Su Sistemleri İçin Kontrol Vanası Boyutlandırması

Bu kısa eğitim, su sistemleri için vanaları boyutlandırmak üzere akış katsayılarının nasıl kullanılacağını, iki portlu ve üç portlu vanalar arasındaki farkı ve bu vanaların basınç düşüşü, akış ve su sistemi karakteristikleri üzerindeki etkisini kısaca açıklamaktadır. Ayrıca vana otoritesinin önemi ve belirli koşullar altında kavitasyon ve flaşın nedeni ve etkileri de açıklanmaktadır.

Kontrol vanası, akış hızı, basınç düşüşü ve vana akış katsayıları arasındaki ilişkiyi gösteren bir grafik kullanılarak belirli bir diferansiyel basınçta çalışacak şekilde boyutlandırılabilir.

Alternatif olarak, akış katsayısı bir formül kullanılarak hesaplanabilir. Belirlendikten sonra, akış katsayısı üreticinin teknik verilerinden doğru boyutlu vanayı seçmek için kullanılır.

Tarihsel olarak, akış katsayısı formülü İmparatorluk birimleri kullanılarak türetilmiştir ve galon/dakika cinsinden, bir pound/inç² diferansiyel basınçla ölçüm sunmaktadır. İmparatorluk katsayısının iki versiyonu vardır, bir İngiliz versiyonu ve bir Amerikan versiyonu ve her ikisi de benimsenmiş sembol ‘Cv’ olmasına rağmen, kullanırken dikkatli olunmalıdır çünkü her biri farklıdır. İngiliz versiyonu İmparatorluk galonları kullanırken, Amerikan versiyonu Amerikan galonlarını kullanır; bu da bir İmparatorluk galonunun 0,833’ü hacmindedir. Her iki versiyon için benimsenmiş sembol Cv’dir. Akış katsayısının metrik versiyonu başlangıçta, kilogram kuvvet/metre² (kgf/m²) cinsinden ölçülen bir diferansiyel basınç için saatteküp metre (m³/h) cinsinden akış açısından türetilmiştir. Bu tanım, Kv’yi SI birimleri (bar) cinsinden tanımlayan kabul edilmiş bir Avrupa standardı var olmadan önce türetilmişti. Ancak, bir SI standardı 1987’den beri IEC 534 -1 (şimdi EN 60534 -1) biçiminde mevcuttur. Standart tanım artık 1 bar’lık bir diferansiyel basınç için m³/h cinsinden akış hızını ilişkilendirir. Her iki metrik versiyon da benimsenmiş sembol Kv ile hala kullanılmaktadır ve aralarındaki fark oldukça küçük olsa da, hangisinin kullanıldığından emin olmak veya netleştirmek önemlidir. Bazı üreticiler, basınç diferansiyelinin birimini nitelendirmeden Kv dönüşüm değerlerini yanlışlıkla aktarırlar.

Yukarıda bahsedilen farklı akış katsayısı türlerini dönüştürmek için Tablo 6.3.1: Örneğin, Cv (ABD)‘ye dönüştürmek için Kv (bar)‘ı 1,16 ile çarpın.

Bu Modüllerde alıntı yapılan Kv versiyonu, aksi belirtilmedikçe her zaman Kv (bar) cinsinden, yani m³/h bar birimlerinde ölçülür.

Genel olarak sıvı akışı için Kv formülü Denklem 6.3.1’de gösterilmektedir. Bazen, hacimsel akış hızının, vana akış katsayısı ve diferansiyel basınç kullanılarak belirlenmesi gerekir. Su için G = 1 olduğundan, su için denklem Denklem 6.3.2’de gösterildiği gibi basitleştirilebilir. Örnek 6.3.1 10 m³/h su bir devre etrafında pompalanmaktadır; Denklem 6.3.2 kullanılarak Kv’si 16 olan bir vanadaki basınç düşüşünü belirleyin: Alternatif olarak, bu örnek için Şekil 6.3.1’de gösterilen çizelge kullanılabilir. (Not: daha kapsamlı bir su Kv çizelgesi Şekil 6.3.2’de gösterilmektedir):

1. Çizelgeye sol taraftan 10 m³/h’den girin.
2. Kv = 16 (tahmini) ile kesişene kadar yatay olarak sağa doğru bir çizgi çizin.
3. Aşağıya doğru dikey bir çizgi çekin ve ‘X’ ekseninden basınç düşüşünü okuyun (yaklaşık 40 kPa veya 0,4 bar). Not: Sıvı sistemleri için vanaları boyutlandırmadan önce, sistemin ve pompalar gibi bileşen ekipmanlarının özelliklerinin farkında olmak gerekir.

