深冷处理传热模拟及低温阀门试验系统设计.pdf

浙 江大学硕士学位论文 第四章 阀门深冷处理及试验系统设计 势 4 1引言 如第一章所述 由 于金属材料在低温下物理和机械性能等发生明显变化 因此 低 温阀门 部件在生产过程中 需进行深冷处理 以改善材料在低温下的机械性能 提高尺寸 的稳定 性 提高耐磨性和抗腐蚀性等 为了 保证低温阀门的密封性以 及冷态下的可操作 性 低温阀门 产品应进行性能试验 包括检漏和操作性能试验 由 于用于阀门 零部件深 冷处理的 装置为冷态性能 试验系统装置的一部分 阀门 试验装置主要包括 设备系统 管路系统和测量系统 下文将主要介绍试验系统中主要部件的设计 歼 2试验装置 夸 4 1 1 设 备系统 阀门 试验装置的主要设备包括低温试验槽 待测低温阀门 法兰端盖 安装底座 液氮系统 气源和相关控制阀门 等 阀门部件深冷处理所用到的 设备主要包括低温试验 槽和液氮储罐 试验槽的形状和尺寸设计所涉及的因素很多 具体设计第三节将做详细的介绍 安全阀 应该选择可调式的 因为在试验过程中 系统的压力是根据阀门的工作压力 分几次 逐步 增加的 因 此 为了 保证 在试验增压过程中 系统安全 根据每次增压后压力 不同 调节安全阀到适当的排放压力 由于阀门的试验压力比较高 减压阀使用高压减 压阀 氦气瓶提供检漏所需要的高压氦气 由 于 气体增压比 液体方便 而且槽中 储存是液 必须使用沸点低于氮的工作气体 因此用氦气检漏 氮 别 2 2管路系统 由于系统试验的时 候压力比较高 可达10M P a 因此在选用管路的时候要注意承压 能力 在槽内 有一段管道弯成盘管形式 目 的是让氦气得到充分冷却达到试验要求 因 此选用管路的时候也要注意管的弯曲能力 下文通过校核计算确定几种可选方案 由材料力学可知 浙江大学硕士学位论文 2 刀 lb 2 r 1 叮 一 一r 0 b 一口 今1 r l 气 气 价J u u l l 1 n 二 几 j 今2 其 中PI为 管内 工 作 压力 b 为 管 道的 外 半 径 a 为内 半 径 久为 材 料的 屈 服 极限 口 为 材 料 的 强 度 极 限 屈 服 极 限 的 安 全 系 数 气 1 5 强 度 极 限 的 安 全 系 数 4 卜 1 为 材 料的许用应力 表4 1 为经过计算后 可选的四 种管道材料方案 由 于 系 统 各部 分 在 试 验过 程中 压 力 不同 上游管 路 压 力为 阀门 试 验 压力 而 下 游管 路压力一般为常压 因此整体系统的管道材料与尺寸选择可以 有如下几种方案 如表们 所示 表4 1 管道材料选用方案 方案方案一方案二 方案三方案四 材料铜铜 铜不锈钢 外径 m m 866 6 壁厚 m m 21 1 5l 2 0 时候的 强度极限 N IP a 2 5 52 5 52 5 56 74 20 时候的屈服极限 N 护 a 4 94 94 93 04 许用应力 拟 于 a 3 2 6 73 2 6 73 2 6 71 6 8 一 5 管内 允 许 最 大 工作 压 力仁 p 门 M p a 1 2 2 59 07 5 1 22 54 6 一 8 管内 实际 工 作压力p N a l 0l 0l 0l 0 是否安全是 否是是 表4 一 整体管路方案 方案一从氦气截止阀出 来的全部管路都选择铜管 其外径s m m 壁厚Z mm 方案二 氦气瓶截止阀到阀门上游法兰端盖之间一段选用外径s m m 壁厚Z m m铜管 从下游法 兰端盖出 来的所有管路选用外径6 m m 壁厚l m m的铜管 方案三从氦气瓶截止阀出来的全部管路都选用外径6 m m 壁厚1 s m m的铜管 