（化工过程机械专业论文）温控阀门中感温石蜡性能研究.pdf

兰州理工大学硕士学位论文 摘要 恒温阀是一种属于自力式调节器的自动控制流体出口温度的控温装置，广 泛应用于各类热力设备，如冶金、化工及各种民用装置等。而本文研究的蜡式 温控阀由于石蜡独有的感温膨胀的物理特性更具有高效，稳定等优点。 国内外对于如何调配温控阀中感温包内感温蜡还没有文献报道。而蜡式温 控阀正是利用感温蜡的热膨胀性能来实现控制流体温度的工作，所以本文对如 何调配出所需要的感温膨胀性的感温蜡做了全面的实验研究工作。 本文首先介绍了对蜡式温控阀以及感温蜡的研究成果，温控阀结构特点以 及它在生产生活实际中的应用，又对现在应用比较广泛的几种感温材料的物理 特性和应用特点进行了分析总结。接着着重解释了本文研究的温控阀中感温元 件的工作原理并对感温包中石蜡作了传热学分析。 本文使用自制的密封钢体通过水浴加温来测定石蜡的感温膨胀率，使用数 字熔点仪和显微熔点仪对样品进行熔点测量。本文首先对不同型号的市售感温 蜡做了膨胀率测试和d t a ( d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n a l y s e ，d t a ) 分析，得到 市售石蜡熔点和膨胀特性之间的关系。为研究感温石蜡的调配规律，使用十八 烷与二十烷以不同比例制得的混合物样品进行熔点和膨胀率测试。对试验结果 进行综合分析后，得到混合物熔点并不是单质熔点简单比例加合的结果，同时 基于膨胀特性对优化感温蜡的调配规律作了研究。 由于d t a 谱图可以描述物质的相变吸放热，本文又对每组十八烷和二十 烷的混合物样品进行了d t a 分析，通过对峰值差热和峰面积两组数据和每组 样品的物性测试结果的比较分析，进一步验证了如何优化调配感温石蜡。 关键词：温控阀；感温石蜡；调配规律；d t a 分析；膨胀率；熔点 a b s t r a c t t h et 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 c t i n gt e m p e r a t u r er e g u i a t o rw h l c n 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 e0 fn u i d ， a r ew i d e l yu s e di nm e t a l l u r g y ， c h e m i c a li n d u s t r y a n dc i v i l u s e dd e v i c e t h ev a l v ei nt h i s a r t i c l eh a s c h a r a c t e r i s t i c so fh i g he f f i c i e n c ya n dw o r k i n gs m 0 0 t h l yb e c a u s eo f p a r a f f i n s p h y s i c a lp r o p e r t i e s t h e r ca r en or e p o r t e da r t i c l e sa b o u th o w t oa l l o c a t en e e d e dp a r a f f i nu s e di n t h e r m o s t a t i cv a l v e t h e r m a le x p a n s i o np r o p e r t i e s0 fp a r a f f i ni si m p o r t a n tt 0t h e f u n c t i o n0 ft h e t m o s t a t i cv a l v e ， s 0p l e n t y0 fe x p e r i m e n ta r em a d et 0r e s e a r c hh o w t om i xp a f a f f i nw i t hn e e d e de x p a n s i o np r o p e r t i e sf o rt h e r m o s t a t i c v a l v e f i r s t ， t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h em a i na c h i e v e m e n t ， t h ec h a f a c t e r l s t l ca n d a p p l i a n c eo ft h e 珊o s t a t i cv a l v e s s e c o n d ， c h a r a c t e r i s t i c so fp h y s i c a lp r o p e r t l e s a n da p p l i a n c eo fs o m es e n s i t