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
()()212
212
42
P P D P P A
Q -=-=
ρ
ζ
πρζ
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。

2.1 调节阀的理想流量特性
调节阀在阀前后压差不变的情况下的流量特性为调节阀的理想流量特性。

调节阀的理想流量特性仅由阀芯的形状所决定，典型的理想流量特性有直线流量特性、等百分比(或称对数)流量特性、抛物线流量特性和快开流量特性，如图5－6所示。

(1)直线流量特性
直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位行程变化所引起的流量变化是常数。

由此可见，直线流量特性调节阀在行程变化相同的条件下所引起的相对流量变化也相同，但相对流量变化的相对值不同。

即流量小时，相对流量变化的相对值大；而流量大时，相对流量变化的相对值小。

也就是说，阀在小开度时控制作用太强，不易控制，易使系统产生振荡；而在大开度时，控制作用太弱，不够灵敏，控制难于及时。

(2)等百分比(对数)流量特性
等百分比流量特性是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系，即该点单位相对行程变化的百分数与相对流量变化的百分数相等，故称为等百分比流量特性。

等百分比流量特性的相对开度与相对流量成对数关系，故又称之为对数流量特性。

这种调节阀的放大系数是随行程的增大而递增，即在开度小时，相对流量变化小，工作缓和平稳，易于控制；而开度大时，相对流量变化大，工作灵敏度高，这样有利于控制系统的工作稳定。

(3)抛物线流量特性
抛物线流量特性的调节阀的相对流量与相对开度的二次方成比例关系。

(4)快开流量特性
调节阀在开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开流量特性。

快开流量特性的阀芯是平板形的，适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。

2.2 工作流量特性
在实际使用时，调节阀总是与具有阻力的表冷器、换热器、管道等相连接，即使能保持供、回水压差不变，也不能始终保持调节阀前后的压差恒定。

因此，虽然在同一相对开度下，通过调节阀的实际流量将与理想特性时所对应的流量不同。

所谓调节阀的工作流量特性就是指调节阀在前后压差随负荷变化的工作条件下，它的相对流量与相对开度之间的关系。

(1)串联管道时调节阀的工作流量特性
直通调节阀与管道和设备串联的系统及其压差变化情况如图5－7所示。

调节阀安装在串联管道系统中，串联管道系统的阻力与通过管道的介质流量成平方关系。

当系统总压差为一定时，调节阀一旦动作，随着流量的增大，串联设备和管道的阻力亦增大，这就使调节阀上压差减小，结果引起流量特性的改变，理想流量特性就变为工作流量特性。

假设在无其他串联设备阻力的条件下，阀全开时的流量为Q max ，在有串联设备阻力的条件下，阀全开的流量为Q 100，两者关系可用下式表示：
v P Q Q max 100=
式中P v 为阀全开时，阀上的压差与系统总压差之比值，称为阀权度，也称为阀门能力或压差比，即
P
P P v ∆∆=
1
式中：ΔP 1——调节阀全开时阀上的压力降；
ΔP ——包括调节阀在内的全部管路系统总的压力降。

显然，随着串联阻力的增大，P v 值减小，则Q 100会减小，这时阀的实际流量特性偏离理想流量特性也就愈严重。

以Q 100作参比值，不同P v 值下的工作流量特性如图5－8所示。

由图5－8可以看出，当P v =1时，理想流量特性与工作流量特性一致；随着P v 的值降低，Q 100逐渐减小，所以实际可调比R(R=Q max ／Q min )是调节阀所能控制的最大与最小畸变，也会逐渐减小；随着P v 值的减小，特性曲线发生畸变，直线特性阀趋于快开特性，而等百分比特
性阀趋于直线特性阀，这就使得调节阀在小开度时控制不稳定，大开度时控制迟缓，会严重影响控制系统的调节质量。

因此，在实际使用时，对P v 值要加以限制，一般希望不低于0.3～0.5。

(2)并联管道时调节阀的工作流量特性
调节阀一般都装有旁路，以便于手动操作和维护，当负荷提高或调节阀选小了时，可以打开一些旁路阀，此时调节阀的理想特性就改变为工作特性。

若以X 代表管道并联时调节阀全开流量1Q 与总管最大流量max Q 之比，即m ax
m ax
1Q Q X =
，可以得到压差为一定而X 值不同时的工作流量特性，如图5－9所示。

