Đặc tính van điều khiển

Nhiều loại đặc tính dòng chảy có sẵn. Hướng dẫn này thảo luận ba loại chính được sử dụng trong ứng dụng dòng chảy nước và hơi: mở nhanh, tuyến tính và phần trăm bằng nhau; cách chúng so sánh, và cách (và tại sao) chúng nên phù hợp với ứng dụng mà chúng được sử dụng.

Đặc tính dòng chảy Tất cả van điều khiển đều có đặc tính dòng chảy vốn có xác định mối quan hệ giữa ‘độ mở van’ và lưu lượng dưới điều kiện áp suất không đổi. Xin lưu ý rằng ‘độ mở van’ trong bối cảnh này đề cập đến vị trí tương đối của nút van so với vị trí đóng của nó trên đế van. Nó không đề cập đến diện tích tiết diện lỗ. Diện tích tiết diện lỗ đôi khi được gọi là ‘cổ van’ và là điểm hẹp nhất giữa nút van và đế mà chất lỏng đi qua tại bất kỳ thời điểm nào. Đối với bất kỳ van nào, dù được đặc tính hóa như thế nào, mối quan hệ giữa lưu lượng và diện tích tiết diện lỗ luôn tỷ lệ thuận.

Van của bất kỳ kích thước hoặc đặc tính dòng chảy vốn có nào chịu cùng lưu lượng thể tích và chênh lệch áp suất sẽ có diện tích tiết diện lỗ hoàn toàn giống nhau. Tuy nhiên, các đặc tính van khác nhau sẽ cho ‘độ mở van’ khác nhau cho cùng diện tích tiết diện. So sánh van tuyến tính và phần trăm bằng nhau, van tuyến tính có thể có độ mở van 25% cho một sụt áp và lưu lượng nhất định, trong khi van phần trăm bằng nhau có thể có độ mở van 65% cho chính xác điều kiện tương tự. Diện tích tiết diện lỗ sẽ giống nhau.

Hình dạng vật lý của bố trí nút van và đế, đôi khi được gọi là ‘cốt van’, gây ra sự khác biệt về độ mở van giữa các van này. Hình dạng cốt van điển hình cho van cầu vận hành trục được so sánh trong hình 6.5.1. Trong Mô-đun này, thuật ngữ ‘hành trình van’ được sử dụng để xác định độ mở van, dù van là van cầu (chuyển động lên xuống của nút van tương đối với đế) hay van quay (chuyển động ngang của nút van tương đối với đế).

Van quay (ví dụ, bóng và bướm) mỗi loại có đường cong đặc tính cơ bản, nhưng thay đổi chi tiết của nút van bóng hoặc bướm có thể sửa đổi điều này. Đặc tính dòng chảy vốn có của van cầu và van quay điển hình được so sánh trong hình 6.5.2.

Ví dụ về những đặc tính này và đặc tính vốn có của chúng được thể hiện trong hình 6.5.1 và 6.5.2.

Đặc tính mở nhanh Nút van đặc tính mở nhanh sẽ cho thay đổi lớn trong lưu lượng cho hành trình van nhỏ từ vị trí đóng. Ví dụ, hành trình van 50% có thể dẫn đến diện tích tiết diện lỗ và lưu lượng lên đến 90% tiềm năng tối đa.

Van sử dụng loại nút van này đôi khi được gọi là có đặc tính ‘bật/tắt’.

Không giống đặc tính tuyến tính và phần trăm bằng nhau, hình dạng chính xác của đường cong mở nhanh không được xác định trong tiêu chuẩn. Do đó, hai van, một cho dòng chảy 80% cho hành trình 50%, kia 90% dòng chảy cho hành trình 60%, đều có thể được coi là có đặc tính mở nhanh.

Van mở nhanh có xu hướng được vận hành bằng điện hoặc khí nén và được sử dụng cho điều khiển ‘bật/tắt’.

Van điều khiển loại tự hành có xu hướng có hình dạng nút van tương tự như nút van mở nhanh trong hình 6.5.1. Vị trí nút van phản ứng với thay đổi áp suất chất lỏng hoặc hơi trong hệ thống điều khiển. Chuyển động của loại nút van này có thể cực kỳ nhỏ so với thay đổi nhỏ trong điều kiện được kiểm soát, và do đó van có tầm điều khiển vốn có cao. Nút van do đó có khả năng tái tạo thay đổi nhỏ trong lưu lượng, và không nên được coi là van điều khiển mở nhanh.

