控制阀流量系数（口径）计算 Powered by Discuz!
本帖最后由 denghl 于 2012-6-24 19:59 编辑注：本贴经过长时间酝酿，终于想将这个知识点写出来与大家一起分享，但仍处在边学习、边笔记、边发帖、边修改的过程，目的旨在加深对控制阀流量系数进行计算的进一步理解，在不依赖计算机软件的条件下，能徒手进行计算。完成本贴估计需要十个楼层左右，所用时间一个月以上，写到哪算哪，直到完成为止。章节如下：
一控制阀的节流原理及流量系数C（flow Coefficient）的定义
二阻塞流（chocked flow）
三不可压缩流体的C值计算公式
四不可压缩流体的C值（口径）计算实例
五可压缩流体的C值计算公式（一）：压缩系数法和平均重度法
六可压缩流体的C值计算公式（二）：膨胀系数法
七可压缩流体的C值计算实例
八阀位验算
九闪蒸、空化与汽蚀
十总结
参考文献：
1、《石油化工自动控制设计手册》
2、《控制阀工程设计与应用》
3、《气动调节仪表》
4、GB/T 17213 《工业过程控制阀》
5、FISHER 《控制阀手册》第四版
6、Masoneilan 《CONTROL VALVE SIZING HANDBOOK》
7、azbil 《调节阀的选择和口径计算》
8、##川仪《气动调节阀选型样本》（KAO，重 庆 也成敏感词了！）
一控制阀的节流原理及流量系数C（flow Coefficient）的定义
在控制阀全开时，文献2给出了根据伯努利方程得出的流量方程：
Q：体积流量
A：是对取压点位置、缩流处面积、压力损失等进行综合修正的系数
ε：可膨胀性系数，用于对密度的变化进行修正。对不可压缩流体ε=1
E：控制阀流通面积
ρ1：入口处流体平均密度
β：阀座与管道的直径比
p1：阀前压力（绝对压力）
p2：阀后压力（绝对压力）
N：与单位制有关的系数，无量纲
控制阀在任何开度时，文献1给出了另一种表达方式：
h：控制阀上的压头损失
ξv：控制阀阻力系数，随阀门开度而变化，表示的是节流效应，仅与控制阀的结构有关
w：流体的平均速度
可见，流量系数C不仅与流通面积有关，还与阻力系数即控制阀的流路形式有关。同类结构的控制阀具有近似的阻力系数，口径越大，流量系数也越大；不同类型的控制阀阻力系数不同，如同口径的控制阀，单座阀阻力大，而蝶阀和球阀的阻力小。
从上式得出流量系数C的计算公式为：
M：质量流量
流量系数表示符号有三种：
Kv：国际单位制，5~40℃的水，在100kPa的阀两端压差下，每小时流过控制阀的立方米数。
Cv：英制，40~60℉的水，在1psi的阀两端压差下，每小时流过控制阀的美国加仑数。
C：工程单位制，5~40℃的水，在1kgf/cm2的阀两端压差下，每小时流过控制阀的立方米数。
三者关系为：Cv=1.156 Kv Kv=1.01 C C=0.875 Cv
其中阀两端压力P1和P2的取压点为：
附件: 你需要登录才可以下载或查看附件。没有帐号？加入海川 看看楼主的参考文献就够重量级的了，期待楼主有新见解。 本帖最后由 denghl 于 2012-6-9 12:45 编辑
二 阻塞流（chocked flow）
是指当阀前压力P1保持一定，而逐步降低阀后压力P2时，流经控制阀的流量会增加到一个最大极限值，在继续降低压力P2，流量不再增加，此时的流动状态称为阻塞流。形成阻塞流后Q不再正比于SQR（ΔP）
不可压缩流体（液体）与可压缩流体（气体、蒸汽）阻塞流形成的机理是不同的。
（1）不可压缩流体。当控制阀缩流处压力小于该流体在入口温度下的饱和蒸汽压力Pv（绝对压力）时，部分液体发生相变，液体蒸发变为气体，即在液相中产生气泡，出现闪蒸，如果再降低压力，就出现阻塞流。
几个概念：
Pcr：发生阻塞流时的最小出口压力
ΔPcr：发生阻塞流时的最大压降
Pvc：缩流处的压力
Pvcr：发生阻塞流时缩流处的压力
Pvcr =FF*Pv
FF：液体的临界压力比系数，即阻塞流条件下缩流处压力Pvcr与入口温度下液体的饱和蒸汽压力Pv之比。是Pv和液体临界压力Pc之比的函数：
为了在计算C时能事先确定产生阻塞流时的阀压降ΔPcr，引入一个压力恢复系数FL：
FL表示流体流经缩流处后，动能转换为静压的恢复能力，也即压力恢复的程度，对于一个特定形式的控制阀，FL只与控制阀的结构、流路形式有关，与阀门口径无关。FL越小，说明控制阀流路设计好，压力恢复能力强，静压越能恢复到接近入口压力。
