气体通过调节阀控制阀门的特性

　　控制阀
 

　　1绪论
 

　　工程中，常见的气体流动都是稳定流动或接近稳定的流动。同时任何一个截面上任一点的流速、压力、温度参数也均不相同。且工质在流动中可能与外界交换热量。上述过程是及其复杂的，为了简化问题的研究，考虑到工程中气体快速地通过阀门，认为来不及与阀门进行热交换。同时取各截面某参数的平均值作为该截面上各点参数的值，因此把气体工质的流动看作不可逆的一维绝热稳定流动。
 

　　2能量守恒方程
 

　　由热力学定律，在开口系统稳定流动的能量微分表达式为：
 

　　忽略重力的作用，也不考虑对阀门做功。同时，考虑到流体和阀门的摩擦作用、流动中流体克服摩擦力做的功转化为热量，而这部分热量又重新被加入到流动的流体中。上式简化为：
 

　　很显然，克服摩擦消耗的功δw摩擦和由它转换的热量δq吸是相等的，而δq为与外界交换的热量，对于绝热流动，该值为0，即有
 

对上式进行积分，因此，沿流动方向任意截面应满意
 

3截面参数变化
 

　　根据参考文献1，可以得出绝热等熵流动中参数变化的相对关系。见以下公式：
 

其中：v为比体积
 

　　c为流速
 

　　A为截面积
 

　　к为比热比系数
 

　　虽然上述公式是由绝热等熵流动推出，但对于绝热流动的截面参数变化分析具有指导意义。由以上三个公式可以看出，参数的变化与气体的马赫数有关。当气体介质进入阀门时，处于亚声速流动。在通过节流口处(见图1)，因为面积减小，流速会增加，压力降低，比体积增加，介质膨胀。通过节流口后，流通面积变大，流速降低，压力恢复，比体积减小，介质压缩。但因为在阀门节流口处的摩擦导致的能量转换，压力已不可能恢复到阀前压力。流出阀门后，相比较阀前状况，阀后压力减小，流速有一定增加，介质密度有一定减小。
 

图1
 

　　如果在节流口处的面积减小得足够小，流速有可能增加到声速。此时，整个阀门的质量流量达到大值。若此时进一步增加面积，则气体膨胀至超音速，压力进一步降低。有可能产生较大的噪音。但质量流量不再增加。这种情形即是气体选型时遇到的阻塞流情形。对于多级降压的阀内件结构，尤其要注意这种流速增加的状况。因为多级降压内件通常被设计成如下的形式(见图2)。通常外面的套筒面积较大，然后减小，到里层套筒的面积小。这种从外到里流的设计方式对于液体工况来讲效果很好，它有效地加大了阻尼，降低了压差。但是对于气体工况来讲，效果却恰恰相反。由于节流面积逐级不断收缩，气体不断加速，压力不断降低，密度持续减小，介质不断膨胀，有可能被膨胀至音速甚至超音速。此时，会引起很强的振动。因为振动的强弱是和流速的平方成正比的。轻者引起噪音很大，重者甚至能破坏管道。因此对于多级降压结构来讲，气体流向应当从里往外流。先让气体节流降压，然后逐渐适度压缩，以控制内部的流速。防止振动的影响(见图2)。
 

图2
 

　　根据参考文献3，对一维绝热等熵流动，有如下公式成立：
 

其中：pcr为流速达到当地声速时的介质压力
 

　　p0为当介质速度减为0时的介质压力，称为滞止压力，也成为总压力，是一个理论值
 

　　vcr为临界压力比
 

　　к为比热比系数
 

　　上式表明了当流速达到当地声速时，即是质量流量达到大时，也就是浮现阻塞流的时候的压力比值，这个比值只与工质性质有关。现列举几个常见的数值