Előszó:
A szabályozószelepek számos iparág legelterjedtebb beavatkozói, mégis sokak számára kissé ismeretlenek. Működésük megismeréséhez szükség van gépész- és irányítástechnikai szakismeretre. A velük való foglalatosság "műszeres" szakember számára olykor zsenáns, mert a 42-es csillagkulcs, vagy a daru nem minősül "műszerész" szerszámnak. Jelen cikksorozat célja, hogy a szabályozószelepekkel kapcsolatos alapismereteket széles körben, magyarul tegye elérhetővé. A cikksorozat illusztrálásához felhasznált rajzokat, képeket az Invensys Hungary Kft. bocsájtotta rendelkezésünkre.
A feladat:
A szabályozószelepek alapvető feladata, hogy egy csővezetékbe beépítve az áramlás útjába fokozatmentesen állítható ellenállást fejtsenek ki. Beállítjuk, hány százalékig legyen nyitva, a szelep pedig kinyit, éppen annyira. Éles eszűek azonnal rájönnek, hogy a szelep nem szabályoz, csak beavatkozik. A "szabályozószelep" megnevezés emiatt csalós. Vannak ugyanis pl. a hidraulikában szelepek, melyek önmagukban szabályozók. Az egy más kategória. A szabályozószelepet mi azért hívjuk így, mert legtöbbször egy szabályozó kör eleme.
Szeleptipusok:
A szabályozó szelepek három fő csoportba sorolhatóak:
Csúszószárasak, melyeknél egy tengelyirányban mozgó szár végére rögzített dugóval nyitunk-zárunk egy lyukat.
Forgószárasak, melyeknél egy tengely körül forgó elem (pl. átfúrt golyó) nyitja-zárja az áramlás útját.
Speciálisak, amelyeket szintén nem fogunk kihagyni.
Felépítés:
A szabályozó szelepek 3 fő részből állnak, mint az a baloldali ábrán mutatott csúszószáras szelepen látható. A három részelem szerves egységet alkot, csak jól összehangolva fognak tisztességesen együttműködni. Ezért is furcsa számomra, hogy bizonyos iparágakban a gépészekre tartozik a szeleptest, a villanyszerelőkre, ill. pneumatikásokra a hajtás, és a műszeresekre a pozícionáló. Ez épp olyan furcsa, mintha a kórházban más szakemberre tartozna a fül-orr-gége és másra a szem... Tessék mondani: A közös problémák kire tartoznak?
A három részelem egy hatásláncot alkot. A hatáslánc bemenő jele legtöbbször a pozícionálóra adott 4...20 mA-es vezérlőjel, a kimenő jel pedig a hajtás által mozgatott testben megváltoztatott térfogatáram. Hogy a kettő között milyen összefüggés van, alapvető jellemző, úgy hívjuk: karakterisztika.
Karakterisztikák:
A gyakorlatban három karakterisztika terjedt el, melyek a baloldali ábrán láthatóak. A kérdés az, mikor melyik a célszerű?
A lineáris:
Ha a szelepet 30%-ra állítom, a térfogatáram is a maximum 30%-a lesz. Ha 50-re, az áramlás is 50%-ra adódik. Azt mondhatjuk, hogy a szelep átviteli tényezője (erősítése) állandó. Ez hasznos olyan alkalmazásokban, ahol a körerősítés (lásd szabályozástechnikai sorozatunkat) állandósága lényeges, mert a szabályozónk úgy van beállítva, hogy a lehető leggyorsabb beállást és a legkisebb maradó hibát eredményezze. Ha egy ilyen körben a szelep erősítése munkapontfüggő lenne, a körerősítés néha úgy megnövekedhetne, hogy a kör belengéséhez vezethetne. E karakterisztika jellemző alkalmazásai pl. a tartályszint, vagy folyadék áramlás szabályozás.
Az egyenszázalékos:
Ha a szelepnek széles munkapont tartományban kell dolgoznia, fontos, hogy kis áramlásoknál finoman avatkozzon be, nagyoknál pedig erősebben. Ez olyan karakterisztikát követel, ahol a görbe meredeksége egyenletesen növekszik a nyitás függvényében. Ilyen alkalmazás a legtöbb nyomásszabályozás. Akkor is erre van szükség, ha egy túlméretezésből adódóan a szelep állandóan a kis nyitások tartományában dolgozik. Ne feledjük, hogy az ilyen szelep erősítése (dQv/dI) nagyobb nyitásnál többszöröse az alsó tartományban mérhetőnek. Ha tehát 80%-os nyitásban dolgozó szelepnél stabil a kör, valószínűleg kis nyitásoknál se lesz gond. Fordítva ez nem igaz!
