КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ КЛАПАНОВ
В простейшем виде предохранительный клапан может быть представлен в виде штуцера, выходное отверстие которого закрыто плоской пластиной, масса которой противодействует силе давления среды, предотвращая ее выход наружу. Однако такой клапан имеет существенные недостатки, которые удается устранить в современных конструкциях предохранительных клапанов. Существующие конструкции предохранительных клапанов можно классифицировать по нескольким признакам.
По виду нагрузки на золотник.
1) Предохранительные клапаны грузового типа с непосредственной нагрузкой на золотник (рисунок 2зк, а). Они очень просты по конструкции. Однако их применяют только для низких давлений с небольшим сечением сопла из-за невозможности приложения к золотнику груза большой массы. Кроме того, эти клапаны склонны к вибрациям и очень восприимчивы к посторонним влияниям, вследствие чего не могут быть применены для подвижных систем.
а б
а — грузовой; б — рычажный
Рисунок 2зк — Предохранительные клапаны.
2) Предохранительные клапаны грузового типа с непрямым нагружением золотника (см. рисунок 2зк, б). К ним относятся рычажные предохранительные клапаны. Основное преимущество их — нагрузка на золотник при его подъеме остается постоянной (это относится и к предыдущим клапанам). Кроме того, настройка рычажного предохранительного клапана на давление, при котором он должен открываться (установочное давление), довольно точна и осуществляется перемещением груза на рычаге.
Однако рычажные предохранительные клапаны имеют и существенные недостатки, которые значительно ограничивают область их возможного применения. Применение таких клапанов недопустимо на подвижных установках, а также на установках, способствующих возникновению вибрации. Эти клапаны нельзя применять на установках, где давление резко пульсирует, так как наличие длинного рычага с грузом способствует усилению пульсации.
Кроме того, недостатками являются их большие габаритные размеры несоответствие между размерами клапанов и значительными габаритам груза и рычажного механизма. По Правилам Госгортехнадзора нагрузку клапан не ограничивают, но если усилие на золотник превышает 700 кгс, обходимо специальное приспособление, обеспечивающее подъем груза усилием одного человека. Рычажные предохранительне клапаны в основном применяют на стационарных паровых котлах теплосиловых установок.
3) Пружинные предохранительные клапаны. В пружинных предохранительных клапанах давлению среды на золотник противодействует сила пружины. Клапан настраивают большим или меньшим поджатием пружины. Пружинные предохранительные клапаны можно применять на всех, без исключения, аппаратах и установках, где необходимо ограничение давления (по Правилам Госгортехнадзора). Предохранительные клапаны устанавливают как в вертикальном, так и в горизонтальном положении, хотя необходимо стремиться к установке их вертикально.
Существенное преимущество пружинных предохранительных клапанов — относительно малые габаритные размеры при больших проходных сечениях. Это достигается применением сильных пружин.
Недостатки пружинных предохранительных клапанов: с увеличением высоты подъема золотника соответственно возрастает усилие пружины вследствие ее сжатия; трудность изготовления пружин, надежно работающих при высоких температурах и в агрессивных средах.
По высоте подъема золотника.
Высота подъема золотника — одна из основных характеристик предохранительных клапанов, так как она определяет его пропускную способность.
Стандартом каждой страны установлены схемы расчета пропускной способности предохранительных клапанов. В основу этих расчетов положены теоретические формулы адиабатического истечения потока через некапиллярное сопло. Поэтому пропускную способность определяют в зависимости от давления на входе в клапан, площади прохода клапана и состояния сбрасываемой среды. Следовательно, пропускная способность предохранительного клапана, применяющегося для одной и той же среды и при одном и том же давлении, пропорциональна площади прохода. Площадь прохода для предохранительного клапана при небольшом подъеме золотника выражается функцией от диаметра сопла и высоты подъема золотника h. При этом площадь прохода среды будет равна площади кольца.
Пропускная способность предохранительного клапана находится в прямой зависимости от высоты подъема золотника. Поэтому на практике часто употребляют выражение »подъемность клапана», которое определяется отношением величины высоты полного подъема золотника к диаметру сопла.
1) Низкоподъемные предохранительные клапаны, у которых отношение высоты подъема золотника к диаметру сопла равно 1/20…1/40, т. е. сечение щели, через которую проходит среда, будет значительно меньше сечения сопла. К ним относятся простейшие предохранительные клапаны, которые применяют главным образом для жидкостей, когда не требуется большая пропускная способность.
2) Среднеподъемные предохранительные клапана, имеющие отношение высоты подъема золотника к диаметру сопла 1/6…1/10. Такие клапаны применяют редко, так как они, несмотря на усложненную конструкцию, имеют низкую производительность.
3) Полноподъемные предохранительные клапаны, отличающиеся высокой производительностью, так как сечение щели при подъеме золотника равно или больше сечения сопла клапана, т. е. высота подъема золотника равна или больше 1/4 диаметра сопла.
Очень важно, чтобы »подъемность» предохранительных клапанов учитывалась при расчетах, так как многие считают, что любой предохранительный клапан при открывании обеспечивает свободный выход среды по всей площади сечения сопла. Это может привести к грубейшим ошибкам, так как предохранительные клапаны разной »подъемности» с одинаковым диаметром сопла имеют разную производительность.
