泵相关实验流体实验台设计毕业论文.doc

流体综合试验系统试验台架设计第一章 前 言管道流体输送技术已经是工业上非常重要的一种输送手段。而且随着科学技术的发展，管道输送流体技术的应用范围正在扩大。为了研究流体在管道中的运输情况以及整个流体输送系统中各个环节的作用，所以进行本试验台的建设。本文重点讲述了流体综合试验系统的设计过程和实验系统设计完成以后所能完成的试验项目。同时从设计的角度介绍了输送设备和为输送设备提供动力的电动机、泵的相关知识，有助于选择符合设计要求的泵和电动机，了解泵的各种特性，并且可以进行普通的管道设计和方案论证。文章的主要内容分为三部分：驱动传动系统的设计、管汇系统的设计、数据采集系统的设计。在驱动传动系统的设计过程中我们不但介绍了泵、空气压缩机、电动机的选择，更重要的是在这些元件的选择过程之中介绍了它们的特性，如泵和空气压缩机的特性；管汇系统的设计包括流体综合试验系统试验台总体方案的设计、管道的设计以及其它管道附件的设计选择和安装。在数据采集系统中对以往的测量方式进行改进，除了直观仪表的数据采集以外，试验台还引进了压力传感器，使整个实验系统实现了计算机控制和数据的跟踪采集。文章以设计为主，同时也介绍了设计过程中经常要注意的问题，并对常用的管道设备进行了比较。目前长距离输油管道建设的规模大、投资多，往往是国家的重点工程，对国民经济发展有重大的影响。本实验系统是一个流体输送系统的模拟，虽然与工业的实际差异很大，但还是会为工业应用提供一些有用的参数，起到一些积极的意义。第二章 方案设计2.1 概述流体综合实验系统是一个可以完成多种关于流体的实验台，我们最终要使其能够完成以下实验： 泵的特性实验； 泵的串并联实验； 气液混输流型观测实验； 气液混输管道压降试验； 管道并联试验； 空气压缩机排气量的测定。2.2 实验描述2.2.1 泵的特性实验泵的特性实验包括以下几个性能实验： HQ性能实验； PQ性能实验； Q性能实验； Q性能实验。对于一台离心泵，当他的工作转速为一个定值的时候，其扬程H，轴功率P，效率，汽蚀余量都与泵的流量Q存在一定的关系，我们通常把用于表示扬程H，轴功率P，效率，汽蚀余量和流量Q之间关系的曲线称之为泵的特性曲线。由此可见流量这个参数在实验过程中起到一个重要的作用。我们必须通过对泵的流量的调节从而达到改变泵工况的目的。泵的性能实验是确定泵在规定转速下的扬程、轴功率、效率与流量之间的关系。通过实验，整理数据后绘制出扬程-流量，功率-流量的性能曲线。实验应从出口阀微开开始，逐步开大出口阀。按流量大小依次逐点测定，直至超出泵的最大工作流量的15%为止。测量点至少取13个以上，并比较均匀的分布在整个性能曲线上。1, 2通过调节泵出口的阀门来调整流量Q（m3/h），每调节一次分别记录流量、压力、转速、轴功率。通过计算求出实际的扬程H和效率。当测量的转速n与规定转速np 不符时，应按下式计算规定转速下的流量Q0、扬程H0和轴功率N0。Q0=Q ( np / n) （2-1）H0=H ( np / n)2 （2-2）P0=P ( np / n)3 （2-3） （2-4） （2-5）Pu=gQH （2-6）=Pe/P （2-7）Pe=gHQ/103 KW； （2-8） 图2.1 离心泵性能曲线根据测量流量与计算求得规定转速下的流量、扬程、轴功率，并按由小到大的流量顺序列成表格。图中的横坐标为流量，纵坐标分别为扬程、轴功率和效率。注意该性能曲线是在规定转速下的曲线。通常要在性能曲线图的左上角标明转速值。在泵的实验中测量压力的仪表主要有四种，分别是液柱计、弹簧式压力表、活塞式压力计、电气式压力计。我们由扬程的基本公式可以知道，在不知泵的扬程的情况下我们必须先测量泵的出入口的压强、流量、液位差以便计算求得扬程。泵的进出口压强我们在实验过程中利用压力表可以测量的出。