（机械制造及其自动化专业论文）自力式恒温阀控温特性研究.pdf

摘要 摘要 自力式恒温阀( 简称恒温阀，国际上称为t h e r m o s t a t i cv a l v e ) ，是一种控制流体温度 的新型阀门。它依靠感温传感器内感温介质随温度变化所产生的膨胀力来驱动阀门的启闭 或开度，从而调节进入阀门的冷、热流体流量，控制出口混合流体的温度。其具有结构简 单、动作可靠、温度控制精度较高、无需电力或压缩空气等额外动力、自动化程度高等诸 多优点，广泛应用于采暖、热水供应等各种热交换设备的温度自动控制场合。同时，针对 恒温阀的研究是节能技术研究的重要内容。 本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 在推导恒温阀瞬时控温数学模型的基础上，借助于由传感器、智能仪表、数据采 集器、计算机和组态工控软件组成的综合实验台，进行了恒温阀基本控温特性实验，恒温 阀关键组件参数对出口水温的影响实验，以及恒温阀关键组件参数对出口水温影响的显著 性实验。 研究结果表明：1 ) 出口水温的变化幅度在2 之间，恒温阀静态特性的线性度较好， 静态偏差小。2 ) 复位弹簧的预紧力对出口水温有一定影响，因此预紧力不宜过大或过小， 应结合蜡质感温元件的温度控制范围来选取；更大的蜡质感温元件膨胀系数，有利于恒温 阀精确控制出口水温；随着调节筒最大开度值的增加，恒温阀更容易受到冷、热水入口压 力的影响，不利于恒温阀对出口水温的控制，因而在满足阀门流量要求的前提下，应尽可 能的减小调节筒的最大开度值。3 ) 恒温阀关键组件参数对出口水温影响的显著性实验则 实验了恒温阀关键组件参数的优选原则，以得出最小出口水温偏差的恒温阀组件参数组合。 ( 2 ) 借助于f l u e n t 软件，建立了恒温阀混合舱的几何模型和物理模型，仿真研究了 不同入口压力下恒温阀内部流场的静压分布、温度分布以及速度矢量分布的变化趋势，以 探究冷、热水入口压力对流场的影响。分析了调节筒最大丌度值对流场的影响规律，为优 化恒温阀的结构提供依据。 研究结果表明：冷水压力的变化时流场的影响更加显著，因此在恒温阀结构设计时因 重点考虑使冷水得通道流动阻力降低：调节筒最大开度值不宜过大，应在满足流通能力的 前提下尽量减小其值。依扔：这。原则，本文提出的恒温阀的调节筒最大丌度值应为0 6 5 m m 。 ( 3 ) 在不考虑液动力的日，j 提f ，建立由调节筒、蜡质感温元件和复位弹簧升【成的： 阶震荡系统的数学模型，通过时、频域分析，得出了改善。陋温阀流量调节部件动念特性指 标的原则是： t 广东i 业人学r 学坝i 学位论艾 1 ) 通过改变恒温阀流量调节部件质量来优化系统动态特性的方案比通过改变恒温阀 复位弹簧刚度使系统达到最佳阻尼比的方案更有效；2 ) 减轻流量调节部件的质量可以明 显改善流量调节部件动态特性，因此可以探索采用新型材料得以实现；3 ) 改变复位弹簧 刚度只能部分优化系统动态特性指标，由于弹簧刚度与蜡质感温元件存在配合关系，因此 改变复位弹簧刚度时应综合考虑。 关键词：恒温阀；控温特性；数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r m o s t a t i cv a l v ei san e w t y p eo fe q u i p m e n tf o rc o n t r o l l i n gf l u i dt e m p e r a t u r e b y o p e n i n g c l o s i n g ，o rt h eo p e n i n gs i z eo fc o l d h o tf l u i di n t a k ew h i c hd r i v e db y t e m p e r a t u r e - s e n s i n gm e d i u m se x p a n s i o ns t r e n g t hw i t ht e m p e r a t u r ev a r y i n g ，i tc a nr e g u l a t i n gt h e p r o p e rp r o p o r t i o nb e t w e e nc o o la n dh o tf l u i de n t e r i n gt h ev a l v e ，s oa st oc o n t r o l se x p o r t i n g t e m p e r a t u r eo f m i x e df l u i dt e m p e r a t u r e b e c a u s eo f s i m p l es t r u c t u r e ，r e l i a b l eo p e r a t i o n ，a c c u r a t e t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，w i t h o u te x t r ap o w e rs u c ha se l e c t r i c i t yo rc o m p r e s s e da i ra n d a u t o m a t i z a