یکی از مهمترین بخش‌ها در فرایندهای کنترلی، شیرهای کنترلی یا کنترل ولو (Control Valve) می‌باشند. این شیرها برای تنظیم شرایط یک فرآیند و نزدیک کردن آن به بهترین نقطه ممکن کارکردی استفاده می‌شوند. شیر کنترلی نوعی شیرصنعتی است که با تغییر میزان باز بودن دریچه عبور سیال، دبی آن را کنترل می‌کند. با کنترل دبی سیال می‌توان دما، فشار و سطح مخزن را در فرایندها کنترل کرد. در این مقاله از پیکاتک به بررسی کامل شیر کنترلی می پردازیم.
شیر کنترلی چیست؟
شیر کنترلی به شیرهایی گفته می‌شود که به منظور کنترل شرایطی همچون جریان، فشار، دما و سطح مایع به کار می‌روند. این عمل با باز یا بسته شدن شیر به صورت ناقص یا کامل صورت می‌گیرد. باز و بسته شدن شیرهای کنترلی معمولاَ توسط عملگرهای پنوماتیک، هیدرولیک یا الکتریکی صورت می‌گیرد. برای کنترل باز و بسته شدن عملگرها، از موقعیت‌سنج‌هایی استفاده می‌شود که بر اساس سیگنال‌های الکتریکی یا پنوماتیکی عمل می‌کنند. هر شیر کنترلی از سه بخش مهم تشکیل شده است که هر کدام از این بخش‌ها خود چندین طرح مختلف دارند. این بخش‌ها شامل عملگر، موقعیت‌سنج و بدنه می‌شود.
مشخصات شیر کنترلی
همه شیرهای کنترلی یک مشخصه جریان ذاتی دارند که این مشخصه، ارتباط بین میزان باز بودن دریچه شیر و دبی جریان عبوری را تعیین می‌کند. در این تعریف منظور از میزان باز بودن دریچه شیر، مساحت سطح اریفیس نیست بلکه منظور نسبت آن به حالت کاملا باز شیر می‌باشد.شکل فیزیکی چینش عضو مسدود کننده (پلاگ) و نشیمنگاه (سیت) شیر، که معمولا تریم نیز خوانده می‌شود، باعث می‌شود تا شیرهای مختلف با میزان باز بودن مساوی، دبی جریان متفاوتی داشته باشند.شیر کنترلی معمولا با سه مشخصه مختلف در بازار موجود هست:
سریع بازشو
در شیرهای سریع بازشو، با کمی باز کردن شیر، دبی بالایی عبور خواهد کرد. برای مثال باز کردن دهانه به میزان 50 درصد باعث عبور جریان به میزان 90 درصد خواهد شد. این شیرها معمولا برای کاربردهای قطع و وصل (On/Off) استفاده می‌گردند.
خطی
در شیرهای خطی، دبی مستقیماً با میزان باز شدن شیر رابطه دارد;برای مثال؛ اگر شیر 40 درصد بازشود، اریفیسی به اندازه 40 درصد، اجازه عبور جریان به میزان 40 درصد را خواهد داد.
درصد مساوی
در شیرهای درصد مساوی که لگاریتمی نیز نامیده می‌شود، شکل پلاگ طوری طراحی شده‌است که هر جزئی که پلاگ بالاتر می‌رود جریان به میزان درصدی مشخص از دبی قبلی افزایش می‌یابد. ارتباط بین بازشدن پلاگ و دبی جریان به جای خطی، لگاریتمی است.
اجزای سازنده شیر کنترلی
یک کنترل ولو اتوماتیک شامل مجموعه‌های زیر است:
- جریان عبوری که باید کنترل شود
- یک سنسور که تغییرات جریان را اندازه‌گیری می‌کند
- یک کنترلر که سیگنال‌های محاسبه شده را به اکچویتور ارسال می‌کند
- یک اکچویتور (عملگر) که فرمان‌های کنترلر را بر روی ولو اجرا می‌کند
- شیر که جریان را کنترل می‌کند
استاندارد شیر کنترلی
تهیه مشخصات شیرهای کنترل یکی از مراحل بسیار مهم در طراحی کامل، خرید و ساخت سیستم‌های کنترلی است. اگر برای سیستم کنترلی به دلیل مشخصات اشتباه و یا ناقص، شیر کنترل نامناسبی انتخاب شود، جایگزینی آن برای خریدار و نیز سازنده هزینه بوده و اغلب منجر به تاخیر در پروژه می‌شود. به همین دلیل، بسیاری از مصرف‌کنندگان و پیمانکاران شیرهای کنترلی، دیتاشیت‌های استاندارد مربوط به خود را توسعه داده‌اند تا بتوانند تا حد ممکن از اطلاعات ناکافی و گاها اشتباه مربوط به مشخصات شیرها بپرهیزند. سازمان‌ها و استانداردهای گوناگون از جمله IPS ،IEC ،DIN ،BS و ISO استانداردهایی برای شیرهای کنترلی ارائه داده‌اند. گفتنی است که استانداردهای DIN ،BS و ISO دقیقا استاندارد شیرهای کنترلی IEC را استفاده کرده‌اند و IPS نیز در تدوین استاندارد شیرهای کنترلی خود از دیگر استانداردهای بین‌المللی به عنوان مرجع استفاده کرده است. همچنین استاندارد IEC نسبت به IPS جامعیت بیشتری داشته و در دیتاشیت مربوط به شیرهای کنترلی مشخصات بیشتر و کامل‌تری را پوشش داده است. کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC) یک سازمان استاندارد غیر دولتی است که استانداردهای بین‌المللی را برای همه فناوری‌های مرتبط با الکتریک و الکترونیک (که در مجموع بعنوان الکتروتکنولوژی شناخته می‌شوند) تهیه و منتشر می‌کند. استانداردهای IEC بازه‌ی گسترده‌ای از فناوری‌ها را از تولید توان گرفته تا انتقال و توزیع آن در کاربردهای خانگی و نیز تجهیزات اداری، نیمه رساناها، فیبرهای نوری، باتری‌ها، انرژی خورشیدی، نانوتکنولوژی، انرژی دریا و بسیاری دیگر پوشش می‌دهند.
