Einführung in Ventilantriebe

Ventilantriebe

Ventilantriebe werden auf der Grundlage einer Reihe von Faktoren ausgewählt, darunter das zum Betätigen des Ventils erforderliche Drehmoment und die Notwendigkeit einer automatischen Betätigung. Zu den Betätigungsarten gehören manuelles Handrad, manueller Hebel, Elektromotor, Pneumatik, Magnet, hydraulischer Kolben und selbstbetätigt. Alle Antriebe mit Ausnahme des manuellen Handrads und Hebels sind für die automatische Betätigung anpassbar.

Manuelle, feste und Hammerantriebe
Manuelle Stellantriebe können das Ventil in jede beliebige Position bringen, ermöglichen jedoch keinen automatischen Betrieb. Der gebräuchlichste mechanische Aktuatortyp ist das Handrad. Zu diesem Typ gehören am Schaft befestigte Handräder, Hammerhandräder und Handräder, die über Zahnräder mit dem Schaft verbunden sind.

Handräder am Vorbau befestigt
Wie im Bild rechts dargestellt, bieten am Vorbau befestigte Handräder nur den mechanischen Vorteil des Rades. Wenn diese Ventile hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt sind, erschwert das Blockieren des Ventils den Betrieb.

Hammerhandrad
Wie im Bild dargestellt, bewegt sich das Handrad des Hammers während eines Teils seiner Umdrehung frei und stößt dann gegen eine Nase an einem Sekundärrad. Das Sekundärrad ist am Ventilschaft befestigt. Mit dieser Anordnung kann das Ventil für einen dichten Verschluss zugeschlagen oder geöffnet werden, wenn es festsitzt.

Manuell betätigtes Getriebe

Wenn für ein handbetätigtes Ventil eine zusätzliche mechanische Überlastung erforderlich ist, wird das Ventiloberteil mit handbetätigten Getriebeköpfen ausgestattet, wie im Bild dargestellt. Ein spezieller Schraubenschlüssel oder ein Handrad, das an der Ritzelwelle befestigt ist, ermöglicht es einer Person, das Ventil zu betätigen, wenn möglicherweise zwei Personen ohne den Getriebevorteil benötigt werden. Da für eine Umdrehung des Ventilschafts mehrere Umdrehungen des Ritzels erforderlich sind, ist die Betriebszeit großer Ventile außergewöhnlich lang. Die Verwendung von tragbaren Luftmotoren, die mit der Ritzelwelle verbunden sind, verkürzt die Betriebszeit des Ventils.

Manuell betätigtes Getriebe

Wenn für ein handbetätigtes Ventil eine zusätzliche mechanische Überlastung erforderlich ist, wird das Ventiloberteil mit handbetätigten Getriebeköpfen ausgestattet, wie im Bild dargestellt. Ein spezieller Schraubenschlüssel oder ein Handrad, das an der Ritzelwelle befestigt ist, ermöglicht es einer Person, das Ventil zu betätigen, wenn möglicherweise zwei Personen ohne den Getriebevorteil benötigt werden. Da für eine Umdrehung des Ventilschafts mehrere Umdrehungen des Ritzels erforderlich sind, ist die Betriebszeit großer Ventile außergewöhnlich lang. Die Verwendung von tragbaren Luftmotoren, die mit der Ritzelwelle verbunden sind, verkürzt die Betriebszeit des Ventils.

