Давление открытия обратного клапана: принцип работы, руководство по расчету и выбору

Что такое давление открытия обратного клапана и почему это важно

Давление открытия — это минимальное давление на входе, необходимое для открытия обратного клапана и обеспечения первого обнаруживаемого потока жидкости через корпус клапана. Точнее, это перепад давления между впускным и выпускным отверстиями в момент первоначального наблюдения потока — не тогда, когда клапан полностью открыт, а когда он впервые «срывается» со своего седла.

Это различие имеет решающее значение. Обратный клапан при давлении открытия открыт лишь частично. Полная пропускная способность обычно требует давления, в два-три раза превышающего значение давления крекинга. Эту характеристику инженеры называют кривой открытия клапана. Определение давления открытия без понимания этой кривой может привести к занижению бюджета давления в системе и неожиданному снижению производительности.

Давление открытия обычно выражается в фунтах на квадратный дюйм, фунтах на квадратный дюйм, бар или кПа. Для большинства промышленных обратных клапанов оно находится в диапазоне от 0,5 до 5 фунтов на квадратный дюйм. Специализированные применения — аэрокосмическая промышленность, производство полупроводников, криогенные системы — могут потребовать значений, выходящих далеко за пределы этого диапазона: либо сверхнизких (0,1–0,3 фунта на квадратный дюйм), либо повышенных (10–50 фунтов на квадратный дюйм). Понимание как направление потока представлено на схемах трубопроводов является полезным первым шагом перед погружением в спецификацию давления открытия, поскольку оба параметра тесно связаны при проектировании системы.

Как определяется давление открытия: физика, лежащая в основе спецификации

Давление открытия – это не произвольное число, присвоенное производителем, а результат физических сил, удерживающих клапан в закрытом состоянии. Чтобы открыть обратный клапан, давление жидкости на входе должно создать силу, достаточную для преодоления всех противоположных нагрузок, действующих на запорный элемент (диск, шар или заслонку).

Для подпружиненного обратного клапана определяющая взаимосвязь проста. Пружина оказывает закрывающее усилие F. _с = k × x, где k — жесткость пружины (фунт/дюйм или Н/мм), а x — начальное сжатие пружины в состоянии покоя. Давление на входе П _{трещина} должен удовлетворять:

P _{трещина} = Ф _с / А _сeat

где А _сeat — эффективная площадь посадки запорного элемента в квадратных дюймах. Пружина с усилием 10 фунтов/дюйм, сжатая на 0,25 дюйма, создает закрывающее усилие 2,5 фунта. Если площадь седла составляет 0,5 дюйма², результирующее давление открытия составит 5 фунтов на квадратный дюйм. Переход на более мягкую пружину (5 фунтов/дюйм) при том же сжатии снижает давление срабатывания до 2,5 фунтов на квадратный дюйм, что демонстрирует, почему выбор пружины является основным конструктивным рычагом для корректировки этой спецификации.

В конструкциях, зависящих от силы тяжести, таких как поворотные обратные клапаны, сила закрытия обеспечивается весом диска и его моментом относительно шарнирного пальца, а не пружины. Таким образом, эффективное давление открытия меняется в зависимости от ориентации установки. При горизонтальной установке вес диска действует перпендикулярно потоку и оказывает только сопротивление трению. В вертикальной установке с восходящим потоком сила тяжести способствует открытию, снижая давление открытия. В конструкции с вертикальным нисходящим потоком сила тяжести препятствует открытию, повышая давление открытия — иногда значительно.

Давление открытия в зависимости от типа клапана: сравнение

Различные конструкции обратных клапанов обеспечивают принципиально разные характеристики давления открытия. В таблице ниже приведены типичные диапазоны и примечания для каждого основного типа, которые помогут вам при первоначальном выборе.

Обратите внимание, что эти диапазоны представляют стандартные конфигурации пружин. Производители могут поставлять пружины с измененной жесткостью, чтобы вывести давление срабатывания за пределы типичного диапазона для особых требований. Всегда сверяйте точное значение с техническими данными вашего поставщика для конкретной рассматриваемой модели и размера.

Ключевые факторы, изменяющие давление открытия в реальных системах

Значения давления открытия, проверенные в лаборатории, измеряются в контролируемых условиях с использованием чистой жидкости при температуре окружающей среды. В установленной системе несколько переменных могут значительно отодвинуть фактическое давление открытия от значения, указанного на паспортной табличке.

Ориентация установки является одной из наиболее влиятельных переменных. Поворотный обратный клапан, испытанный горизонтально при давлении 1,2 фунта на квадратный дюйм, может работать при давлении ближе к 0,8 фунта на квадратный дюйм в вертикальном положении восходящего потока (гравитация помогает диску) и 1,8 фунта на квадратный дюйм в положении нисходящего потока (гравитация сопротивляется). Это отклонение ±50% от номинального значения достаточно существенно, чтобы повлиять на гидравлику системы. Обратитесь к подробному руководству по Ориентация установки и ее влияние на работу клапана прежде чем завершить монтажные работы.

Температура воздействует как на металлические пружины, так и на эластомерные уплотнения. При повышенных температурах выше 200°F (93°C) металл пружины может потерять напряжение, что со временем снижает давление срабатывания до 15%. При температуре ниже 32°F (0°C) эластомерные уплотнения становятся жестче, увеличивая трение и повышая давление срабатывания. Для криогенных применений при температуре ниже -200 ° F (-129 ° C) жесткость пружины может увеличиться на 20–30%, что потребует от производителей компенсировать это использованием более мягких пружинных сплавов или альтернативных механизмов закрытия.

