氣體、液體與粉體顆粒輸送控制閥在設(shè)計(jì)原理上的本質(zhì)區(qū)別
對于工程師來說，選擇用于粉體顆粒輸送系統(tǒng)的控制閥是一項(xiàng)極大的挑戰(zhàn)。這是因?yàn)樵谑袌錾洗嬖诟鞣N各樣的閥門可用選擇，但絕大多數(shù)閥門在處理粉體顆粒物料時(shí)總是存在這樣那樣的問題。粉體顆粒輸送對于閥門的選型有著更高的要求。本文著重闡述了氣體、液體輸送控制閥與粉體顆粒輸送控制閥在設(shè)計(jì)原理上的本質(zhì)區(qū)別，希望對廣大服務(wù)于化工行業(yè)、食品加工行業(yè)等有著粉體顆粒輸送的要求的工程師有所幫助。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)輸送系統(tǒng)時(shí)往往面臨著眾多的方案可供選擇。其挑戰(zhàn)在于基于對所處理物料的特性和系統(tǒng)所要達(dá)成的功能選擇最合適的方案。氣體、液體和粉體顆粒由于其固有特性不同，對于輸送系統(tǒng)特別是閥門有著不同的要求。氣體和液體的流動(dòng)性極強(qiáng)，能夠很容易地隨著蝶閥的圓盤和傳統(tǒng)閘板閥的移動(dòng)而移動(dòng)。正是由于氣體和液體這種極強(qiáng)的流動(dòng)性，使得閥門的密封圈與蝶閥圓盤和閘板閥閘刀之間的接觸面能夠?qū)崿F(xiàn)完全的密封。氣體和液體也不存在自身的切斷和磨損問題。因此在用于輸送氣體和液體的閥門主要采用軟質(zhì)彈性材料密封設(shè)計(jì)。
干燥的粉體顆粒料由于其固體的特性較之氣體或液體來說更具有磨損性同時(shí)流動(dòng)性也較差。傳統(tǒng)的閥門由于其最早設(shè)計(jì)用來處理氣體和液體，所采用的軟質(zhì)彈性密封圈在輸送干燥粉體顆粒時(shí)往往極易被刮擦而使閥門達(dá)不到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。粉體顆粒料在閥門關(guān)閉時(shí)被閘刀截留并在密封圈處產(chǎn)生堆積，從而阻礙了閥門的完全閉合。同時(shí)暴露在物料流經(jīng)方向上的軟質(zhì)密封圈要經(jīng)受粉體顆粒料不斷的沖擊并受到極大磨損。由于這種磨損性而產(chǎn)生的破壞性會(huì)隨著物料流動(dòng)的速度的加快而以指數(shù)方式倍增。
蝶閥
蝶閥由于其自身的設(shè)計(jì)和功能的局限，有著內(nèi)部清潔的問題。當(dāng)所輸送的物料具有很高粘性時(shí)會(huì)導(dǎo)致圓盤閘刀阻礙物料流或者導(dǎo)致物料腐敗變質(zhì)，當(dāng)輸送系統(tǒng)需要輸送不同物料時(shí)會(huì)產(chǎn)生交叉污染。蝶閥在設(shè)計(jì)中存在內(nèi)部空腔，粉體物料在此堆積后產(chǎn)生交叉污染。同時(shí)圓形閘刀與閥體接觸的地方形成一個(gè)鍥口，粉體顆粒會(huì)在此堆積導(dǎo)致閥門卡住。另外在閘門關(guān)閉過程中，由于粉體顆粒的較差流動(dòng)性，閘刀會(huì)將物料推至閥體頂部形成堆積。更為重要的是此類閥門沒有任何機(jī)械方式可以保證在下次啟動(dòng)閥門時(shí)清除上次閥門開啟時(shí)所堆積的物料。這將極大的阻礙閥門的完全閉合。總之，蝶閥這種主要用于輸送其體和液體的閥門因?yàn)椴淮嬖谧晕仪鍧嵐δ懿贿m合輸送干燥粉體顆粒物料。
