3.3 熱雙金屬元件形狀的確定

該疏水閥是通過(guò)熱雙金屬元件受熱變形后產(chǎn)生熱推力Ft以克服介質(zhì)在閥芯上的作用力Fk來(lái)完成啟閉動(dòng)作的。因此該閥設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)也就是如何解決在一定溫度和壓力下使F￡和F志平衡的問(wèn)題。

由公式(1)可知Ft=K·E·△t·α，對(duì)于已選定的熱雙金屬材料，式中K、E值均是常數(shù)，如果元件的形狀已經(jīng)確定則值亦為一定值。因此Ft只是溫差△t的函數(shù)。用曲線表示如圖4。

根據(jù)力學(xué)原理，介質(zhì)對(duì)閥芯的作用力F是可由公式(2)求得：

式中：Fk——介質(zhì)對(duì)閥芯的作用力(N)；

A——排水孔的過(guò)流面積(mm²)；

P——介質(zhì)壓力(MPa)。

從上式可以看出在閥座排水孔面積A一定的情況下Fk是壓力P的函數(shù)，與介質(zhì)溫度變化無(wú)關(guān)。在疏水閥工作過(guò)程中，對(duì)于每一個(gè)壓力P則有一個(gè)確定的Fk。當(dāng)疏水閥在實(shí)際工況條件下工作時(shí)，其介質(zhì)的溫度是不斷變化的，而壓力基本穩(wěn)定。因此在疏水閥工作過(guò)程中，F(xiàn)t是一個(gè)變量而Fk是一個(gè)定值。由此可見(jiàn)只要Fk的數(shù)值在Ft變化范圍內(nèi)，則總有一Ft值與之平衡。如果僅從疏水閥能否動(dòng)作的角度來(lái)考慮，只要材料選擇適當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸合理采用簡(jiǎn)單形狀的元件即可滿足要求。但從節(jié)約能源的角度來(lái)評(píng)價(jià)，雙金屬片蒸汽疏水閥在較大的壓力范圍內(nèi)使用，其動(dòng)作溫度即排放凝結(jié)水的溫度應(yīng)盡可能地接近蒸汽的飽和溫度。

根據(jù)蒸汽的熱力學(xué)特性可得到蒸汽的飽和溫度與壓力的特性曲線，如圖5。從圖中可知該曲線為二次曲線而前面所提到的Ft曲線如圖4所示為一直線。如果將兩條曲線綜合到同一坐標(biāo)系中可得到圖6。從該圖中可發(fā)現(xiàn)兩曲線相差甚遠(yuǎn)，雖然在某個(gè)壓力點(diǎn)P上可以找到一個(gè)溫度t，對(duì)應(yīng)t存在一個(gè)Ft與Fk平衡，但這個(gè)t值與該壓力下蒸汽的飽和溫度t_b相差太大，而且在疏水閥的整個(gè)工作壓力范圍內(nèi)，排水溫度與飽和溫度的差值大小不同。如果按以上設(shè)想設(shè)計(jì)該產(chǎn)品，則產(chǎn)品性能將極不穩(wěn)定，起不到節(jié)能的作用。要解決這一問(wèn)題必須設(shè)法改變Ft曲線使之接近飽和蒸汽曲線。而要改變Ft曲線就必須從熱金屬的體積系數(shù)α入手。

根據(jù)材料力學(xué)原理及該設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，熱雙金屬元件的體積系數(shù)α可又下式計(jì)算：

式中：B——雙金屬片的寬度，mm；

S——雙金屬片的厚度，mm；

L——雙金屬片的長(zhǎng)度，mm。

綜上所述要使Ft曲線接近飽和蒸汽曲線，可設(shè)法使α在疏水閥的工作壓力范圍內(nèi)成為一個(gè)可變的數(shù)值。

根據(jù)熱雙金屬片的性質(zhì)可知，熱雙金屬片在受熱時(shí)不僅產(chǎn)生縱向彎曲而且產(chǎn)生橫向彎曲，并且縱向彎曲的速度大于橫向彎曲的速度，隨著溫度的進(jìn)一步升高橫向彎曲速度逐漸增大而縱向彎曲速度逐漸減小。因此在該設(shè)計(jì)中利用了這一性質(zhì)把元件形狀設(shè)計(jì)成幾個(gè)簡(jiǎn)單的幾何形狀的組合，從而使它們分別進(jìn)入工作狀態(tài)。這樣則將Ft曲線變?yōu)閹讞l斜率不等的直線，疊加到一起則成為一條與蒸汽的飽和溫度壓力曲線相近似的曲線。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)將該閥的雙金屬片元件設(shè)計(jì)成為一個(gè)多邊形，如圖7。令其AA=BB>cc，這樣元件在工作過(guò)程中AA、BB、CC分別進(jìn)入工作狀態(tài)。即溫度升高時(shí)AA、BB首先要進(jìn)入工作狀態(tài)，其Ft曲線如圖8中的曲線1；當(dāng)溫度繼續(xù)升高達(dá)到一定數(shù)值后，CC進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)縱向彎曲速度大于橫向彎曲速度，其Ft曲線如圖8中的曲線2；當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí)，CC邊縱向彎曲速度逐漸減小，而橫向彎曲速度逐漸增大，于是得到圖8中的曲線3。將三條曲線連在一起則得到在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的連續(xù)曲線。將其與飽和溫度壓力曲線相比較見(jiàn)圖9。從圖中可以看出該閥在工作壓力范圍內(nèi)兩條曲線基本一致。這樣顯著提高了該疏水閥的工作性能，使之在雙金屬片冷調(diào)整間隙一定的條件下，在各壓力點(diǎn)下其排水溫度與該壓力點(diǎn)下的飽和溫度之差基本一致，即過(guò)冷度值相同。

