Соленоидный электромагнитный клапан: где используется + виды и принцип работы

Выбор клапана

Прежде чем приступать к выбору клапана, необходимо выяснить устройство арматуры, принцип ее действия и область применения.

Устройство арматуры

Электромагнитный или соленоидный клапан состоит из следующих элементов:

1. корпуса запорной арматуры, который может быть изготовлен из латуни, бронзы и иных материалов, не подверженных коррозии;
2. поршня и штока, изготовленных из материалов, обладающих достаточными для работы устройства магнитными свойствами;
3. мембраны – чувствительного элемента, подающего сигналы о возникновении аварийной ситуации;

Мембраны могут изготавливаться из различных материалов, что влияет на технические параметры арматуры.

1. электромагнитной катушки (соленоида), располагаемой в защитном корпусе.

Составляющие элементы соленоидного клапана

Как работает клапан

Принцип работы клапана:

1. в обычном положении, в зависимости от вида устройства, пружина клапана находится в опушенном/поднятом состоянии;
2. при подаче электромагнитного сигнала на катушку клапана (220в) пружина поднимается, пропуская излишний поток жидкости, или поднимается для перекрытия потока соответственно;
3. после снятия напряжения составляющие арматуры приходят в обычное состояние.

Схема действия электромагнитного клапана

Область использования

Для чего нужен соленоидный клапан? Арматура используется:

в системах водоснабжения для смешивания потоков и достижения оптимальной температуры или аварийного перекрытии системы;

Соленоидные клапан на трубах подачи воды в жилое помещение

• в системах отопления для снижения потерь при испарении жидкости;
• в канализационных сетях, особенно в местах общественного пользования. Арматура также устанавливается для снижения потерь;
• в оросительных системах. Монтаж электромагнитного клапана позволяет задавать временные интервалы подачи воды для полива растений;
• в моечной технике бытового и промышленного назначения для обеспечения бесперебойной работы слива.

Разновидности клапанов

Произвести классификацию электромагнитных клапанов можно по нескольким признаками:

1. в зависимости от механизма действия клапаны подразделяются на арматуру:
   • прямого действия. Запорный элемент клапана работает под управлением сердечника, на который подается напряжение;
2. пилотного действия. Такая арматура дополнена пилотным клапаном, который и осуществляет управление запорным элементом;

Арматура с дополнительным клапаном управления

1. по положению запорного элемента выделяют:
   • нормально открытые клапаны – запорный элемент в стандартном положении открытый и не препятствует прохождению рабочей среды;

Открытый электромагнитный клапан в стандартном положении

1. • нормально закрытые клапаны. В отличие от предыдущего вида нормально закрытый клапан не позволяет проходить рабочей среде на определенный участок трубопровода. Открытие арматуры происходит в результате аварийной ситуации или возникновения избыточного давления;

Принцип работы закрытого электромагнитного клапана

1. • бистабильным. Смена режима работы клапан происходит при подаче электропитания на катушку.

1. по количеству патрубков:
   • одноходовые – клапаны с одним патрубком. Используются для аварийного перекрытия;
2. двухходовые – имеют два патрубка. Арматура может использоваться как для перекрытия/открытия потока, так и для смешивания;
3. трехходовые – три патрубка. Способны выполнять как функцию смешивания, так и функции регулирования и перекрытия.

Электромагнитный клапан с тремя патрубками

При выборе клапана также рекомендуется учитывать технические характеристики, так как несоответствие требований трубопроводной системы и данных клапана может привести к поломкам арматуры и преждевременному износу.

О разных видах клапан, устройстве арматуры и принципе работы подробно рассказано на видео.

О разновидностях изделий

Регулирующие устройства применяют для изменения расхода проходящего через них потока рабочей среды. Управление происходит извне и условно разделяется на две категории, в зависимости от того, закрытый или открытый клапан при отсутствии давления в трубопроводе: нормально закрытый электромагнитный клапан и нормально открытый электромагнитный клапан.

Нормально закрытый клапан – наиболее часто применяемый, так как его функциональная особенность позволяет предотвратить утечку агрессивных веществ. Нормально открытый клапан используется реже, преимущественно в тех случаях, когда при пропадании питания требуется вскрыть трубопровод.

