Поверхностный подход, недооценка важных качественных и эксплуатационных аспектов, но, прежде всего, отсутствие органичного проекта по внедрению таких устройств в установку, наоборот, являются основными причинами выделенной неэффективности.
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ
Термостатические клапаны – это устройства, которые, помимо выполнения обычных функций радиаторных клапанов (изоляция одиночного радиатора, балансировка), также способны регулировать температуру окружающей среды в помещениях, в которых они установлены.
Для выполнения такой важной функции термостатические клапаны должны иметь четко определенные технические характеристики, чтобы можно было сделать правильный выбор как с учетом особенностей системы, в которой они будут работать, так и с учетом потребностей пользователя.
Поэтому мы определяем термостатический клапан как устройство для перекрытия потока жидкости и регулирования температуры окружающей среды, которое воздействует на расход проходящего через него теплоносителя.
Основными частями, из которых состоит термостатический клапан, являются:
– датчик или чувствительный элемент, который в соответствии с обнаруженными диапазонами температур приводит в движение систему поршень/затвор;
– корпус клапана;
– затвор.
ДАТЧИК
Датчик или чувствительный элемент можно разделить на три типа: восковое расширение; расширение газа; расширение жидкости.
Расширение воска
Он состоит из жесткого корпуса, заполненного воском, который при повышении температуры окружающей среды расширяется и толкает затвор к закрытию, преодолевая сопротивление пружины предварительного натяжения.
Это самые дешевые датчики, но они характеризуются очень длительным временем отклика (более 35 минут), так как воск должен глобально нагреваться за счет чистой проводимости.
По расширению газа
В этом случае жесткая оболочка заполнена газом или паром, находящимся в равновесии с небольшим количеством жидкости. Механизм действия идентичен предыдущему.
Эти датчики имеют очень быстрое время отклика (5–10 минут), поскольку термочувствительная жидкость нагревается за счет теплопроводности и конвекции; при наличии высоких перепадов давления может произойти нежелательное открытие затвора.
По расширению жидкости
В жестком корпусе находится жидкость, обычно спирт, ацетон или смеси органических жидкостей, подобные тем, что используются в термометрах. При повышении температуры жидкость расширяется, закрывая заслонку, в отличие от пружины предварительного сжатия.
В настоящее время они являются наиболее часто используемыми датчиками, поскольку они обеспечивают хорошее время отклика (15–25 минут) без каких-либо проблем при высоких перепадах давления.
Термостатический клапан для однотрубной разводки с датчиком расширения жидкости. Возможность регулировки межосевого расстояния между патрубками нагнетания и возврата делает продукт особенно гибким и легко адаптируемым даже в устаревших системах (FAR Rubinetterie).
КОРПУС КЛАПАНА
Это место, где находятся поршень и затвор; кроме того, поскольку это «канал», по которому проходит переносная жидкость (вода), его форма чрезвычайно важна для образования любой турбулентности в потоке жидкости, являющейся причиной акцентированных локальных перепадов давления, а также нежелательных шумов.
ЗАТВОР
Это подвижный компонент, объединенный с поршнем, который своим движением изменяет сечение прохода жидкости до тех пор, пока не закроет/откроет его полностью.
Изменяя свое положение между открытым и закрытым положениями, затвор позволяет изменять давление и скорость потока жидкости.
Затвор в основном бывает двух типов:
– диск или пластина, что является наиболее распространенной моделью и обеспечивает хорошую регулировку;
– игольчатый (с конической или усеченно-конусной формой), позволяющий получать малые вариации дроссельного сечения при больших перемещениях поршня.
Подходящим образом формируя геометрию затвора, можно определить регулирующую характеристику клапана (расход жидкости в зависимости от хода затвора).
Быстро открывающийся затвор
Это пластинчатая модель, в которой увеличение расхода происходит почти исключительно в первой части хода; дальнейшие приращения открытого положения вызывают почти незначительное увеличение расхода. Обычно он используется в системах управления «все ничего», когда требуется более или менее постоянный поток за пределами определенной степени открытия.
Линейный затвор
Он обеспечивает линейность между ходом затвора и скоростью потока, проходящего через корпус клапана.
Он применяется, когда дифференциальное давление в процессе эксплуатации не претерпевает заметных изменений или в процессах с ограниченными изменениями расхода. Профиль затвора обычно параболический.
Равнопроцентный затвор
При одинаковом перепаде давления этот тарельчатый клапан обеспечивает постоянное процентное увеличение расхода при равных шагах хода открытия.
Особенность этой схемы заключается в подаче большей части расхода в последней доле открытия.
