Description of the device for cutting off the depressurized section in the hydraulic circuit

Описание устройства для отсечения разгерметизированного участка в гидравлическом контуре

Невозможно перечислить все гидравлические системы, применяемые в технике и промышленности. И, практически, во всех этих системах существует опасность разрыва (разгерметизации) тракта циркуляции теплоносителя и часто эта ситуация приводит к большим нежелательным потерям жидкости или тяжелым последствиям. Это особенно актуально для разветвленных систем под давлением, когда разгерметизация одной из ветвей приводит к падению давления и опорожнению всей системы, если вовремя не отсечь аварийный участок. Ниже представлена система аварийного отсечения разгерметизированного участка, построенного на пассивном принципе срабатывания

Введение

Простейший пример возможного использования – разгерметизация радиатора отопления. Истечение горячей воды в помещение может привести к тяжелым последствиям, если вовремя не отсечь поврежденный радиатор от системы отопления. В настоящее время такое отсечение проводится вручную аварийными бригадами и в случае их несвоевременного оповещения горячий теплоноситель может принести большой вред. Например, если разрушение радиатора отопления происходит на верхнем этаже в административном или производственном здании в выходные дни (отсутствует персонал), то будут залиты все нижние этажи с соответствующими последствиями. Для исключения таких ситуаций можно применить устройство пассивного действия, которое автоматически отсечет разрушенный участок контура циркуляции (в частности, радиатор отопления) от гидравлической системы.

Принцип действия отсечного устройства (ОУ) очень прост – входной и выходной патрубок замкнутого участка контура циркуляции проходят через ОУ, в котором происходит сравнение величин входящего и выходящего потоков, и в случае их большого разбаланса срабатывает исполнительный механизм, перекрывающий входной и выходной патрубки. Механизм сравнения потоков основан на изменении перепадов давления на соединенных одним штоком клапанных дисках (рис.1), возникающем при разбалансе величин потоков, обтекающих эти диски. Причиной разбаланса потоков является потеря жидкости в разрыв.

Конструкция устройства (рис.1) представляет собой объединение двух гидравлических вентилей, установленных на входном и выходном патрубках и расположенных один над другим, в которых клапанные диски находятся на одном штоке (шпинделе). Это приводит к тому, что перемещение диска в одном вентиле через шток влечет соответствующее перемещение диска и в другом вентиле. Переход штока из одного вентиля в другой осуществляется через направляющую трубу (отверстие), которая обеспечивает как направление движения штока, так и относительную герметизацию между внутренними полостями вентилей. Удержание штока с дисками в заданном положении может осуществляться при помощи кольцевого выступа на штоке, который под действием силы тяжести и суммарной составляющей сил, действующих на диски, упирается на торцевую поверхность направляющей трубы. Длина штока должна соотноситься с размерами сдвоенного вентиля так, чтобы подъем штока с дисками под действием сил, возникающих при разгерметизации, приводил к одновременному перекрытию проходного сечения, как в верхнем, так и в нижнем вентиле (рис.2)

ПРЕИМУЩЕСТА ПАССИВНЫХ СИСТЕМ РАСХОЛАЖИВАНИЯ

При нормальной работе гидравлического контура (отсутствует разгерметизация) в защищаемом отсечным устройством отсекаемом участке через входной и выходной патрубки проходит одинаковый массовый расход жидкости. На шток действуют следующие силы: подъемная сила со стороны клапанного диска вехнего вентиля; опускная сила со стороны клапанного диска нижнего вентиля; сила тяжести штока и клапанных тарелок; сила Архимеда и сила трения штока о направляющую поверхность. Последняя может быть пренебрежимо мала учитывая вертикальное направление движения поршня, а герметизация через зазор между штоком и направляющей поверхностью может быть достигнута с помощью уплотнительного кольца (рис.1,2). Силой Архимеда можно так же принебречь.

Сила, действующая на клапанный диск определяется по формуле:

F_д= (P_до– Р_после)⋅S_д

где:

Р_до; P_после – давление до и после клапанного диска, Па;

S_д – площадь поперечного сечения клапанного диска, м²

Сила тяжести, действующая на клапанные диски и шток определяется по формуле:

F_т= (М_ВД+ М_НД +М_Ш) ⋅g

где:

ВД; НД; Ш — соответственно, индексы для обозначения верхнего диска, нижнего диска и штока ;

M_ВД; M_НД; M_Ш; – соответственно, масса верхнего диска, нижнего диска и штока, кг;

g – ускорение свободного падения, м/c²

Перепад давления на клапанном диске при обтекании его жидким потоком определяется по формуле:

Р_до — P_после = 0.5⋅ ξ ⋅ ρ ⋅ w²= 0.5⋅ ξ ⋅ G² /(ρ ⋅ S²_прох)

где:

ξ – коэффициент местного сопротивления обтекания диска жидким потоком;

ρ – плотность жидкости, кг/м³;

w – скорость жидкости между клапанным диском и корпусом (посадочной поверхностью) , м/с;

G – массовый расход жидкости, кг/с;

S²_прох – проходное сечение между клапанным диском и корпусом (посадочной поверхностью), м².

