? 第九节 气动调节阀
? 一、概述
? 二、阀体部件的特性分析
? 三、执行机构的特性分析
? 四、气动调节阀的选择与计算
? 本节重点内容提示,
? 一,基本概念
? 流量系数、串联管道实际可调比、阀阻比
、相对流量的变化率、压力恢复系数、不
平衡力、输出力、允许压差、气开式、气
关式,
? 二,基本知识
? 1.七种阀体部件的结构与用途
? 2.线性和对数流量特性的表达式
? 3.气开式、气关式的选择原则
? 4.口径 Dg的计算
? 5.一般液体、高粘度液体、空化及闪蒸时液
体流量系数 C的计算
? 一,概述
? （一）气动调节阀的构成与用途
? 1.构成
? 气动调节阀 =气动执行机构 + 阀体部件
把位移或转角
转换成介质
流量的变化
把气压信号
转换成位移
或转角
? 2.用途
? 接受气压信号，控制介质流量的变化。
? 气动调节阀除了执行机构和阀体部件之外
还可以配备
? 气动阀门定位器 /电气阀门定位器
手轮机构
连锁装置
? （ 二）执行机构的种类及作用
? 1.膜片式
? （ 1）结构
?上膜盖 1、波纹薄膜 2、下膜盖 3、
支架 4、推杆 5、弹簧 6、弹簧座 7、
调节件 8、螺母 9、行程标尺 10
? （ 2）正反作用
? 正作用 — 气压信号增加，推杆向下动作。
? 反作用 — 气压信号增加，推杆向上动作。
正作用 反作用
? （ 3）输出特性
? 比例特性,
? 输入气压信号增加，输出位移增加。
? （ 4）适用场合
? 低压差、中压差、推力较小、行程（
推杆的位移）较小的场合。
? 2.活塞式
? （ 1）结构
? 活塞、气缸
气缸
活塞
? （ 2）输出特性
? 比例特性,
? 输入气压信号之差增加，输出位移增
加
? 双位特性,
? 输入气压信号增加，输出位移或增加
到最大值或减小到最小值
? （ 3）适用场合
? 高差压、推力较大、行程较大的场合
。
? （三）阀体部件的种类及作用
? 1.双座阀
结构 特点 适用场合
流量系数大
可调范围大
关闭时，泄漏
量大
阀座可以上下
倒置，阀芯可
以正反安装
不平衡力小，
需要的执行机
构输出力小
阀两端压差
大
允许泄漏量
大的场合
介质为非高
粘度、不含
悬浮物、不
含颗粒状物
体
? 2.单座阀
结构 特点 适用场合
流量系数小
可调范围大
关闭时，泄漏
量小
阀座可以上下
倒置，阀芯可
以正反安装
不平衡力大，
需要的执行机
构输出力大
阀两端压差
小
允许泄漏量
小的场合
介质为非高
粘度、不含
悬浮物、不
含颗粒状物
体
? 3.角阀
结构 特点 适用场合
流量系数小
可调范围大
关闭时，泄漏
量小
阀芯只可正向
安装
不平衡力大，
需要的执行机
构输出力大
沉淀性介质不
易积存
配管可以减少
900弯头
介质为高粘
度、含悬浮
物或含颗粒
状物体
角形连接的
场合
底进侧出 /侧
进底出
? 4.蝶阀
结构 特点 适用场合
流量系数大
可调范围大
关闭时，泄漏
量大
弹性阀座决定
阀座和阀芯的
密闭性
不平衡力大，
需要的执行机
构输出力大
沉淀性介质不
易积存
价格便宜，安
装空间小
阀两端压差
小
介质可含悬
浮物
大口径、大
流量场合
? 5.偏心旋转阀
结构 特点 适用场合
流量系数大
关闭时，泄漏
量小
柔臂决定阀座
和阀芯的密闭
性
不平衡力小，
需要的执行机
构输出力小
耐高温
介质为高粘
度物体
? 6.套筒阀
结构 特点 适用场合
流量系数可调
可调范围大
阀座不采用螺
纹连接
不平衡力小，
需要的执行机
构输出力小
噪声小
阀两端压差
大
介质为非高
温、非高粘
度、不含颗
粒状物体
? 7.隔膜阀
结构 特点 适用场合
流量系数大
可调范围小
关闭时，泄漏量
无
不平衡力小，需
要的执行机构输
出力小
沉淀性介质不易
积存
不耐高温
抗腐蚀
阀两端压差
小
介质为高粘
度、含悬浮
物、含颗粒
状物体、含
纤维物、有
毒、强腐蚀
性等
? 二,阀体部件的特性分析
? (一 )阀体部件的流量方程 qv
?
d1
A d
2
qv
P1 P2
? qv＝ A［ 2（ P1－ P2）／ ρ］ 1/2
? （ d14／ d24 － 1） 1/2
? 令（ d14／ d24 － 1） 1/2＝（ ξ） 1/2
? ∴ qv＝ A［ 2△ P／ ρ］ 1/2
? （ ξ） 1/2 —— 阀体部件流量方程
? 式中 A—— 连接管段的截面积
? △ P—— 阀体部件前后的压差
? ρ—— 流体的介质密度
? ξ—— 阻力系数
? 结论,
? A、△ P,ρ,ξ,2均为常数时,d2↑或
↓→（ ξ ） 1/2↑或 ↓→qv↑或 ↓
? (二 )阀体部件的流量系数 C
? 在流量方程
? qv＝ A［ 2△ P／ ρ］ 1/2
? （ ξ） 1/2
? A的单位是 cm2
? △ P的单位是 0.1kpa(0.1N/m2)
?ρ的单位是 g/cm3
? 则 qv的单位是 cm3/s
? 倘若 A和 ρ的单位不变,
? △ P的单位改为 102kpa(10N/m2)
? qv的单位改为 m3/h
? 则 qv＝ A［ 2△ P／ ρ］ 1/2
? （ ξ） 1/2
? 改为 qv＝ 5.09A［△ P／ ρ］ 1/2
（ (ξ ) 1/2
? qv＝ C ［△ P／ ρ］ 1/2
? C＝ 5.09A —— 流量系数
? （ ξ） 1/2
? 流量系数的定义,
? 其物理意义表明,
? 在规定条件下，阀体部件所能通过的介质
最大流量。
阀全开
△ P＝ 1.0× 102kpa
ρ＝ 1g/cm3
每小时流经阀体部件的流量数
? （三）阀体部件的可调比 R
? 可调比的定义
? 阀体部件所能控制的最大流量和最小流
量之比。
? R＝ qvmax／ qvmin
? qvmin≠泄漏量
qvmin——— 阀体部件可控流量的下限值
泄漏量 —— 阀体部件全关时渗漏的量
qvmin＝ (2~4%) qvmax
泄漏量＝（ 0.01~0.1%） qvmax
? 1.理想可调比
? 定义,
? △ P＝常量时，阀体部件的可调比
? R＝ qvmax／ qvmin＝ Cmax ［△ P／ ρ］ 1/2
C min［△ P／ ρ］ 1/2
R＝ Cmax/Cmin
? 物理意义,
? 反映了阀体部件可控能力的大小。
? 例 1：某气动调节阀，当它的清水流量
=qv max时，流量系数 C max=60，当它的清
水流量 =qv min=2cm3/s时，流量系数 C
min=3，试求 R,qv max和△ p各 =？
解,R=C max/C min=20
qv max=R qv min=20× 2=40cm3/s
△ p=1× 0.1pa
? 2.实际可调比
? 定义,
? △ P≠常量时，阀体部件的可调比
实际可调比
串联管道
实际可调比
R实际
并联管道
实际可调比
R实际
? (1)串联管道的 R实际
?
?
?
