雙金屬片式蒸汽疏水閥是通過熱雙金屬元件受熱變形后產(chǎn)生熱推力Ft以克服介質(zhì)在閥芯上的作用力Fk來完成啟閉動作的。因此該閥設(shè)計的實(shí)質(zhì)也就是如何解決在一定溫度和壓力下使Ft和Fk平衡的問題。

由公式(1)可知Ft=K·E·△t·α，對于已選定的熱雙金屬材料，式中K、E值均是常數(shù)，如果元件的形狀已經(jīng)確定則值亦為一定值。因此Ft只是溫差△t的函數(shù)。用曲線表示如圖4。

根據(jù)力學(xué)原理，介質(zhì)對閥芯的作用力F是可由公式(2)求得： Fk=A·P (2)

式中：Fk—介質(zhì)對閥芯的作用力(N)；

A—排水孔的過流面積(mm2)；

P—介質(zhì)壓力(MPa)。

從上式可以看出在閥座排水孔面積A一定的情況下Fk是壓力P的函數(shù)，與介質(zhì)溫度變化無關(guān)。在雙金屬片蒸汽疏水閥工作過程中，對于每一個壓力P則有一個確定的Fk。當(dāng)蒸汽疏水閥在實(shí)際工況條件下工作時，其介質(zhì)的溫度是不斷變化的，而壓力基本穩(wěn)定。因此在雙金屬片蒸汽疏水閥工作過程中，F(xiàn)t是一個變量而Fk是一個定值。由此可見只要Fk的數(shù)值在Ft變化范圍內(nèi)，則總有一Ft值與之平衡。如果僅從雙金屬片蒸汽疏水閥能否動作的角度來考慮，只要材料選擇適當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸合理采用簡單形狀的元件即可滿足要求。但從節(jié)約能源的角度來評價，雙金屬片蒸汽疏水閥在較大的壓力范圍內(nèi)使用，其動作溫度即排放凝結(jié)水的溫度應(yīng)盡可能地接近蒸汽的飽和溫度。

根據(jù)蒸汽的熱力學(xué)特性可得到蒸汽的飽和溫度與壓力的特性曲線，如圖5。從圖中可知該曲線為二次曲線而前面所提到的Ft曲線如圖4所示為一直線。如果將兩條曲線綜合到同一坐標(biāo)系中可得到圖6。

從該圖中可發(fā)現(xiàn)兩曲線相差甚遠(yuǎn)，雖然在某個壓力點(diǎn)P上可以找到一個溫度t，對應(yīng)t存在一個Ft與Fk平衡，但這個t值與該壓力下蒸汽的飽和溫度tb相差太大，而且在蒸汽疏水閥的整個工作壓力范圍內(nèi)，排水溫度與飽和溫度的差值大小不同。如果按以上設(shè)想設(shè)計該產(chǎn)品，則產(chǎn)品性能將極不穩(wěn)定，起不到節(jié)能的作用。要解決這一問題必須設(shè)法改變Ft曲線使之接近飽和蒸汽曲線。而要改變Ft曲線就必須從熱金屬的體積系數(shù)α入手。

根據(jù)材料力學(xué)原理及該設(shè)計的結(jié)構(gòu)，熱雙金屬元件的體積系數(shù)α可又下式計算： α=B·S2/L (3)

式中：B—雙金屬片的寬度，mm；

S—雙金屬片的厚度，mm；

L—雙金屬片的長度，mm。

綜上所述要使Ft曲線接近飽和蒸汽曲線，可設(shè)法使α在疏水閥的工作壓力范圍內(nèi)成為一個可變的數(shù)值。 根據(jù)熱雙金屬片的性質(zhì)可知，熱雙金屬片在受熱時不僅產(chǎn)生縱向彎曲而且產(chǎn)生橫向彎曲，并且縱向彎曲的速度大于橫向彎曲的速度，隨著溫度的進(jìn)一步升高橫向彎曲速度逐漸增大而縱向彎曲速度逐漸減小。因此在該設(shè)計中利用了這一性質(zhì)把元件形狀設(shè)計成幾個簡單的幾何形狀的組合，從而使它們分別進(jìn)入工作狀態(tài)。這樣則將Ft曲線變?yōu)閹讞l斜率不等的直線，疊加到一起則成為一條與蒸汽的飽和溫度壓力曲線相近似的曲線。 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)將該閥的雙金屬片元件設(shè)計成為一個多邊形，如圖7。令其AA=BB>cc，這樣元件在工作過程中AA、BB、CC分別進(jìn)入工作狀態(tài)。即溫度升高時AA、BB首先要進(jìn)入工作狀態(tài)，其Ft曲線如圖8中的曲線1；當(dāng)溫度繼續(xù)升高達(dá)到一定數(shù)值后，CC進(jìn)入工作狀態(tài)，此時縱向彎曲速度大于橫向彎曲速度，其Ft曲線如圖8中的曲線2；當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時，CC邊縱向彎曲速度逐漸減小，而橫向彎曲速度逐漸增大，于是得到圖8中的曲線3。將三條曲線連在一起則得到在整個溫度范圍內(nèi)的連續(xù)曲線。將其與飽和溫度壓力曲線相比較見圖9。從圖中可以看出該閥在工作壓力范圍內(nèi)兩條曲線基本一致。這樣顯著提高了該蒸汽疏水閥的工作性能，使之在雙金屬片冷調(diào)整間隙一定的條件下，在各壓力點(diǎn)下其排水溫度與該壓力點(diǎn)下的飽和溫度之差基本一致，即過冷度值相同。

此外需要說明一點(diǎn)的是，該熱雙金屬元件的形狀中，AA=BB。在以往的雙金屬片式疏水閥中(如BKl5)，雙金屬元件的形狀均為菱形，即：AA>BB，這樣使AA先產(chǎn)生變形BB隨后，再是CC縱向、CC橫向，從而使圖八中的曲線由4段直線組成，但在此設(shè)計中改變了AA>BB的設(shè)計，這是因?yàn)橐酝漠a(chǎn)品使用壓力和溫度都很低，而這次的設(shè)計由于使用壓力和溫度的提高使疏水閥的Fk增高從而要求Ft也要加大，該設(shè)計上的改變使初始Ft加大一倍，有利于蒸汽疏水閥的密封。