调节阀流量特性
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。
调节阀的4种流量特性
调节阀的4种流量特性
1正逆行阀特性
正逆行阀特性是调节阀中最常见的流量特性，即调节阀的阀板由可调座在正、反两个方位转换。
随着阀板的移动，流量的增减空间是不断在正反之间变化的，最终达到设定的流量值。
正逆行阀的优势是，抗压力能力高，密封性好，动作健壮，结构简单，噪音小，前后行程最大化，但精度低，斜度梯形典型，处理流量噪音变化较大。
2双调节特性
双调节特性是指调节阀内部有两个独立行程空间，根据需要可以任意调节，从而让阀板呈现一个平滑的斜列面，流量曲线是多项式拟合的。
双调节特性的优势是控制的动作精度高，具有优异的空载性能和可控制性，流量响应迅速精准，过程变化具有很好的稳定性，但处理能力不足。
3耦合形态特性
耦合形态特性是指流量及阀板间运动耦合关系，结合正反行程和双调节空间特性，使流量曲线看起来像是拉扯。
耦合形态特性的优势是控制变比更大、流量控制可控性和稳定性更好以及噪音控制更出色，但回归特性较差。
4多阶梯形特性
多阶梯形特性是最复杂的阀板的移动特性，它是不同的阶梯组合在一起，通过多段流量曲线改善流量响应。
多阶梯形特性的优势是具有良好的抗压能力、可适应高温高压的环境，可实现优化的流量控制，控制响应快，精准，但设计和生产难度大，价格略高。
以上就是调节阀的4种流量特性，不同特性有着不同的优势和缺点，可以根据实际需要选择不同的流量特性来满足用户的需要。
调节阀流量特性介绍
调节阀流量特性介绍1. 流量特性调节阀的流量特性是指被调介质流过调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之间的关系。
其数学表达式为式中：Qmax-- 调节阀全开时流量L---- 调节阀某一开度的行程Lmax-- 调节阀全开时行程调节阀的流量特性包括理想流量特性和工作流量特性。
理想流量特性是指在调节阀进出口压差固定不变情况下的流量特性，有直线、等百分比、抛物线及快开4种特性(表1)流量特性性质特点直线调节阀的相对流量与相对开度呈直线关系，即单位相对行程变化引起的相对流量变化是一个常数①小开度时，流量变化大，而大开度时流量变化小②小负荷时，调节性能过于灵敏而产生振荡，大负荷时调节迟缓而不及时③适应能力较差等百分比单位相对行程的变化引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比①单位行程变化引起流量变化的百分率是相等的②在全行程范围内工作都较平稳，尤其在大开度时，放大倍数也大。
工作更为灵敏有效③ 应用广泛，适应性强抛物线特性介于直线特性和等百分比特性之间，使用上常以等百分比特性代之①特性介于直线特性与等百分比特性之间②调节性能较理想但阀瓣加工较困难快开在阀行程较小时，流量就有比较大的增加，很快达最大①在小开度时流量已很大，随着行程的增大，流量很快达到最大②一般用于双位调节和程序控制在实际系统中，阀门两侧的压力降并不是恒定的，使其发生变化的原因主要有两个方面。
一方面，由于泵的特性，当系统流量减小时由泵产生的系统压力增加。
另一方面，当流量减小时，盘管上的阻力也减小，导致较大的泵压加于阀门。
因此调节阀进出口的压差通常是变化的，在这种情况下，调节阀相对流量与相对开度之间的关系。
称为工作流量特性[1]。
具体可分为串联管道时的工作流量特性和并联管道时的工作流量特性。
（1）串联管道时的工作流量特性调节阀与管道串联时，因调节阀开度的变化会引起流量的变化，由流体力学理论可知，管道的阻力损失与流量成平方关系。
调节阀一旦动作，流量则改变，系统阻力也相应改变，因此调节阀压降也相应变化。
调节阀线性选择
在独立进行设计过程中，调节阀的流量特性的选择实际上是个较为复杂的过程，首先要深入了解工艺过程的设计，这是调节阀设计的基础，基于此，简单介绍下基本的原则：
