Крис Вудфорд. Последнее обновление: 29 ноября 2020 г.
Какой самый любимый вид транспорта в мире? Машина? Велосипед? Реактивный самолет? Если бы мне пришлось рискнуть предположить, я бы не выбрал ничего из этого. Вместо этого я бы выбрал скромный конвейер. Возможно, вы не заметили трубы, но они день за днем бесшумно и эффективно транспортируют огромное количество жидкости (жидкости и газа) по всему миру. Для эффективной работы трубам нужен способ регулирования количества жидкости, проходящей 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 жидкости, протекающей через них. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!
Фото: Этот запорный клапан управляется вручную: вы открываете и закрываете его, поворачивая колесо. Колесо, подобное этому, облегчает открытие клапана, потому что оно умножает усилие, которое вы прикладываете к ободу, чтобы создать большее и более полезное усилие в центре. Если вы не знаете, почему, взгляните на нашу статью об инструментах и машинах. Фото Брайана Слоана любезно предоставлено
Содержание
Что такое клапаны?
Фото: Клапаны бывают всех размеров. Некоторые из них крошечные, как этот тарельчатый клапан, который скользит вверх и вниз по верхней части бутылки с напитками, чтобы впускать и выливать воду, когда вы тянете или толкаете его зубами.
Клапан — это механическое устройство, которое частично или полностью перекрывает трубу для изменения количества жидкости, проходящей через нее. Когда вы открываете кран, чтобы почистить зубы, вы открываете клапан, который позволяет воде под давлением выходить из трубы. Точно так же, когда вы смываете унитаз, вы открываете два клапана: один (сифон), который позволяет воде вытекать, чтобы опорожнить поддон, и другой (называемый шаровым краном или шаровым краном), который впускает больше воды в бачок для следующего смыва.
Клапаны регулируют как газы, так и жидкости. Если на вашей плите есть газовая варочная панель (плита), элементы управления, которые включают или выключают газ, представляют собой клапаны. Когда вы увеличиваете нагрев, вы открываете клапан, который позволяет большему количеству газа проходить через трубу. Больше газа горит с большим пламенем, поэтому вы получаете больше тепла.
Клапаны почти наверняка будут в любой машине, использующей жидкости или газы. В вашей стиральной машине есть клапан, который включает или выключает подачу воды каждый раз, когда барабан ополаскивается. В цилиндрах вашего автомобиля также есть клапаны, которые открываются и закрываются несколько раз в секунду, чтобы впустить воздух и топливо и дать возможность выйти сгоревшим выхлопным газам.
Клапаны используются не только в машинах. В вашем теле есть несколько довольно 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 любезно предоставлено НАСА на сайте Commons. 2) Этот гораздо меньший дроссельный клапан работает точно так же, открываясь в центре, чтобы пропустить воздух через трубу. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).
Как делают клапаны?
Фото Перекрытие воды запорным вентилем. Поворот этого рычага на девяносто градусов закрывает шаровой кран в середине трубы, перекрывая протекающую через нее воду. В большинстве домов есть такие клапаны на «подводе» поступающей холодной воды и на трубах, ведущих в резервуары для воды и из них. Запорные клапаны очень полезны во время чрезвычайной ситуации (например, при прорыве водопроводной трубы) или для проведения планового технического обслуживания. Как только клапан закрыт, вы можете безопасно выполнять ремонт без выливания всей жидкости.
Клапаны обычно изготавливаются из металла или пластика и имеют несколько разных частей. Внешняя часть называется седлом и часто имеет прочный металлический корпус и мягкое внутреннее резиновое или пластиковое уплотнение, благодаря чему клапан обеспечивает абсолютно герметичное закрытие. Внутренняя часть клапана, которая открывается и закрывается, называется корпусом и входит в седло, когда клапан закрыт. Существует также механизм для открытия и закрытия клапана — либо ручной рычаг или колесо (как в кране или запорном кране), либо автоматический механизм (как в автомобильном или паровом двигателе).
Часто критически важно, чтобы клапаны были выключены, чтобы не допустить абсолютной утечки жидкости или газа через трубу, чтобы избежать несчастных случаев, взрывов, загрязнения или потери ценных химических веществ (даже капающий кран может быть дорогим, если у вас есть счетчики воды) . Вот почему уплотнение на клапане должно быть абсолютно надежным, а закрытый клапан должен быть плотно закрыт. Перекрыть поток жидкости или газа под высоким давлением, перегородив его вентилем, — физически тяжелая работа: иными словами, для этого нужно приложить большое усилие. Вот почему некоторые клапаны управляются рычагами (например, тот, что изображен здесь, но некоторые могут быть намного длиннее, чтобы дать вам больше вращающего усилия) или большими колесами (как на верхнем фото в этой статье). Если действительно большие клапаны требуют слишком большой силы для подачи человеком, они приводятся в действие гидроцилиндрами.
