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各類多級降壓調節(jié)閥的類型特點及計算CV值的常用方法
發(fā)布于：2019/12/20 8:59:41 點擊量：710
一、前言
在現(xiàn)代工業(yè)生產過程中，調節(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、調節(jié)流體流量等重要作用。近年來隨著工業(yè)技術的不斷進步，實際生產中出現(xiàn)的高溫、高壓等特殊工況對調節(jié)閥也提出了更高的要求。特別是應用于高壓差場合的調節(jié)閥，由于流速很高，經常在內部節(jié)流件部位出現(xiàn)沖刷腐蝕，同時還伴有由空化現(xiàn)象引起的汽蝕、噪聲和振動等危害，給安全生產帶來重大隱患。因此，國內外一些廠家分別研究開發(fā)了專門應用于高壓差條件下的多級降壓結構調節(jié)閥。
本文對常見的各類多級降壓調節(jié)閥的結構、工作原理及特點分別進行介紹。并且針對可壓縮工況，對用戶如何根據(jù)實際要求的流量計算調節(jié)閥CV值的常用方法進行了總結。為用戶了解多級降壓調節(jié)閥的特點并合理選用提供了參考。
二、多級降壓調節(jié)閥的常見類型及特點
在調節(jié)閥中產生的汽蝕空化現(xiàn)象，其根本原因即是由于閥前后的壓差過高。一般認為當Δp＞2.5MPa時，流體介質在閥內部進入節(jié)流部位時壓力驟然下降，在通流截面面積最小處壓力降至最低，當這一壓力低于當前溫度下流體的飽和蒸汽壓時，部分液體會出現(xiàn)汽化，形成大量微小的汽泡，當流體流過節(jié)流口壓力回升時，這些汽泡又發(fā)生破裂回到液態(tài)，對閥體和閥芯等部件產生沖擊并帶來噪聲、振動等危害。近年來，國內外一些調節(jié)閥廠商都研發(fā)了各種不同類型的專門應用于苛刻工況下的抗汽蝕多級降壓調節(jié)閥。常見的多級降壓調節(jié)閥分為三類，雖然在結構上有所不同，但有著共同的工作原理，都是通過改變結構將總的壓差進行分段多級降壓，使每一級壓降Δp1小于產生空化的臨界壓差，從而有效避免了汽蝕等危害的發(fā)生。
1.串級式調節(jié)閥
串級式多級降壓結構如圖1所示，這種結構把原本的一個整體的節(jié)流區(qū)域以多個分開的節(jié)流區(qū)域互相串聯(lián)，從而使較大的壓差轉換為多個較小的壓差，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 串級式調節(jié)閥
串級式調節(jié)閥多用于液體介質工作的場合，其特點在于：
1）啟閉過程中能夠減輕持續(xù)壓差，每一級節(jié)流口的動作均滯后于上一級節(jié)流口，可以使在啟閉過程時作用于閥口的持續(xù)高壓逐級減輕，分擔了第一級節(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合。
3）串級式閥芯一般進行碳化鎢噴涂硬化處理，抗沖刷汽蝕性能良好。
4）制造過程與其他多級降壓調節(jié)閥相比工藝較為簡單，加工方便，制造成本也較為低廉。
5）串級式調節(jié)閥一般降壓級數(shù)有限，多為3～4級，不能應用于壓差過高的場合。
2.多層套筒式調節(jié)閥
多層套筒式多級降壓結構如圖2所示，經常用于電站或化工等行業(yè)中。
圖2 多層套筒式調節(jié)閥
多層套筒式調節(jié)閥典型結構特征是閥芯部分節(jié)流件由數(shù)層加工有小孔的套筒構成，每層套筒之間都留有一定的間隙，使流體流經套筒時得以緩沖，從而將流體速度控制在一定范圍內。
其特點在于：
1）多級套筒式調節(jié)閥降壓級數(shù)可以設計得較大，降壓能力與串級式相比較強，能夠勝任高壓差的場合。
2）多層套筒式結構既能滿足較高的壓降要求，同時又能在工作時保證較大的流量。
3）抗汽蝕性能良好，用于液體介質時，流體由最外側套筒流向最內側，液體介質在套筒中逐級降壓以減輕空化汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，并且流體最終從內側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，不直接對閥門金屬表面產生傷害。
4）抗噪聲、振動性能良好，用于氣體介質時由套筒內側向外流動，靠外側套筒的孔徑和間隙與內側相比均有所擴大，使氣體介質在逐級降壓過程中不斷膨脹，可以有效地降低噪聲及振動帶來的危害。
5）套筒加工過程比較復雜，成本較高。但安裝與維護簡便，易于更換。
3.迷宮式調節(jié)閥
迷宮盤片式多級降壓結構如圖3所示，其核心節(jié)流部分由多個開有迷宮式溝槽的金屬盤片疊加而成。流體流經迷宮流道中經過多次碰撞轉折，消耗能量，在逐級降壓過程的同時，使流速也得到了控制。
圖3 迷宮式調節(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合，工作介質多為過熱蒸汽，也能用于液體介質。其特點如下。
