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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 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 流体密度g 重力加速度 1 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 4 2 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 4 3 式中Q 流体的体积流量A 调节阀连接管的横截面积 2 综合上述三式 4 1 4 2 4 3 可得调节阀的流量方程式为 4 4 若上述方程式各项系数采用如下单位 A 2 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 3 s 3 m3 h m3 h 4 5 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 4 5 可改写为 4 6 式中 4 7 4 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 167KV2 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 5 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 6 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 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 7 4 8 即 4 9 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 8 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 9 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 4 10 式中PV 液体的饱和蒸汽压力FF 液体的临界压力比系数 10 FF值可用下式计算 也可以从图中查出 4 11 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 11 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 FKXT时 为阻塞流情况当X FKXT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 4 12 12 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 非阻塞流当的情况下 其计算公式为 4 13 13 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 p p1 p2 p1 阀前压力 Kpap2 阀后压力 kpapL 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 14 4 15 或 4 16 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 4 17 15 式中 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 4 18 16 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 4 19 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X FkXT时 采用法定计量单位制 则计算公式为 4 20 17 或 4 21 或 4 22 式中Qg 气体标准体积流量 N m3 h N 气体标准状态下密度 Kg N m3P1 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 18 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Zb 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 19 关系可以表示如下 4 25 式中XT 临界压差比 X 压差比 FK 比热比系数 空气的FK 1 对非空气介质则 FK K 1 4 K是气体的绝热指数 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 20 4 26 或 4 27 或 4 28 3 蒸汽 21 1 非阻塞流 X FKXT 时 4 29 或 4 30 2 阻塞流 X FkXT 时 4 31 22 或 4 32 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 P FL2 P1 P2 气体X FKXT两条件都能满足 4 33 23 式中 4 34 或 4 35 或 4 36 2 液体于蒸汽 24 当蒸汽占绝大部分的两