Welches Regelventil sollten Sie verwenden?

Ein Regelventil dient dazu, einen Durchfluss durch Änderung des Durchmessers einer Öffnung (Düse) zu regulieren, indem ein Stellsignal – z.B. durch einen integrierten PID-Controller in einem Durchflussmesser – angelegt wird. Das Regelventil ist das bei weitem am häufigsten verwendete Zubehör in der Durchflussregelung.

Je nach Anwendung ist meistens sofort klar, ob Ihr Massendurchflussregler ein Absperrventil mit Shut-off-Funktion oder ein Regelventil benötigt oder ob ein normal geöffnetes oder normal geschlossenes Ventil benötigt wird. Innerhalb der Gruppe der Regelventile gibt es eine Reihe von verschiedenen Ventilen, die jeweils ihre eigenen Parameterbereiche und Vor- und Nachteile haben.

In diesem Blog möchte ich einige Regelventile vorstellen, die für hohe absolute Drücke oder Differenzdrücke geeignet sind und solche, die für große Durchflüsse bei sehr kleinen Differenzdrücken zum Einsatz kommen.

Regelventile für Massendurchflussmesser

Regelventile können als integraler Teil von Massendurchflussreglern und Druckreglern oder als separates Bauteil in Kombination mit einem Durchfluss- oder Druckmessgerät geliefert werden. Zusammen mit einer Rückkopplungsschleife vom Massendurchflussregler oder Druckregler steuert das Regelventil die Durchflussmenge, die durchläuft, um auf einen vorgegebenen Durchfluss- oder Drucksollwert zu gelangen.

Das Direktregelventil

Dieses Regelventil besteht aus einer Düse, die den Durchfluss reguliert und einer Dichtfläche, die die Größe der Düsenöffnung reguliert. Damit ergibt sich eine direkte Regelung des Durchflusses, der je nach Öffnungsgrad den Durchfluss durch das Ventil begrenzt. Ein Direktregelventil ist relativ schnell, kostengünstig und benötigt wenig Energie, um einen Durchfluss zu regeln. Der Nachteil ist allerdings, dass solche Ventile nur für begrenzte Druck- und Durchflussbereiche geeignet ist.

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

Nehmen wir mal ein elektromagnetisches Ventil als Beispiel:

Bei einem Regelventil wird die zum Öffnen des Ventils benötigte Kraft (F) durch den Düsendurchmesser (d) und die Druckdifferenz (Δp) über das Ventil bestimmt (*F ~ Δp ¼ d2**). Wenn entweder die Druckdifferenz oder der Öffnungsdurchmesser höher wird, öffnet sich das Direktregelventil aufgrund dieser Kraft nicht ausreichend. Das sind z.B. > 15 N für einen 200 bar Differenzdruck über eine 1 mm Öffnung: die Kraft ist so groß, dass das Ventil zugedrückt wird.

Ein elektromagnetisches Ventil bringt etwa 5 N auf den Ventilstempel. Es besteht natürlich die Möglichkeit, eine stärkere Spule zu verwenden, damit mehr Kraft aufgebracht werden kann, allerdings wird dann auch mehr Energie benötigt. Massendurchflussregler haben häufig nur sehr begrenzte Spannungsversorgung, hinzu kommt außerdem, dass sich die Spule damit auch viel stärker erwärmt und dies kann die Messung und damit das Regelverhalten beeinflussen. Daraus resultiert ein begrenzter Durchflussbereich, der proportional zum Druck ist und quadratisch vom Düsendurchmesser abhängt.

Summa summarum sind diese Ventile auf Grund dieser Restriktionen nicht geeignet für hohe Durchflüsse, hohe Absolut- und Differenzdrücke. Das Direktregelventil ist geeignet für Durchflüsse von 1 mln/min bis etwa 50 ln/min.

Welche Alternativen gibt es?

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

Alternative 1) Direktregelventil für hohe Drücke

Die einfachste Lösung, um mit höheren Drücken umgehen zu können, ist eine Neugestaltung des direkten Regelventils. Da die Öffnungsgröße begrenzt ist, kann sie für relativ kleine Ströme (bis zu 20 ln/min) verwendet werden. Um die größeren Druckunterschiede, bis zu 200 bar Differenzdruck (bar d) zu bewältigen, müssen der Ventil- und Massendurchflussreglerkörper robuster sein. Die meisten Regelventile können nicht mit einem Druckstoß von 200 bar d umgehen; entweder kann das Dichtungsmaterial zerreißen, oder mechanische Teile können die plötzlichen Kraftpausen, die bei 200 bar d möglich sind, nicht bewältigen.

Die Abmessungen dieses Regelventils sind nur wenig größer als die eines Standardventils, das gilt auch für den gesamten Massendurchflussregler in Kompaktbauweise. Auf der anderen Seite sind sehr geringe Durchflüsse allerdings häufig begrenzt auf Grund von Leckage durch das Ventil bei hohen Druckdifferenzen.

Indirektes Regelventil

Alternative 2) Indirektes Regelventil, 2-stufiges Regelventil

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

Ein indirektes Regelventil oder 2-stufiges Regelventil besteht aus:

einem Direktregelventil als Pilotventil (A) wie bereits oben beschrieben, das keine zusätzliche Stromversorgung benötigt.
einem zusätzlichen Ventil im Körper mit einer Druckkompensation (B), das für die Aufrechterhaltung ein konstanten Druckdifferenz (P1-P2) von nur wenigen bar über das Pilotventil (A) beibehalten muss. Damit ist es möglich, dass sich Eingangs- und Ausgangsdruck ändern, ohne dass es das Regelverhalten des Ventiles beeinflusst. Die Kraft über die Druckkompensation hält das Ventil geschlossen, nur wenn das Ventil selbst öffnet, wird die Druckkraft soweit reduziert, dass das eigentliche Regelventil öffnet und den Durchfluss regelt.

Das indirekte Regelventil besteht also aus zwei Ventilen in Serie (A+B) und sowohl der Druckabfall als auch die Düsengröße bestimmen den resultierenden Durchfluss.

Die Nachteile eines solchen Ventils sind seine Größe und seine relativ hohen Kosten. Außerdem ist eine gewisse minimale Druckdifferenz zwischen Vordruck und Nachdruck notwendig, um den druckkompensierenden Teil zu schließen. Die Düsengröße selbst ist ebenfalls limitiert, so dass zum Beispiel für einen Durchfluss von 200 ln/min ein Vordruck von > 150 bar a notwendig ist. Um diese Durchflüsse zu realisieren wird ein anderer Ventil-Typ benötigt, z.B. ein druckkompensiertes Ventil wie ein Faltenbalgventil.

Druckkompensierte Ventile

Alternative 3) Druckkompensierte Ventile

Es ist möglich, größere Düsenquerschnitte einzusetzen, um mit einem Direktregelventil höhere Durchflüsse zu regeln. Um dies zu erreichen muss die Druckkraft im Ventil reduziert werden. Das ist zum Beispiel mit einem druckkompensierten Faltenbalgventil möglich, bei dem die effektive Düsengröße für die Druckkraft signifikant reduziert wird. Mit dem Balgenventil können Durchflüsse von mehreren hundert Litern pro Minute mit einer minimalen Druckdifferenz geregelt werden. Allerdings ist hier der Vordruck auf Grund der Bauart eingeschränkt und ein solches Ventil ist deutlich größer und kostenintensiver als ein normales direktgesteuertes Regelventil.