（化工过程机械专业论文）自动恒温阀性能测试实验系统的开发与实验研究.pdf

兰州理工大学硕士学位论文 摘要 摘要 自动恒温阀( t h e r m o s t a t i cv a l v e ) 是一种控制流体温度的新型阀门，它依靠感 温传感器内感温介质随温度变化所产生的膨胀力来驱动阀门启闭或开度，从而调节进 入阀门的冷、热流体流量，控制流体出口温度。它具有结构简单、价格便宜、动作可 靠、温度控制精度较高、无需电力或压缩空气等额外动力、自动化程度高等诸多优点， 广泛应用于采暖、热水供应等民用和航天航空、电力、能源动力、冶金、船舶等工业 各种热交换设备的温度自动控制场合。 本文在论述了自动恒温阀原理和广泛的市场前景，并从热力学原理上将自动恒温 阀与其它自力式温度调节阀进行了深层次对比的基础上，总结出自动恒温阀优越的特 性。为方便自动恒温阀的深入研究与开发，根据现代实验台设计理念设计制作了自动 恒温阀性能测试实验台。采用传感器、智能仪表、数据采集器、计算机和组态工控软 件组成测试与数据采集系统。在该实验台上，对动力机械润滑油冷却系统三通自动温 控阀进行了温度控制能力、流体局部阻力测定、流道密封性、滞后性等逐项实验研究。 最后，对实验主要测试参数的不确定度进行了评定，形成了一个完整的科学定量研究 实验结论。本文有利于对自动恒温阀控制温度原理的科学认识，同时为该产品的开发 与研究提供了实验硬件保障。 关键词：自动恒温阀测试系统实验研究 兰型! ! ! 茎堂堡主兰垡堡塞塞墨j ! 堡 a b s t r a c t t h e r m o s t a t i cv a l v ei san e w - t y p ev a l v eo fc o n t r o l l i n gf l u i d t e m p e r a t u r e ，w h i c h c o n t r o l so p e n i n g & l o s i n go rt h es i z eo f o p e n i n go f v a l v eb y t e m p e r a t u r e s e n s i n gm e d i u m s e x p a n s i v es t r e n g t hw i mt e m p e r a t u r ev a r y i n ga n dr e g u l a t e st h ef l u xo fc o o la n dh o tf l u i d e n t e r i n gt h ev a l v et o c o n t r o l e x p o r t i n gt e m p e r a t u r eo ff l u i d t h e r m o s t a t i cv a l v e ，w i t h s i m p l es t r u c t u r e ，l o wp r i c e ，r e l i a b l eo p e r a t i o n ，u n w a n t e dd y n a m i cf o r c ea n dh i g h a u t o m a t i z a t i o n ，i s w i d e l ya p p l i e d i nt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n go fv a r i o u sk i n d so fh e a t e x c h a n g ee q u i p m e n ti n c l u d i n gt h ec i v i le q u i p m e n ts u c h a sh e a t i n ga n dh o tw a t e r s u p p l y ， s p a c e s h i pa n da v i a t i o n ，e l e c t d c i t y ，e n e r g yp o w e r ，m e t a l l u r g y ，s h i pp r o d u c t s ，e t c t h e t h e s i s ，f i r s t l y ，d i s c u s s e sm a i n l yp r i n c i p l ea n dt h ee x t e n s i v em a r k e tp r o s p e c t so f t h et h e r m o s t a t i cv a l v e ，m a k e st h et h e r m o s t a t i cv a l v ec o m p a r i s o nw i t ho t h e rt e m p e r a t u r e r e g u l a t o r s o n t h e r m o d y n a m i c sp r i n c i p l e ，s u m m a r i e ss u p e r i o r c h a r a c t e r i s t i co ft h e t h e r m o s t a t i cv a l v ea sw e l