Как работают клапаны | Типы клапанов

Какой вид транспорта в мире самый любимый? Автомобиль? Велосипед
? Реактивный самолет? Если бы мне пришлось рискнуть и угадать, я бы не выбрал ни один
из этих вариантов. Вместо этого я бы выбрал скромный трубопровод. Вы можете
не заметить трубы, но они транспортируют огромное количество жидкости
(жидкости и газа) по всему миру тихо и эффективно, изо дня в
день. Чтобы работать эффективно, трубам нужен способ регулирования того, сколько
жидкости может пройти через них; им также нужен способ
полного отключения потока. Это работа, которую выполняют клапаны : клапаны подобны
механическим переключателям, которые могут включать и выключать трубы или увеличивать или уменьшать
количество протекающей через них жидкости. Давайте подробнее рассмотрим,
как они работают!

Фото: Этот запорный клапан управляется вручную: вы открываете и закрываете его, поворачивая колесо.
Такое колесо облегчает открытие клапана, поскольку оно умножает силу, которую вы прикладываете к ободу, чтобы
создать большую и более полезную силу в центре. Если вы не уверены, почему,
взгляните на нашу статью об инструментах и ​​машинах. Фото Брайана Слоана предоставлено ВМС США и DVIDS.

Что такое клапаны?

Клапан — это механическое устройство, которое частично
или полностью блокирует трубу, чтобы изменить количество жидкости, проходящей через нее.
Когда вы открываете кран, чтобы почистить зубы, вы открываете клапан
, который позволяет воде под давлением выходить из трубы. Аналогично,
когда вы смываете воду в туалете, вы открываете два клапана: один (сифон), который позволяет воде
выходить, чтобы опорожнить унитаз, и другой (называемый шаровым клапаном или
шаровым краном), который впускает больше воды в бачок, готовясь к следующему
смыву.

Фото: Клапаны бывают разных размеров. Некоторые из них крошечные, как этот тарельчатый клапан, который скользит вверх и вниз по верху бутылки с напитками, чтобы впускать и выпускать воду, когда вы тянете или толкаете его зубами.

Клапаны регулируют газы, а также жидкости. Если у вас газовая варочная панель (варочная панель) на
плите, то элементы управления, которые увеличивают или уменьшают подачу газа, — это клапаны.
Когда вы увеличиваете температуру, вы открываете клапан, который позволяет большему количеству
газа поступать через трубу. Больше газа сгорает с большим пламенем,
поэтому вы получаете больше тепла.

Клапаны практически гарантированно есть в любой машине, использующей
жидкости или газы. В вашей стиральной машине есть клапан, который включает
или выключает подачу воды каждый раз, когда барабан промывается.
Также есть клапаны в цилиндрах двигателя вашего автомобиля, которые открываются и закрываются
несколько раз в секунду, чтобы впустить воздух и топливо и выпустить сгоревшие
выхлопные газы.

Клапаны используют не только машины. В вашем теле есть несколько очень
важных клапанов внутри сердца, которые позволяют ему перекачивать кровь в
легкие (где она насыщается кислородом), а затем по всему телу.

Фото: Клапаны большие и маленькие. 1) Этот дроссельный клапан диаметром 7,3 м (24 фута) из аэродинамической трубы затмевает человека, стоящего рядом с ним! Фото предоставлено NASA на Commons 2) Этот гораздо меньший дроссельный клапан работает таким же образом, открываясь в центре, чтобы впустить воздух через трубу. Фото предоставлено NASA Glenn Research Center (NASA-GRC) и Internet Archive.

Как изготавливаются клапаны?

Клапаны обычно изготавливаются из металла или пластика и имеют несколько
различных частей. Внешняя часть называется седлом и часто имеет
прочный металлический внешний корпус и мягкое внутреннее резиновое или пластиковое уплотнение, поэтому
клапан обеспечивает абсолютно герметичное закрытие. Внутренняя часть
клапана, которая открывается и закрывается, называется корпусом и вставляется в
седло, когда клапан закрыт. Также существует некоторая форма
механизма для открытия и закрытия клапана — либо ручной рычаг или
колесо (как в кране или запорном кране), либо автоматизированный механизм (как
в двигателе автомобиля или паровом двигателе).

