كيف تتحكم في تدفق السوائل باستخدام صمام تحكم كهربائي ومضخة؟

في العالم الديناميكي للتحكم في السوائل، تعتبر صمامات التحكم الكهربائية والمضخات مكونات رئيسية، حيث تنسق الحركة السلسة للسوائل والغازات في مختلف التطبيقات الصناعية. تلعب علاقتهما التكافلية دورًا محوريًا في ضمان الدقة والكفاءة والموثوقية لأنظمة السوائل. دعونا نتعمق في عالم صمامات التحكم الكهربائية والمضخات، وكشف آليات عملها وخصائصها وطرق تنسيق تصميمها.

أولاً: خصائص ومبادئ عمل صمامات التحكم الكهربائية

تتكون صمامات التحكم الكهربائية بشكل أساسي من مشغل كهربائي وجسم صمام التحكم. من خلال استقبال الإشارات من أنظمة التحكم الآلي الصناعية، فإنها تدفع الصمام لتغيير المساحة المقطعية بين قلب الصمام ومقعد الصمام، والتحكم في التدفق ودرجة الحرارة والضغط وغيرها من معاملات العملية لوسائط خط الأنابيب لتحقيق التحكم الآلي عن بعد. تعتبر خاصية النسبة المئوية المتساوية مثالية، مما يوفر الاستقرار وأداء تحكم ممتازًا.

(1) الخصائص الهيكلية:
1. يعتمد مضخم المؤازرة ردود فعل سلبية ديناميكية عميقة لتحسين دقة التحكم الآلي.
2. يأتي المشغل الكهربائي بأشكال مختلفة، ومناسب لإشارات 4-20mA DC أو 0-10mA DC.
3. نطاق قابل للتعديل كبير مع نسبة تعديل متأصلة تبلغ 50، ويتميز بخصائص تدفق خطية ونسبة مئوية متساوية.
4. يمكن التحكم في صمامات التحكم الكهربائية الإلكترونية مباشرة بواسطة إشارة التيار دون الحاجة إلى مضخم مؤازرة.
5. تم تصميم جسم الصمام بناءً على مبادئ ميكانيكا الموائع، ويتميز بقناة تدفق منخفضة المقاومة مع زيادة بنسبة 30٪ في معامل التدفق المقدر.

(2) تصنيف هياكل صمامات التحكم الكهربائية:
تصنف صمامات التحكم الكهربائية عمومًا إلى هياكل ذات مقعد واحد ومقعد مزدوج. صمامات التحكم الكهربائية ذات المقعد الواحد مناسبة للتطبيقات ذات متطلبات التسرب الصارمة، وفروق الضغط المنخفضة قبل وبعد الصمام، وظروف العمل ذات اللزوجة المعينة والوسائط الليفية. تتميز صمامات التحكم الكهربائية ذات المقعد المزدوج بمزايا قوة عدم الاتزان المنخفضة، مما يسمح بفروق ضغط كبيرة وقدرات تدفق عالية، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات متطلبات التسرب الأقل صرامة.

(3) مبادئ عمل صمامات التحكم الكهربائية:
تتحكم صمامات التحكم الكهربائية تلقائيًا في فتح الصمام بناءً على الإشارات من موضع التحكم، مما يحقق تنظيم تدفق الوسيط والضغط ومستوى السائل. باستخدام إشارة التيار الشائعة 4-20mA كمثال، عندما يرسل نظام التحكم إشارة 4mA إلى صمام التحكم الكهربائي، يكون الصمام في حالة الإغلاق الكامل. عندما يتم إرسال إشارة 20mA، يكون الصمام في حالة الفتح الكامل. تتوافق قيم الإشارات المختلفة في نطاق 4-20mA مع درجات فتح مختلفة للصمام، مما يسمح لنظام التحكم بتحقيق تنظيم دقيق بناءً على معاملات العملية المحددة.

ثانيًا: شروط وخصائص المضخات الكهربائية وتطبيقاتها

تلعب المضخات الكهربائية، التي تعمل بالكهرباء، دورًا حاسمًا في مختلف الصناعات. وهي تتكون من جسم المضخة وأنبوب الرفع وقاعدة المضخة والمحرك الغاطس (بما في ذلك الكابلات) وجهاز الحماية من بدء التشغيل. جسم المضخة هو جزء العمل من المضخة الغاطسة، ويتكون من أنبوب المدخل وغطاء التوجيه وصمام الفحص وعمود المضخة والمروحة. يمكن تثبيت المراوح على العمود بطريقتين.

يتم تثبيت المروحة داخل غلاف المضخة وتثبيتها بإحكام على عمود المضخة. يتم تشغيل عمود المضخة مباشرة بواسطة المحرك. في مركز غلاف المضخة، يوجد أنبوب شفط سائل. يدخل السائل إلى المضخة من خلال صمام الفحص وأنبوب الشفط. يتصل منفذ تصريف السائل في غلاف المضخة بأنبوب التصريف.