方案四全部管路选用外径6 n u n 壁厚I nun 的不锈钢管路 浙江大学硕士学位论文 肛 2 3测量系统 试验的测量系统主要包括 温度测量 压力测量 液位测量和流量测量 各测量元 件根据试验的 特殊要求进行选择 1温度 试验温度测量涉及室温至液氮温区范围 宜采用电阻 温度计 它具有测量精度高 灵 敏度高 稳定性好 信号输出 大 便于测量和传输 同它配套的仪器也比 较成熟 目 前在低温测量中 广泛采用铂电阻温度计和锗铁电阻 温度计 锗铁电阻温度计的测量下限 可低达Z K 其灵敏度可达0 I K 但价格较高 铂电阻温度计的测量下限可达 13K 其 灵敏度也可高达0 I K 且价格便宜 特别适用与50K 一3 00K之间的温度测量 温度信 号 通过数 字万用表采集 并输入计算机 在计算机界面上显示 并由 计算机自 动完成记 录和保存 2 压力 试验压力测量范围 为0 1 0 M P a 主要集中 在0 6 4 卜 4 P a 范围 考虑采用压变式压 力传感器 同时 配精密压力表 用于标定压力传感器和完成7 一I O MP a 压力范围的测 试 压力传感器的产生的电信号 经数据采集卡进入计算机 在计算机界面显示 由 计算 机完成自 动记录和保存 3 液位 为了 确保液氮液面高 度满足阀门 测试的要求 将设立液位上限和下限 具体采用两 只分别安装在上 下限 位置的温度计来实现测量 根据液相温度和气相温度的差异可定 性判断液面相对上 下限液位的位置 测量值通过数字万用表进入计算机进行显示 4 流量 根据阀门密封形式的不同 阀门的允许泄漏量是不同的 软密封结构的阀门 其泄 漏量应该为零 而对于硬密封的阀门 本身是允许带有一定的泄漏量的 但是整体的泄 漏量也不能太大 基于上述情况 我们准备配备 两种测量流量的装置 其一是小流量的 流量计 用来测量有一定漏量许可的硬密封阀门或者是软密封阀门在相对不正常工作状 一一一鱼些进竺竺巡塑匕一一一一一一一一一 态 下时 的 测 量 对于极 其 微 小的 泄 漏 量 由 于 一 般的 流 量 计已 经 无 法 检 测到 只能 采 用 观察开口 端浸没在水中的量筒刻度 甚至计数气泡个数的形式 歼3试验 槽设计 试验槽的设计思路为 先通过计算各种可选形状和大小的试验槽的尺寸大小和绝热 性能 进行比较后确定形状类型和结构尺寸 试验槽的绝热设计对于试验槽的性能来说至关重要 它直接影响到试验槽内液氮的 消耗量和容器外壁是否结露或结霜 绝热的种类很多 主要分为非真空绝热和真空绝热 非真空绝热即普通绝热或堆积 绝热 真空绝热又分为高真空绝热 真空 粉末绝热和真空多 层绝热三种 真空多 层绝热 是 效 率 最 高 的 绝热 但 成 本高 结 构 复 杂 适 合 于 长 期 储 存 1 刀 由 于 本 装 置 是为 阀 门 做 深冷处理和性能试验时储放液氮所用 所需时间 不是很长 一般几个小时 因此 考虑 采用膨胀珠光砂进行普通堆积绝热 圆柱体和长方体是可供选择的两种试验槽形状 根据典型的低温阀门试件尺寸 D N 50 D N 150 低温闸阀 以 及液氮液面高度的 测试标准要求 初步圈定了以 下可供 选择试验槽内 容器的形状尺寸 见表4 一 3 下文会详细给出具体尺寸的确定依据 表4 一 初定试验槽内 容器的形状尺寸 阀门通径 DN5 0 DN1 5 0 形状圆柱体长方体 圆柱体长方体 圆柱体 直径x 高 mm 长方 体 长 x 宽 高 mm 甲 5 00 x 400 4 0 x 3 5 0 x 4 X 甲 8 0 0 x 7 X 7 0 0 x 5 00 x 7 00 列 3 1 试验 槽尺 寸 计 算 1计算思路 通过假定外壁面温度为空气在特定状态下的露点温度 