热动力疏水阀

热动力疏水阀（精选7篇）

热动力疏水阀 篇1

液滴撞击现象的影响因素众多,主要包括惯性力、毛细力、粘性力、表面张力、固体表面性质等。众多的影响因素同时导致液滴撞击现象的多样性,液滴撞击现象主要包括液滴铺展、溅射、收缩、弹离过程。液滴撞击过程的研究需要预测撞击液滴的最大铺展直径这一重要参数。最大液滴铺展直径关系到许多工艺过程实施与效果,例如喷淋冷却、涂膜工艺、喷墨打印等过程的实现及最终效果都与最大铺展直径密切相关。尽管人们对最大铺展直径进行了大量的实验与理论的研究,但现有的理论预测与实验结果相比往往存在不可忽视的误差,这可能与撞击过程内在的复杂性有关。参考现有对最大铺展直径的理论分析,绝大多数研究者都是从能量守恒的观点出发对撞击液滴最大铺展直径进行理论推导[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。目前从能量守恒角度导出的最大铺展直径的公式仅适用于平表面上的撞击过程,而分析结果无法适用于具有粗糙结构的超疏水表面上的液滴撞击现象。因此本文主要讨论液滴撞击超疏水表面动态特征及最大铺展直径的理论预测。

1 实验部分

1.1 表面制备

微结构表面是通过紫外光光刻与等离子体刻蚀相结合的方法制备,最终在硅片上刻蚀出具有正方形排布的微柱体。实验中微结构表面上柱体直径分别为10,主体间距分别为20、 40、 60、 80、 100 μm。为方便起见我们将结构表面以T${}_d^{{\rm P}}$的形式进行标记,这里的下标d表示圆柱体的直径,上标P表示相邻两柱体之间的间距。实验中控制的刻蚀深度是40 μm,微结构柱体高度由表面轮廓仪(surface profilometer,KOSAKA ET4000)测出。制作的结构表面扫描电镜图片(SEM JEOL JSM-6360LV)如图1所示。将以上的硅基结构表面进行硅烷疏水化处理。实验中将结构表面浸入1%的十八烷基三氯硅烷中温下浸泡5 min后,烷基化处理后的结构表面在洁净室内自然干燥后具有疏水或超疏水性质。接触角数据由接触角仪Contact Angle System OCA20(Dataphysics Co., Germany)测出,仪器精度为±1°。

微结构表面上的接触角特征图片如图2所示。有图中可以清楚看出光线从柱体之间穿过,证明液滴是置于固汽的复合表面,而突起之间则充满汽体,此时的润湿状态为复合润湿状态,复合润湿状态下的接触角有Cassie方程给出:

cosθ*=-1+ϕs(1+cosθE) (1)

等式θ*中表示复合表面上液滴的表观接触角,θE表示与复合表面具有相同化学性质的平表面上的接触角,也称本征接触角,这里ϕs=πR2/P2,表示实际固液接触面积与其外围三相线包围面积之比,本实验中经氯硅烷处理后平表面的本征接触角为103°。

图片可以看出光线从缝隙中透过,说明液滴所处表面为复合润湿表面。(a)和 (b)分别代表结构表面T${}_{10}^{20}$,T${}_{10}^{40}$。

1.2 实验装置及控制

实验装置示意图如图3所示。液滴在压力泵的驱动下从注射器上的平头针头顶部脱离并以一定的速度撞击到固体表面上,实验中液滴的撞击速度可以通过改变针尖到撞击面的高度获得。液滴的撞击速度可以根据针头到撞击面的高度算出$\text{V}{}_0=\sqrt{2\text{g}\text{h}}$。触发器可以保证高速摄像完整拍摄液滴撞击过程。高速摄像采集的图像保存到计算机的硬盘中,后继的图像处理(主要包括液滴撞击后的铺展直径、收缩高度、接触角)借助图像处理软件Image-pro plus。高速摄像(Photron, Fastcam Apx-Rs, Japan)最高采集频率可达十万帧,实验过程采用的采集频率10 000 fps,它所对应的像素分辨率512×512。图像处理数据的精确度由采集过程中选用的放大倍率决定,实验中通过拍摄相同放大倍率下精度为1/100 mm的标准刻度尺对相关实验数据进行比校。

a.计算机;b.高速摄像机;c.样品台;d.光源;e.具有微驱动泵的注射器;f.触发装置

2 结果与讨论

图4给出了液滴撞击在疏水或超疏水微结构表面上的液滴形态变化过程。撞击液滴的初始速度为0.54 m/s。2 ms时的图像显现液滴表面出现了从液滴底部到顶部的毛细波[11]。液滴在惯性力的作用下在刚接触结构表面后迅速向外铺展,由于液滴铺展过程中动能一部分用来增加的气液表面能,另一部分为不可逆的粘性耗散过程所消耗,所以铺展过程的运动速度逐渐减小。随着撞击液滴动能的进一步减小,表面张力及粘性力的作用逐渐显现并抗衡惯性力的作用,随后三相线的铺展速度逐渐减缓并滞止。由于真实表面上存在接触角滞后,三相线在铺展到最大直径时会有一短暂停留时间。由于超疏水表面上接触角滞后较小,超疏水上的液滴停留时间要小于普通表面上的停留时间,本实验中的超疏水表面接触角滞后一般小于15°。滞止过程中接触角由前进角逐渐转变为后退角,接着在表面张力与毛细力的驱动下三相线开始逐渐收缩。由于超疏水表面上的润湿滞后力较小,所以超疏水表面上的撞击液滴收缩速度较快,当撞击速度超过一临界值时液滴就会从超疏水表面上完全弹离。

由图4可以看出不同结构表面上的液滴接触时间是不相同的,固体分率越小接触时间越短,或者说接触角滞后越小,接触时间越短。事实上我们已经针对不同固体分率的结构表面上液滴撞击后的接触时间差异进行了相应的理论分析[12]。下面我们主要研究超疏水表面上液滴撞击后的最大铺展直径,具体方法采用能量守恒的观点。对撞击过程中的能量分析如下:

撞击前液滴的初始动能:

$E{}_{{\rm K},0}=\frac{1}{12}\pi \rho D{}_0^{3}V{}_0^2(2)$

撞击前液滴初始表面能:

Es,0=πD${}_0^2$σ (3)

当液滴铺展到最大直径时液体处于静止状态,所以撞击液滴达到最大铺展直径时液体动能近似为0。

EK,1=0 (4)

撞击速度为0.54 m/s。这里的(a),(b),(c),(d)和(e)分别对应结构表面T${}_{10}^{20}$,T${}_{10}^{40}$,T${}_{10}^{60}$,T${}_{10}^{80}$和T${}_{10}^{100}$的撞击事件。标尺为2 mm。(a),(b),(c)和(d)的放大率相同,均大于(e)中的放大率。

这里我们把液滴达到最大铺展时形状近似看做圆柱体,铺展过程中液体与结构固体表面维持复合润湿状态,因此液滴仅在微柱体的顶端接触固体表面(投影面积分率可以表示为ϕs),同时在结构表面空隙中出现气液界面(占投影面积分率为1-ϕs)。所以铺展过程中增加的表面能即与圆柱体上表面的面积及侧面增加的气液表面积有关,同时又与铺展过程中下表面出现的复合接触面相关。液滴铺展至最大直径时与最终表面能的能量表达式为:

Es1=(π/4)D${}_{max}^2$ϕs(σSL-σSG)+(π/4)D${}_{max}^2$(2-ϕs)σLG

+πDmaxhσLG (5)

铺展后液滴侧边高度由质量守恒关系式(液滴铺展到最大直径时圆柱体体积等于初始液滴体积)求出:

(1/6)πD${}_0^3$=(1/4)σD${}_{max}^2$h (6)

联系Young方程:

σSG-σSL=σLGcosθ (7)

将等式6,7代入到5式中有:

Es,1=(π/4)D${}_{\max }^2$σLG{1-[-1+ϕs(1+cosθ)]}

+(2/3)π(D${}_0^3$/Dmax)σLG (8)

将复合接触状态下的Cassie方程代入:

Es,1=(π/4)D${}_{\max }^2$σLG(1-cosθ*)+(2/3)π(D${}_0^3$/Dmax)σLG (9)

液滴铺展过程还有一部分能量由粘性液体的流动所耗散,称为粘性耗散能,这部分能量不可逆的转化为热能。超疏水表面上的液滴撞击过程的粘性耗散不同于平表面上的粘性耗散过程,超疏水表面上的粘性耗散分为两部分:一部分为微柱体顶端固液间的相互作用导致的粘性耗散。另外液滴在铺展过程中受动压力的驱动下会有一部分液体渗入到结构表面缝隙中,结构表面内液体流经微柱体时同样会产生粘性耗散,液体渗入结构表面内的高度可以由动压力与毛细力的平衡关系给出。平表面上的粘性耗散能一般表示为:

W1=∫tc0∫ΩϕdΩdt≈ϕΩtc (10)

这里的粘性耗散函数为:

$\text{ϕ}=\mu \left(\frac{\partial v{}_i}{\partial x{}_j}+\frac{\partial v{}_j}{\partial x{}_i}\right)\frac{\partial v{}_i}{\partial x{}_j}\approx \mu \left(\frac{V{}_0}{\delta {}_0}\right){}^2(11)$

μ表示液体的粘度,由于液滴撞击过程可以看做是轴对称滞止点流动,根据相关的流体动力学分析,该流动下的边界层可以由以下关系式给出[4]:

$\delta {}_0=2D{}_0/\sqrt{Re}(12)$

这里雷诺数表示为Re=ρD0V0/μ。铺展过程中的时间为:

tc≈D0/V0 (13)

最后将式(11)、(12)、(13)代入到式(10)后得到液滴在平表面上流动时的粘性耗散为:

$W{}_1=\frac{\pi }{8}\mu V{}_{0}D{}_{\max }^2\sqrt{Re}(14)$

考虑超疏水表面上的固体分率后的粘性耗散能可以表示为:

$W{}_1=\frac{\pi }{8}\mu V{}_{0}D{}_{\max }^2\text{ϕ}{}_s\sqrt{Re}(15)$

下面我们给出液体在结构表面内的缝隙中流动时的粘性耗散能[13]。参考文献对液体在具有四边形排布的圆柱体结构内流动时的单位长度上粘性力表达式:

$F{}_{\mu }=\frac{4\pi \mu VD\delta }{{\rm P}{}^2[\ln (S/R)-1.31]}(16)$

这里的V表示液体的流动速度,D、R分别表示液滴铺展直径及微柱体半径,P表示圆柱体的间距,S=P-D表示相邻两柱体间的最近距离,表示在结构表面内流动液体的厚度,这里可以用毛细力与动压力的平衡关系下求得的液膜垂度做近似处理[14,15]:

$\delta \approx \frac{1}{2}\frac{\rho V{}_0^2{\rm P}{}^2}{\sigma }(17)$

将上式代入到式(16)后有:

$F{}_{\mu }=\frac{2\pi \mu VD\rho V{}_0^2}{[\ln (S/R)-1.31]\sigma }(18)$

当粘性摩擦力移动一微小距离时的做功可以表示为:

$dW{}_2=\frac{2\pi \mu VD\rho V{}_0^2}{[\ln (S/R)-1.31]\sigma }\frac{D}{2}d\left(\frac{D}{2}\right)(19)$

积分时用平均速度代替瞬态速度$(\overline{V}=D{}_{\max }V{}_0/D{}_0)$,积分到最大铺展直径后有:

$W{}_2=\frac{\pi {}^{2}We}{6}\frac{\mu V{}_0(D{}_{max}^4/D{}_0^2)}{[(\ln (S/R)-1.31]}(20)$

由于撞击过程中气液界面的下陷导致的表面能变化为:

$E{}_{s,2}=-\frac{1}{4}\pi {}^2\rho V{}_0^{2}D{}_{max}^{2}R\cos \theta {}_E(21)$

这里的θE表示平表面上的平衡接触角。总的能量守恒方程式为:

EK,0+Es,0=EK,1+Es,1+Es,2+W1+W2 (22)

将式(2)、(3)、(4)、(9)、(15)、(20)、(21)代入到(22)并化简后有:

$\begin{array}{l}\frac{2\pi WeCa}{[(\ln (S/R)-1.31]}\beta {}_{\max }^4+3\beta {}_{\max }^2\\ \left(1-\cos \theta {}^{*}-\pi We\frac{R}{D{}_0}\cos \theta {}_E+0.5\text{ϕ}{}_{s}Ca\sqrt{Re}\right)\\ +\frac{8}{\beta {}_{max}}-(12+We)=0(23)\end{array}$

式(23)是考虑了超疏水表面上液滴撞击过程中接触面为复合润湿状况下的最大铺展直径的计算公式,由于式(23)表示的是弱变形下的近似公式,所以结构表面上的微柱体应呈稀疏排布,并且理论推导过程要求液滴撞击速度不应太大,本实验中小于1 m/s。最大铺展因子与理论公式的比较如图5所示。图5还与文献中三个具有代表性的最大铺展直径理论预测方程式进行了比较。为便于不同结果间的比较,下面分别给出其相应的方程式。Chandra和Avedisian方程式为[2]:

$\frac{3}{2}\frac{We}{\mathrm{Re}}\beta {}_{\max }^4+(1-\cos \theta )\beta {}_{\max }^2-(\frac{1}{3}We+4)=0(24)$

直径实验值与理论预测值间的比较结果

Pasandideh-Fard等[4]考虑了轴对称滞止点流动的边界层理论,并认为粘性耗散发生在该边界层内,得到了如下的表达式:

$\beta {}_{max}=\sqrt{\frac{We+12}{3(1-\cos \theta )+4(We/\sqrt{Re})}}(25)$

Mao等[5]在考虑了最大铺展液滴的侧面积后也给出了类似的表达式:

$\left[\frac{1}{4}(1-\cos \theta )+0.35\frac{We}{\sqrt{\mathrm{Re}}}\right]\beta {}_{\max }^4-\left(\frac{We}{12}+1\right)\beta +\frac{2}{3}=0(26)$

由图5可以看出现有文献很难准确预测超疏水表面上的液滴撞击后的最大铺展直径,其主要原因有两个。(1)现有模型均是针对平表面的液滴撞击过程,而超疏水表面上的液滴撞击过程中固液间的接触面为复合表面。(2)由于超疏水表面上固体结构分率很小,因此结构表面上的粘性耗散可以忽略,相反由于撞击过程动压力驱使一部分液体浸入结构表面缝隙中,结构表面内流体流动导致的粘性耗散是撞击过程中必须考虑的因素之一。随着速度的增加,结构表面缝隙中流体的高度应该为结构柱体的高度所饱和,因此该理论方程中的结构表面内液层厚度应随撞击条件的改变而做出相应调整。润湿状态发生转变时需要全面考察气液界面位置,因尤其是当润湿区域发生改变时表面能的表达式必须重新考虑。因此液滴撞击过程中与润湿性转换相联系的液滴撞击过程将是以后研究的重点。

