Tính cỡ van điều khiển cho hệ thống nước

Hướng dẫn này mô tả ngắn gọn cách sử dụng hệ số lưu lượng để tính cỡ van cho hệ thống nước, sự khác biệt giữa sử dụng van hai cổng và ba cổng và ảnh hưởng của các van này lên sụt áp, lưu lượng và đặc tính hệ thống nước. Cũng giải thích tầm quan trọng của quyền hạn van, và nguyên nhân và hiệu ứng của hiện tượng xâm thực và bay hơi trong một số điều kiện nhất định.

Van điều khiển có thể được tính cỡ để hoạt động ở chênh lệch áp suất nhất định bằng cách sử dụng đồ thị liên kết lưu lượng, sụt áp và hệ số lưu lượng van.

Thay vào đó, hệ số lưu lượng có thể được tính bằng công thức. Khi xác định, hệ số lưu lượng được sử dụng để chọn van kích thước đúng từ dữ liệu kỹ thuật của nhà sản xuất.

Trước đây, công thức cho hệ số lưu lượng được suy ra sử dụng đơn vị Imperial, cung cấp đo lường theo gallon/phút với chênh lệch áp suất một pound mỗi inch vuông. Có hai phiên bản hệ số Imperial, phiên bản Anh và phiên bản Mỹ, và cần chú ý khi sử dụng vì mỗi loại khác nhau, mặc dù ký hiệu được chấp nhận cho cả hai phiên bản là ‘Cv’. Phiên bản Anh sử dụng gallon Imperial, trong khi phiên bản Mỹ sử dụng gallon Mỹ, bằng 0,833 thể tích gallon Imperial. Ký hiệu được chấp nhận cho cả hai phiên bản là Cv. Phiên bản mét của hệ số lưu lượng ban đầu được suy ra theo mét khối mỗi giờ (m³/h) lưu lượng cho chênh lệch áp suất đo bằng kilogram lực mỗi mét vuông (kgf/m²). Định nghĩa này được suy ra trước khi tiêu chuẩn châu Âu thống nhất tồn tại định nghĩa Kv theo đơn vị SI (bar). Tuy nhiên, tiêu chuẩn SI đã tồn tại từ năm 1987 dưới dạng IEC 534 -1 (nay là EN 60534 -1). Định nghĩa tiêu chuẩn hiện nay liên kết lưu lượng theo m³/h cho chênh lệch áp suất 1 bar. Cả hai phiên bản mét vẫn được sử dụng với ký hiệu Kv, và mặc dù sự khác biệt giữa chúng khá nhỏ, điều quan trọng là chắc chắn hoặc làm rõ loại nào đang được sử dụng. Một số nhà sản xuất nhầm lẫn trích dẫn giá trị chuyển đổi Kv mà không xác định đơn vị chênh lệch áp suất.

Bảng 6.3.1 chuyển đổi các loại hệ số lưu lượng khác nhau được đề cập ở trên: Ví dụ, nhân Kv (bar) với 1,16 để chuyển đổi sang Cv (US).

Phiên bản Kv được trích dẫn trong các Mô-đun này luôn đo theo Kv (bar), tức là đơn vị m³/h bar,除非 có quy định khác.

Đối với dòng chảy chất lỏng nói chung, công thức cho Kv được thể hiện trong phương trình 6.3.1. Đôi khi, lưu lượng thể tích cần được xác định, sử dụng hệ số lưu lượng van và chênh lệch áp suất. Đối với nước, G = 1, do đó phương trình cho nước có thể được đơn giản hóa như thể hiện trong phương trình 6.3.2. Ví dụ 6.3.1 10 m³/h nước được bơm quanh mạch; xác định sụt áp qua van có Kv bằng 16 bằng cách sử dụng phương trình 6.3.2: Thay vào đó, cho ví dụ này biểu đồ thể hiện trong hình 6.3.1 có thể được sử dụng. (Lưu ý: biểu đồ Kv nước toàn diện hơn được thể hiện trong hình 6.3.2):

1. Nhập biểu đồ bên trái ở 10 m³/h.
2. Vẽ đường ngang sang phải cho đến khi nó cắt Kv = 16 (ước tính).
3. Vẽ đường đứng xuống và đọc sụt áp từ trục ‘X’ (khoảng 40 kPa hoặc 0,4 bar). Lưu ý: Trước khi tính cỡ van cho hệ thống chất lỏng, cần nhận thức được đặc tính của hệ thống và thiết bị cấu thành như bơm.

