انتخاب اکچویتور مناسب برای شیر پروانهای یکی از مهمترین مراحل در طراحی و اتوماسیون شیرآلات صنعتی است. اکچویتور باید بتواند گشتاور مورد نیاز شیر را در تمام مراحل باز و بسته شدن تأمین کند؛ در غیر این صورت، عملکرد صحیح باترفلای ولو با مشکل مواجه خواهد شد.
میزان گشتاور مورد نیاز شیرآلات پروانهای (Butterfly Valve) به عواملی مانند سایز شیر، نوع سیال، فشار کاری، جنس دیسک و نوع Seat بستگی دارد. بنابراین، انتخاب اکچویتور تنها بر اساس سایز ولو انجام نمیشود و باید گشتاور مورد نیاز آن بهدقت محاسبه شود. در جدول زیر، میزان گشتاور مورد نیاز باترفلای ولو بر اساس سایز شیر ارائه شده است. واحد گشتاور در این جدول نیوتنمتر (N·m) است.
| فشار برای بستن (بار) |
قطر نامی شیر پروانه ای |
||||||||||||
| 40/50 | 65 | 80 | 100 | 125 | 150 | 200 | 250 | 300 | 350 | 400 | 450 | ||
| 3.5 | – | – | – | 31 | 40 | 63 | 115 | 210 | 260 | 420 | 550 | 970 | |
| 10 | 16 | 23 | 35 | 71 | 95 | 127 | 200 | 280 | 400 | 890 | 1190 | 1460 | |
| 16 | 26 | 38 | 59 | 121 | 180 | 260 | 330 | 480 | 690 | 1520 | 2020 | 2490 | |
اصول اولیه انتخاب اکچویتور پنوماتیک برای شیر پروانهای
مهمترین فاکتورها در انتخاب اکچویتور پنوماتیک برای شیرآلات پروانهای به شرح زیر میباشند:
1) گشتاور مورد نیاز شیر (Valve Torque)
شامل سه بخش:
- Breakaway Torque: میزان تورک اولیه مورد نیاز جهت باز و بسته کردن شیر پروانهای
- Running Torque: میزان تورک مورد نیاز باترفلای ولو در حین حرکت
- Seating Torque: میزان تورک مورد نیاز در آخر کورس
2) نوع اکچویتور
- پنوماتیک دوطرفهDouble Acting
- پنوماتیک فنر برگشت Single Acting
3) ضریب اطمینان Safety Factor
در طراحی تمام قطعات حساس در زمینه پایپینگ یک ضریب اطمینان در نظر گرفته می شود تا در محاسبات قدرتهای مورد نیاز بالاتر در نظر گرفته شوند. این ضریب اطمینان معمولاً 25% تا 40% برای شیر پروانهای پیشنهاد میشود.
4) فشار هوای در دسترس
گشتاور اکچویتور = تابع مستقیم فشار هواست.
معمولاً 5.5 bar یا 6 bar در صنایع ایران رایج است.
جدول تقریبی رابطه سایز شیر پروانهای با گشتاور مورد نیاز
اعداد زیر نرخهای رایج OEMها مانند Bray ،Kromschroeder ،OMAL ،SR AirTorque هستند.
این جدول به صورت استاندارد برای سیال آب در نظر گرفته شده است. به صورت پیش فرض دما را دمای محیط و جنس دیسک باترفلای ولو استیل یا داکتیل در نظر گرفته شده است.
جدول گشتاور مورد نیاز شیر پروانهای
ارقام بر مبنای Newton-meter
| حداقل سایز اکچویتر پیشنهادی | Running Torque | Breakaway Torque | سایز شیر |
| اکچویتر 40 الی 50 نیوتن متر | 15-20 | 20-30 | 2 |
| اکچویتر 70الی 90نیوتن متر | 25-40 | 35-55 | 3 |
| اکچویتر 100الی 130نیوتن متر | 40-60 | 50-80 | 4 |
| اکچویتر 180الی 220نیوتن متر | 80-110 | 110-150 | 6 |
تأثیر مشخصات سیال عبوری بر انتخاب اکچویتر
در نظر گرفتن پارامترهایی مانند لزجت سیال، میزان خوردگی و دما بر انتخاب سایزینگ اکچویتور بسیار حائز اهمیت هستند.
