Клапан для впуска и выпуска воздуха из трубопровода

 

Клапан предназначен для водоводов надземной прокладки. Клапан содержит корпус, в котором выполнено седло с проходным отверстием и установлен запорный орган. Корпус устройства размещен в трубопроводе и снабжен установленной в нем диафрагмой. Площадь диафрагмы больше площади проходного сечения седла. Запорный орган снабжен штоком, соединенным с диафрагмой. Причем посредством диафрагмы и седла корпус разделен на три части. Верхняя и средняя из них сообщены выполненными в корпусе отверстиями соответственно о атмосферой и полостью трубопровода. При этом в корпусе выполнен соосный проходному отверстию седла канал. Посредством канала сообщена с атмосферой нижняя часть корпуса, сообщенная со средней частью через проходное отверстие седла. На верхней части корпуса установлена крышка, в которую через ходовую гайку ввинчен шпиндель ручного открытия клапана. Изобретение позволяет повысить надежность конструкции, предохранить клапан от обмерзания. 1 ил.

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, преимущественно для водоводов надземной прокладки.

Известно устройство, описанное в книге "Здания и сооружения на Крайнем Севере" под редакцией Велли Ю.Я., Ленинград - Москва, 1963, рис. IV-VII, стр. 415. Устройство устанавливается на трубопроводе надземной прокладки для впуска и выпуска воздуха. Оно размещено в патрубке, который установлен сверху трубы. Вода, заполняя трубопровод, вытесняет воздух через отверстия, сделанные в корпусе устройства. При подходе воды поплавок, размещенный внутри корпуса, всплывает, поднимается и закрывает проходное отверстие затвора. В закрытом положении клапан прижат к седлу силой, определяемой законом Архимеда и давлением воды в трубопроводе. При освобождении трубопровода от воды поплавок опускается, открывая отверстия в корпусе для впуска воздуха. Устройство не замерзает, если тепловой режим водовода в норме.

При охлаждении водовода, например из-за недостаточного подогрева воды или вследствие остановки движения воды, устройство в зимнее время может замерзать. Из-за большой теплоотдающей поверхности затвора и его удаленности от потока воды устройство замерзает раньше появления льда на стенках трубопровода.

Другим недостатком устройства является ухудшение эксплуатационных свойств поплавка. С течением времени материал поплавка стареет, его пористость снижается, в результате понижается плотность затвора. Работа поплавка чувствительна к перекосам и к коррозии металла.

Задачей изобретения является повышение надежности конструкции и водоснабжения, предохранение клапана от обмерзания, а также автоматическая и безотказная защита трубопровода от разрушения атмосферным давлением.

Поставленная задача решается тем, что в клапане для впуска и выпуска воздуха из трубопровода в корпусе выполнено седло с проходным отверстием и установлен запорный орган, причем корпус устройства размещен в трубопроводе и снабжен установленной в нем диафрагмой, площадь которой больше площади проходного сечения седла, а запорный орган снабжен штоком, соединенным с диафрагмой, причем посредством диафрагмы и седла корпус разделен на три части, верхняя и средняя из которых сообщены выполненными в корпусе отверстиями, соответственно, с атмосферой и полостью трубопровода, при этом в корпусе выполнен соосный проходному отверстию седла канал, посредством которого сообщена с атмосферой нижняя часть корпуса, сообщенная со средней частью через проходное отверстие седла, а на верхней части корпуса установлена крышка, в которую через ходовую гайку ввинчен шпиндель ручного открытия клапана.

Предлагаемое устройство устраняет отмеченные недостатки. Оно не замерзает при остановке водовода. Исследования показали, что подобные устройства сохраняют работоспособность при оледенении трубопровода до половины площади его сечения. Возможность допустить оледенение трубопровода продляет безопасную остановку (обычно вынужденную в аварийных случаях) на несколько дней, что значительно поднимает надежность водоснабжения. В предлагаемом устройстве нет поплавка. Оно весьма просто по конструктивной схеме, его детали по долговечности равны трубопроводу. Значительное превосходство площади диафрагмы над площадью проходного сечения обеспечивает высокую плотность затвора. Выходной (он же входной) канал устройства выполнен вертикально вниз от затвора, что исключает конвективное движение воздуха в пространстве корпуса, предохраняет клапан от обмерзания.

Предлагаемое устройство показано на чертеже, разрез.

