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So finden Sie den passenden Druckregler

Richtig interpretiert?

Dombelastete Druckregler mit externer Rückmeldung

Bild1: Dombelastete Druckregler mit externer Rückmeldung erzeugen die breitesten horizontalen Abschnitte für einen völlig mechanischen Druckregler 

Wird der falsche Druckregler ausgewählt, kann es zu erheblichen Störung in der Produktion kommen. Die beste Methode zur Auswahl eines Druckreglers für die jeweilige Anwendung ist die Untersuchung des Durchflussdiagramms des Druckreglers, das oft vom Hersteller zur Verfügung gestellt wird. „Durchflussdiagramm“ ist eine nicht ganz korrekte Bezeichnung. Diese Kurve ließe sich ebenso als „Druckdiagramm“ bezeichnen, da ein Druckregler den Druck und nicht die Strömung regelt.

Bei der Auswahl eines Druckreglers sollte der Anwender nicht nur nach der richtigen Größe suchen, sondern nach bestimmten Fähigkeiten, die eine Funktion der Druckreglerkonstruktion sind. Ein Durchflussdiagramm illustriert den Umfang der Druckreglerfähigkeiten auf einen Blick. Wenn das Verständnis da ist, wie ein Durchflussdiagramm aufgebaut ist, sind sie einfach und schnell zu lesen.

Eine gängigere Methode zur Auswahl eines Druckreglers ist leider, sich an dessen Durchflusskoeffizienten Cv zu orientieren. Wenn sich der Systemdurchfluss innerhalb des Bereichs des Durchflusskoeffizienten Cv befindet, kann das in manchen Fällen bedeuten, dass der Druckregler die richtige „Größe" hat. Aber das muss nicht unbedingt stimmen. Der Cv repräsentiert die maximale Durchflusskapazität des Druckreglers. Bei maximalem Durchfluss kann ein Druckregler den Druck nicht mehr regeln. Wenn man Druckraten erwartet, die den Cv des Druckreglers erreichen, ist der Druckregler wahrscheinlich nicht der richtige für das System.

Diagramm richtig lesen

Ingenieur mit Durchflussdiagramm

Bild 2: Das Lesen von Durchflussdiagrammen und die richtige Interpretation – Voraussetzung für eine störungsfreie Produktion

Der Hauptzweck eines Druckreglers ist, an einer Seite des Reglers einen konstanten Druck beizubehalten, obwohl an der anderen Seite ein anderer oder fluktuierender Druck herrscht. Mit einem Druckminderungsregler wird der Druck an der Ausgangsseite geregelt, mit einem Vordruckregler der Druck an der Eingangsseite. Ein Durchflussdiagramm zeigt die Druckreglerleistung im Hinblick auf Ausgangsdruck (Y-Achse) und Durchflussrate (X-Achse). Der Durchfluss wird nicht vom Druckregler gesteuert; er wird nach dem Druckregler von einem Ventil oder einem Durchflussmesser gesteuert. Das Diagramm zeigt, wie ein Druckregler reagiert, wenn sich der Durchfluss im System ändert.

Die Kurve in Bild 3 beginnt bei 27,5 bar. Dies ist der ursprüngliche Einstelldruck für den Druckregler. Es wurden keine Einstellungen am Druckregler vorgenommen, aber die Kurve zeigt eine Druckänderung an. Die Einstellung des Druckreglers passt sich an, um den ursprünglichen Einstelldruck mit sich änderndem Durchflusses beizubehalten. Aber kein Druckregler ist perfekt. Mit zunehmendem Systemdurchfluss sinkt der Druck an der Ausgangsseite des Druckreglers ab - aber um wie viel?

Diagramm mit mehreren Durchflusskurven

Bild 3: Hersteller bieten oft mehrere Durchflusskurven für einen Druckregler bei unterschiedlichen Eingangsdrücken, um verschiedene Betriebsmöglichkeiten des Druckreglers zu zeigen. Bilder: Swagelok

Zuerst identifiziert der Anwender beim Lesen eines Durchflussdiagramms den Durchflussbereich, den er im System erwarten kann und markiert diese Durchflüsse auf der Kurve, lässt sich ablesen, wie sich der Ausgangsdruck dementsprechend verändern wird. Ist dieser Druckbereich akzeptabel für die Anwendung? Wenn nicht, muss der Anwender nach einem anderen Druckregler suchen.

