（化工过程机械专业论文）温控阀感温元件的特性研究.pdf

硕士学位论文 摘要 感温元件作为温控阀的关键元件起着感知温度和输出力的作用，感温介质吸 收工作流体的热量产生体积膨胀，推动调节套筒调节进口冷热流体流量从而控制 出口温度。 要设计一个合理的温控阀，感温元件的设计是重点、难点之一，如何将感温 介质体积膨胀快速有效地转化为调节套筒位移的输出成为本课题研究的关键。本 文对各种形式的感温元件的工作原理、结构进行分析研究，重点分析固液相变式 感温元件的工作原理和结构。 感温元件的热惰性是影响温控阀响应时间的重要因素，分析研究感温元件的 传热机理，建立正确合适的传热模型，找出影响其传热性的因素进而改进感温包 的结构。 感温元件要与调节弹簧配合来完成力和位移的输出，弹簧的性能优劣影响着 温控阀的整体性能，本文对调节弹簧进行了实例设计。 温控阀的性能好坏要用实验来进行验证，本文介绍了温控阀的整体性能实验 并对实验结果进行了分析处理，温控阀的滞后性是影响温控阀总体性能的重要指 标，本文将建立合适的模型研究其滞后性，并对其滞后时间进行了实验估测。 关键词：感温元件；温控阀；数学建模：调节弹簧；滞后性 i i i 温控阀感温元件的特性研究 a b s t r a c t a st b ek e ye l e m e n to ft h et h e r m o s t a t j cv a l v el h et e m p c r a t u f es 如s i ge l e m e 丑tp l a y s t h er o l eo ft e n l p e r a t u r es e n s i ga n df o r c eo u t p u t t i n g b ya b s o r b i n gt h eh e a to ft h e w o r k i n gn u i d ，t h et e m p e r a t u r es e n s i n gm e d i u mp r o d u c e st h ec a p a c i t ye x p a n s i o n w h i c h m o v e st h er e g u l a t i n gs l e c v et oc o n t r o lt h en u i dn o wo fi n p u tt 0c o n t r o lt h e t e m p e r a t u r e t bd e s i g nar a t i o n a lt h e r m o s t a t i cv a l v e ，t h ei m p o f t a n ta dd i f f i c u l tp o i n ti st h e d e s i g n0 ft h et e m p e r a t u r es e n s i n ge l e m e n t t h ep r o b l e mi n d u d e s ：h o wt oc h a n g et h e c a p a c i t ye x p a n s i o nt ob et h cd i s p l a c e m e n to ft h er e g u l a t i n gs l e e v e t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h et e m p e r a t u r es e n s i ge l e m e n ta r e a n a l y s e da n dc a l c u l a t e di nt h i sp a p e f t h es o l i d l i q u i dp h a s ec h a n g e dt e m p e r a t u r e s e s i n ge l e m e n ti sd i c u s s e dc a r e f u l l y t h et h e 珊a li n e n i ai st h ei m p o n a n te l e m e n to ft h er e s p o n s i n gt i m eo ft h e t h e 珊o s t a t i cv a i v e m o d e i i n gt h eh e a tt n n s f e ro ft h et e m p e r a t u r es 曲s i n ge l e m e n ti s m e t h o do ft h ea n a l y s i so ft h ee l e m e ti nt h i sp a