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Experten-Tipp: Druckminderungsregler - Teil 2

Abflachende Durchflusskurven von Druckminderungsreglern in Systemen mit hohem Durchfluss

Teil 2

Der erste Teil dieses Beitrags beschäftigte sich mit den Systemkonfigurationen „Dombelasteter Druckregler mit Pilotregler“, aber es gibt noch bessere Möglichkeiten.

Durchflusskurven für unterschiedliche Druckreglerkonfigurationen

Bild 1: Durchflusskurven für unterschiedliche Druckreglerkonfigurationen. Bilder: Swagelok

Dombelasteter Druckregler mit externer Rückführung zum dombelasteten Druckregler: besser

In der zweiten - oder „besseren" - Konfiguration wird eine Rückführleitung hinzugefügt, damit der dombelastete Druckregler Abfälle des Ausgangsdrucks ausgleichen kann. Verwendet wird dieselbe Konfiguration von Pilotdruckregler und Ausgangsschleife wie oben, aber es wird eine nachgelagerte Leitung integriert, die eine externe Rückführung zum Erfassungsbereich des dombelasteten Druckreglers bietet (Bild 2).

Dombelasteter Druckregler mit Rückführung 

Bild 2 „Besser:“ Die Verwendung einer Leitung, über die der Ausgangsdruck zurück zum Erfassungsbereich des Domdruckreglers geführt wird, ermöglicht, dass bei diesem System Abfälle des Ausgangsdrucks kompensiert werden können

Mit dieser Konfiguration wird die Kurve flacher. An der Ausgangsseite des Systems fällt der Druck leicht ab (generell als „Erholung" bezeichnet), nachdem das Systemmedium aus dem dombelasteten Druckregler fließt. Wenn der Ausgangsgasdruck beispielsweise ursprünglich auf 20 bar eingestellt wurde, beträgt der Druck kurz nach dem Ausgang eventuell nur 19 bar. Eine externe Rückführungsleitung, die sich kurz nach dem Ausgang befindet - der Abstand beträgt in der Regel das 5- bis 10-fache des Rohraußendurchmessers - führt das mit niedrigerem Druck beaufschlagte Gas zurück zum Erfassungsbereich des Domdruckreglers. Hier erfasst die Membran des Druckreglers den niedrigeren Druck von 19 bar und öffnet das Schließelement des Druckreglers etwas mehr, um den Ausgangsdruck zu erhöhen. Daher reagiert der Druckregler dynamisch und genauer auf weniger turbulenten Ausgangsdruck als eine statische Einstellung. Wenn man sich die dritte Durchflusskurve in Bild 1 ansieht, erkennt man, dass die Kurve für diese „bessere" Konfiguration flacher ist. Für die zweite, dritte und vierte Durchflusskurve wird derselbe Domdruckregler mit derselben Einstellung des Ausgangsdrucks verwendet, aber mit Modifikationen im Erfassungsbereich. Außerdem sieht man, dass sich die Durchflussrate des Druckreglers erhöht, bevor es zum gedrosselten Durchfluss kommt. Aber es gibt noch bessere Möglichkeiten.

Dombelasteter Druckregler mit externer Rückführung zum Pilotregler: am Besten

Mit der dritten Systemkonfiguration - der „besten" Konfiguration - kann der Pilotregler äußerst genaue Änderungen des Drucks in der Domkammer des Domdruckreglers basierend auf dem tatsächlichen Ausgangsdruck des Systems vornehmen. Wie bei der „besseren" Konfiguration werden bei dieser Konfiguration ein Pilotregler, eine Ausgangsschleife zur Entlastung übermäßigen Domdrucks und eine externe Rückführungsleitung verwendet. Allerdings erfolgt die externe Rückführung der nachgelagerten Rückführungsleitung hier direkt zum Pilotregler (Bild 3).

Dombelasteter Druckregler mit externer Rückführung zum Pilotregler

Bild 3 „Am Besten:“ Bei dieser Systemkonfiguration erfolgt die Rückführung des Ausgangsdrucks über eine Leitung zum Pilotregler, wodurch der Domdruckregler durch die Änderung seines Ausgangsdrucks kompensieren kann. Das Resultat ist eine sehr flache Kurve.

