Трубы, клапаны и арматура

Рис.22 Клапан постоянного 
давления с подкачивающим 
насосом для регулирования 
давления продукта, которое превышает действующее 
давление сжатого воздуха

Трубопроводная сеть

Продукт перемещается между агрегатами установки по трубопроводной сети.

На молокозаводе также имеются проводящие системы и для других сред — воды, пара, моющих растворов, хладагента и сжатого воздуха. Обязательно также присутствие системы удаления сточных вод. Все эти системы в принципиальном плане друг от друга не отличаются. Разница лишь в материалах, из которых они изготовлены, в конструкции деталей и в размерах труб.

Все контактирующие с продуктом детали изготовлены из нержавеющей стали. В других системах использованы различные материалы — например, чугун, сталь, медь, алюминий. Для изготовления водопроводных и воздуховодных линий применяются также пластики, а для дренажных и сточных трубопроводов — керамика.

В данном разделе речь пойдет только о продуктовых трубопроводах и его деталях. О трубопроводах вспомогательного назначения рассказывается в разделе, посвященном подсобному оборудованию.

В систему трубопровода для продукта входят следующие виды арматуры: • Прямые трубы, колена, тройники, переходники и муфты

• Специальная арматура — смотровые стекла, приборные колена и т.д.

• Клапаны для остановки и изменения направления потока

• Клапаны управления давлением и расходом

• Кронштейны для труб.

Согласно требованиям гигиены, все детали, соприкасающиеся с продуктом, изготавливаются из нержавеющей стали. Используются две основные марки: AISI 304 и AISI 316. Последняя часто называется кислотоупорной сталью. Им соответствуют (хотя и не полностью) следующие марки шведской стали:

США

AISI 304

AISI 316

 AISI 316L

Швеция

 SIS 2333

 SIS 2343

      SIS 2359

Рис.1 Некоторые виды  арматуры, которые ввариваются  в трубопроводы.  1 Тройники   2 Переходники   3 Колена

Рис.1 Некоторые виды арматуры, которые ввариваются в трубопроводы.
1 Тройники
2 Переходники
3 Колена

Соединения

Неразъемные соединения свариваются (рис.1). Там. где требуется расстыковка, соединение обычно выполняется в виде резьбового штуцера, на который надевается прокладочное кольцо и навинчивается контргайка, или в виде штуцера с прокладочным кольцом и хомутом (рис.2).

Наличие штуцера позволяет производить расстыковку, не потревожив другие детали трубопровода. Поэтому данный вид арматуры используется для соединения элементов технологического оборудования, приборов и проч., что рано или поздно приходится снимать для очистки, ремонта или замены.

У разных стран — разные стандарты на штуцеры. В числе этих стандартов — SMS (Шведский стандарт на молочное оборудование), который также признан на международном уровне, DIN (Германия), BS (Англия), IDF/ISO* и ISO Clamps (широко применяемый в США).

2018-01-31_185047

Выпускаются колена, тройники и подобная им арматура, допускающая установку
с помощью сварки и имеющая места под сварку. В последнем случае арматура может
быть заказана с гайкой или внутренней частью соединения, или со стяжным соединителем.

Вся арматура должна быть надежно уплотнена, чтобы исключить утечки жидкости
из системы или засасывания в нее воздуха, что приведет к возникновению проблем
в осуществлении технологического процесса ниже по потоку.

Специальная арматура

Смотровые стекла монтируются в линию в тех местах, где необходима визуальная проверка наличия продукта.

Колена со штуцерами под приборы используются для установки термометров и
манометров. Датчик должен быть установлен навстречу потоку, чтобы обеспечить максимально точные показания. Специальные утолщения предназначены для врезки вентилей для
отбора проб. Приборные штуцеры могут быть также снабжены специальными бобышками для приваривания непосредственно к трубе во время монтажа.

Рис.3. Пробоотборник.

Рис.3. Пробоотборник.


Рис.4 Пробка для  отбора пробы на микробиологический анализ.

