加装积液融霜盘的长颈阀盖的设计方法及阀盖及阀门与流程

本发明涉及阀门领域，尤其涉及一种加装积液融霜盘的长颈阀盖的设计方法及阀盖及阀门。


背景技术：

低温阀门广泛应用石油化工、空气分离、天然气、制冷以及低温工程等领域中液氮(
‑
196℃)、液氢(
‑
253℃)、液氧(
‑
183℃)、液化天然气(
‑
162℃)等低温介质的在液化分馏、储存和运输环节的设备和管道中。附图1种展示了一种可用于上述管道及设备的低温阀门用的长颈阀盖组件，该种长颈阀盖主要包括长颈阀盖以及安装在长颈阀盖的积液融霜盘，参看附图1所示，长颈阀盖(1)中装有阀杆(2)，长颈阀盖(1)的填料函中装有填料(4)，填料(4)与长颈阀盖(1)的填料(4)函内壁和阀杆(2)的外表面接触。在螺母(8)和螺栓(7)的紧固力作用下，填料压板(6)压紧填料压套(5)，填料压套(5)压紧填料(4)，填料(4)发生横向变形，在长颈阀盖(1)的填料(4)函内壁和阀杆(2)的外表面形成足够的密封比压，防止低温介质从阀杆(2)的外表面和长颈阀盖(1)填料(4)函内壁泄漏。低温介质与长颈阀盖(1)和阀杆(2)接触，经热传导后长颈阀盖(1)和阀杆(2)发生热交换。当长颈阀盖(1)的长度较小时，长颈阀盖(1)的填料底部温度有可能低于0℃，当空气中的冷凝水进入到长颈阀盖(1)的填料(4)密封处，冷凝水就会在填料(4)处结冰，低温阀门在开启和关闭过程中，填料(4)就会划伤阀杆(2)，影响阀杆(2)的正常开关操作，造成密封失效，引起低温液态介质大量泄漏，甚至会产生失火和爆炸事故。在长颈阀盖(1)表面加装一片积液融霜盘(3)，防止长颈阀盖(1)表面的冷凝水进入保冷层，防止保温层和驱动结构结冰，降低冷量损失，缩短长颈阀盖(1)的长度，弥补由于长颈阀盖(1)长度较长而带来的安装、运输不便等缺点。当阀门温度场处于稳定状态，长颈阀盖(1)表面和积液融霜盘(3)与空气发生的自然对流换热；长颈阀盖(1)法兰下端面为低温介质温度t0，长颈阀盖(1)和阀杆(2)、长颈阀盖(1)和积液融霜盘(3)之间为二维热传导。螺栓(7)、螺母(8)、填料压套(5)、填料压板(6)、填料(4)及填料(4)以上的阀杆(2)部分是长颈阀盖(1)的扩展换热面，起到改变换热系数的作用，其当量换热系数可进行迭代计算。此外，长颈阀盖(1)与阀杆(2)之间的间隙很小且材料相同，间隙内低温介质的换热忽略不计。法兰下端面到填料函底部的长度为l，积液融霜盘(3)与长颈阀盖(1)法兰下端面的安装距离为l
b
。综上所述，为了保证低温阀门在使用时的安全，必须保证法兰下端面到填料函底部的长度(即l的长度)达到一定值，这样可以保证长颈阀盖(1)的填料底部温度不低于0℃，并且保证积液融霜盘(3)与长颈阀盖(1)法兰下端面的安装距离(即l
b
)达到一定值，确保积液融霜盘(3)上不会出现结冰现象，同时在满足填料底部不结冰、积液融霜盘不结冰的前提下


