++Arca 7.0 neu:++Musterseite BdT Kopie · 2016. 2. 10. · (gallons per minute) bei 1 psi (lb/in2)...

Die Bibliothek der TechnikBand 298

Industrielle Prozessregelventile

Schlüsselkomponenten für Anlagensicherheitund -wirtschaftlichkeit

verlag moderne industrie

++Arca_7.0_neu:++Musterseite_BdT Kopie 13.06.2008 11:57 Uhr Seite 1

Dieses Buch wurde mit fachlicher Unterstützung der ARCA Regler GmbH erarbeitet.

An der Erstellung dieses Buches waren beteiligt:Johannes Fliegen, Lothar Grutesen, Johannes Herzwurm, Joachim Lukoschek, Heinz M. Nägel, Andreas Pomsel

© 2006 Alle Rechte beisv corporate media, D-80992 Münchenhttp://www.sv-corporate-media.deAbbildungen: ARCA Regler GmbH, TönisvorstSatz: abavo GmbH, D-86807 BuchloeDruck und Bindung: Sellier Druck GmbH, D-85354 FreisingPrinted in Germany 889044ISBN-10: 3-937889-44-2ISBN-13: 978-3-937889-44-3

Inhalt

Auf Höchstleistung ausgelegt 4

Anlagenfunktion und Prozessintegration 6

Grundfunktionen von Prozessregelventilen (6) – Arbeitsbereich eines Regelventils (8) – Ventilkapazität (Durchflusskoeffizient) (9) –Über tragungsfunktion und Ventilkennlinie (10) – Ventilnennweite (12) –Einbindung in das Rohrnetz (13) – Ventilantriebe (13) – Stellungs-regler (15) – Instrumentierung (18)

Bedeutung für Wirtschaftlichkeit und Anlagensicherheit 19

Einflussfaktoren auf die Gesamtwirtschaftlichkeit (19) –Anlagensicherheit und SIL-Einstufung (28) – Anlagensicherheit durch Explosionsschutz (30)

Spezifizierung und Auswahlkriterien für Regelventile 33

Datenblatt für Regelventile (33) – Berechnung des Durchfluss-koeffizienten, Auswahl der Ventilinnengarnitur und Ventilnennweite (34) –Auswahl der Ventilkonstruktion (41) – Auswahl der Materialien für Ventilgehäuse und -innengarnitur (44) – Auswahl der Werkstoffe für Dichtelemente (48)

Emissionen 50

Äußere Dichtheit (50) – Innere Dichtheit (54) – Schallemissionen (56)

Moderne Lösungen für spezielle Einsatzbereiche 60

Regelventile in der Energiewirtschaft (60) – Regelventile für Druckwechselanlagen (62) – Pumpgrenzregelventile an Turbo-verdichtern (63)

Basiswissen über Prozessarmaturen 66

Der Partner dieses Buches 71


Auf Höchstleistung ausgelegt 5

nenten für Anlagensicherheit und -wirtschaft-lichkeit aufzuzeigen. Der Schwerpunkt der Dar-stellung liegt auf der Gruppe der am weitestenverbreiteten Regelventile – den Hubventilen.Hier findet der Leser einen kompakten Über-blick, der das Verständnis für diese Hochleis-tungsaggregate erleichtern soll.

4

Auf HöchstleistungausgelegtDer ICE 3 mit seiner Höchstgeschwindigkeitvon 330 km/h verfügt mit der elektrischenBremse als einem von drei Bremssystemenüber eine Bremsleistung von 8200 kW. Einfaszinierender Wert – doch nur ein Bruchteildessen, was Regelventile, sozusagen die»Bremsen« in einem industriellen Prozess, zuleisten im Stande sind. So drosselt beispiels-weise ein in einer typischen Bypass-Station füreine Hilfs turbine eingesetztes Dampfumform-ventil (Abb. 1) mit einer Nennweite (DN) 40071,6 t/h Dampf von einem Eingangsdruck von 38,5 bar auf 0,9 bar Absolutdruck. Diehierfür er rechnete Verlustleistung am Ventilbeträgt über 21100 kW. Dieses mit DN 400nicht besonders große Regelventil beherrschtalso das 2,5fache der außergewöhnlichenBremsleistung eines ICE 3. Das macht einer-seits die Faszination von Prozessregelventilenaus, stellt andererseits jedoch auch eine großeHerausforderung für die Ventilhersteller dar.Denn an Stellen im industriellen Prozess, andenen so viel Leistung beherrscht werdenmuss, sind Fehler in Aus legung und Betriebaußerordentlich kosten intensiv.Ganz gleich ob in Kraftwerken, ob in der Che-mie, Petrochemie, Nahrungsmittelindustrie oderin der Gasversorgung sowie Wasser ver- und -entsorgung, Regelventile sind die entscheiden-den Eingriffstellen innerhalb von Prozesskreis-läufen. Sie gewährleisten die Herstellung vonProdukten optimaler Qualität unter wirtschaft-lichen Bedingungen. Die Intention diesesBuchs ist es, die Bedeutung von Regelventilenals wichtige Schnittstellen innerhalb komplexerindustrieller Prozesse und als Schlüsselkompo-

Abb. 1:Dampfumformventilin Eckform

2,5fache Leistung des ICE-Brems -systems

EntscheidendeEingriffstellen im Prozess


Grundfunktionen von Prozessregelventilen 7

In Zeiten modellgestützter Prozessführung unddigitaler Leittechnik ist ein Regelventil imAufgabenbereich der Leittechnik alleine je-doch nur unzureichend dargestellt. Im Wesent-lichen handelt es sich bei ihm um eine Rohr-leitungskomponente mit komplexer Wechsel-wirkung zu den verfahrenstechnischen Abläu-fen. In der Energiebilanz eines jeden Prozesseserscheint die für die Regelung erforderlicheDruckdifferenz über das Ventil als Verlustleis-tung, jedoch ist häufig der kontrollierte Druck-

6

Anlagenfunktion undProzessintegrationRegelventile sind in Prozesskreisläufen diehäufigsten, kontinuierlich wirkenden Aktorenzur gezielten Beeinflussung und Führung derProzesse. Sie sind das verbindende Glied undVermittler zwischen elektronischer Leittechnikund dem Prozessmedium. Gleichzeitig fungie-ren sie als verbindende Glieder zwischen deneinzelnen Prozessphasen, bestimmen dabeiden kontinuierlichen Prozessfluss und gleichendie unterschiedlichen Druckniveaus einanderan. Andere zum Beispiel in Heiz- und Kühl-kreisläufen eingesetzte Regelventile greifenindirekt in den Prozess ein.

Grundfunktionen von Prozess regelventilenDas Prozessregelventil ist einerseits Teilneh-mer im digitalen Datenfluss und andererseitsausführender Arm im Prozessstrom (Abb. 2).

Abb. 2:Regelventil -schnittstellen undKomponenten

Sicherheitsstellung

Endlagensignale

Hub

Pneum. Antrieb

RegelventilProzessstrom

Stellungsregler

Sollposition

iy

HilfsenergieDruckluft

Nutmutter zurBefestigung desStellantriebs

FührungsbuchsePackungssatz/Stopfbuchse

Deckelflansch

Ventilspindel

Distanzrohr

Parabolkegel

Klemmsitz Sitzdichtung

Gehäuse-dichtung

Ventil-gehäuse

Abb. 3:Wesentliche Bauteileeines Regelventils

Vermittler -funktion

Rohrleitungs-komponente


Ventilkapazität (Durchflusskoeffizient) 98 Anlagenfunktion und Prozessintegration

abbau die primäre Aufgabe des Ventils, bei-spielsweise bei der Entspannung eines Druck-behälters.Abbildung 3 zeigt anhand der wesentlichenKomponenten den Aufbau eines modernen Regelventils. Bei der Auslegung eines Regel-ventils sind unabhängig von der eigentlichenAufgabe, die es im jeweiligen Prozess zu er-füllen hat, generell vier wesentliche Aspektezu beachten:• Verfahrenstechnisches Konzept der erforder-

lichen Arbeitspunkte und Betriebszustände• Sicherheitskonzept und Störverhalten• Leittechnisches Konzept mit Kommunika-

tionsweg und Antriebsphilosophie• Regelungstechnisches Konzept mit Stell -

dynamik und Zeitverhalten

Arbeitsbereich eines RegelventilsPrimäre und gleichermaßen komplexeste Auf-gabe bei der Projektierung eines Regelventilsist die Bestimmung seines Arbeitsbereichs. Hierlohnt eine präzise Auslegung und Berechnungbesonders, da in dieser Phase wesentlich die in-stallierten Leistungen der Aggregate, Leitungs-querschnitte und Ventildimensionen festgelegtwerden. Dabei sind die installierten Komponen-ten vor und hinter dem Regelventil bis zu denGrenzen zu berücksichtigen, die eine strö-mungstechnische Entkopplung der Anlagenteileerlauben.Ein Regelventil ist primär immer ein Mengen-regelventil und die sich vor und hinter demVentil einstellenden Drücke sind ein Ergebnisder vor- und nachgeschalteten Systemkompo-nenten und deren Kennlinien. Wie allgemeinin der Regeltechnik gilt auch hier, dass eineoptimierte Regelstrecke der effizienteste undauch wirtschaftlichste Regler ist.

Zentrale Auslegungs-aspekte

EntscheidendeProjektierungs-phase

Funktion Mengenregelung

Berücksichti-gung von Ex-tremsituationen

Durchfluss unternormierten Bedingungen

Neben den Anforderungen des in normalenGrenzen ablaufenden Prozesses müssen bei derRegelventilauslegung auch Sonder- und Ex-tremsituationen berücksichtigt werden. Dazuzählt das Verhalten im Falle eines kontrollier-ten Abschaltvorgangs (Dichtschließfunktion)genauso wie das Verhalten im Falle von Sig-nalbruch oder bei Ausfall der Hilfsenergie. Fer-ner sind die Leckageforderungen an das ge-schlossene Ventil festzulegen. Es empfiehltsich hierbei eine Beschränkung auf das tatsäch-lich Ausreichende, denn Regel- und Dicht-schließfunktion sind unter konstruktiven Ge-sichtspunkten eher gegenläufige Forderungenund somit nur mit aufwändigen Maßnahmen zuerreichen.

Ventilkapazität (Durchfluss koeffizient)Berechnungsverfahren für den Durchfluss-koeffizienten – definiert durch den Kv-Wert –sind in zahlreichen Publikationen beschrieben.Im Gegensatz zu dem bei der Berechnung vonRohrleitungssystemen verwendeten ζ-Wert,der den spezifischen Strömungswiderstand ei-nes jeden Rohrleitungselements beschreibt,gibt der bei Regelventilen verwendete Kv-Wertden Durchfluss eines Regelventils in m3/h un-ter normierten Bedingungen (Medium Wasserbei 1 bar Differenzdruck) an. Der Kvs-Wert(Nenndurchflusskoeffizient) ist der Kv-Wertdes Regelventils bei Nennhub. In der amerika-nischen Normung ist für den Durchfluss derCv-Wert üblich, der den Duchfluss in gpm(gallons per minute) bei 1 psi (lb/in2) Diffe-renzdruck angibt. Der Umrechnungsfaktorzwischen beiden Systemen beträgt: Cv 1 = Kv 0,886. Zur Berechnung werden heute fastausschließlich komfortable Berechnungspro-gramme eingesetzt. Für eine überschlägige


Übertragungsfunktion und Ventilkennlinie 11

wie jeweils drei Kennlinien ineinandergreifen.In Abbildung 4b sind die Kennlinien derSpritzdüsen und der Pumpe zu sehen, Abbil-dung 4c zeigt den Einfluss der Ventilkenn -linien (linear und gleichprozentig) auf die Anlagenkennlinie. Systemgrenzen sind der als

10 Anlagenfunktion und Prozessintegration

Abschätzung dienen die im Kapitel »Basiswis-sen über Prozessarmaturen« aufgeführtenFaustformeln (siehe S. 68).

Übertragungsfunktion und VentilkennlinieFür das Regelkonzept ist die Übertragungs-funktion des Ventils, die den Zusammenhangzwischen Eingangs- und Ausgangssignal be-schreibt, bedeutend. Doch was ist das Ausgangssignal eines Regelventils? Die zu re-gelnden Prozessgrößen wie Druck, Füllstandoder Temperatur sind letztlich nur Folge der Mengenregelung des Ventils und diese wiederum ist bestimmt durch die Drosselung.Somit beschreibt die statische Übertragungs-funktion den Zusammenhang zwischen Ein-gangssignal und Durchflussquerschnitt. We-sentliche Zwischengröße in dieser Signalfolgeist der Hub des Ventils bzw. die Stellung desRegelkegels. Der Regelkegel hat eine Kontur,die je nach Hubstellung einen mehr oder weni-ger großen Querschnitt freigibt – ausgehendvon einem regelbaren Anfangswert bis zu ei-nem Maximalwert. Den Quotienten aus An-fangs- und Maximalwert bezeichnet man alsStellverhältnis. Dieses legt im Wesentlichenfest, ob die erforderlichen Prozesszustände ge-fahren werden können. Der Verlauf zwischendiesen Werten wird durch die Kennlinie desVentils beschrieben. Die Wahl der Kennlinien-charakteristik ist Gegenstand vieler Theorien,wobei in der Praxis meist nur zwischen linea-ren oder gleichprozentigen Kennlinien zuwählen ist. Ziel ist grundsätzlich die möglichstkonstante Regelverstärkung über den gesam-ten Arbeitsbereich. Abbildung 4 zeigt am Beispiel einer zur Küh-lung des Rohstahls in einer Stranggussanlageeingesetzten Spritzbalkenregelung (Abb. 4a),

Abb. 4 (gegenüber):a) Spritzbalken -

regelungb) Spritzdüsen- und

Pumpenkennliniec) Ventil- und An -

lagenkennliniebei linearer undgleichprozentigerKennlinie

Regelventil

Durchflussregler

Düsen

Pumpe

FCa)

Düsen

Pumpe

00

5

10

15

20

5 10 15

Differenzdruck/Förderhöhe [bar]b)

c)

Vol

umen

stro

m [m

3 /h]

20 25 30

00

5

10

15

20

20 40 60

Hub [%]

Vol

umen

stro

m [m

3 /h]

80 100

LineareVentilkennlinie

Anlagenkennliniebei linearerVentilkennlinie

GleichprozentigeVentilkennlinie

Anlagenkennliniebei gleichprozen-tiger Ventilkennlinie

Differenzdruckam Regelventil

Ventilhub alswesentlicheZwischengröße


Ventilantriebe 13

vorgänge gasförmiger Medien sowie für Flüssigkeiten mit Temperaturen nahe dem Siedepunkt an, die nach einer Druckabsenkungausdampfen.