i v em a t e r i a lu s e dw i l d l ya r ca n a l y z e d f i n e l y ， t h e s t r u c t u r e 、 p r i n c i p a l柚dt h em a i nc o m p o n e n ta r e a n a l y z e d ， a n dh e a tt r a n s f e f a n a l y s i so f p a r a f f i ni ns e n s i t i v ew r a pi sm a d e t h em e l t i n gp o i n t0 fs a m p l e sw e r em e a s u r e db yd i g i t a li n s t r u m e n t0 fm e l t l n gp 0 i n t a n dm i c r o s c o p i ci n s t r u m e n to fm e l t i n gp o i n t ， a n de x p a n s i o nr a t i o0 fs a m p l e sw e r e d e t e r m i n e db vs e l f m a d ed e v i c e s d 1 aa n a l y s i sa n dm e a s u r eo fe x p a n s i o n r a t l of o f d i f f e r e n tt y p e so fs e n s i t i v ep a r a f f i no nm a r k e ta r em a d e i nt h i sa r t i c l ef i f s t l y t h e n ad i s c u s s i o nh a sb e e nm a d e0 nt h er e g u l a t i o n0 fc o n n e c t i o nb e t w e e nt h em e l t l n g p o i n ta n dt h ee x p a n s i o nr a t i oo fs e n s i t i v ep a r a f f i n t os t u d yt h el a wo lp r e p a r l n g p a r a f f i nw h i c hb eu s e di nt h ep h a s e - c h a n g et h e r m o s t a t i cv a l v e ，t h ee x p a n s l o n r a t l o e x p e r i m e n ta n dm e a s u r e m e n t0 fm e l t i n gp o i n tw e r e p e r f o r m e db ym l x t u t e s 0 t e i c o s a n ea n do c t a d e c a n ew i t hd i f f e r e n tp r o p o r t i o n a f t e rc o m p r e h e n s i v ea n a l y s l s 0 fe x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，t h e 恤e l t i n gp o i n to fs a m p l e s w a sn o tt h es l m p l e p r o p o r t i o n a la d d u c t i o no fm e l t i n gp o i n to f e a c he l e m e n t a r ys ub s t a n c e ， t h e na r e s e a r c hh a sb em a d e0 nt h eo p t i m i z a t i o nl a wo fp r e p a r i n gp a r a f f i n b a s c d0 n e x p a n s i o nr a t i 0 b e c a u s e0 ft h ef u n c t i o no fs p e c t r o g r a m0 fd t a t h a tc a nd e s c f i b et h eh e a t c h a n g eo fp h a s et r a n s i t i o nf o rm a t e r i a l ， t h es a m p l e sw h i c hw e r em a d eb ym i x t u r e s o fe i c o s a n ea n do c t a d e c a n ew i t hd i f f e r e n tp r o p o r t i o n w