Кавитация: как считать
В сужении клапана (vena contracta) скорость максимальна, а давление минимально — ниже давления на выходе. Если оно опускается до давления насыщенных паров жидкости pv, образуются пузырьки пара, которые схлопываются при восстановлении давления за клапаном: это кавитация — шум, эрозия седла и плунжера, вибрация, ограничение расхода. Если давление на выходе p₂ само ниже pv, пар не конденсируется — вскипание (flashing). IEC 60534-2-1 связывает допустимый перепад с коэффициентом восстановления давления клапана FL: Δp_доп = FL²·(p₁ − FF·pv), где FF = 0,96 − 0,28·√(pv/pc) — поправка на критическое давление (для воды pc = 221 бар). При Δp > Δp_доп течение критическое: расход не растёт, кавитация развитая.
Пример: вода 90 °C, pv = 0,7 бар абс., клапан седельный (FL = 0,9) с p₁ = 6 и p₂ = 1,5 бар абс. — перепад 4,5 бар. FF = 0,944, Δp_доп = 4,32 бар: критический перепад — кавитация и ограничение расхода; индекс кавитации σ = (p₁ − pv)/Δp = 1,18 — ниже 1,5–2 у седельных клапанов начинается шум. Чтобы уйти от кавитации, p₂ должно быть не ниже 1,68 бар абс. Та же вода при 20 °C (pv 0,023 бар) дала бы Δp_доп 4,84 бар — начальная кавитация возможна — шум, износ; а шаровой кран (FL = 0,55) в тех же условиях — 1,61 бар и критический перепад — кавитация и ограничение расхода: у арматуры с высоким восстановлением давления кавитация начинается раньше.
Меры: поднять давление за клапаном (перенести клапан ниже по потоку, добавить дроссельную шайбу или второй клапан — ступенчатое дросселирование), снизить температуру воды, выбрать клапан с большим FL (многоступенчатый, клеточный плунжер, антикавитационные вставки), уменьшить перепад изменением схемы. Калькулятор считает pv по температуре, FF, Δp_доп для типов клапанов, индекс σ, минимальное p₂ и режим — без кавитации, начальная, критическая или вскипание.
Допустимый перепад по температуре воды при p₁ 6 бар абс.
Давление насыщенных паров pv и поправка FF растут с температурой, допустимый перепад падает; седельный клапан FL 0,9, шаровой — 0,55.
Типы клапанов: FL, xT и допустимые перепады
Типовые коэффициенты по IEC 60534-2-1; у конкретной модели — по паспорту.
Kv — объёмный расход воды с температурой от 5 до 30 °C в кубометрах в час, проходящий через арматуру при перепаде давления на ней 1 бар (100 кПа); Kvs — то же значение при номинальном, полностью открытом положении затвора. Cv определён аналогично для галлонов США в минуту и перепада 1 psi.— Определение пропускной способности (VDI/VDE 2173, ГОСТ 12893-2005)
Как считать и что проверить
- Δp_доп = FL²·(p₁ − FF·pv) с абсолютными давлениями: 90 °C, 6 → 1,5 бар, FL 0,9 — допустимо 4,32 бар при фактических 4,5.
- Горячая вода кавитирует раньше: pv при 90 °C — 0,7 бар против 0,023 при 20 °C (Δp_доп 4,84 бар).
- Шаровые и дисковые клапаны (FL 0,55–0,7) уходят в кавитацию при перепаде вдвое меньшем, чем седельные (FL 0,9): 1,61 бар.
- Держите σ = (p₁ − pv)/Δp выше 1,5–2 или дробите перепад на ступени; минимальное p₂ в примере — 1,68 бар абс.
Остальные режимы — на страницах серии ниже и в полном калькуляторе Kv; расход и потери контура отопления — в гидравлике системы отопления, потери напора в трубах — в гидравлическом расчёте трубопровода.
- IEC 60534-2-1:2011 (ГОСТ Р МЭК 60534-2-1) «Регулирующие клапаны для промышленных процессов. Пропускная способность. Уравнения расчёта расхода в условиях установки» — уравнения для жидкостей и сжимаемых сред, коэффициенты FL, xT, Y, FF. IEC / Росстандарт. 2011.
- ГОСТ Р 55508-2013 «Арматура трубопроводная. Методика экспериментального определения гидравлических и кавитационных характеристик» — Kv, коэффициент сопротивления ζ, кавитационные коэффициенты. Росстандарт. 2013.
- ГОСТ 12893-2005 «Клапаны регулирующие односедельные, двухседельные и клеточные. Общие технические условия» — пропускная способность Kv и условная Kvу, пропускная характеристика, кавитационный коэффициент. Росстандарт. 2005.
- IAPWS-IF97 / таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара (Вукалович М. П. и др.) — плотность насыщенного пара, давление насыщенных паров воды. IAPWS. 1997.
