水系统控制阀选型

本教程简要介绍如何使用流量系数对水系统阀门进行选型，使用二通阀和三通阀的区别以及这些阀门对压降、流量和水系统特性的影响。还解释了阀门权值的重要性，以及在某些条件下气蚀和闪蒸的原因和影响。

可以通过使用流量、压降和阀门流量系数关系的图表，来选型在特定压差下运行的控制阀。

或者，可以使用公式计算流量系数。确定后，流量系数用于从制造商的技术数据中选择正确尺寸的阀门。

历史上，流量系数的公式使用英制单位导出，以每分钟加仑为单位测量，在每平方英寸一磅的压差下。英制系数有两个版本，英国版和美国版，使用时必须注意，因为每个版本都不同，尽管两个版本采用的符号都是”Cv”。英国版使用英制加仑，而美国版使用美制加仑，其体积为英制加仑的0.833。两个版本采用的符号为Cv。流量系数的公制版本最初以每小时立方米（m³/h）的流量在以千克力每平方米（kgf/m²）计量的压差下导出。这一定义在欧洲标准用SI单位（bar）定义Kv之前已经存在。然而，自1987年以来，以IEC 534 -1（现为EN 60534 -1）的形式存在SI标准。现在的标准定义以m³/h的流量和1 bar的压差来关联流量。两个公制版本仍在使用，采用符号Kv，虽然它们之间的差异相当小，但确定或明确使用哪一个很重要。一些制造商错误地引用Kv转换值而不注明压差的单位。

表6.3.1转换了上述提到的不同类型的流量系数：例如，将Kv（bar）乘以1.16转换为Cv（美制）。

这些章节中引用的Kv版本始终以Kv（bar）为单位测量，即m³/h bar的单位，除非另有说明。

对于一般液体流动，Kv的公式如公式6.3.1所示。有时，需要使用阀门流量系数和压差来确定体积流量。对于水，G = 1，因此水的方程可以简化为如公式6.3.2所示。 示例6.3.1 10 m³/h的水在回路中被泵送；使用公式6.3.2确定Kv为16的阀门上的压降：或者，对于此示例，可以使用图6.3.1所示的图表。（注意：图6.3.2显示了更全面的水Kv图表）：

在左侧以10 m³/h进入图表。
向右水平画线，直到与Kv = 16（估计）相交。
垂直向下画线，从”X”轴读取压降（约40 kPa或0.4 bar）。注意：在为液体系统选型阀门之前，有必要了解系统及其组成设备（如泵）的特性。

泵 ****与蒸汽系统不同，液体系统需要泵来循环液体。通常使用离心泵，其特性曲线类似于图6.3.3所示。注意，随着流量增加，泵的排放压力下降。 循环系统特性 不仅要考虑水控制阀的尺寸，还要考虑水在其中循环的系统；这可以影响所用阀门的类型和尺寸，以及阀门在回路中的位置。

当水通过系统循环时，会产生摩擦损失。这些摩擦损失可以表示为压力损失，并将与速度的平方成正比增加。通过等径管道在任何其他压力损失下的流量可以使用公式6.3.3计算，其中v̇1和v̇2必须使用相同单位，P1和P2必须使用相同单位。定义如下。示例6.3.2

观察到通过某尺寸管道的v̇1流量为2500 m³/h时，压力损失（P1）为4 bar。使用公式6.3.3确定通过相同尺寸管道（P2）在流量v̇2为3 500 m³/h时的压力损失。可以看出，当更多的液体被泵送通过相同尺寸的管道时，流量将增加。在此基础上，可以使用公式6.3.3创建如图6.3.4所示的系统特性曲线，其中流量按照平方律增加。 实际性能 从泵和系统特性可以观察到，随着流量和摩擦增加，泵提供的压力减小。最终达到一种情况，泵压力等于回路中的摩擦，流量不能再增加。

如果将泵曲线和系统特性曲线绘制在同一图表上——图6.3.5，泵曲线和系统特性曲线的交点将是泵/回路组合的实际性能。 三通阀 三通阀可以被认为是恒定流量阀，因为无论是用于混合还是分流，通过阀门的总流量保持不变。在使用此类阀门的应用中，水回路将自然分为两个独立的环路：恒定流量和可变流量。

图6.3.6所示的简单系统展示了混合阀维持通过”负荷”回路的恒定水流量。在供暖系统中，负荷回路指的是包含散热器的回路，如建筑中的暖气片。暖气片散发的热量取决于通过负荷回路流动的水温，而水温又取决于从锅炉流入混合阀的水量以及通过平衡管线返回混合阀的水量。

