Az eddigi részekben mindig a csúszószáras szelepekről volt szó, most ejtsünk szót a másik nagy családról, a forgószáras szelepekről!
Pillangók:
A forgószáras szelepek egyik legelterjedtebbike a pilangószelep, amit a jobboldali fotón láthatunk. Működési elve az, hogy egy lemezkorongot az átmérője mentén közel 90 fokban elforgatunk egy csőben. E szelepek elfordulás-áteresztés karakterisztikája kb. egyenszázalékos, tehát nyomásszabályozásra is alkalmas.
Előnyök:
- kis helyre beépíthető
- karimák közé szorítható
- kevés anyag van benne, így olcsóbb
- nyitott állapotban kevés nyomás esik rajta
- puha ülékkel jó tömörzárás.
Hátrányok:
- nagy nyomatékú hajtás kell hozzá
- zárt állapot közelében zajos
- nagyon nagy nyomásokra nem alkalmazható
A valós pillangószelepek ettől sokban eltérnek: A "lemez" azaz a zárótest nem sík, hanem speciálisan méretezett, így egészen 90 fokig el lehet fordítani a csőben, csökkentve a közegellenállást. Sokszor az alakja sem kör, és a forgástengelye sem a zárótest átmérője, hanem egyszeresen vagy többszörösen excentrikus. Ezzel elérhető, hogy a zárt helyzet közelében a zárótest nem gyűri össze az ülék puha anyagát (gumi, teflon, stb.) hanem gyorsan eltávolodik tőle.
Pillangószelepek igen nagy átmérőkig készíthetők, és minél nagyobb a csőátmérő, annál nagyobb lesz a pillangó árelőnye a csúszószárasokkal szemben.
Gömbcsapok:
Ahol az áramlási sebesség nem túl nagy, a gömbcsap-szerű szelepekkel (baloldali kép) is jól szabályozhatunk. A golyós szelepek előnyei közé sorolhatjuk még a jó tömörzárást és a nagy átfogást is. (Egészen pici nyitásokra is képes, és teljes nyitásban nem esik rajtuk nyomás!) Kialakítása miatt alkalmas nagy viszkozitású anyagok, masszák, zagyok áramlásszabályozására, mivel nincsenek benne olyan terek ahová ezek beülhetnének. A golyót minden nyitás-zárásnál letörli az ülék, akárcsak szemgolyónkat a szemhéj pislogáskor.
A golyó anyaga legtöbbször fém, az ülék (amiben forog) lehet műanyag és fém is. Ez a közeg, a nyomás és a hőmérséklet függvénye.
Módosított golyók:
A golyós szelepek egyik hátránya a szabálytalan karakterisztika. Ezen lehet segíteni, ha a zárótestbe nem sima furatot, hanem áramlástanilag méretezett átömlő nyitást készítenek. Ezzel a módszerrel megőrizhető a törlő hatás, és a tömörzárás is csak egy kevéssé romlik. Az efféle v-kivágású golyókkal meglehetősen korrekt egyenszázalékos karakterisztikákat produkálnak, viszont teljes nyitásban nem biztosítanak teljes átömlést, azaz nyomás esik rajtuk. Gömbszeletek:
Számos gyártónál találkozhatunk olyan konstrukcióval, ahol a golyónak csak egy szeletét használják zárótestként, és azt egy acél tartóval együtt forgatják. Ennek előnye, hogy lehetővé válik a teljes átömlési keresztmetszet biztosítása, azaz a kis nyomásesés. Ennek meg kell fizetni az árát is: A szeleptest már nem holttér mentes, azaz lerakódásra hajlamos anyagok gondot okozhatnak.
A megoldás lehetővé teszi, hogy - miként a baloldali ábrán is - a zárótestet cserélhetőre készítsék. Koptató közegeknél ez nagy előny, mert a javítás sokkal kevesebbe kerül.
A forgószáras szelepek régebben nem nagyon terjedtek el kritikus alkalmazásokban. Az anyagtechnológiák fejlődése azonban folyamatosan szélesíti ki az ezekkel megoldható feladatok körét, teret hódítva a robosztus ámde drága csúszószáras konstrukcióktól. Buktatók a szabályozószelep test kiválasztásban
Ezt a feladatot - az élet szülte kényszerből kifolyólag - sokszor nem áramlástani szakértők végzik. Ilyen esetekben jól jöhet az a néhány alapvető ismeret, amire ez alkalommal sort kerítünk. Tapasztalataim szerint egyes (korrektebb) szelepszállítók egy árajánlat kiadása előtt rengeteg "tudálékos" kérdést tesznek fel, mások bezzeg csípőből ajánlatot adnak. Nagy valószínűséggel az utóbbi ajánlat lesz az olcsóbb. Nézzünk néhány olyan jelenséget, melynek kivédéséhez elengedhetetlenek azok a fránya kérdések!
Szuperszónikus szabályozószelepek nincsenek!
