“Suction and discharge valve” که دراین مقاله “شیرهای مکش و تخلیه” ترجمه شدهاند، به منظور باز و بستهکردن مسیر جریان سیال به صورت اتوماتیک در تجهیزات صنعتی به کار برده میشوند. در این مقاله پس از ارائهی نحوهی کارکرد، به بررسی طراحیها و انواع مختلف و تفاوت آنها و درنهایت به انواع متریال استفاده شده در اجزای این شیرها پرداخته میشود.
میتوان گفت که شیرهای مکش و تخلیه همان کار سوپاپها در موتور خودرو را انجام داده با این تفاوت که در موتور خودرو، سوپاپها بهوسیله میل بادامک باز وبسته شده اما در این شیرها این کار به صورت خودکار و بر اساس وجود اختلاف فشار در دو طرف شیر انجام میشود. همانطور که از اسم شیرها پیداست، شیر مکش وظیفه کنترل اتوماتیک ورود سیال به محفظه (عموما سیلندر) و یک شیر تخلیه وظیفه کنترل خروج سیال از محفظه را برعهده دارد، اما اجزای آنها تقریبا مشابه یکدیگر است. این شیرها از یک نشیمنگاه[1]، یک قسمت محافظ[2]، اجزای حرکتی[3] وقسمت آببندی[4] و همچنین قطعاتی برای مونتاژ این اجزا مانند پیچ و مهره تشکیل شدهاند. این شیرها اکثرا در کمپرسورهای رفت و برگشتی(پیستونی) استفاده میشوند اما در سایر ماشینهای دوار نیز قابل استفاده هستند.
برای درک بهتر از نحوه کارکرد این شیرها، طرز ورود هوای محیط و خروج هوای فشرده را در یک کمپرسور پیستونی توضیح خواهیم داد:
دریک کمپرسور پیستونی هنگامی که پیستون در نقطه مرگ بالایی قرار دارد (نزدیک به شیرهای مکش وتخلیه) هر دو شیر بسته هستند، با پایین آمدن پیستون که به وسیله چرخش میل لنگ انجام میشود، هوای درون سیلندر منبسط و درنتیجه فشار آن کم میشود، در نتیجه در شیر مکش نیروی ناشی از اختلاف فشار هوای بیرون و داخل سیلندر باعث فشرده کردن فنر و درنتیجه پایین آمدن قسمتهای حرکتی شیر(Valve Plate) و باز شدن مسیر ورود هوا به سیلندر میشود. نکته مهم آن است که در شیر تخلیه چون نیرو(ناشی از اختلاف فشار) و درنتیجه حرکت قسمتهای حرکتی شیر به سمت نشیمنگاه شیر است، شیرتخلیه همچنان بسته میماند. سرعت ورود هوا به تدریج افزایش یافته تا زمانیکه پیستون تقریبا به نصف کورس خود برسد.از این لحظه به بعد به دلیل بیشتر شدن مولکولهای هوا درون سیلندر و در نتیجه کاهش اختلاف فشار، سرعت ورود هوا از درون شیر کم شده و در جایی نزدیک به نقطه مرگ پایین اختلاف فشار به صفر رسیده و درنتیجه شیر مکش بسته میشود. بدیهی است در صورتی که پیش باری روی فنرهای شیرها اعمال شود، شیر قبل از رسیدن به اختلاف فشار صفر
بسته میشود.
پس از رسیدن پیستون به نقطه مرگ پایین، مرحله فشرده سازی با بالا آمدن پیستون آغاز میشود. با کم شدن حجم هوای درون سیلندر فشار آن به تدریج افزایش یافته و این بار چون نیروی ناشی از اختلاف فشار هوای بیرون و درون شیر تخلیه در خلاف جهت نشیمنگاه است، با فشرده شدن فنرها، مسیر خروج هوا به اتمسفر باز شده و مشابه فرآیند پایین آمدن، شیر تخلیه تا نقطه مرگ بالایی باز میماند. توجه شود که Damper Plateها برای گرفتن ضربه ناشی از پایین آمدن Valve Plate و جلوگیری از آسیب دیدن بدنهی شیرها به کار برده میشوند.
شیرهای مکش و تخلیه به دلیل استفاده برای شرایط خاص در شکلبندیهای مختلفی طراحی وساخته میشوند که چهار مورد اصلی و رایج آن عبارتاند از:
این نوع شیرها رایجترین شیرهای مکش و تخلیه در صنعت میباشند، در این شیر المان حرکتی شیر تنها از یک جز تشکیل شده که مزیت این شیر بر دیگر انواع شیرهای مکش و تخلیه است، زیرا تعداد لبههای تحت ضربه کاهش مییابد. در شیرهای صفحهای جاذب ضربه به صورت مکانیکی و توسط صفحه دمپر انجام میشود.
