Штоковые, трех- и четырехходовые краны-смесители

Современные тенденции развития систем отопления все более склоняются к низкотемпературным напольным и радиаторным системам, при которых температура подачи теплоносителя значительно ниже температуры, выдаваемой котлом. Как же добиться гибкого регулирования температуры теплоносителя в условиях постоянно меняющейся уличной температуры?

Для низкотемпературных систем отопления и системы «теплый пол» нужно принимать такие технические решения, в которых в трубу подачи подмешивается охлажденная вода из обратки. Этот процесс называется качественным регулированием системы отопления, то есть регулирование, при котором расход теплоносителя остается прежним, а температура его меняется в нужную нам сторону и при этом мы никоим образом не вмешиваемся в работу котла и его циркуляционного насоса. Количественное регулирование системы отопления отличается от качественного тем, что при нем температура теплоносителя не меняется, а меняется его расход, то есть на трубе попросту устанавливается вентиль, закрытие которого увеличивает гидравлическое сопротивление и циркуляция притормаживается либо совсем останавливается, уменьшается соответственно и расход теплоносителя через отопительные приборы.

Качественное регулирование производят с помощью трехходового крана и байпаса или четырехходового крана, расположенных непосредственно перед кольцом низкотемпературного отопления (рис. 26).

Рис. 26. Принципиальная схема качественной регулировки температуры теплоносителя

Поворот рукояти трехходового крана в определенное положение открывает байпас, и циркуляционный насос втягивает охлажденную воду из обратки в подачу, где происходит смешивание с горячей водой подачи. Таким образом, температуру подачи теплоносителя можно отрегулировать до нужного значения. Трехходовой кран может работать очень гибко, он «умеет» перекрывать байпас или трубы подачи либо работать на смешивание обратной охлажденной воды с горячей водой подачи. Другими словами, если трехходовой кран закрывает байпас, то горячая вода подачи полностью попадает в кольцо отопления, если кран закрывает подачу, то кольцо отопления работает «на себя», теплоноситель будет крутиться в нем через байпас, пока не остынет, если кран открыт в промежуточном положении, то охлажденная вода через байпас попадает в кран и смешивается с водой подачи, далее в отопительный контур она попадает нужной нам температуры. Трехходовой кран, устанавливаемый для регулирования температуры теплоносителя, в данном случае, называют трехходовым смесителем (рис. 27). Температуру подачи горячей воды в систему отопления можно отрегулировать вручную по шкале на смесителе или с помощью датчика температуры и электрического сервопривода.

Рис. 27. Трехходовые смесители

Применение четырехходовых кранов позволяет обойтись без трубы байпаса, но в работе эти краны различаются: одни, например, с Х-образными заслонками, могут только закрывать и открывать подачу и обратку, но не умеют смешивать воду, другие, например, с роторными заслонками, воду смешивают. При применении кранов с Х-образными заслонками горячая вода попадает в кольцо отопления и кран закрывается, а насос гоняет теплоноситель по внутреннему кольцу, как только теплоноситель остывает, кран открывается и во внутреннее кольцо из котла попадает новая порция горячей воды, а охлажденная сбрасывается в обратку. Четырехходовой кран такой конструкции делит каждый контур на две части, его работа напоминает регулировку температуры теплоносителя включением-выключением циркуляционного насоса. Но в отличие от насосной регуляции (включения и выключения насоса), регулирование здесь происходит в более мягком режиме, так как насос не выключается и циркуляция теплоносителя не останавливается. Разумеется, что применение четырехходовых кранов с Х-образными заслонками возможно только в автоматическом режиме, поскольку ручной поворот крана при каждом остывании теплоносителя во внутреннем контуре просто невозможен.

Рис. 28. Четырехходовые роторные смесители

Четырехходовые смесители с роторными заслонками (и некоторыми другими) обеспечивают постоянный и одинаковый расход горячего и охлажденного теплоносителя и при этом позволяют устанавливать желаемую температуру теплоносителя как в ручном, так и в автоматическом режиме (рис. 28). Такая система отопления не нуждается в применении дифференциального байпаса, смеситель автоматически пропускает требуемое количество воды, иначе говоря, суммарное количество воды, поступающей в систему отопления, и воды, протекающей обратно, будет постоянным. Представленная система регулирования является одной из самых простых: в зависимости от положения клапана четырехходовой смеситель пропускает определенное количество воды, поступающей от котла в первичный контур; ровно столько же теплоносителя вытесняется в обратную магистраль.

