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Ein Regelventil dient dazu, einen Durchfluss durch Änderung des Durchmessers einer Öffnung (Düse) zu regulieren, indem ein Stellsignal – z.B. durch einen integrierten PID-Controller - angelegt wird. Das Regelventil ist das bei weitem am häufigsten verwendete Zubehör in der Durchflussregelung.

Regelventile können als integraler Teil von Massendurchflussreglern und Druckreglern oder als separates Bauteil in Kombination mit einem Durchfluss- oder Druckmessgerät geliefert werden. Zusammen mit einer Rückkopplungsschleife vom Massendurchflussregler oder Druckregler steuert das Ventil die Durchflussmenge, die durchläuft, um auf einen vorgegebenen Durchfluss- oder Drucksollwert zu gelangen.

Je nach Anwendung ist meistens sofort klar, ob Ihr Massendurchflussregler eine Absperr- (Öffnungs-) oder ein Regelventil benötigt oder ob ein normal geöffnetes oder normal geschlossenes Ventil benötigt wird. Innerhalb der Gruppe der Regelventile gibt es eine Reihe von verschiedenen Ventilen, die jeweils ihre eigenen Parameterbereiche, Vor- und Nachteile haben.

In unserem aktuellen Blog möchte ich einige Ventile vorstellen, die für hohe absolute Drücke oder Differenzdrücke geeignet sind und solche, die für große Durchflüsse bei sehr kleinen Differenzdrücken zum Einsatz kommen.

Das Direktregelventil

Dieses Ventil besteht aus einer Düse, das den Durchfluss reguliert und einer Dichtfläche, die die Größe der Düsenöffnung reguliert. Damit ergibt sich eine direkte Regelung des Durchflusses, der je nach Öffnungsgrad den Durchfluss durch das Ventil begrenzt. Ein Direktregelventil ist relativ schnell, kostengünstig und benötigt wenig Energie, um einen Durchfluss zu regeln. Der Nachteil ist allerdings, dass solche Ventile nur für begrenzte Druck- und Durchflussbereiche geeignet ist.

Nehmen wir mal ein elektromagnetisches Ventil als Beispiel:

Bei einem Ventil wird die zum Öffnen des Ventils benötigte Kraft (F) durch den Düsendurchmesser (d) und die Druckdifferenz (Δp) über das Ventil bestimmt (F ~ Δp * ¼ d2). Wenn entweder die Druckdifferenz oder der Öffnungsdurchmesser höher wird, öffnet sich das Direktsteuerventil aufgrund dieser Kraft nicht ausreichend. Das sind z.B. > 15 N für einen 200 bar Differenzdruck über eine 1 mm Öffnung, die Kraft so groß, dass das Ventil zugedrückt wird.

Ein elektromagnetisches Ventil bringt etwa 5 N auf den Ventilstempel. Es ist natürlich eine Möglichkeit, eine stärkere Spule zu verwenden, damit mehr Kraft aufgebracht werden kann, allerdings wird dann auch mehr Energie benötigt. Massendurchflussregler haben häufig nur sehr begrenzte Spannungsversorgung, hinzu kommt außerdem, dass sich die Spule damit auch viel stärker erwärmt und dies kann die Messung und damit das Regelverhalten beeinflussen. Daraus resultiert ein begrenzter Durchflussbereich, der proportional zum Druck ist und quadratisch vom Düsendurchmesser abhängt.

Summa summarum sind diese Ventile auf Grund dieser Restriktionen nicht geeignet für hohe Durchflüsse, hohe Absolut- und Differenzdrücke. Das Direktregelventil ist geeignet für Durchflüsse von 1 mln/min bis etwa 50 ln/min.

Welche Alternativen gibt es?

1) Re-Design des Ventils für höhere Drücke 2) Wir benutzen ein 2-stufiges Ventil. 3) Wir benutzen ein druckkompensiertes Ventil, um große Durchflüsse bei kleinen Druckdifferenzen zu erreichen.

