Hoe Werkt een Pneumatische en Elektrische Kogelkraan

Kogelkleppen kunnen worden gecombineerd met een pneumatische actuator (pneumatische kogelkleppen) of een elektrische actuator (elektrische kogelkleppen) voor automatisering en/of bediening op afstand. Afhankelijk van de toepassing kan het voordeliger zijn om te automatiseren met een pneumatische versus een elektrische actuator, of omgekeerd. In dit artikel vergelijken we de twee opties.

Inhoudsopgave

• Overzicht kogelkranen
• Overzicht actuator
• Pneumatische aandrijvingen
• Elektrische actuators
• Combinatie van een actuator en een kogelkraan
• Vergelijking tussen pneumatische en elektrische kogelkleppen
• Toepassingsvoorbeelden voor pneumatische of elektrische kogelkranen

Overzicht kogelkranen

Een kogelkraan is een kwartslagklep die de stroming van een medium regelt door middel van een holle roterende kogel, zoals te zien is in Figuur 2. De afbeelding toont de belangrijkste onderdelen van een handbediende kogelkraan in doorsnede. Wanneer het holle gedeelte van de kogel in lijn is met de stroom (pijp of slang), is de klep open en kan het medium doorstromen. De klep sluit wanneer het vaste gedeelte van de kogel in lijn is met de stroom, wat gebeurt door de kogel 90 graden te draaien (vandaar de naam kwartslagklep).

Het is ook mogelijk om de klep tussen volledig open en volledig gesloten te plaatsen, waardoor je de doorstroming nauwkeuriger kunt regelen. Typische kogelkleppen hebben twee poorten, één voor een inlaat en één voor een uitlaat. Er zijn echter ook drie poorten (L of T) beschikbaar en afhankelijk van hoe de klep gemonteerd en geïnstalleerd is, bepaalt hoe de 90-graden rotatie van de kogel de mediastroom leidt. Kogelkleppen met vier poorten zijn mogelijk, maar zeldzaam.

Kogelkleppen hebben een klepsteel die aan de kogel is bevestigd en de rotatie ervan regelt. In afbeelding 2 is de klepsteel verbonden met een handgreep om de klep te bedienen. De klepstang kan echter ook worden aangesloten op een pneumatische of elektrische roterende actuator om de stang rond te draaien om de kogelkraan automatisch en/of op afstand te openen en/of te sluiten.

Overzicht actuator

Een klepactuator is een apparaat dat wordt gebruikt om een klep op afstand te bedienen. Als de actuator een kwartslagklep bedient, staat hij bekend als een kwartslagactuator. In plaats van een handbediende hendel kun je een actuator op de klep monteren om deze automatisch en/of op afstand te bedienen. Actuators gebruiken een krachtbron om het koppel te genereren dat nodig is om een kogelkraan te bedienen (roteren). Voor de meeste actuators is de krachtbron pneumatisch, elektrisch of hydraulisch (niet besproken in dit artikel). Het verschil in deze stroombron zorgt voor verschillende ontwerpen, die elk verschillende voor- en nadelen hebben voor bepaalde toepassingen (hieronder besproken). Naast de koppel genererende component kan een actuator nog andere kenmerken hebben zoals positie indicatoren en handmatige override.

Pneumatische aandrijvingen

Pneumatische actuators bedienen kogelkleppen door persluchtenergie om te zetten in mechanische beweging. In een kogelkraan is een roterende mechanische beweging nodig voor een draai van 90 graden. Pneumatische actuator kogelkleppen kunnen enkelwerkend of dubbelwerkend zijn. Een enkelwerkende pneumatische actuator gebruikt een enkele persluchtingang om de klep te draaien en een veer om de klep terug te brengen naar de normale positie. Een dubbelwerkende pneumatische actuator heeft twee ingangen voor perslucht om de klep te draaien en terug te brengen naar de oorspronkelijke positie.