t i o n ，t h e r m o s t a t i cv a l v ei sw i d e l yu s e df o rt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n go fv a r i o u sk i n do f h e a te x c h a n g es y s t e ms u c ha st h ec i v i lh e a t i n ga n dh o tw a t e rs u p p l ye q u i p m e n t a tt h es a m et i m e ， t h et h e r m o s t a t i cv a l v es t u d yi sa ni m p o r t a n tp a r to fe n e r g y s a v i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c h t h em a i ns t u d yi n c l u d e s ： ( 1 ) t h et h e r m o s t a t i cv a l v em a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n s t a n t a n e o u st e m p e r a t u r ec o n t r o li s d e d u c e d w i t h a ni n t e g r a t e dt e s t b e d ，w h i c hi sc o m p o s e do fs e n s o r s ，s m a r ti n s t r u m e n t a t i o n ，d a t a c o l l e c t i o n ，c o m p u t e ra n di n d u s t r i a lc o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，e x p e r i m e n t so f b a s i c t e m p e r a t u r ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e r m o s t a t i cv a l v e ，t h ei n f l u e n c eo fm a j o rc o m p o n e n t s p a r a m e t e r so nt h eo u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r e ，a n di n f l u e n c es i g n i f i c a n to f m a j o rc o m p o n e n t s p a r a m e t e r so nt h eo u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r e ，a r ec a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a t ：1 ) t h eo u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r ec h a n g er a n g ei s4 - 2 ，a n dt h es t a t i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h e r m o s t a t i cv a l v ea r el i n e a r i t ya n ds m a l ls t a t i cd e v i a t i o n 2 ) t h er e s e ts p r i n g p r e l o a dh a v eac e r t a i ni m p a c to nt h eo u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r e ，s ot h i sp r e l o a ds h o u l dn o tb et o o l a r g eo rt o os m a l l ，a n dm a t c h e d w i t ht h e r m o s t a tt e m p e r a t u r ec o n t r o lr a n g e ；g r e a t e rt h e r m o s t a t e x p a n s i o nc o e f f i c i e n ti sf a v o r a b l ef o rp r e c i s e rt e m p e r a t u r ec o n t r o lo fo u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r e ； w i t ht h el a r g e s ts h u t t e ro