第九章 气动调节阀

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2024/3/101一、基本概念流量系数、串联管道实际可调比、阀阻比、相对流量的变化率、压力恢复系数、不平衡力、输出力、允许压差、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3、气开式、气关式的选择原则2024/3/102本节重点内容介绍4、口径DN的计算5、一般液体、高粘度液体、空化及闪蒸时液体流量系数C的计算2024/3/103很多的题外话（1）执行器执行机构：一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。执行机构使用液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化成驱动作用。---是调节系统四个基本组成部分之一，形象称为自动化的手脚。

四个基本组成部：调节对象、检测仪表、调节器、执行器执行器的作用--根据调节器的命令控制传送、调节温度、压力、流量等工艺参数。执行器的组成（分为两部分）

执行结构--执行器的驱动部分，按照调节器的信号产生推力或位移；

调节机构--执行器的调节部分，常见有调节阀等，在执行机构操纵下调节工艺介质的流量。执行器的影响--是调节系统中的薄弱环节，质量可能导致不能正常工作或影响调节品质。2024/3/104（2）电动执行器（electricactuator）定义：利用电作为动力源的执行机构。2024/3/105基本的执行机构用于把阀门驱动至全开或全关的位置。用于控制阀的执行机构能够精确的使阀门走到任何位置。尽管大部分执行机构都是用于开关阀门，但是如今的执行机构的设计远远超出了简单的开关功能，它们包含了位置感应装置，力矩感应装置，电极保护装置，逻辑控制装置，数字通讯模块及PID控制模块等，而这些装置全部安装在一个紧凑的外壳内。2024/3/106电动执行器的结构原理（MD系列电动执行机构的整体式比例调节型为例）MD系列电动执行机构是以交流伺服电动机为驱动装置的位置伺服机构；由配接的位置定位器PM-2控制板接受调节系统的4～20mA直流控制信号与位置变送器的位置反馈信号进行比较，比较后的信号偏差经过放大机构放大后送入电动机旋转驱动执行机构；执行机构的输出件朝着减小这一偏差的方向移动（位置变送器不断将输出件的实际位置转变为电信号—位置反馈信号送至位置定位器），直到偏差信号小于设定值为止。此时执行机构的输出件就稳定在与输入信号相对应的位置上。2024/3/107MD系列角行程调节电动执行机构由动力部件和位置定位器（PM-2控制板）两大部分组成。动力部件主要由电动机、减速器、力矩行程限制器、开关控制箱、手轮和机械限位装置以及位置发送器等组成电动机：电动机是特种单相或三相交流异步电动机，具有高启动力矩、低启动电流和较小的转动惯量，因而有较好的伺服特性。减速器：角行程执行机构采用行程减速加涡轮涡杆传动机构，既有较高的机械效率，又具有机械自锁特性。行程执行机构的减速器由多转执行机构减速器配接丝杆螺母传动装置组成。力矩行程限制器：它是一个设置在减速器内的标准单元，由过力矩保护机构、行程控制机构（电气限位）、位置传感器及接线端子等组成。2024/3/108位置定位器实质上是一个将控制信号与位置反馈信号进行比较并放大以控制电动机开停和旋转方向的多功能大功率放大板，它与执行机构的动力部件相连以控制执行机构按系统规定的状态工作。位置定位器主要由比较、逻辑保护、放大驱动及功率放大等电路组成。连续控制如果执行机构被要求用于控制过程系统的液位、流量或压力等参数，这是要求执行机构频繁动作的工作，可以用4-20mA信号作为控制信号，然而这个信号可能会和过程一样频繁的改变。如果需要非常高频率动作的执行机构，只有选择特殊的能频繁启停的调节型执行机构。2024/3/109电动和气动各有所长，首先电动执行器的优势主要包括：