Рис.4 Пробка для отбора пробы на микробиологический анализ.

Пробоотборник

Такие приспособления должны быть установлены в стратегических точках технологической линии для отбора образцов продукции на анализ. Для проведения контроля качества, например, для определения жирности молока или уровня кислотности (pH) в кисломолочных продуктах образцы можно отбирать с помощью пробоотборника, показанного на рис.3.

При определении санитарного состояния производственной линии практикуемый способ отбора проб должен полностью исключить риск внесения в трубу какого-либо загрязнения из внешней среды. С этой целью используется заборная пробка (см. рис.4). На дне этой пробки имеется резиновая заглушка. Сначала извлекается пробка, и все ее детали, которые могли бы внести в образец какое-либо загрязнение, тщательно дезинфицируются (обычно с помощью тампона, смоченного в растворе, содержащем хлор, непосредственно перед отбором образца). После этого в продукт сквозь резиновую заглушку вводится игла медицинского шприца и с ее помощью отбирается образец.

Образцы асептических продуктов (прошедших термообработку при столь высоких температурах, что они стали практически стерильными) всегда отбираются через асептический заборный клапан для предотвращения повторной инфекции.

Клапаны. Системы клапанов

В трубопроводной сети существует много стыков, через которые продукт перетекает из одной линии в другую, но которые иногда должны перекрываться с тем, чтобы два потока различных жидкостей могли перемещаться по этим двум линиям, не смешиваясь друг с другом.

Когда линии изолированы друг от друга, любая утечка должна идти на слив, при этом следует исключить любую возможность попадания одной жидкости в другую.

Это общая проблема, возникающая при проектировании молочных предприятий. Молочные продукты и моющие растворы подаются по разным трубопроводам и не должны соприкасаться. На рис.5 показаны четыре возможных решения этой задачи.

Рис.5 Системы противосмесительных клапанов, используемые в пищевой промышленности.  1 Поворотное колено для ручного переключения потока на другой канал  2 Ту же функцию могут выполнить три отсечных клапана  3 Один отсечной и один переключающий клапаны могут выполнить ту же работу  4 Одного противосмесительного клапана достаточно для запирания и переключения потока

Рис.5 Системы противосмесительных клапанов, используемые в пищевой
промышленности.
1 Поворотное колено для ручного переключения потока на другой канал
2 Ту же функцию могут выполнить три отсечных клапана
3 Один отсечной и один переключающий клапаны могут выполнить ту же работу
4 Одного противосмесительного клапана достаточно для запирания и
переключения потока

Отсечные и переключающие клапаны

В трубопроводной сети есть участки, где возникает необходимость в приостановлении
потока или направлении его в другую линию. Эти функции выполняются клапанами.

Для этой работы применяются отдельные клапаны, имеющие ручное или автоматическое

управление, или шиберные заслонки.

Седельные клапаны

На корпусе клапана имеется седло для закрывающего затвора на конце штока. Шток, который приводится коленчатым рычагом или пневматическим механизмом, поднимает затвор с седла и опускает его обратно (см рис.6).

Рис.6 Ручной отсечной  клапан с седлом и  пневматический клапан переключения с седлом. Исполнительные механизмы отсечного и переключающего клапанов взаимозаменяемы.

Рис.6 Ручной отсечной
клапан с седлом и пневматический клапан переключения с седлом. Исполнительные механизмы отсечного и переключающего клапанов взаимозаменяемы.

Седельный клапан с седлом выпускается также в переключающем исполнении.

У такого клапана от трех до пяти отверстий. При опущенном затворе жидкость течет от впускного отверстия 2 к выпускному 1, а когда затвор поднят к верхнему седлу, поток направляется через выпускное отверстие 3, как это показано на рис.7.

Рис.7 Отсечной и переключающий клапаны с различным положением  сердечника и соответствующие обозначения на технологической карте.

Рис.7 Отсечной и переключающий клапаны с различным положением
сердечника и соответствующие обозначения на технологической карте.

