CN102364183B - 节能型全功能调节阀 - Google Patents

Abstract

本节能型全功能调节阀采用低S运行理论设计、试验、修正调节阀实际工作流量特性。通过合理设计通流截面积和行程之间的关系，使其工作在低S(S=0.05~0.3)状态下，可大幅度降低调节阀执行器的功率，节能效果显著。因本节能调节阀全开时的阀上压降比传统阀可减少40%～80%，从而可降低系统压力源头泵或风机等设备的扬程，达到了系统节能。

Description

节能型全功能调节阀

技术领域

本发明涉及用于石油、化工、冶金、电站、轻工、军工、供水系统等自动化控制领域的调节阀，具体涉及一种节能型全功能调节阀。

背景技术

在图1所示的调节系统中，调节阀的压降与系统总压降之比为S，从理论上讲，系统压降全部作用于调节阀即S=1时，系统的流量调节品质最好，故传统调节阀为获得较好的流量调节品质，S值向S=1靠拢。但调节阀执行器的功率很大，能耗高。为平衡调节品质与能耗两者的关系，传统调节阀通常将S设计为0.3～0.6之间，即调节阀全开时的压降占整个系统压降的30%～60%，尽管如此，能耗还是较高。

发明内容

本发明的目的是针对上述能源浪费的问题，设计一种新型的节能型全功能调节阀，使其能充分利用来自系统的压力，降低调节阀产生压降所占系统所有压降的比例，即在保证调节阀调节品质的前提下降低S值，从而降低系统压力的源头扬程，起到系统节能效果。

本发明的技术解决方案是：

一种节能型全功能调节阀，包括阀体、阀座和阀芯，所述阀芯、阀座之间有介质通道，该介质通道的截面积满足如下关系式：

当阀门的工作流量特性为线性时，

$f\left(h\right)=[(1-\frac{1}{R^{\′}})h+\frac{1}{R^{\′}}]\sqrt{\frac{S}{1-(1-S){[(1-\frac{1}{R^{\′}})h+\frac{1}{R^{\′}}]}^2}}$

阀芯与阀座形成的有效流通截面积满足下式要求：

$A\∝f\left(h\right)=[(1-\frac{1}{R^{\′}})h+\frac{1}{R^{\′}}]\sqrt{\frac{S}{1-(1-S){[(1-\frac{1}{R^{\′}})h+\frac{1}{R^{\′}}]}^2}}$

式中：

f(h):调节阀固有流量特性；

R':阀的安装流量可调比，即阀在运行时的可调节的最大流量与最小流量之比；S:调节阀全开时的阀上压降与系统全部压降之比，其取值范围为0.05~0.3；

h:阀的相对行程，即阀杆转动角度与阀杆的额定转动角度之比或阀杆拉压行程与阀杆额定行程之比，其取值范围为0~1.0；

A:调节阀阀芯与阀座形成的有效流通截面积。

当阀门的工作流量特性为对数时，

$f\left(h\right)=R^{\′h-1}\sqrt{\frac{S}{1-(1-S)R^{\′h-1}}}$

阀芯与阀座形成的有效流通截面积满足下式要求：

$A\∝f\left(h\right)=R^{\′h-1}\sqrt{\frac{S}{1-(1-S)R^{\′h-1}}}$

式中：

f(h):调节阀固有流量特性；

R':阀的安装流量可调比，即阀在运行时的可调节的最大流量与最小流量之比；

S:调节阀全开时的阀上压降与系统全部压降之比，其取值范围为0.05~0.3；

h:阀的相对行程，即阀杆转动角度与阀杆的额定转动角度之比或阀杆拉压行程与阀杆额定行程之比，其取值范围为0~1.0；

A:调节阀阀芯与阀座形成的有效流通截面积。

所述调节阀是角行程阀，其阀芯是冠状球芯，球芯球面上开有介质通道，该介质通道的轮廓型线是V形曲线，该V形曲线与阀座围成的面积是通流截面。

所述冠状球芯是偏心球芯，冠状球芯与阀体的中心轴偏移0～20mm。

所述调节阀是直行程阀，其阀芯是锥柱形阀芯，该阀芯与阀座形成的环状通道为通流截面。

本发明的有益技术效果是：

采用低S运行理论设计，以低S设计流量特性，使阀在低S运行下具有较好的调节品质。因本节能调节阀全开时的阀上压降比传统阀可减少40%～80%，从而可降低系统压力源头泵或风机等设备的扬程，达到系统节能的目的。