（1）结构紧凑，体积小巧。比起气动执行器，电动执行器结构相对简单，一个基本的电子系统包括执行器，三位置DPDT开关、熔断器和一些电线，易于装配。

（2）电动执行器的驱动源很灵活，一般车载电源即可满足需要，而气动执行器需要气源和压缩驱动装置。

（3）电动执行器没有“漏气”的危险，可靠性高，而空气的可压缩性使得气动执行器的稳定性稍差。

（4）不需要对各种气动管线进行安装和维护。

（5）可以无需动力即保持负载，而气动执行器需要持续不断的压力供给。

（6）由于不需要额外的压力装置，电动执行器更加安静。通常，如果气动执行器在大负载的情况下，要加装消音器。

（7）电动执行器在控制的精度方面更胜一筹。

（8）气动装置中的通常需要把电信号转化为气信号，然后再转化为电信号，传递速度较慢，不宜用于元件级数过多的复杂回路。2024/3/1010气动的优势则在于以下4个方面：

（1）负载大，可以适应高力矩输出的应用（不过，现在的电动执行器已经逐渐达到目前的气动负载水平了）。

（2）动作迅速、反应快。

（3）工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射和振动等恶劣工作环境中，比液压、电子、电气控制更优越。

（4）行程受阻或阀杆被扎住时电机容易受损。2024/3/1011（3）液动执行器液动执行器是以液压油为动力完成执行动作的一种执行器。液动执行器通常为一体式结构，执行机构与调节机构为统一整体。液动执行器的实际应用率在三种执行器（电动、气动、液动）中最低，只有一些大型工作场合，才会使用到液动执行器。2024/3/1012液动执行器的优点：液动执行器的输出推动力要高于气动执行器和电动执行器，且液动执行器的输出力矩可以根据要求进行精确的调整，并将其通过液压仪表反应出来。液动执行器的传动更为平稳可靠，有缓冲无撞击现象，适用于对传动要求较高的工作环境。液动执行器的调节精度高、响应速度快，能实现高精确度控制。液动执行器是使用液压油驱动，液体本身有不可压缩的特性，因此液压执行器能轻易获得较好的抗偏离能力。液动执行器本身配备有蓄能器，在发生动力故障时，可以进行一次以上的执行操作，减少紧急情况对生产系统造成的破坏和影响，特别适用于长输送管路自动控制。液动执行器使用液压方式驱动，由于在操作过程中不会出现电动设备常见的打火现象，因此防爆性能要高于电动执行器。2024/3/1013液动执行器的缺点：液动执行器的工作需要外部的液压系统支持，运行液压执行器要配备液压站和输油管路，这造成液压执行器相对电动执行器和气动执行器来说，一次性投资更大，安装工程量也更多，因此只有在较大的工作场合才使用液动执行器。液动执行器的用途：液动执行器的安装特性决定了它只适用于一些对执行器控制要求较高的特殊工况。目前，液动执行器只有在大型的电厂、石化厂等企业才有应用。2024/3/1014气动、电动、液动执行器的对比气动执行机构：现今大多数工控场合所用执行器都是气动执行机构，因为用气源做动力，相较之下，比电动和液动要经济实惠，且结构简单，易于掌握和维护。由维护观点来看，气动执行机构比其它类型的执行机构易于操作和校定，在现场也可以很容易实现正反左右的互换。