排氣閥的基礎(chǔ)知識

"空氣閥"又稱為"排氣閥"，實際上它有排氣和吸氣雙向功能，所以它應(yīng)該被稱為"空氣閥"或"通氣閥"。但是習(xí)慣上又叫"排氣閥"，英文名稱：Air Valve,Air Release Valve,Air Vent,Purger等。

1、空氣閥分類

空氣閥通常分為"高速排氣閥"、"高速吸氣閥"和"微量排氣閥"三種孔口功能以及它們之間的不同組合如："雙向進排氣閥"、"單獨微量排氣閥"、"單向吸氣閥"-又稱為"真空破壞閥"或"補氣閥"、"注氣微排閥"-即高吸微排閥和復(fù)合式排氣閥等。

按照用途，又分為：清水用和污水用空氣閥。

按照孔口數(shù)量，又分為：單口排氣閥、雙口排氣閥、三口排氣閥和組合式正負壓水錘控制閥等。

按照工作原理，又分為：二階段空氣閥(即高比例注氣微排閥Two-Stage Air Valve)和三階段空氣閥(Three-Stage Air Valve)等。

按照內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又分為：傳統(tǒng)式排氣閥、動力式高速排氣閥、防水錘排氣閥等。

按照微量排氣原理，又分為：浮球直動式微量排氣閥、單杠桿式微量排氣閥、雙杠桿式微量排氣閥和卷簾式微量排氣閥等。

按照安裝方式，又分為：室內(nèi)安裝式、地上安裝式、井內(nèi)安裝式、埋地安裝式等。

2、空氣閥功能簡介

2.1高速排氣閥：Air Valve，Air/Vacuum Valve (US), Air Release Valve (歐洲), 或高速排氣孔口：大孔口，通常25~200mm，一般在15mm以上，又很少達到200mm以上，該孔口尺寸并不是越大越好，相應(yīng)的，高速排氣量也不是越大越好；它在低壓(或微正壓)下工作，其正常工作壓力在+10Pa~+89kPa(聲速臨界壓力)之間，一般不高于+35kPa(=5psi)。按照美國水協(xié)AWWAC512《清水用排氣閥產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)》的定義：Air/Vacuum Valve：一種直接動作式、浮球操作型水力機械裝置，在空管充水時自動大量排氣或管線系統(tǒng)放空時自動大量吸氣；在系統(tǒng)充滿和有壓狀態(tài)下，這種高速進排氣閥將保持關(guān)閉而且不會再開啟；但是在出現(xiàn)負壓時會開啟泄放真空(即吸氣破壞真空)。其功能是在微正壓下高速大量排氣。要求閥瓣在高速排氣過程中不怕吹堵，但是通常怕吹堵，特別是在+10kPa(≈1mH2O)以上壓力的氣流中閥瓣(通常是浮球或浮筒)很容易被高速氣流挾持吹出堵塞孔口。一旦關(guān)閉，就會長時間處于常閉狀態(tài)，其后不會再打開，哪怕充滿氣體也不會再次開啟排氣-只要處于正壓狀態(tài)下。(如果此時高速排氣閥開啟排氣，則會產(chǎn)生排氣閥關(guān)閥水錘-Air Valve Slam，所以，不允許開啟)。

2.2高速吸氣閥：Air/Vacuum Valve, Vacuum Breaker (US)，Air Intake Valve, Air Admittance Valve (歐洲)，或高速吸氣孔口：大孔口，通常50~600mm，該孔口尺寸可以說越大越好；在低壓(微負壓)下工作(吸氣)，其正常工作壓力在-10Pa~-35kPa 之間，較少高于-1kPa，也很少低于-35kPa。其功能是在微負壓下高速吸氣補氣，破壞真空；平時在有壓下長期處于常閉狀態(tài)。其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)有：孔口尺寸、與負壓相關(guān)的吸氣量、孔口吸氣系數(shù)、負壓開啟值、負壓靈敏度(負壓開啟延后時間-啟動延后和全開啟所需時間)、流道面積、孔口朝向及其防護等級(防止灰塵堆積和阻塞)等。通常跟高速排氣孔口為同一個物理孔口，即市場上常見的高速進排氣閥。共用孔口帶來孔口選型時顧此失彼的天然缺陷。高速進排氣閥僅能破壞真空，但是不能抑制空腔彌合水錘；而單向吸氣閥既能破壞真空，又能抑制彌合水錘，其缺點是吸氣后無排氣措施。

