Y型料漿調節閥的設計與應用

袁林楓+劉曉凱+張瑩+張玉環+王貴武

摘要： 論述了Y型料漿調節閥的結構、工作原理、性能和特點，著重介紹了該閥的計算方法。

Abstract： The structure， working principle， performance and characteristics of Y type slurry regulating valve are discussed， and the calculation method of the valve is introduced.

關鍵詞： Y型料漿調節閥；閥體；閥瓣

Key words： Y type slurry regulating valve；valve body；disc

中圖分類號：TP214 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）01-0156-02

1 概述

調節閥又稱控制閥，它是過程控制系統中用動力操作改變介質流量的裝置。調節閥由執行器和閥門兩大部分組成，在管網系統中，流量調節系統是由不同類型結構的閥門組成的自動調節系統。歷史的進步，工業的發展，對自動化控制領域的要求越來越高，Y型料漿調節閥，以其流通容量大、流道簡單、流阻小、不平衡力小、易于加工，是鋁工業冶煉工藝系統中一種比較理想的調節類閥門。

2 料漿調節閥的比較

①目前鋁工業冶煉工藝系統使用的料漿調節閥多為針形調節閥或角式調節閥，從實用角度看，其結構還存在較多不足的地方：1）流道彎曲且急（有一個90°彎），自然流阻很大，沖刷磨損較快；2）角式調節閥閥瓣較短，調節性能差，且不穩定；3）流量調節不精確；4）易于發生氣蝕和振動；5）可調比范圍不大（不足常用的R=30：1的標準）；6）基本誤差較大在±5%左右，很難實現±1%的設計要求。

②Y型料漿調節閥，在設計上采用分體組合、直流式閥體，雙曲線長形閥瓣。在使用過程中可大大地改善上述閥門的不足之處。它的流道趨于一條直線，流阻小，雙曲線長形閥瓣調節范圍大，調節誤差小，同時靈敏度也高。工作壓力范圍0.6～10.0MPa，環境工作溫度在425℃左右，Y型料漿調節閥優越性，顯而易見。該閥的主要零件組成如下：1）閥體（左右組合體）2）閥座3）密封墊4）閥瓣5）閥桿6）支架7）防轉塊8）執行機構。執行機構驅動帶動閥桿上、下活動，閥門開啟或關閉，從而實現調節流量的作用。

3 設計原理

保證流道暢通，減小流阻和介質對閥體的沖刷，調節精度高，動作迅速，在設計時采用分體組合的Y型閥體結構，易于更換閥座，采用直流式流道結構，流阻小從而提高 了該閥門的使用壽命（在同樣工況下是針型、角式調節閥門壽命的1.5倍以上）。閥瓣設計成雙曲線長形的幾何形狀，針對Y型結構的特點，運用優化、創新理念，閥體內腔熱噴涂WC合金，閥瓣采用YG8硬質合金和35#金屬組合的結構，閥座整體采用YG8硬質合金，這樣大大提高了閥門的耐磨、耐腐蝕性能，如圖1。

4 Y型料漿調節閥的設計計算

4.1 收集設計參數

通徑、連接形式、公稱壓力、壓差、最大流量、標準流量、最小流量、流量系數、工作溫度、介質特性、控制方式等技術參數。根據閥門在工藝流程中的安裝位置，要進行認真、詳細的計算。

