过程控制课件--第四章调节阀

第四章调节阀本章重点内容§4-1气动调节阀结构§4-2调节阀的流量系数§4-3调节阀结构特性和流量特性§4-4气动调节阀选型调节阀的作用:接受调节器送来的控制信号,调节管道中介质的流量(即改变调节量),从而实现生产过程的自动化．调节阀的分类：气动,电动和液动三类．按能源分气动：压缩空气作为能源结构简单，输出推力较大、维修方便，价格低廉，防火防爆电动:能源取用方便，信号传递迅速，但结构复杂、防爆性能差液动：液动控制阀推力最大，但较笨重，现已很少使用比较项目气动执行器电动执行器液动执行器结构体积推力配管配线动作滞后频率响应维护检修使用场合温度影响成本简单中中较复杂大狭简单防火防爆较小低复杂小小简单小宽复杂隔爆型才防火防爆较大高简单大大复杂小狭简单要注意火花较大高三种执行器的特点比较电动执行器气动执行器§4.1气动调节阀的结构数学模型SvvvveSTKsG1)(气动调节阀的结构执行机构阀体..............pc执行机构电气转换器阀体管路系统u(t)pclfqu(t)：控制器输出(4~20mA或0~10mADC)；pc：调节阀气动控制信号；l：阀杆相对位置；f：相对流通面积；q：受调节阀影响的管路相对流量。一气动执行机构气动执行机构有薄膜式和活塞式两种．常见的气动执行机构均为薄膜式，它结构简单，价廉，输出行程小．气动薄膜式执行机构作用型式：正作用:信号压力增加时，推杆向下移动(ZMA)反作用:信号压力增大时，推杆向上移动(ZMB)执行机构作用：将气压p---阀杆位移L二阀(调节机构）阀(或称阀体组件)是一个局部阻力可变的节流元件．它由阀体、上阀盖组件、下阀盖组件和阀内件组成。普通阀包括阀芯,阀座和阀杆等．阀的作用：阀杆位移L---调节流量Q根据流体通过调节阀时对阀芯作用方向分为流开阀和流闭阀．流开阀：介质的流动方向有推动阀门打开的趋势，称流开．流闭阀：介质的流动方向有推动阀门关闭的趋势，则称流闭.流开阀稳定性好,有利于调节,一般多采用流开阀阀门的“气开”与“气关”*气开阀：信号压力增加，流量增加pc↑→f↑(“有气则开”)*气关阀：信号压力增加，流量减小pc↑→f↓(“有气则关”)*无气源(pc=0)时，气开阀全关，气关阀全开。阀门的“气开”与“气关”“气开”与“气关”的选择原则基本原则：根据安全生产的要求选择控制阀的气开气关。若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气关阀。实际应用：当气源中断或电源中断时，•进入装置的原料、热源应切断：进料阀选气开•切断装置向外输出产品：出料阀选气开•精馏塔回流应打开：回流阀选气关控制阀的结构形式及选择（1）直通单座控制阀。阀体内只有一个阀芯和阀座，如图所示。其特点是结构简单，泄漏量小，易于保证关闭甚至完全切断。但是在压差较大的时候，流体对阀芯上下作用的推力不平衡，这种不平衡推力会影响阀芯的移动。因此直通单座控制阀一般应用在小口径、低压差的场合。图直通单座控制阀（2）直通双座控制阀。阀体内有两个阀芯和阀座，由于流体流过的时候，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反而大小近于相等，可以相互抵消，所以不平衡力小。但是由于加工的限制，上、下两个阀芯和阀座不易保证同时密闭，因此泄漏量较大。直通双座控制阀适用于阀两端压差较大、对泄漏量要求不高的场合，但由于流路复杂而不适用于高黏度和带有固体颗粒的液体。图直通双座控制阀（3）角型控制阀。角型控制阀的两个接管呈直角形，其他结构与单座阀相类似。角型阀的流向一般为底进侧出，此时其稳定性较好；在高压差场合，为了延长阀芯使用寿命而改用侧进底出的流向，但容易发生振荡。角型控制阀流路简单，阻力较小，不易堵塞，适用于高压差、高黏度、含有悬浮物和颗粒物质流体的控制。图角型控制阀（4）隔膜控制阀。隔膜控制阀采用耐腐蚀衬里的阀体和耐腐蚀隔膜代替阀芯阀座组件，由隔膜位移起控制作用，如图所示。