Design and optimisation of a 3 way electro-actuated valve for HVAC systems

The thesis aims to explain the methods used to select and optimize an electrically actuated three-way valve and to speed up the rotation of the electric actuator which will be coupled with the valve. In the first chapter, the operation of a three-way valve is explained, as well as its placement within a heat pump system and the specifications it must meet. The operation and characteristics of the valves are illustrated through fluid dynamics principles, and using these principles, it is possible to compare different types of valves. For this evaluation, two calculation programs were developed based on the fluid dynamics laws presented in manuals. In the second chapter, the main stages of creating the test bench for the actuators are explained, along with the modifications made to the actuator to improve its performance. The test bench was built to test the lifespan of the actuators under real working conditions, whereas previously, lifespan tests were conducted without load. The design of the test bench required sizing the shaft-wheel coupling, checking the stresses and constraint reactions, and calculating the bearing life. From the lifespan tests and performance analyses of the actuator, some issues that worsened its performance were identified. Solutions were proposed, and modifications were made to achieve higher rotation speeds. In the third chapter, CFD analyses were carried out to assess pressure losses and select the best internal valve design, also considering the valve’s intended use. Subsequently, the first plastic prototype was made, useful for sizing the sealing seats. At the end, tests were performed in order to evaluate the coupling between the valve and the actuator, using prototypes of the valve.

La tesi ha l’obiettivo di spiegare i metodi utilizzati per selezionare e ottimizzare una valvola a tre vie elettro attuata e velocizzare la rotazione dell’attuatore elettrico con il quale verrà accoppiata. Nel primo capitolo viene spiegato il funzionamento di una valvola a tre vie, il suo collocamento all’interno di un impianto a pompa di calore e le caratteristiche che deve rispettare. Il funzionamento e le caratteristiche delle valvole sono spiegati attraverso le regole della fluidodinamica e utilizzando queste regole è possibile fare un confronto tra le varie tipologie di valvole. Per questa valutazione sono stati costruiti due programmi di calcolo sulla base delle leggi fluidodinamiche illustrate nei manuali. Nel secondo capitolo vengono spiegate le fasi principali della realizzazione del banco prova per gli attuatori e le modifiche apportate all’attuatore per migliorare il suo rendimento. Il banco prova è stato realizzato per testare la vita degli attuatori nelle condizioni di lavoro reali, mentre in precedenza i test di vita erano fatti a vuoto. La progettazione del banco ha richiesto il dimensionamento dell’accoppiamento albero ruota, la verifica degli sforzi e delle reazioni vincolari, la durata dei cuscinetti. Dai test di vita e dalle analisi sulle prestazioni dell’attuatore, sono state individuate delle problematiche che ne peggioravano le prestazioni. Sono state proposte delle soluzioni e sono state apportate delle modifiche per raggiungere velocità di rotazione maggiori. Nel terzo capitolo sono state fatte delle analisi CFD per la valutazione delle perdite di carico e scegliere il miglior design interno della valvola, considerando anche l’impiego della valvola. Successivamente, è stato fatto il primo prototipo in plastica, utile al dimensionamento per le sedi di tenuta. Infine, sono state fatte delle prove con delle valvole campione per testare l’accoppiamento tra la valvola e l’attuatore.