شیر پروانه‌ای

تاریخچه

استفاده از شیرهای پروانه‌ای به اواخر قرن هجدهم برمی‌گردد. جیمز وات در نمونه‌ها‌ی اولیۀ موتور بخار خود از شیر پروانه‌ای استفاده کرده بود. با توجه به پیشرفت‌هایی که در تولید مواد و فناوری صورت گرفته، شیرهای پروانه‌ای می‌توانند در سایزهای کوچک‌تر ساخته شوند و در دماهای غیرمعمول دوام بیاورند. پس از جنگ جهانی دوم، در قطعات عایق‌بندی از لاستیک‌هایی مصنوعی استفاده شد که استفاده از شیرهای پروانه‌ای را در بسیاری از صنایع دیگر میسر ساخت. در سال ۱۹۶۹، «جیمز ای. هِمپفیل»،‌ با کاستن گشتاور هیدرودینامیکی که برای تغییر خروجی شیر لازم بود، شیرهای پروانه‌ای را ارتقا داد.

شیر پروانه‌ای نوعی از شیر است که جریان سیال را ایزوله یا تعدیل می‌کند. مکانیسم بسته شدن آن به‌صورت یک دیسک چرخان است.

اصول عملکرد شیر پروانه‌ای

طرز کار این شیر مشابه طرز کار شیر توپی است که امکان بستن فوری شیر را میسر می‌سازد. شیرهای پروانه‌ای از این ‌جهت مورد پسند هستند که قیمت پایینی نسبت به دیگر طراحی‌های شیرها دارند و وزن کمتر آن‌ها نیز موجب می‌شود که به تکیه‌گاه کمتری نیاز داشته باشند. دیسک در مرکز لوله جای دارد. میله‌ای از درون دیسک عبور می‌کند و به یک سیستم محرک، در خارج از شیر متصل می‌شود. با چرخش محرک، دیسک نیز به‌صورت موازی و یا عمود بر جریان می‌چرخد. این دیسک برخلاف شیر توپی همواره در درون جریان است، در نتیجه حتی وقتی باز باشد نیز افت فشار ایجاد می‌کند.

شیر پروانه‌ای از خانوادۀ شیرهایی به نام شیرهای ربع‌گرد است. این شیر در موقع کار، وقتی‌ که دیسک یک‌چهارم دور می‌چرخد، یا کاملاً باز یا کاملاً بسته است. منظور از پروانه، ‌همان دیسکی است که روی میله نصب شده است. وقتی شیر بسته است، دیسک طوری می‌چرخد که مجرا را کاملاً مسدود کند. وقتی‌ که شیر کاملاً باز است، دیسک یک‌چهارم دور می‌چرخد تا سیّال تقریباً بدون محدودیت از مجرا عبور کند. شاید هم شیر به‌صورت پله‌پله باز شود تا جریان به‌صورت فشارشکن برقرار شود.

شیرهای پروانه‌ای انواع مختلفی دارند که هرکدام برای فشارها و کاربردهای مختلف سازگاری پیدا کرده‌اند. شیر پروانه‌ای بدون آفست،‌ با استفاده از انعطاف‌پذیری لاستیک دارای کمترین نرخ فشار است. شیر پروانه‌ای دبل آفست، با کارایی بالایی که در تأسیساتِ فشار نسبتاً قوی استفاده می‌شود، از مرکز خط نشیمن‌گاه دیسک و بدنۀ واشرِ آب‌بندی شده و مرکز خط حفره، خمیدگی دارند. این نوع در موقع عملکرد، عمل بادامکی را ایجاد می‌کند که موجب می‌شود نشیمن‌گاه از روی واشر آب‌بندی شده، برداشته شود و اصطکاک را نسبت به طراحی آفست به صفر کاهش می‌دهد در نتیجه موجب کاهش فرسایش می‌شود. شیری که بیشتر به کار تأسیسات فشار قوی می‌آید،‌ شیر پروانه‌ای سه آفست است. در این شیر محور کنتاکت نشیمن‌گاه دیسک، آفست است که کنتاکت لغزشی بین دیسک و نشیمن‌گاه را کاملاً برطرف می‌کند. نشیمن‌گاه شیرهای سه آفست، فلزی است در نتیجه می‌توان آن را طوری ماشین‌کاری‌ کرد که موقع تماس با دیسک حالت بدون نشتی ایجاد کند.

