閥門低溫試驗(yàn)節(jié)能性研究

郭懷舟，吳懷昆，朱紹源，王志剛，高紅彪

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽 合肥 230088；2．中石化中原油建工程有限公司，河南 濮陽 457001）

隨著空分、液化天然氣、乙烯石化等工業(yè)的發(fā)展，低溫閥門的市場需求逐年上升，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。低溫閥門作為低溫管道重要的控制元件，正在得到廣泛運(yùn)用，需求量逐年上升。由于其運(yùn)行工況惡劣，作用關(guān)鍵，因此性能考核嚴(yán)格，其低溫性能試驗(yàn)是生產(chǎn)與使用過程中的一道關(guān)鍵工序。目前，閥門低溫性能試驗(yàn)所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)主要是GB/T 24925-2010、BS 6364:1984、MESC SPE 77/200 2012、JB/T 12622-2016 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。從試驗(yàn)溫度上主要分為兩大類，一類以BS 6364為代表的標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)溫度為-196 ℃，用液氮作為試驗(yàn)冷媒；另一類以GB/T 24925為代表的標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)溫度為工況溫度，用液氮和酒精的混合液作為試驗(yàn)冷媒。試驗(yàn)介質(zhì)的選用原則是選取臨界溫度低于試驗(yàn)溫度的氣體，從安全和經(jīng)濟(jì)兩方面考慮，都是選用的氦氣或氮?dú)庾鳛樵囼?yàn)介質(zhì)。由于閥門低溫試驗(yàn)的深冷環(huán)境主要是通過低溫液體吸收汽化潛熱的方式獲得，而低溫閥門的主體用材主要以304、304L、316、316L等Ni-Cr奧氏體不銹鋼為主，其熱容量大，需要換取大量的冷媒潛熱，才能降溫至試驗(yàn)溫度。我國氦氣市場價格昂貴，而大口徑、高壓力的閥門低溫試驗(yàn)消耗的氦氣量大。因此，減少液氮和氦氣的消耗，能夠直接節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用，降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品在市場上的價格優(yōu)勢。

1 試驗(yàn)冷媒的消耗

閥門低溫試驗(yàn)過程中，冷媒的消耗主要由以下幾個部分組成：兌換金屬件的顯熱G1；沿程管道1的漏熱G2；低溫儲槽的漏熱G3。其中沿程管道采用低溫絕熱管道，以輻射換熱和內(nèi)部對流換熱為主要換熱型式。低溫儲槽以外壁、槽蓋、槽底與空氣對流換熱和輻射換熱為主要換熱型式。冷媒消耗模型如圖1所示。

1.1 兌換金屬件的顯熱

圖1 冷媒消耗模型

液氮作為冷媒與金屬件的換熱消耗主要是液氮的汽化潛熱換取金屬件的顯熱。與液氮接觸換熱的部件主要是液氮輸送管道及管道元件，低溫儲槽內(nèi)膽、被測閥、工裝。VALST低溫閥門深冷試驗(yàn)裝置中低溫槽系列數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 VALST低溫槽系列相關(guān)數(shù)據(jù)

為了便于計(jì)算，將換熱模型條件簡化為與液氮直接接觸的管道（不考慮保溫措施）內(nèi)、外壁溫度一致，低溫儲槽液面以下內(nèi)膽內(nèi)、外壁溫度一致，被測閥和工裝都取整體質(zhì)量。

換熱公式為：

其中：m1為液氮消耗的質(zhì)量，m2為輸液管道質(zhì)量，m3為液面下低溫儲內(nèi)膽槽質(zhì)量，m4為被測閥質(zhì)量，m5為工裝質(zhì)量，C為金屬件的比熱容，T1為環(huán)境溫度，T2為常壓下的液氮溫度。

1.2 沿程管道的漏熱

低溫試驗(yàn)裝置冷媒的沿程管道采用低溫絕熱管道，VALST閥門低溫試驗(yàn)裝置采用低溫絕熱管道中的高真空絕熱管道。環(huán)境通過輻射和對流換熱兩種方式將熱量傳遞到高真空絕熱管道的外表面，外表面通過熱導(dǎo)和輻射換熱兩種方式將熱量傳遞到高真空絕熱管道的內(nèi)表面。

