Пример расчета предохранительного клапана для воды

Расчёт предохранительного клапана

Расчёт предохранительного клапана выполнен по алгоритму расчёта предохранительных клапанов для котлов с искусственной циркуляцией в соответствии со СНиП II-35 «Котельные установки».

В расчёте принята высота подъёма штока равная 1/20 диаметра седла, так как большинство производителей не указывают фактическую высоту подъёма штока в технических характеристиках. Поэтому типоразмер предохранительного клапана полученный в результате расчёта может быть несколько завышен. В любом случае, подобрав клапан сравните тепловую мощность своей системы с рекомендуемой производителем максимальной мощностью для данного типоразмера указанной в техническом описании.

Предохранительный клапан предназначен для защиты систем от превышения давления выше максимально допустимого значения. Расчёт предохранительного клапана по сути должен сводиться к определению наиболее вероятных источников превышения давления и вычислению максимального прироста объёма воды в системе.

Источниками прироста объёма могут быть:

  • Перегрев воды в котле или теплообменном аппарате с последующим парообразованием. В момент парообразования вода увеличивает свой объём в 461 раз, поэтому фактор парообразования, является преобладающим при выборе предохранительного клапана, именно он и учтён методикой расчёта приведенной в СНиП II-35.
  • Выход из строя автоматики управления линии подпитки котельных и независимых систем отопления, может стать преобладающим фактором в системах давление источника подпитки, в которых превышает допустимое давление для подпитываемой системы.
  • Нагреваясь в котле или в теплообменном аппарате вода увеличивается в объёме. Удельный прирост объёма при нагреве от 0 до 100 °C составляет всего лишь 4%, поэтому он, как правило, не является преобладающим фактором при подборе типоразмера предохранительного клапана.

Выбранный предохранительный клапан должен обеспечивать сброс рассчитанного объёма воды, по наиболее существенному из факторов прироста объёма.

Подбор предохранительного клапана

Диаметр входного патрубка выбранного предохранительного клапана должен быть больше или равен диаметру патрубка полученного в результате расчёта.

Кроме соответствия диаметра патрубка расчётному значению рекомендуется проверять предохранительный клапан на сброс рассчитанного прироста объёма воды в результате возникновения аварийной ситуации. При этом следует учесть, что чем больше разница давлений между давлением открытия предохранительного клапана и давлением в линии сброса — тем больший объём воды выйдет через клапан.

При подборе предохранительного клапана следует, также иметь в виду, что полное открытие клапана, достигается при превышении давления в системе над давлением срабатывания на 10%, а полное закрытие — при снижении давления в системе ниже давления срабатывания на 20%. В связи с этим можно рекомендовать выбирать предохранительные клапаны с давлением срабатывания на 20 — 30% больше рабочего давления системы.

Е.И. Калинин. Как подобрать предохранительный клапан? (Часть 1)…

Предлагаю сначала разобраться: что такое предохранительный клапан, для чего он нужен и зачем его вообще подбирать? Может, стоит взять самый красивый и установить его?

Предохранительный клапан (определение ГОСТ Р 52720) – это такая трубопроводная арматура, которая защищает (собственно, поэтому он и предохранительный) оборудование, если там вдруг повысится давление (оно, повышенное давление, нам совершенно ни к чему). Делает он это, открывшись в нужный момент (собственно, поэтому он и клапан) и выпустив то самое «ненужное» давление, а после этого сам в нужный момент закроется (давление закрытия). Как же это происходит? Тут нет никакой магии. В клапане есть пружина, которая при нормальном ходе работы (давление перед клапаном рабочее) своей силой закрывает проход (золотник плотно прижат к седлу), и ничего никуда не сбрасывается. Но если вдруг давление начинает расти, у пружинки уже не хватает сил, чтобы удержать его, и клапан открывается (давление начала открытия), давление сбрасывается.

Теперь что касается подбора клапана. Предохранительные клапаны бывают разного размера – от совсем маленьких до настоящих гигантов, в такой можно даже спрятаться (номинальный диаметр предохранительных клапанов составляет от 10 до 400 мм, в РФ же наиболее часто встречаются клапаны от 25 до 200 мм). Предохранительные клапаны делятся еще и по давлению, на котором можно их использовать (номинальное давление) – ведь у одних стенки совсем тонкие, а пружинки совсем слабенькие, а у других толстенные стены, а пружины очень жесткие. Нетрудно догадаться, что такое разнообразие неслучайно и нужно для того, чтобы обеспечить потребности самых разных объектов и производств. Вот тут-то и возникает необходимость правильно выбрать предохранительный клапан, потому что если поставить «неправильный», то в лучшем случае мы услышим шипение (не будет обеспечена необходимая герметичность), а в худшем – «БА-БАХ!» (произойдет разрушение защищаемого объекта).

Теперь пришло время узнать, как же выбирать предохранительный клапан. Хочу сразу предупредить, что «принцип арбуза» тут не подходит и стучать по клапану не следует. А следует внимательнейшим образом прочесть опросный лист (документ, содержащий технические и прочие требования на разработку и (или) поставку трубопроводной арматуры). При этом не существует какой-то идеальной формы опросного листа. На завод поступают самые разнообразные опросные листы, составленные и заполненные проектными институтами, конечными потребителями, посредниками и прочим разным людом. Нередко в таких опросных листах содержатся противоречивые требования и ошибки (к сожалению, с этим ничего не поделаешь), и приходится «расшифровывать тайные послания».

