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常見閥門問題之“高壓力降”

 由于上游和下游壓力的差別,物流通過閥門流動,它叫做壓力降(△P)或壓差。如果管線尺寸在閥門上游和閥門下游兩者是相同的且速度是恒定的,閥門必須經過摩擦損失而降低流體壓力從而產生流動。閥門摩擦損失的一部分起因于流體和閥門壁的摩擦。但是此摩擦很小,對于適當的流體不能產生足夠的壓力降。使閥門產生明顯的壓力損失的更有效的方法是通過閥體內的節流。因為許多閥門設計成允許閥門一部分比管線更為狹窄,它能很容易地在流體層中提供節流。因為守恒定律,當流體接近閥門時,為了使全部流體通過閥門,它的速度要增加。反之,相應產生壓力下降(圖一)。壓力和速度的反向關系,由柏努利公式表示如下:
  
     圖一 自銳孔節流點和壓力及速度曲線算起的射流最小截面段(收縮斷面)位置
 
    最高流速和最低壓力發生在最狹窄縮頸處的下游,它叫做收縮斷面。圖二表示收縮斷面不是在本身節流處,而是在節流下游的一段距離,此距離隨著所涉及的壓力而變。在收縮斷面物流流速是最大的速度時,物流層的流動面積則是其最小值。
    在收縮斷面之后,物流變慢和壓力再次升高,但未達到原始上游壓力值。上游壓力與下游壓力之間的差值是物流通過閥門時由摩擦損失造成的,它叫做永久壓力降。收縮斷面的壓力和下游壓力之間的壓力差值叫做壓力恢復。永久壓力降和壓力恢復的簡單圖形見圖三。
圖二銳孔節流和產生湍流之間的關系         圖三表示壓力恢復和永久壓力降的物流曲線
 
    閥門的流率可通過減少下游壓力而增加。對于液體操作,物流可被下落到低于物流蒸汽壓的壓力降所限制,它將產生內向爆炸氣泡和氣體的氣阱(分別叫做氣穴或閃蒸)。當液體物流已被混有氣泡或氣阱的流體本身所飽合時,發生物流堵塞,且通過降低下流壓力也不能再增加。換言之,液體中氣體的形成擠滿了收縮斷面而限制了能夠通過閥門的流量。對于氣體,當流速接近聲速,也可能發生物流堵塞,且盡管下游壓力已減少但閥門也不能增加流量。
 
高壓力降效應
    如上討論,閥門的下列功能取決于存在壓力降,它使物流自上游容器流入下游容器或通向大氣。因為壓力降的產生是由于閥門通過摩擦損失而吸引能量,理想的壓力降使得全部物流通過閥體流動而無過高的流速,吸收較少能量。但是,某些工藝系統,由于系統的要求,在通過閥門時可能產生大的壓力降。
    高的壓力降通過閥門時產生許多問題,例如氣穴閃蒸堵塞物流高噪聲水平和振動。這些問題引起許多直接影響:對閥體和閥芯的磨損和氣穴的損傷,閥門本身的失靈或性能變差,附屬儀表的校準漂移,管線疲勞或鄰近工人的聽力損害。在這種情況下,高壓力降下操作的閥門要求使用較貴的閥芯、更為頻繁的維護、大量備件庫存和管線支架。這些措施增加了維護和工程造價。
    雖然用戶注意到高壓力降的影響,但存在高壓力降的最大威脅是降低了工藝系統的效率。因為高壓力降吸收大量能量,使能量自系統中損失。在大多數工藝系統中,加入到系統的能量是由鍋爐或泵的壓力所產生的。量的兩種方法,多能量被系統吸收時,包括高壓力降閥門的能量損失,則必須使用較大的鍋爐或泵。所以,如果系統設計中僅有少數高壓力降閥門,則系統更為有效,并能使用較小的鍋爐和泵。

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