In control valve applications, electric and pneumatic control valves are quite common. They are widely used in various fields, such as industrial production, chemical engineering, petrochemicals, and more. Although their basic purpose is similar, they differ significantly in structure, working principles, advantages, and disadvantages. Users often need clarification about choosing the right type due to a lack of understanding of their differences. This article will provide a detailed comparison between electric and pneumatic control valves. Understanding their distinctions will make it clearer whether to opt for a pneumatic control valve or an electric control valve.

1. Diferentes principios de funcionamiento

1.1 Válvulas de control neumáticas operate using compressed air as the power source, with a cylinder as the actuator. They are driven by electrical valve positioners, converters, solenoid valves, and position-holding valves, among other accessories. The process usually involves connecting, installing, and debugging the pneumatic actuator and control valve. There are single-acting and double-acting for pneumatic actuator . Single-acting actuators have a reset spring while double-acting actuators do not. If a single-acting actuator loses its original position or suddenly fails, the valve can automatically return to its initial open or closed state.

1.2 Válvulas de control eléctricas, on the other hand, are powered by 220VAC or 380VAC electric motors and controlled by a 4~20mA signal. Inside the control valve, a controller converts the current signal into a stepping motor’s angular stroke signal. The motor rotates, driven by gears, levers, or gears combined with levers, to operate the valve stem, achieving either linear or angular stroke motion. During operation, the motor runs, and the gear rotation generates a positioning signal for the valve through a sliding potentiometer at the three-way joint. The valve then receives signals from the industrial automation control system to drive the valve and adjust the cross-sectional area between the valve core and valve seat to control the pipeline medium’s flow rate, temperature, pressure, and other process parameters. This achieves automated control functionality.

2. La válvula de control neumática y la válvula de control eléctrica tienen estructuras diferentes

2.1 Válvula de control eléctrica Estructura

La válvula de control eléctrica se acciona mediante un motor eléctrico. Consta de un motor eléctrico, un interruptor de recorrido, un actuador, un cuerpo de válvula, un asiento de válvula y un vástago de válvula. La válvula de control eléctrico viene en tres formas estructurales principales: tipo lineal, tipo rotativo y tipo angular.

 In the linear type electric control valve, the electric motor drives the valve stem to move upward and downward, controlling the valve’s opening and closing.

 The electric motor, reducer, and gears work together in the rotary-type electric control valve. The motor drives the gears to rotate, and the reducer then drives the valve stem to rotate, controlling the valve’s opening and closing.

The angular type electric control valve comprises an electric motor, reducer, worm wheel, worm, and valve body. The valve stem is driven to rotate by the worm wheel and worm reduction, controlling the valve’s opening and closing.

2.2 Válvula de control neumática Estructura

La válvula de control neumática es un tipo de válvula de control accionada por aire comprimido. Se compone de un actuador neumático, un cuerpo de válvula, un asiento de válvula y un vástago de válvula. La válvula de control neumática tiene dos formas estructurales principales: simple efecto y doble efecto.

The single-acting pneumatic control valve comprises a cylinder, valve cover, spring, and valve body. Compressed air from the gas guiding valve enters the cylinder, causing the piston to move up and down, driving the valve stem to control the valve’s opening and closing. When the gas supply is cut off, the spring reset the valve to its original position.

The double-acting type pneumatic control valve comprises a cylinder, valve cover, gas guiding valve, and valve body. Compressed air from the gas supply enters one of the two chambers in the cylinder, causing the piston to move forward or backward, driving the valve stem to control the valve’s opening and closing. When the gas supply changes direction, the piston in the cylinder moves in the opposite direction, this will return the valve stem to its original position.

3. La válvula de control neumática y la válvula de control eléctrica tienen diferentes principios de instalación

3.1 Principios de instalación de la válvula de control neumática 

 The pneumatic control valve should be installed at a certain height from the ground, leaving enough space above and below for the valve disassembly and maintenance. It is essential to ensure easy operation, observation, and adjustment for control valves equipped with pneumatic valve positioners and handwheels.

 La válvula de control debe instalarse en una tubería horizontal y ser perpendicular a la tubería verticalmente. Generalmente es necesario apoyar la válvula desde abajo. En casos especiales en los que la válvula de control deba instalarse horizontalmente en una tubería vertical, deberá preverse un soporte adecuado (excepto para las válvulas de control de pequeño diámetro). Durante la instalación, evite añadir tensión adicional a la válvula de control.

 1.The working environment temperature for the control valve should be within (-30 to +60) degrees, with relative humidity not exceeding 95%.

 2.There should be straight pipe sections before and after the control valve, with a length at least 10 times the pipe diameter (10D) to avoid affecting the flow characteristics due to a short straight pipe.

 3. When the diameter of the control valve differs from that of the processing pipeline, a reducing pipe should be used for the connection. For small-diameter control valves, threaded connections can be used. The direction arrow on the valve body should match the flow direction.

4. A bypass pipeline should be set up to facilitate switching or manual operation, allowing adjustment and maintenance of the valve without stopping the process.

