АВТОНОМНАЯ ТЕРМОЗАПОРНАЯ КЛАПАННАЯ СИСТЕМА
AUTONOMOUS THERMAL SHUT-OFF VALVE SYSTEM

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, а конкретно к автономным дистанционно управляемым клапанным системам на основе сильфонных клапанов, и предназначено для использования в качестве автономной дистанционно управляемой запорной арматуры на трубопроводах различного назначения в химической промышленности, водопроводах, нефтепроводах и теплоэнергетике.
Сильфонные клапаны являются широко применимыми устройствами для регулирования потока текучей среды в трубопроводах различного назначения в различных отраслях промышленности. Управление затворным механизмом для открытия/закрытия клапана осуществляется вручную, либо с помощью электроприводов, подключаемых к основной сети электроснабжения. Оба указанных способа управления обладают некоторыми недостатками. Ручное управление арматурой при расположении арматуры в удаленных местах трубопроводов требует определенного времени, чтобы добраться до нее и провести регулировку потока среды. При различных нештатных ситуациях и авариях техногенного характера доступ к арматуре с ручным управлением может быть осложнен или заблокирован из-за прорывов агрессивных и опасных сред, завалов и проч. Использование электроприводов, с одной стороны, нивелирует необходимость личного присутствия оператора у клапана, но, при этом, создает зависимость от центральной энергосистемы. Соответственно, при аварии в сетях энергосистемы с последующим отключением питания управление запорной арматурой будет потеряно, до момента полного восстановления подачи энергии. Кроме того, электроприводы требуют регулярного технического обслуживания и контроля, что ставит под вопрос возможность их использования на удаленных или труднодоступных участках трубопроводов.
Следующей ступенью развития механизмов запирания/отпирания трубопроводной арматуры является использование сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ), а конкретно - термоисполнительных элементов из данных сплавов, осуществляющих работу за счет фазового превращения, происходящего в сплаве при изменении температуры. На сегодняшний день уже существует несколько патентов, посвященных разработке клапанных систем с использованием термоисполнительных элементов из сплавов с ЭПФ для управления механизмом отпирания/запирания.
Известна конструкция привода запорной арматуры (патент RU 205955), состоящего из цилиндрической пружины, гайки-втулки и исполнительного элемента, заключенных в корпусе накидной гайки-крышки, оснащенной индикаторной пластиной и смотровым окошком. Цилиндрическая пружина опирается на гайку-втулку, которая жестко закреплена со штоком и надета на исполнительный элемент, выполненный из сплава с ЭПФ. Термоисполнительный элемент представлен в виде цилиндрического массива из ячеек по типу двухзаходной пружины равного диаметра, расположенных по периметру окружности со сквозным центральным отверстием и ограниченных с двух сторон дисковыми шайбами, и окружен нагревательной спиралью, подключенной к источнику напряжения через керамическую втулку. Заявляемый привод работает при внешнем контролируемом тепловом воздействии, например, при пропускании тока или путем косвенного нагрева, с возможностью дистанционного управления.
Недостатком конструкции является недостаточные усилия по перемещению, осуществляемые термоисполнительным элементом и приводом в целом. Представленный термоисполнительный элемент не обеспечивает быстрого закрытия или открытия клапана за счет долгого времени остывания массивного термоисполнительного элемента из сплава с эффектом памяти формы.
Определенная автономность предусмотрена в конструкции электрического клапана, представленного в патенте CN 102192333, в котором использование пружин из сплава с ЭПФ обусловлено принципом энергосбережения, а именно срабатывания элементов из сплавов с ЭПФ при отключении электричества и аварийных ситуациях. Принцип работы заключается в открытии клапана при температуре ниже 5 градусов и закрытии при повышении температуры. Рабочей является верхняя пружина, которая при нагреве расширяется, и поджимается нижней пружиной, преддеформируя ее. Кроме того, открытие и закрытие клапана производится с помощью электрического мотора, который, получая команду от термостата, реагирующего на изменение температуры, поднимает или опускает шток клапана. Электрический двигатель обеспечивается энергией от встроенного в верхний корпус привода аккумулятора.
