КЛАПАН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
VALVE OF HIGH PRESSURE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к клапану высокого давления, который содержит шток (5) и взаимодействующее с ним седло (4) и используется в установке для обработки продуктов высоким давлением.
Уровень техники
При обработке высоким давлением продукты в камере высокого давления, в которую подается среда высокого давления, обрабатываются давлением до 10000 бар. Среда высокого давления покидает камеру высокого давления в большинстве случаев через один или несколько клапанов высокого давления в приемник, где она собирается, в то время как давление в камере уменьшается.
В некоторых случаях давление сначала быстро понижается примерно до 500 бар, после чего оно медленно стравливается до окружающего давления. Это называется также быстрым и мягким стравливанием давления. Снижение давления осуществляется посредством напорных клапанов между камерой высокого давления и приемником.
При быстром и мягком стравливании требования к напорным клапанам разные из-за разных давлений и градиентов стравливания.
Уменьшение очень высоких разностей давлений при быстром стравливании нередко приводит к очень высокой динамике потока, что связано со всеми возможными процессами эрозии потока, такими как кавитация, эрозия трения о стенки и влажнопаровая эрозия, которые повреждают шток (5) и седло (4). Поэтому желательно найти решение такой проблемы.
Уменьшение давления в камере высокого давления посредством двух клапанов раскрыто в WO 2006/129180 A1. При этом для выпуска среды высокого давления из камеры высокого давления предусмотрена линия с двумя установленными друг за другом напорными клапанами. Между ними расположена камера промежуточного давления для приема среды высокого давления, чтобы постепенно уменьшить давление от первого напорного клапана ко второму и предотвратить эрозию на первом напорном клапане. Однако недостаток в том, что тактовые циклы этого способа очень длинные. Кроме того, выполнение способа с помощью напорных клапанов является сложным делом.
В DE 102009042088 A1 описаны устройство и способ обработки высоким давлением упакованных пищевых продуктов, причем уменьшение давления в камере высокого давления происходит в три этапа. Для выполнения способа предусмотрен ряд различных напорных клапанов.
В US 3010695 раскрыт регулирующий клапан высокого давления, регулирующую характеристику которого можно задавать за счет перфорированного кольца с выполняемыми по-разному отверстиями. При работе регулирование происходит за счет различных положений штока, причем шток освобождает поверхность открывания больше или меньше. Малоэрозионное дросселирование потока в кольцевой щели между перфорированным кольцом и штоком не учитывается и при показанных геометрических пропорциях также невозможно.
В DE 102009032850 A1 описан клапан ограничения давления, у которого вызванное средой открывающее усилие скачкообразно повышается, что достигается в том числе скачкообразным увеличением эффективного проходного сечения за уплотнительной поверхностью седла. Проблема эрозии за счет возникающего при этом высокодинамического течения не является содержанием патента.
Раздельная конструкция клапана высокого давления раскрыта в DE 4438462 C1, причем речь идет о стержневом игольчатом клапане с «мягким острием», рассчитанном на системы текучих сред с давлением примерно до 1400 бар. Клапан высокого давления содержит сальник с расположенной в нем напорной вспомогательной камерой, тело с впускным и выпускным отверстиями и седлом между ними. В напорной вспомогательной камере расположен поршень. Хвостовик имеет боковую опору с мягким острием и концентрично просверлен, чтобы связать давление текучей среды из впускного отверстия с верхней стороной поршня, в результате чего последний движет хвостовик и мягкое острие клапана в направлении его седла, тем самым, уменьшая и варьируя исполнительные усилия. Проблема эрозии за счет высокодинамических течений в этом патенте не рассматривается.
Из-за высоких общих давлений и разностей давлений в рассматриваемом здесь рабочем диапазоне до 10000 бар могут использоваться только штоки и седла клапанов из высокопрочных материалов.
Чтобы устранить данную проблему, пришлось бы автоматически попытаться применить для штока и седла клапана более твердый материал. Это приводит, правда, к лучшему результату по сравнению со штоком и седлом клапана из более мягких материалов. Однако вследствие эрозионной нагрузки при каждом цикле стравливания давления, которую среда высокого давления при протекании оказывает на шток и седло, неизбежной является частая замена компонентов.
Избежать критических высокодинамических параметров потока позволяют включенные до и/или после сопротивления потока, причем, однако, скорость стравливания давления сильно уменьшается. Однако это нежелательно при критических по времени применениях.
При конструировании клапана высокого давления необходимо согласовывать между собой, в частности, шток и седло в отношении применяемых пар материалов и формы компонентов.
Раскрытие изобретения
В основе изобретения лежит задача создания конструктивно простого клапана высокого давления для обработки продуктов высоким давлением до 10000 бар, чем достигается большее число циклов износа.