Elektromotorische Aktuatoren

Elektromotoren ermöglichen den manuellen, halbautomatischen und automatischen Betrieb des Ventils. Motoren werden hauptsächlich für Auf-Zu-Funktionen verwendet, sie können jedoch angepasst werden, um das Ventil an jedem Öffnungspunkt zu positionieren, wie in der Abbildung unten dargestellt. Bei dem Motor handelt es sich in der Regel um einen reversiblen Hochgeschwindigkeitsmotor, der über ein Getriebe verbunden ist, um die Motorgeschwindigkeit zu reduzieren und dadurch das Drehmoment an der Spindel zu erhöhen. Die Drehrichtung des Motors bestimmt die Richtung der Scheibenbewegung.
Die elektrische Betätigung kann halbautomatisch erfolgen, beispielsweise wenn der Motor durch ein Steuersystem gestartet wird. Ein Handrad, das mit dem Getriebe verbunden werden kann, sorgt für die manuelle Betätigung des Ventils. Normalerweise sind Endschalter vorhanden, um den Motor automatisch bei vollständig geöffneten und vollständig geschlossenen Ventilpositionen zu stoppen. Endschalter werden entweder physikalisch durch die Position des Ventils oder durch Torsion durch das Drehmoment des Motors betätigt.

Hydraulische Aktuatoren

Hydraulische Antriebe ermöglichen eine halbautomatische oder automatische Positionierung des Ventils, ähnlich wie pneumatische Antriebe. Diese Aktuatoren verwenden einen Kolben, um einen Signaldruck in eine Ventilschaftbewegung umzuwandeln. Hydraulikflüssigkeit wird auf beiden Seiten des Kolbens zugeführt, während die andere Seite abgelassen oder entlüftet wird. Als Hydraulikflüssigkeit wird Wasser oder Öl verwendet. Magnetventile werden typischerweise zur automatischen Steuerung der Hydraulikflüssigkeit verwendet, um entweder das Öffnen oder Schließen des Ventils zu steuern. Zur Steuerung der Hydraulikflüssigkeit können auch Handventile eingesetzt werden; Dadurch wird ein halbautomatischer Betrieb ermöglicht.

Selbstbetätigte Ventile

Selbstbetätigte Ventile nutzen die Systemflüssigkeit zur Positionierung des Ventils. Überdruckventile, Sicherheitsventile, Rückschlagventile und Kondensatableiter sind Beispiele für selbstbetätigte Ventile. Alle diese Ventile nutzen bestimmte Eigenschaften der Systemflüssigkeit, um das Ventil zu betätigen. Für den Betrieb dieser Ventile ist keine Energiequelle außerhalb der Fluidenergie des Systems erforderlich.

Einzelne Magnetventilewerden abhängig von der Position des Ventils bei stromlosem Magnetventil als „Fail Open“ oder „Fail Closed“ bezeichnet. Fail-Open-Magnetventile werden durch Federdruck geöffnet und durch Erregen des Magnetventils geschlossen. Fehlergeschlossene Magnetventile werden durch Federdruck geschlossen und durch Erregen des Magnetventils geöffnet. Doppelmagnetventile fallen normalerweise „so wie sie sind“ aus. Das heißt, die Ventilstellung ändert sich nicht, wenn beide Magnete stromlos sind.
Eine Anwendung von Magnetventilen sind Luftsysteme, beispielsweise solche, die zur Luftversorgung pneumatischer Ventilantriebe verwendet werden. Die Magnetventile dienen zur Steuerung der Luftzufuhr zum pneumatischen Antrieb und damit der Stellung des pneumatisch betätigten Ventils.

Geschwindigkeit von Leistungsaktoren

Überlegungen zur Anlagensicherheit bestimmen die Ventilgeschwindigkeiten für bestimmte sicherheitsrelevante Ventile. Wo ein System sehr schnell isoliert oder geöffnet werden muss, ist eine sehr schnelle Ventilbetätigung erforderlich. Wenn das Öffnen eines Ventils dazu führt, dass relativ kaltes Wasser in ein heißes System eingespritzt wird, ist ein langsameres Öffnen erforderlich, um einen Thermoschock zu minimieren. Die Konstruktion wählt den Stellantrieb für sicherheitsrelevante Ventile auf der Grundlage der Geschwindigkeits- und Leistungsanforderungen sowie der Energieverfügbarkeit des Stellantriebs aus.