p e r b yc o m b i n i n gt h er e g u l a t i n gs p t i n gt h et e m p e r a t u r es e n s i n ge l e m e n to u t p u tt h e f o r c ea n dd i s p l a c e m e n t t h ec o e f f i c i e n t0 ft h er e g u l a t i gs p r i n ge n c c t st h et h e c o e f n c i e n to ft h ev a l v e t h ea n y l y s i sa n dd e s i g o ft h er e g u l a t i n gs p f i n g si si n t r d u c e d i n t h i sp a p e r t 1 l ec o e f f i c i e to ft h et h e m o s t a t i cv a l v ei st ob et e s t e db yt h ee x p e r i m e n t m a n y e x p e r i m e n t sw e r cd o n ei t h i sp a p e r t h i sp a p e rp r e s e t sam o d e lo fat h e 皿o s t a t i c v a l v ea n dw h e r et h eh y s t e r e s i se f f e c ti sm o d e l e du s i n ga d a p t i v em o d e lf o ff r i c t i o n c o m p e n s a t i o k e yv y o r d s ：1 e m p e r a t u r es e n s i n ge l e m e n t ； t h e 珊o s t a t i cv a l v e ； m a t h e m a t i c a l m o d e l i n g ；r e g u l a t i n gs p r i n g ； h y s t e r e s i s 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 他个人或集体己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：；f 星4 日期：) 础# 年，月孑一日 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： 断星钾 1 0 科 1 日期：) 一否年，月；o 日 日期：二m 名年，月如州 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 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。感温元件作为温控阀的关键元件决定着温控阀的性能优劣。 1 1 1 课题的背景 本课题是在我校对自动恒温阀展开全面、系统的研究与开发的基础上开展 的。 1 1 2 课题的意义 感温元件在温控装置中起着关键的作用。图1 1 就是是一个简单的温控装置示 意图。 图1 简单的温控调节系统图 图中控制对象可能是精馏塔的精馏过程，或是蒸发器中的蒸发过程，或是炉 膛内的燃烧过程，或锅炉中的蒸气产生过程。自动化的目的是利用一些检测仪表 和自动调节器构成恰当的自动化系统，将生产过程中的主要参数自动调节在所需 要的数值上。需要调节与控制的生产过程( 无论是自动调节或人工调节) 都必须 首先测量被调函数，这一任务是由检测仪表来担当的。在生产过程中，被调函数 的波动是由于受到外界或系统内部各种干扰而产生的。在一般情况下，系统中最 主要的干扰往往是对象的负荷。被调参数的变化，往往是由于负荷的改变引起， 这时要使被调参数不再继续改变，甚至恢复到原来值，就要设法控制进入对象的 能量或物料量，使进入的能量等于由负荷所引起的能量或物料量的变化，这就必 须应用调节机构。调节机构是直接和具有一定能量的介质( 例如蒸气、冷却剂、 燃料、电流等等) 或物料相接触并能以一定方式改变能量或物料量的机构。要使 调节机构动作，从而控制生产过程，就必须有足够的动力。在温控系统中的执行 机构的作用是接受感温元件的讯号，并以一定的功率推动调节机构来控制温度。 温控阎感温元件的特性研究 在自动调节或人工调节生产过程时，上述检测仪表、调节机构和执行机构三者都 是必须的。