電動(dòng)高溫閘閥閥體熱特性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊偉東 張躍強(qiáng) 張?jiān)缧?/p>

(西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院)

電動(dòng)高溫閘閥閥體熱特性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊偉東*張躍強(qiáng) 張?jiān)缧?/p>

(西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院)

基于Ansys Workbench的熱-構(gòu)耦合對(duì)閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱特性分析，并對(duì)板筋尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，分析了正常工況下閥體的物理模型，可近似地看作變面積式肋片導(dǎo)熱問(wèn)題。其次，在Ansys Workbench中通過(guò)材料的添加、網(wǎng)格的劃分和邊界條件的設(shè)定，模擬了高溫電動(dòng)閘閥閥體的實(shí)際工況，求解出了高溫電動(dòng)閘閥在正常工況下，閥體溫度、熱應(yīng)變、總體變形和等效應(yīng)力的分布。最后，通過(guò)對(duì)板筋尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了板筋尺寸δ和H與熱應(yīng)變、總體變形和等效應(yīng)力最大值的變化關(guān)系，最終得到了板筋優(yōu)化后的尺寸。

電動(dòng)高溫閘閥 板筋 熱-構(gòu)耦合 優(yōu)化設(shè)計(jì)

電動(dòng)高溫閘閥是一種閘板式單面金屬硬密封切斷式耐高溫閘閥。主要用在催化裂化裝置的煙氣輪機(jī)入口管線，正常操作時(shí)全開(kāi)，出故障時(shí)快速關(guān)閉，是煙氣切斷和緊急停車自動(dòng)聯(lián)鎖的關(guān)鍵閥門[1]。一般情況下，動(dòng)作次數(shù)較少。20世紀(jì)90年代國(guó)內(nèi)開(kāi)始關(guān)注電動(dòng)高溫閘閥的設(shè)計(jì)問(wèn)題[2,3]。常用的結(jié)構(gòu)中，閥體和閥蓋采用鉚焊結(jié)構(gòu)，密封形式采用楔式雙閘板密封結(jié)構(gòu)[4]或單面硬密封配合蒸汽輔助密封等。但是由于當(dāng)時(shí)缺少計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能力，未對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。特別是板筋部分，在使用一定年限后，會(huì)出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂情況，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)，并且易產(chǎn)生安全隱患。為此，筆者利用Ansys Workbench熱-結(jié)構(gòu)耦合分析方法對(duì)電動(dòng)高溫閘閥閥體進(jìn)行熱特性分析，確定板筋處的應(yīng)變、應(yīng)力分布，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果利用Workbench的參數(shù)優(yōu)化模塊對(duì)板筋的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

1 電動(dòng)高溫閘閥閥體模型

為了簡(jiǎn)化模型方便計(jì)算機(jī)模擬，假設(shè)：煙氣的溫度與流速分布已充分發(fā)展，從入口到出口的煙氣溫度均保持在700℃且流速穩(wěn)定；閥體與保溫層接觸良好，不考慮接觸熱阻；環(huán)境溫度設(shè)置為22℃；系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)，即只對(duì)模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱分析[5]。

電動(dòng)高溫閘閥的閥體如圖1所示，熱特性問(wèn)題可近似看作變面積的肋片導(dǎo)熱問(wèn)題。由于煙氣溫度保持在700℃且流速穩(wěn)定，可以認(rèn)為與煙氣接觸的圓管管壁溫度為700℃且保持恒溫，與圓管管壁接觸的部位可以看作肋根。

圖1 閥體結(jié)構(gòu)示意圖

由穩(wěn)態(tài)微分方程可得[5]：

(1)

建立肋片中溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)描述，式(1)可化簡(jiǎn)為：

(2)

2 電動(dòng)高溫閘閥閥體的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

2.1穩(wěn)態(tài)傳熱

可利用Ansys Workbench對(duì)模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱分析。在穩(wěn)態(tài)熱中任一節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化，穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為：

[K(T)]{T}={Q(T)}

(3)

其中，[K]為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)、輻射率和形狀系數(shù)；{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含生成熱。在Ansys Workbench中利用模型幾何參數(shù)、材料性能參數(shù)和所施加的邊界條件，生成[K]、{T}和{Q}。

2.2確定邊界條件

在Ansys Workbench中，邊界條件是獲得分析結(jié)果的定解條件，熱分析的邊界條件有溫度、對(duì)流及輻射等。結(jié)構(gòu)分析的邊界條件有固定約束、位移約束和剛性約束。根據(jù)實(shí)際工況，可以單獨(dú)一項(xiàng)或幾項(xiàng)組合，邊界條件的準(zhǔn)確性對(duì)熱分析結(jié)果有很大的影響。

由閥體的物理模型可知，肋根與肋片主要通過(guò)熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行熱量傳遞。導(dǎo)熱問(wèn)題有3類常見(jiàn)的邊界條件：規(guī)定了邊界上的溫度值，稱為第一類邊界條件；規(guī)定了邊界上的熱流密度值，稱為第二類邊界條件；規(guī)定了邊界上物體與周圍流體間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h和周圍流體的溫度t，稱為第三類邊界條件。

