3.3 熱雙金屬元件形狀的確定
該疏水閥是通過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來完成啟閉動作的。因此該閥設(shè)計的實質(zhì)也就是如何解決在一定溫度和壓力下使F￡和F志平衡的問題。
由公式(1)可知Ft=K·E·△t·α，對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)對閥芯的作用力F是可由公式(2)求得：
式中：Fk——介質(zhì)對閥芯的作用力(N)；
A——排水孔的過流面積(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)溫度變化無關(guān)。在疏水閥工作過程中，對于每一個壓力P則有一個確定的Fk。當(dāng)疏水閥在實際工況條件下工作時，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程中，F(xiàn)t是一個變量而Fk是一個定值。由此可見只要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作的角度來考慮，只要材料選擇適當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸合理采用簡單形狀的元件即可滿足要求。但從節(jié)約能源的角度來評價，雙金屬片蒸汽疏水閥在較大的壓力范圍內(nèi)使用，其動作溫度即排放凝結(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)，雖然在某個壓力點P上可以找到一個溫度t，對應(yīng)t存在一個Ft與Fk平衡，但這個t值與該壓力下蒸汽的飽和溫度tb相差太大，而且在疏水閥的整個工作壓力范圍內(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)計的結(jié)構(gòu)，熱雙金屬元件的體積系數(shù)α可又下式計算：
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)計中利用了這一性質(zhì)把元件形狀設(shè)計成幾個簡單的幾何形狀的組合，從而使它們分別進入工作狀態(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)過實驗將該閥的雙金屬片元件設(shè)計成為一個多邊形，如圖7。令其AA=BB>cc，這樣元件在工作過程中AA、BB、CC分別進入工作狀態(tài)。即溫度升高時AA、BB首先要進入工作狀態(tài)，其Ft曲線如圖8中的曲線1；當(dāng)溫度繼續(xù)升高達到一定數(shù)值后，CC進入工作狀態(tài)，此時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)溫度進一步升高時，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，在各壓力點下其排水溫度與該壓力點下的飽和溫度之差基本一致，即過冷度值相同。
此外需要說明一點的是，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)計中改變了AA>BB的設(shè)計，這是因為以往的產(chǎn)品使用壓力和溫度都很低，而這次的設(shè)計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
該閥的閥座與閥芯之問構(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，見圖10。
根據(jù)流體熱動力學(xué)原理及有關(guān)資料介紹，流體通過兩極節(jié)流環(huán)時，中問壓力較小；當(dāng)水溫超過一定值后，中間壓力逐漸升高；當(dāng)水溫接近飽和溫度時中問壓力最高。對于飽和水中問壓力稍有降低，對于飽和蒸汽中問壓力又有所下降。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。在開始工作時，冷水流入閥內(nèi)，控制元件不產(chǎn)生熱推力，該閥處于常開狀態(tài)，排放冷空氣及冷凝結(jié)水。當(dāng)溫度升高時雙金屬片產(chǎn)生熱推力而且逐漸增大，與此同時兩極節(jié)流環(huán)中問壓力也逐漸增大，此時閥門繼續(xù)排水。當(dāng)水溫接近飽和溫度時中間壓力達到峰值，溫度再升高時中問壓力卻有所降低，而此時熱雙金屬元件熱推力最大。當(dāng)蒸汽進入閥內(nèi)時，中問壓力再次下降，同時閥芯也迅速關(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，閥逐漸開啟，當(dāng)流體通過一次節(jié)流環(huán)后，則產(chǎn)生中間壓力作用在閥芯上，使得介質(zhì)對閥芯的作用力迅速增大而使閥芯重新開啟，如此往復(fù)循環(huán)。該閥的二次節(jié)流環(huán)的設(shè)計克服了普通熱靜力型疏水閥過冷度大，動作滯后的缺點。
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)置的一個隔片，如圖12，這樣使控制元件在工作過程中受熱均勻，工作穩(wěn)定，密封可靠。實驗證明該設(shè)計獲得了滿意的效果，各項性能指標(biāo)均已達到設(shè)計要求。該閥設(shè)計為六組雙金屬片重疊使用，每組包括兩片雙金屬片，相對成對使用即被動層相對，每組之間設(shè)有隔片。其具體結(jié)構(gòu)見前面圖3(結(jié)構(gòu)圖)。
3．6 調(diào)整機構(gòu)的設(shè)計
該閥在閥蓋頂部設(shè)計有調(diào)整機構(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)備上不必打開閥蓋即可調(diào)整雙金屬片的冷調(diào)間隙量，通過間隙量的調(diào)整還可改變其排水溫度(即：通過改變冷度來改變排水溫度)。調(diào)整螺塞上還設(shè)有排氣孔，可避免操作時發(fā)生危險。
