阀门系数Cv值的确定和意义

1.概述：

通常测定阀门的方法是阀门系数（Cv）,它也被称为流动系数。当为特殊工况选择阀门时，使用阀门系数确定阀门尺寸，该阀门可在工艺流体稳定的控制下，能够通过所需要的流量。阀门制造商通常公布各种类型阀门的Cv值，它是近似值，并能按照管线结构或阀座制造而变动上调10％。

如一个阀门不能正确计算Cv，通常将削弱在两个方面之一的阀门性能：如果Cv对所需要的工艺而言太小，则阀门本身或阀内的阀芯尺寸不够，会使工艺系统流量不够。此外，因为阀门的节流会导致上游压力增加，并在阀门导致上游泵或其他上游设备损坏之前产生高的背压。尺寸不够的Cv也会产生阀内的较高阻力降，它将导致空穴现象或闪蒸。

如果Cv计算值比系统需要的过高，通常选用一个大的超过尺寸的阀门。显然，一个大尺寸阀门的造价、尺寸及重量是主要的缺点。除此之外，如果阀门是节流操作，控制问题明显会发生。通常闭合元件，如旋塞或阀盘，正位于阀座之外，它有可能产生高压力降和较快流速而产生气穴现象及闪蒸，或阀芯零件的磨损。此外，如果闭合元件在阀座上闭合而操作器又不能够控制在该位置，它将被吸入到阀座。这种现象被称为溶缸闭锁效应。

2.Cv的定义

  一个美国加仑（3.8L）的水在60°F（16℃）时流过阀门，在一分钟内产生1.0psi（0.07bar）的压力降。

3.Cv值的计算方法

3.1 液体

3.11 基本液体确定尺寸公式

1) 当P＜Pc=FL2(P1-Pv)：一般流动

   Cv=Q 

2) PPc：阻塞流动

当Pv＜0.5P1时

Pc=FL2(P1-Pv)

当Pv0.5P1时

Pc= FL2［P-(0.96-0.28)Pv］

Cv=Q

式中  Cv----阀门流动系数；

      Q------流量，gal/min；

      Sg-----流体比重（流动温度时）；流体比重就是流体单位体积的重量，与流体密度成正比，液体比重用γ表示，γ=ρG

P----压力降，psia

Pc---阻塞压力降   psia

FL-------压力恢复系数  见表1

P1-------上游压力   psia

Pv--------液体的蒸气压（入口温度处）   psia

Pc--------液体临界压力    psia      见表2

表1：典型FL系数

1） 实际压力降：定义为上游（入口）与下游（出口）之间的压力差。

P=P1-P2

式中  P------实际压力降，psia        P1------上游压力（阀门入口处），psia      P2------下游压力（阀门出口处），psia

2） 确定比重：流体比重Sg值应该使用操作温度和比重数据参考表确定。

3） 流量Q：每分钟流过阀门的流量数（加仑），单位：gal/min

4)  阻塞压力降Pc:假定如果压力降增加，则流量将按比例增加。但是存在一个点，此处进一步增加压力降将不改变阀门流率，这就是通常所称的阻塞流量。Pc用来表示发生阻塞流率的理论点。

4）压力恢复系数FL：调节阀节流处由P1直接下降到P2，见图示中需线所示。但实际上，压力变化曲线如图中实线所示，存在差压力恢复的情况。不同结构的阀，压力恢复的情况不同。阻力越小的阀，恢复越厉害，越偏离原推导公式的压力曲线，原公式计算的结果与实际误差越大。因此，引入一个表示阀压力恢复程度的系数FL来对原公式进行修正。

3.13 Kv与Cv值的换算

   国内的流量系数是用Kv表示，其定义为：当调节阀全开，阀两端压差P为100KPa，流体重度r为1gf/cm3(即常温)时，每小时流经调节阀的流量数，以m3/h或t/h计。