Đặc tính tuyến tính Nút van đặc tính tuyến tính được tạo hình sao cho lưu lượng tỷ lệ thuận với hành trình van (H), ở chênh lệch áp suất không đổi. Van tuyến tính đạt được điều này bằng mối quan hệ tuyến tính giữa hành trình van và diện tích tiết diện lỗ (xem hình 6.5.3). Ví dụ, ở hành trình van 40%, kích thước lỗ 40% cho phép 40% lưu lượng đầy đủ đi qua.

Đặc tính phần trăm bằng nhau (hoặc đặc tính logarit) Các van này có nút van được tạo hình sao cho mỗi bước tăng hành trình van tăng lưu lượng theo một tỷ lệ phần trăm nhất định của lưu lượng trước đó. Mối quan hệ giữa hành trình van và kích thước lỗ (và do đó lưu lượng) không phải tuyến tính mà là logarit, và được thể hiện theo toán học trong phương trình 6.5.1: Ví dụ 6.5.1 Lưu lượng tối đa qua van điều khiển có đặc tính phần trăm bằng nhau là 10 m³/h. Nếu van có tầm điều khiển 50:1, và chịu chênh lệch áp suất không đổi, bằng cách sử dụng phương trình 6.5.1, lượng nào sẽ đi qua van với hành trình 40%, 50%, và 60% tương ứng? Sự gia tăng lưu lượng thể tích qua loại van điều khiển này tăng theo tỷ lệ phần trăm bằng nhau trên mỗi bước tăng bằng nhau của chuyển động van:

• Khi van mở 50%, nó sẽ dẫn 1,414 m³/h, tăng 48% so với dòng 0,956 m³/h khi van mở 40%.
• Khi van mở 60%, nó sẽ dẫn 2,091 m³/h, tăng 48% so với dòng 1,414 m³/h khi van mở 50%. Có thể thấy rằng (với chênh lệch áp suất không đổi) cho bất kỳ tăng 10% hành trình van nào, có tăng 48% lưu lượng qua van điều khiển. Điều này sẽ luôn đúng với van phần trăm bằng nhau có tầm điều khiển 50. Nếu quan tâm, nếu van có tầm điều khiển 100, tăng dần lưu lượng cho thay đổi 10% hành trình van là 58%.

Bảng 6.5.1 cho thấy cách thay đổi lưu lượng thay đổi qua phạm vi hành trình van cho van phần trăm bằng nhau trong ví dụ 6.5.1 với tầm điều khiển 50 và chênh lệch áp suất không đổi. Một số đặc tính van vốn có khác đôi khi được sử dụng, như parabol, tuyến tính chỉnh sửa hoặc hyperbol, nhưng các loại phổ biến nhất trong sản xuất là mở nhanh, tuyến tính và phần trăm bằng nhau. Phù hợp đặc tính van với đặc tính lắp đặt Mỗi ứng dụng sẽ có đặc tính lắp đặt riêng biệt liên kết dòng chảy chất lỏng với nhu cầu nhiệt. Chênh lệch áp suất qua van điều khiển dòng chất lỏng sưởi cũng có thể thay đổi:

• Trong hệ thống nước, đường cong đặc tính bơm có nghĩa là khi lưu lượng giảm, áp suất van thượng nguồn tăng (tham khảo ví dụ 6.5.2, và Mô-đun 6.3).
• Trong hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi, sụt áp qua van điều khiển được thay đổi có chủ đích để đáp ứng tải nhiệt yêu cầu. Đặc tính van điều khiển được chọn cho ứng dụng nên tạo ra mối quan hệ trực tiếp giữa độ mở van và lưu lượng, trên尽可能 nhiều hành trình van.

Phần này sẽ xem xét các tùy chọn khác nhau của đặc tính van cho kiểm soát hệ thống nước và hơi. Nói chung, van tuyến tính được sử dụng cho hệ thống nước trong khi hệ thống hơi có xu hướng hoạt động tốt hơn với van phần trăm bằng nhau. 1. Hệ thống sưởi tuần hoàn nước với van ba cổng Trong hệ thống nước mà lưu lượng nước không đổi được trộn hoặc chuyển hướng bởi van ba cổng vào mạch cân bằng, tổn thất áp suất qua van được giữ ổn định尽可能 để duy trì cân bằng trong hệ thống**.

