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    造紙廠蒸煮鍋鍋蓋閥的設計與仿真分析

    作者:楊國來 曹文斌 黃盛東 陳曉宇 陳興權 2013年10月21日 來源: 瀏覽量:
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    隨著國民經濟的高速發展,我國造紙業步入快速增長期,已成為我國重要的產業部門,對閥門的要求也在逐年提高。造紙廠蒸煮鍋進料球閥是制漿造紙裝置的重要部件之一,設置在蒸煮鍋頂部,專門用于控制物料裝填工序
        隨著國民經濟的高速發展,我國造紙業步入快速增長期,已成為我國重要的產業部門,對閥門的要求也在逐年提高。

        造紙廠蒸煮鍋進料球閥是制漿造紙裝置的重要部件之一,設置在蒸煮鍋頂部,專門用于控制物料裝填工序,是蒸煮鍋完成進料后,進料球閥關閉,并能夠在高壓情況下達到良好密封的一種特殊球閥,該球閥在造紙行業中通常稱之為“鍋蓋閥”。該閥進料口通過氣體量大,介質通常是造紙的固體物料、廢渣、廢漿,閥關閉后,隨著鍋內的蒸煮溫度和壓力逐漸升高,閥的出口側要承受很高的壓力。這種閥目前沒有技術標準,需要根據客戶的工藝參數要求量身定制,該閥目前全部靠國外進口,價格昂貴。為此,浙江力諾閥門研發出了一種新產品,同時還取得了實用新型專利,填補了國內空白。鍋蓋閥主要由左閥體、右閥體、球體、閥桿和閥座等零部件構成,如圖1所示。

        1 結構與原理

        1.1 單浮動閥座

        鍋蓋閥通過的介質一般是固體廢渣或廢漿,這對閥座會造成磨損,故采用金屬硬密封設計,閥座表面堆焊硬質合金,增強耐磨性,且堆焊應盡量靠近閥座外徑。同時,金屬硬密封能在閥起閉時對纖維物料起剪切作用,保證密封面和閥內的清潔,提高了可靠性與使用壽命。

    圖1 蒸煮鍋進料球閥

        采用單浮動閥座設計(見圖2),閥座只設在進口側,閥座背面處設計了碟形預緊彈簧,使閥座始終與閥芯緊密接觸,在低壓的時候也可以達到密封要求。

    圖2 閥座結構

        鍋蓋閥是起閉頻率比較高的元件,為提高閥芯與閥座的耐磨性,閥芯表面鍍硬鉻。起閉過程中,閥芯球面上的2個密封面可輪流使用,延長了密封面使用壽命。為了防止蒸煮鍋內高壓介質從浮動閥座與閥體間隙處泄漏,引發安全事故,在碟形彈簧外側設有2道O形密封圈,提高了閥座的密封性能。

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        鍋蓋閥工作時,其出口處壓力因受到鍋內壓力作用,遠高于進口處壓力,閥座與閥芯始終處于緊密接觸狀態,獲得了所需要的密封比壓,從而達到良好密封。蒸煮鍋內壓力越高,密封效果越好。    

        1.2 半軸承設計    

        新型鍋蓋閥的設計中采用2個半軸承來支承閥芯,這2個半軸承都安裝在上閥桿和下閥桿靠近出口的一側。當鍋蓋閥開起時,上下閥桿與半軸承接觸,閥芯能夠在小偏心的情況下靈活地起閉。當鍋蓋閥全關工作時,閥桿不受半軸承的制約,閥芯在介質的壓力下緊貼浮動閥座,壓力越高,閥座與閥芯密封比壓越大,密封效果越好,安全系數越高。蒸煮鍋停止蒸煮后,鍋內壓力下降,閥桿又能夠與半軸承接觸。新型半軸承結構的采用使鍋蓋閥能夠適應更多高溫、高壓的環境。

