热水采暖系统恒温控制阀结构的分析与研究

热水采暖系统恒温控制阀结构的分析与研究

孙通

日丰企业（佛山）有限公司  广东佛山  528000

摘要：恒温控制阀是热水采暖系统当中控制水流量、满足恒温需求的设备，控制阀的灵敏度以及调解效果，对采暖系统温度控制效果存在直接的影响。选择合适的控制阀，或根据现有控制阀结构进行必要的优化，才能够保证热水采暖系统的恒温控制效果。文章介绍了常见的热水采暖系统恒温控制阀结构，并根据系统恒温控制需求对恒温控制阀结构如何改进进行了分析，找到了能够更好满足采暖系统恒温控制需求的阀体结构。

关键词：热水采暖；恒温控制；结构分析

引言

恒温控制阀能够在热水采暖系统中起到恒温控制的作用，恒温控制阀能够通过对热水系统流量的调节，保证室内的恒温。各类热水采暖系统恒温控制阀当中，使用最为普遍的是结构较为简单的截止式控制阀，但截止式控制阀同样存在普遍性的不足，如截止式控制阀的调解灵敏度较低，且无法完全满足分户控制的需求，本文根据截止式控制阀的不足对控制阀的结构优化进行了分析。

1 恒温控制阀常见类型以及不足

1.1 恒温控制阀常见类型

根据流量公式Q=SV（公式中S为截面积，V为流速），在流速不变的情况下截面积能够直接影响流量。当前控制阀均大都通过改变截面积达到改变流量的目的，较为常见的控制阀包括针阀式、偏心槽式、轴向三角式、周向缝隙式、轴向缝隙式以及截止式几种类型，如图1所示，上述几种控制阀除截止式外由于结构较为复杂因此并不适合进行恒温控制。

图1 控制阀类型

1.2 截止式控制阀主要不足

如图2所示，截止式控制阀的止水板底面以及流水孔端面圈定的区域即为控制阀的过流断面，通过调整控制阀的流水孔的水平位置能够调整过流断面的面积，以达到控制流量的目的（截止式控制阀具体结构如图2所示）。如前文所述，作为一种应用较为广泛的恒温控制阀，截止式控制阀具备结构简单、加工难度低等主要优势，但同时截止式控制阀过水直径不能过大，同时无法满足分户控制的需求。

图2 截止式恒温控制阀基本结构

2 恒温控制阀结构优化及效果分析

2.1 截止式控制阀结构优化

本文尝试在截止式控制阀原有的结构基础上，使用活塞结构取代原有的截止结构，达到更好的恒温控制效果。

图3 活塞式恒温控制阀基本原理

如图3所示，与截止式控制阀不同，活塞式控制阀的过流截面为控制阀入水端面以及阀体底面形成的柱体，在过流截面面积控制调整时，活塞式控制阀主要通过沿阀体中心线方向移动活塞，改变入水端面与阀体底面之间的距离并以此改变过流截面的面积。在活塞式控制阀当中，阀体底面能够取代止水板底面的功能，活塞流水孔能够取代阀体流水孔，活塞入水口端面能够取代阀体流水孔端面，因此在活塞式控制阀当中，止水板的位置能够保持恒定不动，仅需要调整流水孔端面的位置即能够满足调整流量的需求。这一结构的变化对控制阀控制效果的优化以及提升具备显著的作用，使用活塞式控制阀后，热水由阀体入水口进入后再次由活塞的入水端面周围的缝隙进入到活塞内部，在活塞内汇聚后由出水孔流出，由于活塞圆周位置的流速最高为中心区域的流速最低，因此在活塞位置能够形成类似“旋涡”的效果。

2.2 控制阀结构优化效果对比实验

为判断改进后的活塞式控制阀与传统截止式控制阀在恒温控制方面效果的差异，本文共对3个截止式控制阀进行了改进处理，并对比了改进后活塞式控制阀与传统截止式控制阀的恒温控制效果。对比实验使用的主要设备包括：①流量阻断测试台；②压力计（手持式）。本次实验设定的测试环境为被测试控制阀前后的压力差为1bar。对比实验时动力压力分别被设定为1bar、1.5bar、2bar、2.5bar以及3bar，在五种不同压力下需要分别记录实验使用的截止式控制阀以及活塞式控制阀阀门流量以及流量调整所需的压力。在本次实验当中，活塞式控制阀以及截止式控制实验数据分别如表1以及表2所示，表格当中关闭压力指控制阀完全关闭状态下阀杆位置的压力。

