Elektrozawory – rodzaje, zasada działania i dobór
Elektrozawory, nazywane również zaworami elektromagnetycznymi, służą do automatycznego otwierania i zamykania przepływu medium za pomocą sygnału elektrycznego. W zależności od konstrukcji mogą pracować bezpośrednio lub ze wspomaganiem otwarcia, a odpowiedni wariant dobiera się na podstawie rodzaju medium, ciśnienia, przepływu, temperatury oraz wymaganej funkcji zaworu.
W instalacjach przemysłowych stosowane są przede wszystkim elektrozawory 2/2, dostępne w wykonaniach normalnie zamkniętych (NC) lub normalnie otwartych (NO). W ofercie znajdują się również wykonania specjalne przeznaczone m.in. do wysokich ciśnień, niskich temperatur, podwyższonej temperatury oraz wymagających mediów.
Jak działa elektrozawór?
Podstawowym elementem elektrozaworu jest cewka elektromagnetyczna, która po podaniu napięcia wytwarza pole magnetyczne powodujące przemieszczenie elementu zamykającego. W zależności od konstrukcji może nim być m.in. tłoczek lub membrana.
Pozycja elementu zamykającego określa, czy przepływ medium zostaje otwarty, czy zamknięty. Po odłączeniu napięcia zawór powraca do położenia wynikającego z jego konstrukcji i sposobu działania, np. do pozycji zamkniętej w wykonaniu NC.
Elektrozawory mogą być wyposażone w różne rodzaje korpusów, uszczelnień i przyłączy. Wybór tych elementów musi uwzględniać właściwości medium oraz warunki pracy instalacji.
Elektrozawory bezpośredniego działania
W elektrozaworach bezpośredniego działania siła elektromagnetyczna bezpośrednio przemieszcza element zamykający. Konstrukcja nie wykorzystuje ciśnienia medium do wykonania podstawowego ruchu otwierającego lub zamykającego.
Istotną cechą tego rozwiązania jest możliwość zastosowania go w układach, w których występuje niewielka lub zerowa różnica ciśnień — jeżeli konkretne wykonanie jest do takiej pracy przeznaczone.
Wraz ze wzrostem średnicy nominalnej i wymaganego przepływu rosną wymagania dotyczące siły potrzebnej do przełączenia zaworu. Z tego względu konstrukcje bezpośredniego działania są szczególnie często stosowane w mniejszych średnicach oraz w aplikacjach, w których istotna jest niezależność działania od ciśnienia medium.
Elektrozawory pośredniego działania i ze wspomaganiem
W konstrukcjach pośredniego działania otwarcie głównego kanału przepływowego jest wspomagane przez ciśnienie medium. Elektromagnes steruje elementem pilotowym, a odpowiednia różnica ciśnień umożliwia otwarcie głównego przelotu.
Takie rozwiązanie pozwala uzyskać większe przepływy przy stosunkowo niewielkiej mocy cewki. Jednocześnie należy uwzględnić minimalną wymaganą różnicę ciśnień, ponieważ nie każda konstrukcja pośrednia może pracować przy zerowym Δp.
Parametr ten jest zawsze związany z konkretną konstrukcją i powinien być sprawdzony podczas doboru zaworu.
Konstrukcja membranowa i tłoczkowa
Pod względem konstrukcji elementu zamykającego elektrozawory mogą wykorzystywać m.in. membranę lub tłoczek. Nie jest to jednak podział równoległy do bezpośredniego i pośredniego sposobu działania — konstrukcja membranowa lub tłoczkowa może występować w różnych układach sterowania.
Elektrozawory membranowe
W konstrukcji membranowej elementem odcinającym przepływ jest elastyczna membrana. W wielu wykonaniach jej działanie jest wspomagane przez ciśnienie medium.
Rozwiązanie to pozwala na uzyskanie odpowiednich charakterystyk przepływowych przy większych średnicach i jest stosowane m.in. w instalacjach wody, powietrza oraz innych mediów procesowych.
Przy doborze należy uwzględnić przede wszystkim materiał membrany i jego kompatybilność z medium, ponieważ ma on bezpośredni wpływ na trwałość i szczelność zaworu.
Elektrozawory tłoczkowe
W elektrozaworach tłoczkowych elementem zamykającym jest tłoczek przemieszczany przez pole elektromagnetyczne lub układ pilotowy.
Konstrukcje tłoczkowe są stosowane również w wykonaniach przeznaczonych do podwyższonych ciśnień, gdzie wymagane są odpowiednia wytrzymałość elementów roboczych oraz wysoka szczelność. W ofercie MixFlow znajdują się elektrozawory wysokociśnieniowe w wykonaniach 2/2, z zakresami ciśnienia sięgającymi nawet 1000 bar dla wybranych konstrukcji
Elektrozawory 2/2 i 3/2
Najczęściej stosowaną konfiguracją w instalacjach procesowych jest elektrozawór 2/2, posiadający dwa przyłącza i dwa stany pracy — otwarty lub zamknięty.
