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風(fēng)量調(diào)節(jié)蝶閥的風(fēng)量計(jì)算及選型
上海申弘閥門有限公司
之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現(xiàn)在介紹風(fēng)量調(diào)節(jié)閥是用來平衡通風(fēng)除塵系統(tǒng)的阻力及調(diào)節(jié)風(fēng)量的，廣泛應(yīng)用于冶金、建材、化工、電力等行業(yè)。但目前在除塵系統(tǒng)中使用的插板閥及蝶閥均存在耐磨性能差、閥出口處流場(chǎng)不均勻等缺點(diǎn)，特別是當(dāng)除塵管道中粉塵濃度高，且粉塵具有很強(qiáng)的磨損性時(shí)，若安裝插板閥或蝶閥，不僅會(huì)造成閥體本身的磨損，而且會(huì)導(dǎo)致閥后的直管、彎管或三通等管件的磨損。一般風(fēng)量調(diào)節(jié)閥易被磨損的主要原因是因?yàn)殚y體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，從而導(dǎo)致含塵氣流通過風(fēng)量調(diào)節(jié)閥時(shí)流場(chǎng)急劇變化，產(chǎn)生偏流，粉塵在離心力和慣性力的作用下，幾乎全部與閥體發(fā)生切削碰撞，由磨損機(jī)理及其影響因素可知[1，2]，這必然會(huì)引起粉塵對(duì)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥及管件的磨損加劇，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。
調(diào)節(jié)蝶閥的主要優(yōu)點(diǎn)是它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小重量輕，造價(jià)低，氣動(dòng)碟閥該特點(diǎn)尤其顯著，安裝在高空暗道，經(jīng)過二位五通電磁閥控制操作方便，也可調(diào)節(jié)流量介質(zhì)。流體阻力較小，中大口徑的氣動(dòng)碟閥全開時(shí)有效流通面積較大，啟閉迅速省力，碟扳旋轉(zhuǎn)90角度即可完成啟閉，由于轉(zhuǎn)軸兩側(cè)碟板手介質(zhì)作用力接近相等，而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向相反，因而啟閉力矩較小，低壓下可實(shí)現(xiàn)良好的密封，碟閥密封材料有丁晴橡膠、氟橡膠，食用橡膠，襯四氟故密封性能良好，其中硬密封碟閥為軟硬層疊式金屬片具有金屬硬密封和彈性密封的重優(yōu)點(diǎn)，無論在低溫情況下均具有優(yōu)良的密封性能。
風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的主要技術(shù)性能：
使用溫度：－50℃～250℃。
流量特性：葉片對(duì)開時(shí)流量特性為等百分比特性。
泄漏率：低泄漏型風(fēng)量調(diào)節(jié)閥＜0.5%，普通型風(fēng)量調(diào)節(jié)閥＜2%。
驅(qū)動(dòng)方式：手動(dòng)、電動(dòng)、氣動(dòng)。
風(fēng)量調(diào)節(jié)閥是我公司開發(fā)生產(chǎn)的新型風(fēng)量調(diào)節(jié)閥。 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、漏量小、摩擦力矩小、運(yùn)轉(zhuǎn)靈活、葉片剛性好、耐腐蝕、品種齊全等優(yōu)點(diǎn)。其性能及各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)已超過JB/T7228-94標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)。可廣泛應(yīng)用在工業(yè)和民用空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)之中，以達(dá)到控制風(fēng)量的目的。
風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的主要特點(diǎn)：
