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排气阀的基础知识

更新时间:2021-4-15 14:52:29  信息来源:排气阀的基础知识

"空气阀"又称为"排气阀",实际上它有排气和吸气双向功能,所以它应该被称为"空气阀"或"通气阀"。但是习惯上又叫"排气阀",英文名称:Air Valve,Air Release Valve,Air Vent,Purger等。

1、空气阀分类

空气阀通常分为"高速排气阀"、"高速吸气阀"和"微量排气阀"三种孔口功能以及它们之间的不同组合如:"双向进排气阀"、"单独微量排气阀"、"单向吸气阀"-又称为"真空破坏阀"或"补气阀"、"注气微排阀"-即高吸微排阀和复合式排气阀等。

按照用途,又分为:清水用和污水用空气阀。

按照孔口数量,又分为:单口排气阀、双口排气阀、三口排气阀和组合式正负压水锤控制阀等。

按照工作原理,又分为:二阶段空气阀(即高比例注气微排阀Two-Stage Air Valve)和三阶段空气阀(Three-Stage Air Valve)等。

按照内部结构,又分为:传统式排气阀、动力式高速排气阀、防水锤排气阀等。

按照微量排气原理,又分为:浮球直动式微量排气阀、单杠杆式微量排气阀、双杠杆式微量排气阀和卷帘式微量排气阀等。

按照安装方式,又分为:室内安装式、地上安装式、井内安装式、埋地安装式等。

2、空气阀功能简介

2.1高速排气阀Air Valve,Air/Vacuum Valve (US), Air Release Valve (欧洲), 或高速排气孔口:大孔口,通常25~200mm,一般在15mm以上,又很少达到200mm以上,该孔口尺寸并不是越大越好,相应的,高速排气量也不是越大越好;它在低压(或微正压)下工作,其正常工作压力在+10Pa~+89kPa(声速临界压力)之间,一般不高于+35kPa(=5psi)。按照美国水协AWWAC512《清水用排气阀产品标准》的定义:Air/Vacuum Valve:一种直接动作式、浮球操作型水力机械装置,在空管充水时自动大量排气或管线系统放空时自动大量吸气;在系统充满和有压状态下,这种高速进排气阀将保持关闭而且不会再开启;但是在出现负压时会开启泄放真空(即吸气破坏真空)。其功能是在微正压下高速大量排气。要求阀瓣在高速排气过程中不怕吹堵,但是通常怕吹堵,特别是在+10kPa(≈1mH2O)以上压力的气流中阀瓣(通常是浮球或浮筒)很容易被高速气流挟持吹出堵塞孔口。一旦关闭,就会长时间处于常闭状态,其后不会再打开,哪怕充满气体也不会再次开启排气-只要处于正压状态下。(如果此时高速排气阀开启排气,则会产生排气阀关阀水锤-Air Valve Slam,所以,不允许开启)。

2.2高速吸气阀:Air/Vacuum Valve, Vacuum Breaker (US),Air Intake Valve, Air Admittance Valve (欧洲),或高速吸气孔口:大孔口,通常50~600mm,该孔口尺寸可以说越大越好;在低压(微负压)下工作(吸气),其正常工作压力在-10Pa~-35kPa 之间,较少高于-1kPa,也很少低于-35kPa。其功能是在微负压下高速吸气补气,破坏真空;平时在有压下长期处于常闭状态。其关键技术指标有:孔口尺寸、与负压相关的吸气量、孔口吸气系数、负压开启值、负压灵敏度(负压开启延后时间-启动延后和全开启所需时间)、流道面积、孔口朝向及其防护等级(防止灰尘堆积和阻塞)等。通常跟高速排气孔口为同一个物理孔口,即市场上常见的高速进排气阀。共用孔口带来孔口选型时顾此失彼的天然缺陷。高速进排气阀仅能破坏真空,但是不能抑制空腔弥合水锤;而单向吸气阀既能破坏真空,又能抑制弥合水锤,其缺点是吸气后无排气措施。

