Главным показателем, который определяет принадлежность любого гидроредуктора давления к квартирным, является независимость величины его редуцируемого давления от расхода воды через это устройство. При этом следует учитывать, что в квартире к выходной магистрали гидроредуктора может быть подсоединено не одно, а несколько водоразборных устройств. Например, водоразборный кран умывальника, ванны, мойки, стиральной и посудомоечной машин, а также наполнительный клапан унитаза. Это по холодной воде. К гидроредуктору на горячей воде возможно подсоединение меньшего количества водоразборной арматуры, в основном это умывальник, мойка, душевой смеситель и биде. Редко, но к гидроредуктору на горячей воде могут подсоединяться также посудомоечная и стиральная машины.
Независимость редукционного давления от расхода квартирного редуктора давления воды в быту можно определить без каких-либо приборов. Для этого сначала нужно открыть смеситель в ванной, настроив расход из душевой лейки на определённую величину. При этом следует настроить и желательную температуру воды, определив её «вручную» — просто подставив руку под струю воды. После этого необходимо открыть кран холодной воды на кухне и снова рукой определить температуру воды из лейки душа в ванной. Если температура воды не изменилась, то гидроредуктор точно квартирный, а если изменилась, то это просто бытовой гидроредуктор, способный лишь понижать давление воды.
Независимость от расхода воды — важнейшее свойство квартирного гидроредуктора. В противном случае, то есть с обычным бытовым гидроредуктором, если в квартире под тёплым душем стоит один из потребителей воды, а другой на кухне будет наполнять чайник холодной водой, то ожоги тела моющемуся человеку гарантированы.
Каждое водоразборное устройство потребляет определённый расчётный расход, суммарная величина которого должна быть не менее 0,5 л/с. Поэтому номинальное значение диаметров каналов, по которым протекает вода в квартирном гидроредукторе, должно быть не менее 15 мм. Допускается также и 20 мм.
В паспортах практически всех продающихся гидроредукторов записано, что их максимальная пропускная способность составляет 0,5 л/с. Однако здесь есть элемент скрытого обмана покупателя. Максимальная пропускная способность действительно равна 0,5 л/с, но при таких расходах редуцируемое давление падает наполовину, чего не должно быть у квартирных регуляторов давления. Это всё результат миниатюризации редукторов давления с целью уменьшения металлоёмкости изделия и, следовательно, его стоимости. Однако нельзя экономить в ущерб основным техническим показателям.
Обследование существующих гидроредукторов, которые производители называют «квартирными», показывает, что номинальное значение диаметра внутренних каналов в них не соблюдается. Например, шаровые краны в них используются с диаметром 10 мм. Излишне зажаты и внутренние каналы существующих сейчас гидроредукторов. Поэтому и линейность их регулировочных характеристик далека от желаемой, особенно в области увеличенных расходов.
Следует отметить, что встраивание шарового запорного крана в квартирный гидроредуктор должно быть запрещено. Дело в том, что запорный кран на вводе воды в квартиру является ответственностью управляющей компании. Она его устанавливает и полностью отвечает за качество его работы. Квартирный же гидроредуктор является устройством, иногда требующим ремонта. Поэтому для ремонта его иногда необходимо демонтировать, а для этого приходится отключать весь стояк, так как запорный кран находится в корпусе гидроредуктора.
Переход от гидроредукторов поршневого типа к мембранным также породил массу проблем. Учитывая, что гидроредукторы, по сути, являются следящими системами с непредсказуемыми входными параметрами, то они, естественно, склонны к автоколебаниям. В поршневых гидроредукторах эта проблема решается автоматически за счёт контактного трения его уплотнительных элементов. Поэтому они редко входят в режим автоколебаний, да и то после очень серьёзного износа уплотнений. Однако для износа резиновых уплотнительных колец в гидроредукторах созданы практически «идеальные» условия. Корпус гидроредуктора выполняется из обычной латуни, и на поверхности контакта с резиновым уплотнением вымывается цинк, оголяя медную основу.
Далее образующаяся острая кромка царапает резину, утончая резиновое кольцо. Натяг уплотнения уменьшается, уменьшается и сила контактного трения уплотнительного узла. Примерно через полгода работы некоторые (как бы квартирные) гидроредукторы начинают гудеть, то есть входить в режим автоколебаний.
