Регулятор давления — это клапан , который регулирует давление жидкости до требуемого значения, используя отрицательную обратную связь от контролируемого давления. Регуляторы используются для газов и жидкостей и могут быть интегральным устройством с настройкой давления, ограничителем и датчиком в одном корпусе или состоять из отдельного датчика давления, контроллера и клапана расхода.
Встречаются два типа: регуляторы понижения давления и регуляторы обратного давления.
Оба типа регуляторов используют обратную связь регулируемого давления в качестве входных данных для механизма управления и обычно приводятся в действие подпружиненной диафрагмой или поршнем, реагирующим на изменения давления обратной связи для управления открытием клапана, и в обоих случаях клапан должен быть открыт только настолько, чтобы поддерживать установленное регулируемое давление. Фактический механизм может быть очень похож во всех отношениях, за исключением размещения отвода давления обратной связи. [2] Как и в других механизмах управления с обратной связью, уровень демпфирования важен для достижения баланса между быстрым откликом на изменение измеренного давления и стабильностью выходного сигнала. Недостаточное демпфирование может привести к рыскающим колебаниям регулируемого давления, в то время как чрезмерное трение движущихся частей может вызвать гистерезис .
Основная функция регулятора давления — согласовывать поток газа через регулятор с потребностью в жидкости, подаваемой на него, при этом поддерживая достаточно постоянное выходное давление. Если поток нагрузки уменьшается, то поток регулятора также должен уменьшаться. Если поток нагрузки увеличивается, то поток регулятора должен увеличиваться, чтобы не допустить снижения контролируемого давления из-за нехватки жидкости в системе давления. Желательно, чтобы контролируемое давление не сильно отличалось от заданного значения для широкого диапазона расходов, но также желательно, чтобы поток через регулятор был стабильным, а регулируемое давление не подвергалось чрезмерным колебаниям. [ необходима цитата ]
Регулятор давления включает в себя ограничивающий элемент , нагрузочный элемент и измерительный элемент :
В изображенном одноступенчатом регуляторе баланс сил используется на диафрагме для управления тарельчатым клапаном с целью регулирования давления. При отсутствии входного давления пружина над диафрагмой толкает ее вниз на тарельчатый клапан, удерживая его открытым. После подачи входного давления открытая тарелка позволяет потоку поступать в диафрагму, и давление в верхней камере увеличивается, пока диафрагма не будет вытолкнута вверх против пружины, заставляя тарелку уменьшить поток, в конечном итоге останавливая дальнейшее увеличение давления. Регулируя верхний винт, можно увеличить направленное вниз давление на диафрагму, что потребует большего давления в верхней камере для поддержания равновесия. Таким образом, контролируется выходное давление регулятора. [ необходима цитата ]
Газ высокого давления из источника поступает в регулятор через впускной порт. Манометр на входе покажет это давление. Затем газ проходит через нормально открытое отверстие клапана управления давлением, и давление на выходе повышается до тех пор, пока приводная мембрана клапана не отклонится достаточно, чтобы закрыть клапан, предотвращая попадание газа на сторону низкого давления, пока давление снова не упадет. Манометр на выходе покажет это давление. [ необходима цитата ]
Давление на выходе на диафрагму, а также давление на входе и сила пружины тарелки на входной части клапана удерживают узел диафрагмы/тарелки в закрытом положении против силы пружины нагрузки диафрагмы. Если давление подачи падает, закрывающая сила из-за давления подачи уменьшается, а давление на выходе немного увеличивается для компенсации. Таким образом, если давление подачи падает, давление на выходе увеличивается при условии, что давление на выходе остается ниже падающего давления подачи. Это является причиной сброса в конце резервуара, когда подача осуществляется из баллона с газом под давлением. [ необходима цитата ] Оператор может компенсировать этот эффект, отрегулировав нагрузку пружины, повернув ручку, чтобы восстановить давление на выходе до желаемого уровня. В одноступенчатом регуляторе, когда давление подачи становится низким, более низкое давление на входе приводит к повышению давления на выходе. Если сжатие пружины нагрузки диафрагмы не отрегулировано для компенсации, тарелка может оставаться открытой и позволить резервуару быстро сбросить свое оставшееся содержимое. [ необходима цитата ]
