自来水管道设备的防冻裂结构设计

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【摘要】自来水管道在日常的生产、生活中无处不在，所有的生活用水输送都离不开各种自来水管道的控制，给人们的生产、生活带来了极大的方便。但是，在冬季输送生活用水的过程中，如果自来水管道保温措施不利，常常会因气候寒冷、管道水凝同、膨胀而胀破自来水管道，而且这种现象非常普遍，以至管道报废，造成经济损失，使水失去控制，大量泄漏，影响正常的生产、生活，甚至造成水灾，威胁人们生命、财产安全。本文将就自来水管道设备的防冻裂结构设计进行讨论。

【关键字】自来水管道设备防冻裂结构设计

中图分类号： TU81 文献标识码： A 文章编号：

一、水龙头防冻裂结构的防冻裂原理分析

因外接结构与水龙头的防冻裂结构和原理相同 下面仅以水龙头的防冻裂结构为例来阐述它们的防冻裂原理

1、常温下防冻裂结构的密封与调节

如图1 所示 常温下 亦指气温处于水的冰点以上温度 管道内的水处于液体状态 我们此时可根据管道内的水压来调节弹力调节压块12 的松紧 当拧紧弹力调节压块12 时 弹力调节压块12 将压缩弹簧10 通过弹簧10 的弹力作用实现作用力向顶针11 的传递 当弹簧10对顶针11 和橡皮密封垫9 的作用力大于或远远大于水龙头体内的水对顶针11 和橡皮密封垫9 的作用力的时候 橡皮密封垫9 便会被压紧在防冻裂结构的出水口平台上 从而实现水龙头防冻裂结构的常温常闭密封状态需要注意的是 当在拧紧弹力调节压块12 的时候要注意弹簧的弹力大小要适度O 在刚好密封的前提下,可根据弹簧的刚度大小适当再拧紧一点就可以了, 不宜太紧,否则,时间一长,弹簧容易因疲劳而失去弹力作用,从而直接影响防冻裂结构的密封效果。

2、低温下防冻裂结构的防冻裂原理

当气温骤降至零度以下甚至更低,此时的水龙头体内的水就会结冰,水一旦结冰后即会引起水龙头体内水的体积膨胀,当膨胀后的冰水对图1 所示的橡皮密封垫9和顶针11 的推力大于弹簧10 对顶针11 和橡皮密封垫9的压力的时候,顶针11 和橡皮密封垫9 即被推开O 这样,水龙头体内因体积膨胀而产生多余的冰水即会由防冻裂结构的出水口流到其下方的储备空间, 若溢出的水量较大,水还可以通过弹力调节压块12 和封盖13 的小孔溢出水龙头体外,从而确保水龙头及防冻裂结构不会被冻裂。如果考虑到溢出的水不影响水龙头的体外环境,或者当冰解冻时不会造成水资源的浪费, 我们可以在产品的结构设计时采用下列方法来解决: ( 1) 将封盖13 的小孔改为盲孔,同时增大防冻裂结构的储备空间;( 2)若管道较粗,考虑速冻时可能有更多的水溢出,我们可以在外接的圆周方向增设更多的防冻裂结构。

3、温升解冻后防冻裂结构的自动复位

当气温回升冰体解冻时,顶针11 和橡皮密封垫9 便会在弹簧的弹力作用下自动复位, 从而恢复防冻裂结构初始时的常温常闭密封状态。

二、管道防冻裂阀门

1、防冻裂阀门的结构

这种阀门是在阀体内的两端分别设计一个胎腔，在每个胎腔内分别装一个橡皮制成的气胎，气胎类似自行车内胎，胎体具有较强的伸缩能力，胎内充满气体。

下面结合图1～5对该种阀门进一步说明(仅以闸阀阀体一例说明，其它阀门与此相同)。图1是阀体的结构示意图；图2是阀体的正剖视图；图3是图2的A—A剖视图；图4是气胎结构图；图5是图4的B．B剖视图。图中：①阀体、②胎腔、③铜环、④气胎。在图2中胎腔②与阀体①为一整体。图中，r2为胎腔腔体小半径，r4为气胎圆环小半径，r2=r4，R1

为阀门进口半径，R2为胎腔大圆半径，Ii4为气胎小圆中心线的半径。使用时气胎④装入胎腔②。

2、防冻裂阀门的工作原理

防冻裂阀门巧妙地利用水和气体的体积随温度变化的物理特性设计而成，水随着温度的降低、结冰，它的体积会逐渐膨胀，因而对密闭的阀门产生很大的压力，而气体却恰恰相反，随着温度的降低和压力的增大，它的体积会急剧缩小，而且气体相对水非常活泼，它的收缩程度远远大于水的膨胀程度，所以安装在阀体内的气胎随着阀体内水的结冰膨胀，会迅速收缩，让出空间，完全容纳了冰的膨胀部分，彻底消除了冰的膨胀部分对阀体的压力，从容地保护了阀体。而阀体内不设置气胎的一般普通阀门，由于其阀体内没有调节空间，当水随温度的降低、结冰，体积膨胀时，膨胀所产生的压力将全部作用于力，以至阀体不能承受而被胀破，造成阀门报废和管道泄漏事故。

