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摘要:氣體介質(zhì)因?yàn)槠涔逃械奶匦?mdash;—可壓縮性,在閥門的流動中不同于液體。比如在節(jié)流過程中,因?yàn)樵诠?jié)流孔口處強(qiáng)烈的擾動和渦流,導(dǎo)致能量分布的不均,極容易產(chǎn)生噪聲。本文主要討論氣體在流經(jīng)閥門設(shè)備時參數(shù)的變化與流道截面積的關(guān)系,以及流動過程中氣體能量的傳遞、轉(zhuǎn)換等問題。
關(guān)鍵詞:可壓縮性;能量轉(zhuǎn)換;噪音;控制閥
1 緒論
工程中,常見的氣體流動都是穩(wěn)定流動或接近穩(wěn)定的流動。同時任何一個截面上任一點(diǎn)的流速、壓力、溫度參數(shù)也均不相同。且工質(zhì)在流動中可能與外界交換熱量。上述過程是及其復(fù)雜的,為了簡化問題的研究,考慮到工程中氣體快速地通過閥門,認(rèn)為來不及與閥門進(jìn)行熱交換。同時取各截面某參數(shù)的平均值作為該截面上各點(diǎn)參數(shù)的值,因此把氣體工質(zhì)的流動看作不可逆的一維絕熱穩(wěn)定流動。
2 能量守恒方程
由熱力學(xué)第一定律,在開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動的能量微分表達(dá)式為:
忽略重力的作用,也不考慮對閥門做功。同時,考慮到流體和閥門的摩擦作用、流動中流體克服摩擦力做的功轉(zhuǎn)化為熱量,而這部分熱量又重新被加入到流動的流體中。上式簡化為:
很顯然,克服摩擦消耗的功δw摩擦和由它轉(zhuǎn)換的熱量δq吸是相等的,而δq為與外界交換的熱量,對于絕熱流動,該值為0,即有
對上式進(jìn)行積分,因此,沿流動方向任意截面應(yīng)滿足
3 截面參數(shù)變化
根據(jù)參考文獻(xiàn)1,可以得出絕熱等熵流動中參數(shù)變化的相對關(guān)系。見以下公式:
其中:v為比體積
c為流速
A為截面積
к為比熱比系數(shù)
雖然上述公式是由絕熱等熵流動推出,但對于絕熱流動的截面參數(shù)變化分析具有指導(dǎo)意義。由以上三個公式可以看出,參數(shù)的變化與氣體的馬赫數(shù)有關(guān)。當(dāng)氣體介質(zhì)進(jìn)入閥門時,處于亞聲速流動。在通過節(jié)流口處(見圖1),因?yàn)槊娣e減小,流速會增加,壓力降低,比體積增加,介質(zhì)膨脹。通過節(jié)流口后,流通面積變大,流速降低,壓力恢復(fù),比體積減小,介質(zhì)壓縮。但因?yàn)樵陂y門節(jié)流口處的摩擦導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)換,壓力已不可能恢復(fù)到閥前壓力。流出閥門后,相比較閥前狀況,閥后壓力減小,流速有一定增加,介質(zhì)密度有一定減小。
圖1
如果在節(jié)流口處的面積減小得足夠小,流速有可能增加到聲速。此時,整個閥門的質(zhì)量流量達(dá)到zui大值。若此時進(jìn)一步增加面積,則氣體膨脹至超音速,壓力進(jìn)一步降低。有可能產(chǎn)生較大的噪音。但質(zhì)量流量不再增加。這種情形即是氣體選型時碰到的阻塞流情形。對于多級降壓的閥內(nèi)件結(jié)構(gòu),尤其要注意這種流速增加的狀況。因?yàn)槎嗉壗祲簝?nèi)件通常被設(shè)計成如下的形式(見圖2)。通常zui外面的套筒面積較大,然后減小,到zui里層套筒的面積zui小。這種從外到里流的設(shè)計方式對于液體工況來講效果很好,它有效地增大了阻尼,降低了壓差。但是對于氣體工況來講,效果卻恰恰相反。由于節(jié)流面積逐級不斷收縮,氣體不斷加速,壓力不斷降低,密度持續(xù)減小,介質(zhì)不斷膨脹,極有可能被膨脹至音速甚至超音速。此時,會引起很強(qiáng)的振動。因?yàn)檎駝拥膹?qiáng)弱是和流速的平方成正比的。輕者引起噪音很大,重者甚至能破壞管道。因此對于多級降壓結(jié)構(gòu)來講,氣體流向應(yīng)當(dāng)從里往外流。先讓氣體節(jié)流降壓,然后逐漸適度壓縮,以控制內(nèi)部的流速。防止振動的影響(見圖2)。
圖2