控制阀的口径计算.docx
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控制阀的口径计算
控制阀的口径计算
一、引言
控制阀（调节阀）在工业生产过程自控系统中的作用犹如“手足”，其重要性是不言而喻的。
如何使用户获得满意的产品，除了制造上的精工细作外，还取决于正确的口径计算，产品选型，材料选用等，而其前提是要准确掌握介质、流量、压力、温度、比重等工艺参数和技术要求。
这是供需双方务必充分注意的。
本手册编制参考了国内外有关专业文献，也结合了我厂长期来产品选型计算中的实际经验。
二、术语定义
1、调节阀的流量系数
流量系数Kv值的定义：
当调节阀全开，阀两端压差为1X102Kpa（1.03巴）时,流体比重为1g/cm3的5°C〜40°C水，每小时流过调节阀的立方米数或吨数。
Kv是无量纲，仅采用m3/h或T/h的数值。
Cv值则是当阀全开，阀前后压差1PSi，室温水每分钟流过阀门的美加仑数。
Cv=1.167Kv。
确定调节阀口径的依据是流量系数Kv值或Cv值。
所以正确计算Kv（Cv）值就关系到能否保证调节品质和工程的经济性。
若口径选得过大，不仅不经济，而且调节阀经常工作在小开度，会影响控制质量，易引起振荡和噪音，密封面易冲蚀，缩短阀的使用寿命。
若口径选得过小，会使调节阀工作开度过大，超负荷运行，甚至不能满足最大流量要求，调节特性差，容易出现事故。
所以口径的选择必须合理,其要求是保证最大流量Qmax时阀的最大开度KmaxW90%,实际工作开度在40一80%为宜，最小流量Qmin时的开度KminN10%。
如兼顾生产发展，Kmax可选在70—80%，但必须满足Kmin<10%o对高压阀、双座阀、蝶阀等小开度冲刷厉害或稳定性差的阀则应大于20%〜30%。
2、压差
压差是介质流动的必要条件，调节阀的压差为介质流经阀时的前后压力之差，即AP=P1-P2o在亚临界流状态下，压差的大小直接影响流量的大小。
调节阀全开压差是有控制的，其与整个系统压降之比（称S）是评定调节阀调节性能好坏的依据，如果流量波动较大时，S值应大些；波动小，也应小些。
S值小可节能，但太小，工作流量特性畸变厉害，降低调节品质；S值大，虽能提高调节品质，但能耗太大，所以S最好限制在0.15〜0.3。
3、流量
根据生产能力，设备负荷和介质状况由工艺设计、确定最大流量Qmax、正常流量（工艺流程最大流量）Qnor和最小流量Qmin。
为确保安全，避免调节阀在全开位置上运行。
应使Qmax=1.25〜1.6Qnor。
4、闪蒸、临界压差
液体流经调节阀时，由于节流处流速增大，压力降低，当压力降至饱和蒸汽压时，部分液体就会气化并以汽泡的形式存在，若在下游压力等于或低于入口温度的饱和蒸汽压时，汽泡未破裂，而夹在液体中成二相流流出调节阀，此过程称为“闪蒸”。
闪蒸一般不会破坏节流元件，但会产生阻塞流，使调节阀流量减小，此时流量Q基本上不随压差3P的增加而增加。
阻塞流动会产生噪音和振动。
产生阻塞流的压差称为临界压差△PC。
5、空化、压力恢复系数
