控制硬件:电动气动执行

通过使用有关流量、压降和阀门流量系数的图表，可以确定控制阀的大小，使其在一定的压差下工作。

另一种方法是用公式计算流量系数。一旦确定，就使用流量系数从制造商的技术数据中选择正确尺寸的阀门。

过去，流量系数的公式是使用英制单位推导出来的，以加仑/分钟为单位，差压为每平方英寸一磅。帝国系数有两种版本，英国版本和美国版本，在使用时必须小心，因为每个版本都不一样，尽管两个版本都采用的符号是“C”_v”。英国版使用英制加仑，而美国版使用。美国加仑，体积是英制加仑的0.833。两个版本采用的符号都是C_v。

流量系数的公制版本最初是以每小时的立方米(m³/h)的流量为单位，以每平方米千克力(kgf/m²)为单位测量压差。这个定义在定义K的欧洲标准存在之前就已经推导出来了_v用国际单位制(bar)表示。然而，自1987年以来，SI标准以IEC 534 -1(现在是EN 60534 -1)的形式存在。现在的标准定义是以m³/h为单位来表示压差为1巴的流量。两个公制版本仍然使用所采用的符号K_v，虽然它们之间的差别很小，但确定或弄清楚使用的是哪一个是很重要的。一些制造商错误的引用K_v不确定压差单位的转换值。

表6.3.1转换上述不同类型的流量系数：

例如，乘以K_v(bar)乘以1.16转换为C_v(我们)。

K_v这些模块中引用的版本总是用K来度量_v(bar)，除另有说明外，单位为m³/h bar。

对于液体流动，通常是K的公式_v如式6.3.1所示。

有时，需要使用阀门流量系数和压差来确定容积流量。

对于水，G = 1，则水的方程可简化为式6.3.2。

6.3.1例子

将10m³/ h水泵送在电路周围;用k确定阀门穿过阀门的压降_v式6.3.2:

另外，对于这个例子，可以使用图6.3.1所示的图表。(注:更全面的水K_v图6.3.2):

1. 在左侧以10m³/h的速度输入海图。
2. 向右水平投影一条直线，直到与K相交_v= 16(估计)。
3. 垂直向下投射一条线，从“X”轴读取压降(大约40kpa或0.4 bar)。

注:在给液体系统的阀门通径之前，有必要了解系统及其组成设备(如泵)的特性。

泵

与蒸汽系统不同，液体系统需要一个泵来循环液体。常用的是离心泵，其特性曲线如图6.3.3所示。注意，随着流量的增加，泵的排出压力下降。

循环系统的特点

不仅要考虑水控制阀的尺寸，还要考虑水的循环系统;这可能有一个轴承的类型和通径使用的阀门，以及它应该在电路中的位置。

当水在系统中循环时，会产生摩擦损失。这些摩擦损失可以表示为压力损失，并将与速度的平方成正比。在任何其他压力损失情况下，都可以用公式6.3.3计算通过恒径管道的流量，其中v̇₁和V̇.₂必须是相同的单位，P₁和P₂必须使用相同的单位。定义如下。

例子再

可以观察到v̇₁当压力损失(P₁)为4巴。如果流量v̇，则通过相同尺寸的管道(P2)确定压力损失₂使用等式6.3.3，300m³/ h。

可以看出，当更多的液体通过相同尺寸的管道时，流量会增加。在此基础上，利用式6.3.3可以得到如图6.3.4所示的系统特征曲线，其中流量按照平方法则增加。

实际表现

从泵和系统特性可以看出，随着流量和摩擦的增加，泵提供的压力变小。最终，当泵的压力等于回路周围的摩擦力时，流量就不会再增加了。

如果将泵曲线和系统特性曲线绘制在图6.3.5中，泵曲线和系统特性曲线相交的点将是泵/电路组合的实际性能。

三端口阀门

一个三端口阀可以被认为是一个恒定流量阀，因为，无论它是用于混合或分流，通过阀门的总流量保持恒定。在使用这种阀门的应用中，水回路会自然地分成两个独立的回路，恒流量和可变流量。

