FI75682C - Pao kaskadstyrning baserande foerfarande foer floedesreglering. - Google Patents

Description

1 75682

KASKADIOHJAUKSEEN PERUSTUVA MENETELMÄ VIRTAUKSEN SÄÄTÄMISEKSI

Keksinnön kohteena on kaskadiohjaukseen perus-5 tuva patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen menetelmä väliaineen tilavuusvirran säätämiseksi virtauska-navassa, johon sijoitettua venttiiliä säädetään sopivien suureiden kuten paineen, tilavuusvirran ja/tai esim. lämpötilan tai muun ilmaisimen kuten C02-pitoisuuden 10 ilmaisimen perusteella.

Patenttijulkaisuissa FI 65500, US 4,429,709 ja CA 1 172 518 on esitetty kaskadi-ilmiöön perustuva menetelmä väliaineen tilavuusvirran säätämiseksi. Menetelmässä säädetään virtauskanavaan sijoitettua venttii-15 liä sopivien suureiden kuten esim. kanavassa vallitsevan paineen ja/tai virtaavan väliaineen lämpötilan perusteella siten, että virtauskanavaan yhdistetään ympäristöstä tai muusta sopivasta vertailutilasta ohjausvirtaus-kanava, jossa kulkevaa väliaineen ohjaustilavuusvirtaa 20 säädetään sinänsä tunnetun kaskadivirtaukseen perustuvan menetelmän (FI 60069) avulla, jossa mainitun ohjausvir-tauskanavan yhteyteen järjestetään edullisimmin sylinte-rimäinen tila, jossa on päätyseinämät, joista toinen on järjestetty liikkuvaksi ja joka tila on ensimmäisellä 25 aukolla (d^) yhdistetty vertailu- eli tulopaineen (pi) puolelle ja toisella aukolla (d2> lähtöpaineen eli kanavassa vallitsevan paineen (P3) puolelle ja jossa sylinterimäisen tilan paineen (P2) säätö saadaan aikaan muuttamalla aukkojen (d^, d2) keskinäistä pinta-alasuh-30 detta liikkuvaan seinämään kiinnitetyn, säätöelimenä toimivan männän tai vastaavan avulla ja/tai aukkojen pinta-alasuhdetta sy1 interimaisen tilan ulkopuolelta säätäen niin, että virtauksen säätämisessä tarvittava virtausaukkoa kuristava ja virtauksen säätämiseen tar-35 vittava mäntävoima kullakin hetkellä ja paine-erolla on yhtä suuri kuin sitä vastustavien virtaus- ja muiden voimien summa ja liikkuvan seinämän ja samalla männän 2 75682 siirtymä välitetään edelleen kanavaan asennetun venttiilin läpän tai vastaavan asennon säätöliikkeeksi.

Olkoon mainittujen patenttien mukaisessa laitteessa päävirtauksen aiheuttama karan suuntainen voima 5 = Ff, toimisylinterissä vaikuttava alipaineen aiheuttama voima (P2~Pl)A, jossa A = toimisy1interin pinta-ala ja olkoon jousivoima = Fs. Tällöin vaikuttavat Ff ja (P2”P1)A sulkevaan ja Fs avaavaan suuntaan. Tällöin on tasapainoyhtälö muotoa 10

Fa - (P2"Pl)A-Ff = 0 (i)

Mainituissa patenteissa on otettu käyttöön toimilaitteen sisäinen painesuhde N siten, että 15 p2-P3 N ___ (2) P1-P3 20 ottaen huomioon, että p2 " p3 \ P1 “ P2 " (P1 " P3)(1 ~ p~ - pj - 4P il - N) . voidaan tasapainoyhtälö (1) kirjoittaa muotoon 25

, FfFB

' (3) »

Toisaalta on mainittujen patenttien selostuk-30 sissa annettu N-arvo ohjausaukkojen pinta-alasuhteen avulla muodossa N" "7 /d2\4 ’ (4) k w) * * 35 • » 3 75682 jossa k = aukkojen d^, d2 häviökertoimien ja vastaavien tiheyksien osamäärien tulo ja otetaan sen arvoksi seu-raavassa k = 1.