По связи с окружающей атмосферой.
1. Предохранительные клапаны открытого типа, которые при открывании сбрасывают среду непосредственно в атмосферу. Их применяют на нетоксичных средах. Такие клапаны просты и надежны в работе, так как практически даже при их работе отсутствует противодавление, отрицательно влияющее как на начало срабатывания, так и на производительность клапанов.
2) Предохранительные клапаны закрытого типа, пропускающие среду при открывании в трубопровод и герметичные по отношению к окружающей атмосфере.
По влиянию противодавления.
Соединение линий сброса предохранительных клапанов в общий коллектор и привело к тому, что при срабатывании одного из клапанов на остальные действует противодавление, которое необходимо учитывать при их работе.
1) Предохранительные клапаны неуравновешенного типа не имеют устройств, устраняющих действие противодавления. В этих клапанах — повышенное установочное давление. В то же время, если постоянное противодавление можно учесть и точно подсчитать разницу между давлениями срабатывания предохранительного клапана без противодавления и с ним, то при переменном противодавлении этого сделать нельзя.
2) Предохранительные клапаны уравновешенноготипа, в которых противодавление практически не влияет на работу клапана. Конструктивно это достигается применением поршня того же диаметра, что и сопло клапана (рисунок Ззк, а) или сильфона, внутренний диаметр которого равен диаметру сопла (рисунок Ззк, б).
Вторая конструкция клапана более надежна, ее чаще применяют, особенно в связи с тем, что сильфон предохраняет пружину и другие детали клапана от воздействия среды, что играет большую роль при работе клапана с агрессивными средами.
По способу открывания клапана.
1) Предохранительные клапаны прямого действия, у которых давление среды воздействует непосредственно на золотник, поднимая его при установочном давлении. Этот принцип действия надежнее, но он совершенно неприемлем для предохранительных клапанов больших диаметров на высокое давление.
2) Предохранительные клапаны со вспомогательным устройством, срабатывающие только после срабатывания вспомогательного устройства (импульсного клапана).
а б
а — балансировка при помощи поршня: 1 — сопло, 2 — золотник; 3 — шток;
4 — поршень; 5 — шайба опорная, 6 — пружина, 7 — винт регулировочный;
б — балансировка при помощи сильфона: 1 — сопло, 2 — золотник,
3 — сильфои, 4 — перегородка с направляющей втулкой, 5 — шайба опорная, 6 — пружина, 7 — шток, 8 — винт регулировочный.
Рисунок Ззк — Уравновешенный пружинный
предохранительный клапан.
В одной из конструкций такого клапана (рисунок 4зк) сила пружины рассчитана на величину большую, чем сила давления среды.
І — сброс в линию атмосферного давления; ІІ — сброс в линию низкого давления; 1 — игольчатый вентиль; 2 — импульсный клапан; 3 — соединительная труба; 4 — предохранительный клапан.
Рисунок 4зк — Предохранительный клапан со
вспомогательным устройством
Таким образом, в закрытом состоянии золотник плотно прилегает к соплу, обеспечивая надежную герметичность. При установочном давлении срабатывает импульсный клапан и сбрасываемая среда подается под поршень предохранительного клапана. Сила, создаваемая поршнем, и сила давления под золотником преодолевают силу пружины, предохранительный клапан открывается. Полной пропускной способности у такого клапана достигают при незначительном превышении установочного давления.
Такой предохранительный клапан может иметь и другую конструкцию, когда давление среды действует на золотник сверху, создавая тем самым надежное герметичное уплотнение. Площадь поршня в данном случае больше площади золотника, поэтому сброшенная импульсная клапаном среда, попадая под поршень, откроет предохранительный клапан.
Основное преимущество предохранительных клапанов со вспомогательным устройством — возможность получения высокой пропускной способности за счет увеличения диаметра сопла. При этом необходимо учитывать, что надежность такого клапана зависит от работоспособности двух клапанов — основного и вспомогательного, что, конечно, является его недостатком.
По числу сопел.
1) Одинарные предохранительные клапаны имеют одно сопло и золотник. Как правило, в промышленности используют именно такие клапаны.
2) Двойные предохранительные клапаны — в одном корпусе расположены два сопла и два золотника. Такая конструкция создана в связи с укрупнением установок, требующих увеличения производительности предохранительных клапанов. При этом создать высокопроизводительные клапаны за счет увеличения диаметра сопла трудно из-за того, что следует учитывать большие нагрузки на золотник. Как отмечалось выше, сила, которую можно приложить на золотник, у грузовых клапанов ограничена, поэтому клапаны с большим диаметром сопла могут быть только пружинными. Пружина такого клапана должна создать силу примерно 2000—3000 кгс, иметь достаточный запас прогиба в рабочем состоянии, необходимый для полного подъема золотника, в то же самое время быть »мягкой». Все это ограничивает возможности создания предохранительных клапанов с диаметром сопла больше 100 мм.
3) Тройные предварительные клапаны — в одном корпусе находятся три сопла и три золотника. Существует мнение, что при использовании тройного клапана на средах высокой температуры происходит неравномерное тепловое расширение корпуса, что отрицательно сказывается на его нормальной работе.