当X=1，即旁路阀关闭时，调节阀的工作特性同理想特性一致；随着X 的减小，系统的可调比将大大下降。

同时，在实际应用中总有串联管道阻力的影响，调节阀上压差还会随流量的增加而降低，使可调比更为下降。

一般认为X 值不应低于0.5，最好不低于0.8。

3．调节阀的可调比
调节阀的可调比就是调节阀所能控制的最大流量与最小流量之比。

可调比也称可调范围，若以R 来表示，则
m in
m ax
Q Q R =
要注意最小流量Q min 和泄漏量的含义不同。

最小流量是指可调流量的下限值，它一般为最大流量Q max 的2％-4％，而泄漏量是阀全关时泄漏的量，它仅为最大流量的0.1％-0.01％。

3.1 理想可调比
当调节阀上压差一定时，可调比称为理想可调比，即
min
max
min max C C Q Q R ==
也就是说，理想可调比等于最大流量系数与最小流量系数之比，它反映了调节阀调节能力的大小，是由结构设计所决定的。

一般总是希望可调比大一些为好，但由于阀芯结构设计及加工方面的限制，流量系数C min 不能太小，因此，理想可调比一般均小于50，我国规定在设计中理想可调比统一取30。

3.2 实际可调比
调节阀在实际工作时不是与管路系统串联就是与旁路阀并联，随管路系统的阻力变化或旁路阀开启程度的不同，调节阀的可调比也会产生相应的变化，这时的可调比就称为实际可调比。

(1)串联管道时的可调比
如图5－7所示的串联管道，由于流量的增加，管道的阻力损失也增加。

若系统的总压差ΔP 不变，则分配到调节阀上的压差相应减小，这就使调节阀所能通过的最大流量减小， 所以，串联管道时调节阀实际可调比会降低。

若用R ′表示调节阀的实际可调比，则
P
P R
P P R
P C P C Q Q R ∆∆≈∆∆=∆∆==
'min
1max 1min 1max
1min
min
1max min
max
ρ
ρ
式中 max 1P ∆——调节阀全关时阀前后的压差，约等于系统的总压差P ∆；
min 1P ∆——调节阀全开时阀前后的
压差。

由串联管道时调节阀的工作流量特性可知，
P
P ∆∆m in
1=v P ，即阀权度。

则v P R R ='
由上式可知，当v P 值越小，即串联管道的阻力损失越大时，实际可调比就越小。

(2)并联管道时的可调比
在图3－13所示并联管道中，由于旁路流量的存在，相当于提高了调节阀的最小流量min Q 。

当打开与调节阀并联的旁路时，实际可调比为：
2
min 1max
Q Q Q R +=
'
由m ax m ax 1Q Q X =
， m in
1m ax 1Q Q
R = 可得： max min 1Q R
X
Q =
， max max 1max 2)1(Q X Q Q Q -=-= 因此X
R R R
Q Q Q R )1(2min 1max -+=+=
'
从上式可知：当X 值越小，即旁路流量越大时，实际可调比就越小，由此可见旁路阀的开度对实际可调比的影响极大。

由于150~30>>=R ，
因此2
max max 1max max 11Q Q Q Q Q X R =-=-≈
' 上式表明在并联管道中调节阀的实际
可调比与调节阀本身的可调比近乎无关，由于调节阀的最小流量一般比旁路流量小得多，故其实际可调比实际上只是总管最大流量与旁路流量的比值。

综上所述，串联或并联管道都将使实际可调比下降，所以在选择调节阀和组成系统时不应使v P 值太小，并且要尽量避免打开并
联管路的旁路阀，以保证调节阀有足够的可调比。

3.3 调节阀流通能力
调节阀流通能力是衡量阀门流量控制的能力。

其定义为：当调节阀全开、阀两端
压差为105Pa 、流体密度为ρ=1g ／cm 3
时，
每小时流经调节阀的流量数，以m 3
／h 计。

从调节阀的流量方程式可知：
()P A P P A Q ∆=
-=
ρ
ζ
ρ
ζ
2
2
21
式中 Q ——流体流量，m 3
／h ；
A ——调节阀接管截面积，cm 2
；
P 1——阀前压力，105Pa ＝10N/cm 2
；
P 2——阀后压力，105Pa ＝10N/cm 2
；
ΔP ——阀两端压差，105Pa ＝10N/cm 2
；
ρ——流体的密度，1g/cm 3＝10N -5·S 2/cm 4。

