در این سری از پست ها قرار است در مورد انواع شیرهای صنعتی در پایپینگ اطلاعاتی به شما عزیزان ارائه دهیم. در این مقاله در مورد انواع شیرهای صنعتی در پایپینگ صحبت میکنیم و در بخش های بعدی در مورد نحوه عملکرد و باقی مواردی که نیاز است یک مهندس مکانیک بداند صحبت خواهیم کرد.

فهرست مطالب

انواع شیرهای صنعتی (Valve)

رایج ترین انواع شیرهای صنعتی فعال (Actuated Valve)

شیر فعال چیست؟

شیر یکی از قسمت های سیستم لوله کشی (پایپینگ) است که برای کنترل جریان در این سیستم استفاده می شود. این کنترل با تغییر یک مانع در داخل دریچه شیر به دست می آید. شیرهای فعال از دستگاه‌های مکانیکی به نام عملگر یا Actuator استفاده می‌کنند تا با استفاده از یک منبع تغذیه مانند هوای فشرده یا برق کار کنند. اکثر شیرهای فعال نیز در نسخه‌های دستی یا به‌ عنوان یک شیر صنعتی با عملگر یا اپراتور دستی موجود هستند.

رایج ترین انواع شیرهای صنعتی اتوماتیک در یکی از سه دسته اصلی زیر قرار می گیرند. آنها خطی (Linear)، چرخشی (Rotary) و خود عملگر (Self-Actuated) هستند. انواع مختلفی از شیرها در هر یک از این دسته بندی ها وجود دارد که هر کدام مزایای خاص خود را دارند. در این مقاله در مورد شیرهای صنعتی چرخشی و خطی صحبت میکنیم.

شیرهای صنعتی چرخشی ( شیرهای “یک چهارم گردش” نیز شناخته می شوند)

این نوع شیرها متکی به حرکت دورانی مانع جریان هستند. در اکثر موارد این چرخش به ۹۰ درجه (یک چهارم دور) محدود می شود، اما شیر هایی وجود دارند که با درجه چرخش بیشتر کار می کنند و بیش از ۲ موقعیت دارند که در کاربری های معمولی استفاده می شود. دریچه هایی که واقعاً یک چهارم چرخش دارند در  ۰ درجه کاملاً بسته و در ۹۰ درجه کاملاً باز می شوند. نمونه هایی از شیرهای یک چهارم چرخشی عبارتند از: شیرهای توپی (Ball Valve)، شیرهای پلاگ (Plug Valve) و شیرهای پروانه ای (Butterfly Valve).

شیرهای صنعتی خطی

۲ نوع متمایز از شیرهای خطی وجود دارد: اهرم بالارونده (قابلیت چرخش چند دوری) و محوری. در حالی که ساختار عملکرد هر دو نوع شیر به صورت خطی مانع جریان میباشد، اما در ساخت و کار بسیار متفاوت هستند.

شیرهایی که اهرم بلند شونده نامیده میشوند، مانع جریان را با چرخش یک میله رزوه‌ای (اهرم) که به مانع متصل است، حرکت می‌دهند. نمونه‌هایی از این شیرها عبارتند از شیرهای دروازه ای (Gate Valve)، شیرهای گلوب (Globe Valve، شیرهای پینچ (Pinch Valve)، شیرهای دیافراگمی (Diaphragm Valve)، و شیرهای سوزنی (Needle Valve). این نوع شیرها معمولاً برای کاربردهای کنترل جریان استفاده می شوند.

شیر های محوری از نیروی پنوماتیک یا الکترومغناطیسی برای جابجا کردن مانع جریان در امتداد یک محور استفاده می کنند. برخی از نمونه‌های آن‌ها شیرهای کواکسیال (coaxial valves) و شیرهای نشیمنگاهی زاویه‌دار (angle seat valves) هستند. این شیرها معمولاً سریع عمل می کنند و فقط برای کاربردهای فرآیندی روشن/خاموش (on/off) استفاده می شوند.

انواع شیرهای صنعتی چرخشی (یک چهارم گردش)

شیرهای توپی (Ball Valves)

شیرهای توپی یک چهارم گردش دو طرفه رایج ترین نوع شیر کنترل فرآیند هستند. آنها شیرهای دو طرفه (ورودی و خروجی)، دو حالته (باز و بسته) هستند که برای قطع یا جداسازی یک سیستم یا یک حلقه یا جزء در یک سیستم استفاده می شوند. ساختار اصلی یک شیر توپی (Ball Valves) شامل یک توپ به عنوان مانع است که بین دو مهر و موم فنجانی به نام نشیمنگاه (Seat) قرار می گیرد. معمولاً توپ دارای سوراخی مستقیم است. هنگامی که دریچه باز است، سیال از این سوراخ عبور می کند. هنگامی که توپ ۹۰ درجه می چرخد، جریان سیال توسط طرفین توپ متوقف می شود و مانع عبور جریان سیال میشود. شماتیک یک شیر توپی را در زیر میبینید.

