控制阀选用漫谈.docx

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控制阀选用漫谈

控制阀选用漫谈

（一）

1前言

我们都知道，空调的出现是为了提供处在一个特定环境里的室内条件满足我们的需求。

最最简单的需求就是温度与湿度。

为了满足这两项需求，我们会去安装冰水主机、安装热交换用的盘管，但这些的确是可以将室内的冷/热负载移除，可是光是这样子的组合就够了吗？

当然不是！

如果需求是温度必须为23±1℃，而室内的热负载又不一定是定值，此时光靠冰水主机送来的冰水及冰水盘管是无法确保这个室内温度要求是可以满足的。

谁能预料室内负载会如何地变化呢？

这个时候，你需要的是随着室内负载的变化来“控制”冰水盘管的热交换能力使其符合室内的负载需求进而得以维持所要求的室内温度需求条件。

于是，接下来的步骤十分清楚，那就是“控制冰水盘管的热交换能力”，但接下来的问题是，要怎么样来控制？

最直接也最普遍的方式就是去控制流进冰水盘管的水量与冰水温度。

而执行此一任务的就是本文所要谈的控制阀。

我们就是利用控制阀与冰水盘管的“相互搭配”来完成我们所期望的任务。

事实上，控制阀并不是有装，它就会乖乖地去把你要的条件给弄出来。

往往会因为搭配不当而造成根本无法控制。

而更严格地讲，所谓的“相互搭配”还不光只是控制阀与冰水盘管这两大主体本身，同时还包含了这两个主要元件所处的管路系统究竟是怎么一回事。

但是，控制阀装是知道要装，而它与冰水盘管，甚至是整个管路系统的搭配也很重要，但要怎么个搭配法才叫做是“相互”呢？

这就不得不牵涉到控制阀的选用了。

2控制阀的特性

一谈到控制阀就不免令人联想到图1的三条曲线。

相信大家对图一所意欲描述的都不会太陌生。

在图1里的A即是所谓的快开型（Quick-OpeningValve）控制阀，从曲线A的特性上来看，你会发现当阀略打开一些（如：

PlugLift由0%到12.5%）时，其所相应的通过流量之变化非常之大！

因此它被名之为快开型的控制阀。

而曲线B则很直接从其特性上看出，它是所谓的线性控制阀（LinearControlValve），因此阀的开度（PlugLift）与其所通过的流量变化是成正比关系。

第三条曲线C，则是最常被用之于空调产业里的等比例阀（EqualPercentagdValve），而所谓的等比例，我们可以从其定义上看出来，假若X代表pulglift，当X=0时是为阀完全关闭而X=1则代表阀全开，而Q则代表流量，Qmax则为阀全开时所通过之流量，则所谓之等比例是为：

此一K即为一常数，是为其等比例之谓。

若将

（1）重新安排并积分之，则有：

式

（2）即代表着曲线C之特性。

就应用层面来看，这三种阀都各有其依其不同之特性而有之运用。

如快开型适用于管路上之关断隔离作用，它能够在你需要全量运作时马上很快地提供你所要需求；但是如果你想要利用它来做流量调节时，恐怕你就会发现你很困扰，因为在从全闭到打开一点点，此时的流量变化已几乎到全量了！

因此，你会很难去控制，尤其是小流量。

而线性控制阀，则是比较适用在流量调节是线性需求，此如利用蒸气作为加热之热盘管，此时由于热负载之变化与蒸气内之流量成正比，因此线性阀正好与此相搭配。

而在一般空调常见的冷水或热水盘管，其盘管之能量控制则必须采用等比例阀。

图2及图3是一般盘管常见之特性曲线，兹不论其表面风速之差异或者是水流量之差异，你可以发现盘管的热交换能力与水流量之关系皆颇相似。

而在X轴的水流量正是必须由控制阀所决定，这一点读者可以参看图4的说明。

在图4里四个框里，（a）代表的正是如图2、图3的盘管特性，而（b）则是如图1里的等比例阀之曲线C，（c）则是我们所希望的控制特性，亦即令盘管的热交换能力与控制阀的开度呈现线性的关系。

从图4里可以发现，由（b）的50%的pluglift可以得到25%左右的waterflowratio，但25%的waterflowratio对盘管而言却是50%的coilcapacityratio，也就是说，最终的结果是50%的pluglift会产生50%的coilcapacityratio！