Фото: Перекрытие воды прочным латунным запорным клапаном. Поворот этого рычага на девяносто градусов закрывает шаровой клапан в середине трубы, перекрывая поток воды. В большинстве домов есть такие клапаны на входящей холодной воде «подачи» и трубах, ведущих в и из резервуаров для воды. Запорные клапаны очень полезны в чрезвычайных ситуациях (например, при прорыве водопровода) или для проведения планового обслуживания. После того, как клапан закрыт, вы можете безопасно выполнять ремонт, не опасаясь, что вся жидкость вытечет.

Часто бывает критически важно, чтобы клапаны, которые выключены, не допускали абсолютно никакой утечки
жидкости или газа через трубу, чтобы избежать аварий, взрывов, загрязнения или потери ценных химикатов
(даже капающий кран может быть дорогим, если у вас есть счетчик воды). Вот почему уплотнение на клапане должно быть абсолютно надежным, а выключенный клапан должен быть плотно закрыт. Выключение потока жидкости или газа под высоким давлением путем перекрытия его
клапаном — это физически тяжелая работа: другими словами, для этого нужно приложить много силы
. Вот почему некоторые клапаны приводятся в действие рычагами (например, тот, что сфотографирован здесь, но
некоторые могут быть намного длиннее, чтобы обеспечить вам большее усилие поворота) или большими колесами (как на верхнем фото в этой статье).
Если действительно большие клапаны требуют слишком большого усилия для приложения человеком, они приводятся в действие гидравлическими тараном.

Выбор правильного материала

Не все клапаны большие, мощные, промышленные, сделанные из металла. Внимательно посмотрите на контейнеры для еды на вашей кухне, и вы обнаружите, что
во многих из них есть клапаны. Бутылки с водой (например, та, что я изобразил выше) часто имеют тарельчатые клапаны вместо
винтовых крышек. Верхняя часть банки для еды, которую я сфотографировал ниже, — еще один действительно гениальный пример клапана, сделанный из
упругого эластомера (на практике — эластичной, синтетической, силиконовой резины). Он запечатывает банку для подачи еды, которая обычно стоит вверх дном, так что, теоретически, еда может просто вытечь на стол под ней! Этот гениальный клапан и останавливает ее. В резиновом материале есть четыре щели, чтобы пропускать еду, но он также довольно твердый, поэтому открывается только тогда, когда вы сжимаете банку. Давление, которое вы создаете, когда сжимаете, проталкивает еду через четыре щели, которые открываются. Когда вы отпускаете давление,
эластичность клапана заставляет щели опускаться обратно и снова запечатывать банку. Это настолько просто и обыденно
, что вы, вероятно, никогда этого не замечали, однако это гениальное инженерное решение, которое требует очень тщательного
выбора идеального материала.

Фото: Эластомерный пищевой клапан для герметизации. Слева: Вид снизу на запечатанный клапан. Посередине: Вид сверху на тот же запечатанный клапан. Справа: Вид сверху, когда я нажимаю пальцем вверх, чтобы увидеть, как работает самогерметизирующийся щелевой механизм.
(Если вам интересно, я полагаю, что это щелевой клапан SimpliSqueeze® производства Aptar,
и вы можете прочитать все технические подробности о том, как он работает, в их
US10287066B2: Дозирующий клапан.)

И выбор материалов для клапанов — это не просто вопрос размышлений о том, как они будут функционировать в течение своего срока службы, но и
о том, что с ними произойдет после этого. Например, в случае с пищевой упаковкой переработка становится все более важным фактором. Возьмите маленькие клапаны, которые вы видите на кофейных пакетах. После того, как кофе обжарили и набили пакеты, ему, возможно, придется пролежать на полке магазина до года, в течение которого он будет продолжать выделять углекислый газ. Без клапана на пакете он раздулся бы и потенциально лопнул в магазине (или на вашей кухне), разбрасывая кофе по всему помещению. Поэтому на кофейных пакетах есть эти гениальные односторонние «дегазационные» клапаны, сделанные из мембран, которые открываются, когда внутри нарастает давление. Вот почему вы можете «проснуться и почувствовать запах кофе», не открывая пакет. Когда воздух пытается протиснуться снаружи, он сплющивает мембрану и герметично запечатывает пакет. Пока все хорошо, но что насчет переработки? Если вы начнете ставить на пакеты сложные пластиковые клапаны, это
значительно усложнит их переработку. Каков ответ? Теперь производители изготавливают кофейные пакеты и клапаны полностью из
компостируемого биопластика, чтобы устранить проблему утилизации отходов.

