PDF《2. 蒸汽疏水阀的功能及其工作原理》

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2. 蒸汽疏水阀的功能及其工作原理 2.1 冷凝水及空气的排除 在蒸汽系统中会产生因蒸汽凝缩而生成的凝缩水及因融入在蒸汽中而存在的空气,此类物质的存在 不仅会带来如下所述的问题而且会造成装置的腐化或是腐蚀等问题,因此必须迅速地从系统中进行排 除.在此与蒸汽共同存在的二氧化碳等非凝缩气体在此均以空气代表进行表示. 1) 热传导效率的降低现象 冷凝水与空气的存在会在换热器传热表面形成覆盖膜而致使换热效率降低. 表2.1 物质的热传导率(例) 如表 2.1 所示为空气,冷凝水,钢及铜的热传导率.表示值越大其热的传导性越好,反之值越小其导 热性越差.由表中我们可以知道铜的热传导率是钢的

8 倍,因此换热器的换热板使用材质的不同会带 来不同的换热效果.但是当空气及冷凝水存在的情况下,所导致的不良效果则不可同喻而比.相对钢 的热传导率相比空气的传导率仅是其 1/2000,冷凝水则是其 1/100.假设有 0.1mm 厚度的冷凝水膜形 成于换热表面时也就相当于钢板的厚度增加了 10.0mm(0.1mm *100) ;

如果是空气在换热表面形成 0.1mm 的空气膜时则相当于钢板的厚度增加了 200mm(0.1mm *2,000) .同时假设该钢板的厚度为 10.0mm, 那么因冷凝水膜的存在而导致其换热效率会下降 50%, 因空气膜的形成则使其换热效率最高下 降95%.换而言之当换热板的材料为铜时,其因冷凝水和空气膜的形成相当于各增加厚度分别为 80mm 和1600mm 这在现实中是不可想象的数值. 因此因空气与冷凝水的存在导致大幅度换热效率的降低可以 通过此例再次得到证实. 2) 加热温度的下降的现象 空气的存在不仅致使传热效率下降同时也会使加热温度降低.此原因可以通过「道尔顿分压定律」来 理解. 其内容是「两种以上不同的气体混合在一起时的其气体的压力等于所占一定体积的各气体的压力 之和」. 举例来说,在压力为 0.4MPa 的蒸汽中混有压力为 0.1MPa 的空气,则此时实际蒸汽的压力将降低为 0.3MPa. 本来需要0.4MPa的饱和温度144℃来进行加热才能满足生产要求而结果却是以0.3MPa的134℃ 饱和温度在进行加热.压力表所显示的压力为 0.4MPa 实际是蒸汽与空气的压力之和,在无法判明的情 况下就会造成产品加工不良的结果. 物质 热传导率(W/m℃) 空气 0.025 冷凝水 0.5 钢50 铜400 ?MIYAWAKI, INC. 3) 水击(水锤)现象 冷凝水残存于系统内的情况下,再次开车(或启动)时会有可能出现具有破坏力的水击现象也称之 为水锤现象的发生.水击现象的其中一种的形成是因高速流动的蒸汽带动滞留的冷凝水共同行进,终 于冷凝水大量汇集形成活塞状在管道弯曲部或是闸阀等安装的地方出现撞击的现象.在发生撞击时发 出撞击音并有可能损坏所安装的阀类及管道. 2.2 蒸汽疏水阀的作用 蒸汽疏水阀是将发生于蒸汽系统中的冷凝水及空气迅速排出的自动装置.蒸汽疏水阀无论其类型如 何都具有排出蒸汽系统内冷凝水及空气的功能.以下将其功能进行详细描述. ① 通气初期(运转开始,暖机时)的冷凝水等的大量排出 蒸汽使用系统中在通气初期必须要在短时间内将低温冷凝水及空气在低压力条件下迅速排出.在 此状况下蒸汽疏水阀内部虽成完全开启状态,但是希望其排出孔越大越好. ② 正常运转时的冷凝水排出 将此时发生的冷凝水迅速排出并在完全排出冷凝水后能够完全关闭,确保无原生蒸汽的泄漏. ③ 「气锁现象」的早期解除 「气锁现象」是指空气等非凝缩性气体存在于蒸汽疏水阀排出孔的周围使冷凝水无法抵达排出孔出 现冷凝水滞留的现象.在「气锁现象」发生时需要迅速将此不良状况解消即需要及时将空气等非凝 缩气体排出于蒸汽系统. 蒸汽疏水阀排出孔的大小通常以上记②的排出量为基准进行设计.