Электромагнитный клапан для системы старт-стоп

Несмотря на то, что винокурением я занимаюсь уже больше 10 лет, вопрос автоматизации процесса перегонки меня никогда особо не заботил. Во-первых, большие объёмы я не перерабатываю, а для себя мне много не надо, поэтому и 1-дюймовое оборудование менять на более производительное не собираюсь. Потратить на перегонку лишний час-два особой роли не играет. Во-вторых, та степень автоматизации, которая у меня имеется (4-х канальный WiFI, BT термометр), вполне устраивает. 

С ним я всегда знаю, какой процесс идёт и на какой стадии он находится. Когда перегонка приближается к концу, я просто постепенно снижаю скорость отбора, стараясь удержать «спиртовую полку» в неизменном виде. Никакие хвосты я не дожимаю, а просто оставляю их в кубе.

Покупку системы старт-стоп по вышеперечисленным причинам и вдобавок их высокой цене за промышленные образцы я даже и не рассматривал. Однако, случайно натолкнулся на маркетплейсе на электромагнитный клапан 220 В, который продавец позиционировал, как один из элементов системы старт-стоп. Цена была не сильно большой, что-то в районе полутора тысяч, однако к покупке всё же не располагала. Но большой брат беспрестанно следит за нами, особенно за нашими предпочтениями в сфере товаров и услуг, поэтому в очередное из посещений того самого маркетплейса, предложил мне аналогичный товар, но уже без позиционирования его, как системы старт-стоп, а просто как электромагнитный клапан. Ну и цена соответственно была в несколько раз ниже. Так как термоконтроллер, способный управлять таким клапаном на 220 В, у меня уже был, то чисто из спортивного интереса решил его взять.

Итак, что же такое система старт-стоп, применительно к процессу производства спирта? Тут нужно немного углубиться в теорию ректификации.
«Принцип действия ректификационной колонны основан на взаимодействии пара, летящего в ней вверх, и флегмы (жидкости) стекающей вниз; поэтому возврат части конденсата обратно «в работу» — ОБЯЗАТЕЛЬНОЕ условие, и характерная отличительная черта работы колонн. Пар, двигаясь из куба вверх, на каждой тарелке встречается с флегмой. И — постепенно укрепляется, оставляя на тарелке свои тяжелокипящие фракции, и обогащаясь более «лёгкими на подъем», низкокипящими фракциями. Флегма же, стекая вниз потихоньку истощается, отдает легкокипящие примеси. В итоге такое многократное взаимодействие пара и жидкости внутри колонны приводит к тому, что легкокипящие фракции собираются все выше и выше, вверху колонны. А низкокипящие, сивушные компоненты держатся в кубе, или на нижних ступеньках. Отбирая часть флегмы вверху, мы поочередно (говоря иначе — последовательно) отбираем сначала головы (самую легкокипящую часть испаряющегося из куба пара), а потом и товарный спирт (или крепкий дистиллят как угодно — это зависит лишь от способности колонны разделять компоненты пара на отдельные фракции).»
Источник: «Руководство по работе с тарельчатыми колоннами серии ХД-3 и ХД-4» Таганрог 2015 год Игорь Шульман.

При отборе тела продукта необходимо учитывать один момент — производительность колонны, от которой зависит скорость отбора товарного спирта. Если скорость установлена правильно, то колонна успевает накопить в своей верхней части нужное количество спирта, которое мы в процессе перегонки и отбираем из колонны. О том, что скорость выбрана правильно, нам говорит термометр, установленный в верхней точке колонны. Так как в отбор идёт одно и то же вещество — условно чистый этиловый спирт, то температура его кипения должна быть постоянной весь процесс отбора тела. При этом на графике измерения температуры в зависимости от времени  получается прямая горизонтальная линия, она-то и называется спиртовая полка. 

