弹簧式安全阀的排量与开启高度
1、概述
弹簧式安全阀是高压系统(设备、容器管路)上的一种超压保护装置。当系统中的压力过分升高时,能够自动把过剩的液态、蒸汽态或气态的介质排放到低压系统或大气中去,以保证设备的安全运行和防止事故发生。阀门经过一段时间的排放,当统中压力回降到工作压力或者稍底于工作压力时,安全阀关闭(即阀门回座) 。
2、分析
从安全阀的工作过程分析,可以看出安全阀应具备以下4个条件。
(1)当达到额定排放压力时,应能迅速、可靠开启到额定开启高度,并排放出额定数量过剩的工作介质。
(2)在全开启状态下,安全阀应能稳定而无震荡地排放。
(3)安全阀在压力稍底于工作压力时关闭,且当随后压力回升到工作压力时,仍能满足被保护系统的密封要求。
(4)处于关闭状态时,安全阀应在工作压力下保证必需的密封性。
3、问题的提出
衡量一种安全阀性能的优劣,要从其密封性能、开启压力、排放压力、回座压力或启闭压差、开启高度、排量或排量系数和机械特性等方面考察,其中开启高度和排量是两个非常重要和必须考察的指标。一般认为开启高度达到了设计要求,排量也就达到了设计要求,因此相关阀门标准都对安全阀的开启高度作出了明确的规定。
(1) JB 2207-77中规定,微启式安全阀的开启高度为喉径的1/40～1/20,全启式安全阀的开启高度可以大于或等于喉径的1/4。
(2) GB 12243-89中规定,全启式安全阀的开启高度应不小于流通直径的1/4。带调节圈和不带调节圈的微启式安全阀的开启高度应分别不小于阀座口径的1/20和1/40。
(3)当介质压力上升到标准规定的排放压力的上限值以前,开启高度应达到设计规定值。对于给定通径的全启式安全阀,其偏差为平均值的±5%。
由此可以提出两个问题。
(1)对于微启式安全阀,由于其开启高度并不是很高,所以此时排放面积小于喉部截面积,排放通道为半封闭式,限制了介质的排出,此时排放量的大小与帘面积的大小有着密切关系。
(2)对于全启式安全阀,其开启高度达到了喉径的1/4或更高一些,排放面积等于或大于喉部截面积,排放通道为敞开式。排放通道本身并不阻碍介质的排放。此时排放量与帘面积的关系及对开启高度的控制应该予以考虑。
4、问题的讨论
4.1、拉伐尔喷管的工作原理
安全阀的阀座一般采用拉伐尔喷嘴。无论阀座的尺寸和角度如何变化,都可视其为一个典型的拉伐尔喷管,通常测试安全阀性能使用的介质是常温空气。当系统的压力逐渐升高,安全阀便开启直至排放。此时阀瓣达到最高开启位置。开启高度在阀瓣与阀座之间形成一个圆柱空间,其侧表面积(帘面积)大于等于阀座喉径的截面积。系统内的过剩压力通过阀座通道向外排放。此时可以认为是一种开放式排放。当安全阀稳定排放时,阀瓣处于最高位置,气体的进口(阀座的进口)与出口(阀体的出口)尺寸是固定不变的,整个通道是稳定的。当压力在某一瞬间为一定值时,其流动气体通过通道也是稳定的,即在通道的任何位置上通过气体的状态及流速都有确定的数值,气体通过通道的质量在单位时间内是相同的,不随时间而变化(图1) 。其稳定流动的连续方程式为
图1 介质流动方向
m =AV /υ (1)
两边取对数 lnm = ln (AV /υ)
lnm = lnA + lnV - lnυ
再微分 d A /A + dV /V - dυ/υ= 0
则 d A /A = dυ/υ- dV /V (2)
式中 m ———流量, kg/ s
A ———喉径截面积,m2
V ———喉径截面处的气体流速,m / s
υ———喉径截面处的气体比容,m3 /kg
式(1)表明当气体通过喷嘴时,流道截面、流速和比容三者变化的相互关系。喷管的作用是使气体通过时压力急剧下降,从而获得高速的气流。拉伐尔喷管前的压力P1是给定的, 在正常情况下, 流束的最小截面应与喷管的最小截面相吻合, 这样排出的流量才能为最大值。应该使向外排放的介质在喉径处达到音速,已获得最大的排放量。这就要求对安全阀的阀座进行合理的设计, 以取得最佳效果。由图2可以看出流量是随着出口处形成的背压力而变化的。当P2 = P1时, 喷管喉部的速度达到声速,并且在P2 进一步降低时流量保持不变。
图2 气体在拉伐尔喷管中的流动