把采用的单位量纲代人上式后可得到：
ρ
ζ
ρζ
ρ
ζ
P
A
P A
P A Q ∆=∆⨯=
∆=
-09
.5101022
5
令ζ
A
C 09
.5=，则有： ρ
P
C
Q ∆=，C 称为调节阀的流通能力，又称为调节阀的
流量系数。

由于P 1、P 2和ΔP 的单位是105
Pa ，使用起来不方便，若改为Pa 作单位，而C 仍用上式计算，则有：
ρP
C Q ∆=
316，即 ρ
P
Q C ∆=316
上式是ΔP 以Pa 为单位，ρ以g/cm 3
作单位时计算C 值的基本公式。

国际上常用的三种流量系数定义如表7-1所示。

表7-1 流通能力C 的定义
当流过调节阀的流体是水的时候（水的密度ρ＝1g/cm 3
），C 可表示为：
P
Q K v ∆=
316
当流过调节阀的流体是蒸汽的时候，由于蒸汽密度在阀的前后是不一样的，因此不能直接计算，必须考虑蒸汽密度的变化。

在实际工程中可采用阀后密度法。

当P 2＞0.5P 1时：
()
21210P P W
K v -=
ρ
当P 2≤0.5P 1时：
1
214.14P W
K c v ρ=
式中 W ——阀门的蒸汽流量(kg ／h)；
P 1、P 2——阀门进口及回水绝对压力(Pa)；
ρ2——在P 2压力及t 1温度(P 1压力下的饱和蒸汽温度)时的蒸汽密度(kg/m)； ρ2C ——超临界流动状态（P 2≤0.5P 1）时，阀出口截面上的蒸汽密度(kg/m)，通常可取0.5P 1压力及t 1温度时的蒸汽密度。

在实际计算过程中，由于P 2常常是未知的，因此假设P 2≤0.5P 1 一般来说较容易一些，也比较符合实际使用情况。

4．调节阀的选择
调节阀是供热、空调自动控制中非常重要的执行器，调节阀能否保持正常准确地工作，将直接影响供热、空调自动控制系统的控制质量，因此调节阀的选择是非常重要的。

4.1 调节阀流量特性的选择
调节阀的流量特性直接影响自动控制系统的控制质量和稳定性。

常用调节阀的理想流量
特性主要有直线、等百分比、抛物线和快开四种，其中抛物线流量特性介于直线流量特性和等百分比流量特性之间，一般可用等百分比流量特性来代替；而快开特性一般只用于双位调节和程序控制中，故调节阀流量特性的选择实际上就是指如何合理选择直线和等百分比的流量特性。

调节阀流量特性的选择方法，一般有数学分析法和经验法两种，在实际工程中多采用经验法，从如下几个方面进行选择：
（1）根据自动控制系统的调节品质来选择
在自动控制系统中，通常变送器和调节器等的放大系数是一个常数，而被控对象的放大系数是要随外部条件的变化而变化的。

通过适当选择调节阀的特性，以阀的放大系数的变化来补偿被控对象放大系数的变化，可使系统总的放大系数保持基本不变，从而可得到较好的调节品质。

对于放大系数随负荷增大而变小的被控对象，如与传热有关的温度控制对象，应选用等百分比流量特性的调节阀，可使系统的总放大系数保持基本不变；同理，当被控对象的放大系数为线性时，则应采用直线流量特性的调节阀。

（2）根据工艺配管情况来选择
调节阀总是与管道、设备等连接在一起使用的。

由于系统配管情况的不同，配管阻力的存在使调节阀前后的压差发生变化，因此阀的工作特性与阀的理想特性也不同，必须根据系统的特点来选择所希望的工作特性，然后再考虑工艺配管情况选择相应的理想特性，参照下表选定。

