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浙江大学硕士学位论文 低温阀门冷态试验过程传热模拟及深冷处理设备研制 夏雨亮 ( 浙江大学制冷与低温研究所，杭州，3 1 0 0 2 7 ) 摘要 现代科技与工业的发展使得低温系统应用场合和使用规模日益增大，低温下材料的 物理、力学性能与常温下相比有较大的差别，比如金属的低温脆性。而作为低温系统中 常用部件一低温阀门会直接影响到整个系统的运行情况。不锈钢阀门材料在低温下会出 现奥氏体向马氏体转变，进而带来材料性能的变化。为了消除由此可能带来的不利影响， 通常需对阀门材料进行深冷处理。另外，阀门在生产出来之后还需要对其进行冷态试验 ( 低温试验) ，来检查其在低温下的密封性能和其他机械性能。 本文将首先通过总结文献中的经验公式和实验结果，联立求解出不锈钢材料在液氮 中沸腾对流换热系数。在此基础上，通过不锈钢圆饼的沸腾实验实测降温曲线，并将之 与模拟结果进行对比，完成对对流换热系数的修正。 用修正后的换热系数对低温阀门冷态试验传热过程进行数值模拟，以此来指导低温 阀门的冷态试验过程，并且针对阀门冷态试验中填科处出现冻结的现象，提出了阀杆处 添加绝热层的方案，并进行模拟验证。 此外，还将自行设计和制作一套可控温深冷处理实验台，以供不同材料在不同低温 环境下进行了深冷处理，为进一步展开深冷处理机理的研究提供一个平台。 最后，利用不锈钢方板的沸腾实验中测得的内部温度分布数据，利用反传热分析方 法来求解方板表面对液氮的对流换热系数，并结合公式进行分析比较。本文只是对一维 反传热问题进行了初步研究，为深入开展相关研究以及进一步开展深冷处理机理的研究 和深冷处理的模拟计算提供参考。 关键词：深冷处理低温阀门对流换热系数反传热分析 浙江大学硕士学位论文 h e a tt r a n s f e rs i m u l a t i o ni nc r y o g e n i ct e s to fc r y o g e n i cv a l v e sa n d d e v e l o p m e n to f at e s ts y s t e mf o rc r y o g e n i ct r e a t m e n t x i ay u l i a n g ( c r y o g e n i c sl a b o r a t o r y , z h e j i a n gu n i v e r s i t y , h a n g z h o u3 1 0 0 2 7 ，e r c h i n a ) a b s t r a c t c r y o g e n i cs y s t e m sh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di nm o d e r ni n d u s t r i e si nr e c e n td e c a d e s a t l o wt e m p e r a t u r e s ，c h a n g eo f m a t e r i a ls t r u c t i l r em a yo c c u r , e g ，t h et r a n s i t i o no f s t a i n l e s ss t e e l c r y s t a lf r o ma n s t e n t i t et om a r t e n t i t e , a c c o m p a n i e db yt h ec h a n g eo fp r o p e r t y ( i n c l u d i n gs i z e d i m e n s i o n ) t oa v o i dt h en e g a t i v ei n f l u e n c ed u et ot h ep r o p e r t yi n s t a b i l i t y , t h ea f o r e h a n d c r y o g e n i ct r e a t m e n to fs t r u c t u r a lm a t e r i a li sr e q u i r e d b e s i d e s ，t e s t sa tl o wt e m p e r a t u r e sa r e a l s ou s u a l l yn e e d e dt oe x a m i n et h es e a l u e s sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc r y o g e n i cv a l v e p r o d u c t sb e f o r ep u t i n gt h e mi n t ou s e e x p e r i e n t i a le q u a t i o n sa n dr e s e a r c h e dr e s u l t sh a v eb e e nr e v i e w e dt op r o p o s