شیر برقی (سلونوئید ولو)

آشنایی با شیر برقی

شیر برقی در کاربری‌هایی استفاده می‌شود که نیاز به کنترل از راه دور شیر یا خودکارسازی جریان سیال داخل سیستم وجود دارد.

منظور از سیال هرگونه مایع یا گاز است و یا متریال‌هایی که از داخل سیستم لوله‌کشی عبور می‌کنند؛ برای مثال هوا، آب، بخار، نفت، گاز طبیعی و … .

در بیشتر موارد شیرهای سلونوئید به عنوان دستگاه‌های باینری (روشن/خاموش) عمل می‌کنند و معمولاً کمتر برای اندازه‌گیری یا تنظیم دقیق جریان استفاده می‌شوند، درحالیکه برخی از دیگر شیرآلات مانند شیر سوزنی برای این کار استفاده می‌شوند.

شیر سلونوئید از چندین قطعه استاندارد ساخته شده است که برخی از آن‌ها با دیگر شیرآلات شباهت‌هایی دارند.

محفظه اصلی یا بدنه شیر، قسمت اصلی شیر می‌باشد. بدنه شیر دارای یک ورودی می‌باشد که سیال یا گاز را از سیستم دریافت می‌کند. بدنه شیر از چندین متریال مختلف ساخته می‌شود که این امر به سیال داخل سیستم و ویژگی‌های آن اعم از میزان خورندگی بستگی دارد. بدنه شیرآلات سلونوئید عمدتاً از متریال‌هایی مانند برنز، استنلس استیل و پلاستیک ساخته می‌شود.

این شیر دارای یک یا چند پورت خروجی است که تعداد آن‌ها به تنظیمات خاص این شیر بستگی دارد. سیال داخل این شیر می‌تواند با عمل کردن شیر به یک یا چند خروجی هدایت شود. بدنه شیر نیز سلونوئید را در بر می‌گیرد که یک مکانیزم کنترل مکانیکی برای شیر است.

سلونوئید در واقع یک سیم‌پیچ است که در هنگام عبور جریان الکتریکی میدان مغناطیسی تولید می‌کند. این جریان الکتریکی از طریق مجموعه‌ای از سیم‌های کنترل الکتریکی یا اتصال الکتریکی به سلونوئید رسیده و برق بوسیله مدار کنترل و منبع تغذیه به شیر رسانده می‌شود.

بسیاری از طرح‌های شیرآلات برقی نیز دارای مکانیزم فنری بوده که در خلاف جهت پیستون شیر فشرده می‌شود. این فنر دارای بازگشت مکانیکی بوده و بسته به طراحی شیر در هنگام نبود نیرو (برق) وظیفه باز و بسته کردن شیر را بر عهده دارد.

زمانیکه شیر بسته می‌شود پیستون بر خلاف جهت دهانه شیر حرکت می‌کند. دهانه شیر پورت‌های ورودی و خروجی را به هم متصل می‌کند. علاوه بر این قطعات، زمانیکه شیر بسته است، درزگیرها و نشیمنگاه‌های اضافی داخل بدنه شیر از نشتی سیال بین پورت‌های ورودی و خروجی جلوگیری می‌کنند.

شیرهای برقی با در نظر گرفتن حالت پیش فرض‌شان شناخته می‌شوند، که این در واقع چگونگی عملکرد شیر در زمانی است که هیچ برقی به آن نمی‌رسد.

به حالت پیش فرض شیر، حالت استراحت نیز می‌گویند. دو حالت پیش فرض ممکن شامل ” در حالت عادی باز (NO) ” و ” در حالت عادی بسته (NC) می‌باشد.

برای شیرهای سلونوئیدی که به طور معمول در حالت باز قرار دارند، زمانیکه برق به سلونوئید نمی‌رسد، فنر یا دیافراگم شیر جمع می‌شود، در این حالت شیر می‌تواند سیال را بین پورت‌ها عبور دهد. برای شیرهایی که به طور معمول در حالت باز قرار دارند، اعمال برق بر روی سلونوئید باعث بسته شدن شیر و مسدود شدن جریان می‌شود.

برای شیرهای برقی که در حالت طبیعی بسته هستند، وضعیت معکوس وجود دارد. بدون رسیدن برق به دستگاه، شیر حرکت سیال را مسدود کرده و با تامین برق سلونوئید، شیر باز شده و اجازه می‌دهد که سیال جریان پیدا کند. انتخاب شیر برقی NC (در حالت عادی بسته) یا NO (در حالت عادی باز) بسته به نوع کاربری شما می‌باشد.

