انواع ولوها

علم مکانیک سیالات یکی از شاخه‎های علوم فنی و مهندسی است که کاربرد فراوانی در صنعت دارد. یکی از مبحث‎های مهم مکانیک سیالات، کنترل جریان سیالات به کمک انواع ولوها می‎باشد که با پیشرفت سریع تکنولوژی کنترل سیالات به روش‎های گوناگون و پیچیده انجام می‎گیرد.

شیر‎ها مهمترین وسیله کنترل سیالات می‎باشند. شیر‎ها در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی میدان کاربرد گسترده‎ای دارند. لذا وجود وسایل و ابزار تنظیم و کنترل عبور مقدار جریان، قطع جریان، ایمنی دستگاه‎های تحت فشار و بالاخره ممانعت از بازگشت سیالات جریان یافته از درجه اهمیت خاصی برخوردار خواهد بود.

انواع ولوها

انواع ولوها شامل موارد زیر می‎باشد:

1. شیر دروازه‎ای (Gate valve)
2. شیر دیافراگمی (Diaphragm valve)
3. شیر سوزنی (Needle valve)
4. شیر کروی (Globe valve)
5. شیر ساچمه‎ای (Ball valve)
6. شیر توپی (Plug valve)
7. شیر پروانه‎ای (Butterfly valve)
8. شیر یکطرفه (Chech valve)
9. شیر اطمینان (Safety valve)

انواع ولوها

شیر دروازه‎ای (Gate Valve)

یک gate valve، ولوی با حرکت خطی است که برای شروع یا قطع جریان سیال استفاده می‌‎شود؛ این ولو قابل تنظیم بوده و قابلیت تنظیم دریچه‎ای جریان را نیز دارد. به gate valve گاهی اوقات slide valve نیز گفته می‎شود. این ولوها جهت رساندن افت فشار به پایین‎ترین سطح مورد استفاده قرار می‎گیرند. این ولوها دارای حرکت خطی می‎باشند. لازم به ذکر است قطر ورودی سیال به داخل ولو دقیقاً همان قطر لاین است.

شیر دروازه‎ای

موارد کاربرد Gate valve

مهمترین موارد استفاده از این ولوها در مایعات ویسکوز (چسبنده) همانند گریس‎های سبک، روغن‎های سنگین و سایر سیالات غیر قابل اشتعال از این نوع، می‎باشد.

شیر دیافراگمی (Diaphragm Valve)

یک ولو دیافراگمی، ولوی است که با حرکت خطی که در موارد باز کردن مسیر، تنظیم میزان جریان و همچنین بستن مسیر سیال مورد استفاده قرار می‎گیرد. علت نامگذاری این ولو بخاطر وجود یک دیسک قابل انعطاف در درون آن می‎باشد که با seat ولو در قسمت بالای ولو جهت ایجاد یک آب‎بندی مناسب قرار گرفته است.

در این ولو یک دیافراگم قابل انعطاف توسط یک میله‎ای (stud) که با دیافراگم بصورت یکپارچه می‎باشد به قسمت فشار دهنده (کمپرسور) ولو متصل گردیده است.

فشاردهنده (کمپرسور) بوسیله steam ولو به بالا و پایین حرکت می‎کند. هنگامیکه فشاردهنده (کمپرسور) به سمت بالا حرکت کند، دیافراگم به بالا کشیده می‎شود و اگر کمپرسور به پایین برود آنگاه دیافراگم نیز به پایین رفته و شکل انتهایی ولو را به خود می‎گیرد.

دیافراگم ولو

شیر سوزنی (Needle Valve)

یک ولو سوزنی جهت تنظیم دقیق میزان جریان عبوری سیال مورد استفاده قرار می‎گیرد. ولوهای سوزنی در ساختار شبیه به globe valveها می‎باشند با این تفاوت که بجای دیسک دارای یک قسمت مخروطی شکل بلند شبیه به یک سوزن در انتهای میله اصلی ولو می‎باشند.

همین قطعه مخروطی شکل باعث می‎گردد که سطح نشستن در این ولو کمتر از gate valve گردیده فلذا این نوع ولوهای سوزنی بسیار مناسب برای تنظیم جریان می‎گردند. یک ولو سوزنی از قسمت‎های مختلفی تشکیل یافته که مهمترین این قسمت‎ها، سوزن آن می‎باشد که در انتهای میله اصلی ولو (steam) قرار گرفته است.

