شیرهای پروانه‌ای برای شروع، توقف یا تنظیم جریان مایعات یا گازها از طریق لوله‌ها استفاده می‌شوند. نام آنها از دیسک بال مانندی گرفته شده است که درون بدنه شیر می‌چرخد و شبیه حرکت پروانه است. در میان انواع مختلف شیرهای پروانه‌ای، شیرهای پروانه‌ای با کارایی بالا (HPBV) و شیرهای پروانه‌ای متحدالمرکز دو طرح رایج هستند. این مقایسه، تفاوت‌های بین این دو را از ابعاد مختلف بررسی می‌کند تا نقش آنها را در کاربردهای صنعتی و شهری روشن کند.
| ویژگی | شیر پروانه‌ای متحدالمرکز | شیر پروانه‌ای با عملکرد بالا |
| طراحی | ساقه و دیسک مرکزی | ساقه افست با نشیمنگاه فلزی |
| مکانیسم آب بندی | نشیمنگاه الاستومری نرم | صندلی RPTFE |
| رتبه‌بندی فشار | تا ۲۵۰ PSI | تا ۶۰۰ PSI |
| رتبه‌بندی دما | تا ۱۸۰ درجه سانتیگراد (۳۵۶ درجه فارنهایت) | تا ۲۶۰ درجه سانتیگراد (۵۳۶ درجه فارنهایت) |
| ساییدگی و پارگی | به دلیل تماس با صندلی، ارتفاع بیشتری دارد | به دلیل طراحی افست، قیمت پایین‌تری دارد |
| مناسب بودن برنامه | سیالات کم‌فشار | سیالات با فشار متوسط و دمای بالا |
| هزینه | پایین‌تر | بالاتر |
۱. طراحی و ساخت
تفاوت اصلی بین شیرهای پروانه‌ای هم‌مرکز و شیرهای پروانه‌ای با عملکرد بالا در طراحی ساختاری آنها، به ویژه موقعیت ساقه شیر و دیسک شیر نسبت به بدنه شیر و مواد مورد استفاده نهفته است.
۱.۱ شیرهای پروانه‌ای هم‌مرکز
طراحی متحدالمرکز به عنوان شیر "صفر آفست" یا "نشیمن ارتجاعی" شناخته می‌شود که ساقه شیر و دیسک شیر را مستقیماً با مرکز بدنه شیر و سوراخ لوله هم‌تراز می‌کند. این هم‌ترازی مرکزی هیچ انحرافی ندارد.
۱.۱.۱ حرکت دیسک
دیسک ۹۰ درجه حول محور ساقه شیر می‌چرخد و در تمام طول دامنه حرکت خود از حالت کاملاً باز (موازی با لوله) تا کاملاً بسته (عمود بر لوله) حرکت می‌کند.
۱.۱.۲ مکانیسم آب‌بندی
آب‌بندی با ایجاد تداخل بین لبه دیسک شیر و نشیمنگاه شیر که از جنس لاستیک ارتجاعی (مانند EPDM، اکریلیک یا فلوئورورابر) است و سطح داخلی بدنه شیر را می‌پوشاند، انجام می‌شود.
۱.۱.۳ مواد
بدنه شیر معمولاً از مواد با استحکام بالا و مقاوم در برابر خوردگی مانند چدن، چدن داکتیل یا حتی فولاد ضد زنگ برای کاربردهای سبک‌تر ساخته می‌شود، زیرا نشیمنگاه لاستیکی شیر از تماس سیال با بدنه شیر جلوگیری می‌کند.
بسته به میزان خورندگی سیال، دیسک می‌تواند از جنس فولاد ضد زنگ، برنز آلومینیومی، چدن داکتیل روکش‌دار یا کاملاً با فلز روکش شده باشد.
۱.۲ شیرهای پروانه‌ای با عملکرد بالا
معمولاً یک طرح با دو آفست دوگانه با دو آفست کلیدی:
ساقه به جای اینکه در مرکز دیسک قرار گیرد، در پشت دیسک قرار دارد، و
مجموعه دیسک و ساقه نسبت به خط مرکزی سوراخ لوله، دارای انحراف (جابجایی) است.
برخی از نسخه‌های پیشرفته شامل آفست‌های سه‌گانه هستند، اما آفست دوگانه در مدل‌های با کارایی بالا استاندارد است.
۱.۲.۱ حرکت دیسک
به دلیل این جابجایی، دیسک به صورت بادامکی می‌چرخد و تماس با نشیمنگاه را کاهش می‌دهد.
