Wissenswertes zu Membranantrieben für Armaturen

Wir klären auf über Funktion, Bauformen, Wirkungsweisen, Kräfte und vieles mehr

Einfacher Aufbau, robuste EPDM-Membran, wartungsarm und für hysteresearmes Regeln geeignet: Der Membranantrieb kann universell eingesetzt werden und bietet spezielle Sicherheitsfunktionen, die vor allem in der chemischen und petrochemischen Industrie gefragt sind.

Doch was genau ist ein pneumatischer Membranantrieb? Für welche Zwecke wird er verwendet? Und welche Vorteile bietet er? Lesen Sie nun alles Wissenswerte über Membranantriebe!

Was ist ein pneumatischer Membranantrieb?

Der Membranantrieb gehört zur Klasse der pneumatischen Antriebe und ist im Vergleich zu den elektrischen, hydraulischen und manuellen Antrieben am weitesten verbreitet. Aufgrund des einfachen Aufbaus und der Zuverlässigkeit kommt diese Art von Stellantrieb in erster Linie im industriellen Bereich (chemische und petrochemische Industrie) und in Kraftwerken zum Einsatz.

Die Funktionsweise kurz erklärt: Über extern zugeführte Druckluft wird eine mit der Ventilspindel verbundene Membran in Bewegung gesetzt. Ein elektrischer Stellungsregler regelt die Druckluftversorgung und bestimmt somit die exakte Position. Die Stellkraft eines pneumatischen Stellantriebs hängt von der Membranfläche sowie vom Druckwert der Druckluft ab. Gängig sind Flächen von etwa 80 cm² bis zu 2.800 cm².

Gut zu wissen: Im Bereich der Gebäudetechnik werden elektrische Stellantriebe präferiert, da die externe Druckluftversorgung häufig nicht gegeben ist.

Die Vorteile von Membranstellantrieben:

äußerst zuverlässig
schnelle Betätigung möglich
erreichen hohe Stellkräfte, selbst bei niedrigen Steuerdrücken
uneingeschränkte Verwendung in explosionsgeschützten Anlagenbereichen
gute Hysteresis und gute Ansprechempfindlichkeit
robust
wartungsarm
bestes Kosten-Leistungs-Verhältnis

Die Nachteile von Membranstellantrieben:

große Bauform
limitierter Stellweg
Voraussetzung einer Infrastruktur für die externe Druckluftversorgung

Wie ist der Aufbau eines pneumatischen Antriebs mit Membran?

Membranantriebe können nach drei Typen unterschieden werden:

Membranantrieb mit Säulen

Der Säulenantrieb besteht im Wesentlichen aus zwei Gehäusekammern aus Stahl oder Edelstahl, einem Membranteller, Feder(n), einer Antriebsstange und der Spezialmembran mit Gewebeeinlage. Mithilfe einer Traverse und der Säulen ist es möglich, diese Bauform für unterschiedliche Armaturen zu adaptieren.

Membranantrieb mit Joch (Zentralanschluss)

Bei Antrieben mit Zentralanschluss sind keine Antriebssäulen verbaut. Mit einem Guss-Joch kann diese Art von Antrieben an Armaturen angepasst werden.

Membranantrieb mit Hebel

Pneumatische Hebelantriebe werden zur Betätigung von Drosselklappen, Lüftungsklappen und verschiedenen Steuergeräten verwendet. Der begrenzte Hub eines Säulenantriebs wird dabei durch einen Hebel erhöht.

Wie funktioniert ein Membranantrieb?

Pneumatische Membranantriebe machen sich das proportionale Verhältnis zwischen Stellsignal und Antriebsweg zunutze. Der Luftdruck auf einer Seite der Membran wird in eine Kraft umgewandelt, die auf Membranteller und Spindel einwirkt. Diese Kraft löst eine Bewegung der Antriebsspindel in eine Richtung aus, bis die Stellkraft durch eine oder mehrere Antriebsfedern ausgeglichen wird. Durch das proportionale Verhältnis von Federweg und Rückstellkraft ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen Stellsignal und Antriebsweg.

Diese Funktionalitäten in Kombination mit geringer Reibung (Hysterese) und den hohen Stellkräften erklärt die Beliebtheit dieses Antriebstyps.

Wirkungsweisen und Sicherheitsstellung des pneumatischen Stellantriebs

Membranantriebe nehmen aufgrund der speziellen Sicherheitsfunktion eine Schlüsselrolle in der Anlagensicherheit ein. Das Verhalten bei Energieausfall ist ein wesentliches Kriterium für die Wahl eines pneumatischen Antriebs. Um den Prozess bei einem Ausfall in einen sicheren Zustand fahren zu können, muss bei der Auslegung bereits bestimmt werden, ob der Antrieb das Stellventil öffnen oder schließen soll.

