蒸汽疏水阀波纹管滞后性研究.pdf

6 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 9， No ． 1， 2 01 1 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 1 0 1 0 0 0 6 0 5 蒸汽疏水阀波纹管滞后性研究 李树勋， 徐登伟 ， 把桥环 兰州理工大学 ， 甘肃兰州7 3 0 0 5 0 摘要 针对波纹管蒸汽疏水阀漏汽率高的问题 ， 基于传热学原理应用波纹管能量方程和内充介质能量方程， 建立了 波纹管热动元件的滞后模型， 设计了相应的实验系统， 进行不同参数下的实验研究。分析结果表明， 波纹管热动元件的 时间常数 ， r 与内充介质的热容和体积成正比， 与本身的表面积及其散热系数成反比。提出了一种中空圆筒形波纹管热 动元件结构 ， 可有效解决波纹管热动元件动作滞后 的问题 ， 为提高波纹管蒸汽疏水 阀的性能提供参考。 关键词 疏水 阀； 波纹管 ； 滞后模型 ； 试验研究 中图分类号 T K 2 6 4 ． 9 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 1 ． 0 1 ． 0 o 2 St u dy o n t he Hy s t e r e s i s o f the The r mo s t at i c Be l l o ws S t e a m Tr a p L I S h u x u n ， X U D e n g w e i ， B A Q i a o h u a n L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e p r o b l e m o f h i g h s t e a m l e a k a g e r a t e f o r t h e t h e r mo s t a t i c b e l l o w s s t e a m t r a p s ． B a s e d o n t h e p ri n c i p l e s o f h e a t t r a n s f e r ，h y s t e r e t i c mo d e l o f t h e t h e r mo s t a t i c b e l l o w s i s s e t u p b y u s i n g t h e b e l l o w s e n e r g y e q u a t i o n a n d t h e s i l t i n g me d i u m e n e r g y e q u a t i o n．Co r r e s p o n d i n g e x pe r i me n t a l s y s t e m i s d e s i g n e d， a n d e xp e rime n t a l s t u d i e s wi t h d i ff e r e n t p a r a me t e r s i s c a r r i e d o u t ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e t i me c o n s t a n t T o f t h e t h e rm o s t a t i c b e l l o w s i s i n d i r e c t p r o p o r t i o n wi t h t h e h e a t c a p a c i t y an d v o l u me o f s i l t i n g me d i u m ，b u t i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o i t s s u p e r f i c i a l a r e a a n d h e a t t r a n s f e r c o e ffic i e n t ．