Pneumatischer und elektrischer Kugelhahn - Wie sie funktionieren

Kugelhähne können mit einem pneumatischen Antrieb (pneumatische Kugelhähne) oder einem elektrischen Antrieb (elektrische Kugelhähne) zur Automatisierung und/oder zur Fernsteuerung kombiniert werden. Je nach Anwendung kann es vorteilhafter sein, mit einem pneumatischen Antrieb zu automatisieren als mit einem elektrischen, oder umgekehrt. In diesem Artikel werden wir die beiden Optionen vergleichen.

Inhaltsübersicht

• Übersicht Kugelhahn
• Aktuator-Übersicht
• Pneumatische Antriebe
• Elektrische Stellantriebe
• Kombination eines Stellantriebs und eines Kugelhahns
• Vergleich zwischen pneumatischen und elektrischen Kugelhähnen
• Anwendungsbeispiele für einen pneumatischen oder einen elektrischen Kugelhahn

Übersicht Kugelhahn

Ein Kugelhahn ist ein Ventil mit Vierteldrehung, das den Durchfluss eines Mediums durch eine hohle, rotierende Kugel steuert, wie in Abbildung 2 zu sehen ist. Die Abbildung zeigt die Hauptbestandteile eines manuellen Kugelhahns in einer Schnittdarstellung. Wenn der hohle Teil der Kugel mit dem Durchfluss (Rohr oder Schlauch) in einer Linie liegt, ist das Ventil geöffnet und das Medium kann durchfließen. Das Ventil schließt, wenn sich der massive Teil der Kugel in einer Linie mit dem Durchfluss befindet, was durch eine 90-Grad-Drehung (daher der Name Vierteldrehungsventil) der Kugel erreicht wird.

Es ist auch möglich, das Ventil zwischen vollständig geöffnet und vollständig geschlossen zu positionieren, wodurch sich der Durchfluss noch genauer regulieren lässt. Typische Kugelhähne haben zwei Anschlüsse, einen für den Einlass und einen für den Auslass. Es sind jedoch auch drei Anschlüsse (L oder T) erhältlich, und je nachdem, wie das Ventil zusammengebaut und installiert ist, wird bestimmt, wie die 90-Grad-Drehung der Kugel den Medienstrom lenkt. Kugelhähne mit vier Anschlüssen sind möglich, aber selten.

Kugelhähne haben einen Ventilschaft, der an der Kugel befestigt ist und deren Drehung steuert. In Abbildung 2 ist die Ventilstange mit einem Handgriff zur Betätigung des Ventils verbunden. Die Ventilspindel kann jedoch auch mit einem pneumatischen oder elektrischen Drehantrieb verbunden werden, um die Spindel zu drehen und den Kugelhahn automatisch und/oder ferngesteuert zu öffnen und/oder zu schließen.

Aktuator-Übersicht

Ein Ventilantrieb ist ein Gerät, das zur Fernsteuerung eines Ventils verwendet wird. Wenn er eine Schwenkarmatur steuert, wird der Antrieb als Schwenkantrieb bezeichnet. Anstelle eines Handhebels können Sie einen Stellantrieb auf das Ventil montieren, um es automatisch und/oder aus der Ferne zu steuern. Stellantriebe verwenden eine Energiequelle, um das Drehmoment zu erzeugen, das zur Betätigung (Drehung) eines Kugelhahns erforderlich ist. Bei den meisten Aktuatoren ist die Energiequelle entweder pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch (in diesem Artikel nicht behandelt). Der Unterschied in dieser Stromquelle führt zu verschiedenen Ausführungen, die jeweils unterschiedliche Vor- und Nachteile für bestimmte Anwendungen haben (siehe unten). Abgesehen von der drehmomenterzeugenden Komponente kann ein Stellantrieb weitere Merkmale wie Stellungsanzeigen und Handbetätigung aufweisen.

Pneumatische Antriebe

Pneumatische Stellantriebe steuern Kugelhähne durch die Umwandlung von Druckluftenergie in mechanische Bewegung. Für eine 90-Grad-Drehung ist in einem Kugelhahn eine mechanische Drehbewegung erforderlich. Pneumatisch betätigte Kugelhähne können einfach- oder doppeltwirkend sein. Ein einfach wirkender pneumatischer Antrieb verwendet einen einzigen Drucklufteingang, um das Ventil zu drehen, und eine Feder, um das Ventil in die normale Position zurückzubringen. Ein doppelt wirkender pneumatischer Antrieb hat zwei Drucklufteingänge, um das Ventil zu drehen und in die ursprüngliche Position zurückzubringen.