Фото: Как работают клапаны для кофе. Верхний ряд: Слева: Типичный клапан внутри пакета с кофе. Посередине: Этот компостируемый биопластиковый клапан (производства швейцарской компании Wipf) имеет фиксированное внешнее седло (черное) и внутренний корпус (красный) с газовым клапаном. Справа: Разберите его, и вы обнаружите, что внутри также есть пластиковая мембрана
(синяя). На рисунке ниже показано, как эти три части работают вместе. Мембрана изгибается вверх, чтобы выпустить
CO2, затем снова сплющивается, чтобы не допустить попадания воздуха и водяного пара.

Типы клапанов

Иллюстрация: Восемь распространенных типов клапанов, сильно упрощенных. Цветовая гамма: серая часть — труба, по которой течет жидкость; красная часть — клапан и его ручка или элемент управления; синие стрелки показывают, как клапан движется или поворачивается; а желтая линия показывает, в каком направлении движется жидкость, когда клапан открыт.

Множество различных типов клапанов имеют разные названия. Наиболее
распространенными являются бабочка, кран или пробка, задвижка, шаровой клапан, игольчатый
клапан, тарельчатый клапан и золотник:

• Шар : В шаровом клапане полая сфера (шар) плотно сидит
  внутри трубы, полностью блокируя поток жидкости. Когда вы поворачиваете ручку, она
  заставляет шар поворачиваться на девяносто градусов, позволяя жидкости течь через его середину.
• Затвор-бабочка : Затвор-бабочка представляет собой диск, который устанавливается в
  середине трубы и поворачивается вбок (чтобы впустить жидкость) или
  вверх (чтобы полностью перекрыть поток).
• Кран или пробка : В кране или пробковом клапане поток
  перекрывается конусообразной пробкой, которая отодвигается в сторону при повороте колеса или
  ручки.
• Затвор или шлюз : Задвижки открывают и закрывают трубы,
  опуская металлические затворы поперек них. Большинство задвижек такого типа
  спроектированы так, чтобы быть либо полностью открытыми, либо полностью закрытыми, и могут не
  функционировать должным образом, когда они открыты лишь частично. В водопроводных трубах используются такие задвижки.
• Globe : Водопроводные краны (краны) являются примерами шаровых
  клапанов. Когда вы поворачиваете ручку, вы закручиваете клапан вверх или вниз, и это
  позволяет воде под давлением течь вверх по трубе и выходить через желоб
  внизу. В отличие от затвора или шлюза, такой клапан можно настроить так, чтобы пропускать больше или меньше жидкости через него.
• Игла : Игольчатый клапан использует длинную скользящую иглу для
  точного регулирования потока жидкости в таких устройствах, как карбюраторы автомобильных двигателей и
  системы центрального отопления.
• Тарелочный клапан : Клапаны в цилиндрах автомобильных двигателей — тарельчатые. Этот
  тип клапана похож на крышку, установленную на трубе. Время от времени крышка
  поднимается, чтобы выпустить или впустить жидкость или газ.
• Золотник : Золотниковые клапаны регулируют поток жидкости в
  гидравлических системах. Клапаны, подобные этому, скользят назад и вперед, чтобы заставить
  жидкость течь в одном или другом направлении по контуру
  труб.

Как работают предохранительные клапаны?

Клапаны часто используются для сдерживания опасных жидкостей или газов — возможно, токсичных химикатов, легковоспламеняющейся нефти, пара высокого давления
или сжатого воздуха — которые не должны выходить наружу ни при каких обстоятельствах. Теоретически клапан
должен быть абсолютно безопасным и, будучи закрытым, никогда не должен позволять жидкости или газу проходить мимо него. На практике это не всегда так.

Иногда лучше, чтобы клапан вышел из строя намеренно, чтобы защитить какую-то другую часть системы или машины.
Например, если у вас есть паровой двигатель, работающий от водяного котла, в котором накапливается пар, но давление внезапно становится слишком высоким, вам нужен клапан, который откроется, выпустит пар и безопасно сбросит давление, прежде чем весь котел катастрофически взорвется.

