有限元分析软件ANSYS对低温阀门冷态试验的稳态传热模拟与分析

    目前，国内一些大型的氦低温系统采用氦制冷，其工作温度低于20K。为了保证调节阀在低温条件下安全可靠地运行，设计过程中必须同时考虑到机械强度和传热学对阀门的要求。在工作状态下，阀杆处不冻结便是传热设计的基本要求，通过合理设计阀门的结构就能够实现。为保证产品的质量，低温阀门必须进行冷态试验，由于条件的限制可以采用将待试验阀门浸没于液氮中，进行冷态操作及气密性实验。值得注意的是：阀门在液氮中试验通过并不一定表明在正常工作下能满足要求。另外，由于在液氮中试验阀门的绝大部分都接触液氮，所以也有可能在试验时出现拉杆冻结。
    基于此，本文采用有限元分析软件ANSYS，针对低温阀门运行状态和冷态试验状态进行了温度场的模拟与分析，比较了两者的异同。针对模拟计算结果所显示的在冷态试验情况下拉杆出现冻结的问题，提出对上阀体添加绝热层方案，并对该方案效果进行了模拟与分析。
一、模型描述
    图1给出了所设计的DN10型调节阀阀门的结构。图2给出了阀门在不同模拟工况下的模拟图。图2（a）为阀门正常运行状态，阀芯头开启，阀门流道与氦气进行对流换热；阀门外表面在上阀体焊接口以下的部分处于真空中，主要辐射导热，位于焊接口以上的部分与大气环境进行自然对流换热。图2（b）给出阀门在冷态试验时的状态，阀芯头关闭，阀门流道内主要考虑辐射以及通过高压氦气的导热；阀门上阀体焊接口以下部位处于液氮之中，其传热方式为沸腾换热；上阀体焊接口和容器盖之间的部分与低温氮气进行自然对流换热，此处低温氮气温度为78K；而被容器盖子所围的阀盖与氮气同样进行自然对流换热，但此处氮气温度是从78K逐渐过渡到大气环境温度；而阀门在容器盖子以上的部分则与大气环境进行自然对流换热。图2（c）中的模型和状态与图2（b）中相类似，唯一的区别在于处于低温氮气中的阀盖螺帽部分添加了一绝热层。

   
    计算过程中所涉及的不锈钢导热系数和聚四氟乙烯导热系数随温度的曲线变化关系如图3所示。由于不锈钢材料内部组织变化程度不大，忽略其相变过程释放的潜热。浸于液氮中的阀体部分在试验过程中经历了模态沸腾、过渡态沸腾、核态沸腾、自然对流态沸腾等阶段，沸腾过程中对流换热系数是一个关于温度的函数，不同温差下的不锈钢对流传热系数如图4所示。
    矿棉的导热系数受温度变化影响不大，在计算时取平均热导率0.045W/m·K。



二、计算
    1、计算涉及到的传热学公式
    （a）热传导

    式中：Q为时间t内的传热量或热流量；K为热传导率或热传导系数；T为温度；A为平面面积；d为两平面之间的距离。
    （b）对流：q″=h（T_S-T_B）
    式中：h为对流换热系数；T_S为固体表面的温度；T_B为周围流体的温度。
    （c）辐射：q=εσA₁F₁₂（T⁴₁-T⁴₂）
    式中：q为热流率；ε为实际物体的辐射率；σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数；A₁为辐射面1的面积；F₁₂为由辐射面1到辐射面2的形状系数；T₁为辐射面1的绝对温度；T₂为辐射面2的绝对温度。
    2、使用Ansys分析计算的步骤
    （a）在Ansysworkbench中建立实物模型，如图5所示。
    （b）划分网格，如图6所示。
    （c）加载：根据模型描述部分分析的那样给阀门加载热载荷和相应的边界条件和初始条件（外界环境温度为295.15K）。
    （d）计算结果，如图7-12所示。

三、结论
   根据图7-12我们可知：
    （1）在试验状态加绝热层时，拉杆最低温度为286.43K，则拉杆跟阀盖不会冻结在一起，故增加的绝热层有效解决了拉杆跟阀盖冻结的问题。
    （2）在正常运行状态下拉杆最低温度为294.75K，所以拉杆部分不会结冰；上阀体焊接口处温度为294.39K，又因为环境温度为295.15K，所以暴露在空气中的部分不会结霜。故设计满足要求。
    （3）在试验状态下无绝热层时，拉杆最低温度为265.77K，故拉杆跟阀盖会冻结在一起，阀门的调节功能将会失效。

    参考资料
    （1）金滔，陈鹏翔，汤柯，等。液氮浴中不锈钢板的动态冷却过程试验及模拟分析（J）。低温工程，2007（2）：21-25。
    （2）陈国邦。低温工程材料（M）。杭州：浙江大学出版社，1998。
    （3）金滔，夏雨亮，洪剑平，等。低温阀门冷态试验的动态传热过程模拟与分析（J）。低温工程，2007（4）：35-38。

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