Điều khiển nhiệt độ tự hành
Hướng dẫn này cung cấp giới thiệu cơ bản về hệ thống điều khiển nhiệt độ tự hành là gì và cách chúng hoạt động. Các loại van và bộ điều khiển khác nhau được thảo luận ngắn gọn cùng với các ứng dụng điển hình cho hệ thống hơi và nước.
Điều khiển nhiệt độ tự hành là gì và chúng hoạt động như thế nào?
Điều khiển nhiệt độ tự hành là gì và chúng hoạt động như thế nào?
Có hai dạng chính của điều khiển nhiệt độ tự hành có sẵn trên thị trường: Hệ thống chứa lỏng và hệ thống căng hơi.
Điều khiển nhiệt độ tự hành là tự cấp nguồn, không cần điện hoặc khí nén.
Hệ thống điều khiển là một thiết bị nguyên khối bao gồm cảm biến, ống mao dẫn và bộ truyền động.
Sau đó được kết nối với van điều khiển phù hợp, như thể hiện trong hình 7.1.1.
Nguyên lý tự hành Nếu một chất lỏng nhạy cảm với nhiệt độ được làm nóng, nó sẽ giãn nở. Nếu nó được làm mát, nó sẽ co lại. Trong trường hợp điều khiển nhiệt độ tự hành, chất lỏng nhạy cảm với nhiệt độ trong cảm biến và ống mao dẫn sẽ giãn nở khi nhiệt độ tăng (xem hình 7.1.2). Lực được tạo ra bởi sự giãn nở này (hoặc co lại trong trường hợp ít nhiệt được áp dụng cho cảm biến) được truyền qua ống mao dẫn đến bộ truyền động, do đó mở hoặc đóng van điều khiển, và lần lượt kiểm soát dòng chất lỏng qua van điều khiển. Chất lỏng thủy lực vẫn ở dạng lỏng.
Có mối quan hệ tuyến tính giữa sự thay đổi nhiệt độ tại cảm biến và lượng chuyển động tại bộ truyền động. Do đó, cùng một lượng chuyển động có thể thu được cho mỗi đơn vị tăng hoặc giảm nhiệt độ bằng nhau. Điều này có nghĩa là hệ thống điều khiển nhiệt độ tự hành cung cấp ‘điều khiển tỷ lệ’; toàn bộ dải băng tỷ lệ hoạt động trên hoặc dưới điểm đặt tùy thuộc vào ứng dụng là sưởi hay làm mát. Ví dụ, nếu băng tỷ lệ của hệ thống điều khiển sưởi tự hành là 5°C, và điểm đặt là 70°C, thì van sẽ đóng hoàn toàn ở 70°C và mở hoàn toàn ở 65°C. Với điều khiển làm mát đặt ở 70°C, van sẽ mở hoàn toàn ở 70°C, và đóng hoàn toàn ở 65°C. Băng tỷ lệ thay đổi theo kích thước van, van lớn hơn có băng tỷ lệ lớn hơn. Nếu van quá lớn cho ứng dụng, vấn đề thực sự duy nhất là tính ổn định của hệ thống sẽ bị ảnh hưởng; nếu lỗ van lớn hơn mức cần thiết, một thay đổi nhỏ trong điều kiện được kiểm soát (có thể là nhiệt độ dòng thứ cấp của bộ trao đổi nhiệt sưởi) cho phép thay đổi quá lớn trong lưu lượng hơi. Kết quả là hệ thống có thể hoạt động theo kiểu bật-tắt, thay vì kiểu điều biến. Để hạ nhiệt độ đặt
Nút điều chỉnh được quay theo chiều kim đồng hồ để đẩy piston sâu hơn vào cảm biến. Điều này thực tế giảm lượng không gian cho chất lỏng, có nghĩa là van đóng ở nhiệt độ thấp hơn. Do đó nhiệt độ đặt sẽ thấp hơn. Trên hệ thống điều khiển có núm xoay, hiệu ứng tương tự sẽ đạt được (thường) bằng cách dùng tua vít vặn vít điều chỉnh theo chiều kim đồng hồ. Để nâng nhiệt độ đặt
Nút điều chỉnh được quay ngược chiều kim đồng hồ để giảm chiều dài piston được đưa vào cảm biến. Điều này tăng lượng không gian cho chất lỏng, có nghĩa là nhiệt độ cao hơn sẽ cần thiết để khiến chất lỏng giãn nở đủ để đóng van điều khiển. Do đó nhiệt độ đặt sẽ cao hơn. Cũng thường đối với núm xoay, tua vít được sử dụng để vặn vít điều chỉnh ngược chiều kim đồng hồ. Bảo vệ chống quá nhiệt Trong trường hợp nhiệt độ vượt quá trên nhiệt độ đặt (nguyên nhân có thể là van điều khiển bị rò rỉ, điều chỉnh sai, hoặc nguồn nhiệt bổ sung riêng biệt); một loạt đĩa lò xo được đặt bên trong piston sẽ hấp thụ sự giãn nở quá mức của chất lỏng. Điều này sẽ ngăn hệ thống điều khiển bị vỡ. Khi sự quá nhiệt đã chấm dứt, đĩa lò xo sẽ trở về vị trí ban đầu và hệ thống điều khiển sẽ hoạt động bình thường. Vượt quá thường là 30°C đến 50°C trên nhiệt độ đặt, tùy theo loại điều khiển.
