Kontrol Vanası Karakteristikleri

Çeşitli akış karakteristikleri mevcuttur. Bu kısa eğitim, su ve buhar akışı uygulamalarında kullanılan üç ana tipi tartışmaktadır: hızlı açılan, doğrusal ve eşit yüzde akış; bunlar nasıl karşılaştırılır ve kullanıldıkları uygulamaya nasıl (ve neden) uyarlanmalıdır.

Akış karakteristikleri Tüm kontrol vanaları, sabit basınç koşullarında ‘vana açıklığı’ ile akış hızı arasındaki ilişkiyi tanımlayan yerleşik bir akış karakteristiğine sahiptir. Bu bağlamda ‘vana açıklığı’, vana tapasının vana oturağına karşı kapalı konumuna göreli konumunu ifade eder. Orifis geçiş alanına atıfta bulunmaz. Orifis geçiş alanına bazen ‘vana boğazı’ denir ve akışkanın herhangi bir zamanda geçtiği, vana tapası ile oturak arasındaki en dar noktadır. Herhangi bir vana için, karakterize edilme şekline bakılmaksızın, akış hızı ile orifis geçiş alanı arasındaki ilişki her zaman doğrudan orantılıdır.

Aynı hacimsel akış hızı ve diferansiyel basınca maruz kalan, herhangi bir boyut veya yerleşik akış karakteristiğine sahip vanalar, tam olarak aynı orifis geçiş alanına sahip olacaktır. Ancak, farklı vana karakteristikleri aynı geçiş alanı için farklı ‘vana açıklıkları’ verecektir. Doğrusal ve eşit yüzde vanaları karşılaştırırken, belirli bir basınç düşüşü ve akış hızında doğrusal bir vana %25 vana açıklığına sahip olabilirken, eşit yüzde vanası tam olarak aynı koşullar için %65 vana açıklığına sahip olabilir. Orifis geçiş alanları aynı olacaktır.

Tapa ve oturak düzeninin fiziksel şekli, bazen vana ‘trimi’ olarak adlandırılır, bu vanalar arasındaki vana açıklığı farkını oluşturur. Mil tahrikli globe vanalar için tipik trim şekilleri Şekil 6.5.1’de karşılaştırılmaktadır. Bu Modülde, vana bir globe vana (tapaya göre oturağa yukarı ve aşağı hareket) veya döner bir vana (tapaya göre oturağa yanal hareket) olsun, vana açıklığını tanımlamak için ‘vana kaldırma’ terimi kullanılır.

Döner vanalar (örneğin, bilyeli ve kelebek) her biri temel bir karakteristik eğriye sahiptir, ancak bilye veya kelebek tapa detaylarının değiştirilmesi bunu değiştirebilir. Tipik globe vanalar ve döner vanaların yerleşik akış karakteristikleri Şekil 6.5.2’de karşılaştırılmaktadır.

Bunlara ve yerleşik karakteristiklerine örnekler Şekil 6.5.1 ve Şekil 6.5.2’de gösterilmektedir.

Hızlı açılan karakteristik Hızlı açılan karakteristikli vana tapası, kapalı konumdan küçük bir vana kaldırması için akış hızında büyük bir değişiklik verir. Örneğin, %50’lik bir vana kaldırması, maksimum potansiyelinin %90’ına kadar bir orifis geçiş alanı ve akış hızına neden olabilir.

Bu tip tapa kullanan bir vana bazen ‘aç/kapa’ karakteristiğine sahip olarak adlandırılır.

Doğrusal ve eşit yüzde karakteristiklerinin aksine, hızlı açılan eğrinin tam şekli standartlarda tanımlanmamıştır. Bu nedenle, biri %50 kaldırma için %80 akış, diğeri %60 kaldırma için %90 akış veren iki vana, her ikisi de hızlı açılan karakteristiğe sahip olarak kabul edilebilir.

