低温阀门冷态试验的动态传热过程模拟与分析

    1 引 言

    由于气体分离、液化天然气和乙烯石化等行业的快速发展,低温阀门的应用越来越广泛。为了保证阀门在低温下安全可靠的运行,设计过程中必须同时考虑机械强度 和传热学要求。在正常工作状态下,阀杆填料函处不冻结便是热设计的基本要求,通过合理设计阀杆的结构和尺寸能够得以实现。为了保证产品质量,低温阀门必须 进行冷态试验[1],通常采用将待验阀门阀体浸没于冷却介质中,进行冷态操作和气密性试验。值得注意的是,低温阀门的热设计针对其正常运行工况进行,即冷 却介质在阀内流道中流动,阀杆处于室温环境,然而低温阀门冷态试验状态则通常是阀内为试压流体而阀体外为冷却介质,部分阀杆处于冷却介质的低温蒸气之中。 由此可见,针对运行状态的热设计所确定的阀杆尺寸不一定能保证在冷态试验过程填料函不出现冻结,而一旦出现填料函冻结,冷态操作等试验都会受到影响。

    基于此,本文采用有限元分析软件ANSYS[2]针对低温阀门正常运行状态和冷态试验状态进行了动态降温过程以及温度场的模拟,比较了二者的异同。针对模拟计算结果所显示的在冷态试验情况下填料函出现冻结的问题,提出了阀杆绝热方案,并对该方案行了模拟与分析。

    2 模型描述

    图1给出了DN25型低温截止阀在不同模拟工况下的模型图。图1a为阀门正常运行状态,阀瓣开启,阀门流道与液氮进行沸腾换热,阀门外表面与大气环境进行 对流和辐射换热。图1b给出阀门在冷态试验时的状态,阀瓣关闭,阀门流道内主要考虑辐射以及通过高压氦气的导热;阀门端盖以下部分处于液氮之中,其传热方 式为沸腾换热;阀门端盖和容器盖子之间的阀杆与低温氮气进行自然对流换热,此处低温氮气温度为78 K;而被容器盖子所围的阀杆与氮气同进行对自然流换热,但此处氮气温度是从78K逐渐过渡到大气环境温度;而阀门在容器盖子以上的部分则与大气环境进行自 然对流换热。图1c中的模型和状态与图1b中相类似,唯一区别在于处于低温氮气中的阀杆部分添加了一绝热夹层。

    计算过程中所涉及的不锈钢导热系数和比热容随温度的曲线变化关系如图2所示, 304不锈钢的密度为7 860 kg/m³。 由于不锈钢材料内部组织变化程度不大,忽略其相变过程释放的潜热[3]。浸于液氮之中的阀体部分在试验过程中经历了膜态沸腾、过渡态沸腾、核态沸腾、自然 对流等阶段,沸腾过程中对流换热系数是一个关于温度的函数,不同温差下的不锈钢与液氮之间的对流换热系数,如图3所示[4-5]。

    矿棉及填料函材料PTFE的导热系数和比热容受温度变化影响不大[6],在计算时取平均热导率和平均比热容。矿棉平均热导率为0. 045W /(m•K),平均比热容为650 J/(kg•K),密度为100 kg/m³;PTFE平均热导率为0. 3W /(m•K),平均比热容为800 J/(kg#K),密度为2 150 kg/m³。