由于泵的出入口管径一致在流量不变的情况下出入口的流速之间有一定的关系，液位差直接用刻度尺就可以测得，如此一来就可以算出泵的扬程。在我们的实验系统中除了直观的测量仪表以外我们还具有数字传感器，这样计算机可以捕捉到任意时刻泵的各种参数，同时可以绘制不同时刻泵的特性曲线。6同理，泵的转矩转速及轴功率也可以通过在泵与电动之间连接转矩转速测量仪测出。2.2.2 离心泵的串并联实验离心泵的串并联连实验是基于单泵的特性实验，它主要是反映了多台离心泵在串联或并联之后总的特性曲线于单泵工作时的变化。不论我们在完成单泵实验或泵的串并联实验过程所用的实验系统大致相同只是在操作上有些差异，在数字采集方面也是依不同情况下的流量为主要采集对象。在实际工作中，有时需要将泵并联或串联在管路系统中联合运行，目的在于增加系统中的流量或提高压头。泵的串并联可分两种情况，即性能相同的两台泵串并联或不同性能的两台泵串并联。本实验系统中是两台性能相同的离心泵之间的串并联，故我们只讨论相同性能的离心泵之间的串并联情况。2.2.2.1泵的并联两台离心泵从同一个液罐中吸入液体，由叶面到汇合点之间的阻力很小可以忽略不计。这样一来，两台泵并联之后的总流量等于两台泵在同一扬程下流量相加，即，。两台泵并联后的总性能曲线等于两台泵性能曲线在同一扬程下的各对应点叠加起来。在完成并联实验的时候具体操作如下： 起动前，必须打开泵的进口阀3，并将泵内注满水，把泵的出口阀10调至微开。打开电动调节阀。 检查泵的一般机械状态，泵轴必须可以自由转动。 检查电机、各类仪表仪器的准备情况。 起动电机，观察出口压力表是否有压力。若有压力，则打开出口阀门，水泵应立即出水。若没有压力，则表示泵体内还有空气，应停机注水。 水泵工作正常后，将出水阀10调至最大，检查各仪表的最大读数。 将微差压变送器的有关小阀门关闭和打开。 关闭阀门12，测量在该状态下的微差压的量。 打开阀门12（全部打开），测量该状态下的并联管线两端的微差压。并测量总管线的流量和单只并联管线的流量。 测量完毕后，将出水阀门调至微开，停止电机运行，切断电源。 将泵的阀门关闭。图2.2 实验系统流程图在实际的应用中我们发现，是不符合实际情况的，通常并联后扬程比单泵的时候提高了，而流量小于一台泵单独工作时流量的二倍。这是因为并联后管道阻力有流量的增加而有所增加，这就需要每台泵都提高它的养成来克服这个增加的阻力损失，相应的流量就减小了。由此可知，两台泵并联工作时，若管路特性越平坦，则并联后的流量就越接近泵单独运行时的二倍，从而达到增加流量的目的。若泵的性能曲线越平坦的话，并联后的流量就小于单独工作时的流量的二倍，因此，并联时泵的性能曲线应该陡一些为好。在本实验中可以发现，并联的泵数目越多期平均增加的流量越少，故并联台数过多并不经济。92.2.2.2泵的串联串联是指前面一台泵的出口向后面的一台泵的入口输送液体的方式，通常可以提高泵的扬程增加输送距离、减少泵站的数量或者通过提高扬程以增加流量的工况。两台性能相同的泵，根据水力原理，两台泵串联后的总扬程等于两泵在同一流量下单独工作时的扬程之和，即时，。两台泵串联后的总性能曲线等于两台泵性能曲线在同一流量下，扬程的各对应点叠加起来。在实际工作中，串联后的总扬程低于单独工作时扬程的二倍，而流量却达于单泵工作的流量。其原因是由于串联后的扬程提高了，但管路装置未变，多余的能量使流速加快，流量增加。在离心泵串联的时候，因后面的一台泵承受的压力较大，故应该注意其壳体的强度和密封问题。在启动和停泵的时候也要按顺序操作，启动前，应该将各串联泵出口阀都关闭，启动第一台泵以后再开启第一台泵的出口调节阀。然后启动第二台泵，再打开第二台泵的出口阀向管道供液。此外，与串联泵一起工作的管路特性陡直度大越能增大串联后的扬程。