توضیحات
پروژه مدلسازی و شبیه سازی جریان آب در شیر کروی(Globe valve) در نرم افزار سالیدورک
Modeling and Simulation of Water Flow in Globe Valve in SOLIDWORKS FLOW SIMULATION
شیرهای کنترلی:
شیرهای کنترلی به صورت وسیعی در زمینه های مختلف صنعتی از جمله صنایع نفت و گاز، نیروگاه ها، پتروشیمی و سیستم های انتقال آب استفاده می شوند. این شیرها دارای انواع مختلفی می باشند که از آن جمله می توان به شیرهای نوع کروی(globe valve)، توپی(ball valve) ، پروانه ای(butterfly valve) و پلاگی(plug valve) اشاره کرد. هدف از مدل سازی سیالاتی شیر کنترلی، شبیه سازی رفتار جریان در داخل شیر با استفاده از محیط شبیه سازی جریان در نرم افزار Solidworks است.
تاریخچة شیرهای کنترلی:
استفاده از شیر کنترلی حداقل به زمان رومیان برمی گردد، زمانی که آنها از شیرهای سماوری برنزی استفاده می کردند ولی استفاده از شیر کنترل اتوماتیک ابتدا توسط جیمز وات در اواخر قرن ۱۸ میلادی انجام شد. وی در ماشین بخار خود جهت کنترل سرعت از شیرهای کنترل استفاده نمود. اجداد شیرهای کنترل امروزی در قرن نوزدهم میلادی همزمان با کاربرد بیشتر بخار گسترش یافتند. در سال ۱۸۸۰، ویلیام فیشر – مهندسی در ایالت آیوای آمریکا در پی راهی جهت کنترل فشار خروجی پمپ های آب آتش نشانی بود. با تلاش وی تنظیم کننده هائی جهت پمپها ساخته شد و پس از آن شرکت فیشر تأسیس گردید. در سال ۱۹۰۷ این تنظیم کننده ها در نیروگاههای ایالات متحده، کانادا و انگلیس نصب شدند. در سال ۱۸۸۲ آقای ویلیام ماسون شرکت ماسون رگلاتور را تأسیس نمود. وی سپس تنظیم کننده های دیگری برای کشتی های بخار تولید نمود. در سال ۱۸۹۰ رگلاتورها در کشتی های نیروی دریایی آمریکا مورد استفاده قرار گرفتند. شرکتهای دیگری نیز در اواخر قرن نوزدهم جهت ساخت شیر کنترل شروع به فعالیت نمودند. تا سال ۱۹۳۰ جهت تعیین سایز شیرهای کنترل از نمودارهای شرکت في شر استفاده می شد تا اینکه آقای راکول و آقای دکتر ماسون از شرکت فاکس برو فرمول هایی را جهت تعیین اندازه شیرهای کنترل ارائه نمودند، در این فرمول های اولیه اثری از ضریب شیر نبود. در سال های ۱۹۴۳ تا ۱۹۴۵ شرکت National Steam Specialy Globe شروع به استانداردسازی جهت ابعاد شیرهای کنترل نمود. اولین نوع شیرهای روتاری در سال ۱۹۳۰ توسط شرکت ماسونیلان ساخته شد. شیرهای روتاری از سال ۱۹۵۰ تا سال ۱۹۸۰ رشد چشمگیری داشته و کاربرد آن بیشتر و بیشتر شده است. اولین نوع از شیرهای روتاری نوع پروانه ای آن بود. در سال ۱۹۵۴ شیرهای از نوع ساندرز و پروانه ای تولید شد. در بین سال های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۵ شیرهای هوشمند گسترش یافتند. شیرهای هوشمند شیرهایی هستند که از ترانسمیتر های هوشمند در موقعیت دهنده های خود استفاده نموده اند.
