ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ КЛАПАН ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ШУМА ВОДОРАЗБОРНОЙ АРМАТУРЫ

Полезная модель относится к санитарной технике и может быть использована в санитарных узлах общественных и жилых помещений для снижения шума водоразборной арматуры. К водоразборной арматуре относятся: смесители и краны для холодной и горячей воды, предназначенные для санитарно-технических приборов [1].
На данный момент известно несколько видов устройств, позволяющих снизить шум водоразборной арматуры. Шум водоразборной арматуры в первую очередь зависит от давления воды, поэтому основной принцип действия всех этих устройств - снижение давления на входе в водоразборную арматуру. Для этих целей широко применяются нерегулируемые и регулируемые дроссели, а также редукторы давления.
Известно множество видов нерегулируемых гидравлических дросселей - капилляры, втулки, шайбы, пакеты шайб и другие [2, 3]. Также существует большое разнообразие регулируемых дросселей - игольчатые, щелевые, золотниковые, винтовые, дроссели типа сопло-заслонка и другие [2, 3]. В зависимости от режима потока жидкости в рабочем канале - ламинарного или турбулентного, дроссели могут быть соответственно линейными и квадратичными. Перепад давления линейного дросселя пропорционален расходу жидкости, протекающей через дроссель (капилляры). Перепад давления квадратичного дросселя пропорционален квадрату расхода (втулки, шайбы). В сантехнике чаще всего используются шайбы. Также в качестве регулируемого дросселя в сантехнике часто используют запорные клапаны. Применение дросселя позволяет несколько снизить давление на входе в водоразборную арматуру. Однако, сопротивление дросселя возрастает с увеличением расхода воды, поэтому с их помощью можно снизить шум смесителя только при больших расходах воды. При малых расходах воды низкое сопротивление дросселя не позволяет достичь существенного эффекта, а высокое сопротивление при больших расходах приводит к ограничению максимального расхода водоразборной арматуры.
Известен редукционный клапан (редуктор давления), предназначенный для поддержания в отводимом потоке стабильного давления, более низкого, чем давление в подводимом потоке [2]. Редукционный клапан позволяет значительно снизить давление на входе в водоразборную арматуру даже при малых расходах, но его использование приводит к значительному ограничению расхода.
Известен гидравлический клапан прямого действия с выровненной характеристикой [2]. Такой клапан способен обеспечить практически постоянный перепад давления в определенном диапазоне расходов. Такие клапаны могли бы быть также эффективны для снижения шума смесителей, как и редукционные клапаны. С другой стороны, редукционные клапаны не только понижают давление на входе в смеситель, но еще позволяют стабилизировать его, поэтому в сантехнике гидравлические клапаны с выпрямленной характеристикой, как правило, не применяют.
В качестве ближайшего аналога выбран гидравлический клапан прямого действия с выровненной характеристикой [2].
Недостатком клапанов с выровненной характеристикой для целей снижения шума водоразборной арматуры является высокий перепад давления клапана при больших расходах, который приводит к ограничению расхода.
Шум водоразборной арматуры (характерное шипение или свист) проявляется, как правило, при давлении воды на входе водоразборной арматуры более 2 бар. С другой стороны, чтобы получить требуемый потребителю расход воды (5÷10 л/мин) обычно требуется избыточное давление в сети - 3÷5 бар, что неизбежно ведет к появлению шумов. Предлагаемая полезная модель позволяет решить эту проблему.
Технический результат полезной модели заключается в ликвидации или снижении шума водоразборной арматуры при незначительном ограничении расхода воды.
Чтобы получить такой результат достаточно включить в линию подачи воды на водоразборную арматуру гидравлический клапан, который обеспечивает высокий перепад давления при малых расходах воды через водоразборную арматуру и низкий перепад давления при больших расходах.
Технический результат гидравлического клапана проявляется только при взаимодействии с водоразборной арматурой, поэтому для получения технического результата гидравлический клапан должен быть включен в линию подачи воды на водоразборную арматуру.
Чтобы обеспечивать снижение шума при малых расходах клапан должен иметь высокий перепад давления. При больших расходах клапан должен иметь как можно более низкий (желательно минимальный) перепад давления, чтобы не ограничивать расход воды.
На фигуре 1 изображены гидравлические характеристики - зависимости перепада давления от объемного расхода воды. Расход воды указан в литрах в минуту (л/мин); перепад давления указан в барах (бар).
Зависимость 1 - перепад давления для подводящих труб. Зависимость экспериментальная. Так как скорости воды в подводящих трубах невысокие и режим, очевидно, ламинарный, то зависимость практически линейная.
