調(diào)節(jié)閥的特性及選擇

1、調(diào)節(jié)閥的特性及選擇調(diào)節(jié)閥是一種在空調(diào)控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的調(diào)節(jié)設(shè)備，分為兩通調(diào)節(jié)閥和三通調(diào)節(jié)閥兩種。 調(diào)節(jié)閥可以和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，或者和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。電動(dòng)或氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥安裝在工藝管道上直接與被調(diào)介質(zhì)相接觸，具有調(diào)節(jié)、切斷和分配 流體的作用，因此它的性能好壞將直接影響自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。本文僅限于討論在空調(diào)控制系統(tǒng)中常用的兩通調(diào)節(jié)閥的特性和選擇，暫不涉及三通調(diào) 節(jié)閥。1.調(diào)節(jié)閥工作原理從流體力學(xué)的觀點(diǎn)看，調(diào)節(jié)閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。對(duì)不可壓縮的流 體，由伯努利方程可推導(dǎo)出調(diào)節(jié)閥的流量方程式為式中：Q一流體流經(jīng)閥的流量，m/s；p 1、P2進(jìn)口端和出口端的壓力，M

2、Pa2A 閥所連接管道的截面面積，m;D-閥的公稱通徑，mm3P-流體的笞度，kg/m ;I 閥的阻力系數(shù)。可見(jiàn)當(dāng)A一定，P1-P2不變時(shí)，那么流量?jī)H隨阻力系數(shù)變化。阻力系數(shù)主要與流通面積即閥的開(kāi)度有關(guān)，也與流體的性質(zhì)和流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)的變化是通過(guò)閥芯行程 的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即改變閥門開(kāi)度，也就改變了阻力系數(shù)，從而到達(dá)調(diào)節(jié)流量的目的。閥開(kāi)得越大，I將越小，那么通過(guò)的流量將越大。2.調(diào)節(jié)閥的流量特性調(diào)節(jié)閥的流量特性是指流過(guò)調(diào)節(jié)閥的流體相對(duì)流量與調(diào)節(jié)閥相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系，即式中：Q/Qax-一相對(duì)流量，即調(diào)節(jié)閥在某一開(kāi)度的流量與最大流量之比；l/L 相對(duì)開(kāi)度，即調(diào)節(jié)閥某一開(kāi)度的行程與全開(kāi)

3、時(shí)行程之比。一般說(shuō)來(lái)，改變調(diào)節(jié)閥的閥芯與閥座之間的節(jié)流面積，便可控制流量。但實(shí)際上由于各種因素的影響，在節(jié)流面積變化的同時(shí)， 還會(huì)引起閥前后壓差的變化，從而使流量也發(fā)生變化。為了便于分析，先假定閥前后壓差固定，然后再引申到實(shí)際情況。因此，流量特性有理 想流量特性和工作流量特性之分。2.1調(diào)節(jié)閥的理想流量特性調(diào)節(jié)閥在閥前后壓差不變的情況下的流量特性為調(diào)節(jié)閥的理想流量特性。調(diào)節(jié)閥的理想流量特性僅由閥芯的形狀所決定，典型的理想流量特性有直線流量特性、等百分比或稱對(duì)數(shù)流量特性、拋物線流量特性和快開(kāi)流量特性，如圖5-6所示。QQmax圖5-6直通調(diào)節(jié)閥理想流量特性(1)直線流量特性直線流量特性是指調(diào)節(jié)閥

4、的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度成直線關(guān)系，即單位行程變化所引起的流量變化是常數(shù)。由此可見(jiàn)，直線流量特性調(diào)節(jié)閥在行程變化相同的條件下所引起的相對(duì)流 量變化也相同，但相對(duì)流量變化的相對(duì)值不同。即流量小時(shí)，相對(duì)流量變化的相對(duì)值大；而流量大時(shí)，相對(duì)流量變化的相對(duì)值小。也就是說(shuō)，閥在小開(kāi)度時(shí)控制作用太強(qiáng)，不易控制， 易使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩；而在大開(kāi)度時(shí)，控制作用太弱，不夠靈敏，控制難于及時(shí)。 等百分比(對(duì)數(shù))流量特性等百分比流量特性是指單位相對(duì)行程變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量成正比關(guān)系，即該點(diǎn)單位相對(duì)行程變化的百分?jǐn)?shù)與相對(duì)流量變化的百分?jǐn)?shù)相等，故稱為等百分比流量特性。等百分比流量特性的相對(duì)開(kāi)度與相對(duì)流量成對(duì)

