基于Fluent的蝶閥及執行機構溫度場研究

2013-10-29 吳澤豪武漢科技大學機械自動化學院

　　研究了蝶閥及執行機構的熱傳導，并根據影響執行機構溫度的因素，提出了降低溫度的方法。利用Fluent軟件，對改造的蝶閥及執行機構的溫度場進行了仿真。并在現場試驗中驗證了該方法的可行性。通過對驗證后的蝶閥及執行機構進行溫度檢測與故障率統計，發現執行機構的溫度和故障率降低。

　　在熱軋生產工藝中，加熱爐地位十分重要。按軋機的軋制節奏，加熱爐將不同規格、不同鋼種、不同裝入溫度的板坯加熱到工藝要求的溫度。進入爐內的空氣，都先經過換熱器預熱，再由空氣管道輸送，最后在管道末端的燒嘴處與煤氣混合，進入加熱爐燃燒。爐內溫度跟蝶閥閥芯開合度有密切關系，爐內溫度可視為穩定恒溫。

　　蝶閥閥芯由執行機構控制，當執行機構的溫度過高，執行機構的氣缸變形，內部密封環損傷，缸體拉傷、漏氣，導致其調節精度降低。當蝶閥閥芯開合度過大，空氣流量大，爐溫升高，造成鋼坯表面氧化鐵皮增厚，這直接降低鋼坯的成材率和鋼材的質量；相反，蝶閥閥芯開合度過大，空氣流量小，會導致爐溫過低，鋼坯加熱溫度不夠，軋機無法順利進行軋制，嚴重磨損軋輥，縮短軋機的使用壽命，損毀其他的配套機電設備。

　　基于此，真空技術網(http://shengya888.com/)分析影響蝶閥及執行機構溫度的主要因素，并提出相應的降溫方法。利用有限元分析軟件Fluent，對蝶閥及執行機構進行溫度仿真。

1、蝶閥及執行機構

　　執行機構用來控制蝶閥閥芯的開合度，蝶閥的材料為不銹鋼，執行機構材料為鋁合金。其工作原理主要是：利用壓縮儀表氣體推動執行機構內多組合啟動活塞運動，帶動氣動執行機構主軸旋轉，蝶閥閥芯隨之開合。加裝支架與隔熱墊的蝶閥與執行機構的三維圖如圖1所示。

圖1 具有支架與隔熱墊的蝶閥及執行機構三維圖

2、蝶閥及執行機構傳熱機理研究

　　2.1、傳熱機理

　　蝶閥與執行機構的熱傳遞方式主要有：固體材料之間的熱傳導；環境空氣以及儀表氣體的對流；高溫管道對執行機構的熱輻射。三種類型的熱傳遞方程如下。熱傳導公式：

(1)

　　式中：Q為時間內的傳熱量或熱流量；K為熱傳導率或熱傳導系數；T為溫度；A為平面面積；d為兩平面之間的距離。對流公式：

(2)

　　式中：q″為對流單位熱流量；h為對流換熱系數；TS為固體表面的溫度；TB 為周圍流體的溫度。輻射公式：

(3)

　　式中：q為熱流率；ε為實際物體的輻射率；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數；A1為輻射面1的面積；F12為輻射面1到輻射面2的形狀系數；T1為輻射面1的絕對溫度；T2為輻射面2的絕對溫度。

　　爐溫一般維持在1300℃，管內熱空氣溫度高達500℃。上述的三種熱量傳導方式，導致執行機構氣缸的表面溫度較高。測量得到，執行機構最高溫度達到156℃，出現在其下表面；最低溫度達到120℃，出現在執行機構的指位器上表面。由氣動執行機構的使用標準得知，通�？諝庹{節閥氣缸活塞密封圈的最高耐溫值是120℃，有效范圍是-18～80℃。因此，執行機構的溫度已經遠遠高于活塞密封圈的耐溫值，由前面所述知，這對執行機構的正常工作造成很大的影響。

　　2.2、執行機構的降溫方法

　　由于管內熱空氣流速較快，蝶閥閥芯與管內熱空氣直接接觸，蝶閥閥芯表面可視為500℃。閥芯高溫通過金屬之間熱傳導，導致執行機構溫度升高。由熱傳導公式(1)可知，熱量跟兩高溫面的距離以及熱傳導系數有關。為了降低執行機構與蝶閥之間的熱傳導效果，可以阻礙兩者間熱量的傳遞。因此，在蝶閥與執行機構間增添隔熱支架，將執行機構下表面與蝶閥的高溫面分開(蝶閥閥桿需加長)。還可以通過安裝隔熱墊，對熱傳導阻隔效果更好。隔熱墊材料為礦棉，該類材料比熱容大(650J/(kg·℃))，熱導率低(0.045 W/(m·℃))。

