超低溫閥門的辦公溫度極低（77K），因為這個在預(yù)設(shè)這類閥門時，除開應(yīng)遵循普通閥門的預(yù)設(shè)原則外，還有一點特別的要求。那里面關(guān)緊的一點兒就是要求閥門的結(jié)構(gòu)保障填料處于0℃以上的溫度背景下辦公，例如認為合適而使用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)，使填料函離低溫媒介盡力遠些，起到盡力照顧填料函的功能。

  填料函的嚴密封閉性是低溫閥的關(guān)鍵之一。該處如有泄露，將導(dǎo)致填料與閥桿處上凍，影響閥桿的正常操作，同時也會因閥桿上下移動而將填料劃傷，引動嚴重泄露。

  一種新式閥門的研發(fā)從預(yù)設(shè)、制造、加工裝配不止需求耗費數(shù)量多的人的勞力、物力以及資力，有時候，預(yù)設(shè)出的新式閥門不可以保障預(yù)先期待的性能指標，因為這個近年來，閥門的虛擬預(yù)設(shè)與仿真是閥門預(yù)設(shè)的一種關(guān)緊的形式，可對產(chǎn)品的性能給出開始階段的的名聲，浙江大學(xué)的金滔 ，中國科學(xué)校等離子體物理研討所的丁小東作別對低溫截至閥和低溫調(diào)節(jié)閥施行了低溫嘗試下的動態(tài)剖析和穩(wěn)態(tài)剖析，提出了經(jīng)過在氮氣背景里添加礦棉保暖材料來增長填料函的溫度。本文認為合適而使用ANSYS有限元剖析軟件作為建模和剖析平臺對通徑為DN15的LNG船用超低球閥門施行熱能功剖析，因此分辨斷定所預(yù)設(shè)的閥門第閥閱頸長度是否合理，況且研討了卻構(gòu)因素對填料函溫度的影響。

  1 板型

  1.1 板型的樹立和有限元網(wǎng)格區(qū)分清楚

  預(yù)設(shè)的超低溫閥門為DN15超低溫球閥。超低溫球閥所用的主體材料為316L奧氏體不銹鋼，低溫媒介為1MPa的液氮，表1，表2作別為不銹鋼材料以及氮的物性參變量隨溫度的變動。因為閥門呈核心面臨稱，因為這個取其對稱的二分之一施行建模，認為合適而使用熱剖析單元SOLID87施行網(wǎng)格區(qū)分清楚。圖1，圖2為DN15超低溫球閥開啟和關(guān)閉時簡化后的板型。