再者，由于氣體和液體所具有的低磨損性，在蝶閥的設(shè)計(jì)中并沒有加入密封系統(tǒng)的耐磨損設(shè)計(jì)和閥門“在線維護(hù)”的設(shè)計(jì)。因此在干燥粉體顆粒物料輸送系統(tǒng)中選用蝶閥會(huì)造成閥門失效、高維護(hù)成本、清潔問題和系統(tǒng)停機(jī)等問題。這些問題經(jīng)常導(dǎo)致蝶閥較高的使用周期成本并極大降低使用者滿意度。
蝶閥在輸送干燥粉體顆粒時(shí)還會(huì)產(chǎn)生其它問題，比如蝶閥的圓形閘板處于物料流內(nèi)，這導(dǎo)致了阻礙物料流動(dòng)的問題，常常需要使用更大口徑的管道和更加大的管道內(nèi)壓力來防止物料在輸送中的堆積。物料架橋是蝶閥的另一個(gè)典型問題，隨著開啟閉合運(yùn)動(dòng)的增加而變得復(fù)雜。蝶閥的圓形閘刀和圓形的軟質(zhì)彈性密封圈始終暴露在物料流的沖擊下，長此以往會(huì)產(chǎn)生磨損問題。尤其是顆粒物料會(huì)在閘板和密封圈之間堆積，妨礙閘門完全閉合。因此如果物料流動(dòng)性強(qiáng)并且沒有磨損性或者是粉末狀態(tài)的話，可以選擇蝶閥，但是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮將來的清潔問題。
在粉末狀物料輸送系統(tǒng)中采用蝶閥需要注意粉末常常會(huì)侵入蝶閥驅(qū)動(dòng)軸內(nèi)導(dǎo)致閥門開啟閉合時(shí)震動(dòng)。因此在粉末物料輸送系統(tǒng)中的蝶閥應(yīng)盡量避免帶料閉合。
傳統(tǒng)圓頂閘板閥
傳統(tǒng)圓頂閘板閥解決了蝶閥中部閘刀驅(qū)動(dòng)軸阻礙物料流動(dòng)的問題。但是由于物料堆積致使閥門不能完全閉合以及物料交叉污染的問題導(dǎo)致傳統(tǒng)閘板閥在粉體顆粒輸送系統(tǒng)中鮮有成功案例。由于沒有“自我清潔”功能，傳統(tǒng)圓頂閘板閥經(jīng)常需要將閥門從系統(tǒng)中拆卸下來得以進(jìn)入閥體內(nèi)部進(jìn)行清潔工作。這導(dǎo)致了很長的系統(tǒng)停止時(shí)間。傳統(tǒng)的圍在閘刀四周的軟質(zhì)密封材料不能抵御磨損性物料的持續(xù)摩擦，這種情況導(dǎo)致了傳統(tǒng)圓頂閘板閥經(jīng)常需要維護(hù)來防止物料泄漏。
以上兩種閥門設(shè)計(jì)在用于粉體顆粒物料輸送系統(tǒng)中，重置成本相當(dāng)高。其中最大的成本是因?yàn)榫S護(hù)而停止系統(tǒng)的成本。通常情況下，閘板閥閥體是鑄造件，這使得閥門重量極大而且毫無必要大大增加了閥門安裝維護(hù)的困難度和成本。由于此兩種閥門沒有“易于維護(hù)”設(shè)計(jì)使得工廠的維護(hù)成本高居不下。有些閥門維護(hù)成本升值高于重新購買新的閥門。
總體來說，干燥粉體顆粒物料特殊的屬性使得輸送此類物料的閥門需要解決物料較低流動(dòng)性、較高磨損性問題并具有保持閥門自我清潔便于維護(hù)等功能。目前在市場上的絕大多數(shù)干燥物料閥門都是在氣體、液體閥門的基礎(chǔ)上稍加修改而成的。在用于干燥物料輸送系統(tǒng)中不可避免的產(chǎn)生這樣那樣的問題。