　　由圖1可知，蝶閥及執行機構安裝方向是豎直向上，垂直于地面。隨著環境中空氣溫度升高，密度變小，熱空氣豎直上浮，該過程傳遞的熱量也相當大，造成執行機構溫度升高。因此為了避免熱空氣上浮所帶來的熱量影響，可將蝶閥執行機構從豎直安裝改為橫裝，即蝶閥執行機構平行于地面。

　　內部儀表氣體遠離過高的熱源，其溫度與室內溫度接近，即為60℃。這樣氣動執行機構的溫度，隨著儀表氣體的流動，可以起到降溫效果。因此，可以將電磁閥等空氣過濾裝置與蝶閥及執行機構分離，加長儀表氣的供氣管道。

3、蝶閥及執行機構溫度場仿真

　　根據理論分析，執行機構降溫方法有：蝶閥與執行機構之間增添支架與隔熱墊(圖1)；蝶閥執行機構安裝方向由豎裝改為橫裝；降低儀表氣體溫度。通過Fluent對蝶閥及執行機構的溫度仿真，來驗證降溫方法是否有效可行。

　　3.1、蝶閥及執行機構的模型建立

　　考慮空氣的影響，讓熱分析的結果更貼近蝶閥控制機構在現場中的受熱情況。將添加隔熱墊與支架的蝶閥及控制機構三維模型在Pro/E中建立，導入Gambit中進行前處理的操作，與空氣模型進行耦合，見圖2。網格大小15mm，網格數量555617個。

圖2 蝶閥及執行機構計算模型

　　3.2、Fluent后處理設置

　　在Fluent中選擇材質：執行機構為鋁；支架與蝶閥同為不銹鋼；隔熱墊為礦棉，厚度5mm；空氣物理屬性采用Boussinesq模型。其中在邊界條件的設置中，由于蝶閥執行機構橫裝，將重力方向設置成x方向(豎裝時是z方向)。執行機構各表面導熱系數為853.2J/(h·mm·℃)，蝶閥各表面導熱系數為72J/(h·mm·℃)。執行機構內表面溫度設置成與儀表氣體同溫，即環境溫度60℃。開啟Fluent軟件的能量方程，開啟容差收斂方程，經迭代12次，結果達到收斂。

　　3.3、仿真結果及分析

　　圖3(a)可見，由上到下，整個模型溫度出現不同層次的變化。空氣與蝶閥控制結構的整個外表面有熱交換，并向四周發散。蝶閥控制機構中與熱空氣接觸的表面溫度最高(500℃)�？諝馀c執行機構和蝶閥的外表面耦合情況正常，溫度傳遞自然，溫度大致由熱源處向遠處呈遞減的趨勢。三種材料的熱傳遞效果不一樣，蝶閥的材質是不銹鋼，熱傳遞效果很明顯，溫度遞減不是很大。但蝶閥控制結構外圍的空氣熱傳遞效果就低，溫度遞減明顯。執行機構的鋁質材料的熱傳遞效果，屬于二者中間。圖3(b)為蝶閥執行機構的溫度分布圖，執行機構下底面溫度最高(119℃)；其指位器上表面溫度最低(97℃)。

圖3 蝶閥溫度云圖(℃)

　　通過Fluent對蝶閥執行機構的溫度場仿真可知，改變蝶閥執行機構的安裝形式，安裝隔熱墊與支架，改變儀表氣體溫度，均能達到降低蝶閥執行機構溫度的效果。如表1所示，整改前、后，執行機構下表面(執行機構溫度最高處)溫度降幅達到36℃，指位器上表面(執行機構溫度最低處)溫度降幅達到23℃，綜合平均溫度下降幅度達到29℃。從結果可見，執行機構的溫度分布均在產品規定的最高耐溫值120℃之下，已能滿足實際工作的標準。

表1 蝶閥及執行機構溫度

4、現場實施

　　根據Fluent的仿真結果可見，降溫方法能起到降低蝶閥執行機構溫度的作用。因此，在現場進行實施。①蝶閥及執行機構橫裝，即將其安裝角度旋轉90°，平行于水平面，如圖4所示。 ②蝶閥及執行機構之間安裝隔熱墊和支架，將蝶閥與氣缸分離，支架上下表面增添耐高溫隔熱墊，如圖5所示。③將電磁閥等空氣過濾裝置移至溫度較低處，遠離蝶閥熱空氣管道，并且加長儀表氣體的供氣管道，如圖6所示。