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1、324化工机械2016年电动高温闸阀阀体热特性分析与优化设计杨伟东∗张跃强张早校(西安交通大学化学工程与技术学院)摘要基于AnsysWorkbench的热-构耦合对阀体结构进行了热特性分析,并对板筋尺寸进行了优化设计。首先,分析了正常工况下阀体的物理模型,可近似地看作变面积式肋片导热问题。其次,在AnsysWorkbench中通过材料的添加、网格的划分和边界条件的设定,模拟了高温电动闸阀阀体的实际工况,求解出了高温电动闸阀在正常工况下,阀体温度、热应变、总体变形和等效应力的分布。最后,通过对板筋尺寸的优化设计,得到了板筋尺寸δ和H与热
2、应变、总体变形和等效应力最大值的变化关系,最终得到了板筋优化后的尺寸。关键词电动高温闸阀板筋热-构耦合优化设计+中图分类号TQ055.81文献标识码A文章编号0254-6094(2016)03-0324-06[5]电动高温闸阀是一种闸板式单面金属硬密封分析。切断式耐高温闸阀。主要用在催化裂化装置的烟电动高温闸阀的阀体如图1所示,热特性问气轮机入口管线,正常操作时全开,出故障时快速题可近似看作变面积的肋片导热问题。由于烟气关闭,是烟气切断和紧急停车自动联锁的关键阀温度保持在700℃且流速稳定,可以认为与烟气[1]门。一般情况下,动作次数
3、较少。20世纪90接触的圆管管壁温度为700℃且保持恒温,与圆年代国内开始关注电动高温闸阀的设计问管管壁接触的部位可以看作肋根。[2,3]题。常用的结构中,阀体和阀盖采用铆焊结[4]构,密封形式采用楔式双闸板密封结构或单面硬密封配合蒸汽辅助密封等。但是由于当时缺少计算机辅助设计能力,未对结构进行优化。特别是板筋部分,在使用一定年限后,会出现焊缝开裂情况,严重影响了正常生产,并且易产生安全隐患。为此,笔者利用AnsysWorkbench热-结构耦合分析方法对电动高温闸阀阀体进行热特性分图1阀体结构示意图析,确定板筋处的应变、应力分布,并
4、根据计算结依据肋片问题可假设:材料的导热系数λ为果利用Workbench的参数优化模块对板筋的设计常数;由于在实际工作时阀盖的腔体内为密封加进行优化。入了密实的填料,所以可认为肋片温度在垂直于1电动高温闸阀阀体模型纸面方向(即长度方向)不发生变化;表面的换热为了简化模型方便计算机模拟,假设:烟气的热阻1/h远大于肋片中的导热热阻δ/λ,因而在温度与流速分布已充分发展,从入口到出口的烟任一截面上肋片温度可认为是均匀的;肋片顶端气温度均保持在700℃且流速稳定;阀体与保温dt[5]层接触良好,不考虑接触热阻;环境温度设置为可视为绝热,即在
5、肋的顶端=0。dx22℃;系统处于热稳态,即只对模型进行稳态传热∗杨伟东,男,1989年5月生,硕士研究生。陕西省西安市,710049。第43卷第3期化工机械325[5]由稳态微分方程可得:阀体的外表面换热是辐射与自然对流换热,·222辐射换热条件是环境温度th=22℃和外壁的表面∂t∂t∂tϕ+++=0(1)222λ∂x∂y∂z黑度ε=0.65(普通钢板材料)。自然对流换热则建立肋片中温度场的数学描述,式(1)可化需要设定环境温度和换热状态,在AnsysWork-简为:bench中的Convection可进行相关设置。辐射则·∂2t
6、ϕ可根据外壁的表面黑度和环境温度,在Radiation+=0(2)2λ∂x中进行设置。·2.3材料的选择由式(2)可知,需要进一步确定的是源项ϕ根据电动高温闸阀的使用工况,要求材料耐高的表达式。由于阀体为变截面的肋片模型,理论[6~8]温耐腐蚀。选取奥氏体不锈钢,具体牌号为上可以进行分段微分求解,然而实际计算相当复ZG03Cr19Ni11Mo3,其化学成分见表1。其屈服强度杂,很难求出阀体传热的数值解。可以借助计算σ=210MPa,抗拉强度σ=480MPa,断面收缩率δ=机分析软件比较方便地对阀体进行传热特性分sb30%。根据材料的特
7、性在库中添加即可。析。表1材料化学成分wt%2电动高温闸阀阀体的热-结构耦合分析2.1稳态传热CSiMnPSCrMoNi可利用AnsysWorkbench对模型进行稳态传≤0.03≤2≤2≤0.045≤0.03517~212.0~2.59~13热分析。在稳态热中任一节点的温度不随时间变化,稳态热分析的能量平衡方程为:2.4网格划分[K(T)]{T}={Q(T)}(3)为了提高计算精度且节约计算资源,对模型进其中,[K]为传导矩阵,包含导热系数、对流行网格划分,并对4块板筋进行局部网格细化。有系数、辐射率和形状系数;{T}为节点温度向量
8、;限元模型中包含的节点个数为227993,单元数为{Q}为节点热流率向量,包含生成热。在Ansys61027,网格质量度量指数skewness为0.18,可以满Workbench中利用模型几何参数、材料性能参数足精度要求
