Киев
ул. Полевая, 21, эт. 2, оф. 210/2 | тел.: (044) 277-47-82, (044) 361-38-00
E-mail: holod@pro-k.com.ua

Электромагнитные клапаны в холодильных установках

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КЛАПАНЫ

Регулирующие органы, работающие в режиме включения и выклю­чения могут быть приведены в действие электромагнитами. В холодиль­ных установках такие клапаны получили широкое распространение. Электромагнитные  клапаны  используют  в  качестве  автоматических запорных устройств, например, в установках со многими испарителями для включения и выключения испарителей, и включаются перед регулирующим вентилем.

Электромагнитные клапаны в холодильных установках

Решающее влияние на работоспособность и срок службы электромагнитных клапанов имеют монтаж и условия эксплуатации. Поэтому важнейшим требованием является использование электромагнитных клапанов только для допущенных изготовителем рабочих условий. В особой степени это относится к перепаду давлений на клапане и температуре среды.

Функциональные свойства, применение и границы использования

К важным параметрам электромагнита, обеспечивающим надежную работу электромагнитного клапана, относятся тяговое усилие F, работа электромагнита W и ход сердечника h. Для лучшего сравнения парамет­ров отдельных вариантов управления Нестлер ввел параметр k как отношение диаметра седла (в клапанах непрямого действия – диаметр вспомогательного седла) к диаметру условного прохода. При­мерные значения k приведены в табл. 1.

Таблица 1. Примерные значения k для некоторых электромагнитных клапанов

Условное давление, МПа Рабочая среда Параметр условного прохода, мм
25 50 100
1.6 0.1
4.0 Вода

Воздух

Пар

0.2

0.2

0.2

0.14

0.14

0.14

0.07

0.1

0.1

Согласно табл. 2 требуемое тяговое усилие F электромагнитов в клапанах непрямого и комбинированного действия равны и в k2 раз меньше усилий электромагнитных клапанов прямого действия.

Однако размеры электромагнита определяются в первую очередь необходимой работой W. Для электромагнитных клапанов комбиниро­ванного действия они составляют около 0.5 – 4 % значения для электро­магнитных клапанов прямого действия. Существенное преимущество электромагнитных клапанов непрямого действия, в том числе клапанов с внешним управлением, состоит в том, что необходимая для них работа электромагнита в к раз меньше работы, необходимой для клапанов комбинированного действия (около 0.035 – 0.8 % работы электромаг­нитных клапанов прямого действия).

Таблица 2. Параметры электромагнитов

Ход h Тяговое усилие F Работа W
Прямого действия h1 F1 W
Комбинированного действия h1 k2 ? F1 k2 ? W1
Непрямого действия k ? h1 k2 ? F1 k2 ? W1

На рис. 1 представлена зависимость необходимой работы электро­магнита от условного прохода при k = 0.1 для разности давлений на клапане Dр = 1.6 МПа. Графики позволяют также оценить границы применения основных типов клапанов, если, как рекомендуют неко­торые авторы, принять при Dр = 1.6 МПа как допустимые значения W » 1 – 3 Дж при малом и W » 3 – 6 Дж при большом условном проходе.

Рис. 1 – Необходимая работа электро­магнита W в зависимости от диаметра условного прохода Dу для электро­магнитных клапанов прямого (1), комбинированного (2) и непрямого (3) действия
Рис. 2 – Упрошенный вид зависимо­сти падения Dр и величины z от ско­рости потока для клапана непрямого действия

Итак, при одинаковой работе электромагнитные клапаны непря­мого действия могут быть применены для больших условных прохо­дов и разностей давлений, чем клапаны комбинированного действия. Однако наряду с этим преимуществом имеются и определенные их недостатки, которые необходимо иметь в виду при выборе электромагнитных клапанов.

Обширные исследования в этой области дают достаточное пред­ставление о работе электромагнитных клапанов комбинированного и непрямого действия. Работа электромагнитных клапа­нов комбинированного действия имеет следующие особенности при открытии и закрытии. При открытии после установ­ления достаточной напряженности магнитного поля сердечник подтя­гивается. Однако при этом повышается индуктивность и полное со­противление электромагнита. Пусковой ток в связи с этим сохраня­ется лишь короткое время. Из-за связанного с этим уменьшения тяги якорь под действием основного и вспомогательного затворов может двинуться в обратном направлении, т. е. в направлении запирания.