A n e w h o l l o w c i r c u l a r c y l i n d ri c a l s t r u c t u r e w a s d e s i g n e d， t h e h y s t e r e t i c p r o b l e m o f t h e r mo s t a t i c b e l l o w s c a n b e s o l v e d，a n d r e f e r e n c e d for i mp r o v e t h e p e rf o rm a n c e o f t h e rm o s t a t i c b e l l o ws s t e a m t r a p s ． Ke y wo r d s s t e a m t r a p；b e l l o w s ；h y s t e r e t i c mo d e l ；e x p e r i me n t al r e s e a r c h 1 前 言 波纹管疏水 阀是一种热静力式疏水 阀， 广泛 地应用于石油、 化工 、 造纸 、 医药 、 食品等工业蒸汽 设备 、 加热管线、 伴热管线与小型热交换器及供热 采暖管线上 ， 有充分利用热能的优点 ， 特别适用于 蒸汽伴热管线 、 蒸汽采暖等场合 ， 是环保节能型蒸 汽疏水阀 J 。波纹管热动元件作为波纹管疏水 阀启闭的关键部件 ， 其启闭阀门时的速度决定着 波纹管疏水阀动作灵敏度。而灵敏度过高容易引 起管路水击现象 的发生 ， 使管路异常振动甚至破 坏； 灵敏度过低将增大疏水阀的漏汽率， 节能效果 差。可见 ， 有效地控制波纹管疏水 阀动作的灵敏 度 ， 对波纹管疏水 阀性能 的稳定与提高具有重要 的意义 。 波纹管蒸汽疏水阀工作原理的核心是依靠波 纹管热动元件内充相变介质的体积随温度的变化 而变化 ， 国内现有波纹管蒸 汽疏水阀全部是 内充 液体介质型， 由于波纹管与流体接触面积小 、 热量 传递慢等问题 ， 具有一定的滞后性 ， 启闭时间相对 较长 ， 因此 发生水 击 的可能性很小 ， 但是漏汽率 高， 节能效果距离国际先进产品有很大差别， 这就 有必要对疏水阀受控对象温度变化的时间响应问 题进行研究。本文针对现有波纹管蒸汽疏水阀热 动元件存在的问题 ， 基于传热学原理应用波纹管 能量方程和内充介质能量方程， 建立波纹管滞后 收稿 日期 2 0 1 0 0 2 0 8 修稿日期 2 0 1 0 0 32 3 基金项目 甘肃省 自然基金项 目 2 0 0 8 G S 0 0 5 6 1 ； 兰州理工大学优秀青年教师培养计划 资助 Q 2 O I O O 2 2 0 1 1 年第 3 9卷第 1期 流体机械 7 性模型 ， 对波纹管的时间常数进行理论分析 与试 验研究 ， 得 出影响波纹管时间常数 的因素。提出 一 种圆筒形波纹 管结构 ， 可提 高波纹管疏水 阀动 作灵敏度 ， 降低漏汽率 ， 为提高波纹管蒸汽疏水 阀 的性能 ， 开发节能高效波纹管疏水阀提供参考。 2 滞后 模型 2 ． 1 圆柱形 波纹 管热动 元件 滞后 性模 型 波纹管和内充介质组成 了一个双容系统 ， 在 波纹管和内充介质这两个集 总热容系统之 问， 依 靠对流换热传递热量 。现有波纹管结构如 图 1 所 示 ， 其形状近似 为柱状 ， 可近似认 为在感 温 的瞬 间 ， 同一截面均处在同一温度下 ， 波纹管 内感温溶 液感受到的温度 仅是 时间 r的一元 函数 ， 波纹 管热动元件 的温度场模型如图 2所示 。 固定板 内冲 介质 波纹管 图 1 波纹管结构示意 图 2波 纹 管 圆柱 形 传 热 模 型 波纹管内充溶液能量方程 7 1 P， Vr c a rA T b 1 0 “ 7 式中P 波纹管内充溶液密度 ， k g ／ m 波纹管内充溶液体积 ， m 。 c 波纹管内充溶液比热容， J ／ c 【 7 - 传热时间， S 波纹管内充溶液温度 ， ℃ 。 ， 波 纹 管 内 充 溶 液 的 换 热 系 数 ， w／ m ℃ 、 A 波纹管内充溶液与波纹管接触的面 积或波纹管内表面换热面积， m r， 波纹管的温度 ， ℃ 波纹管能量方程 m c -- b Ah o ～ Ⅱ ， A b i r r 一 2 式中m 波纹管质量 ， k g c 波纹管比热容， J ／ k g o C 波纹管温度 ， ℃ 6 1, b 波纹管换热系数 ， W／ m o C A 幻 波纹管外表面换热面积 ， m r， 厂 一波纹管外环境温度 流体温度 ， ℃ 初始条件 I T 0时 ， T o 3 式中 双容系统的初始温度 ， ℃ 由边界条件 7 - 0时， 0 4 利用式 3 、 4 解得此双容系统的温度响应 为 r r 一r o 一 1-[ e x p ， r ～ e x p k 2 T ] 5 1一 I 一 一 e x p c 一 。 p k 2 Tk k ] 6 11 ⋯r ／ J ＼ ／ 式中 ， 、 k 2 齐次方程的两个特征根 一 o ． 5 { 一 c [ c 2 一 】 ㈩ 由于波纹管容器壁的热容量远小于波纹管内 充溶液的热容量 ， 可以忽略不计 ， 则双容系统可简 化为单容系统 ， 故系统的温度响应为 丁 一 ～ T o - e x p{ 一 8 8 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 9， No ． 