p e n i n gs i z ei n c r e a s i n g ，t h e r m o s t a t i cv a l v ei sm o r ev u l n e r a b l et oc o l d & h o tw a t e rp r e s s u r e ，a n dn o tc o n d u c i v et oc o n t r o lt h eo u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r e ，t h u si t sv a l u e s h o u l db er e d u c e da sm u c ha sp o s s i b l ew h i l et h e r m o s t a t i cv a l v em e e tt h ec i r c u l a t i o na b i l i t y 3 1 t h es i g n i f i c a n ti n f l u e n c ee x p e r i m e n to fm a j o rt h e r m o s t a t i cv a l v ec o m p o n e n t sp r o v i d e st h e s e l e c t i o np r i n c i p l eo ft h e i rp a r a m e t e r s ，d u et op r o d u c et h em i n i m u mt e m p e r a t u r ed e v i a t i o n s ( 2 ) w i t hf l u e n ts o f t w a r e ，t h eg e o m e t r i cm o d e l sa n dp h y s i c a lm o d e l so ft h e r m o s t a t i c v a l v em i x e dc a b i na r ee s t a b l i s h e d u n d e rd i f f e r e n ti n l e tp r e s s u r e ，t h ec h a n g i n gt r e n do f p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dv e l o c i t yv e c t o ro fv a l v ei n t e r n a lf l o wa r es i m u l a t e d ，i n ii i 广东t 业人学t 学硕i ：学位论义 o r d e rt oe x p l o r et h ei m p a c to fc o l d & h o tw a t e rp r e s s u r eo nt h eo u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r e a n d i n f l u e n c e so fs h u t t e r sl a r g e s to p e n i n gs i z eo nf l u i df l o wa r ea n a l y z e d ，a i m i n ga tp r o v i d et h e b a s i so ft h e r m o s t a t i cv a l v es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p a c to fc o l dw a t e rp r e s s u r ec h a n g e so nf l u i df l o wi sm o r e s i g n i f i c a n tt h a nh o tw a t e rp r e s s u r e ，s ot h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h e r m o s t a t i cv a l v es h o u l df o c u so n t h ec o l dw a t e rc h a n n e lf o rr e s i s t a n c ed e c r e a s e d t h es h u t t e rl a r g e s to p e n i n gs i z es h o u l dn o tb e t o ol a r g e ，a n dm i n i m i z ei t sv a l u ew h i l et h e r m o s t a t i cv a l v ec a nm e e tt h ec i r c u l a t i o na b i l i t y b a s e d o nt h i sp r i n c i p l e 。