شیرهای کنترلی

ویژگی های شیر کنترل

انواع مختلفی از ویژگی های جریان موجود است. این آموزش سه نوع اصلی مورد استفاده در کاربردهای جریان آب و بخار را مورد بحث قرار می دهد: باز شدن سریع، خطی و جریان با درصد برابر. چگونه آنها را مقایسه می کنند و چگونه (و چرا) باید با برنامه ای که در آن استفاده می شود مطابقت داده شوند.

ویژگی های جریان

همه شیرهای کنترل دارای یک مشخصه جریان ذاتی هستند که رابطه بین "باز شدن شیر" و دبی جریان را در شرایط فشار ثابت مشخص می کند. لطفاً توجه داشته باشید که "باز شدن سوپاپ" در این زمینه به موقعیت نسبی دوشاخه سوپاپ به موقعیت بسته آن در برابر صندلی سوپاپ اشاره دارد. به منطقه گذر روزنه اشاره نمی کند. ناحیه عبور دهانه گاهی «گلوی سوپاپ» نامیده می‌شود و باریک‌ترین نقطه بین دریچه و نشیمنگاه است که سیال در هر زمان از آن عبور می‌کند. برای هر دریچه، به هر شکلی که مشخص شود، رابطه بین دبی جریان و ناحیه عبور دهانه همیشه مستقیماً متناسب است.

شیرهایی با هر اندازه یا مشخصه جریان ذاتی که در معرض دبی حجمی و فشار دیفرانسیل یکسانی قرار می‌گیرند، دقیقاً دارای ناحیه عبور دهانه یکسانی خواهند بود. با این حال، ویژگی‌های مختلف دریچه، «بازشوی شیر» متفاوتی را برای یک ناحیه عبور ایجاد می‌کند. با مقایسه شیرهای خطی و درصد مساوی، یک شیر خطی ممکن است 25 درصد باز شدن دریچه برای یک افت فشار و دبی مشخص داشته باشد، در حالی که یک دریچه با درصد مساوی ممکن است دقیقاً برای شرایط یکسان دارای باز شدن شیر 65 درصد باشد. نواحی گذر روزنه یکسان خواهد بود.

شکل فیزیکی چینش پلاگ و نشیمنگاه، که گاهی اوقات به عنوان "تریم" سوپاپ از آن یاد می شود، باعث ایجاد تفاوت در باز شدن سوپاپ بین این شیرها می شود. شکل‌های تریم معمولی برای دریچه‌های گلوب با دوک در شکل 6.5.1 مقایسه شده‌اند.

در این ماژول، از عبارت "بالابر سوپاپ" برای تعریف باز شدن سوپاپ استفاده می شود، خواه این شیر یک سوپاپ گلوب (حرکت بالا و پایین پلاگین نسبت به صندلی) باشد یا یک شیر چرخشی (حرکت جانبی دوشاخه نسبت به صندلی). صندلی).

شیرهای دوار (به عنوان مثال، توپ و پروانه) هر کدام یک منحنی مشخصه اصلی دارند، اما تغییر جزئیات توپ یا پلاگین پروانه ای ممکن است این را تغییر دهد. مشخصات جریان ذاتی شیرهای معمولی گلوب و شیرهای چرخشی در شکل 6.5.2 مقایسه شده است.

• باز شدن سریع.
• خطی.
• درصد مساوی.

نمونه هایی از این موارد و ویژگی های ذاتی آنها در شکل های 6.5.1 و 6.5.2 نشان داده شده است.

ویژگی باز شدن سریع

پلاگ شیر مشخصه باز شدن سریع تغییر زیادی در دبی برای بالابر شیر کوچک از موقعیت بسته ایجاد می کند. به عنوان مثال، افزایش 50 درصدی دریچه ممکن است منجر به یک ناحیه عبور دهانه و جریان تا 90 درصد حداکثر پتانسیل آن شود.