在穩(wěn)態(tài)情況下，根據(jù)低溫傳熱學(xué)相關(guān)公式計(jì)算可得高真空絕熱管道單位外表面積漏熱量：

式中：q為高真空絕熱管道單位外表面積漏熱量；α為管道與環(huán)境之間的對流換熱系數(shù)，W（m·K）；Th為環(huán)境溫度，K；Tn為低溫液體的溫度，K；TW管道外表面溫度，K；ε為管壁面的發(fā)射率；σb為波爾曼茲常數(shù)；Rλ為總的表觀導(dǎo)熱熱阻?？梢?，降低真空管道內(nèi)管外壁面和外管內(nèi)壁面的表面發(fā)射率；降低管壁溫度；減少真空夾層中的殘留氣體是降低真空絕熱管道漏熱的有效手段。

1.3 低溫儲槽的漏熱

低溫儲槽的漏熱由槽體外壁與空氣的對流換熱和輻射換熱構(gòu)成。取支撐結(jié)構(gòu)漏熱量為總漏熱量的50%。假設(shè)環(huán)境溫度T0=300K，空氣相對濕度為80%，箱體外壁溫度為此環(huán)境下的露點(diǎn)溫度Td，外側(cè)空氣的計(jì)算定性溫度Ta=（T0+Td)/2，可查得此溫度下空氣的物性參數(shù)Ka=0.02594W/（m·K）；νa=15.58×10-6m2/s、Pr=0.7158。箱體外壁、箱底、箱蓋的綜合換熱系數(shù)公式如下：

其中L為特征長度，對于矩形，取兩個邊長的平均值。

總漏熱為如下公式：

其中：A1為槽體四壁面積，A2為槽蓋面積，A3為槽底面積。

可見，在低溫儲槽結(jié)構(gòu)上利用“斷橋”結(jié)構(gòu)，阻斷內(nèi)膽與外壁的金屬連接，填充高分子絕熱材料，降低內(nèi)膽與外壁的接觸熱阻，可以有效減小低溫儲槽的漏熱。

2 試驗(yàn)介質(zhì)的消耗

閥門低溫試驗(yàn)用的增壓介質(zhì)以氦氣為主，在做大口徑、高壓力的閥門低溫試驗(yàn)時，氦氣的消耗量大。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有：

一滿瓶氦氣壓力13MPa，水容積40L。閥門模型簡化為直徑取公稱通徑數(shù)值，長度取結(jié)構(gòu)長度數(shù)值的圓筒結(jié)構(gòu)，得到下式：

式中n為所需氦氣的瓶數(shù)；Kv為補(bǔ)容系數(shù)，取1.3～1.6；Kp為補(bǔ)壓系數(shù)，取1.18～1.63；P為試驗(yàn)壓力（MPa）；D取閥門公稱通徑數(shù)值（mm）；L為閥門結(jié)構(gòu)長度（mm）；T1為環(huán)境溫度（K）；T2為試驗(yàn)溫度（K）。

根據(jù)計(jì)算，PN150、DN600的低溫球閥，進(jìn)行一次低溫試驗(yàn)需要消耗48瓶氦氣，價值8萬多人民幣，試驗(yàn)成本太高。因此試驗(yàn)介質(zhì)回收顯得尤為重要，例如VALST低溫閥門深冷試驗(yàn)裝置具有氦氣回收功能，回收率可達(dá)85%，在氦氣消耗上大大節(jié)約了資源，降低了試驗(yàn)成本。

3 結(jié)語

通過對閥門低溫試驗(yàn)中試驗(yàn)冷媒與試驗(yàn)介質(zhì)消耗的分析，總結(jié)出消耗計(jì)算公式，并對閥門低溫試驗(yàn)裝置在節(jié)能方面提出了優(yōu)化建議。

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[4]GB/T 24925-2010，低溫閥門 技術(shù)條件[S].

[5]朱紹源.閥門低溫試驗(yàn)裝置的的節(jié)約型設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011,(7):245-247.

[6]聶宇宏,夏莉.輻射換熱對高真空多層絕熱管道漏熱量計(jì)算的影響[J].廣州航海學(xué)院學(xué)報(bào), 2017,(2):27-29.

[7] 陳國邦,張鵬.低溫絕熱與傳熱技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.