Клапаны двухходовые с электроприводом

Клапаны двухходовые с электроприводом: конструкция, принцип действия, применение и подбор

Двухходовой клапан с электроприводом — это регулирующая трубопроводная арматура, предназначенная для изменения или поддержания расхода (и, как следствие, тепло- или холодопроизводительности) рабочей среды в системах отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха (ОВКВ), холодоснабжения и технологических процессах. Его основная функция — пропорциональное дросселирование потока в ответ на управляющий сигнал от контроллера системы автоматизации. В отличие от трехходовых клапанов, двухходовые не предназначены для смешения или разделения потоков, а работают исключительно на их перекрытие или регулирование, что делает их ключевым элементом для организации независимых регулируемых контуров.

Конструкция и основные компоненты

Конструктивно двухходовой клапан с электроприводом представляет собой сборную систему из двух основных узлов: корпуса клапана с регулирующим органом и электромеханического привода.

1. Корпус клапана и регулирующий орган

Корпус: Изготавливается из латуни, чугуна, углеродистой или нержавеющей стали в зависимости от давления, температуры и агрессивности среды. Имеет два патрубка — входной и выходной (отсюда название «двухходовой»). Присоединение к трубопроводу — резьбовое (муфтовое), фланцевое или под приварку.
Седельный узел: Состоит из седла (отверстия для прохода среды) и затвора (запорно-регулирующего элемента).
Затвор: Может быть тарельчатого типа (плунжер) или шаровым. Шаровые регулирующие клапаны имеют сферический затвор с профилированным каналом, обеспечивающим более линейную расходную характеристику.
Шток: Передает усилие от привода к затвору. Для герметичности используется сальниковое уплотнение или сильфон (для сред высокой чистоты или опасных сред).

2. Электропривод (актуатор)

Электропривод преобразует электрический сигнал в механическое перемещение штока. Основные типы:

Двухпозиционные (ON/OFF): Приводы, которые переводят клапан в крайние положения — «полностью открыт» или «полностью закрыт». Просты и надежны.
Пропорциональные (аналоговые, 0-10 В, 4-20 мА): Получают непрерывный сигнал от контроллера и позиционируют затвор клапана в любое промежуточное положение пропорционально величине сигнала. Основа для систем точного регулирования.
Трехпозиционные (импульсные): Получают сигналы «открыть», «закрыть» и «стоп». Положение затвора определяется длительностью подаваемого импульса.

По типу движения выходного элемента приводы делятся на поворотные (для шаровых и поворотных дисковых клапанов) и линейные (для клапанов с поступательным движением штока).

Принцип работы в системе автоматизации

Клапан является исполнительным механизмом в замкнутом контуре регулирования. Типичная схема работы: контроллер системы (например, поддержания температуры воздуха в помещении) сравнивает показания датчика температуры с заданным уставкой значением. При отклонении контроллер вычисляет необходимую корректировку и отправляет соответствующий управляющий сигнал (например, 4-12 мА) на электропривод клапана. Привод перемещает затвор, уменьшая или увеличивая проток теплоносителя через теплообменник. Изменение расхода приводит к изменению температуры, о чем датчик снова сообщает контроллеру, замыкая цикл.

Расходно-пропускная характеристика

Это зависимость относительного расхода через клапан от относительного хода его затвора. Правильный выбор характеристики критичен для точности регулирования.

Линейная (Linear): Расход изменяется прямо пропорционально ходу штока. Применяется для систем с постоянным перепадом давления на клапане (например, с дополнительными балансировочными клапанами или автоматическими регуляторами перепада давления).
Равнопроцентная (Equal Percentage): На каждый равный процент хода штока приходится равный процент изменения расхода относительно текущего значения. Обеспечивает более точное регулирование на малых расходах и менее чувствительна к колебаниям перепада давления в сети. Наиболее распространенный выбор для систем ОВК.

