Регуляторы давления играют важную роль в жидкостных и газовых системах различного назначения, снижая высокое давление на входе до более низкого давления на выходе и поддерживая стабильное давление на выходе при колебаниях давления и расхода на входе. При выборе регулятора давления необходимо учитывать различные факторы, наиболее важными из которых являются: расход, давление, температура, среда и чувствительный элемент. Одним из важных этапов выбора регулятора давления является проверка его работоспособности при параметрах вашей системы. Для этого используют кривые расхода, которые строятся эмпирически для каждой серии регуляторов давления.
Принцип работы и применение регуляторов давления
Регуляторы давления имеют особое строение проточной части (как показано на рисунке 1). Когда среда с высоким давлением от входа проходит через проходное отверстие, расход среды возрастает, а давление снижается, так достигается регулирование давления.
В дополнение, регуляторы давления могут уравновешивать нагрузку, создаваемую средой на входе и на выходе с помощью настройки пружины, таким образом чтобы контролировать давление на выходе и поддерживать его в заданном диапазоне. Силы, отвечающие за баланс в регуляторе давления соответствуют формуле (1):
Основная задача регулятора давления – это снижение входного давления до заданного значения на выходе и поддержание заданного давления на выходе.
Структура и функции диаграммы расхода
Диаграмма расхода (показана на рисунке 2) описывает зависимость между расходом (горизонтальная ось) и давлением на выходе регулятора (вертикальная ось) при заданном давлении на входе. На этой диаграмме мы можем видеть то, как происходит регулирование при изменении расхода. Она описывает диапазон давлений в системе, который регулятор может поддерживать при заданных расходах.
Из диаграммы расходы можно судить о том, соответствует ли выбранный регулятор давления реальным условиям в системе (давлению, расходу и т.д.).
Анализ диаграммы расхода
Производители регуляторов обычно предоставляют несколько диаграмм расхода для одной и той же серии регуляторов при разных давлениях на входе и одинаковом давлении на выходе, чтобы проиллюстрировать рабочий диапазон регулятора. Как показано на рисунке 2, горизонтальная ось соответствует расходу, вертикальная ось – давлению на выходе регулятора, а входное давление соответствует кривым разных цветов, таким как 3000 psig (206.8 бар), 2000 psig (137.9 бар) and 1000 psig (68.9 бар). В точке, где расход равен нулю выходное давление, отмеченное на вертикальной оси соответствует установленному выходному давлению.
Кривые расхода показывают тенденцию «спада», т.е. при определенном давлении на входе и заданном давлении на выходе при постепенном увеличении расхода давление на выходе постепенно падает. Поскольку конструкция и компоненты накладывают свои ограничения, регулятор не может обеспечить идеально горизонтальную кривую в определенном состоянии регулирования.
Обычно от регуляторов давления требуется поддержание постоянного давления на выходе при значительных изменениях расхода в системе. Следовательно, чем меньше кривая расхода отклоняется от горизонтали, тем выше эффективность регулятора давления.
Как пользоваться диаграммой расхода
Во-первых необходимо найти соответствующую диаграмму расхода для конкретного типа регуляторов давления. На данной диаграмме выбрать кривую расхода, соответствующую фактическому входному давлению и заданному давлению на выходе. Затем найти соответствующую точку на кривой в соответствии со шкалой расхода по горизонтальной оси и получить фактическое давление на выходе в этой точке по вертикальной оси. Если кривая расхода для требуемого входного давления не представлена на диаграмме расхода регулятора давления, новая кривая может быть выведена между двумя соседними существующими кривыми.
Кроме того, диаграммы расхода, предоставленные производителем основаны на условиях испытаний, когда средой является азот при температуре 20°C (70°F). Если фактическая среда или температура в системе отличаются от описанных выше, то шакала расходов, указанная вдоль горизонтальной оси должна быть изменена в соответствии с формулой (2), в то время как форма кривой остается неизменной.
