一种形状记忆合金驱动的蒸汽疏水阀及疏水控制方法与流程

本发明设计涉及阀门技术领域，尤其涉及一种形状记忆合金驱动的蒸汽疏水阀及疏水控制方法。

背景技术：

蒸汽作为重要的二次能源，在很多工业领域必不可少，蒸汽疏水阀则是保障蒸汽系统正常运行，节约能源的重要自力式控制类阀门，其作用是自动排除蒸汽管路和设备中不断产生的冷凝水、空气及其他不凝性气体，同时阻止蒸汽的逸出。它是保证各种加热工艺设备及管线所需温度及热量使之正常工作的一种节能产品，在石油、化工生产中应用广泛。在蒸汽加热系统中，疏水阀的失效会引起大量的蒸汽逸出到凝结水管道中，不仅造成大量的热量损失，而且会产生水击现象，破坏管网；而疏水阀的堵塞则会造成用热设备达不到预期的加热效果。因此，蒸汽疏水阀性能的优劣，对于蒸汽加热系统的正常运行、设备热效率的提高和能源的充分利用等具有重要作用。

目前市场上供给的蒸汽疏水阀按照动作方式的不同，可分为以下三类，对液面高度敏感的如浮球式、倒吊桶式蒸汽疏水阀，对流体性质敏感的热动力式蒸汽疏水阀如圆盘式蒸汽疏水阀，对流体温度敏感的热静力式疏水阀。现有的恒温型疏水阀就属于对流体温度敏感的热静力疏水阀，其特点是采用双金属片或液体膨胀波纹管作为启闭疏水阀的热敏元件。但是，以上两种热敏元件由温度引起的应变幅度较小，不能完全适应蒸汽加热系统因工作变化引起的疏水量波动；同时，响应速度较慢的特点也会造成一定量蒸汽的泄漏和热量损失。因此，人们开始寻求采用新型的应变幅度较大的热敏元件作为恒温型疏水阀的驱动部件。

形状记忆合金是一种通过热弹性马氏体逆相变将热能直接转化为机械能的新型功能材料。其基本特征是具有形状记忆效应，即记忆合金在确定温度范围内，形状发生变化，同时产生回复应力。利用这种性能，可以将形状记忆合金作为热敏元件，实现驱动功能，为代替双金属片等热敏元件提供了可能。形状记忆合金是一种新型的功能性金属材料，我国在这一领域的研究和技术水平处于世界先进之列，但在开发应用上远落后于先进国家。我国的疏水阀行业技术水平相对落后，每年都要从国外进口相当数量的疏水阀产品。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种形状记忆合金驱动的蒸汽疏水阀及其疏水控制方法，该蒸汽疏水阀结构紧凑、排水连续、热响应速度快，可以有效减少蒸汽系统的蒸汽泄漏、提高热效率。

本发明具体采用的技术方案是：

一种形状记忆合金驱动的蒸汽疏水阀，包括阀体、阀门进口、阀盖、阀座、控制通道、阀芯、阀杆、支撑筒、压板、阀门出口和驱动弹簧；

所述的阀体水平设有阀门进口和阀门出口，阀盖密封罩于阀体上，两者之间形成一个阀盖空腔；所述的阀座固定于阀盖空腔内部的阀体上，阀座中心开有竖向的控制通道，且所述阀门进口通过进口通道与阀盖空腔连通，阀门出口通过出口通道与控制通道下部连通，控制通道上部与阀盖空腔连通；所述的支撑筒底部与阀座顶部固定连接，顶部与压板固定连接；所述驱动弹簧装配于支撑筒内部，包括形状记忆合金弹簧、普通压缩弹簧和隔板，形状记忆合金弹簧和普通压缩弹簧分别以压板和阀座为支撑，对压于隔板上，且形状记忆合金弹簧位于隔板上方；隔板的底面固定有阀杆，阀杆伸入控制通道中且末端固定有阀芯；所述阀芯在驱动弹簧的驱动下，能够竖向上下移动，对控制通道与出口通道的连通口进行开闭控制。

优选的，所述支撑筒侧面圆周开有3个90°的扇形窗口。

优选的，所述支撑筒底部卡于阀座顶部的凹槽内，另一端通过螺母与压板固定连接。

优选的，所述阀杆与隔板通过螺栓固定连接。

优选的，所述阀体与阀盖通过紧固螺栓固定安装。

优选的，所述阀体与阀盖的密封面设有密封圈。

优选的，所述的控制通道与出口通道的连通口口径小于阀芯。

优选的，所述的形状记忆合金弹簧在温度高于其相变温度时，能够通过相变变形实现伸展。

优选的，所述的阀芯在驱动弹簧未接触蒸汽的状态下，与所述连通口脱离。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一方案所述蒸汽疏水阀的疏水控制方法，所述的蒸汽疏水阀安装于待控制装置上；装置启动时，空气进入阀体时，阀芯在低温状态下与所述连通口脱离，蒸汽疏水阀处于开启状态，空气正常排出；

