（化工过程机械专业论文）蜡式温控阀流场模拟优化及元件改进方法.pdf

硕士学位论文 摘要 蜡式温控阀是一种属于自力式的温度和流量的调节装置，可自动控制系 统的温度，其依靠感温包内感温介质随温度变化所产生的膨胀力来驱动阀门 启闭或开度，从而调节进入阀门的冷、热流体流量，控制流体出口温度。由 于其具有结构简单、价格便宜、动作可靠、节能性高、无需外加动力、自动 化程度高等诸多优点，因此广泛应用于各类热力设备，如冶金、化工及各种 民用装置等。 本文针对当前结构最典型、应用最广泛的三通型蜡式温控阀，从其内部 流场情况和关键元件改进的两个途径来对之进行研究和优化设计，从而实现 提高蜡式温控阀工作性能的研究目的，这对于同类产品的改进设计具有借鉴 意义。 随着电子计算机和计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 软件技术的不断发展与完善，目前根据计算流体力学理论进行数值模拟已成 为化工过程装备内部流动及其性能研究的主要方法与手段之一。首先，本文 根据蜡式温控阀内部的实际结构的特征和参数，采用三维设计软件建立其内 部流场的三维物理模型；之后。，应用f l u e n t 软件对不同工作情况下的数值模 型进行三维数值模拟，从而得到其内部流场参数的可视化图形结果，其中将 冷、热液入口流量相同工作情况下的求解结果作为重点研究对象进行分析； 然后，根据求解结果深入探讨了其内部流场规律、存在的问题以及产生原因， 这些问题直接影响到感温包的感温精度和响应时间，从而影响蜡式温控阀的 工作性能；再然后，针对发现的问题，创新性的通过改进阀盖形状和调节筒 内部结构优化了阀内流场，最后将优化后的阀内流场进行验证性模拟，进而 证实了本文所提出的优化设计的合理性。 最后，本文结合有关新技术和新产品，针对蜡式温控阀的关键控温元件( 即 控温弹簧组) ，通过公式推导和设计示例详述了对其进行改进设计的方法；另外， 对于关键感温元件( 即感温包) 提出了两方面可行性的建议。 关键词：蜡式温控阀；数值模拟；结构优化；计算流体力学；设计方法 蜡式温控阀流场模拟优化及元件改进方法 a b s t r a c t t h e r m o s t a t i cv a l v e s ，o n ek i n do fs e l f - a d j u s t o ro fl i q u i dt e m p e r a t u r ea n df l o w ， c a na u t o m a t i cc o n t r o lt e m p e r a t u r eo fs y s t e m t h e yc o n t r o l so p e n i n g c l o s i n go rt h e s i z eo fo p e n i n gv a l v eb ye x p a n s i b i l i t yo ft h e r m o s e n s i t i v em a t e r i a lw i t ht e m p e r a t u r e v a r y i n g ，a n dr e g u l a t e st h ef l o wo fc o o la n dh o tf l u i de n t e r i n gt h ev a l v et oc o n t r o l e x p o r t i n gt e m p e r a t u r eo ff l u i d b yr e a s o no ft h e r m o s t a t i cv a l v e s ，w i t hs i m p l e s t r u c t u r e ，l o wp r i c e ，r e l i a b l eo p e r a t i o n ，h i g he n e r g yc o n s e r v a t i o n ，u n w a n t e dd y n a m i c f o r c ea n dh i g ha u t o m a t i z a t i o n ，a r ew i d e l yu s e di nm e t a l l u r g yc h e m i c a li n d u s t r ya n d c i v i l u s e dd e v i c e i nt h i sp a p e r ，t h et h r e e - w a y st h e r m o s t a t i cv a l v e ，w i t hh a st y p i c a ls t r u c t u r ea n d w a sw i d e l yu s e d ，w a sr e s e a r c h e da n do p t i m i z e df r o mt o ww a y s ，w h i c hw e r ei n t e r n a l f l o wf i e l dv a l v ea n dk e yc o m p o n e n t s a n dt op r o v i d er e