Welke solenoid valve past bij jouw flowmeter?

Een solenoid valve (regelventiel) wordt gebruikt om een flow te regelen door te de grootte van de ventieldoorgang te variëren. Dit gebeurt via een signaal van een regelaar, zoals een ingebouwde PID-regelaar in een flowmeter. Het is waarschijnlijk het meest gebruikte onderdeel voor het regelen van de flow.

Afhankelijk van de toepassing is het vaak duidelijk of je een massflowregelaar met een shut-off klep (open-dicht) nodig hebt of met een regelventiel en of je een klep nodig hebt dat standaard open- of dichtstaat. Er bestaan verschillende soorten regelventielen, elk met hun eigen bereiken, voor- en nadelen.

In deze blog bespreek ik een aantal regelventielen en leg ik uit hoe je kan omgaan met een hogere absolute en verschildruk en hoe je een hogere flow kunt krijgen bij lage verschildrukken.

Solenoid valves voor massflowmeters

Flow regelkleppen kunnen in massflowcontrollers en drukregelaars worden ingebouwd of als los deel samen met een flow- of drukmeter worden gebruikt. In combinatie met een feedbackloop van de massflow- of de drukregelaar, regelt het ventiel de flow naar een ingesteld setpoint.

Het directe regelventiel

Een direct regelventiel bestaat uit een orifice die het flowbereik bepaalt, en een regeloppervlak, de plunjer, die bepaalt hoe ver het ventiel openstaat en daarmee hoeveel flow er door het ventiel stroomt.

Voordeel: dit ventiel is relatief snel en goedkoop en heeft niet veel vermogen nodig om de flow te regelen.
Het nadeel ervan is dat het slechts een beperkte druk en een beperkte flow aankan.

Laten we een elektromagnetisch regelventiel als voorbeeld nemen:

Bij een ventiel wordt de kracht (F), die nodig is om het ventiel te openen, bepaald door de diameter (d) van de opening en het drukverschil (Δp) op het ventiel , (F ~ Δp * ¼ d2). Als het drukverschil of de diameter van de opening groter wordt, zal het ventiel niet meer of slechts deels opengaan door deze kracht (welke kan toenemen tot meer dan 15 N voor een drukverschil van 200 bar op een opening van 1 mm), die het ventiel dichtdrukt.

Een elektromagnetisch ventiel kan slechts een kracht van ca. 5 N uitoefenen op de plunjer. Je kunt eventueel wel een sterkere spoel gebruiken, waardoor de magnetische kracht groter wordt. Het vermogen van massaflowregelaars is echter vaak beperkt en ook de geproduceerde warmte kan een probleem gaan vormen. Gevolg: een beperkte maximale flow, evenredig aan de druk en de ventieldiameter in het kwadraat.

Kortom, door deze beperkingen zijn de meeste directe regelventielen niet geschikt voor hoge flows of kunnen ze geen hoge verschil- of absolute druk aan. Je kunt de directe regelventielen wel gebruiken voor kleinere flows van 1 mln/min tot ca. 50 ln/min.

Welke alternatieven hebben we?

Het ontwerp van het directe regelventiel aanpassen, zodat het een hogere druk aankan
Een indirect ventiel gebruiken
Een drukgecompenseerd ventiel gebruiken voor een hogere flow bij een lage druk

Optie 1) Direct regelventiel voor hoge druk

De eenvoudigste oplossing voor het probleem van de hogere druk is om het ontwerp van het directe regelventiel aan te passen. Aangezien de grootte van de opening nog steeds beperkt is en ook het vermogen van de regelaar niet is aangepast, kan het ventiel worden gebruikt voor relatief kleine flows (max. 20 ln/min). Om de grotere drukverschillen – max. 200 bar verschildruk (bard) – aan te kunnen, moeten (de body van) het ventiel n de massaflowregelaar veel robuuster zijn. De meeste ventielen kunnen geen pieken van 200 bard aan: ofwel het afdichtingsmateriaal scheurt, ofwel de mechanische onderdelen kunnen de plotse krachtpieken die bij 200 bard kunnen optreden, niet aan.

Het ventiel, en daardoor ook de volledige massaflowregelaar, is slechts een beetje groter dan een gewoon ventiel. Kleine flows worden hierdoor dan weer beperkt, doordat het ventiel bij hoge drukverschillen kan gaan lekken.

Indirect regelventiel

Optie 2) Indirect regelventiel, 2-traps ventiel

Voor een nog hogere druk en een grotere flow, moeten we onze massaflowregelaar in de basis gaan aanpassen. Met een zogenoemd indirect regelventiel (afbeelding 1) kunnen grotere flows (tot 200ln/min) en een hogere absolute (tot 700bara) en verschildruk (tot 400bard) worden gehaald.

Een indirect regelventiel (of 2-traps regelventiel) bestaat uit:

een direct geregeld stuurventiel (A), dat reageert zoals we eerder hebben beschreven, maar dat geen extra vermogen nodig heeft.
een extra ventiel in de body, namelijk een drukcompenserend onderdeel (B) dat zorgt voor een constant drukverschil (P1 -P2) op het stuurventiel (A) van slechts enkele bar. Hierdoor kunnen zowel de in- als de uitgaande druk wijzigen zonder dat dit gevolgen heeft voor de werking van het ventiel. De kracht die op het drukcompenserende onderdeel wordt uitgeoefend, zorgt ervoor dat het ventiel dicht blijft. Alleen als het direct gestuurde ventiel opengaat, daalt het drukverschil tot een waarde die laag genoeg is om het ventiel te openen en de flow te regelen.

Het indirecte regelventiel bestaat dus uit twee in serie geschakelde ventielen (A+B). Zowel het drukverschil als de grootte van de ventielopening bepalen de resulterende flow.

Het nadeel van dit ventiel is het formaat en de relatief hoge prijs. Bovendien is een minimaal drukverschil nodig om het drukcompenserende onderdeel van het ventiel te sluiten. De grootte van de openingen is ook nog steeds beperkt. Om bijvoorbeeld 200 ln/min te halen, is een minimale ingangsdruk van > 150 bara nodig. Om zulke flows te halen bij een lagere druk, is een heel ander soort ventiel nodig, zoals een drukgecompenseerd balgventiel.

Drukgecompenseerd ventiel

Optie 3) Drukgecompenseerd ventiel

Je kunt grotere orifices gebruiken en grotere flows halen met een direct regelventiel, maar daarvoor moet de druk in het ventiel worden verlaagd. Dit is mogelijk met behulp van een drukgecompenseerd balgventiel, waarbij de effectieve diameter voor de afdichtkracht aanzienlijk kleiner is (afbeelding 2). Met een balgventiel kunnen flows van enkele honderden liters per minuut worden gehaald met een minimaal drukverschil. De absolute druk is evenwel beperkt omwille van het ontwerp, en het ventiel is veel groter en duurder dan een gewoon direct regelventiel.