Рис. 29. Пример решения узла подключения «теплых полов» и работы штокового смесителя

Обычно системы низкотемпературного отопления снабжаются автоматическими контроллерами, измеряющими температуру теплоносителя или температуру воздуха отапливаемого помещения, и отдающими команды на электрические сервоприводы, которые «крутят» вентили трех- или четырехходовых смесителей. Кроме смесителей «на поворотных заслонках» существует и другая управляющая арматура, основанная на штоковых (рис. 29) трех- и четырехходовых вентилях. Регулирование (закрытие и открытие каналов смесителя) происходит благодаря опусканию и подниманию штока с конусной заслонкой. Управляется смеситель датчиком, основанным на термическом расширении некоторых материалов, например, парафина. Капсула с парафином помещается на трубу системы отопления, парафин при нагревании от трубы расширяется и замыкает или размыкает контакты термопары, то есть капсула работает как выключатель, который передает импульс на сервопривод, передвигающий шток трех- или четырехходового смесителя. Потом температура в трубе отопления снижается, парафин уменьшается в объеме и размыкает контакты — шток смесителя занимает прежнее положение.

Рис. 30. Пример системы отопления, выполненной по классической схеме

1. Котел
2. Горелка
3. Система регулирования
4. Датчик наружной температуры

5  Блок дистанционного управления с датчиком комнатной температуры
6. Датчик температуры теплоносителя в подаче после трехходового смесителя
7. Предохранительный клапан
8. Манометр

9. Термостатический вентиль
10. Радиатор
11. «Теплый пол»
12. Трехходовой смесительный вентиль
13. Циркуляционный насос
14. Расширительный бак
15. Автоматический воздухоотводчик
16. Запорный вентиль
17. Дымоход
18. Вентиляция котельной

Таким образом, система отопления с низкотемпературным контуром «теплых полов» и радиаторным высокотемпературным контуром может выглядеть следующим образом (рис. 30). Теплоноситель, нагреваясь в котле, поступает в коллектор горячей воды, откуда он распределятся по двум разводящим стоякам: радиаторного отопления и «теплых полов». Радиаторные стояки доставляют воду к отопительным приборам, где она охлаждается и поступает в коллектор охлажденной воды соединенный с трубой обратки котла. Теплоноситель побуждаемый циркуляционным насосом, постоянно циркулирует, в этом контуре и через котел. В отопительном контуре «теплых полов» происходит несколько иное движение теплоносителя. Циркуляционный насос закачивает теплоноситель из коллектора подачи не постоянно, а периодически, по мере того, как трехходовой смеситель открывает подачу. Все остальное время насос «крутит» по кольцу «теплых полов» собственную охлажденную воду. Здесь необходимо заметить, что при ручной регулировке трехходового смесителя насос будет постоянно подмешивать воду из коллектора подачи, а при регулировании смесителя автоматикой возможны два варианта работы: с полным отключением «теплых полов» от котла и с подмешиванием горячей воды. Дело в том, что производителями трехходовых смесителей выпускаются два варианта этих вентилей, в большинстве случаев, трехходовые смесители настраиваются таким образом, что ручное закрытие вентиля, показывающее на шкале прибора «подача горячей воды закрыта», на самом деле горячую воду полностью не закрывает, а оставляет чуть-чуть приоткрытой. Это так называемая защита «от дурака». Например, смонтировав систему радиаторного отопления с ошибкой, пользователь полностью перекрывает подачу в систему отопления «теплых полов», а котел в это время работает и нагревает воду, выталкивая ее в систему. И куда ей течь, если трехходовой вентиль закрыт? В системе создается избыточное давление и перегрев теплоносителя — возможен разрыв теплообменника котла или трубопровода. Трехходовой смеситель, имеющий маленькое отверстие, при, казалось бы, полном закрытии подачи, позволяет не останавливать циркуляцию и пропускать теплоноситель по низкотемпературному контуру отопления.

Источник: «Отопление дома. Расчет и монтаж систем » 2011. Савельев А.А.

Термостатический трехходовой смеситель AQUAMIX 63C для теплого пола

Где применяется?

• Когда в коттедже комбинированная система отопления: радиаторы + теплый пол;

• Когда мощность теплых полов не превышает 11кВт.;

• Когда нужно сэкономить на готовом насосно-смесительном модуле;

В чем особенность этого клапана?

