Гидродинамика в клапанах

В обрабатывающей промышленности мы привыкли говорить об открытии клапана, расходе и перепаде давления. Однако, если мы посмотрим на регулирующий клапан с точки зрения гидродинамики, мы быстро поймем, что это гораздо больше, чем просто механическое устройство для регулирования потока. Регулирующий клапан, по сути, представляет собой высокоточный преобразователь энергии. Почему резкое падение давления приводит к оглушительному шуму?Почему, казалось бы, твердая металлическая пробка клапана может быть «разъедена» водой в результате кавитации? Ответы кроются в постоянной конкуренции между давлением (потенциальная энергия) и скорость потока (кинетическая энергия). В компании GEKO понимание этого баланса имеет основополагающее значение для проектирования надежных и эффективных регулирующих клапанов для сложных промышленных применений. 01 Переосмысление регулирующего клапана: «Рассеиватель энергии» Спросите оператора, для чего нужен регулирующий клапан, и ответ будет прост: «Оно регулирует поток». Спросите инженера-гидромеханика, и ответ изменится: «Регулировочный клапан — это элемент с переменным сопротивлением, который создает потери давления». Истинная функция регулирующего клапана заключается не в непосредственном управлении скоростью потока жидкости, а в изменении площади поперечного сечения, заставляя жидкость расходовать часть своей энергии (давления) и тем самым изменять условия своего потока.   В сфере управления потоками бесплатного обеда не бывает. Для регулирования потока необходимо компенсировать это падением давления (ΔP). Куда же девается энергия? Большая часть потерянного давления не исчезает. Вместо этого оно преобразуется в: Нагревать (небольшое повышение температуры), Звук (шум), Механическая вибрация. Этот процесс известен как рассеивание энергии и определяет реальный принцип работы регулирующего клапана. 02 Уравнение Бернулли: Качели между давлением и скоростью При протекании жидкости через клапан она должна подчиняться закону сохранения энергии. Для несжимаемые жидкости Например, в случае с водой, эта взаимосвязь описывается следующим образом: уравнение Бернулли. Есть два ключевых игрока: - Статическое давление (P) – потенциальная энергия жидкости - Динамическое давление – энергия, связанная с движением жидкости (скоростью). Уравнение Бернулли: Схема: Поперечный разрез давления/скорости внутри клапана:    (Иллюстрация: Когда жидкость течет через узкое пространство, ее скорость резко возрастает, а давление резко падает.) Объяснение физического процесса Ускорение посредством ограниченийКогда жидкость проталкивается через узкий зазор между пробкой клапана и седлом, её скорость должна резко возрасти, чтобы пройти через него. Внезапное падение давленияСогласно принципу Бернулли, при увеличении скорости давление должно уменьшаться.Это похоже на американские горки: кинетическая энергия возрастает, а потенциальная энергия падает. Этот компромисс между давлением и скоростью лежит в основе гидродинамики регулирующих клапанов. 03 Vena Contracta: Опасный глаз бури Одним из важнейших понятий в физике регулирующих клапанов является... венозная сужение. Вена сужение (vena contracta) — это не физическое открытие клапана. Оно расположено на очень небольшом расстоянии ниже седла клапана, где: Площадь поперечного сечения потока наименьшая, скорость потока наибольшая, давление наименьшее.    Почему это так важно? Потому что большинство разрушительных отказов клапанов начинаются именно здесь. Если давление в суженной вене (ПВХЕсли давление пара опустится ниже давления насыщенного пара жидкости, жидкость мгновенно закипит и образует пузырьки пара — это и есть мигающий.Если давление впоследствии восстановится, эти пузырьки резко схлопнутся, что приведет к... кавитациячто может серьезно повредить внутренние детали клапана. 04. Восстановление давления: палка о двух концах в конструкции клапанов.  После прохождения жидкости через сужение вены (vena contracta) поток расширяется. Скорость уменьшается, и давление снова начинает расти. Это явление называется восстановление давления. Для описания этого поведения используется ключевой безразмерный параметр: Коэффициент восстановления давления (FL). Формула коэффициента восстановления давления: Значение FL показывает, насколько эффективно клапан преобразует кинетическую энергию обратно в давление. Два типа клапанов, два совершенно разных результата 1. Высоконапорные клапаны (шаровые клапаны, задвижки-бабочки) - Низкое значение FL Плавный поток, как на гоночной трассе. Давление резко падает, а затем резко восстанавливается. Преимущества Высокая пропускная способность Недостатки Чрезвычайно низкое значение ПВХ, очень высокий риск кавитации. 2. Клапаны с низким коэффициентом восстановления (шаровые клапаны) - Высокое значение FL (близкое к 0,9) Извилистый путь течения, сильная турбулентность Преимущества Снижен риск кавитации (ПВХ не сильно падает в цене). Недостатки Большие постоянные потери давления  (Иллюстрация: Клапан высокого давления — это шаровой клапан/задвижка, и кривая изменения давления в нем имеет более глубокий уклон; Клапан низкого давления — это запорный клапан, и кривая изменения давления в нем более пологая.) В компании GEKO при выборе клапанов всегда учитывается не только пропускная способность, но и способность к восстановлению давления.  5 практических уроков для инженеров Понимание этих физических принципов имеет реальную ценность при выборе и эксплуатации клапанов. — Не дайте себя обмануть словами «Полностью открыто» Даже если скорость потока кажется низкой при полном открытии, при малых отверстиях скорость в суженном участке венозного русла может достигать экстремальных значений: Жидкости могут образовывать высокоскоростные струи. Газы могут приближаться к скорости звука. Шум — это энергия. Громкий шум от клапанов не просто раздражает — это пустая трата механической энергии.Чем громче шум, тем интенсивнее рассеивание внутренней энергии и тем больше потенциальный ущерб оборудованию. - Предсказывайте неудачи до того, как они произойдут. Если известны давление на входе (P1), давление на выходе (P2) и коэффициент FL клапана, можно оценить Pvc. Для получения дополнительной информации о регулирующем клапане свяжитесь с нами прямо сейчас: info@geko-union.com Если давление пара в ПВХ-трубе ниже давления пара жидкости, немедленно прекратите использование стандартного клапана. В противном случае, в течение нескольких недель вы можете обнаружить, что пробка клапана полна отверстий, образовавшихся из-за кавитации. Для получения дополнительной информации о регулирующих клапанах свяжитесь с нами прямо сейчас: info@geko-union.com