正確選擇日本山武調(diào)節(jié)閥

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     本教材說(shuō)明調(diào)節(jié)閥(控制閥)選擇的基礎(chǔ)知識(shí)。調(diào)節(jié)閥(控制閥)是連續(xù)調(diào)節(jié)(控制)流體(水或蒸氣等)流量的機(jī)器。在空調(diào)控制中，控制閥被廣泛用于空調(diào)機(jī)的控制或熱源系統(tǒng)的控制，具有重要的地位。因此，根據(jù)設(shè)計(jì)安裝·控制機(jī)器的特性·環(huán)境條件等，選擇合適的閥是非常重要的。上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過(guò)濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動(dòng)閥門(mén)、電動(dòng)閥門(mén)、高壓閥門(mén)、中壓閥門(mén)、低壓閥門(mén)、水力控制閥、真空閥門(mén)、襯膠閥門(mén)、襯氟閥門(mén)。為了能進(jìn)行平穩(wěn)的自動(dòng)控制，從事自動(dòng)控制的有關(guān)人員，必須具備根據(jù)具體目的選定合適閥的能力。閥的選定一般按照如下步驟進(jìn)行。
*，確定閥的類型。各種閥中，有大型閥、耐高差壓閥、低泄漏閥等多種形式。必須選擇與用途相適應(yīng)的閥。
第二，選定閥的口徑。根據(jù)流經(jīng)閥的流體流量，選擇合適口徑的閥。如果閥的口徑太小，則得不到必要的流量；而如果閥的口徑太大，則控制性能將變差。應(yīng)該選擇既能得到必要流量、又具有良好控制性的閥。
第三，對(duì)于已經(jīng)選定的閥，必須檢查確認(rèn)耐壓、允許差壓等。在通常的閥選定時(shí)往往容易忘記，應(yīng)該參照應(yīng)用篇進(jìn)行必要的檢查確認(rèn)。必須根據(jù)閥的上游側(cè)所承受的壓力，選擇閥的壓力額定值。另外，有可能發(fā)生氣蝕的場(chǎng)合，應(yīng)重新考慮閥的口徑和材質(zhì)。