  表1 不銹鋼物性參變量

  表2 氮的物性參變量（1MPa）

  圖1 開啟狀況時的網(wǎng)格區(qū)分清楚

  1.閥頸 2.閥桿 3.閥體

  圖2 關(guān)閉狀況時的網(wǎng)格

  1.2 算術(shù)板型

  因為材料的物性是隨溫度變動的，且思索問題到輻射導(dǎo)熱，因為這個該熱剖析歸屬非線性熱剖析。

  閥門在管路中敞開以及關(guān)閉摹擬的是穩(wěn)態(tài)剖析，因為這個穩(wěn)態(tài)熱剖析的扼制方程為：

  相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)非線性均衡方程為：

  方程可以等效為：

  式中：

  ［Qnr］為內(nèi)里節(jié)點暖流向量，由計算單元暖流得出，［Qa］為負荷引動的節(jié)點暖流向量。

  起初條件下，內(nèi)里節(jié)點暖流不等給予的節(jié)點負荷。不公平衡暖流向量是兩個向量的差值：

  求解過程中運用牛頓－拉夫森辦法，具體步驟如下所述：

  （1）求解系統(tǒng)方程的增量方式

  （2）更新節(jié)點溫度。

  （3）由單元暖流計算內(nèi)里節(jié)點暖流效率。

  （4）計算收斂最后結(jié)果與收斂準側(cè)比較。

  （5）迭代。

  2 管路開啟與關(guān)閉工況下的穩(wěn)態(tài)溫度計算

  2.1 邊界條件

  閥門外外表按對流換熱條件和輻射換熱條件設(shè)定，閥門外背景溫度為298K，對流換熱系數(shù)取10［W/（m2?K）］。Stenfan-Bolzman常數(shù)為5.6710－8。對稱面取絕熱邊界條件。因為閥門辦公溫度很低，牢穩(wěn)時，閥門流道里外表溫度靠近媒介溫度，閥門流道里外表溫度設(shè)定為77K。

  2.2 論斷剖析

  在管路中閥門開啟與關(guān)閉時，閥頸的長度要求能夠滿意填料函不凍結(jié)的要求，在設(shè)定的邊界條件下經(jīng)過變更閥頸的長度獲得與之相對應(yīng)的填料函底部溫度。圖3是超低溫球閥在管路中開啟狀態(tài)下的溫度散布，填料函底部的溫度為274.59K，圖4是超低溫球閥在管路中關(guān)閉狀態(tài)下的溫度散布，填料函底部的溫度為275.89K。

  圖3 開啟狀況時的溫度散布圖

  圖4 關(guān)閉狀況時的溫度散布

  3 超低溫閥門結(jié)構(gòu)尺寸對填料函底部溫度的影響

  超低溫閥門在運用過程中，閥門通道內(nèi)處于冷端溫度下（77K），閥體外外表與背景空氣施行天然對流換熱，冷量一小批從徑向傳交到外部背景中，一小批軸向傳交到閥桿的頂部。因為閥門各零件的接觸沒可能達到絕對嚴密封閉，閥門流道里有一小局部的媒介會液體變氣體，要得閥桿與閥體空隙處飽含了氣體，閥桿與閥體內(nèi)壁纏綿在溫差，不止萌生熱輻射，也有可能造成空隙內(nèi)的氣體萌生天然對流，加強了徑向的卡路里傳交。再者，閥頸厚度的變更，也會填料函底部的溫度萌生影響。因船用閥門為這個在超低溫閥門的預(yù)設(shè)過程中要思索問題閥頸厚度和閥頸與閥桿之間的空隙對超低溫閥門溫度場的影響。

  3.1 閥桿與閥頸空隙尺寸對填料函底部溫度的影響

  3.1.1 流場剖析

  本板型將閥頸與閥桿之間的內(nèi)里當(dāng)做是豎直閉合夾層的天然對流換熱，夾層內(nèi)流體的流動，主要決定于于以夾層厚度為特點標志長度的Gr數(shù)。

  當(dāng)Gr極低時換熱有賴純熱傳導(dǎo)。隨著Gr的增長，會順次顯露出來向?qū)恿魈攸c標志過度的流動（環(huán)流）、層流特點標志的流動、湍流特點標志的流動。

  定性溫度為：

  在豎直夾層，經(jīng)過夾層的換卡路里應(yīng)是熱傳導(dǎo)和輻射換熱兩者之和。當(dāng)Gr≤2860時，夾層中通過氣體媒介的卡路里傳交主要為純熱傳導(dǎo)和輻射換熱兩者之和，在夾層中氣體媒介卡路里傳交處于純熱傳導(dǎo)狀況時，因為氣體的熱傳導(dǎo)熱阻非常大，其卡路里傳交量較小，當(dāng)夾層壁面間溫差較鐘頭，輻射傳卡路里也小，傳卡路里可以疏忽；當(dāng)夾層壁面間溫差稍大，所引動的輻射換熱增加，輻射傳卡路里就不可以疏忽。當(dāng)Gr>2860時，夾層中通過氣體媒介的卡路里傳交就不是熱輻射加純熱傳導(dǎo)過程，會顯露出來天然對流，純熱傳導(dǎo)就變更為對流換熱，熱傳交量大大增加。利用上面所說的公式理論計算出，在尺寸預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，Gr≤2860，因為這個，夾層中通過氣體媒介的卡路里傳交主要為純熱傳導(dǎo)和輻射換熱兩者之和。

