Podstawy regulatora ciśnienia
Regulatory ciśnienia znajdują zastosowanie w wielu typowych zastosowaniach domowych i przemysłowych. Na przykład regulatory ciśnienia są stosowane w grillach gazowych do regulacji propanu, w domowych piecach grzewczych do regulacji gazów ziemnych, w sprzęcie medycznym i stomatologicznym do regulacji tlenu i gazów znieczulających, w pneumatycznych systemach automatyki do regulacji sprężonego powietrza, w silnikach do regulacji paliwa i w ogniwach paliwowych do regulacji wodoru. Jak pokazuje ta częściowa lista, istnieje wiele zastosowań regulatorów, jednak w każdym z nich regulator ciśnienia pełni tę samą funkcję. Regulatory ciśnienia zmniejszają ciśnienie zasilania (lub wlotowe) do niższego ciśnienia wylotowego i pracują w celu utrzymania tego ciśnienia wylotowego pomimo wahań ciśnienia wlotowego. Zmniejszenie ciśnienia wlotowego do niższego ciśnienia wylotowego jest kluczową cechą regulatorów ciśnienia.
Przy wyborze regulatora ciśnienia należy wziąć pod uwagę wiele czynników. Ważne kwestie obejmują: zakresy ciśnienia roboczego dla wlotu i wylotu, wymagania dotyczące przepływu, płyn (czy jest to gaz, ciecz, substancja toksyczna czy łatwopalna?), przewidywany zakres temperatur roboczych, wybór materiałów dla komponentów regulatora, w tym uszczelek, a także ograniczenia dotyczące rozmiaru i wagi.
Materiały stosowane w regulatorach ciśnienia
Dostępna jest szeroka gama materiałów do obsługi różnych płynów i środowisk pracy. Typowe materiały komponentów regulatora obejmują mosiądz, plastik i aluminium. Dostępne są również różne gatunki stali nierdzewnej (takie jak 303, 304 i 316). Sprężyny używane wewnątrz regulatora są zazwyczaj wykonane z drutu muzycznego (stal węglowa) lub stali nierdzewnej.
Mosiądz nadaje się do większości typowych zastosowań i jest zazwyczaj ekonomiczny. Aluminium jest często określane, gdy brana jest pod uwagę waga. Plastik jest brany pod uwagę, gdy niski koszt jest najważniejszy lub gdy wymagany jest przedmiot jednorazowego użytku. Stale nierdzewne są często wybierane do stosowania z płynami korozyjnymi, do stosowania w środowiskach korozyjnych, gdy czystość płynu jest brana pod uwagę lub gdy temperatury robocze będą wysokie.
Równie ważna jest zgodność materiału uszczelnienia z płynem i zakresem temperatury roboczej. Buna-n jest typowym materiałem uszczelnienia. Niektórzy producenci oferują opcjonalne uszczelnienia, w tym: Fluorocarbon, EPDM, Silicone i Perfluoroelastomer.
Użyty płyn (gaz, ciecz, substancja toksyczna lub łatwopalna)
Przed określeniem najlepszych materiałów do zastosowania należy wziąć pod uwagę właściwości chemiczne płynu. Każdy płyn ma swoje własne unikalne cechy, dlatego należy zachować ostrożność przy wyborze odpowiednich materiałów korpusu i uszczelnienia, które będą miały kontakt z płynem. Części regulatora mające kontakt z płynem są znane jako komponenty „zwilżone”.
Ważne jest również określenie, czy płyn jest łatwopalny, toksyczny, wybuchowy lub niebezpieczny. Regulator bez odpowietrzania jest preferowany do stosowania z niebezpiecznymi, wybuchowymi lub drogimi gazami, ponieważ jego konstrukcja nie odprowadza nadmiernego ciśnienia w dół do atmosfery. W przeciwieństwie do regulatora bez odpowietrzania, regulator odpowietrzający (znany również jako samoodpowietrzający) jest zaprojektowany do odprowadzania nadmiaru ciśnienia w dół do atmosfery. Zazwyczaj w tym celu w boku korpusu regulatora znajduje się otwór odpowietrzający. W niektórych specjalnych konstrukcjach otwór odpowietrzający może być gwintowany, a wszelkie nadmiarowe ciśnienie może zostać odprowadzone z korpusu regulatora przez rurkę i wyprowadzone w bezpiecznym miejscu. Jeśli zostanie wybrany ten typ konstrukcji, nadmiar płynu powinien zostać odpowietrzony w odpowiedni sposób i zgodnie ze wszystkimi przepisami bezpieczeństwa.
