درباره کنترل دما و فشار

تعریف کنترل فشار

فشار یکی از پارامترهای بسیار مهم در بسیاری از فرایندهای تولیدی و صنعتی می باشد. فشار شرایط بحرانی را برای فرایندهایی مثل جوشاندن، واکنش های شیمیایی، تقطیر، اکستروژن، خلاء کردن و تهویه هوا را تعیین می نماید.

کنترل فشار به فرایندی گفته میشود که با استفاده از ترکیبی از اندازه گیری و تنظیم فشار داخل یک سیستم بسته در محدوده مورد نظر کنترل می شود.

اهمیت کنترل فشار در صنعت

دلیل اصلی کنترل فشار در کاربردهای صنعتی ایمنی است. در بسیاری از فرایندهای صنعتی از گازها و مایعاتی استفاده می شود که ممکن است برای انسان، سایر جانداران و محیط زیست خطرناک و سمی باشد. بنابراین کنترل فشار برای جلوگیری از نشت و یا حتی انفجار ضروری می باشد. از کاربردهای اصلی کنترل فشار در صنعت می توان به کمپرسورهای هوا، کاربردهای هوافضا، صنایع غذایی، استخراج و جوشکاری می توان اشاره کرد.

اندازه گیری فشار

یکی از مراحل کنترل فشار اندازه گیری دقیق فشار می باشد. معمولا این مرحله در تجهیزات کنترل فشار با مرحله تنظیم فشار بطور متوالی انجام می شود. بدین صورت که وقتی فشار اندازه گیری شد، سیگنالی به کنترلر فرستاده می شود و اگر فشار اندازه گیری شده از مقدار تعیین شده بیشتر باشد، فشار به روش های مختلف تنظیم می گردد تا در محدوده مشخص شده قرار گیرد. فشار با فشار سنج یا همان گیج فشار، بارومتر یا مانومتر اندازه گیری می شود. فشار اندازه گیری شده معمولا به سه فرم گزارش می شود:

فشار مطلق: فشار مطلق فشاری است که برمبنای خلاء کامل اندازه گیری می شود و خلاء کامل به عنوان مرجع اندازه گیری یا صفر مبنا در نظر گرفته می شود. این نوع فشار معمولا با حرف "a" در آخر واحد فشار مشخص می شود، به عنوان مثال psia
فشار نسبی: فشاری است که بر مبنای فشار اتمسفر سنجیده می شود و به عنوان مرجع اندازه گیری یا صفر مبنا در نظر گرفته می شود. به این نوع فشار "فشار گیج" نیز گفته می شود. این نوع فشار با حرف "g" در آخر واحد فشار تعیین می شود، مثلا psig
فشار تفاضلی یا اختلاف فشار: عبارتست از اختلاف فشار بین دو نقطه متمایز یک سیستم

تفاوت فشار مطلق و فشار نسبی

اکثر گیج های فشار، فشار نسبی (فشار گیج) را اندازه گیری و نشان می دهند. بنابراین باید توجه کنیم که

فشار مطلق = فشار نسبی + فشار اتمسفر

تفاوت فشار و جریان چیست؟

فشار (Pressure) و جریان (Flow) در بسیاری موارد در صنعت به اشتباه به جای یکدیگر در نظر گرفته می شوند. به عنوان مثال جمله "آب با فشار از چاه پمپ می شود" برایتان عادی و درست بنظر رسد، ولی در اینجا منظور از فشار در واقع جریان آب می باشد. در علم مهندسی این دو با یکدیگر تفاوت چشم گیری دارند و روش های اندازه گیری و کنترل آنها نیز متفاوت می باشد. در ادامه به تعریف هر یک و بعضی از تفاوت های آنها پرداخته می شود.

تعریف فشار

فشار از نوع نیرو است که بصورت نیرو بر واحد سطح تعریف می شود. فشار در همه جهات، یکسان است. فشار می تواند عددی منفی باشد، مثلا در خلاء.

تعریف جریان

جریان عبارت است از حرکت سیال تحت فشار بین دو نقطه با فشارهای متفاوت (دیفرانسیل فشار). سیال تحت فشار همیشه از فشار بالاتر به فشار کمتر حرکت می کند. شیب فشار جهت جریان را تعیین می کند. بدون اختلاف فشار، سیال راکد است و سیستم جریان ندارد.

