Die Bibliothek der Technik Band 298

Industrielle ProzessregelventileSchlsselkomponenten fr Anlagensicherheit und -wirtschaftlichkeit

verlag moderne industrie

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

InhaltAuf Hchstleistung ausgelegt 4 6 Anlagenfunktion und ProzessintegrationGrundfunktionen von Prozessregelventilen (6) Arbeitsbereich eines Regelventils (8) Ventilkapazitt (Durchflusskoeffizient) (9) bertragungsfunktion und Ventilkennlinie (10) Ventilnennweite (12) Einbindung in das Rohrnetz (13) Ventilantriebe (13) Stellungsregler (15) Instrumentierung (18)

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

Bedeutung fr Wirtschaftlichkeit und AnlagensicherheitEinflussfaktoren auf die Gesamtwirtschaftlichkeit (19) Anlagensicherheit und SIL-Einstufung (28) Anlagensicherheit durch Explosionsschutz (30)

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Spezifizierung und Auswahlkriterien fr Regelventile

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Datenblatt fr Regelventile (33) Berechnung des Durchflusskoeffizienten, Auswahl der Ventilinnengarnitur und Ventilnennweite (34) Auswahl der Ventilkonstruktion (41) Auswahl der Materialien fr Ventilgehuse und -innengarnitur (44) Auswahl der Werkstoffe fr Dichtelemente (48)

Emissionenuere Dichtheit (50) Innere Dichtheit (54) Schallemissionen (56)

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Moderne Lsungen fr spezielle Einsatzbereiche 2006 Alle Rechte bei sv corporate media, D-80992 Mnchen http://www.sv-corporate-media.de Abbildungen: ARCA Regler GmbH, Tnisvorst Satz: abavo GmbH, D-86807 Buchloe Druck und Bindung: Sellier Druck GmbH, D-85354 Freising Printed in Germany 889044 ISBN-10: 3-937889-44-2 ISBN-13: 978-3-937889-44-3Regelventile in der Energiewirtschaft (60) Regelventile fr Druckwechselanlagen (62) Pumpgrenzregelventile an Turboverdichtern (63)

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Basiswissen ber Prozessarmaturen Der Partner dieses Buches

66 71

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Auf Hchstleistung ausgelegt 5

Auf Hchstleistung ausgelegtDer ICE 3 mit seiner Hchstgeschwindigkeit von 330 km/h verfgt mit der elektrischen Bremse als einem von drei Bremssystemen ber eine Bremsleistung von 8200 kW. Ein faszinierender Wert doch nur ein Bruchteil dessen, was Regelventile, sozusagen die Bremsen in einem industriellen Prozess, zu leisten im Stande sind. So drosselt beispielsweise ein in einer typischen Bypass-Station fr eine Hilfsturbine eingesetztes Dampfumformventil (Abb. 1) mit einer Nennweite (DN) 400 71,6 t/h Dampf von einem Eingangsdruck von 38,5 bar auf 0,9 bar Absolutdruck. Die hierfr errechnete Verlustleistung am Ventil betrgt ber 21100 kW. Dieses mit DN 400 nicht besonders groe Regelventil beherrscht also das 2,5fache der auergewhnlichen Bremsleistung eines ICE 3. Das macht einerseits die Faszination von Prozessregelventilen aus, stellt andererseits jedoch auch eine groe Herausforderung fr die Ventilhersteller dar. Denn an Stellen im industriellen Prozess, an denen so viel Leistung beherrscht werden muss, sind Fehler in Auslegung und Betrieb auerordentlich kostenintensiv. Ganz gleich ob in Kraftwerken, ob in der Chemie, Petrochemie, Nahrungsmittelindustrie oder in der Gasversorgung sowie Wasserver- und -entsorgung, Regelventile sind die entscheidenden Eingriffstellen innerhalb von Prozesskreislufen. Sie gewhrleisten die Herstellung von Produkten optimaler Qualitt unter wirtschaftlichen Bedingungen. Die Intention dieses Buchs ist es, die Bedeutung von Regelventilen als wichtige Schnittstellen innerhalb komplexer industrieller Prozesse und als Schlsselkompo-

Abb. 1: Dampfumformventil in Eckform

2,5fache Leistung des ICE-Bremssystems

Entscheidende Eingriffstellen im Prozess

nenten fr Anlagensicherheit und -wirtschaftlichkeit aufzuzeigen. Der Schwerpunkt der Darstellung liegt auf der Gruppe der am weitesten verbreiteten Regelventile den Hubventilen. Hier findet der Leser einen kompakten berblick, der das Verstndnis fr diese Hochleistungsaggregate erleichtern soll.

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Grundfunktionen von Prozessregelventilen 7

Anlagenfunktion und ProzessintegrationFhrungsbuchse

Nutmutter zur Befestigung des Stellantriebs Packungssatz/ Stopfbuchse

Abb. 3: Wesentliche Bauteile eines Regelventils

Vermittlerfunktion

Regelventile sind in Prozesskreislufen die hufigsten, kontinuierlich wirkenden Aktoren zur gezielten Beeinflussung und Fhrung der Prozesse. Sie sind das verbindende Glied und Vermittler zwischen elektronischer Leittechnik und dem Prozessmedium. Gleichzeitig fungieren sie als verbindende Glieder zwischen den einzelnen Prozessphasen, bestimmen dabei den kontinuierlichen Prozessfluss und gleichen die unterschiedlichen Druckniveaus einander an. Andere zum Beispiel in Heiz- und Khlkreislufen eingesetzte Regelventile greifen indirekt in den Prozess ein.

Deckelflansch

Ventilspindel

Distanzrohr

Parabolkegel

Grundfunktionen von ProzessregelventilenDas Prozessregelventil ist einerseits Teilnehmer im digitalen Datenfluss und andererseits ausfhrender Arm im Prozessstrom (Abb. 2).Sicherheitsstellung

Klemmsitz

Sitzdichtung Gehusedichtung

Ventilgehuse

Hilfsenergie Druckluft Sollposition i

Endlagensignale

Pneum. Antrieb Hub

Stellungsregler

y

Abb. 2: Regelventilschnittstellen und Komponenten

Prozessstrom

Regelventil

In Zeiten modellgesttzter Prozessfhrung und digitaler Leittechnik ist ein Regelventil im Aufgabenbereich der Leittechnik alleine jedoch nur unzureichend dargestellt. Im Wesentlichen handelt es sich bei ihm um eine Rohrleitungskomponente mit komplexer Wechselwirkung zu den verfahrenstechnischen Ablufen. In der Energiebilanz eines jeden Prozesses erscheint die fr die Regelung erforderliche Druckdifferenz ber das Ventil als Verlustleistung, jedoch ist hufig der kontrollierte Druck-

Rohrleitungskomponente

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Anlagenfunktion und Prozessintegration abbau die primre Aufgabe des Ventils, beispielsweise bei der Entspannung eines Druckbehlters. Abbildung 3 zeigt anhand der wesentlichen Komponenten den Aufbau eines modernen Regelventils. Bei der Auslegung eines Regelventils sind unabhngig von der eigentlichen Aufgabe, die es im jeweiligen Prozess zu erfllen hat, generell vier wesentliche Aspekte zu beachten: Verfahrenstechnisches Konzept der erforderlichen Arbeitspunkte und Betriebszustnde Sicherheitskonzept und Strverhalten Leittechnisches Konzept mit Kommunikationsweg und Antriebsphilosophie Regelungstechnisches Konzept mit Stelldynamik und Zeitverhalten

Ventilkapazitt (Durchflusskoeffizient) 9 Neben den Anforderungen des in normalen Grenzen ablaufenden Prozesses mssen bei der Regelventilauslegung auch Sonder- und Extremsituationen bercksichtigt werden. Dazu zhlt das Verhalten im Falle eines kontrollierten Abschaltvorgangs (Dichtschliefunktion) genauso wie das Verhalten im Falle von Signalbruch oder bei Ausfall der Hilfsenergie. Ferner sind die Leckageforderungen an das geschlossene Ventil festzulegen. Es empfiehlt sich hierbei eine Beschrnkung auf das tatschlich Ausreichende, denn Regel- und Dichtschliefunktion sind unter konstruktiven Gesichtspunkten eher gegenlufige Forderungen und somit nur mit aufwndigen Manahmen zu erreichen.

Bercksichtigung von Extremsituationen

Zentrale Auslegungsaspekte

Arbeitsbereich eines RegelventilsPrimre und gleichermaen komplexeste Aufgabe bei der Projektierung eines Regelventils ist die Bestimmung seines Arbeitsbereichs. Hier lohnt eine przise Auslegung und Berechnung besonders, da in dieser Phase wesentlich die installierten Leistungen der Aggregate, Leitungsquerschnitte und Ventildimensionen festgelegt werden. Dabei sind die installierten Komponenten vor und hinter dem Regelventil bis zu den Grenzen zu bercksichtigen, die eine strmungstechnische Entkopplung der Anlagenteile erlauben. Ein Regelventil ist primr immer ein Mengenregelventil und die sich vor und hinter dem Ventil einstellenden Drcke sind ein Ergebnis der vor- und nachgeschalteten Systemkomponenten und deren Kennlinien. Wie allgemein in der Regeltechnik gilt auch hier, dass eine optimierte Regelstrecke der effizienteste und auch wirtschaftlichste Regler ist.

Ventilkapazitt (Durchflusskoeffizient)Berechnungsverfahren fr den Durchflusskoeffizienten definiert durch den Kv-Wert sind in zahlreichen Publikationen beschrieben. Im Gegensatz zu dem bei der Berechnung von Rohrleitungssystemen verwendeten -Wert, der den spezifischen Strmungswiderstand eines jeden Rohrleitungselements beschreibt, gibt der bei Regelventilen verwendete Kv-Wert den Durchfluss eines Regelventils in m3/h unter normierten Bedingungen (Medium Wasser bei 1 bar Differenzdruck) an. Der Kvs-Wert (Nenndurchflusskoeffizient) ist der Kv-Wert des Regelventils bei Nennhub. In der amerikanischen Normung ist fr den Durchfluss der Cv-Wert blich, der den Duchfluss in gpm (gallons per minute) bei 1 psi (lb/in2) Differenzdruck angibt. Der Umrechnungsfaktor zwischen beiden Systemen betrgt: Cv 1 = Kv 0,886. Zur Berechnung werden heute fast ausschlielich komfortable Berechnungsprogramme eingesetzt. Fr eine berschlgige

Entscheidende Projektierungsphase

Durchfluss unter normierten Bedingungen

Funktion Mengenregelung

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Anlagenfunktion und Prozessintegration Abschtzung dienen die im Kapitel Basiswissen ber Prozessarmaturen aufgefhrten Faustformeln (siehe S. 68).

bertragungsfunktion und Ventilkennlinie 11

a)

FC

Durchflussregler

bertragungsfunktion und VentilkennlinieFr das Regelkonzept ist die bertragungsfunktion des Ventils, die den Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangssignal beschreibt, bedeutend. Doch was ist das Ausgangssignal eines Regelventils? Die zu regelnden Prozessgren wie Druck, Fllstand oder Temperatur sind letztlich nur Folge der Mengenregelung des Ventils und diese wiederum ist bestimmt durch die Drosselung. Somit beschreibt die statische bertragungsfunktion den Zusammenhang zwischen Eingangssignal und Durchflussquerschnitt. Wesentliche Zwischengre in dieser Signalfolge ist der Hub des Ventils bzw. die Stellung des Regelkegels. Der Regelkegel hat eine Kontur, die je nach Hubstellung einen mehr oder weniger groen Querschnitt freigibt ausgehend von einem regelbaren Anfangswert bis zu einem Maximalwert. Den Quotienten aus Anfangs- und Maximalwert bezeichnet man als Stellverhltnis. Dieses legt im Wesentlichen fest, ob die erforderlichen Prozesszustnde gefahren werden knnen. Der Verlauf zwischen diesen Werten wird durch die Kennlinie des Ventils beschrieben. Die Wahl der Kennliniencharakteristik ist Gegenstand vieler Theorien, wobei in der Praxis meist nur zwischen linearen oder gleichprozentigen Kennlinien zu whlen ist. Ziel ist grundstzlich die mglichst konstante Regelverstrkung ber den gesamten Arbeitsbereich. Abbildung 4 zeigt am Beispiel einer zur Khlung des Rohstahls in einer Stranggussanlage eingesetzten Spritzbalkenregelung (Abb. 4a),Pumpe Regelventil Dsen

Volumenstrom [m3/h]

20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 30 Dsen Differenzdruck am Regelventil Pumpe

Ventilhub als wesentliche Zwischengre

b) Volumenstrom [m3/h]20 15 10 5 0 0

Differenzdruck/Frderhhe [bar]

Anlagenkennlinie bei linearer Ventilkennlinie Anlagenkennlinie bei gleichprozentiger Ventilkennlinie Lineare Ventilkennlinie 20 40 60 80 100 Gleichprozentige Ventilkennlinie

Abb. 4 (gegenber): a) Spritzbalkenregelung b) Spritzdsen- und Pumpenkennlinie c) Ventil- und Anlagenkennlinie bei linearer und gleichprozentiger Kennlinie

c)

Hub [%]

wie jeweils drei Kennlinien ineinandergreifen. In Abbildung 4b sind die Kennlinien der Spritzdsen und der Pumpe zu sehen, Abbildung 4c zeigt den Einfluss der Ventilkennlinien (linear und gleichprozentig) auf die Anlagenkennlinie. Systemgrenzen sind der als

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Anlagenfunktion und Prozessintegration konstant angenommene Tankfllstand und der Umgebungsdruck hinter den Dsen. Wenn es keine eindeutige technische Prioritt fr eine gleichprozentige Kennlinie gibt, sollte bei Hubventilen aus wirtschaftlichen Grnden eine lineare Kennlinie gewhlt werden. Regelkegel mit gleichprozentiger Kennlinie mssen tendenziell mit grerem Kvs-Wert gewhlt werden. Hufig eingesetzte Loch- und Kfigkegel bentigen fr ein gleichprozentiges Lochbild ohnehin einen greren Sitzdurchmesser oder einen greren Ventilhub und erfordern daher hhere Stellkrfte. vorgnge gasfrmiger Medien sowie fr Flssigkeiten mit Temperaturen nahe dem Siedepunkt an, die nach einer Druckabsenkung ausdampfen.