Эта задача решается посредством клапана высокого давления к установке для обработки высоким давлением продуктов в камере высокого давления, причем продукты, подвергаемые воздействию среды высокого давления, обрабатываются давлением до 10000 бар, содержащего:
- корпус (1) с впускным отверстием (2) и выпускным отверстием (3),
- седло (4) между впускным отверстием (2) и выпускным отверстием (3),
- причем седло (4) имеет впускную сторону (4a) и выпускную сторону (4b), и впускная сторона (4a) образует впускное отверстие (2),
- расточку (8) внутри седла (4), через которую в открытом состоянии клапана среда высокого давления течет от впускного отверстия (2) к выпускному отверстию (3),
- шток (5), причем вершина (6) штока (5) образует часть штока (5),
- причем в закрытом состоянии клапан вершина (6) штока (5) герметизирует седло (4) от его впускной стороны (4a) до выпускной стороны (4b),
- причем вершина (6) штока (5) содержит конусообразный конец (11) и хвостовик (12),
- седло (4) имеет концентричную раззенковку (10),
- причем концентричная раззенковка (10) имеет в направлении впускной стороны (4a) седла (4) коническую поверхность (13),
- концентричная раззенковка (10) имеет в направлении выпускной стороны (4b) седла (4) ответную хвостовику (12) поверхность (15) цилиндрической или конической формы с углом наклона до 6° по отношению к оси седла (4),
- причем в закрытом состоянии клапана конусообразный конец (11) вершины (6) штока (5) герметизирует коническую поверхность (13) раззенковки (10) клапана (4), а хвостовик (12) вершины (6) штока (5) образует с ответной хвостовику (12) поверхностью (15) зазор.
Чтобы клапан в своем закрытом состоянии наилучшим образом герметизировал, необходимо оптимально согласовать поверхность контакта между конусообразным концом (11) вершины (6) штока (5) и конической поверхностью (13) раззенковки (10) седла (4). Острие конусообразного конца (11) вершины (6) штока (5) входит в расточку 8 седла (4).
Разность углов наклона между конической поверхностью (13) и конусообразным концом (11) должна составлять максимум 4°, таким образом, коническая поверхность (13) оптимально герметизируется от конусообразного конца (11) вершины (6) штока (5).
В отношении высоких требований к клапану седло (4) и вершина (6) штока (5) изготавливаются обычно из высокопрочных материалов, таких как металлические сплавы.
Корпус (1) и седло (4) образуют клапанную камеру, в которой может быть предусмотрена ее защита (14). Последняя защищает внутреннюю поверхность от эрозии. При повреждении защиты (14) ее можно заменить быстро и без проблем, не заменяя весь корпус (1).
Клапан, состоящий из седла (4) и штока (5), может содержать регулирующее устройство, с помощью которого регулируется движение штока (5).
Разумеется, регулирующее устройство может быть выполнено с возможностью управления как вручную, так и механически.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображают:
фиг. 1: клапан высокого давления;
фиг. 2: вариант выполнения седла (4);
фиг. 3: вариант выполнения вершины (6) штока (5).
Осуществление изобретения
На фиг. 1 изображен клапан высокого давления, содержащий корпус (1). Последний содержит шток (5) с вершиной (6), взаимодействующее с ней седло (4) и выпускное отверстие (3). Через впускное отверстие (2) среда высокого давления, покидающая камеру высокого давления, течет через расточку (8) седла (4). Вершина (6) штока (5) содержит конусообразный конец (11) и хвостовик (12), а шток (5) имеет внутреннюю расточку, в которой размещается хвостовик (12) вершины (6). Движение штока (5) осуществляется пристроенным приводом (7).
Чтобы в закрытом состоянии клапана седло (4) и вершина (6) штока (5) обеспечивали оптимальную герметизацию, коническая поверхность (13) седла (4) имеет осевое отклонение α около 45°, а конусообразный конец (11) вершины (6) - осевое отклонение α около 43,5°. Шток (5) вместе с вершиной (6) удаляется посредством привода от седла (4), и среда высокого давления течет между седлом (4) и вершиной (6) штока (5) в направлении выпускного отверстия (3). Корпус (1) и седло (4) образуют так называемую клапанную камеру. Ее внутренняя поверхность может быть дополнительно защищена от эрозии посредством защиты (14).
Опыты показали, что с помощью описанного выше клапана высокого давления при обработке продуктов высоким давлением до 10000 бар можно достичь свыше 5000 тактовых циклов.
На фиг. 2 подробно изображено седло (4). По экономическим соображениям оно может состоять из нескольких частей, монтируемых друг в друге, причем седло (4) имеет впускную (4a) и выпускную (4b) стороны, а впускная сторона (4а) образует впускное отверстие (2). В ответной хвостовику (12) поверхность (15) раззенковки (10) выполнены несколько боковых расточек (9).
Идеально, если боковые расточки (9) выполнены также на переходе от конической поверхности (13) к ответной хвостовику (12) поверхности (15) раззенковки (10).
На фиг. 3 изображен возможный вариант выполнения вершины (6) штока (5), причем здесь ее конусообразный конец (11) имеет меньшее осевое отклонение относительно герметизируемой конической поверхности (13) седла (4), чтобы конусообразный конец (11) оптимально герметизировал под высоким давлением коническую поверхность (13).
Перечень ссылочных позиций
1 - корпус клапана
2 - впускное отверстие
3 - выпускное отверстие
4 - седло клапана
4a - впускная сторона седла
4b - выпускная сторона седла
5 - шток клапана
6 - вершина штока
7 - пристроенный привод клапана
8 - расточка
9 - боковая расточка
10 - раззенковка вершины штока
11 - конусообразный конец вершины штока
12 - хвостовик вершины штока
13 - коническая поверхность раззенковки
14 - защита клапанной камеры
15 - ответная штоку поверхность раззенковки.