3 结 论

液滴撞击超疏水表面后的最大铺展直径的理论预测不仅要考虑复合表面上表面能的变化,而且要考虑气液界面下陷后与固体壁面的粘性摩擦力。由于理论分析运用了弱变形的假设,因此相应的理论关系式仅适用于低撞击速度条件的铺展过程。

摘要：利用高速摄像技术研究了超疏水表面上液滴撞击过程的动力学。根据能量守恒观点理论研究了撞击液滴的最大铺展直径的关系式,理论推导过程不仅考虑了撞击过程中的表面能的变化,同时考虑了微结构缝隙中流体的粘性耗散作用,最终的理论关系式与实验结果相吻合。

关键词：液滴撞击,超疏水,粘性耗散

疏水阀的合理选用 篇2

1 选用疏水阀的主要依据

1) 凝结水量;

2) 蒸汽温度、压力 (最低压力) ;

3) 凝结水回收系统的最高压力;

4) 蒸汽加热设备或管道的操作特点 (连续或间歇操作) ;

5) 疏水阀的安装位置以及对它的要求。

2 疏水阀主要参数的选用

2.1 疏水阀的工作压差ΔP

ΔΡ=P1-P2

式中:P1——疏水阀入口处的压力 (MPa) , 一般疏水阀的入口压力P1比蒸汽压力低0.05～0.1MPa, 对蒸汽管道的疏水, 蒸汽的压力可作为入口压力。

P2——疏水阀出口处的压力 (MPa) , 疏水阀出口压力是由疏水阀后的系统压力决定的, 一般将凝结水经管网集中回收利用时, 这时, 疏水阀出口压力P2是凝结水管网的压降、凝结水管上升的高度和二次蒸汽器 (扩容器) 压力三者之和。

P2=H/100+P3+P4

式中:H——疏水阀与二次蒸发器 (扩容器) 之间的位差, (m, 每升高100m约产生1MPa静压)

P3——扩容器或凝结水罐内的压力 (MPa, 表压)

P4——凝结水网压降 (MPa)

2.2 疏水阀设计排水量Gsh (kg/h)

Gsh=kG2

k——疏水阀选择倍数。k值大小依据表1选择。

依据以上参数选择, 以100t/d送出车间常压蒸发的主要换热设备为例, 选择疏水阀如下:

疏水阀的工作压力差ΔP=P1-P2

P1=0.5-0.05=0.45 MPa

P2=H/100+P3+P4

一般炼油厂的乏汽总管均设在二层平台以下, 故H≤5 m, 取H=5 m。

P3——凝结水罐内的压力MPa

炼油厂一般采用凝结水罐与大气相通, 故P3=0

P4——凝结水管网压降, 一般控制在0.05～0.15 MPa。

故P2=5/100+0+0.15=0.2 MPa

ΔP=P1-P2=0.45-0.2=0.25 MPa

背压度=0.2/0.45×100%=44.4%<50%

选用热动力式疏水阀, 型号S19H-16, k依据表2对主要热换设备疏水阀规格选用。

2.3 疏水阀的疏水量

选用疏水阀时, 必须按设备每小时的耗汽量乘以选用倍率2～3倍为最大凝结水量, 来选择疏水阀的排水量。才能保证疏水阀在开车时能尽快排出凝结水, 迅速提高加热设备的温度。疏水阀排放能量不够, 会造成凝结水不能及时排出, 降低加热设备的热效率 (当蒸汽加热设备刚开始送汽时, 设备是冷的, 内部充满空气, 需要疏水阀把空气迅速排出, 再排大量低温凝结水, 使设备逐渐热起来, 然后设备进入正常工作状态。由于开车时, 大量空气和低温凝结水, 较低的入口压力, 使疏水阀超负荷运行, 此时疏水阀要求比正常工作时的排水量大, 所以按选用倍率2～3倍来选择疏水阀。) 。

2.4 疏水阀的工作温度

选用疏水阀时, 要根据管道蒸汽最高温度来选择能满足工艺条件要求的疏水阀。管道蒸汽最高温度超过公称压力相对应的饱和蒸汽温度称为过热蒸汽, 在过热蒸汽管道选择疏水阀时, 应选用高温高压过热蒸汽专用疏水阀。

2.5 疏水阀的连接尺寸

疏水阀的工艺条件决定以后, 根据疏水阀前后的工作压差、疏水量和“阀座号”, 按疏水阀制造厂家的技术参数来选择疏水阀的规格尺寸 (不能按设备连接尺寸随便选配同样尺寸的疏水阀。疏水阀的连接口径不能代表疏水量的大小, 同一种口径的疏水阀, 疏水能力可能差别很大, 所以选用疏水阀时必须根据设备的工艺条件, 参照疏水阀制造厂家提供的参数来选配疏水阀才是正确的选择) 。

3 疏水阀正确选型

选择疏水阀要求准确无误地阻汽排水, 灵敏度高能提高蒸汽利用率, 不泄漏蒸汽, 工作性能可靠, 背压率高、使用寿命长、维修方便是首选的条件。

1) 在生产工艺的换热设备, 烘干室, 快速热交换器, 蒸馏设备等需要快速升温, 不允许存有凝结水的生产加热设备, 应该选用机械型疏水阀。

机械型疏水阀不受工作温度和压力变化的影响, 有水即排, 过冷度小, 加热设备里不存水, 能使加热设备达到最佳工作温度。其中自由浮球式蒸汽疏水阀的结构最先进, 非常灵敏, 最小过冷度0℃, 能排饱和温度凝结水, 无蒸汽泄漏, 优点最多, 能使加热设备达到最佳工作效率。是生产工艺加热设备最理想的疏水阀。

2) 在蒸汽管道, 伴热管线, 采暖设备, 温度要求不高的用汽设备, 应该选用热静力型疏水阀。

热静力型疏水阀过冷度大, 排凝结水温度低, 可以充分利用高温凝结水的显热, 节能效果好。其中膜盒式蒸汽疏水阀的结构最先进, 无需人工调整, 非常灵敏, 最大过冷度有15℃和30℃的两种膜盒供选型, 不怕冻, 体积小, 任意位置都可安装, 在管道上能检修和更换阀芯, 节省资金和劳力, 使用寿命长, 适用范围很广, 是热静力型疏水阀的精品。

3) 在高温高压过热蒸汽管线和设备上, 应该选用过热蒸汽专用疏水阀。

过热蒸汽疏水阀能在高温、高压、小负荷的恶劣工况下分离出过热蒸汽消失时产生的高温凝结水。其中圆盘式蒸汽保温型疏水阀利用管道蒸汽对疏水阀的主汽室进行保温, 结构先进, 在没有凝结水的情况下, 疏水阀紧紧关闭, 工作质量高, 使用寿命长, 是高压过热蒸汽专用疏水阀。

4) 疏水阀的正确安装。

疏水阀安装是否合适, 对疏水阀的正常工作和设备的生产效率都有直接影响。安装疏水阀必须按正规安装要求、才能使疏水阀和设备达到最佳工作效率。

(1) 在安装疏水阀之前一定要用带压蒸汽吹扫管道, 清除管道中的杂物;

(2) 疏水阀前应安装过滤器, 确保疏水阀不受管道杂物的堵塞, 定期清理过滤器;

(3) 疏水阀前后要安装阀门, 方便疏水阀随时检修;

(4) 凝结水流向要与疏水阀安装箭头标志一致;

(5) 疏水阀应安装在设备出口的最低处, 及时排出凝结水, 避免管道产生汽阻;

(6) 如果设备的最低处没有位置安装疏水阀, 应在出水口最低位置加个反水弯头 (凝结水提升接头) , 把凝结水位提升后再装疏水阀, 以免产生汽阻;

