基于ANSYS的低溫閥填料函溫度場(chǎng)分析

張紓琳，陳晨銘，段化銀，余曉明

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

我國(guó)近年來(lái)大力推動(dòng)清潔能源的發(fā)展，對(duì)天然氣的需求不斷增加。2018 年，我國(guó)天然氣的消費(fèi)量已經(jīng)超過(guò)了2 800 億立方米，進(jìn)口液化天然氣5 300多萬(wàn)噸[1]。并且隨著我國(guó)對(duì)天然氣需求的持續(xù)增長(zhǎng)，我國(guó)的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施也在不斷完善，用以提高液化天然氣的接收能力[2]。低溫閥門主要用于石油化工、液化天然氣及液氮液氧等裝置。由于液化天然氣的主要成分為烷烴，一旦發(fā)生泄漏，會(huì)增加火災(zāi)和爆炸等事故發(fā)生的幾率[3-4]，所以低溫閥門對(duì)密封性、安全性的要求非常高。

低溫閥門一般都有長(zhǎng)頸閥蓋，可以使其在溫度很低的工況下安全穩(wěn)定地運(yùn)行[5]。長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)的目的在于保護(hù)填料函，通過(guò)抬高填料函的位置，提高填料函處的溫度分布，防止填料表面結(jié)露結(jié)冰，即高于低溫閥門所在環(huán)境的露點(diǎn)溫度。一旦填料結(jié)冰，就會(huì)降低填料的密封性能，容易導(dǎo)致低溫介質(zhì)的滲漏。當(dāng)閥桿上下移動(dòng)時(shí)，結(jié)的冰也會(huì)劃傷填料，造成更加嚴(yán)重的泄漏[6-7]。另外，低溫閥門在夏季運(yùn)行時(shí)，需要包裹一層保冷材料來(lái)減少冷量的損失，而長(zhǎng)頸閥蓋的結(jié)構(gòu)有利于添加更厚的保冷層，加強(qiáng)保冷性能。

1 低溫閥門模型

BS 6364 規(guī)定了低溫閥門中長(zhǎng)頸閥蓋加長(zhǎng)部分的最短長(zhǎng)度，本文采用的低溫閥門為DN 50 低溫球閥，為非冷箱用，閥芯的工作轉(zhuǎn)角為90°，要求閥蓋最短長(zhǎng)度為250 mm[8]，故設(shè)計(jì)閥蓋的初始長(zhǎng)度為251 mm。

1.1 建立物理模型

采用ProE 建立閥門的裝配體模型，由于模型存在對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了提高效率，可將模型簡(jiǎn)化處理為實(shí)體模型的1/2，如圖1 所示。

圖1 低溫球閥模型Fig.1 Model of cryogenic ball valve

1.2 物性參數(shù)及邊界條件設(shè)置

（1）定義材料的物性參數(shù)：低溫球閥的主要部件采用F316 不銹鋼，軸承、支架等采用F304 不銹鋼，填料采用兩種不同的材料，聚四氟乙烯（PTFE）和柔性石墨。低溫閥門各部件的導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 低溫球閥各部件導(dǎo)熱系數(shù) [9]Table 1 Thermal conductivity of each component of cryogenic ball valve

（2）施加載荷與約束：由于模擬的是閥門在穩(wěn)態(tài)后的溫度分布，而液化天然氣處于大氣壓時(shí)的溫度為-162 ℃，因此設(shè)置閥體的內(nèi)表面溫度為-162 ℃，包括閥體內(nèi)壁、閥座、閥瓣等。

低溫閥門外表面與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，空氣的對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)為12 W/ （m2·K），與環(huán)境進(jìn)行輻射換熱，Stenfan-Bolzman 常數(shù)為5.67×10-8[10]，設(shè)置不銹鋼的輻射率為0.048，對(duì)稱面設(shè)置為絕熱邊界條件。設(shè)置低溫球閥的開(kāi)度處于全開(kāi)狀態(tài)。

2 填料函溫度分布

低溫閥門處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，閥體內(nèi)表面與低溫介質(zhì)的溫度相同，即-162 ℃。由于冷量從閥門的下部往上部傳遞，故閥門中相對(duì)較長(zhǎng)的閥桿和閥蓋都存在一定的溫度梯度；支架等部件遠(yuǎn)離低溫介質(zhì)，而且和環(huán)境的接觸面比較多，所以其溫度都基本保持在0 ℃以 上。