2.3微量排氣閥：Air Release Valve(美國), Air Vent(歐洲)，或微量排氣孔口：微小孔口，通常1.0~25mm，一般在1.6~10mm之間；在正壓下間歇性地或連續(xù)地排氣，通常zui大排氣壓力達到聲稱的工作壓力值或額定壓力值；這個壓力大部分超過89kPag(相對壓力)，孔口氣體流速達到極限值-聲速；因為孔口尺寸較小，其排氣量被稱為微量或小量。按照AWWA C512的定義：它是，在管線系統(tǒng)充滿和處于運行壓力狀態(tài)下，能夠自動排除聚集在管線局部高點的小型氣囊的一種水力機械裝置。其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)有：孔口尺寸、zui高排氣壓力、孔口排氣系數(shù)、跟壓力相關(guān)的排氣量、浮球耐壓、浮球比重、接口尺寸和額定壓力等級等。注意：對微量排氣閥來說，孔口越大，排氣量越大，對管路系統(tǒng)排氣越有利，但是其能夠開啟的zui大工作壓力值越低；工作壓力越高，其孔口越小，排氣量越小，否則，較大尺寸的孔口可能在較高壓力下不能打開。美國流行杠桿式，并且分為單杠桿和雙杠桿，zui大杠桿比例達到4*6=24倍左右，可以做到較大的孔口(通常15mm以下)或者較高的工作壓力(通常2.5MPa以下)；歐洲、以色列和南非則比較傾向于浮球直接動作式，不利用杠桿放大，通�？卓谳^小，或者工作壓力較低。關(guān)于微量排氣孔口的尺寸，AWWA M51列出了1/16"~1"之間的10個規(guī)格，并給出了比較具體實用的選型方法；中國的排氣閥產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 217僅指明應(yīng)大于等于1.6mm≈1/16"，太小、太單一，不適用于DN500以上的中大型輸水管線。

2.4復(fù)合式排氣閥：Combination Air Valve，Triple Function Air Valve，又稱為雙口排氣閥，是上述高速進排氣閥和微量排氣閥的機械組合，有單體式(較小尺寸)和分體式(較大尺寸，DN100~150以上)，通常有二個孔口，也有套接在一起的構(gòu)成單口三功能空氣閥，具有三個功能：微正壓下高速排氣、微負壓下高速吸氣、有壓下微量排氣。

2.5注氣微排閥：2-Stage Air Valve, Combination Vacuum Relief and Air Release Valve,又稱為"高吸微排閥"，或者"真空破壞與微量排氣復(fù)合閥"，"高進小排閥"：屬于一種進排氣能力(流量)雙向嚴重不平衡的通氣閥，進排氣孔口直徑比例達到1.4:1~200:1(即孔口面積或流量之比達到2:1~40,000:1)，具有高比例的進排氣差異性能夠抑制空腔彌合水錘。其功能是：微負壓下高速吸氣，破壞真空；恢復(fù)正壓時不能高速排氣、但能微量緩慢排氣，能夠在瞬態(tài)過程中瞬時截留氣囊使之暫留在吸氣閥節(jié)點附近，作為彈性氣囊，就近地、瞬時地吸納瞬態(tài)的水柱彌合所產(chǎn)生的撞擊能量。其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)有：吸氣口徑、微量排氣口徑、進排氣孔口直徑比例、負壓開啟值、負壓靈敏度(負壓開啟延后時間和全開啟延后時間)、孔口吸氣系數(shù)、進排氣流量數(shù)據(jù)或者曲線、接口尺寸和公稱壓力等。高速吸氣后形成的臨時氣囊通常聚集在空氣閥安裝井頸部(頸部尺寸越大，氣囊占用主管的空間越小，故要求安裝頸適當(dāng)加大)，它會在瞬態(tài)平息后的幾十秒至幾十分鐘時間內(nèi)被微量排氣閥緩慢排除。通常，在發(fā)生瞬態(tài)過程之后，系統(tǒng)一般會停下來，而不會立即重新啟動，有足夠的時間讓微量排氣閥排除臨時留存氣囊；即使系統(tǒng)沒有停頓，微量排氣閥也照樣排氣，(主要位于頸部而偏離主管道的)臨時留存氣囊不會對系統(tǒng)構(gòu)成長時間氣阻。

