郭舜之 張周衛(wèi),2 李 河 趙 麗 丁世文

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院；2.甘肅中遠(yuǎn)能源動(dòng)力工程有限公司)

低溫液氮用氣動(dòng)控制快速自密封加注閥

郭舜之1張周衛(wèi)1,2李 河1趙 麗1丁世文1

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院；2.甘肅中遠(yuǎn)能源動(dòng)力工程有限公司)

針對(duì)傳統(tǒng)-197℃低溫液氮加注技術(shù)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)低溫液氮用氣動(dòng)控制快速自密封加注閥，介紹了其總體結(jié)構(gòu)與工作原理。該技術(shù)不但可用于-197℃低溫液氮等超低溫流體的自密封自動(dòng)加注過(guò)程，還可用于可燃流體、有害流體及毒性流體等特殊極端流體的自密封自動(dòng)加注過(guò)程。

加注閥 氣動(dòng)控制 自密封 低溫液氮

在低溫液氮、LNG、氣體分離與液化等低溫領(lǐng)域中，低溫流體在傳輸和加注過(guò)程中一般處于過(guò)熱或飽和狀態(tài)，因此一般采用開式系統(tǒng)，將低溫流體加注閥門打開，直接在常壓下傾倒或注入至開口的被接收設(shè)備(具有較大且向上的接收開口)。傳統(tǒng)的加注過(guò)程易造成低溫流體的汽化損失，尤其是可燃性低溫流體，容易造成可燃?xì)怏w加注擴(kuò)散。其次，大多低溫流體無(wú)法帶壓加注，不能進(jìn)行多相流加注，常壓加注速度較慢，低溫流體容易過(guò)熱噴濺，造成低溫凍傷等意外事故。大多數(shù)設(shè)備由于開口較小或在加注過(guò)程中需要直接連接管路進(jìn)行加注，導(dǎo)致加注過(guò)程中低溫流體快速汽化，汽化氣從低溫液體進(jìn)口排氣，造成低溫液體難以加進(jìn)、連接管路接頭快速降至超低溫，無(wú)法手動(dòng)操作。此外，超低溫、超高溫、有毒性或多相流等極端流體，在加注過(guò)程中存在手動(dòng)操作難以完成、電動(dòng)控制易引起爆炸、多相流擴(kuò)散、高溫燙傷及低溫凍傷等缺點(diǎn)[1,2]。

為此，筆者在原自密封加注接頭的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)自密封加注閥，將氣動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用于雙向快速自密封接頭，設(shè)置四通換向閥控制高低壓換氣裝置，調(diào)換高低壓氣流流動(dòng)方向，達(dá)到氣動(dòng)控制并換向的目的，實(shí)現(xiàn)低溫主閥的自動(dòng)連接與切斷功能[3]。

1 總體結(jié)構(gòu)

在-197℃低溫工況下，低溫液氮加注過(guò)程中加注接頭兩端溫度極低，無(wú)法進(jìn)行手動(dòng)操作。一方面，要求加注后的流體不能溢于環(huán)境，以免造成低溫凍傷，因此需要加注后的流體兩端接頭能夠在加注后實(shí)現(xiàn)自密封。另一方面，加注過(guò)程中接觸段溫度極低，不能手動(dòng)操作進(jìn)行插拔接通，需要自動(dòng)控制通斷。為此，筆者根據(jù)氣動(dòng)自動(dòng)控制原理發(fā)明了氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，結(jié)合自密封加注接頭基本結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了一個(gè)帶氣動(dòng)控制的超低溫自密封加注閥，以解決低溫流體的自動(dòng)控制加注問(wèn)題。自密封過(guò)程依靠?jī)啥俗悦芊饨宇^實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)控制過(guò)程依靠氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，高低壓氣體換向過(guò)程依靠四通換向閥實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)超低溫液氮的自動(dòng)控制加注和自動(dòng)通斷控制過(guò)程[3]。低溫液氮用氣動(dòng)控制快速自密封加注閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 低溫液氮用氣動(dòng)控制快速自密封加注閥結(jié)構(gòu)示意圖