Pumps Buhar sistemlerinin aksine, sıvı sistemleri sıvıyı dolaştırmak için bir pompa gerektirir. Santrifüj pompalar sıklıkla kullanılır; bunlar Şekil 6.3.3’te gösterilene benzer bir karakteristik eğriye sahiptir. Akış hızı arttıkça, pompa boşaltma basıncının düştüğüne dikkat edin. Dolaşım sistemi özellikleri Yalnızca bir su kontrol vanasının boyutunu değil, aynı zamanda suyun dolaştığı sistemi de dikkate almak önemlidir; bu, kullanılan vana türünü ve boyutunu ve devrede nereye yerleştirilmesi gerektiğini etkileyebilir.

Su bir sistem boyunca dolaştırıldığında, sürtünme kayıpları meydana gelecektir. Bu sürtünme kayıpları basınç kaybı olarak ifade edilebilir ve hızın karesiyle orantılı olarak artacaktır. Sabit çaplı bir borudaki akış hızı, Denklem 6.3.3 kullanılarak herhangi bir basınç kaybında hesaplanabilir; burada v̇1 ve v̇2 aynı birimlerde ve P1 ve P2 aynı birimlerde olmalıdır.aşağıda tanımlanmıştır. Örnek 6.3.2

Belirli bir boru boyutundan geçen v̇1 akış hızının basınç kaybı (P1) 4 bar olduğunda 2500 m³/h olduğu gözlemlenmektedir. Denklem 6.3.3 kullanılarak, akış hızı v̇2 3.500 m³/h olsaydı, aynı boyuttaki borudaki basınç kaybını (P2) belirleyin. Görülebileceği gibi, aynı boyuttaki borudan daha fazla sıvı pompalandıkça, akış hızı artacaktır. Bu temelde, Şekil 6.3.4’te gösterilene benzer bir sistem karakteristik eğrisi, Denklem 6.3.3 kullanılarak oluşturulabilir; burada akış hızı kare kanununa uygun olarak artar. Gerçek performans Pompa ve sistem özelliklerinden gözlemlenebileceği gibi, akış hızı ve sürtünme arttıkça pompa daha az basınç sağlar. Sonunda, pompa basıncının devre etrafındaki sürtünmeye eşit olduğu ve akış hızının daha fazla artamayacağı bir duruma ulaşılır.

Pompa eğrisi ve sistem karakteristik eğrisi aynı çizelgeye çizilirse - Şekil 6.3.5, pompa eğrisi ile sistem karakteristik eğrisinin kesiştiği nokta, pompa/devre kombinasyonunun gerçek performansı olacaktır. Üç portlu vana Üç portlu vana, sabit akışlı bir vana olarak düşünülebilir; çünkü karıştırma veya yönlendirme için kullanılsın, vanadan geçen toplak akış sabit kalır. Bu tür vanaların kullanıldığı uygulamalarda, su devresi doğal olarak iki ayrı döngüye ayrılacaktır: sabit akışlı ve değişken akışlı.

Şekil 6.3.6’da gösterilen basit sistem, ‘yük’ devresinden sabit bir su akış hızını koruyan bir karıştırma vanasını göstermektedir. Bir ısıtma sisteminde, yük devresi, bir binadaki radyatörler gibi ısı yayıcıları içeren devreyi ifade eder. Radyatörlerden yayılan ısı miktarı, yük devresinden akan suyun sıcaklığına bağlıdır; bu da kazandan karıştırma vanasına ne kadar suyun aktığına ve denge hattı üzerinden karıştırma vanasına ne kadar suyun geri döndüğüne bağlıdır.

Denge hattına bir denge vanası takmak gereklidir. Denge vanası, Şekil 6.3.6 ve 6.3.7’de gösterildiği gibi, boru ağının değişken akışlı bölümünde akışa aynı direnci koruyacak şekilde ayarlanır. Bu, vana konumunu değiştirirken vananın düzgün düzenlemesini sürdürmeye yardımcı olur.

