目前作为清洁能源，LNG它是当今世界上增长最快的能源。目前，天然气在世界一次能源结构中的比例已达到25%。天然气以其高效、优质、清洁等优良的性能和广泛的应用，将成为21世纪人们使用最多的能源形式。近年来，加快天然气应用已成为全球趋势。预计到2015年，天然气产量将超过原油，成为世界上最大的能源。2008年4月3日，中国第一艘由中国船舶集团公司沪东中国船舶集团有限公司独立建造的中国船舶LNG船舶的成功交付标志着中国基本掌握了世界造船尖端技术，打破了国外在这一领域的垄断。LNG工业的发展以及中国自主研发LNG随着船舶的成功，中国开始使用船舶LNG自主研发超低温调节阀。
超低温阀的工作温度极低(77K），因此，在设计这种阀门时，除了遵循一般阀门的设计原则外，还有一些特殊的要求。重要的一点是要求阀门的结构确保填为0℃在上述温度环境下工作，如采用长颈阀盖结构，使填料函尽可能远离低温介质，起到保护填料函的作用。
填料函的密封性是低温阀的关键之一。如有泄漏，将导致填料与阀杆结冰，影响阀杆的正常运行。同时，由于阀杆上下移动，会划伤填料，造成严重泄漏。
新阀门的设计、生产、加工装配不仅需要消耗大量的人力、物力和财力，有时新阀门的设计不能保证预期的性能指标，因此近年来，阀门虚拟设计和模拟是阀门设计的重要方式，可以对产品性能进行初步评价，浙江大学、中国科学院等离子体物理研究所丁晓东对低温截止阀和低温调节阀进行温调节阀进行动态分析和稳态分析，提出通过在氮气环境中添加矿物棉保温材料来提高填料函的温度。本文采用ANSYS有限元分析软件作为建模和分析平台的对准通径DN15的LNG对船用超低球阀进行热分析，确定设计的阀颈长度是否合理，研究结构因素对填料函温度的影响。
1 模型
1.建立1 模型和划分有限元网格
设计的超低温阀是DN15超低温球阀。超低温球阀的主要材料是316L奥氏体不锈钢，低温介质1MPa液氮、表1、表2为不锈钢材料，氮的物理参数随温度而变化。由于阀门中心面对称，采用热分析单元进行建模SOLID87网格划分。图1，图2为DN15超低温球阀开关时简化的模型。
表1
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表2 氮的物性参数(1MPa）
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图1 开启状态时网格划分
1.阀颈 2.阀杆 3.阀体
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图2 网格关闭时的网格
1.2 数学模型
由于材料的物理性能随温度而变化，并考虑到辐射传热，因此热分析属于非线性热分析。
阀门在管道中打开和关闭，因此稳态热分析的控制方程为：
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相应的稳态非线性平衡方程为：
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方程可等效：
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式中：
［Qnr由计算单元热流获得的内部节点热流矢量Qa节点热流矢量是由载荷引起的。
在初始条件下，内部节点热流不等于施加的节点载荷。两个矢量之间的差异是不平衡热流矢量：
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牛顿-拉夫森法用于求解过程中，具体步骤如下:
(1)解决系统方程的增量形式
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(2)更新节点温度。
内部节点的热流速率由单元热流计算。
(4)将收敛结果与收敛准侧进行比较。
（5）迭代。
2 管道开关时稳态温度计算
2.1 边界条件
阀门外表面根据对流换热条件和辐射换热条件设置，阀门外环境温度为298K，对流换热系数取10W/（m2•K）］。Stenfan-Bolzman常数为5.67×10－8。对称表面取绝缘边界条件。当阀门工作温度低且稳定时，阀门流道内表面温度接近介质温度，阀门流道内表面温度设定为77K。
2.2 结论分析
当阀门在管道中打开和关闭时，阀颈的长度要求可以满足填料函不冻结的要求，并在设定的边界条件下通过改变阀颈的长度获得相应的填料函底部温度。图3为管道中超低温球阀的温度分布，填料函底部温度为274.59K，图4显示了超低温球阀在管道关闭时的温度分布，填料函底部的温度为275.89K。
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图3 开启状态时的温度分布图
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图4 关闭时的温度分布
