调节阀的特性及选择

调节阀的特性及选择调节阀是一种在空调控制系统中常见的调节设备，分为两通调节阀和三通调节阀两种。

调节阀可以和电动执行机构组成电动调节阀，或者和气动执行机构组成气动调节阀。

电动或气动调节阀安装在工艺管道上直接与被调介质相接触，具有调节、切断和分配流体的作用，因此它的性能好坏将直接影响自动控制系统的控制质量。

本文仅限于讨论在空调控制系统中常用的两通调节阀的特性和选择，暂不涉及三通调节阀。

1．调节阀工作原理从流体力学的观点看，调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件。

对不可压缩的流体，由伯努利方程可推导出调节阀的流量方程式为()()21221242P P D P P AQ -=-=ρζπρζ式中：Ｑ——流体流经阀的流量，m 3/s ；Ｐ1、Ｐ2——进口端和出口端的压力，MPa ；Ａ——阀所连接管道的截面面积，m 2； Ｄ——阀的公称通径，mm ；ρ——流体的密度，kg/m 3； ζ——阀的阻力系数。

可见当A 一定，(P 1-P 2)不变时，则流量仅随阻力系数变化。

阻力系数主要与流通面积(即阀的开度)有关，也与流体的性质和流动状态有关。

调节阀阻力系数的变化是通过阀芯行程的改变来实现的，即改变阀门开度，也就改变了阻力系数，从而达到调节流量的目的。

阀开得越大，ζ将越小，则通过的流量将越大。

2．调节阀的流量特性调节阀的流量特性是指流过调节阀的流体相对流量与调节阀相对开度之间的关系，即⎪⎭⎫⎝⎛=L l f Q Q max 式中：Q/Q max ——相对流量，即调节阀在某一开度的流量与最大流量之比； l/L ——相对开度，即调节阀某一开度的行程与全开时行程之比。

一般说来，改变调节阀的阀芯与阀座之间的节流面积，便可控制流量。

但实际上由于各种因素的影响，在节流面积变化的同时，还会引起阀前后压差的变化，从而使流量也发生变化。

为了便于分析，先假定阀前后压差固定，然后再引申到实际情况。

因此，流量特性有理想流量特性和工作流量特性之分。

2.1 调节阀的理想流量特性调节阀在阀前后压差不变的情况下的流量特性为调节阀的理想流量特性。

调节阀的理想流量特性仅由阀芯的形状所决定，典型的理想流量特性有直线流量特性、等百分比(或称对数)流量特性、抛物线流量特性和快开流量特性，如图5－6所示。

(1)直线流量特性直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位行程变化所引起的流量变化是常数。

由此可见，直线流量特性调节阀在行程变化相同的条件下所引起的相对流量变化也相同，但相对流量变化的相对值不同。

即流量小时，相对流量变化的相对值大；而流量大时，相对流量变化的相对值小。

也就是说，阀在小开度时控制作用太强，不易控制，易使系统产生振荡；而在大开度时，控制作用太弱，不够灵敏，控制难于及时。

(2)等百分比(对数)流量特性等百分比流量特性是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系，即该点单位相对行程变化的百分数与相对流量变化的百分数相等，故称为等百分比流量特性。

等百分比流量特性的相对开度与相对流量成对数关系，故又称之为对数流量特性。

这种调节阀的放大系数是随行程的增大而递增，即在开度小时，相对流量变化小，工作缓和平稳，易于控制；而开度大时，相对流量变化大，工作灵敏度高，这样有利于控制系统的工作稳定。

(3)抛物线流量特性抛物线流量特性的调节阀的相对流量与相对开度的二次方成比例关系。

(4)快开流量特性调节阀在开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开流量特性。

快开流量特性的阀芯是平板形的，适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。

2.2 工作流量特性在实际使用时，调节阀总是与具有阻力的表冷器、换热器、管道等相连接，即使能保持供、回水压差不变，也不能始终保持调节阀前后的压差恒定。

因此，虽然在同一相对开度下，通过调节阀的实际流量将与理想特性时所对应的流量不同。

所谓调节阀的工作流量特性就是指调节阀在前后压差随负荷变化的工作条件下，它的相对流量与相对开度之间的关系。

(1)串联管道时调节阀的工作流量特性直通调节阀与管道和设备串联的系统及其压差变化情况如图5－7所示。

调节阀安装在串联管道系统中，串联管道系统的阻力与通过管道的介质流量成平方关系。

当系统总压差为一定时，调节阀一旦动作，随着流量的增大，串联设备和管道的阻力亦增大，这就使调节阀上压差减小，结果引起流量特性的改变，理想流量特性就变为工作流量特性。

假设在无其他串联设备阻力的条件下，阀全开时的流量为Q max ，在有串联设备阻力的条件下，阀全开的流量为Q 100，两者关系可用下式表示：v P Q Q max 100=式中P v 为阀全开时，阀上的压差与系统总压差之比值，称为阀权度，也称为阀门能力或压差比，即PP P v ∆∆=1式中：ΔP 1——调节阀全开时阀上的压力降；ΔP ——包括调节阀在内的全部管路系统总的压力降。

显然，随着串联阻力的增大，P v 值减小，则Q 100会减小，这时阀的实际流量特性偏离理想流量特性也就愈严重。

以Q 100作参比值，不同P v 值下的工作流量特性如图5－8所示。

由图5－8可以看出，当P v =1时，理想流量特性与工作流量特性一致；随着P v 的值降低，Q 100逐渐减小，所以实际可调比R(R=Q max ／Q min )是调节阀所能控制的最大与最小畸变，也会逐渐减小；随着P v 值的减小，特性曲线发生畸变，直线特性阀趋于快开特性，而等百分比特性阀趋于直线特性阀，这就使得调节阀在小开度时控制不稳定，大开度时控制迟缓，会严重影响控制系统的调节质量。

