شیرهای کنترل دو طرفه

شیرهای کنترل

شیر کنترل احتمالاً مهمترین جزء یک سیستم توزیع سیال است زیرا جریان سیال را به فرآیند تحت کنترل تنظیم می کند. در سیستم های تهویه مطبوع، شیرهای کنترل عمدتاً برای کنترل جریان آب سرد، آب گرم و آب کندانسور موضوع این بخش استفاده می شود. کنترل سایر سیالات از جمله بخار، مبردها، گازها و روغن از بسیاری جهات مشابه هستند اما در اینجا به طور خاص به آنها پرداخته نمی شود زیرا آنها دارای الزامات خاصی برای طراحی از جمله مسائل ایمنی و سازگاری مواد هستند.

سبک ها و اصول عملیات

شیرهای کنترل ممکن است دو طرفه باشند (یک لوله در داخل و یک لوله خارج) که به عنوان یک مقاومت متغیر در برابر جریان عمل می کنند یا سه طرفه (دو لوله در داخل و یک لوله برای اختلاط شیرها - یک لوله به داخل و دو لوله برای انحراف دریچه ها) همانطور که درشکل 1. همانطور که در شکل نشان داده شده است، شیرهای سه طرفه ممکن است مخلوط شوند (دو جریان در یک جریان ادغام می شوند) یا منحرف کننده (یک جریان تک جریان به دو قسمت تقسیم می شود). با هر سه پیکربندی نشان داده شده، شیرها جریان را از طریق سیم پیچ خنک کننده یا گرمایش تعدیل می کنند تا ظرفیت سیم پیچ را تغییر دهند.

شکل 1. مدارهای شیر دو طرفه و سه طرفه ساده

با پیکربندی دو طرفه، جریان از طریق سیستم گردش خون متغیر است. در پیکربندی‌های سه‌طرفه، جریان از طریق حلقه‌ای که شامل پمپ است، نسبتاً ثابت می‌ماند و در حلقه حاوی سیم‌پیچ تغییر می‌کند. این برای سیستم‌هایی که در آن‌ها تامین گرما، معمولاً یک دیگ بخار، یا تامین سرمایش، معمولاً یک چیلر، نیاز به جریان ثابت دارد، به خوبی کار می‌کند. در سیستم های دیگر، ممکن است جریان ثابت در سیم پیچ مهم باشد، شاید برای جلوگیری از یخ زدگی. در این حالت پمپ می تواند در حلقه سیم پیچ باشد.

شیرهای کنترل معمولاً در سه سبک سوپاپ وجود دارند: گلوب، پروانه و توپ. دریچه‌های کره‌ای برای سال‌ها متداول‌ترین نوع شیر بوده‌اند، اما شیرهای توپی مشخص شده بسیار محبوب شده‌اند و شروع به تبدیل شدن به بخش مهمی از بازار کار کرده‌اند. کمتر از 2 اینچ، آنها معمولاً اتصالات عرق (لحیم شده) یا پیچ دارند، در حالی که بالاتر از 2 اینچ معمولاً فلنج هستند.

شکل 2یک شیر کنترلی تک سرنشین دو طرفه از نوع کره ای معمولی را نشان می دهد. از یک بدنه، یک صندلی تکی و دوشاخه تشکیل شده است. دوشاخه به یک پایه متصل می شود که به نوبه خود به محرک متصل می شود که به آن محرک یا موتور نیز می گویند. حرکت ساقه به بالا و پایین جریان را کنترل می کند. خاموشی کامل زمانی حاصل می شود که دوشاخه محکم روی صندلی قرار گیرد.

شکل 2. شیر تک سرنشین دو طرفه گلوب (جریان سیال از چپ به راست است)

بدنه به هر شکلی مناسب به سیستم لوله کشی متصل می شود (پیچ، فلنج، جوش، لحیم کاری و غیره) اما مهم است که اتصالات یا چیزی شبیه به آن در نظر گرفته شود تا شیر به راحتی برای تعمیر یا خارج شود.جایگزینی مطمئن شوید جهت جریان با فلش روی بدنه شیر درست است. شیرهای سرویس (دستی) باید برای جداسازی شیرهای کنترلی یا زیرسیستم های لوله کشی ارائه شوند.

