Самодействующие регуляторы температуры

Самодействующий принцип Если чувствительная к температуре жидкость нагревается, она расширяется. Если охлаждается, она сжимается. В случае самодействующего регулирования температуры чувствительная жидкость в датчике и капилляре расширяется при повышении температуры (см. Рисунок 7.1.2). Усилие, создаваемое этим расширением (или сжатием, если на датчик подается меньше тепла), через капилляр передается на привод, который открывает или закрывает регулирующий клапан и тем самым регулирует поток среды через него. Гидравлическая жидкость при этом остается в жидком состоянии.

Между изменением температуры на датчике и величиной перемещения привода существует линейная зависимость. Следовательно, одинаковое перемещение можно получить при каждом одинаковом повышении или понижении температуры. Это означает, что самодействующая система регулирования температуры обеспечивает пропорциональное регулирование; весь диапазон пропорциональной зоны действует выше или ниже уставки в зависимости от того, идет ли речь о нагреве или охлаждении. Например, если пропорциональная зона самодействующей системы нагрева составляет 5°C, а уставка равна 70°C, то клапан будет полностью закрыт при 70°C и полностью открыт при 65°C. В системе охлаждения с уставкой 70°C клапан будет полностью открыт при 70°C и полностью закрыт при 65°C. Ширина пропорциональной зоны зависит от размера клапана: у более крупных клапанов она больше. Если клапан слишком велик для данного применения, основной проблемой станет ухудшение устойчивости системы; если проходное сечение клапана больше необходимого, небольшое изменение регулируемого параметра, например температуры вторичного потока калорифера, вызывает слишком большое изменение расхода пара. В результате система может работать по сути как двухпозиционная, а не как модулирующая. Как понизить уставку температуры

Регулировочную ручку поворачивают по часовой стрелке, чтобы ввести поршень глубже в датчик. Это фактически уменьшает доступный объем для жидкостного заполнения, а значит, клапан будет закрываться при более низкой температуре. Следовательно, уставка температуры станет ниже. В системах управления со шкальной настройкой такой же эффект обычно достигается поворотом регулировочного винта по часовой стрелке отверткой. Как повысить уставку температуры

Регулировочную ручку поворачивают против часовой стрелки, чтобы уменьшить длину поршня, введенного в датчик. Это увеличивает объем для жидкостного заполнения, а значит, для достаточного расширения жидкости и закрытия регулирующего клапана потребуется более высокая температура. Следовательно, уставка температуры будет выше. Опять же, в системах со шкальной настройкой обычно используется отвертка, которой регулировочный винт поворачивают против часовой стрелки. Защита от высоких температур Если температура превышает уставку (возможные причины - протечка регулирующего клапана, неправильная настройка или наличие отдельного дополнительного источника тепла), пакет тарельчатых пружин внутри поршня поглощает избыточное расширение заполнителя. Это предотвращает разрушение системы управления. Когда перегрев прекращается, тарельчатые пружины возвращаются в исходное положение, и система вновь работает нормально. Обычно допустимое превышение составляет от 30°C до 50°C выше уставки, в зависимости от типа регулятора.

Система с паронаполненным элементом имеет чувствительный узел, заполненный смесью жидкости и пара. Повышение температуры датчика вызывает испарение большей доли жидкости внутри него, что увеличивает давление пара в системе датчика и капилляра. Это увеличение давления через капилляр передается на сильфонный или диафрагменный узел на противоположном конце (см. Рисунок 7.1.3).

Система с паронаполненным элементом подчиняется собственной кривой насыщения давление / температура для содержащейся в ней жидкости. Для всех жидкостей существует зависимость между давлением и температурой кипения. Эту зависимость можно представить в виде кривой насыщения. Кривая насыщения воды показана на Рисунке 7.1.4. На Рисунке 7.1.4 показано, что изменение температуры на 5°C при 150°C вызывает изменение давления в системе на 0.65 bar. В нижней части диапазона изменение температуры на 5°C вызывает изменение давления всего на 0.18 bar. Таким образом, при одинаковом изменении температуры клапан перемещается сильнее в верхней части диапазона, чем в нижней. Следовательно, для перемещения клапана из полностью открытого положения в полностью закрытое в нижней части диапазона требуется большее изменение температуры, чем в верхней. Производители таких систем с паронаполненным элементом часто рекомендуют использовать регулятор только в верхней части диапазона, но это означает, что для перекрытия приемлемого температурного диапазона приходится использовать разные заполнители, включая воду, метиловый спирт и бензол.

