一、引言
目前自力式壓差調(diào)節(jié)閥無需外加能源，利用被調(diào)介質(zhì)自身能量為動力源引入執(zhí)行機構(gòu)控制閥芯位置，改變兩端的壓差和流量，使閥前(或閥后)壓力穩(wěn)定，具有動作靈敏，密封性好，壓力設(shè)定點波動力小等優(yōu)點，它集檢測、控制、執(zhí)行諸多功能于一閥，自成一個獨立的儀表控制系統(tǒng)。按閥后、閥前控制分為兩類，即自力式閥后(減壓)調(diào)節(jié)閥和自力式閥前(泄壓)調(diào)節(jié)閥，廣泛用于城市集中供熱、供水、供氣等民用行業(yè)及石油、化工、電力、冶金、輕紡等工業(yè)領(lǐng)域，可對蒸汽、液體、氣體及燃?xì)獾冉橘|(zhì)進(jìn)行減壓穩(wěn)壓或泄壓穩(wěn)壓的自動控制。為了方便自力式壓差調(diào)節(jié)閥的選型與維護(hù)，需要深入的探究其基本原理。
通過對比自力式閥后(減壓)類型的兩種自力式壓差調(diào)節(jié)閥，分析了波紋管平衡型自力式壓差調(diào)節(jié)閥的工作原理和優(yōu)點。
二、波紋管平衡型自力式壓差調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)和原理
1、結(jié)構(gòu)
波紋管平衡型自力式壓差調(diào)節(jié)閥由閥體、閥桿、閥芯、波紋管平衡件、閥座、彈簧、膜片、引壓管組成。波紋管平衡件內(nèi)腔與閥出口連接，而波紋管平衡件外腔則通過引壓管與閥入口連接。作為執(zhí)行機構(gòu)膜片一端與閥桿連接，另一端則通過引壓管與閥出口連接(見圖1)。
2、工作原理
如圖1所示，閥前壓力P1經(jīng)過閥芯、閥座后，減為閥后壓力P2，P2經(jīng)過管道輸入上膜室內(nèi)反饋作用到調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行元件膜片上，產(chǎn)生的作用力與彈簧的反作用力相平衡，決定了閥芯、閥座的相對位置，控制閥后壓力P2。當(dāng)P2升高時，P2作用在膜片上的作用力也隨之增加。此時，膜片上的作用力大于彈簧的反作用力，使閥芯向關(guān)向閥座的位置移動。這時，閥芯與閥座之間的流通面積減少，流阻變大，P2降低，直到膜片上的作用力與彈簧反作用力相平衡為止，閥芯便停留在新的平衡位置上，從而使P2降低，壓力達(dá)到設(shè)定值，閥后壓力得到穩(wěn)定。
三、波紋管平衡型與無平衡元件的自力式壓差調(diào)節(jié)閥的比較
1、無平衡元件的自力式壓差調(diào)節(jié)閥的受力分析
無平衡元件自力式壓力調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)及其靜態(tài)力平衡分析見圖2，當(dāng)工作點設(shè)定好以后，彈簧的預(yù)載一直增加，直到達(dá)到能夠控制系統(tǒng)所要求的設(shè)定值：
式中 FF———彈簧力；
kF———彈簧剛度；
x———彈簧壓縮量；
FM———作用于膜片上的力；
FK———作用于閥芯上的力；
AM———膜片面積；
ΔP———上下游壓差；
AS———閥座面積。
由式(1)可知，系統(tǒng)的擾動變量是上下游壓力差ΔP，流體通過閥體部件，上下游壓力分別作用于閥芯閥桿上，閥芯受到靜壓和動壓所產(chǎn)生的作用力，如果壓力差很大或閥座直徑大由此產(chǎn)生的閥芯力也就很大，將會增加閥體內(nèi)閥芯與閥座之間的靜摩擦力和滑動摩擦力。
由于沒有采取壓力平衡措施，無平衡元件自力式壓差調(diào)節(jié)閥的性能受調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口壓力變化影響較大，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)精度和適用壓力范圍受到限制。對于單座調(diào)節(jié)閥，其不平衡力較大，特別在高壓差大口徑場合不平衡力則更大。為了減少不平衡力的不利影響，提高調(diào)節(jié)閥性能，在設(shè)計中設(shè)計了壓力平衡系統(tǒng)，即波紋管平衡型自力式壓差調(diào)節(jié)閥(見圖3)，通過引壓管將調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口壓力引入到壓力平衡元件———波紋管的內(nèi)外表面，波紋管將相應(yīng)的伸長或縮短，從而平衡了調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口壓差對閥芯的擾動作用力，使調(diào)節(jié)閥的性能有較大提高。
2、波紋管平衡型自力式壓差調(diào)節(jié)閥關(guān)鍵部件的受力分析
(1)波紋管平衡機構(gòu)作用于閥芯的力的分析
由式(1)可知，彈簧剛度的變化、薄膜有效面積的變化以及閥桿和填料之間的摩擦力會使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生非線形偏差和行程偏差，采用了波紋管壓力平衡機構(gòu)，由波紋管作為平衡件平衡閥芯力，下游壓力P2作用于波紋管內(nèi)表面，上游壓力P1作用于波紋管外表面，這樣作用于閥芯上的上游和下游的壓力就可相互平衡：
式中 AB———波紋管橫截面積；
FB———作用于波紋管的力。
如果AB、AS的有效面積可以保持恒等，并且假設(shè)閥芯閥桿的相交叉部分面積忽略不計，用作用在波紋管上的力是可以補償閥芯力FK的，平衡閥芯力是為了實現(xiàn)控制過程的精度。
