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安全閥噴嘴面積計算

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                                             安全閥噴嘴面積計算

                          上海申弘閥門有限公司

      安全閥 safety valve 用以防止鍋爐、壓力容器等設備或管道因超壓而發(fā)生損壞的閥門。當被保護體內(nèi)的流體壓力達到略高于正常工作壓力的某一規(guī)定值(即閥門開啟壓力)時,安全閥自動開啟,排放部分流體,使壓力下降。當壓力下降到略低于正常工作壓力的某一值(即閥門回座壓力)時,安全閥自動關閉,停止排放流體并保持密封。 

    安全閥類的作用是防止管路或裝置中的介質(zhì)壓力超過規(guī)定數(shù)值,從而達到安全保護的目的。 安全閥是一種安全保護用閥,它的啟閉件受外力作用下處于常閉狀態(tài),當設備或管道內(nèi)的介質(zhì)壓力升高,超過規(guī)定值時自動開啟,通過向系統(tǒng)外排放介質(zhì)來防止管道或設備內(nèi)介質(zhì)壓力超過規(guī)定數(shù)值。安全閥屬于自動閥類,主要用于鍋爐、壓力容器和管道上,控制壓力不超過規(guī)定值,對人身安全和設備運行起重要保護作用。上海申弘閥門有限公司主營閥門有:減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥球閥、截止閥閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。 按安全閥閥瓣開啟高度可分為微啟式安全閥和全啟式安全閥,微啟式安全閥的開啟行程高度為:≤0.05d0(小排放喉部口徑);全啟式安全閥開啟高度為≤0.25d0(小排放喉部口徑)。 

    安全閥按結構形式來分,要分為垂錘式、杠桿式、彈簧式和先導式(脈沖式);按閥體構造來分,可分為封閉式和不封閉式兩種。封閉式安全閥即排除的介質(zhì)不外泄,全部沿著出口排泄到地點,一般用在有毒和腐蝕性介質(zhì)中。對于空氣和蒸汽用安全閥,多采用不封閉式安全閥。對于安全閥產(chǎn)品的選用,應按實際密封壓力來確定。對于彈簧式安全閥,在一種公稱壓力(PN)范圍內(nèi),具有幾種工作壓力級的彈簧,訂貨時除注明安全閥型號、名稱、介質(zhì)和溫度外,尚應注明閥體密封壓力,否則按大密封壓力供貨。 

    4.1   介質(zhì)為氣體

        氣體通過安全閥噴嘴時,其速度和比容隨下游壓力的減少而增大,一直增大到極限速度為止,此極限速度即為該氣體的聲速,相當于極限速度的相應流率,稱為臨界流率。

        聲速下的噴嘴喉管壓力Pcf與入口壓力(即高泄放壓力)Pm之絕壓比稱為臨界壓力比,Pcf稱為臨界流動壓力。

        氣體的臨界壓力比可用理想氣體關系的公式計算      4-1-1

     式中:K—氣體的絕熱指數(shù)(Cp/Cv);

              Pcf—臨界流動壓力,MPa(絕);

              Pm—進口處壓力(即高泄放壓力),MPa(絕),

                   即安全閥定壓+容許過壓+大氣壓。

        一般烴類氣體Pcf/Pm值大都在0.50.6之間,其與K值的關系見下表4-1-1

    4-1-1  K值與Pcf/Pm值關系表

    K

    1.1

    1.2

    1.3

    1.4

    1.5

    1.6

    1.7

    1.8

    Pcf/Pm

    0.585

    0.564

    0.546

    0.528

    0.512

    0.497

    0.482

    0.469

        如果喉管下游壓力P2(即安全閥出口壓力)高于臨界流動壓力,此時的流動狀態(tài)為亞臨界流動。

    4.1.1  臨界流動狀態(tài)下噴嘴面積計算,可按式4-1-2計算    4-1-2

        對全啟式                 4-1-3

        對微啟式   4-1-3B

        式中:

               Ao—噴嘴面積,cm2;

               h—安全閥開啟高度,cm;

               φ—錐形密封面的半錐角度,°;

               do—噴嘴內(nèi)徑,cm;

               Gv—氣體大泄放量,kg/h;

               Pm—高泄放壓力,MPa(絕);

               T 1—進口處氣體溫度,K;

               M—氣體分子量;

               Z—在Pm壓力下氣體的壓縮系數(shù);