شیرهای توپی ۳، ۴ و حتی ۵ طرفه نیز موجود هستند، اما بسیار کمتر رایج هستند. در آینده در مقاله ای جدا به صورت مفصل در مورد این نوع شیر صحبت خواهیم کرد.

شیرهای توپی برای کاربری های فرآیندی روشن/خاموش (on/off) مناسب هستند. هرچند میتوان از این شیرها در فرآیند خفانش یا Throttling (Choking) نیز استفاده کرد ولی بهترین گزینه ممکن نیستند و معمولا از این نوع شیر استفاده نمیشود.

شیرهای پلاگ (Plug Valve)

ساختار اصلی یک شیر پلاگ عملاً شبیه به یک شیر توپی است به استثنای شکل مانع استفاده شده. در این مورد، توپ با یک استوانه کمی مخروطی جایگزین می شود. این سیلندر دقیقاً مانند یک شیر توپی دارای سوراخ است و در جایی که در موقعیت باز است، با چرخش ۹۰ درجه بسته می شود به همین ترتیب عمل می کند. در شکل زیر یک شیر پلاگ را مشاهده میکنید.

شیرهای پلاگ مزایایی دارند که آنها را به انتخاب ارجح در کاربردهای خاص تبدیل می کند. یکی این است که آنها حاوی هیچ حفره یا حفره ای نیستند که سیال در آن به دام بیفتند. مورد دیگر این است که می توان آنها را برای رفع مشکل نشتی که ممکن است در طول زمان ایجاد شود تنظیم کرد، جایی که یک شیر توپی باید تعمیر یا تعویض شود.

شیرهای پلاگین نیز مانند شیرهای توپی، معمولاً برای کاربری های روشن و خاموش (on/off) استفاده می شوند. شیرهای پلاگ اغلب در کاربردهایی مانند پالایشگاه ها و کارخانه های شیمیایی، که در آن محیط استفاده خورنده است، استفاده می شود.

شیرهای پروانه ای (Butterfly valve)

برخلاف شیرهای توپی و پلاگ، شیر های پروانه ای از یک مانع دیسکی شکل استفاده می کنند. به شیرهای پروانه‌ای که کاربری های معمولی دارند «شیر با نشیمنگاه ارتجاعی» نیز می‌گویند. آنها دارای یک حلقه نشتی هستند که به عنوان نشتی گیر بین بدنه شیر و دیسک و همچنین آب بندی بین فلنج های لوله و بدنه شیر عمل می کند. هنگامی که دیسک عمود بر جهت جریان باشد، جریان متوقف می شود. هنگامی که ۹۰ درجه چرخش می کند، جریان با حرکت در اطراف پروفیل باریک دیسک از شیر عبور می کند. در شکل زیر میتوانید اجزای مختلف شیر پروانه ای را ببینید.

انواع شیرهای صنعتی پروانه ای معمولاً در اندازه لوله های بزرگتر استفاده می شوند که در آن شیر توپی یا پلاگین بسیار بزرگ، گران و سنگین می شود. شیرهای پروانه ای نیز به خوبی به عنوان یک شیر کنترل جریان یا یک شیر روشن/خاموش (on/off) عمل می کنند. اگر از یک عملگر دستی برای این شیر در یک کاربری کنترل جریان استفاده شود، باید در جای خود قفل شود. به طوری که نیروی سیال دیسک را در هر دو جهت نچرخاند. اکثر شیرهای پروانه ای دستی این ویژگی را دارند.

