快速热阀隔防热结构的热分析

2006年第34卷第10期流体机械29文章编号:1005-03292006)0-0029—04快速热阀隔防热结构的热分析赖喜德,鲍巧灵?杨炯波2何海宾(1.西华大学四川成都6100392.成都华西化工科技股份有限公司四川成都611830)摘要:为了在快速热阀硏制中设计岀合理和经济旳防热结构在两种载荷下对不同热导率材料的隔热层及阀体进行了有限元热分析数值模拟岀热阀工作中的温度场分布。以有限元热分析结果作为防热结构设计的依据在阀体內设计厚度为100mm的隔热层解决了快速热阀在627℃的高温和8.0MPa高压下运行过程中的阀体外表面温度不高于00℃的难题。通过实测表明在设计的工况下运行其阀体外表面温度低于70℃。关键词:热分析泐防热结构快速热阀有限元中图分类号:TH134P214文献标识码: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引言工作的热介质温度大于627℃。对于类型阀门国内外都采用根据具体要求进行专门此开发的方为了配套国内某重点工程的试验装置建设的式来研制1根据试验装置要求,当热介质温度任务需要对其关键部件之一的快速热阀进行研为627℃阀体外壁温度应低于100℃。本文将主制。根据结构设计要求,研制的快速热阀通径要介绍在初步结构设计的基础上,对于两种载荷300mm采用角式结构。该阀门除了满足快速操下不同热导率的材料的隔热层结构进行有限元作的要求还必须适应加热器加热、试验裝置高温热分析数值模拟出热阀工作过程中的温度场分运行以及系统调压三个过程的严酷环境。考虑试布以筛选确定岀合理、经济的防热结构。另外验过程中的快速启闭要求其全行程开启时间小通rV凵中国煤化工的隔热层和阀体中随于2s关闭时间在60s以内。要求正常工作压力时CNMH(参数,并作为热载荷为8.0MPa极限工作压力为10.0MPa。阀门内部进行应力分析。收稿日期:2005-12-20修稿日期:2006-03-10基金项目片数搪厅自然科学重点项(x04013四川省重点学科建设项目(2)30FLUID MACHINERYⅤol.34No.1020062快速热阀的热力学模型3隔热层及阀体的热分析数值模拟方法此热阀采用90°角式截止阀型式在阀体內用3.1温度场数值模拟的有限元法优质硅酸铝纤维棉作隔热层里衬隔热,既可減少稳态温度场的有限单元法求解和弹性静力学气流热损失又可有效降低承压阀体的表面温度,问题基本相同在弹性力学问题中所采用的单元并有利于保证阀门的整体强度。如何确定隔热层和相应的插值函数在此都可以使用,主要的不同里衬的厚度能够满足在热介质温度大于627°,阀在于场变量。在弹性力学问题中场变量是位移、门外壁温度低于100℃要求是该热阀设计的关键向量场。在热传导问题中,场变量是温度、标量问题之一。隔热层的结构、厚度、材料的热导率等场。隔热层的温度场计算是瞬态传热过程分析问对隔热性能有很大影响。要分析隔热层的结枃设题。瞬态温度场与稳态温度场的主要差别是瞬态计是否满足试验裝置运行要求,必须研究热阀的温度场的场函数不仅是空间域的函数而且是时工作中温度场分布。隔热层的温度场计算是瞬态间函数。但是时间和空间两种域并不耦合因此传热过程热分析问题。建立有限元格式时可以采用部分离散的方法2该阀门中瞬态传热过程实际是一个系统的冷首先将空间域Ω离散为有限个单元体在典却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边型单元内温度θ仍可以近似地用节点温度θ,插界条件以及系统内能随时间都有明显变化。在阀值得到但要注意此时节点温度是时间函数,即门运行过程中,隔热层的温度场是一个连续物理场在三维问题中瞬态温度场的场变量(x,y0=0=N(x ,y,z )0 t)z,t)在直角坐标中应满足的微分方程为2插值函数N只是空间域的函数构造时已Oe y)e.7e6、(k do满足r1上的边界条件因此式3)代入式(1)(2)时将产生余量PQ=0(在隔热层Ω内)(1)其边界条件表示如下=(在1边界上)(在T2边界上)6R(5)aen+ hi 30nk: 22=K⊙0-)y”+k:2=从已-)(在T3边界上)(2)令余量的加权积分为零即式中p—材料密度kg/m2材料比热J(kgK)Rown do+ Rrw drRr3 dr=0时间k,k,,k:材料沿x,y,z方向的热传导按伽辽金法选择权函数,经分部积分后可以系数WAm2K)得到用以确定n个节点温度回,的矩阵方程Q=(x,y,z,t)物体内部的热源密Ca+ke= p(8)边界外法线的方向余弦YH中国煤化工正定矩阵)CNMHG称正定矩阵)e—r1边界上给定温度K,=(P,)P——温度载何矩阵q—T2边界上的给定热量W/m20——节点温度矩阵日——节点温度对时间的导数列阵h万方数垂数,N(m2K)6=d/d2006年第34卷第10期流体机械31其矩阵的元素为=∑K+∑H从Cmh=∑P1=∑P+>P+>P式(9)为矩阵K,C和P的元素。