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如何管理調壓閥中的供壓效應?
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2024-04-11  閱讀

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康沃真空網(wǎng)】流體系統操作員在使用氣瓶作為供應源鋪設工藝管線(xiàn)時(shí),有時(shí)可能會(huì )觀(guān)察到一種現象–在減壓型調壓閥中,出口壓力會(huì )莫名其妙地升高。隨著(zhù)氣瓶清空,至調壓閥的進(jìn)口壓力會(huì )降低。許多熟練的技術(shù)員都期望出口壓力同時(shí)降低,但出口壓力卻反而升高。這種情況稱(chēng)為供壓效應(SPE)。

    什么是供壓效應(SPE)?

    供壓效應也稱(chēng)為進(jìn)口依賴(lài)性,指因進(jìn)口壓力或供壓的改變而造成的出口壓力的變化。在這種現象下,進(jìn)口與出口壓力的變化互成反比。如果進(jìn)口壓力降低,出口壓力會(huì )相應升高。相反,如果進(jìn)口壓力升高,出口壓力則會(huì )降低。

    調壓閥的供壓效應值通常由制造商提供。SPE通常用一個(gè)比值或百分比表示,用來(lái)描述進(jìn)口壓力變化造成的出口壓力的變化。例如,如果某款調壓閥說(shuō)明SPE為1:100或1%,則進(jìn)口壓力每下降100psi,出口壓力將升高1psi。調壓閥的出口壓力變化程度可用以下公式估算:

    ?P(出口)=?P(進(jìn)口)xSPE

    彈簧加載調壓閥中的不平衡與平衡提升閥芯設計

    彈簧加載減壓型調壓閥是常見(jiàn)的調壓閥類(lèi)型之一。彈簧對傳感元件(隔膜或活塞)用力,傳感元件控制孔口上方的提升閥芯,由此控制出口壓力。

    在不平衡提升閥芯設計中,進(jìn)口壓力向上推壓提升閥芯,以作用在閥座區域上的相同壓力作用于部分提升閥芯上。因此,進(jìn)口壓力的任何下降意味著(zhù)向上推壓提升閥芯的力減小,使強勁的離合桿彈簧能夠推動(dòng)提升閥芯距離閥座稍遠一些,從而使出口壓力升高。這種情況形成的出口壓力增加并不足以完全抵消設定的彈簧力,以使提升閥芯關(guān)閉回到其原始位置。結果就是,供壓效應導致出口壓力上升。

    由于調壓閥的作用力是平衡的,所以SPE大小可通過(guò)壓力作用于提升閥芯和感應區的區域之比來(lái)確定。也就是說(shuō),感應區大、提升閥芯小的調壓閥的SPE較低,而感應區小、提升閥芯大的調壓閥的SPE較高。

    為了展示不平衡提升閥芯設計對供壓效應的影響,請逐漸降低進(jìn)口壓力。在進(jìn)口壓力為1160psig(80bar)時(shí),出口壓力為43.5psig(3bar)。但在進(jìn)口壓力降至870psig(60bar)時(shí),出口壓力則升到53.7psig(3.7bar)。由于進(jìn)口壓力作用于不平衡提升閥芯的整個(gè)表面,所以進(jìn)口壓力的任何變化都會(huì )導致作用力大變,從而在調壓閥內以對應力造成更大的變化。

    要降低供壓效應,特別是在提升閥芯一般較大的高流量應用場(chǎng)合,常用的方法是使用帶平衡提升閥芯設計的調壓閥。這種調壓閥設計旨在盡可能減小高進(jìn)口壓力作用到的區域。通過(guò)降低透過(guò)孔口(沿提升閥芯垂直設置,并用環(huán)繞提升閥芯下閥桿的O型圈密封起來(lái))傳達提升閥芯下端部分的出口壓力,可實(shí)現這一目的。對供壓效應而言,由于壓力作用到的區域大大減小,所以進(jìn)口壓力的任何變化造成的力的變化減小。

