В статье рассматриваются простейшие случаи критического течения жидкостей в регулирующей арматуре, на примерах поворотных и подъёмных клапанов приводятся результаты расчета гидродинамического шума в зависимости от различных параметров процесса и геометрии проточной части арматуры, а также показана эффективность применения радиальных антикавитационных затворов для технологических позиций с высоким расчетным уровнем шума.
По мере интенсификации технологических процессов всё большее количество регулирующей арматуры окончательно выбирается исходя из требований к уровню генерируемого шума при дросселировании рабочих сред. Данный подход применяется не только для процессов с газообразными средами, но и в случае течения жидкостей с большим рабочим перепадом, когда высокая скорость потока приводит к возникновению критических процессов.
При выборе регулирующей арматуры высокое значение расчетного уровня гидродинамического шума показывает, насколько состояние дросселируемого потока отличается от субкритического турбулентного и каков уровень кавитации внутри регулирующего клапана. Технологические позиции с вскипающими рабочими средами не рассматриваются в данной работе из-за отсутствия корректной методики расчёта шума, а также из соображений приоритетности выбора арматуры исходя из скоростей жидкой и паровой фазы в случае вскипания жидкости в клапане. На рисунке 1 приведены типичные зависимости уровня шума в регулирующей арматуре, вычисленного по стандартной методике IEC 60534-8-3, встроенной в программу расчёта арматуры ValSpeQ, от рабочего перепада давления.
Как для односедельного клапана серии 21000, так и для сегментного серии 35002 графики содержат участки с квазилинейным ростом шума, достигающим максимального значения. Начало этих участков со значением шума около 65 дБА разграничивает субкритическое и критическое течение среды. В каждом рассматриваемом клапане, начиная с соответствующего перепада, зарождается кавитация, что и демонстрирует резкий рост шума. В зоне рабочих перепадов, отвечающих максимуму шума, кавитация приобретает полномасштабный характер, приводящий к повреждению оборудования. Участки спада значений шума в зоне максимальных рабочих перепадов характеризуют переход критического процесса внутри арматуры от кавитации к вскипанию, сопровождающемуся значительным снижением уровня шума. Следует отметить, что после возникновения вскипания шум медленно возрастает, характер зависимости можно оценить по участку субкритического течения (до 65 дБА).
Геометрия затворной части регулирующего клапана, очевидно, влияет на величину рабочего перепада, достижение которого приводит к возникновению критического процесса – в рассматриваемом примере применение односедельной арматуры серии 21000 на перепаде 8 кгс/см2 ещё не позволяет жидкости кавитировать, тогда как сегментный клапан с направлением среды «на закрытие» уже подвержен воздействию локальной кавитации, а расчётная величина шума для него превышает приемлемый уровень в 85 дБА. И, наоборот, одинаковое значение шума достигается в арматуре различных конструкций на существенно разных рабочих перепадах давления.
Не стоит, однако, полагать, что процессам с небольшими рабочими перепадами всегда соответствуют низкие уровни шума. На рисунке 2 представлена зависимость гидродинамического шума от условного диаметра арматуры, открытой наполовину от номинальной пропускной способности, притом скорость рабочей среды выбрана заведомо безопасная, а в целом, процесс докритический.
Эта зависимость прослеживается и для газообразных сред – больший клапан создает больший шум при одинаковых условиях дросселирования. Эффект масштаба также показывает, что и субкритическим процессам свойственны высокие значения гидродинамического шума.
При расчете арматуры, работающей в некотором диапазоне перепадов давления, распространенным заблуждением является применимость арматуры исходя из низкого расчётного уровня шума при максимальной величине рабочего перепада. Однако из данных рисунка 1 видно, что одинаковые значения шума для каждой конструкции арматуры соответствуют двум рабочим перепадам давления, например, величина 85 дБА для односедельного клапана достигается при дросселировании на рабочих перепадах 13 и 20 кгс/см2. Если арматура применяется в этом диапазоне рабочих перепадов, а расчёты шума велись только для крайних значений, то в случае промежуточного режима дросселирования с пиковым шумом более 90 дБА под вопросом может оказаться надёжная работа клапана.
К похожим ошибкам могут приводить и расчеты технологических позиций, в которых жидкость дросселирует с большим разбросом рабочих температур. Связано это, разумеется, с зависимостью от температуры давления насыщенного пара жидкости, а соотношение давления насыщенного пара с входным и выходным давлением в клапане с конкретной геометрией потока в свою очередь влияет на наличие и интенсивность кавитационного процесса.
Типичным примером жидкости, дросселирование которой осуществляется в широком диапазоне рабочих температур, является аммиак.
На рисунке 3 процессы с различным рабочим перепадом dP по-разному характеризуются шумом в зависимости от температуры: процесс с наибольшим перепадом давления до перехода к вскипанию постоянно имеет неприемлемый расчётный уровень шума более 95 дБА, в то время как величина шума на процессе с наименьшим рабочим перепадом существенно растёт с увеличением температуры и имеет ярко выраженный максимум, выходящий за пределы допустимых значений. Следовательно, вычисление гидродинамического шума только на границах температурного диапазона значительно упрощает физическую картину течения среды, а опасные с точки зрения надёжности арматуры промежуточные режимы работы остаются без внимания инженера.
Ограничение шума, генерируемого клапаном до приемлемого уровня 80-85 дБА, оказывает подчас существенное влияние на выбор типа арматуры и конструкцию её затвора. Исходя из конкретных рабочих параметров может изменяться и материальное исполнение отдельных внутренних деталей.
Распространённым решением для позиций с критическим течением жидких сред является применение подъемных клапанов с радиальными антикавитационными затворами. На рисунке 4 показана эффективность использования такого подъёмного клапана в сравнении с сегментным клапаном аналогичного условного диаметра и пропускной способности при различных перепадах давления.
В данном случае подъёмный клапан имеет расчётный шум ниже безопасного значения при любом перепаде давления, а сегментный клапан перестаёт быть удовлетворительным выбором исходя только из уровня шума на перепаде 11 кгс/см2.
Таким образом, практика расчета и выбора арматуры показывает:
• максимальная величина гидродинамического шума достигается в кавитационном режиме течения среды и существенно зависит от геометрии проточной части арматуры;
• низкое относительно максимального значение гидродинамического шума не означает, что процесс близок по условиям к субкритическому течению, он может по рабочим параметрам соответствовать переходному к вскипанию среды режиму;
• решение о применении радиального антикавитационного затвора, снижающего шум на 15-30 дБА, следует принимать не только исходя из расчетного уровня шума, но и учитывая такие факторы как: рабочий перепад давления, скорость рабочей среды, близость значений давления насыщенного пара и выходного давления клапана. При определённом сочетании обстоятельств оптимальным выбором станет радиальный затвор не с одной, как на рисунке 4, а с двумя ступенями снижения давления.