3 超低温阀门结构尺寸对填料函底部温度的影响
使用超低温阀时，阀门通道处于冷端温度下(77K），阀体外表面与环境空气自然对流换热，部分冷量从径向传递到外部环境，部分轴向传递到阀杆顶部。由于阀门各部件的接触不能完全密封，阀门流道中的一小部分介质会蒸发，使阀杆与阀体之间的间隙充满气体。阀杆与阀体内壁之间存在温差，不仅会产生热辐射，还会导致间隙中气体的自然对流，增强径向热传递。此外，阀颈厚度的变化也会影响填料函底部的温度。因此，在设计超低温阀门时，应考虑阀颈厚度与阀颈与阀杆间隙对超低温阀温场的影响。
3.1 阀杆与阀颈之间的间隙尺寸对填料函底部温度的影响
3.1.1 流场分析
该模型将阀颈与阀杆之间的内部视为垂直封闭夹层的自然对流换热。夹层内流体的流动主要取决于夹层的厚度δ特征长度Grδ数。
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当Grδ极低时换热依赖纯导热。Grδ流动(环流)、层流特征流动、湍流特征流动依次出现。
定性温度为：
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在垂直夹层中，通过夹层的换热量应为导热和辐射换热之和。Grδ≤2860时，夹层中气体介质的热传递主要是纯导热和辐射换热之和。当夹层中气体介质的热传递处于纯导热状态时，由于气体的导热阻大，其传热量小。当夹层壁之间的温差小时，辐射传热量小，可以忽略传热量；当夹层壁之间的温差稍大时，辐射传热量不容忽视。Grδ>2860年，夹层中气体介质的热传递不是热辐射和纯导热过程，会出现自然对流，纯导热变为对流换热，热传递量大大增加。根据上述公式理论，在尺寸设计范围内，Grδ≤因此，夹层中气体介质的热量传递主要是纯导热和辐射换热之和。
3.1.2温度场分析
当阀颈厚度和长度保持不变时，图3、图5和图6是阀杆与阀颈之间的间隙mm，3mm，5mm阀门温度分布图。
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图5 间隙为3mm温度分布
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图6 间隙为5mm温度分布
从图中可以看出，当阀杆与阀颈之间的间隙尺寸变厚时，填料函底部的温度分别降低274.59K，273.84K，272.52K，但是值变化很小。图7显示了阀杆与阀颈间隙对填料函底部温度的影响。
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图7 阀杆与阀颈间隙对填料函底部温度的影响
模拟结果表明，当间隙内通过气体的换热处于纯导热加辐射传热时，由于氮气的导热系数小，在通过间隙的传热过程中，导热所占传热量的份额很小，同时由于阀杆与阀颈间隙尺寸度较小，模拟取值的氮气隙对整体阀门的温度分布影响很小。因此在进行超低温阀门的设计时，阀杆与阀颈间间隙在尺寸设计值范围内，间隙尺寸对填料函底部温度的影响可以忽略不计。
3.2 阀颈厚度对填料函底部温度的影响
当阀颈与阀杆之间的间隙厚度和长度保持不变时，图3、图8和图9分别为4mm，6mm，8mm从图中可以看出，当阀颈厚度变厚时，填料函底部温度分别为2744.59K，263.32K，259.35K。图10显示了阀颈厚度对填料函底部温度的影响。
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图8 阀颈厚度为6mm温度分布
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图9 阀颈厚度8mm时的温度分布
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图10 阀颈厚度对填料函底部温度的影响
模拟结果表明，当阀颈与阀杆之间的间隙厚度和长度保持不变时，随着阀颈厚度的增加，填度的增加而显著降低。图10显示了阀颈厚度对填料函温度的影响。模拟显示，长颈阀盖阀颈厚度是影响填料函底部温度的重要因素之一。在设计小直径超低温阀时，在满足强度的前提下，尽可能降低阀颈厚度。
4 结论
使用有限元分析软件ANSYS对DN15船用LNG超低温球阀在开关状态下进行了建模和有限元分析。这两种工作状态下的稳态温度场分布。
(1)设计DN15船用超低温球阀的尺寸可满足填料函底部不冻结的现象。
(2)正在进行中DN在设计船用超低温阀时，当阀颈长度保持不变时，可降低阀颈厚度，提高填料函底部温度。
（3）对于DN15船用超低温球阀，阀颈厚度是影响填料函底部温度的重要因素。随着阀颈尺寸的增厚，填料函底部的温度显著降低。阀颈与阀杆之间的间隙对填料函底部的温度影响不大。
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