شیر کنترل یا کنترل ولو چیست و چگونه کار می کند؟

قبل از پرداختن به شیر برقی یا شیر کنترل (Control Valve)، لازمست مقدمه ای بر تغییرات و پیشرفت های صنعت تهویه مطبوع ارائه شود تا خوانندگان بتوانند آشکارا و با علم به اهمیت این تجهیز در تهویه مطبوع آشنا شوند. با پیشرفت صنعت ساختمان و ورود فن آوری های نوین به این صنعت، تاسیسات و تهویه مطبوع نیز ناگزیر به تغییر و بروزرسانی تجهیزات خود است. امروزه، بهینه سازی مصرف انرژی و بالانس هیدرونیکی از اهمیت بالایی در تهویه مطبوع ساختمان برخوردار است. کنترل ولو از طریق بای پس یا تنظیم دبی آب سرد یا آب گرم در مدار می تواند به بهینه سازی مصرف انرژی بیانجامد. توجه داشته باشید که در سیستم های پیشرفته تهویه مطبوع، با استفاده از شیر های کنترل مستقل فشار (PICV) که به نوعی همان کنترل ولو دوراهه هستند در بسیاری از مواقع می توان دور پمپ نصف کرد و هنگامی که این پدیده رخ دهد ، مصرف برق پمپ سیرکولاتور یک هشتم می شود. در این سیستم ها علاوه بر این شیرها، از چیلر های پیشرفته، پمپ های دور متغییر اولیه و ثانویه و سیستم کنترلی پیچیده ای استفاده می گردد. شیر کنترل از اولین نیاز های برقراری و پیاده سازی سیستم کنترل تهویه مطبوع در ساختمانها است.

شیر کنترل چیست؟

شیر برقی یا شیر کنترل در اصلاح تکنسین های موتورخانه به هر شیر متصل به برق گفته می شود. در حقیقت کنترل ولو همان شیر کنترل جریان است که دبی سیال مایع یا گاز را در یک سیستم تنظیم می کند. شیر با تغییر مقاومت خود در مقابل سیلان سیستم که بدان استروک یا ضربه می گویند به تنظیم سیال می پردازد. شیر با تغییر وضیعت باز و بسته شدن و ایجاد افت فشار می تواند دبی سیال را کاهش دهد.

اصطلاح برقی که به کنترل ولو گفته می شود در حقیقت مربوط به محرک شیر است. محرک یا اکچوئیتور به روی شیر نصب می شود. اکچوئیتور از طریق استم یا ساقه به شیر متصل می گردد. اکچوئیتور یا محرک با توجه به وسیله ی کنترلی که از خارج فرامین را صادر می کند باعث حرکات ساقه ی شیر می گردد که در نهایت شیر می تواند جریان را کنترل کند. در تهویه مطبوع، کنترل جریان توسط شیر مساویست با کنترل دما، بهینه سازی مصرف انرژی و آسایش بیشتر کاربران. محرک یا اکچوئیتور می تواند دیافراگمی / نیوماتیکی یا الکتریکی باشد.در عرف به شیری که مجهز به اکچوئیتور یا محرک الکتریکی‌ست، کنترل ولو می گویند که به نظر بهتر است از شیر کنترل به جای این واژگان استفاده گردد.

به منظور توضیح کاربرد شیر های کنترل ابتدا لازم است در خصوص نوع جریان در سیستم تهویه مطبوع صحبت کنم. در حالت کلی دو نوع جریان ثابت و متغییر جهت طراحی در نظر گرفته می شود. در سیستم جریان ثابت، دبی آب در گردش پمپ های موتورخانه ثابت است که در نتیجه دور الکتروموتور پمپ ها نیز تغییری نمی کند، فقط تعداد پمپ های در مدار در فصل تابستان و زمستان بنا به تفاوت دبی آب چیلد و آب گرم تغییر می کند. در این سیستم ها از شیرهای برقی یا کنترل سه راهه می توان استفاده نمود که  فن کویل را با توجه به درجه ی حرارت مورد نیاز بای پس می کنند و در کل سیستم باعث مصرف بهینه تر انرژی می شوند.