计算绝热材料厚度 再计算 漏热量 与允许漏热量进行比 较 下图今1 为 试验槽的示意图 浙江大学硕士学位论文 图今1 试验槽的示意图 2计算的基本假设和参数 物理量选择 与无限空间中的自 然对流换热不同 封闭空间换热是靠热壁和冷壁间的自 然对流过 程循环进行的 即靠近热壁的流体将因浮力而向上运动 而靠近冷壁的流体则因被冷却 而向 下 运 动 对于 盖 子内 部的 氮 气空 间 氮 气空间 的 高 度气 Z oom m 由 于 液 氮 面 为冷面 盖子底部为热面 冷热面之间无流动发生 则按纯导热计算 再考虑辐射的影 响 81 假设装置每小时加液一次 最高液位和最低液位相差 5 0 n n n 液氮的汽化潜热为 1 98 3 kJ盖子内 壁面的 温度 为几1 盖子绝热材料热导率为场 盖子外表面的 温度为几 盖子外表面与空气之间 的综合换热系数为叱 底部内 壁面的 温度为毛1 底部绝热材料热导率为场 2 底部外表 面的温度为几 3 底部外表面与空气之间的综合换热系数为a3 根据上面的假设 筒体 盖子和底部的 外表面的 温度T1 3 T 2 3 二 T 3 3 T d 空 气在 特定状态下的露点温度 筒体和底 部内壁面的 温度为液氮的 饱和温度T Tll T 3 1 T 二 7 7 K 盖子内 壁面的 温度几1 未知 对 于 密 度 为l o o k 留 m 3 的 膨 胀 珠 光 砂 在77 一 30 0K的 平 均 热 导 率k 司 02 6 W m K 1 幻 因 此 k 广k 2 2 场 2 卜 刃 02 6 W m K 筒 体 和 底部内 壁的 温 度在 液 氮 温区附 近 平 均热导 率kl h 和幻 为8 I W I m K 筒 体 盖子 和 底 部 外 壁 温 度 在常 温附 近 平均 热 导率kl 3 场 和k33为1 6 4 W l m K I 1 空气和氮气的相关 热力学参数 假设外界空气温度为 T 广3 0 0K 空气相对湿度为 8 0 因此可以查得空气的露点温度 T 产 2 9 6 5 K 所以空气的计算定性温度 98一25K 可以查得在2 982 5 K时空气的物性参数11 叹 k an 0 0 2 5 9 4 W m K 氮气的计算定性温度 厂1 5 s s x l o 七 m Z 污 尸 厂 习 7 1 5 8 几1 2 可以 根据T N Z 查氮气的 相关物性参 数1201 3 绝热材料厚度计算 a 筒体绝热材料厚度计算 根据热平衡 可得 a l 仇一 双 神 二 氏 氏 2 氏 3 不 3 一 不 In 竺 立土 玉 二 曳 产 式 十 式 4 一 3 卫一 in 二 全 丛 2 威 lr 1 r 民 十 民 二 一 下 m一 一子了 二十 名 瓜 Zr 十0 1 12 武 3 浙江大学硕士学位论 因为 公式 8 1 1 绍1 3 月mm 厂呜 0 0 n n 一 匕in 竺亘 止 2 两12 威1 in 竺 鱼 土 生竺 鱼 0 因 此 r 氏 巩 2 今 3 可简化为 al 仇一 不 二 r 戈 2 不 一 兀 一 L In 型 竺 丛 礴 碑 2 武 r 筒体与外界的综合换热系数 a l a l a l 今5 其 中 al 为 筒 体 外 壁与 空 气 的 对 流 换 热 系 数 al 为 辐 射 换 热 对 总 换 热 的 影 响 121 1 筒体外侧空气格拉晓夫数 朗么 叹 u护 叮 犷 V 4 一 6 式 中 人 h 为 特 征 长 度 1l T TO 一 爪 声 为 气 体 体 积 膨 胀 系 数 对 于 理 想 气 体 刀 几 因此 可得 Gr 2 9 仇一 式 3 卜 T0 双 3 今7 