Кран: устройство для управления потоком жидкости.

Введение

Кран — это клапан, регулирующий подачу жидкости или газа. (Также используется термин "вентиль": см. варианты употребления.)

Великобритания

В Соединенном Королевстве и большинстве стран Содружества термин "tap" используется для обозначения любого бытового вентиля, в частности, смесителей, регулирующих подачу воды в ванны и раковины.

Соединенные Штаты

Кран – наиболее распространенный термин в США, аналогичный "крану" (tap) в британском английском, например, "водяной кран" (water faucet) (хотя термин "кран" также используется в США). Спинго́т используется профессионалами (например, сантехниками) и обычно обозначает наружный водопроводный прибор. Силко́к (и силлкок) – то же самое, что и "спингот", обозначающий "вентиль" (cock), например, запорный вентиль (stopcock) или топливный вентиль (petcock), который проходит сквозь фундамент. Биб (бибкок, и шланг-биб или хоз-биб) – обычно морозостойкая версия "спингота". Настенный гидра́нт – то же самое, что и "хоз-биб". Кран (tap) обычно относится к крану для кега или бочки, хотя также часто обозначает кран, подающий только горячую или только холодную воду, но не одновременно. Он также используется в качестве определения в выражении "водопроводная вода" (tap water), то есть вода, очищенная для бытовых нужд. Однотемпературный кран часто встречается в общественных или коммерческих туалетах, где температура воды регулируется отдельным смесителем, который смешивает горячую и холодную воду. Смеситель может располагаться под раковиной или в отдельном техническом помещении или кладовой. Такие однотемпературные краны менее подвержены поломкам из-за интенсивного использования или вандализма.

Жидкий

Вода для ванн, раковин и умывальников может подаваться отдельными горячими и холодными кранами; такая схема распространена в старых установках, особенно в общественных туалетах и умывальнях, а также в прачечных. На кухнях и в ванных комнатах обычно используются смесители. В этом случае горячая и холодная вода из двух вентилей смешиваются перед выходом, позволяя получить воду любой температуры между температурой горячей и холодной воды. Смеситель был изобретен Томасом Кэмпбеллом из Сент-Джона, Нью-Брансуик, и запатентован в 1880 году. Для ванн и душевых смесители часто оснащаются системой балансировки давления, чтобы соотношение горячей и холодной воды не изменялось при колебаниях давления в одной из магистралей. Это помогает избежать ожогов или неприятного похолодания при одновременном использовании нескольких водозаборных точек (например, при смыве унитаза). Вместо двух отдельных вентилей смесители часто используют один, более сложный вентиль, управляемый одной ручкой (однорычажный смеситель). Ручка перемещается вверх и вниз для регулировки расхода воды и в стороны – для регулировки температуры. Особенно для ванн и душевых новейшие модели – термостатические смесители, использующие встроенный термостат и могут быть механическими или электронными. Существуют также краны с цветными светодиодами, показывающими температуру воды. При установке двух трубопроводов горячий кран обычно имеет красную маркировку, а холодный – синюю или зеленую. В Соединенных Штатах краны часто также маркируются буквами "H" или "C". В странах с романскими языками используются буквы "C" для горячей и "F" для холодной (от французского "chaud"/итальянского "caldo"/испанского "caliente" (горячий) и французского "froid"/итальянского "freddo"/испанского "frio" (холодный)). В португальском языке используются Q (для "quente", горячий) и F. Это может ввести в заблуждение англоговорящих туристов. На смесителях может быть красно-синяя полоса или стрелки, указывающие, какая сторона соответствует горячей, а какая – холодной воде. В большинстве стран существует стандартная схема расположения горячих и холодных кранов. Например, в Соединенных Штатах и многих других странах горячий кран расположен слева в соответствии с требованиями строительных норм. Существует множество установок, где этот стандарт не соблюдается (сантехники называют это "перекрестным подключением"). Неправильная сборка некоторых однорычажных смесителей может привести к перепутыванию горячей и холодной воды, даже если сантехнические работы выполнены правильно. В Соединенных Штатах Закон об американцах с ограниченными возможностями устанавливает требования к смесителям, например, необходимость приложения усилия менее 5 фунтов для работы и отсутствие необходимости вращать запястье. Большинство ручек в домах крепятся к штокам вентилей винтами, но во многих коммерческих и промышленных применениях они оснащаются съемным ключом, называемым "ключом для отключения", "водяным ключом" или "ключом для вентиля", который имеет квадратный штифт и квадратный конец для включения и выключения воды; "ключ для отключения" можно снять, чтобы предотвратить вандализм. До изобретения "ключа для отключения" было принято, чтобы некоторые домовладельцы или смотрители снимали ручку крана, которая имела зубья, сопрягающиеся с шестернями на штоке вентиля. Эта зубчатая система до сих пор используется в большинстве современных кранов. "Ключи для отключения" также могут быть установлены снаружи домов, чтобы предотвратить несанкционированное использование. Краны обычно подключаются к водопроводу с помощью "поворотного соединителя крана", который крепится к концу водопроводной трубы с помощью пайки или компрессионного фитинга и имеет большую гайку для прикручивания к резьбовому "хвосту" крана, свисающему под ванной, раковиной или умывальником. Между соединителем и хвостом крана используется волокнистая прокладка (которая расширяется при намокании, обеспечивая герметичность). Диаметр "хвостов" кранов обычно составляет 1/2 дюйма или 12 мм для раковин и 3/4 дюйма или 19 мм для ванн, хотя в континентальной Европе иногда используется размер 3/8 дюйма (по-прежнему в дюймах). Тот же метод соединения используется для запорного клапана бачка унитаза. Термин "кран" широко используется для обозначения клапана, используемого для розлива пива из кега, независимо от того, осуществляется подача самотеком или под давлением.

