جریان گاز در شیرهای کنترل

تفاوت اصلی بین ماهیت جریان گاز و جریان مایع از طریق شیرهای کنترل این است که مایعات تراکم ناپذیر هستند و گازها تراکم پذیر هستند.

هنگامی که فشار یک مایع تغییر می کند، حجم و چگالی ρ بدون تغییر باقی می مانند، در حالی که از طرف دیگر، تغییرات فشار در گاز منجر به تغییر حجم و چگالی می شود.

هنگام مشاهده جریان از طریق کنترل ولو در مقابل افت فشار، هر دو جریان مایع و گاز می توانند خفه شوند، یعنی در برخی افت فشار، جریان با افزایش افت فشار افزایش می یابد.

محصولات مرتبط

آی توپی پوزیشنر سامسون مدل 4763

خرید کنید

جریان گاز به نسبت افت فشار از طریق یک شیر کنترل

معادله جریان در بالای شکل 1 تقریباً مشابه معادله ای است که برای مایع در مواردی که جریان بر حسب پوند در ساعت داده شده است استفاده می کنیم.

توجه داشته باشید که شکل 1، برای فشار و چگالی، نشان می دهد که آنها شرایط بالادست شیر ​​هستند.

تنها تفاوت این است که به جای استفاده از ریشه دوم افت فشار (Δp) در معادله و برای مقیاس در محور افقی نمودار، از ریشه دوم نسبت افت فشار Δp/p1 استفاده می‌کنیم.

سپس نویسه واحد،x  را جایگزین Δp/p1 می کنیم تا عبارت ساده تر شود.

با ایجاد این تغییر عبارت “Δp” که در معادله مایع معادل برابر با “x p1” ظاهر می شود.

Δp= Δp/p1 X p1 این تغییر از معادله مایع کاملاً ضروری نیست، اما بعداً خواهیم دید که پیش‌بینی جریان گاز گرفتگی را بسیار راحت‌تر می‌کند.

معادله بالای شکل 1 به ما می گوید که جریان متناسب با جذر x است. نمودار معادله منجر به ایجاد خط سبز با شیب رو به بالا می شود.

اگر بخواهیم یک آزمایش جریان را انجام دهیم، رابطه واقعی بین نسبت جریان و افت فشار همانطور که با خط آبی منحنی نشان داده شده است، نه مستقیم.

در نسبت‌های افت فشار پایین، جریان از یک خط مستقیم پیروی می‌کند.

اما پس از آن بیشتر و بیشتر منحرف می‌شود تا اینکه در نهایت، افزایش بیشتر در نسبت افت فشار، جریان اضافی ایجاد نمی‌کند.

در این مرحله می گوییم که جریان خفه شده است.

از آنجایی که برای جریان گاز، ما انتخاب کرده ایم که محور افقی را به جای محور دلتا p ، محور “x” بنامیم، نسبت افت فشاری که در آن جریان کاملاً خفه می شود را به عنوان نسبت افت فشار ترمینال تعریف می کنیم و به آن نماد xT می دهیم. ، T مخفف “Terminal” است.

بیایید ببینیم در داخل دریچه چه اتفاقی می افتد تا باعث این خفگی جریان شود و به نمودار شکل خود را بدهد.

مشخصات سرعت و فشار گاز در داخل یک شیر کنترل

در این مرحله، لازم است اشاره کنم که جریان علاوه بر اینکه متناسب با ریشه دوم نسبت افت فشار است، با ریشه دوم چگالی در ورید منقبض نیز متناسب است.

این موضوع هم برای مایع و هم برای گاز صادق است.

اما در مورد مایعات (که تراکم ناپذیر هستند) ما نیازی به این موضوع نداریم.

زیرا چگالی در ورید منقبض دقیقاً با چگالی بالادست دریچه برابر می باشد.

همچنین، با مایعات، چگالی در ورید منقبض با تغییر سرعت جریان تغییر نمی کند.

سرعت جریان گاز از یک دریچه در ورید منقبض به حداکثر می رسد.

به دلیل حفظ انرژی، در نتیجه افزایش سرعت، فشار در ورید منقبض به حداقل کاهش می یابد.