شیرهای صنعتی(valve):
شیر وسیله مکانیکی است برای بستن یا به عبارت دیگر تغییر دادن فشار جریان مایع عبوری از آن عمل تنظیم یک شیر با حرکت عنصر دریچه ای شکل (اشکال کروی، سماوری، کشویی، دیسکی و غیره) می باشد که بر روی میله در خارج بدنه شیر قرار گرفته است. این یک تعریف ابتدایی از یک شیر است و نشان می دهد که شیر در حقیقت یک وسیله بسیار ساده است. یک بدنه دارد که در برگیرنده فشار سیال است، یک دریچه برای بستن یا تنظیم عبور سیال از لوله و بالاخره یک دسته برای تغییر موقعیت دریچه شیر.
امروزه شیرهای صنعتی برای پروسه های متنوع ایفای نقش می کنند. در زیر شرح خلاصه ای از آن چیزی که ما پنج وظیفه اصلی شیر میدانیم آورده شده است.
١- عمل باز – بسته. این شکل در واقع عبور کردن یا نکردن سیال را نشان می دهد. در این عملکرد شیر باید راه سیال را با بخش میانی ببندد. آنها را گاهی شیر مسدود کننده مینامند. بعلاوه این عملکرد برای بیشتر شیرها مشترک است.
شکل شیر در سرویس باز و بسته که عبور سیال به طور کامل یا نیمه باز را در کاربردهای گوناگون نشان می دهد.
۲- کنترل سیال. در این سرویس شیر برای تغییر جریان سیال با تغییر سرعت جریان یا ایجاد یک فشار برای رسیدن به هدف موردنیاز کار خود را انجام می دهد. در این بررسی اطلاعات فراوان و قابل دسترسی در مورد شیرهای با ضامن کشویی و کروی و دیگر انواع شیرها شرح داده خواهد شد.
شکل وقتی شیرها برای تغییر مقدار سیال یا عبور تدریجی آن بکار می روند، به آنها شیرهای کنترلی می گویند.
۳- انحراف جریان(تغییر مسیر جریان): جریان سیال با استفاده از شیرهای چندجهته تعیین مسیر می شوند. در این نوع سرویس بیشتر از شیر سه راهی استفاده می شود، البته انواع چهار راهه و پنج راهه نیز قابل استفاده هستند و اما ممکن است تعداد راهها به تناسب استفاده آن شیر بیشتر باشد.
۴- بستن دو مرحله ای: در سیستم های کنترلی ناپیوسته به یک کنترل دومرحله ای احتیاج داریم. این وضعیت می تواند با استفاده از دو شیر موازی جریان بای پس صورت گیرد. هرگاه دو شیر باز باشند، جریان عبور می کند. اگر یکی از آنها بسته شود جریان دیگری کاهش یافته و به آرامی به سطح اندازه گیری موردنیاز می رسد. هرگاه دو شیر بسته اند جریانی نخواهیم داشت. در برخی موارد سیستم های کنترلی وجود دارند که تنها با یک شیر کار می کنند.
۵- مخلوط کردن؛ هنگامی که دو شیر به شکل T به یکدیگر متصل شوند و روی هم با یک محرک کنترل شوند می تواند برای مخلوط دو سیال بکار رود. کاربرد مهم آن دست یابی به دمای خاصی برای سیال است.
وظایف اصلی شیرهای صنعتی:
١- قطع و وصل کامل جریان مایعات و گازها.
۲- تنظيم عبور مقدار موردنیاز مایعات و گازها.
٣- جلوگیری از بازگشت مایعات و گازهای عبور کرده.
۴- تنظیم و کنترل مقدار و فشار مایعات و گازها.
۵ – کنترل و ایمن نگهداشتن دستگاه های تحت فشار.
انواع گوناگون شیرها:
1-شیرهای دستی Manual valves
2- Control valves با نیروی هوا – مایعات و گازهای کنترل شده کار می کنند.
3- Solenoid valves با نیروی برق کار می کنند.