筒体外侧空气努谢尔数 Nu q 断 Pr 护 4 一 8 假设 筒 体 外 壁 面空 气为 层流 状态 Gr P r 1 09 计算 结果 再 验证 查 表4 一可 得 C I 旬 5 9 n l 1 4 因此 l 一 2 9 仇一 兀 WPr 下 MJ 05 创二 竺 芝二斗二竺二一二 1 一L记 饥十 几 牛9 二 一 k 简 脚卜 恻 笙 气 坷 掀 乐 数 Ic 啊常 4 一 1 0 可得 一 无 斋半 万 4 一 1 1 一 一一 一一 一鱼 里进 竺丝 塑些 L一 一一 一一 一一 一 表利大空间自 然 对流换 热准则关 联式c n 值网 壁面形状 位置及边界条件流态 Cn定型尺寸适用范围 拓 代皿眺 竖平壁竖直圆简 平均 N u 式N u 早 C G r Pr 层流 紊流 0 5 9 01 忿 高度h or P r 1 护 1 09 1 09 1 0 3 Q C O n st 竖平壁竖直圆筒 局部 N u 月 式N u C Gr获 Pr 皿 层流 紊流 0 6 0 1 7 1 5 1 l4 局部点的高度x Or戮 Pr 1 0 1 0 1 1 2 1 0 1 3 1 0 宜 拓 翎 叫 水平圆 筒 平均 N u 式N u C Or Pr 层流 紊流 1 一 02 0 8 5 0 4 8 01 2 5 0 一 1 4 8 0 1 8 8 0 2 5 0 l 月 外径d Gt Pr 1 0 2 1 价 1 02 1 04 1 04 1 价 1 07 1 0 1 2 标 留 st热面朝上或冷面朝下 的水平壁 平均物 式N u C 份Pt 层流 紊流 0 5 4 0 1 5 1 l4 l 乃 矩形取两个边长 的平均值 非规则 形取面积与周长 之比 圆盘取0 9d Gr Pr 2 x l 04 一s x l 护 s x l 0 1 0 1 尸 c o n st热面朝下或冷面朝上 的水平壁 平均N u 式N u C o r Pr 层流 0 一 5 8 1 l5同上 Or Pr 1 0 1 0 1 1 壁 面 的 辐 射 换热 公 式为 脚 1 T0 一 爪 3 仇 一 几 4 一 1 2 辐 射 换 热系 数a 盯几 4 一 几 4 TO一 双 3 今1 3 其中 为 钢板的发射率 cr为黑体辐射常数 筒体 因此 盖 子和 底 部 外 侧的 辐 射 换 热 系 数al 气 气 a 筒体的外壁综合换热系数为 1 4 石 口 TO 一 不 3 To一 不 4 一 1 4 知 把公 式 今 1 4 代入公式 4 4 中可以 得到 r 民 V 0 1 m r 4 一 1 5 T0 一 军 0 5 浙江大学硕士学位论文 求解公 式 4 一 15 可以 得到筒 体绝热 层的 厚 度或 2 b 盖子绝热材料厚度计算 根据热平衡条件 有 2 仇一 几 几 一 几 民 民 民 二 一十 一 k k 二棍 4 一 1 6 式 中 和 J 蜘砂咖大 于 标因 会 十 会 远 Jop 会 所 以 式 4 一 1 6 可简化为 凡 4 一 1 7 盖 子 与 外 界 的 综 合 换 热 系 数 a Z a Zr 今1 8 其 中 2 为 盖 子 外 壁 与 空 气 的 对 流 换 热 系 数 a Z 为 辐 射 换 热 对 总 换 热 的 影 响 2l 1 二 9 那772 丁 r 工一 牲 沉 人 从以 2 二 叮万一 4 一 1 9 式 中 人 0 9 d 1 女 为 特 征 长 度 111 T TO 一 几 夕 为 气 体 体 积 膨 胀 系 数 对 于 理 想 气体 刀 二 称 因 此 可得G 2 9 仇一 几X18r 丫 v 仇 几 盖 子 外 侧 空 气 努 