基于流量調節器的限流閥結構設計及特性研究

金 琦，刁永發，李紅，胡美琴

（1. 東華大學 環境科學與工程學院，上海 郵編201620；2. 搏力謀自控設備(上海)有限公司，上海 郵編 201108）

提高建筑節能以及提升室內舒適度是當下暖通行業受到眾多關注的主題。家用二聯供水系統的末端設備通常存在水力失調、漏水維護困難等問題。由于在設計、施工等環節會存在多種因素使得空調系統實際運行狀況無法很好貼合用戶實際使用需求［1］，例如存在系統設備選型不當、安裝調節問題通常會使得遠支路的供水不足、近支路流量過大［2］，［3］。為了保證最不利環路所需的流量，整個系統所有支路的流量都會進行較大程度的提升，大大提高了系統能耗［4］。

空調水系統的流量穩定性也直接關系著室內人員的舒適程度。在日常家庭使用的水龍頭與淋浴噴頭中，為了較好地控制水流量，避免出水量過猛，會使用一個重要部件——流量調節器（Flow Regulator）。流量調節器是用來控制出水流量的穩定，防止流量過大。帶有流量調節器的噴淋器通過自動調節流體的流通面積以保證持續輸出的流量穩定，有利于節約水資源。流量調節器用于調節流量的部分是一種由彈性材料制成的環形結構的裝置，如圖1。流量調節器與帶齒狀的調節星輪形成的空隙可容流體介質通過［5］。當彈性材料受壓而縱向往調節星輪齒廓延伸，增大截面積，流量調節器彈性材料與調節星輪的形成的空隙減少，即流通面積減小，限制流體大量通過，以達到節流的目的。

圖1 流量調節器實物圖與截面示意圖

因此，考慮將具有穩定流量特性的流量調節器應用到球閥的設計上，一方面球閥本身具有良好的關斷特性，可有效避免閥門漏水的問題；另一方面，流量調節器穩定流量的特性可有效解決空調末端水力失調的問題。帶有穩流特性的球閥應用于末端設備供水管上可避免流量大幅度波動引起較大的溫差，這樣可保證室內舒適度。接下來將對限流閥的結構進行介紹，并進行穩流特性的研究。

1 限流閥的結構設計與原理

空調水系統通常分為定流量、變流量兩種形式，通常會采用靜態或動態平衡閥進行流量調節。其中，靜態平衡閥需手動進行設定與調整，適用于定流量系統，而對于變流量系統，靜態平衡閥缺乏對動態流量變化的調節能力［6］。動態平衡閥通常采用壓差式流量調節的原理，當壓差變化時，鼓膜感知壓差以驅動閥芯調節流量。當通過閥門的流量降低時，閥門兩側壓差也相應減少，閥芯與閥座的距離增大，此時通過閥門的流量會增多；當通過閥門的流量過多時，閥門兩側的壓差增大，使得閥芯與閥座的距離較小，減小通過閥門的流量，如此反復，直至找到流量穩定的平衡點。動態調節閥一般需在壓差不小于40kPa才能穩定工作，而家用空調水系統的口徑與流量均較小，同時動態調節閥的結構相對較復雜、尺寸偏大，因此也局限了其在家用空調水系統上的應用。因此考慮在調節閥的軸向后方整合一個構造成筒狀帶流量調節器的限流器，這樣既避免了調節閥在安裝高度上無法滿足要求，也能夠對穩定輸出末端設備所需的流量。

限流閥由球閥和帶有流量調節器的限流器構成，如圖2。開關型球閥具備快速開關的特性，并且全關后，球閥的泄露率可滿足EN12266-1 Rate A要求。限流器可穩定閥門出口流量，一個限流器包含3個〇型圈，這三個限流通道同時用來調節流通面積，從而起到調節流量的作用。

圖2 限流閥的流量調節器示意圖

接下來對限流器的流量調節器的運行原理進行介紹。圖3（a）、（b）、（c）分別顯示了無流量、流量較少、流量過多三種情況下流量調節器的變化情況。當管路中無介質流動（即限流器兩端無壓差）時，○型圈未被壓縮而保持自然形態，見圖3（a）。當水流量增加，○型圈兩側壓差開始增大，故○型圈受到水的擠壓力發生形變，截面積發生擴張后而逐漸趨近至閥座位置，使得閥體內的流通面積減小，見圖3（b）。隨著流量進一步增大至過流時，○型圈進一步被壓縮擴張使得流通面積減少，從而阻擋一定的介質通過。即使管道內的流量繼續加大，由于○型圈的彈性材料受到的擠壓力也越大，流體的流通面積會進一步縮小，這樣就起到限流效果，防止過流來確保流量的相對穩定，見圖3（c）。

圖3 限流器的運行原理

綜合上述，若閥門既可穩定流量、又具有較好的關斷特性來替換手動截止閥，即可有效地解決二聯供水系統中的這些實際問題。

2 限流閥的關斷特性驗證與設計流量

參考家用空調技術的設計參數［7］，［8］，末端設備供回水管的接管尺寸的口徑通常為DN15與DN20兩種口徑，風機盤管管道水流速范圍在0.25 m/s至0.5 m/s之間，在地暖的分集水器內的水流速一般不超過0.8 m/s。DN15口徑對應的管道流量通常在0.08至0.36 L/s之間，而DN20口徑對應的管道流量在0.33 至0.85 L/s之間。因此，DN15與DN20兩種口徑的限流閥分別設計了4組不同的額定流量，具體參數如表1所示。

