Расходные характеристики водоразборной арматуры

А. П. Свинцов, д-р техн. наук

С. А. Мукарзель, канд. техн. наук

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

В современных жилых зданиях водопотребление характеризуется не только полезным расходованием, но и значительными потерями воды, формируемыми под воздействием многих факторов. Потери воды в системах водоснабжения ухудшают сохранность природных ресурсов, приводят к перегрузкам сетей водоснабжения и водоотведения, очистных сооружений, увеличению сброса сточных вод, снижению качества их очистки и, соответственно, к ухудшению экологической обстановки в городах и населенных пунктах. Эффективное снижение водопотребления возможно только посредством внедрения комплекса водосберегающих мероприятий, соответствующих причинам образования потерь воды.

Непроизводительные расходы воды в жилых зданиях – один из наиболее существенных видов ее потерь, исследование которых имеет большое значение, как для практики водоснабжения жилых зданий, так и для конструирования санитарно-технической арматуры. Водоразборная санитарно-техническая арматура вентильного типа, выпускаемая промышленностью и широко применяемая в системах водоснабжения жилых зданий, не отвечает современным требованиям водосбережения. Схемы вентильных головок представлены на рис. 1.

Рисунок 1 (подробнее)   Вентильные головки а), б) – поршневого типа; в) – шайбового типа; г) – запорный элемент шайбового типа с проходным отверстием «полукруг»; д) – запорный элемент шайбового типа с проходным отверстием «секторы»; 1 – запорный элемент; 2 – посадочное седло; 3 – шпиндель; 4 – рукоять; 5 – прижимное резиновое кольцо

Основной недостаток вентильных головок как поршневого, так и шайбового типов заключается в низкой регулирующей способности, что приводит к образованию непроизводительных расходов воды, составляющих в среднем 26,9 % от общего количества потерь воды. Для снижения величины непроизводительных расходов в ряде публикаций рекомендовано предусматривать установку калиброванных шайб, вставок, втулок, регуляторов расхода и др. Использование вставок с калиброванным проходным отверстием позволяет повысить гидравлическое сопротивление водоразборного прибора и снизить расход воды, что, однако, не позволяет улучшить регулирующую способность водоразборной арматуры. Кроме того, опыт применения вставок показал, что их работа сопровождается большим акустическим шумом. Это послужило одной из важнейших причин отказа потребителей от применения указанных вставок.

В Российском университете дружбы народов проведены стендовые испытания водоразборного крана с вентильной головкой поршневого типа и простым изливом (без струевыпрямителей и аэраторов). Экспериментально установлено, что повышение давления приводит к существенному увеличению расхода воды даже при незначительном повороте рукояти вентильной головки (рис. 2). Диаграммы построены по средним значениям. При давлении 0,05 МПа и повороте рукояти вентильной головки более чем на полтора оборота расход воды практически не изменяется, асимптотически приближаясь к производительности крана по ГОСТ 19681–94. В результате наших исследований установлено, что при давлениях 0,3 и 0,5 МПа поворот рукояти уже на пол-оборота приводит к увеличению расхода воды соответственно на 75 и 125 % относительно стандартной производительности при стандартном давлении. Низкая регулирующая способность водоразборной арматуры становится причиной непроизводительных расходов, образование которых обусловлено техническими условиями, а не отношением потребителей к экономии воды. Для снижения непроизводительных расходов воды наиболее часто рекомендуется применять местные сопротивления, снижающие производительность арматуры: аэраторы, струевыпрямители, втулки, вставки, шайбы, фигурные резиновые прокладки запорных элементов, регуляторы расхода, которые устанавливаются на подводке перед смесителем или на излив (вместе с аэратором).

Рисунок 2 (подробнее)   Изменение расхода воды через кран при постепенном его открывании и различных давлениях – – – – – q0 – по ГОСТ 19681–94; – 0,05 МПа; – 0,3 МПа; – 0,5 МПа

Для определения эффективности различных водосберегающих устройств авторами проведены стендовые испытания туалетного крана типа КТ15Д, снабженного вентильными головками с запорными элементами поршневого и шайбового типов, при этом на излив крана устанавливались:

– шаровой струевыпрямитель;

– регулятор расхода, совмещенный с аэратором;

– аэратор без регулятора расхода.

Расходы воды определялись при полностью открытом кране и давлениях, изменяющихся ступенчато. Расходы воды также определялись при давлениях 0,005; 0,3 и 0,5 МПа и различной степени открывания крана. Работа крана исследовалась u1073 без установки насадков на излив (простой излив), с установкой шарового струевыпрямителя и с установкой регулятора расхода воды.

На рис. 3 представлены диаграммы изменения расхода воды (по средним значениям) при полностью открытом кране с поршневым запорным элементом. Анализ результатов испытаний показывает, что водосберегающая эффективность шарового струевыпрямителя незначительна, в то время как регулятор расхода с аэратором позволяет существенно снизить расход воды при повышенных давлениях. При этом расходы воды для полностью открытого крана без насадка превышают расходы для крана с регулятором расхода на 31, 119 и 149 % при давлениях 0,05; 0,3 и 0,5 МПа соответственно.