همزمان، طراحان باید تاثیری که هدر رفت برق بر روی فرآیند می‌گذارد را بررسی کرده و ببینند که آیا شیر به حالت عادی خود باز می‌گردد یا خیر.

در بسیاری از کاربری‌ها ترجیحاً از شیر برقی NC استفاده می‌شود زیرا در هنگام عدم وجود برق به طور بالقوه جریان سیال را قطع می‌کنند.

گرچه که در شرایط مختلف این رویکرد وجود ندارد، بنابراین برای تهیه مناسب‌ترین شیر برقی که در هنگام فقدان برق در بهترین حالت ممکن قرار بگیرد باید درک درستی از کاربری خود و انواع شیر برقی داشته باشید.

شیرهای برقی از اصول الکترومغناطیس برای عملکرد خود استفاده می‌کنند. داخل شیر یک پیستون متحرک وجود دارد که از یک ماده فرومغناطیسی ساخته شده است. مواد فرو مغناطیسی آن‌هایی هستند که در غیاب میدان مغناطیسی پاسخ می‌دهند.

زمانیکه سلونوئید روی شیر با عبور جریان الکتریکی انرژی می‌گیرد، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود. سپس پیستون با میدان مغناطیسی تعامل کرده و در نتیجه یا از سیم‌پیچ دور شده و یا به آن نزدیک می‌گردد. حرکت پیستون باعث باز و بسته شدن شیر شده و این درست مانند باز و بسته شدن شیر توسط اهرم یا هندویلی است که اپراتور آن را بچرخاند.

روش‌های مختلفی برای مشخص کردن نوع شیر سلونوئید وجود دارد، یکی از این روش‌ها بررسی نحوه عملکرد این شیر است که از این جهت سه نوع متفاوت وجود دارد:

• شیر برقی مستقیم
• شیر برقی غیر مستقیم (پایلوت)
• شیر برقی نیمه مستقیم

شیر برقی مستقیم

این محصول یکی از متداول‌ترین انواع شیر سلونوئید می‌باشد که ساختاری ساده دارد. پیستون در شیر برقی مستقیم دهانه (روزنه) شیر را به طور مستقیم باز یا بسته می‌کند، بنابراین قطع و وصل جریان به طور مستقیم انجام می‌شود.

این شیرآلات برای کنترل جریان سیال بسته به نیروی سلونوئید می‌باشند، در نتیجه، این شیر برای عمل کردن نیازی به وجود حداقل فشار ندارد. شیر برقی مستقیم می‌تواند سیالات را با هر میزان فشاری از 0 بار تا حداکثر درجه‌بندی دستگاه کنترل نماید.

در شکل زیر سطح مقطع شیر برقی مستقیم که در حالت عادی بسته است، نشان داده شده است.

شیر برقی غیر مستقیم (پایلوت)

شیر برقی غیر مستقیم با استفاده از اختلاف فشار سیال باز و بسته می‌شود. به دلیل همین طراحی، این شیر برای عمل کردن نیازمند حداقل فشار سیالی بیشتر از 0 بار می‌باشد.

در شیر سلونوئید غیر مستقیم یک پوسته یا دیافراگم پورت‌های ورودی و خروجی را از هم جدا می‌کند. وجود این دیافراگم در بدنه شیر باعث ایجاد یک محفظه بالایی و پایینی می‌گردد.

در این پوسته یک سوراخ کوچک وجود دارد که اجازه می‌دهد تا محفظه بالایی با سیال موجود در محفظه پایینی پُر شده و همچنین فشار بین محفظه‌ها را یکسان کند. زمانیکه شیر در وضعیت بسته قرار دارد، فشار سیالی که در محفظه بالایی قرار دارد و نیرویی که توسط فنر در خلاف جهت دیافراگم وارد می‌شود، دیافراگم را در خلاف جهت نشیمنگاه شیر قرار داده و باعث می‌شود تا شیر برقی در حالت بسته باقی بماند، در نتیجه پورت‌های ورودی و خروجی شیر جدا از هم باقی می‌مانند.

یک کانال کوچک محفظه بالایی شیر را به پورت فشار پایینی متصل می‌کند. این پورت باز و بسته شدن کانال را کنترل کرده و توسط برقی که به سلونوئید می‌رسد، کنترل می‌شود. زمانیکه شیر در حالت بسته قرار دارد، پورت کم فشار نیز توسط سلونوئیدی که سیال را در محفظه بالایی نگاه می‌دارد، بسته باقی می‌ماند.