此外需要說(shuō)明一點(diǎn)的是，該熱雙金屬元件的形狀中，AA=BB。在以往的雙金屬片式疏水閥中(如BKl5)，雙金屬元件的形狀均為菱形，即：AA>BB，這樣使AA先產(chǎn)生變形BB隨后，再是CC縱向、CC橫向，從而使圖八中的曲線由4段直線組成，但在此設(shè)計(jì)中改變了AA>BB的設(shè)計(jì)，這是因?yàn)橐酝漠a(chǎn)品使用壓力和溫度都很低，而這次的設(shè)計(jì)由于使用壓力和溫度的提高使疏水閥的Fk增高從而要求Ft也要加大，該設(shè)計(jì)上的改變使初始Ft加大一倍，有利于疏水閥的密封。

3．4 閥座與閥芯的設(shè)計(jì)

該閥的閥座與閥芯之問(wèn)構(gòu)成了兩極串聯(lián)節(jié)流環(huán)結(jié)構(gòu)。這是該閥結(jié)構(gòu)的一大特點(diǎn)，見(jiàn)圖10。

根據(jù)流體熱動(dòng)力學(xué)原理及有關(guān)資料介紹，流體通過(guò)兩極節(jié)流環(huán)時(shí)，中問(wèn)壓力較??；當(dāng)水溫超過(guò)一定值后，中間壓力逐漸升高；當(dāng)水溫接近飽和溫度時(shí)中問(wèn)壓力最高。對(duì)于飽和水中問(wèn)壓力稍有降低，對(duì)于飽和蒸汽中問(wèn)壓力又有所下降。該特性用曲線表示如圖11。

該疏水閥的兩極節(jié)流環(huán)結(jié)構(gòu)正是利用流體的這一特性。在開(kāi)始工作時(shí)，冷水流入閥內(nèi)，控制元件不產(chǎn)生熱推力，該閥處于常開(kāi)狀態(tài)，排放冷空氣及冷凝結(jié)水。當(dāng)溫度升高時(shí)雙金屬片產(chǎn)生熱推力而且逐漸增大，與此同時(shí)兩極節(jié)流環(huán)中問(wèn)壓力也逐漸增大，此時(shí)閥門繼續(xù)排水。當(dāng)水溫接近飽和溫度時(shí)中間壓力達(dá)到峰值，溫度再升高時(shí)中問(wèn)壓力卻有所降低，而此時(shí)熱雙金屬元件熱推力最大。當(dāng)蒸汽進(jìn)入閥內(nèi)時(shí)，中問(wèn)壓力再次下降，同時(shí)閥芯也迅速關(guān)閉。關(guān)閉后介質(zhì)壓力只作用在閥芯密封面上，而不存在中間壓力。當(dāng)閥內(nèi)溫度下降時(shí)蒸汽凝結(jié)成水，控制元件的熱推力減小，當(dāng)減小到一定值后，閥逐漸開(kāi)啟，當(dāng)流體通過(guò)一次節(jié)流環(huán)后，則產(chǎn)生中間壓力作用在閥芯上，使得介質(zhì)對(duì)閥芯的作用力迅速增大而使閥芯重新開(kāi)啟，如此往復(fù)循環(huán)。該閥的二次節(jié)流環(huán)的設(shè)計(jì)克服了普通熱靜力型疏水閥過(guò)冷度大，動(dòng)作滯后的缺點(diǎn)。