電動(dòng)高溫閘閥的使用溫度為700℃，使用壓力0.3MPa，通過(guò)的介質(zhì)為帶有催化劑顆粒的煙氣。根據(jù)實(shí)際工況，筆者以第一類邊界條件進(jìn)行模擬計(jì)算，即取肋根處溫度恒為700℃。

閥體的外表面換熱是輻射與自然對(duì)流換熱，輻射換熱條件是環(huán)境溫度th=22℃和外壁的表面黑度ε=0.65(普通鋼板材料)。自然對(duì)流換熱則需要設(shè)定環(huán)境溫度和換熱狀態(tài)，在Ansys Workbench中的Convection可進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。輻射則可根據(jù)外壁的表面黑度和環(huán)境溫度，在Radiation中進(jìn)行設(shè)置。

2.3材料的選擇

根據(jù)電動(dòng)高溫閘閥的使用工況，要求材料耐高溫耐腐蝕[6～8]。選取奧氏體不銹鋼,具體牌號(hào)為ZG03Cr19Ni11Mo3，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。其屈服強(qiáng)度σs=210MPa，抗拉強(qiáng)度σb=480MPa，斷面收縮率δ=30%。根據(jù)材料的特性在庫(kù)中添加即可。

表1 材料化學(xué)成分 wt%

2.4網(wǎng)格劃分

為了提高計(jì)算精度且節(jié)約計(jì)算資源，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)4塊板筋進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化。有限元模型中包含的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為227 993，單元數(shù)為61 027，網(wǎng)格質(zhì)量度量指數(shù)skewness為0.18，可以滿足精度要求。有限元網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

2.5求解

將模型導(dǎo)入Ansys Workbench，進(jìn)行添加材料、網(wǎng)格劃分、添加邊界條件，得出以下結(jié)果，為后續(xù)的板筋優(yōu)化提供依據(jù)。

通過(guò)對(duì)閥體模型的計(jì)算，得出溫度變化云圖如圖3所示。由圖3可以看出，閥體上的溫度在過(guò)煙道壁面最高，距離熱源越遠(yuǎn)溫度越低，在最遠(yuǎn)處溫度為35℃左右，接近周圍室溫，由溫度分布可以看出符合肋片的物理模型。

圖3 閥體溫度變化云圖

得到熱應(yīng)變?cè)茍D如圖4所示。熱應(yīng)變主要是由溫度變化引起的，其變化和溫度云圖相似，由圖4可以看出熱應(yīng)變的值較小。但需要注意的是，板筋與過(guò)煙道焊縫處的熱應(yīng)變還是比較大的，如果焊縫質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，將引起板筋的開(kāi)裂，所以板筋處的熱應(yīng)變是需要得到控制的。

圖4 熱應(yīng)變?cè)茍D

得到的等效應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖5可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在過(guò)煙道和板筋的交界處，達(dá)950MPa左右，遠(yuǎn)超出了材料的強(qiáng)度極限480MPa，這也是造成板筋開(kāi)裂的一個(gè)重要因素，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖5 等效應(yīng)力云圖

得到的總體變形量云圖如圖6所示。由圖6可以看出最大變形發(fā)生在過(guò)煙道處即δmax=13.90mm，板筋處的最大變形δmax=3.42mm左右。這主要是因?yàn)檫^(guò)煙道和板筋處的溫度比較高，受熱膨脹造成變形。而由于板筋和圓柱形煙道被焊接在一起，使煙道受熱不能自由膨脹，所以帶動(dòng)板筋發(fā)生了變形。所以可以說(shuō)熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力最終引起了整個(gè)閥體的變形，體現(xiàn)在了總變形上。板筋的變形是造成板筋開(kāi)裂的一個(gè)直接原因。

圖6 總體變形量云圖

通過(guò)以上計(jì)算分析可知，由于閥體溫度變化所引起的熱應(yīng)力和閥體所受的結(jié)構(gòu)應(yīng)力共同產(chǎn)生的變形和應(yīng)變是板筋開(kāi)裂的主要原因。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)利用Ansys Workbench對(duì)閥體的熱-構(gòu)耦合，分析了板筋的開(kāi)裂原因。筆者利用Ansys Workbench中的Design Exploration模塊，通過(guò)對(duì)板筋尺寸參數(shù)化，以期減少板筋所受的熱應(yīng)變和等效應(yīng)力，從而達(dá)到優(yōu)化板筋設(shè)計(jì)的目的。板筋尺寸如圖7所示。

圖7 板筋尺寸示意圖

由于板筋尺寸L為閥體安裝尺寸，不能改變，所以以尺寸H和板筋厚度δ為參數(shù)變量進(jìn)行求解。

3.1計(jì)算結(jié)果

在Design Exploration中求解的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 板筋參數(shù)化求解結(jié)果