(7) 疏水阀的出水管不应浸在水里 (如果浸在水里, 应在弯曲处钻个孔, 破坏真空, 防止沙土回吸。) ;

(8) 机械型疏水阀要水平安装;

(9) 蒸汽疏水阀不要串联安装;

(10) 每台设备应该各自安装疏水阀;

(11) 热静力型疏水阀前需要有一米以上不保温的过冷管, 其它形式疏水阀应尽量靠近设备;

(12) 滚筒式烘干 (带虹吸管型) 设备选用疏水阀时请注明:选用带防汽阻装置的疏水阀, 避免设备产生汽锁;

(13) 疏水阀后如有凝结水回收, 疏水阀出水管应从回收总管的上面接入总管, 减少背压, 防止回流;

(14) 疏水阀后如有凝结水回收, 不同压力等级的管线要分开回收;

(15) 疏水阀后凝结水回收总管不能爬坡, 否则会增加疏水阀的背压;

(16) 疏水阀后凝结水进入回收总管前要安装止回阀, 防止凝结水回流;

(17) 在蒸汽管道上装疏水阀, 主管道要设一个接近主管道半径的凝结水集水井, 再用小管引至疏水阀;

(18) 机械型疏水阀长期不用, 要卸下排污螺丝把里面的水放掉, 以防冰冻;

(19) 发现疏水阀跑汽, 要及时排污和清理过滤网, 根据实际使用情况勤检查, 遇有故障随时修理。每年至少要检修一次, 清除里面的杂质。

4 疏水阀的安装形式及注意事项

4.1 安装形式, 见图1

4.2 安装注意事项

疏水阀的入口管应设在加热设备的最低点;从排水口至疏水阀入口管段应尽量短且减少拐弯;入口管不保温;入口段如水平敷设, 应坡向疏水阀, 其疏水阀上指示的流向箭头必须与管线内凝结水流向一致;疏水阀安装的位置一般都比凝结水出口低;出口管径应按汽液混相计算, 一般应比疏水阀口径大1～2级, 且要短、少弯曲;如出口管径有向上主管时, 在疏水阀后就设单向阀;为保证蒸汽加热设备的正常工作, 每个加热设备应单独设疏水阀, 如凝结水量超过单只疏水阀的最大排水量时, 可选用相同形式的疏水阀并联安装;一般宜在冷凝水出口管的最低点设DN20排污阀。

1.前切断阀, 2.冲洗阀DN20, 3.疏水阀, 4.放空阀或检查阀DN20, 5.后切断阀, 6.旁路阀.

5 结论

疏水阀在整个蒸汽系统中被认为是个小配件, 但对系统运行和经济性影响很大, 所以疏水阀的维护和检修也是至关重要的, 只有充分重视疏水阀在生产上的重要作用, 勤检修, 使疏水阀经常处在良好的工作状态下, 才能保证达到最佳节能效果和提高经济效益。

摘要：对疏水阀在实际应用中的不合理现象作了分析;介绍了合理选择、使用的方法;指出了安装方面应注意的问题。

关键词：疏水阀,选用,使用,安装

参考文献

[1]炼油装置、工艺管线安装设计手册 (上、下册) [M].北京:石油工业出版社, 1978.

[2]化工管路手册 (上、下册) [M].北京:化学工业出版社, 1988.

[3]化工管路手册[Z].1988.

[4]炼油装置、工艺管线安装设计手册 (上、下册) [Z].1978.

热动力疏水阀 篇3

Solidworks软件功能强大, 技术创新, 是领先的、主流的三维CAD解决方案。Solidworks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。Solidworks软件对每个从事设计工作的工程师来说, 操作简单方便、易学易用。使用Solidworks, 整个产品设计是百分之百可编辑的, 零件设计、装配设计和工程图之间是全相关的。

蒸汽疏水阀属于自动阀门类, 用于蒸汽管网及蒸汽设备中能自动排除高温凝结水、空气及其他不凝结气体并防止水蒸汽泄漏的特殊阀门, 是一种机械产品。Solidworks设计软件应用于蒸汽疏水阀产品的设计研发, 通过3D建模对新开发设计的疏水阀产品进行分析检查, 设计优化, 设计进程会更快。

2 设计应用

以钟型浮子式蒸汽疏水阀产品设计开发为例, 应用Solidworks软件进行疏水阀产品的建模设计, 设计包括:零部件设计和装配设计。

2.1 零部件设计

钟型浮子式蒸汽疏水阀结构分为:阀体、阀盖、支架、吊桶、控制架、阀芯、阀座、定位销等部件, 在进行产品设计时, 可以先设计产品的每个零部件, 然后进行装配过程设计, 并根据要求设计配合零件。也可以先设计装配总图, 再设计各零部件, 先建立装配结构过程, 然后逐步添加零件或几何结构的设计, 以产生子装配件或部件。Solidworks按设计顺序进行3D建模。

首先依据各部件的装配关系把要设计的产品分解成若干个零部件, 确定这些零部件的几何尺寸和装配顺序的位置的约束关系, 根据约束条件再逐个对零件进行概念设计及详细设计, 某单个零件在Solidworks建模过程中, 要先建立零件毛坯基体模型, 再参照零件粗加工工艺过程, 逐步创建零件的特征。最后再按照零件精加工工艺对零件创建精加工工序特征。各特征建立的顺序应尽可能与零件的加工顺序相一致。单个零部件中不仅包含自身特征和属性信息, 也包含与其他零部件之间的关联信息, 当零件参数发生改变时, 可以自动传递到其他相关零部件, 促使有关零部件自动更新。所以零件设计总是基于装配的关联设计, 某一个零件或装配顺序的任何修改都将传递至所有相关联的零部件图、总装配图和工程图中, 因此, 零部件的设计过程中, 始终保持整个产品设计的一致性、完整性和相关性。

2.2 零部件参数化设计

在设计开发中, 参数化是指零件的结构形状已定型, 通过一个或一组参数来确定设计对象, 参数与设计对象的控制尺寸有准确的对应关系, 从而使设计的结果可受参数的驱动。蒸汽疏水阀为系列化产品, 不同排量对应不同的阀座孔直径, 因此Solidworks的参数化设计大大地提高了系列化产品的设计速度。

蒸汽疏水阀的结构主要取决于蒸汽疏水阀的排量Q:

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式中:Q——蒸汽疏水阀排量, kg;

A——蒸汽疏水阀阀座孔面积, cm2;

g——重力加速度, m/s2;

P1——蒸汽疏水阀入口压力, MPa;

P2——蒸汽疏水阀出口压力, MPa;

C——排量系数 (取0.42～0.15) 。

A=πd2/4

式中:d——蒸汽疏水阀阀座孔直径, cm。

式 (1) 反映出排量Q与阀座孔直径有关, 而阀座孔直径尺寸又与阀芯、控制架、支架、吊桶和阀体相关联。因此, 疏水阀的阀座、阀芯、控制架、支架、浮子是整个产品的核心零件, 它们在很大程度上决定了蒸汽疏水阀的结构形式和使用性能。

在参数化建模设计前, 首先对零件进行分析, 从整体上形成关于零件建模的思路, 明确设计需要创建的各种特征以及相互之间的内在联系, 最后明确该零件需要多少个参数进行驱动。

Solidworks中的系列零件设计表是通过嵌入的MicrosoftExcel工作表来指定参数, 可以使用材料明细表建构多个不同配置的零件或装配体。系列零件设计表保存在模型文件中, 对Excel表格的修改实现尺寸驱动, 从而能够完成设计的系列参数化。