液体流经调节阀时，缩流断面流速加快，压力下降，当压力降到低于入口温度饱和蒸汽压（Pv）,造成部分液体转变成蒸汽，出现汽泡，随后由于流速下降压力恢复使汽泡破裂。
从汽泡形成到破裂的全过程称为空化，汽泡破裂，会释放巨大空化能，对节流元件产生破坏，并伴有噪声和振动，即谓气蚀，这是高压差场合调节阀选型必须考虑的。
△Pc=Fl2[Pi-（0.96-0.28VPv/Pc.Pv）]
式中：
Fl一压力恢复系数，又称临界流量系数Cf（Criticalflowfactor），表征不同结构阀造成的压力恢复，以修正流量系数计算误差，并参与判别流动状态。
Fl=V^Pc/^Pvc=V^Pc/（Pi-Pv）,各种阀的Fl见表一。
Pv一液体入口温度下的饱和蒸汽压（ata，100kPa）（见“物理化学手册”-上海科技出版社1985.12）。
Pc一热力学临界压力，kgf/cm2（ata），（见附表四、五），（水Pc=25.565）Pi一阀上游压力（ata），100kPa
△Pvc一产生闪蒸时缩流处压差，^Pvc=P1-Pv，（ata，100kPa）△Pc一产生闪蒸时阀前后压差，也称临界压差，（ata,100kPa）
三、调节阀流量系数的计算
1、液体
1）公制公式
流动状态
亚临界流^P临界流△P^^Pc
体积流量
Kv=QG
V△P
Kv=QVG
Fl△Pc
重量流量
W
W
Kv=
"△P.G
Kv=
FlVG^PC
式中：
Q—体积流量Nm3/h
W一重量流量T/h
△P—实际压降，AP=进口压力Pi一出口压力P2，bar，（ata）,
bar一大气压力单位，1bar=1.02kgf/cm2=750mmHg
Fl一阀全开时的压力恢复系数（见表一）
△Pc—临界压差，当Pv〈0.5Pi,APVAPc时，［APc=Fl2（Pi-Pv）］，为正常流动，以AP代入。
当Pv>0.5Pi,△P^APc，意味着有较大闪蒸，出现气蚀，此时以△Pc=Fl2［Pi-（0.96-0.28VPi/Pc）.Pv］代入。
如绝对不允许出现气蚀时,用初始气蚀系数KC代替式中Fl，（“Kc”见表一）。
式中：
Pv一液体入口温度下的饱和蒸汽压，bar（ata），（见附表）。
25°C水Pv=0.032Xi02kPa
Pc一热力学临界压力，bar（ata）o
G—比重，（水=i）
2）英制公式
流动状态
亚临界流^P临界流△P^^Pc
体积流量
Cv=QV依
△P
Cv=Q_V互
Fl△Pc
重量流量
W
W
Cv=
500V^P.G
Cv=
500FlVG.^Pc
式中：
Q一流量，gpm/分
W一流量，磅/小时
△P—实际压降，Pi-P2，psi（ata）
2、气体
式中：
Q—体积流量Nm3/h
W一重量流量1000kg/h
G一气体在标准状态下的比重（空气=1.0）
Gg一流体流动温度下的比重,Gg=G（288/T）
T--流体流动时温度。
K（273+°C）,绝对温度
Fl一阀全开时的压力恢复系数
P］、P2一阀前、阀后绝对压力（ata）,100kPa,（ata）=表压（G）+1.03
2）英制公式
流动状态
亚临界流AP/P1<0.5Fl2
临界流△P/P1^0.5Fl2
体积流量
Cv=Q_"GT
963△?