Пример механизма предварительной регулировки: внутри устройства (1) с помощью специальной накидной гайки (2) можно выбрать определенные участки прохода (3), которые соответствуют разным значениям kv. Рабочий участок обозначен (4) градуированной шкалой (Калеффи).
ВЫБОР И УСТАНОВКА
Поскольку термостатический клапан является устройством для регулирования температуры в помещении, регулируя скорость потока, циркулирующего в нагревательном элементе, к которому он управляется, важно, чтобы он мог действовать постепенно от 0% до 100% мощности, излучаемой нагревателем. терминальна и пропорциональна изменению некоторых значимых параметров.
Для правильного выбора и установки термостатического клапана необходимо учитывать несколько элементов:
– гистерезис;
– номинальная подъемная сила;
- постоянная времени;
– коэффициент расхода k v;
– зона пропорциональности;
- орган власти;
– максимальный перепад давления.
гистерезис
Это неточное соответствие поведения системы напряжению, распространяющемуся одинаково в одном направлении и в противоположном направлении. В случае термостатических клапанов гистерезис представляет собой разницу температур между кривыми открытия и закрытия, полученными при одинаковом расходе.
Совершенная система, свободная от ошибок, должна иметь нулевой гистерезис, т. е. положение штока в зависимости от температуры окружающей среды должно быть одинаковым как для циклов открытия, так и для закрытия.
Из-за трения в действительности значения гистерезиса находятся между 0,1°К и 0,8°К.
Клапаны хорошего качества должны иметь низкие значения гистерезиса (0,2°K – макс. 0,4°K).
Номинальный подъем
Это ход в миллиметрах, который выполняет затвор при изменении температуры термостатической колбы, равном 2°К, начиная с закрытого положения.
Согласно моделям номинальный подъем имеет значение от 0,3 мм до 0,8 мм, а максимальный подъем может достигать 2 мм.
Диапазон между закрытием и номинальным подъемом представляет собой эффективный рабочий диапазон термостатического клапана.
Постоянная времени
Указывает время, за которое заслонка проходит 63 % всего хода, необходимого для достижения номинального подъема; это показатель того факта, что изменение контролируемого параметра никогда не бывает немедленным.
Постоянная времени зависит от типа элемента, используемого для измерения количества, а также от материала и массы, участвующих в операции регулирования.
Следовательно, каждая модель конкретного производителя характеризуется своей постоянной времени, которая, как правило, различна для аналогичных устройств других производителей.
Постоянная времени встречается во всех системах измерения любой физической величины (температуры, влажности, давления и т. д.).
В области теплотехники важно иметь датчики с различными постоянными времени в зависимости от применения.
Что касается термостатических клапанов, то постоянная времени зависит не только от типа используемого датчика и его тепловой инерции, от трения движущихся частей и от перепада давлений.
Термостатический клапан с предварительной настройкой и датчиком расширения жидкости. Видны калиброванные отверстия, которые позволяют варьировать kv от 0,045 м 3 /ч до 0,32 м 3 /ч (Ивар).
Коэффициент расхода k v
Зона пропорциональности
Это показательный параметр способности термостатического клапана эффективно регулировать контур.
Он выражается соотношением между локальным перепадом давления на клапане и общим перепадом давления на участке контура, в который вставлен клапан (клапан + радиатор + запорный клапан в сборе), в полностью открытом состоянии.
Когда полностью открытый клапан имеет очень большое падение давления по сравнению с перепадом давления в контуре (синоним «маленького» клапана по сравнению с требованиями), авторитет стремится к 1, т. е. имеет место бесполезная трата энергии с риском затруднений необходимый диапазон.
Когда клапан, всегда в условиях максимального открытия, обеспечивает очень малый перепад давления по сравнению с перепадом давления в регулируемом контуре, авторитет стремится к нулю; в этой ситуации (соответствующей клапану, превышающему потребности) модуляция расхода практически невозможна, и единственная возможная регулировка - это регулировка «все или ничего».
При установке регулирующих клапанов, таких как термостатические клапаны, в систему вводятся перепады давления, которые при правильном расчете могут дать значительные преимущества с точки зрения эффективного регулирования расхода.
Оптимальный баланс достигается, когда перепад давления на полностью открытом клапане примерно соответствует падению давления на остальной части контролируемой ветви: это означает, что значение авторитета составляет около значения 0,5.
Максимальный перепад давления
Это важная особенность узла седла клапана/плунжера, то есть секции, предназначенной для управления потоком воды, поступающей в радиатор.
Термостатические клапаны, как правило, являются двухходовыми клапанами (за исключением однотрубных клапанов), поэтому существует проблема максимальной разницы давлений между входной и выходной секциями.
Высокие перепады давления вызывают сильное ускорение воды при прохождении через обтуратор, что приводит к значительному рассеиванию механической энергии в виде вихрей с неизбежным излучением шума.
