ویژگی‌ها و نحوه انتخاب دریچه‌های تنظیم فشار چندمرحله‌ای انواع مختلف

Thread Content

ویژگی‌ها و نحوه انتخاب کلیدهای تنظیم فشار چندمرحله‌ای؛ معرفی سیستماتیک انواع رایج ساختاری کلیدهای تنظیم فشار چندمرحله‌ای و ویژگی‌های آن‌ها. روش‌های رایج برای محاسبه مقدار CV در شیرهای تنظیمی، بر اساس الزامات خاص شرایط محیطی مواد قابل فشرده‌سازی، خلاصه شده‌اند؛ این امر به کاربران کمک می‌کند تا ویژگی‌های شیرهای تنظیمی چندمرحله‌ای را درک کرده و آن‌ها را به‌طور مناسب انتخاب کنند. ۱. مقدمه: در فرآیندهای تولید صنعتی مدرن، شیرهای کنترلی دستگاه‌هایی هستند که برای کنترل سیستم و تغییر دبی جریان مایعات در لوله‌ها استفاده می‌شوند. این شیرها، اجزای کنترلی پایانی در سیستم لوله‌کشی محسوب می‌شوند و نقش‌های مهمی مانند تخصیص مایعات و کنترل دبی جریان آن‌ها را ایفا می‌کنند. در سال‌های اخیر، با پیشرفت مداوم فناوری‌های صنعتی، شرایط خاصی مانند دما و فشار بالا که در فرآیندهای تولید وجود دارد، الزامات بیشتری را برای والوهای تنظیمی ایجاد کرده‌است. به‌ویژه در شیرهای تنظیمی که در محیط‌هایی با اختلاف فشار بالا استفاده می‌شوند، به دلیل سرعت جریان بسیار بالا، اغلب خوردگی و فرسایش در قسمت‌های مربوط به محدودکننده‌های جریان رخ می‌دهد؛ همچنین پدیده‌هایی مانند حباب‌زایی، صدا و لرزش نیز به وجود می‌آید که خطرات جدی برای ایمنی تولید ایجاد می‌کنند. بنابراین، برخی از تولیدکنندگان در داخل و خارج از کشور، درهای تنظیم‌کننده با ساختار چندمرحله‌ای برای کاهش فشار را، که به طور ویژه برای شرایط اختلاف فشار بالا مناسب هستند، مورد تحقیق و توسعه قرار داده‌اند. در این مقاله، ساختار، اصل کار و ویژگی‌های انواع رایج دریچه‌های تنظیم فشار چندمرحله‌ای به طور جداگانه معرفی شده‌است. همچنین، در مورد شرایط فشرده‌پذیر، روش‌های رایجی برای محاسبه مقدار کانترل‌کننده CV توسط کاربر، بر اساس دبی مورد نیاز واقعی، خلاصه شده است. این مطلب به کاربران کمک می‌کند تا ویژگی‌های شیرهای تنظیم فشار چندمرحله‌ای را بشناسند و آن‌ها را به درستی انتخاب کنند. ۲. انواع رایج و ویژگی‌های دریچه‌های تنظیم فشار چندمرحله‌ای: علت اصلی پدیده کاویتاسیون در دریچه‌های تنظیم، وجود تفاوت فشار بالا قبل و بعد از دریچه است. به طور کلی تصور می‌شود که هنگامی که Δp بزرگتر از ۲.۵ مگاپاسکال باشد، فشار محیط مایع در داخل شیر، هنگام ورود به بخش محدودکننده جریان، به طور ناگهانی کاهش می‌یابد؛ کمترین فشار در نقطه‌ای رخ می‌دهد که مساحت مقطع عبور جریان کوچکترین مقدار خود را دارد. وقتی این فشار از فشار بخار اشباع مایع در دمای فعلی پایین‌تر شود، بخشی از مایع تبدیل به بخار می‌شود و حباب‌های ریز زیادی تشکیل می‌گردد. هنگامی که مایع از مسیر محدودکننده جریان عبور کرده و فشار دوباره افزایش می‌یابد، این حباب‌ها منفجر شده و دوباره به حالت مایع درمی‌آیند؛ این امر باعث ایجاد ضربه بر روی اجزایی مانند بدنه شیر و قطعات داخلی آن شده و منجر به ایجاد صدا، لرزش و سایر مشکلات می‌گردد. در سال‌های اخیر، برخی از تولیدکنندگان دریچه‌های تنظیمی در داخل و خارج از کشور، انواع مختلفی از دریچه‌های