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铠沃阀门:系统的调节 - 调节阀特性

日期:2019-08-12 来源:

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以前我们对系统调节的历史发展和调节阀门的分类做了介绍,这次,我们铠沃阀门针对调节阀的特性、阀权度及电机控制方式做进一步的探讨。

调节阀特征分类

可以想见,活塞及阀座的轮廓可以加工为多种形状,这样阀门就能具备不同的调节方式。

热量调节中最常见的调节方式是线性的和等比例的。

热量交换的特征

在空气调节系统中,许多调节的目的是调节换热量。在其它因素相同的条件下,热量并不与流量成正比。

为了更好地理解这一现象,不妨按以设计热量工作的散热器举个简单的例子。从旁边的表中可以看出,流经散热器的流量降低时散热量的变化情况。

如果把这一走向在图上表示出来,我们会得到如下类型曲线。可以看出,开始阶段,从全负荷状态下流量的减少带来的热量降低非常有限。比如,要使得散热量降低50%,那么就需要把流量降至设计流量的20%。然而,在低流量状态下,散热器的性能会急剧下降。

这是所有热交换装置的典型表现,如风机盘管、热交换器、散热盘管等。

通过分析,我们认识到,只有对流量进行准确而渐进的控制才可以实现对热量的精准调节,正如我们所看到的,也就是要使用具备该特征的阀门。

再回到那个弹簧秤的比喻,散热器的热量曲线可以比作水平指示仪变化了的刻度尺。在这种情况下,可以看到,与以往情况相比,每个加到弹簧秤上相同质量的砝码都有着不同的调节效果,操作人员想要达到预想位置会比较费力。

线性调节特征

线性调节阀可以随着开度大小而相应地按比例改变流量。所以,阀门的开度与其流量呈正比。

乍看起来,线性阀似乎最适合这一调节:它确实在整个行程中都保持相同的特征。其实,如果目的只是调节流量的话,这是没错的。然而,在使用此类阀控制热量时,遇到的调节困难不小。因为这些阀有着换热装置的典型表现,所以只能在开度不大时低效运行。

等比例调节特征

为了弥补换热的非线型特征,以及提高热量调节率,厂家设计制造了缓慢开启式阀门,一般称为等比例调节阀。

此类阀门的特征曲线是低开度时非常平缓,越接近最大开度时越发“陡峭”。

从下面的曲线图中可以看到,当流经散热器的流量为最大流量的20%时(曲线A),散热器的热量已达到一半。而使用所示的等比例阀门时,在行程到一半时(曲线B)流量达到这一数值(20%)。

从下面的曲线图C可以看出,散热器散热量与阀门开度成正比。通过这种方法,等比例特征的调节阀可以利用整个行程来控制热量的释放。

调节阀的选型:阀权度

水力系统最常见装置的选型一般要尽量降低部件本身造成的压损。近年来,这方面越来越得到重视,也是因为人们对节能越来越关注。

乍一看,会觉得可以遵循这个标准选择调节阀,但是正如我们将要看到的,这种做法可能会导致阀门性能不佳,从而导致系统运行不畅。这时,需要考虑的是,相对于选择低压损阀门可能产生的节能效果,调校不佳的系统会造成更大的能源浪费。

为了更好地理解调节阀的选型,必须引入阀权度概念。

这一特性很重要,因为它可以评估所安装的水力系统内阀门流量的调节能力,可以通过以下公式计算:

其中:ΔPVALV=设计流量下的阀门压损(完全开启时)

ΔPC =除阀门之外系统所有部件的压损总和

换言之,阀权度表示的是,与系统的总压损相比,阀门(完全打开时)的压损占多少比例,它表现为调节流量时的效率高低。事实上,如果所选的调节阀压损过低的话,阀门在大部分行程中不能卓有成效地对流量加以调节,只有在接近关闭位置时,才开始发挥调节作用。显然,这种状态是无法接受的,因为调节效果完全不令人满意。为了对调节阀进行正确的选型,要指出的是:

