目前作為清潔能源，LNG它是當(dāng)今世界上增長(zhǎng)最快的能源。目前，天然氣在世界一次能源結(jié)構(gòu)中的比例已達(dá)到25%。天然氣以其高效、優(yōu)質(zhì)、清潔等優(yōu)良的性能和廣泛的應(yīng)用，將成為21世紀(jì)人們使用最多的能源形式。近年來，加快天然氣應(yīng)用已成為全球趨勢(shì)。預(yù)計(jì)到2015年，天然氣產(chǎn)量將超過原油，成為世界上最大的能源。2008年4月3日，中國(guó)第一艘由中國(guó)船舶集團(tuán)公司滬東中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司獨(dú)立建造的中國(guó)船舶LNG船舶的成功交付標(biāo)志著中國(guó)基本掌握了世界造船尖端技術(shù)，打破了國(guó)外在這一領(lǐng)域的壟斷。LNG工業(yè)的發(fā)展以及中國(guó)自主研發(fā)LNG隨著船舶的成功，中國(guó)開始使用船舶LNG自主研發(fā)超低溫調(diào)節(jié)閥。
超低溫閥的工作溫度極低(77K），因此，在設(shè)計(jì)這種閥門時(shí)，除了遵循一般閥門的設(shè)計(jì)原則外，還有一些特殊的要求。重要的一點(diǎn)是要求閥門的結(jié)構(gòu)確保填為0℃在上述溫度環(huán)境下工作，如采用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)，使填料函盡可能遠(yuǎn)離低溫介質(zhì)，起到保護(hù)填料函的作用。
填料函的密封性是低溫閥的關(guān)鍵之一。如有泄漏，將導(dǎo)致填料與閥桿結(jié)冰，影響閥桿的正常運(yùn)行。同時(shí)，由于閥桿上下移動(dòng)，會(huì)劃傷填料，造成嚴(yán)重泄漏。
新閥門的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、加工裝配不僅需要消耗大量的人力、物力和財(cái)力，有時(shí)新閥門的設(shè)計(jì)不能保證預(yù)期的性能指標(biāo)，因此近年來，閥門虛擬設(shè)計(jì)和模擬是閥門設(shè)計(jì)的重要方式，可以對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所丁曉東對(duì)低溫截止閥和低溫調(diào)節(jié)閥進(jìn)行溫調(diào)節(jié)閥進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析，提出通過在氮?dú)猸h(huán)境中添加礦物棉保溫材料來提高填料函的溫度。本文采用ANSYS有限元分析軟件作為建模和分析平臺(tái)的對(duì)準(zhǔn)通徑DN15的LNG對(duì)船用超低球閥進(jìn)行熱分析，確定設(shè)計(jì)的閥頸長(zhǎng)度是否合理，研究結(jié)構(gòu)因素對(duì)填料函溫度的影響。
1 模型
1.建立1 模型和劃分有限元網(wǎng)格
設(shè)計(jì)的超低溫閥是DN15超低溫球閥。超低溫球閥的主要材料是316L奧氏體不銹鋼，低溫介質(zhì)1MPa液氮、表1、表2為不銹鋼材料，氮的物理參數(shù)隨溫度而變化。由于閥門中心面對(duì)稱，采用熱分析單元進(jìn)行建模SOLID87網(wǎng)格劃分。圖1，圖2為DN15超低溫球閥開關(guān)時(shí)簡(jiǎn)化的模型。
表1
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表2 氮的物性參數(shù)(1MPa）
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圖1 開啟狀態(tài)時(shí)網(wǎng)格劃分
1.閥頸 2.閥桿 3.閥體
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圖2 網(wǎng)格關(guān)閉時(shí)的網(wǎng)格
1.2 數(shù)學(xué)模型
由于材料的物理性能隨溫度而變化，并考慮到輻射傳熱，因此熱分析屬于非線性熱分析。
閥門在管道中打開和關(guān)閉，因此穩(wěn)態(tài)熱分析的控制方程為：
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相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)非線性平衡方程為：
