Pneumatisch betätigte Kugelhähne: Typen, Funktionsweise, Anwendungen

Wenn Sie schon einmal eine moderne Lebensmittel- und Getränkefabrik oder eine medizinisch-pharmazeutische Einrichtung besucht haben, sind Sie vielleicht schon auf diese Geräte gestoßen. Kugelhähne findet man in einer Vielzahl von Branchen; sie zeichnen sich durch ihr kompaktes zylindrisches Gehäuse mit einem oben angebrachten Stellantrieb aus, der mit Druckluft betrieben wird. Kugelhähne arbeiten mit hohen Geschwindigkeiten und erledigen das Öffnen oder Schließen in weniger als einer Sekunde. Es ist nicht nötig, den Kugelhahn zu berühren, da der Stellantrieb das Öffnen oder Schließen des Ventils übernimmt. Anstatt dass der Bediener Kraft aufwendet, dreht man den Griff des Stellantriebs, der das Ventil aus einiger Entfernung betätigt. Dies ermöglicht einen Fernbetrieb des Ventils mit wiederholbaren, programmierbaren Funktionen zum Öffnen, Schließen, Drosseln und zur Sequenzsteuerung des Ventils. Sie werden in Branchen wie der Pharmazie, Bäckereien und der Milchwirtschaft benötigt.

In diesem Leitfaden wird die Funktionsweise dieser pneumatisch betätigten Kugelhähne, ihre Typen und einige Zubehörteile, ihre Vorteile im Vergleich zu manuellen Kugelhähnen, die Kosten pneumatischer Kugelhähne und einige Hersteller dieser Geräte vorgestellt.

Zusammenfassend: Der Begriff pneumatisch gesteuerter Kugelhahn bezieht sich auf den Kugelhahn mit angeschlossenem pneumatischem Stellantrieb. Dieses Gerät ermöglicht eine Drehung des Ventilkugel um 90 Grad, wodurch das Öffnen und Schließen des Ventils mit einem Druck von Druckluft von etwa 2,5-8 bar erleichtert wird. Es gibt zwei verschiedene Arten von Stellantrieben – doppeltwirkende und federkraftbetätigte. Zu den mit dem pneumatischen Kugelhahn verbundenen Elementen gehören das Drosselventil, Endschalter, die FRL-Luftaufbereitungseinheit und eine Positionierungseinrichtung zur proportionalen Überwachung. Die Hauptvorteile des pneumatischen Ventils im Vergleich zum manuellen Ventil könnten die Tatsache sein, dass es für den Fern- und automatischen Betrieb eingesetzt werden kann. Der Zyklus des pneumatisch gesteuerten Ventils dauert weniger als 1 Sekunde. Es erzeugt keine elektrischen Funken. Außerdem können solche Ventile eine gute Reinigbarkeit in Sanitäranwendungen aufweisen und monatelang funktionieren.

Was ist ein pneumatisch betätigter Kugelhahn?

Das pneumatisch betätigte Kugelventil ist ein Kugelventil mit einer Kugel im Inneren und einem pneumatischen Stellantrieb an seiner Spindel. Ein pneumatischer Stellantrieb ist ein Gerät, das mit Luft betrieben wird und Druckluft in eine 90-Grad-Drehung der Kugel umwandelt, die den Strömungsweg öffnet oder schließt. Die Kugel befindet sich in der geöffneten Position, wenn ihre Bohrung mit der Rohrleitung ausgerichtet ist; die Kugel befindet sich in der geschlossenen Position, wenn sie um 90° gedreht wurde. Ein solches Ventil hat das gleiche Funktionsprinzip wie die in Haushalten verwendeten Kugelventile; es unterscheidet sich nur dadurch, dass es anstelle eines manuellen Griffs einen Pneumatikzylinder und Steuersignale verwendet.

Kugelventile eignen sich hervorragend für diese Art der Automatisierung, da sie sich vierteldrehend betätigen lassen, was recht einfach und effektiv ist: Eine 90°-Drehung führt zu einer offenen/geschlossenen Position, und das Full-Port-Design impliziert eine minimale Durchflussbeschränkung.