Как видно из формулы, на перепад давления существенно (квадратичная зависимость) влияет расход жидкости. Для нормальной работы ОУ при отсутствии разгерметизации необходимо, что бы выполнялись следующие соотношения для силы, действующей на шток (рис.1):

(P₁– Р₂) ⋅S_ВД< (М_ВД+ М_НД +М_Ш) ⋅g +(P₃– Р₄) ⋅S_НД

или

(0.5⋅ ξ_ВД ⋅ G²_ВД /(ρ ⋅ S²_{прох ВД})) ⋅S_ВД< (М_ВД+ М_НД +М_Ш) ⋅g +

+(0.5⋅ ξ_НД ⋅ G²_НД /(ρ ⋅ S²_{прох НД})) ⋅S_НД

где:

P₁, P₂, P₃, P₄ — давление в устройстве, действующее на клапанные диски (рис.1);

S_ВД, S_НД – площадь поперечного сечения верхнего и нижнего клапанных дисков, м²;

ξ_ВД_, ξ_НД – коэффициент местного сопротивления обтекания верхнего и нижнего дисков жидким потоком;

G_ВД, G_НД – массовый расход жидкости, обтекающей верхний и нижний клапанные диски, кг/с;

S_{прох ВД,} S_{прох НД} – площадь проходного сечения при обтекании потоком жидкости верхнего и нижнего клапанных дисков, м².

При отсутствии разгерметизации расход через верхний и нижнний клапаны равны расходу через защищаемый участок гидравлического контура: G_ВД= G_НД= G

Разгерметизация контура приводит к утечке теплоносителя (G_У) из гидравлического контура, что влечет увеличение на ΔG_ВД потока через верхний клапан, и снижение на ΔG_НД потока через нижний клапан (вплоть до изменения направления):

(G_ВД+ΔG_ВД) – (G_НД– ΔG_НД) = G_У,

и учитывая, что G_ВД= G_НД расход утечки G_У= Δ G_ВД+ Δ G_НД

Расход утечки в разрыв (G_У) и связанное с ним изменение расхода на клапанных дисках (ΔG_ВД,ΔG_НД) зависит от перепада давления между отсекаемым участком гидравлического контура и окружающей средой (Р_КОН – Р_ОКР), а так же от величины и формы разгерметизации, характеризуемыми площадью проходного сечения и гидравлическим сопротивлением разрыва.

Изменение расхода в верхнем и нижнем клапанах должно приводить к изменению на противоположное баланса сил, действующих на шток:

(0.5⋅ ξ_ВД ⋅ (G_ВД+Δ G_ВД)² /(ρ ⋅ S²_{прох ВД})) ⋅S_ВД> (М_ВД+ М_НД +М_Ш) ⋅g +

+(0.5⋅ ξ_НД ⋅ (G_НД– Δ G_НД)² /(ρ ⋅ S²_{прох НД})) ⋅S_НД

После устранения разгерметизации необходимо выровнять давление до и после устройства, тогда шток с дисками опустится в рабочее (открытое) состояние под собственным весом.

РАСЧЕТНЫЕ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПАССИВНОГО КЛАПАНА

Пример, иллюстрирующий работу отсечного устройства при разгерметизации радиатора отопления приведен на рис.3.

Защита от тяжелых последствий при разрыве радиатора отопления – это, пожалуй, одна из наиболее больших потенциальных областей применения отсечного устройства, однако, ОУ будет полезно и во многих других отраслях техники: гидравлические системы машин и механизмов; системы нагрева и охлаждения и многих других. Особенно эффективно отсечное устройство будет работать в гидравлических системах с большим давлением, где вероятность разгерметизации наиболее высока.

Простота конструкции и невысокие требования к точности изготовления позволяют использовать для производства ОУ самое обычное оборудование (главным образом токарные станки), а для массового производства технология изготовления корпусов практически не отличается от технологии изготовления корпусов вентилей подобных типоразмеров. Если оценивать в целом, то конструкция и эксплуатация ОУ много проще, чем конструкции обычных вентилей и клапанов с их сальниковыми набивками, протечками и т.д. Расчет и доводка конструкций ОУ под конкретные заданные параметры не вызывает затруднений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Устройство может быть использовано в качестве устройств аварийного отсечения разгерметизированных участков гидравлических систем.

У автора имеются несколько патентов на подобные устройства отсечения [1,2,3].

Список источников

Узиков В.А., Решение о выдаче патента на изобретение по заявке 93055751/06/055373 “Регулирующее расходное устройство” (6F16K 17/34) от 23.06.95

Узиков В.А., Патент №2064098 на изобретение “Устройство для ограничения расхода жидкости ” от 20.07.96 (по заявке 93034871/06/033751 6F16B 20/00 от 11.05.95), БИ №24

Узиков В.А., Патент №2136061 на изобретение “Устройство защиты реакторных установок корпусного типа при разгерметизации трубопроводов первого контура ” от 19.01.98 (по заявке 98100681/06)

E-Mail

uzikof@gmail.com
uzikov62@mail.ru

Address

Bratskaya st., 27 apt. 61 Dimitrovgrad, Ulyanovsk region, Russia, 433515

Call Us

+7 917 622 40 47