1 概述
1944年,美國(guó)梅索尼蘭公司(Masoneilan)首先提出了調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的概念,用于量化調(diào)節(jié)閥的流通能力。流量系數(shù)的定義:閥前后壓差為6.895kPa(1psi),用室溫水做試驗(yàn),每分鐘流過(guò)閥的體積(單位為加侖),即為該閥的流量系數(shù),用CV表示。若閥全開時(shí),測(cè)量得的CV值稱閥的額定流量系數(shù)(額定CV),很快該流量系數(shù)的概念被全世界同行采用。調(diào)節(jié)閥的制造商都需測(cè)試和發(fā)布每個(gè)產(chǎn)品的流量系數(shù),供用戶選用,從此開創(chuàng)了量化選用調(diào)節(jié)閥的新時(shí)期。公制流量系數(shù)的定義:閥前后壓差為0.1MPa(1bar),用室溫水做試驗(yàn),每小時(shí)流過(guò)閥的體積(單位為m3),作為該閥的流量系數(shù),用KV表示,兩者的換算關(guān)系數(shù)為CV=1.16KV。
為了正確地選擇調(diào)節(jié)閥,必須根據(jù)介質(zhì)、壓力、流量、溫度等工況參數(shù)計(jì)算調(diào)節(jié)閥流量系數(shù),并以計(jì)算的流量系數(shù)為基礎(chǔ),選擇合適的公稱通徑,因此選用每一臺(tái)調(diào)節(jié)閥首先應(yīng)計(jì)算工況的流量系數(shù)KV(或CV)。為此調(diào)節(jié)閥制造商先后提供了各種計(jì)算公式,20世紀(jì)40—50年代美國(guó)推出過(guò)閥前重度法(γ1法)、閥后重度法(γ2法)、平均重度法(γM法),前蘇聯(lián)推薦過(guò)壓縮系數(shù)法(ε法),改革開放以前國(guó)內(nèi)基本上都使用平均重度法。
1962年,Masoneilan推出了臨界流量系數(shù)計(jì)算法(Cf或FL法),稍后對(duì)氣體介質(zhì)又推出多項(xiàng)式計(jì)算法(PN法),同期美國(guó)費(fèi)希爾公司(Fisher)推出了正弦法(Sin法)。改革開放后,Masoneilan和Fisher為擴(kuò)大產(chǎn)品銷售,在中國(guó)發(fā)布了很多調(diào)節(jié)閥計(jì)算選型方面的書籍,還發(fā)送流量系數(shù)計(jì)算的光盤,使臨界流量系數(shù)法、多項(xiàng)式法和正弦法三種CV的計(jì)算方法在國(guó)內(nèi)廣泛流傳,替代了過(guò)去的重度法。1998年國(guó)際電工委員會(huì)頒發(fā)了IEC 60534—1998《Industrial Process Control Valves》標(biāo)準(zhǔn),推薦了膨脹系數(shù)計(jì)算法(Y法),2005年國(guó)內(nèi)頒發(fā)了GB/T17213.2—2005《工業(yè)過(guò)程控制閥第2-1部分:流通能力安裝條件下流體流量的計(jì)算公式》,等同采用了IEC 60534—1998標(biāo)準(zhǔn),開始采用了膨脹系數(shù)法,稍后GB/T4213—2008《氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥》發(fā)布時(shí),有關(guān)流量系數(shù)的計(jì)算也改用了膨脹系數(shù)法。20世紀(jì)末,Masoneilan和Fisher都改用了膨脹系數(shù)法,那么前述的計(jì)算公式和光盤是否有用,還需看計(jì)算精度對(duì)產(chǎn)品的選型影響是否大。
2 臨界流量系數(shù)法、多項(xiàng)式法和膨脹系數(shù)法常用的計(jì)算公式 織夢(mèng)好,好織夢(mèng)