لزجت (Viscosity)
• هرچه سیال غلیظتر باشد گشتاور مورد نیاز اکچویتر بالاتر است. دلیل این مهم افزایش مقاومت چرخش دیسک در سیال است.
• ضریب افزایش معمولی:
– سیال نیمهغلیظ = 10–20%
– روغنها = 20–40%
– لجن، دوغاب، خمیر = 50–80%
خوردگی (Corrosive Media)
• خوردگی باعث سفت شدن شفت و پینها میشود
• معمولاً 10–15% گشتاور اضافی لحاظ میشود
• برای شیرآلات پروانهای که در مسیرهای خورنده نصب میشوند مانند سیالات شیمیایی، فاضلاب، آب دریا، اسید، اکچویتور قویتر انتخاب میشود.
دما (Temperature)
• دمای بالا باعث سفتی سیت (Seat) و افزایش Breakaway torque میشود.
• دمای پایین ممکن است باعت افزایش احتمال یخزدگی و افزایش گشتاور مورد نیاز شود.
• تاثیر دما بر ضریب افزایش انتخاب اکچویتر به شرح ذیل میباشد:
– دمای 80– 120 درجه سانتیگراد 10–15
– بالاتر از 150 درجه سانتیگراد 30-20 درصد
نوع و متریال دیسک شیر پروانه ای در انتخاب اکچویتر بسیار اهمیت دارد
در شیرآلات پروانه ای UPVC ضریب اصطکاک باترفلای ولو پایینتر میباشد. بنابراین Safety factor به صورت 10 الی 20 درصد کمتر در نظر گرفته میشود. در صورتیکه در باترفلای ولوهای با دیسک داکتیل گشتاور مورد نیاز بیشتر میباشد و اکچویتر با تورک بیشتری باید انتخاب شود.
| توضیحات | اثر روی گشتاور اکچویتر | نوع دیسک شیر پروانه ای |
| ضریب اصطکاک پایین تر، سبک تر | کاهش گشتاور (10- تا 20-) | UPVC |
| رایج در صنایع، وزن مناسب | گشتاور نرمال | استنلس استیل 304 یا 316 |
| سنگین تر از استیل و upvc | افزایش گشتاور (10- تا 5-) | دیسک داکتیل Ductile Iron |
به طور مثال برای شیرآلات پروانهای در سایز 4 اینچ
1- پروانهای با دیسک UPVC = اکچویتر سایز 63 کافی است.
2- پروانهای با دیسک Stainless steel = اکچویتر سایز 63 الی 75 کافی است.
3- پروانهای با دیسک داکتیل Ductile = اکچویتر با سایز 75 کافی است.
شیرآلات پروانه ای با دیسک PTFE و یا PFA به دلیل اصطکاک بسیار پایین با نشیمنگاه، نیاز به گشتاور کمتری دارند.
جنس Seat شیرآلات پروانه ای و کلاس کاری در سایزینگ اکچویتر پنوماتیک
در شیرآلات پروانهای متال تو متال Metal to Metal، ممکن است گشتاور اولیه برای غلبه بر اصطکاک و سپس گشتاور مورد نیاز برای حفظ آببندی مورد نیاز زیاد باشد. در صورتیکه شیرآلات پروانهای Soft seal به گشتاور و تورک کمتری نیاز دارند. هرچه کلاس کاری شیر پروانهای بالاتر باشد تورک بیشتری جهت باز و بسته کردن نیاز دارد. دلیل این امر افزایش نیروی وارد شده از سیال به دیسک و بدنه است که برای حفظ آببندی باترفلای ولو و جلوگیری از نشتی مورد نیاز میباشد. باترفلای ولو با کلاس کاری ANSI 150 در حدود 25 درصد گشتاور کمتری نسبت به باترفلای ولو با کلاس کاری 300 نیاز دارد.
نوع دابل اکت و یا سینگل بودن اکچویتر
در اکچویتورهای دابل اکت (Double Acting)، گشتاور خروجی بیشتری ایجاد میشود. اکچویتورهای سینگل اکت (Spring Return) به دلیل وجود فنر داخلی، گشتاور کمتری دارند. به همین دلیل، برای شیر پروانهای معمولاً اکچویتور سینگل اکت را یک یا دو سایز بزرگتر از مدل دابل اکت انتخاب میکنند.