تنظیم فشار چندمرحله‌ای مقاوم در برابر خوردگی ناشی از اسید، را که برای شرایط سخت مناسب هستند، توسعه داده‌اند. کلیدهای تنظیم فشار چندمرحله‌ای رایج به سه دسته تقسیم می‌شوند؛ اگرچه از نظر ساختاری متفاوت هستند، اما اصل کاری مشترکی دارند. همگی از طریق تغییر ساختار، تفاوت فشار کل را به چندین مرحله تقسیم می‌کنند تا تفاوت فشار در هر مرحله (Δp1) کمتر از تفاوت فشار بحرانی برای ایجاد خلأ باشد؛ به این ترتیب، از بروز مشکلاتی مانند خلأزایی جلوگیری می‌شود. ۱. شیر تنظیم‌کننده سری: ساختار چندمرحله‌ای کاهش فشار در این نوع شیر، همان‌طور که در شکل ۱ نشان داده شده است، یک منطقه تنگ‌شدن جریان واحد را به چندین منطقه تنگ‌شدن جریان جداگانه و متصل به یکدیگر تبدیل می‌کند؛ به این ترتیب، تفاوت فشار بالا به چندین تفاوت فشار کوچکتر تقسیم می‌شود. این کار باعث می‌شود که محدوده کاهش فشار در هر مرحله بالاتر از فشار بخار اشباع باقی بماند و پدیده کاویتاسیون دیگر رخ ندهد. شکل ۱: شیر تنظیم‌کننده سریالی. شیرهای تنظیم‌کننده سریالی عمدتاً در محیط‌هایی که مایعات در آن‌ها استفاده می‌شوند، به کار می‌روند. ویژگی‌های این شیرها عبارتند از: ۱) در فرآیند باز و بسته شدن، می‌توانند فشار مداوم وجود دار را کاهش دهند؛ هر مرحله از دریچه‌های تنظیم، با تأخیر نسبت به مرحله قبلی عمل می‌کند، به این ترتیب فشار بالای مداومی که بر دریچه شیر وارد می‌شود، به تدریج کاهش یافته و فشار وارد بر دریچه اولیه نیز کاهش می‌یابد. ۲) مقاومت جریان کم است و می‌تواند در شرایطی با کیفیت پاکیزگی سیال پایین، یا حتی در جریان‌های دوفازی مایع-جامد، کاربرد داشته باشد. ۳) سرباره‌های دریچه‌ای سری‌مانند معمولاً با پوشش‌دهی تنگستن کربنی سخت شده و دارای عملکرد خوبی در برابر فرسایش و اسیدیته هستند. ۴) فرآیند تولید نسبت به سایر شیرهای تنظیم‌کننده فشار چندمرحله‌ای، ساده‌تر است، فرآوری آن آسان بوده و هزینه تولید نیز کمتر می‌باشد. ۵) دروازه‌های تنظیمی سری معمولاً دارای تعداد محدودی سطح کاهش فشار هستند؛ این تعداد معمولاً بین ۳ تا ۴ سطح است و نمی‌توان از آن‌ها در مواردی با اختلاف فشار بسیار زیاد استفاده کرد. ۲. شیر تنظیم‌کننده‌ی لوله‌ای چندلایه: ساختار چندمرحله‌ای کاهش فشار در این نوع شیر، همان‌طور که در شکل ۲ نشان داده شده است، اغلب در صنایعی مانند نیروگاه‌ها یا صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. شکل ۲: شیر تنظیم‌کننده لوله‌ای چندلایه. ویژگی ساختاری بارز شیر تنظیم‌کننده لوله‌ای چندلایه این است که قسمت محدودکننده جریان، از چندین لایه لوله با سوراخ‌های کوچک تشکیل شده است؛ بین هر دو لایه، فاصله‌ای وجود دارد که به جریان مایع کمک می‌کند تا در حین عبور از لوله‌ها کند شود و در نتیجه سرعت مایع در محدوده مشخصی کنترل شود. ویژگی‌های آن عبارتند از: ۱) تعداد مراحل کاهش فشار در این دریچه تنظیمی نوع سوپاپی، می‌تواند بالا باشد؛ بنابراین توانایی کاهش فشار آن در مقایسه با دریچه‌های نوع زنجیره‌ای، قوی‌تر است و می‌تواند در شرایط دارای تفاوت فشار بالا مورد استفاده قرار گیرد. ۲) ساختار لوله‌ای چندلایه هم می‌تواند نیازهای فشار پایین را