Предохранительный клапан — это клапан , который действует как предохранительный клапан . Примером предохранительного клапана является предохранительный клапан давления (PRV), который автоматически выпускает вещество из котла , сосуда под давлением или другой системы , когда давление или температура превышают заданные пределы. Предохранительные клапаны с пилотным управлением — это специализированный тип предохранительного клапана давления. Герметичным, недорогим, одноразовым аварийным вариантом будет разрывной диск .
Предохранительные клапаны были впервые разработаны для использования на паровых котлах во время промышленной революции . Ранние котлы, работавшие без них, были склонны к взрыву , если с ними не обращались осторожно.
Вакуумные предохранительные клапаны (или комбинированные предохранительные клапаны давления/вакуума) используются для предотвращения разрушения резервуара во время его опорожнения или при использовании холодной промывочной воды после процедур горячей CIP (очистка на месте) или SIP (стерилизация на месте). При определении размера вакуумного предохранительного клапана метод расчета не определен ни в одном стандарте, особенно в сценарии горячей CIP/холодной воды, но некоторые производители [1] разработали моделирование размеров.
Термин «предохранительный клапан» также используется метафорически .
Самый ранний и простейший предохранительный клапан использовался на паровом котле 1679 года и использовал груз для удержания давления пара (эта конструкция до сих пор широко используется в скороварках ); однако их было легко испортить или случайно выпустить. На железной дороге Стоктона и Дарлингтона предохранительный клапан имел тенденцию срабатывать, когда паровоз наезжал на неровность на пути. Клапан, менее чувствительный к резким ускорениям, использовал пружину для удержания давления пара, но их (основанные на пружинном балансе Солтера ) все еще можно было завинтить, чтобы увеличить давление сверх проектных пределов. Эта опасная практика иногда использовалась для незначительного увеличения производительности парового двигателя.
В 1856 году Джон Рэмсботтом изобрел защищенный от несанкционированного доступа пружинный предохранительный клапан, который стал универсальным на железных дорогах. Клапан Рэмсботтома состоял из двух клапанов пробкового типа, соединенных друг с другом подпружиненным поворотным рычагом, с одним клапанным элементом по обе стороны от шарнира. Любая регулировка, выполненная для одного из клапанов в попытке увеличить его рабочее давление, приводила к тому, что другой клапан поднимался со своего седла, независимо от того, как была предпринята попытка регулировки. Точка поворота на рычаге не была расположена симметрично между клапанами, поэтому любое затягивание пружины приводило к подъему одного из клапанов.
Только сняв и разобрав весь клапанный узел, можно было отрегулировать его рабочее давление, что делало невозможным импровизированное «привязывание» клапана локомотивными бригадами в поисках большей мощности. Поворотный рычаг обычно выдвигался в форме ручки и подавался обратно в кабину локомотива, позволяя бригадам «качнуть» оба клапана со своих мест, чтобы убедиться, что они установлены и работают правильно.
Предохранительные клапаны также развились для защиты оборудования, такого как сосуды под давлением (с огнем или без) и теплообменники . Термин предохранительный клапан следует ограничить применением сжимаемых жидкостей (газ, пар или водяной пар).
В промышленности используются два основных типа защиты: тепловая защита и защита от протечек .
Для сосудов с жидкостью термопредохранительные клапаны обычно характеризуются относительно небольшим размером клапана, необходимым для обеспечения защиты от избыточного давления, вызванного тепловым расширением. В этом случае небольшого клапана достаточно, поскольку большинство жидкостей практически несжимаемы, и поэтому относительно небольшое количество жидкости, выбрасываемое через предохранительный клапан, приведет к существенному снижению давления.
Защита потока характеризуется предохранительными клапанами, которые значительно больше тех, которые установлены для тепловой защиты. Они, как правило, рассчитаны на использование в ситуациях, когда необходимо быстро сбросить значительные объемы газа или жидкости, чтобы защитить целостность сосуда или трубопровода. Альтернативно эта защита может быть достигнута путем установки высокоинтегрированной системы защиты от давления (HIPPS).
В нефтеперерабатывающей , нефтехимической , химической , газоперерабатывающей , электроэнергетической , пищевой, косметической и фармацевтической промышленности термин предохранительный клапан ассоциируется с терминами клапан сброса давления (PRV), предохранительный клапан давления (PSV) и предохранительный клапан . Общий термин — клапан сброса давления (PRV) или предохранительный клапан давления (PSV). PRV и PSV — это не одно и то же, несмотря на то, что думают многие; разница в том, что PSV имеют ручной рычаг для открытия клапана в случае чрезвычайной ситуации.