Контактное трение уплотнений делает регулировочную характеристику неприемлемой для квартирных гидроредукторов. В ней появляется гистерезисная зависимость редуцируемого давления от объёмного расхода воды при разнонаправленном изменении этого расхода. Из-за желания отказаться от такой зависимости в регулировочной характеристике гидроредуктора промышленность стала переходить на производство устройств мембранного типа и сразу же столкнулась с двумя новыми неприятными явлениями.
Первая неприятность
Практика показала, что армирование эластичных мембран какой-либо тканью является ошибочным и ненужным решением. Это было сделано для недопущения разрыва мембраны при повышенных перепадах давления, однако армированные мембраны всё равно часто разрушаются.
Поэтому, поскольку других решений предложено не было, решено было ввести в конструкцию мембранного гидроредуктора устройство, предотвращающее затопление помещения в случае прорыва мембраны. Полость под крышкой гидроредуктора, где размещена его силовая пружина, была сделана замкнутой, то есть загерметизирована. Однако это допустимо в случаях, когда площадь диафрагмы мало отличается от площади проходного сечения седла, например, в пять-восемь раз (сейчас почти все гидроредукторы выполняются с такими соотношениями).
Для того чтобы изменение подводимого к гидроредуктору давления воды не влияло бы на величину редуцируемого давления, диафрагму необходимо выполнить как можно большего диаметра, чтобы эффективная площадь превышала площадь сечения сопла не менее чем в 25 раз. Это в том числе позволит при относительно острой рабочей кромке седла обеспечить герметичность запорно-регулирующего органа в безрасходном режиме работы квартирного гидроредуктора, чем обладает не каждое такое устройство.
Также это способствует выпрямлению регулировочной характеристики во всём диапазоне изменения расхода, особенно на его максимуме. В идеале регулировочная характеристика должна иметь вид горизонтальной прямой во всём рабочем диапазоне расхода (от 0,05 до 0,5 л/с). Кроме того, увеличенный диаметр диафрагмы позволяет изготавливать гидроредукторы давления воды с заводской настройкой. Отсюда отпадает надобность в изготовлении сложного и очень капризного узла для подстройки редуцируемого давления на каждом этаже. В современных гидроредукторах при увеличенных расходах редуцируемое давление может упасть на 50% от необходимого, что для квартирного устройства недопустимо.
Вторая неприятность
Если в поршневых гидроредукторах проблемы с автоколебаниями их подвижных частей решались автоматически за счёт сил контактного трения, создаваемых уплотнительными элементами (их бывает до четырёх штук), то в устройствах мембранного типа таких сил не должно быть, поскольку они плохо влияют на статические характеристики, искажая, например, регулировочную характеристику.
Как эту проблему в настоящее время решают производители гидроредукторов давления воды? Наиболее простое решение — оставить хотя бы одно эластичное уплотнение на штоке, жёстко связывающим мембрану и люльку уплотнительной прокладки. Однако одно уплотнение может быстро истереться или деформироваться, тогда трение уплотнительного узла уменьшится, и гидроредуктор войдёт в режим автоколебаний. Это уже не раз возникало в домах-новостройках.
Чтобы уменьшить интенсивный износ резиновых уплотнительных колец, специалисты стали устанавливать между стенкой цилиндра и резиновым кольцом кольцеобразные прокладки из фторопласта. Однако сила контактного трения, спасающая от автоколебаний, при этом не изменилась. В результате осталась и петля гистерезиса в регулировочной характеристике, которой не должно быть в настоящем квартирном гидроредукторе.
Наконец, подумали и об установке гидродемпфера. Он стал выполняться в виде миниатюрного поршня с предельно маленьким зазором относительно цилиндра с жиклёром в теле поршня. Однако и это не решило проблему. Опыт показал, что со временем жиклёр и зазор между поршнем и втулкой постепенно засорялся отложениями солей и механическими частицами, всегда присутствующими в воде.
Автор настоящей работы в конце концов решил эту проблему. Об этом будет рассказано ниже в процессе рассмотрения конструкции предлагаемого квартирного редуктора, который сейчас так необходим строителям высотных зданий.