2.2.1 建立零件实体

在零件模板中创建阀座的3D实体模型, 在FeatureManager 特征管理树中, 用右键单击左侧Solidworks工具栏中[注解]文件夹, 选择“显示特征尺寸”会把所有特征相关的尺寸显示出来。在图形区域中右键单击要修改的特征尺寸, 然后选择“属性”, 在对话框中重新命名特征。

2.2.2 插入系列零件设计表

选择“插入” →“系列零件设计表” →“新建”, 一个嵌入的Excel工作表出现在Solidworks用户界面窗口, 如图2所示, 在默认情况下, 第三行 (单元格A3) 包含第一个新配置的默认名称。“第一实例”, 为便于察看修改将其重命名为“阀座1”, 列表标题栏单元格B2为激活状态, 命名为“阀座孔径”。

2.2.3 编辑Excel表实现零件参数系列化配置

系列零件设计表是嵌入到零件文件中的, 而不是链接到文件, 因此, 假如改变原有的Excel电子表格文件, 却不会影响其他零件文件。选择“编辑系列零件设计表”命令, Excel建立的系列零件设计表出现在Solidworks图形区域中, 根据设计需要编辑该表格, 可以改变单元格的参数值, 添加行内可以增加的配置, 或是添加列以增加参数的控制。根据阀座孔孔径尺寸, 即可得到图2 所示的系列化配置表。在表格外单击[ 配置管理器] 标签, 同时系统自动关闭系列零件设计表, 可以看到Excel工作表驱动生成的参数系列化配置。

通过Solidworks建立的零件参数配置, 当设计需要相关零件不同系列尺寸时, 只需在[配置管理器] 中选取所需系列类型, 系统即可自动生成该零件的3D模型。需要注意的是如果直接在3D 模型 (而不是表格) 中进行参数更改, 则不会反映在原始的Excel工作表或嵌入的表格中。如再次计算系列零件设计表时, 配置会根据模型中的数据进行更新。保存Excel表格及其实体零件, 建立零件实体库, 完成实体零件库的建立。

通过参数化设计能够大幅提高建模效率, 同时满足标准化设计的要求。

2.3 零件结构的有限元分析

有限元分析技术是机械设计, 尤其是阀门产品结构设计和分析中必不可少的计算工具。把有限元技术应用到蒸汽疏水阀关键部件的设计过程中, 可为设计高温、高压产品提供有价值的参考数据。COSMOS/press是内嵌在Solidworks的完全集成的工程分析系统, COSMOS/press可对设计的零部件进行应力分析、频率分析、变形分析和优化分析。

蒸汽疏水阀阀体大多为精铸件, 阀体结构和局部壁厚在满足性能的同时要便于铸造。以钟形小浮子式蒸汽疏水阀阀体为例进行COSMOS/ press有限元分析。WCB材料机械性能见表1。

(1) 利用COSMOS/press插件对设计的阀体建立约束, 施加载荷, 进行分析计算。约束固定面选取阀体中法兰及进、出口两个端面, 其水平及垂直方向位移均为零。施加的载荷主要来自阀体内部压力容器所承受蒸汽和凝结水压力P=3.2MPa , 工作温度T=203℃, 方向垂直于阀体内表面。

(2) 应用COSMOS/press计算分析, 输入相关参数, 系统运行各种计算功能, 得到阀体的应力、位移分布、变形云图如图3所示, 结果如图4所示。

分析数据可通过eDrawings的动画格式演示和保存并生成HTML报告。系统给出详细的综合分析报告, 设计师直观地了解到阀体在受载荷情况下的应力变化和变形情况等重要数据参数。

对COSMOS/press的分析计算与理论计算的结果进行比较, 其出现最大应力、最大位移量的结点位置基本一致, 其变化规律也相近, 说明其数据分析准确, 快速, 结果符合强度设计要求。

2.4 装配设计

蒸汽疏水阀的模拟装配设计过程, 是零件按照相互的装配关系完成的3D装配模型。Solidworks系统在装配零件时同步进行动、静态干涉检查。一旦发现干涉或设计不合理之处可及时修改与调整, 提高设计质量。

在阀座组件模拟装配过程中, 经动态干涉检查, 发现阀座与支架产生碰撞, 至使疏水阀的关闭系统出现故障。通过在3D模拟装配中反映出来的问题, 及时得到了解决。

Solidworks还可以根据装配过程给装配图中指定零件添加运动轨迹, 生成用于表达装配关系的爆炸视图如图5所示, 清晰地展现产品的结构。生成爆炸视图, 最后录制成AVI格式影视文件, 用以动态地演示设计意图及进行干涉检查。设计者通过干涉检查的反馈信息最大限度地减少错误, 提高工作效率, 使得设计流程更加顺畅。

3 结束语

应用Solidworks对蒸汽疏水阀三维建模过程中, 通过采用虚拟设计装配和COSMOS/press有限元分析技术, 设计者在模型图中能够方便、快捷地对疏水阀各零件进行模拟设计和受力分析。通过对零件模型的有限元分析, 可使设计人员直观全面地了解零件在工作状态下的应力分布规律和变形情况, 以指导设计改进, 提高设计的准确性和可靠性。另外, Solidworks参数化模型的设计, 借助Excel电子表格快速准确地生成同系列零件中的任何一个零件, 这是一种不需要二次开发, 即可完成实体零件库的建立, 为零件的系列化建模、装配和分析提供了有效的技术支持。总之, 在疏水阀产品设计中充分应用Solidworks等先进的3D软件, 进行相关参数化的设计建模, 可提高疏水阀零件的建模效率和通用性, 并有效提高设计效率, 大大缩短产品的研发周期。对降低疏水阀生产成本和提升疏水阀产品的市场竞争力都有极大的帮助。

摘要：介绍了在蒸汽疏水阀零部件设计过程中应用Solidworks进行参数建模设计, 应用Solidworks内嵌的COS-MOS/press有限元分析模块对设计的零部件进行了应力分析, 检查零件在承载状态下的工作性能及受力情况。借助Solidworks三维设计及装配技术, 有效地提高了设计效率、缩短了研发周期。

关键词：SOLIDWORKS,蒸汽疏水阀,三维建模,有限元分析

参考文献

[1]杨源泉.阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社, 1992.

[2]崔凤奎.SolidWorks机械设计[M].北京:机械工业出版社, 2007.

[3]蓝汝铭.SolidWorks2005机械设计基础教程[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2006.

[4]三维机械设计系统 (Solidworks2010 SP0.0) .

[5]张晋西, 郭学琴.SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真设计[M].北京:清华大学出版社, 2007.

[6]詹迪维.SolidWorks机械设计教程[M].北京:机械工业出版社, 2009.

