شیر های کنترلی control valve

شیرهای کنترلی CONTROL VALVE ساختمان و انواع

شیرهای کنترلی بر اساس  تعریف درج شده در استاندارد  ISA-S 75.05 شامل دستگاهایی است که با اعمال یا استفاده از نیرویی بجز نیروی دست کار می کنند و میزان و شدت جریان سیال را درامر کنترل  یک سیستم فرآیندی را تنظیم می کند. در واقع می توان گفت شیر کنترل یک شیر است که به یک سیستم عملگر actuator که توانایی اعمال تغییر در عنصر کنترل کننده سیال را دارد متصل است . این تغییر بر مبنای سیگنالی است که از سیستم کنترل دریافت می کند.

شیرهای کنترلی نقش مهم و کلیدی در صنایع فرآیندی بر عهده دارد و بخش عمده از هزینه های یک فرآیند مروبط به شیرهای کنترل و قطعات و سیستم های جانبی مانند درایوها و عملگرها می باشد.

در بازه زمانی از سال 1950 تا 1980 کاربرد شیرهای کنترل از نوع Rotary یا دورانی از 1% به 50% رسیده است . اولین نوع از شیرهای Rotary پروانهای نام دارد .

شیرهای Rotary از لحاظ عملکرد و هزینه دارای مزایای زیادی نسبت به شیرهای خطی هستند.

شیرهای با نام  Straight-through یا عبور دهنده مستقیم دارای ظرفیت جریانی (Cv )بالاتری می باشند ولی از سوی دیگر به عنوان شیرهای High Recovery یا توانایی بازیافت زیاد بشمار می آیند . این گروه از شیرها مستعد برای ایجاد Chocking گرفتگی و Cavitation یا ایجاد حباب هستند.

باید توجه داشته باشید از لحاظ وزن و ابعاد شرایط بهتری دارند . شیر های Rotary دارای دامنه محدودتری از دما و فشار نسبت به شیر های Globe یا کره ای هستند.

در گذشته انتخاب شیرهای کنترل بر اساس پارامتر های اولیه ای مانند دامنه جریان افت فشار ، Pressure rating فشار نامی و … بود . ولی امروزه بیشتر بر میزان هزینه تاکید می شود . بر این اساس شیرهای کنترل باید از نظر هزینه های اولیه و تعمیرات مناسب باشند . البته این شرایط باید همراه با خواص کنترلی خوب باشد.

از پارامترهای ثانویه برای انتخاب شیر کنترل می توان به نشتی های مجاز ، خصوصیات جریانی ، لجزت و سایش ، دما می باشد.

در کنار موارد ذکر باید مساله Noise یا میزان تولید سرو صدا و نیز نوع و شکل استفاده از محرک مناسب را در نظر داشت . شرایط موقعیت دهنده شیر Positioner شیر نیز مشخص شود .

سایزکردن شیر کنترل که به Valve Sizing نیز گفته می شود بستگی به پارامتر متغیری به نام Cv دارد.  برای تعیین و مشخص کردن پارامترهای شیر کنترل از استاندارد ISA استفاده می شود .

تعاریف و اصطلاحات

1 – عملگر Actuator

به بخشی یا قسمتی از شیر کنترلی که به وسیله جریان الکتریکی یا فشار سیال (پنیوماتیکی) به عضو یا قطعه مسدود کننده شیر کنترلی نیرو و یا حرکت اعمال می کند عملگر گفته می شود.

 

2 – Air Set

به وسیله ای گفته می شود که فشار هووای واحد کنترل برای استفاده در Positioner  و سایر وسایل مرتبط به سیستم کنترل شیر، را کاهش میدهد. که به آن Supply Pressure Regulator نیز می گویند . معمولا فشار آن حدود 20-35 Psi است.

