喷气消除瞬态真空

大多数操作人员都知道空气应该远离热交换器的冷却水供应管道。空气可以收集在口袋里,阻止流动,增加速度,增加系统电阻,减少有效传热面积,以及降低泵的性能。

听到故意向系统中注入空气有时是有益的,这可能会令人惊讶。空气喷射是一种有效的方法来减少或防止水锤的危害引起的短暂的真空吸尘器。本文将讨论为什么以及在哪里可以形成真空,以及如何调整注气阀的尺寸以防止出现问题。

如果管道中的压力下降到水的蒸汽压力(大约0psia[绝对压力]),水将开始蒸发。这是众所周知的完整的真空,“低的压力。空化,这是小气泡的内爆,将会发生,并可能导致管道和阀门内部损伤。延长蒸发可以让水蒸气收集到一个腔足以打破水柱。之后,当压力恢复或空腔内的蒸汽凝结时,水柱将暴力的结束很快恢复,产生大的压力冲击波。意外的真空条件也可能导致管道灾难性的内爆。

瞬态真空的形成

短暂的(即,短时间和暂时的)真空可以在操作模式之间的转换期间形成。当一个管的稳定流动的快速关闭阀,打断了压力在下游侧下降(向下浪涌),在上游建造(激增)。这产生负压脉冲(冲击波),往下游走,以及正脉冲,它向上游移动。这些压力脉冲声波速度旅行,并将传送回倒影阀时达到流分流(支管连接)或流面积的变化。

最终系统将迅速充满积极和消极的压力脉冲,旅行相加相减。脉冲的大小直接关系到流的创建速度变化量(即,(减速)当阀门关闭时。与负压脉冲相结合的降压可以暂时将某些区域的压力降到完全真空。同样地,一个快速停止的泵将产生一个大的下浪涌和压力脉冲将形成基于多快的泵减速时跳闸。

这些瞬态事件”的一种形式“水锤,“通过特征性的锤状噪声伴随剧烈的管道振动进行识别。在大多数情况下,水锤可以通过简单地减慢启动事件来防止。

不幸的是,这并不总是一种选择。例如,一些阀门在响应需求变化或部件故障时必须快速动作。

空气阀门

空气注入被认为是防止瞬态真空的最可靠的水击保护方法。空气将会提高管压力高达外部的压力,因此停止蒸发过程。之后,被截留的空气袋将起到弹簧的作用,以缓冲和防止两个分开的水柱之间试图重新连接的剧烈碰撞。在瞬态条件后,注入的空气可以安全地发泄。

许多空气阀的设计开发为目的的注入或释放空气。选项可以迷惑,他们经常被误用。然而,这些阀门通常分为三大类(图1):空气/真空阀,空气释放阀,以及组合阀。这些类别可以进一步细分为各种子设计。

1。气阀。空气阀主要有三类:空气/真空阀,空气释放阀,以及组合阀。资料来源:Michael Czyszczewski

空气/真空阀门。这些阀门有两种功能:当管道排水时形成真空时,打开以允许大量空气进入,并且当管道被填充时排出大量的空气。的气流,由一个大孔,通常控制范围的大小从1英寸到20英寸,但尺寸可达40英寸。当阀门处的管道压力下降到大气压力以下时,使用滴落浮子打开阀门以允许空气进入。当管道压力恢复并且水进入阀门时,空气被排出,提升浮子并关闭阀门。在正常情况下,当管道加压,阀门关闭了。这些阀门在管道灌装过程中容易砰然关闭,可以创建一个二级压力瞬态。两个子组的空气/真空阀门包括以下:

*真空断路器。这种设计是仅具有进气能力的变型。每当安装阀门的管道内的压力降到弹簧控制的破裂压力之下时,阀门就会迅速吸收大量的空气。当管道压力恢复时,阀门关闭,把空气困在里面。开闭压力约为-0.2psig(表压)。

*服务良好的空气阀。这些阀门旨在安装在垂直涡轮泵的排放处。小直径的阀孔用于在切断后允许空气进入泵柱,以防止形成二次瞬变。提供空气出口节流装置,以缓冲该空气在启动时的释放。

