バルブはどのようにして流量を減少させますか?圧力損失と Cv の説明

バルブは流体の経路に抵抗を加えることで流量を減らします。液体や気体が移動するのは、2 点間に圧力差が存在するためであり、部分的に閉じたバルブ自体がその差分を引き受けます。バルブが消費する分はラインの残りの部分に流体を押し出すのに利用できなくなるため、流量はより低い値に落ち着きます。これがメカニズム全体を一言で表したものです。

有益な詳細は、バルブが主張する圧力の量、バルブが動くにつれてトリムの形状がどのように変化するか、流量が低下している間にシステムの残りの部分に何が起こるかなどにあります。当社は 10 年以上にわたり、計器、油圧、および一般産業ラインにステンレス鋼のバルブと継手を供給してきましたが、スロットリングに関してお客様から寄せられる質問は、非常によく知られたパターンに従っています。ここにあります。

部分的に閉じられたバルブの内部で何が起こっているのか

制限はトリム、つまりシートに向かって移動するニードル、プラグ、ディスク、またはボールによって作成されます。バルブを閉じると開口部が狭くなり、2 つの効果が続きます。

• 流体の速度が上がります。 連続性では、同じ質量がより小さい領域を通過することが要求されるため、スロート内での速度が上昇し、ベルヌーイの原理により、局所的な静圧が低下します。
• エネルギーは下流で失われます。 加速された流体は圧力が完全に回復することはありません。制限後の乱流と摩擦は機械エネルギーを熱に変え、流体がその熱を運び去ります。

本当に重要なのは 2 番目の効果です。バルブは単にパイプを遮断するプラグではありません。圧力エネルギーを不可逆的な損失に変換します。損失が大きくなると、流れを駆動するために残される圧力差が少なくなり、流量が低くなります。

圧力降下は流れを買う通貨である

ポンプ、レギュレーター、またはガスヘッダーによって生成される圧力を予算として扱います。供給配管、フィルター、熱交換器、バルブ、排出配管はすべてその一部を費やし、残ったものが実際に流体を動かすのです。スロットリングによりバルブのシェアが増加し、余剰が縮小し、帳簿が再び均衡するまで流量が減少します。

固定供給圧力とポンプの比較

上流に圧力調整器またはガスヘッダーがある場合、バルブを閉じても供給圧力はほぼ一定に保たれます。バルブ自体の圧力降下が増加し、流量が減少します。その結果は以下のサイズ計算式で説明されます。

遠心ポンプを使用すると状況が変わります。絞りにより抵抗が追加され、システム曲線が急勾配になるため、動作点はポンプ曲線に沿って、より高い吐出圧力とより低い流量に向かってスライドします。バルブは単独で動作するのではなく、ポンプを制御します。ポンプの絞りがかなり後ろに絞られていると、最高効率点より左で動作し、内部で再循環し、動作がより高温になり、騒音が大きくなり、シールが早く摩耗する可能性があります。

数値: Cv、Kv、平方根の法則

バルブ容量は流量係数で表されます。米国の単位では Cv で、1 psi の圧力でバルブを通過する 60°F の水の 1 分あたりのガロンです。相当するメートル法は Kv です。液体の場合:

Q = Cv × √(ΔP / SG)

ここで、Q は流量、ΔP はバルブ前後の圧力降下、SG は液体の比重です。 Cv 自体はバルブ位置に依存するため、この方程式には両方の効果が同時に含まれます。開度によって Cv が変化し、スロットルによって ΔP が変化します。

平方根は人々を惹きつけるものです。流量は圧力降下ではなく平方根に比例するため、開口部が固定されている場合、利用可能な圧力降下を 4 分の 1 にカットすると流量が半分になります。同じ数学により、ほぼ閉じたバルブ上でステムを少し回転させるだけで流れがこれほど急激に変化する理由が説明されます。低リフトでは、開口面積のわずかな変化が Cv の大きな割合の変化を引き起こします。

バルブの特性: 流れの滑らかさ

全開時の容量が同じ 2 つのバルブでも、半開時にはまったく異なる動作をする可能性があります。固有の特性は、移動に伴って Cv がどのように増加するかを表します。

クイックオープントリムは、走行の最初の 3 分の 1 でその容量のほとんどに達し、オン/オフに適しています。等しいパーセンテージのトリムは、最も広い制御可能範囲を提供し、制御ループの通常の選択です。リニア トリムは、バルブ全体の圧力降下がほぼ一定に保たれる場合に適しています。