دریچه ای که از این نوع پلاگین استفاده می کند گاهی اوقات به عنوان دارای مشخصه "روشن/خاموش" نامیده می شود.

برخلاف مشخصه های خطی و درصد برابر، شکل دقیق منحنی باز شدن سریع در استانداردها تعریف نشده است. بنابراین، دو دریچه، یکی جریان 80 درصد برای بالابر 50 درصد، و دیگری 90 درصد جریان برای بالابر 60 درصد، ممکن است هر دو دارای ویژگی باز شدن سریع در نظر گرفته شوند.

شیرهای باز شونده سریع معمولاً به صورت الکتریکی یا پنوماتیکی فعال می شوند و برای کنترل "روشن/خاموش" استفاده می شوند.

نوع خود کارکرد شیر کنترل تمایل دارد که شکل پلاگینی شبیه به دوشاخه بازشو سریع در شکل 6.5.1 داشته باشد. موقعیت دوشاخه به تغییرات فشار مایع یا بخار در سیستم کنترل پاسخ می دهد. حرکت این نوع پلاگ سوپاپ نسبت به تغییرات جزئی در شرایط کنترل شده می تواند بسیار کم باشد و در نتیجه شیر ذاتا برد بالایی دارد. بنابراین پلاگ سوپاپ قادر است تغییرات کوچکی را در دبی تولید کند و نباید به عنوان یک شیر کنترل باز سریع در نظر گرفته شود.

مشخصه خطی

پلاگین شیر مشخصه خطی به گونه ای شکل می گیرد که دبی جریان مستقیماً با بالابر شیر (H) در فشار دیفرانسیل ثابت متناسب باشد. یک شیر خطی با داشتن یک رابطه خطی بین بالابر سوپاپ و ناحیه عبور دهانه به این امر دست می یابد (شکل 6.5.3 را ببینید).

مشخصه درصد برابر (یا مشخصه لگاریتمی)

این شیرها دارای یک پلاگ سوپاپ به شکلی هستند که هر افزایش در بالابر سوپاپ باعث افزایش دبی درصدی از جریان قبلی می شود. رابطه بین بالابر دریچه و اندازه روزنه (و در نتیجه دبی جریان) خطی نیست بلکه لگاریتمی است و به صورت ریاضی در معادله 6.5.1 بیان شده است:

مثال 6.5.1

حداکثر دبی جریان از طریق شیر کنترل با مشخصه درصد برابر 10 m³/h است. اگر شیر دارای چرخش 50:1 باشد و تحت فشار دیفرانسیل ثابت قرار گیرد، با استفاده از رابطه 6.5.1 چه مقداری از شیر با بالابرهای 40، 50 و 60 درصد عبور می کند؟

افزایش دبی حجمی از طریق این نوع شیر کنترلی به ازای هر افزایش مساوی حرکت شیر به میزان یکسان افزایش می یابد:

هنگامی که شیر 50٪ باز است، 1.414 m³ / ساعت عبور می کند، افزایش 48٪ نسبت به جریان 0.956 m³ / ساعت زمانی که شیر 40٪ باز است.

هنگامی که شیر 60٪ باز است، 2.091 m³ / ساعت عبور می کند، این افزایش 48٪ نسبت به جریان 1.414 m³ / ساعت زمانی که شیر 50٪ باز است.

مشاهده می شود که (با فشار دیفرانسیل ثابت) به ازای هر 10% افزایش در بالابر شیر، 48% افزایش دبی از طریق شیر کنترل وجود دارد. این همیشه برای یک دریچه با درصد مساوی با بردپذیری 50 صدق می کند. برای بهره، اگر یک دریچه محدوده پذیری 100 داشته باشد، افزایش تدریجی دبی برای تغییر 10 درصد در بالابر سوپاپ، 58 درصد است.