Bơm ****Không giống hệ thống hơi, hệ thống chất lỏng yêu cầu bơm để tuần hoàn chất lỏng. Bơm ly tâm thường được sử dụng, có đường cong đặc tính tương tự như thể hiện trong hình 6.3.3. Lưu ý rằng khi lưu lượng tăng, áp suất xả bơm giảm. Đặc tính hệ thống tuần hoàn Điều quan trọng là không chỉ xem xét kích thước van điều khiển nước, mà còn hệ thống mà nước tuần hoàn; điều này có thể ảnh hưởng đến loại và kích thước van được sử dụng, và nơi nó nên được đặt trong mạch.

Khi nước được tuần hoàn qua hệ thống, nó sẽ chịu tổn thất ma sát. Những tổn thất ma sát này có thể được biểu thị dưới dạng tổn thất áp suất, và sẽ tăng theo tỷ lệ với bình phương vận tốc. Lưu lượng có thể được tính qua đường ống đường kính không đổi ở bất kỳ tổn thất áp suất nào khác bằng cách sử dụng phương trình 6.3.3, trong đó v̇1 và v̇2 phải cùng đơn vị, và P1 và P2 phải cùng đơn vị. được định nghĩa dưới đây. Ví dụ 6.3.2

Quan sát thấy lưu lượng v̇1 qua đường ống kích thước nhất định là 2500 m³/h khi tổn thất áp suất (P1) là 4 bar. Xác định tổn thất áp suất qua đường ống cùng kích thước (P2) nếu lưu lượng v̇2 là 3 500 m³/h, sử dụng phương trình 6.3.3. Có thể thấy rằng khi nhiều chất lỏng hơn được bơm qua đường ống cùng kích thước, lưu lượng sẽ tăng. Trên cơ sở này, đường cong đặc tính hệ thống, như thể hiện trong hình 6.3.4, có thể được tạo ra sử dụng phương trình 6.3.3, trong đó lưu lượng tăng theo luật bình phương. Hiệu suất thực tế Có thể quan sát từ đặc tính bơm và hệ thống, khi lưu lượng và ma sát tăng, bơm cung cấp ít áp suất hơn. Tình huống cuối cùng đạt đến nơi áp suất bơm bằng ma sát quanh mạch, và lưu lượng không thể tăng thêm.

Nếu đường cong bơm và đường cong đặc tính hệ thống được vẽ trên cùng biểu đồ - hình 6.3.5, điểm mà đường cong bơm và đường cong đặc tính hệ thống giao nhau sẽ là hiệu suất thực tế của kết hợp bơm/mạch. Van ba cổng Van ba cổng có thể được coi là van lưu lượng không đổi, vì, dù được sử dụng để trộn hay chuyển hướng, tổng lưu lượng qua van vẫn không đổi. Trong các ứng dụng sử dụng van này, mạch nước sẽ tự nhiên tách thành hai vòng lặp riêng biệt, lưu lượng không đổi và lưu lượng thay đổi.

Hệ thống đơn giản thể hiện trong hình 6.3.6 mô tả van trộn duy trì lưu lượng nước không đổi qua mạch ‘tải’. Trong hệ thống sưởi, mạch tải đề cập đến mạch chứa thiết bị tản nhiệt, như bộ tản nhiệt trong tòa nhà. Lượng nhiệt phát ra từ bộ tản nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ nước chảy qua mạch tải, lần lượt, phụ thuộc vào lượng nước đi vào van trộn từ lò hơi, và bao nhiêu được trả lại van trộn qua đường cân bằng.

Cần lắp van cân bằng trong đường cân bằng. Van cân bằng được thiết lập để duy trì cùng sức cản dòng chảy trong phần lưu lượng thay đổi của mạng đường ống, như minh họa trong hình 6.3.6 và 6.3.7. Điều này giúp duy trì điều chỉnh mượt mà khi van thay đổi vị trí.