（P1-P2）
Cv=Q"GT
834P1Fl
重量流量
W
W
Cv=
3.22"AP（P1+P2）Gg
Cv=
2.8FlP1"Gg
式中：
Q一绝对压力为14.7磅/英寸2,温度为60°F时气体流量，标准（英尺）3/小时。
W一重量流量，磅/小时
T一流体流动时温度T=460+°F
Gg一流体流动温度下的比重Gg=G.520/T
△P--P1-P2,psi（ata）
P1、P2—上游、下游绝对压力，psi
3、蒸汽
1）公制公式
流动状态
亚临界流AP/P1<0.5Fl2
△P/P1^0.5Fl2
饱和蒸汽
84.5W
97.7W
Kv=
"△P（P1+P2）
Kv=
P1Fl
过热蒸汽
Kv=845（1+000126E）W
Kv=977（1+000126At）W
"△P（P1+P2）
FlP1
式中：
W一蒸汽重量流量1000kg/h
△t一蒸汽过热温度C,指相同压力过热水蒸汽比饱和水蒸汽过热的温度，即△t=过热水蒸汽温度一饱和水蒸汽温度。
饱和水蒸汽的^1=0。
Pi、P2—阀前、阀后绝对压力（ata）,100kPa
2）英制公式
流动状态
△P△PNP1/2Fl2
饱和蒸汽
W
Cv=
2.12VAP（P1+P2）
W
Cv=
1.84P1Fl
过热蒸汽
Cv=W（1+0.0007XTsh）
2.12VAP（P1+P2）
Cv=W（1+0.0007XTsh）
1.84FlP1
式中：
W一最大流量1b/h
Pi、P2--上游、下游绝对压力psi；K—Tsh--过热温度。
F
四、几种特殊流体Kv值的修正计算
1、高粘度和层流
当液体的运动粘度Y>20CST（厘海）或100SSU（赛波特秒），或流体雷诺数Rev<10-4时，液体处于层流低速流动，其流量和压差不再是平方关系而渐趋直线，此时对按液体公式计算的Kv值要用雷诺修正数修正：
Kv'=Kv
计算调节阀Rev的公式：
1）对只有一个流路的调节阀，如单座、套筒、球阀等：
Rev=70700Ql
y"f
2）对于有二个平行流路的调节阀，如双座阀、蝶阀、偏心旋转阀等：
Rev=49490Ql
y"-式中：
QL—液体体积流量Nm3/h
FL--液体压力恢复系数
Y一运动粘度（CST，厘港）10-6m2/s,与动力粘度u（CP.厘泊,10-3N.S/m2）的关系。
Y=U
P（密度）
2、可压缩气体：
气体、蒸汽介质压力N0.7MPa时，由于气体的可压缩性,其计算的Kv值必须用压缩系数Z来修正：
Kv=QVG.（273+r）.Z
300.Fl.Pi（Y-0.148Y3）
式中：
Z由图五、六查取、
3、低压差气体和蒸汽的计算修正，
当P2W0.2P1时原公式计算的Kv（Cv）存在一定误差，最大时接近12%,因此为精确起见，应将前述气体,蒸汽的临界流公式计算值除以（Y-0.148Y3）作修正，Y=1.63”一
FlP1
公式类别
英制
公制
气体
体积流量
Cv=Q”G（273+t）
Kv=Q”G（273+t）
834PiFl（Y-0.148Y3）
300PiFl（Y-0.148Y3）
重量流量
Cv=W
Kv=47W
2.8PtFLVGg（Y-0.148Y3）
P1Fl^G（Y-0.148Y3）
饱和蒸汽
Cv=W
Kv=71.5W
1.84P]Fl（Y-0.148Y3）
P]Fl（Y-0.148Y3）
过热蒸汽
Cv=WK
1.84P]Fl（Y-0.148Y3）
Kv=71.5W（1+0.00126At）
P]Fl（Y-0.148Y3）
4、两相流Kv值的计算
1）液体与非凝气体进入控制阀，若没有发生液体汽化，而且流速能保持一种湍流的均匀混合流：
Kv=_44.3W_
”△P（W1+W2）
式中：
W一重量流量kg/hWl、W2—上游、下游重度kg/cm3
2）液体及其蒸汽进入控制阀，发生更多的液体汽化，如果流速能保持一种湍流的均匀混合流：
Kv=_31.3_
3）假若液体和蒸汽均匀混合以等速运动，如果进入控制阀的蒸汽分量过小，且APC〈△P（W），采用液体有关气蚀的公式。
72.8G
五、渐缩管对Kv值的影响
当控制阀装在渐缩管中间时，阀的实际流量将减小，故要修正。
1）亚临界流：
Kv=Kv计算
R
式中：
R一装有渐缩管对亚临界流容量修正系数（见表二）
（a）阀出、入口均装有渐缩管。
R=/l-1.5（'l-d2'）2（Kv）2
D20.047d2
式中：
d一控制阀公称通径mm
D一管道公称通径mm
Kv一阀的流量系数
（b）仅阀出口装渐缩管，或入口装有<40。
渐缩管和出口装渐缩管时亚临界流容量
R=V1-（1-d2）（Kv）2
D20.047d2
2）临界流
为补偿渐缩管在临界流条件下的压力损失，在相应的临界流公式上用FLr代替Fl,以
便在口径计算中求得最大△?