l s e c o n d l y ，i no r d e rt or e s e a r c ha n d d e v e l o p t h e r m o s t a t i cv a l v e d e e p l y ，t h et e s t i n gl a b o r a t o r yb e n c ho f t h e r m o s t a t i cv a l v ei sd e s i g n e da n dm a d e a c c o r d i n g t ot h ei d e a so f m o d e m d e s i g ni nt h i st h e s i s a tt h es a m et i m e ，t e s t i n ga n dd a t ac o l l e c t i n g s y s t e ma r em a d eu pb ys e n s o r ，i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ，d a t ac o l l e c t o r ，t h ec o m p u t e ra n d c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e i na d d i t i o n ，p l e n t yo fe x p e r i m e n to nt h r e e w a yt h e r m o s t a t i cv a l v e o fc o o l i n gs y s t e mo fl u b eo i li nd y n a m i c a lm a c h i n e sh a sb e e nd o n eo nt h i sl a b o r a t o r y b e n c h ，i n c l u d i n g t h e c a p a c i t y o fe o n t r o u i n gt e m p e r a t u r e ，t h et e s t i n go ff l u i d l o c a l r e s i s t a n c e ，s e a lo f v a l v ef l o w p a s s a g ea n dh y s t e r e s i s f i n a l l y ，u n c e r t a i n t yo f m a i nt e s t i n g p a r a m e t e ri ne x p e r i m e n th a sb e e ne v a u a t e da n d a ni n t a c te x p e r i m e n tc o u c l u s f o nh a sb e e n d r a w n t h i st h e s i sw i l li n c r e a s es c i e n t i f i ck n o w l e d g et op r i n c i p l eo ft h e r m o s t a t i cv a l v e ， b e s i d e sp r o v i d i n gt h ee x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h ed e v e l o p i n ga n dr e s e a r c ho ft h e r m o s t a t i c v a l v e k e y w o r d ：t h e r m o s t a t i cv a l v e ，t e s t i n gs y s t e m ， e x p e r i m e n ts t u d y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我在导师指导下的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得兰州理工大学或其它教育 机构的学位或证书雨使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的并表示了谢意。 始易盔逝嗍趔 关于论文使用授权的说明 本人完全了解兰州理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他手段保存论文。 签名：盔丝麴 导师签名日期：小，、幻 兰4 “理工大学硕士掌位论文 第一蕈绪游 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 本课题是自动恒温阀研究与开发的重要子课题，自动恒温阀是一种新型高效高科技产品，广 泛应用于各类热力设备的不同性质的工质温度、流量的控制，如冶金、化工及番种民用装置等。 自动恒温阀在动力机械润滑油冷却系统中的应用，大大提高了系统的稳定性、可靠性用l 对能源的 利用率，降低了故障率，减轻了维护量，进一步延长了动力机械的寿命1 “。 