Water for baths, sinks and basins can be provided by separate hot and cold taps; this arrangement is common in older installations, particularly in public washrooms/lavatories and utility rooms/laundries. In kitchens and bathrooms, mixer taps are commonly used. In this case, hot and cold water from the two valves is mixed before reaching the outlet, allowing the water to emerge at any temperature between that of the hot and cold water supplies. Mixer taps were invented by Thomas Campbell of Saint John, New Brunswick, and patented in 1880. For baths and showers, mixer taps frequently incorporate some sort of pressure balancing feature so that the hot/cold mixture ratio will not be affected by transient changes in the pressure of one or other of the supplies. This helps avoid scalding or uncomfortable chilling as other water loads occur (such as the flushing of a toilet). Rather than two separate valves, mixer taps frequently use a single, more complex, valve controlled by a single handle (single handle mixer). The handle moves up and down to control the amount of water flow and from side to side to control the temperature of the water. Especially for baths and showers, the latest designs are thermostatic mixing valves that do this using a built in thermostat, and can be mechanical or electronic. There are also taps with color LEDs to show the temperature of the water. When two pipes are installed, the hot tap generally has a red indicator while the cold tap generally has a blue or green indicator. In the United States, the taps are frequently also labeled with an "H" or "C". In countries with Romance languages, the letters "C" for hot and "F" for cold are used (from French "chaud"/Italian "caldo"/Spanish "caliente" (hot) and French "froid"/Italian "freddo"/Spanish "frio" (cold)). Portuguese would use Q (for "quente", hot) and F. This can create confusion for English speaking visitors. Mixer taps may have a red blue stripe or arrows indicating which side will give hot and which cold. In most countries, there is a standard arrangement of hot/cold taps. For example, in the United States and many other countries, the hot tap is on the left by building code requirements. Many installations exist where this standard has been ignored (called "crossed connections" by plumbers). Mis assembly of some single valve mixer taps will exchange hot and cold even if the fixture has been plumbed correctly. In the United States, the Americans with Disabilities Act provide requirements for faucets, such as requiring less than five pounds of force to operate, and requiring that the user does not have to twist their wrist. Most handles in homes are fastened to the valve shafts with screws, but on many commercial and industrial applications they are fitted with a removable key called a "loose key", "water key", or "sillcock key", which has a square peg and a square ended key to turn off and on the water; the "loose key" can be removed to prevent vandals from turning on the water. Before the "loose key" was invented it was common for some landlords or caretakers to take off the handle of a tap, which had teeth that would meet up with the gears on the valve shaft. This tooth and cog system is still used on most modern taps. "Loose keys" may also be found outside homes to prevent passers by from using them. Taps are normally connected to the water supply by means of a "swivel tap connector", which is attached to the end of the water pipe using a soldered or compression fitting, and has a large nut to screw onto the threaded "tail" of the tap, which hangs down underneath the bath, basin or sink. A fibre washer (which expands when wet, aiding the seal) is used between the connector and the tap tail. Tap tails are normally 1/2 " or 12 mm in diameter for sinks and 3/4 " or 19 mm for baths, although continental Europe sometimes uses a 3/8 " (still imperial) size. The same connection method is used for a ballcock. The term tap is widely used to describe the valve used to dispense draft beer from a keg, whether gravity feed or pressurized.