  • 低阀权度的阀门压损较低(阀门设计过大),但是系统内流量调节能力不足;
  • 高阀权度会带来更高压损(阀门设计偏小),但是流量调节效率会显著提高。

由此可知,应当在调节性能和控制水泵运行成本之间寻求最佳的折中方案。为此,最佳的阀权度值一般如下:

直观地看,这意味着选型的实际值要使阀门压损至少等于系统其余压损的一半,甚或等于系统其余压损:

前面所述,低阀权度调节阀的表现可以比作一个与自身调节刻度相比行程非常长的弹簧秤。在没有往弹簧秤上加一定数量的砝码使之进入调节刻度内之前,弹簧秤的托盘只会做无效移动。所以,最开始放入托盘上的砝码并没有起到调节作用,就像设计过大的阀门,它“浪费”了大部分有效行程。

深入讨论:调节阀的阀权度

为了更好地理解调节阀的阀权度效果,我们尽量分析简单系统中有效控制流量的情况。为达此目的,我们选择同一系统分别使用的三个具备线性特征的不同阀门。

阀门 A: KvsA = 18 m3/h

阀门 B: KvsB = 6 m3/h

阀门 C: KvsC = 3 m3/h

设计流量: G = 1500 l/h

系统的压损系数: KvCIRC = 6 m3/h

有效恒定扬程: H = 恒定

小结:

阀门 A: 当阀权度等于0.1时,流量调节能力不足。在阀门大部分开度时,系统内的流量变化不大。

阀门 B: 当阀权度等于0.5时,可以达到调节能力和水泵运行成本控制之间的最佳平衡。

阀门 C: 阀权度高达0.8,调节能力强,但是要求循环泵扬程非常高。

可调节性

显而易见的是,为了良好调节,阀门的最佳工作条件是要充分利用整个行程。然而,由于阀门结构问题和加工误差的局限,阀门在接近关闭点时无法进行精准调节。

阀门的可调节性一词指的是阀门渐进调节流量的工作范围。这一性能的评估可以通过试验进行,通过试验了解完全打开时调节的流量与接近关闭位置时的最小可调流量之间的关系。更确切地讲,为了能够使可调节值独立于流量,一般是计算完全打开时的流量系数KV(一般记作Kvs)和在接近关闭位置时最小可调流量系数(一般记作KvMIN)之间的关系。

例如,可调节性等于20的阀门可以调节最低至阀门全开时流量的二十分之一。

关闭渗漏量

表示阀门完全关闭时的过水流量。

一般来说,调节阀通常状态下不能完全密封。这并不是问题,因为关闭渗漏量并不影响调节过程,相反有时候还有好处。比如空气处理机组,轻微的关闭渗漏量可以改善启动过程中设备的反馈时间,还可以防止空气单元组完全冷却,远离冬季冰冻危险。

不过,在其它应用中,关闭渗漏量会造成运行不畅甚至带来损失。只需想一想服务于供暖管网的换热器便可知晓。危险在于:当换热器下游不再有热量需求时,不断循环的流量会造成水流的汽化,可能会因此带来损害并危及人员健康。

在这种系统状况下,适合选择零渗流阀门,或者外加一个截止阀门,在用户没有热量需求时截止一次系统。

调节阀电动执行器

与调节阀配套使用的电动执行器,在适当的控制信号下,通过调节阀门的活塞位置从而决定阀门的开度。

它主要包括:

  • 电机,提供机械能助力移动;
  • 机械传动,主要作用是放大电机扭力;
  • 电触点,负责电机供电和打开或关闭指令管理。

根据阀门结构分类,电动执行器可以分为线型电动执行器和旋转型电动执行器。

线型电动执行器配套活塞阀,之所以这样定名是因为传递的是轴向运动。这种情况下,机械传动把电机产生的旋转运动转化为直线运动。而旋转型电动执行器则配套扇形或球型阀,利用旋转发挥作用。

