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高温高压双金属片蒸汽疏水阀的设计(一)

来源: 上海阀门 时间: 2012-04-25 点击: 3,960

1.概述

蒸汽疏水阀是一种能将蒸汽加热设备或蒸汽管网中不断产生的凝结水自动排除并阻止蒸汽漏失的阀门,又称阻汽排水阀。该类阀门对保证系统及设备的正常运行、提高热效率和节约能源起着重要作用。它广泛用于蒸汽的输送管道、汽水分离器、二次蒸汽罐以及利用蒸汽来加热、干燥、保温、伴热、采暖等工艺过程中所产生的凝结水排放,因此蒸汽疏水阀是工厂供热设备及蒸汽管网中不可缺少的应用最为广泛的节能产品。

双金属片蒸汽疏水阀属于热静力型蒸汽疏水阀,其基本原理是由温度决定蒸汽疏水阀的开闭,也就是利用蒸汽(高温)和凝结水(低温)的温差,使用双金属作为感温元件(感温体),它可以随温度的变化而改变其形状(双金属产生弯曲),利用这种感温体的变化达到开闭疏水阀的目的。

由于双金属片蒸汽疏水阀是靠温度的变化来控制其开关阀动作,因此该阀有一个显著的特点就是存在开阀过冷度(即排水温度与饱和温度之差),也就是说该阀不能排除饱和温度的凝结水,而只能排除低于饱和温度具有一定过冷度的凝结水。这样可以使设备有效地利用凝结水的一部分显热,提高能源利用率,这也是该类疏水阀能达到高效节能的一个重要方面。此外,由于该类疏水阀在处于蒸汽温度时能准确关闭,只要凝结水的温度不降低,疏水阀就不会打开,因此该类疏水阀不会泄漏蒸汽。

本文所阐述的高温高压双金属片式蒸汽疏水阀是目前热静力型蒸汽疏水阀中使用温度最高、使用压力最高的一种双金属片式蒸汽疏水阀。其性能指标可达到:最高工作压力8.7MPa;最大工作压差6.4MPa;最高工作温度300℃;最高允许温差425℃。

由于其各项性能指标均很高,所以无论从结构设计还是从关键零件(热双金属片元件)的选材上均加大了该阀的设计难度。本文将详细阐述该高温高压双金属片式蒸汽疏水阀的工作原理和特性、结构设计特点、有关参数的计算以及实际工况运行情况和该阀的实际应用价值、推广前景。

2.工作原理及特征

该阀属于热静力型蒸汽疏水阀,是依赖于热双金属片的受热变形产生的热推力工作的,即是利用热双金属元件的热敏特性,依靠介质的温度变化使热双金属元件产生弯盐从而产生热推力,该力与介质对阀芯作用力的方向相反,利用其差值的大小来控制密封元件的开启和关闭,实现自动排水阻汽的目的。其工作原理如图1所示。

疏水阀未工作时,热双金属元件之问预留有一定的间隙量,阀芯处于开启(即自由)状态。当用汽设备开始工作时,冷空气和冷凝结水流入疏水阀,由于温度较低,热双金属片无明显变形,只有介质压力作用在阀芯上,此时阀芯处于最下方,因此阀能以其最大能力排除冷空气和冷凝结水,如图2所示。

当管道或用气设备中的蒸汽或热凝结水流人蒸汽疏水阀后,疏水阀内介质温度逐渐增高,双金属片开始弯曲,因其相向成对使用(即主动层对主动层,被动层对被动层),由于各对双金属片弯曲变形,使冷调间隙由逐渐减小到完全消除,进而变形就产生了热推力Ft,如图1(b)所示。此时阀芯受力有二:介质的静压力Fk和双金属片受热变形产生的热推力Ft,此二力方向相反。在阀内压力稳定的情况下F尼为一定值,而Fk则随着介质温度的升高而加大,因此当温度升高到一定值时就有Ft=Fk是,此时是阀门开启和关闭的临界点。当温度进一步升高时就有Ft>Fk,当Ft>Fk到一定值后,阀门就完全处于关闭状态。

介质温度降低时Ft逐渐减小,当Ft<Fk时,阀门开启回复到图1(a),此时阀将低温凝结水排出,如此往复循环工作。该阀在不同的排水过冷度下具有不同的排水量,其排水量特性曲线如图2所示。

该产品在性能上既具有热静力型疏水阀的全部特点又具有其独到之处。它在工作中无蒸汽漏损,排空气性能好,工作平稳动作可靠,噪声低,使用寿命长。该阀阀盖顶端设有调节机构,可以调整控制元件的间隙量,以调节凝结水的排放温度,适用于多种工况条件的使用。

