自作用温度控制

本教程对自作用温度控制系统的基本概念及其工作原理进行基础介绍。简要讨论各种不同类型的阀门和控制器，以及在蒸汽和水系统中的典型应用。

什么是自作用温度控制？它们如何工作？

市场上主要有两种自作用温度控制形式：充液系统和蒸气张力系统。自作用温度控制是自供能的，不需要电力或压缩空气。该控制系统是一个由传感器、毛细管和执行机构组成的一体化单元。然后将其连接到相应的控制阀，如图7.1.1所示。

自作用原理 如果温度敏感流体被加热，它将膨胀。如果被冷却，它将收缩。在自作用温度控制的情况下，传感器和毛细管中的温度敏感流体充注液会随温度升高而膨胀（见图7.1.2）。这种膨胀所产生的力（或在传感器受到较少热量作用时收缩所产生的力）通过毛细管传递到执行机构，从而打开或关闭控制阀，进而控制流体通过控制阀的流量。液压流体保持液态。

传感器处的温度变化与执行机构处的运动量之间存在线性关系。因此，每个相等的温度升降单位可以获得相同的运动量。这意味着自作用温度控制系统提供”比例控制”；比例带的全部范围根据应用是加热还是冷却，在设定点上方或下方作用。例如，如果自作用加热控制系统的比例带为5°C，设定点为70°C，则阀门在70°C时完全关闭，在65°C时完全打开。对于设定在70°C的冷却控制，阀门在70°C时完全打开，在65°C时完全关闭。比例带根据阀门尺寸而变化，较大的阀门具有较大的比例带。如果阀门相对于应用过大，唯一真正的问题是系统的稳定性将受到影响；如果阀孔大于应有尺寸，被控参数（例如加热换热器的二次侧流体温度）的微小变化就会导致蒸汽流量发生过大的变化。结果是系统可能以开关方式运行，而不是调节方式。 降低设定温度

将调节旋钮顺时针旋转，将活塞进一步插入传感器中。这实际上减少了充注液的可用空间，意味着阀门在较低温度下关闭。因此设定温度将较低。对于带有刻度盘调节的控制系统，通常通过使用螺丝刀顺时针旋转调节螺钉来实现相同效果。 升高设定温度

将调节旋钮逆时针旋转，减少活塞插入传感器的长度。这增加了充注液的可用空间，意味着需要更高的温度才能使充注液充分膨胀以关闭控制阀。因此设定温度将较高。同样，对于刻度盘调节，通常使用螺丝刀逆时针旋转调节螺钉。 高温保护 在温度超出设定温度的情况下（可能的原因包括控制阀泄漏、调节不正确或单独的附加热源），一组安装在活塞内部的碟形弹簧将吸收充注液的多余膨胀。这将防止控制系统破裂。当温度超调停止后，碟形弹簧将恢复到原始位置，控制系统将正常工作。根据控制类型，超调通常在设定温度以上30°C至50°C。

蒸气张力控制系统具有充满液体和蒸气混合物的传感系统。传感器温度升高会使其内部液体中更大比例的液体蒸发，从而增加传感器和毛细管系统中的蒸气压力。这种压力增加通过毛细管传递到另一端的波纹管或膜片组件（见图7.1.3）。

蒸气张力系统遵循其所含流体独特的压力/温度饱和曲线。所有流体在压力和沸点温度之间都有一个关系。其结果可以用饱和曲线来绘制。水的饱和曲线见图7.1.4。图7.1.4说明在150°C时5°C的温度变化将导致系统压力0.65 bar的变化。在量程低端，5°C的温度变化仅导致系统压力0.18 bar的变化。因此，对于相同的温度变化，阀门在温度范围上端的移动量大于下端。因此，将阀门从完全打开移动到完全关闭，在范围下端需要比上端更大的温度变化。这类蒸气张力控制系统的制造商通常建议控制仅在其范围的上端使用，但这意味着为了覆盖合理的温度跨度，需要使用不同的充注液（包括水、甲醇和苯）。或者，充液系统将在温度变化和阀门移动之间提供真正的线性关系，这主要因为液体是不可压缩的。设定温度可以用度数校准，而不仅仅是一系列数字。调节设定温度不会有混淆，这减少了调试时间。此外，通过改变充注液可用空间量来进行的调节，可以在控制阀和传感器之间的任何位置进行。蒸气张力系统则不然，通常只能在控制阀处进行调节。

蒸气张力控制阀有时会通过阀杆泄漏。为了避免第二套波纹管密封机构的额外成本，大多数蒸气张力控制制造商在阀杆上使用机械密封。这些密封往往要么太松导致泄漏，要么太紧导致阀杆摩擦力过大而使阀门卡住。
在充液系统中，由于阀门移动与温度变化真正成正比且阀门密封无摩擦，温度控制具有非常高的可调比，并能在极轻负荷下进行控制。

