双金属片式蒸汽疏水阀热双金属元件形状的确定

双金属片式蒸汽疏水阀是通过热双金属元件受热变形后产生热推力Ft以克服介质在阀芯上的作用力Fk来完成启闭动作的。因此该阀设计的实质也就是如何解决在一定温度和压力下使Ft和Fk平衡的问题。

由公式(1)可知Ft=K·E·△t·α，对于已选定的热双金属材料，式中K、E值均是常数，如果元件的形状已经确定则值亦为一定值。因此Ft只是温差△t的函数。用曲线表示如图4。

根据力学原理，介质对阀芯的作用力F是可由公式(2)求得： Fk=A·P (2)

式中：Fk—介质对阀芯的作用力(N)；

A—排水孔的过流面积(mm2)；

P—介质压力(MPa)。

从上式可以看出在阀座排水孔面积A一定的情况下Fk是压力P的函数，与介质温度变化无关。在双金属片蒸汽疏水阀工作过程中，对于每一个压力P则有一个确定的Fk。当蒸汽疏水阀在实际工况条件下工作时，其介质的温度是不断变化的，而压力基本稳定。因此在双金属片蒸汽疏水阀工作过程中，Ft是一个变量而Fk是一个定值。由此可见只要Fk的数值在Ft变化范围内，则总有一Ft值与之平衡。如果仅从双金属片蒸汽疏水阀能否动作的角度来考虑，只要材料选择适当结构尺寸合理采用简单形状的元件即可满足要求。但从节约能源的角度来评价，双金属片蒸汽疏水阀在较大的压力范围内使用，其动作温度即排放凝结水的温度应尽可能地接近蒸汽的饱和温度。

根据蒸汽的热力学特性可得到蒸汽的饱和温度与压力的特性曲线，如图5。从图中可知该曲线为二次曲线而前面所提到的Ft曲线如图4所示为一直线。如果将两条曲线综合到同一坐标系中可得到图6。

从该图中可发现两曲线相差甚远，虽然在某个压力点P上可以找到一个温度t，对应t存在一个Ft与Fk平衡，但这个t值与该压力下蒸汽的饱和温度tb相差太大，而且在蒸汽疏水阀的整个工作压力范围内，排水温度与饱和温度的差值大小不同。如果按以上设想设计该产品，则产品性能将极不稳定，起不到节能的作用。要解决这一问题必须设法改变Ft曲线使之接近饱和蒸汽曲线。而要改变Ft曲线就必须从热金属的体积系数α入手。

根据材料力学原理及该设计的结构，热双金属元件的体积系数α可又下式计算： α=B·S2/L (3)

式中：B—双金属片的宽度，mm；

S—双金属片的厚度，mm；

L—双金属片的长度，mm。

综上所述要使Ft曲线接近饱和蒸汽曲线，可设法使α在疏水阀的工作压力范围内成为一个可变的数值。 根据热双金属片的性质可知，热双金属片在受热时不仅产生纵向弯曲而且产生横向弯曲，并且纵向弯曲的速度大于横向弯曲的速度，随着温度的进一步升高横向弯曲速度逐渐增大而纵向弯曲速度逐渐减小。因此在该设计中利用了这一性质把元件形状设计成几个简单的几何形状的组合，从而使它们分别进入工作状态。这样则将Ft曲线变为几条斜率不等的直线，叠加到一起则成为一条与蒸汽的饱和温度压力曲线相近似的曲线。 经过实验将该阀的双金属片元件设计成为一个多边形，如图7。令其AA=BB>cc，这样元件在工作过程中AA、BB、CC分别进入工作状态。即温度升高时AA、BB首先要进入工作状态，其Ft曲线如图8中的曲线1；当温度继续升高达到一定数值后，CC进入工作状态，此时纵向弯曲速度大于横向弯曲速度，其Ft曲线如图8中的曲线2；当温度进一步升高时，CC边纵向弯曲速度逐渐减小，而横向弯曲速度逐渐增大，于是得到图8中的曲线3。将三条曲线连在一起则得到在整个温度范围内的连续曲线。将其与饱和温度压力曲线相比较见图9。从图中可以看出该阀在工作压力范围内两条曲线基本一致。这样显著提高了该蒸汽疏水阀的工作性能，使之在双金属片冷调整间隙一定的条件下，在各压力点下其排水温度与该压力点下的饱和温度之差基本一致，即过冷度值相同。

此外需要说明一点的是，该热双金属元件的形状中，AA=BB。在以往的双金属片式疏水阀中(如BKl5)，双金属元件的形状均为菱形，即：AA>BB，这样使AA先产生变形BB随后，再是CC纵向、CC横向，从而使图八中的曲线由4段直线组成，但在此设计中改变了AA>BB的设计，这是因为以往的产品使用压力和温度都很低，而这次的设计由于使用压力和温度的提高使疏水阀的Fk增高从而要求Ft也要加大，该设计上的改变使初始Ft加大一倍，有利于蒸汽疏水阀的密封。