造纸厂蒸煮锅锅盖阀的设计与仿真分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州理工大学能源与动力工程学院 作者:杨国来

  造纸厂蒸煮锅锅盖阀采用普通球阀,如果阀座的2个密封面不能同时良好接触,就会导致泄漏大、寿命短等缺陷。为此研制出一种新型的单阀座球阀,当阀口切断时,由于阀出口侧介质压力直接作用在球面上,使得密封效果随着出口压力的增加而提高。本文重点介绍了锅盖阀单阀座结构创新性设计及内流道CFD数值模拟,结果表明,这种新型结构的锅盖阀在实际应用中有非常好的的效果。

  随着国民经济的高速发展,我国造纸业步入快速增长期,已成为我国重要的产业部门,对阀门的要求也在逐年提高。

  造纸厂蒸煮锅进料球阀是制浆造纸装置的重要部件之一,设置在蒸煮锅顶部,专门用于控制物料装填工序,是蒸煮锅完成进料后,进料球阀关闭,并能够在高压情况下达到良好密封的一种特殊球阀,该球阀在造纸行业中通常称之为“锅盖阀”。该阀进料口通过气体量大,介质通常是造纸的固体物料、废渣、废浆,阀关闭后,随着锅内的蒸煮温度和压力逐渐升高,阀的出口侧要承受很高的压力。这种阀目前没有技术标准,需要根据客户的工艺参数要求量身定制,该阀目前全部靠国外进口,价格昂贵。为此,浙江力诺阀门研发出了一种新产品,同时还取得了实用新型专利,填补了国内空白。锅盖阀主要由左阀体、右阀体、球体、阀杆和阀座等零部件构成,如图1所示。

1、结构与原理

  1.1、单浮动阀座

  锅盖阀通过的介质一般是固体废渣或废浆,这对阀座会造成磨损,故采用金属硬密封设计,阀座表面堆焊硬质合金,增强耐磨性,且堆焊应尽量靠近阀座外径。同时,金属硬密封能在阀起闭时对纤维物料起剪切作用,保证密封面和阀内的清洁,提高了可靠性与使用寿命。

蒸煮锅进料球阀

图1 蒸煮锅进料球阀

  采用单浮动阀座设计(见图2),阀座只设在进口侧,阀座背面处设计了碟形预紧弹簧,使阀座始终与阀芯紧密接触,在低压的时候也可以达到密封要求。

阀座结构

图2 阀座结构

  锅盖阀是起闭频率比较高的元件,为提高阀芯与阀座的耐磨性,阀芯表面镀硬铬。起闭过程中,阀芯球面上的2个密封面可轮流使用,延长了密封面使用寿命。为了防止蒸煮锅内高压介质从浮动阀座与阀体间隙处泄漏,引发安全事故,在碟形弹簧外侧设有2道O形密封圈,提高了阀座的密封性能。

  锅盖阀工作时,其出口处压力因受到锅内压力作用,远高于进口处压力,阀座与阀芯始终处于紧密接触状态,获得了所需要的密封比压,从而达到良好密封。蒸煮锅内压力越高,密封效果越好。

  1.2、半轴承设计

  新型锅盖阀的设计中采用2个半轴承来支承阀芯,这2个半轴承都安装在上阀杆和下阀杆靠近出口的一侧。当锅盖阀开起时,上下阀杆与半轴承接触,阀芯能够在小偏心的情况下灵活地起闭。当锅盖阀全关工作时,阀杆不受半轴承的制约,阀芯在介质的压力下紧贴浮动阀座,压力越高,阀座与阀芯密封比压越大,密封效果越好,安全系数越高。蒸煮锅停止蒸煮后,锅内压力下降,阀杆又能够与半轴承接触。新型半轴承结构的采用使锅盖阀能够适应更多高温、高压的环境。

  1.3、安全联锁装置

  锅盖阀通常工作在高压状态,为了防止蒸煮锅阀门在这种情况下误动作而造成事故,特设置安全联锁装置(见图3)。在盲法兰上装有压力传感器,传感器与执行器相连,当锅内压力高于设定的安全开起压力时,压力传感器传送锁定控制信号,使阀处于关闭状态。当蒸煮完成且物料排放完,锅内压力低于安全开起设定压力时,阀门执行器才可以动作,避免了锅内压力泄漏而产生的危险。

蒸煮锅物料进口阀外观图

图3 蒸煮锅物料进口阀外观图

2、阀体内腔CFD优化设计

  蒸煮锅在进料过程中会有物料从锅盖阀没有阀座的一侧进入阀腔,如果阀腔容积太小,介质就会磨损阀芯表面,降低使用寿命;容积太大又会导致阀体体积过大,需要适当增大阀体内腔。在内腔与流道过渡处采用大圆弧顺滑圆角(见图3b),阀腔与蒸煮锅之间没有障碍,可以使进入阀腔的物料顺畅流入蒸煮锅,内腔不易滞留物料,从而不会产生阀门起闭阻滞。通过CFD数值模拟的方法来模拟锅盖阀的内部流场,优化内部结构。

  2.1、流道建模与网格划分

  计算模型采用如图1所示的锅盖阀,通过三维建模软件UG建立锅盖阀简化结构。进行仿真分析前,要对流体部分进行网格划分,通过布尔运算得到锅盖阀在全开状态时的三维流道图,并保存成。step格式。通过ICEM进行网格划分,计算得出网格数为80万格。

  2.2、Fluent采用的设置

  将.msh文件导入Fluent,设置后进行计算。湍流模型采用标准的κ-ε模型,离散方程的求解方法采用非结构网格上的SIMPLE算法,速度压力场采用隐式的全场迭代解法,边界条件规定速度进口与压力出口。设定好上述求解控制方程后,即可求解阀芯全开状态的模型。

  2.3、仿真结果分析

  由于阀芯与出口侧阀体内壁距离比较大,未形成阻尼,不会造成阀芯由于杂质而卡死的现象。图4中阀体内腔1处压力与出口2处压力近似相等,出口压力增大则阀座附近压力也随之增大。由于阀芯上下2个球面受到相同的介质压力,这2个力大小相等,方向相反,故阀芯所受的轴向力为0。即在锅盖阀完全关闭时,蒸煮锅内压力越大,则图4中2处压力越大,阀芯与阀座接触越紧密。

锅盖阀全开时压力云图

图4 锅盖阀全开时压力云图

  锅盖阀在全开时的内流场速度矢量图如图5所示,其中图5a是原始结构,阀体内腔与流道过渡处采用韧口;图5b是优化后的结构。可以得出,阀体内部介质流速非常快,在原始结构中,阀体内腔与流道过渡处冲击大,流阻大,介质对阀体磨损大。如果采用大圆弧顺滑圆角,则使得流线非常光滑,冲击小,流阻小,物料易进入蒸煮锅。

原始结构和优化后阀体内流场数值模拟图

图5 原始结构和优化后阀体内流场数值模拟图

3、结语

  锅盖阀采用特殊的单阀座浮动结构设计,密封面的自适应能力强,密封效果明显提高。同时,阀芯上的2个密封面可交替使用。试验表明,新结构的采用使得锅盖阀寿命延长1倍。阀体内腔结构采用大圆弧顺滑圆角,优化了流道结构,使得进入锅盖阀内的物料在小流阻的情况下即可进入蒸煮锅。安全联锁装置的设计可以保证蒸煮锅内压力过高时的锅盖阀关闭,避免锅内压力泄漏,产生危险。

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