et h e c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f v a l v em a t e d a l , w h i c hi si m m e r s e di n t ol i q u i dn i t r o g e n b a s e do nt h i s , e x p e r i m e n t sh a v ea l s ob e e nc o n d u c t e dt oo b t a i nt h ec o o l i n g - d o w nc u r v e so fa s t a i n l e s ss t e e ld i s c ，w h i c ha r et h e nc o m p a r e dw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l tt om o d i f yt h e c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rt o e 街c i e n t 。 t h em o d i f i e dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sa r eu s e dt os i m u l a t et h ec r y o g e n i c v a l v e sd y l l a m i ch e a tt r a n s f e rp r o c e s s ，i no r d e rt og u i d et h ec r y o g e n i ct r e a t m e n ta n d p r o d u c t t e s t t os o l v et h ep r o b l e mo fi c i n go np a c k i n g ，as c h e m eo fa d d i n gi n s u l a t i o nm a t e r i a la tt h e s h a f tp o s i t i o ni sp r o p o s e d s i m u l a t i o ni st h e nc a r r i e do u tt oc h e e kt h ee f f e c to f t h ea d d i t i o no f i n s u l a t i o nl a y e r 、 a ne x p e r i m e n t a la p p a r a t u s ，w i t hc o n t r o l l a b l eo p e r a t i n gt e m p e r a t u r e ，h a sb e e nb u i l tu p f o rc r y o g e n i ct r e a t m e n to fd i f f e r e n tc r y o g e n i ce n g i n e e r i n gm a t e r i a l t h ep l a t f o r mi se x p e c t e d t os u p p o r to u rf u r t h e rs t u d yo nt h em e c h a n i s mo f c r y o g e n i ct r e a t m e n t f i n a l l y , t h e “i n v e r s e h e a tt r a n s f e rm e t h o di sa d o p t e dt o 孔a l y z et h eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n tt h r o u g hs o m er e l a t i v e l y s i m p l e e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n to ft e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni n s i d eas t a i n l e s ss t e e lp l a t e t h ep r e l i m i n a r yw o r ki nt h i sa s p e c ts h o w st h e f e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d ，a n da l s od e m o n s t r a t e st h ed i f f i c u l t i e st or e a l i z ei t ，e s p e c i a l l yt h e s e n s i t i v i t yw i t ht e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta c c u r a c