调节阀知识大全(来自日本横河电机)
网络整理 2022-11-23

《调节阀知识大全》来自日本横河电机,内容涉及调节阀执行机构、阀体、执行机构辅助设备、调节阀动作、调节阀流量特定、调节阀流量系数计算等方面知识,对大家全面了解调节阀大有帮助。

在过程控制领域,通常会使用调节阀作为流量、压力、温度和液位等过程量的操作设备。由执行机构和阀体两部分构成,与各种辅助设备(如定位器、电磁阀、升压器、速度控制器、锁闭阀等)组合使用可以实现多种功能。

执行机构
根据操作信号以及驱动源消失时的动作方向和流量特性,执行机构和阀体可以有多种不同的结构,此处仅对其中具有代表性的结构进行说明。

调节阀执行机构有气动式、电动式及电液联动式,气动式装置又分为隔膜式及气缸式。根据操作信号和驱动源消失时的动作不同,执行机构有正向型、逆向型、无定向型和保持型。正向型在操作信号和驱动源消失时阀门轴会上升,而逆向型则会下降。
 
 调节阀执行机构的作用形式
 
 
执行机构结构原理示意图
                                   执行机构结构原理示意图

阀体
阀体种类多于驱动装置种类,根据阀门类型、口径大小和流体条件进行选择。有角形阀、三通阀、隔膜阀、闸阀、蝶阀、球阀、偏心旋转阀等。
球形阀是最常见的类型。将气压控制信号传输给执行机构,即气缸式或隔膜式气动执行机构,使阀杆上下动作。

如下图所示,阀杆上下动作,可以改变阀塞与阀座之间的空间,从而改变流量。



阀的类型与特点


类型                           特点及应用
单座球形阀                 控制性能好,阀门全闭时泄漏小。除浆液或强腐蚀性流体外,可广泛用于水、蒸汽、气体等。
双座球形阀                 使用两组阀座与阀塞连动的结构,以减轻驱动装置的负担。阀门全闭时泄漏大、面间尺寸大,所以应用有
                                  一定限制。

仪表阀                        将气缸内阀塞改装为可动的结构,以防止差压过大造成阀塞振动。但是需要注意气缸与阀塞间可能会夹杂
                                  纤维和垃圾。

蝶阀                           用于炉内压及气体燃烧等低差压的控制。也有适用于蒸汽和中差压情况的高性能蝶阀。
球阀                           多用于管线切换等ON/OFF操作。有时也将现有手动阀替换成球阀以实现自动化切换。
偏心旋转阀                 容量大,可用于浆液。阀塞为碗状,易受到流体偏压的影响,应用范围有限。
桑德斯阀                    适用于腐蚀性流体和浆液,但耐久性较差。

执行机构辅助设备
执行机构辅助设备常见的有气动阀门定位器、电-气阀门定位器、电动阀门定位器、电磁阀、升压器、速度控制器、锁闭阀等。在下面做简单介绍。 

 1、 气动阀门定位器
定位器是安装在驱动装置上使阀门开度与调节器信号保持一致的设备。主要用于避免受到流体压力变动等外力变化的影响,加快驱动装置的速度。调节器与阀门分离情况下的响应改善等也使用气动式仪器。

气动阀门定位器原理

                                     气动阀门定位器原理

 2、电-气阀门定位器
电-气阀门定位器是将电子调节信号4-20mA DC转变为气压信号并改变调节阀门开度的设备。

电-气阀门定位器原理

                               电-气阀门定位器原理

 3、电动阀门定位器
电动阀门定位器专门与电动阀门组合使用。在电动驱动部分安装可逆电机,通过可变电阻(电位计)将阀门开度作为电压信号反馈给电动阀门定位器。通过比较器Q1、Q2和继电器R1、R2,控制可逆电机的正转、停止或反转,使调节器信号Vi和开度信号Vf保持一致。

电动阀门定位器的原理

                               电动阀门定位器的原理

 4、电磁阀
电磁阀能起到空气回路的开关作用。电磁阀分为2向电磁阀、3向电磁阀、4向电磁阀等,与直接控制流体相比,更常用于开关阀的驱动回路或气动信号的切换等。

电磁阀的原理

                                                 电磁阀的原理

电磁阀应用示例

                                            电磁阀应用示例
 5、升压器
调节阀的空气容量较大或气动信号传输距离较长时,使用升压器提高响应速度。

升压器的原理结构

                      升压器的原理结构

6、速度控制器
速度控制器是安装在调节器信号和驱动部分之间,使调节器信号延迟的设备。也可用于防止水锤现象。可变孔板/调节由针阀构成,延迟时间设定为期望值。
速度控制器的原理结构