Выбор правильного материала
Не все клапаны большие, мощные, промышленно прочные, сделанные из металла. Внимательно осмотрите контейнеры для пищевых продуктов на кухне, и вы обнаружите, что на многих из них есть клапаны. Бутылки с водой (такие, как я на фото выше) часто имеют тарельчатые клапаны вместо завинчивающихся крышек. Крышка банки с едой, которую я сфотографировал ниже, является еще одним действительно оригинальным примером клапана, сделанного из упругого эластомера (на практике это эластичный синтетический силиконовый каучук). Он запечатывает банку для раздачи еды, которая обычно стоит вверх дном, поэтому теоретически еда может просто вылиться на стол внизу! Этот хитроумный клапан останавливает его. В резиновом материале есть четыре прорези, чтобы пропускать пищу, но он также довольно твердый, поэтому открывается только тогда, когда вы сжимаете банку. Давление, которое вы оказываете при сжатии, проталкивает пищу через четыре прорези, которые открываются. Когда вы сбрасываете давление, эластичность клапана заставляет прорези опускаться вниз, и банка снова закрывается. Это настолько просто и обыденно, что вы, вероятно, даже не замечали этого, и все же это гениальная часть инженерной мысли, основанная на очень тщательном выборе именно правильного материала.
Фото: Эластомерный пищевой клапан. Слева: вид снизу на закрытый клапан. Посередине: вид сверху на тот же герметичный клапан. Справа: взгляд сверху с поднятым пальцем, чтобы показать, как работает механизм самоуплотняющейся щели. (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: Раздаточный клапан.)
И выбор материалов для клапанов — это не просто вопрос того, как они будут функционировать в течение срока службы, но и то, что с ними произойдет после этого. Например, при упаковке пищевых продуктов переработка становится все более важным фактором. Возьмите маленькие клапаны, которые вы найдете на кофейных пакетах. После того, как кофе обжарен и расфасован по пакетам, он может лежать на полке магазина до года, в течение которого он продолжает выделять углекислый газ. Без клапана на пакете он может раздуться и потенциально лопнуть в магазине (или на вашей кухне), разбрасывая кофе повсюду. Итак, на кофейных пакетах есть эти оригинальные односторонние «дегазационные» клапаны, сделанные из мембран, которые открываются, когда внутри повышается давление. Вот почему вы можете «проснуться и почувствовать запах кофе», фактически не открывая пакет. Когда воздух пытается проникнуть снаружи, он сплющивает мембрану и плотно запечатывает мешок. Пока все хорошо, но как насчет переработки? Если вы начнете надевать на пакеты сложные пластиковые клапаны, их будет намного сложнее перерабатывать. Какой ответ? В настоящее время производители полностью изготавливают кофейные пакеты и клапаны из компостируемых биопластиков, чтобы решить проблему утилизации отходов.
Фото: Как работают кофейные клапаны. Верхний ряд: Слева: типичный клапан на внутренней стороне пакетика с кофе. Посередине: этот компостируемый клапан из биопластика (производства швейцарской компании Wipf) имеет фиксированное внешнее седло (черное) и внутренний корпус (красный) с газовым клапаном. Справа: разберите его, и вы обнаружите, что внутри есть пластиковая мембрана (синяя). На рисунке ниже показано, как эти три части работают вместе. Мембрана изгибается, чтобы позволить CO 2 выйти, а затем снова сплющивается, чтобы предотвратить попадание воздуха и водяного пара.
Типы клапанов
Иллюстрация: восемь распространенных типов клапанов, значительно упрощенных. Цветовой ключ: серая часть — это труба, по которой течет жидкость; красная часть – клапан и его ручка или регулятор; синие стрелки показывают, как клапан движется или поворачивается; а желтая линия показывает, в каком направлении движется жидкость, когда клапан открыт.
Многие различные типы клапанов имеют разные названия. Наиболее распространенными из них являются бабочка, кран или пробка, затвор, шар, игла, тарелка и катушка:
Как работают предохранительные клапаны?