        1.3 安全聯鎖裝置

        鍋蓋閥通常工作在高壓狀態,為了防止蒸煮鍋閥門在這種情況下誤動作而造成事故,特設置安全聯鎖裝置(見圖3)。在盲法蘭上裝有壓力傳感器,傳感器與執行器相連,當鍋內壓力高于設定的安全開起壓力時,壓力傳感器傳送鎖定控制信號,使閥處于關閉狀態。當蒸煮完成且物料排放完,鍋內壓力低于安全開起設定壓力時,閥門執行器才可以動作,避免了鍋內壓力泄漏而產生的危險。

    圖3 蒸煮鍋物料進口閥外觀圖

        2 閥體內腔CFD優化設計

        蒸煮鍋在進料過程中會有物料從鍋蓋閥沒有閥座的一側進入閥腔,如果閥腔容積太小,介質就會磨損閥芯表面,降低使用壽命;容積太大又會導致閥體體積過大,需要適當增大閥體內腔。在內腔與流道過渡處采用大圓弧順滑圓角(見圖3b),閥腔與蒸煮鍋之間沒有障礙,可以使進入閥腔的物料順暢流入蒸煮鍋,內腔不易滯留物料,從而不會產生閥門起閉阻滯。通過CFD數值模擬的方法來模擬鍋蓋閥的內部流場,優化內部結構。    

        2.1 流道建模與網格劃分

        計算模型采用如圖1所示的鍋蓋閥,通過三維建模軟件UG建立鍋蓋閥簡化結構。進行仿真分析前,要對流體部分進行網格劃分,通過布爾運算得到鍋蓋閥在全開狀態時的三維流道圖,并保存成。step格式。通過ICEM進行網格劃分,計算得出網格數為80萬格。

        2.2 Fluent采用的設置

        將.msh文件導入Fluent,設置后進行計算。湍流模型采用標準的κ-ε模型,離散方程的求解方法采用非結構網格上的SIMPLE算法,速度壓力場采用隱式的全場迭代解法,邊界條件規定速度進口與壓力出口。設定好上述求解控制方程后,即可求解閥芯全開狀態的模型。

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        2.3 仿真結果分析

        由于閥芯與出口側閥體內壁距離比較大,未形成阻尼,不會造成閥芯由于雜質而卡死的現象。圖4中閥體內腔1處壓力與出口2處壓力近似相等,出口壓力增大則閥座附近壓力也隨之增大。由于閥芯上下2個球面受到相同的介質壓力,這2個力大小相等,方向相反,故閥芯所受的軸向力為0。即在鍋蓋閥完全關閉時,蒸煮鍋內壓力越大,則圖4中2處壓力越大,閥芯與閥座接觸越緊密。

    圖4 鍋蓋閥全開時壓力云圖

        鍋蓋閥在全開時的內流場速度矢量圖如圖5所示,其中圖5a是原始結構,閥體內腔與流道過渡處采用韌口;圖5b是優化后的結構??梢缘贸?,閥體內部介質流速非???,在原始結構中,閥體內腔與流道過渡處沖擊大,流阻大,介質對閥體磨損大。如果采用大圓弧順滑圓角,則使得流線非常光滑,沖擊小,流阻小,物料易進入蒸煮鍋。

    圖5 原始結構和優化后閥體內流場數值模擬圖

        3 結語

        鍋蓋閥采用特殊的單閥座浮動結構設計,密封面的自適應能力強,密封效果明顯提高。同時,閥芯上的2個密封面可交替使用。試驗表明,新結構的采用使得鍋蓋閥壽命延長1倍。閥體內腔結構采用大圓弧順滑圓角,優化了流道結構,使得進入鍋蓋閥內的物料在小流阻的情況下即可進入蒸煮鍋。安全聯鎖裝置的設計可以保證蒸煮鍋內壓力過高時的鍋蓋閥關閉,避免鍋內壓力泄漏,產生危險。

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