شیر برقی چیست و چگونه عمل میکند

شیر برقی یا سلونوئید، یک نوع شیر الکترومکانیکی است که برای کنترل جریان سیالات یا گازها استفاده می‌شود. این شیرها با تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی، می‌توانند جریان را باز و ببندند. آنها از دو قسمت اصلی تشکیل شده‌اند: بوبین و بدنه‌ی اصلی شیر.

ساختار درونی سلونوئید شامل یک سیم پیچ است که اطراف یک هسته فرومغناطیسی پیچیده شده است. وقتی جریان از این سیم پیچ عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود. این میدان می‌تواند برای حرکت دادن قطعات مکانیکی مانند پیستون استفاده شود.

یکی از کاربردهای سلونوئیدها، ایجاد نیروی لازم برای حرکت شیرهای برقی است. شیرهای برقی بر اساس ویژگی‌های جریان الکتریکی، قدرت میدان مغناطیسی و عملکردشان در برابر جریان سیالات به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند، اما ساختار داخلی و کارکرد اساسی آن‌ها از یک اصل مشابه پیروی می‌کند.

انواع شیر برقی

شیر برقی یکی از انواع شیرهای استفاده شده در صنعت است. می‌توان انواع مختلف آن را بر اساس ویژگی‌های مهم مانند عملکرد، جریان برق، نوع اتصال و استانداردهای معتبر دسته‌بندی کرد. هر نوع از این شیرهای برقی، کاربردهای خاص خود را دارند.

شیر برقی بر اساس نوع عملکرد

• شیر برقی با عملکرد مستقیم (Direct-acting Valves)

در این نوع شیر برقی، وقتی بوبین آن به برق وصل می‌شود، شیر باز و بسته می‌شود. این شیرها به دو دسته NO و NC تقسیم می‌شوند. شیرهای NO در حالت عادی باز هستند، یعنی وقتی برق وصل نیستند، باز مانده و وقتی بوبین برق می‌گیرد، بسته می‌شوند. اما شیرهای NC در حالت عادی بسته هستند، یعنی بدون برق باز نیستند و وقتی بوبین برق می‌گیرد، باز می‌شوند.

• شیر برقی پایلوت دار یا هدایتگر (Pilot-operated valves)

شیر برقی با عملکرد پایلوت یا سروو، با استفاده از تفاوت فشار بین دو سر خروجی و ورودی، عمل می‌کند. این نوع شیر برقی به عنوان یک شیر با عملکرد غیر مستقیم نیز شناخته می‌شود. از آن در برنامه‌های سنگین با جریان بالا استفاده می‌شود.

شیر برقی بر اساس نوع اتصال

• شیر برقی دو راهی (Two-way valves)

شیر برقی دو راهی، پرکاربردترین نوع شیر برقی است. این شیر دارای دو پورت است که هر دو از آنها برای عبور یا قطع جریان سیال استفاده می‌شود. این شیرها می‌توانند باز یا بسته باشند و تا زمانی که انرژی الکتریکی را تأمین نکنید، در وضعیت اولیه خود باقی می‌مانند.

• شیر برقی کنترل سه راهی (Three-way valves)

این نوع شیر برقی دارای سه پورت است و به ما اجازه می‌دهد بین خروجی‌ها یا ورودی‌ها سوییچ کنیم. از این شیرها به دو صورت ترکیبی و انحرافی استفاده می‌شود. حالت ترکیبی وقتی استفاده می‌شود که دو ورودی و یک خروجی داشته باشیم و می‌توانیم جریان ورودی را تغییر دهیم. اما حالت انحرافی، وقتی ورودی از یک جایی وارد می‌شود و می‌توانیم خروج آن را بین دو خروجی کنترل کنیم.

• شیر برقی کنترل چهار راهی (Tour-way valves)

شیر برقی چهار راهی دارای چهار پورت است و معمولاً با محرک دو کاره یا سیلندر استفاده می‌شود. دو پورت ورودی برای افزایش فشار و دو پورت خروجی برای کاهش فشار مورد استفاده قرار می‌گیرند. این شیرها در حالت‌های انحرافی و ترکیبی قابل استفاده هستند و می‌توانند به آنها متصل شوند.