3.结构设计特点

3.1 总体设计

该疏水阀的结构如图三所示。

该疏水阀由阀体、阀盖、调节器组件以及过滤网等零部件组成。其调节器组件由热双金属元件、阀芯、阀座等零件组成一个单独的整体机构作为该阀的控制元件装入阀体腔内,使该阀由壳体和动作执行机构两部分组成。此外阀芯为反向安装,兼有止回作用。阀内设有过滤网,可以防止污物进入密封装置而影响密封性能。该阀总体设计结构紧凑,加工方便,便于使用和维修。如发现壳体泄漏或开关阀动作失灵,可单独更换壳体或温度调节器。因而即可提高使用寿命又可降低使用成本。

作为高温高压双金属片式蒸汽疏水阀,其设计重点是热双金属元件材料的选择、形状的确定以及参数的确定。下面先着重介绍热双金属片元件材料的选择、形状的确定,其参数的确定将放在后面的“有关参数的计算”中介绍。

3.2 热双金属片材料的选择

热双金属元件作为该阀的主要控制元件,其材料的性能优劣,各项参数的选择是否合理,直接决定了该疏水阀的使用性能。

热双金属材料的主要性能参数有:热敏感性、电阻率、弹性模量、使用温度范围等。对于该产品来说,除电阻率以外其余各项性能都很重要。

(1)热敏感性

所谓热敏感性是指热双金属因温度变化而弯曲的特性,它是衡量热双金属对温度敏感程度的一项重要指标,也是热双金属最主要的性能之一。热敏感性通常用比弯曲K来表示,也可用温曲率F和敏感系数M来表示。目前在我国现行的双金属标准中采用比弯曲K来表示热敏感性。国外有些先进国家现已逐步采用温曲率F来考核热敏感性,如美国、德国。根据有关理论推导可知三者有以下关系:F=2K=1.5M,此处不再详细论述。

(2)弹性模量

弹性模量是表示热双金属力学性能的一个重要参数,是计算热敏双金属元件推力、力矩和内应力时不可缺少的参数。

(3)使用温度范围

使用温度范围是选择热双金属时首先要考虑的问题,它可划分为线性温度范围和允许使用温度范围。

线性温度范围是热双金属的位移量与温度变化基本上呈线性关系的温度范围。在这个范围内比弯曲值将不超过其标称值的±5%。

允许使用温度范围是指在此温度范围内热双金属不发生残余变形,其上限指热应力达到热双金属弹性极限时的温度,下限由材料的相变点决定。

允许使用温度范围大于线性温度范围,在线性温度范围以外,允许使用温度范围以内,材料的热敏感性已有所降低。

以上几个指标是该设计选材时的主要依据,但在选材时可能找不到同时满足全部使用条件的材料牌号,此时只能根据主要的使用条件选材,其他不能满足的则可通过元件的形状和尺寸以及工艺措施来弥补。

针对该疏水阀的性能要求来考虑,首先要考虑选择适当的“允许使用温度范围”,这是一项最重要的指标。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允许温度和最低允许温度。

除了允许使用温度范围外,与此同时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500℃,线性温度范围定为425℃。

以上两项参数确定之后,进一步考虑材料的热敏感性和力学性能,即比弯曲K和弹性模量E,这两项参数直接影响到产品的工作性能。根据材料力学原理可知热双金属元件在工作过程中所产生的热推力Ft与其比弯曲K和弹性模量E成正比,见下式:

Ft=K·E·△t·α (1)

式中:Ft——热双金属元件产生的热推力(N);

K——比弯曲(℃-1);

E——弹性模量(MPa);

△t——温度差(℃);

α——元件的体积系数(mm2)。

由此可见,比弯曲K值和弹性模量E值越大则元件的热推力Ft越大。因此可根据产品的需要选择适当的K值和E值。经过实验证明对该产品来说,比弯曲K应选择10×10-6-1左右,弹性模量E应选在15000~20000MPa左右。

根据该蒸汽疏水阀的特殊工作条件还有一项不容忽视的性能,也就是材料的耐腐蚀性,它直接决定了产品的使用寿命。因此在该设计中选用耐蚀型双金属材料。

综合以上分析,对于该高温高压双金属片式蒸汽疏水阀其关键元件热双金属应具有以下特性:

①使用温度范围:500℃;

②线性温度范围:425℃;

③比弯曲K:10×10-6-1左右;

④弹性模量E:15000~20000MPa左右;

⑤热双金属元件材料耐腐蚀,因此应采用不锈热双金属。

为了选择到适用的材料,我们与北京首钢冶金研究所合作,共同开发研制出了能满足该蒸汽疏水阀的热双金属材料,该材料型号定为Rc4,其各项指标均已达到该阀要求。

待续……

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