3．5 多元件組合分組重疊使用

由于該產(chǎn)品所要求的性能參數(shù)較高，且受結(jié)構(gòu)尺寸的限制，如果采用單元件控制則很難達(dá)到高參數(shù)性能的要求。為了增大疏水量(多元件組合使變形量增加)和提高工作壓力、溫度范圍(多元件組合使雙金屬元件產(chǎn)生的變形力增加數(shù)倍)，該設(shè)計(jì)中采用了多元件組合分組重疊使用的方法并在每組元件之間設(shè)置的一個(gè)隔片，如圖12，這樣使控制元件在工作過(guò)程中受熱均勻，工作穩(wěn)定，密封可靠。實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)獲得了滿意的效果，各項(xiàng)性能指標(biāo)均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該閥設(shè)計(jì)為六組雙金屬片重疊使用，每組包括兩片雙金屬片，相對(duì)成對(duì)使用即被動(dòng)層相對(duì)，每組之間設(shè)有隔片。其具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)前面圖3(結(jié)構(gòu)圖)。

3．6 調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

該閥在閥蓋頂部設(shè)計(jì)有調(diào)整機(jī)構(gòu)——調(diào)整螺塞，如圖13。該元件的設(shè)置是為了便于使用和維修，使該閥在設(shè)備上不必打開(kāi)閥蓋即可調(diào)整雙金屬片的冷調(diào)間隙量，通過(guò)間隙量的調(diào)整還可改變其排水溫度(即：通過(guò)改變冷度來(lái)改變排水溫度)。調(diào)整螺塞上還設(shè)有排氣孔，可避免操作時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)。

4．有關(guān)參數(shù)的計(jì)算

4．1 熱雙金屬元件的結(jié)構(gòu)計(jì)算

熱雙金屬元件結(jié)構(gòu)尺寸的確定也是該產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在設(shè)計(jì)時(shí)不但要保證產(chǎn)品的性能要求而且必須考慮到元件的經(jīng)濟(jì)性，使用最少的材料而獲得最大的功效。也就是要使設(shè)計(jì)的元件在滿足使用要求的前提下體積最小。

從熱雙金屬元件在工作過(guò)程中的受力情況來(lái)看，該元件可以近似為簡(jiǎn)支梁的形式，如圖14。熱雙金屬元件在溫度變化下產(chǎn)生位移，當(dāng)位移受到限制時(shí)則產(chǎn)生熱推力而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)閥動(dòng)作。

如果溫度的變化全部用來(lái)產(chǎn)生位移，此時(shí)雙金屬片產(chǎn)生的位移可用下式計(jì)算：

如果元件完全受到限制，則溫度變化全部用來(lái)產(chǎn)生推力，此時(shí)推力可用下式計(jì)算:

在雙金屬片的實(shí)際工作狀況中，以上兩種情況是并存的。假設(shè)溫度變化的一部分用來(lái)產(chǎn)生位移而另一部分用來(lái)產(chǎn)生熱推力，設(shè)雙金屬在溫度和外力同時(shí)作用下的位移量為f_t，那么同一雙金屬當(dāng)F_t=0時(shí)，在相同溫度條件下，位移量為f，可令：

此時(shí)令m=0.5，因此V=V_min。也就是說(shuō)，當(dāng)熱敏雙金屬溫度變化的一半用來(lái)產(chǎn)生位移，另一半用來(lái)產(chǎn)生熱推力時(shí)，就可得到元件體積的最佳值，即：

由以上分析可以認(rèn)為雙金屬元件的工作過(guò)程是這樣的：當(dāng)溫度逐漸上升時(shí)，消除冷調(diào)間隙，這時(shí)閥芯、閥座密封面接觸，該閥處于開(kāi)啟和關(guān)閉的臨界點(diǎn)。溫度進(jìn)一步上升，則雙金屬片產(chǎn)生熱推力Ft，當(dāng)Ft>Fk到一定值后，閥門完全關(guān)閉。

根據(jù)產(chǎn)品的性質(zhì)要求利用公式(4)可從理論上計(jì)算元件的尺寸，但計(jì)算中應(yīng)預(yù)先假設(shè)一定的條件，如元件的長(zhǎng)寬厚均為未知數(shù)，可假設(shè)其一再求兩外兩個(gè)。如一次不適合可重新假定直至合適。實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)略高于計(jì)算值。該閥雙金屬元件具體尺寸為：AA=BB=50mm，CC=40mm，元件厚度S=2.0mm。

4．2 熱雙金屬元件室溫調(diào)整間隙的計(jì)算

設(shè)室溫為f₀過(guò)冷度為t_c，蒸汽的飽和溫度為t_b，消除冷調(diào)間隙時(shí)的溫度為t_d，則室溫下消除冷調(diào)間隙的溫度差△t₁=t_d-t₀。由臨界狀態(tài)到關(guān)閉狀態(tài)，即產(chǎn)生熱推力的溫度差△t₂=t_b-t_c-t_d。由前所述可知當(dāng)△t₁=△t₂=0.5(t_b-t_c-t₀)時(shí)，即溫度變化的一半用來(lái)產(chǎn)生位移，另一半產(chǎn)生熱推力時(shí)是該閥設(shè)計(jì)的最佳狀態(tài)。因此可得到每片雙金屬所產(chǎn)生的位移為

