Выбор между поворотным клапаном и шаровым клапаном обычно зависит от конкретной задачи: поворотные клапаны отличаются компактным корпусом и меньшими потерями давления в полностью открытом состоянии, тогда как шаровые регулирующие клапаны подходят для точного дросселирования. Выбирайте поворотный клапан для задач отсечки с большим расходом, а шаровой регулирующий клапан — в случаях, когда требуется стабильное регулирование.
| Коэффициент отбора | Двустворчатый клапан | Шаровой вентиль |
|---|---|---|
| Рабочее движение | Вращающийся диск; как правило, угол поворота составляет 90° от закрытого до полностью открытого положения | Линейное перемещение поршня или диска; в ручных моделях обычно используется многооборотный маховик |
| Путь потока | Относительно прямолинейный, при этом диск остается в потоке | Поток проходит через отверстие седла; форма корпуса влияет на сопротивление |
| Регулирование расхода | Подходящие схемы обеспечивают модуляцию; проверьте рабочий диапазон регулировки | Конструкции систем управления предусматривают варианты настройки для точного регулирования |
| Потери давления при полном открытии | Как правило, ниже при сопоставимых номинальных размерах и расходе | Обычно выше; уточните точный коэффициент расхода |
| Размеры и вес | Часто они короче и легче, особенно в исполнении с пластинчатыми или выступообразными креплениями | Часто они длиннее и тяжелее, при этом требуется достаточное пространство для капота и привода |
| Стоимость приобретения | Часто экономичнее при больших диаметрах | Часто выше при больших диаметрах; комплектация и тип привода влияют на цену |
| Характеристики отключения | Зависит от конструкции сиденья, номинальной нагрузки, направления и условий испытаний | Зависит от конструкции сиденья, номинальной нагрузки, направления и условий испытаний |
| Типичные области применения на начальном этапе | Водопроводные магистрали, отключение системы охлаждающей воды и соответствующее управление системой отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха | Регулирование пара, управление технологическим процессом и понижение давления |
Шариковые краны подходят для регулирования расхода, а дроссельные и поворотные клапаны обеспечивают низкое сопротивление в открытом состоянии; поворотные клапаны могут использоваться для регулирования.
Сравнение клапана-бабочки и шарового клапана
Принцип работы клапанов типа «бабочка» и «глобус»
Дроссельная заслонка регулирует расход за счет вращения диска. Клапан шарового типа изменяет степень открытия за счет перемещения заслонки или диска к седлу. Эти движения влияют как на способ регулирования расхода клапаном, так и на занимаемое им пространство.
В клапанах «бабочка» диск поворачивается поперек трубы
Дроссельная заслонка открывается при вращении её диска в направлении, совпадающем с направлением потока. При повороте в закрытое положение диск перекрывает проход и упирается в седло.
Диск остается внутри прохода даже в полностью открытом положении. Он по-прежнему частично препятствует прохождению потока, поэтому даже полностью открытый дроссельный клапан имеет потери давления.
Вы встретите конструкции с концентрическим, двойным и тройным смещением. Компания ZECO ассортимент клапанов-бабочек включает варианты со смещением и с металлическим седлом. Проверьте геометрию и схему уплотнения для конкретных условий эксплуатации: у водяного клапана с упругим седлом и технологического клапана с металлическим седлом установлены разные предельные значения.
Поворотные клапаны регулируют степень открытия седла
В обычном шаровом клапане затвор перемещается к седлу или от него, изменяя площадь проходного сечения. В ручных моделях для управления обычно используется маховик, а в автоматизированных — привод, который регулирует положение штока.
Корпус клапана с прямым проходом направляет поток вокруг седла. Корпуса с Y-образным и угловым проходом изменяют этот путь в соответствии с различными требованиями к потерям давления или эксплуатационным условиям. Компания ZECO Направляющие для шаровых кранов и ассортимент продукции объясняет эти схемы расположения элементов и перечисляет доступные конфигурации.
