CC BY
40
УДК 621.646.44
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА РЕГУЛИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ВОДОРАЗБОРНОЙ
АРМАТУРЫ
А.П. Свинцов, С.А. Мукарзель
Кафедра проектирования и строительства промышленных и гражданских сооружений Российского университета дружбы народов Россия, 117198 Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6
В статье представлены результаты стендовых испытаний запорной пары шайбового типа для вентильной головки санитарно-технической арматуры. Установлено, что запорная пара шайбового типа с постепенным изменением проходного отверстия позволяет получить линейное (в пользовательском диапазоне открывания крана) изменение расхода воды при постепенном открывании крана.
В настоящее время в качестве запорных устройств санитарно-технической арматуры все большее распространение находят вентильные головки с керамическими запорными элементами шайбового типа (рис. 1), которые характеризуются более высокой устойчивостью к истиранию по сравнению с запорными элементами поршневого типа с запорной парой "резина-металл". Однако шайбовым запорным элементам характерна низкая регулирующая способность, что обусловливает образование непроизводительного расхода воды в процессе пользования арматурой.
Рис. 1. Запорное устройство шайбового типа: а) вентильная головка; б) запорный элемент с проходным отверстием "полукруг";
в) запорный с проходным отверстием "секторы"; г) запорный элемент с плавно изменяющимся сечением проходного отверстия;
1 - запорный элемент; 2 - посадочное седло;
3 - шпиндель; 4 - рукоять; 5 - прижимное резиновое кольцо
Непроизводительный расход - это количество воды, вытекающей из санитарнотехнической арматуры во время ее использования, но не участвующей в удовлетворении потребностей человека в воде. Непроизводительные расходы воды в жилых зданиях - один из наиболее существенных видов ее потерь, исследование которых имеет важное значение
как для теории водопотребления, так и для практики водоснабжения жилых зданий, и их снижение занимает важное место в решении задачи водосбережения. Например, при выполнении гигиенической процедур, затрачивается некоторое время на открывание крана, регулирование требуемого расхода воды и ее температуры, а также на закрывание крана. Кроме того, в промежутках между операциями по выполнению процедуры чистая вода без использования стекает в канализацию. В течение этих периодов формируется непроизводительный (бесполезный) расход воды. При этом с повышением давления перед санитарно-технической арматурой непроизводительные расходы воды увеличиваются. Это особенно характерно для нижних этажей современных зданий повышенной этажности. Многолетние систематические наблюдения показывают, что большую часть суток внутренние водопроводы жилых зданий работают при давлениях на вводах, значительно превышающих проектные и достигающих иногда 0,95-1,2 МПа. Однако даже при минимальных давлениях, которые наблюдаются только в период наибольшего водопотребления на верхних этажах здания, водоразборная арматура работает в гидравлических условиях, близких к расчетным. В остальные часы текущего водоразбора расходы воды через арматуру могут достигать 0,35 - 0,5 л/с, особенно на первых этажах многоэтажных зданий при нормативных значениях 0,12 - 0,25 л/с. Снижение непроизводительных расходов воды может быть достигнуто за счет применения водосберегающей арматуры, имеющей улучшенные регулирующие и расходные характеристики.
Современные устройства санитарно-технической арматуры с вентильными головками шайбового типа оснащены керамическими запорными парами, при этом наиболее широко используются запорные элементы с проходным отверстием в виде полукруга или секторов (рис. 1 б, в).
Исследование изменения расхода водоразборной арматуры по мере открывания проходного отверстия позволяет не только проверить на соответствие ГОСТ 19681-94, но и выявить особенности регулирующей способности прибора. Для определения водосберегающей эффективности и сравнения регулирующей способности вентильных головок шайбового типа с различными формами проходного отверстия проведены стендовые испытания туалетного крана типа КТН15 Д.