Temperatura
Materiały wybrane do regulatora ciśnienia nie tylko muszą być kompatybilne z płynem, ale także muszą być w stanie prawidłowo funkcjonować w oczekiwanej temperaturze roboczej. Głównym problemem jest to, czy wybrany elastomer będzie prawidłowo funkcjonował w oczekiwanym zakresie temperatur. Ponadto temperatura robocza może mieć wpływ na przepustowość i/lub współczynnik sprężystości w ekstremalnych zastosowaniach.
Ciśnienia robocze
Ciśnienia wlotowe i wylotowe są ważnymi czynnikami, które należy wziąć pod uwagę przed wyborem najlepszego regulatora. Ważne pytania, na które należy odpowiedzieć, to: Jaki jest zakres wahań ciśnienia wlotowego? Jakie jest wymagane ciśnienie wylotowe? Jakie są dopuszczalne wahania ciśnienia wylotowego?
Wymagania dotyczące przepływu
Jaka jest maksymalna szybkość przepływu, której wymaga aplikacja? Jak bardzo zmienia się szybkość przepływu? Wymagania dotyczące portów są również ważnym czynnikiem.
Rozmiar waga
W wielu zastosowaniach high-tech przestrzeń jest ograniczona, a waga jest czynnikiem. Niektórzy producenci specjalizują się w miniaturowych komponentach i należy się z nimi skonsultować, jeśli ogólny rozmiar i waga są krytyczne. Wybór materiału, w szczególności komponentów korpusu regulatora, będzie miał wpływ na wagę. Należy również dokładnie rozważyć rozmiary portów (gwintów), style regulacji i opcje montażu, ponieważ będą one miały wpływ na rozmiar i wagę.
Regulatory ciśnienia w działaniu
Regulator ciśnienia składa się z trzech elementów funkcjonalnych
* Element redukujący lub ograniczający ciśnienie. Często jest to zawór grzybkowy sprężynowy.
* Element czujnikowy. Zazwyczaj przepona lub tłok.
* Element siły odniesienia. Najczęściej sprężyna.
Podczas działania siła odniesienia generowana przez sprężynę otwiera zawór. Otwarcie zaworu wywiera ciśnienie na element czujnikowy, który z kolei zamyka zawór, aż będzie on otwarty na tyle, aby utrzymać ustawione ciśnienie. Uproszczony schemat „Schemat regulatora ciśnienia” ilustruje ten układ równowagi sił.
(1) Element redukujący ciśnienie (zawór grzybkowy)
Najczęściej regulatory wykorzystują sprężynowy zawór „poppet” jako element ograniczający. Poppet zawiera uszczelkę elastomerową lub, w niektórych projektach wysokociśnieniowych, uszczelkę termoplastyczną, która jest skonfigurowana tak, aby utworzyć uszczelnienie na gnieździe zaworu. Gdy siła sprężyny przesuwa uszczelkę od gniazda zaworu, płyn może przepływać z wlotu regulatora do wylotu. Gdy ciśnienie wylotowe wzrasta, siła generowana przez element czujnikowy stawia opór sile sprężyny i zawór zostaje zamknięty. Te dwie siły osiągają punkt równowagi w punkcie nastawy regulatora ciśnienia. Gdy ciśnienie wylotowe spada poniżej punktu nastawy, sprężyna odpycha zawór od gniazda zaworu i dodatkowy płyn może przepływać z wlotu do wylotu, aż do przywrócenia równowagi sił.
(2) Element pomiarowy (tłok lub membrana)
Konstrukcje tłokowe są często używane, gdy wymagane są wyższe ciśnienia wylotowe, gdy wytrzymałość jest ważna lub gdy ciśnienie wylotowe nie musi być utrzymywane w ścisłej tolerancji. Konstrukcje tłokowe mają tendencję do bycia powolnymi, w porównaniu do konstrukcji membranowych, z powodu tarcia między uszczelką tłokową a korpusem regulatora.
