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        低溫閥翅片式閥蓋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

        2022-12-22 01:35:04王曉濤
        化工技術(shù)與開發(fā) 2022年12期
        關(guān)鍵詞:閥門分析

        王曉濤,趙 鵬,任 亮

        (1.湖南石油化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 岳陽 414000;2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲(chǔ)運(yùn)有限公司天津輸油處燕山輸油站,北京 102400;3.中國(guó)石油青海油田監(jiān)督監(jiān)理公司,甘肅 敦煌 816499)

        隨著我國(guó)工業(yè)的飛速發(fā)展,大量的低溫介質(zhì)如LNG、液氧、液氮等,廣泛應(yīng)用在石油化工、天然氣、航空航天等領(lǐng)域,而低溫閥門是儲(chǔ)存與輸送低溫介質(zhì)的關(guān)鍵設(shè)備。低溫介質(zhì)的危險(xiǎn)性對(duì)低溫閥門的安全運(yùn)行提出了更高的要求。閥蓋與閥桿間密封填料的穩(wěn)定性,是保障低溫閥門長(zhǎng)周期運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。閥體的冷量使得填料溫度低于0℃,一旦空氣中的冷凝水進(jìn)入就會(huì)結(jié)冰。當(dāng)閥門開關(guān)時(shí),閥桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)將填料劃傷,造成低溫介質(zhì)的大量泄漏[1]。為此,低溫閥門在設(shè)計(jì)時(shí)常采用加長(zhǎng)閥蓋的方式,以保證填料溫度高于0℃,同時(shí)在閥蓋表面安裝環(huán)形翅片(翅片式閥蓋),不但可以防止冷凝水滴入閥體保冷層,還可以提高填料溫度,減少閥蓋長(zhǎng)度,從而降低生產(chǎn)成本,彌補(bǔ)低溫閥門安裝、運(yùn)輸不便等缺點(diǎn)。在以往的研究中[2-5],關(guān)于翅片對(duì)閥蓋溫度場(chǎng)的影響分析較少,缺乏較為完善的理論模型。本文分析并計(jì)算了翅片式加長(zhǎng)閥蓋的溫度場(chǎng),得出了閥蓋長(zhǎng)度的理論模型,并采用理論分析與有限元分析相結(jié)合的方法,分析得出了減小閥蓋長(zhǎng)度的最佳方案。

        1 翅片式閥蓋物理模型的簡(jiǎn)化

        圖1為翅片式閥蓋的基本結(jié)構(gòu),為了計(jì)算方便,將其進(jìn)行簡(jiǎn)化。將閥蓋視為半徑為r1的圓柱體,材料導(dǎo)熱系數(shù)為λ(忽略溫度影響)。閥內(nèi)的低溫介質(zhì)流動(dòng)穩(wěn)定后,閥門溫度場(chǎng)處于穩(wěn)態(tài),閥蓋表面與空氣的自然對(duì)流換熱系數(shù)為h∞,環(huán)境溫度為t∞,閥蓋法蘭下端面為介質(zhì)溫度t0,其到密封填料底部的長(zhǎng)度為L(zhǎng)。填料以上部分與閥桿閥蓋的接觸熱阻較大,故將其簡(jiǎn)化為閥蓋的擴(kuò)展面,當(dāng)量換熱系數(shù)hd可采用文獻(xiàn)[5]的方法迭代得出。忽略閥蓋與閥桿間的環(huán)形縫隙,將閥蓋看成一個(gè)整體,簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示。

        圖1 長(zhǎng)頸閥蓋的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of long neck bonnet

        圖2 閥蓋的物理模型Fig.2 The physical model of bonnet

        2 翅片的溫度場(chǎng)分析

        環(huán)形翅片的半徑和厚度分別為r2和δ,tb為翅片根部溫度(由于δ較小,不計(jì)溫度在δ方向上變化),導(dǎo)熱系數(shù)為λ(圖3)。

        圖3 翅片物理模型Fig.3 The physical model of fin

        對(duì)于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,根據(jù)能量守恒對(duì)翅片進(jìn)行環(huán)形微元體分析,整理得到翅片導(dǎo)熱微分方程:

        得到翅片過余溫度場(chǎng)為:

        其中I為虛宗量貝塞爾函數(shù),K為虛宗量漢克函數(shù)。

        根據(jù)Fourier定律,得到翅片的冷量損失為:

        3 實(shí)例計(jì)算

        以DJ41W-300LbP 6″液氮用低溫截止閥為例,相關(guān)的參數(shù)見表1,利用式(3)進(jìn)行迭代,得到閥蓋長(zhǎng)度L=375mm。同理,可計(jì)算得到無翅片閥蓋的長(zhǎng)度Ln=441mm,可見安裝1片翅片,就可以使閥蓋的長(zhǎng)度縮短近15%。

        表1 液氮用低溫截止閥的參數(shù)Table 1 The parameters of cryogenic stop valve with liquid nitrogen

        利用ANSYS軟件對(duì)該閥門進(jìn)行有限元分析,溫度場(chǎng)結(jié)果如圖4所示,得到L≈359.8mm,Ln≈436mm。

        圖4 有限元分析結(jié)果Fig.4 The finite element analysis result

        4 閥蓋長(zhǎng)度影響因素的分析

        4.1 材料的導(dǎo)熱系數(shù)

        將翅片與閥蓋的導(dǎo)熱系數(shù)每次減少10%,代入理論計(jì)算并進(jìn)行模擬,結(jié)果見圖5。隨著導(dǎo)熱系數(shù)減少,熱阻增加,閥蓋長(zhǎng)度的縮短十分明顯,因此,在設(shè)計(jì)低溫閥門時(shí),閥蓋、閥桿及翅片應(yīng)采用導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料。

        圖5 導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)閥蓋長(zhǎng)度的影響Fig.5 The effect of thermal conductivity of material on the bonnet length

        4.2 翅片半徑

        以翅片半徑r2=114.5mm為基準(zhǔn),將r2依次變化10%,閥蓋長(zhǎng)度及翅片的散熱量如圖6所示。隨著半徑增加,由環(huán)境傳遞到翅片的熱量增加,冷量損失減少,閥蓋長(zhǎng)度逐漸減??;但閥蓋長(zhǎng)度的減小量隨著翅片半徑的增加而逐漸減小,原因是隨著翅片沿徑向的表面溫度與環(huán)境間的溫差越來越小,散熱量的增加量也隨之減小。當(dāng)半徑增加到1.3r2以后,繼續(xù)增加r2,閥蓋長(zhǎng)度的減小量很少,即翅片的最佳半徑r2=148mm。因此單靠加大翅片半徑來減少閥蓋長(zhǎng)度是不可取的。

        圖6 翅片半徑對(duì)閥蓋長(zhǎng)度的影響Fig.6 The effect of fin radius on the bonnet length

        4.3 翅片數(shù)量

        對(duì)裝有不同數(shù)量翅片的閥蓋進(jìn)行分析,結(jié)果如圖7所示。安裝4片翅片后,閥蓋長(zhǎng)度減小了近50%,因此增加翅片的數(shù)量可以明顯減小閥蓋長(zhǎng)度,但安裝數(shù)量要根據(jù)實(shí)際的安裝位置、制造成本等因素,進(jìn)行綜合考慮后確定。

        圖7 翅片安裝數(shù)量對(duì)閥蓋長(zhǎng)度的影響Fig.7 The effect of fin number on the bonnet length

        5 結(jié)論

        本文利用相關(guān)的理論推導(dǎo)了低溫閥門翅片式閥蓋的溫度場(chǎng),得到了在確保填料溫度大于0℃時(shí)加長(zhǎng)閥蓋長(zhǎng)度的理論模型,可為理論研究與生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供參考。采用理論計(jì)算與有限元分析相結(jié)合的方法,分析了導(dǎo)熱系數(shù)、翅片半徑、安裝數(shù)量、環(huán)境溫度對(duì)閥蓋長(zhǎng)度的影響情況,得出結(jié)論:增加翅片數(shù)量、降低導(dǎo)熱系數(shù),是減少冷量損失、縮短閥蓋長(zhǎng)度的最佳方案。

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