Mediengetrenntes Magnetventil - Funktionsweise

Bei einem mediengetrennten Magnetventil kommt die Flüssigkeit nicht mit den inneren mechanischen Teilen, wie z. B. dem Kolben und der Feder, in Berührung. Diese Ventile sind besonders für verunreinigte oder korrosive Flüssigkeiten geeignet. Bevor wir uns mit dem Aufbau und der Anwendung dieser Ventile befassen, werden wir zunächst die grundlegenden Konstruktionsprinzipien eines Magnetventils erläutern.

Ein Magnetventil wird elektromagnetisch betätigt. Der Aktor ist ein Magnet, eine elektrische Spule mit einem beweglichen ferromagnetischen Kern in der Mitte. Dieser Kern wird oft auch als Plunger bezeichnet. Ein elektrischer Strom durch die Spule erzeugt ein Magnetfeld, das eine Kraft auf den Kolben ausübt. Dadurch wird der Stößel zur Mitte der Spule gezogen. Wenn Strom fließt, bleibt der Kern in Richtung Zentrum gezogen. Sobald der Stromfluss aufhört, verschwindet das Magnetfeld, und der Kern wird (normalerweise) durch eine Feder in seine Ausgangsposition zurückgedrückt. Die Bewegung des Ankers durch elektrischen Strom erzeugt ein elektromechanisches System, das die grundlegende Betriebskomponente aller Magnetventile ist.

Gefahr von Korrosion und Verschmutzung

Bei den meisten Magnetventilen sind der ferromagnetische Stößel und die Rückstellfeder in Kontakt mit dem Medium. Die Ventile können mit vielen verschiedenen Gehäusematerialien gewählt werden, die chemisch mit den Medien kompatibel sind, aber der Kolben muss immer ferromagnetisch sein. Das gebräuchlichste Kolbenmaterial ist Edelstahl 430F, der im Vergleich zu den üblichen Gehäusematerialien, wie Edelstahl 304 oder 316, eine geringere chemische Beständigkeit aufweist.

Außerdem sind Magnetventile aufgrund des Antriebsmechanismus sehr schmutzempfindlich und funktionieren nur mit sauberen Flüssigkeiten oder Gasen. Ventile können Medien in Toträumen zulassen, in denen sich kleine Partikel ansammeln, die die Bewegung des Ventils beeinträchtigen, das Risiko einer Kreuzkontamination für die nächste Charge mit sich bringen und Verschleiß an den Betätigungsteilen verursachen können. Verunreinigungen im Medium sind für den größten Teil der Magnetventilprobleme verantwortlich. Es ist darauf zu achten, dass die Ventile so eingebaut werden, dass der Magnet senkrecht steht und die Spule nach oben zeigt, um die Ansammlung von Schmutz und Fremdkörpern um den Kolben zu vermeiden. Wird das Magnetventil schräg eingebaut, wird empfohlen, maximal 90° von der senkrechten Position abzuweichen.

Vor dem Einbau empfiehlt es sich immer, die Rohre kurz zu spülen, um sie von Partikeln zu befreien. Besteht die Gefahr einer Verschmutzung, kann ein Filter vor dem Ventileingang installiert werden. Eine routinemäßige Wartung kann solche Probleme verhindern.

Sind die Medien im System jedoch von Natur aus verunreinigt, mit feinen Partikeln belastet, aggressiv, korrosiv, temperaturempfindlich oder hochrein, empfiehlt sich der Einsatz mediengetrennter Magnetventile. Bitte beachten Sie, dass mediengetrennte Magnetventile nur leicht verschmutzte Medien verarbeiten können und nicht für alle partikelbeladenen Medien geeignet sind. Für stark verschmutzte Medien oder Schlämme sind andere Ventiltypen besser geeignet. Wir werden später mehr über die Alternativen erklären.