它最大的优点是安全，当使用定位器时，对于易燃易爆环境是理想的，而电信号如果不是防爆的或本质安全的则有潜在的因打火而引发火灾的危险。所以，虽然现在电动调节阀应用范围越来越广，但是在化工领域，气动调节阀还是占据着绝对的优势。气动执行机构的主要缺点就是：响应较慢，控制精度欠佳，抗偏离能力较差，这是因为气体的可压缩性，尤其是使用大的气动执行机构时，空气填满气缸和排空需要时间。但这应该不成问题，因为许多工况中不要求高度的控制精度和极快速的响应以及抗偏离能力。2024/3/1015电动执行机构：电动执行机构主要应用于动力厂或核动力厂，因为在高压水系统需要一个平滑、稳定和缓慢的过程。电动执行机构的主要优点就是高度的稳定和用户可应用的恒定的推力，最大执行器产生的推力可高达225000kgf，能达到这么大推力的只有液动执行器，但液动执行器造价要比电动高很多。电动执行器的抗偏离能力是很好的，输出的推力或力矩基本上是恒定的，可以很好的克服介质的不平衡力，达到对工艺参数的准确控制，所以控制精度比气动执行器要高。如果配用伺服放大器，可以很容易地实现正反作用的互换，也可以轻松设定断信号阀位状态（保持/全开/全关），而故障时，一定停留在原位，这是气动执行器所作不到，气动执行器必须借助于一套组合保护系统来实现保位。电动执行机构的缺点主要有：结构较复杂，更容易发生故障，且由于它的复杂性，对现场维护人员的技术要求就相对要高一些；电机运行要产生热，如果调节太频繁，容易造成电机过热，产生热保护，同时也会加大对减速齿轮的磨损；另外就是运行较慢，从调节器输出一个信号，到调节阀响应而运动到那个相应的位置，需要较长的时间，这是它不如气动、液动执行器的地方。2024/3/1016液动执行机构：当需要异常的抗偏离能力和高的推力以及快的形成速度时，我们往往选用液动或电液执行机构。因为液体的不可压缩性，采用液动执行器的优点就是较优的抗偏离能力，这对于调节工况是很重要的，因为当调节元件接近阀座时节流工况是不稳定的，越是压差大，这种情况越厉害。另外，液动执行机构运行起来非常平稳，响应快，所以能实现高精度的控制。电液动执行机构是将电机、油泵、电液伺服阀集成于一体，只要接入电源和控制信号即可工作，而液动执行器和气缸相近，只是比气缸能耐更高的压力，它的工作需要外部的液压系统，工厂中需要配备液压站和输油管路，相比之下，还是电动执行器更方便一些。液动执行机构的主要缺点就是造价昂贵，体检庞大笨重，特别复杂和需要专门工程，所以大多数都用在一些诸如电厂、石化等比较特殊的场合2024/3/1017气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体；其执行机构有薄膜式、活塞式、拨叉式和齿轮齿条式。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合；薄膜式行程较小，只能直接带动阀杆。拨叉式气动执行器具有扭矩大、空间小、扭矩曲线更符合阀门的扭矩曲线等特点，但是不很美观；常用在大扭矩的阀门上。齿轮齿条式气动执行机构有结构简单，动作平稳可靠，并且安全防爆等优点，在发电厂、化工，炼油等对安全要求较高的生产过程中有广泛的应用。2024/3/1018一、概述（一）气动调节阀的构成与用途1、构成气动调节阀=气动执行机构+阀体部件2024/3/1019