实际上几台泵串联工作相当于一台多级泵，而一台多级泵在结构上比多台性能相同的离心泵串联要紧凑得多，安装维修也方便。在完成泵的串联实验的时候，基本操作和注意事项与泵的并联差不多，只是在阀的开启上有差异，根据实验流程图可以发现我们在实验的时候应该关闭阀门1阀门3和阀门10，同时开启阀门2、阀门8和阀门9。这样即可实现两台泵的串联。在泵的串并联实验过程中我们只需要测出不同情况下的扬程和流量，并且根据上述内容进行比较就可以得出结论。92.2.3 气液混输流型观测实验流型观测实验是一个涉及气液混输的问题试验流体在管道中流动的过程中受的管壁对它的阻力，使管道中的流体在垂直管道的方向上流动形式有所不同，在气液混输的时候，流体中由于气液比的不同决定了流型的多种形式，在这个实验过程中我们通过改变气液比观测不同的流动形式。气液两相流流型的划分不能通过简单的雷诺数的大小来划分，通常通过观察气液两相在管内的流动情况并根据压力波动特征来确定流型。埃尔乌斯流型划分法较好地说明了气液两相流动的流型变化特点。埃尔乌斯把两相管路的流型分为气泡流、气团流、分层流、波浪流、冲击流、不完全环状流、环状流和弥散流等八种。按便于建立数学模型的原则，某些学者把两相流流型划分为： 分离流：包括分层流、波浪流和环状流。 间歇流：包括气团流和冲击流。 分散流：包括气泡流、分散气泡流和弥散流。19, 20图2.3 流体流型2.2.4 气液混输管道压力降试验如果要进行一个精确的压力降的计算，包括压缩性的影响，通常要求使用分步的方法。本试验系统包括气液混合相流体。气液混合相流体不是具有恒定的液气比，在不同的气液比下压力降的结果不尽相同。在任一个情况下压力降的计算包括增量或逐步的方法。通常计算步骤包括以下内容： 估计流气比和假设情况或给定压力、焓、流动情况下各相的物理特征； 确定流态； 计算气相流动时的压降； 计算两相流动压力降，通常可表示为气相流动压力降的函数。在试验的过程中我们使用差压计对气液混输后的管道压力降进行测量。19, 202.2.5 管道并联实验在测的不同情况下的流量和压强差的时候，我们经过比较可以发现，单管工作的时候，假设流量为，压强差为。在管道并联以后假设总流量为，压强差为,其中*2。这时有流体在管道中流动过程中受到阻力从而产生压力，压力降所管线的长度增加，因此在管道并联以后受到的阻力更大从而流量达不到单管工作时的二倍，压强差却大于单管工作时的数值。在实验操作时参考实验流程图，按照如下操作： 起动前，必须打开泵的进口阀3，并将泵内注满水，把泵的出口阀10调至微开，打开电动调节阀； 检查泵的一般机械状态，泵轴必须可以自由转动； 检查电机、各类仪表仪器的准备情况； 起动电机，观察出口压力表是否有压力。若有压力，则打开出口阀门，水泵应立即出水。若没有压力，则表示泵体内还有空气，应停机注水； 水泵工作正常后，将出水阀10调至最大，检查各仪表的最大读数； 将微差压变送器的有关小阀门关闭和打开； 关闭阀门12，测量在该状态下的微差压的量； 打开阀门12（全部打开），测量该状态下的并联管线两端的微差压。并测量总管线的流量和单只并联管线的流量； 测量完毕后，将出水阀门调至微开，停止电机运行，切断电源； 将泵的阀门关闭。在实验过程中我们需要对单管工作时和两条管道一起工作时的流量和压强差进行比较。这就需要此处不同工作情况下的流量和压强差。因此我们再次实验过程中要关注表2.1中的测量仪器。表2.1 测量仪器1151电容式差压变送器测量差压LUGB型涡街流量传感器测量流量 XSJ型流量仪测量流量LWGY型涡轮流量传感器测量流量XSF-40A型流量指示仪测量流量2.2.6 空气压缩机排气量测定活塞式压缩机排气管气流，呈脉动特性，且属于非稳定流动状态，为了消除或减少气流脉动的影响，在空气压缩机的排气管道上，因此在试验的过程中必须安装一个容器足够大的缓冲器，测量时，一般利用与压缩机成套的储气罐作为缓冲器。