空调水系统中控制阀的选型与计算

    空调水系统中的控制阀是将各种来自控制器的信号变成控制量作用在被控对象上的执行机构。一般都处于水系统的末端，如果说控制器是控制系统的“大脑”，那么控制阀就是控制系统的“手足”。控制阀选择的不好，不仅会降低它对室内温湿度的控制精度，影响人的舒适性；而且也会降低系统本身的稳定性，增加初投资等。设计人员在选控制阀时，须对阀们材料、执行机构、流量特性、流量系数、压力等级、泄露量等多反面加以考虑，其中最难把握的、最重要的两个方面是流量特性、流量系数，下面将从这两方面入手分析空调水系统中控制阀的选型计算。
一、控制阀的流量特性
    控制阀的流量特性是指流过控制阀介质的相对流量与控制阀的相对开度之间的关系，

    式中Q/Q_max——相对流量，即控制阀某一开度下的流量与全开流量之比；
    L/L_max——相对开度，即控制阀某一开度下的行程与全开时行程之比；
    控制阀的流量特性是由控制阀阀芯形状决定的；空调水系统控制阀常用的是柱塞阀芯，基于柱塞阀芯几何学原理，其流量特性可分为等百分比特性、线性特性和快开特性。
    1、理想流量特性
    所谓理想流量特性是指阀前后压差在流量改变时保持不变条件下，所得到的流量特性。
    等百分比特性，指控制阀在固定压差情况下，阀开启时，流量随着阀杆的移动程指数上升；等百分比的意思是某一百分比阀轴的上升能产生相同百分比流量的改变。如图1中（1）所示。
    线性特性，指控制阀在固定压差情况下，流过控制阀的流量与阀轴的上升位置成正比。如图1中（2）所示。
    快开特性，指控制阀在固定压差情况下，控制阀在很小开度下，即可通过大量水流，而随着阀开度的逐步变大，流过调节阀的水流变化率越来越小。如图1中（3）所示。


    2、实际流量特性
    在实际情况中，控制阀是装在具有阻力的管道系统上的，控制阀前后的压差值不可能保持不变。我们把控制阀在阀前后压差随流量变化的条件下，控制阀的相对流量与相对开度之间的关系称为实际流量特性。
    分析控制阀实际流量特性之前，引入阀权度S。

    式中△P全开——控制阀全开时的压力损失（Pa）；
    △P全关——控制阀全关时的压力损失（Pa）；
    △P——控制阀所在串联支路的总压力损失（Pa）。
    S表示在管道系统压力分配上阀门所占的权度。S值越大，控制阀压降值在整个系统中所占的比重越大，实际流量特性越接近理想流量特性，当S=1时即为理想流量特性；S值越小，则其所占比重越小，实际流量特性越偏离理想流量特性。由图二可知，随着S值减少，理想的等百分比特性趋向于线性特性，理想的线性特性则趋向与快开特性；实际中的快开特性则趋近两点控制特性或开/关控制特性。

    3、流量特性的选择
    确定流量特性之前，首先应该明确系统需要的是一种什么样的控制，是要实现连续控制，还是只要开/关控制即可；如果要实现连续控制，那么就不得不考虑系统中加热（冷却）盘管的静特性。加热（冷却）盘管的静特性是指盘管对房间输出的相对加热（冷却）容量与流经它的热（冷）媒的相对流量之间的关系。空调系统中的水加热盘管和蒸汽加热盘管的静特性如图3所示。下面将详细介绍各种特性的适用场合。


