蒸汽疏水阀的动作原理和力平衡方程

（１）杠杆浮球式疏水阀 杠杆浮球式疏水阀的启闭件形式和受力图如图４-７６所示。

动作原理：浮球是液位敏感元件，阀瓣是执行元件。液位上升时，浮球通过杠杆带动阀瓣使阀开启；液位下降，浮球通过杠杆使阀瓣到位，阀瓣在介质压力的作用下使阀关闭并密封。

临界开启时的力平衡方程（背压为零）：

式中 Ｆ——浮球所受浮力（Ｎ）；

Ｗ——浮球和杠杆的重量折合在球心的等效力（Ｎ）；

Ｗ_１——阀瓣重力（Ｎ）；

ｐ——介质压力（ＭＰａ）；

ｄ——阀瓣密封面的作用直径（ｍｍ）；

ａ、ｂ——力臂（ｍｍ）。

图４-７６ 杠杆浮球式蒸汽疏水阀

（２）双阀瓣杠杆浮球式疏水阀 双阀瓣杠杆浮球式疏水阀的启闭件形式和受力图如图４-７７所示。

动作原理：双阀瓣杠杆浮球式疏水阀与杠杆浮球式的动作原理相同，但介质作用在两个阀瓣上的力Ｆ_ｃ和Ｆ_１大小相等（）、方向相反。这样，减小了阀瓣的开启力，可使浮球和杠杆相应减小，或者可适当增大ｄ的尺寸，以提高疏水阀的排放能力。

临界开启时的力平衡方程（背压为零）：

（Ｆ-Ｗ）ｂ=Ｗ_１ａ （４-１３）

（３）自由浮球式疏水阀 自由浮球式疏水阀的启闭件形式和受力图如图４-７８所示。

图４-７７ 双阀座杠杆浮球式蒸汽疏水阀

动作原理：自由浮球既是液位敏感元件，又是动作执行元件。由于阀座轴线与水平面有夹角α（即偏座），使球径起到了杠杆作用。液位上升，浮力产生的力矩使阀开启；液位下降，浮球落到一定位置后，在介质压力ｐ的作用下靠向阀座，使阀关闭并密封。临界开启时的力平衡方程（背压为零）：

式中 ａ——力臂（ｍｍ）；

Ｗ——浮球重量（Ｎ）。

（４）浮桶式疏水阀 浮桶式疏水阀的启闭件形式和受力图如图４-７９所示。

动作原理：浮桶是液位敏感元件，浮桶的升、降带动阀瓣做启闭动作。

图４-７８ 自由浮球式蒸汽疏水阀

临界开启时的力平衡方程（背压为零）：

Ｆ_ｃ+Ｆ=Ｗ （４-１５）

式中 Ｆ_ｃ——介质压力ｐ作用在阀瓣上的力（Ｎ）；

Ｆ——介质对浮桶的浮力（Ｎ）。

Ｗ——浮桶组件及桶内凝结水的重力和（Ｎ）；

Ｄ——浮桶直径（ｍｍ）；

Ｈ——浮桶高度（ｍｍ）；

ρ——介质密度（ｋｇ/ｍｍ^３）；

ｇ——重力加速度（ｍ/ｓ^２）。

（５）杠杆浮桶式疏水阀 杠杆浮桶式疏水阀的启闭件形式和受力图如图４-８０所示。

图４-７９ 浮桶式蒸汽疏水阀

动作原理：杠杆浮桶式是在浮桶的基础上增设了杠杆，加长了浮力的作用力矩，在同等条件下可按杠杆比减小浮桶体积。

临界开启时的力平衡方程（背压为零）：

式中 Ｆ——介质对浮桶的浮力（Ｎ）；

Ｗ——浮桶组件、杠杆及桶内凝结水的重量折合于浮桶竖直轴线上的等效力（Ｎ）。

（６）活塞浮桶式疏水阀 活塞浮桶式疏水阀的启闭件形式和受力图如图４-８１所示。

图４-８０ 杠杆浮桶式蒸汽疏水阀

动作原理：活塞浮桶式疏水阀的液位敏感元件是浮桶，动作执行元件是活塞、主阀、导阀和副阀等。当浮桶处于最低位置时，是主阀的开启状态，此时副阀Ａ也处于开启状态，导阀Ｂ处于封闭状态，凝结水由主阀孔ｄ排放。

