Для чего нужны клапана: Клапаны двигателя: конструктивные особенности и назначение

Клапаны двигателя: конструктивные особенности и назначение

Клапанный механизм – это основной исполнительный компонент ГРМ (газораспределительный механизм) современного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Именно этот узел отвечает за безупречно точную работу мотора и обеспечивает в процессе работы:

• своевременную подачу подготовленной топливовоздушной смеси в камеры сгорания цилиндров;
• последующий отвод выхлопных газов.

Клапаны – ключевые детали механизма, которые должны гарантировать полную герметизацию камеры сгорания при воспламенении в ней топлива. Во время работы мотора они испытывают постоянно высокую нагрузку. Вот почему к процессу их изготовления, а также особенностям конструкции, регулировкам и непосредственно самой работе клапанов ДВС предъявляются жесткие требования.

Общее устройство

Для нормальной работы двигателя в конструкции газораспределительного механизма предусмотрена установка двух типов клапанов: впускных и выпускных. Первые отвечают за пропуск в камеру сгорания топливовоздушной смеси, вторые – за отвод отработанных газов.

Клапанная группа (одновременно является оконечным элементом системы ГРМ) включает в себя основные детали:

• стальная пружина;
• устройство (механизм) для крепления возвратного механизма;
• втулка, направляющая движение;
• посадочное седло.

Эксперты MotorPage.Ru обращают внимание автовладельцев на тот факт, что именно сопряжение «седло-клапан» при работе мотора подвергается самой высокой степени воздействия экстремальных температур и разнонаправленным (вверх, вниз, в стороны) механическим нагрузкам.

Кроме того, из-за скоростной работы образуется недостаточное количество смазки. В результате – интенсивный износ и необходимость проведения ремонта двигателя, замены и установки новых деталей ГРМ с последующей регулировкой зазоров.

К каждой паре и группе клапанов предъявляются следующие требования:

• минимально возможный вес;
• антикоррозийная устойчивость;
• безупречная теплоотдача клапана;
• устойчивость к высоким температурам;
• герметичность работы при контакте с седлом;
• повышенная механическая прочность и жесткость одновременно;
• отличный показатель стойкости к механическим и ударным нагрузкам;
• максимальный уровень обтекаемости при поступлении рабочей смеси в камеру сгорания и выпуске отработанных газов.

Конструктивные особенности

Главное предназначение клапана – своевременное открывание и закрывание технологических отверстий в блоке цилиндров для выпуска отработанных газов и впуска очередной порции топливовоздушной смеси.

В процессе работы двигателя основание выпускного клапана нагревается до высоких температур. У бензиновых моторов этот параметр достигает 800 — 900°С, у дизельных силовых агрегатов – 500 — 700°С. Впускные работают при температуре порядка 300°С.

Чтобы обеспечить необходимый уровень устойчивости к таким нагрузкам, для изготовления выпускных клапанов используют специальные жаропрочные сплавы и материалы, содержащие большое количество легирующих присадок.

Конструктивно деталь состоит из двух частей:

• головка, изготавливаемая из материала, устойчивого к экстремальным нагревам;
• стержень из высококачественной легированной углеродистой стали.

Для защиты от коррозии поверхность выпускных клапанов в местах контакта с цилиндром покрывается специальным сплавом толщиной 1,5 – 2,5 мм.

К впускным клапанам требования не столь жесткие, поскольку в процессе работы двигателя они охлаждаются свежей топливовоздушной смесью. Для изготовления стержней используются низколегированные марки сплавов с повышенными параметрами прочности, а тарелки делают из жаропрочных сталей.

Требования к изготовлению пружин и втулок

Пружины. В системе ГРМ эта деталь работает в условиях экстремально высоких температурных и механических нагрузок. Задача – обеспечить плотный и надежный контакт между клапаном и седлом в момент их стыковки.

Нередко в процессе работы пружины ломаются, испытывая повышенные нагрузки, зачастую это происходит по причине вхождения ее в резонанс. Как отмечают эксперты Моторпейдж, риск подобных неисправностей гораздо ниже при использовании пружин с переменным шагом витков. Также достаточно эффективны конические или двойные (усиленные) модели.

Пружины для клапанов изготавливают из специальной легированной стальной проволоки. Ее закаляют и подвергают отпуску (технологические операции, используемые в металлургическом производстве). Защиту от коррозии обеспечивает дополнительная обработка оксидом цинка или кадмия.

Втулки. Обеспечивают отвод излишков тепловой энергии от стержня клапана, а также его перемещение в заданной (возвратно-поступательной) плоскости. Эти направляющие элементы системы постоянно омываются раскаленными парами и отработанными выхлопными газами. Функционируют также в условиях экстремальных температур.

Потому к материалу изготовления втулок тоже предъявляются высокие требования – хорошая износоустойчивость, стойкость к максимально допустимым температурам и трению. Данным запросам соответствуют некоторые виды чугуна, алюминиевая бронза, высокопрочная керамика. Именно эти материалы и используются для производства втулок.

Клапан двигателя

Клапан – деталь газораспределительного механизма. Клапанный механизм (механизм привода клапанов) является составной частью газораспределительного механизма (ГРМ).

ГРМ бывает нижнеклапаннымм и верхнеклапаннымм. Современные силовые агрегаты повсеместно имеют верхнее расположение клапанов.

Клапан реализует прямую подачу в цилиндры определенной порции топливно-воздушной смеси или только воздуха, а также осуществляет выпуск отработавших газов. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания для нормальной работы требуется не менее двух клапанов на один цилиндр.

Клапаны бывают двух видов, что зависит от их прямой функции:

• впускной клапан;
• выпускной клапан;

Сегодня на современные моторы устанавливаются клапаны тарельчатого типа, которые имеют стержень. Устройство клапана включает в себя так называемую тарелку клапана. Наиболее распространенная конструкция ДВС получила клапаны, которые находятся в головке блока цилиндров (ГБЦ). То место, где клапан контактирует с ГБЦ, получило название седло клапана. Седло клапана ДВС стальное или чугунное, запрессовано в головку блока цилиндров.

Максимально качественное наполнение цилиндра двигателя топливно-воздушной смесью или воздухом  требует того, чтобы диаметр тарелки впускного клапана был больше, чем у выпускного клапана. Впускные и выпускные клапаны имеют определенные отличия по этой причине. Впускной клапан зачастую получает больший диаметр своей тарелки. Это сделано для того, чтобы улучшить  наполнение цилиндров топливно-воздушной смесью или только воздухом.

Что касается выпускного клапана, в увеличении диаметра его тарелки необходимость также присутствует. Это необходимо для лучшей очистки цилиндров от продуктов сгорания. Отметим, что размер тарелки впускного и выпускного клапанов ограничен размерами самой камеры сгорания, которая изготовлена в ГБЦ. Качественное наполнение цилиндров и очистка реализуются не путем увеличения диаметра тарелки одного клапана, а путем установки большего количества клапанов на один цилиндр.

Клапаны ДВС в процессе работы мотора испытывают серьезные механические и тепловые нагрузки. По этой причине их изготавливают из особых жаростойких и износостойких металлических сплавов. Кромка тарелки клапана может быть усиленной, иногда сама тарелка усиливается при помощи керамического напыления. Что касается стержня, то для впускного клапана предусмотрен цельнометаллический стержень. Выпускной клапан имеет полый стержень, дополнительно получает натриевое наполнение для улучшения охлаждения тарелки клапана.

Повышенное внимание уделяется вопросу охлаждения именно выпускных клапанов, особенно для производительных силовых агрегатов. Выпускные клапана подвержены тепловой нагрузке намного больше впускных. Как уже было сказано, клапаны в таких моторах имеют полый стержень, который внутри наполнен натрием. Такое решение является эффективным способом охлаждения. Указанный натрий при выходе мотора на рабочую температуру плавится внутри полого стержня клапана, а затем в расплавленном виде течет. Так осуществляется перенос избытков тепла от разогретой тарелки клапана к его стержню.

Место прилегания тарелки клапана к блоку называется фаской. Для того чтобы фаска не страдала от скопления нагара, а также было реализовано равномерное распределение тепла, в конструкции клапанного механизма используются решения для вращения (проворачивания) клапана в процессе работы ДВС.

Современное устройство наиболее распространенного двигателя предполагает схему с четырьмя клапанами, что означает наличие двух впускных и двух выпускных клапанов на каждый отдельный цилиндр. В момент открытия (клапан опускается) впускного клапана образуется кольцевой проход. Через этот проход между тарелкой клапана и седлом клапана в цилиндр попадает топливно-воздушная смесь или только воздух. От площади проходного сечения будет зависеть эффективность наполнения цилиндра, что далее влияет на показатели производительности при рабочем ходе поршня.

Могут также встречаться двухклапанные, трехклапанные и пятиклапанные схемы устройства ГРМ. В первом случае используется только один впускной и один выпускной клапан на цилиндр. Для трехклапанных схем характерно наличие двух впускных и одного выпускного клапана. Схема на пять клапанов означает, что стоят три впускных и два выпускных клапана. Количество клапанов на цилиндр зависит от общего размера камеры сгорания конкретного двигателя, реализации привода клапанов, степени форсировки мотора, а также ряда других факторов.

