基于ANSYS的低温阀阀盖颈部长度传热学分析

    1 引言

    低温阀门是石油化工、空气分离、天然气、制冷和低温工程上不可缺少的重要设备之一。一般认为，工作温度低于−29ºС的阀门称为“低温阀门”，工作温度小于−100ºС的阀门，称为“超低温阀门”。在设计超低温阀门时，除了应遵循一般阀门的设计原则外，还有一些特殊的要求。其中极其重要的一点就是要求阀门的结构保证填料函底部在0ºС以上的温度环境下工作。

    填料的密封性是低温阀的关键所在。阀门在低温状态下，首先是填料产生冷脆，密封性能下降，接着，由于低温介质渗漏，在填料与阀杆处产生凝露而结冰，造成填料损坏，在阀杆上下移动时填料将阀杆划伤，引起严重泄漏，所以必须保证填料函底部温度达到0ºС以上，避免在填料处结冰。

    目前国内外普遍采用长颈阀盖结构，使填料函离低温介质尽量远些，起到保护填料的功能。

    目前，国内外关于研究低温阀颈部伸长量的相关文献较少，已发表的文献对低温阀颈部伸长量的探讨还存在一定的局限性。

    本文通过传热学理论，借助ANSYS软件，对工作介质温度为−196ºС的超低温阀门阀盖颈部结构参数进行有限元分析，为低温阀的产品设计计算提供有意义的参考。

    本文以DN40−150Lb的低温球阀为例（下同）对阀盖颈部长度进行分析。

    2 模型建立

    低温阀设计时要遵循以下两个原则：

    （1）阀门在不应成为低温系统的一个显著热源，这是因为热量的流入除降低热效率外，如流入过多，还会使内部流体急速蒸发，产生异常升压，造成危险。

    （2）低温介质不应对手轮操作、填料密封性能产生有害的影响。

    针对以上两个原则要求低温阀门在使用时要对阀体及填料函以下部分进行保冷处理；阀盖颈部为加长型设计，以便使填料函底部的温度高于0ºС。

    2.1 问题的提出

    （1）低温阀阀盖颈部长度的规定值差异较大

    标准规范或手册中对低温阀阀盖颈部长度的定数值不同且相差较大。

    以DN40−150Lb的低温球阀为例，标准或手册中阀盖颈部长度数值见表1。

表1 标准和手册中规定的阀盖颈部长度表

    （2）有无保冷层对低温阀阀盖颈部长度值影响分析

    根据低温阀设计准则“阀门在不应成为低温系统的一个显著热源”这条原则，低温阀设计应考虑保冷情况下的影响。那么有保冷层和无保冷层对填料函底部温度影响究竟有多大，本文将就此问题进行分析。

    （3）保冷层的长度对低温阀阀盖颈部长度值影响较大。

    对应非冷箱用的低温阀以及无滴水盘的低温阀，保冷层究竟要包到那个部位，现阶段仍没有定论，本文通过举例来对此问题进行分析。

    由于本文研究的主要是长颈阀盖颈部长度对填料函底部温度的影响，因此对模型进行简化处理，只分析阀盖、阀杆及填料部分，再辅以边界条件来模拟实际的工况，以便确定阀盖颈部的长度。由于通过公式推导计算较为复杂，且无法较为全面地考虑影响因素，本文通过ANSYS软件的传热学分析功能对模型进行分析，并施加合适的边界条件，可较方便地求解阀盖颈部长度的数值。

    2.2 基本假设

    本文通过对长颈阀盖采用保冷处理和不保冷处理两种假设进行对比分析，以便分析出保冷处理对阀盖长度的影响。

    为便于数值计算，本文假设见表2：

表2 基本假设

    2.3 模型建立

    简化后的阀盖、阀杆组件模型如图1、图2所示。

图1 带保冷的阀盖、阀杆模型

图2 不带保冷的阀盖、阀杆模型

    2.4 边界条件施加

    热量的传递主要是通过传导、对流和辐射三种方式来进行的。模型的边界条件见表3。

表3 边界条件

    3 模拟结果及分析

    3.1 传热学分析

    利用ANSYS软件对模型进行网格划分，然后进行稳态热分析计算。对带保冷和不带保冷两种模型取不同的L值进行热分析，得出填料函底部温度值，并对计算结果进行对比分析。其主要计算参数设置见表4。