انواع شیرهای پروانه‌ای 

شیر پروانه‌ای به‌صورت ربع‌گرد می‌چرخد تا بتواند جریان را متوقف،‌ برقرار یا تنظیم کند. شیرهای پروانه‌ای از نوع فوری بازشو هستند. یک چرخش ۹۰ درجۀ دسته، می‌تواند شیر را کاملاً باز یا بسته کند. به‌طور معمول از این شیرها در سامانه‌هایی که نیازی به قطع‌کنندۀ مطلق نیست، استفاده می‌شود. در این مقاله در مورد انواع شیرهای زیر مطالبی فرا می‌گیرید.

• ویفری
• لاگی
• فلنجی
• انواع از سر جوش خورده
• بدون آفست
• دبل آفست
• سه آفست

شیر پروانه ای ویفری

شیر پروانه‌ای ویفری برای نگهداری از واشر آب‌بندی، در برابر اختلاف فشار دو جهته‌ای است تا مانع از جریان برگشتی در تأسیساتی شود که برای جریان یک جهته طراحی شده‌اند. این کار با یک واشر آب‌بندی کاملاً جفت‌وجور مانند گَسکِت، اُرینگ، ماشین‌کاری دقیق، و شیر فلت فیس در سمت‌های جریان‌ بالادست و پایین‌دست شیر انجام ‌می‌شود. نصب شیر ویفری ساده است اما نمی‌توان از آن به‌عنوان شیر ایزوله استفاده کرد.

شیر پروانه ای لاگی

شیر پروانه‌ای لاگ، شیارهایی در هر دو سمت بدنه شیر دارد. از این‌رو می‌توان این شیرها را در تأسیساتی نصب کرد که دو سری پیچ دارند و بدون مهره‌ هستند. شیر با استفاده از یک‌سری پیچ برای هر فلنج بین دو فلنج نصب می‌شود. این نوع نصب به هر دو سمت سیستم لوله‌کشی این امکان را می‌دهد که بدون ایجاد مزاحمت برای سمت دیگر جدا شوند.

شیر پروانه‌ای لاگ در تأسیساتی سر بسته استفاده می‌شود که به‌طور کلی نرخ فشار تقلیل ‌یافته‌ای دارند. برای مثال یک شیر پروانه‌ای لاگ، که بین دو فلنج نصب شده، دارای نرخ فشار 1000 کیلوپاسکال (150 psi) است. همان شیر اگر با یک فلنج در تأسیسات سربسته نصب شده باشد، دارای نرخ فشار 520 کیلوپاسکال (75 psi) است. شیرهای لاگ در مقابل مواد شیمیایی و حلّال‌ها بسیار مقاوم هستند و در دماهایی بالاتر از 200 °C دوام می‌آورند که نشان‌دهندۀ تطبیق‌پذیری بالای آن است.

شیر پروانه ای فلنجی

در این نوع،‌ بدنه فلنج‌هایی دارد که مطابق با ابعاد فلنج لوله است.

شیر پروانه ای سرجوشی

این نوع در تاسیسات فشار بالا استفاده می‌شود و مستقیماً به لوله جوش داده می‌شوند.

شیر پروانه‌ای بدون آفست

شیر پروانه‌ای بدون آفست در تأسیساتی با دما و فشار پایین کاربرد دارد. در این طراحی دیسک و محور شفت با بدنۀ شیر هم‌مرکز است. جریان در وضعیت باز به این صورت است که دیسک در میانه قرار می‌گیرد و به موازات جریان، به دو جریان برابر تقسیم می‌شود.

این نوع شیر، نشیمن‌گاه فنری دارد. وقتی‌ که دیسک موجب تغییر شکل نشیمن‌گاه نرم دیسک می‌شود،‌ آب‌بندی حاصل می‌شود. در طی دورۀ کار کردن شیرهای بدون آفست، بین دیسک و نشیمن‌گاه اصطکاک ایجاد می‌شود و این یکی از معایب این شیرها است.

