摘要：依據調節(jié)閥流量特性的數學方程，導出了流量特性分別為直線型和等百分比型調節(jié)閥流通截面積的計算公式，指出了現有調節(jié)閥閥芯形狀設計中存在的問題，分析了供熱系統(tǒng)中調節(jié)閥的選用原則，認為應根據流通能力來計算機選擇調節(jié)閥的口徑，而不是由連接管的管徑來確定，并認為調節(jié)閥的安裝地點不同，其計算公式中的系數有差別。
關鍵詞：閥芯型線 流量特性 流通面積 流通能力
近年來，為解決供熱、空調系統(tǒng)中的水力失調、冷熱不均等問題，自動控制系統(tǒng)應用得越來越多，因而調節(jié)閥得到廣泛的應用，同時對調節(jié)閥性能特別是其流量特性的要求也越來越高。
調節(jié)閥的流量特性，即流量隨閥門開度變化的關系，取決于閥芯的型線及其在系統(tǒng)中的位置。目前，在閥門設計時，即使流量特性為百分比型的調節(jié)閥，在實際工作中也會變成快開特性，使系統(tǒng)無法進行正常的調節(jié)。其原因是多方面的，但有個重要原因是現有調節(jié)閥閥芯型線設計中存在某些問題，使得調節(jié)閥的工作參數與設計參數不一致，在很多情況下滿足不了運行調節(jié)的要求。為些，需要對閥芯的型線設計進行修正。
此外，調節(jié)閥的規(guī)格或口徑選擇也非常重要，它直接影響到調節(jié)系統(tǒng)效果的好壞，因此需根據調節(jié)對象的特性、調節(jié)閥的使用場合和流通能力來正確選用調節(jié)閥。
調節(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學模型和數學方程。目前應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方程。
直線流量特性和等百分比流量特性均指調節(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系。
由文獻[1]可知：直線流量特性的數學方程：
�。�1）
式中：G/Gmax--相對流量，即調節(jié)閥在某一開度下的流量與全開流量之比；
L/Lmax--相對開度，即調節(jié)閥某一開度下的行程與全開時行程之比；
k--常數，即調節(jié)閥的放大系數。
進而可得：
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式中R為可調比，即調節(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學方程
�。�3）
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，而這正是現有調節(jié)閥閥芯設計的問題所在，文獻[2]等即認為：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；
F--調節(jié)閥的流通截面積，m2；
ρ--介質的密度，kg/m3；
Δp--調節(jié)閥前后的壓差，Pa。
由式（5）可得：
�。�6）
下角標max是指調節(jié)閥最大行程時的各參數。
分別聯立式（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節(jié)閥的流通截面積計算公式。其中流量系數α可依據文獻[3]查得近似值，亦可以據其所述原理進行標定。
3.1 為了更好地應用（7）、（8）兩式，需確定Δpmax、Δp值。Δpmax為調節(jié)閥全開時閥上的壓差，它與調節(jié)系統(tǒng)總壓差的比值稱為閥權度PV[1]，亦稱閥門能力。
�。�9）
式中PV為調節(jié)閥的閥權度；Δpx為系統(tǒng)的阻力壓降，Δpmax+Δpx=Δps。參見圖1。
PV值的大小將關系到系統(tǒng)的調節(jié)質量，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)的調節(jié)質量越差。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是指調節(jié)閥在某一開度下的壓差。其值在Δpmax和Δpmin（Δpx為調節(jié)閥最小可調量流量時的壓差，可取0.95Δps）之間的波動，可以采用內插法來進行估算，即視調節(jié)閥的壓差隨流量成比例變化，則有：
�。�10）
綜合以上公式可得：
�。�11）
式中Φ為與閥權度PV值有關的系數， 。
當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計。對于等百分比特性的柱塞式調節(jié)閥，假設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/Fmax≠G/Gmax，而且偏差很大（與閥權度PV值的大小有很大關系）。這表明：在理想情況下設計的等百分比型調節(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，相對流量就從0達到80%以上），何況在實際工作中呢？這是調節(jié)閥閥芯型線設計的"先天性"缺陷，更加導致了調節(jié)閥在實際工作中調節(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）散熱量適應負荷的變化。就是說，調節(jié)閥的開度變化與散熱器散熱量的變化成線性關系，這才是供熱系統(tǒng)調節(jié)的最佳原則。亦即文獻[1]所述在調節(jié)過程中，調節(jié)閥的放大系數和調節(jié)對象的放大系數乘積維持不變。
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和調節(jié)閥的相對開度L/Lmax的線性關系，必須選擇等百分比性能的調節(jié)閥。這一點對于散熱器和換熱器，只要其介質為熱水，都是如此，而直線型的調節(jié)閥將達不到線性關系的要求。
對于不同的供回水溫差，散熱器放大系數（曲線的斜率）的變化率不一樣；調節(jié)閥在不同的安裝地點，閥權度PV值不同，放大系數的變化率不一樣。為保證兩個放大系數的乘積為一常數，在選用調節(jié)閥時使其閥門全開時的阻力應不一樣。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，調節(jié)系統(tǒng)調節(jié)質量變差。