جدول 6.5.1 نشان می دهد که چگونه تغییر در نرخ جریان در سراسر محدوده بالابر سوپاپ برای شیر درصد برابر در مثال 6.5.1 با محدوده 50 و با فشار دیفرانسیل ثابت تغییر می کند.

گاهی اوقات از چند ویژگی ذاتی شیر مانند سهمی، خطی اصلاح شده یا هذلولی استفاده می شود، اما رایج ترین انواع در تولید عبارتند از باز شدن سریع، خطی و درصد برابر.

تطبیق مشخصه شیر با مشخصه نصب

هر برنامه دارای یک ویژگی نصب منحصر به فرد است که جریان سیال را با تقاضای گرما مرتبط می کند. اختلاف فشار در سراسر شیر کنترل کننده جریان سیال گرمایشی نیز ممکن است متفاوت باشد:

در سیستم های آب، منحنی مشخصه پمپ به این معنی است که با کاهش جریان، فشار شیر بالادست افزایش می یابد (به مثال 6.5.2 و ماژول 6.3 مراجعه کنید).

در سیستم های کنترل دمای بخار، افت فشار بر روی شیر کنترل به طور عمدی تغییر می کند تا بار حرارتی مورد نیاز را برآورده کند.

مشخصه شیر کنترلی انتخاب شده برای یک کاربرد باید منجر به رابطه مستقیم بین باز شدن شیر و جریان شود، تا جایی که ممکن است مسیر شیر.

این بخش گزینه های مختلف ویژگی های شیر برای کنترل سیستم های آب و بخار را در نظر می گیرد. به طور کلی، شیرهای خطی برای سیستم‌های آب استفاده می‌شوند، در حالی که سیستم‌های بخار تمایل دارند با دریچه‌های درصد مساوی بهتر عمل کنند.

1. سیستم گرمایش گردش آب با شیر سه پورت

در سیستم های آبی که دبی ثابت آب توسط یک شیر سه درگاهی مخلوط یا منحرف می شود به یک مدار متعادل، افت فشار روی شیر تا حد امکان پایدار نگه داشته می شود تا تعادل در سیستم حفظ شود.

نتیجه

- بهترین انتخاب در این کاربردها معمولاً شیری با مشخصه خطی است. به همین دلیل، مشخصه های نصب شده و ذاتی همیشه مشابه و خطی هستند و بهره محدودی در حلقه کنترل وجود خواهد داشت.

2. یک سیستم کنترل سطح آب دیگ - یک سیستم آب با یک شیر دو پورت

در سیستم هایی از این نوع (نمونه ای در شکل 6.5.6 نشان داده شده است)، که در آن یک شیر کنترل آب تغذیه دو پورت، دبی آب را تغییر می دهد، افت فشار در شیر کنترل با جریان تغییر می کند. این تنوع ناشی از:

ویژگی پمپ با کاهش دبی، فشار دیفرانسیل بین پمپ و دیگ افزایش می یابد (این پدیده با جزئیات بیشتر در ماژول 6.3 مورد بحث قرار گرفته است).

مقاومت اصطکاکی لوله با دبی تغییر می کند. سر از دست رفته در اثر اصطکاک با مجذور سرعت متناسب است. (این پدیده با جزئیات بیشتر در ماژول 6.3 مورد بحث قرار گرفته است).

فشار داخل دیگ بسته به بار بخار، نوع سیستم کنترل مشعل و حالت کنترل آن متفاوت خواهد بود.

در یک مثال ساده (که فشار دیگ بخار ثابت و تلفات اصطکاک ثابت در لوله را فرض می کند)، دیگ بخار برای تولید 10 تن بخار در ساعت رتبه بندی شده است. مشخصه عملکرد پمپ تغذیه دیگ بخار در جدول 6.5.2 همراه با فشار تفاضلی حاصل (ΔP) در سرتاسر شیر آب تغذیه در دبی های مختلف در حداکثر جریان مورد نیاز 10 m³/h آب تغذیه و کمتر از آن نشان داده شده است.

