Основы регулятора давления
Регуляторы давления используются во многих бытовых и промышленных приложениях. Например, регуляторы давления используются в газовых грилях для регулирования пропана, в домашних отопительных печах для регулирования природных газов, в медицинском и стоматологическом оборудовании для регулирования кислорода и анестезирующих газов, в пневматических системах автоматизации для регулирования сжатого воздуха, в двигателях для регулирования топлива и в топливных элементах для регулирования водорода. Как показывает этот частичный список, существует множество применений для регуляторов, но в каждом из них регулятор давления выполняет одну и ту же функцию. Регуляторы давления снижают давление подачи (или впуска) до более низкого давления на выходе и работают для поддержания этого давления на выходе, несмотря на колебания давления на входе. Снижение давления на входе до более низкого давления на выходе является ключевой характеристикой регуляторов давления.
При выборе регулятора давления необходимо учитывать множество факторов. Важные соображения включают: диапазоны рабочего давления для входа и выхода, требования к потоку, жидкость (это газ, жидкость, токсичная или легковоспламеняющаяся жидкость?), ожидаемый диапазон рабочих температур, выбор материала для компонентов регулятора, включая уплотнения, а также ограничения по размеру и весу.
Материалы, используемые в регуляторах давления
Доступен широкий спектр материалов для работы с различными жидкостями и рабочими средами. Обычные материалы компонентов регулятора включают латунь, пластик и алюминий. Также доступны различные марки нержавеющей стали (например, 303, 304 и 316). Пружины, используемые внутри регулятора, обычно изготавливаются из музыкальной проволоки (углеродистой стали) или нержавеющей стали.
Латунь подходит для большинства распространенных применений и обычно экономична. Алюминий часто указывается, когда вес имеет значение. Пластик рассматривается, когда низкая стоимость имеет первостепенное значение или требуется одноразовый предмет. Нержавеющая сталь часто выбирается для использования с едкими жидкостями, использования в едких средах, когда чистота жидкости имеет значение или когда рабочие температуры будут высокими.
Не менее важна совместимость материала уплотнения с жидкостью и диапазоном рабочих температур. Buna-n — типичный материал уплотнения. Некоторые производители предлагают дополнительные уплотнения, в том числе: фторуглерод, EPDM, силикон и перфторэластомер.
Используемая жидкость (газ, жидкость, токсичная или легковоспламеняющаяся)
Химические свойства жидкости следует учитывать перед определением наилучших материалов для вашего применения. Каждая жидкость будет иметь свои собственные уникальные характеристики, поэтому необходимо проявлять осторожность при выборе соответствующих материалов корпуса и уплотнений, которые будут контактировать с жидкостью. Части регулятора, контактирующие с жидкостью, называются «смачиваемыми» компонентами.
Также важно определить, является ли жидкость огнеопасной, токсичной, взрывоопасной или опасной по своей природе. Регулятор без сброса давления предпочтителен для использования с опасными, взрывоопасными или дорогими газами, поскольку его конструкция не сбрасывает избыточное давление на выходе в атмосферу. В отличие от регулятора без сброса давления, регулятор со сбросом давления (также известный как самосброс) предназначен для сброса избыточного давления на выходе в атмосферу. Обычно для этой цели сбоку корпуса регулятора имеется вентиляционное отверстие. В некоторых специальных конструкциях вентиляционное отверстие может быть резьбовым, и любое избыточное давление может быть сброшено из корпуса регулятора через трубку и выведено в безопасную зону. Если выбран этот тип конструкции, избыточная жидкость должна сбрасываться надлежащим образом и в соответствии со всеми правилами безопасности.
Температура
Материалы, выбранные для регулятора давления, должны быть не только совместимы с жидкостью, но и должны быть способны нормально функционировать при ожидаемой рабочей температуре. Основной вопрос заключается в том, будет ли выбранный эластомер нормально функционировать в ожидаемом диапазоне температур. Кроме того, рабочая температура может влиять на пропускную способность и/или жесткость пружины в экстремальных условиях.
Рабочее давление
Входное и выходное давление являются важными факторами, которые следует учитывать перед выбором лучшего регулятора. Важные вопросы, на которые следует ответить: Каков диапазон колебаний входного давления? Каково требуемое выходное давление? Каковы допустимые колебания выходного давления?