△ P管道
△ P系统
△ P
? R实际 ＝ qvmax/qvmin
? ＝ Cmax(△ Pmin/ρ)1/2
? Cmin(△ Pmax/ρ)1/2
? ＝ R (△ Pmin)1/2
? (△ Pmax)1/2
? △ Pmin—— 阀体部件全开时的压差
? △ Pmax—— 阀体部件全关时的压差
? ∵ △ Pmax ≈ △ P系统
? ∴ R实际 ≈R (△ Pmin)1/2
? (△ P系统 )1/2
? 设 S＝△ Pmin／△ P系统
? S ＝阀阻比
? 则 R实际 ＝ R(S)1/2
? 阀阻比定义,
? 阀体部件全开时的压差和系统压差之比
? 结论,
? 阀体部件和管道串联时,S↓→R实际 ↓
? (四 )阀体部件的流量特性
? 1.定义
? 流过阀体部件的相对流量和阀体部件的相
对开度之间的关系，称为流量特性
? qv/qvmax=f(l/L)
?
相对流量 相对开度
? 2.固有流量特性
? 固有流量特性 —— △ P＝常量
? 固有流量特性包括
直线流量特性
对数流量特性
抛物线流量特性
快开流量特性
抛物线
直线
快开
对数
l/L
qv/qvmax
? (1)直线流量特性
? 定义 —— 阀体部件单位相对开度的变化所
引起的相对流量的变化是常数。
? d(qv/qvmax)／ d(l/L)＝ K
? K—— 阀体部件的放大系数
? 积分后代入边界条件，整理可的
? (qv/qvmax)＝ ［ 1＋（ R － 1） l/L］
? R
l/L
qv/qvmax
10% 50% 80%
? 相对流量的变化率的定义,
? 曲线上某一点的相对流量的变化量和该
点的相对流量之比
? q%=(△ qv/qvmax)／ (qv/qvmax)100%
? q%= △ qv/qv 100%
? 在曲线上选择 3个点
? 在 I/L%=10%处,I/L%变化 10%,
? 计算的 q%= 100%
? 在 I/L%=50%处,I/L%变化 10%,
? 计算的 q%= 20%
? 在 I/L%=80%处,I/L%变化 10%,
? 计算的 q%= 12.5%
? 结论,
? 用相对流量的变化率表征阀体部件的
灵敏度,
? 小开度时，灵敏度高，容易震荡；
? 大开度时，灵敏度低，调节迟缓。
? 用放大系数表征阀体部件的斜率,
? 斜率＝常量。
? (2)对数流量特性
? 定义 —— 阀体部件单位相对开度的变化所
引起的相对流量的变化与此点的相对流量
成正比的关系。
? d(qv/qvmax)／ d(l/L)＝ K (qv/qvmax)
? K—— 阀体部件的放大系数
? 积分后代入边界条件，整理可得,
? (qv/qvmax)＝ R（ I/L－ 1）
l/L
qv/qvmax
10% 50% 80%
? 在曲线上选择 3个点,
? 在 I/L%=10%处,I/L% 变化 10%，计算的
q%=（ 6.58-4.67） /4.67× 100%≈40%
? 在 I/L%=50%处,I/L% 变化 10%，计算的
q%=（ 25.6-18.3） /18.3× 100%≈40%
? 在 I/L%=80%处,I/L% 变化 10%，计算的
q%=(71.2-50.8)/50.8× 100%≈40%
? 结论,
? 用相对流量的变化率表征阀体部件的
灵敏度,
? 小开度时和大开度时，灵敏度相同。
? 用放大系数表征阀体部件的斜率,
? 斜率 ≠常量。
? (3)抛物线流量特性
? 定义 —— 阀体部件单位相对开度的变化所引起
的相对流量的变化与此点的相对流量的平方根
成正比关系。
? d(qv/qvmax)／ d(l/L)＝ K (qv/qvmax)1/2
? K—— 阀体部件的放大系数
? 积分后代入边界条件，整理可得
? (qv/qvmax)＝［ 1＋（ R1/2 － 1） l/L］ 2 /R
l/L
qv/qvmax
? (4)快开流量特性
? 定义 —— 阀体部件单位相对开度的变化所引
起的相对流量的变化与此点的相对流量的倒
数成正比关系。
? d(qv/qvmax)／ d(l/L)＝ K／ (qv/qvmax)
? K—— 阀体部件的放大系数
? 积分后代入边界条件，整理可得,
? (qv/qvmax)＝［ 1＋（ R2 － 1） l/L］ 1/2 /R
?
l/L
qv/qvmax
? 3.安装流量特性
? 安装流量特性 —— △ P≠常量
? 安装流量特性含有
串联管道 安装流量特性
并联管道
安装流量特性
? (1)串联管道安装流量特性
△ P管道 △ P
△ P系统
? ∵ 理想状态下△ P＝ ct
? ∴ qv/qvmax=C(△ P/ρ)1/2／ Cmax(△ P/ρ)1/2
? =C/Cmax
? ∵ qv/qvmax=f(I/L)
? ∴ C/Cmax=f(I/L)
? ∴ C=Cmaxf(I/L) ----------- ①
? ∵ qv阀体 = C(△ P/ρ)1/2
? 把①式带入上式，则
? qv阀体 = Cmaxf(I/L) (△ P/ρ)1/2
? ∵ qv管道 = C管道 (△ P管道 /ρ)1/2
? ∵ qv阀体 = qv管道
? ∴ Cmaxf(I/L) (△ P/ρ)1/2= C管道 (△ P管道 /ρ)1/2
? 将△ P管道 = △ P系统 － △ P带入上式
? ∴ Cmaxf(I/L) (△ P/ρ)1/2
? = C管道 [(△ P系统 － △ P ) /ρ ] 1/2
? 对上式的方程两边取平方，再化简成
? △ P = C2管道 △ P系统 / [ C2maxf2(I/L) ＋ C2管道 ]
? 当调节阀全开时，则 f2(I/L)=1
? ∴ △ P = C2管道 △ P系统 / [ C2max ＋ C2管道 ]
? ∴ △ P / △ P系统 = C2管道 /[ C2max ＋ C2管道 ]
? =S
? 当调节阀不全开时,f2(I/L)≠1
? △ P = C2管道 △ P系统 / [ C2maxf2(I/L) ＋ C2管道 ]
? 上式的方程右边分子分母同除以 C2管道
? ∴ △ P = △ P系统 / [ C2max f2 (I/L) / C2管道 ＋ 1]
? 将上式中的 C2max / C2管道 变形
? C2max / C2管道 ={1/[C2管道 /（ C2max ＋ C2管道 ）
]}－ 1
? ∵ S= C2管道 / （ C2max ＋ C2管道 ）
? ∴ △ P = △ P系统 /[(1/S － 1 ) f2 (I/L) ＋ 1] ------
-----②
? ∵ qv= C(△ P/ρ)1/2
? 将①式和②式带入上式
? ∴ qv=Cmaxf(l/L)｛△ P系 /［ (1/S－ 1)f2(l/L)
＋ 1］ ρ｝ 1/2
? 设 qv100为考虑到存在管道阻力时阀全开
的最大流量
? ∴ qv100=Cmax(△ P/ ρ) 1/2
? ∵ △ P=S△ P系
? ∴ qv100=Cmax(S△ P系 / ρ) 1/2
? ∴
? qv/qv100=Cmaxf(l/L) ｛△ P系 /［ (1/S－
? 1)f2(l/L)＋ 1］ ρ｝ 1/2 /Cmax(S△ P系 / ρ) 1/2
? ∴
? qv/qv100=［ f2(l/L)/ (1－ S) f2(l/L)＋ S］ 1/2
? (五 )闪蒸、空化及其对策
? 1.闪蒸和空化
流速
P2
压力 P
1
PV
P1 P2
部分液体气化
，形成气液共
存
气泡爆裂
，还原成
液体
? 当有流体通过阀体部件时，流体面积的缩
小，导致缩流处的流速增加，根据能量守
恒定律，速度上升，静压力 P1必然降低，
倘若这个压力比液体所在环境下的饱和蒸
汽压 PV还低时，有一部分液体气化，在液
体中产生气泡，形成气液两相掺杂的混合
流。这个过程称为闪蒸。
? 闪蒸后，这个压力逐渐恢复，当它恢复到
比液体饱和蒸汽压 PV更高的 P2时，气化停
止，气泡爆裂，还原成液体，这个过程称
为空化。
? 2.损害
名称 特征 影响
闪蒸损伤 一道道光滑的流
线状表面斑痕
液体计算公式的
正确性
空化损伤 粗糙的海绵状空
洞
阀体部件被腐蚀
? 3.对策
? 从材料、结构、避免三方面考虑
? (1)材料选择
原则 选择抗腐蚀能力强的材料
材料 司太立合金
硬化工具钢
钨碳钢
? (2)结构的设计
原则 破坏闪蒸和空化形成的条件
结构 采用多级阀芯结构，逐级降压
，使每一级都不超过临界压差
。
? (3)空化的避免
原则 阀体部件的压差△ P＜最大允许
压差△ PT
方法 几个阀体部件串联，分散压差
。
阀体部件前后安装限流孔板，
吸收压差。
? (六 )压力恢复能力及压力恢复系数 FL
? 1.压力恢复能力
? 当流体经过阀体部件时，由于受到节流
的影响，在缩流处，流速上升，静压力下
降。
? 穿过缩流处后，流速下降，静压力上升；静压力在上升过程中，肯定不会恢复到
原有的数值 P1，因此就产生了 P2，则有
△ P=P1－ P2。
?