美國弗泰斯閥門公司創(chuàng)始人Neil Peterson先生深知傳統(tǒng)的蝶閥和閘板閥適用于氣體和液體的輸送但是在輸送粉體顆粒時(shí)面臨相當(dāng)大的難題。業(yè)界急需一種可以替代蝶閥和閘板閥的粉體顆粒專用閥門來徹底解決當(dāng)時(shí)閥門的物料流動(dòng)阻塞，不能自我清潔和密封圈易磨損等問題。他的不懈堅(jiān)持最終得到了回報(bào)：一個(gè)全新的設(shè)計(jì)誕生了。這就是公司的第一個(gè)產(chǎn)品：孔板閥。孔板閥于1980年獲得專利，此項(xiàng)設(shè)計(jì)大大超越了業(yè)界對于粉體顆粒氣動(dòng)輸送閥門的預(yù)期，孔板閥的發(fā)明也徹底改變了工程師選擇粉體顆粒閥門的固有標(biāo)準(zhǔn)。
整個(gè)上世紀(jì)八十年代，弗泰斯公司陸續(xù)推出了幾項(xiàng)革命性產(chǎn)品，包括基于與孔板閥相同設(shè)計(jì)原理的用于替換傳統(tǒng)撥片式和通道式換向閥的“Y”型換向閥、滾柱支撐閘板閥和自清潔閘板閥。每一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)都極大地拓寬了弗泰斯公司控制閥和換向閥的處理物料的能力。為了滿足不斷增加的市場需求，更好的服務(wù)于亞太特別是中國市場，弗泰斯公司于2009年4月在上海成立其亞太區(qū)銷售總部。
什么是最佳粉體顆粒輸送閥門？
傳統(tǒng)的蝶閥和閘板閥適用于氣體和液體的輸送但是在輸送粉體顆粒時(shí)面臨相當(dāng)大的難題。業(yè)界急需一種可以替代蝶閥和閘板閥的粉體顆粒專用閥門來徹底解決當(dāng)時(shí)閥門的物料流動(dòng)阻塞，不能自我清潔和密封圈易磨損等問題。美國弗泰斯閥門公司創(chuàng)始人Neil Peterson先生致力于為干燥粉體顆粒物料的氣動(dòng)輸送設(shè)計(jì)和生產(chǎn)專用閥門，解決長期困擾業(yè)界的低效率輸送問題。他的不懈堅(jiān)持最終得到了回報(bào)：一個(gè)全新的設(shè)計(jì)誕生了。這就是公司的第一個(gè)產(chǎn)品：孔板閥。目前弗泰斯有幾款特殊設(shè)計(jì)閥門成功解決了蝶閥和傳統(tǒng)圓頂閘板閥在輸送粉體顆粒時(shí)的問題。選擇合適的閥門需要全面考量輸送系統(tǒng)和輸送物料各方面問題。
孔板閥
孔板閥傳統(tǒng)上說是用來高壓(6 bar/ 90Psig)輸送漿料。這類閥門閥體主要是鑄造件并且使用與傳統(tǒng)氣體、液體輸送閥門類似的密封系統(tǒng)。在輸送粉體顆粒料時(shí)會(huì)產(chǎn)生和氣體、液體輸送閥門類似的問題。同時(shí)，較高成本的鑄造件閥體在用于低壓的稀相輸送系統(tǒng)和直墜系統(tǒng)中顯得毫無必要。
對于大多數(shù)粉體顆粒物料輸送系統(tǒng)來說，系統(tǒng)內(nèi)的壓力通常小于1Bar(15Psig)，一種特殊設(shè)計(jì)的孔板閥將是此類系統(tǒng)最好的控制閥。一個(gè)典型的孔板閥通常是采用一片中間穿有一孔的不銹鋼閘板。而孔板中間的孔徑和系統(tǒng)管道相同。而此片不銹鋼孔板被上下兩塊相同大小的硬質(zhì)高分子聚合物密封墊以“三明治”方式加載負(fù)荷已達(dá)到密封效果。在閥門開啟狀態(tài)下，閘板上的孔和密封墊上的孔完全重合與系統(tǒng)管道相匹配，因此消除了物流阻礙并且避免了密封圈暴露在物料流沖擊下。在閥門閉合狀態(tài)下，通過預(yù)置在不銹鋼孔板上下兩端密封墊上的壓力起到密封效果。