表4 热分析计算参数表

    计算结果如图3、图4（以L=250mm为例）所示，分析结果见表5。

图3 不带保冷，L=250mm

图4 带保冷，L=250mm

表5 填料底部温度计算结果

    3.2  结果分析

    从计算结果可以看出，对于不保冷的情况阀盖颈部长度为200mm时填料底部的温度已经满足大于0ºС的条件，而有保冷的情况在阀盖颈部长度为250mm时为0.0014ºС已满足填料函底部的温度大于0ºС的条件。因此长颈阀盖有保冷和没有保冷的情况下填料底部温度相差较大。

    由于建模时假设保冷层到填料底部，由于保冷材料的导热系数较小，因此温度沿阀杆轴向变化较慢，为了使温度沿阀杆轴向变化相对快一些，可适当减小保冷长度。以L=250mm为例来分析不同保冷长度的情况下填料函底部温度值，以便来探讨最适合的保冷长度。图5为保冷长度为L2/3时填料函底部的温度计算结果，具体计算数据见表6。

图5 保冷长度L2/3

表6 不同保冷长度下对应填料函底部温度

    保冷长度与填料函底部温度变化关系见图6。

图6 保冷长度与填料函底部温度关系曲线

    材料的导热系数与材料特性和温度有关，如果温差较大，同种材料的导热系数变化也较大。本文中所分析的不锈钢零件取20ºС时的导热系数15.2W/（m·ºС）进行计算，而在−196ºС时不锈钢零件的导热系数为7.9W/（m·ºС），因此本文模拟出来的阀盖长度是偏长的，在这种情况下壳牌规范MESCSPE77/200和英国标准BS6364−1998填料函底部温度已经大于0ºС，考虑到导热系数选取偏安全的原因，可以判断标准中规定的L值是足够安全的。在这种情况下，手册中规定的L值不能满足填料底部温度大于0ºС的要求。

    下面取−196ºС时的导热系数为7.9W/（m·ºС），L=160mm为例进行建模分析在导热系数最小的情况下手册中规定的L值是否能满足填料函底部温度大于0ºС的要求。分析的结果见图7，填料底部的温度为−4.091ºС。

图7 带保冷，L=160mm

    因此通过上面两种情况下的分析结果可以看出：在取最大和最小导热系数的情况下，手册中所给L值都不能满足填料函底部温度大于0ºС的要求，因此手册中规定的阀盖颈部长度L值是不够的。

    4 结论

    （1）对于本文分析的DN40−150Lb超低温球阀，壳牌规范MESCSPE77/200和英国标准BS6364−1998中规定的阀盖颈部长度是较安全的；实用阀门设计手册和阀门设计手册中规定的阀盖颈部长度有待进一步考证。

    其它型号规格的阀门在长颈阀盖设计时，可参考本文的方法来进行验证。

    （2）带保冷结构比不带保冷的结构填料底部的温度相差较大。

    对于长期在低温环境下工作的低温阀门长颈阀盖部分不做保冷处理的情况，是应该禁止的，因此在低温阀尤其是超低温阀门设计时，应充分考虑保冷对阀杆颈部长度所带来的影响。

    （3）选择适当的保冷层长度即可保证阀门在不应成为低温系统的一个显著热源，沿阀杆方向温度变化梯度不宜过大的设计原则，又可以保证填料函底部温度大于0ºС的条件。另外，需要指出的是，在阀盖颈部有保冷层的情况下，成为显著散热部位的为露出保冷层部分的零件，包括阀杆直径、阀杆露出填料部分的长度以及阀盖接盘的大小。因此，这些零部件的尺寸也是影响阀盖颈部长度不可忽略的因素。