به طور مثال اگر برای شیر پروانهای DN100 اکچویتر DA سایز 63 کافی است، برای SA باید سایز 75 انتخاب شود.
سایزینگ اکچویترهای الکتریکی برای شیرهای پروانهای
در سایزینگ اکچویترهای الکتریکی شیرهای پروانهای چند عامل دخیل هستند:
1- پارامترهای تاثیرگذار بر سایزینگ اکچویتور الکتریکی
سایزینگ صحیح اکچویتور برای اطمینان از عملکرد مناسب و طول عمر شیر پروانهای بسیار حیاتی است. پارامترهای کلیدی که باید در نظر گرفته شوند عبارتند از:
گشتاور مورد نیاز (Torque Requirement)
این مهمترین پارامتر است. گشتاور مورد نیاز توسط عوامل مختلفی تعیین میشود:
– فشار سیال (Fluid Pressure): فشار سیال درون خط، نیرویی است که باید بر دیسک شیر غلبه کند. هرچه فشار بیشتر باشد، گشتاور بیشتری لازم است.
– جنس دیسک (Disc Material): جنس دیسک (مانند استیل، پوششدار و تفلونی) بر روی اصطکاک و در نتیجه گشتاور مورد نیاز تأثیر میگذارد. دیسکهای استیل معمولاً گشتاور بیشتری نسبت به دیسکهای با پوشش نرم نیاز دارند.
نوع نشیمنگاه باترفلای ولو (Seat type)
– سیت نرم یا Soft Seat: این نوع نشیمنگاهها (مانند EPDM, NBR, PTFE) معمولاً اصطکاک کمتری ایجاد میکنند و به همین دلیل گشتاور کمتری برای باز و بسته شدن نیاز دارند. همچنین آببندی بهتری ارائه میدهند.
– سیت سخت یا Hard Seat: این نشیمنگاهها مانند فلز به فلز (Metal-to-Metal) معمولاً برای دما و فشارهای بالاتر استفاده میشوند و ممکن است به گشتاور بیشتری نیاز داشته باشند، به خصوص در حالت بسته شدن کامل.
طراحی شیر (Valve Design)
نوع طراحی شیر پروانهای مانند (Concentric, Double Offset, Triple Offset) بر هیدرودینامیک و میزان گشتاور لازم تأثیر میگذارد.
اکچویتر مناسب شیر پروانه ای Concentric
در این طراحی، ساقه شیر در مرکز دیسک قرار دارد و نشیمنگاه معمولاً از جنس الاستومر است. گشتاور در این نوع شیرها در انتهای باز و بسته شدن افزایش مییابد و به صورت کلی گشتاور مورد نیاز آن ها کمتر از مدل های دابل افست هست.
اکچویتر مناسب شیر پروانه ای Double offset
در این طراحی، ساقه شیر کمی خارج از مرکز دیسک و بدنه قرار دارد. این امر باعث میشود که دیسک در حین چرخش با نشیمنگاه اصطکاک کمتری داشته باشد و گشتاور مورد نیاز در طول چرخش نسبتاً ثابت بماند.
اکچویتر برقی مناسب شیر پروانه ای Triple offset
در این طراحی پیشرفتهتر، ساقه شیر دارای سه محور افست است که باعث میشود دیسک در حین چرخش هیچگونه تماسی با نشیمنگاه نداشته باشد تا لحظه بسته شدن کامل. این طراحی برای کاربردهای دما و فشار بالا و سیالات خورنده مناسب است و کمترین گشتاور را نیاز دارد.
اندازه شیر
بدیهی هست که هرچه سایز شیر بزرگتر باشد، نیروی لازم برای غلبه بر فشار سیال و اصطکاک بیشتر است، لذا گشتاور مورد نیاز اکچویتر برقی افزایش مییابد.
فشار کاری یا Operating pressure
حداکثر فشار کاری که شیر در آن عمل میکند.
دما
دما میتواند بر خواص الاستومرها (در soft seat) و ویسکوزیته سیال تأثیر بگذارد.