W zastosowaniach niskociśnieniowych lub gdy wymagana jest wysoka dokładność, preferowany jest styl membranowy. Regulatory membranowe wykorzystują cienki element w kształcie dysku, który służy do wykrywania zmian ciśnienia. Zazwyczaj są wykonane z elastomeru, jednak w specjalnych zastosowaniach stosuje się cienki, zwinięty metal. Membrany zasadniczo eliminują tarcie nieodłącznie związane z konstrukcjami typu tłokowego. Ponadto, dla konkretnego rozmiaru regulatora, często możliwe jest zapewnienie większego obszaru wykrywania przy konstrukcji membranowej, niż byłoby to możliwe przy zastosowaniu konstrukcji typu tłokowego.
(3) Element siły odniesienia (sprężyna)
Element siły odniesienia jest zwykle sprężyną mechaniczną. Ta sprężyna wywiera siłę na element czujnikowy i działa w celu otwarcia zaworu. Większość regulatorów jest zaprojektowana z regulacją, która pozwala użytkownikowi dostosować punkt nastawy ciśnienia wylotowego poprzez zmianę siły wywieranej przez sprężynę odniesienia.
Dokładność i pojemność regulatora
Dokładność regulatora ciśnienia jest określana poprzez wykres ciśnienia wylotowego w stosunku do natężenia przepływu. Powstały wykres pokazuje spadek ciśnienia wylotowego w miarę wzrostu natężenia przepływu. Zjawisko to jest znane jako opad. Dokładność regulatora ciśnienia jest definiowana jako to, jak duży opad wykazuje urządzenie w zakresie przepływów; mniejszy opad oznacza większą dokładność. Krzywe ciśnienia w stosunku do przepływu przedstawione na wykresie „Direct Acting Pressure Regulator Operating Map” wskazują użyteczną zdolność regulacyjną regulatora. Wybierając regulator, inżynierowie powinni zbadać krzywe ciśnienia w stosunku do przepływu, aby upewnić się, że regulator może spełnić wymagania dotyczące wydajności niezbędne dla proponowanego zastosowania.
Definicja opadu
Termin „drop” jest używany do opisania spadku ciśnienia wylotowego poniżej pierwotnego punktu nastawy, w miarę wzrostu przepływu. Drop może być również spowodowany znacznymi zmianami ciśnienia wlotowego (od wartości, gdy wyjście regulatora zostało ustawione). Gdy ciśnienie wlotowe wzrasta od początkowego ustawienia, ciśnienie wylotowe spada. Odwrotnie, gdy ciśnienie wlotowe spada, ciśnienie wylotowe rośnie. Jak widać na wykresie „Direct Acting Pressure Regulator Operating Map”, ten efekt jest ważny dla użytkownika, ponieważ pokazuje użyteczną zdolność regulacyjną regulatora.
Rozmiar kryzy
Zwiększenie otworu zaworu może zwiększyć przepustowość regulatora. Może to być korzystne, jeśli projekt może pomieścić większy regulator, jednak uważaj, aby nie przesadzić. Regulator z zaworem o zbyt dużym rozmiarze, w warunkach zamierzonego zastosowania, będzie skutkował większą wrażliwością na wahania ciśnienia wlotowego i może powodować nadmierne opadanie.
Zablokuj ciśnienie
„Ciśnienie blokujące” to ciśnienie powyżej punktu nastawy, które jest wymagane do całkowitego zamknięcia zaworu regulatora i zapewnienia braku przepływu.
Histereza
Histereza może wystąpić w układach mechanicznych, takich jak regulatory ciśnienia, z powodu sił tarcia spowodowanych przez sprężyny i uszczelki. Spójrz na wykres, a zauważysz, że dla danego natężenia przepływu ciśnienie wylotowe będzie wyższe przy malejącym przepływie niż przy rosnącym przepływie.
