شیرها وظیفه کنترل سیال را به صورت دستی یا اتوماتیک در یک سیستم لوله کشی بر عهده دارند. آن ها ساخته شده اند تا در برابر محدوده مشخصی از دما، فشار، خوردگی و ضربه های مکانیکی مقاومت نمایند. به منظور این که کل سیستم در شرایط بهینه اقتصادی بهترین عملکرد را داشته باشد، طراح می بایست مناسب ترین شیر کنترل را سایز و انتخاب کند.
عملکردهای اصلی شیر کنترل
عملکردهای اصلی شیرها به شرح زیر است:
• راه اندازی، توقف و هدایت جریان
• تنظیم، کنترل و یا کاهش جریان
• جلوگیری از برگشت جریان
• کاهش یا تنظیم فشار
قبل از انتخاب شیر باید ملاحظات فنی زیر مد نظر قرار گیرد:
1. نوع مایع، بخار یا گاز
• آیا این یک مایع خالص است یا حاوی ذرات است؟
• آیا در طول جریان آن مایع باقی می ماند و یا تبخیر می شود؟
• آیا خاصیت خورندگی دارد؟
2. فشار و درجه حرارت
آیا این ها در سیستم تغییر می کنند؟
• آیا باید بدترین حالت (حداکثر یا حداقل مقادیر) در انتخاب مواد اولیه برای ساخت شیر در نظر گرفته شود؟
3. ملاحظات جریان
• کاهش فشار بحرانی است؟
• آیا شیر مطابق با فشار مورد نیاز است؟
• آیا شیر برای قطع ساده یا برای کاهش جریان استفاده می شود؟
• آیا شیر برای جلوگیری از برگشت جریان لازم است؟
• آیا شیر برای هدایت (مخلوط کردن و یا منحرف کردن) جریان استفاده می شود؟
4. فرکانس و سرعت عمل
• آیا از شیر اغلب استفاده می شود؟
• آیا شیر نیاز به جا به جایی سریع خود دارد؟
• آیا شیر به آرامی حرکت می کند؟
• در صورت قطع برق، آیا شیر دارای یک موقعیت پیش فرض است؟
• در کارکردهای غیر مکرر، آیا شیر در حالت نرمال باز است؟
• آیا عملیات دستی یا اتوماتیک انجام می شود؟
هر تولید کننده می تواند اجزای پایه شیر را با توجه به کاربرد آن نامگذاری کند.
دسته بندی بدنه شیرهای کنترلی
دسته بندی شیرها با استفاده از رابطه ی دما و فشار مشخص می شود که در آن کدام شیر ممکن است به کار گرفته شود. تولید کننده دسته بندی شیرها را تعیین می کند. باید از ASME استاندارد B16.34 کمک گرفته شود، و رده فشاری شیر شناسایی شود. درجه بندی های فشار ورودی به طور کلی به ترتیب رتبه بندی رده ANSI/ASME بیان می شود (از رده ANSI 125 تا 2500) یا براساس میزان فشار اسکلت بدنه، بسته به نوع سبک، اندازه و مواد اولیه بستگی دارد.
جداول در ANSI/ASME استاندارد B16.34 و در کتاب های مختلف نشان دهنده درجه بندی های فشار در دماهای عملیاتی مختلف است.
مواد اولیه شیرها
ASME استاندارد B16.34 الزامات ساخت شیرها از قبیل آهنگری، ریخته گری ، ورق کاری، شکل دهی و … را تعیین می کند. این استاندارد مواد اولیه مورد تایید جهت ساخت شیرها را مشخص می کند. در انتخاب مواد اولیه مناسب، ابتدا باید مواد برای ساخت کلاهک درپوش بدنه و سپس محل اتصال شیر و نشیمنگاه شیر را انتخاب کرد.
عوامل کنترل کننده ی مواد اولیه به شرح زیر است:
• دسته بندی درجه حرارت – فشار
• الزامات مقاومت در برابر خوردگی
• شوک حرارتی
• استرس لوله کشی
• خطر آتش سوزی
انواع مواد در دسترس به طور معمول عبارتند از:
• فولاد کربن
• آهن انعطاف پذیر
• چدن
• فولادهای ضد زنگ
• برنج
• برنز
• پلی وینیل کلراید (PVC) پلاستیک
بدنه ها. بدنه شیرهای سایز کوچک از برنج، برنز و فولاد ساخته می شود در حالی که بدنه شیرهای سایز بزرگ از جنس چدن یا فولاد ریخته گری است که بتوانند در فشارهای کاری مختلف عملکرد مطلوبی داشته باشند. لیستی از مواد رایج که عموماً مورد استفاده قرار می گیرد، در Lyons (1982) و Ulanski (1991) تهیه شده است.
نشیمنگاه ها. نشیمنگاه های شیر می توانند به صورت یکپارچه از مواد بدنه، به طور مناسب فشرده شده، یا رزوه شده ساخته شوند. نشیمنگاه ها را با توجه به نوع کاربردشان می توان از مواد مختلف مناسب انتخاب کرد. نشیمنگاه شیر و محل اتصال شیر یا صفحه گاهی اوقات به عنوان محفظه شیر نام برده می شود و معمولاً برای ساخت آن ها از مواد یکسانی استفاده می شود تا ملاحظات فنی رعایت گردد. اگرچه، مواد به کار برده شده در محفظه معمولاً با بدنه شیر متفاوت است. در برخی از طراحی ها از دیسک های کامپوزیتی قابل تعویض استفاده می گردد. این دیسک ها به همراه پلاگ در محل اتصال بسته می شوند.
حداکثر درجه بندی های نشت مجاز برای نشیمنگاه های شیر کنترل در استاندارد هایی مانند انجمن کنترل سیال (FCI) استاندارد 2-70 یا اروپایی ها (CEN) استاندارد EN 12266-1 تعریف شده است.
ساقه های شیر. مواد اولیه ساقه شیر باید طوری انتخاب شوند تا ملاحظات فنی را برآورده سازند. به طور معمول از فولاد ضد زنگ، برنز و برنج در ساخت ساقه شیر استفاده می شود.
مجموعه ساقه شیر و واشرها. مجموعه ساقه شیر به علت حرکت بدنه شیر به طور مداوم پوشانده می شود و هر دو مجموعه بدنه و واشرهای بدنه در معرض تغییرات فشار و فشار سیال کنترلی قرار می گیرند. تولیدکنندگان می توانند توصیه هایی در مورد مواد و روان کننده ها برای دما و فشار مایع خاص ارائه دهند.
ضریب جریان و افت فشار
جریان عبوری از طریق هر دستگاهی منجر به کاهش فشار می شود. عوامل موثر بر افت فشار در شیرها شامل تغییر درمقطع عرضی و شکل مسیر جریان، گرفتگی در مسیر جریان و تغییر در هدایت مسیر جریان می باشند. در اکثر کاربردها، افت فشار با نسبت توان دو جریان (هنگامی که در محدوده جریان آشفته است) تغییر می کند. هنگامی که شیر در وضعیت کاملا باز باشد، این رابطه درست است.
برای راحتی در انتخاب شیر، به ویژه شیرهای کنترل، تولیدکنندگان ظرفیت شیر را به عنوان تابع ضریب جریان بیان می کنند. ضریب جریان Cv حجم آب ( به گالن آمریکایی) است که در 60 درجه فارنهایت که در هر دقیقه از طریق یک شیر کاملا باز با افت فشار 1 psi جریان دارد. همچنین ممکن است تولید کنندگان ضریب شیر را در سایر افت های فشار تهیه کنند.
شکل زیر یک تست معمولی برای تعیین درجه Cv با شیر کنترل کاملا باز را نشان می دهد. شیر کروی HV-1 قابلیت خواندن گیج تنظیم را دارد (به عنوان مثال، به 10 psig)؛ HV-2 سپس (به عنوان مثال، بازگشت به 9 psig) برای انجام آزمایشی با افت فشار 1 psig تنظیم می شود. مخزن ذخیره ثقلی می تواند برای کاهش نوسانات فشار استفاده شود.
شیر بای پس امکان تنظیم دقیق از منبع فشار را می دهد. با یک سری آزمایش در مخزن توزین و استفاده از کورنومتر می توان سرعت جریان را تعیین کرد. جزئیات بیشتر تست ظرفیت ممکن است در استاندارد S75.02 انجمن بین المللی اندازه گیری و کنترل (ISA) یافت شود.
انواع بدنه
بدنه های شیر در شکل های متنوعی با توجه به مورد کاربردشان در دسترس هستند. توقف جریان، اجازه جريان کامل، تنظیم کردن جريان در بین دورترین نقاط و هدايت جریان از وظایف معمول بدنه ها می باشند. عملکرد یک شیر می تواند به صورت خودکار یا دستی باشد.
شکل بدنه ها برای شیرهای اتوماتیک و دستی با توجه به کاربرد و عملکرد آنها در نظر گرفته شده است. به عنوان مثال، شیرهای زاویه ای معمولاً برای کنترل رادیاتور کاربرد دارند. قاعده کلی جریان برای تنظیم شیر زاویه و شیر مستقیم مشابه است که سازنده در بعضی موارد به منظور راحتی در نصب نوع شیر را انتخاب می کند.
نوع یا طراحی قطعات ارتباطی بدنه وابسته به مواد اولیه یا لوله است. بسته به نوع مواد اولیه، شیرها می توانند به یکی از روش های زیر به سیستم لوله کشی متصل شوند:
- اتصال با فلنچ
- اتصال رزوه ای
- اتصال جوشی
- اتصال فشاری
- اتصال با چسب ( در لوله ها و شیر های پلاستیکی)
شیرهای دستی
سوالات ذکر شده در بخش مبانی باید با دقت مورد ارزیابی قرار گیرد زیرا هر نوع شیر دارای مزایا و معایبی برای استفاده می باشد.
شیر کروی
در یک شیر کروی جریان بوسیله ی یک دیسک دایره ای که نیرو وارد می کند به عقب یا خارج از حلقه، یا نشیمنگاه، که یک مسیر جریان باز را احاطه می کند، کنترل می شود. جهت حرکت دیسک، موازی با جهت جریان و محور لوله که در آن شیر نصب شده است می باشد.
شیر دروازه ای
شیر دروازه ای با استفاده از صفحه گوه ای که بر روی نشیمنگاه شیر قرار گرفته جریان را کنترل می کند. مسیر مستقیم ورودی از شیر به بزرگی سوراخ لوله می باشد و حرکت دروازه عمود بر مسیر جریان است.
شیر سماوری
شیر سماوری یک دستگاه کنترل جریان سیال دستی است. این شیرها با یک مرتبه چرخش 90 درجه اقدام به تماماً باز تا به طور کامل مسدود کردن جریان می نمایند .
شیر توپی
شیر توپی شامل یک توپ دقیق است که بین دو درزگیر یا نشیمنگاه دایره ای قرار دارد. شیرهای توپی دارای اندازه های مختلف درگاه هستند. چرخش 90 درجه دستگیره، عملکرد را از حالت باز تا کاملاً بسته تغییر می دهد.
شیر پروانه ای
شیر پروانه ای به طور معمول از یک بدنه استوانه ای و فلنج دار تشکیل شده که دارای دیسک داخلی قابل چرخش است و به عنوان دستگاه تنظیم جریان سیال عمل می کند.
شیرهای خودکار
شیرهای خودکار معمولاً به عنوان شیرهای کنترلی در نظر گرفته می شوند که در کنار یک کنترلر خودکار یا دستگاه برای کنترل جریان سیال کار می کنند. “شیر کنترل” همانطور که در اینجا استفاده شده، در واقع از بدنه شیر و محرک تشکیل شده است. بدنه و محرک شیرممکن است به گونه ای طراحی شود که محرک قابل جابجایی و یا قابل تعویض باشد، یا محرک ممکن است جزئی جدایی ناپذیر از بدنه شیر باشد. در این بخش متداول ترین انواع محرک های شیر و شیرهای کنترل با طبقه بندی های زیر آمده است:
- بدنه های کروی دو طرفه (تک و دو نشیمنگاهه)
- بدنه های کروی سه طرفه (مخلوط کردن و منحرف شدن)
- شیرهای توپی (دو و سه طرفه)
- آرایش پروانه (دو و سه طرفه)
محرک ها
محرک شیر، محصول کنترل کننده، مانند سیگنال برقی یا پنوماتیک، را به عملکرد دوار یا خطی مورد نیاز شیر (ساقه) تبدیل می کند، که باعث تغییر متغیر کنترل (جریان) می شود. محرک ها طیف گسترده ای از اندازه ها، انواع، قابلیت های خروجی و حالت های کنترل را پوشش می دهند.
- اندازه ها: محرک ها از نظر خروجی گشتاور از محرک های سلونوئید کوچک یا موم حرارتی، تا محرک های بزرگ پنوماتیک و الکترونیکی تغییر می کنند. انتخاب محرک به طراحی در مورد سیگنال کنترل، کارکردن در صورت عدم اطمینان، شرایط محیط و همچنین به فشار لازم جهت بستن درجه شیر مونتاژی بستگی دارد.
- انواع: متداول ترین انواع محرک های مورد استفاده در برنامه های کاربردی شیر اتوماتیک عبارتند از: سلونوئید، رادیاتور ترموستاتیک، پنوماتیک، دنباله چرخ دنده موتور الکتریکی، الکترونیکی و الکترو هیدرولیکی.
محرک های پنوماتیکی
محرک های شیر پنوماتیک یا دیافراگم شامل یک دیافراگم انعطاف پذیر است که بین یک محفظه فوقانی و تحتانی بسته شده است. در مورد محرک های مستقیم، محفظه فوقانی و دیافراگم یک محفظه بسته شده ایجاد می کنند (شکل 8). فنر مخالف نیروی دیافراگم بین دیافراگم و محفظه پایین قرار گرفته است. افزایش فشار هوا روی دیافراگم، ساقه شیر را به پایین فشار می دهد و بر نیروی فنر جمع شده برای بستن شیر با عملکرد مستقیم غلبه می کند. فنرها با تغییر فشار هوا مورد نیاز برای باز یا بسته شدن شیر انتخاب می شوند. به عنوان مثال، یک محرک پنوماتیک روی شیر کنترلی مستقیم با برد فنر 8 تا 13 psi، شیر کنترل را در فشارهای 8 psi و زیر آن خواهد بست. برای فشارهای بین 8 تا 13 psi، شیر بر اساس فشار کنترل ورودی به طور متناسب تعدیل می شود. در فشارهای 13 psi و بالاتر، شیر کنترل کاملاً باز خواهد شد. فنرهای شیرهای کنترل تجاری معمولاً 10٪ انعطاف دارند. به سادگی دو شیر با دامنه های فنر محرک متفاوت با استفاده از یک سیگنال کنترل واحد، قابل تنظیم هستند.
شیرهای با عملکرد معکوس اگر دارای بدنه ای با عملکرد معکوس باشند ممکن است از یک محرک مستقیم استفاده کنند. در غیر این صورت، محرک باید با عملکرد معکوس باشد و با یک محفظه بسته شده بین محفظه پایین و دیافراگم ساخته شود.
برای تعیین اینکه آیا محرک از اندازه کافی برخوردار است یا اینکه یک محرک بزرگتر یا رله مستقرکننده مثبت پنوماتیک لازم است، باید از جدول های درجه بندی مسدود کردن تولیدکننده کمک گرفت.
یک رله مستقرکننده پنوماتیک مثبت ممکن است به محرک اضافه شود تا نیروی بیشتری برای بستن یا باز کردن یک شیر کنترل خودکار اتوماتیک فراهم کند (شکل 8). بعضی اوقات این رله ها به عنوان مستقرکننده پیلوت شناخته می شوند، این ها در واقع رله هایی با ظرفیت بالا هستند که نسبت به موقعیت حرکتی محرک فشار هوا را به محرک زیاد یا کم می کنند. استفاده از آن ها به علت تأمین فشار هوای در دسترس و فنرمحرک محدود شده است.
محرک های برقی
محرک های برقی (دنباله چرخ دنده). محرک های برقی معمولاً از یک موتور الکتریکی مجهز به دو زاویه متصل به یک دنباله چرخ دنده و یک شفت خروجی متصل به ساقه شیر با یک اتصال دنده و چرخ دنده یا میله سربی تشکیل شده است (شکل 9). برای راه اندازی شیر، شفت موتور به طور معمول از طریق 160 درجه چرخش حرکت می کند. استفاده از محرک های دمپر با چرخش کامل 90 درجه ای در موارد مصارف شیر کنترل به سرعت در حال افزایش است. دنباله های چرخ دنده در داخل به محرک های برقی وصل می شوند تا حرکت به موقع تکان شیر را فراهم کنند که گشتاور عملیاتی را افزایش داده و از افزایش حرکت بیش از حد شیر جلوگیری کند. دنباله های چرخ دنده را می توان با کلیدهای محدود، پتانسیومترهای کمکی و غیره مجهز کرد تا امکان نشان دادن موقعیت و بازخورد برای عملکردهای کنترل اضافی سیستم فراهم گردد.
در بسیاری از موارد، برای تبدیل حرکت چرخشی به حرکت خطی مورد نیاز برای به کار انداختن شیر کنترل، یک اتصال لازم است. محرک های شیر برقی با دو حالت شناور بودن و کنترل متناسب عمل می کنند. محرک ها معمولاً با منبع تغذیه 24/120/240 V (ac) کار می کنند. زمان چرخش محرک (یا انجام یک کورس حرکتی کامل) از 60 تا 150 ثانیه متغیر است.
محرک های شیر الکتریکی ممکن است دارای فنر برگشتی باشند که در صورت قطع برق، شیر را به حالت عادی برمی گرداند یا ممکن است از رله الکتریکی و منبع تغذیه کمکی برخوردار باشند. از آنجا که موتور باید به طور مداوم در برابر فنر برگشتی به یک جهت حرکت کند، محرک های شیر الکتریکی فنر بازگشتی معمولاً از گشتاور کمتری نسبت به محرک های دنباله چرخ دنده برقی بدون فنر برخوردار هستند.
محرک های الکترونیکی (اتصال مستقیم)
این محرک ها شامل یک موتور دی سی است که به یک جعبه دنده داخلی به مجموعه گیره خارجی وصل شده است. محرک ممکن است توسط یک مونتاژ اتصال به بدنه شیر وصل شود که حرکت چرخشی محرک را به حرکت خطی مورد نیاز برخی شیرها تبدیل می کند. محرک را می توان مستقیماً به بدنه شیر (به عنوان مثال، یک شیر توپی یا شیر پروانه ای) وصل کرد و یک گشایش چرخش یک چهارم لازم توسط شیر را فراهم کرد. سوئیچ های کمکی داخلی و خارجی و پتانسیومترها می توانند برای نشان دادن موقعیت و بازخورد برای عملکردهای کنترل فرعی اضافه شوند.
محرک های الکترونیکی اتصال مستقیم با دو حالت شناور شدن و کنترل متناسب عمل می کنند. برخی از آن ها می توانند برای سیگنال های کنترل منحصر به فرد برنامه ریزی شوند یا اجازه ی ترتیب دهی به دو شیر جداگانه از یک سیگنال کنترل واحد (مشابه محدوده های فنری مختلف در دو محرک پنوماتیک) داده شود. محرک ها با منبع تغذیه 24/120/240 V (ac) در دسترس هستند. زمان چرخش معمولی (از حالت کاملا بسته تا کاملا باز) 90 تا 150 ثانیه است، اما در بعضی از مدل ها مدت زمان لازم برای چرخش خارج از این محدوده بوده و از 5 ثانیه تا 5 دقیقه قابل ارائه می باشند.
در محرک های الکترونیکی برای تأمین امنیت لازم در موارد خاص ممکن است از فنر مکانیکی یا یک شی الکترونیکی (مخزن) استفاده شود. فنر مکانیکی محرک ذاتی است و گشتاور کافی برای هدایت شیر در حالت خرابی آن (چه باز و چه بسته) دارا می باشد، که انتخاب شده است تا هنگامی که محرک قدرت خود را از دست داد به کمک آن بیاید. توسط محافظ الکترونیکی در هنگام روشن بودن نیروی محرک، مخزن های روی تابلو شارژ می شوند. در صورت از دست دادن نیرو به محرک، تخلیه ولتاژ مخزن ها اجازه می دهد تا محرک به اندازه کافی نیرو دریافت کند تا شیر را به حالت از پیش تعیین شده سوق دهد (کامل باز، کامل بسته یا بینابین). در هر دو حالت (محافظ دار مکانیکی یا الکتریکی)، رسیدن به موقعیت شکست فقط یک بار اتفاق می افتد. محافظ محرک های فنری مکانیکی معمولاً گشتاور کمتری نسبت به مدل های بدون فنر بازگشتی نظیر خود دارند. محافظ محرک های الکترونیکی در بسیاری از موارد، درجه گشتاور برابر یا بالاتری نسبت به مدل های بدون فنر بازگشتی برقی نظیر خود دارند.
محرک های هیدرولیک الکترونیکی
محرک های هیدرولیک الکترونیکی ویژگی های محرک های برقی و پنوماتیکی را با هم ترکیب می کنند. یک محفظه بسته شده شامل مایعات هیدرولیک، پمپ و برخی از دستگاه های اندازه گیری یا کنترل، برای کنترل فشار در یک پیستون یا پیستون / دیافراگم است. یک سیم پیچ کنترل شده توسط ولتاژ dc از سطح متوسط تا پایین، دستگاه کنترل فشار را فعال می کند. خروجی حاصل یک حرکت پیستونی از نوع خطی است. این نوع محرک به راحتی با شیرهایی که نیاز به حرکت خطی دارند، مانند حرکت ساقه یک شیر کروی، سازگار است. محرک های هیدرولیک الکترونیکی برای عملکردهای کنترل اضافی می توانند از سوئیچ های کمکی داخلی استفاده کنند. محرک ها با منبع تغذیه 24/120/240 V (ac) در دسترس هستند. زمان معمول برای رسیدن به حالت حرکت کامل 60 ثانیه است. محرک های هیدرولیک الکترونیکی ممکن است از نوع محافظ دار باشند، که شیر را درهنگام از دست دادن نیرو به حالت قبل خود باز می گرداند.
شیرهای سلونوئیدی
یک شیر سلونوئیدی یک عنصر کنترل الکترومکانیکی است که دریچه ای را با انرژی یک سیم پیچ سلونوئید باز یا بسته می کند. شیرهای سلونوئیدی برای کنترل جریان آب گرم یا سرد و بخار با محدوده اندازه از تا 2 اینچ اندازه لوله استفاده می شوند. محرک های شیر های سلونوئیدی خود دستگاه های کنترل دو حالته هستند و برای کار در طیف گسترده ای از ولتاژهای جریان متناوب (هر دو 50 و 60 هرتز) و همچنین جریان مستقیم در دسترس هستند. بهره برداری از یک شیر دو طرفه ساده، با عملکرد مستقیم شیر سلونوئیدی در حالت بدون انرژی، داده شده است.
شیرهای رادیاتور ترموستاتیک
شیرهای رادیاتور ترموستاتیک خود نیرو هستند و به منبع انرژی خارجی احتیاج ندارند. آنها دمای اتاق را با تعدیل جریان آب گرم یا بخار از طریق رادیاتورهای ایستاده، کانوکتورها یا دستگاه های منتقل کننده گرما، کنترل می کنند. شیرهای رادیاتور ترموستاتیک برای انواع روش های نصب با سنسورهای از راه دور یا سنسور داخلی و اصلاح نقطه تنظیم از راه دور یا نزدیک در دسترس هستند
کنترل شیرهای اتوماتیک
کنترل مبتنی بر کامپیوتر (کنترل دیجیتال مستقیم) شیرهای کنترل خودکار جایگزین فناوری های قدیمی شده و مزایای بسیاری از جمله سرعت، دقت و ارتباط داده را فراهم می کند. با این حال، باید در انتخاب مقدار پارامترهای حلقه کنترل مانند سرعت حلقه و باند مرده (انحراف مجاز از نقطه تنظیم) دقت نمود. سرعت بالای حلقه همراه با باند مرده بسیار کم می تواند باعث شود محرک شیر با هر دور گردش حلقه کنترل به دنبال یک موقعیت کنترل جدید باشد. به عنوان مثال، یک حلقه کنترل 1 ثانیه با باند مرده صفر می تواند بیش از 30،000،000 موقعیت جدید (اصلاحات) در 1 سال کارکرد داشته باشد. این اثر مخرب می تواند باعث کاهش عمر مؤثر محرک شود.
این بدان معنا نیست که سیستم های کنترل مبتنی بر کامپیوتر، عمر کلیه شیرهای کنترل اتوماتیک را کوتاه می کنند. سیستم های کنترل مبتنی بر کامپیوتر باید تنظیم شوند تا حداقل میزان واکنش قابل قبول و دقت لازم برای دستیابی به حداکثر عمر شیر و محرک را فراهم کنند. اگر از ویژگی های شیر سطح بالایی از دقت و سرعت پاسخ دهی باشد، یک محرک با عملکرد عالی مورد نیاز است.
شیرهای دوراهه
در شیر دو راهه اتوماتیک، بسته به موقعیت ساقه و دیسک موجود در شیر، سیال وارد درگاه ورودی می شود و از درگاه خروجی با حجم کامل یا کاهش یافته خارج می شود. شیرهای کروی دو راهه ممکن است دارای یک یا دو نشیمنگاه باشند.
در شیر کروی با یک محل استقرار، یک نشیمنگاه و یک دیسک متصل باعث بستن جریان می شوند. روش دیسک متصل بسته به نیاز طراح و کاربرد متفاوت است. برای مقایسه بدنه، به شکل 9 در فصل 7 کتاب اصول 2013 ASHRAE مراجعه کنید.
شیر با دو محل استقرار کاربرد ویژه ای از شیر دو راهه با دو نشیمنگاه، اتصالات و دیسک ها است. عموماً در مواردی استفاده می شود كه فشار بستن برای شیر با یک نشیمنگاه خیلی زیاد باشد.
شیرهای سه راهه
شیرهای سه راهه جریان های سیال را با هم مخلوط کرده و یا منحرف می کنند. شکل 12 برخی از کاربردهای رایج در مورد شیرهای سه راهه را نشان می دهد. شکل 8 در فصل 7 اصول کتابچه راهنمای ASHRAE 2013 مقاطع برشی از شیرهای کروی مخلوط و منحرف سه راهه را نشان می دهد.
یک شیر مخلوط سه راهه بر اساس موقعیت شیر پلاگ در رابطه با نشیمنگاه های بالا و پایین شیر دو جریان را به یک جریان مشترک ترکیب می کند.
شیر سه راهه منحرف کننده یا شیر بای پس یک جریان سیال را می گیرد و برای کنترل دما آن را به دو جریان تقسیم می کند. در برخی از کاربردهای محدود، مانند کنترل برج خنک کننده، باید از یک شیر منحرف کننده یا بای پس از آن به جای یک شیر اختلاط استفاده شود. در اکثر موارد، اگر محرک همراه دارای نرخ سرعت فنری بسیار بالایی باشد، شیر مخلوط کننده می تواند همان عملکرد مشابه یک شیر منحرف کننده یا بای پس را انجام دهد. در غیر این صورت، هنگام بهره برداری در نزدیکی نشیمنگاه، ضربه قوچ یا سر و صدا ممکن است رخ دهد.
شیرهای توپی
شیرهای توپی همراه با محرک های الکترونیکی اتصال مستقیم معمولاً در کاربردهای کنترل تهویه مطبوع استفاده می شوند زیرا به راحتی می توان حرکت 90 درجه ای محرک را به حرکت یک چهارم چرخشی شیر توپی مطابقت داد. برای تعدیل برنامه های جریان باید از پورت کاهش یافته یا دیسک مشخص کننده در شیر توپی استفاده شود تا از ظرفیت کلی جریان شیر بکاهد و خصوصیات جریان را اصلاح کند (مثلاً درصد برابر) که از سرریز شدن یا ایجاد جریان ناهموار جلوگیری گردد. سیستم بسته بندی یک شیر توپی به گونه ای طراحی شده است تا اقدام ذاتی تنظیم کنترل در تهویه مطبوع را در خود جای دهد.
شیرهای پروانه ای
شیرهای پروانه ای در برنامه های دو حالته و تعدیل کننده استفاده می شوند. از مزایای شیرهای پروانه ای قابلیت آن ها برای ایجاد حباب محکمی به منظور قطع جریان در برابر فشارهای بالاتر، وزن سبک تر و اندازه جمع و جور آن ها است.
شیرهای پروانه ای به صورت شیرهای دو راهه تولید می شوند. در بعضی از کاربرد ها که نیاز به استفاده از شیر سه راهه وجود دارد، دو شیر پروانه ای بر روی یک لوله قرار می گیرند و به صورت متقاطع نصب می شوند تا به عنوان شیرهای ترکیبی سه طرفه یا سه راه بای پس کار کنند
شیرهای پروانه ای دارای ویژگی های جریان متفاوت از شیرهای کروی با نشیمنگاه استاندارد و نوع دیسکی هستند، بنابراین ممکن است در مواردی که ویژگی های جریان آن ها کفایت داشته باشد، از آن ها استفاده شود. هنگام اندازه گیری شیر پروانه ای برای یک برنامه تعدیل کننده، از درجه CV در چرخش 60 درجه یا 70 درجه استفاده کنید. برای برنامه های دو حالته (روشن / خاموش)، از درجه بندی CV 90 درجه استفاده کنید. همچنین پیروی از دستورالعمل سازنده به منظور رتبه بندی شیر پروانه ای برای حداکثر سرعت سیال بسیار مهم است، زیرا بیش از این رقم می تواند طول عمر شیر را کاهش دهد.
شیرهای کنترل مستقل از فشار
شیرهای کنترل مستقل از فشار (PICVs) شیرهای کنترل همراه با یک روش داخلی تنظیم اختلاف فشار برای از بین بردن تغییرات جریان ناشی از نوسانات اختلاف فشار در مجموعه شیر است. این امر می تواند با استفاده از تنظیم کننده فشار دینامیک یا نرم افزار یکپارچه برای نظارت بر جریان در رابطه با خروجی طراحی شده از شیر انجام شود. در کاربرد عملی، یک شیر PICV جایگزین یک شیر کنترل و یک شیر بالانسینگ می شود.
جریان شیرهای کنترل وابسته به فشار استاندارد (شیرهای کروی، شیرهای توپی، و غیره) به اختلاف فشار در سراسر شیر بستگی دارند. با افزایش این فشار در یک شیر استاندارد با یک موقعیت ساقه ثابت، جریان افزایش می یابد. به همین ترتیب، همزمان با کاهش اختلاف فشار در شیر، جریان کاهش می یابد. این تغییر فشار ناشی از عواملی مانند تعدیل سایر شیرهای کنترلی در حلقه هیدرونیک است. علاوه بر این، اختلاف فشار پایین در شیر کنترل منجر به جریان بیش از حد و جریان کمتر از حد می شود که ناشی از تغییرات سریع جریان با تغییرات اندک در موقعیت شیر می باشد (بخش مربوط به مشخصات شیر کنترلی جریان را ببینید).
مزایای PICV شامل جریان پایدار هنگام ثابت ماندن محل ساقه، صرف نظر از نوسانات فشار، و حذف دستگاه بالانسینگ هیدرونیک (به عنوان مثال شیر بالانسینگ، دستگاه محدود کننده جریان) که در آن PICV نصب شده است. همچنین اندازه گیری شیر PICV راحت تر است زیرا دیگر نیازی به محاسبه CV برای شیر نیست. انتخاب PICV بر اساس جریان شیر تمام باز انجام می گیرد.
PICV ها برای محدوده اختلاف فشار (به عنوان مثال، 5 تا 50 psi) که در آن PICV مستقل از فشار است، رتبه بندی می شوند. اگر فشار خارج از این محدوده باشد، PICV به یک شیر وابسته به فشار تبدیل می شود و مستعد به تغییر جریان از تغییرات فشار است. این محدوده اختلاف فشار، یک محدوده عملیاتی است که با فشار بستن خود شیر ارتباط ندارد.
PICV ها برای دستیابی به حداکثر نقطه جریان می توانند با تنظیم کردن توقف های پایانی محرک یا برنامه نویسی دارای قابلیت تنظیم شدن میدانی شوند، از این طریق نیاز به حذف و جایگزینی قطعات را برطرف می نمایند. تنها محدودیت در تنظیم جریان، ظرفیت بدنه شیر می باشد.
شیرهای محدودکننده جریان
شیرهای محدود کننده جریان (FLV) شیرهای کنترل متصل شده به یک وسیله یکپارچه محدود کننده جریان هستند که مانع از عبور جریان بیش از حد از قبل تعیین شده می شوند. جریان توسط یک کارتریج داخلی محدود شده است. FLV اجازه نخواهد داد دبی بیش از حد جریان هنگام کار در محدوده عملیاتی اختلاف فشار از پیش تعریف شده (به عنوان مثال، 1 تا 14 psi ، 2 تا 32 psi) عبور کند. اما بر خلاف شیر کنترل مستقل از فشار که باعث حذف تغییرات جریان می شود (به عنوان مثال، جریان بیش از حد و جریان ناشی از فشار در کل بازه شیر کنترل)، FLV ها فقط برای در نظر گرفتن حداکثر جریان مجاز از طریق شیر کنترل طراحی شده اند.
بنابراین، اگر جریان به دلیل نوسانات فشار در هر موقعیت شیر بالاتر از حد انتظار باشد (به جز در باز شدن کامل)، این جریان اضافی از طریق شیر کنترل مجاز خواهد بود. FLV ها برای برنامه های دو حالت (روشن / خاموش) هستند که در آن طراحی بر اساس جریان کامل یا بدون جریان می باشد، بدون اینکه هیچگونه نوسانی بین آن وجود داشته باشد.
با جابجایی کارتریج داخلی یا تنظیم بیرونی، می توان میزان جریان FLV را تنظیم کرد و تنها محدودیت آن ظرفیت دبی بدنه شیر است.
مشخصات جریان شیر کنترل
بر اساس مشخصات شیر، سه حالت مجزا برای جریان امکان پذیر است:
- باز شدن سریع: باز کردن سریع شیر از حالت بسته، مقدار قابل توجهی از جریان را از یک دریچه کوچک عبور می دهد. با حرکت شیر به سمت موقعیت کامل باز، نرخ سرعت افزایش جریان به روشی غیرخطی کاهش می یابد. این ویژگی در برنامه های دو حالته روشن یا خاموش استفاده می شود، زیرا در کاربردهای تعدیلی قرار دادن ساقه شیر به طور کاملاً صحیح برای جریان های کم و متوسط بسیار دشوار است.
- خطی: شیرهای خطی در هر افزایش مساوی باعث افزایش جریان یکسان از شیر می شوند که به سمت موقعیت کاملاً باز حرکت می کنند. این مشخصه در پایانه های سیم پیچ بخار، کاربردهای بای پس و حتی در پورت بای پس شیرهای سه راهه استفاده می شود.
- درصد مساوی: این نوع شیر با حرکت از حالت بسته به حالت باز، جریان را به صورت نمایی افزایش می دهد. اصطلاح درصد برابر بدان معنی است که برای افزایش مساوی از باز شدن شیر، جریان با درصد برابر افزایش می یابد. به عنوان مثال، در شکل 16، اگر شیر از 50 به 70 درصد کورس حرکتی منتقل شود، درصد جریان کامل از 10 به 25 درصد تغییر می کند، که 150 درصد افزایش صورت گرفته است. سپس، اگر شیر از 80 به 100٪ کورس حرکتی منتقل شود، درصد جریان كامل مجدداً از 40 به 100٪ تغییر می یابد، که 150٪ افزایش می یابد. این ویژگی برای کنترل خطوط آب سرد و گرم برای خطی کردن خروجی ترکیب سیم پیچ پیشنهاد می شود، که تنظیم راحت تر انجام شود و به طور معمول منجر به پایداری سیستم می شود.
طراح ویژگی جریان شیر را با منحنی عملکرد سیم پیچ (گرمایش یا سرمایش) ترکیب می کند تا از ویژگی انتقال حرارت مناسب اطمینان داشته باشد. (شکل 17). برای یک کویل گرمایش یا خنک کننده هیدرونیک معمولی، خروجی کویل (شکل 17A) به سرعت افزایش می یابد و با نزدیک شدن به نقطه طراحی کند می شود. جابجایی این خروجی سیم پیچ با تصویر آینه آن در درصد جریان (یعنی مشخصات جریان برابر با درصد برابر) همانطور که در شکل 17B نشان داده شده است منجر به خروجی سیم پیچ خطی می شود.
سه الگوی جریان با تحمیل افت فشار ثابت در شیر تعدیل شونده بدست می آیند، اما در شرایط واقعی افت فشار در شیر بین حداکثر (در هنگام کنترل) و حداقل (متغیر کنترل) متفاوت است. نسبت این دو افت فشار به عنوان اقتدار شناخته می شود. شکل های زیر نشان می دهد که چگونه ویژگی جریان خطی و با درصد برابر شیر تحریف می شود زیرا قدرت شیر کنترل به دلیل کاهش افت فشار دریچه کاهش می یابد. ویژگی سریع باز شدن، تا جایی که به کنترل دو حالت روشن یا خاموش نزدیک شود، تحریف شده است. انتخاب شیر کنترل افت فشار به طور مستقیم بر اقتدار شیر تأثیر می گذارد و باید حداقل 25 تا 50 درصد افت فشار انشعاب باشد (یعنی افت فشار از اتصال انشعاب از منبع اصلی برای بازگشت اصلی از جمله لوله کشی، اتصالات، سیم پیچ، دستگاه متعادل کننده و شیر کنترل). موقعیت شیر کنترل در سیستم منجر به انتخاب افت فشار منحصر به فرد برای هر شیر کنترل می شود. افت فشار شیر بیشتر باعث می شود اندازه شیر کوچکتر و کنترل بهتر باشد، اما تلفات انرژی اصطکاک بیشتری نیز خواهد داشت.
انحراف اقتدار مشخصه جریان درصد برابر
محدوده اقتدار بین 0.0 و 1.0 است. اقتدار کم می تواند باعث شود که به جای تأمین خروجی سیم پیچ خطی مورد نظر، سریع باز شود و باعث نوسانات جریان، دما و فشار که در گذشته مورد بحث قرار گرفت شود. اقتدار 1.0 باعث می شود شیر در امتداد منحنی نظری خود کار کند. مقدار اقتدار بالا منجر به از بین رفتن فشار زیاد می شود، حتی اگر شیر کاملاً باز باشد. در کاربردهای تعدیل کننده، یک اقتدار بین 0.25 و 0.5 معمولاً تعادل مناسب بین قابلیت کنترل و عملکرد انرژی را فراهم می کند.
اقتدار = اختلاف فشار شیر /(اختلاف فشار شیر + اختلاف فشار انشعاب)
اندازه گیری شیر کنترل
مایعات: شیرهای دو حالته معمولاً به اندازه لوله انتخاب می شوند. مشخصه جریان (به عنوان مثال، خطی، درصد برابر) در این برنامه اهمیتی ندارد، بنابراین می توان از هر نوع استفاده کرد. شیرهای توپی باید بدون دیسک مشخص کننده و برای بزرگترین اندازه پورت (بزرگترین ) انتخاب شوند.
اندازه گیری شیرهای وابسته به فشار بر اساس معادله زیر برای ضریب جریان به شرح زیر می باشد:
ضریب جریان
جریان، گالن بر دقیقه
جاذبه مخصوص سیال که برابر یک برای آب است، بدون واحد
psiافت فشار،
توجه داشته باشید که (با استفاده از واحدهای I-P) و SI معادل از نظر عددی برابر نیستند. بنابراین، قبل از انتخاب شیرها از یک کاتالوگ بیان شده در سیستم واحد دیگر، مقدار محاسبه شده را به شرح زیر تبدیل کنید:
برای تعیین ضریب جریان شیر کنترل، باید سرعت جریان و افت فشار مورد نظر در شیر کنترل مشخص شود.
سرعت جریان باید از طرح، نقشه های کارگاه، خود تجهیزات یا سایر داده های موجود بدست آید. به منظور فراهم کردن اقتدار معقولی كه در قسمت قبل مورد بحث قرار گرفت، افت فشار مطلوب مورد نیاز است.
افت فشار و درنهایت، اندازه گیری شیر به خودی خود بر اساس شیر در حالت کاملاً باز است زیرا ظرفیت شیر باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا بتواند شرایط جریان طراحی را کنترل کند. برای برآورد افت فشار مورد نظر، ابتدا تعیین کنید که آیا شیر یک نوع کنترل دو حالته (روشن یا خاموش) یا تعدیل کننده (شناور یا متناسب) است.
شیرهای دو حالته (کنترل روشن یا خاموش) با افت فشار 1 psi ( 2.31 فوت ارتفاع) اندازه می گیرند. بنابراین، اگر جریان 10 گالن در دقیقه باشد، مورد نظر برای شیر کنترل دو موقعیتی است:
شیر کنترل انتخابی باید دارای تا حد ممکن نزدیک به محاسبه شده از این معادله باشد، و نباید زیر آن مقدار قرار گیرد.
احتیاط: در یک برنامه دو موقعیتی، با عنایت به ” قاعده شست” بنا به تجربه به دست آمده انتخاب شیر کنترل بستگی به اندازه لوله دارد. اگر چه، با وجود انتخاب های خیلی بیشتر از مقادیر ، در حال حاضر طیف وسیعی از شیرهای کنترلی موجود است، با مشخص کردن شیر کنترل اینچ برای یک خط ورودی اینچی بدون تعیین می تواند منجر به نصب شیر با زیر 1 شود.
غالباً طراحان افت فشار بالاتر از 1 psi را برای شیر كنترل دو حالته مشخص می كنند. به عنوان مثال، با حداکثر جریان مورد نیاز 10 ، اما با استفاده از افت فشار 4 psi در شیر کنترل به جای 1 psi ،
این نتیجه نشان می دهد که شیر فقط در اختلاف فشار 4 psi می تواند نیمی از ظرفیت را داشته باشد زیرا در اختلاف فشار 1 psi مورد استفاده در محاسبه قبلی قرار دارد.
شیرهای تعدیل شده با استفاده از همان معادله ضریب جریان اندازه می شوند. اما، به دلیل اینکه شیر کنترل در حال تعدیل فشار در سراسر شیر است، اختلاف فشار بالاتر از یک شیر کنترل دو موقعیتی خواهد بود. همانطور که قبلاً گفته شد، افت فشار در شیر کنترل باید از 25 تا 50٪ فشار انشعاب باشد. عوامل زیادی بر فشار انشعاب تأثیر می گذارند و مانند سایر شیرهای سیستم باز و بسته می شود. برای جلوگیری از پیچیدگی تجزیه و تحلیل مدار هیدرولیک، یک قاعده شست برای افت فشار شیر کنترل مورد نظر 4 تا 5 psi است.
به عنوان مثال، برای یک شیر کنترل تعدیل کننده در یک برنامه سیم پیچ مجدد با سرعت جریان 3 و 5 psi، افت فشار هست:
توجه داشته باشید که ضرایب جریان نصب شده ممکن است به دلیل عوامل هندسه لوله، از نظر ارزش کاتالوگ، به خصوص در شیرهای با افت فشار مانند شیرهای توپی با درگاه کامل و شیرهای پروانه ای متفاوت باشد. هرچه اختلاف در اندازه خط شیر و خط لوله بیشتر باشد، تأثیر آن بر ضریب جریان نصب شده (اصلاح شده) بیشتر می شود. در جایی که ضرایب جریان چندگانه برای اندازه خط شیر داده شده از قبیل شیرهای توپی وجود داشته باشد، شیری باید انتخاب شود تا اندازه خط لوله در جایی که وجود دارد مطابقت داشته باشد. در جایی که شیر باید از اندازه خط کوچکتر باشد، برای تنظیم ضریب جریان با سازنده مشورت کنید. به طور معمول، اگر شیر بیش از یک اندازه کوچکتر از اندازه خط لوله نباشد، ضربه برای شیرهای کروی و شیرهای توپی توصیف شده ناچیز خواهد بود.
بخار. برای جریان بخار، فشارهای ورودی و خروجی بخار و نوع کنترل (تعدیل یا دو موقعیت) باید در نظر گرفته شود:
جریان توده بخار،
به طور کلی، برای بخارهایی که بسیار داغ نیستند این مقدار یک است.(داغ
ضریب جریان
psiاختلاف فشار (فشار ورودی- فشار خروجی) ،
psiaفشار بخار خروجی (مطلق)،
دو حالت برای انتخاب اختلاف فشار در شیر کنترل بخار وجود دارد:
- فشار بخار ورودی 15 .
یک کنترل دو حالته (روشن / خاموش): اختلاف فشار = 10٪ فشار فشار بخار ورودی.
ب کنترل متناسب: اختلاف فشار = 80٪ فشار فشار بخار ورودی
- فشار بخار ورودی 15 .
یک کنترل دو حالته (روشن / خاموش): اختلاف فشار = 10٪ فشار مطلق بخار ورودی.
ب کنترل متناسب: اختلاف فشار = 25٪ فشار مطلق بخار ورودی.
در هر زمان ممکن، از انتخاب اختلاف فشار بالاتر از 42٪ (بخار اشباع) خودداری کنید، زیرا این امر بخار موجود در شیر را به عملکرد حساس یا صوتی سوق می دهد. در این حالت، جریان و از معادله (5) پیروی نمی کنند، در عوض مطابق با معادله زیر هستند:
جریان بخار
ضریب جریان
psiفشار مطلق بخار ورودی،