应用于大型动力机械润滑油冷却系统的自动恒温阚，它作为我国引进的动力机械配置的重要 附属设备”、”，国内尚未系统的开发与研究。而要对自动恒温阀进行全面的研究，建立专用实验 台，测定其性能，通过对整体性能的实验研究是必不可少的。 1 1 1 课题的背景 本课题是在我校对自动恒温阀展开全面、系统的研究与开发的基础上开展的。 l 1 2 课题的意义 根据智能化、数字化、小型化现代实验台设计理念而设计和开发的自动恒温阀性能测定实验 台，可以满足自动恒温阀新产品开发与研究中性能测定实验的基本要求，为产品的开发与研究及 检验提供硬件保障：通过对动力机械润滑油冷却系统三通自动恒温阎的整体性能的反复实验研 究，探求其湿度控制过程的工作原理和不同结构和不同型式的自动恒温阎的温度控制能力，为自 动恒温阀系列新产品的开发与研究提供实践依据。 1 2 国内外研究现状 动力机械润滑油冷却系统自动恒温阀的核心部件就是感温蜡式熟敏元件，自动恒温阀的发展 与研究现状依赖于感温蜡式热敏元件的发展与研究。 感温蜡式热敏元件的研制始于二十世纪四十年代。其目的是代替内燃机冷却系统所用的波纹 管元件进行温度控制”。由于其在性能、成本等多方面的优势。n - 十世纪六十年代，感温蜡式 热敏元件已成为发达国家的自力式感温元件的主流产品，在自动控温方面得到广泛应用。国内对 蜡式感温元件的认识开始于二十世纪七十年代，主要由于从国外进口的汽车、轮船、火车机车等 内燃规冷却系统的温度控制大量用到自动恒温润”。随着现代丁业的发展，感温蜡式热敏元件在 构造、安装、用途等方面也在不断发展。目前，对感温蜡式热敏元件的构造、感温蜡的选择或制 兰州理工大学硕士学位论文第一蕈缝诧 备、开发新用途等方面仍是本专业领域的重要研究方向。国内对自动恒温阀的全面研究尚处于起 步阶段，还没有对自动恒温阀性能进行自动测试与研究的相关报道。 1 3 主要研究内容 本课题主要研究内容可以概括为以f 三个方面： ( 1 ) 为什么要测定自动恒温阀性能? 主要论述自动恒温阀具有独特的原理和优越的特性广 泛的市场前景。 ( 2 ) 怎样测定自动恒温阀性能? 通过测试系统设计、工艺设计、结构设计的论述确定具体实 验方法与实验方案，建立实验台，测定自动恒温阀性能。 ( 3 ) 实验中测定的精确度和可信度如何? 精确度是测试的一个关键环节，根据误差分析与不 确定度评定理论，给出实验数据的可信度。 具体地： ( 1 ) 为何要测定自动恒温阀性能：针对当前国际国内自动恒温阀产品命名混乱的局面，在全 面认识和与其它自力式温度控制阀热力学原理对比的基础上，主要研究动力机械润滑油冷却系统 自动恒温阀的原理和优越性：针对国内对该新产品的应用场合、市场前景没有全面研究的局面， 主要研究自动恒温阀产品应用的厂泛性。从而找到自动恒温阎开发的必要性：独特的原理和优越 的特性，广泛的市场前景。 ( 2 ) 怎样测定自动恒温阀性能，这是本论文的主要部分。 由于国内没有全面展开对自动恒温阀产品的研究，首先研究自动恒温阀新产品开发中性能测 定的必要性。然后在厂泛论证自动恒温阀性能测定实验各种基本方案的基础上，确定动力机械冷 却系统三通自动恒温阎性能测定方案，并且建立数学模型，进行工艺设计计算。 其次，在论证的基础上选择设计实验测试方案与系统，分别对温度、压力、流量传感器和有 通讯功能的数字温度、压力、流量智能数字显示仪进行选型，安装接口进行设计；热、冷水温度 控制与加热方案的设计：离心泵、高位热水恒温循环泵的选型与电控设计。 最后，也是本课题的关键部分，对不同结构和不同型式的动力机械冷却系统三通自动恒温阀 的整体性能的反复实验研究。测定不同模拟实验条件下的整体性能参数，记录并处理实验数据， 与流程数学模型进行对比分析，探求其温度控制过程的工作原理和自动恒温阀的温度控制能力， 为自动恒温阅系列新产品的开发与研究提供实践依据。通过对动力机械润滑油冷却系统三通自动 恒温阀在某一混合比情况下流体阻力的测试，以及与同情况下二通管件流体阻力系数的对比，得 出三通自动恒温阀流体阻力的大小情况，并为产品开发中三通自动恒温阀流道流阻测试提供了依 4 兰州理工大学硕士学位论叟第一章缚避 据。 ( 3 ) 如何保证测定的精确度和可信度：由于国外自动恒温阀产品的温度控制精确度一般可以 达到2 ，温度控制精度较高。此外根据自动恒温阀原理的独特性，该类阀门在制动上有较大 的滞后性，这就使得测试的精度问题显露出来。本论文将分别对该实验系统所测试的主要参数进 行误差分析和计算，对主要实验数据进行测试的不确定度评定，在实验结论的基础上给出测试数 据的可靠性评价。并对实验台今后测试方面的改进提出意见，以进一步提高测试的精确度和可信 度。 兰州理工大学硕士学位论文 第二章自动恒温阀介绍 2 1 自动恒温阀定义 自动温控阀是一种新型的高效高科技产品，又称自力式温控阀或自动恒温阀，简称恒温阀。 标准自动温控阀是由感温传感器的自力式执行机构和特制的配套温控阀体组成，它是直接依靠感 温传感器内的感温材料的膨胀力来驱动阀门开度，从而调节流体流量达到控制温度的目的。更广 义上的定义即自力式温控阀：一种不需要外接能源，而由热敏元件吸收调节对象的能量并转换为 机械能并按一定的调节规律工作的自动温度控制器。“2 、。” 2 2 自动恒温溺原理 自动温控阀其基本结构由感温传感器 自力式执行机构和阀体组成。