Таблица 1
| Среда | Коэффициент пересчета расхода (FG) |
| Арсин | 0.60 |
| Углекислый газ | 0.80 |
| Аргон | 0.84 |
| Хлороводород | 0.87 |
| Силан | 0.93 |
| Кислород | 0.94 |
| Воздух | 0.98 |
| Азот | 1.00 |
| Аммиак газообразный | 1.7428 |
| Гелий | 2.65 |
| Водород | 3.72 |
Таблица 2
| Температура (°F) | Темература (°C) | Температурный коэффициент (FT) |
| -40 | -40 | 1.12 |
| -20 | -28 | 1.10 |
| 0 | -17 | 1.07 |
| 20 | -6 | 1.05 |
| 70 | 20 | 1.00 |
| 100 | 37 | 0.97 |
| 150 | 65 | 0.93 |
| 212 | 100 | 0.89 |
| 250 | 121 | 0.86 |
| 300 | 148 | 0.84 |
| 350 | 176 | 0.81 |
| 400 | 204 | 0.78 |
Пример подбора регулятора давления
Например, диаграмма расхода для регуляторов давления FITOK серии FCR-1S изображена на рисунке 3. Клиенту необходимо определить давление на выходе, при давлении на входе 3000 psig (206.8 бар), установленное выходное давление 90 psig (6.2 бар), рабочая температура 37°C (100°F), среда в системе – углекислый газ (CO2), расход газа 10 ст. фут3/мин (283 ст. л/мин).
Поскольку тип среды и рабочая температура клиента не соответствуют условиям испытаний, по которым строилась диаграмма расходов, необходимо изменить шкалу расходов с помощью коэффициента пересчета расходов (FG) и температурного коэффициента (FT). Как видно из таблицы 1, когда средой является углекислый газ, соответствующий коэффициент пересчета равен 0.80. Из таблицы 2 видно, что при температуре 37°C (100°F) соответствующий температурный коэффициент равен 0.97. С помощью формулы (2) и коэффициентов FG, FT необходимо пересчитать начальную шкалу расхода (горизонтальная ось) указанную на рисунке 3 (пример: 5 × 0.8 × 0.97 = 3.9). Замените горизонтальную ось на рисунке 3 на измененную шкалу расходов, сохранив вертикальную ось и форму кривых расхода как показано на рисунке 4.
Как видно из рисунка 4, кривая соответствующая условиям заказчика – давление на входе 3000 psig (206.8 бар) и установленное давление на выходе 90 psig (6.2 бар) не показана.В таком случае можно методом интерполяции получить требуемую кривую по аналогии с двумя имеющимися кривыми с давлением на входе 3000 psig (206.8 бар) и установленными давлениями на выходе 75 psig (5.2 бар) and 100 psig (6.9 бар), как показано на рисунке 5.
На кривой расхода (красного цвета), показанной на рисунке 5 соответсвующей давлению на входе 3000 psig (206.8 бар) и установленному давлению на выходе 90 psig (6.2 бар) находим точку А соответсвующую расходу газа 10 ст. фут3/мин (283 ст. л/мин) и определяем фактическое давление на выходе пео вертикальной оси – 84 psig (5.8 бар).
Следовательно для регулятора давления FITOK серии FCR-1S при давлении на входе 3000 psig (206.8 бар), установленном давлении на выходе 90 psig (6.2 бар), рабочей температуре 37°C (100°F) и расходе углекислого газа (CO2) 10 ст. фут3/мин (283 ст. л/мин) фактическое давление на выходе составит 84 psig (5.8 бар).
Для более тонкой настройки необходимого выходдного давления при заданном давлении на входе и расходе в системе рекомендуется учитывать наклон кривых расхода или производить настройку регулятора при заданном, а не при нулевом расходе.
Заключение
Правильно используя диаграмму расходов регуляторов давления, мы можем проверить, соответствует ли диапазон рабочего давления выбранного типа регуляторов требованиям заказчика, что способствует быстрому и точному выбору артикула. Кроме того, диаграмма расходов может также отражать эффективность регулирования давления.