谢 尔 数瓶 二 q G P 护 今2 0 今2 1 假 设 盖 子 外 侧 空 气为 层流 状态 Gra P r 在1 护 10 u 计 算结 果再 验 证 查 表4 一可 得 C Z 0 5 8 n 2 书 1 5 可 得 Nu 0 5 8 二 一 k 孟 于 外 侧 翌 气 坷 冻 系 2一 峡育 4 一 2 2 4 一 2 3 浙江大学硕士学位论文 恻娜4 26翎翎娜蝴 可得 a Z l 卜 奇 淤 条 盖 子 与 外 界 的 综 合 换 热 系 数气二 2 气 r 由公式 今13 可得 且1弓 J 一 一 2 9 T0一 几 P r l s r 饥 几 3 卜 十 石 口 兀 4 一 爪 3 TO一 几 把公式 4一 2 6 代入公式 4一 1 7 可以得到 几 札帆 一 兀 58 29仇一 几丫 Pr l sr 丫 T0 几 2 公一 写 氮气的辐射热流 T l 一 T4 氮气的导热热流 q k 二 2 Tz 一 T 暇2 式 今 2 9 中稀 为 氮 气 在 定 性 温度玩 下的 热 导 率 根据热平衡 丛 必 毛 鱼 公一 川 才 丛 竖 上 卫 凡 一 与2 联 合 公 式 4 一 7 和 4 一 3 0 求 解 可 得 筒 体 绝 热 材 料厚 度凡和盖 子内 壁 面 温 度几 c 底部绝热材料厚度计算 根据热平衡条件 有 仇一 兀 3 二 兀 一 兀 民 氏 民 份 二 一 一 札札k 3 1 今3 1 式 中 3和 1远 小 于 蜘 远 大 于 2 因 会 会 远 Jop 瓮 所以公式 浙江大学硕士学位论文 今3 1 可简化为 民 旦 彝 冬 9 a 3 U 舀 一 了 3 3 今3 2 底部与外界的综合换热系数 a 3 a 助 a 3 4 一 3 3 其中 式中 a 3 为 底 部 外 壁 与 空 气 的 对 流 换 热 系数 a 3 为 辐 射 换 热 对 总 换 热 的 影 响 1211 底部外侧空气格拉晓夫数 一 9 那77 u甲 j 一 二厂一 V 4 一 3 4 几 0 9 d 1 价为 特 征 长 度 ts T TO 一 几 尹 为 气 体 体 积 膨 胀 系 数 对 于 理 想 气 体 刀 乡 1 必 因此 可得 G 几 2 9 仇一 兀 xl sr r v T0 兀 3 牛3 5 底 部 外 侧 空 气 努 谢 尔 数Nus q G 几 Pr 沪 今 3 6 假 设 底 部 外侧 空 气为 紊流 状 态 Gra P r 在8 1 护 10 11 计 算结 果 再 验 证 查 表材 可得 岛 劝 15 两月 3 可得 N u 5 l sr 丝过邺1 Lv tTO 几 4 召7 一 k 服 蒯卜 洲 笙 气 河 况 尔 戴 3c 叽才 4 一 3 8 可 气 5 t l 吵过迥 U 石 T3 3 扮 4 一 3 9 底 部 与 外界 的 综 合 换 热系 数 3 气 吼 由公式 4 一 13 和 4 一0 可得 4 一0 a 0 1 5 气 l j 口 TO 一 兀 3 TO一 兀 礴 月1 把公式 4一 1 代入公式 4 一 3 2 可以得到 浙江大学硕士学位论文 凡 气 2 帆 一 兀 一 T0 一 协 0 1 1夸黔 4 礴2 求 解 公 式 4 4 2 可以 得 到 底部 绝 热 材 料 厚 度凡 综合公式 今1 5 4 2 7 4 一 3 0 和 4 一 2 可得到 汽 2 2 2 3 m m 凡 2 6 3 7 m m 几 二 2 5 7 g m m 几 1 4 1 3 K d 绝热材料厚度确定 实际的绝热层厚度应该比 上面计算的厚度稍微大一点 实际厚度取比 计算结果大 5 左 右 刀 因 此 可 