注：P v表示阀全开时调节阀前后的压差与系统总压差的比值，即阀权度。

（3）根据负荷变化情况来选择
直线特性调节阀在小开度时过于灵敏，流量相对变化值大，容易引起振荡，因此在负荷变化幅度大的场合不宜采用；等百分比特性调节阀的放大系数随阀门行程的增加而增加，流量相对变化值是恒定不变的，对负荷波动有较强的适应性，无论在全负荷或半负荷生产时都能很好地调节，因此比较合适在负荷变化幅度大的场合应用。

另外，如果所选的调节阀需要经常工作在小开度时，也宜选用等百分比特性调节阀。

4.2 调节阀结构形式的选择
调节阀的结构形式主要有两通单座阀、两通双座阀、角形阀和蝶阀等几种基本形式。

两通调节阀的应用最为广泛。

当调节阀的前后压差较小、要求泄漏量也较小时，应选两通单座阀；当节阀的前后压差较大、并允许有较大泄漏量时，应选两通双座阀。

在大口径、大流量、低压差的场合工作时，应选调节式蝶阀，但此时的泄漏量较大。

在比值控制或旁路控制时，应选三通调节阀；当介质为高压时，应选高压调节阀。

4.3 调节阀开闭形式的选择
电动调节阀有电开与电关两种形式。

电开式调节阀在有控制信号时调节阀打开，而电关式调节阀在有控制信号时调节阀关闭。

调节阀开闭形式的选择主要从被控设备安全运行的角度来考虑。

调节阀的开、关形式是由执行机构的正、反作用和阀芯的正、反向安装所决定的，可组合成4种方式。

4.4 调节阀口径的选择
调节阀的流通能力是在标准条件下测试出来的，但是在千差万别的实际工作条件下显然不能以调节阀的实际流量与标准流通能力相比较（因为压差、温度等介质条件不同）；而必
须根据实际情况进行C 值计算，根据计算出的C 值与阀本身所具有的C 值相比较，从而决定阀的口径。

最后还应对有关参数进行验算，进一步验证所选阀门的口径是否能够满足工作要求。

（1）口径计算步骤
确定调节阀的口径确定—般需要以下几个步骤： 1）确定计算流量。

由暖通专业提供或根据设备能力、负荷及介质参数等情况，通过计算确定最大工作流量Q max 和最小工作流量Q min 。

但在计算时应防止过多地考虑裕量，致使阀门口径选的过大。

否则不仅会增加造价、增大系统能耗，而且阀门经常处于小开度工作，使可调比减小，调节性能变坏，严重时还会引起振荡夕使阀的寿命缩短。

2）确定计算压差。

根据系统特点选定P v 值，然后确定计算压差，这是调节阀计算中的关键。

根据调节阀的工作特性可知：P v 值越大，调节性能越好，P v 值越小，调节性能越坏。

但从系统运行的经济性考虑时，P v 值小则调节阀上压降变小，系统压降相应变小，这样可选较小扬程的泵，即从经济性和节约能耗上考虑P v 值越小越好。

综合考虑的结果，对于水调节阀取P v ≮0.3即可，而对于蒸汽调节阀，由于蒸汽的密度比较低，应取P v ≮0.5。

由P v 定义可知：P v =ΔP v ／（ΔP v +ΔP Σ） 根据上式得：ΔP v = P v ·ΔP Σ／（1－P v ）
式中，ΔP v 为调节阀全开时的阀上压降，ΔP Σ为调节阀全开时除调节阀以外的系统损失总和，即管道、弯头、手动阀门、热交换器等损失的总和。

在空调自动控制中，ΔP Σ可近似取空调机组盘管热交换器的压降，但这时应适当地提高P v 的取值。

3）C 值计算。

根据已决定的计算流量、计算压差及其它有关参数，求出最大工作流量时的C max 和最小工作流量时的C min 。

4）初步确定调节阀的口径。

根据计算出来的C max ，在所选用的产品手册中选取略大于C max 并与其最接近的一档C 值，初步选出调节阀的口径。

5）开度验算。

在根据流量和压差计算得到C 值，并按制造厂提供的各类调节阀的标准系列进行圆整后，还应对所选阀门的工作开度应该进行验算。

一般来说，最大工作流量时调节阀的开度应在90％左右，最小工作流量时调节阀的开度不应小于10％。

最大开度过小，说明阀门口径选得过大，调节阀经常在小开度下工作，可调比缩小，会造成调节性能的下降和经济上的浪费；最小开度小于10％，会由于开度太小，使阀芯和阀座受流体冲蚀严重，特性变坏，甚至失灵。

