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2021/6/161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

2、量 A调节阀连接管的横截面积 2021/6/162 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 ）2021/6/163 (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） 2021/6/164 在采用国际单位制时，流量系数用KV表

3、示。 KV的定义为：温度为278313K（540）的水在105Pa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 KV2.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 2021/6/165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2021/6/166 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，

4、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：2021/6/167 （48）即： （49）上式中PTP1P2， PVC表示产生阻塞流时缩流断面的压

5、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 2021/6/168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

6、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。2021/6/169 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2021/6/1610FF值可用下式计算：（也可以从图中查出） (4-11

7、)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 。 2021/6/1611 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

8、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）2021/6/1612式中 FP管道的几何形状系数，无量纲，当没有附接管件时， FP 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）2021/6/1613或 (4-14) 式中 QL流过调节阀的体积流量，m3/

9、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（413）， （414）其计算公式为： 2021/6/1614 （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） 2021/6/1615式中 修正后的流量系数； K

10、V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） 2021/6/1616 b.对只有一个流路的调节阀，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） 2021/6/1617或 （421）或 （422）式中 Qg气体标准体积流量，Nm3/h; N

11、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；2021/6/1618 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：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

12、略。其它因素与Y 的2021/6/1619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化为：2021/6/1620 (426) 或 （427） 或 （428）3.蒸汽 2021/6/1621 （1）非阻塞流 （XFKXT）时 （429）或 （430） （2）阻塞流 （XFkXT）时 （431）2021/6/1622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，因此为阻塞流，按式（431） 2021/6/16272021/6/1628 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！