Клапаны часто используются для хранения опасных жидкостей или газов (например, токсичных химикатов, горючей нефти, пара под высоким давлением или сжатого воздуха), которые нельзя выпускать ни при каких обстоятельствах. Теоретически клапан должен быть абсолютно безопасным и после закрытия не должен пропускать жидкость или газ. На практике это не совсем 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 пар накапливается, но давление внезапно становится слишком высоким, вам нужен клапан, который можно открыть, дать пару выйти и безопасно сбросить давление до того, как все кончится. котел катастрофически взрывается. Клапаны, работающие таким образом, называются предохранительными клапанами. Они предназначены для автоматического открытия, когда жидкость или газ, которые они содержат, достигают определенного давления (хотя многие системы и машины имеют предохранительные клапаны, которые можно открыть вручную для той же цели).
Работа: Пример предохранительного клапана, встроенного в обычный кран с горячей водой.
В обычном кране вы поворачиваете оранжевую ручку вверху по часовой стрелке или против часовой стрелки, чтобы закрутить клапан вверх или вниз. Это позволяет воде течь слева направо по горизонтальной трубе, вокруг изгиба (через щель, где был клапан) и выходить через вертикальную трубу справа.
Вы можете повернуть ручку на разную величину, чтобы открыть клапан на разную высоту, пропуская разное количество воды.
В этой конструкции Пола Вессона, запатентованной в 1923 году, внизу есть дополнительный предохранительный клапан, окрашенный в зеленый цвет. Он имеет коническую форму и обычно плотно удерживается на месте желтой пружиной, обвитой вокруг него. Однако, если давление воды становится слишком большим, она давит на конус, открывает клапан, и вода уходит вниз, сбрасывая давление.
Изображение из патента США: 1,449,472: Safety Faucet by Paul B. Wesson and Hampden Brass Company, любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.
7 различных типов водяных запорных клапанов и как их выбрать
Аарон Стикли — лицензированный сантехник с 15-летним опытом работы в коммерческих, новых жилых домах, а также в обслуживании и ремонте жилых помещений. Он начал свой собственный бизнес по обслуживанию жилья и ремонту сантехники. Статьи Аарона о сантехнике на The Spruce публикуются четыре года.
Ричард Эпштейн — лицензированный мастер-сантехник с более чем 40-летним опытом работы в сфере сантехники для жилых и коммерческих помещений. Он специализируется на оценке, а также проектировании и инжиниринге сантехнических систем и работает в одной из крупнейших в Нью-Йорке профсоюзных строительных компаний по сантехнике.
Элизабет МакЛеннан — специалист по проверке фактов и редактор с опытом работы в области наук о Земле и устойчивого развития. Элизабет имеет степень магистра Университета Теннесси в Ноксвилле.
Ель / Кевин Норрис
Водопроводная система имеет множество запорная арматура для воды в различных точках вдоль водопровода, которые позволяют отключать воду при аварийных ситуациях или для ремонта или модернизации. Отключение воды часто является первым шагом многих сантехнических проектов. Таким образом, очень важно иметь возможность найти и отключить соответствующий запорный клапан для воды.
Запорные клапаны для воды могут варьироваться от основного клапана, расположенного рядом с водомером, где вода впервые попадает в ваш дом, до небольших отдельных запорных клапанов, которые отмечают переход от ответвлений водопроводных линий к подающим трубам, которые подают воду к кранам, туалетам и другие приборы. Некоторые из этих клапанов довольно большие, а другие маленькие.
Клапаны обычно работают одним из двух способов: либо твердая внутренняя часть вращается, чтобы открыть или перекрыть поток воды, либо какой-то шток с шайбой или уплотнением сжимается, чтобы перекрыть поток воды. Наше руководство расскажет все, что вам нужно знать об основных типах.
Ниже мы рассмотрим все тонкости семи запорных клапанов для воды, а также факторы, которые следует учитывать при выборе того, который лучше всего подходит для вашего помещения.
Шаровой кран
Ель / Кевин Норрис
Шаровой кран представляет собой большой металлический клапан, обычно с рычажной ручкой. Он предназначен для быстрого перекрытия воды, так как клапан открывается и полностью закрывается коротким поворотом ручки на 1/4. Его можно приобрести со стандартным портом (клапан меньше диаметра трубы) или полным портом (клапан такой же, как диаметр трубы). И недорого и долговечно.
Этот тип запорного клапана воды часто можно увидеть на главном водозаборе дома. Вы можете распознать его, потому что корпус клапана под ручкой обычно имеет более толстую среднюю часть, где помещается шарик внутри. Внутренний шар имеет отверстие в центре. Когда клапан открыт, отверстие совпадает с направлением водопроводной трубы, позволяя воде течь. Когда ручка закрыта, шарик поворачивается на 90 градусов, поэтому отверстие в шарике перекрывается.