باتوجه به کاربرد گوناگون شیرها انواع دیگری نیز ساخته شده است.
١- شیرهای سوزنی Needle valves
۲- شیرهای سماوری Plug or cock valves
٣- شیرهای کروی Glob valves
۴- شیرهای کشویی Gate valves
۵ – شیرهای دیافراگمی Diaphragm valves
۶- شیرهای یکطرفه None return, or check valves
۷- شیرهای پروانه ای Butterfly valves
۸- شیرهای اطمینان Safety valves
۹- شیرهای کنترلی Control valves
10-شیر با محرک الکتروموتور Electric motor operated valves
11-شیر با محرک سولنوئید Solenoid valves
جنس شیرها و موارد استفاده آن:
١- شیرهای پولیکا – ساخته شده از مواد پی.وی.سی بیشتر بر روی لوله های پولیکا نصب می شوند.
۲ – شیرهای شیشه ای – بیشتر در آزمایشگاه ها استفاده می شوند.
٣- شیرهای برنجی – (آلیاژ مس و روی) برای آب و مواد نفتی با فشار و دمای کم.
۴- شیرهای برنزی – (آلیاژ مس و قلع) آب و محلول های نمک دار و مواد نفتی با فشار و دمای نسبتا کم دما حدود 300 درجه سانتیگراد و فشار پوند/اینچ مربع 350.
۵ – شیرهای چدنی – بیشتر به شکل مخروطی هستند مانند شیرهای سماوری – برای آب و مواد نفتی با دمای کمتر از 350 درجه سانتیگراد.
6- شیرهای فولادی – در آلیاژهای مختلف برای کنترل انواع مواد نفتی، گازها، بخار و آب با فشار و دمای زیاد مانند کنترل ولوها.
طرز انتخاب صحیح شیر موردنیاز:
١- نقشه لوله کشی: انقباض و انبساط و ارتعاش لوله و تکیه گاه مناسب برای محلی که لوله به شیر اتصال می یابد باید مورد توجه قرار گیرد و دقت لازم برای اتصالات انتهایی لوله کشی و شیرها باید بعمل آید.
۲- نوع کاری که شیر باید انجام دهد : کاملا باز یا بسته – یا تنظیم سیال، فشار و درجه حرارت در چه حد باشد، دستی یا خودکار ، کارکرد شیر چه مقرراتی دارد.
۳- حجم شیر: حجم شیر باید متناسب با لوله ای با شد که اندازه آن با توجه به ظرفیت مایع و افت فشار انتخاب شده است.
۴- درجه حرارت و فشار.
۵ – مواد سازنده شیر: بعضی از سیال های شیمیایی اثر خورندگی و زنگ زدگی و رسوبات بجا می گذارند به همین منظور آستری از آبونیت یا پلاستیک یا سرامیک و یا شیشه بکار می برند.
مهندسین Piping و سیستم های ابزار دقیق معمولا از فرمول زیر برای محاسبات فشار و مایع عبوری از لوله ها و شیرها استفاده می کنند.
Δp=KQ2S/1000A
وزن مخصوص مایع S مقدار عبور مایع برحسب دقیقه / گالن، Q ضریب افت فشار،K
سطح لوله مایع عبوری.A
سیستم محرکه بکار اندازی شیر:
-مکانیکی : دستی با پیچ
-هیدرولیکی : وقتی دسترسی به هوای خشک ممکن نباشد یا درجه حرارت آنقدر پایین باشد که مسیر لوله موئین یخ بزند و مسیر لوله موئین هوا سرد بشود، از این نوع سیستم محرکه استفاده میشود.
-برق یا هوا: دستگاه خشک کننده هوا، رطوبت را خشک کرده تا آب موجود در هوا یخ نزند.
