Расходные характеристики водосберегающей арматуры с запорной парой шайбового типа

А. П. Свинцов, д-р техн. наук

С. А. Мукарзель, канд. техн. наук

Д. А. Рысьев, магистр техники и технологий, Российский университет дружбы народов

Строительство жилых зданий с более комфортными условиями и благоустройство городов продолжается, несмотря на имеющиеся сложности различного характера, и обуславливает непрерывный рост общего объема подачи воды на хозяйственно-бытовые нужды населения. Увеличение водопотребления связано не только с улучшением комфортности жилищ, но и со значительными потерями воды. В силу различных причин потери воды в жилых зданиях велики, и одной из наиболее острых проблем жилищно-коммунального хозяйства является водосбережение.

Расходование холодной и горячей воды в жилых зданиях – процесс, включающий полезный расход, который можно считать действительной потребностью в воде, и ее потери. Одним из видов потерь воды являются непроизводительные расходы, возникающие во время водоразбора при повышенном давлении из-за низких регулирующих свойств арматуры. 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 [1, 2]. 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.

При переходе на реализацию водопроводно-канализационной продукции в соответствии с показаниями приборов учета квартирного типа потребители будут заинтересованы в снижении потерь воды, в том числе и непроизводительных ее расходов. Это может быть достигнуто за счет применения водосберегающей арматуры, имеющей улучшенные регулирующие и расходные характеристики. Для улучшения регулирующей способности водоразборной арматуры необходимо, чтобы по мере поворота рукояти вентильной головки (по мере открывания) изменение расхода воды происходило по линейному (или близкому к нему) закону. Это позволит потребителю значительно быстрее устанавливать требуемые расход и температуру воды и обеспечить снижение непроизводительных расходов. Указанная закономерность изменения расхода воды при повороте рукояти вентильной головки может быть обеспечена шайбовым запорным элементом, снабженным проходным отверстием с постепенно изменяющимся сечением.

В результате теоретических и экспериментальных исследований авторами разработано техническое решение вентильной головки с запорным элементом шайбового типа, снабженным проходным отверстием с постепенно изменяющейся формой сечения [3]. Разработанная вентильная головка шайбового типа снабжена запорной парой с проходным отверстием новой формы. В связи с этим экспериментальное исследование закономерностей изменения ее расходных характеристик представляется актуальным.

Исследования проведены на стенде с возможностью поддержания постоянного напора перед запорной парой. В качестве внешней регулирующей характеристики использован коэффициент местного сопротивления шарового крана, данные для которого представлены в справочной литературе. Шаровой кран, установлен на расстоянии l > 30d после вентильной головки. Величина подпора со стороны водопроводной сети моделировалась изменением степени открывания шарового крана от 0 до 90° с ценой деления 10° с соответствующими значениями коэффициентов местного сопротивления, определенных по справочникам. Величина коэффициента местного сопротивления зависит от степени открытия шарового крана и обозначена z^0°_ш, z^10°_ш  ... z^90°_ш  соответственно углу поворота рукояти относительно начального положения.

На рис. 1 представлены диаграммы изменения средних значений расхода воды через запорную пару по мере ее открывания при истечении в атмосферу при полностью открытом шаровом кране, а также по мере увеличения местного сопротивления шарового крана (по мере закрытия крана). Анализ диаграмм показывает, что при истечении в атмосферу и малых значениях коэффициента местного сопротивления шарового крана расход воды изменяется по закону, близкому к линейному с коэффициентом корреляции R_wq = 0,98 для z^90°_ш  = 0 и z^60°_ш  = 6,15.

Рисунок 1 (подробнее) Изменение расхода в зависимости от изменения площади проходного отверстия запорной пары при различных значениях гидравлического сопротивления сети (внешней регулирующей характеристики) – z20°ш = 853; – z30°ш = 277; – z60°ш = 6,15; – z90°ш = 0

При повышении коэффициента местного сопротивления крана до z^30°_ш  = 277 и z^20°_ш  = 853 расход изменяется менее интенсивно. При этом видна нелинейность изменения расхода в зависимости от площади проходного отверстия запорной пары. Такое изменение расхода обусловлено тем, что шаровой кран создает подпор перед запорной парой.

В практике использования водоразборной арматуры истечение воды происходит, как правило, в атмосферу. Для определения параметров гидравлических характеристик вентильной головки в реальных условиях, близких к эксплуатационным, проведены экспериментальные исследования на лабораторном стенде с возможностью создания давлений от 0 до 1,0 МПа. Водоразборная арматура в эксплуатационных условиях работает при давлениях 0,05 до 0,9 МПа, несмотря на то, что в СНиП 2.04.01–85* предусмотрено, что давление у наиболее низко расположенных в зданиях водоразборных приборов не должно превышать 0,45 МПа. ГОСТ 19681–94 регламентирует, что водоразборная арматура должна обеспечивать расходы воды: 0,07 л/с при давлении 0,05 МПа и 0,2 при рабочем давлении не менее 0,3 МПа. Расходы воды при давлении 0,5 МПа определяются для сравнения с зарубежными аналогами. Анализ данных многолетних измерений, проводимых МГП «Мосводоканал» показывает, что давление может быть принято в среднем 0,37 МПа. При исследовании произведены измерения давлений до и после запорной пары, а также расходы воды при различной степени открытия запорной пары. Начальное давление перед запорной парой принято Р = 0,35–0,375 МПа. Изменение напоров определялось по образцовым манометрам с ценой деления і = 0,02 МПа. Расход воды определялся по ротаметрам 40 и 15. Изменение проходного отверстия запорной пары обеспечивалось поворотом рукояти вокруг ее продольной оси. Величина открытия определялась по шкале от 0 до 180° с ценой деления 5°. Исследование запорной пары производилось при открытии ее проходного отверстия поворотом рукояти от 0 до 180° с шагом 10°.

Минимальное количество измерений в одной точке определено и статистическая обработка данных произведены в соответствии с планом эксперимента. На рис. 2 представлены диаграммы изменения средних значений расхода воды через запорную пару по мере ее открытия (в зависимости от отношения площади проходного отверстия запорной пары w_зп к площади сечения трубы w_тр•n_диафр = w_зп/w_тр) при различных давлениях перед прибором и истечении в атмосферу.

Рисунок 2 (подробнее) Зависимость расхода воды через диафрагму от nдиафр

Экспериментально установлено, что по мере открывания запорной пары и с увеличением давления расход воды изменяется практически линейно. Это свидетельствует о высокой водосберегающей эффективности разработанной авторами запорной пары, снабженной проходным отверстием с постепенно изменяющейся формой сечения.

Вывод

Разработанная запорная пара шайбового типа с постепенно изменяющимся сечением проходного отверстия для вентильных головок водоразборной арматуры обеспечивает практически линейное изменение расхода воды в зависимости от степени открывания на всем диапазоне изменения площади проходного отверстия, что позволяет существенно снизить непроизводительные расходы.

Литература

1. Кожинов И. В., Добровольский Р. Г. Устранение потерь воды при эксплуатации систем водоснабжения. М., 1988.

2. Свинцов А. П., Скотников Ю. А. Пути устранения потерь воды в жилых зданиях // Водоснабжение и санитарная техника. 1988. №1.

3. Свинцов А. П., Мукарзель С. А. Сменный клапанный узел. Патент РФ № 2178851. Бюл. №3. 27.01.2002.