气动执行机构阀体部件把气压信号转换成位移或转角把位移或转角转换成介质流量的变化2、用途接受气压信号，控制介质流量的变化。气动调节阀除了执行机构和阀体部件之外还可以配备(气动阀门定位器/电气阀门定位器、手轮机构、连锁装置）

2024/3/1020气动阀门定位器/电气阀门定位器手轮机构（二）执行机构的种类及作用1、膜片式（1）结构2024/3/10212024/3/1022上膜盖下膜盖波纹薄膜支架下膜盖压缩弹簧弹簧座调节件螺母行程标尺（2）正反作用气压信号增加，阀杆向下移动—正作用气压信号增加，阀杆向上移动—反作用2024/3/1023正作用气压信号反作用气压信号下半部分为调节阀上半部分是产生推力的薄膜式执行机构P

膜片

推杆关闭阀芯（气闭式）

（3）输出特性比例特性：输入气压信号增加，输出位移增加。（4）适用场合低压差、中压差、推力较小、行程（推杆的位移）较小的场合。2024/3/10252、活塞式（1）结构2024/3/10262024/3/1027气缸活塞（2）输出特性比例特性：输入气压信号之差增加，输出位移增加双位特性：输入气压信号增加，输出位移或增加到最大值或减小到最小值（3）适用场合高差压、推力较大、行程较大的场合。2024/3/1028（三）阀体部件的种类及作用1、直通双座阀2024/3/1029外形图抛面图2024/3/1030结构特点适用场合流量系数大可调范围大关闭时，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2、直通单座阀2024/3/1031结构特点适用场合流量系数小可调范围大关闭时，泄漏量小阀座可以上下倒置，阀芯可以正反安装不平衡力大，需要的执行机构输出力大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2024/3/10323、角型阀2024/3/1033结构特点适用场合流量系数小可调范围大关闭时，泄漏量小阀芯只可正向安装不平衡力大，需要的执行机构输出力大沉淀性介质不易积存配管可以减少900弯头介质为高粘度、含悬浮物或含颗粒状物体角形连接的场合底进侧出/侧进底出2024/3/10344、蝶阀2024/3/1035结构特点适用场合流量系数大可调范围大关闭时，泄漏量大弹性阀座决定阀座和阀芯的密闭性需要的执行机构输出力大沉淀性介质不易积存价格便宜，安装空间小阀两端压差小介质可含悬浮物大口径、大流量场合2024/3/10365、偏心旋转阀2024/3/1037结构特点适用场合流量系数大关闭时，泄漏量小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耐高温介质为高粘度物体2024/3/10386、套筒阀2024/3/1039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噪声小阀两端压差大介质为非高温、非高粘度、不含颗粒状物体2024/3/10407、隔膜阀2024/3/1041结构特点适用场合流量系数大可调范围小关闭时，泄漏量无不平衡力小，需要的执行机构输出力小沉淀性介质不易积存不耐高温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2024/3/1042二、阀体部件的特性分析(一)阀体部件的流量方程qv

2024/3/1043d1Ad2qvP1P22024/3/1044令:∴——阀体部件流量方程连接管段的截面积阀体部件前后压差流体的介质密度阻力系数结论：

A、△P、ρ、ξ、2均为常数时，d2↑或↓→↑或↓→qv↑或↓2024/3/1045(二)阀体部件的流量系数C2024/3/1046单位cm2单位0.1pa(0.1N/m2)单位g/cm3(10-5N.s2/cm4)单位cm3/s流量方程N.s2/m4=kg/m3倘若A和ρ的单位不变，△P的单位改为102kpa(10N/cm2,

1Kpa=1000N/m2)qv的单位改为m3/h则原来的

改为

2024/3/1047流量系数流量系数的定义: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。2024/3/1048阀全开△P＝1.0×102kpaρ＝1g/cm3每小时流经阀体部件的流量数（三）阀体部件的可调比R可调比的定义：

qvmin≠泄漏量2024/3/1049阀体部件所能控制的最大流量和最小流量之比阀体部件可控流量的下限值qvmin＝(2~4%)qvmax阀体部件全关时渗出的流量泄漏量＝（0.01~0.1%）qvmax1、理想可调比定义：物理意义：反映了阀体部件可控能力的大小。2024/3/1050△P＝常量时，阀体部件的可调比例1：某气动调节阀，当它的清水流量=qv

max时，流量系数Cmax=60，当它的清水流量=qv

min=2cm3/s时，流量系数Cmin=3，试求R、qv

max=？解：

qv

max=Rqv

min=20×2=40cm3/s

2024/3/1051例2：有两个气动调节阀，可调比R1=R2=30，第一个阀的qvmax1=100m3/h，第二个阀的qvmax2=4m3/h，若采用分程调节，其可调比为多少？解：第一个阀的qvmin1=100/30=3.3m3/h第二个阀的qvmin2=4/30=0.134m3/hR=qvmax1/qvmin2=100/0.134=7402024/3/10522、实际可调比定义：2024/3/1053实际可调比串联管道实际可调比R实际并联管道实际可调比R实际△P≠常量时，阀体部件的可调比(1)串联管道的R实际2024/3/1054△P管道△P系统△P△Pmin——阀体部件全开时的压差△Pmax——阀体部件全关时的压差∵△Pmax

≈△P系统∴2024/3/1055设

则S

＝阀阻比:阀体部件全开时的压差和系统压差之比.结论：阀体部件和管道串联时，S↓→R实际↓2024/3/1056(2)和管道并联时的可调比p273qv,max总管路最大流量.qv1,min阀体部件最小流量。令，则2024/3/1057△Pqv1qv2结论串联和并联管道都使实际可调比下降；阀阻比必能太小；并联旁路阀尽可能保持关闭。2024/3/1058(四)阀体部件的流量特性1、定义

qv/qvmax=f(l/L)