t h et h e r m o s t a t i cv a l v es h u t t e rl a r g e s to p e n i n gs i z es h o u l db eo 6 5m mi nt h e p a p e r ( 3 ) w i t h o u tc o n s i d e r i n gt h ef o r c eo fh y d r a u l i cp r e s s u r e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e s e c o n dc o n c u s s i o ns y s t e m ，w h i c hi sc o m p o s e do fs h u t t e r ，a c t u a t o ra n dt h er e s e ts p r i n g ，i s e s t a b l i s h e d t h r o u g ht i m e d o m a i na n df r e q u e n c y d o m a i na n a l y s e s ，t h et h e o r e m so fi m p r o v i n gt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e r m o s t a t i cv a l v ef l u i dc o n t r o lc o m p o n e n t sa r eg o ta sf o l l o w i n g ： l1i no r d e rt oo p t i m i z et h ed y n a m i cs y s t e mc h a r a c t e r i s t i c sf o ro p t i m a ld a m p i n g ，t h e p r o g r a m m et h a tb yc h a n g i n gt h eq u a l i t yo ft h e r m o s t a t i cv a l v ef l o wc o n t r o lc o m p o n e n t si sm o r e e f f e c t i v et h a nt h a to fc h a n g i n gt h er e s e ts p r i n gs t i f f n e s s ；2 ) r e d u c et h eq u a l i t yo ff l o wc o n t r o l c o m p o n e n t sc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v es y s t e md y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e r e f o r ec a ne x p l o r e n e wm a t e r i a l st oa c h i e v e ；3 ) c h a n g i n gt h er e s e ts p r i n gs t i f f n e s sc a no n l yo p t i m i z et h ed y n a m i c s y s t e mi n d i c a t o r sp a r t l y , a se x i s t i n gc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h er e s e ts p r i n gs t i f f n e s sa n dt h e r m o s t a t ， c h a n g i n gs p r i n gs t i f f n e s ss h o u l db ec o n s i d e r e d k e y w o r d s ：t h e r m o s t a t i cv a l v e ：t e m p e r a t u r ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 符 j 说叫 符号说明 符号名称单位符号 名称单位 6 石 t a 推杆行程 出水温度 环境温度 感温蜡体积 m m k ( ) k ( ) 3 m m 九 感温介质膨胀系数 1 c p o 。绉 x q d 推杆直径 m m n i o ，n i h ，n i c p t d p d t l v t l t z t o ，t l t 2 p t ( 】 p t l p t 2 a p t 相变平衡压力p a h d ，h _ l ，h 。 相变平衡温度 相平衡曲线的斜率 溶解热 比容 熔点温度 液态温度 调温温度 调温温度t 。，t ，t ：所对应 的蜡质感温元件内压力 推杆截面积 蜡质感温元件内压力 k p c ，o h p a k c c ，c h ，c o c d a ( x ) b p p t 出水的压力 p a 出水的体积流量 m m 3 s 调节筒的实际位移 m m 控制体与外界所传递 w 的热流率 控制体对外界所做的 w 功率 分别为冷、热水及出 k g s 水的质量流率 分别为冷、热水及出 j k g 水的比焓 冷、热水的密度k g m 3 冷水、热水和出水的 j k g 比热 阀口流量系数 阀口过流面积 阀口的开口宽度 水的密度 阀口两边压差 时间s x 、y 、z 空间坐标的三个分鼙 m 速度在x 、y 、z z “，妒、w m s 个方向上的分餐 p p t ，p t ? 