Effiziente Regelventile für Ihre Durchflussanwendungen

Das direkt gesteuerte Regelventil

Dieses Regelventil besteht aus einer Düse, die 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 sind.

Vorteil: ein solches Regelventil reagiert schnell, ist kostengünstig und benötigt nur wenig Energie, um den Durchfluss zu kontrollieren.
Nachteil: es kann Limitierungen im Druckbereich und im Durchflussbereich geben.

Nehmen wir mal ein elektromagnetisches Ventil als Beispiel:

Bei einem Regelventil 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 Direktregelventil aufgrund dieser Kraft nicht ausreichend. Das sind z.B. > 15 N für einen 200 bar Differenzdruck über eine 1 mm Öffnung: die Kraft ist so groß, dass das Ventil zugedrückt wird.

Ein elektromagnetisches Ventil bringt etwa 5 N auf den Ventilstempel. Es besteht natürlich die 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, dass sich die Spule dabei viel stärker erwärmt, was die Messung und damit das Regelverhalten beeinflussen kann. 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 direkt gesteuerte Regelventil ist geeignet für Durchflüsse von 1 mln/min bis etwa 50 ln/min.
 

Welche Alternativen gibt es?

Re-Design des Ventils für höhere Drücke
Nutzung eines 2-stufigen Ventils (indirektes Regelventil)
Nutzung eines druckkompensierten Ventils, um große Durchflüsse bei kleinen Druckdifferenzen zu erreichen.

Alternative 1) Direktregelventil für hohe Drücke

Die einfachste Lösung, um mit höheren Drücken umzugehen, ist die Neugestaltung des direkten Regelventils. Aufgrund der begrenzten Öffnungsgröße kann es für relativ kleine Ströme (bis zu 20 ln/min) verwendet werden. Um jedoch größere Druckunterschiede von bis zu 200 bar Differenzdruck (bar d) zu bewältigen, müssen der Ventil- und Massendurchflussreglerkörper robuster sein. Die meisten Regelventile können einen Druck von 200 bar d nicht bewältigen; entweder reißt das Dichtungsmaterial, oder mechanische Teile können die plötzlichen Kraftspitzen, die bei 200 bar d auftreten können, nicht verkraften.

Die Abmessungen dieses Regelventils 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.

Indirektes Regelventil

Alternative 2) Indirektes Regelventil, 2-stufiges Regelventil

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

Ein indirektes Regelventil oder 2-stufiges Regelventil besteht aus:

einem Direktregelventil als Pilotventil (A) wie bereits oben beschrieben, das keine zusätzliche Stromversorgung benötigt.
einem zusätzlichen Ventil im Körper mit einer Druckkompensation (B), das für die Aufrechterhaltung einer konstanten Druckdifferenz (P1-P2) von nur wenigen bar über das Pilotventil (A) beibehalten muss. 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 (A+B) und sowohl der Druckabfall als auch die Düsengröße bestimmen den resultierenden Durchfluss.

More variations on the 2-phase indirect control valve

There are actually 2 more variances of the indirect control valve available:

The first one is adding a third phase to the indirect valve, where the pressure changes from the 2-phase valve is used to open a larger valve to reach higher flows, up to several thousands liters per minute. In this system, the pilot valve is actually parallel to the main flow path. The disadvantage is that this vlave becomes quite large and costly, as well as that a minmum pressure difference is needed to close the piston that controls the main flow.
The other variation of the indirect control valve is one where the pilot valve is again parallel to the main flow path, but where the parallel path only consists of a single valve and a fixed orifice. When the pilot valve is closed, the pressure in the valve builds up to the inlet pressure, which closes of the main flow path by a membrane. By opening the pilot valve, the pressure difference on the membrane can be reduced and flow can be controlled through the larger path. For a membrane valve, smaller pressure differences are needed to function, down to only a few tens of millibars. The disadvantage is that when large membranes are used, the absolute pressures in the system are limited, and when we scale down the membrane, the maximum flow is restricted and the pressure difference needed to close the valve goes up again.

Weitere Varianten des indirekten 2-Phasen-Steuerventils

Es sind tatsächlich noch zwei weitere Varianten des indirekten Steuerventils erhältlich:

Bei der ersten wird dem indirekten Ventil eine dritte Phase hinzugefügt, bei der die Druckänderungen des 2-Phasen-Ventils verwendet werden, um ein größeres Ventil zu öffnen und so höhere Durchflussraten von bis zu mehreren Tausend Litern pro Minute zu erreichen. In diesem System ist das Pilotventil tatsächlich parallel zum Hauptdurchflussweg. Der Nachteil besteht darin, dass dieses Ventil ziemlich groß und teuer wird und dass ein Mindestdruckunterschied erforderlich ist, um den Kolben zu schließen, der den Hauptdurchfluss steuert.
Bei der anderen Variante des indirekten Steuerventils ist das Pilotventil ebenfalls parallel zum Hauptdurchflussweg, der parallele Weg besteht jedoch nur aus einem einzigen Ventil und einer festen Öffnung. Wenn das Pilotventil geschlossen ist, baut sich der Druck im Ventil auf den Eingangsdruck auf, wodurch der Hauptdurchflussweg durch eine Membran geschlossen wird. Durch Öffnen des Pilotventils kann der Druckunterschied auf der Membran verringert und der Durchfluss durch den größeren Weg gesteuert werden. Damit ein Membranventil funktioniert, sind kleinere Druckunterschiede bis hinunter zu einigen zehn Millibar erforderlich. Der Nachteil besteht darin, dass bei Verwendung großer Membranen die absoluten Drücke im System begrenzt sind. Wenn wir die Membran verkleinern, wird der maximale Durchfluss eingeschränkt und der zum Schließen des Ventils erforderliche Druckunterschied steigt wieder an.

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. Um diese Durchflüsse zu realisieren wird ein anderer Ventil-Typ benötigt, z.B. ein druckkompensiertes Ventil wie ein Faltenbalgventil.

Alternative 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 Faltenbalgventil möglich, bei dem die effektive Düsengröße für die Druckkraft signifikant reduziert wird. Mit dem Balgenventil können Durchflüsse von mehreren hundert Litern pro Minute mit einer minimalen Druckdifferenz geregelt werden. Allerdings ist hier der Vordruck auf Grund der Bauart eingeschränkt und ein solches Ventil ist deutlich größer und kostenintensiver als ein normales direktgesteuertes Regelventil.

Druckkompensierte Ventile

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.

Welches ist das richtige Regelventil für Sie?

Valve type	Flow (ln/min)	Pressure (abs / delta)
Direct control valve	0.0007..50	0..1005 / 0..40
Direct control high pressure valve	0.0007..20	40..200 / 1..200
2-phase control valve	0.010..200	4..700 / 4..400
3-phase control valve	50..5000	2..20 / 1..20
Pressure compensated valve	0.1..200	0..10 / 0..5
Membrane valve	5..2000	0..10 / 0..10

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