Клапан сброса давления в системе пневмодвески n111

Сфера применения

Зачастую причиной избытка или резкого перепада давления в системе является человеческий фактор. При работе с агрессивными химическими средами (особенно на фармацевтических и химпроизводствах), необходимо контролировать давление, поскольку его переизбыток может привести к возникновению взрывоопасных химических реакций. Для защиты системы необходимо установить элементы контроля (датчики) и регулировки (клапаны).

Стоит помнить, что на пищевых и химических производствах крайне важно создать стерильные условия и использовать детали, выполненные из материалов, не вступающих в реакцию с жидкостями и газами. В таких случаях устанавливается асептический клапан или предохранительный, выполненный из нержавеющей стали

Молочная и Мясная индустрия 2015

Рекомендации по выбору и установке

Поскольку далеко не все производители отопительного оборудования комплектуют свои изделия группой безопасности, то зачастую выбор предохранительного клапана для системы отопления приходится делать самостоятельно. Для этого надо обязательно изучить технические характеристики котельной установки, а именно знать ее тепловую мощность и максимальное давление теплоносителя.

Оптимальный вариант – приобрести клапан с регулировкой давления, охватывающий некоторый диапазон. В пределы регулирования должно входить значение для вашего котла. Затем нужно подобрать изделие по мощности тепловой установки, но здесь ошибиться трудно. В инструкции от производителя всегда указываются пределы тепловой мощности агрегатов, совместно с которым может работать клапан того или иного диаметра.

На участке трубопровода от котла до того места, где установлен клапан сброса избыточного давления категорически запрещается ставить запорную арматуру. Кроме того, нельзя ставить устройство после циркуляционного насоса, не забывайте, что последний не в состоянии перекачивать пароводяную смесь.

Чтобы исключить разбрызгивание воды по помещению топочной, к выпускному отверстию клапана рекомендуется присоединять трубку, отводящую выброс в канализацию. Если же вы хотите визуально контролировать процесс, то на вертикальный участок трубки можно поставить специальную сливную воронку с видимым разрывом струи.

Виды защитных механизмов

В промышленности применяются различные конструкции защитных устройств труб, в зависимости от их места установки и проводимой среды. Это могут быть пружинные, рычажные, мембранные, двухпозиционные и другие виды применяемых предохранительных клапанов.

Рассмотрим подробнее их устройство и принцип работы.

Клапан предохранительный пружинный

Самый широко используемый предохранительный клапан, особенно для систем отопления. Основные его преимущества, простота конструкции и возможность легко отрегулировать на рабочее давление в системе. Различают следующие разновидности защитных пружинных механизмов:

• прямого действия – устройство срабатывает при непосредственном воздействии рабочей среды;
• непрямого действия – сброс повышенного напора производится внешним управлением, например, электрическим сигналом;
• двухпозиционные агрегаты – открытие фитинга происходит сразу резко на полный ход, после сброса напора фитинг резко закрывается, что может вызвать автоколебания седла и вибрацию механизма.

Двухпозиционный фитинг

Защитный механизм рычажного типа

Механизм данного фитинга состоит из рычага, соединенного с золотником, который закрывает отверстие выпуска. На рычаг подвешивается груз, и, в зависимости от веса груза и места крепления на рычаге, регулируется настройка механизма.

Груз фиксируется на рычаге от случайного смещения и изменения настройки. Недостатком данной конструкции является ее громоздкость, поэтому применение таких механизмов производится в системах с большим диаметром труб, больше 50 мм.

Защитное устройство рычажного типа

Клапан предохранительный мембранный

Основным элементом такой конструкции является мембрана. Принцип работы состоит в том, что при возникновении аварийного напора в трубах мембрана разрывается и производится сброс рабочей среды. Мембранные устройства просты в изготовлении, герметичны и быстро срабатывают.

