کنترل ولو  Control Valve

یکی از رایج ترین المان‌های کنترل نهایی در سیستم‌های کنترل صنعتی، کنترل ولو می‌باشد. کنترل ولو برحسب فرمان یک سیگنال اتوماتیک همچون سیگنال یک کنترل کننده یا دستگاه منطقی (مانند PLC) فلوی سیال عبوری از یک لوله را محدود می‌کند. برخی از طرح‌های کنترل ولو برای کنترل گسسته‌ی (on / off) فلوی سیال در نظر گرفته شده اند، در حالی که برخی دیگر برای تنظیم فلوی سیال در جایی بین حالت کاملا باز و کاملا بسته (Shut) طراحی شده اند. یک ولو on / offاز نظر الکتریکی معادل یک سوئیچ است، در حالی که یک ولو تنظیم کننده (Throttling valve) از نظر الکتریکی معادل یک مقاومت متغیر می‌باشد.

کنترل ولو از دو بخش عمده تشکیل شده است: بدنه‌ی ولو (Body) که شامل همه تجهیزات مکانیکی لازم برای تأثیرگذاری بر فلوی سیال می‌باشد، و محرک ولو (Actuator) که نیروی مکانیکی لازم برای حرکت اجزاء داخلی بدنه‌ی ولو را تأمین می‌کند. اغلب اوقات، تفاوت عمده‌ ای بین یک کنترل ولو on / off و یک کنترل ولو Throttling در نوع اکچویتور به کار رفته برای ولو است. اکچویتورهای on / off موقعیت مکانیزم ولو را تنها در حالت کاملا باز و یا کاملا بسته قرار می‌دهند، این در حالی است که اکچویتورهای Throttling باید بتوانند با دقت موقعیت مکانیزم ولو را در هر نقطه‌ی بین حالت کاملا باز و یا کاملا بسته تنظیم کنند. 

برخی از طرح‌های بدنهی ولو مانند ولوهای سماوری (Plug valves و ولوهای توپی (Ball valves) در سرویس‌های on / off به مراتب بهتر کار می‌کنند، در حالی که طرح‌های دیگر همچون ولوهای کروی دو پورتی (Double - ported globe valves) در کاربردهای Throttling بهتر عمل می‌کنند. با این حال می‌توان بسیاری از طرح‌های ولو را صرفا با اتصال یک اکچویتور مناسب در هر کدام از این دو سرویس ( on / off یا Throttling) بکار برد.

به مجموعه اجزاء خاصی که در داخل بدنه‌ی یک کنترل ولو قرار داشته و عمل Throttling یا بستن کامل مسير فلوی سیال را انجام میدهند، اصطلاحا تریم ولو (Valve Trim) گفته می‌شود. برای هر نوع عمده از کنترل ولو، معمولا طراحی‌های تریم بسیار متنوعی وجود دارد. انتخاب نوع ولو و تریم آن با توجه به نوع سیال تحت کنترل، خصوصیات عمل کنترلی (on / off یا Throttling)، شرایط فرآیند (نرخ فلوی مورد انتظار، دما، فشار، و غیره)، و جوانب اقتصادی تعیین می‌شوند.

 ولوهای ساقه کشویی (sliding stem valves)

در این ولوها قطعات متحرک بدنه به صورت خطی حرکت می‌کنند. برخی از طرح‌های بدنه‌ی ولو ساقه کشویی در شکل زیر نشان داده شده است.

بیشتر کنترل ولوهای ساقه کشویی عملکردی مستقیم دارند (Direct acting)، به این معنا که با بیرون رفتن ساقه (Stem) از بدنه، دریچه‌ی ولو بیشتر باز می‌شود، و متقابلا هنگامی که ساقه به داخل بدنه فشار داده می‌شود، دریچه‌ی ولو بسته می‌شود. بدنه‌ی یک ولو با عملکرد معکوس (Reverse acting) برعکس حالت قبل عمل خواهد کرد، به طوری که با فشار دادن ساقه به داخل بدنه، ولو باز شده، و با بیرون کشیدن ساقه از بدنه، ولو بسته می‌شود.