Рисунок 3 (подробнее)   Расходы воды при полностью открытом кране с запорным элементом поршневого типа – простой излив; – с шаровым струевыпрямителем; – с регулятором расхода без аэратора; – с регулятором расхода и с аэратором

На рис. 4 представлены графики изменения средних значений расходов воды в зависимости от степени открывания крана с поршневым запорным элементом при различных давлениях. Анализ результатов стендовых испытаний показывает, что регуляторы расхода эффективны при давлениях более 0,3 МПа. При давлениях до 0,3 МПа снижение расхода воды составляет 9,5–13 %, что находится в пределах диапазона варьирования полученных данных. В практике водопользования арматура обычно редко открывается полностью, т. к. потребитель имеет возможность по своему усмотрению устанавливать необходимый расход воды с желаемой температурой путем регулирования. Очень важно, чтобы время, затрачиваемое потребителем на регулировку, было минимально. На рис. 5 представлены диаграммы изменения средних значений расходов воды при постепенном открывании крана с запорными элементами поршневого и шайбового типов и снабженных регуляторами расхода. Полный ход шпинделя вентильной головки поршневого типа составляет два оборота рукояти. При этом проходное отверстие полностью открыто уже при повороте рукояти на полтора оборота и расход воды практически не изменяется при дальнейшем открывании крана. Вентильные головки с запорными элементами шайбового типа допускают поворот рукояти только на пол-оборота, при этом проходное отверстие открывается полностью. Для возможности сопоставления расходных характеристик вентильных головок различного типа принято привести степень открывания проходного отверстия к общей единице, выраженной в долях хода рукояти. Анализ графиков показывает, что в комплекте с вентильной головкой поршневого типа регулирующий эффект наблюдается при давлении 0,05 МПа. Кроме того, аэратор и резиновое кольцо регулятора способствуют снижению расхода, достигающему в среднем 22 % при полностью открытом кране по сравнению с простым изливом. При давлениях более 0,3 МПа изменение расхода наблюдается в очень узком диапазоне регулировки (поворот на 1/8 оборота рукояти или на ¼ общего хода рукояти). В остальном диапазоне открывания крана расход воды постоянен, что свидетельствует о стабилизирующем, а не о регулирующем эффекте.

Рисунок 4 (подробнее)   Расходы воды по мере открывания крана с поршневым запорным элементом , , – простой излив; , , – с регулятором расхода   – 0,05 МПа; – 0,3 МПа; – 0,5 МПа; – 0,05 МПа; – 0,3 МПа; – 0,5 МПа

Исследование работы запорного элемента шайбового типа без регулятора расхода показало, что при давлении 0,05 МПа расход ниже нормативного в среднем на 16 %. Работа шайбового запорного элемента в комплекте с регулятором расхода еще больше снижает расход воды, который не превышает 30 % от нормативного значения. При давлениях более 0,3 МПа вентильная головка с запорным элементом шайбового типа работает с расходом, изменяющимся по нелинейному закону. 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 потребителя. 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 несколько более интенсивно, при этом поворот рукояти производится по линейному закону, а получаемая из крана вода течет по квадратичному. В результате на регулировку затрачивается больше времени, чем если бы расход изменялся по линейному закону (или близкому к нему).

Рисунок 5 (подробнее)   Расходы воды по мере открывания крана

На рис. 6 представлены графики изменения средних значений расхода воды при полностью открытом кране, снабженном различными вентильными головками и запорными элементами. Вентильные головки поршневого типа с вращательно-поступательным и с возвратно-поступательным перемещением шпинделя работают практически одинаково.

Рисунок 6 (подробнее)   Расходы воды через кран с различными запорными элементами – вращательно-поступательный поршень; – возвратно-поступательный поршень; – шайба с «полукругом»; – шайба с «секторами»

Вентильная головка с шайбовыми запорными элементами работает с меньшими расходами воды, что обусловлено более высоким u1075 гидравлическим сопротивлением по сравнению с запорным элементом поршневого типа. Однако минимальный расход воды при давлении 0,05 МПа, регламентированный ГОСТ 19681–94, не обеспечивается.

Исследование расходных характеристик водоразборной арматуры при изменении степени открывания проходного отверстия позволяет не только проверить ее на соответствие требованиям ГОСТ 19681–94, но и выявить особенности регулирующей способности прибора. На рис. 7 представлены диаграммы изменения средних значений расходов воды по мере открывания проходного отверстия в виде секторов шайбового запорного элемента.

Графики изменения расходов воды краном с вентильной головкой, снабженной запорной парой с проходным отверстием в виде полукруга, представлены на рис. 8.

Рисунок 7 (подробнее)   Изменение расхода воды по мере открывания крана с запорной парой шайбового типа «секторы»

Рисунок 8 (подробнее)   Изменение расхода воды по мере открывания крана с запорной парой шайбового типа «полукруг»

Несмотря на высокую стойкость к истиранию и к образованию утечек воды запорные пары шайбового типа допускают большие непроизводительные расходы, что приводит к бесполезной трате водных и энергетических ресурсов при водоснабжении зданий и сооружений.

Выводы

1. Водоразборная арматура с вентильными головками поршневого типа характеризуется нелинейным изменением расхода воды в зависимости от давления и степени открывания проходного отверстия.

2. Местные сопротивления в виде шаровых струевыпрямителей, регуляторов-аэраторов, устанавливаемых на излив, снижают расход воды, не обеспечивая при этом улучшения регулирующей способности водоразборной арматуры.

3. Вентильные головки водоразборной арматуры, снабженные шайбовой запорной парой типа «секторы» не обеспечивают требование ГОСТ 19681–94 в части минимального значения расхода при давлении 0,05 МПа.

4. Недостатком вентильных головок поршневого и шайбового типов является низкая регулирующая способность, что обусловливает непроизводительные расходы воды.