محرکی که برای بلند کردن میل سوپاپ در صورت افت توان همراه با شیر گلوب نشان داده شده درشکل 2یک مجموعه دریچه به طور معمول باز تولید می کند. هنگامی که برق از محرک قطع شود، شیر باز است.

شکل 3یک دریچه کره ای را نشان می دهد که با ساقه بالا بسته می شود. با استفاده از این محرک با شیر درشکل 3-3هنگامی که برق از محرک خارج می شود، یک مجموعه شیر به طور معمول بسته تولید می شود. در هر دو مورد، ساقه باید بر خلاف جریان سیال رانده شود تا دریچه بسته شود. معمولاً دریچه‌های باز معمولاً در صورت موجود بودن مورد نظر هستند، زیرا همیشه در موقعیت باز قرار نمی‌گیرند، و در صورت تمایل به بسته شدن، می‌توان شیرهای دستی را بسته/خاموش کرد تا جریان را محدود کرد تا زمانی که تعمیرات انجام شود.

شکل 3. شیر دو طرفه گلوب به طور معمول بسته است

شکل ها نشان می دهد که جریان از طریق شیر باید در جهت نشان داده شده توسط فلش ​​رخ دهد. تمام شیرهای کنترل دارای یک فلش هستند که به داخل آن پرتاب می شودخارج از بدن برای نشان دادن جهت جریان. دلیل این امر به شرح زیر است: در هر اتصال بین موتور و میل سوپاپ مقداری سستی و کمی حرکت آزاد میل سوپاپ وجود خواهد داشت. هنگامی که جریان در جهت صحیح رخ می دهد، فشار سرعت سیال و فشار دیفرانسیل سیال در سراسر شیر تمایل به باز کردن دریچه دارند. بنابراین، موتور باید محکم فشار دهد تا آن را ببندد و هر حرکت آزاد را بگیرد. اگر جریان در جهت اشتباه انجام شود، فشار سرعت تمایل به بستن دریچه دارد (فشار به سمت پایین بالای دوشاخه شیر به داخلشکل 2). هنگامی که سوپاپ به سمت موقعیت بسته خود حرکت می کند، فشار ممکن است برای فشار دادن دوشاخه به موقعیت بسته کافی باشد و از حرکت آزاد یا شلی میل سوپاپ استفاده کند. هنگامی که این اتفاق می افتد، جریان متوقف می شود، سپس جزء فشار سرعت ناپدید می شود، و حرکت آزاد اجازه می دهد تا دریچه باز شود. جریان شروع می شود، مولفه سرعت دوباره ظاهر می شود و چرخه به طور نامحدود تکرار می شود. هر بار که جریان متوقف و شروع می شود، نیروی اینرسی سیال در لوله باعث ایجاد شوکی می شود که به آن می گویندچکش آب. علاوه بر پر سر و صدا بودن و آزاردهنده بودن می تواند باعث خرابی سیستم لوله کشی شود. بنابراین، مهم است که هرگز یک شیر کنترل را به عقب نصب نکنید.

شکل 4یک دریچه دو سرنشین را نشان می دهد که به آن شیر متعادل نیز می گویند. همانطور که از نام آن پیداست، دارای دو شاخه و نشیمنگاه است که طوری چیده شده اند که فشار دیفرانسیل سیال متعادل باشد و عملگر مجبور نباشد برای بستن شیر با فشار دیفرانسیل مبارزه کند، همانطور که در شیرهای تک نشسته نشان داده شده در زیر نشان داده شده است.شکل 2. این باعث کاهش اندازه محرک می شود. اما دریچه ذاتاً نمی تواند قطعی محکم را ایجاد کند. این امر کاربرد آن را برای سیستم‌های HVAC کاهش می‌دهد، جایی که معمولاً خاموشی شدید مورد نظر است تا هزینه‌های انرژی به حداقل برسد (برای جلوگیری از نشت و گرمایش و سرمایش همزمان).

