شیر کنترل جریان (Flow control valve)

وظیفه‌ی شیرهای کنترل جریان، کنترل شدت جریان سیال در یک سیستم هیدرولیک است. شیر کنترل جریان این کار را به با تنگ یا گشاد کردن گذرگاه عبور سیال انجام می‌دهد.

سازندگان قطعات هیدرولیکی معمولا باید مشخصات زیر را برای شیرهای کنترل جریان ارائه دهند:

• حداکثر فشار مجاز
• حداکثر جریان مجاز
• مشخصات سیال ورودی؛ نوع سیال هیدرولیک، دبی،افت فشار و ویسکوزیته‌ی آن
• ابعاد فیزیکی، روش نصب و دهانه‌های شیر (جهت ورودی و خروجی)

روش کار شیرهای کنترل جریان:

هنگامی که شیر کنترل جریان بسته می‌باشد، شدت جریان سیال عبوری کم شده و باز کردن شیر، شدت جریان سیال افزایش می‌یابد. سرعت حرکت یک عملگر نسبت مستقیم با شدت جریان سیال دارد. بنابراین برای کنترل سرعت عملگرها باید شدت جریان سیال در سیستم را کنترل کرد.

مزایا و معایب شیرهای کنترل جریان ( فلو کنترل ولو ):

البته تنها راه ممکن برای کنترل جریان استفاده از شیر کنترل جریان نیست. می‌توان از پمپ‌های با حجم جابه‌جایی متغیر نیز استفاده کرد. اما یکی از مزایای استفاده از شیرهای کنترل جریان این است که به مراتب ارزان‌تر از این پمپ‌ها می‌باشد. یکی از معایب استفاده از این شیر این است که به دلیل اتلاف توان در این شیر، بازده سیستم افت می‌کند.

انواع شیرهای کنترل جریان:

در این قسمت مهم‌ترین انواع شیرهای کنترل جریان و عملکرد آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

• شیرهای سوزنی (Needle valve):

ساده‌ترین نوع شیرهای کنترل جریان، شیر سوزنی است که معمولا از جنس فولاد ضد زنگ (stainless steel) ساخته می‌شود. ساختمان این شیر بسیار ساده می‌باشد و در آن با تنگ و گشاد شدن مسیر عبور جریان توسط یک سوزن، شدت جریان عبوری کم و زیاد خواهد شد. شیرهای سوزنی اغلب به صورت دستی عمل می‌کنند و برای باز و بسته کردن یک مسیر عبور جریان به کار می‌روند.

اندازه‌ی گذرگاه ورودی، به سادگی با چرخاندن یک پیچ که سوزن در انتهای آن قرار دارد، تنظیم می‌گردد. درحالتی که شیر کاملا باز باشد (تصویر سمت چپ)، جریان سیال بدون محدودیت عبور می‌کند و در حالتی که شیر کاملا بسته باشد (تصویر سمت راست)، هیچ جریانی از آن عبور نمی‌کند. گاهی ممکن است نیاز به محدود کردن شدت جریان عبوری در سیستم باشد، در این حالت می‌توان شیر سوزنی را در حالت نیمه باز تنظیم کرد تا جریان عبوری از شیر محدود شود.

در شیرهای سوزنی، یک افت فشار بین دو طرف شیر پدید می‌آید که متناسب با اندازه‌ی گذرگاه است. هرچه اندازه‌ی گذرگاه تنگ تر شود، افت فشار در شیر بیشتر خواهد بود. شدت جریان عبوری از شیر نیز متناسب با افت فشار خواهد بود.

جهت نصب این شیرها بسیار حائز اهمیت است. یعنی اگر جهت عبور سیال، به هنگام نصب شیر در مدار رعایت شود، از وارد آمدن فشار به پیچ تنظیم (stem)، درحالی که شیر بسته شده، جلوگیری می‌شود.

اما در اغلب مدارهای کاربردی، از ترکیب شیر کنترل جریان با شیر یک طرفه استفاده می‌شود. چنین شیری عبور جریان از هر دو جهت را تحت کنترل دارد.

• شیرهای حساس به تغییرات فشار ( Pressure compensated flow control valve):

در این شیرهای کنترل جریان، اندازه گذرگاه به طور اتوماتیک نسبت به تغییرات فشار،تغییر می‌کند. در این شیرها یک مغزی توازن تعبیه شده است که به صورت فنری عمل می‌کند. این مغزی وقتی که فشار مسیر ورودی بیشتر از فشار مسیر خروجی باشد، سطح گذرگاه سیال را کاهش می‌دهد. وقتی این شیر تنظیم شود، قسمت توازن به طوری عمل می‌کند که اختلاف فشار در طرفین شیر را در حد ثابتی نگاه دارد.

کارکرد این شیر به صورت زیر می‌باشد:

در این شیر دو مغزی اصلی و توازن وجود دارد. پیچ تنظیم، وضعیت مغزی اصلی را کنترل می‌کند. وضعیت مغزی اصلی نیز درواقع اندازه‌ی گذرگاه خروجی شیر را تعیین می‌کند. فشار مسیر ورودی شیر، از طریق مسیر پیلوت A به سمت چپ مغزی توازن منتقل می‌شود. فشار مسیر خروجی شیر، از طریق مسیر پیلوت B به سمت راست مغزی توازن منتقل می‌گردد.

وجود فنر در پشت مغزی توازن باعث می‌شود که این مغزی کاملا به طرف چپ رانده شود. در این وضعیت درواقع مغزی توازن، مسیر را کاملا باز نگاه داشته است. اگر فشار در مسیر ورودی شیر نسبت به مسیر خروجی افزایش یابد (یعنی افت فشار بر روی شیر زیاد شود)، مغزی توازن مقداری به راست جابه‌جا می‌شود و فنر را می‌فشارد.

بدین ترتیب، افت فشار بر روی شیر و متعاقب آن شدت جریان عبوری از شیر تقریبا ثابت می‌ماند.

1. مغزی توازن
2. مسیر پیلوت A
3. مغزی اصلی
4. پیچ تنظیم
5. مسیر تخلیه
6. فنر توازن
7. مسیر پیلوت B

انواع دیگری از شیرهای حساس به تغییرات فشار نیز موجود است. در بعضی از موارد به جای مغزی اصلی از یک پیچ سوزنی استفاده می‌شود. اما در نهایت کارکرد آنها مشابه یکدیگر است.

• شیرهای حساس به تغییرات دما (Temperature compensated flow control valve):

تغییرات دما نیز عامل دیگری است که ممکن است شدت جریان عبوری از یک فلو کنترل ولو را تحت تاثیر قرار دهد، زیرا ویسکوزیته‌ی سیال با افزایش دما، کاهش می‌یابد و درنتیجه سیال رقیق‌تر می‌شود. با توجه به اینکه سیال رقیق راحت‌تر از از گذرگاه تنگ شده عبور می‌کند، با افزایش حرارت، شدت جریان عبوری از شیر کنترل جریان نیز افزایش می‌یابد. برای پیش‌گیری از این عیب شیرهای کنترل حساس به دما ساخته شده‌اند. در این شیرها، یک قطعه‌ی حساس به دما وجود دارد که در صورت افزایش حرارت سیال، اندازه‌ی گذرگاه ورودی سیال را کاهش دهد.