化工生产中疏水阀选型的探讨 篇4

一、蒸汽疏水阀的分类

1.机械型疏水阀, 也就是平时所说的浮子型疏水器, 主要包括自由浮球式、半浮球式、倒吊桶式、钟形浮子式等等。这类疏水阀是利用凝结水与蒸汽的密度差, 通过阀门内水的液位变化达到浮子自动升降, 从而起到疏水的目的。是化工生产中最常见的一种疏水器, 换热器的热效率最佳, 笔者在车间翅片管换热器和再沸器换热器中使用这种换热器, 效果很理想。

2.热动力型疏水阀, 有圆盘式和脉冲式这两种形式, 最为常见的是圆盘式, 热动力圆盘式蒸汽疏水阀是利用蒸汽和凝结水的热动力学不同的特性, 由伯努利方程可知, 在相同的压力下, 由于阀门内气体和液体流速不一样, 阀片上下产生不同压差, 驱动圆盘阀片运动, 从而达到阻汽排水目的。笔者在蒸汽管道补偿弯放净处和蒸汽采暖系统中使用这种类型的疏水器, 体积小, 重量轻、结构简单, 维修方便等优点充分的体现出来。

3.热静力型疏水阀:热静力型疏水阀有波纹管式、双金属片式等形式, 由于依靠温差而动作, 所以其动作不灵敏, 不能随负荷的急剧变化而变化, 所以日常的化工生产中较少的使用, 所以笔者就不在详细介绍。

二、通过上面的介绍, 由于蒸汽疏水阀种类繁多, 而化工生产工况又复杂不同, 又没有比较权威选型指导书, 因此车间工艺管理人员, 甚至专业的工程设计人员选错疏水阀也是比比皆是。以下就疏水阀选型中应该引起注意的几个主要问量进行讨论, 希望能对读者的工作有所帮助。

1.疏水阀的疏水量

疏水阀的选型, 主要是疏水阀的排水量的选择, 疏水阀的排水量Q可按下式计算:

上式中Ap为疏水阀的排水系数, △p为疏水阀前后的压力差 (单位kpa)

D为疏水阀的排水孔直径 (单位mm)

一般生产厂家会在产品样本中提供各种不同规格和不同情况下的排水量, 可依据这些数据来合理选择疏水阀。由于刚开车时疏水阀的排水量比正常工作时大, 所以在实际选型时应按疏水阀计算值排水量的2-3倍来选择。

2.疏水阀的工作压差

疏水阀前后的设计压差值直接影响疏水阀的选择, 由上面疏水量的计算公式就知道了压差不同疏水阀的排水量也不同。在化工生产中经常出现疏水阀使用寿命短的现象, 根本原因大多都是疏水阀前后压差选择的不合理。顾名思义, 疏水阀的前后压差就是阀门前的蒸汽压力减去阀门后的压力值, 这里要把阀门前、阀门后的压力与疏水阀的公称压力区别开来, 千万不要混淆了。值得一提的是疏水阀后的压力值 (背压值) 非常重要, 一些工程技术人员往往会忽视它, 有些人为了保证疏水阀能够正常工作, 通常会选择背压值较高的疏水阀, 但那样的话疏水阀前后压差势必会随之减小, 最后的结果只有增加疏水阀排水孔直径来保证疏水量。疏水阀的背后压要看阀门后的凝水是直接排空还是有集水罐这两种情况: (1) 当疏水阀后凝水直接排空时, 疏水阀的背后压值为0。 (2) 当疏水阀排出的凝水去集水罐, 此时疏水阀的背后压P可以进行如下计算:P=△P+P1+H (△P为回水管的阻力、P1为集水箱内的压力、H为回水管抬升高度的压头)

3.疏水阀的工作温度

选择疏水阀时, 系统蒸汽最高温度值来选择疏水阀。值得读者注意的是在过热蒸汽系统选择疏水阀时, 应该选择过热蒸汽专用疏水阀。

4.疏水阀的连接尺寸

疏水阀的工艺条件决定以后, 当按照上面的原则满足以后, 结合制造厂家的产品样本来选择疏水阀的规格尺寸。

天然气疏水阀排液效果探讨 篇5

1.1 疏水阀的工作原理

天然气疏水阀的工作原理类似于马桶原理,采用纯机械结构,在不使用其他动力的条件下,利用浮球在液体中的浮力作为动力源,分离器的液体不断通过管路自然流入疏水阀中,阀腔内的液位上升,浸没浮球的体积不断增加,从而浮球所受的浮力也不断增加,当浮力大于浮球及杠杆系统的重力时,浮球上升,带动杠杆上行,通过杠杆放大作用力,开启阀芯排液;疏水阀的最大排液量大于分离器的瞬时产液量,阀腔内的液位下降,浮球下降,关闭阀芯,从而完成排液周期。这样,分离器中的液体就不断排出。

1.2 疏水阀的结构

目前,采气二厂使用的均为TSS43H型疏水阀,主要由十个部分组成。

A进液口:该口由法兰和天然气分离器排液口相连,使分离器中的液相介质和天然气一同进入疏水阀中;

B天然气回气口:该回气口与分离器液位计顶部相连,实现疏水阀内气压与分离器内气压相通,形成连通器,为液相介质的自由流动创造条件;

C检查口:检查口为非常用结构,但在工作过程中对疏水阀的故障诊断起着很大作用;

D排液口:该法兰接口将液相介质排到与之相连的盛液设备中;

E排污口:该口也为非常用口,但对疏水阀的故障排除起着重要作用;

F浮球:浮球通过在不同介质中的浮力差作为动力源,为启闭阀芯的开启提供动力;

G杠杆:运用杠杆原理,将微小的浮力或浮球系统自身重力放大,从而给启闭阀芯提供足够的开启或关闭力;

H启闭阀芯:它通过浮球的上下浮动带动阀芯开启或者关闭,控制介质的排除或流量;

I过滤防冲罩:能将分离器中的大颗粒固体物质过滤,同时分散因压力波动,介质对浮球的冲击,提高系统的稳定性;

J下腔隔板:使液相介质按照设计的流动方向运行,使液相介质中的固体微小重颗粒在由上往下的流动过程中沉降,避免对阀芯的刺伤,延长疏水阀的整体使用寿命。

当液位足够高时浮球组F上升,从而带动连杆G向上移动,连杆拉动阀芯H开启阀嘴H起到排液的效果。当液为下降连杆G带动阀芯闭合,排液结束。此过程中气相始终保持在液位之上。所以可以保证天然气零泄漏。

1.3 疏水阀的技术参数

TSS43H型疏水阀的主要技术参数见表1。

1.4 疏水阀的主要技术参数及相关工艺参数计算

1.4.1 阀嘴直径与流量的关系

选取疏水阀进液口和出液口一起作为研究对象,模拟模型通过阀嘴中心的水平面为基准,对阀嘴前后两个自由页面列能量方程,即

式中V1=V2,且hω=ξcVC2/2g,而ξc为淹没处流失的综合阻力系数,它包括两个部分:一是阀嘴收缩断面产生的损失,二是收缩断面至自由页面间的突然扩大而产生的损失两部分,即ξc=ξ孔+1;所以H1=H2+hω

令εφ=μ,为流量系数;则:

令μ=0.62

上面各式中:

H1H2—阀嘴前后水头(m);φ—速度系数;

hω—流经阀嘴水头损失(m);ξc—综合阻力系数;

V1V2—阀嘴前后流速(m/s);ξ孔—阀嘴阻力系数;

VC—收缩断面流速(m/s);ε—断面收缩系数;

Ac—收缩断面面积(m2);μ—流量系数;

A—阀嘴出流断面面积(m2);Vc—阀嘴出流流速(m/s);

Q—流量(m3/s)

由于式中均为理论计算,实际中有一定实验系数K,所以实际流量式如下:

厂家设计疏水阀阀嘴直径为3mm,对应最大排量1.2m3/h。

1.4.2 阀芯开启力与浮球选择的计算

由疏水阀开启原理可知,当浮力大于浮球及开启机构重力时,浮球系统上升,即排水。

设整个浮球系统重力为G球,所受浮力为F球。

当F球大于G球时,浮球上升,但仍需克服压力差及杠杆重力F2,此时F1×L1+F2×L2燮F3×L3

则浮球所需浮力F浮=m球g+F3m球=ρ球×V球=ρ球πR3

式中:ρ球—浮球材料密度;

V球—浮球体积;

R—浮球半径;

