Zweiwege-Regelventile

Das Steuerventil ist möglicherweise die wichtigste Komponente eines Flüssigkeitsverteilungssystems, da es den Flüssigkeitsfluss zum kontrollierten Prozess reguliert. In HVAC-Systemen werden Steuerventile hauptsächlich zur Steuerung des Kaltwasser-, Warmwasser- und Kondensatorwasserflusses verwendet, dem Thema dieses Abschnitts. Die Steuerung anderer Flüssigkeiten, einschließlich Dampf, Kältemittel, Gase und Öl, ist in vielen Aspekten ähnlich, wird hier jedoch nicht speziell behandelt, da sie spezifische Anforderungen an das Design stellen, einschließlich Fragen der Sicherheit und Materialkompatibilität.

Stile und Funktionsprinzipien

Figur 1.Einfache Zwei-Wege- und Drei-Wege-Ventilschaltungen

Bei der Zwei-Wege-Konfiguration ist der Durchfluss durch das Zirkulationssystem variabel. Bei den Drei-Wege-Konfigurationen bleibt der Durchfluss durch den Kreislauf, der die Pumpe enthält, relativ konstant und variiert im Kreislauf, der die Spule enthält. Dies funktioniert gut für Systeme, in denen die Wärmeversorgung, typischerweise ein Kessel, oder die Kälteversorgung, typischerweise ein Kühler, einen konstanten Durchfluss erfordert. In anderen Systemen kann es sein, dass ein konstanter Durchfluss in der Spule wichtig ist, vielleicht um ein Einfrieren zu verhindern. In diesem Fall kann sich die Pumpe im Spulenkreislauf befinden.

Control valves typically come in three valve styles: globe, butterfly, and ball. The globe-type valve has been the most common for many years, but the characterized ball valves are becoming very popular and are starting to become a significant part of the working marketplace. Below 2-inch size, they have usually sweat (soldered) or screwed connections, while above 2 inch they are typically flanged.

Figur 2Zeigt ein typisches Zweiwege-Einsitz-Steuerventil vom Kugeltyp. Es besteht aus einem Körper, einem einzelnen Sitz und einem Stecker. Der Stecker ist mit einem Schaft verbunden, der wiederum mit dem Aktuator, auch Aktuator oder Motor genannt, verbunden ist. Durch Auf- und Abwärtsbewegen des Stiels wird der Durchfluss gesteuert. Eine vollständige Absperrung wird erreicht, wenn der Stopfen fest am Sitz anliegt.

Figur 2. Two-way Globe Single-seated Valve (Fluid Flow is Left to Right)

The body is connected to the piping system in any suitable way (screwed, flanged, welded, soldered, etc.), but it is important that unions or something similar be provided so that the valve can easily be removed for repair or replacement. Make sure the flow direction is correct with the arrow on the valve body. Service (manual) valves should be provided to isolate individual control valves or piping subsystems.

Ein Stellantrieb, der gefedert ist, um den Ventilschaft bei Stromausfall anzuheben, kombiniert mit dem in gezeigten KugelventilFigur 2Würde eine normalerweise offene ventilbaugruppe erzeugen. Das ventil ist geöffnet, wenn die stromversorgung zum stellantrieb unterbrochen wird.

Die Abbildungen zeigen, dass der Durchfluss durch das Ventil in der durch den Pfeil angezeigten Richtung erfolgen muss. In alle Steuerventile ist ein Pfeil eingegossenoutside of the body to indicate flow direction. The reason for this is as follows: in any linkage between motor and valve stem there will be some slack, a little free movement of the valve stem. When flow occurs in the correct direction, the velocity pressure of the fluid and the fluid differential pressure across the valve will tend to open the valve. Therefore, the motor must press tightly to close it, taking up any free movement. If flow takes place in the wrong direction, the velocity pressure tends to close the valve (pushing down on top of the plug of the valve in Figur 2). Wenn das Ventil in Richtung seiner geschlossenen Position drosselt, kann der Druck ausreichen, um den Stopfen in die geschlossene Position zu drücken, wobei die freie Bewegung oder das Durchhängen des Ventilschafts ausgenutzt wird. Wenn dies geschieht, stoppt der Durchfluss, die Geschwindigkeits- und Druckkomponente verschwindet und die freie Bewegung ermöglicht das Aufbrechen des Ventils. Der Fluss beginnt, die Geschwindigkeitskomponente erscheint wieder und der Zyklus wiederholt sich auf unbestimmte Zeit. Jedes Mal, wenn der Fluss stoppt und beginnt, verursacht die Trägheitskraft der Flüssigkeit im Rohr einen Schock, der als „Stoß“ bezeichnet wirdwasserschlag. Dies ist nicht nur laut und störend, sondern kann auch zum Ausfall des Rohrleitungssystems führen. Daher ist es wichtig, ein Steuerventil niemals verkehrt herum zu installieren.

