أدوات التحكم الذاتية في درجة الحرارة
تُقدّم هذه الوحدة التعليمية مقدمة أساسية حول أنظمة التحكم الذاتية في درجة الحرارة وكيفية تشغيلها. تُناقَش الأنواع المختلفة من الصمامات وأدوات التحكم بإيجاز إلى جانب التطبيقات النموذجية لأنظمة البخار والمياه.
ما هي أدوات التحكم الذاتية في درجة الحرارة وكيف تعمل؟
ما هي أدوات التحكم الذاتية في درجة الحرارة وكيف تعمل؟
هناك شكلان رئيسيان من أدوات التحكم الذاتية في درجة الحرارة متوفران في السوق: الأنظمة المملوءة بالسائل وأنظمة توتر البخار.
أدوات التحكم الذاتية في درجة الحرارة تعمل بذاتها، دون الحاجة إلى كهرباء أو هواء مضغوط.
نظام التحكم هو وحدة واحدة تتكون من مستشعر وأنبوب شعري ومُنشِّئ.
يُوصَل هذا بعد ذلك بصمام التحكم المناسب، كما هو موضح في الشكل 7.1.1.
مبدأ العمل الذاتي إذا سُخِّن سائل حساس لدرجة الحرارة، فإنه يتمدد. وإذا بُرِّد، فإنه ينكمش. في حالة التحكم الذاتي في درجة الحرارة، يمتد السائل الحساس لدرجة الحرارة المملوء في المستشعر والأنبوب الشعري مع ارتفاع درجة الحرارة (انظر الشكل 7.1.2). تُنقل القوة الناتجة عن هذا التمدد (أو الانكماش في حالة تقليل الحرارة المُطبقة على المستشعر) عبر الأنبوب الشعري إلى المُنشِّئ، مما يفتح أو يغلق صمام التحكم، وبدوره يتحكم في تدفق السائل عبر صمام التحكم. يظل السائل الهيدروليكي سائلًا.
هناك علاقة خطية بين التغيير في درجة الحرارة عند المستشعر ومقدار الحركة عند المُنشِّئ. وبهذه الطريقة، يمكن الحصول على نفس مقدار الحركة لكل وحدة متساوية من الارتفاع أو الانخفاض في درجة الحرارة. هذا يعني أن نظام التحكم الذاتي في درجة الحرارة يوفر “تحكم تناسبي”؛ يعمل النطاق التناسبي الكامل فوق أو تحت نقطة التعيين اعتمادًا على ما إذا كان التطبيق للتدفئة أو التبريد. على سبيل المثال، إذا كان النطاق التناسبي لنظام تحكم ذاتي بالتدفئة 5 درجات مئوية، ونقطة التعيين 70 درجة مئوية، فسيكون الصمام مغلقًا تمامًا عند 70 درجة مئوية ومفتوحًا تمامًا عند 65 درجة مئوية. مع تحكم التبريد المُعيَّن على 70 درجة مئوية، سيكون الصمام مفتوحًا تمامًا عند 70 درجة مئوية ومغلقًا تمامًا عند 65 درجة مئوية. يتغير النطاق التناسبي وفقًا لحجم الصمام، حيث يكون للصمامات الأكبر نطاقات تناسبية أكبر. إذا كان الصمام كبيرًا جدًا على التطبيق، فالعيب الوحيد هو أن استقرار النظام سيتأثر؛ إذا كانت فوهة الصمام أكبر مما ينبغي، فإن تغييرًا صغيرًا في الحالة المُتحكَّم بها (ربما درجة حرارة التدفق الثانوي لمسخن حراري) يسمح بتغيير كبير جدًا في تدفق البخار. النتيجة هي أن النظام قد يعمل بطريقة تشغيل وإيقاف بدلاً من طريقة التعديل. لخفض درجة الحرارة المُعيَّنة