Funktionsprinzip

Der gebräuchlichste Mechanismus für einen pneumatischen Antrieb für Kugelhähne ist der Zahnstangenmechanismus. Diese besteht aus der Zahnstange (einem linearen Zahnrad) und dem Ritzel (einem kreisförmigen Zahnrad) (Abbildung 4). Die Zahnstange ist an einem Kolben befestigt, der durch Druckluft in eine lineare Bewegung versetzt wird. Diese lineare Bewegung wird durch das Ritzel in eine Kreisbewegung umgewandelt. Das Ritzel treibt die Spindel eines Kugelhahns zum Öffnen und Schließen an.

Zur Steuerung des pneumatischen Antriebs für Kugelhähne wird die Druckluft über Magnetventile geregelt. Elektrische Signale vom Steuergerät versetzen das Magnetventil in die Öffnungs- oder Schließstellung, so dass Druckluft zu beiden Kolbenseiten des pneumatischen Stellantriebs strömen kann. Der Kolben drückt auf die Zahnstange, die das mit der Spindel des Kugelhahns verbundene Ritzel dreht.

Elektrische Stellantriebe

Elektrische Stellantriebe wandeln elektrische Energie in eine Drehkraft um, indem sie einen Elektromotor verwenden, um den Kugelhahn um 90 Grad zu drehen. Sie sind energieeffizient, sauber und eine leise Methode der Ventilsteuerung. Der Elektromotor kann mit Wechselstrom (AC) oder mit Gleichstrom (DC) betrieben werden. Er ist in einem robusten, kompakten Gehäuse untergebracht, das auch andere Komponenten des Antriebs wie Getriebe, Endschalter, Verdrahtung usw. enthält. Die gesamte Baugruppe wird über eine kompatible Anschlussschnittstelle, z. B. nach ISO 5211, mit einem Ventil verbunden.

Funktionsprinzip

Der Elektromotor erzeugt ein Drehmoment, das über eine mit dem Ventilschaft verbundene Welle übertragen wird. Dadurch wird der Kugelhahn gedreht. Um das erforderliche Drehmoment zu erreichen, wird ein Getriebesystem mit der Welle des Elektromotors verbunden. Die Drehmomentkapazität ist eine wichtige Angabe für die Auswahl eines Stellantriebs. Es muss höher sein als das erforderliche Drehmoment (Losbrechmoment) zum Drehen des Kugelhahns um einen bestimmten Prozentsatz, der häufig vom Hersteller des Kugelhahns angegeben wird. Das Losbrechmoment ist das Mindestdrehmoment, das erforderlich ist, um den Kugelhahn in der Regel in der vollständig geschlossenen oder vollständig geöffneten statischen Position zu drehen.

Die Betätigungsgeschwindigkeit (die Reaktionszeit) eines elektrischen Stellantriebs ist umgekehrt proportional zum Drehmoment des Stellantriebs. Das Getriebe definiert das Verhältnis zwischen Geschwindigkeit und Drehmoment. Ein höheres Übersetzungsverhältnis würde zu einem höheren Drehmoment, aber einer geringeren Reaktionszeit führen.

Elektrische Stellantriebe können mit 12, 24 und 48 V Gleichstrom sowie mit 24, 48, 120, 130 und 240 V Wechselstrom betrieben werden. Endschalter werden eingebaut, um den Strom zum Motor zu stoppen, wenn er vollständig geschlossen und geöffnet ist. Elektromotoren können für eine modulierende Regelung verwendet werden. Damit kann das Ventil an jedem Punkt zwischen der vollständig geöffneten und der vollständig geschlossenen Position (d. h. zwischen 0° und 90°) genau positioniert werden. Dies ist nützlich, um die Durchflussmenge durch das Ventil zu regulieren. Im elektrischen Stellantrieb ist eine Positionierungsplatine (PCB) installiert, um den Elektromotor zu steuern. Um mehr über Modulation zu erfahren, lesen Sie unseren Artikel über modulierende Ventile .

Kombination eines Stellantriebs und eines Kugelhahns

Obwohl Stellantriebe und Kugelhähne getrennte Komponenten sind, werden sie meist zusammen verwendet. Daher ist es günstiger, sie im Paket zu kaufen, um die Konformität zu gewährleisten. Kombiniert man einen Stellantrieb mit einem Kugelhahn, erhält man einen automatischen Kugelhahn, der aus der Ferne gesteuert werden kann. Der Antrieb und der Kugelhahn verfügen über eine Verbindungsschnittstelle, um sie zu verbinden. Die Verbindungsschnittstelle besteht aus einem Schaft oder einer Spindel, um die Ventilkugel anzuschließen, und einem Flansch, um den Antrieb mit dem Ventil zu verschrauben. Diese Schnittstelle kann markenspezifisch oder nach Normen wie ISO 5211 genormt sein. Sie können einen markenspezifischen Antrieb auf ein kompatibles markenspezifisches Ventil montieren. Andererseits können verschiedene Kugelhähne und Antriebe untereinander ausgetauscht werden, solange sie der gleichen Norm entsprechen, z. B. der ISO-Norm 5211.