Требования к потоку
Какова максимальная скорость потока, требуемая приложением? Насколько сильно варьируется скорость потока? Требования к портированию также являются важным фактором.
Размер и вес
Во многих высокотехнологичных приложениях пространство ограничено, а вес является фактором. Некоторые производители специализируются на миниатюрных компонентах и должны проконсультироваться, если общий размер и вес имеют решающее значение. Выбор материала, особенно компонентов корпуса регулятора, повлияет на вес. Также внимательно рассмотрите размеры портов (резьбы), стили регулировки и варианты монтажа, поскольку они повлияют на размер и вес.
Регуляторы давления в действии
Регулятор давления состоит из трех функциональных элементов
* Элемент, снижающий или ограничивающий давление. Часто это подпружиненный тарельчатый клапан.
* Чувствительный элемент. Обычно диафрагма или поршень.
*Элемент опорной силы. Чаще всего пружина.
В процессе работы опорная сила, создаваемая пружиной, открывает клапан. Открытие клапана оказывает давление на чувствительный элемент, который, в свою очередь, закрывает клапан до тех пор, пока он не откроется ровно настолько, чтобы поддерживать заданное давление. Упрощенная схема «Схема регулятора давления» иллюстрирует эту схему баланса сил.
(1) Элемент снижения давления (тарельчатый клапан)
Чаще всего регуляторы используют подпружиненный «тарельчатый» клапан в качестве ограничительного элемента. Тарельчатый клапан включает в себя эластомерное уплотнение или, в некоторых конструкциях высокого давления, термопластичное уплотнение, которое сконфигурировано для создания уплотнения на седле клапана. Когда сила пружины отодвигает уплотнение от седла клапана, жидкость может течь от входа регулятора к выходу. По мере того, как выходное давление повышается, сила, создаваемая чувствительным элементом, сопротивляется силе пружины, и клапан закрывается. Эти две силы достигают точки равновесия в заданной точке регулятора давления. Когда выходное давление падает ниже заданного значения, пружина отталкивает тарельчатый клапан от седла клапана, и дополнительная жидкость может течь от входа к выходу, пока не восстановится баланс сил.
(2) Чувствительный элемент (поршень или диафрагма)
Конструкции поршневого типа часто используются, когда требуются более высокие давления на выходе, когда прочность является проблемой или когда давление на выходе не должно удерживаться в жестких пределах допуска. Конструкции поршня, как правило, медлительны по сравнению с конструкциями мембраны из-за трения между уплотнением поршня и корпусом регулятора.
В приложениях с низким давлением или когда требуется высокая точность, предпочтительным является тип диафрагмы. Диафрагменные регуляторы используют тонкий дисковый элемент, который используется для определения изменений давления. Обычно они изготавливаются из эластомера, однако в специальных приложениях используется тонкий гофрированный металл. Диафрагмы по существу устраняют трение, присущее конструкциям поршневого типа. Кроме того, для определенного размера регулятора часто можно обеспечить большую чувствительную область с помощью конструкции диафрагмы, чем это было бы возможно при использовании конструкции поршневого типа.
(3) Элемент опорной силы (пружина)
Элементом опорной силы обычно является механическая пружина. Эта пружина оказывает усилие на чувствительный элемент и действует, открывая клапан. Большинство регуляторов спроектированы с регулировкой, которая позволяет пользователю регулировать заданное значение выходного давления путем изменения силы, оказываемой опорной пружиной.
Точность и производительность регулятора
Точность регулятора давления определяется путем построения графика зависимости выходного давления от расхода. Полученный график показывает падение выходного давления по мере увеличения расхода. Это явление известно как спад. Точность регулятора давления определяется тем, насколько сильное падение устройство демонстрирует в диапазоне потоков; чем меньше спад, тем выше точность. Кривые зависимости давления от расхода, представленные на графике «Рабочая карта регулятора давления прямого действия», указывают на полезную регулирующую способность регулятора. При выборе регулятора инженеры должны изучить кривые зависимости давления от расхода, чтобы убедиться, что регулятор может соответствовать требованиям к производительности, необходимым для предлагаемого применения.
