大型儲(chǔ)罐呼吸閥簡介
煤化工知庫 2021年4月9日
功能
呼吸閥在正常狀態(tài)下只是保證儲(chǔ)罐安全密閉，盡量減少儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)的蒸發(fā)損耗。只有在下列非正常狀態(tài)下呼吸閥才開始工作：
①當(dāng)儲(chǔ)罐進(jìn)行介質(zhì)收發(fā)作業(yè)時(shí)，罐內(nèi)氣體體積變化引起氣體壓力發(fā)生變化，呼吸閥即開始較大流量呼吸；
②由于外界環(huán)境影響，儲(chǔ)罐內(nèi)氣體溫度發(fā)生變化，引起罐內(nèi)介質(zhì)蒸汽壓增高或降低(通稱熱效應(yīng))，呼吸閥開始小流量的呼吸；
③天氣驟變或發(fā)生火災(zāi)等情況時(shí)，罐內(nèi)溫度短時(shí)間內(nèi)迅速變化，引起儲(chǔ)罐內(nèi)氣體壓力急劇升高或降低，造成呼吸閥大流量呼吸。呼吸閥在各種工況下都應(yīng)滿足儲(chǔ)罐呼吸所需的通氣量，以確保儲(chǔ)罐的安全。
工作原理
呼吸閥是一種廣泛應(yīng)用在儲(chǔ)罐頂部的通風(fēng)裝置，用來維持罐內(nèi)外的氣壓平衡，通過控制儲(chǔ)罐的呼出壓力和真空度，防止由于真空度、壓力超過允許值(負(fù)壓和超壓)而造成的儲(chǔ)罐凹癟與翹底，同時(shí)由于壓力的控制，在一定程度上也減少了罐內(nèi)介質(zhì)的蒸發(fā)損耗。因此呼吸閥應(yīng)該具有泄放正壓和負(fù)壓兩方面功能，由正負(fù)壓力決定或呼或吸，呼吸閥的具體原理如下圖所示。
當(dāng)儲(chǔ)罐承受正壓時(shí)，呼吸閥打開呼出氣體泄放正壓；當(dāng)儲(chǔ)罐承受負(fù)壓時(shí)，呼吸閥打開吸入氣體泄放負(fù)壓。由此在一定的壓力范圍內(nèi)確保儲(chǔ)罐安全。
按工作原理可將呼吸閥分為重力式、彈簧式和先導(dǎo)式3種。
1.重力式呼吸閥
重力式呼吸閥是靠閥盤本身的重量與罐內(nèi)外壓差產(chǎn)生的上舉力相平衡而工作的，具體結(jié)構(gòu)形式如下圖所示。重力式呼吸閥具體工作原理如下圖所示。
閥盤所受的總外力為△F，F(xiàn)為閥盤本身的重力G，上舉力為πD2(P2-P1)／4。
1)當(dāng)閥盤本身的重力與上舉力相等，呼吸閥呼出閥盤與呼出口閥座嚴(yán)密配合，吸入閥盤與吸入口閥座嚴(yán)密配合，此時(shí)閥盤所受總外力△F=G-πD2(P2-P1)／4。
2)當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)產(chǎn)生大于設(shè)定壓力的超壓時(shí)，罐內(nèi)高壓直接作用于呼出口閥盤下方，并克服閥盤重力以及作用于閥盤上的大氣壓力，從而打開呼出口閥盤排出罐內(nèi)過高氣壓，使罐內(nèi)壓力與大氣壓力保持平衡。此時(shí)閥盤所受的總外力△F=G-πD2(P2-P1)／4>0。
3)當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)產(chǎn)生小于設(shè)定壓力的負(fù)壓時(shí)，大氣壓力直接作用于吸入口閥盤下方，并克服閥盤重力以及作用于閥盤上方的罐內(nèi)壓力，從而打開吸入口閥盤向儲(chǔ)罐內(nèi)補(bǔ)充壓力，使罐內(nèi)壓力與大氣壓力保持平衡。此時(shí)閥盤所受總外力△F=G-πD2(P2-P1)／4<0。
2.彈簧式呼吸閥
彈簧式呼吸閥是依靠彈簧的形變力與罐內(nèi)外的壓力差產(chǎn)生的推力相平衡而工作的，具體結(jié)構(gòu)形式如下圖所示。