1， 2 01 1 图4 波纹管圆筒型传热模型 波纹管内充溶液能量方程 P ， V r C 口 ，A 6 n T b T r 口 ， 6 一 O T 1 1 式中A r r 处波纹管内表换热面积 ， m A r r 处波纹 管 内表换 热面积 ， m 波纹管 能量方程 十 a ， A l 十 A 6 一 1 2 式中A 捌r r 。 处波纹管外表换热面积 ， m A b o 2 r ／ 2 处波纹管外表换热面积 ， m a r 处 波 纹 管外 表 换 热 系 数， w／ m ℃ 、 。 rr 2处 波 纹 管 外 表换 热 系 数， W／ m c C 同理可得系统的温度响应即滞后性模型为 T r 一T o 一 1一 e x p { 一 ／ { [ 1 ／ a 6 l A b 1 A 6 2 A 6 D 2 l ／ Ⅱ A 6 。 2 n ， A 6 ] P C ， } } 1 3 由式 1 3 可得 丁 T o [ 1 一e x p 一 r ／ r ] 1 4 r [ 1 ／ 0 6 1 A 1 口 砚 A 6 o 2 1 ／ a r A 6 订 0 A ] P c V r 1 5 式 1 4 即为圆筒形波纹管热动元件的滞后性 模型。由式 1 0 、 1 5 比较分析可知， 当波纹管 填充溶液性质 P ， 、 、 C ， 一定 ， 圆筒形波纹管结构 相对于圆柱形结构 ， 增加 了传热面积， 增大了传热 效率 ， 减小 了时间常数。波纹管热动元件的时间 常数 既取决于波纹管热动元件本身 的特性 ， 又 与波纹管热动元件内充介质的特性有关。时间常 数与内充介质的热容和体积成正 比， 而与它本身 的表面积及其散热系数成反比。 2 ． 3 波纹管刚度对时间常数的影响分析 波纹管时间常数 是假设在没有外力作用 的情况下 ， 忽略了体积膨胀量 ， 基于传热学原理而 推导得出的一个关系式 ， 结合式 1 0 、 1 5 分析 可得 ， 在这种情况下， 波纹管刚度对滞后性的影响 较弱 ， 故不予考虑。若要考虑外力的作用， 则问题 很复杂， 波纹 管刚度对滞后性的影 响将在另文专 题研究 。本文提出的一种中空圆筒型波纹管在原 结构基础上 ， 增加了其传热面积 即图 2中刚性 固 定架的表面积 ， 相对减小了内充介质体积 即刚 性固定架围成的 U形圆筒的体积 ， 波纹管的刚度 不一定改变。因此， 该结构可有效提高波纹管热 动元件的灵敏度 ， 减小时间常数， 从而提高波纹管 蒸汽疏水阀的性能。 3试 验 m A 纠 n 姐 一T b 3 ． 1 试 验原理 2 0 1 1年第 3 9卷第 1 期 流体机械 9 任何有一定质量的物质都需要一定的时间来 改变温度 ， 该 时问的长短与热敏元件的热容量及 表面换热有关 ， 用时间常数 丁 来表达热动元件滞 后的程度 j 。波纹 管热动元件滞后性 的大小决 定着热动 元件的动作 灵敏度。需 要通 过试验研 究 ， 测定时间常数 ， 分析研究影响 因素 ， 采取 有效 的减小滞后， 提高灵敏度。 由波纹管热动元件的滞后性模型式 1 4 可得 e x p 一 三 1 一 1 6 l c l f l 0 两边取对数得 一 - I I n 1一 1 7 1 c l f i 0 当 r 、 0 ． 6 3 2 1 8 m m 一 、 一 一 ， 1|一 l 0 由式 1 8 可知， 当介质温度 由一个温度阶跃 变化到另一个恒定温度 时， 时间常数 等于插入介 质中的波纹管热动元件的温度 达到整个温度变化 范围或介质温度 的6 3 ． 2 ％的瞬时 ， 所经过的时间。 3 ． 2试验 系统的设 计 参考普通热 电偶和热电阻的时间常数 的测试 系统的实验方法 ， 设计波纹管热动元件 的时间常 数试验系统如 图 5所示 ， 由专用夹具 、 千分尺 、 压 缩弹 簧、 导 向套 筒 、 恒 温 油 水 浴 、 波 纹 管 组 成_ 6 ， 。采用恒温油浴控 制温度模拟疏水 阀中的 介质温度 ； 压缩 弹簧模拟疏水 阀中作用于热动元 件 的介质压力和复位弹簧力 ， 调节弹簧压缩量或 更换不同刚度的弹簧模拟不 同的公称通径疏水 阀 的介质压力 ； 夹具模拟疏水 阀阀体来 固定热动元 件 。加热仪器为 C S 5 0 1型超 级恒 温水浴 和 H H s c型超 级恒 温油浴 ， 加 热温度 范 围分 别为 0～ 9 5 ℃和 0～3 0 0 ℃ ， 温度控制分 别精 度为 0 ． 1 ℃和 0 ． 5 ℃。波纹管热 动元件 下端 阀瓣 由导 向套 筒轴向定位 ， 导 向套筒 和千分 尺的外 壳 夹具 固定在一起 ， 波纹管热动元件上端和位移导杆接 触 ， 热动元件 受热膨胀伸 长时 ， 克服 弹簧 力后推 动导杆 向上移动带动千分尺 ， 进 而测 出热动元件 的伸长量。 3 ． 