يُدوَّر عجلة الضبط في اتجاه عقارب الساعة لإدخال المكبس بشكل أعمق في المستشعر. هذا يُقلل فعليًا من المساحة المتاحة للسائل المملوء، مما يعني أن الصمام يُغلق عند درجة حرارة أقل. وبالتالي ستكون درجة الحرارة المُعيَّنة أقل. في أنظمة التحكم ذات الضبط بنمط القرص، سيتحقق التأثير نفسه (عادةً) باستخدام مفك براغي لتدوير برغي الضبط في اتجاه عقارب الساعة. لرفع درجة الحرارة المُعيَّنة
يُدوَّر عجلة الضبط في عكس اتجاه عقارب الساعة لتقليل طول المكبس المُدخَل في المستشعر. هذا يزيد المساحة المتاحة للسائل المملوء، مما يعني أن درجة حرارة أعلى ستكون مطلوبة لإحداث تمدد كافٍ للسائل لإغلاق صمام التحكم. وبالتالي ستكون درجة الحرارة المُعيَّنة أعلى. ومرة أخرى، عادةً للضبط بنمط القرص، يُستخدم مفك براغي لتدوير برغي الضبط في عكس اتجاه عقارب الساعة. الحماية ضد درجات الحرارة العالية في حالة تجاوز درجة الحرارة فوق درجة الحرارة المُعيَّنة (الأسباب المحتملة لذلك قد تكون صمام تحكم متسرب، أو ضبط خاطئ، أو مصدر حراري إضافي منفصل)؛ تمتص سلسلة من النوابض القرصية الموجودة داخل المكبس التمدد الزائد للسائل. هذا يمنع نظام الت뭉 من التلف. عندما يتوقف تجاوز درجة الحرارة، ستعود النوابض القرصية إلى موضعها الأصلي ويعمل نظام التحكم بشكل طبيعي. التجاوز عادةً 30 إلى 50 درجة مئوية فوق درجة الحرارة المُعيَّنة، حسب نوع التحكم.
يحتوي نظام تحكم توتر البخار على نظام استشعار مملوء بخليط من السائل والبخار. يُسبّب ارتفاع درجة حرارة المستشعر غليان نسبة أكبر من البخار من السائل الموجود بداخله، مما يزيد ضغط البخار في المستشعر ونظام الأنبوب الشعري. يُنقل هذا الارتفاع في الضغط عبر الأنبوب الشعري إلى مجموعة بيلوز أو غشاء في الطرف المقابل (انظر الشكل 7.1.3).
يتبع نظام توتر البخار منحنى تشبع فريد للضغط/درجة الحرارة للسائل الذي يحتويه النظام. جميع السوائل لها علاقة بين الضغط ودرجة حرارة غليانها. يمكن رسم النتيجة بمنحنى تشبع. يمكن رؤية منحنى التشبع للماء في الشكل 7.1.4.
يوضح الشكل 7.1.4 كيف سيسبب تغيير درجة حرارة 5 درجات مئوية عند 150 درجة مئوية تغييرًا في ضغط النظام بمقدار 0.65 بار. في أسفل المقياس، يُسبّب تغيير درجة حرارة 5 درجات مئوية فقط تغييرًا في ضغط النظام بمقدار 0.18 بار. وبالتالي لنفس تغيير درجة الحرارة، سيتحرك الصمام مقدارًا أكبر في الطرف العلوي من نطاق درجة الحرارة مقارنة بالطرف السفلي.
لذلك لتحريك الصمام من المفتوح بالكامل إلى المغلق بالكامل يتطلب تغييرًا أكبر في درجة الحرارة في الطرف السفلي من النطاق مقارنة بالعلوي. غالبًا ما يقترح مصنّعو أنظمة تحكم توتر البخار هذه استخدام التحكم فقط في الطرف العلوي من نطاقه، لكن هذا يعني أن لتغطية مدى معقول من درجات الحرارة، تُستخدم مواد ملء مختلفة (بما في ذلك الماء، و الكحول الميثيلي، والبنزين).