У этой разновидности клапана может быть до пяти отверстий. Их количество
определяется технологическими требованиями.

Существует целый ряд вариантов приводов с дистанционным управлением. Например,
клапан может быть открыт с помощью сжатого воздуха, а закрыт пружиной, или наоборот.
Он также может и открываться, и закрываться сжатым воздухом (см. рис.8).

Рис.8 Примеры  пневматических приводов. 1	Клапан открывается пружиной, а закрывается сжатым воздухом 2 Клапан закрывается пружиной, а открывается сжатым воздухом

Рис.8 Примеры пневматических приводов.
1 Клапан открывается пружиной, а закрывается сжатым воздухом
2 Клапан закрывается пружиной, а открывается сжатым воздухом

Выпускаются также приводы для промежуточного положения затвора и для двухступенчатого открытия и закрытия.

Устройство управления клапаном (рис.9) часто устанавливается в виде блока на привод клапана. В этот блок входят датчики положения клапана, направляющие информацию в главную систему управления. В воздухопровод к приводу клапана или в блок управления встраивается соленоидный клапан. Электрический сигнал приводит в действие соленоидный клапан и позволяет сжатому воздуху поступить в привод. Это вызывает открытие или закрытие клапана в соответствии с требованиями. При подаче сжатый воздух проходит сквозь фильтр, освобождаясь от масла и других загрязнений, которые могут помешать исправной работе клапана. Когда выключается соленоидный клапан, подача воздуха прекращается, при этом воздух удаляется из клапана на продуктовой трубе, через выпускное отверстие в соленоидном клапане.

Рис.9 Индикатор  положения затвора клапана установлен на приводе.

Рис.9 Индикатор
положения затвора клапана установлен на приводе.

Шиберные заслонки

Шиберная заслонка (на рис.10) — отсечной клапан. Для работы в режиме переключения нужно использовать два клапана.

Шиберные заслонки часто используются при работе с продуктами, восприимчивыми к механическим воздействиям, — йогуртом и другими кисломолочными продуктами, так как гидравлическое сопротивление клапана мало, и, следовательно, перепад давлений на клапане и турбулентность незначительны. Такие клапаны очень хороши для работы с продуктами, обладающими высокой вязкостью, и, являясь проходной арматурой, они могут быть установлены на прямых участках трубы.

Клапан этого типа обычно состоит из двух идентичных створок, между которыми установлено уплотнительное кольцо. В центре клапана находится обтекаемый диск. Обычно он опирается на втулки, чтобы не позволить штоку задевать корпус клапана.

Когда диск находится в открытом положении, клапан оказывает потоку очень маленькое сопротивление. В закрытом положении диск уплотняется резиновым кольцом.

Рис.10 Шиберная заслонка с ручным управлением в открытом  (слева) и закрытом (справа) положении.

Рис.10 Шиберная заслонка с ручным управлением в открытом
(слева) и закрытом (справа) положении.

Клапан с ручным управлением

Шиберная заслонка снабжена рукояткой обычно на два положения: открытое и закрытое.

Клапан этого типа по существу не подходит для работы в качестве регулировочного клапана, но может применяться для грубого управления с помощью специальной ручки для бесступенчатого регулирования потока.

Автоматическое управление

Для автоматического управления шиберной заслонкой применяется воздушный привод (рис.11). Возможны следующие режимы работы:

• Закрытие пружиной/открытие воздухом (в нейтральном положении клапан закрыт)

• Открытие пружиной/закрытие воздухом (в нейтральном положении клапан открыт)

• Открытие и закрытие воздухом.

Диск легко поворачивается до соприкосновения с уплотнительным кольцом. Далее требуется большее усилие, чтобы поджать резину. Обычный привод пружинного типа производит максимальное усилие в начале хода, когда необходимо минимальное приложение силы,

а в конце хода, когда усилие должно быть больше, он как раз ослабевает. Поэтому предпочтительнее использовать приводы, которые обеспечивают необходимое усилие в каждый момент работы.