Конструктивная схема нового квартирного редуктора давления воды приведена на рис. 1. Его вторичные конструктивные особенности заключаются в том, что практически все его детали и элементы выполнены из пластмассы. Из металла выполнены только детали, подверженные нагрузкам, которые простые пластмассы выдержать не могут. Выбор пластмасс для изготовления нового квартирного гидроредуктора можно объяснить исключительно снижением себестоимости устройства. Как показывает практика, изготовление качественного квартирного редуктора давления воды с заданными характеристиками из металла требует существенного увеличения его габаритов из-за приведения его внутренних каналов до нормальных значений их проходного сечения, что приводит к значительному увеличению цены прибора.
Рис. 1. Конструктивная схема нового квартирного редуктора давления воды марки КРДВ-15/16 [1 — нижний корпус; 2 и 3 — латунные втулки; 4 — корпус фильтроэлемента; 5 — фильтроэлемент; 6 — заглушка; 7 — эластичное уплотнительное кольцо; 8 — верхний корпус; 9 и 10 — эластичные кольца круглого сечения; 11 — полость; 12 — кольцевая проточка; 13 — диафрагма (мембрана); 14 — опорный диск; 15 — тонкостенный диск из нержавеющей стали; 16 — гайка; 17 — опорный диск; 18 и 19 — цилиндрические штоки; 20 — прокладка; 21 — люлька; 22 — гайка; 23 — центратор; 24 — седло; 25 — крышка; 26 — опорный диск; 27 — столбики; 28 — цилиндрическая «бочкообразная» пружина со специальной навивкой; 29 — гайка; 30 — корпус сапуна; 31 — узелсовмещающий в себе сапун и обратный клапан; 32 — шуруп]
Нижний корпус 1 гидроредуктора для увеличения его поперечной жёсткости имеет закладные детали — латунные втулки 2 и 3. У корпуса 1 имеется также элемент 4, в котором размещается фильтроэлемент 5, выполненный в форме цилиндра с множеством фильтрующих воду отверстий. Он выполняется из нержавеющей стали. Заглушка 6 выполняется из пластмассы. Она имеет внутреннюю полость для увеличения грязеёмкости фильтрующего элемента 5. Цифрой 7 обозначено эластичное уплотнительное кольцо.
Верхний корпус 8 также выполнен из пластмассы. Уплотнение каналов между нижним 1 и верхним корпусом 8 осуществляется с помощью эластичных колец круглого сечения 9 и 10.
Верхний и нижний корпус стягиваются четырьмя болтами с гайками (на рисунке не показаны). Такая сборка позволяет в случае необходимости ремонта обеспечить доступ к соответствующим деталям. Кроме того, эта конструкция позволяет осуществить ряд принципиальных задач по обеспечению качественных показателей нового квартирного редуктора давления воды. В частности, решить проблему целостности диафрагмы 13. Здесь она выполнена из утолщённого термопластичного каучука, имеет более высокий гофр, и у неё отсутствует армирующая ткань, которая и является первопричиной разрушения армированных диафрагм. Кстати, у нас в стране есть опыт массового применения неармированных диафрагм, ни одна из которых так и не разрушилась. Так что необходимость армирования диафрагм для предохранения их от разрушения — всего лишь легенда.
Возвращаясь к диафрагме для нового гидроредуктора, следует отметить, что от раздутия вертикальные поверхности гофра защищены наружным цилиндрическим выступом опорного диска 14 и соответствующей вертикальной цилиндрической внутренней поверхностью крышки 25. От осевого раздутия верхняя поверхность гофра диафрагмы защищена соответствующей внутренней плоской поверхностью крышки 25.
На шток 18 насаживается опорный диск 17, выполненный из тонкостенной нержавеющей стали, а затем на шток 18 насаживается диафрагма 13, которая через пластмассовый опорный диск 14 и тонкостенный диск 15, выполненный из нержавеющей стали, фиксируется гайкой 16 (её можно выполнить из латуни).
Нижняя часть штока 18 переходит в цилиндр 19 увеличенного диаметра, позволяющего опорному диску 17 без перекосов лечь на верхний бурт цилиндра 19. Ниже этот цилиндр через галтель переходит в диск небольшой толщины с кольцевой отбортовкой на его нижней поверхности. Из нижней части этого диска выходит резьбовой стержень, который ещё ниже переходит в гладкий сравнительно тонкий стержень.