1、调节阀的四种理想流量特性中，抛物线流量特性可以用等百分比流量特性代替；快开特性主要用于位式控制和和顺序控制；调节阀的流量特性主要就是直线性特性与等百分比特性的选择。
2、基本经验法：流量调节系统-直线或等百分比；气体压力、液位-直线；温度、蒸汽压力、成分-等百分比；但在实际应用中还要对这些特性进行修订，如干扰因素的变化等。
3、S值可以直接影响流量的选择，因此系统压降的分析是重要的因素，主要是工艺配管情况。
S值小于0.3时要选用低S值的调节阀。
4、节能等其它因素：节能角度讲要选择低S值的调节阀但考虑到流量畸变，对确有节能必要的情况才选低S值运行；如果长期工作在小开度的调节阀应选用等百分比特性；介质固体较多，易选用直线特性；有时要参考特种阀门的技术要求。
调节阀的三个流量特性
调节阀的流量特性
调节阀的流量特性，是在阀两端压差保持恒定的条件下，介质流经调节阀的相对流量与它的开度之间关系。
理想流量特性有：
1、等百分比特性
等百分比特性的相对行程和相对流量不成直线关系，在行程的每一点上单位行程变化所引起的流量的变化与此点的流量成正比，流量变化的百分比是相等的。
所以它的优点是流量小时，流量变化小，流量大时，则流量变化大，也就是在不同开度上，具有相同的调节精度。
2、线性特性线性特性的相对行程和相对流量成直线关系。
单位行程的变化所引起的流量变化是不变的。
流量大时，流量相对值变化小，流量小时，则流量相对值变化大。
3、抛物线特性
流量按行程的二方成比例变化，大体具有线性和等百分比特性的中间特性。
三种理想流量特性各有优缺点，不多说了。
阀门的流量特性，一般在特定开度比如30Q70%,会更加接近理想流量特性。
所以在调节阀计算时，要多和厂家沟通，必要时相应的做变径。
阀的流量特性
（5）调节阀前、后两端压力差为
p p1 p2 0.09MPa
（6）蒸汽的压缩系数ε为
p2 0.2 0.5 p1 0.29
故调节阀的蒸汽流动为亚临界流动。
制 冷 装 置 及 其 自 动 化 课 件 设 计
p 1 0.46 0.802 p1
制 冷 装 置 及 其 自 动 化 课 件 设 计
调节阀流量特性及其选择计算 调节阀和调节蝶阀与风门是制冷空调系 统中的两种调节机关。 在自动调节系统中如何选择调节机关， 是一个很重要的问题。必须根据整个调节系 统慎重选择调节机关。 在选择调节阀时，必须考虑下列两个因 素： 第一为调节阀的调节范围； 第二为调节阀的工作流流量特性指介质流过阀门的相 对流量与阀门的相对开度之间的关系，即
q q max l f L
制 冷 装 置 及 其 自 动 化 课 件 设 计
调节阀的流量特性分为理想流量特性和 工作流量特性。
理想流量特性
调节阀在前后两端压差一定的情况下， 得到的流量特性，称为理想流量特性。调节 阀的理想流量特性取决于阀心形状，见图2－ 84。
（7）按最大流量计算流通能力Cmax为
Cmax qmax 31 100 p1
式中ρ1=1.57——阀前p1状态的饱和蒸汽密度。 （8）按最小流量计算流通能力Cmin为
Cmin qmin 6.96 100 p1
制 冷 装 置 及 其 自 动 化 课 件 设 计
查调节阀产品目录资料，选择直通单座， 通径Dg=0.05m，口径dg=0.05m，行程 S=0.025m，阀的流通能力C=32。 （9）验算
q’min=210kg/h，调节阀阀前压力约0.19MPa（表
阀门的流量特性百分比与直线的选择
何谓调节阀理想流量特性中的直线流量特性和等百分比流量特性？它们之间有何区别？
答：1、直线流量特性是指调节阀相对流量与相对位移成直线关系。
等百分比流量特性是指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与些点的相对流量成正比关系。
2、他们之间的区别如下：
⑴、直线流量特性的阀门在小开度时，流量相对变化值大，在大开度时，流量相对变化值小，而等百分比流量特性的阀门则刚好反之；
⑵、直线流量特性的阀门在小开度时，灵敏度高，不易控制，甚至发生振荡，在大开度时调节缓慢，不够及时，等百分比流量特性阀门在小开度时调节平衡缓和，在大开度时，调节灵敏有效。