膨脹系數(shù)法與另三種計(jì)算法相比,液體介質(zhì)的流量系數(shù)計(jì)算公式是相同的,僅僅使用的符號(hào)不同,因此筆者不作介紹。主要區(qū)別在于可壓縮流體即氣體、蒸汽介質(zhì)的計(jì)算公式,下面以臨界流量系數(shù)法、多項(xiàng)式法、膨脹系數(shù)法三種方法為例進(jìn)行說(shuō)明。
2.1 臨界流量系數(shù)法
臨界流量系數(shù)法常用計(jì)算公式見表1所列。其中Cf———臨界流量系數(shù);ρ1———?dú)怏w在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的相對(duì)密度,kg/m3(ρ空氣=1);ρ2———?dú)怏w在進(jìn)口溫度時(shí)的相對(duì)密度=;p1———進(jìn)口壓力,100kPa;p2———出口壓力,100kPa;Δp———壓差=p1-p2,100kPa;qV———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(在絕對(duì)壓力為1013kPa,15℃下)氣體流量,m3/h;T———進(jìn)口溫度,T=273+t(℃),K;Tsh———蒸汽過(guò)熱度,TSH=蒸汽溫度-進(jìn)口壓力下飽和蒸汽溫度,℃;qm———質(zhì)量流量,1000kg/h。 織夢(mèng)好,好織夢(mèng)
表1 臨界流量系數(shù)法(無(wú)附接管件)常用公式
2.2 多項(xiàng)式法 dedecms.com
多項(xiàng)式法常用計(jì)算公式見表2所列。
表2 多項(xiàng)式法(無(wú)附接管件)常用公式 織夢(mèng)好,好織夢(mèng)
在表2中的公式與表1中的公式很相似,僅在分母上增加了多項(xiàng)式(y-0.148y3),其中y=
2.3 膨脹系數(shù)法
1)當(dāng)可壓縮流體為非阻塞流(X<FγXT)時(shí),常用計(jì)算公式如下:
(13)
(14) 本文來(lái)自織夢(mèng)
(15)
2)當(dāng)可壓縮流體為阻塞流(X≥FγXT)時(shí),常用計(jì)算公式如下:
(16)
(17)
(18) 織夢(mèng)好,好織夢(mèng)
式中:X———工作壓差與進(jìn)口絕對(duì)壓力之比,即Δp/p1;p1———閥的進(jìn)口壓力(絕對(duì)壓力),100kPa;XT———阻塞流條件下,無(wú)附接管件的控制閥壓差比系數(shù),又稱臨界壓差比;Fγ———比熱比系數(shù),其中Fγ=γ/1.40;Y———膨脹系數(shù),Y=1-,若X>FγXT,則Y=0.667;ρ3———在進(jìn)口壓力(絕對(duì))為p1、進(jìn)口溫度為T時(shí),流體的密度,kg/m3;γ———比熱比,空氣的比熱比為1.40,查表γ=CP/CV(此CV為定容比熱);Z———壓縮系數(shù),用pr=p1/pC和Tr=T1/TC,查壓縮系數(shù)圖,pC———流體的臨界壓力(絕對(duì)壓力),100kPa;TC———流體的臨界溫度,K;M———流體的分子量,kg/(k•mol)。
3 不同工況下流量系數(shù)的計(jì)算及誤差分析 內(nèi)容來(lái)自dedecms
下面挑選四種典型的工況條件,同時(shí)用臨界流量系數(shù)法、多項(xiàng)式法和膨脹系數(shù)法三種方法計(jì)算其流量系數(shù)KV,然后分析其誤差。以下四種工況下的臨界流量系數(shù)Cf,XT,蒸汽的Fγ從GB/T17213.2—2005標(biāo)準(zhǔn)中查得。
3.1 合成氨工況