Задвижка
Ель / Кевин Норрис
Задвижка описывает механизм, с помощью которого клапан открывается и закрывается. Чтобы включить или выключить задвижку, поворачивают круглую ручку, чтобы поднять или опустить металлическую заслонку внутри корпуса задвижки. Когда клапан закрыт, ворота перекрывают поток воды. Как и шаровой кран, задвижка представляет собой большой металлический клапан. И с его помощью можно не только полностью остановить поток воды, но и уменьшить его.
Задвижки несколько необычны для бытового водопровода и чаще используются в промышленности. Но вы можете найти один, управляющий вашей основной водопроводной трубой или другой крупной водопроводной трубой. Иногда они встречаются на трубе, ведущей к водогрейному котлу. Они относительно долговечны и могут варьироваться по стоимости от доступных до дорогих.
Шаровой вентиль
Ель / Кевин Норрис
- Лучше всего подходит для: Водопроводные краны, ответвления водопровода
Внешне шаровой кран напоминает шаровой кран со слегка выпуклым металлическим корпусом. И хотя это может быть дорого, это надежный запорный клапан для воды. Внутри шарового клапана имеется перегородка с проходным отверстием для воды. Ручка приводит в действие поршень с какой-то шайбой или уплотнением на дне. Когда рукоятка закрывает клапан, поршень движется вниз к порту потока воды и перекрывает его. Когда ручка работает, вы часто можете почувствовать, как поршень затягивается внутри клапана.
Шаровой клапан используется в ситуациях, когда может потребоваться переменное управление потоком воды. Его часто можно найти в контролирующих трубах, которые ведут на улицу к водопроводным кранам, но также его можно найти в любом месте, где есть отвод водопроводной линии.
Угловой запорный клапан
Ель / Кевин Норрис
Запорные клапаны приспособления могут иметь различный внешний вид, но наиболее распространенным является небольшой серебряный клапан с овальной ручкой с ребристыми краями для захвата. В частности, запорный клапан с угловым приспособлением используется, когда водопроводная труба выходит из стены и должна быть направлена прямо вверх, чтобы питать подающие трубы, идущие к патрубкам на кране раковины или клапане унитаза. Скорее всего, у вас дома будет немало таких клапанов. Они недороги и относительно долговечны.
Внутри запорных клапанов арматуры может использоваться компрессионный шток (вы почувствуете сжатие при закрытии клапана), но более распространенным является стиль, в котором используется небольшой шарик внутри. Они доступны в стилях, которые можно припаять к медным трубам или приклеить растворителем к пластиковым трубам. Более распространены компрессионные фитинги, которые надеваются на трубу и затягиваются на месте. Существуют также типы с «зажимной посадкой» (например, SharkBite), которые просто надеваются на конец водопроводной трубы и герметизируются с помощью внутренней прокладки.
Каждое отдельное приспособление в вашем доме — раковина, унитаз и т. д. — должно иметь свой запорный вентиль, который регулирует подачу воды только к нему. Это позволяет выполнять ремонт или замену, не прерывая подачу воды в другие помещения.
7. Клапаны, используемые в бытовых водопроводах
Хуан Родригес — бывший писатель The Balance, освещавший крупномасштабное строительство. Он инженер с опытом управления и надзора за крупными строительными работами.
Клапаны используются для остановки и регулирования потока воды, и у каждого типа клапана есть свои плюсы и минусы и области применения, для которых он лучше всего подходит. Большинство клапанов в водопроводной системе жилых домов являются частью системы водоснабжения и используются для управления потоком воды под давлением из водопровода или частного колодца. В зависимости от конструкции клапана, они могут лучше всего подходить для простого управления потоком воды ВКЛ-ВЫКЛ, или они могут быть предназначены для регулировки объема потока воды.
Большинство клапанов доступны из различных материалов, включая бронзу, латунь и пластик ПВХ. Обязательно выбирайте материалы, соответствующие типу трубы, используемой в водопроводной системе.
Задвижка
Задвижки являются одними из наиболее часто используемых клапанов в сантехнических приложениях. Задвижки регулируют поток воды, поднимая или опуская внутреннюю заслонку с помощью поворотной ручки или ручки, расположенной в верхней части задвижки. Задвижки ни в коем случае нельзя использовать для регулирования объема потока — они должны быть полностью открыты (обеспечивая полный поток) или полностью закрыты (полностью останавливая поток). Использование их для регулировки расхода воды может привести к износу этих клапанов. Задвижки очень надежны для перекрытия подачи воды, и они обычно используются в качестве запорной арматуры на магистральных и отводных линиях водоснабжения, хотя шаровые краны постепенно становятся все более популярными в этих приложениях. Поскольку внутренние металлические детали могут подвергаться коррозии, задвижка нередко застревает в положении ВКЛ или ВЫКЛ. Они чаще всего используются в приложениях, где вода должна отключаться нечасто.