Ventilantriebe 13

Standard: lineare Kennlinie

Einbindung in das Rohrnetzbliche Anschlussformen vom Ventil zur Rohrleitung sind Flansch-, Schwei- oder Schraubverbindungen. Flanschverbindungen stellen die mit Abstand hufigste Verbindungsform dar, whrend Schweiverbindungen vor allem in Hochdruckleitungen von Wasser-/ Dampfkreislufen eingesetzt werden. Vorteile einer direkten Schweiverbindung sind die hermetische und dauerhafte Dichtheit. Ein deutlicher Nachteil dagegen ist die eingeschrnkte Reparaturmglichkeit, da von modernen Armaturen ein unproblematischer Austausch der Verschleikomponenten vor Ort gefordert wird. Einschweiarmaturen sind in der Regel teurer, weil werksseitig bereits Stahlrohrstcke, so genannte Vorschuhenden, an den Gussgehusekrper angeschweit werden, um an der Rohrleitungsseite eine unproblematischere Materialpaarung zu erhalten. Generell betrachtet ist ein Regelventil nicht nur als Ventil, sondern auch als Rohrleitungselement zu sehen. Deshalb ist ber Bypassund Absperrventile sicherzustellen, dass bei einem mglichen Ausfall des Regelventils dieses fr Wartungs- und Reparaturarbeiten aus dem Kreislauf genommen werden kann, ohne dass der Betrieb unterbrochen werden muss. Flanschoder Schweiverbindungen

VentilnennweiteDie erforderliche Durchflusskennzahl und die Ausfhrung der Ventilgarnitur also Kegelform (ein- oder mehrstufige Ausfhrungen) und Kennlinie bestimmen wesentlich den Raumbedarf, d. h. die Nennweite des Ventils. ber die regelnden Stufen hinaus muss das Gehuse mglicherweise auch ungeregelte feststehende Drosselstufen (Lochscheiben, Lochkfige, Strmungslabyrinthe) aufnehmen. Neben diesen rumlichen Voraussetzungen sind auch mechanische Aspekte zu bercksichtigen. In der Regel sollte die Ventilnennweite nicht grer als die Rohrnennweite, wegen der Biege- und Torsionsmomente innerhalb der Rohrleitung jedoch nicht kleiner als die halbe Rohrnennweite sein. Ferner mssen auch die Strmungsgeschwindigkeiten am Ventileinund Ventilaustritt bercksichtigt werden. Medien mit Feststoffen erfordern besonders viel Raum. Fr diese Art von Frdermedien werden Hubventile mit einer Eckform eingesetzt, die zur Austrittsseite hin eine freie Abstrmung des Frdermediums ohne Umlenkung ermglichen. Diese Bauform bietet sich auch fr stark expandierende Entspannungs-

Nennweite als Funktion des Kvs-Werts

Mechanische Aspekte

Wartung bei laufendem Betrieb

VentilantriebeStellantriebe dienen zur Positionierung des Ventilkegels entsprechend den Vorgaben des Leitsystems. Drei Antriebskonzepte sind in der Verfahrenstechnik gebruchlich:

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Anlagenfunktion und Prozessintegration pneumatische elektrische elektrohydraulische Umgebungsbedingungen (Schutzklasse, Temperatur, Korrosion) Handbettigung fr Notflle (erforderlich oder nicht erforderlich)

Stellungsregler 15

Pneumatische, ...

... elektrische sowie ...

... elektrohydraulische Antriebe

Pneumatische Ventilantriebe sind kostengnstig, problemlos in explosionsgefhrdeten Bereichen einsetzbar, verfgen ber geringe Stellzeiten, eine konstante Dichtschliekraft sowie ber einfach realisierbare Sicherheitsstellungen. Sie sind deshalb in der Verfahrenstechnik die erste Wahl. Elektrische Ventilantriebe sind dynamisch stabil und przise, eine direkte Ansteuerung durch den Prozessregler ist mglich. Auch wenn die Primrenergie kostengnstiger ist, so muss fr Sicherheitsfunktionen und beim Einsatz in explosionsgefhrdeten Bereichen ein hoher Aufwand betrieben werden. Elektroantriebe sind darber hinaus relativ langsam. Elektrohydraulische Antriebe zeichnen sich zwar durch sehr gute Dynamik und Stabilitt, durch Schnelligkeit bei gleichzeitig hohen Stellkrften sowie durch flexible Sicherheitsfunktionen aus, ihr Nachteil besteht aber darin, dass sie teuer und aufwndig herzustellen sind. Abhngig vom gewhlten Ventiltyp und den Erfordernissen des Prozesses sind folgende Kriterien bei der Wahl des Antriebs zu bercksichtigen: Schalt- oder Regelanwendung (welche Regelgenauigkeit ist erforderlich?) Vorhandene Primrenergie (Druckluft oder Stromversorgung) Sicherheitsstellung Bentigte Stellkraft Erforderlicher Hub (sind einstellbare Endanschlge erforderlich?) Anforderungen an die Hubsteifigkeit des Antriebs Zulssige Linearittsabweichung der Antriebskennlinie

StellungsreglerStellungsregler dienen dazu, die in der Regeltechnik blichen Einheitssignale mit einem Druck von 0,2 bis 1,0 bar oder einer Stromstrke von 4 bis 20 mA in einen fr den Ventilantrieb (meist pneumatischer Antrieb) nutzbaren Stelldruck (im Rahmen des in der Anlage verfgbaren Zuluftdrucks) umzusetzen. Der Stellungsregler bildet dabei mit dem Antrieb einen dem Prozessregelkreis untergeordneten Regelkreis. Mikroprozessorgesteuerte Stellungsregler (intelligente Stellungsregler bzw. smart positioner) verfgen ber vielfltige Parametrierungsmglichkeiten, die sowohl vor Ort als auch ber das Kommunikationssystem eingestellt werden knnen. Die Anbindung an das Prozessleitsystem erfolgt ber bidirektionalen Datenaustausch, der ber Stellsignal und Stellungsrckmeldung hinausgeht. Zum Einsatz kommen unter anderem Highway Adressable Remote Transducer (abgekrzt HART), bei denen die Statusinfomationen dem analogen Stellsignal als digitales Signal aufmoduliert werden, sowie die echten Feldbusse, Profibus (PA) und Foundation Fieldbus, bei denen sowohl das Stellsignal als auch die Statusinformationen digital bertragen werden. Stellungsregleranbau Fr den Anbau und die mechanische Koppelung der Stellungsregler an den Antrieb wurde seitens der chemischen Industrie die Namur-Richtlinie entwickelt, die sich international auch in der IEC 60534-6-1 durchgesetzt hat. Diese Richt-

Umwandlung in nutzbaren Stellungsdruck

Bidirektionaler Datenaustausch

Kriterien fr Antriebswahl

NamurRichtlinie

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Anlagenfunktion und Prozessintegration linie ermglicht den Austausch von Stellungsreglern verschiedener Hersteller. Mit dem Aufkommen intelligenter Stellungsregler erwies sich der Namur-Anbau jedoch als nicht mehr stabil genug. In der Folge entwickelte sich ein Trend hin zu direkt oder integriert angebauten Stellungsreglern. Hierbei haben sich zunehmend die Werksstandards namhafter Ventilhersteller etabliert, die in fast allen Fllen auch eine in den Antrieb integrierte Luftfhrung zwischen Stellungsregler und Stellantrieb beinhalten. Eine technisch sehr interessante Alternative fr den Stellungsregleranbau stellt ein von einer aus Herstellern und Anwendern gebildeten Arbeitsgruppe entwickelter Anbau nach VDI/VDE 3847 dar (Abb. 5). Das offene Konzept erlaubt den Anbau an einfach oder doppelt wirkende Antriebe, zustzlich ist generell eine Anschlussflche zum Direktanbau eines Magnetventils vorhanden. Einbindung von intelligenten Stellungsreglern in das Leit- bzw. Wartungssystem Steigende Funktionalitt und wachsende Parametriermglichkeiten von Feldgerten sowie die gleichzeitige Reduzierung des Betriebspersonals erfordern es, eine weitgehende Kontrolle ber alle Feldgerte zentral vom Prozessleitsystem bzw. von einer Wartungskonsole aus sicherzustellen. Feldbusse wie Profibus und Foundation Fieldbus, aber auch moderne HART-Systeme ermglichen die individuelle Adressierung und den Datenaustausch mit jedem Feldgert. ber den reinen Datenaustausch hinaus muss aber gewhrleistet sein, dass das bergeordnete System die Eigenschaften und Einstellmglichkeiten aller angeschlossenen Feldgerte kennt und diese dem Bediener auch optisch anzeigen kann. Hierzu haben sich mit Electronic Device Description (EDD) und Field Device Tool/Device Type Manager (FDT/DTM) zwei gegenstzliche Philosophien entwickelt. Bei der Einbindung mittels EDD handelt es sich um eine standardisierte Textdatei, die die Signale und Eigenschaften des Feldgerts ausfhrlich beschreibt. Die Benutzeroberflche wird hierbei seitens des bergeordneten Systems vorgegeben, ist also nicht speziell auf das jeweilige Gert abgestimmt. Zuknftige Versionen der EDD sollen jedoch den Nachteil dieses Konzepts weitgehend kompensieren. Die FDT/DTM-Technologie stellt seitens des bergeordneten Systems eine FDT-Software

Stellungsregler 17

Direkter oder integrierter Anbau

Zentrale Kontrolle ber die Feldgerte

Visualisierungsmglichkeiten

EDD-Konzept

Abb. 5: ARCAPRO-Stellungsregleranbau nach VDI/VDE 3847

FDT/DTMTechnologie

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Anlagenfunktion und Prozessintegration (z. B. PACTware, FieldCare) zur Verfgung, in die beliebig viele DTMs der Feldgerte eingebunden werden. Zustzlich zu Informationen ber das Feldgert stellt der DTM auch eine individuelle Darstellung fr jedes Feldgert zur Verfgung. Man kann sich den DTM wie einen Gertetreiber bei Computern vorstellen, der auch in das Betriebssystem eingebunden wird und fr jedes Gert eine spezielle Darstellung beinhaltet. Die heutige Generation digitaler Stellungsregler bietet die FDT/DTMTechnologie als Alternative zum EDD-Konzept. Der auf Basis der FDT-Spezifikation 1.2 entwickelte DTM erleichtert insbesondere die Nutzung der erweiterten Diagnose.