y m o r ee f f o r t ss h o u l db ed e 、，o t c do nt h i s a n di tw i l lb eh e l p f u lf o ra c c u r a t es i m u l a t i o no f t h ed y n a m i ch e a tt r a n s f e rp r o c e s s k e y w o r d s ：c r y o g e n i ct r e a t m e n t ，c r y o g e n i cv a l v e , c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ， i n v e r s eh e a tt r a n s f e ra n a l y s i s 浙江大学硕士学位论文 表面张力 汽化潜热 密度 温度 时间 对流换热系数 比热容 格拉晓夫数 普朗特数 动力粘度 运动粘度 重力加速度 热导率 空气 壁面 固体 气体 最大 临界热流密度 特性值 主要符号表 l i l 加速度与重力加速度比值 雅可比数 压力 b o n d 数 努谢尔数 毕渥数 厚度 气体体积膨胀系数 发射率 热流量 热流密度 质量 饱和 对流 辐射 最小 液体 气泡 出尸舶肌彤万g q g m s c r 慨g 盯妒r，口。毋ny g 后 际毋彤s g脚凹m 浙江大学硕士学位论文 学号2 q 5 q 墨2 垒2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得逝 江盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名；签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堑鎏盘茔可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论虢1 加历名：移彦一 签字日期： 呷年 朔争日签字日期砷。f 月夕。日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 低温下材料的物理、力学性能与常温下相比有较大的差别，比如一般的钢材在低温 时随温度的下降，其抗拉强度和硬度增高，塑性和韧性急剧下降，发生韧脆转变，影 响材料的强度和使用寿命，甚至出现脆性断裂造成灾难性重大事故【1 1 。常规的热处理工 艺对金属的强度和韧性很难同时有较大地提高，深冷处理工艺的出现，在很大程度上提 高了材料的强度和韧性。 所谓深冷处理( c r y o g e n i ct r e a t m e n t ) 又称超低温处理，一般是指在1 3 0 c 以下对材 料进行处理而使材料的综合性能提高的方法。早在1 0 0 多年前，人们就开始将冷处理应 用于钟表零件中，发现能提高材料的强度、耐磨性、尺寸稳定性和使用寿命。深冷处理 工艺则是2 0 世纪6 0 年代从普通冷处理的基础之上发展起来的一项新技术【2 】o 与常规冷 处理( o 1 0 0 c ) 相比，深冷处理能更加深入地改善材料的机械性能及稳定性，有 着更加广泛的应用前景。对于金属材料来说，其深冷处理就是把常规冷处理过程继续下 去，达到远低于室温的某一温度，促使常规热处理后所存在的残余奥氏体进一步转化为 马氏体，改善和细化组织结构，增强工模具耐磨性和尺寸稳定性，提高金属材料性能1 3 】。 这些材料在常规淬火过程中，马氏体的转变终止温度大多在o 以下，有的甚至达到 一1 i o c 。因此，这类材料在常规淬火后，就会留下残余奥氏体，其含量有时多达1 3 - 4 5 。 材料的奥氏体到马氏体的结构转变，是一个伴有体积膨胀的过程，这种过程持续时间长， 常常需要数年的时间，这给金属精密件带来形状和尺寸上的不稳定【4 】。经过深冷处理， 可以防止在保存和使用期间由于残余奥氏体分解转变为马氏体带来的膨胀变形【3 , 4 1 。在 深冷处理过程中，其温度变化速率以及工件整体温度的均匀一致是至关重要的。现有的 深冷处理装置一般都是将工件放置在盛装液氮的容器中进行直接浸泡处理，或把液氮喷 射到工件的表面进行低温处理。 目前，国外特别是美国、日本、英国、俄罗斯等国家都在积极地开展这方面的研究， 并把这一技术应用到很多领域材料的处理，行业分布于航空航天、精密仪器仪表、摩擦 偶件、工具、模具和量具、纺织机械零件、汽车工业和军事科学领域，取得了很大的经 济效益，我国也有一些单位开展了深冷处理的研究及应用，特别是在标准行业、工具行 浙江大学硕士学位论文 业、纺织行业、机械工业、航空航天等，材料主要是工具钢、轴承钢和高速钢【”。 材料在进行深冷处理过程中，材料与冷却介质之间存在较为复杂的，包括对流和辐 射等多种形式的热量交换，计算机在模拟瞬态温度场变化过程中，材料表面的换热系数 对温度场模拟的精确度有很大的影响，但是表面对流换热系数受很多因素的影响，比如 材料尺寸、形状、大小、表面状态等。目前缺乏一个公认的测定标准，使得表面对流换 热系数资料很少。