И наоборот, когда клапан закрыт, возможны вредные утечки.
Эти недостатки напрямую связаны с усилием, которое способен развивать термодатчик, с геометрической формой проходов внутри корпуса клапана и др.
Для достижения приемлемого значения перепада давления следует помнить, что наиболее важным фактором является тип используемой лампы или термодатчика.
Что касается этого конкретного аспекта, то фактически предпочтительнее использовать термостатические колбы, использующие несжимаемую жидкость, поскольку газовые колбы в большей степени подвержены неконтролируемому открытию из-за высоких значений перепада давления.
Для обеспечения бесшумной работы максимальный перепад давления не должен превышать 30 кПа.
Предустановка
По сути, он состоит в уменьшении хода открытия затвора клапана таким образом, что в соответствии с этим переменным максимальным пределом открытия и имеющимся напором на клапане допускается только циркуляция расчетного расхода.
На самом деле остаточный ход затвора не имеет смысла, так как увеличение расхода сверх расчетного вызывает небольшое увеличение тепловой мощности, излучаемой радиатором, однако на фоне серьезного дисбаланса в остальной части системы.
Таким образом, предварительная регулировка представляет собой механизм, способствующий оптимальному распределению жидкости-носителя в системе, прежде всего во время переходных процессов, требующих полного открытия клапанов, таких как:
– при пуске с холода после ночной остановки;
– при затухающей работе;
– при резких изменениях условий окружающей среды (открытие окон) или контрольной уставки.
Различная мощность, обеспечиваемая различными нагревательными элементами, присутствующими в системе, а также их различное положение по отношению к циркуляционной системе, подчеркивают необходимость обеспечения определенной степени предварительной регулировки для каждого отдельного нагревательного элемента.
Динамический термостатический клапан представляет собой единое устройство, способное выполнять две функции: терморегуляцию излучаемой мощности и стабилизацию перепада давления для каждого отдельного радиатора (Danfoss).
Динамические термостатические клапаны
Особенно при наличии обширных распределительных сетей и, следовательно, высоких перепадов давления, перепады давления, создаваемые на отдельных термостатических клапанах во время обычной работы, могут неизбежно достигать чрезмерных значений из-за модуляции всех или части остальных клапанов, подключенных к система.
Фактически внутренние или внешние факторы определяют постоянное изменение потребности в тепле в отдельных помещениях; термостатические головки реагируют на эти тепловые изменения, изменяя положение заслонки. Закрытое или близкое к закрытому положение вызывает избыточное давление и увеличение скорости потока в остальных радиаторах, создавая условия дискомфорта (шум, чрезмерное тепло, колебания температуры и т. д.).
Наиболее эффективное вмешательство для противодействия этим неудобствам состоит в обеспечении стабильного давления, доступного для отдельных оконечных устройств, независимо от того, что происходит в остальной части системы.
Другими словами, речь идет о балансировке системы таким образом, чтобы правильный поток воды распределялся на каждый радиатор при любых возможных условиях нагрузки.
Применение циркуляционных насосов с переменным числом оборотов вместе с автоматическими уравновешивающими устройствами в основании вертикальных колонн способно значительно смягчить вышеупомянутые обстоятельства.
Проблема находит почти решающее решение, когда на каждом радиаторе происходит стабилизация давления. Это цель динамических термостатических клапанов, которые объединяют две функции в одном устройстве: предварительная регулировка хода тарелки и автоматическая регулировка перепада давления.
Это обеспечивает постоянный перепад давления на клапане и, следовательно, постоянный максимальный расход через него.
В идеально сбалансированной системе явно снижается амплитуда колебаний температуры в помещении, что позволяет снизить уставку регулирования.
ВЫВОДЫ
Из вышеизложенного понятно, что термостатический клапан представляет собой сложное устройство, которое может предложить важные преимущества, только если оно известно во всех своих технических аспектах, правильно установлено, но, прежде всего, если оно включено в проект органической терморегуляции, который сталкивается и оценивает правильная балансировка всей системы.
Недостаточно (как это часто бывает) полагаться на способность модуляции электронных циркуляционных насосов: очень часто современные насосные группы частично совместимы с отдельными регулирующими устройствами или в любом случае должны быть адаптированы к логике управления системой.
Нет смысла говорить о качестве системы отопления, если она не позволяет покомнатно регулировать температуру в помещении и поддерживать ее во времени.
Принятие правильной процедуры проектирования в отношении системы терморегуляции является фундаментальным шагом в достижении конкретных и ощутимых результатов с точки зрения теплового комфорта и экономии энергии при управлении коллективными системами отопления.
