Соленоидный (электромагнитный) клапан
25 Jun 2021 в 10:29
Конструкция соленоидных клапанов прямого действия
Строение и работа
Базовое устройство простого соленоидного клапана может быть представлено следующим образом: катушка (1) установлена на трубке сердечника (2), внутри которой находится сердечник(3), которое под давлением пружины (4) прилегает к сиденью клапана (5). При подаче напряжения на катушку, внутри которой и, следовательно, внутри трубки сердечника формируется электромагнитное поле. Под действием этого поля сердечник поднимается, открывая проход для жидкости через седло клапана.
Таким образом, эти клапаны работают за счет электромагнитного поля, создаваемого катушкой. Катушку часто называют "соленоидом", отсюда и название "соленоидный" или "электромагнитный" клапан. Поскольку электромагнитное поле катушки напрямую воздействует на сердечник, перекрывающее проход клапана, такие клапаны называют "клапаны прямого действия".
Проблема в создании соленоидных клапанов прямого действия проявляется при увеличении их размера для обеспечения большего потока жидкости: это вызывает резкое возрастание силы втягивания катушки, которая нужна для подъёма сердечника и открытия клапана.
Работа соленоидных клапанов непрямого действия
Чтобы снизить энергопотребление соленоидных клапанов больших размеров и обеспечить работу при больших давлениях, была разработана схема электромагнитного клапана непрямого действия. В таких клапанах основной проход перекрывается мембраной, которая прижимается к сиденью. Открытие клапана происходит благодаря подъему мембраны, основанному на реорганизации давления рабочей жидкости в области над мембраной и под мембраной.
В исходном состоянии, пока напряжение на катушке клапана не подано, рабочая жидкость внутри клапана проходит через малое перепускное отверстие в мембране и поднимается в область над мембраной. Площадь поверхности мембраны, с которой взаимодействует жидкость, в зоне над мембраной больше, чем в зоне под мембраной. Сила, возникающая при равенстве давлений, прижимает мембрану к сиденью клапана. Именно перепускное отверстие является ключевым элементом, влияющим на работу электромагнитного клапана.
При подаче напряжения на катушку, сердечник поднимается, и жидкость из зоны над мембраной через пилотное отверстие начинает поступать на выход клапана. Поскольку пилотное отверстие больше перепускного отверстия, давление над мембраной снижается, и мембрана поднимается, открывая основной проход.
Эта конструкция требует разницы давлений между входом и выходом, как правило, не менее 0,3 – 0,5 бара. Без разницы давления клапан не может работать.
Включение напряжения на катушку поднимает сердечник и открывает пилотное отверстие, в результате чего давление над мембраной и сила упругости сжатой пружины становятся меньше давления жидкости под мембраной, и из-за этого мембрана остается поднятой, а клапан остается открытым. При обесточивании катушки, сердечник под действием пружины опускается и перекрывает пилотное отверстие, и давление над мембраной возрастает, что прижимает мембрану к сиденью, и перекрывает проход жидкости через клапан.
Соответствующим образом, в процессе закрытия клапана, как можно увидеть на рисунке е, мембрана тесно соприкасается с седлом благодаря давлению гидрофлюида и различия площади влажной поверхности мембраны.
В описываемом процессе, когда электромагнитный клапан открывается, мембрана поднимается под воздействием жидкости, так называемым "парусом". Поэтому такой дизайн клапанов часто именуют соленоидными клапанами с "парящей" мембраной.
Описанный принцип работы характерен для нормально закрытых (НЗ) электромагнитных клапанов. Нормально открытые (НО) электромагнитные клапаны созданы похожим образом, но подводимое отверстие в начальном состоянии открыто и затворяется при наплыве тока на катушку. Мембрана этих кранов также поднимается под действием давления жидкости. Если перепад давления ΔP ниже минимального допустимого ΔPмин, то мембрана будет затворять вентиль, но подводимое отверстие все еще будет открыто. Поэтому при ΔP < ΔPмин НО клапан останется открытым, но пропускная способность через него будет весьма снижена, по сравнению с рабочим режимом, когда ΔP > ΔPмин.
Электромагнитные клапаны с плавающей мембраной корректно работают при ΔPмин < ΔP < ΔPмакс. При ΔP < ΔPмин клапаны работают, но расход рабочей среды через них намного меньше номинального.