Линейное перемещение штока не всегда приводит к линейному расходу. Профиль заслонки и другие внутренние детали, которые в совокупности называются «тримом», определяют собственную характеристику расхода клапана.
Какой клапан обеспечивает более точное регулирование расхода?
Регулирующий клапан глобусного типа, подобранный по размеру, как правило, является первым вариантом, который следует рассмотреть для обеспечения точного и плавного регулирования расхода. Регулирующий клапан «бабочка» также может хорошо подойти, особенно при высоких расходах, если его диск, привод и рабочий диапазон соответствуют условиям эксплуатации.
Возьмем, к примеру, теплообменник, который должен поддерживать температуру на выходе при изменении нагрузки. Его клапан должен обеспечивать эффективную регулировку как при низкой нагрузке, так и при работе на пределе производственной мощности. Клапан, способный справляться с пиковым расходом, может испытывать затруднения при минимальной нагрузке.
Для любого из клапанов уточните:
- Коэффициент расхода в различных положениях хода.
- Рекомендуемый производителем диапазон регулирования.
- Расчетные условия эксплуатации при минимальном, нормальном и максимальном расходе.
- Рабочие характеристики привода и позиционера при ожидаемой нагрузке.
- Предельные значения шума, вибрации и перепада давления.
Позиционер помогает приводу достичь заданного положения, однако слишком большой клапан или неподходящая внутренняя арматура всё равно могут вызвать проблемы.
Области применения, требующие большой производительности и компактных габаритов. В документе также отмечается, что размеры и изменения технологической нагрузки имеют значение, в то время как конструкции дисков с заданными характеристиками позволяют расширить диапазон регулирования.
Прежде чем тратить дополнительные средства на привод, я бы порекомендовал ознакомиться с указанным в документации диапазоном регулирования. Более подробную информацию о положении диска и его размерах см. в руководстве компании ZECO по использование клапанов «бабочка» для регулирования расхода.
Перепад давления: сравнение при одинаковых условиях эксплуатации
При одинаковом расходе и сопоставимом номинальном диаметре полностью открытый дроссельный клапан обычно обеспечивает меньший перепад давления, чем обычный шаровой клапан. Для регулирования расхода сравните фактический степень открытия и коэффициент расхода каждого рассматриваемого варианта.
Отсечной клапан может большую часть своего срока службы находиться в полностью открытом положении, поэтому его сопротивление увеличивает напор насоса при каждой работе системы. Министерство энергетики США Возможности энергосбережения в регулирующих клапанах объясняет, что мощность, необходимая для преодоления перепада давления, растёт как с увеличением расхода, так и с увеличением величины этого перепада.
Регулирующий клапан намеренно создает изменяющееся сужение для регулирования расхода. Слишком сильное снижение его расчетного перепада давления может ослабить его способность регулировать работу системы.
Здесь существует компромисс: регулирующий клапан слишком большого размера может снизить сопротивление при полном открытии, но при этом вызывать значительные изменения расхода на небольшом участке своего хода.
Сравните обоих кандидатов при одинаковом расходе, состоянии среды и требуемой производительности. Полностью открытый дроссельный клапан и частично закрытый шаровой клапан выполняют разные функции.
Кавитацию и вспышки необходимо проверить отдельно
Для обоих типов клапанов необходимо проводить проверку на кавитацию и испарение в тех случаях, когда условия, связанные с жидкостью, создают риск. Следите за температурой жидкости и давлением в узком месте и ниже по потоку.
Кавитация начинается, когда локальное давление опускается ниже давления паров жидкости и образуются пузырьки. При восстановлении давления пузырьки разрушаются и могут повредить близлежащие поверхности.
Флэшинг возникает, когда давление за клапаном остается ниже давления паров. Пары не исчезают, и смесь жидкости с парами может привести к коррозии клапана и трубопроводов, расположенных ниже по потоку.
