Клапан как устройство управления потоком¶
Клапан — устройство (элемент трубопроводной арматуры, механизм), предназначенное для управления потоком рабочей среды путём изменения площади проходного сечения, а также для предотвращения обратного тока. Клапаны широко применяются в трубопроводах, гидравлических и пневматических системах, двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, тепловых и атомных электростанциях, а также в медицинской и лабораторной аппаратуре.
¶Основные типы клапанов
По назначению и принципу действия различают несколько основных классов клапанов:
- Запорные (отсечные) — полностью перекрывают проход рабочей среды. К ним относятся тарельчатые (поворотные) и шаровые клапаны, задвижки.
- Обратные (невозвратные) — пропускают среду только в одном направлении, автоматически закрываясь при изменении направления потока. Пример — лепестковый и подъёмный обратный клапан.
- Регулирующие — изменяют проходное сечение для поддержания заданных параметров потока (расхода, давления, температуры). К ним относятся дроссельные клапаны, клапаны с электроприводом и пневмоприводом.
- Распределительные (направляющие) — переключают поток между несколькими линиями. Широко используются в гидравлических и пневматических системах (распределительные золотниковые клапаны).
- Защитные (предохранительные) — срабатывают при превышении давления сверх заданного порога и сбрасывают избыток среды. Предохранительный клапан — обязательный элемент котельных установок.
- Прочие: тарельчатый клапан компрессора, клапан холостого хода, балансировочный клапан, термостатический клапан.
¶Устройство и принцип действия
Типичный трубопроводный клапан состоит из корпуса, уплотнительной поверхности (седла), затвора (тарелки, шара, золотника, мембраны), шпинделя (штока), управляющего органа (маховика, привода) и сальникового уплотнения. При повороте маховика или подаче сигнала на привод затвор перемещается относительно седла, изменяя или полностью перекрывая проход рабочей среды.
Обратный клапан работает без внешнего управления: затвор (тарелка, шар, створка) под действием потока открывается в прямом направлении, а при изменении направления потока или снижении скорости возвращается на седло под действием собственного веса или пружины.
Предохранительный клапан настраивается на определённое давление срабатывания; при его превышении пружина сжимается, затвор поднимается и среда сбрасывается в атмосферу или в дренажную линию.
¶Клапаны двигателей внутреннего сгорания
В поршневых двигателях внутреннего сгорания клапаны обеспечивают газообмен в цилиндре. Классическая схема включает впускной клапан (подача топливовоздушной смеси) и выпускной клапан (отвод отработавших газов). Каждый клапан состоит из тарелки и стержня; в закрытом состоянии тарелка прижата к седлу в головке цилиндра. Управление осуществляется распределительным валом (или валами) через толкатели, шайбы или коромысла.
По конструкции газораспределительного механизма различают двигатели с верхним расположением распредвала (SOHC, DOHC) и с нижним (нижнеклапанные). Клапаны изготавливают из жаропрочных сталей, выпускные — часто с наплавкой стеллита на фаску для повышения износостойкости. В ряде конструкций применяются клапаны с полым стержнем, заполненным натрием, для отвода тепла.
¶Материалы и характеристики
Корпуса трубопроводных клапанов изготавливают из серого и ковкого чугуна, углеродистой и нержавеющей стали, латуни, бронзы, а для агрессивных сред — из специальных сплавов и фторопласта. Уплотнения — паронит, тефлон, графит, металлические кольца.
Основные параметры, определяющие выбор клапана:
| Параметр | Описание |
|---|---|
| Условный проход (DN) | Номинальный диаметр проходного сечения |
| Условное давление (PN) | Максимальное допустимое давление при рабочей температуре |
| Материал корпуса | Определяет коррозионную стойкость |
| Коэффициент проходимости (Kv) | Характеристика пропускной способности |
| Температура среды | Диапазон рабочих температур |
¶Применение
Клапаны являются обязательным элементом трубопроводной арматуры на промышленных предприятиях, в системах отопления и водоснабжения, на теплоэлектростанциях (включая атомные), в нефтегазовой отрасли. В гидравлических системах строительной и дорожной техники распределительные клапаны управляют рабочими органами (стрелкой, ковшом, подъёмной платформой). В пневматике клапаны применяются в приводах, тормозных системах железнодорожного подвижного состава и грузового транспорта.
В медицине клапаны сердца (биологические) и искусственные клапаны сердца являются предметом кардиохирургии; механические и биопротезные клапаны устанавливаются при пороках сердца.
¶Интересные факты
- Термин «клапан» происходит от немецкого слова Klappe — «хлопающая створка».
- В русском языке слово «клапан» исторически использовалось и в значении «заслонка», «затвор», что отражается в названиях некоторых устройств (например, «клапан кассеты» в старых фотоаппаратах).
- Первые предохранительные клапаны для паровых котлов были применены в XVIII веке после ряда взрывов; одним из пионеров стал Ричард Тревитик, использовавший их в паровозах начала XIX века.
¶Источники
- ГОСТ Р 55595-2013. Арматура трубопроводная запорная. Общие технические условия.
- Кремлевский А. А. «Трубопроводная арматура тепловых электростанций».
- Файзуллин Р. Г., Сафин И. Ф. «Конструкция и расчёт двигателей внутреннего сгорания».
- Башта Т. М. и др. «Детали машин».
- Большая техническая энциклопедия (статья «Клапан»).