正確選擇日本山武調節閥

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     本教材說明調節閥(控制閥)選擇的基礎知識。調節閥(控制閥)是連續調節(控制)流體(水或蒸氣等)流量的機器。在空調控制中，控制閥被廣泛用于空調機的控制或熱源系統的控制，具有重要的地位。因此，根據設計安裝·控制機器的特性·環境條件等，選擇合適的閥是非常重要的。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,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、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。為了能進行平穩的自動控制，從事自動控制的有關人員，必須具備根據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的閥。
第二，選定閥的口徑。根據流經閥的流體流量，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。應該選擇既能得到必要流量、又具有良好控制性的閥。
第三，對于已經選定的閥，必須檢查確認耐壓、允許差壓等。在通常的閥選定時往往容易忘記，應該參照應用篇進行必要的檢查確認。必須根據閥的上游側所承受的壓力，選擇閥的壓力額定值。另外，有可能發生氣蝕的場合，應重新考慮閥的口徑和材質。

1. 閥的型式
1.1 各個部位的名稱
圖1.1.1所示為閥各部分的名稱。
圖1.1.1中只注明了起碼應知道的名稱。更詳細的各部分名稱，請參考各種閥的規格說明書。
圖1.1.1 各部位的名稱
1.2 根據端口數分類
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個流體出入口的閥稱為二通閥。通過閥芯直行程的上下動作或角行程的旋轉動作，可以調節通過閥的流體流量。另外，二通閥被應用于變流量系統，通過與泵臺數控制/回轉速度控制相組合，可節省泵的輸送動力。二通閥的用途廣泛，可應用于空調機、熱交換器的溫度控制等許多控制系統中。
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入口(A閥口、B
閥口)流入，從一個出口合流流出(AB閥口)。而分流三通閥的流體從一個口流入，然后向兩個
方向流出。一般而言，合流型比分流型構造更簡單，價格也更便宜，因此一般的三通閥大多
都是合流型。
三通閥多被應用于定流量系統，包括設備整體在內初始投資成本便宜，但與變流量系統相比，
缺點是無法節能。
除了部分特種閥外，合流閥和分流閥不能互換用于對方的用途。一般情況下，如果用于對方的場合，在關斷時，閥芯會緊鎖閥座，發出刺耳的聲音，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)
調節閥口徑
閥座口徑
閥內件......................包括閥芯、閥座等與液體接觸的內部構造部分(本體除外)
1.3 根據閥內件分類
根據閥內件形式，可將閥進行如下分類。適合比例控制的型式、適合高差壓的型式、價格方面較有利的型式等，根據閥內件形式不同，決定各種閥的特性。
1) 單座閥 (V5063等)
(構造)
由關斷流體流動的一個閥座和閥芯所構成。
(特點)
構造簡單，加工容易、常用。直行程單座調節閥全閉時，閥芯所承受的壓力直接作用在執行器上，因此允許壓差比較小，不適用于高差壓、大口徑的場合。(全閉時的泄漏量大約為Cv值的0.01%。)
2) 雙座閥 (V5064等)
(構造)
由關斷流體流動的兩個閥座和閥芯所構成。
(特點)
全閉時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品。
因雙座閥加工復雜，全閉時泄漏量較大(全閉時的泄漏量大約為Cv值的0.5%)，因此如果流體
是蒸氣時不能使用。3） 旋轉型電動閥(ACTIVAL等)
(構造)
閥軸(軸桿)可進行90度旋轉來控制流量。
(特點)
可調比大，適用于比例控制。與ACTIVAL(VY51XX,VY52XX)一樣，閥本體與電動驅動部是一體型。全閉時的泄漏量大約為Cv值的0.01%(1規格為Cv值的0.0006以下)。圖1.3.3 旋轉型電動閥
4) 蝶閥(VY6920/30等)
(構造)
閥本體中，圓盤狀羽板以閥軸為中心轉動。(特點)在自動切換閥中經常采用，且大口徑產品較多。
雖然有壓力損失小、閥容量大的特點，但一般可調比不大。圖1.3.4 蝶閥
5) 球閥(VY6100等)
(構造)
(動作時閥體中)中空的球旋轉。(特點)截止性能優異，泄漏小，壽命長。由于動作圓滑，可以避免閥關閉時的水擊。6) 偏心軸回轉型調節閥(偏心閥等)(構造)閥本體的中心和閥芯的回轉軸是偏心的。
(特點)
閥容量大，而且可調比大。
閥體構造便于流體流動，可用于包括含有固體顆粒的流體。備有大口徑產品。由于容易產生氣蝕，應予以注意。7） 套筒式調節閥(HCB等)(構造)又稱籠式。利用圓筒狀中空籠式部件控制流量。
(特點)
即使口徑較大時，截止流體的壓力也比較大，因此可用于高差壓的場合。特別是還有可使閥桿所受的壓力較小的壓力平衡式產品。不容易產生氣蝕引起的噪音。

