形状记忆合金动作元件疏水阀的设计与研究.pdf

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1、2 0 0 1 年第4期 阀 门 文章 编号 ：1 0 0 2 5 8 5 5 ( 2 0 0 1 )0 4 0 0 1 5 0 3 形状记忆 合金动作元件疏水阀的设计与研究 杜兆 年 。郭 惠 曩 。林 韶峰 甘肃 工 业大 学 ，甘 肃兰 州7 3 0 0 5 0 ) 摘 要利 用形状 记忆 合金 的特性设 计 j一种新 型的热静 力式 蒸汽疏 水 阀。本 文论述 7形状 记 忆 合 金 疏 水 阀 的 结 构 原 理 和 动 作 特 性 ， 并 将 其 与 另 一 种 热 静 力 式 蒸汽 疏 水 阀一 双 金 属 片 式疏 水 阀 进 行 了分 析 和 比较 。 关 键 词蒸汽 疏 水

2、 阀 i形 状 记 忆 台金 ；动 作 元 件 中圉 分类 号 ：T I t 1 3 4 文 献 标 识码 ：B St ud y on s t e a m t r a p wi t h s ha pe m e m o r y al l o y DU Zha o ni a n。 GU0 Hu i x i a LI N Sha o - f e ng ( Ga n s u Un i v e r s i t y o f Te c h n o l g y ，L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ，CNn a ) Ab s t r a c t ： A n e w t y p e o f t

3、h e r mo s t a t i c s t e a m t r a p i s d e s i g n e d wi t h s h a p e me mo r y a l l o y ( S MA) Th e s t r u c t u r e a n d a c t i n g p r o p e r t i e s o f t h e S MA s t e a m t r a p a r e d e s c r i b e di nt h i s p a p e r ， a n d i t h a s b e e n a n a l y z e d a n d c o mp a r

4、 e d t he a c t i n g p r o p e r t i e s o f t h e S MA a c t u a t o r wi t h t h e b i me t a l l i c s t r i p a c t u a t o r wh i c h i s u s e d a n ot h e r t y pe o f t h e rm o s t a t i c s t e a m t r a p Ke y wor ds ： s t e a m t r a p； SM A ； a c t u at o r 1 引 亩 蒸汽疏 水 阀又称 阻汽排 水 阀其 作用是

5、在 蒸 汽加热设备 或蒸汽管 网上 ， 自动排放 不断产 生的凝结 水，并 阻止蒸 汽 随水排 出。蒸汽疏 水 阀是各工 业部 门的工艺 设备 和蒸汽 管 网中必 不 可少 的装 置，其性 能的优劣 ，对于 系统 的正 常 运行 设备 热 效 率 的提 高 能 源 的 充 分 利 用 等 ，都有重 要作 用 。 疏 水 阀的型 式很多 ，一般按 动作方 式的 不 同可分 为 3类 。 对液面 高度 敏 感 的 ，如 机 械 型疏 水 阀。 它是 利用蒸 汽和凝结水 之 间的密度差 即利用 凝结 水液位 的高低来实 现 阀门的启 闭。属于这 种类 型的疏 水阀，有浮 桶式 、钟形浮子 式和 浮

6、球式 等。 对 流 体 性 质 敏 感 的 ，如 热 动 力 型 疏 水 阀。它是利用 相变 原理， 即利用蒸 汽和凝结水 热 动力 学特性 的不 同实现 阀 门的 启闭 。属于这 种类型 的疏水 阀 ，有 孔板式 、脉冲 式和热动力 式等。 对 流 体 温 度 敏 感 的 ，如 热 静 力 式 疏 水 阀。它是利用 蒸汽 和凝结 水之 间的温度 差通过 热 敏元 件 的变形 来工 作 的。屑 于这 种类型 的疏 水 阀，有双金属 式 、波纹管 式 、膜 盒式和 隔膜 式等 。 本 文论述 利用形状 记忆台 金材 料的特性开 发 的一种新型 的热静 力式疏 水阀 ，利用其对 温 度 的 “ 记

7、忆 ”能力 ，及时有 效地开 启或关 闭疏 水 阀阀瓣 ，动作迅速 ，可靠 ，为热 静力式疏水 阀产 品的换代 提供 了一种新 的选择 。 2原理和 结构 2 1 形 状 记忆合 金的主 要特性 作者简介：杜兆年( 1 9 3 6 一) ，男，甘肃工业太学教授，主要从事阀门和密封技术的教学和 科研工作 维普资讯 http:/ VALVE DESIGN QQ：40444436 VALVE DESIGN QQ群号：40444436 阀 门 2 0 0 1 年第 4 期 形状记 忆 合 金( S MA)是 一种 新 型 功 能 性金属 材料 ，它是在 马 氏体相变 巾发现 的。通 常把马 氏体相 变