寻求一种精确的、比较通用的测量方法来获得材料表面换热系数，有 助于材料深冷处理过程中温度场模拟计算、组织转变预测和内部应力场分析等一系列问 题的解决。对于此类问题可以利用反传热法来求解，即通过测得物体内部或表面上一些 点的温度随时间变化数据，参照程序，进行迭代，从而求得深冷处理过程中，材料表面 的综合换热系数，进而可以利用计算机来模拟材料在深冷处理过程中温度场的分布，指 导和优化材料的深冷处理过程。由于深冷处理过程中，影响换热的条件很多，使得很难 求解准确换热系数。反传热法可以很准确地求解出各种不同处理条件下的换热系数，在 本文的第六章会对利用反传热法求解对流换热系数做一个初步的研究与分析。 深冷处理以其特殊的处理作用被广泛地应用于各行各业中，尤其是在对材料尺寸精 度要求很高的场合。 由于气体分离、液化天然气和乙烯石化等行业的快速发展，低温阀门的应用越来越 广泛。但是用c r - n i 奥氏体不锈钢制作的低温阀零件，在低温下会发生变形，有时甚至 是严重变形。其原因主要有以下两点【5 】。 1 马氏体转变和组织应力引起的变形，奥氏体不锈钢零件，当温度冷却至m s 点以 下在某一温度范围内长时间保温，即会产生不同逆性的马氏体转变，这种转变使得局部 的体积膨胀，并由膨胀引起的应力都会导致零件变形。 2 由温度应力引起弹性和塑性畸变，在深冷处理过程中，由于零件各部分的温度差 或由不同组织间某些物理性能的差异，引起收缩不均匀，就产生了温差应力；当应力低 于材料的弹性极限时，就仅使零件产生可逆的弹性扭曲。当某一部分的温度应力超过了 材料的屈服极限时，零件将发生不可逆转的扭曲变形。 对于1 c r l 8 n i 9 不锈钢，通过深冷处理使得马氏体转交和变形充分发生，然后，经 过精加工，使零件中保持组织和尺寸的相对稳定性。为了保证阀门在低温下安全可靠的 运行，设计过程中还必须同时考虑机械强度和传热学要求。在正常工作状态下，阀杆填 料函处不冻结便是热设计的基本要求，通过合理设计阀杆的结构和尺寸能够得以实现。 浙江大学硕士学位论文 为了保证产品质量，低温阀门产品必须进行低温试验 6 1 ，阀门低温试验可以检查阀门在 低温下的各个方面的工作性能【7 1 ，通常采用将待验阀门阀体浸没于冷却介质中，进行冷 态操作和气密性试验。 为了指导低温阀门的冷态试验，通常对其传热过程预先进行模拟，在模拟过程中的 沸腾换热系数是一个很重要的参数，本文求解阀门在液氮中的换热系数是通过实验与经 验公式联立求解得出，并且通过沸腾试验进行修正。 1 2 课题研究进展 1 2 1 深冷处理研究进展 在2 0 世纪初，国外就开始研究用过度冷却的方法改变钢的组织和性能。在1 9 3 8 年， 俄国人首先提出高速工具钢深冷处理的建议，并在理论上提出了冷至8 0 c 的理论根据。 美国在2 0 世纪5 0 年代已经开始深冷处理对金属性能影响的研究6 0 年代末，美国路易斯 安娜理工大学机械工程系r f b a r t o n 教授对十二种工具钢、三种不锈钢、四种其它钢种 都作了低温处理。材料对于低温处理可以分为五类：第一类，经过7 7 k 或1 8 9 k 低温处理 后，其耐磨性有显著的提高，而且7 7 k 的深冷处理效果较1 8 9 k 深冷处理有很大的提高； 第二类，经过两种低温处理后其耐磨性有所提高，但7 7 k 和1 8 9 k 低温处理效果差别不大； 第三类，7 7 k 深冷处理耐磨性有所提高，但1 8 9 k 的深冷处理却没有提高；第四类，经过 1 8 9 k 的深冷处理之后其耐磨性有所提高，但7 7 l 之后却没有提高；第五类，两种低温处 理都不能提高其耐磨性( 低碳钢和铸铁材料) 1 8 】。7 0 年代美国休斯航空公司、通用动力 公司、通用汽车公司、s t e e l c a s e 及日本c a n n o n 等公司都开始使用深冷处理技术，比如 m a t e r i a l si m p r o v e m e n ti n c ，就成立一个专业性的从事材料深冷处理的公司。前苏联也是 较早采用深冷处理技术来提高高速钢刀具使用寿命的国家【2 1 。 进入二十世纪8 0 年代，各国对深冷处理的研究更加深入透彻，各国的专家学者对深 冷处理的工艺、机理都做了大量的研究。美国成立了很多的专业化的深冷处理公司，如 3 xi n s t r u m e n t s & t o l l i n g 、m a t e r i a li m p r o v e m e n t 和a m e c r y 等，并分别对阀门、刀磨具、 轴承、特殊弹簧、高速钢、钴基合金进行深冷处理，实验结果表明深冷处理对于提高上 述材料的性能和使用寿命有显著的作用。在g r a y 发起下，1 9 8 7 年美国成立了国际深冷处 理研究会。在日本，近藤正男研究了深冷处理和马氏体相变的关系；大川雄史研究了深 冷处理对s k d 材料使用寿命和s k d n 钢耐磨性的影响：岸上慎次郎则对不锈钢的深冷处 浙江大学硕士学位论文 理进行了研究。英国b o c 公司的r f r e y 进行了深冷处理改善材料零件力学性能的研究， 结果表明经深冷处理后可使使用寿命提高5 倍，而粉末冶金件的力学性能也得到了很明 显的提高8 1 。 