基于A(yíng)NSYS的低溫閥閥蓋頸部長(cháng)度傳熱學(xué)分析
分析了低溫閥內部介質(zhì)溫度變化對填料函填料處密封的影響，通過(guò)假設對閥蓋模型簡(jiǎn)化建模，利用AN-SYS對模型進(jìn)行傳熱學(xué)分析，得出不同長(cháng)頸閥蓋頸部長(cháng)度所對應的填料函底部溫度值的對應關(guān)系，并對模擬計算的長(cháng)頸閥蓋頸部長(cháng)度值與其它標準規范及手冊中所規定的數值進(jìn)行對比分析，最終總結出影響長(cháng)頸閥蓋頸部長(cháng)度數值的主要因素。
1、引言
低溫閥門(mén)是石油化工、空氣分離、天然氣、制冷和低溫工程上不可缺少的重要設備之一。一般認為，工作溫度低于−29ºС的閥門(mén)稱(chēng)為“低溫閥門(mén)”，工作溫度小于−100ºС的閥門(mén)，稱(chēng)為“超低溫閥門(mén)”。在設計超低溫閥門(mén)時(shí)，除了應遵循一般閥門(mén)的設計原則外，還有一些特殊的要求。其中極其重要的一點(diǎn)就是要求閥門(mén)的結構保證填料函底部在0ºС以上的溫度環(huán)境下工作。
填料的密封性是低溫閥的關(guān)鍵所在。閥門(mén)在低溫狀態(tài)下，首先是填料產(chǎn)生冷脆，密封性能下降，接著(zhù)，由于低溫介質(zhì)滲漏，在填料與閥桿處產(chǎn)生凝露而結冰，造成填料損壞，在閥桿上下移動(dòng)時(shí)填料將閥桿劃傷，引起嚴重泄漏，所以必須保證填料函底部溫度達到0ºС以上，避免在填料處結冰。
目前國內外普遍采用長(cháng)頸閥蓋結構，使填料函離低溫介質(zhì)盡量遠些，起到保護填料的功能。目前，國內外關(guān)于研究低溫閥頸部伸長(cháng)量的相關(guān)文獻較少，已發(fā)表的文獻對低溫閥頸部伸長(cháng)量的探討還存在一定的局限性。
本文通過(guò)傳熱學(xué)理論，借助ANSYS軟件，對工作介質(zhì)溫度為−196ºС的超低溫閥門(mén)閥蓋頸部結構參數進(jìn)行有限元分析，為低溫閥的產(chǎn)品設計計算提供有意義的參考。本文以DN40−150Lb的低溫球閥為例(下同)對閥蓋頸部長(cháng)度進(jìn)行分析。
2、模型建立
低溫閥設計時(shí)要遵循以下兩個(gè)原則：
(1)閥門(mén)在不應成為低溫系統的一個(gè)顯著(zhù)熱源，這是因為熱量的流入除降低熱效率外，如流入過(guò)多，還會(huì )使內部流體急速蒸發(fā)，產(chǎn)生異常升壓，造成危險。
(2)低溫介質(zhì)不應對手輪操作、填料密封性能產(chǎn)生有害的影響。
針對以上兩個(gè)原則要求低溫閥門(mén)在使用時(shí)要對閥體及填料函以下部分進(jìn)行保冷處理;閥蓋頸部為加長(cháng)型設計，以便使填料函底部的溫度高于0ºС。
2.1、問(wèn)題的提出
(1)低溫閥閥蓋頸部長(cháng)度的規定值差異較大
標準規范或手冊中對低溫閥閥蓋頸部長(cháng)度的定數值不同且相差較大。
以DN40−150Lb的低溫球閥為例，標準或手冊中閥蓋頸部長(cháng)度數值見(jiàn)表1。
表1 標準和手冊中規定的閥蓋頸部長(cháng)度表
(2)有無(wú)保冷層對低溫閥閥蓋頸部長(cháng)度值影響分析
根據低溫閥設計準則“閥門(mén)在不應成為低溫系統的一個(gè)顯著(zhù)熱源”這條原則，低溫閥設計應考慮保冷情況下的影響。那么有保冷層和無(wú)保冷層對填料函底部溫度影響究竟有多大，本文將就此問(wèn)題進(jìn)行分析。
(3)保冷層的長(cháng)度對低溫閥閥蓋頸部長(cháng)度值影響較大。
對應非冷箱用的低溫閥以及無(wú)滴水盤(pán)的低溫閥，保冷層究竟要包到那個(gè)部位，現階段仍沒(méi)有定論，本文通過(guò)舉例來(lái)對此問(wèn)題進(jìn)行分析。
由于本文研究的主要是長(cháng)頸閥蓋頸部長(cháng)度對填料函底部溫度的影響，因此對模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，只分析閥蓋、閥桿及填料部分，再輔以邊界條件來(lái)模擬實(shí)際的工況，以便確定閥蓋頸部的長(cháng)度。由于通過(guò)公式推導計算較為復雜，且無(wú)法較為全面地考慮影響因素，本文通過(guò)ANSYS軟件的傳熱學(xué)分析功能對模型進(jìn)行分析，并施加合適的邊界條件，可較方便地求解閥蓋頸部長(cháng)度的數值。
2.2、基本假設
本文通過(guò)對長(cháng)頸閥蓋采用保冷處理和不保冷處理兩種假設進(jìn)行對比分析，以便分析出保冷處理對閥蓋長(cháng)度的影響。
為便于數值計算，本文假設見(jiàn)表2：
表2 基本假設
2.3、模型建立
