分析了低溫閥門的低溫介質(zhì)對(duì)填料密封性能的影響，建立了合理簡(jiǎn)化的長頸閥蓋物理模型和閥蓋頸部長度與溫度場(chǎng)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，論述了長頸閥蓋溫度場(chǎng)的分布，推導(dǎo)了閥蓋頸部長度與溫度場(chǎng)的關(guān)系式，得到了滿足閥門設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的閥蓋最短長度。

1、概述

　　低溫閥門是石油化工、空氣分離、天然氣、制冷和低溫工程上不可缺少的重要設(shè)備之一。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)低溫閥門的要求也越來越高，使用也越來越廣，同樣對(duì)低溫閥門的安全性也提出了更高的要求。閥門在低溫狀態(tài)下，首先是填料產(chǎn)生冷脆，密封性能下降，其次，由于低溫介質(zhì)滲漏，在填料與閥桿處產(chǎn)生凝露而結(jié)冰，閥桿上下移動(dòng)而將填料劃傷，引起嚴(yán)重泄漏，所以低溫閥門填料處必須通過填料的金屬壁面和周圍環(huán)境對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)，使填料溫度達(dá)到0℃以上，防止結(jié)冰。為了增大換熱面積，通常采用長頸閥蓋。本文以傳熱學(xué)理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)低溫閥門長頸閥蓋溫度場(chǎng)的分布，并計(jì)算出當(dāng)溫度為0℃時(shí)閥蓋最小長度的計(jì)算公式。

2、簡(jiǎn)化物理模型

　　閥門填料函與上密封座處的閥桿長度為L1，填料函以上的閥桿長度為L2。閥門在低溫工作條件使用，必須采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)( 圖1) ，使填料處于0℃度以上的工作環(huán)境，其目的在于防止劃傷閥桿，提高填料的密封效果。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為必須通過傳熱計(jì)算分析閥蓋長頸處的溫度場(chǎng)。

圖1 長頸閥蓋

　　從換熱的角度出發(fā)，建立簡(jiǎn)化的物理模型。閥蓋的軸孔與閥桿之間的間隙很小且材料相同，低溫液體的徑向溫差可以忽略，從而L1長度處的閥桿可與閥蓋看成一個(gè)整體。填料函以上部分閥桿(L2)可認(rèn)為是相當(dāng)于閥蓋長度L1部分的擴(kuò)展換熱面，僅起到改變L1上端面與L2結(jié)合處對(duì)流換熱系數(shù)的作用。因此，整個(gè)換熱結(jié)構(gòu)由圓柱體L1和圓柱體L2組成，且L2為L1的擴(kuò)展換熱面(圖2) 。在低溫情況下，空氣等雙原子氣體不需要考慮流體(空氣) 和壁面的輻射換熱。

3、建立數(shù)學(xué)模型

　　簡(jiǎn)化后的長頸閥蓋模型為圓柱體結(jié)構(gòu)，建立L1部分的二維圓柱體傳熱的數(shù)學(xué)模型(圖3)。低溫介質(zhì)與閥桿之間的傳熱為熱傳導(dǎo)，空氣與閥蓋外壁面為對(duì)流換熱，閥桿L2僅相當(dāng)于閥蓋和閥桿組合體L1的散熱翅片，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為用來加大L1上表面和空氣的對(duì)流換熱。

圖2 模型的簡(jiǎn)化

圖3 圓柱體傳熱模型

4、結(jié)語

　　低溫閥門閥蓋的頸部長度是閥桿密封的關(guān)鍵，以傳熱學(xué)理論為基礎(chǔ)推導(dǎo)出的滿足設(shè)計(jì)要求的長頸閥蓋最短長度計(jì)算公式，為工程設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。