 

3 – Av

ضریب جریان شیر در سیستم استاندارد بین المللی (SI )

4 – کلاس یا دره استاندارد ANSI Class

این مشخصه ای است که نشانگر یا معرف حد یا میزان تحمل در اثر فشار فشار سیال می باشد . با این هدف جدول هایی از طرف انجمن مهندسی مکانیک آمریکا برای هر آلیاژ تهیه و تدوین شده که در آن ها حداکثر فشاری که شیر می تواند در هر دمای مشخص تحمل نماید، قید گردیده است . برای مشخص کردن این مشخصه معمولا از کلمه Class و یک عدد در کنار آن استفاده می شود . مانند 150  Class

 

5 – بدنه یا Body

یکی از قسمت های اصلی شیر است که تحت فشار است . این قسمت شامل بخش ها و اتصالات به لوله (Connecting end ) و مسیر عبور جریان سیال است. این بخش یا قسمت از شیر همینطور محل لازم برای نشیمنگاه (Seat )و بندآور (Plug ) ایجاد نموده و در آن قرار می گیرد .

6 –  ساقه (Bonnet )

ساقه در واقع بخشی از شیر است که میله یا محور دسته عملگر شیر (Stem) در داخل آن حرکت می کند . به عبارتی به عنوان هدایت کننده (Guid) برای میله شیر عمل می کند . ساقه شیر همچنین جعبه آببند و آببندها را در خود جای می دهد . ساقه همچنین می تواند به شکل یکپاچه ، پیچی یا فلنجی ساخته شود.

7 – تقویت کننده Booster

می توان گفت تقویت کننده یک رله نیوماتیک است که کار آن کاهش تاخیر زمانی (Time Lag) در مدارهای نیوماتیکی است که این کار توسط تولید سیگنالهای خروجی حجم بالا و یا فشار بالا استفاده می شود. همچنین از آن  می توان به عنوان تقویت کنندة حجم (Volume Booster) و یا تقویت کنندة فشارنیوماتیکی  استفاده می شود .

8 – قفسه Cage

قطعه ای استوانه ای و سیلندر مانند توخالی است که خود بخشی از تریم شیر محسوب می شود. به عبارتی از این قطعه به عنوان هدایت کننده Guid برای هدایت بندآور بر روی نشیمنگاه استفاده می شود. در انواعی از شیرها قفسه Cage ممکن است دارای حفره ای با شکل های مختلف باشد که سبب بروز خصوصیات جریانی شیر های کنترل می شود . این قطعه همچنین به عنوان عضو کاهنده نویز و یا یک وسیله ضد کاویتاسیون Anti-Cavitation عمل می کند .

بهره عملکرد کنترل ولو Control Valve Gain

به وسیله منحنی هایی که به صورت منحنی مشخصه های شیر بیان می شود . این منحنی ها در واقع رابطه بین حرکت و میزان جریان عبوری از شیر بیان می کند .

تریم trim

در شیرهای کنترلی اصطلاح تریم به تمام قطعات فی داخلی شیر ها که با مایع فرآیند در تماس هستند ، اطلاق می شود. استم شیر ، صندلی ، پلاگ ، کیج و غیره.

دیافراگم Diaphragm

یک بخش  انعطاف پذیر و منعطف  در شیرهای کنترلی است که با توجه به فشار وارد آمده  به آن واکنش نشان می دهد واین  نیرو ناشی از فشار را به صفحه دیاگرام و به دنبال آن  به میله شیر (Stem) منتقل می کند.

سطح به سطح Face-To-Face

با اندازه فاصله بین سطح مربوط به ورودی تا سطح مربوط به خروجی شیر را بیان می کند. این ابعاد بر مبنای استاندارد ANSI/ISA تعیین می گردد.

شیر با بازیابی بالا High Recovery Valve

نوعی از طراحی شیر که در هنگام عبور سیال از آن مقدار کمی انرژی در آن تلف می شود . اغتشاش (Turbulency) نسبتا کمی در جریان سیال به وجود می آورد. در این نوع از شیرها بعد از گلویی و مخروط خروجی Vena Contracta در صد بالایی از فشار اولیه آنها بازیافت می شود . شیرهای روتاری Rotary از این دسته می باشند.

شیرهای بازیابی فشار کم Low Recovery Valve

نوعی از طراحی شیر است که سهم عمده ای از انرژی سیال به علت ایجاد اغتشاش Turbulency تلف می شود . علت این امر وجود مسیر های پیچ در پیچ در جریان سیال است . به علاوه بازیافت فشار بعد از ناحیه مخروط گلویی Vena Contracta بسیار کمتر از شیر های با بازیابی بالا High Recovery Valve می باشد . از این گروه از شیرها می توان به شیرهای کره Globe اشاره نمود.