当高温蒸汽进入时，温度高于形状记忆合金弹簧的相变温度，形状记忆合金弹簧发生相变变形并对外做功，推动隔板及阀杆、阀芯向阀座方向运动，蒸汽疏水阀处于关闭状态，阻止高温蒸汽排出；

冷凝水产生并进入时，温度低于形状记忆合金弹簧的相变温度，形状记忆合金弹簧强度下降，普通压缩弹簧对外做功，推动隔板及阀杆、阀芯向远离阀座方向运动，蒸汽疏水阀处于开启状态，冷凝水排出。

本发明的有益效果是：

本发明采用形状记忆合金驱动弹簧作为温敏元件，反应灵敏，热响应动作快，减少蒸汽的泄漏(相比传统温控型疏水阀，响应动作慢，由泄漏)。而且形状记忆合金驱动弹簧变形量大，变形回复力大，适用于大排量工况(相比传统温控疏水阀，驱动位移小，驱动力小，排量小)。本发明结构紧凑合理，连续排水无冲击(相比传统热动力式疏水阀，间隔排水)。另外，得益于阀盖、阀体的分体设计，使该蒸汽疏水阀结构简单紧凑，易于拆卸维修。

附图说明

图1为本发明所涉及的蒸汽疏水阀的半剖视图；

图中：1、阀体；2、阀门出口；3、密封圈；4、控制通道；5、紧固螺栓；6、驱动弹簧；7、隔板；8、形状记忆合金弹簧；9、阀盖；10、阀盖空腔；11、压板；12、支撑筒；13、普通压缩弹簧；14、阀杆；15、阀座；16、阀门进口；17、进口通道；18、阀芯；19、出口通道。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明作进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

疏水阀主要用于蒸汽热力系统中蒸汽冷凝产生的冷凝水的排出，同时阀体与整个系统管路相通，又要阻止高温蒸汽的排出。因此疏水阀需要实现自动的开启和关闭，当冷凝水产生时，阀门开启；冷凝水排出后管路中充满高温蒸汽时，阀门关闭。由于冷凝水的产生主要是由于温度变化引起，当温度低于蒸汽的饱和温度时，蒸汽冷凝成为液态水，因此目前大多数的蒸汽疏水阀都是通过温度来判断有没有冷凝水产生，从而驱动阀门的开启和关闭，即所谓的温控型蒸汽疏水阀。另外，在整个热力系统初次启动时，疏水阀还承担着排除整个装置管路中的空气的作用。本发明的疏水阀也是这种温控型疏水阀，主要特点在于实现温控驱动的原理比较特殊。

如附图1所示，在本实施例中，一种形状记忆合金驱动的蒸汽疏水阀包括阀体1、阀门进口16、阀盖9、阀座15、控制通道4、阀芯18、阀杆14、支撑筒12、压板11、阀门出口2和驱动弹簧6。

其中，阀体1和阀盖9采用分体式设计，两者之间能够进行拆装。阀体1水平设有阀门进口16和阀门出口2，阀盖9是一个无底的外壳，阀盖9密封罩于阀体1上，两者之间形成一个阀盖空腔10。本实施例中，阀体1与阀盖9通过多个紧固螺栓5固定安装，需要拆卸时可以通过拧掉紧固螺栓5将两者分离。阀体1与阀盖9的密封面设有密封圈3，防止蒸汽及冷凝水的泄漏。阀盖空腔10内部的阀体1上开设有一个凹形安装槽，阀座15固定于该凹形安装槽上。阀座15中心开有竖向的控制通道4，其顶部具有环形翼缘，通过翼缘卡在凹形安装槽的顶面上。控制通道4连通阀座15底面的外部。在阀体1中还开设有进口通道17和出口通道19，阀门进口16通过进口通道17与阀盖空腔10连通，阀门出口2通过出口通道19与控制通道4下部连通，控制通道4上部与阀盖空腔10连通。由此，从阀门进口16输入的流体，依次经过进口通道17、阀盖空腔10、出口通道19后，从阀门出口2排出。

为了实现阀门的开闭控制，可以对控制通道4与出口通道19的连通口进行结构优化，通过该连通口的开闭控制整个流体通路的开闭。因此，需要设置一个支撑筒12作为支撑基础，支撑筒12是一个中空的筒体，支撑筒12底部与阀座15顶部固定连接，顶部与一块水平的压板11固定连接。在本实施例中，支撑筒12底部卡于阀座15顶部的凹槽内，另一端通过螺母与压板11固定连接。支撑筒12侧面圆周开有3个90°的扇形窗口以连通筒体内外空腔，其截面呈矩形，三个窗口呈对称分布。

驱动弹簧6装配于支撑筒12内部，驱动弹簧6包括形状记忆合金弹簧8、普通压缩弹簧13和隔板7。形状记忆合金弹簧8的顶部固定在压板11上表面，底部连接隔板7。普通压缩弹簧13是不具备形状记忆功能的普通机械弹簧，普通压缩弹簧13的顶部固定在压板11下表面，底部固定在阀座15上。两条弹簧均呈压缩状态，由此形状记忆合金弹簧8和普通压缩弹簧13分别以压板11和阀座15为支撑，对压于隔板7上，且形状记忆合金弹簧8位于隔板7上方。另外，隔板7的底面固定有竖直的阀杆14，阀杆14与隔板7通过螺栓固定连接。阀杆14伸入控制通道4中且末端固定有阀芯18。控制通道4与出口通道19的连通口口径小于阀芯18。阀芯18可以采用耐热的金属材料。

