Регулирующие (запорно-регулирующие) клапаны

Клапаны предназначены для управления потоками жидких и газообразных сред, транспортируемых по трубопроводам.

Регулирующие и запорно-регулирующие клапаны осуществляют непрерывное изменение расхода регулируемого потока от минимального, когда клапан полностью закрыт, до максимального, когда клапан полностью открыт.

Запорные или отсечные клапаны управляют регулируемым потоком не непрерывно, а дискретно (клапан полностью открыт или полностью закрыт). Как у регулирующих, так и у запорных клапанов есть небольшие протечки регулируемой среды при закрытом положении клапана.

Следует отметить, что деление клапанов на регулирующие, запорные и запорно-регулирующие есть только в нашей стране, также как и отдельные стандарты на протечки для регулирующих и запорных клапанов. Весь остальной мир производит просто регулирующие клапаны, протечки у которых подразделяются на шесть классов, чем выше номер класса – тем меньше протечки. Последние три класса относятся к клапанам, которые у нас называют запорными и запорно-регулирующими.

Под условным диаметром прохода клапана (Ду) следует понимать номинальный внутренний диаметр входного и выходного патрубков клапана (в ряде случаев диаметр выходного патрубка может превышать диаметр входного). Каждому значению условного диаметра прохода клапана соответствует максимально возможное значение расхода регулируемого вещества, которое, в общем случае, зависит от ряда параметров (перепада давления, плотности и др.). Для удобства сравнения клапанов и выбора по результатам гидравлического расчета необходимого типоразмера клапана введено понятие условной пропускной способности.

Условная пропускная способность клапана (Kvy) показывает, какое количество воды при температуре 20 °С может пропустить клапан при перепаде давления на нем 0,1 МПа (1 кгс/см2) при полностью открытом затворе.

Регулирующий клапан состоит из трех основных блоков: корпуса, дроссельного узла и привода клапана. Типичная конструкция проходного

запорно-регулирующего клапана без установленного привода представлена на рисунке 1.

Внутри корпуса клапана 1 устанавливается дроссельный узел, состоящий из седла 2 и плунжера 3, связанного со штоком 4. Седло может быть выполнено в различных конструктивных исполнениях: вворачиваться в корпус клапана как показано на рисунке 1, прижиматься к корпусу специальной втулкой или выполняться заедино с корпусом.

Плунжер скользит по направляющей, выполненной в крышке 5. Между корпусом 1 и крышкой 5 установлена уплотнительная прокладка 6. Шток 4 выводится наружу через сальниковый узел 7, представляющий собой набор подпружиненных шевронных колец из фторопласта-4 или его модификаций. На крышке 5 устанавливается привод, шток которого соединяется со штоком клапана. Привод может быть пневматическим, ручным, электрическим или электромагнитным.

Дроссельный узел является регулирующим и запирающим элементом клапана. Именно в этом узле реализуется задача изменения проходного сечения клапана и, как следствие, изменение его расходной характеристики.

Конкретные комбинации втулка-седло-плунжер выбираются исходя из условий эксплуатации клапана: перепада давления, типа регулируемой

среды и ее температуры, наличия мехпримесей, величины пропускной способности, вязкости среды и т.д.

В большинстве случаев важное значение для работы клапана имеет правильное направление подачи рабочей среды. Оно маркируется стрелкой на наружной поверхности корпусов. Если среда подается через левый канал в корпусе, изображенном на рисунке 1, то такое направление подачи называется «под затвор» (среда подходит к плунжеру снизу), а если среда подается по правому каналу, то такое направление подачи называется «на затвор» (среда прижимает плунжер к седлу в закрытом состоянии). Основные параметры и характеристики типовых регулирующих проходных клапанов, выпускаемых отечественными предприятиями, представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1.

Основные параметры запорно-регулирующих клапанов

Таблица 2.

Условная пропускная способность запорно-регулирующих клапанов

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Приводы и исполнительные механизмы запорно-регулирующей, регулирующей и запорной трубопроводной арматуры предназначены

для преобразования управляющего сигнала (пневматического, электрического или механического) в механическое (линейное или вращательное) перемещение штока привода и жестко связанного со штоком запорного органа (клапана, шарового затвора, дисковой заслонки, задвижки и т.п.).