f e r e n c ef o r t h ei m p r o v e m e n t a n dd e s i g no fs i m i l a rp r o d u c t s a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y a n dt e c h n o l o g yo f c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s o f t w a r e ，a n db a s e do nc f dt h e o r yn u m e r i c a l s i m u l a t i o nh a s - b e c o m eam a i n l ym e t h o dt or e s e a r c ht h ei n t e r n a lf l o wa n dt h e p e r f o r m a n c eo fc h e m i c a lp r o c e s se q u i p m e n t s f i r s t ，i nt h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt o c h a r a c t e r i s t i c sa n dp a r a m e t e r so fa c t u a li n t e r n a ls t r u c t u r eo ft h e r m o s t a t i cv a l v e ，a t h r e e d i m e n s i o n a lp h y s i c a lm o d e lw a sp e r f o r m e do ft h ei n t e r n a lf l o wf i e l do f t h e r m o s t a t i cv a l v eb yt h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g ns o f t w a r e n e x t ， a p p l y i n gf l u e n t s o f l w a r eo fc f d t h es t a t u so ff l o wf i e l dw e r ed e r i v e da td i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n ( m a i n l yf o c u so nt h ew o r kc o n d i t i o no f i n t a k ec o o lf l u i df l o we q u a lh o tf l u i d ) t h e n ， a c c o r d i n gt o t h ed e r i v e dr e s u l t ，t h ef l o wf i e l dl a wo fi n t e r n a lt h e r m o s t a t i cv a l v ea n d t h ee x i s t e n tp r o b l e m so ft h e r m o s t a t i cv a l v ew e r ed i s c u s s e d ( t h e s ep r o b l e m sh a v ea c l o s e b e a r i n g o nt h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n dr e s p o n s et i m eo f t e m p e r a t u r ek i t ， a n dc o n s e q u e n t l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e r m o s t a t i cv a l v e ) a n di nt h i sp a p e r ，h a v ead e e pe x p l o r a t i o ni n t ot h ec a u s e so ft h e s ep r o b l e m s a f t e r t h a t ，t oo p t i m i z et h ei n t e r n a lf l o wf i e l do ft h e r m o s t a t i c v a l v ea i m e da tt h e s e p r o b l e m sb yc r e a t i v e l yi m p r o v i n g c o v e r s h a p e a n di n t e r n a ls t r u c t u r eo f a d j u s t i n g b a r r e l t h el a s t ，t h eo p t i m i z e dm o d e lw a ss i m