این سوزن همانند یک دیسک عمل می‎کند. این ولوها کمتر بصورت یک قطعه مجزا در یک سیستم مورد استفاده قرار می‎گیرند و عموماً بعنوان قطعه‎های در یک مجموعه دیگر استفاده می‌‎شوند. بعنوان مثال این ولوها در بعضی از انواع ولوهای کاهنده (reducing valve) مورد استفاده قرار می‎گیرند.

شیر سوزنی

کاربردهای ولوهای سوزنی

از موارد کاربرد این قبیل ولوها می‎توان در کنترل‎کننده‎های فشار پمپ‎ها اشاره نمود که از این ولوهای سوزنی استفاده می‎گردد. همچنین ولوهای سوزنی بعنوان قسمتی از اجزای سیستم‎های کنترل احتراق اتوماتیک (جاییکه تنظیم جریان از اهمیت ویژه‎ای برخوردار می‎‏باشد) استفاده می‎گردند.

جهت جلوگیری از بروز صدمات ناشی از surge ناگهانی در لاین‎ها وامکان صدمه دیدن gaughe ها، عموماً در مسیر قرارگیری gaughe ها از این نوع ولوها استفاده می‎کنند.

شیر کروی (Globe Valve)

یک globe valve یک ولو حرکت خطی است که برای بستن، باز کردن و تنظیم جریان سیال استفاده می‎شود. دیسک globe valve می‎تواند از مسیر جریان کاملاً برداشته شود یا می تواند بطور کامل مسیر جریان را ببندد. نکته اصلی در ارتباط با عملکرد globe valve، حرکت عمودی دیسک به یک طرف نشیمنگاه می‎باشد.

این وضعیت سبب می‎شد که فضای حلقوی بین دیسک و رینگ نشیمنگاه تدریجاً بسته شود که اینحالت ولو بسته شده است. این مشخصه‎ها توانایی تنظیمی دریچه‎ای خوبی به globe valve می‎دهد که به آن اجازه استفاده در کنترل جریان را می‎دهد.

بنابراین globe valve ممکن است علاوه بر استفاده در حالت‎های بستن و باز کردن جریان استفاده شود، برای تنظیم جریان نیز مورد استفاده قرار می‎گیرد.

در هنگام مقایسه بین یک gate valve و globe valve، معمولاً نشتی از نشیمنگاه globe valve کمتر از دیگری است. این بدین دلیل است که وضعیت تماسی دیسک بارینگ نمیشنگاه در بیشتر وضعیتها با زاویه قائمه است و این باعث بوجود آمدن نیروی بیشتری برای بسته شدن و سفت شدن دیسک و نشیمنگاه آن گردد.

globe valveها می‎توانند طوری قرار بگیرند که disk آنها در جهت خلاف جریان و یا در جهت همان جریان سیال قرار گیرد، وقتی که دیسک در جهت خلاف جریان و یا در جهت همان جریان سیال قرار می‎‏گیرد.

وقتی که دیسک در جهت جریان سیال می‎بندد انرژی جنبشی سیال کمک به بستن ولو می‎کند و مانع از باز شدن ولو می‎گردد. این ویژگی‎ها نسبت به سایر طرح‎ها برتر هستند خصوصاً وقتی‎که بستن سریع جریان مورد نیاز باشد.

شیر کروی

شیر ساچمه‎ای (Ball Valve)

ball valveها ولوهایی با حرکت چرخشی می‎باشند که در آنها از دیسکی که به شکل کره می‎باشد استفاده می‎گردد که این دیسک‎ها برای باز و بسته کردن جریان مورد استفاده قرار می‎گیرند. این قطعه کروی همان کارکرد دیسک را در ولوهای globe دارند.

شیرهای ساچمه‎ای دستگاه ساده قطع و وصل هستند که از یک ساچمه برای متوقف کردن و راه اندازی دبی سیال در پایین دست شیر استفاده می‎گردد. با چرخش ساقه شیر به سمت موقعیت باز شدن، ساچمه چرخیده و سوراخی که در وسط آن تعبیه شده است در مسیر ورود و خروج سیال قرار می‎گیرد و در نتیجه سیال از شیر عبور می‎کند.