Есть еще один распространенный тип конструкции электромагнитных клапанов косвенного действия - клапаны с принудительно поднимающейся мембраной, изображенных на последующем рисунке. Принцип работы этих клапанов аналогичен ранее рассматриваемым.
В исходном состоянии (см. рисунок а) электричество на катушку крана не подключено. Вода, поступившая во вход крана через маленькое отверстие, просачивается в место над мембраной и придавливает мембрану к седлу крана.
Подача электричества на катушку (см. рисунок б) способствует взлету сердечника. Через подводимое отверстие, вода начинает подаваться на выход крана и давление над мембраной уменьшается.
Мембрана взлетает из-за разницы давления сверху и снизу, открывая основное сечение соленоидного крана (см. рисунок в).
В отличие от ранее рассмотренных клапанов, электромагнитные клапаны с принудительным подъемом мембраны могут функционировать без перепада давления (ΔP = 0 бар). В таких условиях, взлет мембраны происходит благодаря трассе электромагнитной катушки, смыкающей сердечник. Сердечник поднимает мембрану, связанную с сердечником пружиной.
Способность этих клапанов действовать без перепада давления привела к общему заблуждению, что их можно назвать клапанами прямого действия. Ответственное обозначение - соленоидные клапаны с принудительно поднимающейся мембраной - мотивировано тем, что при отсутствии давления, мембрана поднимается принудительно (вне зависимости от рабочей жидкости) благодаря силе, создаваемой электромагнитным полем катушки.
Были просмотрены три наиболее часто используемые дизайна клапанов с электромагнитным двигателем. Однако, все они обладают следующими общими характеристиками:
* рабочая жидкость, проходящая через клапан, располагается вокруг сердечника крана, внутри внутренней трубки сердечника;
* внутри находится как минимум одно маленькое отверстие, критически важное для функционирования крана;
* большая часть электромагнитных клапанов косвенного действия, оснащена мембраной из гибкого материала. Обычно это одна из разновидностей резины: NBR – нитрил-бутадиеновая, EPDM – этилен-пропиленовая или FPM - фтор-вмещающая.
Ограничения использования соленоидных клапанов
Рабочая жидкость, проходящая через клапан, располагается около сердечника клапана и внутри трубы сердечника.
Если через клапан проходит большей части чистая и однородная среда без примесей, это в меньшей степени влияет на функционирование самого соленоидного клапана. Однако, в случаях, когда среда загрязнена и включает в себя мелкодисперсные элементы (например, вода с примесями ржавчины), эти частицы со временем оседают на сердечнике и стенках трубы сердечника. Испачканность трубы сердечника может вызвать заедание сердечника внутри неё, что приводит к приклеиванию клапана (см. след. рисунок). В итоге соленоидный клапан может оставаться либо в открытом, либо в закрытом состоянии.
(Заклинивание сердечника клапана вследствие загрязнения)
Также непосредственный контакт рабочей жидкости с трубой сердечника обеспечивает отличный теплообмен между ними. Итак, если через соленоидный клапан проходит горячая среда (пар или горячая вода), то сердечник нагревается, что приводит к нагреванию катушки и ускоренному старению изоляции между обмотками. Обычно катушки соленоидных клапанов, предназначенных для работы с паром, имеют высокий класс термической устойчивости изоляции (F или H). Несмотря на это, перегрев и последующее сгорание катушки парового клапана не являются необычными и встречаются достаточно часто.
Когда через соленоидный клапан проходит холодная среда (например, охлажденный раствор пропиленгликоля), труба сердечника охлаждается до температуры ниже окружающей среды. Это ведет к конденсации, под действием которой ржавеют металлические части катушки и нарушается целостность изоляционного покрытия (см. след. рисунок). В конечном итоге, влажность проникает внутрь катушки, вызывает увеличенное энергопотребление, а со временем, и прорыв изоляции.
(Повреждение катушки под воздействием агрессивной окружающей среды)
Для предотвращения этого явления следует минимизировать конденсацию на клапанах (например, снижая влажность воздуха в цехе). Если невозможно полностью исключить конденсацию, можно добиться значительного снижения ее негативного влияния, используя клапаны, катушка которых имеет защиту от влаги. Если и это не возможно, необходимо вручную обеспечить герметичность уязвимых участков катушки, защищая их от попадания конденсата.
