В начале 2000-х на одной из выставок руководитель представительства европейской компании – производителя регулирующих клапанов для воды заявил, что, пар – это среда, которую невозможно регулировать. И поэтому, по его словам, необходимо сперва нагревать паром воду, а затем уже водой регулировать финальный процесс нагрева системы отопления, вентиляции, горячего водоснабжение и пр.
Оставим в стороне вопрос, каким же образом нагреть паром воду, если по его же утверждению это сделать невозможно. Ведь греющая вода тоже должна иметь управляемую температуру. Разумеется, это был агрессивный маркетинг, который, как известно, далеко не всегда правдив. Но некоторые слушатели этому поверили. До сих пор можно то и дело слышать нечто подобное. Так или иначе паром нагревать можно. При этом соблюдая все значимые критерии, такие как скорость реакции, точность поддержания температуры, управление по времени и так далее. Конечно, процесс управления зависит не от одного устройства. Обвязка теплообменника, где теплоносителем первичного контура является пар, требует соблюдения целого ряда условий. Это отвод конденсата, воздуха и неконденсируемых газов, недопущение подтопления конденсатом там, где оно вредит, или, наоборот, управляемое подтопление теплообменника. И так далее. Существует несколько инструментов для автоматического регулирования температуры на выходе паровых нагревателей. Это регулирующий клапан с электрическим/пневматическим приводом или автономный регулирующий клапан. Последний называют еще регулятором температуры прямого действия (рис. 1).
Клапан устанавливается на паропроводе перед теплообменником. Он регулирует расход пара по сигналу температуры нагреваемой среды на выходе теплообменника. Паровые клапаны применяются в процессах с прямым нагревом, то есть процессах, где пар контактирует с нагреваемой средой. А также с непрямым нагревом, где пар нагревает продукт через стенку теплообменника.
Автономные и неавтономные клапаны часто сравнивают в контексте преимуществ и недостатков. О приводных клапанах написано много. Остановимся на автономных клапанах для пара. Перечислим особенности конструкции и применения. Первый способ применяется в большинстве случаев и является, пожалуй, самым распространенным. Однако есть применение и для второго. Разница состоит в том, что в первом случае привод имеет источник питания. Это электроэнергия, которая питает электродвигатель, соединенный со штоком клапана. Либо это сжатый воздух, который воздействует на поршень или мембрану, которые, в свою очередь, соединены со штоком клапана. Регулятор прямого действия не требует внешнего питания (рис. 2). Шток соединен с термочувствительным элементом. Он представляет собой газонаполненный сосуд, который погружается в нагреваемую среду. При нагреве среды газ расширяется, из-за чего в термочувствительном элементе повышается давление. Оно воздействует на мембрану, которая соединена со штоком клапана. Клапан закрывается. При остывании нагреваемой среды газ остывает и сжимается. Шток клапана перемещается в обратную сторону, открывая клапан. Таким образом шток приводится в действие за счет энергии расширения нагреваемого тела.
Несколько очевидных преимуществ автономных клапанов
Простота настройки. Обычно настройка заданной температуры осуществляется простым поворотом настроечного винта либо рукоятки в виде колеса, расположенного непосредственно на корпусе клапана. Колесо воздействует на пружину, соединенную с мембраной или толкателем, тем самым изменяя порог деформации мембраны от термического расширения газонаполненного чувствительного элемента. Контроль температуры при настройке следует производить по показывающему термометру, установленному рядом с местом установки термочувствительного элемента.
Обычно регуляторы температуры имеют несколько вариантов настроек на выбор. Технически это связано с разным количеством газа внутри термочувствительного элемента. Каждый чувствительный элемент может работать только в определенном узком диапазоне температур настройки.
Отсутствие внешнего питания. Ни электропитание, ни сжатый воздух для работы автономного клапана не требуется. Это позволяет минимизировать инфраструктуру объекта управления, то есть теплообменника. Ни контроллер, ни датчик температуры, ни щит управления не требуются.
Низкие требования по температурно-влажностному режиму, запыленности, механическим воздействиям. И действительно, автономные клапаны обычно довольно прочные. Их трудно случайно повредить. На корпусе нет хрупких элементов и вообще чего-либо, что можно было бы легко сломать. Производство – это не курорт и не лаборатория. Ремонтные или профилактические работы вокруг – это нормальная практика. Обычно монтажники не сильно церемонятся в выборе места, где повесить спецовку или положить инструмент. При нанесении теплоизоляции на трубы или мелком ремонте систем случаи непреднамеренного повреждения навесного оборудования достаточно частые. Обычно все, что угрожает регуляторам температуры прямого действия, – это сильный изгиб капиллярной трубки термочувствительного элемента, в результате которого инертный газ может выйти. Но даже это непросто сделать, так как трубки обычно защищены прочным гибким металлическим кожухом.
Быстрая реакция на изменение температуры. Действительно, если сравнивать с системами, где задействован клапан с электроприводом, датчик температуры и контроллер, то каждый из этих элементов имеет некоторую скорость реакции на изменение воздействия. В автономном клапане термическое расширение тела напрямую воздействует на клапан, что и определяет быструю реакцию.