但是，要实现生产过程自动化，还必须在检测仪表和执行机构之间， 串联一个自动调节器。如图卜2 所示： 值 图1 2 自力式调节器组成的自动化系统方框图 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、电磁杯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组成。与前一种方法相比，它具 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，但其组成环节多， 故障率高。温控阀是一种采用机械原理的控制装置，是一种集感应机构、执行机 构、反馈机构、定值机构于一体的新式温度、流量控制，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，热工测点较多，维护量较多的特 点【1 4 1 。 1 2 国内外研究现状及应用 基于蜡质感温元件的混合型温控阀早在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。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，需要改进生产工艺和提高生产质量。国内外 有关基于蜡质感温元件的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 2 硕士学位论文 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，且是唯一的温控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，感温蜡式热敏元件己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，主 要由于从国外进口的汽车、轮船、火车机车等内燃机冷却系统的温度控制大量用 到自动恒温阀。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、感温蜡的选择或制各、 开发新用途等方面仍是本专业领域的重要研究方向【”1 5 】。国内对自动恒温阀的全 面研究尚处于起步阶段，还没有对温控阀感温包的性能进行深入研究的报道。 ( 1 )在采暖系统中的应用 我国有着很大的采暖面积，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。因此，开展采暖节能的研究，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 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。温控阀可以改变散 热器的特性曲线并将室温控制在我们需要的某个温度。达到调节温度和节能的目 的。温控阀在欧美各国己被广泛采用。他们得出的结论是，使用温控阀可以节能1 0 2 0 的能源。 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 温控阀感温兀件的特性研究 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 衄以 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【7 8 】。 ( 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【加15 1 。如图1 3 所示。 图1 3 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。 硕士学位论文 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。 温控阀在国外已经成为成熟的先进专利设备，国内很少有厂家生产。 1 3 本文的工作 本文介绍了各种形式的感温元件，旨在通过将固液式感温元件和其他形式感温 元件进行比较分析，了解感温介质( 主要是感温蜡) 的物理性能以对温控阀进行 设计，对弹簧的设计及控制性能进行优化。并对温控阀的整体性能进行实验研究。 通过研究，探明温控阀的传热传质机理及其执行特性，并初步确定其结构，为开 发、生产此类温控阀提供一定的理论基础。 温控阀感温元件的特性研究 2 1 概述 第2 章温控阀感温元件的原理与结构 温包作为温控阀的重要部件起着敏感元件的作用。温包是圆筒形薄壁容器， 内充固液相交的固体、气体、液体、或低沸点的饱和蒸汽。温包直接和被测介质 接触，利用温包内工作介质的体积或压力随温度变化而变化的物理性质而工作。 