شکل 4. شیر دو طرفه گلوب دو سرنشین

دریچه‌های کنترلی تعدیل‌کننده گلوب با دو نوع پایه ساخته می‌شوند: فیش خطی (پورت V) (نگاه کنید بهشکل 5) و فیش درصد برابر (نگاه کنید بهشکل 6). بسیاری از تولیدکنندگان تغییراتی در این دو طرح دارند (که به آنها خطی اصلاح شده یا درصد مساوی اصلاح شده گفته می شود) که ویژگی های آنها معمولاً مشابه مواردی است که در اینجا توضیح داده شده است.

شکل 5. دوشاخه شیر خطی (V-Port).

شکل 6. دوشاخه سوپاپ درصد برابر

پلاگین صفحه تخت (نگاه کنید بهشکل 7) گاهی اوقات برای وظیفه باز شدن سریع دو حالته استفاده می شود.

شکل 7. دوشاخه شیر باز شدن سریع (صفحه تخت).

نمودار درشکل 8رابطه درصد جریان با درصد بالابر پلاگین را برای هر نوع پلاگین با فرض افت فشار ثابت در سراسر شیر نشان می دهد. بالابر دوشاخه به صورت صفر با دریچه بسته تعریف می شود و تا 100% زمانی که شیر تا نقطه ای باز می شود که هیچ افزایشی در جریان ایجاد نمی شود. پلاگین صفحه تخت حدود 60 درصد جریان کامل را هنگامی که تنها 20 درصد باز است فراهم می کند. بنابراین، فقط برای کنترل دو موقعیت مناسب است.

شکل 8. ویژگی های شیر کنترل

ویژگی های شیر کنترلی یک مطالعه پیچیده از ویژگی های مورد نیاز سیستم HVAC و سیم پیچ آن و نحوه طراحی شیر برای کار و عملکرد است. انتخاب صحیح این ویژگی‌ها می‌تواند یک شیر کنترل ترکیبی مناسب برای کاربرد آن ایجاد کند. یک مثال بسیار ساده از این در به تصویر کشیده شده استشکل 9.

شکل 9. ترکیبی از مشخصات سیم پیچ و شیر کنترل

همانطور که در نشان داده شده استشکل 10، پلاگین خطی اساساً یک مشخصه خطی دارد در حالی که فیش درصد برابر به گونه ای شکل می گیرد که افزایش جریان تابعی نمایی از افزایش بالابر است. این بدان معنی است که وقتی شیر تقریباً بسته است، برای یک تغییر جزئی جریان، به درصد زیادی تغییر بالابر نیاز است.

شکل 10. ویژگی های شیر معمولی در افت فشار ثابت

همانطور که دوشاخه به آخرین افزایش کوچک بسته شدن خود می رسد تا زمانی که کاملاً بسته شود، جریان بسیار سریع کاهش می یابد. این حداقل دبی درست قبل از بسته شدن تابعی از ساختار فیزیکی شیر، دوشاخه و نشیمنگاه است. نسبت حداقل نرخ به حداکثر نرخ در افت فشار یکسان در سراسر شیر، توانایی برد یا نسبت پایین آمدن نامیده می شود. برای یک شیر کنترل معمولی تهویه مطبوع، این نسبت حدود 20:1 خواهد بود، که معادل دبی 5 درصدی است که دریچه به سختی ترک خورده است. این معمولاً برای کارهای کنترل HVAC کافی است. شیرهایی با نسبت بزرگتر در دسترس هستند اما گرانتر هستند.

شکل 11یک دریچه پروانه ای را نشان می دهد که اساساً یک دیسک گرد است که در داخل بدنه دریچه می چرخد ​​تا جریان را تعدیل کند. در حالی که همیشه برای تعدیل کار مناسب نیست (همانطور که در بخش بعدی توضیح داده شد)، می توان از شیرهای پروانه ای برای خاموش کردن، متعادل کردن و کارکرد دو حالته و سه طرفه استفاده کرد. شیر پروانه ای دارای یک مشخصه است که بین درصد مساوی و خصوصیات پلاگین خطی قرار می گیرد.شکل 10، در حالی که شیر توپ دارای یک مشخصه تقریبا خطی است. ویژگی های جریان متفاوت در کاربردهای مختلف مورد نظر است.