بدلاً من ذلك، يُعطي نظام الملء بالسائل علاقة خطية حقيقية بين تغيير درجة الحرارة وحركة الصمام، إلى حد كبير لأن السائل غير قابل للانضغاط. يمكن معايرة درجة الحرارة المُعيَّنة بالدرجات وليس فقط سلسلة من الأرقام. لا يوجد لبس حول ضبط درجة الحرارة المُعيَّنة؛ مما يقلل من وقت التشغيل الأولي. أيضًا، يمكن إجراء الضبط، الذي يتم عن طريق تغيير كمية المساحة المتاحة للسائل المملوء، في أي مكان بين صمام التحكم والمستشعر. هذا ليس كذلك مع أنظمة توتر البخار، التي عادةً لا يمكن ضبطها إلا عند صمام التحكم.
- صمامات تحكم توتر البخار تتسرب أحيانًا عبر الساق. لتجنب التكلفة الإضافية لآلية ختم بيلوز ثانية، يستخدم معظم مصنّعي أدوات تحكم توتر البخار ختمًا ميكانيكيًا على ساق الصمام. تميل هذه إما إلى أن تكون فضفاضة جدًا، مما يسبب تسريبات؛ أو ضيقة جدًا، مما يسبب احتكاكًا زائدًا بالمحور وتصادم الصمام.
- في الأنظمة السائلة، بسبب أن حركة الصمام تتناسب حقًا مع تغيير درجة الحرارة وختم الصمام خالٍ من الاحتكاك، فإن التحكم في درجة الحرارة لديه نطاق تشغيل عالٍ جدًا ويمكنه التحكم عند أحمال خفيفة جدًا.
يمكن تقسيم الصمامات المستخدمة مع أنظمة التحكم الذاتية في درجة الحرارة إلى ثلاث مجموعات:
- صمامات ثنائية المنفذ مفتوحة عادةً.
- صمامات ثنائية المنفذ مغلقة عادةً.
- صمامات خلط أو تحويل ثلاثية المنفذ.
صمامات تحكم ثنائية المنفذ مفتوحة عادةً
هذه الصمامات مخصصة لتطبيقات التدفئة، وهو النوع الأكثر شيوعًا من التطبيقات. تُحافَظ في وضع مفتوح بواسطة نابض. بمجرد تشغيل النظام، أي ارتفاع في درجة الحرارة، يُكتشف بواسطة المستشعر، سيُسبّب تمدد السائل وبدء إغلاق الصمام، مما يقيّد تدفق وسيلة التدفئة.
صمامات تحكم ثنائية المنفذ مغلقة عادةً
هذه الصمامات مخصصة لتطبيقات التبريد. تُحافَظ في وضع مغلق بواسطة نابض. عندما يكون النظام قيد التشغيل، أي ارتفاع في درجة الحرارة سيُسبّب تمدد السائل وبدء فتح الصمام، مما يسمح لوسيلة التبريد بالتدفق.
القوة المطلوبة لإغلاق صمام تحكم ذاتي
القوة الإغلاقية المطلوبة على سدادة الصمام هي حاصل ضرب مساحة فوهة الصمام وفرق الضغط كما هو موضح في المعادلة 7.1.1.لاحظ أنه بالنسبة لصمامات البخار ثنائية المنفذ، يجب أخذ فرق الضغط كضغط البخار المطلق الصاعد؛ بينما بالنسبة لصمامات المياه ثنائية المنفذ سيكون الحد الأقصى لضغط المقياس للناقص خسارة الضغط على طول الأنبوب بين المضخة ومدخل الصمام.
مثال 7.1.1
احسب القوة المطلوبة لإغلاق الصمام إذا كان قطر فوهة صمام البخار 20 مم وضغط البخار 9 بار g. (الحد الأقصى لفرق الضغط هو 9 + 1 = 10 بار مطلق).
هذا يعني أن المُنشِّئ يجب أن يوفر 314 نيوتن على الأقل لإغلاق صمام التحكم כנגד ضغط البخار الصاعد 9 بار g.