Typen: Doppeltwirkende vs. federkraftbetätigte Stellantriebe

Der Aktuator ist der „Entscheidungsträger“ des Systems, und es gibt zwei Haupttypen:

Typ	Betrieb	Ausfallsicheres Verhalten	Am besten geeignet für
Doppeltwirkend	Luftdruck öffnet; Luftdruck schließt (zwei Luftanschlüsse)	Hält bei Luftausfall die letzte Position	Kontinuierliche Prozesse mit zuverlässiger Luftversorgung
Federkraftbetätigt (einfachwirkend)	Luftdruck öffnet (oder schließt); interne Feder stellt bei Luftausfall zurück	Kehrt bei Luft- oder Stromausfall in eine sichere Position zurück (meist geschlossen)	Sicherheitskritische Anwendungen: Notabschaltung, Tanks, Brenner

Die federkraftbetätigte Version ist die sichere Alternative, denn wenn die Druckluft in der Anlage ausfällt, kehrt die Feder das Ventil aus Gründen der Prozesssicherheit in seine Standardposition „normalerweise geschlossen“ zurück und verhindert so einen unerwünschten Durchfluss. Doppeltwirkende Stellantriebe sind kostengünstiger und arbeiten schneller, behalten aber bei Luftausfall ihre letzte Position bei, wodurch sie für Sicherheitsanwendungen unsicher sind. Daher wählen viele Anlagenbetreiber den federkraftbetätigten Typ für ihre automatisierten Prozessventile.

Wie es funktioniert: Vom Luftdruck zum Vierteldreh

Typischerweise verwenden pneumatische Stellantriebe einen Zahnstangen-Ritzel-Mechanismus. Die funktionale Konstruktion des Stellantriebs besteht darin, dass Druckluft durch einen oder mehrere Kolben gedrückt wird, wobei eine Anordnung von Zahnrädern mit einem zentralen Ritzel zusammenwirkt, das die Ventilspindel bewegt. Während sich die Kolben entlang der Zahnstange bewegen, dreht sich das zentrale Ritzel, meist um 90°, aber mit gewissen Abweichungen. Die doppeltwirkende Option zeichnet sich durch Luftanschlüsse auf beiden Seiten der Kolben aus, während die federkraftbetätigte Option ein Federpaket auf einer Seite hat, das der Luftbewegung entgegenwirkt.

Der Bereich des pneumatischen Stellantriebs liegt im Allgemeinen bei Drücken von 2,5 bis 8 bar (ca. 36-116 psi) und bei Temperaturen von ca. -20 °C bis +90 °C, wobei ein vollständig geschlossener/offener Zyklus bei kleineren Ventiltypen in weniger als einer Sekunde durchgeführt wird. Der pneumatische Stellantrieb wird üblicherweise aus harteloxiertem Aluminium hergestellt und verfügt über Endkappen aus PTFE. Die Teile des Stellantriebs sind so geschmiert, dass der Stellantrieb millionenfach betrieben werden kann.

Zubehör: Magnetventile, Endschalter, FRL, Stellungsregler

Ein Stellantrieb allein kann nicht funktionieren; er benötigt den Standard-Zubehörsatz, der Folgendes umfasst:

• Magnetventil – ein elektromechanisches Ventil, das eine elektrische Versorgung von entweder 24 V DC oder 110-230 V AC benötigt und hauptsächlich für das Umschalten der Luft verantwortlich ist, sobald es durch einen Taster oder eine SPS eingeschaltet wird. NAMUR-Magnetventile lassen sich einfach und mühelos auf den Stellantrieb montieren.
• Endschalter – entweder mechanische oder Näherungsschalter, diese senden Signale an die SPS, die anzeigen, ob das Ventil geöffnet oder geschlossen ist.
  FRL-Einheit – die Station zur Aufbereitung, Filterung, Trocknung und Regelung der Druckluft, wodurch die Lebensdauer des Stellantriebs verlängert wird, da sonst Wasser den Stellantrieb beeinträchtigt und er früher als erwartet ausfällt.
• Stellungsregler – dient dazu, das Signal von 4-20mA zu empfangen und das Ventil nicht nur als Absperrinstrument zu steuern.
• Manuelle Überbrückung – bedeutet die Verwendung des Hebels oder Handrads, um die manuelle Steuerung des Ventils zu ermöglichen, wenn keine Luft- und Stromversorgung vorhanden ist (üblich bei federkraftbetätigten Einheiten).