شیر برقی بر اساس جریان برق

شیرهای برقی در ولتاژهای مختلف 12 ولت، 24 ولت و 220 ولت با منابع تغذیه AC و DC موجود هستند. شیرهای DC عملکرد ساده‌تری دارند؛ زمانی که جریان برق وارد بوبین شیر می‌شود، نیروی مغناطیسی سنبه را بالا می‌کشد و مجرای شیر باز می‌شود، و زمانی که جریان قطع می‌شود، نیروی فنر بوبین سنبه را به حالت اولیه برمی‌گرداند.

در شیرهای AC عملکرد شیر کمی پیچیده‌تر است؛ زیرا جریان AC به صورت موج سینوسی است و در هر دوره دو بار صفر می‌شود. این باعث می‌شود نیروی مغناطیسی در بوبین همچنان تغییر کند و لرزش در سنبه ایجاد شود. برای جلوگیری از این مشکل، حلقه‌های رسانا (Shading Ring) استفاده می‌شود. این حلقه‌ها معمولاً از مس ساخته شده و در نزدیکی پیچ‌های بوبین قرار می‌گیرند. آنها انرژی میدان مغناطیسی را ذخیره کرده و با آزادسازی انرژی با تأخیر 90 درجه نسبت به فاز جریان، لرزش سنبه را کاهش می‌دهند.

انواع شیر برقی بر اساس فشار سیستم

شیرهای برقی به دو دسته فشار بالا و فشار پایین تقسیم می شوند.

شیرهای برقی فشار بالا توانایی تحمل فشار بالای مایعات را دارند. این شیرها به طور عمده در سیستم‌هایی که فشار بالایی دارند مورد استفاده قرار می‌گیرند، مانند سیستم‌های هیدرولیکی.

شیرهای برقی فشار پایین، معمولاً قادر به تحمل فشار بالای مایعات نیستند. این نوع شیرها به طور عمده برای سیستم‌هایی که از گاز یا هوا استفاده می‌کنند، استفاده می‌شوند.

شیر برقی بر اساس استاندارد نامور

شیر برقی پنوماتیکی با استاندارد Namur، وقتی که به آن انرژی الکتریکی می‌رسد، باعث تولید میدان مغناطیسی می‌شود که پیستون درون آن حرکت می‌کند. این پیستون هوا را به نشیمنگاه پایلوت هدایت می‌کند و اکچویتور پنوماتیک را فعال می‌کند که در نتیجه، مسیر ورود و خروج هوا به اکچویتور پنوماتیک باز می‌شود. این نوع شیر برقی برای کنترل اکچویتورهای پنوماتیکی استفاده می‌شود و در صنایع اتوماسیون صنعتی بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اجزای تشکیل دهنده شیر برقی

همانطور که در ابتدا بیان شد شیر برقی ها از دو بخش بوبین و بدنه اصلی تشکیل می شوند که هر بخش دارای وظایف خاصی می باشد:

• بوبین

بوبین یا سلونوئید یک قطعه است که شامل یک کویل الکتریکی و یک هسته فرومغناطیسی متحرک است. وقتی جریان الکتریکی به آن می‌رسد، انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند و با حرکت دادن یک قطعه فلزی به نام سنبه، می‌تواند مجرای داخل شیر را باز یا بسته کند. داخل بوبین یک فنر قرار دارد که پس از قطع جریان الکتریکی، سنبه را به حالت اولیه خود باز می‌گرداند. این قطعه‌ها در یک قاب قرار گرفته‌اند تا از ورود گرد و غبار و آب به داخل سلونوئید جلوگیری شود. به طور خلاصه، بخشی از شیر برقی است که جریان الکتریکی را دریافت می‌کند و میدان مغناطیسی را تولید می‌کند. این بخش گاهی به عنوان بوبین نیز شناخته می‌شود.