               KF—流量系數(shù),應由制造廠提供,參見附錄二。

               C—氣體特性系數(shù),僅與氣體的絕熱指數(shù)K有關,可用下式計算

     也可用表4-1-2查得;

               Kb—背壓校正系數(shù),對普通型安全閥,隨著P2值增大,安全閥的理論泄放量 

                    將隨之減少。但當P2<Pcf時,對泄放量的影響較小,而普通型安全閥 

                    P2值要求小于0.1Ps,在此條件下,Kb值可取為1。當P2值大于

                    0.1Ps時,一般應選用波紋管(平衡型)安全閥,當P2值大于0.3Ps

                    選用先導式安全閥。波紋管安全閥的Kb值見表4-1-3。

     

    4-1-2  不同K值與C值關系

    K

    C

    K

    C

    K

    C

    K

    C

    1.01

    317*

    1.24

    341

    1.48

    363

    1.72

    382

    1.02

    318

    1.26

    343

    1.50

    365

    1.74

    383

    1.04

    320

    1.28

    345

    1,52

    366

    1.76

    384

    1.06

    322

    1.30

    347

    1.54

    368

    1.78

    386

    1.08

    324

    1.32

    349

    1.56

    369

    1.80

    387

    1.10

    327

    1.34

    351

    1.58

    371

    1.85

    391

    1.12

    329

    1.36

    353

    1.60

    372

    1.88

    393

    1.14

    331

    1.38

    354

    1.62

    374

    2.00

    400

    1.16

    333

    1.40

    356

    1.64

    376

     

     

    1.18

    335

    1.42

    358

    1.66

    377

     

     

    1.20

    337

    1.44

    360

    1.68

    379

     

     

    1.22

    339

    1.46

    361

    1.70

    380

     

     

     

        *   內(nèi)插值因在K接近于1時,C變?yōu)椴欢ǖ臒o窮數(shù)。

     

    4-1-3    波紋管安全閥Kb

    P2/Ps(表壓)

    0.31

    0.34

    0.37

    0.40

    0.43

    0.46

    0.49

    過壓10%,Kb

    1.0

    0.99

    0.98

    0.97

    0.96

    0.945

    0.93

    過壓20%,Kb

    1.0

    0.96

    0.90

    0.86

    0.81

    0.76

    0.70

        4-1-3是國外制造商提供的平均值(見API RP520-90),背壓低于0.34MPa(表)時,不應選用上表數(shù)值,而應由制造廠按背壓條件提供Kb值。

    4.1.2  亞臨界流動狀態(tài)下噴嘴面積計算為了簡化計算,仍然采用式4-1-2計算,對普通型安全閥,Kb校正系數(shù)需改用表4-1-4值;對波紋管安全閥,Kb值應由制造廠提供。其它符號意義和取值與臨界流動狀態(tài)相同。

        4-1-4  亞臨界流動狀態(tài)下普通型安全閥Kb

    背壓%*

    50

    60

    70

    75

    80

    85

      Kb

     

     

     

     

     

     

      絕熱系數(shù)K=1.1

    1.0

    1.0

    0.96

    0.92

    0.88

    0.79

              K=1.3

    1.0

    1.0

    0.94

    0.90

    0.84

    0.76

              K=1.5

    1.0

    0.98

    0.90

    0.86

    0.80

    0.72

              K=1.7

    1.0

    0.94

    0.87

    0.82

    0.77

    0.69

        *背壓%P2/Pm%(以絕壓計)

        例題1 已知下列泄放要求:

        GV=24318kg/h,烴蒸氣平均分子量M=65,K=1.1,

        T1=348K(75),PS=0.51MPa(),即設備的設計壓力,

        P2(背壓)=0()。

        計算出下列數(shù)據(jù),容許積聚壓為10%(由于定壓即為設備壓力,積聚壓等于過壓),高泄放壓力Pm=0.51×1.1+0.1=0.661MPa(),Z=0.84,臨界壓力比=0.59(查表4-1-1),臨界流動壓力Pcf=0.661×0.590.39MPa()=0.29MPa()

        因背壓P2=0,小于Pcf,處于臨界流狀態(tài),因此可用式4-1-2計算噴嘴面積

        KF采用0.975,Kb=1,C=326(查表4-1-2)。

        例題2  把例1中的迭加背壓改為0.37MPa(表),其它數(shù)據(jù)與例1相同,選用普通型安全閥。

        因迭加背壓等于0.37MPa(表),大于臨界流動壓力0.29MPa(表),氣體處于亞臨界狀態(tài)。

        容許積聚背壓0.1×0.51=0.051MPa

        總背壓P2=0.37+0.051=0.421MPa(表)=0.521MPa( 絕)

