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调节阀流体运动的阻力

发布时间:2020-10-27      点击次数:795

                                  

1.5 调节阀的流体特性

1.5.1流体运动的阻力

    流体介质流过管路系统时,由于沿程摩擦产生能量损失,又由于局部阻力(阀门、三通、弯头、管径突然扩大于缩小)产生附加的能量损失。

   在一个直径为DN的导管中,其压力损失的计算式如下:

                           (1-4)

式中  PN——介质密度;

U2N——介质流速

LN——导管的有效长度;

N——导管的阻力系数;

Nj——通过阀门的能量损失系数;

Nk——其他零件局部损失系数。

      如果液体介质流过简单的管路,压力损失值可按实验确定的系数λ进行理论计算,见图1-33.对于局部阻力,仅仅在简单的情况下进行理论计算,因为在大多数情况下,系数是不同的,必须按不同情况通过实验来确定。实际上,系数表示流体沿程阻力的动能损失。对于两个不同的结构或两种不同的工艺条件,除了偶然的情况外,水力阻力是不相等的,系数也是不同的。

    如果仅仅涉及到局部阻力,压力降的计算公式如下:

                          (1-5)

式中  U2N——在局部阻力件之前或之后,按管径DN计算的流体平均速度,在某些情况下是指特定区的流速。

注意:在大多数情况下,ζ是对圆截面管道讲的。

对于一个管段,式(1-2)可写成:

                  (1-6)

1.局部阻力系数ζk

      局部阻力分为阀门阻力和其他局部阻力。这样划分的目的,是便于深入研究通过阀门的介质流动。

(1)导管的流入和流出   当容器与导管连接的时候,导管被安装在容器的出口或入口上,或者把导管的一头插入罐内引出导管,见图1-34和图1-35.图中已给出各种情况下的值。

(2)流通截面的变化  不同直径导管连接时需要连接件。这些连接件使截面积缓慢地或突然地扩大或缩小。下面介绍各种连接件的压力损失△P和流阻系数ζ的计算关系式

1)突然扩大。如图1-36所示,如果压力损失主要是由于流通截面突然扩大,其计算公式如

下:

(1-7)

计算流阻系数ξ公式如下;

         (1-8)

ξ值也可以查表1-113。

2)渐扩管。图1-37位介质通过渐扩管的简图。压力损失产生于介质对管壁的摩擦和流线的扩大。△P是几何尺寸D1D2L和∅的函数。

ξ可从图1-38中查得。这是对中等粗糙度管子的实验结果。

 

 

 

 

 

3)突然收缩。如图1-39所示,如果已知介质的收缩截面是A2,在这种情况下,压力损失的确定与突然扩大时相似。

  计算压力损失△P时,可用式(1-9),而流阻系数ξ的计算如下:

                                      (1-10)

 因为在大多数情况下,截面A2是不知道的,所以ξ是A2/A1的函数,如图1-40所示。它对应于进口处为锐边的突然收缩管中流动时ξ的值。

4)渐缩管。如图1-41所示的渐缩管,其压力损失比突然收缩的要小,其压力损失△P的计算如下:

                (1-11)

  渐缩管的角度∅=4°~10°时,ξ值可查表1-114,它是管子直径比的函数。

2.通过阀门的流阻系数

  阀门可以切断、调节或者分配流过的介质。应对阀门进行下列分析:

1)确定阀门全开时产生的流阻或压力损失。

2)不同开度时的流阻系数或压力损失(主要是指调节阀)。

    下面仅讨论切断阀。从经济的观点来看,希望阀的全开时阻力越小越好。因此,阀门的ξ值是一个非常重要的指标,也是分级的依据。

     进一步研究阀门的特性,可以得出以下结论:

1)阀门的流阻影响系统性能。因为流阻存在,要求增高起点压力,或是降低用户的使用压力。

2)阀门的流体阻力值是介质参数和阀门结构的函数。

3)在较短的管路系统中,能量的总损失主要是由阀门压降引起的。

4)阀门结构的选择,不能仅考虑阀门起到启闭的作用,还必须使阀门的局部阻力尽可能地小。

通过式(1-4)可得出阀门压力损失的计算公式:

由上式可以看出,ξNj的量纲为1.它表示介质通过阀门时的能量损失程度。能量损失的原因是多种多样的,如方向的改变、流通面积的扩张或收缩、管壁的摩擦等。

图1-42示出几种调节阀的简图和介质能量损失的情况。要知道,即使对于一个构造简单的调节阀,要想通过理论计算得出N;值也是不可能的。N;值要通过试验确定。

下面介绍试验结果,以便为计算阀门的能量损失提供方便有用的数据。

 

     显然,应研究每种流动状态(层流、过度流、湍流)下的ξNj值。但实际上,大多是湍流,故通常仅介绍湍流情况下的ξNj值。在雷诺数Re的函数中,ξNj值是个常数。

图1-43示出旋启式单向阀的结构。在表1-15、表1-116及图1-44中,给出了闸阀、截止阀和升降式单向阀及旋启式单向阀的试验N;值。除了这些阀门的数据外,还研究了其他结构的阀门。在缺少具体的ξNj值情况下,可利用表1-117中的数据作为参考值。

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