Недостатком конструкции является крайне ограниченный интервал действия - при температурах в 5°С окружающей среды. Превышение данной температуры ведет к закрытию клапана с помощью элемента с ЭПФ, что серьезно ограничивает применяемость данной системы, т.е., ее невозможно использовать при комнатной температуре - клапан будет всегда автоматически закрываться элементом с ЭПФ, и невозможно использовать при низких и отрицательных температурах - элемент с ЭПФ не будет влиять на клапан, всегда держа его открытым. Кроме того, система предусматривает автоматическое функционирование, без возможности дистанционной выдачи команд на открытие/закрытие клапана.
Известна конструкция привода запорной арматуры на основе термоисполнительных элементов из сплава с эффектом памяти формы, представленная в патенте JP 2004197868. В приводе клапана имеются термоисполнительные элементы из сплава с ЭПФ в форме пружины, пружина для деформации данного элемента, а так же удерживающий механизм, используемый для удержания клапана в открытом состоянии. Нагрев термоисполнительного элемента реализуется за счет пропускания через него электрического тока. В исходном состоянии клапан закрыт, термоисполнительный элемент (пружина) сжат.При подаче электропитания происходит нагрев термоисполнительного элемента, что приводит к восстановлению формы, сжатию пружины деформации и открытию клапана. При открытии клапана срабатывает механический удерживающий механизм, что позволяет удерживать клапана в открытом состоянии без подачи электропитания на термоисполнительный элемент. После остывания и повторного деформирования термоисполнительного элемента с ЭПФ для закрытия клапана необходимо снова подать электропитание, чтобы термоисполнительный элемент с ЭПФ снова восстановил форму, при этом деформируя пружину и заставляя снова сработать механический удерживающий механизм уже на закрытие клапана.
Недостатком данной конструкции является необходимость подачи электропитания непосредственно на термоисполнительный элемент с ЭПФ, что требует достаточно высоких значений силы тока. Кроме того, цикл открытие - закрытие клапана крайне длителен, по причине необходимости ожидания остывания образца и его деформирования. Отсутствует возможность автономности, так как требуется полноценное подключение к электросети. Не указано так же, есть ли возможность дистанционного управления.
Известна конструкция привода запорной арматуры на основе термоисполнительных элементов из сплава с эффектом памяти формы, представленная в патенте KR 20090052926 A (принят в качестве прототипа). Здесь, для открытия/закрытия клапана использовался принцип, реализуемый через нагревание термоисполнительного элемента с ЭПФ. Конструкция привода реализована следующим образом. В корпусе привода расположен нагревательный блок из термостойкого материала, внутри которого расположен нагревательный элемент, подключенный к сети электропитания с помощью проводов, уходящих за пределы корпуса привода. Внутри нагревательного элемента расположен термоисполнительный элемент с ЭПФ, представляющий собой вертикально расположенную пластину, зафиксированную сверху фиксирующей скобой, а снизу фиксирующим цилиндром, способным перемещаться в корпусе нагревательного элемента вверх/вниз. Фиксирующий цилиндр соединен со штоком клапана через втулку из термостойкого материала, для предотвращения передачи тепловой энергии штоку. При этом цилиндр и шток могут перемещаться вверх/вниз по направляющим. В исходном состоянии пластина деформирована - изогнута, фиксирующий цилиндр поднят, в соответственно и шток поднят, а клапан открыт.Для закрытия клапана необходимо подать напряжение на нагревательный элемент, который нагревает пластину, что ведет к восстановлению формы термоисполнительного элемента с ЭПФ - выпрямлению пластины. При этом пластина оказывает давление на фиксирующий цилиндр, перемещая его вниз, а он в свою очередь перемещает вниз шток, который закрывает отверстие для потока среды в клапане. Соответственно, клапан закрывается. При отключении питания термоисполнительный элемент с ЭПФ охлаждается, деформируется, изгибается, уменьшая свой линейный размер, тем самым позволяя отводя фиксирующий цилиндр вверх, вытягивая шток из отверстия для потока среды и открывает клапан.
