低溫閥門閥蓋頸部溫度場分析與優(yōu)化

　　分析了低溫閥門的低溫介質(zhì)對填料密封性能的影響，建立了合理簡化的長頸閥蓋物理模型和閥蓋頸部長度與溫度場關系的數(shù)學模型，論述了長頸閥蓋溫度場的分布，推導了閥蓋頸部長度與溫度場的關系式，得到了滿足閥門設計標準的閥蓋最短長度。

1、概述

　　低溫閥門是石油化工、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。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，對低溫閥門的要求也越來越高，使用也越來越廣，同樣對低溫閥門的安全性也提出了更高的要求。閥門在低溫狀態(tài)下，首先是填料產(chǎn)生冷脆，密封性能下降，其次，由于低溫介質(zhì)滲漏，在填料與閥桿處產(chǎn)生凝露而結冰，閥桿上下移動而將填料劃傷，引起嚴重泄漏，所以低溫閥門填料處必須通過填料的金屬壁面和周圍環(huán)境對流換熱和熱傳導，使填料溫度達到0℃以上，防止結冰。為了增大換熱面積，通常采用長頸閥蓋。本文以傳熱學理論為基礎，推導低溫閥門長頸閥蓋溫度場的分布，并計算出當溫度為0℃時閥蓋最小長度的計算公式。

2、簡化物理模型

　　閥門填料函與上密封座處的閥桿長度為L1，填料函以上的閥桿長度為L2。閥門在低溫工作條件使用，必須采用長頸閥蓋結構( 圖1) ，使填料處于0℃度以上的工作環(huán)境，其目的在于防止劃傷閥桿，提高填料的密封效果。因此，真空技術網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為必須通過傳熱計算分析閥蓋長頸處的溫度場。

圖1 長頸閥蓋

　　從換熱的角度出發(fā)，建立簡化的物理模型。閥蓋的軸孔與閥桿之間的間隙很小且材料相同，低溫液體的徑向溫差可以忽略，從而L1長度處的閥桿可與閥蓋看成一個整體。填料函以上部分閥桿(L2)可認為是相當于閥蓋長度L1部分的擴展換熱面，僅起到改變L1上端面與L2結合處對流換熱系數(shù)的作用。因此，整個換熱結構由圓柱體L1和圓柱體L2組成，且L2為L1的擴展換熱面(圖2) 。在低溫情況下，空氣等雙原子氣體不需要考慮流體(空氣) 和壁面的輻射換熱。

3、建立數(shù)學模型

　　簡化后的長頸閥蓋模型為圓柱體結構，建立L1部分的二維圓柱體傳熱的數(shù)學模型(圖3)。低溫介質(zhì)與閥桿之間的傳熱為熱傳導，空氣與閥蓋外壁面為對流換熱，閥桿L2僅相當于閥蓋和閥桿組合體L1的散熱翅片，真空技術網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為用來加大L1上表面和空氣的對流換熱。

圖2 模型的簡化

圖3 圓柱體傳熱模型

4、結語

　　低溫閥門閥蓋的頸部長度是閥桿密封的關鍵，以傳熱學理論為基礎推導出的滿足設計要求的長頸閥蓋最短長度計算公式，為工程設計提供了理論依據(jù)。