钢质节能型制冷截止阀的研究设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)焦作大学机电工程学院 作者:王保华

  本文针对制冷截止阀的节能发展方向,设计了一种钢质节能型制冷截止阀,优化了其结构,工程应用表明低温工况下可以满足使用要求,且节能效果显著,具有很好的推广价值。

1、研究背景

  统计资料表明,我国总的能源利用率约为30%,这相当于发达国家60 年代的水平。根据国内专家的预测,按目前经济发展和能源生产的发展速度,我国未来的能源缺口在15%左右。因此节能对保证我国经济发展十分重要。我国的工业生产量现在居世界第一,但是我国的企业生产链相对比较落后和不完整,我国也在一直从“制造业大国”逐渐向“制造业强国”进行转变,节能减排、低碳环保也应在我国的制冷设备发展中得到体现。目前,我国已将制冷设备的发展纳入了《节能减排发展规划》当中。

  制冷是耗能大的行业之一,制冷装置的节能是我国节能工作中重要的一环,制冷装置的节能包括制冷装置的设计、操作调节、维护管理,以及技术改造各个环节。因此,作为制冷装置不可缺少的一部分,制冷截止阀同样也必须具有很好的节能性,市场上必然需要一种既能满足

  系统使用要求又能提高整个制冷装置节能性的新型节能型制冷截止阀产品。通过开发节能型制冷截止阀产品,必然会给制冷行业带来一次技术革命,其意义十分重大。本文研究设计了钢质节能型截止阀,并探讨了其应用情况。

2、结构设计

  钢质节能型制冷截止阀的组成结构是关键之一,而确定截止阀结构,应先确定阀门整体形式。

2.1、阀体的结构形式选择和毛坯获得方式

  作为阀门重要的组成部分,阀体的结构形式直接决定阀门的整个结构形式。目前,阀体的结构形式主要有两种:一是直通式,即阀杆中心线与阀体中心线成90°;另外一种为直流式,即阀杆中心线与阀体中心线成45°。阀门的结构形式决定了整个阀门的节能性能,而衡量阀门节能效果的一个重要参数就是阀门的流量系数和流阻系数。为了确定阀门的结构形式,进行了以下对比,DN50 阀门的典型流量系数对照表见表1。截止阀流阻系数ζ对照表见表2。

表1 DN50 阀门的典型流量系数对照表

DN50 阀门的典型流量系数对照表

表2 截止阀流阻系数ζ对照表

截止阀流阻系数ζ对照表

  通过对比发现:直流式“Y”型阀门具有流量系数大,流阻系数小的特点,为了尽最大限度提升阀门节能效果,研究决定阀体整体结构采用直流式“Y”型结构。

  阀体毛坯的形成主要有铸造、锻造、焊接三种方法。由于铸造工艺限制,铸造阀体废品率比较高,而且外观往往达不到技术要求,主要缺点是流道形状多变,因此流通能力不强;锻造阀体流道孔采用机械加工制成,所以在孔与孔的过渡区会产生锐角过渡面,造成流阻系数大,且易产生紊流,使得介质对阀体侵蚀大;而焊接阀体具有重量轻,表面质量好,清洁度高,流阻系数小等优点,综合确定阀体采用无缝钢管、弯头、钢板焊接制成。图1 是阀体三维立体效果图。

阀体三维立体效果图

图1 阀体三维立体效果图

2.2、阀门与制冷系统中管道连接形式

  传统阀门与系统管道都采用法兰式连接,每只阀门出厂时都必须配带两片法兰和若干紧固用螺栓,由于采用这种形式,所以阀体两端必须设计两片与外配法兰相同大小与厚度的凹法兰,使阀门重量大大增加,而且外配法兰与凹法兰采用垫片密封,当阀门安装到系统后,又增加两个可能的漏点。研究决定采用对焊式连接,即每只阀门在进、出口弯头两端加工出标准坡口,然后直接将阀门与管道焊接。

2.3、上密封形式

  上密封结构是提高阀门密封性能的一个重要措施,而国内现有阀门为了降低成本大部分都没有上密封或采用金属对金属硬密封结构形式,这种结构往往由于阀门的开启关闭或加工质量原因造成泄露。为提高上密封性能,采用了先进的金属对工程塑料的软密封结构,大大提高密封性能,为阀门开启后新增加一道密封,大大提高了阀门的密封性能。

2.4、阀瓣与阀杆连接形式

  阀瓣与阀杆连接后与阀体构成阀门的主要密封面,阀杆与阀瓣的连接必须保证在阀门关闭过程中随着阀杆的螺旋向下移动阀瓣必须仅作直线向下移动,只有这样才能防止阀门在关闭的过程中阀瓣密封面的磨损,即阀瓣不会随着阀杆螺旋转动,避免了阀瓣密封面与阀体密封面的摩擦,另一方面连接又要承受住系统一定的反向压力,因此采用了类似轴承结构的滚珠连接结构,大大提高了阀门的使用性能。

3、材料的选择

  因为低温阀不仅要求在低温下保证正常工作,同时也要保证其常温的工作性能,因此对于其所使用的材料不仅要满足常温机械性能,同时也要满足低温下所需的机械性能[2]。由于该产品用于制冷系统,所以选择阀门用材料时应重点考虑材料的低温性能,而且阀门连接形式为对焊式,所以还要考虑材料的焊接性能,为了不增加产品成本又满足使用要求,阀体采用20#优质碳素结构钢;阀杆采用不锈钢,以提高阀杆的耐腐蚀性能;阀盖采用铸钢。

  填料是保证阀门密封性能的重要组成部分,所以填料材料的选择十分重要,国内阀门填料大部分有两种,一是柔性石墨,另一种就是聚四氟乙烯,两者各有长短,为了取两者的长处,采用了特殊材料配方,即为复合聚四氟乙烯,这种材料既有柔性石墨的润滑性又有聚四氟烯的高强度性能。钢质节能型截止阀的主要零件的材料见表3。

表3 钢质节能型截止阀的主要零件的材料

钢质节能型截止阀的主要零件的材料

4、结语

  在我国无论是制冷机的主机阀门,还是容器及冷藏间管道上的阀门大部分是一阀专用。截止阀就是一阀专用,采用上述技术方案设计出的钢质节能型截止阀已投放市场,工程实践应用表明:产品性能优越,安装到制冷系统后,既保证了普通阀门具有的截止功能,又具有良好的密封性能,而且节能效果显著,具有操作简便、流量大、重量轻的优点。

  总的来说,制冷系统运行成本激增已经成为制约我国制冷行业发展的一个突出因素,所以市场上必然需要一种既能满足系统使用要求又能提高整个制冷装置节能性的新型节能型制冷阀门产品,节能已经成为未来阀门的发展趋势,而新研发的钢质节能型截止阀提高了传统阀门应有的密封性能而且节能性能大大提升,进入市场后,该产品受到极大的欢迎,取得了良好的效果,产品供不应求,从市场反应来看,该产品推广应用前景广阔。

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