انواع شیر برقی - راهنمای جامع

شیرهای برقی از اجزای حیاتی در کاربردهای صنعتی هستند که قابلیت کنترل دقیق جریان سیالات (مایعات و گازها) را به وجود می آورند. در ادامه انواع مختلف این نوع شیرها و نحوه عملکرد و کاربردهای ویژه آن ها مورد بررسی قرار می گیرد. 

شیرهای برقی چگونه کار می کنند؟

اجزای شیر برقی

یک شیر برقی شامل کویل، پلانجر (پیستون)، فنر، آب بند (seal) و بدنه شیر است. کویل، یک سیم پیچیده شده بر روی یک هسته است که وقتی برق دار می شود، حالت الکترومغناطیسی پیدا می کند. پلانجر از آهن یا استیل ساخته شده است که داخل کویل می نشیند و بر حسب نیروی مغناطیسی به بالا یا پایین حرکت می کند. وقتی که کویل بی برق شد یک فنر پلانجر را به سمت موقعیت اولیه خود هدایت می کند. آب بندی به جریان پیدا کردن سیال در اوریفیس شیر (که قسمتی از بدنه شیر محسوب می شود) اجازه می دهد یا از آن جلوگیری می کند. از همکاری تمامی این اجزا کنترل دقیق و سریع سیال صورت می پذیرد.

شکل 1-اجزا داخلی شیر برقی                                                                                                                                                    

(A اتصال الکتریکی

B) عملکرد دستی

(C سیم پیچ کویل

D) ممبران ایزوله کننده

E) کنترل سرعت

F) فنر

G)دیافراگم

H) هوزینگ شیر

وضعیت باز یا بسته شدن شیر بستگی به موقعیت پلانجر دارد. در شیرهای NC (در حالت عادی بسته) پلانجر وقتی کویل برق دار نیست اوریفیس را آب بندی می کند و جریان سیال را متوقف می کند. وقتی که کویل برق دار می شود پلانجر اوریفیس را باز کرده و به سیال اجازه عبور می دهد. شیرهای NO (در حالت عادی باز) به طور معکوس کار می کند، در حالتی که کویل برق دار نیست پلانجر به اوریفیس اجازه می دهد تا سیال جریان پیدا کند و وقتی کویل برق دار می شود پلانجر حرکت می کند تا مسیر سیال را ببندد. حرکت سریع پلانجر از پاسخ زمانی سریع اطمینان حاصل می کند که در کاربردهایی که کنترل دقیق سیال الزامی است حیاتی می باشد. تطابق ولتاژ کویل به منبع تغذیه سیستم شما از عملکرد قابل اعتماد شیر برقی، اطمینان حاصل می کند و از آسیب به کویل جلوگیری به عمل می آورد.

انواع شیرهای برقی:

شیرهای برقی در چندین نوع، هر کدام برای کاربردها و نیازهای عملیاتی خاص وجود دارند. درک این انواع در انتخاب شیر مناسب برای سیستم شما کمک کننده است.

شیرهای برقی NC (در حالت عادی بسته) در قیاس با شیرهایNO  (در حالت عادی باز)

شیرهای در حالت عادی بسته (NC): این نوع شیر وقتی برق دار نیست بسته باقی می ماند. پلانجر اوریفیس را آب بندی می کند و جریان سیال را متوقف می کند. وقتی کویل برق دار می شود میدان مغناطیسی پلانجر را بالا می کشد که منجر به باز شدن شیر و جاری شدن سیال می شود. این نوع شیرها در کاربردهایی که شیر برقی باید در اکثر زمان ها بسته باشند از لحاظ انرژی مقرون به صرفه خواهند بود. همچنین این نوع شیرهای برای سیستم هایی که نیاز به بسته شدن خودکار شیرها در زمان قطع برق دارند (مانند دستگاه های گازسوز) ایمن تر هستند.

شیرهای در حالت عادی باز (NO): این نوع شیر وقتی برق دار نیست به سیال اجازه جاری شدن به طور آزادانه را می دهد. برق دار شدن کویل پلانجر را به سمت پایین می کشد تا اوریفیس را آب بندی کند و از جاری شدن سیال جلوگیری کند. این طراحی متناسب با کابردهایی است که سیال باید به طور پیوسته جاری باشد مگر اینکه قطع شود، مانند سیستم های خنک کننده یا جلوگیری از افزایش فشار.