۱.۲.۲ مکانیسم آب‌بندی
این نشیمنگاه از مواد بادوام‌تری مانند تفلون تقویت‌شده ساخته شده است تا بتواند فشارها و دماهای بالاتر را تحمل کند. برخلاف نشیمنگاه لاستیکی در شیرهای متحدالمرکز، این آب‌بندی محکم‌تر و کمتر به تغییر شکل وابسته است.
۱.۲.۳ مواد
بدنه و دیسک از فلزات محکمی مانند فولاد ضد زنگ، فولاد کربنی یا آلیاژها ساخته شده‌اند تا در برابر شرایط سخت مقاومت کنند.
۱.۳ خلاصه: پیامدهای طراحی
سادگی شیر متحدالمرکز، آن را سبک و جمع‌وجور می‌کند و آن را برای نصب مستقیم ایده‌آل می‌سازد. با این حال، اتکای آن به یک نشیمنگاه لاستیکی تغییر شکل‌پذیر، انعطاف‌پذیری آن را محدود می‌کند.
طراحی افست و مواد قوی‌تر شیرهای با عملکرد بالا، دوام و سازگاری آنها را افزایش می‌دهد، اما به قیمت افزایش پیچیدگی و وزن.
---
۲. قابلیت‌های عملکردی
عملکرد متغیرترین جنبه این شیرها است و چیزی است که کاربران بیشترین ارزش و اهمیت را برای آن قائل هستند. به طور خاص، از نظر فشار، دما، اثر آب‌بندی و عمر مفید مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد.
۲.۱ شیرهای پروانه‌ای هم‌مرکز
۲.۱.۱ مقادیر فشار
شیرهای پروانه‌ای هم‌مرکز عموماً می‌توانند فشارهایی تا PN16 را تحمل کنند، اما این فشار بسته به اندازه و جنس شیر متفاوت است. بالاتر از این فشار، نشیمنگاه لاستیکی ممکن است تغییر شکل دهد یا خراب شود.
۲.۱.۲ رتبه‌بندی دما
حداکثر دما ۱۸۰ درجه سانتیگراد (۳۵۶ درجه فارنهایت) است که توسط محدودیت‌های حرارتی نشیمنگاه لاستیکی یا PTFE محدود می‌شود. دمای بالا عملکرد الاستومر را کاهش داده و آب‌بندی را مختل می‌کند.
۲.۱.۳ عملکرد آب‌بندی
این شیر می‌تواند در سیستم‌های کم‌فشار، بسته شدن قابل اعتمادی را فراهم کند، اما اصطکاک مداوم بین دیسک شیر و نشیمنگاه شیر باعث سایش می‌شود که اثربخشی آن را کاهش می‌دهد.
۲.۱.۴ تنظیم سرعت
از آنجایی که شیرهای پروانه‌ای برای باز و بسته شدن کامل مناسب‌تر هستند، اگر برای تنظیم جریان استفاده شوند، انسداد طولانی مدت باعث تسریع در سایش نشیمنگاه شیر شده و آن را از دقت و دوام کمتری برخوردار می‌کند.
۲.۱.۵ دوام
به دلیل خاصیت ارتجاعی بیشتر، نشیمنگاه‌های سوپاپ فلزی یا تقویت‌شده از لاستیک بادوام‌تر هستند. طراحی آفست با محدود کردن اصطکاک، عمر مفید را بیشتر افزایش می‌دهد.
۲.۲ شیر پروانه‌ای با عملکرد بالا
۲.۲.۱ فشار نامی
به دلیل ساختار مستحکم و طراحی آفست که باعث کاهش فشار روی نشیمنگاه شیر می‌شود، می‌تواند فشارهایی تا PN16 را تحمل کند.
۲.۲.۲ دمای نامی
از آنجایی که نشیمنگاه شیر از RPTFE استفاده می‌کند، می‌تواند به طور مؤثر در دماهای تا ۵۳۶ درجه فارنهایت (۲۸۰ درجه سانتیگراد) کار کند.
۲.۲.۳ عملکرد آب‌بندی
به دلیل تناسب دقیق دیسک شیر آفست و نشیمنگاه بادوام شیر، نشتی تقریباً صفر است و معمولاً نزدیک به بسته شدن بدون هوا است. این امر آن را برای کاربردهای حساس ایده‌آل می‌کند.
۲.۲.۴ تنظیم سرعت
ساختار و مواد مورد استفاده در شیرهای پروانه‌ای با عملکرد بالا، آنها را قادر می‌سازد تا حتی در فشارهای بالا نیز جریان را به طور دقیق کنترل کنند. کاهش تماس با نشیمنگاه، سایش را به حداقل می‌رساند و یکپارچگی آب‌بندی را در طول چندین چرخه حفظ می‌کند.
