ИМПУЛЬСНО-ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к области трубопроводной арматуры, а именно к импульсно-предохранительным устройствам (далее ИПУ), предназначенным для защиты установок и сосудов работающих под давлением, в условиях, когда применение предохранительных клапанов прямого действия не рационально, может быть использовано в атомной энергетике, в системах с переменной величиной аварийного расхода жидких и газообразных сред, а также в системах с повышенными требованиями по герметичности в затворе, надежности, чувствительности.
В некоторых случаях применение предохранительных клапанов прямого действия нерационально для осуществления защиты работающих под давлением установок, сосудов и пр. Это бывает в случаях, когда:
- требуется большая производительность и невозможно обеспечить необходимую управляющую нагрузку;
- предъявляются высокие требования по герметичности в затворе;
- необходимо обеспечить срабатывание в узком диапазоне давлений.
Известна конструкция ИПУ по патенту RU №2272206, F16К, 17/10 [1], которая содержит работающий по схеме «разгружения» главный предохранительный клапан (далее ГК), надпоршневая полость в котором сообщена с выходным патрубком и патрубком выходной полости импульсного клапана. Импульсный клапан (далее ИК) с подачей рабочей среды под золотник выполнен с подпружиненным золотником, индикаторным поршнем и втулкой. ИК снабжен электромагнитом и сигнализатором положения золотника (запорного органа).
cp
cp
В этом ИК золотник является чувствительным (тарельчатым) элементом. Площадь воздействия рабочей среды на золотник (чувствительный элемент) F=F, где F - площадь ограниченная окружностью с диаметром, равным среднему диаметру уплотнительной поверхности затвора. По принципу действия этот ИК-двухпозиционный прямого действия с подачей рабочей среды под золотник.
К недостатком этого ИК (ИПУ) следует отнести:
- сложности в обеспечении закрытия после срабатывания при достижении давления не ниже 0,8-09 рабочего давления. Рациональным можно считать давление закрытия ИК (ИПУ) не ниже 0,9 рабочего давления, чтобы не терять много рабочей среды, и не выше рабочего давления, чтобы не увеличивать намного частоту срабатывания;
- трудности в обеспечении требуемой высокой герметичности в затворе ИК (пружинный двухпозиционный клапан прямого действия), т.к. в таком ИК условия для обеспечения герметичности в затворе крайне неблагоприятны из-за малого удельного давления на уплотнительной поверхности, определяемой частью допускаемого повышения давления в системе, идущей на разгерметизацию затвора. Следует учесть, что чем большая часть допускаемого превышения давления идет на герметизацию затвора, тем более затруднено открытие клапана. Поэтому стремятся использовать различные конструктивные устройства, помогающие подъему золотника. Причиной малых удельных усилий уплотнения в этом ИК является малая площадь чувствительного элемента (золотника), т.е. площадь, на которую воздействует давление, в данном случае, она ограничена окружностью диаметром равным среднему диаметру уплотнительной поверхности;
- сложности в обеспечении высокой чувствительности (способности открываться на полный ход в пределах допускаемого превышения давления, несмотря на возможное залипание в затворе) и надежности;
- трудности в обеспечении срабатывания в узком диапазоне давлений - следствие малой эффективной площади чувствительного элемента (золотника).
Известна конструкция ИПУ по патенту Патент UA №1942, F16К 1/00 (15.08.2003) [2], которое принято в качестве прототипа. ИПУ состоит из главного предохранительного клапана, импульсного клапана с подачей рабочей среды под золотник и пружинной нагрузкой, снабженным электромагнитом и сигнализатором положения запорного органа, соединительных трубопроводов и клапана настройки, установленного на импульсный клапан. Клапан настройки состоит из распределительного управляемого средой клапана с тремя патрубками, один из которых соединен с защищаемой системой, второй - с входом импульсного клапана, а третий - с посторонним источником давления.
К недостаткам конструкции прототипа следует отнести:
- конструкция не обеспечивает закрытие после срабатывания при достижении давления ниже 0,8 рабочего давления;
- сложности в обеспечении требуемой высокой герметичность в затворе импульсного клапана;
- конструкция не обладает высокой чувствительностью и надежностью;
- малая площадь чувствительного элемента (золотника) в ИК не позволяет обеспечить срабатывание в узком диапазоне давлений.