? 为了描述这种情况，引入 压力恢复能力
这个概念来说明在缩流处后
静压力 —— 恢复的过程
? 恢复的程度
? 2.压力恢复系数 FL
? 压力恢复系数 FL定义
? 阀体部件前后压差和阀前压力同缩流处最
低点压力之差比的平方根。
? FL＝ [(P1－ P2)／ (P1－ PVC)]1/2
? 结论,
FL＝ 1 P2与 P1无关 压力恢复无
FL＜ 1 P2接近于 P1 压力恢复程度高
FL＞ 1 不存在
? 3.阻塞流
? 阻塞流定义
? 流体在产生闪蒸和空化时的流量
? 三,执行机构的特性分析
? (一 )不平衡力 Ft
? 当流体通过阀体部件时，由于阀芯受
到流体静压和动压的作用,
? 使阀芯产生,
上下移动的轴向力
旋转作用的切向力
? 一般情况下，这些作用力的合力 ≠0，
因此阀芯的上下左右受力不同，使阀芯处
于不平衡状态。
轴向力 不平衡力 阀芯是直线位移
阀芯是角位移 切向力 不平衡力矩
? 不平衡力 Ft定义,
? 阀芯受到的轴向合力称为不平衡力。
? 在阀体部件和工艺介质确定的情况下
? 不平衡力的大小取决于,
? 阀前的压力 P1
? 阀前后的压差△ P
? 阀芯的相对流向
?
?流开状态 — 流体流动,
?阀芯打开
?流闭状态 — 流体流动,
?阀芯关闭
?阀芯相对流向
? 无论流开状态还是流闭状态,Ft在阀芯关
闭状态时最大，随着阀芯的开启,Ft越来
越小,
? Ft的大小根据阀芯全关时的位置来计算。
? 不同种类的阀体部件的 Ft不同。
? 例如：直通单座阀体部件
? 流开状态 Ft=π (dg2△ p＋ ds2p2) ／ 4
? 流闭状态 Ft=－ π (dg2△ p－ ds2p1) ／ 4
? ds ds
? 流开 流闭
? p2 p1
? dg dg
? P1 p2
? （二）执行机构的输出力 F
? 定义,
? 阀体部件处于关闭位置时，执行机构具
有克服“＋” Ft，以保证阀体部件开启，
克服“－” Ft，以保证阀体部件密封的力
称为输出力 F。
+Ft -Ft
-F +F
正作用 反作用
? 不论正作用还是反作用,
? ± F=推力－弹簧反作用力
? 推力 =P Ae
?
?
? 弹簧反作用力 =Cs(Lo＋ l)
?
?
?
信号压力
膜片有效面积
弹簧的刚度
弹簧预紧量
阀杆的行程
? ∴ ± F=P Ae－ Cs(Lo＋ l)
? 又 ∵ Cs=Ae Pr/L
?
?
? Lo=Ae Pi/Cs
?
?± F =Ae (P－ Pi－ Pr l/L)
弹簧范围
执行机构的全行程
弹簧的起动压力
? 通常,Pi=0.2× 102kpa
? l=L时,P=1.0 × 102kpa
? Pr= 1.0 × 102kpa－ 0.2× 102kpa
? =0.8 × 102kpa
? ∴ ± F=0
? 结论：执行机构在全行程时，输出力 F=0。
? 获得输出力的办法是,
? ☆增大膜片有效面积 Ae
? ☆ 改变弹簧起动压力 Pi的大小
? ☆提高信号压力 P
? （三）允许压差 [△ P]
? 执行机构的 F用于克服阀体部件的 Ft，
而 Ft随着△ P的变化而变化。△ P↑→Ft↑
? 允许压差 [△ P]的定义,
? 当 F=常量时，△ P必须限制在一定的范
围内工作，该压差范围就称为允许压差
[△ P]。
?[△ P]的计算
不同的阀体部件
计算公式不同
[△ P]的条件
阀体部件必须
处于流开状态
?[△ P]的要求
?调节阀制造厂
?给出的数据 P2=0
? 例题,
? 已知：直通单座阀体部件,P2=0，流开状
态，求允许压差 [△ P]=？
? 分析：执行机构的输出力 F应克服阀体部
件的全部有效力
?