因此要求温包对被测量的温度有较快的反应速度，能抵抗被测介质的侵蚀作用。 此外，温包尺寸的选择应能使测量具有必要的精度。温包的表面积和体积之比愈 大，在强度允许的温度范围内温包的壁厚愈小，以及温包材料的导热系数愈大就 可以大大地减少温包的热惯性，提高它对温度的反应速度。温包常用黄铜和钢来 制造，在测量腐蚀性介质的温度时可以用不锈钢来制造i l 州 2 2 温包的分类及工作原理 按照温包内的工作介质可分为固液相变式、液体式、气体式、蒸汽压力式等。 2 2 1 固液相变式温包的工作原理 自力式温控阀本质上就是一个自力式调节器。自力式调节器不需要外来附加能 源，它的感受元件直接接受被调节对象的能量，且按一定的调节规律工作，并产 生足够的力直接带动调节机构。要测出温度调节参数，并将其转换成可供自力式 温控阀作为执行机构的能量( 或力) ，这一任务是由自力式温控阀中的感温元件来 完成的。图2 1 为温控阀阀芯的立体图。 图2 1 温控阀阀芯 硕士学位论文 图2 2 为温控阀的结构简图： 图2 2温控阀结构简图 l 一感温包；2 一感温介质；3 一隔膜4 ：橡胶塞；5 一上压板；6 一套筒：7 一大弹簧组：8 一固定盘：9 一阀杆：1 0 一拉杆；1 1 一下压板：1 2 一小弹簧组；1 3 一调节套筒：1 4 一螺母 阀的初始处于冷流体通道2 关闭状态，因而热流体首先由通道1 进入阀腔， 使感温介质受热膨胀，推动阀杆及调节套筒向下运动，从而使冷流体通道2 开启， 同时部分关闭热流体通道。冷流体由通道2 进入，与热流体在阀腔内混合由通道3 流出。由于出口流体温度变化使阀杆和调节套筒不断上下运动，调节冷热流体的 流量，直到达到预定温度。这种温包是固液相变式的。根据热力学原理分析可知， 相同质量的感温材料，在相变点吸热量远大于比热热量。因此，相变型感温介质 的热转换效率较高。在相交点附近，感温材料有一个体积急骤膨胀的过程。而非 相变型元件的热转换效率较低，热膨胀体积小，为达到一定的膨胀体积，感温包 需设计得较大。但可用的感温范围广，控温比例带宽。 蜡式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。蜡元件的工 作原理及基本特性蜡元件是利用特种感温 与 蜡，在固、液相变时，体积急剧膨胀高达 1 1 1 5 的特性而工作的【2 2 1 。工作过程如 图2 3 所示。 当环境温度升高时，蜡元件内的膨胀剂 由固相变为液相，体积急剧膨胀，产生高达数 十兆帕的压力，通过橡胶塞挤出阀杆， 7 t 图2 3 感温元件特性曲线 温控阀感温兀件的特性研究 使阀杆向外移动并做功。当环境温度降低时，膨胀剂由液相变为固相，体积收缩， 内压力消失，推杆在弹簧力或外载荷作用下退回、复位。在蜡元件的典型特性曲线 上行程大小是主要性能指标，而且在同一温度下，载荷( 参变量) 越大，行程越小，在升 温和降温过程中不具有可逆性。除上述特性之外，与波纹管和双金属片感温元件相 比蜡元件还有以下特点： ( 1 ) 它的制造精度可以达到很高，因而具有优良的性能重复性。 ( 2 ) 膨胀剂有不可压缩性，在刚性壳体内，它所产生的动力较大。 ( 3 ) 不受介质压力条件的限制，高压或真空均可适用，并且不怕冲击和震动。 温控阀对温度控制要求的特殊性，决定了感温材料的特殊性。为了满足流体 出口恒温的要求，感温材料不仅应具有良好的导热性能，而且要有适用于温控阀 控温的熔点和膨胀率。感温材料在相变状态下有较大的膨胀率，发生相变时体积 膨胀，产生的膨胀力推动阀杆向下运动，从而带动调节套筒开启，确保系统正常 运行。 若阀杆的启闭行程6 和介质的膨胀率成线性关系，则感温材料是理想的，但一 般很难满足条件。掌握感温介质在固、液以及相变时的膨胀率，对温控阀的分析 研究具有重要的意义【4 l 。 膨胀率和阀杆行程之间的关系为： d 。掣( 2 1 ) ! 赢2 4 式中， 6 一阀杆行程。 矗一混合流体温度； “一环境温度； 一感温包体积； a 一感温介质膨胀率； d 一套筒内径。 因为 q - q 1 + q 2 ，c c l - c 2 根据热平衡方程， 可得 即 q 瓦c = q l 瓦c 1 + q 2 l c 2 q 瓦一q ，r 。一( q q ，) 疋 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 硕士学位论文 同理可得， 而 故 q l _ 鳃喝么一五 q ：= 鳃一一 t = 半 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 华吨) d “怂、q 么2 ( 2 - 8 ) 式中， q 一出口流体的流量； q 1 一热流体流量： q ：一冷流体流量； c ，c ，c ：一分别为冷热流体及出口流体的比热： z 一热流体入口温度； l 一冷流体入口温度。 