技术实现要素：

本发明针对上述问题，提出了一种加装积液融霜盘的长颈阀盖的设计方法及阀盖及阀门。本发明采取的技术方案如下：一种二维温度耦合的低温阀门加装积液融霜盘的长颈阀盖设计方法，设计的结构是由长颈阀盖中装有阀杆，长颈阀盖的填料函中装有填料，填料与长颈阀盖的填料函内壁和阀杆的外表面接触。法兰下端面到填料函底部的长度为l，积液融霜盘与长颈阀盖法兰下端面的安装距离为l
b
。本发明根据二维传热理论，结合长颈阀盖和积液融霜盘的物理模型，推导长颈阀盖和积液融霜盘的二维耦合导热微分方程，得出长颈阀盖和积液融霜盘的二维温度场函数，推导出长颈阀盖和积液融霜盘的结构长度与空气湿度的数学表达式，使填料底部的温度大于0℃，积液融霜盘免结冰，避免泄漏和火灾事故的发生，为低温阀门长颈阀盖加装积液融霜盘结构优化设计提供参考依据。进一步的，根据柱坐标下的fourier导热微分方程得长颈阀盖的导热微分方程为：边界条件为：式中：r为长颈阀盖中心至长颈阀盖任意截面的半径，r1为长颈阀盖的半径，λ为长颈阀盖的材料的导热系数，h∞为长颈阀盖表面与空气的自然对流换热系数，t∞为空气温度，θ
n
为长颈阀盖的无量纲过余温度场，l
n
为长颈阀盖的法兰下端面到填料底部的距离，h
d
为阀杆头部的当量换热系数。
6.进一步的，长颈阀盖1的过余温度场为：式中：j0为零阶的贝塞尔函数，t0为低温介质温度，z为长颈阀盖1中法兰底部至阀杆任意截面的距离，进一步的，长颈阀盖的与填料底部温度的数学表示为：
式中：，其中本征值式中：h
c
为长颈阀盖表面与空气的自然对流换热系数。进一步的，积液融霜盘的安装位置：式中：式中：在上述基础上，进一步利用上述方法设计并制造一种阀盖，使得填料底部的温度始终大于0℃，积液融霜盘处不会结冰，并且使得整个阀盖的整体长度尽可能地降低。在上述阀盖的基础上，进一步提供的一种使用上述阀盖的阀门。本发明的有益效果是：根据二维传热理论，推导出长颈阀盖和积液融霜盘的结构长度与空气湿度的数学表达式，使填料底部的温度大于0℃，积液融霜盘免结冰，并且使得整个长颈阀盖的长度尽可能地低。
附图说明：
图1是加装积液融霜盘的长颈阀盖的结构示意简图，图2是加装积液融霜盘的长颈阀盖温度场有限元计算结果图。
具体实施方式：
下面结合附图1，对本发明做详细描述。第一步长颈阀盖1的物理模型简化阀门温度场处于稳定状态，长颈阀盖1表面和积液融霜盘3与空气发生的自然对流换热；长颈阀盖2法兰下端面为介质温度t0，长颈阀盖1和阀杆2、长颈阀盖1和积液融霜盘3之间换热为热传导。螺栓7、螺母8、填料压套5、填料压板6、填料4及的填料4以上的阀杆2部分是长颈阀盖1的扩展换热面，起到改变换热系数的作用，其当量换热系数可进行迭代计算。此外，长颈阀盖2与阀杆2之间的间隙很小且材料相同，间隙内低温介质的换热忽略不计。法兰下端面到填料函底部的长度为l，积液融霜盘3与长颈阀盖2法兰下端面的安装距离为l
b
。本发明根据二维传热理论，结合长颈阀盖1和积液融霜盘3的物理模型，推导长颈阀盖1和积液融霜盘3的导热微分方程，得出长颈阀盖1和积液融霜盘3的温度场函数和，推导出加装积液融霜盘3的长颈阀盖结构长度与空气湿度的数学表达式，使填料1底部的温度大于
0℃，积液融霜盘3免结冰，防止划伤阀杆，避免泄漏和火灾事故的发生，为低温阀门长颈阀盖结构优化设计提供参考依据。第二步 数学模型的建立长颈阀盖1、阀杆2和积液融霜盘间3主要是通过二维热传导进行热量传递，长颈阀盖1及积液融霜盘3表面与空气通过自然对流进行热量传递，对于稳态导热，引入无量纲过余温度：根据无内热源的圆柱坐标系下的fourier导热微分方程，得到长颈阀盖1的二维稳态导热微分方程为第三步 长颈阀盖1过余温度场的计算根据物理模型，建立方程(3.29)的边界条件为，引入无量纲过余温度和边界条件：采用分离变量的方法，令：θ(r,z)＝r(r)z(z)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)由bessel函数的递推公式：根据线性叠加原理，得到长颈阀盖1过余温度场为：因此，第三类边界条件，得到装有积液融霜盘3的长颈阀盖1过余温度场为：第四步 温度场函数的简化及方程本征值的确定为了确定加装积液融霜盘3的长颈阀盖1的最小长度，当bi<0时，无穷级数可以近似取第一项，则式(7)可以简化成为：