Задачей изобретения является создание конструкции ИПУ, работающего по схеме «разгружения», обеспечивающего повышенную чувствительность и надежность, расширенную область применения - возможность обеспечить срабатывание даже в узком диапазоне давлений, достижение давления закрытия после срабатывания не ниже 0,9-0,95 рабочего давления и обеспечивающего независимость работы от величины противодавления посредством применения в ИК чувствительного элемента (сильфона) с эффективной площадью больше площади, чем ИК с подачей рабочей среды под золотник, в котором чувствительным элементом является сам золотник.
Техническим результатом заявленного технического решения является создание работающей по схеме «разгружения» новой блочной конструкции ИПУ, снабженного ИК с подачей рабочей среды на золотник и чувствительный элемент.
Поставленная задача и технический результат достигается тем, что в заявленной конструкции ИПУ, содержащей работающие по схеме «разгружения» главный предохранительный клапан, импульсный клапан, клапан настройки и элементы трубного соединения между ИК и ГК, импульсный клапан выполнен с возможностью осуществления одновременной подачи рабочей среды на золотник и на чувствительный элемент.
Сутью технического решения заявленной конструкции является создание конструкции, в которой в качестве ИК используется клапан прямого действия с одновременной подачей рабочей среды на золотник и на чувствительный элемент (сильфон), в корпусе которого установлены золотник и чувствительный элемент (сильфон) и они отделены друг от друга, при этом не нарушая основного принципа работы клапана.
Общие существенные конструктивные признаки заявленной конструкции: работающий по схеме «разгружения» главный предохранительный клапан, импульсный клапан, клапан настройки и элементы трубного соединения между ИК и ГК.
Существенные отличительные признаки конструкции ИПУ следующие:
- импульсный клапан выполнен с возможностью осуществления одновременной подачи рабочей среды на золотник и на чувствительный элемент;
- золотник и чувствительный элемент установлены в корпусе импульсного клапана и отделены друг от друга;
- золотник и чувствительный элемент не нарушают работу импульсного клапана;
- чувствительный элемент выполнен в виде сильфона.
р
Существенные отличительные признаки заявленного технического решения, вместе с общими конструктивными признаками, имеющимися в прототипе, обеспечивают достижение технического результата, а именно: повышение чувствительности и надежности, увеличение давления закрытия до 0,95Р, получение повышенной герметичности в затворе ИК. Это достигается созданием работающей по схеме «разгружения» новой блочной конструкции импульсно-предохранительного устройства, в которой ИК обеспечивает одновременную подачу рабочей среды на золотник и на чувствительный элемент (сильфон).
эф
эф
ср
Чувствительным элементом в этом ИК служит сильфон с эффективной площадью F и площадью воздействия рабочей среды на чувствительный элемент F=F-F, которая больше, чем у клапанов с подачей под золотник.
Применение таких чувствительных элементов с большой эффективной площадью целесообразно из-за значительного увеличения чувствительности, надежности и точности срабатывания ИК(ИПУ).
Новая конструкция импульсно-предохранительного устройства обеспечивает повышенную чувствительность и надежность ИК (ИПУ) вследствие большой площади чувствительного элемента, а также обеспечивает повышенную герметичность в затворе, благодаря подаче давления на золотник и обеспечивает независимость работы ИК от величины противодавления.
По характеру работы ИК с подачей давления на золотник и на чувствительный элемент (сильфон), является клапаном пропорционального действия.
На фиг.1 представлена принципиальная схема заявленного ИПУ с импульсным клапаном с подачей рабочего давления на золотник и одновременно на чувствительный элемент (сильфон).
Импульсно-предохранительное устройство состоит из собранных в блок главного клапана 1, импульсного клапана 2 и клапана настройки 3, соединенных трубопроводами.
