造紙廠蒸煮鍋進(jìn)料球閥是制漿造紙裝置的重要組成部分之一，設(shè)置在蒸煮鍋頂部，專門用于控制材料填充過程。它是一種特殊的球閥，在高壓密封良好，通常稱為造紙行業(yè)的鍋蓋閥。閥門進(jìn)料口通過氣體量大，介質(zhì)通常是造紙的固體材料、廢渣和廢漿。閥門關(guān)閉后，隨著鍋內(nèi)烹飪溫度和壓力的逐漸升高，閥門的出口側(cè)應(yīng)承受較高的壓力。目前，該閥門沒有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)客戶的工藝參數(shù)進(jìn)行定制。閥門均從國外進(jìn)口，價格昂貴。為此，浙江力諾閥開發(fā)了一種新產(chǎn)品，但也獲得了實(shí)用的新型專利，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。鍋蓋閥主要由左閥體、右閥體、球體、閥桿、閥座組成，如圖1所示。

1 結(jié)構(gòu)與原理

1.1 單浮動閥座

鍋蓋閥通過的介質(zhì)一般為固體廢渣或廢漿，會磨損閥座。因此，采用金屬硬密封設(shè)計(jì)，在閥座表面堆放硬合金，提高耐磨性，堆放焊接應(yīng)盡可能靠近閥座的外徑。同時，金屬硬密封可以在閥門關(guān)閉時剪切纖維材料，確保密封面和閥門的清潔，提高可靠性和使用壽命。

圖1

采用單浮動閥座設(shè)計(jì)（見圖2），閥座僅設(shè)置在進(jìn)口側(cè)，盤式預(yù)緊彈簧設(shè)計(jì)在閥座背面，使閥座始終與閥芯緊密接觸，在低壓下也能滿足密封要求。

圖2 閥座結(jié)構(gòu)

鍋蓋閥是一閉頻率較高的部件。為了提高閥芯和閥座的耐磨性，閥芯表面鍍有硬鉻。起閉過程中，閥芯球面上的兩個密封面可輪流使用，延長了密封面的使用壽命。為防止蒸煮鍋內(nèi)高壓介質(zhì)從浮動閥座與閥體之間的間隙泄漏，造成安全事故，盤彈簧外有兩個O形狀密封圈提高了閥座的密封性能。

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鍋蓋閥工作時，出口壓力遠(yuǎn)高于進(jìn)口壓力，閥座與閥芯始終處于緊密接觸狀態(tài)，獲得所需的密封比壓力，實(shí)現(xiàn)良好的密封。鍋內(nèi)壓力越高，密封效果越好。

1.二 半軸承設(shè)計(jì)

在新鍋蓋閥的設(shè)計(jì)中，兩個半軸承用于支撐閥芯，兩個半軸承安裝在靠近出口的上閥桿和下閥桿的一側(cè)。當(dāng)鍋蓋閥打開時，上下閥桿與半軸承接觸，閥芯可以在小偏心的情況下靈活地打開和關(guān)閉。當(dāng)鍋蓋閥完全關(guān)閉時，閥桿不受半軸承的限制。閥芯在介質(zhì)壓力下靠近浮動閥座。壓力越高，閥座與閥芯的密封比越大，密封效果越好，安全系數(shù)越高。鍋停止煮沸后，鍋內(nèi)壓力下降，閥桿可與半軸承接觸。采用新的半軸承結(jié)構(gòu)，使鍋蓋閥能夠適應(yīng)更高的溫度和高壓環(huán)境。

1.3 安全聯(lián)鎖裝置

鍋蓋閥通常工作在高壓狀態(tài)，為了防止蒸煮鍋閥門在這種情況下誤動作而造成事故，特設(shè)置安全聯(lián)鎖裝置（見圖3）。在盲法蘭上裝有壓力傳感器，傳感器與執(zhí)行器相連，當(dāng)鍋內(nèi)壓力高于設(shè)定的安全開起壓力時，壓力傳感器傳送鎖定控制信號，使閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)蒸煮完成且物料排放完，鍋內(nèi)壓力低于安全開起設(shè)定壓力時，閥門執(zhí)行器才可以動作，避免了鍋內(nèi)壓力泄漏而產(chǎn)生的危險。