Открытие клапана реализовано при помощи нажатия на  клапанный стержень. За открытие отвечает привод клапана. Указанный привод обеспечивает передачу усилия от распределительного вала (распредвала). В современных двигателях используются две базовые схемы привода клапанов: привод посредством гидравлических толкателей клапана и реализация привода при помощи роликовых рычагов.

Закрытие клапана в процессе работы ДВС осуществляется при помощи специальной пружины определенной жесткости. Жесткость такой пружины должна быть ограниченной, чтобы не создавать больших ударных нагрузок на седла клапанов. Сила воздействия пружины заставляет тарелку клапана герметично перекрывать впускной или выпускной канал. Пружина клапана крепится на стержне посредством тарелки клапанной пружины и сухарей. Во время работы мотора, особенно под нагрузкой, могут возникать резонансные колебания на клапанах. Для устранения этого нюанса могут быть установлены сразу две клапанные пружины с разнонаправленными витками.

Жесткость таких пружин меньше по сравнению с решениями, которые получили только по одной пружиной. Использование двух пружин подразумевает то, что они навиты в разные стороны. Это сделано для предотвращения заклинивания клапана в результате поломки одной пружины. Так инженеры исключили риск попадания витков одной пружины клапана между витками другой. Для уменьшения трения клапанный механизм конструктивно имеет вышеупомянутые ролики (роликовый рычаг), которые находятся на толкателях и рычагах привода клапанов.

Читайте также

Зачем менять фазы газораспределения — ДРАЙВ

Качество работы двигателя — его КПД, мощность, крутящий момент и экономичность зависят от многих факторов, в том числе и от фаз газораспределения, то есть от своевременности открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов.

В обычном четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания клапаны приводятся в действие кулачками распределительного вала. Профиль этих кулачков определяет момент и продолжительность открытия (то есть ширину фаз), а также величину хода клапанов.

В большинстве современных двигателей фазы меняться не могут. И работа таких двигателей не отличается высокой эффективностью. Дело в том, что характер поведения газов (горючей смеси и выхлопа) в цилиндре, а также во впускном и выпускном трактах меняется в зависимости от режимов работы двигателя. Постоянно изменяется скорость течения, возникают различного рода колебания упругой газовой среды, которые приводят к полезным резонансным или, наоборот, паразитным застойным явлениям. Из-за этого скорость и эффективность наполнения цилиндров при различных режимах работы двигателя неодинаковы.

Фазы газораспределения в поршневых двигателях внутреннего сгорания — это моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов (окон). Фазы газораспределения обычно выражаются в градусах поворота коленчатого вала и отмечаются по отношению к начальным или конечным моментам соответствующих тактов.

Так, например, для работы на холостом ходу уместны узкие фазы газораспределения с поздним открытием и ранним закрытием клапанов без перекрытия фаз (время, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно). Почему? Потому что так удаётся исключить заброс выхлопных газов во впускной коллектор и выброс части горючей смеси в выхлопную трубу.

Тюнеры часто мудрят со сдвигом фаз при помощи таких сборных звёздочек. Заменив штатный распредвал на «спортивный» с другими фазами, можно добиться существенной прибавки мощности.

При работе на максимальной мощности ситуация сильно меняется. С повышением оборотов время открытия клапанов закономерно сокращается, но для обеспечения высоких крутящего момента и мощности через цилиндры необходимо прогнать куда больший объём газов, нежели на холостом ходу. Как решить столь непростую задачу? Открывать клапаны чуть раньше и увеличивать продолжительность их открытия, иными словами, сделать фазы максимально широкими. При этом для лучшей продувки цилиндров фазу перекрытия обычно делают тем шире, чем выше обороты.

Хондовская VTEC (Variable Valve Timing and Electronic Control) так же, как и тойотовская VVT-I (Variable Valve Timing with intelligence), позволяет плавно изменять фазы газораспределения фазовращателем с гидравлическим управлением. Это достигается путём поворота распределительного вала впускных клапанов относительно вала выпускных клапанов в диапазоне 40—60° (по углу поворота коленчатого вала).

Так что при разработке и доводке двигателей конструкторам приходится увязывать ряд взаимоисключающих требований и идти на сложные компромиссы. Посудите сами. С одними и теми же фиксированными фазами двигатель должен обладать неплохой тягой на низких и средних оборотах, приемлемой мощностью — на высоких. И плюс ко всему устойчиво работать на холостом ходу, быть максимально экономичным и экологичным. Вот так задачка!

Но конструкторы такие задачи уже давно щёлкают как семечки и способны при помощи сдвига и изменения ширины фаз газораспределения менять характеристики двигателя до неузнаваемости. Поднять момент? Пожалуйста. Повысить мощность? Не вопрос. Снизить расход? Не проблема. Правда, подчас получается так, что при улучшении одних показателей приходится жертвовать другими.

Doppel-VANOS (Doppel Variable Nockenwellen Steuerung) от BMW умеет двигать фазы плавно от начального до конечного значения. При помощи гидравлики система заведует как процессами впуска, так и выпуска.

А что если научить газораспределительный механизм подстраиваться под различные режимы работы двигателя? Запросто. Благо способов для этого придумана масса. Один из них — применение фазовращателя — специальной муфты, которая способна под действием управляющей электроники и гидравлики поворачивать распределительный вал на определённый угол относительно его первоначального положения. Наиболее часто такая система устанавливается на впуске. С повышением оборотов муфта проворачивает вал по ходу вращения, что ведёт за собой более раннее открытие впускных клапанов и как следствие — лучшее наполнение цилиндров на высоких оборотах.

Механизм газораспределения 3,2-литровой «шестёрки» FSI от Audi приводится цепями со стороны маховика. У каждого распределительного вала свой фазовращатель.

Но неуёмные инженеры не остановились на этом и разработали ряд систем, способных не только двигать фазы, но и расширять или сужать их. В зависимости от конструкции это может достигаться несколькими способами. Например, в тойотовской системе VVTL-i после достижении определённых оборотов (6000 об/мин) вместо обычного кулачка в работу начинает вступать дополнительный — с изменённым профилем. Профиль этого кулачка задаёт иной закон движения клапана, более широкие фазы и, кстати, обеспечивает больший ход. При раскрутке коленчатого вала до максимальных оборотов (около 8500 об/мин) на частоте вращения в 6000—6500 об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, которое способно придать автомобилю резкий и мощный подхват при ускорении.

Система Valvetronic позволила отказаться от дроссельной заслонки, система меняет и степень открытия клапанов и фазы. Применяется она на моторах BMW с 2001 года. Ход клапана меняется при помощи электродвигателя и сложной кинематической схемы и пределах 0,2–12 мм.

Изменять момент и продолжительность открытия — это замечательно. А что если попробовать изменять высоту подъёма? Ведь такой подход позволяет избавиться от дроссельной заслонки и переложить процесс управления режимами работы двигателем на газораспределительный механизм (ГРМ).

Аналогичная система от немецкой компании Mahle.

Чем вредна заслонка? Она ухудшает наполнение цилиндров на низких и средних оборотах. Ведь во впускном тракте под прикрытым дросселем при работе двигателя создаётся сильное разрежение. К чему оно приводит? К большой инертности разреженной газовой среды (топливовоздушной смеси), ухудшению качества наполнения цилиндра свежим зарядом, снижению отдачи и уменьшению скорости отклика на нажатие педали газа.

Система Variable Valve Event and Lift System (VEL), разработанная Ниссаном, напоминает баварский Valvetronic. Специальный эксцентрик, который приводится от электродвигателя, смещает точку опоры коромысла, и за счёт этого изменяет ход клапана. Высота подъёма варьируется в пределах 0,5–2 мм.

Поэтому идеальным вариантом было бы открывать впускной клапан только на время, необходимое для достижения нужного наполнения цилиндра горючей смесью. Ответ инженеров — механическая система управления подъёмом впускных клапанов. В таких системах высота подъёма и, соответственно, продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа. По разным данным, экономия от применения системы бездроссельного управления может составлять от 8% до 15%, прирост мощности и момента в пределах 5—15 %. Но и это не последний рубеж.

Так работает «трёхступенчатый» i-VTEC (Intelligent Variable Valve Timing and Lift Electronic Control). На низкой частоте вращения топливо экономится благодаря тому, что половина впускных клапанов практически дезактивирована. При переходе на средние обороты ранее «дремавшие» клапаны включаются в работу, но их амплитуда не максимальна. На мощностных режимах впускные клапаны начинают работать от единственного центрального кулачка. Он обеспечивает максимальный подъём клапанов, кроме того, его профиль специально заточен под мощностные режимы. Управление режимами осуществляется гидравликой и электроникой.

Несмотря на то что количество и размеры клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность наполнения и очищения цилиндров можно сделать ещё выше. За счёт чего? За счёт скорости открытия клапанов. Правда, механический привод здесь сдаёт позиции электромагнитному.