Pratikte, karıştırma vanası bazen A portunu tamamen kapatmayacak şekilde tasarlanır; bu, her zaman pompa etkisinde kazandan bir minimum akış hızının geçmesini sağlar.

Alternatif olarak, kazan, kazandan sabit bir su akışına izin vermek için pompalanan bir birincil devre kullanabilir; bu da kazanın aşırı ısınmasını önler.

Şekil 6.3.7’de gösterilen basit sistem, sabit akış döngüsünde sabit bir su akış hızını koruyan bir yönlendirme vanasını göstermektedir. Bu sistemde, yük devresi vana konumuna bağlı olarak değişen bir su akış hızı alır.

Yük devresindeki suyun sıcaklığı sabit olacaktır, çünkü vana konumundan bağımsız olarak kazan devresinden su alır. Radyatörlerin kullanabileceği ısı miktarı, yük devresinden akan su miktarına bağlıdır; bu da yönlendirme vanasının açıklık derecesine bağlıdır. Denge vanası takmamanın ve ayarlamamanın etkisi Şekil 6.3.8’de görülebilir. Bu, pompa eğrisinin ve sistem eğrisinin vana konumuyla nasıl değiştiğini göstermektedir. İki sistem eğrisi, bir denge vanası takılmaması durumunda, denge devresinin sunduğu daha düşük direnç sonucu yük devresi P1 ile bypass devresi P2 arasındaki pompa basıncı farkını göstermektedir. Devre doğru şekilde dengelenmezse, diğer alt devrelerde (gösterilmemiş) kısa devre ve yetersiz besleme meydana gelebilir ve yük devresi sudan mahrum kalabilir.

İki portlu Vanalar Su sisteminde iki portlu bir vana kullanıldığında, vana kapandıkça akış azalır ve vananın üst tarafındaki basınç artar. Kontrol vanası kapalı konuma doğru boğulduğunda pompa basıncında değişiklikler meydana gelir. Etkiler Şekil 6.3.9’da gösterilmektedir.

Akış hızındaki düşüş yalnızca pompa basıncını artırmakla kalmaz, aynı zamanda pompalanan gücü de artırabilir. Pompa basıncındaki değişim, farklı yüklerde iki veya daha fazla pompayı çalıştırmak için bir sinyal olarak kullanılabilir veya değişken hızlı pompa sürücülerine bir sinyal sağlayabilir. Bu, pompalama hızlarının talebe uygunlandırılmasını sağlar ve pompalama enerji maliyetlerinden tasarruf sağlar.

İki portlu kontrol vanaları, prosese su akışını kontrol etmek için kullanılır, örneğin buhar kazanı seviyesi kontrolü veya bir besleme tankındaki su seviyesini korumak için.

Ayrıca ısı alışverişi süreçlerinde de kullanılabilirler, ancak iki portlu vana kapandığında, kontrol vanasından önceki boru bölümündeki su akışı durur ve bir ‘ölü bacak’ oluşturur. Ölü bacaktaki su, çevreye sıcaklık kaybedebilir. Kontrol vanası tekrar açıldığında, daha soğuk su ısı değişim bobinlerine girer ve proses sıcaklığını bozar. Bu durumdan kaçınmak için, kontrol sistemi, kontrol vanasını ve yük devresini bypass eden küçük çaplı bir boru ve ayarlanabilir bir globe vana aracılığıyla bir minimum akışı korumak için bir düzenleme içerebilir.

İki portlu vanalar, çok sayıda vananın dahil edildiği büyük ısıtma devrelerinde başarıyla kullanılır. Büyük sistemlerde, tüm iki portlu vanaların aynı anda kapanması son derece olası değildir; bu da yerleşik bir ‘kendi kendine dengeleme’ özelliği ile sonuçlanır. Bu tür sistemler ayrıca sistem yük gereksinimlerine göre akış özelliklerini değiştiren değişken hızlı pompalar kullanma eğilimindedir; bu da kendi kendine dengeleme çalışmasına yardımcı olur. Bir uygulama için iki portlu kontrol vanası seçerken:

• Sisteme aşırı küçük bir iki portlu kontrol vanası takılsaydı, pompa vanadan yeterli miktarda su geçirmek için büyük miktarda enerji kullanacaktı. Vanadan yeterli miktarda su zorlanabildiği varsayılarak, kontrol doğru olacaktı çünkü vananın küçük hareket artışları bile akış hızında değişikliklere neden olacaktı. Bu, kontrolü elde etmek için vananın tüm hareketinin kullanılabileceği anlamına gelir.
• Aynı sisteme aşırı büyük bir iki portlu kontrol vanası takılsaydı, pompadan gereken enerji azalacaktı ve vananın tam açık konumunda küçük bir basınç düşüşü olacaktı. Ancak, tam açık konumdan kapalı konuma doğru olan ilk vana hareketi, prosesteki akış hızı üzerinde az bir etkiye sahip olacaktır. Kontrolün sağlandığı noktaya ulaşıldığında, büyük vana orifisi, vananın çok küçük hareket artışlarının akış hızı üzerinde büyük bir etkiye sahip olacağı anlamına gelir. Bu, düzensiz kontrol, zayıf kararlılık ve doğruluk ile sonuçlanabilir.

Küçük vananın sağladığı iyi kontrol ile büyük vananın sağladığı azaltılmış enerji kaybını dengeleyen bir uzlaşma gereklidir. Vana seçimi, pompalamanın boyutunu ve işletme maliyetlerini etkileyecektir. Bu parametreleri dikkate almak iyi bir uygulamadır; çünkü bunlar sistemin toplam ömür maliyeti üzerinde bir etkiye sahip olacaktır.

Bu dengeler, takıldığı sisteme göreli olarak ‘vana otoritesini’ hesaplayarak gerçekleştirilebilir. Vana otoritesi ****Vana otoritesi Denklem 6.3.4 kullanılarak belirlenebilir. N değeri 0,5’e yakın olmalıdır (ancak daha büyük değil) ve kesinlikle 0,2’den düşük olmamalıdır.

Bu, vana hareketinin her artışının, pompalama maliyetini aşırı artırmadan akış hızı üzerinde bir etkiye sahip olmasını sağlayacaktır.power. Örnek 6.3.3Bir devrenin kontrol vanasını da içeren toplam basınç düşüşü ΔP1 + ΔP2 125 kPa’dır.

a) Kontrol vanasının 0,4’lük bir vana otoritesine (N) sahip olması gerekiyorsa, vanayı boyutlandırmak için ne kullanılır?

b) Devre/sistem akış hızı v̇ 3,61 l/s ise, gerekli vana Kv’si nedir? Bölüm a) ΔP’yi belirleyin Sonuç olarak, vanayı boyutlandırmak için 50 kPa’lık bir Δ P kullanılır ve devrenin geri kalanı için 75 kPa (125 kPa - 50 kPa) bırakılır. Bölüm b) Kv’yi belirleyin Alternatif olarak, su Kv çizelgesi (Şekil 6.3.2) kullanılabilir. Üç portlu kontrol vanaları ve vana otoritesi Üç portlu kontrol vanaları, bu Modülde daha önce açıklandığı gibi, karıştırma veya yönlendirme uygulamalarında kullanılır. Yönlendirme uygulaması için bir vana seçerken:

• Aşırı küçük bir üç portlu kontrol vanası yüksek pompalama maliyetlerine neden olacak ve küçük hareket artışlarının her bir deşarj portundan yönlendirilen sıvı miktarı üzerinde bir etkisi olacaktır.
• Aşırı büyük bir vana pompalama maliyetlerini azaltacaktır, ancak vananın başlangıç ve sonundaki hareket, sıvı dağılımı üzerinde minimal bir etkiye sahip olacaktır. Bu, büyük ani yük değişiklikleriyle yanlış kontrole neden olabilir. Gereksiz yere aşırı boyutlandırılmış bir vana, yeterli boyutlandırılmış olandan daha pahalı olacaktır. Aynı mantık karıştırma uygulamalarına da uygulanabilir.

Yine, vana otoritesi bu iki uç arasında bir uzlaşma sağlayacaktır.

Üç portlu vanalarla, vana otoritesi her zaman değişken akışlı devreyle ilgili P2 kullanılarak hesaplanır. Şekil 6.3.10 bunu şematik olarak göstermektedir.