u l a t e dn u m e r i c a l l yb y f l u e n ts o f t w a r e ，t h u st h er a t i o n a l i t yo fo p t i m i z a t i o nd e s i g n f i n a l l y ，a s s o c i a t i n g r e l a t e dn e wt e c h n o l o g i e sa n dp r o d u c t s ，f o rt h ek e y i i 硕士学位论文 t e m p e r a t u r e - c o n t r o lc o m p o n e n t so ft 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 ls p r i n g n e s t ) ，t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o dw a si n t r o d u c e d ，w i t hf o r m u l ad e r i v a t i o na n d d e s i g ne x a m p l e m o r e o v e r ，f o r t h e k e yt e m p e r a t u r e - s e n s i n gc o m p o n e n t s ( t e m p e r a t u r ek i t ) ，t h ep r o p o s a l s w e r ep u tf o r w a r df r o mt w oa s p e c t s k e y w o r d s ：t h e r m o s t a t i cv a l v e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ； c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ；d e s i g nm e t h o d i i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 器蝴缸 日期：如，口年万月尸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 鹇经 日期：l ，口年6 月甲日 醐渺夕日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 在很多石油化工设备的液态工质温控系统中，一般采用的是电测电控和机械 组合相匹配的温度控制方式，即使是最简单的温控系统，都是由温度传感器、温 度测控仪、加热器、电磁阀、冷却器及电控设备组成，这种方式虽简单，但其最大 的缺点是控制形式属开关量控制，需要频繁起动，耗能大，如图1 1 所示；另一种 是使用比例式冷却控制方式，它是由冷却器、开关阀、电动执行器、电控设备、 比例放大器、温度测控仪及温度传感器组成，与前一种方法相比，其具有能随系 统发热量的变化自动调节和控制精度高的优点，但因其组成环节多，所以故障率 高，如图1 2 所示【1 ，2j 。因此，如果能有一种可自动适应系统温度变化的装置，就会 大大简化系统的结构，提高系统的可控性和控制精度，在这样的情况之下，蜡式温 控阀应运而生。 1 散热器2 温度传感器与温度测控仪 3 导风罩4 冷却风扇5 直流电机6 继电器 图1 1 电动马达开关式控制风扇驱动系统 1 冷却液温度传感器2 电控单元 3 比例阀4 油泵5 油箱6 冷油器7 油马达 8 粗滤器9 精滤器 图1 2 比例阀控制风扇驱动系统 蜡式温控阀 3 - 6 】( 又称蜡式自动恒温阀) 是各类型自力式温度调节阀中最为 主要的类型之一；是一种集测温、控温于一体，无需外加能源接入和控制装置， 全自动的流体温度和流量控制装置；是直接依靠感温器内的感温材料的膨胀力来 驱动阀门开度，即由热敏感温元件吸收被调节对象的能量并转换为机械能，从而 按一定比例调节流体流量达到控制温度的目的。图1 3 为蜡式温控阀最常见的几 种类型的半剖照片，从图中可以看到此种阀门主要是由内部具有流道结构的阀体 和起到控温作用的阀j 签所构成。 蜡式温控阀流场模拟优化及元件改进方法 图13 蜡式温控阀产品 由于蜡式温控阀具有低价格、零能源接入、无泄露、结构简单和工作稳定可 靠等一系列优点，因此其使用量很大，应用面很广，主要可以应用于各类热力设 备的不同性质的工质温度、流量的控制，如冶金、化工及各种民用装置等1 5 6 】。 自工业文明诞生，人类便开始了对于自然能源的贪婪消耗同时无限制的排 放污染性废物。随着全球自然环境的极具恶化当今世界各国，特别是我国这样 的高能源消耗和高污染排放的发展中国家，对“节能低碳”的呼唤与日俱增，因 此对蜡式温控阀这种节能高效的控温装置进行研究和设计是必不可少的，另外， 开发生产新型蜡式温控阀是阀门制造业提高经济效益的又一个增长点。所以说在 国内对于蜡式温控阀的研究是很有必要的，而且是很有战略意义的。 