簡(jiǎn)化后的閥蓋、閥桿組件模型如圖1、圖2所示。
圖1 帶保冷的閥蓋、閥桿模型
圖2 不帶保冷的閥蓋、閥桿模型
2.4、邊界條件施加
熱量的傳遞主要是通過(guò)傳導、對流和輻射三種方式來(lái)進(jìn)行的。模型的邊界條件見(jiàn)表3。
表3 邊界條件
3、模擬結果及分析
3.1、傳熱學(xué)分析
利用ANSYS軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后進(jìn)行穩態(tài)熱分析計算。對帶保冷和不帶保冷兩種模型取不同的L值進(jìn)行熱分析，得出填料函底部溫度值，并對計算結果進(jìn)行對比分析。其主要計算參數設置見(jiàn)表4。
表4 熱分析計算參數表
計算結果如圖3、圖4(以L(fǎng)=250mm為例)所示，分析結果見(jiàn)表5。
圖3 不帶保冷，L=250mm
圖4 帶保冷，L=250mm
表5 填料底部溫度計算結果
3.2、結果分析
從計算結果可以看出，對于不保冷的情況閥蓋頸部長(cháng)度為200mm時(shí)填料底部的溫度已經(jīng)滿(mǎn)足大于0ºС的條件，而有保冷的情況在閥蓋頸部長(cháng)度為250mm時(shí)為0.0014ºС已滿(mǎn)足填料函底部的溫度大于0ºС的條件。因此長(cháng)頸閥蓋有保冷和沒(méi)有保冷的情況下填料底部溫度相差較大。
由于建模時(shí)假設保冷層到填料底部，由于保冷材料的導熱系數較小，因此溫度沿閥桿軸向變化較慢，為了使溫度沿閥桿軸向變化相對快一些，可適當減小保冷長(cháng)度。以L(fǎng)=250mm為例來(lái)分析不同保冷長(cháng)度的情況下填料函底部溫度值，以便來(lái)探討最適合的保冷長(cháng)度。圖5為保冷長(cháng)度為L(cháng)2/3時(shí)填料函底部的溫度計算結果，具體計算數據見(jiàn)表6。
圖5 保冷長(cháng)度L2/3
表6 不同保冷長(cháng)度下對應填料函底部溫度
保冷長(cháng)度與填料函底部溫度變化關(guān)系見(jiàn)圖6。
圖6 保冷長(cháng)度與填料函底部溫度關(guān)系曲線(xiàn)
材料的導熱系數與材料特性和溫度有關(guān)，如果溫差較大，同種材料的導熱系數變化也較大。本文中所分析的不銹鋼零件取20ºС時(shí)的導熱系數15.2W/(m·ºС)進(jìn)行計算，而在−196ºС時(shí)不銹鋼零件的導熱系數為7.9W/(m·ºС)，因此本文模擬出來(lái)的閥蓋長(cháng)度是偏長(cháng)的，在這種情況下殼牌規范MESCSPE77/200和英國標準BS6364−1998填料函底部溫度已經(jīng)大于0ºС，考慮到導熱系數選取偏安全的原因，可以判斷標準中規定的L值是足夠安全的。在這種情況下，手冊中規定的L值不能滿(mǎn)足填料底部溫度大于0ºС的要求。
下面取−196ºС時(shí)的導熱系數為7.9W/(m·ºС)，L=160mm為例進(jìn)行建模分析在導熱系數最小的情況下手冊中規定的L值是否能滿(mǎn)足填料函底部溫度大于0ºС的要求。分析的結果見(jiàn)圖7，填料底部的溫度為−4.091ºС。
圖7 帶保冷，L=160mm
因此通過(guò)上面兩種情況下的分析結果可以看出：在取最大和最小導熱系數的情況下，手冊中所給L值都不能滿(mǎn)足填料函底部溫度大于0ºС的要求，因此手冊中規定的閥蓋頸部長(cháng)度L值是不夠的。
4、結論
(1)對于本文分析的DN40−150Lb超低溫球閥，殼牌規范MESCSPE77/200和英國標準BS6364−1998中規定的閥蓋頸部長(cháng)度是較安全的;實(shí)用閥門(mén)設計手冊和閥門(mén)設計手冊中規定的閥蓋頸部長(cháng)度有待進(jìn)一步考證。
其它型號規格的閥門(mén)在長(cháng)頸閥蓋設計時(shí)，可參考本文的方法來(lái)進(jìn)行驗證。
(2)帶保冷結構比不帶保冷的結構填料底部的溫度相差較大。
對于長(cháng)期在低溫環(huán)境下工作的低溫閥門(mén)長(cháng)頸閥蓋部分不做保冷處理的情況，是應該禁止的，因此在低溫閥尤其是超低溫閥門(mén)設計時(shí)，應充分考慮保冷對閥桿頸部長(cháng)度所帶來(lái)的影響。
(3)選擇適當的保冷層長(cháng)度即可保證閥門(mén)在不應成為低溫系統的一個(gè)顯著(zhù)熱源，沿閥桿方向溫度變化梯度不宜過(guò)大的設計原則，又可以保證填料函底部溫度大于0ºС的條件。另外，需要指出的是，在閥蓋頸部有保冷層的情況下，成為顯著(zhù)散熱部位的為露出保冷層部分的零件，包括閥桿直徑、閥桿露出填料部分的長(cháng)度以及閥蓋接盤(pán)的大小。因此，這些零部件的尺寸也是影響閥蓋頸部長(cháng)度不可忽略的因素。