2. 閥的流量特性

閥的開度(閥芯的相對行程)與流量的關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的流量特性。
但是，實際控制系統中，閥前后的差壓隨閥開度變化而變化。這時的流量特性被稱為有效流量特性。一般情況下閥開度較小時，閥前后的差壓較大。因此，閥開度較小時的流量比通過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 快開特性
如圖2.1.1(a)所示，當閥從全閉向全開狀態變化時，流量急劇變化的特性被稱為快開特性。具有這種特性的閥，當開度較小時，開度的少許變化即會使流量產生急劇變化。因此，若將具有快開特性的閥用于比例控制，系統就會變得不安定，容易產生振蕩。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，當閥前后的壓力變化時，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，通過采用直線特性，流過三通閥的總流量與行程無關而保持一定。如果用兩臺具有等百分比特性的二通閥來代替三通閥，如圖2.2.1(b)所示，在0.5開度附近，總的
流量會變小。

2.3 等百分比特性
如圖2.1.1(c)所示，流量相對于開度呈指數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系幾乎變成直線。即，控制系統的輸入-輸出關系幾乎變成直線，因此可提高控制性能。三通閥(或兩臺二通閥) 的場合，如果使用等百分比特性，無法變成定流量，應當注意。

2.4 閥權度與流量特性
配管系統的壓降與閥前后的壓降比稱為閥權度，以如下公式表示：式中，ΔPV表示閥全開時閥前后差壓，ΔPL表示閥全開時配管系統的壓降，ΔP表示閥全開時
配管系統整體壓降。
閥權度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于閥權度p的變化而變化的情況。圖2.4.1-3分別表示快開特性、直線特性(修正直線特性)、以及等百分比特性各自對應的流量

特性。

● 快開特性
將快開特性形象化即如圖2.1.1(a)所示。但是，實際的快開特性如圖2.4.1所示，當p=1時流量
相對開度呈直線變化。在實際的控制系統中，不可能存在閥權度 p=1，因此與圖2.1.1(a)相似，閥門開啟時，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，實際的直線特性(修正直線特性)如圖2.4.2所示，當閥權度 p=1時流量對開度呈拋物線變化。當p=0.5時，直線特性(修正直線特性)的流量與開度的關系幾乎成直線。當閥前后的壓力保持一定時閥所具有的上述特性被稱為直線特性，閥前后的壓力發生變化
時，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
根據閥權度的不同，等百分比的流量特性如圖2.4.3所示。從圖可看出，即使閥權度較小時，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，但執行器的信號與流量關系被調整為直線特性或等百分比特性。

3. 閥口徑的選定
3.1 關于Cv值
閥選定中的重要項目之一是口徑選定。如果選擇失誤而安裝了比合適口徑大的閥，則會反復發生振蕩，控制不穩定。因此如果未能選擇適當口徑時，就不可能實現良好的控制。閥的流通能力一般用Cv值來表示，為了決定閥口口徑，根據所給的流體條件計算出必要的Cv值，然后根據閥的額定Cv值選擇合適的閥口徑。重要！！ 該Cv值即為假設閥入口和出口的差壓為1psi(7kPa)，當流過60°F(15.
5℃)的清水(H2O)時，以US gal/min為單位所表示的流量值。Cv=1即表示，差壓為7kPa
時，流量為3.785L/min，差壓為0.5kPa時流量為1L/min。
參考： SI單位換算 10mH2O=1kgf/cm2=98kPa
3.2 Cv值的計算方法
水和蒸氣的場合，Cv值的計算公式不同。
(流經的流體為水時)
ΔP kPa: 上游側和下游側的壓力差 Q(L/min): 體積流量

(流經的流體為蒸氣時)
雖然一般是閥前后的差壓(ΔP)增大，流量也相應增大，但是若閥前后的差壓達到上游側的絕
對壓力的50%時，再繼續增大差壓，流量也不會增大。因此，將ΔP比上游側壓力的50%大和
小兩種情況分開來考慮。另外，通常選擇閥時應使ΔP小于上游側的壓力的50%。
P1 kPa(abs): 上游側的壓力
P2 kPa(abs): 下游側的壓力
W(kg/h): 質量流量
注)壓力：以kPa(abs)為單位所表示的假設理想真空下的壓力為0所測的壓力值。
測量壓力：以kPa(G)為單位所表示的以大氣壓力為基準所測定上下壓力值。
測量壓力0kPa(G)
=壓力101kPa(abs)

