книги из ГПНТБ / Сафонов А.П. Автоматизация систем централизованного теплоснабжения

б) двустороннего действия, в которых управляющая среда подается по обе стороны мембраны.

Следует отметить, что для односедельных регулирую­ щих клапанов большого диаметра находят применение два мембранных устройства, одно из которых действует на открытие клапана, а второе — на его закрытие.

Мембранные исполнительные механизмы получили большое распространение в пневматических регулято­ рах. Наиболее часто применяются мембранные испол­ нительные механизмы с возвратно-поступательным дви­ жением (прямоходные), конструктивно объединенные с регулирующими органами, и реже — рычажные. Мем­ бранно-пружинные прямоходные исполнительные меха­ низмы МИМ могут быть собраны (в зависимости от за-' каза) прямого или обратного действия. В мембранных исполнительных механизмах прямого действия при повы­ шении давления среды в рабочей полости присоедини­ тельный элемент выходного звена отдаляется от плоско­ сти заделки мембраны. В мембранных исполнительных механизмах обратного действия при повышении давле­ ния среды в рабочей полости, присоединительный эле­ мент выходного звена приближается к плоскости заделки мембраны.

Мембранные исполнительные механизмы типа МИМ выпускаются промышленностью для регулирующих кла­

Полное перемещение штока МИМ осуществляется при изменении давления воздуха от 0,02 до 0,1 МПа. Давление сжатого воздуха в мембранной камере при диаметре заделки мембраны до 160 мм не должно пре­ вышать 0,4 МПа, а при диаметре заделки мембраны 200 мм более 0,25 МПа.

Получили также достаточно широкое распростране­ ние мембранные пневмоприводы, конструктивно выпол­ ненные совместно с регулирующими клапанами 25ч30нж

* ВЗ — воздух закрывает; ВО — воздух открывает.

площадь условного поршня, находящегося под воздей­ ствием среды данного давления и развивающего при этом усилие, равное усилию мембраны. В обще-м случае величина эффективной площади зависит от ряда факто­ ров, в том числе от прогиба мембраны.

При незначительном прогибе мембраны с жестким

где D — диаметр заделки мембраны; Dm— диаметр же­ сткого центра (диска); p—Dm/D — отношение диаметра жесткого центра к диаметру заделки мембраны.

Последнюю формулу удобнее написать в виде

Величину х называют коэффициентом эффективности при нулевом прогибе мембраны.

Для определения эффективной площади мембраны при больших ее прогибах Ликганом были выведены сле­ дующие формулы;

3\/r5hl~5z2

где х — коэффициент эффективности при нулевом про­ гибе -мембраны; 2 — прогиб мембраны от -нейтрального

положения; /гм — максимальный прогиб мембраны под действием только одного давления р, когда усилие, -пе­ редаваемое на шток, равно нулю.

Величина х может быть определена по формуле (3-27)) a — по эмпирическим формулам.

77

Следует отметить, что формула (3-27) дает завы­ шенное значение величины к. Более точные результаты расчетов получаются, если в формулах (3-26) и (3-28) величину %принимать не по формуле (3-27), а по эмпи­ рической формуле |[Л. 10]:

Поскольку формула Ликтана не учитывает всего разно­ образия мембран, встречающихся в практике, а также поскольку имеющиеся теоретические формулы для опре­ деления усилия, развиваемого мембраной при больших прогибах с учетом физических свойств материала мем­

В последних формулах величина прогиба мембраны от нейтрального положения г принимается положитель­ ной, когда мембрана смещена в сторону увеличения объ-

78

ёма среды, действующей на мембрану, и отрицатель­ ной— когда мембрана смещена в сторону уменьшения этого объема.

Для установления зависимости перемещения штока и давления в мембранной камере от времени, т. е. для определения динамической характеристики мембранного привода, введем следующие упрощающие условия:

а) рассматриваем мембрану одностороннего дейст­ вия;

б) рассматриваем движение мембраны как поршня, площадь которого равна эффективной площади мембра­ ны при нулевом прогибе;

в) перемещению мембраны препятствует упругая си­ ла, обусловленная наличием жесткости мембраны и пру­ жины, а также усилие трения в сальниках регулирую­ щего клапана и усилие от перепада давления среды, действующей на плунжер (золотник).