Главный клапан (ГК) 1 состоит из корпуса 4, золотника 5, направляющей втулки 6, входного патрубка 7, выходного патрубка 8 и патрубка 9 сброса (подачи) рабочей среды из(в) надпоршневой полости «А».
Импульсный клапан (ИК) 2 состоит из корпуса 10, в котором установлен золотник 11 и чувствительный элемент (сильфон) 12, которые отделены друг от друга, дросселя 13 постоянного сечения, установленного в корпусе; седла 14, пружины 15, штока 16, входного патрубка 17, патрубка 18 подачи (сброса) рабочей среды из импульсного клапан 2 в(из) надпоршневую полость «А» главного клапана 1. Импульсный клапан 2 снабжен электромагнитом 19.
Патрубок 9 главного клапана соединен с патрубком 18 ИК трубопроводом 25, а выходной патрубок 27 в седле ИК - с выходным патрубком 8 главного клапан трубопроводом 26.
Клапан настройки 3 содержит входной патрубок 20 подачи рабочей среды, входной патрубок 21 для подсоединения постороннего источника давления, (патрубок 21 после настройки клапана настройки 3 при нормальной эксплуатации закрыт заглушкой 22). Патрубок 23 клапана настройки соединен с входным патрубком 17 импульсного клапана трубопроводом 24. Главный клапан 1 и импульсный 2 соединен с помощью плиты и болтов (на схеме плита и болты не показаны и не обозначены).
Работа импульсно-предохранительного устройства.
Рабочая среда поступает из защищаемой системы во входной патрубок 7 главного клапана и через клапан настройки во входной патрубок 17 импульсного клапана. Через зазор между втулкой 6 и золотником 5 главного клапана, а также через входной патрубок 17, дроссель 13, выходную полость «В» корпуса импульсного клапана и соединительную трубу 25 рабочая среда заполняет надпоршневую полость «А» главного клапана.
Усилие уплотнения в затворе ГК создается за счет разности усилий действия среды на золотник 5 в надпоршневой «А» и подпоршневой «Б» полостях.
Усилие уплотнения в затворе ИК достигается за счет установочного усилия пружины 15.
Рабочая среда, поступающая через входной патрубок 17 импульсного клапана, воздействует на чувствительный элемент (сильфон) 12. При этом усилие среды, действующие на сильфон 12, уравновешивается пружиной 15 импульсного клапана. При рабочем давлении рабочей среды импульсный клапан закрыт, главный клапан закрыт. Система импульсный клапан - главный клапан находится в равновесии, а ИПУ находится в состоянии ожидания.
При повышении давления среды в системе выше рабочего усилие от действия среды на сильфон преодолевает установочное усилие пружины 15. При этом сильфон сжимается и при помощи тяги 26, отрывает золотник 11 от седла 14 импульсного клапана. Импульсный клапан открывается и сбрасывает рабочую среду из полости «В». Поскольку давление в полости «В» резко падает, так как, открывается проходное сечение в затворе импульсного клапана, которое значительно больше площади живого сечения дросселя 13, через который эта полость наполняется, то происходит сброс давления рабочей среды из надпоршневой полости «А» главного клапана через трубопровод 25. Надпоршневая полость «А» разгружается - давление в ней падает и в определенный момент времени перепад давления на золотнике 5 главного клапана становится достаточным, чтобы оторвать золотник 5 от седла. Открытие главного клапана происходит резко, рывком.
Когда давление в системе падает до 0,95 от рабочего давления, сильфон 12 под действием пружины 15 разжимается и импульсный клапан 2 закрывается. Рабочая среда, поступающая через зазор между втулкой 6 и золотником 5 главного клапана, а также дроссель 13 и трубопровод 25, заполняет надпоршневую полость «А», давление в ней повышается и в определенный момент золотник 5 резко перемещается, закрывая главный клапан 1. В конце хода скорость перемещения золотника 5 уменьшается, так как объем надпоршневой полости «А» резко увеличивается и в ней падает давление. Посадка золотника 5 на седло происходит плавно.
Заявленная конструкция ИПУ может использоваться для защиты систем как с обычными рабочими средами, так и с токсичными, пожароопасными, радиоактивными и другими опасными средами.