进入疏水阀的凝结水量减少时，浮桶内凝结水位下降，当作用于浮桶的浮力大于浮桶组件的重力与桶内凝结水重力的和时，浮桶上升并开启导阀Ｂ。导阀Ｂ开启后凝结水进入缸内，主阀瓣在活塞的推动下迅速上升并关闭主阀孔，此时凝结水由副阀孔ｄ_１排放。

如果进入疏水阀的凝结水量继续减少，浮桶将继续上升，副阀瓣Ａ在浮桶推动下继续上升直至关闭副阀。此时整个疏水阀处于关闭状态。

疏水阀的开启过程和关闭过程依次相反。

１）当浮桶内凝结水上升，浮桶开始下降时，疏水阀首先开启副阀Ａ。如果进入疏水阀的凝结水量不太大，ｄ_１足以排放时，疏水阀将长时间处于副阀排放状态。

图４-８１ 活塞浮桶式蒸汽疏水阀

副阀即将开启时的力平衡方程（背压为零）：

式中 Ｆ——浮桶所受浮力（Ｎ）；

Ｗ——浮桶组件及浮桶内凝结水的重力和（Ｎ）；

ｄ_１——副阀瓣密封面作用直径（ｍｍ）。

２）如果进入疏水阀的凝结水量很大，以至副阀不能及时排出，浮桶内凝结水量将增加，浮桶继续下降，直至关闭导阀Ｂ并使其密封，切断缸内的压力源，至使缸内凝结水压力迅速降低（因ｄ_１通向大气），活塞在介质压力ｐ的作用下打开主阀。此时整个疏水阀呈开启状态，大量凝结水由主阀孔ｄ排放。

（７）杠杆倒吊桶式疏水阀 杠杆倒吊桶式疏水阀的启闭件形式和受力图如图４-８２所示。

动作原理：倒吊桶式疏水阀的动作原理和浮桶式基本相同，在形式上仅液面敏感元件之一的开口向下，而另一个的开口向上。杠杆倒吊桶式是开口向下浮子式之一，其临界开启时的力平衡方程为

式中 Ｗ——桶重、杠杆重和阀瓣重折合在桶轴线上的等效力（Ｎ）；

Ｆ——浮力（Ｎ）。

（８）自由半浮球式疏水阀 自由半浮球式疏水阀的启闭件形式和受力图如图４-８３所示。

图４-８２ 杠杆倒吊桶式蒸汽疏水阀

图４-８３ 自由半浮球式蒸汽疏水阀

动作原理：自由半浮球式疏水阀属于开口向下浮子式。自由半浮球既是液位敏感元件，也是动作执行元件。由于它与阀座有一定的偏心，所以也具有杠杆作用。它与其他开口向下浮子式一样，工作时介质首先进入半浮球，然后再从下方溢出。当半浮球内的蒸汽体积增加到一定程度时，浮力使半浮球浮起，在介质压力ｐ的作用下，半浮球靠向阀座并有效地密封。当大量凝结水进入疏水阀时，半浮球内蒸汽体积减小，半浮球在自身重力作用下下落并开启阀门。

临界开启时的力平衡方程（背压为零）为

式中 Ｗ——半浮球组件重力（Ｎ）；

Ｆ——介质对半浮球的浮力（Ｎ）；

ａ——力臂（ｍｍ）。

（９）膜盒式疏水阀 膜盒式疏水阀的启闭件形式和受力图如图４-８４所示。

动作原理：膜盒式疏水阀是以低沸点液体为热敏材料、靠低沸点液体的蒸汽压力驱动阀瓣做启闭动作。蒸汽或接近饱和温度的凝结水的温度能使膜盒内液体的饱和蒸汽压力作用于膜片内的力大于介质作用于膜片外的力，膜盒膨胀，推动阀瓣关闭阀座孔。