Für Ein/Aus-Steuerungen besteht das minimale Arbeitsset aus Stellantrieb + Magnetventil + FRL; eine Positionsrückmeldung wird hinzugefügt, wenn ein Steuerungssystem seinen Betrieb überwachen muss, und ein Stellungsregler wird hinzugefügt, wenn das Ventil zusätzlich zum Öffnen und Schließen auch den Durchfluss regeln muss. Unser Leitfaden zu Tri-Clamp-Kugelventilen behandelt die Ventiloptionen, auf die diese Stellantriebe geschraubt werden.

Vorteile gegenüber manuellen Kugelhähnen

• Der Betrieb der Ventile ist vollständig fernsteuerbar und automatisiert, da sie ohne Bedienpersonal am Ventil auf der Grundlage von SPS-Signalen, Timern oder Sensoren arbeiten.
• Das Schließen und Öffnen des Ventils erfolgt in weniger als einer Sekunde, während der Betrieb eines manuellen Ventils nicht weniger als einige Sekunden dauert.
• Die Ventile sind dank der Druckluft (Gas) als Energiequelle explosionsgeschützt, was bedeutet, dass am Ventilstandort, wo explosive Medien vorhanden sind, keine Funken entstehen.
• Die Vierteldrehung des Ventils ist bei jedem Ventilbetrieb exakt gleich, auch nach Millionen von Ventilöffnungen und -schließungen.
• Die Positionsrückmeldung vom Ventil sowie die Steuerung der Ventilposition sind direkt mit SCADA-/SPS-Systemen verbunden.
• Im Falle von Ausfällen kann ein Federrückzugsystem einen sicheren Zustand gewährleisten, was ein manuell betätigtes Ventil nicht tut.
• Es ist keine Arbeitskraft erforderlich, da die Ventile jederzeit wie programmiert funktionieren.
  

Bei der Betrachtung der Option eines manuellen Ventils gibt es einige Kompromisse: die Kosten (der Preis des Betätigungssystems ist in der Regel höher als der des Ventils), die Abhängigkeit von der Existenz von Druckluft und die Komplexität des Inbetriebnahme- und Wartungsprozesses. Wenn ein Ventil selten betätigt wird oder sich an einer günstigen Position befindet, wäre ein mechanisches Ventil besser; wenn das Ventil häufig betätigt wird oder Teil eines Prozessregelkreises ist oder Steuersignalen gehorchen muss, rechnet sich eine pneumatische Betätigung leicht.

Sanitäre pneumatische Kugelhähne für Lebensmittel und Getränke

In der Lebensmittel-, Getränke-, Milch- und Pharmaindustrie muss ein automatisiertes Ventil ebenfalls hygienisch sein. Sanitäre pneumatische Kugelhähne bestehen aus Edelstahl 304/316L mit hochglanzpolierten Innenflächen (Ra ≤ 0,8 µm) und spaltfreien Konstruktionen, die die Ansammlung von Bakterien verhindern. Die Ventile verfügen über hygienische Dichtungen (EPDM-, FKM- oder PTFE-Sitze), die für die Art des Mediums und die Temperatur geeignet sind. Die Enden der Ventile können über Tri-Clamp, Schweißung oder Gewinde (SMS/DIN) an Rohrleitungen angeschlossen werden. Darüber hinaus können sie für CIP/SIP-Reinigungszwecke verwendet werden. Die Materialentscheidung – 304 vs. 316L für aggressive CIP-Chemikalien und saure Produkte – wird in unserem 304 vs. 316L Auswahlleitfaden behandelt, eine Wahl, die in Sanitärleitungen wichtiger ist als anderswo.

Anwendungen und Branchen

Pneumatisch gesteuerte Kugelhähne finden in verschiedenen Situationen Anwendung, in denen der Durchfluss fernüberwacht, automatisch oder sicher geregelt werden muss. Anwendungen, die diese Ventile verwenden, finden sich in:

• Brauerei- und Getränkeindustrie – Automatisierung des Produkttransfers zwischen Maische, Fermenter, Lagertank und Verpackung sowie CIP-Umschaltung.
• Milchverarbeitungs- und Lebensmittelindustrie – Steuerung von Produktbewegungen, Tankreinigungsvorgängen und Pasteurisierungsabläufen.
• Pharma- und Biotechnologieindustrie – Aufrechterhaltung hygienischer Verarbeitungsprozesse.
• Chemie- und Petrochemieindustrie – Einsatz dieser Ventile zum Ein-/Ausschalten oder Variieren des Durchflusses in Verarbeitungseinheiten.
• Wasser- und Abwasserindustrie – Filterwaschen und Verwaltung der chemischen Dosierung sowie der Anlagenautomatisierung.
• Öl- und Gasindustrie, Energie, HLK und Brandschutzindustrie.