RV, SV и SRV — пружинные (даже подпружиненные). LPSV и VPSV — пружинные или подпружиненные.
В большинстве стран отрасли промышленности законодательно обязаны защищать сосуды под давлением и другое оборудование с помощью предохранительных клапанов. Кроме того, в большинстве стран должны соблюдаться нормы проектирования оборудования, такие как нормы ASME , API и других организаций, таких как ISO (ISO 4126). Эти нормы включают стандарты проектирования предохранительных клапанов и графики периодической проверки и испытаний после того, как клапаны были демонтированы инженером компании. [3] [4]
Сегодня пищевая, косметическая, фармацевтическая и химическая промышленность требуют гигиенических предохранительных клапанов, полностью дренируемых и очищаемых на месте. Большинство из них изготовлены из нержавеющей стали; гигиенические нормы в основном 3A в США и EHEDG в Европе.
.jpg/1280px-Lever_safety_valve_(Heat_Engines,_1913).jpg)
Первый предохранительный клапан был изобретен Денисом Папеном для его парового котла , ранней скороварки, а не двигателя. [5] Груз, действующий через рычаг, удерживал круглый пробковый клапан в паровом сосуде. При использовании рычага « безмен » требовался меньший груз, а давление можно было легко регулировать, перемещая тот же груз вперед и назад вдоль плеча рычага. Папен сохранил ту же конструкцию для своего парового насоса 1707 года. [6] [7]
Ранние предохранительные клапаны считались одним из органов управления машиниста и требовали постоянного внимания в зависимости от нагрузки на двигатель. В известном раннем взрыве в Гринвиче в 1803 году один из стационарных двигателей высокого давления Тревитика взорвался, когда мальчик, обученный управлять двигателем, оставил его ловить угрей в реке, не освободив предварительно предохранительный клапан от рабочей нагрузки. [8] К 1806 году Тревитик устанавливал пары предохранительных клапанов, один внешний клапан для регулировки машиниста и один запечатанный внутри котла с фиксированным весом. Он был нерегулируемым и срабатывал при более высоком давлении, что должно было гарантировать безопасность. [9]
При использовании на локомотивах эти клапаны дребезжали и протекали, выпуская почти непрерывные клубы отработанного пара.
.jpg/1280px-Deadweight_safety_valve_section_(Heat_Engines,_1913).jpg)
Хотя предохранительный клапан рычага был удобен, он был слишком чувствителен к движению паровоза. Поэтому ранние паровозы использовали более простое расположение грузов, уложенных непосредственно на клапан. Это требовало меньшей площади клапана, чтобы вес был управляемым, что иногда оказывалось недостаточным для сброса давления в оставленном без присмотра котле, что приводило к взрывам . Еще большей опасностью была легкость, с которой такой клапан можно было привязать, чтобы увеличить давление и, следовательно, мощность двигателя, что еще больше увеличивало риск взрыва. [10]
Хотя предохранительные клапаны с грузоподъемностью имели короткий срок службы на паровозах, они продолжали использоваться на стационарных котлах до тех пор, пока сохранялась паровая энергия. [11]
Утяжеленные клапаны были чувствительны к подпрыгиванию от грубой езды ранних локомотивов. Одним из решений было использование легкой пружины вместо груза. Это было изобретение Тимоти Хакворта на его Royal George в 1828 году. [12] Из-за ограниченности металлургии того периода первые пружинные клапаны Хакворта использовали гармошкообразный набор из нескольких листовых пружин . [13]
Эти пружинные клапаны прямого действия можно было регулировать, затягивая гайки, удерживающие пружину. Чтобы избежать несанкционированного вмешательства, их часто закрывали высокими латунными кожухами, которые также отводили пар от локомотивной бригады.
.jpg/1280px-Spring_balance_(Steam_and_the_Steam_Engine,_Evers).jpg)
Весы Salter с пружинной катушкой для взвешивания были впервые изготовлены в Британии около 1770 года. [14] Они использовали недавно разработанные пружинные стали для изготовления мощной, но компактной пружины в виде одной детали. И снова, используя рычажный механизм, такие весы с пружиной могли быть применены к значительной силе предохранительного клапана котла.
Клапан балансировки пружины также действовал как манометр. Это было полезно, поскольку предыдущие манометры представляли собой громоздкие ртутные манометры , а манометр Бурдона еще не был изобретен. [15]
Риск того, что пожарные заблокируют предохранительный клапан, оставался. [16] [17] Этому способствовало то, что они были оснащены легко регулируемыми барашковыми гайками, а практика регулировки рабочего давления котла с помощью предохранительного клапана была общепринятой вплоть до 1850-х годов. [18] [19] Позднее стало обычным для клапанов Солтера устанавливать их парами, один регулируемый и часто калибруемый для использования в качестве манометра, другой запечатан внутри запертой крышки для предотвращения несанкционированного доступа.