，設(shè)組成該閥調(diào)整機(jī)構(gòu)的雙金屬片數(shù)量為n，則總的調(diào)整間隙量為F=n-f。根據(jù)以上公式，計(jì)算出每一個(gè)壓力級(jí)下的室溫調(diào)整間隙量?？紤]到制造誤差和雙金屬對(duì)傳熱的滯后現(xiàn)象，實(shí)際間隙量應(yīng)略小于理論間隙量。該閥實(shí)際間隙量定為1.5mm。

5．殼體最小壁厚

殼體最小壁厚按GB/T 12224—2005((鋼制閥門一般要求》從最小壁厚表中查出。

6．中法蘭連接螺栓

中法蘭連接螺栓按GB/T 12224—2005((鋼制閥門一般要求》標(biāo)準(zhǔn)中的公式計(jì)算后確定：

式中：S_b——螺柱在38℃時(shí)的許用應(yīng)力(MPa)(當(dāng)大于138MPa時(shí)，用138MPa)；

A_g——由墊片或O形圈的有效外周邊或其密封件的有效周邊所限定的面積，環(huán)連接面，由環(huán)中徑確定有效面積(mm²)；

A_b——螺柱總抗拉應(yīng)力有效面積(mm²)；

PN——公稱壓力數(shù)值；如PNl6，取16；PN420，取420。

K——系數(shù)，按下表確定

K系數(shù)
公稱壓力/PN	系數(shù)K
16～20	1.25
25～50	1.00
63～100	0.91
150、160	1.00
250、260	0.97
420	1.00

7．實(shí)際工況運(yùn)行情況及推廣前景

該閥于1996年5月在山西鋁廠氧化鋁生產(chǎn)管線以及山西化肥廠生產(chǎn)設(shè)備上安裝試運(yùn)行，經(jīng)過(guò)一年多的考核其排水量、漏氣量等各項(xiàng)性能指標(biāo)均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求并達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平。其工作狀況良好，動(dòng)作可靠，節(jié)能效果顯著。

蒸汽疏水閥在節(jié)能方面具有不可低估的重要作用，在研制該疏水閥之前，我們?cè)嗊^(guò)大量資料，并對(duì)很多工況作過(guò)調(diào)查，我國(guó)煤炭年產(chǎn)量大約三分之一消耗在大約45萬(wàn)臺(tái)工業(yè)鍋爐的供熱系統(tǒng)中，由于蒸汽管網(wǎng)節(jié)能設(shè)備技術(shù)落后，能源利用率還不到30%，僅為發(fā)達(dá)國(guó)家的一半左石。因此節(jié)能潛力很大。提高蒸汽管網(wǎng)節(jié)能效果的關(guān)鍵產(chǎn)品是疏水閥，一只性能良好的DNl5蒸汽疏水閥，粗略計(jì)算每年可節(jié)約標(biāo)煤6.2噸，節(jié)水320噸，約合人民幣1100元左右。

我廠首批生產(chǎn)的高溫高壓雙金屬片式蒸汽疏水閥用于山西鋁廠拜耳法氧化鋁生產(chǎn)管線中，根據(jù)山西鋁廠出具的“疏水閥技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析報(bào)告”，山西鋁廠一期拜耳法系統(tǒng)年產(chǎn)氧化鋁37萬(wàn)噸，該系統(tǒng)消耗疏水閥約合人民幣40萬(wàn)元，因國(guó)產(chǎn)疏水閥價(jià)格僅為進(jìn)口疏水閥的三分之一，若全部國(guó)產(chǎn)化，每年可節(jié)約人民幣約25萬(wàn)元?，F(xiàn)山西鋁廠二期拜耳法生產(chǎn)線已投入使用。二期生產(chǎn)線購(gòu)買德國(guó)GEsTRA公司疏水閥共花費(fèi)300萬(wàn)元，若全部采用國(guó)產(chǎn)疏水閥又可節(jié)約大量外匯。

國(guó)內(nèi)像山西鋁廠這樣的氧化鋁生產(chǎn)廠家還有幾家，如貴陽(yáng)鋁廠、鄭州鋁廠、蘋果鋁廠，這些廠家也已部分地采用了我廠生產(chǎn)的高溫高壓蒸汽疏水閥。

近些年來(lái)我國(guó)研制開(kāi)發(fā)的疏水閥只停在中低壓閥門，高溫高壓疏水閥無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)需要，國(guó)內(nèi)的一些電力、石油、化工等大型工業(yè)企業(yè)建設(shè)中所需要的疏水閥大多依賴于進(jìn)口。因此，該閥的研制成功縮短了我國(guó)蒸汽疏水閥技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)又一項(xiàng)空白，無(wú)疑對(duì)擋住進(jìn)口節(jié)約外匯起到了積極作用，前景非常廣闊。

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