合成氣為混合氣,主要成分是CO,H2;工況特點(diǎn):高壓,低壓差,非阻塞流動(dòng);閥門結(jié)構(gòu)型式:柱塞型閥芯角閥,Cf=0.9,XT=0.72;流量為15000m3/h,閥前壓力為21.4MPa,閥后壓力為20.6MPa,進(jìn)口溫度為45℃,操作密度為117.4kg/m3。調(diào)節(jié)閥KV的計(jì)算及誤差分析見表3所列。
表3 合成氣調(diào)節(jié)閥KV的計(jì)算及誤差分析
注:1)因合成氣查不到比熱,視比熱γ=1.4,則比熱比系數(shù)Fγ=1。
3.2 氧氣工況
氧氣為純氣體,工況特點(diǎn):高壓差、阻塞流;閥門結(jié)構(gòu)型式:低噪聲套筒閥,Cf=0.90,XT=0.68;流量為30000m3/h,閥前壓力為6.0MPa,閥后壓力為1.5MPa,進(jìn)口溫度為40℃,操作密度為75.57kg/m3。調(diào)節(jié)閥KV的計(jì)算及誤差分析見表4所列。
表4 氧氣調(diào)節(jié)閥KV的計(jì)算及誤差分析
本文來(lái)自織夢(mèng)
3.3 水蒸氣工況(一)
介質(zhì)為水蒸氣,工況特點(diǎn):高壓,高壓差;閥門結(jié)構(gòu)型式:帶導(dǎo)閥的套筒閥,Cf=0.90,XT=0.75;流量為75 000kg/h,閥前壓力為9.81MPa,閥后壓力為3.5MPa,進(jìn)口溫度為540℃,操作密度為28.25kg/m3。調(diào)節(jié)閥KV的計(jì)算及誤差分析見表5所列。該工況下,3個(gè)公式判斷出兩種流態(tài)。
表5 水蒸氣工況(一)調(diào)節(jié)閥KV的計(jì)算及誤差分析
3.4 水蒸氣工況(二)
介質(zhì)為水蒸氣,工況特點(diǎn):低壓蒸汽,低壓差,非阻塞流;閥門結(jié)構(gòu)型式:柱塞型單座閥,Cf=0.90,XT=0.72;流量為230kg/h,閥前壓力為0.45MPa,閥后壓力為0.4MPa,進(jìn)口溫度為300℃,操作密度為2.066kg/m3。調(diào)節(jié)閥KV的計(jì)算及誤差分析見表6所列。
表6 水蒸氣工況(二)調(diào)節(jié)閥KV的計(jì)算及誤差分析
以上四種工況中有高壓差,低壓差;有混合氣、純氣體、水蒸氣,所以有一定的代表性。從計(jì)算KV的結(jié)果來(lái)看,臨界流量系數(shù)法(Cf法)所得的數(shù)值最小,多項(xiàng)式法(PN法)的計(jì)算值居中,且與Cf法非常接近;與膨脹系數(shù)法(γ法)相比,3.1節(jié)氣體低壓差時(shí)用Cf法計(jì)算所得的KV值誤差最大,達(dá)-5.56%。3.2~3.4節(jié)計(jì)算值的誤差在±2.4%之內(nèi)。在調(diào)節(jié)閥計(jì)算選型過(guò)程中,根據(jù)介質(zhì)的最大流量計(jì)算出最大流量系數(shù)KVmax,然后還要計(jì)算選用的流量系數(shù)KVe=(1.2~1.5)KVmax,即將KVmax放大1.2~1.5倍后才去選擇閥的口徑。盡管如此,上述的計(jì)算誤差,如最大的-5.56%,反映到KVe上,其絕對(duì)值仍然很小,均不會(huì)影響到閥門口徑的選用;另外上面提到的正弦法與膨脹系數(shù)法相比,其計(jì)算誤差由于很小,因而在3.1~3.4節(jié)都可使用。
4 結(jié)束語(yǔ)
膨脹系數(shù)法不但計(jì)算精度較高,而且計(jì)算方便。與膨脹系數(shù)法相比,臨界流量系數(shù)法、多項(xiàng)式法和正弦法的計(jì)算誤差都很小,可以同時(shí)使用,不影響調(diào)節(jié)閥口徑的選用。
標(biāo)簽:調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)
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