感温元件结构 如图1 所示：当流体通过阀门时，位于阀体 内部感温元件受热( 或遇冷) 一热量通过刚 性紫铜密封容器外壁使杯内感温蜡受热熔 化( 或冷凝) 体积膨胀( 或收缩) 一推动横 隔膜、椎形橡胶体一推动活塞一带动调节启 圈2 - 1 感温元件结构圈 恒温阐结构图 闭件。从而调节阀门的开度。实际结构中，一般还设计有( 1 ) 放大机构：将活塞传递来的微小 的轴向位移放大到环向，使得对阀门的开度调节能力大大增加；( 2 ) 复位弹簧机构：使得感疆蜡 体积遇冷收缩时活塞网位；( 3 ) 温度控制设定机构：使得该阀门在使用中可根据实际情况对控制 图2 - 3 三通自动温控闽工作过程模拟动画 温度进行设定和调整“。图2 - 3 为三通自动温控i | i 工作过程模拟：a 图为阀未开始1 作的状态 出口温度尚未使感温蜡膨胀此时阎内热通道开而冷通道关闭：b 、c 图为阀t 作、调节状态， 6 兰州理工大学硕士学位论文 感温传感器随出口温度的高低而使感温蜡膨胀量改变，推动放大套筒运动、调节冷热流体的混合 比，从而控制出口温度；d 图为另一个极限情况，当热流体温度太高或冷流体不足而使出口温度 高于控制温度时，感温传感器内的感温蜡剧烈膨胀，推动放大套筒运动、关闭热流体流道。 2 3 自动恒温阀特点“2 “”： ( i ) 无需电力或压缩空气等额外动力，安全性高；( 2 ) 温度控制精度高。】：作稳定 ( 3 ) 过温保护装置灵敏可靠，保护范围大，确傈特殊情况下设备安全运行；( 4 ) 比例式控制，可以减 小水锤危害；( 5 ) 适用范围，。，可用于多种介质的温控场合；( 6 ) 体积小，不怕冻重量轻，安 装方便。 2 4 自动恒温润分类： 自动温控阀产品有不同的原理与应用场合，全面的认识它不仅可以在当前这类阀门命名混乱 的情况下找出联系、正确认识，更有利于在新产品的研究与开发中把握方向。自动温控阀按不同 的标准分类有不同的结果。 2 4 1 按感温热敏元件分； 可分为相变型和非相变型”1 。其中，相交型又可分为： 1 、周一液相交型膨胀热敏元件如正烷烃组的4 0 5 0 c 的精馏石蜡。用这种材料制作的阀 国际统称t h e r m o s t a t i cv a l v e ，也就是自动温控阀。之所以选择精馏石蜡，是因为不问组成的精馏 石蜡有着不同的沸点、很大的相变膨胀率( 般可达1 3 1 5 ) ，可以满足调节不同温度的需要。 固一液相交型由于圃体阶段传热能力特别差，一般需要特殊的处理，来提高受热敏感性，减少滞 后量，比如加入目数很高的铜粉。用这种材料制作的各种类型的自动温控阀在西方发达国家己有 很多成熟的应用实例，但是国内还处于起步阶段。由于其独特的优越性，这种阀门是自动温控阀 类今后尤其近期研究和发展的重点之一。 2 、金属相变型形状记忆合金热敏元件，如c u - z n a i 台金。如图2 - 4 所示，图为用形状记忆合金制作的混水 阀。目前，市场上用这种材料制作的各种类型的自动温 控阀成型产品还比较少见，随着形状记忆合金技术研究 的进一步发展与成熟，使得制作较为精确地控制各种温 度的自动温控阀逐步成为可能。而用形状记忆合金制作 的自动温控阀结构更为简单【7 i 可以预见这种阀门是自 强2 4 影献记忆合垒遇水阕结构示意固 动温控阀类今后尤其较长期研究和发展的重点之一。 7 兰州理工大学硕士学位论文 3 、液一气相变型低沸点气化膨胀型热敏元件，如乙醚氯甲烷、氯乙烷、乙醚、丙酮、乙醇 等挥发性液体。敏感液体的选择一般根据所控制工质的温度范围，所选液体的沸点应当比所控制 的温度低3 0 4 0 c 。阀门如乙醚波纹管式淡水调节阀。这类阀门由于气体较易泄漏，工作可靠性 较差，寿命较短，应用不是很广“1 。 非相变型可分为： l 、纯液态受热膨胀型热敏元件，如丙三醇、甲醇、甘油、硅油、汞等。相对于固一液相变 型热敏元件，纯液态受热膨胀型没有本质上的区别，只是纯液体的一般来说要达到同样热膨胀位 移需要较大量的液体，因此感温传感器体积较大。实践中往往由于纯液态受热膨胀型热敏元什体 积大而将感温热敏元件设计在阎体之外，如2 4 5 介绍的外感温捧型自动温控阀。其优点是纯液 体要比较敏感些，原因主要是由于有机材料固一液相变型热敏元件在固态阶段传热能力很差。 此外，纯液体可控制的温度可以较高，而固液相变型受相交温度的限制，可控制的温度范围有 限”1 。这类阀门在西方发达国家技术已较成熟，国内也有不少厂家引进或者开发了系列产品，但 是还存在着控制精度较低、泄露量较大、使用寿命较短等不足，要赶上国际先进水平，尚需做更 多的工作与努力。 2 、纯气体膨胀型热敏元件，如氮气。这类阀门同液一气相变型一样，由于气体较易泄漏， t 作可靠性较差，寿命较短，应用也不是很广。 3 、纯固态膨胀型热敏元件，如双金属片、膨胀性树脂、膨胀性塑料等。可用于控制精度要 求较低的场合。 4 、基于物理吸附原理的气周混合相吸附热敏元件，如活性炭和二氧化碳的混合物等n 这类 阀门的优点是对各种应用场合有较好的适应性，不足在于与液一气相变型或液体膨胀型热敏元忭 相比，其推动力较小。 2 4 2 按自动温控阀阀体的结构型式分： 可分为两通阀、三通阀和特殊场台应用的四通阀，其中两通阀又分为角通和直通。 