在環(huán)境溫度在-30 ℃～10 ℃時(shí)，低溫球閥填料函的最低溫度與環(huán)境溫度呈線性關(guān)系，即環(huán)境溫度決定著低溫球閥填料函的最低溫度，如圖2 所示，而環(huán)境溫度與相對(duì)濕度決定了環(huán)境的露點(diǎn)溫度。當(dāng)填料函的最低溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，就會(huì)發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，如果此時(shí)填料函的最低溫度低于0℃就會(huì)結(jié)冰。如圖3、4 所示為環(huán)境溫度分別為-30 ℃和10 ℃時(shí)相對(duì)濕度5% ～ 70%的露點(diǎn)溫度與填料函最低溫度的關(guān)系。

3 環(huán)境工況對(duì)閥蓋長(zhǎng)度的影響

為避免低溫球閥的填料函部位發(fā)生結(jié)露結(jié)冰現(xiàn)象，可以通過(guò)增加閥蓋加長(zhǎng)部分的長(zhǎng)度來(lái)提高填料函的溫度。通過(guò)對(duì)比環(huán)境的露點(diǎn)溫度和填料函的最低溫度，可以得到閥蓋最短長(zhǎng)度。低溫球閥模型的閥蓋最短長(zhǎng)度取為251 mm，在閥蓋最短長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，每組增加10 mm，直到371 mm，一共進(jìn)行13 組模擬實(shí)驗(yàn)。

圖2 不同環(huán)境溫度下填料函的最低溫度Fig.2 Minimum temperature of the stuffing box at different ambient temperatures

圖3 環(huán)境溫度為-30 ℃時(shí)露點(diǎn)溫度與填料函最低溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between dew point temperature and lowest temperature of stuffing box when ambient temperature is -30 ℃

圖4 環(huán)境溫度為10 ℃時(shí)露點(diǎn)溫度與填料函最低溫度 的關(guān)系Fig.4 Relationship between dew point temperature and lowest temperature of stuffing box when ambient temperature is 10 ℃

3.1 濕球溫度對(duì)閥蓋長(zhǎng)度的影響

干球溫度不變，對(duì)比不同相對(duì)濕度時(shí)露點(diǎn)溫度與低溫球閥填料函處的最低溫度，確定不同相對(duì)濕度時(shí)所需的最短閥蓋長(zhǎng)度，如圖5 所示。相對(duì)濕度在30%以下時(shí)，長(zhǎng)頸閥蓋取最短長(zhǎng)度251 mm 即可；在相對(duì)濕度為30%以上時(shí)，隨著相對(duì)濕度的增加，所需閥蓋長(zhǎng)度增加；在相對(duì)濕度達(dá)到70%時(shí)，長(zhǎng)頸閥蓋長(zhǎng)度至少需要371 mm。

圖5 最短閥蓋長(zhǎng)度隨相對(duì)濕度變化曲線Fig.5 Variation curve of minimum length of bonnets with relative humidity

3.2 環(huán)境溫度對(duì)閥蓋長(zhǎng)度的影響

在環(huán)境的相對(duì)濕度為65%的情況下，長(zhǎng)頸閥蓋所需的最短長(zhǎng)度與干球溫度的關(guān)系如圖6 所示。環(huán)境溫度在0 ℃以下時(shí)，閥蓋的最短長(zhǎng)度為351 mm 時(shí)才能滿足填料函不結(jié)冰的要求；環(huán)境溫度在0 ℃以上時(shí)，隨著溫度的升高，閥蓋所需的最短長(zhǎng)度減小。當(dāng)環(huán)境溫度與填料函溫度都處于0 ℃以上時(shí)，即使填料函處的溫度比環(huán)境的露點(diǎn)溫度低，出現(xiàn)結(jié)露的情況，但因?yàn)闆](méi)有低于冰點(diǎn)溫度，所以不會(huì)結(jié)冰。故環(huán)境溫度在0 ℃以上時(shí)，干球溫度對(duì)閥蓋所需的最短長(zhǎng)度的影響比較明顯。

