专利名称：一种低压控制阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及阀门领域，尤其是一种用于真空相变锅炉、加热炉及微压相变锅炉、加热炉的低压控制阀，也称真空压力控制器。
背景技术：
相关标准规定，真空相变锅炉(加热炉)的锅内介质蒸气额定工作表压力必须在≤0MPa压力范围内，微压相变锅炉(加热炉)的锅内介质蒸气额定工作表压力必须在≤0.1MPa压力范围内。
但是，在相变锅炉(加热炉)运行过程中，往往不可避免的会由于种种原因，造成锅内介质吸收燃料燃烧热量气化的速度大于冷凝换热面内工质吸收锅内介质蒸气冷凝放热的速度，导致锅内压力的升高，甚至很容易就达到超过允许工作压力范围的程度。
由于真空或微压相变锅炉(加热炉)设计计算的承压能力很低，甚至根本不允许承压运行，所以，在锅内介质蒸气压力超过允许工作压力时，低压控制阀必须尽快起跳并大量排气以泄放压力，否则将会因超压而导致爆炸的危险。因此，必须严格控制锅内介质蒸气表压力允许升高的范围，才能确保安全运行，而控制压力升高范围的方法就是找出允许压力与最小排气口径之间的关系，也就是低压控制阀的起跳压力和通径大小必须设计在一个合理的范围。
发明内容
本发明就是鉴于上述情况而作出的，目的是提供一种指标，根据该指标设计一种低压控制阀，其起跳压力和通径大小在一个合理的范围，可以有效控制真空或微压相变锅炉(加热炉)内介质蒸气表压力范围，保证没备安全运行。
本发明的一种技术方案是一种低压控制阀，密封面在下、阀芯在上，正向导通、反向密封，如将低压控制阀起跳压力设为p，通径设为Dn，则p≤0.15MPa，Dn≥50mm。
本发明的第二种技术方案是一种低压控制阀，密封面在下、阀芯在上，正向导通、反向密封，如将低压控制阀起跳压力设为p，通径设为Dn，则p≤0.05MPa，Dn≥50mm。
本发明的两个技术方案应用于不同类型相变炉的低压控制阀。
按照这样的设计，本发明的低压控制阀的一种实施方案是阀芯依靠重力落下并关闭，如将阀芯重量设为W，单位为kg，则W≤0.08pDn2。
按照这样的设计，本发明的低压控制阀的另一种实施方案是阀芯依靠弹簧弹力落下并关闭，如将弹簧刚度设为k，单位为N/mm，阀芯关闭时弹簧预紧压缩量设为L，单位为mm，则k≤(0.2-p)πDn，L＝Dnp/(0.8-4p)。
另外，在以上的设计中，所述阀芯与密封面的接触面为球面、锥面或平面；所述密封面为球面、锥面或平面。
根据本发明，额定工作压力为零的真空相变锅炉(加热炉)低压控制阀最高起跳压力应不超过0.05MPa，额定工作压力0.1MPa微压相变锅炉(加热炉)低压控制阀起跳压力应不超过0.15MPa。相对应，低压控制阀的通径不小于50mm时，蒸汽排放面积满足不同介质的真空和微压相变炉使用。
图1、图2、图3、图4为不同通径大小下质量流量G(kg/h)和开启压力P(MPa)间试验数据回归关系曲线图；图5、图6、图7、图8为本发明阀芯为依靠重力落下并关闭的不同接触面和密封面的的结构示意图。
图9、图10、图11、图12为本发明阀芯为依靠重力落下并关闭的不同接触面和密封面的的结构示意图。
具体实施例方式