图6.3.6所示的简单系统描述了一个混合阀，通过“负载”电路保持恒定的水流量。在供暖系统中，负载回路指的是含有热量发射器的回路，如建筑物中的散热器。

散热器放出的热量取决于流经负载回路的水的温度，而这又取决于有多少水从锅炉流入混合阀，又有多少水通过平衡线路返回到混合阀。

有必要在平衡管路上安装一个平衡阀。平衡阀被设置为在管道网络的可变流量部分保持相同的流动阻力，如图6.3.6和6.3.7所示。这有助于在阀门改变位置时保持平滑的调节。

在实践中，混合阀有时设计成不完全关闭A口;这确保了在泵的影响下，最小的流量将始终通过锅炉。

或者，锅炉也可以采用一次回路，也可以通过泵使水不断流过锅炉，防止锅炉过热。

图6.3.7所示的简单系统显示了一个分流阀，通过恒定流量回路保持恒定流量的水。在这个系统中，负载电路接收到的水流量取决于阀门的位置。

负载回路中的水的温度将是恒定的，因为无论阀门的位置如何，它都从锅炉回路接收水。散热器可获得的热量取决于流经负载回路的水量，而水量又取决于分流阀的开启程度。

不装配和设置平衡阀的影响可以在图6.3.8中看到。这显示了泵曲线和系统曲线随阀门位置的变化。这两条系统曲线说明了负载回路P1和旁路回路P2之间所需泵压力的差异，这是由于在没有安装平衡阀的情况下，平衡回路提供的阻力更低。如果电路不正确平衡，则会导致短路和饥饿任何其他子电路(没有显示)，负载电路可能会被剥夺水。

双端口阀门

当在水系统上使用双端口阀门时，当阀门关闭时，流量将减少，阀门上游的压力将增加。当控制阀节流接近关闭位置时，泵头就会发生变化。这些效果如图6.3.9所示。

流量下降不仅会增加泵的压力，还会增加泵所消耗的功率。泵压力的变化可以作为操作两个或多个不同职责的泵的信号，或向变速泵驱动器提供信号。这可以使泵送速率与需求相匹配，节省泵送电力成本。

两个端口控制阀用于控制流向一个过程的水，例如，用于蒸汽锅炉的液位控制，或维持给水箱的水位。

它们也可用于热交换过程，然而，当两端口阀门关闭时，在控制阀之前的管道中的水的流动就会停止，造成“死管”。死水里的水可能会向环境失去温度。当控制阀再次打开时，较冷的水将进入换热盘管，扰乱工艺温度。为了避免这种情况，控制系统可能包括一个通过小口径管道和可调节截止阀保持最小流量的安排，该截止阀绕过控制阀和负载电路。

双端口阀在大加热电路上成功使用，其中多个阀门纳入整个系统。在大型系统上，它非常不太可能与所有双端口阀门同时关闭，导致固有的“自平衡”特征。这些类型的系统还倾向于使用可变速度泵，相对于系统负载要求改变其流动特性;这有助于自平衡操作。

选择用于应用的双端口控制阀：

• 如果在一个系统中安装了一个非常小的双端口控制阀，仅仅是让足够的水通过阀门，泵就会消耗大量的能量。

假设可以迫使足够的水通过阀门，控制将是精确的，因为即使阀门运动很小的增量也会导致流量的变化。这意味着可以利用阀门的整个行程来实现控制。

• 如果在同一个系统中安装一个超大的双端口控制阀，则泵所需的能量将会减少，在阀门处于全开状态时，压力降很小。

然而，初始阀门从全开到关闭的行程对流向工艺的流量影响很小。当达到控制点时，大的阀口意味着很小的阀行程增量将对流量产生很大的影响。这可能导致不稳定的控制和准确性差。

我们需要一个折衷方案，即在小阀门的良好控制与大阀门的能量损失减少之间取得平衡。阀门的选择将影响泵的尺寸，以及资金和运行成本。考虑这些参数是很好的做法，因为它们将影响系统的总寿命成本。