3.3 不同地區(qū)閥蓋所需的最短長(zhǎng)度

模擬環(huán)境溫度-30 ～10 ℃，相對(duì)濕度20%～ 70%時(shí)，長(zhǎng)頸閥蓋所需的最短長(zhǎng)度如表2 所示。由表2可見(jiàn)，相對(duì)濕度越高，長(zhǎng)頸閥蓋所需的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度越大，對(duì)于填料函部位出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象的影響比環(huán)境溫度更 大。

根據(jù)全國(guó)不同地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合表2，得出不同地區(qū)低溫球閥長(zhǎng)頸閥蓋所需的最短長(zhǎng)度，如表3所示。

圖6 最短閥蓋長(zhǎng)度隨環(huán)境溫度變化曲線Fig.6 Variation curve of minimum length of bonnets with ambient temperature

表2 不同環(huán)境溫度、相對(duì)濕度下的閥蓋所需的最短長(zhǎng)度Table 2 Minimum length required for bonnets at different ambient temperatures and relative humidity mm

表3 閥蓋最短長(zhǎng)度的適用地區(qū)Table 3 Applicable areas for the shortest length of bonnets

由表2 和表3 可以看出，在鄰近地區(qū)，低溫球閥可以適用的閥蓋長(zhǎng)度基本相同，但由于氣候條件的復(fù)雜性和多變性，個(gè)別地區(qū)的氣候條件與鄰近區(qū)域有明顯差異，需要分別進(jìn)行分析。區(qū)域分布最集中的閥蓋長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)為371 mm 最高標(biāo)準(zhǔn)，東北大部分地區(qū)，比如黑龍江和吉林，部分西北地區(qū)，以及貴州、湖南、江蘇、福建、云南等都只有在此長(zhǎng)度才能避免結(jié)冰，其原因各不相同，華東和華中地區(qū)是由于氣候潮濕，容易結(jié)露，導(dǎo)致結(jié)冰；而東北地區(qū)是由于氣候寒冷、冬季漫長(zhǎng)，但空氣并非十分干燥。除了東北地區(qū)以外，其他地區(qū)是由于氣候潮濕，容易結(jié)露，由于結(jié)冰持續(xù)時(shí)間短，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的影響可以忽略不計(jì)。為了降低成本，這些地區(qū)的閥蓋長(zhǎng)度可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)取短一些。

4 滴水盤對(duì)填料函溫度分布的影響

4.1 滴水盤直徑對(duì)填料函溫度分布的影響

在低溫閥門上增設(shè)滴水盤，可以提高填料函的溫度分布。設(shè)置環(huán)境溫度為2 ℃，長(zhǎng)頸閥蓋長(zhǎng)度為251 mm，滴水盤直徑為76 mm，滴水盤到法蘭盤的距離為120 mm，如圖7 所示。從圖9 中提取2 至1的填料函溫度分布繪制成圖10，即低溫球閥填料函各位置在不同滴水盤直徑時(shí)的溫度分布。增加滴水盤的直徑，每次增加10 mm，并且建立相應(yīng)的幾何模型，導(dǎo)入ANSYS 中進(jìn)行模擬。

圖7 滴水盤焊接位置Fig.7 Welding position of the drip tray

圖8 低溫球閥溫度分布Fig.8 Temperature distribution of cryogenic ball valve

圖9 低溫球閥填料函溫度分布Fig.9 Temperature distribution of fillers in cryogenic ball valve

圖10、11 為低溫球閥填料函的溫度與滴水盤直徑的關(guān)系。由圖10 可知，在滴水盤直徑為76 mm 的情況下，填料函的溫度分布比沒(méi)有設(shè)置滴水盤時(shí)明顯提高。

圖10 填料函的溫度與滴水盤直徑的關(guān)系Fig.10 Relationship between the temperature of the filling letter and the diameter of the drip tray

隨著滴水盤直徑的增加，低溫球閥填料函的溫度分布逐步增加，然而增加的幅度則越來(lái)越小。低溫球閥與環(huán)境的熱交換量隨著滴水盤直徑的增加而增加，導(dǎo)致閥體經(jīng)導(dǎo)熱向低溫球閥上部傳遞的冷量隨之減小，填料函的溫度得以提高，然而當(dāng)?shù)嗡P直徑達(dá)到某個(gè)數(shù)值后，隨著滴水盤直徑的增加，低溫球閥的滴水盤與環(huán)境之間的換熱量的增加量逐漸減小。這是由于隨著滴水盤直徑的增加，滴水盤徑向表面的溫度逐步趨近于環(huán)境溫度，與環(huán)境之間的溫差逐漸減小，即對(duì)流換熱量的增量逐漸變小，故低溫球閥填料函的最低溫度將會(huì)趨于某一個(gè)數(shù)值。

