лической системы, должны обеспечить пропуск необходимого количества вещества в объект управления. С другой стороны, их статические и динамические характеристики, как элементов системы автоматического управления, должны удовлетворять систему регулирования.

Кроме того, двойственность положения P.O. в САР состоит в том, что он является носителем корректирующего сигнала, что проявляется в изменении расхода вещества путем перемещения затвора в соответствии с величиной ко­мандного сигнала, а также источником возмущающих воздействий, связанных с изменением расхода без перемещения затвора за счет изменения параметров регулирующей среды.

Необходимо обратить внимание на параметры и характеристики дрос­сельных P.O., классификацию исполнительных устройств. Только в этом слу­чае можно легко ориентироваться в изучаемом материале.

Краткое знакомство с конструкционными материалами для деталей регу­лирующих органов дает представление об их коррозионной и эрозионной стойкости и областях возможного применения.

2.1.2. Дроссельный P.O. — элемент гидравлической системы.

В этом разделе решаются вопросы выбора типоразмера P.O., т.е. необхо­димо выбрать регулирующий орган с такими D_у и K_vy, чтобы можно было обеспечить пропуск в объект максимально возможного в процессе регулирова­ния количества вещества.

Так как источники напора имеют различные характеристики, используют­ся следующие способы управления потоком регулируемой среды: исполни­тельное устройство расположено последовательно с объектом управления и пропускает через себя все количество поступающей в объект среды; последо­вательное расположение ИУ и объекта управления с разделением потока и па­раллельное расположение P.O. и объекта управления с распределением между ними потока среды от источника напора.

При последовательной схеме управления потоком располагаемый напор используется на преодоление потерь давления в трубопроводной сети и регу­лирующем органе.

Уравнение Бернулли, используемое для вывода уравнения течения среды через регулирующий орган, позволяет получить упрощенную одномерную мо­дель, справедливую только для течения жидкости при турбулентном режиме Если рассмотреть зависимость расхода жидкости от функции перепада давления на исполнительном устройстве √ΔР_РО при фиксированном положе­нии затвора, то можно увидеть, по крайней мере, четыре области с различной функциональной зависимостью. Линейной зависимости расхода от √ΔP_РО со­ответствует бескавитационный турбулентный режим с числом Рейнольдса Re, при котором пропускная способность может быть определена по формуле:

где Q - объемный расход жидкости в м³/ч; ρ - плотность жидкости кг/м ; ΔР_Ро= P₁-Р₂ - перепад давления на исполнительном устройстве в Мпа.

Для области ламинарного и переходного режимов расход характери­зуется заниженными значениями, поэтому в этих случаях должен вво­диться корректирующий коэффициент, определяемый режимом течения жидкости.

С момента начала кавитации при турбулентном режиме течения зависи­мость расхода от перепада также становится нелинейной. Расход парожидкостной смеси снижается, а при дальнейшем повышении перепада давления на P.O. после некоторого значения расход вообще перестает быть функцией пе­репада √ΔP_ро . Образующаяся парожидкостная смесь «запирает» исполнительное устройство, т.к. ее скорость достигает критического значения и не может превзойти его, несмотря на дальнейшее увеличение перепада давления.

Кавитация крайне неблагоприятно отражается на работе P.O. В местах разрушения каверн выделяется большое количество энергии, что влечет за со­бой появление шума, вибраций, способствует усилению коррозионных и эро­зионных процессов.

Обеспечение работы P.O. в бескавитационном режиме может быть дос­тигнуто несколькими способами:

1. Монтировать Р.О, как можно ближе к источнику напора, чтобы давление на его входе было максимальным;

2. Выбрать P.O. с большим коэффициентом начала кавитации;

3. Для некоторых типов И.У. увеличение коэффициента начала кавитации можно достигнуть изменением направления потока регулирующей среды;

4. Последовательной установкой двух одинаковых исполнительных уст­- ройств.

Если на практике условия бескавитационной работы И.У. не удается обеспечить, то определяют эффективный перепад давления ΔР_т , при котором еще можно регулировать расход, по формуле:

ΔP_m = K_m ( P₁ - r · P_НП )

где К_т- коэффициент кавитации, определяемый конструкцией И.У., сте­пенью его открытия и направлением потока среды; r - поправочный коэффициент; Рнп - абсолютное давление насыщенных паров при температуре дросселирования.