囤2 - 5 单执行机构两通阐( 左) 、单执行机构三通阀( 中) 、多执行机构三通阀( 右) 结构示意图 兰州理工大学硕学位论文 2 4 3 按自动温控阀阀内执行机构的个数分： 可分为单执行机构、双执行机构和多执行机构。国外大型自动温控阀生产企业为了制造的标 准化和系列化的方便，一般执行机构设计为标准型式，在需要控制温度的流体流量较大时，采用 两个或多个标准执行机构。如图2 5 ( 左) 为单个执行机构，如图2 - 5 ( 右) 为多个执行机构型 式，适合于大流量操作时使用。 2 4 4 按自动温控阀设定温度是否可以调节分： 可调型与专用场台设定不可调型。比如民用一般采用可调型，它可根据使用者的情况，在一 定范围内调节温度。工业专用场合，比如螺杆式压缩机润滑油冷却系统一般采用设定不可调型， 因为对螺杆式压缩机润滑油冷却系统中需要控制的润滑油的温度是基本确定的。 2 4 5 按自动温控凋感温部件与阀门执行机构的位置分： 内置式、外感温棒型。图2 - 6 为外感温棒型自力式温度 调节阀原理示意图。外感温棒n 就是位于阀门整体结构外 的温度传感器，首先由温度传感器感知流体的温度后感温 棒内的液体受热膨胀( 或遇冷收缩) 再通过刚性毛细管1 0 将膨胀量( 或收缩量) 传递给波纹管腔室7 ，由于波纹管9 的缩短( 伸长) 而推动带弹簧阀芯推秆，从而制动阀门，调 节温度。此阀还可以通过温度调齄设定钥匙1 3 来调整和设 图2 6 外感温棒型自动恒温阎一 定温度。此外，还可按一般阀门的分类方法分类，如使用介 一自力式温度调节阀原理示意 质、使用温度、调温精度、阀体材料、使用部门与场合等分类。 2 5 自动恒温阀的广泛应用 广泛应用于民用供热、热水供应、航天航空、电 力、能源动力、冶金、船舶等工业各种热交换设备的 温度自动控制以及印染、纺织、食品、皮革等行业 需恒温排放流体的场合。具体的说： 2 5 1 民用 ( 1 ) 供熟系统节能和按户计量技术中的应用： 它有减压阀的功能和温度控制功能，因此阀门能 被用作一个缓冲机构。随着国民经济的飞速发展，我 国的城市集中供热规模也不断扩大。但是由于基础较 圈2 7 不同情况下分户供瑗安装当动恒温阐 的四种方案( 图中阐门全为可调型自动恒温 9 兰州理工大学硕士学位论文 差，供热技术发展迟缓，与国外先进技术存在明显的差距。据调查，在我国多数工矿企业或民用 住宅的供热系统中，供热设各陈旧，缺少自控手段，热网水平失调，室内竖向失调现象极为普遍。 因此，许多系统迫使采用大流量，低温差的工况运行，致使大量的能源被浪费。要改变这种状况， 在供热系统中实现供回水大温差运行，关键在于在供热系统的回水管路上装有回水温度控制器 ( 即自动恒温阀) 这样才能通过控制回水温度及调节回水流量，来满足不同形式单元住宅，不同 安装形式下对温差的要求，并使热力和水力达到平衡。 当前，集中采暖按热量计量是各国发展的趋势，是建筑节能的一项基本措施。在我国热量计 量消费已开始被人们接受，建设部己将集中供暖的民用建筑用热表计量收费列到了全国建筑节能 九五计划和2 0 1 0 年规划的发展目标，建筑按户计量和温控技术已经在大力实施，并作为今后 研究开发的内容。根据发达国家的经验，采取供热计量收费措施，即可节能2 0 3 0 ，效果相当 可观。而要实现供热采暖系统按实用热量计量收费，用户能自行调节室温并使室内温度保持用户 要求的范围是采暖系统按热量分别计量供热的基础即室内采暖系统必须具有计量功能和可阔节 性。无论采用单管跨越式系统，还是采用双管系统，都需要温度控制阀。而自动恒温阎以其优越 的性能在实践中被广泛的采用”。 ( 2 ) 热水供应系统中的应用： 家庭生活、集中热水供应和公共浴室热 水供应中，根据微生物学知识，为了抑制热 水中军团菌等微生物的滋生，热水供应温度 一般高于5 0 - - , 6 0 c ，而采用用户使用时混入 冷水的办法来实现。过去，一般采用手动调 节的方法，使用中往往由于注意力不集中误 图2 - 8 三通自动温控阔在集中热水供应 和公共浴室热木供应中的安装示意 操作或者未成年人误操作等原因而造成烫伤事故。应用三通自动温控阀。采用单管供水代替原来 的双管供水，在公共浴室热水供应中很好的解决了以上问题，如图6 所示f ”】。近儿年，随着太 能热水器技术在国内的成熟与价格的逐步合理化，太阳能热水器已走入千家万户。在阳光咀媚的 夏天，太阳能热水器的出水温度往往可以达到9 0 c 以上，一般也是采用自动恒温阀来使使用水的 温度为合适的温度。相对于电子式温度控制阀而言，三通自动温度控制阀由于不需电力所以要有 较高的安全性能，此外精度也较高、水锤危害较小等优点，在太阳能热水器上有着广泛的应蹦。 尤其可以避免离温天气、停电时而打开太阳能热水器出水阀可能造成的烫伤事故。 2 5 2 工业应用 兰州理工大学硕士学位论文 自动温度控制阀的丁业应用是开展自动温度控制阀研究的主要方面，国内已有些相关企业 作了一些有益工作，取得了一定的成果，但是从总体而言，主要采用引进、仿制的模式，相关基 础研究还较少，缺乏自主开发能力。尤其在标准自动温控阀( 用固一液相变感温石蜡为感温元件 的自动温控阀) 广泛的应用领域。国内的产品还处于维修替代地位，尚少有新产品直接选用的情 况。 