4.2 滴水盤焊接位置對(duì)填料函溫度場(chǎng)分布的影響

圖11 填料函的最低溫度與滴水盤直徑的關(guān)系Fig.11 Relationship between minimum temperature of filling letter and diameter of drip tray

由低溫球閥滴水盤直徑的模擬結(jié)果可知，當(dāng)?shù)嗡P的直徑在216 mm 左右時(shí)，滴水盤直徑繼續(xù)增加后，填料函處的溫度場(chǎng)變化不明顯。所以在模擬球閥滴水盤不同焊接位置的低溫閥溫度場(chǎng)時(shí)，設(shè)置滴水盤的直徑為216 mm。改變滴水盤與法蘭盤的距離，得出滴水盤在閥桿的不同位置時(shí)填料函的溫度分布。

圖12 所示為低溫球閥閥蓋外軸線的溫度場(chǎng)分布圖，從2 至1 點(diǎn)處提取閥蓋外軸線的溫度，如圖13所示，圖中拐點(diǎn)處就是滴水盤的位置。從圖13 可以看出，閥蓋與空氣的對(duì)流換熱效果隨著滴水盤到法蘭盤距離的提高而增加。

圖12 閥蓋外軸線溫度場(chǎng)Fig.12 Temperature field of outer axis of valve cover

從圖14 可見(jiàn)，隨著滴水盤與法蘭盤距離的增大，填料函的最低溫度先升高后降低，當(dāng)?shù)嗡P的位置距離法蘭盤為120 mm 左右時(shí)，閥門與空氣的對(duì)流換熱效果最強(qiáng)。當(dāng)?shù)嗡P距離法蘭盤30 mm 時(shí)，隨著滴水盤距離的增加，填料函的最低溫度隨之升高，當(dāng)?shù)嗡P距離增加至120 mm 左右時(shí)，填料函的最低溫度最高，當(dāng)?shù)嗡P距離繼續(xù)增加時(shí)，填料函的最低溫度開(kāi)始降低。

6 結(jié)論

圖13 閥蓋外軸線的溫度隨滴水盤位置變化曲線Fig.13 Temperature of the outer axis of the bonnet versus the position of the drip tray

圖14 填料函最低溫度隨滴水盤位置變化曲線Fig.14 Variation of minimum temperature of filling function with position of drip tray

本文采用DN 50 低溫球閥， 模擬環(huán)境溫度-30 ～10 ℃，相對(duì)濕度20%～70%，不同長(zhǎng)頸閥蓋長(zhǎng)度的閥門溫度分布。分析不同環(huán)境工況下，滿足填料函不結(jié)冰要求的長(zhǎng)頸閥蓋所需的長(zhǎng)度。相對(duì)濕度越高，長(zhǎng)頸閥蓋所需的長(zhǎng)度越大；環(huán)境溫度在0 ℃以上時(shí)，干球溫度對(duì)閥蓋所需的最短長(zhǎng)度的影響比較明顯。結(jié)合全國(guó)不同地區(qū)的氣象條件，分析各地DN 50低溫球閥的長(zhǎng)頸閥蓋的合理長(zhǎng)度，可以為不同地區(qū)閥蓋長(zhǎng)度的選擇范圍提供參考。由于模擬的各組長(zhǎng)頸閥蓋長(zhǎng)度相差10 mm，所以計(jì)算結(jié)果與實(shí)際所需長(zhǎng)度存在一定的誤差。

在低溫閥門的閥蓋中間設(shè)置滴水盤可以提高填料函處的溫度場(chǎng)分布，閥桿軸線的溫度隨著滴水盤直徑的增加而逐漸升高，但是溫度升高的幅度越來(lái)越小。隨著滴水盤位置的提高，填料函處的溫度場(chǎng)分布先升高后降低。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，本文研究的低溫球閥DN 50 可以在閥蓋外表面上焊接一個(gè)直徑為216 mm 的滴水盤，位于法蘭盤上方120 mm 左右，用以提高低溫球閥填料函的溫度場(chǎng)。