我厂使用的的TSS43H-64型疏水阀厂家设计浮球直径为68mm,壁厚0.8mm,浮球材质为1Gr18Ni9Ti材料。

2 疏水阀排液运行模型建立

其中,p是静压;τij是应力张量,ρgi是重力体积力,Fi是其它体积力。

在FLUENT中选用标准k-e模型来求解,该模型需要求解湍动能及其耗散率方程。湍动能输运方程是通过精确的方程推导得到,但耗散率方程是通过物理推理,数学上模拟相似原形方程得到的。该模型假设流动为完全湍流,分子粘性的影响可以忽略。

通过疏水阀运行模型对压力场和喘流动能场分析,可以看出闪蒸分液罐疏水阀排液是在无压力或微正压状态进行,几乎没有喘流动能存在。

3 天然气疏水阀运行效果评价

3.1 排液时天然气泄漏分析

天然气疏水阀在实现自动排液的过程中,在阀体内始终保持一定液位高度的液体。当阀体内的液位下降到不足以托起浮球时阀门自动关闭。这样如果气井在连续生产,疏水阀就会维持一定液位实现连续排污,而气体始终在液位以上这样就排除了天然气泄露的可能,降低了安全风险。

3.2 疏水阀存在问题及改进建议

(1)阀嘴及浮球存在问题。2011年7月榆11站疏水阀在更换了陶瓷阀芯后出现不排液问题。建议在推广使用前调整好浮球移动空间。(2)阀体内部有压裂砂堆积现象:建议定期检修阀体清理堆积污物。(3)疏水阀排污无法计量排液量:建议疏水阀后加装耐压的流体计量装置。

参考文献

[1]许丈渊,蒋长安.天然气利用手册.中国石化出版社,2002.1.

[2]朱利抚.天然气处理与加工.石油工业出版社,1997.5.

[3]天然气疏水阀说明书.2004.4.

热动力疏水阀 篇6

蒸汽疏水阀是一种能自动从蒸汽管道和蒸汽用汽设备中排除凝结水和其他不凝结气体, 并阻止蒸汽泄漏的阀门。它能保证各种加热工艺设备及管线所需要温度和热量并使之正常工作。蒸汽疏水阀动作正常与否, 影响着蒸汽使用设备的性能、效率和寿命。据测算供热系统节能改造中, 更新性能优良的蒸汽疏水阀其费用仅占系统改造总投资的7.5%, 而节约能源量可占系统总节能量的30%。

以下对疏水阀的选型、安装方式及蒸汽疏水量的计算进行一些探讨。

2 蒸汽疏水阀的类别及原理

疏水阀按动作原理分类主要有:浮球型疏水阀、热静力型疏水阀、热动力型疏水阀、倒置桶型疏水阀等。

2.1 浮球型疏水阀

浮球型疏水阀包括一个浮球和波纹管元件。自由浮球式疏水阀是利用阿基米德浮力原理, 使浮球随体腔内液面的升降而升降, 从而打开或关闭阀座排水孔形成排水阻汽动作。浮球型疏水阀对排放容量和工作压力广泛适应, 但不推荐用于有可能发生水锤的系统中。

这类阀的特点是:适用于大排量, 体积较大;使用时若超出蒸汽疏水阀的设计压力, 阀门则不能打开;在寒冷地区, 为了防止蒸汽疏水阀内部的凝结水冻结, 必须进行保温。

浮球型疏水阀的故障主要是关闭故障, 浮球可能损坏或下沉, 不能保持在开的位置。

2.2 热静力型疏水阀

热静力型蒸汽疏水阀是靠蒸汽和冷却的凝结水和空气之间的温差来工作的。蒸汽增加热静力元件内部的压力, 使疏水阀关闭。凝结水和不凝结气体在集水管中积存, 温度开始下降, 热静力元件收缩, 打开阀门。在疏水阀前积存的凝结水量, 取决于负荷条件、蒸汽压力和管道尺寸。值得注意的是, 不凝结气体可能积存在凝结水的后面。

热静力型疏水阀也可以用来排放蒸汽系统中的空气。它排量大, 排空气性能良好。但不能适应负荷的急剧变化, 不适合蒸汽压力变动大的场合。

2.3 热动力型疏水阀

与热静力型蒸汽疏水阀相反, 热动力型疏水阀是根据蒸汽和凝结水的运动速度不同, 或者说既利用了蒸汽的凝结作用, 又利用了凝结水的再蒸发作用。即蒸汽一旦冷却, 就产生凝结, 形成低压高压张结水进入低压区, 会引起再蒸发。另外, 这种型式双利用了蒸汽和凝结水的密度差和粘性系数差。

热动力型疏水阀体积小, 重量轻, 但不适用于大排量, 且易有故障。

2.4 倒置桶型疏水阀

根据蒸汽和水比重不同的原理工作的机械式疏水阀。蒸汽进入倒置桶内, 使桶浮起来, 关闭出口阀。凝结水进入疏水阀改变桶的浮力, 使其下沉, 打开疏水阀放出凝结水。与其他机械式疏水阀不同, 倒置桶可以在蒸汽温度下连续排放空气和其他不凝结气体。

倒置桶型疏水阀排除空气能力强, 没有空气气堵和蒸汽汽锁现象, 排量大但有冻结的可能。

3 蒸汽疏水阀的选型

1) 选择符合使用条件的形式。

2) 疏水负荷。

3) 疏水阀前后压力之差, 疏水阀必须在这种压差下打开。

4) 疏水阀能承受系统最高工作压力和最高工作温度, 由此来确定疏水阀壳体的材质。

5) 为了符合使用条件, 蒸汽疏水阀的安装方式要正确。

4 蒸汽管道疏水量的计算

4.1 启动时蒸汽管道疏水量的计算

4.1.1 估算的原始条件

高压蒸汽管道暖管的温升速度规定为2℃-3℃/分钟, 且最高不得超过5℃/分钟, 故计算中选用5℃/分钟。

保温材料的温升速度取为钢管温升速度的一半。

4.1.2 启动疏水量的计算公式

启动疏水量M=60×n× (G1×C1×△t1+G2×C2×△t2) / (Ig-Ib)

G1——单位长的钢管重量或单只阀门的重量;

G2——单位长的钢管保温材料重量;

C1——钢管比热, 大卡/公斤℃;

C2——保温材料比热;

t1——钢管温升速度, ℃/分;

t2——保温材料温升速度, ℃/分 (取△t2为0.5△t1, 即为2.5℃/分钟计算) ;

Ig——蒸汽焓, 大卡/公斤;

Ib——蒸汽管道初压下的饱和水焓, 大卡/公斤;

n——管道长度;

4.2 蒸汽管道运行时的疏水量计算

4.2.1 过热蒸汽管道疏水量计算

经常疏水量G=q×n/ (Ig-Ib) 公斤/小时;

q=管道及阀门的散热损失;

可按规程中关于管道的单位热损失范围中的数据;

Ig=额定参数下的过热蒸汽焓, 大卡/公斤;

Ib=额定参数下的饱合水焓;

n=管道长度或阀门只数;

4.2.2 湿蒸汽管道经常疏水量计算

因湿蒸汽本身带有湿度, 故与过热蒸汽相比, 经常疏水量除应考虑管道散热而引起的疏水, 还应考虑湿蒸汽本身所含水分引起的疏水量。目前我国CP1000核电机组中的主汽及汽水分离再热器前的5段、6段、7段抽汽均为湿蒸汽, 故湿蒸汽管道疏水量的计算是核电机组热力系统中的重要问题。考虑到工程应用的安全可靠性, 统一按湿度中0.1做为疏水量。故湿蒸汽管道的经常疏水量公式如下:

经常疏水量G=q×n/ (Ig-Ib) +W×x×0.1 公斤/小时

4.3 疏水阀疏水量的确定

蒸汽疏水量是选择疏水阀的重要参数。在选择疏水阀时应保证其疏水量大于管道中任何工况产生的疏水量, 因而疏水阀容量的选择需在管道疏水量上乘以安全系数。

疏水量较大的湿蒸汽管道的疏水系统设置见图1. 疏水点设置疏水罐, 疏水罐下接疏水管道, 并设置电动旁路阀, 以防止疏水器阻塞及保护疏水器。电动旁路阀与疏水罐相连接疏水管水位设置连锁, 图2疏水管液位监测设置, 当疏水管水位达到水位定值时, 旁路电动阀自动打开。

安装要求:

1) 疏水阀不允许串联使用, 必要时可以并联使用。

2) 疏水阀要安装在管道的是低点且尽可能靠近加热设备。安装位置应便于操作和检修。

3) 蒸汽疏水管道与蒸汽管道一样, 也需考虑热胀应力和补偿问题。

4) 从疏水出口至疏水阀入口管段应尽可能短, 且沿流向应有4%的坡度, 使疏水自然流下进入疏水阀。对于热静力型疏水阀要留1m长管段, 不设绝热层。

5) 疏水阀一般都带有过滤器。如不带者应在阀前安装过滤器。

6) 热动力圆盘式疏水阀可水平安装或直立安装均可。热动脉冲式疏水阀一般安装在水平管道上, 阀盖朝上。机械浮球式疏水阀必须水平安装。

5 结束语

疏水阀虽然是蒸汽系统中的一个很小的部件, 但却对整个蒸汽系统的能源消耗起着至关重要的作用。合理的计算蒸汽管道疏水量, 选择性能合适, 容量匹配的蒸汽疏水阀是用汽设备正常生产的保证, 更是有效节约生产成本与能源的保障。

参考文献

[1]中井多喜雄.蒸汽疏水阀[M].北京:机械工业出版社, 1984年.

[2]吴培森.改良蒸汽疏水阀是蒸汽供热系统节能减排的重要环节[J].石油化工设计, 2008, 25:56-57.

热动力疏水阀 篇7

石油化工装置生产过程中, 由于地域、原料、温度、压力以及工艺要求等条件的不同, 为维持生产操作及停输期间管内介质温度, 需对装置内的工艺管线进行蒸汽或者热水伴热, 提高介质的流动性, 防止介质在寒冷天气下发生冰冻而引起的安全事故, 因此化工装置内伴热及疏水阀组的设置直接关系着工艺生产的安全和高效, 具有很重要的意义。

二、管线伴热的设计要求

原油管线, 馏分大于280℃, 温度低于100℃以下的油品管线都需要伴热, 以防油品在管内凝固。个别重质油品如减压渣油、氧化沥青、丙烷 (戊烷) 脱沥青介质温度200℃也要伴热。

1.管线伴热有蒸汽, 也有高温热水 (近年为降低能耗, 各炼厂都开展低温热利用) 90℃-110℃、PN0.6-1.0Mpa。

2.PN3.5Mpa、t=435℃过热蒸汽排凝不允许使用疏水器, 可使用串联2个DN10节流阀进行疏水。

3.蒸汽、热水伴热尽量集中给水、给气, 集中排凝。

(1) 疏水器的口径选择按伴热管的凝结水量, 不按伴热管管径。

(2) 一根伴热管一个疏水阀, 即使伴热管长度不足, 也不能2根伴热管合用一个疏水阀。因为2根伴热管压降不可能一样, 压降低的会“抢量”, 而另一根压降高的会终止疏水。

4.疏水阀组典型布置:

5.伴热高温热水的给水和回水可参照蒸汽伴热的给气及疏汽器阀组的典型布置图进行, 设计时不要疏水阀即可。

三、蒸汽伴热管线伴热原则

为维持正常的介质输送压力, 就要保证介质的输送温度, 就要补充保温管线的热损失。重柴油:70~75℃出装置, 轻柴油:40~50℃出装置, 常渣:90~100℃。

1.对重柴油以上的馏分油和原油进出装置进行伴热;

2.伴热方法:蒸汽, 热水, 电伴热, 热载体等。本文只介绍蒸汽和热水。

3.对工艺提出要求的管线 (1) 集中供热水、蒸汽, 集中疏水、排水; (2) 部分分散供蒸汽, 集中疏水排凝。

4.管线走向, 原则上高点供汽, 低点排凝, 管线走向步步低。不允许出现正U形, 如果不得已出现正U形要在低点设排凝口。热水供热为低点给水, 高点回水。

5.原则上一根伴热管终点一个疏水阀组。不允许两根管共用一个疏水阀组, 因为阻力小的先抢排量, 阻力大的就形成死管。

6.伴热管及介质温度、环境温度的管长选择原则是保温散热量等于伴热供热量。装置伴热一般用DN20的无缝管, 蒸汽介质可在150米, 热水可在120米。

7.外伴热管的结构。通过支架时要选用管托。

8.外伴热管保温外壳一般选用大一级管径的保温管壳。

9.每根伴热管进、出口两端必须设置切断阀。不允许两根并联伴热管共用一个进、出口管切断阀。每个进出口切断阀后应设一个带软管接头的放空阀, 以停工扫线用。

10.疏水器的选型, 常用的以双金属片, 热动力式、脉冲式为主。

(1) 倒吊桶式、浮球式, 都属于浮力密封式, 其体积大, 但蒸汽损失最小, 1-2%

(2) 热动力双金属片式、膜盒式、隔膜式是利用金属片或不同材质的双金属片热胀冷缩的机理来控制排水口的开闭, 它的效率约损失5-8%。

(3) 脉冲式是利用阀芯微孔排水, 间隙式排凝结水, 蒸汽损失20%以上。但重量最轻。是目前炼油化工厂最常用的疏水器, 相对结构简单, 价格也低。容易保养维修。热动力式, 脉动式疏水器都是阀芯小孔排水, 阀体内没有多余容积, 所以对水质中所含杂质要求高。

(4) 热水外伴热管

近年来为提高炼厂的能耗, 开发低温热的利用, 炼厂内都设有热水换热站, 分高温热水和低温热水两种, 以回收各装置的低温热。

1、高温热水, 操作压力:0.8~1.0MPa, 温度:95~115℃;

低温热水, 操作压力:0.8~1.0MPa, 温度:50~70℃。

2、高温热水在北方炼厂主要用在装置的上。

3、被伴热管线介质在可流动性。 (1) 大于30厘米; (2) 凝点小于60℃的介质。

4、伴热管线不小于DN20, 一般用DN20和DN25, 大管线可用双管伴热, 而不用DN15的小管。

工艺管径DN伴热 根数

≤100 1×20

150 1×25

200~400 2×25

5、伴热管长度:一般伴热长度是蒸汽管长的0.8倍。

6、伴热走向:低点供热, 高点排放。伴热管线走向要以步步高为原则, 出现倒U型时, 在倒U型顶部会出现气袋, 就会形成“气阻”, 使伴热热水不通。解决的办法是在U形的高点设放空阀, 将不凝气排空。

7、保温管壳同蒸汽保温管壳选取。

8、伴热管线过支架时选用管托高不小于150mm。

参考文献

[1]张德姜, 王怀义, 刘紹叶等.《石油化工装置工艺管道安装设计手册》.第一篇, 设计与计算-4版。ISBN 978-7-80229-998-6.

[2]王少盖, 郑学锋等.《化工工艺管道蒸汽伴热管的设计》.