锅炉或加热炉的承压部件都为圆筒形。根据标准给出的圆筒形部件承受内压力的强度计算公式s＝PD/(2σ-P)，式中s为筒体壁厚(mm)，P为筒体内压力(MPa)，D为筒体直径(mm)，σ为材料基本许用应力(MPa)。对于一定的材料，可认为σ为常数。公式变换后可得P(D/s+1)＝2σ，可视为常数。设筒体壁厚变化Δs引起筒体承压能力的变化ΔP，则有P(D/s+1)＝(P+ΔP)[D/(s+Δs)+1]＝2σ，化简得ΔP(1+s/D+Δs/D)＝PΔs/s。标准允许Δs的最大变化量1mm左右，对于锅炉和加热炉的锅筒或锅壳，有Δs＜＜s＜＜D，则上式可化简为ΔP/P≈Δs/s，Δs/s数量级在10-1，ΔP/P的数量级也应在10-1，即可认为ΔP/P≈0.1。标准规定微压相变炉的强度计算压力0.3MPa，强度计算的安全系数不小于1.5，因此可取P＝3×1.5＝0.45MPa，则可得在ΔP≈0.1P＝0.1×0.45MPa≈0.05MPa数量级。即允许压力波动安全范围在0.05MPa以内。该值合理性在于对于真空相变炉，若允许波动压力范围过低，则锅炉内外压差太小，将造成低压控制阀通道直径太大，甚至无法实现；如果允许波动的压力范围过高，不但会造成锅炉工作状态偏离额定状态太多，而且甚至会造成超压爆炸的危险。故，可按额定压力加0.05MPa作为低压控制阀的起跳泄压压力。
因此，额定工作压力为零的真空相变锅炉(加热炉)低压控制阀最高起跳压力应不超过0.05MPa，额定工作压力0.1MPa微压相变锅炉(加热炉)低压控制阀起跳压力应不超过0.15MPa。
另外，经对常用D＝1500mm直径锅筒在各种壁厚下的应力测试试验分析可知，以p＝0.3MPa为基准压力，最大压力偏差在0.05MPa时，壳体的周向应力偏差在14％～17％之间，能够绝对保证在安全系数的允许范围之内，若再大，很可能会因材料性能的不均匀而影响安全性。试验数据见下表。
图1为Dn＝50mm的低压控制阀排放蒸汽时，质量流量G(kg/h)和开启压力p(MPa)间试验数据回归关系曲线，回归关系式为G≈0.47×104(p+0.1)。
图2为Dn＝100mm的低压控制阀排放蒸汽时，质量流量G(kg/h)和开启压力p(MPa)间的试验数据回归关系曲线，回归关系式为G≈1.95×104(p+0.1)。
图3为Dn＝125mm的低压控制阀排放蒸汽时，质量流量G(kg/h)和开启压力p(MPa)间的试验数据回归关系曲线，回归关系式为G≈3.09×104(p+0.1)。
图4为Dn＝150mm的低压控制阀排放蒸汽时，质量流量G(kg/h)和开启压力P(MPa)间的试验数据回归关系曲线，回归关系式为G≈4.48×104(P+0.1)。
将低压控制阀通径D以符号代入上述各回归式后，可得低压控制阀排放蒸汽时的质量流量G(kg/h)和通径Dn(mm)、开启压力p(MPa)之间，有如下关系式G≈1.9D2(p+0.1)即D2≈0.54G/(p+0.1)常见最小规格的锅炉额定热功率为0.35MW，在真空相变锅炉的起跳压力p＝0.05MPa表压力下，水蒸气的汽化潜热r＝2226kJ/kg，折算当量蒸发量G＝570kg/h。小于0.35MW的锅炉很少使用。
