كيف يمكن التحكم في تدفق السوائل باستخدام صمام ومضخة تحكم كهربائية؟

في عالم التحكم الديناميكي في السوائل، تعد صمامات التحكم الكهربائية والمضخات مكونات رئيسية، تنسق الحركة السلسة للسوائل والغازات في تطبيقات صناعية متنوعة. تلعب علاقتهما التكافلية دورا محوريا في ضمان دقة وكفاءة وموثوقية أنظمة السوائل. دعونا نغوص في عالم صمامات التحكم الكهربائية والمضخات، ونكشف طريقة عملها وخصائصها وطرق تنسيق تصميمها.

1. خصائص ومبادئ عمل صمامات التحكم الكهربائية

تتكون صمامات التحكم الكهربائية بشكل رئيسي من مشغل كهربائي وجسم صمام تحكم. من خلال استقبال الإشارات من أنظمة التحكم الأتمتة الصناعية، تدفع الصمام لتغيير مساحة المقطع العرضي بين قلب الصمام ومقعد الصمام، مع التحكم في التدفق ودرجة الحرارة والضغط ومعايير العملية الأخرى في وسائط الأنابيب لتحقيق التحكم التلقائي عن بعد. تعتبر خاصية النسبة المتساوية هي الأمثل، حيث توفر الاستقرار وأداء تحكم ممتاز.

(1) الميزات الهيكلية:
1. يعتمد مضخم السيرفو على تغذية راجعة سلبية ديناميكية عميقة لتحسين دقة التحكم التلقائي.
2. يأتي المشغل الكهربائي بأشكال مختلفة، مناسبة لإشارات 4-20 مللي أمبير تيار مستمر أو 0-10 مللي أمبير تيار مستمر.
3. نطاق قابل للتعديل كبير مع نسبة تعديل متأصلة تبلغ 50، يتميز بخصائص تدفق خطية ومتساوية في النسبة.
4. يمكن التحكم في صمامات التحكم الكهربائية الإلكترونية مباشرة بواسطة الإشارة الكهربائية دون الحاجة إلى مضخم سيرفو.
5. تم تصميم جسم الصمام بناء على مبادئ ميكانيكا الموائع، مع قناة تدفق منخفضة المقاومة مع زيادة بنسبة 30٪ في معامل التدفق المصنف.

(2) تصنيف هياكل صمامات التحكم الكهربائية:
تصنف صمامات التحكم الكهربائية عموما إلى هياكل ذات مقعد واحد ومقعدين مزدوجين. صمامات التحكم الكهربائية ذات المقعد الواحد مناسبة للتطبيقات التي تتطلب تسربا صارما، وفروق ضغط منخفضة قبل وبعد الصمام، وظروف عمل مع لزوجة معينة ووسط ليفي. تتميز صمامات التحكم الكهربائية ذات المقعدين بمزايا انخفاض القوة غير المتوازنة، مما يسمح بفروق ضغط كبيرة وسعات تدفق عالية، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب تسرب أقل صرامة.

(3) مبادئ عمل صمامات التحكم الكهربائية:
تتحكم صمامات التحكم الكهربائية تلقائيا في فتح الصمام بناء على الإشارات من موقع التحكم، مما يحقق تنظيم تدفق الوسط، والضغط، ومستوى السائل. باستخدام إشارة التيار 4-20 مللي أمبير المستخدمة عادة كمثال، عندما يرسل نظام التحكم إشارة 4 مللي أمبير إلى صمام التحكم الكهربائي، يكون الصمام في حالة إغلاق كامل. عندما يتم إرسال إشارة 20mA، يكون الصمام في حالة مفتوحة كاملة. تتوافق قيم الإشارة المختلفة في نطاق 4-20 مللي أمبير مع درجات فتح صمامات مختلفة، مما يسمح لنظام التحكم بتحقيق تنظيم دقيق بناء على معلمات العملية المحددة.

II. ظروف وخصائص المضخات الكهربائية وتطبيقاتها

تلعب المضخات الكهربائية، التي تعمل بالكهرباء، دورا حيويا في مختلف الصناعات. تتكون من جسم المضخة، أنبوب الرفع، قاعدة المضخة، محرك غاطس (بما في ذلك الكابلات)، وجهاز حماية للتشغيل. جسم المضخة هو الجزء العامل في المضخة الغاطسة، ويتكون من أنبوب مدخل، وغلاف دليل، وصمام فحص، وعمود مضخة، ومروحة. يمكن تثبيت المراوح على العمود بطريقتين.

يتم تركيب المروحة داخل غلاف المضخة ومثبتة بإحكام على عمود المضخة. يتم تشغيل عمود المضخة مباشرة بواسطة المحرك. في وسط غلاف المضخة، يوجد أنبوب شفط سائل. يدخل السائل المضخة عبر صمام الفحص وأنبوب الشفط. مخرج تصريف السائل على غلاف المضخة متصل بأنبوب التفريغ.