預(yù)置的壓力主要是通過安裝在硬質(zhì)高分子聚合物密封墊背部的橡膠件完成。隔絕軟質(zhì)密封圈與物料的接觸是此閥門最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)。而替代的硬質(zhì)高分子聚合物密封墊完全可以抵抗干燥物料的沖擊磨損和不銹鋼閘板的摩擦磨損。
相較于傳統(tǒng)蝶閥和圓頂閘板閥，孔板閥擁有幾項(xiàng)顯著的優(yōu)勢。“自我清潔”功能就是其中最為主要的優(yōu)勢。孔板閥的法蘭開口、密封墊開口和不銹鋼孔板開口完全重合，完全避免了任何空腔的存在使得物料無處堆積。這項(xiàng)設(shè)計(jì)在輸送易交叉污染和易腐敗物料時(shí)尤為重要。孔板閥閘刀在帶料閉合時(shí)把少量物料推入刀孔中而不是將物料擠壓堆積在閉合處，閘刀上的圓孔就保證了閥門的完全閉合。在輸送堅(jiān)硬或者具有磨損性的物料時(shí)，還可以在閥門進(jìn)口端安裝導(dǎo)流罩使得物料集中在閥門中央通過來減少物料對于密封圈的磨損。而在閥門開啟時(shí)先前推入圓孔的物料由于閘刀的運(yùn)動(dòng)而自動(dòng)地被帶回到物流內(nèi)。這項(xiàng)“自我清潔”的功能防止了物料在閥門內(nèi)的堆積而導(dǎo)致的閥門驅(qū)動(dòng)時(shí)震動(dòng)、交叉污染和物料腐敗等問題。
經(jīng)過長時(shí)間反復(fù)開啟閉合，孔板閥上的硬質(zhì)高分子聚合物密封墊最終還是會(huì)因?yàn)榉磸?fù)與不銹鋼孔板閘刀摩擦而磨損老化，而導(dǎo)致預(yù)置載荷不足以起到密封物料或空氣壓力的作用。但是孔板閥的預(yù)置載荷可以通過簡單的線上維護(hù)就能恢復(fù)到原先水平。這得益于密封墊和不銹鋼閘刀的“三明治”安裝方式。原來在閥門制造時(shí)，已經(jīng)預(yù)留幾片備用的塑料墊，墊在閥體和“三明治”層之間，從而可以通過增加墊片起到增加預(yù)置載荷的目的，或者通過減少墊片來減少預(yù)置載荷。在閥門維護(hù)時(shí)不需要將閥體從輸送系統(tǒng)中卸下，只需抽出一對備用塑料墊并重新加以緊固就可以恢復(fù)預(yù)置載荷起到密封作用。塑料墊片的設(shè)計(jì)可以使用戶更加快捷和便利的維護(hù)閥門使之達(dá)到最佳工作狀態(tài)。這對于輸送系統(tǒng)不能停機(jī)的使用者尤為重要。
這些特殊的設(shè)計(jì)為干燥粉體顆粒物料的輸送帶來了很多好處。有別于氣體和液體輸送，在設(shè)計(jì)粉體顆粒輸送系統(tǒng)時(shí)必須考量物料自身的粘性或者磨損性和系統(tǒng)本身壓力問題。輸送具有粘性或者磨損性的物料必須降低閥門特別是密封圈與物料的直接接觸。對于粘性顆粒物料來說，密封圈接觸面小的閘板閥或者蝶閥都是比較好的選擇。而那些閘刀不與物料直接接觸以及密封圈較少與物料接觸的閘板閥將是輸送磨損性物料的最佳選擇。對于壓力超過1Bar/ 15Psig的氣動(dòng)輸送系統(tǒng)來說，選擇閥門還必須考慮到閥體的氣密性問題。
