Kontrol Vanaları

Bu kısa eğitim, buhar ve su sistemlerinde kullanım için mevcut olan doğrusal ve döner hareketli kontrol vanalarının farklı türlerinin temel bileşenlerini kısaca tanımlamaktadır.

Buhar ve Kondens Döngüsünün Blok 6’sı, kontrolün pratik yönlerini ele alarak Blok 5’te tartışılan temel kontrol teorisini pratiğe döker.

Temel bir kontrol sistemi normalde aşağıdaki bileşenlerden oluşur:

• Kontrol vanaları
• Aktüatörler
• Kontrolörler
• Sensörler Bunların hepsi genel terimlerdir ve her biri birçok varyasyon ve karakteristik içerebilir. Teknolojinin ilerlemesiyle birlikte, ekipman parçaları ve tanımları arasındaki çizgi giderek belirsizleşmektedir. Örneğin, geleneksel olarak vanayı hareket aralığındaki belirli bir konuma ayarlayan konumlayıcı artık şunları yapabilir:
• Doğrudan sensörden girdi alarak bir kontrol işlevi sağlayabilir.
• Kontrol fonksiyonlarını değiştirmek ve tanısal rutinleri gerçekleştirmek için bir bilgisayarla arayüz oluşturabilir.
• Kontrol vanasının karakteristiklerini değiştirmek için vana hareketlerini değiştirebilir.
• Tesis dijital iletişim sistemleriyle arayüz oluşturabilir. Ancak, bu noktada netlik sağlamak için her ekipman parçası ayrı ayrı ele alınacaktır.

Kontrol Vanaları

Çeşitli vana türleri mevcut olmakla birlikte, bu belge en yaygın olarak buhar ve diğer endüstriyel akışkanların otomatik kontrolünde kullanılanlara odaklanacaktır. Bunlar şunları içerir:

• Doğrusal ve döner mil hareketine sahip vana türleri.
• Doğrusal türler globe vanaları ve sürgülü vanaları içerir.
• Döner türler bilyalı vanaları, kelebek vanaları, tapa vanaları ve bunların varyantlarını içerir. Yapılması gereken ilk seçim iki portlu ve üç portlu vanalar arasındadır.
• İki portlu vanalar, üzerinden geçen akışkanı ‘boğar’ (kısıtlar).
• Üç portlu vanalar, üzerinden geçen sıvıyı ‘karıştırmak’ veya ‘yönlendirmek’ için kullanılabilir.

İki portlu vanalar

Globe vanalar Globe vanalar, akışı boğmaya uygunlukları ve belirli bir ‘karakteristik’ verilmesinin kolaylığı (vananın açıklığını akışa bağlayan) nedeniyle kontrol uygulamalarında sıklıkla kullanılır. Şekil 6.1.1’de iki tipik globe vana türü gösterilmektedir. Vana miline bağlı bir aktüatör vana hareketi sağlar.

Globe vanaların ana bileşen parçaları şunlardır:

• Gövde.
• Kapak (bonnet).
• Vana oturağı ve vana tapası, veya trim.
• Vana mili (aktüatöre bağlanan).
• Vana mili ile kapak arasındaki sızdırmazlık düzeni. Şekil 6.1.2, tek oturaklı iki portlu bir globe vananın şematik gösterimidir. Bu durumda akışkan akışı vana tapasına baskı yapar ve tapayı vana oturağından uzaklaştırma eğilimindedir.

Vanadaki akış tarafı (P1) ve akış altı (P2) basınç farkı, vananın kapanması gereken diferansiyel basınç (ΔP) olarak bilinir. Bir vananın kapanabileceği maksimum diferansiyel basınç, vananın boyutuna, türüne ve onu çalıştıran aktüatöre bağlı olacaktır.

Genel olarak, aktüatörün gerekli kuvveti Denklem 6.1.1 kullanılarak belirlenebilir.

Buhar sisteminde, maksimum diferansiyel basınç genellikle akış tarafı mutlak basınç ile aynı kabul edilir. Bu, vana kapandığında vananın akış altındaki olası vakum koşullarını hesaba katar. Kapalı bir su sisteminde diferansiyel basınç, maksimum pompa diferansiyel basıncıdır.

