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1、调节阀的工作原理及计算选型摘要：人们常把测量仪表称之为生产过程自动化的“眼睛”；把控制器称之为“大脑”；把执行器称之为“手脚”。自动控制系统一切先进的控制理论、巧秒的控制思想、复杂的控制策略都是通过执行器对被控对象进行作用的。调节阀是生产过程自动化控制系统中最常见的一种执行器，是化工生产过程中的重要环节，调 节阀的计算选型是否合理是影响阀门寿命的重要因素，本文将从工作原理和计算选型加以介绍。关键词：调节阀 原理 计算 材料 选型正确选取符合某一具体的控制系统要求的调节阀，必须掌握流体力学的基本理论。充分了解各种类型阀的结构型式及其特性，深入了解控制对象和控制系统组成的特征。选取调节阀的重点是阀
2、径选择，而阀 径选择在于流通能力的计算。流通能力计算公式已经比较成熟，而且可借助于计算机，然而各种参数的选 取很有学问，最后的拍板定案更需要深思熟虑。一、调节阀工作原理（一）伯努利方程由水力学观点来看，调节阀是一个具有局部阻力的节流元件。当流体流经调节阀时，由于阀芯、阀座 处的流通面积缩小，形成局部阻力，并产生能量损失，通常用阀前后的压差来表示能量损失的大小。根据 伯努利方程式，对不可压缩的流体：VR P2 、亠H = K也可表示为 H =，式中:2grH :为单位重量的流体流经调节阀时的能量损失K:为阻力系数V :流体平均流速,Q:流体体积流量:（V = Q）M3/小时S:调节阀流通面积：厘
3、米g:重力加速度,981厘米/秒r:流体重度：克/厘米Pt P2：调节阀前、后绝对压力，kgf/cm2代入上述公式得出:代入具体数值后得岀:(1-1)令 5.04 S =C，则.KQ=c_P米3/时,C称为调节阀流通系数或流通能力C值表示调节阀全开时，其两端压力降厶P= 1kgf/cm2,流体重度为1克/cm2时，每小时通过阀门的立方米数。（二）调节阀的重要地位调节系统方框图如下所示:图1 ：调节系统方框图二、调节阀的流量特性调节阀是通过行程的变化，改变阀芯与阀座间的节流面积，来达到控制流量的目的。因此阀芯与阀座的节流面积跟着行程怎样变化，对调节阀的工作特性能有很大影响。所谓阀门的相对开度是指
4、调节阀某一开度行程与全开行程之比（角行程与直行程道理相同），用匸L/Lmax来表示。所谓阀门的相对节流面积是指调节阀某一开度下的节流面积与全开时的节流面积之比，用q=Q/Qmax来表示。调节阀流量特性的数学表达式为：q=f （I）（2-1）由公式（1-1 ）流过调节阀的介质流量不仅与阀门的开度有关，还与阀门两端的压差有关，故流量特性有理想特性和工作特性之分。（一）理想流量特性在阀门两端压差固定的情况下，流量特性完全取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面可以得到不同的流量特性。这是调节阀固有的流量特性，称为理想流量特性。（二）调节阀的可调比调节阀的可调比R （可调范围）是指调节阀所能控制的最大流量和最
5、小流量之比，即R=Qmax/Qmin （ 2-2）式中，Qmin指的是调节阀可调流量的下限值，一般为最大流量的2%-4%当调节阀的前后压差不变时得到的是理想可调比，一般为R=30,在实际应用中，管道的阻力随流量增加而增加，使调节阀的最大流量减小，从而降低了实际的可调比。（三）通常流量特性介绍调节阀的流量特性一般有线性特性，等百分比特性和快开特性，调节阀通常使用等百分比和线性特性。先看看下面这张流量特性图：1.00.90.80.70.60.5 大 最 CC 0.40.30.20.100.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0h/h最大图2:调节阀流量特性（R-可调比）1、线性流
6、量特性Q/Qmax=1/R+（ 1-1/R ） l/L （2-3）式中，R为调节阀的可调比。采用具有线性流量特性的阀芯时，调节阀的放大倍数是常数，在小开度处有较大的流量相对变化值， 调节作用强，但容易产生振荡；在大开度处有较小的流量相对变化值，调节作用弱，调节缓慢。这个特点, 往住使直线结构特性阀门在小开度情况下的灵敏度过高而导致控制性能变坏。2 、等百分比流量特性（对数流量特性）Q/Qmax=（ 2-4）采用具有等百分比流量特性的阀芯时，调节阀的放大倍数随流量增大而增大，但流量的相对变化值是相等 的，在小开度处放大倍数小，调节作用缓和，平稳；在大开度处放大倍数大，调节作用灵敏，有效。三、调节
7、阀的流通能力及Kv值计算选型调节阀的流通能力是指在规定条件下通过一个调节阀的流量。（一）Cv值和Kv值得定义和区别具体衡量调节阀流通能力的指标是流量系数，目前常用的流量系数有两类一是以美国为代表的以英制单位定义的流量系数Cv,二是以德国为代表的以公制单位定义的流量系数Kv。两者的换算关系为 Cv-1.167Kvo流量系数Cv值定义：一个与调节阀的几何结构有关的、对于一个给定行程的常数，可用来衡量流通能力。它是在每平方英寸 1磅（psi）的压力降下，每分钟流过调节阀的60 T水的美国加仑数。流量系数Kv值定义：一个与调节阀的几何结构有关的、对于一个给定行程的常数，可用来衡量流通能力。它是在1ba