图４-８４ 膜盒式蒸汽疏水阀

低温的凝结水不足以维持膜盒内的压力，膜片回缩使阀瓣开启。阀瓣即将开启时的力平衡方程（背压为零）为

Ｆ_ｂ+Ｆ_ｙ=Ｆ_ｎ （４-２１）

式中 Ｆ_ｂ——使膜盒变型所需要的力（Ｎ），其值取决于膜片材料；

Ｆ_ｙ——介质压力ｐ作用于膜盒外的力（Ｎ）；

Ｆ_ｎ——低沸点液体的饱和蒸汽压力作用于膜盒内的力（Ｎ）。

（１０）隔膜式疏水阀 隔膜式疏水阀的启闭件形式和受力图如图４-８５所示。

动作原理：隔膜式疏水阀与膜盒式疏水阀的动作原理相同，其临界开启时的力平衡方程为（背压为零）

Ｆ_ｏ+Ｆ_ｐ=Ｆ_ｎ （４-２２）

式中 Ｆ_ｐ——介质压力ｐ作用于阀瓣上的力（Ｎ）；

Ｆ_ｏ——使隔膜变形需要的力（Ｎ），其值取决于隔膜材料；

Ｆ_ｎ——填充液压力作用于阀瓣上的力（Ｎ）。

选择不同的填充液，在阀瓣上方增设弹簧等，都可调整排水过冷度。

（１１）波纹管式疏水阀 波纹管式疏水阀的启闭件形式和受力图如图４-８６所示。

图４-８５ 隔膜式蒸汽疏水阀

动作原理：波纹管内充入低沸点的填充液，高温凝结水使波纹管伸长，推动阀瓣关闭阀座孔。低温凝结水使波纹管内没有足够的压力，波纹管收缩并开启阀瓣。其临界开启时的力平衡方程为（背压为零）

式中 ｐ_ｎ——波纹管内填充液压力（ＭＰａ）；

Ｌ——波纹管恢复自由状态的距离（ｍｍ）；

Ｄ——波纹管有效直径（ｍｍ）；

Ｋ——波纹管刚度（Ｎ/ｍｍ）。(www.xing528.com)

（１２）双金属片式疏水阀 双金属片式疏水阀的启闭件形式和受力图如图４-８７所示。

图４-８６ 波纹管式蒸汽疏水阀

动作原理：双金属片式疏水阀是利用双金属片的感温变形来开启和关闭阀瓣。调整每组双金属片的片数，可增加热拉力以适应高压条件下工作。调整双金属片的组数，可增加有效变形量，以提高疏水阀的温度敏感性。

双金属片可制作成许多形状，一些基本形状的双金属片在临界开启时的力平衡方程式（背压为零）如下。

１）悬臂梁形：

２）简支梁形：

３）环形：

式中 Ｋ——双金属片比弯曲；

Ｔ-Ｔ_０——温度差（Ｋ）；

Ｌ——双金属片有效长度（ｍｍ）；

Ｓ——双金属片厚度（ｍｍ）；

Ｂ——双金属片宽度（ｍｍ）；

Ｅ——双金属片弹性模量（ＭＰａ）；

ｎ——每组重叠的片数。

图４-８７ 双金属片式蒸汽疏水阀

在确定阀瓣和阀座的冷间隙时，还要涉及双金属片的其他性能。

由于双金属片的热特性仅与介质温度有关（与介质压力无关），所以上述形状的双金属片仅适于制造排放指定温度的凝结水的疏水阀。

设计一些不同形状或不同组合的双金属片可适当弥补上述缺点，如棱形、星形、爪形等形状的双金属片，在工作中较长部位首先变形参与工作，其余部分随着温度升高而依次参加工作；或同形状不同尺寸（如矩形）的双金属片的有序组合，使它们在工作中依次参与工作。这些形式都能使双金属片的热特性不同程度地逼近蒸汽的温压曲线。图４-８７ｄ是爪形双金属片热特性示意图。图中温度坐标的起点是１００℃；弧线表示蒸汽温、压特性；双金属片的各爪依次参加工作，使温、压特性曲线由直线变成了折线。