 5. Before installation, thoroughly clean the pipeline of foreign substances such as dirt and welding slag.

3.2 Principios de instalación de la válvula de control eléctrica:

La posición de instalación, la altura y la dirección de entrada/salida de la válvula de control eléctrica deben ajustarse a los requisitos de diseño, y las conexiones deben ser seguras y estancas. 

La válvula de control eléctrica puede conectarse a la tubería utilizando diversas formas de extremo. Los principales métodos de conexión incluyen conexiones roscadas, bridadas y soldadas. Cuando se utilizan conexiones embridadas a temperaturas superiores a 350°C, deben seleccionarse materiales de pernos resistentes a altas temperaturas para evitar la relajación por fluencia de pernos, bridas y juntas.

Before installing the electric control valve, a visual inspection must be carried out, and the valve nameplate should comply with the provisions of the current international standard GB12220, “General Valve Marking.” For valves with working pressure greater than 1.0MPA and serving as shut-off valves on main pipelines, strength and tightness tests must be conducted, and they can only be used if they pass the test. Other valves may not require separate tests and can be inspected during the system pressure test. 

During the strength test, the test pressure is 1.5 times than the nominal pressure and it should be held for at least 5 minutes. The valve body and packing should have no leakage. 

Durante la prueba de estanqueidad, la presión de prueba es de 0,3MPa, y la presión de prueba debe permanecer constante durante toda la duración de la prueba, como se especifica en la Tabla 2. La superficie de sellado del disco de la válvula no debe tener fugas para considerarse cualificada. 

Diámetro nominal: DN15-500.

4. La válvula de control neumática y la válvula de control eléctrica tienen actuadores diferentes.

4.1 Las principales consideraciones para la selección de actuadores son

① Fiabilidad;

② Economía;

③ Funcionamiento suave y par de salida suficiente

④ Estructura sencilla y fácil mantenimiento.

 A comparison of electric and pneumatic actuators: Electric actuators can only be used for intermittent operations, this makes them unsuitable for continuous closed-loop operations. On the other hand, pneumatic actuators have overload resistance and require no maintenance throughout their lifespan. They don’t need oil changes or other lubrication. Their standard service life can reach up to one million switch cycles, making pneumatic actuators superior to other valve actuators.

 Seguridad

Los actuadores neumáticos pueden utilizarse en entornos potencialmente explosivos, especialmente en las siguientes situaciones:

- Necesidad de válvulas antideflagrantes (como las válvulas Namur con bobinas adecuadas) 

- Válvulas o islotes de válvulas que deben instalarse fuera de la zona explosiva

- Actuadores neumáticos utilizados en el área explosiva, accionados por mangueras de aire

- Los actuadores eléctricos son más costosos e inadecuados para su uso en entornos potencialmente explosivos.

Resistencia a la sobrecarga 

 Los actuadores eléctricos alcanzarán rápidamente sus límites de par cuando se requiera un par adicional o una fuerza específica. Por otro lado, los actuadores neumáticos demuestran su ventaja de resistencia a la sobrecarga, especialmente en los casos en que el actuador de la válvula se abre o cierra periódicamente durante mucho tiempo, ya que los depósitos o la sinterización pueden aumentar el par de arranque. Utilizando componentes neumáticos, aumentar la presión de trabajo, la fuerza o el par es fácil.

Relación coste-eficacia  

In most water and wastewater treatment applications, valve actuators mainly operate in an on/off mode or even manually. Therefore, pneumatic components offer a promising rationalization prospect. Compared to electric actuators, which require monitoring functions like temperature monitoring, torque monitoring, conversion frequency, and maintenance cycles to be designed into the control and testing systems, pneumatic actuators don’t need any monitoring and control functions besides end position sensing and air source treatment. Pneumatic actuators have low costs, making automation of manual valve actuators more feasible.

Montaje 

La tecnología neumática es sencilla. Instalar actuadores neumáticos en el cabezal de accionamiento de la válvula y conectarlos al dispositivo de tratamiento de la fuente de aire es fácil. El diseño sin mantenimiento de los actuadores neumáticos garantiza la facilidad de uso y la capacidad de estar listos para funcionar. 

Componentes

Pneumatic components have higher vibration resistance, sturdiness, and durability and are less likely to get damaged. Even high temperatures won’t damage corrosion-resistant components. Electric actuators consist of numerous components and are relatively more prone to damage.

Tecnología

Linear actuators directly act on the closing device, while swing actuators only need a piston and a driving shaft to convert “linear compressed air force” into swing motion. Using pneumatic actuators also allows for easy implementation of slow motion, achieved through simple and cost-effective flow control components. Electric actuators experience significant energy loss when supplied energy is converted into motion. This is primarily due to electric motors converting most of the energy into heat and using gearboxes.

5. Análisis de la válvula de control neumática y la válvula de control eléctrica

In most industrial control applications, pneumatic control valves are commonly used. They are more economical than electric and hydraulic options because they utilize compressed air as the driving force. The simple structure makes them easy to handle and maintain. From a maintenance perspective, pneumatic control valves are easier to operate and calibrate, allowing for convenient on-site interchangeability.

