5多相流
5.1一般
多相流的控制阀尺寸理论远不如单相流体的控制阀尺寸理论发达。纯液体或气体流量控制阀的通径可以使用现有的基于流动动力学和阀门特定通径系数的标准通径方程来实现。当控制阀为两相流(通常是液体和气体流体的混合物)调整尺寸时，没有普遍接受的标准方法。这是因为在两相流中，液体和气体不能同时在数学上简单而准确地描述。此外，实验研究还需要使用不同类型的阀门对不同种类的混合物和质量分数进行大量的试验。由于这个原因，不可能对多相流的阀门进行与单组分流相同的精度测量。
本节的大部分内容集中于特定多相流体(即纸浆)的尺寸控制阀。Valmet的流量控制业务线在确定通过控制阀的纸浆流量行为方面做了大量的基础研究。作为这项研究的结果，本手册现在介绍了一种浆料流量控制阀的尺寸控制方法。这种方法适用于所有类型的旋转控制阀。
5.2液气两相流
这里提出的方法是基于均匀流动理论，该理论假设液体和气体以相同的速度移动，并均匀混合。该方法适用于以下两种两相流情况:
案例1:单组分两相流(如蒸汽和液态水)
案例2:双组分两相流(如原油和天然气)。
分级方程
均匀流动理论是基于两相混合物的密度和速度等平均性质。在确定了必要的平均特性之后，可以用与单相流的标准方程相似的方程来确定阀门的尺寸。
两相流的密度是用阀门上游两侧的两相密度来计算的。此外，当气体流经阀门时，必须考虑到气体膨胀。混合物的密度，我们称之为有效密度，可以用公式(77)表示。
扼流
目前对阻塞两相流的实验研究还不够，无法确定准确的终端压降。在控制阀定径时，末端压降近似是使用纯气体和纯液体的末端压降值的组合来实现的。当压降达到式(79)时，纯气体流动发生阻塞。
在所有流体都处于液相流动的情况下，当式(80)中的压降达到时，就会发生阻塞。当向流动中加入少量气体时，阻塞流压差发生变化，但仍与式(80)中的值相当接近。气体质量分数的增加将进一步改变产生阻塞的终端压降，但目前尚不清楚这在控制阀中是如何发生的。最后，当所有流体都处于气相时，如式(79)所示，阻塞将以压降开始。通过理论计算和流动试验确定了理想喷嘴的末端压降。结果表明，气液两相末端压降随气体质量分数的线性关系能够准确地描述阻塞两相流的末端压降。因此，可表示为式(81)。
当实际压降超过式(81)的值时，认为两相流为阻塞流，将式(81)中的压降用于阀门定径方程(78)，并计算膨胀系数Y，其中膨胀系数Y的最小值为Y最小值(= 0.667)。
精度
由于液体和气体两相流动的性质，用一个数学公式是不可能充分描述各种可能的流动形式的。这里提出的方法是基于我们所说的均匀流动理论，这种方法假设液体和气体的速度相同，并且它们完全混合。这是一种相当常见的流动类型，因此所描述的方法可用于许多两相流应用。
如果流的形式与所描述的类型不一致，那么定径的精度就会降低。管道中可能存在以下形式的流动:
液体和气体的相变、液体的汽化或气体凝结成液体，使得计算质量分数和有效密度变得困难。这些因素对上浆精度的影响在单组分两相流中尤其明显。当压力降低，温度几乎恒定时，液体趋于蒸发，因此蒸汽的质量分数和所需的阀门容量增加。另一方面，一种叫做亚稳态现象的现象倾向于“减缓”相变。在这种现象中，液体不会在收缩静脉中立即蒸发，尽管物质的热力学平衡会表明这一点。相反，蒸发只发生在静脉收缩之后。
质量分数对上浆精度的影响在蒸汽质量分数小的情况下尤其明显。例如，饱和7bara水和蒸汽混合物的质量分数从1%到2%的变化会导致混合物的比体积变化73%。这意味着所需的容量增加了约30%。另一方面，如果流量的质量分数从98%变化到99%，则混合物的比体积变化1%。在单组分两相流的质量分数不明确的情况下，可以将整个质量流假设为蒸汽流来检验尺寸。这保证了阀门的容量在所有情况下都是足够的。
噪音
目前还没有预测两相流噪声的方法。在实际应用中，两相流噪声的估计是非常困难的。根据经验可知，在纯液体流动中，例如空气与液体混合时，空化噪声较低。气泡减弱了空化气泡破裂所产生的压力波。
5.3 Pulpstock
造纸厂和纸浆厂使用大量的控制阀来控制纸浆的流量。由于选择过程决定了在控制阀和管道中“燃烧”的泵送能量，因此建造和运行该过程的成本在很大程度上取决于节流控制阀的尺寸和选择方式。浆料控制阀的正确选择决定了泵和管道的最佳尺寸选择。在过去，对于浆料流动行为中的所有不确定因素，泵和阀门的尺寸都被使用过大。粗略的修正系数被用来解释更大的容量(Cv)相对于水的要求。然而，新的研究对于预测浆料在控制阀中的确切表现还有很长的路要走。此外，它们还极大地帮助提高大小计算的准确性。以往的研究主要是为了评估稠度对管道流动的影响，结果表明，浆料流动行为高度依赖于流速，如图70所示。