1 2 国内外蜡式温控阀的研究现状及发展趋势 自上世纪7 0 年代，蜡式温控阀从国外引入，我国科研人员就展开了对其工作 原理和机械结构的基础研究，并广泛收集国外关于蜡式温控阀的比较前沿的研究 文献。在近几十年中，国内外对于蜡式温控阀的研究现状和发展趋势主要是关于 阀体结构、感温蜡和感温包内传热原理的基础研究，以及通过建立由蜡式温控阀 构成的控温系统的动态模型，对该系统静、动态特性进行理论分析。然而，对于 直接关系到感温包感温精度的阀内流场的流动状态和温度分布情况，还没有较为 全面且深入的数值分析：另一方面，采用新生科研成果对其关键元件进行改进的 设计方法也较为缺乏。 l21 国外蜡式温控阀的研究现状及发展趋势 蜡式温控阀的雏形产品是于1 9 4 8 年由美国a m o t 公司发明并申请专利，开始 进行制造和销售。经过不断的发展和改进，现己拥有系列化的蜡式温控阀产品， 硕士学位论文 如图1 1 所示【卜9 1 。 z o ux 等研究了针对汽车发动机冷却系统使用的蜡式温控阀的动态特性及 其相对冷却水温度的响应，所建立的动态模型由三个时滞微分方程组成，它们描 述了温控阀部件温度与其开度的关系，并通过数字迭代进行计算机仿真。该动态 模型比较复杂，需要有合适的算法以及对解的稳定进行分析，故难于直接应用于 工程实际，但对进一步深入研究自力式温控阀的控制特性是有帮助的【l o 】。 c h i p m a njc 等在上述蜡式温控阀动态模型的基础上对系统解的稳定性以 及得到稳定系统解的解算方法进行了深入分析。结果发现，如果忽略滞后阿题， 系统存在唯一的稳定解；若考虑滞后问题，则系统可能得到唯一的稳定解，也可 能是一个稳定解的连续统。基于数字模拟，推测到通过对非稳态的初始条件的合 适选择，可以得到上述每一种情形。另外，系统还可能存在振荡解。c h i p m a nj c 等最后得出的结论为：上述动态模型的解呈现不同类型的特征，还需要对其进 一步的研究【l 。 j a n ak o p f o v 6 等对边界条件具有时滞特征的热传递方程和具有时滞特征的 常微分方程( 上述时滞微分方程符合这两种情况) 的解算过程进行了研究，结果发 现，由于过程出现两相变化( 如感温介质的固液转化) ，两个方程的周期解可能是 一个未解问题，或许是一个非常复杂的问题f 1 2 】。 a l a ng u n t e il 等人的研究是针对发动机冷却系统用的蜡驱动混合型温控阀， 只是该处研究为主动式( 或有源式) 自力温控阀的动态特性。研究中忽略了蜡的相 变问题，在此基础上得到了混合型温控阀的简单的动态模型，通过对模型的仿真 研究了该类阀门的动态特性，其计算值与实验值吻合度高。该研究结果给了我们 一个启示，即在对蜡驱动自力温控阀进行系统分析时，通过适当的简化处理可以 得到系统的简洁模型，并能够很好地指导工程实践【1 3 】。 1 2 2 国内蜡式温控阀的研究现状及发展趋势 刘建清等采用s m p l e c 方法，对感温包内介质的传热与流动进行了数值研 究，求解了同心圆柱形成的封闭空腔中自然对流的流固祸合问题，同时分析了径 比、高度比等参数对空腔中介质流动与传热及阀门动态响应的影响。其研究结果 对优化设计感温包有积极的意义【1 4 】。 杨和基对自力式温控阀的时间常数作了初步的分析与总结，指出针对不同感 温介质，它们的时间常数可从2 0 s 至2 0 0 s 之间实现，但还需要理论和实验验证【1 5 】。 薛永飞从控制理论出发，定量分析了热力膨胀阀的工作流量，指出系统的最 佳稳定工作运行，会更加节能，该研究对象为带有指挥器的自力式温控阀【1 6 l 。 宋均风通过典型的实验实例，对温度自动调节器的动态品质和与柴油机的匹 配进行了深入的分析，结果表明直接式温度调节器可以满足柴油机对温度调节的 蜡式温控阀流场模拟优化及元件改进方法 要求【1 。7 1 。 刘柱通过对轮船气动冷却水温度自动控制系统的滞后性的定性分析，认为只 能通过常规检查和维护来使滞后时间缩短到最d , t 1 8 】。 魏一康等介绍了定温变流量温控阀局部阻力系数的测定方法和试验研究结 果，这为其他研究者更好地了解该类阀门的性能以及对其更合理地使用提供了有 利的依据【l9 1 。 兰州理工大学的杜兆年、李树勋、史凤霞等对蜡式温控阀感温包、隔膜和弹 簧等关键元件进行了分析研究，并详尽阐述了各关键元件的工作原理、设计方法 和工作性能，另外还采用高科技设备搭建了蜡式温控阀数字化实验平台 5 , 2 0 2 3 。 在上述对于蜡式温控阀关键元件研究的基础上，兰州理工大学的范宗良、李 绍勇等对离心式压缩机润滑油系统温控阀的静动态特性进行了深入研究 2 4 , 2 5 】。 针对不同类型的感温蜡，兰州理工大学的何世权、刘潇和安晓英等采用d t a 分析方法，通过熔点以及膨胀性能的测定得到相变区间和膨胀性能，得到了感温 蜡的热性能。另外，对感温蜡熔程和膨胀温度区间之间的关系规律做了进一步研 究。经过综合分析，结果表明：随着熔程变大、感温蜡的热膨胀区间也变大，但 不以同比例变化，选择不同熔程的感温蜡能满足温控阀不同的控温要求【2 6 。 