Внутри клапана находится как минимум одно небольшое отверстие, критически важное для работы всего клапана.
Для соленоидных клапанов прямого действия это основное проходное отверстие, имеющее малый диаметр; для соленоидных клапанов непрямого действия это сквозное и пилотное отверстия. Блокировка этих отверстий ведет к нарушению нормальной работы соленоидного клапана. Как правило, это не вызывает необратимых разрушений конструкции, и подобные неполадки можно легко устранить путем очистки клапана. Но очистка внутренних частей клапана требует его разборки, что невозможно без остановки его работы.
Таким образом, чистота рабочей жидкости является одним из самых важных факторов, способствующих долговечной и надежной работе соленоидных клапанов.
Большая интересующая нас часть электромагнитных клапанов косвенного действия имеют мембрану из гибкого материала.
Ранее было отмечено, что соленоидные клапаны предназначены для работы с чистыми средами. Наличие в среде крупных загрязнений может привести не только к засорению клапана, но и к разрыву мембраны, что потребует ее замены.
При возникновении в системе гидроударов также возможно повреждение мембраны из-за кратковременного превышения допустимого давления.
Энергия среды, проходящей через клапан, является ключевым фактором для таких процессов, как открытие клапана, а также его герметичность в закрытом состоянии. По этой причине, соленоидные клапаны непрямого действия работают только в одном направлении - правильное функционирование обеспечивается только при протекании среды от входа до выхода. Подходящее направление подачи среды показано на рисунке 6. Если при установке клапана вход и выход перепутают, то рабочая среда будет попадать только в зону под мембраной, что вызовет "передавливание" пружины и автоматическое открытие клапана (см. след. рисунок).
Определить правильное положение при монтаже можно по стрелке на корпусе клапана
Однако, даже при корректном направлении потока жидкости, конструкция с мембраной может вызывать проблемы в процессе эксплуатации. Проблемы обычно возникают в момент подачи жидкости на вход клапана или при резком изменении давления газообразных сред.
Это происходит потому что перепускное отверстие в мембране обычно имеет очень маленький размер. Жидкость, проходящая через него, не в состоянии мгновенно заполнить все пространство над мембраной клапана (см. след. рисунок а). В этот момент давление жидкости под мембраной становится больше, чем давление жидкости над ней. Это приводит к поднятию мембраны и автоматическому открытию электромагнитного клапана. Клапан останется открытым до тех пор, пока жидкость не заполнит область над мембраной через перепускное отверстие (см. след. рисунок б). После завершения этого процесса давление над и под мембраной клапана уравновешивается и клапан закрывается (см. след. рисунок в).
Время, в течение которого клапан остается открытым в данном переходном процессе, зависит от многих факторов, но даже для больших клапанов это время редко превышает 1...2 с. Однако, за это время через клапан может пройти несколько литров жидкости.
Несмотря на то, что давление среды обычно не выходит за пределы рабочего диапазона, клапан может подвергаться повышенным ударным нагрузкам. Повторяющиеся подобные ситуации при использовании могут привести к износу мембраны и пружины клапана, а со временем - к их поломке.
Ключевые особенности эксплуатации соленоидных клапанов
* Соленоидные клапаны разработаны для работы с чистыми, однородными средами. Загрязненная среда может вызывать нарушение работы клапана, а иногда - и его неисправность.
* Внедрение соленоидных клапанов для управления потоком среды, с температурой отличающейся от температуры окружающей среды, имеет свои особенности и требует учета при выборе клапана и его эксплуатации.
* Направление подачи среды в электромагнитный клапан является критически важным. Соленоидный клапан следует понимать как устройство, работающее только в одном направлении, если иное не указано в технической документации.
Несмотря на то, что были рассмотрены только наиболее распространенные факторы, ограничивающие использование соленоидных клапанов, может возникнуть ощущение, что соленоидный клапан является источником проблем и частых неисправностей. Однако, это не так. Электромагнитные клапаны являются надежными устройствами для управления потоком жидкости или газа при соблюдении условий эксплуатации.