e r ei n v e s t i g a t e db yd t a a n a l y s i s a f t e rc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s o fr e s u l t so fp r o p e n i e st e s t l n g 、p e a k 兰州理丁大学硕士学位论文 d i f f e r e n t i a lh e a t i n ga n dp e a ka r e a ，i th a sf u r t h e rv e r i f i e dh o wt 0 o p t i m i z et h e m i x t u r e0 fp a r a f f i n k e yw o r d s ： t h e r m o s t a t i cv a l v e ； p a r a f f i nw a x ； m i x1 a w ； d t a ； e x p a n s i o nr a t i 0 ：m e l t i n gp o i n t 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： 匆、巍 日期：溯獐易月秒日 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，即：学校有 权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。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：磷易月加日 日期如量年厂月眇日 兰州理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 本课题是温控阀研究与开发的重要子课题，温控阀是一种新型高效高科技产 品，广泛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。感温组件作为温控阀的关键组件决定着温控阀的性能优 劣。其中填充在感温包中感温蜡的性能更是决定了温控阀的控制温度，控温范围 以及控温精确度等阀门的整体性能。 1 1 1课题背景 本课题是在我校对自动温控阀展开全面、系统的研究与开发基础上开展的： 在之前的工作中i 卜7 1 ，已经分别对温控阀的执行机构、感温元件以及测试温控阀 的实验系统分别作了分析研究。 1 1 2 课题的意义 温控阀是一种全自动的流体温度流量控制装置，本文研究的温控阀是一种属 于自力式调节器的自动控制流体出口温度的控温装置，如图1 1 所示就是一般典 型的自动化调节系统工作示意。控温装置的种类和控温原理很多，作者以直接依 靠感温石蜡的膨胀力来驱动的温控阀为研究对象。它的控温原理是利用石蜡在相 变温度区间内有较大的体积膨胀，当选取了适宜熔点区间的石蜡作为感温包填充 介质，石蜡膨胀的体积将作为阀门的驱动组件协调阀门入口冷热流体的流量比 例，从而达到保持出口流体的温度保持在恒定的范围内。调节套筒开度的大小是 由感温包通过阀杆的行程来控制的。所以说，感温包既是流体的感温组件，又是 阀门的驱动组件。在运行过程中，阀杆通过不断地调整位置来对温度进行精确控 制。可靠的、非平坦的结构使得温控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。这类控温原理的控温装置 还有很多，在很多领域都有广泛的应用，只要感温包密封性能好，这类控温装置 也有无需手工调节控制，稳定和寿命长久的优点。所以对石蜡的膨胀性能以及感 温区间的研究就对此类的温控装置的设计至关重要了。 温控阀门中感温石蜡性能研究 图1 1典型的自动化调节系统 温控阀中控温原材料感温蜡也是开发情况很好的一种新材料，关于感温 蜡等特种蜡的研究在国外很早就开始了，也比较成熟，在我国特种蜡的开发还是 初始阶段1 8 1 5 】。而且石油蜡是现代工业的重要化工原料。随着与市场需求相呼应 的科学技术的发展，石油蜡的调和技术、物理化学改性、生产和分析测试手段的 不断完善和提高，使石蜡深加工得到了很快发展，这种以石油蜡为基础原料，经 深加工后生产的特种蜡具有明显优越的性能特点和专门的使用对象，拓宽了石油 蜡的应用领域和应用效果。我国是世界上石蜡生产和出口量最多的国家，年产量 约占世界石蜡总产量的3 7 ，出口量占世界石蜡总量的4 7 。尽管石蜡产量很大， 但是产品结构不尽合理，特别是特种蜡发展缓慢。所研究的感温蜡就是一种常见 的特种石蜡。 石蜡在发生体积变化的过程中能同时具有微位移、大行程和大驱动力的特 性，这是目前常用的智能材料所不能比拟的，更重要的是可以根据不同的使用要 求来选择不同熔点的纯石蜡或混合石蜡来制作系列的温控阀。在节能冷却系统 中，用石蜡作为热敏材料的温控阀显示出较高的应用价值和广泛的应用前景，它 不仅大大简化了冷却系统的结构，而且温控阀表现出极好的自适应性和可控性。 