1) Direktregelventil für hohe Drücke

Die einfachste Lösung, um mit höheren Drücken fertig zu werden, ist eine Neugestaltung des direkten Steuerventils. Da die Öffnungsgröße begrenzt ist, kann sie für relativ kleine Ströme (bis zu 20ln / min) verwendet werden. Um die größeren Druckunterschiede, bis zu 200 bar Differenzdruck (bar d) zu bewältigen, müssen der Ventil- und Massendurchflussreglerkörper robuster sein. Die meisten Ventile können nicht mit einem Druckstoß von 200 bar d umgehen; entweder kann das Dichtungsmaterial zerreißen, oder mechanische Teile können die plötzlichen Kraftpausen, die bei 200 bar d möglich sind, nicht bewältigen. Die Abmessungen dieses Ventils sind nur wenig größer als die eines Standardventils, das gilt auch für den gesamten Massendurchflussregler in Kompaktbauweise. Auf der anderen Seite sind sehr geringe Durchflüsse allerdings häufig begrenzt auf Grund von Leckage durch das Ventil bei hohen Druckdifferenzen.

2) Indirektes Regelventil, 2-stufiges Regelventil

Für höhere Drücke und höhere Durchflüsse bis zu 200ln/min müssen andere Ventile zum Einsatz kommen. Mit den so genannten indirekten Regelventilen (s. Bild 1) können höhere Durchflüsse und höhere Absolut- und Differenzialdrücke realisiert werden.

Bild 1: indirektes Regelventil

Ein indirektes Regelventil oder 2-stufiges Regelventil besteht aus:

einem Direktregelventil als Pilotventil (A) wie bereits oben beschrieben, das auch keine zusätzliche Stromversorgung benötigt einem zusätzlichen Ventil im Körper mit einer Druckkompensation (B), die für die Aufrechterhaltung ein konstanten Druckdifferenz (P1-P2) von nur wenigen bar über das Pilotventil. Damit ist es möglich, dass sich Eingangs- und Ausgangsdruck ändern, ohne dass es das Regelverhalten des Ventiles beeinflusst. Die Kraft über die Druckkompensation hält das Ventil geschlossen, nur wenn das Ventil selbst öffnet, wird die Druckkraft soweit reduziert, dass das eigentliche Regelventil öffnet und den Durchfluss regelt.

Das indirekte Regelventil besteht also aus zwei Ventilen in Serie, sowohl der Druckabfall als auch die Düsengröße bestimmen den resultierenden Durchfluss.

Die Nachteile eines solchen Ventils sind seine Größe und seine relativ hohen Kosten. Außerdem ist eine gewisse minimale Druckdifferenz zwischen Vordruck und Nachdruck notwendig, um den druckkompensierenden Teil zu schließen. Die Düsengröße selbst ist ebenfalls limitiert, so dass zum Beispiel für einen Durchfluss von 200 ln/min ein Vordruck von > 150 bar a notwendig ist. To get such flows at lower pressures, a whole different kind of valve is needed, like a pressure compensated valve, a bellow valve.

3) Druckkompensierte Ventile

Es ist möglich, größere Düsenquerschnitte einzusetzen, um mit einem Direktregelventil höhere Durchflüsse zu regeln. Um dies zu erreichen muss die Druckkraft im Ventil reduziert werden. Das ist zum Beispiel mit einem druckkompensierten Balgenventil passieren, bei dem die effektive Düsengröße für die Druckkraft signifikant reduziert ist (s. Bild 2). Mit dem Balgenventil können Durchflüsse von mehreren hundert Litern pro Minute mit einer minimalen Druckdifferenz geregelt werden. Allerdings ist hier der der Vordruck aufgrund der Bauart eingeschränkt und ein solches Ventil ist deutlich größer und kostenintensiver als ein normales Direktregelventil.

Bild 2: druckkompensiertes Ventil

Fazit: In Abhängigkeit vom Druck und vom Durchfluss haben Sie diese Möglichkeiten:

Ein direktgesteuertes Hochdruckventil (bis 200 bar a und 20 ln/min), oder Ein indirektes druckkompensiertes Ventil (bis 700 bar a und 200 ln/min) Für hohe Durchflüsse bei geringem Druck ist ein druckkompensiertes Balgenventil die beste Lösung.

Bild 3: Übersicht Ventile