نکته: شیر ΔP اختلاف فشار تخلیه پمپ و فشار ثابت دیگ بخار 10 بار گرم است. توجه داشته باشید که با افزایش جریان آب تغذیه، فشار تخلیه پمپ کاهش می یابد. این بدان معنی است که فشار آب قبل از شیر آب تغذیه نیز با افزایش دبی کاهش می یابد که بر رابطه بین افت فشار و دبی جریان در شیر تأثیر می گذارد.

می توان از جدول 6.5.2 تعیین کرد که افت فشار تخلیه پمپ از حالت بی بار به بار کامل حدود 26٪ است، اما افت فشار دیفرانسیل در سراسر شیر آب تغذیه بسیار بیشتر است و 72٪ است. اگر افت فشار دیفرانسیل در سرتاسر شیر هنگام اندازه گیری شیر در نظر گرفته نشود، ممکن است اندازه شیر کمتر باشد.

همانطور که در ماژول های 6.2 و 6.3 بحث شد، ظرفیت سوپاپ به طور کلی بر حسب Kv اندازه گیری می شود. به طور خاص، Kvs به ناحیه عبور شیر در صورت باز بودن کامل مربوط می شود، در حالی که Kvr به ناحیه عبور شیر مطابق با درخواست برنامه مربوط می شود.

در نظر بگیرید که آیا مساحت عبور یک شیر کاملا باز با Kvs 10 100٪ است. اگر دریچه بسته شود تا ناحیه عبور 60٪ از ناحیه عبور کامل باز باشد، Kvr نیز 60٪ از 10 = 6 است. این بدون توجه به ویژگی ذاتی شیر اعمال می شود. دبی جریان در شیر در هر دهانه به فشار دیفرانسیل در آن زمان بستگی دارد.

با استفاده از داده های جدول 6.5.2، ظرفیت شیر مورد نیاز، Kvr، را می توان برای هر دبی افزایشی و فشار دیفرانسیل شیر، با استفاده از رابطه 6.5.2، که از رابطه 6.3.2 مشتق شده است، محاسبه کرد. به عنوان ظرفیت واقعی دریچه مورد نیاز نصب و اگر در برابر دبی مورد نیاز ترسیم شود، نمودار حاصل را می توان به عنوان "منحنی نصب" نام برد.

شرایط بار کامل، از جدول 6.5.2:

جریان مورد نیاز از طریق شیر = 10 m³ / h

ΔP در سراسر شیر = 1.54 بار

از معادله 6.5.2:

با گرفتن دبی شیر و شیر ΔP از جدول 6.5.2، یک Kvr برای هر افزایش را می توان از معادله 6.5.2 تعیین کرد. و اینها در جدول 6.5.3 آورده شده است.

ساخت منحنی نصب

Kvr 8.06 شرایط حداکثر جریان 10 m3/h را برای این مثال برآورده می کند.

منحنی نصب را می توان با مقایسه سرعت جریان با Kvr ساخت، اما معمولاً مشاهده منحنی نصب بر حسب درصد راحت تر است. این به سادگی به معنای درصد Kvr به Kvs، یا به عبارت دیگر، درصد مساحت گذر واقعی نسبت به ناحیه گذر باز کامل است.

برای این مثال: منحنی نصب با گرفتن نسبت Kvr در هر بار نسبت به Kvs 8.06 ساخته شده است. دریچه ای با Kvs 8.06 دارای "اندازه کامل" است و منحنی نصب را همانطور که در جدول 6.5.4 نشان داده شده است و در شکل 6.5.7 ترسیم شده است، توصیف می کند. این منحنی نصب را می توان به عنوان ظرفیت شیر یک شیر با اندازه کامل برای این مثال در نظر گرفت.

مشاهده می شود که از آنجایی که شیر برای این نصب "اندازه کامل" دارد، حداکثر دبی جریان زمانی که شیر کاملاً باز است برآورده می شود.