Осенью 2007 года Toyota запустит в производство моторы с газораспределительным механизмом Valvematic, который будет изменять не только фазы газораспределения, но и высоту подъёма впускных клапанов. Не секрет, что многие производители достаточно давно применяют подобные системы. Но Toyota в серию такую систему запускает впервые. Мощность двухлитрового атмосферника 1AZ-FE, благодаря новому газораспределительному механизму, удалось поднять со 152 до 158 сил, а момент — с 194 до 196 Нм.

В чём ещё плюс электромагнитного привода? В том, что закон (ускорение в каждый момент времени) подъёма клапана можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника согласно прописанной программе время от времени ненужные клапаны может не открывать, а цилиндры отключать вовсе. Зачем? В целях экономии, например, на холостом ходу, при движении в установившемся режиме или при торможении двигателем. Да что режимы — прямо во время работы электромагнитный ГРМ способен превратить обычный четырёхтактный мотор в шеститактный. Интересно, скоро ли появятся такие системы на конвейере?

А это схема работы механизма VVTL-i, предложенная компанией Toyota. Здесь высота подъёма и продолжительность открытия обоих впускных клапанов изменяются скачкообразно. При работе двигателя на частотах вращения коленчатого вала до 6000 об/мин высота подъёма и продолжительность открытия обоих клапанов задаются кулачком (1), который через рокер (5) воздействует на оба клапана. На оборотах выше 6000 закон движения клапанов задаётся более высоким кулачком (2). Чтобы ввести его в строй, нужно переместить сухарь (3) вправо (сухарь перемещается под давлением масла, которое в нужный момент повышается в управляющей магистрали). После того как сухарь переместился вправо, кулачок (2) через шток (4), который до этого времени свободно качался, начинает воздействовать на клапаны через рокер.

Опытный образец четырёхцилиндрового мотора с электромагнитным приводом клапанов и непосредственным впрыском был создан компанией BMW. Здесь количество воздуха, поступающего в цилиндр, регулируется продолжительностью открытия клапана, ход при этом не регулируется. Якорь подпружиненного клапана помещён между двумя мощными электромагнитами, которые призваны удерживать его только в крайних положениях. Чтобы предотвратить ударные нагрузки, каждый раз при приближении к крайнему положению клапан тормозится. Положение и скорость перемещения клапана фиксируются специальным датчиком.

Пожалуй, дальнейшее увеличение эффективности работы мотора за счёт ГРМ уже невозможно. Выжать ещё больше мощности и момента с того же объёма при меньшем расходе можно будет только с применением иных средств. Например, комбинированного наддува или конструкций, изменяющих степень сжатия, других видов топлива. Но это — уже совсем другой разговор.

ролей ваших четырех сердечных клапанов

Чтобы лучше понять состояние вашего клапана и то, что будет обсуждать ваш лечащий врач, полезно узнать, какую роль каждый сердечный клапан играет в здоровом кровообращении. Каждая часть кровеносной системы должна работать вместе, чтобы доставлять кровь, кислород и питательные вещества ко всем тканям. Посмотрите анимацию сердечных клапанов.

Какую роль каждый играет в здоровом кровообращении?

Четыре клапана в порядке циркуляции:

1. Трехстворчатый клапан
   • Имеет три створки или бугорки.
   • Отделяет верхнюю правую камеру (правое предсердие) от нижней правой камеры (правый желудочек).
   • Открывается, позволяя крови течь из правого предсердия в правый желудочек.
   • Предотвращает обратный ток крови из правого желудочка в правое предсердие.

   Связанные проблемы клапана включают: атрезию трехстворчатого клапана, регургитацию трехстворчатого клапана, стеноз трехстворчатого клапана

2. Легочный клапан (или легочный клапан)

   (ссылка откроется в новом окне)

   Посмотрите анимацию анатомии сердечного клапана.

   • Имеет три листовки.
   • Отделяет правый желудочек от легочной артерии.
   • Открывается, позволяя перекачивать кровь из правого желудочка в легкие (через легочную артерию), где она будет получать кислород.
   • Предотвращает обратный ток крови из легочной артерии в правый желудочек.

   Связанные проблемы клапана включают: стеноз клапана легочной артерии, регургитацию клапана легочной артерии

3. Митральный клапан
   • Имеет две брошюры.
   • Отделяет верхнюю левую камеру (левое предсердие) от нижней левой камеры (левый желудочек).
   • Открывается, позволяя крови течь из левого предсердия в левый желудочек.
   • Предотвращает обратный ток крови из левого желудочка в левое предсердие.

   Связанные проблемы клапана включают: пролапс митрального клапана, регургитацию митрального клапана, стеноз митрального клапана

4. Аортальный клапан
   • Имеет три листовки, если не является ненормальным от рождения, т. е.е., двустворчатый аортальный клапан.
   • Отделяет левый желудочек от аорты.
   • Открывается, позволяя крови покидать сердце из левого желудочка через аорту и тело.
   • Предотвращает обратный ток крови из аорты в левый желудочек.

   Связанные проблемы клапана включают: аортальную регургитацию (также называемую аортальной недостаточностью), стеноз аорты

Основы для правильной работы клапанов

• Клапан имеет правильную форму и гибкий.
• Клапан должен открываться полностью, чтобы кровь могла пройти.
• Клапан должен плотно закрываться, чтобы кровь не просачивалась обратно в камеру.

сердечных клапанов и как они работают | Аортальный, митральный, легочный и трехстворчатый клапаны

Сердечные клапаны играют жизненно важную роль в работе сердца

Сердце имеет четыре сердечных клапана — аортальный, митральный, легочный и трикуспидальный клапаны. Все четыре клапана открываются и закрываются, помогая перемещать кровь из одной области в другую.Два клапана, митральный и трехстворчатый, перемещают кровь из верхних камер сердца (предсердия) в нижние камеры сердца (желудочки). Два других клапана, аортальный и легочный, перемещают кровь в легкие и остальную часть тела через желудочки. Когда сердечные клапаны открываются и закрываются, они издают звуки, которые мы знаем как сердцебиение.

Вот обзор кровообращения в сердце: Во-первых, кровь возвращается из тела в правое предсердие.Эта кровь была истощена кислородом, когда кислород был доставлен в ткани тела, поэтому ей требуется больше кислорода, чтобы поддерживать процесс. Правое предсердие, теперь заполненное обедненной кислородом кровью, перекачивает кровь через трикуспидальный клапан в правый желудочек. Затем правый желудочек сокращается, перекачивая кровь через легочный клапан в легочную артерию. Легочная артерия переносит кровь от сердца к легким, где кровь получает кислород, которым мы дышим, становясь богатой кислородом кровью.

В то же время, когда происходит вышеуказанный процесс, богатая кислородом кровь возвращается из легких через левое предсердие. Затем левое предсердие перемещает кровь через митральный клапан в левый желудочек. Когда левый желудочек сокращается, он перемещает кровь через аортальный клапан в аорту. Затем аорта снабжает кровью остальную часть тела.

Клапаны перемещают кровь через сердце. Когда две предсердные камеры сокращаются, трикуспидальный и митральный клапаны открываются, что позволяет крови перемещаться к желудочкам.Когда две камеры желудочка сокращаются, они заставляют трикуспидальный и митральный клапаны закрыться, а легочные и аортальные клапаны открываются. Предполагается, что кровь, которая должна покидать желудочки и двигаться к телу, не должна течь в неправильном направлении с помощью частей аортального и легочного клапанов, называемых створками. Бугорки помогают клапанам создавать плотное уплотнение, что помогает крови течь в правильном направлении.

Большинство заболеваний сердечных клапанов возникает в клапанах с левой стороны сердца — аортальном клапане и митральном клапане. Однако любой клапан сердца может быть поражен клапанной болезнью.

Клапанные нарушения классифицируются по клапану и типу дисфункции.

Стеноз — Когда клапанные отверстия узкие или неправильно сформированы при рождении, кровоток может быть заблокирован. Это приводит к тому, что створки клапана становятся жесткими, утолщаются или сливаются. В этом случае сердце должно работать сильнее, чтобы помочь пройти через стенозирующие клапаны. Стеноз может быть у всех клапанов.

Срыгивание — Когда клапаны не закрываются полностью, кровь может течь назад.Это называется срыгиванием.

Выпадение — Когда створки сердечного клапана не закрываются должным образом

• Пролапс митрального клапана
• Выпадение легочного клапана

Регургитация сердечного клапана и стеноз могут возникать одновременно. Когда приток крови к сердцу и от него (и внутри) нарушен, сердце может стать слабым и не сможет эффективно перекачивать кровь. Заболевание сердечного клапана — одна из основных причин сердечной недостаточности. Это также может привести к опасным и даже смертельным аритмиям.

Заболевания сердечного клапана | Johns Hopkins Medicine

Что такое сердечные клапаны?

Сердце состоит из 4-х камер — 2-х предсердий (верхние камеры) и 2-х желудочков (нижние камеры). Кровь проходит через клапан, покидая каждую камеру сердца. Клапаны предотвращают обратный ток крови. Они действуют как односторонние входы крови с одной стороны желудочка и односторонние выходы крови с другой стороны желудочка. К 4 сердечным клапанам относятся следующие:

• Трехстворчатый клапан. Находится между правым предсердием и правым желудочком.

