علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
مقدمة:
الحياة مكونة من عدة أنظمة مترابطة و مكملة لبعضها البعض و كل نظام يحتاج إلى طريقة تحكم خاصة به سواءً كان نظاماً طبيعياً او صناعياً.
على سبيل المثال، فإن جسم الإنسان يحتوي على أدق أنواع الأنظمة وأعقدها ومنها نظام الدورة الدموية الذي يعمل على ضخ و توزيع الدم من القلب إلى جميع أجزاء الجسم بالكميات اللازمة عن طريق صمامات تتحكم في تنظيم العملية.
الصمام هو جهاز يتحكم في كمية المواد النافذة كالسوائل خلال الأنابيب عن طريق الفتح أو الإغلاق الكامل أو الجزئي، مثل الصمامات التي تسخدم بشكل يومي في المنازل للتحكم في كمية المياه للغسيل و الشرب، و التحكم بكمية الغاز للطبخ.
بالرغم من أن الصمامات في المنازل تعتبر سهلة التصميم والإستخدام ،إلا أن صمامات المصانع ذات الأنواع و المميزات المختلفة ،والمصممة على أسس علمية متقدمة تعتبر عنصر التحكم في العمليات الصعبة والمعقدة.
هذا المقال سيركز على أنواع الصمامات المستخدمة في المصانع و أنواع التحكم فيها، كما أنه سيتطرق إلى بعض تطبيقاتها.
أنواع الصمامات :
تتنوع عمليات المصانع حسب المادة المصنعَة و خصائصها المتنوعة مثل الضغط، الحرارة و التدفق مما أدى إلى احتياج أنواع مختلفة من الصمامات بحيث يتميز كل صمام بتصميم مختلف يتناسب مع احتياجات المادة المصنعَة و متطلباتها، ومن أهم أنواع الصمامات والأكثر شيوعاً:-
1- صمام (Globe)
يحتوي هذا الصمام على سدادة قابلة للتحرك باتجاهين , إما للأعلى أو للأسفل، للتحكم في كمية المادة النافذة من خلاله كما هو موضح في الصورة.
تختلف خصائص تدفق المادة خلال الصمام باختلاف شكل السدادة, والتي تصنف ضمن ثلاث أشكال :-
- متساوي النسبة (Equal Percentage).
- خطي (Linear).
- سريع الفتح (Quick Open).
كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه فإن كمية التدفق في السدادة سريعة الفتح ( Quick Opening ) تزداد بشكل كبير مقارنة بنسبة الفتح القليلة نظراً لشكل السدادة و الذي يسمح بدخول جزء كبير من المادة بمجرد إرتفاعها.
أما بالنسبة للسدادة الخطية (Linear) فإن نسبة التدفق متساوية مع نسبة الفتح و ذلك بسبب شكل السدادة البيضاوي.
كما أن النوع الأكثر استخداماً هو متساوي النسبة ( Equal Percentage ) والذي تقل فيه نسبة التدفق مقارنةً بنسبة الفتح قبل الـ 50%، أما بعد الـ 50 % فإن نسبة التدفق تزداد بنسبة أكبر من نسبة الفتح.
2- صمام ( Gate )
يتميز هذا الصمام ببوابة متحركة للأعلى أو للأسفل تنظم تدفق المادة النافذة، كما أن البوابة المتحركة شبيهة إلى حد كبير بالسدادة سريعة الفتح (Quick Opening ) و ذلك لأن نسبة التدفق في هذا الصمام مرتفعة مقارنة بنسبة فتح البوابة المتحركة.
3- صمام ( Butterfly )
هذا النوع من الصمامات يتحكم في تدفق المادة عن طريق لوح قابل للدوران حول المحور بشكل أفقي أو عمودي. يغلق هذا الصمام التدفق نهائياً عندما يكون اللوح موزاياً لإيطار الصمام معاكساً لإتجاه التدفق بينما يفتح كلياً عندماً يكون عمودياً للإيطار
(90 ° ) موازياً لإتجاه التدفق. كما أن هذا الصمام يعتبر الأرخص سعراً بين الصمامات لسهولة تصميمه و قلة المواد المستهلكة فيه.
4- صمام ( Ball )
يتميز هذا الصمام بوجود كرة دائرية مجوفة مثقوبة من الجهتين بشكل متقابل بحيث تسمح بنفاذ المادة خلال الثقبين إذا كانا باتجاه التدفق و تمنع الكرة مرور المادة المتدفقة عندما يكون الثقبين في غير اتجاه تدفق المادة.
يشتهر هذا الصمام في الإستخدامات المنزلية في مجرى المياه مثل الغسيل و الري و غيره.
