窒素分析装置のパージ ラインの低圧アラームが分析装置自体によって発生することはほとんどありません。多くの場合、本当の問題は、流量要求に対して低すぎる 履歴書 を備えたレギュレーターまたはバルブです。コンポーネントはカタログでは正しく見えますが、サイズ、材質、圧力定格は適切ですが、流量係数が用途と一致しません。 Cv、またはバルブ流量係数は、定義された条件下でバルブまたはレギュレーターが通過できる流体の量を表す標準的な方法です。 Cv の意味、計算方法、およびコンポーネントを選択する際の Cv の使用方法を理解することで、この種のサイズ設定エラーを防ぐことができます。
Cv は、バルブ業界全体で使用される流量容量の無次元指標です。定義により、Cv は、1 psi の圧力降下が維持されたときに完全に開いたバルブを流れる 60°F (16°C) の水の 1 分あたりの US ガロン数です。一貫したベースラインを作成するために参照条件が存在します。この温度の水には既知の粘度と密度があり、1 psi の圧力降下は測定を歪める乱流を避けるのに十分小さいものです。
実際には、Cv 4.0 のバルブは、1 psi の差圧で 60°F で毎分 4 ガロンの水を通過させます。窒素などのガスの場合、同じ Cv 値が開始点となりますが、計算には圧力、温度、ガス密度を含める必要があります。部分的に開いた位置では Cv 値が低くなり、バルブの流量特性によって変化するため、この定義ではバルブが完全に開いていることを前提としています。
Cv は動作条件における流量の測定値ではありません。これは、さまざまなメーカーのコンポーネントを比較できる標準化されたリファレンスです。その基準を実際の流体、温度、圧力降下に変換すると、予測流量が得られます。
液体アプリケーションの場合、式は次のとおりです。
Cv = Q √(SG / ΔP)
場所:
この式は、バルブ選択における中心的なトレードオフを明らかにしています。利用可能な圧力降下が少ない場合は、より高い Cv が必要です。 Cv が不十分なバルブは、システムが供給できる以上の圧力を消費し、流量が設計目標を下回ります。
作業例: 化学薬品投与システムは、利用可能な圧力差が 6 psi のバルブを介して、比重 1.05 の流体を 12 gpm で供給する必要がありました。
Cv = 12 × √(1.05 / 6) = 12 × 0.418 = 5.02
Cv 5.0 のバルブは正確に境界に位置します。選択ガイドでは通常、1 つ上のサイズを推奨しているため、Cv 6 ～ 8 はプロセス変動とバルブ公差に対するマージンを提供します。
逆の計算では、既知のバルブの流量を予測するために式を並べ替えることができます: Q = Cv × √(ΔP / SG)。同じラインに Cv 8 のボール バルブを取り付ける場合、6 psi での予想流量は約 8 × √(6 / 1.05) = 8 × 2.39 = 19.1 gpm になります。これは設計要件を超えており、将来の容量に対して安全マージンが残されています。
ガス流量の計算では同じ Cv 概念が使用されますが、ガスの圧縮率が考慮されます。一般的な簡略化された式は次のとおりです。
Cv = Q / (963 × √(ΔP × P2 / (G × T)))
ここで、Q は標準立方フィート/時 (SCFH) で表した流量、P2 は下流の絶対圧力 (psia)、G は空気に対するガスの比重、T は絶対温度 (ランキン度) です。
たとえば、Cv 0.8 定格の 1/4 インチ ニードル バルブは、窒素 (G = 0.967) で入口 100 psia、出口 20 psia で動作し、およそ 1374 SCFH を通過します。これは、絶対圧力比と温度に対するガス流量の感度を示します。実際には、ほとんどのステンレス鋼のバルブおよびレギュレーターのメーカーは、さまざまな入口圧力および圧力降下での Cv 値を示すガス フロー チャートを発行しています。これらのグラフを使用すると、手動で計算するよりも速く、エラーが発生しにくくなります。
メートルベースの市場では、Cv の代わりに Kv が使用されます。 Kv の定義は、圧力降下が 1バール の完全に開いたバルブを通過する 20°C の水の流量 (立方メートル/時間) です。
| パラメータ | Cv | Kv |
|---|---|---|
| 基準流体 | 60°F (16°C) の水 | 20℃の水 |
| フローユニット | 米国ガロン/分 | 立方メートル/時 |
| 圧力損失 | 1 psi | 1 bar |
| 変換関係 | 1 Cv = 1.156 Kv | 1 Kv = 0.865 Cv |
Cv の最も直接的な結果は、バルブまたはレギュレーターが利用可能な圧力下で必要な流量を供給できるかどうかです。 Cv が低すぎる場合、デバイスはラインを制限し、フローのボトルネックを作成します。 Cv が高すぎると、バルブが大きくなりすぎて制御分解能が低下し、発振が発生する可能性があります。
制御バルブの場合、トリム サイズは Cv に直接関係します。特定のバルブ本体には、異なる Cv 値で定格されたトリムが用意されている場合があります。小さすぎるトリムを選択すると、バルブが限界近くで動作することになり、浸食や騒音が発生します。大きすぎるトリムを選択すると、ステムの小さな動きによって流れが大きく変化するため、制御精度が低下します。
圧力レギュレータの場合、Cv は設定値を維持しながらレギュレータが通過できる最大流量を決定します。サイズが小さいレギュレーターは垂れ下がるため、流量が増加すると出口圧力が低下します。特大のレギュレータは、特に流量がゼロ付近でハンチングやバズ音を発生する可能性があります。これが理由の 1 つです ステンレス鋼製レギュレータは、腐食性および高圧の用途で好まれます。 長いサービス間隔にわたって設定値を維持するためです。
R57シリーズ ガス制御用中圧レギュレータ R57 レギュレータは、2 インチのゲージと安全弁を備えた堅牢なガス圧力制御を提供し、安定した出力と容易なメンテナンスを必要とする一般的な工業用ガスや環境に適しています。 製品を見る→ 同じロジックが、機器ラインの微流量調整に使用されるニードルバルブにも当てはまります。これらのバルブの Cv 値は低く (多くの場合 0.1 ～ 1.5)、オペレーターは少量のサンプル流量を正確に調整できます。意図的に圧力損失が大きい箇所にはニードルバルブを設置し、制御性を実現しています。ステムの回転数と Cv の関係は、バルブの流量特性によって表されます。通常、 メーカーによって文書化されている .
