1．概述
蒸汽疏水閥是一種能將蒸汽加熱設(shè)備或蒸汽管網(wǎng)中不斷產(chǎn)生的凝結(jié)水自動(dòng)排除并阻止蒸汽漏失的閥門，又稱阻汽排水閥。該類閥門對(duì)保證系統(tǒng)及設(shè)備的正常運(yùn)行、提高熱效率和節(jié)約能源起著重要作用。它廣泛用于蒸汽的輸送管道、汽水分離器、二次蒸汽罐以及利用蒸汽來加熱、干燥、保溫、伴熱、采暖等工藝過程中所產(chǎn)生的凝結(jié)水排放，因此蒸汽疏水閥是工廠供熱設(shè)備及蒸汽管網(wǎng)中不可缺少的應(yīng)用最為廣泛的節(jié)能產(chǎn)品。
雙金屬片蒸汽疏水閥屬于熱靜力型蒸汽疏水閥，其基本原理是由溫度決定蒸汽疏水閥的開閉，也就是利用蒸汽(高溫)和凝結(jié)水(低溫)的溫差，使用雙金屬作為感溫元件(感溫體)，它可以隨溫度的變化而改變其形狀(雙金屬產(chǎn)生彎曲)，利用這種感溫體的變化達(dá)到開閉疏水閥的目的。
由于雙金屬片蒸汽疏水閥是靠溫度的變化來控制其開關(guān)閥動(dòng)作，因此該閥有一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是存在開閥過冷度(即排水溫度與飽和溫度之差)，也就是說該閥不能排除飽和溫度的凝結(jié)水，而只能排除低于飽和溫度具有一定過冷度的凝結(jié)水。這樣可以使設(shè)備有效地利用凝結(jié)水的一部分顯熱，提高能源利用率，這也是該類疏水閥能達(dá)到高效節(jié)能的一個(gè)重要方面。此外，由于該類疏水閥在處于蒸汽溫度時(shí)能準(zhǔn)確關(guān)閉，只要凝結(jié)水的溫度不降低，疏水閥就不會(huì)打開，因此該類疏水閥不會(huì)泄漏蒸汽。
本文所闡述的高溫高壓雙金屬片式蒸汽疏水閥是目前熱靜力型蒸汽疏水閥中使用溫度最高、使用壓力最高的一種雙金屬片式蒸汽疏水閥。其性能指標(biāo)可達(dá)到：最高工作壓力8.7MPa；最大工作壓差6.4MPa；最高工作溫度300℃；最高允許溫差425℃。
由于其各項(xiàng)性能指標(biāo)均很高，所以無論從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是從關(guān)鍵零件(熱雙金屬片元件)的選材上均加大了該閥的設(shè)計(jì)難度。本文將詳細(xì)闡述該高溫高壓雙金屬片式蒸汽疏水閥的工作原理和特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、有關(guān)參數(shù)的計(jì)算以及實(shí)際工況運(yùn)行情況和該閥的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值、推廣前景。
2．工作原理及特征
該閥屬于熱靜力型蒸汽疏水閥，是依賴于熱雙金屬片的受熱變形產(chǎn)生的熱推力工作的，即是利用熱雙金屬元件的熱敏特性，依靠介質(zhì)的溫度變化使熱雙金屬元件產(chǎn)生彎鹽從而產(chǎn)生熱推力，該力與介質(zhì)對(duì)閥芯作用力的方向相反，利用其差值的大小來控制密封元件的開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排水阻汽的目的。其工作原理如圖1所示。
疏水閥未工作時(shí)，熱雙金屬元件之問預(yù)留有一定的間隙量，閥芯處于開啟(即自由)狀態(tài)。當(dāng)用汽設(shè)備開始工作時(shí)，冷空氣和冷凝結(jié)水流入疏水閥，由于溫度較低，熱雙金屬片無明顯變形，只有介質(zhì)壓力作用在閥芯上，此時(shí)閥芯處于最下方，因此閥能以其最大能力排除冷空氣和冷凝結(jié)水，如圖2所示。