В зависимости от конструкции, такие устройства могут быть с разрывной мембраной и с хлопающей мембраной:

1. Механизмы с разрывной мембраной применяют в системах с жидкими и газообразными рабочими средами. Форма мембраны плоская или куполообразная, при резком изменении давления выше рабочего устройство срабатывает, и мембрана разрушается.
2. Механизмы с хлопающей мембраной используются чаще всего в системах с газообразной рабочей средой. Мембрана изготавливается из каучукообразной ткани и предохраняет трубы как от повышения, так и опасного снижения давления. Для этого сверху и снизу мембраны расположены ножи. При изменении давления мембрана выгибается, и когда, при резком перепаде в системе, касается ножей, то происходит разрез оболочки. При этом в зависимости от величины напора происходит или сброс, или пополнение от дополнительной емкости.

Предохранительное мембранное устройство

Методика ASME B31.1 Power Piping (Нормы США на трубопроводы пара и горячей воды)

Динамическая реактивная сила,
возникающая при выбросе продукта в атмосферу в момент срабатывания предохранительного
клапана при расчете статическим методом должна быть равна:

F = DLF
∙ F1

DLF – динамический коэффициент, учитывающий
мгновенное приложение нагрузки. Для определения точного значения данного
коэффициента необходимо определение определение периода собственных колебаний
трубопровода. При отсутствии такой информации, допускается принимать его
значение максимальным, равным DLF=2.0 в запас прочности.

F1 – статическая реактивная сила, возникающая
при выбросе продукта, кгс. Определяется согласно ASME B31.1.

,

где

W – массовый расход продукта,
кг/с (пропускная способность предохранительного клапана, указанная на
нем и умноженная на 1.11)

gc=9.81 м/с² – ускорение свободного падения,

Pa – атмосферное давление, кгс/см²

A1 – площадь сечения отверстия трубы, см²  A1=p∙(D-2s)²/4

V1 – скорость истечения продукта на выхлопном патрубке (узел  36), м/с

P1 – абсолютное максимальное
давление на выхлопном патрубке в момент выброса,
кгс/см²

h
– энтропия в состоянии покоя на входе
клапана, МДж/кг

J = 101970.408 м*кгс/МДж

a, b – константы согласно таблице

Пример расчета

Файл примера: ReliefValve.ctp

Исходные данные:

• Диаметр выхлопной трубы: 21.9 см

• Толщина стенки выхлопной трубы: 1.6 см

• продукт: насыщенный пар

• пропускная способность
  предохранительного клапана: 48 кг/с

• Давление пара:
  64 кгс/см²

• Температура пара:
  538°C

Расчет:

Расчет с учетом реактивной силы
от срабатывания предохранительного клапана должен выполняться по режиму
ПДКОН для технологических норм.

A1=p∙(D-2s)²/4
= 3.14159∙(21.9-2∙1.6)²/4
= 274.65 см²

a = 1,9143 МДж/кг

b = 4.33

W = 48∙1.11
= 53.28 кг/с

Энтропия в состоянии покоя
для пара при давлении
64 кгс/см² и температуре 538°C
h
=  3,506 МДж/кг

Максимальное
давление на выхлопном патрубке в момент выброса: P1=53.28/274.65*(4.33-1)/4.33*(2*(3.506-1.9143)*101970.408/(2*4.33-1)/9.81)^0.5
= 9.8 кгс/см²

Скорость
истечения продукта на выхлопном
патрубке: V1 = (2*9.81*101970.408*(3.506-1.9143)/(2*4.33-1))^0.5
= 644.77 м/с

Статическая
реактивная сила, возникающая при выбросе продукта: F1 = 53.28*644.77/9.81 + (9.8-1)*274.65 = 5919
кгс

Динамическая
реактивная сила, возникающая при выбросе продукта: F = DLF ∙ F1 = 2*5919 = 11838 кгс

Создадим дополнительное
силовое загружение ПДК в редакторе режимов
работы:

Если в системе много
предохранительных клапанов, то нужно создать для каждого клапана отдельный
режим (1.2, 1.3 и т.д.) если они срабатывают не одновременно.

