低温阀门长颈阀盖的设计方法及长颈阀盖及低温阀门

技术领域

本发明涉及阀门设计领域，尤其涉及一种低温阀门长颈阀盖的设计方法及长颈阀盖及低温阀门。

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，包括液氮(-196℃)，液氢(-253℃)，液氧(-183℃)，液化天然气(-162℃)等，这些物质在液化分馏、储存和运输的各个环节都需要大量的低温阀门。闸阀、截止阀、球阀和蝶阀等的低温阀门开启和关闭都利用阀杆的运动实现，阀盖与阀杆的密封通常采用填料密封。低温阀门为了避免填料底部工作温度低于0℃，其阀盖的长度比常温阀门要长，即在设计时常采用长颈阀盖。在低温阀现有的设计方法中，长颈阀盖最小长度都采用BS6364《低温阀门》标准、MESC SPE77/200《低温介质下的阀门规范》、ISO 28921-1《工业阀门低温用隔离阀第1部分:设计、制造和产品试验》等相关标准规定的数值，缺乏理论依据。如果低温阀门使用环境不同、设计参数发生变化时，按照相关标准规定设计的长颈阀盖，当空气中的冷凝水进入到填料密封处，填料底部的工作温度有可能低于0℃，填料处会结冰，阀杆与密封填料发生上下或旋转的相对运动，填料就会划伤阀杆，这样不但影响阀杆正常的开关操作，造成密封失效，引起低温液态介质大量泄露，甚至会产生失火和爆炸事故。

如附图1种所示，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(3)，填料(3)与长颈阀盖(1)的填料函内壁和阀杆(2)的外表面接触。在螺母(7)和螺栓(6)的紧固力作用下，填料压板(5)压紧填料压套(4)，填料压套(4)压紧填料(3)，填料(3)发生横向变形，在阀盖(1)填料函内壁和阀杆(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，低温介质经热传导后和长颈阀盖(1)和阀杆(2)发生热交换。当长颈阀盖(1)的长度较小时，经与低温介质进行热交换后，长颈阀盖(1)的填料(3)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(3)密封处，冷凝水就会在填料(3)处结冰，阀杆(2)与密封填料(3)发生上下或旋转的相对运动，填料(3)就会划伤阀杆(2)，会影响阀杆(2)正常的开关操作，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。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种低温阀门长颈阀盖的设计方法。

本发明实施的目的在于克服上述低温阀门的长颈阀盖存在的问题，提供一种正交性待定系数法设计的低温阀门长颈阀盖长度设计方法，以实现低温阀门安全和可靠地使用。

本发明采取的技术方案如下：

根据柱坐标下的Fourier导热微分方程得长颈阀盖的低温保冷导热微分方程为：

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，r

进一步的，长颈阀盖1的过余温度场为：

式中：J

进一步的，长颈阀盖的与填料底部温度的数学表示为：

式中：

式中：hc为长颈阀盖表面与空气的自然对流换热系数。

基于上述设计方法，进一步提供一种长颈阀盖，该长颈阀盖采用上述设计方法进行设计并制造。并且进一步提供一种低温阀门，包括上述的长颈阀盖。

本发明的有益效果是：推导长颈阀盖的低温保冷导热微分方程，采用正交验证阀得出长颈阀盖的温度场函数，推导出一种正交性待定系数法设计低温阀门长颈阀盖长度与填料函底温度的数学表达式，使填料底部的温度大于0℃，能够防止填料划伤阀杆，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。

附图说明：

图1是长颈阀盖上各部件的安装结构示意简图，

图2是长颈阀盖的阀门温度场有限元计算结果图。

具体实施方式：

下面结合各附图，对本发明做详细描述。

第一步 长颈阀盖1物理模型的简化

阀杆2和长颈阀盖1的传热方式为热传导；把L长度处阀杆2与长颈阀盖1看成一个整体，它与环境的传热方式为对流换热，对流换热系数为定值h

第二步 数学模型的建立

长颈阀盖1、阀杆2主要是通过热传导进行热量传递，长颈阀盖1表面与空气通过自然对流进行热量传递，对于稳态导热

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

采用分离变量线性叠加法，得到：

将偏微分方程(2)分离成两个常微分方程：

依据边界条件，方程(4)为零阶贝塞尔方程，其通解为：

R(r)＝C

式中：J

N

根据Bessel函数的递推公式：

则方程(2)解的通式为：

根据线性叠加原理，得到过余温度场为：

根据正交归一性，根据Bessel函数积分的性质，得到长颈阀盖1过余温度场为：

第四步 温度场函数的简化及方程本构特征值的确定

当Bi＜0时，无穷级数可以近似取第一项，则长颈阀盖1过余温度场为：

根据第三类边界条件，贝塞尔方程在第三类边界条件下的本征值为：

得简化后的阀盖过余温度场为：

第五步 长颈阀盖1长度分析计算

为了防止填料3函结冰，要保证填料3函温度不小于0℃，即当z＝L，r＝r

移项整理得：

令

满足填料3函温度为0℃时，长颈阀盖1最小长度为：

本发明的有益效果是：

对比本发明方法推导长颈阀盖1合理的导热微分方程，得出长颈阀盖1的温度场函数，推导出一种正交性待定系数法设计的低温阀门长颈阀盖长度1与填料3函底温度的数学表达式，使填料3底部的温度位1.7588℃，大于0℃。能够防止划伤阀杆3，避免泄漏和火灾事故的发生，为低温阀门长颈阀盖1结构优化设计提供参考依据。

以NPS4″的低温球阀为例，按照本发明的方法计算填料3底部温度为0℃的长颈阀盖1的长度。长颈阀盖1的材料为ASTM CF8，导热系数为λ＝14.8W/(m·K)，长颈阀盖1的半径r

(1)长颈阀盖1的长度L

其中本征值为：

(2)长颈阀盖1和填料3底部温度场有限元分析

低温球阀长颈阀盖1的最小长度L＝342mm，阀门内部温度为-196℃且处于开启状态，长颈阀盖1以上部分置于在空气中，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/(m

(3)长颈阀盖1的缩短量为：

ΔL＝L

根据BS6364《低温阀门》标准，NPS4″低温球阀冷箱用长颈阀盖填料底部到阀体流道中心线的最小长度为700mm。本发明的方法计算的长颈阀盖1长度为342mm，加上阀体流道中心线到长颈阀盖1下表面的长度为136mm，实际长颈阀盖1的长度为478mm，比BS6364《低温阀门》标准规定的NPS4″低温球冷箱用最小长度减小了为222mm。

一种长颈阀盖，如附图1所示，采取上述的设计方法设计并且制造。

一种低温阀门，包括如附图1所示的长颈阀盖。

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。