Az egyik előző részben említettük, hogy a teljesen nyitott szelepen is nyomás esik, miközben átáramlik rajta a közeg. Ennek oka az áramlási keresztmetszet csökkenése. Emiatt a csúszószárasokon elég nagy nyomás esik, a pillangókon, golyósszelepeken sokkal kisebb. A nyomásesés arányos az átfolyó közeg térfogatáramának négyzetével és a közeg sűrűségével. Ez azt jelentené, hogy egy adott szelepnél és közegnél a nyomásesés-térfogatáram karakterisztika egy parabola lenne. Az átáramló mennyiséget tetszésünk szerint növelhetnénk, csupán a szelep előtt és után levő nyomások különbségét kellene növelni.
Sajnos nem így van! Mivel a szelep belsejében kisebb a keresztmetszet mint a szelep előtt vagy után, odabenn az áramlási sebesség jóval nagyobb. Elérhető az az állapot, mikor a szelepben a gáz a hangsebességet közelítő sebességgel áramlik. Ezt a sebességküszöböt a közeg nem tudja átugrani. Hiába növeljük a nyomáskülönbséget, a szelep telítődésbe megy át, és a mennyiség állandó marad. Hurrá, feltaláltunk egy áramlásszabályozót! Ez a szelep ezután úgy működik, mint egy áramgenerátor: Hiába növeljük a tápfeszültséget, a kimenő áram konstans marad... (A jelenséget fojtott áramlásnak "choked flow" nevezik.)
A volt-nincs buborékok esete a szeleppel
Kiskoromban mindig kérdeztem öreganyámat, miért kell a bablevest kuktában főzni. Azt mondta: "Mert hamarabb megfő." Hiába kérdeztem hogy miért, használható választ csak később fizikaórán kaptam, amikor megtudtam hogy a folyadékok forráspontja függ a nyomástól. Jó ezt tudni a szelepvásárlóknak is. Az előző pontban láttuk, hogy a szelep belsejében felgyorsul az áramlás, azaz csökken a nyomás. Ha a szelepünkben folyadék áramlik, előfordulhat - főleg részben zárt szelepnél - hogy a nyomás annyira leesik, hogy a közeg odabenn felforr! Ez milliónyi buborék villámgyors keletkezésével jár, majd e buborékok a közeg lassulásakor bekövetkező nyomásnövekedés hatására összeroppannak és újból folyadékká válnak. Volt-nincs buborék! Odabenn ez a folyamat azonban milliónyi apró robbanást jelent, ami a szelep érintett alkatrészeit meglepő gyorsasággal lepusztítja. Ez a jelenség a kavitáció "cavitation", a tartalékalkatrész kereskedők imádott bálványa.
Tartósan kis nyitásban üzemelő folyadékszelepeknél a kavitáció gyakori vendég. Ilyenkor tanácsos egy soklyukú torlótárcsát (köznyelven húsdarálótárcsa) beépíteni a szelep után. A nyomás egy része ezen fog esni, a szelep jobban kinyithat...
A pezsgőfürdő készítő szelep
Az előbbi szelepben dúló kavitációnak azonnal véget vethetünk, ha a szelep mögötti nyomást nem engedjük viszaemelkedni a gőznyomás fölé. Ekkor a buborékok megmaradnak és a közeggel együtt távoznak, mintha csak pezsgőfürdőt akarnánk táplálni. Ez a jelenség is eszi a szelepalkatrészeket, de korántsem annyira mint a kavitáció. Ezt kiforrásnak "flashing" nevezi a szakirodalom. Hogy mi tette tönkre a szelepünk dugóját, a roncsolt felület jellegéből megállapíthatjuk: Ha a kopási felület szemcsés, apró kráterekkel borított, akkor kavitációval, ha szép fényesre "kopottnak" tűnik, akkor kiforrással van dolgunk. Az első esetben azonnali akcióra van szükség, a kiforrás azonban hosszabb távon elviselhető.
A lármás szelep
Egy szabályozószelep ezerféle zajt kelt: A mechanikus részek egymáshoz verődnek vagy rezonálnak, a kavitációs buborékok keletkeznek-összeroppannak, stb. Az összes zajok közül mégis az aerodinamikai "fütyülés" a legjelentősebb. Erről annyit feltétlenül tudni kell, hogy egy nyílás által gerjesztett zaj a keresztmetszet négyzetével arányos. Tehát ha 1 db, 50 cm2-es furat helyett 2 db 25 cm2-es furatot teszünk a szelepbe, a kettő együtt is kisebb zajt kelt! Sokkal jobb megoldást nyerünk tehát, ha az áramlást sok-sok apró furaton eresztjük át egy nagy helyett.
Védekezés:
Fenti jelenségek ellen sok műszaki megoldás van (lásd a baloldali ábrát), mindegyik drágítja a szelepet. Ez (is) oka lehet annak, ha két ajánlat között meglepően nagy árkülönbség van. Ne kapkodjuk el a döntést!