يمكن ملاحظة من المثال 7.1.1 أن القوة المطلوبة لإغلاق الصمام تزداد مع مربع القطر. هناك كمية محدودة من القوة المتاحة من المُنشِّئ، ولهذا السبب ينخفض الضغط الأقصى الذي يمكن أن يُغلق الصمام כנגדه مع زيادة حجم الصمام.
هذا سيُقيد فعليًا أدوات التحكم الذاتية في درجة الحرارة إلى الضغوط المنخفضة في الأحجام فوق DN25، لولا وجود مرافق الموازنة. يمكن تحقيق الموازنة بواسطة بيلوز أو ترتيب مقعد مزدوج. صمامات البيلوز المتوازنة
في صمام البيلوز المتوازن، يُستخدم بيلوز موازنة بنفس المساحة الفعالة لفوهة المقعد لمواجهة القوى المؤثرة على سدادة الصمام. يُشكّل ثقب صغير في وسط ساق الصمام أنبوب توازن، يسمح بنقل الضغط من الجانب الصاعد لسدادة الصمام إلى غلاف البيلوز (انظر الشكل 7.1.5). بشكل مماثل، تُضغط القوى على سدادة الصمام داخل البيلوز. لذلك يكون فرق الضغط عبر البيلوز هو نفسه عبر سدادة الصمام، ولكن بما أن القوى تعمل في اتجاهات معاكسة فإنها تُلغي بعضها البعض.
عادةً ما تُصنع باليلوزات الموازنة إما من:
- البرونز الفوسفوري.
- الفولاذ المقاوم للصدأ، الذي يسمح بضغوط ودرجات حرارة أعلى.
صمامات التحكم ذات المقعد المزدوج
صمامات التحكم ذات المقعد المزدوج مفيدة عندما يُطلب تدفق سعة عالية ولا يُشترط إحكام الإغلاق. يمكنها الإغلاق כנגד فروق ضغط أعلى من الصمامات ذات المقعد المفرد بنفس الحجم.这是因为 صمام التحكم يتكون من سدادتين على محور مشترك مع مقعدين م correspondingين، كما هو موضح في الشكل 7.1.6. القوى المؤثرة على سدادتي الصمام متوازنة تقريبًا. على الرغم من أن فرق الضغط يحاول إبقاء إحدى السدادتين بعيدة عن مقعدها، إلا أنه يدفع السدادة الأخرى نحو مقعدها.
ومع ذلك، فإن التصنيع الدقيق اللازم لتصنيع مكونات صمام التحكم يجعل من الصعب تحقيق إحكام إغلاق. لا يُحسّن هذا أن السدادة السفلى ومقعدها أصغر من نظيرتها العلوي، مما يُمكّن من إزالة المجموعة بالكامل للصيانة.
أيضًا، على الرغم من أن الجسم ومشغل الصمام من نفس المادة، فإن التغيرات الدقيقة في الكيمياء للأجزاء الفردية يمكن أن تؤدي إلى تغيرات طفيفة في معاملات التمدد، مما يؤثر سلبًا على الإغلاق. لا ينبغي استخدام صمام تحكم ذي مقعد مزدوج كجهاز أمان مع حماية حد عالٍ.
صمامات التحكم ذات فتحات النزح الثابتة الداخلية
عادةً ما يتطلب الصمام المغلق عادةً نزحًا ثابتًا (الشكل 7.1.7) للسماح بكمية صغيرة من التدفق عبر صمام التحكم عندما يكون مغلقًا تمامًا. يُشار أحيانًا إلى صمامات التحكم الذاتية المغلقة عادةً على أنها ذات عمل عكسي (RA).
تطبيق نموذجي لهذا النوع من الصمامات هو التحكم في تدفق مياه التبريد (المبرد) لمحرك صناعي مثل ضاغط الهواء (الشكل 7.1.8). صمام التحكم، الذي يتحكم في تدفق المبرد عبر المحرك، موجود قبل المحرك ويسجل المستشعر درجة حرارته عند خروجها من المحرك.