8、 的 高 温 相 称 做 母 相( A) ，低 温相 称做 马 氏体相( M) 从母 相 到 马 氏体 相 的相 变称马 氏体正 相变 ，而从 马 氏体到母 相 的 相变 称做马 氏体 逆相变 。一般将 冷却过程 中马 氏体相 变开 始 的温 度记 作 M ，终 了温 度记 作 M 。在加 热 过 程 中，将 马 氏体 逆相 变 开 始 温 度记 作 ，终 了温 度记 作 Af 。 形状记忆合金 的基本 特征是具 有形状记 忆 效应( S ME ) ，也称 回复效 应 ，指 将 这种 材 料 制成 的元 件 在 高 温定 形 后 在 某 个 确 定 温 度 ( M。 ) 以下 加 以 变 形

9、，若 再 加 热 到 一 定 温 度 ( )以 上， 由于发 生 热 弹 性 马 氏 体 逆 相 变 ， 它将 自行 恢复原来 的形状 ，仿佛“ 记 住” 了高 温状 态所赋予的形 状 ，这 种性 能称 为单程形 状 记忆 。若 材 料经特 殊 的“ 训 练 ” ，能够 重 复 地 “ 记 住”高 温状 态 和低 温 状 态 的 2种 形 状 ，则 称 为双程形 状记忆 。若合 金元件在 实现双程 记 忆 的同时，继续冷 却到更 低温度 ，可 出现 与 高温 时完 全相 反 的形 状 ，称 为全 程形 状 记 忆。 3种形 状 记 忆 的特 征 如 图 1所 示。 在 恢 复 到 ” 被 记忆

10、 ”形 状 的过程 中，元 件将 产 生较 大 的 变形恢复力，并对外做功，这一特点可被用来 实现 驱动 功 能。 圈 l 三种 类型 形 状记 忆 效 应 2 2 形状记忆合金感温驱动元件结构设计与 驱 动特性 在疏 水阎设计 中，用形状记 忆合金制 作的 动作元 件采用螺 旋弹簧组 成的偏 压式组合 的形 式 如 图 2所示 。 它是将具 有单程记 忆效应 的记忆 合金制 成螺 一 1 彤 杖 记 忆 弹 簧2 偏 动 弹 簧 图 2 偏 压 式组 合元 件 旋弹簧，并 和一 个 普 通 压缩 弹簧 组 合 在一 起， 处于 对压状 态 。在 M 温度 以下 ， 由于偏 压簧 的弹性作 用

11、，形 状记忆 合金弹簧 处于被压 缩状 态。当温度上 升到 以 上 时 ，形状 记 忆 合金 弹簧将 迅 速 伸 长 ，井 产 生 足 够 大 的形 状恢 复 力 ，使偏压 弹簧压 缩， 同时对外旖力 。反复升 温和 降温 ，可实现双 程动作 特性。这 种组合结 构形式 的优点 是 结构 简单 ，变 形量大 ，成本较 低 ，动作 可靠 。 2 3 形状 记 忆 合金 疏水 阀 的结 构设 计和工 作 原 理 形状记 忆合金 疏水 阀的结构 ( 图 3 ) 1 偏 压 弹 簧2 记 忆 弹 簧3 嘲 瓣 圉 3 形 状 记忆 合 金疏 水 阔结 构 动作 部分主要 由记忆合 金螺旋 弹簧 、偏压

12、 弹 簧和 阀瓣 组 成 。记 忆合 金 弹 簧 是 用 相 变 点 稍低 于工作 压力下蒸 汽饱和 温度的 Ni 形 状记忆合 金簧丝 绕制而成 。偏压弹 簧为普通 压 缩弹簧选取时要考虑其性能参数与记忆合金 弹 簧的 匹配 。有 关 记忆合金 弹簧 的参 数确定及 其 与偏压弹 簧 的匹配 问题我 们 已经进 行 了专项 维普资讯 http:/ VALVE DESIGN QQ：40444436 VALVE DESIGN QQ群号：40444436 2 0 0 1 年第 4期 阀 门 的理论与实践研究，并进行了样机试验，对此 将 在另文 中专题 论述。该 疏水 阀还设置 了调 整 机 构，当

