Регулятор давления
Регулятор давления — это клапан, который регулирует давление жидкости до требуемого значения, используя отрицательную обратную связь от контролируемого давления. Регуляторы используются для газов и жидкостей и могут быть интегральным устройством с настройкой давления, ограничителем и датчиком в одном корпусе или состоять из отдельного датчика давления, контроллера и клапана расхода.
Встречаются два типа: регуляторы понижения давления и регуляторы обратного давления.
Регулятор давления — это регулирующий клапан, который снижает входное давление жидкости до требуемого значения на выходе. Это нормально открытый клапан, который устанавливается перед оборудованием, чувствительным к давлению.
Регулятор обратного давления, обратный клапан, клапан поддержания давления или регулятор поддержания давления — это регулирующий клапан, который поддерживает заданное давление на своей входной стороне, открываясь для пропуска потока, когда входное давление превышает заданное значение. Он отличается от предохранительного клапана избыточного давления тем, что предохранительный клапан избыточного давления предназначен только для открытия, когда сдерживаемое давление чрезмерно, и не требуется поддерживать постоянное давление на входе. Они отличаются от регуляторов давления, уменьшающих давление, тем, что регулятор давления контролирует давление на выходе и нечувствителен к давлению на входе.[2] Это нормально закрытый клапан, который может быть установлен параллельно с чувствительным оборудованием или после чувствительного оборудования, чтобы обеспечить препятствие потоку и тем самым поддерживать давление на входе.
Оба типа регуляторов используют обратную связь регулируемого давления в качестве входных данных для механизма управления и обычно приводятся в действие подпружиненной диафрагмой или поршнем, реагирующим на изменения давления обратной связи для управления открытием клапана, и в обоих случаях клапан должен быть открыт только настолько, чтобы поддерживать установленное регулируемое давление. Фактический механизм может быть очень похож во всех отношениях, за исключением размещения отвода давления обратной связи. Как и в других механизмах управления с обратной связью, уровень демпфирования важен для достижения баланса между быстрым откликом на изменение измеренного давления и стабильностью выходного сигнала. Недостаточное демпфирование может привести к рыскающим колебаниям регулируемого давления, в то время как чрезмерное трение движущихся частей может вызвать гистерезис.
Регулятор понижения давления
Основная функция регулятора давления — согласовывать поток газа через регулятор с потребностью в жидкости, подаваемой на него, при этом поддерживая достаточно постоянное выходное давление. Если поток нагрузки уменьшается, то поток регулятора также должен уменьшаться. Если поток нагрузки увеличивается, то поток регулятора должен увеличиваться, чтобы не допустить снижения контролируемого давления из-за нехватки жидкости в системе давления. Желательно, чтобы контролируемое давление не сильно отличалось от заданного значения для широкого диапазона расходов, но также желательно, чтобы поток через регулятор был стабильным, а регулируемое давление не подвергалось чрезмерным колебаниям.
Регулятор давления включает в себя ограничивающий элемент, нагрузочный элемент и измерительный элемент:
Ограничительным элементом является клапан, который может обеспечивать переменное ограничение потока, например, шаровой клапан, дроссельный клапан, тарельчатый клапан и т. д.
Нагрузочный элемент — это часть, которая может прикладывать необходимое усилие к ограничивающему элементу. Эта нагрузка может быть обеспечена грузом, пружиной, поршневым приводом или мембранным приводом в сочетании с пружиной.
Измерительный элемент функционирует для определения, когда входной поток равен выходному потоку. Сама диафрагма часто используется как измерительный элемент; она может служить комбинированным элементом.
В изображенном одноступенчатом регуляторе баланс сил используется на диафрагме для управления тарельчатым клапаном с целью регулирования давления. При отсутствии входного давления пружина над диафрагмой толкает ее вниз на тарельчатый клапан, удерживая его открытым. После подачи входного давления открытая тарелка позволяет потоку поступать в диафрагму, и давление в верхней камере увеличивается, пока диафрагма не будет вытолкнута вверх против пружины, заставляя тарелку уменьшить поток, в конечном итоге останавливая дальнейшее увеличение давления. Регулируя верхний винт, можно увеличить направленное вниз давление на диафрагму, требуя большего давления в верхней камере для поддержания равновесия. Таким образом, контролируется выходное давление регулятора.
Одноступенчатый регулятор давления
Газ высокого давления из источника поступает в регулятор через впускной порт. Манометр на входе покажет это давление. Затем газ проходит через нормально открытое отверстие клапана управления давлением, и давление на выходе повышается до тех пор, пока приводная мембрана клапана не прогнется достаточно, чтобы закрыть клапан, предотвращая попадание газа на сторону низкого давления, пока давление снова не упадет. Манометр на выходе покажет это давление.