? 全部有效力包括,
? 不平衡力 Ft
? 阀芯对阀座的压紧力 Fo
? 阀杆受到的摩擦力 Ff
? 阀芯等活动部件的重力 Fw
? F－ Ft － Fo－ Ff－ Fw＝ 0
? ∵ Ff和 Fw很小，可忽略
? ∴ Ft＝ F－ Fo…………… ①
? ∵ Ft＝ π (dg2△ P＋ ds2 P 2) ／ 4
? ∵ P2 ＝ 0
? △ P ＝ P1
? ∴ Ft ＝ π dg2P1 ／ 4 …………… ②
? 将②式带入①式
? ∴ F－ Fo ＝ π dg2P1 ／ 4
? P1 ＝（ F－ Fo ） /（ π dg2 ／ 4 ）
? ＝ [△ P]
? 四,气动调节阀的选择与计算
? (一 )气动调节阀的选择
? 1.执行机构和阀体部件类型的选择
? (1)执行机构结构型式的选择
? 主要决定选膜片式还是选活塞式
? 通常选膜片式执行机构
? 因为膜片式执行机构的输出力一般可以满
足气动调节阀对它的要求。
? (2)阀体部件结构型式的选择
工艺条件 温度、压力、流量
流体特性
粘度、相态、毒性
、腐蚀性、是否含
有悬浮物，颗粒物
控制要求
系统精度、噪声、
可调比
? 2.气开、气关的选择
? (1)选择原则
? a.定义
? 气开式,
? 有输入信号时阀打开,（有气就开）
? 无输入信号时阀关闭。
? 气关式,
? 有输入信号时阀关闭,（有气就关）
? 无输入信号时阀打开。
? b.原则
? 气动调节阀的输入信号中断时，应保证设
备及人员的安全。
? c.实例
换热器冷却水调节阀选气关式
输入信号中断，调节
阀打开，保证冷却水
继续流动，防止换热
器温度过高损坏
加热炉燃料油调节阀选气开式
输入信号中断，调节
阀关闭，燃料油切断
，防止加热炉温度过
高造成毁坏
蒸馏塔进料调节阀选气开式
输入信号中断，调节
阀关闭，进料切断，
防止物料过多造成溢
出事故
精馏塔回流调节阀选气关式
输入信号中断，调节
阀打开，保证回流量
，防止不合格产品蒸
出
? (2)组合方式
? 执行机构有正反作用
? 阀体部件有正装和反装
? 气动调节阀有气开式和气关式
气关 气开 气开 气关
? 3.阀体部件流量特性的选择
? 流量特性有 4种，实际应用时主要选择,
直线流量特性
对数流量特性
? (1)选择原则
? 系统总的放大系数 =K1K2K3K4K5=常量
调节器 K2
执行机构 K3
变送器 K1
对象 K5 阀体部件 K
4
放大系数 K5为
线性 流量特性选 直线
放大系数 K5为
非线性 流量特性选 对数
? (2)选择方法
? a.数学分析法
? 基本原理 —— 用阀体部件的放大系数补偿
对象的放大系数
? b.经验分析法
? 由于很难真正掌握对象特性，故利用实际
经验。
? 同时存在几个干扰，按主要干扰选择。
? 时间常数很大且起重要作用，按动态特性
选择，否则按静态特性选择。
控制系统及被调参数 干扰 流量特性
静态 动态
P1,P2 对数 直线
qv （给定） 直线 ×
P2 对数 对数
P3 直线 直线
P1 （给定） 直线 ×
qv 直线 直线
L （给定） 对数 ×
P1 对数 对数
qv,T3 对数 直线
T1 直线 直线
T2（给定） 直线 ×
P1 qv P2
P1
P1 P2 P3
T3
T1 T2
L qv
qv
? c.气动调节阀选型规定 (CD50A11-84)
固有流量
特性
直线 对数
正常流量
下的△ P
/没有流
量负载时
的△ P
＞ 0.75 1.液位定值控制
系统
2.主要干扰为给
定值的流量、温
度控制系统
1.流量、压力、
温度定值控制系
统
2.主要干扰为给
定值的压力控制
系统
同上 ≤0.75 各种控制系统
? (3)注意事项
? a.应考虑配管情况
? 原因：阀体部件总是要和管道串、并联使
用,P管道 的变化 →△ P的变化 →安装流量特
性和固有流量特性的不同。
? 归结到一点：考虑 S= △ Pmin/ △ P系统
配管情况 S=1~0.6 S=0.6~0.3 S<0.3
阀体部件
安装流量
特性
直
线
对
数
直
线
对
数
不宜控制
阀体部件
固有流量
特性
直
线
对
数
对
数
对
数
不宜控制
? b.考虑负荷波动
特点 新设计的系统，给出的工
艺参数不够精确。
流量特性 选对数流量特性。
选用原因 负荷波动较大 →阀体部件
大、小开度变化不定 →对
数流量特性灵敏度处处相
等，适应性较强。
? c.考虑特殊情况
特点 介质含有固体悬浮物，且
要求增加阀芯的使用寿命
。
流量特性 选直线流量特性。
选用原因 阀芯曲面较瘦，不易受固
体悬浮物的磨损。
特点 流量非常稳定的系统
流量特性 选直线 /对数流量特性均可
选用原因 流量稳定，阀杆行程小，流
量特性的影响极小。
? (二 )气动调节阀的选择
? 1.流量系数 C的计算
? 方法：公式法、图表法、计算尺法、程序
法
? 公式法 —— 根据工艺条件、修正因素带入
现有公式进行计算。
? 注意：所选公式要准确
? 单位要准确
一般液
体
C=10qv(ρ/△ P)1/2 qv单位 =m3/h
ρ单位 =g/cm3
△ P单位 =kPa
C=qv(ρ/△ P)1/2 qv单位 =m3/h
ρ单位 =g/cm3
△ P单位 =100kPa
高粘度
液体
C=ψ10qv(ρ/△ P)1/2
闪蒸及
空化液
体
△ P ＞
△ PT
C=10qv(ρ/△ PT)1/2
△ PT=FL2(P1-FFPv)
△ PT单位 =kPa
Pv单位 =kPa
? 例：水的 qv=18m3/h,P1=2.5× 102kPa，
P2=2.1× 102kPa，求气动调节阀的 C=?
? C=10qv(ρ/△ P)1/2
? =10× 18［ 1/(2.5× 102－ 2.1× 102)］ 1/2
? =180× 0.158
? =28.46
? 2.阀体部件开度的计算
? (1)要求
? qv＝ qvmax,Kmax≯ 90%
? qv＝ qvmin,Kmin ≮ 10%
? Kmax过小，阀体部件经常工作在小开度下
，调节性能不好、造成浪费。
? Kmin过大，流量大，阀芯、阀座受流体冲蚀
严重、特性变坏。
? (2)公式
? 阀体部件和管道串联时的
? 直线流量特性
?K≈【 1.03{S/[S+(C2选 △ P/qvi2ρ－ 1)]}1/2－
0.03】 100%
? 阀体部件和管道串联时的
? 对数流量特性
?K≈【 1/1.48lg{S/[S+(C2选 △ P/qvi2ρ－ 1)]}1/2＋
1】 100%
? 式中,
? C选 —— 选用的阀体部件流量系数
? △ P—— 阀体部件全开时的压差 102kpa
? ρ—— 介质密度 g/cm3
? qvi—— 计算开度处的流量 m3/h
? 3.阀体部件口径的计算
? 计算方法,
? 确定计算流量 qvmax(qvmin)
? 确定计算压差△ Pmin(△ Pmax)
? 确定流量系数 Cmax
? 选择流量系数 C选
? 验算气动调节阀的开度 Kmax(Kmin)
? 验算可调比 R实际
? 确定阀体部件的口径 Dg
? (1)确定计算流量 qvmax(qvmin)
? 根据：生产能力、负荷大小、操作条件、
调节质量综合考虑。
? 注意,
? 余量不能过大或过小
? (2)确定计算压差△ Pmin(△ Pmax)
? 根据：流量特性、阀阻比、压力分配、管
道损失综合考虑
? 注意,
? 调节性能要好，动力损失要小。
? (3)确定流量系数 Cmax
? 根据公式计算
? (4)选择流量系数 C选
? 在标准系列中，选大于 Cmax那一档的数值
? (5)验算气动调节阀的开度 Kmax(Kmin)
? 根据公式计算
? (6)验算可调比 R实际
? 根据公式验算
? (7)确定阀体部件的口径 Dg
? 根据 C选 确定
? 五,气动阀门定位器
? （一）用途
? 1.用于高压差场合
? 2.用于高压、高温或低温介质的场合
? 3.用于含有固体悬浮物或粘性介质的场合
? 4.用于阀体部件大口径的场合
? 5.用于增加执行机构动作速度的场合
? 6.用于分程控制的场合
? 7.用于改善阀体部件流量特性的场合
? (二 )原理
? 作业,
? 1.阀体部件的阀芯曲面形状和流量特性有什
么关系？
? 2.用那些方法可以改变调节阀的流量特性，
那种方法比较简单？
? 3.某液体的 qv=18m3/h,ρ=1g/cm3，
p1=2.5× 102kpa,p2=2× 102kpa时，气动调
节阀的流量系数 c=?