Если же мы превышаем скорость отбора, то колонна не будет справляться с накоплением спиртовой фракции и в отбор начнут попадать хвостовые фракции, а температура в верхней точке колонны начнёт расти. Уменьшаем скорость отбора и температура начинает снижаться, пока опять не станет постоянной. Это справедливо для начала и середины отбора тела, когда в кубе много спирта. При приближении к концу отбора, спирта становится всё меньше и колонна начинает не справляться с производством спирта на выставленной ранее скорости. Вариантов два — постепенно уменьшать скорость отбора, что я и делаю, либо использовать систему старт-стоп. Эта система прекращает отбор путем перекрытия клапана, когда температура повышается выше заданного предела, тем самым давая колонне дополнительное время, чтобы накопить спиртовую фракцию в верхней точке колонны. Как только спирт накопится, температура снизится и система возобновит отбор, открыв клапан. Этот процесс будет происходить циклично, пока в кубе не закончится спирт и температура перестанет возвращаться к заданному значению.
Обозреваемый электромагнитный клапан, как раз и является тем краном, который по команде термоконтроллера должен, то перекрывать отбор, то начинать его заново.
Единственное, что меня смутило, так это то, что данный клапан предназначен для газовой среды, а не для жидкости, но раз народ его использует по иному назначению и не жалуется, а даже оставляет положительные отзывы, то почему бы и не попробовать?
В таком форм-факторе клапан бывает на 220, 24 и 12 В. В целях электробезопасности предпочтительнее были бы первые два, но мой термоконтроллер имеет обычные розетки на 220 В, поэтому городить огород ещё и с блоком питания не хотелось.
По типу коммутации данный клапан является нормально-закрытым. То есть, в выключенном состоянии клапан поток не пропускает. Подаём напряжение — клапан открывается, поток пропускается. Для моих целей это не очень хорошо, так как в системе старт-стоп наоборот, клапан должен быть всё время открыт и лишь на время ему придётся закрываться. Я помониторил цену на нормально открытые клапаны, она оказалось намного выше нормально-закрытых. Так что имеем, то что имеем.
Характеристики:
Тип изделия: электромагнитный клапан
Рабочая среда: Воздух/Вода/Масло
Тип действия: Прямого действия
Апертура потока: 2,5
Значение CV: 0,23
Диаметр разъёма и размер резьбы: G1/4 дюйма 12 мм (опционально)
Вязкость жидкости:< 20CST
Рабочее давление: 0 ~ 1 МПа
Максимальное сопротивление давлению: 1,2 МПа
Диапазон рабочих температур: -10~+80°C
Диапазон рабочего напряжения: ± 10%
Уровень защиты: IP65
Потребляемая мощность: 7 ВА/60 Гц, 9 ВА/50 Гц
Напряжение: 220 В переменного тока
Изоляция: Класс F
Материал корпуса: алюминиевый сплав
Материал сальника: NBR или ВИТОН, NBR
Минимальное время возбуждения: 0,05 сек.

Поставляется клапан в небольшой коробочке из тонкого глянцевого картона. На коробке имеются лишь иероглифы, инструкции и вовсе никакой нет. 

Да она собственно и не нужна, все данные написаны на коробке и продублированы на корпусе соленоида.

Единственное непонятно, где вход-выход? Обычно направление указывают стрелкой на корпусе клапана, но не в данном случае. Ищем информацию в интернете и она находится. Вход, там где отверстие сбоку, а выход, там где оно по центру.

Отверстия клапана имеют резьбу 1/4". Для монтажа клапана к узлу отбора, мне потребуются 2 штуцера с такой резьбой. По приемлемой цене они нашлись здесь.

Собственно монтаж прост — прикручиваем штуцеры к корпусу клапана. Использовать уплотнитель я пока не буду, поскольку меня и так смущает вопрос инертности сплава, из которого сделан корпус клапана, к спирту. 

Ещё потребуется оснастить провода клапана электрической вилкой. 

Герметичность соединения, да и в принципе работу самого устройства, прежде чем устанавливать его на колонну, вначале проверю просто на воде. Соединяем входной штуцер патрубком с ёмкостью и включаем клапан в розетку термоконтроллера. 

Напряжения в этой розетке пока нет, клапан находится в закрытом состоянии, вода через него не идёт.

Для срабатывания реле термоконтроллера задаём пороговое значение температуры в 30°С на подачу напряжения. Проверяем, берём щуп в руку, температура поднимается до 30°С, слышно как щелкает реле термоконтроллера. От клапана никаких звуков нет, но струйка начинает течь, значит клапан открылся. 

Струйка слабенькая, напор проходя через клапан, значительно ослабевает. 

Отпускаем термощуп, температура снижается, реле термоконтроллера опять щелкает и струйка прекращается. Клапан работает, как и положено. Однако я заметил, что на корпусе клапана появилась вода, значит придётся всё-таки использовать уплотнение резьбового соединения штуцера. 

Подмотал фумкой наружные витки резьбы, чтобы минимизировать их контакт со спиртом.

Пора приступать к непосредственному использованию клапана. Одним из недостатков такого клапана в отзывах называют его сильный нагрев во время работы, поэтому я решил смонтировать клапан после доохладителя, чтобы дополнительно не добавлять ему тепла от горячего, только что сконденсированного спирта.

Чтобы зря не тратить электричество и не греть клапан, который должен быть открыт практически весь погон, я поставлю его в самом конце, когда произойдёт первый скачок температуры на спиртовой полке. Для этого в самом начале я установлю сразу два зажима Гофмана, чтобы иметь возможность перекрыть отбор для установки клапана, не сбивая выставленную вторым зажимом скорость отбора.

Поэтапно отбираем головные фракции, объём которых рассчитан в специальном калькуляторе.

Затем отбираем тело на максимальной скорости, которую держит моя 5-этажная колпачковая колонна без увеличения температуры в верхней точке. Это порядка 800 — 1000 мл в час. Владельцы современных 3" колонн сейчас насмешливо фыркнут, но меня это устраивает — лишний час-два погона роли не играет, потоковым производством я не занимаюсь.