附图说明

图1是调节系统结构示意图。

图2-1是角行程阀阀芯V型口结构示意图；

图2-2是图2-1所示阀芯的B向结构示意图。

图3是直行程阀阀芯与阀座结构示意图。

图4-1是线性特性调节阀S=0.15,R'=10时固有流量特性图；

图4-2是线性特性调节阀S=0.15,R'=20时固有流量特性图；

图4-3是线性特性调节阀S=0.10,R'=10时固有流量特性图；

图4-4是线性特性调节阀S=0.10,R'=20时固有流量特性图；

图4-5是线性特性调节阀S=0.05,R'=10时固有流量特性图；

图4-6是线性特性调节阀S=0.05,R'=20时固有流量特性图。

图5-1是对数特性调节阀S=0.15,R'=10时固有流量特性图；

图5-2是对数特性调节阀S=0.15,R'=20时固有流量特性图；

图5-3是对数特性调节阀S=0.10,R=10时固有流量特性图；

图5-4是对数特性调节阀S=0.10,R'=20时固有流量特性图；

图5-5是对数特性调节阀S=0.05,R'=10时固有流量特性图；

图5-6是对数特性调节阀S=0.05,R'=20时固有流量特性图。

具体实施方式

下面以角行程阀为例，详细说明本发明。

本发明以实际工况，按低S=0.05～0.3设计、实验和修正调节阀流量特性，使该阀可以工作在节能的低S状态下；改变V型阀芯的V型口曲线尺寸，通过其形成的有效流通截面积来补偿低S运行下的流量特性畸变；阀芯旋转中心轴线与阀体中心轴线偏移0～20mm，降低S值。

能耗与S值之间的关系如下所示：

如图1所示的系统，设调节阀全开时ΔP_vmin＝ΔP_Σmax＝0.5MPa

(即

P₂＝0.2MPa。此时，总节流压降(P₁-P₂)为：

P₁-P₂＝ΔP_vmin+ΔP_∑max＝1MPa

即：P₁＝ΔP_vmin+ΔP_Σmax+P₂＝1.2MPa

这表示选用源动力在满足Q_max时，源动力出口压力≥1.2MPa。

ΔP_∑max表示阀全开流量最大时管路压降。

假定在维持相同Q_max前提下，规定S=0.1。这时，因为固定阻力不变，所以ΔP_∑max依然为0.5MPa。若P₂亦维持在原值(P₂＝0.2MPa),则由

可得：

(1-S)(P₁-P₂)＝ΔP_Σmax

所以 $P_1-P_2=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{\Σ}\max }}{1-S}=\frac{0.5}{1-0.1}=0.56\mathrm{MPa}$

P₁＝0.76MPa

这表示选用源动力在满足Q_max时，源动力出口压力≥0.76MPa。

因为在S改变前后保持相同的流量，所以仅从节流压差即能比较两者能耗。

由上面推导可见：

（1）由于S值由0.5降到0.1，节流压降从1.0MPa降到0.56MPa，说明节流能耗有显著下降。

（2）在低S值下可选用较低一点功率的源动力。

参见图2-1、图2-2，阀芯V型口曲线如图2-2所示，由调节阀流量系数的定义可知，调节阀开启过程中流量Q与有效流通截面积A之间的关系呈Q∝A。

调节阀的流量特性为相对行程和相对流量间的关系，即：

所以，综上两关系式可推导出调节阀流量特性与有效流通截面积的关系为：

A∝f(h)

当实际工作流量特性要求为线性时，节能型调节阀的固有流量特性为：

$f\left(h\right)=[(1-\frac{1}{R^{\′}})h+\frac{1}{R^{\′}}]\sqrt{\frac{S}{1-(1-S){[(1-\frac{1}{R^{\′}})h+\frac{1}{R^{\′}}]}^2}}$

故如图2-2所示V型阀芯的V型口曲线与阀座形成的有效流通截面积应满足下式要求：

$A\∝f\left(h\right)=[(1-\frac{1}{R^{\′}})h+\frac{1}{R^{\′}}]\sqrt{\frac{S}{1-(1-S){[(1-\frac{1}{R^{\′}})h+\frac{1}{R^{\′}}]}^2}}$