قبل تشغيل المضخة، يتم ملء غلاف المضخة بالسائل المراد نقله. بعد التشغيل، يتم دفع المروحة لتدور بسرعة عالية بواسطة العمود، ويجب أن يدور السائل بين الشفرات مع المروحة أيضا. تحت تأثير القوة الطرد المركزي، يرمى السائل من مركز المروحة إلى الحافة الخارجية، مكتسبا طاقة ويترك المروحة بسرعة عالية لتدخل غلاف المضخة الحلزونية. في الغلاف الحلزوني، يتباطأ السائل بسبب التضخم التدريجي للممر، ويتحول جزء من الطاقة الحركية إلى طاقة ضغط ساكن. وأخيرا، يتدفق إلى أنبوب التصريف بضغط أعلى ويرسل إلى الموقع المطلوب. عندما يتدفق السائل من المركز إلى الحافة الخارجية للمروحة، يتكون فراغ معين في مركز المروحة. نظرا لأن الضغط فوق مستوى السائل في خزان التخزين أكبر من الضغط عند مدخل المضخة، يتم ضغط السائل باستمرار في المروحة. طالما أن المروحة تستمر في الدوران، سيظل السائل يسحب ويخرج باستمرار.

(1) شروط الاستخدام:
1. يجب ألا تتجاوز درجة الحرارة 20 درجة مئوية.
2. يجب ألا تتجاوز نسبة كتلة الجسيمات الصلبة في السائل 0.01٪.
3. يجب أن تكون قيمة الرقم الهيدروجيني للسائل بين 6.5 و8.5.
4. يجب ألا يتجاوز محتوى أيونات الكلوريد 400 ملليغرام لكل لتر.
5. يجب تجنب التبديل المتكرر بين حالتي "تشغيل" و"إيقاف" المضخة الكهربائية.

(2) التطبيقات:
في إنتاج الصناعات الكيميائية والبترولية، المواد الخام والمنتجات شبه النهائية والمنتجات النهائية هي في الغالب سوائل. تتضمن عملية إنتاج المواد الخام إلى منتجات شبه منتهية وجاهزة عمليات معقدة. تلعب المضخات الكهربائية دورا في نقل السوائل وتوفير الضغط والتدفق للتفاعلات الكيميائية في هذه العمليات. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم المضخات الكهربائية لتنظيم درجة الحرارة في العديد من التركيبات.

في صناعات التعدين والمعادن، تعد المضخات الكهربائية أيضا أكثر المعدات استخداما. تحتاج المناجم إلى مضخات للتصريف، وتستخدم المضخات لتوفير المياه في عمليات مثل تلبيس الخام، والصهر، واللف.

في صناعة الطاقة، تحتاج محطات الطاقة النووية إلى مضخات رئيسية، ومضخات ثانوية، ومضخات ثالثية، وتحتاج محطات الطاقة الحرارية إلى عدد كبير من مضخات مياه تغذية الغلاية، ومضخات المكثفات، ومضخات نقل مختلطة للنفط والغاز، ومضخات مياه دوارة، ومضخات محلول الرماد.

في البناء الدفاعي، تحتاج المضخات لأغراض متعددة، مثل ضبط أجنحة ودفات الطائرات، وتدوير أبراج السفن الحربية والدبابات، والتحكم في طفو الغواصات. قد تتعامل المضخات مع السوائل عالية الضغط والمشعة، وبعضها يتطلب تشغيلا خاليا من التسرب.

باختصار، سواء كانت طائرات، صواريخ، دبابات، غواصات، حفر، تعدين، قطارات، سفن، أو الحياة اليومية، فإن المضخات الكهربائية مطلوبة في كل مكان وتعمل في كل مكان. لهذا السبب تصنف المضخات كآلات عامة، وتمثل فئة رئيسية من المنتجات في الصناعة الميكانيكية.

ثالثا. تنسيق تصميم صمامات التحكم الكهربائية والمضخات

تشير خصائص التدفق الجوهرية لصمامات التحكم إلى كيفية تغير منطقة التدفق الفعالة للصمام مع الفتحة. توفر أنواع مختلفة، مثل الفتح السريع، الخطي، النسبة المتساوية، والقطع الكافي، استجابات تحكم متنوعة. في الهندسة، الثلاثة الأولى هي الأكثر شيوعا، واختيار الصمام المناسب أمر حاسم للتحكم المستقر.

(1) الميزات والتطبيقات:
1. ميزة الفتح السريع: يتطلب الأمر استجابة سريعة لفتح الصمام في الحالات التي تتطلب تغييرات سريعة ضمن نطاق فتح صغير.
2. الخصائص الخطية: تغير تدفق مستمر مع فتحة ضمن نطاق فتح 0-100٪، مناسب لحلقات التحكم التي تحقق كسب نظام متعدد مثل التحكم في مستوى السائل. الفتح النسبي المفضل عند التدفق الطبيعي هو 50٪-60٪.
3. الخصائص النسبية المتساوية: زيادة طفيفة في معدل التدفق عند الفتح في فتحة صغيرة، ولكن مع زيادة فتحة الصمام، يزداد معدل التغير بسرعة. يستخدم بشكل رئيسي في مناسبات الضغط والتدفق والتحكم في درجة الحرارة. الفتح النسبي المفضل عند التدفق الطبيعي هو 70٪-80٪.