2.3微量排气阀Air Release Valve(美国), Air Vent(欧洲),或微量排气孔口:微小孔口,通常1.0~25mm,一般在1.6~10mm之间;在正压下间歇性地或连续地排气,通常zui大排气压力达到声称的工作压力值或额定压力值;这个压力大部分超过89kPag(相对压力),孔口气体流速达到极限值-声速;因为孔口尺寸较小,其排气量被称为微量或小量。按照AWWA C512的定义:它是,在管线系统充满和处于运行压力状态下,能够自动排除聚集在管线局部高点的小型气囊的一种水力机械装置。其关键技术指标有:孔口尺寸、zui高排气压力、孔口排气系数、跟压力相关的排气量、浮球耐压、浮球比重、接口尺寸和额定压力等级等。注意:对微量排气阀来说,孔口越大,排气量越大,对管路系统排气越有利,但是其能够开启的zui大工作压力值越低;工作压力越高,其孔口越小,排气量越小,否则,较大尺寸的孔口可能在较高压力下不能打开。美国流行杠杆式,并且分为单杠杆和双杠杆,zui大杠杆比例达到4*6=24倍左右,可以做到较大的孔口(通常15mm以下)或者较高的工作压力(通常2.5MPa以下);欧洲、以色列和南非则比较倾向于浮球直接动作式,不利用杠杆放大,通常孔口较小,或者工作压力较低。关于微量排气孔口的尺寸,AWWA M51列出了1/16"~1"之间的10个规格,并给出了比较具体实用的选型方法;中国的排气阀产品标准CJ/T 217仅指明应大于等于1.6mm≈1/16",太小、太单一,不适用于DN500以上的中大型输水管线。

2.4复合式排气阀Combination Air Valve,Triple Function Air Valve,又称为双口排气阀,是上述高速进排气阀和微量排气阀的机械组合,有单体式(较小尺寸)和分体式(较大尺寸,DN100~150以上),通常有二个孔口,也有套接在一起的构成单口三功能空气阀,具有三个功能:微正压下高速排气、微负压下高速吸气、有压下微量排气。

2.5注气微排阀:2-Stage Air Valve, Combination Vacuum Relief and Air Release Valve,又称为"高吸微排阀",或者"真空破坏与微量排气复合阀","高进小排阀":属于一种进排气能力(流量)双向严重不平衡的通气阀,进排气孔口直径比例达到1.4:1~200:1(即孔口面积或流量之比达到2:1~40,000:1),具有高比例的进排气差异性能够抑制空腔弥合水锤。其功能是:微负压下高速吸气,破坏真空;恢复正压时不能高速排气、但能微量缓慢排气,能够在瞬态过程中瞬时截留气囊使之暂留在吸气阀节点附近,作为弹性气囊,就近地、瞬时地吸纳瞬态的水柱弥合所产生的撞击能量。其关键技术指标有:吸气口径、微量排气口径、进排气孔口直径比例、负压开启值、负压灵敏度(负压开启延后时间和全开启延后时间)、孔口吸气系数、进排气流量数据或者曲线、接口尺寸和公称压力等。高速吸气后形成的临时气囊通常聚集在空气阀安装井颈部(颈部尺寸越大,气囊占用主管的空间越小,故要求安装颈适当加大),它会在瞬态平息后的几十秒至几十分钟时间内被微量排气阀缓慢排除。通常,在发生瞬态过程之后,系统一般会停下来,而不会立即重新启动,有足够的时间让微量排气阀排除临时留存气囊;即使系统没有停顿,微量排气阀也照样排气,(主要位于颈部而偏离主管道的)临时留存气囊不会对系统构成长时间气阻。