هر زمان که بخواهید شیر را باز کنید فقط لازم است تا جریان برق به سلونوئید برسد. انرژی بخشیدن به سلونوئید باعث می‌شود تا پورت پایلوت باز شده و فشار محفظه بالایی اُفت پیدا کند. این اختلاف فشار بین محفظه بالایی و پایینی است که باعث می‌شود تا دیافراگم یا پوسته از دهانه شیر جدا شده و فنری که دیافراگم را در خلاف جهت نشیمنگاه شیر نگاه داشته توسط اختلاف فشاری که وجود دارد در حالت فشرده باقی بماند.

این طراحی اجازه می‌دهد تا بتوان با استفاده از یک سلونوئید کوچک و یک پورت پایلوت کم فشار، جریان‌های با فشار بالا را کنترل کرد. شیر برقی غیر مستقیم در کاربری‌هایی استفاده می‌شود که نیازمند کنترل نرخ بالای جریان هستند، اما شرط استفاده از این شیر آن است که اختلاف فشار کافی در سیستم وجود داشته باشد تا بتواند این روش عملیاتی را پشتیبانی نماید. طبیعت این نوع طراحی و این محصول اینست که کنترل جریان فقط می‌تواند در یک جهت انجام پذیرد.

در شکل زیر شاهد نمای مقطعی یک شیر برقی غیر مستقیم NC هستید (که به طور طبیعی در حالت بسته قرار دارد).

شیر برقی نیمه مستقیم

در این شیر ترکیبی از ویژگی‌های شیر مستقیم و غیر مستقیم وجود دارد. یکی از ویژگی‌های شیر نیمه برقی این است که می‌تواند در فشار 0 بار عمل کند و کاربری‌های با نرخ بالای جریان را مدیریت نماید. این شیر از نظر طراحی و عملکرد شبیه به شیر برقی غیر مستقیم است.

در طراحی این شیر محفظه بالایی و پایینی توسط یک پوسته انعطاف‌پذیر از هم جدا شده‌اند. شیر برقی نیمه مستقیم مانند همتای غیر مستقیم خود دارای یک ورودی کوچک است که اجازه می‌دهد تا سیال محفظه بالایی را پُر کرده و فشار را متعادل کند.

تفاوت این شیر با شیر برقی غیر مستقیم این است که پیستون سلونوئید در آن به شیر متصل است و مستقیماً موقعیت دیافراگم را کنترل می‌نماید اما شیر غیر مستقیم برای کنترل سیال در محفظه بالایی از پایلوت استفاده می‌کند.

زمانیکه شیر در حالت بسته قرار دارد، سطح محفظه بالایی بیشتر از سطح محفظه پایینی می‌باشد و اجازه می‌دهد تا دیافراگم در خلاف جهت نشیمنگاه شیر قرار گرفته و جریان سیال بین پورت‌های ورودی و خروجی را مسدود نماید.

برای باز کردن شیر باید انرژی به سلونوئید رسیده که در نتیجه آن پیستون در مرکز سیم‌پیچ سلونوئید کشیده می‌شود. به دلیل اتصال مستقیم دیافراگم به پیستون، حرکت پیستون دیافراگم را از نشیمنگاه شیر جدا می‌کند. در حالیکه این اتفاق می‌افتد، حرکت پیستون مسیری را بین محفظه بالایی و پورت خروجی ایجاد می‌کند.

باز کردن این مسیر باعث می‌شود تا فشار در محفظه بالایی اُفت پیدا کند. زمانیکه این اتفاق می‌افتد باعث ایجاد اختلاف فشار شده، نیروی آن دیافراگم را به سمت بالا حرکت می‌دهد و به باز شدن شیر کمک می‌کند، در نتیجه جریان سیال می‌تواند از پورت ورودی به پورت خروجی حرکت نماید.

برای بستن شیر باید جریان سلونوئید قطع شده تا پیستون اُفت کرده و به سمت دیافراگم فشرده شود که این کار با کمک نیروی بازگشت فنر در سلونوئید انجام می‌شود. با اُفت پیستون، پورت محفظه بالایی به خروجی متصل می‌شود و باعث افزایش فشار در محفظه بالایی شیر می‌گردد. این افزایش فشار باعث پایین نگاه داشته شدن دیافراگم شده و تا زمانیکه بر روی نشیمنگاه قرار دارد، شیر نیز بسته خواهد بود.