由( 2 8 ) 式可以看出，在冷热流体温度和流量一定的情况下，阀杆行程与感温 介质膨胀率有直接关系。所以，为了满足温控阀的出口温度要求，选择合适的感 温介质是温控阀设计的关键所在。 如正烷烃组的4 0 5 0 的精馏石蜡。 这种石蜡经过加工后变成感温蜡的特性在于从固态受热转变为液态时，体积 膨胀量可达1 3 1 5 。利用感温蜡的这一特性，在感温蜡受热产生固液相变时， 将热能转化成机械能，应用于热传动及各种恒温器件的温度自动控制。 最为常见的实例是汽车调温器，调温器的圆柱形密封部件中装有一定重量的感 温腊，固液相变按特定的技术要求设计，当圆柱形部件受热时，部件内感温腊受 热产生固液相变而膨胀，推动调温器推杆启开阀门，圆柱形部件降温时，感温蜡 收缩，借助回位弹簧力将推杆推回原位，关闭阀门，由此实现温度自动控制。 按感温蜡工作原理研制开发的热传动及自动恒温器件已经广泛应用于汽车调 温器、风扇温控开关、内燃机车、船舶各种内燃机发动机冷却水温、润滑油温度 自动控制、摩托车低温加浓阀、蒸汽疏水阀、冷热液自动混合阀、空调器、太阳 能热水器等。国内有关这一领域的开发应用正在不断延伸，例如热传动电气开关、 报警器、楼房通风排气、散热器温控阀、航空航天热降落装置、机器人等等。 温控阀感温元件的特性研究 用于不同场合的感温蜡系列1 9 1 有： 表2 1 内燃机车恒温元件用感温蜡 质量指标 型号控温范围 外观水溶性酸碱机械杂质推杆升程m m 4 5 d4 5 5 5 白一淡黄色无无6 1 0 5 0 d5 0 6 0 自一淡黄色无无 6 1 0 5 5 d5 5 6 5 白一淡黄色 无无6 1 0 6 0 d6 0 7 0 白一淡黄色 无无6 1 0 6 5 d6 5 7 5 白一淡黄色无无 7 7 0 d7 0 8 0 浅蓝色无无 1 1 7 5 d 7 5 8 5 淡黄一黄色无无 7 8 4 d8 4 9 4 淡黄一黄褐色无无 8 表2 2 蒸汽琉水阀用感温蜡 质量指标 型号控温范围 外观水溶性酸碱机械杂质推杆升程m m 3 5 e3 5 5 5 白一淡黄色无无8 4 5 e4 5 6 5 白一淡黄色无无 8 5 5 e5 5 7 5 白一淡黄色 无无8 6 5 e6 5 8 5 自一淡黄色无无8 7 0 e7 0 9 0 白一淡黄色无无 8 8 0 e8 0 1 0 0 白一淡黄色 无无8 8 5 e 8 5 1 0 5 白一淡黄色无无 8 9 5 e9 5 1 1 5 白一淡黄色 无无8 1 0 0 e1 0 0 1 2 0 白一淡黄色无无 8 表2 3 空压机、润滑设备、燃气轮机、发电机、船舶用感温蜡 质量指标 型号控温范围外观水溶性酸碱机械杂质推杆升程m m 3 5 c3 5 5 0 白一淡黄色无无 6 4 0 c4 0 5 5 白一淡黄色无无 1 l 4 5 c4 5 6 0 白一淡黄色无无 1 1 5 0 c5 0 6 5 自一淡黄色无无 1 1 5 5 c5 5 7 0 白一淡黄色无无 1 1 6 0 c6 0 7 5 白一淡黄色无无 1 1 6 5 c6 5 8 0 白一淡黄色无无 1 1 1 0 硕士学位论文 7 0 c7 0 8 5 浅蓝色无无 1 1 7 5 c7 5 9 0 白一淡黄色无无 1 1 由于感温蜡作为感温介质具有明显的优势，对感温蜡的热力学研究以及更广 泛的应用探索越来越为人们所感兴趣。例如近来，基于感温蜡的微型驱动器的研 究愈加引人注意【1 6 1 8 1 拓宽了感温蜡的应用范围。 2 2 2 液体式温包的工作原理 液体式温包是基于液体的体积随温度变化的性质来进行温度测量。如果忽略 在测温时封闭系统容积的变化，则按照液体膨胀定律有： p p 0 = 詈o f 0 ) ( 2 9 ) 5 式中p 在温度为f 时工作液体的压力； 风在温度为气时工作液体的压力； 口液体的体积膨胀系数； 亭液体的压缩系数； f 0 ，被测介质的温度。 显然，随着温度的增加将会在封闭系统内引起压力的急剧的增大。例如，水银 的口= 1 8 1 1 0 _ 4 度，亭一2 9 5 1 0 _ 6 公斤力厘米2 ，当温度增加1 度( 摄氏) 时压力要 增加6 1 3 公斤力厘米2 。 但实际上在仪表工作时，系统的容积是变化的，各部分在受到温度和压力作 用后不免有些膨胀，故不能用上式来进行计算。 温包尺寸必须这样计算，使在最大温度时温包内工作液体体积的增量等于密封 系统中波纹管伸展时所引起的容积增量，这时可用下列二个公式表示： k 。 