Динамическую реактивную
силу приложим в узле 29:

Нагрузки
на опоры с учетом силы срабатывания предохранительного клапана:

Напряжения
с учетом силы срабатывания предохранительного клапана:

Пример 1. Исходные данные

Аппарат – горизонтальный цилиндрический со сферическими днищами (см. рисунок); диаметр аппарата D = 15 ft (футов) = 4,572 m (м); длина аппарата L = 30 ft (футов) = = 9,144 m (м); высота опорной части аппарата (принимается от нулевой отметки земли до нижней образующей аппарата) H = 15 ft (футов) = 4,572 m (м); фактический уровень жидкости в аппарате Es = 12,25 ft (футов) = = 3,7338 m (м); изоляция на аппарате толщиной 2 дюйма (50,8 мм). Теплоизоляционный материал не теряет своих свойств при температуре до 1000°F (538°С).

Горизонтальный цилиндрический аппарат со сферическими днищами

Клапан, устанавливаемый на аппарате – несбалансированный (пружинный предохранительный клапан прямого действия); разрывной диск (мембрана) перед предохранительным клапаном отсутствует.

Наличие дренажа и незамедлительных противопожарных действий: да.

Жидкость в аппарате: бензол. Молекулярная масса бензола М = 78,11 kg/kmole (кг/кмоль). Абсолютная температура перед клапаном T = 339,5°F ≈ 444 К ≈ 799,2°Ra. Соответствует температуре кипения бензола при абсолютным выпускном давлении клапана р1. Температура рассчитана в программе Hysys.

Атмосферное давление рatm = 14,7 psia = 1,013 bara (бар абс.).

Установочное давление открытия клапана pset = 100 psig = 6,8948 barg (бар изб.).

Противодавление рbackpressure = 7,25 psig = 0,4998 barg (бар изб.). Принято по давлению в системе сброса (в факельном коллекторе).

Гидравлические потери давления в отводящем трубопроводе: примем для расчета рpressure drop = 2,9 psig = = 0,1999 barg(бар изб.).

Потери давления в отводящем трубопроводе ploss = = рbackpressure + рpressure drop = 7,25 + 2,9 = 10,15 psig ≈ 0,69 barg (бар изб.).

Допустимое возрастание давления рover = 0,21 pset = = 0,21⋅100 = 21 psig = 1,4479 barg (бар изб.).

Абсолютное выпускное давление клапана р1 = pset + + рatm + рover – рloss = 100 + 14,7 + 21 – 10,15 = 125,55 psia ≈ ≈ 8,6564 bara (бар абс.) или в избыточных единицах р0 = = pset + рover – рloss = 100 + 21 – 10,15 = 110,85 psig ≈ 7,6428 barg (бар изб.). Скрытая теплота испарения жидкости Hvap = 138,2 Btu/lb (БТЕ/фунт) = 321453 J/kg (Дж/кг).

Рассчитана в Hysys при температуре кипения бензола, соответствующей выпускному давлению клапана р1.

Показатель адиабаты для бензола k = 1,126. Рассчитан в программе Hysys при температуре перед клапаном Т и выпускном давлении р1.

Коэффициент сжимаемости паров бензола: ввиду отсутствия данных Z = 1,0.

Коэффициент расхода (сброса): Кd = 0,975.

Поправочный коэффициент на обратное давление: так как отношение избыточного значения противодавления в системе сброса к сумме установочного избыточного давления клапана и допустимого возрастания давления над установочным не превышает 50%:

то поправочный коэффициент на обратное давление

Кb = 1. Для случаев, когда приведенное условие не соблюдается, следует обратиться к производителю (речь идет об иностранных производителях; российские заводы, занимающиеся конструированием ППК, такой информации не предоставляют) и проконсультироваться у них на предмет того, какое значение коэффициента Кb необходимо принять.