• Легочный клапан. Находится между правым желудочком и легочной артерией.

• Митральный клапан. Находится между левым предсердием и левым желудочком.

• Аортальный клапан. Находится между левым желудочком и аортой.

Как работают сердечные клапаны?

По мере того, как сердечная мышца сокращается и расслабляется, клапаны открываются и закрываются, позволяя крови течь в желудочки и выходить из организма попеременно.Ниже приводится пошаговое объяснение кровотока через сердце.

• Левое и правое предсердия сжимаются, когда они наполняются кровью. Это открывает митральный и трикуспидальный клапаны. Затем кровь закачивается в желудочки.

• Левый и правый желудочки соприкасаются. Это закрывает митральный и трикуспидальный клапаны, предотвращая обратный кровоток. В то же время открываются аортальный и легочный клапаны, позволяя выкачивать кровь из сердца.

• Левый и правый желудочки расслабляются. Аортальный и легочный клапаны закрываются, предотвращая обратный ток крови в сердце. Затем митральный и трикуспидальный клапаны открываются, позволяя прямому току крови внутри сердца снова заполнять желудочки.

Что такое порок сердечного клапана?

Нарушения сердечного клапана могут возникать в результате 2 основных типов проблем:

• Срыгивание (или утечка клапана). Когда клапан (ы) не закрывается полностью, это заставляет кровь течь обратно через клапан.Это снижает прямой кровоток и может привести к объемной перегрузке сердца.

• Стеноз (или сужение клапана). Когда отверстие клапана (ов) сужается, это ограничивает поток крови из желудочков или предсердий. Сердце вынуждено перекачивать кровь с повышенной силой, чтобы продвигать кровь через суженный или жесткий (стенозирующий) клапан (ы).

Клапаны сердца могут вызывать регургитацию и стеноз одновременно.Кроме того, одновременно могут быть затронуты несколько сердечных клапанов. Когда сердечные клапаны не открываются и не закрываются должным образом, последствия для сердца могут быть серьезными, что может препятствовать способности сердца перекачивать достаточное количество крови по телу. Проблемы с сердечным клапаном — одна из причин сердечной недостаточности.

Каковы симптомы порока сердечного клапана?

Поражение клапана сердца от легкой до средней степени может не вызывать никаких симптомов. Это наиболее частые симптомы порока сердечного клапана:

• Боль в груди

• Учащенное сердцебиение, вызванное нерегулярным сердцебиением

• Усталость

• Головокружение

• Низкое или высокое кровяное давление, в зависимости от того, какое заболевание клапана присутствует

• Одышка

• Боль в животе из-за увеличения печени (при нарушении работы трехстворчатого клапана)

• Отек ноги

Симптомы порока сердечного клапана могут быть похожи на другие медицинские проблемы. Всегда обращайтесь к врачу за диагнозом.

Что вызывает повреждение сердечного клапана?

Причины повреждения сердечного клапана различаются в зависимости от типа имеющегося заболевания и могут включать следующее:

• Изменения в структуре клапана сердца вследствие старения

• Ишемическая болезнь сердца и сердечный приступ

• Инфекция клапана сердца

• Врожденный порок

• Сифилис (инфекция, передающаяся половым путем)

• Миксоматозная дегенерация (наследственное заболевание соединительной ткани, ослабляющее ткань сердечного клапана)

Митральный и аортальный клапаны чаще всего поражаются пороком сердца.Некоторые из наиболее распространенных заболеваний сердечного клапана включают:

Как диагностируется порок сердечного клапана?

Ваш врач может подумать, что у вас заболевание сердечного клапана, если тоны вашего сердца, услышанные через стетоскоп, ненормальны.Обычно это первый шаг в диагностике порока сердечного клапана. Характерный шум в сердце (аномальные звуки в сердце из-за турбулентного кровотока через клапан) часто может означать клапанную регургитацию или стеноз. Чтобы дополнительно определить тип заболевания клапана и степень повреждения клапана, врачи могут использовать любой из следующих тестов:

• Электрокардиограмма (ЭКГ). Тест, который регистрирует электрическую активность сердца, выявляет аномальные ритмы (аритмии) и иногда может обнаружить повреждение сердечной мышцы.

• Эхокардиограмма (эхо). Этот неинвазивный тест использует звуковые волны для оценки камер и клапанов сердца. Эхо-звуковые волны создают изображение на мониторе, когда ультразвуковой преобразователь проходит над сердцем. Это лучший тест для оценки функции сердечного клапана.

• Чреспищеводная эхокардиограмма (TEE). Этот тест включает в себя введение небольшого ультразвукового датчика в пищевод. Звуковые волны создают изображение клапанов и камер сердца на мониторе компьютера, при этом ребра и легкие не мешают.

• Рентген грудной клетки. Этот тест, в котором используются невидимые лучи электромагнитной энергии для получения изображений внутренних тканей, костей и органов на пленке. Рентген может показать увеличение в любой области сердца.

• Катетеризация сердца. Этот тест включает введение крошечной полой трубки (катетера) через большую артерию в ноге или руке, ведущую к сердцу, для получения изображений сердца и кровеносных сосудов.Эта процедура помогает определить тип и степень определенных заболеваний клапана.

• Магнитно-резонансная томография (МРТ). В этом тесте используется комбинация больших магнитов, радиочастот и компьютера для получения подробных изображений органов и структур внутри тела.

Как лечить порок сердечного клапана?

В некоторых случаях ваш врач может просто захотеть в течение некоторого времени внимательно наблюдать за проблемой сердечного клапана. Однако другие варианты включают в себя лекарство или операцию по ремонту или замене клапана. Лечение различается в зависимости от типа порока сердечного клапана и может включать:

• Медицина. Лекарства не являются лекарством от болезни сердечного клапана, но лечение часто может облегчить симптомы. Эти лекарства могут включать:

  • Бета-адреноблокаторы, дигоксин и блокаторы кальциевых каналов для уменьшения симптомов сердечного клапана путем контроля частоты сердечных сокращений и предотвращения нарушений сердечного ритма.

  • Лекарства для контроля артериального давления, такие как диуретики (выводят лишнюю воду из организма за счет увеличения диуреза) или вазодилататоры (расслабляют кровеносные сосуды, уменьшая силу, с которой сердце должно работать), чтобы облегчить работу сердца.

• Хирургия. Может потребоваться операция для ремонта или замены неисправного клапана (ов). Хирургия может включать:

  • Ремонт клапана сердца. В некоторых случаях операция на неисправном клапане может помочь облегчить симптомы. Примеры операций по восстановлению сердечного клапана включают ремоделирование патологической ткани клапана, чтобы клапан работал должным образом, или установку протезных колец, чтобы помочь сузить расширенный клапан. Во многих случаях восстановление сердечного клапана предпочтительнее, потому что используются собственные ткани человека.

  • Замена сердечного клапана. Когда сердечные клапаны сильно деформированы или разрушены, их может потребоваться замена новым клапаном.Сменные клапаны могут быть тканевыми (биологическими) клапанами, которые включают клапаны животных и донорские аортальные клапаны человека, или механическими клапанами, которые могут состоять из металла, пластика или другого искусственного материала. Обычно для этого требуется операция на сердце. Но с некоторыми заболеваниями клапана, такими как стеноз аортального клапана или регургитация митрального клапана, можно лечить безоперационными методами.

Другой вариант лечения, который является менее инвазивным, чем операция по восстановлению или замене клапана, — это баллонная вальвулопластика.Это нехирургическая процедура, при которой специальный катетер (полая трубка) вводится в кровеносный сосуд в паху и направляется в сердце. На конце катетера находится спущенный баллон, который вставляется в суженный клапан сердца. Оказавшись на месте, баллон надувается, чтобы открыть клапан, а затем удаляется. Эта процедура иногда используется для лечения стеноза легочной артерии и, в некоторых случаях, стеноза аорты.

3.9: Клапаны — типы, виды и выбор

Примечание. Второе и третье уравнения взяты из лекции Питера Вульфа Fall’08 под названием «Пример моделирования: резервуары для перенапряжения, клапаны, датчики уровня и моделирование».

Расход воздуха и газа

(когда P _o <0,53 P _i )

(когда P _o > 0,53 P _i )

Где:

• Q = расход ( футов ³ / ч )
• G _f = удельный вес газообразной среды (безразмерный)
• ΔP = абсолютный перепад давления на клапане (psia)
• P _o = выходное давление (psia)
• P _i = давление на входе (psia)
• T = температура газа (градусы F)

Соотношение между входным и выходным давлением важно, как показано выше, при определении того, какое уравнение использовать для газового потока.Когда давление на выходе составляет менее 53% от давления на входе, считается, что это критических перепадов давления. Газ будет вести себя по-разному, когда падение давления является критическим, поэтому необходимо использовать правильное уравнение в зависимости от степени падения давления. После того, как вы вычислили желаемое значение C _v , вы можете выбрать клапан. Выбранный клапан должен иметь коэффициент клапана больше или равный вычисленному значению.

Другая информация о размерах

При выборе клапана важно не выбирать слишком маленький клапан.При выборе клапана примите во внимание следующие советы.

— Клапаны не должны быть меньше половины диаметра трубы.