Werking

Het meest voorkomende mechanisme voor een pneumatische actuator voor kogelkleppen is het tandheugel en rondsel mechanisme. Deze bestaat uit de tandheugel (een lineair tandwiel) en het rondsel (een rond tandwiel) (figuur 4). De tandheugel is bevestigd aan een zuiger die door perslucht wordt voortgeduwd om een lineaire beweging te verkrijgen. Deze lineaire beweging wordt door het rondsel omgezet in een cirkelvormige beweging. Het rondsel drijft de stang van een kogelkraan aan in open en gesloten posities.

Om de pneumatische aandrijving voor kogelkleppen te regelen, wordt de perslucht geregeld door magneetkleppen. Elektrische signalen van de besturing zetten de magneetklep in de open of gesloten stand waardoor perslucht kan stromen naar beide zuigerzijden van de pneumatische actuator. De zuiger duwt de tandheugel die het rondsel draait dat verbonden is met de steel van de kogelkraan.

Elektrische actuators

Elektrische actuators zetten elektrische energie om in roterende kracht door een elektromotor te gebruiken om de kogelkraan 90 graden te draaien. Ze zijn energiezuinig, schoon en een stille methode om kleppen te bedienen. De elektromotor kan worden aangedreven door wisselstroom (AC) of gelijkstroom (DC). Hij zit in een robuuste, compacte behuizing die ook andere onderdelen van de actuator bevat, zoals tandwielen, eindschakelaars, bedrading, enz. Het geheel wordt aangesloten op een klep via een compatibele verbindingsinterface, zoals een ISO 5211-standaard.

Werking

De elektromotor genereert een koppel dat wordt overgebracht door een as die verbonden is met de klepsteel. Hierdoor draait de kogelkraan. Om het vereiste koppel te bereiken, wordt een tandwielstelsel op de as van de elektromotor aangesloten. De koppelcapaciteit is een belangrijke specificatie voor het selecteren van een actuator. Het moet hoger zijn dan het vereiste koppel (losbreekkoppel) om de kogelkraan met een bepaald percentage te draaien, vaak gespecificeerd door de fabrikant van de kogelkraan. Het losbreekkoppel is het minimale koppel dat nodig is om de kogelkraan meestal in de volledig gesloten of volledig open statische stand te draaien.

De werkingssnelheid (de reactietijd) van een elektrische actuator is omgekeerd evenredig met het koppel van de actuator. Het tandwielsysteem bepaalt de relatie tussen snelheid en koppel. Een hogere overbrengingsverhouding zou resulteren in meer koppel, maar een lagere reactietijd.

Elektrische actuators kunnen worden gevoed door 12, 24 en 48 V gelijkstroom en 24, 48, 120, 130 en 240 V wisselstroom. Eindschakelaars worden geïnstalleerd om de stroom naar de motor te stoppen wanneer deze volledig gesloten en open is. Elektromotoren kunnen worden gebruikt om een modulerende regeling uit te voeren. Deze wordt gebruikt om de klep nauwkeurig te positioneren op elk punt tussen volledig geopende en volledig gesloten posities (d.w.z. tussen 0° en 90°). Dit is handig om het debiet door de klep te regelen. Een positioneerprintplaat (PCB) wordt in de elektrische actuator geïnstalleerd om de elektrische motor te moduleren. Lees ons artikel over modulerende kleppen voor meer informatie over modulatie.

Combinatie van een actuator en een kogelkraan

Hoewel actuators en kogelkleppen afzonderlijke onderdelen zijn, worden ze meestal samen gebruikt. Daarom is het handiger om ze als pakket aan te schaffen om conformiteit te garanderen. Door een actuator te combineren met een kogelkraan krijg je een automatische kogelkraan die op afstand bediend kan worden. De actuator en de kogelklep hebben een verbindingsinterface om ze met elkaar te verbinden. De verbindingsinterface bestaat uit een as of stang om de klepkogel aan te sluiten en een flens om de actuator aan de klep vast te bouten. Deze interface kan merkspecifiek zijn of gestandaardiseerd volgens standaarden zoals ISO 5211. Je kunt een merkspecifieke actuator op een compatibele merkspecifieke klep monteren. Aan de andere kant kunnen verschillende kogelkleppen en actuators worden uitgewisseld zolang ze dezelfde norm volgen, zoals de ISO 5211 norm.