سایز نامی لوله Nominal Pipe Size  NPS

مشخص کننده سایز لوله بر حسب اینچ است . این سایز توسط نوشتن کلمه NPS و بعد از آن یک عدد مشخص می شود.

مثال:  NPS 12

سایز نامی متریک (Nominal Size (DN

نشان دهنده مشخصه سایز متریک لوله (بر حسب میلی متر) که بر مشخص کردن آن از حروف DN و بعد از آن یک عدد استفاده می شود.  مثال10  DN

پلاگ Plug

این قطعه استوانه ای شکل است که در مسیر جریان قرار دارد که با یک حرکت خطی موجب تنظیم جریان سیال می شود . شکل این قطعه می تواند یک استوانه یا مخروط ناقص باشد . جریان سیال با عبور از درون آن و حرکت دورانی خود جریان سیال را تنظیم می کند.

پهنه یا دامنه پذیری Rangeability

پهنه یا رنج Range در شیرهای کنترلی مطرح است . در شیرهای کنترلی مفهوم پهنه محدوده ای است شیر در آن محدوده عمل کنتر را انجام می دهد. این پهنه یا رنج عبارت است از فاصله یا نسبت حداکثر به حداقل جریان کنترل شونده. دامنه پذیری یا رنج پذیری معمولا در محدوده 10% و 100% حرکت یا جابجایی شیر در نظر می گیرند.

 

شیر عملکرد مع Reverse Acting Valve

این نوع از شیر کنترلی به شکل مع عمل می کند به این مفهوم که زمانی که سیگنال اعمال شده بر روی محرک شیر افزایش پیدا می کند . باعث باز شدن شیر می شود .

دسته بندی شیرها به لحاظ نوع حرکت

شیر های کنترلی را می توان از لحاظ شکل و نوع حرکت بندآور به دو دسته تقسیم کرد.

1. شیر کنترلی با حرکت خطی
2. شیر کنترلی با حرکت دوران

ویژگی های شیر کنترلی با حرکت خطی Linear Motion

1. دارای مسیر جریان پیچ و خم دار است .
2. از نوع شیرهای با زیافت فشار کم Low Recovery است .
3. دارای توانایی کنترل نرخ جریان Flow Rate کم است .
4. دارای طراحی ها متنوعی از لحاظ تریم trim است .
5. در حوزه فشار بالا مناسب است .
6. به شکل پیچی و فلنچی ساخته می شود.
7. درپوش یا Bonnet آن قابل جدا شدن است .

 

ویژگی های شیرهای حرکت دورانی Rotary Valve

1. مسیر جریان خطی Stream Lined می باشد.
2. در گروه شیرهای بازیافت بالای فشار High Recovery قرار می گیرد .
3. دارای ضرفیت های بالاتری نسبت به نوع خطی است .
4. سایش در این گروه شیرها کمتر است
5. در سیال های ساینده و غلیظ و دوغ آبها مورد استفاده دارد.
6. در طراحی آن نوع بدون فانج آن نیز وجود دارد
7. معمولا در پوش آن یکپارچه است
8. پهنه پذیری بالایی دارد

 

بدنه شیرهای کنترل

بدنه یک شیر کنترلی به قسمتی از شیر گفته می شود که در معرض فشار سیا قرار دارد . توجه داشته باشید که محل های اتصال Connecting ends به لوله ها نیز شامل بدنه می شود. می دانید که شیرهاد اصولا به دو گروه کلی تقسیم می شوند این تقسیم بندی بر مبنای حرکت بندآور شیر است. بر این اساس شیرهای کنترلی به دو دسته تقسیم می شوند .

1. Linear Motion Valve

2. Rotary Motion Valve

شیرهای کنترلی حرکت خطی

شیر کره ای Globe Valve

عنوان Globe یم عنوان بسیار کلی است که شامل تعداد زیادی از شیرهای کنترلی است . یک پلاگ یا گوی که به ساقه وصل است با حرکت به بالا و پایین درون یک حفره یا نشیمنگاه کار کنترل را به انجام می رساند .