不同的流量特性其相对开度和相对流量的对应关系是不一样的，理想特性和工作特性又有差别，因此，验算开度时应按不同特性进行。

调节阀在串联管路的工作条件下的开度验算公式如下： 直线流量特性时：
1
1--=
R C C R K i
等百分比流量特性时：
R
C C K i
lg lg
1+=
式中 C ——所选用的调节阀的流通能力（标准系列）；
C i ——选用调节阀的计算流通能力，按C max 和C min 分别验算最大工作开度和最小
工作开度。

R ——所选用的调节阀的理想可调比（标准值）； 由于150~30>>=R ，
因此，直线流量特性时有：C
C K i
≈
6）实际可调比验算。

目前国内外的调节阀的理想可调比只有R=30和R=50两种，在串联管道阻力下，受到工作流量特性畸变的影响，调节阀的实际可调比为：
v P R R ='
一般要求R ′应大于10。

但考虑到在选用调节阀口径时对C 值的圆整和放大，特别是在实际使用时对最大开度和最小开度的限制，都会使可调比下降，一般R 值都在10左右。

因此，实际可调比的验算可按下面的近似公式计算：
v P R 10='
由上式可知，当P v ≥0.3时，R ′≥5.48，说明调节阀在最大工作流量和最小工作流量之间的实际可调比是 5.48。

一般要求在实际运行条件下的最大工作流量与最小工作流量之比不小于3。

7）压差校核
调节阀选定后仅从开度、可调比上验算还不行，这样可能造成阀关不死或打不开，故此必须进行压差校核，保证调节阀的允许使用压差不小于系统的总压差的1.5倍。

8）验算结论
上述验算均合格，则所选阀门的口径合格；若不合格，就需要重定口径及C 值，或另选其它型号的阀门，直至验算合格。

4.5 调节阀选择实例
某大厦楼宇自控系统采用Honeywell 产品，现需选择一台电动两通调节阀用于控制空调
机组。

根据工艺要求，最大流量Q max =100m 3/h ，最小流量Q min =20m 3
/h ，阀前压力P 1=800kPa ，盘管换热器的压降60kPa ，系统总压差ΔP=200kPa 。

被调介质是水，水温为7～65℃，安装时初定管道直径为125mm ，问应选择什么型号的阀门?
①确定计算流量。

最大流量Q max =100m 3/h ，最小流量Q min =20m 3
/h 。

②确定计算压差。

根据系统特点综合考虑对，相对于系统总压差取P v =0.3，相对于盘管换热器的P v =0.5。

得：ΔP v = P v ·ΔP Σ／（1－P v ）=P v ·ΔP=60kPa ③确定调节阀流量特性。

根据P v 值选用等百分比特性的阀门。

11 ④C 值计算。

计算最大工作流量时的C max 和最小工作流量时的C min 。

01.12910601003163163max
max =⨯⨯=∆=P
Q C 80.25106020
3163163min
min =⨯⨯=∆=P Q C
⑤初步确定调节阀的口径。

根据C max = 129.01（K v 值），查Honeywell 产品手册选取DN=100mm 的阀门口径，再根据系统总压差为200kPa 的条件，初步选出调节阀型号为V5088A1005，K v =160，配用ML6421B/ML7421B 执行器。

⑥开度验算。

最大开度93.007.0148.109.0130lg 8.0lg 130lg 160129lg
1max ≈-=-+=+=+=K 即93%， 最小开度46.054.0148.179.0130lg 16.0lg 130lg 16080
.25lg 1min =-≈-+=+=+
=K 即46%， 最大工作开度在90%左右，最小工作开度大于10%，开度验算合格。

⑦实际可调比验算。

实际可调比5.53.01010≈⨯=='v P R ＞520
100min max ==Q Q 实际可调比验算合格。

⑧压差校核
V5088A1005调节阀配用ML6421B/ML7421B 执行器时关断压差为1000kPa ，大于1.5×200kPa=300kPa ，压差校核合格。

⑨验算结论
上述验算均合格，所选阀门V5088A1005配用ML6421B/ML7421B 执行器选型合格。