（１３）脉冲式疏水阀 脉冲式疏水阀的启闭件形式和受力图如图４-８８所示。

动作原理：脉冲式疏水阀的动作原理是靠凝结水和蒸汽通过二级节流孔时的不同热力学性质开启和关闭阀瓣。疏水阀处于关闭状态时的力平衡方程为（背压为零）：

式中 ｐ_Ａ——中间室压力（ＭＰａ）；

ｐ_１——入口介质压力（ＭＰａ）；

Ｗ——阀瓣重力（Ｎ）。

不同温度的凝结水或蒸汽通过二级节流孔（节流孔１和节流孔２）在中间室Ａ产生的压力ｐ_Ａ也不同。ｐ_Ａ随介质温度的增高而增大，特别是在接近饱和温度时，其变化更大。

当蒸汽通过二级节流孔板时，中间室的压力ｐ_Ａ作用于阀瓣上方的力大于ｐ_１作用于阀瓣下方的力，此时阀瓣向下关闭阀座孔ｄ_１，但仍有一定量的蒸汽通过节流孔２排出。这是设计允许的。

当一定过冷度的凝结水通过二级孔板时，中间室压力减小。当作用在阀瓣上方的力（包括阀瓣重力）小于作用在阀瓣下方的力时阀瓣开启。

将控制缸制成上大下小的锥形可随阀瓣的起、落自动调节节流孔１的过流面积Ｓ_１（它实际上是一个圆环），进而调节了中间室的压力ｐ_Ａ。这个调节过程是随着通过孔板的介质状态的变化而自动进行的。

在特殊情况下，当接近饱和温度的凝结水或气、液二相流同时通过二级节流孔时，阀瓣可以随时自动调整位置而悬浮着。

精确地计算用汽设备的凝结水产生量，使之与二级节流孔的孔径相匹配，完全可能使通过ｄ损失的蒸汽减少到最小，以至小于疏水阀最大排量的１%。

（１４）圆盘式疏水阀 圆盘式疏水阀的启闭件形式和受力图如图４-８９所示。

图４-８８ 脉冲式蒸汽疏水阀

１、２—节流孔

动作原理：圆盘式疏水阀与脉冲式的动作原理相同，它由ｄ和ｄ_１构成了二级串联节流孔板，Ａ为中间室。圆盘形的阀瓣既是压力敏感元件又是动作的执行元件。蒸汽或接近饱和温度的凝结水都能产生足够的作用力使阀瓣关闭。而一定过冷度的凝结水不能产生足够的作用力使阀片关闭，阀维持开启状态，疏水阀连续排放凝结水。

阀盖向外散热或阀瓣下方工作介质的温度降低都会使ｐ_Ａ下降，处于关闭状态的疏水阀在介质压力作用下开启阀瓣。临界开启时的力平衡方程（背压为零）为

式中 ｐ——入口介质压力（ＭＰａ）；

ｐ_Ａ——中间室压力（ＭＰａ）。

（１５）波纹管脉冲式疏水阀 波纹管脉冲式疏水阀的启闭件形式和受力图如图４-９０所示。

图４-８９ 圆盘式蒸汽疏水阀

动作原理：由二级串联孔板产生的脉冲式疏水阀在主阀孔ｄ_１关闭后，ｄ仍继续排放介质，以维持中间室的压力ｐ_Ａ，因此一定量的蒸汽损失是不可避免的。在第二级节流孔ｄ上设一个波纹管，便形成了一个副阀。接近饱和温度的凝结水或蒸汽的温度使波纹管伸长并关闭副阀孔ｄ，阻止蒸汽损失。一定过冷度的凝结水的温度使波纹管收缩开启副阀ｄ，此时副阀可排放少量的凝结水。副阀临界开启时的力平衡方程（背压为０）为

式中 Ｄ——波纹管有效直径（ｍｍ）；

ｐ——入口介质压力（ＭＰａ）；

ｐ_ｎ——波纹管内压力（ＭＰａ）；

Ｌ——波纹管恢复自由状态的距离（ｍｍ）；

Ｋ——波纹管刚度（Ｎ/ｍｍ）。

当大量的凝结水进入疏水阀时主阀便会开启，主阀瓣的动作原理和临界开启时的力平衡方程的形式与脉冲式相同。

图４-９０ 波纹管脉冲式蒸汽疏水阀

（１６）泵式蒸汽疏水阀

１）使用泵式疏水阀的理由。蒸汽设备上使用的特殊疏水阀是泵式疏水阀，因为它兼备泵的功能而得名。当蒸汽设备上使用的蒸汽疏水阀不能排除设备内部的凝结水时，或者是向不可能输送凝结水的特殊场合输送凝结水时，可以用泵式疏水阀。这些特殊的场合如下：

