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常见阀门问题之“高压力降”

 由于上游和下游压力的差别,物流通过阀门流动,它叫做压力降(△P)或压差。如果管线尺寸在阀门上游和阀门下游两者是相同的且速度是恒定的,阀门必须经过摩擦损失而降低流体压力从而产生流动。阀门摩擦损失的一部分起因于流体和阀门壁的摩擦。但是此摩擦很小,对于适当的流体不能产生足够的压力降。使阀门产生明显的压力损失的更有效的方法是通过阀体内的节流。因为许多阀门设计成允许阀门一部分比管线更为狭窄,它能很容易地在流体层中提供节流。因为守恒定律,当流体接近阀门时,为了使全部流体通过阀门,它的速度要增加。反之,相应产生压力下降(图一)。压力和速度的反向关系,由柏努利公式表示如下:
  
     图一 自锐孔节流点和压力及速度曲线算起的射流最小截面段(收缩断面)位置
 
    最高流速和最低压力发生在最狭窄缩颈处的下游,它叫做收缩断面。图二表示收缩断面不是在本身节流处,而是在节流下游的一段距离,此距离随着所涉及的压力而变。在收缩断面物流流速是最大的速度时,物流层的流动面积则是其最小值。
    在收缩断面之后,物流变慢和压力再次升高,但未达到原始上游压力值。上游压力与下游压力之间的差值是物流通过阀门时由摩擦损失造成的,它叫做永久压力降。收缩断面的压力和下游压力之间的压力差值叫做压力恢复。永久压力降和压力恢复的简单图形见图三。
图二锐孔节流和产生湍流之间的关系         图三表示压力恢复和永久压力降的物流曲线
 
    阀门的流率可通过减少下游压力而增加。对于液体操作,物流可被下落到低于物流蒸汽压的压力降所限制,它将产生内向爆炸气泡和气体的气阱(分别叫做气穴或闪蒸)。当液体物流已被混有气泡或气阱的流体本身所饱合时,发生物流堵塞,且通过降低下流压力也不能再增加。换言之,液体中气体的形成挤满了收缩断面而限制了能够通过阀门的流量。对于气体,当流速接近声速,也可能发生物流堵塞,且尽管下游压力已减少但阀门也不能增加流量。
 
高压力降效应
    如上讨论,阀门的下列功能取决于存在压力降,它使物流自上游容器流入下游容器或通向大气。因为压力降的产生是由于阀门通过摩擦损失而吸引能量,理想的压力降使得全部物流通过阀体流动而无过高的流速,吸收较少能量。但是,某些工艺系统,由于系统的要求,在通过阀门时可能产生大的压力降。
    高的压力降通过阀门时产生许多问题,例如气穴闪蒸堵塞物流高噪声水平和振动。这些问题引起许多直接影响:对阀体和阀芯的磨损和气穴的损伤,阀门本身的失灵或性能变差,附属仪表的校准漂移,管线疲劳或邻近工人的听力损害。在这种情况下,高压力降下操作的阀门要求使用较贵的阀芯、更为频繁的维护、大量备件库存和管线支架。这些措施增加了维护和工程造价。
    虽然用户注意到高压力降的影响,但存在高压力降的最大威胁是降低了工艺系统的效率。因为高压力降吸收大量能量,使能量自系统中损失。在大多数工艺系统中,加入到系统的能量是由锅炉或泵的压力所产生的。量的两种方法,多能量被系统吸收时,包括高压力降阀门的能量损失,则必须使用较大的锅炉或泵。所以,如果系统设计中仅有少数高压力降阀门,则系统更为有效,并能使用较小的锅炉和泵。

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