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气体的特性通过调节阀来控制阀门

:气体介质与液体在阀门流动中的区别在于它们固有的可压缩性。例如,在节流过程中,由于节流孔处的扰动和涡流强烈,能量分布不均匀,容易产生噪声。本文主要讨论了气体流经阀门设备时参数的变化与流道截面积的关系,以及流动过程中气体能量的传递与转换。

关键词:可压缩性;能量转换;噪音;控制阀

1 简介

在工程中,常见的气流为稳流或近稳流。同时气体调节阀,任意断面任意点的流速、压力和温度参数也不同。并且工作流体在流动过程中可能与外界进行热交换。上述过程极其复杂。为了简化问题的研究,考虑到工程中气体通过阀门的速度较快,认为来不及与阀门进行热交换。同时,将各截面的某一参数的平均值作为截面上各点参数的值,将气体工质的流动视为不可逆的一维绝热稳定流动。

2能量守恒方程

根据热力学定律,开放系统中稳态流动的能量微分表达式为:

忽略重力的影响,不考虑阀门上的功。同时,考虑到流体与阀门之间的摩擦力,流体克服摩擦力所做的功转化为热量,而这部分热量又被加回到流动的流体中。上式简化为:

显然,克服摩擦所消耗的功δw等于它所吸收的热量δq,而δq是与外界交换的热量。对于绝热流,值为0,即有

将上式积分,则沿流向的任意截面都应满足

3节参数变化

根据参考文献1,可以推导出绝热等熵流参数变化的相对关系。见下式:

其中:v 是比体积

c 是流速

A 是横截面积

к是比热比系数

上述公式虽然是从绝热等熵流推导出来的,但对分析绝热流截面参数的变化具有指导意义。从以上三个公式可以看出,参数的变化与气体的马赫数有关。当气体介质进入阀门时,呈亚音速流动。通过孔板时(见图1),由于面积减小,流量增加,压力减小,比容增加,介质膨胀。通过孔板后,流量面积变大,流量减小,压力恢复,比容减小,介质被压缩,但由于阀口摩擦产生的能量转换,压力无法恢复流出阀后,与阀前相比,阀后压力降低,流速有一定程度的增加,介质的密度有一定程度的降低。

气体通过控制阀原理

图一

如果孔口的面积减小到足够小阀门厂家,则流速有可能增加到声速。这时整个阀门的质量流量达到一个很大的值。如果此时面积进一步增加,气体膨胀到超音速,压力进一步降低。可能会产生很大的噪音。但是质量流量不再增加。这种情况就是选气时遇到的堵流情况。这种增加的流速对于多级减压阀内件配置尤其重要。因为多级减压阀内件通常设计成如下形式(见图2))。通常外套管面积较大,然后减小,到内套管的面积较小。内流的设计方法对于液体工况非常有效,它有效地增加了阻尼,降低了压差。但对于气体条件,效果恰恰相反。因为节流面积不断地逐步缩小,气体不断加速,压力不断降低,密度不断降低,介质不断膨胀,可能膨胀到音速甚至超音速。这时,会引起强烈的震动。因为振动的强度与流量的平方成正比。轻的会产生很大的噪音气体调节阀,重的甚至会损坏管道。因此,对于多级减压结构,气体流动方向应由内向外流动。先让气体节流减压,然后逐渐适当压缩,控制内压。流速。防止振动的影响(见图2)。

气体通过控制阀原理图2

图2

根据参考文献3,对于一维绝热等熵流,以下公式成立:

其中:pcr为流速达到局部声速时的介质压力

p0为介质速度减为0时的介质压力,称为停滞压力,也称为总压力,为理论值

vcr 为临界压力比

к是比热比系数

上式表示流速达到局部声速时合资阀门品牌,即质量流量达到较大值时,即发生堵流时的压力比。该比率仅与工作流体的性质有关。现列出几个常用值,见表一:

煤气

双原子气体

过热蒸汽

干饱和蒸汽

к

1.4

1.3

1.135

录像机

0.528

0.546

0.577

表 1

从上表可以看出,虽然气体性质不同,但临界压力约等于0.5。考虑到工程中允许的误差范围,这是气体工况选择中判断堵流的识别条件:当阀后压力/阀前压力≥0.5时,认为会有流量阻塞。

4 节流后的温度变化

气体通过阀门的节流过程中的温度变化比较复杂。节流后,温度可能会降低,可能会升高,也可能不会改变。为了确定节流后温度的变化,需要确定介质的焦耳-汤姆逊系数μJ,它代表了在等焓条件下温度和压力的微分关系。从参考文献2提供的图可以看出(图3):

压力关系图

图 3

反转曲线和温度轴内包含的区域,μJ>0,称为冷效应区域。阀门前的气体介质温度在此区域,节流后温度会降低。而且压差越大,温降越低;在折返曲线和温度轴以外的区域,μJ

5 总结

本文只是定性分析了工程中通过阀门的一些气体流动特性和工程选型的一些注意事项。由于介质通过阀门时摩擦大、扰动强、涡流较多,处于一定程度的不平衡状态,无法进行非常具体的计算分析。只能借助CFD( Fluid )软件进行分析,结合实际工况联合判断经验。

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