分析调节蝶阀的流量系数

一、前言

调节蝶阀又叫通风蝶阀,属于蝶阀的一种。主要用于冶金、矿山、水泥、化工及发电等行业的气体管路系统,作为调节流量设备使用。该阀主要由阀体、阀瓣和驱动装置组成(如下图)。其基本原理是驱动装置驱动阀板在0~90°间打开任意角度,从而控制管道内介质流经阀体时的流量。

调节蝶阀在调节系统中是必不可少的设备,它是组成工业自动化系统的重要环节,被称之为生产过程自动化的“手脚”。要正确使用调节阀,尤其是选择调节阀,必须首先弄清楚调节阀的使用功能。其中阀门的流通能力,是选择设计调节阀过程中必须考虑的一个重要因素。目前,国际上衡量调节蝶阀流通能力是根据阀门的流量系数大小来确定的,流量系数值越大说明流体流过阀门时的压力损失越小。本文以DN4600调节蝶阀为例,介绍利用SolidWorks Flow Simulation模拟方法对调节蝶阀进行流态分析,通过简单计算得出阀门的流量系数并绘出相应的流量曲线的方法。

二、模拟分析调节蝶阀Cv值的意义

如果一个阀门不能正确计算Cv值,通常将削弱在两个方面之一的阀门性能,如果Cv值对所需要的工艺而言太小,则阀门本身或阀门的阀芯尺寸不够,会使工艺系统流量不够。此外,因为阀门的节流会导致上游压力增加,并在阀门导致上游泵或其他上游设备损坏之前产生高的背压。尺寸不够的Cv值也会产生发内的较高阻力降,它将导致空穴现象或闪蒸。若果Cv计算值比系统需要的过高,通常选用一个大的超过尺寸的阀门,显然,一个大尺寸阀门的造价、尺寸及重量是主要的缺点。

对于水或其他不可压缩的流体,流量系数可以比较容易地通过实验测试来确定,许多企业、研究所和高等院校都有相应的试验装置,在专业手册中也已有比较完整的数据可供借鉴。而对于空气、水蒸气等可压缩性流体,由于通过蝶阀后其压力、温度、容积等状态参数都将产生变化,所以相关的测试技术和试验装置比较复杂,而且成本很高,费时费力,蝶阀的制造企业大多不具备这样的试验条件。随着计算机技术的发展,计算流体动力学CFD方法得到广泛应用,通过计算机模拟流态分析法可方便准确地模拟并计算出阀门流通能力。这样既可为设计调节蝶阀时提供相应的理论依据,又能节省大量的时间及人力物力等成本。

三、流量系数的理论计算式

流量系数Kv的定义是:流体流经阀门产生单位压力损失(1bar,1bar=100000Pa)的体积流量,单位用m3/h表示。在美国流量系数用Cv表示,即流体流经阀门产生单位压力损失(1psi,1psi=6895Pa)的体积流量,单位用gal/min表示。

当△p/p1<0.5F2L时,Kv=Qv[(e/△p)(273+t)/(p1+p2)]0.5/380

当△p/p1≥0.5F2L时,Kv=[273+t]0.5/[330p1FL(y-0.148y3)]

式中Kv表示流量系数,Qv表示体积流量,e表示流体密度,p1表示阀前压力,p2表示阀后压力,t表示介质温度,FL表示压力恢复系数,△p表示阀前后压力差,y=1.63(△p/p1)0.5/FL。

四、调节蝶阀的流态分析

1、利用SolidWorks软件建立调节阀模型

由于计算流体动力学分析属于大型数值问题求解,因此为了缩短求解时间,建模时应避免过于复杂,以免影响分析速度。因此只需画出阀体,阀瓣及管道的简单模型,阀前管道长度可取5倍阀门通径,阀后管道长度可取10倍阀门通径(参考标准GB/T30832-2014《阀门流量系数和流阻系数试验方法》)。

另外SolidWorks Flow Simulation需要一个封闭的空间来确定计算区域,因此模型管道的进口和出口应该是封闭的。

2、运行Folw Simulation

可根据设置向导建立一个算例,闭关对边界条件进行设置。根据提示我们依次对各项目进行设置:单位系统(选m-kg-s)—>分析类型(选内部)—>流体类型(选空气)、流动特性(选层流和湍流)—>接下来其他选项可以选择默认值。这时在SolidWorks结构树中出现一个新的算例。

3、设置边界条件及运行结果

设置流体子域为空气,根据标准中对流量系数测试试验的规定,同时参考实际试验中提供的资料及工况数据,设定出适当的边界条件,边界条件的设置可以根据阀门流量系数的定义来选择,即阀前阀后压差为1bar。求阀门各个开度时的流量。

测量入口流体平均流量Qv=3910m3/s;

空气密度e=1.293kg/m3;

阀前压力p1=2.01325bar;

阀后压力p2=1.01325bar;

介质温度t=20℃;压力恢复系数FL=0.55;

根据以上过程可以求得阀门在各个开启角度时的数量系数,见下表。

阀门开启角度(°)

流量/(*103m3/h)

流量系数

0

0

0

10

855.8

61596

20

2116

152299

30

3996

287611

40

6541.2

406024

50

7020

505263

60

8649

622510

70

10645.2

766186

80

13220.136

951517

90

14076

4、结果分析

a、实际生产后的阀门与仿真模型不一致(实际加工存在误差,建模简化过程中存在误差等)。

b、边界条件和使用条不一致(实际测量压差及流量值的取值点离阀门中心位置的距离不同,受现场操作空间限制)。

c、实际测量时,流量及压力等实际值存在误差。

五、总结

通过使用SolidWorks Flow Simulation软件进行流态模拟的方法,可以简单、快速地计算出阀门的流量系数,为设计工程师正确选择和设计调节蝶阀提供了理论依据,从而避免了建造试验设备所需的大量人力、物力和财力,为企业节约了大量的成本,因此这种方法在调节阀的设计过程中值得广泛应用。

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