Auslegung von Druckregelventilen

Druckregelventile für Gase

Ermittlung des K_v-Wertes

Zur Auslegung bzw. vor Auswahl eines Ventils wird zunächst aus den Betriebsdaten, unter denen das Ventil arbeiten soll, der K_v - Wert errechnet.

Bei unterkritischem Druckgefälle, d.h. wenn

nach Formel

Bei überkritischem Druckgefälle, d.h. wenn

nach Formel

K_v	Durchflusskoeffizient	m³/h
Q_N	Volumendurchfluss im Normalzustand	m³/h
Q₁	Volumendurchfluss vor dem Ventil	m³/h
Q₂	Volumendurchfluss hinter dem Ventil	m³/h
p_N	Dichte im Normalzustand	kg/m³
Δp	Druckdifferenz (p1 - p2)	bar
p₁	Eintrittsdruck, Vordruck (abs.)	bar
p₂	Austrittsdruck, Hinterdruck (abs.)	bar
t₁	Eintrittstemperatur	°C
t₂	Austrittstemperatur	°C
w₁	Geschwindigkeit vor dem Ventil	m/s
w₂	Geschwindigkeit hinter dem Ventil	m/s
d₁	Leitungsdurchmesser vor dem Ventil	mm
d₂	Leitungsdurchmesser hinter dem Ventil	mm

Beispiel:
Gesucht wird ein Druckminderventil aus Edelstahl für Q_N max. 1200 m³/h CO₂, Betriebstemperatur 20 °C, Dichte 2 kg/m³, Vordruck 10-12 bar Überdruck, zu regelnder Hinterdruck 7 bar Überdruck. Das Druckgefälle ist unterkritisch, denn es ist

damit ist

Den aus den Betriebsdaten errechneten K_v - Wert versehen wir mit einem Zuschlag von 30 % und erhalten damit den K_vs - Wert, den das auszuwählende Ventil mindestens haben sollte.

K_vs - Wert ≥ 1,3 K_v - Wert = 1,3 x 11,54 = 15 m³/h

Bestimmung der Nennweite

Um Druckverluste und Betriebsgeräusche niedrig zu halten, sollten bestimmte Strömungsgeschwindigkeiten in den Rohrleitungen nicht überschritten werden. Falls keine planerischen Vorgaben bestehen, empfehlen wir

» bis	10 mbar	2 m/s
» bis	100 mbar	4 m/s
» bis	1 bar	10 m/s
» bis	10 bar	20 m/s
» über	10 bar	40 m/s

Diese groben Richtwerte gelten für Leitungsdurchmesser ab DN 80. Bei kleineren Nennweiten sollten geringere Strömungsgeschwindigkeiten angesetzt werden.

Zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit wird der Volumendurchfluss bei Betriebsbedingungen benötigt. Er kann wie folgt errechnet werden:

In unserem Beispiel sind danach die Volumendurchflüsse vor und hinter dem Ventil:

Der Leitungsdurchmesser kann wie folgt berechnet werden:

Wenn in unserem Beispiel nur maximale Strömungsgeschwindigkeiten von 20 m/s vor und 15 m/s hinter dem Ventil vom Anlagenplaner zugelassen werden, sind die erforderlichen Leitungsdurchmesser:

Wir würden demzufolge vor dem Ventil die Rohrleitung DN 50 und hinter dem Ventil DN 65 empfehlen.

Bei vorgegebener Nennweite kann die Strömungsgeschwindigkeit wie folgt berechnet werden

In unserem Beispiel hätten wir dann die Strömungsgeschwindigkeiten

Die Nennweite des Regelventils kann unter bestimmten Betriebsbedingungen eine bis zwei Stufen unter der Nennweite der Rohrleitung vor dem Ventil liegen. Hinter dem Ventil ist die Leitung möglicherweise - der Strömungsgeschwindigkeit entsprechend - um mehrere Stufen erweitert auszuführen, was insbesondere bei den mit Steuerleitung arbeitenden Ventilen gilt.

