整體式高溫上閥蓋散熱分析

徐 健，蔣永兵，陳 堯，馮 浩，廖 靜

(重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400707)

0 引言

在應(yīng)對(duì)高溫工況時(shí)，通常采用增加閥門(mén)上閥蓋高度的方式以降低填料函和執(zhí)行機(jī)構(gòu)處的溫度。這種伸長(zhǎng)型高溫上閥蓋通常為焊接分段式。整體式高溫上閥蓋則是在鍛件或棒料上采用特殊刀具直接加工出自帶散熱板結(jié)構(gòu)型式的上閥蓋。

與傳統(tǒng)伸長(zhǎng)型高溫上閥蓋相比，整體式高溫上閥蓋加工工序簡(jiǎn)單，無(wú)需焊接，既避免了焊接可能產(chǎn)生的缺陷，也避免了上閥蓋材質(zhì)特殊時(shí)焊條價(jià)格較為昂貴等問(wèn)題。此外，整體式高溫上閥蓋因散熱效果較好，無(wú)需過(guò)度增加上閥蓋高度，可大大降低成本，同時(shí)也能減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶給閥體的傾覆力矩[1]。

1 整體式高溫上閥蓋模型建立

1.1 模型簡(jiǎn)化

整體式高溫上閥蓋裝配如圖1所示?？紤]到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的溫度與支架有密切關(guān)聯(lián)，而填料函底部的溫度僅與整體式高溫上閥蓋有關(guān)，本文以填料函底部溫度作為評(píng)定整體式高溫上閥蓋散熱效果的指標(biāo)；考慮到高溫上閥蓋結(jié)構(gòu)的高度對(duì)稱(chēng)性，仿真分析時(shí)采用1/2模型；因忽略熱輻射的影響，故在仿真分析時(shí)，采取底端施加介質(zhì)的溫度載荷替代閥門(mén)部件對(duì)上閥蓋的散熱影響。

圖1 整體式高溫上閥蓋裝配示意圖

仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真模型示意圖

1.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

在模型的網(wǎng)格劃分過(guò)程中，采用自適應(yīng)網(wǎng)格和局部網(wǎng)格控制技術(shù)劃分網(wǎng)格，并進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，如表1所示。最終選擇上閥蓋劃分網(wǎng)格單元12 635個(gè)。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

圖3 網(wǎng)格劃分圖

1.3 模型參數(shù)確定

介質(zhì)為525 ℃的高溫工藝氣，高溫閥門(mén)選用DN100 Class150上。閥蓋材質(zhì)為Incoloy800。該材質(zhì)具有長(zhǎng)期使用的抗高溫腐蝕性和良好的加工性。閥桿材質(zhì)為Inconel718。該材質(zhì)在高溫條件下具有很高的機(jī)械性能?？紤]到上閥蓋與閥桿之間的介質(zhì)流動(dòng)性極差，可視為介質(zhì)僅發(fā)生熱傳導(dǎo)[2]，材料物理性能[3]如表2所示。仿真分析中，上閥蓋底部與介質(zhì)接觸處施加恒定溫度525 ℃、對(duì)流換熱系數(shù)11.63 W/(m2·℃)，環(huán)境溫度取20 ℃[4]。

表2 材料物理性能

2 整體式高溫上閥蓋散熱理論

2.1 散熱板傳熱理論

因整體式高溫上閥蓋散熱板厚度較小，忽略厚度方向的溫度梯度，其傳熱方式與低溫閥滴水盤(pán)傳熱方式相似。散熱板的傳熱方式包括徑向的熱傳導(dǎo)和表面與空氣的自然對(duì)流換熱。對(duì)于穩(wěn)態(tài)傳熱，根據(jù)能量守恒，對(duì)散熱板進(jìn)行環(huán)向微元體分析，得到傳熱微分方程[2]：

(1)

式中：r為散熱板直徑；δ為散熱板厚度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；t為散熱板表面溫度；t0為空氣溫度；h為對(duì)流換熱系數(shù)。

2.2 有限元穩(wěn)態(tài)傳熱方程

有限元穩(wěn)態(tài)傳熱方程為：

KT=Q

(2)

式中：K為含有導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流換熱系數(shù)、輻射率、形狀系數(shù)的傳導(dǎo)系數(shù)矩陣；T為含有所有節(jié)點(diǎn)溫度的列矩陣；Q為含有所有節(jié)點(diǎn)熱流率的列矩陣。

