快速熱閥隔防熱結構的熱分析

2006年第34卷第10期流體機械29文章編號:1005-03292006)0-0029—04快速熱閥隔防熱結構的熱分析賴(lài)喜德,鮑巧靈?楊炯波2何海賓(1.西華大學(xué)四川成都6100392.成都華西化工科技股份有限公司四川成都611830)摘要:為了在快速熱閥硏制中設計岀合理和經(jīng)濟旳防熱結構在兩種載荷下對不同熱導率材料的隔熱層及閥體進(jìn)行了有限元熱分析數值模擬岀熱閥工作中的溫度場(chǎng)分布。以有限元熱分析結果作為防熱結構設計的依據在閥體內設計厚度為100mm的隔熱層解決了快速熱閥在627℃的高溫和8.0MPa高壓下運行過(guò)程中的閥體外表面溫度不高于00℃的難題。通過(guò)實(shí)測表明在設計的工況下運行其閥體外表面溫度低于70℃。關(guān)鍵詞:熱分析泐防熱結構快速熱閥有限元中圖分類(lèi)號:TH134P214文獻標識碼:AThermal Analysis for Heat-insulation Structure of High Temperature andQuick-Action Angle Stop ValveLAI Xi-de, Bao Qiao-ling, YANG Jiong-bo2,He Hai-bin'(1. Xihua University Chengdu 610039 China2. Chengdu Huaxi Chemical Industry Sci. Tech. Co. Ltd. Chengdu 611830 ChinaAbstract: In order to design a suitable and reasonable adiabatic structure during the development of High Temperature and QuickAction Angle Stop Valve of temperature distribution for the valve was numerical simulated with Finite Element Method thermal analysisat two different operation load and different heat conductivity. Taking the analysis results as the basis of designing for reasonable adiabaticstructure, a heat insulation with thickness of 100mm is designed inside the valve body it was successfully solved the problem that the requirement of the temperature on outer of valve body should less than 100C when the valve is operating at the pressure of 8MPa andworking fluid s temperature is higher than 627C. It has shown that the temperature of outer of valve body is less than 70'C at desiondition during practical operationKey words: thermal analysis i heat insulation structure i quick-action angle stop valve FFEM1引言工作的熱介質(zhì)溫度大于627℃。對于類(lèi)型閥門(mén)國內外都采用根據具體要求進(jìn)行專(zhuān)門(mén)此開(kāi)發(fā)的方為了配套國內某重點(diǎn)工程的試驗裝置建設的式來(lái)研制1根據試驗裝置要求,當熱介質(zhì)溫度任務(wù)需要對其關(guān)鍵部件之一的快速熱閥進(jìn)行研為627℃閥體外壁溫度應低于100℃。本文將主制。根據結構設計要求,研制的快速熱閥通徑要介紹在初步結構設計的基礎上,對于兩種載荷300mm采用角式結構。該閥門(mén)除了滿(mǎn)足快速操下不同熱導率的材料的隔熱層結構進(jìn)行有限元作的要求還必須適應加熱器加熱、試驗裝置高溫熱分析數值模擬出熱閥工作過(guò)程中的溫度場(chǎng)分運行以及系統調壓三個(gè)過(guò)程的嚴酷環(huán)境?？紤]試布以篩選確定岀合理、經(jīng)濟的防熱結構。