不锈钢片式球阀

球阀摩擦阻力系数的研究

2019-02-18

对饮料工业等卫生要求较高的管路系统中普遍采用的球阀, 进行了研究, 获得了局部阻力系数ζ与Re 之间的公式。

    在饮料、啤酒、食醋等液体食品的生产系统中, 液体流量的控制普遍采用球阀, 因此, 球阀局部阻力系数在食品以及轻工、化工等工业管路的设计中具有重要的意义, 在目前的食品、轻工、化工等专业的高校教材或化工设计手册中, 关于局部阻力系数通常采用的查表方法( 定值) 来确定[1, 3]。这样对于具体应用会带来一定的误差, 针对这一问题, 我们对食品工业等卫生要求较高的管路系统中普遍采用的球阀进行了研究, 获得局部阻力系数ζ与Re 之间的公式。
1 设备与方法
1.1 设备
实验系统流程示意图, 见图1。
图1 实验装置流程图
    图1 实验装置流程图
    实验中被测直管段, 采用不锈钢光滑管; 压差传感器, 型号: LXWY; 数显表, 型号: PD139;离心泵, 型号WB300/025; 流量测量, 采用涡轮流量计, 仪表常数为78.275S/L。
1.2 实验方法
    水泵2 将储水槽1 中的水抽出, 送入实验系统, 经涡轮流量计7、玻璃转子流量计8 测量流量, 然后送入被测球阀管段10 测量流体流动的阻力, 经回流管流回储水槽1。被测球阀管段10 流体流动阻力ΔP 按远点ΔPl、近点ΔPs 分别测定,并根据其数值大小分别采用变送器4 或空气- 水倒置U 型管来测量。
2 结果与分析
2.1 结果
    应用π定理得如下方程:
    方程中的λ和Re 的计算采用如下方法:
方程式

    符号意义:
    ξ- 局部阻力系数
    ΔPf′- 局部阻力引起的压降( N/m2)
    ρ- 流体密度( kg/m3)
    u- 流体速度( m/s)
    μ- 流体粘度( Pa·s)
    Re- 雷诺数
    在球阀全开状态下, 测得一系列流量下的ΔPl、ΔPs 及f 之后, 根据式( 1) , ( 2) 计算出不同流速下的ξ值。用式( 3) 计算出Re 值, 从而整理出ξ- Re 之间的关系。实验结果见表1。
HZ/s1 ^p/kPa ^p/kPa   Re   IgRe
319 147.62 95.24 0.1610 3.0150 >4 05 -0.7932 5.4793
290 132.06 85.75 0.1793 2.7222 >4O5 -0.7464 5.4349
261 115.55 75.53 0.1992 2.4500 >4 O5 -0.7007 5.3892
228 98.27 64.65 0.2282 2.1402 >4O5 -0.6417 5.3305
200.1 85.53 56.65 0.2650 1.8783 >4O5 -0.5768 5.2738
170.2 70.45 46.97 0.3099 1.5976 >4 O5 -0.5088 5.2035
151 62.13 41.42 0.3472 1.4174 >4 〇5 -0.4594 5.1515
133.4 53.73 36.06 0.3951 1.2522 >4 O5 -0.4033 5.0977
110.2 44.55 29.90 0.4800 1.0344 >4 〇5 -0.3188 5.0147
97.8 38.48 25.00 0.5403 9.1798 >404 -0.2674 4.9628
88.5 35.05 23.68 0.6011 8.3069 >4 04 -0.2211 4.9194
78 26.12 17.91 0.6541 7.3213 >404 -0.1844 4.8646
74 23.62 16.04 0.6359 6.9458 >404 -0.1966 4.8417
70 21.31 14.62 0.6716 6.5704 >4 04 -0.1729 4.8176
65 18.54 12.64 0.6702 6.1011 >4 04 -0.1738 4.7854
60.5 16.54 11.33 0.7019 5.6787 >4 04 -0.1482 4.7542
55 14.16 9.613 0.7336 5.1625 >404 -0.1345 4.7129
50 11.94 8.345 0.8265 4.6931 >4 04 -0.08276 4.6715
40 8.344 5.925 1.0045 3.7545 >404 0.001950 4.5746
31 5.728 4.021 1.1945 2.9097 >4 04 0.07719 4.4638
20 3.313 2.513 2.2960 1.8773 >404 0.3610 4.2735
15.4 2.426 1.919 2.6559 1.6327 >4 04 0.4242 4.2129
11.55 1.843 1.418 3.8221 1.2245 >4 04 0.5823 4.0880
1.1 1.215 1.134 8.3469 8.1633 >4O3 0.9215 3.9119
5.6880 L144 0.9376 8.6412 6.0302 >4 O3 0.9366 3.7803
3.785 0.7533 0.6226 13.1242 4.0123 >4 O3 L1181 3.6034
2.8507 0.5613 0.4677 17.6018 3.0222 >4O3 1.2456 3.4803
2.3534 0.3221 0.2705 21.1243 2.4950 >4 O3 1.3222 3.3979
 