— Клапаны легче всего контролировать, когда они открыты от 10 до 80% максимального расхода.

Использование коэффициента расхода для определения размеров клапана

Коэффициент расхода, C _v , используется в качестве стандартного параметра размера. Он используется для определения размеров клапана, а также в программах моделирования для больших трубопроводных систем. C _v — важная и практичная переменная, которая существенно необходима при использовании труб и клапанов. Попробуйте поискать информацию о клапане, и вы, скорее всего, найдете информацию, требующую C _v , а также тип клапана и его использование.

Попробуйте найти информацию о конкретных клапанах на веб-сайте American Valve. [1]

Вы заметите, что для каждого типа и размера клапана в списке указаны C _v для правильного размера и функции.Таблицы, в которых используется это значение, доступны практически для всех возможных клапанов, и их следует использовать для предотвращения чрезмерного или недостаточного использования клапанов в технологических процессах.

CV диаграмма

При выборе клапана важно выбрать правильную диаграмму Cv. Для разных типов клапанов используются разные графики Cv. Ниже описаны некоторые различные типы клапанов. Обратите внимание, что ход клапана , означает величину потока через трубу, а ход клапана , означает величину, на которую клапан поворачивается для достижения хода клапана.

Клапаны равнопроцентного действия: Клапан, обеспечивающий равный ход клапана для равных приращений хода клапана. Это самый распространенный тип клапана.

Линейные клапаны: Ход клапана прямо пропорционален ходу клапана.

Клапаны быстрого открытия: Небольшой ход клапана приводит к большому ходу клапана. Пример: задвижки

Равнопроцентные и линейные клапаны обеспечивают наилучшее регулирование дросселирования. Примерами являются шаровые затворы и дроссельные заслонки.

Клапаны различаются от производителя к производителю. Производители клапанов могут предоставить вам диаграммы Cv для определения размеров каждого типа клапана, который они производят. Ниже представлена ​​диаграмма CV экзамена. VT обозначает ход клапана.

Материалы

Обычно недостаточно просто выбрать тип клапана, подходящий для заданных параметров процесса. Выбор совместимых материалов конструкции помогает обеспечить срок службы клапана, а также безопасность персонала, окружающей среды и населения.

При выборе наиболее подходящих материалов для изготовления регулирующих клапанов руководствуемся в первую очередь эксплуатацией клапана, а затем, во вторую очередь, стоимостью; для использования будет выбран наименее дорогой материал, совместимый с данной услугой. Правильный выбор материала способствует безопасности за счет исключения материалов конструкции, которые могут вступать в реакцию с технологической жидкостью или подвергаться коррозии.

Основными материалами, которые необходимо тщательно выбирать, являются смачиваемые материалы, то есть материалы, которые вступают в контакт с технологической жидкостью.Как правило, это шар (для шаровых кранов), диск (для дисковых затворов) и пробка (для пробковых и шаровых кранов). Также включены сиденья, то есть область, где заглушка или диск «сидит» в закрытом состоянии, чтобы обеспечить фактическое отключение. Уплотнения и корпус клапана также обычно смачиваются.

Существует множество ресурсов, которые содержат информацию о том, какие ресурсы совместимы с широким спектром технологических жидкостей, например, База данных по химической стойкости Cole Parmer и Руководство по химической совместимости насосов Cat

.

Конструктивные параметры, присущие самим конструкциям клапана, повышают безопасность. Для высоких рабочих давлений (или в случае пожара) некоторые клапаны спроектированы с исходными гибкими уплотнительными кольцами, которые функционируют как первичные уплотнения. За этими первичными уплотнениями будет находиться резервное уплотнение из более прочного материала, такого как нержавеющая сталь 316, инконель или хастеллой. Эти резервные уплотнения помогают выдерживать дополнительное давление и тепло.

В узкоспециализированном случае, когда технологическая текучая среда настолько опасна или небезопасна, что любой выброс технологической текучей среды является недопустимым, уплотнение клапана может находиться под небольшим давлением с помощью затворной жидкости.Пока давление затворной жидкости выше, чем давление технологической жидкости, любая утечка между клапаном и технологическим процессом приведет к утечке затворной жидкости в технологический процесс, а не технологической жидкости в окружающую среду. Хотя в качестве дополнительного примечания, для этих применений обычно требуется трубопровод с двойной защитой и целый ряд других мер предосторожности, помимо безопасности клапана. Наиболее распространенной затворной жидкостью является вода или смесь воды и антифриза для защиты от замерзания.

Некоторые другие соображения при выборе материала для клапана — это долговечность / надежность клапана и температурный диапазон использования.Если клапан является регулирующим клапаном, который используется постоянно, важно выбирать прочные материалы или планировать частую замену клапана. Температура обслуживания также важна; материалы должны быть выбраны таким образом, чтобы механическая целостность клапана сохранялась на протяжении всей рабочей температуры.

Проблемы

Шум

Шум в системе создается турбулентностью от дроссельного клапана. Дросселирование — это когда клапан не используется как простой клапан ОТКРЫТЬ / ЗАКРЫТЬ, а вместо этого используется для управления расходом.

Он может быть довольно громким и повредить слух людей, а также оборудование. Для управления шумом можно использовать два метода. Первый — использовать тихую подстройку, которая препятствует системному шуму до того, как он начнется, а второй — обработать путь (трубопровод), где шум уже возникает. Для этого можно использовать более толстый трубопровод или изоляцию.

Кавитация

Как упоминалось ранее, в точке, где скорость жидкости максимальна, давление минимально. Предполагая, что текучая среда несжимаема (жидкость), если давление упадет до давления пара текучей среды, локализованные области текучей среды будут испаряться, образуя пузырьки, которые схлопываются сами по себе по мере увеличения давления ниже по потоку.Это приводит к сильным ударным волнам, которые являются шумными и обязательно разрушат технологическое оборудование. Это процесс, называемый кавитацией.

При заданном расходе у клапана с наименьшим минимальным проходным сечением через клапан будет больше всего проблем с кавитацией (и засорением, как указано в следующем разделе).

Удушье

Если жидкость сжимаема и перепад давления достаточен, жидкость может достичь звуковой скорости. В этот момент статическое давление после клапана превышает расчетные пределы.Это процесс, известный как засорение, поскольку он замедляет, по сути, «перекрывает» поток через клапан.

Для данного расхода у клапана с наименьшим минимальным проходным сечением через клапан будет больше всего проблем с засорением.

Дросселирование важно для процесса с использованием газа, поскольку массовый расход зависит только от давления на входе и температуры на входе. Становится легче контролировать расход, поскольку клапаны и диафрагмы могут быть откалиброваны для этой цели.(к / (к — 1)). Если давление на входе ниже, чем на выходе, невозможно получить звуковой поток.

Задушивание жидкости обычно происходит из-за эффекта Вентури. Если эффект Вентури снижает давление жидкости ниже, чем давление пара жидкости при той же температуре, это вызовет появление пузырьков в жидкости. Этот взрыв пузырьков может вызвать достаточную турбулентность (известную как кавитация), которая может привести к физическому повреждению труб, клапанов, контроллеров, датчиков и / или всего другого оборудования, связанного с этим участком потока.

Как упоминалось выше, ограничивающим случаем эффекта Вентури является закупорка потока, поскольку меньшее пространство в трубе ограничивает общий расход. Эффект Вентури — это давление жидкости, возникающее в результате прохождения несжимаемой жидкости через узкий или суженный участок трубы. Эффект Вентури можно объяснить такими принципами, как принцип Бернулли и уравнение неразрывности.

Уравнение Бернулли:

Уравнение неразрывности:

для несжимаемых жидкостей:

Чтобы удовлетворить уравнению неразрывности, скорость жидкости в пространстве должна увеличиваться, но давление должно уменьшаться, чтобы соответствовать уравнению Бернулли, которое связано с законом сохранения энергии через падение давления.

Трубки Вентури используются для регулирования скорости жидкости. Если требуется увеличение скорости, тогда труба будет уменьшаться в диаметре или площади проекции по мере того, как жидкость удаляется от насоса или источника энергии. Если требуется уменьшение скорости жидкости, трубка будет увеличиваться в диаметре по мере удаления от источника энергии (которым может быть насос). При использовании трубки Вентури в систему иногда попадает воздух, который смешивается с жидкостью в трубе. Это вызывает напор в конце системы.

Трубки Вентури

в некоторых случаях могут быть заменены диафрагмами . Диафрагменные пластины используют те же принципы, что и трубки Вентури, но вызывают более постоянные потери энергии в системе. Однако изготовление диафрагм обходится дешевле, чем трубок Вентури.

Повышение давления на входе

Если регулирующий клапан имеет неправильный размер и слишком мал, скорость жидкости перед клапаном замедлится, что приведет к увеличению давления (так же, как когда конец садового шланга частично заблокирован).Это повышение давления на входе может быть вредным для определенных процессов, например процессов мембранной фильтрации, когда желательна большая разница давлений на мембране. Если клапан увеличивает давление на пермеатной стороне мембраны, движущая сила разделения будет уменьшена.

