气体通过调节阀控制阀门的特性
时间:2024-12-03 阅读:7
控制阀
1绪论
工程中,常见的气体流动都是稳定流动或接近稳定的流动。同时任何一个截面上任一点的流速、压力、温度参数也均不相同。且工质在流动中可能与外界交换热量。上述过程是及其复杂的,为了简化问题的研究,考虑到工程中气体快速地通过阀门,认为来不及与阀门进行热交换。同时取各截面某参数的平均值作为该截面上各点参数的值,因此把气体工质的流动看作不可逆的一维绝热稳定流动。
2能量守恒方程
由热力学定律,在开口系统稳定流动的能量微分表达式为:
忽略重力的作用,也不考虑对阀门做功。同时,考虑到流体和阀门的摩擦作用、流动中流体克服摩擦力做的功转化为热量,而这部分热量又重新被加入到流动的流体中。上式简化为:
很显然,克服摩擦消耗的功δw摩擦和由它转换的热量δq吸是相等的,而δq为与外界交换的热量,对于绝热流动,该值为0,即有
对上式进行积分,因此,沿流动方向任意截面应满意
3截面参数变化
根据参考文献1,可以得出绝热等熵流动中参数变化的相对关系。见以下公式:
其中:v为比体积
c为流速
A为截面积
к为比热比系数
虽然上述公式是由绝热等熵流动推出,但对于绝热流动的截面参数变化分析具有指导意义。由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,处于亚声速流动。在通过节流口处(见图1),因为面积减小,流速会增加,压力降低,比体积增加,介质膨胀。通过节流口后,流通面积变大,流速降低,压力恢复,比体积减小,介质压缩。但因为在阀门节流口处的摩擦导致的能量转换,压力已不可能恢复到阀前压力。流出阀门后,相比较阀前状况,阀后压力减小,流速有一定增加,介质密度有一定减小。
图1
如果在节流口处的面积减小得足够小,流速有可能增加到声速。此时,整个阀门的质量流量达到大值。若此时进一步增加面积,则气体膨胀至超音速,压力进一步降低。有可能产生较大的噪音。但质量流量不再增加。这种情形即是气体选型时遇到的阻塞流情形。对于多级降压的阀内件结构,尤其要注意这种流速增加的状况。因为多级降压内件通常被设计成如下的形式(见图2)。通常外面的套筒面积较大,然后减小,到里层套筒的面积小。这种从外到里流的设计方式对于液体工况来讲效果很好,它有效地加大了阻尼,降低了压差。但是对于气体工况来讲,效果却恰恰相反。由于节流面积逐级不断收缩,气体不断加速,压力不断降低,密度持续减小,介质不断膨胀,有可能被膨胀至音速甚至超音速。此时,会引起很强的振动。因为振动的强弱是和流速的平方成正比的。轻者引起噪音很大,重者甚至能破坏管道。因此对于多级降压结构来讲,气体流向应当从里往外流。先让气体节流降压,然后逐渐适度压缩,以控制内部的流速。防止振动的影响(见图2)。
图2
根据参考文献3,对一维绝热等熵流动,有如下公式成立:
其中:pcr为流速达到当地声速时的介质压力
p0为当介质速度减为0时的介质压力,称为滞止压力,也成为总压力,是一个理论值
vcr为临界压力比
к为比热比系数
上式表明了当流速达到当地声速时,即是质量流量达到大时,也就是浮现阻塞流的时候的压力比值,这个比值只与工质性质有关。现列举几个常见的数值