КЛАПАН ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 2024 года по МПК F16K31/385 G05D16/06 G05D16/20 

Настоящее изобретение относится к клапану для снижения давления жидкости, в частности, хоть и не исключительно, предназначенному для водопроводных сетей.

Потеря воды из водопроводной магистрали представляет собой проблему, возникающую из-за возраста магистрали, а также повреждений самой магистрали и связанного с ней оборудования. Многие трубопроводы старые и имеют множество утечек. Давать течь может даже новый трубопровод. При самом высоком давлении воды утечка наиболее интенсивна, что неудивительно. Однако я отметил простую взаимосвязь между давлением, необходимым ниже регулятора по потоку для поддержания заданного минимального давления в удаленной точке локальной сети, притом что регулятор находится между местным источником высокого давления и локальной сетью, с одной стороны, и потоком в локальной сети, с другой стороны. Требуемое отрегулированное давление и расход ниже регулятора по потоку, по-видимому, обычно линейно связаны. Несмотря на это, мне не известно о существовании каких-либо регуляторов давления, управляемых в соответствии с проходящим через них потоком, за исключением следующего.

В заявке GB 2176316 предшествующего уровня техники, а именно в ее реферате было раскрыто:

Устройство для управления потоком воды по трубопроводу (26), включающему в себя клапан (29) и пластину (37) с отверстием, и подачи воды в распределительную систему, содержащее регулятор (1), приводящий в действие управляющий клапан (14) в сервосистеме, управляющей клапаном (29). Регулятор (1) имеет две диафрагмы (5) и (6), соединенные пружиной растяжения (7), удлинение которой определяется расходом через пластину (37) с отверстием. Первая диафрагма (5) приводит в действие запорный элемент (13) управляющего клапана (14) и подвергается воздействию перепада давления, создаваемого потоком через пластину с отверстием (37). Вторая диафрагма (6) нагружается пружиной сжатия (8), и ее смещение зависит от управляющего давления на отводе (38) трубопровода (26). Смещение запорного элемента (14) представляет собой комбинацию смещений двух диафрагм (5 и 6) и повышает управляющее давление на отводе (38), когда потребность в воде увеличивается.

Целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного клапана для снижения давления жидкости.

Согласно изобретению, предлагается клапанное устройство для снижения давления текучей среды, содержащее:

- подпружиненный регулятор, имеющий

- корпус, содержащий камеру,

- отверстие для подачи жидкости в камеру и отверстие для вывода жидкости из камеры,

- регулирующую пластину, расположенную напротив отверстия и подвергаемую при использовании воздействию подаваемой жидкости, воздействующей на нее,

- пружину, под действием которой обеспечена возможность смещения пластины к отверстию, и

- диафрагму между регулирующей пластиной и корпусом, предназначенную для закрывания камеры между ними и подвергаемую при использовании воздействию отрегулированного давления в камере

- управляемый привод двигателя, действующий между корпусом и дальним от регулирующей пластины концом пружины,

- расходомер, расположенный ниже выпускного отверстия по потоку, и

- контроллер, предназначенный для приема от расходомера данных о расходе и управления серводвигателем для отвода дальнего конца пружины в соответствии с расходом, измеренным расходомером;

при этом указанная конструкция выполнена таким образом, что при использовании для увеличения требуемого расхода регулирующая пластина при таком увеличении частично отводится для поддержания давления ниже по потоку, и наоборот.

Управляемый привод двигателя предпочтительно представляет собой привод с серводвигателем.

Изобретение особенно применимо к водопроводным магистралям, в которых текучая среда является жидкостью, в частности, представляет собой воду. Я предполагаю, что изобретение будет применимо как к жидким, так и газообразным углеводородным текучим средам.

Контроллер может быть выполнен с возможностью расчета действия серводвигателя при позиционировании пружины в соответствии с по существу линейным соотношением давления и расхода ниже по потоку. Расчет может быть основан на давлении, которое должно достигаться с точки зрения позиционирования пружины при помощи сервопривода, либо только на позиционировании пружины при помощи сервопривода. В качестве альтернативы контроллер может быть выполнен с возможностью обеспечения работы серводвигателя в соответствии со справочной таблицей давления и расхода ниже по потоку. И в этом случае справочная таблица может включать в себя значения давления, которые должны достигаться, но предпочтительно она включает в себя положения пружины с точки зрения оборотов сервопривода.