一口，) “一t 0 ) 一巧( 2 1 0 ) 式中 k 。f 0 温度时，密封系统容积； a ，温包材料的体膨胀系数； 晖密封系统由温度气至温度f 时，体积膨胀增量； _ p 密封系统当温度为f 时的表压力； r 一一波纹管内半径； r 波纹管外半径与内半径的比值； 材料的波桑系数； ( 2 1 1 ) 温控阀感温元件的特性研究 e 材料的弹性系数； 管的非皱纹部分的壁厚( 即毛坯的厚度) ： 卢披纹管平面的倾斜角； n 工作波纹的数目； 4 ；4 ；4 ；口其值决定于参数r 和m 的系数。 当r 和m 分别为：r ：拿，m 。要式中民波纹管外半径；r 波纹圆 足足 ” 角半径。 波纹管平面的倾斜角声用下式计算芦= 虿瓦竺誓 式中l 一波纹管加载前高度； 坞在高度工中波纹管外圆角的数目。 对液体式温包中工作介质有如下要求： 1 )液体的体膨胀系数要大； 2 )液体对温包、毛细管及测量波纹管无腐蚀； 3 )液体具有小的粘性和比热。而具有高的导热率。 根据测量范围的不同而选用不同的工作介质，其测温下限不能低于工作液体 的凝固点，但测温上限可以高于常压下工作液体的沸点，这是因为随着被测温度 的升高，封闭容器内的压力也将升高，工作液体的沸点也就随之升高了。 几种常用的工作液体的膨胀系数及测量范围如表2 4 所示： 表2 4 几种工作液体的膨胀系数及测量范围 工作液体膨胀系数口( 1 ，)测量范围( ) 水银 l _ 8 1 1 0 4 3 0 5 5 0 二甲苯1 2 3 1 0 44 0 2 0 0 甲醇 1 4 3 1 0 44 0 1 5 0 醚 1 6 2 1 0 一 甘油 5 3 4 1 0 一2 0 1 7 5 水 2 0 7 1 0 一4 乙醇( 酒精) 1 1 1 1 0 4 2 2 3 蒸汽压力式温包工作原理 蒸汽压力式温包是利用低沸点液体的饱和蒸汽压随温度变化的性质来进行温 度测量。 对蒸汽压力式温包中工作介质有如下要求： 硕士学位论文 1 ) 沸点要低。沸点越低，仪表的测温下限就可愈低。 2 ) l 临界温度要高。临界温度愈高，测温上限就可愈高。 3 ) 液体要纯净，对温包、毛细管、波纹管等材料无腐蚀。 4 ) 液体的饱和蒸汽压与温度的关系曲线的弯曲度要小。 蒸汽压力式温包的测温下限必须高于某一温度值，在此温度以上工作液体才会 产生足够的饱和蒸汽压。测温上限也不能超过该工作液体的临界温度。 几种工作液体的常用温度与压力对照关系见表2 5 。 表2 5 几种工作液体的充用温度与压力对照表 温度( ) 饱和压力( 表压) k g f c 2 名称氯甲氯乙乙醚 丙酮正丙正丁蒸馏 田 工作液体烷烷醇 醇水 苯 分子式c h a c lc 2 h 5 c 1c z h e oc h s c o c 如 c 3 1 1 8 0c 4 h o 伽h z 0c 6 h 5 c h 3 0 1 6 6 1 0 2 6 90 2 04o 3 4 3 0 5 3 5o 9 00 4 0 8 3 71 5 50 2 2 5 0 2 40 7 00 6 0 3 51 3 50 1 7 5 7 04 82 0 20 6 3 5 8 06 4 12 9 41 1 2 9 0 4 0 51 8 70 1 0 0 5 3 92 6 70 0 6 1 1 0 6 9 93 7 40 5 6 1 2 0 5 0 11 2 8 1 0 2 1 3 0 6 5 32 2 o 5 71 7 6 1 5 0 4 3 41 8 53 8 51 8 9 1 6 0 5 9 22 7 55 32 。6 6 1 8 0 4 9 1 4 6 4 1 9 0 5 。7 8 2 0 0 64 0 温控阀感温元件的特性研究 2 2 4 气体式温包的工作原理 根据理想气体状态方程式 口y 。丝月丁。6 r r( 2 。1 3 ) 式中m 一气体的质量； 气体的分子量； r 普适气体恒量； r 一绝对温度，r 一2 7 3 1 6 ，( f 为摄氏温度) ： p 气体压强； y 气体体积； g 气体重量。 由上式可见，一定重量的气体，在密闭系统内( 即y 等于常数) 它的压强p 和 温度r 成正比。 但实际应用中不能用上式，这是因为温包、毛细管和波纹管密封系统内，仅有 感温部分温包受热，而除温包外的其他部分，如毛细管，波纹管部分不受热，因 此需做如下分析： 密闭系统在初始状态下气体重量 “孵蚓胪产 ( 2 1 4 ) 式中k 一温包在初始状态时的体积； k 一密闭系统除温包外的体积： 一初始状态气体压强； 瓦一初始状态气体温度； y 。一初始状态气体重度； 密闭系统中温包部分在温度为z 时的气体重量 g ，= 巧m 一警 ( 2 1 5 ) 式中g 1 一温包部分在温度为王时的气体重量； p ，一温度为正时的气体压强： z 一工作状态下气体温度： y 1 一工作状态下气体重量。 