Парные клапаны также часто настраивались на немного отличающееся давление: небольшой клапан в качестве меры контроля, а запираемый клапан был сделан большего размера и постоянно настроен на более высокое давление в качестве меры предосторожности. [12] [20] Некоторые конструкции, например, конструкция Синклера для железной дороги Eastern County Railway в 1859 году, имели пружину клапана со шкалой давления позади купола, обращенную к кабине, и запираемый клапан перед куполом, вне досягаемости помех. [21]
_(Heat_Engines,_1913).jpg/1280px-Ramsbottom_safety_valve_(side_only)_(Heat_Engines,_1913).jpg)
В 1855 году Джон Рэмсботтом , впоследствии локомотивный суперинтендант LNWR , описал новую форму предохранительного клапана, предназначенного для повышения надежности и, в частности, для защиты от несанкционированного доступа. Использовалась пара пробковых клапанов, удерживаемых общим подпружиненным рычагом между ними с одной центральной пружиной. Этот рычаг был характерно выдвинут назад, часто достигая кабины на ранних локомотивах.
Вместо того, чтобы препятствовать использованию пружинного рычага пожарным, клапан Рэмсботтома поощрял это. Раскачивание рычага освобождало клапаны поочередно и проверяло, что ни один из них не застрял в своем седле. [22] Даже если пожарный удерживал рычаг и увеличивал силу на заднем клапане, на переднем клапане наблюдалось соответствующее уменьшение силы. [12] [23]
Были произведены различные формы клапана Ramsbottom. Некоторые из них были отдельными фитингами для котла, через отдельные проходки. [23] Другие были заключены в U-образный корпус, прикрепленный к одному отверстию в оболочке котла. По мере увеличения диаметра котла некоторые формы даже устанавливались внутри оболочки котла, при этом пружины размещались в углублении внутри, а наружу выступали только клапаны и балансировочный рычаг. [23] Они имели очевидные недостатки для простоты обслуживания. [24]
Недостатком типа Ramsbottom была его сложность. Плохое обслуживание или неправильная сборка связи между пружиной и клапанами могли привести к тому, что клапан больше не открывался правильно под давлением. Клапаны могли быть прижаты к своим седлам и не открываться или, что еще хуже, позволить клапану открыться, но недостаточно для выпуска пара с адекватной скоростью, и поэтому не являться очевидной и заметной неисправностью. [25] Неправильная сборка именно такого рода привела к фатальному взрыву котла в 1909 году в Кардиффе на железной дороге Раймни , хотя котел был почти новым, ему было всего восемь месяцев. [26]
Клапаны Нейлора были введены около 1866 года. Устройство коленчатого рычага уменьшало деформацию (процентное удлинение) пружины, тем самым поддерживая более постоянную силу. [примечание 1] Они использовались L&Y и NER . [27]
Все предыдущие конструкции предохранительных клапанов открывались постепенно и имели тенденцию пропускать "перышко" пара по мере приближения к "сбросу", даже если это было ниже давления. Когда они открывались, они также делали это сначала частично и не выпускали пар быстро, пока котел не становился значительно выше давления. [12]
Быстро открывающийся «хлопающий» клапан был решением этой проблемы. Их конструкция была простой: существующий круглый пробковый клапан был изменен на перевернутую форму «цилиндра» с увеличенным верхним диаметром. Они вставлялись в ступенчатое седло двух соответствующих диаметров. В закрытом состоянии давление пара действовало только на корону цилиндра и уравновешивалось силой пружины. Как только клапан немного открывался, пар мог пройти через нижнее седло и начинал действовать на больший край. Эта большая площадь подавляла силу пружины, и клапан полностью открывался с «хлопком». Выходящий пар на этом большем диаметре также удерживал клапан открытым до тех пор, пока давление не упало ниже того, при котором он изначально открывался, обеспечивая гистерезис . [12]
Эти клапаны совпали с изменением поведения при обжиге. Вместо того, чтобы позволять пару достигать перышка у клапана, пожарные (кочегары) теперь старались избегать шумного продува, особенно на платформах или под большой крышей крупной станции. Это было в основном по распоряжению начальников станций, но также и потому, что пожарные понимали, что любой продув через клапан напрасно тратит давление в котле. В одном случае это было оценено в 20 фунтов на квадратный дюйм (140 кПа) потерянных, что соответствует сжиганию 16 фунтов (7,3 кг) или более угля, сгребаемого лопатой. [примечание 2] [12]
Поп-клапаны, созданные на основе патента Адамса 1873 года с удлиненной кромкой. Клапаны Р. Л. Росса были запатентованы в 1902 и 1904 годах. Сначала они были более популярны в Америке, но широко распространились с 1920-х годов. [28]
Хотя полированные латунные крышки предохранительных клапанов были ранней особенностью паровозов, единственной железной дорогой, сохранившей эту традицию после введения хлопковых клапанов, была Великая Западная железная дорога с ее характерными коническими латунными крышками предохранительных клапанов и медными дымоходами.