2024/3/1059相对流量相对开度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2024/3/10602、固有流量特性P274固有流量特性——△P＝常量对数抛物线快开线性固有流量特性包括2024/3/1061抛物线直线快开对数l/Lqv/qvmax(1)直线流量特性P274积分后代入边界条件，整理可的2024/3/1062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阀体部件的放大系数2024/3/1063l/Lqv/qvmax10%50%80%

相对流量的变化率的定义:

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%2024/3/1064在曲线上选择3个点在l/L%=10%处，I/L%变化10%，计算的q%=

100%在I/L%=50%处，I/L%变化10%，计算的q%=20%在I/L%=80%处，I/L%变化10%，计算的q%=

12.5%2024/3/1065

结论：用相对流量的变化率表征阀体部件的灵敏度，小开度时，灵敏度高，容易震荡；大开度时，灵敏度低，调节迟缓。用放大系数表征阀体部件的斜率，

斜率＝常量。2024/3/1066(2)对数流量特性P275积分后代入边界条件，整理可得：2024/3/1067阀体部件的放大系数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2024/3/1068l/Lqv/qvmax10%50%80%在曲线上选择3个点：（R=30）在I/L%=10%处，I/L%变化10%，计算的q%=（6.58-4.67）/4.67×

100%≈40%在I/L%=50%处，I/L%变化10%，计算的q%=（25.6-18.3）/18.3×100%≈40%在I/L%=80%处，I/L%变化10%，计算的q%=(71.2-50.8)/50.8×100%≈40%2024/3/1069

结论：用相对流量的变化率表征阀体部件的灵敏度，小开度时和大开度时，灵敏度相同。

用放大系数表征阀体部件的斜率，斜率≠常量。2024/3/1070(3)抛物线流量特性积分后代入边界条件，整理可得

2024/3/1071阀体部件的放大系数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的平方根成正比的关系2024/3/1072l/Lqv/qvmax

(4)快开流量特性积分后代入边界条件，整理可得：

2024/3/1073阀体部件的放大系数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的倒数成正比的关系2024/3/1074l/Lqv/qvmax

3、安装流量特性安装流量特性——△P≠常量安装流量特性含有

2024/3/1075串联管道安装流量特性并联管道安装流量特性(1)串联管道安装流量特性（注意，符号表示与课本略有不同）2024/3/1076△P管道△P△P系统△P系统=△P管道+△P∵理想状态下△P＝常量∴∵qv/qvmax=f(I/L)∴C/Cmax=f(I/L)∴C=Cmaxf(I/L)-----------①∵(P271,6-3)把①式代入上式，则2024/3/1077∵∵qv阀体=qv管道∴将△P管道=△P系统－△P代入上式∴对上式的方程两边取平方，再化简成2024/3/1078当调节阀全开时，则f2(I/L)=1∴∴P272(S:阀体部件全开时阀前后的压差和系统总压差之比，称为阀阻比)2024/3/1079当调节阀不全开时，f2(I/L)≠1上式的方程右边分子分母同除以C2管道∴将上式中的C2max

/C2管道变形∵∴-----------②∵将①式和②式代入上式∴设qv100为考虑到存在管道阻力时阀全开的最大流量∴∵△Pmin=S△P系统∴

2024/3/1081∴∴2024/3/1082直线的安装流量特性2024/3/1083对数的安装流量特性2024/3/1084结论当S=1时，管道阻力损失为零，安装特性=固有特性；随着S的减小，管道阻力增大，安装流量特性向上拱；当S很小时，直线流量特性趋近于快开特性，对数趋近于直线特性；特别地，当S=0.5时，对数特性接近于抛物线特性。实际中S>0.3~0.5。2024/3/1085（2）和管道并联时的安装特性参见课本P2792024/3/1086(五)闪蒸、空化及其对策1、闪蒸和空化2024/3/10872024/3/1088