در حالت دوم که جریان متغییر است می توان از شیر های کنترل دو راهه استفاده نمود در این شیر های کنترل می توان از  محرک های قطع و وصلی یا تدریجی ( با توجه به دبی هر کنترل ولو و کاربرد آن) استفاده کرد. در این حالت از یک ترنسمیتر اختلاف فشار استفاده می گردد که با استفاده از سیگنال آن، کنترلر در موتورخانه به اینورتر الکتروموتور پمپ ها فرمان می دهد و دور الکتروموتور تغییر می کند. تمام این تغییرات وابسته به ست پوینت و دمای طرح مورد نیاز است که توسط سیستم یا کاربر تنظیم شده است که در نهایت به صرفه جویی و بهینه سازی مصرف انرژی می انجامد. در مواقعی که علاوه بر سیستم کنترل و انرژی، بالانس دینامیکی نیز حائز اهمیت باشد می توان از شیر های کنترل مستقل از فشار یا شیر PICV در سیستم استفاده کرد.

محرک یا اکچوئیتور شیر کنترل چیست؟

محرکهای الکتریکی دستگاههای هستند که پس از دریافت سیگنال ورودی الکتریکی، با کمک موتور و چرخش شفت آن عمل می کنند. در مکانیزم سیستم این حرکت دوار به اتصالات مربوطه تبدیل به حرکت خطی می شود. که در نهایت حرکت خطی اکچوئیتور با کمک ساقه و پلاگ شیر به کنترل جریان می پردازد. اگر از شیرهای کنترلی مناسب برای یک سیستم تاسیساتی استفاده نگردد نمی توان به عملکرد بهینه و درست سیستم امیدوار بود. انتخاب و سایزینگ شیرهای کنترلی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. محرک یا اکچوئیتور دستگاهی است که دستورات مورد نیاز را از ترموستات فن کویل یا کنترلر پیچیده تری دریافت می کند و با توجه به نیاز باعث باز و بست کنترل ولو می گردد. چند وقت پیش، شیر کنترل پیشرفته ایی را دیدم که می توانست با استفاده از پروتکل BACnet  و از طریق IP به طور مستقیم به سیستم یکپارچه سازی ساختمان و کنترلر ها متصل گردد.

اجزای اصلی کنترل ولو یا شیر کنترل

دارای چهار بخش اصلی است:

• بدنه

بدنه  شامل اریفیس و غلاف (Housing) است که می تواند جریان سیال را کنترل کند.

• تریم Trim

تریم قسمت دیگری از شیر است که در کنار بدنه با سیال در ارتباط است. تریم شامل نشیمنگاه شیر، پلاگ، دیسک، نگهدارنده ی دیسک و ساقه ی شیر است.

• بونت Bonnet

بونت قطعه ایست که جایگاهی برای اکچوئیتور یا محرک شیر ایجاد و ساقه ی شیر از آن عبور می کند. در این قطعه وجود سیل جهت جلوگیری از نشت جریان بسیار حیاتی است.

• اکچوئیتور یا محرک شیر کنترل

محرک نیروی کافی را برای شیر جهت تامین استروک و کنترل جریان فراهم می کند.

انواع مختلف شیر کنترل

شیر گلوب یا Globe Valve یا شیر های کروی

شیرهای دروازه ای Gate Valve

شیرهای پروانه ای Butterfly Valve

شیرهای توپی Ball Valve

شیر های Cage Trim

ویژگی های شیر کنترل

کنترل ولو می توانند دارای محفظه های مختلفی باشند که هر یک در نوع کنترل جریان موثر است. سه نوع اصلی شیر عبارتند از:

خطی Linear

درصد مساوی Equal percentage

تند بازشونده  Quick opening

راهنمای انتخاب شیر کنترل مناسب

در ادامه به تفصیل راجع به راهنمای انتخاب کنترل ولو مناسب توضیح داده شده است که می توانید پس از مطالعه به محاسبات سریع و سرانگشتی و همچنین اصول و اطلاعات پایه ای اشراف داشته باشید.

ضریب جریان CV در شیر های کنترل

ضریب جریان شیر کنترل نشان دهنده ی ظرفیت شیر جهت عبور جریان است. به طور فنی این ضریب حجم آبی که در یک دقیقه با افت فشار ۱psi و در دمای ۶۰°F از شیر عبور می کند را به گالن (آمریکایی)  نمایش می دهد. این ضریب در جداول فنی کنترل ولو توسط کارخانه ی سازنده ارائه می شود.

