1．概述

蒸汽疏水閥是一種能將蒸汽加熱設備或蒸汽管網中不斷產生的凝結水自動排除并阻止蒸汽漏失的閥門，又稱阻汽排水閥。該類閥門對保證系統及設備的正常運行、提高熱效率和節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生的凝結水排放，因此蒸汽疏水閥是工廠供熱設備及蒸汽管網中不可缺少的應用最為廣泛的節能產品。

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(雙金屬產生彎曲)，利用這種感溫體的變化達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閥動作，因此該閥有一個顯著的特點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水，而只能排除低于飽和溫度具有一定過冷度的凝結水。這樣可以使設備有效地利用凝結水的一部分顯熱，提高能源利用率，這也是該類疏水閥能達到高效節能的一個重要方面。此外，由于該類疏水閥在處于蒸汽溫度時能準確關閉，只要凝結水的溫度不降低，疏水閥就不會打開，因此該類疏水閥不會泄漏蒸汽。

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。其性能指標可達到：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℃。

由于其各項性能指標均很高，所以無論從結構設計還是從關鍵零件(熱雙金屬片元件)的選材上均加大了該閥的設計難度。本文將詳細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、結構設計特點、有關參數的計算以及實際工況運行情況和該閥的實際應用價值、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，依靠介質的溫度變化使熱雙金屬元件產生彎鹽從而產生熱推力，該力與介質對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閉，實現自動排水阻汽的目的。其工作原理如圖1所示。

疏水閥未工作時，熱雙金屬元件之問預留有一定的間隙量，閥芯處于開啟(即自由)狀態。當用汽設備開始工作時，冷空氣和冷凝結水流入疏水閥，由于溫度較低，熱雙金屬片無明顯變形，只有介質壓力作用在閥芯上，此時閥芯處于最下方，因此閥能以其最大能力排除冷空氣和冷凝結水，如圖2所示。

當管道或用氣設備中的蒸汽或熱凝結水流人蒸汽疏水閥后，疏水閥內介質溫度逐漸增高，雙金屬片開始彎曲，因其相向成對使用(即主動層對主動層，被動層對被動層)，由于各對雙金屬片彎曲變形，使冷調間隙由逐漸減小到完全消除，進而變形就產生了熱推力F_t，如圖1(b)所示。此時閥芯受力有二：介質的靜壓力Fk和雙金屬片受熱變形產生的熱推力F_t，此二力方向相反。在閥內壓力穩定的情況下F尼為一定值，而Fk則隨著介質溫度的升高而加大，因此當溫度升高到一定值時就有Ft=Fk是，此時是閥門開啟和關閉的臨界點。當溫度進一步升高時就有Ft>Fk，當Ft>Fk到一定值后，閥門就完全處于關閉狀態。

介質溫度降低時Ft逐漸減小，當Ft<Fk時，閥門開啟回復到圖1(a)，此時閥將低溫凝結水排出，如此往復循環工作。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。

該產品在性能上既具有熱靜力型疏水閥的全部特點又具有其獨到之處。它在工作中無蒸汽漏損，排空氣性能好，工作平穩動作可靠，噪聲低，使用壽命長。該閥閥蓋頂端設有調節機構，可以調整控制元件的間隙量，以調節凝結水的排放溫度，適用于多種工況條件的使用。

3．結構設計特點

3.1 總體設計

該疏水閥的結構如圖三所示。

該疏水閥由閥體、閥蓋、調節器組件以及過濾網等零部件組成。其調節器組件由熱雙金屬元件、閥芯、閥座等零件組成一個單獨的整體機構作為該閥的控制元件裝入閥體腔內，使該閥由殼體和動作執行機構兩部分組成。此外閥芯為反向安裝，兼有止回作用。閥內設有過濾網，可以防止污物進入密封裝置而影響密封性能。該閥總體設計結構緊湊，加工方便，便于使用和維修。如發現殼體泄漏或開關閥動作失靈，可單獨更換殼體或溫度調節器。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，其設計重點是熱雙金屬元件材料的選擇、形狀的確定以及參數的確定。下面先著重介紹熱雙金屬片元件材料的選擇、形狀的確定，其參數的確定將放在后面的“有關參數的計算”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，其材料的性能優劣，各項參數的選擇是否合理，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有：熱敏感性、電阻率、彈性模量、使用溫度范圍等。對于該產品來說，除電阻率以外其余各項性能都很重要。

(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溫度敏感程度的一項重要指標，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M來表示。目前在我國現行的雙金屬標準中采用比彎曲K來表示熱敏感性。國外有些先進國家現已逐步采用溫曲率F來考核熱敏感性，如美國、德國。根據有關理論推導可知三者有以下關系：F=2K=1.5M，此處不再詳細論述。

(2)彈性模量

彈性模量是表示熱雙金屬力學性能的一個重要參數，是計算熱敏雙金屬元件推力、力矩和內應力時不可缺少的參數。

(3)使用溫度范圍

使用溫度范圍是選擇熱雙金屬時首先要考慮的問題，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系的溫度范圍。在這個范圍內比彎曲值將不超過其標稱值的±5％。

允許使用溫度范圍是指在此溫度范圍內熱雙金屬不發生殘余變形，其上限指熱應力達到熱雙金屬彈性極限時的溫度，下限由材料的相變點決定。

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，材料的熱敏感性已有所降低。

以上幾個指標是該設計選材時的主要依據，但在選材時可能找不到同時滿足全部使用條件的材料牌號，此時只能根據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。

針對該疏水閥的性能要求來考慮，首先要考慮選擇適當的“允許使用溫度范圍”，這是一項最重要的指標。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，與此同時還應當考慮材料的線性溫度范圍，在這個溫度范圍內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系基本上呈直線關系。因此設計中所選用的材料的線性溫度范圍必須超過產品的最高和最低工作溫度。

對于該閥，其允許使用溫度范圍定為500℃，線性溫度范圍定為425℃。

以上兩項參數確定之后，進一步考慮材料的熱敏感性和力學性能，即比彎曲K和彈性模量E，這兩項參數直接影響到產品的工作性能。根據材料力學原理可知熱雙金屬元件在工作過程中所產生的熱推力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(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。因此可根據產品的需要選擇適當的K值和E值。經過實驗證明對該產品來說，比彎曲K應選擇10×10^-6℃^-1左右，彈性模量E應選在15000～20000MPa左右。

根據該蒸汽疏水閥的特殊工作條件還有一項不容忽視的性能，也就是材料的耐腐蝕性，它直接決定了產品的使用壽命。因此在該設計中選用耐蝕型雙金屬材料。

綜合以上分析，對于該高溫高壓雙金屬片式蒸汽疏水閥其關鍵元件熱雙金屬應具有以下特性：

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，該材料型號定為Rc4，其各項指標均已達到該閥要求。

待續……

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