滾柱支撐式閘板閥
當(dāng)在直墜輸送系統(tǒng)中輸送粘性或磨損性顆粒物料，一個(gè)正方形或矩形的在閘刀下方安裝有滾柱支撐密封系統(tǒng)的閥門將是最佳的選擇。矩形的四周密封條在密封性上要強(qiáng)于傳統(tǒng)圓頂閘板閥的圓形密封。
由于該閥門的密封是通過閘刀底部滾柱的支撐作用將閘刀緊緊頂在其上的硬質(zhì)密封條上，因此降低了密封條和物料接觸的可能。對于輸送粘性或磨損性物料來說此設(shè)計(jì)顯得尤為重要。滾柱系統(tǒng)無需很大驅(qū)動(dòng)力并減少了閘刀磨損以及閥門開啟閉合時(shí)閘刀與閥體金屬間的直接接觸。而這種金屬間的直接接觸會(huì)導(dǎo)致閥門驅(qū)動(dòng)時(shí)的震動(dòng)。
目前市場上存在著大量的質(zhì)量不同用材各異的此類閥門。但是只有那些采用了硬質(zhì)高分子聚合物密封條和可調(diào)凸輪滾柱支撐系統(tǒng)的閥門才極大避免了物料對于密封條的磨損并且具有易維護(hù)性，才是輸送粉體顆粒物料的理想選擇。同時(shí)，此類閥門往往會(huì)在氣缸連接的那端由于摩擦頻繁而泄露，因此在此處增加一個(gè)可拆卸式密封條的設(shè)計(jì)將使閥門在線維護(hù)成為可能而大大降低由于系統(tǒng)停車而帶來的損失。
在選擇粉體顆粒控制閥時(shí)還必須考慮閘刀自我清潔的能力,即在關(guān)閉時(shí)能否清除掉密封圈附近的物料達(dá)到完全閉合的效果？閥門設(shè)計(jì)中是否含有可能堆積物料的內(nèi)腔？如果閘刀在帶料閉合時(shí)會(huì)切斷物料，是否在設(shè)計(jì)上考慮了相關(guān)措施保證被切斷物料不會(huì)堆積在閥門閉合處？
綜上所述，方形或者矩形的滑板閥主要應(yīng)用于無系統(tǒng)內(nèi)外壓差的輸送系統(tǒng)中。
閘刀抬升式閘板閥
閘刀抬升式閘板閥彌補(bǔ)了傳統(tǒng)圓頂閘板閥在輸送干燥粉體顆粒物料時(shí)的缺點(diǎn)。此閥門可以禁受最大5Bar/ 75Psig的系統(tǒng)壓力。雖然此閥門也采用圓頂閥體，但是它的密封不是依靠閘刀和閥體密封圈的緊閉接觸。在閥門頂端有一個(gè)巨大的導(dǎo)流區(qū)域可以使落在閘刀上端的物料在閥門關(guān)閉時(shí)自動(dòng)落入閥門底部的物料流內(nèi)而不產(chǎn)生物料的堆積。
雖然此閥門中也安裝有軟質(zhì)彈性密封圈，但是閥門的特殊設(shè)計(jì)保證了閥門在閉合時(shí)密封圈與閘刀盡可能少的直接接觸從而避免了由于多次開啟閉合而導(dǎo)致的密封圈老化。物料會(huì)被輕柔地從閘刀和密封圈表面拂去。當(dāng)閥門最后閉合時(shí)，閘刀會(huì)自動(dòng)向上跳2個(gè)行程從而從下至上與密封圈緊密貼合。
閘刀被設(shè)計(jì)成墓碑形狀，保證了閘刀始終與閥門密封圈保持垂直接觸。這項(xiàng)設(shè)備避免了傳統(tǒng)圓頂閥門的鍥作用。而垂直光滑的表面使得任何在其上的物料都會(huì)馬上被帶回到物料流之中去。而軟質(zhì)的密封圈在閘刀閉合時(shí)可以包容留在密封腔內(nèi)的少量物料。