Двухступенчатые регуляторы — это два регулятора, последовательно расположенных в одном корпусе, которые работают для постепенного снижения давления в два этапа вместо одного. Первый этап, который предварительно настроен, снижает давление подаваемого газа до промежуточного этапа; газ при этом давлении переходит во второй этап. Газ выходит из второго этапа под давлением (рабочим давлением), установленным пользователем путем регулировки ручки управления давлением на пружине нагрузки мембраны. Двухступенчатые регуляторы могут иметь два предохранительных клапана, так что если между этапами возникнет избыточное давление из-за утечки в седле клапана первого этапа, то растущее давление не перегрузит конструкцию и не вызовет взрыв. [ необходима цитата ]
Несбалансированный одноступенчатый регулятор может нуждаться в частой настройке. По мере падения давления подачи выходное давление может меняться, что требует настройки. В двухступенчатом регуляторе улучшена компенсация любого падения давления подачи. [ необходима цитата ]
Воздушные компрессоры используются в промышленных, коммерческих и домашних мастерских для выполнения различных работ, включая продувку предметов, работу пневматических инструментов и накачивание таких предметов, как шины, мячи и т. д. Регуляторы часто используются для регулировки давления, выходящего из воздушного ресивера (бака), в соответствии с требованиями, предъявляемыми к задаче. Часто, когда один большой компрессор используется для подачи сжатого воздуха для различных целей (часто называемого «цеховым воздухом», если он построен как постоянная установка труб по всему зданию), дополнительные регуляторы будут использоваться для обеспечения того, чтобы каждый отдельный инструмент или функция получал необходимое им давление. Это важно, поскольку некоторые пневматические инструменты или виды использования сжатого воздуха требуют давления, которое может привести к повреждению других инструментов или материалов. [ требуется цитата ]
Регуляторы давления используются в системах герметизации салона самолета, контроля давления в уплотнителях фонарей, системах подачи питьевой воды и герметизации волноводов. [3]
Регуляторы давления в аэрокосмической технике применяются в системах управления давлением в двигателях для систем управления реакцией (RCS) и систем управления ориентацией (ACS), где присутствуют высокая вибрация, большие перепады температур и едкие жидкости. [4]
Сосуды под давлением можно использовать для приготовления пищи гораздо быстрее, чем при атмосферном давлении, поскольку более высокое давление повышает температуру кипения содержимого. Все современные скороварки будут иметь клапан регулятора давления и клапан сброса давления в качестве предохранительного механизма для предотвращения взрыва в случае, если клапан регулятора давления не сможет адекватно сбросить давление. В некоторых старых моделях нет предохранительного клапана сброса давления [ требуется ссылка ] . Большинство моделей для домашней кухни сконструированы так, чтобы поддерживать настройки низкого и высокого давления. Эти настройки обычно составляют от 7 до 15 фунтов на квадратный дюйм (от 0,48 до 1,03 бар). Почти все домашние кухонные агрегаты будут использовать очень простой одноступенчатый регулятор давления. В старых моделях будет просто использоваться небольшой груз сверху отверстия, который будет подниматься под действием избыточного давления, чтобы позволить избыточному пару выйти. В новых моделях обычно есть подпружиненный клапан, который поднимается и позволяет давлению сбрасываться по мере повышения давления в сосуде. В некоторых скороварках будет предусмотрена настройка быстрого сброса на клапане регулятора давления, которая, по сути, снизит натяжение пружины, чтобы позволить давлению сбрасываться с быстрой, но все еще безопасной скоростью. Коммерческие кухни также используют скороварки, в некоторых случаях используя масляные скороварки для быстрого обжаривания фастфуда во фритюре. Сосуды высокого давления такого типа также могут использоваться в качестве автоклавов для стерилизации небольших партий оборудования и в домашних консервных операциях. [ необходима цитата ]
Клапан регулировки давления воды ограничивает приток, динамически изменяя открытие клапана таким образом, что при меньшем давлении снаружи клапан полностью открывается, а слишком большое давление снаружи заставляет клапан закрываться. В ситуации отсутствия давления, когда вода может течь в обратном направлении, она не будет затруднена. Клапан регулировки давления воды не функционирует как обратный клапан. [ требуется цитата ] [ требуется разъяснение ]
Они используются в случаях, когда давление воды в конце линии слишком высокое, чтобы избежать повреждения приборов или труб.
