Обратные клапаны

Обратные, или невозвратные, клапаны устанавливаются в трубопроводных системах для пропуска потока только в одном направлении. Они работают полностью за счет реакции на движение среды в линии и поэтому не требуют какого-либо внешнего привода. В этом тексте ожидаемое или требуемое направление потока называется прямым потоком, а поток в противоположном направлении - обратным потоком.

Существует несколько причин использовать обратные клапаны, в том числе:

• Защита любого оборудования, которое может пострадать от обратного потока, например расходомеров, грязевиков и регулирующих клапанов.
• Подавление скачков давления, связанных с гидравлическими силами, например гидроудара. Эти гидравлические силы могут вызывать волну давления, распространяющуюся вдоль трубопровода до тех пор, пока энергия не рассеется.

Хотя обратные клапаны эффективно перекрывают обратный поток, их никогда не следует использовать вместо запорного клапана для удержания острого пара на участке трубопровода.

Как и в случае с запорными клапанами, существует ряд различных конструкций обратных клапанов, каждая из которых подходит для конкретных применений. В этом модуле рассматриваются разные типы обратных клапанов, их применение, а также правильный метод подбора размера.

Если используется металлическое седло, подъемный обратный клапан пригоден только для тех применений, где допустима небольшая утечка при обратном потоке. Кроме того, конструкция подъемного обратного клапана в целом ограничивает его применение водяными системами; поэтому их обычно используют для предотвращения обратного потока конденсата у конденсатоотводчиков и на выходах циклических конденсатных насосов.

Основное преимущество подъемного обратного клапана заключается в его простоте, а так как конус является единственной подвижной частью, клапан отличается прочностью и требует минимального технического обслуживания. Кроме того, использование металлического седла ограничивает износ седла. У подъемного обратного клапана есть два существенных ограничения: во-первых, он предназначен только для установки на горизонтальных трубопроводах, а во-вторых, его размер обычно ограничивается DN80, выше которого клапан становится слишком громоздким. Подъемный обратный клапан поршневого типа является модификацией стандартного подъемного обратного клапана. Вместо конуса в нем используется затвор поршневой формы, а в механизм вводится демпфер. Демпфер создает гасящий эффект во время работы, устраняя повреждения, вызываемые частым срабатыванием клапана, например в трубопроводных системах, подверженных скачкам давления или частому изменению направления потока (один из примеров - выход из котла).

Поворотные обратные клапаны создают сравнительно высокое сопротивление потоку в открытом положении из-за массы диска. Кроме того, они вызывают турбулентность, поскольку створка плавает в потоке среды. Это означает, что перепад давления на поворотном обратном клапане обычно больше, чем на других типах.

При резких изменениях потока диск может резко ударяться о седло клапана, что вызывает значительный износ седла и гидроудар в трубопроводной системе. Этого можно избежать, установив демпфирующий механизм на диск и применяя металлические седла для ограничения износа.

Когда сила, действующая на диск со стороны давления перед клапаном, становится больше силы пружины, массы диска и любого давления после клапана, диск отрывается от седла, позволяя потоку проходить через клапан. Когда перепад давления на клапане уменьшается, пружина возвращает диск на седло, закрывая клапан непосредственно перед возникновением обратного потока. Это показано на Figure 12.3.4. Наличие пружины позволяет устанавливать дисковый обратный клапан в любом положении.

Перепад давления, необходимый для открытия обратного клапана, в основном определяется типом установленной пружины. Помимо стандартной пружины доступны несколько вариантов:

• Без пружины - Используется там, где перепад давления на клапане невелик.
• Пружина Nimonic - Используется в высокотемпературных применениях.
• Усиленная пружина - Увеличивает необходимое давление открытия. При установке на линии питательной воды котла ее можно использовать для предотвращения затопления паровых котлов, когда они не находятся под давлением. Как и у всех wafer обратных клапанов, размер дискового обратного клапана определяется размером соответствующего трубопровода. Обычно это гарантирует правильный подбор, однако бывают случаи, когда клапан оказывается переразмеренным или недоразмеренным. Признаком переразмеренного обратного клапана часто является непрерывное дребезжание, то есть повторяющееся открытие и закрытие клапана, возникающее, когда клапан открыт лишь частично. Это происходит потому, что при открытии клапана давление перед ним падает; если из-за этого падения перепад давления на клапане становится ниже требуемого давления открытия, клапан резко захлопывается. Как только клапан закрывается, давление снова начинает расти, клапан открывается, и цикл повторяется. Проблему переразмера обычно можно устранить, выбрав клапан меньшего размера, однако следует учитывать, что это увеличит перепад давления на клапане при любом расходе. Если это неприемлемо, можно попытаться уменьшить эффект дребезжания за счет снижения закрывающего усилия на диск. Это можно сделать либо заменив усиленную пружину стандартной, либо полностью удалив пружину. Еще один вариант - использовать мягкое седло; оно не предотвращает дребезжание, но снижает шум. Однако следует соблюдать осторожность, так как это может привести к чрезмерному износу седла. Недоразмеривание приводит к чрезмерному перепаду давления на клапане и в крайних случаях может даже полностью препятствовать потоку. Решение - заменить клапан на более крупный. Дисковые обратные клапаны меньше и легче подъемных и стандартных поворотных обратных клапанов и, соответственно, дешевле. Однако размер дискового обратного клапана ограничен DN125; выше этого значения конструкция усложняется. Обычно такая конструкция включает конусообразный диск и пружину малого диаметра, удерживаемую и направляемую по центральной оси конуса, что значительно труднее и дороже в изготовлении. Даже в этом случае такие конструкции обычно ограничены размером DN250. Стандартные дисковые обратные клапаны не следует использовать в применениях с сильно пульсирующим потоком, например на выходе поршневого воздушного компрессора, так как повторные удары диска могут привести к разрушению держателя пружины и высоким напряжениям в самой пружине. Для таких применений существуют специально разработанные держатели. Обычно такие конструкции уменьшают ход диска, что фактически увеличивает сопротивление потоку и, следовательно, повышает перепад давления на клапане. Конструкция дисковых обратных клапанов позволяет устанавливать их в любом положении, включая вертикальные трубопроводы с потоком вниз.