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Bedeutung fr Wirtschaftlichkeit und AnlagensicherheitWirtschaftlichkeit und Sicherheit von Anlagen sind sehr eng miteinander verknpft. Regelventile nehmen hinsichtlich beider Kriterien Schlsselrollen ein, da sie entscheidend die Qualitt der Prozesse und die Verfgbarkeit der Anlagen beeinflussen. Lebenszykluskosten, die Sicherheit fr Menschen und Umwelt sowie der Explosionsschutz in Anlagen sind bei der Beurteilung von Regelventilen wesentlich. Schlsselrolle

InstrumentierungNeben Stellungsreglern sind im Einzelfall weitere Instrumentierungen erforderlich. Dies knnen beispielsweise sein: Endlagenschalter und Wegindikatoren (in bestimmten Anwendungen unabhngig vom Stellungsregler) Magnetventile fr sicherheitsgerichtete Ventilstellungen (meist auf/zu) Leistungsverstrker (auch Booster genannt) zur Verringerung der Stellzeiten bei Antrieben mit groem Luftvolumen Pneumatische Verblockventile, die bei Instrumentenluftausfall die aktuelle Ventilposition einfrieren Pneumatische Filterregler zur Aufbereitung der Instrumentenluft Pneumatische Schnellentlftungen zum schnellen Anfahren von Sicherheitsstellungen

Einflussfaktoren auf die GesamtwirtschaftlichkeitZu den Lebenszykluskosten eines Regelventils zhlen die Kosten fr Auswahl und Planung, die Investition selbst, aber auch die Kosten fr Einbau und Schulung des Personals. Whrend des Betriebs fallen Kosten fr Wartung, Verschlei und mglichen Ausfall, Reparatur, Ersatzteile, Energie sowie Kosten fr eventuelle Umweltschden an. Weiter zu beachten sind die Kosten fr Entsorgung und Aufbereitung. Die individuelle Bauart eines Regelventils und die konstruktive Ausfhrung seiner aktiv bewegten Bauteile haben erheblichen Einfluss auf die Lebenszykluskosten-Betrachtung. Mit modernen Lsungen wie beispielsweise Mehrfeder-Membranantrieben, Ventilsitz-Schnellwechselsystemen, zuverlssigen Spindelabdichtungen, intelligenten Stellungsreglern mit Diagnosefunktionen sowie piezogesteuerten Stellungsreglern mit vernachlssigbarem Luftverbrauch

Wesentliche Kosten

Weitere Instrumentierungen

Optimierungslsungen

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Bedeutung fr Wirtschaftlichkeit und Anlagensicherheit lassen sich die Qualitt der Prozessfhrung und damit die Qualitt des hergestellten Produkts auf hchstem Niveau sichern, Betriebsund Wartungskosten minimieren und damit die Gesamtwirtschaftlichkeit von Industrieprozessen optimieren. Kompakter Mehrfeder-Membranantrieb Moderne federbelastete Membranantriebe (Abb. 6) sind nicht nur besonders kompakt ausgefhrt, sondern bieten einige konstruktive Besonderheiten, die der Betriebssicherheit und Standzeit und damit der Wirtschaftlichkeit dienen. Zu nennen sind beispielsweise: Rohrloser Stellungsregleranbau Beschleierungssystem durch Nutzung der gebrauchten Instrumentenluft zum Schutz der Membrankammer vor Umgebungseinflssen Rollmembranen mit Membraneinspannung im KraftnebenschlussAntriebsgehuse Membran

Einflussfaktoren auf die Gesamtwirtschaftlichkeit 21 Die rohrlose Luftverbindung zwischen Stellungsregler und Membrankammer des Antriebs fhrt das Stellsignal funktionssicher ber interne Kanle durch die Antriebslaterne. Verrohrung oder Verschraubungen fr die Luftzufhrung sind unntig. Das Verbiegen von Rohren oder Leckagen an den Verschraubungen und daraus entstehende Fehlfunktionen sind somit ausgeschlossen. Bei konventionellen Membranantrieben wird die bei der Hubbewegung des Antriebs verdrngte Luft durch eine Atmungsffnung gegen die Umgebungsluft ausgeglichen. Ist die Atmosphre mit aggressiven Bestandteilen belastet, kann die in den Antrieb eingesaugte Luft durch Kondensatbildung schon innerhalb kurzer Zeit erhebliche Korrosion hervorrufen. Dies wird bei modernen Antrieben dadurch vermieden, dass Instrumentenluft nicht nur zur Bettigung des Antriebs, sondern danach (als Abluft des Stellungsreglers) zur Beschleierung des Federraums genutzt wird und diesen somit trocken und korrosionsfrei hlt (Abb. 7). Rohrlose Luftverbindung

Abb. 6: Moderner Mehrfeder-Membranantrieb

Vermeidung von KorrosionAbb. 7: Stellungsregleranbau mit Beschleierung

Be- und Entlftungsstopfen

Federn

Arbeitsluft

Antriebsspindel

Zentralbefestigung mit Fhrung und Dichtung

Integrierte Laterne

Abluft

Beschleierung Zuluft

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Bedeutung fr Wirtschaftlichkeit und Anlagensicherheit Das Herzstck jedes Membranantriebs ist die Membran. Ihre Lebensdauer ist nicht nur von der Qualitt ihres Materials, sondern in hohem Mae von der Art der mechanischen Belastung, insbesondere im Bereich der Membraneinspannung, abhngig. Eine unkontrollierte Verpressung der Membran und die daraus resultierende Faltenbildung fhren zu einer Membran-

Einflussfaktoren auf die Gesamtwirtschaftlichkeit 23 licher Weise spindelgefhrt bzw. bei hherer Belastung und greren Nennweiten schaftgefhrt ist. Die Vorteile dieser Ausfhrung lassen sich folgendermaen zusammenfassen: Ein Sitzring ohne Gewinde kann einfach aus Sondermaterialien gefertigt werden. Die durchgngig formschlssige Ausrichtung zwischen Deckelflansch und damit zwischen Spindelfhrung und Sitzring stellt die vorgegebene Sitzleckage sicher. Die schwimmende Lagerung des Klemmsitzes verhindert die bertragung von Rohrleitungskrften ber das Ventilgehuse auf den Sitzring. Dies ist in Leckageklasse V ein entscheidender Vorteil, da bei Schraubsitzen der negative Einfluss von Rohrleitungskrften auf den Ventilsitz nachweisbar ist. Das Druckstck gewhrleistet eine gleichmige Abstrmung des Mediums. Ventile mit Klemmsitz (Abb. 9) sind wartungsfreundlicher als Ventile mit eingeschraubtem Sitzring (Abb. 10), da sich der eingeklemmte Sitzring sehr schnell und zuverlssig ohne Spezialwerkzeuge auswechseln lsst. Damit ist er dem Schraubsitz deutlich berlegen, denn um die zur dauerhaften Vermeidung von BypassLeckagen bentigten Anzugsmomente sicherzuDistanzrohr

Vorteile

Abb. 8: Membraneinspannung im Kraftnebenschluss

Definierte Vorpressung

bewegung mit erhhter Walkarbeit, die die Lebensdauer erheblich reduziert. Eine Einspannung mit definierter Vorpressung im Kraftnebenschluss (Abb. 8) stellt eine definierte Membranbewegung und damit die Grundlage fr hohe Verfgbarkeit und lange Lebensdauer sicher. Ventilsitz-Schnellwechselsystem Ventilkegel und Sitzring sind die am hchsten beanspruchten Bauteile eines Regelventils. Verschlei und Dichtheit sowie Standzeit und Servicefreundlichkeit beider Komponenten werden durch eine optimale Konstruktion und die richtige Werkstoffwahl entschieden. Als einfache, universell anwendbare und kostengnstige Lsung hat sich das Regelventil mit auswechselbarem, geklemmtem Sitzring erwiesen, bei dem der Ventilkegel in herkmm-

Schnelles Auswechseln

Klemmsitz mit Dichtung

Ventile mit Klemmsitz

Abb. 9: Regelventil mit Klemmsitz

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Bedeutung fr Wirtschaftlichkeit und Anlagensicherheit

Einflussfaktoren auf die Gesamtwirtschaftlichkeit 25Abb. 11: a) V-Ring-Packung, selbstnachstellend

Abb. 10: Regelventil mit Schraubsitz

b) Graphit- oder PTFE-Packung, nachstellbar

Definierte Sitzdichtkraft

stellen, die nicht selten weit ber 1000 Nm liegen und zudem stark von der Materialpaarung und dem Zustand des Gewindes abhngig sind, werden Spezialwerkzeuge bentigt. Im Gegensatz dazu ist beim Ventil mit Klemmsitz die Sitzdichtkraft durch die Toleranz zwischen Gehuse, Druckstck und Sitzring sowie durch die Auslegung der Sitzdichtung eindeutig vorgegeben. Die ntigen Toleranzen sind durch CNC-Fertigungstechniken sicher reproduzierbar. Der Austausch des Sitzrings beschrnkt sich auf das Einlegen einer neuen Sitzdichtung und eines neuen Sitzrings sowie auf einfaches Festziehen der Deckelflanschschrauben auf Block. Spindelabdichtung Die dauerhaft sichere Dichtheit nach auen ist fr jedes Ventil eine der zentralen Anforderungen. Ebenso bedeutend ist die Wahl einer wirtschaftlichen Dichtungslsung, insbesondere in Hinblick auf gute Bedienbarkeit und problemlose Austauschbarkeit. Hier haben sich drei Spindelabdichtsysteme (Abb. 11a, b, c) am Markt durchgesetzt. Fr die Auswahl des ge-

c) Faltenbalgabdichtung mit Sicherheitsstopfbuchse

Verdrehsicherung

Drei Spindelabdichtsysteme

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Bedeutung fr Wirtschaftlichkeit und Anlagensicherheit eigneten Stopfbuchssystems sind die Parameter Druck, Temperatur, Medium und Art der Bewegung (Dreh- oder Hubbewegung) magebend. Eine wichtige Komponente des Stopfbuchssystems ist die Ventilspindel bzw. deren Oberflche. Zur Vermeidung von Verschlei sollte die Oberflche mglichst hart sein und eine geringe Rauigkeit aufweisen. In der Regel werden Ventilspindeln feingedreht oder geschliffen und anschlieend prgepoliert. So lsst sich eine Oberflchengte von Rz < 4 bis 5 m erreichen. Eine zu feine Oberflche hat allerdings insbesondere bei Graphitpackungen den Nachteil, dass aufgrund von Adhsionskrften der unerwnschte Stick-Slip-Effekt auftreten kann. Darber hinaus ist bei Graphitpackungen insbesondere auf die Materialauswahl von Spindel und Stopfbuchsraum zu achten, um korrosionsfrdernde galvanische Effekte zu vermeiden. So lsst sich mit einem beispielsweise komplett aus Edelstahl gefertigten Deckelflansch oder einem Stopfbuchsraum in Form einer Einschraubhlse aus Edelstahl ein guter Schutz gegen galvanische Korrosion aufbauen. Ein weiteres Konstruktionsmerkmal, das zu einer dauerhaften Stopfbuchsabdichtung beitrgt, sind wirksame Abstreifer und ein Abstand zwischen Abstreifring und Stopfbuchsbereich, der in jedem Fall grer ist als der Ventilhub. Sie schtzen den Stopfbuchsraum vor Schmutzpartikeln und eventuell beschdigten Bereichen der Ventilspindel. Kosteneinsparung durch intelligente Stellungsregler Moderne mikroprozessorgesteuerte Stellungsregler verfgen ber die Betriebsarten Automatik-, Handbetrieb, Initialisieren, Parametrieren und Diagnose. Die Parametrierung von

Einflussfaktoren auf die Gesamtwirtschaftlichkeit 27 Kennlinienform, Sollwertrichtung, Split-Range-Betrieb, Stellgrenbegrenzung, Dichtschliefunktion, Strmeldefunktionen, Stellzeiten und Totzone

Gefahr von Stick-Slip

wird bei der ersten Inbetriebnahme vorgegeben bzw. durch einen Testlauf automatisch ermittelt. Diese Gren knnen alternativ vor Ort oder ber digitale Kommunikation mit dem Leitsystem optimiert werden. Damit ist auch das Auswechseln eines Stellungsreglers im laufenden Betrieb sehr einfach mglich. Mikropozessorgesteuerte Stellungsregler mit digitalem Ausgang (ber piezogesteuerte Binrpneumtik) haben gegenber konventionellen Stellungsreglern und gegenber mikropozessorgesteuerten Stellungsreglern mit analogem pneumatischem Ausgang auch hinsichtlich des Druckluftverbrauchs deutliche Vorteile. Whrend ein konventioneller Stellungsregler innerhalb eines Jahres durchschnittlich 6000 Nm3 Druckluft verbraucht (Kosten ca. 400 Euro pro Jahr), bentigt ein piezogesteuerter Stellungsregler im Jahr lediglich 150 Nm3 Druckluft bei entsprechend geringeren Kosten. Die Amortisationszeit eines solchen Gerts liegt damit bei maximal zwei Jahren. Falls ein Anbau des Stellungsreglers direkt am Stellgert aufgrund hoher Temperaturen oder extremer Schwingungen nicht sinnvoll ist, wird ein Stellungsregler mit externem Wegaufnehmer eingesetzt. Der sehr robuste Wegaufnehmer (Umgebungstemperatur bis 120 C) wird am Regelventil angebracht, der eigentliche Stellungsregler befindet sich dann an einer geeigneten Stelle, die bis zu 20 m entfernt sein kann.

Optimierung der Gren

Geringerer Luftverbrauch spart Kosten

Option externer Wegaufnehmer

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Bedeutung fr Wirtschaftlichkeit und Anlagensicherheit Diagnose an Stellgerten Digitale Stellungsregler nutzen im normalen Betrieb gewonnene Parameter, zum Beispiel die bleibende Regelabweichung, die nderung adaptiver Reglerparameter, die nderung mechanischer Parameter wie Hub und Festanschlge sowie Lebensdauerwerte wie Hubund Richtungswechsel, als Hilfsmittel zur berwachung des Regelventils. Alle genannten Werte werden im Stellungsregler registriert, ausgewertet und bleiben auch bei Ausfall der Hilfsenergie erhalten. Mit der entsprechenden Software bzw. einem Expertensystem lassen sich diese Werte anzeigen und daraus Auswertungen erzeugen, die den Zustand des Stellgerts exakt beschreiben. Diese lckenlose berwachung hilft, unvorhergesehene Ausflle zu vermeiden, und ermglicht die frhzeitige Disposition von Ersatzteilen oder Ersatzgerten. Digitale Stellungsregler werden in Zukunft die zyklische (und dann in den meisten Fllen vllig berflssige) Revision der Stellgerte ersetzen und damit ganz entscheidend zur Reduzierung der Lebenszykluskosten beitragen.

