第四章 調(diào)節(jié)閥.ppt

1、1,第四章調(diào)節(jié)閥,4-1氣動調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)4-2調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)4-3調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)特性和流量特性4-4氣動調(diào)節(jié)閥選型,2,簡單控制系統(tǒng)組成：被控對象,測量變送裝置,調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥組成其中調(diào)節(jié)閥主要包括執(zhí)行機構(gòu)和閥體兩部分,調(diào)節(jié)閥的作用:接受調(diào)節(jié)器送來的控制信號,調(diào)節(jié)管道中介質(zhì)的流量(即改變調(diào)節(jié)量),從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化,本章學(xué)習(xí)目的:了解調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)原理,掌握調(diào)節(jié)閥流通系數(shù)和流量特性等概念,最終通過計算選擇合適的調(diào)節(jié)閥。,溫度控制系統(tǒng)示意圖,閥,電磁閥,調(diào)節(jié)閥,3,調(diào)節(jié)閥按所用能源可分為氣動,電動和液動三類,按能源分,氣動:壓縮空氣作為能源,結(jié)構(gòu)簡單,輸出推力較大,維修方便,價格低廉,防火防爆電

2、動:能源取用方便,信號傳遞迅速,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,防爆性能差液動:液動控制閥推力最大,但較笨重,現(xiàn)已很少使用,4,三種執(zhí)行器的特點比較,5,閥門定位器,氣動薄膜調(diào)節(jié)閥,執(zhí)行機構(gòu),閥體,電動調(diào)節(jié)閥,6,閥門定位器,執(zhí)行機構(gòu),閥,閥座直徑dg,公稱直徑Dg,7,8,4-1氣動調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu),氣動調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機構(gòu)和閥兩部分組成,一氣動執(zhí)行機構(gòu),氣動執(zhí)行機構(gòu)有薄膜式和活塞式兩種常見的氣動執(zhí)行機構(gòu)均為薄膜式，它結(jié)構(gòu)簡單，價廉，輸出行程小,氣動薄膜式執(zhí)行機構(gòu)作用型式：,正作用:信號壓力增加時，推桿向下移動(ZMA)反作用:信號壓力增大時，推桿向上移動(ZMB),執(zhí)行機構(gòu)作用：將氣壓p-閥桿位移L,執(zhí)行機構(gòu):按照控

3、制信號的大小產(chǎn)生相應(yīng)的輸出力,帶動閥桿移動,閥:直接與介質(zhì)接觸,通過改變閥芯與閥座間的節(jié)流面積調(diào)節(jié)流體介質(zhì),的流量,9,u(t):控制器輸出(420或010mADC)pc:調(diào)節(jié)閥氣動控制信號；l:閥桿相對位置；f:相對流通面積；q:受調(diào)節(jié)閥影響的管路相對流量。,10,二閥,閥(或稱閥體組件)是一個局部阻力可變的節(jié)流元件普通閥包括閥芯,閥座和閥桿等,根據(jù)流體通過調(diào)節(jié)閥時對閥芯作用方向分為流開閥和流閉閥流開：介質(zhì)的流動方向有推動閥門打開的趨勢，稱流開流閉：介質(zhì)的流動方向有推動閥門關(guān)閉的趨勢，則稱流閉.,閥的作用:閥桿位移L-調(diào)節(jié)流量Q,流開閥穩(wěn)定性好,有利于調(diào)節(jié),一般多采用流開閥,11,閥芯的正裝

4、和反裝：正裝閥：閥芯下移，閥芯與閥座間的流通截面積減小反裝閥：閥芯下移，閥芯與閥座間的流通截面積增大,閥的開關(guān)方式：氣開式：閥的開度隨氣壓的增大而增大:pf氣關(guān)式：閥的開度隨氣壓的增大而減小:pf,執(zhí)行機構(gòu)與閥門的配合根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)正、反作用型式以及閥芯的正裝、反裝可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)方式：,無氣壓時關(guān)閉,12,“氣開”與“氣關(guān)”的選擇原則,基本原則:根據(jù)安全生產(chǎn)的要求選擇控制閥的氣開氣關(guān)。若無氣源時,希望閥全關(guān),則應(yīng)選擇氣開閥;若無氣源時,希望閥全開,則應(yīng)選擇氣關(guān)閥.實際應(yīng)用：當(dāng)氣源中斷或電源中斷時，進入裝置的原料、熱源應(yīng)切斷:進料閥選氣開切斷裝置向外輸出產(chǎn)品:出料閥選氣開精餾塔回流應(yīng)打