Газ

Газовый кран – это разновидность шарового крана, используемая в жилых, коммерческих и лабораторных условиях для регулирования подачи горючих газов (таких как природный газ, угольный газ и синтез-газ). Как и все шаровые краны, его рукоятка будет параллельна газовой линии в открытом положении и перпендикулярна – в закрытом, что обеспечивает легкую визуальную идентификацию его состояния.

Физика

Водные и газовые краны имеют регулируемый расход: шлюзовые клапаны обеспечивают более плавную регулировку; шаровые клапаны – более резкую, и обычно используются для полного открытия или закрытия. Поворот ручки или рычага крана регулирует расход, изменяя размер проходного сечения в запорном устройстве. При любом положении открытия возникает критический режим течения. Его скорость не зависит от вязкости или температуры жидкости или газа в трубе и слабо зависит от давления на входе, что обеспечивает стабильность расхода при заданной настройке. При промежуточных настройках расхода давление в сужающем канале клапана падает почти до нуля из-за эффекта Вентури; в водных кранах это приводит к кратковременному закипанию воды при комнатной температуре при прохождении через сужение. Образуются и схлопываются пузырьки холодного водяного пара в области сужения, вызывая знакомый свистящий звук. При очень малых расходах вязкость воды становится значимой, и падение давления (а вместе с ним и свист) исчезают; при максимальном расходе важную роль начинает играть гидравлическое сопротивление в трубах, и вода снова течет бесшумно.