5、數(shù)關(guān)系，故又稱之為對(duì)數(shù)流量特性。這種調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)是隨行程的增大而遞增，即在開(kāi)度小時(shí)，相對(duì)流量變化小，工作緩和平穩(wěn)，易于控制；而開(kāi)度大時(shí)，相對(duì)流量變化大，工作靈敏度高，這樣有利于控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定。(3)拋物線流量特性拋物線流量特性的調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度的二次方成比例關(guān)系。(4)快開(kāi)流量特性調(diào)節(jié)閥在開(kāi)度較小時(shí)就有較大流量，隨開(kāi)度的增大，流量很快就到達(dá)最大， 故稱為快開(kāi)流量特性。快開(kāi)流量特性的閥芯是平板形的，適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。2.2工作流量特性在實(shí)際使用時(shí)，調(diào)節(jié)閥總是與具有阻力的表冷器、換熱器、管道等相連接， 即使能保持供、回水壓差不變，也不能始終保持調(diào)節(jié)閥前后的壓差

6、恒定。因此，雖然在同一相對(duì)開(kāi)度下，通過(guò)調(diào)節(jié)閥的實(shí)際流量將與理想特性時(shí)所對(duì)應(yīng)的流量不同。所謂調(diào)節(jié)閥的工作流量特性就是指調(diào)節(jié)閥在前后壓差隨負(fù)荷變化的工作條件下，它的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系。(1)串聯(lián)管道時(shí)調(diào)節(jié)閥的工作流量特性直通調(diào)節(jié)閥與管道和設(shè)備串聯(lián)的系統(tǒng)及其壓差變化情況如圖5-7所示。式中： Pl調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)閥上的壓力降；P包括調(diào)節(jié)閥在內(nèi)的全部管路系統(tǒng)總的壓力降。顯然，隨著串聯(lián)阻力的增大，Pv值減小，貝UQ00會(huì)減小，這時(shí)閥的實(shí)際流量特性偏離理想流量特性也就愈嚴(yán)重。以Q00作參比值，不同Pv值下的工作流量特性如圖5- 8所示。圖5-8串聯(lián)管道時(shí)直通調(diào)節(jié)閥工作流量特性(以們皿為參比值)由圖5

7、-8可以看出，當(dāng)R=1時(shí)，理想流量特性與工作流量特性一致；隨著Pv的值降低,Q00逐漸減小，所以實(shí)際可調(diào)比R(R=Qa/ Qin)是調(diào)節(jié)閥所能控制的最大與最小畸變，也會(huì)逐 漸減??；隨著R調(diào)節(jié)閥安裝在串聯(lián)管道系統(tǒng) 中，串聯(lián)管道系統(tǒng)的阻力與通過(guò) 管道的介質(zhì)流量成平方關(guān)系。當(dāng) 系統(tǒng)總壓差為一定時(shí)，調(diào)節(jié)閥一 旦動(dòng)作，隨著流量的增大，串聯(lián) 設(shè)備和管道的阻力亦增大，這就 使調(diào)節(jié)閥上壓差減小，結(jié)果引起 流量特性的改變，理想流量特性就變?yōu)楣ぷ髁髁刻匦?。假設(shè)在無(wú)其他串聯(lián)設(shè)備阻力 的條件下，閥全開(kāi)時(shí)的流量為Qax,在有串聯(lián)設(shè)備阻力的條件 下，閥全開(kāi)的流量為Q00,兩者關(guān) 系可用下式表示：Q100 -QmaxPv式