流量の変化に応じてバルブ両端の ΔP が変化するため、取り付けられた動作は公表されている曲線と正確に一致することはありません。これが、絞り付きポンプ システムで等パーセンテージ トリムが一般的であるもう 1 つの理由です。

さらに閉じると流量が減少しなくなる

1 つのバルブでできることには限界があります。液体が大静脈として知られるシートのすぐ下流の最も狭い点を通って加速すると、その圧力が液体の蒸気圧を下回る可能性があります。気泡が発生し、さらに下流で崩壊すると、トリムやパイプの壁に衝撃が加わります。それはキャビテーションであり、カタカタという音とゆっくりと腐食するシートでそれ自体を知らせます。

下流の圧力が蒸気圧未満に留まると、気泡は決して崩壊せず、流体は部分的に蒸発してバルブから出ます。これは点滅しており、数週間でバルブが破損する可能性があります。ガスには独自の上限があり、スロート内の速度が音速に達すると流れが詰まり、下流側の圧力をさらに下げても何も変化しません。症状はいつも同じです。バルブを閉じ続けると、流れが反応しなくなり、騒音が大きくなります。

通常の解決策は、圧力降下を直列の 2 つのバルブに分割するか、アンチキャビテーション トリムを指定するか、下流側の圧力を上げることです。

バルブタイプをジョブに適合させる

すべてのバルブがスロットル用に作られているわけではありません。流れを調整するために遮断弁を使用することは、私たちがよく目にする間違いの 1 つであり、通常はシートが損傷し、不可解な制御不能に終わります。

ニードルバルブ: 微小縮小には自然な選択

テーパー状のニードルが小さなシート内に移動すると、開口面積が長く徐々に変化します。そのため、サンプリング ライン、パージ流、分析装置の供給、低流量回路など、流れを正確にトリミングしてそこに保持する必要がある場合には、ニードル バルブが標準的な答えとなります。私たちのガイド ニードルバルブの用途 彼らが自分の地位を獲得する場所をカバーします。

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ボールバルブ: 優れた遮断性、不十分なスロットリング

ボールバルブは全開または全閉が最も快適です。部分的に開いており、流路は扱いにくく、シートは高速流体にさらされており、最後の数度の移動で流れが急激に変化します。

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計器および油圧回路での活用

計測機器において、流量を減らすことは通常、送信機の隔離、ゲージの通気、または分析装置へのサンプル流量のトリミングなど、小規模で局所的な作業です。ニードルバルブを備えた二方向マニホールドにより、単一のアセンブリで調整と確実な遮断が可能になり、ジョイントの数と潜在的な漏れ経路の数が最小限に抑えられます。

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油圧回路でも原理ははるかに高い圧力でも同じです。浸食が真のリスクであり、硬化トリム、十分な肉厚、信頼性の高いシールには、少額の追加コストを支払う価値があります。

流量を減らすための実践的なチェックリスト

1. 通常および最小条件で必要な流量と、回路の両端で利用可能な圧力を確立します。
2. パイプのサイズから推測するのではなく、必要な Cv または Kv を計算します。
3. 通常の動作が約 20 ～ 80% の開きになるようにバルブのサイズを調整し、両方向に調整できる余地を残します。
4. 特性をループに一致させます。バルブが圧力降下の多くを占める場合は等パーセンテージ、そうでない場合は直線的です。
5. 隔離と絞りの役割を分離し、1 つのステップで大きな圧力降下が発生するたびにキャビテーションやチョークフローをチェックします。

ショートバージョン

バルブは流体から圧力を奪い、回収されない熱に変換するため、流量を減少させます。バルブを閉じると、利用可能な圧力差の割合が増加し、残った圧力は元の流れを維持するのに十分ではなくなります。それがどれだけスムーズに起こるかはトリムによって決まります。どこまで到達できるかは流体によって異なります。特定の流量に合わせてバルブのサイズを調整する場合は、喜んでお客様と協力して数値を検討します。を見てください。 流体システムソリューション 私たちが構築するか、単に回線条件を送って一緒にサイズを調整しましょう。