Категория: КИПиА
Случайная статья: Что такое протокол HART?
Конструкция соленоидных клапанов прямого действия
Строение и работа
Базовое устройство простого соленоидного клапана может быть представлено следующим образом: катушка (1) установлена на трубке сердечника (2), внутри которой находится сердечник(3), которое под давлением пружины (4) прилегает к сиденью клапана (5). При подаче напряжения на катушку, внутри которой и, следовательно, внутри трубки сердечника формируется электромагнитное поле. Под действием этого поля сердечник поднимается, открывая проход для жидкости через седло клапана.
Таким образом, эти клапаны работают за счет электромагнитного поля, создаваемого катушкой. Катушку часто называют "соленоидом", отсюда и название "соленоидный" или "электромагнитный" клапан. Поскольку электромагнитное поле катушки напрямую воздействует на сердечник, перекрывающее проход клапана, такие клапаны называют "клапаны прямого действия".
Проблема в создании соленоидных клапанов прямого действия проявляется при увеличении их размера для обеспечения большего потока жидкости: это вызывает резкое возрастание силы втягивания катушки, которая нужна для подъёма сердечника и открытия клапана.
Работа соленоидных клапанов непрямого действия
Чтобы снизить энергопотребление соленоидных клапанов больших размеров и обеспечить работу при больших давлениях, была разработана схема электромагнитного клапана непрямого действия. В таких клапанах основной проход перекрывается мембраной, которая прижимается к сиденью. Открытие клапана происходит благодаря подъему мембраны, основанному на реорганизации давления рабочей жидкости в области над мембраной и под мембраной.
В исходном состоянии, пока напряжение на катушке клапана не подано, рабочая жидкость внутри клапана проходит через малое перепускное отверстие в мембране и поднимается в область над мембраной. Площадь поверхности мембраны, с которой взаимодействует жидкость, в зоне над мембраной больше, чем в зоне под мембраной. Сила, возникающая при равенстве давлений, прижимает мембрану к сиденью клапана. Именно перепускное отверстие является ключевым элементом, влияющим на работу электромагнитного клапана.
При подаче напряжения на катушку, сердечник поднимается, и жидкость из зоны над мембраной через пилотное отверстие начинает поступать на выход клапана. Поскольку пилотное отверстие больше перепускного отверстия, давление над мембраной снижается, и мембрана поднимается, открывая основной проход.
Эта конструкция требует разницы давлений между входом и выходом, как правило, не менее 0,3 – 0,5 бара. Без разницы давления клапан не может работать.
Включение напряжения на катушку поднимает сердечник и открывает пилотное отверстие, в результате чего давление над мембраной и сила упругости сжатой пружины становятся меньше давления жидкости под мембраной, и из-за этого мембрана остается поднятой, а клапан остается открытым. При обесточивании катушки, сердечник под действием пружины опускается и перекрывает пилотное отверстие, и давление над мембраной возрастает, что прижимает мембрану к сиденью, и перекрывает проход жидкости через клапан.
Соответствующим образом, в процессе закрытия клапана, как можно увидеть на рисунке е, мембрана тесно соприкасается с седлом благодаря давлению гидрофлюида и различия площади влажной поверхности мембраны.
В описываемом процессе, когда электромагнитный клапан открывается, мембрана поднимается под воздействием жидкости, так называемым "парусом". Поэтому такой дизайн клапанов часто именуют соленоидными клапанами с "парящей" мембраной.
Описанный принцип работы характерен для нормально закрытых (НЗ) электромагнитных клапанов. Нормально открытые (НО) электромагнитные клапаны созданы похожим образом, но подводимое отверстие в начальном состоянии открыто и затворяется при наплыве тока на катушку. Мембрана этих кранов также поднимается под действием давления жидкости. Если перепад давления ΔP ниже минимального допустимого ΔPмин, то мембрана будет затворять вентиль, но подводимое отверстие все еще будет открыто. Поэтому при ΔP < ΔPмин НО клапан останется открытым, но пропускная способность через него будет весьма снижена, по сравнению с рабочим режимом, когда ΔP > ΔPмин.
Электромагнитные клапаны с плавающей мембраной корректно работают при ΔPмин < ΔP < ΔPмакс. При ΔP < ΔPмин клапаны работают, но расход рабочей среды через них намного меньше номинального.