Una de sus mayores ventajas es la seguridad. Son ideales para su uso en entornos inflamables y explosivos cuando van equipados con posicionadores. En cambio, las señales eléctricas no antideflagrantes o intrínsecamente seguras conllevan el riesgo potencial de que salten chispas y provoquen incendios. Aunque las válvulas de control eléctricas han adquirido una aplicación más amplia, las neumáticas siguen dominando en la industria química por sus ventajas inherentes.

Sin embargo, las válvulas de control neumáticas tienen algunos inconvenientes. Presentan tiempos de respuesta más lentos, menor precisión de control y menor resistencia a la desviación debido a la compresibilidad de los gases, especialmente cuando se utilizan actuadores neumáticos de mayor tamaño en los que el llenado y la evacuación del cilindro llevan tiempo. No obstante, esto puede ser adecuado para muchas situaciones industriales que no requieren una gran precisión de control, una respuesta ultrarrápida o una gran resistencia a la desviación.

Por otro lado, las válvulas de control eléctricas encuentran aplicaciones primordiales en centrales eléctricas o nucleares, donde los sistemas de agua a alta presión requieren procesos suaves, estables y graduales. Su principal ventaja radica en la gran estabilidad y el empuje constante de que disponen. El empuje máximo generado por los actuadores eléctricos puede alcanzar los 225.000 kgf, una cifra comparable a la de los actuadores hidráulicos, pero estos últimos son bastante más caros. Los actuadores eléctricos ofrecen una excelente resistencia a las desviaciones, proporcionando una salida de empuje o par relativamente constante que puede contrarrestar eficazmente los desequilibrios del medio y lograr un control preciso de los parámetros del proceso. En consecuencia, suelen ofrecer una mayor precisión de control que los actuadores neumáticos. Cuando se emparejan con un servoamplificador, resulta muy sencillo conseguir la intercambiabilidad bidireccional y establecer el estado de posición de la válvula a prueba de fallos (mantener/abrir/cerrar). Los actuadores eléctricos pueden permanecer en sus posiciones originales en caso de avería, mientras que los actuadores neumáticos requieren una combinación de sistemas de protección para mantener las posiciones.

However, electric control valves have their drawbacks. Their structures are more complex, this makes them more prone to malfunctions. Due to their complexity, they require maintenance personnel with higher technical expertise. Frequent adjustments can lead to motor overheating, necessitating thermal protection, and may accelerate wear on reduction gears. Additionally, electric control valves operate slower than pneumatic and hydraulic actuators, taking longer to respond from the moment the controller sends a signal until the control valve moves to the corresponding position. This is an area where they lag behind pneumatic and hydraulic actuators.

6.Diferencias en el ámbito de aplicación de las válvulas de control eléctricas y las válvulas de control neumáticas

6.1. Ámbito de aplicación Las válvulas de control eléctricas son adecuadas para un control preciso en las industrias química, petroquímica, farmacéutica, alimentaria y ligera. Pueden manejar diversos medios y ofrecen un funcionamiento fiable con gran precisión de control.

6.2. Application Scope of Pneumatic Control Valves are ideal for controlling large flow rates, low pressures, and general media in industries like metallurgy, chemical, textile, papermaking, water treatment, and pharmaceuticals. They are known for the easy operation, affordability cost , and high reliability performance. 

En conclusión, tanto las válvulas de control eléctricas como las neumáticas tienen sus pros y sus contras. La elección debe basarse en los requisitos específicos de la aplicación. Factores como la precisión del control, el caudal, la presión de trabajo y el tipo de medio deben tenerse en cuenta para seleccionar la válvula de control más adecuada.

7. BCST’s Recommendations for Selecting Pneumatic and Electric Control Valves

(1) se recomienda utilizar actuadores electrónicos importados con válvulas de fabricación nacional para fines de domesticación o nuevos proyectos.

(2) Diaphragm actuators have limitations such as insufficient thrust, low stiffness, and large size, but they are still the most widely used actuators, due to their simple structure.

(3) Consideraciones para actuadores de pistón:

- Cuando el empuje de los actuadores neumáticos de diafragma es inadecuado, elija actuadores de pistón para aumentar la fuerza de salida. Para válvulas de control de presión diferencial de gran tamaño (por ejemplo, válvulas de corte de vapor de presión media), cuando DN≥ 200, podrían ser necesarios incluso actuadores de pistón de doble efecto.

- En las válvulas de control normales, los actuadores de pistón pueden sustituir a los de diafragma, lo que reduce considerablemente el tamaño del actuador. Desde esta perspectiva, se espera que aumente el uso de válvulas de control neumáticas de pistón.

· For angular-stroke control valves, the typical structure of the actuator is a dual-piston gear-rack rotation type. It’s worth emphasizing that the traditional “linear-stroke piston actuator + angle iron + crank connecting rod” approach is still widely used.