این نوع شیر از چند حلقه(رینگ) با شعاعهای مختلف که محور مرکزی آنها یکسان است تشکیل شده است. شیرهای رینگی از سط
ح تنش اعمال شده کمی نسبت به بقیه شیرهای مکش و تخلیه برخوردار هستند هم چنین به دلیل شکل مسیر عبور جریان س
یال، افت فشار در شیر کم تر شده که هم باعث افزایش بازده شیر میشود و هم در صورت وجود هر گونه ناخالصی در سیال، این ناخالصیها نیز میتوانند راحت از شیر عبور کنند و از شکست زودتر ازموعد شیر جلوگیری کنند. اما بحث سرویس و نگهداری شیرهای رینگی به دلیل یکپارچه نبودن شیر(وجود رینگهای مختلف) به مراتب سخت تر از انواع دیگر شیرهای مکش وتخلیه است.
این شیرها از چندین راهگاه عبوری سیال، با سایزهای یکسان تشکیل شده است. شیرهای پاپتی به دلیل شکل مسیر راهگاههای سیال مانند شیرهای رینگی از افت فشارهای کمتری برخوردار هستند و از شکست زودتر از موعد شیر جلوگیری میکنند.
شیر هممرکز: این شیرها که مدل جدیدتری از شیرهای مکش وتخلیه محسوب میشوند، کار هردو شیر مکش و شیر تخلیه را انجام میدهد و تمام سطح سیلندر را در برمیگیرد که در تجهیزاتی که فضای کمتری را باید اشغال کنند مناسب هستند.
قسمت نشیمنگاه(Seat) و محافظ(Guard) شیر معمولا از یک نوع متریال انتخاب میشوند. انتخاب این قسمتها بسیار مهم است زیرا این قسمتها تحت سطح بالایی از تنش هستند که این تنشها با مقدار فشاری که در مرحله فشردهسازی سیال ایجاد میشود تغییر میکنند. استفاده از متریال ضعیفتر نیازمند ضخیمتر کردن نشیمنگاه شیر است که باعث افزایش لقی و در نتیجه کاهش مقدار سیال قابل فشرده کردن میشود. همچنین نشیمنگاه در معرض سایش توسط اجزای حرکتی که در تماس با سطح آببندی هستند، میباشد و قسمت محافظ در معرض سایش با فنرها است؛ لذا متریال انتخابی باید به اندازه کافی سخت باشد تا در مقابل این سایش مقاوم باشد، از این رو از چدن نشکن یا داکتیل برای این قسمتها اسفاده میشود و در صورتی که محیط کاملا خورنده باشد استفاده از فولاد ضدزنگ 4521 یا 4021 ترجیح داده میشود.
فنرها متحمل بیشترین تنش در شیرهای مکش و تخلیه هستند و معمولا اصلیترین عامل شکست شیر تلقی میشوند. متریال فنر باید سازگار با دمای کاری باشد و استحکام خوبی در برابر خوردگی سیال داشته باشد. بنابراین استفاده از سیلیکن کروم و یا وانادیم کروم در مواقعی که مسئله خورندگی وجود نداشته باشد و استفاده از متریال اینکنل برای شرایط خورنده رایج است.
اجزای حرکتی در برخورد با قسمت محافظ (در هنگام باز شدن) و در برخورد با قسمت نشیمنگاه (در هنگام بسته شدن) تحت ضربه قرار میگیرند، لذا انتخاب متریال این قسمت تاثیر به سزایی در عدم شکست شیر دارد، از این رو پیشرفتهای چشمگیری در دهههای اخیر در این عرصه انجام شده است.
در طراحیهای سابق شیرهای مکش وتخلیه از صفحههای حرکتی فلزی به دلیل ارزان بودن، سازگار بودن با دمای کاری و تحمل مقدار اختلاف فشارهای بالا، استفاده میشد اما به دلیل خواص مکانیکی نامطلوب مانند مقاومت خستگی پایین ناشی از ضربه و مقاوم نبودن در برابر آسیبهای مربوط به خوردگی، جای خود را به صفحات غیرفلزی که ویژگیهای نامطلوب صفحات فلزی را نداشتند، دادند. نایلون ابتداییترین ماده غیر فلزی برای اجزای حرکتی در شیرهای مکش و تخلیه بود، اما در دهههای اخیر رایجترین ماده پلی اتراترکتون(PEEK) است.
منابع:
[1] Forsthoffer’s Best Practice Handbook for Rotating Machinery, W.E. Forsthoffer, 2011, pages 93-228
[2] Design of Valves Used in Reciprocating Compressors, M.H. Tierean & L.S. Baltes
[3] COMPRESSORS: SELECTION AND SIZING, Royce N. Brown, Third Edition
گردآورنده: امیر قائم پناه – دانشجوی کارشناسی مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی اصفهان
[1] Valve Seat
[2] Valve Guard
[3] Valve Plate, Damper Plate
[4] Element Seal