клапан слива воды

Формула изобретения

1. Клапан для слива воды из напорной линии водопровода, устанавливаемый на вертикальном участке напорной трубы после насоса по ходу движения воды для предотвращения замерзания, содержащий участок трубы с клапаном, взаимодействующим с упором, удерживающим клапан в открытом положении, и со сливной трубкой, имеющей седло, перекрываемое клапаном, отличающийся тем, что клапан выполнен в виде шарика из вещества тяжелее воды, поднимаемого восходящим потоком воды, имеющий верхний дополнительный упор или упоры, обеспечивающие центрирование шарика и создающие возможность открытия клапана при таком давлении в трубе, при котором вес шарика, достаточный для открывания клапана, значительно меньше силы «прижатия» шарика к седлу, вызываемого давлением воды, при этом седло расположено в наклонной плоскости или доходящей до вертикальной плоскости и перекрывается шариком на уровне или выше центра шарика.

2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что поверхность шарика из вещества тяжелее воды покрыта мягким резиноподобным веществом, обеспечивающим плотное прилегание к седлу сливной трубки.

Описание изобретения к патенту

В системах индивидуального водоснабжения используются погружные центробежные насосы с обратными клапанами, которые предотвращают слив воды из системы через насос после остановки насоса, или погружные вибрационные насосы, типа «Малыш», используемые без обратных клапанов, но также не допускающие слива воды из труб после остановки. Такие насосы имеют малую мощность, а их напорные трубы имеют диаметр условного прохода 15-25 мм. Замерзание воды, оставшейся в трубах, выводит систему из строя.

Для предотвращения замерзания воды в напорных трубах малых насосов устраивают отверстие в стенке трубы, выше насоса. Утечка воды через постоянно открытое отверстие увеличивает необходимое время работы и затраты энергии насоса. При малом диаметре отверстия (1-2 мм), когда утечка может считаться незначительной, имеется риск засорения отверстия и последующего замерзания воды в напорной трубе.

Более рациональное решение проблемы достигается с помощью автоматического клапана, установленного в напорном патрубке насоса. При работе насоса такой клапан остается закрытым, но при остановке насоса через него быстро сливается наружу вся вода, находящаяся в напорной трубе.

Известны многочисленные автоматические устройства для слива воды с целью предотвращения ее замерзания в трубах.

RU 2000392 C, 07.09.1993, E03B 3/06.

RU 2037605, 06.11.1991, E03B 7/10.

SU 469847 А, 14.08.1975.

SU 1756481 A1, 23.08.1992, E03D 11/02.

SU 612011 А, 26.05.1979, E21B 43/00.

SU 817161 А, 30.03.1981.

Ближайшим аналогом решения поставленной задачи является патент RU 2222671 от 2001.12.05, F16K 17/34. Устройство аналога поясняется текстом реферата:

«Автоматический сливной клапан включает корпус с входным и выходным отверстиями, внутри которого размещен рычаг с запорным элементом, один конец рычага шарнирно соединен с корпусом, а другой согнут, слив, выполненный в виде размещенной на боковой поверхности корпуса сливной трубки с седлом, вилку. Рычаг снабжен грузиком с возможностью опирания грузика на расположенные на противоположной стороне от седла образующие внутренней поверхностью корпуса и с возможностью закрывания запорного элемента при увеличении подачи насосом в момент наступления допустимой минимальной подачи, седло и контактирующая поверхность запорного элемента с седлом выполнены плоскими, седло, рычаг и вилка выполнены из пластмассы».

Из приведенного описания ясно, что внутри трубы, на ее вертикальном участке имеется автоматическое устройство с поворотным рычагом, грузиком и клапаном. При работе насоса грузик поднимается потоком воды, поворачивает рычаг и согнутым концом закрывает отверстие в стенке трубы. После остановки насоса грузик опускается до упора, преодолевая своим весом давление воды в трубе, отрывает клапан от седла и открывает сливное отверстие.

В описании сказано, что устройство предназначено для системы коллективного водоснабжения, имеющей собственную водонапорную башню. В таких системах используются относительно мощные насосы с трубами, в которых возможно размещение упомянутого устройства.

Очевидно, что такое устройство затруднительно применить в системах индивидуального водоснабжения, использующих вибрационный насос типа «Малыш», работающий с трубами внутренним диаметром 15 мм. Именно такой диаметр трубы имеет большинство вибрационных погружных насосов. Поставленную задачу можно решить более простым способом с использованием шарикового клапана по фиг.1, где:

1 - напорная труба насоса;

2 - шарик из вещества тяжелее воды:

3 - сливная трубка;

4 - нижний упор шарика;

5 - седло клапана (кольцеобразной формы), образованное внутренним концом сливной трубки и на данном изображении находящееся в горизонтальной плоскости С-С. Это седло является одновременно верхним упором клапана.

При работе насоса поток воды, поднимаясь вверх, прижимает шарик к горизонтальному седлу сливной трубки, перекрывает ее, но не препятствует проходу воды вверх. При остановке потока воды, что в нашем случае соответствует остановке насоса, шарик под действием своего веса опустится, откроет сливную трубку и вода из напорной трубы сольется наружу, что и требовалось получить.

Однако у этой простейшей схемы имеется существенный недостаток. Избыточное давление, сохраняющееся в напорной трубе после остановки насоса, может быть весьма значительным. Из-за этого шарик будет прижат к седлу и при некотором избыточном давлении клапан не откроется. Величина этой силы равна произведению площади отверстия сливной трубки на давление в напорной трубе. Для краткости назовем эту силу силой «прижатия» шарика.