Исполнительные механизмы, применяемые для управления запорно-регулирущей арматурой по принципу действия и используемому виду энергии для создания необходимого механического усилия на рабочем затворе подразделяют на:

Пневматические

Электрические

Гидравлические

Комбинированные

Пневматические исполнительные механизмы

Пневматические исполнительные механизмы в силу сложившейся традиции занимают достаточно большое место среди приводов для регулирующей арматуры различного типа. Это обусловлено в первую очередь тем, что массовая промышленная автоматизация до 50-х, 60‑х годов прошлого столетия базировалась в основном на пневматике. Пневматические системы автоматизированного управления сегодня, в эпоху микропроцессоров и широкого применения цифровой электроники, смотрятся несколько архаично, и кроме того, они достаточно громоздкие, требуют организации сетей подготовки и распределения сжатого воздуха, который к тому же расходуется при работе пневматических систем.

Вместе с тем, простота конструкции пневмоприводов, а как следствие этого - достаточно высокая надежность и ремонтопригодность их, позволяют успешно использовать такие приводы и в современных системах автоматизированного управления технологическими процессами.

Пневматические исполнительные механизмы предназначены для преобразования изменений давления воздуха Р на выходе регулятора в перемещение регулирующего органа - клапана, заслонки, шибера, крана и т. п. Регулирующий орган изменяет расход потока жидкости, газа, пара и т. п. на объекте управления, и тем самым вызывает изменение регулируемого технологического параметра.

По типу привода пневматические исполнительные механизмы делятся на мембранные, поршневые, поворотные, пневмодвигатели вращающиеся.

Мембранный исполнительный механизм (МИМ)

Схема мембранного исполнительного механизма (МИМа) показана на рисунке 2. Перемещение выходного штока 2, соединенного с регулирующим органом, в одну сторону осуществляется силой, которая создается давлением Р, в другую - усилием пружины 3. Сигнал Р поступает в герметичную мембранную «головку», в которой находится мембрана из прорезиненной ткани толщиной 2-4 мм с жестким центром. Снизу на мембрану давит пружина 3. В мембранных исполнительных механизмах (рис. 2) давление управляющего воздуха воздействует на мембрану 4, зажатую по периметру между крышками привода, и создает усилие, которое уравнивается пружиной 3. Таким образом, ход штока 2 привода пропорционален величине управляющего давления. Жесткость и предварительное сжатие пружины определяет диапазон усилий привода и номинальный ход.

Мембранные исполнительные механизмы классифицируют, по размерам мембранных «головок». МИМы поставляются обычно совместно

с регулирующими органами - клапанами. Так как при снятии давления Р мембрана всегда перемещается вверх, то в зависимости от конструкции регулирующего органа различают нормально открытые НО и нормально закрытые НЗ клапаны.

Рисунок 2. Мембранный исполнительный механизм, установленный на регулирующем клапане:

1 - регулирующий орган; 2 - шток; 3 - пружина; 4 - мембрана; 5 - сальник

Статические характеристики большинства МИМов близки к линейным, однако они обладают зоной гистерезиса, составляющей 2-15% от наибольшего значения Р. Эта величина зависит от усилий трения в сальнике 5, от перепада давлений на регулирующем органе, от характеристик пружины и эффективной площади мембраны.

Для уменьшения зоны гистерезиса и улучшения динамических характеристик МИМов на исполнительный механизм устанавливают дополнительные усилители мощности, называемые позиционерами. Различают позиционеры, работающие по схеме компенсации перемещений и по схеме компенсации сил. В позиционерах обоих типов МИМ охватывается отрицательной обратной связью по положению штока, что исключает влияние на статические характеристики сил трения в сальнике, перепада давлений на регулирующем органе и т.п.

Одновременно с этим увеличение расхода воздуха, подаваемого в МИМ и заметно улучшаются динамические характеристики последнего.

Для сопряжения с электрическими сигналами систем управления применяют электропневматические позиционеры, которые кроме улучшения статических характеристик мембранных исполнительных механизмов, обеспечивают преобразование электрического сигнала в импульс управляющего воздуха, подаваемого на МИМ.