Kosten von pneumatischen Kugelhähnen

Die Preisgestaltung unterscheidet sich stark, im Gegensatz zu vielen Dingen, bei denen eine Vielzahl von Faktoren wie Größe, verwendete Materialien, Art des verwendeten Stellantriebs sowie Zubehör ins Spiel kommen. Der Marktpreis kann sich in den folgenden Beispielen widerspiegeln, die von den Websites der Anbieter stammen.

Konfiguration	Typischer Preis
Sanitärer pneumatischer Edelstahl-Kugelhahn, 1" doppeltwirkend, Tri-Clamp (direkt ab Werk)	47-100 $
Sanitärer pneumatischer Edelstahl-Kugelhahn, 1,5"-2" doppeltwirkend	100-250 $
Federkraftbetätigte (ausfallsichere) Versionen	150-400 $
Mit Stellungsregler (4-20 mA Proportionalregelung)	250-700 $
Industrieller pneumatischer Kugelhahn aus Kohlenstoffstahl, 2" Flansch	220-700 $
Premium-Marken (Burkert, Gemü, Flowserve, Alfa Laval), Hygieneanwendungen	300-3.700 $+

Es lässt sich feststellen, dass das Prinzip ähnlich ist: Direkt ab Werk liefernde Hersteller aus China (COVNA, SONGO, Autorun) verkaufen funktionale sanitäre pneumatische Kugelhähne für 47-250 US-Dollar; die Ergänzung von Federn, Stellungsreglern und hochwertiger Dokumentation erhöht die Kosten auf 250-700 US-Dollar; zertifizierte hygienische Ventile von europäischen Marktführern können bis zu 1.000-3.700 US-Dollar kosten. Für die Ersatzteil- und Wartungsplanung gilt die gleiche Kostenlogik wie für den Rest des Tri-Clamp-Systems – unsere Kostenanalyse für den Austausch von Tri-Clamp-Fittings zeigt, wie die Direktbeschaffung ab Werk im Vergleich zu Premium-Marken auch auf der Ventilseite des Systems abschneidet.

Empfohlene Marken und Hersteller

• Eagle ist Experte für Ventile und Sanitärarmaturen direkt ab Werk mit 304/316L Tri-Clamp Kugelhähnen und pneumatischen Antrieben; geeignet für Brauereien, Industrien und Lebensmittelverarbeitungsbetriebe, um Qualität zu einem erschwinglichen Preis unter Einhaltung der Sanitärstandards zu erhalten.
• Alfa Laval, GEA, +GF+ (Georg Fischer), Burkert, Gemü sind die führenden Namen im Bereich der Hygiene- und Prozessindustrie in Europa; bekannt für ihre Produkte von höchster Qualität und mit umfangreicher Dokumentation und Kontrolle über die Prozesse, wodurch sie ein Standard in der regulierten Industrie sind.
• Bray, Flowserve, Emerson sind die Giganten im Bereich der Industriearmaturen; sie decken eine Vielzahl von Anforderungen in der Chemie-, Öl- und Gasindustrie sowie in anspruchsvollen Prozessen, einschließlich hoher Temperaturen und hohen Drücke, ab.
• COVNA, SONGO, Autorun, DELCO sind die führenden chinesischen Hersteller, die weltweit wirtschaftliche pneumatische Ventile und Antriebe liefern; sie bieten Kunden ein qualitativ hochwertiges Produkt zu einem vernünftigen Preis.

Häufig gestellte Fragen

Wie funktionieren pneumatisch betätigte Ventile?

Der pneumatische Stellantrieb wandelt Druckluft in eine 90°-Bewegung um die Ventilspindel um. Luft treibt einen oder zwei Kolben im Stellantrieb an, die ein zentrales Zahnrad betätigen, das mit dem Ventil verbunden ist. Der Stellantrieb wird mit 2,5-8 bar Druckluft betrieben. Doppeltwirkende Stellantriebe verwenden Luft sowohl zum Öffnen als auch zum Schließen von Ventilen, während federkraftbetätigte Stellantriebe Luft zum Öffnen von Ventilen und Federn des Stellantriebs zum Schließen von Ventilen verwenden, wodurch sie bei Luftverlust ausfallsicher sind.