در شکل زیر شاهد نمای مقطعی یک شیر برقی نیمه مستقیم NC هستید (که به طور طبیعی در حالت بسته قرار دارد).

مشخصات و ویژگی‌های شیر برقی

شیرآلات برقی یا سلونوئید با استفاده از چند پارامتر و ویژگی کلیدی که مربوط به پیکربندی شیر و ویژگی‌های عملکردی آن است، مشخص می‌شوند.

در زیر برخی از ویژگی‌های شیر برقی ذکر شده است. باید توجه داشته باشید که این پارامترها در بین تولید کنندگان و تامین کنندگان شیرآلات صنعتی می‌تواند متفاوت باشد. اطلاعاتی که در زیر آورده می‌شود یک شاخص کلی است که هنگام خرید شیر برقی می‌توانید از آن استفاده کنید.

• مکانیزم فعال‌سازی شیر: مکانیزمی است که شیر بوسیله آن فعال شده و یا تغییر موقعیت می‌دهد، مانند شیر برقی مستقیم.

• پیکربندی شیر: پیکربندی نشان دهنده تعداد پورت‌ها، تعداد سوئیچینگ‌ها و پوزیشن‌ها و تعریف وضعیت استراحت شیر می‌باشد. برای مثال شیر برقی 2/3 NC.

• متریال بدنه: این ویژگی نشان می‌دهد که بدنه شیر از چه متریالی ساخته شده است که می‌تواند آلومینیوم، برنج، برنز، استنلس استیل و … باشد.

• نوع رسانا: ماهیت سیالی را مشخص می‌کند (گاز، مایع) که شیر بدون هیچ مشکل یا آسیبی می‌تواند آن را مدیریت نماید. نمونه‌هایی از انواع رساناها شامل آمونیاک، سیال کرایوژنیک، هوا، نفت، گاز پروپان مایع (LPG)، گاز طبیعی، اکسیژن، بخار یا آب می‌باشد.

• سایز پورت: نشان دهنده ابعاد پورت‌های ورودی و خروجی شیر است که با اینچ یا میلیمتر نشان داده می‌شود.

• نوع پورت: نشان دهنده استایل پورت شیر است که می‌تواند رزوه‌ای (NPT)، خاردار، فلنجی و یا از انواع دیگر باشد.

• ولتاژ عملیاتی: این ویژگی اندازه و نوع سیگنال کنترل الکتریکی را نشان می‌دهد که برای انرژی بخشیدن به شیر سلونوئید استفاده می‌شود. شیر سلونوئید با طیف گسترده‌ای از ولتاژهای عملیاتی AC/DC موجود می‌باشد که برای کاربری‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• فرکانس عملکرد: فرکانس برای ولتاژ AC، تعداد سیکل‌هایی است که در هر ثانیه از جریان متناوب به سلونوئید اعمال می‌شود و معمولاً با هرتز نشان داده می‌شود. برای مثال 60 Hz.

• ضریب جریان: ضریب جریان یا Cv شیر، قابلیت شیر را برای عبور دادن جریان مایع یا گاز نشان می‌دهد. تعریف استاندارد ضریب جریان نشان دهنده حجم آبی است که در دمای 60 درجه فارنهایت، در فاصله زمانی یک دقیقه و با اُفت فشار 1 psi داخل شیر جریان می‌یابد (اختلاف فشار ورودی و خروجی). مقادیر بزرگتر ضریب جریان نشان دهنده بیشتر بودن میزان جریان است.

• حداکثر فشار مجاز: حداکثر میزان فشاری است که شیر می‌تواند تحمل نماید و می‌توان آن را تحت کنترل جریان سلونوئید سوئیچ کرد.

• حداقل فشار عملیاتی: نشان دهنده حداقل فشاری است که باید برای عمل کردن شیر در سیستم وجود داشته باشد. بسیاری از شیرآلات مستقیم می‌توانند در فشار 0 بار عمل کنند، در حالیکه شیرآلات غیر مستقیم برای عمل کردن نیازمند فشار حداقلی هستند که به فعال‌سازی شیر کمک می‌کند.

• کاربری: نشان دهنده نوع کاربری شیر برای صنایع مختلف می‌باشد، نظیر صنایع شیمیایی، غذایی، دارویی، نفت و گاز، صنایع هوا فضا و … . شناخت درست از نوع کاربری و صنعتی که در آن فعالیت می‌کند بسیار در انتخاب درست شیر برقی به شما کمک خواهد کرد.

