高溫高壓圓環(huán)雙金屬片式疏水閥的設計

2014-09-20 羅展宏甘肅平?jīng)黾t峰機械有限責任公司

　　介紹了高溫高壓圓環(huán)雙金屬片式疏水閥的工作原理，主要零件和結構的設計計算以及結構特點。

1、概述

　　雙金屬片疏水閥是通過溫度的變化自動控制閥瓣開啟和關閉，起到阻汽排水作用。雙金屬片疏水閥能連續(xù)排水或間歇排水，工作無噪聲，無振動，不漏氣，不水擊，不凍結，能自動排出冷空氣和不凝結氣體。根據(jù)現(xiàn)場工況的需求，設計了一種工作壓差為2. 0 ～ 15. 0MPa，溫度調整范圍100 ～ 340℃ 的雙金屬片式疏水閥。

2、疏水閥的設計參數(shù)

　　閥體材質鉻鉬鍛鋼A182F22，公稱壓力42. 0MPa，最高允許溫度550℃，最大排量300kg /h，最高工作壓力15. 0MPa，排水溫度調整范圍100 ～ 340℃，連接方式對接焊和法蘭連接。

3、疏水閥的工作原理

　　高溫高壓圓環(huán)雙金屬片式疏水閥( 以下簡稱疏水閥，圖1) 的圓環(huán)形雙金屬片在常溫時為平直狀態(tài)，彈簧彈力托起閥瓣，使排水口處于完全開放狀態(tài)，管路中的冷空氣及初期凝結水可迅速排出。真空技術網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為高溫介質進入時，雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生的作用力克服彈簧的彈力，將閥瓣壓向排水口使疏水閥關閉。當凝結水溫度降低至設定溫度時，雙金屬片彎曲變形的程度減小，產(chǎn)生的熱作用力亦減小，雙金屬片作用力及由于進、出口壓差作用于閥瓣上的壓力之和小于彈簧的彈力時，閥瓣被托起，出水口開啟，疏水閥又處于排放狀態(tài)。低溫凝結水排出后，高溫凝結水再次進入，疏水閥關閉，重復上述動作。

高溫高壓圓環(huán)雙金屬片式疏水閥

1. 雙金屬片2. 心軸3. 支架4. 大彈簧5. 小彈簧6. 彈簧板7. 閥瓣8. 閥座

圖1 高溫高壓圓環(huán)雙金屬片式疏水閥

4、疏水閥的設計計算

　　(1) 雙金屬片位移( 撓度) 和熱推力

　　雙金屬片是用兩種溫度膨脹系數(shù)相差很大的金屬材料復合制成。當雙金屬片受熱時，會產(chǎn)生彎曲變形( 圖2) ，其位移( 撓度) f、機械彈力P 熱推力PT為

高溫高壓圓環(huán)雙金屬片式疏水閥的設計

　　從式(3) 看出，熱推力PT與溫度差成直線關系，簡單的把數(shù)片雙金屬片疊放在一起，總的熱推力會按雙金屬片疊加數(shù)成比例的增加。

雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生變形

圖2 雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生變形

　　(2) 調整間隙

　　調整間隙Fn是常壓常溫下閥瓣與閥座之間的距離。從常溫開始，高溫介質進入時，一方面雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生變形消除常溫調整間隙，另一方面雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生的熱推力PTn克服彈簧彈力( 指定變形量Fn下的工作負荷Pn，) ，將閥瓣部件推動趨向閥座孔，趨向疏水閥關閉。任何同一溫差ΔTn同時具有兩種作用。介質溫度升高時，一部分溫差ΔTn1使雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生變形消除常溫調整間隙Fn，另一部分溫差ΔTn2使雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生熱推力PTn。PTn要克服彈簧指定變形量Fn的工作負荷Pn，即需要PTn≥Pn

　　因此，在同一溫差ΔTn內彈簧能消除雙金屬片的過度膨脹( 因為需要部分溫差ΔTn2使雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生熱推力PTn而不產(chǎn)生消除常溫調整間隙的變形) 。設PT2是臨界關閉狀態(tài)在溫差ΔT22下克服彈簧彈力Pn2需要的雙金屬片熱推力( PT2為設計給定值，與設計最高工作壓力相關) 。設Pn2是壓縮彈簧彈力，在任何蒸汽壓力與任何關閥溫度T2的臨界關閉狀態(tài)與已經(jīng)關閉狀態(tài)下的在彈簧指定變形量Fn2下的工作負荷( 關閉狀態(tài)下的彈簧指定變形量Fn2固定不可調，Pn2為定值不變，Pn2為設計給定值，與設計最高工作壓力相關) 。