 ولوهای کروی Globe Valves

ولوهای کروی با تغییر فاصله‌ی بین یک پلاک متحرک و یک نشیمنگاه (Seat) ثابت، فلوی سیال را محدود می‌کنند (البته در برخی موارد از یک جفت پلاگ و یک جفت نشیمنگاه بهره گیری می‌شود). فلوی سیال از میان سوراخ مرکزی نشیمنگاه عبور کرده و میزان محدودیت عبور آن با میزان فاصله‌ی پلاگ از سوراخ نشیمنگاه تعیین می‌شود. ولو کروی یکی از محبوب ترین طرح‌های ولو ساقه کشویی استفاده شده در سرویس Throttling می‌باشد. 

در شکل زیر می‌توانید ببینید که پلاگ متحرک و نشیمنگاه ثابت درون یک ولو کروی Globe Valve با عملکرد مستقیم، به منظور کنترل فلوی سیال عبوری چگونه با یکدیگر کار می‌کنند.

همانطور که در شکل مشاهده می‌کنید، پلاگ ولو توسط ساقه هدایت شده و همیشه با خط مرکزی نشیمنگاه هم تراز است. به همین دلیل است که این سبک خاص از ولو کروی را اصطلاحا ولو کروی ساقه راهنما (Stem guided) می‌نامند.

با یک تغییر کوچک در طراحی ولو کروی ساقه راهنما یک ولو سوزنی Needle Valve حاصل می‌شود. قطر پلاگ ولوهای سوزنی بسیار کوچک است، به طوری که معمولا با سوراخ نشیمنگاه هم اندازه بوده و به خوبی در داخل آن قرار می‌گیرد. این در حالی است که پلاگ ولوهای کروی صرفا بر روی نشیمنگاه می‌نشینند. استفاده از ولوهای سوزنی دستی در کاربردهای کنترل نرخ‌های فلوی کم روغن یا هوا بسیار رایج است.

یکی دیگر از تغییرات روی طراحی ولو کروی، ولو پورت راهنما (Port guided valve) می‌باشد. پلاگ این ولوها شکل غیر معمولی داشته و در داخل نشیمنگاه به بالا و پایین حرکت می‌کند. از اینرو می‌توان گفت که حلقه ی نشیمنگاه (Seat ring) برای پلاگ به عنوان یک راهنما عمل می‌کند، به طوری که هم مرکزی پلاگ و نشیمنگاه را همیشه تراز کرده و تنش هدایت بر روی ساقه را به حداقل می‌رساند. این بدان معنی است که می‌توان قطر ساقه‌ی این ولوها را کوچکتر از ولوهای ساقه راهنما ساخته، اصطکاک لغزشی به حداقل رسیده و رفتار کنترلی بهبود یافته است.

برخی از ولوهای کروی برای کنترل میزان فلوی سیال از یک جفت پلاگ (بر روی یک ساقه) و یک جفت نشیمنگاه منطبق با آنها استفاده می‌کنند. این ولوها را اصطلاحا ولوهای کروی دو پورتی (Double - ported globe valves) می‌نامند. هدف استفاده از یک ولو کروی دو پورتی این است که با اعمال فشار سیال پروسه به دو طرف پلاگها، نیروی اعمال شده به ساقه به حداقل برسد.

اختلاف فشار سیال فرآیند واقع در دو طرف پلاگ یک ولو (P1- P2)، مطابق با فرمول F= PA به موازات ساقه یک نیرو تولید خواهد کرد، به طوری که سطح مقطع (A) فرمول همان سطح مؤثر پلاگها می‌باشد. در یک ولو کروی تک پورتی (Single - ported) تنها یک نیروی تولید شده توسط فشار فرآیند وجود خواهد داشت. در یک ولو کروی دو پورتی، دو نیرو در جهت‌های مخالف وجود دارد که یکی در پلاگ بالایی و دیگری در پلاگ پایینی تولید شده است. اگر سطوح هر دو پلاگ تقریبا با هم برابر باشند، نیروهای اعمال شده بر روی آنها نیز تقریبا با هم مساوی بوده و در نتیجه یکدیگر را خنثی می‌کنند. این امر راه اندازی و تحریک کنترل ولو را ساده تر خواهد کرد (یعنی موقعیت ساقه کمتر تحت تأثیر فشارهای سیال فرآیند قرار خواهد گرفت).

در شکل زیرک ولو کروی دو پورتی A - body دمونتاژ شده‌ی شرکت Fisher را نشان می‌دهد. پلاگ دوبل این ولو به طور واضح در سمت راست تصویر قابل مشاهده است.