Einbindung in das RohrnetzÜbliche Anschlussformen vom Ventil zurRohrleitung sind Flansch-, Schweiß- oderSchraubverbindungen. Flanschverbindungenstellen die mit Abstand häufigste Verbindungs-form dar, während Schweißverbindungen vorallem in Hochdruckleitungen von Wasser-/Dampfkreisläufen eingesetzt werden. Vorteileeiner direkten Schweißverbindung sind diehermetische und dauerhafte Dichtheit. Eindeutlicher Nachteil dagegen ist die einge-schränkte Reparaturmöglichkeit, da von mo-dernen Armaturen ein unproblematischer Aus-tausch der Verschleißkomponenten vor Ort ge-fordert wird. Einschweißarmaturen sind in derRegel teurer, weil werksseitig bereits Stahl-rohrstücke, so genannte Vorschuh enden, anden Gussgehäusekörper angeschweißt werden,um an der Rohrleitungsseite eine unproblema-tischere Materialpaarung zu erhalten.Generell betrachtet ist ein Regelventil nichtnur als Ventil, sondern auch als Rohrleitungs-element zu sehen. Deshalb ist über Bypass-und Absperrventile sicherzustellen, dass beieinem möglichen Ausfall des Regelventils die-ses für Wartungs- und Reparaturarbeiten ausdem Kreislauf genommen werden kann, ohnedass der Betrieb unterbrochen werden muss.

VentilantriebeStellantriebe dienen zur Positionierung desVentilkegels entsprechend den Vorgaben desLeitsystems. Drei Antriebskonzepte sind in derVerfahrenstechnik gebräuchlich:


konstant angenommene Tankfüllstand und derUmgebungsdruck hinter den Düsen.Wenn es keine eindeutige technische Prioritätfür eine gleichprozentige Kennlinie gibt, solltebei Hubventilen aus wirtschaftlichen Gründeneine lineare Kennlinie gewählt werden. Regel-kegel mit gleichprozentiger Kennlinie müssentendenziell mit größerem Kvs-Wert gewähltwerden. Häufig eingesetzte Loch- und Käfig-kegel benötigen für ein gleichprozentigesLochbild ohnehin einen größeren Sitzdurch-messer oder einen größeren Ventilhub und er-fordern daher höhere Stellkräfte.

VentilnennweiteDie erforderliche Durchflusskennzahl und dieAusführung der Ventilgarnitur – also Kegel-form (ein- oder mehrstufige Ausführungen)und Kennlinie – bestimmen wesentlich denRaumbedarf, d. h. die Nennweite des Ventils.Über die regelnden Stufen hinaus muss das Ge-häuse möglicherweise auch ungeregelte fest-stehende Drosselstufen (Lochscheiben, Loch-käfige, Strömungslabyrinthe) aufnehmen. Neben diesen räumlichen Voraussetzungensind auch mechanische Aspekte zu berücksich-tigen. In der Regel sollte die Ventilnennweitenicht größer als die Rohrnennweite, wegen derBiege- und Torsionsmomente innerhalb derRohrleitung jedoch nicht kleiner als die halbeRohrnennweite sein. Ferner müssen auch dieStrömungsgeschwindigkeiten am Ventilein-und Ventilaustritt berücksichtigt werden. Medien mit Feststoffen erfordern besondersviel Raum. Für diese Art von Fördermedienwerden Hubventile mit einer Eckform ein -gesetzt, die zur Austrittsseite hin eine freie Abströmung des Fördermediums ohne Umlen -kung ermöglichen. Diese Bauform bietet sichauch für stark expandierende Entspannungs-

Standard: lineare Kennlinie

Nennweite als Funktion des Kvs-Werts

MechanischeAspekte

Flansch- oder Schweiß-ver bindungen

Wartung beilaufendem Betrieb


Stellungsregler 15

• Umgebungsbedingungen (Schutzklasse,Tem peratur, Korrosion)

• Handbetätigung für Notfälle (erforderlichoder nicht erforderlich)

StellungsreglerStellungsregler dienen dazu, die in der Regel-technik üblichen Einheitssignale mit einemDruck von 0,2 bis 1,0 bar oder einer Strom-stärke von 4 bis 20 mA in einen für den Ven-tilantrieb (meist pneumatischer Antrieb) nutz-baren Stelldruck (im Rahmen des in der An-lage verfügbaren Zuluftdrucks) umzusetzen.Der Stellungsregler bildet dabei mit dem An-trieb einen dem Prozessregelkreis untergeord-neten Regelkreis.Mikroprozessorgesteuerte Stellungsregler (»in-telligente« Stellungsregler bzw. »smart positio-ner«) verfügen über vielfältige Parametrie-rungsmöglichkeiten, die sowohl vor Ort alsauch über das Kommunikationssystem einge-stellt werden können. Die Anbindung an dasProzessleitsystem erfolgt über bidirektionalenDatenaustausch, der über Stellsignal und Stel-lungsrückmeldung hinausgeht. Zum Einsatzkommen unter anderem Highway AdressableRemote Transducer (abgekürzt HART), bei de-nen die Statusinfomationen dem analogen Stell-signal als digitales Signal aufmoduliert werden,sowie die »echten« Feldbusse, Profibus (PA)und Foundation Fieldbus, bei denen sowohl das Stellsignal als auch die Statusinformationen digital übertragen werden.

StellungsregleranbauFür den Anbau und die mechanische Koppelungder Stellungsregler an den Antrieb wurde seitensder chemischen Industrie die Namur-Richtlinieentwickelt, die sich international auch in derIEC 60534-6-1 durchgesetzt hat. Diese Richt-


• pneumatische• elektrische• elektrohydraulische

Pneumatische Ventilantriebe sind kosten -günstig, problemlos in explosionsgefährdetenBereichen einsetzbar, verfügen über geringeStellzeiten, eine konstante Dichtschließkraft so-wie über einfach realisierbare Sicherheitsstel-lungen. Sie sind deshalb in der Verfahrenstech-nik die erste Wahl. Elektrische Ventilantriebesind dynamisch stabil und präzise, eine direkteAnsteuerung durch den Prozessregler ist mög-lich. Auch wenn die Primärenergie kostengüns -tiger ist, so muss für Sicherheitsfunktionen undbeim Einsatz in explosionsgefährdeten Berei-chen ein hoher Aufwand betrieben werden.Elektroantriebe sind darüber hinaus relativlangsam. Elektrohydraulische Antriebe zeich-nen sich zwar durch sehr gute Dynamik undStabilität, durch Schnelligkeit bei gleichzeitighohen Stellkräften sowie durch flexible Sicher -heits funktionen aus, ihr Nachteil besteht aberdarin, dass sie teuer und aufwändig herzustellensind.Abhängig vom gewählten Ventiltyp und denErfordernissen des Prozesses sind folgendeKriterien bei der Wahl des Antriebs zu berück-sichtigen:

• Schalt- oder Regelanwendung (welche Regel -genauigkeit ist erforderlich?)

• Vorhandene Primärenergie (Druckluft oderStromversorgung)

• Sicherheitsstellung• Benötigte Stellkraft • Erforderlicher Hub (sind einstellbare End -

anschläge erforderlich?)• Anforderungen an die Hubsteifigkeit des

Antriebs• Zulässige Linearitätsabweichung der An-

triebskennlinie

Pneumatische, ...

... elektrische sowie ...

... elektro-hydraulischeAntriebe

Kriterien fürAntriebswahl

Umwandlung innutzbaren Stellungsdruck

BidirektionalerDatenaustausch

Namur-Richt linie


Stellungsregler 17

Arbeitsgruppe entwickelter Anbau nachVDI/VDE 3847 dar (Abb. 5). Das offene Kon-zept erlaubt den Anbau an einfach oder dop-pelt wirkende Antriebe, zu sätzlich ist generelleine Anschlussfläche zum Direktanbau einesMagnetventils vorhanden.

Einbindung von intelligenten Stellungs -reglern in das Leit- bzw. WartungssystemSteigende Funktionalität und wachsende Para-metriermöglichkeiten von Feldgeräten sowiedie gleichzeitige Reduzierung des Betriebs -personals erfordern es, eine weitgehende Kon-trolle über alle Feldgeräte zentral vom Pro-zessleitsystem bzw. von einer Wartungskon-sole aus sicherzustellen. Feldbusse wie Profi-bus und Foundation Fieldbus, aber auch moderne HART-Systeme ermöglichen die in-dividuelle Adressierung und den Datenaus-tausch mit jedem Feldgerät.Über den reinen Datenaustausch hinaus mussaber gewährleistet sein, dass das übergeord-nete System die Eigenschaften und Einstell-möglichkeiten aller angeschlossenen Feldge-räte »kennt« und diese dem Bediener auch op-tisch anzeigen kann. Hierzu haben sich mitElectronic Device Description (EDD) undField Device Tool/Device Type Manager(FDT/DTM) zwei gegensätzliche Philosophienentwickelt.Bei der Einbindung mittels EDD handelt essich um eine standardisierte Textdatei, die dieSignale und Eigenschaften des Feldgeräts aus-führlich beschreibt. Die Benutzeroberflächewird hierbei seitens des übergeordneten Sys-tems vorgegeben, ist also nicht speziell auf dasjeweilige Gerät abgestimmt. Zukünftige Ver-sionen der EDD sollen jedoch den Nachteildieses Konzepts weitgehend kompensieren.Die FDT/DTM-Technologie stellt seitens desübergeordneten Systems eine FDT-Software


linie ermöglicht den Austausch von Stellungs -reglern verschiedener Hersteller. Mit dem Auf-kommen intelligenter Stellungsregler erwiessich der Namur-Anbau jedoch als nicht mehrstabil genug. In der Folge entwickelte sich einTrend hin zu »direkt« oder »integriert« ange-bauten Stellungsreglern. Hierbei haben sich zu-nehmend die Werksstandards namhafter Ventil-hersteller etabliert, die in fast allen Fällen aucheine in den Antrieb integrierte Luftführung zwi-schen Stellungsregler und Stellantrieb beinhal-ten.Eine technisch sehr interessante Alternativefür den Stellungsregleranbau stellt ein von ei-ner aus Herstellern und Anwendern gebildeten

Abb. 5:ARCAPRO®- Stel -lungsregleranbaunach VDI/VDE 3847

Direkter oder in-tegrierter Anbau

Zentrale Kontrolle über die Feldgeräte

Visualisierungs-möglichkeiten

EDD-Konzept

FDT/DTM-Technologie


19

Bedeutung für Wirt-schaftlichkeit und AnlagensicherheitWirtschaftlichkeit und Sicherheit von Anlagensind sehr eng miteinander verknüpft. Regel-ventile nehmen hinsichtlich beider KriterienSchlüsselrollen ein, da sie entscheidend dieQualität der Prozesse und die Verfügbarkeit derAnlagen beeinflussen. Lebenszyklus kosten, dieSicherheit für Menschen und Umwelt sowieder Explosionsschutz in Anlagen sind bei derBeurteilung von Regelventilen wesentlich.

Einflussfaktoren auf die Gesamtwirtschaftlichkeit Zu den Lebenszykluskosten eines Regelventilszählen die Kosten für Auswahl und Planung,die Investition selbst, aber auch die Kosten fürEinbau und Schulung des Personals. Währenddes Betriebs fallen Kosten für Wartung, Ver-schleiß und möglichen Ausfall, Reparatur, Er-satzteile, Energie sowie Kosten für eventuelleUmweltschäden an. Weiter zu beachten sinddie Kosten für Entsorgung und Aufbereitung. Die individuelle Bauart eines Regelventils unddie konstruktive Ausführung seiner aktiv be-wegten Bauteile haben erheblichen Einflussauf die Lebenszykluskosten-Betrachtung. Mitmodernen Lösungen wie beispielsweise

• Mehrfeder-Membranantrieben,• Ventilsitz-Schnellwechselsystemen,• zuverlässigen Spindelabdichtungen,• intelligenten Stellungsreglern mit Diagnose-

funktionen sowie • piezogesteuerten Stellungsreglern mit ver-

nachlässigbarem Luftverbrauch


(z. B. PACTware®, FieldCare®) zur Verfügung,in die beliebig viele DTMs der Feldgeräte ein-gebunden werden. Zusätzlich zu Informatio-nen über das Feldgerät stellt der DTM aucheine individuelle Darstellung für jedes Feldge-rät zur Verfügung. Man kann sich den DTMwie einen Gerätetreiber bei Computern vor-stellen, der auch in das Betriebssystem einge-bunden wird und für jedes Gerät eine spezielleDarstellung beinhaltet. Die heutige Generationdigitaler Stellungsregler bietet die FDT/DTM-Technologie als Alternative zum EDD-Kon-zept. Der auf Basis der FDT-Spezifikation 1.2entwickelte DTM erleichtert insbesondere dieNutzung der erweiterten Diagnose.

InstrumentierungNeben Stellungsreglern sind im Einzelfall wei-tere Instrumentierungen erforderlich. Dieskönnen beispielsweise sein:

• Endlagenschalter und Wegindikatoren (inbestimmten Anwendungen unabhängig vomStellungsregler)

• Magnetventile für sicherheitsgerichtete Ven-tilstellungen (meist auf/zu)

• Leistungsverstärker (auch Booster genannt)zur Verringerung der Stellzeiten bei Antrie-ben mit großem Luftvolumen

• Pneumatische Verblockventile, die bei In-strumentenluftausfall die aktuelle Ventil -position einfrieren

• Pneumatische Filterregler zur Aufbereitungder Instrumentenluft

• Pneumatische Schnellentlüftungen zumschnellen Anfahren von Sicherheitsstellungen

Weitere Instru-mentierungen

Schlüsselrolle

WesentlicheKosten

Optimierungs-lösungen


Einflussfaktoren auf die Gesamtwirtschaftlichkeit 21

Die rohrlose Luftverbindung zwischen Stel-lungsregler und Membrankammer des Antriebsführt das Stellsignal funktionssicher über interneKanäle durch die Antriebslaterne. Verrohrungoder Verschraubungen für die Luftzuführungsind unnötig. Das Verbiegen von Rohren oderLeckagen an den Verschraubungen und darausentstehende Fehlfunktionen sind somit ausge-schlossen. Bei konventionellen Membranantrieben wirddie bei der Hubbewegung des Antriebs ver-drängte Luft durch eine Atmungsöffnung ge-gen die Umgebungsluft ausgeglichen. Ist dieAtmosphäre mit aggressiven Bestandteilen be-lastet, kann die in den Antrieb eingesaugteLuft durch Kondensatbildung schon innerhalbkurzer Zeit erhebliche Korrosion hervorrufen.Dies wird bei modernen Antrieben dadurchvermieden, dass Instrumentenluft nicht nur zurBetätigung des Antriebs, sondern danach (alsAbluft des Stellungsreglers) zur Beschleierungdes Federraums genutzt wird und diesen somittrocken und korrosionsfrei hält (Abb. 7).