5、開:回流閥選氣關(guān),13,(1)直通單座控制閥。閥體內(nèi)只有一個閥芯和閥座，如圖所示。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，泄漏量小，易于保證關(guān)閉甚至完全切斷。但是在壓差較大的時候，流體對閥芯上下作用的推力不平衡，這種不平衡推力會影響閥芯的移動。因此直通單座控制閥一般應(yīng)用在小口徑、低壓差的場合。,圖直通單座控制閥,(2)直通雙座控制閥。閥體內(nèi)有兩個閥芯和閥座,由于流體流過的時候，作用在上、下兩個閥芯上的推力方向相反而大小近于相等，可以相互抵消，所以不平衡力小。但是由于加工的限制，上、下兩個閥芯和閥座不易保證同時密閉，因此泄漏量較大。直通雙座控制閥適用于閥兩端壓差較大、對泄漏量要求不高的場合，但由于流路復(fù)雜而不適用于高

6、黏度和帶有固體顆粒的液體。,圖直通雙座控制閥,閥的結(jié)構(gòu)形式及選擇,14,圖角型控制閥,(4)隔膜控制閥.隔膜控制閥采用耐腐蝕襯里的閥體和耐腐蝕隔膜代替閥芯閥座組件,由隔膜位移起控制作用,如圖所示.隔膜控制閥結(jié)構(gòu)簡單,流路阻力小,流量系數(shù)較同口徑的其他閥大.由于介質(zhì)用隔膜與外界隔離,故無填料,介質(zhì)也不會泄漏,所以隔膜控制閥無泄漏量.隔膜控制閥耐腐蝕性強,適用于強酸,強堿,強腐蝕性介質(zhì)的控制,也適用于高黏度及懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。,圖隔膜控制閥,(3)角型控制閥.角型控制閥的兩個接管呈直角形,其他結(jié)構(gòu)與單座閥相類似。角型閥的流向一般為底進側(cè)出，此時其穩(wěn)定性較好；在高壓差場合，為了延長閥芯使用壽命而

7、改用側(cè)進底出的流向，但容易發(fā)生振蕩。角型控制閥流路簡單，阻力較小，不易堵塞，適用于高壓差、高黏度、含有懸浮物和顆粒物質(zhì)流體的控制。,15,(6)蝶閥.蝶閥又名翻板閥,如圖所示.蝶閥具有結(jié)構(gòu)簡單,重量輕,價格便宜,流阻極小的優(yōu)點,但泄漏量大,適用于大口徑,大流量,低壓差的場合,也可以用于含少量纖維或懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。(7)球閥.球閥的閥芯與閥體都呈球形體,轉(zhuǎn)動閥芯使之處于不同的相對位置時,就具有不同的流通面積,以達到流量控制的目的,如圖所示。,圖蝶閥,圖球閥,16,三、閥門定位器,氣動閥門定位器是一種輔助裝置,根據(jù)調(diào)節(jié)器來的氣動信號控制氣動調(diào)節(jié)閥門部件,使閥門開度處于精確位置.其應(yīng)用場合為:

8、,(1)提高系統(tǒng)控制精度,(2)系統(tǒng)需要改變調(diào)節(jié)閥的流量特性,(3)組成分程控制系統(tǒng),并不是任何情況下采用閥門定位器都是合理的在如液體壓力和流量這樣的快速控制過程，使用閥門定位器可能對控制質(zhì)量有害,17,4-2調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù),流量系數(shù)是表示調(diào)節(jié)閥流通能力的參數(shù).它根據(jù)流量、閥兩端的差壓和流體的密度等確定。是選擇閥口徑的參數(shù).,一流量系數(shù)的定義及其物理意義,我國規(guī)定的流量系數(shù)C為:在給定行程下,閥兩端壓差為0.1Mpa,水密度為1g/cm3時,流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的水的流量,以m3/h表示(體積流量).閥全開時的流量系數(shù)為調(diào)節(jié)閥額定流量系數(shù),以C100表示.它作為閥的基本參數(shù)由制造廠家提供給用戶。,表4

9、.1為根據(jù)C100選擇閥門直徑表,例如一臺額定流量系數(shù)為32的調(diào)節(jié)閥,表示閥全開且兩端的壓差為0.1MPa時，每小時最多能通過32m3的水量,1kgf/cm2,18,補充知識:伯努利方程,1)伯努利方程表述的是理想流體作定常流動時，流體中壓強和流速的規(guī)律。2)在流動的流體中，流速大的地方壓強小；流速小的地方壓強大。3)伯努利方程闡明的位能、動能、靜壓能相互轉(zhuǎn)換的原理.,19,調(diào)節(jié)閥是一個局部阻力可變的節(jié)流元件對于不可壓縮的流體，由能量守恒(伯努利方程)可知，調(diào)節(jié)閥上的壓力損失為：,式中，v為調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)；g為重力加速度；為流體密度；p1,p2為調(diào)節(jié)閥前后壓力；為流體平均速度,因為,Q流體體積

10、流量，F(xiàn)-調(diào)節(jié)閥流通截面積,(4-1),(4-2),20,根據(jù)C的定義，在流量方程中令p1-p2=1,=1可得,因此,對于其它的閥前后壓降和介質(zhì)密度,則有,注意:流量系數(shù)C不僅與流通截面積F(或閥公稱直徑Dg)有關(guān)，而且還與阻力系數(shù)v有關(guān)同類結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥在相同的開度下具有相近的阻力系數(shù)，因此口徑越大流量系數(shù)也隨之增大;口徑相同類型不同的調(diào)節(jié)閥，阻力系數(shù)不同，流量系數(shù)也各不相同,由上兩式可得調(diào)節(jié)閥流量方程,而變化,A-與單位制有關(guān)的常數(shù),(4-3),(4-4),21,由于采用的單位制有公制和英制之分，國際上通用兩種不同的流量系數(shù)Kv和Cv,通過單位制變換它們與C的關(guān)系為：,二流量系數(shù)計算公式,流

11、量系數(shù)的計算是選定調(diào)節(jié)閥口徑的最主要的理論依據(jù)表4.2列舉了液體，氣體和蒸汽等常用流體C值的計算公式,注意事項：兩套計算公式(國際單位制SI和工程單MKS位制)單位有所不同計算前要做阻塞流判斷計算公式使用于牛頓型不可壓縮流體，可壓縮流體以及這兩種流體的均勻混合體根據(jù)要求計算滿足要求的C值，以此為依據(jù)選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)閥,(4-5),22,1.阻塞流對流量系數(shù)計算的影響,阻塞流是指,當(dāng)閥前壓力p1保持恒定而逐步降低閥后壓力p2時,流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量會增加到一個最大極限值,若再繼續(xù)降低p2流量也不再增加,此極限流量稱為阻塞流,流體體積流量計算公式為:,此時,調(diào)節(jié)閥的流量與閥前后壓降p=p1-p2的關(guān)系以

