双金属片式疏水阀的设计

年第期一一 双 金属片 式 疏 水 阀的设 计 北京市闷门总厂汪趁芳 摘要阐述了型双金属片式硫水阀的工作原理 和姑构特点 介绍了有关参数的设 计计算 叙词班水阀热双金属片设计 一 概述 型双金属 片式疏水 阀属于热静 力型蒸汽疏水阀 该阀利用热双金属元件的热 敏特性 依靠介质的温度变化 使双金属元件产 生弯曲变形从而产生热推力 该推力 与介质对 阀芯的作用力方向相反 利用其差值的大小控 制 密封元件的开启和关闭 图 实现自动排 水阻汽的 目的 型疏水 阀图由壳体和 动作 执行机构两大部分组成 其动作执行机构组件 由热双金属元件 阀芯和阀座等零件组成 此 外 阀芯为反向安装 兼有止回作用 阀内设有 过滤网 可以防止污物进人密封装置而影 响密 封性能 该阀总体结构紧凑 加工方便 易于使 用和维修 如壳体泄漏或开关阀门动作失灵 可 单独更换壳体或温度调节器 因而提高了寿命 降低了成本 昌昌昌 二二二二 一 一 毒毒 望书 汾 图双金属片式疏水阀工作原理 开启状态关闭状态 双金属 片式疏水阀的工作压力 工作压差成 拟 工作温度蕊 允许温 度 该阀在不同的排水过冷度下具有不 同的排水量图 它既有热静力型疏水阀的 性能 又具有工作中无蒸汽漏损和排空性能好 的特点 工作平稳 动作可靠 噪声小 使用寿命 长 阀盖顶端的调节机构可以调整控制元件的 间隙量 以调节凝结水的排放温度 因此适用于 多种工况条件 二 结构设计 总体结构 厂厂门门户 户尸门 门厂门门 日日 了二二二 二门门广门 门 厂 门门门 口口口 口门口 口庄 尸 门门门门门 门曰 曰 门门门门门口 口门 门 皿皿皿 门门门 门日日曰曰 日日日口口门门门门印 印网网 月月月 月口 口口口口 口口口 尸尸尸口 口口 口门 门门 门 工 工陌 匡匡曰 曰日 日曰 曰门 门 厂厂厂门 门厂 厂厂 几厂厂日 下下 厂厂门 门门 门门 门曰 曰 厂厂厂 巨巨尸尸门 门用用用 厂厂门门 口口日日 尸尸 目目目目目曰 曰目 目阵 阵限限 二二二二 曰曰目 目目目白 白曰 曰 广广吧吧口 口亡二 二 士士 二进 进兰 王王王 泣二 二二二二口 口 二 门门门门 门 二 二尸 尸 吓 吓 一一曰 曰曰 曰 一 一门 门 口口口户 户巴 巴 丁甲 甲 汀汀厂 厂 一一 门门口 口国 国户 户曰 曰 已已已 巨 巨 团 团几 几巨巨 尸口一 曰曰门 门门门门 门门 门 口口口巨巨压压团 团团 团 门门门门厂厂 门门日日 口口口 巨 竺竺仁 仁 皿皿厂 厂厂 一门 门门 门曰 曰目 目 国国国乙乙 口 口田 田团 团日日日 口口口 口口口口 口口 口 压差 田 图排水量特性 过冷度为 时的凝结水的排量过冷度为 时的凝结水排量冷水排量 热双金属片材料的选择 热双金属元件是该阀的主要控 制元件 其 性能参数有热敏感性 电阻率 弹性模量和使用 温度范围等 针对该疏水阀的性能要求 首先要 一一年第期 考虑选择适 当的允许使用温度范围被选用的 热双金属 的允许使用温度范围的上下限必须超 过该阀的最高和最低允许温度 因为在允许使 用温度的上下限 元件的热敏感性或其他性能 已有所降低 但不致出现残余变形或材料结构 变形而失去继续工作的能力 另外 还应当考虑 材料的线性温度范围 在这个温度范围内热双 金属具有最高的热敏感性 其比弯曲值与温度 之间的关系基本上呈直线关系 