需要在平衡管线中安装平衡阀。平衡阀被设定为在管网的可变流量部分维持相同的流动阻力，如图6.3.6和6.3.7所示。这有助于在阀门改变位置时维持平稳的调节。

实际上，混合阀有时被设计为不完全关闭端口A；这确保在泵的作用下始终有最小流量通过锅炉。

或者，锅炉可以采用一次回路，也用泵送方式允许恒定的水流量通过锅炉，防止锅炉过热。

图6.3.7所示的简单系统展示了分流阀维持通过恒定流量环路的恒定水流量。在该系统中，负荷回路接收取决于阀门位置的可变流量水。

负荷回路中的水温将是恒定的，因为它无论阀门位置如何都从锅炉回路接收水。暖气片可用的热量取决于通过负荷回路流动的水量，而这又取决于分流阀的开启程度。未安装和设定平衡阀的影响可以在图6.3.8中看到。这显示了泵曲线和系统曲线随阀门位置变化的情况。两条系统曲线说明了负荷回路P1和旁通回路P2之间所需的泵压力差异，这是由于如果未安装平衡阀，平衡回路提供的较低阻力造成的。如果回路没有正确平衡，则可能导致短路和任何其他子回路（未显示）的缺水，负荷回路可能被断水。

二通阀 当在水系统上使用二通阀时，随着阀门关闭，流量将减少，阀门上游的压力将增加。随着控制阀向关闭位置节流，泵扬程将发生变化。这些影响如图6.3.9所示。

流量下降不仅增加泵压力，还可能增加泵的功耗。泵压力的变化可以用作操作两台或多台不同工作能力泵的信号，或为变速泵驱动器提供信号。这使得泵送速率能够与需求匹配，节省泵送电力成本。

二通控制阀用于控制进入工艺过程的水流量，例如用于蒸汽锅炉液位控制，或维持给水箱中的水位。

它们也可用于换热过程，然而，当二通阀关闭时，控制阀前段管道中的水流停止，形成”死管段”。死管段中的水可能向环境散失温度。当控制阀再次打开时，较冷的水将进入换热盘管，扰乱工艺温度。为避免这种情况，控制系统可能包括通过小口径管道和可调节截止阀维持最小流量的布置，旁通控制阀和负荷回路。

二通阀在大型供暖回路中成功使用，其中多个阀门纳入整体系统。在大型系统中，不太可能所有二通阀同时关闭，从而产生固有的”自平衡”特性。这些类型的系统也倾向于使用变速泵，其流量特性相对于系统负荷需求而变化；这有助于自平衡操作。选择二通控制阀时：

如果安装了一个严重偏小的二通控制阀，泵将消耗大量能量才能通过足够的水量。假设有足够的水能够通过阀门，控制将是精确的，因为即使是微小的阀门移动增量也会导致流量变化。这意味着阀门的整个行程可能被用于实现控制。
如果在同一个系统中安装了一个严重偏大的二通控制阀，泵所需的能量将减少，在全开位置时阀门上的压降很小。然而，从全开到关闭位置的初始阀门行程对工艺过程的流量影响很小。当达到控制点时，大阀门孔口意味着非常小的阀门移动增量将对流量产生很大的影响。这可能导致不稳定、稳定性和精度差的控制。

需要进行折衷，平衡小阀门实现的良好控制与大阀门减少的能量损失。阀门的选择将影响泵的尺寸以及资本和运行成本。考虑这些参数是良好的做法，因为它们将影响系统的整体生命周期成本。

这些平衡可以通过计算相对于安装系统的”阀门权值”来实现。 阀门权值 ****阀门权值可以使用公式6.3.4确定。 N的值应接近0.5（但不大于），且绝对不低于0.2。

这将确保每个阀门移动增量都会对流量产生影响，而不会过度增加泵送电力成本。电力。 示例6.3.3回路总压降ΔP1 + ΔP2为125 kPa，包括控制阀在内。

a) 如果控制阀的阀门权值（N）必须为0.4，使用什么压降来选型阀门？

b) 如果回路/系统流量v̇为3.61 l/s，所需的阀门Kv是多少？ a)部分确定ΔP 因此，使用50 kPa的ΔP来选型阀门，剩余75 kPa（125 kPa - 50 kPa）用于回路的其余部分。 b)部分确定Kv 或者，可以使用水Kv图表（图6.3.2）。 三通控制阀和阀门权值 三通控制阀用于混合或分流应用，如本章前面所解释的。为分流应用选择阀门时：

严重偏小的三通控制阀将导致高泵送成本，微小的移动增量将影响通过每个排放口的液体量。
严重偏大的阀门将降低泵送成本，但阀门行程开始和结束时的阀门移动对液体分布的影响最小。这可能导致在大负荷突变时控制不准确。不必要的过大选型阀门也比适当选型的阀门更贵。相同的逻辑可以应用于混合应用。

同样，阀门权值将在这两个极端之间提供折衷。

对于三通阀，阀门权值始终使用P2相对于具有可变流量的回路来计算。图6.3.10以示意图显示了这一点。