空气释放阀。水中的溶解空气含量平均为其体积的2%。当水被减压或加热时,这个“自由空气解决不了。当空气进入泵吸入口时,它也可能被带入水中。这些阀门使用浮子缓慢打开,并连续地清除自由和夹带的空气积聚。典型的孔径是1/16英寸到1英寸。这些阀门用于真空控制,并且它们不打算用于管道的排放和填充。然而,该阀通常被加到真空断路器中,以提供缓慢去除注入空气的方法。

组合阀。这些阀提供空气/真空阀和空气释放阀的功能。非砰击式组合阀具有额外的孔,当排出大量空气时,允许阀在两个阶段中轻轻关闭。这种阀门是一个显著的改善,强烈推荐标准设计。

重要的是,真空断路器的尺寸和位置要正确,因为他们的失败可能导致灾难性的管道故障。阀门开口(孔)直径决定了流量。通常遵循的尺寸确定方法在美国水厂协会(AWWA)手册M51中提供,以及阀门供应商目录。定径标准基于确定管道填充率,管道破裂流量,溶解气的浓度,管道坍塌压力。然而,没有提供用于瞬态真空控制的方程。作为本文的在线版本的一部分,可以下载用于确定孔口流量和直径的方程的摘要,瞬态真空形成的位置也在一个单独的表格中汇总(参见在这里在这里

评估暂时性和补救措施

水力瞬变导致真空的形成是复杂的;因此,它们最好使用许多商业不可压缩流管道水锤方案之一进行评估。该软件通过提供图形和动画能力极大地简化了设计过程,使得更容易理解和可视化系统液压。如果发现问题,然后,分析人员可以使用该软件对问题进行故障排除,并对任何需要的阀门进行尺寸。仿真软件帮助提供更多的确定性,即所有重要的瞬态事件都被充分评估,并且只有在必要时才安装正确类型的阀门。

例如,考虑使用垂直涡轮泵将水向上输送的情况,通过冷凝器到湖边的一个淹没的出口。在这个理论的案例中,通过快速作用的泵排出止回阀防止反向流动。图2显示了泵关闭后止回阀下游某个点的压力-时间历史。泵跳闸将导致突然下涌至完全真空,这造成了一些空化。当流量反转和止回阀关闭时,再次形成全真空压力。

2.瞬时压力峰值。泵跳闸后产生的压力显示出瞬态真空的产生。资料来源:Michael Czyszczewski

真空断路器阀门的位置。沿着管道长度的蒸汽形成曲线如图3所示。这些峰值表明在哪里可能需要真空断路器:泵排出量(A),泵和冷凝器(B)之间的中间高点,以及冷凝器出口(C)。真空断路器的作用高度局限于它安装的一般区域。评估每一个领域,一次一个区域,从最大蒸汽体积(B)的面积开始。

三。真空的位置。这里强调了沿着管道的位置,其中真空引起的空化产生蒸汽袋。大部分蒸发发生在泵和冷凝器之间的中间高点位置B。在C位置蒸发不明显。资料来源:Michael Czyszczewski

设置破裂压力。分析师应该进行两次稳态运行,一个与泵操作(初始状态),和一个泵(静息状态),获得建议的压力阀的位置。

如果初始状态和静止状态压力(在psig中)为正,将裂解压力设置为常压(0psig)。实际阀门将在大约0.25psid(压差)的压差下破裂,并在2psid时完全打开,但这种级别的细节不需要在模型中。如果最初的或静息状态的压力是负的,这可能表明虹吸的存在。故意使用虹吸效应来降低所需的泵浦功率并非罕见。如果在此位置放置真空断路器,虹吸将被打破。水柱将分离并试图从管道中排出。不建议在虹吸管上放置真空断路器,应该避免。

如果静止状态压力为负,真空断路器将打开并保持打开,直到系统重新启动并再次加压。为了更快地关闭阀门,需要低于静止状态压力的破裂压力。理论上,使用压缩弹簧来控制其打开压力的真空断路器应该是可调的。使用压力信号的电子操作控制阀也是可调的(但是在断电的情况下,没有备用电源就不可靠)。虽然可调性在理论上是可行的,作者没有发现任何商用空气阀促进其特点是可调的破裂压力。此外,许多软件程序通过使输入变得困难来阻止使用负破裂压力。因此,不建议指定除0psig以外的破裂压力。

