ملاحظاتی برای انتخاب شیرهای کنترل تعدیل کننده – بخش اول

گرمابه، اوج هنر مهندسی- بخش سوم
اردیبهشت ۵, ۱۳۹۷
ملاحظاتی برای انتخاب شیرهای کنترل تعدیل کننده – بخش دوم
اردیبهشت ۱۶, ۱۳۹۷

ملاحظاتی برای انتخاب شیرهای کنترل تعدیل کننده – بخش اول

ترجمه : مهندس نیره شمشیری
ماخذ:   ماهنامه اشری – فوریه ۲۰

 

انتخاب و تعیین سایز  شیرهای کنترل گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC) گاهی برای بسیاری از طراحان یک وظیفه نگران کننده است. در گذشته، شیرهای کنترل در درجه اول وابسته به فشار بودند؛ یعنی در این شیرها برای هر موقعیت مشخص شیر، جریان وابسته به اختلاف فشار در شیر است. شیرهای کنترل مستقل از فشار در سال های اخیر درصدی از بازار را به خود اختصاص داده اند. امروزه، در زمان تصمیم گیری در مورد نحوه کنترل بهتر بارهای گرمایش و سرمایش بار، ما وسایل زیادی برای کنترل جریان سیال داریم.
در این مقاله، مبانی شیر کنترل به اختصار بررسی و تفاوت های بین دو فناوری شیر کنترل اولیه و سایر ضمایم مورد استفاده در کنترل جریان آب توضیح داده می شود تا به طراحان در انتخاب شیرهای کنترل تعدیل کننده مطابق با کاربری مورد نظرشان کمک شود.

مبانی شیر سیستم آب

یک شیر کنترل برای کنترل جریان سیال از طریق مقدار جریان عبوری مختلف که توسط سیگنال یک کنترلر تعیین می شود، استفاده می شود. این شیر یک وسیله اوریفیس متغیر است که محل آن با محرک (اکچویتور) و کنترلر برای کنترل دبی جریان مشخص می شود. این شیرها می توانند مجهز به یک توپی (پلاگ) تنظیم کننده روغن، پورت V یا یک توپ دوار که به طور خاص برای ایجاد یک جریان مشخص طراحی شده باشند. شیر کنترل معمولاً حفظ دمای تخلیه هوای کویل یا نقطه تنظیم دمای فضا را تعدیل می کند. یک شیر کنترل ایده آل می  تواند در همه شرایط دقیقاً جریان مورد نیاز را با بار مطابقت دهد.

مختصات جریان

عملکرد شیر با توجه به ویژگی های جریان آن بیان می شود. مختصات جریانی یک شیر، رابطه بین حرکت استِم (یا ساقه) شیر بر اساس افت فشار ثابت که به صورت درصد حرکت بیان می شود و جریان سیال از میان شیر که با درصد جریان کامل بیان می شود، می باشد. سه ویژگی رایج که در شکل ۱ نشان داده شده عبارتند از:

  • بازشدن سریع. شیری که بیشترین جریان ممکن را بلافاصله بعد از اینکه ساقه دیسک را از سیت شیر بلند کرد فراهم می کند.
  • خطی. شیری که یک رابطه مستقیم جریان با لیفت فراهم می کند. همچنین تغییرات جریان مساوی برای تغییرات لیفت برابر بدون توجه به درصد باز بودن شیر تأمین می کند.
  • درصد مساوی. شیری که جریان را با یک درصد برابر (بدون توجه به دبی) برای حرکات مشابه در حرکت ساقه (در هر نقطه در محدوده جریان) تغییر می دهد.
    مختصات مختلف شیر، «بازشوهای شیر » مختلفی برای یک موقعیت کوبه می دهد. کوبه فاصله ای است که پلاگ یا ساقه از یک موقعیت کاملاً بسته تا یک موقعیت کاملاً باز طی می کند. در مقایسه شیرهای خطی و درصد برابر، یک شیر خطی ممکن است برای یک افت فشار و دبی خاص، کوبه ۲۵ % داشته باشد، درحالی که یک شیر درصد برابر ممکن است کوبه ۷۰ % برای شرایط دقیقاً یکسان داشته باشد.
    ایده آل این است که یک سیستم کنترل یک پاسخ خطی در کل محدوده کاری خود داشته باشد. در این صورت هماهنگی کنترل ها ساده تر و عملکردشان پایدارتر خواهد بود. پس حساسیت کنترل به تغییر در دما در کل محدوده کنترل ثابت است. برای مثال، افزایش اندک در دما سبب افزایش جزیی در سرمایش می شود.
    یک سیستم غیرخطی، مثل یک کویل هواساز همرفتی یا یک تیر سرد فعال، حساسیت مختلف دارند. برای مثال، افزایش جزیی در دما می تواند افزایش بزرگ در سرمایش در یک بخش از محدوده کاری و افزایش جزیی در بخش دیگر محدوده کاری فراهم کند.
 