Механизмы

Первый механизм свинцового крана был запатентован и изготовлен основателями медной фабрики Ротерхэм Гест и Кримс в 1845 году. Большинство старых кранов используют мягкую резиновую или неопреновую прокладку, которая прижимается к седлу клапана для перекрытия потока. В технике это называется "глобальным клапаном", и хотя он обеспечивает герметичное уплотнение и точную регулировку потока, как резиновая прокладка, так и седло клапана подвергаются износу (а седло также коррозии) со временем, что приводит к потере герметичности в закрытом положении и протечке крана. Прокладку можно заменить, а седло клапана можно восстановить (хотя бы несколько раз), но глобальные клапаны никогда не бывают полностью необслуживаемыми. Кроме того, извилистый S-образный путь, по которому вынуждена течь вода, создает значительное сопротивление потоку. Для систем водоснабжения высокого давления это не имеет значения, но для систем низкого давления, где важна пропускная способность, например, для душа, питаемого от накопительного бака, предпочтительнее "стопорный кран" или, в технической терминологии, "задвижка". Задвижки используют металлический клин с круглой поверхностью, обычно того же диаметра, что и труба, который ввинчивается перпендикулярно потоку, перекрывая его. Сопротивление потоку при полностью открытом кране минимально, но этот тип крана редко обеспечивает идеальное уплотнение в закрытом положении. В Великобритании этот тип крана обычно имеет колесообразную рукоятку, а не рукоятку-костыль или штурвал. Альтернативой являются конусные или шаровые клапаны. Они часто встречаются в качестве отключающих клапанов в более дорогих водопроводных системах и обычно используются в газовых кранах (и, кстати, в пивных кранах, упомянутых выше). Их можно идентифицировать по малому углу поворота – всего 90° – между полностью открытым и закрытым положением. Обычно, когда рукоятка выровнена с трубой, клапан открыт, а когда рукоятка перпендикулярна трубе, он закрыт. Однако рукоятка может поворачиваться в любом направлении – по часовой стрелке или против часовой стрелки. О – закрыто, Р – открыто. Конусный клапан состоит из слабоконического конуса, плотно входящего в гнездо, расположенного поперек потока жидкости. В английском языке это обычно называют конусным пробковым краном. Шаровый клапан использует вместо конуса сферический шар. В любом случае отверстие в конусе или шаре позволяет жидкости проходить, если оно совпадает с отверстиями в гнезде, через которые жидкость входит и выходит; вращение конуса рукояткой поворачивает проход, перекрывая поток жидкостью непроницаемой поверхностью конуса. Иногда встречаются клапаны этого типа с цилиндрическим, а не коническим элементом, но использование конуса позволяет обеспечить плотное прилегание даже при умеренных допусках при изготовлении. Шар в шаровых клапанах вращается внутри пластиковых (обычно из ПТФЭ) седел. Инфракрасные датчики приближения заменяют традиционные клапаны. Термостатически управляемые электронные смесительные или переключающие клапаны используются в промышленных приложениях для автоматической подачи жидкости по мере необходимости. Ножные клапаны устанавливаются в лабораториях и медицинских учреждениях, а также в промышленных условиях, где работа с кранами грязными руками может оставлять на них следы. Современные краны часто оснащены аэраторами на кончике для ограничения потока воды и введения воздуха в виде пузырьков для уменьшения разбрызгивания. Без аэратора вода обычно вытекает из крана одной струей. Аэратор разбивает поток воды на множество мелких капель. В санитарных условиях, таких как больницы или лаборатории, вместо аэраторов используются "ламинарные проточные устройства". Ламинарные проточные устройства ограничивают поток и направляют воду в плавную струю, не вводя окружающий воздух, который может содержать опасные бактерии или частицы. Современные кухонные и ванные краны часто используют керамические или пластиковые поверхности, скользящие по другим керамическим поверхностям с пружинами или пластиковым уплотнением. Эти краны используют уникально низкий коэффициент трения между двумя контактирующими керамическими поверхностями, особенно в присутствии воды в качестве смазки. Эти краны, как правило, требуют гораздо меньше обслуживания, чем традиционные глобальные клапаны, и при необходимости обслуживания обычно заменяется весь внутренний механизм клапана, часто в виде предварительно собранного картриджа. Из трех производителей в Северной Америке, Moen и American Standard используют картриджи (картриджи Moen основаны на уплотнительных кольцах, а American Standard – на керамике), в то время как Delta использует резиновые седла, прилегающие к картриджам. Каждая конструкция имеет свои преимущества: картриджи Moen легче всего найти, картриджи American Standard имеют практически неограниченный срок службы в водопроводной воде из централизованного водоснабжения, а резиновые седла Delta более устойчивы к осадку в воде из скважины.