В этом случае максимальный расход через ИУ в кавитационном режиме определяют с учетом эффективного перепада давления

При ламинарном и переходном режимах течения жидкости вводится по­правка на вязкость, а по существу, поправка на нетурбулентность течения. По­правка на вязкость для односедельных, двухседельных и заслоночных РО при открытом положении приведена в ГОСТе 16443-70. Приведенные в нем зави­симости осреднены и не отражают индивидуальных особенностей РО, поэтому графики поправки на вязкость можно использовать только для ориентировоч­ных расчетов.

Для сжимаемых сред в связи с изменением давления по тракту поменяется и плотность. Поэтому применение уравнения Бернулли в интегральной форме для описания течения газа возможно при условии, что плотность постоянна и равна некоторому фиктивному значению (усредненная плотность).

В технической литературе для определения усредненной плотности с уче­том уравнения состояния используются значения давления P₁ и температуры T₁ на входе РО, давления Р₂ на выходе РО и температуры Т₁ и среднего давле­ния (P₁+P₂)/2 и температуры T₁

Формулы для определения расхода газа с использованием усредненной плотности можно применять только для докритических режимов течения газа. При критическом режиме, когда перепад давления на РО ориентировочно пре­вышает половину давления на его входе {ΔРро>Р₁/2), расход уже не зависит от перепада, а определяется только давление P₁. При докритическом режиме те­чения газа уравнение расхода принимает вид:

где под Р_эф понимается давление, при котором определяется ρ_Эф.

Более удобным является универсальное уравнение, которое справедливо и для докритического, и для критического режимов движения газа. Расход газа через ИУ зависит не только от термодинамических свойств газа или пара, но и от коэффициента критического расхода, определяемого конструкцией регули­рующего органа.

Выведенные уравнения расхода с определенными ограничениями могут быть использованы для расчета пропускной способности РО и выбора его ти­поразмера.

Зависимость пропускной способности от хода затвора РО носит название пропускной характеристики. Регулирующие органы с профилируемым затво­ром выпускаются со стандартными характеристиками: линейной и равнопро-центной. Но пропускная характеристика определяет расход жидкости через РО при определенных условиях без учета влияния трубопроводной линии.

Рассматриваемый напор в системе распределяется между потерями дав­ления в трубопроводной линии и перепадом давления на РО. Поэтому расход в

сети при постоянном располагаемом напоре зависит от соотношения пропуск­ных способностей трубопровода и РО.

Легко показать, что относительный расход жидкости через РО в условиях эксплуатации можно определить по формуле:

где q = Q_mекJQ_max — расходная характеристика системы «трубопровод-Р.О.»,

σ = Кv/Кv₁₀₀ - пропускная характеристика,

п = - гидравлический модуль.

Текущее значение пропускной способности определяется по формуле: для линейной характеристики:

σ = σ_о + (1 - σ_о) · l

для равнопроцентной характеристики:

σ = σ_о^1-l

В приведенных формулах - относительный ход (степень открытия P.O.), - начальная пропускная способность (при линейной характери­стике = 0...0.05, при равнопроцентной — 0.01...0.05).

Так как для определения пропускной способности требуется определение перепада давления на P.O., то для определения давлений до P.O. P₁ и после не­го Р₂ находят потери давления в трубопроводной линии. Для этого может быть использована формула Дарси-Вейсбаха

ΔР - потери давления на любом элементе гидравлической системы, Па;

W - средняя скорость в сечении, м/с;

ρ - плотность, кг/м³;

ζ- коэффициент гидравлического сопротивления.

Для большинства местных сопротивлений в справочниках приводятся их усредненные значения или простые формулы для их вычисления. Если трение жидкости о стенки трубы считать также местным сопротивлением, то ζ = λ ·l/ d,

где λ - коэффициент трения; l - длина трубопровода, м; d - внутренний диаметр трубы, м.

Коэффициент трения зависит от режима течения (критерий Рейнольдса Re) и относительной шероховатости трубы. Предложено большое количество эмпирических и полуэмпирических зависимостей. Наиболее часто использу­ются при ламинарном режиме течения (Re < 2000)

при переходном и турбулентном режимах (Re>2000)

для гидравлически гладких труб (Re<27 ):

при 2000<Re<4000 λ=0.032+4·10^-6(Re-2000)

при Re>4000 λ=

для шероховатых труб:

при

при

Поправочные коэффициенты К_о на сварные швы вводятся в зависимости от диаметра трубопровода, или пользуются усредненным значением К_о=1.18.

В результате изучения данного раздела студент должен получить пред­ставление об особенностях гидравлического расчета P.O., влиянии сопутст­вующих явлений на пропускную способность, влияние трубопроводной линии на расходные характеристики. Раздел является основой для методики расчета и выбора типоразмера P.O.