Для оценки силы «прижатия» зададимся произвольными, но приемлемыми диаметрами сливной трубки 4 мм и шарика 22 мм в клапане с седлом, расположенным в горизонтальной плоскости. Площадь S поперечного сечения трубки диаметром 4 мм:

Объем V стального шарика диаметром 22 мм:

Для расчета веса шарика В в воде плотность его материала f уменьшаем на единицу, тогда вес шарика в воде:

Давление q в трубе, преодолеваемое шариком:

Это значит, что при напоре воды более 3 м водяного столба, клапан с выбранными размерами деталей не откроется. Полученный результат очевидно недостаточен.

Увеличение веса шарика нежелательно, так как при этом придется увеличить размеры устройства и, что еще важнее, повысить перепад давления между верхней и нижней сторонами шарика, при котором сливной клапан будет способен закрываться.

Из сказанного ясно, что конструкция простейшего клапана по фиг.1 мало пригодна для применения в малых трубах систем индивидуального водоснабжения диаметром 15-25 мм.

Для обеспечения легкого и плотного закрытия клапана после запуска насоса и для надежного открытия после остановки насоса в более широком диапазоне давлений оставшейся воды седло клапана следует расположить в вертикальной плоскости, или, в зависимости от расчетных параметров, выполнить наклонным к горизонтальной плоскости. Сущность предлагаемого клапана слива воды поясняется фиг.2, где:

1 - напорная труба насоса;

2 - шарик из вещества тяжелее воды:

3 - сливная трубка;

4 - нижний упор шарика;

5 - седло клапана круглой или, в зависимости от угла наклона седла, овальной формы, образованное внутренним концом сливной трубки. На данном изображении плоскость седла С-С находится под углом g к вертикали. Это седло является одновременно одним из верхних упоров шарика;

6 - дополнительный верхний упор, или несколько упоров шарика служат для центрирования шарика на контакте с седлом в верхнем положении.

Действие клапана:

При выключенном насосе шарик находится в нижнем положении, показанном пунктиром, опираясь на нижний упор. Проход воды вверх и проход воды на слив открыты. При включенном насосе вода поднимает шарик вверх, расклинивая его между верхним упором и торцом сливной трубки, перекрывая сливную трубку. При этом весь поток направляется вверх, беспрепятственно обходя шарик со всех сторон. В верхнем положении шарик удерживается восходящим потоком воды и силой, «прижатия» его к седлу. При действии восходящего потока шарик дополнительно прижимается к седлу расклинивающей силой от верхнего дополнительного упора.

После остановки насоса действие восходящего потока прекращается и шарик откроет сливную трубку, если сила веса сможет преодолеть силу «прижатия». Для этого в простейшем клапане с седлом в горизонтальной плоскости над шариком необходимо, чтобы вес шарика превосходил бы силу «прижатия».

Использование наклонного седла, или оптимального расположения седла в вертикальной плоскости, значительно увеличивает силу отрыва шарика от седла, превышая вес самого шарика. Сказанное иллюстрируется чертежом, фиг.3, где:

В - вес шарика;

Р - сила «прижатия» шарика, равная произведению площади трубки на давление воды;

К - равнодействующая этих двух сил;

r - радиус сливной трубки;

R - радиус шарика;

А - точка приложения равнодействующей силы и центр, вокруг которого поворачивается шарик в момент открытия клапана;

С-С - плоскость расположения седла клапана.

На фиг.3 показано положение клапана с седлом в вертикальной плоскости в тот момент, когда подъемная сила от потока действовать перестала, но сохраняет действие сила «прижатия» шарика к седлу под влиянием давления воды, остающейся в напорной трубе. В это время шарик находится под действием двух сил: силы собственного веса - В и силы «прижатия» - Р. Эти силы образуют два крутящих момента: удерживающий и опрокидывающий. Удерживающий момент равен произведению силы «прижатия» и внутреннего радиуса седла трубки.

.

Опрокидывающий момент равен произведению веса шарика В и радиуса шарика R.

.

Очевидно, что в начале движения шарик будет стремиться поворачиваться вокруг точки А приложения равнодействующей силы К, лежащей на нижней кромке седла клапана. Шарик останется в равновесии, если удерживающий момент будет равен опрокидывающему.

Отсюда

Клапан откроется, когда опрокидывающий момент превысит удерживающий, или, что то же самое:

Если центр седла находится на одном уровне с центром шарика, то решающим становится соотношение диаметров шарика и трубки. Воспользовавшись теми же размерами, получим:

Это значит, что клапан способен открываться даже при условии, когда вес шарика в 5,5 раза меньше «прижимающей» силы.

Используя данные примера, приведенного выше для клапана с горизонтальным седлом над шариком, который способен открываться при напоре воды до 3,04 м и прежние величины радиусов шарика и трубки, получим давление для клапана с седлом в вертикальной плоскости: 30,4×5,5=16,7 м водяного столба.

Если клапан расположить в колодце ниже глубины промерзания грунта, т.е на глубине 1,7 м, то допустимая высота столба воды над уровнем грунта, при которой клапан защитит систему от замерзания воды, составит: 16,7-1,7=15 м вод. ст.

Это приблизительная высота пятиэтажного дома. Ее вполне достаточно для большинства систем индивидуального водоснабжения. При более высоких напорах, которые обеспечиваются насосом, можно установить два или более клапана последовательно, на высоте 15 м друг над другом. В таком случае клапана будут срабатывать поочередно, начиная с верхнего.

В промежуточных положениях плоскости седла клапана между вертикальным и горизонтальным полезный эффект уменьшается.

Предлагаемый клапан может быть встроен с напорную трубу, встроен в корпус насоса, или выполнен как самостоятельное устройство с собственным корпусом.