Конденсатоотводчики термостатического типа получили широкое распространение благодаря нескольким факторам, среди которых простота конструкции и небольшие размеры. Эти два показателя определили и относительно низкую стоимость устройства, что, безусловно, способствует популярности. И действительно, чем меньше деталей внутри прибора и чем он менее материалоемкий, тем дешевле он в производстве.
Вместе с тем известно что, конденсатоотводчик, как один из основных элементов пароконденсатной системы, должен эффективно работать в достаточно суровых условиях промышленной эксплуатации, таких как:
- высокие перепады температуры рабочей среды от момента остывшей системы до полного ее разогрева, в том числе за короткий промежуток времени;
- высокие и низкие перепады давления на клапане в рабочем режиме;
- широкий диапазон расходов конденсата. Под расходами конденсата понимается его полное и длительное отсутствие, при котором клапан должен быть герметичен, и максимальный расход в период разогрева системы, когда фактический расход может превышать рабочий расход в два-три раза;
- наличие гидроударов. Любой конденсатоотводчик должен быть защищен от гидроударов, от которых не застрахована никакая пароконденсатная система.
И, наконец, то, что находится во главе пирамиды требований — надежность устройства. Совокупность перечисленных условий позволяет сделать очевидный вывод, простой в техническом, то есть конструктивном, отношении: конденсатоотводчик вряд ли способен иметь высокие характеристики по всем показателям. Как следствие возникает вопрос: а может ли быть простым термостатический конденсатоотводчик в том виде, в каком он представляется по умолчанию, и при этом отвечать самым высоким требованиям? И в чем состоит компромисс между простотой конструкции и требованиями обеспечения выдающихся характеристик. Чтобы прийти к пониманию проблемы, рассмотрим историю возникновения термостатических конденсатоотводчиков и их эволюцию.
Принцип действия термостатического конденсатоотводчика достаточно прост, и, как следует из названия устройства, он основан на разнице температур пара и конденсата. Положение клапана, выпускающего конденсат, напрямую зависит от того, какая температура рабочей среды внутри конденсатоотводчика. Поскольку при конденсации температура не меняется, а меняется лишь агрегатное состояние, конденсатоотводчик не смог бы определить по температуре, когда внутри находится пар, а когда конденсат, имеющий температуру насыщения. Поэтому термостатический конденсатоотводчик должен задержать перед собой конденсат, пока тот не охладится до нужного значения, и затем его отвести. Сердцем конденсатоотводчика является термостатическая капсула со спиртосодержащей жидкостью, температура кипения которой отстает от температуры кипения воды на несколько градусов. При приближении температуры отводимого конденсата к температуре насыщения жидкость в капсуле начинает вскипать, давление в капсуле растет, и она начинает деформироваться, приводя в движение клапан, который перекрывает выпускное отверстие. Поскольку температура кипения жидкости зависит от давления среды, то капсула должна быть полностью окружена рабочей средой. Термостатические конденсатоотводчики с капсулой называются еще конденсатоотводчиками, сбалансированными по давлению. Таким образом, термостатический конденсатоотводчик отводит конденсат с температурой на несколько градусов ниже, чем температура насыщения при фактическом давлении в конденсатоотводчике.
Первые капсулы представляли собой сильфон (см. рисунок 1). Именно сильфонные конструкции стали основой первых термостатических капсульных конденсатоотводчиков, производимых с начала XX в. Очевидными недостатками сильфонных конденсатоотводчиков являются:
- усталость металла, из которого выполнен сильфон. Сильфон — это своего рода гармошка с множеством изгибов, которые находятся в непрерывном движении, подвергаются деформации при работе конденсатоотводчика. Чем больше деформирующихся поверхностей, тем выше вероятность их поломок;
- гидроудары. Тонкостенный сильфон — достаточно хрупкий элемент, и мощное воздействие на него в малом объеме корпуса конденсатоотводчика приводит к нарушению первоначальной формы сильфона, что принципиально для функционирования конденсатоотводчика;
- перенапряжение. Если температура рабочей среды достигнет той, при которой сильфон уже не сможет дальше расширяться, перемещаясь поступательно к месту закрытия клапана, он начнет расширяться в стороны, разглаживая боковые поверхности сильфона, что также приводит к неработоспособности конденсатоотводчика;
- сильфонный конденсатоотводчик при поломке может остаться как в открытом, так и в закрытом положении, в зависимости от характера неисправности, то есть данная ситуация не прогнозируема, а между тем это имеет значение. Если конденсатоотводчик при поломке закрыт (нормально закрыт), то процесс, который обслуживает конденсатоотводчик, останавливается. Если это технологический процесс, то продукция может уйти в брак и предприятие понесет потери. Если конденсатоотводчик при поломке остается в открытом состоянии, то процесс не страдает.