在储气罐后面安装压力调解阀，喷嘴节流装置和U型管压差计等，这样就可以进行压缩机排气量的测量，压力调解阀用以调节储气罐内的空气压力的大小。图2.4 压缩机排气量测量装置示意图测量空气压缩机的排气量，视被测压缩机的大小应使机器运转1.5-2小时以上，待参数稳定后方可进行。在试验过程中我们要记录以下数据： 喷嘴前后的压差值H； 喷嘴前后的温度t1； 测量地点的大气压P0； 压缩机的第一级吸气温度t0； 压缩机的实际转速n；根据上述五个数据由式2-11计算排气量Q，式2-12计算额定转速情况n下压缩机的排气量Q。Q = （2-11） （m3/min） （2-12）需要说明的是，上述公式为近似计算公式。当时及转速与额定转速相差不大时，可以使用上述公式。在试验开始以前盘车一周以上，注意是否有不正常的音响。检查润滑系统，油箱内油面高度，注油口注油。开机的时候要开启冷却水，打开压缩机启动开关，使储气罐的表压在两个大气压下，运行30分钟以上，待出口压力和温度稳定后开始测量，每种压力测量两次，每次间隔10分钟，调节储气罐阀门变化压力。测量完毕后，切断电源停车，关闭冷却水，做好结束清理工作。15, 182.3 方案设计与论证2.3.1 基本设计三个方案在设计的过程中都必须满足试验要求，并且受试验室空间的限制，方案基本差异不会很大。在三个设计方案过程中都包括以下内容。2.3.1.1供水该系统的水全部来自于水龙头，可根据实验的不同利用阀门22和23（以下描述以方案一为参考）分别为储水罐或搅拌罐提供水。真空罐的水可以由储水罐提供。储水罐中的水可以直接通过阀门10或11（关闭阀门2和12）进入循环系统，也可以先注入储水罐或搅拌管然后由阀门2或12（关闭阀门10和11）进入循环系统。2.3.1.2循环系统设计在整个实验系统中两个离心泵和螺杆泵可以同时工作也可以单独工作。阀门9和11可以使螺杆泵实现单独工作或者与离心泵并联。两个离心泵之间也可以单泵工作，也可以实现串联或并联，当阀门6和9关闭的同时打开阀门3和7可以实现两台离心泵的串联，此时系统中的流量不会变化但是扬程会大幅度提高，当阀门3、6和8开启且关闭7的时候量离心泵属于并联关系，此时系统中的扬程没有变化而流量会大幅度提高。同样的道理螺杆泵业可以通过阀门实现与离心泵的并联工作或单独工作。图2.5 方案一（详图见附录三）由几台泵出来的水可以直接回到真空泵（可改变真空泵的压强），也可以由阀门4或5通过并联管道，经过有机玻璃管回到储水罐。倘若在实验中只需要改变泵的入口压强时，通常可以关闭阀门4和5使泵出口的水直接经过阀门1回到真空罐，从而改变泵的入口压强。另外，有离心泵出来的水也可以回到搅拌罐（关闭阀门1、4、5、14同时开启阀门15、16）。螺杆泵与离心泵的循环基本相同，可以单独完成循环（关闭阀门11、9、15）也可以通过阀门4或5完成一个大的循环过程。在气液混输的时候有压缩机提供气体，压缩机提供的气体进入储气罐储存，然后通过阀门18进入整个系统并且伴随液体通过阀门19或20最终进入储水罐。图2.6 方案二（详图见附录四）2.3.1.3数据采集系统设计我们通过泵的性能曲线可以发现一台泵的扬程H，轴功率N，效率，汽蚀余量都与泵的流量Q存在一定的关系，因此在整个实验系统中流量的测量尤为重要，所以在所有泵以及压缩机的进出口处都有压力、真空表或流量计。在部分管道我们是用了涡轮流量计、涡街流量计、质量流量计等，并且在各种测量仪器的同侧都安装数字传感器实现AD转换，便于计算机对整个试验系统的控制。2.3.1.4管道并联设计在此实验系统中有两处实现了管道的并联，阀门4、5处和阀门19、20处。前者并联的目的在于完成管道的并联实验，证明管道并联后的压力小于原来压力的一半。