沈阳电力高等专科学校的王为恩、袁军和盛伟等对应用于汽轮机润滑油系统 的油温控制阀( 调温器) 的感温元件及感温介质的传热传质机理进行了分析，从理 论上说明温控阀控制温度在理论上是合理可行的，并确定了油温控制阀的最佳结 构材质特性曲线响应时间初始动作温度控制阀最大开度及开启速度阐述了它的 优越性【z 7 1 。 上海大学的吴白羽、张国贤和吴怀超等对蜡式温控阀的各种特性作了详尽的 分析和讨论，得出结果表明该温控阀在节能冷却系统中具有良好的应用效果和前 景，并得出了该类阀门设计的宝贵经验【2 3 1 。 清华大学王广振等人，提出并设计了一种通过电磁感应加热感应导体，再通 过感应导体加热其周围石蜡的无导线热膨胀微型机械驱动器 2 9 1 。 1 3 课题研究的意义和目的 由于蜡式温控阀无需任何外加能源，利用被控工质自身能量，实现工质温度 自动调节，并且集测温机构、放大机构、执行机构、反馈机构和定值机构于一体， 则与需外加能源的温控阀相比，其机构更简单，制造成本更低，故障率低，工作 稳定可靠，因此蜡式温控阀的节能性、广泛应用性和成本节约性皆为突出 5 , 6 1 。 但是，由于蜡式温控阀存在着控温滞后和控温精度略低的问题，制约其更广 泛的应用于温度波动高和控温精度要求高的控温系统，因此本课题的研究就是通 过对此类阀门的基础研究，了解阀内部流场和温度场的情况，了解关键元件的工 4 硕士学位论文 作性能，从而得到改进方法，解决存在的问题。 因此，本课题的研究目的是：一方面，通过改善感温包周围流场的温度分布， 提高蜡式温控阀的感温精度，降低控温滞后时间；另一方面，通过改进关键元件 的结构来提高其工作性能，延长使用寿命。从而扩大蜡式温控阀的使用范畴，这 将对于增加工业生产和民用设备的节能降耗总量具有十分重要的现实意义，并且 对于此类阀门的设计、制造提供借鉴。 1 4 课题研究中的难点 首先，本课题在研究中广泛涉及多个学科领域，这不但要针对所研究的内容 结合各学科理论进行分析探讨，而且还要融会贯通的利用各个学科的理论提出解 决的方法。例如：在对流场的流动和温度的数值求解中，必须要通过计算流体力 学的理论建立求解模型并正确求解；在对流场求解结果进行分析并为下一步的改 进提出方案时，还需利用流体力学、热流体学、数值传热学和强化传热学的理论 作为指导；而在关键元件的改进中，则不可避免的需要用到机械设计和工程材料 学科中的设计方法。 其次，由于阀内结构的不对称性和复杂性，在物理建模的建立中需要多方考 虑各个元件对于流场的影响，适当简化结构和平滑突变面，从而建立起易于划分 高质量网格的模型，这将会使求解更为稳定和精确。 再次，在使用c f d 软件对模型进行求解中要凭借经验，随时根据求解情况， 采用正确的求解因数，否则会增加不必要求解时间，甚至无法得到结果。再有， 对于极为繁多的通过求解得到的数据，需要理清头绪，抓住问题根源，才可提出 解决方案。 最后，根据解决方案设计改进方法是一个富有创新性的过程，所以没有可以 参考的文献，并且要保证在不影响其工作性能的前提下，利用原有的结构特征做 最小的改动，获得最大的改进效果。因此，在这个过程中要广泛列举可行的优化 方法，采纳并结合相关的新生科研成果，从而逐一验证并最终获得最优设计方案。 1 5 课题来源与主要研究内容 本课题是蜡式温控阀研究与开发的重要子课题，属于甘肃省自然科学基金项 目( 0 8 0 9 r j z a 0 0 8 ) 。本课题研究内容如下： ( 1 ) 分析和研究蜡式温控阀的机械结构及工作原理； ( 2 ) 通过三维设计软件建立物理模型； ( 3 ) 基于c f d 建立蜡式温控阀的数学模型并求解，根据求解结果分析存在的 问题及其产生的原因，并通过反复验证各种优化设计方法来获得蜡式温控阀感温 蜡式温控阀流场模拟优化及元件改进方法 包周围最优的感温流场； ( 4 ) 结合有关新技术和新产品，对于蜡式温控阀的关键元件提出改进方法或 建议。 1 6 本章小结 本章主要介绍了对于蜡式温控阀的研究背景、国内外研究现状和发展趋势。 同时，在分析前人的研究方法和研究成果的基础上，引出了本课题的来源、研究 意义和研究内容等。 6 硕士学位论文 第2 章蜡式温控阀的结构、工作原理和应用 虽然如上一章中图1 1 所示，蜡式温控阀的种类繁多，即根据阀芯数量分类 有单阀芯型( 图1 1 中左第一、三和四) 和多阀芯型( 图1 1 中左第二) ；又可根据 整体流道分类有二通型、三通型( 图1 1 中左第一、二和四) 和两用型( 图1 1 中 左第三) ，其中，根据冷、热液流道分为直通式( 图1 1 中左第二和四) 和角通式 ( 图1 1 中左第一、和三) ，根据混合液流道分为垂直式和水平式( 以直通水平式 单阀芯三通型蜡式温控阀为例，如图2 1 所示) ，但是各类型蜡式温控阀的阀芯基 本结构皆一致，故其工作原理是相同的。 ( a ) 正面视图( b ) 侧面视图 图2 1 直通水平式单阀芯三通型蜡式温控阀结构 本文选取其中最具典型代表性和最为广泛应用的角通垂直式单阀芯三通型 蜡式温控阀( 在以下各章节中简称为蜡式温控阀) 作为研究对象进行分析。本章 将从蜡式温控阀的典型结构、工作原理、控制原理和应用几个方面介绍此种阀门。 