На рис. 2 представлены графики изменения расходов воды по мере открывания проходного отверстия шайбового запорного элемента с проходным отверстием в виде "секторов". Из графиков видно, что проходное отверстие указанного типа имеет весьма ограниченный диапазон регулировки расхода - в пределах первой четверти поворота рукояти, после чего расход практически не изменяется. Запорная пара типа "полукруг" имеет несколько лучшие расходные характеристики по сравнению с запорной парой типа "сегменты", однако данному типу также свойственна низкая регулирующая способность.
Характерной особенностью работы запорного элемента шайбового типа является наличие промежутка открывания, когда при повороте рукояти расход воды чрезвычайно мал. Этот промежуток открывания мы условно назвали «сухим ходом», который составляет около 20° поворота рукояти, после которого расход воды изменяется по обычному квадратичному закону. Наличие так называемого «сухого хода» и резкого перехода к квадратичному закону увеличения расхода воды по мере открывания оказывает отрицательное влияние на регулирующую способность крана. Это можно объяснить тем, что потребитель поворачивает рукоять вентильной головки в ожидании воды, но на начальном участке хода ее не получает. В этом случае потребитель продолжает открывать кран уже более интенсивно, при этом поворот рукояти производится по линейному закону, а расход воды - по квадратичному закону. В результате на регулировку затрачивается больше времени, чем, если бы расход изменялся по линейному закону (или близкому к нему).
Открывание крана (поворот рукояти), град
Открывание крана (поворот рукояти), град Рис. 2. Изменение расхода воды по мере открывания крана с запорной парой шайбового типа.
0 0,05 МПа ♦ 0,1 МПа о 0,3 МПа ■ 0,5 МПа
О 0,6 МПа . 0,8 МПа -----ГОСТ 19681-94
В результате теоретических и экспериментальных исследований авторами разработано техническое решение вентильной головки с запорным элементом шайбового типа, снабженным проходным отверстием с постепенно изменяющейся геометрией отверстия (рис. 1.). Сущность разработки заключается в том, что сменный клапанный узел, содержит, размещенный в гнезде арматуры корпус с затвором из набора подвижной и неподвижной плоских шайб, в каждой из которых выполнено проходное отверстие, опирающихся на упругую прокладку, и поворотный шток привода, герметизированный уплотнительными кольцами.
Вентильная головка состоит из корпуса, снабженного неподвижной обоймой с посадочным гнездом для неподвижной шайбы, в которой выполнено проходное отверстие. В полости неподвижной обоймы размещен шток, имеющий возможность поворота на 180°, снабженный обоймой с посадочным гнездом для подвижной шайбы, в которой выполнено
проходное отверстие. Запорный элемент из набора неподвижной шайбы и подвижной шайбы поджат упругой прокладкой. Запорный элемент состоит из двух шайб, одна из которых является неподвижной и установлена в неподвижную обойму, а другая - подвижна, т. к. установлена в обойму штока, имеющего возможность поворота на 180°. Шайбы прижимаются друг к другу упругой кольцевой прокладкой, опирающейся с одной стороны по контуру на периферийную часть неподвижной обоймы корпуса, а с другой - на посадочное гнездо вентиля.
В закрытом положении проходные отверстия шайб не совпадают и вода не поступает. При повороте штока закрепленная в обойме подвижная шайба получает вращательное движение относительно своего центра. При этом отверстия шайб совмещаются, постепенно увеличивая или уменьшая площадь живого сечения. В результате проходное отверстие выполнено с плавно изменяющейся площадью живого сечения, что позволяет обеспечить более высокую регулирующую способность устройства за счет того, что закономерности изменения площади живого сечения проходного отверстия и расхода среды через него в этом случае близки по характеру. Это позволяет обеспечить плавное изменение расхода среды, проходящей через отверстие.