调节阀流量特性选择
调节阀的流量特性如何选择控制阀的流量特性是介质流过控制阀的相对流量与相对位移（控制阀的相对开度）间的关系，一般来说改变控制阀的阀芯与阀座的流通截面，便可控制流量。
但实际上由于多种因素的影响，如在截流面积变化的同时，还发生阀前后压差的变化，而压差的变化又将引起流量的变化。
在阀前后压差保持不变时，控制阀的流量特性称为理想流量特性；控制阀的结构特性是指阀芯位移与流体流通截面积之间的关系，它纯粹由阀芯大小和几何形状决定，与控制阀几何形状有关外，还考虑了在压差不变的情况下流量系数的影响，因此，控制阀的理想流量特性与结构特性是不同的。
理性流量特性主要由线性、等百分比、抛物线及快开四种。
在实际生产应用过程中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性，因为控制阀往往和工艺设备串联或并联使用，流量因阻力损失的变化而变化，在实际工作中因阀前后压差的变化而使理想流量特性畸变成工作特性。
控制阀的理想流量特性，在生产中常用的是直线、等百分比、快开三种，抛物线流量特性介于直线与等百分比之间，一般可用等百分比来代替，而快开特性主要用于二位式调节及程序控制中。
因此，控制阀的特性选择是指如何选择直线和等百分比流量特性。
目前控制阀流量特性的选择多采用经验准则，可从下述几个方面考虑：1、从调节系统的质量分析下图是一个热交换器的自动调节系统，它是由调节对象、变送器、调节仪表和控制阀等环节组成。
K1变送器的放大系数，K2调节仪表的放大系数，K3执行机构的放大系数，K4控制阀的放大系数，K5调节对象的放大系数。
很明显，系统的总放大系数K为：K=K1*K2*K3*K4*K5K1、K2、K3、K4、K5分别为变送器、调节仪表、执行机构、控制阀、调节对象的放大系数，在负荷变动的情况下，为使调节系统仍能保持预定的品质指标；则希望总的放大系数在调节系统的整个操作范围内保持不变。
通常，变送器、调节器（已整定好）和执行机构的放大系数是一个常数，但调节对象的放大系数却总是随着操作条件变化而变化，所以对象的特性往往是非线性的。
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② 随着S的减小，管道总阻力增大，控制阀全开 时的最大流量相应减小，使实际可调比 R f 下降。 RS f 之间的关系为 实际可调比 与
Rf » R S
③ 随着S的减小，控制阀的流量特性发生畸变，线 性理想流量特性渐渐接近快开特性；等百分比理 想流量特性趋向于线性特性。 在实际使用中，S值选得过大或过小都有不妥之处。 选得过大，阀上的压降很大，消耗能量过多；选 得过小，则控制阀流量特性畸变严重，对控制不 利。因此，一般希望S值最小不低于0.3。设计中的 S通常为0.3～0.6。
1－永久磁钢；2－导磁体；3－主杠杆（衔铁）；4－平衡弹簧； 5－反馈凸轮支点； 6－反馈凸轮；7－副杠杆；8－副杠杆支点；9－薄膜执行机构； 10－反馈杆；11一滚轮； 12－反馈弹簧；13－调零弹簧；14－挡板；15－喷嘴；16－主杠杆支点； 17－放大器 图2.39 电-气阀门定位器动作原理
系统总压差：
p pV p f
p pV p f
压力比系数S： S的定义为，控制阀全开时，阀两端的压 降占系统总压降的比值。
pv min S＝ p
图2.34
串联管道时控制阀的工作流量特性
在S≤1，串联管道中控制阀特性曲线的畸变规律如下：
① 当系统压降全部损失在控制阀上时（管道阻力 损失为零），S＝1，这时工作流量特性与理想流量 特性相同。
不同流量特性的阀芯曲面形状
1－线性；2－等百分比；3－快开；4－抛物线
（1）线性流量特性 或叫直线流量特性 线性流量特性是指控制阀的相对流量与相对开度 成直线关系。
q d q 其数学表达式为： max K l d L q l
