Тема данной статьи – тарелки клапана. На первый взгляд функция данной детали кажется достаточно простой, держать в сборе клапанные пружины. На самом деле, все не так просто, как кажется ))) От преднатяга пружин зависит такая характеристика двигателя, как верхний порог оборотов. Сделав усилие пружин на сжатие маленьким, мы получим очень тихую работу газораспределительного механизма (в дальнейшем ГРМ). Если мы увеличим усилие клапанных пружин, то мы получим более высокий порог по оборотам, но более шумную работу ГРМ. Регулировать данный процесс можно несколькими способами.
- Подбором и жесткостью клапанных пружин
- Посадкой клапана в седле (занижение клапана)
- Роспуск или поджатие тарелок
Из этих основных способов работы с газораспределительным механизмом, я предпочитаю работу с тарелками клапанов.
Тарелки клапанов. История.
Есть у меня несколько знакомых по России, которые, так или иначе имели отношение к советскому автоспорту. И много интересных рецептов я узнал от них. Начну издалека. Мощность двигателя, которая указана в ПТС карбюраторной Нивы – 72 лошадки, инжекторной – 80 лошадок. Это мощность эталонного двигателя. На самом деле можете смело выкидывать из этих цифр 10-15%, именно эти данные я видел на моторном стенде, на новых машинах. Мотористы и карбюраторщики старой закалки мне сказали, что с классического движка, без потери ресурса и особых изысков, можно снять около 100 л.с. Но прежде чем это сделать, двигатель надо понемножку к этому подготавливать. В частности для установки «взрослого» распредвала, необходима доработка ГБЦ. Пружины на клапанах классики очень сильно пережаты, и при установке распредвала с высокими кулачками, просто начинают стучать витками друг о друга. Результат – разрушение. Самый простой вариант, это на несколько миллиметров «распустить» клапанную пружину, чтобы при открытии клапана на большую глубину, витки не соприкасались. Эта операция и носит название – роспуск тарелок клапанных пружин.
Доработанные тарелки клапанов
тарелки клапана, сравнение
Усилие клапанной пружины 2101 при штатной тарелке составляет 42-43 кг. По меркам современного моторостроения, для гражданского двигателя, это совершенно излишняя величина. Просадка тарелки на 3 мм, дает снижение нагрузки сжатия пружины на 4-6 кг. Теперь математика для 3 класса. Клапанов у нас 8. Суммарное снижение давления пружин, на механизм ГРМ около 35-40 кг. И это на каждый оборот распределительного вала. Теперь умножим это на 3000 об\мин…..и получим….Как говорил Аркадий Исаакович Райкин, сумасшедшие цифры получаются )) Задам риторический вопрос, почему на похожих объемах импортные движки ходят до капитального ремонта ГБЦ по 200-300 тысяч километров??? А движок нивы, особенно на однорядной цепи, на 100-150 тыс. уже никакой. Одна из причин: очень сильная «зажатость» клапанов для гражданской машины. Как следствие, повышенный износ распредвала и его постели. На немецких двигателях, аналогичных объемов и мощность, усилие клапанных пружин находится в диапазоне 25-35 кг на клапан. Данный абзац применим ко всем двигателям, а не только к двигателям 21213 и 21214. Эксперименты и работы по роспуску или сжатию клапанных пружин, были начаты в 2010 году, с той поры тарелки с измененной геометрией были сделаны более чем для 50 двигателей, под самые разные пружины. Практика, полностью подтвердила теорию.
Вывод. Если вы хотите сделать работу двигателя более тихой и комфортной, усилие клапанных пружин можно еще ослабить. Двигатель крутиться до 4000 оборотов, даже если вы оставите только наружные пружины (пример, двигатель змз 409, УАЗ Патриот). Если вы хотите поднять планку верхних оборотов, то пружины должны быть более жесткие, или их должно быть две, чтобы при больших оборотах не происходило кинематического зависания клапана. То есть, чтобы клапан по инерции не завис в открытом положении и не ударился о поднимающийся поршень.
Техническая характеристика клапанных однопоточных тарелок типа ткп
Рис. 8, а. Конструкция однопоточных цельных колпачковых тарелок типа ТСК-I.
Рис. 8, б. Конструкция однопоточных разборных колпачковых тарелок типа ТСК-Р.