إذا كان المبرد الخارج من المحرك أكثر سخونة من نقطة التعيين، يفتح صمام التحكم للسماح بمزيد من المبرد عبر الصمام. ومع ذلك، بمجرد وصول الماء الخارج من المحرك إلى درجة الحرارة المُعيَّنة المطلوبة، سيُغلق الصمام مرة أخرى. بدون فتحة نزح، لن يتدفق المبرد بعد الآن وسيستمر في امتصاص الحرارة من المحرك. بدون أن يستشعر المستشعر المنحدر أي ارتفاع في درجة الحرارة، من المحتمل أن يسخن المحرك بشكل مفرط.
إذا كان لصمام التحكم فتحة نزح بقطر ثابت، يمكن لكمية كافية من مياه التبريد التدفق عبر الصمام للسماح للمستشعر المنحدر بتسجيل درجة حرارة تمثيلية عندما يكون الصمام مغلقًا. هذه الميزة ضرورية عندما يكون المستشعر بعيدًا عن مصدر حرارة التطبيق.
قد يكون للصمام المغلق عادةً أيضًا جهاز قابل للصهر اختياري (انظر الشكل 7.1.7). يذوب الجهاز في حالة الإفراط في الحرارة، مما يزيل شد النابض على سدادة الصمام ويفتح الصمام للسماح لمياه التبريد بالدخول إلى النظام. من الشائع مع هذا النوع من أجهزة الأمان أنه بمجرد ذوبان الجهاز القابل للصهر، لا يمكن إصلاحه ويجب استبداله.
صمامات التحكم ثلاثية المنفذ
****معظم صمامات التحكم المستخدمة مع أنظمة التحكم الذاتية ثنائية المنفذ. ومع ذلك، يوضح الشكل 7.1.9 صمام تحكم ذاتي ثلاثي المنفذ من نوع المكبس. ميزة هذا النوع من تصميم الصمام تسمح باستخدام نفس الصمام إما للخلط أو تحويل تطبيقات المياه؛ هذا ليس هو الحال عادةً مع الصمامات التي تتطلب مُنشِّئات كهربائية أو هوائية.
التطبيقات الأكثر شيوعًا هي لتدفئة المياه، ولكن يمكن أيضًا استخدام صمامات التحكم ثلاثية المنفذ في تطبيقات التبريد مثل مبردات الهواء، والدوائر المُضخوخة في تطبيقات التدئة والتهوية وتكييف الهواء. عندما يُستخدم صمام تحكم ثلاثي المنفذ كصمام خلط (انظر الشكل 7.1.10)، يُستخدم المنفذ ذو الحجم الثابت ‘O’ كمخرج مشترك.
عندما يُستخدم صمام تحكم ثلاثي المنفذ كصمام تحويل (انظر الشكل 7.1.11)، يُستخدم المنفذ ذو الحجم الثابت كمدخل مشترك.
صمام التحكم ثلاثي المنفذ المكتفي ذاتيًا
نوع آخر من صمامات التحكم الذاتية ثلاثية المنفذ يحتوي على جهاز استشعار حرارة مدمج وبالتالي لا يتطلب متحكم حرارة خارجي للتشغيل.
يمكن استخدامه لحماية غلايات المياه الساخنة منخفضة الحرارة (LTHW) من تآكل أنبوب اللهب خلال تسلسلات بدء التشغيل عندما تكون درجة حرارة مياه الإرجاع الثانوية منخفضة (انظر الشكل 7.1.12). عند بدء التشغيل، يسمح الصمام للمياه الباردة الثانوية بالتجاوز حول النظام الخارجي والتدفق عبر دائرة الغلاية. هذا يسمح للماء في الغلاية بالسخونة بسرعة، مما يُقلل من تكثيف بخار الماء في غازات المدخنة. مع سخونة ماء الغلاية، يُمزج ببطء مع الماء من النظام الرئيسي، مما يحافظ على الحماية بينما يُرتقى النظام الكامل ببطء إلى درجة الحرارة.
يمكن أيضًا استخدام هذا النوع من صمامات التحكم على أنظمة التبريد مثل تلك الموجودة في ضواغط الهواء (الشكل 7.1.13).
