一種新型片狀式蒸汽疏水閥結構設計分析*

張曉玲, 何彥虎, 劉 劍

(湖州職業技術學院 機電與汽車工程學院，湖州 313000)

0 引 言

疏水閥又名阻汽排水閥，主要應用于蒸汽供熱系統中，作用是排除設備中的冷凝水、空氣及其他不可凝結的氣體，浮球式蒸汽疏水閥是目前結構最先進，設計最合理的疏水閥之一，它的主要特點包括結構簡單(只有一個活動零件)、壽命長、熱效率高(它能排除接近飽和蒸汽溫度的凝結水)、排量大(它能做到連續排除凝結水)、維修方便等[1]。浮球式蒸汽疏水閥主要分為自由浮球式疏水閥和杠桿浮球式疏水閥兩種，浮球式疏水閥的工作原理主要是依靠浮球的升降來實現疏水的作用，所以對浮球的質量、精度、使用壽命有較高的設計要求[2]，目前浮球式疏水閥在使用過程中仍存在一些問題，例如大多浮球式疏水閥在使用過程中排水與排蒸氣沒有得到有效的分離控制，導致蒸汽大量無節制排放，既不節能也不環保，工作中浮球一直跳動，易導致浮球摩擦受損等[3]。筆者針對浮球式蒸汽疏水閥蒸汽泄露嚴重、浮球損壞嚴重問題，根據杠桿原理、雙金屬片熱變形原理，設計了一種新型片狀式蒸汽疏水閥，基于內部雙金屬片熱變形特性與杠桿結構特性，實現疏水過程中水、汽分離排放的作用，與常用的浮球式蒸汽疏水發相比，不僅可以簡化結構，還可以延長其使用壽命。

1 蒸汽疏水閥結構設計

新型片狀式型蒸汽疏水閥結構設計，如圖1所示，其特征在于：它包括進水口、雙金屬片、杠桿機構、堵片、出水口、閥蓋、閥口和支點。

圖1 閥體整體結構示意圖1-1.進水口 1-2.雙金屬片 1-3.杠桿機構 1-4.出水口 1-5.支點 1-6.堵片

閥蓋位于疏水閥本體的頂部，疏水閥本體上部左右兩側分別設有進水口和出水口，閥口設于疏水閥本體出水口側的下部，雙金屬片設于疏水閥本體內，雙金屬片通過杠桿機構帶動堵片上下移動實現閥口的開啟和關閉，支點位于杠桿機構下部，雙金屬片受溫度影響會發生形變，常溫下水平放置，雙金屬片的上端連接杠桿機構的一端，杠桿機構的另一端下部豎直連接堵片，該堵片位于閥口處。如結構示意圖1～3所示。

圖2 閥體內杠桿結構示意圖2-1.進水口 2-2.螺絲 2-3.杠桿機構 2-4.閥底 2-5.閥口 2-6.出水口 2-7.閥蓋

圖3 杠桿機構示意圖3-1.雙金屬片 3-2.支點 3-3.堵片 3-4.杠桿

2 工作原理

如圖1所示，疏水閥堵汽流程：當水跟蒸汽一起進入疏水閥進水口1-1時，由于溫度升高，雙金屬片1-2發生展開變形，推動杠桿機構1-3左端上行，通過支點1-5，帶動杠桿機構1-3右端下行，實現堵片1-6貼緊閥口2-5，阻止蒸汽排放。

疏水閥排汽流程：當疏水閥內水停止排放，由于溫度降低，雙金屬片1-2發生收縮變形，拉動杠桿機構1-3左端下行，通過支點1-5，帶動杠桿機構1-3右端上行，帶動堵片1-6上行脫離閥口2-5，排除剩余蒸汽。

3 雙金屬片熱變形分析

雙金屬片作為疏水閥的關鍵零件，直接決定著疏水閥是否能夠實現水、汽的分離排放，其主要工作原理在于受熱發生彎曲變形帶動堵片實現水、汽的分離排放，分析不同溫度下金屬片的變形情況是判斷疏水閥設計是否合理的關鍵。

3.1 雙金屬熱變形模型

定義幾何參數To是常溫狀態下的狀態，T為所需升高的溫度，熱金屬片1、2的不同熱變形情況如圖4所示。

圖4 雙金屬片模型1.金屬片1(碳鋼) 2.金屬片2(碳鋼)

3.2 雙金屬熱彎曲參數計算

雙金屬片模型采用是一端固定的形式，其熱彎曲變形示意圖如圖5所示。計算雙金屬片熱彎曲參數，主要包括雙金屬片熱變形彎曲曲率、雙金屬片各點截面轉角、金屬片測點的水平位移及雙金屬片測點的垂直位移，結合杠桿原理，可創建雙金屬片測點熱變形位移-杠桿位移數學模型。

圖5 雙金屬片熱變形示意圖

(1)

雙金屬片各點截面轉角γ(x)位：

γ(x)=φ(x)

(2)

金屬片測點的水平位移fx(x)為：

φ(x)cosφ(x)]

(3)

雙金屬片測點的垂直位移fx(y)為：

cosφ(x)-1]

(4)

3.3 材料選擇

雙金屬片是由兩種不同熱膨脹系數的金屬片組成，如圖6所示。

圖6 雙金屬片不同溫度熱變形情況

當溫度改變時，雙金屬片受熱彎曲變形以達到預定的使用需求，雙金屬片的使用溫度范圍應大于疏水閥的工作溫度范圍，且應保證雙金屬片的彎曲變形與溫度呈線性關系，本文雙金屬片的材料選用具有良好的耐腐蝕性、熱敏感性和機械性能的碳鋼[4]。

3.4 雙金屬片熱變形分析

文中利用ANSYS軟件分析雙金屬片在不同溫度下的彎曲變形情況，模擬工作溫度分別選取100°、200°、300°和400°四檔，不同溫度下熱金屬片變形情況如下圖所示，四種溫度最大變形分別為0.40 m、0.91 m、1.42 m、1.72 m，結果顯示，溫度越高，雙金屬片非固定端彎曲變形越明顯，最大彎曲變形值與溫度呈線性關系，符合設計使用要求。

4 創新點

新型片狀式蒸汽疏水閥相比于普通的浮球式蒸疏水閥結構簡單，通過金屬片熱變形帶動杠桿機構及堵片實現水、汽的分離排放，節能減排又環保；一改浮球磨損嚴重問題，一定程度上增加了疏水閥的使用壽命，降低其使用成本。

5 結 語

基于杠桿原理、雙金屬片熱變形原理，設計了一種新型片狀式蒸汽疏水閥，實現了疏水過程中水、汽的分離排放，一定程度上避免了蒸汽外泄嚴重問題，即節能又環保。

運用有限元分析法對雙金屬片受熱變形過程進行模擬分析，模擬結果表明，雙金屬片受熱彎曲變形與溫度呈線性關系，溫度越高，變形越明顯，符合設計使用需求。

新型片狀式蒸汽疏水閥一定程度上解決了目前浮球式蒸汽疏水閥蒸汽泄露嚴重、浮球損壞嚴重問題，結構簡單，可供后續疏水閥的設計研究提供一定的參考。