Зависимость 2 - избыточное давление на входе в водоразборную арматуру при отсутствии гидравлического клапана для снижения шума. Зависимость построена вплоть до максимального расхода воды через водоразборную арматуру.
Зависимость 3 - перепад давления на гидравлическом клапане для снижения шума. Перепад давления высокий при малых расходах и низкий при больших расходах через водоразборную арматуру.
Зависимость 4 - избыточное давление на входе в водоразборную арматуру, если в линию подачи воды включен гидравлический клапан для снижения шума. Зависимость построена вплоть до максимального расхода воды через водоразборную арматуру. Зависимость 4 наглядно демонстрирует, что гидравлический клапан с подобной характеристикой способен значительно снизить шум во всем диапазоне расходов и не будет ограничивать расход воды.
На фигуре 2 также изображены гидравлические характеристики - зависимости перепада давления от объемного расхода воды. Расход воды указан в литрах в минуту (л/мин); перепад давления указан в барах (бар).
Зависимость 5 - примерная требуемая гидравлическая характеристика для гидравлического клапана, который позволит снизить давление на входе в водоразборную арматуру ниже 2 бар почти во всем диапазоне расходов, и при этом не будет затруднять регулирование.
Зависимость 6 - избыточное давление на входе в водоразборную арматуру, если в линию подачи воды включен гидравлический клапан для снижения шума с требуемой характеристикой.
Кроме того, так же как и на фигуре 1 на фигуре 2 изображены характеристика для подводящих труб и характеристика для смесителя при отсутствии клапана для снижения шума.
На фигуре 3 изображен гидравлический клапан для снижения шума водоразборной арматуры, содержащий запорно-регулирующий элемент 1, который в закрытом положении опирается на седло 2, пружину 3, гидравлический демпфер 4, регулировочный винт 5 и перегородку 6, размещенные в камере корпуса 7. С камерой корпуса соединены подводящий канал 8 и отводящий канал 9. Гидравлический демпфер с пружиной внутри закреплен внутри корпуса с помощью ребер 10. Внутренняя камера корпуса имеет сужение 11, которое позволяет уменьшить проходное сечение между перегородкой и корпусом на начальном этапе открытия клапана.
На фигуре 4 изображены зависимости перепадов давления от объемного расхода воды. Расход воды указан в литрах в минуту (л/мин); перепад давления указан в барах (бар).
Зависимость 12 - перепад давления на перегородке 6 (см. Фиг.3). Зависимость квадратичная, если проходное сечение между перегородкой и камерой корпуса не изменяется при открытии клапана, то есть сужение 11 (см. Фиг.3) отсутствует.
Зависимость 13 - перепад давления на запорно-регулирующем элементе (с учетом перемещения запорно-регулирующего элемента при изменении расхода).
Зависимость 14 - суммарный перепад давления на клапане, состоящий из перепада давления на перегородке и перепада давления на запорно-регулирующем элементе.
На фигуре 5 изображены зависимости сил давления воды от объемного расхода воды. Сила давления на запорно-регулирующий элемент - результирующая сила давления воды, действующего на запорно-регулирующий элемент, равная произведению перепада давления и площади поперечного сечения запорно-регулирующего элемента. Аналогично, сила давления воды на перегородку равна произведению перепада давления и площади перегородки. Расход воды указан в литрах в минуту (л/мин); силы указаны в Ньютонах (Н). Все силы рассчитаны согласно перепадам давления, изображенным на фигуре 4.
2
Зависимость 15 - сила давления воды, действующая на перегородку (здесь площадь перегородки условно принята равной 3,1 см).
2
Зависимость 16 - сила давления воды, действующая на запорно-регулирующий элемент (здесь площадь поперечного сечения запорно-регулирующего элемента условно принята равной 0,2 см).
Зависимость 17 - сумма сил давления воды, действующих на запорно-регулирующий элемент и перегородку.
Для достижения заявленного технического результата гидравлический клапан должен иметь гидравлическую характеристику несколько неестественной формы (см. Фиг.1, зависимость 3). При этом давление на входе в водоразборную арматуру при малых расходах воды снижается значительно (см. Фиг.1, зависимость 4), а максимальный расход воды практически не изменяется (см. Фиг.1, зависимости 2, 4).
Наилучшего результата снижения шума можно достичь, если гидравлический клапан будет обладать характеристикой особой формы (см. Фиг.2, зависимость 5). В этом случае давление на входе в смеситель меньше 2 бар в большей части рабочего диапазона расходов, поэтому шум можно ликвидировать полностью (см. Фиг.2, зависимость 6).