假設采用ACTIVAL電動二通閥(蒸氣用)，根據Cv值=4.0，則選擇VY5115F0015。
(截止閥另外進行串聯安裝。)
ΔP的計算方法
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，但根據流量及
泵的動力關系，一般以閥全開時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
(閥關閉時允許差壓)
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。
閥上游側和下游側的壓力差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，施加在閥系統上的力包括：
向下的力F2: 該力由閥執行器(包括閥連接器)的力決定。

圖4.1.1中，施加在閥系統上的力包括：
向下的力F2: 該力由閥執行器(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，使用同一執行器時，閥的口徑越大，則允許差壓越小，其關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，可保持額定允許差壓，但是F2＜F1時，不能保持。
使用電動式執行器時，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行器及閥連接器的力(嚴格地講，應為閥連接器內部的緩沖彈簧的強度)。
使用氣動式執行器時，主要由氣動式執行器中所采用的彈簧強度與隔膜所承受的空氣壓力的平衡來決定。
應該注意的是，允許差壓與本體的額定壓力值*無關。
(注1) 三通閥的允許差壓按照兩個閥口的壓力差中較大的一方來決定。

4.2 常用允許差壓(適用差壓限定值)
即將閥與特定的執行器組合時，可施加在閥前后的流體的允許差壓。允許差壓為對于閥全閉時差壓限定值，而適用差壓限定值則是與閥開度無關的適用差壓限定值。但是，關于差壓，還必須對氣蝕進行驗算確認。

4.3 閥口徑和允許差壓
即使對于同一閥，隨著與其連接的執行器(閥門伺服電機等)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，即使使用相同的執行器，閥口徑越大， 允許差壓越小。以下以具體的例子說明V5063A/ACTIVAL 小型二通閥、V4043A/ACTIVAL電動二通閥的允許差壓。

5. 可調比
5.1 固有可調比
各個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，閥的固有可調比越大，能控制的水量范圍越廣。(例) ACTIVAL(VY5100，可調比為50:1)的場合，假設可控制的大流量為100L/min，只要
差壓不變，則小可控制流量為2L/min。
5.2 實際的可調節比
如果閥前后的差壓(ΔP)一定，則固有可調比即表示可控制范圍，但是，實際上作用在閥前后的差壓是會發生變化的。另外，與根據設計條件計算出的Cv值相等的閥是很少的。這里試舉一例來說明表示實際控制的可調比。

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

6. 氣蝕
6.1 閥內流體的流動
假設閥上游側和下游側的靜壓分別為P1、P2，有效能量分別為E1、E2。這時，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。閥體內部，由于壁面的摩擦以及流動的擴散過程中內部摩擦作用，會消耗能量。因此下游側的有效能量比上游側小。
另一方面由于閥內部通徑變窄，流速變快。因此，速度壓變大，與此相應，靜壓變小。閥內部截面積小、流速大處的靜壓稱為縮流壓力(以符號Pvc表示)。閥內流體在閥座節流口達到縮流壓力。當通徑擴大時，流速降低，根據能量損失的程度，靜壓會部分恢復。這種“壓力恢復”現象是閥內流體流動的特征之一。另外，能量損失的程度根據閥的型式、閥開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，并產生氣泡的現象叫閃蒸。由氣液混合相變回為液相的現象叫空化。發生空化現象時，會產生強烈的噪音和振動。另外，空化通過氣泡壓碎時的沖擊波，會將閥或配管內表面損傷成嚴重凹凸不平的海綿狀。這種機械性侵蝕稱為氣蝕。
現就氣蝕的發生過程作一說明。設閥的上游側的靜壓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，縮流壓力Pvc可能降到飽和蒸氣壓Pv以下。結果，液體開始從液相向氣相轉化，產生氣泡。在此產生的氣泡會流向閥的下游側，但由于在閥的下游側流速減慢，閥內產生壓力恢復現象，流體中的氣泡被壓碎。氣泡的壓碎會產生強大的沖擊壓力，使管道和閥產生振動，并發出很大的噪音。這種噪音被稱為空化噪音，當差壓剛好足以產生空化時，會生“疾、疾”的幾赫茲(Hz)的間斷噪音，隨著差壓進一步增大，會變成“咣…”的激烈噪音。如前所述，氣蝕不單只產生激烈噪音，它還是損傷閥和配管的原因。因此，設計安裝或閥選定時，應當考慮避免氣蝕的發生。與本論文相關的論文有：samson調節閥定位器概述