这个线性关系对控制的运作上是十分重要，毕竟假设它是线性是比较好且容易施作的方式。

但是，要如何挑选控制阀？

要回答这个问题，我们就得来看一看所谓的CV值了。

兹不论控制阀是上述三种阀是上述三种阀中的那一种，其实都有所谓的CV值。

而其定义则如式（3）所示：

其中Q代表流量而△P则横跨控制阀进出口两端的压力差值。

在一般的控制阀选择上都是以满载（亦即阀全开时）之CV值作标示，而事实上，就等比例阀而言，其CV值与阀开度（Travel）是呈现如图5之特性。

而从图5上来看，即使是等比例阀，也有某种程度上之差异。

在一般的控制阀之选择上，多半是求出所要的CV值之后，再依据该CV值去挑选适当的控制阀，这其中在图1里的三种基本控制阀之特性当然也是必须被列入考量。

但是问题又来了，CV值要的如何被求出来？

其实从式（3）里不难看出，把Q除以不就可以了？

但问题是△P究竟该用多少？

这就是一个有趣的课题了。

在接下来的内容，我们将从两个比较极端的系统来探讨（1、2）这个有趣的课题。

3盘管与控制阀之搭配——等压力差源

所谓的等压力差源之系统，此如图6所示。

在此一系统里，主干管之压力差△Ps是维持固定不变，故名之为等压力差源，此△Ps不论控制阀是如何地变动都不受影响。

此一系统由于△Ps是为定值，因此我们便有办法将控制阀与系统之相互关系推导出来。

兹假设△Pvalve代表控制阀的压力损失，而△Ptotal则是该系统之压力损失，亦即包含了控制阀、盘管及其管路等损失，若再细究之，则△Ptotal=△Ps。

而控制阀之流量与压力损失之关系已如式（3）所示，而控制阀以外的系统，其关系则为：

△Ptotal-△Pvalve=△Pcoil（代表）=C·Q2

因此，我们便可以定义一个控制阀压力损失与其他系统之压力损失（不含控制阀）之

比例X如下：

由于不论流量是如何变化，△Ptotal皆保持固定不变，是故我们有：

从式（4）里，我们可以很清楚地发现在不同的X值情况下，亦即控制阀的压力损失与其他无件之压力操作失比值，对整个系统流量在不同控制阀开度下之关系。

从图7到图10可以看见在不同的关于占全系统压力损失（△Ptotal，△Ps）的20%、33%、50%、75%下的不同结果。

而当有了这些阀开度（Travel）与流量通过量之关系，我们便可以再利用如图4的作法去求得其所相应的与盘管结合应用后之关系，此如图11到图14的关系。

从这些图里（图11到图14）不难发现，在图5里的三种等比例阀中，以HighFlowCharacteristics及HighCharacteristicsType的阀在占系统总压操作的50%~75%时其线性度（流量v.s.阀开度）最好。

而LinearType及HighCapacityType（虽然它也是所谓的等比例阀）其线性度就差很多了！

4盘管与控制阀之搭配——变动性压力差源

所谓压力差源之变动性，其系统如图15所示。

此时该系统之压力差是由泵浦所建立，但是就泵浦而言，水量不同，其所建立之扬程（亦即所谓的压力差源）也将会不同，基本上，它是流量愈小其扬程愈大，此如图16所示；而整个水系统元件（不包含控制阀）则是流量愈小则其扬程愈小，且是呈现平方的关系，此亦如图16所示；这两项是相互矛盾，而且渐行渐远（如果把流量变小的话）！

