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行業動態

分析調節蝶閥的流量係數

來源：金沙体育 日期：2020-09-09 08:56:01 點擊：207 屬於：行業動態

一、前言

　　調節蝶閥又叫通風蝶閥，屬於蝶閥的一種。主要用於冶金、礦山、水泥、化工及發電等行業的氣體管路係統，作為調節流量設備使用。該閥主要由閥體、閥瓣和驅動裝置組成(如下圖)。其基本原理是驅動裝置驅動閥板在0~90°間打開任意角度，從而控製管道內介質流經閥體時的流量。

　　調節蝶閥在調節係統中是必不可少的設備，它是組成工業自動化係統的重要環節，被稱之為生產過程自動化的“手腳”。要正確使用調節閥，尤其是選擇調節閥，必須首先弄清楚調節閥的使用功能。其中閥門的流通能力，是選擇設計調節閥過程中必須考慮的一個重要因素。目前，國際上衡量調節蝶閥流通能力是根據閥門的流量係數大小來確定的，流量係數值越大說明流體流過閥門時的壓力損失越小。本文以DN4600調節蝶閥為例，介紹利用SolidWorks Flow Simulation模擬方法對調節蝶閥進行流態分析，通過簡單計算得出閥門的流量係數並繪出相應的流量曲線的方法。

　　二、模擬分析調節蝶閥Cv值的意義

　　如果一個閥門不能正確計算Cv值，通常將削弱在兩個方麵之一的閥門性能，如果Cv值對所需要的工藝而言太小，則閥門本身或閥門的閥芯尺寸不夠，會使工藝係統流量不夠。此外，因為閥門的節流會導致上遊壓力增加，並在閥門導致上遊泵或其他上遊設備損壞之前產生高的背壓。尺寸不夠的Cv值也會產生發內的較高阻力降，它將導致空穴現象或閃蒸。若果Cv計算值比係統需要的過高，通常選用一個大的超過尺寸的閥門，顯然，一個大尺寸閥門的造價、尺寸及重量是主要的缺點。

　　對於水或其他不可壓縮的流體，流量係數可以比較容易地通過實驗測試來確定，許多企業、研究所和高等院校都有相應的試驗裝置，在專業手冊中也已有比較完整的數據可供借鑒。而對於空氣、水蒸氣等可壓縮性流體，由於通過蝶閥後其壓力、溫度、容積等狀態參數都將產生變化，所以相關的測試技術和試驗裝置比較複雜，而且成本很高，費時費力，蝶閥的製造企業大多不具備這樣的試驗條件。隨著計算機技術的發展，計算流體動力學CFD方法得到廣泛應用，通過計算機模擬流態分析法可方便準確地模擬並計算出閥門流通能力。這樣既可為設計調節蝶閥時提供相應的理論依據，又能節省大量的時間及人力物力等成本。

　　三、流量係數的理論計算式

　　流量係數Kv的定義是：流體流經閥門產生單位壓力損失(1bar，1bar=100000Pa)的體積流量，單位用m3/h表示。在美國流量係數用Cv表示，即流體流經閥門產生單位壓力損失(1psi，1psi=6895Pa)的體積流量，單位用gal/min表示。

　　流量係數Kv與Cv的換算公司：Kv=1.156Cv;

　　對於可壓縮流體流量係數的計算公式為：

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

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

　　式中Kv表示流量係數，Qv表示體積流量，e表示流體密度，p1表示閥前壓力，p2表示閥後壓力，t表示介質溫度，FL表示壓力恢複係數，△p表示閥前後壓力差，y=1.63(△p/p1)0.5/FL。

　　四、調節蝶閥的流態分析

　　1、利用SolidWorks軟件建立調節閥模型

　　由於計算流體動力學分析屬於大型數值問題求解，因此為了縮短求解時間，建模時應避免過於複雜，以免影響分析速度。因此隻需畫出閥體，閥瓣及管道的簡單模型，閥前管道長度可取5倍閥門通徑，閥後管道長度可取10倍閥門通徑(參考標準GB/T30832-2014《閥門流量係數和流阻係數試驗方法》)。

　　另外SolidWorks Flow Simulation需要一個封閉的空間來確定計算區域，因此模型管道的進口和出口應該是封閉的。

　　2、運行Folw Simulation

　　可根據設置向導建立一個算例，閉關對邊界條件進行設置。根據提示我們依次對各項目進行設置：單位係統(選m-kg-s)—>分析類型(選內部)—>流體類型(選空氣)、流動特性(選層流和湍流)—>接下來其他選項可以選擇默認值。這時在SolidWorks結構樹中出現一個新的算例。

　　3、設置邊界條件及運行結果

　　設置流體子域為空氣，根據標準中對流量係數測試試驗的規定，同時參考實際試驗中提供的資料及工況數據，設定出適當的邊界條件，邊界條件的設置可以根據閥門流量係數的定義來選擇，即閥前閥後壓差為1bar。求閥門各個開度時的流量。

　　測量入口流體平均流量Qv=3910m3/s;

　　空氣密度e=1.293kg/m3;

　　閥前壓力p1=2.01325bar;

　　閥後壓力p2=1.01325bar;

　　介質溫度t=20℃;壓力恢複係數FL=0.55;

　　因此求得Kv=1013118，Cv=876399。

　　根據以上過程可以求得閥門在各個開啟角度時的數量係數，見下表。

閥門開啟角度(°)	流量/(*10³m³/h)	流量係數
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	1013118

　　4、結果分析

　　通過計算機模擬仿真得到的結果與實際會存在一定的差異，主要有以下原因：

　　a、實際生產後的閥門與仿真模型不一致(實際加工存在誤差，建模簡化過程中存在誤差等)。

　　b、邊界條件和使用條不一致(實際測量壓差及流量值的取值點離閥門中心位置的距離不同，受現場操作空間限製)。

　　c、實際測量時，流量及壓力等實際值存在誤差。

　　五、總結

　　通過使用SolidWorks Flow Simulation軟件進行流態模擬的方法，可以簡單、快速地計算出閥門的流量係數，為設計工程師正確選擇和設計調節蝶閥提供了理論依據，從而避免了建造試驗設備所需的大量人力、物力和財力，為企業節約了大量的成本，因此這種方法在調節閥的設計過程中值得廣泛應用。
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