При указанных условиях, когда давление в мембран­ ной камере закрывает регулирующий орган, уравнение движения для мембраны со штоком напишется в виде

где г — время, с; М — масса поступательно-движущихся

и прогиб ее при начальном положении, м; С — жесткость пружины возврата, Н/м; Рпл — усилие от перепада дав­ ления, действующее па плунжер (золотник), Н; Ртр — усилие трения, Н; Рп.ч — сила тяжести поступательнодвижущихся частей привода и регулирующего клапана, Н; Ргр — усилие груза возврата, Н; К — коэффициент.

Скорость движения и ускорение поступательно-дви­ жущихся частей у мембранных исполнительных меха­ низмов обычно относительно невелики, поэтому в пер­ вом приближении для упрощенных расчетов можно пре­ небречь первыми членами в уравнении (3-33).

В этом случае давление в мембранной камере можно определять по формуле

79

Силу трения между сальниковой набивкой и штоком можно определять по формуле

где d — диаметр штока, м; S — толщина набивки, м; h — высота набивки (обычно hjS = 4 -к 10) м; р — коэффици­ ент трения между сальниковой набивкой и штоком; п — коэффициент пропорциональности (обычно л— 1,4); рр— рабочее давление среды, протекающей через регулирую­ щий клапан, Па.

Для упрощения расчетов формулу (3-35) можно за­ писать в виде

Дтр-фг/Spp. (3-36)

Значения безразмерной величины ф при различных отношениях hjS и коэффициенте трения р = 0,1 (/?р<с:. ^ 2 ,5 МПа) будут следующими;

Для сальниковых уплотнений со смазкой, используе­ мых в регулирующих клапанах, можно пользоваться сле­ дующей формулой для определения усилия трения меж­ ду сальниковой набивкой и штоком:

где рт — удельная сила трения, приходящаяся на едини­ цу уплотнений поверхности штока, Па. Если d и h выра­ жать в метрах, а усилие Ртр в ньютонах, то величину удельной силы трения следует принимать рт = 2 450 Па.

плунжера z, Па; рэлл = л<72э.пЛ/4 — эффективная площадь

неразгруженного плунжера (золотника), м2. В случае применения разгруженных плунжеров в формуле (3-38) следует принимать эффективную площадь только нераз­ груженной части плунжера.

Одним из важных вопросов является определение зависимости прогиба жесткого центра мембраны (хода штока при прямоходовых регулирующих клапанах) от

80

времени. Проведенные экспериментальные исследований для регулирующих клапанов с мембранным приводом больших диаметров позволяют утверждать, что в первом приближении как при отсутствии расхода воды через регулирующий клапан, так и при наличии его скорость перемещения жесткого центра мембраны остается по­ стоянной, т. е. dzjd%= const.

Этими же исследованиями установлено, что при движении штока давление в мембранной камере в пер­ вом приближении также остается постоянным (ри.м = = const).

Скорость перемещения жесткого центра мембраны при принятых выше условиях может быть найдена из выражения

В последней формуле величина F представляет собой площадь мембраны. Если эту площадь принять равной эффективной площади мембраны при нулевом прогибе ее, то эта площадь может оказаться несколько занижен­ ной вследствие «выпучивания» мембраны и прилегания ее к внутренней поверхности мембранной камеры. В свя­ зи с этим для мембран из мягких резинотканевых мате­ риалов рекомендуется в формуле (3-39) площадь мем­ браны принимать по диаметру заделки.

Приведенные выше расчеты относились к периоду установившегося движения жесткого центра. Однако, как показывают экспериментальные исследования, пере­ мещение жесткого центра мембраны начинается не сразу после нанесения возмущения по регулируемой величине, а только через некоторое время. Время запаздывания начала движения жесткого центра мембраны зависит от конструктивных размеров мембраны, свойств ее мате­ риала и давления в мембранной камере.

3-4. РЕГУЛИРУЮЩИЕ ОРГАНЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ-

а) Общие сведения о регулирующих органах

иих характеристиках

Всистемах теплоснабжения регулирующее воздей­ ствие на объект регулирования обычно сводится к из­ менению расхода среды на притоке или стоке объекта регулирования.

Изменение расхода регулируемой или регулирующей Среды осуществляется путем изменения площади про­ ходного сечения регулирующего органа, где происходит процесс дросселирования.