تفاوت کنترل فشار و کنترل جریان چیست ؟

تجهیزات کنترل فشار برای کنترل مقدار نیروی تولید شده توسط یک سیال طراحی شده اند. کنترلرهای فشار معمولاً به عنوان رگولاتورهای کاهنده فشار شناخته می‌شوند و در دو نوع دستی و برقی رایج هستند. رگولاتورهای فشار صرفا جهت کنترل فشار سیستم و جلوگیری از اثرات مخرب افرایش فشار به کار می روند و اگر چه در سیستم هایی که سیال در آنها جریان دارند بر روی اندازه جریان سیال تأثیر دارند ولی برای تنظیم جریان طراحی و ساخته نشده اند.

شیرهای کنترل جریان سرعت حجمی سیال را کنترل می کنند و معمولا این کار را با تغییر اندازه سوراخی که سیال از داخل آن عبور می کند انجام می دهد. کنترلرهای حجمی جریان معمولاً برای کنترل سرعت سیال استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، سرعت انبساط و جمع شدن یک سیلندر یا سرعت اسپری یا پخش شدن یک سیال.

روش های کنترل فشار

روش های مختلفی برای کنترل فشار وجود دارد. در ادامه مروری کوتاه بر این روش‌ها ارائه می‌کنیم و موارد و کاربردهای رایج برای هر کدام را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

شیر اطمینان

اکثر سیستم های پنوماتیک و هیدرولیک برای کار در محدوده فشار تعریف شده طراحی شده اند. این محدوده تابعی از نیروهایی است که عملگرها (Actuator) باید برای انجام کار مورد نیاز در سیستم ایجاد کنند. بدون کنترل فشار، قطعات برق و تجهیزات گران قیمت ممکن است آسیب ببینند. شیر اطمینان یا شیر تخلیه کننده فشار یا پرشر رلیف ولو (Pressure relief valve) این امکان را فراهم می آورد که از حوادث و آسیب های احتمالی جلوگیری شود. این شیرها فشار را در یک سیستم با آزاد کردن گازهای اضافی در زمانی که فشار خیلی زیاد می شود، کنترل می کنند. فشاری که در آن یک شیر اطمینان برای اولین بار باز می شود تا سیال از آن عبور کند، به عنوان فشار اطمینان یا فشار شکست (cracking pressure) شناخته می شود. هنگامی که سیال با حداکثر سرعتش از شیر عبور می کند، شیر اطمینان گفته می شود که در حالت "فشار آستانه جریان" (full-flow pressure) قرار دارد. تفاوت بین فشار شکست و فشار آستانه جریان گاهی اوقات به عنوان اختلاف فشار یا فشار مازاد (override pressure) شناخته می شود.

رگولاتور کاهنده فشار

رگولاتورهای کاهنده فشار (pressure reducing regulator) در واقع همان شیرهای اطمینان هستند با این تفاوت که رگولاتور کاهش فشار معمولا در کنترل فشار در فشار تعیین شده دقیق تر عمل می کند. رگولاتورها بیشتر برای مایعات استفاده میشوند در حالی که شیرهای اطمینان به طور معمول برای گازها کاربرد دارند.

رگولاتورهای کاهنده فشار، فشار بالا در ورودی شیر را بگونه ای تنظیم می کنند تا فشار در خروجی شیر پایین و در حد تعیین شده برای سیستم باشد. این دستگاه ها در اشکال، اندازه ها و فناوری های مختلفی تولید می شوند. هر شیر کنترل فشار در واقع نوعی رگولاتورکاهنده فشار می باشد؛ باز و بستن شدن شیر بطور ذاتی اجازه تنظیم فشار خروجی را می دهد. برخی از روش‌های رگولاتورهای کاهنده فشار اندازه‌گیری فشار ورودی و خروجی است تا بتوان به طور دستی یا برقی فشار خروجی را در مقدار مورد نظر تنظیم کرد. سایر رگولاتورهای فشار از روش ساده تنگ کردن و یا گشاد کردن مجرای خروجی شیر برای کنترل فشار خروجی استفاده می کنند. مکانیزم روش های دیگر ساده تر و ایجاد محدودیت در مسیر فشار خروجی است. انواع رایج رگولاتورهای کاهش فشار شامل رگولاتورهای مکانیکی تک مرحله ای و دو مرحله ای، شیرهای سوزنی و کنترل کننده های فشار تک سوپاپ می باشد.

کاربردهای متداول رگولاتورهای کاهنده فشار عبارتند از: میکس گازها، فرایندهای جوشکاری، تست نشتی در سیتسم های بسته مختلف، رنگ کاری خودرو و تست عملکرد پیل سوختی

رگولاتور فشار برگشتی

رگولاتور فشار برگشتی یا بک پرشر رگولاتور (back pressure regulator) یا ولو BPR شیری است که فشار را در بالادست ورودی خود در مقدار مشخصی نگه می دارد. هنگامی که فشار گاز از نقطه تعیین شده فراتر رود، شیر فشار برگشتی بیشتر باز می شود تا فشار اضافی کاهش یابد. شیر فشار برگشتی به وسیله ای برای اندازه گیری فشار در بالادست نیاز دارد تا بتواند فشار را در ورودی خود تنظیم نماید. شیر فشار برگشتی مانند شیر اطمینان عمل می کند با این تفاوت که شیر اطمینان بصورت صفر و یکی عمل می کند در حالی که رگولاتور فشار برگشتی فشار را بصورت یکنواخت و پیوسته تنظیم می نماید.