(2)自力式壓差調(diào)節(jié)閥膜片力的平衡分析
聯(lián)立式(1)、式(2)可以得出：
式中 l———閥芯位移；
xpl———彈簧的預(yù)載壓縮量。
由式(4)可知，隨著出口壓力成比例變化的彈簧的形變量x的變化等同于閥門行程的變化。ΔP和Δl的關(guān)系是不變的，基本上是膜片的大小及彈簧的剛度所決定的一個靜態(tài)常數(shù)。
(3)彈簧復(fù)位力
根據(jù)圖3，彈簧復(fù)位力為：
式中 x———彈簧、波紋管位移；
kB———波紋管剛度；
Fpl———彈簧預(yù)載附加力。
由圖2和圖3中靜態(tài)平衡力的分析比較可得，壓力平衡閥相對于非平衡閥要求較小的執(zhí)行機構(gòu)力。又根據(jù)式(5)可知，彈簧復(fù)位力與波紋管的彈性也有關(guān)連。
四、波紋管平衡型自力式壓差調(diào)節(jié)閥的選用和安裝
1、特點
波紋管平衡型自力式壓差調(diào)節(jié)閥具有以下特點。
(1)無需外加驅(qū)動能源的節(jié)能型自控系統(tǒng)，設(shè)備費用低，適用于爆炸性環(huán)境。
(2)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)工作量小。
(3)設(shè)定點可調(diào)，且范圍較寬，便于用戶在設(shè)定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整。
由于其具有波紋管壓差平衡機構(gòu)，關(guān)閉時閥泄漏量小，并且系統(tǒng)的擾動變量是閥前、閥后壓力差，對閥芯的作用力大大減小，作用在波紋管上的力用來補償閥芯力，使得調(diào)節(jié)閥反應(yīng)靈敏、控制精度較高、允許壓差較大。適用于工業(yè)生產(chǎn)過程中對各種氣體、蒸汽進(jìn)行精密穩(wěn)壓的場合，特別適用于城市供熱、供暖及無外界供電、供氣且又需控制流體及氣體壓力的場合。據(jù)報道，城市供熱、供暖系統(tǒng)采用自力式壓差調(diào)節(jié)閥，節(jié)能效率比以前提高30%～40%，節(jié)能效果顯著。
2、自力式壓差調(diào)節(jié)閥的選用
根據(jù)文獻(xiàn)對氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)特性的分析可知，自力式壓差調(diào)節(jié)閥是一種純比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)，比例控制的優(yōu)點是反應(yīng)快，控制及時，缺點是存在余差。調(diào)節(jié)精度一般為±5%～±10%。適用于調(diào)節(jié)品質(zhì)要求不是很高的場合。
對波紋管平衡型自力式壓差調(diào)節(jié)閥與無平衡元件的自力式壓差調(diào)節(jié)閥的比較可知，波紋管平衡型自力式壓差調(diào)節(jié)閥反應(yīng)靈敏，控制精度相對較高，允許壓差較大，但是波紋管平衡型自力式壓差調(diào)節(jié)閥相對于普通自力式壓差調(diào)節(jié)閥造價較高，使用壽命由于有波紋管平衡件原因而相對較低，管理維護(hù)也較為復(fù)雜。
3、安裝方法
波紋管平衡型自力式壓差調(diào)節(jié)閥符合一般自力式壓差調(diào)節(jié)閥的安裝要求，在供熱系統(tǒng)中安裝方式如圖4所示。自力式壓差調(diào)節(jié)閥安裝方式原則上宜采用氣體介質(zhì)正立安裝(執(zhí)行機構(gòu)在上、閥體在下)，液體與蒸汽介質(zhì)倒裝。氣體介質(zhì)溫度高于70℃，低于140℃、液體介質(zhì)溫度高于140℃時，自力式壓力調(diào)節(jié)閥除采用倒裝外，還應(yīng)在引壓管路上加裝隔離罐，并應(yīng)在引壓管路、隔離罐、膜頭處注滿冷媒，以防膜片受高溫老化。
由圖4可知，在安裝供熱系統(tǒng)時要注意，當(dāng)介質(zhì)溫度小于70℃時，自力式壓力調(diào)節(jié)閥可采用正立安裝，而當(dāng)介質(zhì)溫度大于70℃時，自力式壓差調(diào)節(jié)閥應(yīng)采用倒立安裝。當(dāng)介質(zhì)溫度較高采用倒立安裝的主要原因是，倒立安裝可通過引壓管上裝有的冷凝器，以防引壓管內(nèi)高溫蒸汽的流向與冷凝水的流向相反而造成引壓管阻塞；再者，執(zhí)行機構(gòu)膜片一般不耐高溫，若高溫蒸汽介質(zhì)直接通過引壓管作用于膜片，膜片的力學(xué)性能將會下降。
五、結(jié)論
波紋管平衡型自力式壓差調(diào)節(jié)閥采用有效的壓力平衡措施，主要用于對管道系統(tǒng)中的介質(zhì)壓力進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，并輸出恒定的壓力值，以防止管道內(nèi)介質(zhì)壓力的波動而造成管道及閥門的損壞，保證管道系統(tǒng)的安全運行。由波紋管作為平衡元件平衡閥芯力，使調(diào)節(jié)閥反應(yīng)靈敏、控制精度高、允許壓差大。
波紋管平衡型自力式壓差調(diào)節(jié)閥能依靠介質(zhì)自身的壓力變化達(dá)到自動調(diào)節(jié)和穩(wěn)定壓力的目的，適用于蒸汽、非腐蝕性氣體及低粘度液體的場合，特別適用于城市供熱、供暖及無外界供電、供氣等對調(diào)節(jié)品質(zhì)要求不是很高的控制壓力的場合。
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