判断产生阻塞流的条件：当ΔP=（P1-P2）≥FL2 （P1- Pvcr）= FL2 （P1- FF *Pv）时，则产生阻塞流。因为FL仅与阀门的型式有关，FF是Pv和Pc的函数，而Pv和Pc又是物质的固有物理属性，因此，只要入口温度和入口压力P1确定，则生产阻塞流的条件ΔP就唯一确定，此时只要以FL2 （P1- FF *Pv）作为阀两端压差来计算正确的流量系数。
Pv：饱和蒸汽压，指在一个密闭空间内，某种物质在给定的温度下，该物质的液相、气相共存时的气体压力。此时，蒸发/凝结过程达到动态平衡。同一物质在不同温度下有不同的蒸汽压，并随着温度的升高而增大。例如，在100℃时，水的饱和蒸汽压为101324.72Pa。可以这么理解，在这个压力下，水的最高温度只能达到100℃。
Pc：临界压力，物质处于临界状态时的压力（压强）。就是在临界温度时使气体液化所需要的最小压力，也即液体在临界温度时的饱和蒸气压。临界点是可使一物质以液态存在的最高温度或以气态存在的最高压力，当物质的温度、压力超过此界线，即临界温度及临界压力，会相变成同时拥有液态及气态特征的流体：超临界流体。例如，水的临界压力是227.98×105Pa（225 大气压），水的压力越高，水的沸点（也称饱和温度）也越高。在临界压力下，水加热到沸点374℃（称临界温度）时，一下子全部变成饱和蒸汽。此时，饱和蒸汽和饱和水的比重相同，两种状态没有任何区别。
（2）可压缩流体。
定义压差比x=ΔP/P1=（P1-P2）/P1，当产生阻塞流时x是一个固定的常数，称为临界压差比xT，其值只决定于阀的结构，即流路形式。xT越小，说明控制阀流路设计好，压力恢复能力强。
判断产生阻塞流的条件：x≥FγxT，Fγ是可压缩流体的比热容比系数，空气为1，其它气体的比热比系数为Fγ=γ/1.4，γ是比热容，当被测气（汽）体服从理想气体定律时，等熵指数等于比热比，比热比与气体种类、温度、压力等有关，一般单原子气体为1.67，双原子气体为1.4，多原子气体为1.29
因此，只要入口压力P1确定，则生产阻塞流的条件ΔP就唯一确定，此时只要以ΔP =P1*FγxT作为阀两端压差来计算正确的流量系数。
附件: 你需要登录才可以下载或查看附件。没有帐号？加入海川 本帖最后由 denghl 于 2012-6-11 23:23 编辑
三不可压缩流体的C值计算公式
（1）紊流、非阻塞流、无附接管件
非阻塞流判别式：ΔP< FL2 （P1- FF Pv）
（2）紊流、非阻塞流、带附接管件
非阻塞流判别式：ΔP 本帖最后由 denghl 于 2012-6-16 22:39 编辑
四不可压缩流体的C值（口径）计算实例
例1：非阻塞流、无附接管件（摘自文献1）
条件：
流体：水
流量：Q=360m3/h
入口绝对温度：T1=363K
入口绝对压力：P1=680kPa
出口绝对压力：P1=220kPa
密度：ρ=965.4kg/m3
入口饱和蒸汽压（绝压）：Pv=70.1kPa
液体临界压力（绝压）：Pc=22120 kPa
运动粘度：ν=0.326*10-6m2/s
管道口径：D=150mm
控制阀类型：单座直通柱塞阀，流开
控制阀口径：d=150mm
计算：
查表得流体流体压力恢复系数FL=0.9，
FF=0.96-0.28SQR(Pv/Pc)=0.9442
确定流动形态：FL2 (P1-FFPv)=497.2kPa＞ΔP=460 kPa，为非阻塞流
Kv=10Q*SQR[ρ1/(ρ0*ΔP)]=164.9m3/h
雷诺数：Rev=70700Q/（ν*SQR(Kv)）=70700*360/（0.326*SQR(164.9)）=6.08*106
远大于3500，为紊流，无需进行雷诺数修正。
对于azbil的HTS高流量特性DN150控制阀，阀座尺寸100的Cv=175（Kv=151），阀座尺寸125的Cv=275（Kv=238），所以应选后者。
例2：阻塞流、有附接管件（根据以上所学公式自行进行计算，原创内容）
除了以下条件不同外，其余条件与上例相同：
控制阀类型：蝶阀，流开
计算：
查表得流体压力恢复系数FL=0.6，
FF=0.96-0.28SQR(Pv/Pc)=0.9442
确定流动形态：FL2 (P1-FFPv)=221kPa 很早就想研究研究了，多谢楼主，字数限制。。。 正好想学习下，期待下文哦，关注楼主。回帖还有字数限制。。 正开始研究阀门，多多学习楼主的东西，受教了，非常感谢 等着楼主下一贴继续学习，好东西。。。，谢谢了 本帖最后由 denghl 于 2012-6-19 19:34 编辑
这一贴让人很郁闷，每次编辑，结果都弹出提示：“抱歉，您的请求来路不正确或表单验证串不符，无法提交”
所以：在14楼重发。
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