流量の微調整が可能な外ねじ式ニードルバルブ このニードルバルブは、通常 0.1 ～ 1.5 の Cv 値で機器ラインの正確な流量調整を可能にし、高い圧力降下と制御性を必要とする用途に最適です。 製品を見る→ Cv の定義は標準化されていますが、実際の測定値はメーカーの試験方法やバルブ内部の形状によって異なります。公表されている Cv に対する業界の一般的な許容範囲は ±10% です。 Cv 10 と評価されたバルブは、9.0 ～ 11.0 の範囲で測定できます。この変動は、機械加工公差、表面仕上げ、テスト中の摩耗の自然な結果です。
メーカーが使用する測定基準も重要です。液体流量試験では、圧力降下が制御された試験装置にバルブが設置され、測定された流量が Cv の計算に使用されます。ガス試験では、流量が測定され、ガス関連の係数に変換されます。信頼できるメーカーは、リリース前に代表的なサンプルの Cv を検証します。
重要なアプリケーションの場合、テスト済みの Cv 値をメーカーに要求するか、フローベンチで検証することをお勧めします。高圧または水素サービスの場合、サプライヤーは通常、定格 Cv とともに詳細な流量特性を提供します。
流量係数はバルブ開度によっても変化します。ほとんどのバルブは、ストローク全体にわたって一定の Cv を維持しません。代わりに、直線的、等しいパーセンテージ、またはクイックオープニングなどの特性曲線に従います。バルブが広範囲の流量にわたって動作する必要がある場合、特性曲線は最大 Cv と同じくらい重要です。
コンポーネントを選択する実際のプロセスは簡単です。まずはプロセス条件、つまり必要な流量、流体密度、許容可能な圧力降下から始めます。式を使用して Cv を計算します。次に、計算値よりわずかに高い定格 Cv を持つコンポーネントを選択します。
1/4 インチ計器ライン用の 316L ステンレス鋼ボールバルブでは、Cv が 3 ～ 5 であるのが一般的です。 1/2 インチのボールバルブでは、Cv は 15 以上に達することがあります。同じラインサイズのニードルバルブははるかに低いままです。 Cv 15 のボール バルブが Cv 0.5 のニードル バルブの上流に配置されると、ニードル バルブが圧力降下を支配します。ボールバルブは、動作流量におけるボールバルブ自体の圧力降下が、ニードルバルブに必要な差を残すのに十分小さいサイズにする必要があります。
計器ライン用外ねじストレートボールバルブ このボール バルブは、機器ラインに適した Cv を備えた効率的なオン/オフ制御を実現し、流量精度のために下流のニードル バルブと組み合わせた場合に最小限の圧力降下を保証します。 製品を見る→ 用途に水素や高純度ガスが含まれる場合、トリム、シート素材、内部シールの設計が実効 Cv に影響します。シートの粗さがわずかに変化すると、測定された Cv が数パーセント変化する可能性があります。
流量係数 Cv は、大量の水力学的情報を 1 つの数値に凝縮します。それは、バルブが適切な量の流体を通過させるかどうか、レギュレーターが必要な流量で圧力を保持するかどうか、および制御バルブのトリムサイズがプロセスに適合するかどうかを示します。メーカーが推奨する定義、公式、実際のマージンを使用することで、バルブのサイズ設定エラーの最も一般的な原因、つまりパイプには適合するが流れを処理できないコンポーネントの選択を回避できます。
あるプロセスエンジニアは、なぜ新しい 3/8 インチのニードルバルブが下流側の圧力を保持できないのかと尋ねたことがあります。バルブに欠陥はありませんでした。それは特大でした。ステムが少し回転するたびに、プロセスに必要な以上の流れが移動し、Cv 式により設置前にそれが明らかになりました。 Cv はバルブ流量係数の略で、プロセス要件とバルブ内部の橋渡しとなります。統計学では CV は変動係数も意味しますが、フロー制御では 2 つの概念は無関係です。 バ...
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