后一种的目的在于选用不同精度、不同类型的流量计对进入有机玻璃管的液体流量有一个准确的数值，其中阀门19或20可以根据管道中流量的大小选择合适的流量计，从而提高实验的精确度。2.3.2 方案比较在设计过程中对所用的实验器材进行了详细的比较，见表2.2。图2.7 方案三（详图见附录五）几个方案的所用器材基本差不多，最大的区别在于方案一中多了一个储水罐，整个系统的正常运作不会受此储水罐的影响，从经济性考虑可以不要此罐，但是由于我们的试验系统要不定期的使用，为防止水的来源出现问题此罐必须要有。表2.2 方案所用器材比较方案一方案二方案三安全阀111闸阀171616止回阀444球型阀555储水罐100搅拌罐111真空罐111储气罐111离心泵222螺杆泵111空气压缩机111真空泵111压力表333真空表222有机玻璃管111涡街流量计222涡轮流量计111压力真空表111数字传感器999弯头779施工量稍大一般一般由于受试验室空间的影响我们在布局方面要多方考虑，方案一基本上利用了所有的实验室空间；方案二没有储水罐可能会在某一时刻因为供水问题不能使用；方案三虽然节省出来部分空间但弯头使用多，而且也不美观。经过综合评定，方案一更好一些。第三章 驱动传动系统的选择与设计3.1 概述流体综合试验系统的正常运行必须有稳定的动力系统，采用泵作为液体循环系统的动力源，利用空气压缩机提供压力气体。并且要有与之相匹配的电动机提供最基本的动力。3.2 泵、空气压缩机的选择本实验系统要求的最高压力为4MPa，最大流量为60/hr是一个低压输送系统，并且要完成泵的串并联。在系统中不能使用单一的泵。由于实验室已经提供了以下两种型号的泵可供选择IS 65-50-160式离心泵，J 35-2P-W112螺杆泵和WS-0.4/6型空气压缩机。根据系统所要完成的最大压强和流量可知两台泵在并联的时候，每台泵所要完成的流量为设计流量的一半。在串联的时候，两台泵同时工作时的扬程为单一泵工作时扬程的二倍。在试验过程中我们可以实现两台泵的串并联，而螺杆泵也在实验系统之中与两台离心泵共用整个管道系统，并且离心泵的扬程与管线内的压强没有直接关系，离心泵叶轮的外径和离心泵的转速才是真正影响离心泵扬程的主要原因。而螺杆泵是与管内的压强有关。并且管内的压强、阻力越大，螺杆泵所能提供的能头压强越高！因此，我们选用提供的IS 65-50-160式离心泵与J 35-2P-W112螺杆泵。表3.1 IS 65-50-160式离心泵性能参数型号流量扬程转速功率效率汽蚀余 量泵质量轴电机IS 65-50-16020/h32m2900r/min3.825.560%2m52Kg表3.2 J 35-2P-W112螺杆泵性能参数型号压强轴功率流量J 35-2P-W1121.61.2Kw20L/min实验系统要实现气液混输必须要选用空气压缩机为整个装置提供气体。实验系统贵定得最高压强为4Mpa，通常的设计压强都会比实际的压强高出很多，并且我们选用的螺杆泵已经提供了1.6 MPa的压强，因此所需气体压强也不是很高。实验室提供的WS-0.4/6型空气压缩机的参数如表3-3。表3.3 WS-0.4/6型空气压缩机性能参数主轴转速：634转/分排气量：0.4/分排气压力：7kg/c电机功率：3kw经过比较发现，此空气压缩机符合实验要求。一次我们实验系统选择此类型的空气压缩机。9, 153.3电动机的选择3.3.1 电动机类型的确定 电动机在本实验系统中主要是提供驱动力。通常的电动机可以分。a. 三相交流异步电动机；b. 三相交流同步电动机；c. 直流电动机减少化学和生化试剂的使用。 