　　設相應蒸汽壓力下的常溫調整間隙Fn是部分溫差ΔT21對應的一組n1片相向成對使用的雙金屬片產(chǎn)生的變形量，F(xiàn)n為

高溫高壓圓環(huán)雙金屬片式疏水閥的設計

　　式(6) 顯示，實際最高蒸汽壓力大于設計給定最高工作壓力PMO的η 倍，也表示在設計給定最高工作壓力時，允許比最高工作壓力下的設計開閥溫度更高的凝結水溫度溫差使雙金屬片受熱彎曲變形產(chǎn)生熱推力PT，增加了閥瓣的開閥溫度范圍，也能順利開閥。

　　(3) 閥瓣的最小開啟量

　　疏水閥最大排量時閥瓣的最小開啟量h 為

高溫高壓圓環(huán)雙金屬片式疏水閥的設計

　　常溫時圓環(huán)形雙金屬片為平直狀態(tài)，彈簧彈力Pn托起閥瓣部件，使閥座孔處于完全開啟狀態(tài)，管路中的冷空氣及初期凝結水可迅速排出。此時閥瓣的最小開啟量h( 閥瓣離開閥座入口的距離) 足夠大，閥瓣處于閥座孔入口之上足夠高處。

5、疏水閥的結構特點

　　(1) 采用圓環(huán)形雙金屬片式正向密封型調溫結構。多對雙金屬片串聯(lián)安裝，每對相向成對使用。雙金屬片之間設有隔墊，使之保持固定的間隙，使各雙金屬片受熱均勻，對溫度變化的受熱變形靈敏性一致，帶動疏水閥的啟閉件動作。隔墊有良好的傳遞力作用，在受熱彎曲時，每對雙金屬片之間不產(chǎn)生摩擦，不造成圓環(huán)雙金屬片彎曲力的軸向分力的損失，滿足雙金屬元件的常溫調整間隙與圓柱螺旋壓縮彈簧工作行程互相匹配。正向密封型設計，打開閥瓣的力為大壓縮彈簧的彈力，閥瓣關閉后介質靜壓力作用在閥瓣上，使閥瓣密封力隨介質壓力的增加而變大，密封可靠，無高溫凝結水及蒸汽漏損。

　　(2) 自動中心定位自由浮動關閉系統(tǒng)。閥瓣和閥座沒有部分的或單面的磨損現(xiàn)象，極大地減少了保持密封的關閉力，減少了內件的磨損。軟閉合結構，在相應蒸汽壓下的設計關閥溫度時，閥瓣部件的支架已接觸到閥座上的定位面，在相應蒸汽壓下的設計關閥溫度更高的高溫凝結水溫度使雙金屬片繼續(xù)彎曲變形，產(chǎn)生雙金屬片熱推力作用在閥座的定位面上而不作用在閥瓣上。

　　(3) 采用獨特的溫度調整結構。正向密封的圓環(huán)雙金屬片與雙彈簧結合，利用大、小雙彈簧彈力和閥座定位面的支承力平衡雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生的熱推力，減少了高壓下密封面壓緊力，提高了關閉系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　(4) 疏水閥在工作壓差2.0 ～ 15.0MPa，排水溫度100 ～ 340℃范圍內可靠動作，滿足高壓蒸汽疏水閥排除凝結水和不可凝氣體、阻止蒸汽泄漏的使用要求，并有利于凝結水回收利用。

　　(5) 閥瓣和閥座采用不銹鋼材料。閥瓣經(jīng)過熱處理后磨削加工，閥座調質加工后對密封面進行壓形，不同角度的錐面密封形成了完整的環(huán)形接觸，使關閥力集中在較窄的密封環(huán)線上，加強了密封性能。

　　(6) 閥體、閥蓋均采用鉻鉬鍛鋼制成，滿足高溫高壓下材質性能的要求，整體結構緊湊、合理。該疏水閥可任意角度安裝，動作靈敏、噪聲小，使用壽命長久，維修簡單。熱雙金屬片采用進口材料能保證產(chǎn)品性能，在圓環(huán)雙金屬片式疏水閥中工作壓力高，公稱壓力42. 0MPa，最高工作壓差15.0 MPa，具有較高的實用價值和可推廣性。