Energieverbruik reduceren van magneetventielen

Energieverbruik reduceren van magneetventielen

2/2-weg magneetventiel

Figuur 1: 2/2-weg magneetventiel

Het minimaliseren van het elektriciteitsverbruik en het verlagen van de ecologische 'voetafdruk', zoals het vaak wordt genoemd, is in de21e eeuw steeds belangrijker geworden. Maar als we erover praten, denken we meestal aan de keuzes van grote energieverbruikers, zoals grote pompen, elektrische kachels enz. Maar het zal je verbazen hoeveel energie je kunt besparen met magneetventielen, vooral als je gecompliceerde systemen hebt met veel magneetventielen. In dit artikel bestuderen we de verschillende aspecten van het energieverbruik van magneetventielen en geven we richtlijnen voor het kiezen van de beste magneetventielen voor een geoptimaliseerd energieverbruik.

Standaard magneetventielbediening

Door elektriciteit op een standaard magneetventiel aan te sluiten, wordt er een magnetisch veld in de magneetventiel gecreëerd. Hierdoor wordt de plunjer omhoog gebracht. De aanslag bovenaan de spoel blokkeert de plunjer bij zijn opwaartse beweging. Maar om open te blijven, moet de spoel constant elektrische stroom ontvangen om het magnetische veld in stand te houden, waardoor de plunjer tegen de aanslag wordt gehouden.

Factoren die het energieverbruik van solenoïden beïnvloeden

Het beste moment om na te denken over het energieverbruik van magneetventielen is tijdens de ontwerpfase, omdat veel van de factoren die het energieverbruik beïnvloeden te maken hebben met de juiste keuze van ventieltype en -grootte. Over het algemeen kun je ervan uitgaan dat solenoïden energie verbruiken in één toestand (open of gesloten). De belangrijkste factoren om rekening mee te houden zijn:

  • Afmetingen van het magneetventiel: Als je de klep te groot dimensioneert, werkt hij misschien perfect, maar verbruikt hij te veel onnodige energie.
  • Ontwerp of type magneetventiel: Het verschil in energieverbruik tussen verschillende typen magneetventielen kan aanzienlijk zijn. De volgende type- en ontwerpopties beïnvloeden het energieverbruik:
    • Normaal open of normaal gesloten: Dit maakt deel uit van het ontwerp van de klep, maar verdient speciale aandacht omdat het het energieverbruik sterk beïnvloedt, afhankelijk van het vereiste cycluspatroon.
    • Direct of indirect bediend: Gewoonlijk verbruiken indirect gestuurde magneetventielen minder energie, maar ze kunnen niet in elke toepassing worden gebruikt.
  • Cycluspatroon van de elektromagneet: De manier waarop een magneetventiel verwacht wordt te werken, in termen van het aantal openings- en sluitingscycli en de tijden dat de ventielen open of gesloten moeten blijven, speelt een grote rol bij het kiezen van het juiste model. Elk magneetventiel heeft een compleet ander energieverbruik, gebaseerd op het cycluspatroon. Door de juiste klep voor je cyclusproces te kiezen, bespaar je veel energie.
  • Piekstromen tijdens openen: De stroom (piekstroom) om de plunjer op te tillen moet veel hoger zijn dan de stroom (houdstroom) die nodig is om de plunjer tegen de aanslag te houden in de open stand.
    • AC- of DC-stroom: Afhankelijk van de toepassing hebben magneetventielen met AC- of DC-spanning verschillende niveaus van energieverbruik.
    • Extra schakelingen om de houdstroom te verlagen: Dit kan het energieverbruik aanzienlijk verlagen.
    • Vergrendelende magneetventielen: Een magneetventiel met een ingebouwde permanente magneet om houdstromen te vermijden.
Energiebesparingsmodule

Figuur 2: Verminder houdstromen en bespaar energie met een Power Saver

Een klep juist dimensioneren op basis van de systeemvereisten (Kv-waarde)

Het spreekt voor zich dat het magneetventiel groot genoeg moet zijn voor de vereiste procesdebieten. Een te grote dimensionering van het magneetventiel leidt echter tot een continu oververbruik van energie en moet worden vermeden. Daarom wordt de grootte van de klep bepaald door het vereiste debiet.

Kv waarde

Kv is de debietcoëfficiënt, debietparameter of debietfactor die wordt gebruikt als berekeningsbasis voor de verschillende procesomstandigheden. De eenheid ism3/h en wordt gebruikt om het debiet van kleppen te definiëren.

De Kv-waarde beschrijft de hoeveelheid water (van 5° tot 30°C) die door een klep stroomt bij een drukdaling van 1 bar (14,5 psi). Gebruik onze Kv-waarde calculator om snel en eenvoudig je Kv-waarden te berekenen.