2 1 蜡式温控阀的典型结构 2 1 1 蜡式温控阀的机械结构 蜡式温控阀的机械结构如图2 2 所示，其结构是由阀体和阀芯构成。由图可 知，阀体部分是由上部的阀盖和布有入口流道的阀体组成，整个阀体的作用是固 定阀芯和限定阀内工质的流通路径。阀芯部分是起到感温和控温作用的关键元 件，其细节部分有：在感温包内部填充的温敏相变材料是石蜡和纳米金属粉的混 合物，在底部采用橡胶隔膜密封；为了起到放大温敏相变材料受热膨胀后推动阀 杆产生纵向移动的行程，在套筒与隔膜相连端的内径加工了一个锥形的变径结构 7 蜡式温控阀流场模_ i f l 优化及元件改进疗法 并放八自锥形橡胶：阀芯内设有大、小两组螺旋弹簧，每组弹簧是由两个螺旋弹 簧内外套装的【3 。 _m妇1 孵 砷 1 摊 1 阀盖2 感锰包壳3 温敏材料4 隔膜5 锥形橡胶塞6 上压板7 套筒8 控温弹簧组9 固定盘 1 0 阀杆1 1 拉杆1 2 下压板i3 缓冲弹簧组1 4 调节筒】5 螺母1 6 阀座1 7 托盘 图22 典型的蜡式温控阀内部机械结构和盛温包放大图 2 12 蜡式温控阀的功能分区 本文根据蜡式温控阀的结构，按照工作中起到的不同作用将其分为如下几个 功能分区。 ( 1 ) 控流功能区，是感温机构发出控制信号后，通过执行机构分别调节冷、 热流体入口流量来达到控温作用的功能模块，位于整个阀座的内部区域。 ( 2 ) 混合功能区，是实现冷、热流体在进入感温功能区之前进行充分混合的 功能模块，位于固定盘到感温包底面的区域。 ( 3 ) 感温功能区，是具有感温和发出执行信号( 阀杆的行程量) 作用的功能 模块，位于感温包底面到混合液出叫的区域。这正是本文重点研究的对象。 22 蜡式温控阀的工作原理 蜡式温控阀能够满足多数流体的温度控制要求，这是利用了感温包内的温敏 相变材料的在特定的相变温度( 如图23 、24 所示a 点和b 点间成线性的相变 区段) 发生较大膨胀率的原理，且其膨胀力的变化与温度的变化成一一对应的线 性的关系，此温敏相变材料便是石蜡。当前自力式温度调节阀感温部件的热敏材 料一般采用智能材料，例如双金属片【”。”、形状记忆合金i “”、温敏形状记忆聚 合物m 叫0 1 和温敏铁氧体【4 1 6 1 等，智能材料虽有一磐独有的性能，但目前的智能材 硕士学位论文 料的驱动特性难以同时满足微位移和大驱动力的要求，然而这些要求却是温控阀 必须具备的。石蜡这种廉价材料的驱动特性可以同时满足这些要求，用石蜡作为 热敏材料制作的温控阀具有很好的感温相变特性，在控温系统中能随时感知并控 制系统的温度【4 7 1 。 1 0 7 08 0 9 01 0 0 图2 3 纯石蜡体积膨胀率与温度的关系曲线 温度( 。c ) 温度( o c ) t 图2 4 纯石蜡膨胀压力与温度的关系曲线 通过热敏材料的体积变化，使执行机构通过协调运动来控制混合液出口处流 体的温度，并且靠调节套筒的开度大小，调节冷、热流体的流量增减。调节套筒开 度的大小是由感温包通过阀杆的行程控制，所以说感温包既是流体的感温元件， 又是阀门的驱动元件。在运动过程中，阀杆通过不断地调整位置来对温度进行精 确控制。可靠的、非平坦的结构使得该阀不容易被压力的变化和突然的扰动所影 响，确保系统在一个比较宽的操作范围内保持恒定的温度【5 1 。 蜡式温控阀在工作时的初始状态为冷液入口关闭，因而热流体首先由热液入 口进入阀腔，使温敏相变材料受热膨胀，当其膨胀力大于控温弹簧组的预紧力时， 锥形橡胶会推动阀杆及调节套筒向下运动，从而使冷液入口开启，同时关闭部分 热流体通道，这时冷流体与热流体在阀腔内混合并由混合液出口流出。当冷流体 由冷液入口进入并逐渐使混合液温度降低时，温敏相变材料体积收缩，控温弹簧 使调节套筒向上运动。由于温度变化使阀杆和调节套筒不断运动，调节冷、热流 体的流量，直到达到预定温度。图2 5 为蜡式温控阀的工作过程模拟，( a ) 为阀 9 蜡式温控阀流场模拟优化及元件改进方法 初始状态( b ) 和( c ) 为阀调节状态，( d ) 为热流体温度超过控温极限时关闭 热流体通道的状态【4 ”。 辔唯瞳疃 图25 蜡式温控阀工作过程模拟 2 3 蜡式温控阀的控制原理1 6 】 蜡式温控阀是一种依靠控制对象温度偏差而产生的作用力进行调节控制的 自动化装置，其调节特征随感温包感受的温度信号( a t ) ，转换为执行机构中推 杆的行程输出( a x ) ，从而使调节筒处于要求的开度。本文以蜡式温控阀在离心 式压缩机润滑油系统中的应用为例进行分析，可见该系统为典型的闭环反馈控制 系统，如图26 所示。在这个控制系统中，控制对象是出口( 混合液) 润滑油和换 热器；输出信号是控制量( 混合液出口温度) ；扰动量是温控阀内外传递或发生的 热量；执行机构是能影响过程或对象的装置或设备，叩温控阀的阀芯：调节机构 就是感温包，能够输出命令改变执行机构的动作。外界影响因素( 出口混合液温 度) 的变化，带动感温包内感温蜡的体积成比例地变化，阀门阻力和流量成比例 地变化，同时换热器散热量成比例地变化，最终控制出口润滑油温度变化。因此， 蜡式温控阀可看作是一个比例调节控制装置，即出1 ：3 润滑油温度与设定温度之间 的差值成比例地调节开度( 润滑油流量) ，最终使润滑油流量与其出口温度达到相 对稳定。