调节阀的流量系数及其计算

原创 2020-04-09 04:25  阅读

  调节阀的流量系数及其计算_物理_自然科学_专业资料。调节阀的流量系数及其计算 ㈠ 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

  调节阀的流量系数及其计算 ㈠ 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: H = P 1 ? P 2 ρg (4-1) 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 ρ-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 2 ω (4-2) H =ξ 2g 式中 ω-流体的平均速度; g-重力加速度; ζ-调节阀的阻力系数 流体调节阀中的平均速度为: Q ω = A Q-流体的体积流量 A-调节阀连接管的横截面积 (4-3) 式中 综合上述三式(4-1),(4-2),(4-3),可得 调节阀的流量方程式为: A 2 (4-4) (P 1 ? P 2 ) Q = ρ ξ 若上述方程式各项系数采用如下单位: A-㎝2 ; ρ-g/ ㎝2 (即 10-5N·s2/ ㎝4 ); ?P-100KPa( 10N/ ㎝2 ); P1,P2- 100KPa( 10N/ ㎝2 ); Q- m4 /h 代入式(4-4)得: Q= A ξ 2 × 10 ?P ?5 10 ρ ( ㎝3/s ) 3600 = 10 6 Q = 5 . 09 A 20 ? ? ?5 10 ξ A ?P ρ (m3 /h) (m3 /h) (4-5) ξ ? ? P ρ 式(4-5)是调节阀的流量方程式 若A不变, ?P不变,ξ ,Q ;反之, ξ ,Q 若 C = 5 . 09 A 则式(4-5)可改写为: ξ Q =C ?P ρ (4-6) 式中 C = 5.09 A ξ =Q ρ ?P (4 -7 ) 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278~313K(5-40℃)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40°~60°F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4-1和4-2 所示 图4-1流体流过节流孔时压力和 速度的变化 图4-2单座阀与球阀的压力 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4-1), 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,和记怡情APP,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4-1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: (4-8) 2 即: (4-9) ? P T = F L P 1 ? P VC 上式中?PT=P1-P2, 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 =0.5~0.98, FL越小, ?P 比P1 - PVC小得越多,即恢复越大。 从图4-2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 FL = P1 ? P 2 P 1 ? P VC ( ) 用寿命。 如图4-1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P2≤PV(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 当阻塞流出现之后,流量与?P (P1-P2 )之间的关 系已不再遵循公式(4-7)的规律。 从图4-3可见,当按实际压差计算时,Q’max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 ? P 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 式中 PVC =FF· PV (4-10) 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) FF = 0.96? 0.28 PV PC 从式(4-9)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 F L2 (P1 ? PVC ) 即为产 生阻塞流时的阀压降,因此,当 ? P ≥ F L2 (P1 ? PVC ) 即 ?P ≥ F (P1 ? FF PV ) 时,为阻塞流情况 2 L 对于可压缩液体,引入一个称为压差比X的系数 ?P X = P1 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 ㈡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: ρ ρ0 Q (4-12) C= N1FP FR ?P 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; ρ -相对密度,在15.5℃时, ρ =1.0; ρ0 ρ0 N1-数字常数,采用法定计量单位N=1。 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。 ⑴非阻塞流 当 ?P F 2 L (P ? FF P ) 的情况下,其计算公式为: 1 V V K = 10 Q L ρ L ?P (4-13) 或 K V = 10 ? 2 W L L ? P ρ (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, (p=p1-p2) 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?P≥FL2(P1-FFPV)的情况下,即把产生阻 塞流的压差值FL2(P1-FFPV)代入(4-13), (4-14)其计算公式为: K 或 V = 10 Q L ρ L F L2 ( P1 ? F F P V ) (4-15) (4-16) KV = F L2 (P1 ? F F PV 10 2 W L ) ⑶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 KV KV = (4-17) FR 式中 K V -修正后的流量系数; KV-紊流条件时,按(4-13)-(4-16)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: Re = 49490 QL K Vν (4-18) 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: Re = 70700 QL k Vν (4-19) 式中 ν-流体在流动温度下的运动粘度,mm2/s。 2.可压缩流体 ⑴非阻塞流 当 X<FkXT时,采用法定计量单位制,则计算 公式为: KV = Qg 5 . 19 P1Y T1 ρ N z X (4-20) 或 T1MZ kV = 24.6PY X 1 T1GZ kV = 4.57PY X 1 Qg Qg (4-21) 或 (4-22) 式中 Qg—气体标准体积流量,N·m3/h; ΡN-气体标准状态下密度,Kg/N·m3 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: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: Y = 1? X 3 FK X T (4-25) 式中 则: XT-临界压差比; X-压差比; FK-比热比系数,空气的FK=1,对非空气介质 FK=K/1.4 (K是气体的绝热指数) ⑵阻塞流 当X≥FKXT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: ? ? 或 ? kv = KV = Qg 2 .9 p1 Qg 13.9 p1 πρ Z kX T T1MZ kX T (4-26) (4-27) ? 或 ? ? 3.蒸汽 ? KV = Qg 2.58 p1 T1GZ kXT (4-28) ? ? (1)非阻塞流 (XFKXT)时 WS KV = 3 .16 Y 1 XP1 ρ s (4-29) ? 或 ? KV WS = 1 . 1 P1Y T1 Z XM (4-30) ? ? (2)阻塞流 (X≥FkXT)时 Ws KV = 1.78 1 kX T P1 ρ S (4-31) ? 或 ? WS KV = 0 .62 P1 T1 Z kX T M (4-32) ? 式中 Ws-蒸汽的质量流量,Kg/h; ? ρs-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(P1-P2)气体XFKXT两条件 都能满足。 ? Wg + WL KV = ? (4-33) 3.16 ?Pρ e ? 式中 ? ρe = Wg +WL Wg ρ gY ? 或 ? 2 WL + 10 3 ρ L (4-34) W g + WL ρe = TW g WL + 3 2 2.64Y P1 ρ N Z 10 ρ L (4-35) ? 或 ? ? ? ρe = W g +W L 8 .5 T1W g WL + 3 2Z MP1Y 10 ρ L (4-36) (2)液体于蒸汽 当蒸汽占绝大部分的两相混合体,用式 ? (4-33)进行计算。对液体占绝大部分的两相混合体, 计算公式为: ? ? ? 式中ρm-两相流密度 ? KV = 3.16F m Wg +W L L ρmP (1?FF ) 1 +W L (4-37) ρ = W W g g g ρ ? 或 WL + 10 3 ρ (4-38) L ρm = Wg +WL TWg WL + 3 2.64P ρ N 10 ρL 1 (4-39) ? 或 ? ρm = W g +WL 8.5T1W g WL + 3 MP1 10 ρ L (4-40) 5.计算举例 已知蒸汽流量WS=35000kg/h,P1=4050KPa, P2=500KPa ? T=368℃,ρs=14.3kg/m3,如选用套筒调节阀,求流量系 数(绝热指数K=1.3,临界压差比XT=0.75)。 ? 解: X= ?P 4050 ? 500 = = 0.87 P 4050 1 1.3 × 0.75 ≈ 0.7 1.4 ? ? FK X T = ? ? ? XFKXT,因此为阻塞流,按式(4-31) Ws 1 35000 1 KV = = 1.78 kX T P ρ s 1.78 1.3 × 0.75 × 4050 ×14.3 1 = 82.7

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