对于深冷处理工艺的一些要求，比如深冷处理设备、降温速度、保温时间等在文献 恤”1 中有详细的介绍，本文着重介绍了自行设计的深冷处理设备。 1 2 2 阀门低温试验方面的相关标准 阀门低温试验的目的是，通过使用温度下的密封性及操作试验，检查阀门填料处是 否有结冰、泄露情况。目前，国内尚无低温阀门试验标准，下面根据国外有关标准简单 地介绍阀门低温实验的一些试验装置、试验要求等。并对这些标准进行比较。从而选择 出本文模拟的标准。 1 2 2 1b s 6 3 6 4 1 9 9 6 标准 1 试验装置 图1 1 所示的试验装置主要包括氦气及管路系统、保温容器及流量检测装置。其中 氦气瓶提供高压氦气，使得在试验过程中阀门内部不出现负压现象，保温容器的作用是 在试验过程中源源不断地对阀门提供冷源，并且隔绝外界对液氮的传热，检测装置是为 了在阀门整体温度达到试验温度后，对阀门进行泄漏检查。 氯气冀 图1 - 1 低温阀门试验装置 2 试验过程 ( 1 ) 清除阀门零件的油渍，擦干并在干净、没有灰尘和油渍的环境下将阀门安装好。 4 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 将螺栓拧紧到预定的力矩值或拉力值，并记录该值。 ( 3 ) 将合适的热电偶安装在阀门的检测点，从而能在整个试验过程监控阀体、阀盖的温 度。 ( 4 ) 在室温下用氦气以最大阀座试验压力进行初始的系统验证试验，以确保阀门在合适 状态下，然后开始进行试验。 ( 5 ) 将阀门浸入到液氮中进行冷却，液体的水平面至少遮盖住阀体与阀盖的连接部位。 在整个冷却过程中阀门内的压力保持恒定。在冷却过程中，用安装在适当位置的热电偶 对阀体和阀盖的温度进行监控。 ( 6 ) 当阀体与阀盖的温度都达到1 9 6 c 时，进行下述a e 项程序： 扎阀门在试验温度下至少浸泡1 小时，直至所有部位温度都达到稳定。用热电偶测 定温度以确认阀门的温度达到均匀。 b 在试验温度下重复( 4 ) 所述的初始验证试验。 c 打开、关闭阀门2 0 次，至少应测定第一次和最后一次操作时的开启力和关闭力。 d 在阀门的进口侧进行阀座压力试验。能够双向密封的阀门，对两个阀座分别进行 试验。以表1 1 所给压力的增量逐渐升压，直至升至额定的阀座试验压力。 e 使阀门处在开启位置，关闭出口侧的针阀，保持该压力1 5 分钟，检查阀门填料 处及阀体与阀盖连接处是否泄漏。应无可见泄漏。 ( 7 ) 使阀门恢复室温，然后进行下列a 、b 步骤，并将结果与( 6 ) 比较。 a 重复( 2 ) 所述的氦气验证试验。测定并记录通过阀门的泄漏。 b 测定并记录阀门的开启力矩和关闭力矩。 ( 8 ) 试验完成后，在清洁、无尘的环境中将阀门拆开，以便检查所有零件的磨损和损 害情况【6 】。 表1 1 不同公称压力阀门的压力增量 l 公称压力p n ( m p a ) 2 05 06 41 0 0 i 增量( m p a ) 0 3 5o 7 51 | o2 0 1 2 2 2 日本平田公司阀门试验标准 乎田阀门公司阀门低温密封性能试验的方法有两种，一种是浸渍法( 外都冷却法) ， 5 浙江大学硕士学位论文 另一种为保冷法( 内部冷却法) 。浸渍法如前所述，是将阀门浸在装有液氮的保冷箱中进 行冷却，当温度达到工作温度后用氦气进行密封性能试验；保冷法是将阀门安装在保冷 箱内，通过输入低温介质降温，当温度达到规定温度值时候，将低温介质放掉，然后通 入规定的氦气进行试验。图1 2 和图1 3 分别为他们的浸渍法和保冷法试验装置示意图。 图1 - 2 浸渍法示意图 图1 - 3 保冷法示意图 相比较而言，保冷法更接近于实际工作情况，但是因为其操作起来比较复杂，现在 一些阀门公司应用浸渍法比较多。本文模拟也选用浸渍法来建立模型。 1 2 3 反传热研究的进展 反传热问题是相对正传热问题而言的，后者针对已知物体的几何形状、热物性参数、 初始条件和边界条件，求解物体内部( 包括边界上) 的温度分布及其变化规律。反传热 方法的特点是根据已知的或利用实验手段测得物体内部某点或某些点上的温度及其随 时间的变化，通过求解导热微分方程，求得物体表面的边界条件，热物性参数、表面综 合换热系数、内热源或初始条件等。近年来国内也有很多学者对反传热进行了研究，不 过基本上都是一维反传热问题。 顾剑锋等在假定实验过程沿厚度方向为一维传热的条件下，使用单点法和多点法计 算出水和油与淬火件之间的换热系数【2 0 1 。许建俊等采用的反传热计算法与顾剑锋等相 同，计算了不同热面方位角的条件下，铜平板在饱和液氮中的池沸腾热流密度曲线【2 。 程眉等使用b e c k 2 2 反算法求解工件表面换热系数，采用的是隐式差分形式。陈乃录等 采用与顾剑锋等相同的方法，对不同流速下的淬火油与淬火零件之间的换热系数进行了 6 浙江大学硕士学位论文 计算t 2 3 1 。程赫明等用显式有限差分方法解决了4 5 钢淬火过程中换熟系数的求解问题， 并且在计算过程中考虑了相变潜热的影响，虽然该方法迭代求解时收敛速度快，但求解 精度较低2 4 1 。李辉平等考虑了淬火过程中的相变潜热，将有限元方法引入反传热问题， 结合使用最优化方法中的进退法和试探法，确定边界换热系数【2 5 】。 