برآورده کند و هم در حین کار، جریان بالاتری را تضمین نماید. ۳) عملکرد خوبی در مقابل پدیده کاویتاسیون دارد؛ هنگام استفاده در محیط‌های مایع، سیال از لوله بیرونی به سمت لوله داخلی جریان می‌یابد. فشار مایع در لوله‌ها به تدریج کاهش می‌یابد تا از بروز پدیده کاویتاسیون جلوگیری شود. در نهایت، سیال از سوراخ‌های موجود روی لوله داخلی به سمت فضای مرکزی دریچه پرتاب می‌شود؛ در نتیجه حباب‌ها در قسمت مرکزی لوله منفجر می‌شوند و آسیب مستقیمی به سطح فلزی دریچه وارد نمی‌شود. ۴) عملکرد خوبی در مقابل نویز و لرزش دارد؛ هنگام استفاده در محیط‌های گازی، جریان گاز از داخل لوله به سمت بیرون انجام می‌شود. قطر سوراخ‌ها و فاصله‌های موجود در لوله بیرونی، نسبت به لوله داخلی بزرگتر است؛ این امر باعث می‌شود گاز در طول فرآیند کاهش فشار، به طور مداوم گسترش یابد و بدین ترتیب می‌توان از آسیب‌های ناشی از نویز و لرزش جلوگیری کرد. ۵) فرآیند فرزکاری لوله‌ها نسبتاً پیچیده بوده و هزینه آن بالاست. اما نصب و نگهداری آن آسان بوده و تعویض آن سریع است. ۳. شیر تنظیم‌کننده مزراحی: ساختار چندمرحله‌ای کاهش فشار در این نوع شیر، همان‌طور که در شکل ۳ نشان داده شده است، از چندین صفحه فلزی تشکیل شده است؛ در این صفحات، شیارهای مزراحی وجود دارد و بخش اصلی کنترل جریان، از ترکیب این صفحات به وجود آمده است. جریان مایع در مسیرهای پیچیده لابیرینتی، از طریق برخوردها و تغییر جهت‌های متعدد، انرژی خود را از دست می‌دهد؛ در همین حال، با کاهش تدریجی فشار، سرعت جریان نیز کنترل می‌شود. شکل ۳: شیر تنظیم‌کننده مزرعه‌ای؛ این نوع شیرها معمولاً در صنایعی مانند انرژی هسته‌ای و نیروگاه‌ها، در شرایط دارای دما و فشار بالا، استفاده می‌شوند. محیط کاری این شیرها معمولاً بخار بیش‌حرارتی است، اما می‌توان از آن‌ها در محیط‌های حاوی مایعات نیز استفاده کرد. ویژگی‌های آن به شرح زیر است. ۱) تعداد پیچ‌های مسیر لابیرینتی، همان تعداد مراحل کاهش فشار در شیرهای تنظیمی لابیرینتی است؛ این تعداد معمولاً بین ده تا بیست مرحله می‌باشد. بنابراین، ساختار چندمرحله‌ای کاهش فشار در شیرهای تنظیمی لابیرینتی، قوی‌ترین توانایی کاهش فشار را در میان شیرهای تنظیمی چندمرحله‌ای دارد. در کشورهای خارجی، محصولاتی وجود دارند که می‌توانند فشار را تا ۴۰ مگاپاسکال کاهش دهند. ۲) عملکرد برجسته در مقابل خوردگی ناشی از کاویتاسیون و همچنین توانایی کاهش صدا و لرزش؛ مسیرهای جریان چندمرحله‌ای و پیچیده، می‌توانند سرعت جریان مایع را به طور مؤثر کنترل کرده و از بروز پدیده‌های منفی مانند کاویتاسیون، صدا و لرزش جلوگیری کنند. ۳) با استفاده از ترکیب دیسک‌های معما در اشکال مختلف، شیرهای تنظیمی نوع معما می‌توانند منحنی‌های تنظیمی جریان متفاوتی داشته باشند. ۴) دقت ساخت دیسک‌های مارپیچی بسیار بالاست؛ معمولاً از آلیاژ استلیت برای لحیم‌کاری آن‌ها استفاده می‌شود و عمر مفید طولانی‌تری دارند ； نصب و نگهداری آن نسبتاً آسان است و دیسک‌ها را می‌توان به راحتی تعویض کرد. ۵) مسیرهای جریانی نوع لابیرینت، الزامات بالاتری برای پاکیزگی محیط مایع دارند؛ در غیر این صورت، این مسیرها به راحتی دچار انسداد