通常选用电动机的时候应该注意以下因素对电动机的影响和要求：a) 根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的起动、制动、运转、调速等要求，选择电动机类型；b) 根据负载转矩、转速变化范围和起动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力和起动转矩，合理选择电动机容量，并确定冷却通风方式；c) 根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯和腐蚀及易燃易爆气体等，考虑必要的保护方式和电动机的结构型式，确定电动机的防烃等级和防护等级；d) 根据企业电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压等级；实验室的电源为380V交变电流，因此不可能选择直流电动机。在我们的实验系统中泵的转速需要调节，不属于恒转速恒转矩，所以应该选择三相交流同步电动机，但是考虑的电动机的价格问题，决定选择三相交流异步电动机，在电动机的电源和电动机之间加入一个变频器实现调速。三相交流异步电动机是石化行业所用泵驱动的主要装置，它结构简单，运行可靠，维修方便，价格便宜，体积紧凑，启动操作也很简单。因此本实验系统所用电动机为三相交流异步电动机。3.3.2 相关参数的确定在确定电动机的功率时，功率必须留有一定的安全余量，即须大于轴功率，以免电动机超载，电动机功率可以根据计算功率确定。计算功率的表达如3-1式： （3-1）式中： 计算功率；轴功率；K安全系数。表3.4 安全系数K与轴功率的关系K1.2518.51.15551-15热轧钢管3.5-20-1520-12.5管子壁厚附加量按4-5式确定。=+ （4-5）式中： 管子壁厚负偏差附加量，单位mm；腐蚀裕度，单位mm；管子的加工减薄量mm。介质对管子材料的腐蚀速度毫米/年时（包括大气腐蚀），单面腐蚀取=1.5mm，双面腐蚀取=2-2.5mm。当管子外面涂腐蚀油漆时，可以认为是单面腐蚀，当管子内外壁有严重的腐蚀时，则认为是双面腐蚀。车螺纹的管子，即为螺纹的深度；如管子不车螺纹，则=0。关于55圆锥状管螺纹（YB822-57）得螺纹深度见表4.3 。表4.3 55圆锥状管螺纹深度公称直径（in）螺纹深度（mm）公称直径（in）螺纹深度（mm）11.47921.4791213 查化工管路手册冷拔无缝钢管的许用应力为： =1330kg/cm=13.3 kg/mm （4-6）由泵试验台最高工作压力2MPa得：P=4MPa=2/1.02=3.92kg/cm （4-7）由于选用无缝钢管所以=1， 由前面设计管子外径D=60mm，由于是冷拔（冷轧）钢管壁厚1所以 =-15%，由于管子单面腐蚀且腐蚀速度毫米/年，所以=1.5mm。由于出口管上有联接的弯头，其公称直径为2in 所以螺纹深度=1.479mm。则由式4-8知：= += （4-8）解得 =3.07mm3.5mm。所以管壁厚度符合设计要求。4.2 阀门的选择阀门是介质流通系统或压力系统中的一种设施，它用来调节介质的流量或压力，它可以通过改变其流道面积的大小来控制流体流量、压力和流向的一种机械。其重要功能是：接通和截面介质；防止介质倒流；调节介质压力、流量；混合或分配介质；防止介质压力超过规定数量，以保证管道或设备安全运行等。阀门的这些功能是靠调节阀门关闭件的位置来实现的。这种调节可用手工操，也可以是自动操作的，手工操作还包括用手工控制的驱动器的操作。4.2.1 阀门的分类阀门种类繁多，分类方法也很多，目前大致按照以下几种： 切断阀类、调节阀类、止回阀类、分流阀类、安全阀类； 按照驱动型式可以分为：手动阀类、动力驱动阀门类、自动类。 按公称压力来分类：真空阀门（工作压力低于标准大气压）、低压阀门（公称压力小于或等于1.6MPa）、中压阀门（公称压力为2.5MPa、4.0MPa、6.4MPa）、高压阀门（公称压力为10MPa到80MPa）、超高压阀门（公称压力大于或等于100MPa）； 通用分类法：闸阀、截止阀、止回阀、蝶阀、旋塞阀、球阀、夹管阀、隔膜阀、柱塞阀等。