石蜡的主要成分是烷烃，分子式是c 。h 2 n + 2 ，纯石蜡是由纯烷烃组成的，其熔点 主要由所组成烷烃的碳链长度决定，碳原子数越多熔点就越高；分子结构对熔点 也有较大影响，异构烷烃成分越多，熔点就越低。石蜡在很多领域都有应用，其 中作为相变材料除应用在感温装置中以外，作为蓄热材料的应用也是近来对石蜡 的研究热点。作为相变材料，石蜡的优点是化学稳定性好，压力对其体积变化影 响不大，不易相分离易获得且价钱便宜；缺点是热导率低，在实际应用中可以通 过和金属粉末制成复合材料来改善热导率【8 1 叭。 1 2 国内外研究现状及应用 1 2 1蜡式温控阀国内外研究现状 基于蜡质感温元件的混合型温控阎早在2 0 世纪4 0 年代由美国一家公司申请 专利并进行生产，其应用历史已有6 0 余年。目前此类阀门的结构和应用国外的研 2 兰州理丁大学硕士学位论文 究比较前沿，大多是在微型阀门的结构和性能上作研究，对蜡式温控阀的应用研 究有很大的扩展，也做了感温蜡的传热以及流动实验但都没有对感温蜡的本身做 研究【1 6 以引。该类阀门在我国的应用是在上世纪7 0 年代，最先出现在由东欧国家 引进的内燃机机车的液压系统中，于8 0 年代初步实现了国产化并应用于国产东风 型机车的液压系统的温度控制。2 0 世纪8 0 年代，随着我国石化、电力、纺织等行 业大规模引进国外的技术及附属大型装置，该类温控阀亦在进口空气压缩机的润 滑油系统中出现，进而促使人们对其国产化的不断努力、同样是从2 0 世纪8 0 年代 末期，国内有关企业开始消化吸收国外技术，研制开发民用供暖系统换热器恒温 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，需要改进生产工艺并提高生产质量f 1 9 垅】。 。 最近，清华大学王广振等人，提出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 3 1 。国内外有关基 于蜡质感温元件混合型温控阀的应用报道较多，然而对其流量特性以及系统分析 方面的公开文献较少。王为恩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的，感温介质中金属粉末a 与非金属b 达平衡浓度时即为 控制温度值。 恒温阀的核心部件就是感温蜡式热敏元件，自动恒温阀的发展与研究现状依 赖于感温蜡式热敏元件的发展与研究。感温蜡式热敏元件的研制始于二十世纪四 十年代，其目的是代替内燃机冷却系统所用的波纹管元件进行温度控制。由于其 在性能、成本等多方面的优势，到二十世纪六十年代，感温蜡式热敏元件已成为 发达国家的自力式感温元件的主流产品，在自动控温方面得到广泛应用。国内对 蜡式感温元件的认识开始于二十世纪七十年代，随着现代工业的发展，感温蜡式 热敏元件在构造、安装、用途等方面也在不断发展。目前，对感温蜡式热敏元件 的构造、感温蜡的选择或制备、开发新用途等方面仍是本专业领域的重要研究方 向。国内对恒温阀的全面研究尚处于起步阶段，还没有对恒温阀中感温蜡性能进 行物性测试与调配规律研究的相关报道。 1 2 2 蜡式温控阀的应用 1 ) 在采暖系统中的应用 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 3 温控阀门中感温石蜡性能研究 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 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。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。但由于温控阀价格较贵，将引起供 暖系统初投资的增加，而业主在选择设计方案时，会更多地关注初投资额。以目 前的燃料和温控阀、压差控制器、热表的价格，只有当锅炉的燃料为油和天然气 时，使用温控阀的双管系统才具有经济上的竞争力和吸引力。 2 ) 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。它是由冷却器、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 哪以上，而液 压系统常用的都在5 0 衄以下，因此在使用中受到限制。通过优劣比较，液压系统 采用温控阀能更好地控制温度，它具有结构简单，控制准确、可靠性高等优点 【2 4 ，2 5 】 o 3 ) 在其他方面的应用 温控阀在航空航天中也有广泛的应用。在各种航天飞行器中，温控阀一直是 极为重要的组成部件，其控温性能的好坏不仅直接影响飞行器的可靠性和工作寿 命，而且直接关系飞行器内宇航员和各种仪器的安全。另外，随着我国电力生产 的发展，3 0 0 m w 、6 0 0 m w 机组逐渐成为电网的主力机组。温控阀也已经成为机 组中汽轮机润滑油系统中的关键设备【2 0 2 4 】。