می‌شوند. سوم، محاسبه مقدار CV در شیرهای تنظیم‌کننده فشار چندمرحله‌ای: ضریب جریان (CV) معمولاً برای نشان دادن توانایی عبور جریان از یک شیر استفاده می‌شود؛ برای انتخاب شیر تنظیم‌کننده مناسب، لازم است مقدار CV مورد نیاز را بر اساس شرایط مورد استفاده محاسبه کرد و سپس مدل شیر تنظیم‌کننده مناسب را بر اساس ضریب جریان مشخص شده انتخاب نمود. در شرایط فشرده‌پذیر، در حین کاهش فشار، حجم سیال افزایش یافته و چگالی آن کاهش می‌یابد؛ بنابراین وضعیت جریان در درون شیر، نسبت به حالت غیرفشرده‌پذیر، بسیار پیچیده‌تر است. بنابراین، برای دریچه‌های تنظیم فشار چندمرحله‌ای که معمولاً در شرایط فشرده‌پذیر استفاده می‌شوند، روش محاسبه ضریب جریان نیز منحصربه‌فرد است. روش‌های رایج برای محاسبه مقدار CV در شرایط فشرده‌پذیر، عمدتاً شامل روش ضریب فشردگی و روش ضریب انبساط می‌باشد. روش ضریب فشردگی: روش ضریب فشردگی در دهه ۱۹۵۰ توسط اتحاد جماهیر شوروی معرفی شد و یکی از فرمول‌های اولیه برای محاسبه ضریب جریان در شرایط فشرده‌شدنی است. روش ضریب فشردگی، با در نظر گرفتن فشرده‌شدنی بودن گازها، یک ضریب فشردگی گازی به نام ε را به فرمول‌های محاسباتی مربوط به مایعات اضافه کرده تا فرمول‌ها را تصحیح کند. این روش، مدل محاسباتی را به طور قابل توجهی ساده کرده است؛ تمام والوهای تنظیمی با اشکال مختلف، به یک نوزل جریان‌دهنده تبدیل شده‌اند. سپس فرآیند جریان گاز در داخل نوزل، به عنوان یک فرآیند عدم انتقال حرارت در نظر گرفته می‌شود. در نهایت، از معادلات تعادل انرژی، فرمول‌های محاسباتی استخراج می‌شوند؛ یعنی: (۱) در این فرمول، γN برابر است با چگالی گاز در شرایط استاندارد، که واحد آن کیلوگرم‌نیرو بر متر مکعب است (۱ کیلوگرم‌نیرو = ۹.۸ نیوتن) ； سوال — دبی حجمی در شرایط استاندارد، واحد آن m3/s است ； T — دمای گاز، واحد آن کلوین است ； p1——فشار مقابل شیر، واحد آن کیلوگرم‌نیرو بر متر مربع است (۱ کیلوگرم‌نیرو = ۹.۸ نیوتن) ； ∆p — تفاوت فشار قبل و بعد از شیر، واحد آن کیلوگرم‌نیرو بر متر مربع است. ضریب فشردگی ε را می‌توان از طریق آزمایش تعیین کرد؛ به طور کلی، در مورد هوا می‌توان به نتایج زیر دست یافت: (۲) علاوه بر روش ضریب فشردگی، در گذشته روش‌هایی مانند روش چگالی قبل از شیر، روش چگالی بعد از شیر و روش چگالی متوسط نیز وجود داشت. فرمول‌های اولیه تنها در مواردی که میزان بازیابی فشار چندان بالا نیست، قابل استفاده هستند و در بازه جریان غیربحرانی، دقت محاسباتی خوبی را تضمین می‌کنند. اما به دلیل ساده‌سازی مدل محاسباتی توسط فرمول، با افزایش ∆p/p1 تا نسبت فشار بحرانی، خطاهای قابل توجهی ایجاد می‌شود و در مناطق گذار و بحرانی، الزامات برآورده نمی‌گردند. ۲. روش ضریب انبساط: با توجه به اینکه فرمول‌های محاسباتی اولیه، تأثیر ویژگی‌های بازیابی فشار در شیرها بر نتایج محاسبات را در نظر نگرفته بودند، در دهه ۱۹۷۰، برخی از تولیدکنندگان خارجی مجموعه‌ای از فرمول‌های جدید را ارائه دادند؛ این فرمول‌ها که شامل روش ضریب انبساط، روش چندجمله‌ای و روش سینوسی بودند، فرمول‌های قدیمی را بهبود بخشیدند و توانستند دقت محاسباتی لازم را در مناطق غیربحرانی