Снижение статической температуры на входе вызовет увеличение статического давления на входе, что приведет к увеличению массового расхода, поэтому важно следить за температурой.

Гистерезис

Гистерезис, в общем, определяется как явление, при котором предыдущие события могут влиять на последующие события в определенном процессе. Это может создать взаимосвязь в процессе, идущем в одном направлении, однако при выполнении того же процесса в прямо противоположном направлении такая же взаимосвязь не возникает. При отображении процессов, демонстрирующих гистерезис, между двумя одинаково противоположными кривыми есть область, которая используется для описания степени гистерезиса, наблюдаемого в процессе.

Наиболее часто описываемый процесс, демонстрирующий гистерезис, включает использование эластичных материалов и может представлять собой приложение силы (веса) к растяжимой резиновой ленте и разгрузка ее. По мере того, как вы нагружаете резиновую ленту все больше и больше, она будет растягиваться в ответ на увеличение веса. Впоследствии вы можете снимать груз аналогичным шагом и наблюдать за способностью резинки сжиматься. Однако резинки не полностью подчиняются закону Гука, поэтому при разгрузке резинка будет длиннее при соответствующем весе при загрузке. Ниже представлено графическое изображение этого явления.

Как видно на приведенном выше графике, для любой заданной силы, приложенной к резиновой ленте, удлинение разгрузки больше, чем удлинение при нагрузке. Это показывает, как процесс загрузки повлиял на результат процесса разгрузки. Область графика между двумя кривыми — это область гистерезиса и, в этом случае, представляет собой рассеиваемую энергию в виде тепла. Чем больше эта область, тем менее эффективна эта резинка для поддержания формы и, следовательно, тем хуже она подчиняется закону Гука.

Гистерезис регулирующих клапанов — это принцип, по которому регулирующий клапан зависит от предыдущего положения клапана. Обычное открытие клапана может соответствовать разным расходам в зависимости от того, был ли клапан открыт или закрыт, чтобы попасть в это положение. Это показывает, что направление изменения клапана, возможно, необходимо учитывать в системе управления для получения желаемой скорости потока. Если гистерезис становится слишком большим, это может привести к тому, что архитектура управления заставит систему колебаться вокруг желаемой точки.

Болтовня

Дребезжание в первую очередь вызывает беспокойство при выборе предохранительных клапанов и их размерах. Дребезжание — это быстрое открытие и закрытие предохранительного клапана или устройства сброса давления. Обычно дребезжание возникает из-за большого перепада давления между сбрасываемым сосудом и клапаном, сбрасывающим давление.

Если давление за закрытым предохранительным клапаном вырастет до некоторого критического давления, он откроется. После открытия жидкость будет вытекать из емкости через предохранительный клапан, чтобы снизить давление внутри емкости.Возможно наличие трубы достаточной длины, фитингов или других препятствий для снижения энергопотребления, чтобы, как только поток высокого давления достигнет предохранительного клапана, давление в жидкости снова станет ниже критического давления клапана. Поскольку в жидкости недостаточно давления, чтобы удерживать предохранительный клапан открытым, он закрывается, и в сосуде повышается давление, в результате чего предохранительный клапан снова открывается, локально сбрасывается давление и снова закрывается. Это открытие и закрытие называется болтовней. Вибрации, вызванные дребезжанием, могут быть чрезвычайно разрушительными, вызывая ненужный износ предохранительного клапана, возможное смещение седла в фитингах и даже полный отказ клапана или окружающих трубопроводов.

Дребезжания можно избежать, убедившись, что при критических скоростях выпуска перепад давления на фитингах к предохранительному клапану недостаточно велик, чтобы клапан закрывался после начала выпуска жидкости.

Приводы

Приводы — это механическое оборудование, обеспечивающее усилие, необходимое для открытия или закрытия клапана. Приводы, по сути, являются альтернативой ручному управлению клапаном. Метод приложения силы открытия / закрытия к клапану — это то, что отличает различные типы приводов. При выборе привода наиболее важной особенностью, которую необходимо указать, является то, хотите ли вы безотказно открыть или закрыть. Это полностью определяется тщательным анализом процесса, чтобы решить, что безопаснее. В случае отключения электроэнергии или возникновения другой аварийной ситуации решение об отказоустойчивом режиме клапана является огромным фактором для спасения жизней. Например, если реакция является экзотермической, безотказный режим охлаждающей воды в рубашке реактора должен быть отказоустойчивым открытым. Пневматические приводы имеют задержку срабатывания, что делает их идеальными для устойчивости к небольшим перепадам давления в источнике.Гидравлические приводы, с другой стороны, используют несжимаемую жидкость, поэтому время отклика практически мгновенное.

Пневматический

Пневматические приводы — самый популярный тип приводов. Стандартная конструкция пневматического привода состоит из предварительно сжатой пружины, которая прикладывает силу к диску в герметичной гибкой камере. Диск обычно прикрепляется к штоку клапана, которым он предназначен. Поскольку камера сжимается воздухом, камера расширяется и сжимает пружину дальше, обеспечивая осевое перемещение штока клапана.Знание взаимосвязи между давлением воздуха в камере и расстоянием, на которое перемещается шток, позволяет точно контролировать поток через клапан.

Самым большим преимуществом пневматических приводов является их безотказная работа. По конструкции сжатой пружины инженер может определить, закроется или откроется клапан при отказе, в зависимости от безопасности процесса. К другим преимуществам можно отнести надежность, простоту обслуживания и широкое использование таких устройств.

Преобразование движения

Приводы преобразования движения

обычно используются для адаптации обычного поступательного движения от выхода привода к поворотному клапану.Шток, который перемещается в осевом направлении от привода поступательного движения, соединен с диском, и соединение поворачивается. Сам диск также поворачивается вокруг своего центра. Эта система шарниров позволяет преобразовывать поступательное движение во вращение диска, которое открывает или закрывает поворотный клапан.

Основным преимуществом этой установки является то, что недорогой привод поступательного движения может использоваться с поворотными клапанами. Ключевым недостатком является то, что приложения, в которых это можно использовать, очень ограничены.В частности, эта установка бесполезна в общем случае, когда необходимое вращательное движение превышает 90 °.

Гидравлический

Гидравлические приводы работают по тому же принципу, что и пневматические приводы, но конструкция обычно изменяется. Вместо гибкой камеры — герметичный скользящий поршень. Кроме того, вместо использования пружины в качестве противодействующей силы гидравлическая жидкость находится с обеих сторон поршня. Перепад давления в зоне головки поршня определяет результирующую силу.

Преимущество гидравлических приводов

заключается в том, что они небольшие, но при этом обеспечивают огромную силу. Недостатками гидравлических приводов являются, прежде всего, большие капитальные затраты и сложность их обслуживания.

Электрический

В электрических приводах

обычно используются стандартные двигатели, работающие от индукции переменного тока, постоянного тока или от конденсаторной индукции с разделенной фазой. Двигатель соединен с шестерней или резьбой, которая создает тягу для перемещения клапана. В целях обеспечения отказоустойчивости некоторые двигатели оснащены блокировкой в ​​последнем положении на своей передаче.Это означает, что шестерня не может двигаться под воздействием сил вне электродвигателя. Это помогает предотвратить перерегулирование двигателя, а также помогает лучше позиционировать шестерню.

Другой тип двигателя, который можно использовать, называется шаговым двигателем. Он использует приращения на понижении передачи, чтобы облегчить проблемы с позиционированием и перерегулированием. Приращения находятся в диапазоне от 5000 до 10000 приращений при повороте на 90 градусов.

Проблема с использованием электрических приводов заключается в том, что необходима резервная система с батарейным питанием, иначе система окажется бесполезной во время сбоя питания.Кроме того, привод должен находиться в безопасной среде, то есть в невзрывоопасной среде.

Руководство

Ручные приводы обычно используются для блокировки силовых приводов, описанных выше. Это важная мера безопасности на случай выхода из строя силового привода. Ручные приводы обычно состоят из рычага или колеса (используется для больших клапанов), соединенного с винтом или резьбой, которые поворачивают клапан.

Сводные таблицы

В таблице ниже показан список типичных значков для различных клапанов, используемых в промышленности.

Пример выбора клапана и привода

Примечание. Эта проблема полностью выдумана. Любое отношение к реальному происшествию полностью случайно.

Инженер-химик хочет использовать клапан для запуска / остановки подачи жидкой воды в CSTR. Определение начального / конечного расхода осуществляется датчиком уровня в CSTR. Как только вода достигнет определенного уровня внутри CSTR, поток воды прекратится. Если уровень воды упадет до определенной точки, вода должна будет быстро стекать в CSTR.Ваша задача — составить список возможных клапанов и определить, можно ли использовать каждый тип клапана для запуска / остановки потока воды. Кроме того, перечислите все возможные приводы для клапанов и определите, какие приводы можно использовать и как. Некоторые проблемы, которые следует учитывать, — это удушье, дросселирование, долговечность и надежность.

Решение

Клапаны:

Шаровой кран: Шаровой кран может работать в этом примере. Двухходовой шаровой кран может быть не самым идеальным типом клапана в зависимости от расхода.Если вода движется с высокой скоростью, двухходовой шаровой кран будет подвержен засорению. Если используется шаровой кран, то лучшим выбором будет клеточный клапан благодаря его долговечности и механике включения / выключения.