参看图16，其实图中的△Ps即是在选用控制阀时所意欲拥有的压力损失，也就是说利用△Ps来选用控制阀，而流量自当是在设计点的流量。

而当盘管负载下降，此时所需要的水流量自当也会根据图2或图3之特性下降，此时你可以发现系统（不含控制阀）的扬程比原设计点小了很多，也就是说△Ps变压△Ps＇了！

它加大了许多。

这个中大将必须要由控制阀来吸收处理，此一吸收处理是控制阀于提供该流量之情况下，其阀开度与盘管之负载变化特性要几近成正比！

由于此一种系统时性无法如等压力差源之系统般有着公式可兹推求，因此，下面便用实际的泵浦曲线、控制阀（已经选好了Cv值）及盘管特性之整体搭配配作计算。

本文所使用的泵浦资料如参考资料（5）。

系LM系列产品，而控制阀则为参考资料（3）所示。

整个计算基准如表1所示，其计算结果则如图17到图19所示。

你可以从这三张图里发现，HighCapacityType虽为等比例阀，但是一旦其阀开到75%以上时，整个线性度偏移相当地大。

而在选用的三种等比例阀中，当以图18的HighCharacteristicsType的线性度最佳而且以控制阀占整个系统压力损失（含控制阀）达50%以上为最佳。

5讨论

从上面的两个实例来看，相信大概你已经明白在上述的情况里应如何选用控制阀，但是还是有一些地方必须再加以澄清，如果你再回过头仔细去看那一大堆的所谓搭配曲线，你会发殃当阀已开至100%时，盘管也达100%！

这似乎在设计上有个问题，亦即没有一点安全量存在。

所以，在接下来的内容便是要探讨此一问题。

首先，我们且先看一看等压力差源，如果在选用阀时，于计算Cv值时我们将流量乘以1.2倍，但是控制阀的压力损失维护不变，此时会如何？

此时你可以参看图20，这个时候，当控制阀占全系统的50%时依然可以维持相当的线性度，但盘管能力要达至100%对控制阀而言则约在95%的开度左右，也就是说控制阀尚有5%的裕度存在。

不过当控制阀开至100%，对盘管能力的增加量也很有限，这是因为一旦盘管冰水的入口温度固定，单单要靠把水量拉高来提升盘管能力是十分有限的。

而图21则是一个实际的选用实例。

当你所计算的Cv值是为56.69，而实际控制阀所相对应的Cv值确只有44及68两种，你可以发现，选用44时，即使阀是全开，此时的盘管能力仍是小于原设计量，但选用68则约莫有1.2倍的水流量裕度存在，只是盘管能力的增加量并没有20%之多罢了！

其次，我们再来看一看变动性之压力差源之特性。

假若如前例，我们选用HighCharacteristicType阀而且于估算其阀压力损失为整个系统之50%，此如表1所示，所得之Cv值为43.9，于是我们选用44，假若我们选用Cv值为68呢？

亦即如前述般将流量加大至1.2倍？

其结果如图22所示。

此时你会发现，当阀的开度大至80%以上时，整个线性度已经逐渐跑掉了。

如果采用另外一种考量方式，Cv值仍然维持在44而泵浦再往上选大一号，即LM·160/173，其结果又将如何？

此如图23所示。

你会发现整个线性度被维护住，但是盘管能力之增加量十分有限。

最后，我们综合前面的图面及计算，我们有如下几点讨论：

（1）假如想要替控制阀于设计时便保留其操作时之裕度，那么与其从Cv值着手，不如

从有效的压力差源入手。

从上面的各种计算来看，其实预设1.2倍的流量，基本上是等同把控制阀占整个系统的压力降之比例调低是一样的。

因此，会有预设1.2倍之流量后，其线性度会逐渐偏移之现象，尤其是当其压力差源是为变动的情况下。

但是，若将裕度留压力差源，比如说已知会100kPa的可用压力差，但在挑选阀时仅用80kPa，则这多出来的20kPa就可以成为其裕度。

如图23便是一个很好的例子，而其线性度则几乎没有什么偏难。

（2）控制阀于选用时，其压力损失之决定当是愈大，其线性度愈佳，而所谓愈大者，乃

意指其压力损失占整个系统之压力损失之比例之谓。

但在考虑运转成本及可控制度之两者相互平衡下，50%之系统总压损是一个合理的设计点。

（3）就控制阀与盘管之搭配系统而言，本文所举之两个主要实例——固定压力差源及变

动压力差源，其实从控制上来看皆属“定准水温度变流量”之负载控制模式。

而从上述的运算来看，一旦盘管与控制阀两相搭配，想要让盘管超过其原设计能力是十分十分地有限（除非再改变进水之设定温度）。

而利用把阀挑得大一些（亦即比较在原Cv值）来牺牲控制性去抽象取盘管的能力裕度是一件划不来的事。

因此，在当你一旦要采用此一“定进水温度变流量”之系统时，最好很明确地确定盘管的能力是足以应付未来的负载变化，否则届时又必须修改进水温度之设定，也是一件颇为麻烦的事。