20 Bedeutung für Wirtschaftlichkeit und Anlagensicherheit

lassen sich die Qualität der Prozessführungund damit die Qualität des hergestellten Pro-dukts auf höchstem Niveau sichern, Betriebs-und Wartungskosten minimieren und damit dieGesamtwirtschaftlichkeit von Industrieprozes-sen optimieren.

Kompakter Mehrfeder-MembranantriebModerne federbelastete Membranantriebe (Abb.6) sind nicht nur besonders kompakt ausgeführt,sondern bieten einige konstruktive Besonderhei-ten, die der Betriebssicherheit und Standzeit unddamit der Wirtschaftlichkeit dienen. Zu nennensind beispielsweise:

• Rohrloser Stellungsregleranbau• Beschleierungssystem durch Nutzung der

»gebrauchten« Instrumentenluft zum Schutzder Membrankammer vor Umgebungsein-flüssen

• Rollmembranen mit Membraneinspannungim Kraftnebenschluss

Abb. 6:Moderner Mehr -feder -Membran -antrieb Abb. 7:

Stellungsregleranbaumit Beschleierung

Arbeitsluft

Abluft BeschleierungZuluft

Be- und Entlüftungs-stopfen

Federn

Antriebsspindel

Integrierte Laterne

Zentralbefestigungmit Führungund Dichtung

Membran

Antriebsgehäuse

Rohrlose Luftverbindung

Vermeidung vonKorrosion



licher Weise spindelgeführt bzw. bei höhererBelastung und größeren Nennweiten schaftge-führt ist. Die Vorteile dieser Ausführung lassensich folgendermaßen zusammenfassen:

• Ein Sitzring ohne Gewinde kann einfach ausSondermaterialien gefertigt werden.

• Die durchgängig formschlüssige Ausrich-tung zwischen Deckelflansch und damitzwischen Spindelführung und Sitzring stelltdie vorgegebene Sitzleckage sicher.

• Die »schwimmende« Lagerung des Klemm-sitzes verhindert die Übertragung von Rohr-leitungskräften über das Ventilgehäuse aufden Sitzring. Dies ist in Leckageklasse V einentscheidender Vorteil, da bei Schraubsitzender negative Einfluss von Rohrleitungskräf-ten auf den Ventilsitz nachweisbar ist.

• Das Druckstück gewährleistet eine gleich-mäßige Abströmung des Mediums.

Ventile mit Klemmsitz (Abb. 9) sind wartungs-freundlicher als Ventile mit eingeschraubtemSitzring (Abb. 10), da sich der eingeklemmteSitzring sehr schnell und zuverlässig ohne Spezialwerkzeuge auswechseln lässt. Damit ister dem Schraubsitz deutlich überlegen, denn umdie zur dauerhaften Vermeidung von Bypass-Leckagen benötigten Anzugsmomente sicherzu -


Das Herzstück jedes Membranantriebs ist dieMembran. Ihre Lebensdauer ist nicht nur vonder Qualität ihres Materials, sondern in hohemMaße von der Art der mechanischen Belastung,insbesondere im Bereich der Membraneinspan-nung, abhängig. Eine unkontrollierte Verpres-sung der Membran und die daraus resultierendeFaltenbildung führen zu einer Membran -

Abb. 9:Regelventil mitKlemmsitz

Abb. 8:Membran -einspannung imKraftnebenschluss

bewegung mit erhöhter Walkarbeit, die die Lebensdauer erheblich reduziert. Eine Einspan-nung mit definierter Vorpressung im Kraft -nebenschluss (Abb. 8) stellt eine definierteMembranbewegung und damit die Grundlagefür hohe Verfügbarkeit und lange Lebensdauersicher.

Ventilsitz-SchnellwechselsystemVentilkegel und Sitzring sind die am höchstenbeanspruchten Bauteile eines Regelventils.Verschleiß und Dichtheit sowie Standzeit undServicefreundlichkeit beider Komponentenwerden durch eine optimale Konstruktion unddie richtige Werkstoffwahl entschieden. Alseinfache, universell anwendbare und kosten-günstige Lösung hat sich das Regelventil mitauswechselbarem, geklemmtem Sitzring er-wiesen, bei dem der Ventilkegel in herkömm-

Distanzrohr

Klemmsitzmit Dichtung

Definierte Vorpressung

Ventile mitKlemmsitz

Vorteile

Schnelles Auswechseln


Einflussfaktoren auf die Gesamtwirtschaftlichkeit 2524 Bedeutung für Wirtschaftlichkeit und Anlagensicherheit

stellen, die nicht selten weit über 1000 Nm liegenund zudem stark von der Materialpaarung unddem Zustand des Gewindes abhängig sind, wer-den Spezialwerkzeuge benötigt. Im Gegensatzdazu ist beim Ventil mit Klemmsitz die Sitz-dichtkraft durch die Toleranz zwischen Gehäuse,Druckstück und Sitzring sowie durch die Aus -legung der Sitzdichtung eindeutig vorgegeben.Die nötigen Toleranzen sind durch CNC-Ferti-gungstechniken sicher reproduzierbar. Der Aus-tausch des Sitzrings beschränkt sich auf das Ein-legen einer neuen Sitzdichtung und eines neuenSitzrings sowie auf einfaches Festziehen der Deckelflanschschrauben »auf Block«.

SpindelabdichtungDie dauerhaft sichere Dichtheit nach außen istfür jedes Ventil eine der zentralen Anforderun-gen. Ebenso bedeutend ist die Wahl einer wirt-schaftlichen Dichtungslösung, insbesondere inHinblick auf gute Bedienbarkeit und problem-lose Austauschbarkeit. Hier haben sich dreiSpindelabdichtsysteme (Abb. 11a, b, c) amMarkt durchgesetzt. Für die Auswahl des ge-

Abb. 11:a) V-Ring-Packung,

selbstnachstellend

b) Graphit- oderPTFE-Packung,nachstellbar

c) Faltenbalg -abdichtung mitSicherheits -stopfbuchse

Abb. 10:Regelventil mitSchraubsitz

Verdreh-sicherung

Definierte Sitzdichtkraft

Drei Spindel -abdichtsysteme



• Kennlinienform,• Sollwertrichtung,• Split-Range-Betrieb,• Stellgrößenbegrenzung,• Dichtschließfunktion,• Störmeldefunktionen,• Stellzeiten und• Totzone

wird bei der ersten Inbetriebnahme vorgege-ben bzw. durch einen Testlauf automatisch er-mittelt. Diese Größen können alternativ vorOrt oder über digitale Kommunikation mitdem Leitsystem optimiert werden. Damit istauch das Auswechseln eines Stellungsreglersim laufenden Betrieb sehr einfach möglich. Mikropozessorgesteuerte Stellungsregler mit di-gitalem Ausgang (über piezogesteuerte Binär -pneumtik) haben gegenüber konventionellenStellungsreglern und gegenüber mikropozessor-gesteuerten Stellungsreglern mit analogempneumatischem Ausgang auch hinsichtlich desDruckluftverbrauchs deutliche Vorteile. Wäh-rend ein konventioneller Stellungsregler inner-halb eines Jahres durchschnittlich 6000 Nm3

Druckluft verbraucht (Kosten ca. 400 Euro proJahr), benötigt ein piezogesteuerter Stellungs-regler im Jahr lediglich 150 Nm3 Druckluft beientsprechend geringeren Kosten. Die Amortisa-tionszeit eines solchen Geräts liegt damit beimaximal zwei Jahren.Falls ein Anbau des Stellungsreglers direktam Stellgerät aufgrund hoher Temperaturenoder extremer Schwingungen nicht sinnvollist, wird ein Stellungsregler mit externemWegaufnehmer eingesetzt. Der sehr robusteWegaufnehmer (Umgebungstemperatur bis120 °C) wird am Regelventil angebracht, dereigent liche Stellungsregler befindet sich dannan einer geeigneten Stelle, die bis zu 20 mentfernt sein kann.


eigneten Stopfbuchssystems sind die Parame-ter Druck, Temperatur, Medium und Art derBewegung (Dreh- oder Hubbewegung) maß-gebend.Eine wichtige Komponente des Stopfbuchs-systems ist die Ventilspindel bzw. deren Ober-fläche. Zur Vermeidung von Verschleiß solltedie Oberfläche möglichst hart sein und einegeringe Rauigkeit aufweisen. In der Regelwerden Ventilspindeln feingedreht oder ge-schliffen und anschließend prägepoliert. Solässt sich eine Oberflächengüte von Rz < 4 bis5 µm erreichen. Eine zu feine Oberfläche hatallerdings insbesondere bei Graphitpackungenden Nachteil, dass aufgrund von Adhäsions-kräften der unerwünschte Stick-Slip-Effekt auf-treten kann. Darüber hinaus ist bei Graphitpa-ckungen insbesondere auf die Materialauswahlvon Spindel und Stopfbuchsraum zu achten,um korrosionsfördernde galvanische Effektezu vermeiden. So lässt sich mit einem bei-spielsweise komplett aus Edelstahl gefertigtenDeckelflansch oder einem Stopfbuchsraum in Form einer Einschraubhülse aus Edelstahlein guter Schutz gegen galvanische Kor -rosion aufbauen. Ein weiteres Konstruktions-merkmal, das zu einer dauerhaften Stopfbuchs -abdichtung beiträgt, sind wirksame Abstrei-fer und ein Abstand zwischen Abstreifring und Stopfbuchsbereich, der in jedem Fall grö-ßer ist als der Ventilhub. Sie schützen den Stopfbuchsraum vor Schmutzpartikeln undeventuell beschädigten Bereichen der Ventil-spindel.

Kosteneinsparung durch intelligente StellungsreglerModerne mikroprozessorgesteuerte Stellungs-regler verfügen über die Betriebsarten Auto-matik-, Handbetrieb, Initialisieren, Parametrie-ren und Diagnose. Die Parametrierung von

Gefahr von Stick-Slip

Optimierung der Größen

GeringererLuftverbrauchspart Kosten

Option externerWegaufnehmer


Anlagensicherheit und SIL-Einstufung 29

derliche SIL wird im Rahmen von Sicher-heitsbetrachtungen festgelegt, in die unter an-derem die Bewertung möglicher Schäden anMenschen und Umwelt bei Störfällen in derAnlage und die Aufenthaltswahrscheinlich-keit von Personen im Gefahrenbereich ein -bezogen werden. Basisnorm hierfür ist dieEN 61508 (Teile 0-7) »Funktionale Sicherheitsicherheitsbezogener elektrischer, elektroni-scher, programmierbarer elektronischer Sys-teme«. Darüber hinaus sind insbesondere fürmechanische Komponenten und als Anwen-dungsnormen die EN 61511, die EN 62061,die EN 954-1 sowie die ISO 13849-1 zu beachten.Die oben angeführten Regelwerke sind teil-weise äußerst komplex und führen oft zu sehrfreier Auslegung und folglich zu Unklarheitenzwischen Anlagenbetreibern, Planern und Ven-tilherstellern. Aus diesem Grund hat der Ver-band Deutscher Maschinen- und Anlagenbau(VDMA) einen »Leitfaden SIL« für Armatu-ren und Armaturenantriebe (www.vdma.org)erarbeitet, dessen Inhalte an dieser Stelle kurzskizziert werden sollen.Die wesentliche Aussage dieses Leitfadens ist,dass die SIL-Einstufung nur für ein komplettesSystem, bestehend aus Sensor, Steuerung undAktor, festgelegt wird. Für die einzelnen Kom-ponenten (z. B. Regelventile) können nurKennzahlen (z. B. Mean time between Failure,MTBF; Safe Failure Fraction, SFF oder Dia-gnostic Coverage, DC), angegeben werden.Die jeweiligen Kennzahlen der Einzelkompo-nenten werden quantitativ bewertet und führendann zur SIL-Einstufung des Gesamtsystems.Dabei ist zu beachten, dass bei der Bewertungdes Gesamtsystems der Aktor mit bis zu 50 %der Gesamtausfallwahrscheinlichkeit gewichtetwird. Durch diese quantitative Bewertungbleibt es dem Anlagenplaner überlassen, einen


Diagnose an StellgerätenDigitale Stellungsregler nutzen im normalenBetrieb gewonnene Parameter, zum Beispieldie bleibende Regelabweichung, die Änderungadaptiver Reglerparameter, die Änderung me-chanischer Parameter wie Hub und Festan-schläge sowie Lebensdauerwerte wie Hub-und Richtungswechsel, als Hilfsmittel zurÜberwachung des Regelventils. Alle genann-ten Werte werden im Stellungsregler regis-triert, ausgewertet und bleiben auch bei Aus-fall der Hilfsenergie erhalten. Mit der entspre-chenden Software bzw. einem Expertensystemlassen sich diese Werte anzeigen und darausAuswertungen erzeugen, die den Zustand desStellgeräts exakt beschreiben. Diese lücken-lose Überwachung hilft, unvorhergeseheneAusfälle zu vermeiden, und ermöglicht diefrühzeitige Disposition von Ersatzteilen oderErsatzgeräten. Digitale Stellungsregler werdenin Zukunft die zyklische (und dann in denmeisten Fällen völlig überflüssige) Revisionder Stellgeräte ersetzen und damit ganz ent-scheidend zur Reduzierung der Lebenszyklus-kosten beitragen.

Anlagensicherheit und SIL-EinstufungAnlagensicherheit wird entsprechend der europäischen Normung heutzutage mit demBegriff SIL verbunden. SIL steht für »SafetyIntegrity Level« und spezifiziert die Anfor -derungen an die Zuverlässigkeit von Sicher-heitsfunktionen elektrischer, elektronischer,programmierbarer elektronischer Systeme invier Sicherheitsstufen. Die Aufgabe von Si-cherheitsfunktionen besteht in der Beseiti-gung von Prozessrisiken, die eine Gefahr fürMensch, Umwelt und Sachwerte darstellenkönnen. Der für ein Sicherheitssystem erfor-

ExakteZustands -be schreibung

SIL

Basisnorm EN 61508

Leitfaden SIL

SIL-Einstufung nur für Gesamt-system


Anlagensicherheit durch Explosionsschutz 31

räte zunächst nicht in der Zündschutzart »Eigensicherheit« ausgeführt werden. Erst 1992gelang es durch den Einsatz extrem leistungs -armer piezogesteuerter Ventile, die aufgenom-mene Leistung entsprechend zu reduzieren. Um intelligente Stellungsregler in der Zünd-schutzart »Eigensicherheit« auszuführen, ist eindeutlich höherer Aufwand als bei konventionel-len Geräten erforderlich. Einerseits sind die Ka-pazitäten nicht vernachlässigbar klein, anderer-seits liegt die Leistungsaufnahme von Prozes-sor, Speicher und Aktor heute immer noch min-destens um 50 % höher als bei konventionellenStellungsreglern, sodass der Eigenerwärmungim Fehlerfall größere Bedeutung zukommt.