对于水介质真空相变锅炉，将折算当量蒸发量G＝570kg/h和低压控制阀的最高起跳压力P≤0.05MPa代入D2≈0.54G/(P+0.1)得D≥45.3mm，即需要口径不小于45.3mm的排放截面积。该截面积的控制器如果用于额定热功率0.35MW、额定工作压力0.1MPa的水介质微压相变锅炉，将控制器的最高起跳压力P≤0.15MPa和D＝45.3mm代入G≈1.9D2(p+0.1)得排放量G＝970kg/h；排放压力p＝0.15MPa时水蒸气的汽化潜热r＝2181kJ/kg，970kg/h蒸发量相当于热功率0.59MW，大于额定热功率0.35MW。即直径45.3mm控制器的排放面积可以同时满足额定热功率0.35MW的水介质真空和微压相变炉使用。由于直径不小于45.3mm管子的最小规格为公称直径Dn50，故对于水介质真空或微压相变锅炉，常用最小规格的低压控制阀通径Dn≥50mm。
对于一台额定热功率大于0.35MW(如0.7MW)的水介质真空或微压相变锅炉(加热炉)，可装两只Dn50；但对于更大规格的水介质真空或微压相变锅炉或加热炉(如2.8MW)，如果装3～4只以上甚至更多的Dn50规格的低压控制阀的话，将带来布置困难、管路复杂、调整不便、故障率增加等一系列问题，显然不合理。因此，对于大量使用的热功率大于1.4MW的锅炉或加热炉，低压控制阀的规格肯定要大于Dn50；对于很少使用的0.35MW及其以下锅炉或加热炉，用一只Dn50规格的即可满足需要。
对于有机介质真空和微压相变锅炉(加热炉)，虽然有机介质蒸气的比容比水小，一般为水的1/3～1/5左右，但气化潜热只有水的1/10左右，需要的低压控制阀的排放截面积和通径更大。
对于一定的控制器，两个排放状态之间，如果阀芯的起跳高度变化不大，则控制器的阻力系数ζ变化也不大，当锅内介质绝对压力为p(MPa)、管内流速为w(m/s)、介质密度为ρ(kg/m3)时，根据p＝ζρw2/2得ζ＝2v(p-0.1)×106/w2，且与蒸气性质无关，即ρ2(p1-0.1)/[ρ1(p2-0.1)]＝w12/w22；当压力状态相同时，ρ2/ρ1＝w12/w22。
如果低压控制阀排放密度为ρ1(kg/m3)的水蒸气时质量流量为G1(kg/s)，排放密度为ρ2(kg/m3)、气化潜热为r2(kJ/kg)的有机或无机介质蒸气时质量流量为G2(kg/s)，有机介质炉的热功率为Q2(kW)，流通截面积A(m2)与流速w(m/s)的关系为w＝G/(ρA)，在压力状态相同时，则有如下关系式G12/G22＝ρ1/ρ2，或G2＝G1(ρ2/ρ1)0.5，或Q2＝G1r2(ρ2/ρ1)0.5取最大值(计算结果为最保守)ρ2/ρ1＝v1/v2＝5，则Q2＝2.24G1r2加热炉的最小规格为Q2＝100kW，用最小值(计算结果为最保守)r2≈250kJ/kg的有机介质作为锅内中间介质时，代入G1＝0.45Q2/r2可知需要装设的低压控制阀的排放能力要相当于排放水蒸气时G1＝0.18kg/s＝650t/h的排放量，代入D2≈0.54G/(P+0.1)可知对于低压控制阀最高起跳压力P≤0.05MPa有机介质真空相变加热炉(锅炉)，低压控制阀D≥48mm，核算用于额定压力0.1MPa微压相变炉时排放能力相当于热功率170kW。即直径48mm控制器的排放面积可以同时满足额定热功率100kW的有机介质真空和微压相变炉使用。由于直径不小于48mm管子最小规格为公称直径Dn50，故对于有机介质真空或微压相变加热炉，常用最小规格低压控制阀通径Dn≥50mm。
实施例一如图5、6所示，设计一台低压控制阀，阀芯为一上下可自由移动的实心球，用于一台当量蒸发量为G(kg/h)的水介质相变锅炉的真空压力控制。