Mediengetrennte Magnetventile

Mediengetrennte Ventile sind für kritische Medien wie aggressive, partikelbeladene oder hochreine Flüssigkeiten oder Gase ausgelegt. Daher ist es wichtig, die hydraulischen und elektrischen Teile des Ventils vom Durchflussweg zu trennen. Diese Ventile sind so konstruiert, dass das Medium nur mit dem Ventilgehäuse, der Dichtung und der Isoliermembran in Berührung kommt. Das Stellglied befindet sich außerhalb des Flüssigkeitsraums und ist somit vor Korrosion oder Ansammlung von Fremdkörpern geschützt. Dadurch werden die Medien vor Verschmutzung und übermäßigen Temperaturschwankungen geschützt. Die Absperrmembran und das Ventilgehäuse sind aus widerstandsfähigen Materialien gefertigt und das Ventil kann aufgrund der geringen Toträume leicht gespült werden.

Typen

Mediengetrennte Magnetventile gibt es in vielen verschiedenen Konfigurationen. Im Allgemeinen lassen sich die Hauptbetätigungsmechanismen in zwei Kategorien einteilen: direkt und indirekt betätigt. Das wichtigste Kriterium bei der Auswahl des richtigen Ventiltyps ist, dass direktgesteuerte Ventile ab einem Druckunterschied von null bar am Ein- und Ausgang arbeiten, während indirekt gesteuerte Magnetventile einen Mindestdruckunterschied von etwa 0,5 bar zwischen den Anschlüssen erfordern. Indirekt betätigte Magnetventile sind für die Steuerung größerer Durchflussmengen mit einem relativ kleinen Magneten ausgelegt. In den folgenden Abschnitten wird das Funktionsprinzip der üblicherweise verwendeten mediengetrennten Magnetventile erläutert.

Direktgesteuertes Kipphebelmagnetventil

Zur Erläuterung dieses Beispiels wird der Bürkert-Typ 0131 als Referenz herangezogen. Dieses Kipphebelventil arbeitet nach dem Hebelgesetz. Ein Hebel ist an einem festen Gelenk drehbar und kann verwendet werden, um an einem Ende eine große Kraft über eine kleine Strecke auszuüben, während am anderen Ende nur eine kleine Kraft über eine größere Strecke ausgeübt wird. Bei einem direktwirkenden Magnet-Kipphebelventil ist der Stößel senkrecht zum Hebel am oberen Ende angeschlossen (Abbildung 2), und der Dichtungszylinder befindet sich am unteren Ende des Hebels. Die durch die horizontale Bewegung des Stößels erzeugte Eingangskraft wird über den Hebel auf den Dichtungszylinder auf die Ventilsitze übertragen. Diese Eigenschaft kann also direkt große Durchmesser in einem Ventil schalten.

Da der Hebel durch eine Trennmembran geführt wird, ist der Antrieb vom Flüssigkeitskörper getrennt. Durch die Medientrennung eignet sich dieses Ventil besonders für den Einsatz in kritischen sauren und alkalischen Lösungen oder in Medien, die Partikel enthalten. Aufgrund des großen Durchmessers wird dieses Ventil häufig als Entleerungs- und Mischventil eingesetzt. Dieses Ventil kann als 2/2-Wege- oder 3/2-Wege-Ventil arbeiten.

Direktgesteuertes Magnetventil mit Schwenkanker

Bei diesem Ventiltyp ist der Stößel der Anker, der an einem Punkt drehbar gelagert ist, eine flexible Trennmembran durchläuft und auf der anderen Seite der Membran in das Ventilgehäuse eintritt. Wenn die Magnetspule erregt wird, wird der Drehanker (der Stößel) in die Magnetspule gezogen und dreht sich gegen die Kraft einer Rückstellfeder. Ähnlich wie beim Kipphebelventil wird daher der Dichtungszylinder gegen den Ventilsitz gedrückt (bei normal geöffneten Ventilen), um den Durchfluss zu stoppen. Ohne Strom schwenkt der Drehanker durch die Kraft der Rückstellfeder zurück, wodurch sich der Dichtungszylinder vom Ventilsitz wegbewegt und das Medium fließen kann.