对调1 ，筒产生 r ，f ，f z n p 微元体上的压力 p a 开启的驱动力 v k 2 i 耵 l 一 胁 咖 盼 ( 傀沁 n 陌 j m k j “东t 业人学1 _ 学坝f j 学位论义 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指 导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的 成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表 示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归 广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 喝弛 姗挪粹勰 卯艿年f 月；p 日 第一章绪论 1 1 本课题的研究意义 第一章绪论弟一早圣百y 匕 在过去的2 0 多年里，我国的能源消费量随着经济的发展已翻了一番，目前己超过 世界能源消费总量的1 0 ，成为世界第二大能源消费国。能源紧缺、能耗大不仅大大制 约了我国经济的发展，也对人民生活构成了威胁。其中建筑能耗约占整个社会能耗的1 3 ， 位居榜首。 根据中国建筑业协会建筑节能专业委员会的统计，近年来我国建筑能耗的总量逐年 上升，在能源总消耗量中所占的比例从2 0 世纪7 0 年代末的1 0 ，上升到近年来的 2 7 4 5 ，并将快速上升到3 5 以上。其中采暖和空调的能耗占建筑总能耗的5 5 。我国建 筑能耗是相同气候条件发达国家的2 至3 倍。我国现代化建设正处于关键时期，也是人 口、资源、环境等瓶颈约束最为严重的时期，尤其能源紧缺的矛盾更加突出n 嵋1 。 在国外，由于经历了几次能源危机，欧洲、美国及日本等发达国家普遍重视建筑节 能，一大批新的技术和能源被引入到新建筑以及已有建筑的改造中，取得了显著的节能 效果。特别是美国高度重视建筑节能，建筑节能技术的应用十分广泛。美国是世界能 源生产和消费最多的国家，目前美国能源生产量约占世界能源总产量的1 9 ，消费量占 世界能源总消费量的2 4 。而建筑业又是美国经济的支柱之一，建筑耗能在美国能源消 耗中占重要比例。据统计，近年来美国住房每年消耗能源折合约3 5 0 0 亿美元。美国的 建筑有其独特性。美国人口约2 5 亿，人均住房面积近6 0 m 2 ，居世界首位，其中大部分 住宅都是3 层以下的独立房屋，供暖、空调全部是分户设置，电力、煤气、燃油等能源 是家庭日常开销的一个主要部分。节能不但使美国减少了石油等原料的进口，提高生产 率，同时也对世界能源市场、特别是石油天然气市场的相对稳定，起到了积极的推动作 用，避免了能源的过度丌发的和浪费所引起的对环境、生态平衡的破坏及污染等问题。 建筑节能投资少，见效快，发展潜力大，是大批能源“瓶颈”约束的有效途径，也 是全面建设小康社会的必然选择。我国目前有关建筑节能的政策法规有：中华人民共 和国节约能源法、中华人民其和固可再生能源法、民用建筑节能设计标准。这些政 策法规有效的推进全社会节约能源，提高能源利用效率和经济效益，保护环境，保障国 民经济和社会的发展，满足人民生活需要旧1 。 据统汁t 卜活热水供应系统所耗能源占整个建筑能耗的1 0 - - 一3 0 。其中热水供应系统 广东+ r 业人学t 学硕卜学位论义 的热源可因地制宜的采用太阳能，水源热泵、气源热泵、地源热泵或耦合型热泵，电，燃 气，煤，燃油等。热水供应系统的基本参数包括热水用水定额、耗水量、耗热量、供水 水温、水质等，这些参数对于热水系统的合理运行、能耗等有很大影响。因此，应根据 工程的具体条件合理选择这些参数。不论采用哪种热源，水加热设备必须配置自动温度 控制阀门或装置，即恒温阀，以保证安全、稳定的供水温度，避免因供水温度的大波动 造成安全事故和增大能耗心1 。 自力式恒温阀是一种机械式反馈温度调节阀，是一种新型的高效高科技产品，国际 统称t h e r m o s t a t i cv a l v e 。标准自力式恒温阀是由蜡质感温元件的自力式执行机构和包 含流量调节部件的阀体组成，它是直接依靠蜡质感温元件内感温蜡的膨胀力来驱动阀门 开度，从而调节流体流量达到控制温度的目的。进而对来自不同管路的热水和冷水进行 混合并使其达到指定的温度。该阀是一种集感应机构、放大机构、执行机构、反馈机构、 定值机构于一体的自力式温度、流量控制装置，无需附加控制能源及附属机构，具有结 构简单，工作稳定，操作、维护方便及节能的特点，被广泛应用于地面辐射采暖系统以 及各类热水供应系统刮。 本文丌展对自力式恒温阀的研究，掌握入口冷、热水的温度、压力对出口水温的影 响；进行恒温阀内部流场的c f d 分析，以探究其控温机理，以及针对关键组件进行建模 分析和实验研究。