Чтобы помочь понять изобретение, далее будет в качестве примера описан конкретный вариант его реализации со ссылкой на прилагаемые фигуры, среди которых:

Фигура 1 представляет собой Фигуру 2 из заявки GB 2176316 предшествующего уровня техники,

Фигура 2 представляет собой схематический вид регулятора давления сбоку в поперечном сечении согласно изобретению.

Фигура 3 представляет собой аналогичную фигуру в меньшем масштабе и включает в себя контроллер и линию, идущую от удаленного датчика давления.

Фигура 4 представляет собой типичный график давления, необходимого для применения в сети для создания постоянного давления в удаленных точках с переменным требуемым расходом, и

Фигура 5 представляет собой схему водопроводной магистрали, имеющей регулятор согласно настоящему изобретению и множество кранов и точек утечки у потребителей.

Согласно чертежам, подпружиненный регулятор 1 имеет корпус 2, содержащий камеру 3. Вход 4 открывается в камеру через входное отверстие 5. Вход соединен с водопроводной магистралью 6 повышенного давления. Выход 7 из камеры подключен к сети 8 трубопроводов для местного распределения воды по отдельным потребителям. Регулятор имеет регулировочную пластину 9 давления потока, расположенную напротив входного отверстия 5. На пластине 9 закреплена диафрагма 10, которая расходится от нее к корпусу, образуя уплотнение с верхней и нижней частями 11, 12 корпуса 2. Таким образом, камера 3 герметизирована между верхней и нижней частями.

Регулировочная пластина имеет направляющий стержень 14, проходящий от нее вниз, в направляющую 16, расположенную во входном отверстии 5. Стержень проходит как через регулирующую пластину, так и через диафрагму. На своем верхнем конце он имеет гайку 17, опирающуюся на центрирующую пружинную шайбу 18, а также уплотнительную прижимную пластину 19 диафрагмы. В такой конструкции регулирующая пластина удерживается по центру над входным отверстием 5.

В одном варианте реализации на нижнем стержне 14 предусмотрена отдельная регулирующая пластина 109 напротив отверстия. Диафрагма удерживает пластину 9 / 109 по центру над отверстием 5.

Пружина 21 сжатия воздействует своим нижним концом 22 на верхнюю часть прижимной пластины 19. Пружина остается в большей или меньшей степени сжатой, как поясняется ниже. Таким образом, она остается расположенной вокруг центрирующей шайбы 18. Ее верхний конец 23 упирается в приводной элемент 24 пружины на конце приводной трубки 25 сервопривода 26. Приводная трубка располагается в неподвижной трубке 27 сервопривода и соединена с верхней частью 11 корпуса 2 регулятора. Ходовой винт 28, удаленный от пружины, используется для совмещения оси приводной трубы внутри неподвижной трубы. Двигатель 29 и редуктор 30 выполнены с возможностью приведения в движение ходового винта. Гайка 31, предпочтительно шариковая гайка, закреплена на удаленном конце приводной трубы 25, при этом последняя прикреплена шпонкой к неподвижной трубе для защиты от вращения. Таким образом, приводной элемент пружины может быть выдвинут вперед для дальнейшего сжатия пружины или отведен назад для уменьшения сжатия за счет соответствующего вращения двигателя и ходового винта.

Вниз от выхода 7 по потоку проходит трубопровод 8 местной распределительной сети. В нем рядом с выходом расположен расходомер 32 и датчик давления 33. Они электронным образом подключены к контроллеру 34. Также к контроллеру подключен удаленный датчик давления 35, расположенный в самой дальней точке 36 трубопровода 8.

В трубопроводе имеются различные места утечки 37, расход в которых увеличивается с увеличением давления и количества пользовательских кранов 38 и т.д. Именно ими в первую очередь определяется расход на регуляторе давления 1. Если бы он относится к типу, постоянно настроенному на давление, поддерживающее достаточное давление в самой дальней точке 36 сети, давление было бы таким, что независимо от пользовательского расхода на кранах 38 утечки 37 усугублялись бы.

