Kendinden Tahrikli Sıcaklık Kontrolleri

Bu eğitim, kendinden tahrikli sıcaklık kontrol sistemlerinin ne olduğu ve nasıl çalıştığı hakkında temel bir giriş sunmaktadır. Vanaların ve kontrolörlerin çeşitli farklı türleri buhar ve su sistemleri için tipik uygulamalarla birlikte kısaca tartışılmaktadır.

Kendinden Tahrikli Sıcaklık Kontrolleri Nedir ve Nasıl Çalışır?

Piyasada mevcut iki ana kendinden tahrikli sıcaklık kontrol formu vardır: Sıvı dolu sistemler ve buhar gerilim sistemleri. Kendinden tahrikli sıcaklık kontrolleri, elektrik veya basınçlı hava ihtiyacını ortadan kaldıran kendi kendine enerji sağlayan sistemlerdir. Kontrol sistemi, bir sensör, kılcal boru ve bir aktüatörden oluşan tek parçalı bir ünitedir. Bu daha sonra Şekil 7.1.1’de gösterildiği gibi uygun kontrol vanasına bağlanır.

Kendinden tahrikli prensip Sıcaklığa duyarlı bir sıvı ısıtılırsa genleşir. Soğutulursa büzülür. Kendinden tahrikli sıcaklık kontrolünde, sensör ve kılcal borudaki sıcaklığa duyarlı sıvı dolgusu sıcaklık artışıyla genleşir (bkz. Şekil 7.1.2). Bu genleşmenin (veya sensöre daha az ısı uygulanması durumunda büzülmenin) oluşturduğu kuvvet, kılcal boru aracılığıyla aktüatöre iletilerek kontrol vanasını açar veya kapatır ve böylece kontrol vanasından akan akışkanın akışını kontrol eder. Hidrolik akışkan sıvı olarak kalır.

Sensördeki sıcaklık değişimi ile aktüatördeki hareket miktarı arasında doğrusal bir ilişki vardır. Bu nedenle, sıcaklıkta eşit bir birim artış veya düşüş için aynı miktarda hareket elde edilebilir. Bu, kendinden tahrikli sıcaklık kontrol sisteminin ‘orantısal kontrol’ sağladığı anlamına gelir; orantı bandının tamamı, uygulamanın ısıtma mı yoksa soğutma mı olduğuna bağlı olarak set noktasının üstünde veya altında çalışır. Örneğin, kendinden tahrikli bir ısıtma kontrol sisteminin orantı bandı 5°C olsaydı ve set noktası 70°C olsaydı, vana 70°C’de tamamen kapalı ve 65°C’de tamamen açık olurdu. 70°C’ye ayarlanmış bir soğutma kontrolünde vana 70°C’de tamamen açık ve 65°C’de tamamen kapalı olurdu. Orantı bandı, daha büyük vanaların daha büyük P-bantlarına sahip olduğu vana boyutuna göre değişir. Bir vana uygulama için çok büyükse, tek gerçek sorun sistemin istikrarının bozulmasıdır; vana orifisi olması gerekenden büyükse, kontrol edilen koşuldaki (belki bir ısıtma kaloriferinin ikincil akış sıcaklığı) küçük bir değişiklik, buhar akışında çok büyük bir değişikliğe izin verir. Sonuç, sistemin modülasyonlu bir tür yerine açma-kapama tarzında çalışabilmesidir. Set sıcaklığını düşürmek için

Ayar düğmesi, pistonu sensöre daha derin itmek için saat yönünde döndürülür. Bu, sıvı dolgusu için mevcut alanı etkili bir şekilde azaltır ve bu da vananın daha düşük bir sıcaklıkta kapandığı anlamına gelir. Set sıcaklığı bu nedenle daha düşük olacaktır. Kadran tipi ayarlara sahip kontrol sistemlerinde, aynı etki (tipik olarak) ayar vidısını saat yönünde döndürmek için bir tornavida kullanılarak elde edilir. Set sıcaklığını yükseltmek için

