[發(fā)明專利]低溫閥門長頸閥蓋的設(shè)計(jì)方法及長頸閥蓋及低溫閥門

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110548025.5
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號(hào): CN113094849A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張希恒;毛偉;俞樹榮;陳新超;余建平;薛睿淵
• 申請（專利權(quán)）人: 蘭州理工大學(xué);博雷（中國）控制系統(tǒng)有限公司
• 主分類號(hào): G06F30/17
• 分類號(hào): G06F30/17;G06F30/23;F16K27/08;G06F119/08
• 代理公司: 杭州裕陽聯(lián)合專利代理有限公司 33289
• 代理人: 盛影影

本申請公開了低溫閥門長頸閥蓋的設(shè)計(jì)方法及長頸閥蓋及低溫閥門，所提供的低溫閥門長頸閥蓋的設(shè)計(jì)方法包括如下步驟，根據(jù)低溫保冷傳熱理論，結(jié)合長頸閥蓋的物理模型，推導(dǎo)長頸閥蓋的導(dǎo)熱微分方程；利用正交驗(yàn)證法得出長頸閥蓋的溫度場函數(shù)；利用導(dǎo)熱微分方程及溫度場函數(shù)推導(dǎo)出一種正交性待定系數(shù)法設(shè)計(jì)長頸閥蓋的長度與填料函底溫度的數(shù)學(xué)表達(dá)式，使填料底部的溫度大于0℃。采用本申請所提供的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)得到的低溫閥門具有能夠防止填料劃傷閥桿，避免泄漏和火災(zāi)事故的發(fā)生的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及閥門設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及一種低溫閥門長頸閥蓋的設(shè)計(jì)方法及長頸閥蓋及低溫閥門。

背景技術(shù)

低溫閥門廣泛應(yīng)用石油化工、空氣分離、天然氣、制冷以及低溫工程等領(lǐng)域中，包括液氮(-196℃)，液氫(-253℃)，液氧(-183℃)，液化天然氣(-162℃)等，這些物質(zhì)在液化分餾、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)母鱾€(gè)環(huán)節(jié)都需要大量的低溫閥門。閘閥、截止閥、球閥和蝶閥等的低溫閥門開啟和關(guān)閉都利用閥桿的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，閥蓋與閥桿的密封通常采用填料密封。低溫閥門為了避免填料底部工作溫度低于0℃，其閥蓋的長度比常溫閥門要長，即在設(shè)計(jì)時(shí)常采用長頸閥蓋。在低溫閥現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法中，長頸閥蓋最小長度都采用BS6364《低溫閥門》標(biāo)準(zhǔn)、MESC SPE77/200《低溫介質(zhì)下的閥門規(guī)范》、ISO 28921-1《工業(yè)閥門低溫用隔離閥第1部分:設(shè)計(jì)、制造和產(chǎn)品試驗(yàn)》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值，缺乏理論依據(jù)。如果低溫閥門使用環(huán)境不同、設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)計(jì)的長頸閥蓋，當(dāng)空氣中的冷凝水進(jìn)入到填料密封處，填料底部的工作溫度有可能低于0℃，填料處會(huì)結(jié)冰，閥桿與密封填料發(fā)生上下或旋轉(zhuǎn)的相對運(yùn)動(dòng)，填料就會(huì)劃傷閥桿，這樣不但影響閥桿正常的開關(guān)操作，造成密封失效，引起低溫液態(tài)介質(zhì)大量泄露，甚至?xí)a(chǎn)生失火和爆炸事故。

如附圖1種所示，長頸閥蓋(1)中裝有閥桿(2)，長頸閥蓋(1)的填料函中裝有填料(3)，填料(3)與長頸閥蓋(1)的填料函內(nèi)壁和閥桿(2)的外表面接觸。在螺母(7)和螺栓(6)的緊固力作用下，填料壓板(5)壓緊填料壓套(4)，填料壓套(4)壓緊填料(3)，填料(3)發(fā)生橫向變形，在閥蓋(1)填料函內(nèi)壁和閥桿(2)的外表面形成足夠的密封比壓，防止低溫介質(zhì)從閥桿(2)的外表面和長頸閥蓋(1)填料函內(nèi)壁泄漏。低溫介質(zhì)與長頸閥蓋(1)和閥桿(2)接觸，低溫介質(zhì)經(jīng)熱傳導(dǎo)后和長頸閥蓋(1)和閥桿(2)發(fā)生熱交換。當(dāng)長頸閥蓋(1)的長度較小時(shí)，經(jīng)與低溫介質(zhì)進(jìn)行熱交換后，長頸閥蓋(1)的填料(3)底部溫度有可能低于0℃，當(dāng)空氣中的冷凝水進(jìn)入到長頸閥蓋(1)的填料(3)密封處，冷凝水就會(huì)在填料(3)處結(jié)冰，閥桿(2)與密封填料(3)發(fā)生上下或旋轉(zhuǎn)的相對運(yùn)動(dòng)，填料(3)就會(huì)劃傷閥桿(2)，會(huì)影響閥桿(2)正常的開關(guān)操作，造成密封失效，引起低溫液態(tài)介質(zhì)大量泄漏，甚至?xí)a(chǎn)生失火和爆炸事故。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對上述問題，提出了一種低溫閥門長頸閥蓋的設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明實(shí)施的目的在于克服上述低溫閥門的長頸閥蓋存在的問題，提供一種正交性待定系數(shù)法設(shè)計(jì)的低溫閥門長頸閥蓋長度設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)低溫閥門安全和可靠地使用。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

根據(jù)柱坐標(biāo)下的Fourier導(dǎo)熱微分方程得長頸閥蓋的低溫保冷導(dǎo)熱微分方程為：

邊界條件為：

式中：r為長頸閥蓋中心至長頸閥蓋任意截面的半徑，r₁為長頸閥蓋的半徑，λ為長頸閥蓋的材料的導(dǎo)熱系數(shù)，h_∞為長頸閥蓋表面與空氣的自然對流換熱系數(shù)，t∞為空氣溫度，Θ_n為長頸閥蓋的無量綱過余溫度場，L_n為長頸閥蓋的法蘭下端面到填料底部的距離，h_d為閥桿頭部的當(dāng)量換熱系數(shù)。

進(jìn)一步的，長頸閥蓋1的過余溫度場為：

式中：J₀為零階的貝塞爾函數(shù)，t₀為低溫介質(zhì)溫度，z為長頸閥蓋中法蘭底部至閥桿任意截面的距離，

進(jìn)一步的，長頸閥蓋的與填料底部溫度的數(shù)學(xué)表示為：