Daha büyük bir orifise sahip daha büyük bir vana kullanılırsa, ortamın daha büyük hacimlerinin geçmesi için aktüatörün vanayı kapatmak için geliştirmesi gereken kuvvet de artacaktır. Çok büyük kapasitelerin büyük vanalarla geçmesi gereken durumlarda veya çok yüksek diferansiyel basınçların var olduğu durumlarda, geleneksel tek oturaklı bir vanayı kapatmak için yeterli kuvvetin sağlanması pratik olmayan bir noktaya ulaşılır. Bu gibi durumlarda, bu soruna geleneksel çözüm çift oturaklı iki portlu vanadır. Adından da anlaşılacağı gibi, çift oturaklı vanada ortak bir mil üzerinde iki vana tapası ve iki vana oturağı bulunur. Vana oturakları daha küçük tutulabilir (çünkü iki tane vardır) ve ayrıca Şekil 6.1.3’te görüldüğü gibi kuvvetler kısmen dengelenmiştir. Bu, diferansiyel basınç üst vana tapasını oturağından uzaklaştırma eğiliminde olsa da (tek oturaklı vanada olduğu gibi) aynı zamanda alt vana tapasını aşağı iterek kapatmaya çalıştığı anlamına gelir.

Ancak, herhangi bir çift oturaklı vanada potansiyel bir sorun vardır. İmalat toleransları ve farklı genleşme katsayıları nedeniyle, çift oturaklı vanaların iyi bir sızdırmazlık sağlayacağı garanti edilemez.

Sızdırmazlık sıkılığı

Kontrol vanası sızıntısı, vana tamamen kapalıyken ne kadar sızıntı yapacağına göre sınıflandırılır. Standart bir çift oturaklı vanadaki sızıntı hızı en iyi durumda Sınıf III’tür (tam akışın %0,1’i sızıntı), bu da bazı uygulamalar için uygun olmayacak kadar fazla olabilir. Sonuç olarak, iki porttan akan akış yolları farklı olduğundan, vana açıldığında kuvvetler dengede kalmayabilir. Kontrol vanalarındaki sızıntı hızlarını standartlaştıran çeşitli uluslararası standartlar mevcuttur. Aşağıdaki sızıntı hızları İngiliz Standardı BS 5793 Bölüm 4’ten (IEC 60534-4) alınmıştır. Dengelenmemiş standart tek oturaklı bir vana için sızıntı hızı normalde Sınıf IV olacaktır (tam akışın %0,01’i), ancak Sınıf V (1,8 x 105 x diferansiyel basınç (bar) x oturak çapı (mm)) elde etmek de mümkündür. Genel olarak, sızıntı hızı ne kadar düşükse maliyet de o kadar yüksektir.

Dengelenmiş tek oturaklı vanalar

Çift oturaklı vanalarla ilişkili sızıntı sorunu nedeniyle, sıkı bir sızdırmazlık gerektiğinde tek oturaklı bir vana belirlenmelidir. Tek oturaklı bir globe vanayı kapatmak için gereken kuvvetler vana boyutuyla birlikte önemli ölçüde artar. Bazı vanalar, özellikle büyük diferansiyel basınçlarda çalışan vanalarda, kapatma kuvvetini azaltmak için bir dengeleme mekanizması ile tasarlanmıştır. Piston dengeli bir vanada, akış tarafı akışkan basıncının bir kısmı, vana tapasının üzerinde bir basınç dengeleme odası görevi gören bir alana iç yollarla aktarılır. Bu odadaki basınç, Şekil 6.1.4’te gösterildiği gibi vana tapasına bir aşağı kuvvet sağlayarak akış tarafı basıncını dengeler ve aktüatörün uyguladığı normal kuvvete yardımcı olarak vanayı kapatır.

Sürgülü vanalar, mil tahrikli

Sürgülü vanalar genellikle iki farklı tasarımda gelir; kama tipi ve paralel sürgü tipi. Her iki tip de akışkan akışını izole etmek için son derece uygundur, çünkü sıkı bir sızdırmazlık sağlar ve açıkken üzerlerindeki basınç düşüşü çok küçüktür. Her iki tip de manuel olarak çalıştırılan vanalar olarak kullanılır, ancak otomatik aktüasyon gerektiğinde, ister izolasyon ister kontrol için olsun, genellikle paralel sürgü vana tercih edilir. Tipik vanalar Şekil 6.1.5’te gösterilmektedir.

