制御弁内のチョークフロー

チョークフローは、トリムや材料の仕様とともに、制御バルブのサイズに影響を与える可能性がある現象で、あまり理解されていません。 この記事はもともと InTech の 7/8 月号に掲載されたものです。

制御バルブ内のチョークフローは、産業ユーザーにとって深刻な懸念事項です。 この用語は通常、バルブの内部に損傷を与えたり、オペレーターを OSHA の制限をはるかに超える騒音レベルにさらす可能性のある破壊的なプロセス条件に関連付けられています。 チョークフローは常にこれらの状態の原因であるわけではありませんが、チョークフローがいつ発生するかを示している可能性があります。この記事ではチョークフロー現象について説明し、チョークフローが発生する理由と予測方法を示します。 また、チョークフロー状態がどのような場合に損害を与えるのか、またこの損害をどのように軽減または回避できるかについても説明します。

入口圧力 (P1) とバルブ流路面積が固定されている場合、通常、下流圧力 (P2) が低下すると、バルブを通過する流量が増加します。 図 1 の「理想」線はこの点を示しており、バルブ両端の差圧を比重で割った平方根に対してグラフ化したときに、液体の流れがどのように直線的に上昇するかを示しています。

液体用途では、制御要素による圧力低下の結果としてチョーキングが発生します。 図 2 は、液体が制御バルブを通過するときの瞬間的な圧力を示しています。 バルブの入口と出口の断面積は、ケージやプラグとシートの周囲の領域などの制御領域よりもはるかに大きくなります。 バルブ内のどの位置でも総流量は同じであるため、同じ流れを通過させるには、縮小領域 (大静脈) での液体の速度をはるかに速くする必要があります。

通常、チョークフロー自体がバルブに損傷を与えることはありませんが、チョークフローに関連して問題を引き起こす可能性がある次のような流れの状態が存在します。騒音レベル:チョークフローは直接ノイズを発生しませんが、通常チョークフローに関連するプロセス現象によって高いノイズが発生する可能性があります。 液体システムでは、チョーク流中にキャビテーションが発生する可能性があり、これによりノイズが発生し、最終的にはバルブが損傷する可能性があります。 下流の圧力が低下すると、キャビテーションがフラッシングに移行します。 キャビテーションは、マイクロジェットと衝撃波による崩壊する蒸気泡の爆縮により高い音圧レベルを持つ可能性がありますが、フラッシングでは、結果として生じる二相流により騒音が低減されます。蒸気流では、騒音が大幅に上昇します。速度が音速に変わります。 下流の圧力が低下すると、余分なエネルギーが音響エネルギーに変換されます。 過剰な圧力降下のバルブは、100 dB を超える騒音レベルを発生する可能性があります。 液体または蒸気の流れの場合、全体的な騒音レベルは通常、バルブ前後の差圧に関係します。 チョーキングが最初に現れたとき、ノイズが存在しますが、過度ではない場合があります。 下流側の圧力が低下すると、騒音が劇的に増加し、バルブの内部が損傷したり、オペレーターが危険な騒音レベルにさらされる可能性があります。フラッシングとキャビテーション:よくある誤解は、チョークフロー条件にはフラッシング条件が必要であるということですが、チョークフローはキャビテーション条件下でも発生する可能性があります。 図 2 に示すように、P2 圧力が液体の蒸気圧を超えるとキャビテーションが発生します。 これが起こると、泡は崩壊して液体に戻ります。 P2 圧力が蒸気圧未満のままである場合、液体はバルブを通過するときに沸騰して蒸発し、排出されるときに蒸気のままになります (図 3)。

多くのバルブ ベンダーは、チョーク流状態を予測し、ユーザーがバルブを正しくサイズ設定できるようにする制御バルブ サイズ設定プログラムを提供しています。 ただし、これらのプログラムの精度は入力データと同程度であるため、正しいプロセスおよびバルブ情報を入力する必要があります。流れのチョーキングの存在と程度は、関係する流体の物理的特性、流量、上流などの多くのプロセス条件に依存します。下流の圧力、プロセス温度、入口および出口の配管構成、さらには制御バルブ自体に関連する多くの詳細情報も含まれます。 圧力降下率、圧力回復係数、キャビテーション指数などの特別なパラメータは、キャビテーションやチョーキングがいつ発生するか、およびバルブが通過する流量を正確に予測するのに役立ちます。 各ボディ スタイルとトリムのパラメータは異なるため、各オプションを個別に評価して、特定の一連のプロセス条件下で安全に通過できる実際の流量を決定する必要があります。このようなサイジングの計算は、特に複数のトリム オプションが利用可能な場合、複雑になる可能性があります。したがって、オプションを評価し、アプリケーションに最適なソリューションを決定するには、バルブのベンダーに相談することが賢明です。

流れの詰まり自体は心配する必要はありません。 この混乱は、チョークドフローと、制御バルブに影響を与え、損傷を与える可能性のある多くのマイナスの現象との関連から生じています。 流れが詰まる可能性がある場合、またはバルブのサイジングや選択の進め方について懸念や質問がある場合は、バルブのベンダーに技術サポートをお問い合わせください。 通常、チョーキングがいつ発生するか、およびそのチョーキングがバルブのサイジングと選択に与える影響を予測するバルブサイジング プログラムを提供できます。 また、ユーザーが材料とトリム デザインの最適な組み合わせを選択して、損傷状態を軽減するのにも役立ちます。この記事は元々、InTech の 7/8 月号に掲載されたものです。

Katherine Bartels は、Emerson Automation Solutions の設計エンジニアで、カスタムの抗キャビテーション バルブに重点を置いています。 彼女はアイオワ州立大学で機械工学の学士号を取得し、エマソンに 6 年間勤務しています。アダム ハーモンは、エマソン オートメーション ソリューションズのシニア設計エンジニアで、蒸気調整アプリケーションのバルブに重点を置いています。 彼はアイオワ州立大学で機械工学の学士号を取得しており、エマーソンに 11 年間勤務しています。

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