Anlagensicherheit und SIL-Einstufung 29 derliche SIL wird im Rahmen von Sicherheitsbetrachtungen festgelegt, in die unter anderem die Bewertung mglicher Schden an Menschen und Umwelt bei Strfllen in der Anlage und die Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Personen im Gefahrenbereich einbezogen werden. Basisnorm hierfr ist die EN 61508 (Teile 0-7) Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer, elektronischer, programmierbarer elektronischer Systeme. Darber hinaus sind insbesondere fr mechanische Komponenten und als Anwendungsnormen die EN 61511, die EN 62061, die EN 954-1 sowie die ISO 13849-1 zu beachten. Die oben angefhrten Regelwerke sind teilweise uerst komplex und fhren oft zu sehr freier Auslegung und folglich zu Unklarheiten zwischen Anlagenbetreibern, Planern und Ventilherstellern. Aus diesem Grund hat der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) einen Leitfaden SIL fr Armaturen und Armaturenantriebe (www.vdma.org) erarbeitet, dessen Inhalte an dieser Stelle kurz skizziert werden sollen. Die wesentliche Aussage dieses Leitfadens ist, dass die SIL-Einstufung nur fr ein komplettes System, bestehend aus Sensor, Steuerung und Aktor, festgelegt wird. Fr die einzelnen Komponenten (z. B. Regelventile) knnen nur Kennzahlen (z. B. Mean time between Failure, MTBF; Safe Failure Fraction, SFF oder Diagnostic Coverage, DC), angegeben werden. Die jeweiligen Kennzahlen der Einzelkomponenten werden quantitativ bewertet und fhren dann zur SIL-Einstufung des Gesamtsystems. Dabei ist zu beachten, dass bei der Bewertung des Gesamtsystems der Aktor mit bis zu 50 % der Gesamtausfallwahrscheinlichkeit gewichtet wird. Durch diese quantitative Bewertung bleibt es dem Anlagenplaner berlassen, einen

Basisnorm EN 61508

Exakte Zustandsbeschreibung

Leitfaden SIL

Anlagensicherheit und SILEinstufungSIL Anlagensicherheit wird entsprechend der europischen Normung heutzutage mit dem Begriff SIL verbunden. SIL steht fr Safety Integrity Level und spezifiziert die Anforderungen an die Zuverlssigkeit von Sicherheitsfunktionen elektrischer, elektronischer, programmierbarer elektronischer Systeme in vier Sicherheitsstufen. Die Aufgabe von Sicherheitsfunktionen besteht in der Beseitigung von Prozessrisiken, die eine Gefahr fr Mensch, Umwelt und Sachwerte darstellen knnen. Der fr ein Sicherheitssystem erfor-

SIL-Einstufung nur fr Gesamtsystem

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Bedeutung fr Wirtschaftlichkeit und Anlagensicherheit vorgegebenen SIL entweder durch Auswahl hochwertiger Gerte oder durch Redundanzen bei Sensor, Steuerung und/oder Aktor zu erreichen.

Anlagensicherheit durch Explosionsschutz 31 rte zunchst nicht in der Zndschutzart Eigensicherheit ausgefhrt werden. Erst 1992 gelang es durch den Einsatz extrem leistungsarmer piezogesteuerter Ventile, die aufgenommene Leistung entsprechend zu reduzieren. Um intelligente Stellungsregler in der Zndschutzart Eigensicherheit auszufhren, ist ein deutlich hherer Aufwand als bei konventionellen Gerten erforderlich. Einerseits sind die Kapazitten nicht vernachlssigbar klein, andererseits liegt die Leistungsaufnahme von Prozessor, Speicher und Aktor heute immer noch mindestens um 50 % hher als bei konventionellen Stellungsreglern, sodass der Eigenerwrmung im Fehlerfall grere Bedeutung zukommt. Zndschutzart EEx d druckfeste Kapselung Das Prinzip der druckfesten Kapselung besteht darin, dass eine Zndung im Inneren des Gerts nicht nach auen durchschlagen kann. Mittel zur Energiebegrenzung sind deshalb nicht notwendig. Gerteverschlsse und Bedienelemente mssen mit so genannten znddurchschlagsicheren Spalten ausgefhrt werden, die sehr engen Toleranzen unterliegen und daher eine aufwndige Gehusebearbeitung erfordern. Da Gehuse von druckfest gekapselten Gerten grundstzlich nur unter speziellen Sicherheitsmanahmen geffnet werden drfen, sollte ein moderner Stellungsregler die Vor-Ort-Bedienung auch ohne ffnen des druckfesten Gehuses erlauben. Eine Mglichkeit fr eine Bedienung von auen bieten beispielsweise ein Schauglas fr das Display und nach auen ausgefhrte Bedientasten. Explosionsschutz nichtelektrischer Gerte Mit Inkrafttreten der Richtlinie 94/9 EC (ATEX) muss fr alle Komponenten, die in einen explosionsgefhrdeten Bereich einge-

Anlagensicherheit durch ExplosionsschutzAufgrund der Entwicklung elektrischer und elektronischer Leitsysteme und des zunehmend komplexeren Aufbaus von Chemieanlagen ergab sich die Forderung nach Nutzung elektrischer Signale fr die Ansteuerung pneumatischer Stellgerte. Die Entwicklung zeigte, dass der fr die Umwandlung des elektrischen in ein pneumatisches Signal sorgende elektropneumatische Wandler in den Stellungsregler integriert und explosionsgeschtzt ausgefhrt sein muss. Aus dem Bergbau war das Prinzip der druckfesten Kapselung seit vielen Jahren bekannt. Speziell die deutsche Chemie ging hier aber mit der Zndschutzart EEx i Eigensicherheit einen eigenen Weg, der sich mittlerweile auch international etabliert hat. Nach diesem Prinzip aufgebaute Systeme vermeiden eine Zndung durch Begrenzung der zugefhrten Energie, sind kleiner ausgefhrt und drfen auch im Betriebszustand gewartet werden. Darber hinaus sind sie insgesamt auch preiswerter. Zndschutzart EEx i Eigensicherheit Fr konventionelle Stellungsregler, die eine I/p-Wandlung mittels Fest- oder Tauchspule und eine mechanisch-pneumatische Regelung nach dem Prinzip des Kraftvergleichs erzielen, gab es in der Zndschutzart Eigensicherheit kaum Probleme. Als die ersten intelligenten Stellungsregler entwickelt wurden, war deren Leistungsaufnahme noch relativ hoch. Aufgrund der Leistungsbegrenzung eigensicherer Stromkreise auf ca. 150 mW konnten diese Ge-

Hherer Aufwand erforderlich

Begrenzung der Energiezufuhr

Znddurchschlagsichere Spalten

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Bedeutung fr Wirtschaftlichkeit und Anlagensicherheit bracht werden, eine Gefahrenbetrachtung hinsichtlich der Zndsicherheit erstellt werden. Lediglich einfache Komponenten wie Rohrleitungen, Behlter oder Armaturen, die auer statischer Aufladung keine weiteren Zndquellen aufweisen, sind explizit von dieser Richtlinie ausgenommen. Fr alle komplexen Komponenten, insbesondere auch fr alle Antriebe sowie nichtelektrische Anbauteile, ist seitens des Herstellers eine Gefahrenbetrachtung durchzufhren. Ergebnis dieser Gefahrenbetrachtung ist entweder eine Kennzeichnung des Gerts gem ATEX oder eine Herstellererklrung, die besagt, dass das betreffende Gert nicht der ATEX unterliegt.

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Spezifizierung und Auswahlkriterien fr RegelventileDie Auswahl des fr den jeweiligen Einsatzfall geeigneten Regelventils ist ein interaktiver Prozess, der zwischen dem Betreiber bzw. dem Planer und dem Lieferanten stattfindet. Grundlage ist dabei immer das Datenblatt fr Regelventile.

Durchfhrung einer Gefahrenanalyse

Datenblatt fr RegelventileDie fr die Auswahl erforderlichen Daten werden normalerweise in einem Datenblatt fr Regelventile gem IEC 60534-7 bzw. gem ISA zusammengefasst. Zu den Grunddaten, die vom Planer oder Betreiber vorzugeben sind, gehren zwingend: Nennweite und Nenndruck (der Rohrleitung), Anschlussform Auslegungsdruck und Auslegungstemperatur Angaben ber die zur Verfgung stehende Hilfsenergie und ber sonstige Anforderungen zur Prozessintegration Prozessfluid Angabe von einem, besser von drei Betriebspunkten (Vordruck p1, Nachdruck p2 sowie Fluidtemperatur T1); bei Dampfumformstationen ist auch die Angabe von T2 erforderlich Darber hinaus sollten jene Eigenschaften des Prozessfluids angegeben werden, die einen wesentlichen Einfluss auf die Auswahl des Regelventils haben. Das sind bei Flssigkeiten Dichte und Dampfdruck, bei Gasen und

Grunddaten

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Spezifizierung und Auswahlkriterien fr Regelventile Dmpfen Normdichte, Isentropenexponent sowie der Realgasfaktor. Fr eine unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten sinnvolle Armaturenauswahl spielt auch die jeweilige Aufgabenstellung des Regelventils innerhalb der Gesamtanlage eine wesentliche Rolle. Zu unterscheiden ist, ob sich das Regelventil im bestimmungsgemen Betrieb der Anlage im Dauereinsatz befindet oder ob es nur in Sonderfllen (An-/Abfahren bzw. Sicherheitsfunktionen) genutzt wird. Diese Informationen sind normalerweise in den Regelventildatenblttern nicht enthalten. Es ist daher in solchen Fllen sinnvoll, wenn der Betreiber dem Lieferanten das R&I-Diagramm, aus dem die Medienstrme und insbesondere die Regelkreise ersichtlich sind, zukommen lsst. Die Auswahl eines optimierten Regelventils findet normalerweise in drei Schritten statt: Berechnung des erforderlichen Durchflusskoeffizienten und des im Ventil vorliegenden Strmungszustands Wahl der geeigneten Ventilinnengarnitur und der Ventilnennweite Auswahl der Ventilkonstruktion Auswahl der Materialien fr Ventilgehuse und Ventilinnengarnitur sowie Auswahl der Werkstoffe fr die Dichtungselemente

Berechnung des Durchflusskoeffizienten, Auswahl der 35 eine Berechnung des Durchflusskoeffizienten gem IEC 60534-2, eine Abschtzung des Schallpegels (unter normierten Bedingungen) gem IEC 60534-8-3 bzw. 60534-8-4 sowie Aussagen ber den Strmungszustand im Ventil und in den meisten Fllen die erforderliche Ventilnennweite oder die Strmungsgeschwindigkeit bei vorgegebener Nennweite. Die Berechnungsprogramme der Regelventilhersteller erlauben zudem meist die Optimierung von Ventiltypen und -innengarnituren hinsichtlich ihres Geruschpegels bzw. Kavitationsverhaltens. Auswahl der Ventilinnengarnitur bei Flssigkeiten Bei der ersten Berechnung, bei der in der Regel ein einstufiger Parabolkegel zugrunde gelegt wird, wird einer der nachfolgenden Strmungszustnde ausgewiesen: Unterkritische (laminare oder turbulente) Strmung Kavitation Ausdampfung (Flashing) Liegt laminare oder turbulente Strmung vor, ist der einstufige Parabolkegel die korrekte Wahl. Fr den Fall, dass die erste Berechnung Kavitation ausweist, ist zu klren, ob die Kavitation, die nicht zwingend die Zerstrung des Ventils bedeutet, toleriert werden kann. Die Zerstrung des Ventils infolge von Kavitation ist ein komplexer Prozess, der im Wesentlichen vom Energieumsatz des Ventils, dem Nachdruck p2 und dem Material bzw. der Panzerung der Strmungszustnde

Dauer- oder Sondereinsatz

Drei Auswahlschritte

Berechnung des Durchflusskoeffizienten, Auswahl der Ventilinnengarnitur und der VentilnennweiteBerechnungsprogramme Zur Ermittlung des erforderlichen Durchflusskoeffizienten bieten sich Berechnungsprogramme der Ventilhersteller (wie z. B. ARCAVENA) oder unabhngige Engineering Tools (unter anderem Conval) an. Diese Programme beinhalten grundstzlich

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Spezifizierung und Auswahlkriterien fr Regelventile Ventilsitz-/Ventilkegelgarnitur abhngt. Falls eine Zerstrung durch Kavitation angenommen werden muss, meist von einem nicht tolerierbaren Schallpegel >85 dB(A) begleitet, ist die einzige wirksame Mglichkeit zur Kavitationsminderung bzw. Reduzierung der Kavitationsschden die Aufteilung des Druckabfalls oder genauer des Druckverhltnisses auf mehrere Regelstufen. In den meisten Fllen bleibt der mit bis zu fnf aufeinander abgestimmten Regelstufen ausgefhrte Parabolkegel die optimale Lsung (Abb. 12).