公式说明：

f(h):调节阀固有流量特性

R':阀的安装流量可调比，即阀在运行时的可调节的最大流量与最小流量之比。S:调节阀全开时的阀上压降与系统全部压降之比，其取值范围本调节阀为0.05~0.3。

h:阀的相对行程，即阀杆转动角度与阀杆的额定转动角度之比，其取值范围为0~1.0；

A:调节阀阀芯与阀座形成的有效流通截面积。

当S取0.05、0.1、0.15，R'取10、20时，节能型全功能调节阀的固有流量特性图如图4-1、图4-2、图4-3、图4-4、图4-5、图4-6所示。

当实际工作流量特性要求为对数特性(等百分比特性)时，节能型调节阀的固有流量特性为：

$f\left(h\right)=R^{\′h-1}\sqrt{\frac{S}{1-(1-S)R^{\′h-1}}}$

故如图2-2所示V型阀芯的V型口曲线与阀座形成的有效流通截面积应满足下式要求：

$A\∝f\left(h\right)=R^{\′h-1}\sqrt{\frac{S}{1-(1-S)R^{\′h-1}}}$

公式说明：

f(h):调节阀固有流量特性

R':阀的安装流量可调比，即阀在运行时的可调节的最大流量与最小流量之比。

S:调节阀全开时的阀上压降与系统全部压降之比，其取值范围本调节阀为0.05~0.3。

h:阀的相对行程，即阀杆转动角度与阀杆的额定转动角度之比，其取值范围为0~1.0；

A:调节阀阀芯与阀座形成的有效流通截面积。

当S取0.05、0.1、0.15，R'取10、20时，节能型全功能调节阀的固有流量特性图如图5-1、图5-2、图5-3、图5-4、图5-5、图5-6所示。

压降比S取值范围：

现有的线性和对数特性(等百分比)调节阀是指在压降比为1.0时它们分别为线性和对数特性(等百分比)。而节能型调节阀的线性和对数特性(等百分比)是指它们在某个指定的低压降比下其安装特性为线性和对数特性(等百分比)。一般S取值越小，节能效果越明显。但由图4-1、图4-2、图4-3、图4-4、图4-5、图4-6及图5-1、图5-2、图5-3、图5-4、图5-5、图5-6可知，当S低于0.05后，节能效果的改进已经不很明显。综上S取0.05~0.3较为合理，本调节阀S值取值范围为0.05~0.3。

如图3所示的直行程阀，其阀芯与阀座形成的环形有效流通截面积，同样适用上述设计方法及推导过程。

Claims (4)

1.一种节能型全功能调节阀，包括阀体、阀座和阀芯，所述阀芯、阀座之间有介质通道，其特征在于，该介质通道的截面积满足如下关系式：

当阀门的工作流量特性为线性时，

$f\left(h\right)=[(1-\frac{1}{R^{\′}})h+\frac{1}{R^{\′}}]\sqrt{\frac{S}{1-(1-S){[(1-\frac{1}{R^{\′}})h+\frac{1}{R^{\′}}]}^2}}$

阀芯与阀座形成的有效流通截面积满足下式要求：

$A\∝f\left(h\right)=[(1-\frac{1}{R^{\′}})h+\frac{1}{R^{\′}}]\sqrt{\frac{S}{1-(1-S){[(1-\frac{1}{R^{\′}})h+\frac{1}{R^{\′}}]}^2}}$

式中：

f(h):调节阀固有流量特性；

R':阀的安装流量可调比，即阀在运行时的可调节的最大流量与最小流量之比；

S:调节阀全开时的阀上压降与系统全部压降之比，其取值范围为0.05~0.3；

h:阀的相对行程，即阀杆转动角度与阀杆的额定转动角度之比或阀杆拉压行程与阀杆额定行程之比，其取值范围为0~1.0；

A:调节阀阀芯与阀座形成的有效流通截面积；

当阀门的工作流量特性为对数时，

$f\left(h\right)=R^{\′h-1}\sqrt{\frac{S}{1-(1-S)R^{\′h-1}}}$

阀芯与阀座形成的有效流通截面积满足下式要求：

$A\∝f\left(h\right)=R^{\′h-1}\sqrt{\frac{S}{1-(1-S)R^{\′h-1}}}$

式中：

f(h):调节阀固有流量特性；

R':阀的安装流量可调比，即阀在运行时的可调节的最大流量与最小流量之比；

S:调节阀全开时的阀上压降与系统全部压降之比，其取值范围为0.05~0.3；

h:阀的相对行程，即阀杆转动角度与阀杆的额定转动角度之比或阀杆拉压行程与阀杆额定行程之比，其取值范围为0~1.0；

A:调节阀阀芯与阀座形成的有效流通截面积。

2.根据权利要求1所述的节能型全功能调节阀，其特征在于，所述调节阀是角行程阀，其阀芯是冠状球芯，球芯球面上开有介质通道，该介质通道的轮廓型线是V形曲线，该V形曲线与阀座围成的面积是通流截面。

3.根据权利要求2所述的节能型全功能调节阀，其特征在于，所述冠状球芯是偏心球芯，冠状球芯与阀体的中心轴偏移0～20mm。

4.根据权利要求1所述的节能型全功能调节阀，其特征在于，所述调节阀是直行程阀，其阀芯是锥柱形阀芯，该阀芯与阀座形成的环状通道为通流截面。

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