Следует отметить, что независимо от конструкции клапана, на возможность получения технического результата влияет только его гидравлическая характеристика.
Технически полезная модель может быть осуществлена самыми разными способами. Один из наиболее интересных вариантов осуществления полезной модели изображен на фигуре 3.
Гидравлический клапан для снижения шума водоразборной арматуры содержит запорно-регулирующий элемент 1, который в закрытом положении клапана опирается на седло 2, пружину 3, которая прижимает запорно-регулирующий элемент к седлу, гидравлический демпфер 4, регулировочный винт 5 и перегородку 6, размещенные в камере корпуса 7. С камерой корпуса соединены подводящий канал 8 и отводящий канал 9. Гидравлический демпфер с пружиной внутри закреплен внутри корпуса с помощью ребер 10. Внутренняя камера корпуса имеет сужение 11, которое позволяет уменьшить проходное сечение между перегородкой и корпусом на начальном этапе открытия клапана. Внутри трубки демпфера нарезана резьба для регулировочного винта, с помощью которого можно регулировать силу начального сжатия пружины (силу сжатия пружины при закрытом клапане).
В закрытом положении клапан не обязательно должен быть герметичным, но должен создавать высокое сопротивление потоку воды.
Устройство действует следующим образом.
Под действием сил разности давлений запорно-регулирующий элемент отжимается от седла, сжимая пружину. На возрастающем участке гидравлической характеристики клапана (см. Фиг.4, зависимость 14, участок а-б) клапан работает так же как и ближайший аналог - гидравлический клапан прямого действия с выровненной характеристикой [2]. Чтобы получить обратную зависимость - то есть уменьшение перепада давления на клапане с ростом расхода воды (см. Фиг.4, зависимость 14, участок б-в), нужно установить дополнительный элемент - перегородку 6 (см. Фиг.3).
В таком случае, перепад давления клапана складывается из перепада давления на запорно-регулирующем элементе и перепада давления на перегородке. Перепад давления на перегородке (если нет сужения камеры) изменяется квадратично (см. Фиг.4, зависимость 12). Перепад давления на запорно-регулирующем элементе изменяется по сложному закону (см. Фиг.4, зависимость 13), за счет изменения площади проходного сечения в процессе открытия клапана. В сумме перепады давления на перегородке и запорно-регулирующем элементе складываются в полный перепад давления на клапане (см. Фиг.4, зависимость 14) в соответствии с требуемой характеристикой.
Клапан открывается под действием сил давления воды, которые действуют на запорно-регулирующий элемент и перегородку. Площадь перегородки в несколько раз больше площади поперечного сечения запорно-регулирующего элемента, поэтому сила, создаваемая достаточно небольшим перепадом давления на перегородке, приобретает большое значение (см. Фиг.5, зависимости 15 и 16). Благодаря такой конструкции клапана сумма сил давления возрастает монотонно (см. Фиг.5, зависимость 17) даже когда суммарный перепад давления на клапане убывает.
Клапан с такой конструкцией создает высокий перепад давления при малых расходах воды подобно ближайшему аналогу, а при больших расходах под воздействием потока воды на перегородку клапан полностью открывается и создает ничтожное сопротивление потоку воды.
Квадратичный характер зависимости перепада давления на перегородке от расхода воды (см. Фиг.4, зависимость 12) приводит к тому, что перегородка создает существенное сопротивление потоку при больших расходах воды. Чтобы уменьшить сопротивление перегородки при больших расходах в камере корпуса может быть предусмотрено сужение 11 (см. Фиг.3). В этом случае, при открытии клапана проходное сечение между перегородкой и камерой корпуса немного увеличивается, что позволяет уменьшить сопротивление перегородки и, соответственно, всего клапана при больших расходах.
Список литературы:
1. ГОСТ 19681-94. «Арматура санитарно-техническая водоразборная. Общие технические условия» [Текст]. - Введ. 1996-01-01. - М.: Межгосударственная Научно-техническая Комиссия по стандартизации и техническому нормированию в строительстве; М.: Изд-во стандартов, 1995.
2. Башта, Т.М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы [Текст]: Учебник для машиностроительных вузов / Т.М.Башта, С.С.Руднев, Б.Б.Некрасов и др. - 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1982. - 423 с.
3. Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям [Текст] / И.Е.Идельчик; под ред. М.О.Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.: ил. - ISBN 5-217-00393-6.