彈簧式呼吸閥具體工作原理與重力式呼吸閥類似，閥盤所受的總外力和上舉力仍為△F和πD2(P2-P1)／4，但此時(shí)控制力F變?yōu)閺椈傻男巫兞?，并且可以通過改變彈簧的預(yù)壓長度來調(diào)節(jié)控制力F。
3.先導(dǎo)式呼吸閥
先導(dǎo)式呼吸閥是用導(dǎo)閥來控制主閥的，該導(dǎo)閥采用薄膜式結(jié)構(gòu)，薄膜面積大，故在很低的工作壓力下仍可達(dá)到一定的作用力來控制主閥的動(dòng)作。此外在導(dǎo)閥開啟前，主閥不受控制流的作用，關(guān)閉嚴(yán)密，故先導(dǎo)式呼吸閥可以達(dá)到氣泡級密封。先導(dǎo)式呼吸閥具體結(jié)
1)在正常工作情況下，作用在主閥膜片上的壓力P2與作用在導(dǎo)閥膜片上的壓力P1是相同的，主閥處于關(guān)閉狀態(tài)，而導(dǎo)閥彈簧載荷大于導(dǎo)閥膜片上向上的作用力，使導(dǎo)閥也處于關(guān)閉狀態(tài)。由于導(dǎo)閥的膜片面積S1大于主閥的膜片面積S2，因此閥門的關(guān)閉力F=P1S1-P2S2。而且隨著閥前壓力的增大，閥門關(guān)閉力增加，閥的密封性更佳。
2)當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力大于設(shè)定壓力時(shí)，作用在導(dǎo)閥膜片上向上的作用力剛好超過導(dǎo)閥彈簧載荷。此時(shí)，導(dǎo)閥閥座稍微開啟，封閉在主閥內(nèi)的氣體通過導(dǎo)閥迅速排出，使主閥氣室內(nèi)的壓力P1降低。此時(shí)作用在主閥膜片上的壓力P2>P1，使主閥打開，儲(chǔ)罐內(nèi)的超壓得到泄放。
3)通過主閥的流體繼續(xù)流動(dòng)，直到罐內(nèi)壓力小于設(shè)定壓力時(shí)，作用在導(dǎo)閥膜片上的作用力小于導(dǎo)閥的彈簧載荷，導(dǎo)閥被關(guān)閉。儲(chǔ)罐內(nèi)的氣體通過導(dǎo)管進(jìn)入主閥氣室，使壓力P2=P1，主閥關(guān)閉，重新回到正常狀態(tài)。
4)當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力處于負(fù)壓狀態(tài)時(shí)，操作原理基本與正壓泄壓相同。在關(guān)閉情況下，P1為大氣壓力存在于主閥氣室內(nèi)，而作用在主閥膜片上的壓力P2為負(fù)壓，閥門的關(guān)閉力F=P1S1-P2S2，使主閥關(guān)閉。在設(shè)定點(diǎn)上，導(dǎo)閥開啟，把主閥氣室內(nèi)的壓力通過導(dǎo)管送到進(jìn)口負(fù)壓處。當(dāng)部分負(fù)壓在氣室內(nèi)形成時(shí)，外部的大氣壓力致使主閥開啟，并在閥內(nèi)形成氣流，從而消除儲(chǔ)罐的負(fù)壓狀態(tài)。最后大氣壓力通過導(dǎo)管進(jìn)入主閥氣室使主閥關(guān)閉。
性能比較
1.重力式呼吸閥結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，在國內(nèi)應(yīng)用非常廣泛。但其也存在著不足之處，在小流量呼吸過程中，當(dāng)罐內(nèi)氣體壓力在臨界狀態(tài)點(diǎn)出現(xiàn)微增量時(shí)，閥盤被推開排氣，首先使閥盤內(nèi)側(cè)局部區(qū)域(約5～7倍管徑范圍)氣體壓力迅速下降，導(dǎo)致閥盤很快回落到閥座上，閥關(guān)閉。然后，閥盤內(nèi)側(cè)壓力迅速與罐內(nèi)壓力平衡，又略大于臨界壓力，將閥盤推開排氣，而后閥盤再關(guān)閉。如此反復(fù)，就出現(xiàn)一種跳動(dòng)現(xiàn)象，不能保證良好的密封。閥門反復(fù)開關(guān)還容易產(chǎn)生磨損，造成泄漏。低溫下，閥盤還容易凍結(jié)在閥座上。