另外驗過(guò)程中的快速啟閉要求其全行程開(kāi)啟時(shí)間小通rV凵中國煤化工的隔熱層和閥體中隨于2s關(guān)閉時(shí)間在60s以?xún)?。要求正常工作壓力時(shí)CNMH(參數,并作為熱載荷為8.0MPa極限工作壓力為10.0MPa。閥門(mén)內部進(jìn)行應力分析。收稿日期:2005-12-20修稿日期:2006-03-10基金項目片數搪廳自然科學(xué)重點(diǎn)項(x04013四川省重點(diǎn)學(xué)科建設項目(2)30FLUID MACHINERYⅤol.34No.1020062快速熱閥的熱力學(xué)模型3隔熱層及閥體的熱分析數值模擬方法此熱閥采用90°角式截止閥型式在閥體內用3.1溫度場(chǎng)數值模擬的有限元法優(yōu)質(zhì)硅酸鋁纖維棉作隔熱層里襯隔熱,既可減少穩態(tài)溫度場(chǎng)的有限單元法求解和彈性靜力學(xué)氣流熱損失又可有效降低承壓閥體的表面溫度,問(wèn)題基本相同在彈性力學(xué)問(wèn)題中所采用的單元并有利于保證閥門(mén)的整體強度。如何確定隔熱層和相應的插值函數在此都可以使用,主要的不同里襯的厚度能夠滿(mǎn)足在熱介質(zhì)溫度大于627°,閥在于場(chǎng)變量。在彈性力學(xué)問(wèn)題中場(chǎng)變量是位移、門(mén)外壁溫度低于100℃要求是該熱閥設計的關(guān)鍵向量場(chǎng)。在熱傳導問(wèn)題中,場(chǎng)變量是溫度、標量問(wèn)題之一。隔熱層的結構、厚度、材料的熱導率等場(chǎng)。隔熱層的溫度場(chǎng)計算是瞬態(tài)傳熱過(guò)程分析問(wèn)對隔熱性能有很大影響。要分析隔熱層的結枃設題。瞬態(tài)溫度場(chǎng)與穩態(tài)溫度場(chǎng)的主要差別是瞬態(tài)計是否滿(mǎn)足試驗裝置運行要求,必須研究熱閥的溫度場(chǎng)的場(chǎng)函數不僅是空間域的函數而且是時(shí)工作中溫度場(chǎng)分布。隔熱層的溫度場(chǎng)計算是瞬態(tài)間函數。但是時(shí)間和空間兩種域并不耦合因此傳熱過(guò)程熱分析問(wèn)題。建立有限元格式時(shí)可以采用部分離散的方法2該閥門(mén)中瞬態(tài)傳熱過(guò)程實(shí)際是一個(gè)系統的冷首先將空間域Ω離散為有限個(gè)單元體在典卻過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中系統的溫度、熱流率、熱邊型單元內溫度θ仍可以近似地用節點(diǎn)溫度θ,插界條件以及系統內能隨時(shí)間都有明顯變化。在閥值得到但要注意此時(shí)節點(diǎn)溫度是時(shí)間函數,即門(mén)運行過(guò)程中,隔熱層的溫度場(chǎng)是一個(gè)連續物理場(chǎng)在三維問(wèn)題中瞬態(tài)溫度場(chǎng)的場(chǎng)變量(x,y0=0=N(x ,y,z )0 t)z,t)在直角坐標中應滿(mǎn)足的微分方程為2插值函數N只是空間域的函數構造時(shí)已Oe y)e.7e6、(k do滿(mǎn)足r1上的邊界條件因此式3)代入式(1)(2)時(shí)將產(chǎn)生余量PQ=0(在隔熱層Ω內)(1)其邊界條件表示如下=(在1邊界上)(在T2邊界上)6R(5)aen+ hi 30nk: 22=K⊙0-)y”+k:2=從已-)(在T3邊界上)(2)令余量的加權積分為零即式中p—材料密度kg/m2材料比熱J(kgK)Rown do+ Rrw drRr3 dr=0時(shí)間k,k,,k:材料沿x,y,z方向的熱傳導按伽遼金法選擇權函數,經(jīng)分部積分后可以系數WAm2K)得到用以確定n個(gè)節點(diǎn)溫度回,的矩陣方程Q=(x,y,z,t)物體內部的熱源密Ca+ke= p(8)邊界外法線(xiàn)的方向余弦YH中國煤化工正定矩陣)CNMHG稱(chēng)正定矩陣)e—r1邊界上給定溫度K,=(P,)P——溫度載何矩陣q—T2邊界上的給定熱量W/m20——節點(diǎn)溫度矩陣日——節點(diǎn)溫度對時(shí)間的導數列陣h萬(wàn)方數垂數,N(m2K)6=d/d2006年第34卷第10期流體機械31其矩陣的元素為=∑K+∑H從Cmh=∑P1=∑P+>P+>P式(9)為矩陣K,C和P的元素。將時(shí)間域和空間域的偏微分方程問(wèn)題在空間域內離散為n個(gè)圖2持續通過(guò)時(shí)間為30s的載荷示意節點(diǎn)溫度θ(t)的常微分方程的初值問(wèn)題。