تحلیل اثر پره ها بر کاویتاسیون در شیرهای سوزنی

تحلیل اثر پره ها بر کاویتاسیون در شیرهای سوزنی:

یکی از پدیده های رایج در شیرهای کنترلی سوزنی ، کاویتاسیون است که باعث ارتعاش خط لوله ، ایجادسر و صدا، امواج ضربه ای ، سایش در سطح و کاهش دبی جرمی عبوری از شیر میگردد.شیر مورد مطالعه از نوع شیر سوزنی رینگ پره ای میباشد.پره ها با تغییر مسیر جریان عبوری از قسمت انتهایی شیر و پیچش آن به صورت حرکت مارپیچ ،موجب افزایش فشار محلی میشوند.در این تحقیق از طریق حل عددی تاثیر تعداد پره ها و زاویه کمبر پره ها بر شدت کاویتاسیون ، محل تشکیل کاویتاسیون و الگوی جریان بررسی شد. نتایج نشان داد که با نصب شدن یک ردیف پره در انتهای شیر سوزنی ، به میزان زیادی فشار پایین دست شیر سوزنی افزایش یافته و ناحیه تشکیل کاویتاسیون کاهش می یابد. تعداد پره ها تا 45 ، شدت کاویتاسیون با نرخ کمی کاهش می یابد. اما با افزایش تعداد پره ها بیش از این مقدار ،شدت کاویتاسیون به میزان قابل توجهی کاهش می یابد . همچنین با افزایش زاویه کمبر پره ها ، چرخش جریان به صورت حرکت مارپیچ ، افزایش یافته و شدت کاویتاسیون کاهش می یابد.در اثر افزایش تعداد پره ها و زاویه کمبر پره ها،ضریب جریان کاهش می یابد. کاهش ضریب جریان نشان دهنده افزایش تلفات انرژی در سیستم بوده و در طراحی شیر سوزنی باید لحاظ گردد. نقطه بهینه نمودار هزینه سیکل کاری،بیانگر بیشترین کاهش شدت کاویتاسیون با کمترین تلفات انرژی است. در شیرهای کنترلی معمولا کاویتاسیون قبل از اینکه فشار محلی به فشار بخار برسد شروع میشود.حباب های تشکیل شده ناپایدار هستند و با حرکت به سمت پایین دست شیر،فشار اطرف حباب افزایش یافته و در نهایت حباب ها میترکند. در نتیجه ذراتی از مایع از مسیر اصلی خود منحرف شده و با سرعتهای فوق العاده زیاد به اطراف و از جمله پره ها برخورد می نمایند. در چنین مکانی ،بسته به شدت برخورد،سطح پره ها خورده شده ومتخلخل می گردد. در این مقاله با استفاده نرم FLUENT6.3  تاثییر تعداد پره ها، زاویه کمبر پره ها ، دبی عبوری و میزان بازشدگی شیرسوزنی بر شدت کاویتاسیون ، محل تشکیل کاویتاسیون و الگوی جریان مورد تحلیل قرار گرفت.

هندسه ی مورد مطالعه :  شیر مورد مطالعه از نوع شیر سوزنی رینگ پره ای میباشد. حداکثر فشار کاری 25bar  و اندازه قطر اسمی آن 800mm می باشد. پره ها برروی یک رینگ ثابت در انتهای شیر نصب شده اند.باز و بسته شدن شیر از طریق حرکت رفت و برگشتی یک پیستون صورت میگرد و سیستم لنگ لغزنده توان حرکتی خود را از یک گیربکس دریافت میکند. مسیر حرکت پیستون بروی راهنمای پیستون انجام میگیرد که توسط رینگ آب بند ، آب بندی میشود. 

در شیرهای سوزنی بدون پره ،قسمت انتهایی شیر بعد از حدود 3 سال بر اثر پدیده کاویتاسیون ،تخریب میشود. در صورتی که در شیرهای سوزنی پره دار با زاویه کمبر 90 ،بعد از 8 سال قسمت انتهایی شیر تخریب میشود. بعد از این مدت شیر سوزنی تعمیر شده و دوباره مورد استفاده قرار میگیرد . در اثر زاویه کمبر زیاد ،افت انرژی سیستم بیشتر شده و هزینه انرژی افزایش می یابد.بنابراین هزینه تولید انرژی شیر سوزنی پره دار از شیر سوزنی بدون پره ،بیشتر خواهد بود. زمانی که این شیرها در سد ها مورد استفاده قرار میگیرند، انرژی مورد نیاز تا حد زیادی از آب های پشت سد تامین می گردد . اما در صورت استفاده از آن در شبکه آب رسانی، نیاز به نصب پمپ در شبکه می باشد. و هزینه انرژی اهمیت پیدا میکند. همچنین هزینه های دیگری همچون هزینه اولیه و هزینه تلفات تولید نیز از اهمیت زیادی برخوردارند. با توجه به موارد گفته شده می توان مجموع هزینه ها را به صورت هزینه سیکل کاری نشان داد.

نتیجه گیری: در این مطالعه پدید کاویتاسیون در شیر سوزنی رینگ پره ای به صورت شبیه سازی مورد مطالعه قرار گرفت. شبیه سازی عددی در چنین دبی جرمی و بازشدگی شیر و در زوایای کمبر و تعداد مختلف از پره ها صورت گرفت و نتایج زیر بدست آمد: 

در اثر وجود پره ها در انتهای شیر سوزنی،خطوط جریان به شکل مارپیچ در آمده و از سطح دیواره جدا می شوند. خطوط جریان کناره دیواره به سمت مناطق میانی حرکت کرده و حباب های ایجاد شده در نزدیک دیواره به نواحی پرفشارتر داخلی می رود.

با افزایش زاویه کمبر و پیچش جریان،ناحیه کم فشار نزدیک دیواره به سمت مرکز لوله حرکت کرده و فشار آن افزایش می یابد. در ناحیه پرفشار جدید،حباب های کاویتاسیون می ترکند و از بین می روند.

در زاویه کمبر 10 درجه یک ناحیه بزرگ کاویتاسیون در انتهای شیر سوزنی تشکیل میشود. در حالی که در زاویه 90 درجه این ناحیه به طور کامل از بین رفته و در لبه های پره ها مقدار ناچیزی کاویتاسیون شکل می گیرد.

با افزایش تعداد پره ها تا 45 ، شدت کاویتاسیون به تدریج کاهش می یابد اما با افزایش بیشتر تعداد پره ها ،کسر حجمی بخار شدیدا افت میکند.

در یک شدت جریان عبوری مشخص با افزایش تعداد پره ها ، ضریب جریان با نرخ کمی کاهش می یابد.

هزینه سیکل کاری در زاویه کمبر 70 درجه،به کمترین مقدار خود میرسد. این موضوع نشان دهنده ی بهترین نقطه ی عملکرد پره های شیر سوزنی می باشد.


اشتراک گذاری در