以 取占 2 二 洲 脚 功 咨 二 2 8 如m 占 2 7 0 川 m e 各参数最后计算值 因 为 绝 热 材料 厚 度 取占 12 2 4 o m m 咨 二 2 5 0 m 占 2 7 o m m 代入 前 面的 公 式 可以求得如表 4 一 5 所列 表今 5各参数最后计算值 筒体盖子底部 绝热材料厚度 mm 24 O2 8 02 7 0 外表面 积 扩 5 0 2 71 28 7 1 2 8 7 外表面 温度 K 2 9 6 一 72 9 6 72 9 6 6 外表面空气P 犷0 7 1 5 80 7 1 5 8 07 1 5 名 外表面空 气6 r 1 5 44x 1 0 s1 1 4 9 x l o s1 1 3 6 x l o s 外 表面 换 热系数a wl 扩 K 15 8 4 34 47 76 29 校核系数C与n 取值 筒 体啾悦 p rl 1 1 0 5 2 1 0 1 0 系 数C l 和n 取 值 合 理 盖 子 仇伙 Prz 0 81 74 1 05 在1 护 一 1 01 范 围 之 内 系 数q和nZ 取 值 合 理 底 部电悦 Prs 0 81 31 1 05 在8xl 一 10 范 围 之内 系 数几和n3 取 值 合 理 浙江大学硕士学位论文 歼 1 2试验 槽绝热性能 计 算 1 筒体漏热率 C l x T0一 T l3 才 式中Q 为 此 时 通 过筒 体的 漏热 率 2 盖子漏热率 Q Z x T0一 r x 才 2 式中Q 2 为 此时 通过盖 子的 漏热率 A 为 此时筒 体的 表面 积 才 2 为 此 时 盖 子的 表 面 积 3 底部漏热率 Q 二 3 x 仇一 T 3 3 x 才 3 式中Z J 为 此时 通 过 底 部 的 漏 热 率 A 为 此 时 底 部 的 表 面 积 4 总的 漏热率及液氮蒸发率的计算 根据假设 支承结构漏热量为总漏热量的 的漏热率的两倍 可得 夕 二 2 位 1 件 么 色 4 礴3 礴 月 冈 4 一5 5 0 p 刀 因 此 总的 漏热 率 为 通 过 绝 热 材 料 4 礴6 因 此总的漏热率Q 2 83 8 平 液氮的汽化潜热为 19 8 3 K J 瓜 9 液氮的密度为 80 8 6k 咖 因 此 可 以 得 到 一个小时液氮的 消耗量为 5 1 5k的 6 3 72L h 一个小时液氮液面的 下降高度为 12 6 s n ln l lb 液氮的日 蒸发率为 6 O 85 5 预冷量的计算 预冷量包括冷却内 容器 典型闸阀 试件和绝热材料所需要的冷量 a 内容器的预冷量 内 容器的预冷温区为3 00 77K 内 容器的 材料使用常用的不锈钢I cr18 N i g 五 其 密 度 为7 9 00 k g m 3 内 容 器的 质 量m 79 7 kg 其 比 热容 随 温 度 变 化 如 表4 一 6 浙江大学硕士学位论文 表村 不锈 钢比 热容 川 温度 K 比 热容 Jl kg K 1温度 K 比 热 容 JI kg K 701 6 7 l 603 64 8 01 97 1 8 0 3 9 5 9 02 3 0 2 0 0 4 1 9 1 oo2 5 0 2 5 0 4 3 9 1 202 9 0 3 0 0 4 7 7 1 4 0 3 29 由 表 4 一6 可 计 算 得 厂 c p dT 83 4 因此 内容器的预冷量 Q 一 厂 c p ml dT 可 得Q 6 6 4 7 l o 6 相当 于需要消耗液氮量V I 叫1 45L 呜 碑7 呜 礴9 b 典型闸阀试件的预冷量 试件的 预冷温区为3 00 77K 试件的材料使用常用的不锈钢 I