После отключения клапана наблюдается кратковременное усиле­ние электромагнитного поля и замедление движения вспомогательно­го затвора, что вновь может привести к его отпиранию, поднятию уже почти закрытого основного затвора и к так называемому повторному удару, связанному с реверсированием основного затвора, прежде чем он достигнет седла. В результате возникают затухающие или незату­хающие колебания затвора. Во избежание этого нежелательного явле­ния принимают необходимые меры, с помощью которых вспомога­тельный затвор держится принудительно закрытым во время процесса запирания. В первую очередь — это использование возвратной пружины, которая удерживает вспомогательный затвор при внешних возмущениях и колебаниях потока в трубопроводе. Кроме того, она тормозит нарас­тание скоростей газов и паров во время отпирания и препятствует жесткому удару подвижного сердечника о неподвижный. С помощью пружины и замедления вытеснения находящейся над сердечником и над основным затвором среды (так называемого гидравлического торможения) поршень переходит из одного положения в другое почти без толчка.

В то время как отпирание и удержание в открытом положении электромагнитных  клапанов комбинированного действия не составляет проблемы даже при минимальной разности давлений, то при работе электромагнитных клапанов непрямого действия следует обратить внимание на сле­дующее. Так как открытие происходит с помощью перепада давле­ния среды, при малых подъемах клапан стано­вится как бы автоматическим регулятором и поддерживает почти постоянный перепад давлений (рис. 2). С увеличением объемного расхода степень отпирания основного затвора увеличивается. Вели­чина z при этом уменьшается обратно пропорционально квадрату ско­рости потока до тех пор, пока основной затвор не достигнет макси­мального подъема. На рис. 2 в упрощенном виде представлены эти соотношения как функция Dр = f (с) и z = f (с).В нижнем диапазоне объемного расхода степень отпирания основного затвора не остается постоянной. Из этого следует, что с понижением объемного расхода величина z возрастает в сторону бесконечности. Практически эта тенденция наблюдается в диапазоне очень малого объемного расхо­да из-за возможных нестабильностей, которые особенно сильны при пропуске газообразных сред (рис. 2). В связи с этим электромаг­нитные клапаны непрямого действия не должны использоваться для малых объемных расходов и низких температур.

Для клапанов непрямого и комбинированного действия харак­терно, что основной затвор при гидравлических ударах со стороны входа может открываться на короткое время, не имея сигнала управ­ления. Это происходит часто под воздействием жидкой среды, когда над основным затвором находится газ. Причиной гидравлического удара может быть работа другой быстродействующей арматуры или предшествующий процесс запирания электромагнитного клапана.

Таблица 3. Сравнительные характеристики электромагнитных клапанов комбинированного и непрямого действия

Характеристика Тип клапана
комбинированного действия непрямого действия
Работа электромагнита 1 + k (например, 0.1)
Склонность к нестабильности при отпирании или запирании Склонен к толчкам при отпирании и колебаниям при запирании + Отсутствуют
Склонность к нестабильности в открытом состоянии + Отсутствуют Склонен к колебаниям при небольшом расходе
Минимальный рабочий перепад давлений для отпирания (разность давлений) + Не требуется, т.е. применяется до Dр =0 Требует некоторой минимальной разности давлений
Величина z + +

В табл. 3 приведены характеристики электромагнитных клапа­нов комбинированного и непрямого действия.

Изучение функциональных особенностей клапанов и применяемых режимов работы при различных условиях позволило сформулировать следующие рекомендации относительно применения отдельных типов клапанов:

1)     электромагнитные клапаны прямого действия – Dу до 10 мм. Можно использовать во всех холодиль­ных машинах и установках как самостоятельно, так и в качестве внешнего управляющего клапана для основных клапанов;

2)    электромагнитные клапаны непрямого действия  – Dу = 6 – 50 мм. При Dу до 20 в качестве привода ос­новного затвора обычно используют мембраны, свыше 20 – поршни. Применяют в жидкостных и паровых трубопроводах;

3)   электромагнитные клапаны комбинированного действия – Dу = 10 – 32 мм. Применяют в основном в трубопро­водах для жидкостей и перегретого пара;

4)  электромагнитные клапаны с внешним управлением – Dу = 20 – 100 мм. Нормально закрытое исполнение при­меняют в качестве запорного клапана в трубопроводах для жидкостей и перегретого пара. В качестве управляющих употреб­ляют электромагнитные клапаны прямого действия с направлением потока «от основного клапана». Нормально открытое исполнение применяют для трубопроводов низкого давления, как правило, с небольшой разностью давлений. При встраивании во всасы­вающий трубопровод рекомендуется между клапаном и компрессо­ром оставлять расстояние не менее 2 м. В качестве управляющих ис­пользуют электромагнитные клапаны прямого действия с направле­нием потока «в сторону основного клапана». Для обеспечения рабо­тоспособности основные клапаны следует монтировать горизонтально, крышкой кверху: в этом положении обеспечивается минимальная потеря давления;

5) допустимая температура среды – для электромагнитов с нор­мальной катушкой допускаются температуры от –40 до +105 °С (в специальных случаях изготовляют катушки, применение которых воз­можно при более высоких или более низких температурах). Для основ­ных клапанов с внешним управлением допустимые пределы температур от –60 до +140 °С (могут меняться в зависимости от конструкции поршневого механизма).