Другая разновидность шиберной заслонки — клапан фланцевого типа (см. рис.12).

По сути он аналогичен уже описанному типу шиберной заслонки, а отличается тем, что он закреплен между двумя фланцами, приваренными к трубопроводу. Функционирует он так же, как обычная шиберная заслонка. Во время работы он привинчен к фланцам. При техобслуживании винты ослабляют, и клапан без труда извлекается для проведения работ.

 

Рис.11 Принцип действия воздушного привода шиберной заслонки.

Рис.11 Принцип действия воздушного привода шиберной заслонки.


2018-01-31_185047
Рис.13 Двухседельный клапан  с затором с уравновешенным затвором  и встроенным подвижным седлом. 1	Привод 2	Верхний канал 3	Верхний затвор 4	Дренажная камера 5	Полая ось, соединяющая с атмосферой 6	Нижний канал 7	Нижний затвор с балансиром

Рис.13 Двухседельный клапан с затором с уравновешенным затвором и встроенным подвижным седлом.
1 Привод
2 Верхний канал
3 Верхний затвор
4 Дренажная камера
5 Полая ось, соединяющая с атмосферой
6 Нижний канал
7 Нижний затвор с балансиром

Противосмесительные клапаны

Клапаны этого типа (рис.13) могут быть с одним или двумя седлами, но здесь мы будем говорить о варианте с двумя седлами (рис.13) как более характерном для этой разновидности клапанов.

Двухседельный клапан имеет два независимых седла с дренажной камерой между ними. Эта камера должна сообщаться с атмосферой для обеспечения полной гарантий от смешивания потоков — в случае нарушения герметичности одного из седел. Когда двухседельный клапан получает команду на срабатывание, камера между его верхним и нижним корпусами закрыта, затем клапан открывается, соединяя верхний и нижний трубопроводы. При закрытии клапана сначала верхний затвор клапана отсекает подачу жидкости из верхнего трубопровода, а затем дренажная камера сообщается с атмосферой. Это не приводит к сколько-нибудь значительным потерям продукта во время работы.

Важно, чтобы во избежание открытия клапана и последующего смешивания жидкостей в результате гидроудара — нижний затвор был гидравлически уравновешен.

Во время мойки открывается один из затворов клапана или внешняя линия безразборной мойки подсоединяется к дренажной камере. Некоторые клапаны могут присоединяться к внешнему источнику для мойки тех частей затвора, которые были в контакте с продуктом.

Односедельный несмешивающий клапан имеет одно или два седла, но для одного и того же затвора. Пространство между двумя сердечниками сообщается с атмосферой. До начала срабатывания данного клапана эта дренажная камера закрыта маленькими запорными клапанами. Когда возникает необходимость промывки, внешняя линия безразборной мойки подсоединяется к дренажной камере через указанные клапаны.

Рис.14 Три типа несмешивающих клапанов. 1	Двухседельный клапан с мойкой подвижного седла 2	Двухседельный клапан с внешней мойкой 3	Односедельный клапан с внешней мойкой

Рис.14 Три типа несмешивающих клапанов.
1 Двухседельный клапан с мойкой подвижного седла
2 Двухседельный клапан с внешней мойкой
3 Односедельный клапан с внешней мойкой

Обратные связи и управление клапанами

Индикация положения

На клапане могут быть установлены различные типы приборов, показывающих его положение (см. рис.15), в зависимости от системы управления всем комплексом. Сюда входят микровыключатели, индуктивные бесконтактные выключатели, датчики Холла. Эти выключатели посылают ответные сигналы в систему управления.

Когда на клапанах установлены только выключатели, необходимо для каждого клапана иметь соответствующий ему соленоидный клапан в настенном шкафу соленоидных клапанов. При получении сигнала соленоидный клапан направляет сжатый воздух на клапан, установленный на трубопроводе, а когда сигнал прерывается, соленоидный клапан прекращает подачу воздуха.