1 、在动力机械润滑油冷却系统中的应用 压缩机、汽轮机、内燃机等高速回转的动力机械其轴承部位需要良好的润滑和冷却。且对于 润滑油的温度要求比较严格，油温的过高或者过低都会影响机器的正常运行。实践中常用冷却器 散热的方法来降温，但是难于控 制冷却后的温度，可是散热太多 与不散热一样，都不能使润滑油 保持在理想的范围。往往由于散 热器散热太多而形成较低温度， 引起水分在系统内析出，大大降 低了润滑性能。此外，从动力机 图2 - 9 三逦自动恒温闷在动力机械润滑冷却系统的两种安装方法 左圈为控带9 出口油温安装法右圈为控r 4 * 口油温安装法 械的耗能分析表明，动力机械热能有效利用较低，比如船用大型柴油机约为燃烧热值的4 0 ，余 下热量除柴油机排气热量损耗外，冷却水带走了热量的1 ，4 ，所以冷却水温的控制影响单位耗油 量的大小。实践证明，冷却水温度的控制 对于节能有着重要意义。在冷却管路中安 装相应流量的自动温度控制阀以后，可以 保证油温在最佳状态，实现控温与节能。 比如在螺杆式压缩机润滑油冷却回路的 恒温系统中，润滑油当温度保持在4 2 5 时才能保持比较好的活性和润滑性 图2 - 1 0 三通自动恒温闻在压缩机润滑岭却系统中的立用模拟田片 能，自动温度控制阀与散热器在冷却回路 中的安装如图所示。这样就很好地保持了 油温的稳定，既保证油温不会过高而造成润滑油粘度下降、润滑性能降低甚至失去，也避免了油 温过低引起水分在系统内析出，也避免了过度冷却引起的耗能。根据介绍，高精度自动温控阀可 将油温控制到4 2 0 5 。 兰州理工大学硕士学位论文 在汽轮机、内燃机、变速器齿轮箱中的应用也是如此。目前，我国3 0 0 m w 以上发电机组主 要采用引进设各或技术，其中汽轮机润滑油冷却系统中皆采用自动温控阀来控制润滑油油温。机 车内燃机、船用柴油发动机、v 8 汽车发动机也都采崩冷却器前加三通自动温控阀的配置来控制 润滑油的温度【1 11 ”。 飞机、火箭等航空器发动机增速器齿轮箱在高速运转时的情况也与动力机械的工况相似，故 也采用三通自动温控阎的形式来保持润滑油冷却回路的恒温。 围2 - 1 1 三通自动恒温阐在汽车润滑油冷却系统中飞机发动机增速器齿轮葙润滑油冷却系统中的应用模拟田片 2 、在液压系统冷却回路恒温系统中的应用 液压系统通常都要求对其油液温度进行控制，特别是在运行中温度控制准确度要求较高的液 压系统，如伺服系统、比例系统、液压元件试验台及连续运行的大型液压设备等。目前，实现温 控一般采用电测电控和机械组合匹配的冷却控制。简单的温控装置多由温度传感器、温度测控仪、 加热器、电磁水阀、冷却器及电控设备组成。这种控制方式虽简单，但其摄大的缺点是控制形式 属开关量控制，不能实现随系统发热量的变化而调节冷却水量，并且常因水中锈垢和污染颗粒， 造成电磁水阀阀芯动作失灵、电磁铁烧坏等故 障和造成水源浪费的问题。另一种是使用比例 式冷却水控制方式，它是由冷却器、输水阀、 电动执行器、电控设备、比例放大器、温度测 控仪及温度传感器一次元件组成。与前一种方 法相比，具有能随系统发热量的变化调节冷却 水量和控制精度高的优点，但因其组成环节多 厂 l 一 图2 - 1 2 三通自动恒温阀在注塑机冷却系统中的应用 故障率高，且目前与电动执行器组成最小的阀门 通径都在5 0 m m 以上，而液压系统常用的都在5 0 m m 以下，因此在使用中受到限制。 在液压系统冷却同路应用自动温控阀则具有结构简单，动作可靠，性能稳定，使用方便，比 例式调节，无需动力，精度高等特点，与冷却器组成一个闭环冷却水调节系统，是一种较为理想 兰州理工大学硕士学位论文 的液压系统冷却水调节元件。国外已经有大量新产品液压系统的选用自动温控阀作为冷却水调节 元件，据介绍运行情况理想“”“。 3 、在生产过程中流体温度控制中的应用 自动温控阀以其优越的性能大量地应用在生产过程流体温度控制中，用于印染、纺织、食品、 皮革等行业需恒温排放流体的场合。 例如在铸机生产线结晶器冷却水温度控制中的应用：包钢立弯式铸机生产线结晶器冷却水属 丁闭路软水循环系统，炽热钢水( 大于1 6 0 0 ( 2 ) i b 初凝是在结晶器内完成的，形成3 8 m m 坯壳，( 中 心仍是炽热钢水) 在引锭杆作用下进入扇形段，进一步喷淋固化直至拉矫机，形成最终铸坯。如 果在结晶器内冷却不均匀或成型不好，就出现拉漏、沾钢的严重后果。该系统由德国西马克公司 基础设计，采用的就是d n 5 0 m m 三通自动温控阀，通过旁路回水与板式换热器的回水的混合，经 热平衡达到工艺要求浇铸温度4 0 4 5 c i i s o 德国l & e 公司为了提高效率、降低能耗和减少泻染，在新产品造纸机尤其是能源消耗最大 的是造纸机的干燥部分，采用了各种专有技术。其中在真空站冷凝器冷却水出口温度控制方面， 采用了三通自动温控阀。用来自动地改变冷却水的排出量而控制其排出温度降低热污染，使冷却 水得以充分利用。既减少了冷却水的消耗量，又能把一定温度的水送入其他工序使用，如浆的制 各等。由此又利用了热能”。 26 小结 随着社会的发展和科技的进步，人民生活水平稳步提高，人们对居住、。1 i 作环境舒适度和相 关设施的可靠性、安全性有了更高的要求；工业规模不断扩大，工业生产呈现大容量、高参数、 高效低耗、低污染和高自动化。