Основными типами регулирующих органов являются регулирующие клапаны и заслонки. В трубопроводных системах, находящихся под повышенным и высоким дав­ лением среды, в качестве регулирующих органов наибо­ лее широкое распространение получали регулирующие клапаны. Для электронных регуляторов на тепловых пунктах систем теплоснабжения перспективными являют­ ся поворотные заслонки небольших диаметров, разра­ ботанные по авторскому свидетельству канд. техн. наук Благих В. Т.

В зависимости от числа опорных поверхностей регу­ лирующие клапаны бывают односедельные и двухседель­ ные. Односедельные регулирующие клапаны обеспечива­ ют более плотное закрытие, чем двухседельные, но вме­ сте с этим такие клапаны при больших диаметрах и значительных разностях давлений требуют больших усилий исполнительного механизма (привода). Двухсе­ дельные регулирующие клапаны практически являются разгруженными от давления среды, вследствие чего уси­ лие исполнительного механизма для них требуется зна­ чительно меньше, чем для односедельных, однако они не обеспечивают плотного закрытия.

Конструктивные формы затворов регулирующих кла­ панов весьма разнообразны. Основными из них явля­ ются:

а) плунжеры тарельчатые плоские и с фаской; б) плунжеры конические; в) золотники цилиндрические полые с окнами; г) плунжеры специального профиля.

К особой группе относятся трехходовые смеситель­ ные клапаны. Эти клапаны регулируют смещение двух сред, поэтому имеют два седла, через которые произво­ дится подача смешиваемых сред. Смесь поступает в ка­ меру смешения, а затем направляется к выходному па­ трубку. Трехходовые клапаны в системах теплоснабже­ ния находят применение при непосредственном водоразборе из тепловых сетей для смешения потоков воды из подающего и обратного трубопроводов с целью обеспечения постоянной температуры воды, поступаю­ щей в систему горячего водоснабжения. Эти же клапаны

8 2

находят применение на смесительных подстанциях те­ пловых сетей.

Основными параметрами, характеризующими регули­ рующие клапаны при полном их открытии, являются

"вающий. какую часть плошали у с л о в н о г о прохода со-

ставляет площадь прохода между затвором и седломклапана при полном (максимальном) перемещении затворащ/Су- — условная (при полном условном перемеще­

лить фактический расход воды (т/ч) через полностью открытый регулирующий клапан при произвольной по­

можно определять массовый расход в тоннах за час, подставляя в нее значения потерь давления Ар и Ару, выраженные в паскалях или мегапаскалях.

Значения величин условной пропускной способности для различных типов и диаметров прохода регулирую­ щих клапанов приводятся в каталогах.

Для ориентировочных расчетов условной пропускной способности регулирующих клапанов при полном их от­

где K v — условная пропускная способность регулирую­

щего клапана, т/ч, при Ару=1 кгс/см2; U — удельная

условная пропускная способность регулирующего кла­ пана, т/(ч -см 2), при А/?у = 1 кгс/см2; /у — площадь ус­

ловного прохода, см2.

Значение величины U для различных типов регули­

клапаны при различной степени их открытия, являются

мещение затвора (степень открытия регулирующего кла­ пана); f — текущее значение площади открытого сечения

ный к скорости потока среды в условном проходе; а— коэффициент расхода регулирующего клапана; а — про­ водимость регулирующего клапана— массовый или объ­ емный расход воды (р = 1 000 кг/м3) через регулирую­

щий клапан при перепаде давления в нем, равном еди­ нице принятой размерности. (Величина а, принятая в ли­ тературе по теплоснабжению, соответствует пропускной способности Kv регулирующего клапана.)

84

Массовый и объемный расходы жидкой среды через регулирующий клапан при различной степени его от­ крытий можно определять по формулам

определяют через проводимость а регулирующего кла­ пана по формуле (2 -10 )

На расход среды через регулирующий клапан при различной степени его открытия и заданной потере дав­ ления в нем основное влияние оказывает площадь от­ крытого сечения, а последняя зависит от конструктив­ ного выполнения регулирующего клапана. Поэтому вво­ дят понятие о конструктивной характеристике, которая представляет зависимость площади прохода между за­ твором и седлом регулирующего клапана от величины перемещения затвора. Эта зависимость может быть дана как в абсолютных, так и относительных величинах, т. е. /=*ф(г) или f y= ip(z).

§5