Elektrozawory 3/2 posiadają trzy przyłącza i umożliwiają przełączanie medium pomiędzy różnymi drogami przepływu. Stosuje się je m.in. w układach, w których oprócz otwierania i zamykania wymagane jest przełączenie lub odpowietrzenie obwodu.
W przypadku typowych instalacji procesowych wybór pomiędzy 2/2 a 3/2 wynika przede wszystkim z wymaganej funkcji układu, a nie wyłącznie z parametrów medium.
Elektrozawory NC i NO
Oznaczenia NC (Normally Closed) oraz NO (Normally Open) określają stan zaworu przy braku zasilania cewki.
NC – normalnie zamknięty
Przy braku napięcia zawór pozostaje zamknięty. Po podaniu sygnału elektrycznego następuje otwarcie.
NO – normalnie otwarty
Przy braku napięcia zawór pozostaje otwarty. Podanie napięcia powoduje jego zamknięcie.
Wybór pomiędzy NC i NO powinien wynikać z funkcji instalacji oraz wymaganej pozycji zaworu w przypadku zaniku zasilania. Jest to istotny parametr nie tylko z punktu widzenia sterowania, ale również bezpieczeństwa procesu.
Jak dobrać elektrozawór?
Dobór elektrozaworu powinien uwzględniać wszystkie parametry mające wpływ na jego prawidłową pracę. Samo dopasowanie średnicy zaworu do średnicy rurociągu nie jest wystarczające.
Rodzaj medium
Należy określić rodzaj medium oraz jego właściwości fizyczne i chemiczne. Innego wykonania wymagają m.in. woda, powietrze, oleje, gazy, chemikalia, tlen czy wodór.
Istotna jest również czystość medium. Obecność cząstek stałych może wpływać na pracę elementu zamykającego i szczelność zaworu.
Ciśnienie robocze
Należy określić:
- minimalne ciśnienie,
- normalne ciśnienie pracy,
- maksymalne ciśnienie,
- w przypadku konstrukcji pośrednich — wymaganą różnicę ciśnień.
Szczególnie ważne jest sprawdzenie, czy wybrana konstrukcja może prawidłowo przełączać się przy rzeczywistych warunkach ciśnieniowych instalacji.
Przepływ i współczynnik Kv
DN nie powinno być jedynym parametrem służącym do doboru elektrozaworu. Należy określić wymagany przepływ oraz dobrać odpowiedni współczynnik Kv.
Zbyt mały zawór może powodować nadmierny spadek ciśnienia, natomiast przewymiarowanie nie zawsze zapewnia poprawną pracę i może utrudnić właściwe sterowanie przepływem.
Temperatura medium
Temperatura medium wpływa m.in. na możliwość zastosowania określonych materiałów korpusu, membran, uszczelnień oraz cewki.
W przypadku wysokich temperatur wymagane jest zastosowanie wykonania przeznaczonego do pracy w takich warunkach.
Materiał korpusu i uszczelnienia
Korpus może być wykonany m.in. z mosiądzu, stali nierdzewnej lub tworzywa, natomiast materiał uszczelnienia dobiera się do medium, temperatury i ciśnienia.
Kompatybilność materiałowa jest jednym z podstawowych kryteriów doboru elektrozaworu i ma bezpośredni wpływ na trwałość oraz szczelność zaworu. Aktualna oferta procesowa obejmuje m.in. korpusy mosiężne, nierdzewne i tworzywowe.
Przyłącze i średnica nominalna
Należy określić wymagany rodzaj przyłącza oraz DN. W mniejszych elektrozaworach często stosowane są przyłącza gwintowane, jednak sposób przyłączenia zawsze powinien odpowiadać konkretnej konstrukcji i instalacji.
Zasilanie cewki
Przy doborze należy określić rodzaj oraz napięcie zasilania cewki, np. DC lub AC i odpowiednie napięcie znamionowe.
Nie należy traktować parametrów zasilania jako uniwersalnych dla całej kategorii — właściwe wykonanie cewki dobiera się do konkretnego modelu i systemu sterowania.
Wykonanie elektryczne
W zależności od miejsca montażu mogą być wymagane dodatkowe parametry dotyczące ochrony elektrycznej, temperatury otoczenia czy wykonania przeciwwybuchowego.
W przypadku instalacji w strefach zagrożonych wybuchem należy stosować wykonania posiadające odpowiednie dopuszczenia i certyfikaty.
Elektrozawory do zastosowań specjalnych
Nie wszystkie aplikacje mogą być obsługiwane przez standardowe elektrozawory procesowe. W zależności od warunków pracy stosuje się specjalne wykonania konstrukcyjne i materiałowe.
Elektrozawory wysokociśnieniowe
Elektrozawory wysokociśnieniowe stosuje się w instalacjach, w których standardowe wykonania procesowe nie zapewniają wymaganej odporności ciśnieniowej.
W zależności od konstrukcji dostępne są wykonania przeznaczone do ciśnień od kilkudziesięciu do kilkuset bar, a w specjalistycznych konstrukcjach nawet do 1000 bar. W ofercie MixFlow znajdują się również wykonania do CNG oraz elektrozawory z korpusami ze stali nierdzewnej i uszczelnieniami przeznaczonymi do wysokich ciśnień.