这对温度控制的精度和安全可靠性要求愈来愈高。自动温控阀 以其优越的性能而有着广阔的发展空间。目前，国内已经有一些企业和高校从事这方面的研究和 开发，这无疑有利于中国重大技术装备国产化取得长足进步。 兰祷理】太避强等短波曳第三章j 喜谚恒溢嘲与其它自力式温霞控锄硒曲热力学蹶理磁铰 第三章自动恒温阀与其它自力式温度调节阀的热力学原理比较 3 1 引言 根据二章的分析，自动恒温阀是一种自力式温度调节阀。自力式调节阀也称为直接作用调节 阀，其定义是种不需要任何外加能源，并且把测量、调节、执行三种功能统一为一体，利用吸 收被调对象本身的能量带动其动作，实现自动控制的阀门。它具有结构简单、价格便官、动作可 靠、自动化程度高等优点。适用于流量变化较小，仪表气源或电源供应困难和控制精度要求不是 很高的场合。自力式调节阀根据使用场合的不同，可以实现温度、压力、压差、流量等参数的调 节。本章主要分析和研究自力式温度调节阀及其关键元件温度传感器的热力学原理“7 “”，从而 从原理上对比几种自力式温度调节阀，找到自动恒温阀相对于其他自力式温度调节阀的特点和优 点。 自力式温度调节阀的温度传感器就是用来将感温介质随温度变化所产生的膨胀量或膨胀力 得以测量的关键部件。温度传感器用来测量被控介质的温度。其必须满足两个关键的要求：对温 度的变化反庇灵敏；能够随时提供温度变化时的精确变化量，表现在这里就是阀杆j 亍程h 的变化 量 。自力式温度调节阀温度传感器依据原理不同有以下几种主要形式“：一是根据液体的热 膨胀性采用填充特种液体；二是根据物理吸附原理填充合适的吸附剂和吸附质：三是根据饱和 蒸汽压原理填充挥发性液体；四是根据气体的热膨胀性采用填充某种气体；五是根据特种石蜡固 一液相变热膨胀性原理填充特种固体石蜡。这些原理是利用了体积、结构以及介质物质状态的变 化，下面分别予以讨论。 3 2 自力式温度调节阀工作原理力学分析 自力式温度调节阀结构主要由温度传感器1 2 1 3 、控制与执行机构2 8 、阀体部分1 及温度 殴定旋钮1 0 、过温保护装置构成。图3 1 左图为外感温棒型自力式温度调节阀结构示意图。自力 式温度调节阀中的压力信号由传感器1 2 中的填充介质1 3 的膨胀产生。控制与执行机构通过波纹 管来平衡不同力的相互作用：作用在阀芯上的上部流体的压力和下部流体的压力通过波纹管内感 温介质产生的力来平衡，其结果是推动力凡和预置弹簧的弹力砟的方向相反，但大小相间。二 力在等流最状态下平衡。当温度在测量点基础上上升或下降时，自力式温度调节阀的控制与执行 系统可减少或增大流_ 阜= 。 4 兰州理工大学硕土学位论文箍三墓彦动熳温印与算窖自方式温熊酵铡回鲍键塑簧幽芝箩 温度调节的过程如下：( 1 ) 当传感器 所测的介质温度升高时，传感器内的填充 物膨胀并施加驱动力f 在阀件上。( 2 ) 当 r 大干预设弹簧力f f 后阀门的开度变小， 通过阀门的流体流量减少。( 3 ) 流量减少 后，温度降低，直至达到新的力平衡状态， 此时，阎体到达新位置。如图3 - 1 右图所 示。 脚3 1 自力武温度调节阎结构与阁芯受力示意图 由上面受力分析可得1 “： n = p d 口一( p l p 2 ) a r k l x = f = 盘2 x 口4 口一( p l p 2 ) 爿，= k 2 工+ k l x = 触 式中：如波纹管的横截面积，m 2 p 感温介质产生的膨胀力，只 p ，自力式温度调节阀使用中阀前压力只 以自力式温度调节阀使用中阀后压力，只 ( 3 1 ) 以一阀芯的横截面积，m 2 女l 波纹管的刚性系数，n m 女2 弹簧的倔强系数，n m k 2 札+ t 2 波纹管与弹簧的刚性系数，n m z 弹簧偏离平衡位置的位移，m 由( 3 1 ) 式可见，在自力式温度调节阀设计中，分析温度传感器内感温介质随温度变化所产 生的膨胀量或膨胀力是至关重要的。 3 3 基于液体的膨胀机理制造的自力式温度调节阀温度传感器感温介质热力学分析 用液体测量流体的温度时，测量结果主要取决于传感器的容积和填充液体特有的比热。 j 兰撼照s 卞尊碌母辔屯妻第三誊a 动幢温视与其它宜力式温度控鼬强的热力学啄理比较 3 3 1 液体传感器的容积计算 当温度升高时，固体、气体和几乎所有的液体都会膨胀。圉3 - 2 表示应用液体膨胀原理的传 感器。当温度升高时，传感器缸体内的液体就会膨胀，由于刚性缸体壁阻止了径向的膨胀，液体 只能沿轴向膨胀，从而推动活塞和连杆向上运动。 液体的体积膨胀量简单计算如下“： a v = v o r a t ( 3 - 2 ) 式中：a v 液体体积膨胀量，m 3 液体的初始体积，m 3 y 液体体积膨胀系数，i k ，它依赖于液 体的类型，并且随温度的不同而变化 r 温度的变化量， 留3 2 液体在圆柱彤传感群内热膨胀 较为精确的计算方法是应用简单液体与固体的状态方程。“： v = b + 口仃一t o ) 一声0 一p 。) ( 3 - 3 ) 式中口等压体积膨胀系数，i k p 等温压缩系数，1 k 岛温度为瓦时液体的压力，圪 p 温度为7 时液体的压力，巴 v r 时液体的容积，m 3 瓦时液体的容积，m 3 等压体积膨胀系数口和等温压缩系数p 都很小，在一定温度范围内为常数，可以通过实验测 出，也可查阅相关文献得来。