3测 试 方 法 首先将波纹 管热 动元 件插 入恒 温水浴 1中， 待稳定后测得波纹管热动元件伸长量 Ah 值 ； 然 后将热动元件从恒温水浴 1中取 出迅速插入恒温 水浴 2中， 同样 待稳定后测得 ah 值 ； 计 算 h △ 。 一 △ 6 3 ． 2 ％ Ah ； 将热动元件从恒温水 浴 2取 出并迅即插入恒温水浴 1中， 在将热动元 件插入恒温水浴 1的同时计 时， 待 千分尺指针指 到计算结果 时 ， 计时结束 。改变恒温水浴 1 、 恒温 水浴 2的温度设定 ， 重复实验。 图 5 试验装置示意 4 试验结果与讨论 动 元件 相同材料 、 壁厚 的波纹管 ， 表面积不同， 内充 相变介质体积不 同。试 验中， 波纹管元件 1刚度 为 K 3 ． 5 N ／ ra m， 内填充 5 0 ％无水 乙醇 5 0 ％纯 净水 ； 波纹管元件 2刚度为 K 6 ． 1 8 N ／ ra m 内填 充5 0 ％无水乙醇 5 0 ％纯净水 ； 表中 为恒温水浴 1的设定温度 ， 为恒温水浴 2的设定温度 。 表 l 波纹管 I T l 9 O ℃ 。 6 O ℃ 试验次数 Ah l m m Ah 2 mm r S l 1 ． 4 71 0． 2 4 5 3 O． 3 2 2 1 ． 4 50 0． 2 O2 3 O． 6 2 3 1 ． 4 5 0 0． 2 2 5 29． 8 0 4 1 ． 4 4 5 O． 1 98 29． 6 5 5 1 ． 4 57 0． 21 5 30． 2 3 表 2 波纹管 1 T 1 9 0 ℃ ， 7 0 ℃ 试 验次数 Ah l i T l n 1 Jh 2 m m r s 1 1 ． 44 2 0． 58 2 3 0． 8 4 2 1． 43 0 0． 58 2 2 9．1 0 3 1 ． 44 0 0． 5 74 3 0． 3 4 4 1 ． 4 4 0 0． 5 8 0 2 9． 4 2 5 1． 44 2 0． 5 86 2 9． 4 7 1 0 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 9， No ． 1， 2 01 1 对表 1 、 表 2的原始数据进行处理， 得时间常 数分别为 3 0 ． 1 2 4 s 、 2 9 ． 8 3 4 s ， 由此可得波纹管热动 元件 1热动元件时间常数 T 约为 2 9 ． 9 7 ％。 对表 3 、 表 4的原始数据进行处理 ， 得时间常 数分别为 1 6 ． 5 6 8 s 、 1 5 ． 9 1 8 s ， 由此可得波纹管热动 元件 2的热动元件时间常数 约为 1 6 ． 2 4 3 s 。 表 3 波纹管 2 9 0 ℃ ， 6 0 C 试验次数 Ah 1 ra m △h 2 m m 7 ． S 1 1． 0 21 0． 1 4 0 l 8． 2 0 2 1． 0 20 O．1 2 0 1 6． 3 2 3 1． 0 20 O．1 3 0 1 7． 1 O 4 1． 0 25 O．1 5 0 1 5． 3 6 5 1 ． 0 2 2 O ． 1 2 5 l 5 ． 8 6 表 4 波纹管 2 9 0 ℃， 7 0 ％ 试验次数 △ l m m △ 2 m m r S 1 1 ． 02 5 0． 1 45 1 5． 3 2 2 1 ． O2 0 O． 1 02 1 6． 6 2 3 1． 02 6 0． 1 25 l 6． 8 O 4 1． 0 22 0．1 08 1 5． 65 5 1 ． 0 2 0 0．1 1 5 1 5． 2 0 波纹管热动元件 1的内外面积大于波纹管热 动元件 2的， 相应的内充相变介质体积较多， 实验 测得波纹管热动元件 1的 将近是波纹管热动元 件 2的两倍。可见， 在可能的条件下 ， 减小波纹管 几何尺寸可有效减小滞后时间， 提高动作灵敏度。 5结论 数 与内充介质的热容和体积成正 比， 而与它本 身的表面积及其散热系数成反比。 2 波纹管热动元件在可能的条件下， 减小 其几何尺寸， 可有效减小滞后时间 ， 提高动作灵敏 度 ， 最终提高节能水平。 3 提出了一种中空圆筒形波纹管热动元件 结构 ， 可有效解决波纹管热动元件动作滞后 的问 题 ， 增加传热 面积， 提高波纹管热 动元件 的灵敏 度 ， 减小时间常数， 从而提高波纹管蒸汽疏水阀的 性能 ， 为开发节能高效波纹管疏水阀提供参考。 参考文献 [ 1 ] J o e C a r l o n e ．A s t u d y o f s t e a m t r a p t e c b n o l o g l e s[ J ] ． V a l v e M a g a z i n e ， 2 0 0 4 ， 1 6 1 2 8 - 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