Hızlı açılan vanalar elektrikli veya pnömatik olarak çalıştırılma eğilimindedir ve ‘aç/kapa’ kontrolü için kullanılır.

Kendiliğinden çalışan kontrol vanası tipi, Şekil 6.5.1’deki hızlı açılan tapaya benzer bir tapa şekline sahip olma eğilimindedir. Tapa konumu, kontrol sistemindeki sıvı veya buhar basıncındaki değişikliklere yanıt verir. Bu tip vana tapasının hareketi, kontrol edilen durumdaki küçük değişikliklere kıyasla son derece küçük olabilir ve dolayısıyla vana yerleşik olarak yüksek bir aralığa sahiptir. Vana tapası bu nedenle akış hızındaki küçük değişiklikleri yeniden üretebilir ve hızlı açılan bir kontrol vanası olarak değerlendirilmemelidir.

Doğrusal karakteristik Doğrusal karakteristikli vana tapası, sabit bir diferansiyel basınçta akış hızının vana kaldırmasına (H) doğrudan orantılı olacak şekilde şekillendirilmiştir. Doğrusal bir vana, vana kaldırması ile orifis geçiş alanı arasında doğrusal bir ilişki ile bunu başarır (bkz. Şekil 6.5.3). Örneğin, %40 vana kaldırmasında, %40 orifis boyutu tam akışın %40’ının geçmesine izin verir.

Eşit yüzde karakteristiği (veya logaritmik karakteristik) Bu vanalar, vana kaldırmasındaki her artışın akış hızını bir önceki akışın belirli bir yüzdesi artıracak şekilde şekillendirilmiş bir vana tapasına sahiptir. Vana kaldırması ile orifis boyutu (ve dolayısıyla akış hızı) arasındaki ilişki doğrusal değil, logaritmiktir ve matematiksel olarak Denklem 6.5.1’de ifade edilir: Örnek 6.5.1 Eşit yüzde karakteristiğine sahip bir kontrol vanasından maksimum akış hızı 10 m³/h’dir. Vana 50:1 bir dönüş oranına sahipse ve sabit bir diferansiyel basınca maruz kalıyorsa, Denklem 6.5.1 kullanılarak sırasıyla %40, %50 ve %60 kaldırma ile vanadan ne kadar akış geçer? Bu tip kontrol vanasından geçen hacimsel akış hızı artışı, eşit vana hareketi artışları başına eşit yüzde ile artar:

• Vana %50 açıkken, vana %40 açıkkenki 0,956 m³/h akışa kıyasla %48’lik bir artışla 1,414 m³/h akış geçirir.
• Vana %60 açıkken, vana %50 açıkkenki 1,414 m³/h akışa kıyasla %48’lik bir artışla 2,091 m³/h akış geçirir. Görülebileceği gibi (sabit bir diferansiyel basınçla), vana kaldırmasındaki her %10’lik artış için kontrol vanasından geçen akış hızında %48’lik bir artış vardır. Bu, 50 aralığına sahip eşit yüzde vanası için her zaman geçerli olacaktır. Bilgi olarak, bir vananın aralığı 100 ise, %10’lik bir vana kaldırma değişikliği için akış hızındaki artan artış %58’dir.

Tablo 6.5.1, Örnek 6.5.1’deki 50 aralığına sahip eşit yüzde vanası için sabit bir diferansiyel basınçla vana kaldırma aralığı boyunca akış hızı değişikliğinin nasıl değiştiğini göstermektedir. Bazen parabolik, değiştirilmiş doğrusal veya hiperbolik gibi birkaç başka yerleşik vana karakteristiği kullanılır, ancak üretimde en yaygın olanlar hızlı açılan, doğrusal ve eşit yüzde türleridir. Vana karakteristiğinin tesisat karakteristiğine uyarlanması Her uygulamanın, akışkan akışını ısı talebiyle ilişkilendiren benzersiz bir tesisat karakteristiği olacaktır. Isıtma akışkanının akışını kontrol eden vanadaki basınç farkı da değişebilir:

• Su sistemlerinde, pompa karakteristik eğrisi, akış azaldıkça vana üst basıncının arttığı anlamına gelir (Örnek 6.5.2’ye ve Modül 6.3’e bakınız).
• Buhar sıcaklık kontrol sistemlerinde, kontrol vanasındaki kasıtlı olarak değiştirilerek gerekli ısı yükü karşılanır. Bir uygulama için seçilen kontrol vanasının karakteristiği, vananın strokunun mümkün olduğunca büyük bir bölümünde vana açıklığı ile akış arasında doğrusal bir ilişki sağlamalıdır.

Bu bölüm, su ve buhar sistemlerini kontrol etmek için vana karakteristiklerinin çeşitli seçeneklerini ele alacaktır. Genel olarak, doğrusal vanalar su sistemleri için kullanılırken buhar sistemleri eşit yüzde vanalarla daha iyi çalışma eğilimindedir. 1. Üç portlu vanalı su dolaşımlı ısıtma sistemi Sabit bir su akış hızının üç portlu bir vana ile dengeli bir devreye karıştırıldığı veya yönlendirildiği su sistemlerinde, vanadaki basınç kaybı sistemde dengeyi korumak için mümkün olduğunca stabil tutulur**.

Sonuç**- Bu uygulamalarda en iyi seçim genellikle doğrusal karakteristikli bir vanadır. Bu nedenle, yüklü ve yerleşik karakteristikler her zaman benzer ve doğrusaldır ve kontrol döngüsünde sınırlı kazanç olacaktır.2. Bir kazan su seviyesi kontrol sistemi - iki portlu vanalı bir su sistemi Bu tür sistemlerde (Şekil 6.5.6’da bir örnek gösterilmektedir), iki portlu besleme suyu kontrol vanası suyun akış hızını değiştirdiğinde, kontrol vanasındaki basınç düşüşü akışla birlikte değişecektir. Bu değişiklik şunlardan kaynaklanır:

• Pompa karakteristiği. Akış hızı azaldıkça, pompa ile kazan arasındaki diferansiyel basınç artar (bu olgu Modül 6.3’te daha ayrıntılı olarak ele alınmaktadır).
• Boru tesisatının sürtünme direnci akış hızıyla değişir. Sürtünme nedeniyle kaybedilen basınç, hızın karesiyle orantılıdır. (Bu olgu Modül 6.3’te daha ayrıntılı olarak ele alınmaktadır).
• Kazan içindeki basınç, buhar yükünün, brülör kontrol sistemi türünün ve kontrol modunun bir fonksiyonu olarak değişecektir. Örnek 6.5.2 Şekil 6.5.6’daki besleme suyu vanasını seçin ve boyutlandırın Basitleştirilmiş bir örnekte (sabit bir kazan basıncı ve boru tesisatında sabit sürtünme kaybı varsayan), bir kazan saatte 10 ton buhar üretmek üzere derecelendirilmiştir. Kazan besleme pompası performans karakteristiği, Tablo 6.5.2’de, besleme suyunun 10 m³/h’lik maksimum akış gereksiniminde ve altında çeşitli akış hızlarındaki besleme suyu vanasındaki sonuçtaki diferansiyel basınç (ΔP) ile birlikte tablolanmıştır.

Not: Vana ΔP’si, pomma boşaltma basıncı ile sabit 10 bar g kazan basıncı arasındaki farktır. Besleme suyu akışı arttıkça pompa boşaltma basıncının düşeceğini unutmayın. Bu, besleme suyu vanasından önceki su basıncının da artan akış hızıyla birlikte düşeceği anlamına gelir; bu da vanadaki basınç düşüşü ile akış hızı arasındaki ilişkiyi etkileyecektir.