۲.۲.۵ دوام
نشیمنگاه‌های فلزی یا تقویت‌شده به دلیل انعطاف‌پذیری بیشتر، از نشیمنگاه‌های لاستیکی بادوام‌تر هستند. طراحی افست با محدود کردن اصطکاک، عمر مفید را بیشتر می‌کند.
۲.۳ خلاصه: نکات برجسته عملکرد
شیرهای متحدالمرکز برای شرایط کم فشار و پایدار مناسب هستند، اما در فشارهای متوسط و بالا کارایی ندارند.
شیرهای با عملکرد بالا، قابلیت اطمینان و طول عمر بالاتری را با هزینه اولیه بالاتر ارائه می‌دهند.
---
۳. کاربردها
انتخاب بین شیرهای پروانه‌ای میان‌رده و شیرهای پروانه‌ای با عملکرد بالا به نیازهای خاص سیستمی که در آن نصب می‌شوند بستگی دارد.
۳.۱ شیرهای پروانه‌ای هم‌مرکز
برای سیستم‌های فشار/دمای پایین تا متوسط که هزینه و سادگی در اولویت هستند.
کاربردهای رایج:
- آب و فاضلاب: شبکه‌های آب شهری، سیستم‌های آبیاری و فاضلاب از صرفه‌جویی و جداسازی سیال خود سود می‌برند.
- مواد غذایی و دارویی: نشیمنگاه‌های لاستیکی از آلوده شدن مایعات حساس توسط بدنه شیر جلوگیری می‌کنند.
- تامین گاز: خطوط گاز کم فشار از آن برای کنترل روشن/خاموش استفاده می‌کنند.
- حفاظت در برابر آتش: سیستم‌های آب‌پاش از عملکرد سریع و قابلیت اطمینان آن در فشارهای متوسط بهره می‌برند.
بخار کم فشار: برای بخار تا ۲۵۰ PSI و ۳۵۰ درجه فارنهایت.
۳.۲ شیرهای پروانه‌ای با عملکرد بالا
برای فشارهای کم تا متوسط یا سیستم‌های بحرانی که نیاز به دقت و دوام دارند.
کاربردهای رایج:
- نفت و گاز: مواد شیمیایی خشن، پتروشیمی و شرایط دریایی با فشارهای بالا و مایعات خورنده را مدیریت می‌کند.
- تولید برق: مدیریت بخار پرفشار و آب خنک‌کننده در توربین‌ها و بویلرها.
- فرآوری شیمیایی: در برابر مایعات خورنده مقاومت می‌کند و در محیط‌های فرار، قطع جریان را به خوبی حفظ می‌کند.
- تهویه مطبوع: برای سیستم‌های بزرگی که نیاز به کنترل دقیق جریان دارند.
- کشتی‌سازی: در برابر شرایط دریایی و مدیریت سیالات پرفشار مقاوم است.
۳.۳ همپوشانی و تفاوت‌های کاربردی
در حالی که هر دو شیر جریان را تنظیم می‌کنند، شیرهای متحدالمرکز در محیط‌های حساس به هزینه و کم‌دردسرتر غالب هستند، در حالی که شیرهای با کارایی بالا برای فرآیندهای صنعتی که خرابی می‌تواند عواقب جدی داشته باشد، ترجیح داده می‌شوند.
---
۴. ملاحظات عملیاتی
علاوه بر طراحی و کاربرد، عوامل عملی مانند نصب، نگهداری و یکپارچه‌سازی تناسب سیستم نیز نقش دارند.
۴.۱ نصب
- هم مرکز: نصب ساده‌تر به دلیل وزن سبک‌تر و سازگاری آسان‌تر با فلنج.
- عملکرد بالا: به دلیل طراحی افست، ترازبندی دقیق مورد نیاز است و وزن آن نیاز به تکیه‌گاه قوی‌تری دارد.
۴.۲ تعمیر و نگهداری
- متمرکز: تعمیر و نگهداری بر تعویض نشیمنگاه لاستیکی تمرکز دارد که یک روش تعمیر نسبتاً سریع و ارزان است. با این حال، سایش مکرر ممکن است زمان از کارافتادگی را در سیستم‌های با چرخه بالا افزایش دهد.
- عملکرد بالا: به دلیل دوام بالای صندلی، نیاز به تعمیر و نگهداری کمتری دارد، اما تعمیرات (مثلاً تعویض صندلی) گران‌تر و فنی‌تر است و معمولاً به پرسنل تعمیر و نگهداری حرفه‌ای با ابزارهای تخصصی نیاز دارد.
۴.۳ افت فشار
- متحدالمرکز: دیسک‌های هم مرکز وقتی تا حدی باز هستند، تلاطم بیشتری ایجاد می‌کنند و باعث کاهش راندمان در کاربردهای تنظیم فشار می‌شوند.