Недостатком указанной конструкции является невозможность удержания клапана открытым при отсутствии электропитания, так как для открытия клапана необходим постоянный подогрев термоисполнительного элемента с ЭПФ. Кроме того, обязательным является наличие электросети, таким образом, автономность системы в данном техническом решении не предусмотрена. Дистанционное управление так же не предусмотрено, хотя теоретически оно возможно. Остается так же не решенным вопрос быстродействия клапана, так как для быстрого цикла открытие-закрытие необходимо ждать охлаждения термоисполнительного элемента с ЭПФ.
Исходя из вышеперечисленных проблем, технической задачей является разработка автономной термозапорной клапанной системы, способной к длительному автономному функционированию с дистанционным контролем и высокой скоростью срабатывания запорного механизма на основе термоисполнительных элементов с ЭПФ.
Автономная термозапорная клапанная система состоит из запорного сильфонного клапана, привода клапана, блока управления питанием, аккумуляторной батареи и проводов электропитания. При этом, привод клапана оснащен термоисполнительными элементами с ЭПФ и фиксаторами, а термозапорный клапан объединен в сеть с аккумуляторной батареей и блоком управления питанием, причём первый фиксатор закреплен на подвижном стакане, а второй фиксатор закреплен на корпусе привода, и оба фиксатора приводятся в действие с помощью термоисполнительных элементов с ЭПФ.
Первый и второй фиксаторы расположены под углом 90 градусов относительно оси штока.
Термоисполнительные элементы с ЭПФ подвергаются нагреву посредством нагревательного элемента.
Термоисполнительные элементы с ЭПФ представлены в виде массива прямоугольного сечения из ячеек по типу двухзаходной пружины равного диаметра, расположенных по периметру прямоугольника, и ограниченных .с двух сторон прямоугольными основаниями с сужением на оконечности основания.
В качестве нагревательного элемента используется проволока из нихрома.
Подача напряжения на нагревательный элемент для нагрева термоисполнительных элементов с ЭПФ контролируется посредством блока управления.
Термоисполнительные элементы с ЭПФ изготовлены методом 4D-печати с помощью лазерных аддитивных технологий.
Решение технической задачи обеспечивается за счет того, что в корпусе привода запорного сильфонного клапана автономной термозапорной клапанной системы, разделенного на две части посредством прижимной плиты, соосно на шпиндель запорного механизма накручен шток привода, на который в нижней части корпуса привода одеты подвижный стакан и пружина, необходимая для деформирования (взведения) расположенных под стаканом термоисполнительных элементов с ЭПФ, и в верхней части упирающаяся в прижимную плиту, при этом подвижный стакан соединен со штоком привода при помощи подвижного фиксатора, который при разъединении позволяет штоку свободно перемещаться относительно стакана;
в верхней части корпуса привода крепится неподвижный фиксатор, способный соединяться со штоком привода и в исходном состоянии находящийся в разъединенном положении; при этом все фиксаторы подпружинены, а для разъединения со штоком привода оборудованы термоисполнительными элементами с ЭПФ.
Каждый из термоисполнительных элементов с ЭПФ представляет собой массив прямоугольного сечения из ячеек по типу двухзаходной пружины равного диаметра, расположенных по периметру прямоугольника, и ограниченных с двух сторон прямоугольными основаниями с сужением на оконечности основания, и для реализации фазового превращения термоисполнительные элементы с ЭПФ нагреваются с помощью нагревательных элементов, функционирующих от сети аккумулятора, входящего в состав автономной термозапорной клапанной системы и контролируемого с помощью блока управления питанием.