對于給定溫度的邊界門(mén)上的n1個(gè)節點(diǎn)方程組中相應的式子應引入邊界條件3.2熱閥隔熱層及閥體的幾何建模及網(wǎng)格模型取結構的14進(jìn)行簡(jiǎn)化,其結構關(guān)于中心對稱(chēng)通過(guò)其它CAD軟件進(jìn)行三維幾何建模轉入ANSYS,再通過(guò)有限元前處理模塊進(jìn)行計算區域圖3持續通過(guò)時(shí)間為60s的載荷示意幾何離散,有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。采用三維實(shí)體SOLD70八節點(diǎn)六面體單元。溫度場(chǎng)數值模擬結果分析基于熱力學(xué)模型和邊界條件,對于如圖2,3所示兩種載荷采用 ANSYS進(jìn)行熱力學(xué)數值模擬。第一種載荷作用30s時(shí)結構上的溫度分布如圖4所示在30s時(shí)沿壁厚的溫度分布曲線(xiàn)如圖5所示第二種載荷作用61s時(shí)的溫度分布如圖6所示沿壁厚的溫度分布曲線(xiàn)如圖7所示,對第一種圖1有限元網(wǎng)格示意載荷熱導率取0.12Wm℃)時(shí)3ls時(shí)溫度分布3.3邊界條件及載荷如圖8所示沿壁厚的溫度分布曲線(xiàn)如圖9所示。隔熱層的材料特性見(jiàn)表1。該傳熱過(guò)程包括串聯(lián)三個(gè)環(huán)節其傳熱邊界條件按如下方法確定43.809由于熱氣體與隔熱層內壁的表面傳熱系數很大□173407其熱阻很小,保守地認為隔熱層內壁溫度與熱介□238206□303005□367804質(zhì)的溫度相同。設隔熱層與閥體內壁接觸良好□432603□497,402無(wú)熱阻。由于金屬的閥體外壁與大氣存在著(zhù)對流562.20和輻射其表面傳熱系數小于10W(m2K3表1材料特性溫度密度熱導率比熱容圖4第一種載荷作用30s時(shí)結構上的溫度分布[J(kg℃)]THE中國煤化工載荷分為兩種情況,第一種介質(zhì)持續通過(guò)時(shí)CNMHG間為30s,第二種持續通過(guò)時(shí)間為60s。溫度均為隔熱層壁厚627℃。載荷示意如圖2、3所示時(shí)沿壁厚的溫度分布曲線(xiàn)32FLUID MACHINERYⅤol.34No.102006通過(guò)有限元熱分析初步計算后確定在閥體內設100mm厚優(yōu)質(zhì)硅酸鋁纖維棉作隔熱層。再對25.70318140兩種載荷下、不同熱導率材料的隔熱層及閥體進(jìn)237.102□29280行有限元熱分析。計算表明如果使用熱導率較c34850高的材料介質(zhì)持續30s如圖45所示閥體表面□51560□571.3最高溫度將達到70℃左右。持續60s如圖67所示表面最高溫度將達到140℃左右。如果選用熱導率較低的材料如圖89所示,表面溫度可以達到室溫。對研制的快速熱閥在試驗中進(jìn)行了溫度監圖6第二種載荷作用6ls時(shí)的溫度分布測其結果如表2所示監測結果說(shuō)明上述分析是可靠的626表2熱閥閥體外壁表面溫度監測結果試驗時(shí)間運行過(guò)程外主氣流在熱閥前后熱閥開(kāi)啟(h)壁面溫度(℃)的溫度降(℃)時(shí)間s)3761.53隔熱層壁厚圖7第二種載荷作用61s沿壁厚的溫度分布曲線(xiàn)1.4519.175結語(yǔ)□1545□2220□289.565□424590雖然在計算分析中對幾何模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化和□49202□559513對邊界條件進(jìn)行了必要的近似,但是有限元熱分627析結果對于優(yōu)化隔熱層和結構設計取得了明顯的指導作用解決了工程上快速熱閥研制中的關(guān)鍵問(wèn)題圖8第一種載荷熱導率取0.12W(m℃)時(shí)3ls時(shí)溫度分布參考文獻[1]郝承明.蝶閥技術(shù)的新進(jìn)展J].閥門(mén)2001(5)32[2] Kenneth H Huebner, Earl A Thorton. The Finite ElemerMethod for Engineer[ M ] NY: John Wiley Sons Inc[3]楊世銘陶文銓,傳熱敩[M].北京:高等教育岀版21中國煤化工隔熱層壁厚CNMHGyoz-J,,寂授博士,副院長(cháng),主要從事圖9第一種載荷熱導率取0.12W(m℃沿壁厚流體機械及工程研究通訊地址10039四川成都市西郊西華大學(xué)的溫度分布曲線(xiàn)能源與環(huán)境學(xué)院