造纸厂蒸煮锅进料球阀是制浆造纸装置的重要组成部分之一，设置在蒸煮锅顶部，专门用于控制材料填充过程。它是一种特殊的球阀，在高压密封良好，通常称为造纸行业的锅盖阀。阀门进料口通过气体量大，介质通常是造纸的固体材料、废渣和废浆。阀门关闭后，随着锅内烹饪温度和压力的逐渐升高，阀门的出口侧应承受较高的压力。目前，该阀门没有技术标准，需要根据客户的工艺参数进行定制。阀门均从国外进口，价格昂贵。为此，浙江力诺阀开发了一种新产品，但也获得了实用的新型专利，填补了国内空白。锅盖阀主要由左阀体、右阀体、球体、阀杆、阀座组成，如图1所示。
1 结构与原理
1.1 单浮动阀座
锅盖阀通过的介质一般为固体废渣或废浆，会磨损阀座。因此，采用金属硬密封设计，在阀座表面堆放硬合金，提高耐磨性，堆放焊接应尽可能靠近阀座的外径。同时，金属硬密封可以在阀门关闭时剪切纤维材料，确保密封面和阀门的清洁，提高可靠性和使用寿命。
图1
采用单浮动阀座设计（见图2），阀座仅设置在进口侧，盘式预紧弹簧设计在阀座背面，使阀座始终与阀芯紧密接触，在低压下也能满足密封要求。
图2 阀座结构
锅盖阀是一闭频率较高的部件。为了提高阀芯和阀座的耐磨性，阀芯表面镀有硬铬。起闭过程中，阀芯球面上的两个密封面可轮流使用，延长了密封面的使用寿命。为防止蒸煮锅内高压介质从浮动阀座与阀体之间的间隙泄漏，造成安全事故，盘弹簧外有两个O形状密封圈提高了阀座的密封性能。
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锅盖阀工作时，出口压力远高于进口压力，阀座与阀芯始终处于紧密接触状态，获得所需的密封比压力，实现良好的密封。锅内压力越高，密封效果越好。
1.二 半轴承设计
在新锅盖阀的设计中，两个半轴承用于支撑阀芯，两个半轴承安装在靠近出口的上阀杆和下阀杆的一侧。当锅盖阀打开时，上下阀杆与半轴承接触，阀芯可以在小偏心的情况下灵活地打开和关闭。当锅盖阀完全关闭时，阀杆不受半轴承的限制。阀芯在介质压力下靠近浮动阀座。压力越高，阀座与阀芯的密封比越大，密封效果越好，安全系数越高。锅停止煮沸后，锅内压力下降，阀杆可与半轴承接触。采用新的半轴承结构，使锅盖阀能够适应更高的温度和高压环境。
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，避免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
在进料过程中，材料从锅盖阀的一侧进入阀腔。如果阀腔体积过小，介质会磨损阀芯表面，降低使用寿命；体积过大会导致阀体积过大，需要适当增加阀腔。内腔和流道过渡处采用大弧光滑圆角(见图3b），阀腔与蒸煮锅之间没有障碍物，可以使进入阀腔的物料顺利流入蒸煮锅，内腔不易滞留物料，因此不会产生阀门启闭阻滞。CFD数值模拟的方法来模拟锅盖阀的内部流场，优化内部结构。
2.1 流道建模和网格划分
计算模型采用如图1所示的锅盖阀，通过三维建模软件UG建立锅盖阀的简化结构。在进行模拟分析之前，应划分流体部分的网格，通过布尔操作获得锅盖阀完全打开时的三维流道图并保存。step格式。通过ICEM网格划分，计算出网格数为80万格。
2.2 Fluent采用的设置
将.msh文件导入Fluent，设置后计算。湍流模型采用标准κ－ε非结构网格采用模型和离散方程的求解方法SIMPLE算法、速度压力场采用隐藏的全场迭代解，边界条件规定速度进口和压力出口。设置上述解决方案控制方程后，可以解决阀芯全开状态的模型。
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2.3 模拟结果分析
由于阀芯与出口侧阀体内壁之间的距离相对较大，没有阻尼，因此不会导致阀芯因杂质而卡住。图4中，阀体内腔压力与出口压力相似，出口压力增加，阀座附近压力也增加。由于阀芯上下两个球表面的介质压力相同，两个力尺寸相同，方向相反，因此阀芯的轴向力为0。也就是说，当锅盖阀完全关闭时，锅内压力越大，图4中的两个压力越大，阀芯与阀座接触越紧密。
图4 锅盖阀全开时压力云图
全开时锅盖阀内流场速度矢量图如图5所示，图5a它是阀体内腔和流道过渡处的原始结构；图5b这是一个优化的结构。可以得出结论，阀体内介质流量非常快。在原有结构中，阀体内腔和流道过渡处冲击大，流阻大，介质磨损阀体。如果使用大弧光滑的圆角，流线非常光滑，冲击小，流阻小，材料容易进入煮锅。
图5 原有结构和优化后阀体流场值模拟图
3 结语
锅盖阀采用特殊的单阀座浮动结构设计，密封面自适应性强，密封效果显著提高。同时，阀芯上的两个密封面可以交替使用。试验表明，新结构的使用使锅盖阀的使用寿命延长了一倍。阀体内腔结构采用大弧光滑的圆角，优化了流道结构，使进入锅盖阀的材料在小流阻下进入锅。安全联锁装置的设计可以确保锅盖阀关闭，避免锅内压力泄漏和危险。
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