Cv-waarde

De Kv-waarde is een Amerikaanse indicatie van Kv. De Cv-waarde beschrijft de hoeveelheid water die door een klep stroomt bij een drukdaling van 1 psi.

De eenheid is gallons per minuut (gpm) en kan worden omgerekend van en naar Kv met de volgende omrekeningsformules:

1 Cv = 1.17 Kv
1 Kv = 0.865 Cv

Formule:

Het debiet (van water) kan worden berekend als de Kv-waarde en de drukval over de klep bekend zijn:

Debiet van water

Debiet

Waar:

  • Kv = debietcoëfficiënt [m3/h]
  • Q = debiet van het medium [m3/h]
  • ρ(rho) = dichtheid van het medium [kg/l]
  • Δp = drukval over de klep [bar]

Ontwerp of type magneetventiel

Het verschil in energieverbruik tussen verschillende typen magneetventielen kan aanzienlijk zijn. De volgende type- en ontwerpopties beïnvloeden het energieverbruik:

Normaal open of normaal gesloten

Normaal open' betekent dat het magneetventiel open is als het niet wordt bediend. Normaal gesloten' betekent dat het gesloten is als het niet wordt bediend. Als je een 'normaal open' magneetventiel kiest, maar door het cycluspatroon moet het ventiel het grootste deel van de tijd gesloten zijn, dan gaat er veel energie verloren, omdat magneetventielen energie verbruiken wanneer ze worden bediend. Dus als het cycluspatroon dicteert dat de klep het grootste deel van de tijd gesloten moet zijn, is de beste keuze een 'normaal gesloten' type.

Laten we nu eens aannemen dat de klep de helft van de dag open en de andere helft van de dag gesloten moet zijn en slechts een paar keer per dag van open/gesloten positie hoeft te veranderen. Dit betekent dat welk type magneetventiel je ook kiest met betrekking tot 'Normally cpen' of 'Normally Closed', je magneetventiel een halve dag onder stroom staat en elektriciteit verbruikt. Een klep die alleen energie verbruikt tijdens het openen en sluiten (bijvoorbeeld een elektrische kogelkraan), zal echter minder energie per dag verbruiken, omdat hij niets verbruikt als hij in de open of gesloten stand staat. Het aantal klepschakelaars is daarom een belangrijke factor om rekening mee te houden.

Direct of indirect bediend

De kracht die nodig is om een magneetventiel met directe bediening te openen, zodat het medium van de inlaat naar de uitlaat kan stromen, moet geleverd worden door de elektromagneet. Bij een indirect gestuurde klep hoeft de elektromagneet maar een heel klein ontluchtingskanaal te openen, omdat de meeste kracht om het hoofdgedeelte van de klep te openen wordt opgewekt door de inlaatdruk van het medium zelf. Daarom verbruikt een indirect bediend magneetventiel veel minder energie dan een direct bediend magneetventiel met dezelfde Kv-waarde. Direct bediende magneetventielen zijn echter minder gecompliceerd en vaak een kostenefficiëntere oplossing.

Schematische weergave van een direct en indirect magneetventiel (2/2-weg, normaal gesloten)

Figuur 3: Schematische weergave van een direct en indirect magneetventiel (2/2-weg, normaal gesloten)

Cycluspatroon van de elektromagneet

Je systeem bepaalt het cycluspatroon van de elektromagneet. Het cycluspatroon bestaat uit het aantal openingen en sluitingen van je magneetventiel en de tijd die het gemiddeld nodig heeft om in elke positie te blijven. Verschillende kleppen hebben verschillende energieverbruikspatronen. Zoals je in de vorige hoofdstukken hebt gezien, moeten ontwerpkenmerken zoals NO/NC correct worden bepaald. Ze moeten compatibel zijn met het cycluspatroon van het magneetventiel in je systeem om het energieverbruik te optimaliseren.

Om het energieverbruik van specifieke magneetventielen te bepalen op basis van het cycluspatroon van je systeem, moet je een paar eenvoudige stappen uitvoeren om een vergelijkingstabel te maken die je zal helpen om het juiste magneetventiel te kiezen. Om voor jezelf duidelijkheid te scheppen in deze kwestie kun je het beste een overzicht maken van het dagelijkse cycluspatroon van elke klep:

1) Overzicht van het cycluspatroon

  Tijd (uur)   Tijd (uur)
Tijdsduur tot openen   Tijdsduur tot sluiting  
Tijdsduur in open positie   Tijdsduur in gesloten positie  

Nadat je dat hebt gedaan, maak je een overzicht van de verschillende kleppen die je overweegt, gebaseerd op hun Kv-waarde die je nodig hebt:

2) Overzicht energieverbruik

Type klep Hoeveelheid verbruikte energie om te openen Hoeveelheid verbruikte energie om te sluiten Hoeveelheid energie die wordt verbruikt in de open stand Hoeveelheid energie die wordt verbruikt in de gesloten stand
1        
2        
Etc.        

