Головним критерієм підбору регулюючого клапана є коефіцієнт пропускної здатності Kvs. У цій статті ми розберемо різницю між Kv та Kvs, наведемо формули розрахунку для рідин і газів та пояснимо, чому номінальний діаметр труби не є орієнтиром.

1. Що таке Kv та Kvs: у чому різниця?

За визначенням (згідно зі стандартом IEC 60534 / EN 60534):

• Коефіцієнт K_v (м³/год): Це умовна об'ємна витрата води (щільністю ρ=1000 кг/м³) за температури від 5°C до 40°C, яка проходить через клапан при перепаді тиску Δp = 1 бар. Показник K_v змінюється залежно від поточного ходу штока (ступеня відкриття клапана).
• Коефіцієнт Kvs (м³/год): Це значення коефіцієнта K_v при 100% повністю відкритому клапані (максимальний хід штока). Це паспортна величина регулюючої арматури, яка вказується виробником у каталогaх (наприклад, GEMÜ).

Примітка щодо американських стандартів:

В американській та британській системі використовується коефіцієнт C_v (галонів за хвилину при Δp = 1 psi).

Співвідношення: K_v ≈ 0.86  C_v або C_v ≈ 1.16 * K_v.

2. Чому підбір за діаметром (DN) є критичною помилкою?

Якщо встановити регулюючий клапан з DN_{клапана} = DN_труби без розрахунку K_vs, у 90% випадків арматура виявиться перерозміреною (oversized).

Наслідки перерозмірення клапана:

1. Режим «ґойдання» або «полювання» (Hunting): Клапан буде працювати тільки у вузькому діапазоні відкриття (5–15%). Навіть мінімальний хід штока викликатиме стрибок витрати. Регулятор постійно відкриватиме та закриватиме клапан, створюючи автоколивання.
2. Швидкий знос затвора та сідла: Через високу швидкість потоку у вузькій щілині виникає ерозія поверхонь, кавітація та підвищений шум.
3. Втрата точності керування: Інтелектуальний позиціонер (наприклад, 4–20 мА / HART) не зможе забезпечити плавне регулювання технологічного процесу.

Для правильного регулювання орієнтуються на авторитет клапана (α) — відношення перепаду тиску на повністю відкритому клапані (Δp_v) до загального перепаду тиску на ділянці (Δp_tot). Для якісного регулювання авторитет клапана має бути в межах α = 0.3...0.5.

3. Формули розрахунку необхідного значення  

Щоб підібрати паспортний K_vs, спочатку розраховують мінімально необхідне значення K_v для максимального робочого режиму.

А) Розрахунок для рідин (вода, теплоносії, рідкі середовища)

Для рідин, що не стискаються при докритичному режимі перепаду тиску застосовується формула:

\[ K_v = Q \cdot \sqrt{\frac{\rho}{1000 \cdot \Delta p}} \]

Де:

 Q — об'ємна витрата рідини,  ;
 ρ — щільність рідини при робочій температурі, кг/м³ (для води ≈ 1000 кг/м³);
 Δp = p₁ – p₂ — перепад тиску на клапані,   (p₁ — тиск до клапана, p₂ — тиск після клапана).

Якщо середовище — вода за температури до 40°C (ρ ≈ 1000 кг/м³ ), формула спрощується до:

\[
K_v = \frac{Q}{\sqrt{\Delta p}}
\]

Б) Розрахунок для газів та стисненого повітря

Для газів важливо враховувати стискуваність та режим протікання (докритичний чи критичний).

Розрахунок коефіцієнта витрати \(K_v\) для газу

Докритичний режим: \[
\left(\Delta p < 0.5 \cdot p_1\right)
\]
, де \(p_1\) — абсолютний тиск перед клапаном.

\[
K_v = \frac{Q_N}{514} \cdot
\sqrt{\frac{\rho_N \cdot T}{\Delta p \cdot p_2}}
\]

Критичний / Надкритичний режим \[
\left(\Delta p \geq 0.5 \cdot p_1\right)
\]
— швидкість потоку досягає швидкості звуку.:

\[
K_v = \frac{Q_N}{257 \cdot p_1} \cdot \sqrt{\rho_N \cdot T}
\]

Позначення:

• \(K_v\) — коефіцієнт витрати клапана;
• \(Q_N\) — об'ємна витрата газу, Нм³/год (при 0° C і 1,013 бар);
• \(\rho_N\) — щільність газу за нормальних умов, кг/Нм³;
• \(\Delta p\) — перепад тисків, бар;
• \(p_1\) — абсолютний тиск перед клапаном, бар;
• \(p_2\) — абсолютний тиск після клапана, бар;
• \(T\) — абсолютна температура перед клапаном, K.

Стандартні умови: 1,01325 бар і 273,15 K (0 °C).

В) Розрахунок для сухої насиченої пари

Для парових систем вибір залежить від тиску та втрат:

Докритичний режим (Δp < 0.5 * p1):

\[
K_v = \frac{G}{22.4 \cdot \sqrt{\Delta p \cdot p_2}}
\]

Критичний режим (Δp ≥ 0.5 * p1):

Де:

 G — маса витрати пари, кг/год;
 p₁,p₂ — абсолютні тиски до та після клапана, бар.

4. Покроковий алгоритм вибору значення Kvs

Щоб обрати клапан із каталогу виробника (наприклад, GEMÜ):

1. Визначте розрахункові параметри: Q_max (максимальна витрата), p₁  та бажаний перепад тиску Δp на клапані.
2. Розрахуйте значення K_v за відповідною формулою вище.
3. Застосуйте коефіцієнт запасу (15–30%): \[
   K_{v,\mathrm{розрах}} = K_v \cdot 1.2
   \]
4. За каталогом оберіть найближче більше значення K_vs: \[
   K_{vs} \geq K_{v,\mathrm{розрах}}
   \]
5. Перевірте відсоток відкриття: Обчисліть, на скільки відсотків буде відкритий клапан при мінімальній (Q_min) та максимальній (Q_max) витратах. Ідеальний робочий діапазон — від 20% до 80% ходу штока.

Приклад розрахунку для системи опалення

• Завдання: Підібрати регулюючий клапан для контуру теплообмінника.
• Вхідні дані:
  
  • Витрата води: Q = 12 м³/год;
  • Розрахунковий перепад тиску на клапані: Δp = 0.4 бар;
  • Температура води: 70° С (ρ ≈ 978 кг/м³).
• Розрахунок:
  
  1. \(K_v = 12 \cdot \sqrt{\frac{978}{1000 \cdot 0.4}} = 12 \cdot \sqrt{2.445} \approx 12 \cdot 1.56 = 18.72\ \mathrm{м}^3/\mathrm{год}\)
  2. Враховуємо запас 20%: \(K_{v,\mathrm{розрах}} = 18.72 \cdot 1.2 = 22.46\ \mathrm{м}^3/\mathrm{год}\).
  3. Обираємо за каталогом найближче стандартне значення: K_vs = 25 м³/год.
  4. Як правило, для K_vs = 25 підходить клапан із номіналом DN50 або DN40 (залежно від серії), навіть якщо підключений трубопровід має діаметр DN65 чи DN80 (використовуються концентричні переходи).

Висновки

1. Ніколи не підбирайте регулюючу арматуру за діаметром труби (DN).
2. Паспортний K_vs обирають із запасом 15–30% від розрахованого K_v.
3. Правильний підбір K_vs гарантує плавність регулювання, відсутність шуму та тривалий термін експлуатації позиціонерів та клапанів.