如图1 2 所示 4 兰州理工大学硕士学位论文 图1 2 温控阀在汽轮机润滑油系统中的位置 温控阀是一个可调整的三通阀，应用的范围很广，可广泛应用于各类热力设 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。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。 自力式温控阀集测量、执行、控制功能于一体，广泛应用在空压机、换热设 备、空调及各种柴油机、润滑设备、燃气轮机、发电机组等设备的冷却系统油、 水等温度的控制。在各种耦合器、温度报警开关、航天飞机温度调节等领域的应 用亦十分广泛。 1 2 3 温敏材料研究现状 目前，国内外对温敏材料的研制主要集中在双金属片、形状记忆合金、温敏 形状记忆聚合物和温敏铁氧体等几个领域，并已逐步产业化。 1 2 3 1 双金属片 一双金属片是由两层具有不同热膨胀系数的金属牢固的焊合在一起而成的。具 有高膨胀系数的一层叫主动层，另一层称为被动层，加热时由于每层的膨胀度不 同，使片材朝被动层一侧弯曲。热双金属元件在使用过程中，当使用较长时间或 静止放置一段时间，条形热双金属元件中的工作端不能回复到原来位置，工程上 称为零点漂移。上海电器科学研究所朱民达【2 7 l 研究了热双金属元件的不稳定性， 提出改善热双金属元件的不稳定性需从三个方面着手。第一，控制双金属材料不 产生相变。第二，尽可能消除元件的内应力。第三，除上述方法外还可以用机械 振动的方法，提高元件应用材料组元层弹性极限的方法，和减少材料最终压下率 的方法等。随着，科技的发展，热双金属片开始向多类型发展。例如，上海电器 科学研究所卜锦鑫【2 8 】从碟形双金属片的两块不同金属的热膨胀系数出发，设计 了计算模型。应用弹性材料力学原理，推导出碟形热双金属片的曲率和温度的关 5 温控阀门中感温石蜡性能研究 系。最后得出结论：碟形热双金属片的曲率只与两块材料的厚度、热膨胀系数、 弹性模具以及温度有关。上海电器科学研究所王鑫芳【2 9 j 对四层热双金属片进行 了研究，采用热轧复合和爆炸复合相结合的复合工艺制备出高灵敏电阻系列四层 热双金属材料，其性能可与德国同类材料媲美。 1 2 3 2 形状记忆合金 一般来说，给金属施加外力使它变形后取消外力或改变温度，金属通常都不 会恢复原形。而某些具有热弹性或应力诱发马氏体相变的材料处于马氏体状态， 并进行一定限度的变形后，再加热并超过马氏体相消失温度时，材料能恢复到变 形前的状态和体积，这种现象叫做金属的形状记忆效应，具有这种效应的合金称 为形状记忆合金。目前，呈现形状记忆效应的合金，其基本合金系有1 0 种以上， 如：( 1 ) n i t i 形状记忆合金：n i 1 r i ，n i 一n b 等：( 2 ) c u 基形状记忆合 金：c u z n ，c u z n a 1 等；( 3 ) f c 基形状记忆合金：f e n i c o t i ， f e c 卜一n i 等【3 0 3 1 1 其他合金系诸如a u c d ，a g c d ，n i a l 等其应用己 遍及航天、航空、电子、机械、能源、医学、农业、机器人以及日常用品等领域。 但其中得到较广泛应用的只有n i t i 合金和部分铜基合金，虽然n i t i 合金的形 状记忆效果比铜基合金好，但价格昂贵，从而限制了它的广泛应用；而铜基合金 虽然材料来源广泛，易于加工成型，制造成本低，但其记忆性能稳定性差，强度 低，易产生沿晶断裂。我国自7 0 年代末开始研究形状记忆合金，全国有数十高 校和科研院所从事这项工作。研究的主要是镍钦基合金和铜合金系列，近年来， 又有一些单位开始研究铁基记忆合金。 1 2 3 3 温敏形状记忆聚合物 。 温敏形状记忆聚合物是指将已赋型的高分子材料( 交联或多相结构) 加热到 一定的温度，并施加外力使它变形，在变形状态下冷却，冻结应力，当再加热到 一定温度时，材料的应力释放，并自动恢复到原来的赋型状态。在相当长的时期 内，人们热衷于形状记忆合金的研究，对聚合物并没引起重视，直到2 0 世纪7 0 年代中期，美国国家航天局开始对聚乙烯辐射交联后的记忆特性进行仔细的研 究。 国内，长春应化所、西北核技术研究所等单位8 0 年代后期也对交联聚乙烯 进行了研究并投入生产【3 2 1 。近年来，又先后发现聚胺脂、高反式异戊二烯等温 敏形状记忆聚合物【3 3 1 。 1 2 3 4 温敏铁氧体 温敏铁氧体是近十多年才开发的一种用于温度控制的软磁铁氧体新材料。它 利用软磁铁氧体材料的磁性能与温度的关系，即磁导率在居里温度附近发生突变 6 兰州理工大学硕士学位论文 这个特性制作各种控温元件。由于这类控温元件具有无时效变化，可靠性高，精 度高，体积小和成本低等特点，因而得到广泛的重视。日本、前西德等国家较快 地研制了磁性温敏开关( t r ) ，电子控制用热敏固体继电器( f t ) ，过热监视器 ( o h d ) 等器件，并且实现了产品化、系列化已开始广泛用于工业机械、电子 仪器、家用电器等很多领域内的温度控制与监测。