В отличие от этого, система с жидкостным заполнением обеспечивает действительно линейную зависимость между изменением температуры и перемещением клапана, главным образом потому, что жидкость практически несжимаема. Уставку температуры можно откалибровать в градусах, а не просто в виде последовательности чисел. Это устраняет неоднозначность при настройке температуры и сокращает время пусконаладки. Кроме того, регулировка, выполняемая путем изменения доступного объема для жидкостного заполнения, может производиться в любом месте между регулирующим клапаном и датчиком. Для систем с паронаполненным элементом это нехарактерно, поскольку их обычно можно настраивать только на регулирующем клапане.

• У клапанов с паронаполненным элементом иногда возникают утечки через шток. Чтобы избежать дополнительных затрат на вторую сильфонную систему уплотнения, большинство производителей таких регуляторов применяют механическое уплотнение штока клапана. Оно часто оказывается либо слишком слабым и допускает утечки, либо слишком тугим, из-за чего возрастает трение шпинделя и клапан начинает заедать.
• В жидкостных системах, поскольку перемещение клапана действительно пропорционально изменению температуры, а уплотнение клапана не создает трения, регулирование температуры имеет очень большую диапазонность и может работать при очень малых нагрузках.

Клапаны, используемые в самодействующих системах регулирования температуры, можно разделить на три группы:

• Нормально открытые двухходовые клапаны.
• Нормально закрытые двухходовые клапаны.
• Трехходовые смесительные или переключающие клапаны.

Нормально открытые двухходовые регулирующие клапаны Эти клапаны предназначены для систем нагрева, а это наиболее распространенный тип применения. Пружина удерживает их в открытом положении. Когда система работает, любое повышение температуры, зафиксированное датчиком, вызывает расширение заполнителя и начинает закрывать клапан, ограничивая поток нагревающей среды. Нормально закрытые двухходовые регулирующие клапаны Эти клапаны предназначены для систем охлаждения. Пружина удерживает их в закрытом положении. Когда система работает, любое повышение температуры вызывает расширение заполнителя и начинает открывать клапан, позволяя охлаждающей среде проходить через него. Усилие, необходимое для закрытия самодействующего регулирующего клапана Требуемое усилие закрытия на плунжере клапана равно произведению площади проходного сечения клапана на перепад давления, как показано в Уравнении 7.1.1. Обратите внимание, что для двухходовых паровых клапанов перепад давления следует принимать как абсолютное давление пара на входе, тогда как для двухходовых водяных клапанов это будет максимальное манометрическое давление насоса минус потери давления по трубопроводу между насосом и входом клапана. Пример 7.1.1 Рассчитайте усилие, необходимое для закрытия клапана, если диаметр проходного сечения парового клапана составляет 20 mm, а давление пара равно 9 bar g. (Максимальный перепад давления составляет 9 + 1 = 10 bar абсолютного давления). Это означает, что привод должен создавать не менее 314 N, чтобы закрыть регулирующий клапан против входного давления пара 9 bar g.

Из Примера 7.1.1 видно, что усилие, необходимое для закрытия клапана, увеличивается пропорционально квадрату диаметра. Доступное усилие привода ограничено, поэтому максимальное давление, против которого клапан способен закрыться, уменьшается с ростом размера клапана.

Это фактически ограничивало бы применение самодействующих регуляторов температуры низкими давлениями для размеров свыше DN25, если бы не возможность балансировки. Балансировку можно обеспечить с помощью сильфона или двухседельной конструкции. Клапаны с сильфонной балансировкой

В клапане с сильфонной балансировкой используется балансировочный сильфон с той же эффективной площадью, что и проходное сечение седла, для компенсации усилий, действующих на плунжер клапана. Небольшое отверстие по центру штока клапана образует балансировочную трубку, по которой давление с входа клапана подается в камеру сильфона (см. Рисунок 7.1.5). Аналогично усилия на плунжере создают давление и внутри сильфона. Поэтому перепад давления на сильфоне равен перепаду давления на плунжере клапана, но поскольку силы действуют в противоположных направлениях, они взаимно компенсируются.

Балансировочный сильфон обычно изготавливают из:

• Фосфористой бронзы.
• Нержавеющей стали, что допускает более высокие давления и температуры.