Trong thực tế, van trộn đôi khi được thiết kế không đóng hoàn toàn cổng A; điều này đảm bảo rằng lưu lượng tối thiểu sẽ đi qua lò hơi tại mọi thời điểm dưới tác động của bơm.

Thay vào đó, lò hơi có thể sử dụng mạch sơ cấp, cũng được bơm để cho phép dòng nước không đổi qua lò hơi, ngăn lò hơi quá nhiệt.

Hệ thống đơn giản thể hiện trong hình 6.3.7 cho thấy van chuyển hướng duy trì lưu lượng nước không đổi qua vòng lưu lượng không đổi. Trong hệ thống này, mạch tải nhận lưu lượng nước thay đổi tùy thuộc vào vị trí van.

Nhiệt độ nước trong mạch tải sẽ không đổi, vì nó nhận nước từ mạch lò hơi bất kể vị trí van. Lượng nhiệt có sẵn cho bộ tản nhiệt phụ thuộc vào lượng nước chảy qua mạch tải, lần lượt, phụ thuộc vào mức độ mở của van chuyển hướng. Hiệu ứng của việc không lắp và thiết lập van cân bằng có thể thấy trong hình 6.3.8. Cho thấy đường cong bơm và đường cong hệ thống thay đổi theo vị trí van. Hai đường cong hệ thống minh họa sự khác biệt về áp suất bơm yêu cầu giữa mạch tải P1 và mạch bypass P2, do sức cản thấp hơn của mạch cân bằng, nếu không lắp van cân bằng. Nếu mạch không được cân bằng đúng thì đoản mạch và thiếu hụt bất kỳ mạch phụ nào (không thể hiện) có thể xảy ra, và mạch tải có thể bị thiếu nước.

Van hai cổng Khi van hai cổng được sử dụng trên hệ thống nước, khi van đóng, lưu lượng sẽ giảm và áp suất phía trước van sẽ tăng. Thay đổi cột áp bơm sẽ xảy ra khi van điều khiển nghẹt hướng về vị trí đóng. Các hiệu ứng được minh họa trong hình 6.3.9.

Sự giảm lưu lượng không chỉ tăng áp suất bơm mà còn có thể tăng công suất tiêu thụ bởi bơm. Thay đổi áp suất bơm có thể được sử dụng như tín hiệu để vận hành hai hoặc nhiều bơm có công suất khác nhau, hoặc cung cấp tín hiệu cho bộ điều khiển tốc độ bơm. Điều này cho phép tốc độ bơm phù hợp với nhu cầu, tiết kiệm chi phí bơm.

Van điều khiển hai cổng được sử dụng để kiểm soát lưu lượng nước vào quy trình, ví dụ, cho điều khiển mức nước lò hơi, hoặc duy trì mức nước trong bể cấp.

Chúng cũng có thể được sử dụng trên quy trình trao đổi nhiệt, tuy nhiên, khi van hai cổng đóng, dòng nước trong phần đường ống trước van điều khiển bị dừng, tạo ‘đoạn chết’. Nước trong đoạn chết có thể mất nhiệt độ cho môi trường. Khi van điều khiển mở lại, nước mát hơn sẽ đi vào cuộn trao đổi nhiệt, và làm gián đoạn nhiệt độ quy trình. Để tránh tình huống này, hệ thống điều khiển có thể bao gồm bố trí duy trì lưu lượng tối thiểu qua ống đường kính nhỏ và van cầu điều chỉnh, bypass van điều khiển và mạch tải.