نحوه انتخاب شیر برقی

نوع سلونوئید به چند عامل بستگی دارد:

• فشار خط چیست؟ که نشان می‌دهد چه مقدار نیرو لازم است. همچنین به شما می‌گوید که آیا به شیر پایلوت‌دار داخلی یا خارجی نیاز هست یا خیر.

• شیر باید با چه سرعتی باز و بسته شود؟ سوئیچ شدن شیر برقی پایلوت‌دار بیشتر از شیر عملکرد مستقیم طول می‌کشد اما برای عمل کردن نیاز به نیروی کمتری دارد.

• به شیر برقی NC یا NO نیاز دارید؟ شیری که انتخاب می‌کنید باید متناسب با نوع کاربری‌تان باشد. مهمترین نکته‌ای که باید به آن توجه کنید تاثیر بالقوه قطع شدن برق (نیرو) یا خراب شدن شیر است، اگر چنین اتفاقی بیفتد آیا بهتر است تا جریان برقرار باشد یا قطع گردد.

اگر ملاحظات ایمنی وجود نداشته باشد، باید توجه داشته باشید که خط در اکثر اوقات باز یا بسته است. اگر جریان در اکثر اوقات در خط بر قرار می‌باشد، بهتر است تا شیر برقی NO را انتخاب کنید و عکس این حالت هم صادق است که در آن صورت باید شیر برقی NC را انتخاب نمایید. انتخاب اشتباه شیر می‌تواند باعث افزایش هزینه‌های انرژی و فرسودگی احتمالی شیر گردد.

• نرخ جریان، سایز پورت و تعداد پورت‌ها؟ درست مانند هر شیر دیگری این عوامل کاملاً به عملکرد شیر و سیستمی بستگی دارد که قرار است در آن قرار بگیرد.

کاربرد شیر برقی

این شیر در صنایع مختلف کاربردهای زیادی دارد که این شامل کنترل روشن و خاموش کردن، لوپ‌های کنترل کارخانه، سیستم‌های کنترل فرآیند و تولیدی‌های تجهیزات مختلف می‌باشد.

شیرهای برقی در بخش‌های مختلفی استفاده می‌شوند که برخی از آن‌ها عبارتند از:

• منبع آب
• تصفیه آب آشامیدنی
• تصفیه فاضلاب
• مهندسی ماشین‌آلات و کارخانه‌ها
• خنک‌کننده‌ها، روغن‌کاری‌ها، دوزینگ
• خدمات ساختمانی
• سیستم‌های گرمایش بزرگ، کنترل دما
• مهندسی ایمنی
• سیستم‌های حفاظت از شبکه آب و اطفاء حریق
• کمپرسورها
• تخلیه فشار و زهکشی
• منبع سوخت
• تجهیزات حمل و نقل و تانک‌ها
• کنترل مشعل نفت و گاز
• کروماتوگرافی گاز
• تنظیم مخلوط گاز
• ابزارهای آنالیز خون
• کنترل فرآیندهای تمیزکاری

برای عملکرد صحیح و دقیق سلونوئید ولو باید آن را بر اساس نیازهای ویژه پروژه خود تنظیم نمایید. مهمترین پارامترها برای انتخاب سلونوئید ولو مقدار Kv (به متر مکعب در ساعت) و محدوده فشار کاری می‌باشد.

هرچه دهانه شیر کوچکتر باشد یا کویل قوی‌تر باشد، شیر می‌تواند در فشارهای بالاتر خاموش شود. بر اساس مقدار محاسبه شده Kv و محدوده فشار کاربری مورد نظر باید نوع شیر و سایز دهانه آن را مشخص کرد.

نصب و راه‌اندازی شیر برقی

شاید این سوال را داشته باشید که برای راه‌اندازی شیر برقی به چه ملزومات دیگری نیاز دارید. اتصالات، اتصالات الکتریکی و تیوبینگ از ملزوماتی هستند که برای نصب و راه‌اندازی این شیر نیاز می‌باشند. همچنین به یک منبع تغذیه برق نیاز خواهد بود.

در آخر اینکه استفاده از وسایل کنترل برای شیر یک نیاز ضروری است که این نیاز می‌تواند توسط یک سوئیچ، بورد کنترل یا ابزار پیچیده‌تر کنترل برطرف گردد.