1. 閥的型式
1.1 各個(gè)部位的名稱
圖1.1.1所示為閥各部分的名稱。
圖1.1.1中只注明了起碼應(yīng)知道的名稱。更詳細(xì)的各部分名稱，請(qǐng)參考各種閥的規(guī)格說(shuō)明書(shū)。
圖1.1.1 各部位的名稱
1.2 根據(jù)端口數(shù)分類
如圖1.2.1、1.2.2所示，閥分二通閥和三通閥。
1) 二通閥
如圖1.2.1所示，有2個(gè)流體出入口的閥稱為二通閥。通過(guò)閥芯直行程的上下動(dòng)作或角行程的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，可以調(diào)節(jié)通過(guò)閥的流體流量。另外，二通閥被應(yīng)用于變流量系統(tǒng)，通過(guò)與泵臺(tái)數(shù)控制/回轉(zhuǎn)速度控制相組合，可節(jié)省泵的輸送動(dòng)力。二通閥的用途廣泛，可應(yīng)用于空調(diào)機(jī)、熱交換器的溫度控制等許多控制系統(tǒng)中。
2) 三通閥
如圖1.2.2(a)、(b)所示，三通閥有合流型和分流型。合流三通閥的流體從兩個(gè)入口(A閥口、B
閥口)流入，從一個(gè)出口合流流出(AB閥口)。而分流三通閥的流體從一個(gè)口流入，然后向兩個(gè)
方向流出。一般而言，合流型比分流型構(gòu)造更簡(jiǎn)單，價(jià)格也更便宜，因此一般的三通閥大多
都是合流型。
三通閥多被應(yīng)用于定流量系統(tǒng)，包括設(shè)備整體在內(nèi)初始投資成本便宜，但與變流量系統(tǒng)相比，
缺點(diǎn)是無(wú)法節(jié)能。
除了部分特種閥外，合流閥和分流閥不能互換用于對(duì)方的用途。一般情況下，如果用于對(duì)方的場(chǎng)合，在關(guān)斷時(shí)，閥芯會(huì)緊鎖閥座，發(fā)出刺耳的聲音，并可能成為破損的原因。閥芯(閥栓)
閥蓋(上蓋) 軸桿(閥軸)
閥座 閥體(本體)
調(diào)節(jié)閥口徑
閥座口徑
閥內(nèi)件......................包括閥芯、閥座等與液體接觸的內(nèi)部構(gòu)造部分(本體除外)
1.3 根據(jù)閥內(nèi)件分類
根據(jù)閥內(nèi)件形式，可將閥進(jìn)行如下分類。適合比例控制的型式、適合高差壓的型式、價(jià)格方面較有利的型式等，根據(jù)閥內(nèi)件形式不同，決定各種閥的特性。
1) 單座閥 (V5063等)
(構(gòu)造)
由關(guān)斷流體流動(dòng)的一個(gè)閥座和閥芯所構(gòu)成。
(特點(diǎn))
構(gòu)造簡(jiǎn)單，加工容易、常用。直行程單座調(diào)節(jié)閥全閉時(shí)，閥芯所承受的壓力直接作用在執(zhí)行器上，因此允許壓差比較小，不適用于高差壓、大口徑的場(chǎng)合。(全閉時(shí)的泄漏量大約為Cv值的0.01%。)
2) 雙座閥 (V5064等)
(構(gòu)造)
由關(guān)斷流體流動(dòng)的兩個(gè)閥座和閥芯所構(gòu)成。
(特點(diǎn))
全閉時(shí)上下閥芯所承受的力相互抵消，因此可以耐高差壓。(允許壓差大。)
與單座閥不同，雙座閥主要是大口徑產(chǎn)品。
因雙座閥加工復(fù)雜，全閉時(shí)泄漏量較大(全閉時(shí)的泄漏量大約為Cv值的0.5%)，因此如果流體
是蒸氣時(shí)不能使用。3） 旋轉(zhuǎn)型電動(dòng)閥(ACTIVAL等)
(構(gòu)造)
閥軸(軸桿)可進(jìn)行90度旋轉(zhuǎn)來(lái)控制流量。
(特點(diǎn))
可調(diào)比大，適用于比例控制。與ACTIVAL(VY51XX,VY52XX)一樣，閥本體與電動(dòng)驅(qū)動(dòng)部是一體型。全閉時(shí)的泄漏量大約為Cv值的0.01%(1規(guī)格為Cv值的0.0006以下)。圖1.3.3 旋轉(zhuǎn)型電動(dòng)閥
4) 蝶閥(VY6920/30等)
(構(gòu)造)
閥本體中，圓盤(pán)狀羽板以閥軸為中心轉(zhuǎn)動(dòng)。(特點(diǎn))在自動(dòng)切換閥中經(jīng)常采用，且大口徑產(chǎn)品較多。
雖然有壓力損失小、閥容量大的特點(diǎn)，但一般可調(diào)比不大。圖1.3.4 蝶閥
5) 球閥(VY6100等)
(構(gòu)造)
(動(dòng)作時(shí)閥體中)中空的球旋轉(zhuǎn)。(特點(diǎn))截止性能優(yōu)異，泄漏小，壽命長(zhǎng)。由于動(dòng)作圓滑，可以避免閥關(guān)閉時(shí)的水擊。6) 偏心軸回轉(zhuǎn)型調(diào)節(jié)閥(偏心閥等)(構(gòu)造)閥本體的中心和閥芯的回轉(zhuǎn)軸是偏心的。
(特點(diǎn))
閥容量大，而且可調(diào)比大。
閥體構(gòu)造便于流體流動(dòng)，可用于包括含有固體顆粒的流體。備有大口徑產(chǎn)品。由于容易產(chǎn)生氣蝕，應(yīng)予以注意。7） 套筒式調(diào)節(jié)閥(HCB等)(構(gòu)造)又稱籠式。利用圓筒狀中空籠式部件控制流量。
(特點(diǎn))
即使口徑較大時(shí)，截止流體的壓力也比較大，因此可用于高差壓的場(chǎng)合。特別是還有可使閥桿所受的壓力較小的壓力平衡式產(chǎn)品。不容易產(chǎn)生氣蝕引起的噪音。

