Соленоидный клапан – тип трубопроводной арматуры с электромагнитным приводом

Соленоидный клапан согласно положений ГОСТ Р 52720-2007 «Арматура трубопроводная. Термины и определения», ГОСТ 24856-81 «Арматура трубопроводная промышленная. Термины и определения», СТ ЦКБА 011-2004 «Арматура трубопроводная. Термины и определения» и ГОСТ 22413-89 «Арматура трубопроводная с электромагнитным приводом. Основные параметры» - это запорная или распределительно-смесительная (в сравнительно небольшом сегменте продукции – запорно-регулирующая) арматура промышленная (или специальная) с электромагнитным приводом прямого или непрямого действия с перемещением запирающего (или регулирующего) элемента параллельно оси движения потока рабочей (транспортируемой) среды.

Справка: С введением в действие ГОСТ 24856-81 недопустимо использовать термин «вентиль» вместо/наряду с термином «клапан», а ГОСТ Р 52720-2007 и СТ ЦКБА 011-2004 не рекомендуют применять в терминологии видов промышленной арматуры термины «распределительная» или «смесительная» вместо термина «распределительно-смесительная». Актуализированная версия ГОСТ 22413-89 по виду промышленной арматуры выделяет запорные клапаны (прямого действия, с использованием энергии рабочей среды (мембранные, поршневые, шаровые и т.д.) и с уравновешенным затвором) и распределительные (технически корректно – распределительно-смесительные) клапаны (трех или четырехходовые – соответственно с одним входом и двумя выходами или одним входом и тремя выходами для реверсных систем), однако на российском рынке трубной промышленной арматуры можно купить электромагнитный клапан запорно-регулирующий, в котором пропускная способность арматуры изменяется благодаря управлению подаваемым на соленоид напряжением.

Рис. Запорно-регулирующий нормально закрытый соленоидный клапан непрямого действия (с использованием энергии рабочей среды), где 1 – соленоид, 2 – нормально растянутая пружина; 3 – якорь соленоида; 4 – пилотное отверстие; 5 – мембрана; 6 – перепускное отверстие; 7 – клеммная колодка.

Принцип работы запорно-регулирующего соленоидного клапана: В состоянии соленоида без напряжения мембрана перекрывает проходное сечение седла под действием силы пружины. При подаче напряжения на соленоид и в прямой зависимости от увеличения тока в обмотке соленоида якорь начинает подниматься, противодействуя усилию пружины и открывая пилотное отверстие, что приводит к перемещению мембраны и открыванию клапана силами втягивания соленоида и противодавления в подмембранной области.

Соленоидный клапан в действующей классификации трубопроводной арматуры с электромагнитным приводом.

Соленоидные клапаны (клапан соленоидный электромагнитный), а формально клапаны с электромагнитным приводом, как один из типов арматуры с перемещением запирающего (или регулирующего) элемента параллельно оси движения потока рабочей средыделят по:

• виду трубопроводной арматуры на запорные, распределительно-смесительные и запорно-регулирующие клапаны соленоидные электромагнитные;
• принципу работы на соленоидные клапаны прямого и непрямого действия; Справка: Согласно ГОСТ Р 52720-2007 и СТ ЦКБА 011-2004 арматура прямого действия работает от энергии рабочей среды, арматура непрямого действия – от энергии рабочей среды с использованием встроенного импульсного механизма – в соленоидных клапанах для напорных систем (клапан электромагнитный для воды, пара, сред с кинематической вязкостью до 50 сSt, клапан электромагнитный газовый) это открываемое/закрываемое при перемещении штока (якоря) соленоида регулирующее (пилотное) отверстие между областью над затвором и выходным патрубком, через которое происходит сброс рабочей среды из области над затвором;
• нормируемым свойствам на общепромышленные (сертифицируются по нормам действующих стандартов) и специальные, один и более параметров которых разрабатывается специально для конкретных условий эксплуатации;
• открытому или закрытому положению затвора при отсутствии напряжения на соленоиде на нормально открытые (НО) и нормально закрытые (НЗ) соленоидные клапаны;
• времени срабатывания затвора на отсечные (быстрого действия) и регулирующие (пропорциональные – открывание затвором проходного сечения пропорционально величине тока в обмотке соленоида);
• числу входов/выходов на соленоидные клапаны двухходовые (запорные отсечные, запорно-регулирующие), трехходовые (распределительно-смесительные) и четырехходовые (распределительно-смесительные), причем заявленная на электромагнитный клапан цена, как правило, выше у 3-4 ходовой и двухходовой запорно-регулирующей арматуры;
• по расположению входного и выходного/выходных патрубков на клапаны соленоидные электромагнитные проходные (присоединительные патрубки соосны/параллельны) и угловые (некоторые конструкции трехходовых и четырехходовых клапанов, у которых один (или два) выходной патрубок перпендикулярен входному);