• Конденсатоотводчики - За исключением конденсатоотводчиков, сбрасывающих в атмосферу, после каждого конденсатоотводчика всегда следует устанавливать обратный клапан, чтобы предотвратить обратный поток конденсата и затопление парового пространства. Обратный клапан также защитит конденсатоотводчик от повреждений, вызываемых гидравлическими ударами в линии конденсата. Следует отметить, что при использовании конденсатоотводчиков с импульсным сбросом обратный клапан должен устанавливаться не менее чем в 1 m после отводчика.

• Контуры горячей воды - После каждого насоса следует устанавливать обратный клапан, чтобы предотвратить обратный поток через насос после его остановки (см. Figure 12.3.8).

• Вакуумные прерыватели - Обратные клапаны можно использовать как вакуумные прерыватели, если установить их в обратном направлении. Когда образуется вакуум, клапан открывается, позволяя воздуху поступать из атмосферы (см. Figure 12.3.9).

• Смешение потоков - В каждой линии подачи следует устанавливать обратный клапан, чтобы предотвратить обратный поток по различным линиям, который может привести к загрязнению. Типичное применение - смешение горячей и холодной воды для получения горячей воды (см. Figure 12.3.10).

• Защита трубопроводной арматуры - Обратные клапаны используются для предотвращения повреждения оборудования, например расходомеров и регулирующих клапанов, которые могут быть повреждены обратным потоком. Обратные клапаны также не позволяют содержимому грязевиков откладываться в трубопроводе перед ними при обратном движении среды.
• Системы с несколькими котлами - На выходе каждого котла должен устанавливаться обратный клапан, чтобы предотвратить попадание пара в котлы, которые могут находиться в горячем резерве (см. Figure 12.3.11).

• Сосуды продувки - Если в сосуд продувки поступает продувка более чем от одного котла, на каждой отдельной линии продувки следует устанавливать wafer обратный клапан. Это предотвратит перетекание продувочной воды от одного котла в другой. Во многих странах это является обязательным требованием.
• Flash vessels - На выходе вторичного пара из flash vessel устанавливается wafer обратный клапан; это гарантирует, что пар от любого подпиточного клапана не будет возвращаться обратно в flash vessel (см. Figure 12.3.12). Обратный клапан также устанавливается после конденсатоотводчика, дренирующего flash vessel.

Клапан обычно закрыт, поскольку створки удерживаются в закрытом положении торсионной пружиной. Когда среда движется в прямом направлении, ее давление раскрывает створки, обеспечивая проход потока. Как только поток прекращается, обратный клапан закрывается пружиной, еще до того как успевает возникнуть обратный поток.

Частое открытие и закрытие двухстворчатого обратного клапана быстро привело бы к повреждению седла, если бы пятки створок при открытии терлись о седло. Чтобы избежать этого, пятки створок приподнимаются на начальном этапе открытия, и затем пластины поворачиваются только на шарнире, а не по поверхности седла.

Двухстворчатый тип обратного клапана имеет несколько преимуществ по сравнению с другими типами:

• Конструкция с двумя створками не ограничена по размеру, и такие клапаны выпускались вплоть до DN5400.
• Перепад давления на двухстворчатом обратном клапане значительно ниже, чем на других типах.
• Они могут работать при меньшем давлении открытия.
• Двухстворчатые обратные клапаны можно устанавливать в любом положении, включая вертикальные трубопроводы.

• Качающийся дисковый обратный клапан - Этот клапан похож на поворотный обратный клапан, но створка у него опирается перед центром давления и уравновешивается грузом или пружиной так, чтобы в нормальном состоянии занимать закрытое положение (см. Figure 12.3.16). При потоке в прямом направлении диск поднимается и плавает в потоке, создавая минимальное сопротивление. Диск уравновешен таким образом, что при уменьшении расхода он поворачивается к закрытому положению и закрывается до фактического начала обратного потока. В большинстве условий работа происходит плавно и бесшумно. Примечание: из-за конструкции качающегося дискового обратного клапана он ограничен применением только в жидкостных системах.

Чтобы определить перепад давления на обратном клапане для других жидкостей, необходимо рассчитать эквивалентный объемный расход воды; это делается по формуле в Equation 12.3.1:

После определения эквивалентного объемного расхода воды перепад давления на клапане можно считать по той же диаграмме тем же методом, что и для воды, используя эквивалентный расход воды вместо фактического расхода среды.

Следует отметить, что объемный расход (в m³/h) обычно указывается для жидкостных применений, тогда как в паровых системах, как правило, используется массовый расход (в kg/h). Чтобы перевести kg/h в m³/h, массовый расход умножают на удельный объем (в kg/m³) для соответствующих рабочего давления и температуры (см. Equation 12.3.2).

В качестве альтернативы, если указано значение Kv клапана, перепад давления на клапане можно определить методом, изложенным в Module 12.2. Пример 12.3.1 Определите перепад давления на обратном клапане DN65, через который проходит 1 200 kg/h насыщенного пара при 8 bar g. Используйте характеристики перепада давления, показанные на Figure 12.3.17. Решение: Первый шаг - рассчитать объемный расход: По таблицам пара при 8 bar g удельный объем насыщенного пара составляет 0.205 m³/kg.