Berechnung des Durchflusskoeffizienten, Auswahl der 37Abb. 13: Einstufiger Lochkegel

Aufteilung auf mehrere Regelstufen

Lochkegel

Abb. 12: Dreistufiger Parabolkegel

Regelstufen

Einsatz von Lochkegel

Bei Ausdampfung, auch Flashing genannt, liegt hinter der Drosselstelle ein bleibendes Flssigkeits-/Dampf-Gemisch vor. Wegen des bleibenden Gasanteils ist Flashing nicht mit einem sehr hohen Schalldruckpegel verbunden, wegen der hohen Geschwindigkeit des Flssigkeits-/Dampf-Gemischs im Bereich der Drosselstelle sind jedoch Beschdigungen der Ventilinnenteile und in Extremfllen sogar Beschdigungen der Gehusewand durch Tropfenschlag mglich. Unter derartigen Betriebsbedingungen werden vorzugsweise Lochkegel (Abb. 13), bei sehr kleinen Kvs-Werten auch Parabolkegel eingesetzt, wobei die bevorzugte Strmungsrichtung Medium schliet eine

Beschdigung der Funktionsteile des Ventils wie Spindel und Fhrungsbuchse durch Tropfenschlag weitgehend verhindert. Unter extremen Betriebsbedingungen kann die Erosionsgefahr am Ventilgehuse durch den Einsatz von Eckventilen minimiert werden, da hier der Strom des Prozessmediums hinter der Drosselstelle nicht mehr umgelenkt wird. Bei Verwendung von Parabolkegeln, insbesondere bei Flssigkeiten mit hohem Differenzdruckverhltnis (nicht zwingend verbunden mit Kavitation oder Ausdampfung), treten mitunter Schwingungen des Ventilkegels auf, die hufig sogar zum Bruch der Ventilspindel fhren. Die Ursache fr diese Schwingungen ist, dass der umstrmte Parabolkegel, bedingt durch den Bernoulli-Effekt, sich immer in einem labilen Gleichgewicht befindet. So kommt es bei einer Auslenkung des Kegels zu einer bestimmten Seite genau an dieser Seite zu einer hheren Strmungsgeschwindigkeit und damit zur Erhhung des Unterdrucks. Dieser physikalische Effekt lsst sich bei einem Parabolkegel nicht vermeiden, es kann lediglich die Stabilitt des Kegels durch eine (meist beidseitige) stabile Fhrung sichergestellt werden. Diese wird bei herkmmlichen Ventilen mithilfe eines speziellen Bodenflanschs erreicht, der jedoch eine zu-

BernoulliEffekt

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Spezifizierung und Auswahlkriterien fr Regelventile

Berechnung des Durchflusskoeffizienten, Auswahl der 39 Fhrungsbuchse nach unten offen und damit unempfindlich gegen Verschmutzung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass diese Garnitur bei Bedarf einfach und kostengnstig nachgerstet werden kann. Auswahl der Ventilinnengarnitur bei Gasen und Dmpfen Auch bei Gasen und Dmpfen werden bei der Ventilberechnung verschiedene Strmungszustnde ausgewiesen. Es wird zwischen unterkritischer und berkritischer Entspannung (choked flow) unterschieden. Letztere zeichnet sich dadurch aus, dass innerhalb der Drosselstelle die Schallgeschwindigkeit des Gases berschritten wird und der Energieabbau nicht mehr durch Turbulenzen, sondern in Form von Verdichtungssten (hnlich dem berschallknall eines Flugzeugs) stattfindet. Diese wirken auf die Innenteile des Ventils und knnen beispielsweise zu Schwingungsbrchen der Ventilspindel fhren. Eine berkritische Entspannung lsst sich analog zur Kavitation in der Regel nur durch die Aufteilung des Druckverhltnisses auf mehrere Entspannungsstufen vermeiden. Bei Gasen geht die berkritische Entspannung fast immer mit einem sehr hohen Schallpegel einher. Auch bei unterkritischer Entspannung tritt jedoch sehr hufig ein Schallpegel weit jenseits der tolerierbaren Werte auf, die in der Regel bei 80 bis 85 dB(A) liegen. Fr die Schallreduzierung bei Gasen und Dmpfen bieten sich zwei Mglichkeiten an:

Abb. 14: Parabolkegel mit doppelter Fhrung (herkmmliches System)

Unter- und berkritische Entspannung

Abb. 15: Schnellwechselsystem mit doppelter Fhrung

Schallreduzierung

Schnellwechselsystem

stzliche statische Abdichtung erfordert und darber hinaus sehr verschmutzungsempfindlich ist (Abb. 14). Bei einem Schnellwechselsystem mit doppelter Fhrung (Abb. 15) liegen diese Einschrnkungen nicht vor. Hier ist keine zustzliche Dichtstelle erforderlich, zudem ist die untere

Mehrstufige Entspannung Aufteilung des Gesamtstroms in mglichst viele Strmungskanle (siehe Kap. Schallemissionen, S. 56 ff.) Schallreduzierte Ventile fr Gase arbeiten meist mit einer Kombination beider Mglich-

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Spezifizierung und Auswahlkriterien fr Regelventile keiten. Es gibt beispielsweise Ausfhrungen mit ein- oder mehrstufigen Lochkegeln in Kombination mit festen Strmungsteilern (Lochscheiben und -zylinder, Drahtgeflechten oder Labyrintheinstzen). Diese Ausfhrungen sollten allerdings nur bei sauberen Medien eingesetzt werden. Bei Gasen (und natrlich auch bei Flssigkeiten), die zum Beispiel Feststoffe oder Verschmutzungen enthalten, sind Lochkegel und Labyrintheinstze nur eingeschrnkt verwendbar. Hier mssen Kompromisse gemacht werden. Es sollten ausschlielich Ventilinnengarnituren verwendet werden, die sich nicht durch Feststoffe oder durch Polymerisation zusetzen knnen. Festlegung der geeigneten Ventilnennweite In den meisten Fllen ist die Mindestventilnennweite nach Festlegung des Kvs-Werts und Wahl der Ventilinnengarnitur bereits vorgegeben. Es bleibt lediglich zu berprfen, ob die Ventilnennweite zur spezifizierten Rohrleitungsnennweite passt. Dies ist der Fall, wenn sie nicht grer als die Rohrnennweite und aus mechanischen Grnden auch nicht kleiner als die halbe Rohrnennweite ist. Werden Regelventile zur Entspannung von Gasen bei hohem Druckverhltnis eingesetzt, muss bei der Wahl der Ventilnennweite die Austrittsgeschwindigkeit des Gases bezogen auf die Ventilnennweite zwingend beachtet werden. Die Austrittsgeschwindigkeit sollte keinesfalls mehr als die halbe, besser nicht mehr als ein Drittel der Schallgeschwindigkeit des Prozessmediums betragen. Ist die Austrittsgeschwindigkeit hher als die Schallgeschwindigkeit, besteht die Gefahr, dass das Ventil durch Stowellen beschdigt wird. Ein moderates Mittel zur Reduzierung der Austrittsgeschwindigkeit besteht darin, den Nachdruck durch nachgeschaltete Lochscheiben anzuhe-

Auswahl der Ventilkonstruktion 41 ben. Dies setzt jedoch voraus, dass die Ventilnennweite kleiner als die Rohrleitungsnennweite ist und dass die Lochscheiben hinter der Rohrerweiterung montiert werden. Die Lochscheiben sind strmungstechnisch und zwar fr alle wahrscheinlichen Betriebsflle immer gemeinsam mit den im Ventil installierten Regelstufen zu betrachten. Regelventile, in denen Flssigkeiten nahe dem Siedepunkt entspannt werden und bei denen Ausdampfung in erheblichem Ausma auftritt, sind ebenfalls hinsichtlich der Austrittsnennweite kritisch zu betrachten, da der Dampfanteil das 800fache Volumen des entsprechenden Flssigkeitsanteils aufweist. Der Dampfanteil hinter dem Ventil und damit auch die Strmungsgeschwindigkeit im Ventilaustritt und in der nachfolgenden Rohrleitung lassen sich mithilfe von thermodynamischen Berechnungsverfahren ermitteln. Lochscheiben knnen hier wegen des immer auftretenden Tropfenschlags nicht eingesetzt werden. Die Erfahrung zeigt, dass gerade die Rohrnennweite in solchen Fllen seitens der Anlagenplanung hufig zu knapp bemessen wird. Dies ist durch das Regelventil allein nicht mehr zu kompensieren.

Groes Dampfvolumen

Abstimmung auf Rohrleitungsnennweite

Auswahl der VentilkonstruktionDie Wahl der fr den Einsatzfall geeigneten Ventilkonstruktion ist von der Auslegungstemperatur, dem Auslegungsdruck und den Eigenschaften des Prozessfluids abhngig. In Hinblick auf seine universelle Einsetzbarkeit stellt das Einsitzregelventil in Durchgangsform (Eingang und Ausgang auf gegenberliegender Seite) immer die erste Wahl dar. Es kann mittels entsprechender Deckelflansche und Ventilinnengarnituren auf fast jeden Einsatzfall abgestimmt werden.

Beachtung der Austrittsgeschwindigkeit

Universell einsetzbares Einsitzregelventil

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Spezifizierung und Auswahlkriterien fr Regelventile Bei der Auswahl des Deckelflanschs spielen die zulssige bzw. optimale Temperatur im Stopfbuchsbereich, die Mglichkeiten der thermischen Isolierung und bei Ventilen fr tiefkalte Anwendungen auch die Wrmeeinleitung eine entscheidende Rolle. Der Standarddeckelflansch ist der typische Deckelflansch fr den Temperaturbereich zwischen 10 C und +250 C. Im Bereich bis +200 C und bis zu einem Nenndruck (PN) von 40 verfgt er meist ber eine selbstnachstellende, federbelastete Stopfbuchse (Abb. 16a). Bei Betriebstemperaturen ber 250 C kommen in der Regel Khlrippenaufstze (Abb. 16b) inc)

Auswahl der Ventilkonstruktion 43 Verbindung mit einer Graphitstopfbuchse zum Einsatz. Obwohl Graphitstopfbuchsen eigentlich bis zu einer Temperatur von 450 C einsetzbar sind, wird bei Temperaturen oberhalb 250 C wegen der besseren Isolierbarkeit der Ventile von den meisten Betreibern grundstzlich ein Khlrippenaufsatz vorgesehen. Liegt die Betriebstemperatur ber 450 C, so ist durch entsprechende Auslegung des Khlrippenaufsatzes und durch die Wrmeisolierung des Ventils sicherzustellen, dass die Temperatur im Stopfbuchsenbereich auch im ungnstigsten Fall 450 C nicht berschreitet. Bei extrem tiefen Temperaturen wird eine Isoliersule (Abb. 16c) eingesetzt. Diese dient dazu, einen mglichst geringen Energieaustausch zwischen tiefkaltem Prozessmedium und der Umgebung sicherzustellen und die Stopfbuchse vor Vereisung zu schtzen. Je nach Anforderung reicht das Spektrum von einem einfachen Verlngerungsrohr mit massiver Ventilspindel bis hin zu einem Isolierrohr mit einer mit Mineralschaum gefllten Hohlspindel, die Konvektion sowohl inner- als auch auerhalb der Ventilspindel weitestmglich reduziert. Bei stark verunreinigten Prozessmedien sollten die Regelventile entsprechend ausgewhlt werden, d. h., es sollte mglichst auf filigrane Konstruktionen verzichtet werden. Als Alternative zum Druckausgleich bieten sich bei groen Nennweiten oder hohen Differenzdrcken Doppelsitzventile an. Bei abrasiven Medien kommen wegen der freien Abstrmung Eckventile zum Einsatz, die in Kombination mit geeigneten Werkstoffen auch unter extremen Bedingungen eine hohe Lebensdauer erzielen. Neigt das Prozessfluid zur Polymerisation, so sollten sowohl die Ventile als auch die Rohrleitungen beheizt werden (Abb. 17). Hierfr bieten sich Beheizungen mit Thermol oder Dampf an. Es ist darauf zu

Abb. 16: a) Federbelastete Stopfbuchse eines Standarddeckelflanschs b) Khlrippenaufsatz fr den Einsatz bei hohen Betriebstemperaturen c) Isolierrohra)

Khlrippenaufsatz ab 250 C

Isoliersule bei sehr tiefen Temperaturen

Federn

b)

Prozessmedienspezifische Manahmen

Khlrippen

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Spezifizierung und Auswahlkriterien fr Regelventile

Auswahl der Materialien fr Ventilgehuse und -innengarnitur 45 chemische Bestndigkeit bzw. Interaktion mit dem Prozessfluid, mechanische Festigkeit, Verschleibestndigkeit (Abrasion, Erosion), sowie die Regelwerke (DIN oder ANSI, TRB 801) magebend. Falls in der Spezifikation das Material der Rohrleitung angegeben ist, sollte dieses oder das adquate Gussmaterial fr das Ventilgehuse verwendet werden. Wenn das Prozessmedium keine besonderen Manahmen erfordert und die Auswahl des Werkstoffs nur aufgrund des Betriebsdrucks und der Temperatur erfolgt, reduziert sich die Werkstoffauswahl auf wenige Materialgruppen (Tab. 1).EN 1.0619 GP240GH 1.4408 G-X 5 CrNiMo 19 11 2 fr Temperaturen 10 bis +400 C ASTM A 216 WCB fr Temperaturen 28 bis +400 C

Abb. 17: Regelventil mit Beheizung fr Ventilkrper und Deckelflansch (ARCA ECOTROL)

Auswahlkriterien

Heizanschlsse

196 bis +300 C A 351 CF8M 196 bis +400 C A 352 LCB 50 bis +400 C 28 bis +530 C

Heizanschlsse Prozessanschlsse

1.4581 GX5CrNiMoNb 19-11-2 10 bis +400 C 1.6220 G20Mn5 1.6982 GX3CrNi13-4 1.7357 G17CrMo5-5 40 bis +400 C

120 bis +400 C 10 bis +530 C A 217 WC6

achten, dass gegebenenfalls der Stopfbuchsbereich bzw. der Faltenbalg ebenfalls beheizt werden.