=（FLr））2.APc
R
FLr和FLr的数值分别列于表一和表二。
R
六、对计算Kv（Cv）值的放大，圆整和口径选择。
按最大流量或正常流量计算得的Kv（Cv）max或Kv（Cv）nor值要作适当放大。
其放大系数m是指圆整选定后的Kv值与Kvmax或Kvnor的比值：
m=Kv>1.15或K>2.5,
KvmaxKvnor
m的取值与选择的条件、流量特性、可调比、对应的工作开度要求（10%<_L<90%）及
L
是否考虑生产发展等因素有关。
m的一般取值如下表。
m计算值
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9•
直线
7.69
4.41
3.09
2.38
1.94
1.63
1.41
1.24
1.11
30
等百分比
21.4
15.2
10.8
7.70
5.48
3.90
2.77
1.97
1.41
平方根
4.61
2.62
1.90
1.53
1.32
1.18
1.10
1.04
1.01
抛物线
14.3
8.35
5.46
3.85
2.86
2.21
1.76
1.43
1.18
直线
8.47
4.63
3.18
2.43
1.96
1.64
1.42
1.24
1.11
50
等百分比
33.8
22.9
15.5
10.4
7.07
4.78
3.23
2.19
1.48
平方根
4.85
2.68
1.92
1.54
1.32
1.18
1.10
1.04
1.01
抛物线
19.4
10.2
6.28
4.25
3.07
2.32
1.81
1.46
1.20
注：
一卜为相对行程（即开度）
m的计算式
直线特性：
m=R
（）（R-1）+1
L
（1-1）
等百分比：
m=R
式中：
R—可调比（见表），1—阀的实际开度,
L一阀的最大开度L-阀的相对行程
七、控制阀的开度验算和不同开度的流量计算
1、开度验算公式：
等百分比：
L=1-logm
LlogR
平方根：
1_=1-"R（m-1）
Lm（R-1）
式中：
计算最大开度时的m=Kv
Kvmax
计算最小开度时的m=Kv
Kvmin
式中：
Kv为所选阀口径的对应的Kv值。
Kvmax、Kvmin均为计算值。
直线：
1_=R-m
L（R-1）m
抛物线：
1_="R/m-1
L"R-1
最小流量时的开度不小于10%。
实际工作开度以
调节阀最大流量时的开度不超过90%
30〜80%为宜。
可调比R由所选阀的类型确定，见下表：
阀类
轻小型P、
N、M、S
精小型P、
M，
CV300系列
V型、0
型球阀
蝶阀
偏心旋转阀
三通分流、合流阀
阀体分离阀
R
30
50
300
20
100
10
30
2、不同开度的流量计算
根据下表，当Qmax为已知时，则很容易计算出相对开度下的流量Q。
如阀的R=30时，Qmax=40T，则50%开度时的直线特性阀的流量Q=40X51.7%=20.68T，等百分比R=50的阀为40TX18.3%=7.32T，当开度不在表列数时，可按下式计算。
（1-l
）
由_Q_=R
L
和Q=
1[1+（R+1）□得
Qmax
Qmax
RL
（1-l）
L
等百分比特性阀：
Q=QmaxR
直线特性阀：
Q=1[1+（R+l）L]
RL
例：
有Qmax=60Nm3/h，Qmin=2Nm3/h的等百分比阀，求开度25%时的理想流量Q为多少？
R=Qmax=60=30（1-l）
Qmin2QmaxRL=60X30（（25%-1））=4.68Nm3/h
当阀为直线特性时
Q=Qmax1[1+（R+l）l_]=60XL[1+（30+1）1]=17.5Nm3/h
六.口径计算实例
例1.介质：
25°C水，P1=1.8MPa，P2=1.0MPa，Qmax=220Nm3/h,Qmin=40Nm3/h，要求泄漏等级5X10-3X阀额定容量。