Есть еще один распространенный тип конструкции электромагнитных клапанов косвенного действия - клапаны с принудительно поднимающейся мембраной, изображенных на последующем рисунке. Принцип работы этих клапанов аналогичен ранее рассматриваемым.
В исходном состоянии (см. рисунок а) электричество на катушку крана не подключено. Вода, поступившая во вход крана через маленькое отверстие, просачивается в место над мембраной и придавливает мембрану к седлу крана.
Подача электричества на катушку (см. рисунок б) способствует взлету сердечника. Через подводимое отверстие, вода начинает подаваться на выход крана и давление над мембраной уменьшается.
Мембрана взлетает из-за разницы давления сверху и снизу, открывая основное сечение соленоидного крана (см. рисунок в).
В отличие от ранее рассмотренных клапанов, электромагнитные клапаны с принудительным подъемом мембраны могут функционировать без перепада давления (ΔP = 0 бар). В таких условиях, взлет мембраны происходит благодаря трассе электромагнитной катушки, смыкающей сердечник. Сердечник поднимает мембрану, связанную с сердечником пружиной.
Способность этих клапанов действовать без перепада давления привела к общему заблуждению, что их можно назвать клапанами прямого действия. Ответственное обозначение - соленоидные клапаны с принудительно поднимающейся мембраной - мотивировано тем, что при отсутствии давления, мембрана поднимается принудительно (вне зависимости от рабочей жидкости) благодаря силе, создаваемой электромагнитным полем катушки.
Были просмотрены три наиболее часто используемые дизайна клапанов с электромагнитным двигателем. Однако, все они обладают следующими общими характеристиками:
* рабочая жидкость, проходящая через клапан, располагается вокруг сердечника крана, внутри внутренней трубки сердечника;
* внутри находится как минимум одно маленькое отверстие, критически важное для функционирования крана;
* большая часть электромагнитных клапанов косвенного действия, оснащена мембраной из гибкого материала. Обычно это одна из разновидностей резины: NBR – нитрил-бутадиеновая, EPDM – этилен-пропиленовая или FPM - фтор-вмещающая.
Ограничения использования соленоидных клапанов
Рабочая жидкость, проходящая через клапан, располагается около сердечника клапана и внутри трубы сердечника.
Если через клапан проходит большей части чистая и однородная среда без примесей, это в меньшей степени влияет на функционирование самого соленоидного клапана. Однако, в случаях, когда среда загрязнена и включает в себя мелкодисперсные элементы (например, вода с примесями ржавчины), эти частицы со временем оседают на сердечнике и стенках трубы сердечника. Испачканность трубы сердечника может вызвать заедание сердечника внутри неё, что приводит к приклеиванию клапана (см. след. рисунок). В итоге соленоидный клапан может оставаться либо в открытом, либо в закрытом состоянии.
(Заклинивание сердечника клапана вследствие загрязнения)
Также непосредственный контакт рабочей жидкости с трубой сердечника обеспечивает отличный теплообмен между ними. Итак, если через соленоидный клапан проходит горячая среда (пар или горячая вода), то сердечник нагревается, что приводит к нагреванию катушки и ускоренному старению изоляции между обмотками. Обычно катушки соленоидных клапанов, предназначенных для работы с паром, имеют высокий класс термической устойчивости изоляции (F или H). Несмотря на это, перегрев и последующее сгорание катушки парового клапана не являются необычными и встречаются достаточно часто.
Когда через соленоидный клапан проходит холодная среда (например, охлажденный раствор пропиленгликоля), труба сердечника охлаждается до температуры ниже окружающей среды. Это ведет к конденсации, под действием которой ржавеют металлические части катушки и нарушается целостность изоляционного покрытия (см. след. рисунок). В конечном итоге, влажность проникает внутрь катушки, вызывает увеличенное энергопотребление, а со временем, и прорыв изоляции.
(Повреждение катушки под воздействием агрессивной окружающей среды)
Для предотвращения этого явления следует минимизировать конденсацию на клапанах (например, снижая влажность воздуха в цехе). Если невозможно полностью исключить конденсацию, можно добиться значительного снижения ее негативного влияния, используя клапаны, катушка которых имеет защиту от влаги. Если и это не возможно, необходимо вручную обеспечить герметичность уязвимых участков катушки, защищая их от попадания конденсата.
