调节阀的流量系数及其计算

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1、调节阀的流量系数及其计算, 调节阀计算的理论基础 1. 调节阀节流原理和流量系数 调节阀是一个局部阻力可改变的节流元件 如果调节阀前后的管道直径一致,流速相同。根据流体的能量守恒原理,不可压缩流体流经调节阀的能量损失为: (41) 式中 H单位重量流体流过调节阀的能量损失; P1调节阀阀前的压力 P2调节阀阀后的压力 流体密度 g重力加速度,如果调节阀的开度不变,流经调节阀的流体不可压缩,则流体的密度不变,那么,单位重量的流体的能量损失与流体的动能成正比,即 (42) 式中 流体的平均速度; g重力加速度; 调节阀的阻力系数 流体调节阀中的平均速度为: (43) 式中 Q流体的体积流量 A调节

2、阀连接管的横截面积,综合上述三式(41),(42),(43),可得调节阀的流量方程式为: (44) 若上述方程式各项系数采用如下单位: A2 ; g/ 2 (即 105Ns2/ 4 ); P100KPa( 10N/ 2 ); P1,P2 100KPa( 10N/ 2 ); Q m4 /h 代入式(44)得: ( 3/s ),(m3 /h) (m3 /h) (45) 式(4-5)是调节阀的流量方程式 若A不变, P不变, ,Q ;反之, ,Q 若 则式(45)可改写为: (46) 式中 (47),在采用国际单位制时,流量系数用KV表示。 KV的定义为:温度为278313K(540)的水在105P

3、a压降下,1小时内流过阀门的立方米数。 许多采用英制单位的国家用CV表示流量系数。 CV的定义为:用4060F的水,保持阀门两端的压差为 阀门全开状态下每分钟流过的水的美加仑数。 KV 和CV的换算如下: CV 1.167 KV 2.压力恢复和压力恢复系数 当流体流过调节阀时,其压力变化情况见图41和42所示,图流体流过节流孔时压力和 图单座阀与球阀的压力 速度的变化 恢复比较,根据流体的能量守衡定律可知,在阀芯、阀座由与节流作用而在附近得 下游处产生一个缩流(见图41),其流体速度最大,但静压最小,在远离缩流处,随着阀门流通面积得 增大,流体的速度减小,由与相互摩擦,部分能量转变成内能,大部

4、分静压被恢复但已不能恢复到P1值。 当介质为气体(可压缩)时,当阀的压差达到某 一临界值得时,通过调节阀的流量将达到极限。即使进一步增加压差,流量也不会再增加。 当介质为液体(不可压缩)时,一但压差增大到是以引起液体汽化,即产生闪蒸和空化作用时,也会出现这种极限的流量。这种极限流量为阻塞流。由图41可知,阻塞流产生于缩流处及其下游。产生阻塞流时的压差为PT。为说明这一特性,可以用压力恢复系数FL来描述:,(48) 即: (49) 上式中PTP1P2, PVC表示产生阻塞流时缩流断面的压力。 FL值是阀体内部几何形状的函数。一般FL 0.50.98, FL越小, P 比P1 PVC小得越多,即恢

5、复越大。 从图42中可以看出,球阀的压差损失PA小于单座阀的压差损失PB 。 3.闪蒸、空化及其影响 在调节阀内流动的液体,常出现闪蒸和空化两种现象。它们的发生不但影响口径的选择和计算,而且将导致严重的噪声、振动,材质的破坏等,直接影响调节阀的使,用寿命。 如图41所示,当压力为P1的液体流经节流孔时,流速突然急剧增加,而静压力下降;当n后压力P2PV(饱和蒸汽压)部分液体就汽化成气体,形成汽液两相共存的现象,这种现象称为闪蒸。 如果产生闪蒸之后,P2不是保持在饱和蒸汽压之下,在离开节流孔之后又急骤上升,这是气泡产生破裂并转化为液体,这个过程叫做空化作用。 4.阻塞流对计算的影响 当阻塞流出现

6、之后,流量与P (P1P2 )之间的关系已不再遵循公式(47)的规律。 从图43可见,当按实际压差计算时,Qmax要比阻塞流量Qmax大很多,为粗确求得KV值。,只能把开始产生阻塞流时的阀压降 作为计算用压降。 对于不可压缩液体,它产生阻塞流时, PVC值与液体介质的物理性质有关。 即 PVC FF PV (410) 式中 PV 液体的饱和蒸汽压力 FF 液体的临界压力比系数,FF值可用下式计算:(也可以从图中查出) (4-11) 从式(49)可见,只要求得PVC便可得到不可压缩液体是否形成阻塞流的判断条件,显然 即为产生阻塞流时的阀压降,因此,当 即 时,为阻塞流情况 对于可压缩液体,引入一