هنگامی که فشار کاهش می یابد گاز چگالی کمتر می شود.

از آنجایی که جریان متناسب با جذر چگالی در ورید منقبض است.

کاهش چگالی باعث می شود که جریان کمتر از زمانی باشد که گاز قابل تراکم نبود.

به این دلیل که نمودار جریان به جای دنبال کردن مسیر مستقیم شروع به گرد شدن می کند.

تغییر چگالی و بزرگ شدن ورید انقباض

همانطور که به افزایش نسبت افت فشار ادامه می دهیم.

سرعت در ورید منقبض شده بیشتر می شود و فشار کمتر می شود و در نتیجه چگالی حتی کمتر می شود.

اکنون جریان حتی بیشتر از خط مستقیم منحرف می‌شود که چگالی ثابتی را در ورید منقبض می‌پذیرد، همانطور که برای یک مایع وجود دارد.

در برخی موارد، با افزایش نسبت افت فشار و افزایش سرعت جریان، سرعت در ورید انقباض صوتی تبدیل می‌شود.

از آنجا که ورید منقبض در پایین دست محدودیت فیزیکی قرار دارد و سطح مقطع کمتری نسبت به محدودیت فیزیکی دارد.

حتی اگر سرعت به حداکثر سرعت ممکن در یک محدودیت رسیده باشد، باز هم ممکن است سرعت جریان به حداکثر سرعت ممکن برسد.

با افزایش بیشتر نسبت افت فشار، ورید انقباض به سمت محدودیت فیزیکی شروع به عقب نشینی می کند.

و سطح مقطع ورید انقباض افزایش می یابد، بنابراین حتی اگر جریان صوتی باشد، باز هم مقداری افزایش در جریان وجود دارد زیرا این ناحیه بزرگتر است.

در نهایت، زمانی که ورید منقبض شده به محدودیت فیزیکی برمی‌گردد.

نمی‌تواند بزرگ‌تر شود، و از آنجایی که جریان از قبل صوتی است، هیچ افزایشی در جریان امکان‌پذیر نیست و جریان کاملاً خفه می‌شود.

خلاصه نحوه شکل‌گیری نمودار جریان گاز:

در سرعت‌های منقبض ورید زیر صوت، انحراف منحنی جریان از یک خط مستقیم به دلیل کاهش چگالی در ورید انقباض ایجاد می‌شود.

هنگامی که به سرعت صوتی رسید، سرعت، فشار و چگالی در ورید منقبض ثابت باقی می‌ماند، اما ورید منقبض به سمت محدودیت فیزیکی عقب می‌نشیند، بزرگ‌تر می‌شود و بنابراین اجازه می‌دهد جریان افزایش یابد.

هنگامی که ورید منقبض در نهایت به حداکثر اندازه خود می رسد (و از آنجایی که سرعت در حال حاضر در حداکثر ممکن است) جریان خفه می شود.

حال بیایید ببینیم چرا به جای افت فشار، جریان را بر اساس نسبت افت فشار رسم می کنیم.

 افت فشار ترمینال، xT ، یک شیر گلوب باز 80 درصد

بیایید ببینیم اگر سه آزمایش جریان ذکر شده در شکل 4 را با استفاده از یک شیر معمولی گلوب ولو با فشار ورودی، p1، ابتدا 100 psia، سپس 200 psia و در نهایت در 1000 psia انجام دهیم، چه اتفاقی می‌افتد.

با p1 در 100 psia و شروع با دلتا p در صفر و به تدریج افزایش آن، متوجه می‌شویم که وقتی افت فشار 70 psi باشد، جریان خفه می‌شود.

با تکرار  p1 = 200 psia، جریان با افت فشار 140 psi خفه می شود.

در نهایت، با تکرار آزمایش با  p1 = 1000 psia، جریان با افت فشار 700 psi خفه می شود.

حال، اگر مقدار xT را برای هر یک از تست ها محاسبه کنیم (از آنجایی که x دلتا p تقسیم بر p1 است، xT، مقدار خفه شده  x، دلتا p Choked / p1 است

در این  آزمایش نکته بسیار جالبی می بینیم. xT در هر مورد 0.7 است.