Idealerweise sollte der Druckregler auf dem geraden Teil der Kurve betrieben werden. Dort wird der Druckregler auch mit starken Durchflussänderungen relativ konstante Drücke beibehalten. An den Enden fallen die Kurven stark ab; dies bedeutet, dass sich der Druck mit einer geringfügigen Durchflussänderung dramatisch ändern wird. Ein Betrieb des Druckreglers in diesen Bereichen ist zu vermeiden.

Form der Kurven muss ähnlich sein

Jeder Druckregler kann eine fast unendliche Anzahl von Kurven erzeugen, daher muss sichergestellt sein, dass die richtige Kurve betrachtet wird. Für jeden Einstelldruck gibt eine bestimme Kurve. Bild 3 zeigt zwei Kurvensätze: einen für einen Einstelldruck von 27,54 bar und einen für einen Einstelldruck von 13,7 bar. Es ist hilfreich, wenn ein Hersteller mehr als einen Kurvensatz zur Verfügung stellt, und diese den Bereich von Einstelldrücken, die mit einem bestimmten Druckregler möglich sind, repräsentieren. Wenn der Einstelldruck zwischen den Kurven liegt, lässt sich interpolieren: Wichtig ist, dass die beiden Kurven fast dieselbe Form haben, sich aber an verschiedenen Stellen auf dem Diagramm befinden.

Es gibt eine weitere Variable, die sich auf die Form einer Kurve auswirkt: der Eingangsdruck, das heißt der Druck, der an der Eingangsseite in den Regler gelangt. Die zwei Kurvensätze in Bild 3 bestehen aus jeweils drei Kurven, die einen Bereich von Eingangsdrücken darstellen. Zum Bestimmen der richtigen Kurve sind der Einstelldruck, der Eingangsdruck und der Durchflussbereich ausschlaggebend.

Druckangaben erfolgen meist in bar oder psig. Durchflussraten variieren je nach Systemmedium. Deshalb muss überprüft werden, ob der Druckregler für den Einsatz mit Flüssigkeiten oder mit Gasen zugelassen ist. Der Durchfluss von Flüssigkeiten wird in der Regel als l/min angegeben, während Gasdurchfluss als Liter pro Minute im Normzustand angegeben wird.

Die Kurven werden in der Regel unter Verwendung von Luft oder Stickstoff (für Gasanwendungen) oder Wasser (für Flüssigkeitsanwendungen) erstellt. Falls das Systemmedium ein Gas ist, muss die Kurve des Herstellers eventuell entsprechend angepasst werden. Gase verdichten sich unterschiedlich, daher muss die Volumeneinheiten des Durchflussdiagramms eventuell mit einem Gaskorrekturfaktor multipliziert werden. Beispielsweise ist der Korrekturfaktor für Wasserstoff 3,8. Dies bedeutet, dass 3,8 Wasserstoffmoleküle dasselbe Volumen haben wie ein Luftmolekül. Der Punkt auf einer Durchflusskurve, der ein Luftdurchflussvolumen von 2.831 l/min im Normzustand anzeigt, zeigt einen vergleichbaren Wasserstoffdurchfluss von 10.760 l/min im Normzustand an. Die Kurve bleibt gleich, aber die Durchflussskalierung ändert sich. Bei Flüssigkeiten ist der Durchflussunterschied zwischen Wasser und anderen Medien aufgrund der Inkompressibilität nicht so deutlich.

Regeldifferenz und andere Feinheiten

Empfehlenswert ist es, am flachsten bzw. horizontalsten Teil einer Durchflusskurve zu operieren. Die ideale Durchflusskurve wäre in der Tat eine Gerade. Allerdings kann aufgrund der inneren Komponenten von Druckreglern kein Druckregler eine vollkommene Gerade für den gesamten Druckbereich erzeugen. Bei einem federbelasteten Druckregler führen längere Federn zu Durchflusskurven mit breiteren horizontalen Abschnitten. Dombelastete Druckregler, bei denen statt einer Feder ein eingeschlossenes Gasvolumen verwendet wird, erzeugen noch breitere horizontale Abschnitte. Elektrisch kontrollierte luftgesteuerte Druckregler sowie dombelastete Druckregler mit externer Rückmeldung erzeugen die breitesten horizontalen Abschnitte. Eine Durchflusskurve besteht in der Regel aus drei Teilen: ein relativ gerader Teil in der Mitte, ein steiler Abfall ganz links und ein steiler Abfall ganz rechts. Der flache Teil in der Mitte ist nicht vollkommen. Er neigt sich in der Regel nach unten und dies wird als Regeldifferenz (Drop) bezeichnet. Mit zunehmendem Durchfluss fällt der Druck je nach Druckreglerkonstruktion leicht oder stark ab. Während dieser Druckabfall am flachen Teil der Kurve unauffällig ist, ist er an den Enden der Kurve recht steil.