В данном варианте реализации изобретения все клапанное устройство для снижения давления включает в себя не только регулятор 1 и расходомер 32, но также и контроллер 38, предназначенный для управления регулятором при помощи серводвигателя в соответствии с расходом, измеряемым регулятором расхода, а также удаленный датчик 35 давления, который для данного изобретения не является строго необходимым.

Многие местные распределительные сети, такие как сеть 8, были ранее измерены и имеют такие характеристики давления/расхода, которые показаны на Фигуре 4, когда регулятор настроен на обеспечение требуемого давления в самой дальней точке при переменном расходе. Идеальная точка 41 низкого давления для нулевого расхода встречается редко, что связано с утечками. Практическая точка 42 низкого давления может быть измерена ночью, когда потребность пользователей в воде незначительна. Другие показания 43 расхода и давления могут быть получены в периоды более или менее интенсивного использования путем регулировки при помощи регулятора для обеспечения достаточного давления в самой дальней точке.

На практике график давления и расхода представляет собой, по существу, прямую линию с наклоном или градиентом и смещением, эквивалентным смещению нулевого расхода. График можно представить следующим уравнением:

Требуемое давление на регуляторе = Давление при нулевом расходе + измеренный расход x градиент графика (в пересчете на давление на единицу расхода).

Это удивительно, потому что можно было бы ожидать, что регулировка при помощи регулятора изменит измеряемый расход. Однако это эффект второго порядка, потому что основным фактором, определяющим расход, является использование воды потребителем. По сравнению с этим расход в результате утечек невелик и поддерживается на более низком уровне, чем он мог бы быть, за счет поддержания давления в сети ниже, чем оно было бы в случае, если бы оно было установлено на значение, обеспечивающее достаточность в самой дальней точке при максимальном расходе. Это значение приводит к слишком большому расходу и слишком большим утечкам при всех других расходах.

Пружина 21 в регуляторе противодействует силе, действующей со стороны диафрагмы 10, на которую действует давление, которое необходимо отрегулировать, при этом сила давления выше по потоку, действующая на регулирующую пластину 9, по существу постоянна и мала по сравнению с силой, действующей со стороны диафрагмы. Таким образом, это изменение может обеспечить укорачивание пружины на величину, пропорциональную требуемому изменению давления, если учитывать, что для значительного изменения перепада давления на выпускном отверстии требуется лишь небольшое перемещение регулирующей пластины. Таким образом, для практических целей линейное смещение конца пружины под действием серводвигателя вызывает линейное изменение регулируемого давления. Соответственно, контроллер может быть настроен на линейное смещение конца пружины в соответствии с расходом.

Если давление при нулевом расходе и градиент измеренного графика расхода неизвестны, контроллер может быть настроен на периодическую регулировку регулируемого давления для различных значений расхода, чтобы устанавливать значения давления, необходимые для достижения достаточного давления в самой удаленной точке. Для этого выполняется соединение с удаленным датчиком 35 давления и ближним датчиком 33 давления, в первом случае соединение осуществляется подходящим беспроводным способом.

Контроллер может быть оснащен памятью, выполненной с возможностью записи карты давления и расхода, в отличие от записи в память только смещения и градиента, и использования этих данных в качестве справочной таблицы для определения значения, до которого контроллер должен регулировать давление ниже по потоку в зависимости от измеряемого расхода.

Датчик 33 может использоваться для точной настройки управления серводвигателем для достижения желаемого давления в соответствии с измеряемым расходом.

Предложено клапанное устройство для снижения давления в водопроводной магистрали, которое содержит подпружиненный клапан для снижения давления, имеющий корпус, содержащий камеру, отверстие для подачи жидкости в камеру и отверстие для вывода жидкости из камеры, регулирующую пластину, расположенную напротив отверстия и подвергаемую при использовании воздействию подаваемой жидкости, воздействующей на нее, пружину, под действием которой обеспечена возможность смещения пластины к отверстию, и диафрагму между регулирующей пластиной и корпусом, предназначенную для закрывания камеры между ними и подвергаемую при использовании воздействию регулируемого давления в камере, управляемый привод двигателя, действующий между корпусом и дальним от регулирующей пластины концом пружины, расходомер, расположенный ниже выпускного отверстия по потоку, и контроллер, предназначенный для приема от расходомера данных о расходе и управления управляемым приводом двигателя для отвода дальнего конца пружины в соответствии с расходом, измеренным расходомером, и выполнено таким образом, что при использовании для увеличения требуемого расхода регулирующая пластина при таком увеличении частично отводится для поддержания давления ниже по потоку, и наоборот. Клапанное устройство позволяет снижать давление в водопроводной магистрали в соответствии с требуемым потоком в сети ниже по потоку. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Клапанное устройство для снижения давления в водопроводной магистрали, содержащее:

подпружиненный клапан для снижения давления, имеющий:

корпус, содержащий камеру,

отверстие для подачи жидкости в камеру и отверстие для вывода жидкости из камеры,

регулирующую пластину, расположенную напротив отверстия и подвергаемую при использовании воздействию подаваемой жидкости, воздействующей на нее,

пружину, под действием которой обеспечена возможность смещения пластины к отверстию, и

диафрагму между регулирующей пластиной и корпусом, предназначенную для закрывания камеры между ними и подвергаемую при использовании воздействию регулируемого давления в камере,

управляемый привод двигателя, действующий между корпусом и дальним от регулирующей пластины концом пружины,

расходомер, расположенный ниже выпускного отверстия по потоку, и

контроллер, предназначенный для приема от расходомера данных о расходе и управления управляемым приводом двигателя для отвода дальнего конца пружины в соответствии с расходом, измеренным расходомером;

и выполненное таким образом, что при использовании для увеличения требуемого расхода регулирующая пластина при таком увеличении частично отводится для поддержания давления ниже по потоку, и наоборот.

2. Клапанное устройство для уменьшения давления в водопроводной магистрали по п. 1, в котором управляемый привод двигателя представляет собой привод с серводвигателем.

3. Клапанное устройство для уменьшения давления в водопроводной магистрали по п. 2, в котором контроллер выполнен с возможностью расчета действия серводвигателя при позиционировании пружины в соответствии с по существу линейным соотношением между давлением и расходом ниже по потоку.

4. Клапанное устройство для уменьшения давления в водопроводной магистрали по п. 3, в котором расчет основан на давлении, которое должно достигаться в зависимости от позиционирования пружины при помощи серводвигателя.

5. Клапанное устройство для уменьшения давления в водопроводной магистрали по п. 3, в котором расчет основан только на позиционировании пружины при помощи серводвигателя.

6. Клапанное устройство для уменьшения давления в водопроводной магистрали по п. 3, в котором расчет основан на справочной таблице давления и расхода ниже по потоку.

7. Клапанное устройство для уменьшения давления в водопроводной магистрали по п. 6, в котором справочная таблица включает значения давления, которые должны достигаться.

8. Клапанное устройство для уменьшения давления в водопроводной магистрали по п. 6, в котором справочная таблица включает положения пружины в зависимости от количества оборотов серводвигателя.

9. Клапанное устройство для уменьшения давления в водопроводной магистрали по п. 1, в котором предусмотрена регулирующая пластина, которая упирается в центральную область диафрагмы, с направляющим стержнем, проходящим в центрирующую направляющую в отверстии.

10. Клапанное устройство для уменьшения давления в водопроводной магистрали по п. 1, в котором предусмотрена регулирующая пластина, расположенная на расстоянии от диафрагмы, на направляющем стержне, проходящем от диафрагмы в центрирующую направляющую в отверстии.

11. Клапанное устройство для уменьшения давления в водопроводной магистрали по п. 1, в котором пружина представляет собой пружину сжатия, действующую на сторону диафрагмы, удаленную от отверстия.

12. Клапанное устройство для уменьшения давления в водопроводной магистрали по п. 1, в котором пружина представляет собой пружину растяжения, действующую на сторону диафрагмы, ближайшую к отверстию.

13. Клапанное устройство для уменьшения давления в водопроводной магистрали по п. 1, в котором управляемый привод двигателя включает устройство с гайкой и ходовым винтом, выполненное с возможностью воздействия на конец пружины, удаленный от диафрагмы, и приводимое в действие двигателем привода.

14. Клапанное устройство для уменьшения давления в водопроводной магистрали по любому из пп. 1-13 в сочетании с удаленным датчиком давления, предназначенным для измерения давления ниже по потоку, которое необходимо поддерживать.