基于Fluent的蝶阀及执行机构温度场研究

2013-10-29 吴泽豪武汉科技大学机械自动化学院

　　研究了蝶阀及执行机构的热传导，并根据影响执行机构温度的因素，提出了降低温度的方法。利用Fluent软件，对改造的蝶阀及执行机构的温度场进行了仿真。并在现场试验中验证了该方法的可行性。通过对验证后的蝶阀及执行机构进行温度检测与故障率统计，发现执行机构的温度和故障率降低。

　　在热轧生产工艺中，加热炉地位十分重要。按轧机的轧制节奏，加热炉将不同规格、不同钢种、不同装入温度的板坯加热到工艺要求的温度。进入炉内的空气，都先经过换热器预热，再由空气管道输送，最后在管道末端的烧嘴处与煤气混合，进入加热炉燃烧。炉内温度跟蝶阀阀芯开合度有密切关系，炉内温度可视为稳定恒温。

　　蝶阀阀芯由执行机构控制，当执行机构的温度过高，执行机构的气缸变形，内部密封环损伤，缸体拉伤、漏气，导致其调节精度降低。当蝶阀阀芯开合度过大，空气流量大，炉温升高，造成钢坯表面氧化铁皮增厚，这直接降低钢坯的成材率和钢材的质量；相反，蝶阀阀芯开合度过大，空气流量小，会导致炉温过低，钢坯加热温度不够，轧机无法顺利进行轧制，严重磨损轧辊，缩短轧机的使用寿命，损毁其他的配套机电设备。

　　基于此，真空技术网(http://www.jnannai.com/)分析影响蝶阀及执行机构温度的主要因素，并提出相应的降温方法。利用有限元分析软件Fluent，对蝶阀及执行机构进行温度仿真。

1、蝶阀及执行机构

　　执行机构用来控制蝶阀阀芯的开合度，蝶阀的材料为不锈钢，执行机构材料为铝合金。其工作原理主要是：利用压缩仪表气体推动执行机构内多组合启动活塞运动，带动气动执行机构主轴旋转，蝶阀阀芯随之开合。加装支架与隔热垫的蝶阀与执行机构的三维图如图1所示。

图1 具有支架与隔热垫的蝶阀及执行机构三维图

2、蝶阀及执行机构传热机理研究

　　2.1、传热机理

　　蝶阀与执行机构的热传递方式主要有：固体材料之间的热传导；环境空气以及仪表气体的对流；高温管道对执行机构的热辐射。三种类型的热传递方程如下。热传导公式：

(1)

　　式中：Q为时间内的传热量或热流量；K为热传导率或热传导系数；T为温度；A为平面面积；d为两平面之间的距离。对流公式：

(2)

　　式中：q″为对流单位热流量；h为对流换热系数；TS为固体表面的温度；TB 为周围流体的温度。辐射公式：

(3)

　　式中：q为热流率；ε为实际物体的辐射率；σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数；A1为辐射面1的面积；F12为辐射面1到辐射面2的形状系数；T1为辐射面1的绝对温度；T2为辐射面2的绝对温度。

　　炉温一般维持在1300℃，管内热空气温度高达500℃。上述的三种热量传导方式，导致执行机构气缸的表面温度较高。测量得到，执行机构最高温度达到156℃，出现在其下表面；最低温度达到120℃，出现在执行机构的指位器上表面。由气动执行机构的使用标准得知，通常空气调节阀气缸活塞密封圈的最高耐温值是120℃，有效范围是-18～80℃。因此，执行机构的温度已经远远高于活塞密封圈的耐温值，由前面所述知，这对执行机构的正常工作造成很大的影响。

　　2.2、执行机构的降温方法

　　由于管内热空气流速较快，蝶阀阀芯与管内热空气直接接触，蝶阀阀芯表面可视为500℃。阀芯高温通过金属之间热传导，导致执行机构温度升高。由热传导公式(1)可知，热量跟两高温面的距离以及热传导系数有关。为了降低执行机构与蝶阀之间的热传导效果，可以阻碍两者间热量的传递。因此，在蝶阀与执行机构间增添隔热支架，将执行机构下表面与蝶阀的高温面分开(蝶阀阀杆需加长)。还可以通过安装隔热垫，对热传导阻隔效果更好。隔热垫材料为矿棉，该类材料比热容大(650J/(kg·℃))，热导率低(0.045 W/(m·℃))。