上述矩陣均采用ANSYS Workbench，根據(jù)模型幾何參數(shù)、材料熱力學(xué)參數(shù)以及邊界條件來(lái)生成[5]。

3 整體式高溫上閥蓋散熱仿真分析

3.1 介質(zhì)對(duì)閥桿與上閥蓋間隙的散熱影響

一方面，介質(zhì)為高溫氣體時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)非常?。涣硪环矫?，閥桿和上閥蓋之間的間隙較小，介質(zhì)流動(dòng)性較差。在不考慮介質(zhì)相變的前提下，介質(zhì)僅以熱傳導(dǎo)的方式在閥桿和上閥蓋之間進(jìn)行換熱[6]。本實(shí)例中，上閥蓋與閥桿之間的間隙為單邊1.5 mm。有、無(wú)間隙的溫度分布如圖4所示。

圖4 有、無(wú)間隙的溫度分布圖

介質(zhì)層的徑向熱傳導(dǎo)如圖5所示。

圖5 介質(zhì)層的徑向熱傳導(dǎo)圖

由圖4可知：有間隙介質(zhì)時(shí)，上閥蓋填料函處最高溫度為96.608 ℃；無(wú)間隙介質(zhì)時(shí)，上閥蓋填料函處最高溫度為111.76 ℃，與有間隙介質(zhì)的結(jié)果相差15.7%。由圖5可知，即便介質(zhì)層僅有1.5 mm，但從與閥桿接觸的232.75 ℃到與上閥蓋接觸的96.61 ℃可看出，介質(zhì)與閥桿、上閥蓋之間的熱傳導(dǎo)進(jìn)行得相當(dāng)劇烈。這從側(cè)面驗(yàn)證了：對(duì)于高溫氣體介質(zhì)的溫度傳熱仿真分析，應(yīng)充分考慮間隙的熱傳導(dǎo)對(duì)溫度結(jié)果的影響[7-8]。

3.2 整體式高溫上閥蓋的散熱效果

伸長(zhǎng)型上閥蓋溫度分布如圖6所示。

圖6 伸長(zhǎng)型上閥蓋溫度分布圖

整體式高溫上閥蓋采用特殊刀具，在鍛件或棒料上加工出自帶散熱板結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)型式既受到特殊刀具最大加工溝槽尺寸的影響，又受到上閥蓋所需鍛件或棒料規(guī)格的限制。通過(guò)仿真分析，要達(dá)到相同的溫度效果，所需伸長(zhǎng)型上閥蓋高度為380 mm[9]。

由圖4與圖6可知，整體式高溫上閥蓋在高度為235 mm時(shí)，填料函底部最高溫度為96.608 ℃；伸長(zhǎng)型高溫上閥蓋在高度為380 mm時(shí)，填料函底部最高溫度為94.729 ℃。兩種情況所能確保的填料函底部溫度相當(dāng)，但整體式高溫上閥蓋在高度上卻能降低38.2%，效果顯著。

3.3 整體式高溫上閥蓋散熱影響因子分析

影響整體式高溫上閥蓋散熱的因素較多，散熱板直徑深度、散熱板數(shù)量和散熱板間距等因素都會(huì)影響溫度分布。本實(shí)例中，刀具所能加工的最大散熱板直徑深度為29 mm、散熱板間距最小為3 mm，不影響上閥蓋螺栓安裝的散熱板數(shù)量最多為7塊。采用正交分析方法，研究了散熱板直徑深度、散熱板數(shù)量和散熱板間距這3個(gè)因素對(duì)整體式上閥蓋的散熱影響。4因素3水平的正交分析[10]如表3所示。

表3 4因素3水平的正交分析表

表3中：A為散熱板數(shù)量，塊，取值分別為A1=7、A2=5、A3=3;B為散熱板直徑深度，mm，取值分別為B1=29、B2=25、B3=21;C為散熱板間距，mm，取值分別為C1=29、C2=25、C3=21。

正交分析中，影響因子平均水平為：

同理可得RC=9.50。

由各影響因子平均水平可知：散熱板數(shù)量越多，散熱板直徑越大，散熱板間距越大，越有利于散熱；由各影響因子的極差RA>RB>RC可知，對(duì)于整體式高溫上閥蓋而言，散熱板數(shù)量是其散熱的最大影響因子。

4 結(jié)論

采用ANSYS Workbench對(duì)整體式高溫上閥蓋進(jìn)行了溫度分布仿真模擬，并結(jié)合正交分析方法對(duì)影響整體式高溫上閥蓋的因素進(jìn)行了研究分析，得到如下結(jié)論。

①整體式高溫上閥蓋結(jié)構(gòu)散熱效果顯著，建議大量推廣到實(shí)際應(yīng)用中。

②介質(zhì)為高溫氣體時(shí)，應(yīng)考慮閥桿與上閥蓋之間介質(zhì)的熱傳導(dǎo)作用。

③整體式高溫上閥蓋散熱板的數(shù)量為最大的散熱效果影響因子。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可適當(dāng)增加高度、保證散熱板數(shù)量以達(dá)到散熱需求。