热风阀阀板的流场分析

        热风阀是炼铁热风炉中采用的各种阀类的一种。它由阀板、阀体、阀盖等组成，其工作温度处于900~1300°C之间[1]。为了保证正常工作，必须依靠水冷来降低温度载荷，这些主要部件都做成中空的，内通冷却水冷却。
        阀板的冷却结构大多采用螺旋水道，由内水环和外水环组成。阀板内螺旋形隔板起水流导向作用，并很好地冷却阀板各处。
        螺旋水道式冷却结构，由于换热面积大，换热效率高，被广泛用于化工、冶金等行业中。但如果设计不当，会造成换热不均，局部产生急冷急热现象。
        采用COSMOSFloworks软件分析了DN1800热风阀阀板螺旋水道的流场，其目的是改善热风阀阀板的换热均匀性，规避其局部的急冷急热，从而提高阀板的总体寿命。
        1 三维模型的构建和计算空间的确定
        1.1 三维模型的构建
        采用solidworks软件，通过拉伸、旋转等命令建立三维零件模型，在三维建模中完成内水环和外水环的构建，同时完成进水管和出水管的构建，而且要把进水管的进口和出水管的出口封闭，以便形成有一定密闭空腔的构造体。在建模中，没有建立与流体分析无关的结构，如耐火衬等。
        1.2 计算空间的确定
        执行COSMOSFloworks软件的几何空间检查命令，软件会自动计算出流道空腔体积和实体体积，如果检查到流道空腔体积为零，说明流道空间不封闭，需修改和检查模型，直到空腔封闭为止[2]。封闭的流道空间即为计算空间。
        2 构建分析项目和设定边界条件
        冷却水的物性参数设置依靠COSMOSFloworks分析向导来实现。
        2.1 分析项目的设定
        进入COSMOSFloworks分析向导，依次定义如下项目：
        （1）创建分析名；（2）定义单位制，选mm-g-s制；（3）定义分析类型为内部流动，同时忽略空穴影响；（4）确定流体。介质为冷却水，具体物性参数，如密度，粘度等来源于有关文献[3]；（5）壁面条件的设定，设定粗糙度，根据有关文献[3]，确定Rd=10μm，并设定壁面是绝热的；（6）确定初始条件，根据热风阀的实际工况，初始压强确定为0.6MPa，初始温度为303.2K；（7）设定分辨率为10mm；（8）完成设定。
        2.2 边界条件的设定
        根据工程实际，入口的边界条件为速度边界条件，设定为2300mm/s（32.5t/h）；出口的边界条件设定为压强边界条件，设定为0.6MPa。
        3 结果及讨论
        3.1 换热系数
        水道表面的换热是矩形流道的受迫紊流流动换热，首先依据公式[2]（1）计算出流道的定型尺寸：
        （1）
        式中：de——当量直径，m；f——流道断面面积，m2；U——流体湿润的流道周边，m。
        依据雷诺准则公式（2）计算出雷诺数Re，判断流态，选用准则关联式：
        （2）
        式中：um——管截面平均流速，m/s；¡f——流体的运动粘度，m/s。
        依据迪图斯——贝尔特公式[2]（3）计算出内外水圈的努塞尔数：
        （3）
        式中：Nuf——水的努塞尔数，Ref——水的雷诺数，Prf——水的普朗特数。
        依据公式（4）计算出强制对流换热系数
        （4）
        式中：α——对流换热系数，W/（m2°C）；λ——水导热系数，W/（m°C）；d——特征尺寸，m。
        由公式（2）~（4）可知，换热系数同速度的0.8次幂成正比。
        3.2 结果
        运行仿真，得到阀板径向截面的压强分布。压强从进水口到出水口随着水流的走向逐渐降低，但在螺旋水道的中部存在局部升高的现象，从进水口出水口，压力损失为0.26MPa，同现场实测0.25MPa非常接近，说明了模拟的正确性和准确性。
        阀板径向截面的速度分布说明内水环最边缘的一圈水速较高，达到4~12.3m/s，换热比较强烈。外水环水速比较均匀，换热情况良好。在内水环阀板中部，存在水流抄近路走的趋势，造成了水速较高和水速极低并存区域，此区域的局部换热不均匀。实际热风阀使用过程中，阀板中心出现过因出现裂纹而漏水的现象，据推测是由于阀板中部存在冷却不均匀，急冷急热形成热疲劳，引起裂纹而造成的。
        为了更深入说明水速对换热的影响，取路径如图1所示，得到水速沿路径长度变化如图2所示。

图1 路径

图2 水速沿长度变化

        由图2可知，在内水环边缘，最高水速达到6~12m/s，换热激烈，在内水环中部，最高水速达到5.5~10m/s，换热也比较激烈，但有些地方水速较低，处在1m/s以下，热交换不充分。所以内水环边缘水环应适当加宽，以降低水速，内水环中部应适当改变水环结构，以改变流态，来改善水速的均匀性，取得良好的换热效果。
        4 结论
        （1）阀板内水速分布不均匀，是造成阀板换热不均，局部急冷急热的重要原因之一。
        （2）换热系数同水速的018次幂成正比。水速的不均匀将造成换热的不均匀，换热的不均匀将造成温度载荷的不均匀，急冷急热将加大温度梯度增加，增大了阀板的热应力，影响阀板的长寿化。
        （3）应改变此型阀板内水环中部流态和加宽内水环边缘水冷结构来改善冷却均匀性，以提高阀板的总体寿命。
        参考文献
        [1]黄敬敏，林益丽SolidWorks2009高级设计[M].北京：清华大学出版社，2009
        [2]刘元意等1莱钢提高热风阀寿命的实践[J].炼铁，1998，17（2）：1998
        [3]任泽霈，梅飞鸣传热学[M].北京：中国建筑工业出版社，1993
        [4]杜广生、工程流体力学[M].北京：中国电力出版社，2006