与自作用温度控制系统配合使用的阀门可分为三组：

常开二通阀。
常闭二通阀。
三通混合阀或分流阀。

常开二通控制阀 这些阀门用于加热应用，这是最常见的应用类型。它们由弹簧保持在打开位置。系统运行后，传感器检测到的任何温度升高都会导致充注液膨胀并开始关闭阀门，限制加热介质的流动。 常闭二通控制阀 这些阀门用于冷却应用。它们由弹簧保持在关闭位置。系统运行时，任何温度升高都会导致充注液膨胀并开始打开阀门，允许冷却介质流动。 关闭自作用控制阀所需的力 阀芯上所需的关闭力是阀孔面积和压差的乘积，如公式7.1.1所示。请注意，对于二通蒸汽阀，压差应取上游绝对蒸汽压力；而对于二通水阀，压差为最大泵表压减去泵和阀门入口之间管道的压力损失。 示例7.1.1 计算关闭阀门所需的力，如果蒸汽阀孔直径为20 mm，蒸汽压力为9 bar g。（最大压差为9 + 1 = 10 bar绝对压力）。这意味着执行机构必须提供至少314牛顿的力才能在9 bar g的上游蒸汽压力下关闭控制阀。

从示例7.1.1可以看出，关闭阀门所需的力随直径的平方增加。执行机构可用的力是有限的，这就是为什么阀门能够关闭的最大压力随阀门尺寸增大而降低。

如果没有平衡设施，这实际上会将自作用温度控制限制在DN25以上尺寸的低压应用中。平衡可以通过波纹管或双座结构来实现。 波纹管平衡阀

在波纹管平衡阀中，使用一个与阀座孔具有相同有效面积的平衡波纹管来抵消作用在阀芯上的力。阀杆中心的一个小孔形成平衡管，允许来自阀芯上游的压力被输送到波纹管外壳（见图7.1.5）。同样，作用在阀芯上的力对波纹管内部施加压力。因此波纹管上的压差与阀芯上的压差相同，但由于力作用在相反方向，它们相互抵消。

平衡波纹管通常可由以下材料制造：

磷青铜。
不锈钢，允许更高的压力和温度。

双座控制阀

双座控制阀在需要大容量流量但不需要紧密关断时非常有用。它们可以比同尺寸的单座阀关闭更高的压差。这是因为控制阀由安装在共同阀杆上的两个阀芯和两个对应的阀座组成，如图7.1.6所示。作用在两个阀芯上的力几乎平衡。虽然压差试图将一个阀芯推离阀座，但它正在将另一个阀芯推向阀座。然而，制造控制阀部件所需的公差使得难以实现紧密关断。下阀芯和阀座比上阀芯和阀座小，这使得整个组件可以拆卸进行维修，但也不利于密封。此外，虽然阀体和阀芯是相同材料，但各个部件化学成分的微小变化会导致膨胀系数的细微差异，这对关断产生不利影响。双座控制阀不应作为带有高限保护的安全装置使用。 带有内部固定旁通孔的控制阀 常闭阀通常需要固定旁通孔（图7.1.7），以在阀门完全关闭时允许少量流体通过控制阀。常闭自作用控制阀有时被称为反作用（RA）阀。

这类阀门的一个典型应用是控制工业发动机（如空气压缩机）的冷却水（冷却剂）流量（图7.1.8）。控制冷却剂通过发动机流量的控制阀位于发动机上游，温度传感器在冷却剂离开发动机时测量其温度。如果离开发动机的冷却剂比设定点热，控制阀将打开以允许更多冷却剂通过阀门。然而，一旦离开发动机的水达到所需的设定温度，阀门将再次关闭。如果没有旁通孔，冷却剂将不再流动，并将继续从发动机吸收热量。由于下游传感器没有检测到任何温升，发动机可能会过热。如果控制阀具有固定直径的旁通孔，足够的冷却水可以在阀门关闭时流过阀门，使下游传感器能够测量到有代表性的温度。当传感器远离应用热源时，这一特性是必不可少的。常闭阀还可能有一个可选的易熔装置（见图7.1.7）。该装置在过热时熔化，消除阀芯上的弹簧张力并打开阀门以允许冷却水进入系统。对于这种安全装置，一旦易熔装置熔化，通常无法修复，必须更换。 三通控制阀 ****大多数与自作用控制系统配合使用的控制阀都是二通阀。然而，图7.1.9展示了一种自作用活塞式三通控制阀。这种阀门设计的优势在于同一阀门可以用于混合或分流水的应用；对于需要电动或气动执行机构的阀门，通常不是这种情况。

最常见的应用是水加热，但三通控制阀也可用于冷却应用，如空气冷却器，以及暖通空调应用中的泵送回路。当三通控制阀用作混合阀时（见图7.1.10），恒定流量端口”O”用作公共出口。

当三通控制阀用作分流阀时（见图7.1.11），恒定流量端口用作公共入口。

自含式三通控制阀

另一种三通自作用控制阀包含一个内置的温度传感装置，因此不需要外部温度控制器来操作。它可用于在启动序列期间保护低温热水（LTHW）锅炉免受火管腐蚀，此时二次侧回水温度较低（见图7.1.12）。在启动时，阀门允许冷的二次侧水旁通外部系统并通过锅炉回路流动。这允许锅炉中的水快速升温，最大限度地减少烟气中水蒸气的冷凝。随着锅炉水升温，它与来自主系统的水缓慢混合，从而在将整个系统缓慢升温的同时维持保护。这种类型的控制阀也可用于冷却系统，如空气压缩机上的冷却系统（图7.1.13）。