气力输送中气量控制元件的选择

2014-07-09王海萍张希望

化工装备技术 2014年3期

关键词：气力输送节流阀减压阀

王海萍张希望

（软控股份有限公司）

0 前言

气力输送供气管路中的气动元件主要包括减压阀、比例阀、过滤器、LAVAL管以及流量控制元件等。这些气动元件可以调节压力、稳定压力、提高压缩气体质量、控制管路中气体流量，正确地选择这些气动元件可以降低气源压力，进而降低系统总能耗。

1 减压阀的选择

减压阀用来调节或控制气压的变化，并保持降压后的输出压力值稳定在需要的值上，确保系统压力的稳定。根据气力输送的实际需要正确地选择减压阀，可以满足在较低的气源压力下实现气力输送所需要的气体流量，避免因选择不当而以提高气源压力这种耗能的方式来增加气量。

减压阀的主要性能有调压范围、压力特性、流量特性和溢流特性等。

1.1 调压范围

减压阀的输出压力调节范围，称为调压范围。减压阀的输出压力在调压范围内应能连续稳定地调整，无突跳现象。减压阀的输入与最大输出压力之间关系如表1所示。

表1 减压阀的输入压力与输出压力关系

1.2 压力特性

压力特性是指减压阀输出流量一定时，输入压力的变化对输出压力波动的影响，常用压力特性曲线来表示，如图1所示。输出压力波动越小，减压阀的压力特性就越好。从理论上讲，输入压力变化时，输出压力应保持不变。实际上，只有当输出压力比输入压力大约低0.1 MPa时，输出压力才基本上不随进口压力波动而波动。

图1 减压阀的压力特性曲线

1.3 流量特性

流量特性是指减压阀的输入压力一定时，输出流量的变化对输出压力波动的影响。流量特性通常可用图2所示的流量特性曲线表示。减压阀性能的好坏，主要看当输出流量变化时所调定的输出压力是否在允许的范围内变化。

图2 减压阀的流量特性曲线

1.4 减压阀的选用

气力输送系统对减压阀的性能要求非常严格，特别是对减压阀输出流量和稳压精度方面要求更高，因为气力输送系统的输送过程流量变化较大，而输送供给压力要求保持相对不变。选择减压阀时必须考虑输送所需气量和相应减压阀的特性曲线相匹配，即在减压阀设定压力和气力输送所需空气流量的情况下，减压阀的输出压力必须具备相应的稳定性，在一定的流量范围内，减压阀的输出压力的波动应能够满足气力输送的要求。

根据减压阀的特性可知，减压阀的进出口压力差越大，其流量就越大。对空气其进出口绝对压力比值p2／pl=0.528时，流量达到最大并不随出口压力的减小而增大，此时流量处于恒流区。当绝对压力比值大于0.528时，出口压力值增大，流量明显减小。有关计算可由下面公式表示。

减压阀的流量[1]计算式为：

式中qa——减压阀实际流量，kg/(cm2·h)；

u——阀孔流量系数，取0.45～0.6；

p1——阀前流体压力（绝热），MPa；

p2——阀后流体压力（绝热），MPa；

K——流体绝热系数，空气K=1.4；

υ——阀前气体比容，m3/kg；

f——减压阀孔计算截面，cm2。

从上面公式可以发现，对于多数气力输送，其减压阀出口压力不超过0.32 MPa。为了保证减压阀的流量稳定，即处于恒流区，减压阀进口压力为(0.1+0.32) ／0.528=0.795 MPa(绝压)，这就是双管气力输送生产商要求用户气源压力大于0.7 MPa的原因。对于气源压力小于0.7 MPa的气力输送系统，可以选用大于DN50减压阀，或主、辅管分别采用各自的DN50减压阀来增大流量，以弥补由于气源压力不足而造成的流量波动。

为了保证气力输送系统的正常工作，选择使用减压阀应考虑以下问题：

(1)根据要求的工作压力、调压范围和使用流量的最大值及稳压精度来选择减压阀。对于气力输送，调压范围和使用流量的最大值是选择减压阀的关键。从表1可以看出，减压阀的选择必须根据气源压力 (减压阀进口压力)和减压阀输出压力进行选择，减压阀输出压力与输送管道阻力有关。比如减压阀进口压力为0.6 MPa，减压阀的出口压力必须小于0.4 MPa。如果减压阀进口压力为0.4 MPa，出口压力最高不能超过0.25 MPa，否则，从图1和表1可以看出，减压阀的输出特性不稳定。

(2)减压阀的输出流量是主要性能参数，一般与阀的接管口径相对应。若没有足够大的大口径减压阀供选用，可用几个减压阀并列输出。但需注意相应的输入、输出管道截面积之和不得小于减压阀公称通径截面积之和。目前质量比较可靠的减压阀最大工作口径为DN50，如果DN50减压阀气量满足不了要求，必须采用多个减压阀并列输送。