Рис. 8, в. Конструкция двухпоточных разборных колпачковых тарелок типа ТСК-РЦ и ТСК-РБ.
Ситчатая тарелка — горизонтальная перегородка в форме круга, имеющая перфорированные круглые отверстия d = (2…20) мм или щелевые отверстия шириной 4 мм. Устройство ситчатых тарелок представлено на рис.9, а, б, в.
Рис. 9, а. Ситчатая тарелка типа ТС.
Газ проходит через отверстия в тарелке, жидкость перетекает с тарелки на тарелку по переливным трубам или через переливной порог. Оптимальный размер отверстий d = (5…12) мм. Отверстия располагают в вершинах равностороннего треугольника с шагом t = (2,5…5)d. Отверстия удалены от стенок аппарата на 50 мм, от сливного стакана на 100 мм. Свободное сечение тарелки составляет
2…15 %, высота слоя жидкости (без вспенивания)
Эти тарелки относительно просты по устройству, однако обладают узким диапазоном измерения нагрузки по газу. При малых нагрузках жидкость будет протекать через отверстия, а при больших – уносить потоком газа на вышележащие тарелки. Кроме того, нормальная работа ситчатых тарелок возможна только при условии сохранения чистоты отверстий, поэтому применение таких тарелок допустимо лишь для разделения жидких смесей, не содержащих взвешенных твердых частиц и не образующих твердого осадка в течение процесса.
Рис. 9, б. Ситчатая тарелка типов ТС-Р и ТС-Р2.
Рис. 9, в. Ситчатая тарелка типа ТС-РЦ/РБ.
Повышение равномерности работы тарелки может быть достигнуто также за счет установления оптимальных высоты сливной перегородки и расстояния перемещения жидкости по тарелке. Поэтому лучшим способом обеспечения равномерной работы ситчатых тарелок является увеличение периметра сливного устройства и укорочение пути перемещения жидкости путем установки двух или нескольких переливов, т.н. многосливные тарелки или тарелки с двумя зонами контакта фаз (рис. 10). Увеличение периметра сливного устройства приводит к снижению сопротивления тарелки и позволяет уменьшить расстояние между тарелками.
Стандартизованные тарелки с двумя зонами контакта фаз для колонных аппаратов диаметром 1,0…4,0 м предназначены для проведения процессов абсорбции, дистилляции и ректификации при разрежении (остаточное давление свыше 20 кПа), атмосферном и избыточном давлении до МПа с нагрузкой по жидкости до 120 м3/м2ч).
Тарелки с двумя зонами контакта фаз бывают трех исполнений: с ситчатыми, ситчато-клапанными и клапанными секциями. В зависимости от нагрузок по жидкости стандарт устанавливает 4 модели тарелок по переливным устройствам:
Диаметр переливного Модель устройства, м 01 0,3 (однощелевой) 02 0,3 (двухщелевой) 03 0,4 (однощелевой) 0,4 0,4 (двухщелевой) Расстояние между ситчатыми тарелками Нт в колонне 0,6, 0,7, 0,8, 0,и 1,0 м. Основные параметры ситчатых тарелок приведены в табл. приложения.
Клапанные тарелки применяют в аппаратах с целью увеличения диапазона нагрузок по газу. Принцип работы таких тарелок основан на том, что отверстия, через которые проходит газ, перекрыты клапанами, степень открытия которых зависит от нагрузки по газу.
Клапанные тарелки — это тарелки с переменным проходным сечением для газа или пара, которое изменяется с изменением нагрузки колонны по газу (пару). Клапаны представляют собой крышки той или иной конструкции, прикрывающие отверстия на тарелке под действием собственной массы и давления слоя жидкости.
При малых нагрузках по газу клапан открывается незначительно и сечение для прохода газа также мало. По мере увеличения нагрузки клапан открывается сильнее, увеличивая свободное сечение для прохода газа.
Таким образом, скорость газа при различных нагрузках остается одинаковой, что обеспечивает устойчивую работу тарелки в широком диапазоне нагрузок без провала жидкости. Уровень жидкости на тарелке определяется высотой сливного порога над ней. Отверстия для прохода газа могут иметь диаметр (8…35) мм, а диаметр клапанов — (12…50) мм, высота поднятия клапанов составляет (6…8) мм и определяется высотой ограничителя.