В процессе пользования водоразборной арматурой потребитель имеет возможность регулирования расхода воды, поворачивая рукоять вентильной головки от 0 до 180°. При
этом изменяется площадь живого сечения проходного отверстия запорной пары й)т
(рис. 3). При постоянном давлении Н и фиксированном значении коэффициента расхода
¡1 расход воды изменяется в зависимости от Сдзп и определяется по формуле:
где сат- площадь живого сечения, Ц - коэффициент расхода Ц — 8ф , (р - коэффициент скорости, £ - коэффициент сжатия струи, а0 - угол поворота рукояти от 0 до 180°.
¡80
(1)
0
Рис. 3. Схема открывания проходного отверстия
При текущем значении поворота рукояти на угол а о площадь проходного отверстия б)зп запорной пары шайбового элемента определяется по формуле:
СО
W 41
n-R ■ап
1
nR2y 360
360
[ ил UJ J
я[д~/?; cos( у/]
(2)
где Я- внешний радиус отверстия; у - угол между диаметром шайбы и лучом ОА, у = соШ', 111=11/2.
Из уравнения (2) видно, что при постоянном радиусе проходного отверстия Я
соотношение
кR2 360
= const. Тогда площадь сечения проходного отверстия запорной пары
по (2) является:
®зп=/(ао)- (3)
Из уравнения (3) следует, что зависимость площади проходного отверстия созп от угла поворота а0 подвижной шайбы запорной пары вентильной головки линейна. При постоянном напоре Н перед водоразборной арматурой расход воды будет изменяться
по закону, близкому к линейному.
На рис. 4 представлены графики изменения расходов воды в зависимости от степени открывания крана с дисковым запорным элементом с плавно изменяющимся проходным сечением.
Открывание крана (поворот рукояти), град
Рис. 4. Графики расхода воды по мере открывания шайбового запорного элемента с изменяющейся площадью проходного сечения
О -0,05 МПа; ♦ -0,1 МПа; □ -0,3 МПа; ■ - 0,4 МПа;
О - 0,5 МПа; • - 0,6 МПа;
Анализ графиков показывает, что в "пользовательском" диапазоне вращения рукояти (на свободное вращение кисти руки) изменение расхода воды происходит по закону, весьма близкому к линейному. При этом следует отметить, что поворот рукояти более, чем на 90°, приводит к образованию квадратичной зоны. Однако дальнейшее открывание крана к существенному приросту расхода воды не приводит. Это очень важно особенно для условий повышенных давлений перед арматурой.
EXPERIMENTAL ESTIMATION OF REGULATING ABILITY OF THE SANITARY FIXTURE
A.P. Svintsov, S. A. Mucarzel
Department of Design and Construction of Industrial and Civil Structures People s’Friendship University of Russian Ordzhonikidze St., 3, 117198, Moscow, Russia
in clause the results of tests of the device for closing as a washer such as for the crane sanitary are submitted. Is established, that closing pair as a washer, at which the aperture gradually changes, allows to receive linear (in the user range of opening of the crane) change of the charge of water at gradual opening of the crane
Александр Петрович Свинцов родился в 1951 г., окончил в 1980 г. РУДН. Канд. техн. наук, доцент кафедры Проектирования и строительства промышленных и гражданских сооружений. Автор 44 публикаций, 4 изобретений.
A.P. Svintsov (b. 1951) graduated from Peoples’ Friendship University of Russia in 1980. PhD (Eng), ass. professor of Design and Construction of Industrial and Civil Structures Department of Peoples’ Friendship University of Russia. Author of 44 publications and 4 inventions.
Мукарзель Сергей Асаадович родился в 1975 г., окончил в 1999 г. РУДН. Аспирант кафедры Проектирования и строительства промышленных и гражданских сооружения. Автор 7 публикаций и 1 изобретения.
Moukarzel S.A. (b. 1975) graduated from People's Friendship University of Russia in 1999. Post-graduate of Design and Construction of Industrial and Civil Structures Department of People's Friendship University of Russia. Author of 7 publications and 1 inventions.