В такой системе (1) к каждому клапану подведен индивидуальный электрический кабель и собственный воздушный шланг.

Комбинированный блок (2) обычно монтируется на приводе клапана. В него входят те же датчики положения, что и вышеупомянутые, а соленоидный клапан установлен вместе с датчиками. Это означает, что один воздушный шланг может снабжать воздухом несколько клапанов, но каждый клапан по-прежнему нуждается в отдельном кабеле.

Рис.15 Системы индикации положения клапана. 1 Только датчики   2 Комбинированный блок на приводе клапана   3 Система индикации и управления

Рис.15 Системы индикации положения клапана.
1 Только датчики
2 Комбинированный блок на приводе клапана
3 Система индикации и управления

Полный контроль

Он осуществляется с помощью блока датчиков положения, показанного на рис.9, который специально создан для компьютерного управления. В этот блок входят индикатор положения, соленоидный клапан и электронное устройство, которое способно управлять работой до 120 клапанов с помощью только одного кабеля и одного воздушного шланга (п. 3 на рис.15). Этот блок может централизованно программироваться, причем стоимость его установки невысока.

Некоторые системы могут, кроме того, не получая внешних сигналов, открывать клапаны для промывки седел. Они также могут подсчитывать количество срабатываний клапана.

Эта информация может быть использована при планировании сервисных работ.

Обратные клапаны

Обратный клапан (рис.17) устанавливается в линию, в случае необходимости обеспечения движения потока только в одном направлении. Клапан открыт, когда поток движется в правильном направлении. Если поток останавливается, затвор клапана прижимается к своему седлу пружиной. Клапан закрывается и предотвращает движение потока в обратном направлении.

2018-01-31_185047

Регулирующие клапаны

У отсечных и переключающих клапанов все просто — они или

открыты, или закрыты. У регулирующего клапана диаметр отверстия может изменяться постепенно. Такой клапан предназначен для точного управления потоком и давления в различных точках системы.

2018-01-31_185047

Редукционный клапан (на рис.17) поддерживает в системе необходимое давление. Если оно снижается, пружина прижимает клапан к седлу. Как только давление повышается до определенного уровня, давление на затвор клапана пересиливает пружину, и клапан открывается. Регулировкой натяжения пружины можно добиться открывания клапана при определенном гидравлическом давлении.

Ручной регулирующий клапан (рис.18) имеет шток с затвором особой формы.

При повороте регулировочной ручки затвор смещается вверх или вниз, уменьшая или увеличивая проход и, следовательно, скорость потока или давление. На клапане нанесена шкала с делениями.

Рис.19 Клапан  с пневматической регулировкой расхода.

Рис.19 Клапан с пневматической регулировкой расхода.


Рис.20 Клапан  постоянного давления.

Рис.20 Клапан
постоянного давления.


Рис.21 Принцип действия клапана постоянного давления при регулировании давления перед клапаном. 1   Равновесие между воздухом и продуктом 2   Давление продукта снижается, клапан закрывается, и давление продукта снова вырастет, поднимаясь до заданного уровня 3   Давление продукта нарастает, клапан открывается, и давление продукта опускается до заданного уровня

Рис.21 Принцип действия клапана постоянного давления при регулировании давления перед клапаном.
1 Равновесие между воздухом и продуктом
2 Давление продукта снижается, клапан
закрывается, и давление продукта снова вырастет, поднимаясь до заданного уровня
3 Давление продукта нарастает, клапан открывается, и давление продукта опускается до заданного уровня


Рис.22 Клапан постоянного  давления с подкачивающим  насосом для регулирования  давления продукта, которое превышает действующее  давление сжатого воздуха

Рис.22 Клапан постоянного давления с подкачивающим
насосом для регулирования давления продукта, которое превышает действующее давление сжатого воздуха

Пневматический регулирующий клапан (рис.19) функционирует аналогично описанному выше. Конструкция узла клапан-седло также аналогична ручному клапану. По мере опускания затвора в направлении седла канал для прохождения потока постепенно сужается.