密闭系统中除温包以外的气体重量： g ：嵋驴等 眈1 6 ) 1 4 式中g 一密闭系统中除温包以外的气体重量： y ，一密闭系统中除温包以外部分气体重度。 因一q + 吗枞胪等4 箍 m 瓦 由上式可见：当温度五改变时，密闭系统内气体的压强p 。随之改变。 气体式温包一般采用氮气作为工作介质，因为它的化学稳定性高，粘性小，比 热低以及容易得到。 三种类型的温包比较见表2 6 。 表2 6 三种类型温包的比较 技术条件气体蒸汽液体 工作物质氮氯甲烷氯乙烷丙酮水银、二甲苯、甲醇 测温范围( 度) o 3 0 0一6 0 2 5 0 一4 0 5 5 0 精度( )1 5 2 5 2 ，5 刻度性质 均匀不均匀均匀 温度补偿需要不需要 需要 常用初始压力2 0 k g f cm 2 近于常压 2 5 k g f c 2 系统最大压力4 5 k g f c 25 5 k g f c m 21 7 5 k g f c m 2 反应速度慢快中等 温包与扎包位置无影响视测温情况而定无影响 毛细管极限长度 6 0 6 0 m2 0 m 2 2 5 形状记忆合金温控阀的工作原理 在自力式温度控制阀门中，一类是直接依靠热敏元件内感温材料的膨胀力来 驱动阀门开启，其特点是结构简单。但是，调节阀关闭力受调节介质压力的影响较 大，阀位随压力波动而有所波动，温度控制精度受到限制。另一类则是利用热敏元 件控制一个指挥器，并由指挥器操作调节阀工作。此类自力式温度控制阀的工作 动力不仅是热敏元件吸收的动能，还有调节介质的动能。热敏元件仅控制一个指挥 器的输出信号，负载较小，元件使用寿命长，但对调节介质要求较高。在调节介质纯 净的环境中，使用此类阀门可有效地提高控温精度。自力式温度控制阀调节机构 的核心组件为热敏元件和形状记忆合金调节弹簧具有感温和驱动两种功能，是一 种性能优良的热敏材料。温度变化时，合金元件产生动作的动力是合金中发生的母 相与马氏体之间的正、逆转变，这种转变是一种无扩散的切变过程。在转变时，两 相始终保持共格关系，即热弹性马氏体，它具有单程和双程记忆效应【2 0 】。 温控阀感温元件的特性研究 目前，发现具有记忆效应的合金已有数十种之多，可投入使用的主要是n i t i 及铜基合金两大类，其主要性能见表2 。7 。 表2 7 形状记忆合金性能表 l 参数名称n i t i 合金c 。z a l 合金 密度( g ，c m 3 ) 6 4 6 5 7 7 8 0 电阻( 1 0 4 q ，c m ) 5 0 1 1 09 1 1 抗拉强度( n ，m 2 ) 8 0 0 1 0 0 04 0 0 7 0 0 延伸率( ) 4 0 5 01 0 1 5 单程形状恢复率( ) 6 8 4 双程形状恢复率( ) 41 2 最大恢复应力( n m 2 ) 3 0 03 5 0 2 3 固液相变式温包的结构 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 4 所示 图2 4 自力式温控阀温包结构图 1 一温包：2 一感温蜡；3 一隔膜；4 一橡胶塞；5 一套简；6 一推杆 2 3 1 隔膜及橡胶键 温控阀是长期在油或水中工作的，要使感温介质能够长期保持良好稳定的工 作性能，密封问题是至关重要的【2 1 1 。 阀体中有几处密封，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，同时橡胶键也将感温介质膨胀的 硕士学位论文 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。 正是有这样多处的密封措施，才保证了温控阀在长期的油或水环境工作中的 稳定性与可靠性。 隔膜是感温包的关键密封元件，隔膜的好坏，直接影响温控阀的正常工作与否。 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。感温介质膨 胀使隔膜发生变形，将膨胀力传递到橡胶键，推动阀杆运动。所以隔膜宜选用弹 性和韧性良好的材料，如合成橡胶。隔膜的厚度可参考下列公式计算： 小潞 式中， 6 。一隔膜厚度； 如一隔膜的自由面积； p 。一感温介质压力； d 。一隔膜直径： p 】一橡胶材料的许用剪切应力，可参照表2 8 选取。 ( 2 1 8 ) 表2 8橡胶的许用剪切应力 r ( m p a ) 材料扯断强度 最大厚度( m m ) 2 757 带夹层的橡胶 5 【f 】 32 42 1 氯丁橡胶 加1 2 【f 】 4 5 2 3 2 隔膜密封不良的原因分析 隔膜密封不良是感温元件失效的主要原因。