با این حال، انتخاب یک شیر با اندازه کامل بعید و نامطلوب است. در عمل، شیر انتخاب شده معمولاً حداقل یک اندازه بزرگتر است و بنابراین دارای Kvs بزرگتر از Kvr نصب است.

از آنجایی که یک شیر با Kvs 8.06 به صورت تجاری در دسترس نیست، شیر استاندارد بعدی بزرگتر Kvs 10 با اتصالات DN25 نامی دارد.

مقایسه شیرهای خطی و درصد مساوی با Kvs 10 در برابر منحنی نصب برای این مثال جالب است.

دریچه ای با مشخصه ذاتی خطی را در نظر بگیرید

شیر با مشخصه خطی به این معنی است که رابطه بین بالابر دریچه و ناحیه عبور دهانه خطی است. بنابراین، هر دو سطح عبور و بالابر شیر در هر شرایط جریان به سادگی Kvr به عنوان نسبتی از Kvs دریچه بیان می شود. مثلا:

از جدول 6.5.4 می توان دریافت که در حداکثر دبی 10 m³/h، Kvr 8.06 است. اگر شیر خطی Kvs 10 داشته باشد، برای اینکه شیر حداکثر دبی مورد نیاز را برآورده کند، شیر بلند می شود:

همانطور که در جدول 6.5.5 نشان داده شده است، با استفاده از همین روال، اندازه روزنه و بالابر دریچه مورد نیاز در دبی های مختلف ممکن است برای شیر خطی تعیین شود.

یک شیر با درصد مساوی دقیقاً به همان مساحت عبور نیاز دارد تا حداکثر دبی یکسان را برآورده کند، اما بالابر آن با شیر خطی متفاوت است.

دریچه ای با درصد ذاتی برابر را در نظر بگیرید

با توجه به محدوده‌پذیری سوپاپ 50:1، τ = 50، بالابر (H) ممکن است با استفاده از معادله 6.5.1 تعیین شود:

درصد بالابر سوپاپ با معادله 6.5.3 نشان داده می شود.

از آنجایی که دبی حجمی از هر دریچه متناسب با مساحت گذر روزنه است، معادله 6.5.3 را می توان اصلاح کرد تا درصد بالابر شیر را از نظر مساحت عبور و بنابراین Kv بدست آورد.

این با معادله 6.5.4 نشان داده شده است.

همانطور که قبلاً محاسبه شد، Kvr در حداکثر دبی 10 m³ / ساعت 8.06 است و Kvs شیر DN25 10 است. بنابراین با استفاده از معادله 6.5.4، بالابر شیر در بار کامل:

از این رو:

با استفاده از همین روال، بالابر شیر مورد نیاز در دبی های مختلف را می توان از معادله 6.5.4 تعیین کرد و در جدول 6.5.6 نشان داده شده است.

مقایسه دریچه های خطی و درصد مساوی برای این کاربرد

منحنی کاربرد و منحنی های شیر برای کاربرد در مثال 6.5.2 برای هر دو خصوصیات ذاتی شیر خطی و درصد برابر در شکل 6.5.8 نشان داده شده است.

توجه داشته باشید که دریچه درصد مساوی برای دستیابی به دبی یکسان، بالابر قابل توجهی نسبت به شیر خطی دارد. همچنین جالب است که مشاهده کنید، اگرچه هر یک از این شیرها دارای یک Kvs بزرگتر از یک شیر با اندازه کامل (که منحنی نصب را ایجاد می کند) دارند، دریچه درصد مساوی قدرت قابل توجهی بالاتری نسبت به منحنی نصب دارد. در مقایسه، شیر خطی همیشه بالابر کمتری نسبت به منحنی نصب دارد.