2. 閥的流量特性

閥的開(kāi)度(閥芯的相對(duì)行程)與流量的關(guān)系被稱為閥的流量特性。流量特性分固有流量特性和有效流量特性兩種。固有流量特性是指將閥前后的差壓保持一定時(shí)的流量特性。
但是，實(shí)際控制系統(tǒng)中，閥前后的差壓隨閥開(kāi)度變化而變化。這時(shí)的流量特性被稱為有效流量特性。一般情況下閥開(kāi)度較小時(shí)，閥前后的差壓較大。因此，閥開(kāi)度較小時(shí)的流量比通過(guò)固有流量特性求出的流量大。固有流量特性隨閥芯形狀不同而不同，一般有快開(kāi)特性、修正直線特性及等百分比特性等幾種。
一般情況下每種流量特性的用途分別是，具有快開(kāi)特性的閥用于二位置控制，具有直線特性
(修正直線特性)的閥用于三通閥，具有等百分比特性的閥用于比例控制用二通閥。
快開(kāi)特性........................................二位置控制
直線特性........................................比例控制(三通閥)
等百分比特性.................................比例控制(二通閥)

2.1 快開(kāi)特性
如圖2.1.1(a)所示，當(dāng)閥從全閉向全開(kāi)狀態(tài)變化時(shí)，流量急劇變化的特性被稱為快開(kāi)特性。具有這種特性的閥，當(dāng)開(kāi)度較小時(shí)，開(kāi)度的少許變化即會(huì)使流量產(chǎn)生急劇變化。因此，若將具有快開(kāi)特性的閥用于比例控制，系統(tǒng)就會(huì)變得不安定，容易產(chǎn)生振蕩。因此這種特性的閥
一般不用于比例控制，而用于二位置控制。
2.2 直線特性
如圖2.1.1(b)所示，當(dāng)閥前后的壓力變化時(shí)，流量隨行程呈直線變化的特性被稱為修正直線特性。修正直線特性一般用作三通閥的流量特性。
如圖2.2.1(a)所示，通過(guò)采用直線特性，流過(guò)三通閥的總流量與行程無(wú)關(guān)而保持一定。如果用兩臺(tái)具有等百分比特性的二通閥來(lái)代替三通閥，如圖2.2.1(b)所示，在0.5開(kāi)度附近，總的
流量會(huì)變小。

2.3 等百分比特性
如圖2.1.1(c)所示，流量相對(duì)于開(kāi)度呈指數(shù)變化的特性被稱為等百分比特性。一般將這種特性的閥用作比例控制用的二通閥。若以橫軸作為流量和縱軸作為熱輸出，則盤(pán)管或熱交換器的流量-熱輸出特性在上方鼓出。因此，若將等百分比特性和流量-熱輸出特性相加，則行程與熱輸出的關(guān)系幾乎變成直線。即，控制系統(tǒng)的輸入-輸出關(guān)系幾乎變成直線，因此可提高控制性能。三通閥(或兩臺(tái)二通閥) 的場(chǎng)合，如果使用等百分比特性，無(wú)法變成定流量，應(yīng)當(dāng)注意。

2.4 閥權(quán)度與流量特性
配管系統(tǒng)的壓降與閥前后的壓降比稱為閥權(quán)度，以如下公式表示：式中，ΔPV表示閥全開(kāi)時(shí)閥前后差壓，ΔPL表示閥全開(kāi)時(shí)配管系統(tǒng)的壓降，ΔP表示閥全開(kāi)時(shí)
配管系統(tǒng)整體壓降。
閥權(quán)度p不同，則本文中所述的流量特性也不同。上述公式和示意圖所示為流量特性相對(duì)于閥權(quán)度p的變化而變化的情況。圖2.4.1-3分別表示快開(kāi)特性、直線特性(修正直線特性)、以及等百分比特性各自對(duì)應(yīng)的流量