注：P4為總體變形量最大值(mm)；P5為熱應(yīng)變最大值(mm/mm)；P6為等效應(yīng)力最大值(MPa)。

3.1.1板筋尺寸與總體變形量最大值的關(guān)系

圖8為板筋的厚度δ與總體變形量最大值的關(guān)系，可以看出隨著板筋厚度的增加總體變形量最大值越來(lái)越大。

圖9為板筋的尺寸H與總體變形量最大值的關(guān)系，可以看出隨著板筋尺寸的增加，總體變形量最大值先減小后增大。

圖10為板筋厚度δ、板筋的尺寸H和總體變形量最大值的關(guān)系，可以看出，最下面的一組線所對(duì)應(yīng)的值為所要求相對(duì)于總體變形量的最優(yōu)解，由表2可以得出為(22.5,180)。

圖8 板筋厚度與總體變形量最大值的關(guān)系

圖9 板筋尺寸與總體變形量最大值的關(guān)系

圖10 板筋尺寸與總體變形量最大值的關(guān)系

3.1.2板筋尺寸與熱應(yīng)變最大值的關(guān)系

圖11為板筋的尺寸δ、H與熱應(yīng)變最大值的關(guān)系，可以看出板筋尺寸H對(duì)熱應(yīng)變最大值無(wú)明

顯影響；隨板筋的厚度δ增大，熱應(yīng)變最大值先增大后減小。由表2可得出相對(duì)于熱應(yīng)力最大值的最優(yōu)解δ=25。

圖11 板筋厚度與熱應(yīng)變最大值的關(guān)系

3.1.3板筋尺寸與等效應(yīng)力最大值的關(guān)系

圖12為板筋尺寸δ和H與等效應(yīng)力最大值的關(guān)系，可以看出，δ和H所對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力最大值為一系列散點(diǎn)，很難得出具體的關(guān)系。由表2可知，相對(duì)于等效應(yīng)力最大值可得最優(yōu)解為(27.5,180)。

圖12 板筋尺寸與等效應(yīng)力最大值的關(guān)系

3.2板筋尺寸δ與H的確定

由表2可以看出，板筋尺寸δ和H對(duì)熱應(yīng)變最大值的影響較小，相差0.000 01。所以主要考慮對(duì)總體變形量最大值和等效應(yīng)力最大值的影響，選擇第二組或第三組解為最優(yōu)解。

由圖5可以看出，閥體的最大等效應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在板筋和煙道管壁的焊縫處，屬于安全隱患，必須對(duì)之進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。由圖6可以看出，板筋的最大變形較小，并且由表2可以看出，第二組和第三組的總體變形量最大值相差并不是很大。

由以上分析可知，選擇第三組解(27.5,180)比較合理。即δ=55mm，H=180mm。

4 結(jié)論

4.1高溫電動(dòng)閘閥在正常工況下，閥體溫度在過(guò)煙道壁面處最高，距離熱源越遠(yuǎn)溫度越低，在最遠(yuǎn)處接近室溫。熱應(yīng)變和溫度變化趨勢(shì)一致，特別需要控制筋板處的熱應(yīng)變。等效應(yīng)力出現(xiàn)在煙道和筋板處，最大達(dá)950MPa，超出了材料的強(qiáng)度極限。

4.2閥體溫度變化所引起的熱應(yīng)力和閥體所受的結(jié)構(gòu)應(yīng)力共同產(chǎn)生的變形和應(yīng)變是板筋開(kāi)裂的主要原因。分析得出了板筋尺寸δ和H與熱應(yīng)變、總體變形、等效應(yīng)力最大值的變化關(guān)系。

4.3通過(guò)利用Ansys Workbench中的Design Exploration模塊，求解出了板筋尺寸的優(yōu)化解，即δ=55mm，H=180mm。

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ValveBody’sThermalCharacteristicsAnalysisforHigh-TemperatureElectricalGateValvesandItsOptimalDesign

YANG Wei-dong, ZHANG Yue-qiang, ZHANG Zao-xiao

(SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China)

Having Ansys Workbench thermal-structural coupling based to analyze thermal characteristics of valve body structure was implemented, including the optimal design of plate rib’s size; and the valve body’s physical model under normal working conditions can be similarly regarded as the heat conduction of area-alterable ribs; and in the Ansys Workbench, through having the materials added and grids divided and the boundary conditions set, the valve body’s working condition of high-temperature electrical gate valve was simulated to obtain the distributions of valve body’s temperature, thermal strain, overall deformation and the equivalent stress; through optimizing the size of plate ribs, the relationship between plate rib’s sizeδ,Hand the thermal strain, overall deformation and the maximum equivalent stress can be reached ,so does the optimized size of plate ribs.

high-temperature electrical gate valve, plate rib, thermal-structural coupling, optimal design

*楊偉東，男，1989年5月生，碩士研究生。陜西省西安市，710049。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2016)03-0324-06

2015-08-20)