Один из главных параметров, на который стоит обратить внимание в опросном листе – это аварийный расход среды, который должен обеспечить клапан при его полном открытии, GA или, как часто говорят, пропускная способность предохранительного клапана. Вот тут самое время вспомнить о «кладезе знаний» любого инженера, то есть нормативно-технической документации: сейчас нас интересуют ГОСТ 12.2.085-2002 и ГОСТ 31294, ведь именно там прописаны формулы, по которым нужно считать – но об этом чуть позже. Именно эта величина напрямую влияет на то, какой клапан нам нужно будет выбрать.

Порядочные инженеры при этом используют размерность «килограмм в час» (кг/ч) (физический смысл этой величины – масса рабочей среды, которая способна выйти из предохранительного клапана при его полном открытии в течение часа). Тут следует еще внимательно посмотреть, о чем идет речь: о жидкости (вода, нефть и прочие журчащие среды), о газе (тут в основном народное достояние – природный газ) или о водяном паре (важно при расчетах не перепутать его с народным достоянием, ибо в «кладезях знаний» – ГОСТ 12.2.085-2002, ГОСТ 31294 – даются разные формулы и есть опасность нарваться на вариант «БА-БАХ»).

Еще очень интересно то, что в опросных листах с рабочей средой «природный газ» часто указывают аварийный расход, выраженный в единицах нм³/ч (произносится как «нормальный кубический метр в час»). Нормальный кубический метр – особая единица измерения, традиционно используемая для природного газа. Физический смысл нормального кубометра – это кубический метр газа при температуре 0°C (273,15 К) и давлении 101325 Па (0,101325 МПа=1,03323 кгс/см2). Также для природного газа употребляется единица измерения стм³/ч – стандартный кубический метр в час. Физический смысл стандартного кубометра – это кубический метр газа при стандартных условиях, указанных в ГОСТ 2939-63, то есть при температуре 20°C (293,15 К) и давлении 101325 Па (0,101325 МПа=1,03323 кгс/см2).

В указанных случаях для расчета массового потребного аварийного расхода необходимо знать плотность газа при нормальных и, соответственно, при стандартных условиях. Если заказчик не приводит таких данных (а иногда и приводит), то придется предположить, что плотность газа при нормальных и при стандартных условиях – примерно 0,85 кг/м³ (по данным всемирной паутины, плотность природного газа при указанных условиях находится в «вилке» 0,72-0,85 кг/м³, порядочные инженеры всегда берут наибольшее значение плотности, дабы перестраховаться). Например, если заказчик указал потребный аварийный расход 20 000 нм³/ч, то GA=20 000*0,85=17 000 кг/ч. Ну, как-то так. После того, как эта ценнейшая цифра найдена, следует двигаться дальше, и тут пора вспомнить о формулах.

пример расчета предохранительного клапана для воды

Тут надо углубиться в вопрос и поговорить еще об очень важных для нас величинах. Это:

пример расчета предохранительного клапана для воды

Тут есть одна очень приятная вещь: эти данные мы уже знаем, так как они являются важными характеристиками клапанов и приведены в еще одном культовом писании (Технические условия). В общем-то, дальше все довольно просто. Нужно посчитать, достаточно ли имеющихся у нас

аF

(речь идет именно о произведении этих величин) для того, чтобы обеспечить уже известные G (может ли через принятое сечение седла выйти необходимое количество среды). Казалось бы, что на этом месте можно уже закончить повествование, но тут начинается самое интересное и непредсказуемое, а именно:

пример расчета предохранительного клапана для воды

Что же нам рассказывает «кладезь знаний» об этих чудных соучастниках расчетов?

пример расчета предохранительного клапана для воды

На первый взгляд кажется, что это «полный абзац», но при более внимательном рассмотрении получается, что тут фигурирует всего пара (о Р1 мы еще подробно поговорим) неизвестных, это:

пример расчета предохранительного клапана для воды

Первый, как правило, указывают в опросниках, а второй вполне можно найти в справочнике по теплотехнике или посчитать по формуле.

пример расчета предохранительного клапана для воды

И если «порядочный инженер» забьет эти формулы в тот же Excel, то расчет будет весьма прост. Ну, а если опросный лист откровенно «кривой», то на худой конец В1 можно взять и из таблиц.

пример расчета предохранительного клапана для воды

Тут все совсем просто. На моей памяти ни разу не было случая, когда условие

b≤bкр

не выполнялось, поэтому смело принимаем В2 равным 1 и спим спокойно. Кстати, если уж говорить о беспроблемных коэффициентах, то и

B4 – определяют по таблице А.2 (для идеального газа В4=1).

Тут даже варианта с формулами нет. Примитив.

пример расчета предохранительного клапана для воды

пример расчета предохранительного клапана для воды

А вот тут в «кладезе знаний» произошел системный сбой, и, по моему скромному мнению, использовать эти формулы следует вот так.

пример расчета предохранительного клапана для воды

Кстати, углубленное изучение не российских каталогов и стандартов это суждение подтверждает. Ну и, опять же, если есть сомнения или опросный лист совсем беспросветен, то можно взять значения из таблиц.

Что можно сказать еще? Есть еще тройка «помощников», не зная которых в лицо, общей картины не сложить.

Тут ничего не добавишь, кроме того, что частенько значение можно увидеть в опросном листе.

R – газовая постоянная
R определяют по таблице А.1

Помимо указанной таблицы, порядочный инженер может найти R еще вот так:

Все достаточно несложно.

Нам осталось обсудить всего пару величин, это:

Что тут можно сказать? Очень много, на самом деле. Потому что давление – это как раз то, от чего предохранительный клапан и защищает. Тут нужно поговорить и о рабочем давлении, и о расчетном давлении, и о том, что такое давление начала открытия (или, как его часто называют, установочное), а еще о давлении закрытия. И самое главное – о том, как они соотносятся между собой.

Продолжение вы можете найти здесь

Опубликовано в «Вестнике арматуростроителя» № 2 (30) 2016

Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя № 2 (30) 2016