Paralel sürgü vana, akışkanın akış yolunu geçen iki yay yüklü sürgü disk (yaylar gösterilmemiştir) vasıtasıyla kapanır ve akışkan basıncı akış altı diskin oturağıyla sıkı bir eklem sağlar. Büyük boyutlu paralel sürgü vanalar, enerji ve proses endüstrilerinde ana buhar ve besleme hatlarında tesisin bölümlerini izole etmek için kullanılır. Küçük çaplı paralel sürgüler de yardımcı buhar ve su servislerinin kontrolü için kullanılır, ancak başta maliyet nedeniyle, bu görevler genellikle aktüatörlü bilyalı vanalar ve piston tipi vanalar kullanılarak gerçekleştirilir.

Döner tip vanalar

Döner tip vanalar, genellikle çeyrek dönüşlü vanalar olarak adlandırılır, tapa vanaları, bilyalı vanalar ve kelebek vanaları içerir. Tümü açmak ve kapatmak için döner hareket gerektirir ve kolayca aktüatörlerle donatılabilir.

Eksantrik tapa vanalar

Şekil 6.1.6, tipik bir eksantrik tapa vanayı göstermektedir. Bu vanalar normalde tapa mili yatay olacak şekilde gösterildiği gibi kurulur ve bağlı aktüatör vananın yanında bulunur. Tapa vanalar, kaldıracı ve kapatma kuvvetini iyileştirmek için tapa ile aktüatör arasında bağlantılar ve doğuştan gelen vana karakteristiğini daha kullanışlı bir eşit yüzdelik karakteristiğe dönüştüren özel konumlayıcılar içerebilir (vana karakteristikleri Modül 6.5’te tartışılmaktadır).

Bilyalı vanalar

Şekil 6.1.7, basit bir gövde formunda iki sızdırmazlık halkası arasında yerleştirilmiş küresel bir bilyadan oluşan bir bilyalı vana göstermektedir. Bilyada sıvının geçmesine izin veren bir delik bulunur. Boru uçlarıyla hizalandığında, bu çok az basınç düşüşüyle tam veya neredeyse tam çaplı akış sağlar. Bilyeyi 90° döndürmek akış geçişini açar ve kapatır. Kontrol amaçlı tasarlanmış bilyalı vanalar, öngörülebilir bir akış deseni vermek için karakterize edilmiş bilyalara veya oturaklara sahip olacaktır.

Bilyalı vanalar, 250°C’ye kadar sıcaklıklarda buhar dahil birçok akışkan için sıkı sızdırmazlıkla kontrol sağlamak için ekonomik bir yöntemdir (38 bar g, doymuş buhar). Bu sıcaklığın üzerine çıkıldığında, özel oturak malzemeleri veya metal-metale oturmalar gerekir, bu da pahalı olabilir. Bilyalı vanalar kolayca aktüatörlenir ve uzaktan izolasyon ve kontrol için sıklıkla kullanılır. Kritik kontrol uygulamaları için, farklı akış karakteristikleri sağlamak üzere bölümlü bilyalar ve özel şekilli deliklere sahip bilyalar mevcuttur.

Kelebek vanalar

Şekil 6.1.8, mafsallı yataklarda dönen bir diskten oluşan basit bir kelebek vana şemasıdır. Açık konumda disk boru duvarına paraleldir ve vanadan tam akışa izin verir. Kapalı konumda bir oturağa karşı döner ve boru duvarına diktir.

Geleneksel olarak, kelebek vanalar, kullanılan yumuşak oturakların doğasındaki sınırlamalar nedeniyle düşük basınç ve sıcaklıklarla sınırlıydı. Günümüzde, daha yüksek sıcaklık oturaklarına veya yüksek kaliteli ve özel işlenmiş metal-metale oturaklara sahip vanalar bu dezavantajları aşmak için mevcuttur. Standart kelebek vanalar artık basit kontrol uygulamalarında, özellikle daha büyük boyutlarda ve sınırlı çevrim oranının gerekli olduğu yerlerde kullanılmaktadır.