تا مناطق بحرانی فراهم کنند. در مقایسه با فرمول‌های اولیه، نتایج محاسباتی فرمول‌های جدید که بر پایه روش ضریب انبساط هستند، مقرون‌به‌صرفه‌تر است و می‌تواند از هدررفت‌های غیرضروری جلوگیری کند. در میان آن‌ها، روش ضریب انبساط به دلیل سادگی محاسباتش توسط IEC به عنوان فرمول استاندارد پیشنهاد شده است. روش ضریب انبساط، با استفاده از فرمول‌های محاسباتی مربوط به حالت مایعات و اعمال تصحیحات با استفاده از ضریب انبساط Y، به دست آمده است؛ هنگامی که Y برابر ۱ باشد، این روش برای مایعات غیرقابل فشرده نیز قابل استفاده است. (۳) در این فرمول، ρN — چگالی گاز در شرایط استاندارد است؛ واحد آن کیلوگرم بر متر مکعب است ； سوال — دبی حجمی در شرایط استاندارد، واحد آن m3/s است ； T1 — دمای ورودی گاز، به واحد کلوین ； p1——فشار پیش از شیر، واحد آن کیلوپاسکال است ； X — نسبت تفاوت فشار، X = ∆p/p1 ； Z — ضریب فشردگی. ضریب انبساط Y، نسبت ضریب جریان محیط‌های فشرده‌پذیر به ضریب جریان محیط‌های غیرفشرده‌پذیر در شرایط یکسان شماره رینولدز است. این مقدار، تغییرات چگالی مایع از ورودی شیر تا نقطه‌ی تنگشدگی که کوچکترین سطح مسیر جریان را دارد، و همچنین تغییرات مساحت این نقطه‌ی تنگشدگی در اثر تغییرات فشار را نشان می‌دهد. (۴) در این فرمول، FK ضریب نسبت گرمای خاص است؛ FK = K/1.4. از آنجایی که فرمول محاسباتی خود، چگالی واقعی سیال در شرایط بالادستی را لحاظ نمی‌کند، روش ضریب انبساط، ضریب فشردگی Z را معرفی کرده تا اختلافات بین گاز واقعی و گاز ایده‌آل در برخی شرایط را جبران کند. ضریب انبساط Y برای تصحیح تغییرات چگالی گاز از ورودی شیر تا ناحیه گلویی استفاده می‌شود؛ Y به عواملی مانند نسبت مساحت ناحیه گلویی به مساحت ورودی، شکل مجرا، نسبت فشار X، عدد رینولدز و ضریب نسبت گرمای خاص FK بستگی دارد. روش ضریب انبساط، تمامی عوامل مؤثر بر جریان سیالات فشرده‌شوندۀ را به طور جامع در نظر می‌گیرد؛ بنابراین می‌تواند در کل محدوده جریان، دقت محاسباتی بالایی را تضمین کند و برای انواع مختلفی از شیرها مناسب بوده و کاربرد گسترده‌ای دارد. چهارم، نتیجه‌گیری: شیرهای تنظیم فشار چندمرحله‌ای که در شرایط اختلاف فشار بالا کار می‌کنند، به عنوان تجهیزات کلیدی در سیستم‌های لوله‌کشی، نقش بسیار مهمی در فرآیند کنترل ایفا می‌کنند. این مقاله، به طور سیستماتیک، اصول کاری، ساختار اساسی، ویژگی‌ها و موارد کاربرد هر یک از سه نوع رایج دریچه تنظیم فشار چندمرحله‌ای را تشریح می‌کند تا به کاربران کمک کند تا انواع و ویژگی‌های اساسی این دریچه‌ها را درک کنند. علاوه بر این، از آنجایی که دریچه‌های تنظیم فشار چندمرحله‌ای اغلب در شرایط فشرده‌پذیر مورد استفاده قرار می‌گیرند، این مقاله روش‌های معمول محاسبه ضریب جریان در این شرایط را نیز خلاصه و تلخیص کرده است تا کاربران بتوانند با استفاده از روش‌های محاسباتی صحیح، مدل مناسب دریچه تنظیم را انتخاب کنند. به طور کلی، این مقاله منبعی مفید برای کاربران جهت آشنایی با ویژگی‌های شیرهای تنظیم فشار چندمرحله‌ای که به طور ویژه در موقعیت‌های دارای اختلاف فشار بالا استفاده می‌شوند، و انتخاب مناسب آن‌ها، فراهم می‌کند.