2.6(带缓冲碟片式)三阶段空气阀:3-Stage Air Valve,大约20多年前由南非发明,10多年前以色列跟进,最近国内有个别仿造。其著名的CATT-Controlled Air Transfer Technology-"受控的换气通气技术"曾被认为是空气阀技术的重大进步。发明者-南非科研人员在其长达50页的技术论文里面,以国际视野,高屋建瓴地对全世界的各种排气阀评头论足,几乎全盘否定,言语犀利,针砭行业时弊;调查有据,多有惊人之语(当然也难免有夸大其词、贬低对手之嫌)。它是一种单孔口(南非)或双孔口(以色列)复合式排气阀,吸气大孔口和排气大孔口也是同一个物理孔口,其孔口尺寸等同于或接近公称通径,大孔口下方第一块浮体是一块动态开孔阀瓣(中心开孔或圆平面环形均布多个开孔,即所谓的"缓冲碟盘"),其等效孔径大约为大孔口尺寸的1/4~1/6,或称为中孔口,但是仍远大于微量排气孔口。在空管充水或水柱弥合高速排气过程中孔口压差逐步增大至达到一个所谓的开关值(Switch Value ≈ 2kPa~7kPa)时,动态阀瓣(即缓冲盘片)起跳,堵塞大孔口使之变为中孔口,排气流量由高转为中,大幅降低,孔口压差继续增大,从而降低空管充水流量(即充水速度);或降低相向水柱的弥合速度,以期瞬时截留部分气囊作为临时弹性体,就近瞬时吸纳弥合水锤,达到安全中速充水或抑制弥合水锤的目的。听起来似乎完美无缺,但是存在一个固有的自相矛盾:所谓的中孔口尺寸大了不行、小了也不行;缓冲盘片起跳压力低了不行、高了也不行。因为:在空管充水时要求中孔口尺寸较大-比1/4~1/6略大,起跳孔口压差较高(约20kPa以上,不要被过早吹堵);而水柱弥合时要求中孔口尺寸较小-约1/10以下,起跳孔口压差较低(500Pa以下-尽量多截留气囊),二者之间没有折中值。详见论文:三阶段空气阀的缺点-The Disadvantages of 3-Stage Air Valve-它是由厂家自己的技术人员撰写的,也算是有自知之明。(厂家是在找到另一个更先进的替代产品之后,才公开了自己原产品的缺点)。得出基本的结论:三阶段空气阀有深层次的不易被发觉的较大缺陷,要么空管充水很慢、要么弥合水锤较高,二者无法兼顾。它其实是一个堪称画蛇添足的产品:排气阀本来怕吹堵,好不容易实现了(动力式)不怕吹堵,又故意回到原点-让其吹堵;但是吹堵之后并没有解决相关问题。著名的水锤分析软件新版核心软件主要程序员-美国肯塔基大学的Srini教授也曾当面首肯并再次确认了上述观点。可谓"英雄所见略同"。

2.7气缸式排气阀中国发明专利,也只有中国特有。其快速排气能力特别强大(以前曾经强调全孔口全压高速排气-不管压力多高,逢气就排,而且全孔口开启),是解决段塞流和空管充水问题的能手,能显著提高空管充水效率,排气干净彻底,排气效果世无其匹。由此,它否定几乎所有的其他型式的排气阀,傲视同侪,普天之下唯我独尊。特别强调高速排气,尤其是在有压(全压条件)下全孔口高速排气,认为大小孔口都必须在有压下(全压范围内)逢气就排,否则就无法应付"具有普遍性"的段塞流式的管流水力状态,管路必然排气不净,大量存气,从而引发"气爆式水锤"和可能的爆管事故。后期的二代气缸式则强调恒速缓冲排气,似乎不再强调全压全孔口高速排气了。可能是因为发现了有压下大孔口高速排气的危害性:正压下,大孔口高速排气会导致管路内水流速度的突然变化:对钢管而言,在水锤波速a=1000m/s的情况下,Δh=Δv*a/g≈Δv*1000/10=100*Δv,就是说,当管路内流速Δv变化1m/s时,水锤升压Δh=100m;而大孔口高速排气可能导致管路流速变化量达到1~3m/s,水锤升压将达到100~300m,可能导致爆管。有压下大孔口高速排气的后果是产生空气阀自身关阀水锤(Air Slam),后果是严重的,应不允许。这其实应该是一个行业内的常识:大孔口在有压下不能高速排气。管内空气果然应该排除,但高速排气过程产生水锤却得不偿失。过分强调排气的重要性,尤其是高速排气的重要性,却忽略了自身在高速排气的过程中会产生更严重的水锤-空气阀关阀水锤-air slam,是一个顾此失彼、得不偿失的不当举措。


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