    為了展示供壓效應對平衡提升閥芯調壓閥的影響,想象一下按前面針對不平衡提升閥芯所示的方法逐漸降低進(jìn)口壓力的情景。正如前面一樣,在進(jìn)口壓力為1160psig(80bar)時(shí),出口壓力為43.5psig(3bar)。但在進(jìn)口壓力降至870psig(60bar)時(shí),出口壓力僅升至46.4psig(3.2bar)。實(shí)際上,即便在進(jìn)口壓力為725psig(50bar)時(shí),出口壓力也會(huì )穩定在46.4psig(3.2bar)。

    了解前述調壓閥布置如何通過(guò)平衡提升閥芯調壓閥降低了對出口壓力的影響。平衡提升閥芯調壓閥的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們能夠減少鎖定,避免提升閥芯迅速關(guān)閉時(shí)出口壓力飆升的可能性。

    單級與兩級調壓

    對于低流量應用場(chǎng)合(例如分析儀表系統),還可以通過(guò)兩級減壓方法來(lái)盡可能地降低供壓效應。這種方法需要串聯(lián)安裝兩個(gè)單級調壓閥,也可以將兩個(gè)調壓閥組裝在一起。每個(gè)調壓閥在一定程度上控制進(jìn)口壓力的變化,但兩個(gè)調壓閥一起將出口壓力控制在非常接近原始設定點(diǎn)的程度。

    要計算兩級調壓閥配置的出口壓力變化,可用進(jìn)口壓力差乘以各個(gè)調壓閥的SPE。下面方程式說(shuō)明了計算方法:

    ?P(出口)=?P(進(jìn)口)xSPE1xSPE2

    請謹記,SPE是進(jìn)口和出口壓力變量之間互為反比關(guān)系。對于單級調壓閥,出口壓力會(huì )在氣瓶清空和進(jìn)口壓力降低時(shí)上升。這種上升會(huì )饋入第二級,并隨后導致第二級調壓閥的出口壓力下降。由于第一級調壓閥的進(jìn)口壓力變化較大,而對出口壓力造成的變化較小,所以第二級調壓閥僅會(huì )對來(lái)自第一級的小幅進(jìn)口壓力變化產(chǎn)生反應,因而出口壓力展現的下降變化非常小。

    為了展示供壓效應,以下示例采用了KCY型號減壓型調壓閥。氣瓶從2500psig(172bar)清空至500psig(34bar)。假設每個(gè)調壓閥的SPE為1%。在進(jìn)口壓力降低2000psig(137bar)的情況下,第一級調壓閥的出口壓力將增加20psig(1.3bar)。但這僅使第二級調壓閥的出口壓力降低了0.20psig(0.01bar)。了解前述調壓閥布置如何讓出口壓力受到的影響大大降低。

    就控制供壓效應而言,兩級調壓閥配置通常比帶平衡提升閥芯的單級減壓型調壓閥的控制效果更好。對于使用一個(gè)氣瓶源來(lái)滿(mǎn)足出口壓力相同的多個(gè)運作環(huán)節的應用場(chǎng)合,兩種方式都足以達到效果。

    另一方面,對于需要使用一個(gè)氣瓶滿(mǎn)足壓力不同的多個(gè)運作環(huán)節的應用場(chǎng)合,則需要使用兩個(gè)單級調壓閥來(lái)組成一個(gè)兩級調壓閥系統。在這種情況下,應將第一級調壓閥設置在氣瓶附近,而將第二級調壓閥安裝在各工藝管線(xiàn)處。通常,為了盡可能降低SPE,系統會(huì )在氣源處配置兩級調壓閥,并在使用點(diǎn)配置單級調壓閥。這種過(guò)度配置形成了三級調壓,對于大多數應用場(chǎng)合不需要如此。串聯(lián)配置兩個(gè)單級調壓閥便可達到非常低的SPE,還可降低成本。