ТРЕХХОДОВОЙ КЛАПАН
THREE-WAY VALVE

Изобретение относится к регулирующей арматуре, в частности к трехходовым клапанам для подключения приборов водяного отопления с возможностью регулирования степени их нагрева.
Из документа RU 96220 U1 известен многоходовой термостатический клапан для однотрубной системы отопления с отопительными приборами (радиаторами или конвекторами), подводящими и отводящими теплоноситель из отопительных приборов трубопроводами. Этот клапан содержит корпус с подводящим и двумя отводящими патрубками, запорный элемент, перегородку с седлом запорного элемента, разделяющую проходной канал корпуса на две полости, одна из которых выполнена с регулируемым сечением прохода теплоносителя, а другая полость выполнена полнопроходной как при размещении запорного элемента на седле, так и при его подъеме с возможностью обеспечения постоянного беспрепятственного сообщения данной полости с байпасом и с отводящим теплоноситель из отопительного прибора трубопроводом посредством второго выходного патрубка.
Известный клапан имеет простую конструкцию и обладает невысоким гидравлическим сопротивлением, не требующим обязательного наличия циркуляционного насоса в системе отопления.
Однако такой клапан предназначен для установки в системы отопления домов с этажностью более 8. Это связано с тем, что в высотных домах общий расход теплоносителя в системе достаточно большой, и соотношение указанных в документе RU 96220 U1 расходов «отопительный прибор/байпас» (20-25/80-75) обеспечивает прохождение через отопительный прибор количества теплоносителя, не допускающего его чрезмерного «остывания» при разумных значениях площади излучающей поверхности отопительного прибора.
В малоэтажных зданиях общий расход теплоносителя в системах отопления значительно ниже. Например, в 4-этажном доме он в 6 раз меньше, чем в 24-этажном доме при той же планировке. В малоэтажном доме 20-25% теплоносителя, проходящего через отопительный прибор, недостаточно для обогрева помещения (даже при значительно увеличенной площади отопительного прибора) и поддержания соответствия температуры «обратки» регламентированному СНиП температурному графику. Хотя в документе RU 96220 U1 указано на возможность изменения соотношения расходов путем изменения внутренних размеров клапана, однако такое изменение ограничено величинами 15-35/85-65 (см. В.Н. Карпов «Системы водяного отопления многоэтажных зданий. Технические рекомендации по проектированию», М., АВОК-ПРЕСС, 2010, глава 2). По существу единственным внутренним размером клапана, который можно изменить, является площадь проходного сечения, поскольку трубопровод, подающий теплоноситель в отопительный прибор, имеет стандартное сечение, а внутренний объем самого клапана практически не оказывает влияния на соотношение расходов. Теоретически, это соотношение может варьироваться в диапазоне 0-35/100-65. Соотношение 0/100 соответствует полностью закрытому термоклапану, когда весь расход идет через байпас, что, в свою очередь, накладывает ограничения на его пропускную способность как сверху, так и снизу, т.к. величина рабочего расхода теплоносителя для каждого здания строго регламентирована.
Из документа RU 118007 U1 известен трехходовой клапан для подключения прибора водяного отопления, содержащий корпус с входным, выходным, отводным и клапанным патрубками, а также управляемый клапанный блок со втулкой, штоком и клапанной тарелкой. Входной и выходной патрубки расположены на одной оси и разделены сплошной перегородкой, ось отводного патрубка расположена под прямым углом к оси входного и выходного патрубков и сообщается с полостью входного патрубка, а ось клапанного патрубка расположена перпендикулярно плоскости осей входного, выходного и отводного патрубков, а его полость сообщается через расположенное по оси этой полости отверстие с полостью входного патрубка, а также через канал - с полостью выходного патрубка. На поверхности входного патрубка внутри полости клапанного патрубка вокруг отверстия в полость входного патрубка выполнено клапанное седло для посадки клапанной тарелки, а шток управляемого клапанного блока установлен в его втулке с возможностью возвратно-поступательного перемещения с выступанием одного конца с одной стороны втулки и с выступанием второго конца с другой стороны, на котором закреплена клапанная тарелка, причем шток подпружинен во втулке в направлении выталкивания первого конца из втулки. При этом втулка управляемого клапанного блока жестко закреплена в клапанном патрубке корпуса с возможностью контакта клапанной тарелки с клапанным седлом при перемещении штока внутрь корпуса и выполнена с расположенным снаружи участком наружной резьбы для закрепления управляющего клапаном элемента.