Kết luận**- Lựa chọn tốt nhất trong các ứng dụng này thường là van có đặc tính tuyến tính. Do đó, đặc tính lắp đặt và vốn có luôn giống nhau và tuyến tính, và sẽ có độ lợi hạn chế trong mạch điều khiển.2. Hệ thống điều khiển mức nước lò hơi - hệ thống nước với van hai cổng Trong hệ thống loại này (một ví dụ được thể hiện trong hình 6.5.6), trong đó van điều khiển nước cấp hai cổng thay đổi lưu lượng nước, sụt áp qua van điều khiển sẽ thay đổi theo lưu lượng. Sự thay đổi này do:

• Đặc tính bơm. Khi lưu lượng giảm, chênh lệch áp suất giữa bơm và lò hơi tăng (hiện tượng này được thảo luận chi tiết hơn trong Mô-đun 6.3).
• Sức cản ma sát của đường ống thay đổi theo lưu lượng. Cột áp suất mất do ma sát tỷ lệ với bình phương vận tốc. (Hiện tượng này được thảo luận chi tiết hơn trong Mô-đun 6.3).
• Áp suất trong lò hơi sẽ thay đổi theo hàm của tải hơi, loại hệ thống kiểm soát đốt và chế độ điều khiển. Ví dụ 6.5.2 Chọn và tính cỡ van nước cấp trong hình 6.5.6 Trong ví dụ đơn giản hóa (giả sử áp suất lò hơi không đổi và tổn thất ma sát không đổi trong đường ống), lò hơi được đánh giá sản xuất 10 tấn hơi mỗi giờ. Đặc tính hiệu suất bơm cấp nước được lập bảng trong bảng 6.5.2, cùng với chênh lệch áp suất (ΔP) qua van nước cấp ở các lưu lượng khác nhau tại, và dưới, yêu cầu lưu lượng tối đa 10 m³/h nước cấp.

Lưu ý: ΔP van là sự khác biệt giữa áp suất xả bơm và áp suất lò hơi không đổi 10 bar g. Lưu ý rằng áp suất xả bơm sẽ giảm khi lưu lượng nước cấp tăng. Điều này có nghĩa là áp suất nước trước van nước cấp cũng giảm theo lưu lượng tăng, sẽ ảnh hưởng đến mối quan hệ giữa sụt áp và lưu lượng qua van.

Có thể xác định từ bảng 6.5.2 rằng sự giảm áp suất xả bơm là khoảng 26% từ không tải đến tải đầy đủ, nhưng sự giảm chênh lệch áp suất qua van nước cấp lớn hơn nhiều ở 72%. Nếu chênh lệch áp suất giảm qua van không được tính đến khi tính cỡ van, van có thể bị thiếu kích thước. Như đã thảo luận trong Mô-đun 6.2 và 6.3, công suất van thường được đo theo Kv. Cụ thể hơn, Kvs liên quan đến diện tích tiết diện của van khi mở hoàn toàn, trong khi Kvr liên quan đến diện tích tiết diện của van như yêu cầu bởi ứng dụng. Xem xét nếu diện tích tiết diện của van mở hoàn toàn với Kvs bằng 10 là 100%. Nếu van đóng sao cho diện tích tiết diện là 60% diện tích tiết diện mở hoàn toàn, Kvr cũng là 60% của 10 = 6. Điều này áp dụng bất kể đặc tính van vốn có. Lưu lượng qua van ở mỗi độ mở sẽ phụ thuộc vào chênh lệch áp suất tại thời điểm đó. Sử dụng dữ liệu trong bảng 6.5.2, công suất van yêu cầu, Kvr, có thể được tính cho mỗi lưu lượng gia tăng và chênh lệch áp suất van, bằng cách sử dụng phương trình 6.5.2, được suy ra từ phương trình 6.3.2. Kvr có thể được coi là công suất van thực tế được yêu cầu bởi lắp đặt, và nếu vẽ đồ thị so với lưu lượng yêu cầu, đồ thị kết quả có thể được gọi là ‘đường cong lắp đặt’. Ở điều kiện tải đầy đủ, từ bảng 6.5.2:

Lưu lượng yêu cầu qua van = 10 m³/ h

ΔP qua van = 1,54 bar

Từ phương trình 6.5.2:

---

Lấy lưu lượng van và ΔP van từ bảng 6.5.2, Kvr cho mỗi giai đoạn có thể được xác định từ phương trình 6.5.2; và chúng được lập bảng trong bảng 6.5.3. Xây dựng đường cong lắp đặt Kvr bằng 8,06 thỏa mãn điều kiện lưu lượng tối đa 10 m3/h cho ví dụ này.