Ayar düğmesi, sensöre yerleştirilen pistonun uzunluğunu azaltmak için saat yönünün tersine döndürülür. Bu, sıvı dolgusu için mevcut alanı artırır ve bu da kontrol vanasını kapatacak kadar dolgunun genleşmesi için daha yüksek bir sıcaklığın gerekli olacağı anlamına gelir. Set sıcaklığı bu nedenle daha yüksek olacaktır. Yine, tipik olarak kadran tipi ayar için, ayar vidısını saat yönünün tersine döndürmek için bir tornavida kullanılır. Yüksek sıcaklıklara karşı koruma Set sıcaklığının üzerinde bir sıcaklık aşımı meydana gelirse (olası nedenleri sızdıran kontrol vanası, yanlış ayar veya ayrı bir ek ısı kaynağı olabilir); piston içinde barındırılan bir dizi disk yay, dolgunun aşırı genleşmesini emecektir. Bu, kontrol sisteminin yırtılmasını önleyecektir. Sıcaklık aşımı sona erdiğinde, disk yaylar orijinal konumlarına dönecek ve kontrol sistemi normal şekilde çalışmaya devam edecektir. Aşım, kontrol türüne bağlı olarak tipik olarak set sıcaklığının 30°C ila 50°C üzerindedir.

Bir buhar gerilim kontrol sistemi, sıvı ve buhar karışımıyla doldurulmuş bir algılama sistemine sahiptir. Sensör sıcaklığındaki artış, içinde tutulan sıvıdan daha büyük bir buhar oranını buharlaştırarak sensör ve kılcal boru sistemindeki buhar basıncını artırır. Bu basınç artışı, kılcal boru aracılığıyla karşı uçtaki bir körük veya diyfram montajına iletilir (bkz. Şekil 7.1.3).

Buhar gerilim sistemi, sistem tarafından tutulan akışkan için benzersiz bir basınç/sıcaklık doyma eğrisi izler. Tüm akışkanların basınç ve kaynama sıcaklığı arasında bir ilişkisi vardır. Sonuç bir doyma eğrisi ile çizilebilir. Suyun doyma eğrisi Şekil 7.1.4’te görülebilir. Şekil 7.1.4, 150°C’de 5°C’lik bir sıcaklık değişiminin sistem basıncında 0.65 bar’lık bir değişikliğe neden olacağını göstermektedir. Ölçeğin alt tarafında, 5°C’lik bir sıcaklık değişimi yalnızca 0.18 bar’lık bir sistem basıncı değişikliğine yol açar. Bu nedenle aynı sıcaklık değişimi için vana, sıcaklık aralığının üst ucunda alt ucundan daha fazla hareket edecektir. Bu nedenle bir vanayı tam açıkken tam kapalıya hareket ettirmek, aralığın alt ucunda üstüne göre daha büyük bir sıcaklık değişimi gerektirir. Bu tür buhar gerilim kontrol sistemlerinin üreticileri genellikle kontrolün yalnızca aralığının üst ucunda kullanılmasını önerir, ancak bu, makul bir sıcaklık aralığını kapsayabilmek için farklı dolgular kullanıldığı anlamına gelir (su, metil alkol ve benzen dahil). Alternatif olarak, sıvı dolu bir sistem, sıcaklık değişimi ve vana hareketi arasında gerçek bir doğrusal ilişki verecektir; bu büyük ölçüde sıvının sıkıştırılamaz olmasından kaynaklanır. Set sıcaklığı, derecelerle kalibre edilebilir ve yalnızca bir dizi numara ile değil. Set sıcaklığını ayarlamada karışıklık yoktur; bu devreye alma süresini azaltır. Ayrıca, sıvı dolgusu için mevcut alan miktarını değiştirerek yapılan ayar, kontrol vanası ile sensör arasında herhangi bir yerde yapılabilir. Bu, buhar gerilim sistemlerinde geçerli değildir; bunlar genellikle yalnızca kontrol vanasında ayarlanabilir.

Buhar gerilim kontrol vanaları bazen milden sızıntı yapar. İkinci bir körük conta mekanizmasının ek maliyetinden kaçınmak için, çoğu buhar gerilim kontrol üreticisi vana milinde mekanik conta kullanır. Bunlar ya çok gevşek olup sızıntıya neden olur ya da çok sıkı olup milde çok fazla sürtünme ve vananın sıkışmasına neden olma eğilimindedir.
Sıvı sistemlerinde, vana hareketi sıcaklık değişimiyle gerçekten orantılı ve vana contası sürtünmesiz olduğundan, sıcaklık kontrolü çok yüksek bir aralıklandırılabilirliğe sahiptir ve çok hafif yüklerde kontrol edebilir.

Kendinden tahrikli sıcaklık kontrol sistemleriyle kullanılacak vanalar üç gruba ayrılabilir:

Normalde açık iki yollu vanalar.
Normalde kapalı iki yollu vanalar.
Üç yollu karıştırma veya yönlendirme vanaları.