شیر پروانه‌ای دبل آفست

در دبل آفست،‌ دیسک از مرکز شیر خمیده شده است و همچنین خط مرکزی بدنۀ شیر را شکل می‌دهد. این امر موجب ایجاد عمل بادامکی در موقع کار می‌شود که نشیمن‌گاه را از روی واشر آب‌بندی بلند می‌کند.

دبل آفست باز و بسته کردن را ملایم می‌سازد، ‌به‌طوری‌که اصطکاک تنها چند درجۀ مختصر هنگام باز شدن و چند درجۀ مختصر در هنگام بستن رخ می‌دهد که تقریباً ۱۰ درجه در هنگام باز و بسته کردن است.

شیر پروانه‌ای سه آفست

در طراحی سه آفست، ‌آفست سوم با طراحی هندسیِ سطح نشیمن‌گاهی ایجاد می‌شود. نشیمن‌گاه، به مقطع مخروطیِ شکل آفست، ماشین‌کاری می‌شود که یک مخروط قائم‌الزاویه ایجاد می‌شود.

این امر، حرکت بدون اصطکاک را طی دورۀ کاری تضمین می‌کند. تماس تنها در آخرین نقطۀ بسته شدن با زاویۀ ۹۰ درجه، با توقف مکانیکی برقرار می‌شود، از طراحی سه آفست، در شیر دارای نشیمن‌گاه فلزی استفاده می‌شود.

استفاده از شیر پروانه‌ای در صنعت

شیر پروانه‌ای در صنایع داروسازی، شیمیایی و غذایی، برای جداسازی و ایجاد وقفه در جریان (جامد، مایع،‌گاز)، طی فرایند کاری مورد استفاده قرار می‌گیرد. شیرهایی که در این صنایع استفاده می‌شوند، ‌اغلب طبق استانداردهای جی‌ام پی (اصول ساخت خوب)‌ ساخته می‌شوند. شیرهای پروانه‌ای در بسیاری از صنایع نظیر صنعت نفت جایگزین شیرهای توپی شده‌اند،‌ چراکه هزینۀ کمتر‌ و نصب آسان‌تری دارند، اما خطوط لوله‌ای را که مجهز به شیرهای پروانه‌ای هستند، اغلب نمی‌توان برای تمیزکاری لوله‌ها پیگ‌رانی کرد.

شیرهای پروانه‌ای بزرگ معمولاً مجهز به محرک گیربکسی هستند، که فلکۀ دستی آن از طریق یک گیربکس به یک محور متصل است. این امر درعین‌حال که موجب کاهش نیرو می‌شود،‌ سرعت کار را نیز کم می‌کند. لازم است که این نوع از شیرها در وضعیت باز، نصب شوند. اگر شیر در طی نصب بسته باشد، ‌نشیمن‌گاه لاستیکی در مقابل دیسک شیر از هم‌ گسیخته شده و باز کردن آن را دشوار می‌کند.

شیر روتاری (شیر دوار)

شیرهای روتاری که نمونه‌ای از شیرهای پروانه‌ای هستند بیش از هر چیزی در صنایع فراوری پودر استفاده می‌شوند. پروانۀ آن دیگر مسطح نیست و دارای فرورفتگی‌هایی است. در حالتی که شیر بسته است، دقیقا مانند شیر پروانه‌ای عمل می‌کند و کاملاً مانع ورود هوا و آب می‌شود. اما در هنگام چرخش، از فرورفتگی‌های آن مقدار معینی از مواد جامد خارج می‌شود که این امر موجب می‌شود که شیر روتاری برای جداسازی اندازۀ معینی از محصولات عمده، با کمک گرانش مناسب باشد. معمولاً چنین شیرهایی در سایز کوچک (کمتر از ۳۰۰ میلی‌متر) موجودند که با فناوری پنوماتیک فعال شده و ۱۸۰ درجه به جلو و عقب می‌چرخند.