Tablo 6.5.2’den, pompa boşaltma basıncındaki düşüşün yükseizden tam yüke yaklaşık %26 olduğu, ancak besleme suyu vanasındaki diferansiyel basınçtaki düşüşün %72 ile çok daha büyük olduğu belirlenebilir. Vana boyutlandırırken vanadaki düşen diferansiyel basınç dikkate alınmazsa, vana yetersiz boyutlandırılabilir. Modül 6.2 ve 6.3’te tartışıldığı gibi, vana kapasiteleri genellikle Kv cinsinden ölçülür. Daha spesifik olarak, Kvs vananın tam açıkkenki geçiş alanıyla ilgiliyken, Kvr uygulamanın gerektirdiği vananın geçiş alanıyla ilgilidir. Kvs’si 10 olan tam açık bir vananın geçiş alanının %100 olduğunu düşünün. Vana, geçiş alanı tam açık geçiş alanının %60’ı olacak şekilde kapanırsa, Kvr da 10’un %60’ı = 6’dır. Bu, yerleşik vana karakteristiğine bakılmaksızın geçerlidir. Her açıklıktaki vanadan geçen akış hızı, o andaki diferansiyel basınca bağlı olacaktır. Tablo 6.5.2’deki veriler kullanılarak, gerekli vana kapasitesi Kvr, her artan akış hızı ve vana diferansiyel basıncı için Denklem 6.5.2 kullanılarak hesaplanabilir; bu Denklem 6.3.2’den türetilmiştir. Kvr, tesisatın gerektirdiği gerçek vana kapasitesi olarak düşünülebilir ve gerekli akış hızına karşı çizilirse, ortaya çıkan grafiğe ‘tesisat eğrisi’ denilebilir. Tam yük koşulunda, Tablo 6.5.2’den:

Vanadan gerekli akış = 10 m³/ h

Vanadaki ΔP = 1,54 bar

Denklem 6.5.2’den:

Tablo 6.5.2’den vana akış hızı ve vana ΔP’si alınarak, her artış için Denklem 6.5.2’den bir Kvr belirlenebilir; bunlar Tablo 6.5.3’te tablolanmıştır. Tesisat eğrisinin oluşturulması 8,06’lık Kvr, bu örnekteki 10 m3/h’lik maksimum akış koşulunu karşılar.

Tesisat eğrisi, akış hızı ile Kvr karşılaştırılarak oluşturulabilir, ancak tesisat eğrisini yüzde terimlerinde görüntülemek genellikle daha uygundur. Bu basitçe, Kvr’nin Kvs’ye yüzdesi veya başka bir deyişle, gerçek geçiş alanının tam açık geçiş alanına göreli yüzdesi anlamına gelir.

Bu örnekte: Tesisat eğrisi, herhangi bir yükteki Kvr’nin 8,06’lık Kvs’ye oranı alınarak oluşturulur. Kvs’si 8,06 olan bir vana ‘mükemmel boyutlandırılmış’ olur ve Tablo 6.5.4’te tablolandığı ve Şekil 6.5.7’de çizildiği gibi tesisat eğrisini tanımlar. Bu tesisat eğrisi, bu örnekte mükemmel boyutlandırılmış bir vananın vana kapasitesi olarak düşünülebilir.**** Görülebileceği gibi, vana bu tesisat için ‘mükemmel boyutlandırılmış’ olduğunda, vana tam açıkken maksimum akış hızı karşılanır.

Ancak, mükemmel boyutlandırılmış bir vana seçmek olası değildir ve istenmez. Pratikte, seçilen vana genellikle en az bir boy daha büyük olacaktır ve dolayısıyla tesisat Kvr’sinden daha büyük bir Kvs’ye sahip olacaktır.

Kvs’si 8,06 olan bir vana ticari olarak mevcut olmadığından, bir sonraki daha büyük standart vana, nominal DN25 bağlantılara sahip 10 Kvs’ye sahip olacaktır.