（4）阀力差源的大小与控制阀Cv值大小也有着密切的关系。

从上来的讨论里已不难发

现，控制阀的Cv值不宜挑选得达大以免失去可控制度，但如果挑得太小时，由于此时流经盘管的流量小于原设计之需求值，因此即使控制阀已经全开，但是盘管能力也将无法达至原设计之需求量。

反之，如果原设计及所挑选之Cv值皆正确，但因为没有做好压力差源之管理与控制，则上述之现象也会发生。

由此可见，整个水的管路之压力控制与平衡也是一项十分重要的课题。

控制阀选用漫谈

（二）

1前言

在一般的盘管负载能力大小的控制里，比较常见的大致上有两大方向，其一便是所谓的“定进水温度变流量之控制”，其二即是“定流量变进水温度”这两个系统[4]虽言是有这两大系统，但真正要令这两种控制模式被达成则非得要靠控制阀，而且是适切相互匹配的控制阀。

在文[1]里，我们已试着从十分初浅的方式探究“定进水温度变流量”之模式之控制阀之选用，而对于“定流量变进水温度”之系统则并未涉及。

对“定进水温度变流量”之系统我们可以明确地定义出Cv值的选用基准与方法，但在“定流量变进水温度”的系统里是否也是可能?

控制阀在此一系统里又将会是如何地表现呢?

这些都是在文[1]里所未加以说明的。

因此，本文便是拟针对控制阀在定流量变进水温度之系统应用作一些简单的说明。

而由于对此一类系统之应用不太容易再推导出一个一般性的公式，因此也就无法如文[1]中那样可以普通化地说明之。

本文所采用的将完全是以实际的计算实例做说明。

这是必须事先加以说明的。

2定水量变进水温度之控制系统特性

所谓的定水量变进水温度，顾名思义，乃是维持在盘管内的循环水量为一固定值（事实上仍会略有变动），而盘管的负载能力之控制调节则是靠着盘管进水温度的调整来达到盘管本身热交换能力的控制。

其系统的安排示意图则如图1所示。

在作更进一步的说明之前，且先把一些往后会用到的东西先定义清楚：

（1）1→2的压力差，是为suPPlyinletline，表为ΔPl2。

（2）2→3的压力差，（不含盘管之管路损失），名之为circulationline，用ΔP23表示之。

（3）3→2的压力差，名之为bypassline，用ΔP23表示之。

（4）3→4的压力差（不含控制阀之压力损失），是为exitoutletline，采用ΔP34代表之。

（5）各点之绝对压力分别用P1、P2、P3，及P4代表之。

（6）泵浦所建立之扬程用ΔPs代表之。

（7）盘管之水压降用ΔPc代表之。

（8）控制阀所耗损之压力降用ΔPv表示之。

有了上述的表示符号，我们可以先针对此一系统之运作写出如下之等式：

P2+P12=P1

（1）

P2+ΔPs=ΔPc+ΔP23+P3

（2）

ΔP32=P3·P2（3）

P3=P34+ΔPv+P4（4）

从上面四个式子里，由式

（2）及式（3）我们可以推求出：

ΔPs=ΔPc+ΔP23+ΔP32

也就是说，泵浦的选用基准是只要考虑在内圈的循环损失即可。

若再由式（4）、（3）、及

（2）则又可以推导出：

ΔPv=（P1—P4）+ΔP32—ΔP34-ΔP12

则此又代表着APV的计算式。

透过上述的基本等式，我们便可以用电脑程式加以表达，进而模拟控制阀在此一系统的运作特性。

言归正传，若再仔细端详图1，则可以发现：

（1）所谓的定流量乃是意欲藉由泵浦的定吸水量来完成。

（2）所谓的变温度则是利用3→2及1→2的不同温度之流体相互混合来达成。

一般在点1之mainpipe所供应之冰水多为6℃或7℃左右，而盘管之冰水入水温度则在13℃到15℃不等。

所以在定流量的假设前提下，此一控制系统的因子当不再如文[1]的盘管负载能力V．s．流量之变化特性，而是1→2的供应量与3→2的旁通量之相互关系，我们且定义一个混合比（mixingratio）：

因此，此一系统之特性应是与盘管负载能力V．s．混合比有着密切的关系。

此一关系可以参看图2，从图2可以发现，在固定流量之前提下，同样的一只盘管，当混合比达到100％时，亦即完全是6˚C或7˚C的冰水流入盘管内，此刻的盘管能力可以达到原设计要求的200％以上!