Подходящая внутренняя арматура шарового крана может помочь справиться с кавитацией; сам по себе тип корпуса такой защиты не обеспечивает. Выбор клапана не может предотвратить вспышки, вызванные условиями технологического процесса; геометрия и материалы помогают ограничить повреждения.
Стоимость клапана-бабочки и шарового клапана: сравнение стоимости всей установки
Покупка дроссельных клапанов больших размеров зачастую обходится дешевле. Чтобы сравнить полную стоимость, необходимо учитывать не только цену клапана, но и затраты на монтаж и эксплуатацию. В зависимости от материалов, номинального давления, конструкции седла, требований к управлению и типа привода может меняться вариант, который окажется более экономичным.
Убедитесь, что предложения охватывают одни и те же требования. Ручной дроссельный клапан с упругим седлом и автоматический регулирующий клапан представляют собой различное оборудование. Укажите цену на каждый комплект:
- Корпус клапана, седло, внутренние детали и необходимые испытания.
- Привод, позиционер, переключатели и сопутствующие принадлежности.
- Модификации трубопроводов, опоры, подъем и доступ для монтажа.
- Энергозатраты на насосное оборудование, техническое обслуживание, запасные части и простои.
Указание фиксированной процентной экономии может ввести в заблуждение. Дроссельная заслонка с металлическим седлом, предназначенная для эксплуатации в тяжелых условиях, может стоить дороже, чем простой шаровой кран с другими техническими характеристиками.
На примере показано, почему энергия имеет важное значение
Дополнительные потери давления обходятся дорого, когда насосу приходится обеспечивать дополнительный напор. Ниже приведен расчет на основе гипотетических данных; он не отражает фактическую экономию, полученную благодаря использованию конкретных клапанов.
Предположим, что в системе водоснабжения имеются:
- Расход 0,02 м³/с, что соответствует 72 м³/ч.
- Дополнительный перепад давления в 50 кПа, которого можно было бы избежать.
- Совокупный КПД насоса и двигателя модели 70%.
- Эксплуатация в течение 6 000 часов в год.
- Стоимость электроэнергии составляет $0,12 за кВт·ч.
Дополнительный потребляемый ток составляет примерно:
Мощность = расход × перепад давления ÷ КПД
Используя единые единицы измерения: 0,02 × 50 000 ÷ 0,70 = 1 429 ватт, или примерно 1,43 кВт.
Это составляет примерно 8 570 кВт·ч и $1 030 в год при этих допущениях.
Фактическая экономия зависит от кривой насоса и системы управления. Устранение сопротивления в системе с фиксированной скоростью может привести к увеличению расхода, а не к сокращению потребляемой мощности на эту величину. Рабочая точка определяется кривыми насоса и системы. Прежде чем рассматривать этот расчет как оценку энергосбережения, необходимо проверить эту точку.
Поворотный клапан или шаровой клапан: размер трубы — это лишь начало
По мере увеличения диаметра трубы клапаны «бабочка» часто позволяют сэкономить место и снизить вес. Регулирующие клапаны «глобус» необходимо подбирать с учетом требуемого расхода и перепада давления, поэтому один только диаметр трубы не может стать определяющим фактором при выборе между ними.
Например, компания Bray указывает, что её линейка дроссельных клапанов серий 30/31 рассчитана на трубы с номинальным диаметром (NPS) 2–20 или DN 50–500. Очевидно, что дроссельные клапаны не ограничиваются трубами диаметром 8 дюймов и более.
При монтаже следует учитывать не только номинальный диаметр:
- Расстояние между соединениями труб по линию стыка.
- Общая высота и зазор привода.
- Требования к весу сборки и опоре.
- Место для снятия привода, крышки или внутренних деталей.
- Зазор для диска типа «бабочка» внутри соседних трубопроводов и фитингов.