流速P2压力P1PVP1P2气泡爆裂，还原成液体部分液体气化，形成气液共存当有流体通过阀体部件时，流体面积的缩小，导致缩流处的流速增加，根据能量守恒定律，速度上升，静压力P1必然降低，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，这个压力逐渐恢复，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。2024/3/1089闪蒸空化2、损害2024/3/1090名称特征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腐蚀3、对策从材料、结构、避免三方面考虑(1)材料选择2024/3/1091原则选择抗腐蚀能力强的材料材料司太立合金硬化工具钢碳化钨钢(2)结构的设计2024/3/1092原则破坏闪蒸和空化形成的条件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。(3)空化的避免2024/3/1093原则阀体部件的压差△P＜最大允许压差△PT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。限流孔板正面及侧面图(六)压力恢复能力及压力恢复系数FL1、压力恢复能力当流体经过阀体部件时，由于受到节流的影响，在缩流处，流速上升，静压力下降。穿过缩流处后，流速下降，静压力上升；静压力在上升过程中，肯定不会恢复到原有的数值P1，因此就产生了P2，则有△P=P1－P2。

2024/3/1094

为了描述这种情况，引入压力恢复能力这个概念来说明在缩流处后

2024/3/1095静压力的恢复过程和恢复能力2、压力恢复系数FL(P283)定义：结论：2024/3/1096FL＝1P2与P1无关压力恢复无FL＜1P2接近于P1压力恢复程度高FL越少，压力恢复越大，一般FL=0.5~0.98阀前后压差阀前压力缩流处最低点压力3、阻塞流定义：流体在产生闪蒸和空化时的流量2024/3/1097

三、执行机构的特性分析

(一)不平衡力Ft

当流体通过阀体部件时，由于阀芯受到流体静压和动压的作用，使阀芯产生：2024/3/1098上下移动的轴向力旋转作用的切向力

一般情况下，这些作用力的合力≠0，因此阀芯的上下左右受力不同，使阀芯处于不平衡状态。Ft定义：阀芯受到的轴向合力称为不平衡力。2024/3/1099轴向力不平衡力阀芯是直线位移阀芯是角位移切向力不平衡力矩在阀体部件和工艺介质确定的情况下Ft的大小：阀前的压力P1

阀前后的压差△P

阀芯的相对流向

2024/3/10100流开状态—流体流动，阀芯打开流闭状态—流体流动，阀芯关闭无论流开状态还是流闭状态，Ft在阀芯关闭状态时最大，随着阀芯的开启，Ft越来越小，Ft的计算:

考虑阀体部件的种类阀芯要处于全关的位置2024/3/10101例如：直通单座阀体部件流开状态Ft=π(dg2△p＋ds2p2)／4流闭状态Ft=－π(dg2△p－ds2p1)／4

ds

ds

流开流闭

p2p1

dg

dgP1p22024/3/10102（二）执行机构的输出力F

定义：阀体部件处于关闭位置时，执行机构具有克服“＋”Ft，以保证阀体部件开启，克服“－”Ft，以保证阀体部件密封的力称为输出力F。2024/3/101032024/3/10104+Ft-Ft-F+F正作用反作用不论正作用还是反作用：±F=推力－弹簧反作用力推力=PAe

弹簧反作用力=Cs(Lo＋l)

2024/3/10105信号压力膜片有效面积弹簧的刚度弹簧预紧量阀杆的行程∴±F=PAe－Cs(Lo＋l)又∵

2024/3/10106弹簧范围执行机构的全行程弹簧的起动压力±F=Ae(P－Pi－Prl/L)通常：Pi=0.2×102kpal=L时，P=1.0×102kpaPr=1.0×102kpa－0.2×102kpa=0.8×102kpa∴±F=0结论：执行机构在全行程时，输出力F=0。获得输出力的办法是：☆增大膜片有效面积Ae☆改变弹簧起动压力Pi的大小☆提高信号压力P2024/3/10107（三）允许压差[△P]