因此，在实际使用时，对P v 值要加以限制，一般希望不低于0.3～0.5。

(2)并联管道时调节阀的工作流量特性调节阀一般都装有旁路，以便于手动操作和维护，当负荷提高或调节阀选小了时，可以打开一些旁路阀，此时调节阀的理想特性就改变为工作特性。

若以X 代表管道并联时调节阀全开流量1Q 与总管最大流量max Q 之比，即m axm ax1Q Q X =，可以得到压差为一定而X 值不同时的工作流量特性，如图5－9所示。

当X=1，即旁路阀关闭时，调节阀的工作特性同理想特性一致；随着X 的减小，系统的可调比将大大下降。

同时，在实际应用中总有串联管道阻力的影响，调节阀上压差还会随流量的增加而降低，使可调比更为下降。

一般认为X 值不应低于0.5，最好不低于0.8。

3．调节阀的可调比调节阀的可调比就是调节阀所能控制的最大流量与最小流量之比。

可调比也称可调范围，若以R 来表示，则m inm axQ Q R =要注意最小流量Q min 和泄漏量的含义不同。

最小流量是指可调流量的下限值，它一般为最大流量Q max 的2％-4％，而泄漏量是阀全关时泄漏的量，它仅为最大流量的0.1％-0.01％。

3.1 理想可调比当调节阀上压差一定时，可调比称为理想可调比，即minmaxmin max C C Q Q R ==也就是说，理想可调比等于最大流量系数与最小流量系数之比，它反映了调节阀调节能力的大小，是由结构设计所决定的。

一般总是希望可调比大一些为好，但由于阀芯结构设计及加工方面的限制，流量系数C min 不能太小，因此，理想可调比一般均小于50，我国规定在设计中理想可调比统一取30。

3.2 实际可调比调节阀在实际工作时不是与管路系统串联就是与旁路阀并联，随管路系统的阻力变化或旁路阀开启程度的不同，调节阀的可调比也会产生相应的变化，这时的可调比就称为实际可调比。

(1)串联管道时的可调比如图5－7所示的串联管道，由于流量的增加，管道的阻力损失也增加。

若系统的总压差ΔP 不变，则分配到调节阀上的压差相应减小，这就使调节阀所能通过的最大流量减小， 所以，串联管道时调节阀实际可调比会降低。

若用R ′表示调节阀的实际可调比，则PP RP P RP C P C Q Q R ∆∆≈∆∆=∆∆=='min1max 1min 1max1minmin1max minmaxρρ式中 max 1P ∆——调节阀全关时阀前后的压差，约等于系统的总压差P ∆；min 1P ∆——调节阀全开时阀前后的压差。

由串联管道时调节阀的工作流量特性可知，PP ∆∆m in1=v P ，即阀权度。

则v P R R ='由上式可知，当v P 值越小，即串联管道的阻力损失越大时，实际可调比就越小。

(2)并联管道时的可调比在图3－13所示并联管道中，由于旁路流量的存在，相当于提高了调节阀的最小流量min Q 。

当打开与调节阀并联的旁路时，实际可调比为：2min 1maxQ Q Q R +='由m ax m ax 1Q Q X =， m in1m ax 1Q QR = 可得： max min 1Q RXQ =， max max 1max 2)1(Q X Q Q Q -=-= 因此XR R RQ Q Q R )1(2min 1max -+=+='从上式可知：当X 值越小，即旁路流量越大时，实际可调比就越小，由此可见旁路阀的开度对实际可调比的影响极大。

由于150~30>>=R ，因此2max max 1max max 11Q Q Q Q Q X R =-=-≈' 上式表明在并联管道中调节阀的实际可调比与调节阀本身的可调比近乎无关，由于调节阀的最小流量一般比旁路流量小得多，故其实际可调比实际上只是总管最大流量与旁路流量的比值。

综上所述，串联或并联管道都将使实际可调比下降，所以在选择调节阀和组成系统时不应使v P 值太小，并且要尽量避免打开并联管路的旁路阀，以保证调节阀有足够的可调比。

3.3 调节阀流通能力调节阀流通能力是衡量阀门流量控制的能力。

其定义为：当调节阀全开、阀两端压差为105Pa 、流体密度为ρ=1g ／cm 3时，每小时流经调节阀的流量数，以m 3／h 计。

从调节阀的流量方程式可知：()P A P P A Q ∆=-=ρζρζ2221式中 Q ——流体流量，m 3／h ；A ——调节阀接管截面积，cm 2；P 1——阀前压力，105Pa ＝10N/cm 2；P 2——阀后压力，105Pa ＝10N/cm 2；ΔP ——阀两端压差，105Pa ＝10N/cm 2；ρ——流体的密度，1g/cm 3＝10N -5·S 2/cm 4。

把采用的单位量纲代人上式后可得到：ρζρζρζPAP AP A Q ∆=∆⨯=∆=-09.51010225令ζAC 09.5=，则有： ρPCQ ∆=，C 称为调节阀的流通能力，又称为调节阀的流量系数。

由于P 1、P 2和ΔP 的单位是105Pa ，使用起来不方便，若改为Pa 作单位，而C 仍用上式计算，则有：ρPC Q ∆=316，即 ρPQ C ∆=316上式是ΔP 以Pa 为单位，ρ以g/cm 3作单位时计算C 值的基本公式。