p 。则可由往传感器里充装时液体介质时确定，是在温度瓦时传 感器的容积，可以取瓦为平衡位置的温度。 传感器缸体的活塞，它测量填充介质的热膨胀量，其行程代表温度的函数。在自力式温度调 节阀内，波纹管即为活塞，所以波纹管的行程变化量： ：a v a b ( 3 4 ) 兰撼毽工太芎碗譬强论立第兰蕈自滩温镯与奠宅喜力式溢囊控匏碗的热力学嘬建比较 由( 3 - 3 ) 可得： a v = v o a - a t f l ( p p o ) 】，代入( 3 - 4 ) 得 h ：v o a a t - p ( p - p o ) 一日 又由( 3 - 1 ) ，当弹簧平衡位置与波纹管初始位置相同时，j = a h ，则： j 洲b = z 搿+ ( a p 2 ) 彳r = k a h + ( p l p 2 ) 一r 联立( 3 - 5 ) 、( 3 6 ) 得： ： t a 1 8 v o a t + f l v o a v ( p l - p 2 ) + f l a b v o p o 以十k , 6 t o 或 p 2 盟坐繁蹴必趔 ( 3 ，5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 7 ) 式即是波纹管行程代表温度的具体函数表达式，可见， 与，成线形关系。也可 以用压力p 与a t 的关系来表示，如( 3 _ 8 ) 式。由( 3 - 8 ) 知p 与a t 成线形关系。 这说明，为获取波纹管的某一行程量a h ，需要考虑操作元件的形状能满足要求：通常较小 横截面积a ，传感器能产生比大横截面积传感器更大的行程量。当波纹管的行程量较大时，测 量的温度范围较大，因而倾向于采用较小容积传感器以得到较大和较精确的测量结果。但小窖积 传感器的缺点之一是传递的动力较小。因此，在选择传感器的时候，必须兼顾行程、温度的变化 量以及所需动力的大小。 3 3 2 填充介质选择 为迅速获得准确的测量结果，传感器所吸收和散失的热量应尽量少。通过较小的体积和质量 可以满足此要求，也可以通过选择某种较低热容的填充介质来实现。贮存在流体中的热量的计算 如下： w=cpmat(3-9) 式中：c 。填充液体的比热，材，堙k m 填充液体的质量，堙 a t 温度的政变量，胃 兰料理l 友芎碌擘镯蒎&第三章宜动粳温阐与其它自力式温蠹控瓤阐的热力学礞理比较 这里应注意一般所填充液体比热并不是常量，而是随着温度的变化而改变的。 自力式温度传感器一般采用丙三醇、甲醇、甘油、硅油等原料合成的合成油作为填充介质。 填充介质的选择同时要求填充液体无毒，不危害健康，不污染环境，如果发生泄漏，可周废水 起排放。 除了液体，树脂和塑料类物质也能用作填充介质。在很小温度变化范围内膨胀性树脂特别 适用于体积变化较大的场合。 3 4 基于物理吸附原理制造的自力式温度调节阀温度传感器感温介质热力学分析 吸附原理是基于一种物理方法：例如温度传感器内充装有活性炭和c 0 2 ，当传感器被所测量 介质加热时，活性炭就会释放出一些c 0 2 分子，传感器内部的压力增加量对每一个温度都对麻一 个定值。当内部压力变化经刚性毛细管传递至运 行腔体时，阀杆的位置随温度的变化而改变。 在密闭传感器缸体中：平衡吸附量q o 是分压 力p 和温度r 的函数“： 口o = f ( p ，) ( 3 - 1 0 ) 吸附剂对吸附质的吸附能力与吸附剂的物化 性能一比表面积、孔结构、粒度、化学成分等有 图3 3 。0 1 分子在活性炭上的吸附琢理示意图 关，也与吸附质的物化性能、压力( 或浓度) 、吸附温度等因素有关a 于是不同的吸附剂( 如活性 炭) 和吸附质( 如c 0 2 气体) 所对应的不同的压力一温度特性曲线。设计时可根据所采用的具体 吸附剂和吸附质在特定情况下的经验公式计算或查表得到平衡吸附量q o 。 平衡吸附量q o 一般是以摩尔为单位进行计算的，在自力式温度调节阀传感器内，体积一定的 条件下还有气体状态方程作为求解的条件。以理想气体状态方程为例： p v = m q o ) r t ( 3 - 1 1 ) 式中p 填充气体的分压力，只 填充气体的总摩尔数，t o o l 丁介质的温度，k v 传感器的容积，1 i i 3 j 8 兰撼理j 太芎礤訾也、龟曳第三章直动桓温蕊与其它毫力式温度控勃蠲匏热力学碌理比较 联立( 3 - 1 0 ) 、( 3 - 1 1 ) ，即可求得温度为，时的分压力p 、体积v ，计算出膨胀量和膨胀力。实际 计算中，按照实际气体状态方程计算结果更为准确。 采用吸收原理制造自力式温度调节阀的优点是对各种应用场合有较好的适应性，不足在于与 蒸汽压力式或液体膨胀式传感器相比，其推动力较小，且在长期使用中会产生吸附剂劣化，吸附 容量出现下降的趋势。 3 5 基于饱和蒸汽压原理制造的自力式温度调节阀温度传感器感温介质热力学分析 蒸汽压式温度传感器原理是基于热力学原理。挥发性液体受热达到某一温度时，液体沸腾并 产生蒸汽，沸点温度还取决于所施加的压力，压力越低，液体开始沸腾的温度也越低。液体饱和 蒸汽压力的计算1 ： 3 5 1 单组分气液两相平衡系统 根据克克( c