一种新型片状式蒸汽疏水阀结构设计分析*

2021-12-03张晓玲何彦虎

机械研究与应用 2021年5期

张晓玲, 何彦虎, 刘剑

(湖州职业技术学院机电与汽车工程学院，湖州 313000)

0 引言

疏水阀又名阻汽排水阀，主要应用于蒸汽供热系统中，作用是排除设备中的冷凝水、空气及其他不可凝结的气体，浮球式蒸汽疏水阀是目前结构最先进，设计最合理的疏水阀之一，它的主要特点包括结构简单(只有一个活动零件)、寿命长、热效率高(它能排除接近饱和蒸汽温度的凝结水)、排量大(它能做到连续排除凝结水)、维修方便等[1]。浮球式蒸汽疏水阀主要分为自由浮球式疏水阀和杠杆浮球式疏水阀两种，浮球式疏水阀的工作原理主要是依靠浮球的升降来实现疏水的作用，所以对浮球的质量、精度、使用寿命有较高的设计要求[2]，目前浮球式疏水阀在使用过程中仍存在一些问题，例如大多浮球式疏水阀在使用过程中排水与排蒸气没有得到有效的分离控制，导致蒸汽大量无节制排放，既不节能也不环保，工作中浮球一直跳动，易导致浮球摩擦受损等[3]。笔者针对浮球式蒸汽疏水阀蒸汽泄露严重、浮球损坏严重问题，根据杠杆原理、双金属片热变形原理，设计了一种新型片状式蒸汽疏水阀，基于内部双金属片热变形特性与杠杆结构特性，实现疏水过程中水、汽分离排放的作用，与常用的浮球式蒸汽疏水发相比，不仅可以简化结构，还可以延长其使用寿命。

1 蒸汽疏水阀结构设计

新型片状式型蒸汽疏水阀结构设计，如图1所示，其特征在于：它包括进水口、双金属片、杠杆机构、堵片、出水口、阀盖、阀口和支点。

图1 阀体整体结构示意图1-1.进水口 1-2.双金属片 1-3.杠杆机构 1-4.出水口 1-5.支点 1-6.堵片

阀盖位于疏水阀本体的顶部，疏水阀本体上部左右两侧分别设有进水口和出水口，阀口设于疏水阀本体出水口侧的下部，双金属片设于疏水阀本体内，双金属片通过杠杆机构带动堵片上下移动实现阀口的开启和关闭，支点位于杠杆机构下部，双金属片受温度影响会发生形变，常温下水平放置，双金属片的上端连接杠杆机构的一端，杠杆机构的另一端下部竖直连接堵片，该堵片位于阀口处。如结构示意图1～3所示。

图2 阀体内杠杆结构示意图2-1.进水口 2-2.螺丝 2-3.杠杆机构 2-4.阀底 2-5.阀口 2-6.出水口 2-7.阀盖

图3 杠杆机构示意图3-1.双金属片 3-2.支点 3-3.堵片 3-4.杠杆

2 工作原理

如图1所示，疏水阀堵汽流程：当水跟蒸汽一起进入疏水阀进水口1-1时，由于温度升高，双金属片1-2发生展开变形，推动杠杆机构1-3左端上行，通过支点1-5，带动杠杆机构1-3右端下行，实现堵片1-6贴紧阀口2-5，阻止蒸汽排放。

疏水阀排汽流程：当疏水阀内水停止排放，由于温度降低，双金属片1-2发生收缩变形，拉动杠杆机构1-3左端下行，通过支点1-5，带动杠杆机构1-3右端上行，带动堵片1-6上行脱离阀口2-5，排除剩余蒸汽。

3 双金属片热变形分析

双金属片作为疏水阀的关键零件，直接决定着疏水阀是否能够实现水、汽的分离排放，其主要工作原理在于受热发生弯曲变形带动堵片实现水、汽的分离排放，分析不同温度下金属片的变形情况是判断疏水阀设计是否合理的关键。

3.1 双金属热变形模型

定义几何参数To是常温状态下的状态，T为所需升高的温度，热金属片1、2的不同热变形情况如图4所示。

图4 双金属片模型1.金属片1(碳钢) 2.金属片2(碳钢)

3.2 双金属热弯曲参数计算

双金属片模型采用是一端固定的形式，其热弯曲变形示意图如图5所示。计算双金属片热弯曲参数，主要包括双金属片热变形弯曲曲率、双金属片各点截面转角、金属片测点的水平位移及双金属片测点的垂直位移，结合杠杆原理，可创建双金属片测点热变形位移-杠杆位移数学模型。

图5 双金属片热变形示意图

(1)

双金属片各点截面转角γ(x)位：

γ(x)=φ(x)

(2)

金属片测点的水平位移fx(x)为：

φ(x)cosφ(x)]

(3)

双金属片测点的垂直位移fx(y)为：

cosφ(x)-1]

(4)

3.3 材料选择

双金属片是由两种不同热膨胀系数的金属片组成，如图6所示。

图6 双金属片不同温度热变形情况

当温度改变时，双金属片受热弯曲变形以达到预定的使用需求，双金属片的使用温度范围应大于疏水阀的工作温度范围，且应保证双金属片的弯曲变形与温度呈线性关系，本文双金属片的材料选用具有良好的耐腐蚀性、热敏感性和机械性能的碳钢[4]。

3.4 双金属片热变形分析

文中利用ANSYS软件分析双金属片在不同温度下的弯曲变形情况，模拟工作温度分别选取100°、200°、300°和400°四档，不同温度下热金属片变形情况如下图所示，四种温度最大变形分别为0.40 m、0.91 m、1.42 m、1.72 m，结果显示，温度越高，双金属片非固定端弯曲变形越明显，最大弯曲变形值与温度呈线性关系，符合设计使用要求。