Перечень взрывозащищенных клапанов фирмы Burkert представлен следующими моделями:

• модель 2/2 ходовой взрывозащищенный нормально закрытый клапан со встроенным сервоуправлением через мембрану. Такой клапан используется в нейтральных средах, для жидкостей и воздуха. Максимальное рабочее давление 16 бар. Температурный диапазон от -40 до +120 градусов. Сечение 1,3-6,5 сантиметра;
• модель 5282. 2/2 ходовой взрывозащищенный клапан снабженный изолирующей мембраной. Используется в слабоагрессивных средах давлением до 16 бар. Сечение клапана – 1,3-5 сантиметров. Возможно преобразование в нормально открытый тип;
• модель 5404. 2/2 ходовой нормально закрытый взрывозащищенный клапан с поршнем. Применяется в нейтральных средах, например для транспортировки воздуха, при давлении до 50 атмосфер. Изготавливается из латуни с сечением до 2,5 сантиметра;
• модель 6013. 2/2 ходовой взрывозащищенный клапан прямого действия нормально закрытый. Может применяться как в нейтральных, так и агрессивных жидкостях и газах до 25 бар. Сечение клапана 2-6 миллиметра. Может поставляться обезжиренным;
• модель 6014. 3/2 ходовой электромагнитный взрывозащищенный клапан прямого действия. Может применяться для жидкостей и сжатого воздуха. Максимальное рабочее давление составляет 16 бар, а сечение от 1,5 до 2,5 миллиметра.

Клапан электромагнитный взрывозащищенный

Вакуумный клапан входит в состав целого семейства вакуумных систем. Основная цель его применения – герметизация и отсечение определенных элементов, которые предусматривает вакуумный трубопровод. Электромагнитный вакуумный клапан предусматривает автоматическое регулирование работы в разреженном воздухе.

По сравнению с затвором, его конструкция довольно проста. Вакуумный клапан имеет тарелку, которая проходит вдоль оси седла, а также оси газового потока. Это сильно уменьшает его проводимость. Потому электромагнитный вакуумный клапан имеет ограничение диаметра фланца до 40 мм.

Пневматический клапан используют для регулирования потоков сжатого воздуха с помощью дистанционного управления. Исключением можно назвать двухходовый пневматический клапан типа КЭМ 32-20 и 32-23, который предназначен для работы в моторном масле. Электромагнитный пневматический клапан абсолютно безопасен для людей и животных, имеет все подтвержденные экологические требования.

Устройство электромагнитного газового клапана

Рабочим элементом газового электромагнитного клапана является седло – расположенное внутри корпуса отверстие для прохода рабочей среды, а также затвор. В зависимости от модели и конфигурации устройства затвор может быть выполнен как в виде тарелки, так и в виде поршня. Совершая возвратно-поступательные движения, затвор открывает или перекрывает подачу газа. Устанавливается он на магнитный стержень (сердечник), который подсоединен к электромагниту. Сама же катушка электромагнита устанавливается в верхней части корпуса с наружной стороны клапана.

Газовый электромагнитный клапан: принцип действия

Принцип работы электромагнитного газового клапана состоит в том, что при подаче электричества на катушку создается магнитное поле. Под действием этого поля электромагнит втягивается в катушку, и тем самым задает направление движения затвору.

Во время эксплуатации клапан подвергается воздействию двух сил – с одной стороны это сила сопротивления возвратной пружине, а другой – сила магнитного поля. Последняя регулируется силой электрического тока – чем сильнее электрический ток, тем выше сила, с помощью которой преодолевается воздействие пружины. Таким образом, с помощью регулировки подачи тока можно регулировать степень открытия или закрытия электромагнитного газового клапана, а, следовательно, и подачу рабочей среды.

При отключении электропитания клапан приходит в исходное положение, которое определяется его конструкцией.

Разновидности электромагнитных газовых клапанов

Все существующие сегодня модели газовых электромагнитных клапанов можно условно разделить на три большие группы:

Нормально открытые (НО). При отключении подачи электричества нормального открытые газовые клапаны находятся в открытом положении, обеспечивая свободный проход рабочей среды.

• Нормально закрытые (НЗ). Нормально закрытые электромагнитные клапаны без подачи электричества приходят в закрытое состояние, тем самым перекрывая поток газа в трубопроводе или какой-либо системе.
• Универсальные. Универсальный газовый электромагнитный клапан сконструирован таким образом, что при отключении электричества он может оставаться как в закрытом, так и в открытом положении.