• Поддерживает температуру смешанной воды с точностью от 1 до 2°С, в диапазоне от 25 до 50°С;

• Постоянный байпас между обратной и смешанной водой;

• Внутренняя поверхность покрыта тефлоном для уменьшения накипи при жесткой воде;

• Встроенная защита от перегрева при аварийных ситуациях;

• Два сетчатых фильтра для защиты от механического загрязнения;

• Монтаж в любом положении;

Настройка температуры смешанной воды

Таблица настройки температуры смешивания приведена для температуры 60 градусов на входе “плюс”, и температуры  25 градусов на входе “минус”.  Контролируйте температуру смешанной воды с помощью термометра.

Какую площадь теплых полов может обслужить?

Клапан для теплого пола AQUAMIX 63C (диапазон 25-50°С)	Артикул	Расход, л/мин	Теплоотдача,кВт при Тпод-Тобр=10°С
Термосмеситель трехходовой AQUAMIX 6310C34 3/4″ВР 25-50°С (kvs1. 9) с насосом* Wilo 25/4 ( патрубки для обвязки клапана и насоса ¾” или 1″)	10017420	10	7,0
Термосмеситель трехходовой AQUAMIX 6310C34 3/4″ВР 25-50°С (kvs1.9) с насосом* Wilo 25/6 (патрубки для обвязки клапана  и насоса ¾” или 1″)	10017420	16	11,2
Термосмеситель трехходовой AQUAMIX 6311C1 1″ВР 25-50°С (kvs2.1)  с насосом* Wilo 25/4 (патрубки для обвязки клапана  и насоса ¾” или 1″)	10017421	10	7,0
Термосмеситель трехходовой AQUAMIX 6311C1 1″ВР 25-50°С (kvs2.1)  с насосом* Wilo 25/6 (патрубки для обвязки клапана  и насоса ¾” или 1″)	10017421	16	11,2

* -циркуляционный насос и патрубки в комплект поставки клапана не входят;

Пример:

Допустим, мы используем трубу для теплого пола 16х2 . При этом нам нужно обеспечить теплоотдачу 88Вт/м², температуру пола 28°С, температуру воздуха в помещении 20°С. Согласно нашей методике расчета, для достижения этих условий, мы укладываем трубу с шагом 200 мм, и задаем температуру подачи в теплый пол 45°С. У нас 5 помещений по 15м². Если для каждой ветки теплого пола мы обеспечиваем расход 2 л/мин., то общий расход будет равен 10 л/мин.

Для решения этой задачи выбираем клапан 6310C34 3/4″ВР 25-50°С (kvs1.9, артикул 10017420) и насос WILO 25/4. Для обвязки применяем трубы диаметром 1”. Так как мы знаем, что температура в контуре радиаторов равна 60°С., то на смесительном клапане Aquamix устанавливаем маховик в положение 8, соответствующее значению смешанной воды 44,4°С.

Как инсталлировать?

Схема при комбинированной системе отопления теплый пол + радиаторы

Спецификация

Схема при комбинированной системе c бойлером

Спецификация

Статический смеситель с теплообменником для вязких материалов

Рисунок № 1: Теплообменники со статическим смесителем для нагрева и охлаждения вязких материалов в различных конфигурациях: однотрубные (внизу слева), многотрубные (вверху слева), поперечно-трубные (вверху в центре) и различные конструкции используемых вставок смесительных элементов. для улучшения теплопередачи (справа в центре).

StaMixCo производит теплообменники со статическим смесителем для улучшения теплопередачи в системах с ламинарным потоком. Они используются как для нагрева, так и для охлаждения вязких материалов.

Однотрубные теплообменники
Однотрубный теплообменник (фото внизу слева) лучше всего подходит для нагрева/охлаждения небольшого расхода вязкого материала, когда одна трубка, заполненная статическими перемешивающими элементами, обрабатывает весь расход.

Многотрубные теплообменники
Многотрубный теплообменник (фото вверху слева) лучше всего подходит для нагрева вязкого материала с большим расходом с помощью нескольких параллельных трубок. Каждая трубка заполнена статическими перемешивающими элементами.

Теплообменники с перекрестными трубами:
Теплообменник с перекрестными трубами (фото вверху в центре) лучше всего подходит для охлаждения вязких материалов, он изготовлен из труб, согнутых в форме высокопроизводительного статического смесительного элемента GX™ с наклонной пластинчатой ​​конструкцией, как показано на рисунке № 4 ниже.

