自动化装置-第9节(16)简化课件

1、第十六讲 第九节 气动调节阀 一、概述 二、阀体部件的特性分析 三、执行机构的特性分析 四、气动调节阀的选择与计算 本节重点内容提示:一.基本概念流量系数、可调比、阀阻比、相对流量的变化率、不平衡力、输出力、气开式、气关式、二.基本知识1.七种阀体部件的结构与用途2.线性和对数流量特性的表达式和计算3.气开式、气关式的选择原则 一.概述执行器按能源驱动形式可分为气动执行器、电动执行器、液动执行器三类。气动执行器包括气动调节阀、气动马达、气动机器人等。气动调节阀是一种应用极为广泛的执行器。具有结构简单、价格低、动作可靠、输出平稳、本安防爆等特点。（一）气动调节阀的结构与用途1.构成气动调节阀 =

2、 气动执行机构 + 阀体部件把位移或转角转换成介质流量的变化把气压信号转换成直线位移或转角气动调节阀除了执行机构和阀体部件之外还可以配备辅助装置。阀门定位器利用反馈原理改善气动调节阀的性能，实现准确的定位。手轮机构直接操纵阀体部件，实现阀门的开关。（二）气动执行机构的种类及作用1.气动薄膜式（1）结构结构简单、动作可靠、维修方便等特点。上膜盖1、波纹薄膜2、下膜盖3、支架4、推杆5、弹簧6、弹簧座7、调节件8、螺母9、行程标尺10（3）输出特性执行机构的输出位移与输入气压信号成比例关系推杆的位移即执行机构的直线输出位移，也称为行程。（4）适用场合 低压差、中压差、推力较小、行程（推杆的位移）较

3、小的场合。2.活塞式结构简单，动作可靠，常见的执行机构。（1）结构活塞、气缸、标尺等组成。活塞随气缸两侧输入的气压信号之差而移动。活塞气缸进气口进气口结构特点适用场合可调范围大,关闭时，泄漏量小，易于严密关闭。根据阀芯形状，结构分为调节型(柱塞型)和切断型(平板型)。阀座可以上下倒置，阀芯可以正反安装介质对阀芯的推力大，不平衡力大，需要选用推力大的执行机构或配阀门定位器。阀两端压差小允许泄漏量小的场合介质为非高粘度、不含悬浮物、不含颗粒状物体2.双座阀两个阀芯和两个阀座阀杆结构特点适用场合流量系数大可调范围大流通能力比单座阀提高2050关闭时，泄漏量大阀座可以上下倒置，阀芯可以正反安装不平衡力

4、小，需要的执行机构输出力小阀两端压差大允许泄漏量大的场合介质为非高粘度、不含悬浮物、不含颗粒状物体3.角阀阀体为直角形 5.偏心旋转阀球面阀芯连在柔臂上与轮壳相连，轮壳与转轴用键滑配。球面阀芯的中心线与轮轴中心偏离，轮轴带动阀芯偏心旋转，阀芯前向下方进入阀座。转轴运动由气动执行机构驱动。推杆通过曲柄带动转轴.结构特点适用场合流量系数大关闭时，泄漏量小流路简单，流阻小，流通能力大柔臂决定阀座和阀芯的密闭性不平衡力小，需要的执行机构输出力小介质为高粘度物体高压差。耐高温6.套筒阀与直通单座阀相似，阀体内有一圆柱形套筒。套筒窗口有一个、二个、四个。套筒的导向，阀芯上下移动。改变节流孔面积，形成各种特

5、性的流量调节。结构特点适用场合流量系数可调可调范围大阀座不采用螺纹连接不平衡力小，需要的执行机构输出力小稳定性好，不易振荡，噪声小改变套筒节流孔形状，得到不同的流量特性。阀两端压差大介质为非高温、非高粘度、不含颗粒状物体7.隔膜阀阀体采用铸铁和不锈钢，并衬有耐腐蚀和耐磨材料。隔膜采用橡胶和聚四氟乙烯。结构特点适用场合流量系数大流阻小，流通能力大，可调范围小关闭时，无泄漏量不平衡力小，需要的执行机构输出力小沉淀介质不易积存耐温性和耐压性差抗腐蚀阀两端压差小介质为高粘度、含悬浮物、含颗粒状物体、含纤维物、有毒、强腐蚀性等二.阀体部件的特性分析阀体是一个局部阻力可以改变的节流元件。当流体流经阀体时，