Если производитель ППК не может предоставить информацию по коэффициенту Кb, то можно воспользоваться источниками , где приведены подробные сведения по определению Кb.

Поправочный коэффициент, учитывающий наличие разрывного диска, Кс = 1.

Коэффициент окружающей среды, соответствующий толщине изоляции, F = 0,15.

Общая фактическая высота жидкости в аппарате,

К1 = Es + H = 12,25 + 15 = = 27,25 ft (футов) = 8,3058 m (м).

Так как фактическая высота К1 > 25 ft (фут), общая высота

К принимается равной 25 ft (фут) = 7,62 m (м).

Эффективный уровень жидкости в аппарате Feff = K – – H = 25 – 15 = 10 ft (футов) = 3,048 m (м).

Все пояснения по выбору различных коэффициентов, используемых в расчетах, приведены в первой части статьи .

Расчет пропускной способности клапана предохранительного по ГОСТ 12.2085—2002

На основе данных составляем таблицу для расчета:

где

Р — 1.4 МПа  Давление настройки (Рабочее давление);

∝² — Коэффициент расхода, соответствующий площади F. (Применим из паспорта на клапан)

Выполним расчет пропускной способности клапана предохранительного:

G= 5,03∙ ∝²∙F∙(( P1- P2)∙ r )^0,5

G=5,03∙0,38∙78,5мм²∙((1,61МПа- 0,1 МПа)∙ 997 кг/м³ )^0,5=5821,8кг/ч

5821,8 кг/ч  = 5,839 м³ /ч 

5,839 м³ /ч >0,1 м³ /ч

 Вывод: G > G1, условие выполняется.

 Давление расчетное Р Избыточное давление, на которое производиться расчет прочности оборудования (в нашем случае сосуд в соответствии с ГОСТ 14249)

Давление рабочее Р: Наибольшее (максимальное) избыточное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса, без учета гидростатического давления среды и допустимого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного клапана.

Примеры расчета клапанов, установленных на горизонтальных цилиндрических аппаратах

В настоящей работе в рамках начатого автором изучения методики выбора предохранительных клапанов (ППК) на случай пожара по стандартам API представлены конкретные примеры расчета клапанов. Примеры приведены в двух системах измерения: в системе, применяемой в Англии и США (далее US units), и в международной системе СИ (далее SI units). Исходные данные для обоих расчетов приняты одинаковыми, чтобы можно было сопоставить результаты вычислений.

Рассмотрим вариант расчета ППК на случай пожара вблизи емкости для хранения бензола. Емкость частично заполнена жидким бензолом и имеет смоченную поверхность. Жидкая фаза в емкости находится в равновесии со своими парами. В результате передачи тепла от внешнего пламени к аппарату происходит частичное испарение жидкости, увеличивается давление в аппарате и происходит сброс паровой фазы с ППК. Расчет проведем для случаев, когда сброс с ППК ведется в факельный коллектор и в атмосферу. Следует отметить, что сброс паровой фазы бензола в атмосферу с ППК недопустим по российским правилам промышленной безопасности , поэтому расчет со сбросом паров бензола в атмосферу рассматривается только для примера.

Различия в конструкциях

Устройство различных предохранительных клапанов может различаться. Так, большая часть арматуры выпускается с одним седлом. Можно встретить и конструкции, в которых два седла (и два штока с пружинами) установлены рядом.

По отношению высоты подъема запорного элемента к его диаметру различают:

• малого подъема: до 1/20;
• среднего подъема: до 1/4;
• полного подъема: свыше 1/4.

Чем выше степень подъема, тем быстрее срабатывает устройство. Малоподъемные модели применяются для жидкостей, там, где не требуется сбрасывать большие объемы для снижения давления до нормального. В них высота подъема пропорциональна напору среды. Полноподъемные называют также двухпозиционными. Они имеют два положения: «Открыто» и «Закрыто» и предназначены для:

• жидкостных систем высокого давления;
• газов.

Такая конструкция позволяет быстро сбросить значительный объем газа или жидкости и применяется в особо ответственных установках и технологических комплексах.