Шаровой кран
Шаровые краны, возможно, являются наиболее надежным типом арматуры и обычно используются для перекрытия основной воды и перекрытия ответвлений. Как и задвижки, шаровой кран спроектирован как клапан «все или ничего» — они должны быть либо полностью открыты, чтобы обеспечить полный поток, либо полностью закрыты, чтобы остановить весь поток воды. Внутри эти клапаны имеют шар с отверстием посередине, который соединен с внешней рукояткой рычажного типа. Когда ручка параллельна трубе подачи воды, клапан открыт; когда он перпендикулярен, клапан закрыт. Эта ручка служит удобным визуальным средством, чтобы вы сразу знали, включена вода или выключена.
Шаровой вентиль
Шаровые краны используются для регулирования или дросселирования потока воды в сантехнике. Этот тип клапана получил свое название от выпуклости в корпусе клапана, формы, которой нет у других типов клапанов. Ручка шарового клапана обычно представляет собой поворотную ручку.
Шаровые клапаны обычно устанавливаются, когда необходимо регулировать поток воды или когда его необходимо регулярно регулировать. Внутренние конструктивные особенности содержат стопор на конце штока клапана, который поднимается и опускается поворотной ручкой клапана. Когда шток прижимает пробку к внутреннему седлу клапана, поток воды полностью останавливается. Шток можно постепенно поднимать от седла клапана, чтобы точно контролировать объем воды, протекающей через клапан.
Поскольку шаровые клапаны хороши для регулирования потока, они часто используются для наружных кранов (шланговых нагрудников) и аналогичных водопроводных кранов.
Двустворчатый клапан
Внешне поворотные затворы напоминают шаровые краны, так как имеют ручку рычажного типа, которая открывает и закрывает клапан. Внутри конструкции используется металлический диск, который вращается для регулирования потока воды. Поскольку вода обтекает диск, расположенный в центре клапана, поток воды несколько уменьшается, даже когда клапан полностью открыт. В отличие от шарового крана, который предназначен для работы в режиме ВКЛ-ВЫКЛ, дроссельные клапаны могут точно регулировать объем потока. Одним заметным недостатком дискового затвора является то, что прокладка внутри клапана может вызвать проблемы с техническим обслуживанием через несколько лет.
Поворотные затворы используются в основном в промышленности и редко встречаются в бытовых водопроводных системах.
Запорный клапан приспособления (запорный клапан)
Запорные клапаны для приспособлений представляют собой небольшие клапаны с небольшими поворотными ручками или ручками, используемые для управления потоком воды к отдельным сантехническим приборам, таким как смесители и туалеты. Существуют прямые версии и версии с углом 90 градусов (также известные как угловые клапаны или угловые упоры). Запорная арматура позволяет работать с краном или другим приспособлением, не перекрывая воду во всем доме на главном запорном кране.
Внешне запорная арматура напоминает небольшие задвижки, так как обычно они имеют небольшую ручку или колесо, которое поворачивается для открытия и закрытия клапана. Внутри запорные клапаны арматуры могут иметь одну из нескольких различных конструкций. В некоторых типах используется простая компрессионная шайба, которая открывается и закрывается напротив седла клапана, управляемого рукояткой клапана. Другие используют конструкцию с диафрагмой, в которой шток клапана управляет гибкой диафрагмой, которая прижимается к отверстию седла клапана, чтобы остановить поток воды.
Редукционный клапан давления
Редукционные клапаны воды устанавливаются для снижения общего давления воды в водопроводной системе до желаемых или допустимых пределов. Обычно они имеют пружину и диафрагму, которая регулируется до определенного предела в зависимости от давления подачи воды. Редукционные клапаны не используются для открытия или закрытия потока воды, а скорее для его дросселирования, чтобы снизить общее давление воды. Они обычно используются в домах, которые получают воду под относительно высоким давлением из муниципального водопровода, где давление может быть достаточным, чтобы повредить водопроводные системы и приборы дома.
Обратный клапан
Обратный клапан — это специальный клапан, используемый для поддержания потока воды только в одном направлении и предотвращения потока в противоположном направлении. Большинство типов не работают и поэтому не имеют рукояток управления. Предохранитель обратного потока, который часто встречается на наружных кранах (шланговые насадки) и в системах полива газонов, является одним из примеров обратного клапана. В обратных клапанах могут использоваться различные типы внутренних механизмов, включая конструкции с шаровым затвором и запорные конструкции с диафрагмой.
Рабочий тип обратного клапана, известный как запорный, может использоваться для полной остановки потока воды в обоих направлениях.