2 工作原理

低溫液氮用氣動(dòng)控制快速自密封加注閥的工作原理為：低溫液氮加注時(shí)，高壓氣體通過(guò)氣動(dòng)管路進(jìn)入氣缸中部，推動(dòng)氣動(dòng)閥桿向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，氣動(dòng)閥桿上彈簧推動(dòng)氣動(dòng)閥桿向下運(yùn)動(dòng)；氣缸底部的高壓氣體通過(guò)氣動(dòng)管路上連接的四通換向閥改變氣路后變成低壓氣體；拉鉤氣動(dòng)彈簧推動(dòng)拉鉤閥桿向下運(yùn)動(dòng)，拉鉤閥桿帶動(dòng)U形槽向下運(yùn)動(dòng)；U形槽帶動(dòng)拉鉤向中軸旋轉(zhuǎn)，并鉤住主閥上閥體；拉鉤通過(guò)拉動(dòng)主閥彈開控制筒拉動(dòng)主閥上閥體向下運(yùn)動(dòng)，主閥控制球沿徑向運(yùn)動(dòng)后，扣入主閥上閥體凹槽并鎖緊，主閥彈開控制筒相對(duì)主閥閥座向上運(yùn)動(dòng)并扣緊主閥控制球；主閥上閥體通過(guò)主閥上閥芯向下推動(dòng)主閥下閥芯，壓縮主閥下閥芯彈簧向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)向上推動(dòng)主閥上閥芯相對(duì)主閥上閥體向上運(yùn)動(dòng)，打開主閥流體進(jìn)出口上下通道，實(shí)現(xiàn)低溫液氮自下而上加注接通。低溫液氮切斷時(shí)，高壓氣體通過(guò)氣動(dòng)管路進(jìn)入氣缸下部，推動(dòng)拉鉤閥桿、氣動(dòng)閥桿向上運(yùn)動(dòng)，拉鉤閥桿壓縮拉鉤氣動(dòng)彈簧、帶動(dòng)U形槽向上運(yùn)動(dòng)，U形槽帶動(dòng)拉鉤向外旋轉(zhuǎn)，并與主閥上閥體脫開；氣動(dòng)閥桿帶動(dòng)頂桿向上運(yùn)動(dòng)并通過(guò)彈性頂蓋推動(dòng)主閥上閥體，通過(guò)運(yùn)作至主閥上閥體的推力，推動(dòng)主閥彈開控制筒相對(duì)主閥閥座向下運(yùn)動(dòng)，主閥控制球沿徑向向相反方向運(yùn)動(dòng)并鎖緊主閥彈開控制筒；通過(guò)主閥下閥芯彈簧的作用力，將主閥下閥芯向上推動(dòng)、主閥下閥芯向上推動(dòng)主閥上閥芯、主閥上閥芯向上推動(dòng)主閥上閥體，脫離主閥閥座；主閥下閥芯向上運(yùn)動(dòng)后，通過(guò)主閥下閥芯密封圈與主閥下閥體密封；主閥上閥芯相對(duì)主閥上閥體向下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)主閥上閥芯密封圈與主閥上閥體密封；此時(shí)，主閥兩端流體斷開，主閥上閥體與主閥下閥體脫離，兩端各自實(shí)現(xiàn)密封，完成低溫液氮的整個(gè)加注過(guò)程。

該技術(shù)不但可用于低溫液氮的加注過(guò)程，還可用于其他超低溫流體或高溫流體的自動(dòng)加注過(guò)程[4]。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)低溫液氮用氣動(dòng)控制快速自密封加注閥。加注過(guò)程中，低溫流體不會(huì)溢出管道，可隨時(shí)停止加注，無(wú)需手動(dòng)操作；只需要將加注接頭靠近需要加注的低溫液氮，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)便可自動(dòng)拉動(dòng)加注接頭，并將接頭拉至接通位置導(dǎo)通并鎖緊，待加注完成后，可自動(dòng)打開加注閥，實(shí)現(xiàn)雙向自密封，不會(huì)出現(xiàn)低溫液氮在加注過(guò)程中噴濺等問(wèn)題。該加注閥可完成自密封、無(wú)泄漏帶壓加注過(guò)程和多相流加注過(guò)程，安全可靠，方便耐用，只需氣動(dòng)控制。該技術(shù)不但能夠用于低溫液氮等超低溫流體的自密封自動(dòng)加注過(guò)程，還可用于其他常溫流體、超高溫流體、可燃流體、有害流體及毒性流體等極端流體的自密封氣動(dòng)控制加注過(guò)程。

[1] 劉洋,姚曉先,宋曉東,等.超高壓氣動(dòng)加注閥流量特性試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(5):299～304.

[2] 郭關(guān)柱,王云,王浩源.自密封高壓氣動(dòng)快速通斷閥密封研究[J].液壓與氣動(dòng),2003,(1):43～45.

[3] 張周衛(wèi),吳金群,汪雅紅,等.低溫液氮用氣動(dòng)控制快速自密封加注閥[P].中國(guó):201310570841.1,2014-03-19.

[4] 吳筠.氣動(dòng)工程手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1995.

Pneumatically-controlledFastSelf-sealedFillingValveforCryogenicLiquidNitrogen

GUO Shun-zhi1, ZHANG Zhou-wei1, 2, LI He1, ZHAO Li1, DING Shi-weng1
(1.SchoolofEnvironmentandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity;2.GansuZhongyuanEnergyandPowerEngineeringCo.,Ltd.)

Considering the shortcomings of pneumatic filling technology for -197℃ cryogenic liquid nitrogen, a pneumatically-controlled fast self-sealed filling valve for cryogenic liquid nitrogen was designed and its overall structure and working principle were introduced. This filling valve can be applied to the cryogenic liquid nitrogen’s self-sealed pneumatic filling process and the auto-filling process of combustible fluids, harmful liquids, poisonous fluids and other special fluids.

filling valve, pneumatic control, self-sealed, cryogenic liquid nitrogen

甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1208RJZA234)；甘肅省財(cái)政廳基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(214137)；甘肅省教育廳碩導(dǎo)項(xiàng)目(1104-01)。

郭舜之(1993-)，碩士研究生，從事低溫閥門和多股流換熱器的研究。

聯(lián)系人：張周衛(wèi)(1974-)，副教授，高級(jí)工程師，從事空間低溫制冷技術(shù)、多股流多相流超低溫?fù)Q熱技術(shù)的研究，zhangzwemail@126.com。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2017)02-0179-03

2016-06-13)

(Continued from Page 152)

lar encoder adopted to measure the torsional angle of both active and driven flanges and the torque wrench employed to adjust the bolts’ pre-tightening force show that, with the increase of the load, the flange’s bolt connection becomes loose seriously; and under condition that the load fluctuates, the coupling’s torisional rigidity changes with the variation in load; and the bolt preload’s decrease can reduce the slip moment and the its rigidity in the phase 3 varies slightly. When the bolt preload is reduced to 6N·m, the rigidity in both Phase 1 and Phase 4 becomes declined obviously.

Keywordsdiaphragm coupling, bolted connection, torsional rigidity