     由于Kv与Cv定义不同，试验所测得的数值不同，它们之间的换算关系：

            Cv=1.167Kv

3.2气体

基本气体确定尺寸公式

1）＜0.5 FL2：一般流动

 Q=1360Cv

Cv=

2）0.5 FL2：阻塞流动

 Q=1178Cv 

 Cv=FL

式中：Q--------气体流，scfh

Cv-------确定阀门尺寸系数

    Gg-------比重或气体与标准状态下空气的比值

T1-------绝对上游温度（°R=°F+460）

P1-------上游压力  psia

P2-------下游压力  psia

FL--------压力恢复系数  见表1

3.3公式计算步骤

第一步：根据已知条件查参数：FL、Pc

第二步：决定流动状态。

液体：（1）判别Pv是大于还是小于0.5P1；

（2）由（1）采用相应的Pc公式：

（3）P＜Pc为一般流动：PPc为阻塞流动。

气体：＜0.5FL2为一般流动，0.5FL2为阻塞流动。

第三步：根据流动状态采用相应Cv值计算公式

计算实例题

例1 下列操作条件用英制单位给出：

液体     氨

临界压力   1638.2psia

温度       20°F

上游压力，P1     149.7psia

下游压力，P2     psia

流率，Q          850gal/min

蒸气压力，Pv     45.6psia

比重，Sg         0.65

选用高压阀门，流闭型

第一步：查表得FL=0.8,  Pc=1636psia

第二步： 0.5P1=74.85＞Pv

         Pc=FL2(P1-Pv)=66.6

          P=P1-P2=149.7-=85.7

        P＞Pc,为阻塞流动。

第三步：采用阻塞流动公式

         Cv=Q=850=83.9

例2 下列操作条件用英制单位给出:

气体               空气

温度               68°F

    气体重度，Gg      1

上游温度，P1       1314.7psia

下游温度，P2       1000psia

流率，Q            2000000scfh

选用单座阀，流开型。

第一步：查表FL=0.9

第二步：===0.23＜0.5FL2=0.5*0.92=0.4，为一般流动。

第三步：采用一般流动Cv值计算公式

Q=1360Cv

Cv= =  =56     

例3 在例2基础上，改P2=99.7psia

==0.920.5FL2=0.5*0.92=0.4

为阻塞流动。采用公式为：

Q=1178Cv 

Cv==

                    =46.6

4.结语

合理选择阀门，必须正确选择阀门尺寸，如果阀门尺寸太小，则通过阀门的最大流量会受到并且将影响系统的功能。如果阀门尺寸过大，用户必须承受安装较大阀门的附加费用。其他的主要缺点是整个流动控制是在行程的前一半完成，意味着位置的很小变化将产生大的流量变化。此外因为调节发生在行程的前半部，当调节元件操作接近阀座时流量控制是很困难的。当产生希望的流动特性和最大流量输出时，节流阀的理想状态是使用全范围行程。因此，我们必须正确计算阀门系数Cv值。

参考文献：

［美］Philip L.Skousen 著  孙家孔 译  《阀门手册》第二版  北京：中国石化出版社出版发行 2006

明赐东 著 《调节阀  计算 选型 使用》  成都：成都科技大学出版社发行  1999

确定阀门尺寸的重要性说明     一般地，确定阀门尺寸是以标准流体流动热动力定律为基准的。应用这个定律收到阀门功能及类型和工况的严峻情况影响。简单的开-关隔断阀预料通过100%物流而无明显的压力降。因为它们除了关闭阀门之外不控制流量。另一方面，节流操作预料会在打开的某一位置处产生一定的物流量并产生一定的压力降。因此确定阀门尺寸的问题几乎永远指向节流阀。

对于手工操作的开-关隔断阀，希望能经常通过全部物流。如果阀门内部流动通道或闭合元件的尺寸小于上游管线，物流将自此点以后受到节流。这些导致阀门产生压力降或通过较少的流量，而失去开-关阀门的主要目的。如果开-关隔断阀尺寸大于上游管线，则安装费用较贵（因为增加费用）。较大的阀门本身也增加费用。另一方面，对于节流阀，它的意图是产生压力降和降低流量，因此它可以有一个直径明显小于上游舱口的阀座。在选定阀门之后确定通过该财产阀门的流量是门科学。如果节流阀尺寸太小，则通过阀门的最大流量会受到并且将影响系统的功能。如果节流阀尺寸过大，用户必须安装较大阀门的附加费用。其他的主要缺点是整个流动控制实在行程在前一半完成，意味着位置的很小变化将产生大的流量变化。此外因为调节发生在形成的前半部，当调节元件操作接近阀座时流量控制是很困难的。当产生希望的流动特性和最大流量输出是，节流阀的理想是使用全范围行程。