1）迷宮流道的拐彎級數(shù)就是迷宮式調節(jié)閥的降壓級數(shù)，一般可達十幾到二十幾級，所以迷宮式多級降壓結構是常見多級降壓調節(jié)閥中降壓能力最強的，國外有產品最高可以達40MPa。
2）出色的抗汽蝕沖刷及消聲減振性能，多級拐彎迷宮式流道可以有效地控制流體流速，避免空化、噪聲及振動等不良現(xiàn)象的發(fā)生。
3）通過使用不同形式的迷宮盤片進行組合，迷宮式調節(jié)閥可以達到不同的流量特性調節(jié)曲線。
4）迷宮式盤片制造精度要求很高，一般由司太立合金堆焊，有較長的使用壽命；安裝與維護比較簡便，盤片易更換。
5）迷宮式流道對流體介質的清潔度要求較高，否則迷宮流道容易發(fā)生堵塞。
三、多級降壓調節(jié)閥CV值的計算
流量系數(shù)（CV）一般用來表示閥門的流通能力，為了選用合適的調節(jié)閥，必須根據(jù)所使用條件計算出必要的CV值，然后根據(jù)額定流量系數(shù)選擇合適的調節(jié)閥型號。在可壓縮工況下，流體在節(jié)流過程中壓力降低，體積膨脹，密度減小，閥內的流動情況與不可壓縮相比復雜很多。因此對于一般多用于可壓縮工況下的多級降壓調節(jié)閥，其流量系數(shù)的計算方法也較為特殊，典型的可壓縮工況下CV值的計算主要有壓縮系數(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50年代由蘇聯(lián)提出，是計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，在一般的液體計算公式中添加一個氣體壓縮系數(shù)ε，對液體計算公式進行校正。此種方法對計算模型做了很大簡化，把不同形式的調節(jié)閥都簡化為同樣的流量噴嘴，然后認為在噴嘴中氣體介質流動的過程是一個絕熱過程，再用能量平衡方程導出計算公式，即：
（1）
式中 γN——標況下的氣體重度，單位為kgf/m3（1kgf＝9.8N）；
Q——標況下的體積流量，單位為m3/h；
T——氣體溫度，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可用試驗確定，一般對空氣試驗可得：
（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程度不高的場合，在非臨界流區(qū)間內能夠保證較好的計算精度。但由于公式對計算模型的簡化，隨著?p/p1增大到臨界壓差比時就會產生較大的誤差，在過渡區(qū)和臨界區(qū)內無法滿足要求。
2.膨脹系數(shù)法
針對早期計算公式均未考慮閥門的壓力恢復特性對計算的影響，在20世紀70年代一些國外廠商提出了以膨脹系數(shù)法、多項式法和正弦法為代表的一系列后期公式，對早期公式進行了改良，能較好滿足非臨界區(qū)到臨界區(qū)的計算精度。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算結果更加經濟，可以減少不必要的浪費。其中膨脹系數(shù)法以其計算的簡便性被IEC推薦為標準公式。膨脹系數(shù)法由用于液體情況下的計算公式引入膨脹系數(shù)Y進行修正而得出，當Y＝1時，膨脹系數(shù)法也適用于不可壓縮的液體工況。
（3）
式中ρN——標況下的氣體密度，單位為kg/m3；
Q——標況下的體積流量，單位為m3/h；
T1——氣體入口溫度，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，可壓縮性介質的流量系數(shù)與不可壓縮介質的流量系數(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的密度變化，以及壓差變化時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。
由于計算公式本身不包含上游條件時流體的實際密度，膨脹系數(shù)法引入了壓縮系數(shù)Z來補償某些條件下實際氣體和理想氣體的偏差。膨脹系數(shù)Y用來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。膨脹系數(shù)法對影響可壓縮流體流動的諸多因素都進行了全面的考慮，所以能在全部的流動范圍內保證較高的計算精度，且適用于各種類型的閥門，應用比較廣泛。
四、結語
應用于高壓差條件下的多級降壓調節(jié)閥作為管路系統(tǒng)之中的關鍵設備，在控制過程中發(fā)揮著至關重要的作用。本文對常見的三種不同類型的多級降壓調節(jié)閥產品的工作原理、核心結構、特點以及分別適用的場合進行了系統(tǒng)的介紹，為用戶了解多級降壓調節(jié)閥的基本類型和特點提供了參考。此外，由于多級降壓調節(jié)閥經常應用于可壓縮工況，本文還對可壓縮工況下流量系數(shù)的典型計算方法進行了歸納和總結，使用戶能夠依據(jù)正確的計算方法對調節(jié)閥的具體型號進行選擇?？傊?，本文對于用戶了解專門應用于高壓差場合下多級降壓調節(jié)閥的特點并合理地選用提供了一定的參考。
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