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氣體通過調節閥控制閥門的特性


氣體通過調節閥控制閥門的特性

摘要:氣體介質因為其固有的特性——可壓縮性,在閥門的流動中不同于液體。比如在節流過程中,因為在節流孔口處強烈的擾動和渦流,導致能量分布的不均,極容易產生噪聲。本文主要討論氣體在流經閥門設備時參數的變化與流道截面積的關系,以及流動過程中氣體能量的傳遞、轉換等問題。


關鍵詞:可壓縮性;能量轉換;噪音;控制閥

1 緒論

   工程中,常見的氣體流動都是穩定流動或接近穩定的流動。同時任何一個截面上任一點的流速、壓力、溫度參數也均不相同。且工質在流動中可能與外界交換熱量。上述過程是及其復雜的,為了簡化問題的研究,考慮到工程中氣體快速地通過閥門,認為來不及與閥門進行熱交換。同時取各截面某參數的平均值作為該截面上各點參數的值,因此把氣體工質的流動看作不可逆的一維絕熱穩定流動。

2 能量守恒方程

由熱力學第一定律,在開口系統穩定流動的能量微分表達式為:

熱力學第一定律 

忽略重力的作用,也不考慮對閥門做功。同時,考慮到流體和閥門的摩擦作用、流動中流體克服摩擦力做的功轉化為熱量,而這部分熱量又重新被加入到流動的流體中。上式簡化為:

公式 

很顯然,克服摩擦消耗的功δw摩擦和由它轉換的熱量δq吸是相等的,而δq為與外界交換的熱量,對于絕熱流動,該值為0,即有

公式2 

對上式進行積分,因此,沿流動方向任意截面應滿足

常數 

3 截面參數變化

根據參考文獻1,可以得出絕熱等熵流動中參數變化的相對關系。見以下公式:

參數變化公式 

參數變化公式2 

參數變化公式03 

其中:v為比體積

c為流速

A為截面積

к為比熱比系數

    雖然上述公式是由絕熱等熵流動推出,但對于絕熱流動的截面參數變化分析具有指導意義。由以上三個公式可以看出,參數的變化與氣體的馬赫數有關。當氣體介質進入閥門時,處于亞聲速流動。在通過節流口處(見圖1),因為面積減小,流速會增加,壓力降低,比體積增加,介質膨脹。通過節流口后,流通面積變大,流速降低,壓力恢復,比體積減小,介質壓縮。但因為在閥門節流口處的摩擦導致的能量轉換,壓力已不可能恢復到閥前壓力。流出閥門后,相比較閥前狀況,閥后壓力減小,流速有一定增加,介質密度有一定減小。

氣體通過控制閥原理 

圖1

   如果在節流口處的面積減小得足夠小,流速有可能增加到聲速。此時,整個閥門的質量流量達到最大值。若此時進一步增加面積,則氣體膨脹至超音速,壓力進一步降低。有可能產生較大的噪音。但質量流量不再增加。這種情形即是氣體選型時碰到的阻塞流情形。對于多級降壓的閥內件結構,尤其要注意這種流速增加的狀況。因為多級降壓內件通常被設計成如下的形式(見圖2)。通常最外面的套筒面積較大,然后減小,到最里層套筒的面積最小。這種從外到里流的設計方式對于液體工況來講效果很好,它有效地增大了阻尼,降低了壓差。但是對于氣體工況來講,效果卻恰恰相反。由于節流面積逐級不斷收縮,氣體不斷加速,壓力不斷降低,密度持續減小,介質不斷膨脹,極有可能被膨脹至音速甚至超音速。此時,會引起很強的振動。因為振動的強弱是和流速的平方成正比的。輕者引起噪音很大,重者甚至能破壞管道。因此對于多級降壓結構來講,氣體流向應當從里往外流。先讓氣體節流降壓,然后逐漸適度壓縮,以控制內部的流速。防止振動的影響(見圖2)。

氣體通過控制閥原理圖2 

圖2

根據參考文獻3,對一維絕熱等熵流動,有如下公式成立:

 公式

其中:pcr為流速達到當地聲速時的介質壓力

      p0為當介質速度減為0時的介質壓力,稱為滯止壓力,也成為總壓力,是一個理論值

      vcr為臨界壓力比

      к為比熱比系數

上式表明了當流速達到當地聲速時,即是質量流量達到最大時,也就是出現阻塞流的時候的壓力比值,這個比值只與工質性質有關。現列舉幾個常見的數值,見表1:

氣體

雙原子氣體

過熱蒸汽

干飽和蒸汽

к

1.4

1.3

1.135

vcr

0.528

0.546

0.577

表1

從上表可以看出,氣體性質雖然不同,但臨界壓力均約等于0.5。考慮到工程中誤差的允許范圍,這就是氣體工況選型中的判定阻塞流的認定條件:閥后壓力/閥前壓力≥0.5時,認為會出現阻塞流。

4 節流后溫度的變化

    氣體通過閥門節流過程中的溫度變化比較復雜,節流后溫度可能會降低,可能會升高,也可能不變。要判定節流后溫度的變化情況,需要判定介質的焦耳—湯姆遜系數μJ,該系數是表征在焓值不變的情況下溫度對壓力的微分關系。由參考文獻2提供的曲線圖可知(圖3):

壓力關系圖 

圖3

在轉回曲線和溫度軸內部包含的區域,μJ>0,稱為冷效應區。閥前溫度處于該區域內的氣體介質,節流后溫度會降低。且壓差越大,溫度下降得越低;而在轉回曲線和溫度軸外部包含的區域,μJ<0,稱為熱效應區。閥前溫度處于該區域內的氣體介質,節流后溫度會升高;若閥前溫度剛好處于轉回曲線上,則通過閥門節流后溫度不變。實際上大多數的氣體經節流后溫度都會降低,只有極少數氣體,如H2和He在常溫下節流后的溫度會升高。例如天然氣的液化就是利用該特性來進行的。

5 總結

本文僅對工程中氣體通過閥門的一些流動特性及工程選型的一些注意事項進行了定性分析。由于介質通過閥門時高度摩擦,強烈的擾動以及大量的渦流,處于極度不平衡狀態,因此無法進行很具體的計算分析,只能借助CFD(計算流體力學)軟件來進行分析,結合實際工況經驗聯合判斷。


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