Daha zorlu görevler için özel kelebek vanalar mevcuttur. Bir kelebek vanadan akan akışkan düşük bir basınç düşüşü yaratır, çünkü vana açıkken akışa çok az direnç gösterir. Ancak genel olarak, diferansiyel basınç limitleri globe vanalara göre daha düşüktür. Bilyalı vanalar benzerdir, ancak farklı sızdırmazlık düzenleri nedeniyle, eşdeğer kelebek vanalara göre daha yüksek diferansiyel basınçlara karşı çalışabilirler.

Seçenekler

Bir kontrol vanası seçerken her zaman göz önünde bulundurulması gereken bir dizi seçenek vardır. Globe vanalar için, bunlar mil conta malzemesi seçimi ve daha yüksek sıcaklıklarda veya farklı akışkanlarda kullanıma uygun hale getirmek için tasarlanmış conta yapılandırmalarını içerir. Bunlara bazı örnekler Şekil 6.1.9’daki basit şematik diyagramlarda görülebilir. Belirli conta türlerinin vana miliyle diğerlerinden daha fazla sürtünme yarattığını belirtmek geleneksel kutu tipi conta, PTFE yay yüklü kafes tipine veya körük sızdırmazlık tipine göre daha fazla sürtünme yaratır. Daha fazla sürtünme daha yüksek aktüatör kuvveti gerektirir ve rastgele hareket eğilimini artırır. Yay yüklü conta, aşındıkça kendini yeniden ayarlar. Bu, düzenli manuel bakım ihtiyacını azaltır. Körük sızdırmazlıklı vanalar bu üç tipin en pahalısıdır, ancak en iyi mil sızdırmazlık mekanizması ile minimum sürtünme sağlar. Şekil 6.1.9’da görüldüğü gibi, körük sızdırmazlıklı vanaların genellikle vana mil muhafazasının üst kısmında başka bir geleneksel conta seti bulunur. Bu, mil yoluyla atmosfere sızıntı olasılığına karşı son bir savunma görevi görecektir.

Vanaların ayrıca gövde içindeki vana tapasını yönlendirmek için farklı yolları vardır. Şekil 6.1.10’te gösterilen ortak bir yönlendirme yöntemi, milin uzunluğunun hem üstünde hem de altında yönlendirildiği ‘çift yönlendirme’ yöntemidir. Bir diğer tip, tapanın bir kafes veya çerçeve tarafından yönlendirilebileceği ‘yönlendirilmiş tapa’ yöntemidir. Bazı vanalar, tapa yönlendirmeyi ve gürültü azaltmayı birleştiren delikli tapalar kullanabilir.

Otomatik kontrol için kullanılan iki portlu vanaların özeti

Buhar proseslerinin ve uygulamalarının otomatik kontrolü için açık ara en yaygın kullanılan vana türü globe vanadır. Çalıştırılması nispeten kolaydır, çok yönlüdür ve buharın otomatik kontrol ihtiyaçlarına son derece uygun doğuştan gelen karakteristiklere sahiptir. Ayrıca, iki portlu otomatik kontrol vanalarının sıvı sistemlerinde de kullanıldığını belirtmek gerekir; örneğin düşük, orta ve yüksek sıcaklıkta sıcak su sistemleri ve termal yağ sistemleri. Sıvı sistemleri, kütle akışları açısından dengelenme ihtiyacını taşır. Birçok durumda, dağıtım ağlarının dengesini bozmadan iki portlu vanaların kullanılabileceği sistemler tasarlanır. Ancak, bir sıvı sisteminde iki portlu vanalar kullanılamadığında, yönlendirme veya karıştırma yaparak dağıtım sistemi genelinde dengeyi doğrudan koruyan üç portlu vanalar kurulur.

Üç portlu vanalar

Üç portlu vanalar, vananın içindeki tapa ve oturak düzenine bağlı olarak karıştırma veya yönlendirme hizmeti için kullanılabilir. Her işlevin basit bir tanımı Şekil 6.1.11’de gösterilmektedir.