Die rechte Seite zeigt den gedrosselten Durchfluss an. Im Flussbereich, der in Bild 4 zu sehen ist, beginnt der Druck bei 3.964 l/min im Normzustand steil abzufallen. Bei rund 4.247 l/min im Normzustand fällt der Druck letztendlich auf 0 ab. An dieser Stelle wurde die Druckregelungskapazität des Druckreglers von dem Durchflussbedarf übertroffen. Hier ist der Druckregler weit offen und regelt den Druck nicht mehr. Er wurde von einer Vorrichtung zur Druckregulierung zu einem offenen Durchlass. Bei einer Erhöhung des Durchflusses bis zu diesem Punkt oder darüber hinaus wird der Druckregler wirkungslos. Aufgrund des starken Druckabfalls sollte ein Druckregler nicht im gedrosselten Durchflussbereich (Durchflussgrenzbereich) betrieben werden.

Durchflusskurve eines Druckminderungsreglers

Bild 4: Auf dieser für einen Druckminderungsregler typischen Durchflusskurve sind mehrere Phänomene zu sehen: der ideale Betriebsbereich, die Regeldifferenz, der gesperrte Durchflussbereich, Sitz-Lastabfall oder Lock-up und der Durchflusskoeffizient Cv

Der Durchflusskoeffizient Cv ist an dem Punkt gemessen, an dem der Durchfluss zum Druckregler ganz gedrosselt ist, sodass der Wert nicht besonders hilfreich ist. Es ist ein schlechter Indikator der Gesamtleistung des Druckreglers. An der linken Seite der Druckreglerkurve (Bild 4), wo anfänglich ein steiler Druckabfall zu sehen ist, kommt es zum Druckabfall bei der Öffnung (Seat load drop). Wird die Kurve von links nach rechts gelesen, muss der Betrachter sich vorstellen, dass sich das System in einem durchflusslosen Zustand befindet. Der Druckregler ist auf einen bestimmten Druck eingestellt, aber es ist kein Durchfluss vorhanden. Wird ein nachgelagertes Ventil langsam geöffnet, beginnt Gas zu strömen. Es kommt sofort zu einem starken Druckabfall, da der Druckregler den Druck an dieser Stelle nicht aufrecht erhalten kann. Falls der Druckregler an diesem steilen Abfall der Kurve betrieben wird, kommt es eventuell zu ratternden oder zischenden Geräuschen, wenn der Druckregler abwechselnd mit und ohne Durchfluss betrieben wird. Wird die Kurve von rechts nach links angesehen, bedeutet das, dass das System auf dem flachen Teil der Kurve betrieben wird. Wird ein nachgelagertes Ventil langsam geschlossen, sinkt der Durchfluss fast auf 0. Auf der Kurve nach oben wird ein Zustand ohne Durchfluss erreicht; der Druckregler hat Schwierigkeiten, den eingestellten Druck beizubehalten. Ab hier sind möglicherweise Rattergeräusche zu hören. Irgendwann schnappt der Druckregler zu, und der Durchfluss wird angehalten. Das wird Absperrdruck (Lock-up) genannt.

Entscheider-Facts für Betreiber

  • Bei der Auswahl eines Druckreglers für die jeweilige Anwendung sollte die Durchflusskurve und nicht der Durchflusskoeffizient Cv zu Rate gezogen werden.
  • Von großer Wichtigkeit ist, sich die für den individuellen Fall passende Kurve anzusehen. Die Kurve muss den richtigen Druck wiederspiegeln, auf den der Druckregler eingestellt werden soll.
  • Darüber hinaus sollten die richtigen Einheiten verwendet werden.
  • Beim Systemmedium Gas sind möglicherweise Korrekturen vorzunehmen.

Einen Link zu unseren Druckreglern finden Sie hier.

Autor: Bill Menz, Swagelok 18.02.2013 | http://www.chemietechnik.de/texte/anzeigen/118347/Lesen-von-Druckregler-Durchflussdiagrammen-Teil-1 Ausgabe:01/2013 Februar