شیرهای برقی bi-stable یا latching آخرین موقعیت خود را بدون اتصال برق پیوسته حفظ می کنند. این شیرهای از آهنربای دائمی برای نگه داشتن پلانجر در موقعیت خود بعد از این که توسط پالس الکتریکی به حرکت درآمدند، استفاده می کنند. این کار مصرف انرژی را به طور مشهودی کاهش می دهد و برای کاربردهایی با سوئیچینگ کم مانند سیستم های آبیاری یا قفل های ایمنی ایده آل هستند. (مانند نسخه ای از Type 6144 از برند Burkert).

شیرهای سلونوئیدی با عملکرد مستقیم، غیر مستقیم و نیمه مستقیم

شیرهای با عملکرد مستقیم:

این شیرها تنها با نیروی مغناطیسی شیر بدون اتکا به فشار سیال باز یا بسته می شوند. برای نرخ فلو و فشار کم خیلی خوب کار می کنند و پاسخ زمانی های خوبی فراهم می کنند. طراحی ساده که برای فضاهای محدود و نیازهای کنترلی دقیق مناسب است.

به عنوان مثال Type 0256 از برند Burkert را ملاحظه فرمایید.

شیرهای با عملکرد غیر مستقیم (پیلوت):

این نوع شیرها برای عملکرد متکی به اختلاف فشار هستند. شیر برقی اورفیس یک شیر کمکی کوچک (پیلوت) را کنترل می کند که وقتی باز می شود فشار روی یک دیافراگم یا پیستون تغییر می کند که منجر به باز شدن شیر اصلی می شود. این شیرها نرخ فلو و فشارهای بالاتری را مدیریت می کنند اما یک حداقل اختلاف فشار (در حدود نیم بار) برای عمل کردن احتیاج دارند. این شیرها در تصفیه آب و کنترل سیالات صنعتی رایج هستند.

به عنوان مثال Type 6281 از برند Burkert را ملاحظه فرمایید.

شیرهای با عملکرد نیمه مستقیم:

این شیرها اصول شیرهای مستقیم و غیر مستقیم را ترکیب می کند. شیر برقی پلانجر را به طور مستقیم جابه جا می کند که به باز کردن شیر از طریق آزاد کردن فشار روی یک دیافراگم کمک می کند. این طراحی اجازه می دهد عملیات در اختلاف فشار صفر صورت بگیرد و از نرخ فلوهای بالاتری از شیرهای عملکرد مستقیم پشتیبانی می کند. این نوع شیرها تعادلی بین بهینه بودن توان مصرفی و عملکرد را پیشنهاد می دهند.

به عنوان مثال Type 6407 از برند Burkert را ملاحظه نمایید.

شیرهای در حالت عادی بسته برای سیستم هایی که برای آن ها ایمنی حیاتی است مرجح هستند، در حالی که شیرهای bi-stable برای کاربردهای سوئچینگ پایین، به ذخیره انرژی منجر می شود. نوع شیر را بر اساس توان موجود سیستم، نیازهای ایمنی و الزامات کنترل فلو می توان تعیین کرد.

عملکرد مداری شیرهای برقی

شیرهای برقی فلوی مایعات و گازها را با باز و بسته کردن یا تغییر جهت دادن جریان سیال کنترل می کنند. هدف مشخص آن ها بسته به تعداد پورت ها و چگونگی ارتباط این پورت ها در حین عملیات تعیین می شود. عملکرد مدار، این رفتار را توصیف می کند. بیایید مرسوم ترین انواع، یعنی شیرهای 2 راهه، 3 راهه، 4 راهه و 5 راهه را مورد بررسی قرار دهیم.

شیرهای برقی دو راهه

شیرهای برقی 2 راهه (مانند Burkert Type 0255) دو پورت دارند یک ورودی و دیگری خروجی. این شیرها به سادگی اجازه عبور سیال بین این دو پورت را می دهند یا از آن ممانعت به عمل می آورند. جهت فلو برای عملکرد درست شیر مهم است و عموماً توسط یک فلش ←روی بدنه آن مشخص می شود. شیر وقتی که برق دار می شود، یا باز می شود یا بسته می ماند تا جریان سیال به حرکت در بیاید یا توقف یابد. این شیرها برای کنترل on/off در سیستم های ساده مانند خطوط تامین آب یا shut off گاز ایده آل هستند.

