造纸厂蒸煮锅锅盖阀的设计与仿真分析

造纸厂蒸煮锅锅盖阀的设计与仿真分析造纸厂蒸煮锅锅盖阀采用普通球阀，如果阀座的2个密封面不能同时良好接触，就会导致泄漏大、寿命短等缺陷。为此研制出一种新型的单阀座球阀，当阀口切断时，由于阀出口侧介质压力直接作用在球面上，使得密封效果随着出口压力的增加而提高。本文重点介绍了锅盖阀单阀座构造创新性设计及内流道CFD数值模拟，结果说明，这种新型构造的锅盖阀在实际应用中有非常好的的效果。

随着国民经济的高速发展，我国造纸业步入快速增长期，已成为我国重要的产业部门，对阀门的要求也在逐年提高。

造纸厂蒸煮锅进料球阀是制浆造纸装置的重要部件之一，设置在蒸煮锅顶部，专门用于控制物料装填工序，是蒸煮锅完成进料后，进料球阀关闭，并能够在高压情况下到达良好密封的一种特殊球阀，该球阀在造纸行业中通常称之为“锅盖阀”。该阀进料口通过气体量大，介质通常是造纸的固体物料、废渣、废浆，阀关闭后，随着锅内的蒸煮温度和压力逐渐升高，阀的出口侧要承受很高的压力。这种阀目前没有技术标准，需要根据客户的工艺参数要求量身定制，该阀目前全部靠国外进口，价格昂贵。为此，**力诺阀门研发出了一种新产品，同时还取得了实用新型专利，填补了国内空白。锅盖阀主要由左阀体、右阀体、球体、阀杆和阀座等零部件构成，如图1所示。1、构造与原理

1.1、单浮动阀座

锅盖阀通过的介质一般是固体废渣或废浆，这对阀座会造成磨损，故采用金属硬密封设计，阀座表面堆焊硬质合金，增强耐磨性，且堆焊应尽量靠近阀座外径。同时，金属硬密封能在阀起闭时对纤维物料起剪切作用，保证密封面和阀内的清洁，提高了可靠性与使用寿命。

图1蒸煮锅进料球阀

采用单浮动阀座设计(见图2)，阀座只设在进口侧，阀座反面处设计了碟形预紧弹簧，使阀座始终与阀芯严密接触，在低压的时候也可以到达密封要求。

图2阀座构造

锅盖阀是起闭频率比较高的元件，为提高阀芯与阀座的耐磨性，阀芯表面镀硬铬。起闭过程中，阀芯球面上的2个密封面可轮流使用，延长了密封面使用寿命。为了防止蒸煮锅内高压介质从浮动阀座与阀体间隙处泄漏，引发安全事故，在碟形弹簧外侧设有2道O形密封圈，提高了阀座的密封性能。

锅盖阀工作时，其出口处压力因受到锅内压力作用，远高于进口处压力，阀座与阀芯始终处于严密接触状态，获得了所需要的密封比压，从而到达良好密封。蒸煮锅内压力越高，密封效果越好。

1.2、半轴承设计

新型锅盖阀的设计中采用2个半轴承来支承阀芯，这2个半轴承都安装在上阀杆和下阀杆靠近出口的一侧。当锅盖阀开起时，上下阀杆与半轴承接触，阀芯能够在小偏心的情况下灵活地起闭。当锅盖阀全关工作时，阀杆不受半轴承的制约，阀芯在介质的压力下紧贴浮动阀座，压力越高，阀座与阀芯密封比压越大，密封效果越好，安全系数越高。蒸煮锅停止蒸煮后，锅内压力下降，阀杆又能够与半轴承接触。新型半轴承构造的采用使锅盖阀能够适应更多高温、高压的环境。

1.3、安全联锁装置

锅盖阀通常工作在高压状态，为了防止蒸煮锅阀门在这种情况下误动作而造成事故，特设置安全联锁装置(见图3)。在盲法兰上装有压力传感器，传感器与执行器相连，当锅内压力高于设定的安全开起压力时，压力传感器传送锁定控制信号，使阀处于关闭状态。当蒸煮完成且物料排放完，锅内压力低于安全开起设定压力时，阀门执行器才可以动作，防止了锅内压力泄漏而产生的危险。

图3蒸煮锅物料进口阀外观图2、阀体内腔CFD优化设计

蒸煮锅在进料过程中会有物料从锅盖阀没有阀座的一侧进入阀腔，如果阀腔容积太小，介质就会磨损阀芯表面，降低使用寿命;容积太大又会导致阀体体积过大，需要适当增大阀体内腔。在内腔与流道过渡处采用大圆弧顺滑圆角(见图3b)，阀腔与蒸煮锅之间没有障碍，可以使进入阀腔的物料顺畅流入蒸煮锅，内腔不易滞留物料，从而不会产生阀门起闭阻滞。通过CFD数值模拟的方法来模拟锅盖阀的内部流场，优化内部构造。

2.1、流道建模与网格划分

计算模型采用如图1所示的锅盖阀，通过三维建模软件UG建立锅盖阀简化构造。开展仿真分析前，要对流体部分开展网格划分，通过布尔运算得到锅盖阀在全开状态时的三维流道图，并保存成。step格式。通过ICEM开展网格划分，计算得出网格数为80万格。

2.2、Fluent采用的设置

将.msh文件导入Fluent，设置后开展计算。湍流模型采用标准的κ-ε模型，离散方程的求解方法采用非构造网格上的SIMPLE算法，速度压力场采用隐式的全场迭代解法，边界条件规定速度进口与压力出口。设定好上述求解控制方程后，即可求解阀芯全开状态的模型。

2.3、仿真结果分析

由于阀芯与出口侧阀体内壁距离比较大，未形成阻尼，不会造成阀芯由于杂质而卡死的现象。图4中阀体内腔1处压力与出口2处压力近似相等，出口压力增大则阀座附近压力也随之增大。由于阀芯上下2个球面受到相同的介质压力，这2个力大小相等，方向相反，故阀芯所受的轴向力为0。即在锅盖阀完全关闭时，蒸煮锅内压力越大，则图4中2处压力越大，阀芯与阀座接触越严密。

图4锅盖阀全开时压力云图

锅盖阀在全开时的内流场速度矢量图如图5所示，其中图5a是原始构造，阀体内腔与流道过渡处采用韧口;图5b是优化后的构造。可以得出，阀体内部介质流速非常快，在原始构造中，阀体内腔与流道过渡处冲击大，流阻大，介质对阀体磨损大。如果采用大圆弧顺滑圆角，则使得流线非常光滑，冲击小，流阻小，物料易进入蒸煮锅。

图5原始构造和优化后阀体内流场数值模拟图3、结语

锅盖阀采用特殊的单阀座浮动构造设计，密封面的自适应能力强，密封效果明显提高。同时，阀芯上的2个密