特性。

● 快開(kāi)特性
將快開(kāi)特性形象化即如圖2.1.1(a)所示。但是，實(shí)際的快開(kāi)特性如圖2.4.1所示，當(dāng)p=1時(shí)流量
相對(duì)開(kāi)度呈直線變化。在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，不可能存在閥權(quán)度 p=1，因此與圖2.1.1(a)相似，閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，流量急劇增大。
● 直線特性(修正直線特性)
將直線特性(修正直線特性)形象化即如圖2.1.1(b)所示。但是，實(shí)際的直線特性(修正直線特性)如圖2.4.2所示，當(dāng)閥權(quán)度 p=1時(shí)流量對(duì)開(kāi)度呈拋物線變化。當(dāng)p=0.5時(shí)，直線特性(修正直線特性)的流量與開(kāi)度的關(guān)系幾乎成直線。當(dāng)閥前后的壓力保持一定時(shí)閥所具有的上述特性被稱為直線特性，閥前后的壓力發(fā)生變化
時(shí)，仍然具有上述特性的閥被稱為修正直線特性。
● 等百分比特性
根據(jù)閥權(quán)度的不同，等百分比的流量特性如圖2.4.3所示。從圖可看出，即使閥權(quán)度較小時(shí)，曲線也是向下鼓出的。另外，球閥、蝶閥的流量特性不限于上述情況，但執(zhí)行器的信號(hào)與流量關(guān)系被調(diào)整為直線特性或等百分比特性。

3. 閥口徑的選定
3.1 關(guān)于Cv值
閥選定中的重要項(xiàng)目之一是口徑選定。如果選擇失誤而安裝了比合適口徑大的閥，則會(huì)反復(fù)發(fā)生振蕩，控制不穩(wěn)定。因此如果未能選擇適當(dāng)口徑時(shí)，就不可能實(shí)現(xiàn)良好的控制。閥的流通能力一般用Cv值來(lái)表示，為了決定閥口口徑，根據(jù)所給的流體條件計(jì)算出必要的Cv值，然后根據(jù)閥的額定Cv值選擇合適的閥口徑。重要?。?該Cv值即為假設(shè)閥入口和出口的差壓為1psi(7kPa)，當(dāng)流過(guò)60°F(15.
5℃)的清水(H2O)時(shí)，以US gal/min為單位所表示的流量值。Cv=1即表示，差壓為7kPa
時(shí)，流量為3.785L/min，差壓為0.5kPa時(shí)流量為1L/min。
參考： SI單位換算 10mH2O=1kgf/cm2=98kPa
3.2 Cv值的計(jì)算方法
水和蒸氣的場(chǎng)合，Cv值的計(jì)算公式不同。
(流經(jīng)的流體為水時(shí))
ΔP kPa: 上游側(cè)和下游側(cè)的壓力差 Q(L/min): 體積流量

(流經(jīng)的流體為蒸氣時(shí))
雖然一般是閥前后的差壓(ΔP)增大，流量也相應(yīng)增大，但是若閥前后的差壓達(dá)到上游側(cè)的絕
對(duì)壓力的50%時(shí)，再繼續(xù)增大差壓，流量也不會(huì)增大。因此，將ΔP比上游側(cè)壓力的50%大和
小兩種情況分開(kāi)來(lái)考慮。另外，通常選擇閥時(shí)應(yīng)使ΔP小于上游側(cè)的壓力的50%。
P1 kPa(abs): 上游側(cè)的壓力
P2 kPa(abs): 下游側(cè)的壓力
W(kg/h): 質(zhì)量流量
注)壓力：以kPa(abs)為單位所表示的假設(shè)理想真空下的壓力為0所測(cè)的壓力值。
測(cè)量壓力：以kPa(G)為單位所表示的以大氣壓力為基準(zhǔn)所測(cè)定上下壓力值。
測(cè)量壓力0kPa(G)
=壓力101kPa(abs)

假設(shè)采用ACTIVAL電動(dòng)二通閥(蒸氣用)，根據(jù)Cv值=4.0，則選擇VY5115F0015。
(截止閥另外進(jìn)行串聯(lián)安裝。)
ΔP的計(jì)算方法
ΔP越大Cv值越小，所選定的閥也越小。因此從控制的角度看，ΔP越大越好，但根據(jù)流量及
泵的動(dòng)力關(guān)系，一般以閥全開(kāi)時(shí)的所允許的大壓力損失作為ΔP。

