摘要：依據(jù)調(diào)節(jié)閥流量特性的數(shù)學(xué)方程，導(dǎo)出了流量特性分別為直線型和等百分比型調(diào)節(jié)閥流通截面積的計算公式，指出了現(xiàn)有調(diào)節(jié)閥閥芯形狀設(shè)計中存在的問題，分析了供熱系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的選用原則，認(rèn)為應(yīng)根據(jù)流通能力來計算機選擇調(diào)節(jié)閥的口徑，而不是由連接管的管徑來確定，并認(rèn)為調(diào)節(jié)閥的安裝地點不同，其計算公式中的系數(shù)有差別。
關(guān)鍵詞：閥芯型線 流量特性 流通面積 流通能力
近年來，為解決供熱、空調(diào)系統(tǒng)中的水力失調(diào)、冷熱不均等問題，自動控制系統(tǒng)應(yīng)用得越來越多，因而調(diào)節(jié)閥得到廣泛的應(yīng)用，同時對調(diào)節(jié)閥性能特別是其流量特性的要求也越來越高。
調(diào)節(jié)閥的流量特性，即流量隨閥門開度變化的關(guān)系，取決于閥芯的型線及其在系統(tǒng)中的位置。目前，在閥門設(shè)計時，即使流量特性為百分比型的調(diào)節(jié)閥，在實際工作中也會變成快開特性，使系統(tǒng)無法進行正常的調(diào)節(jié)。其原因是多方面的，但有個重要原因是現(xiàn)有調(diào)節(jié)閥閥芯型線設(shè)計中存在某些問題，使得調(diào)節(jié)閥的工作參數(shù)與設(shè)計參數(shù)不一致，在很多情況下滿足不了運行調(diào)節(jié)的要求。為些，需要對閥芯的型線設(shè)計進行修正。
此外，調(diào)節(jié)閥的規(guī)格或口徑選擇也非常重要，它直接影響到調(diào)節(jié)系統(tǒng)效果的好壞，因此需根據(jù)調(diào)節(jié)對象的特性、調(diào)節(jié)閥的使用場合和流通能力來正確選用調(diào)節(jié)閥。
調(diào)節(jié)閥閥芯形狀基本上可分為3類：柱塞式、開口式和套筒式。但無論何種閥芯，都可以具有相同的流量特性，每一種流量特性都有相同的數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)方程。目前應(yīng)用最為廣泛的有直線流量特性的直線方程和等百分比流量特性的對數(shù)方程。
直線流量特性和等百分比流量特性均指調(diào)節(jié)閥的理想流量特性，理想流量特性是在閥前后壓差恒定的情況下得到的。顯然，在實際工況下閥前后的壓差不是恒定的。因此研究調(diào)節(jié)閥最主要的是研究其工作特性，即實際工況下流量與閥門開度變化的關(guān)系。
由文獻[1]可知：直線流量特性的數(shù)學(xué)方程：
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式中：G/Gmax--相對流量，即調(diào)節(jié)閥在某一開度下的流量與全開流量之比；
L/Lmax--相對開度，即調(diào)節(jié)閥某一開度下的行程與全開時行程之比；
k--常數(shù)，即調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)。
進而可得：
（2）
式中R為可調(diào)比，即調(diào)節(jié)所能控制的最大流量與最小流量之比，R = Gmax/Gmin。
由等百分比流量特性的數(shù)學(xué)方程
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可得
（4）
式（2）、、（4）只適用于計算機流量特性為直線型和等百分比型的調(diào)節(jié)閥各個開度下的流量，不能用于計算各個開度的流通截面積，而這正是現(xiàn)有調(diào)節(jié)閥閥芯設(shè)計的問題所在，文獻[2]等即認(rèn)為：G/Gmax=F/Fmax。
為了計算各開度下的流通截面積，由文獻[3]可得：
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式中：G--流量，kg/s；
α--流量系數(shù)；
F--調(diào)節(jié)閥的流通截面積，m2；
ρ--介質(zhì)的密度，kg/m3；
Δp--調(diào)節(jié)閥前后的壓差，Pa。
由式（5）可得：