Przy takich aplikacjach szczególnego znaczenia nabiera dobór materiału korpusu, elementów roboczych i uszczelnień oraz właściwe określenie maksymalnego ciśnienia roboczego.
Elektrozawory wysokotemperaturowe
Przeznaczone do mediów o podwyższonej temperaturze. Wymagają odpowiedniego doboru materiałów elementów roboczych, uszczelnień oraz cewki. W ofercie MixFlow znajdują się wykonania przeznaczone do pracy z medium o temperaturze do +180°C.
Elektrozawory kriogeniczne
Stosowane w instalacjach pracujących z mediami o bardzo niskiej temperaturze, m.in. ciekłym azotem czy ciekłym dwutlenkiem węgla. Konstrukcja może uwzględniać m.in. wydłużony trzpień ograniczający wpływ niskiej temperatury na elementy cewki i układu sterującego.
Elektrozawory do wodoru
W instalacjach wodorowych wymagane jest wykonanie dobrane do właściwości medium, ciśnienia oraz wymagań dotyczących szczelności i bezpieczeństwa. Znaczenie mają m.in. materiały korpusu i elementów roboczych, rodzaj uszczelnienia oraz wykonanie elektryczne.
Dobór elektrozaworu do wodoru powinien być zawsze wykonywany na podstawie konkretnych parametrów instalacji, a nie wyłącznie na podstawie średnicy nominalnej.
Elektrozawory do myjni i stacji CIP
W instalacjach mycia przemysłowego istotne są odporność materiałów na stosowane środki chemiczne, temperatura medium, ciśnienie oraz częstotliwość cykli pracy.
Elektrozawory tego typu znajdują zastosowanie m.in. w myjniach bezdotykowych i instalacjach CIP, gdzie wymagane jest powtarzalne automatyczne sterowanie przepływem. W aktualnej ofercie MixFlow stanowią one odrębną grupę produktową
Podsumowanie
Dobór elektrozaworu powinien uwzględniać nie tylko DN i rodzaj przyłącza, ale przede wszystkim medium, ciśnienie, przepływ, temperaturę, wymagany współczynnik Kv, materiał korpusu i uszczelnienia oraz sposób działania zaworu.
W zależności od aplikacji można zastosować konstrukcję bezpośredniego lub pośredniego działania, membranową lub tłoczkową, w funkcji 2/2 lub 3/2 oraz w wykonaniu NC lub NO. Dla wymagających aplikacji dostępne są również wykonania wysokociśnieniowe, wysokotemperaturowe, kriogeniczne oraz przeznaczone do specjalistycznych mediów.
Jeżeli parametry instalacji nie pozwalają jednoznacznie określić właściwego wykonania, dobór powinien zostać przeprowadzony na podstawie kompletu danych dotyczących medium i warunków pracy.
FAQ – najczęściej zadawane pytania
Elektrozawór NC (normalnie zamknięty) pozostaje zamknięty przy braku zasilania cewki, natomiast NO (normalnie otwarty) pozostaje w tym stanie otwarty. Wybór zależy od wymaganej pozycji zaworu przy zaniku zasilania.
Tak, ale zależy to od konstrukcji. Elektrozawory bezpośredniego działania mogą być przeznaczone do pracy przy zerowej różnicy ciśnień. W przypadku wielu konstrukcji pośrednich wymagane jest określone minimalne Δp.
DN rurociągu nie powinno być jedynym kryterium. Należy uwzględnić przede wszystkim wymagany przepływ, współczynnik Kv, ciśnienie oraz właściwości medium. W niektórych przypadkach elektrozawór o DN odpowiadającym średnicy rurociągu nie będzie optymalnym rozwiązaniem.
W konstrukcji bezpośredniej elektromagnes bezpośrednio przemieszcza element zamykający. W konstrukcji pośredniej elektromagnes steruje układem pilotowym, a otwarcie głównego przepływu jest wspomagane przez ciśnienie medium.
Materiał uszczelnienia należy dobrać do rodzaju medium, jego temperatury i ciśnienia oraz wymaganej trwałości. Nie istnieje jedno uniwersalne uszczelnienie odpowiednie dla wszystkich mediów.
Tak, pod warunkiem zastosowania wykonania przeznaczonego do danego medium i jego parametrów. W przypadku gazów i pary szczególne znaczenie mają materiał uszczelnienia, temperatura, ciśnienie oraz wymagania dotyczące bezpieczeństwa instalacji.
Tak. Dostępne są wykonania przeznaczone do podwyższonych ciśnień oraz specjalne konstrukcje wysokotemperaturowe. Maksymalne parametry zależą od konkretnego wykonania, DN, materiałów i warunków pracy. W ofercie MixFlow znajdują się m.in. elektrozawory wysokociśnieniowe do 1000 bar oraz wykonania do temperatury +180°C.
Tak, ale wymagane jest wykonanie odpowiednie do wodoru i parametrów instalacji. Przy doborze należy uwzględnić m.in. ciśnienie, szczelność, materiały korpusu i uszczelnień oraz wymagania dotyczące bezpieczeństwa i wykonania elektrycznego.