Door de resultaten van de twee tabellen te combineren, kun je de juiste klep met het optimale energieverbruik voor jouw cycluspatroon bepalen.

Piekstromen tijdens openen

AC- of DC-stroom

Bij de keuze tussen wisselstroom en gelijkstroom moet rekening worden gehouden met het volgende. De hoeveelheid kracht die nodig is om de plunjer magnetisch omhoog te brengen naar de open positie is veel groter dan de kracht die nodig is om de plunjer in de open positie tegen de aanslag te houden. Het vermogen dat nodig is om de plunjer in de open positie te houden kan in feite veel lager zijn (20-40% van het openingsvermogen).AC-solenoïde kleppen hebben een natuurlijke stroompiek bij het openen, terwijl DC-solenoïde kleppen één constante stroom hebben. Als gevolg daarvan verbruiken standaard DC-magneetventielen meestal meer elektriciteit. Maar er zijn verschillende manieren om houdstromen te verminderen:

Extra schakelingen om de houdstroom te verlagen

Om energie te besparen bij een magneetventiel dat op gelijkstroom werkt, kan een extra schakeling worden gebruikt om de piekstroom op te wekken die nodig is tijdens de bediening. In dit geval kan de totale spoel kleiner zijn omdat deze alleen de klep open hoeft te houden. Het extra circuit creëert een tijdelijke piekstroom tijdens het openen. Dit helpt verbruik te besparen, hoewel de extra schakelingen ook een kleine hoeveelheid energie verbruiken. Deze schakeling om de openingsstroom te verminderen, werkt als een volledige-golfgelijkrichter.

Deze extra schakelingen kunnen op verschillende manieren worden geïmplementeerd. Soms is deze geïntegreerd in de spoel van het DC-magneetventiel of kan deze worden geïntegreerd in een DIN-connector. Vaak hebben klanten echter een bestaand systeem wanneer de behoefte aan energiebesparing ontstaat. In dit geval kun je een aparte module gebruiken die tussen de elektromagneet en de DIN-connector wordt gemonteerd, zoals een spaarmodule. Afhankelijk van de toepassing kan tot 40% energie worden bespaard.

Timer voor energiebesparing

Timer voor energiebesparing installeren

Vergrendelende magneetventielen

Zoals gezegd is er een grote hoeveelheid energie nodig om het elektromagnetische veld op te wekken om de plunjer op te tillen en tot stilstand te brengen, en een kleine hoeveelheid energie om hem daar te houden. In een magneetventiel met vergrendeling is de stop bovenaan de spoel vervangen door een kleine permanente magneet. Het kleine magnetische veld van deze permanente magneet is niet sterk genoeg om de plunjer op te tillen, maar als de spoel eenmaal wordt bediend en de plunjer wordt opgetild, is de permanente magneet sterk genoeg om hem op zijn plaats te houden en kan de stroom naar de spoel worden uitgeschakeld. Dit bespaart veel energie. Om de plunjer weer naar beneden te brengen moet er een stroom met omgekeerde polariteit op de spoel worden gezet, waardoor het magnetische veld wordt omgekeerd. Vaak worden magneetventielen met vergrendeling gebruikt in systemen waarvoor een laag energieverbruik cruciaal is, zoals mobiele systemen op batterijen.

Elektrisch bediende kogelkleppen kunnen een energiezuinig alternatief zijn voor magneetkleppen

Terwijl elektromagnetische kleppen in één fase continu energie verbruiken, verbruiken elektrisch bediende kogelkleppen alleen energie tijdens het openen en sluiten. Tijdens de statische stand van beide trappen verbruiken ze nauwelijks energie. Het actuatorrelais verbruikt slechts een onbeduidende hoeveelheid energie.

Misschien verbruikt een elektrische kogelkraan meer energie om te openen of te sluiten dan een magneetventiel met dezelfde Kv-waarde (doorstroomcoëfficiënt). Het dagelijkse energieverbruik van een magneetventiel kan echter veel hoger liggen dan dat van een elektrisch bediende kogelkraan, afhankelijk van het cycluspatroon. Als je cycluspatroon zeer weinig schakelcycli en lange open- en of sluitperioden vereist, kan een elektrisch bediende kogelkraan een goed alternatief zijn voor geoptimaliseerd energieverbruik.

Elektrische kogelkranen

Elektrische kogelkranen

Maar voordat je een magneetventiel vervangt door een elektrische kogelkraan, moet je rekening houden met het volgende. Als de stroom uitvalt, zal een normaal magneetventiel terugkeren naar een standaardinstelling (bijvoorbeeld: gesloten). Een elektrisch bediende kogelkraan blijft echter in de vorige stand staan. In sommige toepassingen is dit niet wenselijk en moet de klep worden teruggebracht naar een veilige (bijvoorbeeld: gesloten) positie wanneer de stroom uitvalt.