Da die Änderungen hier an der primären Drucksteuerquelle - dem Pilotregler - vorgenommen werden, bietet diese Konfiguration eine sehr präzise Steuerung des Ausgangsdrucks und führt zu einer sehr flachen Durchflusskurve über einen sehr breiten Durchflussbereich. Hier ist ein Beispiel: Der Ausgangsdruck für den Pilotregler wird anfänglich auf 20 bar eingestellt, was bedeutet, dass der Druck in der Domkammer des Domdruckreglers etwas höher ist. An der Ausgangsseite des Domdruckreglers fällt der Systemdruck auf 19 bar ab. Dieser niedrigere Druck wird durch die Rückführleitung zurück zum Pilotregler geführt. Als Reaktion darauf erhöht der Pilotregler den Druck im Dom des Domdruckreglers; dies führt zur erforderlichen Korrektur des Ausgangsdrucks. Beide Druckregler - der Pilotregler und der Domdruckregler - regulieren sich dynamisch, um den Druck in der Rückführungsschleife bei den gewünschten 20 bar zu halten. Mit dieser Systemkonfiguration erhält man eine Schleife, die eine konstante, automatische Regulierung zum Stabilisieren des Systems am gewünschten Einstelldruck für eine optimale Leistung ermöglicht. Die Resultate sind in der vierten Durchflusskurve in Bild 1 ersichtlich, die über einen äußerst breiten Durchflussbereich sehr flach ist und so gut wie keine Regeldifferenz aufweist. Bei diesem System kommt es erst zu gedrosseltem Durchfluss, wenn der Durchfluss noch stärker ansteigt. Die einzige Möglichkeit, eine noch flachere - fast völlig lineare - Durchflusskurve zu erzeugen, ist den manuellen Pilotregler in dieser Konfiguration durch einen elektronisch gesteuerten Pilotregler zu ersetzen. Ein am Druckregler befestigter elektronischer Sensor würde pro Sekunde mehrere Druckänderungen vornehmen, so dass man eine extrem flache Durchflusskurve erhält. Allerdings sind elektronische Steuerungen aufgrund des Strombedarfs und aus Sicherheitsgründen oft nicht erwünscht. Ein System mit einem manuellen Pilotregler mit Rückführung direkt zum Pilotregler bietet sehr ähnliche Resultate ohne die zusätzlichen elektronischen Komponenten, Drähte und Stromquelle.

Wie erreicht man eine flachere Durchflusskurve?

Anwendungen mit hohem Durchfluss erfordern in der Regel den Einsatz von Druckreglern mit sehr flachen Durchflusskurven über weite Durchflussbereiche. Manchmal erhält man mit einem einfachen dombelasteten Druckregler die gewünschten Parameter für eine Anwendung. In anderen Fällen jedoch müssen einem System verschiedene Komponenten hinzugefügt werden, um die Leistungsfähigkeit des Druckreglers zu erweitern. Systeme mit einer nachgelagerten Druckrückführung zu einem vorgelagerten Pilotregler bieten in der Regel die beste Leistung. Auch wenn man nie das Ideal einer perfekt flachen Kurve über einen unendlich großen Durchflussbereich erreichen kann, ist es gut zu wissen, dass es Möglichkeiten gibt, die Leistungsfähigkeit eines dombelasteten Druckreglers zu verbessern, um sehr flache Durchflusskurven über sehr große Durchflussbereiche zu erzielen.

Entscheiderfacts für Betreiber

  • Mit der Systemkonfiguration Dombelasteter „Druckregler mit externer Rückführung zum Pilotregler" kann der Pilotregler äußerst genaue Änderungen des Drucks in der Domkammer des Domdruckreglers basierend auf dem tatsächlichen Ausgangsdruck des Systems vornehmen.
  • Da die Änderungen hier an der primären Drucksteuerquelle - dem Pilotregler - vorgenommen werden, bietet diese Konfiguration eine sehr präzise Steuerung des Ausgangsdrucks und führt zu einer sehr flachen Durchflusskurve über einen sehr breiten Durchflussbereich.

Viele weitere Expertentexte finden Sie in unserem News-Archiv. Beide Beträge wurden darüber hinaus in der CT 4/2014 veröffentlicht.

Autor: Michael D. Adkins, Senior Manager, Product Line Management, Swagelok Company Ausgabe:05/2014 Mai