4. 允許差壓和常用允許差壓(適用差壓限定值)
4.1 允許差壓
(閥關(guān)閉時(shí)允許差壓)
閥允許差壓即保持閥全閉的條件下閥前后所能承受的大允許壓力差。
閥上游側(cè)和下游側(cè)的壓力差ΔP與閥口的面積A的乘積A·ΔP即為施加在軸桿上的力。如果該值比閥執(zhí)行器向閉方向的力小，則可保持全閉。
圖4.1.1 施加在軸上的的不平衡力
圖4.1.1中，施加在閥系統(tǒng)上的力包括：
向下的力F2: 該力由閥執(zhí)行器(包括閥連接器)的力決定。

圖4.1.1中，施加在閥系統(tǒng)上的力包括：
向下的力F2: 該力由閥執(zhí)行器(包括閥連接器)的力決定。
向上的力F1: P×A
其中 P=P1–P2 閥前后的差壓
A=閥口面積
由此可知，使用同一執(zhí)行器時(shí)，閥的口徑越大，則允許差壓越小，其關(guān)系與閥口徑的平方成反比(或與閥座流通面積成反比)。
F2≥F1時(shí)，可保持額定允許差壓，但是F2＜F1時(shí)，不能保持。
使用電動(dòng)式執(zhí)行器時(shí)，一般需考慮的因素為克服閥前后的差壓并保持閥全閉位置的執(zhí)行器及閥連接器的力(嚴(yán)格地講，應(yīng)為閥連接器內(nèi)部的緩沖彈簧的強(qiáng)度)。
使用氣動(dòng)式執(zhí)行器時(shí)，主要由氣動(dòng)式執(zhí)行器中所采用的彈簧強(qiáng)度與隔膜所承受的空氣壓力的平衡來(lái)決定。
應(yīng)該注意的是，允許差壓與本體的額定壓力值*無(wú)關(guān)。
(注1) 三通閥的允許差壓按照兩個(gè)閥口的壓力差中較大的一方來(lái)決定。

4.2 常用允許差壓(適用差壓限定值)
即將閥與特定的執(zhí)行器組合時(shí)，可施加在閥前后的流體的允許差壓。允許差壓為對(duì)于閥全閉時(shí)差壓限定值，而適用差壓限定值則是與閥開(kāi)度無(wú)關(guān)的適用差壓限定值。但是，關(guān)于差壓，還必須對(duì)氣蝕進(jìn)行驗(yàn)算確認(rèn)。

4.3 閥口徑和允許差壓
即使對(duì)于同一閥，隨著與其連接的執(zhí)行器(閥門(mén)伺服電機(jī)等)不同，其允許差壓值也不同。另外，如前所述，還隨閥的閥座流通面積的變化而變化。即，即使使用相同的執(zhí)行器，閥口徑越大， 允許差壓越小。以下以具體的例子說(shuō)明V5063A/ACTIVAL 小型二通閥、V4043A/ACTIVAL電動(dòng)二通閥的允許差壓。

5. 可調(diào)比
5.1 固有可調(diào)比
各個(gè)閥固有的可控制的大流量(QMAX)和小流量(QMIN)的比值被稱為固有可調(diào)比(R1)。通常表示為R:1，且常用的有30:1或50:1等。從公式可知，閥的固有可調(diào)比越大，能控制的水量范圍越廣。(例) ACTIVAL(VY5100，可調(diào)比為50:1)的場(chǎng)合，假設(shè)可控制的大流量為100L/min，只要
差壓不變，則小可控制流量為2L/min。
5.2 實(shí)際的可調(diào)節(jié)比
如果閥前后的差壓(ΔP)一定，則固有可調(diào)比即表示可控制范圍，但是，實(shí)際上作用在閥前后的差壓是會(huì)發(fā)生變化的。另外，與根據(jù)設(shè)計(jì)條件計(jì)算出的Cv值相等的閥是很少的。這里試舉一例來(lái)說(shuō)明表示實(shí)際控制的可調(diào)比。

