UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI FACULTATEA DE ELECTRONICA TELECOMUNICATII SI TEHNOLOGIA INFORMATIEI REFERAT Descrierea unor categorii de actuatori: - ventile electromagnetice ON/OFF pentru apa si abur Profesor indrumator: Daniela Ionescu Student: Dascalu Roxana Grupa: 56 RC
Ventilele electromagnetice sunt robinete de inchidere /deschidere, normal inchise (I) sau normal deschise (D), comandate electric. Acestea sunt utilizate pentru a regla debitul lichidelor neagresive (apa, uleiuri usoare) si fluide gazoase (aer, gaze inerte). Intr-un sistem de pompare cu principiu volumic, valvele sau ventilele sunt printre cele mai importante elemente, funcţionarea acestora influenţănd direct eficienţa sistemului. Tipurile constructive de ventile utilizate diferă funcţie de aplicaţia în care acestea deservesc şi astfel a fost dezvoltat un număr amplu de configuraţii şi principii de funcţionare. In ceea ce priveşte o clasificare a acestora, pornind de la principiul de funcţionare, valvele se împart în două mari categorii, şi anume, valve pasive şi valve active. Astfel valvele pasive acţionează sub efectul diferenţei de presiune între intrare şi ieşire fiind lipsite de orice element de acţionare din exterior. În mod diferit, valvele active, sunt comandate din exterior, în mare parte prin sisteme electromecanice, existând totuşi şi alte principii, modificarea locală a vâscozităţii lichidului de lucru, utilizarea unor alte elemente lichide pentru închiderea ventilelor. Valvele pasive sunt cel mai frecvent întâlnite în cadru pompelor volumice. Cele active însă cresc complexitatea sistemului, necesitând elemente separate de conducere şi sunt în mod uzual folosite cu rol de actuatoare de debit, închiderea/deschiderea unor microcanale. Clasificarea începe bineînţeles cu cele două mari categorii respectiv valve active şi pasive. Cele active ulterior se împart în microvalve active mecanice, tipic realizate prin tehnologii MEMS, nemecanice, unde acţiunea este realizată prin intermediul unor alte materiale, de exemplu materiale inteligente şi respectiv microvalve active acţionate prin intermediul elementelor exterioare, modular sau pneumatic. În cazul microventilelor pasive acestea se împart de asemenea în două subcategorii mecanice, unde elementul mobil îl reprezintă o bilă sau o membrană ce se deplasează sub acţiunea gradientului de presiune, şi nemecanice, ce permit modificări ale debitului de fluid datorate geometriei elementului. În ceea ce priveşte performanţele microvalvelor, acestea sunt în strânsă legătură cu principiul de funcţionare utilizat. Eficienţa cea mai ridicată o prezintă ventilele active aducând în schimb o complexitate sporită sistemului de pompare. Ventilele pasive deşi prezintă o eficienţă diminuată posedă marele avantaj a unei structuri relativ simple, uşor de realizat practic. Intervalul de frecvenţă în care valvele operează constituie un alt parametru important, iar în cazul particular al valvelor pasive normal închise definitorie în funcţionarea acestora este presiunea de deschidere.
CLASIFICARE Active Pasive În mod tradițional, microvalve mecanice active mecanice sunt realizate folosind volumul sau suprafața pe bază de MEMS tehnologii de micromasaj, unde membranele sunt cuplate la magnetice, electrice, piezoelectrice sau metode de acționare termică. Microvalvele active externe sunt actionate cu ajutorul sistemelor externe. Uneori, microvalvele pasive sunt considerate a parte din micropompe. În plus, pe baza modului lor inițial, microvalve pot fi împărțite în mod normal deschis, normal închis și microvalve bistabile. De aceasta data, clasificăm categoria microvalve în cinci grupuri diferite: microvalve active :mecanic, microvalve active-nemecanice, microvalve active externe pasive: microvalve-mecanice și microvalve pasivenon-mecanice Sunt adoptate diverse principii de acționare pentru a acționa mecanic componente mobile în microvalve active. Figura 1 ilustrează principiile de acționare utilizate pe scară largă în microvalve structuri (sau microactuatoare, inclusiv micropompe).