Развитие водотрубных котлов высокого давления для морского применения предъявляло больше требований к предохранительным клапанам. Требовались клапаны большей мощности, чтобы безопасно сбрасывать высокую паропроизводительность этих больших котлов. [29] По мере того, как усилие на их клапанах увеличивалось, проблема увеличения жесткости пружины по мере увеличения ее нагрузки (как у клапана Нейлора) становилась все более критичной. [30] Необходимость уменьшения оперения клапана стала еще более важной для котлов высокого давления, поскольку это представляло собой как потерю дистиллированной питательной воды , так и истирание седел клапанов, что приводило к износу. [29]
Высокоподъемные предохранительные клапаны представляют собой пружинные типы с прямой нагрузкой, хотя пружина опирается не непосредственно на клапан, а на шток направляющего стержня клапана. Клапан находится под основанием штока, пружина опирается на фланец на некоторой высоте выше него. Увеличенное пространство между самим клапаном и седлом пружины позволяет клапану подниматься выше, дальше от седла. Это обеспечивает поток пара через клапан, эквивалентный клапану в полтора или два раза больше (в зависимости от детальной конструкции). [30]
Конструкция Cockburn Improved High Lift имеет схожие характеристики с типом Ross pop. Выхлопной пар частично задерживается на выходе и действует на основание седла пружины, увеличивая подъемную силу на клапане и удерживая клапан в более открытом положении. [30]
Для оптимизации потока через заданный диаметр клапана используется полнопроходная конструкция. Она имеет серводействие , где пар через узкий контрольный проход пропускается, если он проходит через небольшой контрольный клапан. Этот пар затем не выпускается, а передается поршню, который используется для открытия главного клапана. [29]
Существуют предохранительные клапаны, известные как PSV, которые могут быть подключены к манометрам (обычно с фитингом 1/2" BSP). Они позволяют прикладывать сопротивление давлению для ограничения давления, оказываемого на трубку манометра, что предотвращает избыточное давление. Вещество, которое было введено в манометр, в случае избыточного давления будет отведено через трубку предохранительного клапана и будет отведено от манометра.
Существует широкий спектр предохранительных клапанов, имеющих множество различных применений и критериев производительности в различных областях. Кроме того, для многих видов предохранительных клапанов установлены национальные стандарты.
Предохранительные клапаны требуются для водонагревателей , где они предотвращают катастрофу в определенных конфигурациях в случае отказа термостата . Такой клапан иногда называют «клапаном T&P» (клапаном температуры и давления). Все еще случаются случайные, впечатляющие отказы старых водонагревателей, в которых отсутствует это оборудование. Дома могут быть снесены силой взрыва. [33]
Скороварки — это кастрюли с герметичной крышкой. Приготовление пищи под давлением позволяет температуре подняться выше обычной точки кипения воды (100 градусов по Цельсию на уровне моря ), что ускоряет приготовление и делает его более тщательным.
Скороварки обычно имеют два предохранительных клапана для предотвращения взрывов. В старых моделях один из них представляет собой сопло, на котором установлен груз. Другой — герметичная резиновая втулка , которая выбрасывается при контролируемом взрыве, если первый клапан блокируется. В скороварках нового поколения, если паровой клапан блокируется, предохранительная пружина сбросит избыточное давление, а если это не сработает, прокладка расширится и сбросит избыточное давление вниз между крышкой и кастрюлей.
Скороварки нового поколения оснащены предохранительной блокировкой , которая блокирует крышку, когда внутреннее давление превышает атмосферное, чтобы предотвратить несчастные случаи из-за внезапного выброса очень горячего пара, пищи и жидкости, что может произойти, если снять крышку, когда кастрюля все еще находится под небольшим давлением внутри (однако крышку будет очень трудно или невозможно открыть, когда кастрюля все еще находится под давлением).
Самое низкое давление, показанное «когда винт был вне воды» (как называют это противники принципа), составило 34 фунта, доходя до 60 фунтов, на весах Солтера.