Двухседельные регулирующие клапаны

Двухседельные регулирующие клапаны полезны там, где требуется высокая пропускная способность и не нужна плотная отсечка. Они могут закрываться при более высоких перепадах давления, чем односедельные клапаны того же размера. Это связано с тем, что такой регулирующий клапан включает два плунжера на общем шпинделе и два соответствующих седла, как показано на Рисунке 7.1.6. Силы, действующие на оба плунжера, почти уравновешены. Хотя перепад давления стремится удержать один плунжер от седла, другой плунжер он, напротив, прижимает к седлу. Однако допуски, необходимые для изготовления элементов регулирующего клапана, затрудняют обеспечение плотной отсечки. Этому также не помогает то, что нижний плунжер и седло меньше верхнего аналога, что позволяет снимать весь узел для обслуживания. Кроме того, хотя корпус и затвор изготовлены из одного и того же материала, небольшие различия в химическом составе отдельных деталей могут вызывать тонкие различия в коэффициентах теплового расширения, что отрицательно влияет на герметичность закрытия. Двухседельный регулирующий клапан не следует использовать как защитное устройство в системе защиты по верхнему пределу температуры. Регулирующие клапаны с внутренними фиксированными перепускными отверстиями Нормально закрытому клапану обычно требуется фиксированный байпасный проход (Рисунок 7.1.7), чтобы при полностью закрытом регулирующем клапане через него все же проходило небольшое количество среды. Нормально закрытые самодействующие регулирующие клапаны иногда называют клапанами обратного действия (RA).

Типичный пример применения такого клапана - регулирование потока охлаждающей воды для промышленного двигателя, например воздушного компрессора (Рисунок 7.1.8). Регулирующий клапан, управляющий потоком охлаждающей жидкости через двигатель, расположен до двигателя, а температурный датчик измеряет температуру жидкости на выходе из него. Если охлаждающая жидкость, выходящая из двигателя, горячее уставки, регулирующий клапан открывается и пропускает больше охлаждающей жидкости. Однако как только вода, выходящая из двигателя, достигает требуемой уставки, клапан снова закрывается. Если бы перепускного отверстия не было, охлаждающая жидкость перестала бы течь и продолжала бы поглощать тепло от двигателя. Поскольку датчик после клапана не зафиксировал бы роста температуры, двигатель, скорее всего, перегрелся бы. Если регулирующий клапан имеет фиксированное перепускное отверстие, через него может проходить достаточное количество охлаждающей воды, чтобы датчик после клапана регистрировал репрезентативную температуру, когда клапан закрыт. Эта функция необходима, когда датчик удален от источника тепла. Нормально закрытый клапан также может оснащаться дополнительным плавким устройством (см. Рисунок 7.1.7). Это устройство плавится при чрезмерном нагреве, снимая усилие пружины с плунжера клапана и открывая клапан для подачи охлаждающей воды в систему. Для таких защитных устройств характерно то, что после срабатывания и расплавления их нельзя отремонтировать - требуется замена. Трехходовые регулирующие клапаны ****Большинство регулирующих клапанов, используемых с самодействующими системами управления, являются двухходовыми. Однако на Рисунке 7.1.9 показан самодействующий трехходовой регулирующий клапан поршневого типа. Преимущество такой конструкции в том, что один и тот же клапан можно использовать как для смесительных, так и для переключающих водяных применений; обычно это невозможно для клапанов, требующих электрических или пневматических приводов.

Наиболее распространенные применения связаны с нагревом воды, однако трехходовые регулирующие клапаны могут использоваться и в системах охлаждения, например в воздухоохладителях, а также в насосных контурах систем отопления, вентиляции и кондиционирования. Когда трехходовой регулирующий клапан используется как смесительный клапан (см. Рисунок 7.1.10), порт постоянного объема O используется как общий выход.

Когда трехходовой регулирующий клапан используется как переключающий клапан (см. Рисунок 7.1.11), порт постоянного объема используется как общий вход.

Автономный трехходовой регулирующий клапан

Еще один тип самодействующего трехходового регулирующего клапана содержит встроенное устройство измерения температуры и поэтому не требует внешнего регулятора температуры для работы. Его можно использовать для защиты котлов Low Temperature Hot Water (LTHW) от коррозии жаровой трубы во время пуска, когда температура обратной воды вторичного контура низкая (см. Рисунок 7.1.12). При пуске клапан позволяет холодной вторичной воде обходить внешнюю систему и циркулировать через контур котла. Это позволяет быстро прогреть воду в котле, минимизируя конденсацию водяного пара в дымовых газах. По мере нагрева воды в котле она постепенно смешивается с водой из основной системы, обеспечивая защиту, пока вся система медленно выходит на рабочую температуру. Такой тип регулирующего клапана также может использоваться в системах охлаждения, например на воздушных компрессорах (Рисунок 7.1.13).