2 比例阀的选择

压力比例阀是输出压力与输入信号成比例的气动控制阀。根据电-机械转换器的不同，压力比例阀又可分为电磁铁型和电磁阀开关型等。比例电磁铁型压力比例阀采用比例电磁铁作为电-机械转换器，其吸力和输入信号电流成正比，根据这个吸力和输入电压力相平衡来调压。电磁阀开关型采用由高速开关电磁阀组成的先导控制单元来控制主阀的压力，同样可以实现输入信号和输出压力的比例控制[2]。因此，应根据压力比例阀的压力特性曲线及流量特性曲线[3]正确地选择比例阀。ITV305压力比例阀的压力及流量特性曲线如图3所示。

图3 ITV305电气比例阀的特性曲线

3 过滤器的选择

过滤器是气力输送供气设备中不可缺少的元件，起到了清除压缩空气中的油污、水和粉尘的作用。但是，过滤器对气流形成阻力，过滤器积灰会导致阻力增大。当阻力增大到某一规定值时，过滤器报废，称过滤器报废的阻力值为 “终阻力”。终阻力的选择直接关系到过滤器的使用寿命、系统风量变化范围及系统能耗[4]。为了降低系统能耗，必须合理地选择过滤器。

由于过滤器的滤芯属多孔介质，故其流通能力一般要根据过滤器流量特性曲线来确定，如图4所示。不同型号过滤器的流量特性曲线是不同的。

图4 过滤器的流量特性曲线 [3]

根据空气质量要求来选择过滤器的精度。根据过滤器的最大流量及两端允许的最大压力降来选择过滤器的规格。实际应用中，应注意选用在所需最大流量时压降值小于0.05 MPa的过滤器。然后再考虑过滤器的功能，如是否需要自动排水等。

对于旋风式空气过滤器，通过过滤器的流量不能太小，否则不能有效地清除油水和杂质。另外，过滤器的使用也要注意一些问题：要定期地更换或清洗滤芯；在油雾分离器前应加空气过滤器；在微雾分离器和超微雾分离器前应设置作为前置过滤器的油雾分离器。

4 LAVAL管的选择

LAVAL管（即拉伐尔管）可以对气源流量进行控制，保证输送用的压缩空气流量恒定、稳定。对气源流量的波动进行控制主要是利用LAVAL管的扼流作用，即当LAVAL管喉径处的压缩空气气流速度达到超音速时，出口压力扰动对进口压力没有任何影响[6]。采用可调式LAVAL管可以根据不同的物料选择不同的气量来输送物料，达到减少气量浪费的效果。如图5所示，在压力临界比条件下，LAVAL管的喉部流通面积决定了其气量控制系统的供气能力，也是计算输送管道末端速度、气量等重要参数的依据。使用可调式LAVAL管进行气量控制，无论是从节约成本、降低能耗方面还是从提高胶料质量方面上讲都是非常必要和可行的。

图5 可调拉伐尔管结构

由于固定式拉伐尔管无法改变输送气量，在设计需要输送多种物料的气力输送系统时，LAVAL管喉径只能按照耗气量最大的物料进行设计。比如轮胎厂内使用的气力输送炭黑系统，拉伐尔管的喉径按照输送耗气量相对最大的一种炭黑（如N-660）进行设计，只有这样才能满足同一套输送系统能够输送所有所需的物料，在这种拉伐尔管喉径下输送耗气量相对低的炭黑（如 N234、N326）时，输送每吨物料的空气费用会增加，增加量与两种物料的差异程度成正比关系。

5 流量控制元件的选择

节约气量必须合理地控制气体流量，而流量控制阀是管路中另一个不可缺少的通过改变阀的流通面积来实现流量控制的元件。因此，合理地选择流量控制阀是节省气量的前提。流量控制阀有节流阀、单向节流阀（或称速度控制阀）、排气节流阀、快速排气节流阀等。

节流阀的节流特性是指调节杆的位移量与通过阀的流量之间的关系。当阀的位移量较小时，节流阀的流量变化较大，即调节比较灵敏，且在一定范围内呈线性变化。为使针阀能进行微小流量的调节，调节螺纹用细牙螺纹。

单向节流阀是由单向阀和节流阀组合而成的流量控制阀，常用于气缸的速度控制，又称速度控制阀。速度控制阀在回路中有两种连接方式，即排气节流方式和进气节流方式。

图6所示的节流特性曲线[5]显示了如下的节流特性：（1）速度控制阀的节流特性曲线是在0.5 MPa入口压力下，节流阀杆旋转圈数与通过流量之间的关系曲线。（2）在曲线的线性段，速度改变比较均匀；在曲线的水平段，属于调节死区；在曲线的很陡的段，微调性能不好。

图6 AS3500速度控制阀的截流特性曲线

流量控制阀选用时应考虑以下几点：

（1）根据气动装置或气动执行元件的进气口、排气口通径来选择。

（2）根据流量调节范围及使用条件来选用。

（3）对于节流阀的选择，根据速度控制阀控制的气缸缸径和对气缸速度变化范围的要求，计算控制流量的范围，然后再查节流特性曲线，选择速度控制阀的规格。即流量控制应处于速度控制阀节流特性曲线的流量范围，最大控制流量应小于节流阀全开时的流量。如果希望均匀调节，节流特性曲线宜为直线，见图7中曲线I。如希望能微调，则节流特性曲线不宜太陡，宜变化平缓些。但曲线过于平坦，会出现调节死区，见图7中的曲线II[6]。