这些平衡可以通过计算相对于安装阀门的系统的“阀门权威”来实现。

阀门权威

阀门权威可以使用式6.3.4确定。

N的值应该接近0.5(但不能大于)，当然也不能低于0.2。

这将确保阀运动的每一个增量都会对流量产生影响，而不会过度增加泵功率的成本。
权力。

6.3.3例子
回路总压降ΔP1 + ΔP2为125 kPa，其中包括控制阀。
a)如果控制阀必须具有阀门权威(N) 0.4，则使用什么压降来确定阀门的通径?
b)如果电路/系统流量()为3.61 l/s，所需阀门K是多少_v？

a)确定ΔP

因此，使用Δ P (50 kPa)来确定阀门的通径，留下75 kPa (125 kPa - 50 kPa)用于电路的其余部分。

b)确定K_v

或者，水的K_v图(图6.3.2)。

三端口控制阀和阀门权威

如前所述在该模块中解释，三端口控制阀用于混合或转移应用。选择用于转移应用的阀门时：

• 一个尺寸过小的三端口控制阀将导致泵送成本高，微小的运动增量将对流经每个排出端口的液体数量产生影响。
• 一个非常过大的阀门将降低泵送成本，但阀门行程的开始和端部的阀门运动将对液体的分布产生最小的影响。这可能导致对负荷突然变化的控制不准确。不必要的超大阀也比一个充分尺寸更昂贵。

同样的逻辑也可以应用于混合应用程序。

同样，阀门权威机构将提供这两个极端之间的折衷方案。

对于三端口阀门，阀门权威总是使用P2来计算与可变流量电路的关系。图6.3.10示意了这一点。

注意:由于混合和分流应用在“平衡”电路中使用三端口阀，预计三端口阀的压降通常比两端口阀要小得多。

作为一个粗略的指导:

• 当水以推荐速度(通常在DN25时1米/秒到DN150时2米/秒)流动时，三端口阀门将根据“管道尺寸”进行配置。
• 10kpa可以看作是通过三端口控制阀的典型压降。
• 瞄准阀门权威（n）在0.2和0.5之间，更越接近0.5越好。

气蚀和闪

有时与水流经双端口阀门有关的其他症状是由于“空化”和“闪蒸”。

空泡在液体

如果压力下降，因此流体速度足以导致阀座后的局部压力降至液体蒸汽压力以下，那么在控制液体流动的阀门中就会发生空化。这就导致了气泡的形成。压力可能会在下游进一步恢复，导致气泡迅速崩溃。当气泡破裂时，会产生非常高的局部压力，如果靠近金属表面，可能会对阀门阀内件、阀体或下游管道造成损坏。这种损伤通常具有非常粗糙、多孔或海绵状的外观，很容易识别。其他可能注意到的影响包括噪音、振动和由于反复去除保护性氧化层而加速腐蚀。

在控制阀中容易发生汽蚀:

在高压降应用中，由于阀座区域的高速导致局部压力降低。

下游压力不高于液体的蒸汽压力。这意味着热液体和/或下游压力较低时更容易出现空化现象。

当阀门通径较大时，由于流动功率增加，汽蚀损害可能更加严重。

在液体闪烁

闪蒸与气蚀类似，但发生在阀门出口压力低于蒸汽压力的情况下。在这些条件下，阀体内的压力不会恢复，蒸汽将继续流入连接管道。蒸汽压力最终会在管道中恢复，而塌陷的蒸汽会产生类似于气穴现象的噪音。由于体积大于水的蒸汽的节流作用，闪蒸会降低阀门的能力。图6.3.11显示了由于汽蚀和闪蒸现象而通过阀门的典型压力剖面。

避免空化

要保证通过阀门的压降和水的温度不会发生空化并不总是可能的。在这种情况下，一种可能的解决方案是安装一个带有阀塞和阀座的阀门，专门设计来克服这个问题。这样一组内件将被归类为“防气蚀”阀内件。

防汽蚀阀内件由标准的等百分比阀塞组成，阀塞工作在安装有穿孔保持架的阀座内。使用正常的流动方向。压降在具有特征的塞和保持架之间分离，这限制了每个阶段的压降，因此产生最低的压力。多孔保持架内的多流道也增加了紊流，降低了阀门内的压力恢复。在轻微空化的情况下，这些作用都可以防止空化的发生，或者在稍微严重的条件下降低空化的强度。图6.3.12所示为典型的特征塞子和保持架。

压降在孔口通过区域和笼之间分开。在许多应用中，压力不会下降到低于液体的蒸气压和空化。图6.3.12显示了如何提高情况。