基于流量调节器的限流阀结构设计及特性研究

金 琦，刁永发，李红，胡美琴

（1. 东华大学 环境科学与工程学院，上海 邮编201620；2. 搏力谋自控设备(上海)有限公司，上海 邮编 201108）

提高建筑节能以及提升室内舒适度是当下暖通行业受到众多关注的主题。家用二联供水系统的末端设备通常存在水力失调、漏水维护困难等问题。由于在设计、施工等环节会存在多种因素使得空调系统实际运行状况无法很好贴合用户实际使用需求［1］，例如存在系统设备选型不当、安装调节问题通常会使得远支路的供水不足、近支路流量过大［2］，［3］。为了保证最不利环路所需的流量，整个系统所有支路的流量都会进行较大程度的提升，大大提高了系统能耗［4］。

空调水系统的流量稳定性也直接关系着室内人员的舒适程度。在日常家庭使用的水龙头与淋浴喷头中，为了较好地控制水流量，避免出水量过猛，会使用一个重要部件——流量调节器（Flow Regulator）。流量调节器是用来控制出水流量的稳定，防止流量过大。带有流量调节器的喷淋器通过自动调节流体的流通面积以保证持续输出的流量稳定，有利于节约水资源。流量调节器用于调节流量的部分是一种由弹性材料制成的环形结构的装置，如图1。流量调节器与带齿状的调节星轮形成的空隙可容流体介质通过［5］。当弹性材料受压而纵向往调节星轮齿廓延伸，增大截面积，流量调节器弹性材料与调节星轮的形成的空隙减少，即流通面积减小，限制流体大量通过，以达到节流的目的。

图1 流量调节器实物图与截面示意图

因此，考虑将具有稳定流量特性的流量调节器应用到球阀的设计上，一方面球阀本身具有良好的关断特性，可有效避免阀门漏水的问题；另一方面，流量调节器稳定流量的特性可有效解决空调末端水力失调的问题。带有稳流特性的球阀应用于末端设备供水管上可避免流量大幅度波动引起较大的温差，这样可保证室内舒适度。接下来将对限流阀的结构进行介绍，并进行稳流特性的研究。

1 限流阀的结构设计与原理

空调水系统通常分为定流量、变流量两种形式，通常会采用静态或动态平衡阀进行流量调节。其中，静态平衡阀需手动进行设定与调整，适用于定流量系统，而对于变流量系统，静态平衡阀缺乏对动态流量变化的调节能力［6］。动态平衡阀通常采用压差式流量调节的原理，当压差变化时，鼓膜感知压差以驱动阀芯调节流量。当通过阀门的流量降低时，阀门两侧压差也相应减少，阀芯与阀座的距离增大，此时通过阀门的流量会增多；当通过阀门的流量过多时，阀门两侧的压差增大，使得阀芯与阀座的距离较小，减小通过阀门的流量，如此反复，直至找到流量稳定的平衡点。动态调节阀一般需在压差不小于40kPa才能稳定工作，而家用空调水系统的口径与流量均较小，同时动态调节阀的结构相对较复杂、尺寸偏大，因此也局限了其在家用空调水系统上的应用。因此考虑在调节阀的轴向后方整合一个构造成筒状带流量调节器的限流器，这样既避免了调节阀在安装高度上无法满足要求，也能够对稳定输出末端设备所需的流量。

限流阀由球阀和带有流量调节器的限流器构成，如图2。开关型球阀具备快速开关的特性，并且全关后，球阀的泄露率可满足EN12266-1 Rate A要求。限流器可稳定阀门出口流量，一个限流器包含3个〇型圈，这三个限流通道同时用来调节流通面积，从而起到调节流量的作用。

图2 限流阀的流量调节器示意图

接下来对限流器的流量调节器的运行原理进行介绍。图3（a）、（b）、（c）分别显示了无流量、流量较少、流量过多三种情况下流量调节器的变化情况。当管路中无介质流动（即限流器两端无压差）时，○型圈未被压缩而保持自然形态，见图3（a）。当水流量增加，○型圈两侧压差开始增大，故○型圈受到水的挤压力发生形变，截面积发生扩张后而逐渐趋近至阀座位置，使得阀体内的流通面积减小，见图3（b）。随着流量进一步增大至过流时，○型圈进一步被压缩扩张使得流通面积减少，从而阻挡一定的介质通过。即使管道内的流量继续加大，由于○型圈的弹性材料受到的挤压力也越大，流体的流通面积会进一步缩小，这样就起到限流效果，防止过流来确保流量的相对稳定，见图3（c）。

图3 限流器的运行原理

综合上述，若阀门既可稳定流量、又具有较好的关断特性来替换手动截止阀，即可有效地解决二联供水系统中的这些实际问题。

2 限流阀的关断特性验证与设计流量

参考家用空调技术的设计参数［7］，［8］，末端设备供回水管的接管尺寸的口径通常为DN15与DN20两种口径，风机盘管管道水流速范围在0.25 m/s至0.5 m/s之间，在地暖的分集水器内的水流速一般不超过0.8 m/s。DN15口径对应的管道流量通常在0.08至0.36 L/s之间，而DN20口径对应的管道流量在0.33 至0.85 L/s之间。因此，DN15与DN20两种口径的限流阀分别设计了4组不同的额定流量，具体参数如表1所示。