Конструкция известного клапана позволят подключать его к однотрубной системе отопления с формированием обходного участка и обладает достаточной надежностью как в процессе эксплуатации, так и на этапе ввода в эксплуатацию при обеспечении точности регулировки при минимальном разбросе параметров регулировки между изделиями одной серии.
Однако такой клапан обладает теми же недостатками, что и описанный выше. Неспособность обеспечить коэффициент затекания (отношение количества теплоносителя, проходящего через отопительный прибор, к полному расходу через ветвь системы отопления) более 35% свойственна всем однотарельчатым клапанам (см. указанную выше книгу В.Н. Карпова), что ограничивает область их применения.
Кроме того, из-за большого количества поворотов и торможений потока теплоносителя в клапане подобного исполнения на нем возникает значительная потеря давления, что еще больше снижает коэффициент затекания теплоносителя в отопительный прибор и, как следствие, приводит к необходимости чрезмерного увеличения площади излучающей поверхности отопительных приборов и чрезмерному остыванию «обратки».
Наиболее близким к клапану согласно настоящему изобретению является трехходовой клапан компании HERZ ARMATUREN GmbH (Австрия) Herz CALIS-TS-RD DN25, 776140 (http://herz-armaturen.ru/three-way-valves/l-7761-39/7sphrase id=32835).
Этот клапан содержит корпус с внутренней полостью и с входным, выходным и отводным патрубками, первое седло, расположенное между внутренней полостью корпуса и выходным патрубком, второе седло, расположенное между внутренней полостью корпуса и отводным патрубком, клапанный блок, включающий в себя первую и вторую клапанные тарелки, установленные на подвижном элементе с возможностью контакта первой тарелки с первым седлом в одном крайнем положении подвижного элемента и второй тарелки со вторым седлом в другом крайнем положении подвижного элемента, средства перемещения клапанного блока и средства герметизации внутренней полости корпуса. При этом клапанный блок подпружинен в сторону прижатия второй тарелки ко второму седлу, а средства перемещения клапанного блока включают в себя выходящий из корпуса подвижный шток, выполненный с возможностью взаимодействия с управляющим элементом.
При использовании этого клапана в исходном его положении весь поток теплоносителя через первое седло идет в выходной патрубок, связанный с конвектором. При повышении температуры в помещении управляющий элемент воздействует на шток, перемещая его вниз, прикрывая тем самым поток через первое седло в выходной патрубок и открывая поток через второе седло в отводной патрубок. При значительном повышении температуры первая тарелка полностью закрывает первое седло, и весь поток теплоносителя идет через второе седло в отводной патрубок. По мере остывания конвектора температура в помещении понижается, толкатель управляющего элемента перестает действовать на шток, и под действием пружины подвижный элемент, несущий тарелки, возвращается в исходное состояние, в результате чего теплоноситель вновь поступает в выходной патрубок, разогревая конвектор, и т.д.
Такой клапан позволяет обеспечить расходы теплоносителя через отопительный прибор и байпас в соотношении 0-100/100-0, что делает возможным его применение в малоэтажном строительстве. Однако ввиду ограниченного хода управляющего элемента термостатических головок любого типа (0,22-0,36 мм/°С) перемещение подвижного элемента клапанного блока, а следовательно, и клапанных тарелок также очень мало. Таким образом, даже в полностью открытом состоянии (клапанный блок находится в одном из крайних положений) гидравлическое сопротивление клапана оказывается весьма значительным. Увеличению гидросопротивления способствуют также многочисленные торможения и повороты потока теплоносителя.
Все это приводит к большим потерям давления в ветвях системы отопления и весьма вероятной необходимости применения в системе циркуляционного насоса.
Кроме того, во всех рассмотренных клапанах существенное влияние на их работу оказывает величина статического давления теплоносителя из-за непосредственного воздействия рабочей среды на шток клапана.