Принципы работы

Течение жидкостей с высокой вязкостью в трубах обычно протекает в ламинарном режиме. В режиме ламинарного потока практически отсутствует радиальный обмен/смешение жидкости у стенки и объемной жидкости, движущейся в центре трубы, как показано на рисунке №2 (вверху). При охлаждении или нагреве вязких материалов в пустой трубе этот ламинарный профиль потока без обмена стенками и объемным материалом резко затрудняет теплообмен между технологической жидкостью, протекающей внутри трубы, и рабочей жидкостью, протекающей снаружи трубы.

Статические смесительные элементы, когда они вставлены в трубу, обрабатывающую вязкие материалы, заменяют стенку и объемный жидкий материал, как показано на рис. 2 (внизу), что приводит к увеличению теплопередачи в 4–10 раз в зависимости от типа статического смешивания. используемая вставка элемента, размер трубы, вязкость жидкости и другие свойства жидкости и условия процесса.

Рисунок № 2: Ламинарный поток в пустой трубке (вверху) и через статический смеситель X-GRID™ (внизу)

Преимущества теплообменников со статическим смесителем

• Компактный объем и небольшая занимаемая площадь.
• Короткое время пребывания.
• Характеристики вытеснения потока обеспечивают узкое распределение времени пребывания потока продукта в конфигурациях с одной трубкой.
• Одновременная передача тепла, перемешивание и реакция в однотрубных конфигурациях.

Типы геометрических структур статических смесительных элементов, используемых для вязкостного теплообмена

Существует четыре (4) основных типа геометрических структур статических смесительных элементов, которые используются для улучшения теплопередачи в приложениях с ламинарным потоком. Каждая конструкция имеет определенные преимущества и недостатки в зависимости от требований процесса. Они описаны ниже.

Статическая смесительная структура с теплопередачей, модель HT™

Рис. 3. Спиральный статический смесительный элемент модели HT™ в сборе.

Модель HT™ со средней производительностью Спиральная конструкция статического смесительного элемента с чередующимися правыми и левыми поворотами бабочки, как правило, является наиболее экономичной вставкой смесительного элемента теплообменника с размерами труб диаметром 1 дюйм и меньше. Он демонстрирует низкое падение давления примерно в 6 раз по сравнению с потоком в пустой трубе.

Структура смесительного элемента HT™ в виде трубок диаметром 1 дюйм и меньшего размера используется как в однотрубных, так и в многотрубных теплообменниках. Обычно он ограничивается приложениями, требующими нагревания вязких материалов. Он имеет ограниченные возможности при охлаждении вязких материалов, когда вязкость технологической жидкости резко возрастает с понижением температуры.

Статическая смесительная конструкция с теплопередачей, модель GX™

Рис. 4. Спиральный статический смесительный элемент модели GX™ в сборе.

Высокоэффективная конструкция статического смесительного элемента модели GX™ обеспечивает высокую скорость теплопередачи при небольшой длине и способна обрабатывать материалы с большими различиями в вязкости. Он используется в качестве вставки теплообменника в диапазоне размеров труб диаметром 1–2 дюйма и демонстрирует высокие перепады давления в ~ 36 раз по сравнению с пустой трубой. Для трубок диаметром 1 дюйм и меньшего размера лучше всего подходит статический смеситель модели HT™ (рис. 3). Статический смеситель модели GX™ используется только тогда, когда возможности статического смесителя модели HT™ исчерпаны.

Структура смесительного элемента GX™ диаметром 1–2 дюйма используется как в однотрубных, так и в многотрубных теплообменниках как для нагрева, так и для охлаждения вязких материалов.

Статическая смесительная конструкция с теплопередачей, модель GXL™

Рис. 5. Структура статического смесительного элемента модели GXL™ средней производительности

Структура статического смесительного элемента со средней производительностью модели GXL™ демонстрирует те же общие характеристики теплопередачи и перепада давления, что и конструкция спирального статического смесителя модели HT™ (рис. 3), но имеет лучшие возможности смешивания при высокой и низкой вязкости благодаря наклонной пластине. структурой и способен заменять стенку и объемный жидкий материал независимо от диаметра. Как правило, он используется в трубах диаметром 3 дюйма и более в реакторах и других трубопроводах для транспортировки полимеров, где желательно поддерживать температуру при очень низком перепаде давления при перемешивании технологической жидкости с хорошим обменом материала стенок и объемной жидкости. Структура смесительного элемента модели GXL™ имеет ту же фундаментальную конструкцию наклонной пластины, что и статический смеситель GX™ (рис. 4), но представляет собой более открытую конструкцию с меньшим углом наклона смесительных пластин относительно оси трубы.

