風量調節蝶閥的風量計算及選型

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之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現在介紹風量調節閥是用來平衡通風除塵系統的阻力及調節風量的，廣泛應用于冶金、建材、化工、電力等行業。但目前在除塵系統中使用的插板閥及蝶閥均存在耐磨性能差、閥出口處流場不均勻等缺點，特別是當除塵管道中粉塵濃度高，且粉塵具有很強的磨損性時，若安裝插板閥或蝶閥，不僅會造成閥體本身的磨損，而且會導致閥后的直管、彎管或三通等管件的磨損。一般風量調節閥易被磨損的主要原因是因為閥體結構設計不合理，從而導致含塵氣流通過風量調節閥時流場急劇變化，產生偏流，粉塵在離心力和慣性力的作用下，幾乎全部與閥體發生切削碰撞，由磨損機理及其影響因素可知[1，2]，這必然會引起粉塵對風量調節閥及管件的磨損加劇，造成較大的經濟損失。  

   調節蝶閥的主要優點是它的結構簡單，體積小重量輕，造價低，氣動碟閥該特點尤其顯著，安裝在高空暗道，經過二位五通電磁閥控制操作方便，也可調節流量介質。流體阻力較小，中大口徑的氣動碟閥全開時有效流通面積較大，啟閉迅速省力，碟扳旋轉90角度即可完成啟閉，由于轉軸兩側碟板手介質作用力接近相等，而產生的轉矩方向相反，因而啟閉力矩較小，低壓下可實現良好的密封，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點，無論在低溫情況下均具有優良的密封性能。

風量調節閥的主要技術性能：
使用溫度：－50℃～250℃。 
流量特性：葉片對開時流量特性為等百分比特性。  
泄漏率：低泄漏型風量調節閥＜0.5%，普通型風量調節閥＜2%。 
驅動方式：手動、電動、氣動。  
風量調節閥是我公司開發生產的新型風量調節閥。 具有結構簡單合理、漏量小、摩擦力矩小、運轉靈活、葉片剛性好、耐腐蝕、品種齊全等優點。其性能及各項參數指標已超過JB/T7228-94標準之規。可廣泛應用在工業和民用空調及通風系統之中，以達到控制風量的目的。

風量調節閥的主要特點：
風閥的框架和葉片均采用鍍鋅鋼板；聯桿、方軸等采用45#鋼鍍鋅，耐腐蝕性好。風閥葉片采用1.00mm鍍鋅鋼板冷軋成瓦楞狀，雙層焊接復合而成，具有*的剛性和強度。 選用燒結青銅含油軸承，摩擦力矩小，無需維護。 低泄漏量風量調節閥采用特種的高溫彈性橡膠作為密封材料，泄漏量極低。風閥外形有矩形和圓形兩種，圓形風道上選用圓形風閥，解決了圓形風閥泄漏量大的缺點。  
風量調節閥品種多，規格全，可根據用戶要求，選用適用的品種，達到*性能價格比，降低工程造價。 由若干單體閥可組成組合閥，組合閥中各單體閥可聯動同步運轉。
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,電動蝶閥,氣動蝶閥本研究根據多孔射流擴散及射流疊加原理，提出一種耐磨風量調節閥結構，并對其流場進行數值模擬，同時與插板閥的流場進行比較，以便為耐磨風量調節閥的結構設計提供依據。
1 耐磨風量調節閥的結構及原理
耐磨風量調節閥的結構如圖1所示。它由閥體、活動多孔板、帶導流板的固定多孔板、調節螺桿、固定螺母、開度指示器及調節手柄等組成[3]。活動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。
閥的初始狀態為全開，即活動多孔板與固定多孔板的孔*重合，開度zui大，轉動調節手柄即可帶動活動多孔板向右移動，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）射流擴散及疊加原理，使氣流在較短的距離內均勻混合。氣流通過活動多孔板及固定多孔板后，在有限空間內，平行射流相互疊加、摻混。由圖2可見，當相互疊加的兩股平行射流距離較近時，射流的發展將互相影響.在匯合之前，每股射流獨立發展，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，總射流充分發展后，即可在較短的距離內均勻混合，從而使速度沿閥體斷面均勻分布[4]。
另外，由于采用多孔結構，粉塵濃度沿斷面分布比較均勻，同插板閥及蝶閥相比，與閥體發生切削碰撞的粒子數目大大降低，且粉塵與閥體的碰撞角度避開了易磨損的范圍（粉塵的入射角對磨損具有較大的影響，當入射角在20°~30°時，磨損性zui大[3]），從而減輕了粉塵對閥體的磨損。