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下角標(biāo)max是指調(diào)節(jié)閥最大行程時的各參數(shù)。
分別聯(lián)立式（2）、（6）和式（5）、（6）可得：
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（8）
式（7）、（8）分別為流量特性曲線是直線型和等百分比型調(diào)節(jié)閥的流通截面積計算公式。其中流量系數(shù)α可依據(jù)文獻[3]查得近似值，亦可以據(jù)其所述原理進行標(biāo)定。
3.1 為了更好地應(yīng)用（7）、（8）兩式，需確定Δpmax、Δp值。Δpmax為調(diào)節(jié)閥全開時閥上的壓差，它與調(diào)節(jié)系統(tǒng)總壓差的比值稱為閥權(quán)度PV[1]，亦稱閥門能力。
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式中PV為調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度；Δpx為系統(tǒng)的阻力壓降，Δpmax+Δpx=Δps。參見圖1。
PV值的大小將關(guān)系到系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量，如圖2[1]所示。在實際的工作中，理想的直線特性趨于快開特性，理想的等百分比特性趨向于直線特性，PV值越小，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量越差。因此，在實際使用中，一般希望PV值最小不低于0.3[1]。
3.2 Δp的計算
Δp是指調(diào)節(jié)閥在某一開度下的壓差。其值在Δpmax和Δpmin（Δpx為調(diào)節(jié)閥最小可調(diào)量流量時的壓差，可取0.95Δps）之間的波動，可以采用內(nèi)插法來進行估算，即視調(diào)節(jié)閥的壓差隨流量成比例變化，則有：
（10）
綜合以上公式可得：
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式中Φ為與閥權(quán)度PV值有關(guān)的系數(shù)， 。
當(dāng)PV=0.3時，Φ＝0.217； PV=0.5，Φ＝0.9。
將式（11）代入式（7）、（8）即可計算出各個開度下的流通截面積，從而可以進行閥芯型線設(shè)計。對于等百分比特性的柱塞式調(diào)節(jié)閥，假設(shè)PV=0.3，L/Lmax=0.5，R=30，則可得出Φ＝2.17 ，G/Gmax=0.138，α/αmax=0.875，代入式（8）、（11）得：F/Fmax=1.4 G/Gmax。顯然，F(xiàn)/Fmax≠G/Gmax，而且偏差很大（與閥權(quán)度PV值的大小有很大關(guān)系）。這表明：在理想情況下設(shè)計的等百分比型調(diào)節(jié)閥不是等百分比型，而是直線型，甚至是快開型（指相對開度從0到很小的一段范圍內(nèi)，相對流量就從0達到80%以上），何況在實際工作中呢？這是調(diào)節(jié)閥閥芯型線設(shè)計的"先天性"缺陷，更加導(dǎo)致了調(diào)節(jié)閥在實際工作中調(diào)節(jié)性能變差。
4.1 選用原則
供熱系統(tǒng)最終目的是熱力工況的平衡，要求在流量改變的同時，散熱器（或換熱器）散熱量適應(yīng)負(fù)荷的變化。就是說，調(diào)節(jié)閥的開度變化與散熱器散熱量的變化成線性關(guān)系，這才是供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)的最佳原則。亦即文獻[1]所述在調(diào)節(jié)過程中，調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)和調(diào)節(jié)對象的放大系數(shù)乘積維持不變。
從文獻[4]可得出散熱器的流量與散熱量之間的關(guān)系，如圖3所示。Q為相對散熱量，指散熱器某一流量下的散熱量與額定流量（設(shè)計流量）下的散熱量的比值，G為散熱器相對流量，曲線1、2、3、4分別表示供回水溫差為10、20、30、40℃時散熱器流量與散熱量之間的關(guān)系。從圖中可以看出：流量小時流量變化對散熱器的散熱量影響大；流量大時影響小，即散熱器的散熱量隨流量變化的放大系數(shù)逐漸減小。
