Fluent的蝶阀及执行机构温度场分析

1、Fluent的蝶阀及执行机构温度场分析 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开展了仿真。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 执行机构开展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。

2、 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，轧机无法顺利开展轧制，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:/)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，对蝶阀及执行机构开展温度仿真。 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

3、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

4、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；为实际物体的辐射率；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，执行机构最高温度到达156，出现在其下表面；最低温度到达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-1880。因此，执行机构的温度已经

5、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

6、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。因此为了防止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

7、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*立，导入Gambit中开展前处理的操作，与空气模型开展耦合，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

8、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/(hmm)，蝶阀各表面导热系数为72J/(hmm)。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，结果到达收敛。 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。 空气与蝶阀控制构造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

9、，热传递效果很明显，温度递减不是很大。但蝶阀控制构造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，均能到达降低蝶阀执行机构温度的效果。如下表1所示，整改前、后，执行机构下表面(执行机构温度最高处)温度降幅到达36，指位器上表面(执行机构温度最低处)温度降幅到达23，综合平均温度下降幅度到达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，在现场开展实施。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。 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。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。 图4 蝶阀执行机构横装 图5 隔热垫与支架的安装 图6 电磁阀与蝶阀执行机构分离 5、结论 (