Auswahl der Materialien fr Ventilgehuse und -innengarniturFr die Auswahl von Ventilgehusewerkstoffen sind Betriebsdruck, Temperaturbereich,

Die Einsatzgrenzen fr die Materialien drucktragender Teile werden blicherweise in Abhngigkeit vom Nenndruck in Druck-Temperatur-Diagrammen dargestellt. Liegt zustzlich noch spezielle Korrosionsbeanspruchung durch das Prozessmedium vor, muss man auf Sonderlegierungen zurckgreifen. Spezialisierte Gieereien bieten eine Vielzahl von Legierungen, die nur fr bestimmte Einsatzflle entwickelt wurden, sowie die entsprechenden Bestndigkeitstabellen an. Sehr detaillierte Informationen findet man im Werkstoffhandbuch der Dechema (www.dechema.de). Fr

Tab. 1: Werkstoffauswahl fr Ventilgehuse

Spezielle Legierungen

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Spezifizierung und Auswahlkriterien fr Regelventile bestimmte Prozessfluide gibt es seitens der Nutzerorganisationen enge Richtlinien zu Werkstoffauswahl und Konstruktionsanforderungen. Beispiel hierfr sind die EurochlorRichtline GEST 98/245 (www.eurochlor.org) oder die Sauerstoff-Richtlinie der European Industrial Gases Association (www.eiga.org). Bei stark korrosiven Prozessmedien ist ein Ventilgehuse aus homogenem, korrosionsfestem Material aus Kostengrnden nicht sinnvoll. Als Lsung bietet sich hier die Auskleidung des Ventilgehuses mit korrosionsfesten metallischen, keramischen oder polymeren Werkstoffen an. Dabei ist zwingend zu beachten, dass das drucktragende Gehuse auf keinen Fall mit dem Prozessmedium in Kontakt kommen darf. Besondere Aufmerksamkeit ist bei den Lagern, den Innenteilen und bei allen Dichtstellen geboten. Fr Drosselkrper und Ventilsitze werden entweder Chromsthle (z. B. 1.4021/A473), austenitische Chrom-Nickel-Sthle oder ChromVanadium- bzw. Chrom-Molybdn-Sthle eingesetzt. Das Material der Regelventilfunktionsteile sollte mindestens gleichwertig, wenn mglich sogar hherwertiger als das Gehusematerial sein. Die fr die Ventilinnengarnituren und fr die besonders belasteten Bereiche im Regelventil eingesetzten Werkstoffe sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Mittels Oberflchenbehandlungen wie Nitrieren oder der Tenifer-Behandlung lassen sich unterschiedliche Hrten bei den Reibungspartnern, beispielsweise bei Lochkegeln und bei den Fhrungsbuchsen des Ventils, gezielt herstellen. In besonders belasteten Bereichen der Ventilinnengarnitur sowie in Bereichen sehr hoher Strmungsgeschwindigkeiten werden insbesondere bei abrasiven Prozessmedien und hohen Differenzdrcken zustzlich Panzerungen sowie keramische Werk-

Auswahl der Materialien fr Ventilgehuse und -innengarnitur 47Werkstoff 1.4021 X20Cr13 fr Temperaturen Typischer Einsatz 10 bis 400 C Standardanwendungen bei Wasser, Dampf und nichtkorrosiven Medien Anwendungen mit erhhten Anforderungen an die Korrosionsbestndigkeit Erhhte mechanische Belastbarkeit bei guter Korrosionsbestndigkeit Dampf und Wasser bei hohem Differenzdruck

1.4571 X6CrNiMoTi17-12-2 196 bis 400 C

Auskleidung mit korrosionsfestem Werkstoff

Stellit Alloy 6 (oft aufgeschweite Panzerung) 1.4112 X90CrMoV18 (gehrtet)

196 bis 400 C

10 bis 400 C

1.4922 X20CrMoV11-1

10 bis 580 C

Speziell fr Einsatz bei Temperaturen ber 480 C Bei Gefahr von Erosion durch Feststoffe im Medium

Wolframcarbid Ingenieurkeramik

10 bis 400 C

Unterschiedliche Hrten durch Oberflchenbehandlungen

stoffe wie zum Beispiel Stellite, Wolframkarbid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Siliziumnitrid eingesetzt. Eine wesentliche Voraussetzung fr Ventilinnengarnituren aus Hartmetall oder Keramik ist eine insbesondere wegen der unterschiedlichen Wrmeausdehnung der verwendeten Werkstoffe keramikgerechte Konstruktion des Regelventils und die Erfahrung des Ventillieferanten bei der Auswahl des geeigneten Compounds. Idealerweise verfgt der Lieferant ber ein Baukastensystem, mit dem sich solche Lsungen flexibel, austauschbar und wirtschaftlich umsetzen lassen. Abbildung 18 zeigt ein Regelventil aus einem Baukastensystem mit Hartmetallventilkegel und zweiseitigem Hartmetallventilsitz, der die Kosten beim Einsatz der normalerweise sehr teuren Keramikinnengarnituren deutlich reduziert.

Tab. 2: Werkstoffauswahl fr Ventilinnengarnituren

Keramikgerechte Konstruktion

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Spezifizierung und Auswahlkriterien fr Regelventile

Auswahl der Werkstoffe fr Dichtelemente 49Zul. Zul. Dichtungsform Statische Temp. Druck Prozessflansch Ventil(C) (bar) dichtungen 250 100 Einfache Flachdichtung Flachdichtung aus speziell behandeltem PTFE 480 160 Dnne Dichtung aus Reingraphit Spiraldichtung mit Dichteinlage aus Graphit 250 bis 480 160 Kammprofildichtungen Spiraldichtung mit Dichteinlage (Graphit und/ oder PTFE) Packungsart Typische Anwendungsgebiete Allgemeiner Maschinenbau bei unkritischen Medien Standardanforderungen der Chemie, Petrochemie, Apparatebau, Kraftwerke Standardanforderungen der Chemie, Petrochemie, Apparatebau, Kraftwerke Hochtemperaturanwendungen, insbesondere im Dampfbereich Hochbeanspruchte Armaturen in der Chemie und Petrochemie Bei sehr hohen Dichtheitsanforderungen (TA Luft) und sehr korrosiven Medien Hochdruckanwendungen und Hochtemperaturanwendungen, auch Vakuumtechnologie Chemie und Petrochemie, hauptschlich in angloamerikanischen Lndern

Abb. 18: Regelventil mit Hartmetallkegel und zweiseitigem Hartmetallsitz

Geflochtene Spiraldichtung mit Dichteinlage PTFE-Schnurpackung (Graphit oder PTFE) PTFEManschettenpackung (V-Ringe) Spiraldichtung mit Dichteinlage (Graphit und/ oder PTFE) Kohlefaser/ GraphitFlechtpackungen ReingraphitFolienpackung (gerollt) Kohlefaser/ GraphitFlechtpackungen Faltenbalgabdichtung

Hartmetallsitz

Hartmetallkegel

Auswahl der Werkstoffe fr DichtelementeGraphit oder ... Fr die statischen Abdichtungen haben sich hochwertige Dichtungen aus Graphit mit Spiraleinlage durchgesetzt. Die Spiraleinlage sorgt dabei fr eine meist im Kraftnebenschluss erzeugte definierte Vorspannung. Falls Graphit aus Prozessgrnden nicht zulssig ist, knnen auch Dichtungen aus PTFE-Compound eingesetzt werden. Fr den Stopfbuchsbereich werden meistens Packungen auf PTFE- oder Graphitbasis eingesetzt (Tab. 3). PTFE-Packungen werden entweder als Dachmanschetten oder als manuell nachstellbare Packung ausgefhrt. Reine Graphitpackungen sind wegen ihrer wesentlich ungnstigeren Reibungseigenschaften hheren Temperaturen vorbehalten. Weitere in Regelventilen eingesetzte Dichtungswerkstoffe finden sich in der Sitzabdichtung (bei weichdichtenden, blasendichten Ventilen) oder in Abdichtringen fr den Druckausgleich bzw. in O-Ringen fr spezielle Abdichtungsaufgaben. Bei der Auswahl der Werkstoffe fr die Dichtungselemente ist es unverzichtbar, die Einsatzgrenzen des jeweili-

... PTFECompound

>500

400

Metallische Metallische Linsendichtung Linsendichtung

Faltenbalgabdichtung

420

Metallische Ring-JointDichtung

Metallische Ring-JointDichtung

Kohlefaser/ GraphitFlechtpackungen

gen Werkstoffs hinsichtlich Druck, Temperatur und chemischer Bestndigkeit zu kennen. Entsprechende Informationen dazu liefern Tabellen der namhaften Dichtungshersteller.

Tab. 3: Dichtungen und ihre Einsatzbereiche

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uere Dichtheit 51

EmissionenDas weltweit gestiegene Umweltbewusstsein und die daraus resultierenden Emissionsauflagen beim Betrieb von verfahrenstechnischen Anlagen durch gesetzliche Vorgaben, Richtlinien oder Normen betreffen alle Einzelkomponenten der Anlage, insbesondere auch die Regelventile. Bei Regelventilen spielen in Hinblick auf Umweltvertrglichkeit folgende drei Merkmale eine zentrale Rolle: die uere Dichtheit, die innere Dichtheit sowie die Schallemissionen.

genannte hermetische Abdichtungen eingesetzt. Bei diesen Abdichtungen sind nur statische Dichtelemente vorhanden, die Bewegung der Ventilspindel wird durch die Verformung eines dafr speziell ausgelegten Bauteils aufgenommen. Die klassischen Varianten einer hermetischen Spindelabdichtung sind Membranabdichtung (Abb. 19a) und Faltenbalgabdichtung (Abb. 19b). Die Membranabdichtung kommt in Druckbereichen bis ca. 10 bar zum Einsatz. Zu ihren

MembranabdichtungAbb. 19: a) Membranabdichtung

Drei wesentliche Merkmale

uere DichtheitDie uere Dichtheit ist unter kologischen Gesichtspunkten ein wesentliches Kriterium und in zahlreichen Gesetzen und Normen (z. B. in der ISO 15848) in Abhngigkeit vom abzudichtenden Medium klar spezifiziert. Sie wird im Wesentlichen von den drucktragenden Teilen wie Gehuse, Deckelflansch, Schraubenverbindung und der Abdichtung zwischen Gehuse und Deckelflansch bestimmt. Die zentrale Rolle spielt dabei die Ventilspindelabdichtung. Die klassische Ventilspindelabdichtung ist eine selbstnachstellende oder eine einstellbare Stopfbuchspackung. Mit einer hochwertigen selbstnachstellenden Stopfbuchse lassen sich Leckagewerte erreichen, die den Vorgaben der ISO 15848 oder der TA Luft (in Deutschland gesetzliche Vorgabe fr gesundheitsschdliche Medien) entsprechen. Diese Vorgaben sind so streng, dass sie beispielsweise bei einem mit Helium befllten Autoreifen einem Druckabfall von 0,1 bar innerhalb eines Zeitraums von 200 Jahren entsprechen wrden. Sind die Dichtheitsanforderungen an Ventilspindelabdichtungen noch hher, werden so