شکل 11شیر پروانه ای

یک دریچه توپی (در اصل یک توپ حفره ای که در بدنه شیر می چرخد) نشان داده شده استشکل 12 و 13. شیرهای توپی عمدتاً به عنوان شیرهای خاموش و متعادل کننده در سیستم های لوله کشی کوچک (اندازه اسمی لوله 2 اینچ و کمتر) استفاده می شوند، اما اخیراً برای کاربردهای کنترل خودکار، عمدتاً برای کویل های کوچک مانند کویل های گرمایش مجدد، سازگار شده اند. شیرهای توپی، بدون پلاگین مناسب، نباید در اهداف کنترل جریان بزرگ استفاده شوند. به طور معمول، مقاومت، زمانی که باز است، بسیار کم است و اجازه می دهد تا دریچه ای با اندازه بسیار کوچکتر در رابطه با لوله ایجاد شود، و کنترل آن ناپایدار است.

شکل 12. چیدمان شیر توپی

شکل 13. دریچه توپ مشخصه

دریچه های توپ با یک "شاخه مشخص" می توانند در برخی از برنامه های معمولی کنترل تهویه مطبوع همانطور که در تصویر نشان داده شده است استفاده شوند.شکل 13.

ویژگی‌های جریان این سوپاپ‌های استاندارد و مشخصه‌شده دریچه توپی در نشان داده شده استشکل 14.

شکل 14. شیر توپی

سه نوع شیر در نظر گرفته شده - کره، پروانه، و توپ - همگی نیاز به رانندگی با یک محرک دارند. محرک سوپاپ گلوب، ساقه سوپاپ را همانطور که در تصویر نشان داده شده است به داخل و خارج حرکت می دهدشکل 15. محرک‌های شیرهای توپی و پروانه‌ای باید ساقه دریچه را با یک محرک بچرخانند، معمولاً همانطور که در نشان داده شده است.شکل 16.

شکل 15. محرک های سوپاپ - ساقه را به بالا و پایین حرکت دهید

شکل 16. محرک سوپاپ – روتاری (از شرکت Honeywell)

استفاده از شیرهای دو طرفه مزایای زیادی نسبت به شیرهای سه طرفه دارد، از جمله:

خرید و نصب شیر هزینه کمتری دارد. این تا حدی توسط محرک ها جبران می شود که معمولاً به دلیل فشار دیفرانسیل بالاتر در شیر، هزینه بیشتری دارند.

دریچه های دو طرفه منجر به جریان متغیر می شوند که انرژی پمپاژ را کاهش می دهد. این امر به ویژه زمانی صادق است که از درایوهای سرعت متغیر در پمپ ها استفاده شود.

تلفات حرارتی لوله‌کشی و همچنین انرژی پمپ را می‌توان با استفاده از شیر برای قطع جریان به کویل‌های غیرفعال در حین سرو کویل‌های فعال کاهش داد. این یک مزیت زمانی است که یک کارخانه مرکزی به تعداد زیادی کویل که در برنامه های مختلف کار می کنند خدمات می دهد.

تنوع در بار ممکن است هنگام اندازه‌گیری سیستم‌های پمپاژ و توزیع در نظر گرفته شود که به طور بالقوه هزینه‌های آنها را کاهش می‌دهد.

نیاز به جریان های متعادل کننده سیستم در بیشتر کاربردها کاهش یافته یا حذف می شود. از آنجایی که شیرها فقط به اندازه نیاز بار از آب سرد یا گرم استفاده می کنند، سیستم شیر دو طرفه در شرایط عملیاتی عادی خود متعادل می شود. در شیرهای سه طرفه، جریان از طریق مدار همیشه (از طریق سیم پیچ یا بای پس) اتفاق می افتد، بنابراین جریان باید متعادل باشد تا اطمینان حاصل شود که جریان مورد نیاز به هر سیم پیچ تحویل داده می شود.