节流阀尺寸很少确定得过小，是因为用户在操作条件中存在许多安全因素。大量的节流阀的尺寸实际上是过大了。这些事情的发生是因为用户提供的一组操作条件经常是操作的最大工况（温度、压力、流率等）。然后制造厂再在确定尺寸的公式内加上自己的安全因素。阀门厂这样做为避免出错过小而产生的错误。对它来说，用户对尺寸过小的理解小于尺寸过大。虽然没有意义，但一个尺寸过大的阀门仍然可以操作。

确定手动阀门尺寸有哪些准则     手动开关隔断阀的基本功能很简单：当阀门打开或关闭时，或是在关闭后改编权物流方向时能够通过全部流量。这样有时阀门尺寸可简单地根据管线尺寸确定。管线尺寸早已被系统工程师确定。手动阀门制造厂经常提供确定阀门尺寸的图表，它可指明需要的流量（Q）与阀门之间的关系，即能够在最小和最大阀门尺寸时能够通过给定的流率。

确定手动阀门尺寸的重要选择是阀门是否应当为全径开口或缩径开口。在许多情况下，它更是一个通过全部物流或陈升轻微压力降的阀门功能。如果阀门安装出的工况必须允许通过一个清洗猪去清洗或冲洗管线，阀门必须选用全径开口，因为清洗猪尺寸是和管线内径尺寸相同的。另一种要求全径开口的手动阀门适用于稀桨或操作中含有杂物或颗粒指出。如果阀门为缩径开口，这些颗粒或稀桨有沉淀倾向并在狭窄的缩径区域内集结。全径开口没有该种，允许杂物自由通过而不发生聚集。全径开口手动阀门也被选用与高流速操作，因为节流将增加磨损和进一步提高流速的机会。通常要求正确确定手动阀门的操作条件是最大和最小温度、压力、流率和比容（蒸汽工况）。不仅最苛刻工况是重要的，而且平均操作条件也是重要的。比容通常由通用公布的蒸汽表提供给用户。大多数蒸汽表提供的数据是以磅每平方英寸（绝对压力）（psia）表示，它没有考虑大气压力（14.7psi或1.03bar）。另一方面，磅每平方英寸（psig）说明已改变了大气压力。Psig的公制当量为barg。

止回阀尺寸确定的准则说明   确定止回阀尺寸的最关键的因素是足够的压力降和打开止回阀的最小物流。没有压力降，闭合元件不会打开，切阀门依然处于关闭状态，这是当泵不能维持适当流量或物流你想流动时所发生的。

打开止回阀所需的最小压力降典型地是1psi（0.07bar）。此最小压力降是维持闭合元件处于打开位置而不是小所需要的。如果此压力降下降低于1psi，闭合元件将前后浮动，它通常叫做扰动。当阀盘向阀座移动，开口变小且重新产生压力，它导致阀盘打开得更高。低压力降状态造成反复循环知道压力降增加，并造成活动部件的磨损和缩短止回阀的寿命。最大压力降近似到10psi（0.7bar），并根据止回阀的尺寸而定。较高的压力降会导致闭合元件的严重磨损。

止回阀制造厂提供他们的止回阀的升启压力。升启压力是打开止回阀所需的最小压力，对于止回阀的形式和尺寸它是一个固定数值，它在0.1～0.5psi（0.01～0.03bar）之间变动。除非工艺过程压力极低或压力降很小（小于1psi），则升启压力的意义很小。如果阀门安装在垂直管线上则升启压力可能是重要的，此处阀门打开时必须克服中立和工艺过程压力。较小尺寸的管线比较大尺寸的管线有较高的升启压力。这是因为管线尺寸越大，则克服止回阀内零部件重量的过程力越大。

除非物流在操作过程中其物流变化范围很大，止回阀是按最小物流量来确定尺寸的，它是顺序地确定阀门尺寸。这项工作是使用者造成的确定阀门尺寸图表完成的。如果按最小流量确定的阀门尺寸等于或大于管线尺寸，管线尺寸应作为阀门尺寸。例如制造厂资料要求一个4in止回阀，而管线尺寸为3in，则使用3in止回阀应满足要求。较大的或超大尺寸的阀门对流量没有溢出，但其价格较贵且增加了安装费用。如果按最小流量推荐的阀门尺寸小于管线尺寸，则必须安装缩径短管而使用较小尺寸的止回阀。