• بدنه اصلی

قسمت پایینی شیر برقی، جایی است که سیال از آن عبور می‌کند. این قسمت معمولاً از جنس‌هایی مثل برنج، استنلس استیل، آلومینیوم یا مواد پلیمری ساخته می‌شود. در داخل این قسمت، یک مکانیسم به نام مجرابند وجود دارد که جریان سیال را می‌تواند قطع یا وصل کند. این مکانیسم می‌تواند از نوع‌های دیافراگمی و سوزنی با حرکت خطی یا مجرابند توپی با حرکت دورانی باشد. انواع توپی معمولاً با سلونوئید‌هایی با حرکت دورانی استفاده می‌شوند، در حالی که سلونوئید شیرهای برقی دیافراگمی و سوزنی، حرکت خطی دارند.

• پیستون یا پلانگر

بخش مکانیکی شیر برقی که در اثر میدان مغناطیسی تولید شده، حرکت می‌کند. این پیستون به ساقه شیر متصل است و با حرکت آن، دریچه شیر باز یا بسته می‌شود.

• بدنه شیر

محفظه‌ای است که اجزای تشکیل دهنده شیر در آن قرار می‌گیرند. این بخش به صورتی طراحی شده است که به لوله یا تیوبی که مایع یا گاز از آن عبور می‌کند، متصل می‌شود.

• نشیمنگاه شیر

بخشی از بدنه شیر است که ساقه شیر در آن قرار می‌گیرد. این بخش برای کنترل جریان مایع یا گاز استفاده می‌شود و نقش مهمی در عملکرد شیر برقی دارد.

• هسته ثابت (Fixed Core)
• فنر هسته (Core Spring)
• لوله قرارگیری هسته (Core Tube)
• هسته (Core)
• دیافراگم (Diaphragm)
• کلاهک یا سرپوش (Bonnet)
• اریفیس (Bleed Orifice)
• آب بند (Seal)
• دیسک (Disk)

شیر برقی چگونه کار می کند؟

شیرهای برقی می‌توانند دو حالت استراحت مختلف داشته باشند. در یک حالت، شیر بسته است که به عنوان “بسته در حالت عادی” یا “NC” شناخته می‌شود. در حالت دیگر، شیر همیشه باز است که به آن “باز در حالت عادی” یا “NO” می‌گویند.

وقتی فرمان به بوبین می‌رسد، سیم پیچ بوبین تحریک می‌شود و یک میدان مغناطیسی قوی ایجاد می‌شود که باعث حرکت پیستون به سمت بالا می‌شود. در این حالت، فنر فشرده می‌شود و مسیر عبور سیال باز می‌شود. وقتی ولتاژ ورودی به بوبین قطع می‌شود، نیروی مغناطیسی از بین می‌رود و فنر پیستون را به حالت اولیه‌اش باز می‌گرداند. پیستونی که استفاده می‌شود، بسیار مرغوب است و در شرایط عادی از عبور سیال جلوگیری می‌کند. در شیرهای باز در حالت عادی، فرآیند برعکس است؛ یعنی با تحریک بوبین، شیر بسته می‌شود و مانع حرکت سیال می‌شود، و پس از قطع ولتاژ، مسیر عبور سیال باز می‌شود.

هدف اصلی شیرهای برقی از نوع عملکردشان مشخص می‌شود. این شیرها به دو نوع دو جهته و سه جهته ساخته می‌شوند. شیر برقی دو جهته دارای دو درگاه است: یک درگاه ورودی و یک درگاه خروجی. برای اطمینان از جریان صحیح، بر روی شیر یک فلش قرار داده شده که جهت جریان را نشان می‌دهد. این شیرها برای باز و بسته کردن جریان مورد استفاده قرار می‌گیرند.

شیر برقی سه جهته دارای سه درگاه است. این شیر معمولاً دو وضعیت دارد، بنابراین می‌تواند بین دو مدار سوئیچ کند. از این نوع شیر برای قطع و وصل جریان، توزیع جریان و ترکیب آن استفاده می‌شود.