انواع شیرهای صنعتی:
شیر کشویی(Gate valve):
این شیر بیشتر در محلهایی بکار می رود که بخواهند جریان سیال را به طور کامل بسته یا باز نمایند. از خواص این شیر کم بودن افت فشار در طول آن است. بهمین دلیل در هر ماده لوله های طویل از این شیر استفاده می نمایند. در شیر کشویی جهت حرکت سیال کاملا مستقیم بوده است.
خلاصه ای از شیر کشویی اندازه: ۲ تا ۱۲۰ اینچ در (۵۰ تا ۳۰۰۰ میلی متر) برای باز – بستن 2/1 تا تا ۲۴ در اینچ (۱۲ تا ۶۰۰ میلی متر) برای میله ناظم عبور سیال 2/1 تا ۶ در (۱۶ تا mm ۱۵۰) برای کنترل شیر چند مسیر.
طراحی فشار: برای فشار lb/in2 3500 (240 bar) برای باز و بستن، برای فشار 1 lb/in2 (bar 99) برایشیر کشویی چند سوراخه.
از شیر کشویی فقط برای بستن یا باز کردن استفاده می نمایند. هنگامی که شیر در حالت کاملا بسته نیست عبور مایع و گاز با سرعت به صورت عمود بر کشویی می باشد و باعث فرسودگی کشوی شیر که معمولا ذوزنقه ای است می باشد و تاثیر آن سخت است. لذا از این شیر تنها برای باز و بسته کردن استفاده می شود.
شکل نمای داخلی یک شیر کشویی.
شیر کروی(globe valve):
ساختمان داخلی این شیر اینگونه است که مایع از نقطه ورود به شیر تا خروج از آن ۱۸۰°C تغییر جهت میدهد. متناسب بودن تعداد هر دسته شیر با حجم خروج مایع، کار تنظیم مقدار جریان را با دست آسان می سازد. شیر کروی می تواند برون ساقه ای – درون ساقه ای – متحرک یا ثابت باشد. ۱- جهت جریان سیال برخلاف شیر کشویی تغییر می کند. ۲- تغییر جهت جریان سیال ایجاد تلاطم می نماید.
٣- تلاطم ، افت فشار را افزایش می دهد. ۴- در شیر کروی افت فشار بیشتر از شیر کشویی است.
۵ – نشیمنگاه در شیر کروی موازی جهت جریان مایع است در صورتی که در شیر کشویی عمود بر جهت جریان می باشد.
۶- در شیر کروی به محض قطع اتصال صفحه انتهایی ساقه و نشیمنگاه سیال کاملا جریان می یابد.
۷- در شیر کروی فرسودگی اصطحکاک خیلی کمتر از شیر کشویی است.
۸ – اگر شیر کروی باز بماند سائیدگی در قسمتهای دیسک یکسان است در حالیکه در شیر کشویی آن قسمت که در معرض سيال است بیشتر فرسوده می شود.
شکل طرز کار یک شیر Globe valve
شکل ساختمان شیر کروی Globe valve
ویژگی های شیرهای کروی:
-سایزهای اینچ 16 تا 4/1 و نوع زاویه دار آن تا 42 اینچ.
-فشار طراحی در سایز بزرگ تا 86 بار و برای سایز کوچک تا 4140 بار پیش بینی شده است.
دمای طراحی تا 920 درجه کلوین نیز در نظر گرفته است.
جنس بدنه و متعلقات آن در انواع آن موجود است و سایزهای کوچک پلاستیکی و TFE نیز دارد.
نحوه اتصال پیچی، فلنجی، بوش و پیچ دار.
موارد استفاده از اکثر جریانات ، دمای بالا، فشار بالا، فلاتينگ ، جریان های چسبناک و لزج از معایب آن قیمت بالای آن است.
شکل نمونه ای از Globe control valve.