کاربردهای رایج رگولاتور فشار برگشتی عبارتند از: مایعات، گازها، سیالات چند فازی و سیالات فوق بحرانی، آزمایش و کنترل کمپرسور، کروماتوگرافی و تجزیه و تحیلیل نتایج ، فرایندهای شیمیایی، تخلیه فشار فشار و ایمنی.

تفاوت رگولاتور کاهنده فشار و رگولاتور فشار برگشتی

رگولاتور کاهنده فشار، فشار اضافی را در ورودی خود کاهش می دهد تا فشار پایین دست در فشار مورد نظر نگه دارد. این در حالی است که رگولاتور فشار برگشتی بصورت بر عکس عمل می کند. رگولاتور فشار برگشتی فشار را باز نگه داشتن شیر تا جایی که فشار بالادست به اندازه تعین شده برسد کنترل می کند. تفاوت این دو رگولاتور در عکس های بالا قابل ملاحظه است.

رگولاتور کاهنده فشار، فشار پایین دست را کنترل می کند، در حالی که رگولاتور فشار برگشتی فشار بالادست را کنترل می کند.
رگولاتور کاهنده فشار با افزایش فشار پایین دست باز می شود، در حالی که رگولاتورفشار برگشتی با کاهش فشار بالادست باز می شود.
رگولاتور کاهنده فشار با کاهش فشار پایین دست بسته می شود، در حالی که رگولاتور فشار برگشتی با افزایش فشار بالادست بسته می شود.

شیر فشار دوگانه برای محفظه بسته

رگولاتور کاهش فشار و رگولاتور فشار برگشتی هر دو سیستم های تک شیری هستند. وقتی با محفظه های بسته و یا لوله هایی که انتهای آنها بسته می باشد سروکار داریم معمولا از دو شیر تناسبی (proportional valve) و یا یک شیر تناسبی در ورودی و یک شیر تناسبی خروجی استفاده می شود. با استفاده از شیر دوگانه، شیر ورودی اجازه ورود جریان به داخل سیستم را می دهد در حالیکه شیر خروجی فشار اضافی را آزاد می نماید.

از کاربردهای شیر فشار دوگانه میتوان به تجهیزات تزریق سیال (مثل تفنگ چسب مایع)، دستگاه های میکرو تزریق سیال (مثل سورنگ و پیپت های آزمایشگاهی) و فرایند های تست سنسورها اشاره کرد.

شیر کنترل فشار ترتیبی

شیر کنترل فشار ترتیبی (مرحله ای) یا همان سکوئنس ولو شیری است که امکان انجام یک عملیات قبل از عملیات دیگر را بر اساس معیار فشار مهیا می سازد. همانطور که از نام این شیر پیداست شیر کنترل فشار ترتیبی ترتیبی از عملیات را بر اساس فشار آنها کنترل می کند. معمولا این نوع شیر یک ورودی و دو خروجی دارد. در حالت عادی جریان از ورودی به خروجی 1 برقرار است. وقتی فشار از مقدار تعیین شده (توسط پیچ تنظیم فنری) بیشتر می شود، ورودی 2 باز می شود و جریان در ورودی 2 برقرار میگردد.

در بسیاری از کاربردها، محدودیت فضا و نیروی مورد نیاز اندازه سیلندر را تعیین می کند. بنابراین بجای یک سیلندر ممکن است از دو یا تعدادی بیشتر بطور متوالی استفاده شود. در این موارد، از شیرهای کنترل فشار ترتیبی برای فعال کردن سیلندرها به ترتیب لازم استفاده می‌شود. شیرهای ترتیبی گاهی اوقات دارای شیرهای برگشتی هستند که امکان جریان معکوس از مدار ثانویه به مدار اولیه را فراهم می کند. با این حال، عمل توالی تنها زمانی تعریف می شود که جریان از مدار اولیه به مدار ثانویه تغییر یابد.

از دیگر انواع روش های کنترل فشار می توان به شیرهای اطمینان، چند مرحله ای و شیرهای انلودینگ اشاره کرد. در زیر تصاویری از این نوع شیرها آورده شده است.