شیرهای کنترل

شیرهای کنترل

 شکل ۱. مشخصه جریان معمول شیرها

برای رسیدن به کنترل خطی، عملکرد سیستم ترکیبی محرک، شیر کنترل و بار باید خطی باشد. اگر عملکرد کویل خطی نباشد، یک شیر کنترل غیرخطی مثل یک شیر با درصد برابر برای تعدیل سیستم مناسب است؛ در نتیجه عملکرد حاصل به خطی نزدیک تر است. اما این بحث به دلیل دینامیک های سیستم واقعی بیشتر جنبه تئوری دارد.
برای مثال، همان طور که در شکل ۲ می بینید، کویل های گرمایش در برابر مشخصات عملکرد ظرفیت جریان بسیار غیرخطی دارند. اگر دمای آب گرم دوباره تنظیم شود، این خطی تر می شود که اغلب از سوی کدهای انرژی الزامی است. در بیشتر سیستم های هیدرونیک، اختلاف فشار موجود در شیر به دلیل عملکرد دینامیک سیستم های جریان متغیر به ندرت ثابت باقی می ماند. با کاهش جریان از میان شیر، فشار در لوله ها و کویل کاهش می یابد، در نتیجه افت فشار در شیر باید زیاد شود. همزمان، کار سایر شیرهای کنترل فشار موجود در شیر را تغییر می دهد. طراحی خوب سیستم هیدرونیک، سایز زدن شیر کنترل و کنترل می تواند به حداقل کردن نوسانات اختلاف فشار کمک کند. نوسانات فشار سیستم هیدرونیک می توانند سبب انحراف عملکرد شیر کنترل واقعی از منحنی منتشرشده برای مختصات جریان شود.
ترکیب تمایل به خطی کردن عملکرد کویل و شیر و خطی کردن تأثیر کوبه شیر در برابر افت فشار در شیر منجر به انتخاب شیر با درصد برابر برای همه شیرهای دوطرفه در سیستم های هیدرونیک جریان متغیر می شود. برای شیرهای (بشقابی) گلوب، این به معنای استفاده از پلاگ های درصد برابر است. برای شیرهای توپی که رفتار درصد برابر نشان می دهند، باید از توپی یا دیسک های ویژه استفاده کرد. این شیرهای توپی به دلیل هزینه کم، رده بندی فشار قطع- بسته، محدوده کاری بالا و سهولت اتصال به یک محرک الکترونیکی دوار محبوب هستند.

شیرهای کنترل

شیرهای کنترل

شکل ۲. ظرفیت کویل در برابر دبی 

ضریب جریان

ضریب جریان یا Cv یک شاخص ظرفیت جهانی است که این گونه تعریف می شود: تعداد گالن آب در دقیقه در ۶۰ درجه فارنهایت که با افت فشار معادل ۱psi ) 6.9 کیلوپاسکال) در شیر جریان می یابد. در زمان انتخاب یک شیر برای کنترل جریان یک محیط خاص، فاکتور Cv باید با حل فرمول زیر تعیین شود:
 که:

Q = دبی، gpm
SG = گرانش ویژه سیال (نسبت دانسیته سیال به دانسیته آب خالص در ۶۰ درجه فارنهایت(۱۶ درجه سانتیگراد)
ΔP = افت فشار، psi
فاکتور Cv به افت فشار شیر در دبی کامل در زمان باز بودن آن مربوط می شود. فاکتور Cv در یک شیر کنترل تعدیل کننده با تغییر موقعیت شیر بر اساس مشخصه جریان آن تغییر می کند. فاکتور Cv در یک کویل یا یک شیر تنظیم کننده کالیبره شده (CBV) ثابت خواهد بود. وقتی جریان توسط شیر کنترل در مداری با یک کویل و شیر تنظیم کننده کالیبره کاهش می یابد، افت فشار کویل و شیر کالیبره به سرعت کم می شود و لازم است شیر کنترل افت فشار اضافی لازم را جبران کند.
اندازه شیر کنترل باید با محاسبه Cv لازم برای تأمین جریان طراحی در یک افت فشار طراحی انتخاب شود. افت فشار ۲۵ تا ۵۰ % افت فشار موجود بین اتصالات شاخه رفت و برگشت باید برای شیر کنترل تنظیم کننده انتخاب شود تا به اعتبار کافی برسد. هندبوک سیستم ها و تجهیزات گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع اشری، اعتبار را با استفاده از این معادله تعریف می کند: اعتبار= ΔP شیر/ (ΔP شیر+ ΔP شاخه).
این روش اغلب محاسبه سختی است چون در محل اتصالات شاخه که فشار موجود به صورت دینامیکی تغییر می کند، مبهم است. پس بیشتر مهندسان و پیمانکاران کنترل معمولاً از قوانین دیگر استفاده می کنند؛ مثلاً افت فشار شیر را برابر با افت فشار کویل انتخاب می کنند یا از افت فشارهای طراحی قراردادی استفاده می کنند که معمولاً از ۲ تا۵PSI ( ۱۴ تا ۳۴ کیلوپاسکال) است و زمانی که هد سیستم ۱۰۰ فوت یا کمتر باشد مشکلی ایجاد نمی کند.

عوامل دیگر

دامنه تغییرات، نسبت بین بیشترین جریان و کمترین جریان قابل کنترل در یک اختلاف فشارثابت در شیر کنترل است. کمترین جریان قابل کنترل جایی است که جریان ناگهان تغییر می کند و شیر بسته می شود. دامنه تغییرات در آزمایشگاه توسط سازنده اندازه گیری می شود. turndown ، نسبت بیشترین جریان به کمترین جریان قابل کنترل شیری است که در یک سیستم نصب شده است. اختلاف فشار در شیر کنترل معمولاً متغیر است چون به صورت سری با وسایل اوریفیس ثابت مثل کویل ها و شیرهای تنظیم کننده کالیبره نصب می شود.

 

اشتراک رایگان تاسیسات نیوز
هفته نامه تاسیسات نیوز تنها نشریه الکترونیکی تاسیسات ایران است. با عضویت در سایت کاشانه این نشریه را هرهفته در میل باکس خود رایگان دریافت کنید.البته عضویت مزایای دیگری نیز دارد...