شیر سوزنی(Needle valve):
شیر سوزنی از لحاظ خصوصیات ساختمان و طرز کار جزو خانواده شیر کروی است. با این نوع شیر می توان کنترل دقیق جریان سیال را بخصوص در لوله های باریک و ظریف برقرار نمود. قطر شیرهای سوزنی معمولا از ۲ اینچ تجاوز نمی کند. بیشتر در محلهایی بکار می برند که محدودیت لازم باشد. منظور از محدودیت یعنی تاخیر زمانی و تغییر آرام فشار می باشد.
شیرهای مخروطی(plug valve):
یکی از خصوصیات خوب این شیر این است که می توان با 4/1 دور آن را باز و بسته کرد. ضمنا این نوع شیر تا درجه حرارت معینی خوب کار می کند و چنانچه درجه حرارت از حد مجاز بالاتر رود به علت انبساط ، Plug شیر به سختی باز و بسته خواهد شد. گریس کاری این نوع شیر مهم است چون در صورت خشک بودن گریس یا تمام شدن آن شیر نمی چرخد.
شیر مخروطی که دارای دستگاه گریسکاری می باشد مورد مصرف زیادی در محصولات مناطق نفت خیز تاسیسات پالایشگاه و پخش( تا فشار اینچ مربع / پوند ۶۰۰۰ ) دارد در تاسیسات پتروشیمی و مکانیک عمومی نیز موارد استعمال زیاد دارد. حرکت سیال در شیر مخروطی به طور مستقیم است.
شیر گلوله ای (توپی) (ball valve):
از شیر گلوله ای برای قطع و وصل کامل جریان استفاده می شود و از بسیاری لحاظ مانند شیر مخروطی است، با ربع دور گردش، بسته می شود. در صورت باز بودن شیر، مواد در خط مستقيم بدون برخورد با مانع در مجرایی به اندازه لوله متصل به آن حرکت می کند. سطح اصطکاک دریچه و بدنه کم و لبه نشیمنگاه سطح گلوله را تمیز و باعث آب بندی بهتر می گردد.
شیر گلوله ای از تکمیل شیر مخروطی (سماوری) ساخته شده است بدین معنی که به طور مثال نشیمنگاه شیر از انواع پولیمرها و انواع صمغها ساخته شده که خود موجب تکامل آب بندی شیر می شود. در ساخت نوعی از این شیرها، با استفاده از ترکیب این نوع مواد صنایع فلزی، مثل فولاد نوع austenitic و کمک زبانه و نشیمنگاه نرم و سبک، بر مشکلات جابجا کردن مواد شیمیایی و خطر آتش سوزی فائق آمده اند. توضیح آن که در صورت بروز آتش سوزی و از بین رفتن قسمت نرم زبانه قسمت فلزی زبانه بکار می افتد و مانع از توسعه آتش می شود. کار این نوع شیرها روان و نرم بوده و با گشتاور کم، کار می کند که این خود در مواقعی که از دور کنترل می شود امتیاز این شیر محسوب می گردد. این نوع شیرها اعم از این که دهانه داخل گلوله کامل ساخته شده باشد یا کاهش یافته باشد، دارای حداقل تلاطم و افت فشار می باشند.
شکل دو نمای داخلی از شیر توپی ball valve
این نوع شیر در درجات مختلف حرارت و با فشارهای مختلف کار می نماید. اصولا این شیر از دو نوع ساخته شده گلوله ای شناور و گلوله ای سوار شده روی محور گردنده ساختمان شیر ممکن است یکپارچه یا باز شونده از قسمت فوقانی شیر یا ساخته شده از سه قطعه باشد، این شیر تا درجه حرارت ۶۰۰°C کار می نمایند.
شیر یک طرفه(check valve):
از شیر یک طرفه برای جلوگیری از بازگشت موادی که (مایع یا گاز) به جلو فرستاده شده استفاده می گردد. موارد و دلایل استفاده از شیر یک طرفه در صنعت و وسایل خانگی فراوانند که به عنوان نمونه چند مورد آن شرح داده میشود:
۱- در منازل: روی ورودی آب به ساختمان قرار میدهند که در صورت قطع آب، مقدار آبی که در وسایل و دستگاههای خانگی و داخل لوله ها ذخیره شده به لوله اصلی برنگردد.