Kvs’si 10 olan doğrusal ve eşit yüzde vanalarını bu örnekteki tesisat eğrisiyle karşılaştırmak ilginçtir.

Yerleşik karakteristiği doğrusal olan bir vana düşünün Doğrusal karakteristikli bir vana, vana kaldırması ile orifis geçiş alanı arasındaki ilişkinin doğrusal olduğu anlamına gelir. Bu nedenle, herhangi bir akış koşulunda hem geçiş alanı hem de vana kaldırması basitçe vana Kvs’si olarak ifade edilen Kvr’nin oranıdır. Örneğin:**** Tablo 6.5.4’ten, 10 m³/h’lik maksimum akış hızında Kvr’nin 8,06 olduğu görülebilir. Doğrusal vananın Kvs’si 10 ise, vananın gerekli maksimum akış hızını karşılaması için vana şu kadar yükselecektir: Aynı rutin kullanılarak, doğrusal vana için çeşitli akış hızlarındaki orifis boyutu ve gerekli vana kaldırması belirlenebilir, Tablo 6.5.5’te gösterildiği gibi. Eşit yüzde vanası, aynı maksimum akış hızını karşılamak için tam olarak aynı geçiş alanını gerektirecektir, ancak kaldırması doğrusal vanadan farklı olacaktır.

Yerleşik karakteristiği eşit yüzde olan bir vana düşünün

Vana aralığı 50:1, τ = 50 olduğunda, kaldırma (H) Denklem 6.5.1 kullanılarak belirlenebilir: Yüzde vana kaldırması Denklem 6.5.3 ile gösterilir. Herhangi bir vanadan geçen hacimsel akış hızı orifis geçiş alanıyla orantılı olduğundan, Denklem 6.5.3, eşit yüzde vana kaldırmasını geçiş alanı ve dolayısıyla Kv cinsinden verecek şekilde değiştirilebilir.

Bu Denklem 6.5.4’te gösterilmektedir. Daha önce hesaplandığı gibi, 10 m³/h’lik maksimum akış hızındaki Kvr 8,06’dır ve DN25 vananın Kvs’si 10’dur. Denklem 6.5.4 kullanılarak tam yükte gerekli vana kaldırması şudur:therefore:

Tablo**** 6.5.10 Vana kaldırmalarının karşılaştırılması (Kvs 160) Kvr ve tesisat eğrisi

*Tesisat eğrisi, herhangi bir yükteki Kvr’nin maksimum yükteki Kvr’ye yüzdesidir

Şekil 6.5.11’den görülebileceği gibi, her iki vana eğrisi de Şekil 6.5.10’daki daha küçük (uygun boyutlandırılmış) vanalarla karşılaştırıldığında sola doğru hareket etmişken, tesisat eğrisi sabit kalmıştır.

Doğrusal vana için değişiklik oldukça dramatiktir; %30 yükte vananın yalnızca %10 açık olduğu görülebilir. %85 yükte bile vana yalnızca %30 açıktır. Ayrıca, kaldırma değişikliğinin nispeten küçük olması için akış hızı değişikliğinin büyük olduğu da gözlemlenebilir. Bu etkin olarak, vananın aralığının %90’ına kadar hızlı tepki veren bir vana olarak çalıştığı anlamına gelir. Bu, bu tip buhar tesisatı için en iyi yerleşik karakteristik türü değildir, çünkü buhar akışındaki değişikliklerin oldukça yavaş gerçekleşmesi genellikle daha iyidir.

Eşit yüzde vana eğrisi konum değiştirmiş olsa da, hala tesisat eğrisinin sağında yer almakta ve iyi kontrol sağlayabilmektedir. Eğrinin alt kısmı nispeten sığdır, ilk hareketi sırasında daha yavaş açılma sunar ve bu durumda doğrusal vanaya göre buhar akışını kontrol etmek için daha iyidir.