①有些蒸汽设备所需要的蒸汽压力比大气压低，如蒸发器等，即使用“真空蒸汽”的装置，其凝结水需要排放到外界，即将凝结水从真空区排放到大气中。

②向压力高于蒸汽使用设备蒸汽压力的地方排放凝结水。例如：压力为０.１ＭＰａ的蒸汽使用设备中的凝结水与必须使用０.７ＭＰａ的蒸汽使用设备中的凝结水共同使用一条凝结水回收管时，输送这些凝结水就要使凝结水由低压区排放到高压区。

③使用低压蒸汽的装置所产生的凝结水，升高到相当于该压力的水头高度以上时。例如：压力为０.０５ＭＰａ（换算成水头为５ｍ）的蒸汽设备所排出的凝结水，需要排到高度为９ｍ处时（换算成压力为０.０９ＭＰａ），类似必须向高处扬水的场合。

④使用的蒸汽压力在大气压上下变动时，向大气中排放这些凝结水的场合。

在以上四种场合下，蒸汽疏水阀的能力是不可能达到的。蒸汽疏水阀是用来为蒸汽设备排除凝结水的，也就是说，在有凝结水滞留的时候才具有开阀功能。开阀时，排放凝结水的能量是蒸汽压力。因此，蒸汽疏水阀的入口（用汽设备内）蒸汽压力应比出口压力高，这是蒸汽疏水阀的功能所必须的条件。具有这种进出口压力差，就不用外加能量而靠本身的能量自动排除凝结水。在凝结水排放到大气的场合，疏水阀入口处的蒸汽压力必须高于大气压力。在把排放的凝结水输入到凝结水回收管或回收罐等场合，对于疏水阀出口处有“背压”时，如果蒸汽压力低于背压，疏水阀就不能动作。其结论必然是蒸汽疏水阀本身是靠自力来动作的自动阀，它并不具备泵的功能。

根据上述解释，一般蒸汽疏水阀是不适用于①～④情况的蒸汽使用设备的。在这种使用蒸汽疏水阀进行排放和输送凝结水均不可能的条件下，能够用于这种场合的疏水阀就是泵式疏水阀。泵式疏水阀从广义上讲属于蒸汽疏水阀，而从狭义上考虑，说它是特殊的蒸汽疏水阀也不过份，实际上它不是蒸汽疏水阀。

如前所述，蒸汽疏水阀是靠自力动作的自动阀，泵式疏水阀其动作原理显然与之不同，它是靠蒸汽压力或压缩空气而动作的压力泵，通常称为自动泵。其动作必须用蒸汽和压缩空气作为能源，这种能源称为操作用气体。泵式疏水阀的操作用气体，使用压缩空气效率高，但需要配置空气压缩机及其配管，除了成本高以外，空气中的氧气溶于凝结水，造成对凝结水回收装置的腐蚀，还会带来其他弊病。所以锅炉供汽设备和使用蒸汽设备应使用蒸汽作为操作用气体。

泵式疏水阀按其使用目的和用途而有不同的名称。例如：用于从真空领域向大气或高压区域排放凝结水的场合称为“真空疏水阀”；把低处的凝结水提升到高处的称为“扬水疏水阀”（升降疏水阀）。虽然因用途不同而名称各异，但作为泵式疏水阀，其动作原理和结构并没有什么变化。

另外，在必须使用泵式疏水阀时，也可以使用涡轮泵取代。然而，对于蒸汽使用设备，若其操作用气采用蒸汽，并且是在一般情况下输送凝结水，则还是采用泵式疏水阀更为适宜。而且使用涡轮泵还需特备电动机等设备。以下将泵式疏水阀与涡轮泵加以对比。

①作为操作用气的蒸汽就在产生凝结水的管路上，接通蒸汽管即可使用（而泵是用电动机驱动，需要另备电动机和电器配线装置）。

②疏水阀本身可以随凝结水的流入量自动调节排放，所以无需其他自控装置（而泵则需要进行水面控制和开停自动控制）。

③不必考虑凝结水的温度，即使是饱和状态的高温凝结水或反之是低温的凝结水，都可以泵出（而泵当温度高时，因汽蚀等原因易发生故障，从而降低排放凝结水的能力，因此要随凝结水的温度而改变泵的安装高度）。