**Сравнение характеристик клапанов**
Характеристика	Формула (идеальная)	Область применения	Преимущества
Линейная	Q/Q_max = k (L/L_max)	Системы с постоянным перепадом давления, регулирование уровня, расходомерные установки.	Простота настройки, предсказуемость.
Равнопроцентная	Q/Q_max = R^{((L/L_max)-1)}	Системы отопления/охлаждения, теплообменники, системы с переменным перепадом давления.	Широкий диапазон регулирования, устойчивость к изменениям ΔP, лучшая точность на малых нагрузках.

Ключевые технические параметры для подбора

Kvs (м³/ч): Пропускная способность клапана при полностью открытом затворе и перепаде давления в 1 бар. Основной параметр для гидравлического расчета. Подбирается так, чтобы номинальный расход проходил при открытии клапана на 60-80%.
Диапазон регулирования (R = Kvs / Kvr): Отношение максимальной пропускной способности к минимальной, при которой еще сохраняется заданная закономерность расхода. Для качественных клапанов R = 30:1 – 50:1.
Рабочее давление и температура: Максимальные значения среды, на которые рассчитан корпус клапана и уплотнения.
Перепад давления (ΔP): Разность давлений между входом и выходом клапана в рабочем режиме. Не должен превышать максимально допустимого для конкретной модели.
Тип управляющего сигнала и напряжение питания привода: Постоянный ток 0-10 В, 2-10 В, 4-20 мА или переменный ~24 В, 220 В.
Время полного хода привода: От 30 секунд до нескольких минут. Меньшее время — более быстрое регулирование, но выше риск качки системы.
Класс герметичности: Обозначается как ANSI Class или ГОСТ. Для большинства систем ОВКВ достаточно класса IV (0.01% от Kvs).

Области применения и схемы установки

Двухходовые клапаны применяются для регулирования мощности по стороне нагреваемой или охлаждаемой среды. Типичные объекты: административные и жилые здания, торговые центры, больницы, промышленные предприятия.

Регулирование теплообменника (калорифера или охладителя): Клапан устанавливается на трубопроводе подачи теплоносителя или хладоносителя к теплообменнику. Управляется сигналом от датчика температуры воздуха после теплообменника или в обслуживаемом помещении.
Зональное регулирование в системах Fan Coil Units (Фанкойлы) или центральных кондиционерах: Компактный двухходовой клапан с сервоприводом встраивается в линию подвода тепло-/хладоносителя к теплообменнику фанкойла.
Регулирование температуры подачи в независимых системах: В паре с трехходовым клапаном или в схеме с насосом переменного расхода для поддержания заданной температуры в подающем коллекторе.

Важное правило: В системах с чиллерами и градирнями, где требуется постоянный расход хладоносителя через испаритель для его защиты, двухходовые клапаны устанавливаются только в распределительных контурах потребителей. На основном контуре испарителя применяются трехходовые клапаны или система с частотным регулированием насосов.

Расчет и подбор клапана (алгоритм)

Определение расчетного расхода (G, м³/ч) через регулируемый участок на основе тепловой нагрузки.
Определение располагаемого перепада давления (ΔP, бар) на клапане в расчетных условиях при работающем насосе.
Расчет требуемого коэффициента пропускной способности K_v:
K_v = G / √ΔP (для воды при плотности 1000 кг/м³).
Выбор ближайшего большего значения K_vs из номенклатуры производителя.
Проверка диапазона регулирования и авторитета клапана. Авторитет клапана S = ΔP_кл.мин / ΔP_сети. Для качественного регулирования рекомендуется S ≥ 0.3-0.5.
Выбор типа расходной характеристики исходя из особенностей системы (как правило, равнопроцентная).
Подбор электропривода по типу управления, моменту/усилию, времени срабатывания и напряжению питания.

Монтаж и эксплуатация

Монтаж производится в соответствии с направлением потока, указанным стрелкой на корпусе клапана.
Перед клапаном рекомендуется установить сетчатый фильтр для защиты седельного узла от механических примесей.
Для обслуживания и возможности отсечки следует предусмотреть запорную арматуру (шаровые краны) до и после клапана, а также байпас в критичных системах.
Привод монтируется на клапан в строгом соответствии с инструкцией, обеспечивается защита от вибрации и попадания влаги.
В процессе эксплуатации необходима периодическая проверка на отсутствие посторонних шумов и вибрации, контроль герметичности в закрытом состоянии и корректности реакции на управляющие сигналы.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем двухходовой клапан принципиально отличается от трехходового?