Определение Droop
Термин «спад» используется для описания падения выходного давления ниже исходного заданного значения по мере увеличения расхода. Спад также может быть вызван значительными изменениями входного давления (от значения, когда был установлен выход регулятора). По мере того, как входное давление увеличивается от исходного значения, выходное давление падает. И наоборот, по мере того, как входное давление падает, выходное давление увеличивается. Как видно на графике «Рабочая карта регулятора давления прямого действия», этот эффект важен для пользователя, поскольку он показывает полезную регулирующую способность регулятора.
Размер отверстия
Увеличение отверстия клапана может увеличить пропускную способность регулятора. Это может быть полезно, если ваша конструкция может вместить больший регулятор, однако будьте осторожны, чтобы не переусердствовать. Регулятор с клапаном большего размера, для условий предполагаемого применения, приведет к большей чувствительности к колебаниям входного давления и может вызвать чрезмерное падение.
Давление блокировки
«Давление блокировки» — это давление выше заданного значения, которое необходимо для полного закрытия регулирующего клапана и обеспечения отсутствия потока.
Гистерезис
Гистерезис может возникать в механических системах, таких как регуляторы давления, из-за сил трения, вызванных пружинами и уплотнениями. Взгляните на график, и вы заметите, что для заданного расхода выходное давление будет выше при уменьшении расхода, чем при увеличении расхода.
Одноступенчатый регулятор
Одноступенчатые регуляторы являются отличным выбором для относительно небольших снижений давления. Например, воздушные компрессоры, используемые на большинстве заводов, создают максимальное давление в диапазоне от 100 до 150 фунтов на кв. дюйм. Это давление передается по трубопроводу через завод, но часто понижается с помощью одноступенчатого регулятора до более низких давлений (10 фунтов на кв. дюйм, 50 фунтов на кв. дюйм, 80 фунтов на кв. дюйм и т. д.) для работы автоматизированного оборудования, испытательных стендов, станков, оборудования для проверки герметичности, линейных приводов и других устройств. Одноступенчатые регуляторы давления обычно не работают хорошо при больших колебаниях входного давления и/или расхода.
Двухступенчатый (двухступенчатый) регулятор
Двухступенчатый регулятор давления идеально подходит для применений с большими колебаниями расхода, значительными колебаниями входного давления или снижением входного давления, например, при подаче газа из небольшого резервуара для хранения или газового баллона.
В большинстве одноступенчатых регуляторов, за исключением тех, которые используют конструкцию с компенсацией давления, большое падение входного давления вызовет небольшое увеличение выходного давления. Это происходит из-за того, что силы, действующие на клапан, изменяются из-за большого падения давления с момента первоначальной установки выходного давления. В двухступенчатой конструкции вторая ступень не будет подвергаться этим большим изменениям входного давления, а только небольшому изменению с выхода первой ступени. Такая компоновка приводит к стабильному выходному давлению второй ступени, несмотря на значительные изменения давления, подаваемого на первую ступень.
Трехступенчатый регулятор
Трехступенчатый регулятор обеспечивает стабильное выходное давление, аналогичное двухступенчатому регулятору, но с дополнительной возможностью выдерживать значительно более высокое максимальное входное давление. Например, трехступенчатый регулятор серии Beswick PRD4HP рассчитан на работу с входным давлением до 3,000 фунтов на квадратный дюйм и будет обеспечивать стабильное выходное давление (в диапазоне от 0 до 30 фунтов на квадратный дюйм), несмотря на изменения давления подачи. Небольшой и легкий регулятор давления, который может поддерживать стабильное низкое выходное давление, несмотря на входное давление, которое со временем будет уменьшаться от высокого давления, является критически важным компонентом во многих конструкциях. Примерами служат портативные аналитические приборы, водородные топливные элементы, беспилотные летательные аппараты и медицинские приборы, работающие на газе высокого давления, подаваемом из газового картриджа или баллона для хранения.
Теперь, когда вы выбрали регулятор, который лучше всего подходит для вашего применения, важно правильно установить и настроить регулятор, чтобы гарантировать его надлежащую работу.