综合以上几种分法，通用分类法是既按阀门的工作原理和作用来划分，同时又考虑阀门结构上的区别，这是目前国内外最常用的分类方法。4.2.2 阀门选择的原则阀门的选用过程中我们通常会考虑以下几个方面： 阀门的功能 阀门用于控制介质的切断或流动。不同结构的阀门，其对介质切断和控制的性能是不同的。当阀门用于切断时，往往选用流阻较小，流道为直通的阀门。当阀门用于控制流量时，通常选用易于调节流量的阀门，这种阀门介质流经时的压降会较大。阀门的开度和流量之间有着密切的联系，流量受到阀门开度的影响。3图4.2 阀门的开度和流量特性图a) 输送流体的性质 阀门是用于控制流体的，而流体的性质各种各样，因此在我们选择阀门的时候必须了解流体的各种特性，本试验系统各种获得流体主要为清水，因此在阀门选择的过程中不用考虑流体中的其它物质对流动的影响或者是流体对管子的腐蚀作用。b) 阀门的尺寸 根据流体的流量和允许的压力损坏来决定阀门的尺寸。一般应与工艺管道的尺寸一致。c) 阻力损失 管道内的压力损失有相当一部分是由于阀门所造成。有些阀门结构的阻力大，而有些小；但各种阀门又有其固有的功能特性。同一种形式的阀门有的阻力大，有的阻力小，选用时要适当考虑。d) 温度和压力 应根据阀门的工作温度和压力来决定阀门的材质和压力等级。在我们的试验台设计过程中根据整个管汇系统的需要，我们主要会选择闸阀、止回阀、球阀和安全阀。闸阀主要是控制流体的流动路线，止回阀又称逆止阀或单向阀，其作用是防止管道中介质倒流。止回阀属于自动阀类，其启闭动作是由介质本身的能量驱动的，为了安全起见，选用一个安全阀，防止管内压强过大时给系统带来破坏。12, 134.2.3 阀门类型的选择下面简单介绍一下我们试验系统中将用到的几种阀门。4.2.3.1 闸阀闸阀是指启闭（闸板）由阀杆带动，沿阀座密封面作升降运动的阀门，可接通或截断流体的通道。闸阀流动阻力小，启闭省力，广泛用于各种介质管道的启闭。当阀门部分开启时，在闸板背面产生涡流，易引起闸板的侵蚀和震动，也易损坏阀座密封面，修理困难，因此，闸阀一般不作为节流用。闸阀有楔式闸阀和平行式闸阀两种。阀板是闸阀的启闭件，闸阀的开启和关闭，密封性能和寿命，主要取决于闸板，是闸阀的关键零件。自动密封闸阀的操作特点是阀门关闭时，是依靠介质压力将闸板压向阀座一侧来保证密封。闸板面对正时，是阀门全关位置。其位置按阀板（即行程）确定。而强制密封闸阀的操作特点在于，阀门关闭时，必须使阀板向阀座施加压力。该压力可以保证闸板和阀座之间的密封面严格密封，是强制密封阀门的密封力。该密封力由阀杆螺纹的自锁作用保持。为了向闸板提供密封力，阀杆螺母传递转矩要比阀门操作过程的转矩大。所以强制性阀门全关位置是按阀杆螺母所受转矩确定。一般情况，阀门开度在10%以上时，阀杆的轴向力（即阀门所需操作转矩）变化不大。当阀门开度低于10%，由于流体的节流，闸板前后压差增大。该压差作用在闸板上，使得阀杆需要较大的轴向力。弹性闸板的闸阀，在接近关闭时，所需操作转矩比刚性闸板的闸阀较大。 图4.4 闸阀图4.3 平行式双闸板闸阀 4.2.3.2 止回阀止回阀的开启和关闭靠介质流动的力量自行开启或关闭，以防止介质倒流，常用于需要防止流体逆向流动的场合。止回阀常安装在泵和压缩机的出口，以使多个泵或压缩机并联时、防止备用泵或压缩机的反转；止回阀还用在管道其压力可能超过主系统压力的辅助系统提供补给的管路上。为了防止介质反流，止回阀的关闭有一定的速度要求，需根据管线的具体情况来决定关闭速度。止回阀的结构主要有旋启式、升降式和蝶式三种。旋启式止回阀有单辩式、双瓣式和多瓣式三种；升降式止回阀有球形止回阀、活塞式止回阀、底阀等多种结构；蝶式止回阀为直通式。