12、不再遵循公式,的規(guī)律.,右圖中,阻塞流,此時按4-4計算出的流量會大大超過阻塞流Qmax,因此在計算C值時首先要確定調(diào)節(jié)閥是否處于阻塞流情況,23,氣體的阻塞流條件：壓差比x=p/p1xTFkxT-空氣在某一調(diào)節(jié)閥時的臨界壓差比,決定于調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)(表4.3)Fk-比熱比系數(shù),氣體與空氣的絕熱指數(shù)之比,Fk=k/kair(kair=1.4)(表4.9),液體(不可壓縮流體)的阻塞流,)產(chǎn)生阻塞流的原理,24,p1-調(diào)節(jié)閥進入端壓強,pc-介質(zhì)臨界壓力pv-入口溫度下流體介質(zhì)飽和蒸汽壓FF-液體臨界壓力比系數(shù)FL-壓力恢復(fù)系數(shù),產(chǎn)生的條件：,對于一個給定的調(diào)節(jié)閥,FL為一個固定常數(shù),它只與閥結(jié)構(gòu),

13、流路形式有關(guān),與閥口徑大小無關(guān).查表4.3可得到.,流量(液體)系數(shù)C的計算:,判斷是否產(chǎn)生阻塞流，判別條件按上式如果未發(fā)生阻塞流，則p=p1-p2發(fā)生了阻塞流，則pFL2(p1-FFpv)按公式計算,(工程單位制(MKS),(國際單位制(SI),運算時單位:QL-m3/hp-KPa-g/cm3,運算時單位:QL-m3/hp-Kgf/cm2-g/cm3,25,注意:同一組數(shù)據(jù)，用兩種公式計算的結(jié)果是相同的,如：p=1kgf/cm2表示為國際單位制為p=10/(0.01)2=100kPa,使用國際單位制計算為：,使用工程單位制計算為：,26,2.低雷諾數(shù)修正,當(dāng)雷諾數(shù)Re3500時可不做低雷諾數(shù)

14、修正,27,3.氣體(蒸汽)流量系數(shù)的修正,氣體,蒸汽等可壓縮流體,在調(diào)節(jié)閥內(nèi)其體積由于壓力降低而膨脹,其密度減小.利用式4-4計算氣體的流量系數(shù),會引起較大誤差,必須對氣體的可壓縮效應(yīng)作必要的修正可以引入一個膨脹系數(shù)Y以修正氣體密度的變化,此外，在各種壓力，溫度下實際氣體密度與按理想氣體狀態(tài)方程求得的理想氣體密度存在偏差。為衡量偏差程度大小，引入壓縮系數(shù)Z,R-氣體常數(shù)1-閥入口處氣體密度,28,4.管件形狀修正,使用上述流量系數(shù)計算公式要求管件形狀滿足的條件:調(diào)節(jié)閥的公稱直徑必須與管道直徑相同,而且管道要保證有一定的直管段.如果調(diào)節(jié)閥實際配管狀況不滿足這些條件,特別是在調(diào)節(jié)閥公稱通徑小于管

15、道直徑,閥兩端裝有漸縮器,漸擴器或三通等過渡管件情況下,由于過渡管件上的壓力損失,使加在閥兩端的閥壓降減小,使閥實際流量系數(shù)減小.因此,必須對未考慮附接管件計算得流量系數(shù)進行修正.管件形狀修正后的流量系數(shù)C為：,Fp-管件形狀修正系數(shù).與調(diào)節(jié)閥上下游阻力系數(shù);閥入口,出口處伯努利系數(shù)有關(guān),29,例4-1某控制系統(tǒng)擬選用一臺直線特性氣動直通單座調(diào)節(jié)閥(流開型)已知：流體為液氨,最大計算流量條件下的計算數(shù)據(jù)為:p1=26200kPa,p=24500kPa,WL=6300kg/h;L=0.58g/cm3,=0.1964x10-6m2/s;t1=313K;D1=D2=20mm,解,(1)阻塞流判別查表

16、得FL=0.9,Pc=11378kPa,Pv=1621kPa,則,產(chǎn)生阻塞流的臨界壓降為:,由于P=24500kPaPcr=20106kPa,故為阻塞流,30,(2)Cmax值計算,則:,(3)低雷諾數(shù)修正,由于Re3500,故不必做低雷諾數(shù)修正,(4)初選C100值,查表4.1,C100Cmax且最接近Cmax的閥為Dg=19.15mm,dg=8mm,此時,C100=0.8,31,(5)管件形狀修正,因為D1/Dg=20/191.05,不必做修正,(6)調(diào)節(jié)閥相對開度驗算,調(diào)節(jié)閥為直線特性,最大流量時的相對開度,lmax=Cmax/C100=0.583/0.8073%,lmax0.8,使旁路