6、由于阀芯和阀座构成的流通面积的局部缩小，形成局部阻力，使流体在此产生能量损失。用阀体部件前后的流量压差表示能量损失。(一)阀体部件的流量方程qv d1qvP1P2d2A阀体前后的管道直径是一致的，流速相等。根据能力守恒原理，得到单位质量流体的能量损失等于阀体部件前后流体的压力之差。H-单位质量流体流经阀体的能量损失P1-阀体部件前的压力，0.1PaP2-阀体部件后的压力，0.1Pa-流体密度，g/cm3g-重力加速度，cm/s2综合上面三式，得到阀体部件流量方程qv-流体的体积流量，cm3/sA连接管段的截面积，cm2P阀体部件前后流量的压差p1-p2,0.1Pa流体的介质密度,g/cm3阻力

7、系数qv单位采用m3/h，P单位采用102kPa,其它单位不变。结论： A、P、不变时，阻力系数 qv； qv 。 与阀门的开度有关。阀体的工作原理：通过改变阀芯位移来改变流体通过的截面面积，改变阻力系数达到调节流量的目的。(二)阀体部件的流量系数C由流量方程 得到令流量系数流量系数的定义阀全开P1.0102kpa1g/cm3每小时流经阀体部件的流量数（m3/h）其物理意义表明:在规定条件下，阀体部件所能通过的介质最大流量。例如：C32，表示阀全开，阀两端压差为1.0102kpa时，每小时通过的水量为32m3第十七讲（三）阀体部件的可调比R可调比的定义阀体部件所能控制的最大流量和最小流量之比。

8、 Rqvmaxqvminqvmin泄漏量定义 qvmin阀体部件可控流量的下限值泄漏量阀体部件全关时渗漏的量数量 qvmin(24%) qvmax泄漏量（0.010.1%） qvmax1.理想可调比定义：P常量时，阀体部件的可调比理想可调比等于最大流量系数和最小流量系数之比。可调比的物理意义：反映了阀体部件调节能力的大小。由阀体部件的结构和加工条件决定。流量系数的最小值不能太小。因此理想可调比一般小于50，我国在设计时取30。(四)阀体部件的流量特性1.定义介质流过阀体部件的相对流量和阀体部件的相对开度之间的函数关系，称为流量特性。 qv/qvmax = f(l/L) 相对流量相对开度流量是由

9、阀座和阀芯之间的流通截面积的大小决定；此外，流量受到阀前后压差的影响。因此，阀前后压差不变时的流量特性，称为固有流量特性（理想流量特性）阀前后压差改变时的流量特性，称为安装流量特性（工作流量特性）2.固有流量特性固有流量特性阀体部件两端的压差P常量。固有流量特性包括 直线流量特性 对数流量特性 抛物线流量特性 快开流量特性快开抛物线对数直线l/L/100%qv/qvmax/100%(1)直线流量特性定义阀体部件单位相对开度的变化所引起的相对流量的变化是常数。 d(qv/qvmax)d(l/L)KK阀体部件的放大系数积分整理,代入边界条件，l0，qvqvmin lL，qvqvmax放大系数是常数

10、l/L/100%qv/qvmax/100%设计中取R30，便于分析，认为R1。1/R 0，K 11/R 1直线斜率是 K11/R纵坐标起点（截距）是1/R相对流量的变化和相对位移变化是相等的，但相对流量变化率不相等。相对流量的变化率的定义:流量特性曲线上某一点的相对流量的变化量和该点的相对流量之比 q%=(qv/qvmax)(qv/qvmax)100% q%= qv/qv 100%例如：在I/L%=10%处， I/L%变化10%，计算的q%=10/10 100%在I/L%=50%处， I/L%变化10%，计算的q% = 10%/50% = 20%在I/L%=80%处， I/L%变化10%，计算

11、的q% = 10%/80% = 12.5%结论： 用相对流量的变化率表征阀体部件的灵敏度。直线流量特性小开度时，灵敏度高，容易产生震荡；大开度时，灵敏度低，调节迟缓。(2)对数流量特性定义阀体部件单位相对开度的变化所引起的相对流量的变化与此点的相对流量成正比的关系。d(qv/qvmax)d(l/L)K (qv/qvmax)（6-10）K阀体部件的放大系数积分运算(6-10)进行变形(6-11)整理,代入边界条件，l0，qvqvmin lL，qvqvmaxC = ln (qv/qvmax) = -lnRK = lnR(6-12)l/L/100%qv/qvmax/100%从曲线选择3个点考察相对流

12、量的变化率：在l/L%=10%处， l/L% 变化10%，取R30，计算q%=（6.58-4.68）/4.68100%40%在l/L%=50%处， l/L% 变化10%，计算的q%=（25.6-18.3）/18.3100%40%在l/L%=80%处， l/L% 变化10%，计算的q%=(71.2-50.8)/50.8100%40%结论：用相对流量的变化率表征阀体部件的灵敏度。对数流量特性小开度时和大开度时，灵敏度相同。流量变化的百分比相同。 (五)闪蒸、空化及其对策1.闪蒸和空化P1P2 压力流速P2P1PV当流体通过阀体时，由于流通面积的缩小，使缩流处的流速增加，由于能量守恒定律可知，速度上

13、升，静压力P1必然降低，而这个压力在阀座附近的数值最低，倘若这个压力比液体所在环境下的饱和蒸汽压PV还低时，有一部分液体气化，在液体中产生气泡，形成气液两相掺杂的混合流。这个过程称为闪蒸。闪蒸后，混合液体离开阀座时，压力逐渐恢复，当它恢复到比液体饱和蒸汽压PV更高的P2时，气化停止，气泡爆裂，还原成液体，这个过程称为空化。2.损害损害名称损害特征损害影响闪蒸损伤一道道光滑的流线状表面斑痕液体计算公式的正确性空化损伤粗糙的海绵状空洞阀体部件被汽蚀震动垂直震动和水平震动机械磨损和破坏噪声震动噪声、空化噪声、气体噪声损坏人体健康3.对策从材料、结构、压差三方面考虑(1)材料选择原则选择抗蚀能力强的材

14、料材料合金硬化工具钢钨碳钢(2)结构的设计原则破坏闪蒸和空化形成的条件使液体流经阀座的每一点的压力高于饱和蒸汽压。结构采用多级阀芯结构，逐级降压，使每一级都不超过临界压差。多孔节流原理，减少汽蚀发生。(3)压差的考虑原则阀体部件的压差P最大允许压差PT，即使产生汽蚀，破坏也不严重。方法几个阀体部件串联，分散压差。阀体部件前后安装限流孔板，吸收压差。四.气动调节阀的选择与计算(一)气动调节阀的选择1.执行机构和阀体部件类型的选择(1)执行机构结构型式的选择主要决定选膜片式还是选活塞式通常选膜片式执行机构因为膜片式执行机构的输出力一般可以满足气动调节阀对它的要求。(2)阀体部件结构型式的选择工艺条

15、件温度、压力、流量流体特性粘度、相态、毒性、腐蚀性、是否含有悬浮物，颗粒物控制要求系统精度、噪声、可调比2.气开、气关的选择(1)选择原则a.定义气开式:有输入信号（气压）时阀开，无输入信号时阀关。气关式:有输入信号（气压）时阀关，无输入信号时阀开。b.原则气动调节阀的输入压力信号中断时，应保证设备及人员的安全。c.实例(a)换热器中冷却水用的气动调节阀应选气关式。故障时，气动调节阀输入压力信号中断，气动调节阀打开，冷水继续流入，防止热换器烧毁。(b)加热炉燃料油进料用气动调节阀应选气开式。故障时，气动调节阀输入压力信号中断，气动调节阀关闭，防止燃料油继续流入，以免炉温过高造成事故。(c)蒸馏塔进料用气动调节阀应选气开式。故障时，气动调节阀输入信号中断，气动调节阀关闭，防止物料继续流入，以免造成溢塔事故。(d)蒸馏塔的塔釜为易结晶、易凝固的液体时，则再沸器的蒸汽流量用的气动调节阀应选气关式。故障时，气动调节阀输入信号中断，气动调节阀打开，让蒸汽继续流入，进行加热，以免塔釜液体结晶或凝固。例题1.已知某液体qv30m3/h， 1g/m3，阀两端压力p13.5102kPa，p22.5102