C = Q/N1 * √ (ρ_۱/ρ_۰) / (∆P)

C is the Flow Coefficient which describes how much fluid will flow through the valve for a given pressure drop.

Q is the Flow Rate (m3/h, GPM, SCFH).

∆P is the differential pressure between upstream and downstream pressure taps (kPa, bar, psi).

ρ_۱/ρ_۰ is the relative density.

N1 is the numerical unit’s constant (Refer to Table 1 in ISA-75.01.01-2007 standard).

محاسبات سر انگشتی شیر کنترل

در روش محاسبه سرانگشتی ، فرمول Cv ساده سازی شده و به شرح زیر است:

Cv = Q * √۱ / (∆P)

با توجه به رفرنس های موجود، باید از Kv در محاسبات و انتخاب کنترل ولو استفاده نمود:

Kv = Cv * 0.865

توجه داشته باشید که در محاسبات سر انگشی سایزینگ کنترل ولو  باید اختلاف فشار را برای هوارسان می توانید در حدود ۵psi و برای فن کویل در حدود  ۲.۵psi الی ۳psi در نظر بگیرید. دبی هم باید به gpm  وارد گردد.

در برخی از جداول، دبی آب ارائه نشده است و به جای آن از بار حرارتی یا بار برودتی کویل استفاده می کنند. در حالت سر انگشتی می توانید در سیستم دو لوله ای با تقسیم بار برودتی بر حسب btu/hr بر عدد ۵۰۰۰ میزان دبی آب را بر حسب gpm به دست آورید. چراکه دبی آب سرد بالاتر است و باید بر اساس آن سایز زد و در سیستم چهار لوله ای می توانید دبی را به طور جداگانه برای بارهای حرارتی و برودتی محاسبه نمایید. برای محاسبه ی دبی آب گرم می توانید بار حرارتی بر حسب btu/hr بر عدد ۱۰۰۰۰ تقسیم کنید و میزان دبی آب را بر حسب gpm به دست آورید.

حال با درنظر گرفتن به نوع اکچوئیتور کنترل ولو که اگر On/Off باشد سایز شیر را هم سایز لوله و اگر تدریجی باشد سایز شیر را کمتر از لوله در نظر میگیریم و با توجه به جداول اقدام به انتخاب شیر مناسب می نماییم.

آموزش نصب  شیر کنترل

در این گفتار به نکات حیاتی و کلیدی نصب کنترل ولو می پردازم. شایان ذکر است جهت نصب باید از متخصصین امر یا واحد خدمات پس از فروش شرکت های تامین کننده بهره بگیرید.

قبل از نصب شیر، از تمیز بودن محل های اتصال لوله اطمینان حاصل کنید.

قبل از نصب کنترل ولو، از سایزینگ و انتخاب صحیح شیر از جمله دبی آب مطمئن شوید.

شیر کنترل  را در جهتی نصب کنید که اکچوئیتور یا محرک آن در راستی عمود قرار گیرد.

فواصل مدار لوله را به نحوی انتخاب کنید که  کنترل ولو فضای کافی داشته باشد و تحت فشار نباشد.

پس از نصب کنترل ولو و قبل از اتصال اکچوئیتور یا محرک، لوله محافظ سیم برق و باقی اجزا را تمیز کنید.

فضای کافی در بالای اکچوئیتور یا محرک جهت خروج و تویض آن در نظر بگیرید.

مشخصات فنی و دمای کارکرد شیر کنترل و اکچوئیتور یا محرک مطالعه کنید و مطمئن شوید که دمای فضای نصب در محدوده ی کاری تجهیز است.

چک کنید که جهت جریان آب با فلش به روی شیر همخوانی داشته باشد.

پیچ و مهره های دیافراگم شیر را چک کنید که به درستی بسته شده باشد.

استم کنترل ولو و محرک را چک کنید که به درستی در جای خود قرار داشته باشد.

باز و بست و عملکرد شیر را به درستی چک کنید.

بررسی کنید که فنر اکچوئیتور یا محرک به درستی فشرده می شود.

فلنچ ها و محل اتصال را چک کنید تا نشتی آب نداشته باشد.

در پایان از مهندسین گرامی خواهشمندم اگر تجارب ارزشمند خود را که کمک به بهبود این متن می کند، دریغ نفرمایند.