但是上记①与③的情况下则需要 排出孔的孔径越大越好.因此一般情况下在蒸汽疏水阀的周边配备旁通阀及排空阀.排空阀是自动将 低温冷凝水及空气排出的阀门在低温情况下开阀并在高温时关闭,通常使用感温元件为双金属片或是 将水或酒精类液体密封在中的胶囊装置.在浮球式蒸汽疏水阀中通常均会安装此类的排空阀. 除以上蒸汽疏水阀所具有的机能之外,为能够避免蒸汽管道内存在的杂质对其造成影响,现在大多 数的蒸汽疏水阀都备有内置过滤网来达到预防目的. ?MIYAWAKI, INC. 2.3 蒸汽疏水阀的分类 蒸汽疏水阀因其内部元件的工作原理共分为机械式蒸汽疏水阀,热静力式蒸汽疏水阀及热动力式蒸 汽疏水阀.并根据其工作原理将其细分化如表 2.2 所示. 表2.2 蒸汽疏水阀的分类 分类 工作原理 主要种类 机械式蒸汽疏水阀 蒸汽与冷凝水的比重差 ?倒吊桶式 ?浮球式 热静力式蒸汽疏水阀 蒸汽与冷凝水的温度差 ?调温式 ?双金属片式 ?膜盒式 ?蜡元件式 热动力式蒸汽疏水阀 蒸汽与冷凝水的流速差 热力学?流体学特性差 ?碟片式 ?冲击式 ?截流孔板式 1) 机械式蒸汽疏水阀 机械式蒸汽疏水阀是利用蒸汽与冷凝水的比重差,通过浮子的浮力进行工作的蒸汽疏水阀,通常使 用密封空心球体和开口式吊桶作为浮子来使用,前者称之为浮球式蒸汽疏水阀,后者称之为吊桶式蒸 汽疏水阀.吊桶式蒸汽疏水阀有向上开口式及向下开口式两种,现在基本上都使用向下开口式也称之 为倒吊桶式. 浮球式蒸汽疏水阀利用冷凝水的流入致使浮子上浮来进行开启,而吊桶式蒸汽疏水阀则利用冷凝水 的流入致使浮子的下沉来进行开启.同时浮球式蒸汽疏水阀中有通过用杠杆与浮子连接控制开启元件 的也有以浮球本身作为开启元件的(也称之为非杠杆式)两种类型. 2) 热静力蒸汽疏水阀 热静力式蒸汽疏水阀是利用蒸汽与冷凝水的温度差,使感温元件进行膨胀或是收缩来控制开启的蒸 汽疏水阀.感温元件通常使用将水或酒精性液体密封在中的胶囊或是双金属片,蜡元件等.冷凝水在 发生时为饱和温度,在此之后伴随着放热,冷凝水的温度将开始下降.冷凝水的温度较饱和温度降低 多少温度时来开启是各热静力式蒸汽疏水阀在设计时所决定的,感温元件所能应对的范围受限因此很 难在非常接近饱和温度时进行开启. 调温式蒸汽疏水阀可事先自由设定排出温度,并且可设定的温度范围较其他热静力式蒸汽疏水阀更 大. ?MIYAWAKI, INC. 3) 热动力式蒸汽疏水阀 热动力式蒸汽疏水阀是利用蒸汽与冷凝水的流速差所产生的流体力学特性与热力学特性来工作的蒸 汽疏水阀.最具代表性的是圆盘式蒸汽疏水阀,在其内部有一枚圆盘式蝶片,碟片上方的空间称之为 变压室,下方为流体压力受压部分.在冷凝水排出的过程中一部分的冷凝水及闪蒸蒸汽充满变压室内, 因其所产生的压力作用于碟片顶部,此压力大于碟片下部所受的蒸汽压力保持关闭状态.伴随着变压 室内的闪蒸蒸汽的散热压力逐渐降低,碟片下部所受压力胜于上部作用压力致使再次开启.这样的重 复循环来确保圆盘式蒸汽疏水阀的开启与关闭. 此类圆盘式蒸汽疏水阀内可动部位仅为

1 枚碟片, 结构简单并且紧凑无安装方式受限并且价格低廉, 是蒸汽疏水阀中最广泛被使用的类型. 但是其开启与关闭时,容易受到外界风雨等气温影响并且工作时噪音大.而且在关闭工作的瞬间或 多或少的会有部分原生蒸汽被排出,在节能特性及对周围环境的影响上存在负面评价. 除圆盘式以外还有一种冲击式热动力式蒸汽疏水阀,其内部设有蒸汽流路利用冷凝水流动时的冲击 力来进行关闭工作. 孔板式虽可以称之为蒸汽疏水阀,但是实际上仅是碟片上开有固定孔径的小孔和称之为闪蒸仓的流 路而已,无法对应冷凝水发生量的变化,在根本上不具有「阻汽排凝」的蒸汽疏水阀基本结构. 2.4 蒸汽疏水阀的工作原理 在这里将各类型蒸汽疏水阀的内部构造及工作原理进行逐一说明. 