انواع شیرهای صنعتی با اهرم بلند شونده (چند دور) (Rising Stem (multi-turn))

شیرهای دروازه ای (Gate Valves)

یک شیر دروازه ای با جابجایی یک دیسک گوه ای شکل به بالا و پایین عمل می کند تا مسیر جریان را از طریق شیر باز و بسته کند. این حرکت خطی توسط یک اهرم بالارونده رزوه ای ایجاد می شود. چرخاندن این اهرم رزوه ای به چرخش های متعدد (چند دور)  نیاز دارد تا شیر را باز و یا بسته کند. تعداد دورهای مورد نیاز معمولاً اندازه شیر به اینچ ضرب در ۳ به علاوه ۲ میباشد. بنابراین یک شیر ۶ اینچی به ۲۰ دور چرخش نیاز دارد [۶×۳ +۲ =۲۰]. شیرهای دروازه ای باید فقط برای کاربری های روشن/خاموش استفاده شوند زیرا پدیده خفانش (choking) برای مدت زمان طولانی به دیسک و نشتی گیر آسیب می رساند. استفاده از شیر دروازه برای خفانش نیز چندان مؤثر نیست زیرا بیشتر کاهش جریان در ۱۰ درصد آخر بسته شدن افزایش می یابد.

نحوه عملکرد و اجزای شیرهای صنعتی دروازه ای را میتوانید در شکل های زیر ببینید.

شیر های گلوب (Globe Valves)

شیرهای گلوب با داشتن یک پلاگ محدب دیسکی شکل عمل می‌کنند. این پلاگ که از طریق یک اهرم بالارونده به یک نشیمن توپی شکل متصل شده، در داخل بدنه کره‌ای شکل، بالا و پایین می‌رود. جریان از یک طرف وارد “نیمکره پایین” می شود، سپس از طریق نشیمن شیر به بالا می رود و از طریق خروجی در سمت مخالف “نیمکره شمالی” خارج می شود. شیرهای گلوب برای هر دو کاربرد روشن/خاموش و خفانش مناسب هستند. شیرهای گلوب دو طرفه، برای کنترل دقیق جریان، انتخابی ارجح هستند و شیرهای گلوب سه طرفه که معمولاً برای مخلوط کردن سیال از دو ورودی و هدایت این مخلوط به طرف خروجی، استفاده می‌شوند.

اجزای شیرهای گلوب و عملکرد آنها را در تصاویر زیر میتوانید ببینید.

شیر های سوزنی (Needle Valves)

این شیرهای صنعتی بسیار شبیه به شیرهای گلوب هستند ولی با ۲ تفاوت اصلی. اول اینکه، آنها کوچکتر هستند و برای کنترل دقیق جریان در خطوط کوچکتر استفاده میشوند. دوم، به جای پلاگ دیسکی شکل، از یک سوزن استفاده می کنند که شکل مخروطی دارد و به داخل و خارج یک روزنه حرکت می کند. در حالی که به عنوان یک شیر با کاربری روشن/خاموش مورد استفاده قرار میگیرند، ولی بهترین انتخاب نیستند. شیر های سوزنی (Needle Valves) برای کنترل جریان Choked مناسب هستند.

انواع شیرهای صنعتی روشن/خاموش سریع با عملگرهای داخلی

شیر برقی (Solenoid Valves)

شیرهای برقی با استفاده از یک مانع کشویی کار می کنند که شیر را باز و بسته می کند یا جریان را از یک خروجی به خروجی دیگر هدایت میکند. انواع مختلفی از موانع جریان در این شیرها استفاده میشود از جمله پیستون، شاتل، قرقره و دیافراگم.

حرکت خطی این مانع با انرژی دادن به یک سیم پیچ الکترومغناطیسی برای کشیدن مانع در یک جهت به دست می آید. هنگامی که سیم پیچ برق قطع می شود، یک فنر مانع را در جهت مخالف به عقب می راند. شیرهای روشن/خاموش ۲ حالته رایج ترین نوع شیرهای برقی هستند، اما تعداد زیادی از شیرهای برقی وجود دارند، از جمله ۳ حالته که در آن ۲ سیم پیچ وجود دارد که مانع را در جهت مخالف می کشد و فنرهایی که مجدد مانع را به جای قبلی برمیگرداند، در حالی که هیچکدام از فنرها با انرژی کار نمیکند.

شیرهای صنعتی برقی نیز وجود دارد که می توان از آنها برای کنترل جریان استفاده کرد. در این شیرها، سیم‌پیچ بر اساس ولتاژی که به آن وارد می‌شود، مانع جریان را در فواصل مختلف حرکت می‌دهد.

شیرهای برقی نسبتا کوچک هستند. اندازه آنها به قدرت فنر هایی که در آنها استفاده میشود بستگی دارد. قدرت این فنرها نیز معادل انرژی است که سیم پیچ های مغناطیسی ایجاد میکنند. علاوه بر فنر، مسیرهای جریان و روزنه ها در شیرهای برقی در مقایسه با اندازه خط نسبتاً کوچک هستند. این موضوع جریان را محدود می کند و افت فشار را از طریق شیر افزایش می دهد.

کاربردهای معمول شیر سلنوئید شامل خط آب در ماشین های ظرفشویی و یخ ساز است. در اتوماسیون شیرهای صنعتی، از شیرهای برقی برای کنترل هوای تغذیه به محرک های پنوماتیکی نیز استفاده می شود.

اگر دبی زیاد یا افت فشار کم مورد نیاز باشد، شیرهای برقی مناسب نیستند. میبایستی از شیرهای کواکسیال یا زاویه ای استفاده کرد.

بیشتر شیرهای صنعتی برقی از بدنه ای تشکیل شده اند که می توان انواع سیم پیچ را روی آن وصل کرد. سیم پیچ ها در طیف وسیعی از ولتاژها با انواع کانکتورها و درجه بندی حفاظت الکتریکی عرضه می شوند.

شیرهای کواکسیال (Coaxial Valves)

شیرهای کواکسیال، شیرهایی دو حالته هستند که می توانند به صورت پنوماتیک یا الکتریکی فعال شوند. نسخه های الکتریکی، از سیم پیچ الکترومغناطیسی در مقابل فنر، مشابه شیرهای برقی استفاده می کنند. نسخه‌های پنوماتیکی از فشار هوا در مقابل فنر (بازگشت فنر) یا فشار هوا در هر دو جهت (عملکرد دوگانه) استفاده می‌کنند.

شیر های صنعتی کواکسیال از یک مانع از نوع شاتل استفاده می کنند که سیال هنگام باز شدن از آن عبور می کند. این شاتل برای انجام عملکرد خود به یک موقعیت یا موقعیت دیگر حرکت می کند، برای کاربردهای روشن/خاموش یا هدایت جریان به خروجی مناسب. شیرهای کواکسیال در مقایسه با شیرهای برقی مسیر جریان بسیار بزرگتری دارند، اما هنوز از شیرهایی که در ابتدای این مقاله معرفی کردیم کوچک تر میباشند. و این موضوع، همچنان باعث ایجاد محدودیت در جریان و افزایش افت فشار خواهد شد.

انواع بسیار متفاوتی از شیرهای کواکسیال وجود دارد. دو نمونه شامل شیرهای روشن/خاموش پنوماتیک سری VA و شیرهای کواکسیال پنوماتیک یا الکتریکی سری VAX هستند که به صورت روشن/خاموش دو طرفه یا سه طرفه موجود هستند. در تصویر زیر میتوانید این شیرها را ببینید.

برای بسیاری از کاربردهای روشن/خاموش، شیرهای کواکسیال جایگزین خوبی برای شیر توپی (ball valve) هستند. شیرهای کواکسیال شیر کوچکتری را ارائه می کنند که سریعتر عمل می کند در حالی که شیر توپی نرخ جریان بالاتری با افت فشار کمتر خواهد داشت.

شیرهای با نشیمن زاویه دار (Angle Seat Valves)

شیرهای نشیمنگاه زاویه ای، شیرهای دو حالته با محرک پنوماتیک داخلی هستند. محرک می تواند برگشت فنری یا دو عملکرده باشد. مانع جریان یک پلاگ است که با زاویه وارد شیر می شود تا در یک نشیمن زاویه دار که در مسیر جریان شیر قالب گیری شده است بنشیند. پلاگ در هنگام باز شدن تقریباً به طور کامل از مسیر جریان خارج می شود. این عامل باعث می شود که شیرهای نشیمنگاهی با کمترین افت فشار بیشترین جریان را داشته باشند. در بسیاری از کاربردهای روشن/خاموش، شیر های نشیمنگاه زاویه ای جایگزین مناسبی برای شیر توپی (ball valve) هستند. آنها سریعتر عمل می کنند، هزینه کمتری دارند و ماندگاری بیشتری دارند. شیرهای زاویه ای مخصوصاً برای استفاده در کاربردهای بخار کم فشار زیر ۱۵۰ PSI مناسب هستند.

در این مقاله در مورد انواع شیرهای صنعتی مورد استفاده در پایپینگ صحبت کردیم. در ادامه و در مقالات بعدی بیشتر در این باره صحبت خواهیم کرد.

از طریق لینک زیر میتوانید تصاویر انواع شیرهای صنعتی ای که در این مقاله قرار داشت را با فرمت PDF دانلود کنید.

دانلود چارت انواع شیرها (Valve) در پایپینگ

دانلود چارت

از دیگر مقالات ما در زمینه پایپینگ نیز دیدن فرمایید.