Ein direktwirkendes 3/2-Wege-Klappanker-Magnetventil ist in Abbildung 3 dargestellt. Im stromlosen Zustand wird der Dichtungszylinder durch Federkraft gegen den Ventilsitz 1 gedrückt. Im erregten Zustand schwenkt der Magnet den Kernanker gegen die Kraft der Feder und der Dichtungszylinder wird gegen den Ventilsitz 2 gedrückt.

Die Verwendung einer Trennmembran, die den Medienraum vom elektromagnetischen System trennt, ermöglicht den Einsatz dieser Ventile für die Steuerung von korrosiven, verschmutzten und aggressiven Flüssigkeiten sowie für Vakuum.

Indirekt betätigte (servogesteuerte) Magnetventile

Das Öffnen großer Öffnungen mit der direkt wirkenden Methode würde riesige und teure Spulen erfordern. Servounterstützte Ventile nutzen den Differenzdruck des Mediums über den Ventilanschlüssen zum Öffnen und Schließen. Das Funktionsprinzip eines servogesteuerten Magnetventils wird hier näher erläutert.

Bei einem servounterstützten Ventil mit Schwenkanker-Vorsteuerung ist das Vorsteuerventil ein direkt wirkendes Schwenkankerventil, während die Dichtung des Hauptventils eine größere flexible Membran oder ein Kolben ist.

Das Haupteinsatzgebiet dieses Ventils ist das zuverlässige Schalten von leicht verschmutzten und aggressiven Gasen und Flüssigkeiten bei größeren Durchmessern. Bei diesem Ventiltyp ist die Verstopfungsgefahr sehr gering, da Antrieb und Medienraum durch eine Membrane getrennt sind.

Andere Ventiltypen

Neben anderen mediengetrennten Ventilen werden auch Quetschventile, Kugelhähne und Absperrklappen häufig zur Durchflussregelung von verunreinigten oder aggressiven Flüssigkeiten eingesetzt:

Quetschventile Sie werden um die Prozessrohre gelegt und drücken die Rohre zusammen (Quetschung), um eine Dichtung zu erzeugen, die den Durchfluss absperrt. Quetschventile werden häufig in medizinischen Instrumenten, klinischen oder chemischen Analysegeräten und einer breiten Palette von Laborgeräten verwendet. Quetschventile sind Ventile mit vollem Durchgang, die den Druckverlust bei vollständiger Öffnung minimieren.

Kugelhähne verwenden eine hohle, perforierte, schwenkbare Kugel zur Steuerung von Flüssigkeiten. Wenn das Loch der Kugel mit dem Durchfluss übereinstimmt, ist das Ventil vollständig geöffnet, und wenn es um 90 Grad geschwenkt wird, ist das Ventil vollständig geschlossen. Kugelhähne sind langlebig, einfach zu bedienen und können bei hohen Drücken und Temperaturen eingesetzt werden.

Absperrklappen verwenden eine Scheibe, die sich um eine Vierteldrehung dreht, um zwischen offenem und geschlossenem Zustand zu wechseln. Absperrklappen sind in der Regel kostengünstiger und wiegen weniger als Kugelhähne. Da sich die Scheibe jedoch immer im Durchfluss befindet, selbst wenn sie vollständig geöffnet ist, verursachen sie immer einen Druckabfall im System.

Kriterien für die Auswahl

Das wichtigste Auswahlkriterium für mediengetrennte Magnetventile ist nach der Bestimmung des erforderlichen Mindestdifferenzdrucks an den Anschlüssen, des KV-Werts und der Ventilöffnung die Wahl des Gehäusewerkstoffs und des Dichtungsmaterials. Alle Baumaterialien haben spezifische Eigenschaften, die sie für unterschiedliche Anwendungen geeignet machen. Es ist von entscheidender Bedeutung, das geeignete Gehäuse- und Dichtungsmaterial für Ihre Medien zu wählen.