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方程可等效：
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式中：
［Qnr由計(jì)算單元熱流獲得的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)熱流矢量Qa節(jié)點(diǎn)熱流矢量是由載荷引起的。
在初始條件下，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)熱流不等于施加的節(jié)點(diǎn)載荷。兩個(gè)矢量之間的差異是不平衡熱流矢量：
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牛頓-拉夫森法用于求解過程中，具體步驟如下:
(1)解決系統(tǒng)方程的增量形式
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(2)更新節(jié)點(diǎn)溫度。
內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的熱流速率由單元熱流計(jì)算。
(4)將收斂結(jié)果與收斂準(zhǔn)側(cè)進(jìn)行比較。
（5）迭代。
2 管道開關(guān)時(shí)穩(wěn)態(tài)溫度計(jì)算
2.1 邊界條件
閥門外表面根據(jù)對(duì)流換熱條件和輻射換熱條件設(shè)置，閥門外環(huán)境溫度為298K，對(duì)流換熱系數(shù)取10W/（m2•K）］。Stenfan-Bolzman常數(shù)為5.67×10－8。對(duì)稱表面取絕緣邊界條件。當(dāng)閥門工作溫度低且穩(wěn)定時(shí)，閥門流道內(nèi)表面溫度接近介質(zhì)溫度，閥門流道內(nèi)表面溫度設(shè)定為77K。
2.2 結(jié)論分析
當(dāng)閥門在管道中打開和關(guān)閉時(shí)，閥頸的長(zhǎng)度要求可以滿足填料函不凍結(jié)的要求，并在設(shè)定的邊界條件下通過改變閥頸的長(zhǎng)度獲得相應(yīng)的填料函底部溫度。圖3為管道中超低溫球閥的溫度分布，填料函底部溫度為274.59K，圖4顯示了超低溫球閥在管道關(guān)閉時(shí)的溫度分布，填料函底部的溫度為275.89K。
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圖3 開啟狀態(tài)時(shí)的溫度分布圖
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圖4 關(guān)閉時(shí)的溫度分布
3 超低溫閥門結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)填料函底部溫度的影響
使用超低溫閥時(shí)，閥門通道處于冷端溫度下(77K），閥體外表面與環(huán)境空氣自然對(duì)流換熱，部分冷量從徑向傳遞到外部環(huán)境，部分軸向傳遞到閥桿頂部。由于閥門各部件的接觸不能完全密封，閥門流道中的一小部分介質(zhì)會(huì)蒸發(fā)，使閥桿與閥體之間的間隙充滿氣體。閥桿與閥體內(nèi)壁之間存在溫差，不僅會(huì)產(chǎn)生熱輻射，還會(huì)導(dǎo)致間隙中氣體的自然對(duì)流，增強(qiáng)徑向熱傳遞。此外，閥頸厚度的變化也會(huì)影響填料函底部的溫度。因此，在設(shè)計(jì)超低溫閥門時(shí)，應(yīng)考慮閥頸厚度與閥頸與閥桿間隙對(duì)超低溫閥溫場(chǎng)的影響。
3.1 閥桿與閥頸之間的間隙尺寸對(duì)填料函底部溫度的影響
3.1.1 流場(chǎng)分析
該模型將閥頸與閥桿之間的內(nèi)部視為垂直封閉夾層的自然對(duì)流換熱。夾層內(nèi)流體的流動(dòng)主要取決于夾層的厚度δ特征長(zhǎng)度Grδ數(shù)。
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當(dāng)Grδ極低時(shí)換熱依賴純導(dǎo)熱。Grδ流動(dòng)(環(huán)流)、層流特征流動(dòng)、湍流特征流動(dòng)依次出現(xiàn)。
定性溫度為：