这将有助于清楚认识自动恒温阀的工作原理及特性，可为开发新的性 能稳定、技术含量高的自力式恒温阀提供依据和借鉴，在具有定的学术价值的同时具 有较高的应用意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 蜡质感温元件中的介质 石蜡从固态受热转变为液态时，体积急剧膨胀，利用石蜡这一特性，在石蜡受热产 生固一液相变时，将热能转化为机械能，可应用于热传动及各种恒温器件的温度自动控制。 在非金属材料中，石蜡受热的体积膨胀系数是比较大的。石蜡是由碳原子数1 8 3 6 或2 0 3 6 石i 右的高分子正构烷烃为主，并含异构烷、环烷烃及分f 量为3 0 0 5 0 0 的固 体烃混合物。感温蜡广泛存在于石蜡分馏的尾料中，取材极为方便。将工业蜡反复多次 发汗、分馏后，得到一定熔程的蜡，称之为特种感温蜡阳3 。感温蜡是蜡质感温元件的关 键材料，! 鼍f 洌 山嘲态转变为液态时，其体积膨胀达1 1 1 5 ，这足感温元件的原动力。 当石i 蜡【 | 液念返【i i j 同态时，又立刻发生相同量的体积收缩。石蜡住棚变时的急剧膨胀是 9 第章绪论 在一定温度范围内完成的，因为石蜡不是单一物质，其中熔点低的组分先熔化，熔点高 的组分后熔化。石蜡的沸程或熔点组成范围愈宽和含油量愈高，则热膨胀越少。因此根 据不同的控温范围和行程要求，可制成多个品种和系列的蜡质感温元件。 1 2 2 蜡质感温元件的组成、结构分类及特性 1 2 2 1 蜡质感温元件的组成 蜡质感温元件主要由圆柱形金属密封容器及其内部填充的感温介质所组成。混合流 体与金属密封容器以强制热对流的方式进行热交换，热量由金属密封容器外壁通过导热 传递给其内壁。常温下，金属密封容器内为固态的感温介质，即感温蜡与金属粉末的混 合物。金属密封容器内壁的热量再以导热方式传递给感温介质。感温介质从金属密封容 器内壁得到热量后，温度升高一定值并迫使固态感温蜡发生固一液相变，感温蜡体积膨胀 推动蜡质感温元件的推杆产生位移，进而调节冷、热流体的入阀流量，最终控制混合流 体的温度于设定值。 要考虑蜡质热动力元件的实际情况，则需考察金属粒子与有机物混合的复合材料的 热传导。金属粒子有机物复合材料导热性能最终是由有机物和高导热粒子的综合作用决 定的。作为温敏复合材料的金属填充物，其自身的导热性都远大于有机物材料的导热性， 当填充量比较小时，彼此能够均匀的分散在体系中，它们之间没有接触和相互作用。此 时填料对于整个体系的导热性的贡献不大，但是当填料量达到一定程度时，填料之间开 始有了相互作用，在体系中形成了类似链状和网状的形态，称为导热网链。这样，当这 些导热网链的取向方向与热流方向平行时，就会在很大的程度一l 提高体系的导热性。这 就类似于一个简单的电路，当两个不同阻值的电阻并联在一起时，在一定的电压下，阻 值越小的电阻对于电路中总电流的贡献越大。体系中有机物和金属填料可以分别看作为 两个热阻，显然有机物本身的导热性很差使相应的热阻就很大，而金属填料自身的热阻 是非常小的，但是体系中如果在热流方向上形不成导热网链，这使得有机物热阻和金属 填料热阻之问是串连的关系，因此在热流方问上的总热阻是很大的，最终导致体系的导 热性较差。而当热流方向上形成导热网链之后，金属填料形成的热阻大大减小，有机物 热阻和会腻填料热阻之| h j 有了并联关系，这样导热网链对于整个体系导热性起了主导地 位而大大提高r 体系的导热性0 1 。 广东1 = 业人学t 学硕i ：学位论义 1 2 2 2 蜡质感温元件的结构分类 蜡质感温元件的结构依据感温介质的密封原理，可分为静密封和动密封两大类，如 表卜1 所示。感温元件主要是由金属密封容器、感温介质、橡胶隔膜、橡胶键以及推杆 等组成3 。 表卜1 蜡质感温元件的结构分类 t a b 1 1s t r u c t u r ec l a s s i f i c a t i o no fw a x t y p ea c t u a t o r 静密封 动密封 套管式膜片式 ，一l ： 一i 。7 i l 移籀融一 j ：繇 曲；隧 荔簿l 辫 露，。 匆j 7 一嘲习 雠 乏_ 酸 锥面密封 平面密封基本膜片一体化膜改进膜片标准件动非标准件 式武武片式式密封式 动密封式 蜡质感温元件在感温范围内输出一定的行程，行程的大小取决于感温蜡的体积膨胀 率，并且同器件的结构参数有关。膨胀率和推杆行程之间的关系为n 胡： 62 铲 其中，6 推杆行程，t 0 出水温度，t 。环境温度，感温蜡体积，久一 一感温介质膨胀率，d 推杆直径。 1 2 2 3 蜡质感温元件的特性 蜡质感温元件是一种温度传感器和热致动器的统一体。它兼有接收温度变化信号和 输出动作( 位移) 的双重功能。根据克拉拍龙( c 1 a p e y r o n ) 方程可以确定：物质从固相l 转 变为液相2 过程中，相变潜热与平衡曲线存在下列关系“3 1 d p ： 兰( 1 - 2 ) - - - , y - -= 一 d t t ( v 2 一v 1 ) 式中： p 一棚变、r 衡压力，p a ； 4 第一章绪论 t 一相变平衡温度，k ； i d f p 一相平衡曲线的斜率，p a u ； l 一溶解热，j k g ； v 一比容，m 3 k g 。 对于常用于制造自力式恒温阀温度传感器的固一液相变材料( 特种精馏石蜡混合物) 来说，固体精馏石蜡溶解时吸收热量，液相比容大于固相比容，最o l o ，v 2 一v 1 0 ，所以 溶解曲线斜率为正，如图卜l 所示。 