خود شیرهای کره ای Globe از با توجه به نوع نشیمنگاه به دو گروه تقسیم می شوند .

تک نشیمنگاهی Single Seat (Single Port)

در نوع از شیر کنترلی شیر تنها دارای یک عدد پلاگ PLUG است که کار کنترل را انجام می دهد . این گروه از شیرها برای مواقعی که قطع کامل یا Tight Shut بالا نیاز باشد مورد استفاده قرار می گیرد .

دو نشیمنگاهی Double Seat (Double Port)

در این گروه از شیرها دو عدد پلاگ plug وجود دارد به علاوه دو عدد نشیمنگاه Seat . نحوه قرار گیری پلاگ ها به شکلی است که جریان سیال عبوری از شیر کنترلی تمایل دارد یکی از Plug  ها به طرف بسته شدن هدایت کند و plug دیگر را به سمت باز شدن هدایت کند . در این حالت نیروهای وارده بر دو plug به حالت تعادل درمی آید و در نتیجه می توان از یک عملگر یا Actuator با انرژی کمتر استفاده نمود . این گروه از شیرهای کنترلی دارای ظرفیت بالاتری نسبت به نوع تک نشیمنگاه Single Port هستند ولی آببندی Sealing آنها به شکل ویژه در دماها بالا مناسب نیست .

شیرهای زاویه ای Angle Valve

نوع دیگر از شیرهای خطی شیرهای کنترلی زاویه ای Angle Valve است . در این گروه از شیرها جریان از یک سمت شیر وارده شده و با چرخش 90 درجه ای از سمت دیگر شیر خارج می شود . استفاده از این گروه از شیرهای کنترلی نیاز به fitting ها را کاهش می دهد . در مواردی هم نیاز به خم کردن Bend لوله یا زانو را در سیستم کاهش می دهد.

 

شیر های قطعه مجزا Split body

گروه از شیرها دارای بدن دو یا چند تکه هستند این حالت Split به عنوان یک امتیاز برای راحتی انجام تعمیرات و تعویض قطعات بخصوص plug محسوب می شود.

 

شیر کنترلی سه راهه

نوع دیگری از شیرهای کنترلی شیر سه راهه است شیر های سه راهه به دو حالت یا شکل وجود دارد .

Diverting

Combining

در وضعیت diverting یک جریان وارد شیر شده و به دو جریان خروجی جدید تقسیم می شود. شکل قرار گرفتن plug ها به شکلی است که جریان ورودی تولید یک نیرو به سمت باز شدن هر دو بندآور می کند .

در نوع combining دو جریان وارد شیر کنترلی شده و این دو جریان ورودی تبدیل به یک جریان خروجی می شود. در این حالت باز هم نیروی جریان سیال به سمت باز شدن plugها است .

 

شیر کنترلی دیافراگمی Diaphragm Valve

شیردیافراگمی عضوی از از گروه شیرهای خطی Linear Motion است. اما بندآور آن به جای یک plug فی ، از یک دیافراگم انعطاف پذیر استفاده شده است .

در این نوع از شیرهای کنترلی قسمت پایین بدنه به شکلی ساخته شده که یک سد Weir را در بدنه ایجاد می کند. هنگامی که دیافراگم به صورت کامل به سمت پایین حرکت می کند بر روی سد Weir می نشیند و جریان را کاملا قطع می کند .

این گروه از شیر بیشتر برای دوغاب و مایعات غلیظ استفاده می شود . شیرهای کنترلی دیافراگمی شیرهایی هستند با ظرفیت بالا .

و هزینه پایین ، ولی دقت شود که این گروه از شیرها عملکرد کنترلی چندان مناسبی ندارند و پهنه پذیری یا Rangeability

آنها بسیار پایین است . در صنعت به شیرهای ساندرز Saunders معروف هستند

شیرهای دیافراگمی جهت استفاده در کاربردهایی که مواد خورنده وجود دارد بکار می روند . یکی از عمده محدودیت های این

گروه از شیرها دما ها و فشارهای بالا است.