3、防冻裂阀门的工作过程

阀门装于管道上正常使用时，气胎保持鼓起状态，当管道内的液体(水)随温度的降低、凝固、膨胀时，气胎内的气体的体积则因温度的降低和压力的增大而大幅缩小，加之胎体有较好的伸缩性，使水结冰后的膨胀部分进入胎腔，从而抵消了由于冰的膨胀对阀体的巨大压力，使阀体得到保护而不被胀破。随着温度的回复，冰体溶化，水的体积减小，胎内气体的体积随之增大，直到恢复原状。

三、电热防冻解冻阀的防冻解冻设计原理

1、常温状态下电热防冻解冻阀的压力调节

如图2，当水温处于冰点以上温度时，此时可根据管道内的水压大小调节弹力调节压块20的松紧，活塞3则在弹簧7的弹力作用下克服水压对它的作用力后顶靠在塑料内衬21的凸台上。此时两触点断开，电路不导通，电热器24不工作。要特别注意的是：弹力调节压块20的松紧度调节要适中。在刚好将活塞3顶靠在塑料内衬4的凸台上的前提下，可根据弹簧7的刚度大小适当再拧紧一点就可以了。活塞不宜调得太紧，否则弹簧会被过度压缩，时间一长，弹簧容易因疲劳而失去弹力作用。弹力作用一旦减弱，水压就会推动活塞3和塑料滑杆21下移。下移量过大，塑料滑杆21会造成行程开关的非正常接合，使得电路导通，电热器24就会在常温状态下不停加热。调得太松，弹簧7的弹力不够，活塞3则不能克服水压作用顶靠在塑料内衬4的凸台上。如果活塞离凸台的距离超过静触头可调支架10允许的极限数值时，即使我们将静触头可调支架10调节到长条孔右侧的极限位置，也不能将使行程开关的两触点断开，此时拆卸阀门重新调节弹力调节压块20则在所难免。

2、低温时电热防冻解冻阀的防冻解冻原理

当管道内的水处于冰点以下温度时，水一旦结冰即会引起管道内水的体积膨胀，当膨胀后的冰水对活塞3的作用力大于弹簧7对活塞3的作用力，活塞3即会下移(因为⋯0’型密封圈的密封作用，冰水不会渗透到活塞下方，从而保证了控制线路安全和电热防冻解冻阀的体外环境)。随着冰水体积的不断膨胀，活塞3连同塑料滑杆21亦不断下移。当行程达到静触头可调支架l 0设定的数值时，动触头簧片9便在塑料滑杆21的锥形部位推移下实现动、静两触头的接合。此时电路导通，氖管启辉，电热器24开始加热。随着加热后水温的不断升高，水中的冰即被溶化。在此过程中，管道内的冰水体积不断缩小，活塞3和塑料滑杆21便在弹簧7的弹力作用下不断上移，直至两触点脱开，电热器24才会停止加热，从而实现低温时电热防冻解冻阀对自来水管道设备的防冻和解冻功能。

3、电热防冻解冻阀设计的有益效果

(1)电热防冻解冻阀的设计成功，不仅解决了自来水管道设备的防冻裂问题，而且还具有自动解冻功能，能有效防止自来水管道设备在低温时的水结冰现象，从而保证了管道设备在低温时的水流畅通，实现用户的即时使用。

(2)图2所示电热防冻解冻水龙头仅是电热防冻解冻阀作为其他管道设备附属结构的实施例之一。电热防冻解冻阀在实现与水表、闸阀和水龙头等管道设备的一体化设计之后，对简化管道设备安装、缩小电热防冻解冻阀在管道中的空间占用，及其对主体结构的直接防冻和解冻起着十分重要的作用。

(3)本结构设计即便是在断电的情况下，仍能实现管道设备的防冻裂要求。

(4)本结构设计也可以通过去除电热器及其他电路控制部元件将其简化为一般的防冻裂结构。

(5)本文设计的电热防冻解冻阀不但适合在自来水管道中使用，还可以在小型密封水箱、间断性使用的机械或实验设备的水冷却管道中推广使用。

(6)本结构设计与现有的自来水管道设备的防冻(裂)装置相比，具有结构简单、投资少、安装使用方便及性能可靠等优点。

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