Normalde açık iki yollu kontrol vanaları Bu vanalar, en yaygın uygulama türü olan ısıtma uygulamaları içindir. Bir yay tarafından açık konumda tutulurlar. Sistem çalıştığında, sensör tarafından tespit edilen sıcaklık artışının her biri dolgunun genleşmesine ve vanayı kapatmaya başlayarak ısıtma ortamının akışını kısıtlayacaktır. Normalde kapalı iki yollu kontrol vanaları Bu vanalar soğutma uygulamaları içindir. Bir yay tarafından kapalı konumda tutulurlar. Sistem çalıştığında, sıcaklık artışının her biri dolgunun genleşmesine ve vanayı açmaya başlayarak soğutma ortamının akmasına izin verecektir. Kendinden tahrikli bir kontrol vanasını kapatmak için gereken kuvvet Vana fişindeki gerekli kapama kuvveti, Denklem 7.1.1’de gösterildiği gibi vana orifisi alanı ve diferansiyel basıncın çarpımıdır. İki yollu buhar vanaları için diferansiyel basınç olarak üst mutlak buhar basıncının alınması gerektiğini; iki yollu su vanaları için ise pompa ile vana girişi arasındaki boru boyunca pompa gösterge basıncının eksi basınç kaybının alınacağını unutmayın. Örnek 7.1.1 Buhar vanası orifisi 20 mm çapında ve buhar basıncı 9 bar g ise vanayı kapatmak için gereken kuvveti hesaplayın. (Maksimum diferansiyel basınç 9 + 1 = 10 bar mutlak). Bu, aktüatörün 9 bar g üst buhar basıncına karşı kontrol vanasını kapatmak için en az 314 newton kuvvet sağlaması gerektiği anlamına gelir.

Örnek 7.1.1’den vanayı kapatmak için gereken kuvvetin çapın karesiyle arttığı görülebilir. Aktüatörden elde edilebilecek sınırlı miktarda kuvvet vardır; bu nedenle bir vananın kapanabildiği maksimum basınç, vana boyutundaki artışla birlikte azalır.

Bu, bir dengeleme imkanı olmasaydı, kendinden tahrikli sıcaklık kontrollerini DN25’ten büyük boyutlarda düşük basınçlarla etkili bir şekilde sınırlayacaktı. Dengeleme, bir körük veya çift oturma düzeni ile başarılabilir. Körük dengeli vanalar

Körük dengeli bir vanada, oturak orifisi ile aynı etkin alana sahip bir dengeleme körüğü, vana fişine etki eden kuvvetleri dengelemek için kullanılır. Vana milinin ortasındaki küçük bir delik, bir denge borusu oluşturarak vana fişinin üst tarafından gelen basıncın körük muhafazasına beslenmesine izin verir (bkz. Şekil 7.1.5). Benzer şekilde, vana fişindeki kuvvetler körüğün içini basınçlandırır. Körük üzerindeki diferansiyel basınç bu nedenle vana fişindeki diferansiyel basınçla aynıdır, ancak kuvvetler zıt yönlerde etki ettiğinden birbirini iptal eder.

Dengeleme körüğü tipik olarak şunlardan üretilebilir:

Fosfor bronz.
Paslanmaz çelik, bu daha yüksek basınç ve sıcaklıklara izin verir.

Çift oturaklı kontrol vanaları

Çift oturaklı kontrol vanaları, yüksek kapasiteli akışın gerekli olduğu ve sıkı kapanmanın gerekmediği durumlarda kullanışlıdır. Aynı boyuttaki tek oturaklı vanalara göre daha yüksek diferansiyel basınçlara karşı kapanabilirler. Bunun nedeni, kontrol vanasının Şekil 7.1.6’da gösterildiği gibi ortak bir mil üzerinde iki vana fişi ve iki karşılık gelen oturaktan oluşmasıdır. İki vana fişine etki eden kuvvetler neredeyse dengelidir. Diferansiyel basınç bir fişi oturağından uzaklaştırmaya çalışırken, diğer fişi oturağına doğru iter. Ancak, kontrol vanasının bileşen parçalarını üretmek için gerekli toleranslar, sıkı bir kapanmanın elde edilmesini zorlaştırır. Alt vana fişinin ve oturağın üst muadilinden daha küçük olması ve servis için tüm montajın çıkarılmasına olanak tanıması bu duruma yardımcı olmaz. Ayrıca, gövde ve vana mekiği aynı malzeme olsa bile, bireysel parçaların kimyasındaki küçük değişiklikler, genleşme katsayılarında ince varyasyonlara yol açabilir ve bu da kapanmayı olumsuz etkiler. Çift oturaklı bir kontrol vanası, yüksek limit koruması ile bir güvenlik cihazı olarak kullanılmamalıdır. Dahili sabit sızıntı delikli kontrol vanaları Normalde kapalı bir vana, tamamen kapalıyken kontrol vanasından az miktarda akışa izin vermek için genellikle sabit bir sızıntıya (Şekil 7.1.7) ihtiyaç duyar. Normalde kapalı kendinden tahrikli kontrol vanaları bazen ters çalışan (RA) olarak adlandırılır.