Основные технические характеристики МИМов представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Внешний вид типичных МИМов, устанавливаемых на регулирующих клапанах, представлен на рисунке 3.

Поршневые пневматические приводы

Поршневые пневматические приводы (ППП) применяют в тех случаях, когда требуется линейное перемещение штока исполнительного

– это разновидность трубопроводной арматуры, основной задачей которой является изменение давления на участке трубопровода. Изменение состояния рабочей среды осуществляется посредством изменения площади сечения проходного отверстия в корпусе клапана. Регулировочные клапаны подразделяют на два вида: двухходовые и трехходовые.

Двухходовые регулирующие клапаны. В зависимости от направления потока рабочей среды. Проходные монтируются на прямых участках трубопровода, угловые, соответственно, в тех местах, где нужен поворот трубопровода.

Трехходовые регулирующие клапаны одновременно с регулировочной функцией выполняют задачу смешивания или разделения потоков рабочей среды, как правило, этот вид регулирующей арматуры имеет три патрубка входа-выхода, в зависимости от назначения.

Устройство и принцип работы двухходового проходного клапана

Основной устройства является корпус с расположенным внутри его проходным отверстием, на корпусе располагается система фиксации на трубопроводе и механизм регулирования, обычно это плунжерный или золотниковый затвор. Затвор, вследствие изменения своего положения, относительно проходного отверстия, изменяет его площадь, тем самым, регулируя объем проходящей через него, рабочей среды.

Арматура подразделяется по способу регулировки. В зависимости от вида затворного устройства:

• Седельной;
• Золотниковой;
• Мембранной;
• Клетчатой.

Регулировка механизма может осуществляться как вручную, через воздействие на шток, так и посредством системы внешнего управления.

Трехходовой регулирующий клапан имеет задачу разделения или смешивания потока рабочей среды. Используется он чаще всего в системах отопления.

Конструкционно устройство этого типа состоит из металлического корпуса с тремя патрубками. Внутренней перегородки с двумя соосными проходными отверстиями, по одному на каждый патрубок. Запорный механизм, закреплённый на управляемом штоке, может регулировать давление потока рабочей среды, проходящее через каждое отверстие, тем самым регулируя давления в одном или двух выходных патрубках.

Управление регулирующим клапаном может осуществляться как вручную, так и автоматически, в зависимости от состояния системы. В этом случае для управления регулирующим клапаном установлена приводная аппаратура: термостатический привод, изменяет характеристики состояния рабочей среды, контролирует температуру и давление. Кроме этого используются и другие виды привода, электромагнитный например.

Основные преимущества

Регулирующие клапаны, в основном, устанавливаются на системах отопления. Материалом корпуса служит металл, обладающий высокой износостойкостью и прочностью. Это стали, чугун и сплавы цветных металлов. Что позволяет добиться высокой надёжности этого вида арматуры.

Но основная задача регулирующего клапана это регулирование расхода рабочей среды, выравнивание давления и температуры в системе. Трехходовые, кроме этого, ещё экономят энергоноситель.

Технические характеристики

Основными техническими характеристиками регулирующих клапанов, которые нужны для выбора и подключения их к системе трубопроводов являются:

• Диаметр условного прохода;
• Тип запирания;
• Вид фиксации на трубопроводе: фланцевый или резьбовой. Реже встречается приварные устройства;
• Диапазон изменения состояния рабочей среды. Максимальная и минимальная температура и давление, при котором регулирующий клапан сохраняет свою работоспособность;
• Материал корпуса клапана и уплотнительных поверхностей;
• Тип управления: ручной, пневматический, гидравлический и так далее.

Монтаж регулировочных клапанов осуществляется в основном на системы, требующие точного распределения потоков рабочей среды, чаще всего это системы отопления. Также широкое применение регулирующие клапаны нашли в промышленности, при транспортировке жидких и газообразных рабочих сред.

Любое котельное оборудование, которое устанавливается на предприятиях или в условиях частного дома, представляет собой источник большой опасности. Водяная рубашка, которая есть в составе котла, - это сосуд, находящийся под давлением, что указывает на его взрывоопасность. Для того чтобы свести такой риск к минимуму, современные теплогенераторы и схемы их обвязки предполагают наличие защитных устройств и всевозможных систем. В качестве одного из самых простых и популярных выступает предохранительный клапан с регулировкой давления.

Каждый владелец котельного оборудования, описанного в статье, должен понимать, насколько может быть опасна эксплуатация устройства. Именно поэтому при установке прибора важно подумать над необходимостью наличия в системе предохранительного клапана, который вы можете выбрать и монтировать самостоятельно без посторонней помощи. Однако важно поинтересоваться у производителя, будет ли сохраняться гарантия на агрегаты после проведения таких работ.

Применение

Для того чтобы понять, где следует установить описываемое устройство, необходимо разобраться с тем, для чего используется клапан. В качестве цели установки выступает защита системы отопления. С помощью этого дополнения вы сможете исключить повышение давления воды. Оно может возникнуть при перегреве теплоносителя в котле. В особенности это касается тех приборов, которые работают на твердом топливе.

Как только теплоноситель достигает температуры кипения, начинается парообразование, что приводит к резкому увеличению давления в системе.

Необходимость использования

Если не использовать с регулировкой давления, последствиями могут стать разрывы и протечки системы трубопровода. Наиболее часто это происходит в местах соединения. Вы можете столкнуться и с разрушением полимерных фитингов, а также труб. Наиболее опасными является взрыв котлового бака, а также замыкание в котельной. От неприятностей поможет защитить небольшой клапан, который обладает достаточно простой конструкцией. Учитывая тот момент, что рост давления до критической отметки происходит в котле, предохранительный клапан нужно устанавливать ближе к прибору на подающем трубопроводе.

Ряд производителей котельного оборудования дополняют изделия группы безопасности. В нее входит манометр и сбросной клапан. Группа устанавливается непосредственно в водяную рубашку котельного оборудования.

Что необходимо знать об особенностях использования

Предохранительный клапан с регулировкой давления применяется в системах не всегда. Например, когда в качестве источника тепла в доме выступает электрический или газовый котел, то сбросное устройство вовсе не требуется. Это обусловлено причиной наличия автоматики безопасности в данных видах теплогенераторов. Помимо прочего, в них отсутствует какая-либо инерция. Владельцы подобных устройств должны знать, что при достижении установленной температуры воды электрический элемент или газовая горелка попросту отключатся, а нагрев прекратится почти сразу.

Необходимость использования

Используется в том случае, когда применяется печь или твердотопливный котел с водяным контуром. Здесь установка описываемого устройства обязательна. Как только дрова в топке разгорятся, а теплоноситель в сети достигнет определенной температуры, потребуется уменьшить нагрев. Важно закрыть доступ воздуха в камеру сгорания, это позволит пламени затухнуть. Однако по инерции будет продолжаться повышение температуры.

Если данный процесс протекает около предельных значений, то парообразование в подобных моментах неизбежно. Речь идет о температурах в пределах 90-95 градусов. Как было сказано выше, вскипание приведет к повышению давления, а предотвратить это сможет предохранительный клапан для котла. Он призван автоматически открывать путь для образовавшегося пара, который выходит, понижая тем самым давление до нормативного значения. После этого устройство самостоятельно закроется, чтобы прийти в дежурное состояние.

Конструктивные особенности

Конструкция описываемого дополнения котельного оборудования очень проста. Корпус выполняется с использованием водопроводной качественной латуни. В процессе технологии применяется горячая штамповка с использованием 2 литых деталей в полутвердом состоянии. В роли основного рабочего элемента клапанов выступает пружина. Ее упругость будет определять, насколько сильно давление, которое будет воздействовать на мембрану. Последняя закрывает проход наружу.

В нормальном положении пружина находится в седле с уплотнителем. Металлическая шайба служит верхним упором для пружины. Она фиксируется на штоке, конец которого прикреплен к пластмассовой рукоятке. С помощью нее производится корректировка положения клапана. Уплотнительные элементы изготавливаются из полимерных металлов, а вот что касается пружины, то в ее основе лежит сталь.

