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调节阀的流体特性-流体运动的阻力

来源: 上海阀门 时间: 2012-02-29 点击: 3,963

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、管径突然扩大与缩小)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△ρN的计算式如下:

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久进行理论计算,见图1。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ζ是不同的,必须按不同情况通过实验来确定。实际上,系数ζ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ζ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:

式中 vN——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。

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)导管的流人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2和图3。图中已给出各种情况下的ζ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4所示,如果压力损失主要是由于流通截面Al突然扩大,其计算公式如下:

ζ值也可以查表1。

表1 流通截面突然扩大时系数ζ与D1/D2的关系
(D1/D2)2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
ζ 1 0.81 0.64 0.49 0.36 0.25 0.16 0.09 0.04 0.01

2)渐扩管。图5为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Dl、D2、L和Φ的函数。

ζ可从图6中查得。这是对中等粗糙度管子的试验结果。

3)突然收缩。如图7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(5),而流阻系数ζ的计算如下:

因为在大多数情况下,截面A2是不知道的,所以ζ是A2/A1的函数,如图8所示。它对应于进口处为锐边的突然收缩管中流动时的ζ值。

4)渐缩管。如图9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:

渐缩管的角度Φ=4°~10°时,ζ值可查表2,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)。

表2 渐缩管ζ值与值径比的关系
D1/D2 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0
ζ 0.4 1.0 1.8 2.8 4.2 5.8 7.5 10 12 15

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ζ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)可得出阀门压力损失的计算公式:

由上式可以看出,ζNj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10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ζNj值也是不可能的。ζNj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。

a)直通阀b)角形阀c)蝶阀

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

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