Проверьте пропускную способность даже в том случае, если размеры фланцев совпадают. Для клапана автоматического регулирования может потребоваться корпус меньшего размера, чем у соединительной трубы.
Для определения размера воспользуйтесь значением пропускной способности
Коэффициент расхода Cv связывает расход жидкости с перепадом давления и позволяет сравнивать фактическую пропускную способность клапанов. Для турбулентного, неперекрытого потока жидкости упрощённая формула с использованием американских традиционных единиц измерения выглядит следующим образом:
Cv = Q × √(SG ÷ ΔP)
Здесь Q — расход в американских галлонах в минуту, SG — удельный вес жидкости по отношению к воде, а ΔP — перепад давления в клапане в фунтах на квадратный дюйм.
При гипотетическом расходе воды 100 US gpm при перепаде давления 10 psi удельный вес (SG) составляет примерно 1. Таким образом, требуемое значение Cv равно 100 × √(1 ÷ 10), или примерно 31.6.
Для проверки регулирующей способности найдите значение Cv 31,6 на кривой пропускной способности каждого из рассматриваемых клапанов. Затем повторите расчёт при минимальном и максимальном расходе, чтобы убедиться, что клапан способен регулировать весь диапазон.
Упрощенное уравнение не учитывает все условия. Вязкость, редукторы, кавитация и перетекание могут потребовать поправок; для пара и газов необходимо применять методы расчета, основанные на сжимаемом течении.
Давление, температура и наличие запорного устройства могут повлиять на выбор
Сверьте точные номинальные значения давления и температуры клапана, материалы изготовления и характеристики утечки с условиями эксплуатации. Эти предельные значения варьируются в пределах каждой серии клапанов.
Устойчивое седло, пригодные для работы с охлажденной водой, может оказаться непригодным для пара или определённого химического вещества. Металлические седла позволяют расширить спектр применения, однако их герметичность всё ещё требует проверки.
Проверьте корпус, седло, диск или накладку, уплотнение штока и привод. Каждая деталь узла должна соответствовать условиям эксплуатации.
Оба типа обеспечивают герметичное перекрытие
Оба типа способны удовлетворить строгие требования к герметичности при закрытии, если они предусмотрены для данной области применения. Перед тем как определить, какой из них обеспечивает лучшую герметичность, сравните конструкцию седла, перепад давления, выходной сигнал привода, направление потока и условия испытаний.
Например, компания Bray указывает, что серия 30/31 обеспечивает двунаправленное герметичное перекрытие в пределах заявленных номинальных значений. Данные номинальные значения применимы к указанному семейству продуктов и условиям эксплуатации.
Попросите поставщика указать стандарт испытаний, испытательную среду, давление, допустимую утечку и применимое направление. Рассматривайте необоснованное обещание “нулевой утечки” как неполную спецификацию.
Утечка в седле происходит через закрытый клапан. Внешняя утечка происходит через сальник, соединения или границу раздела под давлением. Укажите оба требования там, где это необходимо.
Доступ для технического обслуживания должен быть указан в технических условиях
Обслуживать проще тот клапан, конструкция и монтаж которого позволяют получить доступ к изношенным деталям и заменить их. Сравните удобство доступа, необходимые инструменты, наличие запасных частей и время простоя, связанное с предполагаемыми ремонтами.
В некоторых конструкциях клапанов типа «глобус» доступ к регулирующим элементам обеспечивается через крышку, при этом корпус остается в трубопроводе. При замене седла некоторых клапанов типа «бабочка» требуется извлечь клапан из промежутка между фланцами.
Ознакомьтесь с описанием процедуры в руководстве по техническому обслуживанию. Если для демонтажа изношенной детали не хватает места, ремонт компактной конструкции может обойтись дороже.
Какой клапан подходит для вашей задачи?
При выборе по критерию изоляции наибольшее значение может иметь низкое сопротивление в полностью открытом состоянии. При выборе по критерию модуляции клапан должен обеспечивать регулирование в требуемом диапазоне расхода. Учитывайте эти гипотетические условия при составлении списка кандидатов.