但这并不是我们所要的。

如果我们只考虑盘管之能力发挥空间在0～120％间，则如图3所示，此时你会发现此时之关系颇近似线性关系。

这意谓着控制阀本身是什么特性将会直反应到盘管负载能力V．s．控制阀开度之关系上。

由于有了这一层看法，令人联想到线性的控制阀是否也是可用?

在接下来的内容里将会逐渐说明到。

3简单的实例计算

在此，我们将如文[1]般，采用四种不同的控制阀做计算，请参看图4，其中有一种是线性阀，另外三种则是等比例阀。

由于此一系统对混合比有着相当的敏感性，因此也将特别考虑在不同阀开度情下之混合比变化情形。

整个计算之Cv值皆是采用型号[7]上既有的。

其结果分别如图5至图12所示。

从这些关系图，我们可以发现：

（1）阀开度与混合比的关系长成什么样子，则所相应的阀开度与盘度之负载能力之相互关系就长成什么样子。

这正与图3所示之近似线性相呼应。

（2）在这四种阀当中，可以看见得是每一种阀所表现出来的都不相同。

首先，且先看一看线性阀，在Cv值小于24时，从图5及图6可以看出其线性度很不错，但是由于Cv值太小，因此其盘管能力并无法达致100％的满载需求。

可是当Cv=44甚至是68时，整个特性开始有向上凸的倾向。

若不考虑控制阀要完全100％全开之应用，只考虑盘管在120％-20％之运转状况，当CV=44及68的情况下，其线性度皆可以接受，唯独其阀开度之运用在100％到20％的盘管能力运作下欲仅在58％到7％（Cv=68）及69％-9％（Cv=44），似乎是小了一些。

如果整个控制连杆仅有40mm，则真正用得到只有20.4mm·24mm，这样子对于其控制之灵敏度及准确度恐怕会有影响。

其次，我们再看一看Highcapacitytype的等比例阀，乍看之下其线性度很差，尤其从阀开度在75％-100％之间。

但若再仔细看，取盘管能力在120％-20％之间时，它的线性度恐怕是最好的。

但是同线性阀一样，在Cv=85时，盘管能力在100％-20％间，其阀开度相应在59％-16％之间，而Cv=50时则为78％-24％之间，其可用范围似乎是嫌小了一些。

其三，则是看一看Highcharacteristictype之等比例阀之特性。

就如同开度与混合比之特性一样，它是属向下凸的特性。

若单格来看它在盘管能力120％-20％间的状况，则其线性度恐怕是最差的一个。

而就盘管能力在100％-20％间的阀开度，则有Cv=44时，其开度在90％-35％之间而Cv=68时，则其开度为79％-22％间也并不是很大。

因此，最后我们再瞧一瞧Highflowcharacteristictype的阀看看，从整体来看，它的线性度虽没有Highcharacteristictype要来得好但欲比Highcharacteristictype要来好一些，其次是它相应于盘管100％-20％的阀开度，在Cv=44时，其开度约在92％-24％的范围内，而Cv=68时则是在79％-15％之间，我们可以发现，它的阀的连杆的运用距离是最长的，假如连杆仍为40mm，则在Cv=44时，其可用长度为27.2mm!

是这四种阀中最长的一种。

（3）以Highflowcharacteristictype的阀来看，它还有一个特性，亦即Cv值愈大，其线性度愈佳。

在文[1]里，当控制阀与盘管采用串联系统时，Cv值愈大，其与盘管能力之合成特性曲线愈向上凸，在此也是同样有此一特性，只是原本是凸向下，因之，当Cv值不断加大时正好可以把此一差异再拉回来而接近线性，但相对地，阀的连杆可用长度比例也将随着下降，不过通常Cv值愈大，其阀也就愈大，连杆也将跟着愈长，相形之，每单位长度之盘管制冷能力也就未必也会跟着变大，只是阀愈大，则初置成本高而且占空间又碍眼，毕竟不协调嘛!