7、个称为压差比X的系数 也就是说,阀门压降P与入口压力P1的比称为压差比。若以空气作用试验流体,对于一个特定的调节阀,当产生阻塞流时,其压差比是一个固定常数称为临界压差比XT 。,对别的可压缩流体,只要把XT乘一个比热系数FK即为产生阻塞流时的临界条件。 当X FK XT时,为阻塞流情况 当X FK XT时,为非阻塞流情况 流量系数的计算 在确定阀门口径时,最主要的依据和工作程序就是计算流量系数。 1.不可压缩液体 在安装条件下,为了使流量系数计算公式能适用于各种单位,并考虑到念度,管道等的影响,可把公式演变为如下的形式: (412),式中 FP管道的几何形状系数,无量纲,当没有附接管件时, F

8、P 1; FR雷诺系数,无量纲,在紊流体状态时, FR 1; 相对密度,在15.5时, 1.0; N1数字常数,采用法定计量单位N1。 根据计算理论,在计算液体流量系数时,按三种情况分别计算:非阻塞流、阻塞流、低雷诺数。在用判别式判定后,用不同的公式进行计算。 非阻塞流 当 的情况下,其计算公式为: (413),或 (4-14) 式中 QL流过调节阀的体积流量,m3/h; WL流过调节阀的质量。Kg/h, (pp1p2) p1阀前压力,Kpa p2阀后压力,kpa pL液体的密度,g/cm3 (2)阻塞流 当PFL2(P1FFPV)的情况下,即把产生阻 塞流的压差值FL2(P1FFPV)代入(

9、413), (414)其计算公式为:,(415) 或 (416) 低雷诺数液体的计算。 流量参数KV是在适当的雷诺数,紊流情况现测定的。随着雷诺数Re增大, KV值变化不大,然而当雷诺数变小时, KV值会变小,因此对雷诺数偏低的流体对KV值计算公式要进行校正。修正后的流量参数为KV 即 (417),式中 修正后的流量系数; KV紊流条件时,按(413)(416)计算的流量系数; FR雷诺数修正系数,可按雷诺数Re大小从图中查出。 雷诺数可以根据阀的结构和粘度等因素由下列公式求得: a.对具有两个平行流路的 调节阀,如直通双座阀、蝶阀、偏心旋转阀等雷诺数为: (418),b.对只有一个流路的调节

10、阀,如直通单座阀、套筒阀、球阀、角阀、隔膜阀等,雷诺数为: (419) 式中 流体在流动温度下的运动粘度,mm2/s。 2.可压缩流体 非阻塞流 当 XFkXT时,采用法定计量单位制,则计算公式为: (420),或 (421) 或 (422) 式中 Qg气体标准体积流量,Nm3/h; N气体标准状态下密度,Kg/Nm3 P1阀前绝对压力,KPa; X压差比(x=P/P1); Y膨胀系数; T1入口绝对温度,K; M气体分子量;,G气体的相对密度(空气为1); Z压缩系数。 a.压缩系数 压缩系数Z是比压力和逼问度的函数 比压力的定义是:实际入口的绝对压力P1与流体临界压力之比, 比问度的定义是

11、:入口绝对温度T1与临界温度之比 侧 Pr=P1/Pc (4-23) Tr=T1/Tc (4-24) 由Pr,Tr查图可得压缩系数Z b.膨胀系数 膨胀系数Y用来校正从阀的入口到阀的缩流出气体密度的变化,在可压缩流情况下,由于紊流几乎始终存在,所以雷诺数的影响极小,可忽略。其它因素与Y 的,关系可以表示如下: (425) 式中 XT临界压差比; X压差比; FK比热比系数,空气的FK1,对非空气介质则: FKK/1.4 (K是气体的绝热指数) 阻塞流 当XFKXT时,即出现阻塞流的情况,即压差比X达到FKXT时流量达到极限值,因此,Y值只能在 0.667到1.0的范围内,流量系数的计算公式可简

12、化为:,(426) 或 (427) 或 (428) 3.蒸汽,(1)非阻塞流 (XFKXT)时 (429) 或 (430) (2)阻塞流 (XFkXT)时 (431),或 (432) 式中 Ws蒸汽的质量流量,Kg/h; s阀前入口蒸汽的密度,Kg/m3; 如果是过热蒸汽,应代入过热条件下的实际密度。 4.两相流体 (1)流体于非液化性气体 先决条件:液体PFL2(P1P2)气体XFKXT两条件都能满足。 (433),式中 (434) 或 (435) 或 (436) (2)液体于蒸汽,当蒸汽占绝大部分的两相混合体,用式 (433)进行计算。对液体占绝大部分的两相混合体,计算公式为: (437) 式中m两相流密度 (438) 或 (439),或 (440) 5.计算举例 已知蒸汽流量WS=35000kg/h,P14050KPa,P2=500KPa T=368,s=14.3kg/m3,如选用套筒调节阀,求流量系数(绝热指数K1.3,临界压差比XT=0.75)。 解:,XFKXT,因此为阻塞流,按式(431),

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