當(dāng)管道或用氣設(shè)備中的蒸汽或熱凝結(jié)水流人蒸汽疏水閥后，疏水閥內(nèi)介質(zhì)溫度逐漸增高，雙金屬片開始彎曲，因其相向成對(duì)使用(即主動(dòng)層對(duì)主動(dòng)層，被動(dòng)層對(duì)被動(dòng)層)，由于各對(duì)雙金屬片彎曲變形，使冷調(diào)間隙由逐漸減小到完全消除，進(jìn)而變形就產(chǎn)生了熱推力Ft，如圖1(b)所示。此時(shí)閥芯受力有二：介質(zhì)的靜壓力Fk和雙金屬片受熱變形產(chǎn)生的熱推力Ft，此二力方向相反。在閥內(nèi)壓力穩(wěn)定的情況下F尼為一定值，而Fk則隨著介質(zhì)溫度的升高而加大，因此當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)就有Ft=Fk是，此時(shí)是閥門開啟和關(guān)閉的臨界點(diǎn)。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí)就有Ft>Fk，當(dāng)Ft>Fk到一定值后，閥門就完全處于關(guān)閉狀態(tài)。
介質(zhì)溫度降低時(shí)Ft逐漸減小，當(dāng)Ft<Fk時(shí)，閥門開啟回復(fù)到圖1(a)，此時(shí)閥將低溫凝結(jié)水排出，如此往復(fù)循環(huán)工作。該閥在不同的排水過冷度下具有不同的排水量，其排水量特性曲線如圖2所示。
該產(chǎn)品在性能上既具有熱靜力型疏水閥的全部特點(diǎn)又具有其獨(dú)到之處。它在工作中無蒸汽漏損，排空氣性能好，工作平穩(wěn)動(dòng)作可靠，噪聲低，使用壽命長(zhǎng)。該閥閥蓋頂端設(shè)有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可以調(diào)整控制元件的間隙量，以調(diào)節(jié)凝結(jié)水的排放溫度，適用于多種工況條件的使用。
3．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)
3.1 總體設(shè)計(jì)
該疏水閥的結(jié)構(gòu)如圖三所示。
該疏水閥由閥體、閥蓋、調(diào)節(jié)器組件以及過濾網(wǎng)等零部件組成。其調(diào)節(jié)器組件由熱雙金屬元件、閥芯、閥座等零件組成一個(gè)單獨(dú)的整體機(jī)構(gòu)作為該閥的控制元件裝入閥體腔內(nèi)，使該閥由殼體和動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成。此外閥芯為反向安裝，兼有止回作用。閥內(nèi)設(shè)有過濾網(wǎng)，可以防止污物進(jìn)入密封裝置而影響密封性能。該閥總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，便于使用和維修。如發(fā)現(xiàn)殼體泄漏或開關(guān)閥動(dòng)作失靈，可單獨(dú)更換殼體或溫度調(diào)節(jié)器。因而即可提高使用壽命又可降低使用成本。
作為高溫高壓雙金屬片式蒸汽疏水閥，其設(shè)計(jì)重點(diǎn)是熱雙金屬元件材料的選擇、形狀的確定以及參數(shù)的確定。下面先著重介紹熱雙金屬片元件材料的選擇、形狀的確定，其參數(shù)的確定將放在后面的“有關(guān)參數(shù)的計(jì)算”中介紹。
3．2 熱雙金屬片材料的選擇
熱雙金屬元件作為該閥的主要控制元件，其材料的性能優(yōu)劣，各項(xiàng)參數(shù)的選擇是否合理，直接決定了該疏水閥的使用性能。
熱雙金屬材料的主要性能參數(shù)有：熱敏感性、電阻率、彈性模量、使用溫度范圍等。對(duì)于該產(chǎn)品來說，除電阻率以外其余各項(xiàng)性能都很重要。
(1)熱敏感性
所謂熱敏感性是指熱雙金屬因溫度變化而彎曲的特性，它是衡量熱雙金屬對(duì)溫度敏感程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)，也是熱雙金屬最主要的性能之一。熱敏感性通常用比彎曲K來表示，也可用溫曲率F和敏感系數(shù)M來表示。目前在我國(guó)現(xiàn)行的雙金屬標(biāo)準(zhǔn)中采用比彎曲K來表示熱敏感性。國(guó)外有些先進(jìn)國(guó)家現(xiàn)已逐步采用溫曲率F來考核熱敏感性，如美國(guó)、德國(guó)。根據(jù)有關(guān)理論推導(dǎo)可知三者有以下關(guān)系：F=2K=1.5M，此處不再詳細(xì)論述。
(2)彈性模量