Membran

Standard: selbstnachstellende Stopfbuchse

Sicherheitsstopfbuchse

b) Faltenbalgabdichtung mit integrierter Verdrehsicherung

Faltenbalg Verdrehsicherung

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Emissionen wesentlichen Vorteilen zhlen der geringe Preis, die kompakte Bauform sowie die Mglichkeit der Sterilisierbarkeit. Die Faltenbalgabdichtung hat sich als universelle Abdichtung bei Regelventilen durchgesetzt. Sie bentigt zwar mehr Platz und ist auch teurer als eine Membranabdichtung, bietet aber, hochwertig ausgefhrt, neben der garantierten Dichtheit eine lange Lebensdauer (weit mehr als eine Million Hbe) und deckt den Einsatzbereich von Betriebsdrcken bis zu 400 bar und Temperaturen bis zu 500 C komplett ab. Wesentliches Merkmal einer gut konstruierten Faltenbalgabdichtung ist ein ausreichender Schutz des Faltenbalgs gegen Torsion, der die Lebensdauer des Balgs deutlich verringern kann. Torsion kann durch unsachgeme Behandlung (zum Beispiel bei Kopplung von Ventil und Antrieb) entstehen, aber auch durch Drehmomente, die aus dem Ventil bzw. aus dem Prozess auf die Ventilinnengarnitur und damit auf den Faltenbalg einwirken. Diese Drehmomente sollten durch eine in das Balggehuse integrierte Verdrehsicherung eliminiert werden. Eine zukunftsweisende Entwicklung, die die Vorteile einer Faltenbalgabdichtung (Druckbereich und Betriebssicherheit) und die einer Membranabdichtung (kompakte Bauform und Sterilisierbarkeit) verbindet, stellen hydraulisch abgesttzte Membranabdichtungen dar. Bei dieser Abdichtungsart fungiert die Membran nur noch als Trennelement zwischen Prozessmedium und Sperrflssigkeit, muss jedoch nicht mehr dem statischen Druck des Prozessmediums widerstehen (Abb. 20). Die Volumennderung der Sperrflssigkeit bei der Bewegung der Ventilspindel wird durch die entsprechende Verformung der Membran kompensiert. Diese ist als Doppelmembran ausgefhrt. Durch diesen Aufbau entspricht

uere Dichtheit 53Abb. 20: Hydraulisch abgesttzte Membranabdichtung (ARCA OPTISEAL)Prfanschlsse

Faltenbalgabdichtung

Doppelmembran

Ausreichender Torsionsschutz

Sperrflssigkeit

Hydraulisch abgesttzte Membranabdichtung

sie den weitestgehenden Forderungen nach Anlagensicherheit und Verfgbarkeit. Zwischen beiden Membranen befindet sich ein druckloser Zwischenraum, der mittels eines Prfanschlusses von auen berwacht werden kann. Dies bedeutet, dass sowohl ein Membranbruch auf der Primrseite (Mediumseite) als auch ein Membranbruch auf der Sekundrseite (Sperrflssigkeitsseite) angezeigt wird. In jedem Fall bleibt jedoch die hermetische Abdichtung erhalten und es kann zu keiner Verunreinigung des Prozessmediums durch die Sperrflssigkeit kommen. Damit bleibt das Ventil bis zur geplanten Fehlerbeseitigung voll funktionsfhig. Darber hinaus minimiert dieses Abdichtungskonzept durch die hydraulische Absttzung der Membran die erforderlichen Antriebskrfte und die Antriebsgre. Es kombiniert damit niedrige Bauhhe, spaltfreie Konstruktion, absolute Dichtheit nach auen,

berwachung von auen

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Emissionen groen Druck- und Temperaturbereich sowie Redundanz durch Doppelmembran mit Membranbruchberwachung und ist damit eine wirtschaftliche und in vielen Fllen auch die technisch bessere Alternative zur konventionellen Faltenbalgabdichtung.

Innere Dichtheit 55 ventil mit Nennweite DN 100 fr Wasserstoff bei 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 Endprfung von Regelventilen getestet und in einem Prfprotokoll festgehalten. Bei geschraubten Ventilsitzen kann sich die innere Dichtheit unter Wechsellastbedingungen im Betrieb schon nach kurzer Zeit so stark verndern, dass der im Prfprotokoll angegebene Leckagemesswert nicht mehr der Realitt entspricht. Diese Abweichungen bezglich der inneren Dichtheit weisen geklemmte Ventilsitze nicht auf. Bei der in Abbildung 21 gezeigten Weichabdichtung wird durch eine zustzliche metallische Abdichtung zwischen Ventilsitz und Ventilkegel sichergestellt, dass die zulssige Flchenpressung des PTFE-Weichabdichtelements auch bei berdimensionierten Antrieben nicht berschritten wird und damit kein so genannter Kaltfluss des PTFE-Werkstoffs auftritt. Die definierte Vorspannkraft des Dichtelements wird durch eine O-Ring-Abfederung dauerhaft gewhrleistet. Diese Bauform der

Innere DichtheitDie innere Dichtheit beschreibt die mgliche Leckage einer Armatur zwischen Mediumeinund Mediumaustritt im geschlossenen Zustand. Sie ist fr den Prozess entscheidend und wird bestimmt von der konstruktiven Gestaltung von Ventilsitz und Ventilkegel, der Befestigungsform zwischen Ventilsitz und Ventilgehuse sowie der Dimensionierung des Antriebs. Fr Regelventile gelten die Leckageklassen nach IEC 60534-4 und somit andere Prfverfahren als fr Absperrventile. Dieser Unterschied beruht darauf, dass die Anforderungen im Regelbetrieb (Stabilitt des Drosselkrpers) und absolute Dichtheit eher gegenstzliche Forderungen darstellen. Die heute bliche Dichtheitsklasse fr Regelventile ist die Klasse IV, d. h., der Leckdurchfluss betrgt ein Zehntausendstel des Durchflusses bei voller Ventilffnung (konstanter Differenzdruck vorausgesetzt). Die hheren Dichtheitsklassen V (metallisch eingeschliffen) und VI (blasendicht) werden meist nur bei besonderen Anforderungen eingesetzt, so zum Beispiel bei Ventilen, die entweder direkt oder (bei brennbaren Medien) ber eine Fackel in die Atmosphre entspannen und deren Leckrate damit einen direkten Energie- oder Produktverlust bedeutet. Als Beispiel hierfr betrachtet man ein Fackel-

Zustzliche metallische Abdichtung

Dichtheitsklasse IV ...

... oder hhere Dichtheitsklassen

Weichabdichtung Metallischer Anschlag

Abb. 21: Weichabdichtung mit zustzlicher metallischer Abdichtung (Patent ARCA)

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Emissionen Weichabdichtung hat sich unter schwierigsten Bedingungen ber mehr als eine Million Schaltspiele bewhrt (siehe Kap. Regelventile fr Druckwechselanlagen, S. 62 f.).

Schallemissionen 57 Druckverhltnis, kommt Kavitationsschall hinzu. Whrend der aus turbulenten Strmungen resultierende Schallpegel im Allgemeinen innerhalb der tolerierbaren Grenzwerte liegt, kann Kavitationsschall bereits bei kleinen Ventilen diese Grenzwerte leicht berschreiten. Darber hinaus ist Kavitation auch immer als mgliche Ursache fr die Zerstrung der Ventilinnengarnitur zu beachten. Die Hauptursache der Schallemission bei Gasen oder Dmpfen ist bei unterkritischer Entspannung die teilweise Umwandlung der Energie in Schallenergie. Wegen der im Vergleich zu Flssigkeiten wesentlich hheren Strmungsgeschwindigkeiten steigt der Schalldruckpegel mit steigendem Differenzdruck schnell an. Er kann somit bereits bei relativ kleinen Ventilen oberhalb der zulssigen Grenzwerte liegen und zu gesundheitlichen Beeintrchtigungen fhren. berschreitet das Druckverhltnis am Stellventil den XT-Wert, so sind Stowellen in der Entspannungszone die Hauptursache fr die Schallemission. Primre Schallminderungsmanahmen Bei gasfrmigen Strmungen erreicht man eine Reduzierung der Schallerzeugung durch Aufteilung des Drosselquerschnitts in viele kleinere Einzelquerschnitte (Lochkfig, Lochkegel, Multischlitzkegel). Dadurch wird die schallgenerierende Quelle in viele einzelne Schallquellen aufgeteilt. Diese erzeugen wegen der geringeren Ausdehnung der Turbulenzzone und des damit hheren Frequenzspektrums in der Summe einen geringeren Pegel in der gehrrelevanten Gewichtung des Schallspektrums. Die zweite wirksame Manahme ist die Aufteilung der Drosselung in mehrere Stufen. Dadurch wird in den einzelnen Drosselstufen eine Absenkung der Strmungsgeschwindigkeiten erreicht, die urschKavitationsschall

SchallemissionenBei der Druckreduzierung in einem Ventil wird ein Teil der Energie des Prozessmediums in Schallenergie umgesetzt und von der Armatur selbst sowie hauptschlich von der Rohrleitung abgestrahlt. Richtlinien und Arbeitsschutzverordnungen zwingen zu leisen Armaturlsungen, Schallforderungen von 70 bis 75 dB(A) sind keine Seltenheit. Die Forderung nach immer geringeren Schallemissionen verfahrenstechnischer Anlagen stoen hufig nicht nur an wirtschaftliche, sondern auch an technische Grenzen. Geruscharme Ventile bentigen nicht nur wesentlich aufwndigere Innengarnituren, sondern hufig auch grere Gehuse. Dies schlgt sich in deutlich hheren Kosten nieder. Extreme Schallemission ist auch immer Ausdruck mechanischer Belastung. Bei allen Betrachtungen zur Schallemission muss man sich deshalb stets vor Augen halten, dass die Gerusche zwar im Ventil erzeugt werden, die Abstrahlung des Schalls aber in der nachfolgenden Rohrleitung erfolgt. Hinsichtlich der Schallentstehung muss dabei zwischen inkompressiblen und kompressiblen Medien unterschieden werden. Schallentstehung Die Schallursache bei Flssigkeiten sind die turbulenten Strmungszustnde an und hinter der Drosselstelle. Hier wird die Energie des Fluids nicht nur in Wrme, sondern auch in Schallenergie umgewandelt. berschreitet das Druckverhltnis am Ventil das kritische

Leise Armaturlsungen

Anstieg des Schalldruckpegels

Schallabstrahlung in die Rohrleitung

Aufteilung in viele Einzelquerschnitte

Turbulente Strmung als Ursache

Mehrstufige Drosselung

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Emissionen lich fr die Schallgenerierung verantwortlich sind. Auch hier addiert sich die Summe der einzelnen Schallpegel zu einem im Vergleich zur einstufigen Drosselung wesentlich geringeren Gesamtpegel. In das mehrstufige Drosselkonzept werden auch ungeregelte Lochdrosselstufen wie Lochkfige und Lochscheiben einbezogen. Insbesondere beim Auftreten von Kavitation und berkritischer Entspannung ist die Aufteilung der Drosselung immer als primre Manahme zu betrachten. Lochscheiben, Lochkfige und Lochkegel haben trotz ihrer freien Lochflchen zustzlich eine kapselnde Wirkung auf den von den vorausgehenden Stufen erzeugten Schall und wirken somit weiter pegelsenkend. Abbildung 22 zeigt ein dreistufiges Ventil mit geregelter Lochkfig/Lochkegel-Kombination und einem nachgeschalteten Lochscheibensatz, der in einer Gehuseerweiterung integriert ist. Mit solchen Kombinationen lassen sich Pegelabsen-

Schallemissionen 59 kungen von 10 bis 30 dB(A), bezogen auf einen einstufigen Parabolkegel, erzeugen. Selbst ein einfacher Lochkegel kann je nach Druckverhltnis bereits eine Reduzierung des Schallpegels von bis zu 15 dB(A) bewirken. Sekundre Schallminderungsmanahmen Sekundre Schallminderungsmanahmen betreffen nicht die Schallerzeugung, sondern die Schallabstrahlung. Bei den dafr eingesetzten Schallminderungskomponenten handelt es sich meist um Isolierungen, nachgeschaltete Schalldmpfer oder Einhausungen. Da die Schallabstrahlung der in einem Regelventil erzeugten akustischen Energie ber eine sehr groe, zum Teil bis zu mehr als hundert Metern reichende Rohrleitungslnge erfolgt, ist der Einsatz von Schallminderungskomponenten aufwndig und sollte daher immer nur als zustzliche Manahme verstanden werden. Zwischen Ventilen und zu dicht folgenden liegenden Rohrbgen und anderen Rohrleitungseinbauten kann es zu schallverstrkenden Wechselwirkungen kommen. Deshalb ist bereits bei der Rohrleitungsplanung auf den schalloptimierten Einbauort des Ventils zu achten. Die von Ventilherstellern zugesagten Schallgrenzwerte beziehen sich allerdings auf idealisierte An- und Abstrmbedingungen. Auch die Rohrleitung muss bei Strmungsgeschwindigkeiten von mehr als 1/4 Mach immer als potenzielle Schallquelle bercksichtigt werden. Verminderung der Schallabstrahlung

Zustzliche kapselnde Wirkung

Lochkfig

Schalloptimierter Einbauort

Abb. 22: Dreistufiges Regelventil mit geregelter Lochkfig/LochkegelKombination, Druckausgleich und nachgeschaltetem Lochscheibensatz

Lochkegel

Lochscheibe

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Regelventile in der Energiewirtschaft 61

Moderne Lsungen fr spezielle EinsatzbereicheDas Spektrum an Regelventilen ist auerordentlich gro, entsprechend vielfltig ist deren Einsatzbereich. In den folgenden Kapiteln werden beispielhaft einige Anwendungen beschrieben.