隔膜控制阀结构简单，流路阻力小，流量系数较同口径的其他阀大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄漏，所以隔膜控制阀无泄漏量。隔膜控制阀耐腐蚀性强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也适用于高黏度及悬浮颗粒状介质的控制。图隔膜控制阀（5）三通控制阀。三通控制阀共有三个出入口与工艺管道相连接。其流通方式有合流型和分流型两种，前者是将两种介质混合成一路，后者是将一种介质分为两路，分别如图（a）、（b）所示。三通控制阀可以用来代替两个直通阀，适用于配比控制与旁路控制。分流合流（6）蝶阀。蝶阀又名翻板阀，如图所示。蝶阀具有结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小的优点，但泄漏量大，适用于大口径、大流量、低压差的场合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。（7）球阀。球阀的阀芯与阀体都呈球形体，转动阀芯使之处于不同的相对位置时，就具有不同的流通面积，以达到流量控制的目的，如图所示。图蝶阀图球阀三、阀门定位器三、阀门定位器气动阀门定位器是一种辅助装置,阀门定位器接受控制器来的信号作为输入信号，并以其输出信号去控制控制阀，同时将控制阀的阀杆位移信号反馈到阀门定位器的输入端而构成一个闭环随动系统。阀门定位器的功能：（1）定位功能。用了阀门定位器后，只要控制器的输出信号稍有变化，经过喷嘴-挡板系统及放大器的作用，就可使通往控制阀膜头的气压大有变动，以克服阀杆的摩擦和消除控制阀不平衡力的影响，从而保证阀门位置按控制器发出的信号正确定位。添加阀门定位器后，能使控制阀适用于下列情况①要求阀位做精确调整的场合；②在大口径、高压差等不平衡力较大的场合，可减少不平衡力对阀杆位移的影响；③为防止泄漏而需要将填料压得很紧，致使干摩擦较大的场合（如高压、高温或低温等）；④在输送黏性流体及悬浮物的场合（用来正确定位）（2）改善阀的动态特性。定位器改变了阀的一阶滞后特性，减小时间常数，使之成为比例特性。一般说来，如气压传送管线超过60m时，应采用阀门定位器（3）改变阀的流量特性。通过改变定位器反馈凸轮的形状（有些生产阀门定位器的厂家，可提供三种曲线的凸轮片），可以改变控制阀的原有流量特性。（4）改变气压作用范围，满足分程控制要求。分程控制是用一个控制器控制两个以上的控制阀，使它们分别在信号的某一个区段内完成全行程移动。通过阀门定位器上有关部件的调整，可使阀门满行程变化的信号由一般的20～100kPa，调整到这区间的任意范围。例如，使两个控制阀分别在（4～12mADC）及（12～20mADC）的信号范围内完成全行程移动。（5）用于阀门的反向动作。阀门定位器有正、反作用之分，改变挡板和喷嘴的位置即可实现正、反作用的改变。正作用时，输入信号增大，输出气压也增大；反作用时，输入信号增大，输出气压减小。采用反作用式定位器可使气开阀变为气关阀，气关阀变为气开阀。§4.2调节阀的流量系数流量系数是表示调节阀通流能力的参数。它根据流量、阀两端的差压和流体的密度等确定。是选择阀门口径的参数.一流量系数的定义及其物理意义流量系数C:在给定行程下,阀两端压差为0.1Mpa,水密度为1g/cm3时,流经调节阀的水的流量,以m3/h表示(体积流量)。阀全开时的流量系数为调节阀额定流量系数,以C100表示.表4.1为根据C100选择阀门直径表例如一台额定流量系数为32的调节阀,表示阀全开且两端的压差为0.1MPa时，每小时最多能通过32m3的水量．调节阀是一个局部阻力可变的节流元件．对于不可压缩的流体，由能量守恒(伯努利方程)可知，调节阀上的压力损失为：2122vpphgg式中，p1,p2为调节阀前后压力；ρ为流体密度；g为重力加速度；ξv为调节阀阻力系数；ω为流体平均速度．因为QFQ—流体体积流量，F---调节阀流通截面积Qp1p2(4-1)(4-2)根据C的定义，在流量方程中令p1-p2=1,ρ=1可得vFCA因此，对于其它的阀前后压降和介质密度，则有(12)QCpp注意：流量系数C不仅与流通截面积F(或阀公称直径Dg)有关，而且还与阻力系数ξv有关．同类结构的调节阀在相同的开度下具有相近的阻力系数，因此口径越大流量系数也随之增大；口径相同类型不同的调节阀，阻力系数不同，流量系数也各不相同．由上两式可得调节阀流量方程当12()pp不变时，流量Q随vF而变化12vppAFQ(4-3)(4-4)二流量系数计算公式（不讲）流量系数的计算是选定调节阀口径的最主要的理论依据．表4.2列举了液体，气体和蒸汽等常用流体C值的计算公式．注意事项：①两套计算公式(国际单位制SI和工程单MKS位制)单位有所不同．②计算前要做阻塞流判断③计算公式使用于牛顿型不可压缩流体，可压缩流体以及这两种流体的均匀混合体．④根据要求计算满足要求的C值，以此为依据选择适当的调节阀．1.阻塞流对流量系数计算的影响阻塞流是指,当阀前压力p1保持恒定而逐步降低阀后压力p2时,流经调节阀的流量会增加到一个最大极限值,若再继续降低p2流量也不再增加,此极限流量称为阻塞流．流体体积流量计算公式为：12()QCpp此时,调节阀的流量与阀前后压降△p=p1-p2的关系以不再遵循公式(12)QCpp的规律.右图中,阻塞流,此时按4-4计算出的流量会大大超过阻塞流Qmax,因此在计算C值时首先要确定调节阀是否处于阻塞流情况．P1恒定时Q与p的关系时,就会出现crp当压降大于①气体的阻塞流条件：压差比x=△p/p1≥xTFkxT---空气在某一调节阀时的临界压差比,决定于调节阀结构(表4.3)Fk---比热比系数,气体与空气的绝热指数之比,Fk=k/kair(kair=1.4)②液体(不可压缩流体)的阻塞流调节阀内流体压力梯度图p1p2p1---调节阀进入端压强,pc---介质临界压力pv---入口温度下流体介质饱和蒸汽压FF---液体临界压力比系数FL---压力恢复系数0.960.28FvcFpp产生的条件：2121()LFvpppFpFp121()()LcrvcrcrvcrFpppppp对于一个给定的调节阀,FL为一个固定常数,它只与阀结构,流路形式有关,与阀口径大小无关.查表4.3可得到.流量(液体)系数C的计算:①判断是否产生阻塞流，判别条件按上式②如果未发生阻塞流，则△p=p1-p2发生了阻塞流，则△p＝FL2(p1-FFpv)③按公式计算LLCQp(工程单位制(MKS))10LLCQp(国际单位制(SI))运算时单位:QL---m3/h△p---KPaρ---g/cm3运算时单位:QL---m3/h△p---Kgf/cm2ρ---g/cm3ⅰ)产生阻塞流的原理注意：同一组数据，用两种公式计算的结果是相同的如：△p=1kgf/cm2表示为国际单位制为△p=10/(0.01)2=100kPa使用国际单位制计算为：1010100LLLLLLCQpQQ使用工程单位制计算为：1LLLLLLCQpQQ2.低雷诺数修正当雷诺数Re2300时，不能按式4-4计算C值，必须加以修正．修正后的流量系数C’为：'RCCFFR---雷诺修正系数，根据雷诺数Re由图4.10查得雷诺数Re的计算：①对于直通单座阀,套筒阀,球阀等只有一个流路的调节阀,雷诺数为Re70700LQC②对于直通双座阀,蝶阀,偏心旋转阀等具有两个平行流路的调节阀Re49490LQCυ---液体介质的运动粘度，10-6m2/s在工程计算中，当Re3500时可不做低雷诺数修正．3.气体(蒸汽)流量系数的修正气体,蒸汽等可压缩流体,在调节阀内其体积由于压力降低而膨胀,其密度减小.利用式4-4计算气体的流量系数,会引起较大误差,必须对气体的可压缩效应作必要的修正．可以引入一个膨胀系数Y以修正气体密度的变化13KTxYFx此外，在各种压力，温度下实际气体密度与按理想气体状态方程求得的理想气体密度存在偏差。为衡量偏差程度大小，引入压缩系数Z111pZRTR---气体常数ρ１---阀入口处气体密度4.管件形状修正使用上述流量系数计算公式要求管件形状