C rl 8Nig 五 D N 1 50 的 试 件的 重 量m 二 2 05 kg 试 件DN50的 重 量m 3 4 5 k g 因此 试件的预冷量 2 二 犷 几 2二 4 一 9 c 二 犷 吼 m 3二 4 一 0 可 得2 12 1 7l xlO 7 j Q f 3 75 3 xl护 J 相 当 于 消 耗 液 氮 量v Z 1 06 6L 妈月 3 4l L c 绝热材料的预冷量 因为绝热材料预冷后的温度分布是不均匀的 在 3 00 77K 之间 取其平均值 188 K 所以绝热材料的预冷温区为 3 00 18g K 绝热材料膨胀珠光砂的密度为 40一 3 0 o k g m 3 我 们 取l o o k g m 3 质 量 m 4 2 1 7 7 kg 绝 热 材 料 的 比 热 容 为6 o 0 瓜 9 K 因 此 绝 热 材 料 的 预 冷量 2 8 44 5 xl J 相当 于 消 耗 液 氮 量v 5 2 6 几 浙江大学 硕士学位论文 6 结论 同 样可以 计算得其他形状和规格的试验槽各参数 如表今 7 表4 7参数比 较表 内 容器尺寸 mm 甲 8 0 0 x 7 0 0 5 00 x 4 0 07 00 x 700 x 7 00月 0 0 x 4 5 0 x 4 5 0 容积 L 3 5 1 一 77 8 53 4 3 8 l 壁面绝热层厚度 m m 2 4 02 1 0 2 902 7 5 盖子绝热层厚度 m m 2 8 02 7 0 2 7 02 7 0 底部绝热层厚度 m m 2 702 7027 02 7 0 内 容器质量 掩 7 9 72 9 3 28 5 1 6 3 2 3 5 绝 热 材 料 质 量 kg 1 2 5 75 4 6 31 6 8 9 9 59 绝热材料漏热率 w 1 4 1 979 名51 3 5 4 5 1 1 5 0 5 总漏热率 W 2 8 3 81 5 9 7 3 7 0 92 3 0 1 每小时液氮消耗量 L h 6 3 7 23 一 5 8 68 3 2 85 1 6 5 每小时 液面下降量 m m h 1 2 一 6 81 8 2 7l 7 2 5 5 1 内 容器预冷量 L 液氮 4 1 4 51 5 2 5 44 31 6 8 3 绝热材料预冷量 L 液氮 5 2 6 72 2 9 70 773 6 试件D N 1 50预冷量 L 液氮 1 06 6 06 6 试件D N 50预冷量 L 液氮 2 3 一 4 123 4 1 妇 3 3试验槽形状的 选择 为了 确定试验槽的具体形状 圆柱体或者长方体 我们从以下几个方面分析比 较 不同形状试验槽的 特点 1 绝热层厚度 通过以上初步的传热计算 绝热层厚度 通过绝热层的漏热率以及绝热层重量等计 算结果如表4 一 7 所示 由 表4 一 7 可见 由于相同容积条件下 圆柱体的表面积小于长方 体 因 此通过圆 柱体 试验槽绝热层的 漏热率小于通过长方体试验槽绝热层的 漏热率 有 利于减少低温阀门 试验以及零件深冷处理过程中的液氮消耗量 在节约成本的同时 可 减少试验和深冷处理过程中补充加注液氮的操作 从而简化操作过程 浙江大学硕士学位论文 2 系统重量 表今 5 中计算结果还表明 同样由于相同 容积条件下 圆柱体的表面积小于长方体 圆柱体试验槽内容器和绝热层的重量小于长方体试验槽 因而采用圆柱体形状不仅可以 减轻试验槽的重量 还可以减少用于预冷内容器和绝热层的液氮消耗量 3 焊接工艺 圆柱体试验槽的焊缝数和焊缝长度小于相应容积的长方体试验槽 采用圆柱体形状 可减少焊接工作量 节约加工成本 同时有利于保证焊缝的质量 4 