風(fēng)閥的框架和葉片均采用鍍鋅鋼板；聯(lián)桿、方軸等采用45#鋼鍍鋅，耐腐蝕性好。風(fēng)閥葉片采用1.00mm鍍鋅鋼板冷軋成瓦楞狀，雙層焊接復(fù)合而成，具有*的剛性和強(qiáng)度。 選用燒結(jié)青銅含油軸承，摩擦力矩小，無需維護(hù)。 低泄漏量風(fēng)量調(diào)節(jié)閥采用特種的高溫彈性橡膠作為密封材料，泄漏量極低。風(fēng)閥外形有矩形和圓形兩種，圓形風(fēng)道上選用圓形風(fēng)閥，解決了圓形風(fēng)閥泄漏量大的缺點(diǎn)。
風(fēng)量調(diào)節(jié)閥品種多，規(guī)格全，可根據(jù)用戶要求，選用適用的品種，達(dá)到*性能價(jià)格比，降低工程造價(jià)。 由若干單體閥可組成組合閥，組合閥中各單體閥可聯(lián)動(dòng)同步運(yùn)轉(zhuǎn)。
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥,氣動(dòng)截止閥,電動(dòng)蝶閥,氣動(dòng)蝶閥本研究根據(jù)多孔射流擴(kuò)散及射流疊加原理，提出一種耐磨風(fēng)量調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)，并對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)與插板閥的流場(chǎng)進(jìn)行比較，以便為耐磨風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
1 耐磨風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)及原理
耐磨風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由閥體、活動(dòng)多孔板、帶導(dǎo)流板的固定多孔板、調(diào)節(jié)螺桿、固定螺母、開度指示器及調(diào)節(jié)手柄等組成[3]?；顒?dòng)多孔板與固定多孔板的開孔情況可*一樣，開孔形式為條形，條形孔的寬度一般為20mm，孔橋的寬度與條形孔的寬度可相等。
閥的初始狀態(tài)為全開，即活動(dòng)多孔板與固定多孔板的孔*重合，開度zui大，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)手柄即可帶動(dòng)活動(dòng)多孔板向右移動(dòng)，閥的開度逐漸減小，閥的開度由開度指示器顯示。
該閥利用小孔（條形孔）射流擴(kuò)散及疊加原理，使氣流在較短的距離內(nèi)均勻混合。氣流通過活動(dòng)多孔板及固定多孔板后，在有限空間內(nèi)，平行射流相互疊加、摻混。由圖2可見，當(dāng)相互疊加的兩股平行射流距離較近時(shí)，射流的發(fā)展將互相影響.在匯合之前，每股射流獨(dú)立發(fā)展，匯合之后，射流邊界相交，互相干擾重疊，逐漸形成一股總射流，總射流充分發(fā)展后，即可在較短的距離內(nèi)均勻混合，從而使速度沿閥體斷面均勻分布[4]。
另外，由于采用多孔結(jié)構(gòu)，粉塵濃度沿?cái)嗝娣植急容^均勻，同插板閥及蝶閥相比，與閥體發(fā)生切削碰撞的粒子數(shù)目大大降低，且粉塵與閥體的碰撞角度避開了易磨損的范圍（粉塵的入射角對(duì)磨損具有較大的影響，當(dāng)入射角在20°~30°時(shí)，磨損性zui大[3]），從而減輕了粉塵對(duì)閥體的磨損。
2 數(shù)學(xué)物理模型及數(shù)值計(jì)算方法
2.1 物理模型
耐磨風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，閥內(nèi)徑D0=200mm，閥體高度H=300mm，條形孔及孔橋的寬度均為20mm，活動(dòng)多孔板與帶導(dǎo)流板的固定多孔板相互錯(cuò)開10mm，此時(shí)閥的開度為50%，導(dǎo)流板的長(zhǎng)度為60mm，閥出口處加長(zhǎng)管長(zhǎng)度為300mm。另外為了進(jìn)行流場(chǎng)的比較，這里提出一種常見的插板閥結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示，其開度與耐磨風(fēng)量調(diào)節(jié)閥相同。
