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低温阀门简化物理模型和建立数学模型的介绍
2017-10-15
低温阀门的低温介质对填料密封性能的影响,建立了合理简化的长颈阀盖物理模型和阀盖颈部长度与温度场关系的数学模型,论述了长颈阀盖温度场的分布,推导了阀盖颈部长度与温度场的关系式,得到了满足阀门设计标准的阀盖最短长度。
低温阀门是石油化工、空气分离、天然气、制冷和低温工程上不可缺少的重要设备之一。随着现代科学技术的发展,对低温阀门的要求也越来越高,使用也越来越广,同样对低温阀门的安全性也提出了更高的要求。阀门在低温状态下,首先是填料产生冷脆,密封性能下降,其次,由于低温介质渗漏,在填料与阀杆处产生凝露而结冰,阀杆上下移动而将填料划伤,引起严重泄漏,所以低温阀门填料处必须通过填料的金属壁面和周围环境对流换热和热传导,使填料温度达到0℃以上,防止结冰。为了增大换热面积,通常采用长颈阀盖。本文以传热学理论为基础,推导低温阀门长颈阀盖温度场的分布,并计算出当温度为0℃时阀盖最小长度的计算公式。
1、简化物理模型:
阀门填料函与上密封座处的阀杆长度为L1,填料函以上的阀杆长度为L2。阀门在低温工作条件使用,必须采用长颈阀盖结构( 图1) ,使填料处于0℃度以上的工作环境,其目的在于防止划伤阀杆,提高填料的密封效果。因此,必须通过传热计算分析阀盖长颈处的温度场。
从换热的角度出发,建立简化的物理模型。阀盖的轴孔与阀杆之间的间隙很小且材料相同,低温液体的径向温差可以忽略,从而L1长度处的阀杆可与阀盖看成一个整体。填料函以上部分阀杆(L2)可认为是相当于阀盖长度L1部分的扩展换热面,仅起到改变L1上端面与L2结合处对流换热系数的作用。因此,整个换热结构由圆柱体L1和圆柱体L2组成,且L2为L1的扩展换热面(图2) 。在低温情况下,空气等双原子气体不需要考虑流体(空气) 和壁面的辐射换热。
2、建立数学模型:
简化后的长颈阀盖模型为圆柱体结构,建立L1部分的二维圆柱体传热的数学模型(图3)。低温介质与阀杆之间的传热为热传导,空气与阀盖外壁面为对流换热,阀杆L2仅相当于阀盖和阀杆组合体L1的散热翅片,用来加大L1上表面和空气的对流换热。
低温阀门阀盖的颈部长度是阀杆密封的关键,以传热学理论为基础推导出的满足设计要求的长颈阀盖最短长度计算公式,为工程设计提供了理论依据。
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