Vergleich zwischen pneumatischen und elektrischen Kugelhähnen

Im Folgenden werden einige der vergleichbaren Merkmale von pneumatischen und elektrischen Kugelhähnen aufgeführt:

Rotationsgeschwindigkeit

Die Drehgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der die Kugel eines betätigten Kugelhahns eine vollständige Drehung (90 Grad) vollführt. Bei gleicher Baugröße ist die Drehgeschwindigkeit eines elektrischen Kugelhahns in der Regel niedriger als die eines pneumatischen Kugelhahns.

Lebensspanne

Die Lebensdauer von Geräten ist die Zeit, in der das Gerät voll funktionsfähig und einsatzbereit ist. Pneumatische Kugelhähne haben weniger Bauteile und sind einfacher zu warten; daher haben sie eine längere Lebensdauer als ihre elektrischen Gegenstücke. Elektrische Stellantriebe haben mehrere Komponenten, die gewartet werden müssen, z. B. die elektrische Spule, den elektronischen Treiber, den mechanischen Stellantrieb usw.

Präzision

Präzision oder Modulation ist für Geräte, die an einem teilweise geöffneten Punkt (z. B. 20 Grad offen) anhalten, um den Durchfluss genauer zu regulieren. Sowohl pneumatische als auch elektrische Antriebe arbeiten präzise, aber motorisierte Kugelhähne haben einen höheren Präzisionsgrad. Ein elektrischer Kugelhahn ist in der Lage, sich sehr präzise zu öffnen und zu schließen. Pneumatische Stellantriebe führen die Modulation durch Regelung des Luftdrucks an der Einlassöffnung durch. Leckagen oder Druckschwankungen können die Position des Ventils leicht beeinflussen. Elektrische Stellantriebe hingegen verwenden exakte elektrische Steuersignale, um die Steuerung durchzuführen.

Energieverbrauch

Der Energieverbrauch ist die Energie, die der Antrieb benötigt, um die Armatur zu drehen. Im Vergleich dazu ist der Energieverbrauch eines elektrisch betriebenen Kugelhahns geringer als der eines pneumatisch betätigten Kugelhahns. Bei pneumatischen Antrieben ist das gesamte Luftkompressionssystem (Kompressor, Filter, Schmiermittel, Strom usw.) für den hohen Energieverbrauch verantwortlich.

Ausfallsicherheit

Dabei handelt es sich um eine Sicherheitsfunktion, mit der ein Ventil bei einem Stromausfall automatisch geöffnet oder geschlossen wird. Es ist in der Regel einfacher und kostengünstiger, einen pneumatischen Kugelhahn mit einem Fail-Safe-Mechanismus auszustatten als einen motorbetriebenen Kugelhahn. Pneumatisch betätigte Stellantriebe sind weit verbreitet und nutzen eine Feder, um in die Grundstellung zurückzukehren, und sind ideal als ausfallsichere Lösung. Elektrische Stellantriebe mit einem ausfallsicheren Mechanismus können mit einer Batterie oder einer Feder betrieben werden und sind in der Regel teurer als die pneumatische Lösung.

Kosten

Die Kosten für einen pneumatischen Kugelhahn sind in der Regel niedriger als für einen elektrischen, da die Konstruktion des Antriebs weniger komplex ist. Dabei sind jedoch die Kosten für die Komponenten des Pneumatiksystems, wie Kompressor, Luftaufbereitung, Leitungen usw., nicht berücksichtigt. Wenn in der Nähe der Armatur kein pneumatisches System vorhanden ist, wird in der Regel eine elektrische Betätigung bevorzugt. Der Betrieb eines Pneumatikventils ist aufgrund des höheren Energieverbrauchs und der Energieverluste, die bei der Drucklufterzeugung entstehen, langfristig teurer.

Positionsrückmeldung

Stellungsanzeiger zeigen die Position des Stellantriebs zu einem bestimmten Zeitpunkt an. Sie sind in der Regel oben auf dem Stellantrieb angebracht, um gut sichtbar zu sein. Die meisten pneumatischen Stellantriebe können mit einem Endschalter an der Oberseite für eine elektrische Rückmeldung ausgestattet werden. Viele elektrische Stellantriebe haben interne Endschalter zur Positionsrückmeldung. Einfachere Aktuatoren verfügen jedoch nicht über diese Funktion.