表1 限流閥的額定流量參數

不同額定流量的限流器在壓差0.2bar至2.8bar的范圍內變化時，即流量出現較大波動，限流器在壓差擠壓作用下減少流通面積，保持閥門出口的實際流量值維持在設計流量值，流量平均誤差≤7%。限流閥關斷能力的測試要求參照EN12266-1:2012與GB/T 13927-2008等國內外檢測標準。

關斷特性的測試示意圖如圖4所示。氣密性測試時，先將限流閥旋轉至全關后與管道連接，整體放入測試用水池中。從閥門一側的管道中注入一定的壓縮空氣。如果限流閥的另一端未出現氣泡，則證明密封性好，限流閥關斷能力良好；反之，限流閥密封性差。液體密封性測試時，將全關后的限流閥的一端與水管連接，從管道的一端往水管中注入一段水，再通過注入壓縮空氣對管道中的水進行加壓，觀察限流閥的另一側是否出現滴水的泄漏現象。

圖4是在測試平臺對限流進行測試的實物圖。通過測試結果可得出，氣密性測試時，水池中無明顯氣泡冒出；同時注入液體測試時，無水滴流出。由此可判斷限流閥的關斷能力良好。

圖4 關斷特性測試示意圖

3 限流閥穩流特性測試研究

接下來對限流閥穩定流量的特性進行研究。當無流體通過或流量較少時，限流器幾乎不阻擋管道內的流體流通。一旦流量過多，流通的流體受到限流器的阻擋而流量保持相對穩定。因此，當管道內的壓差從0 bar逐漸增長，測試通過限流閥的流量。

3.1 流量測試系統與要求

圖5所示是閥門測試平臺的系統圖進行流量測試。此平臺為一個小型的循環水系統，兩個分、集水器之間有三條水管支路。每條支路上可供安裝一個測試閥門，另外在每條支路上均安裝了流量計、壓差計以實時監測管道的流量與壓差，并通過數據采集器將數據匯總。

圖5 流量測試平臺的系統圖

將DN15、DN20口徑的不同額定流量的限流閥依次安裝在測試位置并使閥門處于全開狀態。將DN15與DN20口徑對應的額定流量作為測試設計流量，一共八組測試，要求平均流量偏差≤7%，并且對流速進行校核。當測試系統通過閥體的流量逐漸變化上升時，分別測試壓差在0.1bar，0.16bar，0.2bar，0.35bar，0.5bar，1bar，1.5bar，2bar，2.5bar，3bar十個工況下的通過限流閥的流量，并做好數據記錄。圖6為限流閥測試過程中的實物圖。

圖6 限流閥測試圖

3.2 結果分析

從圖7可看出，對于DN15口徑下不同額定流量的限流閥，當閥門兩端的壓差很小時，即流量很小，限流器受到的擠壓力很小而發生形變很小，因此對流通介質的阻擋作用小。隨著流量加大，閥門兩端壓差增大，限流器受到擠壓后截面積增大，從而流通面積減少，導致通過限流器的流量減少。圖8顯示了對于不同額定流量下通過閥門的流體流速與閥門兩端的壓差，四條曲線分別對應不同額定流量0.08 L/s、0.16 L/s、0.20 L/s、0.36 L/s。對比發現，當壓差值到達某一定值后，通過限流器的流速開始趨于平穩，即使壓差進一步增大，流量也能維持相對平穩，波動很小。

圖9與圖10顯示了不同額定流量下通過閥門的流量與閥門兩端的壓差的對應圖，分別對應額定流量0.33 L/s、0.42 L/s、0.5 L/s、0.72 L/s。從兩圖可看出，當流量很小時，此時限流器對流通介質的阻礙作用很小，通過閥門的流量隨著壓差的增大而增大。隨著流量的增長，限流器受到的作用力增大，使得流通面積逐漸減少，導致通過限流器的流量減少。當流速達到某一值時，流速開始保持相對穩定，以此保證過流狀態下，通過限流閥的流量仍然能保持穩定。

圖7 DN15口徑C型、D型、E型、F型限流閥的流量特性測試曲線

圖8 DN15口徑C型、D型、E型、F型限流閥的流速曲線

圖9 DN25口徑F6型、G0型、G型、H0型限流閥流量特性測試曲線

圖10 DN25口徑F6型、G0型、G型、H0型限流閥流速曲線

4 結論

綜合限流器穩定流量的特性與球閥良好關斷能力的限流閥具有良好的關斷特性，可有效避免民用空調末端設備接管漏水問題，減少了維護成本。限流閥穩定流量的特性，有助于維持末端設備與室內環境熱交換的穩定性，保證了室內的舒適性。測試結果表明限流閥在過流狀態下保持通過流量的穩定，計算平均誤差在≤7%以內；且流速也在合理區間（不大于0.8 m/s）。這證明限流閥可以達到穩定流量的特性要求，對解決末端系統水力失調具有一定的效果，并且密封較好不會出現泄漏的現象，在家用小型水系統中有較好的應用前景。