e e 裂 靶 o t t l 温度 c 图i - 1蜡质感温元件特性曲线1 9 1 f i g 1 - 1p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i co fw a x t y p ea c t u a t o r 由图1 - 1 可以看出，推杆行程与温度关系曲线整体上呈非线性关系。但是整个曲线 可以分成三个区：固体区( 熔点温度t ，以下) ，相变区( t 。t 。，感温蜡处于固液混合态) 和液态区( t ：以上，感温蜡全部为液态) ，在这三个区域都呈现出近似的线性关系。在各 线性区域内其调节特性属于比例式调节，即在稳定状态下，其输出参数( 行程m m ) 与输 入量( 温度) 成比例变化。 芝1 o o o 更 d 8 糕0 6 n 姐 0 4 = * * l - - , 0 , 2 * 鞋 4 0s o6 0 温度( ) 蚓1 2 蜡质感温元件温度反鹰特性”。 f i g 1 2t e m p e r a t u r er e a c t i o no fw a x t y p ea c t u a t o r 5 广东l 业人学r 学形! l ：学位论文 蜡质感温元件存在着两个非线性特征：时间响应延迟和加热冷却过程的迟滞效应。 时间延迟是流体温度达到触发温度后，恒温阀不能马上动作而是经过一段时延才丌启。 在同一开口比例时，上升( 加热) 和下降( 冷却) 过程对应的温度是不同的，其差值就是迟 滞值( 如图1 - 2 所示) 。图1 - 2 为典型的蜡质感温元件的温度反应特性曲线。 根据蜡质感温元件的控温要求，选择感温蜡时应注意以下因素：( 1 ) 一致性：即要 求感温蜡体积变化最大的区域与蜡质感温元件的控温范围相一致。一般感温蜡处于固态 时的膨胀系数比液态时稍大，而固液相变范围( 即熔点范围或称熔程) 内其膨胀系数远大 于感温蜡处于液态或固态时的膨胀系数，故要求感温蜡的熔程与蜡式感温元件的控温范 围相一致。( 2 ) 膨胀性和敏感性：膨胀性即要求在蜡质感温元件的控温范围内膨胀尽量 大，而在控温范围以外膨胀尽量小。敏感性即要求在环境温度变化时，感温蜡的体积快 速产生相应变化。( 3 ) 稳定性：即要求感温蜡经多次使用或经某些特殊情况( 如高温或低 温) 后，其性能没有明显变化i 9 j 。 此外，蜡质感温元件还具有如下特点：( 1 ) 推力( 膨胀力) 大，蜡质感温元件内石蜡 膨胀时能达到数百个大气压；( 2 ) 实践证明，行程温度曲线的线性好，因而控温能力强； ( 3 ) 蜡质感温元件的运动元件中产生的应力很小，尤其是推杆只承受很低的单向压应力； 同时，元件刚性大，强度高，寿命长；( 4 ) 感温元件不受介质压力条件的限制，高压或 真空均可适用，且抗冲击和振动憎i 。 综上，蜡质感温元件具有明显的性能优势，适合自力式恒温阀选用。 1 2 3 自力式恒温阀 1 2 3 1 结构及工作原理 恒温阀的结构大致可以分为( 1 ) 放大机构：将蜡质感温元件上推杆传递来的微小的轴 向位移放大到环向，使得对阀门的丌度调节能力大大增加；( 2 ) 复位弹簧机构：使得感温 蜡体积遇冷收缩时推杆回位；( 3 ) 温度控制设定机构：使得该阀门在使用中可根据实际情 况对控制温度进行设定和调整。 本文选用的恒温阀结构如图卜3 所示。 6 第一章绪论 推杆 活塞胶套 导筒 垫 锥形橡胶键 一密封容器 横隔膜 感温蜡混合物 混合流体 ( b ) 图1 - 3 新型恒温阀( a ) 蜡质感温元件结构( b ) 整体结构 f i g 1 3ad e wt y p et h e r m o s t a t i cv a l v e ( a ) s t r u c t u r eo f w a x - t y p ea c t u a t o r s t r u c t u r eo f t h e r m o s t a t i c 当流体通过阀门时，恒温阀的工作过程如下：蜡质感温元件受热( 或遇冷) ，热量通 过刚性紫铜密封容器外壁使杯内感温蜡受热熔化( 或冷凝) 后体积膨胀( 或收缩) ，推动 横隔膜、锥形橡胶键和垫片，推动推杆，推杆接触调节螺栓底部而反推整个蜡质感温元 件向下运动( 此时复位弹簧被压缩以提供反力来平衡) ，带动恒温阀内部的调节筒在高温 流体及低温流体的混合舱内上下移动，以连续自动的方式调节阀门的入口开度。其工作 过程如图1 - 4 所示，图( a ) 为阀未丌始工作的状态，出口温度尚未使感温蜡膨胀，此时阀 内热流体通道开而冷流体通道关闭；图( b ) ，图( c ) 图为阀工作、调节状态，蜡质感 温元件随出口温度的高低而使感温蜡膨胀量改变，推动调节筒运动、调节冷热流体的混 合比，从而控制出口温度；图( d ) 图为另一个极限情况，当热流体温度太高或冷流体不 足而使出口温度高于控制温度时，蜡质感温元件刚性紫铜密封容器内的感温蜡剧烈膨胀， 推动调节筒运动、关闭热流体流道。 ( a )( b ) 广东工业人学1 j 学硕i j 学位论文 ( cj( d ) 图1 - 4 恒温阀工作过程模拟图1 f i g 1 - 4s i m u l a t i o no ft h e r m o s t a t i cv a l v ew o r k i n gp r o c e s s 1 2 3 2 控制原理及关键参数 实际上，阀的开启和关闭过程，是一个温度感应介质的膨胀力与弹簧力的平衡过程“引。 