از طرف دیگر استفاده از شیرهای دو طرفه می تواند معایبی داشته باشد:

برخی از چیلرها و بویلرها نمی توانند دبی های مختلف را تحمل کنند. استفاده از شیرهای سه طرفه به جای شیرهای دو طرفه یکی از راه های حل این مشکل است. (شیرهای دو طرفه ممکن است هنوز در سیم پیچ ها استفاده شوند، اما ابزارهای دیگری برای حفظ جریان از طریق تجهیزات باید در نظر گرفته شود، مانند یک بای پس تحت فشار، VSD، یا یک سیستم پمپاژ اولیه/ثانویه. خواننده بهراهنمای ASHRAE – سیستم ها و تجهیزات HVACو منابع دیگر برای اطلاعات بیشتر در مورد این طرح های جایگزین.)

شیرهای دو طرفه باعث افزایش فشار دیفرانسیل در شیرهای کنترل می شوند، به ویژه هنگامی که پمپ ها کنترل نشده باشند. این امر کنترل پذیری سیستم را کاهش می دهد و حتی ممکن است باعث شود که دریچه ها به اجبار در اثر فشار آب باز شوند. محرک‌ها معمولاً اندازه‌های بزرگ‌تری دارند تا بتوانند فشارهای بسته‌شده بسیار بزرگ‌تر را کنترل کنند.

به دلیل مزایایی که ارائه می دهند، استفاده از شیرهای دو طرفه به طور کلی توصیه می شود که با طراحی بای پس یا VSD مناسب استفاده می شود، به ویژه برای سیستم های بزرگ که مزایای انرژی و هزینه اول آنها قابل توجه است. اما طراحی سیستم و انتخاب سوپاپ (که در قسمت بعدی مورد بحث قرار خواهد گرفت) باید بتواند این دو نقطه ضعف را کاهش دهد تا سیستم بتواند با موفقیت کار کند.

FREQUENTLY ASKED QUESTIONS

What is the primary function of a control valve in an HVAC system?
The primary function of a control valve in an HVAC system is to regulate the flow of fluid to the process under control. In HVAC systems, control valves are primarily used to control the flow of chilled water, hot water, and condenser water. By controlling the flow of these fluids, the control valve ensures that the desired temperature and pressure are maintained in the system.
What are the two main styles of control valves used in HVAC systems?

The two main styles of control valves used in HVAC systems are two-way and three-way valves. Two-way valves have one pipe in and one pipe out and act as a variable resistance to flow, whereas three-way valves have two pipes in and one out (for mixing valves) or one pipe in and two out (for diverting valves). The choice of valve style depends on the specific application and system requirements.

How do two-way control valves regulate fluid flow in HVAC systems?

Two-way control valves regulate fluid flow in HVAC systems by acting as a variable resistance to flow. By adjusting the valve opening, the valve can increase or decrease the flow rate of the fluid, thereby controlling the temperature and pressure in the system. The valve opening is typically controlled by an actuator, which receives a signal from a controller or sensor.

What are some common applications of two-way control valves in HVAC systems?

Two-way control valves are commonly used in HVAC systems to control the flow of chilled water, hot water, and condenser water. They are often used in applications such as air handling units, fan coil units, and heat exchangers. Additionally, two-way valves can be used to control the flow of fluid in heating and cooling systems, such as radiant floor heating and snowmelt systems.

What are some key considerations when selecting a two-way control valve for an HVAC system?

When selecting a two-way control valve for an HVAC system, some key considerations include the valve’s flow characteristics, pressure drop, and valve authority. The valve must be able to handle the maximum flow rate and pressure of the system, and the valve authority must be sufficient to control the flow of fluid effectively. Additionally, the valve’s materials and construction must be compatible with the fluid being controlled and the system’s operating conditions.

How do two-way control valves differ from other types of valves used in HVAC systems?

Two-way control valves differ from other types of valves used in HVAC systems, such as isolation valves and check valves, in their function and operation. While isolation valves are used to isolate sections of the system for maintenance and repair, and check valves are used to prevent backflow, two-way control valves are used to regulate the flow of fluid to the process under control. Two-way valves are typically more complex and sophisticated than other types of valves, requiring actuators and controllers to operate effectively.