Zündschutzart »EEx d – druckfeste Kapselung«Das Prinzip der druckfesten Kapselung bestehtdarin, dass eine Zündung im Inneren des Ge-räts nicht nach außen durchschlagen kann.Mittel zur Energiebegrenzung sind deshalbnicht notwendig. Geräteverschlüsse und Be-dienelemente müssen mit so genannten »zünd-durchschlagsicheren Spalten« ausgeführt wer-den, die sehr engen Toleranzen unterliegenund daher eine aufwändige Gehäusebearbei-tung erfordern. Da Gehäuse von druckfest ge-kapselten Geräten grundsätzlich nur unter spe-ziellen Sicherheitsmaßnahmen geöffnet wer-den dürfen, sollte ein moderner Stellungsreg-ler die Vor-Ort-Bedienung auch ohne Öffnendes druckfesten Gehäuses erlauben. Eine Mög-lichkeit für eine Bedienung von außen bietenbeispielsweise ein Schauglas für das Displayund nach außen ausgeführte Bedientasten.

Explosionsschutz nichtelektrischer GeräteMit Inkrafttreten der Richtlinie 94/9 EC(ATEX) muss für alle Komponenten, die in einen explosionsgefährdeten Bereich einge-


vorgegebenen SIL entweder durch Auswahlhochwertiger Geräte oder durch Redundanzenbei Sensor, Steuerung und/oder Aktor zu errei-chen.

Anlagensicherheit durch ExplosionsschutzAufgrund der Entwicklung elektrischer undelektronischer Leitsysteme und des zunehmendkomplexeren Aufbaus von Chemieanlagen er-gab sich die Forderung nach Nutzung elektri-scher Signale für die Ansteuerung pneumati-scher Stellgeräte. Die Entwicklung zeigte, dassder für die Umwandlung des elektrischen in einpneumatisches Signal sorgende elektropneuma-tische Wandler in den Stellungsregler integriertund explosionsgeschützt ausgeführt sein muss.Aus dem Bergbau war das Prinzip der druck -festen Kapselung seit vielen Jahren bekannt.Speziell die deutsche Chemie ging hier aber mitder Zündschutzart »EEx i – Eigensicherheit« ei-nen eigenen Weg, der sich mittlerweile auch inter-national etabliert hat. Nach diesem Prinzip auf-gebaute Systeme vermeiden eine Zündung durchBegrenzung der zugeführten Energie, sind klei-ner ausgeführt und dürfen auch im Betriebszu -stand gewartet werden. Darüber hinaus sind sieinsgesamt auch preiswerter.

Zündschutzart »EEx i – Eigensicherheit«Für konventionelle Stellungsregler, die eineI/p-Wandlung mittels Fest- oder Tauchspuleund eine mechanisch-pneumatische Regelungnach dem Prinzip des Kraftvergleichs erzielen,gab es in der Zündschutzart »Eigensicherheit«kaum Probleme. Als die ersten intelligentenStellungsregler entwickelt wurden, war derenLeistungsaufnahme noch relativ hoch. Auf-grund der Leistungsbegrenzung eigensichererStromkreise auf ca. 150 mW konnten diese Ge-

Begrenzung derEnergiezufuhr

Höherer Aufwand erforderlich

Zünd-durchschlag-sichere Spalten


33

Spezifizierung undAuswahlkriterien für RegelventileDie Auswahl des für den jeweiligen Einsatz-fall geeigneten Regelventils ist ein interaktiverProzess, der zwischen dem Betreiber bzw.dem Planer und dem Lieferanten stattfindet.Grundlage ist dabei immer das Datenblatt fürRegelventile.

Datenblatt für RegelventileDie für die Auswahl erforderlichen Daten wer-den normalerweise in einem Datenblatt fürRegelventile gemäß IEC 60534-7 bzw. gemäßISA zusammengefasst. Zu den Grunddaten,die vom Planer oder Betreiber vorzugebensind, gehören zwingend:

• Nennweite und Nenndruck (der Rohrlei-tung), Anschlussform

• Auslegungsdruck und Auslegungstempera-tur

• Angaben über die zur Verfügung stehendeHilfsenergie und über sonstige Anforderun-gen zur Prozessintegration

• Prozessfluid• Angabe von einem, besser von drei Be-

triebspunkten (Vordruck p1, Nachdruck p2sowie Fluidtemperatur T1); bei Dampf -umformstationen ist auch die Angabe von T2erforderlich

Darüber hinaus sollten jene Eigenschaften desProzessfluids angegeben werden, die einenwesentlichen Einfluss auf die Auswahl des Re-gelventils haben. Das sind bei FlüssigkeitenDichte und Dampfdruck, bei Gasen und


bracht werden, eine Gefahrenbetrachtung hin-sichtlich der Zündsicherheit erstellt werden.Lediglich »einfache Komponenten« wie Rohr-leitungen, Behälter oder Armaturen, die außerstatischer Aufladung keine weiteren Zündquel-len aufweisen, sind explizit von dieser Richtli-nie ausgenommen. Für alle komplexen Kom-ponenten, insbesondere auch für alle Antriebesowie nichtelektrische Anbauteile, ist seitensdes Herstellers eine Gefahrenbetrachtungdurchzuführen. Ergebnis dieser Gefahrenbe-trachtung ist entweder eine Kennzeichnungdes Geräts gemäß ATEX oder eine Hersteller -erklärung, die besagt, dass das betreffende Gerät nicht der ATEX unterliegt.

Durchführung einer Gefahren-analyse

Grunddaten


Berechnung des Durchflusskoeffizienten, Auswahl der … 35

• eine Berechnung des Durchflusskoeffizien-ten gemäß IEC 60534-2,

• eine Abschätzung des Schallpegels (unter nor -mierten Bedingungen) gemäß IEC 60534-8-3bzw. 60534-8-4 sowie

• Aussagen über den Strömungszustand imVentil

und in den meisten Fällen

• die erforderliche Ventilnennweite oder • die Strömungsgeschwindigkeit bei vorgege-

bener Nennweite.

Die Berechnungsprogramme der Regelventil-hersteller erlauben zudem meist die Optimie-rung von Ventiltypen und -innengarniturenhinsichtlich ihres Geräuschpegels bzw. Kavita-tionsverhaltens.

Auswahl der Ventilinnengarnitur bei FlüssigkeitenBei der ersten Berechnung, bei der in der Regel ein einstufiger Parabolkegel zugrundegelegt wird, wird einer der nachfolgendenStrömungszustände ausgewiesen:

• Unterkritische (laminare oder turbulente)Strömung

• Kavitation• Ausdampfung (Flashing)

Liegt laminare oder turbulente Strömung vor,ist der einstufige Parabolkegel die korrekteWahl.Für den Fall, dass die erste Berechnung Kavi-tation ausweist, ist zu klären, ob die Kavitation,die nicht zwingend die Zerstörung des Ventilsbedeutet, toleriert werden kann. Die Zerstö-rung des Ventils infolge von Kavitation ist einkomplexer Prozess, der im Wesentlichen vomEnergieumsatz des Ventils, dem Nachdruck p2und dem Material bzw. der Panzerung der

34 Spezifizierung und Auswahlkriterien für Regelventile

Dämpfen Normdichte, Isentropenexponent sowie der Realgasfaktor.Für eine unter wirtschaftlichen Gesichtspunk-ten sinnvolle Armaturenauswahl spielt auchdie jeweilige Aufgabenstellung des Regelven-tils innerhalb der Gesamtanlage eine wesentli-che Rolle. Zu unterscheiden ist, ob sich dasRegelventil im bestimmungsgemäßen Betriebder Anlage im Dauereinsatz befindet oder obes nur in Sonderfällen (An-/Abfahren bzw. Si-cherheitsfunktionen) genutzt wird. Diese In-formationen sind normalerweise in den Regel-ventildatenblättern nicht enthalten. Es ist da-her in solchen Fällen sinnvoll, wenn der Be-treiber dem Lieferanten das R&I-Diagramm,aus dem die Medienströme und insbesonderedie Regelkreise ersichtlich sind, zukommenlässt. Die Auswahl eines optimierten Regel-ventils findet normalerweise in drei Schrittenstatt:

• Berechnung des erforderlichen Durchfluss-koeffizienten und des im Ventil vorliegen-den Strömungszustands – Wahl der geeig -neten Ventilinnengarnitur und der Ventil-nennweite

• Auswahl der Ventilkonstruktion• Auswahl der Materialien für Ventilgehäuse

und Ventilinnengarnitur sowie Auswahl derWerkstoffe für die Dichtungselemente

Berechnung des Durchflusskoeffi-zienten, Auswahl der Ventilinnen-garnitur und der VentilnennweiteZur Ermittlung des erforderlichen Durchfluss-koeffizienten bieten sich Berechnungspro-gramme der Ventilhersteller (wie z. B. ARCA-VENA) oder unabhängige Engineering Tools(unter anderem Conval®) an. Diese Pro-gramme beinhalten grundsätzlich

Dauer- oderSondereinsatz

Drei Auswahl-schritte

Berechnungs-programme

Strömungs -zustände



Beschädigung der Funktionsteile des Ventilswie Spindel und Führungsbuchse durch Trop-fenschlag weitgehend verhindert. Unter extre-men Betriebsbedingungen kann die Erosions-gefahr am Ventilgehäuse durch den Einsatzvon Eckventilen minimiert werden, da hier derStrom des Prozessmediums hinter der Drossel-stelle nicht mehr um gelenkt wird. Bei Verwendung von Parabolkegeln, insbeson-dere bei Flüssigkeiten mit hohem Differenz-druckverhältnis (nicht zwingend verbunden mitKavitation oder Ausdampfung), treten mitunterSchwingungen des Ventilkegels auf, die häufigsogar zum Bruch der Ventilspindel führen. DieUrsache für diese Schwingungen ist, dass derumströmte Parabolkegel, bedingt durch denBernoulli-Effekt, sich immer in einem labilenGleichgewicht befindet. So kommt es bei einerAuslenkung des Kegels zu einer bestimmtenSeite genau an dieser Seite zu einer höherenStrömungsgeschwindigkeit und damit zur Erhö-hung des Unterdrucks. Dieser physikalische Effekt lässt sich bei einem Parabolkegel nichtvermeiden, es kann lediglich die Stabilität desKegels durch eine (meist beidseitige) stabileFührung sichergestellt werden. Diese wird beiherkömmlichen Ventilen mithilfe eines speziel-len Bodenflanschs erreicht, der jedoch eine zu-


Ventilsitz-/Ventilkegelgarnitur abhängt. Fallseine Zerstörung durch Kavitation angenom-men werden muss, meist von einem nicht tole-rierbaren Schallpegel >85 dB(A) begleitet, istdie einzige wirksame Möglichkeit zur Kavita-tionsminderung bzw. Reduzierung der Kavita-tionsschäden die Aufteilung des Druckabfallsoder genauer des Druckverhältnisses auf meh-rere Regelstufen. In den meisten Fällen bleibtder mit bis zu fünf aufeinander abgestimmtenRegelstufen ausgeführte Parabolkegel die opti-male Lösung (Abb. 12).

Abb. 12:Dreistufiger Parabolkegel

Bei Ausdampfung, auch Flashing genannt,liegt hinter der Drosselstelle ein bleibendesFlüssigkeits-/Dampf-Gemisch vor. Wegen desbleibenden Gasanteils ist Flashing nicht miteinem sehr hohen Schalldruckpegel verbun-den, wegen der hohen Geschwindigkeit desFlüssigkeits-/Dampf-Gemischs im Bereich derDrosselstelle sind jedoch Beschädigungen derVentilinnenteile und in Extremfällen sogar Be-schädigungen der Gehäusewand durch Trop-fenschlag möglich. Unter derartigen Betriebs-bedingungen werden vorzugsweise Lochkegel(Abb. 13), bei sehr kleinen Kvs-Werten auchParabolkegel eingesetzt, wobei die bevorzugteStrömungsrichtung »Medium schließt« eine

Abb. 13:Einstufiger Loch kegel

Regel-stufen

Lochkegel

Aufteilung auf mehrere Regelstufen

Einsatz vonLochkegel

Bernoulli-Effekt



Führungsbuchse nach unten offen und damitunempfindlich gegen Verschmutzung. Einweiterer Vorteil besteht darin, dass diese Gar-nitur bei Bedarf einfach und kostengünstignachgerüstet werden kann.

Auswahl der Ventilinnengarnitur bei Gasenund DämpfenAuch bei Gasen und Dämpfen werden bei der Ventilberechnung verschiedene Strömungs-zustände ausgewiesen. Es wird zwischen unter -kritischer und überkritischer Entspannung(choked flow) unterschieden. Letztere zeichnetsich dadurch aus, dass innerhalb der Drossel-stelle die Schallgeschwindigkeit des Gasesüberschritten wird und der Energieabbau nichtmehr durch Turbulenzen, sondern in Form vonVerdichtungsstößen (ähnlich dem Überschall-knall eines Flugzeugs) stattfindet. Diese wir-ken auf die Innenteile des Ventils und könnenbeispielsweise zu Schwingungsbrüchen derVentilspindel führen. Eine überkritische Ent-spannung lässt sich analog zur Kavitation inder Regel nur durch die Aufteilung des Druck-verhältnisses auf mehrere Entspannungsstufenvermeiden.Bei Gasen geht die überkritische Entspannungfast immer mit einem sehr hohen Schallpegeleinher. Auch bei unterkritischer Entspannungtritt jedoch sehr häufig ein Schallpegel weitjenseits der tolerierbaren Werte auf, die in derRegel bei 80 bis 85 dB(A) liegen. Für dieSchallreduzierung bei Gasen und Dämpfenbieten sich zwei Möglichkeiten an:

• Mehrstufige Entspannung• Aufteilung des Gesamtstroms in möglichst

viele Strömungskanäle (siehe Kap. »Schall-emissionen«, S. 56 ff.)