Что касается других различий, то здесь можно выделить электромагнитные газовые клапаны прямого и непрямого действия. Первые предполагают, что затвор клапана приводится в действие только за счет движения сердечника; вторые используют для движения затвора не только сердечник, но и силу воздействия рабочей среды, что позволяет значительно экономить усилия при больших проходах.

Различаются электромагнитные газовые клапаны и по количеству ходов. В настоящее время существуют:

Двухходовые клапаны, имеющие только входное и выходное отверстие. Устройства этого типа предназначены исключительно для подачи или перекрытия рабочей среды в какую-либо систему.

• Трехходовые клапаны, имеющие одно входное и два выходных отверстия. Такой электромагнитный газовый клапан может не только пропускать, но и перенаправлять поток газа в системе.
• Четырехходовые клапаны – это устройства, которые имеют четыре отверстия – одно впускное и три выпускных. Как и трехходовые клапаны, они могут перераспределять поток рабочей среды, но в отличие от них дают больше возможностей для подключения к различным системам.

Стоит отметить, что внутри каждого типа электромагнитных газовых клапанов существует множество моделей и модификаций этих устройств, различающихся, как размерами, так и функциональными возможностями. К примеру, в соответствии с условиями эксплуатации некоторые модели клапанов могут иметь специальное покрытие, устойчивое к воздействию агрессивных сред.

Где приобрести электромагнитный газовый клапан?

Электромагнитные газовые клапаны – это устройства, работающие на газовых трубопроводах, и выход их из строя может привести к самым неприятным последствиям. Именно поэтому клапаны должны отвечать самым строгим требованиям, предъявляемым к их безопасности и надежности. А это значит, что приобретать их нужно только у прекрасно зарекомендовавшего себя производителя.

ОАО «Пензенский арматурный завод» – это предприятие с более чем полувековой историей. За время работы завода наши устройства не раз доказывали свое высочайшее качество и непревзойденную надежность

Поэтому при необходимости приобретения трубопроводной арматуры, рекомендуем вам обратить внимание на продукцию ОАО «ПАЗ», среди которой представлены и различные модели электромагнитных газовых клапанов

Разновидности электромагнитных клапанов

Физически работа электромагнитного клапана состоит в перекрытии проходного отверстия в корпусе клапана мембраной под воздействием перемещения сердечника и связанных с ним деталей при поступлении напряжения на обмотку катушки. Различают два типа клапанов – прямого действия и пилотные. Первые применяются в основном для трубопроводов небольшого расхода. В них перекрытие или открывание отверстия осуществляется непосредственно за счет электромагнитного усилия соленоида, преодолевающего сопротивление возвратной пружины. В клапанах пилотного действия срабатывание происходит за счет энергии потока жидкости в трубопроводе, перенаправляемом при перекрытии или открывании перепускных (пилотных) отверстий после подачи напряжения на соленоид. Такие клапаны применяются в трубопроводах большого расхода и требуют наличия в магистрали некоторого минимального напора (давления), как правило, порядка 0,2 атм.

По логике работы электромагнитные клапаны делятся на нормально открытые, нормально закрытые и переключающиеся – переходящие в другое положение при каждой новой подаче напряжения на катушку. Обмотки катушек рассчитаны на питание различным постоянным или переменным напряжением.

Для трубопроводов небольших диаметров в основном используется резьбовое присоединение клапанов, для больших диаметров используется фланцевое присоединение и приварное.

По характеру функционирования электромагнитные клапаны бывают одноходовыми, двухходовыми, трех- и четырехходовыми. Последние два варианта используются в трубопроводных системах как разделительные и смесительные.

Существуют также специальные взрывозащищенные конструкции для особых условий.

Виды автоматического водопроводного затвора

Соленоидный клапан (его виды) бывают двух категорий, главным отличием которых является их принцип работы включения и выключения механизма:

• прямого действия;
• пилотного действия.

Кроме этого они бывают нескольких основных видов, у которых есть свои функциональные особенности. Устройства бывают:

• нормально открытыми (или нормально закрытый). В том случае, если на катушку не подается напряжение данное устройство остается в открытом (если это нормально открытый), и таким образом не препятствует движению потока. В случае с нормально закрытым клапаном все наоборот;
• бистабильными. Как только поступает напряжение, рабочие положения переключаются.

По виду катушек устройства делятся на:

• постоянного тока – катушка у устройств данного типа имеет малую силу электромагнитного поля;
• переменного тока – у данных устройств катушки обладают достаточно мощным электромагнитным полем.