13、需 要改变凝结 水排放 温度或 改变形状 记忆合 金恢 复力时 ，可 以调整 偏压弹簧 上部 的 调节螺 栓。 形 状记忆 合金疏 水 阀的工作原理 当阀腔 内积 存凝结 水且 温度 已降至形 状记 忆台金 的 “ 记忆 温 度 ” M 以 下 时，记 忆弹 簧 的弹性 降低 阀瓣 在介质( 凝结 水 )压力及 偏 压弹 簧作 用 力 的共 同作 用 下 开 启 ，排 放 凝 结 水 ，同时形状记 忆台 金弹 簧被 压缩。 当系统 中 冷凝承 排放 完毕 ，蒸 汽 ( 或高 于 相 变 点 温 度 的凝 结水 )进 入阀腔 时 ，形状 记忆合 金弹簧 将恢 复其母相形 状 ，即迅 速产 生伸长

14、变形 ，并 产 生足 够大 的恢 复力使 阀瓣 关 闭， 同时压 缩偏 压弹簧 。只要 阀腔 内介 质 的 温度 高 于 M 阀 门将 始终 保 持 关 闭状 态 。 当凝 结 水 温 度 降至 M 以下 时 阀瓣将再 次被开 启，排 放 凝结水 ， 如此反 复循环 。 在 电热蒸汽 发生装置 上进行 的动 作试 验表 明当凝结 水降至一定 温度 ，疏 水 阀立 即开启 排水 。当凝结水 排放完毕 ，有蒸 汽逸出时 ，疏 水 阔迅速 关 f j j 没有滞后 现象 ，有 效实现 了阻 汽 排水功能 。 2 4形状记 忆 台金 疏 水 阀与 双 金属 片 式疏 水 阀 的 比较 同属 于热静 力

15、式 疏水 阀的双金属 片式疏水 阀，其 动作元件是 由两种 温度膨胀 系数相差 很 大 的金属 材料复合 而成 ，利用 蒸汽及 凝结水 的 温度不同，使双金属片产生翘 曲，以此驱动阀 瓣 的启闭 与 双金属 片动作元件 相 比较 ，形 状记忆台 金动作元 件有下 列优 点 。 外形尺寸相 同的 2种元 件 ，形状 记忆台 金挠曲变化幅度大 ( 形状记忆台金弹簧在相变 电附近 可 以产 生很 大 的变 形量 ) ， 因而可 以使 疏水 阀外形尺 寸减 小，并 可实现大 排量 。 双金属 片动 作 时的作用力较 小 ，常需要 采用 多层复合 或通过 杠杆机 构来获得 较大 的作 用力 ，而相 比之

16、 下 形状 记 忆 台 金 的恢 复 力 较 大 可 以直接 用来 驱动 阀瓣启 闭。 较之双 金属 元件 ，形 状记忆 台金元 件在 确定的温度 下 ( 实 际是 在很 小 的温 度 区间 内 ) 产生变形 且变 形迅速 剧烈 ，可 以有效 地 防止 蒸 汽泄 漏，而 双金属 片是 随温度 的变 化逐步改 变 其变形量 ，故容 易泄漏 。 3结论 由上 述分析 可 见，集温 度的感 知与阀瓣的 驱动于一 体，是 形状记 忆台金 动作 元件 最有魅 力之处 。总的来 说形状 记忆台金 疏水 阀具 有以 下特 。 结构 简 单紧凑 ，外形尺 寸小 。 变形 量 和恢复 力较大 ，动作可靠 。 可

17、 以 自动 排放管 路 中的不凝性气体 。 可 以实现 较大 的过冷度 ，因而可 充分 利 用 凝 结 水 的 显 热 。 通过检 索 ， 尚未发现 国内外 有 同类产 品的 报道 。 因此 ，形状记 忆合 金疏水 阀的研制 ，对 于 热静力式 疏水 阀 的新 产品开发 ，解决用 户面 临的高压力 、大 排量等 高参 数 的疏水 问题 ，节 能增效 ，均有 良好的前 景。 参考文献 扬杰，吴月华形状记忆台金 及其 应用： M 台肥 中国科学技术大学 出版社，1 9 9 3 2 蒋兴 可蒸汽 疏水 阀 M 北 京 ：纺织 工业 出 版社 1 9 8 6 3 拓源泉 阿门设计手册 M： 北京 ：机械工业 出版 社 1 9 9 2 4 杜兆年萼 形状记 忆台盎 应用阻汽捧水装置时热动力 学研究 R 甘肃省科学拄术委员会，1 9 9 9 ( 收 槁 日期 c 2 0 8 1 0 4 2 4 ) 欢 迎 投 稿 欢 迎 订 阅 欢 迎 刊 登 广 告 维普资讯 http:/ VALVE DESIGN QQ：40444436 VALVE DESIGN QQ群号：40444436