Im Allgemeinen wird die schnellste Betätigung durch hydraulische, pneumatische und elektromagnetische Aktoren gewährleistet. Für große Ventile sind Magnetspulen jedoch nicht praktikabel, da ihre Größe und ihr Leistungsbedarf zu hoch wären. Außerdem erfordern hydraulische und pneumatische Aktoren ein System zur Bereitstellung hydraulischer oder pneumatischer Energie. Die Betätigungsgeschwindigkeit kann in beiden Fällen durch den Einbau entsprechend großer Öffnungen in den Hydraulik- oder Pneumatikleitungen eingestellt werden. In bestimmten Fällen wird das Ventil durch Federdruck geschlossen, dem hydraulischer oder pneumatischer Druck entgegenwirkt, um das Ventil offen zu halten.

Elektromotoren sorgen für eine relativ schnelle Betätigung. Die tatsächliche Ventilgeschwindigkeit wird durch die Kombination aus Motorgeschwindigkeit und Übersetzungsverhältnis eingestellt. Diese Kombination kann so gewählt werden, dass der volle Ventilhub in einem Bereich von etwa zwei Sekunden bis zu mehreren Sekunden bereitgestellt wird.

Ventilstellungsanzeige

Um einen sachkundigen Betrieb der Anlage zu ermöglichen, benötigen Bediener die Anzeige der Stellung bestimmter Ventile. Für solche Ventile ist eine Fernanzeige der Ventilposition in Form von Positionsleuchten vorgesehen, die anzeigen, ob die Ventile offen oder geschlossen sind. Schaltkreise zur Fernanzeige der Ventilposition verwenden einen Positionsdetektor, der die Position der Spindel und des Ventiltellers oder die Position des Stellglieds erfasst. Eine Art Positionsdetektor ist der mechanische Endschalter, der physikalisch durch die Ventilbewegung betätigt wird.

Ein anderer Typ sind Magnetschalter oder Transformatoren, die die Bewegung ihrer Magnetkerne erfassen und physikalisch durch Ventilbewegungen betätigt werden.

Unter der lokalen Ventilstellungsanzeige versteht man ein optisch erkennbares Merkmal des Ventils, das die Ventilstellung anzeigt. Die Position des steigenden Schaftventils wird durch die Schaftposition angezeigt. Ventile mit nicht steigender Spindel verfügen manchmal über kleine mechanische Zeiger, die vom Ventilantrieb gleichzeitig mit der Ventilbetätigung betätigt werden. Kraftbetätigte Ventile verfügen typischerweise über einen mechanischen Zeiger, der eine lokale Ventilpositionsanzeige liefert. Andererseits verfügen einige Ventile über keine Funktion zur Positionsanzeige.

Zusammenfassung der Ventilantriebe

• Manuelle Antriebe sind die gebräuchlichste Art von Ventilantrieben. Zu den manuellen Stellantrieben gehören Handräder, die direkt am Ventilschaft befestigt sind, und Handräder, die über Zahnräder befestigt sind, um einen mechanischen Vorteil zu bieten.
• Elektromotorische Stellantriebe bestehen aus umkehrbaren Elektromotoren, die über ein Getriebe mit der Ventilspindel verbunden sind, wodurch die Drehzahl reduziert und das Drehmoment erhöht wird.
• Pneumatikantriebe nutzen Luftdruck auf einer oder beiden Seiten einer Membran, um die Kraft zum Positionieren des Ventils bereitzustellen.
• Bei hydraulischen Stellantrieben wird eine unter Druck stehende Flüssigkeit auf einer oder beiden Seiten eines Kolbens verwendet, um die zum Positionieren des Ventils erforderliche Kraft bereitzustellen.
• Bei Magnetantrieben ist am Ventilschaft ein Magnetstück befestigt. Die Kraft zur Positionierung des Ventils entsteht durch die magnetische Anziehung zwischen dem Kern am Ventilschaft und der Spule des Elektromagneten im Ventilantrieb.