Đường cong lắp đặt có thể được xây dựng bằng cách so sánh lưu lượng với Kvr, nhưng thường thuận tiện hơn khi xem đường cong lắp đặt theo tỷ lệ phần trăm. Điều này đơn giản có nghĩa là tỷ lệ phần trăm của Kvr so với Kvs, hoặc nói cách khác, tỷ lệ phần trăm diện tích tiết diện thực tế so với diện tích tiết diện mở hoàn toàn.

Cho ví dụ này: Đường cong lắp đặt được xây dựng, bằng cách lấy tỷ lệ Kvr ở bất kỳ tải nào so với Kvs của 8,06. Van có Kvs bằng 8,06 sẽ được ‘tính cỡ hoàn hảo’, và sẽ mô tả đường cong lắp đặt, như lập bảng trong bảng 6.5.4, và vẽ trong hình 6.5.7. Đường cong lắp đặt này có thể được coi là công suất van của van tính cỡ hoàn hảo cho ví dụ này.**** Có thể thấy, vì van được ‘tính cỡ hoàn hảo’ cho lắp đặt này, lưu lượng tối đa được đáp ứng khi van mở hoàn toàn.

Tuy nhiên, không thể và không mong muốn chọn van tính cỡ hoàn hảo. Trong thực tế, van được chọn thường sẽ ít nhất một kích thước lớn hơn, và do đó có Kvs lớn hơn Kvr lắp đặt.

Vì van có Kvs bằng 8,06 không có sẵn trên thị trường, van tiêu chuẩn lớn hơn tiếp theo sẽ có Kvs bằng 10 với kết nối DN25 danh nghĩa.

Thú vị khi so sánh van tuyến tính và phần trăm bằng nhau có Kvs bằng 10 với đường cong lắp đặt cho ví dụ này.

Xem xét van có đặc tính vốn có tuyến tính Van có đặc tính tuyến tính có nghĩa là mối quan hệ giữa hành trình van và diện tích tiết diện lỗ là tuyến tính. Do đó, cả diện tích tiết diện và hành trình van ở bất kỳ điều kiện dòng chảy nào chỉ đơn giản là Kvr được biểu thị dưới dạng tỷ lệ của Kvs van. Ví dụ:**** Có thể thấy từ bảng 6.5.4, ở lưu lượng tối đa 10 m³/h, Kvr là 8,06. Nếu van tuyến tính có Kvs bằng 10, để van thỏa mãn lưu lượng tối đa yêu cầu, van sẽ nâng: Sử dụng quy trình tương tự, kích thước lỗ và hành trình van yêu cầu ở các lưu lượng khác nhau có thể được xác định cho van tuyến tính, như thể hiện trong bảng 6.5.5. Van phần trăm bằng nhau sẽ yêu cầu chính xác cùng diện tích tiết diện để thỏa mãn cùng lưu lượng tối đa, nhưng hành trình của nó sẽ khác so với van tuyến tính.

Xem xét van có đặc tính vốn có phần trăm bằng nhau

Cho tầm điều khiển van 50:1, τ = 50, hành trình (H) có thể được xác định bằng phương trình 6.5.1: Phần trăm hành trình van được ký hiệu bởi phương trình 6.5.3. Vì lưu lượng thể tích qua bất kỳ van nào tỷ lệ với diện tích tiết diện lỗ, phương trình 6.5.3 có thể được sửa đổi để cho hành trình van phần trăm bằng nhau theo diện tích tiết diện và do đó Kv.

Điều này được thể hiện bởi phương trình 6.5.4. Như đã tính, Kvr ở lưu lượng tối đa 10 m³/h là 8,06, và Kvs của van DN25 là 10. Bằng cách sử dụng phương trình 6.5.4, hành trình van yêu cầu ở tải đầy đủ là:do đó:

Bảng**** 6.5.10 So sánh hành trình van (Kvs 160) Kvr và đường cong lắp đặt

*Đường cong lắp đặt là tỷ lệ phần trăm của Kvr ở bất kỳ tải nào so với Kvr ở tải tối đa

Có thể thấy từ hình 6.5.11 rằng cả hai đường cong van đã di chuyển sang trái khi so sánh với van nhỏ hơn (tính cỡ đúng) trong hình 6.5.10, trong khi đường cong lắp đặt vẫn cố định.

Sự thay đổi cho van tuyến tính khá đáng kể; có thể thấy, ở tải 30%, van chỉ mở 10%. Ngay cả ở tải 85%, van chỉ mở 30%. Cũng có thể quan sát thấy sự thay đổi lưu lượng lớn cho thay đổi hành trình tương đối nhỏ. Điều này thực tế có nghĩa là van hoạt động như van hành động nhanh cho đến 90% phạm vi. Đây không phải là loại đặc tính vốn có tốt nhất cho loại lắp đặt hơi này, vì thường tốt hơn nếu thay đổi lưu lượng hơi xảy ra chậm rãi.