贝塞尔方程在第三类边界条件下的本征值为：则加装积液融霜盘3的长颈阀盖1的过余温度场为：第五步长颈阀盖3长度分析计算为了防止填料4函结冰，要保证填料4函温度不小于0℃，即当z＝l，r＝r1，t＝273k时，将代入式(11)得：令作变量替换，)得：满足填料4函温度为0℃时，长颈阀盖1最小长度为：式中：第六步，积液融霜盘3的安装位置积液融霜盘3表面结露后，冷凝水会流入保冷层，加快保冷层的腐蚀和破坏，因此，为了保证积液融霜盘3表面不结露，要求积液融霜盘3表面的温度高于空气中水蒸气的露点温度。需保证积液融霜盘3的基部温度与空气中水蒸气的露点温度t
l
相等即可，即当z＝l
b
，r＝r1，t＝t
l
时，令作变量替换，解式(13)得：
得到满足积液融霜盘3表面不结露条件时，积液融霜盘3在阀盖上的安装位置为：式中：式中：本实施方式中公开了一种二维温度耦合的低温阀门加装积液融霜盘3的长颈阀盖1设计方法，结构是由长颈阀盖1中装有阀杆2，长颈阀盖1的填料函中装有填料4，填料4与长颈阀盖1的填料4函内壁和阀杆2的外表面接触。在螺母8和螺栓7的紧固力作用下，填料压板6压紧填料压套5，填料压套5压紧填料4，填料4发生横向变形，在长颈阀盖1填料函4内壁和阀杆2的外表面形成足够的密封比压，防止低温介质从阀杆2的外表面和长颈阀盖1填料4函内壁泄漏。低温介质与长颈阀盖1和阀杆2接触，低温介质和长颈阀盖1和阀杆2发生热交换，使填料4底部温度大于0℃。在长颈阀盖1表面加装一片积液融霜盘3，防止长颈阀盖1表面的冷凝水进入保冷层降低冷量损失，缩短长颈阀盖1的长度，弥补由于长颈阀盖1长度较长而带来的安装、运输不便等缺点。本发明根据二维传热理论，结合长颈阀盖1和积液融霜盘3的物理模型，推导长颈阀盖1和积液融霜盘3的二维耦合导热微分方程，得出长颈阀盖1和积液融霜盘3的二维温度场函数，推导出长颈阀盖1和积液融霜盘3的结构长度长度与空气湿度的数学表达式，使填料1底部的温度大于0℃，积液融霜盘3免结冰，避免泄漏和火灾事故的发生，为低温阀门长颈阀盖1加装积液融霜盘3结构优化设计提供参考依据。以nps6
″
的低温截止阀为例，分析计算加装积液融霜盘的阀盖最小结构长度。阀盖、积液融霜盘的材料为astm cf8，导热系数为λ＝14.8w/(m
·
k)，阀盖半径r1＝0.0435m，积液融霜盘半径r2＝0.1145m、厚度δ＝0.006m、安装数量n＝1，介质液氮的工作温度为t0＝77k，环境温度取t
∞
＝303k，对流换热系数h
∞
＝10w/(m2·
k)，h
d
＝21w/(m2·
k)。(1)积液融霜盘3的温度场为：θ(r)＝
‑
12.11i0(15.01r)
‑
72.32k0(15.01r)(2))加装积液融霜盘3的长颈阀盖1的长度l
n
为：其中本征值为：
(3)加装积液融霜盘3的长颈阀盖1和填料4底部温度场有限元分析低温截止阀加装积液融霜盘3的长颈阀盖1的最小长度l＝441mm，阀门内部温度为
‑
196℃且处于开启状态，加装积液融霜盘3的长颈阀盖1以上部分置于在空气中，加装积液融霜盘3的长颈阀盖1和阀杆2部分与空气自然对流换热，空气温度为30℃,自然对流换热系数为10w/(m2·
k)。通过有限元分析计算，阀门的填料4底部温度如图2所示，填料4底部温度t
f
＝3.66℃，大于0℃。(4)加装积液融霜盘3的长颈阀盖1的缩短量为：δl＝l
n
‑
l＝0.066m＝66mm根据bs6364《低温阀门》标准，nps6
″
低温截止阀冷箱用长颈阀盖最小长度为700mm。本发明的方法计算的长颈阀盖长度为441mm，加上阀体中心线到加装积液融霜盘3的长颈阀盖1下表面的长度为185mm，实际加装积液融霜盘3的长颈阀盖1长度为626mm，比bs6364《低温阀门》标准规定的nps6
″
低温截止阀冷箱用长颈阀盖最小长度减小了为74mm。一种阀盖采用上述的设计方法设计制造。一种阀门，包括采用上述设计方法设计制造的阀门。以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。