Hệ thống điều khiển căng hơi có hệ thống cảm biến chứa đầy hỗn hợp chất lỏng và hơi. Sự tăng nhiệt độ cảm biến sẽ sôi bay hơi một tỷ lệ lớn hơn từ chất lỏng chứa trong nó, tăng áp suất hơi trong hệ thống cảm biến và ống mao dẫn. Sự gia tăng áp suất này được truyền qua ống mao dẫn đến cụm bầu co giãn hoặc màng ở đầu đối diện (xem hình 7.1.3).
Hệ thống căng hơi tuân theo đường cong bão hòa áp suất/nhiệt độ độc đáo cho chất lỏng được chứa bởi hệ thống. Tất cả các chất lỏng đều có mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ sôi của chúng. Kết quả có thể được vẽ bởi đường cong bão hòa. Đường cong bão hòa cho nước có thể được thấy trong hình 7.1.4.
Hình 7.1.4 minh họa cách một thay đổi nhiệt độ 5°C ở 150°C sẽ gây ra thay đổi 0,65 bar trong áp suất hệ thống. Ở dưới cùng của thang, thay đổi nhiệt độ 5°C chỉ dẫn đến thay đổi 0,18 bar trong áp suất hệ thống. Do đó, cho cùng một thay đổi nhiệt độ, van sẽ di chuyển lượng lớn hơn ở đầu trên của dải nhiệt độ so với đầu dưới.
Do đó, để di chuyển van từ mở hoàn toàn sang đóng hoàn toàn yêu cầu thay đổi nhiệt độ lớn hơn ở đầu dưới của dải so với đầu trên. Các nhà sản xuất hệ thống điều khiển căng hơi thường gợi ý rằng điều khiển chỉ nên được sử dụng ở đầu trên của phạm vi, nhưng điều này có nghĩa là để bao phủ một khoảng nhiệt độ hợp lý, các chất lỏng khác nhau được sử dụng (bao gồm nước, metanol và benzen).
Thay vào đó, hệ thống chứa lỏng sẽ cung cấp mối quan hệ tuyến tính thực sự giữa thay đổi nhiệt độ và chuyển động van, chủ yếu do chất lỏng không thể nén. Nhiệt độ đặt có thể được hiệu chuẩn bằng độ và không chỉ bằng một loạt số. Không có sự nhầm lẫn trong việc điều chỉnh nhiệt độ đặt; điều này giảm thời gian khởi chạy. Ngoài ra, việc điều chỉnh, được thực hiện bằng cách thay đổi lượng không gian có sẵn cho chất lỏng, có thể được thực hiện bất cứ đâu giữa van điều khiển và cảm biến. Điều này không đúng với hệ thống căng hơi, thường chỉ có thể điều chỉnh tại van điều khiển.
- Van điều khiển căng hơi đôi khi rò rỉ qua trục. Để tránh chi phí bổ sung cho cơ chế kín bầu thứ hai, hầu hết các nhà sản xuất điều khiển căng hơi sử dụng kín cơ học trên trục van. Những loại này có xu hướng hoặc quá lỏng, gây rò rỉ; hoặc quá chặt, gây ma sát trục quá nhiều và van bị kẹt.
- Trong hệ thống chứa lỏng, vì chuyển động van thực sự tỷ lệ với thay đổi nhiệt độ và kín van không ma sát, điều khiển nhiệt độ có tầm điều khiển rất cao và có thể kiểm soát ở tải rất nhẹ.
Van sử dụng với hệ thống điều khiển nhiệt độ tự hành có thể được chia thành ba nhóm:
- Van hai cổng thường mở.