? 4.什么情况下应该选用气动阀门定位器？
? 5.有两个气动调节阀，可调比 R1=R2=30，第
一个阀的 qvmax1=100m3/h，第二个阀的
qvmax2=4m3/h，若采用分程调节，其可调比
为多少？
? 6.某直线流量特性的调节阀,qvmax=60m3/h
,qvmin=3m3/h，若全行程为 10mm，那么在
4mm行程时的流量为多少？
? 7.某对数流量特性的调节阀,R=25，若
qvmax=85m3/h，那么开度在 2/3时流量为多少
？
谢谢
? 一、概述
? 二、阀体部件的特性分析
? 三、执行机构的特性分析
? 四、气动调节阀的选择与计算
? 本节重点内容提示,
? 一,基本概念
? 流量系数、串联管道实际可调比、阀阻比
、相对流量的变化率、压力恢复系数、不
平衡力、输出力、允许压差、气开式、气
关式,
? 二,基本知识
? 1.七种阀体部件的结构与用途
? 2.线性和对数流量特性的表达式
? 3.气开式、气关式的选择原则
? 4.口径 Dg的计算
? 5.一般液体、高粘度液体、空化及闪蒸时液
体流量系数 C的计算
? 一,概述
? （一）气动调节阀的构成与用途
? 1.构成
? 气动调节阀 =气动执行机构 + 阀体部件
把位移或转角
转换成介质
流量的变化
把气压信号
转换成位移
或转角
? 2.用途
? 接受气压信号，控制介质流量的变化。
? 气动调节阀除了执行机构和阀体部件之外
还可以配备
? 气动阀门定位器 /电气阀门定位器
手轮机构
连锁装置
? （ 二）执行机构的种类及作用
? 1.膜片式
? （ 1）结构
?上膜盖 1、波纹薄膜 2、下膜盖 3、
支架 4、推杆 5、弹簧 6、弹簧座 7、
调节件 8、螺母 9、行程标尺 10
? （ 2）正反作用
? 正作用 — 气压信号增加，推杆向下动作。
? 反作用 — 气压信号增加，推杆向上动作。
正作用 反作用
? （ 3）输出特性
? 比例特性,
? 输入气压信号增加，输出位移增加。
? （ 4）适用场合
? 低压差、中压差、推力较小、行程（
推杆的位移）较小的场合。
? 2.活塞式
? （ 1）结构
? 活塞、气缸
气缸
活塞
? （ 2）输出特性
? 比例特性,
? 输入气压信号之差增加，输出位移增
加
? 双位特性,
? 输入气压信号增加，输出位移或增加
到最大值或减小到最小值
? （ 3）适用场合
? 高差压、推力较大、行程较大的场合
。
? （三）阀体部件的种类及作用
? 1.双座阀
结构 特点 适用场合
流量系数大
可调范围大
关闭时，泄漏
量大
阀座可以上下
倒置，阀芯可
以正反安装
不平衡力小，
需要的执行机
构输出力小
阀两端压差
大
允许泄漏量
大的场合
介质为非高
粘度、不含
悬浮物、不
含颗粒状物
体
? 2.单座阀
结构 特点 适用场合
流量系数小
可调范围大
关闭时，泄漏
量小
阀座可以上下
倒置，阀芯可
以正反安装
不平衡力大，
需要的执行机
构输出力大
阀两端压差
小
允许泄漏量
小的场合
介质为非高
粘度、不含
悬浮物、不
含颗粒状物
体
? 3.角阀
结构 特点 适用场合
流量系数小
可调范围大
关闭时，泄漏
量小
阀芯只可正向
安装
不平衡力大，
需要的执行机
构输出力大
沉淀性介质不
易积存
配管可以减少
900弯头
介质为高粘
度、含悬浮
物或含颗粒
状物体
角形连接的
场合
底进侧出 /侧
进底出
? 4.蝶阀
结构 特点 适用场合
流量系数大
可调范围大
关闭时，泄漏
量大
弹性阀座决定
阀座和阀芯的
密闭性
不平衡力大，
需要的执行机
构输出力大
沉淀性介质不
易积存
价格便宜，安
装空间小
阀两端压差
小
介质可含悬
浮物
大口径、大
流量场合
? 5.偏心旋转阀
结构 特点 适用场合
流量系数大
关闭时，泄漏
量小
柔臂决定阀座
和阀芯的密闭
性
不平衡力小，
需要的执行机
构输出力小
耐高温
介质为高粘
度物体
? 6.套筒阀
结构 特点 适用场合
流量系数可调
可调范围大
阀座不采用螺
纹连接
不平衡力小，
需要的执行机
构输出力小
噪声小
阀两端压差
大
介质为非高
温、非高粘
度、不含颗
粒状物体
? 7.隔膜阀
结构 特点 适用场合
流量系数大
可调范围小
关闭时，泄漏量
无
不平衡力小，需
要的执行机构输
出力小
沉淀性介质不易
积存
不耐高温
抗腐蚀
阀两端压差
小
介质为高粘
度、含悬浮
物、含颗粒
状物体、含
纤维物、有
毒、强腐蚀
性等
? 二,阀体部件的特性分析
? (一 )阀体部件的流量方程 qv
?
d1
A d
2
qv
P1 P2
? qv＝ A［ 2（ P1－ P2）／ ρ］ 1/2
? （ d14／ d24 － 1） 1/2
? 令（ d14／ d24 － 1） 1/2＝（ ξ） 1/2
? ∴ qv＝ A［ 2△ P／ ρ］ 1/2
? （ ξ） 1/2 —— 阀体部件流量方程
? 式中 A—— 连接管段的截面积
? △ P—— 阀体部件前后的压差
? ρ—— 流体的介质密度
? ξ—— 阻力系数
? 结论,
? A、△ P,ρ,ξ,2均为常数时,d2↑或
↓→（ ξ ） 1/2↑或 ↓→qv↑或 ↓
? (二 )阀体部件的流量系数 C
? 在流量方程
? qv＝ A［ 2△ P／ ρ］ 1/2
? （ ξ） 1/2
? A的单位是 cm2
? △ P的单位是 0.1kpa(0.1N/m2)
?ρ的单位是 g/cm3
? 则 qv的单位是 cm3/s
? 倘若 A和 ρ的单位不变,
? △ P的单位改为 102kpa(10N/m2)
? qv的单位改为 m3/h
? 则 qv＝ A［ 2△ P／ ρ］ 1/2
? （ ξ） 1/2
? 改为 qv＝ 5.09A［△ P／ ρ］ 1/2
（ (ξ ) 1/2
? qv＝ C ［△ P／ ρ］ 1/2
? C＝ 5.09A —— 流量系数
? （ ξ） 1/2
? 流量系数的定义,
? 其物理意义表明,
? 在规定条件下，阀体部件所能通过的介质
最大流量。
阀全开
△ P＝ 1.0× 102kpa
ρ＝ 1g/cm3
每小时流经阀体部件的流量数
? （三）阀体部件的可调比 R
? 可调比的定义
? 阀体部件所能控制的最大流量和最小流
量之比。
? R＝ qvmax／ qvmin
? qvmin≠泄漏量
qvmin——— 阀体部件可控流量的下限值
泄漏量 —— 阀体部件全关时渗漏的量
qvmin＝ (2~4%) qvmax
泄漏量＝（ 0.01~0.1%） qvmax
? 1.理想可调比
? 定义,
? △ P＝常量时，阀体部件的可调比
? R＝ qvmax／ qvmin＝ Cmax ［△ P／ ρ］ 1/2
C min［△ P／ ρ］ 1/2
R＝ Cmax/Cmin
? 物理意义,
? 反映了阀体部件可控能力的大小。
? 例 1：某气动调节阀，当它的清水流量
=qv max时，流量系数 C max=60，当它的清
水流量 =qv min=2cm3/s时，流量系数 C
min=3，试求 R,qv max和△ p各 =？
解,R=C max/C min=20
qv max=R qv min=20× 2=40cm3/s
△ p=1× 0.1pa
? 2.实际可调比
? 定义,
? △ P≠常量时，阀体部件的可调比
实际可调比
串联管道
实际可调比
R实际
并联管道
实际可调比
R实际
? (1)串联管道的 R实际
?
?
?
