造紙廠蒸煮鍋鍋蓋閥的設(shè)計與仿真分析

　　造紙廠蒸煮鍋鍋蓋閥采用普通球閥，如果閥座的2個密封面不能同時良好接觸，就會導(dǎo)致泄漏大、壽命短等缺陷。為此研制出一種新型的單閥座球閥，當閥口切斷時，由于閥出口側(cè)介質(zhì)壓力直接作用在球面上，使得密封效果隨著出口壓力的增加而提高。本文重點介紹了鍋蓋閥單閥座結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性設(shè)計及內(nèi)流道CFD數(shù)值模擬，結(jié)果表明，這種新型結(jié)構(gòu)的鍋蓋閥在實際應(yīng)用中有非常好的的效果。

　　隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國造紙業(yè)步入快速增長期，已成為我國重要的產(chǎn)業(yè)部門，對閥門的要求也在逐年提高。

　　造紙廠蒸煮鍋進料球閥是制漿造紙裝置的重要部件之一，設(shè)置在蒸煮鍋頂部，專門用于控制物料裝填工序，是蒸煮鍋完成進料后，進料球閥關(guān)閉，并能夠在高壓情況下達到良好密封的一種特殊球閥，該球閥在造紙行業(yè)中通常稱之為“鍋蓋閥”。該閥進料口通過氣體量大，介質(zhì)通常是造紙的固體物料、廢渣、廢漿，閥關(guān)閉后，隨著鍋內(nèi)的蒸煮溫度和壓力逐漸升高，閥的出口側(cè)要承受很高的壓力。這種閥目前沒有技術(shù)標準，需要根據(jù)客戶的工藝參數(shù)要求量身定制，該閥目前全部靠國外進口，價格昂貴。為此，浙江力諾閥門研發(fā)出了一種新產(chǎn)品，同時還取得了實用新型專利，填補了國內(nèi)空白。鍋蓋閥主要由左閥體、右閥體、球體、閥桿和閥座等零部件構(gòu)成，如圖1所示。

1、結(jié)構(gòu)與原理

　　1.1、單浮動閥座

　　鍋蓋閥通過的介質(zhì)一般是固體廢渣或廢漿，這對閥座會造成磨損，故采用金屬硬密封設(shè)計，閥座表面堆焊硬質(zhì)合金，增強耐磨性，且堆焊應(yīng)盡量靠近閥座外徑。同時，金屬硬密封能在閥起閉時對纖維物料起剪切作用，保證密封面和閥內(nèi)的清潔，提高了可靠性與使用壽命。

圖1 蒸煮鍋進料球閥

　　采用單浮動閥座設(shè)計(見圖2)，閥座只設(shè)在進口側(cè)，閥座背面處設(shè)計了碟形預(yù)緊彈簧，使閥座始終與閥芯緊密接觸，在低壓的時候也可以達到密封要求。

圖2 閥座結(jié)構(gòu)

　　鍋蓋閥是起閉頻率比較高的元件，為提高閥芯與閥座的耐磨性，閥芯表面鍍硬鉻。起閉過程中，閥芯球面上的2個密封面可輪流使用，延長了密封面使用壽命。為了防止蒸煮鍋內(nèi)高壓介質(zhì)從浮動閥座與閥體間隙處泄漏，引發(fā)安全事故，在碟形彈簧外側(cè)設(shè)有2道O形密封圈，提高了閥座的密封性能。

　　鍋蓋閥工作時，其出口處壓力因受到鍋內(nèi)壓力作用，遠高于進口處壓力，閥座與閥芯始終處于緊密接觸狀態(tài)，獲得了所需要的密封比壓，從而達到良好密封。蒸煮鍋內(nèi)壓力越高，密封效果越好。

　　1.2、半軸承設(shè)計

　　新型鍋蓋閥的設(shè)計中采用2個半軸承來支承閥芯，這2個半軸承都安裝在上閥桿和下閥桿靠近出口的一側(cè)。當鍋蓋閥開起時，上下閥桿與半軸承接觸，閥芯能夠在小偏心的情況下靈活地起閉。當鍋蓋閥全關(guān)工作時，閥桿不受半軸承的制約，閥芯在介質(zhì)的壓力下緊貼浮動閥座，壓力越高，閥座與閥芯密封比壓越大，密封效果越好，安全系數(shù)越高。蒸煮鍋停止蒸煮后，鍋內(nèi)壓力下降，閥桿又能夠與半軸承接觸。新型半軸承結(jié)構(gòu)的采用使鍋蓋閥能夠適應(yīng)更多高溫、高壓的環(huán)境。