ویژگی های کلیدی:

• دو پورت: ورودی و خروجی
• به حرکت درآمدن یا توقف سیال را کنترل می کند
• در سیستم های کنترل فلو ساده رایج است

شیرهای برقی سه راهه

این شیرها سه پورت دارند که هر کدام برای عملکرد خاصی به کار گرفته می شوند. عموماً این پورت ها به شرح زیر هستند:

P (پورت فشار یا ورودی): جایی که سیال وارد می شود

A (عملگر یا پورت خروجی): به تجهیز یا عملگر وصل می شود

E  یا R (پورت خروجی یا بازگشت): به سیال اجازه ی خروج یا تخلیه را می دهد

بسته به نحوه برقدار کردن کویل، شیر، مسیرهای سیال بین این پورت ها را سوئیچ می کند. برای مثال در یک شیر سه طرفه در حالت عادی بسته، وقتی که کویل بی برق باشد ورودی (P) مسدود می شود و پورت A یا عملگر به پورت E یا خروجی متصل می شود. برقدار شدن کویل جریان را از P به A باز می کند و خروجی را مسدود می کند.

شیرهای سه راهه به طور گسترده در کنترل سیلندرهای پنوماتیک تک عمله (single act) به کار می روند که اجازه افزایش فشار و تخلیه از طریق شیر را فراهم می کنند.

ویژگی های کلیدی

• سه پورت برای کنترل منعطف سیال
• تغییر وضعیت دادن بین ورودی، خروجی و عملگر
• رایج برای کنترل عملگر و تجهیزات پنوماتیک

برای مثال Type 0330 از برند Burkert (نوع 2/3 ) است.

شیرهای برقی 4 و 5 راهه

شیرهای 4-راهه و 5-راهه پیچیده تر هستند و عموماً در سیستم های هیدرولیکی و پنوماتیکی پیدا می شوند که محرک های دو عمله (double act) را کنترل می کنند.

شیرهای 4 راهه:

عموماً 4 پورت دارند- دو ورودی و دو خروجی. این شیرها جهت سیال را برای حرکت رفت و برگشت عملگرها سوئیچ می کنند. وقتی که برق دار هستند یا نیستند، شیر از طریق اینکه کدام پورت متصل شود، تغییر موقعیت می دهد که این امکان کنترل دقیق بر روی حرکت عملگر را به وجود می آورد.

شیرهای 5-راهه:

در اینجا یک پورت خروجی به طراحی شیرهای 4 راهه اضافه شده است. این پورت اضافی به تخلیه سریع هوا یا مایعات و بهبود زمان پاسخ و بازده کمک می کند. این شیرها برای کاربردهایی که نیازمند کنترل حرکت سریع و دقیق هستند مانند روباتیک یا ماشین های بسته بندی ایده آل هستند.

ویژگی های کلیدی

• شیر 4 راهه: کنترل جهت با چهار پورت
• شیر 5 راهه: افزودن پورت خروجی برای سریعتر کردن تخلیه
• کاربرد در سیستم های پیچیده و سیلندرهای دو عمله (double acting)

همواره جهت فلوی ذکر شده روی شیرهای برقی را مدنظر قرار دهید تا از نصب صحیح و عملکرد بهینه در سیستم خود اطمینان حاصل بفرمایید.

مواد و ساخت

جنس بدنه برای شیر برقی

مواد به کار رفته در بدنه شیر برقی نقش حیاتی دارد در دوام و تطابق آن با سیالی که آن را کنترل می کند. جنس شیرهای برقی مرسوم شامل موارد زیر است:

• برنج: برای مقاومت خوب در برابر سیال های خنثی مانند آب، معروف است. قیمت مناسب و به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد.
• فولاد ضد زنگ: مقاومت خوب نسبت به مواد شیمیایی و دما و فشار بالا. ایده آل برای محیط های خشن
• PVC: وزن سبک و مقاومت به خوردگی، مناسب برای مواد شیمیایی خشن و کاربردهای که به هزینه حساس است.
• آلومینیوم: وزن سبک و استحکام را با مشخصات گرمایی خوب ترکیب می کند. اغلب در محیط های صنعتی به کار می رود.
• چدن: مقاومت به سایش و دارای استحکام با قابلیت میراسازی ارتعاشات که برای کاربردهای سنگین مناسب است.

انتخاب جنس بدنه مناسب بستگی به نوع سیال، دما، فشار و شرایط محیطی دارد. برای مثال، فولاد ضد زنگ در فرآیندهای شیمیایی ترجیح داده می شود در حالی که برنج برای سیستم های آبی مناسب است.