Mặc dù đường cong van phần trăm bằng nhau đã di chuyển vị trí, nó vẫn nằm bên phải đường cong lắp đặt và có khả năng cung cấp kiểm soát tốt. Phần dưới của đường cong tương đối nông, cung cấp mở chậm hơn trong hành trình ban đầu, và tốt hơn cho kiểm soát lưu lượng hơi so với van tuyến tính trong trường hợp này.

Các tình huống có thể dẫn đến quá khổ bao gồm:

• Dữ liệu ứng dụng là gần đúng, do đó hệ số ‘an toàn’ bổ sung được bao gồm.
• Quy trình tính cỡ bao gồm ‘hệ số’ vận hành như cho phép quá nhiệt tình cho đóng cặn.
• Kvr tính chỉ cao hơn một chút so với Kvs của van tiêu chuẩn, và kích thước lớn hơn tiếp theo phải được chọn. Cũng có những tình huống mà:
• Sụt áp có sẵn qua van điều khiển ở tải đầy đủ thấp. Ví dụ, nếu áp suất cung cấp hơi là 4,5 bar a và áp suất hơi yêu cầu trong bộ trao đổi nhiệt ở tải đầy đủ là 4 bar a, điều này chỉ cho sụt áp 11% ở tải đầy đủ.
• Tải tối thiểu thấp hơn nhiều so với tải tối đa Đặc tính van tuyến tính sẽ có nghĩa là nút van hoạt động gần đế, với khả năng hư hỏng.

Trong những tình huống phổ biến này, đặc tính van phần trăm bằng nhau sẽ cung cấp giải pháp linh hoạt và thực tế hơn nhiều.

Đây là lý do tại sao hầu hết các nhà sản xuất van điều khiển sẽ đề xuất đặc tính phần trăm bằng nhau cho van điều khiển hai cổng, đặc biệt khi sử dụng trên chất lỏng nén được như hơi.

Xin lưu ý: Nếu có cơ hội, tốt hơn nên tính cỡ van hơi với sụt áp cao尽可能 ở tải tối đa; ngay cả với sụt áp tới hạn xảy ra qua van điều khiển nếu điều kiện cho phép. Điều này giúp giảm kích thước và chi phí van điều khiển, tạo đường cong lắp đặt tuyến tính hơn, và cung cấp cơ hội chọn van tuyến tính.

Tuy nhiên, điều kiện có thể không cho phép điều này. Van chỉ có thể được tính cỡ dựa trên điều kiện ứng dụng. Ví dụ, nếu áp suất làm việc bộ trao đổi nhiệt là 4,5 bar a và áp suất hơi tối đa có sẵn chỉ là 5 bar a, van chỉ có thể được tính cỡ trên sụt áp 10% ([5 – 4,5]/5). Trong tình huống này, tính cỡ van trên sụt áp tới hạn sẽ giảm kích thước van điều khiển quá mức và làm thiếu hơi cho bộ trao đổi nhiệt.

Nếu không thể tăng áp suất cung cấp hơi, một giải pháp là lắp bộ trao đổi nhiệt lớn hơn hoạt động ở áp suất thấp hơn. Bằng cách này, sụt áp sẽ tăng qua van điều khiển.

Điều này có thể dẫn đến van nhỏ hơn nhưng cũng bộ trao đổi nhiệt lớn hơn, vì nhiệt độ vận hành bộ trao đổi nhiệt bây giờ thấp hơn.

Một loạt ưu điểm khác tích lũy từ bộ trao đổi nhiệt lớn hơn hoạt động ở áp suất hơi thấp hơn:

• Ít xu hướng đóng cặn và bám bẩn trên bề mặt gia nhiệt hơn.
• Ít hơi flash được tạo ra trong hệ thống ngưng tụ hơn.
• Ít phản áp trong hệ thống ngưng tụ hơn. Phải cân bằng giữa chi phí van và bộ trao đổi nhiệt, khả năng van kiểm soát đúng, và ảnh hưởng lên phần còn lại của hệ thống như đã thấy ở trên. Trên hệ thống hơi, van phần trăm bằng nhau thường sẽ là lựa chọn tốt hơn so với van tuyến tính, vì nếu sụt áp thấp xảy ra, chúng sẽ ít ảnh hưởng đến hiệu suất trên toàn bộ phạm vi di chuyển van.