          速度控制器的原理结构

7、锁闭阀
锁闭阀是当停电或供给气压中断时,可以保持调节阀开度的小型阀门。在设计时考虑断电恢复或供给气压恢复正常时,锁闭阀是否恢复至原状态,并选择序列或锁闭阀的类型。
锁闭阀和应用示例

                                                                        锁闭阀和应用示例 

调节阀的流量特性 
调节阀流量特性主要有直线、等百分比、快开和抛物线四种流量特性。本站《》文章中有详细介绍,在此不再叙述。
 
安装在实际的控制过程中时,阀门差压会随流量的变化而变化。即小流量时配管部分的压力损失较小,阀门差压会变大,而流量大时阀门差压变小。这种有别于固有特性的阀门特性称为有效的流量特性。

快速启动特性的内阀为盘状,主要用于开启/关闭动作。
调节阀阀芯曲面形状
                            调节阀阀芯曲面形状

阀门的流量控制特性由阀门的流量特性和工艺配管、泵等的组合情况决定,根据各控制对象和系统中阀门压损所占比率在下表中进行选择。


控制对象                                           系统中阀门压损所占比例                                           阀门的流量特性
流量控制或液位控制                                     40%以下                                                        等百分比
流量控制或液位控制                                     40%以上                                                        线性
压力控制或温度控制                                     50%以下                                                        等百分比
压力控制或温度控制                                     50%以上                                                        线性


由于配管的压力损失是与流量的平方成比例增加,如果阀门本体的特性呈简单线性变化,流量小时阀门差压增大,稍微开启阀门流量就会很大,流量大时阀门压差减小,流量不能与阀门的开度成正比。为此,加入配管和泵的特性,实现与流量大小无关,仅与阀门开度成比例变化的流量控制是设计等百分比特性的目的所在。 
 
配管系统和压力损失      

                             配管系统和压力损失

调节阀的动作
根据驱动装置与阀体的组合可选择调节阀动作。
 
驱动装置与阀体的组合以及阀动作(单座阀的示例)

阀动作包括正动作、逆动作、保持型动作3种方式。隔膜式和气缸式等气动式驱动的正动作方式是通过气压信号的增加使阀门关闭的方法,又称为“AIR TO CLOSE”。逆动作方式是通过气压信号增加使阀门开启的方法,又称为“AIR TO OPEN”或“AIRLESS TO CLOSE”。电操作信号可通过定位器转换为气压信号。操作信号中止或空气源中断及停电时,请考虑程序的安全性、合理性选择阀门关闭或开启。


例如,在水与酸混合的程序中通过阀控制酸量时,若在电信号线断线或空气信号配管泄漏、空气源中断以及停电时,关闭酸控制阀是安全及合理的做法,应采用逆动作阀。

调节阀口径选择
阀门口径选择是根据流体的特性及使用条件,通过计算选出最合适的口径,计算出必须的流量的容量系数Cv值,对照需要的阀门口径与阀门容量系数Cv值进行选择。
1、Cv值的定义
阀门差压为1psi(0.07kg/cm²=7kPa),常温水以每分钟1加仑(3.785升)的速度流动时,将流量容量系数Cv的值定义为1。

2、Cv值的计算
①液体Cv值的计算

②气体Cv值的计算

③蒸汽Cv值的计算


3、SI单位系中的定径方式
定义Av值、Cv值。但是,目前使用比较广泛的是Cv值。
4、阀门Cv值的计算方法
Cv值分为要求Cv和阀Cv两种。要求Cv根据阀门差压和流体条件进行计算。阀Cv是指阀门流通能力,是由阀门的形状与口径决定的。选择阀口径,要选择阀Cv比要求Cv略大的阀门。对于Cv无须进行精确的计算。
①Cv的计算
流体为液体时  

②阀门Cv值的简单估算法
1英寸球形阀的Cv值约为10。Cv值随阀门口径倍数的平方上下变动,所以2英寸的Cv值约为40。
③计算示例
我们打开水龙头洗手时的流量大约为5L/min(0.3m³/h),水压为0.05MPa左右,开方后约为0.22,所以:

口径为13mm的阀门的Cv值约为3,口径为8mm的阀门的Cv值约为1,所以可以确保提供充足的水量。自来水管道通常使用13mm(1/2inch)管和8mm(1/3inch)管,可见,这是能够取得平衡的合适口径。
 

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