ماهیت گرد بودن منحنی برای شیر خطی به دلیل کاهش فشار دیفرانسیل در سراسر شیر با افزایش جریان است. اگر فشار پمپ در کل محدوده دبی ثابت می ماند، منحنی نصب و منحنی شیر خطی هر دو خطوط مستقیم بودند.

با مشاهده منحنی برای دریچه درصد مساوی، می توان دریافت که اگرچه یک رابطه خطی در کل مسیر آن حاصل نمی شود، اما بالای 50 درصد دبی است.

دریچه درصد برابر نسبت به شیر خطی در دبی کم مزیت دارد. در نظر بگیرید، در دبی 10 درصدی 1 متر مکعب بر ساعت، شیر خطی تنها تقریباً 4 درصد بالا می‌آید، در حالی که درصد شیر تقریباً 20 درصد بالا می‌رود. اگرچه ناحیه عبور دهانه هر دو سوپاپ دقیقاً یکسان خواهد بود، شکل پلاگ سوپاپ با درصد مساوی به این معنی است که دورتر از نشیمنگاه خود عمل می کند و خطر آسیب ضربه بین دوشاخه و صندلی به دلیل کاهش سریع بار را کاهش می دهد. در دبی کم

یک شیر با درصد مساوی با اندازه بزرگ همچنان کنترل خوبی بر دامنه کامل خود دارد، در حالی که یک شیر خطی بزرگ ممکن است با ایجاد تغییرات سریع در نرخ جریان برای تغییرات کوچک در بالابر، عملکرد کمتری داشته باشد.

نتیجه‌گیری - در اکثر کاربردها، یک شیر با درصد مساوی نتایج خوبی را ارائه می‌دهد و در برابر سایز بیش از حد بسیار تحمل می‌کند. با تغییر بار، بهره ثابت تری ارائه می دهد و به ارائه یک حلقه کنترل پایدارتر در هر زمان کمک می کند. با این حال، می توان از شکل 6.5.8 مشاهده کرد که اگر شیر خطی به اندازه مناسب باشد، در این نوع کاربرد آب عملکرد بسیار خوبی خواهد داشت.

3. کنترل دمای یک برنامه بخار با شیر دو پورت

در مبدل‌های حرارتی، که از بخار به عنوان عامل گرمایش اولیه استفاده می‌کنند، کنترل دما با تغییر جریان بخار از طریق یک شیر کنترلی دو پورت برای مطابقت با سرعت متراکم شدن بخار بر روی سطوح گرمایشی حاصل می‌شود. این جریان بخار متغیر فشار (و در نتیجه دمای) بخار در مبدل حرارتی و در نتیجه سرعت انتقال حرارت را تغییر می دهد.

مثال 6.5.3

در یک فرآیند تبادل حرارتی بخار به آب خاص، پیشنهاد شده است که:

آب از 10 درجه سانتیگراد تا 60 درجه سانتیگراد ثابت گرم می شود.

دبی آب بین 0 تا 10 لیتر در ثانیه (kg/s) متغیر است.

در بار کامل، بخار با فشار 4 بار در کویل های مبدل حرارتی مورد نیاز است.

ضریب انتقال حرارت کلی (U) 1500 W/m2°C در بار کامل است و به ازای هر 10 درصد افت در دبی آب ثانویه 4 درصد کاهش می یابد.

با استفاده از این داده ها و با اعمال معادلات صحیح می توان ویژگی های زیر را تعیین کرد:

منطقه انتقال حرارت برای برآوردن حداکثر بار. تا زمانی که این مشخص نشود، موارد زیر را نمی توان یافت:

دمای بخار در بارهای حرارتی مختلف

فشار بخار در بارهای حرارتی مختلف

در حداکثر بار:

بار گرمایی را پیدا کنید.

ناحیه انتقال حرارت مورد نیاز برای برآوردن حداکثر بار را پیدا کنید.

منطقه انتقال حرارت (A) را می توان از معادله 2.5.3 تعیین کرد: