انتخاب و اندازه گذاری شیرهای کنترل اتوماتیک

‌

منبع: فصلنامه صنعت تهویه‌مطبوع شماره 11

ماخذ: ENGINEERIN MANUAL OF AUTOMATIC CONTROL

در این مقاله اطلاعاتی د‌رباره نحوه انتخاب شــیر آلات کنترل و تعیین اند‌ازه آنها مطرح خواهد‌ شــد.‌ شیرهای کنترل باید‌ به گونه‌ای انتخاب شوند‌ که قابلیت تحمل د‌ما، فشار، تامین مشخصه‌های جریانی و الزامات مربوط به اتصالات لوله‌کشی سیستم‌های هید‌رونیک راد‌اشته باشند.‌د‌ر سیستم‌های HVAC، تعیین اند‌ازه مناسب شیر کنترل یکی از مهم‌ترین عواملی است که د‌ر برآورد‌ه نمود‌ن بارهای گرمایشی و سرمایشی با ظرفیت مناسب تاثیرگذار است. بد‌ین ترتیب امکان کنترل د‌قیق جریان سیستم جهت تامین شرایط پاید‌ار د‌ر د‌اخل ساختمان فراهم می‌گرد‌د.

تعاریف

اجزای شیر کنترل (VALVECOMPONENTS)

محرک(Actuator): قسمتی از شیرهای کنترل اتوماتیک است که ساقه شیر را توسط یک ســیگنال الکتریکی، الکترونیکی یا پنیوماتیکی که از یک کنترل کننده ارسال میشود به حرکت درمیآورد. محرک و شیر کنترل ممکن است که به صورت یکپارچه و یا دو بخش جدا از هم باشند.

بد‌نه شیر کنترل (ValveBody): اسکلت اصلی شیر کنترل که جریان سیال تحت کنترل از میان آن عبور میکند را بدنه شیر کنترل میگویند(شکل1 را مالحظه کنید‌).

کلاهک شــیر کنترل(ValveBonnet): بخشی از شیر کنترل که به قســمت فوقانی بدنه شیر کنترل پیچ میشود و دارای یک نوار آب بندی است که ساقه شیر کنترل را آب بندی و آن را در مسیر صحیح خود هدایت میکند.

د‌یسک(Disc): بخشی از شیر کنتــرل که به منظور قطع جریان سیال تحت کنترل با نشــیمن شــیر کنترل تماس پیدا میکند. برخی از شیرهای کنترل به گونه ای ساخته میشوند که دیسک آنها قابل تعویض است. جنس
دیسک های قابل تعویض معمولا از فلزات نرم تر انتخاب میشود.

توپی(Plug): بخشی از شیر کنترل که تنظیم مقدار جریان سیال در بدنه را به عهده دارد. در ادامه، ســه نمونه از متداول ترین انواع توپی های را معرفی میکنیم:

• توپی پروفیلی که انتهای آن معمولا شکل خاصی دارد و در انتها یا ابتدا بدنه شیر کنترل قرار داده میشود. شکل خاصی که انتهای این نوع توپی دارد جریان سیال عبوری از شیر کنترل را نسبت به حرکت ساقه شیر کنترل تنظیم میکند.
• توپی V شــکل که یک دامنه ســیلندری دارد و در حلقه نشیمن شیر کنترل بالا و پایین میرود. این دامنه توپی را در مســیر خود هدایت میکند و مقدار جریان عبوری از آن را نسبت به میزان جابه جایی ساقه شیر کنترل تنظیم مینماید.
• توپی بازشــونده سریع که انتهای هدایت شونده و شکل تختی دارد و از طریق پره هایی که در حلقه نشیمن شیر کنترل حرکت میکنند تنظیم میشود. توپی تخت به گونهای ســاخته شده است که پس از جدا شدن از نشیمن شیر کنترل، در حداقل زمان ممکن حداکثر جریان را از شیر کنترل عبور دهد.

د‌رگاه(Port): دهانه نشمین شیر کنترل را درگاه میگویند.

نشیمن(Seat): بخــش ثابت بدنه شیر کنترل که در هنگام قطع کردن جریان سیال، یک لبه آن با دیسک شیر کنترل تماس پیدا میکند.

ساقه شیر کنترل(Stem): محوری که در داخل کلاهک شیر کنترل جابه جا میشود و محرک شیر کنترل را به کلاهک متصل میکند.

مجموعه قطعات آب‌بند‌کنند‌ه شــیر کنترل (TRIM): تمامی بخش هایی از شــیر کنترل که با سیال عبوری در تماس هستند. تریم شامل بخش هایی از قبیل ســاقه، نوار آب بندی، توپی، دیسک و نشیمن شیر کنترل میشود. توجه داشته باشید که بدنه شیر کنترل جزئی از تریم به شمار نمیرود.

مشخصات جریانی شیر کنترل (CHARACTERISTICS FLOW VALVE)

جهت جریان:

جهت صحیح جریان سیال در داخل شیر کنترل معمولا بر روی بدنه شیر کنترل مشخص میشود. در صورتی که جهت جریان سیال اشتباه باشد، ممکن اســت با نزدیک شدن شــیر کنترل به وضعیت بسته، دیسک شیر کنترل به نشیمن بچسبد. در چنین مواردی کنترل جریان شیر کنترل به خوبی امکان پذیر نخواهد بود، ساییدگی اجزای شیر کنترل بیشتر شده و سروصدای زیادی تولید میشــود. مشــکل دیگری که در این موارد به وجود خواهد آمد آن است که محرک شیر کنترل به دشواری کار خواهد کرد، زیرا باید بر فشاری که از طرف ســیال بر بخش فوقانی دیسک وارد میشود نیز غلبه کند. اگر شیر کنترل به درستی در مسیر جریان نصب شده باشد، با وارد آمدن فشار ناشی از عبور سیال به بخش زیرین دیسک، محرک با نیروی کمتری به حرکت در خواهد آمد.

شیر کنترل د‌رصد‌ برابر

هر شیر کنترلی که صرف نظر از میزان جریان عبوری، با حرکت های مشابه در ساقه شیر کنترل مقدار جریان را با درصدی یکسان تغییر دهد، شیر کنترل درصد برابر نامیده میشود.

شیر کنترل خطی (Valve Linear)

هر شــیر کنترلی که در آن نسبت جریان عبوری با میزان بالا رفتن ساقه شیر کنترل مستقیما متناسب باشــد، شیر کنترل خطی نامیده میشود. تغییر جریان در شــیر کنترل های خطی صرف نظر از درصد باز بودن شــیر کنترل با تغییرات مساوی در ارتفاع ساقه شیر کنترل برابر است.

شیر کنترل بازشوند‌ه سریع

به شیر کنترلی که به محض کنار رفتن دیسک از نشمین حداکثر جریان ممکن را از خود عبور دهد شیر کنترل بازشونده سریع گفته میشود.

مشخصه جریانی شیر کنترل

نســبت بین میزان جابه جایی ساقه شیر کنترل که بر حسب درصد بیان میشود و جریان سیال در داخل شیر کنترل که بر حسب درصد جریان کامل بیان میشود را مشخصه جریانی شیر کنترل میگویند.

اصطالحات مورد‌ استفاد‌ه د‌ر جریان شیر کنترل

محد‌ود‌ه کارکرد:

نسبت حداکثر جریان به حداقل جریان قابل کنترل در یک شیر کنترل را محدوده کارکرد شیر کنترل میگویند. نسبت های محدوده کارکرد شیر کنترل برای شیر کنترل های گلویی با توپی V شکل به طور تقریبی 50 به 1 و برای شیر کنترل های توپی پروفیلی 30 به 1 است.

مثال: شــیر کنترلی که ظرفیت جریان کل آن در حالت کامال باز برابر با 10L/s و محدوده کارکرد آن 30 به 1 اســت قادر اســت تا جریان هایی به کوچکی 0/3L/s را نیز کنترل کند.

حکم بستن شیر کنترل:

به وضعیتی گفته میشود که در هنگام بسته شدن شیر کنترل، سیال به هیچ وجه نشتی نداشته باشد. به طور کلی تنها شیر کنترل هایی که دارای یک نشیمن هستند قابلیت محکم بستن را دارند. شیر کنترل های که نشیمن آنها دوگانه است معمولا در حالت بسته بین 1 تا 3 درصد نشتی دارند.

پس‌زنی

نسبت حداکثر جریان سیال به حداقل جریان قابل کنترل شیر کنترلی که در سیســتم نصب شده است را پس زنی میگویند. به طور کلی مقدار پس زنی برابر یا کمتر از مقدار محدوده کارکرد شیر کنترل است.

مثال: برای شــیر کنترلی که در مثال قبل مطرح شــد، اگر سیستم به گونه ای طراحی شــده باشــد که حداکثر جریان عبوری از شیر کنترل برابر با 6.6L/s باشــد، از آنجایی که حداقل جریان قابل کنترل 0/3L/s است مقدار پس زنی برابر با 22 خواهد بود.

فشار مشخصه بسته شد‌ن شیر کنترل

هنگامی که شــیر کنترل در وضعیت کاملا بســته قرار دارد، به حداکثر افت فشاری که یک شیر کنترل میتواند بدون ایجاد نشتی تحمل کند فشار مشخصه بسته شدن شــیر کنترل گفته میشود. فشار مشخصه بسته شدن شیر کنترل تابعی از توان محرک شیر کنترل و قابلیت آن در نگه داشتن شیر کنترل در حالت بسته در مقابل افت فشار است. با این وجود مقاومت بخش های ساختاری شیر کنترل مانند ساقه میتواند از جمله عوامل محدودکننده باشد.

مثال: شیر کنترلی با فشار مشخصه بسته شدن 70kPa قادر است فشار بالادست 270kPa و فشار پایین دست 200kPa را تحمل کند. به خاطر داشته باشید که در کاربردهایی که از کار افتادن شیر کنترل میتواند خطرآفرین باشد، صرف نظر از مقدار فشار در پایین دست، حداکثر فشار بالادست شیر کنترل نباید از فشار مشخصه بسته شدن شیر کنترل تجاوز کند.

فشار مشخصه بسته شدن شیر کنترل از جمله فاکتورهایی است که از فشار مشخصه واقعی بدنه شیر کنترل مستقل است. جهت کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه میتوانید به بخش فشار مشخصه واقعی بدنه شیر کنترل در همین قسمت مراجعه کنید.

فشار مشخصه بسته شد‌ن شیر کنترل‌ های سه‌راهه

فشار مشخصه بسته شدن شیر کنترل های سه راهه عبارت است از حداکثر اختلاف فشــار بین هر یک از دو درگاه ورودی و درگاه خروجی برای شــیر کنترل های مخلوط کننده یا اختلاف فشــار بین درگاه ورودی و هر یک از دو درگاه خروجی شیر کنترل های تقسیم کننده.

افت فشار: اختالف بین فشارهای بالادست و پایین دست سیال عبوری از شیر کنترل را افت فشار میگویند.

افت فشار (بحرانی): جریان سیال گازی تحت کنترل در داخل شیر کنترل پیش از رســیدن به فشــار بحرانی، با افزایش افت فشار افزایش پیدا میکند. به این فشــار، فشار بحرانی گفته میشود. در فشارهای بالاتر از فشار
بحرانی، افزایش بیشتر فشار نه تنها موجب افزایش جریان سیال نمیشود بلکه افت فشار بحرانی به صورت سروصدا و کاویتاسیون نمایان میشود. کاویتاسیون و ســروصدای یادشده میتواند به شیر کنترل و تجهیزات لوله کشی مجاور به آن آسیب وارد کند.

مشخصات نامی بد‌نه

مشخصات فشار تئوریک مربوط به بدنه شیر کنترل بدون در نظر گرفتن نوار آب بندی، دیسک و … که بر حسب کیلوپاسکال بیان میشود را مشخصات اســمی بدنه میگویند. فشار مشخصه اسمی معمولا بارزترین فاکتوری است که برای بیان مشــخصات بدنه یک شیر کنترل مورد استفاده قرار میگیرد و به عنوان روشی برای دسته بندی شیر کنترل ها بر اساس فشار کارکرد در نظر گرفته میشود. هر شیر کنترل به خصوص با جنس بدنه و فشار مشخصه اسمی بدنه مخصوص به خود اغلب با مشخصه هایی از قبیل دما – فشار، ضخامت جداره و اتصالات انتهایی که مقادیر آن توســط انجمن هایی از قبیل موسسه استانداردهای ملی آمریکا (ANSI)تعیین میگردد طبقه بندی میشود. (شکل2) مقادیر دما – فشار را برای شیر کنترل های مختلف نشان میدهد. به خاطر
داشــته باشید که مقادیر فشار اسمی بدنه شیر کنترل با مقادیر واقعی فشار آن یکسان نیست.

مقاد‌یر واقعی فشارمشخصه بد‌نه شیر کنترل

رابطه متقابل بین فشار مجاز و فشار ایمن جریان سیال و دمای سیالی که در داخل بدنه شیر کنترل (به استثنای نوار آببندی، دیسک و …) به جریان در می آید را فشار مشخصه بدنه شیر کنترل میگویند. مقدار اسمی فشار مشخصه بدنه شیر کنترل در واقع همان فشار مجاز شیر کنترل در هر دما به خصوص است.

حد‌اکثر د‌ما و فشار

حداکثر دما و فشار جریان سیالی که هر شیر کنترل قادر است تحمل کند را حداکثر دما و فشار آن شــیر کنترل میگویند. مقادیر یادشده به عواملی از قبیل جنس نوار آب بندی، بدنه یا دیسک و محدودیت های محرک شیر کنترل بستگی دارد. مقادیر واقعی مشخصات بدنه شیر کنترل به صورت خاص برای بدنه شیر کنترل و حداکثر مقادیر فشار و دما برای کلیه قسمت های شیر کنترل (شامل بدنه و تریم) در نظر گرفته شده است. به خاطر داشته باشید که حداکثر مقادیر فشــار و دما ممکن است از مقادیر واقعی مشخصات بدنه شیر کنترل کمتر باشد.

انواع شیرهای کنترل

شیر کنترل توپی (Valve Ball)

همانطورکه در (شکل 3) نیز مشاهده میشود، شیر کنترل های توپی از یک توپی تشکیل شدهاند که بین دو نشیمن در داخل بدنه شیر کنترل جاسازی شده است. شیر کنترل های توپی با اندازه بدنه مشخص، اندازه های درگاه متعددی دارند و باز و بســته شدن آنها با چرخش 90 درجه ای ساقه شیر کنترل انجام میپذیرد. این نوع شــیر کنترل ها در انواع دو راهه و ســه راهه موجود هستند.
ساختار و جنس شیر کنترل های توپی مورد استفاده در سیستم های HVAC شامل بدنه برنجی و چدنی، فولاد ضدزنگ، برنج با صفحات کروم و توپ های چدنی است و نشمین انعطاف پذیر آنها قادر به تحمل دماهای مختلفی است.
شیر کنترل های توپی قابلیت بستن محکم را دارا هستند، این در حالی است کــه مدل های با درگاه کامل مقاومت پایینی در برابر جریان دارند و مدل های با درگاه کاهش یافته را میتوان برای کاربردهای تنظیم جریان مورد استفاده قرار داد.

شیر کنترل پروانه‌ای (Valve Butterfly)

همانطور که در شکل4( مشاهده میشود، شیر کنترل های پروانه ای از یک بدنه استوانه ای شکل، یک محور و یک صفحه مدور تشکیل شده اند. باز و بسته شدن شیر کنترل های پروانه ای با دوران 90 درجه ای دیسک این شیر کنترل ها انجام میگیرد. نشیمن های دیسک که در مقابل الی ارتجاعی بدنه شیر کنترل قرار میگیرند معمولا به منظور محکم بستن شیر کنترل ساخته میشوند و یا برای کاهش گشتاور کارکرد شیر کنترل بدون محکم بستن در اندازه ای کوچکتر ساخته شوند. شیر کنترل های پروانه ای اساسا در کاربردهایی که استفاده از شیر کنترل های دو راهه الزامی است مورد استفاده قرار میگیرند. برای کاربردهایی که نیازمند استفاده از شیر کنترل های سه راهه هستیم، دو شیر کنترل پروانه ای با استفاده از یک بازوی متحرک به یک سه راهه لوله متصل میشود.

شیر کنترل‌ با نشمین د‌وگانه (Seated-Double)

شــیر کنترل هایی که مجهز به دو نشیمن، دو توپی انتهایی و دو دیسک هستند را شیر کنترل های با نشیمن دوگانه میگویند. شیر کنترل های با نشیمن دوگانه برای کاربردهایی مناسب هستند که فشار سیال بیش از حد بالاست و امکان اســتفاده از شیر کنترل های با نشمین تکی در آنها وجود ندارد. در شیر کنترل های با نشیمن دوگانه، دیسک های به گونه ای در جای خود تعبیه شده اند که در وضعیت بســته حداقل فشار سیال به ســاقه شیر کنترل وارد میشود، بنابراین فشار وارد بر دیسک لزوما متعادل است. برای یک شیر کنترل با اندازه و مساحت درگاه معین، شیر کنترل با نشیمن دوگانه با نیروی کمتری نسبت به شیر کنترل با نشــیمن تکی به کار میافتد، بنابراین در شیر کنترل های با نشیمن دوگانه میتوان از محرک های کوچکتری استفاده نمود. همچنین شیر کنترل های با نشیمن دوگانه نسبت به شیر کنترل های با نشیمن تکی هم اندازه اغلب مساحت درگاه بزرگتری دارند. یکی از محدودیت های شیر کنترل های با نشیمن دوگانه آن است که امکان محکم بستن آنها وجود ندارد. از آنجایی که در شیر کنترل های با نشیمن دوگانه هر دو دیسک به یکدیگر متصل شده اند و تغییر دمای سیال میتواند موجب انبساط یا انقباض دیسک یا بدنه شیر کنترل شــود، معمولا یکی از دیسک ها به منظور ممانعت از مسدود شدن مسیر شیر کنترل توسط دیسک دیگر باید پیش از دیگری قرار گیرد.

شیر کنترل‌ با اتصال فلنجی (connections end-Flanged)

شــیر کنترلی که اتصال آن از طریق پیچ کردن فلنج روی شیر کنترل به فلنج پیچشده به لوله برقرار میشود را شیر کنترل با اتصال فلنجی میگویند. اتصالات فلنجی معمولا در شیر کنترل های بزرگ مورد استفاده قرار میگیرند.

شیر کنترل‌گلویی (valve Globe)

شــیر کنترلی که از طریق به حرکت درآوردن یک دیسک مدور بر روی نشیمن شــیر کنترل، جریان ســیال را کنترل میکند را شیر کنترل گلویی میگویند. هنگامی که از شیر کنترل های گلویی برای کنترل اختناقی استفاده
میشود، به منظور کنترل دقیق جریان سیال یک توپی پروفیل (توپی اختناق) که از بخش مرکزی دیسک تا مرکز نشیمن شیر کنترل امتداد دارد مورد استفاده قرار میگیرد. (شکل 1 را مالحظه کنید‌)

شیر کنترل‌ پیلوتی (valve operated-Pilot)

شیر کنترل پیلوتی به شیر کنترلی گفته میشود که از اختلاف فشار بین بالادســت و پاییندســتی که بر روی دیافراگم یا پیستون وجود دارد برای به حرکت درآوردن توپی شیر کنترل استفاده میکند. شیر کنترل های پیلوتی تنها برای کاربردهای کنترل دو وضعیتی مناســب هستند. محرک شیر کنترل به گونه ای طراحی میشود که تنها نیروی موردنیاز برای باز یا بسته کردن درگاه کوچک پیلوت شــیر کنترل را به آن اعمال میکند و بدین ترتیب امکان ورود سیال به داخل دیافراگم یا محفظه پیستون را فراهم میآورد.

شیر کنترل‌ باد‌رگاه کاهش‌یافته(valve Port-Reduced)

شیر کنترلی که ظرفیت آن از حداکثر ظرفیت بدنه شیر کنترل پایین تر باشد را شیر کنترل با درگاه کاهش یافته میگویند. شیر کنترل های توپی، پروانه ای و شیر کنترل های گلویی کوچک به منظور کنترل دقیق جریان و تعیین اندازه مناسب شیر کنترل ها با درگاه کاهش یافته نیز موجود هستند.

شیر کنترل‌ با اتصالات پیچی(connection end-Screwed)

شیر کنترلی که اتصالات لوله آن به صورت رزوه شده باشد را شیر کنترل با اتصالات پیچی میگویند. رزوه های شــیر کنترل معمولا به صورت مادگی هســتند، ولی در موارد خاص از اتصالات با رزوه نر نیز استفاده میشود. برخی از شــیر کنترل ها به منظور نصب آسان به یک مهره ماسوره یکپارچه مجهز شده اند.

اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای طراحی تاسیسات مهندسی تاسیسات مکانیکی با اساتیدی مجرب هستید میتوانید در دوره های آموزشی تاسیسات مکانیکی شرکت کنید.