A gyors nyitású:
A szelep 40%-os nyitásban már a térfogatáram 70%-át engedi át. Efölött egy telítődési jelleget láthatunk. Olyan helyen lehet erre szükség, ahol egy nagy gép (pl. turbina) indítása, leállítása a feladat. A gépre nem engedhetjük rá egy ugrásban a közeget, a mechanikai sérülések megelőzése miatt, de a karakterisztika sem igazán érdekel bennünket. Ugyanez a helyzet a biztonsági szelep-szerű (nyomás leeresztő) alkalmazásoknál.
A nyomásesés:
Mivel a szelep ellenállást fejt ki az áramló közeggel szemben, világos, hogy mögötte mindig kisebb a nyomás mint előtte. Az, hogy mennyivel lehet kisebb, nagyon fontos paraméter, főleg a két végállásban:
Nyitott végállásban az lenne a jó, ha semennyi nem esne a szelepen. Másszor meg azt szeretnénk, ha a szelep előtt lehetne 100 bar, mögötte pedig 2 bar, és a szelep szépen működne. Sajnos ezek egyetlen szeleppel nem teljesíthetőek, később látni fogjuk hogy miért. Fontossági sorrendbe kell állítani az igényeket, és annak megfelelően választani szeleptípust.
Ráadásul a nyomás nem egyenletesen csökken a szelepben, hanem ahogyan a jobboldali ábrán látható, a szelepen belül van egy pont (kb. ahol a legkisebb az átáramlási keresztmetszet), ahol a legkisebb a nyomás. Eme jelenségnek Bernoulli címszó alatt lelhetjük meg a magyarázatát, azaz minél nagyobb az áramlási sebesség, annál kisebb a nyomás. Ez folyadékok áramlásánál sok gond forrása lesz, de ezt majd később fejtjük ki.
A csúszószáras szeleptestek:
A szabályozószelepeket három csoportba oszthatjuk: Csúszószáras, forgószáras és egyéb. E részben a csúszószárassal barátkozunk, de nem feledkezünk meg a többiekről sem.
A szeleptest fő részei a jobboldali ábrán láthatóak. A szelepházba van beszerelve az ülék, ami olcsó modellekben behegesztett, jobbakban cserélhető. Az ülék nyílását a dugó nyitja-zárja. A dugó a szelepszárra van felszerelve, illetve kis méreteknél azzal egységet alkot. A szelepszárat a sapka vezeti meg, annak furatában csúszkál. Innen ered a "csúszószáras" név. A szelepszár mellett nem illendő az áramló közegnek kiszökni, ezért itt egy tömszelence van. A sapka legtöbbször külső menetes nyakkal rendelkezik, melyhez a szelep hajtása rögzíthető.
Szelepházak:
A legáltalánosabb a jobboldali rajz közepén látható 3 karimás ház. Ennél jobb, és drágább a 4 karimás, mely a kép bal szélén látható. Miért jobb? Mert a szelep kiépítése, szétszedése nélkül, az alsó lyukon át tisztítható, szemrevételezhető. A negyedik karima sokszor arra is szolgál, hogy a dugón átnyúló szelepszáras konstrukciónál a szelepszárat megvezesse alul is. Ezáltal a szelepszár jobban bírja az áramlásból eredő erőket, nem hajladozik, tovább tart. Ha trutyis a közeg, ez a megoldás nem nyer, mert az alsó megvezetés megszorul... A jobboldalon egy sarokszelep látható. A ház kisebb, egyszerűbb, és a közegnek csak egyszer kell kanyarodni benne.
A szelepházak készülnek karimás és behegeszthető végekkel. Mivel a szelep drága játék, meggondolandó a behegeszthető kivitel választása... A szelepházak egyszerű szénacéltól kezdve a rozsdamentes anyagok során át az egzotikus és méregdrága ötvözetekig sokféle anyagból készülnek. Kis anyagkülönbség nagy élettartam- és árkülönbséget jelenthet!
Dugók és ülékek:
A legegyszerűbb a gyűrű alakú ülék, és a beleülő "parabolikus" profilú dugó. A dugó profilja határozza meg a szeleptest karakterisztikáját. A baloldali kép bal szélén egy gyors nyitású, mellette egy egyenszázalékos dugó látható. A harmadik dugó az alul megvezetett tipus (4 karimás házba) mellette már bonyolódik a helyzet, ott olyan szelepszár látható, melyen két dugó van. Ennek az az értelme, hogy a két dugó közé adjuk a bemenetet, az áramlás kétfelé válik. Az egyik dugót fel- a másikat lefelé nyomja az áramló közeg illetve a nyomáskülönbség, a szelepszárra szerelt hajtásnak így nem kell nagy erőt kifejteni.