В результате наличие нескольких разобщенных фиксаторов в предложенной конструкции позволяет ускорить однократный цикл открытие-закрытие клапана за счет разобщения штока привода и фиксаторов. Наличие отдельной аккумуляторной батареи позволяет использовать систему автономно, без необходимости в подключении к центральной сети. Блок управления питанием системы позволяет дистанционно управлять работой запирающего механизма путем отправки команд для нагрева термоисполнительных элементов с ЭПФ, находящихся под стаканом клапана, и в каждом отдельном фиксаторе, при этом нагрев может осуществляться кратковременно, что способствует экономии энергии.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1. - Общая схема автономной термозапорной клапанной системы, состоящей из следующих элементов - запорный сильфонный клапан с приводом (1), блок управления питанием (2), аккумуляторная батарея (3), провода электропитания (4).
Фиг. 2. - Изображение конструкции клапана с приводом клапана, включающей в себя следующие элементы:
• Корпус клапана (поз.1);
• Запорный механизм;
• Привод клапана.
Запорный механизм клапана включает следующие элементы,:
• Золотник(2)
• Шток(З)
• Сильфон (10)
• Втулки (6,7)
• Шпиндель (4)
• Прокладки (11,12)
• Шайба (14)
• Штифт (8)
Привод клапана состоит из следующих элементов:
• Шток привода (13)
• Пружина штока привода(38)
• Подвижный стакан (17)
• Пружина подвижного стакана (18)
• Термоисполнительный элемент из сплава с ЭПФ стакана(15)
• Нагревательный элемент стакана (16)
• Пружина фиксатора подвижного (22)
• Пружина фиксатора неподвижного (29)
• Фиксатор подвижный, установленный на подвижном стакане (21);
• Фиксатор неподвижный, установленный на корпусе привода (28);
• Термоисполнительный элемент с ЭПФ фиксатора подвижного (26);
• Термоисполнительный элемент с ЭПФ фиксатора неподвижного (34);
• Нагревательный элемент фиксатора подвижного (27);
• Нагревательный элемент фиксатора неподвижного (35);
• Корпус привода (20);
• Прижимная плита (19);
Корпус клапана (1) имеет входное и выходное отверстия для протекания рабочей среды, а также отверстие, где установлена сильфонная сборка. В корпус клапана (1) вкручена втулка (7), упирающаяся в стальную(12) и графитовую (11) прокладки для обеспечения герметичности. Между втулкой (7) и втулкой (6), соосно установлен сильфон (10) на посадку в натяг. С другой стороны, сильфон (10) соосно через посадку в натяг установлен между кольцом (9) и штоком (3). На шток (3) одет золотник (2) и зафиксирован развальцованным с двух сторон штифтом (5). Золотник входит в контакт с посадочным местом (седлом) клапана. К штоку (3) соосно присоединен шпиндель (4) посредством резьбового соединения. Также шпиндель (4) соединен со втулкой (6) при помощи штифта (8), который препятствует вращению шпинделя (4) вокруг своей оси, но позволяет перемещаться вдоль оси шпинделя (4) по направляющим, находящимся на втулке (6). На свободный конец шпинделя (4) при помощи резьбового соединения накручен шток привода (13). На втулку (7) установлена шайба (14) на которую упираются два термоисполнительных элемента из сплава с ЭПФ (15), вокруг которых намотан нагревательный элемент (16). Сверху на элементах из сплава с ЭПФ (15) установлен подвижный стакан (17), который расположен соосно со штоком привода (13). Соосно со стаканом (17), сверху него установлена пружина стакана (18), которая поджата прижимной плитой(19), установленной в корпусе привода (20) через посадку в натяг. С помощью прижимной плиты (19) можно регулировать усилие, развиваемое пружиной стакана (18). Корпус привода (20) накручен на корпус клапана (1). На подвижном стакане (17) установлен подвижный фиксатор (21) перпендикулярно оси движения штока привода, который в исходном положении входит в зацепление со штоком привода (13). На фиксатор надета собственная пружина подвижного