  Рис. Нормально закрытый трехходовой угловой соленоидный клапан прямого действия, где: 1 – закрывающая пружина, 2 – якорь (шток) соленоида, 3 – запирающие элементы, 4 – катушка соленоида, Р – входной патрубок, А – главный выходной патрубок, R – выпускной патрубок.

• типу чувствительного или запирающего элемента на мембранные (тарельчатые) и поршневые соленоидные клапаны; Справка: В действительности большинство конструкций поршневых соленоидных клапанов напорных систем водо/газоснабжения, промышленных трубопроводов сжатого воздуха, пара и т.д. (клапан электромагнитный для воды, пара, сжатого воздуха, клапан электромагнитный газовый) имеют запирающий элемент – поршень с сальниковым уплотнением и чувствительный элемент тарельчатого типа, перекрывающий регулирующее (пилотное) отверстие.

  Рис. Поршневой соленоидный клапан, где 1 – якорь соленоида (шток), 2 – закрывающая пружина встроенного импульсного механизма, 3 – тарельчатый чувствительный элемент на штоке, запирающий регулирующее (пилотное) отверстие, 4 – регулирующее отверстие, 5 – запирающий элемент затвора – поршень, 6 – полость под поршнем, 7 – перепускное (выравнивающее) отверстие, 8 – катушка соленоида.

• материалу уплотнений, в том числе чувствительного или запирающего элемента на соленоидные клапаны с уплотнениями из бутадиен-нитрильных каучуков (butadiene-nitrilerubber – NBR) с неагрессивной рабочей средой от -10 до 90 °С (клапан электромагнитный для воды, масел с кинематической вязкостью до 50 сSt, воздуха), этиленпропиленовых каучуков (ethylenepropylenediene M-classrubber – EPDM) для воды, пара, нейтральных сред от -30 до 120 °С, фторированных эластомеров (FreikolbenmaschineFluorkarbonKautschuk – FKM) для агрессивных сред с температурой от 0 до 100 °С газообразных и маслосодержащих сред и до 60 °С водных растворов, политетрафторэтилена (Polytetrafluorethen – PTFE) для пара и газовых сред (клапан электромагнитный газовый) с температурой до 185 °С и т.д.; - материалу корпуса и/или элементов/узлов, контактирующих с рабочей средой на соленоидные клапаны для нейтральных сред (из латуни, чугуна, бронзы), слабоагрессивных (из чугуна с шарообразным графитом, легированных сталей), сильноагрессивных сред (из высоколегированных коррозионностойких, жаропрочных сталей).

Справка: ГОСТ Р 52760-2007 «Арматура трубопроводная. Требования к маркировке и отличительной окраске» устанавливает отличительную окраску для умеренно/ограниченно стойких к коррозии металлов/сплавов групп I и II соответственно черного (серый, ковкий, высокопрочный чугун) и серого цвета (углеродистая сталь), для вполне стойких и совершенно стойких к коррозии групп III и IV соответственно синего (легированная сталь) и голубого цвета (высоколегированная сталь и коррозионностойкие, жаростойкие жаропрочные сплавы). Заявленная на коррозионностойкий электромагнитный клапан цена, как правило больше, чем цена соленоидного клапана из умеренно/ограниченно стойких к коррозии металлов/сплавов.

Принцип работы типовых двухходовых соленоидных клапанов прямого и непрямого действия.

На российском рынке трубопроводной арматуры сегодня можно купить соленоидный клапан прямого или непрямого действия для самотечных и напорных систем водо-, газоснабжения, водоотведения, вентиляции и кондиционирования, промышленных систем сжатого воздуха, пара, трубопроводов перекачки топлива, масел с кинематической вязкостью до 50 сSt и т.д. разных производителей, с различными эксплуатационными свойствами и конструктивными особенностями, но типовые по принципу действия:

• Нормально закрытые соленоидные клапаны прямого действия для безнапорных систем и систем с малым рабочим давлением.