由于閘刀抬升的設(shè)計(jì)使得閥體必須設(shè)計(jì)成特殊的密封腔使得閘刀抬升過程中不會(huì)牽涉到密封圈。在閘刀和氣缸連接處設(shè)計(jì)了浮動(dòng)夾保證了閘刀在垂直上抬的過程中整個(gè)閘刀保持水平。密封腔的作用是防止被軟質(zhì)密封圈包容的少量物料泄露到系統(tǒng)外。而閥門的密封腔和閘刀部分可以很容易的拆卸下來清潔使得此閥門具有便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。在維護(hù)閥門時(shí)，承重的閥體不需要從系統(tǒng)中卸下來。
閥門的出口端也被設(shè)計(jì)成墓碑形狀從而避免了類似傳統(tǒng)圓頂閘板閥出口端的空腔，當(dāng)然在出口連接處會(huì)安裝方形或者圓形轉(zhuǎn)接環(huán)。這雖然導(dǎo)致了閥門厚度有所增加但是提供了多種用戶自選連接方式。
閘刀抬升式閘板閥的主要缺點(diǎn)是相對于傳統(tǒng)閘板閥，它的高度和重量比較大。這是所有耐高壓閥門的通病。由于制造的復(fù)雜性，使得這個(gè)閥門的成本要高于傳統(tǒng)的閘板閥。
虹膜閥
從定義上來說虹膜就是一種開啟閉合孔洞的方式，我們可以從人的眼睛、照相機(jī)的快門甚至是科幻片中的房門中看到實(shí)例。虹膜閥主要用來控制直墜系統(tǒng)中自由流動(dòng)干燥物料流的開啟和閉合。虹膜閥可以用在很多行業(yè)包括化工、奶制品、食品、礦山塑料和醫(yī)藥。虹膜閥經(jīng)常用于輸送脆性物料。
虹膜閥主要被用于卸載散裝物料袋，閥門通過扎緊物料袋的頸部而且到切斷物料流動(dòng)的作用。虹膜閥在輸送爆炸性的物料和脆性物料時(shí)表現(xiàn)良好，但是它不適合處理高流動(dòng)性、磨損性物料和需要頻繁開啟閉合的系統(tǒng)中。
虹膜閥由兩個(gè)連有柔性袖筒同心圓環(huán)組成，袖筒的一頭與內(nèi)環(huán)相連，另一頭與外部控制環(huán)相連。控制環(huán)上安裝有手柄，手柄可以180度旋轉(zhuǎn)。通過旋轉(zhuǎn)，袖筒被扭曲成松、緊合完全閉合等狀態(tài)。
虹膜閥為干燥粉體顆粒物料輸送提供了一個(gè)實(shí)用而且便宜的方案，其優(yōu)缺點(diǎn)如下：
優(yōu)點(diǎn)：
價(jià)格便宜。
緊湊設(shè)計(jì)，質(zhì)量較輕便于安裝。
可輸送易爆性和脆性物料。
無阻礙式開口。
開口閉合于中央使得物料可均勻卸載。
便于維護(hù)。
缺點(diǎn)：
不適合輸送大量物料和頻繁輸送物料。
不適合輸送大質(zhì)量或者磨損性物料。
不適合安裝于物料流量過大的系統(tǒng)中。
閥門不能吊裝其他重型設(shè)備。
螺栓孔較特殊。
整個(gè)上世紀(jì)八十年代，弗泰斯公司陸續(xù)推出了幾項(xiàng)革命性產(chǎn)品，包括基于與孔板閥相同設(shè)計(jì)原理的用于替換傳統(tǒng)撥片式和通道式換向閥的“Y”型換向閥、滾柱支撐閘板閥和自清潔閘板閥。每一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)都極大地拓寬了弗泰斯公司控制閥和換向閥的處理物料的能力。為了滿足不斷增加的市場需求，更好的服務(wù)于亞太特別是中國市場，弗泰斯公司于2009年4月在上海成立其亞太區(qū)銷售總部。
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