The first screw down tap mechanism was patented and manufactured by the Rotherham brass founders Guest and Chrimes in 1845. Most older taps use a soft rubber or neoprene washer which is screwed down onto a valve seat in order to stop the flow. This is called a "globe valve" in engineering and, while it gives a leak proof seal and good fine adjustment of flow, both the rubber washer and the valve seat are subject to wear (and for the seat, also corrosion) over time, so that eventually no tight seal is formed in the closed position, resulting in a leaking tap. The washer can be replaced and the valve seat resurfaced (at least a few times), but globe valves are never maintenance free. Also, the tortuous S shaped path the water is forced to follow offers a significant obstruction to the flow. For high pressure domestic water systems this does not matter, but for low pressure systems where flow rate is important, such as a shower fed by a storage tank, a "stop tap" or, in engineering terms, a "gate valve" is preferred. Gate valves use a metal wedge with a circular face, usually the same diameter as the pipe, which is screwed into place perpendicularly to the flow, cutting it off. There is little resistance to flow when the tap is fully open, but this type of tap rarely gives a perfect seal when closed. In the UK this type of tap normally has a wheel shaped handle rather than a crutch or capstan handle. Cone valves or ball valves are another alternative. These are commonly found as the service shut off valves in more expensive water systems and usually found in gas taps (and, incidentally, the cask beer taps referred to above). They can be identified by their range of motion—only 90°—between fully open and closed. Usually, when the handle is in line with the pipe the valve is open, and when the handle is across the pipe it is closed. But it could move in either direction CW or CCW perpendicular to the pipe. S=shut and O=open. A cone valve consists of a shallowly tapering cone in a tight fitting socket placed across the flow of the fluid. In UK English this is usually known as a taper plug cock. A ball valve uses a spherical ball instead. In either case, a hole through the cone or ball allows the fluid to pass if it is lined up with the openings in the socket through which the fluid enters and leaves; turning the cone using the handle rotates the passage away, presenting the fluid with the unbroken surface of the cone through which it cannot pass. Valves of this type using a cylinder rather than a cone are sometimes encountered, but using a cone allows a tight fit to be made even with moderate manufacturing tolerances. The ball in ball valves rotates within plastic(usually ptfe) seats. Hands free infrared proximity sensors are replacing the standard valve. Thermostatically controlled electronic dual purpose mixing or diverting valves are used within industrial applications to automatically provide liquids as required. Foot controlled valves are installed within laboratory and healthcare/hospitals, as well as in industrial settings where extremely dirty hands operating taps might leave residues on them. Modern taps often have aerators at the tip to limit water flow and introduce air in the form of bubbles to reduce splashing. Without an aerator, water usually flows out of the tap in one big stream. An aerator spreads the water flow into many small droplets. In sanitary settings such as hospitals or laboratories "laminar flow devices" are used in place of aerators. Laminar flow devices restrict flow and direct the water into a smooth stream without introducing the surrounding air which could contain hazardous bacteria or particles. Modern bathroom and kitchen taps often use ceramic or plastic surfaces sliding against other spring loaded ceramic surfaces or plastic washers. These taps exploit the uniquely low value of the coefficient of friction of 2 ceramic surfaces in contact, especially in the presence of water as a lubricant. These taps tend to require far less maintenance than traditional globe valves, and when maintenance is required the entire interior of the valve is usually replaced, often as a single pre assembled cartridge. Of three manufacturers in North America, Moen and American Standard use cartridges (Moen's being O ring based, American Standard's being ceramic), while Delta uses rubber seats facing the cartridges. Each design has its advantages: Moen cartridges tend to be easiest to find, American Standard cartridges have nearly infinite lifespan in sediment free municipal water, and Delta's rubber seats tend to be most forgiving of sediment in well water.

Предотвращение обратного потока

В большинстве юрисдикций США теперь требуется, чтобы краны для шлангов, шланговые выводы и настенные гидранты были оснащены вакуумным разрывателем или обратным клапаном, чтобы вода не могла вернуться из шланга в водопровод. Это предотвращает загрязнение здания или общественной системы водоснабжения при понижении давления. В Великобритании водные нормы требуют установки двойного обратного клапана, который часто встроен непосредственно в корпус крана.

Стандарт ASME A112 по материалам и оборудованию сантехники

Американское общество инженеров-механиков (ASME) публикует несколько стандартов по сантехнике. Некоторые из них:

ASME A112.6.3 – Напольные и траншейные дренажи
ASME A112.6.4 – Дренажи для крыш, террас и балконов
ASME A112.18.1/CSA B125.1 – Фитинги для водоснабжения
ASME A112.19.1/CSA B45.2 – Эмалированные чугунные и эмалированные стальные сантехнические изделия
ASME A112.19.2/CSA B45.1 – Керамические сантехнические изделия