△ P管道
△ P系统
△ P
? R实际 ＝ qvmax/qvmin
? ＝ Cmax(△ Pmin/ρ)1/2
? Cmin(△ Pmax/ρ)1/2
? ＝ R (△ Pmin)1/2
? (△ Pmax)1/2
? △ Pmin—— 阀体部件全开时的压差
? △ Pmax—— 阀体部件全关时的压差
? ∵ △ Pmax ≈ △ P系统
? ∴ R实际 ≈R (△ Pmin)1/2
? (△ P系统 )1/2
? 设 S＝△ Pmin／△ P系统
? S ＝阀阻比
? 则 R实际 ＝ R(S)1/2
? 阀阻比定义,
? 阀体部件全开时的压差和系统压差之比
? 结论,
? 阀体部件和管道串联时,S↓→R实际 ↓
? (四 )阀体部件的流量特性
? 1.定义
? 流过阀体部件的相对流量和阀体部件的相
对开度之间的关系，称为流量特性
? qv/qvmax=f(l/L)
?
相对流量 相对开度
? 2.固有流量特性
? 固有流量特性 —— △ P＝常量
? 固有流量特性包括
直线流量特性
对数流量特性
抛物线流量特性
快开流量特性
抛物线
直线
快开
对数
l/L
qv/qvmax
? (1)直线流量特性
? 定义 —— 阀体部件单位相对开度的变化所
引起的相对流量的变化是常数。
? d(qv/qvmax)／ d(l/L)＝ K
? K—— 阀体部件的放大系数
? 积分后代入边界条件，整理可的
? (qv/qvmax)＝ ［ 1＋（ R － 1） l/L］
? R
l/L
qv/qvmax
10% 50% 80%
? 相对流量的变化率的定义,
? 曲线上某一点的相对流量的变化量和该
点的相对流量之比
? q%=(△ qv/qvmax)／ (qv/qvmax)100%
? q%= △ qv/qv 100%
? 在曲线上选择 3个点
? 在 I/L%=10%处,I/L%变化 10%,
? 计算的 q%= 100%
? 在 I/L%=50%处,I/L%变化 10%,
? 计算的 q%= 20%
? 在 I/L%=80%处,I/L%变化 10%,
? 计算的 q%= 12.5%
? 结论,
? 用相对流量的变化率表征阀体部件的
灵敏度,
? 小开度时，灵敏度高，容易震荡；
? 大开度时，灵敏度低，调节迟缓。
? 用放大系数表征阀体部件的斜率,
? 斜率＝常量。
? (2)对数流量特性
? 定义 —— 阀体部件单位相对开度的变化所
引起的相对流量的变化与此点的相对流量
成正比的关系。
? d(qv/qvmax)／ d(l/L)＝ K (qv/qvmax)
? K—— 阀体部件的放大系数
? 积分后代入边界条件，整理可得,
? (qv/qvmax)＝ R（ I/L－ 1）
l/L
qv/qvmax
10% 50% 80%
? 在曲线上选择 3个点,
? 在 I/L%=10%处,I/L% 变化 10%，计算的
q%=（ 6.58-4.67） /4.67× 100%≈40%
? 在 I/L%=50%处,I/L% 变化 10%，计算的
q%=（ 25.6-18.3） /18.3× 100%≈40%
? 在 I/L%=80%处,I/L% 变化 10%，计算的
q%=(71.2-50.8)/50.8× 100%≈40%
? 结论,
? 用相对流量的变化率表征阀体部件的
灵敏度,
? 小开度时和大开度时，灵敏度相同。
? 用放大系数表征阀体部件的斜率,
? 斜率 ≠常量。
? (3)抛物线流量特性
? 定义 —— 阀体部件单位相对开度的变化所引起
的相对流量的变化与此点的相对流量的平方根
成正比关系。
? d(qv/qvmax)／ d(l/L)＝ K (qv/qvmax)1/2
? K—— 阀体部件的放大系数
? 积分后代入边界条件，整理可得
? (qv/qvmax)＝［ 1＋（ R1/2 － 1） l/L］ 2 /R
l/L
qv/qvmax
? (4)快开流量特性
? 定义 —— 阀体部件单位相对开度的变化所引
起的相对流量的变化与此点的相对流量的倒
数成正比关系。
? d(qv/qvmax)／ d(l/L)＝ K／ (qv/qvmax)
? K—— 阀体部件的放大系数
? 积分后代入边界条件，整理可得,
? (qv/qvmax)＝［ 1＋（ R2 － 1） l/L］ 1/2 /R
?
l/L
qv/qvmax
? 3.安装流量特性
? 安装流量特性 —— △ P≠常量
? 安装流量特性含有
串联管道 安装流量特性
并联管道
安装流量特性
? (1)串联管道安装流量特性
△ P管道 △ P
△ P系统
? ∵ 理想状态下△ P＝ ct
? ∴ qv/qvmax=C(△ P/ρ)1/2／ Cmax(△ P/ρ)1/2
? =C/Cmax
? ∵ qv/qvmax=f(I/L)
? ∴ C/Cmax=f(I/L)
? ∴ C=Cmaxf(I/L) ----------- ①
? ∵ qv阀体 = C(△ P/ρ)1/2
? 把①式带入上式，则
? qv阀体 = Cmaxf(I/L) (△ P/ρ)1/2
? ∵ qv管道 = C管道 (△ P管道 /ρ)1/2
? ∵ qv阀体 = qv管道
? ∴ Cmaxf(I/L) (△ P/ρ)1/2= C管道 (△ P管道 /ρ)1/2
? 将△ P管道 = △ P系统 － △ P带入上式
? ∴ Cmaxf(I/L) (△ P/ρ)1/2
? = C管道 [(△ P系统 － △ P ) /ρ ] 1/2
? 对上式的方程两边取平方，再化简成
? △ P = C2管道 △ P系统 / [ C2maxf2(I/L) ＋ C2管道 ]
? 当调节阀全开时，则 f2(I/L)=1
? ∴ △ P = C2管道 △ P系统 / [ C2max ＋ C2管道 ]
? ∴ △ P / △ P系统 = C2管道 /[ C2max ＋ C2管道 ]
? =S
? 当调节阀不全开时,f2(I/L)≠1
? △ P = C2管道 △ P系统 / [ C2maxf2(I/L) ＋ C2管道 ]
? 上式的方程右边分子分母同除以 C2管道
? ∴ △ P = △ P系统 / [ C2max f2 (I/L) / C2管道 ＋ 1]
? 将上式中的 C2max / C2管道 变形
? C2max / C2管道 ={1/[C2管道 /（ C2max ＋ C2管道 ）
]}－ 1
? ∵ S= C2管道 / （ C2max ＋ C2管道 ）
? ∴ △ P = △ P系统 /[(1/S － 1 ) f2 (I/L) ＋ 1] ------
-----②
? ∵ qv= C(△ P/ρ)1/2
? 将①式和②式带入上式
? ∴ qv=Cmaxf(l/L)｛△ P系 /［ (1/S－ 1)f2(l/L)
＋ 1］ ρ｝ 1/2
? 设 qv100为考虑到存在管道阻力时阀全开
的最大流量
? ∴ qv100=Cmax(△ P/ ρ) 1/2
? ∵ △ P=S△ P系
? ∴ qv100=Cmax(S△ P系 / ρ) 1/2
? ∴
? qv/qv100=Cmaxf(l/L) ｛△ P系 /［ (1/S－
? 1)f2(l/L)＋ 1］ ρ｝ 1/2 /Cmax(S△ P系 / ρ) 1/2
? ∴
? qv/qv100=［ f2(l/L)/ (1－ S) f2(l/L)＋ S］ 1/2
? (五 )闪蒸、空化及其对策
? 1.闪蒸和空化
流速
P2
压力 P
1
PV
P1 P2
部分液体气化
，形成气液共
存
气泡爆裂
，还原成
液体
? 当有流体通过阀体部件时，流体面积的缩
小，导致缩流处的流速增加，根据能量守
恒定律，速度上升，静压力 P1必然降低，
倘若这个压力比液体所在环境下的饱和蒸
汽压 PV还低时，有一部分液体气化，在液
体中产生气泡，形成气液两相掺杂的混合
流。这个过程称为闪蒸。
? 闪蒸后，这个压力逐渐恢复，当它恢复到
比液体饱和蒸汽压 PV更高的 P2时，气化停
止，气泡爆裂，还原成液体，这个过程称
为空化。
? 2.损害
名称 特征 影响
闪蒸损伤 一道道光滑的流
线状表面斑痕
液体计算公式的
正确性
空化损伤 粗糙的海绵状空
洞
阀体部件被腐蚀
? 3.对策
? 从材料、结构、避免三方面考虑
? (1)材料选择
原则 选择抗腐蚀能力强的材料
材料 司太立合金
硬化工具钢
钨碳钢
? (2)结构的设计
原则 破坏闪蒸和空化形成的条件
结构 采用多级阀芯结构，逐级降压
，使每一级都不超过临界压差
。
? (3)空化的避免
原则 阀体部件的压差△ P＜最大允许
压差△ PT
方法 几个阀体部件串联，分散压差
。
阀体部件前后安装限流孔板，
吸收压差。
? (六 )压力恢复能力及压力恢复系数 FL
? 1.压力恢复能力
? 当流体经过阀体部件时，由于受到节流
的影响，在缩流处，流速上升，静压力下
降。
? 穿过缩流处后，流速下降，静压力上升；静压力在上升过程中，肯定不会恢复到
原有的数值 P1，因此就产生了 P2，则有
△ P=P1－ P2。
?