孔的大小。真空断路器阀应该能够至少以真空腔形成的相同速率喷射空气。阀孔尺寸决定空气流量。标称阀门尺寸描述入口尺寸,不一样的孔的大小。

空气可以声波或亚音速流动。如果孔太小,声波流发生时,这限制了质量流速,声音很大,并防止阀门完全提高管大气压力。虽然可以防止气蚀,应避免声流。另一方面,这个孔太大可能没有任何操作问题,但是增加了阀门的成本。因此,指定没有声流的最小尺寸。

确定最佳尺寸的过程是比较计算机模拟压力和来自不同试验孔尺寸的气流结果。孔径为2的有效性,4,6,在图4和图5中显示了8英寸。2 - 4英寸试验表明哽咽的声音流,因为他们不能够提高大气管压力。6英寸和8英寸的试验表明,将获得全流量和大气压力。基于这些结果,6英寸的孔是最经济的选择。基于阀端连接的类型,孔径,和系统压力等级要求,可以从制造商的库存中选择合适的阀门。

4。真空压力。该图表显示了真空断路器孔径对提高管道压力超过全真空的影响。资料来源:Michael Czyszczewski

5。空气喷射流量。这个图表显示了不同孔径对真空断路器空气流量的影响。资料来源:Michael Czyszczewski

如果一个空气释放阀将提供真空断路器附件,该模型可以考虑其出口流道。然而,因为直到瞬态有效结束之后它才运行,流出孔口尺寸并不重要,并且通常不建模。阀门制造商提供简单的图表,根据集管尺寸和流量推荐使用哪种阀门。选择一个阀门的尺寸,该阀门的输出流量比真空断路器的输入流量低得多(大约2%),但足够高的疏散空气在合理的时间内。

垂直涡轮泵吸入。图3中的图表显示了在泵排出阀(A)上游形成的蒸汽腔。在垂直涡轮泵跳闸及其排出阀关闭之后,真空中会形成在该地区之间的关闭阀和泵吸入口。当水试图从泵中排出时,就会产生真空。水锤发生在启动时是否允许真空加速水柱进入封闭阀如图6所示。

6.泵吸真空。立式涡轮泵在关闭时可以经历真空。当泵重新启动时,真空会引起水锤。解决办法是在泵排出口附近增加一个井服务空气阀。资料来源:Michael Czyszczewski

在泵停机时注入空气将消除真空。然而,当泵启动时,必须除去注入的空气,否则空气将通过系统输送,引起问题的

井服务空气阀是专门为这种服务设计的。小直径的孔用于在切断后允许空气进入泵柱,以防止形成真空。在启动时,两级出气节流装置通过轻轻地释放空气,防止水柱撞击关闭阀。阀门制造商提供图表,根据在泵耗尽时泵曲线上显示的泵流量,确定要使用的最佳阀门。

其他考虑

模型的边界条件能否准确反映物理世界是至关重要的。在瞬态过程中,具有开放式排放的系统将经历管段的完全或部分重力排放。排水可以产生仅部分充满水的管段,或出口条件,改变从加压到大气。并非所有的商业软件都能够模拟移动和变化的边界条件。大多数软件都假设管道总是满的,并且流动是单相的。分析人员必须熟悉软件的建模限制,并使用合理的判断来确保考虑最坏情况。

真空断路器阀可能无法工作。室外阀门可能会结冰。即使部分真空也会导致管道坍塌。因此,部分管道可能经历一个短暂的真空如果空气阀门无法打开必须检查抗弯强度(指方程2表1中,在网上找到的)。如果发现问题,必须提高受影响的管段的强度。

这是说,自然界里是没有真空的。然而,如果您有适当位置和大小的阀门来注入空气和消除任何试图形成的瞬态真空,你可能会有不同的感觉。获得这种置信度的基本工具是利用计算机模拟。*

-米迦勒FCzyszczewski,体育mczyszczewski@asme.org具有40年的发电厂零部件设计和规格经验。