国内，锦州师范学院王梦魁研 究了温敏铁氧体的材料组成与居里温度的关系，发现在f e 2 0 3 含量一定时，居里 温度在一定范畴内与z n 0 含量呈线性关系，并在大量实验的基础上给出了计算 居里温度的经验公式【3 4 3 6 l 。 对于双金属片和形状记忆合金来说，虽然具有良好的热敏性，但是材料形状 固定，不能随测控元件结构而变，做成各种复杂形状的制件，所以具有很大的局 限性，并且热双金属片还存在着不稳定性等缺点。在形状记忆合金中，镍钛基合 金形状记忆效果好但价格昂贵，铜基合金虽然价格低廉，但记忆性能稳定性差， 铁基合金刚开始研究，技术还不成熟。形状记忆聚合物和形状记忆合金相比具有 记忆效应大、感应温度低、价廉、易加工成型、适应范围广等特点，近来备受人 们的关注，但也尚存在如形变回复力小，回复精度不高，且多为单向记忆等不足 之处。温敏铁氧体材料和其他几种温敏材料相比具有作开关用性能良好，工作温 度不随时间而变化( 相当于老化现象很轻微) ，根据使用要求可加工成各种复杂 形状的元件，居里温度可由配方组成进行调整，不用贵重材料，工艺成熟简单， 成本低等优点。但它和一般铁氧体不同，温敏铁氧体对居里温度及居里温度附近 的物理性能有着特殊的要求。 第一，温敏材料要求有稳定的，特定的居里温度。第二，温敏材料的磁导率 与温度曲线在居里温度处应迅速下降，即曲线在居里温度附近的斜率要大。第三， 温敏铁氧体要求磁饱和强度与温度曲线在接近居里温度时快速下降，且要求材料 此特性一致性较好。第四，在设计器件过程中，希望起始磁导率高。第五，材料 热敏感性要好，故要求热传导系数温度附近的斜率要大。 1 2 3 5 感温石蜡 比较以上几种温敏材料或多或少都存在着一定的局限性。近年来，有机物石 蜡的温敏性开始引起人们的注意。石蜡从固态受热转变为液态时，体积膨胀量可 达1 3 一1 5 ，利用石蜡这一特性，在石蜡受热产生固液相变时，将热能转化为 机械能，应用于热传动及各种恒温器件的温度自动控制【9 1 。 1 3 本文研究内容及意义 首先通过对应用在恒温阀中不同类型的感温蜡进行d t a 分析、熔点以及膨 胀性能的测定，对它热性能，相变区间和膨胀性能进行综合分析，对感温蜡的熔 7 温控阀门中感温石蜡性能研究 程和膨胀温度区间之间的关系规律作了研究。 其次为研究应用在蜡式恒温阀中的感温石蜡的调配规律，使用十八烷与二十 烷以不同比例制得的混合物样品进行熔点和膨胀率测试。使用数字熔点仪和显微 熔点仪对样品进行熔点测量，样品膨胀率则使用自行设计制造的设备进行测量。 对试验结果进行综合分析后，基于膨胀特性对优化感温蜡的调配规律作了研究。 最后又基于热分析对优化感温石蜡的调配规律又进行了验证，使用十八烷与 二十烷以不同比例进行混合，测量每组样品的熔点，再对样品进行d t a 差热分 析。通过对物性测试和热分析的结果的综合分析，得到感温石蜡的优化调配规律。 感温蜡在蜡式温控阀里扮演着重要的角色，感温蜡的相变区间、膨胀区间、 膨胀曲线决定了温控阀的控制温度和控温精度。而感温蜡在现实中一般都是通过 调配的手段得到，所以对感温蜡的调配规律的研究在温控阀的研究里是至关重要 的。 8 兰州理工大学硕士学位论文 第2 章温控阀感温元件的结构分析及实验设计 2 1 概述 温控阀是一种全自动的流体温度、流量控制装置。属于典型的自力式调节器。 它的作用是将两个温度不同的流体分别通入阀腔，通过温控阀内件自动调节两者 流量，使出口温度保持恒定，而无需外加驱动和控制装置。 温控阀采用机械原理，集感应机构、放大机构、执行机构、反馈机构、定值 机构于一体。它改变了传统的热工控制温度、流量的控制方法，避免了热工控制 中参数测点较多、维护量较大的缺点。 2 2 固液相变式温控阀的工作原理 蜡式温控阀的结构如图2 1 所示，恒温阀主要由阀体和感温自力执行机构组 成。热流体从侧面进入阀体，冷流体则从下端进入，由自立执行机构自动调节冷 热流体流量比例以控制出口流体温度。其中自力执行机构主要由感温包、阀杆i 调节弹簧和套筒组成。 热 图2 1蜡式温控阀 9 温控阀门中感温石蜡性能研究 如图2 2 所示，感温蜡密封在感温包内，感应出口流体温度的调节和感温蜡 体积的膨胀( 或收缩) 都通过横膈膜、锥形橡胶体来联系阀杆工作。工作时，感 温包中感温蜡输出膨胀力；弹簧组调节输出力并在温度降低时帮助阀杆复位；阀 杆推动套筒，通过套筒的不同开度调节冷热流体的流量比例从而实现控温【1 l 。感 温包是恒温阀的核心部件，设计不同额定温度的恒温阀就要使用相应膨胀性能的 感温蜡，蜡的热膨胀性直接影响恒温阀的控温性能，因此对感温蜡的研究工作十 分重要。 。 图2 2感温自力执行机构 1 套筒2 小弹簧组3 大弹簧组4 阀杆5 拉杆6 感温包 2 2 1相变式温包的结构 固液相变式温包又叫蜡式感温包，依靠感温蜡的固液相变产生比较明显的 体积变化控制阀芯的开口大小。其构造如图2 3 所示，图2 4 为温控阀阀芯 的立体图。 