این ولو کروی دو پورتی خاص از نوع ساقه راهنما می‌باشد، به طوری که بوش‌های راهنما (Guide bushing) یکی در بالا و دیگری در پایین ساقه قرار گرفته اند (در قسمت پایین بدنه‌ی ولو)، کنترل ولو دو پورتی نوع پورت راهنما نیز وجود دارد، به نحوی که مجموعه‌ی دو پلاگ پورت راهنما و دو نشیمنگاه عمل تنظیم فلوی سیال را انجام می‌دهند.

از مزایای ولوهای کروی دو پورتی این است که در مقایسه با نوع تک پورتی بسیار ساده تر تحریک و راه اندازی می‌شوند. این ولوها همواره دارای یک نقطه ضعف مشخص هستند، و آن این است که بستن کامل اینگونه ولوها تقریبا غیر ممکن است. برای دستیابی به آب بندی کامل سیال لازم است که هر دو پلاگ به طور همزمان بر روی دو نشیمنگاه قرار گیرند، که این امر بسیار مشکل است. حتی اگر یک ولو دو پورتی در کارگاه برای بهترین عملکرد بستن مهیا شده باشد، بعد از نصب آن بر روی پروسه بدلیل تغییرات ابعادی ساقه و بدنه‌ی ولو که ناشی از گرمایش یا سرمایش سیال فرآیند می‌باشد، بستن کامل ممکن نخواهد بود. این مسئله خصوصا زمانی مشکل ساز است که ساقه از مواد متفاوتی نسبت به بدنه ساخته شده باشد. معمولا ساقه‌ی ولوهای کروی از میله هایی با جنس فولاد ضد زنگ Stainless steel ساخته شده اند، در حالی که بدنه‌ی ولوهای کروی به طور معمول از فولاد ریخته گری (Cast steel) ساخته می‌شود. فولاد ضد زنگ سرد نسبت به فولاد ریخته گری گرم ضریب انبساط حرارتی متفاوتی دارد. این بدان معنی است که وقتی ولو در معرض دمایی گرم تر یا سردتر از دمایی که در آن کاملا بسته می‌شده قرار گیرد، پلاگ‌های ولو دیگر به طور همزمان بر روی نشیمنگاه خود قرار نمی‌گیرند.

برای دستیابی به یک آب بندی مناسب در حین بسته شدن ولو، از یک تکنیک آماده سازی استاندارد که اصطلاحا Lapping  (صیقل کاری) نامیده می‌شود، استفاده می‌گردد. برای صیقل دادن اسمبلی پلاگ و نشیمنگاه ولو، پس از دمونتاژ کردن ولو یک خمیر ساینده که کمپوند صیقل (Lapping compound) نامیده می‌شود را بر روی نواحی تماس متقابل پلاگ و نشیمنگاه ولو می‌مالند. مکانیزم ولو را دوباره اسمبل کرده و سپس ساقه را با یک حرکت تناوبی می‌چرخانند، به طوری که پلاگ در داخل نشیمنگاه ساییده شده و در نهایت با هم جور می‌شوند. برای چک کردن انطباق بین پلاگ و نشیمنگاه در ابتدا ولو را دمونتاژ کرده، تمام کمیوندهای صیقل باقیمانده بر روی پلاگ و نشیمنگاه را پاک کرده، یک کمپوند رنگ آمیزی فلز همچون آبی پر رنگ را بر روی پلاک مالیده، و ولو را دوباره مونتاژ می‌کنند. در ادامه دوباره ساقه را می‌چرخانند تا پلاگ بر روی نشیمنگاه ساییده شده و توسط رنگ اعمال شده پوشیده شود. پس از دمونتاژ کردن مجدد، با بازبینی رنگ ساییده شده می‌توان گسترش تماس فلز به فلز بین پلاگ و نشیمنگاه را آشکار کرد. اگر سطح تماس ناکافی تلقی شود، فرآیند صیقل کاری باید دوباره تکرار گردد.