Вязкость жидкости добавляет вязкостное сопротивление сопротивлению открытия. Клапану, рассчитанному на давление открытия 2 фунта на квадратный дюйм для воды, может потребоваться давление 3–4 фунта на квадратный дюйм при работе с тяжелой нефтью с вязкостью около 500 сП. Инженеры, работающие с неводными средами, должны запросить данные о давлении открытия, проверенные в реальных условиях жидкости, или применить поправочный коэффициент, основанный на коэффициенте вязкости.

Износ и загрязнение изменять давление открытия в течение срока службы клапана. Мусор на седле увеличивает трение и повышает давление срабатывания. Коррозия движущихся частей может привести к такому же эффекту, иногда со временем увеличивая давление растрескивания на 50–100%. Пружинная усталость, напротив, постепенно снижает давление растрескивания, поскольку предел текучести рулона снижается при циклическом нагружении. Интервалы плановых проверок и критерии замены должны быть определены как часть любой программы технического обслуживания.

Давление открытия и давление повторного закрытия: понимание полного цикла

Давление открытия описывает только порог открытия. Другая половина рабочего цикла обратного клапана регулируется давление повторного закрытия - давление обратного потока, при котором клапан закрывается достаточно плотно, чтобы остановить весь обнаруживаемый поток в обратном направлении.

Давление повторного уплотнения всегда ниже давления открытия. Для подпружиненных клапанов сила пружины, которую необходимо преодолеть во время открытия, также способствует закрытию, но только после того, как давление на входе упадет ниже уровня, при котором пружина может полностью закрыть запорный элемент против обратного потока. Как правило, клапаны с давлением открытия выше 3–5 фунтов на квадратный дюйм (0,21–0,34 бар) обычно герметично закрываются только за счет силы пружины. . Клапаны с очень низким давлением открытия (менее 1 фунта на квадратный дюйм) могут потребовать измеримого обратного потока до того, как запорный элемент полностью сядет на место, что означает, что при закрытии возникает короткий импульс обратного потока.

Этот компромисс имеет практические последствия. В системах, где даже краткий импульс обратного потока неприемлем, например, в линиях впрыска химических веществ, системах подачи медицинских газов или контурах прецизионного дозирования, более высокое давление открытия обеспечивает более решительное закрытие. В системах низкого давления, где производительность насоса ограничена, может потребоваться более низкое давление открытия для снижения энергопотребления, но проектировщик должен убедиться, что поведение повторного уплотнения приемлемо для требований по загрязнению и безопасности применения.

Как выбрать правильное давление открытия для вашего применения

Выбор давления открытия начинается с баланса давления в системе. Давление открытия клапана должно быть достаточно низким, чтобы имеющийся перепад давления на входе мог открыть клапан в условиях минимального расхода, но при этом достаточно высоким, чтобы обеспечить надежное закрытие при максимальном ожидаемом давлении обратного потока.

Для приложения для разгрузки насосов там, где предотвращение гидравлического удара является приоритетом, хорошо подходят подпружиненные конструкции с давлением срабатывания 2–5 фунтов на квадратный дюйм. Пружинное закрытие сводит к минимуму скорость обратного потока и снижает интенсивность скачков давления, что особенно важно на длинных горизонтальных участках трубопроводов или в системах со значительными перепадами высот.

Для HVAC и системы водоснабжения зданий Клапаны с низким давлением срабатывания (0,5–1,5 фунтов на квадратный дюйм) минимизируют дополнительные потери напора, вносимые в циркуляционные контуры. Двухпластинчатая конструкция в форме пластины представляет собой компактный и гибкий в ориентации выбор для таких приложений. Обратные клапаны из ковкого чугуна для систем водоснабжения и водоотведения предлагают показатели прочности и давления, необходимые для строительных услуг, по конкурентоспособной цене.

Для химические, фармацевтические и высокочистые применения Материал корпуса клапана и запорного элемента должен быть совместим с жидкостью, а давление открытия следует тщательно согласовывать с рабочим давлением системы. Мембранные обратные клапаны обеспечивают сверхнизкое давление открытия без металлических частей, контактирующих с рабочей средой, что идеально подходит для контуров сверхчистой воды. Там, где наряду с механической прочностью требуется устойчивость к коррозии, сtainless steel check valves for corrosive and high-purity media обеспечивают надежное решение в широком диапазоне давлений открытия.

Для газовые и компрессорные системы , давление срабатывания на более высоком конце (3–10 фунтов на квадратный дюйм) является предпочтительным, чтобы решительно предотвратить обратный поток и компенсировать пульсации давления, присущие механизмам возвратно-поступательного движения. Здесь обычно выбираются обратные клапаны сопла или подпружиненные поршневые конструкции из-за их быстрого подпружиненного реагирования и предсказуемого поведения растрескивания в условиях пульсирующего потока.

Наконец, всегда запрашивайте сертифицированный отчет об испытаниях давлением открытия у вашего поставщика клапанов для критически важных применений. отраслевые стандарты проектирования и испытаний клапанов, рассчитанных на номинальное давление установить базовые квалификационные требования, но испытания для конкретного применения в реальных условиях эксплуатации остаются наиболее надежным способом проверки характеристик давления открытия перед установкой.