Клапан этого типа предназначен для автоматической регулировки давления, потока и уровня во время технологического процесса. В производственную линию вмонтирован датчик, непрерывно сообщающий значения измеряемого параметра управляющему устройству, которое вносит необходимые коррективы в положение затвора, чтобы поддерживалось заданное значение.

Клапан постоянного давления — один из наиболее часто используемых (рис.20). Сжатый воздух подается через редукционный клапан в пространство над диафрагмой. Давление воздуха изменяется редукционным клапаном до тех пор, пока манометр давления продукта не покажет необходимое значение. После этого заданное давление продукта поддерживается постоянным независимо от изменения рабочих условий. Принцип действия клапана постоянного давления показан на рис.21.

Клапан мгновенно реагирует на изменение давления продукта. Пониженное давление продукта приводит к повышению усилия на диафрагму со стороны давления воздуха, которое

остается постоянным. Затем затвор клапана перемещается вниз вместе с диафрагмой, расход ограничивается, а давление продукта повышается до заданного уровня.

Возросшее давление продукта приводит к тому, что оказываемое им воздействие на диафрагму превосходит давление сжатого воздуха сверху. В этом случае затвор отжимается вверх, увеличивая диаметр канала, по которому проходит продукт. Расход будет нарастать, пока давление продукта не снизится до заданного уровня.

Этот клапан выпускается в двух вариантах — для поддержания постоянного давления перед клапаном или после него. Клапаном невозможно регулировать давление продукта, если имеющееся давление воздуха ниже необходимого давления продукта. В таких случаях над клапаном может быть установлен подкачивающий насос, и тогда клапан может работать при давлениях продукта, вдвое превышающих действующее давление сжатого воздуха.

Клапаны, обеспечивающие постоянное давление перед входом, часто устанавливают после сепараторов и пастеризаторов. А те, что поддерживают постоянное давление на выходе, применяются в линиях перед упаковочными машинами.

Клапанные системы

Чтобы уменьшить до минимума число тупиковых выходов и получить возможность
распределять продукт между различными участками молочного завода, клапаны группируются в блоки. С помощью клапанов также изолируют отдельные линии, чтобы одну линию можно было промыть, пока по другим линиям циркулирует продукт.

Между потоками продукта и моющих растворов, так же как и между потоками разных продуктов, всегда должно быть открытое дренажное отверстие

Рис.23 Гребенка клапанов, обслуживающая танки. Клапаны на  резервуарной площадке расположены таким образом, что поступающие  в резервуары и уходящие из них потоки продукта и моющих растворов  не пересекаются.

Рис.23 Гребенка клапанов, обслуживающая танки. Клапаны на резервуарной площадке расположены таким образом, что поступающие в резервуары и уходящие из них потоки продукта и моющих растворов не пересекаются


Кронштейны для труб

Трубопроводы прокладывают на высоте двух-трех метров над уровнем пола молочного завода. Все узлы и детали трубопровода должны быть легко доступны для проверки и обслуживания. Трубопроводы должны быть слегка наклонены (1:200 1:1000) для обеспечения самодренажа. На всем протяжении трубопроводов не должно быть никаких «мешков», чтобы там не скапливался продукт или моющий раствор.

Трубы должны быть надежно закреплены. С другой стороны, крепление труб не должно быть слишком жестким, исключающим всякое их смещение. При высоких температурах продукта или моющего раствора трубы претерпевают значительное расширение. Возникающие удлинение и крутящие нагрузки в изгибах и в оборудовании должны определенным образом компенсироваться. Это обстоятельство, а также тот факт, что различные узлы и детали в большой степени утяжеляют систему трубопроводов, требуют большой точности расчетов и высокого профессионализма от проектировщиков.

Рис.24 Пример стандартных  опор для труб.

Рис.24 Пример стандартных опор для труб.