8、r压力降下，每小时流过调节阀的5- 40 C度水的立方米数。（二）Kv值的计算1、气体（要考虑压缩系数）Kv值计算当 P20.5P!时Kv式中:3Q : NM3/hrH：标准状态下气体重度kg/NM 3 :气体膨胀系数t:介质温度CP - P如一12 0.08 , P = 1-0.46 PR当 R20.5P1 时WKv3.1 &P -R)1当 P2w 0.5P1 时KWKv17.3 P式中:W :重量流量 公斤/时r1 :介质在操作状态下的重度公斤/米3 :介质膨胀系数，算法同上。（三）调节阀的Kv值范围等百分比阀门阀门的额定Kv值通常是正常流量 Kv值的2倍，或者最大流量 Kv值的1.3倍，
9、或者说，正常流量 Kv 值是阀门额定Kv值的30%70%。线性阀门阀门的额定Kv值是正常流量Kv值的1.5倍，或者最大流量 Kv值的1.1倍，或者说，正常流量 Kv值 是阀门额定Kv值的60%80%。（四）调节阀的Kv值范围在最大流量Kv值下，线性调节阀的行程应w 90%，等百分比阀的行程应w 92%，在最小流量Kv值下, 调节阀的行程应10%。蝶阀的最大开度应w 60。任何调节阀的全行程时间均应w 30秒。（五）调节阀的阀体尺寸根据计算岀的Kv值，查表，以确定调节阀的阀体尺寸。调节阀的阀体尺寸可比工艺管道直径小1级,最多可以小2级。但是阀体尺寸不应小于其上游管道直径尺寸的一半。四、调节阀的执
10、行机构选型调节阀的执行机构，通常首选气动薄膜式执行机构（其弹簧为反作用），对于活塞式执行机构（即气缸式），首选多弹簧双作用型执行机构。对于带电磁阀的调节阀，要求选用带弹簧的执行机构。执行机构的弹簧材质至少应为碳钢，并在出厂时进行了防腐涂层处理。当供气压力为 4.15kgf/cm2（60Psig）时，对于薄膜执行机构的膜片盒应采用钢材质，并且其压力等级至少为 I.OMPag。五、调节阀的结构型式及其选择现将各种型式常用调节阀的特点及适用场合介绍如：单座调节阀（VP，JP）:泄漏量小（额定 Kv值的0.01%）允许压差小，JP型阀并且有体积小、重量轻 等特点，适用于一般流体，压差小、要求泄漏量小的
11、场合。双座调节阀（VN）：不平衡力小，允许压差大，流量系数大，泄漏量大（额定 K值的0.1%）,适用于 要求流通能力大、压差大，对泄漏量要求不严格的场合。套简阀（VM.JM）：稳定性好、允许压差大，容易更换、维修阀内部件，通用性强，更换套筒阀即可改 变流通能力和流量特性，适用于压差大要求工作平稳、噪音低的场合。角形阀（VS）：流路简单，便于自洁和清洗，受高速流体冲蚀较小，适用于高粘度，含颗粒等物质及 闪蒸、汽蚀的介质；特别适用于直角连接的场合。偏心旋转阀（VZ）：体积小，密封性好，泄漏量小，流通能力大，可调比宽R=100，允许压差大，适用于要求调节范围宽，流通能力大，稳定性好的场合。V型球阀（
12、VV）：流通能力大、可调比宽 R=200300，流量特性近似等百分比，v型口与阀座有剪切作用，适应用于纸浆、污水和含纤维、颗粒物的介质的控制。O型球阀（VO）:结构紧凑，重量轻，流通能力大，密封性好，泄漏量近似零，调节范围宽R=100200， 流量特性为快开，适用于纸浆、污水和高粘度、含纤维、颗粒物的介质，要求严密切断的场合。隔膜调节阀（VT）：流路简单，阻力小，采用耐腐蚀衬里和隔膜有很好的防腐性能，流量特性近似为 快开，适用于常温、低压、高粘度、带悬浮颗粒的介质。蝶阀（VW）：结构简单，体积小、重量轻，易于制成大口径，流路畅通，有自洁作用，流量特性近似等百分比，适用于大口径、大流量含悬浮颗粒
13、的流体控制。蝶阀通常用较大口径，最小为4”最大使用压力 w C1600。六、调节阀的噪音（应符合IEC60534- 8标准）（一）调节阀噪音的来源调节阀的噪音主要来源于阀内件机械噪音和流体噪音。（二）允许范围应w 85dB （在距阀1米处），有些场合要求W 75db，任何场合都不允许105db。七、调节阀的密封填料函（参见 API608规范）40 C以下，采用聚四氟乙烯合成体或石墨纤维。40C230C之间，采用聚四氟乙烯和石墨。230 C以上采用石墨填料。对于高压气体介质，可以采用双填料。一般不用石棉或封装石棉作填料。石墨填料，不应含有氯离子。要求石墨填料中的可滤岀氯离子100ppm。八、调节
14、阀阀体及阀芯材质的选择阀体、阀盖材质的选择是以流动介质的温度、压力、腐蚀性和冲刷性为依据的，宜选择与连接管道上的阀门材质相同，至少为碳钢，一般口径小于等于DN40的阀门采用锻钢。采用 ASTM标准的调节阀其材料选择应在ASME B16.34所列范围之内，阀常用的阀体材质及温度限制如下，（根据ASME B16.34温度压力等级规定）。锻钢铸钢下限,C上限，C碳钢碳钢ASTM A105ASTM A216 Grade WCB-30425碳钢ASTM 352 Grade LCB-45340不锈钢Type 304ASTM A182 Grade F304ASTM A351 Grade CF8-200810Type 316ASTM A182 Grade F316ASTM A351 Grade CF8M-200810Type 347ASTM A182 Grade F347ASTM A351 Grade CF8C-200810Type 321ASTM A182 Grade F321（321 铸钢）-200810合金钢1Cr- 12 MoASTM A182 Gra