Van hai cổng được sử dụng thành công trên mạch sưởi lớn, nơi nhiều van được tích hợp vào hệ thống tổng thể. Trên hệ thống lớn, rất khó xảy ra tất cả van hai cổng đóng cùng lúc, tạo đặc tính ‘tự cân bằng’ vốn có. Các loại hệ thống này cũng có xu hướng sử dụng bơm tốc độ thay đổi thay đổi đặc tính dòng chảy theo yêu cầu tải hệ thống; điều này hỗ trợ vận hành tự cân bằng. Khi chọn van điều khiển hai cổng cho ứng dụng:

• Nếu van điều khiển hai cổng quá nhỏ được lắp trong hệ thống, bơm sẽ sử dụng nhiều năng lượng chỉ để đưa đủ nước qua van. Giả sử đủ nước có thể được đẩy qua van, kiểm soát sẽ chính xác vì ngay cả bước tăng nhỏ của chuyển động van sẽ dẫn đến thay đổi lưu lượng. Điều này có nghĩa là toàn bộ hành trình van có thể được sử dụng để đạt kiểm soát.
• Nếu van điều khiển hai cổng quá lớn được lắp trong cùng hệ thống, năng lượng yêu cầu từ bơm sẽ giảm, với ít sụt áp qua van ở vị trí mở hoàn toàn. Tuy nhiên, hành trình van ban đầu từ mở hoàn toàn hướng về vị trí đóng sẽ có ít hiệu ứng lên lưu lượng cho quy trình. Khi đạt điểm kiểm soát, lỗ van lớn có nghĩa là bước tăng rất nhỏ hành trình van sẽ có hiệu ứng lớn lên lưu lượng. Điều này có thể dẫn đến kiểm soát không ổn định với độ ổn định và chính xác kém.

Cần thỏa hiệp, cân bằng kiểm soát tốt đạt được với van nhỏ so với tổn thất năng lượng giảm từ van lớn. Lựa chọn van sẽ ảnh hưởng đến kích thước bơm, và chi phí đầu tư và vận hành. Nên xem xét các tham số này, vì chúng sẽ ảnh hưởng đến chi phí vòng đời tổng thể của hệ thống.

Những cân bằng này có thể đạt được bằng cách tính ‘quyền hạn van’ tương đối với hệ thống mà nó được lắp. Quyền hạn van ****Quyền hạn van có thể được xác định bằng phương trình 6.3.4. Giá trị N nên gần 0,5 (nhưng không lớn hơn), và chắc chắn không thấp hơn 0,2.

Điều này sẽ đảm bảo rằng mỗi bước tăng hành trình van sẽ có hiệu ứng lên lưu lượng mà không tăng quá mức chi phí bơm.công suất bơm. Ví dụ 6.3.3Mạch có tổng sụt áp ΔP1 + ΔP2 là 125 kPa, bao gồm van điều khiển.

a) Nếu van điều khiển phải có quyền hạn van (N) bằng 0,4, sụt áp nào được sử dụng để tính cỡ van?

b) Nếu lưu lượng mạch/hệ thống v̇ là 3,61 l/s, Kv van yêu cầu là bao nhiêu? Phần a) Xác định ΔP Do đó, Δ P 50 kPa được sử dụng để tính cỡ van, để lại 75 kPa (125 kPa - 50 kPa) cho phần còn lại của mạch. Phần b) Xác định Kv Thay vào đó, biểu đồ Kv nước (hình 6.3.2) có thể được sử dụng. Van điều khiển ba cổng và quyền hạn van Van điều khiển ba cổng được sử dụng trong ứng dụng trộn hoặc chuyển hướng, như giải thích trước đó trong Mô-đun này. Khi chọn van cho ứng dụng chuyển hướng:

• Van điều khiển ba cổng quá nhỏ sẽ gây chi phí bơm cao, và bước tăng nhỏ hành trình sẽ có hiệu ứng lên lượng chất lỏng được dẫn qua mỗi cổng xả.
• Van quá lớn sẽ giảm chi phí bơm, nhưng chuyển động van ở đầu, và cuối, hành trình sẽ có hiệu ứng tối thiểu lên phân phối chất lỏng. Điều này có thể dẫn đến kiểm soát không chính xác với thay đổi tải lớn đột ngột. Van quá khổ không cần thiết cũng sẽ đắt hơn so với van kích thước đầy đủ. Logic tương tự có thể áp dụng cho ứng dụng trộn.

Một lần nữa, quyền hạn van sẽ cung cấp thỏa hiệp giữa hai cực đoan này.

Với van ba cổng, quyền hạn van luôn được tính sử dụng P2 tương quan với mạch có lưu lượng thay đổi. Hình 6.3.10 minh họa điều này theo sơ đồ.