FEA y optimización del diseño de válvulas criogénicas de globo

Resumen: Este estudio presenta la optimización estructural de un válvula de globo criogénica Para aplicaciones de helio líquido e hidrógeno líquido que utilizan componentes de fibra de vidrio epoxi, con el objetivo de reducir la fuga de calor sin comprometer la resistencia mecánica. El análisis de elementos finitos (FEA) se utiliza para simular el comportamiento térmico y de tensión de la válvula antes y después de la optimización estructural. El análisis se centra en la distribución de temperatura y tensión en componentes clave, como el cuerpo de la válvula, el tubo de cuello extendido, el vástago de la válvula y la fibra de vidrio epoxi, en ultra-low-temperature condiciones. Los resultados revelan gradientes de temperatura significativos en el tubo de cuello largo, el tubo del vástago de la válvula y las secciones de fibra de vidrio epoxi. Sin embargo, el diseño optimizado reduce significativamente la fuga térmica mientras mantiene una resistencia a la presión adecuada y la integridad estructural para cumplir con los estándares de seguridad y rendimiento.

Con la creciente demanda de ultra-low-temperature sistemas - impulsada por el creciente uso de gas natural licuado (GNL) y el almacenamiento y transporte de fluidos criogénicos como helio líquido, hidrógeno líquido y oxígeno líquido - la aplicación de válvulas de globo criogénico se ha generalizado cada vez más. Para garantizar un funcionamiento seguro y confiable, el aislamiento térmico efectivo y el rendimiento de sellado son requisitos críticos de diseño para válvulas criogénicas. Estudios anteriores - como el trabajo de Li Kang et al. - utilizaron herramientas de simulación para analizar el comportamiento térmico y mecánico en una válvula de globo criogénico DN250, revelando un estrés térmico excesivo concentrado en el tubo de cuello extendido. Este estrés térmico se identificó como un factor clave que contribuye a la deformación del material y al rendimiento reducido de la válvula. Basándose en investigaciones anteriores, este estudio investiga una válvula de globo criogénico de nuevo diseño, comparando su rendimiento térmico y mecánico antes y después de la optimización estructural. La fibra de vidrio epoxi, conocida por su baja conductividad térmica y alta resistencia mecánica, se incorpora al diseño para mejorar tanto el aislamiento térmico como el rendimiento estructural. A través de simulaciones comparativas de elementos finitos, el estudio demuestra que la incorporación de componentes de fibra de vidrio epoxi aumenta significativamente la temperatura en la caja de relleno y garantiza que los niveles de estrés tanto en el cuerpo de la válvula como en las secciones de fibra de vidrio se mantengan dentro de límites aceptables, cumpliendo con las normas de diseño de válvulas criogénicas.

Siguiendo las directrices de la industria para el análisis de elementos finitos (FEA) de válvulas criogénicas, se eliminaron detalles no esenciales para reducir el tiempo de malla sin comprometer la precisión. El volante, el fuelle y apéndices similares se eliminaron ya que tienen un impacto insignificante en la transferencia de calor y los resultados del análisis de estrés. Los orificios roscados en áreas no críticas se suprimieron por la misma razón para agilizar el modelo sin comprometer la precisión del análisis. La camisa de vacío exterior se omitió y su efecto aislante se representó por defecto "aislamiento de vacío" condición límite en el software. El dominio de cómputo resultante se muestra en la Figura 1 (Modelo de válvula simplificada).

Figura 1 Diagrama esquemático de válvulas simplificado

Cuerpo y vástago de la válvula: acero inoxidable ASTM A182 F316

Embalaje (relleno): Grafito

Espaciador / tubo aislante: epoxi - compuesto de fibra de vidrio (propiedades basadas en datos de prueba revisados por pares)

Dado que el vástago tiene un impacto mínimo en la distribución general de temperatura y estrés, se modela utilizando las mismas propiedades materiales que el cuerpo de la válvula (acero inoxidable F316). Los datos de conductividad térmica (λ) y coeficiente de expansión lineal (α) para acero inoxidable provienen del Manual de diseño mecánico. Las propiedades del compuesto epoxi-fibra de vidrio se listan en la Tabla 1.

Tabla 1 Conductividad térmica y coeficiente de expansión lineal del vidrio epoxi

Los datos de expansión lineal a temperaturas criogénicas no estaban disponibles en el estudio referenciado y por lo tanto se supone que están temperature-independent en el modelo.

Constantes elásticas adicionales:

Epoxi - fibra de vidrio: módulo de Young = 5,5 GPa, relación de Poisson = 0,27

Acero inoxidable (F316): módulo de Young = 195 GPa, relación de Poisson = 0,32

Estos valores permiten un acoplamiento preciso de los campos térmicos y estructurales en simulaciones posteriores, lo que garantiza predicciones confiables de fuga de calor, deformación y rendimiento de sellado para válvulas de globo de helio líquido e hidrógeno líquido.

(1) Condiciones de carga térmica

La temperatura interna de la tubería se establece en -263 ° C. La superficie exterior del cuerpo de la válvula se considera aislada, con transferencia de calor ambiental modelada por convección natural. Se aplica un coeficiente de convección de 8 W / (m² · ° C) a las superficies expuestas al aire, con una temperatura ambiente de 22 ° C.

(2) Condiciones de carga mecánica
El estrés térmico se deriva del campo de temperatura simulado. Las cargas mecánicas aplicadas incluyen:

Presión interna: 3,1 MPa

Momento de torsión: 480 kN · mm

Carga de tracción: 135 kN

Las condiciones de contorno aplicadas tanto para los campos térmicos como mecánicos se ilustran en la Figura 2 (Configuración de temperatura y carga mecánica del cuerpo de la válvula).