Fig1. Ilustrații ale principiilor de acționare ale microvalvelelor active cu părți mecanice în mișcare Microvalve Magnetice Microvalvele magnetice pot fi adesea hibride integrate cu magneți permanenți pentru a crește forțele magnetice cu mai puțin consumul de energie: membranele mobile integrate cu bobine (în acest caz, magnetul permanent este fix) sau montat cu magneți permanenți (magnetul permanent este libere să se miște prin acționarea bobinelor externe). Supapele de tip pinch sunt adesea favorizate pentru că pot oferi flux zero de scurgere, zero volum mort, răspuns rapid, domeniu de debit mare. O reprezentarea schematică a microvalvei montate pe o placa de bază din sticlă este prezentată în figura 2.
Figura2. Microvalva magnetica pe placa de baza din sticla Inductorul magnetic, componente ale supapei și placa de bază din sticlă fabricate individual și apoi lipite împreună, utilizând o presiune redusă tehnica de lipire a temperaturii pentru realizarea microvalvei. Inductorul actioneaza ca un flux generator si produce suficienta forta pentru a trage membrana.supapa este astfel deschisa si fluidele circula de la intrare spre iesire datorita diferentei de presiune. Microvalve nemecanice Microvalvele cu schimbare de faza sunt relativ noi și ieftine comparativ cu microvalvele tradiționale mecanice active. Aceste micro-valve non-mecanice active sunt de interes deosebit în ceea ce privește structura simplă a dispozitivelor și disponibilitatea acestora, făcându-le potrivite pentru aplicații în științele vieții. Microvalve active extern Utilizarea sistemele externe reprezintă una dintre cele mai practice abordări în proiectarea microvalvelor. Această acționare este avantajoasă, fără fluxuri de scurgere la presiuni mari de intrare, deși miniaturizarea poate fi dificilă datorită cerinței de sisteme externe suplimentare. O comutare rotativă pe zece căi cu poziționare automată a punctelor de lucru a fost dezvoltată de către Hasegawa și colaboratorii. Pentru a preveni fluxurile de scurgere între un rotor și o carcasă colector, un inel de cauciuc siliconic a fost integrat în colector. Structurile modulare erau fabricată printr-un proces 3D de micro-stereo litografice. Microvalve pasive mecanice Ventilele pasive se deschid doar pentru a transmite presiune, aratand asemeni caracteristicii unei diode.
Scurgerile în supapele de control reduc contrapresiunea și viteza de pompare în micropompa. Membranele pot fi formate din cu punti, gauri. Pentru distantele mobile, se folosesc in general membranele tip punte. Ele sunt fabricate din diferite tipuri de materiale cum ar fi Siliciul. Comportamentul dinamic al supapelor a fost studiat de-a lungul timpului in detaliu. Supapa trebuie sa fie rezistenta pentru a suporta nivelul ridicat de presiune care actioneaza asupra ei. O aplicatie populara a supapelor cu bila este pentru inima. Valva, cunoscută sub numele de Starr-Edwards - supapa de inima, este proiectata pentru implantare intr-un corp uman care are tulburări valvulare. Valva este introdusă între două camere ale inima. Dacă fluxul de sânge este regurgitat, mingea se îndreaptă spre inelul de orificiu și oprește fluxul sanguin. Curba caracteristica a debitelor fata de presiunile statice ale supapei cu bila arata asemnator cu curba unei diode. Microvalve pasive nemecanice Când supapele de control pasive sunt înlocuite cu elemente de difuzie ca elemente de rectificare a debitului, riscul de înfundare a supapelor va să fie eliminată. Cu toate acestea, eficiența ventilării într-un flux invers direcția este relativ slabă, deoarece aceste difuzoare sunt întotdeauna deschise, ducând la fluxuri de scurgere. Ventile pasive cu difuzoare se bazează pe comportamentul orientat pe direcția Canalelor de curgere. Rezistența dinamică a fluidului cu direcția fluxului se schimbă la viteze mai mari de flux. Aplicațiile microvalvelor includ reglarea debitului, comutarea on / off sau etanșarea biomoleculelor, particule micro sau nano, uleiuri, apă, bule, gaze, vid și multe altele. Caracteristicile dorite ale microvalvelor nu includ scurgeri debit, volum redus, consum redus de energie, rezistență mare la presiune, mod normal închis sau deschis, insensibilitatea la contaminarea cu particule, timpul de răspuns rapid, potențial pentru funcționarea liniară, capacitatea de a funcționa cu ambele lichide și gaze și disponibilitate.