执行机构的F用于克服阀体部件的Ft，而Ft随着△P的变化而变化。△P↑→Ft↑定义：当F=常量时，△P必须限制在一定的范围内工作，该压差范围就称为允许压差[△P]。2024/3/101082024/3/10109[△P]的计算不同的阀体部件计算公式不同[△P]的条件阀体部件必须处于流开状态[△P]的要求调节阀制造厂给出的数据P2=0例题：已知：直通单座阀体部件，P2=0，流开状态，求允许压差[△P]=？分析：执行机构的输出力F应克服阀体部件的全部有效力

2024/3/10110全部有效力包括：不平衡力Ft阀芯对阀座的压紧力Fo阀杆受到的摩擦力Ff阀芯等活动部件的重力FwF－Ft

－Fo－Ff－Fw＝0∵Ff和Fw很小，可忽略∴Ft＝F－Fo……………①2024/3/10111∵Ft＝π(dg2△P＋ds2P

2)／4∵P2＝0

△P

＝P1∴Ft

＝πdg2P1

／4……………②将②式代入①式∴F－Fo

＝πdg2P1

／42024/3/10112四、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。2024/3/10113(2)阀体部件结构型式的选择2024/3/10114工艺条件温度、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、气开气关的选择原则(1)选择原则a、定义气开式气关式2024/3/10115有输入信号时阀门打开，无输入信号时阀门关闭。有输入信号时阀门关闭，无输入信号时阀门打开。有气就开有气就关b、原则气动调节阀的输入信号中断时，应保证设备及人员的安全。c、实例2024/3/101162024/3/10117换热器冷却水调节阀选气关式输入信号中断，调节阀打开，保证冷却水继续流动，防止换热器温度过高损坏2024/3/10118加热炉燃料油调节阀选气开式输入信号中断，调节阀关闭，燃料油切断，防止加热炉温度过高造成毁坏2024/3/10119蒸馏塔进料调节阀选气开式输入信号中断，调节阀关闭，进料切断，防止物料过多造成溢出事故2024/3/10120精馏塔回流调节阀选气关式输入信号中断，调节阀打开，保证回流量，防止不合格产品蒸出(2)组合方式执行机构有正反作用阀体部件有正装和反装气动调节阀有气开式和气关式2024/3/10121气关气开气开气关3、阀体部件流量特性的选择流量特性有4种，实际应用时主要选择：2024/3/10122直线流量特性对数流量特性(1)选择原则系统总的放大系数=K1K2K3K4K5=常量2024/3/10123调节器K2执行机构K3变送器K1对象K5阀体部件K42024/3/10124放大系数K5为线性流量特性选直线放大系数K5为非线性流量特性选对数(2)选择方法a、数学分析法基本原理——用阀体部件的放大系数补偿对象的放大系数b、经验分析法由于很难真正掌握对象特性，故利用实际经验。同时存在几个干扰，按主要干扰选择。时间常数很大且起重要作用，按动态特性选择，否则按静态特性选择。2024/3/101252024/3/10126c、气动调节阀选型规定(CD50A11-84)