مزایا شیر کنترلی
مزایا اصلی شیر کنترلی به شرح زیر است:
- راه اندازی، توقف و هدایت جریان
- تنظیم، کنترل و یا کاهش جریان
- جلوگیری از برگشت جریان
- کاهش یا تنظیم فشار
کاربرد شیر کنترلی
کاربردهای شیر کنترلی به شرح زیر است:
- سیستم های حفاری دریایی
- کنترل واحد تزریق شیمیایی
- سیستم غواصی
- منبع هوا
- شیرهای آتش نشانی
- تنظیم فشار روغن
- کمپرسور
- ماشین آلات تولیدی
- هوای فشار بالا
- سیستم های پالایش و شیمیایی
نحوه عملکرد شیر کنترلی
باز یا بسته شدن شیرهای کنترل توسط عملگرهای شیر که به صورت پنوماتیکی، هیدرولیکی و برقی است انجام می‌شود. معمولا در شیرهایی که قابلیت تنظیم جریان دارند (مانند شیر کروی) و می‌توان شیر را در حالت‌های نیمه باز نیز تنظیم کرد، از موقعیت‌دهنده شیر (Valve positioner) برای تنظیم میزان باز بودن شیر استفاده می‌گردد. معمولا به دلیل سادگی و در دسترس بودن از شیرهایی با عملگر پنوماتیکی استفاده می‌گردد. فشار سیگنال کنترلی این عملگرها معمولا در بازه 0.2 تا 1 بار (3-15 psi) می‌باشد. در عملگرهای برقی این سیگنال کنترلی معمولا دارای جریان استاندارد صنعت یعنی 4 تا 20 میلی‌آمپر (یا 1 تا 10 ولت برای تأسیسات تهویه مطبوع) می‌باشد. کنترل‌های الکتریکی در حال حاضر معمولا شامل سیگنال‌های هوشمندی هستند که می‌توانند روی سیگنال کنترلی 4-20 mA اضافه یا جمع شوند و برای مثال می‌توانند اطلاعاتی را مانند سلامت شیر یا میزان باز بودن آن را به کنترلر برگردانند. پروتکل‌های HART و Fieldbus Foundation و Profibus از معروف‌ترین این پروتکل‌ها می‌باشند.
انواع شیر کنترلی از نظر حرکت
شیرهای کنترلی به صورت کلی به دو دسته تقسیم بندی می شوند.
شیر کنترلی با حرکت چرخشی (روتاری)
شیرهای با حرکت چرخشی اسپیندل شامل شیرهای توپی، شیرهای پروانه ای و شیرهای سماوری.
شیر کنترلی با حرکت خطی
شیرهای با حرکت خطی اسپیندل شامل شیرهای دروازه ای و شیرهای کروی
انواع شیر کنترلی
هم چنین شیرهای کنترلی همچنین به دو دسته دوراهه (two-port) و سه راهه (Three-port) نیز تقسیم می‌شوند.
شیرهای کنترل دو راهه
کاربرد شیرهای ذو راهه: ایجاد محدودیت و اختناق در سیال با تغییر وضعیت ساقه و باز و بسته شدن
شیرهای کنترل سه راهه
از شیرهای سه راهه می‌توان هم برای اختلاط و هم برای تقسیم جریان استفاده کرد البته باید توجه داشت که از همه شیرهای سه راهه نمی‌توان برای هر دو کاربرد اختلاط و تقسیم استفاده کرد. بعضی از شیرهای سه راهه نوع کروی (Globe) فقط برای اختلاط ساخته می‌شوند که در بعضی موارد به اشتباه جهت تقسیم از آنها استفاده می‌شود.
شیر کنترلی پنوماتیک
به صورت کلی شیر ها را می توان به دو دسته تقسیم کرد، اول شیرهای صنعتی دستی یا Manual و دوم شیر های کنترل فرمان پذیر. دسته دوم ممکن است با استفاده از رانشگر های مختلف سرویس دهند، برخی با محرک برقی، برخی با محرک هیدرولیکی و برخی نیز با محرک های پنوماتیک کار می کنند که بیش از سایرین در سایز های عادی یک خط لوله مورد استفاده قرار می گیرند. شیر های پنوماتیک ممکن است در حالت کاملا باز و یا کاملا بسته قرار گیرند و یا به وضعیت های مختلفی که قابل تعریف هستند تبدیل شوند. البته نوع شیری که این دستگاه بر روی آن نصب می شود نیز مهم است. ساختمان کلی این شیر ها تشکیل شده است از یک مدار فرمان، یک پوزیشنر که حالت شیر و میزان عبور سیال را تنظیم می کند، یک مولد نیروی پنوماتیک، و در نهایت یک شیر مکانیکال که معمولا توپی یا پروانه ای است. این شیر ها مدت زمانی برای باز و بسته شدن نیاز دارند که باید در مراحل طراحی خط در نظر گرفته شوند، همین طور برخی به صورت تک ضرب و برخی به صورت تدریجی عمل می کنند.
راهنمای انتخاب شیر 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.
لینک های مرتبط :