A jobboldali dugó, és a hozzávaló ülék is érdekes: Itt nem egy furatba nyomuló kúppal van dolgunk, hanem egy perforált hengerbe becsúszó másik hengerrel. Minél több lyuk marad szabadon, annál szabadabb az áramlás. Ez az elrendezés az áramlást ezer apró ágra szakítja, így csökken a szelep zaja és kopása. Nagy átmérőknél általában ez a járatos módszer. Itt az üléket kalickának, ketrecnek szokták nevezni.
Az ülék-zárótest párok terén igen sokféle elrendezéssel találkozhatunk, de csodákkal nem. Ugyanazt a műszaki megoldást minden gyártó máshogy nevezi, de a műszaki paraméterek igen hasonlóak. Nagyon fontos viszont az anyagminőség. Mivel az ülék és a zárótest van kitéve a legerősebb koptató hatásnak, nem mindegy miből készülnek. A választék nagy, a sima rozsdamentes acéltól a kerámiáig sokféle anyaggal találkozhatunk, melyek vegyszer- és kopásállóságban különböznek. Gondot jelent, hogy a speciális ötvözeteket a gyártók egyedi fantázianevekkel láthatják el, így azután a felhasználónak nem sok esélye marad a bölcs mérlegelésre. Az ülékeknél előfordulnak lágy anyagok is, melyekkel jobb tömörzárás érhető el.
Sapkák:
Az ábra baloldalán látható egy normál sapka, középen egy nyújtott kivitel. Erre akkor van szükség, ha nagyon magas, vagy nagyon alacsony hőmérsékletű közeggel kell dolgozni. Vannak olyan kivitelek is, melyeken hűtőborda található. A jobboldali sapka különlegessége, hogy a szelepszár tömítését nem tömszelencével, hanem egy csőrugós membránnal (szilfon) oldja meg. Akkor van erre szükség, ha olyan közeg áramlik a szelepben, amiből semennyi nem szivároghat ki a levegőbe. A csőmembrán felső vége a szelepszárra van hegesztve, alsó vége a sapka és a ház közé van szorítva. A szilfonos kivitelnél célszerű egy lyukadásérzékelőt is beépíteni. Ez egy nyomáskapcsoló, ami a szilfon és a nyak közötti tér nyomását figyeli.
Tömszelencék:
A szelepszár és a sapka közötti tömítést végző tömszelence általában több, egymás felett elhelyezett tömítőgyűrűből áll. A gyűrűk anyaga általában teflon, grafitos teflon, grafit, azbeszt (ejnye...) vagy hasonló. Profiljuk négyzet, de gyakori a "V" profil is, ami karmanyúként feszül a szelepszárra. Hogy melyiket használjuk, az a közeg tipusának és hőmérsékletének függvénye. A gyűrűket - jobb szelepekben rugón keresztül - egy korong szorítja le. A rugó a gyűrűk kopása esetén is feszesen tartja a tömszelencét. Léteznek összetett tömszelencék is, melyek kevésbé szivárognak. A megengedhető szivárgást egyébként szabvány írja elő, és kultúrhelyeken ellenőrizni is szokták... Persze egy erőműben egy kis gőzszivárgás miatt nem esnek kétségbe, de egy klórgyárban már nem tréfa a dolog. A szelepszárak és a sapkák belmérete egyébként tipizált, így néhány méretben elegendő tömszelencéket raktározni. Igénytelenebb helyeken megfelelő lehet, ha a tömszelencét teflonzsinórral tekeri tele a karbantartó, de szerintem nem ez az a terület ahol takarékoskodni lehet és érdemes.
Megvezetés:
A szelepszárnak és az üléknek abszolút egytengelyűnek kell lenni, különben a tömörzárás nem elképzelhető. Ehhez a szelepszárat és a dugót minél jobban meg kell vezetni. A baloldali ábrán láható néhány megvezetési mód. Sokféle konstrukció lehetséges, általánosságban elmondható, hogy a dugóhoz minél közelebb kell megfogni, hogy az áramlás ne mozgathassa oldalra azt. Ha a megvezetés kikopott, a szelepszár oldalra lötyög, szétverik egymást azok az alkatrészek, melyeknek finoman kellene illeszkedniük egymáshoz.
Kiegyensúlyozás:
Bizonyos szelepelrendezéseknél a testben három tér különíthető el: a belépő oldali, a kilépő oldali és a dugó feletti tér. Ezekben a nyomás különbözik. A dugó feletti térben levő nyomás befolyásolja a dugóra tengelyirányban ható erőt. Ennek csökkentése érdekében a dugó felső lapját átfúrják, így a dugó feletti térben a kilépő- és a belépő közötti nyomás alakul ki. Ezen a furaton persze nem áramlik a közeg, mert a tér zárt, tehát nem tettük tönkre a szelepet. :o) A jobboldali ábrán pirossal jelöltük a furatot, a könnyebb megtalálás érdekében. A kiegyensúlyozás e furat(ok) meglétét jelenti tehát, nem pedig valamiféle centírozást.