Dabei passiert Folgendes: Wird keine Druckluft mehr zugeführt, wird das Stellventil durch die Federrückstellkraft in eine Ruhelage versetzt – die Sicherheitsstellung. Membran und Federn können dabei so angeordnet werden, dass sich das Ventil bei Ausfall der Hilfsenergie entweder schließt oder öffnet.

Die sogenannten einfachwirkenden Membranantriebe gibt es in zwei Ausführungen. Dabei bestimmen die Einbaulage des Federpakets sowie der Druckanschluss die Wirkungsweise:

Direktwirkend

Luft drückt die Membran nach unten und schließt das Ventil.

Feder öffnet das Ventil.

Sicherheitsstellung: Ventil offen

Umgekehrt wirkend

Steigender Luftdruck öffnet das Ventil.

Feder schließt das Ventil.

Sicherheitsstellung: Ventil geschlossen

Was sind doppeltwirkende pneumatische Stellantriebe?

Doppeltwirkende pneumatische Stellantriebe sind mit einer Membran oder mit zwei Membranen ausgestattet und sind federlos. Beide Kammern werden mit der Versorgungs-Druckluft beaufschlagt. Die Position der Spindel wird durch die Differenz der beiden Drücke bestimmt.

Diese Antriebe ohne Federn besitzen keine Sicherheitsstellung, wodurch sie in der Industrie seltener zum Einsatz kommen. Dennoch haben federlose Antriebe Vorteile: Es sind größere Hübe und deutlich höhere Stellkräfte möglich.

Membranantrieb federlos — Federloser - doppeltwirkender Membranantrieb

Was bedeutet die Vorspannung in einem pneumatischen Antrieb?

Folgendes Beispiel veranschaulicht, warum eine Vorspannung in einem pneumatischen Antrieb nötig ist:

In einem reversen Antrieb, bei dem Druckluft das Ventil öffnet, werden Federn mit Federstärken im Nennbereich 0,8 – 2,2 bar eingesetzt.

Vor dem Einbau in den Antrieb haben die Federn die maximale Länge L₀.
Wird eine Feder in den pneumatischen Antrieb eingebaut, so reduziert sich die Länge auf L₁. Dies bezeichnet man den luftlosen Zustand des Antriebs ohne Anbau auf das Ventil.
L₂bestimmt die Länge der Feder im Nennbereich. Hierbei wird der Antrieb von unten mit 0,8 bar beaufschlagt. Dies kann den Startpunkt (Ventil geschlossen) bei Ventilhub 0 mm markieren.

Vorspannung: Wird die Feder über den Nennbereich hinaus gestaucht bzw. vorgespannt auf L₃, verschiebt sich der Startpunkt (Ventil geschlossen) des Ventilhubs. Im Beispiel wird der Antrieb auf 1,08 bar vorgespannt und der Startpunkt des Ventilhubs um 20 mm verschoben.

Wofür benötigt man die Vorspannung bei Stellantrieben?

Die Prozessbedingungen für das Stellventil geben vor, welche Stellkräfte bei geschlossenem oder offenem Ventil zu erreichen sind. Der größte Vorteil der Vorspannung ist die Ausnutzung des kompletten Federkraftbereichs. Anstatt ein alternatives Federpaket für den Antrieb zu verwenden, ist das bestehende Federpakt mit entsprechender Vorspannung für die Stellkräfte meist ausreichend. Bei direkten Membranantrieben kann über die Vorspannung eine bessere Hubsteifigkeit für den stabilen Regelbetrieb gewährleistet werden.

Welche Zuluft ist notwendig, um den Antrieb in Gang zu bringen?

Ab welcher Zuluft sich die Antriebsspindel hebt oder senkt, ist von den Federkräften abhängig, die der Luftkraft entgegenstehen. Bei pneumatischen Stellantrieben, in denen die Federn das Ventil schließen (umgekehrt wirkend), nutzt man die Federkräfte möglichst weit aus. Um hohe Schließkräfte zu erhalten, arbeitet man mit Federkräften zwischen 2,9 und 3,5 bar.

Membranantriebe von A. Hock

Der pneumatische Antrieb der Baureihe 2000 von A. Hock bietet alle Vorteile, die ein Membranantrieb haben sollte: Zuverlässigkeit, hysteresearmes Regeln und wartungsfreier Betrieb. Darüber hinaus profitieren Kunden von der großen Vielfalt an Ausführungen und von einer schnellen Lieferung, innerhalb von einer Woche.

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