温控阀使用的时间过长，有可能 在压边内侧有少量石蜡或铜粉，隔膜和橡胶键之间有石蜡。 由于隔膜密封不良，石蜡或铜粉从压边内侧挤入隔膜与橡胶键间，温包内膨 胀剂体积减小，当油或水温度上升，石蜡熔化，由于体积的减小而堵死阀口，也 就不能使冷热流体按正常的流量和比例流经温控阀，从而使阀杆剧烈上下移动， 不能保证出口温度的稳定性。因而也就不能起到控制油或水温度的作用。 隔膜密封不良的原因是多方面的，如温度变化、压力波动较大、隔膜非均匀 性、密封面结构形式不合理、压紧力不够等。但归根结底，其原因可概括为两方 面：一是密封面上有问隙；二是密封面两侧压力差大。前者由于密封力不够所致， 后者可以通过结构上的改进予以克服。 所谓密封，即借密封力使密封面互相靠紧、接触甚至嵌入以减少或消除间隙。 密封力的大小影响密封的严密性、可靠性和寿命。因此，密封面有间隙的主要原 温控阀感温件的特性研冤 因是密封力不够，而密封力不够的主要原因可能是压边不良及由于图2 5 尺寸a 、 b 相差太大，导致压边时的压紧力不同。 温包保证密封的密封力计算如下： 在工作状态下为保证所需要的力即为压紧力f ： f e + c ( 2 。1 9 ) 温包蜡室压边受力情况如图2 5 所示。 式中， 图2 5 受力情况 耳一内压力产生的轴向力； 吒一畈) 研x p ： e 一保持密封需要的力； c = 2 厢x d l 6 m p ； 其中， 见一膜片接触面积平均直径； m 一垫片系数； 6 一挚片有效压紧宽度； p 一温包蜡室在阀杆始动时压力； p = f 必 其中， ，0 一阀杆始动推力，即弹簧组的预紧力 s 一橡胶键面积； s = 石x ，2 因此，由( 2 1 8 ) 式可得，即腊室要保证密封 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 必须提供，的压紧力。 硕士学位论文 2 4 蜡式感温包中感温蜡最大膨胀力的实验研究 温包中感温蜡由于受热产生体积变化必然产生膨胀力，推动阀杆与弹簧力相 平衡，从而使得阀芯随着力的平衡位置变化而变化、 2 4 1 实验设备 试验在兰州理工大学土木试验室微机控制电子万能试验机( 上海华龙测试仪 器厂制) 上进行。测试机型号是w d w 一1 0 0 ，规格1 0 0 k n ，精度等级为1 级。 2 4 2 最大膨胀力测试 让感温包受热使推杆完全伸出，试验机对推杆进行加载，在短时间内将推杆 推回原位置，试验机利用传感器将力学量转换为电信号，在显示器上显示出结果。 一开始载荷在不断加大，当推杆被推回到原位置时，载荷达到最大而且不再变化， 这个力可近似看作感温包的最大膨胀力。有了这个数据对弹簧的设计提供了一个 准则。只要弹簧力比这个最大膨胀力小就可以选择不同的弹簧控制不同的行程。 表2 9 实验原始数据 l 型号原长推杆伸出加热后全长加热后推杆伸出最大膨胀力 81 0 5 m m1 6 m m1 1 4 7 m m2 5 7 m m2 8 4 5 n 1 0 1 0 5 6 m m1 8 m m1 2 2 5 m 3 4 9 m m 3 1 0 5 n 根据克拉珀龙方程砉一与 ( 2 2 2 ) 式中冬是二相平衡曲线( 汽化曲线，溶解曲线) 的斜率； d r 丁是相变温度( 沸点、熔点) ： 是由第一相变到第二相的相变潜热( 汽化热，熔解热) ； ，n 各是第一相和第二相的比容。 温度随着介质温度的变化而变化，由五变到疋，压力由p ，增大到p ：，比体积 由v 。变到，：，克拉珀龙方程的积分形式为垒手生( p ：一p 。) ：l n 孚，右项可看作常数， l 1 p 增大，比体积v 增大。感温介质膨胀产生膨胀力推动推杆压缩弹簧，弹簧的压缩 力近似与感温介质膨胀力平衡，弹簧的压缩力的大小基本反映出比体积的变化， 最大膨胀力的测试基本反映出了一个极限状态( 在外界弹簧力极限大的情况下， 感温包推杆的推出长度为零) 。由此可以得出，感温包推杆受的载荷越大，推杆行 程就随之降低。 温控阀感温元件的特性研究 2 5 结论 各种温控阀的工作原理大体上都有一个共同点就是通过感温介质产生的膨胀 力来推动调节筒控制流体的流量。感温包的形式各种各样，针对不同的温控范围 可选择不同的形式。固液相变式温控阀因其稳定的性能和不太苛刻的工艺要求有 着更广泛的使用率。它充分利用感温介质固液相变时产生比较大的体积变化来推 动阀芯调节流量，当外部载荷较大时必然影响感温介质的膨胀，行程就越短。 硕士学位论文 3 1概述 第3 章感温元件的传热学分析 感温元件主要由圆柱形金属感温包及其内部填充的感温介质所组成。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变，