Cele mai multe microvalve active acționează componente mecanice în mișcare folosind metode magnetice, electrice, piezoelectrice,termice sau alte metode de acționare. Valve convenționale pentru controlul presiunii sau al debitului în mod normal utilizează acționare magnetică sub formă de solenoizi pentru a conduce membrane sau pistoane, deoarece acestea pot genera forțe mari și devine rapid. Pentru structuri miniaturizate, electrostatice acționarea devine mai atractivă. Cu toate acestea, este dificil pentru a obține forțe mari datorită tensiuni foarte ridicate necesare. Ventilele electromagnetice servesc la automatiarea unor procese industrial, ca elemente de executie pentru comanda de la distanta a inchiderii sau deschiderii unor circuite de fluid. Acestea sunt elemente prin care se controleaza zonele de irigare. La semnalul transmis de un panou de comanda, aceasta deschide si inchide zona. Practic functioneaza ca un robinet cu control de la distanta. Ventilele electromagnetice se monteaza in instalatii in pozitie verticala, respectand sensul de curgere indicat prin sageata pe corpul robinetului. Valva electromagnetica cu doua cai se comuta intre pozitiile ON/OFF iar cele cu trei cai se comuta intre cele doua iesiri. Daca supapa este deschisa, atunci cele doua orificii sunt conectate si fluidul poate curge intre orificii. Daca supapa este inchisa, porturile sunt isolate. In functie de pozitia initiala a electroventilului acesta poate fi doua tipuri, normal inchis sau normal deschis, cu abrevierile in NC si NO. Daca supapa este deschisa cand solenoidul nu este alimentat, atunci supapa este denumita in mod normal deschisa. (deschis in stare dezactivata)
In mod similar, daca supapa este inchisa atunci cand solenoidul nu este alimentat, atunci supapa ese denumita in mod normal inchisa. (inchis in stare dezactivata). Simbolul pentru aceste tipuri de electroventile este prezentat in figura de mai jos. Principiul dupa care functioneaza aceasta valva este dat de relatia: FFFF = PP AA FFFF = PP ππ dd2, unde 4 Fs- Forta de actionare a solenoidului P- Presiunea fluidului care strabate dispozitivul A-Aria sectriunii strabatute de fluid d- Diametru Urmatoarea diagrama arata proiectarea unei supape de baza, care in acest exemplu controleaza fluxul de apa.
In prima imagine valva este in stare inchisa. Apa sub presiune intra prin punctul A. B este o diafragma elastica, iar deasupra este un arc slab. Diafragma are o gaura de orificiu prin central sau care permite o cantitate foarte mica de apa sa patrunda prin ea. Aceasta apa umple cavitatea C, astfel incat presiunea sa fie egala de ambele parti ale diafragmei. Daca curentul trece prin solenoid, arcul este retras prin forta magnetica, iar apa din camera C se scurge in canalul D.Presiunea din camera C scade și presiunea de intrare ridică diafragma, deschizând astfel supapa principală. Apa acum curge direct de la A la F. Valvele electromagnetice mai pot fi clasificate astfel: a. cu 2/2 cai -cu actionare directa -cu actionare indirecta -cu actionare semidirecta b. cu 3/2 cai 3.a.1 Actionare directa Ventile electromagnetice cu actionare directa au cel mai simplu principiu de functionare. Apa curge printr-un orificiu mic, care poate fi inchis de un piston cu o garnitura de cauciuc. Un arc mic retine pistonul in jos pentru a inchide supapa. O bobina electrica este pozitionata in jurul pistonului. De indata ce bobina este alimentata electric, se creeaza un camp magnetic care trage pistonul in sus spre central bobinei. Aceasta deschide orificiul astfel incat lichidul sa poata curge. Aceasta se numeste supapa cu inchidere normala. O valva normal deschisa functioneaza opus : are o constructive diferita, astfel incat orificiul este deschis cand solenoidul nu este alimentat.