Самые серьезные конструктивные различия наблюдаются в способах приложения нагружающей силы к запорному органу.

Пружинные клапаны

Наиболее распространены в бытовых системах- водонагревательных, водопроводных, отопительных. Золотник прижимается к седлу силой сжатой пружины. Изменяя степень предварительного сжатия пружины регулировочным винтом, можно настраивать ее на разные предельные значения. Многие модели снабжаются рычагом принудительного ручного открытия затвора для того, чтобы время от времени проверять работоспособность. Для устройств, работающих в опасных и вредных для здоровья средах, ручная контрольная продувка не предусматривается. Пружины, седла и камера устройств, работающих в агрессивных жидкостях и газах, покрывается специальными антикоррозийными покрытиями.

Шток, проходящий через корпус, уплотняется двойным сальником из особо стойких материалов (специальные сорта резины, фторопласт), исключающим в нормальных условиях проникновение агрессивных веществ в помещение.

Рычажно-грузовые клапаны

Такие конструкции для противодействия силе напора используют силу земного притяжения. Они могут монтироваться только в строго определенном производителем положении относительно горизонта и не допущены к применению на транспортных средствах и других подвижных объектах. Вес груза передается через рычаг штоку золотника, уравновешивая его до тех пор, пока давление в трубопроводе ниже порогового.

Чтобы избавиться от этих эффектов, и применяют двухседельные клапаны, каждый из которых невелик по габаритам и весу. Регулировка таких устройств проводится добавлением или удалением части груза, размещенного на рычаге. Они отличаются стабильностью параметров работы и отсутствием эффекта старения пружин, снижающих их упругость.

Магнито-пружинные клапаны

Современные конструкции относятся к изделиям непрямого действия. Запорный элемент приводится в действие соленоидом. В нормальном положении электромагнит прижимает его к седлу, а по достижении предельного напора автоматика управления отключает напряжение на катушке индуктивности. Давление среды отжимает золотник и затвор открывается.

В другой конструкции прижатие осуществляется мощной пружиной, а по достижении порогового значения напора управляющая команда включает соленоид, и он поднимает клапан.

Существует исполнение, в котором соленоид и прижимает золотник, и отжимает его под действием противоположно приложенного напряжения. В случае отключения питания устройство продолжает работать как обычное пружинное.

Главное преимущество магнитных устройств — для задания порогового значения нет необходимости в физическом доступе к арматуре. Порог можно изменить в настройках программы управления в зависимости от текущей ситуации или особенности данной стадии технологического процесса.

Такие конструкции стоят существенно дороже своих механических аналогов, но многократно окупают себя в сложных промышленных установках с большим чистом параметров и влияющих друг на друга элементов.

Область применения

Параметры

Рабочая среда

Нефтегазоводяная смесь со следующими параметрами:

Окружающая среда

• температура воздуха от минус 40 до плюс 50 °С;
• относительная влажность воздуха 95 % при 35 оС и более низких температурах без конденсации влаги.

Клапан предохранительный ПК-100-1-4,0

1 – клапан;

2 – шкаф;

3 – входной патрубок;

4 – выходной патрубок;

5 – окошко;

6 – рукоятка;

7 – пружина;

8 – ручка;

9 – талреп;

10 – штифт;

11 – упор;

12 – табличка;

13 – указатель направления потока;

14 – седло клапана;

15 – поршень;

16 – замок;

17 – микропереключатель МПВ-23В3;

18 – кольцо 120-126-36-2-3 ГОСТ 9833-73;

19 – хомут;

20 – болт М16;

21 – гайка М16;

22 – шайба 16.

Основными элементами конструкции клапана являются запорный орган и пружина, оказывающая силовое воздействие на запорный орган. Запорный орган состоит из поршня и седла. Пружина обеспечивает либо открытое, либо закрытое положение клапана.
Клапан предохранительный размещен в металлическом шкафу, закрытом на ключ. На дверце шкафа имеется застекленное окошко, через которое видна рукоятка клапана. В рабочем состоянии рукоятка находится слева (положение «Закрыто»), при срабатывании клапана рукоятка перемещается в крайнее правое положение («Открыто»).