表1 限流阀的额定流量参数

不同额定流量的限流器在压差0.2bar至2.8bar的范围内变化时，即流量出现较大波动，限流器在压差挤压作用下减少流通面积，保持阀门出口的实际流量值维持在设计流量值，流量平均误差≤7%。限流阀关断能力的测试要求参照EN12266-1:2012与GB/T 13927-2008等国内外检测标准。

关断特性的测试示意图如图4所示。气密性测试时，先将限流阀旋转至全关后与管道连接，整体放入测试用水池中。从阀门一侧的管道中注入一定的压缩空气。如果限流阀的另一端未出现气泡，则证明密封性好，限流阀关断能力良好；反之，限流阀密封性差。液体密封性测试时，将全关后的限流阀的一端与水管连接，从管道的一端往水管中注入一段水，再通过注入压缩空气对管道中的水进行加压，观察限流阀的另一侧是否出现滴水的泄漏现象。

图4是在测试平台对限流进行测试的实物图。通过测试结果可得出，气密性测试时，水池中无明显气泡冒出；同时注入液体测试时，无水滴流出。由此可判断限流阀的关断能力良好。

图4 关断特性测试示意图

3 限流阀稳流特性测试研究

接下来对限流阀稳定流量的特性进行研究。当无流体通过或流量较少时，限流器几乎不阻挡管道内的流体流通。一旦流量过多，流通的流体受到限流器的阻挡而流量保持相对稳定。因此，当管道内的压差从0 bar逐渐增长，测试通过限流阀的流量。

3.1 流量测试系统与要求

图5所示是阀门测试平台的系统图进行流量测试。此平台为一个小型的循环水系统，两个分、集水器之间有三条水管支路。每条支路上可供安装一个测试阀门，另外在每条支路上均安装了流量计、压差计以实时监测管道的流量与压差，并通过数据采集器将数据汇总。

图5 流量测试平台的系统图

将DN15、DN20口径的不同额定流量的限流阀依次安装在测试位置并使阀门处于全开状态。将DN15与DN20口径对应的额定流量作为测试设计流量，一共八组测试，要求平均流量偏差≤7%，并且对流速进行校核。当测试系统通过阀体的流量逐渐变化上升时，分别测试压差在0.1bar，0.16bar，0.2bar，0.35bar，0.5bar，1bar，1.5bar，2bar，2.5bar，3bar十个工况下的通过限流阀的流量，并做好数据记录。图6为限流阀测试过程中的实物图。

图6 限流阀测试图

3.2 结果分析

从图7可看出，对于DN15口径下不同额定流量的限流阀，当阀门两端的压差很小时，即流量很小，限流器受到的挤压力很小而发生形变很小，因此对流通介质的阻挡作用小。随着流量加大，阀门两端压差增大，限流器受到挤压后截面积增大，从而流通面积减少，导致通过限流器的流量减少。图8显示了对于不同额定流量下通过阀门的流体流速与阀门两端的压差，四条曲线分别对应不同额定流量0.08 L/s、0.16 L/s、0.20 L/s、0.36 L/s。对比发现，当压差值到达某一定值后，通过限流器的流速开始趋于平稳，即使压差进一步增大，流量也能维持相对平稳，波动很小。

图9与图10显示了不同额定流量下通过阀门的流量与阀门两端的压差的对应图，分别对应额定流量0.33 L/s、0.42 L/s、0.5 L/s、0.72 L/s。从两图可看出，当流量很小时，此时限流器对流通介质的阻碍作用很小，通过阀门的流量随着压差的增大而增大。随着流量的增长，限流器受到的作用力增大，使得流通面积逐渐减少，导致通过限流器的流量减少。当流速达到某一值时，流速开始保持相对稳定，以此保证过流状态下，通过限流阀的流量仍然能保持稳定。

图7 DN15口径C型、D型、E型、F型限流阀的流量特性测试曲线

图8 DN15口径C型、D型、E型、F型限流阀的流速曲线

图9 DN25口径F6型、G0型、G型、H0型限流阀流量特性测试曲线

图10 DN25口径F6型、G0型、G型、H0型限流阀流速曲线

4 结论

综合限流器稳定流量的特性与球阀良好关断能力的限流阀具有良好的关断特性，可有效避免民用空调末端设备接管漏水问题，减少了维护成本。限流阀稳定流量的特性，有助于维持末端设备与室内环境热交换的稳定性，保证了室内的舒适性。测试结果表明限流阀在过流状态下保持通过流量的稳定，计算平均误差在≤7%以内；且流速也在合理区间（不大于0.8 m/s）。这证明限流阀可以达到稳定流量的特性要求，对解决末端系统水力失调具有一定的效果，并且密封较好不会出现泄漏的现象，在家用小型水系统中有较好的应用前景。