        P2/Pm=0.521/0.661=79%,從表4-1-4查得Kb=0.88

    4.2  介質(zhì)為水蒸汽(壓力小于10MPa)按4-2-1計算

        式中GV--水蒸汽大泄放量,kg/h;

            AO--噴嘴面積,cm2;

            Pm--高泄放壓力,MPa(絕);

            Kφ--蒸汽過熱度校正系數(shù),見表4-2-1;

            KF--由制造廠提供。

          4-2-1    蒸汽過熱度校正系數(shù)

    蒸汽壓力,MPa(絕)

    蒸汽溫度,℃

     

    150

    200

    250

    300

    350

    400

    450

    500

    0.3

    1

    0.98

    0.94

     0.89

    0.85

    0.82

    0.76

    0.75

    0.5

    1

    0.99

    0.94

    0.89

    0.85

    0.82

    0.76

    0.75

    1.0

    1

    0.99

    0.94

    0.90

    0.85

    0.82

    0.77

    0.76

    1.3

    -

    0.99

    0.95

    0.91

    0.86

    0.83

    0.78

    0.77

    1.7

    -

    -

    0.95

    0.91

    0.87

    0.83

    0.78

    0.77

    2.1

    -

    -

    0.97

    0.93

    0.87

    0.83

    0.78

    0.77

    3.5

    -

    -

    0.97

    0.97

    0.88

    0.84

    0.79

    0.78

    6.4

    -

    -

    -

    0.98

    0.92

    0.86

    0.81

    0.79

    10.0

    -

    -

    -

     

    0.94

    0.87

    0.82

    0.80

    4.3  介質(zhì)為液體  按液體介質(zhì)設計的安全閥應取得能力檢驗證,并給定流量系數(shù),其噴嘴面積可按式4-3-1計算

        式中AO--噴嘴面積,cm2

            GL--液體泄放量,m3/h

            rg--泄放溫度下液體相對密度(相對于20℃水);

            PmP2--高泄放壓力,出口壓力,MPa(表);

            KF--流量系數(shù),應由制造廠提供,需要進行估算時,取KF=0.65;

            Kb--背壓校正系數(shù),對于普通型安全閥,Kb=1,對于波紋管式安全閥,一般由制造廠給出Kb值,必要時,可從表4-3-1查得。

             4-3-1    波紋管式安全閥Kb

     

    P2/Pm

    0.15

    0.20

    0.25

    0.30

    0.35

    0.40

    0.45

    0.50

    Kb

    1.0

    0.97

    0.92

    0.87

    0.82

    0.77

    0.72

    0.67

     

        Km--粘度校正系數(shù)   可從表4-3-2查得

                4-3-2     粘度校正系數(shù)Km

     

    粘度

    mm2/s

    35

    3670

    71140

    雷諾數(shù)Re

    60

    100

    200

    400

    1000

    2000

    3800

    10000

    80000

    Km

    1.0

    0.90

    0.75

    Km

    0.45

    0.60

    0.75

    0.85

    0.91

    0.935

    0.95

    0.975

    1.00

        根據(jù)雷諾數(shù)Re選取Km值時,需要先按非粘性介質(zhì)(Km=1)用式4-3-1確定噴嘴面積,再從有關制造廠的樣本中選取接近或稍大的噴嘴面積的安全閥,按式4-3-2計算雷諾數(shù)

        式中m--流動溫度下介質(zhì)的粘度,MPa·S(其值與厘泊相等);

            Ao--初選的安全閥噴嘴面積,cm;

           其它符號見前。

        根據(jù)計算的雷諾數(shù)從表4-3-2查得Km值,再按式4-3-1計算校正后的噴嘴面積。如果校正后的噴嘴面積大于初選的噴嘴AO,則需選用較大Ao的面積重新進行計算,直到基本一致為止。    

    4.4  液體膨脹時噴嘴面積計算  可按式4-4-1計算:

        式中GL--液體膨脹的泄放量,m3/h;

            其它符號相同。

    4.5  介質(zhì)為氣液兩相流體   可按前述方法分別計算氣體和液體排放所需的噴嘴面積,再將兩者相加即為安全閥噴嘴的總面積。與本文相關的論文有:安全閥定期檢驗辦事指南