Уплотняющая прокладка 20 насаживается на резьбовой стержень штока 18, прижимается люлькой 21 и фиксируется гайкой 22. Такая конструкция крепления уплотняющей прокладки своей простотой изготовления отличается в лучшую сторону по сравнению с креплением прокладки в люльке методом вулканизации. Это, естественно, обеспечивает и облегчает решение проблемы ремонтопригодности квартирного гидроредуктора. Особенно если учесть, что квартирный гидроредуктор должен работать не менее 50 лет. Именно такая задача ставилась при проектировании этого нового квартирного редуктора давления воды.
Седло 24 запорно-регулирующего клапана квартирного редуктора давления изготавливается из нержавеющей стали и запрессовывается в центральное отверстие верхнего корпуса 8. Это выгодно отличает его от других конструкций сёдел.
Например, латунные седла подвержены разрушению за счёт кавитационных процессов, которые постоянно идут в гидроредукторах из-за больших скоростей воды в их запорно-регулирующих органах.
В последнее время в редукторах давления воды появились принципиально новые запорно-регулирующие органы. Условное седло в них представляет кольцеобразную проточку в пластмассовой втулке. Через её отверстие сверху проходит металлический конусообразный корпус клапана, а в его кольцевой проточке на конусной поверхности устанавливается с натягом эластичное кольцо прямоугольного сечения. Когда конус втягивается в отверстие пластмассовой втулки, эластичное кольцо начинает запирать рабочее окно. Такая конструкция, к сожалению, приводит к появлению существенной по величине петли гистерезиса вследствие упругости эластичного кольца, что в квартирном гидроредукторе недопустимо.
Вода под напором из фильтроэлемента 5 попадает в отверстия центратора 23 и далее в рабочий зазор между уплотнительной эластичной прокладкой 20 и рабочей кромкой седла 24. Центратор 23 служит для обеспечения концентриситета прокладки 20 и рабочих кромок седла 24.
Следует отметить, что конструкция узла крепления прокладки обеспечивает ремонтопригодность этого узла, так как прокладка — наиболее уязвимый элемент, который иногда требует замены. В гидроредукторах, в которых вода течёт во внутрь сопла, прокладка 20 обычно крепится к люльке 21 методом вулканизации.
Выбор запорно-регулирующего органа с направлением течения воды внутрь сопла является предпочтительным, так как в безрасходном режиме работы гидроредуктора повышение давления в напорной гидролинии не приводит к повышению давления в гидролинии после редуктора. Кроме того, при выборе такого направления течения существенно снижается шумность работы гидроредуктора по сравнению с распространёнными образцами данного устройства, в которых течение воды в зазоре между рабочей кромкой сопла и уплотняющей прокладкой направлено из сопла наружу. Этому есть разумное объяснение, и здесь оно не рассматривается потому, что это уже установленный экспериментально факт.
Далее будет рассмотрена конструктивная особенность нового гидроредуктора диафрагменного типа, узел демпфирования которого не создаёт сил сухого и контактного трения, не приводит к износу каких-либо поверхностей и не засоряется. Этот узел включает в себя диск 26 с центральным отверстием, через которое свободно проходит цилиндр 19 штока 18. Данный диск 26 жёстко закреплён в соответствующей проточке верхнего корпуса 8 и опирается на столбики 27 для предотвращения прогиба вниз под действием силы диафрагмы 13. Сила прижима к диску 26 определяется витой пружиной 28.
Теперь о новом способе демпфирования подвижной части квартирного редуктора. Вода из полости 11, в которую попадает вода из сопла 24, через отверстия в горизонтальной перемычке верхнего корпуса 8 направляется в кольцевую проточку 12, откуда поступает в отверстие закладной втулки 3. Одновременно вода попадает в полость под диафрагмой 13. Объём этой полости во время вертикального перемещения центра мембраны 13 меняется, поэтому вытекающая и притекающая вода, проходя мимо цилиндра 19, создаёт на жёстком центре демпфирующее усилие.
Такая конструкция демпфера может работать бесконечно долго, поскольку в ней исключена возможность как засорения, так и появления сил контактного трения, приводящих регулировочную характеристику к гистерезисному виду. Последнее, напомним, является ключевым недостатком почти всех существующих даже «квартирных» гидроредукторов.
Следует отметить и конструктивную особенность пружины 28. Она размещена под крышкой 25 и за счёт предварительного сжатия компенсирует усилие, создаваемое мембраной 13 под действием редуцируемого давления. Если они отличаются, то мембрана переместится в сторону меньшего усилия. Переместится и прокладка 20, прикрывая или открывая рабочее окно запорно-регулирующего органа гидроредуктора, тем самым обеспечивая постоянство редуцируемого давления.