(2) دور صمامات التحكم في دوائر المضخة:
تشمل دائرة المضخة النموذجية صمام تحكم في التدفق الرئيسي، وصمام التحكم في درجة حرارة الفرع أو التدفق، وصمام تحكم خط العودة الأدنى.

يقوم صمام التحكم الرئيسي في تدفق الدائرة بضبط سعة معالجة المضخة وفقا لظروف العمل المختلفة. تأخذ الحسابات في الاعتبار ظروف التشغيل العادية، وأقصى ظروف تشغيل، وظروف وقوف المضخة.

يلبي صمام التحكم في درجة حرارة الفرع أو التدفق متطلبات المستخدم واحتياجات العملية في المراحل النهائية عن طريق تعديل معدل تدفق صمام التنظيم المثبت على كل فرع.

يتم تركيب صمام التحكم في خط الرجوع الأدنى على الحد الأدنى لخط الرجوع في المضخة ويحمي المضخة أو يفي بمتطلبات التدفق العكسي عندما يصل معدل تدفق المضخة إلى الحد الأدنى لقيمة مجموعة تدفق العودة.

(3) حساب عملية صمامات التحكم في دوائر المضخة:
يجب أولا على جميع صمامات التحكم في دائرة المضخة تلبية متطلبات الدائرة الرئيسية، وحساب معلمات صمامات التحكم في الدائرة الرئيسية، ثم حساب معلمات صمامات التحكم في الدوائر الأخرى بناء على معلمات العملية للدائرة الرئيسية في كل عقدة. الخطوات الحسابية المعتادة هي كما يلي:

1. تحديد الحلقة الرئيسية وفقا لخصائص عملية النظام. عند أقصى معدل تدفق للمضخة، بناء على الخبرة أو متطلبات المشروع، وبالنظر إلى قيمة انخفاض الضغط لصمام التنظيم على الحلقة الرئيسية، احسب معلمات العملية للمضخة واختر منحنى العمل المناسب للمضخة.
2. على الدائرة الرئيسية، بناء على منحنى العمل للمضخة المختارة والمعادلة الهيدروليكية، يتم حساب معلمات الصمام المنظم تحت ظروف العمل العادية وظروف الإغلاق.
3. على الدائرة الرئيسية للمضخة، يتم تحديد المعادلة الهيدروليكية للدائرة الفرعية للمضخة وحساب معلمات العملية لكل صمام منظم على الدائرة الفرعية تحت ظروف عمل مختلفة.
4. تحديد المعادلة الهيدروليكية لخط الرجوع الأدنى للمضخة وحساب معلمات عملية صمام التحكم في الرجوع تحت الحد الأدنى لتدفق الرجوع بناء على منحنى تشغيل المضخة.

(4) خصائص عملية صمامات التحكم في دوائر المضخة:
بالنسبة لصمامات التحكم في دوائر المضخات، عادة ما تكون لها الخصائص التالية:
1. صمام التنظيم في الطريق الرئيسي يتطلب معدل تغير كبير في معدل التدفق عند الفتح، وعادة ما يحتاج إلى تحمل انخفاض ضغط كبير. يفضل استخدام الصمامات ذات الفتح السريع المميز.
2. يحتاج صمام التنظيم على الفرع إلى التحكم في التدفق بدقة أكبر. يفضل استخدام صمام بخصائص نسبية متساوية للتحكم في نطاق تشغيل صمام التنظيم ضمن نطاق فتح صغير.
3. عادة ما يكون صمام التنظيم على خط الرجوع الأدنى معدل تدفق صغير ولا يتطلب مراقبة دقيقة في التدفق. الضغط العلوي والفرق في الضغط كبيران، مما يحمي المضخة من التلف.
4. عادة، لا يصل انخفاض الضغط في صمام التنظيم على دائرة المضخة إلى حالة تسبب انسدادا في التدفق. ومع ذلك، في بعض حالات ضغط البخار المنخفض، يتطلب الأمر تحليلا دقيقا للخصائص الفيزيائية والحالة قبل وبعد صمام التنظيم ويجب ذكره في ورقة بيانات صمام التنظيم.
5. بالنسبة لصمامات التحكم في دائرة المضخة، يكون مستوى الضوضاء عادة غير مرتفع، ولا يشترط منع الضوضاء.

في جوهر الأمر، تنسيق صمامات التحكم الكهربائية والمضخات أمر 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، يظل دمج هذه المكونات حجر الأساس لتحقيق التميز التشغيلي والموثوقية في ديناميكا الموائع.