应力分布和刚性强度 圆柱体试验槽的筒体和缝处的应力分布均比 长方体试验槽更为合理 满足一定 承受 负 荷要求时 制造圆 柱体试验槽的材料厚度小于长方体试验槽 可减小试验槽的重量 节约材料成本 综上所述 我们选择的试验槽形状为圆柱体 如 3 4 试 验 槽 结 构 尺 寸的 确定 1 内 容器的尺寸确定 内容器尺寸的决定因素 1 阀门 试件尺寸对内 容器尺寸的要求 内 容器在直径上应能够容纳最大的阀门 试件 并有足够的空间安放进排气管和测量引线等 而在内容器高度上应保证手轮部分处于试 验槽开口 端之上 以方便进行阀门开闭 操作 D N 50和D N 15 0 低温闸阀的主要外部尺寸如表4 一 8 和表牛 9 所示 2 阀门 试验标注对液氮液面高度的要求 试验过程中液氮液面应始终高于阀盖 表今 8 D N 50低温闸阀 在各个许用压力下的主要外部尺寸 产品型号压力 卜 护a LDDlD2B 御 d HD0 WT kg DZ 滩 O Y 1 6 Ll62 5 01 601 2 51 0 01 6 今甲 1 8 5 402 4 03 0 DZ 河 O Y 2 5 L2 52 5 0 601 2 51 oo 2 0 牛甲 1 8 5 402 4 03 0 D2 4 0 Y 4 0 L4 02 5 0 1 601 2 5 oo20 月 叩1 8 5 7 52 8 02 8 DZ 4 O Y 6 4 L6 42 5 01 7 51 3 5 052 6 4 解 3 5 8 52 0 03 9 D Z A O Y 1 0 0 L1 0 02 5 01 9 51 4 51 1 22 8 月 邓2 5 63 O3 604 5 浙江大学硕士学位论文 表今 9 D N 1 50低温闸阀 在各个许用压力下的主要外部尺寸 产品型号压力 N 田 a LDDlD2B 2 冲d HD0 W T 魄 DZ 闷 0 Y 1 6L1 63 5 02 8 024 O 2 1 024 乡 甲 2 3 9 8 03 601 3 5 DZ 4 0 y 2 5 L2 53 5 03 oo2 5 02 1 83 0 8 哪2 5 9 8 03 601 3 5 DZ 4 0 Y40 L4 04 5 0 3 0 02 5 02 1 83 0 8 叩2 5 1 0 2 5礴 0 01 3 5 DZ 鸿 O Y 6 4L6 44 5 03 4 02 8 024 O3 8 3 哪3 4 1 0 5 03 5 0加 5 表今10 试验槽外壳体的 形状尺寸 阀门通径D N5 0DN1 5 0 试验槽外壳 体尺寸 直径x 高 Inm 甲 95O x 7 00 中 1 3 5 0 x I 0 印 3 绝热和操作安全对内容器尺寸的要求 应使液氮液面与试验槽开口 端有足够的距 离 以 减少沿容器壁向 环境的漏热 并可防止液氮剧烈沸腾时 例如 利用前次试验留 在试验槽中的液氮预冷后一阀门 试件的过程 飞溅到容器外 保证操作安全 综合考虑以上几个方面的要求 我们分别针对D N 50 和D N 1 50低温闸阀确定了圆 柱体内 容 器的尺寸 见表4 一 2 绝热层厚度及外容器尺寸的确定 绝热层厚度的计算结果见表 今 7 根据内 容器尺寸和绝热层厚度 确定了外壳体尺 寸 见表今 1 0 3 系统的机械结构 内 容器和外壳体均采用不锈钢材料I C r1 8 N i g 肠 由形材构成承受负荷的 钢结构 外 壳 体内 部用 槽钢支 承 内 容器 通过5 根甲 5 0 x 5 的 不 锈钢管支承 支承的 漏 热 计算结 果见 下文 试验槽底部安装滚轮 上部安装吊耳 以方便移动 列 沃 5 试 验 槽绝 热 性 能 计算 结 果 及 试 验 液 氮