? 为了描述这种情况，引入 压力恢复能力
这个概念来说明在缩流处后
静压力 —— 恢复的过程
? 恢复的程度
? 2.压力恢复系数 FL
? 压力恢复系数 FL定义
? 阀体部件前后压差和阀前压力同缩流处最
低点压力之差比的平方根。
? FL＝ [(P1－ P2)／ (P1－ PVC)]1/2
? 结论,
FL＝ 1 P2与 P1无关 压力恢复无
FL＜ 1 P2接近于 P1 压力恢复程度高
FL＞ 1 不存在
? 3.阻塞流
? 阻塞流定义
? 流体在产生闪蒸和空化时的流量
? 三,执行机构的特性分析
? (一 )不平衡力 Ft
? 当流体通过阀体部件时，由于阀芯受
到流体静压和动压的作用,
? 使阀芯产生,
上下移动的轴向力
旋转作用的切向力
? 一般情况下，这些作用力的合力 ≠0，
因此阀芯的上下左右受力不同，使阀芯处
于不平衡状态。
轴向力 不平衡力 阀芯是直线位移
阀芯是角位移 切向力 不平衡力矩
? 不平衡力 Ft定义,
? 阀芯受到的轴向合力称为不平衡力。
? 在阀体部件和工艺介质确定的情况下
? 不平衡力的大小取决于,
? 阀前的压力 P1
? 阀前后的压差△ P
? 阀芯的相对流向
?
?流开状态 — 流体流动,
?阀芯打开
?流闭状态 — 流体流动,
?阀芯关闭
?阀芯相对流向
? 无论流开状态还是流闭状态,Ft在阀芯关
闭状态时最大，随着阀芯的开启,Ft越来
越小,
? Ft的大小根据阀芯全关时的位置来计算。
? 不同种类的阀体部件的 Ft不同。
? 例如：直通单座阀体部件
? 流开状态 Ft=π (dg2△ p＋ ds2p2) ／ 4
? 流闭状态 Ft=－ π (dg2△ p－ ds2p1) ／ 4
? ds ds
? 流开 流闭
? p2 p1
? dg dg
? P1 p2
? （二）执行机构的输出力 F
? 定义,
? 阀体部件处于关闭位置时，执行机构具
有克服“＋” Ft，以保证阀体部件开启，
克服“－” Ft，以保证阀体部件密封的力
称为输出力 F。
+Ft -Ft
-F +F
正作用 反作用
? 不论正作用还是反作用,
? ± F=推力－弹簧反作用力
? 推力 =P Ae
?
?
? 弹簧反作用力 =Cs(Lo＋ l)
?
?
?
信号压力
膜片有效面积
弹簧的刚度
弹簧预紧量
阀杆的行程
? ∴ ± F=P Ae－ Cs(Lo＋ l)
? 又 ∵ Cs=Ae Pr/L
?
?
? Lo=Ae Pi/Cs
?
?± F =Ae (P－ Pi－ Pr l/L)
弹簧范围
执行机构的全行程
弹簧的起动压力
? 通常,Pi=0.2× 102kpa
? l=L时,P=1.0 × 102kpa
? Pr= 1.0 × 102kpa－ 0.2× 102kpa
? =0.8 × 102kpa
? ∴ ± F=0
? 结论：执行机构在全行程时，输出力 F=0。
? 获得输出力的办法是,
? ☆增大膜片有效面积 Ae
? ☆ 改变弹簧起动压力 Pi的大小
? ☆提高信号压力 P
? （三）允许压差 [△ P]
? 执行机构的 F用于克服阀体部件的 Ft，
而 Ft随着△ P的变化而变化。△ P↑→Ft↑
? 允许压差 [△ P]的定义,
? 当 F=常量时，△ P必须限制在一定的范
围内工作，该压差范围就称为允许压差
[△ P]。
?[△ P]的计算
不同的阀体部件
计算公式不同
[△ P]的条件
阀体部件必须
处于流开状态
?[△ P]的要求
?调节阀制造厂
?给出的数据 P2=0
? 例题,
? 已知：直通单座阀体部件,P2=0，流开状
态，求允许压差 [△ P]=？
? 分析：执行机构的输出力 F应克服阀体部
件的全部有效力
?
