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                           熱風(fēng)閥閥板的流場分析

    熱風(fēng)閥是煉鐵熱風(fēng)爐中采用的各種閥類的一種。它由閥板、閥體、閥蓋等組成，其工作溫度處于900~1300°C之間[1]。為了保證正常工作，必須依靠水冷來降低溫度載荷，這些主要部件都做成中空的，內(nèi)通冷卻水冷卻。閥板的冷
        熱風(fēng)閥是煉鐵熱風(fēng)爐中采用的各種閥類的一種。它由閥板、閥體、閥蓋等組成，其工作溫度處于900~1300°C之間[1]。為了保證正常工作，必須依靠水冷來降低溫度載荷，這些主要部件都做成中空的，內(nèi)通冷卻水冷卻。
        閥板的冷卻結(jié)構(gòu)大多采用螺旋水道，由內(nèi)水環(huán)和外水環(huán)組成。閥板內(nèi)螺旋形隔板起水流導(dǎo)向作用，并很好地冷卻閥板各處。
        螺旋水道式冷卻結(jié)構(gòu)，由于換熱面積大，換熱效率高，被廣泛用于化工、冶金等行業(yè)中。但如果設(shè)計不當(dāng)，會造成換熱不均，局部產(chǎn)生急冷急熱現(xiàn)象。
        采用COSMOSFloworks軟件分析了DN1800熱風(fēng)閥閥板螺旋水道的流場，其目的是改善熱風(fēng)閥閥板的換熱均勻性，規(guī)避其局部的急冷急熱，從而提高閥板的總體壽命。
        1 三維模型的構(gòu)建和計算空間的確定
        1.1 三維模型的構(gòu)建
        采用solidworks軟件，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)等命令建立三維零件模型，在三維建模中完成內(nèi)水環(huán)和外水環(huán)的構(gòu)建，同時完成進水管和出水管的構(gòu)建，而且要把進水管的進口和出水管的出口封閉，以便形成有一定密閉空腔的構(gòu)造體。在建模中，沒有建立與流體分析無關(guān)的結(jié)構(gòu)，如耐火襯等。
        1.2 計算空間的確定
        執(zhí)行COSMOSFloworks軟件的幾何空間檢查命令，軟件會自動計算出流道空腔體積和實體體積，如果檢查到流道空腔體積為零，說明流道空間不封閉，需修改和檢查模型，直到空腔封閉為止[2]。封閉的流道空間即為計算空間。
        2 構(gòu)建分析項目和設(shè)定邊界條件
        冷卻水的物性參數(shù)設(shè)置依靠COSMOSFloworks分析向?qū)韺崿F(xiàn)。
        2.1 分析項目的設(shè)定
        進入COSMOSFloworks分析向?qū)В来味x如下項目：
        （1）創(chuàng)建分析名；（2）定義單位制，選mm-g-s制；（3）定義分析類型為內(nèi)部流動，同時忽略空穴影響；（4）確定流體。介質(zhì)為冷卻水，具體物性參數(shù)，如密度，粘度等來源于有關(guān)文獻[3]；（5）壁面條件的設(shè)定，設(shè)定粗糙度，根據(jù)有關(guān)文獻[3]，確定Rd=10μm，并設(shè)定壁面是絕熱的；（6）確定初始條件，根據(jù)熱風(fēng)閥的實際工況，初始壓強確定為0.6MPa，初始溫度為303.2K；（7）設(shè)定分辨率為10mm；（8）完成設(shè)定。
        2.2 邊界條件的設(shè)定
        根據(jù)工程實際，入口的邊界條件為速度邊界條件，設(shè)定為2300mm/s（32.5t/h）；出口的邊界條件設(shè)定為壓強邊界條件，設(shè)定為0.6MPa。
        3 結(jié)果及討論
        3.1 換熱系數(shù)
        水道表面的換熱是矩形流道的受迫紊流流動換熱，首先依據(jù)公式[2]（1）計算出流道的定型尺寸：
        （1）
        式中：de——當(dāng)量直徑，m；f——流道斷面面積，m2；U——流體濕潤的流道周邊，m。
        依據(jù)雷諾準則公式（2）計算出雷諾數(shù)Re，判斷流態(tài)，選用準則關(guān)聯(lián)式：
        （2）
        式中：um——管截面平均流速，m/s；¡f——流體的運動粘度，m/s。
        依據(jù)迪圖斯——貝爾特公式[2]（3）計算出內(nèi)外水圈的努塞爾數(shù)：
        （3）
        式中：Nuf——水的努塞爾數(shù)，Ref——水的雷諾數(shù)，Prf——水的普朗特數(shù)。
        依據(jù)公式（4）計算出強制對流換熱系數(shù)
        （4）
        式中：α——對流換熱系數(shù)，W/（m2°C）；λ——水導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m°C）；d——特征尺寸，m。
        由公式（2）~（4）可知，換熱系數(shù)同速度的0.8次冪成正比。
        3.2 結(jié)果
        運行仿真，得到閥板徑向截面的壓強分布。壓強從進水口到出水口隨著水流的走向逐漸降低，但在螺旋水道的中部存在局部升高的現(xiàn)象，從進水口出水口，壓力損失為0.26MPa，同現(xiàn)場實測0.25MPa非常接近，說明了模擬的正確性和準確性。
        閥板徑向截面的速度分布說明內(nèi)水環(huán)zui邊緣的一圈水速較高，達到4~12.3m/s，換熱比較強烈。外水環(huán)水速比較均勻，換熱情況良好。在內(nèi)水環(huán)閥板中部，存在水流抄近路走的趨勢，造成了水速較高和水速極低并存區(qū)域，此區(qū)域的局部換熱不均勻。實際熱風(fēng)閥使用過程中，閥板中心出現(xiàn)過因出現(xiàn)裂紋而漏水的現(xiàn)象，據(jù)推測是由于閥板中部存在冷卻不均勻，急冷急熱形成熱疲勞，引起裂紋而造成的。
        為了更深入說明水速對換熱的影響，取路徑如圖1所示，得到水速沿路徑長度變化如圖2所示。

圖1 路徑

圖2 水速沿長度變化

        由圖2可知，在內(nèi)水環(huán)邊緣，zui高水速達到6~12m/s，換熱激烈，在內(nèi)水環(huán)中部，zui高水速達到5.5~10m/s，換熱也比較激烈，但有些地方水速較低，處在1m/s以下，熱交換不充分。所以內(nèi)水環(huán)邊緣水環(huán)應(yīng)適當(dāng)加寬，以降低水速，內(nèi)水環(huán)中部應(yīng)適當(dāng)改變水環(huán)結(jié)構(gòu)，以改變流態(tài)，來改善水速的均勻性，取得良好的換熱效果。
        4 結(jié)論
        （1）閥板內(nèi)水速分布不均勻，是造成閥板換熱不均，局部急冷急熱的重要原因之一。
        （2）換熱系數(shù)同水速的018次冪成正比。水速的不均勻?qū)⒃斐蓳Q熱的不均勻，換熱的不均勻?qū)⒃斐蓽囟容d荷的不均勻，急冷急熱將加大溫度梯度增加，增大了閥板的熱應(yīng)力，影響閥板的長壽化。
        （3）應(yīng)改變此型閥板內(nèi)水環(huán)中部流態(tài)和加寬內(nèi)水環(huán)邊緣水冷結(jié)構(gòu)來改善冷卻均勻性，以提高閥板的總體壽命。