Figura 2 Ajuste de la carga de temperatura y ajuste de la carga para el cálculo de la fuerza del cuerpo de la válvula

El modelo de malla se muestra en la Figura 3. Dado que la relación de presión de sellado no es el enfoque principal y las diferencias de tensión entre las posiciones de la válvula abierta y cerrada son insignificantes, se seleccionó el estado abierto para la simulación. La malla se genera utilizando un método de control de tamaño para equilibrar la precisión y la eficiencia computacional.

Figura 3: División de malla

La figura 4 ilustra la distribución de temperatura antes de la optimización. La simulación revela un gradiente de temperatura significativo entre el tubo de cuello extendido, el tubo del vástago de la válvula y la sección de fibra de vidrio epoxi. La temperatura de la superficie en la caja de relleno antes de la optimización es de 13,3 ° C. La fuga de calor total antes de la optimización es de 97,5 W, con el cuerpo de la válvula representa 84,7 W, debido a la alta conductividad térmica del acero inoxidable. El vástago de la válvula contribuye con 4,8 W a la pérdida de calor global.

Figura 4: Campo de temperatura antes de la optimización

La figura 5 muestra la distribución de temperatura después de la optimización. Se observa un gradiente de temperatura similar entre el tubo de cuello largo, el tubo del vástago de la válvula y la fibra de vidrio epoxi. Sin embargo, la temperatura de la superficie en la caja de relleno se eleva a 17,1 ° C. Esta mejora se atribuye principalmente a la reducción del grosor de la capa exterior de acero inoxidable, que acorta la ruta de conducción de calor.

Figura 5: Campo de temperatura después de la optimización

Estos resultados confirman que las temperaturas más bajas se encuentran en los componentes de la válvula directamente expuestos al medio criogénico, especialmente el cuerpo de la válvula. Ambas simulaciones revelan un gradiente de temperatura constante a lo largo del cuello largo y las secciones del vástago de la válvula, enfatizando el papel crítico del diseño estructural en la gestión térmica.

En resumen:

• La temperatura de la superficie de la caja de relleno aumentó de 13,3 ° C a 17,1 ° C después de la optimización.
• La fuga de calor a través de la carcasa de acero inoxidable se redujo significativamente.
• El uso de componentes epoxi fiberglass-reinforced reduce la conducción térmica general y aumenta las temperaturas de funcionamiento locales.

Por lo tanto, la incorporación de fibra de vidrio epoxi en el diseño de la válvula reduce eficazmente la fuga de calor criogénico y aumenta la temperatura de la caja de relleno, mejorando así el rendimiento térmico y la seguridad operativa en los sistemas de válvulas de hidrógeno líquido y helio líquido.

La figura 6 muestra los contornos de desplazamiento y esfuerzo equivalente para la válvula de globo criogénico optimizado. Dado que el gradiente de temperatura se extiende a lo largo del eje longitudinal de la tubería, el desplazamiento térmico se concentra de manera similar en esa dirección. La tensión mecánica es generalmente uniforme, con la tensión máxima se produce en el espacio de la tubería, una singularidad local típica de las discontinuidades geométricas. Excluyendo esta singularidad, la tensión media en el cuerpo de la válvula es de 172,95 MPa, muy dentro de los límites materiales del acero inoxidable ASTM F316.

La figura 7 compara el manguito reforzado con fibra de vidrio epoxi (FRP) en condiciones combinadas de carga térmica y mecánica:

Estos resultados confirman que el manguito de epoxi-fibra de vidrio mantiene la integridad estructural a -263 ° C en condiciones de servicio mientras se adapta eficazmente al desplazamiento térmico. El perfil de tensión del cuerpo de la válvula, con un promedio de 172,95 MPa, cumple con los criterios de diseño, lo que demuestra que la válvula de globo de helio líquido / hidrógeno líquido optimizada puede soportar con seguridad cargas térmicas y mecánicas.

Figura 6: Desplazamiento y distribución de tensiones de la válvula optimizada bajo cargas térmicas y mecánicas

Figura 7: Deformación y distribución de tensiones del manguito epoxi-FRP en condiciones de carga idénticas

Este estudio empleó un análisis completo de elementos finitos (FEA) para comparar el rendimiento térmico y mecánico de una válvula de globo criogénico antes y después de la optimización estructural. Los hallazgos clave son:

La sustitución de las secciones metálicas tradicionales con epoxi - fibra de vidrio (FRP) disminuye significativamente la transferencia de calor a través del cuerpo de la válvula y aumenta la temperatura de la caja de relleno. Los resultados de la simulación confirman que el FRP epoxi mantiene una resistencia suficiente a -263 ° C, lo que hace que el diseño optimizado sea superior al de las válvulas criogénicas convencionales.

Aunque un gradiente de temperatura distinto de abajo a arriba permanece en el cuello largo y los tubos del vástago de la válvula, la temperatura de la caja de relleno es significativamente mayor después de la optimización, mejorando la confiabilidad del sello.

Después de adoptar epoxi - FRP, la fuga de calor general disminuye drásticamente, mejorando significativamente la eficiencia térmica en el servicio de helio líquido e hidrógeno líquido.

En la válvula optimizada, la distribución de la tensión es más uniforme, y el manguito epoxi-FRP soporta con seguridad cargas térmicas y mecánicas combinadas, satisfaciendo todos los requisitos de rigidez y resistencia criogénica.