Двухходовой клапан работает как регулируемый дроссель, только уменьшает или увеличивает поток через один контур. Трехходовой клапан имеет три патрубка и предназначен для смешения двух потоков в один (смесительный клапан) или разделения одного потока на два (разделительный клапан). Трехходовые клапаны часто используются для поддержания постоянного расхода в первичном контуре при изменении расхода во вторичном.

Что произойдет, если установить клапан с завышенным Kvs?

Клапан будет работать преимущественно в начальном участке своего хода (первые 10-30%). Это приведет к резкому, нелинейному изменению расхода при малых перемещениях штока, ухудшит точность регулирования, вызовет «качку» системы и может привести к повышенному износу седла и затвора. Возможны также шумы на регулирующем органе.

Можно ли использовать двухходовой клапан для полного перекрытия потока (как запорную арматуру)?

Хотя регулирующие клапаны имеют определенный класс герметичности, они не предназначены для постоянной работы в качестве запорной арматуры, особенно в системах с высоким давлением. Для длительного отключения участка трубопровода следует использовать штатные запорные шаровые краны, установленные до и после клапана. Использование клапана только для перекрытия экономически нецелесообразно.

Какой тип привода выбрать — двухпозиционный или пропорциональный?

Выбор зависит от задачи. Двухпозиционный привод (ON/OFF) применяется в системах, где требуется только включение/выключение подачи среды (например, отопление гаража). Пропорциональный привод необходим для плавного и точного поддержания параметра (температуры, давления) в соответствии с непрерывным сигналом от контроллера. Подавляющее большинство систем автоматизации зданий использует пропорциональные приводы.

Почему в системах с чиллерами не рекомендуется ставить двухходовые клапаны на первичный контур?

Испаритель чиллера требует стабильного расхода хладоносителя для обеспечения правильного теплообмена и защиты от замерзания. Массовое применение двухходовых клапанов у потребителей при отсутствии компенсационных мер (например, частотных приводов на насосах) приведет к резкому снижению общего расхода в первичном контуре при частичной нагрузке. Это может вызвать срабатывание защит чиллера по низкому расходу, ламинарный поток и ухудшение эффективности работы. В первичном контуре применяются трехходовые клапаны или система с переменным расходом, управляемым частотным преобразователем насоса.

Как бороться с шумом и кавитацией на клапане?

Шум и кавитация возникают при высоких перепадах давления и скоростях среды. Меры борьбы:

Правильный подбор клапана (не занижать диаметр, выбирать специальные антикавитационные исполнения или многоступенчатые дросселирующие элементы).
Установка клапанов с пониженным уровнем шума.
Каскадное дросселирование (последовательная установка нескольких клапанов).
Поддержание перепада давления в сети в расчетных пределах с помощью автоматических регуляторов перепада давления, устанавливаемых параллельно регулируемому участку.

Нужно ли настраивать (калибровать) клапан после монтажа?

Современные электроприводы, как правило, имеют функцию автоматической калибровки (Auto Calibration), которая определяет крайние положения штока. Ее необходимо выполнять после монтажа и подключения привода к клапану согласно инструкции. Также в контроллере системы задаются параметры управления (характеристика клапана, время хода), что является необходимой программной настройкой.

Заключение

Двухходовые клапаны с электроприводом являются высокоэффективным и точным инструментом для автоматического регулирования расхода жидкостей и газов в инженерных системах. Их корректная работа на 90% определяется грамотным гидравлическим расчетом и подбором, учитывающим не только диаметр трубопровода, но и такие параметры, как Kvs, расходная характеристика, перепад давления и авторитет клапана. Правильный выбор, монтаж и интеграция в систему управления позволяют достичь значительной экономии энергоресурсов, обеспечить точное поддержание климатических параметров и повысить надежность всей системы в целом. Постоянное развитие технологий в области материалов, конструкций затворов и алгоритмов позиционирования привода расширяет возможности применения данной арматуры в самых сложных технологических процессах.

Клапаны двухходовые с электроприводом