قبل بدء تشغيل المضخة، يمتلئ غلاف المضخة بالسائل المراد نقله. بعد البدء، تُدفع المروحة للدوران بسرعة عالية بواسطة العمود، ويجب أن يدور السائل بين الشفرات أيضًا مع المروحة. تحت تأثير قوة الطرد المركزي، يُقذف السائل من مركز المروحة إلى الحافة الخارجية، ويكتسب طاقة ويغادر المروحة بسرعة عالية ليدخل غلاف المضخة الحلزوني. في الغلاف الحلزوني، يتباطأ السائل بسبب التوسع التدريجي للممر، ويتم تحويل جزء من الطاقة الحركية إلى طاقة ضغط ساكنة. أخيرًا، يتدفق إلى أنبوب التصريف بضغط أعلى ويُرسل إلى الموقع المطلوب. بينما يتدفق السائل من المركز إلى الحافة الخارجية للمروحة، يتشكل فراغ معين في مركز المروحة. نظرًا لأن الضغط فوق مستوى السائل في خزان التخزين أكبر من الضغط عند مدخل المضخة، يتم ضغط السائل باستمرار في المروحة. طالما استمرت المروحة في الدوران، سيتم امتصاص السائل وتفريغه باستمرار.

(1) شروط الاستخدام:
1. يجب ألا تتجاوز درجة الحرارة 20 درجة مئوية.
2. يجب ألا يتجاوز الكسر الكتلي للجسيمات الصلبة في السائل 0.01٪.
3. يجب أن تكون قيمة الرقم الهيدروجيني للسائل بين 6.5 و 8.5.
4. يجب ألا يتجاوز محتوى أيون الكلوريد 400 ملليغرام لكل لتر.
5. يجب تجنب التبديل المتكرر بين حالتي "التشغيل" و "الإيقاف" للمضخة الكهربائية.

(2) التطبيقات:
في إنتاج الصناعات الكيميائية والبترولية، تكون المواد الخام والمنتجات نصف المصنعة والمنتجات النهائية في الغالب سوائل. تتضمن عملية الإنتاج لتحويل المواد الخام إلى منتجات نصف مصنعة ونهائية عمليات معقدة. تلعب المضخات الكهربائية دورًا في نقل السوائل وتوفير الضغط والتدفق للتفاعلات الكيميائية في هذه العمليات. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم المضخات الكهربائية لتنظيم درجة الحرارة في العديد من المنشآت.

في صناعات التعدين والمعادن، تعتبر المضخات الكهربائية أيضًا أكثر المعدات استخدامًا. تحتاج المناجم إلى مضخات للصرف، وتستخدم المضخات لإمداد المياه في عمليات مثل معالجة الخام والصهر والدرفلة.

في صناعة الطاقة، تتطلب محطات الطاقة النووية مضخات رئيسية ومضخات ثانوية ومضخات ثالثية، وتتطلب محطات الطاقة الحرارية عددًا كبيرًا من مضخات تغذية الغلايات ومضخات المكثفات ومضخات النقل المختلط للزيت والغاز ومضخات المياه المتداولة ومضخات الرماد والطين.

في بناء الدفاع، هناك حاجة إلى المضخات لأغراض مختلفة، مثل ضبط اللوحات والدفات للطائرات، وتدوير أبراج السفن الحربية والدبابات، والتحكم في طفو الغواصات. قد تتعامل المضخات مع السوائل عالية الضغط والمشعة، وبعضها يتطلب تشغيلًا بدون تسرب.

باختصار، سواء كانت الطائرات أو الصواريخ أو الدبابات أو الغواصات أو الحفر أو التعدين أو القطارات أو السفن أو الحياة اليومية، فإن المضخات الكهربائية مطلوبة في كل مكان وتعمل في كل مكان. هذا هو السبب في تصنيف المضخات كآلات عامة، تمثل فئة منتجات رئيسية في الصناعة الميكانيكية.

ثالثًا. تنسيق تصميم صمامات التحكم الكهربائية والمضخات

تشير الخصائص المتأصلة لتدفق صمامات التحكم إلى كيفية تغير مساحة التدفق الفعالة للصمام مع الفتح. توفر الأنواع المختلفة، مثل الفتح السريع والخطي والنسبة المئوية المتساوية والقطع المكافئ، استجابات تحكم متنوعة. في الهندسة، الأنواع الثلاثة الأولى هي الأكثر شيوعًا، واختيار الصمام المناسب أمر بالغ الأهمية للتحكم المستقر.

(1) الميزات والتطبيقات:
1. خاصية الفتح السريع: الاستجابة السريعة لفتح الصمام مطلوبة في المواقف التي تتطلب تغييرات سريعة ضمن نطاق فتح صغير.
2. الخصائص الخطية: تغيير ثابت في التدفق مع الفتح ضمن نطاق الفتح 0-100%، مناسب لحلقات التحكم ذات كسب نظام عدة، مثل التحكم في مستوى السائل. الفتح النسبي المفضل عند التدفق الطبيعي هو 50%-60%.
3. خصائص النسبة المئوية المتساوية: زيادة صغيرة في معدل التدفق مع الفتح في فتح صغير، ولكن مع زيادة فتح الصمام، يزداد معدل التغيير بسرعة. تستخدم بشكل رئيسي في مناسبات التحكم في الضغط والتدفق ودرجة الحرارة. الفتح النسبي المفضل عند التدفق الطبيعي هو 70%-80%.