Помимо того агрегаты подразделяются по типу работы:

У одноходовых всего один патрубок и они не могут совместить в себе разные потоки жидкостей. Двухходовые обладают двумя патрубками (входным и выходным). Принцип работы одноходового и двухходового устройства действует на методе функционирования шара или конуса, который используется для закрытия.

Трехходовые соленоидные клапаны для воды в своей конструкции имеют целых три патрубка и могут работать на основе смешения потоков жидкости. Кроме того, устройства данного типа могут контролировать и регулировать температуру с применением смешивания потоков воды. Существуют также взрывозащищенные модели, используемые в работе с взрывоопасными средами. Данные клапаны делаются и огнеупорных и прочных материалов. Есть также вакуумные клапаны.

По типу соединения с трубопроводом делятся на:

• фланцевые клапаны;
• резьбовые клапаны.

Полезная информация! Есть особый тип устройств называемый отсечным. Данный тип устройств мгновенно могут отключать трубопровод либо закупоривать одну из труб во время аварии.

Регулирующую и запорную арматуру необходимо выбирать и монтировать, только опираясь на расчеты произведенные ранее. Использовать тот или другой вид клапана (нормально закрытый, двухходовой, прямого действия и т.д.) необходимо в зависимости от типа трубопровода и от того, какой тип среды по нему транспортируется.

Назначение и применение электромагнитных клапанов

Электромагнитный клапан выполняет роль регулирующего и запорного устройства в дистанционном управлении транспортировкой потоков жидкостей, воздуха, газа и других носителей. При этом процесс его использования может быть как ручным, так и полностью автоматизированным.

Наибольшую популярность получил соленоидный клапан Esbe, имеющий в качестве основного устройства соленоидный вентиль. Клапан соленоид состоит из электрических магнитов, которые в народе еще называют соленоидами. По своему устройству электромагнитный клапан напоминает обыкновенный запорный, но в данном случае управление положением рабочего органа происходит без применения физических усилий. Катушка принимает на себя электрическое напряжение, тем самым приводя в работу соленоидный вентиль и всю систему.

Электромагнитный клапан работает как в сложных технологических процессах на производстве, или же в коммунальных предприятиях, так и в быту. Используя такое устройство, мы можем самостоятельно регулировать объемы подачи воздуха или жидкости в конкретный момент времени. Вакуумный клапан же может работать в системах разреженного воздуха.

В зависимости от условий, где применяется электромагнитный клапан, корпус может изготавливаться обычный и взрывозащищенный. Такое устройство используется преимущественно на точках нефте- и газодобычи, а также на автомобильных заправках и складах топлива.

Водяные клапаны применяются для автоматизации систем очистки воды. Кроме этого, электромагнитный водопроводный клапан нашел свое применение в поддержании уровня воды в водных резервуарах.

Устройство клапана

Основные конструктивные элементы электромагнитного клапана это:

• корпус;
• крышка;
• мембрана (или же поршень);
• пружина;
• плунжер;
• шток;
• электрическая катушка, которую еще называют соленоид.

Схема устройства клапана

Корпус и крышка могут быть изготовлены из металлических материалов (латунь, чугун, нержавеющая сталь), либо же из полимерных (полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, нейлон и др.). Для создания плунжеров и штоков используют специальные магнитные материалы. Катушки необходимо прятать под пылезащищенный и герметичный корпус, дабы исключить внешнее воздействие на тонкую работу соленоида. Обмотка катушек выполняется эмалированным проводом, который сделан из электротехнической меди.

К трубопроводу устройство подсоединяется резьбовым или фланцевым способом. Чтобы подключить клапан к электросети применяют штекер. Для изготовления уплотнений и прокладок используют термостойкую резину, каучук и силикон.

В комплектации с изделием поставляют приводы с примерным рабочим напряжением 220В. Отдельными компаниями выполняются заказы на поставку приводов с напряжением 12В и 24В. Привод комплектуется встроенной схемой форсированного управления СФУ.

Принцип работы электромагнитных систем

Электромагнитная катушка индуктивности работает во всех известных напряжениях переменного и постоянного тока (220В АС, 24 AC, 24 DC, 5 DC и др.). Соленоиды помещают в специальные корпуса, защищенные от воды. За счет низкого потребления энергии, особенно для небольших электромагнитных систем, возможно управление с помощью полупроводниковых схем.

