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倒流防止器装置过流件结构与能量损耗分析

时间:2018-05-10 17:00来源:未知 作者:360期刊网 点击:

  倒流防止器装置过流件结构与能量损耗分析

  李豪,徐涵冰,郝波,孙心明,刘存,李志鹏

  (长沙理工大学能源与动力工程学院,湖南长沙410014)

  摘要:文章在论述止回阀构成的倒流防止器装置结构及工作原理基础上,分析各类止回阀流态与流阻关系,并根据各止回阀过流结构的流阻系数,进行能量损失分析与计算,提出单蝶板型倒流防止器装置具有显著的节能效果,是一种很好的止回阀倒流防止器装置过流部件。

  关键词:回流;能量损失;止回阀;流阻

  中图分类号:TU991.37 文献标识码:A 文章编号:1006-8937 (2010) 03-0070-03

  Analysis on structure and energy loss for overflow parts of

  anti-backflow units

  LI Hao,XU Han-bing,HAO Bo,SUN Xin-ming,LIU Cun,LI Zhi-peng

  (School of Energy and Power Engineering,Changsha University of Sience&Technolgy,Changsha 410014,China)

  Abstract:On the basis of the structure and the working principle in anti-backflow units made up of check valves, the relation be-tween the flow patterns and the flow resistance is analyzed, and the analysis and calculation on the energy loss are carried out ac-cording to the flow resistance coefficient of the check valve overflow structure, and bring up that the single disc type anti-backflow unit features the best significant saving energy and the best overflow parts of the check valve anti-backflow unit.

  Key words: backflow; energy loss;check valve; flow resistance

  1概述

  无论是环境保护、食品安全、水资源开发利用还是人类身体健康与社会和谐等当今社会的重要与热点问题,都与水有着密切的联系,特别是人们每天都离不开的饮用水,卫生检查要求越来越严格,所以对饮用水的处理及防污染问题是非常重要的。水厂送出的水一般来说需要在一系列处理后水质都必须达到了规定的水质卫生标准要求,并且在通过管网输送到使用者时也必须达到了规定的水质卫生标准要求,但实际上在输水过程中由于管网、阀门、配件材料污染及不洁水回流等原因使得水容易受到不同程度的污染。为保证人们生活用水的质量,除应保证管网、阀门、管件材料对输水不产生污染外,还必须防止输水管网中各种不洁水回流的污染。目前防止输水管网中各种不洁水回流的污染的方法是在可能产生不洁水回流的管道上安装一种叫做倒流防止器装置。但倒流防止器装置的安装对原管网而言增加了额外的能量损失,本文仅对目前各种倒流防止器装置过流结构与能量损失进行分析和计算,希望能对以后倒流防止器装置的开发应用有借鉴作用。

  2 倒流防止器装置的结构及工作原理分析

  倒流防止器装置是一种控制管道中流体只能单向流动的装置,其功能是在任何情况下防止管道中的流体回流,以达到避免回流造成污染的目的。止回阀是最简单的倒流防止器装置,各类型的止回阀,虽然具有控制液体单向流动的作用,但它并不具备完全防止水回流的功能。首先是阀的关闭需要一个过程,在这一过程中,已有不洁水回流;其次阀启闭装置或密封件受到损坏,就会彻底失去防止倒流的作用,所以单一的止回阀不是防止回流污染的有效装置。目前能有效防止回流的装置是采用双止回阀与一个泄流阀组成的一种组合结构,泄流阀装在两个止回阀之间(如图l所示)。其工作原理是利用流体流过第一止回阀时因弹簧阻力和过流水头损失而减压,使进口压力高于泄流阀腔的压力,而泄流阀膜片上部的压力为进口压力,膜片上部压力大于泄流阀腔和弹簧阻力,泄流阀维持关闭,流体正常流动,当进口压力与泄流阀腔的压力差小于一定值时,处于倒流的临界状态,这时泄水阀膜片上部压力小于泄流阀腔和弹簧的压力,泄流阀自动开启,将倒流流体排出管外,同时大量空气进入阀腔,形成空气隔断,杜绝流体回流,大于一定值时泄流阀自动关闭。阀后管网流体压升高超过阀前进口端流体压时,如第二止回阀密封完好,流体不会回流,此时泄流阀关闭不泄流,当第二止回阀密封失效产生渗漏时,泄流阀开启排放流体泄流。

  3 止回阀工作原理

  止回阀是能自动阻止流体倒流的阀门。止回阀的启闭装置在流体压差作用下开启,当进口一端压力高于出口一端时,流体从进口一端流向出口一端。当进口一端压力低于出口一端时,启闭件装置在流体压差、本身重力等因素作用下自动关闭以防止流体倒流。

  3.1止回阀类型及特性

  止回阀一般分为截止式、拍门式、旋转式及张开式等几种类型。

  ①截止式止回阀的结构一般与截止阀相似,其启闭件装置沿着通道中线作升降运动,动作可靠,但流体阻力较大,适用于轻小口径的场合。截止式止回阀分为直流式和斜流式两种。直流式截止止回阀二般只能安装在水平管路,而斜流式截止止回阀一般就安装在垂直管路。可做成缓闭式如多功能水力控制阀。

  ②拍门式止回阀的启闭件装置绕转轴作旋转运动,旋转00~900实现开启和关闭,流体阻力一般小于升降式止回阀,它适用于较大口径的场合。拍门式止回阀根据启闭件的数目可分为单门旋启式、双门式及多门拍门式三种。单门拍门式止回阀一般适用于中等口径的场合。大口径管路选用单门旋启式止回阀时,可做成能减小水锤压力的缓闭止回阀。双门拍门式止回阀适用于大中口径管路。对夹双门拍门式止回阀结构小、重量轻,是一种发展较快的止回阀;多门拍门式止回阀适用于大口径管路。