分析圖2、圖3中得：
為了得到散熱器的相對散熱量Q/Qmax和調(diào)節(jié)閥的相對開度L/Lmax的線性關(guān)系，必須選擇等百分比性能的調(diào)節(jié)閥。這一點對于散熱器和換熱器，只要其介質(zhì)為熱水，都是如此，而直線型的調(diào)節(jié)閥將達不到線性關(guān)系的要求。
對于不同的供回水溫差，散熱器放大系數(shù)（曲線的斜率）的變化率不一樣；調(diào)節(jié)閥在不同的安裝地點，閥權(quán)度PV值不同，放大系數(shù)的變化率不一樣。為保證兩個放大系數(shù)的乘積為一常數(shù)，在選用調(diào)節(jié)閥時使其閥門全開時的阻力應(yīng)不一樣。由此可得出：在目前供熱系統(tǒng)中大流量、小溫差運行方式下，調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量變差。
通過以上分析，筆者認(rèn)為熱水供暖系統(tǒng)應(yīng)選用等百分比型調(diào)節(jié)閥，此外還應(yīng)考慮閥門阻力，這一點對于調(diào)節(jié)閥用在不同場合非常重要。一般而言，系統(tǒng)的阻力數(shù)在熱源的分、集水器（注：對于熱源的分、集水器處的調(diào)節(jié)閥，其調(diào)節(jié)對象為整個供熱系統(tǒng)，其散熱量與流量的關(guān)系也類似圖3的形狀[5]）、熱力站處為最大，干線分支處和用戶的熱力入口次之。對于柱塞式、開口式和套筒式閥芯的調(diào)節(jié)閥，它們?nèi)疾捎媒刂归y的閥體，閥芯呈流開狀態(tài)。在相同的測試條件下，一般來說，套筒式調(diào)節(jié)閥阻力最大，開口式其次，柱塞式最小。因此，可認(rèn)為在選擇等百分比調(diào)節(jié)閥時，當(dāng)調(diào)節(jié)對象的阻力較大時，宜選用套筒式或開口式調(diào)節(jié)閥；阻力較小時，這三種調(diào)節(jié)閥都可以用。
當(dāng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)對象為一供熱系統(tǒng)時，如熱源的分、集水器處，干線分支處和用戶的熱力入口處等，調(diào)節(jié)閥起分配流量的作用，即開度與流量的關(guān)系，沒有涉及到閥開度與設(shè)備散熱量的最終關(guān)系。由圖2b可以得出當(dāng)閥權(quán)度PV=0.1時，調(diào)節(jié)閥的工作特性相對開度與相對流量基本成線性關(guān)系，也能起到很好的分配流量的作用。在這種情況下如果還要求如前所述的閥權(quán)度PV≥0.3，那么所選擇的調(diào)節(jié)閥的阻力過大 ，造成系統(tǒng)阻力過大，水泵耗電太大。如果調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)對象為換熱器或散熱器等，為了滿足閥門調(diào)節(jié)與設(shè)備換熱或散熱關(guān)系，最終所要求的是散熱器相對散熱量或換熱器的相對換熱量與調(diào)節(jié)閥的相對開度成線性關(guān)系，這時就有必要要求所選閥門在工作中的閥權(quán)度PV≥0.3。
此外，用戶熱力入口的調(diào)節(jié)閥是安裝在供水管還是回水管上，應(yīng)根據(jù)水壓圖來確定。如果在高層建筑中安裝在供水管上，有可能造成閥后壓力過小（閥門阻力大），部分管道處于負(fù)壓區(qū)，產(chǎn)生倒空現(xiàn)象，此時應(yīng)考慮把調(diào)節(jié)閥安裝在回水管上；反之，對低層建筑就應(yīng)安裝在供水管上，還可以用閥門減壓。
如果熱媒為蒸汽，一定壓力下，汽化潛熱為定值，散熱量或換熱量與蒸汽量成正比，為保證相對散熱量或相對換熱量與調(diào)節(jié)閥的相對開度成線性關(guān)系，僅需要求調(diào)節(jié)閥的工作特性成線性關(guān)系即可。因此當(dāng)系統(tǒng)或設(shè)備阻力較小時，選用直線型調(diào)節(jié)閥；反之，選用等百分比型調(diào)節(jié)閥，但是，此時的閥權(quán)度PV應(yīng)為0.1左右。還應(yīng)注意：如果熱媒為蒸汽，為防止汽壓下降過大，所選擇的調(diào)節(jié)閥的阻力應(yīng)較小。
4.2 調(diào)節(jié)閥的口徑選擇計算