Статический смеситель GXL™ обычно используется в конфигурациях с однотрубным теплообменником диаметром 3 дюйма и более для поддержания температуры технологической жидкости при низком перепаде давления при смешивании материала стенок и объема жидкости.

Статическая смесительная конструкция с поперечными трубами

Рис. 6. Структура высокопроизводительного теплообменника/статического смесителя поперечно-трубного типа

Высокопроизводительный теплообменник с перекрестными трубами изготовлен из изогнутых трубок, имитирующих конструкцию высокопроизводительного статического смесителя GX (Рис. 4). Технологическая жидкость течет снаружи изогнутых трубок, а рабочая жидкость течет внутри изогнутых трубок. Пучок Cross-Tube используется в конфигурации однотрубного теплообменника с размерами от 4 дюймов в диаметре и намного больше и обеспечивает очень большую площадь поверхности теплопередачи от 15 до 45 футов 9 .0076 2 /фут ³ (50-150 м ² /м ³ ) при низком перепаде давления.

Конструкция с поперечной трубкой используется только тогда, когда возможности статических смесительных структур моделей HT™, GX™ и GXL™ (рис. 3, 4 и 5) превышаются. Чаще всего используется при охлаждении вязких материалов, когда вязкость технологической жидкости резко возрастает с понижением температуры. Благодаря однотрубной конструкции и конструкции с наклонными пластинами X-GRID™ исключается неравномерное распределение жидкости, наблюдаемое в многотрубных теплообменниках с параллельными трубками. Конструкция с поперечной трубой также используется в качестве реактора полимеризации, когда требуется одновременное перемешивание, реакция и характеристики поршневого потока наряду с нагревом/охлаждением реагирующих материалов.

Дополнительная информация

• Технический бюллетень (pdf, 74 КБ)
• Опросник спецификации заказчика (Excel 32 КБ)

Смесители-теплообменники

Источник: Koch-Glitsch Mixing & Reaction Technology

Во многих традиционных типах теплообменников при охлаждении или нагреве ламинарных потоков вязких сред часто возникают проблемы из-за образования пограничных слоев, которые могут резко тормозить теплообмен.

Во многих традиционных типах теплообменников при охлаждении или нагреве ламинарных потоков вязких сред часто возникают проблемы из-за образования пограничных слоев, которые могут резко тормозить теплообмен. Для приложений такого рода наблюдается заметное увеличение использования статических смесителей-теплообменников, которые обеспечивают непрерывное радиальное перемешивание и, таким образом, успешно предотвращают или, по крайней мере, значительно уменьшают образование пограничных слоев. Еще одной особенностью является узкий спектр времени пребывания, который является решающим фактором при обработке чувствительных к температуре вязких сред, например. полимеры.

Смесители-теплообменники компании со смесительными элементами SMXL или KHT доступны как в однотрубном, так и в многотрубном исполнении. Эти внутренние компоненты статического смесителя увеличивают коэффициент теплопередачи в 6–8 раз по сравнению с конфигурациями с пустыми трубами. Их используют не только для быстрого нагрева, например, нагрева растворов полимеров при производстве ПС, ЛПЭНП и подобных видов пластмасс перед дегазацией, но и для эффективного охлаждения вязких сред.

Смеситель-реактор SMR представляет собой особый тип смесителя-теплообменника. Его смесительные элементы состоят из ряда полых трубок, по которым течет теплоноситель. Расположение трубок в аппарате таково, что они вызывают сильное радиальное перемешивание. SMR используется в основном либо в качестве реактора полимеризации, либо в качестве охладителя. В нем обрабатываемая жидкость в условиях вытеснения (узкий спектр времени пребывания) непрерывно подвергается перемешиванию по всему сечению потока (компенсация концентрации и температуры), при этом либо подводится тепло, либо удаленный. Помимо чисто охлаждающих задач, реактор SMR используется везде, где необходимо проводить реакцию (с однофазным или двухфазным потоком) в определенных условиях времени/температуры.

Специальная программа проектирования этих статических смесителей-теплообменников позволяет компании предлагать своим клиентам оптимальный агрегат для каждого конкретного применения. В частности, это может гарантировать, что в процессах охлаждения с использованием многотрубных смесительных теплообменников надежно предотвращается неравномерное распределение между отдельными трубами и, следовательно, не снижается эффективность теплообменника. Смесительные реакторы SMR выдерживают рабочее давление и температуру до 300 бар/°C и выше, т.е. для охлаждения расплавов полиэстера в установках прямого прядения.