Принцип работы

Предохранительный клапан для котла имеет весьма простую конструкцию, это касается и принципа функционирования. В дежурном режиме, который является обычным, параметры воды находятся в определенном диапазоне. Мембрана служит для закрытия входа во внутреннюю камеру. После того как возникает ситуация, которую можно назвать близкой к аварийной, давление в системе возрастает, смесь из пара и воды начинает подпирать мембрану. жидкости преодолевает упругость пружины, что способствует открыванию мембраны. Теплоноситель попадает в камеру, а после вытекает через боковое отверстие.

Газовый клапан просто необходим для того, чтобы некоторое количество воды покинуло систему, это приведет к резкому снижению давления и закрытию мембраны. Как правило, механизм функционирует отлично, особенно это касается того случая, когда тепловое оборудование работает на пределе, а температура воды достигает показателя в 90-95 градусов. Газовый клапан может срабатывать довольно часто. На практике это приводит к тому, что он теряет герметичность. Вы можете заметить данную проблему при подтекании воды.

Для справки

Если вами производилась проверка предохранительных клапанов, и вы заметили свежие следы подтеков механизма, то это указывает на экстремальную работу теплогенератора или наличие неисправностей в системе. Проблема может быть связана с расширительным баком.

Установка предохранительного клапана не должна предполагать наличие запорной арматуры в том месте, где находится участок трубопровода от котельного оборудования до места самого клапана. Помимо прочего, запрещено устанавливать устройство после циркуляционного насоса. Устройство в таком состоянии будет перекачивать смесь из пара и воды.

Для того чтобы избежать возможности разбрызгивания воды по топочной, к выпускному отверстию устройства нужно присоединить трубку, которая будет отводить выбросы в канализацию. Если вы хотите, чтобы регулировка предохранительного клапана осуществлялась не только механически, но и контролировалась визуально, на вертикальный участок трубки необходимо установить сливную воронку, чтобы разрыв струи был виден.

Заключение

Настройка предохранительных клапанов, их установка и эксплуатация является весьма простой задачей из-за конструктивных особенностей. Специалисты не советуют гнаться за дешевым продуктом, поэтому при выборе устройства руководствуйтесь его качеством и отзывами тех, кто уже опробовал такую систему. В этом деле главное - безопасность и эффективность.

Тонкие фильтры, используемые в конструкции клапанов понижения давления D06F (FK06, HS10S) изготовлены из нержавеющей сетки с размером ячейки 0,16 мм. Поэтому крайне низка вероятность того, что грязь на седле и шпильке станет помехой надёжной работе клапана и что может произойти нежелательный рост давления за клапаном (т.н. «ползучесть»)

Однако, стоит позаботиться о том, чтобы во время эксплуатации грязь не смогла попасть в конструкцию клапана понижения работы, потому что способна нарушить его нормальную работу. Клапаны с попавшими под мембрану частичками грязи или мелкими песчинками иногда возвращают как «неисправные»
Иногда есть попытки вернуть также клапаны понижения давления, в которых вообще не обнаруживается никаких неполадок. Поэтому, когда и у второго клапана на том же месте обнаруживается «ползучесть», можно быть уверенным, что причиной неполадки является появившаяся в системе перемычка, иначе говоря, нежелательный гидравлический байпас между трубопроводом высокого давления и участком системы с пониженным давлением.

! Чаще всего байпас возникает между нерегулируемой подачей холодной воды и подачей горячей воды при сниженном давлении, когда в системе соединяются линии подачи холодной и горячей воды. Иногда это имеет место в центральном термостатическом смесительном клапане, но гораздо чаще - в выходной арматуре, например, в одноканальных смесителях, смесительных кранах для моек, термостатических смесителях для ванной и душа и т.п. Для предотвращения прохода холодной воды по перемычке в линию горячей воды (например, через термостатические смесители) на входных участках горячей и холодной воды устанавливают обратные клапаны. При неплотном закрытии обратного клапана, подсоединённого к штуцеру подачи горячей воды, холодная вода может спокойно перетекать в линию горячей воды. Данные проблемы не возникают, например, у комбинированного водоразборного узла HS10S, в состав которого входят и регулятор давления D06F, и обратный клапан RV277.