1 3 本文的工作 本文首先对低温阀冷态试验的传热过程进行模拟，对于模拟中的重要参数对流换热 系数的选取，本文将借鉴国外众多学者对沸腾换热的研究成果，利用实验结果与经验公 式联合求解不锈钢在液氮中的对流换热系数，通过不锈钢圆饼实验对换热系数进行修 正，利用修正之后的换热系数对阀门冷态试验传热过程进行模拟。 本文还将通过自行设计的可控温试验台，对材料的深冷处理过程进行初步的研究， 为进一步研究深冷处理作用机理等研究奠定基础。 在材料深冷处理过程中，计算机模拟其处理过程可以起到事先知道其降温过程，组 织转变等，还可以根据模拟结果来指导阀门部件材料的深冷处理，利用模拟来指导实验， 来预测处理工件材料的冷却时间和温度场分布等，本文最后对计算机模拟材料深冷处理 过程中所需要的对流换热系数采用反传热法进行了初步的实验研究。具体工作如下： 1 不锈钢在液氮中对流换热系数的计算与修正 借鉴国外众多学者对沸腾换热的研究成果，利用实验结果与经验公式联合求解不锈 钢在液氮中的对流换热系数。 通过不锈钢材料在液氮中的实验，借助实验结果对沸腾中的对流换热系数进行修 正，利用修正后的对流换热系数对阀门的零部件材料进行温度变化过程模拟。指导后续 的阀门冷态试验( 低温试验) ，材料的深冷处理过程也可以用a n s y s 2 6 进行模拟。 2 低温阀门冷态试验过程中传热过程的数值模拟 基于上述的修正后的沸腾对流换热系数，本文采用有限元分析软件a n s y s 2 6 蝌对 低温截止阀d n 2 5 正常运行状态和冷态试验状态进行了动态降温过程以及温度场的模 拟，比较了二者的异同。针对模拟计算结果所显示的在冷态试验情况下填料函出现冻结 的问题，提出了阀杆绝熟方案，并对该方案进行了模拟与分析。图1 _ 4 为低温截止阀 d n 2 5 的示意图。 7 浙江大学硕士学位论文 1 阀体，2 一销，3 一螺母，4 压板，5 一密封圈，6 阀瓣，7 阀杆，8 垫片，9 阀杆螺母，l o 瑚l 栓，1 1 氆 圈，1 2 螺母，1 3 阀盖焊接组件，1 4 - 防松螺母，1 5 填料垫，1 6 填料，1 7 一o 型圈，1 8 填料压套，1 9 弹簧，2 0 压套螺母 图1 4 低温截止阀d n 2 5 示意图 3 深冷处理设备的研制 深冷处理设备通常以液氮为冷源。按制冷方式可以分为液体法和气体法。一般认为 液体法有冲击大的缺点；气体法因为能实现缓慢冷却而更适应用于大规模的生产。本文 第五章简单了介绍自行设计的深冷处理设备，为下一步进行材料的深冷处理作用及其机 理起到一个平台的作用。 4 反传热的初步研究 深冷处理过程模拟计算中，对流换热系数是一个非常复杂的参数，加之用换热系数 与工件表面温度的关系曲线来评定淬火介质的冷却能力越来越被认为是对淬火介质冷 却能力最客观、最直接、同时也是最充分的评定。第六章将在实验测得物体温度场分布 的基础上，来反推物体表面的对流换热系数，这就是所谓的反传热法。通过反传热法来 求解深冷处理过程中的对流换热系数，为进一步开展深冷处理机理的研究和深冷处理的 模拟计算提供参考依据。 8 浙江大学硕士学位论文 第二章沸腾换热的理论基础及求解对流换热系数 2 1 引言 在阀门的冷态试验过程中，阀门与液氮进行着沸腾换热，而沸腾方式依次为膜态沸 腾、过渡态沸腾、核态沸腾和自然对流沸腾。在利用a n s y s 对阀门冷态试验过程进行 模拟时，沸腾时的对流换热系数直接影响着模拟结果正确与否。本章主要通过利用早期 学者的沸腾实验结果和经验公式，联立求解在阀门冷态试验中的对流换热系数。 2 2 沸腾换热的机理 沸腾是工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈气化过程。沸腾传热 是工质内部发生相变生成气泡，通过气泡运动带走热量并使其冷却的一种传热方式【2 7 1 。 当壁温高于液体的饱和温度时，发生沸腾过程。如阀门沉放入液氮中产生的沸腾，水在 锅炉中的沸腾汽化，都属于沸腾换热，为液相转变为气相的换热。 沸腾分为大空间沸腾( 池沸腾) 和有限空间沸腾( 受追对流沸腾、管内沸腾) 。而 这些沸腾又可分为过冷沸腾及饱和沸腾。本文主要研究试件在饱和液氮中的沸腾，为可 润湿壁的大空间饱和沸腾。此时常温的试件沉浸在具有自由表面的液氮中，产生的蒸汽 能自由浮升，穿过自由表面进入容器空间嘲瑚】。 水在一个大气压下饱和沸腾曲线( 参照图2 1 ) 其有代表性，图中横坐标为壁面过 热度( 对数坐标) ，纵坐标为热流密度( 算术坐标) 。四个沸腾区域分别为：1 一自然对 流：2 一核态沸腾；3 一过渡态沸腾；4 一稳定膜态沸腾 3 0 l 。 1 自然对流沸腾 当加热面温度乃和液体饱和温度矗之间的温差比较小的时候，壁上只有少量气泡 发生，而且产生的气泡不能脱离壁和上浮，故看不到沸腾的景象，热量依靠自然对流过 程传递到主体，蒸发在液体表面进行，主要为自然对流沸腾。 2 核态沸腾 从起始沸腾点开始，在加热面的汽化核，i i , 上产生汽泡。开始阶段，汽化核心产生的 汽泡彼此互不干扰，称为孤立汽泡区，随着壁面过热度的进一步增加，汽化核心增加， 汽泡相互影响，并会合成汽块及汽柱，此时，壁面的过热度稍有增加，可以传递的热量 9 浙江大学硕士学位论文 大大增大，热流密度与壁面过热度的曲线斜率较单相自然对流时显著变陡。