因此设计中所 选用的材料的线性温度范围必须超过产品的最 高和最低工作温度 对于该阀 其允许使用温度 范围定为 线性温度范围定为 鬓鬓薪薪一一一一一一曰 曰入入争勺 二二阿咦户 八 甲饮曰曰陌一尸 州峪峪夕呼 一 一 之 赘赘匕负这舞 舞 一一丈弋弋 图 环 型疏水阀 螺塞阀盖动作执行机构过滤网阀休 以上两项参数确定之后 进一步考虑 材料 的热敏感性和机械性能 即比弯曲和弹性模 量 根据材料力学原理 热双金属元件在工作 过程中所产生的热推力与其比弯曲和弹性模量 成正比 只 心 式中 只一一热双金属元件产生的热推力 比弯曲 一 弹性模量 恋 温度差 元件的体积系数 留 一了 刀 双金属片的宽度 双金属片的厚度 双金属片的长度 由式 一 可知 比弯曲和弹性模量 越 大 元件的热推力越大 因此 根据产品需要和 试验验证 产品的比弯曲选 义 一 仁以左 右 弹性模量选 根据该疏水 阀的特殊工作条件选用了耐蚀型双金属材料 热双金属元件形状 该疏水阀是通过热双金属元件受热变形后 产生热推力只克服介质在阀芯上 的作用力凡 完成启闭动作的 根据力学原理凡为 凡 式 中凡 介质对阀芯的作用力 月一排水孔的过流面积 叨罕 介质压力 咚 匕 如果仅从疏水阀能否动作考虑 只要材料 选择适当 结构尺寸合理 采用简单形状的元件 即可满足要求 但从节 约能源的角度评价 双金 属片疏水阀应在胶大的压力范围内使用 其动 作温度即排放凝结水的温度应尽量接近蒸汽的 饱和温度 热双金属片在受热时 不仅产生纵向 弯曲 而且产生横向弯曲 而纵 向弯曲的速度大 于横向弯曲 随着温度的升高 横向弯曲速度逐 渐增大 纵向弯曲速度逐渐减小 经过试验 将 元件形状设计成一个多边形图 令其 一 这样元件在主作过程中能达到 和 分别进人工作状态 温度升高时 八和 首先进 入工作状态 温度继续升高达到一足数值后 进人工作状态 此时纵向弯曲速度大于横 向弯 曲速度 当温度进一步升高时纵向弯曲速度逐 渐减小 横向弯典速度增大 通过比较可以看 出 在双金属片冷调整间隙一定的条件厂 各压 力点下 的排水温度与饱和 温度之差仁一致 妙图 即过冷度值相同 阀座与阀芯的设计 该阀的阀芯与阀座之间构成了两级串联节 流环结构图 根据流体热动力学原理及有 关资料介绍 当冷水通过两级节流环时 中间压 力较小 当水温超过一定值后 中间压力逐渐升 高 当水温接近饱和温度时 中间压力最高 对 于饱和水 中间压力稍有降低 对于饱和蒸汽 中间压力又有所下降图 年第期 一一 利用二级节流结构的特点 在开始时 冷水 流人阀内 控制元件不产生热推力 阀门处于常 开状态 排放冷空气及冷凝结水 当温度升高 时 双金属 片产生热推力而且逐渐增大 与此同 时两级节流环 中间压力也逐渐增大 此时阀门 继续排水 当水温接近饱和温度时 中间压力达 到峰值 温度再升高时 中间压力却有所降低 此时热双金属元件热推力最大 当蒸汽进人阀 内时 中间压力再次下降 阀芯迅速关闭 关阀 后介质压力只作甩在 阀芯 密封面上 而 不存在 中间压力当阀内温度下降时 蒸汽凝结成水 控制元件的热推力减小 当减小到一定值后阀 逐渐开启 当流体通过一次节 流环后 则产生 中 间压力作用在阀芯 上 使介质对阀芯 的作用力 迅速增大 阀芯重新开启 如此往复循环 该阀 的二次节流环结构克服了普通热静力型疏水 阀 过冷度大和动作滞后的缺点 