По принципу действия предохранительный клапан относится к клапанам прямого действия, открывающийся непосредственно под действием давления рабочей среды.
Рабочая среда, воздействуя на чувствительный элемент закрытого клапана, стремится открыть клапан, а сила растяжения пружины, противодействует открытию.
В случае превышения разности давлений рабочей среды до и после клапана более допустимого, пружина растягивается, переключая клапан в положение «Открыто», таким образом происходит сброс рабочей среды в байпасную линию.

pdf
Клапан предохранительный. КЛ10.00.000РЭ, Руководство по эксплуатации, изм.3 редакция от 23.06.2017
23.10.2017 / pdf (1.89 МБ)

pdf
Каталог продукции ООО НПО НТЭС (21 октября 2020 г.)
05.11.2019 / pdf (18.82 МБ)

Как выбрать клапан для бойлера и байпаса

В заводской комплектации бойлеры и байпасы либо оснащены самым простейшим перепускным клапаном, либо не имеют устройства для перенаправления потока.

В первом случае можно не вмешиваться в конструкцию водонагревателя или обводного элемента и устанавливать их в имеющемся виде.

Во втором случае необходимо приобрести и установить перепускные клапаны. Байпас без этого устройства будет только пропускать поток рабочей среды при отключении теплового контура, но давление регулировать не сможет. А бойлер, не оснащенный перепускным клапаном, подвержен перегреву и может сломаться, так как вода в нем будет закипать и превращаться в пар, еще больше увеличивая давление на трубы и сам тепловой агрегат.

Выбор устройства зависит от отопительного или водонагревательного прибора: используемого им топлива, максимально допустимого давления, указанного в технической документации.

Цена изделия в данном вопросе может играть роль только при выборе между однотипными устройствами разных производителей.

Для разных видов нагревательных приборов требуются клапаны различной конструкции:

Системы, работающие на электричестве, газе или дизельном топливе, нетребовательны – для регулировки давления в них достаточно простейшего перепускного клапана, не имеющего дополнительных элементов.
Твердое топливо прекращает гореть не сразу, следовательно моментально отключить твердотопливный котел или плавно отрегулировать температуру нагревания невозможно

Поэтому в твердотопливных отопительных системах важно не только регулировать давление, но и охлаждать теплогенерирующий агрегат. На байпасы и бойлеры ставят перепускные клапаны, реагирующие как на повышение давления, так и на увеличение температуры теплоносителя

Такие устройства оснащены датчиком температуры, системой сброса и подпитки теплоносителя и соединяются с канализацией и системой холодного водоснабжения.
Перепускной клапан с регулирующей рукоятью стоит устанавливать только если домовладелец уже умеет настраивать предельное давление. Пытаясь приобрести это умение на практике, можно сломать устройство, вызвать аварию или обжечься.
Для тепловых контуров открытого типа перепускные клапаны не требуются – компенсационная емкость справляется с задачей регулировки давления и без них.
Технические характеристики перепускного клапана должны соответствовать параметрам источника тепла: регулирующая арматура должна быть настроена на такое же предельное давление, как и теплогенерирующий прибор и иметь пропускную способность не ниже. Важно также соответствие размеров соединительных патрубков – при несоблюдении этого условия придется использовать для соединения фитинги, что сделает систему более уязвимой.

Технические характеристики

Каждый перепускной клапан характеризуется несколькими параметрами, которые тоже следует учитывать при выборе изделия:

Список источников

• stankiexpert.ru
• cotlix.com
• ZnatokTepla.ru
• nponts.ru
• fireflyer.ru
• Kieselmann.ru
• edu.truboprovod.ru
• chemtech.ru
• InfoTruby.ru