Piston vanalar

Bu tip vanada, aktüatör tarafından yukarı ve aşağı hareket ettirilen ve A ve B portlarını örten ve karşılık olarak açan içi boş bir piston bulunur (Şekil 6.1.12). Port A ve port B aynı genel akışkan geçiş alanına sahiptir ve herhangi bir zamanda her ikisinin toplam kesit alanı her zaman eşittir. Örneğin, port A %30 açık ise, port B %70 açıktır ve bunun tersi de geçerlidir. Bu tip vana doğası gereği dengelidir ve kendi kendine çalışan bir kontrol sistemi tarafından çalıştırılır. Not: Port yapılandırması üreticiler arasında farklılık gösterebilir.

Globe tipi üç portlu vanalar (ayrıca ‘kaldır ve yatır’ olarak adlandırılır)

Burada aktüatör, bir disk veya vana tapası çiftini iki oturak arasında iter (Şekil 6.1.13), A ve B portlarından akan akışı karşılıklı olarak artırır veya azaltır.

Not: Doğrusal bir karakteristik, tapa eteğinin profilendirilmesiyle elde edilir (bkz. Şekil 6.1.14).

Döner ayakkabılı üç portlu vana

Bu tip vana, port yüzleri boyunca gidip gelen döner bir ayakkabı kullanır. Şekil 6.1.15’teki şematik düzen, yaklaşık %80’inin port A’dan ve %20’sinin port B’den aktığı, %100’ünün port AB’den çıktığı bir karıştırma uygulamasını göstermektedir.

Üç portlu vanaların kullanımı

Tüm türler hem karıştırma hem de yönlendirme hizmeti için kullanılamaz. Şekil 6.1.16, karıştırma vanası olarak üretilmiş ancak yönlendirme vanası olarak kullanılmış bir globe vananın yanlış uygulamasını göstermektedir.

Port AB’den vanaya giren akış, iki çıkış portundan A veya B’den birinden ayrılabilir veya her birinden bir oran ayrılabilir. Port A açık ve port B kapalıyken, sistemin diferansiyel basıncı tapanın bir tarafına uygulanacaktır.

Port A kapalıyken, port B açıktır ve diferansiyel basınç tapanın diğer tarafına uygulanacaktır. Bir ara tapa konumunda, diferansiyel basınç tersine döner. Bu basınç terslenmesi, tapanın konumundan çıkmasına neden olabilir ve tapa oturağına karşı ‘çarpırdarken’ kötü kontrol ve olası gürültü yaratabilir. Yönlendirme için tasarlanmış bir tapa vanasında bu sorunu çözmek için, Şekil 6.1.17’de gösterilen farklı bir oturak yapılandırması kullanılır. Burada diferansiyel basınç her zaman her iki vana tapasının aynı taraflarına eşit şekilde uygulanır.

Kapalı devrelerde, Şekil 6.1.18 ve 6.1.19’da gösterildiği gibi sistem tasarımına bağlı olarak karıştırma vanaları veya yönlendirme vanaları kullanmak mümkündür.

Şekil 6.1.18’de vana, iki giriş ve bir çıkışa sahip olduğu için karıştırma vanası olarak tasarlanmıştır. Ancak, yükten gelen dönüş boru tesisatına yerleştirildiğinde, aslında sıcak suyu ısı eşanjöründen uzaklaştırdığı için bir yönlendirme işlevi görür.

Şekil 6.1.18’de kullanılan karıştırma vanasını düşünün; ısı eşanjörü maksimum ısı talep ettiğinde, belki de başlangıçta, port A tamamen açık ve port B tamamen kapalı olacaktır. Kazandan gelen tüm su, ısı eşanjöründen geçer ve port AB ve A yoluyla vanadan geçer. Isı yükü karşılandığında, port A tamamen kapalı ve port B tamamen açık olacaktır ve kazandan gelen tüm su yükü bypass ederek port AB ve B yoluyla vanadan geçecektir. Bu anlamda, su ısı yükü gereksinimlerine bağlı olarak ısı eşanjöründen yönlendirilmektedir.

Aynı etki, Şekil 6.1.19’da gösterildiği gibi akış boru tesisatına bir yönlendirme vanası takılarak da elde edilebilir.