أنواع التحكم :
تتعدد أنواع التحكم في الصمامات حسب الإحتياج :
1- التحكم اليدوي.
في هذا النوع من التحكم يزود الصمام بعجلة يدوية تمكن المشغل من التحكم في كمية التدفق المادة بتحريك العجلة يدويا. من تطبيقات الصمام اليدوي هو وضعه قبل وبعد الصمام الأوتوماتيكي لغرض العزل في حال صيانته, كما أنه يوضع على خط موازي (إحتياطي) للصمام الأوتوماتيكي بحيث تعبر المادة خلاله في حال عزل الصمام الأوتوماتيكي .
2- التحكم الأتوتاميكي.
يزود الصمام الأوتوماتيكي بجهاز تشغيل أوتماتيكي للتحكم بتدفق المادة بدون الحاجة إلى تشغيل يدوي.
على سبيل المثال، أحد أنواع المشغل الأوتوماتيكي لصمام (Globe) يتحكم بالصمام عن طريق الهواء بإدخاله لضغط الحاجز على الزنبرك لتحريك السدادة للأسفل مما يؤدي إلى إغلاق الصمام.
معايير إختيار نوع الصمام:
أنواع خاصة من الصمامات:-
- صمام (Relief) : هو صمام يستخدم لتفريغ الضغط الزائد للمادة السائلة في عمليات المصانع.
- صمام (Safety) : هذا الصمام مشابه لل (Relief) من ناحية التطبيق، إلا أن هذا الصمام يستخدم لتطبيقات الغاز والبخار.
المثال الموضح في النموذج عبارة عن تركيب الصمام من الداخل، ويختلف (Relief) عن (Safety) بمواصفات المواد المصنعة للصمام.
يتم حساب معادلات رياضية للضغط الأقصى الذي تتحمله العملية الصناعية وعندما يرتفع الضغط عن هذا الحد عند الفوهة (المتصلة بالعملية الصناعية) فإن القاعدة ترتفع بمقدار ارتفاع الضغط وتسمح بتفريغ المادة لخارج العملية بغرض تخفيف الضغط. يمكن ضبط درجة الضغط اللازمة لتفعيل الصمام عن طريق ضبط الضغط العلوي للزنبرك.
- صمام (Check): هذا الصمام يسمح للمادة بالتدفق في اتجاه واحد فقط ويمنع مرور المادة في الإتجاه المعاكس.
- صمام (ShutDown): هذا الصمام مخصص للحالات الطارئة والخطيرة بحيث يغلق تدفق المواد في عمليات المصانع بشكل سريع.
المعادلات الرياضية :
تصميم حجم الصمام يعتمد على معادلات رياضية يتم حسابها لتناسب العملية الصناعية وتختلف المعادلة في حال كانت المادة سائلة، بخار أو غاز.
يتم تصميم الصمام اعتمادا على (CV) وهو معامل لعدد جالونات الماء المتدفقة لكل دقيقة (gal/min) عندما يكون الصمام مفتوح تماما وفرق الضغط للصمام 1 psi ودرجة حرارة الماء من 40 إلى 100 درجة مئوية.
- معادلة الحالة السائلة:
- معادلة الحالة الغازية:
- معادلة حالة البخار:
CV: معامل التدفق.
Gg: الثقل النوعي للغاز.
GL: الثقل النوعي للسائل.
W: تدفق البخار (Ib/hr).
P1: الضغط عند مدخل الصمام (psia).
P2: الضغط عند مخرج الصمام (psia).
Qg: معدل تدفق الغاز (ft3/hr).
QL: معدل تدفق السائل (gal/min).
T: حرارة الغاز (F).
V1: الحجم النوعي للخاز عند مدخل الصمام (ft3/Ib).
V2: الحجم النوعي للصمام عند مخرج الصمام (ft3/Ib).
الخاتمة :
كما أن المنازل لا تخلو من وجود الصمامات و إن كانت صغيرة، فإن الصمامات تتواجد في المصانع أيضاُ بأنواع وأحجام وخصائص مختلفة, ولها الدور الأساسي في التحكم بتدفق المواد في عمليات المصانع الضخمة والمعقدة.
عملية صناعة الصمامات الخاصة بالمصانع تستغرق فترة طويلة قد تصل إلى ما يقارب السنة، لذا فإن مرحلة التصميم تكون حساسة ويجب فيها مراعاة كل ما يتعلق بالصمام والعملية المراد استخدامه فيها. فقد يكون الصمام عديم الفائدة إذا اتضح لاحقا أن اتجاه التدفق المصمم خاطئ أو المادة المصنع منها الصمام لا تناسب درجة الحرارة المراد استخدامها فيه.