фиксатора (22). Внутри фиксатора установлена защелка (24) с пружиной защелки (23). В противодействие пружине подвижного фиксатора с упором на подвижный стакан (17) и упор фиксатора (25) установлен термоисполнительный элемент с ЭПФ подвижного фиксатора (26), вокруг которого намотан нагревательный элемент подвижного фиксатора (27). Над прижимной плитой (19) в корпусе привода (20) установлен неподвижный фиксатор (28) перпендикулярно оси движения штока привода (13), который в исходном положении не входит в зацепление с штоком привода(13). На неподвижный фиксатор надета пружина неподвижного фиксатора(29). Внутри неподвижного фиксатора установлена защелка (31) с пружиной защелки (30). В противодействие пружине неподвижного фиксатора (29) между упорами неподвижного фиксатора (32, 33) установлен термоисполнительный элемент с ЭПФ неподвижного фиксатора(34). Вокруг него намотан нагревательный элемент неподвижного фиксатора (35). Сверху на соединении болтами установлена крышка корпуса привода (36), через которую проходит шток привода (13). На штоке привода (13) вне корпуса привода установлена шайба (37), поверх которой установлена пружина штока привода (38). Пружина штока привода (38) подпирается соосно расположенным упорным подшипником (39) и гайкой штока привода (40), накрученной на крышке корпуса привода (36). Все нагревательные элементы подключены к электросети с помощью проводов электропитания (41).
Термоисполнительные элементы с ЭПФ представляют собой сетчатые структуры с компактными основаниями, изготовленные из сплава системы TiNi методами лазерных аддитивных технологий, а конкретно методом селективного лазерного плавления.
Аккумулятор автономной термозапорной клапанной системы состоит из 6 ячеек и обладает емкостью в 220 А*ч, сила тока в сети составляет 7 А, напряжение 24 В. Аккумулятор позволяет провести не менее 500 циклов открытие - закрытие клапанной системы без подзарядки.
Нагревательными элементами являются проволоки из нихрома в изоляционном материале.
Блок управления питанием представляет собой управляющую систему, замыкающую или размыкающую электрическую цепь, подающую электропитание на нагревательные элементы, которые нагревают термоисполнительные элементы с ЭПФ. Подача команд для замыкания цепи производится дистанционно, по радиоканалу связи с пульта управления.
Принцип работы и автономность клапанной системы (фиг. 2.) основывается на использовании явления ЭПФ в приводе системы, а конкретно, применения термоисполнительных элементов из сплавов с ЭПФ.
Клапан является нормально закрытым - без нагрузки он закрыт.Золотник, находящийся на штоке опущен в седло и перекрывает поток рабочей среды. Шток клапана через соединение со штоком привода подпружинен собственной пружиной штока привода, достаточной чтобы удерживать клапан закрытым при наличии давления рабочей среды. На шток привода одет подвижный стакан так, чтобы шток привода мог свободно двигаться относительно стакана. Стакан опирается на термоисполнительные элементы с ЭПФ, которые, в свою очередь, опираются на шайбу на корпусе клапана и находятся в деформированном (взведенном) состоянии. Подвижный стакан соединен со штоком привода при помощи подпружиненного подвижного фиксатора через защелку фиксатора. Фиксатор может быть в нужный момент расфиксирован с помощью термоисполнительного элемента из сплава с ЭПФ, тем самым разобщая стакан и шток привода. Все это располагается внутри корпуса привода, в котором также имеется подпружиненный неподвижный фиксатор, способный соединятся со штоком привода через защелку фиксатора. В исходном состоянии неподвижный фиксатор разъединен со штоком привода, термоисполнительный элемент с ЭПФ данного фиксатора деформирован. Также стакан соединен с корпусом привода через пружину, которая необходима для деформирования термоисполнительных элементов с ЭПФ (взведения).