Abbildung 4Zeigt ein Doppelsitzventil, auch Ausgleichsventil genannt. Wie der Name schon sagt, verfügt es über zwei Stopfen und Sitze, die so angeordnet sind, dass der Flüssigkeitsdifferenzdruck ausgeglichen wird und der Aktuator nicht gegen den Differenzdruck ankämpfen muss, um das Ventil zu schließen, wie dies bei den in der Abbildung gezeigten Einzelsitzventilen der Fall istFigur 2. This reduces the size of the actuator. But the valve inherently cannot provide tight shut-off. This reduces its applicability to HVAC systems, where tight shut-off is usually desired, to minimize energy costs (to prevent leakage and simultaneous heating and cooling).

Abbildung 4. Doppelsitziges Zweiwege-Absperrventil

Modulating globe-type control valves is made with two basic types of plugs: the linear (V-port) plug (see Abbildung 5) and equal percentage plug (see Figur 6). Many manufacturers have variations on these two designs (called modified linear or modified equal percentage), the characteristics of which are usually similar to those described here.

Abbildung 5. Linear (V-Port) Valve Plug

Figur 6. Gleichprozentiger Ventilstopfen

A flat plate plug (see Abbildung 7) wird manchmal für den Schnellöffnungsbetrieb mit zwei Positionen verwendet.

Abbildung 7. Quick-opening (Flat Plate) Valve Plug

Die grafik inAbbildung 8Zeigt die Beziehung zwischen prozentualem Durchfluss und prozentualem Stopfenhub für jeden Stopfentyp unter der Annahme eines konstanten Druckabfalls am Ventil. Der Stopfenhub ist bei geschlossenem Ventil als Null definiert und beträgt bis zu 100 %, wenn das Ventil bis zu dem Punkt geöffnet ist, über den hinaus kein Anstieg des Durchflusses erfolgt. Der Flachplattenstopfen liefert etwa 60 % des vollen Durchflusses, wenn er nur 20 % geöffnet ist. Daher ist es nur für die Zweipunktregelung geeignet.

Abbildung 8. Eigenschaften Des Regelventils

Bei den Steuerventileigenschaften handelt es sich um eine komplexe Studie darüber, welche Eigenschaften vom HVAC-System und seiner Spule benötigt werden und wie das Ventil für den Betrieb und die Funktion ausgelegt ist. Durch die richtige Auswahl dieser Eigenschaften kann ein für seine Anwendung geeignet kombiniertes Steuerventil entstehen. Ein sehr einfaches Beispiel hierfür ist in dargestelltAbbildung 9.

Abbildung 9. Kombination von Spulen- und Steuerventileigenschaften

Wie in gezeigtAbbildung 10, der lineare Stopfen hat eine im Wesentlichen lineare Charakteristik, während der gleichprozentige Stopfen so geformt ist, dass das Durchflussinkrement eine Exponentialfunktion des Hubinkrements ist. Dies bedeutet, dass bei fast geschlossenem Ventil eine große prozentuale Hubänderung für eine kleine Durchflussänderung erforderlich ist.

Abbildung 10. Typische Ventileigenschaften bei konstantem Druckabfall

Wenn der Stopfen seine letzte winzige Schließstufe erreicht, bis er vollständig schließt, lässt der Durchfluss sehr schnell nach. Diese Mindestdurchflussrate unmittelbar vor dem Schließen ist eine Funktion der physikalischen Konstruktion von Ventil, Stopfen und Sitz. Das Verhältnis der minimalen Rate zur maximalen Rate bei gleichem Druckabfall über dem Ventil wird als Bereichsfähigkeit oder Turn-Down-Verhältnis bezeichnet. Bei einem typischen HVAC-Regelventil beträgt dieses Verhältnis etwa 20:1, was einem Durchfluss von 5 % entspricht, wenn das Ventil kaum geöffnet ist. Dies reicht in der Regel für HVAC-Regelungsarbeiten aus. Ventile mit größeren Übersetzungsverhältnissen sind erhältlich, aber teurer.

Abbildung 11 shows a butterfly valve, which is basically a round disk that rotates within the valve body to modulate flow. While not always suitable for modulating duty (as discussed in the next section), butterfly valves can be used for shut-off, balancing, and two-position and three-way duty. The butterfly valve has a characteristic that falls in between the equal percentage and linear plug characteristics, see Abbildung 10, während der kugelhahn eine nahezu lineare kennlinie hat. in Unterschiedlichen anwendungen sind unterschiedliche strömungseigenschaften erwünscht.