假設(shè)選用ACTIVAL VY5100，則口徑選用2×2(Cv值(以下稱為C’v)=16)。一般情況下閥開(kāi)度變小時(shí)閥前后的差壓變大。如果進(jìn)行壓力控制使ΔPa保持一定，閥處于小開(kāi)度(即比此開(kāi)度更小時(shí)無(wú)法控制流量的開(kāi)度)時(shí)，盤(pán)管及配管的壓力損失基本上消失，即ΔP≈ΔPa。根據(jù)固有可調(diào)比的定義，小開(kāi)度時(shí)的Cv值為Cv= C’v/R1。因此，實(shí)際可控制小流量Q’MIN及實(shí)際可調(diào)比R2如下：

6. 氣蝕
6.1 閥內(nèi)流體的流動(dòng)
假設(shè)閥上游側(cè)和下游側(cè)的靜壓分別為P1、P2，有效能量分別為E1、E2。這時(shí)，閥前后的壓力和能量變化則如圖5所示。但是，有效能量為靜壓和速度壓之和。閥體內(nèi)部，由于壁面的摩擦以及流動(dòng)的擴(kuò)散過(guò)程中內(nèi)部摩擦作用，會(huì)消耗能量。因此下游側(cè)的有效能量比上游側(cè)小。
另一方面由于閥內(nèi)部通徑變窄，流速變快。因此，速度壓變大，與此相應(yīng)，靜壓變小。閥內(nèi)部截面積小、流速大處的靜壓稱為縮流壓力(以符號(hào)Pvc表示)。閥內(nèi)流體在閥座節(jié)流口達(dá)到縮流壓力。當(dāng)通徑擴(kuò)大時(shí)，流速降低，根據(jù)能量損失的程度，靜壓會(huì)部分恢復(fù)。這種“壓力恢復(fù)”現(xiàn)象是閥內(nèi)流體流動(dòng)的特征之一。另外，能量損失的程度根據(jù)閥的型式、閥開(kāi)度或流體條件的不同而不同。

6.2 所謂氣蝕
流體從液相向氣相變化，并產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象叫閃蒸。由氣液混合相變回為液相的現(xiàn)象叫空化。發(fā)生空化現(xiàn)象時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪音和振動(dòng)。另外，空化通過(guò)氣泡壓碎時(shí)的沖擊波，會(huì)將閥或配管內(nèi)表面損傷成嚴(yán)重凹凸不平的海綿狀。這種機(jī)械性侵蝕稱為氣蝕。
現(xiàn)就氣蝕的發(fā)生過(guò)程作一說(shuō)明。設(shè)閥的上游側(cè)的靜壓P1保持一定，則閥前后的差壓ΔP=P1-P2越大，縮流壓力Pvc越小。即隨著閥前后的差壓變大時(shí)，縮流壓力Pvc可能降到飽和蒸氣壓Pv以下。結(jié)果，液體開(kāi)始從液相向氣相轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生氣泡。在此產(chǎn)生的氣泡會(huì)流向閥的下游側(cè)，但由于在閥的下游側(cè)流速減慢，閥內(nèi)產(chǎn)生壓力恢復(fù)現(xiàn)象，流體中的氣泡被壓碎。氣泡的壓碎會(huì)產(chǎn)生*的沖擊壓力，使管道和閥產(chǎn)生振動(dòng)，并發(fā)出很大的噪音。這種噪音被稱為空化噪音，當(dāng)差壓剛好足以產(chǎn)生空化時(shí)，會(huì)生“疾、疾”的幾赫茲(Hz)的間斷噪音，隨著差壓進(jìn)一步增大，會(huì)變成“咣…”的激烈噪音。如前所述，氣蝕不單只產(chǎn)生激烈噪音，它還是損傷閥和配管的原因。因此，設(shè)計(jì)安裝或閥選定時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮避免氣蝕的發(fā)生。與本論文相關(guān)的論文有：samson調(diào)節(jié)閥定位器概述