В надземный трубопровод 1 установлен корпус устройства 2, который диафрагмой 3 и седлом 4 разделен на три различных по конструкции и технологическому назначению части. Клапан 5 соединен с эластичной диафрагмой. Верхняя часть корпуса закрыта крышкой 6 и сообщается с атмосферой отверстиями 7. Средняя часть сообщается с пространством трубопровода отверстиями 8, а проходным сечением затвора - с нижней частью корпуса и далее с атмосферой. Шпиндель 9 имеет резьбу, ходовую гайку 10. На штоке 11 закреплен клапан. Стакан 12, патрубок 13 прижимают диафрагму резьбовым кольцом 14 к крышке 15. Граница слоя льда в трубопроводе показана позицией 16. Теплоизоляция трубопровода условно не показана.

Устройство работает следующим образом. При опорожнении трубопровода, когда в пониженной точке водовода надземной или канальной прокладки открывается выпуск воды, или при аварийной утечке воды, например, вследствие повреждения стыка в трубопроводе возникает давление ниже атмосферного. В этом случае на диафрагму действует атмосферное давление сверху и давление воды снизу ниже атмосферного. В результате диафрагма опустится вниз и откроет взаимодействующий с ней клапан. Таким образом, откроется проход для воздуха из атмосферы в трубопровод. При этом в системе установится равновесие сил. Потери напора воздуха на преодоление местных сопротивлений в затворе и в отверстиях корпуса определятся разностью давлений со стороны атмосферы и воды в трубопроводе. Чем больше разность давлений, тем с большим напором и с большей скоростью входит воздух в трубопровод. Вместе с тем наблюдается обратная связь: приток воздуха в трубопровод уменьшает разность давлений на диафрагму и приводит к прикрытию затвора.

Реакция затвора на появление вакуума в трубопроводе мгновенна. Во всех режимах устройство автоматически и безотказно защищает трубопровод от разрушения атмосферным давлением. В отличие от опорожнения водовода, которое может произойти аварийно в результате порыва стыка трубопровода или повреждения арматуры, пуск водовода выполняется организованно работниками эксплуатации. Перед заполнением водовода вращением маховичка шпиндель 9 опускается, открывая затвор. Воздух из водовода проходит отверстия 8, проходное сечение затвора, нижнюю часть корпуса и выходит в атмосферу. Для водоводов, оборудованных предлагаемым устройством, допустимое время остановки движения воды в водоводе определяется временем остывания воды до температуры замерзания T₁ и временем образования ледяного кольца T₂. Период остывания воды до 0^oC в часах определяется по формуле где R - полное термическое сопротивление трубопровода, м^oC/Вт; V_в - объем воды, отнесенный к 1 м трубы; γ_в - плотность воды, кг/м³; C_в - удельная теплоемкость воды, Вт·ч/кг^oC; t_в - температура воды в момент остановки движения, ^oC; t₀ - температура таяния льда, ^oC; t_с - температура окружающей среды, ^oC.

Время образования слоя льда в трубопроводе
где γ_л - плотность льда, кг/см³;
r₃ - скрытая теплота ледообразования, Вт·ч/кг;
- отношение площади поперечного сечения ледяного кольца F_л к площади сечения трубопровода при отсутствии льда F.

Наибольшая допустимая величина оледенения трубопровода при данном уровне техники арматуростроения зависит от возможности пуска оледеневшего трубопровода в работу после устранения аварийной ситуации и отсутствия льда в входных (выходных) каналах водопроводных устройств.

Исследования показали, что допустимую величину оледенения трубопровода можно принять m=0,5. При таком оледенении остается некоторый резерв на случай отклонения фактических тепловых потерь от расчетных. Половины сечения трубы также достаточно для возобновления движения жидкости в трубопроводе.

За счет тепла, выделяемого водой при ее превращении в лед, допустимое время остановки водовода поверхностной прокладки в зависимости от начальной температуры жидкости, диаметра трубы и степени оледенения увеличивается в 10-20 раз.

Формула изобретения

Клапан для впуска и выпуска воздуха из трубопровода, в корпусе которого выполнено седло с проходным отверстием и установлен запорный орган, отличающийся тем, что корпус размещен в трубопроводе и снабжен установленной в нем диафрагмой, площадь которой больше площади проходного сечения седла, а запорный орган снабжен штоком, соединенным с диафрагмой, причем посредством диафрагмы и седла корпус разделен на три части, верхняя и средняя из которых сообщены выполненными в корпусе отверстиями соответственно с атмосферой и полостью трубопровода, при этом в корпусе выполнен соосный проходному отверстию седла канал, посредством которого сообщена с атмосферой нижняя часть корпуса, сообщенная со средней частью через проходное отверстие седла, а на верхней части корпуса установлена крышка, в которую через ходовую гайку ввинчен шпиндель ручного открытия клапана.

РИСУНКИ

Рисунок 1