氣體通過調(diào)節(jié)閥控制閥門的特性
摘要：氣體介質(zhì)因為其固有的特性——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，因為在節(jié)流孔口處強(qiáng)烈的擾動和渦流，導(dǎo)致能量分布的不均，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)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)滿意

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)，因為面積減小，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。但因為在閥門節(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遇到的阻塞流情形。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。因為多級降壓內(nèi)件通常被設(shè)計成如下的形式(見圖2)。通常外面的套筒面積較大，然后減小，到里層套筒的面積小。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，它有效地加大了阻尼，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，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。因為振動的強(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
根據(jù)參考文獻(xiàn)3，對一維絕熱等熵流動，有如下公式成立：

其中：pcr為流速達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀贂r的介質(zhì)壓力
p0為當(dāng)介質(zhì)速度減為0時的介質(zhì)壓力，稱為滯止壓力，也成為總壓力，是一個理論值
vcr為臨界壓力比
к為比熱比系數(shù)
上式表明了當(dāng)流速達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀贂r，即是質(zhì)量流量達(dá)到大時，也就是浮現(xiàn)阻塞流的時候的壓力比值，這個比值只與工質(zhì)性質(zhì)有關(guān)�，F(xiàn)列舉幾個常見的數(shù)值，見表1：