Auswahl eines geeigneten Ventils

Unsere Auswahltabellen und Datenblätter führen Sie zu den technischen Daten der MANKENBERG-Ventile.
Der K_vs - Wert des ausgewählten Ventils sollte dem errechneten und mit den erforderlichen Zuschlägen versehenen K_v - Wert entsprechen. Die meisten Ventile arbeiten am besten im Bereich von 10 bis 70 % ihres K_vs - Wertes, kleine nicht enlastete Ventile – wie z.B. die Druckminderer DM 502, 505, 506, 510, 762 und 765 – arbeiten auch bei kleinsten Durchsätzen noch zufriedenstellend.

Wählen Sie den Einstellbereich so, dass der gewünschte Sollwert möglichst an der oberen Grenze liegt. Nehmen Sie z.B. bei 2,3 bar zu regelndem Druck den Einstellbereich 0,8-2,5 bar und nicht den Einstellbereich 2-5 bar, bei dem die betriebsabhängigen Regelabweichungen wesentlich höher wären. Wenn in Sonderfällen der standardmäßige Einstellbereich nicht weit genug ist, kann bei niedriger Ventilauslastung und geringeren Ansprüchen an die Regelgenauigkeit der Einstellbereich unterschritten werden. Dann kann z.B. ein Druckminderer mit dem Einstellbereich 0,8-2,5 bar auch bei 0,5 bar noch zufriedenstellend arbeiten.

Wählen Sie die Werkstoffe den betrieblichen Anforderungen entsprechend und mit Hilfe der Beständigkeitstabelle aus. Bei toxischen oder feuergefährlichen Fluids muss eventuell eine geschlossene Federhaube – möglicherweise mit Stellschraubenabdichtung - eingesetzt und ein Leckleitungsanschluß (Muffe an der Federhaube) vorgesehen werden, damit bei einem Defekt am Steuerteil das austretende Fluid abgeführt werden kann.

Kommen wir zurück zu unserem Beispiel:
Anhand der Betriebsdaten ermittelten wir, dass der K_vs - Wert mindestens 15 m³/h sein sollte. Nach unserer Auswahltabelle stehen hierfür mehrere Ventilbaureihen zur Verfügung. Wir entscheiden uns für den Druckminderer DM 652 DN 50, K_vs - Wert 18 m³/h, Einstellbereich 4–8 bar. Dieses Ventil besteht standardmäßig aus Werkstoffen, die sehr gut für den Einsatzfall geeignet sind. Außerdem zeichnet es sich durch hohe Regelgüte, geringes Gewicht, gute Oberflächenqualität und einen für Edelstahlventile äußerst günstigen Preis aus.

Noch ein Beispiel:
Gesucht wird ein Überströmventil, das 2000 m³/h 60°C warme Luft bei 4 bar in die Atmosphäre abblasen kann.

Das Druckgefälle ist überkritisch, denn es ist

damit ist

Den aus den Betriebsdaten errechneten K_v - Wert versehen wir mit einem Zuschlag von 30 % und erhalten damit den K_vs - Wert, den das auszuwählende Ventil mindestens haben sollte.

K_vs - Wert ≥ 1,3 x K_v - Wert = 1,3 x 32,3 = 42 m³/h

Der Volumendurchfluss unter Betriebsbedingungen ist

und danach bei einer maximal zugelassenen Strömungsgeschwindigkeit von 20 m/s der Leitungsdurchmesser mindestens

Anhand der errechneten Daten und unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Mediums entscheiden wir uns für MANKENBERG's Überströmventil UV 4.1 DN 100, K_vs - Wert 100 m³/h, Einstellbereich 2-5 bar, ein relativ preisgünstiges und regelgenaues Ventil, das für den Anwendungsfall sehr gut geeignet ist.