如何使用减压阀流量曲线

11/05/2021
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基础知识

 

 

减压阀的原理及用途

减压阀采用特殊的流道结构(如图1所示),当高压介质从入口流经节流孔时,介质流速增大,压力降低,从而达到减压的目的。此外,减压阀可以通过调节弹簧载荷来平衡入口压力和出口压力所产生的介质载荷,从而控制出口压力并保持恒定,其受力平衡满足式(1)。

F加载机构 = F感知装置 + F控制机构 式 (1)

式中:

F加载机构 = 量程弹簧载荷

F感知机构 = 出口压力 × 隔膜有效面积

F控制机构 = 入口压力 × 提升阀芯有效面积 + 阀芯弹簧载荷

图1 减压阀结构示意图

图1 减压阀结构示意图

减压阀的主要用途是将上游入口压力降低到设定的出口压力值并维持恒定,用于满足特定的系统压力需求,广泛应用于特气、高纯等领域。

流量曲线的构成及作用

流量曲线(如图2所示)描述的是在给定入口压力下,减压阀在流量(横轴)和出口压力(纵轴)之间的关系。通过该曲线可以看出当系统内的流量变化时,减压阀的响应状态;即描述了在给定流量下 ,减压阀所能够保持的系统压力范围。

图2 减压阀流量曲线示意图

图2 减压阀流量曲线示意图

通过阅读减压阀流量曲线,可以直观判断出所选减压阀是否满足实际系统工况(压力、流量等)需求,完成快速选型。

如何使用流量曲线?

 

 

流量曲线分析

阀门制造商通常为同一系列减压阀提供不同入口压力、同一出口压力下的多条流量曲线,以说明减压阀的工作范围。如图2所示,横轴表示介质流量,纵轴表示出口压力数值,入口压力用不同颜色的曲线表示,如3000psig(206.8bar)、2000psig(137.9bar)、1000psig(68.9bar)三种入口压力。当介质流量为0时,纵坐标所示出口压力即为减压阀出口设定压力。

流量曲线变化均呈现“衰减”趋势,即在某一特定入口压力及出口设定压力条件下,随着介质流量逐渐增大,出口压力逐渐降低。因为减压阀内部结构和元件的限制,导致减压阀在某一特定调压状态下无法提供完美的水平流量曲线,随着介质流量增大,当减压阀对介质流量变化进行响应时,出口压力会出现一定程度的压力损失。

在减压阀的实际应用过程中,通常要求在系统流量发生较大变化时,仍能保持相对恒定的出口压力。故减压阀流量曲线衰减越小时,减压阀的调压性能更优异。

流量曲线使用方法

对于某一型号的减压阀,首先确定该型号所对应的流量曲线图,然后根据实际的入口压力以及出口设定压力数值,选择该压力工况下对应的单条曲线;再根据横坐标流量刻度,找出其在曲线上所对应的点,结合该点纵坐标刻度即可读出在实际入口压力及介质流量下所对应的实际出口压力。如果在所提供的减压阀流量曲线中无法找到所需压力工况下的流量曲线图,则可在两条相邻的现有曲线之间类推出一条新曲线。

此外,制造商所供流量曲线通常在试验介质为氮气,试验温度为70℉(20℃)时测得,当实际系统使用其他介质及工作温度时,则需要根据式(2),将流量曲线中横坐标的流量刻度进行修正,而曲线趋势仍保持不变。

Q2 = Q1 X FG X FT 式 (2)

式中:Q1为初始流量刻度,Q2为修正后的流量刻度,FG为比重修正系数,FT为温度修正系数;其中FG和FT的取值可分别参考表1和表2。

表 1

 
介质类型
比重修正系数 ( FG )

砷化三氢

0.60

二氧化碳

0.80

氩气

氯化氢

0.84

0.87

硅烷

氧气

0.93

0.94

空气

氨气

0.98

1.28

氦气

氢气

2.65

3.72

表 2

 
温度 ( °F )
温度( °C )
温度修正系数 ( FT )

-40

-40

1.12

-20

-28

1.10

0

-17

1.07

20

-6

1.05

70

20

1.00

100

37

0.97

150

65

0.93

212

100

0.89

250

121

0.86

300

148

0.84

350

176

0.81

400

204

0.78

 

应用举例

 

 

FITOK减压阀产品系列

FITOK减压阀产品系列包括:钢瓶减压阀(FCR-1、FCR-1S、FCR-1D系列等)、管路减压阀(FLR-1、FBR-1、HPR-10系列等)、切换系统(FDR-1、CEPR、DPPR系列等)、高纯减压阀(FHR-1系列))等,适用于钢瓶减压、管路系统减压、压力控制及切换等工况,广泛应用于特气、高纯等领域。

图3 FITOK减压阀产品系列图示

选型示例

例如,FITOK FCR-1S系列减压阀所对应流量曲线如图4所示,客户所需入口压力为3000 psig(206.8 bar),出口设定压力为90 psig(6.2 bar),工作温度为100℉(37℃),当系统介质(CO2)流量为10 SCFM(283 SLPM)时,确定此时出口压力。

图4 FCR-1S系列减压阀流量曲线图

图4 FCR-1S系列减压阀流量曲线图

由于客户需求介质类型及工作温度与制造商所供流量曲线对应的试验介质及试验温度不一致,需根据比重修正系数(FG)及温度修正系数(FT)并对流量刻度进行修正。由表1可知,当介质为二氧化碳时,对应的比重修正系数FG取值为0.80;由表2可知,当温度为100℉(37℃)时,对应的温度修正系数FT取值为0.97。将图4中的初始流量刻度(即图中横坐标数值)及FG和FT带入式(2)中,计算得到修正后的流量刻度(例如:3.9=5×0.8×0.97),将图4中横坐标的流量刻度进行替换,保持纵坐标及流量曲线不变,得到新的流量曲线如图5所示。

图5 修正后的减压阀流量曲线

图5 修正后的减压阀流量曲线

由图5可知,客户所需入口压力为3000 psig(206.8 bar),出口设定压力为90 psig(6.2 bar)的流量曲线并未直接画出。我们需要根据图中入口压力为3000 psig(26.8 bar)时,出口设定压力为75 psig(5.2 bar)和100 psig(6.9 bar)所对应的两条流量曲线进行插值类推,得到入口压力为3000 psig(206.8 bar),出口设定压力为90 psig(6.2 bar)所对应的流量曲线如图6中红线所示。

图6 插值类推后的流量曲线

图6 插值类推后的减压阀流量曲线

根据图 6 所示的入口压力为3000 psig(26.8 bar)时,出口设定压力为90 psig(6.2 bar)的流量曲线(红色曲线),找到横坐标刻度为10 SCFM(283 SLPM)在曲线上所对应的点A,然后读出点A 的纵坐标刻度为84 psig(5.8 bar)。

故,对于FCR-1S系列减压阀,在入口压力为3000 psig(206.8 bar),出口设定压力为90 psig(6.2 bar),工作温度为100℉(37℃)的工况下,当系统介质(CO2)流量为10 SCFM(283 SLPM)时,对应的实际出口压力为84 psig(5.8 bar)。

结论

 

 

通过正确的使用减压阀流量曲线,可以根据客户工况验证所选型号减压阀的工作范围是否满足客户需求,完成快速且准确的选型工作。此外,借助该流量曲线,可以从侧面判断出减压阀是否具有优异的调压性能。