نوع سیال
ویسکوزیته، خورندگی و وجود ذرات جامد در سیال میتواند بر گشتاور مورد نیاز تأثیر بگذارد. هر چقدر سیال عبوری از درون شیر پروانه ای ویسکوز تر باشد، گشتاور مورد نیاز اکچویتر برقی بیشتر است. وجود ذرات جامد (سیال دوغ آبی) باعث میشود که قدرت مورد نیاز عملگر برقی برای راه اندازی باترفلای بیشتر باشد.
تعداد دفعات باز و بسته شدن (Cycle Life)
برای شیرهایی که مکرراً باز و بسته میشوند، نیاز به اکچویتوری با توان و عمر بالاتر است.
سرعت مورد نیاز Speed Requirement
سرعت لازم برای باز و بسته شدن شیر پارامتر مهمی در انتخاب عملگر برقی Electrical actuator می باشد. برخی فرآیندها نیاز به باز و بسته شدن سریع دارند، در حالی که برخی دیگر نیازمند حرکت آهسته و کنترل شده هستند.
نوع اتصال
نحوه اتصال باترفلای ولو به فلنج روبرو بر روی نصب و نحوه اعمال گشتاور توسط اکچویتر ممکن است تاثیرگذار باشد. در بعضی مواقع برای سایزینگ اکچویتر برقی شیرآلات لاگ تایپ یک سایز بالاتر از شیرآلات پروانهای ویفری انتخاب میشود.
به صور کلی دیسکهای استیل معمولاً سنگینتر هستند و ممکن است در تماس با نشیمنگاه، اصطکاک بیشتری ایجاد کنند، خصوصا اگر سطح دیسک صاف نباشد.
شیرهای پروانه ای سافت سیت یا لاستیکی به دلیل خاصیت الاستیسیته و انعطافپذیری نشیمنگاه، اصطکاک کمتری با دیسک ایجاد میکند و آببندی بهتری فراهم میآورد. این امر معمولاً منجر به گشتاور راهاندازی (break-away torque) و گشتاور در حال حرکت (running torque) پایینتر میشود.
Hard Seat (Metal-to-Metal)
این نوع نشیمنگاهها در دماهای بالا و برای سیالات خورنده یا abrasive استفاده میشوند. هرچند ممکن است گشتاور بیشتری نسبت به soft seat ها نیاز داشته باشند، اما در مقابل مقاومت بالاتری دارند. برای سایزینگ، باید افت فشار و میزان درگیری دیسک با نشیمنگاه در حالت بسته در نظر گرفته شود.
2- انواع اکچویتورهای برقی برای شیرهای پروانهای
اکچویتورهای الکتریکی (Electric Actuators) نیروی لازم برای چرخاندن ساقه شیر را از طریق موتور الکتریکی فراهم میکنند. انواع اصلی آنها عبارتند از:
اکچویترهای برقی به صورت On/Off
این اکچویتورها برای باز یا بسته کردن کامل شیر طراحی شدهاند. آنها یک سیگنال (مانند باز یا بسته) دریافت کرده و شیر را به موقعیت نهایی میرسانند. برای اکثر کاربردهای کنترل جریان که نیاز به تنظیم دقیق نیست، مناسب هستند.
اکچویترهای برقی به صورت Modulating (Proportional)
این اکچویتورها قابلیت تنظیم موقعیت شیر را در محدودهای بین کاملاً باز و کاملاً بسته دارند. آنها یک سیگنال ورودی (مانند ۴-۲۰ میلیآمپر یا ۰-۱۰ ولت) دریافت میکنند و موقعیت شیر را متناسب با این سیگنال تنظیم میکنند. این نوع برای کنترل دقیق جریان، فشار یا سطح سیال استفاده میشود.
اکچویترهای برقی مدل Failsafe (Fail-Safe)
این اکچویتورها دارای یک مکانیزم داخلی (معمولاً فنر) هستند که در صورت قطع برق یا سیگنال کنترلی، شیر را به یک موقعیت از پیش تعیین شده (معمولاً کاملاً باز یا کاملاً بسته) منتقل میکنند. این ویژگی برای مواقع اضطراری که حفظ ایمنی فرآیند اولویت دارد، بسیار مهم است.
