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氣體的特性通過調節閥來控制閥門

:氣體介質與液體在閥門流動中的區別在于它們固有的可壓縮性。例如,在節流過程中,由于節流孔處的擾動和渦流強烈,能量分布不均勻,容易產生噪聲。本文主要討論了氣體流經閥門設備時參數的變化與流道截面積的關系,以及流動過程中氣體能量的傳遞與轉換。

關鍵詞:可壓縮性;能量轉換;噪音;控制閥

1 簡介

在工程中,常見的氣流為穩流或近穩流。同時氣體調節閥,任意斷面任意點的流速、壓力和溫度參數也不同。并且工作流體在流動過程中可能與外界進行熱交換。上述過程極其復雜。為了簡化問題的研究,考慮到工程中氣體通過閥門的速度較快,認為來不及與閥門進行熱交換。同時,將各截面的某一參數的平均值作為截面上各點參數的值,將氣體工質的流動視為不可逆的一維絕熱穩定流動。

2能量守恒方程

根據熱力學定律,開放系統中穩態流動的能量微分表達式為:

忽略重力的影響,不考慮閥門上的功。同時,考慮到流體與閥門之間的摩擦力,流體克服摩擦力所做的功轉化為熱量,而這部分熱量又被加回到流動的流體中。上式簡化為:

顯然,克服摩擦所消耗的功δw等于它所吸收的熱量δq,而δq是與外界交換的熱量。對于絕熱流,值為0,即有

將上式積分,則沿流向的任意截面都應滿足

3節參數變化

根據參考文獻1,可以推導出絕熱等熵流參數變化的相對關系。見下式:

其中:v 是比體積

c 是流速

A 是橫截面積

к是比熱比系數

上述公式雖然是從絕熱等熵流推導出來的,但對分析絕熱流截面參數的變化具有指導意義。從以上三個公式可以看出,參數的變化與氣體的馬赫數有關。當氣體介質進入閥門時,呈亞音速流動。通過孔板時(見圖1),由于面積減小,流量增加,壓力減小,比容增加,介質膨脹。通過孔板后,流量面積變大,流量減小,壓力恢復,比容減小,介質被壓縮,但由于閥口摩擦產生的能量轉換,壓力無法恢復流出閥后,與閥前相比,閥后壓力降低,流速有一定程度的增加,介質的密度有一定程度的降低。

氣體通過控制閥原理

圖一

如果孔口的面積減小到足夠小閥門廠家,則流速有可能增加到聲速。這時整個閥門的質量流量達到一個很大的值。如果此時面積進一步增加,氣體膨脹到超音速,壓力進一步降低。可能會產生很大的噪音。但是質量流量不再增加。這種情況就是選氣時遇到的堵流情況。這種增加的流速對于多級減壓閥內件配置尤其重要。因為多級減壓閥內件通常設計成如下形式(見圖2))。通常外套管面積較大,然后減小,到內套管的面積較小。內流的設計方法對于液體工況非常有效,它有效地增加了阻尼,降低了壓差。但對于氣體條件,效果恰恰相反。因為節流面積不斷地逐步縮小,氣體不斷加速,壓力不斷降低,密度不斷降低,介質不斷膨脹,可能膨脹到音速甚至超音速。這時,會引起強烈的震動。因為振動的強度與流量的平方成正比。輕的會產生很大的噪音氣體調節閥,重的甚至會損壞管道。因此,對于多級減壓結構,氣體流動方向應由內向外流動。先讓氣體節流減壓,然后逐漸適當壓縮,控制內壓。流速。防止振動的影響(見圖2)。

氣體通過控制閥原理圖2

圖2

根據參考文獻3,對于一維絕熱等熵流,以下公式成立:

其中:pcr為流速達到局部聲速時的介質壓力

p0為介質速度減為0時的介質壓力,稱為停滯壓力,也稱為總壓力,為理論值

vcr 為臨界壓力比

к是比熱比系數

上式表示流速達到局部聲速時合資閥門品牌,即質量流量達到較大值時,即發生堵流時的壓力比。該比率僅與工作流體的性質有關。現列出幾個常用值,見表一:

煤氣

雙原子氣體

過熱蒸汽

干飽和蒸汽

к

1.4

1.3

1.135

錄像機

0.528

0.546

0.577

表 1

從上表可以看出,雖然氣體性質不同,但臨界壓力約等于0.5。考慮到工程中允許的誤差范圍,這是氣體工況選擇中判斷堵流的識別條件:當閥后壓力/閥前壓力≥0.5時,認為會有流量阻塞。

4 節流后的溫度變化

氣體通過閥門的節流過程中的溫度變化比較復雜。節流后,溫度可能會降低,可能會升高,也可能不會改變。為了確定節流后溫度的變化,需要確定介質的焦耳-湯姆遜系數μJ,它代表了在等焓條件下溫度和壓力的微分關系。從參考文獻2提供的圖可以看出(圖3):

壓力關系圖

圖 3

反轉曲線和溫度軸內包含的區域,μJ>0,稱為冷效應區域。閥門前的氣體介質溫度在此區域,節流后溫度會降低。而且壓差越大,溫降越低;在折返曲線和溫度軸以外的區域,μJ

5 總結

本文只是定性分析了工程中通過閥門的一些氣體流動特性和工程選型的一些注意事項。由于介質通過閥門時摩擦大、擾動強、渦流較多,處于一定程度的不平衡狀態,無法進行非常具體的計算分析。只能借助CFD( Fluid )軟件進行分析,結合實際工況聯合判斷經驗。

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