Итак, к моменту когда весь расчётный объем питьевого спирта уже почти отобран, на спиртовой полке появляется первая ступенька — температура поднялась сразу на 0,3°С. Это странно, но в тот момент я не обратил внимание. Пришла пора устанавливать клапан.

Перекрываю нижним Гофманом отбор полностью и ставлю после доохладителя обозреваемый клапан. 

В управляющей термоконтроллером программе устанавливаю порог срабатывания на 0,3°С ниже установившейся сейчас температуры. Ждём, когда колонна поднакопит спирта в верхней части колонны и температура вновь вернётся на свою спиртовую полку.

Ждать пришлось довольно долго, минут 15 — 20. Как-то мне это сразу не понравилось. Наконец произошло снижение и реле термоконтроллера щёлкнуло. Значит на клапан должно податься напряжение и он откроется. Смотрим на приёмную ёмкость — увы, отбор не начался. Пару минут проверял все настройки, потом понял, что забыл после установки клапана открыть нижний зажим Гоффмана. Открываем и видим, что струйка пошла. Всё в порядке — клапан сработал, как положено. Однако я опять заметил на корпусе клапана жидкость. Да чтож такое? 

Опять перекрыл зажим. Снял клапан и подмотал фумки уже не жалея.Снова ставлю и вижу, что корпус клапан опять сразу же стал мокрым. Мда, в чем же дело? 

Осмотрел всю колонну и сразу понял свою ошибку. Мой доохладитель имеет трубку связи с атмосферой. Перекрыв из него отбор, я не оставил скапливающемуся спирту пути для выхода и он потёк через эту самую трубку. 

Значит ставить в этом месте клапан нельзя. Переставлять его перед доохладителем на горячем оборудовании ещё та морока, а останавливать нагрев, потом вновь выводить колонну на режим потребуется очень много времени, поэтому на сегодня эксперимент закончен.
Итак, к следующей перегонке я установил клапан перед доохладителем, для чего потребовалось заменить сразу две трубки: на отбор и на воду охлаждения, идущую транзитом из доохладителя в дефлегматор.

В этом случае я могу не включать клапан только в самом начале перегона, на этапе разгона и вывода колонны в режим барботажа.
К моменту отбора головных фракций задаём на термоконтроллере любое значение температуры значительно меньше текущего, чтобы клапан был гарантированно открыт. Во время отбора этой фракции температура может скакать туда-сюда. 
Клапан открывается, зажимом Гофмана выставляем скорость отбора в 2 — 3 капли в секунду. С клапаном приходится это делать по другому, чем без него. Если раньше Гофманом приходилось работать очень аккуратно, крутя его совсем по чуть-чуть, то сейчас можно не мелочиться и крутить смело, клапан ощутимо снижает напор.

Неспеша отбираем головы, затем тело, а заодно контролируем ИК термометром температуру корпуса клапана. На ощупь он горяченький, но показаний выше 55°С термометр не зафиксировал, думаю такой нагрев не критичен.

Весь погон тела температура держалась постоянной — 74,5°С. Во первых это сильно ниже, чем всегда показывал мой основной термометр, хотя в данном случае это и не так важно, какое именно значение показывает тот или иной термометр. 

Гораздо важнее, как своевременно и насколько чутко он реагирует на её изменения. А вот тут тоже случилась непонятная нестыковка. Обычно, перед окончанием отбора расчётного объёма тела, температура начинала расти и я в несколько приёмов поджимал Гофмана, чтобы снизить скорость отбора и вернуться к прежней температуре. 

В случае же с данным термоконтроллером я уже отобрал весь расчётный объём, поменял ёмкость и отобрал около 100 мл в новую банку, как температура поднялась на 0,1°С и термоконтроллер наконец-то отключил клапан. 

Затем начался очень долгий этап накопления спиртовых фракций в верхней точки колонны и возврат к прежней температуре. Секундомер я не включал, но по ощущением это длилось минут 15-20, потом клапан открылся и столько же продолжался отбор до нового скачка. Следующая пауза длилась ещё дольше — в районе получаса. Как мне кажется, такого быть не должно. Причиной этому я вижу некий гистерезис в реакции термоконтроллера на изменение температуры, который составляет вовсе не 0,1°С, как индицируется на его экране.
В итоге — к обозреваемому клапану особых претензий нет. Все они к термоконтроллеру. Нужен более чуткий и менее инерционный к смене температуры. 

Клапан открывается и закрывается, как и положено — при подаче и отключении напряжения. Есть и недостатки — греется, но всё же не критично. Также пропускаемый через себя поток уменьшает, но для моих целей это также не существенно.
Надо будет помониторить самогонные форумы на тему бюджетного термоконтроллера с требуемыми характеристиками и потом ещё раз провести данный опыт.