2.2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法
RNG k-ε模型是一個(gè)雙方程的湍流模型，它是從原始的基本方程推導(dǎo)而來的，模型的系數(shù)以理論結(jié)果為依據(jù)，不需要借助任何實(shí)驗(yàn)結(jié)果[5]。文獻(xiàn)[6，7]應(yīng)用此模型模擬湍流流動(dòng)，結(jié)果表明：RNG k-ε模型優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的是k-ε模型。因此本研究從工程實(shí)用性角度和模擬湍流的適用性出發(fā)，利用RNG k-ε模型來模擬閥內(nèi)的湍流流場(chǎng)。
模擬計(jì)算采用的軟件是由FORTRAN90開發(fā)的，網(wǎng)格劃分采用數(shù)學(xué)級(jí)數(shù)法，并在條形孔處進(jìn)行局部加密，壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的耦合采用SIM-PLE算法求解。
2.2.1 基本方程及封閉模型
三維氣相湍流流動(dòng)守恒方程組包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和RNG k-ε方程，可以表達(dá)成通用形式
div（ρvΦ）-div（ΓgradΦ）=SΦ （1）
式中：Φ在連續(xù)性方程中取1，在動(dòng)量方程中表示u，v和w三個(gè)方向的速度，在RNG k-ε湍流模型中表示湍動(dòng)能k和耗散率ε；SΦ表示源項(xiàng)。
2.2.2 邊界條件
入口邊界為w=17m/s，壁面邊界為無滑移邊界條件，出口為充分發(fā)展條件。
3 數(shù)值模擬結(jié)果分析
模擬結(jié)果如圖4及圖5所示，從圖4（a）的速度矢量圖可以看出，當(dāng)耐磨風(fēng)量調(diào)節(jié)閥開度為50%時(shí)，固定多孔板的出口處流場(chǎng)變化較大，但是經(jīng)過導(dǎo)流板后，在導(dǎo)流板出口處流場(chǎng)開始變得比較均勻，沒有出現(xiàn)回流和偏流現(xiàn)象。另外從圖5（a）可知，在耐磨風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的出口處，即高度z=0.3m處，流體運(yùn)動(dòng)速度沿?cái)嗝娣植季洼^均勻了。對(duì)于含塵氣流，在通過多孔板后，粉塵濃度沿閥體斷面分布是比較均勻的，這樣與閥體發(fā)生切削碰撞的粉塵數(shù)量很少，并且由于速度比較低，因此對(duì)閥體的磨損將大大減輕.而對(duì)于插板閥，當(dāng)開度為50%時(shí)，從圖4（b）可以看出，在閥體內(nèi)及出口處，出現(xiàn)了嚴(yán)重的偏流和回流現(xiàn)象，即使是在加長(zhǎng)管的出口處，這種現(xiàn)象仍然存在，氣流偏向一側(cè)。若為含塵氣流，絕大部分粉塵將會(huì)以很高的速度與閥體一側(cè)發(fā)生切削碰撞，由于磨損與速度的三次方成正比[因此這必然會(huì)導(dǎo)致粉塵對(duì)閥體的磨損加劇.另外，由圖5（b）可知，在插板閥的出口處，即z=0.3m，速度沿?cái)嗝娴姆植己懿痪鶆颍@將會(huì)使閥后的管件磨損加劇。
通過對(duì)比分析可以看出，在氣流通過耐磨風(fēng)量調(diào)節(jié)閥和插板閥后，前者在很短的距離內(nèi)即可使氣流速度變得比較均勻，而后者則需要很長(zhǎng)的距離.上述模擬結(jié)果表明，耐磨風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的原理及結(jié)構(gòu)是合理的，不論是對(duì)閥的本體，還是對(duì)其后的管件，均具有較好的防磨效果。與一般的插板閥相比，耐磨風(fēng)量調(diào)節(jié)閥具有使用壽命長(zhǎng)、安裝位置不受限制、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于除塵系統(tǒng)中進(jìn)行阻力平衡和風(fēng)量調(diào)節(jié)，其應(yīng)用前景廣闊。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有：化工污水耐腐蝕雙相鋼減壓閥