Процессы кислородно-топливной сварки и резки требуют газов при определенных давлениях, и регуляторы обычно используются для снижения высокого давления в баллонах до давления, пригодного для резки и сварки. Регуляторы кислорода и топливного газа обычно имеют две ступени: первая ступень регулятора выпускает газ из баллона при постоянном давлении, несмотря на то, что давление в баллоне становится меньше по мере выпуска газа. Вторая ступень регулятора контролирует снижение давления от промежуточного давления до низкого. Конечный расход может быть отрегулирован на горелке. Узел регулятора обычно имеет два манометра, один из которых показывает давление в баллоне, а другой — давление подачи. Дуговая сварка в среде инертного газа также использует газ, хранящийся при высоком давлении, подаваемом через регулятор. Может быть калиброванный расходомер для определенного газа. [ необходима цитата ]
Все применения пропана и сжиженного нефтяного газа требуют использования регулятора. Поскольку давление в баллонах с пропаном может значительно колебаться в зависимости от температуры, регуляторы должны присутствовать для подачи постоянного давления на последующие приборы. Эти регуляторы обычно компенсируют давление в баллонах в диапазоне 30–200 фунтов на квадратный дюйм (2,1–13,8 бар) и обычно обеспечивают 11 дюймов водяного столба 0,4 фунта на квадратный дюйм (28 мбар) для бытовых применений и 35 дюймов водяного столба 1,3 фунта на квадратный дюйм (90 мбар) для промышленных применений. Регуляторы пропана различаются по размеру и форме, давлению подачи и регулируемости, но едины в своей цели — обеспечивать постоянное выходное давление для требований на последующих этапах. Обычные международные настройки для бытовых регуляторов сжиженного нефтяного газа составляют 28 мбар для бутана и 37 мбар для пропана.
Все двигатели транспортных средств, работающие на сжатом газе в качестве топлива (двигатель внутреннего сгорания или электрическая силовая установка на топливных элементах), требуют регулятора давления для снижения давления хранимого газа ( СПГ или водорода ) с 700, 500, 350 или 200 бар (или 70, 50, 35 и 20 МПа) до рабочего давления. [ требуется ссылка ] )
Для транспортных средств для отдыха с водопроводом регулятор давления необходим для снижения давления внешнего водоснабжения, подключенного к водопроводу транспортного средства, поскольку водоснабжение может находиться на гораздо большей высоте, чем кемпинг, а давление воды зависит от высоты столба воды. Без регулятора давления интенсивное давление, встречающееся на некоторых кемпингах в горных районах, может быть достаточным, чтобы прорвать водопроводные трубы кемпера или разбить сантехнические соединения, что приведет к затоплению. Регуляторы давления для этой цели обычно продаются в виде небольших навинчиваемых аксессуаров, которые вставляются в шланги, используемые для подключения автофургона к водопроводу, которые почти всегда совместимы по резьбе с обычным садовым шлангом . [ требуется цитата ]
Регуляторы давления используются с баллонами для подводного плавания с аквалангом . Резервуар может содержать давление, превышающее 3000 фунтов на квадратный дюйм (210 бар), что может привести к фатальной баротравме у человека, дышащего им напрямую. Регулятор, управляемый по требованию, обеспечивает поток дыхательного газа при давлении окружающей среды (которое меняется в зависимости от глубины в воде). Регуляторы давления также используются для подачи дыхательного газа водолазам с подводным питанием [5] и людям, которые используют автономные дыхательные аппараты (SCBA) для спасательных и опасных работ на суше. Межкаскадное давление для SCBA при нормальном атмосферном давлении обычно можно оставить постоянным на заводе-изготовителе, но для водолазов с подводным питанием оно контролируется оператором газовой панели в зависимости от глубины водолаза и требований к расходу. Дополнительный кислород для полетов на большой высоте в негерметичных самолетах и медицинские газы также обычно подаются через регуляторы давления из хранилища высокого давления. [6] [7]