- Van hai cổng thường đóng.
- Van ba cổng trộn hoặc chuyển hướng.
Van điều khiển hai cổng thường mở
Các van này dùng cho ứng dụng sưởi, là loại ứng dụng phổ biến nhất. Chúng được giữ ở vị trí mở bởi lò xo. Khi hệ thống hoạt động, bất kỳ sự tăng nhiệt độ nào, được phát hiện bởi cảm biến, sẽ khiến chất lỏng giãn nở và bắt đầu đóng van, hạn chế dòng chất lỏng sưởi.
Van điều khiển hai cổng thường đóng
Các van này dùng cho ứng dụng làm mát. Chúng được giữ ở vị trí đóng bởi lò xo. Khi hệ thống hoạt động, bất kỳ sự tăng nhiệt độ nào sẽ khiến chất lỏng giãn nở và bắt đầu mở van, cho phép chất lỏng làm mát chảy qua.
Lực cần thiết để đóng van điều khiển tự hành
Lực đóng cần thiết trên nút van là tích của diện tích lỗ van và chênh lệch áp suất như thể hiện trong phương trình 7.1.1. Lưu ý rằng đối với van hơi hai cổng, chênh lệch áp suất nên được lấy là áp suất hơi tuyệt đối thượng nguồn; trong khi đối với van nước hai cổng nó sẽ là áp suất kế bơm tối đa trừ đi tổn thất áp suất dọc theo đường ống giữa bơm và đầu vào van.
Ví dụ 7.1.1
Tính lực cần thiết để đóng van nếu lỗ van hơi có đường kính 20 mm và áp suất hơi là 9 bar g. (Chênh lệch áp suất tối đa là 9 + 1 = 10 bar tuyệt đối).
Điều này có nghĩa là bộ truyền động phải cung cấp ít nhất 314 newton để đóng van điều khiển đối lại áp suất hơi thượng nguồn 9 bar g.
Có thể thấy từ ví dụ 7.1.1 rằng lực cần thiết để đóng van tăng theo bình phương đường kính. Có lượng lực hạn chế từ bộ truyền động, đó là lý do tại sao áp suất tối đa mà van có thể đóng giảm khi kích thước van tăng.
Điều này sẽ thực tế giới hạn điều khiển nhiệt độ tự hành ở áp suất thấp đối với kích thước trên DN25, nếu không có cơ chế cân bằng. Cân bằng có thể đạt được bằng bầu co giãn hoặc bố trí đế đôi. Van cân bằng bầu co giãn
Trong van cân bằng bầu co giãn, một bầu co giãn cân bằng có cùng diện tích hiệu dụng với lỗ đế được sử dụng để đối lại các lực tác động lên nút van. Một lỗ nhỏ ở trung tâm trục van tạo thành ống cân bằng, cho phép áp suất từ phía trước nút van được dẫn vào vỏ bầu co giãn (xem hình 7.1.5). Tương tự, các lực trên nút van tạo áp suất bên trong bầu co giãn. Do đó, chênh lệch áp suất qua bầu co giãn giống như chênh lệch áp suất qua nút van, nhưng vì các lực hoạt động theo hướng ngược nhau, chúng triệt tiêu lẫn nhau.
Bầu co giãn cân bằng thường có thể được chế tạo từ:
- Đồng phosphor.
- Thép không gỉ, cho phép áp suất và nhiệt độ cao hơn.
Van điều khiển đế đôi
Van điều khiển đế đôi hữu ích khi cần lưu lượng công suất cao và kín chặt không cần thiết. Chúng có thể đóng đối lại chênh lệch áp suất cao hơn van đế đơn cùng kích thước. Điều này là do van điều khiển bao gồm hai nút van trên trục chung với hai đế tương ứng, như thể hiện trong hình 7.1.6. Các lực tác động lên hai nút van gần như cân bằng. Mặc dù chênh lệch áp suất cố gắng giữ một nút van khỏi đế của nó, nó đang đẩy nút van kia vào đế.
Tuy nhiên, các dung sai cần thiết để chế tạo các bộ phận của van điều khiển làm cho việc đạt được kín chặt trở nên khó khăn. Điều này không được cải thiện bởi nút và đế van dưới nhỏ hơn phần trên, cho phép tháo lắp toàn bộ cụm để bảo dưỡng.
Ngoài ra, mặc dù thân và van trượt là cùng vật liệu, các biến đổi nhỏ trong hóa học của các bộ phận riêng lẻ có thể dẫn đến sự thay đổi tinh tế trong hệ số giãn nở, ảnh hưởng bất lợi đến độ kín. Van điều khiển đế đôi không nên được sử dụng như thiết bị an toàn với bảo vệ giới hạn trên.