Vergelijking tussen pneumatische en elektrische kogelkleppen

Hieronder volgen enkele vergelijkbare kenmerken van pneumatische en elektrische kogelkleppen:

Rotatiesnelheid

De rotatiesnelheid is de snelheid waarmee de kogel van een bediende kogelkraan een volledige rotatie (90-graden) maakt. Voor eenheden van dezelfde grootte is de rotatiesnelheid van een elektrische kogelkraan meestal lager dan die van een pneumatische kogelkraan.

Levensduur

De levensduur van apparatuur is de tijd dat het apparaat volledig functioneel en operationeel is. Pneumatische kogelkleppen hebben minder onderdelen en zijn gemakkelijker te onderhouden; ze hebben dus een langere levensduur dan hun elektrische tegenhangers. Elektrische actuators hebben verschillende onderdelen die onderhoud nodig hebben, zoals de elektrische spoel, de elektronische driver, de mechanische actuator, enz.

Precisie

Precisie, of modulatie, is voor eenheden die stoppen op een gedeeltelijk open punt (d.w.z. 20 graden open) om de doorstroming nauwkeuriger te regelen. Zowel pneumatische als elektrische actuators werken nauwkeurig, maar gemotoriseerde kogelkleppen hebben een hogere nauwkeurigheid. Een elektrische kogelkraan kan heel precies openen en sluiten. Pneumatische actuators moduleren door de luchtdruk bij de inlaatpoort te regelen. Lekkage of drukschommelingen kunnen de positie van de klep gemakkelijk beïnvloeden. Elektrische actuatoren gebruiken daarentegen exacte elektrische stuursignalen om de besturing uit te voeren.

Energieverbruik

Energieverbruik is de energie die de actuator nodig heeft om de klep te laten draaien. In vergelijking is het energieverbruik van een elektrisch bediende kogelkraan lager dan dat van pneumatisch bediende kogelkranen. Bij pneumatische aandrijvingen is het volledige luchtcompressiesysteem (compressor, filters, smeermiddelen, vermogen, enz.) verantwoordelijk voor het hoge energieverbruik.

Fail-safe

Dit is een veiligheidsfunctie die ontworpen is om een klep automatisch te openen of te sluiten in geval van een stroomstoring. Het is meestal eenvoudiger en goedkoper om een faalveilig mechanisme op een pneumatische kogelkraan aan te brengen dan op een door een motor bediende kogelkraan. Pneumatisch werkende actuators zijn heel gebruikelijk en maken gebruik van een veer om terug te keren naar de basispositie en zijn ideaal als faalveilige oplossing. Elektrische actuators met een faalveilig mechanisme kunnen werken met een batterij of een veer en zijn meestal duurder dan de pneumatische oplossing.

Kostprijs

De kosten van een pneumatische kogelkraan zijn meestal lager dan die van een elektrische kogelkraan omdat het actuatorontwerp minder complex is. Hierbij wordt echter geen rekening gehouden met de kosten van de onderdelen van het pneumatische systeem, zoals de compressor, luchtvoorbereiding, leidingen, enz. Als er geen pneumatisch systeem beschikbaar is in de buurt van de klep, wordt meestal de voorkeur gegeven aan elektrische bediening. De werking van een pneumatisch ventiel is op de lange termijn duurder vanwege het hogere energieverbruik en de energieverliezen die het gevolg zijn van het genereren van perslucht.

Standterugmelding

Positie-indicatoren geven de positie van de actuator op een bepaald moment aan. Ze worden meestal bovenop de actuator geplaatst voor een goede zichtbaarheid. De meeste pneumatische actuators kunnen worden uitgerust met een eindschakelaar bovenop voor elektrische feedback. Veel elektrische actuatoren hebben interne eindschakelaars voor positieterugkoppeling. Eenvoudigere actuatoren hebben deze functie echter niet.

Maat/koppelbereik

Koppel is de roterende kracht die een kogelkraan nodig heeft om te draaien. Pneumatische actuators bieden een veel hoger koppel per grootte-eenheid dan elektrische actuators. Daarom is voor toepassingen die een grote klep of een hoog koppel vereisen, een pneumatische kogelkraan een betere optie.