  ③旋转式止回阀有球式和蝶式,启闭件绕阀杆旋转00~ 90。实现开启和关闭。蝶式的结构类似于蝶阀、也有单蝶板、双蝶板之分,也能做成缓闭式,如管力阀、液力自动阀、旋球阀。其结构简单、流阻较小,水锤压力亦较小。适宜大口径场合。

  ④张开式止回阀有直合式和卷合式等多种结构形式,启闭件均采用橡胶制作,具有较好的低流阻性能,结构简单,成本较低,原来靠从国外引进,国内近年来推广应用较快。但张开式止回阀的使用温度和压力受到橡胶材料的限制,主要用于低压场合。

  3.2 止回阀过流部件及启闭装置

  流体流过不同类型的止回阀过流部件及启闭装置时,流体流态差别很大,其产生的流阻能量损失差别也很大。下面是几种倒流防止器装置采用的止回阀过流部件及启闭装置流体流态图(图2)。

  我们知道,绕流复杂则流阻大,从图2咨流态可直观看出,流体在止回阀中流动时,闸板型和蝶板型绕流简单,升降型、拍门型和斜截止型绕流复杂,闸板型止回阀结构密封并且其传动结构复杂,蝶板型、升降型、拍门型和斜截止型止回阀结构密封并且其传动结构相对简单。综合以上分析认为蝶板型是最好的一种止回阀过流部件。

  4 倒流防止器装置过流件结构能量损失计算

  以上分析可知,倒流防止器装置过流件结构由第一个止回阀过流件结构、中间泄流阀过流件结构、第二个止回阀过流件结构以及相互之间的过流过度联接空间组成。倒流防止器装置过流件结构能量损失可由各组成件能量损失相加而得。

  4.1倒流防止器装置过流件结构流阻系数

  过流件结构流阻系数是通过实验获得的,国内外很多科研单位、学者做了很多实验,编写出版了许多资料,为方便讨论与计算,根据参考文献,现将目前倒流防止器装置过流件结构有关流阻系数摘录。

  闸板式流阻系数最小,直通截止式流阻系数最大,这与前面流体流态分析是一致的。另外,从表2、表3可看出,同一种阀不同开度下的流阻系数差别很大,实际上倒流防止器装置在运行中就可能是运行在不同开度下,不可能都是在全开状态下,所以倒流防止器装置在运行中流阻可能很大导致能量损失很大。从以上各表可看出的单蝶板不同开度下的流阻系数除很小开度下较大外,50%以上各开度都不大。可以说,就实际倒流防止器装置运行而言,蝶板型也是最好的一种止回阀过流部件。

  4.2倒流防止器装置过流件结构能量损失计算

  倒流防止器装置能量损失按过流件结构能量损失计算,目前的倒流防止器装置过流件结构设计时,一般是采用相同的两个止回阀和一个泄流阀,泄流阀一般变化很少。在此,为比较倒流防止器装置能量损失,仅对两个止回阀的能量损失进行计算,并按各类止回阀倒流防止器装置全开状态时流体速度2 m/s时一年能量损失计。两个止回阀的能量损失按下式计算:

  E=2T一y QHj(kW.h)式中:T为时间(按一年8 760 h计);Q为流量,II13/S;^y为液体的容重,9.8N/n13。hj=C 2g式中:1J为通常指流过局部装置后的流速,m/s;f为单个止回阀流阻系数。

  倒流防止器全开状态年能量损失,结构 闸阀式单拍门式单碟板式直通截止式斜流截止式能量损失( kW -hl 141.2 528.2 387.3 1408.8 845.1从表4可知,直径150 mm各类止回阀倒流防止器装置全开状态时流体速度2 m/s时一年能量损失最大为直通截止式高达8596 kW-h,最小的闸阀式仅为120kW-h,二者相差近10倍之多。可见倒流防止器装置设计中节能潜力是很大的,而目前常用的是斜流截止式,斜流截止式直径150 mm年能耗也高达3 629kW-h。这是目前的情况。据前面分析已知,闸板型虽然能耗最小,但用于止回阀结构密封和传动结构复杂,目前尚不能用,而单蝶板式用于止回阀结构密封和传动结构简单,且能耗与斜流截止式相比也很低,仅为斜流截止式的45.9%,节能率54.1%,节能效果非常显著。可以说单蝶板式止回阀结构的倒流防止器装置是目前的最值得开发应用的一种节能型倒流防止器装置。

  5结语

  可用于构造倒流防止器装置的止回阀结构有多种型式,其能耗差别很大,应根据能耗大小来优选止回阀结构,目前应用的多为斜流截止式,从传动、密封及流阻等方面看,单蝶板式是一种好型式。代替斜流截止式节能效果非常显著,在今后设计开发中值得尝试。

  参考文献:

  [1]陆培文,孙晓霞,杨炯良.阀门选用手册[M].北京:机械工业出版社,2001.

  [2]陆培文,孙晓霞,邱晓来,实用阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社,2002.

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  [5]陈键明,虞之日,刘洋.DFQ型倒流防止器及其应用[J].给水排水,2004,30(12)

  [6]于培钢,倒流防止器及其在给水系统中的应用[J].四川建筑,2005,4(8).

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