Größe/Drehmomentbereich

Das Drehmoment ist die Drehkraft, die ein Kugelhahn zum Drehen benötigt. Pneumatische Antriebe bieten ein wesentlich höheres Drehmoment pro Baugröße als elektrische Antriebe. Für Anwendungen, die ein großes Ventil oder ein hohes Drehmoment erfordern, ist daher in der Regel ein pneumatischer Kugelhahn die bessere Wahl.

Gefährliche Bedingungen

Ein elektrischer Kugelhahn muss nach NEMA/ATEX zertifiziert sein, bevor er unter gefährlichen Bedingungen eingesetzt werden kann. Pneumatische Stellantriebe sind jedoch in größerem Umfang mit ATEX-Zertifizierung erhältlich. Außerdem erzeugen sie weder elektromagnetische Störungen noch werden sie von ihnen beeinflusst. Im Gegensatz zu ihren elektrischen Pendants sind pneumatische Stellantriebe unempfindlich gegenüber Nässe und Überhitzung.

Vergleichstabelle für pneumatische und elektrische Kugelhähne

Diese Vergleichstabelle gilt für pneumatische und elektrische Kugelhähne der gleichen Größe und ist ein allgemeiner Vergleich. Es wird spezielle Anwendungen und/oder bestimmte Designs geben, bei denen dieser Vergleich nicht zutreffend ist. Die Eigenschaften können auch als Auswahlkriterien verwendet werden.

Tabelle 1: Pneumatische vs. elektrische Kugelhähne

Typ	Pneumatische Kugelhähne	Elektrokugelhähne
Rotationsgeschwindigkeit	In der Regel schneller.	In der Regel langsamer.
Lebensspanne	Weniger Komponenten und einfachere Wartung, was zu einer längeren Lebensdauer führt.	Zahlreiche komplexe Komponenten, die stärker von Verschleiß betroffen sind, was die Wartung erschwert und in der Regel zu einer kürzeren Lebensdauer führt.
Präzision	Leckagen und Druckschwankungen können Präzisionsprobleme verursachen.	Präzise elektrische Signale führen zu einer genauen Positionierung des Ventils.
Energieverbrauch	Das Luftkompressionssystem verbraucht viel Energie, um die Luft zum Antrieb zu befördern.	Benötigt nur Strom, was einen geringeren Energieverbrauch hat als ein komplettes Druckluftsystem.
Kosten	Geringere Anschaffungskosten, aber höhere Betriebskosten.	Höhere Anschaffungskosten, aber niedrigere Betriebskosten.
Ausfallsicherheit	Einfacher und billiger zu haben.	Komplizierter zu haben.
Größe/Drehmomentbereich	Sie haben ein besseres Verhältnis von Drehmoment zu Größe.	Sie haben ein geringeres Verhältnis von Drehmoment zu Größe.
Gefährliche Bedingungen	Eher für raue Umgebungen geeignet, Versionen für NEMA/ATEX-Umgebungen erhältlich.	Erfordert NEMA/ATEX-Zertifizierungen für gefährliche Umgebungen.
Betriebsbedingungen	Kann unter hohen Druck- und Temperaturbedingungen arbeiten	Kann unter moderaten Druck- und Temperaturbedingungen arbeiten
Instandhaltbarkeit	Einfacher Mechanismus und leicht zu warten	Ein komplexer Mechanismus, der einen technischen Experten erfordert
Elektromagnetische Störungen	Keine Störungen	Es kann zu Signalstörungen kommen
Modulierende Steuerung	Kann nicht zur Durchflussmodulation verwendet werden	Mit einer Leiterplatte kann es zur Durchflussmodulation verwendet werden
Gewicht	Leichtgewicht	Viel schwerer

Anwendungsbeispiele für einen pneumatischen oder einen elektrischen Kugelhahn

• Produktionsumgebung: In einer feuchten und rauen Produktionsumgebung ist Druckluft oft leicht verfügbar. In Anlagen, in denen viele große Kugel- und/oder Absperrklappen betätigt werden (z. B. größer als DN 50), werden aufgrund des hohen Drehmoments, der Robustheit und der geringeren Materialkosten häufig pneumatische Antriebe gewählt.
• Mobile Anwendung: Ein Roboter, der sich fortbewegt, würde eher elektrisch als pneumatisch angetrieben werden, wenn man die Mobilität bedenkt, die ein elektrisches Kugelventil ermöglicht.
• Wärmetauscher: Bei einem Stromausfall benötigt das System weiterhin kaltes Wasser, um das verbleibende heiße Wasser abzukühlen und eine Überhitzung zu vermeiden. Für diese Anwendung ist ein pneumatischer Kugelhahn besser geeignet.