2 數學物理模型及數值計算方法
2.1 物理模型
耐磨風量調節閥的結構如圖3（a）所示，閥內徑D0=200mm，閥體高度H=300mm，條形孔及孔橋的寬度均為20mm，活動多孔板與帶導流板的固定多孔板相互錯開10mm，此時閥的開度為50%，導流板的長度為60mm，閥出口處加長管長度為300mm。另外為了進行流場的比較，這里提出一種常見的插板閥結構如圖3（b）所示，其開度與耐磨風量調節閥相同。
2.2 數學模型及計算方法
RNG k-ε模型是一個雙方程的湍流模型，它是從原始的基本方程推導而來的，模型的系數以理論結果為依據，不需要借助任何實驗結果[5]。文獻[6，7]應用此模型模擬湍流流動，結果表明：RNG k-ε模型優于標準的是k-ε模型。因此本研究從工程實用性角度和模擬湍流的適用性出發，利用RNG k-ε模型來模擬閥內的湍流流場。
模擬計算采用的軟件是由FORTRAN90開發的，網格劃分采用數學級數法，并在條形孔處進行局部加密，壓力場和速度場的耦合采用SIM-PLE算法求解。

2.2.1 基本方程及封閉模型
三維氣相湍流流動守恒方程組包括連續性方程、動量方程和RNG k-ε方程，可以表達成通用形式
div（ρvΦ）-div（ΓgradΦ）=SΦ （1）
式中：Φ在連續性方程中取1，在動量方程中表示u，v和w三個方向的速度，在RNG k-ε湍流模型中表示湍動能k和耗散率ε；SΦ表示源項。
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，出口為充分發展條件。

3 數值模擬結果分析
模擬結果如圖4及圖5所示，從圖4（a）的速度矢量圖可以看出，當耐磨風量調節閥開度為50%時，固定多孔板的出口處流場變化較大，但是經過導流板后，在導流板出口處流場開始變得比較均勻，沒有出現回流和偏流現象。另外從圖5（a）可知，在耐磨風量調節閥的出口處，即高度z=0.3m處，流體運動速度沿斷面分布就較均勻了。對于含塵氣流，在通過多孔板后，粉塵濃度沿閥體斷面分布是比較均勻的，這樣與閥體發生切削碰撞的粉塵數量很少，并且由于速度比較低，因此對閥體的磨損將大大減輕.而對于插板閥，當開度為50%時，從圖4（b）可以看出，在閥體內及出口處，出現了嚴重的偏流和回流現象，即使是在加長管的出口處，這種現象仍然存在，氣流偏向一側。若為含塵氣流，絕大部分粉塵將會以很高的速度與閥體一側發生切削碰撞，由于磨損與速度的三次方成正比[因此這必然會導致粉塵對閥體的磨損加劇.另外，由圖5（b）可知，在插板閥的出口處，即z=0.3m，速度沿斷面的分布很不均勻，這將會使閥后的管件磨損加劇。

通過對比分析可以看出，在氣流通過耐磨風量調節閥和插板閥后，前者在很短的距離內即可使氣流速度變得比較均勻，而后者則需要很長的距離.上述模擬結果表明，耐磨風量調節閥的原理及結構是合理的，不論是對閥的本體，還是對其后的管件，均具有較好的防磨效果。與一般的插板閥相比，耐磨風量調節閥具有使用壽命長、安裝位置不受限制、調節方便等優點，可應用于除塵系統中進行阻力平衡和風量調節，其應用前景廣闊。與本文相關的產品有：化工污水耐腐蝕雙相鋼減壓閥