透过上述的讨论，在接下来的内容里，我们将采用Highflowcharacteristictype的等比例阀且Cv=44来搭配目前之计算系统，整个阀与系统之搭配特性如图13所示。

从图中我们可以发现：

（1）一系统并未真正是定流量的系统，你可以看见，其实它的流量是在7，725L／S-7，91L／S之间变化，当阀愈开愈大，泵浦的阻抗愈小，因而在盘管内流通的流量也随之提升。

（2）出入口端连接点压力差，亦即图一里P3及P2的差值，当控制阀关小时，其压力差最大，由于流量无法顺利控制阀端排出因而导致压力及流量之累积，是故P3会升高；而当控制阀开度愈来愈大，此一差值也就愈来愈小，假若系统之各处压力损失调配不当而阀又挑得太大，当阀开度愈来愈大之时是不排除3→2的流量为零之可能性，也就是完全的6˚C-7˚C的冰水直接跑入盘管内!

有了上述的认识，在接下来的内容里将更进一步看看在此一定流量变进水温度的系统里，其各各不同可能的控制变因对控制阀与整个系统搭配之影响。

4系统设计参数之影响度评估

所谓的设计参数，即是如图1里所示的几个重要压力差因子，概略来讲，大致上有如下几个：

（1）mainpipe之压力差源，亦即P1与P4的差值。

（2）supplyinletline之压力损失，亦即ΔP12，由于在时下的许多顾问公司皆在此处加有平衡阀，是否此处之压力损失的调节有其作用存在，而调节之真正目的又何在?

是否一定要用平衡阀?

的确颇值得探讨。

（3）exitoutletline之压力损失，亦即ΔP34。

（4）bypassline之压力损失，即图1中的即ΔP32之谓。

（5）pumpeffect，即不同的ΔPs，此如泵浦是oversizing时，整个控制会是何光景。

（6）recirculationline之压力损失，即图1中由2→3之间的压力损失（不含盘管）。

 而我们所要评估的指标则是盘管与控制阀之搭配状况。

下面便一一说明之。

首先，且先看一看图14，它是在不同mainpipe之压力差源情况下之搭配状况。

可以预期的，mainpipe的压力差源愈大，则推动低温冰水进入泵浦盘管之循环回路之力量也就愈大，所以你可以发现在相同的阀、相同的阀开度所得到的盘管能力会提升，因为盘管的进口冰水温度降低了。

而有趣的是，当mainpipe之压力差源低于选用盘管时之基准值（本例是为20kPa）时，此时即使控制阀100％全开盘管的负载能力也无法达致100％之原满载要求。

此一讯息告诉我们，不只是定进水温变流量之串联系统对其mainpape之压力差源有着敏感性，其实定流量变进水温度的系统也同样是如此。

而这也正预示着，在做管路设计时，其管路中之压力控制是有其必要性，否则控制阀要如何挑选呢?

但是有趣的就是，往往不必考虑也在选。

其次是图15里所展现的内容。

在该图里所意欲表达的是supplyinletline的压力损失对整个盘管及控制阀搭配之影响度。

控制阀之选择基准为20kPa。

但图15里传达的讯息欲是没有什么太大的影响。

尤其当考虑到100％-20％之原设计考量之使用范围，事实上根本可以说无关痛痒!

看到这样的结果不禁令人联想到在此处装个平衡阀要干什么用?

要平衡什么?

这颇耐人寻味。

但必须留意的是，这是在正确的选择阀后之结果。

其三，且再看看不同exitoutletline之压力损失又会对整个系统之搭配有何影响。

请参看图16，其控制阀之选择基准为l0kPa。

其实同图15一样，好像也是没有什么影响。

其实，你可以看得出来，在阀开得很小时，由于控制阀本身所形成之压力降已大到超过所变动之设计参数，所以根本是小巫见大巫，但当阀逐渐地开大，此一现象也就愈不明显。

所以你可以看见当阀愈开愈大，其差异也就益形明显。

而压损愈大的，水只好比较多往bypassline