Также все эти конструкции требуют периодической замены герметизирующего элемента вследствие его истирания из-за поступательного перемещения штока. При этом износ герметизирующего элемента может привести к возникновению протечек теплоносителя.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, в частности создание простой и надежной конструкции клапана, обеспечивающей повышенную точность регулировки температуры, снижение гидравлического сопротивления потоку теплоносителя и удобство эксплуатации.
Указанная задача решается в трехходовом клапане, содержащем корпус с внутренней полостью и с входным, выходным и отводным патрубками; первое седло, расположенное между внутренней полостью корпуса и выходным патрубком; второе седло, расположенное между внутренней полостью корпуса и отводным патрубком; клапанный блок, включающий в себя первую и вторую клапанные тарелки, установленные на подвижном элементе с возможностью контакта первой тарелки с первым седлом в одном крайнем положении подвижного элемента и второй тарелки со вторым седлом в другом крайнем положении подвижного элемента, причем клапанный блок подпружинен в сторону прижатия второй тарелки ко второму седлу; средства перемещения клапанного блока, включающие в себя выходящий из корпуса подвижный шток, выполненный с возможностью взаимодействия с управляющим элементом; и средства герметизации внутренней полости корпуса.
Согласно изобретению подвижный элемент клапанного блока выполнен в виде поворотного рычага, установленного в корпусе с возможностью поворота вокруг оси, расположенной между выходным и отводным патрубками перпендикулярно плоскости, в которой лежат оси выходного и отводного патрубков; клапанные тарелки установлены с двух сторон рычага относительно его продольной оси; подвижный шток средств перемещения клапанного блока расположен по существу параллельно оси поворота рычага и проходит через фитинг, установленный на корпусе клапана; а средства перемещения клапанного блока содержат усилитель хода в виде двуплечего рычага, установленного на оси, расположенной в нежидкостной полости по существу параллельно продольной оси рычага в его среднем положении, большее плечо двуплечего рычага через герметизирующий элемент пропущено во внутреннюю полость корпуса и своим концом кинематически связано с поворотным рычагом, а меньшее плечо двуплечего рычага контактирует с подвижным штоком, при этом клапанный блок подпружинен посредством пружины, установленной в нежидкостной полости и взаимодействующей с двуплечим рычагом.
Выполнение клапана согласно изобретению, обеспечивая соотношение расходов теплоносителя через отопительный прибор и байпас 0-100/100-0, позволяет снизить гидравлическое сопротивление потоку теплоносителя вследствие уменьшения количества поворотов и торможений потока, а также существенно снизить влияние величины статического давления на работу клапана вследствие выполнения подвижного элемента клапанного блока в виде поворотного рычага, проходящего во внутреннюю полость корпуса через герметизирующий элемент. Кроме того, такая конструкция подвижного элемента позволяет исключить необходимость периодического обслуживания клапана во время эксплуатации из-за отсутствия поступательного перемещения подвижного элемента клапанного блока относительно герметизирующего элемента и истирания последнего, обеспечивая при этом надежное разъединение жидкостной и нежидкостной полостей.
Предпочтительно входной и выходной патрубки расположены вдоль одной оси, а ось отводного патрубка расположена перпендикулярно оси входного и выходного патрубков, что позволяет минимизировать гидравлическое сопротивление потоку теплоносителя.
Герметизирующий элемент может быть выполнен в виде гофрированной мембраны или сильфона, что позволяет надежно герметизировать нежидкостную полость клапана при минимальных усилиях их противодействия движению средств перемещения клапанного блока.
Кинематическая связь большего плеча двуплечего рычага с поворотным рычагом может быть осуществлена посредством образованной на конце указанного плеча вилки, охватывающей поворотный рычаг.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показан трехходовой клапан согласно изобретению, вид в разрезе;
на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1;
на фиг.3 - разрез по Б-Б на фиг.1.