以上几种止回阀在连接上可分为螺纹连接、法兰连接和焊接。止回阀在安装的时候需要注意下列事项：a) 止回阀在安装管线上不应该受到载荷，大型止回阀需要有独立的支架。b) 安装时介质流向需于阀体上所示的介质流向一致。c) 特别要注意选用的升降式止回阀是适用于垂直管线或水平管线，与现场工矿是否符合。d) 止回阀需要经常维护，故安装的时候要考虑将来拆卸的方便和拆卸止回阀对整个管汇系统的影响。c 压紧式止回阀b 升降式止回阀a 旋启式止回阀图4.5 几种止回阀4.2.3.3 球阀球阀是由旋塞阀发展起来的，是一种新型截断阀。其启闭件是一球体，围绕阀体的垂直中心线作旋转运动。球阀有浮动球式球阀和固定球式球阀两种。 浮动球式球阀的球体是可以浮动的，在介质压力作用下球体被压紧到出口侧的密封圈上，从而保证了密封。浮动球阀的结构简单。单侧密封，密封性能较好。但其启闭力矩较大。 固定球式球阀的球体被上下两端的轴承固定，只能转动，不能产生水平位移。为了保证密封性，必须有能够产生推力的浮动阀座，是密封圈压紧在球体上。其结构复杂、外形尺寸大。但其使用寿命长，启闭省力。适用于较大口径及压力较高的场合。球阀以较小的预紧力实现初始密封，然后借助于介质压力，推动球体在阀座上施加附加压力，提高了密封性能，所以只要阀座的变形在弹性范围内，介质压力越高，密封效果越好。直通球阀用于截断介质，三通球阀可改变介质流动方向或进行分配。球阀启闭迅速，便于实现事故紧急切断。由于节流可能造成密封件或球体的损坏，一般不用球阀节流。全通道球阀不适用于调节流量。图4.6 浮动球式球阀 图4.7 固定球式球阀4.2.3.4 安全阀安全阀是一种安全保护用阀。通过向系统外排放介质来防止管路或设备内介质图4.8 安全阀压力超过规定数值。安全阀属于自动阀，用于锅炉、压缩机、压力容器和管道等，防止其介质压力过高。安全阀的选用要求灵敏度要高，管道或设备中的介质压力达到开启压力时,安全阀应能及时齐启，当介质压力下降到回座压力时，安全阀应能及时关闭。并且应具有规定的排放压力，在额定的排放压力下，安全阀应达到规定的开启高度。在使用中应保证强度、密封及安全可靠。 安全阀是由阀体、密封结构(阀瓣和阀座)和加于密封结构上的荷载组成，其荷载形式又分为三种：重垂式（以重垂为荷载，直接加在阀瓣上）、杠杆重垂式（通过杠杆使重垂的载荷作用在阀瓣上。通常用于较低压力）、弹簧式（通过作用在阀瓣上的弹簧力控制阀的启闭。具有结构紧凑、体积小、重量轻和启闭动作可靠的优点）。4.2.4 阀门具体型号的选择4.2.4.1 根据管道内的压力为2.5MPa和管道的公称直径为50 mm，可选择Z41H型和H44H型阀。Z41H型是用法兰连接的刚性单闸板闸阀，材料为Cr13系不锈钢。H44H型是用法兰连接的旋启单瓣式止回阀，材料为Cr13系不锈钢。还有连接管道和仪表、传感器的小阀门，主要起保护做用，即当系统开启时这些阀门关闭，当流体流动稳定一些时再大开这些阀门，防止开始时的冲击力损坏仪表。考虑到要密封紧密，且操作简单，所以就用很简单的球阀。又因为连接管道的尺寸较小，所以就用螺纹连接这些球阀。4.2.4.2 为安全阀的可靠性直接关系到设备乃至人身的安全。而按照被保护设备的工作条件正确选用安全阀,是保证安全阀正常工作,甚至关系安全阀能否起到安全保护作用的先决条件。选用安全阀涉及两方面的问题:一方面是被保护设备或系统的工作条件。例如工作压力、允许超压限度、防止超压所必须的排放量、工作介质的特性、工作温度等等;另一方面则是安全阀本身的动作特性和参数指标。考虑到实验中的管径和压力等因素，本试验系统选择A47H-16型弹簧式安全阀。从下面的技术指标中，可以看出此型号符合本试验系统的应用要求（表4.4）。表4.4 A47H-16型弹簧式安全阀性能指标公称通径50mm流道直径40mm压力等级0.81.5MPa公