Schallreduzierte Ventile für Gase arbeitenmeist mit einer Kombination beider Möglich-


sätzliche statische Abdichtung erfordert unddarüber hinaus sehr verschmutzungsempfind-lich ist (Abb. 14). Bei einem Schnellwechselsystem mit doppel-ter Führung (Abb. 15) liegen diese Einschrän-kungen nicht vor. Hier ist keine zusätzlicheDichtstelle erforderlich, zudem ist die untere

Abb. 14:Parabolkegel mitdoppelter Führung(herkömmlichesSystem)

Abb. 15:Schnellwechsel -system mit doppelter Führung

Schnellwechsel-system

Unter- undüberkritischeEntspannung

Schall-reduzierung


Auswahl der Ventilkonstruktion 41

ben. Dies setzt jedoch voraus, dass die Ventil-nennweite kleiner als die Rohrleitungsnenn-weite ist und dass die Lochscheiben hinter derRohrerweiterung montiert werden. Die Loch-scheiben sind strömungstechnisch – und zwarfür alle wahrscheinlichen Betriebsfälle – im-mer gemeinsam mit den im Ventil installiertenRegelstufen zu betrachten. Regelventile, in denen Flüssigkeiten nahedem Siedepunkt entspannt werden und bei de-nen Ausdampfung in erheblichem Ausmaßauftritt, sind ebenfalls hinsichtlich der Aus-trittsnennweite kritisch zu betrachten, da derDampfanteil das 800fache Volumen des ent-sprechenden Flüssigkeitsanteils aufweist. DerDampfanteil hinter dem Ventil und damitauch die Strömungsgeschwindigkeit im Ven-tilaustritt und in der nachfolgenden Rohrlei-tung lassen sich mithilfe von thermodynami-schen Berechnungsverfahren ermitteln. Loch-scheiben können hier wegen des immer auf-tretenden Tropfenschlags nicht eingesetztwerden. Die Erfahrung zeigt, dass gerade dieRohrnennweite in solchen Fällen seitens derAnlagenplanung häufig zu knapp bemessenwird. Dies ist durch das Regelventil alleinnicht mehr zu kompensieren.

Auswahl der VentilkonstruktionDie Wahl der für den Einsatzfall geeignetenVentilkonstruktion ist von der Auslegungstem-peratur, dem Auslegungsdruck und den Eigen-schaften des Prozessfluids abhängig. In Hin-blick auf seine universelle Einsetzbarkeit stelltdas Einsitzregelventil in Durchgangsform(Eingang und Ausgang auf gegenüberliegen-der Seite) immer die erste Wahl dar. Es kannmittels entsprechender Deckelflansche undVentilinnengarnituren auf fast jeden Einsatz-fall abgestimmt werden.


keiten. Es gibt beispielsweise Ausführungenmit ein- oder mehrstufigen Lochkegeln inKombination mit festen Strömungsteilern(Lochscheiben und -zylinder, Drahtgeflechtenoder Labyrintheinsätzen). Diese Ausführungensollten allerdings nur bei »sauberen« Medieneingesetzt werden. Bei Gasen (und natürlichauch bei Flüssigkeiten), die zum Beispiel Fest-stoffe oder Verschmutzungen enthalten, sindLochkegel und Labyrinth einsätze nur einge-schränkt verwendbar. Hier müssen Kompro-misse gemacht werden. Es sollten ausschließ-lich Ventilinnengarnituren verwendet werden,die sich nicht durch Feststoffe oder durchPolymerisation zusetzen können.

Festlegung der geeigneten VentilnennweiteIn den meisten Fällen ist die Mindestventil-nennweite nach Festlegung des Kvs-Werts undWahl der Ventilinnengarnitur bereits vorge -geben. Es bleibt lediglich zu überprüfen, obdie Ventilnennweite zur spezifizierten Rohrlei-tungsnennweite passt. Dies ist der Fall, wennsie nicht größer als die Rohrnennweite und ausmechanischen Gründen auch nicht kleiner alsdie halbe Rohrnennweite ist.Werden Regelventile zur Entspannung von Gasen bei hohem Druckverhältnis eingesetzt,muss bei der Wahl der Ventilnennweite dieAustrittsgeschwindigkeit des Gases bezogenauf die Ventilnennweite zwingend beachtetwerden. Die Austrittsgeschwindigkeit solltekeinesfalls mehr als die halbe, besser nichtmehr als ein Drittel der Schallgeschwindigkeitdes Prozessmediums betragen. Ist die Austritts-geschwindigkeit höher als die Schallgeschwin-digkeit, besteht die Gefahr, dass das Ventildurch Stoßwellen beschädigt wird. Ein mode-rates Mittel zur Reduzierung der Austritts -geschwindigkeit besteht darin, den Nachdruckdurch nachgeschaltete Lochscheiben anzuhe-

Abstimmung aufRohrleitungs-nennweite

Beachtung der Austritts -geschwindigkeit

Großes Dampf-volumen

Universell einsetzbaresEinsitzregel -ventil


Auswahl der Ventilkonstruktion 43

Verbindung mit einer Graphitstopfbuchse zumEinsatz. Obwohl Graphitstopfbuchsen eigent-lich bis zu einer Temperatur von 450 °C ein-setzbar sind, wird bei Temperaturen oberhalb250 °C wegen der besseren Isolierbarkeit derVentile von den meisten Betreibern grundsätz-lich ein Kühlrippenaufsatz vorgesehen. Liegtdie Betriebstemperatur über 450 °C, so istdurch entsprechende Auslegung des Kühlrip-penaufsatzes und durch die Wärmeisolierungdes Ventils sicherzustellen, dass die Tempera-tur im Stopfbuchsenbereich auch im ungüns-tigsten Fall 450 °C nicht überschreitet.Bei extrem tiefen Temperaturen wird eine Iso-liersäule (Abb. 16c) eingesetzt. Diese dientdazu, einen möglichst geringen Energieaus-tausch zwischen tiefkaltem Prozessmedium undder Umgebung sicherzustellen und die Stopf-buchse vor Vereisung zu schützen. Je nach An-forderung reicht das Spektrum von einem einfa-chen Verlängerungsrohr mit massiver Ventil-spindel bis hin zu einem Isolierrohr mit einermit Mineralschaum gefüllten Hohlspindel, dieKonvektion sowohl inner- als auch außerhalbder Ventilspindel weitestmöglich reduziert.Bei stark »verunreinigten« Prozessmediensollten die Regelventile entsprechend ausge-wählt werden, d. h., es sollte möglichst auf filigrane Konstruktionen verzichtet werden. AlsAlternative zum Druckausgleich bieten sichbei großen Nennweiten oder hohen Differenz-drücken Doppelsitzventile an. Bei abrasivenMedien kommen wegen der freien Abströ-mung Eckventile zum Einsatz, die in Kombi-nation mit geeigneten Werkstoffen auch unterextremen Bedingungen eine hohe Lebens-dauer erzielen. Neigt das Prozessfluid zurPolymerisation, so sollten sowohl die Ventileals auch die Rohrleitungen beheizt werden(Abb. 17). Hierfür bieten sich Beheizungenmit Thermoöl oder Dampf an. Es ist darauf zu


Bei der Auswahl des Deckelflanschs spielendie zulässige bzw. optimale Temperatur imStopfbuchsbereich, die Möglichkeiten derthermischen Isolierung und – bei Ventilen fürtiefkalte Anwendungen – auch die Wärmeein-leitung eine entscheidende Rolle. Der Stan-darddeckelflansch ist der typische Deckel-flansch für den Temperaturbereich zwischen –10 °C und +250 °C. Im Bereich bis +200 °Cund bis zu einem Nenndruck (PN) von 40 ver-fügt er meist über eine selbstnachstellende, federbelastete Stopfbuchse (Abb. 16a). BeiBetriebstemperaturen über 250 °C kommen inder Regel Kühlrippenaufsätze (Abb. 16b) in

Abb. 16:a) Federbelastete

Stopfbuchse einesStandarddeckel-flanschs

b) Kühlrippen -aufsatz für den Einsatz bei hohen Betriebs -temperaturen

c) Isolierrohr

a)

b)

c)

Federn

Kühlrippen

Kühlrippenauf-satz ab 250 °C

Isoliersäule bei sehr tiefenTemperaturen

Prozessmedien-spezifische Maßnahmen


Auswahl der Materialien für Ventilgehäuse und -innengarnitur 45

• chemische Beständigkeit bzw. Interaktionmit dem Prozessfluid,

• mechanische Festigkeit,• Verschleißbeständigkeit (Abrasion, Erosion),

sowie die• Regelwerke (DIN oder ANSI, TRB 801)

maßgebend. Falls in der Spezifikation das Ma-terial der Rohrleitung angegeben ist, sollte die-ses oder das adäquate Gussmaterial für dasVentilgehäuse verwendet werden. Wenn dasProzessmedium keine besonderen Maßnahmenerfordert und die Auswahl des Werkstoffs nuraufgrund des Betriebsdrucks und der Tempera-tur erfolgt, reduziert sich die Werkstoffaus-wahl auf wenige Materialgruppen (Tab. 1).

Die Einsatzgrenzen für die Materialien druck-tragender Teile werden üblicherweise in Ab-hängigkeit vom Nenndruck in Druck-Tempe-ratur-Diagrammen dargestellt. Liegt zusätz -lich noch spezielle Korrosionsbeanspruchungdurch das Prozessmedium vor, muss man aufSonderlegierungen zurückgreifen. Speziali-sierte Gießereien bieten eine Vielzahl von Le-gierungen, die nur für bestimmte Einsatzfälleentwickelt wurden, sowie die entsprechendenBeständigkeitstabellen an. Sehr detaillierte In-formationen findet man im Werkstoffhand-buch der Dechema (www.dechema.de). Für


achten, dass gegebenenfalls der Stopfbuchs-bereich bzw. der Faltenbalg ebenfalls beheiztwerden.

Auswahl der Materialien für Ventilgehäuse und -innengarnitur Für die Auswahl von Ventilgehäusewerkstof-fen sind

• Betriebsdruck,• Temperaturbereich,

Heiz-anschlüsse

Prozess-anschlüsse

Heiz-anschlüsse

Abb. 17:Regelventil mitBeheizung für Ventil-körper und Deckel-flansch (ARCAECOTROL®)

Tab. 1:Werkstoffauswahl für Ventilgehäuse

EN für ASTM für Temperaturen Temperaturen

1.0619 GP240GH –10 bis +400 °C A 216 WCB –28 bis +400 °C

1.4408 G-X 5 CrNiMo 19 11 2 –196 bis +300 °C A 351 CF8M –196 bis +400 °C

1.4581 GX5CrNiMoNb 19-11-2 –10 bis +400 °C – –

1.6220 G20Mn5 –40 bis +400 °C A 352 LCB –50 bis +400 °C

1.6982 GX3CrNi13-4 –120 bis +400 °C – –

1.7357 G17CrMo5-5 –10 bis +530 °C A 217 WC6 –28 bis +530 °C

Auswahlkrite-rien

Spezielle Legierungen


Auswahl der Materialien für Ventilgehäuse und -innengarnitur 47

stoffe wie zum Beispiel Stellite, Wolframkar-bid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Silizium-nitrid eingesetzt. Eine wesentliche Voraus -setzung für Ventilinnengarnituren aus Hart-metall oder Keramik ist eine – insbesonderewegen der unterschiedlichen Wärmeausdeh-nung der verwendeten Werkstoffe – »kera-mikgerechte« Konstruktion des Regelventilsund die Erfahrung des Ventillieferanten bei derAuswahl des geeigneten Compounds. Idealer -weise verfügt der Lieferant über ein Bau -kastensystem, mit dem sich solche Lösungenflexibel, austauschbar und wirtschaftlich um-setzen lassen. Abbildung 18 zeigt ein Regel-ventil aus einem Baukastensystem mit Hart-metallventilkegel und zweiseitigem Hart -metallventilsitz, der die Kosten beim Einsatzder normalerweise sehr teuren Keramikinnen-garnituren deutlich reduziert.


bestimmte Prozessfluide gibt es seitens derNutzerorganisationen enge Richtlinien zuWerkstoffauswahl und Konstruktionsanforde-rungen. Beispiel hierfür sind die Eurochlor-Richtline GEST 98/245 (www.eurochlor.org)oder die Sauerstoff-Richtlinie der EuropeanIndustrial Gases Association (www.eiga.org).Bei stark korrosiven Prozessmedien ist einVentilgehäuse aus homogenem, korrosionsfes-tem Material aus Kostengründen nicht sinn-voll. Als Lösung bietet sich hier die Ausklei-dung des Ventilgehäuses mit korrosionsfestenmetallischen, keramischen oder polymerenWerkstoffen an. Dabei ist zwingend zu beach-ten, dass das drucktragende Gehäuse auf kei-nen Fall mit dem Prozessmedium in Kontaktkommen darf. Besondere Aufmerksamkeit istbei den Lagern, den Innenteilen und bei allenDichtstellen geboten. Für Drosselkörper und Ventilsitze werden ent-weder Chromstähle (z. B. 1.4021/A473), aus-tenitische Chrom-Nickel-Stähle oder Chrom-Vanadium- bzw. Chrom-Molybdän-Stähle ein-gesetzt. Das Material der Regelventilfunk-tionsteile sollte mindestens gleichwertig, wennmöglich sogar höherwertiger als das Gehäuse-material sein. Die für die Ventilinnengarnitu-ren und für die besonders belasteten Bereicheim Regelventil eingesetzten Werkstoffe sind inTabelle 2 zusammengefasst.Mittels Oberflächenbehandlungen wie Nitrie-ren oder der Tenifer®-Behandlung lassen sichunterschiedliche Härten bei den Reibungs-partnern, beispielsweise bei Lochkegeln undbei den Führungsbuchsen des Ventils, gezieltherstellen. In besonders belasteten Bereichender Ventilinnengarnitur sowie in Bereichensehr hoher Strömungsgeschwindigkeiten wer-den insbesondere bei abrasiven Prozess -medien und hohen Differenzdrücken zusätz-lich Panzerungen sowie keramische Werk-

Tab. 2:Werkstoffauswahl fürVentilinnengarnituren

Werkstoff für Temperaturen Typischer Einsatz

1.4021 X20Cr13 –10 bis 400 °C Standardanwendungenbei Wasser, Dampf undnichtkorrosiven Medien

1.4571 X6CrNiMoTi17-12-2 –196 bis 400 °C Anwendungen mit erhöhtenAnforderungen an die Korrosionsbeständigkeit

Stellit® Alloy 6 –196 bis 400 °C Erhöhte mechanische(oft aufgeschweißte Belastbarkeit bei guterPanzerung) Korrosionsbeständigkeit

1.4112 X90CrMoV18 –10 bis 400 °C Dampf und Wasser bei hohem(gehärtet) Differenzdruck

1.4922 X20CrMoV11-1 –10 bis 580 °C Speziell für Einsatz beiTemperaturen über 480 °C

Wolframcarbid –10 bis 400 °C Bei Gefahr von Erosion Ingenieurkeramik durch Feststoffe im Medium

Auskleidung mitkorrosionsfestemWerkstoff

UnterschiedlicheHärten durchOberflächen -behandlungen

»Keramik -gerechte« Konstruktion


Auswahl der Werkstoffe für Dichtelemente 49

gen Werkstoffs hinsichtlich Druck, Temperaturund chemischer Beständigkeit zu kennen. Ent-sprechende Informationen dazu liefern Tabel-len der namhaften Dichtungshersteller.