假设阀芯起跳时锅内介质蒸气表压力为p(MPa)，控制器通径为Dn(mm)，取重力加速度g＝9.8m/s2。则
阀芯(实心球)重量W(kg)，重力gW＝9.8W(N)；阀芯起跳时受到开启力F=π4Dn2×10-6×(p×106)=0.25πpDn2(N);]]>阀芯起跳时，应F≥gW，即0.25πpDn2≥9.8W，即W≤0.08pDn2对于水介质，根据Dn2≈0.54G/(p+0.1)，代入上式得W≤0.04pG/(p+0.1)对于水介质真空相变炉，阀芯起跳压力p≤0.05MPa，则阀芯重量为W≤0.013G；对于额定工作压力为0.1MPa的水介质微压相变炉，阀芯起跳压力应即p≤0.15MPa，则阀芯重量为W≤0.024G例如一台相当于0.5t/h的水介质真空相变炉，当装一台低压控制阀时，阀芯重量W≤6.5kg；一台相当于0.5t/h工作压力为0.1MPa的水介质微压相变炉，当装一台低压控制阀时，阀芯重量W≤12.0kg。
图7、8所示的结构，也可适用于以上的实施例。图5、6、7、8示出了不同接触面、密封面的结构，他们的组合同样适用于以上实施例。
实施例二如图9、10所示，设计一台低压控制阀，阀芯为一带导向杆的球冠、上下可自由移动导向杆上装有加力弹簧，用于一台当量蒸发量为G(kg/h)的水介质相变加热炉的真空压力控制。
忽略阀芯自重，取重力加速度g＝9.8m/s2，设阀芯起跳时弹簧弹力为w(kg)，阀芯受到锅内介质蒸汽表压力为p(MPa)，控制器通径为Dn(mm)。阀芯起跳达到最大高度h＝Dn/4时，锅内介质蒸气表压力达到最大承压能力pm＝0.2MPa(相关标准规定值)；弹簧刚度k(N/mm)，弹簧在任一位置的压缩量L(mm)，则任一位置的弹力(N)为f＝kL。
根据实施例一可知
阀芯起跳时弹力(N)为f＝kL1＝w≤πpDn2/4；阀芯起跳到最大高度时弹力(N)为f＝kL2＝πpDn2/4+kDn/4≤πpmDn2/4。即kDn/4≤πpmDn2/4-πpDn2/4，得弹簧刚度(N/mm)为k≤π(pm-p)Dn＝(0.2-p)πDn阀门关闭时弹簧压缩量(mm)为L1＝f/k＝(πpDn2/4)/[(0.2-p)πDn]＝Dnp/(0.8-4p)。即L1＝Dnp/(0.8-4p)即设计一根弹簧刚度(N/mm)为k≤(0.2-p)πDn，在阀芯关闭阀门时的压缩量(预紧量，mm)为L1＝Dnp/(0.8-4p)。
对于水介质相变炉，将G≈1.9D2(P+0.1)即D＝0.71G0.5/(p+0.1)0.5代入得k≤2.2G0.5(0.2-p)/(p+0.1)0.5，L1＝0.18G0.5p/[(0.2-p)(p+0.1)0.5]。
对于真空相变炉，阀芯起跳压力p≤0.05MPa，则弹簧刚度(N/mm)为k≤0.15πDn，阀门关闭时弹簧压缩量(mm)为L1＝Dn/12；对于微压相变炉，阀芯起跳压力p≤0.15MPa，则弹簧刚度(N/mm)为k≤0.05πDn，阀门关闭时弹簧压缩量(mm)为L1＝3Dn/4。
阀芯最大高度指排气时环形通道高度h≥(πDn2/4)/(πDn)＝Dn/4，即环形通道的排气截面积大于等于管道截面积的高度。