Abbildung 11. Absperrklappe

A ball valve (basically a bored ball which rotates in the valve body) is shown in Zahlen 12 und 13. Ball valves are primarily used as shut-off and balancing valves on small piping systems (2 inch nominal pipe size and less), but recently they have been adapted for automatic control applications, primarily for small coils such as reheat coils. Ball valves, without an appropriate plug, should not be used in large flow control purposes; typically the resistance, when open, is too low and it lends itself to allowing a much smaller size valve in relation to the pipe, and its control is unstable.

Abbildung 12. Anordnung des Kugelhahns

Abbildung 13. Charakterisierter Kugelhahn

Kugelhähne mit einem „charakterisierten Kegel“ können in einigen typischen HVAC-Steuerungsanwendungen verwendet werden, wie in dargestelltAbbildung 13.

Die Durchflusseigenschaften dieser Standard- und Kugelventilkegel sind in dargestelltAbbildung 14.

Abbildung 14. Kugelhahn

Die drei betrachteten Arten von Ventilen – Durchgangs-, Schmetterlings- und Kugelventile – müssen alle mit einem Aktuator angetrieben werden. Der Stellantrieb des Kugelventils bewegt den Ventilschaft nach innen und außen, wie in gezeigtAbbildung 15. Die Stellantriebe für Kugel- und Absperrklappen müssen die Ventilspindel mit einem Stellantrieb drehen, wie in der Regel gezeigtAbbildung 16.

Abbildung 15. Ventilantriebe – Bewegen Sie den Schaft nach oben und unten

Abbildung 16. Valve Actuator – Rotary (Courtesy Honeywell)

Die verwendung von zweiwegeventilen bietet gegenüber dreiwegeventilen mehrere vorteile, darunter:

Das Ventil ist kostengünstiger in der Anschaffung und Installation. Dies wird teilweise dadurch ausgeglichen, dass die Stellantriebe aufgrund des höheren Differenzdrucks über dem Ventil normalerweise teurer sind.

Zweiwegeventile führen zu einem variablen Durchfluss, der die Pumpenergie reduziert. Dies gilt insbesondere dann, wenn an Pumpen drehzahlgeregelte Antriebe zum Einsatz kommen.

Wärmeverluste in den Rohrleitungen sowie Pumpenenergie können reduziert werden, indem das Ventil verwendet wird, um den Fluss zu inaktiven Spulen zu unterbrechen und gleichzeitig aktive Spulen zu versorgen. Dies ist von Vorteil, wenn eine zentrale Anlage viele Spulen bedient, die nach unterschiedlichen Zeitplänen arbeiten.

Bei der Dimensionierung der Pump- und Verteilungssysteme können Lastunterschiede berücksichtigt werden, was möglicherweise deren Kosten senkt.

The need for system balancing flows is reduced or eliminated in most applications. Because the valves will only use as much chilled or hot water as required by the load, the two-way valve system is self-balancing under normal operating conditions. With three-way valves, flow occurs through the circuit at all times (either through the coil or the bypass), so flow must be balanced to ensure that the required flow is delivered to each coil.

Andererseits kann der Einsatz von Zweiwegeventilen Nachteile haben:

Some chillers and boilers cannot handle widely varying flow rates. Using three-way valves in place of two-way valves is one way to resolve this problem. (Two-way valves may still be used at coils, but some other means to maintain flow through the equipment must be included, such as a pressure actuated bypass, VSD, or a primary/secondary pumping system. The reader is referred to the ASHRAE-Handbuch – HVAC-Systeme und -AusrüstungUnd andere Quellen für weitere Informationen zu diesen alternativen Designs.)

Zweiwegeventile führen dazu, dass der Differenzdruck an den Steuerventilen ansteigt, insbesondere wenn die Pumpen nicht gesteuert werden. Dies verringert die Steuerbarkeit des Systems und kann sogar dazu führen, dass Ventile durch den Wasserdruck zwangsweise geöffnet werden. Aktuatoren sind in der Regel größer dimensioniert, um die viel größeren Druckabschlüsse bewältigen zu können.

Because of the advantages they offer, use of two-way valves is generally recommended, used with the appropriate bypass or VSD design, particularly for large systems where their energy and first-cost advantages are significant. But the system design and valve selection (discussed in the next section) must be able to mitigate these two disadvantages for the system to work successfully.