当浆料的流速很小时，它在管道中流动，就像一个固体塞，并形成在塞和管壁之间旋转的“辊”。随着流速的增大，流动变为塞流，由于塞与管壁之间存在较窄的附面层，纤维不再接触管壁。在这一区域，尽管流速变化，但压力损失保持相对恒定，甚至与流速增加呈反比关系(图71中的不稳定区域)。随着流速的进一步增大，边界层厚度增大，边界层和浆塞表面开始出现湍流。髓栓的中心保持栓样。这就是所谓的混合流动。当流速进一步增大时，浆塞消失，整个流动截面变为湍流。
图71。纸浆和水的管道压力损失随流速的变化描述了不同流速下纸浆和水流量下管道压力损失的变化。
浆料流动的三种基本形式如图72所示。
图72。纸浆流动类型。
还要注意，在高流速下，如图71所示，纸浆的压力损失可以低于水的压力损失。
5.3.1纸浆研究
Valmet的流量控制专业人员已经通过控制阀对纸浆流量进行了2000多次测量。这些测试是在三种不同尺寸(50 mm/2"， 100 mm/4"和200 mm/8")的三种不同类型的四分之一转向控制阀上进行的。所用纸浆有漂白硫酸盐纸浆、热机械纸浆和回收纸浆。试验的结果是经验修正系数(k)，在附录J。系数k由式(82)确定。
注意，使用的是流速的修正，而不是所需C的修正v价值。这样做是为了用正确的通径参数来通径阀门l)和空化指数(z)，两者都与控制阀的实际开度有关。
结果发现，不同通径控制阀和不同四分之一旋阀类型的结果差异不显著，这证明了对每种类型的纸浆使用一组校正曲线是合理的。修正系数(k)为附录J国际单位和美国单位。
5.3.2控制阀的浆料性能
在通过控制阀的浆料流量中建立了以下关系:
系数k随着压差的增大而增大。
系数(k)随着浆料稠度的增加而减小。
当稠度低于2%时，水流速和纸浆流速之间的差异很小，可以在没有校正系数(k)的情况下进行施胶，只需使用水施胶方程。
压差对纸浆流动的影响
浆料控制阀上的压差对修正系数k的影响最大。特别是，非常小的压差需要大的修正(=小的k值)。
稠度对纸浆流动的影响
试验清楚地表明了浆料稠度对校正系数的影响。当稠度在1.5%到2%之间时，浆料的性质很像水。当稠度增加到12%时，根据纸浆的类型，在较小的压差下，校正系数k的值可以在0.3 - 0.6范围内。这一发现对MC泵排放控制阀门的选择具有重要意义。为了允许较小的k系数，膨胀出口阀提供了更高的容量(Cv)比标准段阀。
阀门直径和阀门类型对纸浆流量的影响
阀门直径对修正系数的影响很小，即阀门越大，k系数越低。这种差异是如此之小，以至于在实际应用中，用于通径目的的校正系数可以对所有阀门通径保持恒定。在球阀、节段阀和蝶阀的k系数之间没有发现可测量的差异。因此，所有旋转阀类型的系数都是相同的。
其他因素对纸浆流动的影响
采用典型纸浆和造纸厂泵头常见的阀门进口压力进行了开发系数k曲线的测试。对于典型的纸浆和造纸厂环境，它们可以被认为是恒定的，与进口压力无关。使用不同纸浆原浆品牌的不同自由度因子样品进行测试。游离度的变化没有显著影响。
根据这些实验，k系数可以表示为压降、纸浆稠度和浆料类型的函数，具有足够的精度用于控制阀定径计算。
5.3.3制浆用控制阀定径
纸浆应用的控制阀上浆使用“等效水流量”和水上浆方程。“等效水流速率”由式(83)导出。
在计算了等效水流速率后，使用标准的IEC/ISA水施胶方程进行施胶，如第3章所述。
图73显示了典型工艺管道系统中10%机械纸浆控制阀的安装流量特性示例。
图73。10%浆料控制阀的安装流量特性。
图72显示，当阀门开度已经比较大时，如果阀门进一步打开，实际流量会减少。这种情况必须避免，以保持流体的流动控制的过程。
在上述情况下，我们建议将阀门的最大开度设置在55%左右，以保证过程的可控性，并使用带有扩展出口的阀门。当阀门最大开度设置为55%时，增大阀门开度，容量(Cv)的增加产生不断增大的流量。
5.4泥浆
液体和固体的典型两相流是湿浆液，液体和固体颗粒的混合物。如果颗粒尺寸太小，混合物长时间不分离，那么悬浮液就是浆液。悬浮液可以被视为非牛顿流体，其中基本的液体方程可以应用于计算悬浮液的“表观粘度”。
沉降浆是颗粒尺寸大于0.25毫米(0.01英寸)的悬浮液。这些可以作为液体来计算，只要可以假设这两相作为一种均匀的混合物流过控制阀，不同相的密度彼此接近，粘度足够小以保证有效混合。在这种情况下，将密度(ρ)作为有效密度(ρ)E)液体和固体的加权质量比。
悬液两相流动是一种复杂的流动类型，求解起来比较复杂。它包括计算“表观粘度”和确定必要的参数，以及考虑雷诺数的液体计算。计算的细节不在这里，但可从阀门制造商。
典型的干浆两相流是气体和固体的混合物。由于侵蚀和堵塞等机械问题，这种混合物很少被常规阀门控制。如果控制阀要用于干燥浆料，式(78)给出了最好的结果，尽管它有点保守。在这种情况下，式(77)中的有效密度取混合物的密度，其中液体被固体取代。