Kutakin vakiota tilavuusvirtaa vastaan oma 5 d2~aukkoa muuttavan ohjaskartion geometria, jolla tasa-painoyhtälö (1) toteutuu. Yhdistämällä yhtälöt (3) ja (4) havaitaan, että tasapaino vallitsee tilavuusvir-ralla V = Vs, kun suutinaukot di ja d2 on valittu niin, että 10 di (5) jossa ΓΑ Äp(x,V ) - F_(x,V ) + F (x)l1^4 “ t" rfi^u» S I' ,6>

Koska d2 on vain x:n funktio, d2 = d2(x)* seuraa yhtälöstä (5), että d^rn tulee olla sekä x:n että Vs:n funktio, di = di(xi,Vs). Jokaista uutta arvoa 20 Vs vastaa uusi di, di = di(xi, Vs).

Tarkka ratkaisu tasapainolle voidaan toteuttaa mittaamalla x käyttäen tätä arvoa yhdessä arvon Vs kanssa, jolloin oikea di voidaan laskea yhtälön (5) perusteella. Asennon x asemasta voidaan luonnollisesti 25 mitata myös paine-ero Δ p. Tämä mittaustulos yhdessä : tunnetun funktion Λ p(xi,Vs) kanssa antaa tasapainoasen- • non x, joka on toinen kuin uuden asennon x.

Likiarvoratkaisu voidaan löytää muuttamalla yhtälö (5) tulomuotoon 30 *<x,vo> * gjlx) g2<V ,7) jolloin di on riippuvainen vain tilavuusvirrasta Vs, di = di(Vs)· Silloin yhtälö (5) toteutuu valitsemalla 35 d!(Ve) = g2(Ve) d2(x) a l/gi(x) (9) 4 75682

Sopiva jousen ja venttiilin itsenäinen geometrian valinta parantavat likiarvotulosta. Paras likiarvo-tulos saadaan numeerisella optimoinnilla.

Mainittujen patenttien mukaisessa laitteessa 5 muutetaan tasapainoyhtälöä (1), uutta tilavuusvirtaa vastaavaksi muuttamalla sen tekijöitä Ff ja F g säätämällä samanaikaisesti sekä päävirtauksen säätöelimen, esim. läpän asentoa että jousen puristumaa karassa olevan säätölaitteen avulla.

10 Kuten edellä olevasta ilmenee, vaatii tarkan vakiotilavuusvirran aikaansaaminen mainitulla laitteella arvoja x tai p mittaavan tunnusteluelimen, laskentayksikön ja sen ohjaaman toimilaitteen ohjaamaan d^-aukkoa. Näin ollen, kun d2~aukkoa ohjaavan kartion 15 muoto on kiinteä, voidaan patenttien mukaisella laitteella saavuttaa vain likiarvo. Lisäksi laitteessa tarvitaan läpän ja jousen säätölaitteet, jotka nostavat sen kustannuksia.

Keksinnön tarkoituksena on edellä mainittujen 20 epäkohtien välttäminen ja sellainen kaskadiohjaukseen perustuvan menetelmän toteuttaminen, jolla vakiona pidettävän tilavuusvirran alue voidaan valita tarkasti ohjaamalla d^-aukkoa ilman, että siihen tarvitaan arvoja x tai Δ p. Tämä saadaan aikaan niiden keksinnön tunnus-25 omaisten piirteiden avulla, jotka on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa.

»

Keksinnön mukainen menetelmä ei ole sidoksissa mininkään erityiseen järjestelmään, sovellutukseen tai väliaineeseen ja sitä voidaan muunnella monin tavoin .· 30 eri tarkoituksia varten. Sitä selitetään seuraavassa yksityiskohtaisesti säädettävän vakiovirtausventtiilin avulla, joka on eräs sen mahdollisista sovellutuksista ilmastointitekniikan alueella. Selostukseen liittyvät piirustukset, joissa 35 kuvio 1 esittää halkileikattua venttiiliä toimilaittei- * * . neen päältäpäin katsottuna. Venttiiliä säädetään käsin • · · ohjattavalla termostaatilla.