Большая часть электромагнитных клапанов оснащена так называ­емым ручным дублером. Это устройство предусмотре­но только для управления в случае аварии (перевода основного затвора из нерабочего в рабочее положение). Для постоянного использования не предназначено, и после устранения аварии шпиндель должен быть возвращен в исходное положение.

Электромагниты

Электромагнитные клапаны оснащены электромагнитами перемен­ного и постоянного тока. Последние могут работать также на перемен­ном токе через подключенный выпрямитель.

Каждый из этих видов электромагнитов имеет особые свойства, которые следует учитывать при применении. Электромагниты подклю­чают к цепи, напряжение и частота которой должны совпадать с номи­нальными значениями, указанными в паспорте. Рабочее напряжение может колебаться в пределах 5 – 15 % номинального значения. Большие превышения напряжения, питающего электромагниты переменного тока, могут привести к перегреву и разрушению обмотки. То же проис­ходит в случае, когда напряжение падает так низко, что тягового уси­лия электромагнита недостаточно для поднятия сердечника. У электро­магнита переменного тока индуктивное сопротивление и связанное с ним полное сопротивление минимальны, если зазор между подвижным и не­подвижным сердечниками максимальный, что наблюдается при закрытом затворе. Поэтому при включении электромагнита образуется сильный магнитный поток, который, несмотря на большой зазор, вызывает относительно высокое тяговое усилие, вызывающее ускорение сердечника. Если затвор при этом не откроется (недостаточна сила, чтобы притянуть сердечник), из-за большой силы тока наступает перегрев катушки.

Важным преимуществом электромагнитов, которые работают при постоянном токе, яв­ляется их абсолютная зашита от перегрева. При использовании таких магнитов сила тока не зависит от величины зазора в магнитной цепи и определяется лишь омическим сопротивлением катушки. Тяговое усилие зависит от величины зазора в магнитной цепи и у закрытого клапана минимально. В связи с этим сердечник начинает движение с относительно небольших ускорений. Перемещение сердечника повы­шает индуктивность катушки. Поэтому магнитное поле нарастает от­носительно медленно, что в свою очередь приводит к уменьшению ускорения и некоторому запаздыванию открытия. Эти отрицательные воздействия до некоторой степени ограничивают, принимая дополни­тельные меры, но полностью избежать их нельзя. Срок службы ка­тушки электромагнита всегда выше окружающей среды вследствие прохождения электрического тока. Кроме того, она зависит от тем­пературы окружающей и рабочей среды, частоты и продолжительно­сти включений.

Степень нагревания катушки электрических магнитов, которые работают при постоянном токе, оп­ределяется, в основном, длительностью включения. В случае электрических магнитов, которые работают при переменном токе, степень нагревания будет определяться частотой включений. Следовательно, нагревание катушки электромагнитов может определяться такими факторами, как частота и длительность включения, а в случае, когда имеются бессальниковые клапаны, то и характером рабочей среды. На рис. 3 показано влияние длительности включения на температурные колебания катушки при условии неизменяемой температуры окружающей среды.

Максимально допустимая тепловая нагрузка на электромагнитный клапан определяется допустимой температурой обмотки электромаг­нита. Это означает, что допустимая температура среды может быть тем выше, чем ниже температура окружающего воздуха, продолжи­тельность и частота включений. Обмотки электромагнита рассчитаны, как правило, на 100 %-ную продолжительность включения при соблю­дении гарантированных изготовителем температурах среды и окружа­ющего воздуха. Поэтому большое значение имеют выполнение требо­ваний к условиям охлаждения электромагнита и обеспечение защиты от теплового излучения. Максимально возможная частота включений ограничивается  инерцией подвижных деталей, магнитным запаздыва­нием и скоростью работы мембранного или поршневого механизма. Длительность цикла равна сумме времени на отпирание и запирание. Сильное влияние оказывают на нее прежде всего время закрытия, рабочие условия и размеры клапана.

Рис. 3 – Изменение температуры катушки во времени при различных условиях работы и при постоянной температуре окружающей среды:

1 – нагрев при ПВ 100 % и превышении напряжения на 30 %; 2 – нагрев при ПВ 100 % и повышении напряжения на 10 %; 3 – нагрев при ПВ 50 %; 4 – нагрев при ПВ 20 %;

5 – охлаждение