1 0 兰州理工大学硕士学位论文 图2 3自力式温控阀温包结构图 1 温包；2 感温蜡；3 隔膜；4 橡胶塞：5 套筒；6 推杆 图2 4 温控阀阀芯 温控阀的工作环境是在油或水中，使温控阀能够保持稳定的性能，密封问 题是非常重要的【”j 。隔膜是直接用于对感温介质进行密封的，橡胶键装配后 由于自身的弹性变形，也起到较好的密封作用。橡胶键将感温介质膨胀的力传 递到阀杆上使阀开启，又因为其结构有直径的变化，对力的传递还有一定的放 大作用。温控阀的隔膜除了起密封感温介质的作用外，还具有力的传递作用。 感温蜡膨胀使隔膜发生变形，将膨胀力传递到橡胶键，推动阀杆运动。 温控阀门中感温石蜡性能研究 2 2 2 感温蜡的性能对温包影响 如图2 3 所示，石蜡被密封在铜罩和橡胶套之间，由传热良好的导体铜罩 感知被控对象的温度变化，随之铜罩将热量传递给密封的石蜡，使石蜡发生体 积变化，然后通过橡胶套将石蜡的体积变化转换为推杆的直线运动，即感温组 件产生微位移输出。感温组件的关键部件是石蜡材料，为了使石蜡在各点能最 大限度地均匀膨胀和增加其导热性，在石蜡中掺有金属粉末。感温包的设计是 温控阀的设计核心，所以如何调配所需要感温膨胀性能的感温石蜡对温控阀的 控温性能好坏有至关重要的影响。 本文研究的温控阀依靠感温石蜡的膨胀力来驱动和实行控温。它的控温原 理是利用石蜡在相变温度区间内有较大的体积膨胀，当选取了适宜熔点区间的 石蜡作为感温包的填充介质，石蜡膨胀的体积将作为阀门的驱动元件去协调阀 门入口冷热流体的流量比例，从而达到保持出口流体的温度保持在恒定的范围 内【卜2 1 。所以对它的特性研究就对此类的温控装置的设计有至关重要的意义。 2 3 感温包的传热学分析 2 3 1感温蜡传热研究概述 感温包主要由金属感温包和填充在其内部的感温蜡组成。混合流体与感温 包以强制热对流的方式进行热交换，热量由感温包金属外壁通过导热传递给其 内壁。常温下，感温包内为固态的感温介质，即感温蜡与金属粉末的混合物。 感温包内壁的热量再以导热方式传递给感温介质。感温介质从感温包内壁得到 热量后，温度升高一定值并迫使固态感温蜡发生固一液相交，感温蜡体积膨胀 推动温控阀推杆产生位移，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。 由于在实际应用中感温蜡中往往是与金属粉末混合成复合制成感温材料， 关于蜡质感温包的传热研究，目前有两种方式在进行。 一种为把感温包( 忽略金属粉末，只考虑纯态感温蜡) 的数值研究归结为 同心而不等高圆柱体所形成的封闭空腔的自然对流问题。同心圆柱体封闭空腔 的自然对流与传热问题过去主要的工作集中于实验研究，s p a r r o w 等和 c h a m c h i 对竖直同心圆柱体封闭空腔进行了研究，但没有考虑壁面的厚度，而 将壁面设为恒热流或恒壁温【3 8 ，3 9 1 ，回避了流固耦合这一在较小空间起关键作用 的因素。这种设置显然不符合感温包的实际工作状况。 基于上述不足，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 兰州理工大学硕士学位论文 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耦合 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【4 们其研究结果对优化设计感温包有积极的意义。但是，以上对蜡 质感温包的传热分析均没有考虑加入金属粉末的感温蜡的相变传热。 另一种研究方式考虑蜡质感温包的实际情况，即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，就会在很大的程度上提高体系的导热性。 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间是串连的关系，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，有机物热阻和金属填料 热阻之间有了并联关系，这样导热网链对于整个体系导热性起了主导地位而大 大提高了体系的导热性。对于这一机理人们基本上达成了共识o | 为获得高导热 性体系，如何利用各种手段以使体系中的导热网络最大程度上形成而达到有效 地热传导是必须考虑的关键问题。 复合材料的导热系数不仅与其组成各相的导热系数有关，而且还与各相的 相对含量、形态、分布，以及相互作用等有关。如果复合材料如图2 5 所示的 这种平行板式相分布，则可借助电子学中将电阻率串、并联求电路总电导率的 方法，准确的求出复合材料的导热系数【4 l ，4 甜。当热流方向与平行板的平面平行 时，相当与一个“并联电路一。这时平行板内每一层具有相同的温度梯度，大 部分热流则通过平行板内导热系数较高的层。 温控阀门中感温石蜡性能研究 图2 5 平行板时相分布 由于本文所研究的感温蜡实际应用中的铜粉蜡复合材料为圆柱体形状， 故适用于描述平行板式相分布复合材料导热系数并不适用。