Auswahl der Werkstoffe für DichtelementeFür die statischen Abdichtungen haben sichhochwertige Dichtungen aus Graphit mit Spiraleinlage durchgesetzt. Die Spiraleinlagesorgt dabei für eine meist im Kraftneben-schluss erzeugte definierte Vorspannung. FallsGraphit aus Prozessgründen nicht zulässig ist,können auch Dichtungen aus PTFE-Com-pound eingesetzt werden. Für den Stopfbuchs-bereich werden meistens Packungen aufPTFE- oder Graphitbasis eingesetzt (Tab. 3).PTFE-Packungen werden entweder als Dach-manschetten oder als manuell nachstellbarePackung ausgeführt. Reine Graphitpackungensind wegen ihrer wesentlich ungünstigerenReibungseigenschaften höheren Temperaturenvorbehalten.Weitere in Regelventilen eingesetzte Dich-tungswerkstoffe finden sich in der Sitzabdich-tung (bei weichdichtenden, »blasendichten«Ventilen) oder in Abdichtringen für denDruckausgleich bzw. in O-Ringen für spezielleAbdichtungsaufgaben. Bei der Auswahl derWerkstoffe für die Dichtungselemente ist esunverzichtbar, die Einsatzgrenzen des jeweili-

Abb. 18:Regelventil mit Hartmetallkegel und zweiseitigemHartmetallsitz

Tab. 3:Dichtungen und ihreEinsatzbereiche

Zul. Zul. Dichtungsform Statische Packungs- TypischeTemp. Druck Prozessflansch Ventil- art Anwendungs-(°C) (bar) dichtungen gebiete

250 100 EinfacheFlachdichtung

Flachdichtungaus speziellbehandeltemPTFE

Spiraldichtungmit Dichteinlage(Graphit oderPTFE)

Allgemeiner Maschinenbau bei unkritischen Medien

Standardanforderungender Chemie, Petrochemie,Apparatebau, Kraftwerke

GeflochtenePTFE-Schnur-packung

PTFE-Manschetten-packung (V-Ringe)

Dünne Dichtung ausReingraphit

Spiraldichtungmit Dichteinlageaus Graphit

480 160 Spiraldichtungmit Dichteinlage(Graphit und/oder PTFE)

Standardanforderungender Chemie, Petrochemie,Apparatebau, Kraftwerke

Hochtemperaturanwen-dungen, insbesondere im Dampfbereich

Kohlefaser/Graphit-Flecht-packungen

Reingraphit-Folienpackung(gerollt)

Kammprofil-dichtungen

250 160bis480

Spiraldichtungmit Dichteinlage(Graphit und/oder PTFE)

Hochbeanspruchte Armaturen in der Chemieund Petrochemie

Bei sehr hohen Dichtheits-anforderungen (TA Luft)und sehr korrosiven Medien


Faltenbalg -abdichtung

Metallische Linsendichtung

MetallischeRing-Joint-Dichtung

>500 400

420

Metallische Linsendichtung

MetallischeRing-Joint-Dichtung

Hochdruckanwendungenund Hochtemperatur-anwendungen, auch Vakuumtechnologie

Chemie und Petrochemie,hauptsächlich in angloamerikanischen Ländern

Faltenbalg -abdichtung


Hartmetallsitz Hartmetallkegel

Graphit oder ...

... PTFE-Compound


Äußere Dichtheit 51

genannte hermetische Abdichtungen einge-setzt. Bei diesen Abdichtungen sind nur stati-sche Dichtelemente vorhanden, die Bewegungder Ventilspindel wird durch die Verformungeines dafür speziell ausgelegten Bauteils auf-genommen. Die klassischen Varianten einerhermetischen Spindelabdichtung sind Memb -ranabdichtung (Abb. 19a) und Faltenbalg -abdichtung (Abb. 19b).Die Membranabdichtung kommt in Druck -bereichen bis ca. 10 bar zum Einsatz. Zu ihren

50

EmissionenDas weltweit gestiegene Umweltbewusstseinund die daraus resultierenden Emissionsaufla-gen beim Betrieb von verfahrenstechnischenAnlagen durch gesetzliche Vorgaben, Richt-linien oder Normen betreffen alle Einzelkom-ponenten der Anlage, insbesondere auch dieRegelventile. Bei Regelventilen spielen inHinblick auf Umweltverträglichkeit folgendedrei Merkmale eine zentrale Rolle: die äußereDichtheit, die innere Dichtheit sowie dieSchallemissionen.

Äußere DichtheitDie äußere Dichtheit ist unter ökologischenGesichtspunkten ein wesentliches Kriteriumund in zahlreichen Gesetzen und Normen(z. B. in der ISO 15848) in Abhängigkeit vomabzudichtenden Medium klar spezifiziert. Siewird im Wesentlichen von den drucktragendenTeilen wie Gehäuse, Deckelflansch, Schrau-benverbindung und der Abdichtung zwischenGehäuse und Deckelflansch bestimmt. Die zentrale Rolle spielt dabei die Ventilspin del -abdichtung. Die klassische Ventilspindel -abdichtung ist eine selbstnachstellende oder eineeinstellbare Stopfbuchspackung. Mit einer hoch-wertigen selbstnachstellenden Stopfbuchse las-sen sich Leckagewerte erreichen, die den Vorga-ben der ISO 15848 oder der TA Luft (inDeutschland gesetzliche Vorgabe für gesund-heitsschädliche Medien) entsprechen. Diese Vor-gaben sind so streng, dass sie beispielsweise beieinem mit Helium befüllten Autoreifen einemDruckabfall von 0,1 bar innerhalb eines Zeit -raums von 200 Jahren entsprechen würden.Sind die Dichtheitsanforderungen an Ventil-spindelabdichtungen noch höher, werden so

Membran

Abb. 19:a) Membran -

abdichtung

b) Faltenbalg -abdichtung mit integrierterVerdrehsicherung

Faltenbalg

Sicherheits-stopfbuchse

Verdrehsicherung

Drei wesentlicheMerkmale

Standard: selbst-nachstellendeStopfbuchse

Membran-abdichtung


Äußere Dichtheit 53

sie den weitestgehenden Forderungen nach An-lagensicherheit und Verfügbarkeit. Zwischenbeiden Membranen befindet sich ein druckloserZwischenraum, der mittels eines Prüfanschlus-ses von außen überwacht werden kann. Diesbedeutet, dass sowohl ein Membranbruch aufder Primärseite (Mediumseite) als auch einMembranbruch auf der Sekundärseite (Sperr-flüssigkeitsseite) angezeigt wird. In jedem Fallbleibt jedoch die hermetische Abdichtung er-halten und es kann zu keiner Verunreinigungdes Prozessmediums durch die Sperrflüssigkeitkommen. Damit bleibt das Ventil bis zur ge-planten Fehlerbeseitigung voll funktionsfähig.Darüber hinaus minimiert dieses Abdichtungs-konzept durch die hydraulische Abstützung derMembran die erforderlichen Antriebskräfte unddie Antriebsgröße. Es kombiniert damit

• niedrige Bauhöhe, • spaltfreie Konstruktion, • absolute Dichtheit nach außen,

52 Emissionen

wesentlichen Vorteilen zählen der geringePreis, die kompakte Bauform sowie die Mög-lichkeit der Sterilisierbarkeit. Die Faltenbalg-abdichtung hat sich als universelle Abdichtungbei Regelventilen durchgesetzt. Sie benötigtzwar mehr Platz und ist auch teurer als eineMembranabdichtung, bietet aber, hochwertigausgeführt, neben der garantierten Dichtheiteine lange Lebensdauer (weit mehr als eineMillion Hübe) und deckt den Einsatzbereichvon Betriebsdrücken bis zu 400 bar und Tem-peraturen bis zu 500 °C komplett ab.Wesentliches Merkmal einer gut konstruiertenFaltenbalgabdichtung ist ein ausreichenderSchutz des Faltenbalgs gegen Torsion, der dieLebensdauer des Balgs deutlich verringernkann. Torsion kann durch unsachgemäße Be-handlung (zum Beispiel bei Kopplung vonVentil und Antrieb) entstehen, aber auch durchDrehmomente, die aus dem Ventil bzw. ausdem Prozess auf die Ventilinnengarnitur unddamit auf den Faltenbalg einwirken. DieseDreh momente sollten durch eine in das Balg-gehäuse integrierte Verdrehsicherung elimi-niert werden.Eine zukunftsweisende Entwicklung, die dieVorteile einer Faltenbalgabdichtung (Druck -bereich und Betriebssicherheit) und die einerMembranabdichtung (kompakte Bauform undSterilisierbarkeit) verbindet, stellen hydrau-lisch abgestützte Membranabdichtungen dar.Bei dieser Abdichtungsart fungiert die Memb -ran nur noch als Trennelement zwischen Prozessmedium und Sperrflüssigkeit, muss jedoch nicht mehr dem statischen Druck des Prozessmediums widerstehen (Abb. 20). DieVolumenänderung der Sperrflüssigkeit bei derBewegung der Ventilspindel wird durch dieentsprechende Verformung der Membran kompensiert. Diese ist als Doppelmembranausgeführt. Durch diesen Aufbau entspricht

Abb. 20:Hydraulisch abgestützteMembran abdichtung(ARCA OPTISEAL®)

Prüfanschlüsse

Doppel-membran

Sperrflüssigkeit

Faltenbalg-abdichtung

AusreichenderTorsionsschutz

Hydraulisch abgestützteMembran -abdichtung

Überwachung von außen


Innere Dichtheit 55

ventil mit Nennweite DN 100 für Wasserstoffbei einem Anlagendruck von 40 bar: Dann entspricht:

• DIN IEC 60534-4 Klasse IV ca. 27,5 Nm3/h• DIN IEC 60534-4 Klasse V ca. 0,038 Nm3/h• DIN IEC 60534-4 Klasse VI ca. 0,009 Nm3/h

Die innere Dichtheit wird bei der Endprüfungvon Regelventilen getestet und in einem Prüf-protokoll festgehalten. Bei geschraubten Ven-tilsitzen kann sich die innere Dichtheit unterWechsellastbedingungen im Betrieb schonnach kurzer Zeit so stark verändern, dass derim Prüfprotokoll angegebene Leckagemess-wert nicht mehr der Realität entspricht. DieseAbweichungen bezüglich der inneren Dicht-heit weisen geklemmte Ventilsitze nicht auf.Bei der in Abbildung 21 gezeigten Weich -abdichtung wird durch eine zusätzliche metal -lische Abdichtung zwischen Ventilsitz und Ven-til kegel sichergestellt, dass die zulässige Flä-chenpressung des PTFE-Weichabdichtele-ments auch bei überdimensionierten Antriebennicht überschritten wird und damit kein so ge-nannter »Kaltfluss« des PTFE-Werkstoffs auf-tritt. Die definierte Vorspannkraft des Dicht-elements wird durch eine O-Ring-Abfederungdauerhaft gewährleistet. Diese Bauform der

54 Emissionen

• großen Druck- und Temperaturbereich sowie• Redundanz durch Doppelmembran mit Memb -

ranbruchüberwachung

und ist damit eine wirtschaftliche und in vielenFällen auch die technisch bessere Alternativezur konventionellen Faltenbalgabdichtung.

Innere DichtheitDie innere Dichtheit beschreibt die möglicheLeckage einer Armatur zwischen Mediumein-und Mediumaustritt im geschlossenen Zu-stand. Sie ist für den Prozess entscheidend undwird bestimmt von

• der konstruktiven Gestaltung von Ventilsitzund Ventilkegel,

• der Befestigungsform zwischen Ventilsitzund Ventilgehäuse sowie

• der Dimensionierung des Antriebs.

Für Regelventile gelten die Leckageklassennach IEC 60534-4 und somit andere Prüfverfah-ren als für Absperrventile. Dieser Unterschiedberuht darauf, dass die Anforderungen im Re-gelbetrieb (Stabilität des Drosselkörpers) undabsolute Dichtheit eher gegensätzliche Forde-rungen darstellen. Die heute übliche Dichtheits-klasse für Regelventile ist die Klasse IV, d. h.,der Leckdurchfluss beträgt ein Zehntausendsteldes Durchflusses bei voller Ventilöffnung (kon-stanter Differenzdruck vorausgesetzt).Die höheren Dichtheitsklassen V (»metallischeingeschliffen«) und VI (»blasendicht«) wer-den meist nur bei besonderen Anforderungeneingesetzt, so zum Beispiel bei Ventilen, dieentweder direkt oder (bei brennbaren Medien)über eine Fackel in die Atmosphäre entspan-nen und deren Leckrate damit einen direktenEnergie- oder Produktverlust bedeutet. AlsBeispiel hierfür betrachtet man ein Fackel -

Abb. 21:Weichabdichtung mit zusätzlichermetallischer Abdichtung(Patent ARCA)

Dichtheits-klasse IV ...

... oder höhereDichtheitsklassen

Zusätzlichemetallische Abdichtung

Metallischer Anschlag

Weich-abdichtung


Schallemissionen 57

Druckverhältnis, kommt Kavitationsschallhinzu. Während der aus turbulenten Strömun-gen resultierende Schallpegel im Allgemeineninnerhalb der tolerierbaren Grenzwerte liegt,kann Kavitationsschall bereits bei kleinenVentilen diese Grenzwerte leicht überschrei-ten. Darüber hinaus ist Kavitation auch immerals mögliche Ursache für die Zerstörung derVentilinnengarnitur zu beachten.Die Hauptursache der Schallemission bei Ga-sen oder Dämpfen ist bei unterkritischer Entspannung die teilweise Umwandlung der Energie in Schallenergie. Wegen der imVergleich zu Flüssigkeiten wesentlich hö -heren Strömungsgeschwindigkeiten steigt derSchalldruckpegel mit steigendem Differenz-druck schnell an. Er kann somit bereits bei re-lativ kleinen Ventilen oberhalb der zulässigenGrenzwerte liegen und zu gesundheitlichenBeeinträchtigungen führen. Überschreitet dasDruckverhältnis am Stellventil den XT-Wert,so sind Stoßwellen in der Entspannungszonedie Hauptursache für die Schallemission.