٢- لوله ورودی آب گرمکن ها، که بر اثر قطع آب و یا شکستن لوله در داخل ساختمان، آب ذخیره شده در مخزن آب گرم کن خالی نشود.
۳- در پالایشگاه: شیر یکطرفه را روی لوله خروجی تلمبه قرار میدهند که پس از انتقال مقدار لازم مواد نفتی و بستن تلمبه یا خاموش شدن اضطراری تلمبه، مواد ارسال شده نتواند برگردد. زیرا برگشت مواد فرستاده شده علاوه بر هدر رفتن انرژی مصرف شده برای ارسال آن، ممکن است طرف دریافت کننده مواد را نیز با کمبود فوری مواجه سازد.
از این مهم تر ممکن است فشار مایع برگشتی که از همان مسیر رفته، معکوس شود و در نتیجه تلمبه گریز از مرکز را با سرعت فزاینده بچرخاند و سرعت آنقدر زیاد شود که تلمبه داغ شده، از کار بیفتد و حتی منفجر شود.
طرز کار شیر یک طرفه:
در این نوع شیر فشار مایع یا گاز دریچه شیر (Disc) را بلند می کند و باعث عبور مایع یا گاز می شود، تا زمانی که فشار زیر دریچه، بیشتر از فشار روی آن باشد، شیر باز می ماند و عبور مایع یا گاز ادامه می یابد. اگر به هر علتی (خاموش شدن تلمبه، نرسیدن مایع ورودی و غیره) فشار زیر دریچه کمتر از فشار روی آن بشود وزن خود دریچه و فشار موادی که قصد برگشتن دارند، باعث بسته شدن شیر و جلوگیری از برگشت مواد می شوند. اگر مایعی که بایستی تلمبه شود تمیز نباشد، برای جلوگیری از ورود اجسام مزاحم به داخل تلمبه، یک صافی قبل از شیر یکطرفه قرار میدهند و هرچند وقت یکبار آن را تمیز یا تعویض می کنند.
شکل نمایی از شیر یک طرفه (Check valve)
شکل ساختمان شیر یکطرفه( Check valve).
شیرهای یکطرفه به چهار نوع اصلی تقسیم می شوند:
١- شیر یکطرفه گردان (Swing check valve )
2- شیر یکطرفه بلند شونده (Lift check valve)
3- شیر یکطرفه بی صدا (non-slam check valve)
4-مجموعه ای از شیرها (check valve stop valve)
شیرهای با محور چرخان(rotary shaft):
شیرهای پروانه ای، شیرهای کره ای و غیره، در این مقوله هستند. عنصر تریم توسط اکچویتور چرخانده می شود.
شیر پروانه ای:
شیر پروانه ای، اساسا یک دیسک فلزی دایره ای است که در یک لوله بدون فلنج کوتاه نصب می شود. دیسک با محوری که بعنوان یک اکچویتور به آن متصل شده، چرخانده میشود. شیرهای پروانه ای، به حداقل فضای لازم برای نصب نیاز دارند و حداکثر ظرفیت را با افت فشار کم ایجاد می نمایند. اما اغلب چون گشتاور کاری آنها زیاد است، به اکچویتورهای با دیافراگم بزرگتر نیاز دارند. استفاده از مواد درزبند نرم نظیر تفلون (T.F.E ) یا Nitrile، سرویس بسته شدن خوبی را برای شیر فراهم می کند.
شکل شیر پروانه ای در اتصال بدون فلنج.
شرح پروژه:
در این پروژه مدلسازی و شبیه سازی جریان آب در شیر کروی(Globe valve) در نرم افزار سالیدورک(Solidworks) انجام شده است.
هندسه مسئله:
شبیه سازی در محیط Solidworks flow simulation
