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各類多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥的類型特點(diǎn)及計(jì)算CV值的常用方法
發(fā)布于：2019/12/20 8:59:41 點(diǎn)擊量：707
一、前言
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，調(diào)節(jié)閥是用于控制系統(tǒng)改變管路中流體流量的裝置，是管系中的終端控制元件，起著分配流體介質(zhì)、調(diào)節(jié)流體流量等重要作用。近年來(lái)隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的高溫、高壓等特殊工況對(duì)調(diào)節(jié)閥也提出了更高的要求。特別是應(yīng)用于高壓差場(chǎng)合的調(diào)節(jié)閥，由于流速很高，經(jīng)常在內(nèi)部節(jié)流件部位出現(xiàn)沖刷腐蝕，同時(shí)還伴有由空化現(xiàn)象引起的汽蝕、噪聲和振動(dòng)等危害，給安全生產(chǎn)帶來(lái)重大隱患。因此，國(guó)內(nèi)外一些廠家分別研究開(kāi)發(fā)了專門(mén)應(yīng)用于高壓差條件下的多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)閥。
本文對(duì)常見(jiàn)的各類多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)、工作原理及特點(diǎn)分別進(jìn)行介紹。并且針對(duì)可壓縮工況，對(duì)用戶如何根據(jù)實(shí)際要求的流量計(jì)算調(diào)節(jié)閥CV值的常用方法進(jìn)行了總結(jié)。為用戶了解多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)并合理選用提供了參考。
二、多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥的常見(jiàn)類型及特點(diǎn)
在調(diào)節(jié)閥中產(chǎn)生的汽蝕空化現(xiàn)象，其根本原因即是由于閥前后的壓差過(guò)高。一般認(rèn)為當(dāng)Δp＞2.5MPa時(shí)，流體介質(zhì)在閥內(nèi)部進(jìn)入節(jié)流部位時(shí)壓力驟然下降，在通流截面面積最小處壓力降至最低，當(dāng)這一壓力低于當(dāng)前溫度下流體的飽和蒸汽壓時(shí)，部分液體會(huì)出現(xiàn)汽化，形成大量微小的汽泡，當(dāng)流體流過(guò)節(jié)流口壓力回升時(shí)，這些汽泡又發(fā)生破裂回到液態(tài)，對(duì)閥體和閥芯等部件產(chǎn)生沖擊并帶來(lái)噪聲、振動(dòng)等危害。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些調(diào)節(jié)閥廠商都研發(fā)了各種不同類型的專門(mén)應(yīng)用于苛刻工況下的抗汽蝕多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥。常見(jiàn)的多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥分為三類，雖然在結(jié)構(gòu)上有所不同，但有著共同的工作原理，都是通過(guò)改變結(jié)構(gòu)將總的壓差進(jìn)行分段多級(jí)降壓，使每一級(jí)壓降Δp1小于產(chǎn)生空化的臨界壓差，從而有效避免了汽蝕等危害的發(fā)生。
1.串級(jí)式調(diào)節(jié)閥
串級(jí)式多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)把原本的一個(gè)整體的節(jié)流區(qū)域以多個(gè)分開(kāi)的節(jié)流區(qū)域互相串聯(lián)，從而使較大的壓差轉(zhuǎn)換為多個(gè)較小的壓差，使每一次的降壓范圍都控制在飽和蒸汽壓以上，使空化現(xiàn)象不再出現(xiàn)。
圖1 串級(jí)式調(diào)節(jié)閥
串級(jí)式調(diào)節(jié)閥多用于液體介質(zhì)工作的場(chǎng)合，其特點(diǎn)在于：
1）啟閉過(guò)程中能夠減輕持續(xù)壓差，每一級(jí)節(jié)流口的動(dòng)作均滯后于上一級(jí)節(jié)流口，可以使在啟閉過(guò)程時(shí)作用于閥口的持續(xù)高壓逐級(jí)減輕，分擔(dān)了第一級(jí)節(jié)流口的壓力。
2）流阻較小，可以勝任流體清潔度不高，甚至固液兩相流的場(chǎng)合。
3）串級(jí)式閥芯一般進(jìn)行碳化鎢噴涂硬化處理，抗沖刷汽蝕性能良好。
4）制造過(guò)程與其他多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥相比工藝較為簡(jiǎn)單，加工方便，制造成本也較為低廉。