نکته در اینجا این است که برای یک سبک خاص از شیر کنترل در درجه خاصی از حرکت شیر ​​(در این مورد یک شیر گلوب باز 80٪) نسبت افت فشاری که در آن جریان خفه می شود ثابت است.

با توجه به این نکته نسبت افت فشار ترمینال برای این شیر گلوب مدل خاص 0.7 است، اکنون می توانیم پیش بینی کنیم که اگر فشار ورودی 300 psi بود، جریان در افت فشار 210 psi خفه می شود (300 x 0.7 = 210)

برای اندازه گیری صحیح شیرهای کنترلی برای سیال گاز، باید دانست که جریان افت فشار در چه زمانی خفه می شود.

سبک های مختلف شیر دارای مقادیر متفاوت xT هستند و برای هر نوع شیر،xT  نیز با باز شدن سوپاپ متفاوت است.

مقادیر معمولی xT و چگونگی تأثیر آنها بر جریان از طریق شیرهای کنترل

سازندگان شیر کنترل ، شیرهای خود را برای xT آزمایش می‌کنند و سپس نتایج را منتشر می‌کنند .

که این امکان را فراهم می‌کنند تا نقطه‌ای را که در آن جریان خفه می‌شود و بنابراین اندازه شیرها را به درستی کنترل می‌کنند، پیش‌بینی کنند.

خط آبی در نمودار سمت چپ نشان دهنده جریان از طریق یک گلوب ولو  است که در آن xT 0.7 است.

یعنی وقتی افت فشار 70 درصد p1 باشد، جریان خفه می شود.

به عنوان مثال، این خط بالایی می تواند یک گلوب ولو 6 اینچی در 80 درصد باز باشد که Cv حدود 250 دارد.

یک شیر پروانه ای 4 اینچ با کارایی بالا که در حدود 70 درصد باز است نیز دارای Cv حدود 250 است، اگرچه هر دو دریچه ظرفیت جریان یکسانی دارند.

نمودار جریان از طریق شیر پروانه ای (خط قرمز در نمودار سمت چپ)

به نظر می رسد کاملا متفاوت از نمودار جریان از طریق گلوب ولو است

 به این دلیل که آن را xT 0.4، به این معنی که جریان خفه می شود .

زمانی که افت فشار 40٪ از p1، جریان یکسان است هر دو شیر، اما با افزایش نسبت افت فشار، جریان در شیر پروانه‌ای شروع به هدفگیری به سمت جریان خفه‌شده می‌کند .

به همین ترتیب، یک نوع  از کنترل ولو ها  به Cv بزرگتری نسبت به نوع  دیگری از شیر نیاز دارند.

قبل از اینکه نشان دهیم چگونه معادلات اندازه شیر کنترلی ISA/IEC شکل منحنی نسبت افت فشار و جریان گاز را دقیقاً پیش‌بینی می‌کنند و نقطه‌ای که جریان در آن خفه می‌شود.

باید یک مفهوم دیگر را معرفی کنیم، مفهوم «نسبت» ضریب گرمای ویژه،  F γ  مقادیرxT  منتشر شده توسط سازنده شیر کنترل  بر اساس آزمایشات جریان خفه با استفاده از هوا به عنوان محیط آزمایش است.

بسیاری از گازهای غیر از هوا دارای سرعت صوتی متفاوتی با سرعت هوا هستند.

بنابراین برای جبران سرعت صوتی آن گازها، مقدار منتشر شده xT در نسبت ضریب گرمای ویژه، F (F زیر گاما) ضرب می شود.

گازی که شیر  برای آن اندازه می شود. ضریب نسبت گرمای ویژه با تقسیم نسبت گرمای ویژه، γ ، بر نسبت گرمای ویژه هوا که 1.4 است، محاسبه می شود.

F = γ / 1.4

F γ هوا به 1.0 کاهش می یابد.

بیشتر جداول خواص گاز شامل مقادیر نسبت گرمای ویژه است.