  3.1.2溫度場剖析

  當(dāng)閥頸厚度，閥頸長度未變時，圖3，圖5，圖6作別是閥桿與閥頸之間的空隙有1mm，3mm，5mm的閥門溫度散布圖。

  圖5 空隙為3mm時的溫度散布

  圖6 空隙為5mm時的溫度散布

  從圖中最后結(jié)果可以看出，當(dāng)閥桿與閥頸之間的空隙尺寸變厚時，填料函底部的溫度減低，溫度作別為274.59K，273.84K，272.52K，不過數(shù)字變動細小。圖7所示為閥桿與閥頸空隙對填料函底部的溫度的影響。

  圖7 閥桿與閥頸空隙對填料函底部的溫度的影響

  摹擬最后結(jié)果表明，當(dāng)空隙內(nèi)經(jīng)過氣體的換熱處于純熱傳導(dǎo)不銹鋼閥門加輻射導(dǎo)熱時，因為氮氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)小，在經(jīng)過空隙的導(dǎo)熱過程中，熱傳導(dǎo)所占傳卡路里的份額細小，同時因為閥桿與閥頸空隙尺寸度較小，摹擬取值的氮氣隙對群體閥門的溫度散布影響細小。因為這個在施行超低溫閥門的預(yù)設(shè)時，閥桿與閥頸間空隙在尺寸預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)，空隙尺寸對填料函底部溫度的影響可以疏忽不計較。

  3.2 閥頸的厚度對填料函底部溫度的影響

  當(dāng)閥頸與閥桿之間的空隙厚度和閥頸長度未變時，圖3，圖8，圖9作別是閥頸的厚度有4mm，6mm，8mm的閥門溫度散布圖，從圖中最后結(jié)果可以看出，當(dāng)閥頸厚度變厚時，填料函底部的溫度表面化減低，溫度作別為274.59K，263.32K，259.35K。圖10所示為閥頸厚度對填料函底部的溫度的影響。

  圖8 閥頸頸部厚度為6mm時的溫度散布

  圖9 閥頸頸部厚度為8mm時的溫度散布

  圖10 閥頸厚度對填料函底部的溫度的影響

  摹擬最后結(jié)果表明，當(dāng)閥頸與閥桿之間的空隙厚度和閥頸長度未變時，隨閥頸厚度增加，填料函處的溫度有較表面化減退。圖10為閥頸厚度對填料函的溫度的影響。摹擬揭示了長頸閥蓋閥頸厚度是影響填料函底部溫度的關(guān)緊因素之一，施行小口徑的超低溫閥門的預(yù)設(shè)時，在滿意強度的前提下盡有可能減小閥頸的厚度。

  4 論斷

  使用有限元剖析軟件ANSYS對DN15船用LNG超低溫球閥施行了開啟和關(guān)閉狀況下的建模和有限元剖析。得出了這兩種辦公狀況下的穩(wěn)態(tài)溫度場散布。

  （1）預(yù)設(shè)的DN15船用超低溫球閥的尺寸，在超低溫球閥開啟和關(guān)閉狀況下，均能滿意填料函底部不凍結(jié)現(xiàn)象。

  （2）在施行DN15船用超低溫閥門的預(yù)設(shè)時，當(dāng)閥頸長度未變時在保障閥門強度的條件下可減損閥頸的厚度，增長填料函底部的溫度。

  （3）對于DN15船用超低溫球閥，閥頸的厚度是影響填料函底部溫度的關(guān)緊影響因素，隨著閥頸尺寸變厚，填料函底部的溫度表面化減退。閥頸與閥桿之間的空隙對填料函底部的溫度影響細小。