 

 

شیر های حرکت دورانی

شیر کنترلی پروانه ای Butterfly Valve

شیرهای کنترلی از نوع پروانه ای یکی از رایج ترین و پر کاربردترین شیرهای کنترل از نوع دورانی هستند . از عمده مزایای این گروه از شیرها مقاومت کمتر در برابر جریان و ظرفیت بالا است. شیر های پروانه ای دارای تنوع زیادی بر اساس نوع طراحی هستند. این نوع از شیر ها به لحاظ اقتصادی خصوصا در سایزهای بالا و به علت ساختمان ساده و ظرفیت بالا بسیار مناسب هستند. برای نصب به فضای کمی نیاز دارند . همچنین به دلیل افت فشار کم در دو سمت این شیر ها هزینه های پمپاژ در مقایسه با سایر شیره کاهش می یابد.

شیر های کنترلی پروانه ای از سایز 2 اینچ و بالاتر ساخته و عرضه می شوند. از معایب و مشکلات این نوع شیرها به گشتاور Torque زیاد برای باز کردن شیر می توان نام برد. امروزه طراحی های جدید با اعمال تغیراتی در شکل دیسک disc این مشکل تا حدود زیادی رفع شده است.

بدنه شیرهای پروانه ای

بدنه بدون فلنج Wafer Body

به این شکل از بدنه بدون فلنج Flangless نیز گفته می شود. در این نوع شیر مانند یک ساندویچ در بین فلنج های لوله قرار داده و ثابت fit می شود. برای نگهداری و تثبت شیر از یک سری پیچ های بلند stud استفاده می شود. این گونه از شیر ها به علت فضای کمی که اشغال می کنند در مکان هایی که محدودیت فضا دارند کاربرد دارند .

 

 

بدنه فلنج دار Flanged Body

در نوع بدنه شیر به اندازه کافی طول دارد تا امکان بستن پیچ و مهره در دو طرف شیر در مکان اتصال فلنج های لوله را فراهم می آورد .

بدنه شیر های کنترلی پروانه ای می تواند به وسیله مواد الاستومریو یا لاستیکی  پوشانده شود این کار موجب ایجاد یک آببندی خوب و مناسب می شود . به علاوه باعث ایجاد مقاومت در برابر خوردگی لوله ها هم خواهد شد.

انواع دیسکهای مورد استفاده در شیرهای کنترلی پروانه ای

شکل دیسک های شیرهای کنترلی پروانه ای و همچنین نحوه اتصال آنها حالتهای مختلفی را شامل می شود . هریک از این حالت ها آببندی Sealing و گشتاور Torque خاصی را دارند . بعضی از انواع دیسکها دارای رنیگهای فی هستند . می توان برای آببندی بهتر PTFE تا دمای حدود 0 درجه سانتی گراد مورد استفاده قرار داد .

استفاده از مواد الاستومری در طراحی و ساخت شیر های پروانه ای مشکلی که ایجاد می شود آن است که  گشتاور زیاد هنگام باز شیر به دلیل وجود اصطکاک بین دیسک و نشیمنگاه وجود خواهد داشت  . این امر سبب می شود که برای کنترل به نیروی بیشتری نیاز باشد.

 

شیر های کنترلی توپی Ball Valve

نوع دیگر شیرهای عملکرد دورانی شیرهای کنترلی توپی هستند که بندآور آنها از یک کره توخالی ساخته شده است.

ز نوع از شیر های کنترلی بیشتر برای فرآیندهای قطع و وصل On/Off استفاده می شود . مانند سیستم های دیجیتال و PLC  . ولی امکان کترل آنالوگ نیاز در این نوع شیرها وجود دارد .

شیر توپی قطائی Segmented Ball Valve

در این نوع از شیرهای کنترلی به جای شیر توپی از یک کره کامل از یک بخش با قطاع دایره برای باز و بستن جریان سیال استفاده می گردد.

 

شیرهای پلاگ Plug Valve

شیر های کنترلی پلاگ جزء شیرهای کنترلی هستند که جریان سیال با یک Plug  کنترل و یا قطع و وصل می شود . در این گروه شیرها با چرخش Plug  عمل باز و بسته شدن امکان پذیر می شود. 

منابع http://www.clinicsanat.com/

https://www.bray.com