وقتیکه ساچمه طوری  بچرخد که سوراخ آن عمود بر مسیر سیال قرار گیرد، دبی سیال متوقف می‎گردد. اکثر شیرهای ساچمه‎ای دارای عملکرد سریعی بوده و برای باز و بسته شدن شیر نیاز به چرخش ۹۰درجه‎ای اهرم عملگر دارند. وقتیکه ساچمه در موقعیت نیمه باز قرار گیرد، جریان آشفته‎ای در شیر ایجاد می‎شود. این مشخصه باعث محدودیت کاربرد شیر ساچمه‎ای می‎گردد.

چنین شیرهایی بواسطه ایجاد جریان آشفته و تلفات ناشی از اصطحکاک در حالت نیمه باز، بایستی فقط در کاربردهای کاملاً بسته بکار روند. از این شیرها نبایستی در کنترل دبی سیال استفاده گردد.

در شیرهای ساچمه‎ای که در سیستمهای فرایند بکار می‎روند ممکن است از عملگرهای مختلفی به منظور کنترل مستقیم یا از راه دور شیر استفاده شود. متداولترین این عملگرها یا بصورت دستی بوده و یا توسط یک موتور کار می‎کنند.

شیرهای دستی دارای یک چرخ یا اهرم دستی می‎باشند که یا مستقیماً یا از طریق یک گیربکس به ساقه شیر وصل می‎شوند.با حرکت ساقه شیر به اندازه یک قوس ۹۰درجه‎، شیر باز یا بسته می‎شود.

در شیرهایی که بوسیله یک موتور کنترل می‌‎‎شوند، به جای یک چرخ دستی از یک موتور با توان کمتر از یک اسب بخار استفاده می‎کنند که می‎توان آن را از راه دور نیز کنترل نمود. نحوه کار محرک موتوری نیز دقیقاً همانند نحوه کار محرک دستی می‎باشد.

وقتیکه دسته ولو می‎چرخد تا ولو باز گردد این قطعه کروی بر روی یک نقطه می‎گردد تا جاییکه سوراخ موجود بر روی این قطعه کروی با مسیر ورودی و خروجی جریان در یک راستا قرار بگیرد. در حالیکه ولو بسته شود این سوراخ بصورت عمود بر مسیر جریان قرار گرفته و مسیر جریان را می‎بندد.

در بیشتر ball valveها عمل کردن ولو در حالتی روی می‎دهد که دسته ولو تا ۹۰ درجه بچرخد. برخی از ball valveها دارای عملگرهایی هستند که بصورت دنده خورشیدی عمل می‎کنند.

این نوع از دنده‎ها به ولو اجازه‎ها می‎دهند که از دسته کوچکتری استفاده کنند ولی نیروی حاصله از آنها به اندازه یک ولو بزرگ می‎باشد.

شیر ساچمه‎ای

شیر توپی (Plug Valve)

یک plug valve یک ولو با حرکت چرخشی است که برای باز و بسته کردن سیال مورد استفاده قرار می‎گیرد. وجه تسمیه این ولو از شکل دیسک آن که بصورت یک توپی می‎باشد گرفته شده است.

ساده‎ترین شکل یک plug valve، ولو هوا و ولو بخار می‎باشد. بدنه plug valve طوری طراحی و ماشینکاری می‎گردد که برای قرار گرفتن توپی بصورت مخروطی و یا استوانه‎ای مناسب باشد.

دیسک این ولوها (توپی) یک جسم صلب است که دارای یک سوراخ می‎باشد و برای عبور جریان تعبیه گردیده؛ این سوراخ با زاویه ۹۰ درجه در جهت طولی توپی قرار می‎گیرد. در وضعیت باز بودن ولو، محل عبور جریان در ولو با ورودی و خروجی مسیر متصل به ولو هم‎راستا می‎گردد.

شیر توپی

شیر پروانه‎ای (Butterfly Valve)

ولو پروانه‎ای یک ولو با حرکت چرخشی می‎باشد که برای قطع و وصل کردن جریان و همچنین تنظیم جریان مورد استفاده قرار می‌‎گیرد.

ولوهای پروانه‎ای دارای عملکرد آسان و سریعی می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‎باشند چون ۹۰ درجه چرخش دستگیره، دیسک را از حالت کاملاً بسته به حالت کاملاً باز تغییر موقعیت می‎دهد. ولوهای پروانه‎ای بزرگتر دارای عملگر بصورت دستی می‎باشند.

