关于调节阀流量计算方法的分析与研究

发布时间:2009-10-13  点击数:2905
一、ISA标准的基本公式
      两个常用术语的定义
      A、阻塞流(Chocked flow):在流体入口条件不变的情况下,增加阀上压差也不能引起流量进一步增加的现象称做阻塞流。这时,通过调节阀的流量达到了最大值。这个流量叫做阻塞流量,也叫做最大流量(Qmax)。
      B、缩流面(Vena Contracta):阀中流束通过的最小截面,此处流体速度最大而压力最小。

      到底调节阀流量计算的方法是什么呢?

     1、液体调节阀流量的计算公式
ISA S 39标准提出的计算公式仅适于流体呈紊流状态的牛顿液体,流量的基本公式是
                
1)中

            N1—数字常数(见表1);
            Fp—管道几何形状系数;
           Fy—流体阻塞流系数;
           Fr—雷诺数修正系数;
           Cv—阀流量系数
           P1—阀入口绝对压力;
           P2—阀出口绝对压力;
           G1—液体比重。
2、气体流量的计算公式
           气体或蒸汽的流量基本公式是
                               

                     式中
           Y—气体膨胀系数
           Fx—绝热修正系数
           K—气体绝热系数;
           X—压降比系数,系压差与入口绝对压力之比,X=ΔP/P1 8
           XT—压降比系数,也就是膨胀系数,X的最大值;
           γ1—在入口条件下气体重度;
           M—气体分子量;
           T1—绝对温度;
           Z—气体压缩系数。

                                                                             数字常数N

N

q

W

Cv

P1P2

Dd

v

γ

N1=1

  =0.865

Scfh

m³/h





gpm

gpm


Psia

bar











N2=890

  =0.00214








同上





in

mm








N3=1

  =645








同上





in

mm








N4=17300

  =76200


Scfh

m³/h





同上





in

mm


Cst

cst





N5=1000

=0.00241














in

mm








N6=63.3

  =27.3





1b/hr

kg/h





Psia

bar








1b/ft²

kg/m²


N7=1360

  =417


Scfh

m³/h








Psia

bar











N8=19.3

  =948





1b/hr

kg/h





Psia

bar











N9=7320

  =2240


Scfh

m³/h








Psia

bar











           表中单位符号解释:gmp=美国加仑/分;psia=绝压磅/时²;bar=巴;in=时;cst=厘斯;1b/hr=/时。
            上各个公式使用的单位和相应的数字常数N值列于表1,下面详细地解释公式中各个修正系数的物理意义和计算方法。
二、流量计算的实用公式
       
ISA标准提出的计算公式采用了许多系数对阀流量系数Cv进行修正。但是直接应用计算公式还是比较麻烦。因此美国Driskell在此基础上推导出许多实用计算公式,考虑到使用的单位有公制和英制,实用公式仍然使用数字常数。
1、液体流量计算
        
液体通过阀的流动呈紊流情况。液体不发生闪蒸和空化现象时,它的实用基本公式
                   
1a
        该公式与以前计算公式相比,仅有一个管道几何形状系数FpISA标准规定测定调节阀额定Cv值,阀必须安装在与阀体法兰相同口径的笔直管道上,如阀两边有渐缩(扩)管等零件相连接、就要用Fp修正阀的Cv值。如阀两边直管道与阀公称通径相同,则Fp=1.0Fp可用实验方法确定,也可用下式计算。

        式中

                Cd—阀相对容量系数; 
               
3a
        其中K1K2分别表示入口和出口管道的阻力系数,KB1KB2分别表示入口和出口渐缩(扩)管的柏努利系数(即流束面积变化所引起的阻力系数的变化)。若渐缩管和渐扩管的规格相同,则KB1=KB2。即流束横截面积向它原来的方向变化时,入口渐渐管上的压力损失会在出口渐扩管上得到恢复。若规格不同,或一侧有而另一侧无渐扩(缩)管,式(2a)应有一个柏努利系数。
        标准规定:渐缩管和渐扩管规格相同时,
                  4a

        只有渐缩管
                    5a

        只有渐扩管
        例1 已知液体为海水,比重G=1.2,流量q=1500gpmP1=75psiaP2=65psia,管道直径D=8"。
计算:由式(1a),可求出Cv

               

        若选一台6"蝶阀,它的额定Cv=720。因为d=6"
所以
        由式(2a)得

                 
        这台蝶阀安装后,实际Cv变成
                 
        结果表明阀在70~80%开度上工作,能满足工艺设计的要求(520/677=76%)。
2、粘性液体流量的计算
        式(1)仅适于紊流状态的牛顿液体。实际上,粘度较大流体或阀Cv较小,流动可能呈非紊状态。因此,标准引进一个雷诺数系数Fr来修正Cv,并规定用试验方法确定FR。实验证明FR与阀的雷诺数Rev的关系曲线如图1所示。Rev的实用公式是
               

               

1液体流量计算的雷诺数系数Fr

式中

        γ—动力粘度系数,百斯(cst);
        Fd—调节阀结构型式的修正系数,标准规定V球阀单座调节阀1.0,流体流动呈两个平通路的阀,如双座调节阀和蝶阀为0.71
        CD—调节阀和管道的容量系数,CD=Cv/D²,D为管道内径;
        FLP—液体压力恢复系数FL和管道几何形状系数Fp的组合,这要比单独计算FFp来得方便,很显然,若调节阀与管线直径相同,则FlpD就分别等于FLFLP实用计算公式是  
         此主题相关图片如下:
               
         
式(8a)方括号内分式的数值表示“趋近速度”。除全开的球阀和蝶阀之外,数值很小,可忽略不计。
        从图1可知:Rev>3300时,流动呈紊流,Fr=1Rev<100时,流动呈层流,流量与压力降成正比,而不是与 成正比。100<Rc<3300时,流动呈过渡流(transition flow )。 
        液体流动呈层流的实用计算公式是 
        注意:上面两个圆括号内的数字适于英制单位,如用SI单位制,请用173代入。

式中 
                ц—液体运动粘度系数,百泊(CP); 
                Fs—液体层流流动系数,它是阀本身影响流量的各个因素的一个综合系数,不受渐缩(扩)管的影响,各种阀Fs计算公式为: 
                例2 已知牛顿液体比重Gf=0.90T1=70°F,粘度μ20000CPP1=85psiaP2=65psia,流量q=52gpm,管道直径D=3",(40"规格管子)。 
                计算:(1)假设流动呈紊流,由式(1a):
                            (2)假设流动呈层流,由式(10a: 
                若选一台60°转角蝶阀,由表2查得Fs=0.92。 
        所以 
               
上面两种假设紊流和层流的Cv之比为 ,(由表3上的最小值)。说明上述流动呈层流,应用式(10a)计算。即工艺设计要求的FpCv=105。一台3"蝶阀,因D=d,由表2查得Cd=17,这台蝶阀额定Cv
。这台蝶阀在70%开度上工作,可满足工艺设计要求。
3、过渡流;液体过渡计算实用公式是 (13a) 
        关键问题是怎么知道流动是过渡流,Driskell提出了一个简单方法。先假设流动呈紊流,再假设流动呈层流,分别求出Cv值,然后求出这两个Cv值之比η,η>20流动为紊流,η<0.46为层流,0.46<η<20为过渡流。最后,从表3上查出相应的Fr。若流量或压降是未知数,也采用这种解法。
        例3已知液体比重G=1.0粘度µ=2000CP,V型球阀内径d=2",管道直径D=3",P1=74psia,P2=62psia,额定Cv=100,Fl=1.0,Fp=0.83,只有渐缩管。