Давление на выходе на диафрагму, а также давление на входе и сила пружины тарелки на входной части клапана удерживают узел диафрагмы/тарелки в закрытом положении против силы пружины нагрузки диафрагмы. Если давление подачи падает, закрывающая сила из-за давления подачи уменьшается, а давление на выходе немного увеличивается для компенсации. Таким образом, если давление подачи падает, давление на выходе увеличивается при условии, что давление на выходе остается ниже падающего давления подачи. Это является причиной сброса в конце резервуара, когда подача осуществляется из баллона с газом под давлением. [необходима ссылка] Оператор может компенсировать этот эффект, отрегулировав нагрузку пружины, повернув ручку, чтобы восстановить давление на выходе до желаемого уровня. При использовании одноступенчатого регулятора, когда давление подачи становится низким, более низкое давление на входе приводит к повышению давления на выходе. Если сжатие пружины нагрузки диафрагмы не отрегулировано для компенсации, тарелка может оставаться открытой и позволить резервуару быстро сбросить свое оставшееся содержимое.
Двухступенчатый регулятор давления
Двухступенчатые регуляторы — это два регулятора, последовательно расположенных в одном корпусе, которые работают для постепенного снижения давления в два этапа вместо одного. Первый этап, который предварительно настроен, снижает давление подаваемого газа до промежуточного этапа; газ при этом давлении переходит во второй этап. Газ выходит из второго этапа под давлением (рабочим давлением), установленным пользователем путем регулировки ручки регулировки давления на пружине нагрузки мембраны. Двухступенчатые регуляторы могут иметь два предохранительных клапана, так что если между этапами возникнет избыточное давление из-за утечки в седле клапана первого этапа, то растущее давление не перегрузит конструкцию и не вызовет взрыв.
Несбалансированный одноступенчатый регулятор может нуждаться в частой настройке. При падении давления подачи выходное давление может измениться, что потребует настройки. В двухступенчатом регуляторе улучшена компенсация любого падения давления подачи.
Применение регулятора давления
Воздушные компрессоры
Воздушные компрессоры используются в промышленных, коммерческих и домашних мастерских для выполнения различных работ, включая продувку предметов, работу пневматических инструментов и накачивание таких предметов, как шины, мячи и т. д. Регуляторы часто используются для регулировки давления, выходящего из воздушного ресивера (бака), в соответствии с требованиями, предъявляемыми к задаче. Часто, когда один большой компрессор используется для подачи сжатого воздуха для различных целей (часто называемого «цеховым воздухом», если он построен как постоянная установка труб по всему зданию), дополнительные регуляторы будут использоваться для обеспечения того, чтобы каждый отдельный инструмент или функция получал необходимое им давление. Это важно, поскольку некоторые воздушные инструменты или виды использования сжатого воздуха требуют давления, которое может привести к повреждению других инструментов или материалов.
Авиация
Регуляторы давления используются в системах герметизации салона самолета, контроля давления в уплотнителях фонарей, в системах питьевого водоснабжения и герметизации волноводов.
Аэрокосмическая индустрия
Регуляторы давления в аэрокосмической технике применяются в системах управления давлением в двигателях для систем управления реакцией (RCS) и систем управления ориентацией (ACS), где присутствуют сильная вибрация, большие перепады температур и едкие жидкости.
Сварка и резка
Процессы кислородно-топливной сварки и резки требуют газов под определенным давлением, и регуляторы обычно используются для снижения высокого давления баллонов хранения до давления, пригодного для резки и сварки. Регуляторы кислорода и топливного газа обычно имеют две ступени: Первая ступень регулятора выпускает газ под постоянным давлением из баллона, несмотря на то, что давление в баллоне становится меньше по мере выпуска газа. Вторая ступень регулятора контролирует снижение давления от промежуточного давления до низкого давления. Конечный расход может быть отрегулирован на горелке. Узел регулятора обычно имеет два манометра, один из которых показывает давление в баллоне, а другой — давление подачи. Дуговая сварка в среде инертного газа также использует газ, хранящийся под высоким давлением, подаваемый через регулятор. Может быть расходомер, откалиброванный на определенный газ.
Пропан/сжиженный газ
Все применения пропана и сжиженного нефтяного газа требуют использования регулятора. Поскольку давление в баллонах с пропаном может значительно колебаться в зависимости от температуры, регуляторы должны присутствовать для подачи постоянного давления на последующие приборы. Эти регуляторы обычно компенсируют давление в баллонах в диапазоне 30–200 фунтов на квадратный дюйм (2.1–13.8 бар) и обычно обеспечивают 11 дюймов водяного столба 0.4 фунта на квадратный дюйм (28 мбар) для бытовых применений и 35 дюймов водяного столба 1.3 фунта на квадратный дюйм (90 мбар) для промышленных применений. Регуляторы пропана различаются по размеру и форме, давлению подачи и регулируемости, но едины в своей цели — обеспечивать постоянное выходное давление для требований на последующих этапах. Обычные международные настройки для бытовых регуляторов сжиженного нефтяного газа составляют 28 мбар для бутана и 37 мбар для пропана.
Газовые автомобили
Все двигатели транспортных средств, работающие на сжатом газе в качестве топлива (двигатель внутреннего сгорания или электрическая силовая установка на топливных элементах), требуют регулятора давления для снижения давления хранимого газа (СПГ или водорода) с 700, 500, 350 или 200 бар (или 70, 50, 35 и 20 МПа) до рабочего давления.