目前在供暖系統(tǒng)設(shè)計中有一部分人往往不進行調(diào)節(jié)閥口徑的選擇計算，一般認(rèn)為多大的管徑選擇多大口徑的閥門，這種觀念是錯誤的。對于調(diào)節(jié)閥一定要按照其流通能力來選擇口徑。從前文已看出，調(diào)節(jié)閥的壓降對于閥芯型線設(shè)計非常重要，對于口徑的選擇亦是如此。選擇計算步驟如下：
確定調(diào)節(jié)閥的壓差Δp
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式中η--系數(shù)，當(dāng)調(diào)節(jié)閥用于熱源的分、集水器處，干線分支處和用戶熱力入口等時，η=0.15～0.5；當(dāng)用于調(diào)節(jié)散熱器或換熱器等時，η=0.5～0.7；
pg--系統(tǒng)或設(shè)備供水壓力，Pa；
ph--系統(tǒng)或設(shè)備回水壓力,Pa。
計算調(diào)節(jié)閥的最大流通能力Gmax
流通能力C是指在調(diào)節(jié)閥全開、閥兩端壓力為105Pa、流體密度ρ為1g/cm3時，每h流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量Gmax，以m3/h計為：
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在調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品規(guī)格中，根據(jù)Cmax值選取大于Cmax且最近一檔的C值，選出調(diào)節(jié)閥的規(guī)格或口徑。
按照如上的步驟即可正確選擇調(diào)節(jié)閥的口徑。文獻[4]也指出：按口徑比管道直徑小的方法選擇用戶熱力入口調(diào)節(jié)閥，從流通能力方面考慮是可行的。具體的口徑比管道直徑應(yīng)該縮小幾號，需根據(jù)供熱系統(tǒng)的設(shè)計條件或設(shè)計水壓圖而定。如果選擇口徑與管道直徑一樣的調(diào)節(jié)閥，按照上面的分析，就有可能造成流通能力過剩，調(diào)節(jié)范圍減小，即實際可調(diào)比R減小，調(diào)節(jié)特性不好，有時會造成系統(tǒng)或設(shè)備無法進行正常的調(diào)節(jié)。
無論是調(diào)節(jié)閥閥芯型線的設(shè)計，還是閥芯形狀和閥門口徑的選擇，其目的都是為了使供熱系統(tǒng)具有良好的可調(diào)性。但是，不同工況下散熱器的散熱特性是不同的（主要是指供回水溫差的不同），其放大系數(shù)也不同；調(diào)節(jié)閥安裝在不同的地點，其閥權(quán)度PV值不同，因而其放大系數(shù)也不同。因此要想使得兩個放大系數(shù)的乘積保持不變，對于工業(yè)產(chǎn)品要求系列化來說是非常困難的，也只有希望散熱器的散熱量隨調(diào)節(jié)閥的開度變化能基本保持線性關(guān)系即可。
綜合以上分析，可得出以下結(jié)論：
調(diào)節(jié)閥的流通截面積計算公式應(yīng)按照（7）、（8）兩式進行計算，不應(yīng)簡單認(rèn)為相對流通截面積等于相對流量；
根據(jù)調(diào)節(jié)對象的不同選擇不同閥芯形狀的等百分比型調(diào)節(jié)閥，同時，如果調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)對象為一系統(tǒng)時，PV≥0.1，如果為一設(shè)備時，PV≥0.3；
對調(diào)節(jié)閥的規(guī)格或口徑應(yīng)根據(jù)閥門的流通能力來選擇計算，調(diào)節(jié)閥的安裝地點不同，其計算公式中的系數(shù)有差別；
用戶入口的調(diào)節(jié)閥是否安裝在供回水管上，應(yīng)根據(jù)水壓圖而定。
1 施俊良.調(diào)節(jié)閥的選擇.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1986.
2 呂召政.用Sharp-PC1501機設(shè)計柱塞型調(diào)節(jié)閥閥瓣型線.閥門，1990,(1).
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5 周清村，史登峰等.連續(xù)供暖與間歇供暖散熱器的散熱特性.東北三省第四屆熱能動力學(xué)術(shù)年會論文,1994.