Для открытия клапана, необходимо подать управляющий сигнал на блок управления. Блок управления замкнет цепь и термоисполнительный элемент с ЭПФ, находящийся под стаканом, начнет греться. Как только начнутся фазовые превращения, термоисполнительный элемент с ЭПФ начнет восстанавливать свою форму, при этом поднимая подвижный стакан, а тот в свою очередь шток привода и шток клапана через шпиндель, открывая клапан, сжимая при этом пружины, поддавливающие шток привода и стакан. В крайнем верхнем положении, неподвижный фиксатор за счет воздействия на него пружины войдет в зацепление со штоком, зафиксировав его. После фиксации, блок управления автоматически произведет обесточивание нагревательного элемента относящегося к термоисполнительному элементу с ЭПФ под стаканом и подаст питание для нагрева термоисполнительных элементов с ЭПФ, находящихся в подвижном фиксаторе. Как только начнутся фазовые превращения, термоисполнительный элемент с ЭПФ в подвижном фиксаторе начнет восстанавливать свою форму, противодействуя пружине фиксатора и сжимая ее, отводя фиксатор и разобщая стакан и шток. После произойдет автоматическое отключение нагревательных элементов блоком управления для экономии энергии аккумулятора. Соответственно, клапан останется в крайнем верхнем положении - в положении «открыт», зафиксированный неподвижным фиксатором. Стакан с подвижным фиксатором разобщен со штоком привода. Питание в нагревательной системе отсутствует. Далее следует два варианта событий:
1. Клапан закрывают сразу после открытия. В этом случае производится разобщение неподвижного фиксатора и штока путем подачи питания на нагревательный элемент неподвижного фиксатора. Подача питания осуществляется путем подачи сигнала на блок управления, блок управления замыкает цепь нагревателя неподвижного фиксатора. Последующий нагрев термоисполнительного элемента с ЭПФ в неподвижном фиксаторе ведет к восстановлению формы элемента и сжатию пружины фиксатора, оттягивая фиксатор и разобщая его со штоком привода. Шток привода, под действием пружины штока привода, вернется в исходное состояние, возвращая шток клапана в исходное состояние, золотник опустится в седло, перекрыв поток среды. Одновременно с происходящим, термоисполнительный элемент с ЭПФ под стаканом остынет, пройдет обратное фазовое превращение и, под действием упругих сил пружины стакана, деформируется, взведясь. В это же время аналогичный процесс пройдет с термоисполнительным элементом с ЭПФ в подвижном фиксаторе, который охладится, пройдет обратное фазовое превращение, и он деформируется пружиной фиксатора, фиксатор выдвинется для соединения. Как только стакан вернется в свое исходное состояние, подпружиненная защелка подвижного фиксатор войдет в зацепление со штоком привода. Таким образом, шток привода будет снова соединен со стаканом, как в исходном состоянии.
2. Клапан необходимо закрыть спустя продолжительное время. До момента закрытия термоисполнительный элемент с ЭПФ стакана остынет, пройдет обратное фазовое превращение и, под действием упругих сил пружины стакана, деформируется, взведясь. В это же время аналогичный процесс пройдет с термоисполнительным элементом с ЭПФ в подвижном фиксаторе, который охладится, пройдет обратное фазовое превращение, и он деформируется пружиной фиксатора, фиксатор выдвинется для соединения. При подаче сигнала на блок управления о закрытии клапана блок управления замыкает цепь нагревателя неподвижного фиксатора, нагрев термоисполнительного элемента с ЭПФ в неподвижном фиксаторе ведет к восстановлению формы элемента и сжатию пружины фиксатора, оттягивая фиксатор и разобщая его защелку со штоком привода. Шток привода, под действием пружины штока, вернется в исходное состояние, опустив и шток клапана, золотник опустится в седло, перекрыв поток среды. При этом, после опускания в исходное состояние штока привода, подвижный фиксатор соединится со штоком привода, система перейдет в исходное закрытое состояние.