3- مثالهای سایزینگ اکچویتر برقی جهت باترفلای ولو
برای سایزینگ دقیق، معمولاً نیاز به استفاده از نرمافزارهای تخصصی سازنده اکچویتر یا شیر و یا جداول و نمودارهای ارائه شده توسط آنها است. اما میتوانیم اصول کلی سایزینگ عملگر برقی برای شیر پروانهای را با چند مثال نشان دهیم.
نکته مهم: در عمل، همیشه یک ضریب اطمینان (Service Factor) بین ۱.۲۵ تا ۲.۰ یا بیشتر، بر اساس شدت کاربرد و نوع سیال، به گشتاور محاسبه شده اضافه میشود تا اطمینان حاصل شود که اکچویتور در شرایط دشوار (مانند شروع به کار مجدد پس از مدتی توقف، یا وجود ناخالصی در سیال) نیز قادر به عملکرد است.
مثال ۱: سایزینگ شیر پروانهای لاستیکی با دیسک استیل و ویفری PN16
شرایط:
- نوع شیر: شیر پروانهای ویفری (Wafer Butterfly Valve)
- نوع نشیمنگاه: لاستیکی (Soft Seat – EPDM)
- جنس دیسک: استیل ۳۰۴ (SS304)
- کلاس فشاری: PN16
- دمای کاری: ۲۵ درجه سانتیگراد
- سیال: آب
- عملکرد: On/Off
- محاسبات فرضی و برای نمایش اصول
- سایز شیر پروانهای: 4 اینچ
- فرض کنید حداکثر فشار کاری: ۱۰ بار (PN10)
- گشتاور مورد نیاز (از جداول سازنده شیر یا نرمافزار): حدوداً ۸۰ نیوتنمتر (Nm)
- گشتاور با ضریب اطمینان (مثلاً ۱.۵): ۸۰ * ۱.۵ = ۱۲۰ نیوتنمتر
- اکچویتر پیشنهادی: الکتریکی On/Off با گشتاور خروجی حداقل ۱۲۰-۱۵۰ نیوتنمتر، مناسب برای چرخش ۹۰ درجه.
- سایز شیر پروانهای 8 اینچ یا DN200
- فرض کنید حداکثر فشار کاری: ۱۰ بار (PN10)
- گشتاور مورد نیاز (از جداول سازنده شیر یا نرمافزار): حدوداً ۲۵۰ نیوتنمتر (Nm)
- گشتاور با ضریب اطمینان (مثلاً ۱.۵): ۲۵۰ * ۱.۵ = ۳۷۵ نیوتنمتر
- اکچویتور پیشنهادی: الکتریکی On/Off با گشتاور خروجی حداقل ۳۷۵-۴۵۰ نیوتنمتر، مناسب برای چرخش ۹۰ درجه.
مثال ۲: سایزینگ شیر پروانهای متال تو متال (Metal-to-Metal) با دیسک استیل ۳۱۶ و کلاس ۱۵۰ ویفری
شرایط:
- نوع شیر: شیر پروانهای ویفری (Wafer Butterfly Valve) – با طراحی Double or Triple Offset برای کاهش گشتاور
- نوع نشیمنگاه: فلز به فلز (Metal-to-Metal Seat)
- جنس دیسک: استیل ۳۱۶ (SS316)
- کلاس فشاری: Class 150 تقریباً معادل PN20
- دمای کاری: ۱۲۰ درجه سانتیگراد
- سیال: بخار یا گاز با فشار بالا
- عملکرد: Modulating با قابلیت Failsafe
محاسبات:
- سایز شیر پروانه ای متال تو متال 6 اینچ یا DN150
- فرض کنید حداکثر فشار کاری: ۱۵۰ PSI حدود ۱۰ بار در دمای بالا
- گشتاور مورد نیاز (با در نظر گرفتن طراحی Triple Offset و شرایط سختتر): حدوداً ۶۰۰ نیوتنمتر (Nm)
- گشتاور با ضریب اطمینان (مثلاً ۲.۰ به دلیل دما و بخار): ۶۰۰ * ۲.۰ = ۱۲۰۰ نیوتنمتر
- اکچویتور پیشنهادی: الکتریکی Modulating با قابلیت Failsafe، گشتاور خروجی حداقل ۱۲۰۰-۱۵۰۰ نیوتنمتر، ورودی سیگنال ۴-۲۰mA، زمان چرخش ۹۰ درجه مثلاً ۳۰-۶۰ ثانیه بسته به نیاز فرآیند.