用户应保证流量时在止回阀设计参数之内。高的流量会增加物流和激流的频率，它将增加通过阀门的压力降以及导致阀门磨损。流量不足将使阀门产生扰动。流量必须足以克服止回阀关闭位置之力——不管是重 力、封闭元件重量、管线方位或弹簧力。

通常止回阀的最大液体流动速度是11ft/s(3.4m/s),一般的最低液体流动速度为6～7ft、搜（1.8～2.1m/s），但是某些设计（例如双阀盘止回阀）能够在3ft/s(0.9m/s)下操作。

节流阀尺寸确定有哪些准则     节流阀需要一个系统的方法确定通过阀门所需的流量，以及阀体尺寸、阀体类型和能够适应（或承受）工艺条件的材料、正确的额定压力和恰当的流动特性。确定节流阀流量的工业标准是ANSI/ISA标准S75.01，它包括有确定不可压缩（液体）和可压缩（气体）工艺流体流量的所需公式。因为液体和气体之间的压缩性问题，列出了一个的方程式并包括在本章中。

适当的选用阀门时基于工艺操作条件。为了正确确定尺寸，需要如下条件：上游压力、最大和最小温度、工艺流体的类型；基于最大流率的流率、平均流率和最小流率；蒸汽压力管线尺寸、管子标号和材料；最大、平均和最小压力降，流体的比重；临界压力。

阀门尺寸术语介绍之上游和下游压力      在工艺系统中，大多数阀门设计成既可通过物流又可在一定范围内抑制物流。按照工艺物流通过阀门的特定方向，上游压力和下游压力必须分清，不然则压力会相同的无流动产生。按定义，上游压力是取自阀门前面的压力读值，而下游压力是取自阀门后面的压力读值。

阀门尺寸术语之压力降与流量

压力降

上游压力和下游压力之间的最终差别叫做压力降（也叫压力差）。压力降考虑到工艺系统的为物流自阀门上游一侧向阀门下游一侧流动。理论上，压力降越大，通过阀门的物流越大。

流量

最常使用的确定尺寸的系数被认为是流动系数（CV），它的定义是一个美国加仑的（3.8L）60℉（16℃）的水流过阀门产生1.0psi（0.07bar）的压力降。通常有几种表示的方程式，但最常见的是：

CV =Q 

CV =Q/ 

式中  CV——阀门流动系数；

       Q——流量，gal/min

      Sg ——流体比重；

      △P——压力降，psi。

CV当计算正确，确定阀芯尺寸（或阀门节流区面积），它将允许通过需要的流量并在整个阀门形成中使工艺控制稳定。

阀门尺寸术语：实际压力降,阻塞压力降,许用压力降

实际压力降

    另一个压力降的术语为实际压力降，它的定义是上游(入口)与下游（出口）之间的压力差。当阻塞压力降和实际压力降相比较，实际压力降较小，他用于CV确定尺寸方程式。

阻塞压力降

    研究CV方程式，嘉定如果压力降增加，则流量将按比例增加。但是存在一个点，此处进一步增加压力降将不改变阀门流率，这就是通常所称的阻塞流量。

如图7.1所示，对于液体工况具有一个恒定的上游压力，流率与具有按比例和恒定CV的压力降平方根有关，当阀门开始阻塞，流率曲线下落远离直线关系。因为此阻塞条件，流率达到最大的条件是由于液体中存在气穴或气体的声速。

根据阀门类型不同，远离直线关系发生在直线的不同区域，有些较为平缓有些较为突变。例如截止阀倾向于控制较高压力降而无阻塞。而旋塞阀想法，它倾向于在较低压力降时阻塞和出现气穴。

为了简化，属于阻塞压力就△Pchoked。用来表示发生阻塞流率的理论点，将线性恒定CV直线和最大流率曲线Qmax相交，此点通称为液体压力回收系数FL，它将在本章中更为详细地讨论。ANSI/ISA液体确定尺寸方程式使用FL去计算阻塞流率发生的△Pmax理论点，这样能够确定阀门尺寸而不产生工艺过程阻塞。