    A、等百分比特性
    此种特性阀门常用于冷水或热水盘管的温度控制。由盘管的特性曲线图3（a）可知，急剧的流量改变无法对负荷产生立即降低的效果，常采用等百分比控制阀，以其非线性流量特性平衡系统非线性特性，以达到近似线性的响应（图4）。等百分比式控制阀可提供良好的比例式控制，是制冷空调系统最常使用的冷水/热水控制阀。
    需要指出的是，为了达到近似线性的响应，仅确定控制阀的理想流量特性还不够，还必须考虑控
    制阀的实际流量特性曲线，即S值的大小。由上文1。2节可知，控制阀压降值的大小直接影响其S值的大小，控制阀的压降值与它在系统中所处的位置有关，同时也与设计人员的设计有关，设计时我们可以在一定范围内根据需要的调整控制阀压降值，得到一个合适的S值。不同S值的综合控制特性见图4（c）。为了得到近似线性的综合控制效果，控制阀压降值在整个系统中所占的比重至少要在25~50%之间（对控制阀所在串联支路而言，一般可取S=0.5~0.7）。
    此外，等百分比特性控制阀也可于S＜0.6时的蒸汽加热盘管的温度控制。

    B、线性特性
    常用于蒸汽加热盘管的温度控制。蒸汽加热盘管的静特性近似为直线图3（b），所以利用线性式控制阀调整阀杆位置，使其与提供的蒸汽量成正比，即可得到近似线性的综合控制效果。但需要注意的是，当系统配管状态决定S＜0.6时，线性的工作流量特性已经发生较严重变形，此时宜选用等百分比特性。
    C、快开特性
    此特性控制阀多用于两点式或开/关式流量控制系统，例如新风空调箱上预热盘管的开/关控制，风机盘管的开/关控制。
二、控制阀流量系数计算及阀门口径的确定
    阀流量系数CV定义为：当控制阀全开，阀两端压差为1kg/cm²时，温度为15℃（华氏60度）的水流经阀门的流量，流量以L/min为单位。因压差和流量所取的单位不同，流量系数定义也不尽相同，在选用阀门时须注意。流量系数是控制阀的重要参数，它反映控制阀通过流体的能力，也就是控制阀的容量。
    计算阀的流量系数目的是为了确定阀门的口径，控制阀口径的选择具有重要意义，口径选的过小，会使控制阀不能通过工艺对象要求的最大流量，或使系统阻力增加、能耗变大；口径过大，不仅使投资增加，而且使控制阀控制特性趋近开/关控制，容易造成控制系统不稳定。另外，阀门也不宜长期在全开状态下使用，选阀门时起容量要有一定余量。
    1、液体CV值的计算公式

    式中Q——体积流量，L/min；
    G——流体比重（水比重为1）；
    △P——阀前后压差，kg/cm²；
    从上式可知，计算C_v值的关键在于确定阀前后压差△P，△P取值参见2.2、2.3节相关内容。
    2、实例计算
    如图五所示，流过空调箱AHU-1，2的流量为450L/min，压降50Kpa，接管为DN80，AHU-1支路两端总降130Kpa，求控制阀的CV值大小及控制阀的规格？


    （1）先求CV₂（对应AHU-2）
    控制阀2两端的压差△P₂按S=0.5计算，

    根据表一所提供的数据，选口径DN65控制阀，比空调箱配管小1号。  


    根据表1所提供的数据，选口径DN50控制阀，比空调箱配管小了2号。
    此例控制阀的口径比设备配管管径要小1~2号，根据目前的市场价格，选用1个DN65和1个DN50比选同管径的2个DN80的控制阀至少可节约开支20%。另外也可以看出，即使是同一台空调箱，当它置于系统中不同位置时，它所对应的控制阀规格不一定相同，这就要求我们在设计中做比较详细的计算了，而不能只是根据经验来取值。


三、结论
    目前，国内正处于飞速发展阶段，各类建筑对中央空调的需求与日俱增，正确地选择控制阀对提高系统稳定性、改善室内温湿度品质、降低成本都很重要，本文可为暖通工程师选用控制阀提供参考。

    参考资料
    GB50019-2003，采暖通风与空调设计规范（S）。北京:中国计划出版社，2003。
    张子慧。热工测量与自动控制（M）。北京：中国计划出版社，1996
    ASHRAEHandbook，SystemsandEquipment，2000。

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