 
    表1 球阀摩擦阻力实验数据及相关计算结果( 全开)
    在球阀半开状态下, 测得一系列流量下的ΔPl、ΔPs 及f 之后, 根据式( 1) , ( 2) 计算出不同流速下的ξ值。用式( 3) 计算出Re 值, 从而整理出ξ- Re 之间的关系。实验结果见表2。
HZ/s1 ^p/kPa ^ps/kPa   Re ig^ IgRe
320 2613.62 2580.08 9.5067 3.0037 >4 O5 0.9780 5.4777
292 2329.63 2297.47 10.1564 2.7409 >4 O5 1.0067 5.4379
263 1944.27 1917.42 10.4487 2.4687 >4 O5 1.0191 53925
231 1583.89 1560.48 11.0116 2.1683 >4O5 1.0419 53361
201 1287.17 1268.14 11.8193 L8867>405 1.0726 5.2757
169.8 990.74 976.10 12.7477 L5938>405 1.1054 5.2024
152 835.04 821.89 13.3814 1.4267 >4 O5 1.1265 5.1543
131 658.16 647.79 14.1993 L2296>405 1.1523 5.0898
111 512.04 503.98 15.3865 L0419X105 1.1871 5.0178
99.5 433.09 425.85 16.1637 9.3394 >4 04 1.2085 4.9703
89.2 366.21 360.08 17.0062 8.3726 >4 04 1.2306 4.9229
81.6 317.89 312.57 17.6402 7.6592 >4 04 1.2465 4.8842
75.9 284.59 279.55 18.2168 7.1242 >4 04 1.2605 4.8527
70.6 256.05 251.284 18.925 6.6267 n4 1.2770 4.8213
66.3 230.82 226.52 19.3450 6.223 m4 1.2866 4.7940
61.8 204.24 202.02 19.9985 5.8007 >4 04 L3010 4.7635
56.5 179.55 176.03 20.6578 5.3032 XL 04 1.3151 4.7245
51.0 153.70 150.68 21.7034 4.7870>404 1.3365 4.6801
45 141.4 138.5 25.7563 4.2238 >4 04 L4109 4.6257
40 111.2 90.1 26.0696 3.7545 >404 1.4161 4.5754
36 92.43 90.3 26.2488 3.3791 XI04 1.4191 4.5288
31 71.34 69.6 27.3158 2.9097 >4 04 1.436 4.4638
26 51.41 50.1 28.0202 2.4404 >4 04 1.4475 43875
22 42.05 40.28 30.9879 2.0650 >4 04 1.4912 43149
17 26.53 26.0 34.6910 L5957X04 1.5402 4.2030
12 16.44 15.9 42.7835 L1264>104 1.6313 4.0517
10.1568 12.602 12.307 44.5110 9.5338 >4 O3 1.6485 3.9793
8.0125 8.7726 8.5586 49.6879 7.5210X03 1.6963 3.8763
6.2869 5.9991 5.8471 55.0811 5.9013 XLO3 1.7410 3.7709
4.3241 3.3640 3.2692 64.8997 4.0589 >403 1.8122 3.6084
2.2685 1.2418 1.2056 86.8725 2/1294 >403 1.9389 33283
 
 
    表2 球阀摩擦阻力实验数据及相关计算结果( 半开)

2.2 分析
    关于阀门的局部阻力系数, 在一般的化工原理教材或是化工设计手册中, 通常只能查到一个定值[2, 4, 5], 而阀门的局部阻力系数严格地讲与Re密切相关, 我们通过实验的方法、利用线性回归的方法得到了ζ与Re 的关系, 但限于仪器的精度、和实验介质, 所得数据还有待进一步优化。
3 结论
    利用对数坐标分别利用球阀全开及半开数据建立曲线方程, 得如下方程:
    对于全开球阀, 当2.5 ×103 <Re <3.0 ×105时, 得: ζ=6.1191×104Re- 1.0181
    对于半开球阀, 当2.5 ×103 <Re <3.0 ×105 时,得: ζ=2.6065×103Re- 0.4442
    关于阀门的局部阻力系数, 在一般的化工原理教材或是化工设计手册中, 通常只能查到一个定值, 而阀门的局部阻力系数严格地讲与Re 密切相关, 因此应用定值计算会带来一定的误差, 而应用上述方程可以提高设计计算的精度。在食品工业等卫生要求较高的管路系统中不锈钢球阀应用的较普遍, 因此上述公式在食品、制药等工业管路的设计中具有重要的意义。