将时间域和空间域的偏微分方程问题在空间域内离散为n个图2持续通过时间为30s的载荷示意节点温度θ(t)的常微分方程的初值问题。对于给定温度的边界门上的n1个节点方程组中相应的式子应引入边界条件3.2热阀隔热层及阀体的几何建模及网格模型取结构的14进行简化,其结构关于中心对称通过其它CAD软件进行三维几何建模转入ANSYS,再通过有限元前处理模块进行计算区域图3持续通过时间为60s的载荷示意几何离散,有限元网格模型如图1所示。采用三维实体SOLD70八节点六面体单元。温度场数值模拟结果分析基于热力学模型和边界条件,对于如图2,3所示两种载荷采用 ANSYS进行热力学数值模拟。第一种载荷作用30s时结构上的温度分布如图4所示在30s时沿壁厚的温度分布曲线如图5所示第二种载荷作用61s时的温度分布如图6所示沿壁厚的温度分布曲线如图7所示,对第一种图1有限元网格示意载荷热导率取0.12Wm℃)时3ls时温度分布3.3边界条件及载荷如图8所示沿壁厚的温度分布曲线如图9所示。隔热层的材料特性见表1。该传热过程包括串联三个环节其传热边界条件按如下方法确定43.809由于热气体与隔热层内壁的表面传热系数很大□173407其热阻很小,保守地认为隔热层内壁温度与热介□238206□303005□367804质的温度相同。设隔热层与阀体内壁接触良好□432603□497,402无热阻。由于金属的阀体外壁与大气存在着对流562.20和辐射其表面传热系数小于10W(m2K3表1材料特性温度密度热导率比热容图4第一种载荷作用30s时结构上的温度分布[J(kg℃)]THE中国煤化工载荷分为两种情况,第一种介质持续通过时CNMHG间为30s,第二种持续通过时间为60s。温度均为隔热层壁厚627℃。载荷示意如图2、3所示时沿壁厚的温度分布曲线32FLUID MACHINERYⅤol.34No.102006通过有限元热分析初步计算后确定在阀体內设100mm厚优质硅酸铝纤维棉作隔热层。再对25.70318140两种载荷下、不同热导率材料的隔热层及阀体进237.102□29280行有限元热分析。计算表明如果使用热导率较c34850高的材料介质持续30s如图45所示阀体表面□51560□571.3最高温度将达到70℃左右。持续60s如图67所示表面最高温度将达到140℃左右。如果选用热导率较低的材料如图89所示,表面温度可以达到室温。对研制的快速热阀在试验中进行了温度监图6第二种载荷作用6ls时的温度分布测其结果如表2所示监测结果说明上述分析是可靠的626表2热阀阀体外壁表面温度监测结果试验时间运行过程外主气流在热阀前后热阀开启(h)壁面温度(℃)的温度降(℃)时间s)3761.53隔热层壁厚图7第二种载荷作用61s沿壁厚的温度分布曲线1.4519.175结语□1545□2220□289.565□424590虽然在计算分析中对几何模型进行了简化和□49202□559513对边界条件进行了必要的近似,但是有限元热分627析结果对于优化隔热层和结构设计取得了明显的指导作用解决了工程上快速热阀研制中的关键问题图8第一种载荷热导率取0.12W(m℃)时3ls时温度分布参考文献[1]郝承明.蝶阀技术的新进展J].阀门2001(5)32[2] Kenneth H Huebner, Earl A Thorton. The Finite ElemerMethod for Engineer[ M ] NY: John Wiley Sons Inc[3]杨世铭陶文铨,传热敩[M].北京:高等教育岀版21中国煤化工隔热层壁厚CNMHGyoz-J,,寂授博士,副院长,主要从事图9第一种载荷热导率取0.12W(m℃沿壁厚流体机械及工程研究通讯地址10039四川成都市西郊西华大学的温度分布曲线能源与环境学院