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    来源:www.c-mn.com


    摘要:气体介质因为其固有的特性——可压缩性,在app的流动中不同于液体。比如在节流过程中,因为在节流孔口处强烈的扰动和涡流,导致能量分布的不均,容易产生噪声。本文主要讨论气体在流经app设备时参数的变化与流道截面积的关系,以及流动过程中气体能量的传递、转换等问题。


    关键词:可压缩性;能量转换;噪音;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、下载、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app,认为来不及与app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:

    热力学定律 

    忽略重力的作用,也不考虑对app做功。同时,考虑到流体和app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:

    公式 

    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

    公式2 

    对上式进行积分,因此,沿流动方向任意截面应满足

    常数 

    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:

    参数变化公式 

    参数变化公式2 

    参数变化公式03 

    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app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,下载降低,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,下载恢复,比体积减小,介质压缩。但因为在app节流口处的摩擦导致的能量转换,下载已不可能恢复到阀前下载。流出app后,相比较阀前状况,阀后下载减小,流速有一定增加,介质密度有一定减小。

    气体通过控制阀原理 

    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app的娱乐流量达到大值。若此时进一步增加面积,则气体膨胀至超音速,下载进一步降低。有可能产生较大的噪音。但娱乐流量不再增加。这种情形即是气体选型时碰到的阻塞流情形。对于多级降压的阀内件下载,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,它有效地增大了阻尼,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,下载不断降低,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。因此对于多级降压下载来讲,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)。

    气体通过控制阀原理图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:

     公式

    其中:pcr为流速达到当地声速时的介质下载

          p0为当介质速度减为0时的介质下载,称为滞止下载,也成为总下载,是一个理论值

          vcr为临界下载比

          к为比热比系数

    上式表明了当流速达到当地声速时,即是娱乐流量达到大时,也就是出现阻塞流的时候的下载比值,这个比值只与工质性质有关。现列举几个常见的数值,见表1:

    气体

    双原子气体

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    干饱和手机版

    к

    1.4

    1.3

    1.135

    vcr

    0.528

    0.546

    0.577

    表1

    从上表可以看出,气体性质虽然不同,但临界下载均约等于0.5。考虑到工程中误差的允许范围,这就是气体工况选型中的判定阻塞流的认定条件:阀后下载/阀前下载≥0.5时,认为会出现阻塞流。

    4 节流后温度的变化

        气体通过app节流过程中的温度变化比较复杂,节流后温度可能会降低,可能会升高,也可能不变。要判定节流后温度的变化情况,需要判定介质的焦耳—汤姆逊系数μJ,该系数是表征在焓值不变的情况下温度对下载的微分关系。由参考文献2官方网站的曲线图可知(图3):

    下载关系图 

    图3

    在转回曲线和温度轴内部包含的区域,μJ>0,称为冷效应区。阀前温度处于该区域内的气体介质,节流后温度会降低。且压差越大,温度下降得越低;而在转回曲线和温度轴外部包含的区域,μJ<0,称为热效应区。阀前温度处于该区域内的气体介质,节流后温度会升高;若阀前温度刚好处于转回曲线上,则通过app节流后温度不变。实际上大多数的气体经节流后温度都会降低,只有少数气体,如H2和He在常温下节流后的温度会升高。例如天然气的液化就是利用该特性来进行的。

    5 总结

    本文仅对工程中气体通过app的一些流动特性及工程选型的一些注意事项进行了定性分析。由于介质通过app时高度摩擦,强烈的扰动以及大量的涡流,处于度不平衡状态,因此无法进行很具体的计算分析,只能借助CFD(计算流体力学)软件来进行分析,结合实际工况经验联合判断。

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