Конструктивные особенности клапанных тарелок (рис. 11) позволяют сохранять высокую интенсивность массопередачи почти во всем допустимом интервале изменения нагрузок колонны при приблизительной стабильности сопротивления тарелок.
Рис. 10. Конструкция тарелки с двумя зонами контакта фаз.
Расстояние между клапанными тарелками в колонне устанавливается 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0 и 1,2 м. Шаг расположения клапанов на секциях — мм. Площадь свободного сечения клапанных тарелок составляет 8…15 % общей площади сечения колонны.
Наиболее устойчивые в работе балластные клапаны, в которых легкий клапан помещен внутри более тяжелой балластной детали так, что при небольшие расходах газа поднимается лишь один легкий клапан, а при больших — вместе с балластной деталью. Диаметр круглых отверстий в клапанных тарелках обычно равен 40 мм; диаметр клапана — 50 мм, толщина — 2 мм, масса — 30 г. В колоннах, работающих под атмосферным давле нием, расстояние между центрами клапанов в 2 раза больше их диаметра, при избыточном рабочем давлении — в 3…4 раза.
Рис. 11. Конструкция клапанной тарелки (а) и клапана (б).
Клапанные прямоточные тарелки типа ТКП (рис. 12 и 13) применяют при атмосферном или повышенном давлении, изменяющихся нагрузках по пару (газу) и жидкости, а также при повышенных требованиях к качеству и четкости разделения смеси.
Технические характеристики одно- и двухпоточных клапанных тарелок приведены в табл. приложения.
Преимуществами клапанных тарелок являются высокие относительные скорости газа (пара) и жидкости, обусловливающие высокую интенсивность массообмена, низкий перепад давлений на сухой тарелке, устойчивость рабочего режима в широком интервале изменения нагрузок по газу (пару). Отношение максимальной нагрузки к минимальной достигает 4. 5.
Промышленность выпускает клапанные тарелки размером от 1 до 4 м.
Техническая характеристика клапанных тарелок приведена в табл. приложения. Длина сливных листов и патрубков приведена в табл. приложения.
Еще более перспективными, чем клапанные, являются комбинированные тарелки: ситчато-клапанные и жалюзийно-клапанные.
Ситчато-клапанные тарелки представляют собой новый тип высокоэффективных устройств и рекомендуется для установки в колонных аппаратах, работающих под разрежением или при атмосферном давлении, в случаях, когда требуется высокая четкость разделения компонентов.
Ситчато-клапанные тарелки изготовляют двух модификаций — А и В.
Они отличаются величиной относительно свободного сечения и количеством клапанов. Для колонн диаметром от 1,0 до 4,0 м, работающих под раз режением и при атмосферном давлении, нормализованы разборные тарелки с относительным сечением перелива от 4,6 до 6,3 %.
Рис. 12. Клапанная прямоточная однопоточная тарелка типа ТКП.
Рис. 13. Клапанная прямоточная двухпоточная тарелка типа ТКП.
Конструкция и размеры ситчато-клапанной тарелки и клапана этой тарелки приведены на рис. 14, 15 и в табл. приложения. Расположение клапанов по секциям тарелок модификаций А и Б указано в табл. приложе ния, относительное свободное сечение ситчато-клапанных тарелок — в табл.
Расстояние между ситчато-клапанными тарелками Н. в колонне устанавливается 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0 и 1,2 м.
Шаг между отверстиями при их диаметре 0,005 м составляет 0,011;
0,012; 0,013; 0,015; 0,017 и 0,018, при диаметре 0,008 м — 0,016; 0,017 и 0,018 м. В зависимости от числа клапанов эти тарелки имеют две модификации: А и Б.
Клапан ситчато-клапанной тарелки (см. рис. 15) выполнен в виде части полого цилиндра, обращенного выпуклой частью в сторону отверстия в основании тарелки. При увеличении количества газа (пара) клапан свободно перекатывается по опорной площадке гнезда, и живое сечение тарелки постепенно увеличивается. Гнездо клапана выполнено в виде прямоугольного отверстия с наклоненной вниз опорной площадкой. При небольшой скорости газ проходит через цилиндрические отверстия, имеющиеся в полотне тарелки и клапанов. При этом режиме работы клапаны закрыты, и тарелка работает, как обычная ситчатая. Расстояние между осью, вокруг которой поворачивается клапан, и линией центра приложения сил, вызывающих закрывание его в начальный период открывания, мало, поэтому момент закрывания невелик и клапан начинает открываться при сравнительно небольшом перепаде давления. В процессе открывания клапана ось, вокруг которой он поворачивается, перемещается, удаляясь от центра его тяжести. При этом плечо момента сил увеличивается. Момент закрывания по мере открывания клапана возрастает. Величина момента закрывания клапана будет максимальной, когда клапан опирается на ребро.