Regulator jednostopniowy
Regulatory jednostopniowe są doskonałym wyborem w przypadku stosunkowo niewielkich redukcji ciśnienia. Na przykład sprężarki powietrza używane w większości fabryk generują maksymalne ciśnienia w zakresie od 100 do 150 psi. Ciśnienie to jest przesyłane rurociągami przez fabrykę, ale często jest redukowane za pomocą regulatora jednostopniowego do niższych ciśnień (10 psi, 50 psi, 80 psi itd.) w celu obsługi zautomatyzowanych maszyn, stanowisk testowych, obrabiarek, sprzętu do testowania szczelności, siłowników liniowych i innych urządzeń. Regulatory jednostopniowe ciśnienia zazwyczaj nie działają dobrze przy dużych wahaniach ciśnienia wlotowego i/lub natężenia przepływu.
Regulator dwustopniowy (Dual Stage)
Dwustopniowy regulator ciśnienia sprawdza się idealnie w zastosowaniach, w których występują duże wahania natężenia przepływu, znaczne wahania ciśnienia wlotowego lub spadające ciśnienie wlotowe, jak to ma miejsce w przypadku gazu dostarczanego z małego zbiornika magazynowego lub butli gazowej.
W przypadku większości regulatorów jednostopniowych, z wyjątkiem tych, które wykorzystują konstrukcję z kompensacją ciśnienia, duży spadek ciśnienia wlotowego spowoduje niewielki wzrost ciśnienia wylotowego. Dzieje się tak, ponieważ siły działające na zawór zmieniają się z powodu dużego spadku ciśnienia od momentu, w którym ciśnienie wylotowe zostało początkowo ustawione. W konstrukcji dwustopniowej drugi stopień nie będzie poddawany tym dużym zmianom ciśnienia wlotowego, tylko niewielkiej zmianie od wylotu pierwszego stopnia. Taki układ skutkuje stabilnym ciśnieniem wylotowym z drugiego stopnia pomimo znacznych zmian ciśnienia dostarczanego do pierwszego stopnia.
Regulator trójstopniowy
Trzystopniowy regulator zapewnia stabilne ciśnienie wylotowe podobne do dwustopniowego regulatora, ale z dodatkową możliwością obsługi znacznie wyższego maksymalnego ciśnienia wlotowego. Na przykład trzystopniowy regulator serii Beswick PRD4HP jest oceniony na obsługę ciśnienia wlotowego do 3,000 psi i zapewni stabilne ciśnienie wylotowe (w zakresie od 0 do 30 psi) pomimo zmian ciśnienia zasilania. Mały i lekki regulator ciśnienia, który może utrzymać stabilne niskie ciśnienie wyjściowe pomimo ciśnienia wlotowego, które z czasem zmniejszy się z powodu wysokiego ciśnienia, jest krytycznym elementem wielu projektów. Przykłady obejmują przenośne instrumenty analityczne, ogniwa paliwowe wodorowe, bezzałogowe statki powietrzne (UAV) i urządzenia medyczne zasilane gazem wysokociśnieniowym dostarczanym z wkładu gazowego lub butli magazynowej.
Teraz, gdy wybrałeś już regulator najlepiej odpowiadający Twoim potrzebom, ważne jest, aby regulator został prawidłowo zainstalowany i wyregulowany, aby mieć pewność, że będzie działał zgodnie z przeznaczeniem.
Większość producentów zaleca instalację filtra przed regulatorem (niektóre regulatory mają wbudowany filtr), aby zapobiec zanieczyszczeniu gniazda zaworu przez brud i cząstki stałe. Eksploatacja regulatora bez filtra może skutkować wyciekiem do portu wylotowego, jeśli gniazdo zaworu jest zanieczyszczone brudem lub materiałem obcym. Regulowane gazy powinny być wolne od olejów, smarów i innych zanieczyszczeń, które mogą zabrudzić lub uszkodzić elementy zaworu lub zaatakować uszczelki regulatora. Wielu użytkowników nie zdaje sobie sprawy, że gazy dostarczane w butlach i małych wkładach gazowych mogą zawierać ślady olejów z procesu produkcyjnego. Obecność oleju w gazie często nie jest widoczna dla użytkownika, dlatego też temat ten należy omówić z dostawcą gazu przed wyborem materiałów uszczelniających do regulatora. Ponadto gazy powinny być wolne od nadmiernej wilgoci. W zastosowaniach o dużym natężeniu przepływu może wystąpić oblodzenie regulatora, jeśli występuje wilgoć.