Трехходовой клапан содержит корпус 1 с внутренней полостью 2 и с входным, выходным и отводным патрубками 3, 4 и 5, соответственно. Входной и выходной патрубки 3 и 4 расположены вдоль одной оси, а ось отводного патрубка 5 расположена перпендикулярно оси входного и выходного патрубков 3 и 4. В корпусе 1 между внутренней полостью 2 корпуса и выходным патрубком 4 расположено первое седло 6, а между внутренней полостью 2 корпуса и отводным патрубком 5 расположено второе седло 7. Кроме того, в корпусе 1 установлен клапанный блок, включающий в себя первую и вторую клапанные тарелки 8 и 9, установленные на подвижном элементе в виде поворотного рычага 10. Рычаг 10 установлен в корпусе 1 с возможностью поворота вокруг оси 11, расположенной между выходным и отводным патрубками 4 и 5 перпендикулярно плоскости, в которой лежат оси этих патрубков. Клапанные тарелки 8 и 9 установлены с двух сторон рычага 10 относительно его продольной оси, так что в одном крайнем положении рычага 10 первая тарелка 8 контактирует с первым седлом 6, а в другом крайнем положении рычага 10 вторая тарелка 9 контактирует со вторым седлом 7.
Трехходовой клапан содержит также средства перемещения клапанного блока, включающие в себя подвижный шток 12 и усилитель хода в виде двуплечего рычага 13, установленного на оси 14, расположенной по существу параллельно продольной оси рычага 10 в его среднем положении. Большее плечо 15 двуплечего рычага 13 через герметизирующий элемент 16 пропущено во внутреннюю полость 2 корпуса 1 и содержит на своем конце вилку 17, охватывающую поворотный рычаг 10, обеспечивая тем самым кинематическую связь с поворотным рычагом 10. Меньшее плечо 18 двуплечего рычага 13 контактирует со штоком 12, который установлен в фитинге 19, закрепленном на корпусе 1, с возможностью продольного перемещения по существу параллельно оси 11 поворота рычага 10. Двуплечий рычаг 13 подпружинен в сторону прижатия второй тарелки 9 ко второму седлу 7, например посредством винтовой пружины 20 сжатия. Герметизирующий элемент 16, выполненный в виде гофрированной мембраны или сильфона, отделяет от внутренней полости 2 клапана нежидкостную полость так, что ось 14, на которой установлен двуплечий рычаг 13, располагается в нежидкостной полости.
На фитинге 19 установлен также управляющий элемент в виде термостатической головки 21, толкатель которой контактирует со штоком 12.
Трехходовой клапан работает следующим образом.
В изображенном на фиг.1 положении трехходовой клапан находится в промежуточном состоянии, и поток теплоносителя, подаваемый во входной патрубок 3, распределяется между конвектором и байпасом, проходя через выходной и отводной патрубки 4 и 5.
При увеличении температуры термостатическая головка 21 воздействует своим толкателем на подвижный шток 12 (фиг.2), перемещая его в направлении, показанном стрелкой в. Шток 12, взаимодействуя с меньшим плечом 18 двуплечего рычага 13, передает перемещение толкателя термостатической головки 21 большему плечу 15 двуплечего рычага 13, обеспечивая перемещение вилки 17 в направлении, показанном стрелкой г (фиг.1, 2). Вилка 17, взаимодействуя с поворотным рычагом 10, поворачивает его, тем самым приближая первую клапанную тарелку 8 к первому седлу 6 и отдаляя вторую клапанную тарелку 9 от второго седла 7. При этом расход теплоносителя через конвектор уменьшается, а через байпас - увеличивается. В результате конвектор остывает, температура в помещении падает, рабочее тело в термоголовке 21 уменьшается в объеме и ее толкатель перестает давить на подвижный шток 12. Под действием пружины 20 двуплечий рычаг 13 перемещается в направлении, показанном на фиг.2 стрелкой ∂, приближая вторую клапанную тарелку 9 ко второму седлу 7 и отдаляя первую клапанную тарелку 8 от первого седла 6. При этом увеличивается расход теплоносителя через конвектор, что приводит к его разогреву и, как следствие, к повышению температуры в помещении. Процесс протекает циклично и непрерывно, обеспечивая поддержание температуры в помещении в соответствии с установленным значением, определямым выбранным положением регулирующего элемента термостатической головки.
Хотя работа трехходового клапана описана при его взаимодействии с термостатической головкой, клапан согласно изобретению может быть использован и в сочетании с другими управляющими элементами, например с термоэлектрическим приводом или с управляющим элементом в виде приводимой вручную рукоятки.