　　由图1可知，蝶阀及执行机构安装方向是竖直向上，垂直于地面。随着环境中空气温度升高，密度变小，热空气竖直上浮，该过程传递的热量也相当大，造成执行机构温度升高。因此为了避免热空气上浮所带来的热量影响，可将蝶阀执行机构从竖直安装改为横装，即蝶阀执行机构平行于地面。

　　内部仪表气体远离过高的热源，其温度与室内温度接近，即为60℃。这样气动执行机构的温度，随着仪表气体的流动，可以起到降温效果。因此，可以将电磁阀等空气过滤装置与蝶阀及执行机构分离，加长仪表气的供气管道。

3、蝶阀及执行机构温度场仿真

　　根据理论分析，执行机构降温方法有：蝶阀与执行机构之间增添支架与隔热垫(图1)；蝶阀执行机构安装方向由竖装改为横装；降低仪表气体温度。通过Fluent对蝶阀及执行机构的温度仿真，来验证降温方法是否有效可行。

　　3.1、蝶阀及执行机构的模型建立

　　考虑空气的影响，让热分析的结果更贴近蝶阀控制机构在现场中的受热情况。将添加隔热垫与支架的蝶阀及控制机构三维模型在Pro/E中建立，导入Gambit中进行前处理的操作，与空气模型进行耦合，见图2。网格大小15mm，网格数量555617个。

图2 蝶阀及执行机构计算模型

　　3.2、Fluent后处理设置

　　在Fluent中选择材质：执行机构为铝；支架与蝶阀同为不锈钢；隔热垫为矿棉，厚度5mm；空气物理属性采用Boussinesq模型。其中在边界条件的设置中，由于蝶阀执行机构横装，将重力方向设置成x方向(竖装时是z方向)。执行机构各表面导热系数为853.2J/(h·mm·℃)，蝶阀各表面导热系数为72J/(h·mm·℃)。执行机构内表面温度设置成与仪表气体同温，即环境温度60℃。开启Fluent软件的能量方程，开启容差收敛方程，经迭代12次，结果达到收敛。

　　3.3、仿真结果及分析

　　图3(a)可见，由上到下，整个模型温度出现不同层次的变化。空气与蝶阀控制结构的整个外表面有热交换，并向四周发散。蝶阀控制机构中与热空气接触的表面温度最高(500℃)。空气与执行机构和蝶阀的外表面耦合情况正常，温度传递自然，温度大致由热源处向远处呈递减的趋势。三种材料的热传递效果不一样，蝶阀的材质是不锈钢，热传递效果很明显，温度递减不是很大。但蝶阀控制结构外围的空气热传递效果就低，温度递减明显。执行机构的铝质材料的热传递效果，属于二者中间。图3(b)为蝶阀执行机构的温度分布图，执行机构下底面温度最高(119℃)；其指位器上表面温度最低(97℃)。

图3 蝶阀温度云图(℃)

　　通过Fluent对蝶阀执行机构的温度场仿真可知，改变蝶阀执行机构的安装形式，安装隔热垫与支架，改变仪表气体温度，均能达到降低蝶阀执行机构温度的效果。如表1所示，整改前、后，执行机构下表面(执行机构温度最高处)温度降幅达到36℃，指位器上表面(执行机构温度最低处)温度降幅达到23℃，综合平均温度下降幅度达到29℃。从结果可见，执行机构的温度分布均在产品规定的最高耐温值120℃之下，已能满足实际工作的标准。

表1 蝶阀及执行机构温度

4、现场实施

　　根据Fluent的仿真结果可见，降温方法能起到降低蝶阀执行机构温度的作用。因此，在现场进行实施。①蝶阀及执行机构横装，即将其安装角度旋转90°，平行于水平面，如图4所示。 ②蝶阀及执行机构之间安装隔热垫和支架，将蝶阀与气缸分离，支架上下表面增添耐高温隔热垫，如图5所示。③将电磁阀等空气过滤装置移至温度较低处，远离蝶阀热空气管道，并且加长仪表气体的供气管道，如图6所示。