- عملکرد بالا: دیسک‌های افست، ویژگی‌های جریان را بهبود می‌بخشند و کاویتاسیون و افت فشار را به خصوص در سرعت‌های بالا کاهش می‌دهند.
۴.۴ فعال‌سازی
هر دو شیر را می‌توان با محرک‌های دستی، پنوماتیکی یا برقی استفاده کرد، اما شیرهای با کارایی بالا اغلب با کنترل‌های پیشرفته برای اتوماسیون دقیق در محیط‌های صنعتی جفت می‌شوند.
---
۵. تحلیل هزینه و چرخه عمر
۵.۱ هزینه اولیه
شیرهای متحدالمرکز به طور قابل توجهی ارزان‌تر هستند زیرا ساخت آنها نسبتاً ساده است و از مواد کمتری استفاده می‌کنند. این مورد در مورد شیرهای پروانه‌ای با کارایی بالا صدق نمی‌کند.
۵.۲ هزینه چرخه عمر
شیرهای با عملکرد بالا معمولاً در طول زمان اقتصادی‌تر هستند زیرا کمتر نیاز به نگهداری و تعویض دارند. در سیستم‌های حیاتی، قابلیت اطمینان آنها می‌تواند هزینه‌های از کارافتادگی را نیز کاهش دهد.
---
۶. نتیجه‌گیری: خلاصه‌ای از مزایا و معایب
۶.۱ شیر پروانه‌ای متحدالمرکز
۶.۱.۱ مزایا:
- مقرون به صرفه بودن: هزینه‌های تولید و مواد اولیه پایین‌تر، به آن مزیت اقتصادی می‌دهد.
- طراحی ساده: نصب، راه‌اندازی و نگهداری آسان، با قطعات متحرک کمتر.
- ایزولاسیون سیال: نشیمنگاه‌های لاستیکی از بدنه شیر محافظت می‌کنند و امکان استفاده از مواد ارزان‌تر و حفظ خلوص سیال را فراهم می‌کنند.
- سبک وزن: ایده آل برای کاربردهایی که وزن یک نگرانی است.
۶.۱.۲ معایب:
- محدوده‌ی محدود: محدودیت‌های بالا ۲۵۰ PSI و ۳۵۶ درجه فارنهایت است که استفاده از آن را به شرایط سخت محدود می‌کند.
- مستعد سایش: اصطکاک مداوم نشیمنگاه می‌تواند منجر به کاهش عملکرد شود و نیاز به نگهداری مکرر را ایجاد کند.
- عملکرد ضعیف تنظیم فشار بالا: دقت و آب‌بندی را تحت فشار از دست می‌دهد.
۶.۲ شیرهای پروانه‌ای با عملکرد بالا
۶.۲.۱ مزایا:
- ظرفیت بالا: می‌تواند فشارهای متوسط تا زیاد (تا 600 PSI) و دما (تا 536 درجه فارنهایت) را تحمل کند.
- عمر طولانی: کاهش ساییدگی صندلی و مواد بادوام، عمر مفید را افزایش می‌دهند.
- دقت: کنترل و قطع عالی حتی در شرایط سخت.
- تطبیق پذیری: مناسب برای طیف وسیعی از سیالات و محیط ها.
۶.۲.۲ معایب:
- هزینه بالاتر: مواد گران‌قیمت و طراحی پیچیده، سرمایه‌گذاری اولیه را افزایش می‌دهند.
- پیچیدگی: نصب و تعمیر نیاز به تخصص بیشتری دارد.
- وزن: ساختار سنگین‌تر ممکن است مقاوم‌سازی برخی از سیستم‌ها را پیچیده کند.
شیرهای پروانه‌ای هم مرکز و شیرهای پروانه‌ای با عملکرد بالا، حوزه‌های همپوشانی اما متفاوتی را در کنترل سیالات ارائه می‌دهند. طراحی بدون آفست نشیمنگاه لاستیکی شیر هم مرکز، آن را به انتخابی کاربردی و مقرون به صرفه برای کاربردهای متوسط مانند تامین آب، فرآوری مواد غذایی یا حفاظت از آتش تبدیل می‌کند. اگر عملکرد و انعطاف‌پذیری قابل مذاکره نباشند، شیر پروانه‌ای با عملکرد بالا پاسخ است. برای کاربردهای مدفون (مانند خطوط لوله زیرزمینی)، هر دو روش قابل استفاده هستند، اما وزن سبک‌تر و هزینه کمتر شیر هم مرکز معمولاً ارجحیت دارد، مگر اینکه شرایط شدید ایجاب کند.