مقدمه:

در این مقاله شیرهای کنترلی و نحوه عملکرد آنها و بررسی وضعیت شرایط بخار درگذر از یک شیر کنترلی بررسی می گردد. در ادامه در خصوص چگونگی اندازه گذاری شیرهای کنترلی بخار با توجه به دبی و فشار بخار گذرنده بحث خواهد شد.

قبل از بحث در خصوص سایزینگ شیرهای کنترل بخار، بررسی مجدد ویژگی های بخار در انتقال حرارت، مفید به نظر می­رسد.

جهت کنترل دمای فرایند استفاده از یک سیستم کنترلی ضروری است. با توجه به انتقال حرارت از سطحی با دمای بیشتر به سطحی با دمای کمتر، کنترلر موجود در سیستم فرمان باز و بسته شدن را به شیر صادر کرده و به این ترتیب میزان دبی بخار مورد نظر برای افزایش دما، کنترل می­گردد. فرمول زیر میزان انتقال حرارت و وابستگی آن به دما را نشان می­دهد:

در شکل زیر شیرهای کنترلی با عملگر الکتریکی و پنوماتیکی ساخت شرکت ADCA پرتغال را ملاحضه میفرمایید:

 نحوه عملکرد شیر کنترل شرکت VALSTEAM ADCA

از آنجایی که شیر به تنهایی، جزئی از سیستم کامل کنترل می­باشد، به منظور اندازه گیری و انتخاب درست شیر و دیگر اجزاء مربوطه باید از عوامل موثر در این امر اطلاع داشت. از پارامترهای مورد استفاده در سیستم های کنترل جریان، به اختصار می­توان موارد زیر را نام برد:

• ضریب جریان (Flow Coefficient)
• اختلاف فشار (Differential Pressure)
• حداکثر اختلاف فشار (Maximum Differential Pressure)
• افت فشار (Pressure Drop)
• فشار کاری (Working Pressure)
• نقطه تنظیم (Set Point)
• فشار بحرانی (Critical Pressure)

که به منظور درک بهتر و سایزگذاری صحیح شیرهای کنترلی بخار، فاکتورهای حیاتی در این خصوص توضیح داده خواهد شد.

فشار بحرانی:

بخار عبوری از شیر کنترلی بوسیله اختلاف فشار موجود در دو سمت شیر تا رسیدن به فشار بحرانی در حال افزایش می­باشد. برای درک بهتر مفهوم فشار بحرانی به نحوه عملکرد نازل نشان داده شده در شکل زیر توجه کنید:

شکل(2) ( نازل همگرا، واگرا) به همراه شیر کنترل مخصوص بخار تمیز VALSTEAM ADCA

فرض کنید نازل فوق جهت تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی و با شرایط مطلوب از لحاظ افت فشار و با کمترین تلاطم و افت اصطکاکی طراحی شده باشد. همانطور که مشخص است درقسمت همگرا سرعت بخار افزایش یافته و فشار کاهش می­یابد و بدلیل این افت فشار، حجم مخصوص بخار افزایش می­یابد. در ابتدا افزایش سرعت بسیار سریعتر از افزایش حجم مخصوص است و فضای مورد نیاز جریان در این قسمت از نازل کم می­شود.

در یک نقطه، افزایش حجم مخصوص خیلی سریعتر از افزایش سرعت می­شود. در این نقطه، فضا در کمترین حد است و فشار بخار در این فضای اندک یا به عبارتی گلوگاه به عنوان فشار بحرانی شناخته می­شود. باید توجه داشت که فشار بحرانی به شرایط و ویژگی های سیال بستگی دارد مخصوصاً به نسبت گرمای مخصوص (Cp/Cv) بخار که در فرایند آدیاباتیک یا ایزنتروپیک تعیین می­شود و معمولاً با علائم n یا   نشان داده می­شود. (برای بخار سوپرهیت این نسبت حدود 0.55 است).

فرمول(2) جهت تعیین نسبت فشار بحرانی استفاده می­شود:

که y در جداول بخار  قابل خواندن است که البته بوسیله فرمول (3) باتقریب مناسبی به آسانی محاسبه می­شود:

برای بخار اشباع خشک با استفاده از فرمول (3):

و اما نکته مهم در مورد قسمت واگرای شکل فوق می­باشد. باید توجه داشت که چنانچه خروجی نازل خیلی بزرگ و یا خیلی کوچک باشد به علت تلاطم پدید آمده ظرفیت بخار کاهش یافته و صدا افزایش می­یابد.

–  چنانچه خروجی نازل خیلی کوچک باشد و بخار به اندازه کافی افزایش حجم نداشته باشد فشار به میزان لازم که باید در پایین دست باشد نمی­رسد.

–  اگر خروجی نازل خیلی بزرگ باشد، فشار بخار در خروجی نازل کمتر از میزان مورد نیاز بوده و باعث کمپرس مجدد بخار، خارج از ناحیه کم فشار می­شود.