Клапаны, работающие таким образом, называются предохранительными клапанами. Обычно они удерживаются в закрытом положении очень прочными пружинами. Они предназначены для автоматического открытия, когда содержащаяся в них жидкость или газ достигает определенного давления (хотя многие системы и машины имеют предохранительные клапаны, которые можно открыть вручную для той же цели).

Фото: Пружинные предохранительные клапаны на паровозе расположены на крыше, над котлом. Все паровые двигатели имеют по крайней мере два предохранительных клапана; некоторые имеют три или даже четыре.

Анимация: Как работает предохранительный клапан парового двигателя. Клапан (синий) обычно удерживается в закрытом положении прочной пружиной (красной) над ним. Когда пар (оранжевый) достигает слишком высокого давления, он толкает клапан вверх и выходит через вентиляционное отверстие (по желтой стрелке).

Вот пример предохранительного клапана, установленного в обычном кране с горячей водой:

Произведение искусства: Патент США: 1,449,472: «Безопасный кран» Пола Б. Вессона и компании Hampden Brass Company, предоставлено Бюро по патентам и товарным знакам США.

В обычном кране вы поворачиваете оранжевую ручку наверху по часовой стрелке или против часовой стрелки, чтобы заставить клапан подняться или опуститься. Это позволяет воде течь слева направо по горизонтальной трубе, вокруг изгиба (через зазор, где был клапан), и выходить через вертикальную трубу справа.

Вы можете поворачивать ручку на разное расстояние, чтобы открыть клапан на разную высоту и пропускать разное количество воды.

В этой конструкции Пола Вессона, запатентованной в 1923 году, есть дополнительный предохранительный клапан внизу, окрашенный в зеленый цвет. Он имеет коническую форму и обычно плотно удерживается на месте желтой пружиной, намотанной вокруг него. Однако, если давление воды становится слишком большим, оно давит на конус, открывает клапан, и вода вытекает вниз, сбрасывая давление.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Оси и колеса
• Твердые тела, жидкости и газы
• Шестерни
• Гидравлика
• Пневматика
• Инструменты и простые машины

Книги

• Valve Handbook Филиппа Л. Скоузена. McGraw-Hill Education, 2011. Подробное руководство по различным типам клапанов, как их выбирать, как определять их размер и какие проблемы могут с ними возникнуть.
• Справочник по клапанам и приводам Брайана Несбитта. Butterworth-Heinemann, 2007/2011. Практическое руководство по выбору и использованию клапанов, включая руководство покупателя.
• Справочник по клапанам, трубопроводам и трубопроводам Т. Кристофера Дикенсона. Elsevier, 1999. Подробный технический справочник. Множество информации о различных типах клапанов и о том, как выбирать клапаны для конкретного применения.

Статьи

• Создание лучшего клапана Джины Колаты. The New York Times. 20 июня 2015 г. Новый тип процедуры на сердечном клапане (транскатетерная замена аортального клапана) снижает риск хирургического вмешательства для пациентов.
• Житель Великобритании получает искусственное пластиковое сердце от Яна Сэмпла. The Guardian, 2 августа 2011 г. Описывает структуру искусственного сердца, в котором используются пластиковые клапаны.
• Предохранительные клапаны снижают риск ожогов: BBC News, 5 сентября 2005 г. Отчет о разработке термостатических кранов для защиты пожилых людей.

Патенты

Патенты дают прекрасное представление о технических тонкостях того, как все работает на самом деле. Их тысячи, охватывающие множество различных типов клапанов; вот небольшая и довольно случайная выборка для начала:

• US3425439: Дроссельный клапан Дона В. Даффи. Duriron Co. Inc., 4 февраля 1969 г.
• US3394915: Шаровой кран с кольцевым уплотнением Жана Гашо. Duriron Co. Inc., 4 февраля 1969 г.
• US20030159737A1: Высокопроизводительный шаровой клапан Джеймса Стареса. Dresser LLC, 30 августа 2005 г.
• US20030159737A1: Тарельчатый клапан и способ его изготовления Чарльза Питера деКлера. Colder Products Co, 16 марта 2004 г.
• US10287066B2: Дозирующий клапан Джейсона Хаттона и др., AsparGroup. 14 мая 2019 г. Техническое описание желтого самоуплотняющегося пищевого клапана, сфотографированного выше.