圖3　蒸煮鍋物料進(jìn)口閥外觀圖

2 閥體內(nèi)腔CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)

在進(jìn)料過程中，材料從鍋蓋閥的一側(cè)進(jìn)入閥腔。如果閥腔體積過小，介質(zhì)會磨損閥芯表面，降低使用壽命；體積過大會導(dǎo)致閥體積過大，需要適當(dāng)增加閥腔。內(nèi)腔和流道過渡處采用大弧光滑圓角(見圖3b），閥腔與蒸煮鍋之間沒有障礙物，可以使進(jìn)入閥腔的物料順利流入蒸煮鍋，內(nèi)腔不易滯留物料，因此不會產(chǎn)生閥門啟閉阻滯。CFD數(shù)值模擬的方法來模擬鍋蓋閥的內(nèi)部流場，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.1 流道建模和網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型采用如圖1所示的鍋蓋閥，通過三維建模軟件UG建立鍋蓋閥的簡化結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行模擬分析之前，應(yīng)劃分流體部分的網(wǎng)格，通過布爾操作獲得鍋蓋閥完全打開時的三維流道圖并保存。step格式。通過ICEM網(wǎng)格劃分，計(jì)算出網(wǎng)格數(shù)為80萬格。

2.2 Fluent采用的設(shè)置

將.msh文件導(dǎo)入Fluent，設(shè)置后計(jì)算。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ－ε非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格采用模型和離散方程的求解方法SIMPLE算法、速度壓力場采用隱藏的全場迭代解，邊界條件規(guī)定速度進(jìn)口和壓力出口。設(shè)置上述解決方案控制方程后，可以解決閥芯全開狀態(tài)的模型。

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2.3 模擬結(jié)果分析

由于閥芯與出口側(cè)閥體內(nèi)壁之間的距離相對較大，沒有阻尼，因此不會導(dǎo)致閥芯因雜質(zhì)而卡住。圖4中，閥體內(nèi)腔壓力與出口壓力相似，出口壓力增加，閥座附近壓力也增加。由于閥芯上下兩個球表面的介質(zhì)壓力相同，兩個力尺寸相同，方向相反，因此閥芯的軸向力為0。也就是說，當(dāng)鍋蓋閥完全關(guān)閉時，鍋內(nèi)壓力越大，圖4中的兩個壓力越大，閥芯與閥座接觸越緊密。

圖4 鍋蓋閥全開時壓力云圖

全開時鍋蓋閥內(nèi)流場速度矢量圖如圖5所示，圖5a它是閥體內(nèi)腔和流道過渡處的原始結(jié)構(gòu)；圖5b這是一個優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。可以得出結(jié)論，閥體內(nèi)介質(zhì)流量非?？?。在原有結(jié)構(gòu)中，閥體內(nèi)腔和流道過渡處沖擊大，流阻大，介質(zhì)磨損閥體。如果使用大弧光滑的圓角，流線非常光滑，沖擊小，流阻小，材料容易進(jìn)入煮鍋。

圖5 原有結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后閥體流場值模擬圖

3 結(jié)語

鍋蓋閥采用特殊的單閥座浮動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，密封面自適應(yīng)性強(qiáng)，密封效果顯著提高。同時，閥芯上的兩個密封面可以交替使用。試驗(yàn)表明，新結(jié)構(gòu)的使用使鍋蓋閥的使用壽命延長了一倍。閥體內(nèi)腔結(jié)構(gòu)采用大弧光滑的圓角，優(yōu)化了流道結(jié)構(gòu)，使進(jìn)入鍋蓋閥的材料在小流阻下進(jìn)入鍋。安全聯(lián)鎖裝置的設(shè)計(jì)可以確保鍋蓋閥關(guān)閉，避免鍋內(nèi)壓力泄漏和危險。