Большинство производителей рекомендуют устанавливать фильтр перед регулятором (некоторые регуляторы имеют встроенный фильтр), чтобы предотвратить загрязнение седла клапана грязью и твердыми частицами. Эксплуатация регулятора без фильтра может привести к утечке в выходное отверстие, если седло клапана загрязнено грязью или посторонним материалом. Регулируемые газы не должны содержать масел, смазок и других загрязняющих веществ, которые могут загрязнить или повредить компоненты клапана или повредить уплотнения регулятора. Многие пользователи не знают, что газы, поставляемые в баллонах и небольших газовых картриджах, могут содержать следы масел от производственного процесса. Наличие масла в газе часто не очевидно для пользователя, поэтому эту тему следует обсудить с вашим поставщиком газа, прежде чем вы выберете уплотнительные материалы для вашего регулятора. Кроме того, газы не должны содержать избыточной влаги. В приложениях с высокой скоростью потока может произойти обледенение регулятора, если присутствует влага.
Если регулятор давления будет использоваться с кислородом, имейте в виду, что для безопасного проектирования системы с кислородом требуются специальные знания. Необходимо указать совместимые с кислородом смазочные материалы, а также обычно требуется дополнительная очистка для удаления следов смазочно-охлаждающих жидкостей на основе нефтепродуктов. Обязательно сообщите поставщику регулятора, что вы планируете использовать регулятор в кислородном приложении.
Не подключайте регуляторы к источнику питания с максимальным давлением, превышающим номинальное входное давление регулятора. Регуляторы давления не предназначены для использования в качестве запорных устройств. Когда регулятор не используется, давление питания должно быть отключено.
Установка
ШАГ 1
Начните с подключения источника давления к впускному порту, а регулируемой линии давления — к выпускному порту. Если порты не промаркированы, обратитесь к производителю, чтобы избежать неправильных подключений. В некоторых конструкциях внутренние компоненты могут быть повреждены, если давление питания ошибочно подается на выпускной порт.
ШАГ 2
Перед включением давления подачи на регулятор открутите ручку регулировки, чтобы ограничить поток через регулятор. Постепенно включайте давление подачи, чтобы не «сотрясти» регулятор внезапным выбросом жидкости под давлением. ПРИМЕЧАНИЕ: Избегайте заворачивания регулировочного винта до упора в регулятор, поскольку в некоторых конструкциях регуляторов полное давление подачи будет подаваться на выходной порт.
ШАГ 3
Установите регулятор давления на желаемое выходное давление. Если регулятор не сбрасывает давление, будет легче отрегулировать выходное давление, если жидкость течет, а не «тупиковая» (поток отсутствует). Если измеренное выходное давление превышает желаемое выходное давление, выпустите жидкость с выходной стороны регулятора и снизьте выходное давление, повернув ручку регулировки. Никогда не выпускайте жидкость, ослабляя фитинги, так как это может привести к травме.
При использовании регулятора сбросного типа избыточное давление автоматически сбрасывается в атмосферу с выходной стороны регулятора при повороте ручки для понижения выходной настройки. По этой причине не используйте регуляторы сбросного типа с легковоспламеняющимися или опасными жидкостями. Убедитесь, что избыточная жидкость сбрасывается безопасно и в соответствии со всеми местными, государственными и федеральными нормами.
ШАГ 4
Чтобы получить желаемое выходное давление, выполните окончательную настройку, медленно увеличивая давление ниже желаемого заданного значения. Установка давления ниже желаемого значения предпочтительнее, чем установка его выше желаемого значения. Если вы превысили заданное значение при настройке регулятора давления, уменьшите заданное давление до значения ниже заданного значения. Затем снова постепенно увеличивайте давление до желаемого заданного значения.
ШАГ 5
Несколько раз включите и выключите давление подачи, контролируя выходное давление, чтобы убедиться, что регулятор последовательно возвращается к заданному значению. Кроме того, выходное давление также следует включить и выключить, чтобы убедиться, что регулятор давления возвращается к желаемому заданному значению. Повторите последовательность настройки давления, если выходное давление не возвращается к желаемому значению.
Jewellok специализируется на миниатюрных жидкостных и пневматических фитингах, быстроразъемных соединениях, клапанах и регуляторах. У нас есть команда дипломированных инженеров по применению, готовых помочь вам с вашими вопросами. Индивидуальные конструкции доступны по запросу.