Крупная линия отсечки охлаждающей воды
Дроссельная заслонка, как правило, является разумным выбором для изолирующей линии системы охлаждения большой протяженности. Она сочетает в себе низкое сопротивление в полностью открытом положении и компактный корпус. Руководство компании ZECO по Области применения фланцевых дроссельных клапанов охватывает системы охлаждающей воды и другие коммуникации большого диаметра.
Уточните химический состав воды, содержание твердых частиц, совместимость седла и максимальный перепад давления при перекрытии. Установите скорость закрытия, которая не выходит за пределы допустимого переходного давления в системе, даже если для поворота диска требуется всего четверть оборота.
Подача пара в теплообменник
Регулирующий клапан шарового типа обычно применяется в системах подачи пара, которые должны реагировать на изменения тепловой нагрузки. Необходимо подобрать внутреннее устройство и привод для регулирования расхода в требуемом рабочем диапазоне.
Минимальную нагрузку следует проверять так же тщательно, как и пиковую. На окончательный выбор влияют такие факторы, как условия работы с паром, коэффициент давления, уровень шума и требования к отключению.
Водопроводный контур с переменным расходом
В модулирующем водяном контуре может использоваться любой из этих типов клапанов, в зависимости от диапазона расхода и требований к регулированию. Поворотный клапан контрольного класса позволяет эффективно экономить пропускную способность и занимаемое пространство, тогда как шаровой клапан может лучше подходить для точного регулирования при низких расходах.
Сравните рассчитанные рабочие положения и характеристики управления. При завышенном значении Cv значительная часть хода клапана может оказывать незначительное полезное влияние на расход.
Как сделать выбор за пять шагов
Предоставьте поставщику достаточное количество эксплуатационных данных для расчета размеров и проверки сборки. Перед утверждением выбора выполните следующие пять шагов:
- Опишите назначение. Укажите, выполняет ли клапан функцию отсечки, периодического дросселирования или непрерывной модуляции. Укажите рабочую частоту и требуемую реакцию в случае сбоя питания или подачи приборного воздуха.
- Зафиксируйте условия технологического процесса. Укажите состав подаваемой жидкости, температуру, минимальное и максимальное давление, а также минимальный, нормальный и максимальный расход. Укажите наличие твердых частиц, вязкость или проблемы, связанные с коррозией.
- Оцените оба варианта. Запросите необходимые значения Cv или Kv, расчетные положения перетекания, расчеты перепада давления, а также проверки на наличие кавитации, флэшинга или шума, если это необходимо.
- Проверьте установку и запорные устройства. Убедитесь в правильности соединений, номинальных значениях давления и температуры, критериях герметичности, усилии или крутящем моменте привода, зазорах и возможности доступа для технического обслуживания.
- Сравните полные коммерческие предложения. Оцените стоимость покупки с учетом монтажных работ, энергозатрат, запасных частей и предполагаемых потребностей в техническом обслуживании.
Я бы попросил предоставить расчёт выбора вместе с коммерческим предложением. Если вы запрос предложения по клапанам у компании ZECO, включите приведенные выше эксплуатационные данные, чтобы можно было комплексно оценить размеры, материалы и механизм привода.
Сделайте выбор с учетом требуемых обязательств
Выбирайте клапан-бабочку, если он соответствует условиям эксплуатации, а его компактные размеры, пропускная способность или меньшее сопротивление при полном открытии обеспечивают преимущества для установки. Выбирайте регулирующий клапан шарового типа, если точное регулирование и подходящая внутренняя арматура оправдывают дополнительные габариты, вес и потери давления.
Перед размещением заказа уточните расчеты и точные технические характеристики изделия у ответственного инженера или поставщика арматуры. Это позволит вам получить эксплуатационные данные, необходимые для выбора между поворотным клапаном и проходным клапаном.