2.4.1 倒吊桶式蒸汽疏水阀 图2.1 倒吊桶式蒸汽疏水阀 阀座 倒吊桶 过滤网 排空阀(小孔) 阀瓣 ?MIYAWAKI, INC. (1) (2) (3) (4) 图2.2 倒吊桶式蒸汽疏水阀的工作原理 在通气初期低温冷凝水及空气经由下部的过滤网流入蒸汽疏水阀内部,此时位于蒸汽疏水阀上部的 阀瓣机构呈开启状态冷凝水由此被排出.空气则由设置于吊桶顶部排空小孔迅速的被排出 (1).随着 管道的温度逐渐上升冷凝水的温度亦呈上升状态 (2) .在冷凝水之后蒸汽逐渐到达蒸汽疏水阀内部并 充满倒吊桶内于上部停留致使吊桶产生浮力而上浮 (3) .吊桶的上浮带动杠杆机构使阀瓣与阀座结合 进行关闭 (4) .当冷凝水再次流入时一部分蒸汽由排空小孔向外流出一部分,蒸汽因散热成为冷凝水. 吊桶失去浮力下沉致使阀瓣与阀座分离再次呈开启状态排出冷凝水.并按照此循环过程连续工作. 2.4.2 浮球式蒸汽疏水阀(杠杆连接型) 图2.3 浮球式蒸汽疏水阀(双阀座平衡式阀瓣机构) 排空阀 过滤网 浮球 阀座 阀瓣 ?MIYAWAKI, INC. (1) (2) (3) 图2.4 浮球式蒸汽疏水阀的工作状态 在通气初期如图所示位于阀体内上部的排空阀处于全开状态,空气可以由此迅速的被排出.同时 低温冷凝水流入并充满阀体内时球型浮子上浮,浮球的上浮通过杠杆带动阀瓣机构开启将冷凝水排出 (1) .随着冷凝水温度的上升将空气全部排出后的排空阀受热开始关闭.高温冷凝水仅从阀瓣排出机 构被排出.高温冷凝水排出后蒸汽同时抵达蒸汽疏水阀内部(2) .随着冷凝水量的减少与增多球型浮 子跟随上浮与下沉调节阀瓣机构的开度连续将冷凝水排出(3) . 2.4.3 浮球式蒸汽疏水阀(非杠杆式连接型) 图2.5 浮球式蒸汽疏水阀(非杠杆式) 图2.5 所示为非杠杆式蒸汽疏水阀.与杠杆式不同之处为浮球本身为开启和关闭的元件,工作原理 与杠杆式浮球的工作原理近似,在此不在赘述. 排空阀 过滤网 浮球(阀瓣) 阀座 ?MIYAWAKI, INC. 2.4.4 热静力式蒸汽疏水阀 1) 调温式蒸汽疏水阀 图2.6 调温式蒸汽疏水阀 (1) (2) (3) 图2.7 调温式蒸汽疏水阀的工作原理 在通气初期双金属片呈扁平状态,调节杠杆因下部弹簧的作用力保持提升状态.此时阀瓣与阀座完 全分离维持开启状态,低温冷凝水及非凝缩空气等迅速被排出(1) .伴随着冷凝水的温度上升,双金 属片开始弯曲带动调节杠杆向阀座靠近.冷凝水温度逐渐接近排出设定温度时双金属片更加弯曲使阀 瓣与阀座之间呈微开启状态(2) .当达到设定温度时则阀瓣与阀座完全密封结合保持关闭状态(3) . 以后维持(2)的状态或是重复(2)与(3)的工作状态. 弹簧 阀瓣 过滤网 设定温度用调节螺栓 圆盘式双金属片 阀座 ?MIYAWAKI, INC. 2) 膜盒式蒸汽疏水阀 图2.8 膜盒式蒸汽疏水阀 (a) (b) 图2.9 感温元件的内部构造 感温元件如图 2.9 所示为内部密封有水与酒精性液体的胶囊型元件,其饱和温度点较水低.在低温 状态时以液体状态存在 (a) 在高温状态时内部液体受热汽化开始膨胀带动碟片式阀瓣向下方移动 (b) . 温度降低时再恢复为液体状态呈(a)状态.通过此膨胀与收缩来进行开启与关闭. 水与密封液体的饱和温度差在压力变化时也基本维持一定,因此压力的变化不会影响到工作状态. 压力允许范围内无论任何压力下均可确保其在较饱和蒸汽温度低一定程度时开启. 受热状态 热静力元件 水与酒精类液体的混合液 阀瓣(碟片) 感温元件(膜盒) 过滤网 阀瓣 阀座 ?MIYAWAKI, INC. (1) (2) (3) (4) 图2.10 膜盒式蒸汽疏水阀的工作原理 在通气初期膜盒式蒸汽疏水阀呈全开状态,低温冷凝水及非凝缩性空气迅速被排出(1) .伴随着冷 凝水温度的上升,感温元件开始膨胀带动碟片向阀座移动(2) .当冷凝水温度更加上升感温元件内部 的压力亦上升使其进行关闭(3) .因放热而使冷凝水温度下降感温元件内部压力亦下降,使阀瓣离开 阀座呈开启状态(4) .以后重复此开........