整體式高溫上閥蓋散熱分析

徐 健，蔣永兵，陳 堯，馮 浩，廖 靜

(重慶川儀調節閥有限公司，重慶 400707)

0 引言

在應對高溫工況時，通常采用增加閥門上閥蓋高度的方式以降低填料函和執行機構處的溫度。這種伸長型高溫上閥蓋通常為焊接分段式。整體式高溫上閥蓋則是在鍛件或棒料上采用特殊刀具直接加工出自帶散熱板結構型式的上閥蓋。

與傳統伸長型高溫上閥蓋相比，整體式高溫上閥蓋加工工序簡單，無需焊接，既避免了焊接可能產生的缺陷，也避免了上閥蓋材質特殊時焊條價格較為昂貴等問題。此外，整體式高溫上閥蓋因散熱效果較好，無需過度增加上閥蓋高度，可大大降低成本，同時也能減少執行機構帶給閥體的傾覆力矩[1]。

1 整體式高溫上閥蓋模型建立

1.1 模型簡化

整體式高溫上閥蓋裝配如圖1所示。考慮到執行機構的溫度與支架有密切關聯，而填料函底部的溫度僅與整體式高溫上閥蓋有關，本文以填料函底部溫度作為評定整體式高溫上閥蓋散熱效果的指標；考慮到高溫上閥蓋結構的高度對稱性，仿真分析時采用1/2模型；因忽略熱輻射的影響，故在仿真分析時，采取底端施加介質的溫度載荷替代閥門部件對上閥蓋的散熱影響。

圖1 整體式高溫上閥蓋裝配示意圖

仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真模型示意圖

1.2 網格無關性驗證

在模型的網格劃分過程中，采用自適應網格和局部網格控制技術劃分網格，并進行網格無關性驗證，如表1所示。最終選擇上閥蓋劃分網格單元12 635個。網格劃分如圖3所示。

表1 網格無關性驗證

圖3 網格劃分圖

1.3 模型參數確定

介質為525 ℃的高溫工藝氣，高溫閥門選用DN100 Class150上。閥蓋材質為Incoloy800。該材質具有長期使用的抗高溫腐蝕性和良好的加工性。閥桿材質為Inconel718。該材質在高溫條件下具有很高的機械性能。考慮到上閥蓋與閥桿之間的介質流動性極差，可視為介質僅發生熱傳導[2]，材料物理性能[3]如表2所示。仿真分析中，上閥蓋底部與介質接觸處施加恒定溫度525 ℃、對流換熱系數11.63 W/(m2·℃)，環境溫度取20 ℃[4]。

表2 材料物理性能

2 整體式高溫上閥蓋散熱理論

2.1 散熱板傳熱理論

因整體式高溫上閥蓋散熱板厚度較小，忽略厚度方向的溫度梯度，其傳熱方式與低溫閥滴水盤傳熱方式相似。散熱板的傳熱方式包括徑向的熱傳導和表面與空氣的自然對流換熱。對于穩態傳熱，根據能量守恒，對散熱板進行環向微元體分析，得到傳熱微分方程[2]：

(1)

式中：r為散熱板直徑；δ為散熱板厚度；λ為導熱系數；t為散熱板表面溫度；t0為空氣溫度；h為對流換熱系數。

2.2 有限元穩態傳熱方程

有限元穩態傳熱方程為：

KT=Q

(2)

式中：K為含有導熱系數、對流換熱系數、輻射率、形狀系數的傳導系數矩陣；T為含有所有節點溫度的列矩陣；Q為含有所有節點熱流率的列矩陣。

上述矩陣均采用ANSYS Workbench，根據模型幾何參數、材料熱力學參數以及邊界條件來生成[5]。

3 整體式高溫上閥蓋散熱仿真分析

3.1 介質對閥桿與上閥蓋間隙的散熱影響

一方面，介質為高溫氣體時，導熱系數會非常小；另一方面，閥桿和上閥蓋之間的間隙較小，介質流動性較差。在不考慮介質相變的前提下，介質僅以熱傳導的方式在閥桿和上閥蓋之間進行換熱[6]。本實例中，上閥蓋與閥桿之間的間隙為單邊1.5 mm。有、無間隙的溫度分布如圖4所示。

圖4 有、無間隙的溫度分布圖

介質層的徑向熱傳導如圖5所示。

圖5 介質層的徑向熱傳導圖

由圖4可知：有間隙介質時，上閥蓋填料函處最高溫度為96.608 ℃；無間隙介質時，上閥蓋填料函處最高溫度為111.76 ℃，與有間隙介質的結果相差15.7%。由圖5可知，即便介質層僅有1.5 mm，但從與閥桿接觸的232.75 ℃到與上閥蓋接觸的96.61 ℃可看出，介質與閥桿、上閥蓋之間的熱傳導進行得相當劇烈。這從側面驗證了：對于高溫氣體介質的溫度傳熱仿真分析，應充分考慮間隙的熱傳導對溫度結果的影響[7-8]。

3.2 整體式高溫上閥蓋的散熱效果

伸長型上閥蓋溫度分布如圖6所示。

圖6 伸長型上閥蓋溫度分布圖

整體式高溫上閥蓋采用特殊刀具，在鍛件或棒料上加工出自帶散熱板結構。該結構型式既受到特殊刀具最大加工溝槽尺寸的影響，又受到上閥蓋所需鍛件或棒料規格的限制。通過仿真分析，要達到相同的溫度效果，所需伸長型上閥蓋高度為380 mm[9]。

由圖4與圖6可知，整體式高溫上閥蓋在高度為235 mm時，填料函底部最高溫度為96.608 ℃；伸長型高溫上閥蓋在高度為380 mm時，填料函底部最高溫度為94.729 ℃。兩種情況所能確保的填料函底部溫度相當，但整體式高溫上閥蓋在高度上卻能降低38.2%，效果顯著。

3.3 整體式高溫上閥蓋散熱影響因子分析

影響整體式高溫上閥蓋散熱的因素較多，散熱板直徑深度、散熱板數量和散熱板間距等因素都會影響溫度分布。本實例中，刀具所能加工的最大散熱板直徑深度為29 mm、散熱板間距最小為3 mm，不影響上閥蓋螺栓安裝的散熱板數量最多為7塊。采用正交分析方法，研究了散熱板直徑深度、散熱板數量和散熱板間距這3個因素對整體式上閥蓋的散熱影響。4因素3水平的正交分析[10]如表3所示。

表3 4因素3水平的正交分析表

表3中：A為散熱板數量，塊，取值分別為A1=7、A2=5、A3=3;B為散熱板直徑深度，mm，取值分別為B1=29、B2=25、B3=21;C為散熱板間距，mm，取值分別為C1=29、C2=25、C3=21。

正交分析中，影響因子平均水平為：

同理可得RC=9.50。

由各影響因子平均水平可知：散熱板數量越多，散熱板直徑越大，散熱板間距越大，越有利于散熱；由各影響因子的極差RA>RB>RC可知，對于整體式高溫上閥蓋而言，散熱板數量是其散熱的最大影響因子。

4 結論

采用ANSYS Workbench對整體式高溫上閥蓋進行了溫度分布仿真模擬，并結合正交分析方法對影響整體式高溫上閥蓋的因素進行了研究分析，得到如下結論。

①整體式高溫上閥蓋結構散熱效果顯著，建議大量推廣到實際應用中。

②介質為高溫氣體時，應考慮閥桿與上閥蓋之間介質的熱傳導作用。

③整體式高溫上閥蓋散熱板的數量為最大的散熱效果影響因子。在實際設計中，可適當增加高度、保證散熱板數量以達到散熱需求。