表1 截止式控制阀实验记录

表2 活塞式控制阀实验记录

2.3 恒温控制阀结构优化效果分析

2.3.1 流量调整效果

根据实验数据可知，在动态压力一致的情况下，控制阀腔内元件前后所受的压力的压差ΔP由截面积A决定，即F介=ΔP·A。在止水板以及活塞均能够视为元件的情况下，能够得到如下结论

（1）截止式以及活塞式控制阀进出水孔不存在差异，且均大于流水孔的面积。

（2）阀体与活塞流水孔截面相同，因此动态压力相同的情况下止水板前后以及活塞前后的压力同样相同。

（3）由于止水板与活塞的截面形状不同，止水板截面为圆形，活塞截面为杯状，因此腔体尺寸相同的情况下两者截面积并不相同，按照圆形止水板以及杯状活塞截面积的计算公式，止水板的截面积一般更大。

（4）两类控制阀弹簧的弹力相同。

（5）两类控制阀调整的间隙相同。

综合上述分析可知，截止式控制阀所受的流体压力大于活塞式控制阀。

在驱动元件动态压力一致的情况下，驱动元件自身所受的来自下部的压力主要为流体压力越小则元件自身的工作负荷越小。工作负荷更小的控制阀在流量调节过程中调节实现更为简单，且出现过载的风险更小，与流体压力更大的截止式控制阀相比，活塞式控制阀一般不会出现驱动缓慢以及滞后的问题。

2.3.2 灵活性

阀体进出水孔以及中间流水孔的面积增大，能够增加控制阀流量，提高流量调节上限。人类阀门类型的产品当中，入水口、出水口以及阀门中间的流水孔都是影响阀门流量的主要因素。对比截止式控制阀以及活塞式控制阀，截止式控制阀进水以及出水孔的面积恒定不变，因此截止式控制阀必须通过调整中间流水孔的面积达到调整流量的目的。且截止式控制阀要求过流截面必须小于进水以及出水孔的过流截面。与截止式控制阀不同，活塞式控制阀的杯状结构允许通过改变流水孔的面积达到调整流量的目的，因此与截止式控制阀相比活塞式控制阀流量调整的范围必然更大。此外，由于腔体尺寸相同的情况下活塞结构的截面积更小，因此活塞式控制阀所受的流量压力同样更小，在动态压力一致的情况下活塞式控制的控制效果能够更为有效地体现。

在驱动元件工作压力以及行程一致的情况下，活塞式控制阀对流量的调节更为灵活，且流量调节的范围更大。此外，与截止式控制阀相比活塞式控制阀的调整同样更为灵活，因此与传统的截止式控制阀相比，活塞式控制阀能够更好地满足分户控制的需求。

2.3.3 恒温效果

从内部结构的角度来看，活塞存在支架结构且活塞壁存在一定的厚度，因此为保证两种控制阀截面积相同，活塞式控制阀中间流水孔的直径必须更大。而中间流水孔更大的活塞式控制阀，在活动行程与截止式控制阀相同的情况下，能够实现更为快速灵活地调整，即活塞式控制阀的灵活度更高、对流量调整的敏感度同样更高。实际使用过程中，在流量调整需求一致的情况下，与截止式控制阀相比，活塞式控制阀在活动行程更小的情况下即能够满足流量调整的需求，而截止式控制阀则需要更大的形成才能够满足流量调节的需求。

活塞式控制阀的灵活性使得其对流量进行控制时能够在行程更小的情况下更为快速完成对流量的调整，因此与传统的截止式控制阀相比活塞式控制阀在分户控制方面能够发挥更为积极的作用。对热水采暖系统用户而言，活塞式控制阀能够提高供热质量以及供热的舒适度，与截止式控制阀相比活塞式控制阀同样具有显著地降低能耗的效果，因此从环保需求考虑活塞式控制阀同样具备更为显著的优势。

结语

本文介绍了恒温控制阀的主要类型，并对常用截止式控制阀进行了更为详细的介绍，根据目前使用较为普遍的截止式控制阀的实际不足，本文提出了如何在当前结构基础上实现截止式控制阀结构优化，并对优化的效果进行了对比论述，确定恒温控制阀在优化方案下能够达到更好的效果，并通过优化方案进一步明确了采暖系统对恒温控制阀的需求。

参考文献

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[3]任李田,陈畅,郑张利,丁志伟,陈毅斌.核电站用自动再循环阀设计与应用[J].阀门,2022(5):344-347.