比例调节规律就是调节机构的输出与输入成比例关系，只要调节机构有 偏差输入，引起输出立即按比例变化，因此调节作用及时迅速，调节作用是按照 偏差的存在为前提条件的，所以当被调量受干扰影响而偏离设定值后，被调量不 可能再恢复到设定值，即存在残余偏差或称静差，这是比例调节的显著特点，因 此，温控阀本身应具有良好的调节特性，即温度变化信号与阀门开度的关系，以 及阀门开度与流量之间的关系应具有较理想的比例线性关系，最终做到流量可以 根据出口流体温度的变化被连续地线性调解。 在实际应用中，调节阀的比例作用强弱通常用比例带( 比例度) 来表示，其不 但能表示比例作用的强弱，而且能表示作用存在的范围，超出这个比例带以外， 调节阀处于等效全开全关状态。温控阀可以设定不同的流通能力，相对于某一 特定流通能力设定值时，温控阀的全行程中的线性区域为有效区域，在这个区域 硕士学位论文 中阀门开度和流量呈近似比例关系。这区域中调节阀体的行程为有效行程，称之 为名义行程，与阀门的全行程相区别。名义行程所对应的温度变化差值称之为温 控阀的比例带，通常比例带为0 5 2 0 ，阀门设定流通能力( k v 。值) 最大时比 例带也为最高值。当实际温度偏差超出比例带值时，虽然阀门继续开大，但流量 基本不变，没有了调节作用。比例带越窄，控制的精确度越高，出口润滑油温度 的变化幅度越小；但若比例带太小时，控制上不容易实现较好的稳定性，尤其在 低负荷运行时，容易形成阀门频繁开合的振荡。与此相反，比例带越宽，控制的 稳定性越高，不容易形成振荡，但这会降低控制的精度，导致出口润滑油温度的 波动幅度较大，使控制的精度下降。比例带的设计选定不是一个孤立的过程，不 仅要考虑温控阀传感机构( 感温包) 的时间常数和阀本身的特性，还要综合考虑出 口润滑油、换热器的时间常数及上述元件所构成的控制回路的反馈滞后性，即出 口润滑油温度发生变化( 扰动) 的时刻与感温元件传热变化时刻的滞后性。只有各 方面匹配好，才能最终实现温控阀比较完善的比例控制。 图2 6 蜡式温控阀控制原理图 2 4 蜡式温控阀的应用 2 0 世纪7 0 年代，国外广泛应用于内燃机冷却系统的蜡式温控阀由进口的船 舶、汽车等也被引进到我国。于是我国的制造企业通过分析研究这些从国外引进 的温控阀，经过十年时间实现了国产化，并应用于国产化东风汽车的液压系统的 温度控制系统中【4 9 1 。 2 0 世纪8 0 年代，随着我国石化、电力和纺织等行业大规模引进国外技术及附 属大型装置，蜡式温控阀又在进口空气压缩机的润滑油系统中出现，进而促使我 国对其国产化不断做出努力。8 0 年代末，我有关企业通过消化吸收国外的技术， 研制开发民用供暖系统换热器温控阀，已有小批量应用于实际工程，但普遍存在 阀门密封性不好，感温包失灵等问题，需要改进生产工艺和提高生产质量【5 0 53 1 。 随着我国科研人员开始不断深入研究该阀，并取得很多成果，这促使其产量 快速增长，也使其在我国的应用也迅速扩大，广泛应用于工业中的空压机、换热 设备、空调及各种柴油机、润滑设备、激气轮机、发电机组等设备的冷却系统油、 水等温度的控制；以及民用供暖和热水供应等系统；另外还在各种藕合器、温度 蜡式温控阀流场模拟优化及元件改进方法 报警开关、航天飞机温度调节等领域的应用亦十分广泛1 6 4 引。 2 4 1 本文所研究对象的应用场合 本文所研究的蜡式温控阀主要是被应用于各类机械设备的润滑油冷却系统 之中，例如内燃机、汽轮机或压缩机等高速回转的动力机械。 此类设备的轴承部位需要良好的润滑和冷却，且对于润滑油的温度要求比较 严格，油温的过高或者过低都会影响机器的正常运行。实践中常用冷却器散热的 方法来降温，但是难于控制冷却后的温度，可是散热太多与不散热都不能使润滑 油保持在理想的范围，往往会由于散热器散热太多而形成较低温度，引起水分在 系统内析出，大大降低了润滑性能。此外，从动力机械的耗能分析表明，动力机 械热能有效利用较低，比如船用大型柴油机约为燃烧热值的4 0 9 6 ，余下热量除柴 油机排气热量损耗外，冷却水带走了热量的1 4 ，所以冷却水温的控制影响单位 耗油量的大小。实践证明，冷却水温度的控制对于节能有着重要意义。在冷却管 路中安装相应流量的自动温度控制阀以后，可以保证油温在最佳状态，实现控温 与节能。比如在润滑油冷却回路的恒温系统中，润滑油温度被保持在一定值时才 能保持比较好的活性和润滑性能，蜡式温控阀与散热器在冷却回路中的安装方法 有如图2 7 所示两种，本文所研究对象为后者，图中1 、2 和3 分别代表混合液 流道、冷液流道和热液流道【5 4 , 5 5 】。 在由此类设备构成的系统中，蜡式温控阀能够很好地保持了油温的稳定，既 保证油温不会过高而造成润滑油粘度下降、润滑性能降低甚至失去，又避免了油 温过低引起水分在系统内析出，还避免了过度冷却引起的耗能。随着我国电力生 产的发展，3 0 0 m w 、6 0 0 m w 级发电机组逐渐成为电网的主力的机型。蜡式温控 阀也已经成为机组中汽轮机润滑油系统的关键设备，如图2 8 所示。蜡式温控阀 在润滑油系统中的应用大大提高了系统的稳定性和可靠性，降低了故障率，减轻 了维护量，进一步延长了机组的寿命【5 6 , 5 7 】。 ( a ) 控制出口温度的安装情况 ( b ) 控制入口温度的安装情况 图2 7 蜡式温控阀在内燃机或压缩机润滑油冷却系统中应用的示意图 1 2 硕士学位论文 图2 8 蜡式温控阀在汽轮机润滑油冷却系统中应用的示意图 2 4 2 蜡式温控阀在其他领域中的应用 ( 1 ) 在液压系统中的应用 液压系统通常都要求对其油液温度进行控制，特别是在运行中温度控制准确 度要求较高的液压系统，如伺服系统，比例系统，液压元件试验台及连续运行的 大型液压设备等。目前，我国实现温控一般采用电测电控和机械组合匹配的冷却 控制。简单的温控装置多由温度传感器、温度控制仪、加热器、电磁水阀、冷却 器及电控设备组成，这种控制方式虽然简单，但其最大的特点是控制形式属于开 关量控制，不能实现随系统发热量的变化而调节冷却水量，并且常因水中锈垢和 污染颗粒，造成电磁水阀阀芯动作失灵、电磁铁烧坏等故障而造成水源浪费的问 题。另一种是使用比例式冷却水控制方式，这是由冷却器、疏水阀、电动执行器、 电控设备、比例放大器、温度控制仪及温度传感器一次元件组成，与前一种方法 相比，具有能随系统发热量的变化调节冷却水量和控制精度高的优点，但因其组 成环节多，故障率高，且目前与电动执行器组成最小的疏水阀通径都在5 0 m m 以 上，而液压系统常用的都在5 0 m m 以下，因此在使用中受到限制。在液压系统冷 却回路应用蜡式温控阀则具有结构简单，动作可靠，性能稳定，使用方便，比例 式调节，无需动力，精度高等特点，与冷却器组成一个闭环冷却水调节系统，是 一种较为理想的液压系统冷却水调节元件。国外已经有大量新产品液压系统选用 蜡式温控阀作为冷却水的调节元件，实践证明其运行状态理想，例如蜡式温控阀 在注塑机冷却系统中的应用，如图2 9 所示5 8 6 0 1 。 厂 n 1 f r n1+ 一 冷 油罩k 城 却 冷却水 器 图2 9 蜡式温控阀在注塑机冷却系统中应用的示意图 蜡式温控阀流场模拟优化及元件改进方法 ( 2 ) 在民用采暖和热水供应系统中的应用 我国人口数量庞大，居民住房采暖消耗的能源数量巨大，随着人民生活水平 的不断提高，采暖总面积越来越大，采暖节能的研究有着重大意义。目前我国在 采暖节能方面对于热源和系统已有了较广泛和深入的研究，如热电联产集中供 热、凝气汽轮机低真空运行循环水供暖等都取得了明显的节能效果。对建筑物加 强保温措施，防止散热损失，建设部也制定了民用建筑节能设计标准，但是 对采暖的用户端的节能研究还很不够，目前仅仅是开始，而采暖用户浪费能源的 现象非常严重，在采暖季节有的室内温度高达2 5 。c 以上，甚至有的用户还要开 窗散热，不仅浪费了能源，还很不舒服。发生上述问题的原因：一方面是用户的 节能意识有待提高，更主要的是散热器缺乏有效的调控手段，有些单管制采暖系 统上的散热器根本没有调节手段。事实上目前普遍采用的单管制采暖系统即使安 装有旁通管和手动阀，也不可能实施调节。在每组散热器上安装一只温控阀，上 述问题就可以解决了。温控阀在采暖系统中的应用，有明显的节能效果，如图 2 1 0 所示。在双管系统中，可以很简单地安装温控阀达到节能目的；在单管系统 中，加装旁通管后，也可以安装温控阀，在保证采暖质量的同时，达到节能目的 【5 5 ，5 6 】 o 当前，集中采暖按热量计量是各国发展的趋势，是建筑节能的一项基本措施， 在我国热量计量消费己开始被人们接受，建设部己将集中供暖的民用建筑热表计 量收费列到了全国建筑节能，“九五”计划和2 0 1 0 年规划的发展目标，建筑按户 计量和温控技术己经在大力实施，并作为今后研究开发的内容。根据发达国家的 经验，采取供热计量收费措施，即可节能2 0 3 0 ，效果相当可观。而要实现供热 采暖系统按实用热量计量收费，用户能自行调节室温并使室内温度保持用户要求 的范围是采暖系统按热量分别计量供热的基础，即室内采暖系统必须具有计量功 能和可调节性。无论采用单管跨越式系统，还是采用双管系统，都需要温度控制 阀，而蜡式温控阀以其优越的性能在实践中被广泛的采用 6 h 。 图2 1 0 蜡式温控阀在四种分户供暖系统方案中应用的示意图 1 4 硕士学位论文 家庭生活、集中热水供应和公共浴室热水供应中，为了抑制热水中军团菌等 微生物的滋生，热水供应温度一般高于5 0 6 0 。c ，采用当用户使用时混入冷水的 办法来实现降低水温。过去一般采用手动调节的方法，使用中往往由于注意力不 集中误操作或者未成年人误操作等原因而造成烫伤事故。应用蜡式温控阀，采用 单管供水代替原来的双管供水，在公共浴室热水供应中很好的解决了以上问题， 如图2 11 所示。近几年，随着太阳能热水器技术在国内的成熟与价格的逐步合 理化，太阳能热水器已走入千家万户。在阳光明媚的夏天，太阳能热水器的出水 温度往往可以达到9 0 以上，一般也是采用蜡式温控阀来控制水的温度为合适 的温度。相对于电子式温度控制阀而言，蜡式温控阀由于不需电力所以要有较高 的安全性能，此外精度也较高、水锤危害较小等优点，在太阳能热水器上有着广 泛的应用，尤其可以避免高温天气、停电时而打开太阳能热水器出水阀可能造成 的烫伤事故【6 2