* 5 75682 kuvio 2 esittää venttiilin toimintaa käyrästön avulla.

Kanavaan 1 on asennettu paine-erokynnyksen aiheuttava virtauseste tai vastaava. Tässä tapauksessa virtauseste on mittauskoteloon 2 sijoitettu mittalaip-5 pa 3, jossa virtaus aiheuttaa sen yli paine-eron

I I I

Pl “P3 . Koska p3 on mitattu välittömästi laipan takana, on P3' huomattavasti pienempi kuin P3, joka on venttiilipesän 10 paine venttiilin tulopuolella pyörre-virtauksen jo tasaannuttua.

10 Venttii 1 ipesään 10 on laakeroitu porttivent- tiili 11, joka muodostaa sylinteripinnan ja voi olla leikattu sopivan venttiilikarakteristiikan antavaan muotoon. Venttiili kiertyy keskeisesti porttiin 12 nähden, mutta voi olla laakeroitu myös epäkeskeisesti 15 niin, että se kiertyessään irtoaa hieman portista. Lisäksi se voi olla tasapainotettu koko laitteen asennon niin vaatiessa. Porttiventtiilin takana vallitsee paine p4.

Porttiventtiiliin 11 on kiinnitetty jouset 20 13 ja 14 sellaisiin asennuskulmiin, että saatujen mo- menttikäyrien summakäyrä antaa karalle 33 välitangon 16 avulla vakion suuntavoiman, joka pyrkii avaamaan venttiiliä. Suunta voidaan vaihtaa myös päinvastaiseksi vaihtamalla toimilaitteen työnsuuntaa ja jousivoima 25 voidaan korvata gravitaatiovoimalla esim. painon avulla.

Venttiilipesän 10 yhteyteen on asennettu ohjaus-kotelo 20, jossa vallitsee yhdysputken 21 välityksellä paine p3'.

Ohjauskotelossa 20 sijaitsevaan kaskaditoimi-. 30 laitteeseen 30 tuodaan ohjauspaine P2', joka määräytyy aukkojen d3 ja d2 suhteen avulla kaavan (4) mukaisesti. Toimilaite 30 käsittää kiinteästi asennetun sylinterin pohjan 31, lineaarilaakerin 32 ja karan 33 varassa liikkuvan männän 34, joka on yhdistetty palkeella tai 35 vierintätiivisteel lä ilmatiiviisti sylinterin pohjaan 31. Karalle 33 on asennettu tarpeen vaatiessa ohjaus-*: kartio 35 kompensoimaan esim. jousivoimien virhettä. Toi- 6 75682 mi laite 30 on yhdistetty yhdysputkella säätimestä 22, jossa aukkoa di ohjaa termostaatti 23. Ohjausilma paineella pi tuodaan yhdysputken 24 välityksellä saatimelle 22, josta se aukon d^ ohjaamana jatkaa toimilaitteen 5 31 yhdysputken 25 välityksellä. Yhdysputkien halkaisi joiden tulee olla ohjausaukkojen dlf d2 monikertoja.

Koska virtaus porttiventtiilissä ei aiheuta siihen vääntömomenttia, kun se on sopivasti muotoiltu, on virtausvoima Ff = 0 ja kun jousivoimien summa on 10 vakio, on tasapainoyhtälö yksinkertaisesti (P2· - P3')A * Fs , (10) jossa A on toimisylinterin 31 pinta-ala ja Fs on jousi-15 voimien summavoima = vakio.