通過以上分析，筆者認為熱水供暖系統(tǒng)應選用等百分比型調節(jié)閥，此外還應考慮閥門阻力，這一點對于調節(jié)閥用在不同場合非常重要。一般而言，系統(tǒng)的阻力數在熱源的分、集水器（注：對于熱源的分、集水器處的調節(jié)閥，其調節(jié)對象為整個供熱系統(tǒng)，其散熱量與流量的關系也類似圖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節(jié)閥，它們全都采用截止閥的閥體，閥芯呈流開狀態(tài)。在相同的測試條件下，一般來說，套筒式調節(jié)閥阻力最大，開口式其次，柱塞式最小。因此，可認為在選擇等百分比調節(jié)閥時，當調節(jié)對象的阻力較大時，宜選用套筒式或開口式調節(jié)閥；阻力較小時，這三種調節(jié)閥都可以用。
當調節(jié)閥的調節(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，調節(jié)閥起分配流量的作用，即開度與流量的關系，沒有涉及到閥開度與設備散熱量的最終關系。由圖2b可以得出當閥權度PV=0.1時，調節(jié)閥的工作特性相對開度與相對流量基本成線性關系，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度PV≥0.3，那么所選擇的調節(jié)閥的阻力過大 ，造成系統(tǒng)阻力過大，水泵耗電太大。如果調節(jié)閥的調節(jié)對象為換熱器或散熱器等，為了滿足閥門調節(jié)與設備換熱或散熱關系，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節(jié)閥的相對開度成線性關系，這時就有必要要求所選閥門在工作中的閥權度PV≥0.3。
此外，用戶熱力入口的調節(jié)閥是安裝在供水管還是回水管上，應根據水壓圖來確定。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�。ㄩy門阻力大），部分管道處于負壓區(qū)，產生倒空現象，此時應考慮把調節(jié)閥安裝在回水管上；反之，對低層建筑就應安裝在供水管上，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節(jié)閥的相對開度成線性關系，僅需要求調節(jié)閥的工作特性成線性關系即可。因此當系統(tǒng)或設備阻力較小時，選用直線型調節(jié)閥；反之，選用等百分比型調節(jié)閥，但是，此時的閥權度PV應為0.1左右。還應注意：如果熱媒為蒸汽，為防止汽壓下降過大，所選擇的調節(jié)閥的阻力應較小。
4.2 調節(jié)閥的口徑選擇計算
目前在供暖系統(tǒng)設計中有一部分人往往不進行調節(jié)閥口徑的選擇計算，一般認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，調節(jié)閥的壓降對于閥芯型線設計非常重要，對于口徑的選擇亦是如此。選擇計算步驟如下：
確定調節(jié)閥的壓差Δp
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式中η--系數，當調節(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；當用于調節(jié)散熱器或換熱器等時，η=0.5～0.7；
pg--系統(tǒng)或設備供水壓力，Pa；
ph--系統(tǒng)或設備回水壓力,Pa。
計算調節(jié)閥的最大流通能力Gmax
流通能力C是指在調節(jié)閥全開、閥兩端壓力為105Pa、流體密度ρ為1g/cm3時，每h流經調節(jié)閥的流量Gmax，以m3/h計為：
（13）
在調節(jié)閥產品規(guī)格中，根據Cmax值選取大于Cmax且最近一檔的C值，選出調節(jié)閥的規(guī)格或口徑。
按照如上的步驟即可正確選擇調節(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該縮小幾號，需根據供熱系統(tǒng)的設計條件或設計水壓圖而定。如果選擇口徑與管道直徑一樣的調節(jié)閥，按照上面的分析，就有可能造成流通能力過剩，調節(jié)范圍減小，即實際可調比R減小，調節(jié)特性不好，有時會造成系統(tǒng)或設備無法進行正常的調節(jié)。
無論是調節(jié)閥閥芯型線的設計，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），其放大系數也不同；調節(jié)閥安裝在不同的地點，其閥權度PV值不同，因而其放大系數也不同。因此要想使得兩個放大系數的乘積保持不變，對于工業(yè)產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節(jié)閥的開度變化能基本保持線性關系即可。
綜合以上分析，可得出以下結論：
調節(jié)閥的流通截面積計算公式應按照（7）、（8）兩式進行計算，不應簡單認為相對流通截面積等于相對流量；
根據調節(jié)對象的不同選擇不同閥芯形狀的等百分比型調節(jié)閥，同時，如果調節(jié)閥的調節(jié)對象為一系統(tǒng)時，PV≥0.1，如果為一設備時，PV≥0.3；
對調節(jié)閥的規(guī)格或口徑應根據閥門的流通能力來選擇計算，調節(jié)閥的安裝地點不同，其計算公式中的系數有差別；
用戶入口的調節(jié)閥是否安裝在供回水管上，應根據水壓圖而定。
1 施俊良.調節(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機設計柱塞型調節(jié)閥閥瓣型線.閥門，1990,(1).
3 上海工業(yè)自動化儀表研究所.流量測量節(jié)流裝置設計手冊.北京：機械工業(yè)出版社,1973.
4 石兆玉.供熱系統(tǒng)運行調節(jié)與控制.清華大學出版社,1994.
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術年會論文,1994.