4- انواع اکچویتورهای برقی مناسب شیر پروانهای و برندهای معتبر
همانطور که گفته شد، انواع اصلی اکچویتورهای برقی شامل On/Off، Modulating و Failsafe هستند. انتخاب بین اینها به کاربرد و نیاز کنترلی فرآیند بستگی دارد.
برندهای معتبر سازنده اکچویتور برقی برای باترفلای ولو:
– Rotork: یکی از شناختهشدهترین برندها در سطح جهانی، با طیف وسیعی از اکچویتورهای الکتریکی برای کاربردهای مختلف.
-AUMA: برند آلمانی معتبر با کیفیت بالا و محصولات متنوع.
– Limitorque: پیشرو در صنعت اکچویتورهای صنعتی.
– Bernard Controls: تولیدکننده اروپایی معتبر.
– SIP (S.I.P. S.p.A.): سازنده ایتالیایی با تمرکز بر اکچویتورهای الکتریکی.
– Eloy S.r.l: برند ایتالیایی دیگر که محصولات با کیفیتی ارائه میدهد.
5- اجزای تشکیل دهنده داخلی اکچویتورهای برقی
اجزای داخلی یک اکچویتور الکتریکی (به خصوص مدلهای Modulating و Failsafe) پیچیدهتر هستند و شامل موارد زیر میشوند:
– موتور الکتریکی (Electric Motor)
معمولاً یک موتور AC یا DC است که نیروی چرخشی را تامین میکند.
– گیربکس
مجموعهای از چرخدندهها که گشتاور موتور را افزایش داده و سرعت آن را کاهش میدهند تا به گشتاور مورد نیاز برای چرخاندن شیر برسند. نسبت دندهها در گیربکس برای دستیابی به گشتاور نهایی تنظیم میشود.
– مکانیزم کرمدنده و حلزونی (Worm and Worm Wheel Mechanism)
در بسیاری از اکچویتورها، یک مکانیزم کرمدنده و حلزونی برای انتقال نیرو از موتور به شفت خروجی و همچنین برای ایجاد قابلیت خودقفلشوندگی (self-locking) استفاده میشود. این مکانیزم مانع از چرخش شفت خروجی توسط نیروی برگشتی از شیر میشود.
– برد کنترلی (Control Board / Electronics)
این بخش مغز اکچویتورالکتریکال است که شامل موارد زیر می باشد:
- مدار قدرت (Power Circuit): برای کنترل جریان به موتور.
- مدار فرمان (Control Circuit): برای دریافت سیگنال ورودی (آنالوگ یا دیجیتال)، پردازش آن و ارسال فرمان به مدار قدرت.
- سوئیچهای محدود کننده (Limit Switches): برای تشخیص موقعیتهای کاملاً باز و کاملاً بسته شیر و جلوگیری از آسیب رساندن به شیر و اکچویتر.
- ترک سویچها (Torque Switches): برای تشخیص و قطع جریان در صورت رسیدن به گشتاور بیش از حد مجاز (برای جلوگیری از آسیب).
- انکودر یا سنسور موقعیت (Position Encoder/Sensor): در مدلهای Modulating، برای تعیین دقیق موقعیت لحظهای شیر استفاده میشود.
- مدار Failsafe در صورت وجود: شامل باتری یا خازن و مدار مرتبط با فنر آزادکننده که در زمان قطع برق، شیر را به موقعیت ایمن میبرد.
- بدنه (Housing): محفظهای مقاوم که اجزای داخلی را در برابر عوامل محیطی (گرد و غبار، رطوبت، ضربه) محافظت میکند. درجه حفاظت (IP Rating) بدنه بسیار مهم است.
- اتصالات الکتریکی (Electrical Connections): ترمینالها و کانکتورها برای اتصال کابلهای برق و سیگنال.
- شفت خروجی (Output Shaft): قسمتی که مستقیماً به ساقه شیر متصل میشود و گشتاور را منتقل میکند.
بدون دیدگاه