Aşırı boyutlandırmaya yol açabilecek durumlar şunlardır:

• Uygulama verileri yaklaşık olduğundan, ek bir ‘güvenlik faktörü’ dahil edilir.
• Kirlenme için aşırı hevesli bir ödenek gibi çalışma ‘faktörlerini’ içeren boyutlandırma rutinleri.
• Hesaplanan Kvr, standart bir vananın Kvs’sinden yalnızca biraz daha yüksektir ve bir sonraki daha büyük boyutun seçilmesi gerekir. Ayrıca şu durumlar da vardır:
• Tam yükte kontrol vanasındaki mevcut basınç düşüşü düşüktür. Örneğin, buhar besleme basıncı 4,5 bar a ise ve tam yükte ısı eşanjöründe gerekli buhar basıncı 4 bar a ise, bu tam yükte yalnızca %11’lik bir basınç düşüşü sağlar.
• Minimum yük, maksimum yükten çok daha azdır Doğrusal bir vana karakteristiği, vana tapasının oturağa yakın çalışacağı ve hasar olasılığı olacağı anlamına gelir.

Bu yaygın durumlarda, eşit yüzde vana karakteristiği çok daha esnek ve pratik bir çözüm sağlayacaktır.

Bu nedenle çoğu kontrol vanası üreticisi, özellikle buhar gibi sıkıştırılabilir akışkanlarda kullanıldığında, iki portlu kontrol vanaları için eşit yüzde karakteristiği önerecektir.

Lütfen dikkat edin: Fırsat verildiğinde, buhar vanalarını tam yükte mümkün olduğunca yüksek basınç düşüşü ile boyutlandırmak daha iyidir; koşullar izin veriyorsa kontrol vanasında kritik basınç düşüşü oluşması bile. Bu, kontrol vanasının boyutunu ve maliyetini azaltmaya yardımcı olur, daha doğrusal bir tesisat eğrisi verir ve doğrusal bir vana seçme fırsatı sunar.

Ancak, koşullar buna izin vermeyebilir. Vana yalnızca uygulama koşullarına göre boyutlandırılabilir. Örneğin, ısı eşanjörünün çalışma basıncı 4,5 bar a ise ve mevcut maksimum buhar basıncı yalnızca 5 bar a ise, vana yalnızca %10’luk bir basınç düşüşü ([5 – 4,5]/5) ile boyutlandırılabilir. Bu durumda, vanayı kritik basınç düşüşüne göre boyutlandırmak kontrol vanasının boyutunu küçültür ve ısı eşanjörünü buharla beslerdi.

Buhar besleme basıncını artırmak mümkün olmasaydı, çözüm daha düşük çalışma basıncında çalışan bir ısı eşanjörü takmak olurdu. Bu şekilde, kontrol vanasındaki basınç düşüşü artacaktır. Bu daha küçük bir vana ama aynı zamanda daha büyük bir ısı eşanjörü ile sonuçlanabilir, çünkü ısı eşanjörü çalışma sıcaklığı artık daha düşüktür.

Daha düşük buhar basıncında çalışan daha büyük ısı eşanjörlerinden kaynaklanan başka avantajlar da vardır:

• Isıtma yüzeylerinde kireçlenme ve kirlenme eğilimi daha azdır.
• Kondens sisteminde daha az flaş buhar üretilir.
• Kondens sisteminde daha az geri basınç vardır. Kontrol vanasının ve ısı eşanjörünün maliyeti, vananın düzgün kontrol etme yeteneği ve yukarıda görüldüğü gibi sistemin geri kalanı üzerindeki etkileri arasında bir denge kurulmalıdır. Buhar sistemlerinde, eşit yüzde vanaları genellikle doğrusal vanalardan daha iyi bir seçim olacaktır, çünkü düşük basınç düşüşleri oluşursa, bunların vananın tüm hareket aralığındaki performansı üzerinde daha az etkisi olacaktır.