معادله جریان گاز ISA/IEC شامل “ضریب انبساط“، Y است که تغییر چگالی در ورید انقباض و بزرگ شدن ورید انقباض را جبران می کند.

توجه داشته باشید که نسخه‌های قدیمی‌تر استاندارد اندازه‌گیری شیر کنترل ISA و برخی متون سازنده، از نماد “k” برای نسبت گرمای ویژه استفاده می‌کنند.

معادله بالا سمت چپ شکل 6 معادله گاز ISA/IEC با جریان جرم بر حسب پوند در ساعت به عنوان متغیر وابسته است.

از آنجایی که تعیین چگالی گاز در ورید انقباض آسان نیست (که با سبک دریچه، باز شدن دریچه و سرعت جریان متفاوت است)، معادله گاز شیر کنترلی ISA/IEC از چگالی بالادست (تعیین آسان) استفاده می کند.

به یاد بیاورید که قبلاً، وقتی بحث کردیم که چرا نمودار جریان واقعی شکلی دارد.

گفتیم که قسمت اول قسمت منحنی نتیجه تغییر چگالی در ورید منقبض است.

اما قسمت دوم زمانی که در ورید جریان دارد contracta صوتی است و چگالی ثابت می ماند.

به دلیل بزرگ شدن ورید انقباض است زیرا به محدودیت فیزیکی پشتیبان می شود.

بنابراین، حتی اگر بتوانیم چگالی را در ورید انقباضی تعیین کنیم، برای دادن شکل صحیح نمودار جریان کافی نیست.

برای  بدست آوردن اندازه دقیق شیرهای های کنترلی برای سرویس گاز و دادن شکل صحیح نمودار جریان، یک ضریب انبساط(نماد Y) به معادله ای که قبلا با آن شروع کردیم اضافه می شود تا جریان محاسبه شده (و نمودار) را برای هر دو تغییر در چگالی تصحیح کند.

در ورید انقباض و برای بزرگ شدن ورید انقباض معادله نشان داده شده در اینجا برای Y مبتنی بر مشاهدات تجربی از آنچه در واقع اتفاق می افتد است.

Y تابعی از x، نسبت افت فشار است.

هنگامی که نمودار Y در مقیاس ریشه مربع رسم می شود، مانند خط قرمز با برچسب “Y” در شکل 6 به نظر می رسد.

ضرب خط سبز مستقیم در Y منجر به جریان واقعی می شود.

نمودار (خط آبی)نشان دهنده  این است  است که مقدار x مورد استفاده در محاسبات اندازه یا جریان را باید به مقدار خفه شده (F γ xT) محدود کنیم.

در غیر این صورت Y به زیر 0.67 کاهش می یابد و جریان پیش بینی شده، پس از رسیدن به مقدار حداکثر در X=F γ xT   کاهش می یابد.

معادلات اندازه گاز ISA/IEC

معادله بالایی معادله‌ای است که تاکنون استفاده کرده‌ایم، اما برای حل مجدد برای Cv به جای W تنظیم شده است.

این شکل برای گازها و بخارات (از جمله بخار) که در آن جریان بر حسب واحد جریان جرمی است .

(پوند در ساعت) و جایی که چگالی بالادست شناخته شده است.

معادله دوم که به سادگی معادله اول است.

با تبدیل واحدهای مناسب برای جریان در واحدهای حجمی (scfh) و با چگالی محاسبه شده از وزن مخصوص، دمای مطلق، فشار مطلق و ضریب تراکم پذیری محاسبه می شود.

کیاصنعت نمایندگی کنترل ولو سامسون، نمایندگی کنترل ولو فیشر، نمایندگی کنترل ولو ماسونیلان و… است.

از محصولات پر فروش ما می توان به آی توپی پوزیشنر سامسون ، اکچویتور سامسون، شیر پنوماتیک سامسون، گلوب ولو سامسون ، شیر تدریجی سامسون،  کنترل ولو سه راهه سامسون ، شیر ترموستاتیک سامسون ،کنترل ولو پنوماتیک و… اشاره کرد.

مقالات مرتبط:

کالیبراسیون کنترل ولو

آموزش نصب شیر برقی پنوماتیک