8、中R為閥全開(kāi)時(shí)，閥上的壓差 與系統(tǒng)總壓差之比值，稱為閥權(quán) 度，也稱為閥門能力或壓差比， 即圖5-7管道串聯(lián)時(shí)直通調(diào)節(jié)閥壓差變化情況Pv =PlP值的減小，特性曲線發(fā)生畸變，直線特性閥趨于快開(kāi)特性，而等百分比特性閥趨于直線特性閥， 這就使得調(diào)節(jié)閥在小開(kāi)度時(shí)控制不穩(wěn)定，大開(kāi)度時(shí)控制緩慢， 會(huì)嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量。 因此，在實(shí)際使用時(shí)，對(duì)R值要加以限制，一般希望不低于0.3 0.5。(2)并聯(lián)管道時(shí)調(diào)節(jié)閥的工作流量特性調(diào)節(jié)閥一般都裝有旁路，以便于手動(dòng)操作和維護(hù)，當(dāng)負(fù)荷提高或調(diào)節(jié)閥選小了時(shí)，可以翻開(kāi)一些旁路閥，此時(shí)調(diào)節(jié)閥的理想特性就改變?yōu)楣ぷ魈匦?。圖5-井聯(lián)管道時(shí)直通調(diào)擊閥的工作特性(以為參比值

9、)可以得到壓差為一定而X值不同時(shí)的工作流量特性，如圖5-9所示。當(dāng)X=1,即旁路閥關(guān)閉時(shí)，調(diào)節(jié)閥的工作特性同理想特性一致；隨著X的減小，系統(tǒng)的可調(diào)比將大大下降。 同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中總有串聯(lián)管道阻力的影響，調(diào)節(jié)閥上壓差還會(huì)隨流量的增加而降低，使可調(diào)比更為下降。一般認(rèn)為X值不應(yīng)低于0.5，最好不低于0.8。3.調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比就是調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量與最小流量之比?？烧{(diào)比也稱可調(diào)范 圍，假設(shè)以R來(lái)表示，那么Qmax =-Qmin要注意最小流量Qin和泄漏量的含義不同。最小流量是指可調(diào)流量的下限值，它一般為最大流量Qnax的2 % -4%，而泄漏量是閥全關(guān)時(shí)泄漏的量，它僅為最大流量的

10、0.1 % -0.01%。3.1理想可調(diào)比當(dāng)調(diào)節(jié)閥上壓差一定時(shí)，可調(diào)比稱為理想可調(diào)比，即R_QmaxQmin也就是說(shuō)，理想可調(diào)比等于最大流量系數(shù)與最小流量系數(shù)之比，它反映了調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)能力的大小，是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所決定的。一般總是希望可調(diào)比大一些為好，但由于閥芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工方面的限制，流量系數(shù)Cmin不能太小，因此，理想可調(diào)比一般均小于50,我國(guó)規(guī)定在設(shè)計(jì)中理想可調(diào)比統(tǒng)一取30。R假設(shè)以X代表管道并聯(lián)時(shí)調(diào)節(jié)閥全開(kāi)流量Qi與總管最大流量Qmax之比，即XQi maxQmaxCJ maxCmin3.2實(shí)際可調(diào)比調(diào)節(jié)閥在實(shí)際工作時(shí)不是與管路系統(tǒng)串聯(lián)就是與旁路閥并聯(lián)， 隨管路系統(tǒng)的阻力變化或 旁路閥開(kāi)啟程

11、度的不同， 調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化， 這時(shí)的可調(diào)比就稱為實(shí)際可 調(diào)比。(1)串聯(lián)管道時(shí)的可調(diào)比如圖57所示的串聯(lián)管道，由于流量的增加，管道的阻力損失也增加。假設(shè)系統(tǒng)的總壓 差P不變，那么分配到調(diào)節(jié)閥上的壓差相應(yīng)減小，這就使調(diào)節(jié)閥所能通過(guò)的最大流量減小，所以，串聯(lián)管道時(shí)調(diào)節(jié)閥實(shí)際可調(diào)比會(huì)降低。假設(shè)用R表示調(diào)節(jié)閥的實(shí)際可調(diào)比，那么QmaxR =-CJ max1ARminQminCmin=R，、Plmin一PlmaxR min式中ARmax調(diào)節(jié)閥全關(guān)時(shí)閥前后的壓差，約等于系統(tǒng)的總壓差A(yù)P；APimin 調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)閥前后的壓差。由串聯(lián)管道時(shí)調(diào)節(jié)閥的工作流量特性可知,Plmin=R,即閥權(quán)度

