El fluxo de massa de vapor que passa pela válvula aumentará em linha com a pressão diferencial até que uma condição conhecida como pressão crítica nos sistemas de vapor seja atingida. O princípio pode ser explicado observando como os bicos funcionam e como eles se comparam com as válvulas de controle.
Considere um orifício quase perfeito, como o bico convergente-divergente mostrado na figura a seguir:
Sua forma, se projetada corretamente para combinar as condições de pressão a montante e a jusante, e a condição do vapor fornecido, permitirá que ela opere com alta eficiência.
Este bocal pode ser considerado como o tipo de motor térmico, que transforma a energia térmica em energia mecânica (cinética). Ele é projetado para descarregar o peso necessário do vapor com uma certa queda de pressão e com perdas mínimas de turbulência e atrito.
Na seção convergente, a velocidade do vapor aumenta à medida que a pressão diminui, embora o volume específico do vapor também aumente com a diminuição das pressões. No início, a velocidade aumenta mais rapidamente do que o volume específico, e a área de fluxo necessária através desta parte do bico torna-se menor.
A um certo ponto, o volume específico começa a aumentar mais rapidamente que a velocidade e a área de fluxo deve ser maior. Nesse ponto, a velocidade do vapor será sônica e a área de fluxo é mínima. A pressão de vapor nesta área de fluxo mínimo ou "garganta" é descrita como a pressão crítica e a relação desta pressão para a pressão inicial (absoluta) é próxima de 0,58 quando passa vapor saturado através de uma válvula de controle.
Os sistemas de vapor pressão críticas varia ligeiramente de acordo com as propriedades do fluido, especificamente em relação às proporções de calores específicos cp / cv do vapor (ou outro fluido gasoso), chamado índice adiabático ou expoente isentrópica do fluido, símbolos 'n', 'k' ou 'g'. Com vapor superaquecido, a relação é de aproximadamente 0,55 e para ar de aproximadamente 0,53.
Para vapor saturado seco, usando a equação acima:
Obviamente, o fluxo de massa através da garganta de um determinado tamanho está no máximo nesta queda de pressão crítica nos sistemas de vapor. Para alcançar um fluxo maior, também:
- A velocidade teria que ser maior, o que só poderia ser alcançado com uma maior queda de pressão - mas isso também aumentaria o volume específico por uma quantidade ainda maior, ou:
- O volume específico teria que ser menor, o que só poderia ser o caso com uma queda de pressão menor, mas isso reduziria a velocidade em uma quantidade ainda maior.
Portanto, uma vez que a queda de pressão crítica em vapor na garganta da tubeira ou a "vena contracta" é alcançado quando um furo é usado, reduzindo ainda mais a pressão de jusante não vai aumentar o fluxo de massa através da dispositivo.
Se a queda de pressão em todo o bocal for maior que a queda de pressão crítica, sempre haverá uma pressão crítica nos sistemas de vapor na garganta. O vapor irá expandir-se depois de passar a garganta de modo que, se a área de saída tinha um dimensionamento correcto das válvulas de controle, a pressão necessária seria alcançada a jusante, na saída do bocal, e pouca turbulência ocorreria quando o vapor deixa o bocal a alta velocidade.
Se a saída do bico for muito grande ou muito pequena, ocorrerá turbulência na saída do bocal, reduzindo a capacidade e aumentando o ruído:
- Se a saída do bocal fosse muito pequena, o vapor não se expandiria suficientemente e teria que continuar a expandir-se para fora do bocal para alcançar a pressão necessária a jusante na zona de baixa pressão.
- Se a saída do bico é muito grande, o vapor irá expandir muito sobre o bocal e a pressão de vapor na saída do bico seria menor do que a pressão necessária, fazendo com que o vapor foram comprimidas de novo fora da saída na zona de baixa pressão.
A forma do bocal, que aparece na próxima figura, é suavemente contornada de modo que a veia contraída é produzida na garganta do bocal. Isto está em contraste com um buraco com uma borda afiada, onde a veia contraída é produzida a jusante do buraco.
o válvulas de controle Eles podem ser comparados com bicos convergente-divergente, porque ambos têm uma zona de alta pressão (válvula de admissão), uma zona convergente (a entrada entre o obturador da válvula e a sua sede), uma garganta (espaço mais estreito entre o disco e a sede), uma região divergente (a saída do tampão e do assento) e uma zona de baixa pressão (o corpo da válvula a jusante), como mostrado na figura a seguir:
Os bicos e válvulas de controle têm diferentes funções. O bico é projetado principalmente para aumentar a velocidade do vapor, a fim de produzir trabalho (por exemplo, girando uma lâmina de turbina), por isso é necessário que a velocidade do vapor deixando o bocal permaneça alta.
Em contraste, a válvula de controle é um fluxo de restrição ou dispositivo de estrangulamento, projetado para produzir uma queda de pressão significativa no vapor. A velocidade do vapor que sai da garganta de uma válvula de controle se comportará de maneira semelhante ao vapor que sai da garganta de um bico convergente-divergente; como aumentará à medida que o vapor se expande na área divergente entre o bujão e o assento imediatamente após a garganta.
Se a queda de pressão através da válvula for maior que a queda de pressão crítica, a velocidade do vapor aumentará para supersônica nessa zona, uma vez que a pressão aqui é menor que a da garganta.
Após este ponto, o vapor passa para a câmara relativamente grande envolvida pelo corpo da válvula (a zona de baixa pressão), que está a uma pressão mais alta devido à contrapressão imposta pelo tubo de ligação, causando a velocidade e a energia cinética cai rapidamente. De acordo com a equação de energia de fluxo estável (SFEE), isso aumenta a entalpia do vapor quase até a da porta de entrada da válvula. Uma ligeira diferença é devida à energia perdida pelo atrito quando passa pela válvula.
A partir deste ponto, o corpo da válvula converge para conectar o fluxo de vapor à saída da válvula e a pressão (e densidade) aproxima-se da pressão (e densidade) no tubo a jusante. Como esta pressão estabiliza, o mesmo acontece com a velocidade, em relação à área da seção transversal do orifício de saída da válvula.
A mudança relativa do volume através da válvula é representada pelas linhas pontilhadas no diagrama esquemático mostrado no gráfico a seguir:
Quando a queda de pressão através de uma válvula é maior que a crítica, o ruído pode ser gerado pela grande troca instantânea de energia cinética para energia térmica na zona de baixa pressão, às vezes agravada pela presença de vapor de velocidade supersônica.
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