计算：
1）根据泄漏等级选JM,查得Fl=0.92，25C水，Pv=0.032X102kPa，Pc=255.65X102kPa。
2）Pv<0.5P1，0.032<18，AP=18-10=8X102kPa2
=0.92（18-0.032）=16.5X102kPa。
判为一般流动。
3）Kvmax=Qmax乂工=2201=77.8，Kvmin=Qmin乂工=40J1=14.1
△P8AP8
4）JM阀R=50，选等百分比特性，_L=0.9时，m=1.48则Kv=77.8X1.48=115.1，
L
选DN=100，Kv=160
5）开度验算
Kmax=1-logm=1-log160/77.8=81.5%，（<90%，合格）
logRlog50
Kmin=1-logm=1-log160/14.1=37.9%,（>10%，合格）
LogRlog50
6）R=Qmax=77.8=5.5（>3.5，能满足）。
Qmin14.1
例2.介质空气，P1=6.9MPa，P2=0.55MPa，Qmax=2830Nm3/h，t=20C，T=273+20C=293C，G=1，要求泄漏等级1X10-4X阀额定容量。
解：
1）选JP，Fl=0.9
2）AP=6.9-0.55=6.35
3）AP=6.35=0.920.5Fl2=0.5X0.92=0.41，AP>0.5Fl2，判为临界流。
P16.9P1
4）V6.9>0.7，应引入压缩系数修正，
Pr=P1=69=1.8,Tr=T=293=2.21
Pc38.4Tc132.42
查表三，Z=0.965,Y=1.63AP=\J6363^=1.74
FlP10.969
5）Kv=QVGTZ=28300"1X293X0.965=32.25
300FlP1（Y-0.148Y3）300X0.9X69X（1.74-0.148X1.743）
Kv'=32.25X1.48=47.73
6）选JPDN65,Kv=63，阀芯、阀座堆硬。
例3.介质过热蒸汽，P1=7X100kPa,P2=7X100kPa,W=6800Kg,过热温度^t=21°C,要求泄漏等级1X10-4,
解：
1）选JP,Fl=0.9,R=50
2）AP=6.9-0.55=6.35
3）AP=4.9=0.7,0.5Fl2=0.5X0.92=0.405,AP>0.5Fl2，判为临界流
P17P1
4）Kv=71.7（l+0.00126At）W=71.7（l+0.00126X21）X6.8=79.4
FlP10.9X7
5）选等百分比特性，Kv'=79.4X1.48=117.5
6）选DN=100,Kv=160,阀芯、阀座堆硬。
例4.介质90号导轨油，y=100CST,Qmax=17Nm3/h,P1=5X100kPa（ata）,P2=4.5X100kPa（ata）,G=0.9,进口温度50C,
解：
1）由于Y>20CST,故须以雷诺系数Fr修正
2）Kv计=。
£=170.9=22.8
AP（5-4.5）
Kv'=22.8X1.48=33.76初选JPDN50,Kv=40,Fl=0.9
3）计算雷诺数
Rev=70700Qmax=70700X15=2341.1
yVF.Kv计100V0.9X22.8
查图二曲线得Fr=0.9,
4）修正Kv=228=25.3
0.9
5）Kv=25.3X1.48=37.5，选DN50,Kv=40
例5、按上例4,如当阀出入口均有DN80渐缩管时，D/d=80/50=1.6,由表二查得修正系数R=0.95,
Kv'=Kv计=25.3=26.6Kv=26.6X1.48=39.4
R0.95
仍可按原选DN50,Kv=40
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