Чем меньше воздушный зазор между стопором и электромагнитным сердечником, тем сильнее возрастает напряженность магнитного поля, вне зависимости от вида и величины подаваемого напряжения. Электромагнитные системы с переменным током имеют куда большую величину штока и силу магнитного поля, чем системы с постоянным током.

Когда подается напряжение и воздушный зазор имеет максимальную протяженность, системы переменного тока, потребляя большое количество энергии, поднимают шток и зазор закрывается. Благодаря этому увеличивается мощность выходного потока и создается перепад давления. Если же подается постоянный ток, то увеличение скорости потока происходит довольно медленно, до тех пор, пока значение напряжения не станет фиксированным. По этой причине клапаны могут регулировать системы только низкого давления, за исключением тех, что оснащены небольшими проходными отверстиями.

Иначе говоря, в статическом положении, при условии, что катушка обесточена и устройство находится в закрытом/открытом положении (в зависимости от типа), поршень находится в герметичном соединении с седлом клапана. При подаче напряжения, катушка передает импульс на привод и шток открывается. Это возможно потому, что катушка формирует магнитное поле, которое в свою очередь воздействует на плунжер и втягивается в него.

Надежность

Общая надежность любой системы на производственном предприятии не может превышать надежность последнего звена в цепочке управления. Во многих случаях таким звеном является соленоидный клапан с дистанционным управлением, который запускает или останавливает производственный процесс.

По сути, соленоидный клапан — это устройство для электрического прерывания или отвода потока рабочей среды в трубе. Существует множество типов соленоидных клапанов, однако все они основаны на одном принципе: отверстие закрывается или открывается для того, чтобы регулировать поток. Области применения таких клапанов разнообразны. С одной стороны, их можно использовать для управления стандартными отсечными и регулирующими клапанами или же специальными клапанами — например, клапанами систем повышенной надежности для защиты от превышения давления (High Integrity Pressure Protection System, HIPPS) и клапанами аварийного отключения (Emergency Shutdown, ESD). С другой, они подходят и для непосредственного управления рабочими средами при контроле пожаротушения или управления системами обеспечения паром, водой и воздухом. Соленоидные клапаны также широко используются в пневматических системах и элементах управления. Во всех этих случаях надежность работы оборудования имеет первостепенное значение.

Для сокращения издержек некоторые предприятия приобретают соленоидные клапаны, основываясь только на их цене. Однако ошибочно полагать, что все клапаны одинаковы и мало что может пойти не так с этими, казалось бы, простыми устройствами, которые обычно состоят из катушки, плунжера и седла. Разработанный на высоком техническом уровне соленоидный клапан может стоить дороже, но расходы в течение срока его службы будут значительно ниже, чем у более дешевых эквивалентных клапанов.

Для подтверждения этого тезиса о ложной экономии рассмотрим традиционный соленоидный клапан. Чтобы уплотнить шток для предотвращения утечки, в них обычно используются специальные кольца. Такая конструкция имеет множество недостатков. Герметизирующая способность уплотнительного кольца со временем снижается из-за износа резины, что приводит к утечкам рабочей среды. Из-за этого рабочая среда или присутствующие в ней загрязнения могут накапливаться на штоке клапана, увеличивая трение. Кроме того, в некоторых конструкциях требуется вентиляционное отверстие, чтобы обеспечить плавное движение штока клапана. Однако из-за такого отверстия внутренние части клапана становятся уязвимыми к загрязнениям из атмосферы, которые также могут откладываться на штоке.

Все эти факторы могут привести к замедлению срабатывания и потенциальным сбоям клапана, а, например, в HIPPS и системах аварийного отключения важна каждая доля секунды. Чтобы справиться с повышенным трением, некоторые поставщики используют более упругую пружину, которая позволит клапану по-прежнему работать при увеличении трения. Для преодоления такой упругости пружины требуется большее значение FFR (Force Friction Ratio — соотношение силы и трения). Соответственно, необходим соленоид большей мощности, а при увеличении мощности выделяется больше тепла. Повышение температуры, в свою очередь, может отрицательно сказаться на сроке службы соленоида. Помимо этого, катушка с повышенным энергопотреблением может повысить расходы на установку клапана, поскольку могут потребоваться провода большего сечения или инженеры будут вынуждены использовать меньше клапанов в одном контуре управления.

Отказы соленоидных клапанов приводят к простоям оборудования со всеми сопутствующими проблемами и затратами. А если клапан заклинит в ситуации, когда требуется аварийное отключение, то результат может быть фатальным.

Рис. 1. Предполагаемый срок службы катушки