造紙廠蒸煮鍋進料球閥是制漿造紙裝置的重要組成部分之一，設置在蒸煮鍋頂部，專門用于控制材料填充過程。它是一種特殊的球閥，在高壓密封良好，通常稱為造紙行業(yè)的鍋蓋閥。閥門進料口通過氣體量大，介質通常是造紙的固體材料、廢渣和廢漿。閥門關閉后，隨著鍋內烹飪溫度和壓力的逐漸升高，閥門的出口側應承受較高的壓力。目前，該閥門沒有技術標準，需要根據(jù)客戶的工藝參數(shù)進行定制。閥門均從國外進口，價格昂貴。為此，浙江力諾閥開發(fā)了一種新產品，但也獲得了實用的新型專利，填補了國內空白。鍋蓋閥主要由左閥體、右閥體、球體、閥桿、閥座組成，如圖1所示。

1 結構與原理

1.1 單浮動閥座

鍋蓋閥通過的介質一般為固體廢渣或廢漿，會磨損閥座。因此，采用金屬硬密封設計，在閥座表面堆放硬合金，提高耐磨性，堆放焊接應盡可能靠近閥座的外徑。同時，金屬硬密封可以在閥門關閉時剪切纖維材料，確保密封面和閥門的清潔，提高可靠性和使用壽命。

圖1

采用單浮動閥座設計（見圖2），閥座僅設置在進口側，盤式預緊彈簧設計在閥座背面，使閥座始終與閥芯緊密接觸，在低壓下也能滿足密封要求。

圖2 閥座結構

鍋蓋閥是一閉頻率較高的部件。為了提高閥芯和閥座的耐磨性，閥芯表面鍍有硬鉻。起閉過程中，閥芯球面上的兩個密封面可輪流使用，延長了密封面的使用壽命。為防止蒸煮鍋內高壓介質從浮動閥座與閥體之間的間隙泄漏，造成安全事故，盤彈簧外有兩個O形狀密封圈提高了閥座的密封性能。

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鍋蓋閥工作時，出口壓力遠高于進口壓力，閥座與閥芯始終處于緊密接觸狀態(tài)，獲得所需的密封比壓力，實現(xiàn)良好的密封。鍋內壓力越高，密封效果越好。

1.二 半軸承設計

在新鍋蓋閥的設計中，兩個半軸承用于支撐閥芯，兩個半軸承安裝在靠近出口的上閥桿和下閥桿的一側。當鍋蓋閥打開時，上下閥桿與半軸承接觸，閥芯可以在小偏心的情況下靈活地打開和關閉。當鍋蓋閥完全關閉時，閥桿不受半軸承的限制。閥芯在介質壓力下靠近浮動閥座。壓力越高，閥座與閥芯的密封比越大，密封效果越好，安全系數(shù)越高。鍋停止煮沸后，鍋內壓力下降，閥桿可與半軸承接觸。采用新的半軸承結構，使鍋蓋閥能夠適應更高的溫度和高壓環(huán)境。

1.3 安全聯(lián)鎖裝置

鍋蓋閥通常工作在高壓狀態(tài)，為了防止蒸煮鍋閥門在這種情況下誤動作而造成事故，特設置安全聯(lián)鎖裝置（見圖3）。在盲法蘭上裝有壓力傳感器，傳感器與執(zhí)行器相連，當鍋內壓力高于設定的安全開起壓力時，壓力傳感器傳送鎖定控制信號，使閥處于關閉狀態(tài)。當蒸煮完成且物料排放完，鍋內壓力低于安全開起設定壓力時，閥門執(zhí)行器才可以動作，避免了鍋內壓力泄漏而產生的危險。

圖3　蒸煮鍋物料進口閥外觀圖

2 閥體內腔CFD優(yōu)化設計

在進料過程中，材料從鍋蓋閥的一側進入閥腔。如果閥腔體積過小，介質會磨損閥芯表面，降低使用壽命；體積過大會導致閥體積過大，需要適當增加閥腔。內腔和流道過渡處采用大弧光滑圓角(見圖3b），閥腔與蒸煮鍋之間沒有障礙物，可以使進入閥腔的物料順利流入蒸煮鍋，內腔不易滯留物料，因此不會產生閥門啟閉阻滯。CFD數(shù)值模擬的方法來模擬鍋蓋閥的內部流場，優(yōu)化內部結構。

2.1 流道建模和網(wǎng)格劃分

計算模型采用如圖1所示的鍋蓋閥，通過三維建模軟件UG建立鍋蓋閥的簡化結構。在進行模擬分析之前，應劃分流體部分的網(wǎng)格，通過布爾操作獲得鍋蓋閥完全打開時的三維流道圖并保存。step格式。通過ICEM網(wǎng)格劃分，計算出網(wǎng)格數(shù)為80萬格。

2.2 Fluent采用的設置

將.msh文件導入Fluent，設置后計算。湍流模型采用標準κ－ε非結構網(wǎng)格采用模型和離散方程的求解方法SIMPLE算法、速度壓力場采用隱藏的全場迭代解，邊界條件規(guī)定速度進口和壓力出口。設置上述解決方案控制方程后，可以解決閥芯全開狀態(tài)的模型。

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2.3 模擬結果分析

由于閥芯與出口側閥體內壁之間的距離相對較大，沒有阻尼，因此不會導致閥芯因雜質而卡住。圖4中，閥體內腔壓力與出口壓力相似，出口壓力增加，閥座附近壓力也增加。由于閥芯上下兩個球表面的介質壓力相同，兩個力尺寸相同，方向相反，因此閥芯的軸向力為0。也就是說，當鍋蓋閥完全關閉時，鍋內壓力越大，圖4中的兩個壓力越大，閥芯與閥座接觸越緊密。

圖4 鍋蓋閥全開時壓力云圖

全開時鍋蓋閥內流場速度矢量圖如圖5所示，圖5a它是閥體內腔和流道過渡處的原始結構；圖5b這是一個優(yōu)化的結構?？梢缘贸鼋Y論，閥體內介質流量非?？?。在原有結構中，閥體內腔和流道過渡處沖擊大，流阻大，介質磨損閥體。如果使用大弧光滑的圓角，流線非常光滑，沖擊小，流阻小，材料容易進入煮鍋。

圖5 原有結構和優(yōu)化后閥體流場值模擬圖

3 結語

鍋蓋閥采用特殊的單閥座浮動結構設計，密封面自適應性強，密封效果顯著提高。同時，閥芯上的兩個密封面可以交替使用。試驗表明，新結構的使用使鍋蓋閥的使用壽命延長了一倍。閥體內腔結構采用大弧光滑的圓角，優(yōu)化了流道結構，使進入鍋蓋閥的材料在小流阻下進入鍋。安全聯(lián)鎖裝置的設計可以確保鍋蓋閥關閉，避免鍋內壓力泄漏和危險。