17、流量只占管道總流量的很小部分,百分之十幾,并聯(lián)管道的工作流量特性,57,調(diào)節(jié)閥在串，并聯(lián)管系中的工作情況,綜合串、并聯(lián)管道的情況，可得出如下結(jié)論：串,并聯(lián)管道都使閥的理想流量特性發(fā)生畸變,串聯(lián)管道的影響更嚴重;串,并聯(lián)管道都會使控制閥的實際可調(diào)比降低,并聯(lián)管道更嚴重;串聯(lián)管道使系統(tǒng)總流量減少,并聯(lián)管道使系統(tǒng)總流量增加;串、并聯(lián)管道都會使控制閥的放大系數(shù)減小,即輸入信號變化所引起的流量變化值減小;串聯(lián)管道時控制閥若處于大開度,則值降低,對放大系數(shù)的影響更為嚴重;并聯(lián)管道時控制閥若處于小開度,則X值降低,對放大系數(shù)的影響更為嚴重.,58,4-4氣動調(diào)節(jié)閥選型,調(diào)節(jié)閥是自動控制系統(tǒng)的終端控制元件之一

18、,在選型中,應(yīng)考慮以下幾點,(1)選擇調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)(2)選擇流量特性(3)選擇閥門口徑,一調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)形式的選擇,(1)工藝介質(zhì)的種類，腐蝕性和粘性(管道耐腐蝕)(2)流體介質(zhì)的溫度，壓力，比重（能經(jīng)受介質(zhì)的溫度）(3)流經(jīng)閥的最大，最小流量正常流量及正常流量時閥上的壓降,在選用時要注意：,一般優(yōu)先選用直通單，雙座調(diào)節(jié)閥具體選擇情況參見表4.8,59,二調(diào)節(jié)閥氣開，氣關(guān)形式的選擇,選用原則:從生產(chǎn)的安全出發(fā).當(dāng)儀表供氣系統(tǒng)故障或控制信號中斷,調(diào)節(jié)閥閥芯應(yīng)處于使生產(chǎn)裝置安全的狀態(tài).,三調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇,國產(chǎn)調(diào)節(jié)閥流量特性有直線，等百分比和快開三種主要使用直線和等百分比兩種,工程設(shè)計上

19、主要采用經(jīng)驗準則，從控制系統(tǒng)特性，負荷變化和S值大小三個方面綜合考慮，選擇調(diào)節(jié)閥流量特性,1.從改善控制系統(tǒng)控制質(zhì)量考慮,線性控制回路的總增益，在控制系統(tǒng)整個操作范圍內(nèi)應(yīng)保持不變,確定方法:假設(shè)出現(xiàn)故障,使氣壓為0,此時閥應(yīng)該保證系統(tǒng)的安全,如:進入工藝設(shè)備的流體易燃易爆,為防爆炸,調(diào)節(jié)閥應(yīng)選氣開式(出故障時全關(guān)).如果流體易結(jié)晶,調(diào)節(jié)閥應(yīng)選氣關(guān)式,以防堵塞(出故障時全開).,60,控制系統(tǒng)中:測量變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)和調(diào)節(jié)器的增益是常數(shù)被控對象增益隨操作條件，負荷大小而變化通過選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)閥特性，對被控對象非線性特性進行補償,使控制系統(tǒng)總增益恒定或近似不變,61,2.從配管狀況(S100)考慮,S100=10.6:調(diào)節(jié)閥理想流量特性與希望的工作流量特性基本一致S100=0.60.3:理想流量特性為等百分比工作流量特性直線特性S1000.3:不適合使用,62,特性,對于被控對象特性不清楚的情況，參考下表原則,pn-正常流量時的閥壓降p-管道系統(tǒng)總壓降Sn-正常閥