低溫液氮用氣動控制快速自密封加注閥

郭舜之 張周衛(wèi),2 李 河 趙 麗 丁世文

(1.蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院；2.甘肅中遠能源動力工程有限公司)

低溫液氮用氣動控制快速自密封加注閥

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(1.蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院；2.甘肅中遠能源動力工程有限公司)

針對傳統(tǒng)-197℃低溫液氮加注技術的缺點，設計了一個低溫液氮用氣動控制快速自密封加注閥，介紹了其總體結構與工作原理。該技術不但可用于-197℃低溫液氮等超低溫流體的自密封自動加注過程，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加注過程。

加注閥 氣動控制 自密封 低溫液氮

在低溫液氮、LNG、氣體分離與液化等低溫領域中，低溫流體在傳輸和加注過程中一般處于過熱或飽和狀態(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備(具有較大且向上的接收開口)。傳統(tǒng)的加注過程易造成低溫流體的汽化損失，尤其是可燃性低溫流體，容易造成可燃氣體加注擴散。其次，大多低溫流體無法帶壓加注，不能進行多相流加注，常壓加注速度較慢，低溫流體容易過熱噴濺，造成低溫凍傷等意外事故。大多數設備由于開口較小或在加注過程中需要直接連接管路進行加注，導致加注過程中低溫流體快速汽化，汽化氣從低溫液體進口排氣，造成低溫液體難以加進、連接管路接頭快速降至超低溫，無法手動操作。此外，超低溫、超高溫、有毒性或多相流等極端流體，在加注過程中存在手動操作難以完成、電動控制易引起爆炸、多相流擴散、高溫燙傷及低溫凍傷等缺點[1,2]。

為此，筆者在原自密封加注接頭的基礎上，設計了氣動自密封加注閥，將氣動控制執(zhí)行機構應用于雙向快速自密封接頭，設置四通換向閥控制高低壓換氣裝置，調換高低壓氣流流動方向，達到氣動控制并換向的目的，實現低溫主閥的自動連接與切斷功能[3]。

1 總體結構

在-197℃低溫工況下，低溫液氮加注過程中加注接頭兩端溫度極低，無法進行手動操作。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現自密封。另一方面，加注過程中接觸段溫度極低，不能手動操作進行插拔接通，需要自動控制通斷。為此，筆者根據氣動自動控制原理發(fā)明了氣動執(zhí)行機構，結合自密封加注接頭基本結構形式，設計了一個帶氣動控制的超低溫自密封加注閥，以解決低溫流體的自動控制加注問題。自密封過程依靠兩端自密封接頭實現，自動控制過程依靠氣動執(zhí)行機構實現，高低壓氣體換向過程依靠四通換向閥實現，從而實現超低溫液氮的自動控制加注和自動通斷控制過程[3]。低溫液氮用氣動控制快速自密封加注閥結構示意圖如圖1所示。

圖1 低溫液氮用氣動控制快速自密封加注閥結構示意圖

2 工作原理

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

該技術不但可用于低溫液氮的加注過程，還可用于其他超低溫流體或高溫流體的自動加注過程[4]。

3 結束語

筆者設計了一個低溫液氮用氣動控制快速自密封加注閥。加注過程中，低溫流體不會溢出管道，可隨時停止加注，無需手動操作；只需要將加注接頭靠近需要加注的低溫液氮，氣動執(zhí)行機構便可自動拉動加注接頭，并將接頭拉至接通位置導通并鎖緊，待加注完成后，可自動打開加注閥，實現雙向自密封，不會出現低溫液氮在加注過程中噴濺等問題。該加注閥可完成自密封、無泄漏帶壓加注過程和多相流加注過程，安全可靠，方便耐用，只需氣動控制。該技術不但能夠用于低溫液氮等超低溫流體的自密封自動加注過程，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控制加注過程。

[1] 劉洋,姚曉先,宋曉東,等.超高壓氣動加注閥流量特性試驗研究[J].農業(yè)機械學報,2014,45(5):299～304.

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

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

[4] 吳筠.氣動工程手冊[M].北京:國防工業(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

甘肅省自然科學基金項目(1208RJZA234)；甘肅省財政廳基本科研業(yè)務費(214137)；甘肅省教育廳碩導項目(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。

聯系人：張周衛(wèi)(1974-)，副教授，高級工程師，從事空間低溫制冷技術、多股流多相流超低溫換熱技術的研究，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