核态沸腾区 有温差小、换热强的特点，一般工业应用都设计在这个范围，核态沸腾区的终点为图 2 - 1 中热流密度的峰值点。在靠近核态沸腾的峰值点附近，存在上升缓慢的核态沸腾点 d n b ，它作为监视核态沸腾最大热流密度的警戒，是很可靠的。 3 过渡态沸腾 过渡态沸腾是如图2 - 1 中的3 区域，它处于临界热流密度g 。和最小膜态沸腾热流 密度叮。之间，该区域的传热特性不同于其他三种沸腾传热的特性，该区域q - - f ( a d 曲线呈负斜率，随着壁面温度升高，可以传递的热量反而减少，其原因是：随着壁温升 高，加热面上的部分区域为气膜覆盖，部分区域处于核态沸腾，加热面不同区域可交替 地为气膜和液体所占据，而且经常观察至爆发性的形成蒸气。随着温差的增加，可以传 递热流密度反而减少，直到整个加热面完全为气膜覆盖，一直达到最小热流密度为止， 使整个表面温度分布呈脉动状态【2 7 】。 = 、 g 鲁 2 肇而过热度生一( f 一 ) 图2 1 饱和水在水平加热面上沸腾的典型曲线( p = 1 0 1 3 2 5 1 0 。) 4 稳定膜态沸腾 膜态沸腾中，加热面上形成稳定蒸汽膜，热量经气膜传导，气膜周期性、以一定规 1 0 浙江大学硕士学位论文 律排列的气泡形式向液体中释放蒸汽。对流传热强度大大削弱，使得换热系数大大降低， 随着热流密度的增大、壁面温度迅速升高，辐射换热量增多，因此传热系数又开始上升， 从传热的角度来看，膜态沸腾是效率很差的换热方式。但是，在很多的低温系统中它都 存在。在把材料突然放入低温液体中的初始冷却阶段，由于材料表面温度远高于液体饱 和温度，低热导率的气体包围着材料表面，因此，膜态沸腾中对换热起主要阻碍作用的 就是气体膜的熟阻。 2 3 沸腾换热实验 自从1 9 3 4 年n u k i y a m a 首次用水平布置的钼丝作为电阻加热器进行水的池内沸腾试 验，观察到了几种沸腾模式【2 7 1 。之后，有很多学者都做过不同方式的沸腾实验，见文献 3 1 - 3 9 】。比较详细的是w e s t w a t e r 和i r v i n g 的试验，本文所计算沸腾换热系数也是基于他 们的实验结果。国内也有很多学者做过类似的沸腾实验，参见文献 4 0 - 4 6 1 ，其中上海理工 大学华泽钊、许建俊对大小样品及平板的沸腾换热进行了大量实验研究，本文主要是针 对w e s t w a t e r 和i r v i n g 的实验做分析【3 8 j 。 i r v i n g 和w e s t w a t e r 通过对球体和水平平板在饱和液氮中的沸腾现象的研究，发现 对沸腾换热的影响因素很多，包括形状、大小尺寸、材料、液体性质、沉浸深度等，由 于第三章实验工件为不锈钢圆饼，故下文只对影响平板沸腾换热的各种因素展开分析。 1 平板直径 w e s t w a t e r 对厚度为6 3 5 m m 的不同直径的c u 平板沸腾进行了实验研裂3 引，图2 - 2 为厚度6 3 5 m m ，不同直径c u 平板在液氮中的沸腾曲线。 a t ( k ) 图2 - 2 不同直径c u 平板的沸腾曲线 p 乓 一 2 a t ( k ) 图2 - 3 不同厚度a l 平板的沸腾曲线 由图2 2 可以看出，当平板直径很小的时候，直径的变化对沸腾曲线的影响很大。 浙江大学硕士学位论文 当平板直径增大时，沸腾曲线趋于渐近值。对于核态沸腾和膜态沸腾两种沸腾状况，其 临界直径是不同的。核态沸腾的l 临界直径大概为2 5 如，膜态沸腾的临界直径大概为 7 砧，如为t a y l o r 波长。 一i 3 ( r l 1 ”c z t ， 式中：吒液体表面张力，# - 位s o 删； 见液体密度，单位为，； 办q 体密度，单位为哆，。 一个大气压下的以为i i 2 m m ，这样可求得核态沸腾的临界直径为2 8 m m ，膜态沸 腾的临界直径为7 8 4 m m ，本次模拟所采用圆板直径为9 0 m m ，可以用渐近值去计算。 2 平板厚度 l i n 和w e s t w a t e r 对不同厚度的砧平板沸腾换热进行实验研究，发现，厚度很小的 平板在很小的对流换热的时候就会冷却下来，i | 缶界热流密度q 。也将随之很小。当平板 足够厚的时候，对流将趋于准稳态状态，沸腾曲线将趋于渐近值。图2 - 3 为不同厚度 a 1 平扳在液氮中的沸腾曲线。 l i n 和w e s t w a t e r 提出，当无量纲平板厚度( b i 数) 大于0 9 时，临界热流密度趋 于渐近值。b i 数如公式( 2 2 ) 所定义。 bi=aehfdk(2-2) 式中：口。临界点的换热系数，单位为b 2 k ) d 平板厚度，单位为m ； | i 为平板导热率，单位为( m 足) 。 因此，平板临界厚度为d = 0 嘶口 ( 2 3 ) 对于c u 在液氮中，可求得d = 2 5 r n m ，利用公式( 2 - 3 ) 估算的临界厚度为2 m m ， 本次模拟不锈钢圆饼厚度为1 8 m n l _ ，远大于临界厚度，故可按渐近值计算。 