ولوهای پروانه‎ای مزیت‎های فراوانی نسبت به سایر ولوها دارند خصوصاً در ولوهای بزرگ از این نمونه ولوها استفاده می‎گردد. از دیگر مزایای این ولوها می‎توان به وزن کم، هزینه کمتر و کمتر جاگیر بودن آنها اشاره نمود. همچنین هزینه تعمیرات آنها معمولاً پایین می‎باشد.

شیر پروانه‎ای

شیر یکطرفه (Check Valve)

شیر یکطرفه یا شیر خودکار برای جلوگیری از بازگشت سیال در یک سیستم پاپینگ در نظر گرفته می‎شوند. این ولوها توسط جریان سیال در لاین‎ها عمل می‎کنند. فشار سیال عبوری از درون لاین باعث باز شدن ولو گردیده و هرگونه برگشت سیال باعث بسته شدن ولو خواهد شد. نمونه‎هایی از انواع این ولوها در زیر آمده است:

1. چک‎ولوهای نوسانی
2. چک‎ولوهای دیسکی
3. چک‎ولوهای با دیسک دو تکه
4. چک‎ولو قطع کننده‎ای
5. چک‎ولو با دیسک وارونه

شیر یکطرفه

چک‎ولو نوسانی (Swing check valve)

هنگامیکه این ولو کاملاً باز می‎باشد سیال بدون هیچگونه مقاومتی عبور می‎کند و به محض افت فشار سیال، این ولو بصورت خودکار مسیر سیال را می‎بندد.

این ولوها هنگامیکه فشار سیال به صفر برسد کالاً بسته می‎شوند و از برگشت سیال جلوگیری می‎نمایند. ایجاد آشفتگی در جریان و افت فشار در اینگونه ولوها بسیار کم می‎باشد. در فرآیندهایی که در آنها از gate valveها استفاده می‎شود به دلیل افت فشار کم در اطراف این ولوها، عموماً از چک‎ولوهای نوسانی استفاده می‎گردد.

چک ولو نوسانی از نوع ویفری (صفحه‎ای)

این نوع چک‎ولوها شباهت زیادی به چک‎ولوهای نوسانی استاندارد دارند با این تفاوت که بدنه چک ولو بطور کامل دور تا دور آن را در بر نمی‎گیرد.

در عوض هنگامیکه ولو باز می‎شود، زبانه چک‎ولو به قسمت بالای لوله فشار وارد می‎کند. نکته مهم دیگر آنکه زبانه چک ولو باید کوچکتر از قطر لاین باشد و دیگر اینکه افت فشار در این چک ولوها که عموماً بیشتر از نوع swing check valveها می‎باشد خیلی سریعتر از این نوع چک‎ولوها افزایش می‎یابد.

چک‎ولوهای دیسکی (Disk check valve)

چک‎ولوهای دیسکی دارای ۴ قسمت تشکیل دهنده می‎باشند: بدنه، دیسک، فنر و نگهدارنده فنر. در این چک‎ولوها، دیسک در محلی که قرار گرفته است با زاویه ۹۰ درجه در مسیر جریان حرکت کرده و میزان حرکت آن توسط فنری که در پشت دیسک قرار گرفته است کنترل می‎گردد. بدنه به گونه‎ای طراحی گردیده که دور تا دور دیسک را در بر می‎گیرد.

در مواردیکه نشتی صفر از این چک‎ولو مد نظر باشد باید یک seat نرم نیز به مجموعه اضافه گردد. هنگامیکه نیروی وارده بر دیسک که بوسیله فشار جریان ایجاد می‎گردد از نیروی فنر بزرگتر باشد سبب می‎گردد که دیسک از محل قرارگیری خود seat جدا شده و اجازه دهد تا جریان از داخل ولو عبور نماید.

چک‎ولوهای با دیسک دو تکه (split disk check valve)

چک‎ولوهای با دیسک دو تکه جهت فائق آمدن بر افت فشار و سایز لاین در چک‎ولوهای نوسانی و چک‎ولوهای دیسکی، طراحی گردیده‎اند. دیسک این چک‎‎ولوها در واقع دو تکه شده و از طرف مرکزشان لولا گردیده‎اند.