Проходной клапан: Как и шаровой кран с клеткой, шаровой кран является возможным решением. Пробка, которая лучше всего поможет предотвратить быстрое попадание воды в CSTR, будет быстро открывающейся пробкой. Таким образом, при закрытии клапана не будет дросселирования, что приведет к быстрому включению / выключению.

Дроссельный клапан: Если выбран дроссельный клапан, это должен быть высокопроизводительный клапан. Преимущества этого клапана включают плотное перекрытие и улучшенный крутящий момент по сравнению с дисковыми затворами с невысокими характеристиками. Это важно для возможности включения / выключения потока воды, о котором идет речь в примере. Использование обычного дроссельного клапана может привести к утечке воды в CSTR или проблемам с крутящим моментом после постоянного использования.

Плунжерный клапан: Плунжерный клапан может работать, но может столкнуться с проблемами, аналогичными 2-ходовому шаровому крану с дросселированием. Кроме того, трение, возникающее при постоянном вращении, может вызвать в будущем проблему с неправильным закрытием клапана.

Приводы:

Пневматический: Пневматический привод имеет хороший потенциал для использования в этом примере. Его безотказное действие отлично подходит в случае сбоя в системе. Низкие эксплуатационные расходы и высокая надежность означают, что пневматический привод является идеальным приводом для клапана.

Преобразование движения: Приводы преобразования движения идеально подходят для любого вращающегося клапана, такого как высокопроизводительный дроссельный клапан.Следовательно, этот привод следует использовать с ротационными клапанами для обеспечения максимальной надежности.

Гидравлический: Гидравлические приводы имеют те же преимущества, что и пневматические приводы. Однако гидравлический привод стоит дороже, чем пневмопривод. Следовательно, если существует другой вариант, в этом примере не следует использовать гидравлические приводы.

Электрический: Электрический привод лучше всего работает с поворотными клапанами. Таким образом, если был выбран высокопроизводительный дроссельный клапан, то можно было бы использовать электрический привод.В целях ограничения проблем с дросселированием поворотные модели шаровых кранов были бы менее идеальными. Это, конечно, при условии, что резервная батарея будет включена в электрический привод

.

Руководство: Ручной привод можно использовать в сочетании с любым другим приводом, но было бы неплохо использовать только ручной привод. Ручной привод был бы хорошим резервным методом, если какой-либо из других приводов выйдет из строя, но утомительным, если бы он использовался в качестве основного привода.

Выбор регулирующего клапана Пример

Обратите внимание на этот пример проблемы и данные, содержащиеся в фиктивных, за исключением некоторых данных Cv, которые взяты с сайта Clark’s Product Specification Site

Инженеру химического завода предлагается решить, какой тип регулирующего клапана использовать для дросселирования линии от теплообменника к реактору. Химическое вещество является частью очень чувствительной реакции, в которой точное добавление рассматриваемого химического вещества имеет решающее значение.Если будет использован неточный клапан, продукт всего реактора стоимостью 5 миллионов долларов должен будет уйти в канализацию. Соображения по поводу процесса следующие:

Процесс разработан для перекачивания жидкого химического вещества под давлением 80 фунтов на кв. Дюйм и 250 галлонов в минуту, хотя расход иногда необходимо изменять от 125 до 400 галлонов в минуту. Плотность химического вещества составляет 0,60 кг / л (относительная плотность 0,6). Теплообменник должен выдерживать перепад давления в 10 фунтов на квадратный дюйм. Кроме того, реактор работает при давлении 30 фунтов на квадратный дюйм. Предположим, что турбулентный поток без дросселирования.

Решение:

Сначала нужно выбрать тип клапана. Четыре основных клапана, представляющих интерес, — это шаровой, дроссельный, пробковый и шаровой. Поскольку приложение является дросселирующим, шаровой кран, вероятно, не должен быть нашим первым выбором. Поскольку химическое вещество необходимо дросселировать с очень точной скоростью, пробковый клапан здесь не подходит. Кроме того, поскольку существует значительная изменчивость желаемого расхода, дроссельная заслонка, вероятно, также не лучшее решение.Похоже, здесь хорошо работает запорный клапан.

Для справки, ниже приведен список значений Cv по размеру клапана (в полностью открытом состоянии). Cv каждого клапана также указаны в% хода клапана (как правило, можно получить у поставщика), где 100% означает, что клапан полностью открыт.

Теперь нужно определить размер шарового клапана. Напомним уравнение

Мы видим, что падение давления на клапане — это давление в насосе минус давление в реакторе минус падение давления в теплообменнике.Таким образом,

фунтов на кв. Дюйм

Итак, получаем Cv,

Глядя на диаграмму, может показаться, что 2-дюймовый запорный клапан будет работать, но помните, что иногда может потребоваться регулирование технологической жидкости до 400 галлонов в минуту. А Cv при 400 галлонах в минуту составляет:

.

Глядя на это, становится ясно, что 2-дюймовый шаровой клапан просто будет полностью открыт при скорости 400 галлонов в минуту. Представляется, что шаровой клапан диаметром 2 ½ дюйма был бы лучшим выбором, поскольку он может дросселировать до максимального расчетного расхода.

Проверка Cv при минимальном расходе, который необходимо дросселировать, 125 галлонов в минуту:

Мы видим, что шаровая задвижка диаметром 2 ½ дюйма будет открыта на 25–50%, поэтому он также будет хорошо дросселировать при этих низких расходах. Это еще раз подтверждает, что шаровой клапан 2 ½ ”хорошо подойдет для этого применения.

Вопрос с несколькими вариантами ответа 1

При проектировании CSTR с рубашкой, который будет содержать сильно экзотермическую реакцию, какой тип привода следует использовать для управления клапаном, управляющим охлаждающей водой?

(а) пневматический

(б) преобразование движения

(в) гидравлический

(г) электрический

Ответ = (а)

Вопрос с несколькими вариантами ответа 2

Что из перечисленного ниже подходит для диафрагменного клапана?

(a) вход в CSTR, где требуются точные объемы реагентов

(b) пищевая промышленность, где важна простота очистки

(в) линия парового отопления для CSTR

с рубашкой

(d) вентиляция на сигнальной линии для сброса давления до атмосферы

Ответ = (б)

Список литературы

• Эдгар, Томас Ф. , Сейл Э. Себорг и Дункан А. Меллихамп. Динамика процессов и управление . Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья.
• Липтак, Бела Г., Управление и оптимизация процессов . Vol. II. Нью-Йорк: Тейлор и Фрэнсис.
• Перри, Роберт Х. (1997), Справочник инженеров-химиков Перри , 7-е издание. Макгроу-Хилл. ISBN 0070498415
• «Клапаны», Коул-Пармер , 2005
• Considine, Douglas M. (1993), Справочник по технологическим / промышленным приборам и средствам управления , 4-е издание, McGRAW-HILL, INC.ISBN 0070124450
• Смит, Питер; Заппе, Р.В. (2004), Справочник по выбору клапана . Elsevier
• Мэтьюз, Клиффорд. (2004), A Краткое руководство по предохранительным клапанам (PRV) . Джон Уайли и сыновья. ISBN 1860584578, 9781860584572
• Веб-сайты для конденсатоотводчиков: www.energysolutionscenter.org/BoilerBurner/Eff_Improve/Steam_Distribution/Steam_Traps.asp
  http://en. Wikipedia.org/wiki/Steam_trap www.iklimnet.com/expert_hvac/steam_16traps.ht

Четыре функции клапанов

By «Apollo» Valves

19 февраля 2019 г.

От производственного оборудования до химической обработки, а также в каждом доме или на предприятии, получающем природный газ, электричество и питьевую воду, клапаны — это гайки и болты трубопроводных систем, обеспечивающих поток жидкостей, газов или гранулированных твердых частиц.

В человеческом сердце используется своего рода механический клапан, чтобы гарантировать, что кровь течет в одном направлении — в противном случае всему телу было бы трудно получать богатую кислородом кровь. Таким же образом процессы требуют контролируемого и часто одностороннего потока ингредиентов для доставки продукта и для поддержания соответствующих уровней давления, температуры и содержимого в закрытой системе.

Это основная задача механических клапанов — использовать одну или несколько из четырех функций клапана для управления потоком и давлением в механических системах. Хотя существует много типов клапанов, они выполняют четыре основные функции.

1. Регулирующие клапаны для регулирования процесса

Исторически клапаны предназначались для остановки потока в системах трубопроводов. Но сегодня регулирующие клапаны выходят за рамки этой простой концепции, дросселируя поток, внося небольшие корректировки в зависимости от требований системы. Когда технологической системе требуется определенное количество потока, температуры, уровня или давления, задача регулирующего клапана — управлять этой переменной процесса.

Часто это гибкая диафрагма внутри корпуса клапана, которая толкает к выпускному отверстию, оборудованному измерительным манометром. Когда пределы заданного значения достигнуты, эта диафрагма расширяется или сжимается, чтобы закрыть или открыть вход в корпус клапана, успешно регулируя эту переменную процесса. Примеры регулирующих клапанов включают мембранные и дроссельные клапаны.