مواد آب بندی و تطابق آن ها

آب بندها از نشتی جلوگیری و از بسته شدن محکم اطمینان حاصل می کنند. جنس آن ها باید با ماهیت شیمیایی سیال و دمای کاری تطابق داشته باشد. جنس آب بندهای رایج شامل موارد زیر است:

NBR (Nitrile Butadiene Rubber): مقاومت به روغن ها و سوخت ها. ایده آل برای سیالات با پایه ی نفتی.

EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer): عالی در برابر فرسایش در اثر آب و هوا، اوزن و بخار و خیلی خوب برای آب داغ و استفاده های در فضای باز.

FKM (Viton): مقاومت بالا به مواد شیمیایی و گرما، مناسب برای محیط های شیمیایی خشن

PTFE (Teflon): خنثی بودن شیمیایی استثنایی و محدوده دمایی گسترده، بی نقص برای سیالات خشن و شرایط محیطی خیلی شدید.

انتخاب آب بند درست عمر شیر را افزایش و از آسیب و آلودگی جلوگیری به عمل می آورد. برای مثال EPDM برای روغن های پایه نفتی مناسب نیست بلکه NBR در چنین مواردی گزینه ی بهتری است.

انتخاب شیر برقی درست

درک نوع سیال و تطابق آن

انتخاب شیر برقی درست از شناخت نوع سیالی که کنترل می کند آغاز می شود. سیال های متفاوت -آب، روغن، گاز، مواد شیمیایی- ویژگی های منحصر به فردی دارند که عملکرد شیر را متاثر می کند. برای مثال، سیالات خورنده، به شیری احتیاج دارند که از مواد مقاوم به مواد شیمیایی مانند فولاد ضد زنگ یا آب بندهای ویژه مانند PTFE (تفلون) ساخته شده باشند. سیستم های آبی اغلب از شیرهای برنجی با آب بند EPDM استفاده می کنند، در حالی که سیالات پایه نفتی با شیرهایی که آب بندی NBR دارند جور در می آیند.

سازگاری بین شیر و سیال امر کلیدی است که از نشتی ها، خوردگی و نقصان در عملکرد شیر جلوگیری به عمل می آورد. همواره تطابق شیمیایی هم بدنه شیر و هم جنس آب بندی را در برابر سیال مورد بررسی قرار دهید. شیرهای [1]Media separated که سیال را از قسمت های متحرک ایزوله می کند، برای سیال های خشن و آلوده عالی هستند.

بررسی الزامات فشار و دما

در وهله بعد، محدوده دمایی و فشار سیستم را در نظر بگیرید. شیرهای برقی بیشینه و کمینه نرخ فشار دارند. فرا رفتن از این حدود می تواند به شیر آسیب بزند یا موجب اخلال در عملکرد آن شود. برای سیستم های فشار پایین، شیرهای عملکرد مستقیم به خوبی کار می کنند چرا که بدون اختلاف فشار کار می کنند. شیرهای عملکرد غیر مستقیم (پیلوت) نیازمند حداقل اختلاف فشاری (عموماً حول و حوش 0.5 بار) هستند تا به طور کامل کار کنند و فلوهای بالاتر را مدیریت کنند.

اهمیت زمان پاسخ و تاییدیه ها

زمان پاسخ- سرعتی که در آن یک شیر باز یا بسته می شود- در خیلی از کاربردها حیاتی است. شیرهای عملکرد مستقیم عموماً در میلی ثانیه پاسخ می دهند و با نیازهای کنترلی سریع مطابقت دارد. شیرهای عملکرد غیر مستقیم یا نیمه مستقیم ممکن است دیرتر پاسخ دهند اما نرخ فلوهای بالاتری را مدیریت می کنند. نیازمندی های زمانی سیستم خود را به دقت در نظر بگیرید. سرآخر، تاییدیه ها و گواهینامه های مورد نیاز را بررسی بفرمایید. برای مثال، شیرهایی که آب آشامیدنی را مدیریت می کنند باید گواهی نامه های NSF یا WRAS داشته باشند. کاربردهای صنعتی ممکن است تاییدیه های UL،CE  یا ATEX را نیاز داشته باشند.

این گواهی نامه ها ایمنی، قابلیت اطمینان و تطابق با مقررات را تضمین می کنند. همواره جنس بدنه شیر و آب بندی را با مشخصات شیمیایی سیال و شرایط بهره برداری مطابقت دهید تا طول عمر و عملکرد شیر بیشینه شود.

نمادها