12、。P那么R =R . Pv由上式可知，當(dāng)R值越小，即串聯(lián)管道的阻力損失越大時(shí)，實(shí)際可調(diào)比就越小。(2)并聯(lián)管道時(shí)的可調(diào)比在圖3 13所示并聯(lián)管道中，由于旁路流量的存在，相當(dāng)于提高了調(diào)節(jié)閥的最小流量Qmin。當(dāng)打開(kāi)與調(diào)節(jié)閥并聯(lián)的旁路時(shí)，實(shí)際可調(diào)比為：RQmaxQlminQQi minQi maxQmaxQi maxQi min可得:圖3-13并聯(lián)管道R3max，Q2= Qmax一QimaxX)Qmax因此R.QmaxQRR (i - R)X圖3-12串聯(lián)管道時(shí)的可調(diào)比從上式可知：當(dāng)X值越小，即旁路流量越大時(shí)，實(shí)際可調(diào)比就越小，由此可見(jiàn)旁路閥 的開(kāi)度對(duì)實(shí)際可調(diào)比的影響極大。由于R=30 50 1

13、,Q流體流量，m/ h;- 調(diào)節(jié)閥接管截面積，cm2;1閥前壓力，105Pa= 10N/cm2;2閥后壓力，105Pa= 10N/cm2; P閥兩端壓差，105Pa= 10N/cm2;P流體的密度，1g/cm3= 10N5 S2/cm4。把采用的單位量綱代人上式后可得到：P八，、廿、皿工八，、廿、皿,C稱為倜下閥的流通能力，又稱為倜下閥的流量系數(shù)。由于P1、P2和?的單位是105Pa,使用起來(lái)不方便，假設(shè)改為Pa作單位，而C仍用上式 計(jì)算，那么有：因此R11 XQmaxQmax-QimaxQmaxQ2上式說(shuō)明在并聯(lián)管道中調(diào)節(jié)閥的實(shí)際 可調(diào)比與調(diào)節(jié)閥本身的可調(diào)比近乎無(wú)關(guān)，由于調(diào)節(jié)閥的最小流量一般

14、比旁路流量小得 多，故其實(shí)際可調(diào)比實(shí)際上只是總管最大流 量與旁路流量的比值。綜上所述，串聯(lián)或并聯(lián)管道都將使實(shí)際 可調(diào)比下降，所以在選擇調(diào)節(jié)閥和組成系統(tǒng)時(shí)不應(yīng)使R值太小，并且要盡量防止翻開(kāi)并聯(lián)管路的旁路閥，以保證調(diào)節(jié)閥有足夠的可 調(diào)比。3.3調(diào)節(jié)閥流通能力調(diào)節(jié)閥流通能力是衡量閥門流量控制 的能力。其定義為：當(dāng)調(diào)節(jié)閥全開(kāi)、閥兩端 壓差為105Pa、流體密度為p=1g/cm3時(shí)，每小時(shí)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量數(shù)，以mi/圖3-14并聯(lián)管道時(shí)的可調(diào)比h計(jì)。從調(diào)節(jié)閥的流量方程式可知:式中APPQ*p25.09A P10堅(jiān)： 一A-令C =5.09卡，那么有：Q=CJ7。=余牌，即誓上式是P以Pa為單位，p以g/