Jeśli regulator ciśnienia będzie używany z tlenem, należy pamiętać, że tlen wymaga specjalistycznej wiedzy w celu bezpiecznego zaprojektowania systemu. Należy określić smary kompatybilne z tlenem, a zwykle określa się dodatkowe czyszczenie w celu usunięcia śladów olejów do cięcia na bazie ropy naftowej. Upewnij się, że poinformujesz dostawcę regulatora, że planujesz używać regulatora w zastosowaniach tlenowych.
Nie podłączaj regulatorów do źródła zasilania o maksymalnym ciśnieniu większym niż znamionowe ciśnienie wlotowe regulatora. Regulatory ciśnienia nie są przeznaczone do stosowania jako urządzenia odcinające. Gdy regulator nie jest używany, ciśnienie zasilania powinno być wyłączone.
instalacja sprzętu
KROK 1
Zacznij od podłączenia źródła ciśnienia do portu wlotowego, a regulowanego przewodu ciśnieniowego do portu wylotowego. Jeśli porty nie są oznaczone, skontaktuj się z producentem, aby uniknąć nieprawidłowych połączeń. W niektórych projektach może dojść do uszkodzenia wewnętrznych komponentów, jeśli ciśnienie zasilania zostanie błędnie dostarczone do portu wylotowego.
KROK 2
Przed włączeniem ciśnienia zasilania regulatora, odkręć pokrętło regulacji, aby ograniczyć przepływ przez regulator. Stopniowo włączaj ciśnienie zasilania, aby nie „wstrząsnąć” regulatorem nagłym strumieniem sprężonego płynu. UWAGA: Unikaj wkręcania śruby regulacyjnej do końca w regulator, ponieważ w niektórych konstrukcjach regulatorów pełne ciśnienie zasilania zostanie dostarczone do portu wylotowego.
KROK 3
Ustaw regulator ciśnienia na żądane ciśnienie wylotowe. Jeśli regulator nie jest odpowietrzający, łatwiej będzie wyregulować ciśnienie wylotowe, jeśli płyn płynie, niż „ślepo” (brak przepływu). Jeśli zmierzone ciśnienie wylotowe przekracza żądane ciśnienie wylotowe, odpowietrz płyn od strony wylotowej regulatora i obniż ciśnienie wylotowe, obracając pokrętło regulacyjne. Nigdy nie odpowietrzaj płynu, poluzowując złączki, ponieważ może to spowodować obrażenia.
W przypadku regulatora typu odciążającego nadmiar ciśnienia zostanie automatycznie odpowietrzony do atmosfery z dolnej strony regulatora, gdy pokrętło zostanie obrócone w celu obniżenia ustawienia wyjściowego. Z tego powodu nie należy używać regulatorów typu odciążającego z łatwopalnymi lub niebezpiecznymi płynami. Należy upewnić się, że nadmiar płynu jest odpowietrzany bezpiecznie i zgodnie ze wszystkimi lokalnymi, stanowymi i federalnymi przepisami.
KROK 4
Aby uzyskać pożądane ciśnienie wylotowe, wykonaj końcowe regulacje, powoli zwiększając ciśnienie od poniżej pożądanego punktu nastawy. Ustawienie ciśnienia od poniżej pożądanego ustawienia jest lepsze niż ustawienie go powyżej pożądanego ustawienia. Jeśli przekroczysz punkt nastawy podczas ustawiania regulatora ciśnienia, cofnij ustawione ciśnienie do punktu poniżej punktu nastawy. Następnie ponownie stopniowo zwiększ ciśnienie do pożądanego punktu nastawy.
KROK 5
Włączaj i wyłączaj ciśnienie zasilania kilka razy, monitorując ciśnienie wylotowe, aby upewnić się, że regulator stale powraca do punktu nastawy. Ponadto należy również włączać i wyłączać ciśnienie wylotowe, aby upewnić się, że regulator ciśnienia powraca do żądanego punktu nastawy. Powtórz sekwencję ustawiania ciśnienia, jeśli ciśnienie wylotowe nie powróci do żądanego ustawienia.
Jewellok specjalizuje się w miniaturowych złączach do cieczy i pneumatyki, szybkozłączkach, zaworach i regulatorach. Mamy zespół wykwalifikowanych inżynierów aplikacji gotowych pomóc Ci w Twoich pytaniach. Projekty niestandardowe są dostępne na życzenie.