Многие компании-производители конденсатоотводчиков до сих пор имеют в производственной программе описанные устройства (см. фото 1). В основном это американские производители. Однако технический прогресс не стоит на месте, и логическим развитием идеи сбалансированных по давлению конденсатоотводчиков стало появление плоских капсул мембранного типа, внутри которых находится аналогичная рабочая жидкость. Принцип действия идентичен сильфонной конструкции, разница состоит только в том, что клапан приводится в движение за счет деформации мембраны (см. рисунок 2).
Достоинства мембранной капсулы перед сильфоном заключаются в том, что капсула более устойчива к гидроударам, она компактная и легкозаменяемая. Сильфонные конденсатоотводчики, как правило, неремонтопригодны. Стоимость производства капсулы и конденсатоотводчика в целом также ниже. Габаритные размеры конденсатоотводчика меньше.
Типовые поломки капсулы изображены на рисунке 3. Это проблемы центрирования, стресс диафрагмы в месте крепления к корпусу капсулы, а также непрогнозируемое состояние клапана при разрыве мембраны. Нельзя однозначно сказать, нормально открыт конденсатоотводчик или нормально закрыт.
В конце 90-х гг. XX в. компания TLV (Trouble Less Valves — «клапаны, не имеющие проблем») — один из японских производителей конденсатоотводчиков — озаботилась решением задачи сделать капсулу еще более надежной и лишить ее многих недостатков, присущих традиционным капсулам. И такая капсула в итоге была разработана. Ее название весьма современно и сегодня. Называется она «Х-элемент» («икс-элемент»). На рисунке 4 изображена ее конструкция.
Внутри капсула достаточно замысловата: у нее 4 мембраны специфической формы, верхние и нижние упоры, кольцеобразный в сечении клапан.
Мембраны имеют волнистую форму, которую повторяют верхние упоры для демпфирования гидроударов, а нижние упоры для распределения нагрузки при перенапряжении. Капсула «Х-элемент» защищена и от перенапряжения, и от гидроударов.
При разрыве двух верхних или двух нижних мембран конденсатоотводчик гарантированно открывается, так как давление рабочей среды в любом случае выдавливает ослабленный механизм вверх, открывая клапан. Можно констатировать, что термостатический конденсатоотводчик, оснащенный «Х-элементом», является нормально открытым прибором и при поломке не вредит технологическому процессу.
Кольцеобразный клапан (см. рисунок 5) исключает проблемы децентрирования, следовательно, клапан всегда плотно садится на посадочное место, обеспечивая герметичность.
На сегодня в производственной программе компании TLV капсула «Х-элемент» стала универсальным термостатическим элементом всех моделей сбалансированных по давлению конденсатоотводчиков, всех моделей воздухоотводчиков для пара, а также применяется в большинстве моделей поплавковых конденсатоотводчиков со свободноплавающим поплавком в качестве встроенного воздухоотводчика. «Х-элемент» позволил унифицировать парк запасных частей порядка 50 моделей различных конденсатоотводчиков!
Глядя на эту миниатюрную капсулу, трудно поверить, что внутри кроется настоящее произведение искусства и сколько технических нюансов могут быть буквально запаяны внутри капсулы диаметром 3 см и толщиной 5 мм. Становится понятно, что внешняя простота и миниатюрность могут быть обманчивыми. Вместе с тем конденсатоотводчик, оснащенный «Х-элементом», действительно очень прост (см. рисунок 6) и доступен для ремонта без необходимости демонтажа с трубопровода. Не это ли разумный компромисс между надежностью и простотой?
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 1 (43) 2018