Van điều khiển với lỗ xả cố định bên trong
Van thường đóng thường sẽ yêu cầu lỗ xả cố định (hình 7.1.7) để cho phép một lượng nhỏ dòng chảy qua van điều khiển khi nó đóng hoàn toàn. Van điều khiển tự hành thường đóng đôi khi được gọi là loại tác động ngược (RA).
Một ứng dụng điển hình cho loại van này là kiểm soát dòng nước làm mát cho động cơ công nghiệp như máy nén khí (hình 7.1.8). Van điều khiển, kiểm soát dòng nước làm mát qua động cơ, nằm phía trước động cơ và cảm biến nhiệt độ ghi nhận nhiệt độ khi nó rời khỏi động cơ.
Nếu nước làm mát rời động cơ nóng hơn điểm đặt, van điều khiển mở để cho phép nhiều nước làm mát hơn qua van. Tuy nhiên, khi nước rời động cơ đạt nhiệt độ đặt yêu cầu, van sẽ đóng lại. Nếu không có lỗ xả, nước làm mát sẽ không còn chảy và sẽ tiếp tục hấp thụ nhiệt từ động cơ. Vì cảm biến hạ nguồn không phát hiện sự tăng nhiệt độ nào, động cơ có thể bị quá nhiệt.
Nếu van điều khiển có lỗ xả đường kính cố định, đủ nước làm mát có thể chảy qua van để cho phép cảm biến hạ nguồn ghi nhận nhiệt độ đại diện khi van đóng. Tính năng này cần thiết khi cảm biến cách xa nguồn nhiệt ứng dụng.
Van thường đóng cũng có thể có thiết bị dễ cháy tùy chọn (xem hình 7.1.7). Thiết bị nóng chảy trong trường hợp quá nhiệt, loại bỏ sức căng lò xo trên nút van và mở van để cho phép nước làm mát đi vào hệ thống. Thông thường với loại thiết bị an toàn này, khi thiết bị dễ cháy đã nóng chảy, nó không thể sửa chữa và phải được thay thế.
Van điều khiển ba cổng
****Hầu hết các van điều khiển sử dụng với hệ thống điều khiển tự hành là loại hai cổng. Tuy nhiên, hình 7.1.9 minh họa van điều khiển ba cổng kiểu piston tự hành. Ưu điểm của loại thiết kế van này cho phép sử dụng cùng một van cho ứng dụng trộn hoặc chuyển hướng nước; điều này thường không đúng với van yêu cầu bộ truyền động điện hoặc khí nén.
Các ứng dụng phổ biến nhất là cho sưởi nước, nhưng van điều khiển ba cổng cũng có thể được sử dụng trên ứng dụng làm mát như máy làm lạnh không khí, và trên mạch bơm trong các ứng dụng sưởi, thông gió và điều hòa không khí. Khi van điều khiển ba cổng được sử dụng như van trộn (xem hình 7.1.10), cổng thể tích không đổi ‘O’ được sử dụng như đầu ra chung.
Khi van điều khiển ba cổng được sử dụng như van chuyển hướng (xem hình 7.1.11), cổng thể tích không đổi được sử dụng như đầu vào chung.
Van điều khiển ba cổng tự chứa
Một loại van điều khiển ba cổng tự hành khác chứa thiết bị cảm biến nhiệt độ tích hợp và do đó không cần bộ điều khiển nhiệt độ bên ngoài để vận hành.
Nó có thể được sử dụng để bảo vệ lò hơi nước nóng nhiệt độ thấp (LTHW) khỏi ăn mòn ống lửa trong chuỗi khởi động khi nhiệt độ nước hồi thứ cấp thấp (xem hình 7.1.12). Khi khởi động, van cho phép nước thứ cấp lạnh đi vòng qua hệ thống bên ngoài và chảy qua mạch lò hơi. Điều này cho phép nước trong lò hơi nóng lên nhanh chóng, giảm thiểu ngưng tụ hơi nước trong khí thải. Khi nước lò hơi nóng lên, nó từ từ trộn với nước từ hệ thống chính, do đó duy trì bảo vệ trong khi toàn bộ hệ thống được đưa từ từ lên nhiệt độ.
Loại van điều khiển này cũng có thể được sử dụng trên hệ thống làm mát như những hệ thống trên máy nén khí (hình 7.1.13).