另外，实际应用中 的铜粒感温蜡复合材料中的填充金属铜粒含量可能很高，因此m a x w e l l 方程 不适用于此处复合材料的导热系数的计算。实际上从m a x w e u 方程的假设条 件上可以发现，当粒子含量较高时，就需考虑粒子间的相互作用了【4 2 1 。 2 3 2 相变传热问题概述 广义而言，所谓相变是指物质集态或组分的变化。本节内容仅限于液态相 由于冷却而凝固成固态相，或固态相由于受热而熔化成液态相的过程。在伴有 相变的导热中，都包含了相变与导热这两种物理过程，因此它比单纯的导热问 题要复杂一些。相变是自然界和工程技术领域中的一种常见现象，冰居的形成， 大地的融冻，铸件的凝闭，食品的冰冻，乃至地球自身的形成等都是一些典型 的实例。近年来，航天技术、能量贮存技术及生物工程技术的发展，促进了相 变问题的研究，相变传热技术也因此而得到越来越广泛的应用。 相变导热问题有以下两个共同特点。 1 ) 固、液两相之间存在移动的交界面。在整个相变过程中，这个交界面 始终存在，它把热物性不同的固、液两相分离开来，直至相交过程结束。 2 ) 在两相交界面上( 或两相共存的相变区内) ，有相变潜热的释放( 凝 固) 或吸收( 熔化) ，相界面( 或两相共存区) 的位置随时间而变动。因此， 必须把它作为导热问题的一部分而予以确定。 上述两个特点表明，在相变导热过程中两相的边界是随时间而变动的，确 定相界面随时间移动的规律是求解相变问题的关键。相变导热问题表现出非线 性特点，叠加原理不再适用，因此，对不同的情况必须分别进行处理。迄今为 止，分析求解相变导热问题的可能性仍仅限于一些比较简单的理想化情况，更 一般的情况需要采用近似分析解法或数值解法。 1 4 兰州理工大学硕士学位论文 要彻底理解相变问题需要分析与之伴随的各种复杂过程，但从宏观角度 看，这些过程中最主要的是导热过程。 在像纯水或纯金属这样的纯物质的凝固过程( 或熔化过程) 中，相变现象 发生在某个单一的温度下，而且固相和液相被一个明确的分界面所分离。对另 外一些情况，物质由两种元素所组成的情况下，如合金等物质的凝固( 或熔化) 过程，相变现象发生在某一个温度范围内，此时，固相和液相被一个两相的移 动区域所分离，在纯固相和纯液相之间存在一个由液相和固相组成的两相区 ( 也称模糊区) ，两相区的两边是两个等温界面，分析这类问题时，需要求固 相区、两相区和液相区的温度分布，另外，两个界面的位置都是待定的，它们 随时间而变化。还有一类物质，如石蜡，玻璃，各种烃类、烷类以及由几种不 同物质混合物所组成的非纯物质情况下，从固态到液态( 或从液态到固态) 的 相变是缓慢发生的，它们的相变区域呈胶状，因此，没有一个明确的分界面。 无论是上述哪一类物质的相变过程，求解这类问题都有它固有的困难，这 是因为区域内存在着随时间移动的两相界面，界面的位置预先是不知道的，它 是作为解的一部分在求得解以后才能被得到，而且在该界面上放出或吸收潜 热，在数学上是一个强非线性的移动边界问题。因此，最初研究相变导热问题 都是以无限薄的相交界面把区域分成两部分：固相区域和液相区域。两部分有 各自的温度场和物性参数，分别满足非稳态导热方程及各自的边界和初始条件 ( 为了简单，在液相区略去自然对流或强制对流等的作用) 。利用分区计算两 个导热温度场的方法，可以巧妙地绕开相变界面这个具有爆发性吸收或释放能 量的障碍，成功地得到解析解。 有关求解相变问题的早期研究著作中有拉梅( l a m c ) 与克拉伯龙 ( c 1 a p e y r o n ) 于1 8 3 1 年及斯蒂芬于1 8 9 1 年针对冰的形成所进行的工作。更 为一般的相变问题的精确解是由f 诺伊曼于1 8 6 0 年在他的讲稿中论述的，而 他的有关这些解的讲稿直至1 9 1 2 年才发表。此后，有很多相交问题在文献中 出现，但是精确求解只限于一些半无限大或无限大区域，且具有简单边界条件 与初始条件的一些理想化情形。由于这类问题的非线性，不能应用迭加原理， 每一种情形必须分别予以处理。当精确解法不适用时，可用近似的、半分析的 以及数值的方法来求解各类相变问题 下面先来简要叙述求解相变问题的几种精确分析方法和近似分析方法。 积分法，这个方法可追溯到卡门和波尔豪森，他们用积分法对边界层方程 作了近似分析。古德曼用积分法求解了一维瞬态熔化问题，此后相继有很多研 究者用它来解各类一维瞬态相变问题。积分法是一种近似求解一维瞬态相变问 题较为直接而简单的方法。最早由莱特富特( l i g h t f o o t ) 用来求解诺伊曼问题 的移动热源( 或积分方程) 法的基本之点是，用处于固、液交界面上的移动平 1 5 温控阀门中感温石蜡性能研究 面热源( 或汇) 来表示潜热的释放( 或吸收) 用这种方法可使对相变问题的 分析转化为对固、液界面位置的积分方程的求解。有的研究者采用格林函数法， 其实质与移动热源法一样。也有研究者用过摄动法，但当待求的解的阶数较高 时，则整个分析过程变得非常复杂。在求解边界条件诸参数随时间