Primäre SchallminderungsmaßnahmenBei gasförmigen Strömungen erreicht maneine Reduzierung der Schallerzeugung durchAufteilung des Drosselquerschnitts in vielekleinere Einzelquerschnitte (Lochkäfig, Loch-kegel, Multischlitzkegel). Dadurch wird dieschallgenerierende Quelle in viele einzelneSchallquellen aufgeteilt. Diese erzeugenwegen der geringeren Ausdehnung der Turbu-lenzzone und des damit höheren Frequenz-spektrums in der Summe einen geringeren Pegel in der gehörrelevanten Gewichtung desSchallspektrums. Die zweite wirksame Maß-nahme ist die Aufteilung der Drosselung inmehrere Stufen. Dadurch wird in den einzel-nen Drosselstufen eine Absenkung der Strö-mungsgeschwindigkeiten erreicht, die ursäch-

56 Emissionen

Weichabdichtung hat sich unter schwierigstenBedingungen über mehr als eine MillionSchaltspiele bewährt (siehe Kap. »Regelven-tile für Druckwechselanlagen«, S. 62 f.).

SchallemissionenBei der Druckreduzierung in einem Ventilwird ein Teil der Energie des Prozessmediumsin Schallenergie umgesetzt und von der Arma-tur selbst sowie hauptsächlich von der Rohr-leitung abgestrahlt. Richtlinien und Arbeits-schutzverordnungen zwingen zu »leisen« Ar-maturlösungen, Schallforderungen von 70 bis75 dB(A) sind keine Seltenheit. Die Forderungnach immer geringeren Schallemissionen ver-fahrenstechnischer Anlagen stoßen häufignicht nur an wirtschaftliche, sondern auch antechnische Grenzen. Geräuscharme Ventile be-nötigen nicht nur wesentlich aufwändigereInnengarnituren, sondern häufig auch größereGehäuse. Dies schlägt sich in deutlich höherenKosten nieder. Extreme Schallemission ist auch immer Aus-druck mechanischer Belastung. Bei allen Be-trachtungen zur Schallemission muss man sichdeshalb stets vor Augen halten, dass die Ge-räusche zwar im Ventil erzeugt werden, dieAbstrahlung des Schalls aber in der nachfol-genden Rohrleitung erfolgt. Hinsichtlich derSchallentstehung muss dabei zwischen inkom-pressiblen und kompressiblen Medien unter-schieden werden.

SchallentstehungDie Schallursache bei Flüssigkeiten sind dieturbulenten Strömungszustände an und hinterder Drosselstelle. Hier wird die Energie desFluids nicht nur in Wärme, sondern auch inSchallenergie umgewandelt. Überschreitet dasDruckverhältnis am Ventil das kritische

»Leise« Armatur-lösungen

Schall-abstrahlung in die Rohrleitung

Turbulente Strömung alsUrsache

Kavitationsschall

Anstieg des Schalldruck-pegels

Aufteilung in viele Einzel-querschnitte

MehrstufigeDrosselung


Schallemissionen 59

kungen von 10 bis 30 dB(A), bezogen auf ei-nen einstufigen Parabolkegel, erzeugen. Selbstein einfacher Lochkegel kann je nach Druck-verhältnis bereits eine Reduzierung des Schall-pegels von bis zu 15 dB(A) bewirken.

Sekundäre SchallminderungsmaßnahmenSekundäre Schallminderungsmaßnahmen be-treffen nicht die Schallerzeugung, sondern dieSchallabstrahlung. Bei den dafür eingesetztenSchallminderungskomponenten handelt es sich meist um Isolierungen, nachgeschalteteSchalldämpfer oder Einhausungen. Da dieSchallabstrahlung der in einem Regelventil er-zeugten akustischen Energie über eine sehrgroße, zum Teil bis zu mehr als hundert Me-tern reichende Rohrleitungslänge erfolgt, istder Einsatz von Schallminderungskomponen-ten aufwändig und sollte daher immer nur alszusätzliche Maßnahme verstanden werden.Zwischen Ventilen und zu dicht folgenden lie-genden Rohrbögen und anderen Rohrleitungs-einbauten kann es zu schallverstärkendenWechselwirkungen kommen. Deshalb ist bereitsbei der Rohrleitungsplanung auf den schallopti-mierten Einbauort des Ventils zu achten. Dievon Ventilherstellern zugesagten Schallgrenz-werte beziehen sich allerdings auf »idealisierte«An- und Abströmbedingungen. Auch die Rohr-leitung muss bei Strömungsgeschwindigkeitenvon mehr als 1/4 Mach immer als potenzielleSchallquelle berücksichtigt werden.

58 Emissionen

lich für die Schallgenerierung verantwortlichsind. Auch hier addiert sich die Summe dereinzelnen Schallpegel zu einem im Vergleichzur einstufigen Drosselung wesentlich gerin-geren Gesamtpegel. In das mehrstufige Dros-selkonzept werden auch ungeregelte Loch-drosselstufen wie Lochkäfige und Lochschei-ben einbezogen. Insbesondere beim Auftretenvon Kavitation und überkritischer Entspan-nung ist die Aufteilung der Drosselung immerals primäre Maßnahme zu betrachten. Loch-scheiben, Lochkäfige und Lochkegel habentrotz ihrer »freien« Lochflächen zusätzlicheine kapselnde Wirkung auf den von den vorausgehenden Stufen erzeugten Schall undwirken somit weiter pegelsenkend. Abbildung22 zeigt ein dreistufiges Ventil mit geregelterLochkäfig/Lochkegel-Kombination und einemnachgeschalteten Lochscheibensatz, der in ei-ner Gehäuseerweiterung integriert ist. Mit sol-chen Kombinationen lassen sich Pegelabsen-

Abb. 22:Dreistufiges Regel-ventil mit geregelterLochkäfig/Loch kegel-Kombination, Druck-ausgleich und nach-geschaltetemLochscheibensatz

Lochkäfig

Lochkegel

Lochscheibe

Zusätzliche kap-selnde Wirkung

Verminderung der Schallab-strahlung

Schall-optimierter Einbauort


Regelventile in der Energiewirtschaft 61

spezielle Regelventile mit einem sehr breitenStellverhältnis sind dafür geeignet. Der Dampfwird anschließend in den Überhitzer geleitet.Hier wird die Temperatur über Einspritzkühleroder auch über 3-Wege-Regel ventile einge-stellt, bevor der Dampf in die Turbine eintritt.Im Umfeld der Turbine arbeitet eine ganzeReihe von Regelventilen (z. B. Sperrdampf -regelventile, Entwässerungsregelventile) bishin zu den Anzapf- und Bypass-Stationen, die,jede für sich genommen, ein Druckregelventilmit integrierter Kühlwassereinspritzung zurEinhaltung einer vorgegebenen Temperaturdarstellen. Diese halten den Kesselbetrieb auf-recht, wenn die Turbine nicht in Betrieb ist. Sowerden verschiedene Nieder- bzw. Mittel-drucksysteme weiter versorgt oder der Frisch-dampf komplett kondensiert und dem Wasser-Dampf-Kreislauf zugeführt. Dampf wird auch zur Beheizung von verschie-denen Wärmetauschern und Versorgungssyste-men bis hin zur Beheizung des Speisewasser-behälters benötigt und von zahlreichen Regel-ventilen auf den Prozess und die Randbedin-gungen genau eingeregelt. Überall dort, wodem Dampf die Wärmeenergie entzogenwurde und er sich zu Kondensat wandelt, wer-den Regelventile für die Druck- und die Tem-peraturregelung eingesetzt. Wartungsfreundliche Ventile mit geklemmtem,beidseitig verwendbarem Ventilsitz (Schnell-wechselsysteme) haben sich hier insbesonderebei der Inbetriebnahme als besonders vorteil-haft erwiesen, denn trotz größter Bemühungenlassen sich die Rohrleitungen nicht wirklichsauber spülen. So führen beim Anfahren einerAnlage zwangsläufig die im System verbliebe-nen Fremdpartikel zu Beschädigungen an denVentilsitzkanten. In diesem Fall kann das Ven-til ohne Spezialwerkzeug geöffnet und derKlemmsitz gewendet werden. Dieser beson-

60

Moderne Lösungenfür spezielle EinsatzbereicheDas Spektrum an Regelventilen ist außeror-dentlich groß, entsprechend vielfältig ist derenEinsatzbereich. In den folgenden Kapitelnwerden beispielhaft einige Anwendungen be-schrieben.

Regelventile in der EnergiewirtschaftIn Kraftwerken werden Regelventile in allenBereichen eingesetzt. Dies reicht vom Regelndes Brennstoffs bis hin zur Regelung vonRauchgasreinigungsanlagen. Eines der interes-santesten Einsatzgebiete für Regelventile istjedoch der Speisewasser-/Dampfkreislauf.Unter normalen Betriebsbedingungen sind Re-gelventile im Speisewasserkreislauf absolut un-problematisch. Eine interessante Herausforde-rung besteht aber darin, wenn Regelventile nichtnur zum Ergänzen des verdampften Speisewas-sers, sondern auch zum Füllen beziehungsweisezum Anfahren von Kesseln eingesetzt werden.In diesem Fall wird das Hochdruckspeisewasserunter Anfahrbedingungen zunächst auf atmo -sphärischen Druck reduziert. Das Regelventildurchfährt dabei alle Kavitationsstufen und wirdaußerordentlich hoch belastet. Nur mit besonde-ren konstruktiven Maßnahmen lassen sich dieseBetriebszustände ohne Einsatz eines zusätz-lichen Füllventils mit »normalen« Speisewasser-regelventilen beherrschen.Beim Anfahren des Kessels gelangen zunächstSattdampfschwaden in das Dampfsystem undwerden über das Anfahrventil abgelassen. Nur

Einsatz bei Füll-oder Anfahr-vorgängen

Temperatur -regelung

Ventile mitSchnellwechsel-system


Pumpgrenzregelventile an Turboverdichtern 6362 Moderne Lösungen für spezielle Einsatzbereiche

dere Vorteil des Schnellwechselsystems sorgtdafür, dass die Inbetriebnahme ohne weitereVerzögerung fortgeführt werden kann.

Regelventile für DruckwechselanlagenDruckwechsel- oder PSA-Anlagen (PSA; Pres-sure Swing Adsorbtion) trennen und reinigenGase. Bei Wasserstoff lassen sich mittels desPSA-Verfahrens Reinheiten von 99,9999 % er-reichen. Das Verfahren ist sehr energieeffizient,da es bei Umgebungstemperatur stattfindet. Kerndieses Verfahrens sind vier bis 12 Druckbehälter,die mit einem Adsorbens gefüllt sind. Dieses Ad-sorbens hat die Eigenschaft, gewisse Gase bei ei-nem bestimmten Druck zu adsorbieren und beigeringerem Druck wieder freizugeben. Durchgezieltes Weiterleiten des Gases zwischen deneinzelnen Adsorbern wird das Gas stufenweisegereinigt. Die typische Zykluszeit einer PSA-Anlage liegt zwischen 20 Sekunden und einigenMinuten und stellt somit extrem hohe Anforde-rungen an alle Anlagenkomponenten – vor alleman die Regelventile. Sie müssen bei mehr als ei-ner Million Schaltspielen pro Jahr zuverlässig ar-beiten und darüber hinaus einen blasendichtenAbschluss gewährleisten. Für Druckwechsel -anlagen optimierte Regelventile

• bestehen aus Stahlguss erhöhter Gütestufemit reduziertem Kohlenstoffgehalt, um dieGefahr der Wasserstoffversprödung zu mini-mieren,

• haben eine zuverlässige Weichabdichtungund

• verfügen bei Nennweiten von 80 (3") undgrößer über einen zuverlässigen Druckaus-gleich, da die geforderten Stellzeiten nur mitrelativ kleinen pneumatischen Antriebenmöglich sind.

Der Trend zu immer größeren Antriebskräfteninnerhalb immer kürzerer Schaltzeiten führtezum bevorzugten Einsatz von doppelt wirken-den Kolbenantrieben (Abb. 23). Dieser An-triebstyp hat sich mittlerweile in einer Vielzahlvon Installationen bewährt.

Pumpgrenzregelventile an TurboverdichternBei Turboverdichtern wird im Bypass ein Re-gelventil installiert, das den verdichteten Gas-volumenstrom in den Saugstutzen des Ver-dichters umbläst oder (bei ProzessmediumLuft) in die Atmosphäre abbläst. Diese Ventiledienen in erster Linie zum An- und Abfahrendes Verdichters. Bei kritischen Fahrweisenoder trotz konstanter Drehzahl schwankendemVerbrauch kommen sie ebenfalls zum Einsatz,um überschüssige Gasmengen um- bzw. abzu-blasen. Ihre wichtigste Aufgabe ist jedoch dieFunktion als Sicherheitsventil bei Pumpgrenz-regelungen.

Abb. 23:Doppelt wirkenderKolbenantrieb

Reibungsarme Führung undAbdichtung

Mehr als eine MillionSchaltspiele

Doppelt wirkender Kol-ben antrieb

Funktion als Sicherheits-ventil


Pumpgrenzregelventile an Turboverdichtern 65

Magnetventil und eine sorgfältige Auswahlund Abstimmung der pneumatischen Bauteileund der Verrohrung (Abb. 24).

64 Moderne Lösungen für spezielle Einsatzbereiche

Pumpgrenzregelungen haben die Aufgabe,das so genannte »Pumpen« bei Turboverdich-tern – damit wird der Strömungsabriss beimUnterschreiten einer Mindestfördermenge be-schrieben – unter allen Umständen zu verhin-dern. Ein Strömungsabriss kann ein Schwin-gen des Verdichterlaufrads und damit Schä-den in den Lagern, am Laufrad selbst oder anden Leitschaufeln verursachen. Deshalb wirdim Verdichterkennfeld die Abblaslinie auf ei-nen bestimmten Sicherheitsabstand unterhalbder Pumpgrenze festgelegt. Aus wirtschaft-lichen Gründen sollte dieser Abstand mög-lichst klein sein. Durch das Verkleinern desSicherheitsabstands erhöhen sich zwangsläu-fig die Anforderungen an das Pumpgrenz -regelventil. Das Regelventil muss einerseitsfeinfühlig sein, andererseits aber auch inner-halb kürzester Zeit öffnen, ohne zu übersteu-ern bzw. im Abblasfall (Blow-off-Fall) vollzu öffnen. Als Pumpengrenzventile in Turboverdichternhaben sich Einsitzregelventile mit linearerbzw. modifizierter Kennlinie bewährt. Anstellevon Parabolkegeln werden heute immer häufi-ger Lochdrosselkörper eingesetzt, da diese dieSchallreduzierung auch bei Ventilen gewähr-leisten, die in die Atmosphäre abblasen. Da Turboverdichter immer leistungsfähigerwerden, erstreckt sich der Nennweitenbereichvon Bypassventilen mittlerweile auf bis zu DN 1200 und entsprechend große Antriebe.Dabei werden folgende Stellzeiten realisiert:

• Öffnen über Magnetventil <1 bis 2 Sekunden,• Öffnen über Stellungsregler <3 bis 5

Sekunden,• Schließen über Stellungsregler 6 bis 20

Sekunden

Dies erfordert eine zuverlässige Ansteuerungder Ventile über Stellungsregler, Booster und

Abb. 24:Pneumatisches Wirk-bild eines Pump-grenzregelventils mitdem Volumenstromals Messgröße

3

1

2

P

AR

3 1

2

3

A

VenturirohrTurboverdichter

Pumpgrenze

TsFC

∆ps

Z

1

out sub

sigout in

2

Verhindern vonStrömungsabriss

Einsitzregel-ventile

Stellzeiten



Druckentlastung Eliminierung der hydrostatischen Ventilkegelkräfte durcheinen Druckausgleich zwischen Ober- und Unterseite des Ventilkegels. Erfor-dert eine aufwändige Ausformung des Regelkegels zu einem Kolben-Zylinder-system mit gleitender Radialdichtung.

