Задача о гистерезисе в работе предохранительного клапана прямого действия

Введение. Значительная часть предохранительных клапанов прямого действия открывается при заданном давлении, а закрывается при меньшем, образуя петлю гистерезиса. Этот эффект известен по результатам испытаний давно. Причина возникновения гистерезиса объяснена путем сравнения газодинамических сил, действующих на подвижные части клапана, и усилия пружины или груза. К сожалению, сравнение выполнено графоаналитическим методом, не обладающим общностью суждений. Это можно было бы преодолеть, описав петлю гистерезиса аналитически, но известные математические модели, в том числе и численные, описывают только отдельные ее ветви, то ли это участок петли в момент открытия клапана, то ли закрытия.

Цель исследования. Аналитическим путем решить задачу построения петли гистерезиса в работе предохрани­тельного клапана прямого действия.

Рабочая гипотеза. Резкое движение грибка клапана вверх с седла до упора в ограничители при достижении в защищаемом объеме расчетного давления и резкое движение грибка вниз на седло при снижении давления есть результат перескока грибка с одного устойчивого положения на другое, минуя неустойчивый участок характеристики клапана.

Метод исследования. Теоретический, с использованием законов газовой динамики, механики, теории устойчивости и теории подобия.

Выводы. Петля гистерезиса в работе предохранительного клапана, представляющая собой разрывную функцию, может быть описана аналитически. Она является набором устойчивых участков линии равновесия сил, действующих на подвижные части предохранительного клапана. Полученная из условия равновесия сил зависимость высоты подъема клапана от давления в защищаемом объеме вполне адекватно отражает известные экспериментальные данные.

Получено также, что грузовые клапаны органически имеют большую петлю гистерезиса, которую никакими способами нельзя исключить. У пружинных клапанов тоже бывает петля гистерезиса, размер которой можно регулировать за счет изменения жесткости пружины, в том числе полностью исключить.

1. Вейнберг Я.И. Паровые котлы. Причины взрывовъ паровиковъ. Мѣры къ ихъ предупрежденiю. М. : Тип. Потапова, 1888. 393 с.

2. Кондратьева Т.Ф. Предохранительные клапаны (2-е изд., перераб. и доп.). Л. : Машиностроение, 1976. 230 с.

3. Gastberg А., Richter А. Betriebsverhalten von Sicherheitsventilen mit konstantem Fremdgegendruck. ARI-Armaturen GmbH & Co., KG. April 2015. URL: www.ari-armaturen.com

4. Greenwood А. Tyco pressure relief valve engineering handbook, Crosby and Varec Products. Preliminary Edition, March 2012. Fire Science Centre, University of New Brunswick, P.O. Box 4400, Fredericton, N.B. E3B 5A3 Canada.

5. Кондратьева Т.Ф., Исаков В.П., Петрова Ф.П. Динамическая устойчивость работы предохранительного клапана // Химическое и нефтяное машиностроение. 1978. № 12. С. 14–17.

6. Dannenmaier T., Schmidt J., Denecke J., Odenwald O. European program on evaluation of safety valve stability. Engineering // Chemical Engineering Transactions. 2016. Vol. 48. Pp. 625–630. DOI: 10.3303/CET1648105

7. Hős C.J., Champneys A.R., Paul K., McNeely M. Dynamic behaviour of direct spring loaded pressure relief valves connected to inlet piping: IV review and recommendations // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2017. Vol. 48. Pp. 270–288. DOI: 10.1016/j.jlp.2017.04.005

8. Aldeeb A.A., Darby R., Arndt S. The dynamic response of pressure relief valves in vapor or gas service. Part II: Experimental investigation // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2014. Vol. 31. Pp. 127–132. DOI: 10.1016/j.jlp.2014.06.002

9. Borg A., Jakobsson S. On the stability of pressure relief valve a numerical study using CFD department of chemical and biological engineering division of chemical engineering. Gothenburg, Sweden. 2014.

10. Стаднік М.И., Шаргородський С.А., Руткевич В.С. Забезпечення постійного гістерезису золотникових запобіжних клапанів прямої дії // Техніка, енергетика, транспорт АПК. 2020. № 4 (111). С. 100–107. DOI: 10.37128/2520-6168-2020-4-11

11. Berro H., Moussou P. Electricité de France research and development analysis in mechanics and acoustics dept mechanisms of instability of safety relief valves in water systems // 10th International Conference on Flow-Induced Vibration Trinity College, Dublin, Ireland July 5th 2012.

12. Плюгин Б.С. Исследование процесса закрытия пневматического тарельчатого клапана и путей снижения скорости посадки запорного органа на седло : автореф. дис. … канд. техн. наук. М. : МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1978. 16 с.

13. Лубенец В.Д., Романенко Н.Т., Никитин Ю.Ф. и др. Определение времени открытия электропневматических клапанов // Компрессорные и вакуумные машины и пневмоагрегаты : тр. МВТУ. 1971. № 146. С. 56–58.

14. Zong C., Zheng F., Qingye Li, Song X. Experimental analysis of the lift break of a spring loaded relief valve operating in pneumatic mode // Journal of Pressure Vessel Technology. 2020. Vol. 142. Issue 6. DOI: 10.1115/1.4047245

15. Макарьянц Г.М., Свербилов В.Я., Макарьянц М.В., Батракова О.В. Расчет подъемной силы газового потока в плоском предохранительном клапане с использованием численных методов // Известия Самарского научного центра РАН. 2010. Т. 12. № 4. C. 247–251.

16. Свербилов В.Я., Макарьянц Г.М., Макарьянц М.В., Стадник Д.М. Аналитическая модель автоколебаний плоского предохранительного клапана // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2010. Т. 12. № 12 (4-1). С. 252–256. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/raschyot-podyomnoy-sily-gazovogo-potoka-v-ploskom-predohranitelnom-klapane-s-ispolzovaniem-chislennyh-metodov

17. Gastberg А., Richter А. Betriebsverhalten von Sicherheitsventilen mit konstantem Fremdgegendruck. ARI-Armaturen GmbH & Co. KG, 2015. URL: www.ari-armaturen.com

18. Zahariev T. Berechnung der Durchstr¨omung und der Kennwerte von Sicherheitsventilen : Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur. Fakultat fur Verfahrens-und Systemtechnik der Otto-von Quericke-Universitat Magdeburg, m 15.11.2001.

19. Рочек У. Быстроподъемные предохранительные клапаны. Л. : ЦКБА, 1968. 13 с.

20. Поландов Ю.Х. Повышение взрывобезопасности паровых котлов с рабочим давлением до 0,07 МПа в АПК путем инженерно-технических решений : автореф. дис. … д-ра техн. наук. Орел, 1998. 43 с.