将上式积分得 q ＝K L ＋C max 根据已知边界条件在l＝0时，q=qmin 则C＝qmin/qmax l＝L时，q=qmax 则K＝1－C＝1－(1/R)
控制阀的口径可根据其在最大工况流量时的流量 系数CVmax值、通过查阅产品手册求得
并且由于流过控制阀的介质不同，可能为液体、气 体、蒸汽、闪蒸水等，其计算的公式都不一样。
2 控制阀口径的确定
（1）根据生产能力、设备负荷决定出最大流量； （2）根据所选的流量特性及系统特点选定S值，计 算出阀门全开时的压差； （3）根据流通能力的计算公式，求得最大流量时的 流量系数CVmax；
阀门定位器分为气动和电-气阀门定位器两大类。
以电-气阀门定位器为例，说明阀门定位器的动作原理
1．电-气阀门定位器
电-气阀门定位器具有电-气转换和气动阀门定位器的 双重作用。 一方面可用电动控制器输出的0～10 mA DC或 4～ 20 mA DC信号去操纵气动执行机构；
另一方面还可以使阀门位置按控制器送来的信号准确 定位（即输入信号与阀门位置呈一一对应关系）。 改变图2.39中反馈凸轮的形状或安装位置，还可以改 变控制阀的流量特性和实现正、反作用调整。
1．理想流量特性 控制阀两端压差恒定时的流量特性称为 理想流量特性，又称固有流量特性。 阀门制造厂所提供的流量特性即指理想 流量特性。 理想流量特性有线性、等百分比（对 数）、快开、抛物线特性等几种。 这些特性完全取决于阀芯的形状，不同 的阀芯曲面可得到不同的理想流量特性。
控制阀的理想流量特性（R=30）
（2）并联管道中的工作流量特性。 控制阀一般都装有旁路，以便手动操作和维护。 设置旁路的目的有两个： 一是当控制系统失灵或控制阀出现故障时，可用 它作手动控制之用，以保证生产的继续进行；
二是当生产量提高或控制阀选的较小时，可将旁 路阀打开一些，扩大所调节的流量。
X代表并联管道中控制阀全开时 的流量q1max与总管最大流量qmax 之比
q d q max K q q max l d L
右图中曲线2
由于等百分比阀的放大系数KV随相对开度的增大 而增大，因此，在小开度时等百分比阀的放大系 数小，控制平稳缓和；在大开度时放大系数大， 控制灵敏有效。自动控制系统中最常用的流量特 性。
（3）快开流量特性。快开流量特性的数学表达式为
快开流量特性在开度较小时就 有较大的流量，阀的行程短， 故称为快开特性，其特性曲线 见右图中的曲线3
（4）抛物线流量特性
q qmax
与
l L
之间成抛物线关系
右图中的曲线4
抛物线流量特性介于线性流量特 性与等百分比流量特性之间，主 要用于三通控制阀及其他特殊场 合。
制造厂通过设计不同形状的控制阀阀 芯来获得不同的流量特性。
根据实践经验，一般认为旁路流量最多只能是总 流量的百分之十几，即要求X值最小不低于0.8。
综合串、并联管道的情况，可得如下结论： ① 串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变， 串联管道的影响尤为严重； ② 串、并联管道都会使控制阀的实际可调比降低，并 联管道尤为严重； ③ 串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流 量增加；
2.4.4 控制阀流量特性的选择
控制阀的流量特性:指流过控制阀的被控介质的相 对流量与阀杆的相对行程（即阀门的相对开度）之 间的关系。 数学表达式为
q q max l f L
q qmax 相对流量:是控制阀某一开度时的流量q与全开时
流量qmax 之比。
l/L 相对开度：表示控制阀某一开度下的阀杆行程 与全开时阀杆全行程之比。
① 理想特性：在控制阀两端压差固定的条件 下，流量与阀杆位移之间的关系。 它完全取决于阀的结构参数。 ② 工作特性：指在工作条件下，阀门两端压 差变化时，流量与阀杆位移之间的关系。 阀门是整个管路系统中的一部分。在不 同流量下，管路系统的阻力不一样，因此分 配给阀门的压降也不同。 工作特性不仅取决于阀本身的结构参数， 也与配管情况有关
3．流量特性的选择