线型电动执行器的技术特征

  • 行程,指的是活塞运动的有效长度。
  • 力或推力,令电动执行器能够克服运动的阻力。
  • 行程时间,指的是沿着整个行程完成全部动作所用时间。

旋转型电动执行器的技术特征

  • 旋转角度或旋转角的幅度,一般为90°或180°。
  • 扭矩,产生旋转的力,克服旋转的阻力。
  • 旋转时间,或一个完整旋转的持续时间。

电动执行器的动力可以是气动或电动。在常规的供热和空调系统中,电动执行器几乎都是靠电能提供动力。因此,我们在此只讨论这种类型。

除了上述技术特征外,我们下面将分析电动执行器的启动模式,深入探讨控制其运行的最常用控制信号。

三点式电动执行器

特点是有两个触点,可以交替供电启动电机。两个触点的供电分别决定的是朝着打开还是关闭方向运动。当两个触点都不供电时,电机处于静止不动位置。

因此,三点式电动执行器根据接收到的控制信号可以有三个不同状态:

  • 打开,时长为相应触点供电时;
  • 关闭,时长为相应触点供电时;
  • 停止,当两个触点都不供电时。

根据这些运行特点,电动执行器在供电时动作,没有通电时则处在最后的调节位置上。

为了避免出现过热或磨损等问题,经常使用辅助触点或专门的电子部件,在电机达到行程极限位时断开电机电源。

与这种电动执行器配套使用的调节系统其局限性在于它并不知道阀门的实际位置,一般在短暂的时间间隔中连续启动打开模式或关闭模式来识别。正因为这一特点,这种控制逻辑通常称为“增量式”控制逻辑,因为调节器发出的控制信号,通过小而连续的增量来控制阀门的打开(或关闭)。

如果用弹簧秤来比喻这一操作的话,那就好比是操作人员要调整托盘的高度,唯一能做的就是检查其位置,然后逐次增减砝码。操作人员手里的所有砝码大小都是一样的。

通常,可以在调节器上设定打开或关闭脉冲的时长。用我们所打的比方来说,这相当于可以决定操作人员手中砝码的大小。时长长的脉冲(相当于大砝码)会产生摇摆问题,或者说在所要求的调节点上下不停地摆动。反之,时长短的脉冲(相当于小砝码)会造成被调节的系统应答非常缓慢。

为了提高调节精度和弥补上述不足,调节器必须要了解所控制的电动执行器的行程时间。最常用的调节器上通常都可以设定这一参数。

比例式电动执行器

它有集成式的电子部件,可以根据具体的控制信号控制电机的动作,一般电压值在0到10伏特之间变化。该信号值与电动执行器的行程“成正比”,所以0伏特的信号对应的是行程的最低限(一般是阀门关闭时),正如一个4伏特的信号对应的是行程的40%位置处,如此等等。

通常,这些电动执行器所采用的控制逻辑按照所说的工作原理被称为“位置型的”。与三点式电动执行器相比,比例式电动执行器配套的调节器更为简化:这是由于控制信号已经包含了要传递给电动执行器的位置信息了,因而独立于电动执行器的行程时长。

再拿弹簧秤做比喻的话,比例式电动执行器好比操作人员拿着调节指南里面指明了达到确定位置要使用的砝码数量。这样操作人员就能一步到位地让弹簧秤达到所要求的水平位置,不必像三点式电动执行器那样需要控制器不停地检查活塞所处的位置。

调节回路

论述到此,我们详实地讲述了与调节阀及其技术特征密切相关的方方面面。不过,从系统的角度出发,现在我们要做到的是,再复杂的系统也得分解为相互关连的简易的水力图示,通常称之为调节回路。在供暖和制冷系统中,这些调节回路由系统部件(阀门、循环泵、调节器)组成,通过恰当的连接来控制系统热量/冷量输出。


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