! Если давление холодной воды выше рабочего или расчётного давления предохранительного клапана, установленного на приборе горячей воды, то из этого клапана будет постоянно сочиться вода. В некоторых обстоятельствах это может наблюдаться только ночью, когда малый разбор воды из сети приводит к повышению статического давления.

Чаще всего, однако, оказывается, что рост давления обнаруживается на манометре, установленном до клапана понижения давления, из-за того, что обратные клапаны, поставленные после клапанов понижения давления, редко бывают плотно закрытыми.

Однако клапан понижения давления не будет пропускать воду, пока давление на выходе больше установленного. Редуктор действует как плотно закрытый обратный клапан. Кроме того, клапаны понижения давления модели D06F (в т ч в устройствах с этим клапаном FK06 иHS10S) сконструирован так, что все детали на выходной стороне клапана выдерживают давление, равное максимально допустимому давлению на входе, без ущерба для работы клапана.

При установке редукционного клапана сразу после водосчетчика (в качестве центрального) эта проблема обычно не возникает, поскольку контуры холодной и горячей воды находятся под одинаковым давлением. Однако наличие даже одной линии отбора воды до клапана понижения давления (например, в гараж или в сад) может вызвать эту проблему в системе с центральным клапаном понижения давления, если линия идет в узел подогрева горячей воды (например, через одноканальный смесительный клапан)

Для полноты картины следует также отметить, что там, где отдельный клапан понижения давления устанавливается с целью регулирования запаса горячей воды, расширение воды из-за разогрева вызовет подъем давления выше установочного давления и до рабочего давления предохранительного клапана. Это также может иметь место в схемах с центральными клапанами понижения давления, что приводит к работе описанного выше байпаса в обратном направлении.

Принцип работы регулятора давления воды основан на работе мембранной коробки за счет энергии рабочей среды в трубопроводе. Регуляторы давления прямого действия состоят из трех основных элементов: корпуса клапана, мембранного блока и пружинного задатчика. Внутри мембранного блока жестко закреплена чувствительная мембрана, которая делит мембранное пространство на две части. Мембрана жестко закреплена с конусом регулятора, таким образом, воздействуя на мембрану конус клапана закрывает или открывает проходное сечение регулятора и регулирует давление. На мембрану (через импульсную трубку (для регуляторов перепада давления RD122), или непосредственно отбор осуществляется через корпус клапана (как у RD102V и RD103V)) действует рабочая среда (вода, пар или др.), с противоположной стороны мембрана испытывает усилие пружины. Направления давления пружины и рабочей среды определяются типом регулятора давления: «перепада давления», «регулятора давления до себя» или «регулятора после себя».

При равенстве настроенного давления в регуляторе действительному давлению в системе (то есть система находится в равновесии) усилие настроенной пружины равно давлению рабочей среды. Чем выше давление в системе нужно поддерживать, тем больший коэффициент сжатия имеет пружина. При изменении давления в системе, импульс по импульсному трубопроводу напрямую воздействует на мембрану, а та в свою очередь воздействует на конус регулятора. Регулятор при росте давления в зависимости от типа (регулятор давления «до себя» или «после себя) соответственно открывается или закрывается.

Например, регулятор давления после себя, при отсутствии давления в системе (Рис. 1.1), нормально открыт. При повышении давления и превышении значения, настроенного с помощью настроечной пружины по показаниям манометра за регулятором, конус клапана начинает закрываться до тех пор, пока давление, предварительно установленное с помощью пружинного блока, не станет равно действительному давлению после регулятора.

Клапан регулятора давления после себя (Рис. 1.2.) при отсутствии давления нормально открыт. (На рисунке изображена схема установки регулятора на входной ветви). Импульсы давлений подаются через импульсные трубки из прямого (+) и обратного (-) трубопроводов. Данные импульсы воздействуют на мембрану, и (в зависимости от установленного заранее перепада давления с помощью настроечного винта) изменение перепада давления приводит к сдвигу конуса регулятора (3) и его закрытию или открытию до момента, когда величина перепада давления достигнет величины, установленной на пружинном блоке.