选择控制阀的流量特性时，不但要依据过程 特性，还应结合系统的配管情况考虑。 流量特性选择的本质是控制系统的非线性补偿问题。 控制阀选择总的原则：
在被控对象存在非线性时，控制阀特性应克服 对象非线性影响而使广义对象接近为线性特性， 如图2.38所示。 一般是应先选择工作流量特 性，然后，根据实际应用选 择理想流量特性。
2．工作流量特性
在控制阀前后压差变化时，控制阀的相对开度 与相对流量之间的关系称为工作流量特性。 控制阀总是与工艺设备、阀门、管道等阻力元件 串联或并联安装，控制阀流量的变化将会引起管 路系统阻力的变化，从而使得阀上的压降也发生 变化。 （1）串联管道中的工作流量特性 系统总压差：与控制阀前后相连设备的恒压点之 差。
（4）按已求得的流量系数，在控制阀产品的标准系列 中，根据所选控制阀的结构类型选取大于CVmax并与之 最接近的流通能力C值，从而选取阀门口径； （5）验证控制阀开度和可调比，一般要求最大流量时 阀开度不超过90%，最小流量时阀开度不小于10%。 验证合格后，根据 CVmax 确定控制阀的公称通径和阀 座直径。 2.4.6 阀门定位器的正确使用
线性
等百分比 快开 等百分比 线性 等百分比
液位
设定值变化
负荷变化 设定值变化
线性
等百分比 线性
负荷变化
旁路连接
等百分比
等百分比 等百分比
2.4.3 控制阀气开、气关形式的选择
1．控制阀的气开、气关形式 气开阀：有信号时阀开，信号越大，开得越大， 气动薄膜控制阀的执行机构和调节机构组合起 没有信号时阀全关； 来可以实现气开和气关两种作用方式 。 气关阀：有信号时阀关，信号越大，关得越小， 没有信号时，阀全开；
控制阀流量系数CV的计算公式为：
CV＝ 10q
p1 - p2
＝ 10q
p
ρ ——流体密度（g/cm3） p1－p2——阀两端的压差（kPa） q——流经控制阀的体积流量（m3/h）
如果控制阀两端的压差p1－p2保持为100 kPa，则在 全开时流经控制阀的水（1 g/cm3）的流量q即为该 阀的流通能力C值。
图2.29
气动控制阀气开、气关组合方式图
2．控制阀气开、气关形式的选择 在控制阀开、关形式的选择，应根据具体生 产工艺的要求，在气源供气中断或控制阀出 现故障时，控制阀的阀位处于全开或全关时 生产处于安全状态。一般根据以下几条原则 进行选择。
（1）首先要从生产安全出发。
（2）从保证产品质量出发。 （3）从降低原料、成品和动力的损耗来考 （4）从介质的特点考虑。
控制阀口径的选择是根据流通能力C值进行选择。
流通能力C的定义是： 在控制阀全开时，当阀两端压差为100 kPa、流体 密度为1 g/cm3时，每小时流经控制阀的流体流量 是控制阀的流通能力C（以m3/h表示）。 1．控制阀流量系数CVmax的计算 对不可压缩流体，且阀两端的压差p1－p2不太大 （即流体为非阻塞流）时，其体积流量 p1 - p2 1 1 p q＝ CV ＝ CV 10 10 阻塞流： 当调节阀上的前后差压增大到一定程度，通过阀的 流量达到极限值，再增加压差，流量也不会增加时 的这种极限流量叫阻塞流.
不宜控制或宜选 用低S控制阀
如果工艺配管不能精确确定时，一般可选等百分比特பைடு நூலகம்，因 为等百分比阀适应性较强，目前使用较多。
可以直接根据被控变量和工艺情况选择控制阀的理想特性
被控变量 对象特性 或0.2pv/qmin＜pv/qmin＜2 pv/qmin pv/qmax＜0.2 pv/qmin pv/qmax＞2 pv/qmin 快过程 压力 （变送器输出与 流量成正比） （变送器输出与 流量平方成正比） 温度 串接 慢过程 pv恒定 pv/qmax＜0.2 pv/qmin 选用的控制阀理 想流量特性
2.4.5
控制阀口径的选择
正常工况下，要求控制阀开度处于15%～85%， 不宜将控制阀口径选得过小或过大 若口径选择得过小，会使流经控制阀的介质达不 到所需要的最大流量。 若口径选择得过大，不仅会浪费设备投资，而且 会使控制阀经常处于小开度的工作状态。