کاربرد شیر برقی

کاربرد شیر برقی در تهویه مطبوع

در سیستم‌های تهویه و خنکسازی (HVAC) از سلونوئید ولو‌ها برای تنظیم جریان مایع خنک کننده استفاده می‌شود. همچنین این ولوها می‌توانند برای کنترل جریان آب یا دیگر مایعات در سیستم‌های گرمایشی نیز به کار روند.

کاربرد شیر برقی در سیستم تصفیه آب

شیرهای برقی در سیستم‌های تصفیه آب نقش مهمی ایفا می‌کنند. آنها برای کنترل جریان آب و همچنین جریان مواد شیمیایی که برای تصفیه آب استفاده می‌شود، استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، می‌توان با استفاده از این نوع شیر، مقدار کلر مورد نیاز برای ضدعفونی کردن آب را تنظیم کرد.

کاربرد در تجهیزات پزشکی

در تجهیزات پزشکی، از سلوئونید ولو‌ها برای کنترل جریان گازها و مایعات در دستگاه‌های مختلف استفاده می‌شود. این دستگاه‌ها شامل دستگاه‌های بیهوشی، تغلیظ کننده‌های اکسیژن و دستگاه‌های دیالیز می‌شوند.

سلونوئید ولوها در اتوماسیون صنعتی

در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی، می‌توان از شیرهای برقی برای کنترل جریان سیالات در فرآیندهای تولید استفاده کرد. به عنوان مثال، می‌توان از آن‌ها برای کنترل جریان روغن هیدرولیک در یک پرس هیدرولیک یا جریان هوا در یک محرک پنوماتیک استفاده کرد.

شیر برقی در سیستم های سوخت رسانی

این نوع شیرها برای رساندن سوخت به وسایل نقلیه مانند اتومبیل‌ها، موتورهای کشتی و دیگر تجهیزاتی که نیاز به سوخت دارند، استفاده می‌شود. آنها میزان جریان سوخت را کنترل می‌کنند.

کاربرد سلونوئید ولو در کشاورزی

در کشاورزی هایی که از سیستم‌های آبیاری نوین استفاده می‌کنند، از شیرهای برقی برای کنترل جریان آب به محصولات استفاده می‌شود. این شیرها به کشاورزان کمک می‌کنند تا به طور دقیق زمان و مقدار آب مورد نیاز برای هر محصول را تنظیم کنند. همچنین می‌توان از آنها برای روشن و خاموش کردن آب در زمان‌های مشخص، مانند زمان‌هایی که زمین نیاز به آبیاری ندارد، استفاده کرد.

کار شیر برقی در خودرو چیست؟

در خودروها از شیرهای برقی برای کنترل جریان مایعات مختلف مانند سوخت، روغن، مایع خنک کننده و سیال انتقال استفاده می‌شود. به عنوان مثال، از شیر برقی برای کنترل جریان مایع خنک کننده به موتور برای تنظیم دمای آن استفاده می‌شود.

شیر برقی در سیستم های پنوماتیک

در سیستم‌های پنوماتیک، از شیرهای برقی برای کنترل جریان هوای فشرده برای استفاده در سیلندرها و دستگاه‌های دیگر پنوماتیک استفاده می‌شود. سلونوئید ولوها معمولاً روی بدنه عملگر یا یک منیفولد متصل به عملگر نصب می‌شوند و به آن‌ها اجازه می‌دهند تا جریان هوای فشرده را کنترل کنند، آن را در جهتی خاص حرکت دهند یا به طور کلی متوقف کنند.