Bu tür bir vana için tipik bir uygulama, bir hava kompresörü gibi endüstriyel bir motor için soğutma suyunun (soğutucu) akışını kontrol etmektir (Şekil 7.1.8). Motor boyunca soğutucu akışını kontrol eden kontrol vanası, motorun önündedir ve sıcaklık sensörü, motordan çıkarken sıcaklığını kaydeder. Motordan çıkan soğutucu set noktasından daha sıcaksa, kontrol vanası daha fazla soğutucunun vanadan geçmesine izin vermek için açılır. Ancak, motordan çıkan su gerekli set sıcaklığına ulaştığında vana tekrar kapanır. Sızıntı deliği olmasa, soğutucu artık akmaz ve motordan ısı almaya devam eder. Alt sensör herhangi bir sıcaklık artışı tespit edemezse, motor aşırı ısınabilir. Kontrol vanasının sabit çaplı bir sızıntı deliği varsa, vana kapalıyken alt sensörün temsil edici bir sıcaklık kaydetmesine yetecek kadar soğutma suyu vanadan akabilir. Bu özellik, sensör uygulama ısı kaynağından uzak olduğunda gereklidir. Normalde kapalı bir vanada isteğe bağlı eriyebilir bir cihaz da bulunabilir (bkz. Şekil 7.1.7). Cihaz aşırı ısı durumunda erir, vana fişindeki yay gerginliğini kaldırır ve soğutma suyunun sisteme girmesine izin vermek için vanayı açar. Bu tür bir güvenlik cihazında, eriyebilir cihaz eridikten sonra onarılamaz ve değiştirilmelidir. Üç yollu kontrol vanaları ****Kendinden tahrikli kontrol sistemleriyle kullanılan kontrol vanalarının çoğu iki yolludur. Ancak, Şekil 7.1.9’da kendinden tahrikli piston tipi bir üç yollu kontrol vanası gösterilmektedir. Bu tür vana tasarımının avantajı, aynı vananın karıştırma veya yönlendirme su uygulamalarının her ikisi için de kullanılabilmesine izin verir; bu, elektrikli veya pnömatik aktüatör gerektiren vanalar için normalde geçerli değildir.

En yaygın uygulamalar su ısıtması içindir, ancak üç yollu kontrol vanaları hava soğutucuları gibi soğutma uygulamalarında ve ısıtma, havalandırma ve klima uygulamalarındaki pompalı devrelerde de kullanılabilir. Üç yollu kontrol vanası karıştırma vanası olarak kullanıldığında (bkz. Şekil 7.1.10), sabit hacimli port ‘O’ ortak çıkış olarak kullanılır.

Üç yollu kontrol vanası yönlendirme vanası olarak kullanıldığında (bkz. Şekil 7.1.11), sabit hacimli port ortak giriş olarak kullanılır.

Kendi kendine yeten üç yollu kontrol vanası

Başka bir üç yollu kendinden tahrikli kontrol vanası türü, dahili bir sıcaklık algılama cihazı içerir ve dolayısıyla çalışmak için harici bir sıcaklık kontrolörü gerektirmez. Düşük Sıcaklık Sıcak Suyu (LTHW) kazanlarını, ikincil dönüş suyunun sıcaklığının düşük olduğu başlangıç dizileri sırasında ateş borusu korozyonundan korumak için kullanılabilir (bkz. Şekil 7.1.12). Başlangıçta vana, soğuk ikincil suyun harici sistemi atlamasına ve kazan devresinden akmasına izin verir. Bu, kazandaki suyun hızlı bir şekilde ısınmasına olanak tanır ve baca gazlarındaki su buharının yoğuşmasını en aza indirir. Kazan suyu ısındıkça, ana sistemden gelen suyla yavaşça karıştırılarak tüm sistem yavaşça sıcaklığa yükseltilirken koruma sürdürülür. Bu tür kontrol vanası, hava kompresörlerinde bulunanlar gibi soğutma sistemlerinde de kullanılabilir (Şekil 7.1.13).