固有流量特性直线对数正常流量下的△P/没有流量负载时的△P＞0.751.液位定值控制系统2.主要干扰为给定值的流量、温度控制系统1.流量、压力、温度定值控制系统2.主要干扰为给定值的压力控制系统同上≤0.75各种控制系统2024/3/10127(3)注意事项a、应考虑配管情况原因：阀体部件总是要和管道串、并联使用，P管道的变化→△P的变化→安装流量特性和固有流量特性的不同。归结到一点：考虑2024/3/101282024/3/10129配管情况S=1~0.6S=0.6~0.3S<0.3阀体部件安装流量特性直线对数直线对数不宜控制阀体部件固有流量特性直线对数对数对数b、考虑特殊情况2024/3/10130特点介质含有固体悬浮物，且要求增加阀芯的使用寿命流量特性选直线流量特性选用原因阀芯曲面较瘦，不易受固体悬浮物的磨损c.考虑负荷波动2024/3/10131特点新设计的系统，给出的工艺参数不够精确。流量特性选对数流量特性。选用原因负荷波动较大→阀体部件大、小开度变化不定→对数流量特性灵敏度处处相等，适应性较强。特点流量非常稳定的系统流量特性选直线/对数流量特性均可选用原因流量稳定，阀杆行程小，流量特性的影响极小。2024/3/10132（二）气动调节阀的计算1、流量系数C的计算方法：公式法——根据工艺条件、修正因素代入现有公式进行计算。2024/3/10133公式法图表法计算尺法程序法注意：公式要准确单位要准确一般液体qv单位=m3/hρ单位=g/cm3△P单位=kPaqv单位=m3/hρ单位=g/cm3△P单位=100kPa高粘度液体闪蒸及空化液体△P＞△PT△PT=FL2(P1-FFPv)△PT单位=kPaPv单位=kPa2024/3/10134产生阻塞流时阀上的压差压力恢复系数临界压力比液体的饱和蒸汽压例：水的qv=18m3/h，P1=2.5×102kPa，P2=2.1×102kPa，求气动调节阀的C=?2024/3/101352、阀体部件开度的计算(1)要求qv＝qvmax，Kmax≯90%qv＝qvmin，Kmin≮10%Kmax过小，阀体部件经常工作在小开度下，调节性能不好、造成浪费。Kmin过大，流量大，阀芯、阀座受流体冲蚀严重、特性变坏。2024/3/10136(2)公式阀体部件和管道串联时的直线流量特性阀体部件和管道串联时的对数流量特性2024/3/10137选用的阀体部件的流量系数阀体部件全开时的压差，100kpa介质的密度，g/cm3计算开度处的流量，m3/h3、阀体部件口径的计算计算方法：确定计算流量qvmax(qvmin)确定计算压差△Pmin(△Pmax)确定流量系数Cmax选择流量系数C选验算气动调节阀的开度Kmax(Kmin)验算可调比R实际确定阀体部件的口径DN2024/3/10138(1)确定计算流量qvmax(qvmin)根据：生产能力、负荷大小、操作条件、调节质量综合考虑。注意：余量不能过大或过小(2)确定计算压差△Pmin(△Pmax)根据：流量特性、阀阻比、压力分配、管道损失综合考虑注意：调节性能要好，动力损失要小。2024/3/10139(3)确定流量系数Cmax根据公式计算(4)选择流量系数C选在标准系列中，选大于Cmax那一档的数值(5)验算气动调节阀的开度Kmax(Kmin)根据公式计算(6)验算可调比R实际根据公式验算(7)确定阀体部件的口径DN根据C选确定2024/3/10140例题：在某调节系统中，拟选用一台直线流量特性的直通双座调节阀。根据工艺要求，最大流量，最小压差最大压差，最小流量，S=0.5，被调介质为水，求阀门口径DN应选多大？2024/3/101411计算流量的确定

2计算压差的确定

2024/3/101423流量系数的确定4根据，查直通双座阀产品（见附录二），得相应的流量系数C=160。2024/3/101435验算开度最大流量时的开度：2024/3/10144最小流量时的开度：因为，故满足要求。2024/3/101456可调比的运算因，故满足要求。7根据C=160，查产品目录表（见附录二）求直通双座调节阀口径DN=100mm2024/3/10146五、气动阀门定位器(P305)（一）用途1、用于高压差场合2、用于高压、高温或低温介质的场合3、用于含有固体悬浮物或粘性介质的场合4、用于阀体部件大口径的场合5、用于增加执行机构动作速度的场合6、用于分程控制的场合7、用于改善阀体部件流量特性的场合2024/3/10147(二)原理2024/3/101482024/3/10149作业：6-3、阀体部件的阀芯曲面形状和流量特性有什么关系？6-6、用那些方法可以改变调节阀的流量特性，那种方法比较简单？6-8、某液体的qv=18m3/h，ρ=1g/cm3，p1=2.5×102kpa，p2=2×102kpa时，气动调节阀的流量系数c=?6-20、什么情况下应该选用气动阀门定位器？2024/3/101506-17、有两个气动调节阀，可调比R1=R2=30，第一个阀的qvmax1=100m