مزایای شیر برقی

• کاهش مصرف برق: شیرهای برقی کوچکی هستند که با یک پالس الکتریکی کوچک می‌توانند باز یا بسته شوند، بدون اینکه نیاز به مصرف برق زیادی داشته باشند. این امر به صرفه‌جویی در انرژی کمک می‌کند.
• لچینگ: این شیرها برای استفاده در کاربردهایی با فرکانس کمتر از دیگر شیرها مناسب هستند. با یک پالس الکتریکی کوتاه، پیستون حرکت می‌کند و سپس از یک آهنربای دائمی برای نگاه‌داشتن پیستون در موقعیت خود استفاده می‌شود. این باعث کاهش مصرف برق و گرمایش شیر می‌شود.
• فشار بالا: این شیرها برای استفاده در فشارهای تا ۲۵۰ بار طراحی شده‌اند.
• اُوِرراید دستی: این ویژگی در هنگام راه‌اندازی، آزمایش، تعمیر و نگهداری و قطع شدن برق، ایمنی و راحتی بیشتری فراهم می‌کند.
• جداسازی سیال: این ویژگی اجازه می‌دهد سیال از قطعات شیر جدا شود و این راه حلی مناسب برای جلوگیری از آلودگی سیال است.
• وکیوم: شیرهایی که برای کار کردن نیازمند حداقل اختلاف فشار نیستند، برای استفاده در کاربردهای وکیوم مناسب هستند.
• زمان پاسخ قابل تنظیم: می‌توان زمانی که طول می‌کشد تا شیر باز یا بسته شود را تنظیم کرد. این ویژگی از ایجاد اثر چکشی جلوگیری می‌کند.
• بازخورد موقعیت: وضعیت سوئیچینگ شیر برقی توسط سیگنال باینری یا NAMUR نشان داده می‌شود.
• نویز کم: این شیرها دارای طراحی دامپ بوده که باعث کاهش نویز در هنگام بسته شدن شیر می‌شود.

نکات خرید شیر برقی

برای انتخاب شیر برقی مناسب، باید به نکات مهمی توجه کنیم. اولین نکته این است که نوع سیال، محیط استفاده، فشار کاری و هدف استفاده از شیر برقی را در نظر بگیریم. جنس بدنه و مجرابند شیر برقی باید با محیط و دمای استفاده سازگار باشد، زیرا شیر برقی به آلودگی حساس است و درجه آببندی IP باید با توجه به شرایط محیط انتخاب شود.

شیرهای برقی مستقیم با اختلاف فشار صفر بار کار می‌کنند، اما انواع شیر برقی غیر مستقیم نیازمند حداقل اختلاف فشار 0.5 بار هستند، بنابراین نمی‌توان از آنها در سیستم‌های با فشار ورودی کم یا سیستم‌های بسته استفاده کرد.

سرعت باز و بست سلونوئید ولوها بسیار بالاست (در حدود 10 تا 1000 میلی‌ثانیه) و استفاده نادرست از آنها می‌تواند ضربه چکشی ایجاد کند. بنابراین باید به پارامترهای مختلفی مانند نوع سیال، محیط استفاده، فشار، و سرعت باز و بست دقت کنیم تا بهترین شیر برقی را انتخاب کنیم.

• فشار کاری
• دمای محیط و دمای سیال
• ولتاژ
• عملکرد مدار
• زمان پاسخ مقدار Kv (سرعت ثابت موتور)
• قطر لوله
• نوع سیال
• نوع رزوه
• اندازه خروجی (Orifice)
• درجه حفاظت در برابر نفوذ رطوبت و گرد و غبار (IP)

بهترین برند های شیر برقی

• شیر برقی یونیدی (UNI-D)
• شیر برقی ترک (Tork)
• شیر برقی جیواکس (Gevax)
• شیر برقی پارکر (Parker)
• شیر برقی یونیدو (Uni-DO)
• شیر برقی برهما (BRAHMA)

چند نکته قابل توجه در مورد شیر برقی :

• این شیرها فقط برای مایعات و گازهای پاک و تصفیه شده استفاده می‌شود.
• شیرهای برقی غیر مستقیم برای عمل کردن به اختلاف فشار نیاز دارند.
•  این محصول برای باز و بسته کردن جریان، توزیع آن یا ترکیب سیالات استفاده شده و دارای ورودی و خروجی‌های متعدد است.
•  عملکردی سریع دارد.
•  می‌توان آن را به صورت دستی تغییر وضعیت داد و برای وضعیت‌های خاص مانند override، ATEX، gas approval، media separation و .. استفاده کرد.
•  ممکن است گرم شود چون برای سوئیچ کردن یا در وضعیت مورد نظر ماندن نیازمند انرژی است. (البته این موضوع به نوع شیر بستگی دارد).