5）串級(jí)式調(diào)節(jié)閥一般降壓級(jí)數(shù)有限，多為3～4級(jí)，不能應(yīng)用于壓差過(guò)高的場(chǎng)合。
多層套筒式多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)如圖2所示，經(jīng)常用于電站或化工等行業(yè)中。
圖2 多層套筒式調(diào)節(jié)閥
多層套筒式調(diào)節(jié)閥典型結(jié)構(gòu)特征是閥芯部分節(jié)流件由數(shù)層加工有小孔的套筒構(gòu)成，每層套筒之間都留有一定的間隙，使流體流經(jīng)套筒時(shí)得以緩沖，從而將流體速度控制在一定范圍內(nèi)。
其特點(diǎn)在于：
1）多級(jí)套筒式調(diào)節(jié)閥降壓級(jí)數(shù)可以設(shè)計(jì)得較大，降壓能力與串級(jí)式相比較強(qiáng)，能夠勝任高壓差的場(chǎng)合。
2）多層套筒式結(jié)構(gòu)既能滿足較高的壓降要求，同時(shí)又能在工作時(shí)保證較大的流量。
3）抗汽蝕性能良好，用于液體介質(zhì)時(shí)，流體由最外側(cè)套筒流向最內(nèi)側(cè)，液體介質(zhì)在套筒中逐級(jí)降壓以減輕空化汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，并且流體最終從內(nèi)側(cè)套筒上的小孔中噴射至中心閥腔區(qū)域，使汽泡在套筒中心部位破裂，不直接對(duì)閥門(mén)金屬表面產(chǎn)生傷害。
4）抗噪聲、振動(dòng)性能良好，用于氣體介質(zhì)時(shí)由套筒內(nèi)側(cè)向外流動(dòng)，靠外側(cè)套筒的孔徑和間隙與內(nèi)側(cè)相比均有所擴(kuò)大，使氣體介質(zhì)在逐級(jí)降壓過(guò)程中不斷膨脹，可以有效地降低噪聲及振動(dòng)帶來(lái)的危害。
5）套筒加工過(guò)程比較復(fù)雜，成本較高。但安裝與維護(hù)簡(jiǎn)便，易于更換。
3.迷宮式調(diào)節(jié)閥
迷宮盤(pán)片式多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)如圖3所示，其核心節(jié)流部分由多個(gè)開(kāi)有迷宮式溝槽的金屬盤(pán)片疊加而成。流體流經(jīng)迷宮流道中經(jīng)過(guò)多次碰撞轉(zhuǎn)折，消耗能量，在逐級(jí)降壓過(guò)程的同時(shí)，使流速也得到了控制。
圖3 迷宮式調(diào)節(jié)閥
一般多用于核能、電站等行業(yè)中高溫高壓降的特殊場(chǎng)合，工作介質(zhì)多為過(guò)熱蒸汽，也能用于液體介質(zhì)。其特點(diǎn)如下。
1）迷宮流道的拐彎級(jí)數(shù)就是迷宮式調(diào)節(jié)閥的降壓級(jí)數(shù)，一般可達(dá)十幾到二十幾級(jí)，所以迷宮式多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)是常見(jiàn)多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥中降壓能力最強(qiáng)的，國(guó)外有產(chǎn)品最高可以達(dá)40MPa。
2）出色的抗汽蝕沖刷及消聲減振性能，多級(jí)拐彎迷宮式流道可以有效地控制流體流速，避免空化、噪聲及振動(dòng)等不良現(xiàn)象的發(fā)生。
3）通過(guò)使用不同形式的迷宮盤(pán)片進(jìn)行組合，迷宮式調(diào)節(jié)閥可以達(dá)到不同的流量特性調(diào)節(jié)曲線。
4）迷宮式盤(pán)片制造精度要求很高，一般由司太立合金堆焊，有較長(zhǎng)的使用壽命；安裝與維護(hù)比較簡(jiǎn)便，盤(pán)片易更換。
5）迷宮式流道對(duì)流體介質(zhì)的清潔度要求較高，否則迷宮流道容易發(fā)生堵塞。
三、多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥CV值的計(jì)算
流量系數(shù)（CV）一般用來(lái)表示閥門(mén)的流通能力，為了選用合適的調(diào)節(jié)閥，必須根據(jù)所使用條件計(jì)算出必要的CV值，然后根據(jù)額定流量系數(shù)選擇合適的調(diào)節(jié)閥型號(hào)。在可壓縮工況下，流體在節(jié)流過(guò)程中壓力降低，體積膨脹，密度減小，閥內(nèi)的流動(dòng)情況與不可壓縮相比復(fù)雜很多。因此對(duì)于一般多用于可壓縮工況下的多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥，其流量系數(shù)的計(jì)算方法也較為特殊，典型的可壓縮工況下CV值的計(jì)算主要有壓縮系數(shù)法及膨脹系數(shù)法兩類常用方法。
1.壓縮系數(shù)法
壓縮系數(shù)法在20世紀(jì)50年代由蘇聯(lián)提出，是計(jì)算可壓縮工況下流量系數(shù)的早期公式之一。壓縮系數(shù)法考慮到氣體的可壓縮性，在一般的液體計(jì)算公式中添加一個(gè)氣體壓縮系數(shù)ε，對(duì)液體計(jì)算公式進(jìn)行校正。此種方法對(duì)計(jì)算模型做了很大簡(jiǎn)化，把不同形式的調(diào)節(jié)閥都簡(jiǎn)化為同樣的流量噴嘴，然后認(rèn)為在噴嘴中氣體介質(zhì)流動(dòng)的過(guò)程是一個(gè)絕熱過(guò)程，再用能量平衡方程導(dǎo)出計(jì)算公式，即：