این چک‎ولوها در حالت معمولی بصورت بسته می‎باشند و دیسک‎ها توسط فنر پیچشی بصورت بسته نگه داشته می‎شوند. هنگامیکه مسیر جریان به سمت جلو باشد، فشار سیال سبب می‎گردد تا دیسک‎ها لولا را باز کرده و اجازه عبور جریان داده شود.

چک‎ولوهای با دیسک وارونه (Tilting disk check valve)

چک‎ولوهای با دیسک وارونه شبیه به چک‎ولوهای نوسانی می‎باشند. این چک‎ولوها بصورت افقی در لاین قرار می‎گیرند همچنین در لاین‎هایی که حرکت سیال رو به بالا می‎باشد، بصورت عمودی نیز مورد استفاده قرار می‎گیرد.

هنگامیکه جریان سیال به سمت جلو برقرار می‎گردد، دیسک بالا کشیده شده و در مسیر جریان سیال بصورت شناور باقی می‎ماند و در این حالت حداقل مقاومت در مقابل عبور سیال توسط دیسک بوجود می‎آید.هنگامیکه جریان سیال کاهش می‎یابد و یا سیال می‎خواهد که در جهت مخالف جریان وارد لاین گردد، دیسک به حالت عمود برگشته و مسیر سیال را می‎بندد.

چک‎ولوهای دیافراگمی (Diaphragm check valve)

در این چک‎ولوها عموماً از یک دیافراگم لاستیکی قابل انعطاف که در یک قسمت مخروطی در محل عبور جریان قرار داده شده است، استفاده می‎گردد.

هنگامیکه جهت جریان به سمت جلو می‎باشد، دیافراگم را از قسمت اصلی خود جدا کرده و به سمت درون لاین منحرف می‎کند. در این حالت جریان بصورت کاملاً آزاد از درون لاین عبور می‎کند. هنگامیکه جریانی وجود نداشته باشد و یا دیافراگم تحت فشار نباشد، به محل اصلی خود برگشته و مسیر لاین را می‎بندد.

چک‎ولوهای بالارفتنی (Lift check valve)

این نوع از چک‎ولوها در سیستم‎هایی که در آنها از globe valve بعنوان یک ولو کنترل جریان استفاده می‎شود مورد استفاده قرار می‎گیرد. چک‎ولوهای بالارفتنی برای قرارگیری در سیستم پاپینگ افقی و عمودی مورد استفاده قرار می‎گیرد.

ورودی و خروجی ولو بوسیله یک توپی مخروطی شکل که در قسمت seat قرار گرفته  از یکدیگر جدا می‎گردند و فشار سیال قسمت مخروطی را باز و بسته کرده و اجازه ورود را به آن می‎دهد.

چک‎ولوهای قطع‎کننده‎ای (Stop check valve)

چک‎ولوهای قطع کننده‎ای ترکیبی از یک چک‎ولو بالا رونده و یک globe valve می‎باشند. این چک‎ولوها دارای محوری بوده که در هنگام بسته شدن ولو، دیسک را محکم در محل seat نگه داشته و بسیار محکم آب‎بندی می‎کند.

هنگامیکه محور جهت باز کردن ولو به بالا می‎رود در این حالت این ولو مانند یک چک‎ولو بالا رونده عمل می‎کند. محور به دیسک متصل نبوده و برای بستن محکم ولو و یا محدود نمودن حرکت دیسک‎ولو در یک حالت باز عمل می‎کند.

شیر اطمینان (Safety valve)

در صنعت، مخازن تحت فشار بایستی بوسیله دریچه اطمینان محافظت شوند. دریچه‎های اطمینان را باید طوری انتخاب کرد که در صورت بهم خوردن تعادل در فشار مخزن، شیر اطمینان باز شده و مقادیر اضافی مایع یا گاز را خارج کند. به شیر اطمینان سوپاپ اطمینان نیز گفته می‎شود.

در مواردیکه فشار علاوه بر امکان بهم خوردن تعادل در شرایط کاری در معرض در معرض خطرات آتش‎سوزی و یا انفجار نیز هستند باید این شیرها طوری انتخاب شوند که نه فقط در فشار معینی باز گردند بلکه ظرفیت آنرا داشته باشند تا مقدار زیادی مایع یا گاز داخل مخزن را که در اثر حرارت تغییر حالت داده است را به خارج منتقل کنند.

شیر اطمینان