Druckstoß (Joukowsky-Stoß) Plötzlicher Druckanstieg, hervorgerufen durchschnelles Abbremsen einer strömenden Flüssigkeit in Rohrleitungen beimSchließen eines Ventils. Der Impuls der strömenden Masse hat gewaltiges zer-störerisches Potenzial.

Durchflussbegrenzung Ab einem bestimmten Differenzdruckverhältnis x =(p1–p2)/p1 lässt sich der Massenfluss durch ein Ventil mittels weiterer Absen-kung des Nachdrucks p2 nicht mehr steigern. Im engsten Drosselquerschnitttritt dann Schallgeschwindigkeit auf.

Einbaulage Zu bevorzugen ist die Einbaulage mit senkrechter Spindel, weilVentilantriebe dann keine Querkräfte und Biegemomente auf die rotations -symmetrisch ausgerichtete Ventilgarnitur und deren Dichtungen ausüben können.

Faltenbalgabdichtung Hermetische Abdichtung gegen gefährliche Medienan der Ventilspindel mittels eines Metall- oder Kunststofffaltenbalgs.

Heizmantel Druckdichte Umhüllung des Ventilkörpers und des Deckelflan-sches, die mit Dampf oder Wärmeträgeröl durchströmt wird. Heizmantel -ventile werden oft bei Schmelzen und polymerisierenden Medien eingesetzt.

Hygieneventil Ventil für Anwendungen in der Lebensmittel- und pharma-zeutischen Industrie mit spezieller Gehäuseform, die Ablagerungen entgegen-wirkt und eine einfache Reinigung ermöglicht.

Hysterese Beim Regelventil die Differenz der Hubpositionen, die sich beigleichem Hubsollsignal, jedoch bei entgegengesetzter Bewegungsrichtung ergibt.

Instrumentenluft Trockene und ölfreie Luft ist für den störungsfreien Be-trieb von Stellungsreglern und anderen pneumatischen Komponenten unver-zichtbar (IEC 770).

Isoliersäule Bei Tieftemperaturmedien eingesetzte Verlängerung der Ventil-spindel, um Packung, Antrieb und Stellungsregler vor Vereisung durch daskalte Medium zu schützen sowie um eine effektive Isolierung zu ermöglichen.

Kavitation Tritt bei vorübergehendem Druckabfall von Flüssigkeiten unter-halb des Dampfdrucks auf. Der Zusammenbruch der an der Drosselstelle ent-standenen Dampfblasen führt zu Stoßwellen, die beim Auftreffen auf Ventilkör-per und Innenteile des Ventils Erosionsschäden verursachen können. Die Kavita-

66

Basiswissen über ProzessarmaturenAbnahmeprüfung Die zur Gewährleistung von Sicherheit, Funktion undQualität der Armatur in Regelwerken festgelegten Prüfungen.

Akustischer Umwandlungsgrad Kennzahl für den Anteil der Verlustleis-tung des Stellventils, der in Schall umgewandelt wird. Bei unterkritischer Strö-mung liegt der akustische Umwandlungsgrad bei 10-6 bis 10-4, abhängig vonGarnitur- und Ventilform.

Anfahrventil Zusätzlich installiertes Ventil, vorwiegend in Funktion, um denBetriebszustand eines Prozesses anzufahren. Es ist durch extreme Betriebs -bedingungen gekennzeichnet, aber keiner Dauerbeanspruchung ausgesetzt.

Anlagenkennlinie Die Kennlinie, die sich aus der Kennlinie des Stellventilsunter Berücksichtigung der Pumpenkennlinie sowie aller Rohrleitungskompo-nenten ergibt. Aus der Anlagenkennlinie errechnet sich die Ventilautorität.

ATEX Europäische Richtlinie für Geräte zur bestimmungsgemäßen Verwen-dung in explosionsgefährdeten Bereichen.

Ausdampfung Teilweise Umwandlung eines flüssigen Mediums in den gas-förmigen Zustand während der Drosselung auf einen Druck, der unterhalb desVerdampfungsdrucks der Flüssigkeit liegt (siehe Abb. 25).

Abb. 25: Druckverläufe im Ventil bei Ausdampfung und Kavitation

Ausdampfung (Flashing)p1>p2>pV

Kavitationp1>p2>pV>pVC

p1

pVC pVC

pVp2

p1

p2pV

Auskleidung Die drucktragende, metallene Form der Armatur wird medien-seitig mit einem chemisch beständigen Kunststoff überzogen.

Choked Flow Siehe Durchflussbegrenzung.

Dampfumformstation Eine Armatur zur kombinierten Druck- und Tempe-raturreduzierung von Heißdampf durch gleichzeitige Drosselung und Einsprit-zung von Kühlwasser.



Dichtheit und deren Prüfung ist in internationalen Normenwerken festgelegt(EN 60534-4).

Lochkegel Regelkegel, ausgeführt als gelochter Zylinder, der in einem Sitz-ring gleitet und je nach Position mehr oder weniger Bohrungen und damitDrosselquerschnitt freigibt.

Membranantrieb Pneumatischer Regelantrieb, bei dem die Druckkammermit einer Membran abgeschlossen wird. Die Membran erlaubt (besonders imVergleich zum Kolbenantrieb) reibungsfreie Hubbewegung und somit einesehr gleichmäßige Stellbewegung.

Nachdruckanhebung Zum Zweck der Schallminderung wird durch Einsatzvon festen Drosselstufen (Lochscheiben und Lochkäfige) hinter dem Ventil derAustrittsdruck des Ventils angehoben. Innerhalb des Ventils entstehen damitgeringere Differenzdrücke und bei Gasen reduzierte Geschwindigkeiten.

Packung Dynamische Abdichtung der Ventilspindel nach außen.

Parabolkegel Einfachste Form eines Regelkegels, der in Verbindung mit ei-ner kreisrunden Öffnung (Ventilsitz) eine ringförmige Drosselstelle bildet.

Reversierung Bei pneumatischen Antrieben die Umkehrung der Sicherheits-stellung (Federkraft) bei Luftausfall.

Sicherheitsstellung Vorgegebene Ventilstellung bei Ausfall der Antriebs-energie: geschlossen, geöffnet oder verharrend.

SIL Abkürzung für Safety Integrity Level (dt. »Sicherheits-Integritätslevel«).Dient zum Schutz der Gesundheit der Beschäftigten, der Umwelt und von Gütern. Regelventile sind wesentliche Komponenten bei der diesbezüglichenBeurteilung verfahrenstechnischer Anlagen.

Silencer Nachgeschaltete Drosselstufen zur Schallminderung (siehe Nach-druckanhebung).

Split-Range-Betrieb Aufteilung der Strömung auf ein großes Haupt- undein kleines Feinregelventil, wenn das Stellverhältnis des großen Ventils nichtausreichend ist.

Spülgarnitur Platzhalter (meist nur bei Einschweißventilen), der im Aus-tausch gegen die Innenteile zum Schutz des Ventils während Spül- und Beiz-vorgängen eingesetzt wird.

Stellverhältnis Allgemein das Verhältnis von größter zu kleinster regel -barer Durchflussmenge. Das inhärente Stellverhältnis entspricht größtem zukleinstem Durchflusskoeffizienten.

Stick-Slip-Effekt Die unterschiedlichen Reibkräfte beim Gleiten und Los -lösen von Radialdichtungen können in Verbindung mit schwach (rein statisch)ausgelegten, pneumatischen Antrieben zu unerwünschten, ruckartigen Bewe-gungen führen, die eine genaue Positionierung der Ventilspindel verhindern.

68 Basiswissen über Prozessarmaturen

tion wird durch Einsatz mehrstufiger Drosselkörper vermindert. Zur Erhöhungder Standzeiten werden gehärtete Materialien eingesetzt (siehe Abb. 25).

Kennlinien Beschreiben das Verhältnis zwischen Ventilstellung und Öff-nungsquerschnitt, vorgegeben durch die Form des Regelkegels. Gängig sind li-neare oder gleichprozentige Kennlinien.

Kolbenantrieb Pneumatischer Antrieb, der anstelle einer Membran eine dy-namische Kolbenabdichtung besitzt. Wird häufig doppelt wirkend und fürlange Hübe eingesetzt.

Kritisches Druckverhältnis siehe Durchflussbegrenzung

Kv-Wert Kennzahl für die Durchflusskapazität eines Ventils. 1 Kv entsprichtdem Durchfluss von 1 m3/h Wasser bei einem Differenzdruck von 1 bar (Faust -formeln zur Berechung siehe Abb. 26).

Abb. 26: Faustformeln für die Berechnung des Durchflusskoeffizienten

Druck-verlust

Kv

Kv

für Flüssigkeit

für Gas mit Temp.-Korrektur

für Dämpfe

Δpp12

<

p2p12

<

Q31,6

ρ1Δp

=QN514

ρNΔp

T1p2

=G

31,6v

Δp=

Kv

Δpp12

<

p2p12

<

Q31,6

ρ1Δp

=2QN

514 p1ρN T1=

G31,6

2vp1

=

Q Volumendurchfluss m³/hG Massendurchfluss kg/hp1 Druck vor dem Ventil bar abs ρ1 Dichte im Betriebszustand kg/m³QN Norm-Volumendurchfl. von Gasen Nm³/hp2 Druck nach dem Ventil bar absρN Dichte im Normzustand kg/Nm³T1 Absolute Temperatur vor dem Stellgerät °K v Spezifisches Dampfvolumen bei T1 m3/kg

Laminare Strömung Gekennzeichnet durch gleichmäßiges Fließen derStrömungsteilchen auf benachbarten Bahnen ohne Turbulenzen. LaminareStrömung tritt bei Stellventilen nur bei extrem kleinen Durchflussmengen oderbei hochviskosen Flüssigkeiten auf.

Leckageklasse In einem geschlossenen Ventil fließt zwischen Sitz und Kegel eine mehr oder weniger hohe Leckmenge. Die Anforderung an die


70 Basiswissen über Prozessarmaturen

Stopfbuchse Baugruppe zur Abdichtung der Ventilspindel mit der Packungals wesentlicher Komponente.

Strömungsrichtung Bei Hubventilen überwiegend gegen die Schließrich-tung des Drosselkegels. In Schließrichtung wird das Dichtschließen unter-stützt, birgt aber die Gefahr instabiler (pneumatischer) Antriebe und, besondersbei Flüssigkeiten, von Druckstößen.

TA Luft Abkürzung für »Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft«.Deutsche Norm, die erhöhte Anforderungen besonders an die Spindelabdich-tung stellt.

Tieftemperaturventil (Kryoventil) Sonderventil für flüssige Gase bei Tem-peraturen bis nahe am absoluten Nullpunkt (–273 °C).

Turbinenumleitstation Dampfumformstation, die beim Ausfall der Turbinederen Drossel- und Kühlfunktion übernimmt.

Turbulente Strömung Ungeordnete, nicht parallele Strömung. Es kommt zuströmungsbedingten Druckdifferenzen innerhalb des Fluids und damit zu Tur-bulenzen.

Unterkritisches Druckverhältnis Die Druckdifferenz über der Drosselstelleist relativ klein, es kommt nicht zur Durchflussbegrenzung oder Kavitation.

Überkritisches Druckverhältnis Die Druckdifferenz über der Drosselstelleist relativ hoch und verursacht Durchflussbegrenzung oder Kavitation.

Ventilautorität Eine Kennzahl, die den Einfluss des Ventils auf die zu re-gelnde Prozessgröße beschreibt.

Ventilkennlinien Beschreiben das Verhältnis zwischen Ventilstellung undÖffnungsquerschnitt, vorgegeben durch die Form des Regelkegels. Gängigsind lineare oder gleichprozentige Ventilkennlinien.

Zweiphasenströmung Gemischte gasförmige und flüssige (z.B. Nass-dampf/Kondensat) bzw. flüssige Strömung mit Feststoffanteilen (z.B. Cellu-lose).

Der Partner dieses Buches

ARCA Regler GmbHKempener Str. 1847918 TönisvorstTel.: 0049-2156-7709-0Fax: [email protected]

Ventile, Pumpen & Cryogenics weltweit

Als eines der führenden Unternehmen in der Stellgerätetech-nik konzentriert sich die ARCA Regler GmbH seit nunmehr90 Jahren auf die Entwicklung, die Herstellung, den Vertriebund nicht zuletzt auf den Service von pneumatisch aktivier-ten Regelventilen.

Das Unternehmen ist das Mutterhaus der internationalenARCA Flow Gruppe mit Zweigwerken in Indien, Korea,China, Mexiko, der Schweiz und den Niederlanden sowie ei-nem weltweit operierenden Vertriebsnetz. Neben Regelarma-turen gehören Pumpen für feststoffhaltige Medien, Niveau-messgeräte sowie Einspritzkühler und Regelkugelhähne zumProduktportfolio der Gruppe.

Als kompetenter Ansprechpartner für Anlagenbauer undEndanwender in allen industriellen Bereichen, von der Kraft-werkstechnik über Raffinerien, Chemieanlagen, Stahl- undHüttenwerken bis hin zur Pharmazie- und Lebensmittelpro-duktion, bietet ARCA innovative Technologie höchster Qua-lität und Zuverlässigkeit.

Die ständige Weiterentwicklung der ARCA-Produkte bele-gen auch zahlreiche Patente und Auszeichnungen als einesder innovativsten TOP-100-Unternehmen und als TOP-JOB-Arbeitgeber des deutschen Mittelstands. Weiterhin wurdeARCA in die Enzyklopädie »Deutsche Standards – Welt-marktführer deutscher Industrieunternehmen« aufgenom-men.


++Arca 7.0 neu:++Musterseite BdT Kopie · 2016. 2. 10. · (gallons per minute) bei 1 psi (lb/in2)...

Documents

Transcript of ++Arca 7.0 neu:++Musterseite BdT Kopie · 2016. 2. 10. · (gallons per minute) bei 1 psi (lb/in2)...