（1）
式中 γN——標(biāo)況下的氣體重度，單位為kgf/m3（1kgf＝9.8N）；
Q——標(biāo)況下的體積流量，單位為m3/h；
T——?dú)怏w溫度，單位為K；
p1——閥前壓力，單位為kgf/m2（1kgf＝9.8N）；
?p——閥前后壓差，單位為kgf/m2。
壓縮系數(shù)ε可用試驗(yàn)確定，一般對(duì)空氣試驗(yàn)可得：
（2）
除了壓縮系數(shù)法，早期還有閥前密度法、閥后密度法及平均密度法等方法。早期公式只能適用于壓力恢復(fù)程度不高的場(chǎng)合，在非臨界流區(qū)間內(nèi)能夠保證較好的計(jì)算精度。但由于公式對(duì)計(jì)算模型的簡(jiǎn)化，隨著?p/p1增大到臨界壓差比時(shí)就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，在過(guò)渡區(qū)和臨界區(qū)內(nèi)無(wú)法滿足要求。
2.膨脹系數(shù)法
針對(duì)早期計(jì)算公式均未考慮閥門(mén)的壓力恢復(fù)特性對(duì)計(jì)算的影響，在20世紀(jì)70年代一些國(guó)外廠商提出了以膨脹系數(shù)法、多項(xiàng)式法和正弦法為代表的一系列后期公式，對(duì)早期公式進(jìn)行了改良，能較好滿足非臨界區(qū)到臨界區(qū)的計(jì)算精度。與早期公式相比較，以膨脹系數(shù)法為代表的后期公式的計(jì)算結(jié)果更加經(jīng)濟(jì)，可以減少不必要的浪費(fèi)。其中膨脹系數(shù)法以其計(jì)算的簡(jiǎn)便性被IEC推薦為標(biāo)準(zhǔn)公式。膨脹系數(shù)法由用于液體情況下的計(jì)算公式引入膨脹系數(shù)Y進(jìn)行修正而得出，當(dāng)Y＝1時(shí)，膨脹系數(shù)法也適用于不可壓縮的液體工況。
（3）
式中ρN——標(biāo)況下的氣體密度，單位為kg/m3；
Q——標(biāo)況下的體積流量，單位為m3/h；
T1——?dú)怏w入口溫度，單位為K；
p1——閥前壓力，單位為kPa；
X——壓差比，X＝?p/p1；
Z——壓縮系數(shù)。
膨脹系數(shù)Y指在相同雷諾數(shù)下，可壓縮性介質(zhì)的流量系數(shù)與不可壓縮介質(zhì)的流量系數(shù)之比。它表示了流體從閥入口流到節(jié)流孔下游流通面積最小的縮流斷面處時(shí)的密度變化，以及壓差變化時(shí)縮流斷面面積的變化。
（4）
式中FK——比熱比系數(shù)，F(xiàn)K＝K/1.4。
由于計(jì)算公式本身不包含上游條件時(shí)流體的實(shí)際密度，膨脹系數(shù)法引入了壓縮系數(shù)Z來(lái)補(bǔ)償某些條件下實(shí)際氣體和理想氣體的偏差。膨脹系數(shù)Y用來(lái)校正從閥入口處到喉管處氣體密度的變化，Y和喉管處面積與入口面積之比、通道形狀、壓差比X、雷諾數(shù)以及比熱比系數(shù)FK等因素有關(guān)。膨脹系數(shù)法對(duì)影響可壓縮流體流動(dòng)的諸多因素都進(jìn)行了全面的考慮，所以能在全部的流動(dòng)范圍內(nèi)保證較高的計(jì)算精度，且適用于各種類型的閥門(mén)，應(yīng)用比較廣泛。
四、結(jié)語(yǔ)
應(yīng)用于高壓差條件下的多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥作為管路系統(tǒng)之中的關(guān)鍵設(shè)備，在控制過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本文對(duì)常見(jiàn)的三種不同類型的多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品的工作原理、核心結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及分別適用的場(chǎng)合進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，為用戶了解多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥的基本類型和特點(diǎn)提供了參考。此外，由于多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥經(jīng)常應(yīng)用于可壓縮工況，本文還對(duì)可壓縮工況下流量系數(shù)的典型計(jì)算方法進(jìn)行了歸納和總結(jié)，使用戶能夠依據(jù)正確的計(jì)算方法對(duì)調(diào)節(jié)閥的具體型號(hào)進(jìn)行選擇。總之，本文對(duì)于用戶了解專門(mén)應(yīng)用于高壓差場(chǎng)合下多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)并合理地選用提供了一定的參考。
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