2.6(帶緩沖碟片式)三階段空氣閥：3-Stage Air Valve，大約20多年前由南非發(fā)明，10多年前以色列跟進，最近國內(nèi)有個別仿造。其著名的CATT-Controlled Air Transfer Technology-"受控的換氣通氣技術(shù)"曾被認為是空氣閥技術(shù)的重大進步。發(fā)明者-南非科研人員在其長達50頁的技術(shù)論文里面，以國際視野，高屋建瓴地對全世界的各種排氣閥評頭論足，幾乎全盤否定，言語犀利，針砭行業(yè)時弊；調(diào)查有據(jù)，多有驚人之語(當(dāng)然也難免有夸大其詞、貶低對手之嫌)。它是一種單孔口(南非)或雙孔口(以色列)復(fù)合式排氣閥，吸氣大孔口和排氣大孔口也是同一個物理孔口，其孔口尺寸等同于或接近公稱通徑，大孔口下方第一塊浮體是一塊動態(tài)開孔閥瓣(中心開孔或圓平面環(huán)形均布多個開孔，即所謂的"緩沖碟盤")，其等效孔徑大約為大孔口尺寸的1/4~1/6，或稱為中孔口，但是仍遠大于微量排氣孔口。在空管充水或水柱彌合高速排氣過程中孔口壓差逐步增大至達到一個所謂的開關(guān)值(Switch Value ≈ 2kPa~7kPa)時，動態(tài)閥瓣(即緩沖盤片)起跳，堵塞大孔口使之變?yōu)橹锌卓冢�排氣流量由高轉(zhuǎn)為中，大幅降低，孔口壓差繼續(xù)增大，從而降低空管充水流量(即充水速度)；或降低相向水柱的彌合速度，以期瞬時截留部分氣囊作為臨時彈性體，就近瞬時吸納彌合水錘，達到安全中速充水或抑制彌合水錘的目的。聽起來似乎完美無缺，但是存在一個固有的自相矛盾：所謂的中孔口尺寸大了不行、小了也不行；緩沖盤片起跳壓力低了不行、高了也不行。因為：在空管充水時要求中孔口尺寸較大-比1/4~1/6略大，起跳孔口壓差較高(約20kPa以上，不要被過早吹堵)；而水柱彌合時要求中孔口尺寸較小-約1/10以下，起跳孔口壓差較低(500Pa以下-盡量多截留氣囊)，二者之間沒有折中值。詳見論文：三階段空氣閥的缺點-The Disadvantages of 3-Stage Air Valve-它是由廠家自己的技術(shù)人員撰寫的，也算是有自知之明。(廠家是在找到另一個更先進的替代產(chǎn)品之后，才公開了自己原產(chǎn)品的缺點)。得出基本的結(jié)論：三階段空氣閥有深層次的不易被發(fā)覺的較大缺陷，要么空管充水很慢、要么彌合水錘較高，二者無法兼顧。它其實是一個堪稱畫蛇添足的產(chǎn)品：排氣閥本來怕吹堵，好不容易實現(xiàn)了(動力式)不怕吹堵，又故意回到原點-讓其吹堵；但是吹堵之后并沒有解決相關(guān)問題。著名的水錘分析軟件新版核心軟件主要程序員-美國肯塔基大學(xué)的Srini教授也曾當(dāng)面首肯并再次確認了上述觀點�？芍^"英雄所見略同"。

2.7氣缸式排氣閥：中國發(fā)明專利，也只有中國特有。其快速排氣能力特別強大(以前曾經(jīng)強調(diào)全孔口全壓高速排氣-不管壓力多高，逢氣就排，而且全孔口開啟)，是解決段塞流和空管充水問題的能手，能顯著提高空管充水效率，排氣干凈徹底，排氣效果世無其匹。由此，它否定幾乎所有的其他型式的排氣閥，傲視同儕，普天之下唯我獨尊。特別強調(diào)高速排氣，尤其是在有壓(全壓條件)下全孔口高速排氣，認為大小孔口都必須在有壓下(全壓范圍內(nèi))逢氣就排，否則就無法應(yīng)付"具有普遍性"的段塞流式的管流水力狀態(tài)，管路必然排氣不凈，大量存氣，從而引發(fā)"氣爆式水錘"和可能的爆管事故。后期的二代氣缸式則強調(diào)恒速緩沖排氣，似乎不再強調(diào)全壓全孔口高速排氣了�？赡苁且驗榘l(fā)現(xiàn)了有壓下大孔口高速排氣的危害性：正壓下，大孔口高速排氣會導(dǎo)致管路內(nèi)水流速度的突然變化：對鋼管而言，在水錘波速a=1000m/s的情況下，Δh=Δv*a/g≈Δv*1000/10=100*Δv，就是說，當(dāng)管路內(nèi)流速Δv變化1m/s時，水錘升壓Δh=100m；而大孔口高速排氣可能導(dǎo)致管路流速變化量達到1~3m/s，水錘升壓將達到100~300m，可能導(dǎo)致爆管。有壓下大孔口高速排氣的后果是產(chǎn)生空氣閥自身關(guān)閥水錘(Air Slam)，后果是嚴重的，應(yīng)不允許。這其實應(yīng)該是一個行業(yè)內(nèi)的常識：大孔口在有壓下不能高速排氣。管內(nèi)空氣果然應(yīng)該排除，但高速排氣過程產(chǎn)生水錘卻得不償失。過分強調(diào)排氣的重要性，尤其是高速排氣的重要性，卻忽略了自身在高速排氣的過程中會產(chǎn)生更嚴重的水錘-空氣閥關(guān)閥水錘-air slam，是一個顧此失彼、得不償失的不當(dāng)舉措。