　　1.3、安全聯(lián)鎖裝置

　　鍋蓋閥通常工作在高壓狀態(tài)，為了防止蒸煮鍋閥門在這種情況下誤動作而造成事故，特設(shè)置安全聯(lián)鎖裝置(見圖3)。在盲法蘭上裝有壓力傳感器，傳感器與執(zhí)行器相連，當鍋內(nèi)壓力高于設(shè)定的安全開起壓力時，壓力傳感器傳送鎖定控制信號，使閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當蒸煮完成且物料排放完，鍋內(nèi)壓力低于安全開起設(shè)定壓力時，閥門執(zhí)行器才可以動作，避免了鍋內(nèi)壓力泄漏而產(chǎn)生的危險。

圖3　蒸煮鍋物料進口閥外觀圖

2、閥體內(nèi)腔CFD優(yōu)化設(shè)計

　　蒸煮鍋在進料過程中會有物料從鍋蓋閥沒有閥座的一側(cè)進入閥腔，如果閥腔容積太小，介質(zhì)就會磨損閥芯表面，降低使用壽命;容積太大又會導(dǎo)致閥體體積過大，需要適當增大閥體內(nèi)腔。在內(nèi)腔與流道過渡處采用大圓弧順滑圓角(見圖3b)，閥腔與蒸煮鍋之間沒有障礙，可以使進入閥腔的物料順暢流入蒸煮鍋，內(nèi)腔不易滯留物料，從而不會產(chǎn)生閥門起閉阻滯。通過CFD數(shù)值模擬的方法來模擬鍋蓋閥的內(nèi)部流場，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　2.1、流道建模與網(wǎng)格劃分

　　計算模型采用如圖1所示的鍋蓋閥，通過三維建模軟件UG建立鍋蓋閥簡化結(jié)構(gòu)。進行仿真分析前，要對流體部分進行網(wǎng)格劃分，通過布爾運算得到鍋蓋閥在全開狀態(tài)時的三維流道圖，并保存成。step格式。通過ICEM進行網(wǎng)格劃分，計算得出網(wǎng)格數(shù)為80萬格。

　　2.2、Fluent采用的設(shè)置

　　將.msh文件導(dǎo)入Fluent，設(shè)置后進行計算。湍流模型采用標準的κ-ε模型，離散方程的求解方法采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上的SIMPLE算法，速度壓力場采用隱式的全場迭代解法，邊界條件規(guī)定速度進口與壓力出口。設(shè)定好上述求解控制方程后，即可求解閥芯全開狀態(tài)的模型。

　　2.3、仿真結(jié)果分析

　　由于閥芯與出口側(cè)閥體內(nèi)壁距離比較大，未形成阻尼，不會造成閥芯由于雜質(zhì)而卡死的現(xiàn)象。圖4中閥體內(nèi)腔1處壓力與出口2處壓力近似相等，出口壓力增大則閥座附近壓力也隨之增大。由于閥芯上下2個球面受到相同的介質(zhì)壓力，這2個力大小相等，方向相反，故閥芯所受的軸向力為0。即在鍋蓋閥完全關(guān)閉時，蒸煮鍋內(nèi)壓力越大，則圖4中2處壓力越大，閥芯與閥座接觸越緊密。

圖4 鍋蓋閥全開時壓力云圖

　　鍋蓋閥在全開時的內(nèi)流場速度矢量圖如圖5所示，其中圖5a是原始結(jié)構(gòu)，閥體內(nèi)腔與流道過渡處采用韌口;圖5b是優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)�？梢缘贸�，閥體內(nèi)部介質(zhì)流速非�？欤�在原始結(jié)構(gòu)中，閥體內(nèi)腔與流道過渡處沖擊大，流阻大，介質(zhì)對閥體磨損大。如果采用大圓弧順滑圓角，則使得流線非常光滑，沖擊小，流阻小，物料易進入蒸煮鍋。

圖5 原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后閥體內(nèi)流場數(shù)值模擬圖

3、結(jié)語

　　鍋蓋閥采用特殊的單閥座浮動結(jié)構(gòu)設(shè)計，密封面的自適應(yīng)能力強，密封效果明顯提高。同時，閥芯上的2個密封面可交替使用。試驗表明，新結(jié)構(gòu)的采用使得鍋蓋閥壽命延長1倍。閥體內(nèi)腔結(jié)構(gòu)采用大圓弧順滑圓角，優(yōu)化了流道結(jié)構(gòu)，使得進入鍋蓋閥內(nèi)的物料在小流阻的情況下即可進入蒸煮鍋。安全聯(lián)鎖裝置的設(shè)計可以保證蒸煮鍋內(nèi)壓力過高時的鍋蓋閥關(guān)閉，避免鍋內(nèi)壓力泄漏，產(chǎn)生危險。