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第6章控制硬件:电动/
蒸汽系统的
控制阀选型
蒸汽和冷凝水系统手册
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第6章控制硬件:电动/
蒸汽系统的控制阀选型
在讨论蒸汽系统的控制阀的选型之前,有必要对蒸汽在换热应用中的一些特性做一下回顾。
蒸汽以特定的压力供给至控制阀上游,通过控制阀进入换热器,换热器也工作于特定压力。
蒸汽通过控制阀进入设备换热空间,同换热器表面接触。
蒸汽在换热表面冷凝,产生冷凝水。
冷凝水的体积比蒸汽的体积小很多,也就是说,当蒸汽冷凝后,蒸汽空间的压力下降。
蒸汽空间压力下降会导致控制阀的上下游存在压差,蒸汽会从高压区(控制阀上游)流向低压区(设
备内的蒸汽空间),流量同压差成某种比例关系,与蒸汽冷凝的速率平衡。
进入蒸汽空间的蒸汽量取决于压差和阀门的口径。在任何时候,如果通过阀门的蒸汽量小于蒸汽的冷
凝量(可能阀门太小),换热器内的蒸汽压力和换热率会减小到要求值以下,换热器就无法满足所要
求的热负荷。
如果使用调节控制系统,当制程的温度接近控制器的设定值时,控制器会将阀门关小相应的量,
因此会减小蒸汽的量来维持低热负荷下所需要的低压。(阀门的开启和关闭通常指的是“阀
门开度”的增加和减小;“控制阀特性”中介绍)。
关小阀门会减小流量,蒸汽空间的压力和温度下降。这样蒸汽和制程之间的温差会减小,换热率
会降低,。
Q = UA ∆ T M
式中:
Q = 单位时间的换热量(W (J / s));
U = 总的换热系数(W/m2·℃);
A = 换热面积(m2) ;
∆TM = 蒸汽和二次侧流体间的平均温差(℃)。
总换热系数(U)不会有大的改变,面积(A)是固定的,因此如果平均温差(∆TM)减小,从蒸汽
侧到二次侧的换热量也会减少。
饱和蒸汽流过控制阀
换热器的制造商会按照一定的输出热量要求进行设计。为达到这个热量输出,在换热表面(如壳管式
换热器的换热盘管内侧)需要一定的饱和蒸汽温度。对饱和蒸汽,温度和压力一一对应,因此通过控制蒸
汽的压力就可以很简单实现温度控制。
假设控制阀前蒸汽的供汽压力是10 bar g,一定流量的蒸汽通过控制阀进入换热器。阀门处于全开状
态()。
如果安装的阀门是DN50,阀门处于全开状态,通过阀门的压降相对较小,供给换热器的蒸汽的压力
(和温度)相对较高。因此,为达到设计负载所需要的换热盘管相对较小。
现在考虑,一个DN40的阀门处于全开状态,通过与DN50阀门相同的流量。因为阀门的流通面积变
小了,所以通过阀门的压降会增大,进入换热盘管的蒸汽的压力(和温度)会降低。因此,为达到同
样的热负荷所需要的换热面积会增加。换句话说,需要一个稍大一点的换热盘管或换热器。
继续减小阀门的口径,相同流量的蒸汽通过控制阀的压降会更大,为了维持相同的热量输出需要进一
步增加换热面积。
DN50
控制阀
bar g
10 bar g
P1 P2
蒸汽和冷凝水系统手册
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第6章控制硬件:电动/
DN40
控制阀
9 bar g
10 bar g
P1 P2
DN32
控制阀
5 bar g
10 bar g
P1 P2
通过全开的控制阀的流动
不管阀门口径多大,当制程的需求量减小时,阀门必须从全开向关的位置调节。但是,在最初一
段行程内调节作用比较小,阀门行程的变化百分比引起很小的流量的变化百分比。通常,10%的行程变
化可能只引起5%的流量改变。行程更大时,当阀芯接近阀座时,5%的行程的改变可能会引起10%的流
量的改变,可以得到比较好的调节。
如果选择大的控制阀,可以看到控制作用小的起始行程部分会增大,而在全负载的时候的压降也比较
小。当控制阀选得足够小的话,全负载的时候需要“临界压降”,这种行程的影响就会消失。临界压降会
在下面的部分进行介绍。
此外,如果选择大的控制阀,阀门流通面积增大,给定流量的改变需要的阀门行程的改变会比小口径
控制阀要小。
这样经常会引起控制不稳定,增加“振荡”的可能性,尤其是在负荷减小时。
临界压力
通过控制阀的质量流量会随着压差的增大而增加,直到达到“临界压力”状态。我们可以通过喷嘴的
工作原理以及同控制阀的比较来进行解释。
假设一个接近理想的小孔