Was ist ein pneumatisch betätigtes Regelventil?

Ein Regelventil ist ein betätigtes Ventil, das über einen Stellungsregler verfügt, ein Gerät, das ein analoges Signal (typischerweise 4-20 mA von der SPS) empfängt und die Position des Ventils modifiziert. Dies bedeutet, dass ein pneumatisch betätigtes Regelventil eine proportionale Durchflussregelungsfähigkeit besitzt, d.h. es kann nicht nur ein-/ausgeschaltet, sondern auch den Durchfluss auf die gewünschte Weise leiten.

Was ist der Unterschied zwischen einem Pneumatikventil und einem betätigten Ventil?

Ein Pneumatikventil bezeichnet üblicherweise ein Ventil, das pneumatisch durch einen gekapselten pneumatischen Stellantrieb betätigt wird, und ein betätigtes Ventil ist ein Ventil, das mit einem pneumatischen, elektrischen oder hydraulischen Stellantrieb ausgestattet ist. Kurz gesagt, Pneumatikventile werden im Allgemeinen zur Regulierung des Luftstroms verwendet, während betätigte Ventile pneumatische Energie zur Steuerung des Flüssigkeitsstroms nutzen.

Wie funktioniert ein pneumatischer Kugelhahn?

Ein pneumatischer Kugelhahn ist ein Kugelhahn, der mit einem pneumatischen Stellantrieb ausgestattet wurde. Die Luft treibt die Kolben des Stellantriebs an und bewegt das Getriebe, das die Kugel des Ventils dreht. Das Magnetventil schaltet die Luft auf elektrischen Befehl ein und kann auch Endschalter zur Positionskontrolle des Ventils haben.

Referenzen

• SONGO — Hygienischer pneumatischer Kugelhahn in Lebensmittelqualität (Spezifikationen und Preise)
• Autorun — Sanitärer Kugelhahn mit luftbetätigtem Antrieb (Spezifikationen des Antriebs)
• COVNA — Tri-Clamp-Sanitär-Pneumatik-Kugelhahn (Spezifikationen und Preise)
• Accio — Marktübersicht für federbelastete pneumatische Kugelhähne
• ZXDA — Sanitärer Kugelhahn mit doppeltwirkendem/federkraftbetätigtem pneumatischem Antrieb

Fazit

Der pneumatische Kugelhahn ist eine unkomplizierte Lösung für die Frage, wie ein viertel Umdrehungshahn autonom und sicher geöffnet und geschlossen werden kann. Die Antwort liegt in der Anwendung von Druckluft mit wenigen Bar durch einen Zahnstangenantrieb, der eine 90-Grad-Drehung bewirkt und Zykluszeiten im Subsekundenbereich, eine Lebensdauer von Millionen von Zyklen und keine elektrischen Funken am Ventil ermöglicht, das für den Federrückzug geeignet ist. Durch den Anschluss eines Magnetventils und einer FRL an das Ventil kann es auf eine SPS reagieren; durch den Anschluss eines Positioners kann es gedrosselt werden, anstatt nur zu öffnen und zu schließen. Die sanitäre Version wird aus poliertem 316L hergestellt und verfügt über Tri-Clamp-Enden sowie CIP/SIP-Fähigkeit – die Abmessungen, die jede Verbindung in der Rohrleitung bestimmen, können im Leitfaden für Sanitärarmaturen nachgeschlagen werden – aus diesem Grund gibt es viele davon in den automatisierten Linien für Brauereien, Milchprodukte und Pharmazeutika. Die Wahl eines Kugelhahns hängt stark von der Anwendung ab: ein doppeltwirkendes Ventil ist für kontinuierliche Prozesse gedacht, während ein Federrückzugsventil der Sicherheit dient, während ein Positioner die Steuerung des Ventils ermöglicht – der Preis reicht von 50 $ bis über 3.000 $ für zertifizierte Einheiten, die in Europa hergestellt werden – die Kombination aus sanitärem Ventil und Aktuator wird erfolgreich von Unternehmen wie Eagle geliefert.