Выбор соответствующей массы клапана и места расположения ограничителей его подъема, определяющих плечо момента закрывания, позволяют в широких пределах смещать и изменять рабочий диапазон тарелки.
Ситчато-клапанные тарелки рекомендуются для ректификационных и абсорбционных колонных аппаратов химической, нефтехимической и смежных отраслей промышленности. Они просты и технологичны в изготовлении, имеют низкую металлоемкость. Кроме того, к преимуществам этих тарелок следует отнести широкий диапазон устойчивой работы (по жидкости 3. 100 М /(M ч), по пару F = y = 0,5. 2,0 кг0,5/(м0,5с)), высокую эффективность разделения во всем интервале нагрузок, низкое гидравлическое сопротивление, отсутствие градиента уровня жидкости, надежность в работе.
Рис. 14. Конструкция ситчато-клапанной тарелки.
Рис. 15. Конструкция клапана ситчато-клапанной тарелки.
Жалюзийно-клапанная тарелка состоит из плоского основания с расположенными на нем жалюзийно-клапанными элементами. Основной деталью тарелки является жалюзийно-клапанный элемент, состоящий из металлической рамки с отверстиями, в которые входят цапфы подвижных пластинок. Конструкция и основные размеры жалюзийно-клапанных тарелок приведены на рис. 16 и в табл. приложения. Расположение секций тарелок и отбойников для двух модификаций тарелок показано на рис. 17.
При изменении расхода пара (газа), поступающего под тарелку, пластинки поворачиваются на цапфах и пар (газ) проходит между ними, перемещаясь над тарелкой под определенным углом. При незначительном расходе пара (газа) пластинки поворачиваются на малый угол, при увеличении расхода – до упора в перегородку, которой снабжена рамка. Жидкость перемещается по тарелке за счет направленного движения пара на выходе из жалюзийных элементов.
Рис. 16. Жалюзийно-клапанная тарелка.
Жалюзийно-клапанные тарелки также рекомендуется устанавливать на ректификационных и абсорбционных колоннах. Они характеризуются высокой разделяющей способностью при больших нагрузках по пару и жидкости. К преимуществам таких тарелок следует отнести высокий к.п.д.
Во всем интервале нагрузок по пару и жидкости; более высокие допустимые скорости пара в сечении колонны по сравнению с колпачковыми и клапанными тарелками; малый объем сварочных работ при изготовлении, легкость монтажа и демонтажа тарелок. Кроме того, установка на тарелках дегазаторов из сетки значительно увеличивает их пропускную способность и уменьшает брызгоунос.
Выпускаемые жалюзийно-клапанные тарелки бывают двух исполнений: 1 — с относительным свободным сечением от 12,2 до 15,3 % (предназначены в основном для аппаратов, работающих под разрежением и при атмосферном давлении); 2 — с относительным свободным сечением от 8,до 11,1 % (предназначены в основном для аппаратов, работающих под давлением, и в процессах абсорбции).
Рис. 17. Элемент жалюзийно-клапанной тарелки.
Расстояние между тарелками принимается равным 0,4; 0,45; 0,5; 0,6;
0,8; 1,2 м. В зависимости от расстояния между тарелками выбирают длину сливного листа (табл. 2).
Решетчатые провальные тарелки, в отличие от ранее рассмотренных, не имеют переливных устройств. Жидкость сливается на нижележащие тарелки через те же щелевые отверстия, по которым поднимается газ или пар (поэтому их называют также провальными).