Gevaarlijke omstandigheden

Een elektrische kogelkraan moet NEMA/ATEX gecertificeerd zijn voordat hij in gevaarlijke omstandigheden kan werken. Pneumatische actuators zijn echter op grotere schaal verkrijgbaar met ATEX-certificering. Bovendien genereren ze geen elektromagnetische storingen en worden ze er ook niet door beïnvloed. In tegenstelling tot hun elektrische tegenhangers zijn pneumatische actuators niet gevoelig voor natte omgevingen, noch zijn ze onderhevig aan oververhitting.

Vergelijkingstabel voor pneumatische en elektrische kogelkleppen

Deze vergelijkingstabel is voor pneumatische en elektrische kogelkleppen van dezelfde grootte en is een algemene vergelijking. Er zullen speciale toepassingen en/of bepaalde ontwerpen zijn waarbij deze vergelijking niet accuraat is. De eigenschappen kunnen ook worden gebruikt als selectiecriteria.

Tabel 1: Pneumatische vs. elektrische kogelkleppen

Type	Pneumatische kogelkleppen	Elektrische kogelkranen
Rotatiesnelheid	Meestal sneller.	Meestal langzamer.
Levensduur	Minder onderdelen en gemakkelijker te onderhouden, wat resulteert in een langere levensduur.	Veel complexe onderdelen, meer onderhevig aan slijtage, waardoor onderhoud moeilijker is en de levensduur meestal korter is.
Precisie	Lekken en drukschommelingen kunnen nauwkeurigheidsproblemen veroorzaken.	Nauwkeurige elektrische signalen resulteren in een nauwkeurige kleppositionering.
Energieverbruik	Het luchtcompressiesysteem verbruikt veel energie om de lucht naar de actuator te brengen.	Vereist alleen elektriciteit, wat een lager energieverbruik heeft dan een compleet persluchtsysteem.
Kostprijs	Lagere initiële kosten, maar hogere bedrijfskosten.	Hogere initiële kosten, maar lagere bedrijfskosten.
Fail-safe	Gemakkelijker en goedkoper om te hebben.	Moeilijker om te hebben.
Maat/koppelbereik	Hebben een hogere koppel/maatverhouding.	Hebben een lagere verhouding tussen koppel en grootte.
Gevaarlijke omstandigheden	Meer geschikt voor ruwe omgevingen, versies beschikbaar voor NEMA/ATEX-omgevingen.	Vereist NEMA/ATEX-certificering voor gevaarlijke omgevingen.
Bedrijfsomstandigheden	Kan werken bij hoge druk en temperatuur	Kan werken bij gematigde druk en temperatuur
Onderhoudbaarheid	Eenvoudig mechanisme en gemakkelijk te onderhouden	Een complex mechanisme waarvoor een technisch expert nodig is
Elektromagnetische interferentie	Geen storingen	Kan signaalstoringen ervaren
Modulerende besturing	Kan niet worden gebruikt voor flowmodulatie	Met een printplaat kan deze worden gebruikt voor debietmodulatie
Gewicht	Lichtgewicht	Veel zwaarder

Toepassingsvoorbeelden voor pneumatische of elektrische kogelkranen

• Productieomgeving: In een vochtige en ruwe productieomgeving is perslucht vaak direct beschikbaar. In installaties waar veel grote kogel- en/of vlinderkleppen worden bediend (bijv. groter dan DN 50), wordt vaak gekozen voor pneumatische aandrijvingen vanwege het hoge koppel, de robuustheid en de lagere materiaalkosten.
• Mobiele toepassing: Een robot die rondrijdt zal eerder elektrisch dan pneumatisch aangedreven worden, gezien de mobiliteit die een elektrische kogelkraan mogelijk maakt.
• Warmtewisselaar: Als de stroom uitvalt, heeft het systeem nog steeds koud water nodig om het resterende hete water af te koelen om oververhitting te voorkomen. In deze toepassing is een pneumatische kogelkraan beter.