همانطور که در شکل(2) مشاهده می­شود شیرهای کنترلی شبیه به نازل های همگرا، واگرا می­باشند. (منطقه پرفشار (در ورودی شیر) یعنی همان ناحیه همگرا، یک گلوگاه (گپ باریک بین پلاگ و سیت شیر) یک منطقه واگرا (خروجی شیر) یا همان ناحیه کم فشار)

شکل 3 نازل همگرا ، واگرا  به همراه  شیر کنترل ساخت  VALSTEAM ADCA

همانطور که می­دانیم شیر کنترلی یک وسیله محدود کننده است که برای ایجاد یک افت فشار معین و قابل کنترل طراحی می­شود. باید توجه داشت که چنانچه افت فشار شیر بیشتر از افت فشار بحرانی باشد، سرعت بخار به شدت افزایش یافته و فشار در این ناحیه خیلی کمتر از آن چیزی است که در گلوگاه می­باشد و این عامل سبب به وجود آمدن صدای زیاد در خروجی شیر می­گردد که به علت تبدیل سریع انرژی جنبشی به انرژی حرارتی در منطقه کم فشار شیر است.

در شکل (4) یک شیر و انطباق آن از لحاظ عملکرد و شرایط با نازل مثال زده شده نشان داده می­شود.

شکل4  واگرایی و همگرایی  به همراه  شیر کنترل ساخت  VALSTEAM ADCA

سرعت خروجی از شیر، صدا، خوردگی و اثر سوپرهیت کردن بخار:

هنگام اندازه گیری شیرهای کنترل بخار نکته ای که خیلی باید به آن توجه داشت صدای تولید شده توسط شیر است. نه تنها به علت ناهنجاری های صوتی، بلکه به این دلیل که ارتعاشات ناشی از این پدیده می­تواند اجزاء داخلی شیر را خراب کرده و باعث از بین رفتن قطعات شیر گردد.

کاهنده های صدای مخصوصی برای غلبه بر این پدیده وجود دارد ولی در بعضی اوقات استفاده ازشیرهای با سایز بزرگتر از لحاظ اقتصادی مفیدتر به نظر می­رسد. نیاز به داشتن اطلاعات در مورد صدای ناشی از گذر بخار از شیرها و نقش سرعت صدا در وقوع این پدیده، باعث انجام تحقیقات گسترده و نهایتاً رسیدن به فرمول های تکمیلی جهت محاسبه صدای شیرهای کنترلی گشت که البته محاسبه دستی از طریق این فرمول ها خیلی آسان به نظر نمی­رسد. ولی طبق استانداردهای موجود در این مورد، چنانچه سرعت بخار اشباع در خروجی شیر کنترلی بیشتر از 0.3 ماخ باشد صدای بوجود آمده زیاد و غیر قابل قبول است. سرعت صدای بخار بستگی به درجه حرارت بخار و همچنین کیفیت بخار دارد. اما می­توان بوسیله فرمول(4) و با شرایط (ماخ 1= سرعت صوت) محاسبه شود.

سرعت های بالا سبب خوردگی در قسمت های کم فشار (پایین دست) شیر می­شود، خصوصاً اگر بخار خشک نبوده و دارای رطوبت باشد. توصیه می­شود که ماکزیمم سرعت خروجی برای بخار مرطوبm/s40  در نظر گرفته شود و در مورد بخار سوپرهیت و (گازهای خشک)، 0.5 ماخ عدد قابل قبول می­باشد و برای سیالات دیگر ممکن است به ماکزیمم سرعت  m/s10 در خروجی شیر برسد.

ملاحظه یک مثال کمک بیشتری به درک بهتر این مطلب می­کند.

مثال 1) بخار اشباع خشک با دبی  1300 kg/h و فشار 12 barg پس از عبور از یک شیر DN25 یا 1 اینچ و K_v=10 و مساحت خروجی m²  0.00049 به فشار 4 barg می­رسد. مطلوب است محاسبه سرعت بخار در خروجی شیر؟

میزان سوپرهیت و درجه خشکی از مراحل زیر قابل محاسبه است:

از جداول بخار:  ( h_g) بخار اشباع در 2787  12kj/kg

به منظور تعیین نمودن میزان سوپرهیت شدن بخار با استفاده از جداول بخار در  442k ¬ 4barg

همچنین با استفاده از جداول بخار حجم مخصوص بخار سوپرهیت در  4barg و442K  برابر 0.3918 است.

جریان ولومتریک(دبی حجمی) برابر است با :

و سرعت صدا (1 ماخ) را می­توان از فرمول شماره (5) محاسبه نمود:

y: توان ایزنتروپیک بخار در خروجی شیر (برای بخار سوپرهیت:1.3 است)

R: ثابت گازها (برای بخار: 0.4615 kj/kg)

T: درجه حرارت(442 K)

بنابراین سرعت صدا در خروجی شیر: 

ضریب 0.5 برای بخار سوپرهیت در خروجی شیر استفاده می­شود:

مشاهده می­شود که سرعت 289 m/s بالاتر از257.5 m/s بوده و در نتیجه شیر (“1) مفید نخواهد بود و با وجود اینکه صدا مورد قبول باشد. اکنون با امتحان شیری با یک سایز بالاتر یعنی (“11/4) که دارای مساحت خروجی  0.0008 m/s است:

که سرعت خروجی کمتر از 0.5 ماخ برای بخار سوپرهیت مناسب است و شیر با این سایز انتخاب درستی است.

خوانندگان محترم می­توانند جهت کسب اطلاعات بیشتر با دفتر فنی آداک انرژی تماس حاصل نمایند.

44462186-021