多元件组合分组重叠使用 为了增大阀门的疏水量和提高工作压力范 围 设计中采用 了多元件的组合 分组重叠使用 的方法 并在每组元件之间设置 一个隔 片图 这样使控制元件在工作过程中受热均匀 工 作稳定 该阀设计为六组双金 属 片重叠使用每 组包括两片双金属片相向成对使用被动层相 对每组之问有隔片 试验证明 该结构 获得了 满意的效果 各项性能指标均达到设计要求 侧 润郭 郭郭郭妒妒妒妒 压力 尸 图双金属片元件的几何形状及特性 几何形状 特性曲线 饱和蒸汽特性实际乙特性 和进人工作状态 进人工作状态 纵向弯 曲速度减小 横 向弯曲速度增大 图双金属元件多元组合 热双金属片隔片 调整机构 一 型疏水 阀 的 阀盖顶部设有调整 螺塞图 该结构使阀门在设 备上不必 打开 阀盖便可调整双金属片的冷调间隙量 以改变 其排水温度 在调整螺塞上设有排气孔 可避免 操作时发生危险 广广广广 锣 大 匕 二望缨 和温度 誓誓誓 只田回于 二次节流 介质沮度 亡 图二级节流结构及特性 二级节流结构二级节流中间压力特性 阀芯阀座 图调整机构 调整螺塞阀盖排气孔 三 有关参数的计算 热双金属元件的结构 热双金属元件在工作过程中的受力近似于 简支梁 热双金属元件在温度 变化下产生位移 当位移受到限制时则产生热推力而实现开关阀 一一 年第期 动作 如果温度变化全部产生位移 则 住笙 二二业全 如果元件完全受到限制 则温度变化全部 产生推力只 则 一 令 产 乙 在双金属片的实际工作状态中 以上两种 情况是并存的 假设温度变化的一部分产生位 移 另一部分产生热推力 设双金属在温度 和外 力同时作用下 的位移量为关 那么同一双金属 当兀时 在相同温度条件下 位移量 为令 关 则 厂 刀 心 一刀 乙 此时 么 尹 以一 少 沙 以上两式联立 可求双金属片元件的体积 只 关 尺 山 一 刁 护 令于 可求得 一令 又因 升七 斗 了刁 门 可 目而产 一 因此 嵘 即当热敏双金属温度变化的一 半产生位移 另一半产生热推力时 就可得到元 件体积的最佳值 即 嵘 只 大 之 由以上分析可认 为 双金属片元件在温度 逐渐上升时 消除冷调间隙 这时阀芯与阀座密 封面接触 该阀处于开启和关闭的临界点 温度 进一步上升 则双金属片产生热推力只 当只 凡到一定值后 阀门完全关闭 根据产品的性能要求 利用式可从理论 上计算元件的尺寸 但计算过程中应 预先设定 一些条件 如元件的长 宽和厚均 为未知数可 假定其一 再求其余两个 如一次不合适可重新 设定直至合适 实际设计尺寸应略高于计算值 环 型疏水阀的双金属元件尺寸为 一 热双金属元件室温调整间隙量 设室温为 过冷度为蒸汽的饱和温度 为 消除冷调间隙时的温度为 则室温下消 除冷调间隙的温度差八 一 由临界状态到 关闭状态 即产生热推力 的温度差熟一九一 一 由前述可知当少一饥一 鲁 一 一 时 切 一 一 产 一 一 一 即温度变化 的一半产生位 移另一半产生 推力 时 是该阀的最佳状态 因此 可得到每片双金 二 生 属 片所产生 的位移为 二 二书汤 型 设组 成 网户 声 工 只 少 子 认观明 该阀调整 机构的双金属 片数量为 则总的 调 整间隙量为 了 根据以上公式计算出每一 个压力级下的室温调整间隙量 取其平均值尽 即为理论 间隙量 考虑到制造误差和双金 属对 传热的滞后现象实际间 隙量 应略