对于气体工况，终点压力降比率xT用来叙述特定阀门的阻塞压力降。

许用压力降       许用压力降选自实际压力降和阻塞压力降中的较小者，用来确定正确的CV。当确定液体工况的CV时，必须考虑一下事项去了解是否应当使用压力降：首先，进口压力P1是否比较接近于蒸汽压力；第二，出口压力P2是否比较接近于蒸汽压力；第三，实际压力降与进口压力P1相比较是否较大。如果以上三项中存在任何一项，用户应计算许用压力降，并与实际压力降相比较，而使用较小值。

阀门之开始的和先期的气穴     对于液体工况，当流体流经阀门最狭窄点（收缩断面）时，压力的下降与速度增加成反比。对于某些特殊流体，如果压力降低于蒸汽压力，则开始形成气泡。当液体移动到容易或下游管线的较大面积时，压力恢复到一定范围。压力增加高于蒸汽压力，导致气泡破裂或爆炸。这两个步骤——产生气泡和随后的爆炸叫做气穴现象，并且是金属表面腐蚀形成的阀门破坏主要起因。

随着压力降，气穴开始形成之点叫做开始的气穴。气穴发生到最大程序的压力水平叫做先期的气穴。在先期气穴过程中，物流阻塞器不能增加，它影响阀门流量和功能。产生先期气穴之点是能够预报的。做这项工作之前，必须确定压力降，通过使用液体气穴系数FL。

阀门常见闪蒸问题      在液体操作中，当下游压力等于或低于蒸汽压力，在收缩断面处产生蒸汽蒸气气泡并保持未被损伤和未被挤压。因为压力恢复的高度足以产生此种情况。这种现象被叫做闪蒸。当产生闪蒸时，下游流体是蒸气和液体的混合物并以很高流速移动，导致阀门和下游管线内的磨损。

不幸的是，完全消灭闪蒸涉及改善系统本身，特别是下游压力和蒸气压力。但是，不是所有系统都容易被改善而且这些可能不是一个可供选择的方案。要考虑阀门的位置，特别是如果阀门将下游物流排放进入一个大的容器，如储罐或冷凝器内。将阀门放在靠近容器处将使物流碰撞进入容器的较大体积内并远离任何主要表面。当发生闪蒸，除去使用硬化阀芯材料外，在阀门内的设计上没有解决办法，例如通常使用的抗气穴阀芯或气穴控制阀芯。

什么是阀门的液体压力恢复系数      确定液体尺寸的关键因素是液体压力回复系数FL，它语言阀体的集合条件对于阀门最大容量有影响。FL用于预告收缩断面和阀门出口之间的压力恢复量。

液体压力回复系数是由制造厂通过特定阀门类型的流动试验确定的。FL系数根据阀门内部涉及面变动很大。相同基本设计的阀门（例如蝶阀）根据厂家的不同内部设计而又不同的FL系数。一般来说，旋转阀，特别是球阀和蝶阀，考虑到在收缩断面之后又一个高的流体恢复，这样他们比截止阀在较小的压力降时倾向产生气穴和阻塞。在很大程度上，截止阀比旋转阀有较佳的FL系数并能处置工况恶劣的操作。

液体临界压力比率系数介绍    液体临界压力比率系数在确定液体尺寸中是主要的，因为当通过阀门产生最大有效压力降（或换言之，阻塞压力降）时，它与高在收缩断面处的理论压力。

阻塞物流,雷诺数系数,膨胀系数,压缩率系数概述详解      阻塞物流    在液体操作中，由于去学和闪蒸的存在使流体比容膨胀。由于存在压差，容积增加速率快与物流增加。在这点上，阀门能通过任何增加的物流，甚至于下游压力下降时。

对于气体和蒸汽操作，当液体速度在阀体或下游管线人一点上达到声速水平[等于或大于Mach（马赫）]则发生阻塞物流。根据质量和能量的基本定律，当流动通过区时，阀内压力下降，而速度成反比增加。当压力下降，则流体比容增加到一点，该店可达到声速。

因为速度[Mach1（气体）或50ft/s(12.7m/s)(液体)]，流率诶在通过收缩断面或下游管道时由声速所允许之值。

雷诺数系数     某些工艺过程的特性是由存在层流（例如油）的非湍流条件所确定。层流流体有高的年度，在较低流速下操作，或要求流量时极小的。雷诺数系数FR是用来修正流量系数Cv公式的。大多数情况下，如果年度是相对低时（例如小于SAE10电机油）则雷诺数系数是不重要的。