(2) دور صمامات التحكم في دوائر المضخات:
تشتمل دائرة المضخة النموذجية على صمام تحكم رئيسي في التدفق، وصمام تحكم في درجة الحرارة أو التدفق الفرعي، وصمام تحكم في خط الإرجاع الأدنى.

يقوم صمام التحكم في تدفق الدائرة الرئيسية بضبط سعة المعالجة للمضخة وفقًا لظروف العمل المختلفة. تأخذ الحسابات في الاعتبار ظروف التشغيل العادية وظروف التشغيل القصوى وظروف إيقاف التشغيل للمضخة.

يلبي صمام التحكم في درجة الحرارة أو التدفق الفرعي متطلبات المستخدم النهائي واحتياجات العملية عن طريق ضبط معدل تدفق صمام التنظيم المثبت على كل فرع.

يتم تثبيت صمام التحكم في خط الإرجاع الأدنى على خط الإرجاع الأدنى للمضخة ويحمي المضخة أو يفي بمتطلبات الإرجاع عندما يصل معدل تدفق المضخة إلى القيمة المحددة لتدفق الإرجاع الأدنى.

(3) الحساب العملي لصمامات التحكم في دوائر المضخات:
تحتاج جميع صمامات التحكم في دائرة المضخة أولاً إلى تلبية متطلبات الدائرة الرئيسية، وحساب معلمات صمامات التحكم على الدائرة الرئيسية، ثم حساب معلمات صمامات التحكم على الدوائر الأخرى بناءً على معلمات العملية للدائرة الرئيسية عند كل عقدة. خطوات الحساب المعتادة هي كما يلي:

1. تحديد الحلقة الرئيسية وفقًا لخصائص عملية النظام. عند الحد الأقصى لمعدل تدفق المضخة، بناءً على الخبرة أو متطلبات المشروع، مع إعطاء قيمة انخفاض الضغط لصمام التنظيم على الحلقة الرئيسية، احسب معلمات عملية المضخة واختر منحنى عمل مناسبًا للمضخة.
2. على الدائرة الرئيسية، بناءً على منحنى العمل للمضخة المختارة ومعادلة الهيدروليكية، احسب معلمات صمام التنظيم في ظل ظروف العمل العادية وظروف إيقاف التشغيل.
3. على الدائرة الرئيسية للمضخة، أنشئ المعادلة الهيدروليكية للدائرة الفرعية للمضخة واحسب معلمات العملية لكل صمام تنظيم على الدائرة الفرعية في ظل ظروف عمل مختلفة.
4. أنشئ المعادلة الهيدروليكية لخط الإرجاع الأدنى للمضخة واحسب معلمات العملية لصمام التحكم في الإرجاع تحت الحد الأدنى لتدفق الإرجاع بناءً على منحنى تشغيل المضخة.

(4) الخصائص العملية لصمامات التحكم في دوائر المضخات:
بالنسبة لصمامات التحكم في دوائر المضخات، عادةً ما يكون لها الخصائص التالية:
1. يتطلب صمام التنظيم على الطريق الرئيسي معدل تغيير كبير في معدل التدفق مع الفتح وعادةً ما يحتاج إلى تحمل انخفاض ضغط كبير. يفضل استخدام صمامات ذات خاصية الفتح السريع.
2. يحتاج صمام التنظيم على الفرع إلى التحكم في التدفق بدقة أكبر. يفضل استخدام صمام ذي خصائص النسبة المئوية المتساوية للتحكم في نطاق تشغيل صمام التنظيم ضمن نطاق فتح صغير.
3. عادةً ما يكون لصمام التنظيم على خط الإرجاع الأدنى معدل تدفق صغير ولا يتطلب دقة عالية في التحكم في التدفق. الضغط العلوي وفرق الضغط كبيران، مما يحمي المضخة من التلف.
4. عادةً، لن يصل انخفاض الضغط لصمام التنظيم على دائرة المضخة إلى حالة تسبب تدفقًا مسدودًا. ومع ذلك، بالنسبة لبعض حالات ضغط البخار المنخفض، يلزم تحليل دقيق للخصائص الفيزيائية والحالة قبل وبعد صمام التنظيم ويجب ملاحظة ذلك في ورقة بيانات صمام التنظيم.
5. بالنسبة لصمامات التحكم على دائرة المضخة، فإن مستوى الضوضاء ليس مرتفعًا بشكل عام، ولا يلزم منع الضوضاء.

في جوهر الأمر، يعد تنسيق صمامات التحكم الكهربائية والمضخات أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق الأداء الأمثل في أنظمة التحكم في السوائل. يحتاج المهندسون إلى النظر بعناية في خصائص النظام ومنحنيات تشغيل المضخة والمتطلبات المحددة لضمان تحكم دقيق ومستقر في السوائل. مع تطور الصناعات، يستمر تكامل هذه المكونات في كونه حجر الزاوية في تحقيق التميز التشغيلي والموثوقية في ديناميكيات السوائل.