Некоторые из перечисленных выше особенностей предполагают применение автономных клапанов в системах, для которых выполняется одно или несколько условий, перечисленных ниже:
• система нагрева не требуют частой перенастройки или вовсе изменения настройки температуры;
• диапазон настройки заданного значения температуры системы нагрева входит в диапазон настроек клапана;
• система расположена на удаленной площадке, объект с ограниченным доступом, отсутствует квалифицированный обслуживающий персонал;
• система имеет ограничения или специальные требования по искробезопасности.
В зависимости от технических условий и требований указанные выше достоинства могут являться недостатками. И это логично. Если температуру настройки требуется часто изменять и/или диапазон настроек шире, чем диапазон, который может обеспечить автономный регулятор, то целесообразнее применить регулирующий клапан с приводом, управляемым от контроллера. Кроме того, если требуется непрерывный контроль за технологическим процессом, автономный клапан для этого не приспособлен. Обычно регуляторы прямого действия не имеют технических средств передачи сигнала положения.
Оператор попросту не сможет проконтролировать положение клапана и, как следствие, не сможет вовремя вмешаться в управление процессом нагрева, если процесс того требует. Более того, даже по внешнему виду невозможно определить, в каком положении находится клапан. Следовательно, регуляторы прямого действия применяются в простых процессах. Обычно это вспомогательные процессы производства, а также системы вентиляции, системы бытового и технологического горячего водоснабжения.
Несколько слов о том, какие среды нагревают при помощи автономных регуляторов. Прежде всего это вода и другие жидкие теплоносители. Чувствительный элемент в таком случае погружается в трубу или емкость через защитную гильзу (рис. 3). Однако нагревать можно и воздух. Для этого лучше применять термочувствительный элемент специальной формы и располагать целесообразнее ближе к калориферу (рис. 4). Как правило, это ребристый капилляр или медная витая спираль. Применяя тот же термобаллон, что и для воды, чувствительность значительно снижается, хотя способность регулировать не пропадает. Если процесс сильно инерционный, то разницу заметить сложно. Существует мнение, что регуляторы температуры прямого действия имеют низкую точность. Многие производители заявляют точность ±1 °С. Низкая точность это или высокая, зависит от требований к процессу, и не более того.
Пользователи задают вопрос относительно герметичности клапана в закрытом положении. Следует помнить, что регулятор температуры прямого действия не является запорным клапаном. Это регулятор расхода. Ожидать от него высокой герметичности не стоит. Прижимное усилие затвора к седлу клапана зависит от рабочего перепада давления, а также от соотношения заданной температуры к фактической. Таким образом, прижимное усилие является переменной величиной, которая существенно зависит от фактических условий эксплуатации. Уплотнение паровых клапанов – металл по металлу. Некоторые производители предлагают «опцию» в виде мягкого уплотнения седла. Это не должно вводить в заблуждение. Влажный пар съедает даже нержавеющую сталь, не говоря уже про мягкие уплотнения. Если на паропроводе перед клапаном предусмотреть циклонный сепаратор, высокая скорость пара через клапан при низких нагрузках может таким же образом повредить мягкое уплотнение.
Паровые клапаны должны иметь уплотнение метал по металлу, и только такая конструкция гарантирует высокий ресурс клапана. Если клапан установлен на системе горячего водоснабжения, то при длительном отсутствии нагрузки утечка через клапан неизбежно повлечет перегрев за счет медленной утечки пара через клапан. Для гарантированного отсутствия перегрева перед регулятором температуры прямого действия рекомендуется предусматривать отдельный автоматический отсечной клапан.
Интересная ситуация с ценами на регуляторы температуры. Они не выглядят как низкие. Более того, они кажутся довольно высокими. К примеру, регулятор температуры прямого действия для пара с резьбовым присоединением Ду ½» может запросто стоить несколько сотен тысяч рублей. Казалось бы, простая конструкция и относительно небольшое количество деталей механизма должны означать низкую цену. Однако цена определяется не только этим. Применение регуляторов достаточно ограничено. Это все-таки редкие клапаны. Относительно небольшое количество производимых единиц клапанов определяет высокую цену. Чем ниже объем производства, тем выше удельные затраты на производство. Вместе с тем есть ряд приложений, где эффект применения перекрывает даже высокую цену устройства. Поэтому само по себе абсолютное значение цены клапана по существу не имеет большого значения в отрыве от оценки эффективности работы всей системы, где этот клапан применяется. Странно слышать нервные мнения о высоких ценах трубопроводной арматуры вне контекста эффекта ее применения, хотя бы в среднесрочной перспективе.
Паровые регуляторы прямого действия имеют собственную нишу применения. Она относительно небольшая по отношению к приводным клапанам в системах регулирования температуры. Однако есть ряд применений, где без них действительно не обойтись. В ряде случаев простое решение – самое лучшее.
Размещено в номере: Вестник арматуростроителя, №3 (78)