Внутри клапана находится как минимум одно небольшое отверстие, критически важное для работы всего клапана.
Для соленоидных клапанов прямого действия это основное проходное отверстие, имеющее малый диаметр; для соленоидных клапанов непрямого действия это сквозное и пилотное отверстия. Блокировка этих отверстий ведет к нарушению нормальной работы соленоидного клапана. Как правило, это не вызывает необратимых разрушений конструкции, и подобные неполадки можно легко устранить путем очистки клапана. Но очистка внутренних частей клапана требует его разборки, что невозможно без остановки его работы.
Таким образом, чистота рабочей жидкости является одним из самых важных факторов, способствующих долговечной и надежной работе соленоидных клапанов.
Большая интересующая нас часть электромагнитных клапанов косвенного действия имеют мембрану из гибкого материала.
Ранее было отмечено, что соленоидные клапаны предназначены для работы с чистыми средами. Наличие в среде крупных загрязнений может привести не только к засорению клапана, но и к разрыву мембраны, что потребует ее замены.
При возникновении в системе гидроударов также возможно повреждение мембраны из-за кратковременного превышения допустимого давления.
Энергия среды, проходящей через клапан, является ключевым фактором для таких процессов, как открытие клапана, а также его герметичность в закрытом состоянии. По этой причине, соленоидные клапаны непрямого действия работают только в одном направлении - правильное функционирование обеспечивается только при протекании среды от входа до выхода. Подходящее направление подачи среды показано на рисунке 6. Если при установке клапана вход и выход перепутают, то рабочая среда будет попадать только в зону под мембраной, что вызовет "передавливание" пружины и автоматическое открытие клапана (см. след. рисунок).
Определить правильное положение при монтаже можно по стрелке на корпусе клапана
Однако, даже при корректном направлении потока жидкости, конструкция с мембраной может вызывать проблемы в процессе эксплуатации. Проблемы обычно возникают в момент подачи жидкости на вход клапана или при резком изменении давления газообразных сред.
Это происходит потому что перепускное отверстие в мембране обычно имеет очень маленький размер. Жидкость, проходящая через него, не в состоянии мгновенно заполнить все пространство над мембраной клапана (см. след. рисунок а). В этот момент давление жидкости под мембраной становится больше, чем давление жидкости над ней. Это приводит к поднятию мембраны и автоматическому открытию электромагнитного клапана. Клапан останется открытым до тех пор, пока жидкость не заполнит область над мембраной через перепускное отверстие (см. след. рисунок б). После завершения этого процесса давление над и под мембраной клапана уравновешивается и клапан закрывается (см. след. рисунок в).
Время, в течение которого клапан остается открытым в данном переходном процессе, зависит от многих факторов, но даже для больших клапанов это время редко превышает 1...2 с. Однако, за это время через клапан может пройти несколько литров жидкости.
Несмотря на то, что давление среды обычно не выходит за пределы рабочего диапазона, клапан может подвергаться повышенным ударным нагрузкам. Повторяющиеся подобные ситуации при использовании могут привести к износу мембраны и пружины клапана, а со временем - к их поломке.
Ключевые особенности эксплуатации соленоидных клапанов
* Соленоидные клапаны разработаны для работы с чистыми, однородными средами. Загрязненная среда может вызывать нарушение работы клапана, а иногда - и его неисправность.
* Внедрение соленоидных клапанов для управления потоком среды, с температурой отличающейся от температуры окружающей среды, имеет свои особенности и требует учета при выборе клапана и его эксплуатации.
* Направление подачи среды в электромагнитный клапан является критически важным. Соленоидный клапан следует понимать как устройство, работающее только в одном направлении, если иное не указано в технической документации.
Несмотря на то, что были рассмотрены только наиболее распространенные факторы, ограничивающие использование соленоидных клапанов, может возникнуть ощущение, что соленоидный клапан является источником проблем и частых неисправностей. Однако, это не так. Электромагнитные клапаны являются надежными устройствами для управления потоком жидкости или газа при соблюдении условий эксплуатации.
Категория: КИПиА
Случайная статья: Что такое протокол HART?