  Рис. НЗ соленоидный клапан прямого действия, где: 1 – закрывающая затвор пружина, 2 – запирающая втулка, 3 – седло, 4 – шток (якорь) соленоида.

  Не имеют перепускного (выравнивающего давление) и регулирующего (пилотного) отверстий, при отсутствии напряжения на соленоиде герметичность затвора (запирающий элемент-втулка тарельчатого типа и седло) обеспечивается силой пружины. При подаче напряжения на соленоид шток перемещается вверх вместе с жестко закрепленной на нем втулкой, преодолевая силу пружины и открывая затвор.
• Нормально закрытые мембранные соленоидные клапаны непрямого действия со связанными штоком соленоида и мембраной для малонапорных систем.

  Рис. НЗ соленоидный клапан непрямого действия, где: 1 – пружина соленоида, 2 – пружина мембраны, 3 – регулирующее (пилотное) отверстие, 4 – седло, 5 – выравнивающее (перепускное) отверстие, 6 – мембрана, 7 – шток (якорь) соленоида.

Мембранный клапан соленоидный электромагнитный оборудован открытым выравнивающим (перепускным) отверстием и регулирующим (пилотным) отверстием большего диаметра, перекрываемым/открываемым штоком (якорем) соленоида, а также имеет гибкую связь штока соленоида с мембраной через пружину. При отсутствии напряжения пружина соленоида сжимает пружину штока, что создает усилие на закрывающей седло мембране и приводит к блокированию регулирующего отверстия. Наряду с этим переток среды через выравнивающее (перепускное) отверстие формирует в области над мембраной удельное давление, равное давлению среды во входном патрубке, а поскольку площадь воздействия среды над мембраной больше площади мембраны под давлением снизу (на площадь седла), то герметичность затвора обеспечивается, как силой сжатия пружины мембраны, так и силой давления среды на мембрану. При подаче напряжения на соленоид шток втягивается, преодолевая усилие пружины соленоида и открывая регулирующее отверстие, через которое происходит быстрый сброс давления из области над мембраной, а сам затвор открывается под действием пружины мембраны и давления среды в области под мембраной.

Нормально закрытые и нормально открытые мембранные соленоидные клапаны непрямого действия с несвязанными штоком соленоида и мембраной (автономным встроенным импульсным механизмом) для напорных систем с Р_вых ˃ Р_вх/2 и перепадом давления на клапане Δр>Р_вх/2, где Р_вх – давление до клапана, Р_вых – давление после клапана.

Рис. Мембранные соленоидные клапаны непрямого действия с автономным встроенным импульсным механизмом нормально закрытые (сверху) и нормально открытые (снизу), где: 1 – пружина штока соленоида, 2 - регулирующее (пилотное) отверстие, 3 - выравнивающее (перепускное) отверстие, 3 – седло, 4 – мембрана, 5 – пружина затвора, 6 – шток (якорь) соленоида.

Конструктивно нормально закрытые соленоидные клапаны непрямого действия с автономным встроенным импульсным механизмом отличаются от нормально открытых расположением пружины штока, которая при отсутствии напряжения на соленоиде в НЗ клапанах поджимает шток с уплотнением к регулирующему (пилотному отверстию), чем блокирует сброс среды и давления из области над мембраной, а в НО клапанах – удерживает шток в соленоиде, полностью открывая регулирующее отверстие, что формирует в надмембранной области зону малого давления и приводит к открыванию затвора давлением среды.

В НЗ соленоидных клапанах при отсутствии напряжения на соленоиде мембрана прижата к седлу усилием пружины затвора и давлением среды в области над мембраной, уравновешенным с давлением на входе через выравнивающее (перепускное) отверстие. При подаче напряжения на соленоид втягивающийся шток открывает регулирующее отверстие, имеющее больший диаметр, чем выравнивающее, что приводит к быстрому сбросу давления из области над мембраной и открыванию затвора давлением рабочей среды на входе.

В НО соленоидных клапанах при отсутствии напряжения на соленоиде регулирующее отверстие не перекрыто штоком и затвор открыт давлением рабочей среды на входе, пари подаче напряжения на соленоид шток опускается и перекрывает регулирующее отверстие, что приводит к закрыванию затвора силой пружины и давлением в надмембранной области, которое больше давления под мембраной из-за большей площади контакта мембраны с рабочей средой.