Дополнительный кислород также может подаваться через регулятор, который одновременно снижает давление и подает газ с дозированной скоростью потока для смешивания с окружающим воздухом. [8] Одним из способов получения постоянного массового расхода при переменном давлении окружающей среды является использование дросселируемого потока , где поток через измерительное отверстие является звуковым. Для данного газа в дросселируемом потоке массовый расход может контролироваться путем установки размера отверстия или давления на входе. Для получения дросселируемого потока в кислороде отношение абсолютного давления газа на входе и выходе должно превышать 1,893 при 20 °C. При нормальном атмосферном давлении для этого требуется давление на входе более 1,013 × 1,893 = 1,918 бар. Типичное номинальное регулируемое манометрическое давление медицинского кислородного регулятора составляет 3,4 бара (50 фунтов на кв. дюйм) для абсолютного давления приблизительно 4,4 бара и коэффициента давления около 4,4 без обратного давления, поэтому они будут иметь запертый поток в измерительных отверстиях для выходного (выходного) давления приблизительно до 2,3 бар абсолютного. Этот тип регулятора обычно использует роторную пластину с калиброванными отверстиями и фиксаторами, чтобы удерживать ее на месте, когда выбрано отверстие, соответствующее желаемому расходу. Этот тип регулятора может также иметь одно или два некалиброванных соединения для отбора из промежуточной камеры давления с системой безопасности индекса диаметра (DISS) или аналогичными соединителями для подачи газа к другому оборудованию, а соединение высокого давления обычно представляет собой зажим хомута системы безопасности индекса штифта (PISS). [9] Аналогичные механизмы могут использоваться для управления расходом для авиационных и альпинистских регуляторов.
Поскольку давление в водопроводах быстро растет с глубиной, подземные горные работы требуют довольно сложной системы водоснабжения с редукционными клапанами. Эти устройства должны быть установлены на определенном вертикальном интервале, обычно 600 футов (180 м). [ необходима цитата ] Без таких клапанов трубы могут лопнуть, а давление будет слишком большим для работы оборудования.
Регуляторы давления широко используются в газовой промышленности. Природный газ сжимается до высокого давления для распределения по всей стране через крупные магистральные трубопроводы. Давление передачи может превышать 1000 фунтов на квадратный дюйм (69 бар) и должно быть снижено на различных этапах до давления, пригодного для использования в промышленных, коммерческих и жилых целях. В этой системе распределения есть три основных места снижения давления. Первое снижение находится у городских ворот, тогда как давление передачи снижается до давления распределения для подачи по всему городу. Это также место, где непахучий природный газ одорируется меркаптаном. Давление распределения дополнительно снижается на районной регулирующей станции, расположенной в разных точках города, до значения ниже 60 фунтов на кв. дюйм. Окончательное снижение будет происходить в месте расположения конечного пользователя. Как правило, снижение для конечного пользователя осуществляется до низкого давления в диапазоне от 0,25 фунтов на кв. дюйм до 5 фунтов на кв. дюйм. Для некоторых промышленных применений может потребоваться более высокое давление. [ необходима цитата ]
Если перепад давления на встроенной системе выпуска отработавших газов дыхательной системы слишком велик, как правило, в системах насыщения, можно использовать регулятор обратного давления, чтобы уменьшить перепад давления выпуска отработавших газов до более безопасного и управляемого давления. [10] [12]
Глубина, на которой большинство дыхательных смесей с гелиоксом используются при погружениях с подачей с поверхности, как правило, составляет не менее 5 бар выше атмосферного давления на поверхности, а отработанный газ от водолаза должен проходить через клапан возврата , который представляет собой обратный клапан, активируемый повышением давления в шлеме водолаза выше давления окружающей среды, вызванным выдохом водолаза. [13] [14] Шланг возврата газа, который переносит выдыхаемый газ обратно на поверхность для рециркуляции, не должен иметь слишком большую разницу давления по сравнению с давлением окружающей среды у водолаза. Дополнительный регулятор обратного давления в этой линии позволяет более точно настроить клапан возврата для более низкой работы дыхания на различных глубинах. [15]