4．有關(guān)參數(shù)的計算
4．1 熱雙金屬元件的結(jié)構(gòu)計算
熱雙金屬元件結(jié)構(gòu)尺寸的確定也是該產(chǎn)品設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。在設(shè)計時不但要保證產(chǎn)品的性能要求而且必須考慮到元件的經(jīng)濟性，使用最少的材料而獲得最大的功效。也就是要使設(shè)計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程中的受力情況來看，該元件可以近似為簡支梁的形式，如圖14。熱雙金屬元件在溫度變化下產(chǎn)生位移，當(dāng)位移受到限制時則產(chǎn)生熱推力而實現(xiàn)開關(guān)閥動作。
如果溫度的變化全部用來產(chǎn)生位移，此時雙金屬片產(chǎn)生的位移可用下式計算：
如果元件完全受到限制，則溫度變化全部用來產(chǎn)生推力，此時推力可用下式計算:
在雙金屬片的實際工作狀況中，以上兩種情況是并存的。假設(shè)溫度變化的一部分用來產(chǎn)生位移而另一部分用來產(chǎn)生熱推力，設(shè)雙金屬在溫度和外力同時作用下的位移量為ft，那么同一雙金屬當(dāng)Ft=0時，在相同溫度條件下，位移量為f，可令：
此時令m=0.5，因此V=Vmin。也就是說，當(dāng)熱敏雙金屬溫度變化的一半用來產(chǎn)生位移，另一半用來產(chǎn)生熱推力時，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程是這樣的：當(dāng)溫度逐漸上升時，消除冷調(diào)間隙，這時閥芯、閥座密封面接觸，該閥處于開啟和關(guān)閉的臨界點。溫度進一步上升，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)可從理論上計算元件的尺寸，但計算中應(yīng)預(yù)先假設(shè)一定的條件，如元件的長寬厚均為未知數(shù)，可假設(shè)其一再求兩外兩個。如一次不適合可重新假定直至合適。實際設(shè)計尺寸應(yīng)略高于計算值。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)整間隙的計算
設(shè)室溫為f0過冷度為tc，蒸汽的飽和溫度為tb，消除冷調(diào)間隙時的溫度為td，則室溫下消除冷調(diào)間隙的溫度差△t1=td-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=tb-tc-td。由前所述可知當(dāng)△t1=△t2=0.5(tb-tc-t0)時，即溫度變化的一半用來產(chǎn)生位移，另一半產(chǎn)生熱推力時是該閥設(shè)計的最佳狀態(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，計算出每一個壓力級下的室溫調(diào)整間隙量。考慮到制造誤差和雙金屬對傳熱的滯后現(xiàn)象，實際間隙量應(yīng)略小于理論間隙量。該閥實際間隙量定為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)中的公式計算后確定：
式中：Sb——螺柱在38℃時的許用應(yīng)力(MPa)(當(dāng)大于138MPa時，用138MPa)；
Ag——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)；
Ab——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．實際工況運行情況及推廣前景
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)備上安裝試運行，經(jīng)過一年多的考核其排水量、漏氣量等各項性能指標(biāo)均已達到設(shè)計要求并達到國外同類產(chǎn)品水平。其工作狀況良好，動作可靠，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，我們曾翻閱過大量資料，并對很多工況作過調(diào)查，我國煤炭年產(chǎn)量大約三分之一消耗在大約45萬臺工業(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)達國家的一半左石。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)濟分析報告”，山西鋁廠一期拜耳法系統(tǒng)年產(chǎn)氧化鋁37萬噸，該系統(tǒng)消耗疏水閥約合人民幣40萬元，因國產(chǎn)疏水閥價格僅為進口疏水閥的三分之一，若全部國產(chǎn)化，每年可節(jié)約人民幣約25萬元。現(xiàn)山西鋁廠二期拜耳法生產(chǎn)線已投入使用。二期生產(chǎn)線購買德國GEsTRA公司疏水閥共花費300萬元，若全部采用國產(chǎn)疏水閥又可節(jié)約大量外匯。
國內(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。
近些年來我國研制開發(fā)的疏水閥只停在中低壓閥門，高溫高壓疏水閥無法滿足國內(nèi)需要，國內(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口。因此，該閥的研制成功縮短了我國蒸汽疏水閥技術(shù)水平與國際先進水平的差距，填補了國內(nèi)又一項空白，無疑對擋住進口節(jié)約外匯起到了積極作用，前景非常廣闊。
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