彈性模量是表示熱雙金屬力學(xué)性能的一個(gè)重要參數(shù)，是計(jì)算熱敏雙金屬元件推力、力矩和內(nèi)應(yīng)力時(shí)不可缺少的參數(shù)。
(3)使用溫度范圍
使用溫度范圍是選擇熱雙金屬時(shí)首先要考慮的問題，它可劃分為線性溫度范圍和允許使用溫度范圍。
線性溫度范圍是熱雙金屬的位移量與溫度變化基本上呈線性關(guān)系的溫度范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)比彎曲值將不超過其標(biāo)稱值的±5％。
允許使用溫度范圍是指在此溫度范圍內(nèi)熱雙金屬不發(fā)生殘余變形，其上限指熱應(yīng)力達(dá)到熱雙金屬?gòu)椥詷O限時(shí)的溫度，下限由材料的相變點(diǎn)決定。
允許使用溫度范圍大于線性溫度范圍，在線性溫度范圍以外，允許使用溫度范圍以內(nèi)，材料的熱敏感性已有所降低。
以上幾個(gè)指標(biāo)是該設(shè)計(jì)選材時(shí)的主要依據(jù)，但在選材時(shí)可能找不到同時(shí)滿足全部使用條件的材料牌號(hào)，此時(shí)只能根據(jù)主要的使用條件選材，其他不能滿足的則可通過元件的形狀和尺寸以及工藝措施來彌補(bǔ)。
針對(duì)該疏水閥的性能要求來考慮，首先要考慮選擇適當(dāng)?shù)摹霸试S使用溫度范圍”，這是一項(xiàng)最重要的指標(biāo)。被選用的熱雙金屬的允許使用溫度范圍的上、下限必須超過該閥的最高允許溫度和最低允許溫度。
除了允許使用溫度范圍外，與此同時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮材料的線性溫度范圍，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)熱雙金屬具有最高的熱敏感性，其比彎曲值與溫度之間的關(guān)系基本上呈直線關(guān)系。因此設(shè)計(jì)中所選用的材料的線性溫度范圍必須超過產(chǎn)品的最高和最低工作溫度。
對(duì)于該閥，其允許使用溫度范圍定為500℃，線性溫度范圍定為425℃。
以上兩項(xiàng)參數(shù)確定之后，進(jìn)一步考慮材料的熱敏感性和力學(xué)性能，即比彎曲K和彈性模量E，這兩項(xiàng)參數(shù)直接影響到產(chǎn)品的工作性能。根據(jù)材料力學(xué)原理可知熱雙金屬元件在工作過程中所產(chǎn)生的熱推力Ft與其比彎曲K和彈性模量E成正比，見下式：
式中：Ft——熱雙金屬元件產(chǎn)生的熱推力(N)；
K——比彎曲(℃-1)；
E——彈性模量(MPa)；
△t——溫度差(℃)；
α——元件的體積系數(shù)(mm2)。
由此可見，比彎曲K值和彈性模量E值越大則元件的熱推力Ft越大。因此可根據(jù)產(chǎn)品的需要選擇適當(dāng)?shù)腒值和E值。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明對(duì)該產(chǎn)品來說，比彎曲K應(yīng)選擇10×10-6℃-1左右，彈性模量E應(yīng)選在15000～20000MPa左右。
根據(jù)該蒸汽疏水閥的特殊工作條件還有一項(xiàng)不容忽視的性能，也就是材料的耐腐蝕性，它直接決定了產(chǎn)品的使用壽命。因此在該設(shè)計(jì)中選用耐蝕型雙金屬材料。
綜合以上分析，對(duì)于該高溫高壓雙金屬片式蒸汽疏水閥其關(guān)鍵元件熱雙金屬應(yīng)具有以下特性：
①使用溫度范圍：500℃；
②線性溫度范圍：425℃；
③比彎曲K：10×10-6℃-1左右；
④彈性模量E:15000～20000MPa左右；
⑤熱雙金屬元件材料耐腐蝕，因此應(yīng)采用不銹熱雙金屬。
為了選擇到適用的材料，我們與北京首鋼冶金研究所合作，共同開發(fā)研制出了能滿足該蒸汽疏水閥的熱雙金屬材料，該材料型號(hào)定為Rc4，其各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到該閥要求。
待續(xù)……
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