Чтобы регулировочная характеристика была максимально пологой, нужно, чтобы пружина имела как можно меньшую жёсткость. Технологически это можно сделать за счёт увеличения диаметра пружины. Однако у витых цилиндрических пружин есть один недостаток, который особенно проявляется в таком устройстве, как рассматриваемый квартирный гидроредуктор. Из-за не очень удачной конструкции торцов витых цилиндрических пружин жёсткий центр диафрагмы перекашивается. В результате нижняя часть штока 19 отклоняется от оси, а люлька 21 с прокладкой 20 отклоняются от оси седла 24, что не очень хорошо.
Чтобы избавиться от этой напáсти, можно ввести дополнительные механические детали, что существенно усложнит пружинный узел и увеличит стоимость гидроредуктора. Автор нашёл решение этой проблемы, изучая подвески некоторых автомобилей. Оказывается, существуют простые витые цилиндрические («бочкообразные») пружины со специальной навивкой. Такую пружину автор спроектировал для нового разрабатываемого редуктора, и её изготовили на специализированном предприятии. На рис. 1 она обозначена цифрой 28. Геометрия этой пружины несколько отличается от той, которая была обнаружена в рессорном механизме автомобиля, количеством опорных витков. Здесь их по два с каждого конца, и в данном случае усилие перекоса пружины 28, при всей её необыкновенной простоте, стало настолько незначительным, что гарантированное центрирование прокладки 20 без заметных сил контактного трения можно обеспечить за счёт установки центратора 23 из твёрдого пластика, поместив в его центральное отверстие нижний конец штока 18. Фиксация пружины при размещении её в полости крышки 25 осуществляется свободной посадкой концов пружины на гайки 16 и 29. Крышка 25 имеет соответствующие ребра жёсткости и крепится к верхнему корпусу 8 с помощью шурупов 32.
Поскольку в рассматриваемой конструкции гидроредуктора принята диафрагма с эффективным диаметром, равным 62 мм, а также пружина имеет приличный диаметр (около 33 мм), то и объём воздуха под крышкой получается слишком большой, чтобы в случае герметизации этого объёма он не изменял бы величину редуцируемого давления при изменении температуры воды и окружающей среды. Поэтому объём воздуха под крышкой было решено соединить с атмосферой. Для этого был разработан узел, совмещающий в себе сапун и обратный клапан. На рис. 1 он обозначен цифрой 31. Он надевается на корпус сапуна 30. В нормальной ситуации плоский клапан под центральным отверстием корпуса сапуна 30 не соприкасается с его нижним торцом и воздух из-под крышки свободно перемещается в атмосферу и обратно. В случае, если случится какая-либо протечка, вода заполнит объём под крышкой 25 и попытается вытечь через отверстие сапуна наружу. Однако плоский клапан под воздействием потока моментально закроется, и затопления помещения не произойдёт. Хотя автор считает, что разрыв неармированной мембраны исключается, он всё же установил обратный клапан 31. Это сделано для соблюдения требований ГОСТ Р 55023–2012 [1], которые действую в случае применения мембраны в качестве чувствительного элемента. В процессе обновления данного ГОСТ можно будет этот пункт переформулировать.
В завершение следует отметить, что, учитывая свой 25-летний опыт разработки квартирных редукторов давления, автор в настоящее время не обнаружил нормальных гидравлических редукторов, которые отвечали бы всем пунктам требований уже устаревающего ГОСТ Р 55023–2012 [1]. Ни один из существующих гидроредукторов давления воды не может быть назван «квартирным». Причём существующие редукторы давления воды, претендующие на название «квартирных», по результатам экспериментального исследования (тестирования образцов, имеющихся в продаже) имеют существенные недостатки, которых не должно быть в принципе. Причина этому — желание производителей сделать гидроредукторы миниатюрными и за счёт этого дешёвыми. Однако за всё это придётся «отдуваться» конечному потребителю.
Предлагаемый в настоящей работе квартирный редуктор давления воды является на данный отрезок времени единственным, характеристики и эксплуатационные показатели которого отвечают не только требованиям всех пунктов действующего ГОСТа, но даже и негласным требованиям потребителей.