Regelventile in der EnergiewirtschaftIn Kraftwerken werden Regelventile in allen Bereichen eingesetzt. Dies reicht vom Regeln des Brennstoffs bis hin zur Regelung von Rauchgasreinigungsanlagen. Eines der interessantesten Einsatzgebiete fr Regelventile ist jedoch der Speisewasser-/Dampfkreislauf. Unter normalen Betriebsbedingungen sind Regelventile im Speisewasserkreislauf absolut unproblematisch. Eine interessante Herausforderung besteht aber darin, wenn Regelventile nicht nur zum Ergnzen des verdampften Speisewassers, sondern auch zum Fllen beziehungsweise zum Anfahren von Kesseln eingesetzt werden. In diesem Fall wird das Hochdruckspeisewasser unter Anfahrbedingungen zunchst auf atmosphrischen Druck reduziert. Das Regelventil durchfhrt dabei alle Kavitationsstufen und wird auerordentlich hoch belastet. Nur mit besonderen konstruktiven Manahmen lassen sich diese Betriebszustnde ohne Einsatz eines zustzlichen Fllventils mit normalen Speisewasserregelventilen beherrschen. Beim Anfahren des Kessels gelangen zunchst Sattdampfschwaden in das Dampfsystem und werden ber das Anfahrventil abgelassen. Nur

Einsatz bei Flloder Anfahrvorgngen

spezielle Regelventile mit einem sehr breiten Stellverhltnis sind dafr geeignet. Der Dampf wird anschlieend in den berhitzer geleitet. Hier wird die Temperatur ber Einspritzkhler oder auch ber 3-Wege-Regelventile eingestellt, bevor der Dampf in die Turbine eintritt. Im Umfeld der Turbine arbeitet eine ganze Reihe von Regelventilen (z. B. Sperrdampfregelventile, Entwsserungsregelventile) bis hin zu den Anzapf- und Bypass-Stationen, die, jede fr sich genommen, ein Druckregelventil mit integrierter Khlwassereinspritzung zur Einhaltung einer vorgegebenen Temperatur darstellen. Diese halten den Kesselbetrieb aufrecht, wenn die Turbine nicht in Betrieb ist. So werden verschiedene Nieder- bzw. Mitteldrucksysteme weiter versorgt oder der Frischdampf komplett kondensiert und dem WasserDampf-Kreislauf zugefhrt. Dampf wird auch zur Beheizung von verschiedenen Wrmetauschern und Versorgungssystemen bis hin zur Beheizung des Speisewasserbehlters bentigt und von zahlreichen Regelventilen auf den Prozess und die Randbedingungen genau eingeregelt. berall dort, wo dem Dampf die Wrmeenergie entzogen wurde und er sich zu Kondensat wandelt, werden Regelventile fr die Druck- und die Temperaturregelung eingesetzt. Wartungsfreundliche Ventile mit geklemmtem, beidseitig verwendbarem Ventilsitz (Schnellwechselsysteme) haben sich hier insbesondere bei der Inbetriebnahme als besonders vorteilhaft erwiesen, denn trotz grter Bemhungen lassen sich die Rohrleitungen nicht wirklich sauber splen. So fhren beim Anfahren einer Anlage zwangslufig die im System verbliebenen Fremdpartikel zu Beschdigungen an den Ventilsitzkanten. In diesem Fall kann das Ventil ohne Spezialwerkzeug geffnet und der Klemmsitz gewendet werden. Dieser beson-

Temperaturregelung

Ventile mit Schnellwechselsystem

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Moderne Lsungen fr spezielle Einsatzbereiche dere Vorteil des Schnellwechselsystems sorgt dafr, dass die Inbetriebnahme ohne weitere Verzgerung fortgefhrt werden kann.

Pumpgrenzregelventile an Turboverdichtern 63Abb. 23: Doppelt wirkender Kolbenantrieb

Regelventile fr DruckwechselanlagenDruckwechsel- oder PSA-Anlagen (PSA; Pressure Swing Adsorbtion) trennen und reinigen Gase. Bei Wasserstoff lassen sich mittels des PSA-Verfahrens Reinheiten von 99,9999 % erreichen. Das Verfahren ist sehr energieeffizient, da es bei Umgebungstemperatur stattfindet. Kern dieses Verfahrens sind vier bis 12 Druckbehlter, die mit einem Adsorbens gefllt sind. Dieses Adsorbens hat die Eigenschaft, gewisse Gase bei einem bestimmten Druck zu adsorbieren und bei geringerem Druck wieder freizugeben. Durch gezieltes Weiterleiten des Gases zwischen den einzelnen Adsorbern wird das Gas stufenweise gereinigt. Die typische Zykluszeit einer PSAAnlage liegt zwischen 20 Sekunden und einigen Minuten und stellt somit extrem hohe Anforderungen an alle Anlagenkomponenten vor allem an die Regelventile. Sie mssen bei mehr als einer Million Schaltspielen pro Jahr zuverlssig arbeiten und darber hinaus einen blasendichten Abschluss gewhrleisten. Fr Druckwechselanlagen optimierte Regelventile bestehen aus Stahlguss erhhter Gtestufe mit reduziertem Kohlenstoffgehalt, um die Gefahr der Wasserstoffversprdung zu minimieren, haben eine zuverlssige Weichabdichtung und verfgen bei Nennweiten von 80 (3") und grer ber einen zuverlssigen Druckausgleich, da die geforderten Stellzeiten nur mit relativ kleinen pneumatischen Antrieben mglich sind.Reibungsarme Fhrung und Abdichtung

Der Trend zu immer greren Antriebskrften innerhalb immer krzerer Schaltzeiten fhrte zum bevorzugten Einsatz von doppelt wirkenden Kolbenantrieben (Abb. 23). Dieser Antriebstyp hat sich mittlerweile in einer Vielzahl von Installationen bewhrt.

Doppelt wirkender Kolbenantrieb

Mehr als eine Million Schaltspiele

Pumpgrenzregelventile an TurboverdichternBei Turboverdichtern wird im Bypass ein Regelventil installiert, das den verdichteten Gasvolumenstrom in den Saugstutzen des Verdichters umblst oder (bei Prozessmedium Luft) in die Atmosphre abblst. Diese Ventile dienen in erster Linie zum An- und Abfahren des Verdichters. Bei kritischen Fahrweisen oder trotz konstanter Drehzahl schwankendem Verbrauch kommen sie ebenfalls zum Einsatz, um berschssige Gasmengen um- bzw. abzublasen. Ihre wichtigste Aufgabe ist jedoch die Funktion als Sicherheitsventil bei Pumpgrenzregelungen.

Funktion als Sicherheitsventil

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Moderne Lsungen fr spezielle Einsatzbereiche Pumpgrenzregelungen haben die Aufgabe, das so genannte Pumpen bei Turboverdichtern damit wird der Strmungsabriss beim Unterschreiten einer Mindestfrdermenge beschrieben unter allen Umstnden zu verhindern. Ein Strmungsabriss kann ein Schwingen des Verdichterlaufrads und damit Schden in den Lagern, am Laufrad selbst oder an den Leitschaufeln verursachen. Deshalb wird im Verdichterkennfeld die Abblaslinie auf einen bestimmten Sicherheitsabstand unterhalb der Pumpgrenze festgelegt. Aus wirtschaftlichen Grnden sollte dieser Abstand mglichst klein sein. Durch das Verkleinern des Sicherheitsabstands erhhen sich zwangslufig die Anforderungen an das Pumpgrenzregelventil. Das Regelventil muss einerseits feinfhlig sein, andererseits aber auch innerhalb krzester Zeit ffnen, ohne zu bersteuern bzw. im Abblasfall (Blow-off-Fall) voll zu ffnen. Als Pumpengrenzventile in Turboverdichtern haben sich Einsitzregelventile mit linearer bzw. modifizierter Kennlinie bewhrt. Anstelle von Parabolkegeln werden heute immer hufiger Lochdrosselkrper eingesetzt, da diese die Schallreduzierung auch bei Ventilen gewhrleisten, die in die Atmosphre abblasen. Da Turboverdichter immer leistungsfhiger werden, erstreckt sich der Nennweitenbereich von Bypassventilen mittlerweile auf bis zu DN 1200 und entsprechend groe Antriebe. Dabei werden folgende Stellzeiten realisiert: ffnen ber Magnetventil p2>pV p1 pV p2 pVC p1

Kavitation p1>p2>pV>pVC

Hysterese Beim Regelventil die Differenz der Hubpositionen, die sich bei gleichem Hubsollsignal, jedoch bei entgegengesetzter Bewegungsrichtung ergibt. Instrumentenluft Trockene und lfreie Luft ist fr den strungsfreien Betrieb von Stellungsreglern und anderen pneumatischen Komponenten unverzichtbar (IEC 770). Isoliersule Bei Tieftemperaturmedien eingesetzte Verlngerung der Ventilspindel, um Packung, Antrieb und Stellungsregler vor Vereisung durch das kalte Medium zu schtzen sowie um eine effektive Isolierung zu ermglichen. Kavitation Tritt bei vorbergehendem Druckabfall von Flssigkeiten unterhalb des Dampfdrucks auf. Der Zusammenbruch der an der Drosselstelle entstandenen Dampfblasen fhrt zu Stowellen, die beim Auftreffen auf Ventilkrper und Innenteile des Ventils Erosionsschden verursachen knnen. Die Kavita-

Abb. 25: Druckverlufe im Ventil bei Ausdampfung und Kavitation

Auskleidung Die drucktragende, metallene Form der Armatur wird medienseitig mit einem chemisch bestndigen Kunststoff berzogen. Choked Flow Siehe Durchflussbegrenzung. Dampfumformstation Eine Armatur zur kombinierten Druck- und Temperaturreduzierung von Heidampf durch gleichzeitige Drosselung und Einspritzung von Khlwasser.

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Basiswissen ber Prozessarmaturen

Basiswissen ber Prozessarmaturen 69Dichtheit und deren Prfung ist in internationalen Normenwerken festgelegt (EN 60534-4). Lochkegel Regelkegel, ausgefhrt als gelochter Zylinder, der in einem Sitzring gleitet und je nach Position mehr oder weniger Bohrungen und damit Drosselquerschnitt freigibt. Membranantrieb Pneumatischer Regelantrieb, bei dem die Druckkammer mit einer Membran abgeschlossen wird. Die Membran erlaubt (besonders im Vergleich zum Kolbenantrieb) reibungsfreie Hubbewegung und somit eine sehr gleichmige Stellbewegung. Nachdruckanhebung Zum Zweck der Schallminderung wird durch Einsatz von festen Drosselstufen (Lochscheiben und Lochkfige) hinter dem Ventil der Austrittsdruck des Ventils angehoben. Innerhalb des Ventils entstehen damit geringere Differenzdrcke und bei Gasen reduzierte Geschwindigkeiten. Packung Dynamische Abdichtung der Ventilspindel nach auen. Parabolkegel Einfachste Form eines Regelkegels, der in Verbindung mit einer kreisrunden ffnung (Ventilsitz) eine ringfrmige Drosselstelle bildet. Reversierung Bei pneumatischen Antrieben die Umkehrung der Sicherheitsstellung (Federkraft) bei Luftausfall. Sicherheitsstellung Vorgegebene Ventilstellung bei Ausfall der Antriebsenergie: geschlossen, geffnet oder verharrend. SIL Abkrzung fr Safety Integrity Level (dt. Sicherheits-Integrittslevel). Dient zum Schutz der Gesundheit der Beschftigten, der Umwelt und von Gtern. Regelventile sind wesentliche Komponenten bei der diesbezglichen Beurteilung verfahrenstechnischer Anlagen. Silencer Nachgeschaltete Drosselstufen zur Schallminderung (siehe Nachdruckanhebung). Split-Range-Betrieb Aufteilung der Strmung auf ein groes Haupt- und ein kleines Feinregelventil, wenn das Stellverhltnis des groen Ventils nicht ausreichend ist. Splgarnitur Platzhalter (meist nur bei Einschweiventilen), der im Austausch gegen die Innenteile zum Schutz des Ventils whrend Spl- und Beizvorgngen eingesetzt wird. Stellverhltnis Allgemein das Verhltnis von grter zu kleinster regelbarer Durchflussmenge. Das inhrente Stellverhltnis entspricht grtem zu kleinstem Durchflusskoeffizienten. Stick-Slip-Effekt Die unterschiedlichen Reibkrfte beim Gleiten und Loslsen von Radialdichtungen knnen in Verbindung mit schwach (rein statisch) ausgelegten, pneumatischen Antrieben zu unerwnschten, ruckartigen Bewegungen fhren, die eine genaue Positionierung der Ventilspindel verhindern.

tion wird durch Einsatz mehrstufiger