控制阀选择要点之控制阀的流量计算

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1、控制阀选择要点之控制阀的流量计算李宝华摘要：工业过程控制阀（Industrial-processControlvalve）是自动控制的终端控制元件，是一种根据用户操作条件而量身定制的产品，通常由阀（调节机构）和执行机构及相关附件组成。控制阀的选择要点有流量计算、噪声预估、适用类型、阀体材料、关闭要求和阀座泄漏量、流量特性、端面连接、密封及填料、相关附件、安全应用，等。这些要点一直备受关注，早有论著，然则用户需求、市场竞争、科技发展，细节必有所变。问读相关，常有点滴收获，亦综合复述。本文试对控制阀选择要点中的流量计算及其理论基础进行探讨。关键词：控制阀

2、；选择要点；流量计算引言工业过程控制阀（Industrial-processControlvalve）是自动控制的终端控制元件，是工业现场使用最多的执行器。控制阀组件或控制阀装置简称控制阀（又称调节阀），是一种根据用户操作条件而量身定制的产品，通常由阀（调节机构）和执行机构及相关附件组成。执行机构用于力或力矩转换和位移转换，阀用于将位移转换为阀芯与阀座间的流通截面积变化。控制阀有多种类型，不同的应用场合有各自适合的解决方案，合理地进行选择才能更好地发挥控制阀在过程控制中的作用。控制阀的选择主要表现在结构类型、作用方式、流量特性和流通口径等方面，其选择

3、要点有流量计算、噪声预估、适用类型、阀体材料、关闭要求和阀座泄漏量、流量特性、端面连接、密封及填料、相关附件、安全应用，等。这些要点一直备受关注，早有论著，然则用户需求、市场竞争、科技发展，细节必有所变。问读相关，常有点滴收获，亦综合复述，试对控制阀选择要点进行探讨。本文重点说明控制阀的流量计算及其理论基础。控制阀的工作原理控制阀的调节机构（阀）也是压力管道元件，通常安装在封闭管道中，本质上是局部阻力可变的节流装置。阀内件形成的流通截面积的变化，起到可变节流作用，影响到管内流动，实现流体量的调节控制。流体作为特定形态的物质，其流动过程必然遵循物质运动

4、的基本原理，包括质量守恒、动量守恒、能量守恒原理。控制阀的流量方程可根据工程流体力学的相关关系进行确定，主要是质量守恒的连续性方程和满足一定条件的能量守恒的伯努利方程。稳态条件的流体在封闭管道内的连续流动符合基于质量守恒原理的连续性方程，即管流在单位时间内流入量与流出量相等：（式1a）（式1b）式中：ρ-平均密度；v-平均速度；A=截面积；qm=质量流量；qv=体积流量连续性方程是质量守恒定律对流体运动的一个基本约束，建立了流体流速与运动面积的关系。对于不可压缩流体（流体密度为常数）的稳态流动，管道各截面上的流体的体积流量相等，说明同一段管道中管径大

5、的截面上平均流速要小，管径小的截面上平均流速要大（图1）；不可压缩流体的非稳态流动但充满管道的，工程上也适用连续性方程，控制阀工程设计及流量计算也据此为基本。对于可压缩流体的稳态流动，在一定流速（如小于102m/s（0.3马赫））和流动中压力变化较小时的可压缩效应不显著以及可接受的流量误差（约2.3%），工程上则将其按不可压缩流体考虑进行计算，否则需要适当的修正系数加入计算。流体流动必有某种推动力作用，如流体重力和流体压力差。控制阀应用所在的充满流体的封闭管道主要是流体的压差流动，流动过程符合满足一定条件的能量守恒方程——伯努利机械能守恒方程。这些条

6、件为无热量传递、无轴功输出、流体不可压缩、稳态流动和理想流体，在一般管道流动系统，都能满足前四个条件。对于无黏假设的理想流体条件，若流速不高、黏性摩擦虽有影响但不显著，可忽视黏性摩擦；或先引入理想流体假设，使问题的分析得到简化，便于导出特征规律，在研究理想流体的流动之后，可再对黏性流体加以修正系数。满足条件的伯努利机械能守恒方程具有重要的实际应用价值，是控制阀流量方程重要的理论基础。丹尼尔伯努利（DanielBemoulli）于1738年提出不可压缩流体在重力场中作定常流动时，沿流线单位质量的动能、位势能和压强（压力）能之和是常数，推出成为流体动力学

7、基本规律的伯努利方程。这表明理想不可压缩流体在稳态流动过程中，其动能、位势能和压力能三者可相互转换，但总机械能是守恒的。伯努利方程基于功能原理进行推导，参见图2设一流管中任取一段流体、在短暂时间△t内从a1b1流至a2b2处，a和b处的压力、流速和高度分别为p1、V1、h1和p2、V2、h2。此时a1b1、a2b2的体积分别为：⊿V1=A1v1⊿t（式2a）⊿V2=A2v2⊿t（式2b）理想流体：⊿V1=⊿V2=⊿V（式5）外力F1和F2做功分别为p1⊿V1、p2⊿V2，总功为：A=p1⊿V–p2⊿V（式3）对于机械能的变化：⊿E=E2–E2图1伯努

8、利管=(Eb1a2+Ea2b2)–(Ea1b1+Eb1a2)（式4）由功能原理，A=⊿E：（式5）（式6）已