15、cm3作單位時(shí)計(jì)算C值的根本公式。國(guó)際上常用的三種流量系數(shù)定義如表7-1所示。表7-1流通能力C的定義符號(hào)定義相互關(guān)系C給定行程下，溫度為5C 40C的水，閥兩端壓差為1kgf/cm時(shí)每小時(shí)流經(jīng)調(diào)下閥的體積以m表示C是流通能力的通用 符，我國(guó)過(guò)去曾長(zhǎng)期使用E給定行程下，1麗端壓差為105Pa時(shí)，溫度為5 C40 C的水，每小時(shí)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的體積以m3表示Kv= 1.01C ,我國(guó)推存使 用K0.5P1時(shí)：Kv當(dāng)P20.5P1時(shí):式中W閥門的蒸汽流量kg /h;P1、P2閥門進(jìn)口及回水絕對(duì)壓力Pa;p 2在Pa壓力及t1溫度PI壓力下的飽和蒸汽溫度時(shí)的蒸汽密度kg/m;p 2c超臨界流動(dòng)狀態(tài)P2

16、0.5P1時(shí)，閥出口截面上的蒸汽密度kg/m,通?？扇?.5P1壓力及溫度時(shí)的蒸汽密度。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，由于P2常常是未知的，因此假設(shè)Pa0.3時(shí)，R A 5.48,說(shuō)明調(diào)節(jié)閥在最大工作流量和最小工作流量 之間的實(shí)際可調(diào)比是5.48。一般要求在實(shí)際運(yùn)行條件下的最大工作流量與最小工作流量之比不小于3。7壓差校核調(diào)節(jié)閥選定后僅從開(kāi)度、可調(diào)比上驗(yàn)算還不行，這樣可能造成閥關(guān)不死或打不開(kāi)，故此必須進(jìn)行壓差校核，保證調(diào)節(jié)閥的允許使用壓差不小于系統(tǒng)的總壓差的1.5倍。8驗(yàn)算結(jié)論上述驗(yàn)算均合格，那么所選閥門的口徑合格；假設(shè)不合格，就需要重定口徑及C值，或另選其它型號(hào)的閥門，直至驗(yàn)算合格。4.5調(diào)節(jié)閥選擇實(shí)例

17、某大廈樓宇自控系統(tǒng)采用Honeywell產(chǎn)品，現(xiàn)需選擇一臺(tái)電動(dòng)兩通調(diào)節(jié)閥用于控制空調(diào)33機(jī)組。根據(jù)工藝要求，最大流量Qax=100m/h，最小流量Qn=20m/h，閥前壓力R=800kPa,盤管換熱器的壓降60kPa,系統(tǒng)總壓差 P=200kPa。被調(diào)介質(zhì)是水，水溫為765 C，安裝時(shí)初定管道直徑為125mm問(wèn)應(yīng)選擇什么型號(hào)的閥門？1確定計(jì)算流量。最大流量Qnax=100ni/h，最小流量Qnin=20nT/h。2確定計(jì)算壓差。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)綜合考慮對(duì)，相對(duì)于系統(tǒng)總壓差取Pv=0.3，相對(duì)于盤管換熱器的R=0.5。得： Pv= Pv - APw/ 1 Pv=Pv - P=60kPa3確定調(diào)節(jié)閥流

18、量特性。根據(jù)Pv值選用等百分比特性的閥門。4C值計(jì)算。計(jì)算最大工作流量時(shí)的Cmax和最小工作流量時(shí)的Cnin5初步確定調(diào)節(jié)閥的口徑。根據(jù)Cnax= 129.01 Kv值，查Honeywell產(chǎn)品手冊(cè)選取DN=100mmj閥門口徑，再根據(jù) 系統(tǒng)總壓差為200kPa的條件，初步選出調(diào)節(jié)閥 型號(hào)為V5088A1005, K=160 ,配用ML6421B/ML7421啪行器。6開(kāi)度驗(yàn)算。,129lg最大開(kāi)度Kmax=1+堂6=1+場(chǎng)08=1+二09=1 0.07財(cái)0.93即93%lg 30 lg 301.48,25.80lg|g0 16- 0 79最小開(kāi)度Kmin=1+一=1+晝0匹=1+-79k1 0.54 = 0.46即46%lg 30 lg 301