در یک ورژن مدرن تر از طراحی ولو کروی از یک پلاگ به شکل پیستون استفاده شده که در داخل یک قفس (Cage) قرار گرفته و پورت ها نیز به صورت ریخته گری یا ماشین کاری بر روی قفس قرار گرفته اند. این ولوهای کروی قفس راهنما (Cage guided) با بیشتر یا کمتر آشکار کردن سطح پورت روی قفس احاطه کننده فلو را تنظیم می‌کنند. در واقع، با بالا و پایین حرکت کردن پلاگ، پورت روی قفس بازتر و یا محدودتر می‌شود. در اینجا قفس وظیفه‌ی هدایت پلاگ را نیز به عهده داشته و بنابراین دیگر نیازی نیست که ساقه مانند ولوهای ساقه راهنما در معرض نیروهای عرضی قرار گیرد. تصویر نشان داده شده در شکل زیر یک کنترل ولو برش خورده را نمایش میدهد که قفس آن به خوبی دیده می‌شود. در این تصویر قفس و پلاگ در موقعیت کاملا بسته قرار گرفته اند. همانطور که می‌بیند پورت‌های T شکلی بر روی قفس وجود دارد که فلوی سیال از میان آنها عبور می‌کند. با به بالا و پایین حرکت کردن پلاگ، مسیر این پورت‌های T شکل بسته تر و یا بازتر می‌شود.

یکی از مزیت‌های طرح قفس راهنما این است که تنها با تعویض قفس ولو با قفس دیگری که اندازه یا شکل سوراخ متفاوتی دارد می‌توان مشخصات فلوی ولو را به سادگی تغییر داد. برای یک پلاگ خاص و معین طرح‌های متنوعی از قفس وجود دارد، که این بدان معنی است که در صورت تغییر قفس نیازی به جایگزینی پلاگ نمی‌باشد. این امر قطعا راحت تر از لزوم تعویض پلاک برای تغییر مشخصه‌ی ولوهای کروی پورت راهنما یا ساقه راهنما می‌باشد.

ولوهای کروی قفس راهنما در دو نوع پلاگ متعادل (Balanced) و پلاگ نامتعادل (Unbalanced) در دسترس هستند. پلاگ متعادل دارای یک یا چند سوراخ از بالا به پایین می‌باشد. این سوراخ اجازه میدهد که فشار سیال دو طرف پلاگ برابر شود. این امر به حداقل رساندن نیروی وارده بر پلاگ که باید توسط اکچویتور (Actuator) بر آن غلبه شود، کمک می‌کند.

پلاگ‌های نامتعادل یک نیروی مساوی با حاصل ضرب فشار تفاضلی دو طرف پلاگ و سطح پلاگ (F=PA) را تولید می‌کنند، به طوری که در برخی از کاربردها این مطلب می‌تواند بسیار مهم باشد. پلاگ‌های متعادل این نیرو را ایجاد نخواهند کرد چرا که آنها فشار دو طرف پلاگ را برابر می‌کنند. با این حال آنها یک نقطه ضعف دارند و آن این است که وقتی ولو در موقعیت کاملا بسته قرار دارد همیشه یک مسیر نشتی مضاعف وجود دارد.

به این ترتیب، ولوهای کروی قفس راهنمای نامتعادل و متعادل خصوصیاتی مشابه با ولوهای کروی دو پورتی و تک پورتی ساقه یا پورت راهنما دارند. درست مثل ولوهای کروی ساقه راهنمای دو پورتی و ولوهای کروی پورت راهنما، تعیین موقعیت ولوهای قفس راهنمای متعادل بسیار ساده است. با این حال، هنگامی که ولوهای قفس راهنمای متعادل در موقعیت کاملا بسته قرار دارند، بعلت مسیرهای نشتی زیادتر تمایل به نشت بیشتری دارند، که این امر بسیار شبیه به ولوهای کروی ساقه راهنمای دو پورتی و پورت راهنما می‌باشد.

بدنه‌ی سه راهی (Three way body) یکی دیگر از سبک‌های بدنه‌ی ولو کروی می‌باشد که گاهی اوقات ولو مخلوط کننده و گاهی اوقات ولو منحرف کننده نامیده می‌شود. این طرح ولو دارای سه پورت است، به طوری که یک پلاگ درجه‌ی اتصال دو پورت با پورت سوم را کنترل می‌کند.

 میتوانید کالاهای قابل تامین این شرکت را در این پست بینید و یا مطالب سودمندی در زمینه اکچویتور در اینجا پیدا کنید.