2. Запорная арматура для технического обслуживания системы

Запорные клапаны используются для полного перекрытия потока жидкостей или газов — часто, например, для технического обслуживания и ремонта системы или для обеспечения безопасности в случае утечки химического вещества. Но запорные клапаны также могут использоваться, когда необходимо изменить направление потока в закрытой системе, особенно при периодической или непрерывной обработке.

Многие типы клапанов могут служить для изоляции или перенаправления петли трубопровода, но пристальное внимание к характеристикам клапана при давлении и температуре отключения, а также прочное соединение трубопроводов сделают одни клапаны лучшим выбором для целей изоляции, чем другие. К ним относятся пережимные, задвижки и пробковые клапаны.

3.Обратные клапаны для предотвращения реверсирования потока

Ближайшим аналогом клапанов в сердце человека может быть двухходовой обратный клапан — обратный клапан, который пропускает поток только в одном направлении. Любой обратный поток или противодавление закроют входной клапан клапана. Обратные клапаны имеют множество применений, очевидным из которых является защита целостности технологических ингредиентов.

Обратные клапаны устанавливаются в канализационных системах для предотвращения затопления, а шаровые обратные клапаны распространены в потребительских товарах, таких как распылители или помпы.

4. Клапаны специального назначения для уникальных приложений

Многопортовые клапаны и гибридные комбинации других клапанов классифицируются как специальные. Эти клапаны спроектированы и изготовлены для решения проблем сложных трубопроводных систем, включая приложения высокого давления, космические корабли, атомную энергетику, сельскохозяйственное орошение и криогенные технологии.

Если технологическая или механическая система требует необычного материала или очень точных рабочих параметров, которым не могут соответствовать стандартные клапаны, может быть разработан специальный клапан, отвечающий строгим требованиям.Предохранительные клапаны подпадают под это обозначение.

Замена сердечного клапана> Информационные бюллетени> Йельская медицина

Что такое сердечные клапаны и как они работают?

Сердце — это насос, поддерживающий кровоток по всему телу. В разных точках кровь проходит через клапаны. У каждого клапана есть «створки» или створки, которые действуют как маленькие ворота. Эти створки открываются, позволяя крови течь в камеры сердца или артерии тела, и закрываются, чтобы кровь не текла в обратном направлении.Всего в сердце четыре клапана. Дефекты этих клапанов могут быть критическими, поскольку они могут препятствовать кровотоку, что приводит к образованию тромбов, сердечным приступам и инсультам.

Два клапана — аортальный и митральный — чаще всего нуждаются в восстановительной или замещающей операции. Дефекты двух других клапанов встречаются реже, но они также могут вызывать проблемы, требующие хирургического вмешательства.

Аортальный клапан: Он расположен между нижней левой насосной камерой сердца и аортой, которая является самой большой артерией в организме.Аорта выводит кровь из сердца и регулирует ее приток к остальным частям тела. Из-за размера аорты это наиболее вероятное место для развития клапанного дефекта. Замена клапана — это обычная операция у пациентов со стенозом аорты, сужением этого клапана. Операция на аортальном клапане также может проводиться для лечения аортальной регургитации — состояния, при котором клапан не закрывается плотно. (Это состояние также называется «негерметичный клапан».) Негерметичный аортальный клапан иногда можно отремонтировать вместо замены.

Митральный клапан: Этот клапан также расположен с левой стороны сердца, между левым предсердием сердца и левым желудочком. Обычно решение проблемы с митральным клапаном включает ремонт, а не замену. Распространенным заболеванием, поражающим этот клапан, является пролапс митрального клапана, при котором створки закрываются неплотно. Операции по восстановлению клапана включают кольцевую аннулопластику, которая включает восстановление кольцеобразной области вокруг клапана; или придание формы или восстановление одной из листовок.В Йельском университете митральный клапан часто восстанавливают минимально инвазивными методами.

Трехстворчатый клапан: Этот клапан разделяет две верхние и нижние камеры сердца на правой стороне тела. Хотя это не так часто, как с аортальным и митральным клапанами, хирургам иногда требуется восстановить трикуспидальный клапан.

Легочный клапан: Расположенный между правым желудочком и легочной артерией, этот клапан необходим для нормального кровотока между сердцем и легкими.Проблемы с легочным клапаном встречаются нечасто. Хотя хирурги предпочитают устранять проблемы из-за меньшего риска заражения, некоторым людям может потребоваться операция по замене при проблемах с клапаном легочной артерии.

Что такое клапаны в венах и как они работают

Рецензент: доктор Сатиш Ваювегула

Вы один из многих, кто слышал слова «венозные клапаны», но понятия не имел, что это на самом деле означает? Вы не одиноки, и эта статья для вас.

Сегодня мы рассмотрим все, что вам нужно знать о венозных клапанах: что это такое, почему в венах вообще есть клапаны и каково их предназначение.

Для начала давайте ответим на популярный вопрос, который нам часто задают: есть ли в венах клапаны?

Ответ — да, в венах есть клапаны. Но давайте сделаем шаг назад.

Что такое венозные клапаны?

Венозные клапаны — важная часть вашей кровеносной системы. Артерии призваны выводить насыщенную кислородом кровь из вашего сердца и направлять ее по остальному телу. А вены — это то, что доставляет кровь (без кислорода) обратно в ваше сердце.

Почему в венах есть клапаны и каковы их функции?

Эти клапаны обеспечивают приток крови к сердцу.Клапаны вен усиленно работают против силы тяжести, чтобы вернуть кровь, которая текла по артериям, обратно к сердцу.

Когда ваши венозные клапаны открыты и здоровы, они могут нормально выполнять свою работу, поскольку кровь легко может течь вверх. Когда венозные клапаны открыты не полностью, ваши мышцы находятся в состоянии покоя. Пока ваши клапаны здоровы, это закрытие венозных клапанов не является проблемой. Фактически, это то, что не дает крови скапливаться в ногах.

Как узнать, повреждены ли мои венозные клапаны?

Если клапаны вены повреждены, они не смогут выполнять свою работу по обратному току крови к сердцу.И это называется венозной недостаточностью. Симптомы венозной недостаточности включают:

• Отек ног или лодыжек
• Ощущение стеснения в икрах
• Зуд, болезненность ног
• Боль при ходьбе, которая облегчается во время отдыха
• Варикозное расширение вен
• Кожа коричневого цвета, рядом с лодыжки
• Язвы на ногах
• Синдром беспокойных ног (желание пошевелить ногами)
  Болезненные судороги в ногах или мышечные спазмы

Эти симптомы могут начаться с малого, но, скорее всего, они усугубятся по мере того, как ваши вены протекают без лечения.

Опасна ли венозная недостаточность?

Венозная недостаточность не так опасна для жизни, как другие проблемы с венами, такие как тромбы. Однако венозная недостаточность может быть невероятно болезненной и даже привести к инвалидности. Таким образом, всегда лучше назначить консультацию со специалистом по венам при первых признаках того, что вы страдаете чем-то, похожим на венозную недостаточность (см. Симптомы выше).

Найдите венозную клинику в своем городе

Что вызывает венозную недостаточность?

Существует ряд различных факторов, которые могут способствовать развитию этой проблемы с венами, но, согласно John Hopkins Medicine, они являются основными причинами венозной недостаточности:

• Ожирение
• Беременность (и другие гормональные изменения)
• Возраст
• Семейный анамнез
• Повреждение (травма ноги, операция и т. Д.))
• Высокое кровяное давление в венах ног с течением времени (из-за малоподвижного образа жизни)
• Отсутствие физических упражнений
• Курение
• Тромб (ТГВ)
• Отек и воспаление вены вблизи кожи (флебит)

Как лечится венозная недостаточность и другие проблемы с венозными клапанами?

В Vein Clinics of America лечение венозной недостаточности — это то, чем мы занимаемся каждый день. Вам нужно будет встретиться со специалистом по венам, чтобы получить конкретный диагноз и план лечения, но для большего числа пациентов проблемы с венозным клапаном лечат с помощью эндовенозного лазерного лечения (также называемого EVLT), лечения радиочастотной абляцией (RFA) или лечения склеротерапией.

Эндовенозное лазерное лечение (EVLT)
EVLT используется для лечения заболеваний крупных вен и большого варикозного расширения вен на ногах. Эти вены обычно находятся ниже поверхности и не видны без ультразвука. Он выполняется вашим врачом, который вводит небольшой катетер в больную вену и использует лазерные лучи для генерации тепла, которое затем вызывает коллапс вены.

Радиочастотная абляция (RFA)
Радиочастотная абляция используется для лечения заболеваний крупных вен и варикозного расширения вен на ногах.Эти вены обычно находятся ниже поверхности и не видны без ультразвука. Это выполняется врачом, который вводит небольшой катетер в больную вену. Через этот катетер нагревается до коллапса вены.

Склеротерапия
Склеротерапия используется для лечения заболеваний мелких и средних вен нижних конечностей, чаще всего сосудистых звездочек и варикозного расширения вен. Его выполняет врач, вводя в поврежденную вену жидкость, которая закрывает вену.