④操作时不需要用电，即使有易爆性气体存在，使用时也不会发生爆炸（泵则需要防爆型电动机和电器开关）。

⑤结构简单，动作准确可靠，故障少，在安全管理上不需要太多劳力和费用。另外，在安装上也无需特殊技术。

２）泵式疏水阀的动作原理。泵式疏水阀阀瓣的切换是靠浮子的沉浮。浮子的升降主要有两种形式，即吊桶型和浮球型。

①吊桶型泵式疏水阀。吊桶型泵式疏水阀的动作是由流入、升压、排出和均压四个程序组成的，如图４-９１所示。

ａ.流入程序：疏水阀入口处的压力呈均等状态，凝结水借助其重力打开入口处的止回阀，并流入疏水阀内通过浮桶的四周流到浮桶内。

ｂ.升压程序：随着吊桶内的凝结水增加，吊桶的浮力减少，吊桶下沉。由于吊桶的重力，使杠杆机构下压，打开蒸汽阀，同时均压阀关闭。操作用蒸汽开始流入，疏水阀内的压力逐渐上升。

ｃ.排出程序：一旦疏水阀内的压力比其出口处的背压高，就打开出口止回阀，凝结水通过排放管排出。操作用的蒸汽压力必须比出口处的背压高０.１ＭＰａ以上。随着凝结水的排出，浮桶逐渐恢复了浮力，开始上浮，通过杠杆机构使打开均压阀的力不断增加。

ｄ.均压程序：由浮桶浮力产生的开启均压阀的力克服了内外压差所形成的闭阀力的瞬间，均压阀打开，同时蒸汽排放阀关闭，操作用蒸汽停止供给，疏水阀内充满的蒸汽通过均压阀溢出并进行排气，使内部压力逐渐降低，直至与入口压力均等，又转入流入程序。

图４-９１ 泵式疏水阀（吊桶式）的动作原理

ａ）流入程序 ｂ）升压程序 ｃ）排出程序 ｄ）均压程序

自动重复上述程序，有类似于泵的功能。

②浮球型泵式疏水阀。其动作原理如图４-９２所示。这种阀是为了把凝结水收集罐里的凝结水送往高处的凝结水回收管，作为扬水用疏水阀使用。

ａ.首先打开操作用气体给气管的进气阀（图４-９２），操作用气体流入操作装置。

ｂ.操作用气体的压力压缩波纹管，给气阀关闭，排气阀打开。

ｃ.接着打开疏水阀的入口阀（球形蝶阀，图４-９２），凝结水自然流下，通过进口止回阀流入阀体内。

ｄ.残存的气体甲随着阀体内的水面上升，由排汽阀排到外部，同时气体乙也通过空气阀与气体甲一起排到外部。

ｅ.随着水面上升，浮子上浮，推上开关杆，打开球阀，操作用气体输入波纹管内。

ｆ.波纹管内的压力一旦上升，排气阀关闭，给气阀打开，操作用气体导入阀体，压力开始上升。

ｇ.阀体Ｅ内的压力上升，凝结水经出口处的止回阀压送到外部，并输送到高处的凝结水回收管里。

ｈ.凝结水排出后，阀体内的水位从浮子箱的下端降下来时，浮子箱内的凝结水向下流到阀体内，随之，浮子下降，关闭球阀，于是停止向波纹管内补充操作用气体。

ｉ.波纹管内的压力，通过阀孔排气而降压，波纹管收缩。自动重复以上ａ～ｉ的动作，有类似于泵的功能。

图４-９２ 泵式疏水阀的一般使用方法（凝结水回收）

１—蒸汽使用设备 ２—自由浮球式蒸汽疏水阀 ３—自动冻结防止阀 ４—凝结水流入口 ５—通大气的凝结水贮罐 ６—通向大气口 ７—球阀或蝶阀 ８—窥视器 ９—圆盘式蒸汽疏水阀（操作用气体使用蒸汽） １０、１５—球形蝶阀 １１—泵式疏水阀 １２—过滤器 １３—过滤器 １４—１¼ｉｎ排气管 １６—１¼ｉｎ给气管 １７—操作用气体（空气或蒸汽） １８—凝结水回收管