分子筛纯化系统切换蝶阀的合理选择

步步高 · 发表于 2011-9-28 14:43:02

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作者：施孟贤，胡赟
摘要：详细介绍了3种分子筛纯化系统切换蝶阀的结构、工作原理和特点，分析了3种蝶阀的优缺点和使用场合。
现代空分设备空气净化都采取分子筛纯化系统，而分子筛纯化系统中的两组切换阀门在整个流程中起着非常重要的作用，因此，切换阀门的可靠运行是空分设备安全、稳定运行的关键因素之一，选择合适的切换阀门是空分设备设计的重点之一。
就流通能力来说，球阀最好，但其体积大，使用寿命较短；蝶阀体积相对球阀来说较小，流通能力比球阀稍小些，密封性能及使用寿命均大于球阀，分子筛纯化系统采用蝶阀较为常见。现针对目前国内常用的几种蝶阀做一些分析比较，用户可以根据具体要求合理选择切换蝶阀。
1 翻板式气动蝶阀

图1 翻板式气动蝶阀示意图

翻板式气动蝶阀如图1所示。工作原理：气缸、曲柄和连杆带动阀瓣作旋转运动，然后再靠压于阀体内的阀座上。为了增强阀门的密封性，阀瓣采用翻板式，采用靠压形式以减少与阀体的摩擦。阀瓣与阀座密封面为硬密封，再加上气体的推力附加于阀瓣上，增加了密封比压，使密封性更好。但是由于阀瓣结构较为复杂，阻挡了一部分流通面积，阀瓣的中心轴线偏离，造成不平衡设计，阀瓣受介质压力影响，在关闭时起增强密封作用，而在开启时由于介质的作用增大了开启力矩，比关闭时要大得多，必须采用较大输出力的执行机构才能开启阀门。由于阀座的密封面与阀体流通成90°，突出一个台阶，一方面减少了流通面积，另一方面介质对密封面有一个冲刷作用，密封面容易被管道中的垃圾冲刷后留下凹坑造成密封不严。由于阀瓣为压板式，介质流动方向受限制，只能单向流动，否则阀门关闭不严。由于执行机构多为曲柄连杆机构，关节容易松动。
受到结构的限制不能制作体积较大的蝶阀，口径一般大到dn500mm。另一种与其结构相似的阀门为四连杆蝶阀（如图2所示），口径可以做到dn1400mm以上。其工作原理与翻板蝶阀差不多：通过摆动气缸进气推动连杆，连杆作用于翻动阀瓣，阀瓣靠与阀体上的密封座起密封作用。由于四连杆在阀体里，经气流冲刷，容易生锈或卡阻，并占去流道里的空间，使流通受阻。由于阀座也是突出于流道，减少了流通面积。受到结构的限制，工作介质只能单向流动。由于气缸作用较小，大口径阀门开启时必须把背压放空。

图2 四连杆蝶阀示意图

四连杆蝶阀的特点是：阀腔内机械结构较紧凑，执行机构为直气缸和摆动气缸，关节多容易转动，流通面积相对来说小一些，介质流向受限，维修麻烦，但价格低，使用温度在200℃以上，压力在110mpa左右。
2 自密封蝶阀

图3 自密封蝶阀示意图

自密封蝶阀如图3所示。工作原理：执行机构为齿轴、齿条活塞传递形式。该执行机构的优点：①齿轮、齿条传动方式比曲柄连杆的滑动摩擦力小得多，同口径可提高效率20%；②齿轮、齿条传动间隙小，因此运动自如，回差小；③双活塞，其输出力矩提高1倍，尺寸更小；④与阀门直接相连，从而简化了阀门的连接方式。执行机构带动阀杆转动，使阀瓣旋转。
采用自密封形式，当阀瓣开启时，主密封圈与阀体椭圆槽处于腾空状态，存在间隙；当阀门关闭时，阀瓣与主密封圈有一定的过盈量。这一定的过盈量压迫主密封圈变形，使得主密封圈紧紧贴于阀瓣与阀体，起到可靠的密封作用（主密封圈为氟橡胶制品）。当阀瓣开启时，主密封圈的弹性作用又恢复了原状，主密封圈在椭圆槽间做的是扩张圈和阀瓣间的拉伸与压缩运动，磨损极小。主密封圈装在阀体上，与介质的接触面很小，故介质对密封圈冲刷面也小。橡胶抗冲刷性较好，所以使用寿命特别长，并且可双向流动。
自密封蝶阀的特点：执行机构可靠，密封性好，使用寿命长，维护方便，流通面积大，双向流动，使用压力在110mpa左右，使用温度在200℃，价格适中。
3 三偏心蝶阀

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图4 三偏心蝶阀示意图

三偏心蝶阀如图4所示，是近些年发展起来的阀门。执行机构也采用齿轴、齿条活塞传递形式，密封采用两个斜圆锥相贯的密封原理。因温度变化而发生热胀冷缩时，阀瓣与密封圈之间通过“渐进式”自补偿来实现始终不变的密封效果。优化设计使阀门开、闭阀瓣之间不产生平面的宏观相对摩擦运动。
三偏心蝶阀是一种较为理想的阀门，但是由于密封为斜置圆锥所形成的一条线，密封座加工较为困难。而且在密封座损坏时，因为密封面为一条复杂的曲线，单一性较强，因各厂家设计标准不同，要更换相匹配的密封圈相当困难。当逆流时，需要外加力矩，使阀瓣压向密封圈之间的单位正压力大于介质压力，才不会泄漏。再加上阀瓣为不平衡设计，因此逆流时需要执行机构输出力矩较大，所以逆流时容易泄漏。
密封圈分软密封和硬密封两种：软密封由于容易磨损，补偿量较小，当补偿量用完后就会出现泄漏；硬密封使用寿命长，耐高温、耐高压性好，但制造成本高，价格相对也高一些。
三偏心蝶阀的特点是：执行机构可靠，使用寿命长，耐高温、高压，有自动补偿功能，硬密封一般要无可见泄漏比较难；软密封性能较好，可以做到无可见泄漏。密封圈互换性差，价格较高，反流向时易泄漏。
4 结束语
上述4种阀门各有所长，性能比较见表1。

表1 3种分子筛纯化系统蝶阀的性能比较

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应根据用户的经济实力和使用场合考虑如何选择。一般使用原则：尽可能使用阀体腔内机械结构简单、流道畅通、流通面积大、使用寿命长、温度适合使用要求以及价格合理的阀门，同时也要考虑便于维修和更换。分子筛纯化系统切换蝶阀，关系到空分设备制造成本、使用寿命、气体纯度和产量等，因此，合理选择分子筛纯化系统切换蝶阀很重要。