Kun tässä erikoistapauksessa paine-ero pi' -P3' = 4 P1 riippuu vain tilavuusvirrasta, P1 “ p3 * ^P^). (11) 20 Näin ollen tasapainoyhtälö (10) antaa A tp'(V) . f /d,\4 B ’ (12)

Ui) + 1 25 Paine-ero p, joka määrää ohjausvirtauksen on nyt riippumaton karan 33 asemasta x. Näin ollen * * suutin d2 ja jousivoima Fs voidaan molemmat valita ** x:stä riippumattomiksi vakioiksi. Näin ollen yhtälön .: 12 tasapainotila ylläpitää tilavuusvirtaa V = Vs, jos 30 di on määrätty yhtälön d f . . F \ 11/4 r - t)J 1131 ψ • * ·, 35 avulla. Venttiilin toimintaa voidaan selostaa kuvion ··» 2 avulla, jossa x-akseli esittää karan liikettä oikealle 7 75682 niin, että venttiilin suljetta asento vastaa origoa. Pystyakselilla alaspäin on päävirtauksen tilavuusvirta venttiilin yli mitattujen paine-erojen p^, p2, P3, P4 ja p5 funktiona ja ylöspäin ohjausvoimat Fmi, Fm2 5 ja Frri3, jotka ovat tilavuusvirtojen Vi, V2 ja V3 mitta-laipassa 3 synnyttämien paine-erojen avulla saatuja mäntävoimia. Samaan akselistoon on sijoitettu myös vakio jousien summavoima Fj (=FS).

Jos esim. paine-ero venttiilin yli kasvaa 10 karan asennolla x^, paine-erosta P4 paine-eroon P5, kasvaa tilavuusvirta tason V2 pisteestä b pisteen e tasolle, jolloin paine-ero Δ p kasvaa lisäten ohjausvoimaa Fm2 pisteestä f pisteeseen g. Kun samalla N-arvo, joka = Fj/Fm2 on nyt liian suuri, siirtyy kara sulkevaan 15 suuntaan asemaan x2, jossa N-arvo on sama paine-erolla P5-

Jos venttiiliä siirretään karan asennosta X4 asentoon X3 eli avataan, kasvaa ti1avuusvirta pisteen i tasolle tasosta V2, jolloin A p1 kasvaa ja ohjausvoima 20 kasvaa pisteestä j pisteeseen k. Samasta syystä kuin edellä siirtyy kara sulkevaan suuntaan takaisin pisteeseen X4, jossa N-arvo toteutuu paine-erolla p2·

Jos N-arvoa suurennetaan paine-erolla p2 ja karan asennolla X5 esim. suurentamalla aukkoa d]_, käsi-25 ohjauksella tai termostaatin tai muun toimilaitteen avulla, .kasvaa ohjausvoima Fm3 pisteestä n pisteeseen o, jolloin venttiili sulkeutuu karan asentoon X5 asti, jossa N-arvo on uudelleen sama, mutta nyt alemmalla pisteen q määräämällä tasolla paine-erokäyrällä P2.

30 Kuten kuviosta 2 ilmenee, N-arvot ovat vakioita yli paine-eroalueen p^ - ρς kaikilla tasoilla Vs, joten tilavuusvirran säätö voidaan suorittaa portaattomasti aukon d^ avulla.

35

Claims (6)