4.2 閥體的設計

為了改變流阻系數，使閥體具有分流和匯流的功能，將閥體設計成分體組合、直流式結構，盡量使閥體內腔的通道截面尺寸均勻相等，減少曲線流道。如圖2所示。

閥體壁厚SB按第四強度理論計算：

SB=+C（1）

式中：SB：考慮腐蝕余量后的閥體壁厚，mm；P：公稱壓力MPa；DN：公稱通徑，mm；C：附加余量，mm。

4.3 流量特性曲線

考慮調節閥的流量特性曲線，可用閥瓣的位移與介質流量成對數關系確定，通常用以下公式：

qm=f（h）（2）

式中qm：介質流量，m3/s；f（h）：線性或等百分的特性函數式；h=H/H100：閥門開度面積與全開面積之比。

線性特性及等百分比：根據調節閥的相對流量與閥瓣的相對位移成直線關系（即單位位移變化所引起的流量變化是常數）即：

K=（3）

式中Q：實際流量，m3/s；Qmax：最大流量，m3/s；l：閥瓣位移的實際長度，m；L：閥瓣在閥腔中的行程，m。

根據流量的等百分比特性曲線的理論得出的該Y型料漿調節閥得流量特性。即閥桿的單位相對位移變化所引起的相對流量變化與該點的相對流量成正比。流量系數

KV==K（Q/Qmax）（4）

4.4 確定閥門尺寸

①為了計算方便，假設為不可壓縮的流體，介質為單相流，不計粘度，無氣蝕的條件，流量系數公式為：

CV1=（5）

式中，Q：流量，m3/h；ΔP：進出口壓差，bar；G：介質比重；P1：進口壓力，bar；P2：出口壓力，bar；根據公式（5），計算介質流量和壓差。

②用于可壓縮流體的閥門，假設介質為氣體（非蒸汽），不計壓縮性，非阻塞流狀態，則基本公式為：

CV2=（6）

式中Q：流量，m3/h；T：絕對溫度；G：介質比重，氣體密度與空氣密度之比；X：實際壓縮比，X=（ΔP/P1）；Y：膨脹系數。

③介質為蒸汽時，流量系數計算公式：

CV3=（7）

式中W ：質量流量，m3/h；ΔP：進出口壓差，bar；V1：比容，m3/kg； Y：膨脹系數。

注：各系數的經驗選取方法：以上各量有些是介質的物理常數，有些是管道的工藝參數，都可以根據工況條件求得。唯有膨脹系數Y值需要根據經驗確定。

Y=（8）

式中FK：比熱系數（FK=K/1.4）；K：氣體介質的定壓比與定容比熱之比；XT：極限壓降比（出現阻塞流時壓降與上游壓力之比）。

資料中記載，空氣K=1.40，兩相流中的FK=1.4，空氣的FK=1，其他空氣介質可以取FK≈1，而不至于對計算造成太大的誤差。XT是閥門開度函數，對柱塞單座式調節閥來說，XT可取0.72，其開度在50～60%。計算非阻塞流的公式：

Y=1-=1-0.92/3X1.4X0.72≈0.70（9）

式中FK=K=1.4：比熱系數；X=（P1-ΔP）/P1=0.92；已知：P1=100bar，P2=92bar，ΔP=8bar，XT= 0.72（閥門開度系數，查表）。從計算結果，判斷為非阻塞流。

當X

當X≥FK XT時，為阻塞流，X≥FK XT時，設計時重新修正流量系數。

從以上計算得知，Y型料漿調節閥是可行的，據有關資料記載料漿調節閥是可以采用兩相流的計算公式進行計算的。經過上述solidworks三維流體分析計算效果良好，所以該閥門的設計理論上是可行的，經現場使用各項性能指標均滿足工況所需的技術要求。

5 Y型料漿調節閥的優點

①結構簡單，易于加工制造，成本較低；②啟閉迅速，調節性能良好；③閥體為分體組合、直流式結構，流道流暢，不平衡力小，流阻小，不易出現渦流、氣蝕等現象；④操作簡單，維修方便，易于調節、控制；⑤流體在閥腔內流動狀況為分流和匯流狀態，噪聲小，符合環保理念，降低了磨損程度，使用壽命長；⑥可調比范圍較大，超過30：1的標準。

參考文獻：

[1]吳國熙編著.調節閥使用與維修[M].北京：化學工業出版社，1999.

[2]陸培文.調節閥實用技術[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3]明賜東.調節閥應用[M].成都：四川科學技術出版社，1989.