2.彈簧式呼吸閥結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，價(jià)格也相對低廉，還可以調(diào)節(jié)其設(shè)定壓力。但彈簧式呼吸閥隨著閥門開啟度增大，彈簧形變增大，作用在閥盤上的彈簧力也增大，導(dǎo)致閥無法開足，使呼吸閥難以達(dá)到設(shè)計(jì)能力。彈簧式呼吸閥在長期使用后，彈簧易銹蝕和老化。冬季使用時(shí)，彈簧易結(jié)霜而影響彈簧的壓縮性，使閥盤不能正常地在設(shè)定點(diǎn)開啟。
3.先導(dǎo)式呼吸閥尺寸小、重量輕(高壓、大口徑)，泄放前閥座密封極佳，且不易受背壓影響。但先導(dǎo)式呼吸閥機(jī)構(gòu)復(fù)雜，單閥制造成本高，僅適用于技術(shù)要求較高的儲(chǔ)罐。
目前，在國內(nèi)的大型儲(chǔ)罐中，傳統(tǒng)的重力式和彈簧式呼吸閥應(yīng)用比較多。由于低壓儲(chǔ)罐呼吸閥的閥前壓力很低，有時(shí)只有幾百帕，作用在閥盤下部向上的作用力有限，使閥不容易準(zhǔn)確地在定壓下開啟。即使閥盤打開了，也會(huì)由于作用力太小，導(dǎo)致閥被卡?。幌葘?dǎo)式呼吸閥的膜片式結(jié)構(gòu)保證了在很低的工作壓力下仍可準(zhǔn)確控制主閥的動(dòng)作。重力式和彈簧式呼吸閥在定壓下工作時(shí)，由于工作壓力非常接近定壓，閥門很容易泄露，一般在閥前壓力達(dá)到定壓的90～95％時(shí)就會(huì)有泄漏，且隨著閥前壓力的繼續(xù)升高，閥門的泄漏量增大。當(dāng)閥前壓力達(dá)到定壓時(shí)，閥門開啟；閥前壓力升高達(dá)到定壓的時(shí)，閥門全開。隨著壓力的泄放，閥前壓力回降，直到降到定壓的時(shí)，閥芯回座，閥門關(guān)閉。先導(dǎo)式呼吸閥，當(dāng)閥前壓力達(dá)到定壓的時(shí)才開始泄漏，閥前壓力達(dá)到定壓時(shí)(無需超壓)，閥門即可全開；當(dāng)閥前壓力降到定壓的98%～99%時(shí)，閥門關(guān)閉。可見，先導(dǎo)式呼吸閥在閥前壓力達(dá)到定壓前，開始泄漏較晚，泄漏量少；而閥前壓力降到定壓以下時(shí)，又能較早地關(guān)閉，從而減少了泄漏及過量排放。這樣既減少了儲(chǔ)罐內(nèi)物料的損失，又有利于環(huán)境保護(hù)。
傳統(tǒng)的重力式和彈簧式呼吸閥都屬于微啟動(dòng)式，在設(shè)計(jì)壓力下開啟時(shí)，開啟高度在1／40～1／20流道直徑的范圍內(nèi)，因此流通系數(shù)較小，在0.2～0.4之間。閥門動(dòng)作特性為比例作用式，開啟高度隨壓力升高而逐漸增大，這種特性的呼吸閥流通面積比較小，容易發(fā)生儲(chǔ)罐超壓；先導(dǎo)式呼吸閥是一種全啟式閥，動(dòng)作特性為兩段式。全啟式是指閥門的開啟高度大于等于1／4流道直徑。兩段式是指閥門的開啟過程分為兩個(gè)階段，起初閥門隨壓力升高而比例開啟，在壓力升高一個(gè)不大的數(shù)值后，閥門即在壓力幾乎不再升高的情況下急劇開啟到規(guī)定高度。
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