1. 8 75682
2. 1. Menetelmä väliaineen tilavuusvirran säätämiseksi virtauskanavassa, johon sijoitettua venttiiliä 5 säädetään sopivien suureiden kuten esim. kanavassa vallitsevan paineen ja/tai virtaavan väliaineen lämpötilan perusteella käyttämällä hyväksi kaskadivirtaukseen perustuvaa menetelmää, jossa virtauskanavan yhteyteen järjestetään edullisimmin sy1interimäinen tila, jossa 10 on päätyseinämät, joista ainakin toinen on järjestetty liikkuvaksi ja joka tila on ensimmäisellä aukolla (d^) yhdistetty tulopaineen (pj_') puolelle ja toisella aukolla (d2) lähtöpaineen {P3') puolelle ja jossa sylinteri-mäisen tilan paineen (p2*) säätö saadaan aikaan muutta-15 maila aukkojen (d^, cl2) keskinäistä pinta-alasuhdetta liikkuvaan seinämään kiinnitetyn säätöelimenä toimivan männän (33, 34) tai vastaavan avulla ja/tai aukkojen pinta-alasuhdetta sy1interimäisen tilan ulkopuolelta säätäen niin, että virtauksen säätämisessä tarvittava 20 virtausaukkoa kuristava ja säätämiseen tarvittava mäntä-voima kullakin hetkellä ja paine-erolla on yhtä suuri kuin sitä vastustavien voimien summa, ja siten, että virtauskanavaan yhdistetään tulopaineen (pj_‘) puolelta ohjausvirtauskanava, jossa kulkevaa väliaineen ohjausti-25 lavuusvirtaa säädetään mainitun kaskadivirtaukseen " perustuvan menetelmän avulla, jossa ohjausvirtauskanavan yhteyteen on järjestetty mainittu sylinterimäinen tai vastaava tila, ja jossa liikkuvan seinämän ja samalla männän siirtymä välitetään edelleen kanavaan asetetun 30 venttiilin tai vastaavan asennon säätö liikkeeksi, tunnettu siitä, että tulopaine (pi‘) ja lähtö-paine (p3') ovat kanavaan sijoitetun virtausesteen (3) tai vastaavan yli muodostuvan paine-eron (Ρι'-ρβ') paineet.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että virtausesteenä käytetään aukolla varustettua levyä kuten mittalaippaa (3). 9 75682
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että venttiilinä käytetään sy1interipinnan (11) omaavaa porttiventtiiliä.
5. 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, 5 tunnettu siitä, että venttiilin sylinteripintaan (11) on järjestetty vaikuttamaan kaksi jousta (13, 14), jotka ovat kulmassa toistensa suhteen siten, että jousien summavoima on vakio. 10 75682
6. 1. Förfarande för reglering av vo lymströmmen av ett medium i en strömningskana1, varvid en i kanalen 5 placerad ventil regleras pa basis av lämpliga storheter sasom t.ex. det i kanalen rädande trycket och/eller temperaturen av det strömmande mediet genom utnyttjande av ett pä ka s kad s t rörnn i ng sig grundande förfarande, varvid i samband med strömningskanalen anordnas ett 10 fördelaktigast cylindriskt utrymme, som uppvisar gavel-väggar, av vilka ätminstone den ena är anordnad rörligt och vilket utrymme är med en första öppning (d^) förenat med en sida med ett ingängstryck (pj_') och med en andra öppning (d2) med en sida med ett utgängstryck {P3') 15 och varvid regiering av trycket (P2') i det cylindriska utrymmet ästadkoms genom ändrinq av öppningarnas (d]_, d2) inbördes ytinnehäl1sförhällande med hjälp av en vid den rörliga väqgen fäst, som reglerorgan fungerande kolv (33, 34) eller motsvarande och/eller qenom regle- 20 ring av öppningarnas ytinnehä11 s forhi 1 lande frän utsidan av det cylindriska utrymmet, sä att den vid regleringen av strömningen erf order 1 iga , strömningsöppningen strypan-de och för regleringen erforderliga kolvkraften vid . . vart och ett ögonblick och var och en tryckski 1 lnad .* 25 är lika stor som summan av de krafter som motverkar " denna, och sä att ined strömningskanalen förenas pä sidan med ingängstrycket (p^') en styrströmningskanal, varvid den i denna strömmande styrvolymströmmen av mediet regleras med hjälp av nämnda ρά kaskadströmning - 30 sig grundande förfarande, varvid i samband med styr- strömningskanaIen är anordnat nämnda cylindriska eller motsvarande utrymme och varvid förskjutningen av den rörliga väggen och samtidigt koiven förmedlas vidare som en rörelse för regiering av läget av den i kanalen 35 placerade ventilen eller motsvarande, k ä n n e -tecknat därav, att ingangstrycket (pj_·) och utgängstrycket (Ρβ') är tryck hos en tryckski1lnad