Atunci cand solenoidul este actionat, orificiul va fi inchis. Presiunea maxima si debitul sunt direct legate de diametrul orificiului si forta magnetic asupra supapei. Nu necesita presiune maxima de functionare sau diferenta de presiune, astfel incat pot fi utilizate de la 0 bar pana la presiunea maxima admisa. 3.a.2 Actionare indirecta Valvele electromagnetice actionare indirecta utilizeaza presiunea diferentiala a mediului pe orificiile supapelor pentru deschidere si inchidere. De obicei aceste valve necesita o diferenta de presiune minima de aproximativ 0,5 bar. Intrarea si iesirea sunt separate printr-o membrane de cauciuc, numita si diafragma. Membrana are o gaura mica astfel incat lichidul sa poata curge in compartimentul superior. Presiunea si arcul de sustinere de deasupra membrane vor asigura ca supapa ramane inchisa. Camera de deasupra membrane este conectata printr-un canal mic la orificiul de joasa presiune. Aceasta conexiune este blocata in pozitia inchisa de un solenoid. Diametrul acestui orificiu este mai mare decat diamtrul gaurii din membrane. Atuci cand solenoidul este activat, orificiul pilot este deschis, ceea ce face ca presiunea de deasupra membrane sa scada. Datorita diferentei de presiune de pe ambele parti ale membrane, membrane va fi ridicata si apa poate curge de la orificiul de admisie a orificul de iesire. Valvele electomagnetice indirect pot fi utilizate numai pentru o directive a fluxului. Supapele indirect sunt, de asemenea, cunoscute ca supape controlate cu servomecanism. 3.a.3 Actionare Semi-directa Valvele actionate semi-direct combina proprietatilor directe si indirect. Acest lucru le permite sa lucreze la 0 bar, dar totusi pot gestiona un debit mare. Ele arata oarecum asemanator cu supapele indirect si de asemenea dispun de o membrane mobile cu un mic orificiu si camera de presiune pe ambele parti. Diferenta este ca pistonul solenoid este cnectat direct la o membrane.
Cand pistonul este ridicat, acesta ridica direct membrana pentru a deschide supapa. In acelasi timp, un al doilea orificiu este deschis prin pistonul care are un diametru putin mai mare decat primul orificiu din membrane. Acesta face ca presiunea din camera de deasupra membrane sa scada. Ca urmare, membrane este ridicata nu numai de piston ci si de diferenta de presiune. Aceasta combinatie are ca rezultat o supapa care functineaza de la 0 bar si poate controla debite relativ mari. Deseori, supapele actionare semi-direct au bobine mai puternice decat supapele actionate indirect. 3.b Valve electromagnetice cu 3 cai au 3 porturi si 2 stari de comutare. In fiecare stare de comutare, doua dintre cele trei porturi sunt conectate. Prin actionarea solenoidului, supapa se comuta si se stabileste o conexiune diferita intre porturile supapelor. Desenul de mai jos prezinta o supapa cu 3 cai. Portul din stanga este portul de intrare (P). In stare dezactivata, mediul poate curge din portul din partea de stanga pana la portul superior. In starea energizata, mediul poate curge de la portul drept pana la portul din stanga. Aceasta este o supapa de 3/2 cai inchisa.. 4. COMANDARE In comandă se va specifica : tipul ventilului electromagnetic ; starea normală a ventilului ; diametrul nominal ; presiunea de lucru ; tensiunea de alimentare;
5. CARACTERISTICI TEHNICE vascozitate maxima timp de raspuns deschidere inchidere presiune maxima de lucru temperature maxima de lucru