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在垂直夾層中，通過夾層的換熱量應(yīng)為導(dǎo)熱和輻射換熱之和。Grδ≤2860時(shí)，夾層中氣體介質(zhì)的熱傳遞主要是純導(dǎo)熱和輻射換熱之和。當(dāng)夾層中氣體介質(zhì)的熱傳遞處于純導(dǎo)熱狀態(tài)時(shí)，由于氣體的導(dǎo)熱阻大，其傳熱量小。當(dāng)夾層壁之間的溫差小時(shí)，輻射傳熱量小，可以忽略傳熱量；當(dāng)夾層壁之間的溫差稍大時(shí)，輻射傳熱量不容忽視。Grδ>2860年，夾層中氣體介質(zhì)的熱傳遞不是熱輻射和純導(dǎo)熱過程，會(huì)出現(xiàn)自然對(duì)流，純導(dǎo)熱變?yōu)閷?duì)流換熱，熱傳遞量大大增加。根據(jù)上述公式理論，在尺寸設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，Grδ≤因此，夾層中氣體介質(zhì)的熱量傳遞主要是純導(dǎo)熱和輻射換熱之和。
3.1.2溫度場(chǎng)分析
當(dāng)閥頸厚度和長(zhǎng)度保持不變時(shí)，圖3、圖5和圖6是閥桿與閥頸之間的間隙mm，3mm，5mm閥門溫度分布圖。
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圖5 間隙為3mm溫度分布
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圖6 間隙為5mm溫度分布
從圖中可以看出，當(dāng)閥桿與閥頸之間的間隙尺寸變厚時(shí)，填料函底部的溫度分別降低274.59K，273.84K，272.52K，但是值變化很小。圖7顯示了閥桿與閥頸間隙對(duì)填料函底部溫度的影響。
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圖7 閥桿與閥頸間隙對(duì)填料函底部溫度的影響
模擬結(jié)果表明，當(dāng)間隙內(nèi)通過氣體的換熱處于純導(dǎo)熱加輻射傳熱時(shí)，由于氮?dú)獾膶?dǎo)熱系數(shù)小，在通過間隙的傳熱過程中，導(dǎo)熱所占傳熱量的份額很小，同時(shí)由于閥桿與閥頸間隙尺寸度較小，模擬取值的氮?dú)庀秾?duì)整體閥門的溫度分布影響很小。因此在進(jìn)行超低溫閥門的設(shè)計(jì)時(shí)，閥桿與閥頸間間隙在尺寸設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，間隙尺寸對(duì)填料函底部溫度的影響可以忽略不計(jì)。
3.2 閥頸厚度對(duì)填料函底部溫度的影響
當(dāng)閥頸與閥桿之間的間隙厚度和長(zhǎng)度保持不變時(shí)，圖3、圖8和圖9分別為4mm，6mm，8mm從圖中可以看出，當(dāng)閥頸厚度變厚時(shí)，填料函底部溫度分別為2744.59K，263.32K，259.35K。圖10顯示了閥頸厚度對(duì)填料函底部溫度的影響。
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圖8 閥頸厚度為6mm溫度分布
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圖9 閥頸厚度8mm時(shí)的溫度分布
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圖10 閥頸厚度對(duì)填料函底部溫度的影響
模擬結(jié)果表明，當(dāng)閥頸與閥桿之間的間隙厚度和長(zhǎng)度保持不變時(shí)，隨著閥頸厚度的增加，填度的增加而顯著降低。圖10顯示了閥頸厚度對(duì)填料函溫度的影響。模擬顯示，長(zhǎng)頸閥蓋閥頸厚度是影響填料函底部溫度的重要因素之一。在設(shè)計(jì)小直徑超低溫閥時(shí)，在滿足強(qiáng)度的前提下，盡可能降低閥頸厚度。
4 結(jié)論
使用有限元分析軟件ANSYS對(duì)DN15船用LNG超低溫球閥在開關(guān)狀態(tài)下進(jìn)行了建模和有限元分析。這兩種工作狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布。
(1)設(shè)計(jì)DN15船用超低溫球閥的尺寸可滿足填料函底部不凍結(jié)的現(xiàn)象。
(2)正在進(jìn)行中DN在設(shè)計(jì)船用超低溫閥時(shí)，當(dāng)閥頸長(zhǎng)度保持不變時(shí)，可降低閥頸厚度，提高填料函底部溫度。
（3）對(duì)于DN15船用超低溫球閥，閥頸厚度是影響填料函底部溫度的重要因素。隨著閥頸尺寸的增厚，填料函底部的溫度顯著降低。閥頸與閥桿之間的間隙對(duì)填料函底部的溫度影響不大。
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