3 平板材料 浙江大学硕士学位论文 w e s t w a t e 和l i n 对5 种不同材料的金属厚平板进行实验研究，发现材料的物性对沸 腾换热有很大的影响，w e s t w a t e $ f l l i n 通过实验数据得出了不同材料核态沸腾最大温差、 临界热流密度和膜态沸腾最小温差的关系。 对于不同材料的l 临界热流密度之间的关系如公式( 2 - 4 ) 所示，不同材料的最大核 态沸腾温差如公式( 2 5 ) 所示 3 8 】。 等= 涮“” c 2 4 ， 器= 黠广 泛s ， 式中：g c w j 、g c j 金属a 、b 的l 晦界热流密度，单位为叫m 2 ； j 金属a 、b 核态沸腾最大温差，单位为k ； 嘛l 、眙k 金属a 、b 的热扩散率，单位为形2 b 4 k 4 ) ； 对于膜态沸腾状态，不同材料的最小膜态沸腾温差之间的关系由公式( 2 6 ) 给出【3 8 1 。 等= 腊厂 协s ， 式中：2 k 叫、口金属a 、b 的最小膜态沸腾温差，单位为k ； 材料在膜态沸腾区域，由于蒸气完全覆盖材料表面，使得膜态沸腾曲线与金属材料 无关【3 8 。7 。因此，可以根据公式( 2 7 ) 求出不锈钢的最小膜态沸腾温差，利用已知c u 的膜态沸腾数据，求得不锈钢材料在膜态沸腾的数据。 2 4 沸腾换热经验公式 尽管我们近数十年来对沸腾换热进行了大量实验研究，取得了一定的成果，遗憾的 是，虽然积累了大量实验研究资料，由于沸腾传热过程过于复杂，迄今为止任何发表的 描述沸腾传热过程的微分方程组和边界条件尚不能获得严格的分析解，尚不能像处理导 热或辐射换热的某些问题或者像单相流体传热的某些问题那样，根据传热机理及数学模 型得到严格的传热解析式。而主要采用半经验或纯经验的关系式。下文简单介绍不同沸 腾区域的经验公式。为减少重复，以下公式里符号表达意义重复的不再单独注释。 1 自然对流沸腾 自然对流的温差值由公式( 2 7 ) 给出【4 8 , 4 9 1 ： 1 3 浙江大学硕士学位论文 _ c l a t ( 5 1 0 一s 概) 。z 魄) 一 启 式中：z 壁面与饱和液体的温度差，单位为k ； k 饱和液体的汽化潜热，单位为j 堙； 气饱和液体的定压比热，单位为j 嘛k ) ； p r i 饱和液体的普朗特数，为无量纲数： 坐三j a l 【o b 数，为无量纲数； k g ，；- 唐泡的格拉晓夫数，为无量纲数。 ( 2 7 ) 气泡的格拉晓夫数表达式如公式( 2 8 ) 所示。 吼= 警酝到1 。5 沼s ， 式中：尾液体的体积膨胀系数，单位为1 k ； 盯。掖体表面张力，单位为n m ； 胞液体动力粘度，单位为p a 昏微重力加速度与重力加速度的比值，一般状态下g c = 1 。 经过计算，求出不锈钢的在液氮中自然对流温差小于0 5 k ，所以本次模拟自然对 流的换热系数按照核态沸腾计算。 2 核态沸腾 ( 1 ) r o h s e n o w 关系式【2 7 】： 希= 勺岛k ( p r 广q 【肫 ( 2 9 ) 式中：n - 经验指数，对于水n = l ，对于其他流体n = 1 7 ： c 0 流体与加热面组合特性的函数，其值由实验所确定。 ( 2 ) f o r s t e r 和z u b e r 关系式【2 7 】： 畔妒( 嚣笋 望剃“”i p l1 ，。 6 ”酽俐2 协 式中：如实验数据拟合值，其值为4 3 1 0 4 ； p 系统压力与对应面温度的平衡蒸汽压力，单位为p 4 ； 1 4 浙江大学硕士学位论文 口掖体的热扩散系数，单位为矿2 b 4 k 4 ) 。 ( 3 ) m i l d c 和r o k s e n o w 关系式【2 7 】： 忐 捌”= 白 老剽 协 式中各参数意义同上。 ( 4 ) k u t a t e l a d z e 关系式f 4 9 】： 砑：d - - o o 0 0 7 一q 屠豸胀髟 “7 协 式中：k ，无量纲系数，表达式如下： 酢3 厩面浠 q 。1 3 置液体饱和压力，单位为n 。 核态沸腾计算公式比较繁多，有着不同的出发点和依据，但尚未有一种普遍接受的 可以精确的解释核态沸腾传热的计算方法。目前，在工程计算中，r o h s e n o w 关系式使 用较为广泛【2 7 1 。本文计算核态沸腾的换热系数是基于r o h s e n o w 关系式。 3 膜态沸腾 与核态沸腾相比，膜态沸腾下，加热面为蒸汽膜包覆，故表面特征对沸腾过程影响 较小，较易分析，但是加热面的几何形状，大小、布置都会影响汽膜的几何形状和运动 特性，对于膜态沸腾的研究，一般都作很多简化，众多学者提出了适用于不同场合和条 件的计算方法，下文简单介绍垂直面、水平面和球体的计算方法【2 们。 ( 1 ) 垂直面 1 9 5 0 年b r o m l e y 分析垂直加热面膜态沸腾传热，对气化潜热进行修正，得出下述 关系式【4 7 】： 幺= 坛( 埘警 协 叫如几。 浙江大学硕士学位论文 胁。= 矗g ( 2 - 1 6 ) k ；= r ( 2 1 7 ) n u 。= ( 0 6 2 r a k ；) 0 巧 ( 2 1 8 ) 此关系式是基于层流气膜推导，只能用于计算短的竖管或平板，否则计算值偏低。 ( 2 ) 水