对于水介质真空相变炉，G≈1.9D2(P+0.1)≈0.3D2，即Dn＝1.8G0.5，则弹簧刚度k≤0.15πDn＝0.86G0.5，阀芯关闭时的弹簧压缩量(mm)为L1＝Dn/12＝0.15G0.5。以热功率0.35MW(相当于0.5t/h)水介质真空相变炉为例，弹簧刚度k≤0.86G0.5＝19.2N/mm，阀芯关闭时的弹簧压缩量(mm)为L1＝0.15G0.5＝3.4mm。
对于水介质微压相变炉，G≈1.9D2(P+0.1)≈0.5D2，即Dn＝1.4G0.5，则弹簧刚度k≤0.05πDn＝0.22G0.5，阀芯关闭时的弹簧压缩量(mm)为L1＝3Dn/4＝1.06G0.5。以热功率0.35MW(相当于0.5t/h)水介质微压相变炉为例，弹簧刚度k≤0.22G0.5＝4.9N/mm，阀芯关闭时的弹簧压缩量(mm)为L1＝1.06G0.5＝23.7mm。
图11、12所示的结构，也可适用于以上的实施例。图9、10、11、12示出了不同接触面、密封面的结构，他们的组合同样适用于以上实施例。
实施例三设计一台低压控制阀，阀芯为一带导向杆的球冠、上下可自由移动导向杆上装有加力弹簧，用于一台100kW的小功率有机介质真空相变加热炉的真空压力控制。已知锅内有机介质蒸气表压力0.05MPa时，介质蒸气密度为ρ2＝2.5kg/m3，气化潜热r2＝255kJ/kg；表压力0.05MPa时水蒸气汽化潜热r1＝2226kJ/kg，密度ρ1＝0.862kg/m3。
代入Q2＝G1r2(ρ2/ρ1)0.5得G1＝822kg/h，代入D2＝0.54G1/(P+0.1)得D＝54mm，可见大于Dn50。取管道公称直径规格Dn＝65mm。即设计一只通径Dn＝65mm的低压控制阀，即可满足一台100kW有机介质真空相变加热炉的需要。
采用弹簧时，设计一根弹簧刚度为k≤(0.2-p)πDn＝31(N/mm)，在阀芯关闭阀门时的压缩量(预紧量)为L1＝Dnp/(0.8-4p)＝5.4mm。
权利要求
1.一种低压控制阀，密封面在下、阀芯在上，正向导通、反向密封，其特征在于如将低压控制阀起跳压力设为p，通径设为Dn，则p≤0.15MPa，Dn≥50mm。
2.一种低压控制阀，密封面在下、阀芯在上，正向导通、反向密封，其特征在于如将低压控制阀起跳压力设为p，通径设为Dn，则p≤0.05MPa，Dn≥50mm。
3.如权利要求1或2所述的低压控制阀，其特征在于阀芯依靠重力落下并关闭，如将阀芯重量设为W，单位为kg，则W≤0.08pDn2。
4.如权利要求1或2所述的低压控制阀，其特征在于阀芯依靠弹簧弹力落下并关闭，如将弹簧刚度设为k，单位为N/mm，阀芯关闭时弹簧预紧压缩量设为L，单位为mm，则k≤(0.2-p)πDn，L＝Dnp/(0.8-4p)。
5.如权利要求1或2所述的低压控制阀，其特征在于阀芯与密封面的接触面为球面、锥面或平面。
6.如权利要求1或2所述的低压控制阀，其特征在于密封面为球面、锥面或平面。
全文摘要
本发明提供一种低压控制阀，密封面在下、阀芯在上，正向导通、反向密封，如将低压控制阀起跳压力设为p，通径设为Dn，则p≤0.15MPa，Dn≥50mm。根据这样的设计，低压控制阀的起跳压力和通径大小在一个合理的范围，可以有效控制真空或微压相变锅炉(加热炉)内介质蒸气表压力范围，保证设备安全运行。
文档编号F16K17/12GK1824982SQ20051000658
公开日2006年8月30日 申请日期2005年2月23日 优先权日2005年2月23日
发明者雷振华 申请人:雷振华