当蜡质感温元件在被测温度低于某一量值t 。( 设定值，对应弹簧预调量x 0 ) 时，膨胀力 a , p t ( a 为推杆截面积，p t 为蜡质感温元件内压力) 低于弹簧力的设定值x 。冰七( k 为复位 弹簧刚度) ，即a * p t x 。木忌，弹簧被进一步压缩，调节筒开启直到弹簧力等于感温介质的输 出力 ( x 。+ x ) 尼= ( p t o + pj ) a( i - 3 ) 式中p t 。，+ p 。= p t ，p 。为温度增量所对应的膨胀压力增量，x 为作用在弹簧上的 弹簧压缩增量，即调节筒的开启高度。若蜡质感温元件受热达到恒温阀温度设定上限t ： 时，调节筒全部打开，开口高度为x ，阀杆力为x 。，；i ：忌= a ( p t 。+ 心) 。相反若温度下降， 调节筒也随之关闭，全部过程依据混合流体温度变化，控制调节筒丌度大小，最终实现 线性比例调节冷流体流量的目的。 第一章绪论 p b p t , p t , ( a )( b ) 图1 - 5 感温介质性能曲线( a ) 感温介质温度一膨胀乐力特性( b ) 感温介质输出力与调+ i 了筒开启 高度的对应关系 f i g 1 5p e r f o r m a n c e c u r v eo fw a x ( a ) c h a r a c t e r i s t i co ft e m p e r a t u r e e x p a n s i o np r e s s u r e ( b ) c h a r a c t e r i s t i co f o u t p u tf o r c e s h u t t e ra d j u s t m e n td i s p l a c e m e n t 对每一个选定温度范围的阀，选用不同的复位弹簧可改变温度控制范围，其特征可 以用图1 - 5 的曲线来描述。图1 - 5 ( a ) 为感温介质的温度一膨胀压力的特性曲线，( b ) 为感温介质输出力与调节筒开启高度的对应关系。如图卜5 所示，当设定控制温度的区 间为t 。t ：时，在蜡质感温元件内对应产生压力p t 。和p t ：，这个压力作用于阀杆的截面 积a 对调节筒产生丌启的驱动力，其值为f o = a * p t 。，f s = a * p t ：，根据这两个力的大小实现 调节筒从零到开启最大开度x 帖。一x 。= a x ，便可知满足要求的弹簧刚度值为k ：= ( f 2 - f 。) x 。同理当设定控制温度区间为t 。t ：时，对应选择刚度值为k 。的弹簧可实现较小温差 范围的控制。可以看出，对设定不同温差控制区间，对应有一个刚度为定值的弹簧与之 相配，完成不同温控要求组合。因而要根据所需控制温差，选配合适的复位弹簧。 弹簧的另一个作用是复位。为了确保调节筒中初始温度的迅速开启和温度降低时迅 速回位，需要一定的预紧力。恒温阀开启后，感温介质处于膨胀状态，当温度降低后， 感温介质处于收缩状态，但推杆和调节筒不能自动复位，必须靠复位弹簧的作用迫使其 回位。 因此，决定恒温阀控温性能的关键参数包括蜡质感温元件的热膨胀率、弹簧的预紧 力和调节筒的最大丌度。 1 2 4 主要产品介绍 经过几十年的发腱，自力式恒温阀的热动力厄件已经从最初的形状记忆合会，逐步 9 发展到采用蜡质感温元件，可以说恒温阀技术取得了很大的进展。正是由于采用蜡质感温 元件的自力式恒温阀具有突出的优越性，所以从世界范围来看，主要楼宇自控产品供应 商均已推出了基于蜡质感温元件的自力式恒温阀。 国内外一些自力式恒温阀采用形状记忆合金作为感温元件n 1 7 1 。形状记忆合金有其 一定的性能缺陷。国外学者发现了石蜡这种特殊的感温介质。基于石蜡的蜡质感温元件 具有比形状记忆合金更加优良的性能，例如具有微位移、大行程和大驱动力的特性n 引。 利用这种特性，国外各大楼宇自动控制产品供应商均已开发出基于蜡质感温元件的自力 式恒温阀产品，目前正得到大力的推广应用。比较典型的自力式恒温阀产品如表1 - 2 所示。 表卜2 典型自力式恒温阀产品及相关信息 t a b 1 - 2p r o d u c t sa n di n f o r m a t i o no f t y p i c a lt h e r m o s t a t i cv a l v e s 类 应用场合制造商及型号性能参数 别 意大利卡莱菲( c a l e f f i ) 调温范围有两种，分别为3 0 6 5 用于中央热水储 5 2 3 0 型阎芯可更换式 ( 口径1 2 ”5 4 ”) 和3 6 6 0 ( 口径 水系统集中控制( 专 最 5 4 ”2 ”) ，精确度2 。阀门的流通 门针对大用水量系统能力k v 值有四种，分别为4 m 3 h ( 口径 设计，比如宾馆、饭 1 统：一； 1 2 ”) 、4 5 m 3 h ( 口径3 4 ”) 、6 9 m 3 h 店、写字楼等大中型( 口径1 ”) 、9 i r a 3 h ( 口径5 4 ”) 、 中央热水系统。)1 4 5 m 3 h ( 口径3 2 ”) 和1 9 m 3 h ( 口径 2 ”) 。 用于出水位置附意大利卡莱菲( c a l e f f i