支撑筒的主要作用在于为了支撑驱动弹簧同时保证驱动弹簧在直线方向压缩、伸展上下移动。而扇形窗主要是为了冷凝水介质的流通，冷凝水介质要从阀门进口16进入，经过阀盖空腔10，再经过支撑筒12上的扇形窗口才能进入控制通道4，再从出口通道19和阀门出口2排出。同时保证形状记忆合金与介质的直接接触和温度感知，当温度升高时能够及时发生形变并驱动阀芯向下移动。

本发明中，阀芯18在驱动弹簧6未接触蒸汽的状态下，与控制通道4与出口通道19的连通口脱离，阀呈开启状态。形状记忆合金弹簧8在温度高于其相变温度时，能够通过相变变形提升强度，实现伸展并对外作用。

由于形状记忆合金弹簧8和普通压缩弹簧13呈对压状态，当形状记忆合金弹簧8周边的温度高于形状记忆合金弹簧8的相变温度，形状记忆合金弹簧发生相变变形并对外做功，推动隔板7及阀杆14、阀芯18向阀座15方向运动，蒸汽疏水阀进入关闭状态。当温度又重新下降时，可重新回位至开启状态。由此，阀芯18在驱动弹簧6的驱动下，能够竖向上下移动，对控制通道4与出口通道19的连通口进行开闭控制。

形状记忆合金是一种特殊的合金材料，在低温呈柔性马氏体(m)相时，可进行预期的塑性变形,而后加热至高温,刚性的奥氏体(a)相回复到变形前的形状，同时产生较大的回复力，这样可输出一定的驱动力或位移，这就是利用形状记忆效应的驱动机理。简言之,形状记忆效应就是利用了热弹性马氏体相变的一种低温变形、高温回复的特性。按照形状记忆合金从高温冷却到低温时能否自动恢复到低温相的形状,可将形状记忆效应再细分为只能回复高温形状的单程和高、低温形状均能自动恢复的双程记忆效应(又称可逆形状记忆效应)。

本发明中的驱动弹簧由形状记忆合金弹簧和普通的压缩弹簧两段组成。其中，形状记忆合金弹簧就是利用了形状记忆合金这种低温变形、高温回复的单程形状记忆效应。具体来说：对于采用形状记忆合金制成的弹簧，在低温状态下，进行预期的塑性变形，即对该弹簧进行压缩，当温度升高到相变温度以上，发生相变同时回复到变形前的形状，产生较大的回复力和位移，从而用于驱动阀芯向下移动，关闭阀门。

但是由该形状记忆合金弹簧只具有单程形状记忆效应，即弹簧从高温冷却到低温后不能回复到低温形状，如果只用一段形状记忆合金弹簧，就只能进行单个方向的移动，不能实现阀芯的开启和关闭这两个方向的移动。因此又加入一段普通压缩弹簧作为阀芯开启的驱动力，当温度降低后，形状记忆合金弹簧从高温相(奥氏体相，强度高)相变为低温相(马氏体相，强度低)，强度降低，因此普通压缩弹簧的回复力就可以推动整个阀芯移动，同时在低温状态下对形状记忆合金弹簧进行压缩(预变形)，这样在温度升高后，形状记忆合金弹簧又可以产生向下的回复力。

基于上述蒸汽疏水阀的疏水控制方法，其具体如下：蒸汽疏水阀安装于待控制装置上；装置启动时，空气进入阀体1时，阀芯18在低温状态下与所述连通口脱离，蒸汽疏水阀处于开启状态，空气正常排出；

当高温蒸汽进入时，温度高于形状记忆合金弹簧8的相变温度，形状记忆合金弹簧发生相变变形并对外做功，推动隔板7及阀杆14、阀芯18向阀座15方向运动，蒸汽疏水阀处于关闭状态，阻止高温蒸汽排出；

冷凝水产生并进入时，温度低于形状记忆合金弹簧8的相变温度，形状记忆合金弹簧8强度下降，普通压缩弹簧13对外做功，推动隔板7及阀杆14、阀芯18向远离阀座15方向运动，蒸汽疏水阀处于开启状态，冷凝水排出。

因此，本发明将形状记忆合金的这种温度诱发的形状记忆效应所产生的驱动力引入到蒸汽疏水阀的自力式驱动中来，具体就是采用形状记忆合金弹簧和普通压缩弹簧组成的驱动弹簧作为蒸汽疏水阀的驱动装置，同时为了实现驱动装置的顺利安装，又对阀体结构进行了重新的设计与改进。整个蒸汽疏水阀能够随着温度变化控制阀门开关，阻汽排水。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。