Длина сливного листа жалюзийно-клапанной тарелки Расстояние Длина сливного листа, м между тарел- Исполнение 1 Исполнение ками, м 0,4 0,405 0,0,45 0,455 0,0,5 0,505 0,0,6 0,506 0,0,8 0,805 0,1,0 1,005 0,1,2 1,205 1,Решетчатые тарелки (рис. 18 а, б) обычно изготовляют из стальных листов толщиной 2…4 мм, в которых профрезерованы или проштампованы щели. Применяются тарелки и другой конструкции — сборные из колосников, изготовленных из полосового металла, наподобие обычных, колосниковых решеток. Применяя в качестве колосников трубы, можно сконструировать тарелки для, одновременного проведения процессов массо- и теплообмена. Вместо продольных щелей в тарелке можно просверлить или проштамповать круглые отверстия. Такие тарелки называют дырчатыми.
Жидкость на решетчатой тарелке распределяется слоем, высота которого зависит от перепада давления парового или газового потока. Через щели или отверстия на тарелке непрерывно проходят пар (снизу вверх) и жидкость (сверху вниз). В среднем на каждом участке тарелки устанавливается динамическое равновесие между количеством находящейся на ней жидкости и скоростью потока жидкости и пара (газа). Отсутствие перегородок на тарелке приводит при интенсивном барботаже к стабилизации высоты барботажного слоя на всех ее участках. Тарелка небольшого диаметра (0,4…0,8 м) может быть выполнена из одного элемента, большого диаметра — из отдельных листов-секций, закрепленных прокладками на каркасе или приваренных к нему.
Свободное сечение решетчатых тарелок для пенящихся жидкостей с целью поддержания устойчивого режима работы аппарата рекомендуется принимать в пределах 10…12 %. Для непенящихся жидкостей возможно повышение свободного сечения тарелок до 30 % и выше, что желательно с точки зрения повышения производительности. Однакоследует учитывать, что с увеличением свободного сечения тарелок диапазон их устойчивой работы уменьшается.
Ширина щелей может быть от 3 до 10 мм. При более узких щелях затрудняется изготовление тарелок. При увеличении ширины щелей уменьшается диапазон устойчивой работы тарелок. Отверстия дырчатых тарелок имеют диаметр 4…8 мм.
Рис. 18, а. Решетчатая тарелка типа ТС-Р.
Рис. 18, б. Конструкция разборных решетчатых тарелок.
Для пенящихся жидкостей расстояние между тарелками выбирают 0,4…0,5 м. При уменьшении расстояния между тарелками также сужается диапазон устойчивой работы тарелок.
Как и ситчатые тарелки, они могут работать в узком диапазоне нагрузок. Оптимальные скорости газа такие же, как и для ситчатых тарелок, т. е.
Оптимальные массовые скорости жидкости в решетчатых тарелках составляют 11…16 т/(м2ч). При меньших нагрузках по жидкости лучше работают тарелки с перелидами.
Решетчатые тарелки весьма эффективны, просты по устройству, в 22,5 раза дешевле колпачковых. Их можно рекомендовать для колонн, плотность орошения которых не ниже 10 т/(м2ч). Высота слоя чистой жидкости на тарелках при нормальных нагрузках равна примерно 30…мм.
Технические характеристики решетчатых тарелок приведены в табл.
По степени очистки выбросов от газообразных загрязнителей все конструкции тарелок примерно равнозначны.
Конструкция колонны с колпачковыми тарелками приведена на рис.
19, колонны с ситчатыми тарелками (с двумя зонами контакта фаз) — на рис. 20, колонны с ситчато-клапанными тарелками — на рис. 21.
Расчет абсорберов 4.1. Расчет насадочных абсорберов Целью расчета насадочных абсорберов является: определение диаметра (сечения) аппарата; определение высоты насадки (а также нахождение высоты аппарата); определение гидравлического сопротивления аппарата.
Расчеты характеристик насадочных абсорберов выполняют в следующем порядке.
1. Определяют количество ингредиентов отбросных газов, составляют материальный баланс, определяют начальные и конечные концентрации загрязнителей в обеих фазах, расход поглотителя.
2. Строят графики равновесной и рабочей линии процесса, для чего вначале концентрации улавливаемого вещества выражают в долях от количества постоянных компонентов — инертной части газового потока по газовой фазе и чистого поглотителя по жидкой фазе. Затем по опытным данным строят равновесную и рабочую линии процесса абсорбции.
В состоянии равновесия в каждом конкретном случае существует строго определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества, которая при равновесии системы называется равновесной.