? 全部有效力包括,
? 不平衡力 Ft
? 阀芯对阀座的压紧力 Fo
? 阀杆受到的摩擦力 Ff
? 阀芯等活动部件的重力 Fw
? F－ Ft － Fo－ Ff－ Fw＝ 0
? ∵ Ff和 Fw很小，可忽略
? ∴ Ft＝ F－ Fo…………… ①
? ∵ Ft＝ π (dg2△ P＋ ds2 P 2) ／ 4
? ∵ P2 ＝ 0
? △ P ＝ P1
? ∴ Ft ＝ π dg2P1 ／ 4 …………… ②
? 将②式带入①式
? ∴ F－ Fo ＝ π dg2P1 ／ 4
? P1 ＝（ F－ Fo ） /（ π dg2 ／ 4 ）
? ＝ [△ P]
? 四,气动调节阀的选择与计算
? (一 )气动调节阀的选择
? 1.执行机构和阀体部件类型的选择
? (1)执行机构结构型式的选择
? 主要决定选膜片式还是选活塞式
? 通常选膜片式执行机构
? 因为膜片式执行机构的输出力一般可以满
足气动调节阀对它的要求。
? (2)阀体部件结构型式的选择
工艺条件 温度、压力、流量
流体特性
粘度、相态、毒性
、腐蚀性、是否含
有悬浮物，颗粒物
控制要求
系统精度、噪声、
可调比
? 2.气开、气关的选择
? (1)选择原则
? a.定义
? 气开式,
? 有输入信号时阀打开,（有气就开）
? 无输入信号时阀关闭。
? 气关式,
? 有输入信号时阀关闭,（有气就关）
? 无输入信号时阀打开。
? b.原则
? 气动调节阀的输入信号中断时，应保证设
备及人员的安全。
? c.实例
换热器冷却水调节阀选气关式
输入信号中断，调节
阀打开，保证冷却水
继续流动，防止换热
器温度过高损坏
加热炉燃料油调节阀选气开式
输入信号中断，调节
阀关闭，燃料油切断
，防止加热炉温度过
高造成毁坏
蒸馏塔进料调节阀选气开式
输入信号中断，调节
阀关闭，进料切断，
防止物料过多造成溢
出事故
精馏塔回流调节阀选气关式
输入信号中断，调节
阀打开，保证回流量
，防止不合格产品蒸
出
? (2)组合方式
? 执行机构有正反作用
? 阀体部件有正装和反装
? 气动调节阀有气开式和气关式
气关 气开 气开 气关
? 3.阀体部件流量特性的选择
? 流量特性有 4种，实际应用时主要选择,
直线流量特性
对数流量特性
? (1)选择原则
? 系统总的放大系数 =K1K2K3K4K5=常量
调节器 K2
执行机构 K3
变送器 K1
对象 K5 阀体部件 K
4
放大系数 K5为
线性 流量特性选 直线
放大系数 K5为
非线性 流量特性选 对数
? (2)选择方法
? a.数学分析法
? 基本原理 —— 用阀体部件的放大系数补偿
对象的放大系数
? b.经验分析法
? 由于很难真正掌握对象特性，故利用实际
经验。
? 同时存在几个干扰，按主要干扰选择。
? 时间常数很大且起重要作用，按动态特性
选择，否则按静态特性选择。
控制系统及被调参数 干扰 流量特性
静态 动态
P1,P2 对数 直线
qv （给定） 直线 ×
P2 对数 对数
P3 直线 直线
P1 （给定） 直线 ×
qv 直线 直线
L （给定） 对数 ×
P1 对数 对数
qv,T3 对数 直线
T1 直线 直线
T2（给定） 直线 ×
P1 qv P2
P1
P1 P2 P3
T3
T1 T2
L qv
qv
? c.气动调节阀选型规定 (CD50A11-84)
固有流量
特性
直线 对数
正常流量
下的△ P
/没有流
量负载时
的△ P
＞ 0.75 1.液位定值控制
系统
2.主要干扰为给
定值的流量、温
度控制系统
1.流量、压力、
温度定值控制系
统
2.主要干扰为给
定值的压力控制
系统
同上 ≤0.75 各种控制系统
? (3)注意事项
? a.应考虑配管情况
? 原因：阀体部件总是要和管道串、并联使
用,P管道 的变化 →△ P的变化 →安装流量特
性和固有流量特性的不同。
? 归结到一点：考虑 S= △ Pmin/ △ P系统
配管情况 S=1~0.6 S=0.6~0.3 S<0.3
阀体部件
安装流量
特性
直
线
对
数
直
线
对
数
不宜控制
阀体部件
固有流量
特性
直
线
对
数
对
数
对
数
不宜控制
? b.考虑负荷波动
特点 新设计的系统，给出的工
艺参数不够精确。
流量特性 选对数流量特性。
选用原因 负荷波动较大 →阀体部件
大、小开度变化不定 →对
数流量特性灵敏度处处相
等，适应性较强。
? c.考虑特殊情况
特点 介质含有固体悬浮物，且
要求增加阀芯的使用寿命
。
流量特性 选直线流量特性。
选用原因 阀芯曲面较瘦，不易受固
体悬浮物的磨损。
特点 流量非常稳定的系统
流量特性 选直线 /对数流量特性均可
选用原因 流量稳定，阀杆行程小，流
量特性的影响极小。
? (二 )气动调节阀的选择
? 1.流量系数 C的计算
? 方法：公式法、图表法、计算尺法、程序
法
? 公式法 —— 根据工艺条件、修正因素带入
现有公式进行计算。
? 注意：所选公式要准确
? 单位要准确
一般液
体
C=10qv(ρ/△ P)1/2 qv单位 =m3/h
ρ单位 =g/cm3
△ P单位 =kPa
C=qv(ρ/△ P)1/2 qv单位 =m3/h
ρ单位 =g/cm3
△ P单位 =100kPa
高粘度
液体
C=ψ10qv(ρ/△ P)1/2
闪蒸及
空化液
体
△ P ＞
△ PT
C=10qv(ρ/△ PT)1/2
△ PT=FL2(P1-FFPv)
△ PT单位 =kPa
Pv单位 =kPa
? 例：水的 qv=18m3/h,P1=2.5× 102kPa，
P2=2.1× 102kPa，求气动调节阀的 C=?
? C=10qv(ρ/△ P)1/2
? =10× 18［ 1/(2.5× 102－ 2.1× 102)］ 1/2
? =180× 0.158
? =28.46
? 2.阀体部件开度的计算
? (1)要求
? qv＝ qvmax,Kmax≯ 90%
? qv＝ qvmin,Kmin ≮ 10%
? Kmax过小，阀体部件经常工作在小开度下
，调节性能不好、造成浪费。
? Kmin过大，流量大，阀芯、阀座受流体冲蚀
严重、特性变坏。
? (2)公式
? 阀体部件和管道串联时的
? 直线流量特性
?K≈【 1.03{S/[S+(C2选 △ P/qvi2ρ－ 1)]}1/2－
0.03】 100%
? 阀体部件和管道串联时的
? 对数流量特性
?K≈【 1/1.48lg{S/[S+(C2选 △ P/qvi2ρ－ 1)]}1/2＋
1】 100%
? 式中,
? C选 —— 选用的阀体部件流量系数
? △ P—— 阀体部件全开时的压差 102kpa
? ρ—— 介质密度 g/cm3
? qvi—— 计算开度处的流量 m3/h
? 3.阀体部件口径的计算
? 计算方法,
? 确定计算流量 qvmax(qvmin)
? 确定计算压差△ Pmin(△ Pmax)
? 确定流量系数 Cmax
? 选择流量系数 C选
? 验算气动调节阀的开度 Kmax(Kmin)
? 验算可调比 R实际
? 确定阀体部件的口径 Dg
? (1)确定计算流量 qvmax(qvmin)
? 根据：生产能力、负荷大小、操作条件、
调节质量综合考虑。
? 注意,
? 余量不能过大或过小
? (2)确定计算压差△ Pmin(△ Pmax)
? 根据：流量特性、阀阻比、压力分配、管
道损失综合考虑
? 注意,
? 调节性能要好，动力损失要小。
? (3)确定流量系数 Cmax
? 根据公式计算
? (4)选择流量系数 C选
? 在标准系列中，选大于 Cmax那一档的数值
? (5)验算气动调节阀的开度 Kmax(Kmin)
? 根据公式计算
? (6)验算可调比 R实际
? 根据公式验算
? (7)确定阀体部件的口径 Dg
? 根据 C选 确定
? 五,气动阀门定位器
? （一）用途
? 1.用于高压差场合
? 2.用于高压、高温或低温介质的场合
? 3.用于含有固体悬浮物或粘性介质的场合
? 4.用于阀体部件大口径的场合
? 5.用于增加执行机构动作速度的场合
? 6.用于分程控制的场合
? 7.用于改善阀体部件流量特性的场合
? (二 )原理
? 作业,
? 1.阀体部件的阀芯曲面形状和流量特性有什
么关系？
? 2.用那些方法可以改变调节阀的流量特性，
那种方法比较简单？
? 3.某液体的 qv=18m3/h,ρ=1g/cm3，
p1=2.5× 102kpa,p2=2× 102kpa时，气动调
节阀的流量系数 c=?
? 4.什么情况下应该选用气动阀门定位器？
? 5.有两个气动调节阀，可调比 R1=R2=30，第
一个阀的 qvmax1=100m3/h，第二个阀的
qvmax2=4m3/h，若采用分程调节，其可调比
为多少？
? 6.某直线流量特性的调节阀,qvmax=60m3/h
,qvmin=3m3/h，若全行程为 10mm，那么在
4mm行程时的流量为多少？
? 7.某对数流量特性的调节阀,R=25，若
qvmax=85m3/h，那么开度在 2/3时流量为多少
？
谢谢