انواع شیرهای پروانه‌ای بر اساس ساختار بدنه

انواع شیرهای پروانه‌ای براساس نوع انتهای بدنه آن‌ها، به شرح زیر است :

• دو سر فلنج
• با سری‌های ویفری
• با سر‌های لاگی
• با سری‌های جوشی

اجزای بدنۀ شیر پروانه‌ای

یک شیر پروانه‌ای معمولی دارای یک بدنۀ مدور کوتاه، یک دیسک گرد،‌ شفت، ‌و نشیمن‌گاه‌های فلزی و نرم است.

انواع نشیمن‌گاه

شیرهای پروانه‌ای می‌توانند نشیمن‌گاه‌های فلز به فلز، نشیمن‌گاه ‌نرم، یا بدنه و دیسک تمام آستر داشته باشند. بدنۀ تمام آستردار نرم و دیسک شیر، نشیمن‌گاه نرم با دیسک فلزی و شیر از نوع فلز به فلز است.

در شیر پروانه‌ای دیسک می‌تواند با بدنه شیر به‌صورت هم‌مرکز یا غیر متمرکز باشد.

طرز کار شیر پروانه ای

•  شیر پروانه‌ای در تأسیسات سیّال بسیار مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرد و در مواردی که با دوغاب سروکار داشته باشیم نیز به خوبی عمل می‌کند. از آن‌ها می‌توان در مایعات، بخار آب،‌ برودتی، آب سرد،‌ هوا،‌ گازها، آتش‌نشانی و تأسیسات وکیوم استفاده کرد.
• شیرهای پروانه‌ای در تمامی انواع صنایع حتی در تأسیسات دارای دما و فشار بالا نیز مورد مصرف دارد.

مزایای شیر پروانه‌ای

• شیر پروانه‌ای به سبب طراحی فشرده و وزن کمی که دارد مناسب عملکرد شیرهای بزرگ است؛ زیرا در مقایسه با سایر شیرها به فضای کمتری نیاز دارد.
• این شیر به دلیل عملکرد سریع خود، زمان کمتری برای باز و بسته شدن لازم دارد.
• هزینه‌های تأمین و نگهداری آن در مقایسه با شیرهای دیگر کمتر است.
• در مقایسه با شیرهای دیگر اغلب افت فشار کمتری دارد.
• شیری را که نشیمن‌گاه غیر فلزی دارد، می‌توان برای مواد شیمیایی و خورنده به کار برد.

معایب شیر پروانه‌ای

• خفگی یا بستن مجرا که محدود به تأسیساتی با اختلاف فشار کم است و آن نیز با باز شدن ۳۰ الی ۸۰ درجه‌ای دیسک انجام می‌شود.
• از آنجایی که دیسک همیشه در تلاطم جریان قرار دارد و جریان می‌تواند بر حرکت دیسک تأثیر بگذارد، امکان مسدود شدن جریان یا حفره‌زایی وجود دارد.

پرسش های متداول شیر پروانه ای

شیر پروانه ای به چه منظور استفاده می شود؟

شیر پروانه ای یک شیر چرخشی 90 درجه است که برای توقف، تنظیم و شروع جریان استفاده می شود. دریچه های پروانه به راحتی و سریع باز می شوند. چرخش دسته 90 درجه باعث بسته شدن یا باز شدن کامل شیر می شود.

شیر پروانه ای چگونه کار می کند؟

شیرهای پروانه ای مانند سایر شیرهای 90 درجه کار می کنند. قسمت پروانه بر روی یک میله سوار می شود و هنگامی که سوپاپ بسته باشد مانع عبور مایع می شود. وقتی شیر کاملاً باز است، دیسک یا پروانه فلزی یک چهارم دور می چرخد. گذرگاه محدودیتی برای عبور مایعات یا هوا ندارد.

شیر پروانه ای با شیر توپی چه فرقی دارد؟

به طور کلی، یک شیرتوپی شامل یک توپ است که داخل آن یک روزنه بزرگ قرار داده شده است. سوپاپ پروانه ای به طور کلی از دیسک سوار شده روی شافت چرخان تشکیل می شود. هنگام استفاده از شیر توپی، چرخاندن دسته شیر، روزنه توپی را حرکت می دهد تا مسدود شود در حدی که جریان گاز یا مایع را از طریق شیر مسدود یا باز کند.