Drosselklappe - Wie sie funktionieren

Drosselklappe - Wie sie funktionieren

Drosselklappe

Abbildung 1: Drosselklappe

Absperrklappen sind Vierteldrehventile, die gerne für Auf-Zu- oder modulierende Dienste verwendet werden. Sie sind leicht, benötigen nur wenig Platz für die Installation, sind kostengünstig, lassen sich schnell bedienen und sind mit großen Öffnungen erhältlich. Der "Schmetterling" ist eine Scheibe, die mit einem Stab verbunden ist. Wenn sich das Ventil öffnet, dreht sich die Scheibe und lässt Flüssigkeit hindurch. Sie schließt sich, wenn die Stange die Scheibe um eine Vierteldrehung in eine Position senkrecht zur Strömungsrichtung dreht. Erfahren Sie mehr darüber, wie Absperrklappen funktionieren und wann sie für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden.

Inhaltsübersicht

Prinzip der Arbeitsweise

Absperrklappen haben eine relativ einfache Konstruktion. Abbildung 2 zeigt die Hauptbestandteile einer Absperrklappe, nämlich Gehäuse, Dichtung, Klappenscheibe und Spindel. Die Klappenscheibe (Abbildung 2, Bezeichnung A) einer Absperrklappe ist auf die Mitte der angeschlossenen Rohrleitung ausgerichtet, und die Spindel (Abbildung 2, Bezeichnung B) ist mit einem Antrieb oder Griff (Abbildung 2, Bezeichnung C) an der Außenseite der Klappe verbunden. In der geschlossenen Stellung steht der Ventilteller senkrecht zur Strömung, wie in Abbildung 2 dargestellt, und dichtet gegen den Ventilsitz ab (Abbildung 2, Kennzeichnung D). Ein O-Ring (Abbildung 2, Kennzeichnung E) in der Spindelpackung dichtet gegen Leckagen an der Spindel ab. Wenn der Stellantrieb oder der Handgriff die Spindel der Absperrklappe um 90° dreht, dreht sich auch die Klappenscheibe um 90°, so dass sie parallel zur Strömung ausgerichtet ist. Bei teilweiser Drehung kann der Durchfluss gedrosselt oder proportional eingestellt werden.

Teile einer Absperrklappe: Scheibe (A), Spindel (B), Griff (C), Dichtung (D), O-Ring (E), Ventilgehäuse (F)

Abbildung 2: Teile einer Absperrklappe: Scheibe (A), Spindel (B), Griff (C), Dichtung (D), O-Ring (E), Ventilgehäuse (F)

Regelklappen können eine lineare oder eine gleichprozentige Kennlinie haben.

  • Linear: Wenn die Scheibe zu X% geöffnet ist, beträgt die Durchflussmenge X% der maximalen Durchflussmenge. Wird die Scheibe beispielsweise um eine 1/3-Drehung (30 Grad) geöffnet, beträgt die Durchflussmenge 33,3 % des Höchstwerts.
  • Equal: Es besteht eine logarithmische Beziehung zwischen dem Scheibenweg und der Durchflussmenge. Wenn sich die Scheibe beispielsweise um 10 Grad dreht und die Durchflussmenge von 100 auf 170m3/h ansteigt, was einer Steigerung von 70 % entspricht, dann steigt die Durchflussmenge bei der nächsten Drehung um 10 Grad von 170 auf 289m3/h, was ebenfalls einer Steigerung von 70 % entspricht. Bei modernen Absperrklappen ist dieses Verhältnis von 20 bis 90 Grad (vollständig geöffnet) möglich.

Das Symbol für eine Absperrklappe ist unten abgebildet:

Symbol einer Absperrklappe

Abbildung 3: Symbol einer Absperrklappe

Arten von Absperrklappen

Absperrklappen gibt es in verschiedenen Ausführungen, die jeweils für bestimmte Anwendungen und Druckbereiche geeignet sind. Absperrklappen lassen sich nach der Art des Klappenverschlusses, der Anschlusskonstruktion und der Betätigungsart einteilen.

Konstruktion des Scheibenverschlusses

Absperrklappen können konzentrisch oder exzentrisch sein, abhängig von der Lage der Spindel im Verhältnis zur Mittellinie der Klappenscheibe und dem Oberflächenwinkel des Klappensitzes.

Konzentrisch

Die grundlegendste Ausführung einer Absperrklappe ist eine zentrische oder konzentrische Absperrklappe. Die Spindel geht durch die Mittellinie der Scheibe, und der Sitz ist der Innendurchmesser des Ventilkörpers (Abbildung 4 links). Diese versatzfreie Ventilkonstruktion wird als elastisch gedichtet bezeichnet, da eine effiziente Abdichtung von der Flexibilität des Gummisitzes abhängt. Beim Schließen kommt die Scheibe bei einer 90°-Drehung erst bei etwa 85° mit dem Sitz in Berührung. Konzentrische Absperrklappen sind für den Niederdruckbereich geeignet.

Eine Absperrklappe mit Nullpunktverschiebung und einem Hebelgriff (links) und eine exzentrische Absperrklappe mit einem Handrad (rechts).

Abbildung 4: Eine Absperrklappe mit Nullpunktverschiebung und einem Hebelgriff (links) und eine exzentrische Absperrklappe mit einem Handrad (rechts).

Exzenter

Die Spindel einer exzentrischen Absperrklappe verläuft nicht durch die Mittellinie der Klappenscheibe, sondern hinter ihr (entgegen der Durchflussrichtung), wie in Abbildung 4 (rechts) zu sehen ist. Die Spindel einer einzelnen gekröpften Absperrklappe liegt direkt hinter der Mittellinie der Scheibe. Durch diese Konstruktion wird der Kontakt der Scheibe mit der Dichtung verringert, bevor das Ventil vollständig geschlossen ist. Weniger Kontakt erhöht die Lebensdauer des Ventils.

Bei einer doppelt exzentrischen Absperrklappe liegt die Spindel hinter der Mittellinie der Klappenscheibe mit einem zusätzlichen Versatz zu einer Seite (Abbildung 5). Die doppelte Exzentrizität des Schaftes reduziert den Kontakt zwischen Scheibe und Sitz auf die letzten 1-3° des Scheibenschlusses.

Eine dreifach gekröpfte Absperrklappe (TOV oder TOBV) eignet sich für kritische Anwendungen und ist ähnlich aufgebaut wie eine doppelt gekröpfte Absperrklappe. Der dritte Versatz ist die Kontaktachse zwischen Scheibe und Sitz. Die Sitzfläche hat eine konische Form, die in Verbindung mit der gleichen Form an der Kante der Klappenscheibe zu einem minimalen Kontakt vor dem vollständigen Schließen der Klappe führt. Eine dreifach gekröpfte Absperrklappe ist effizienter und hat einen geringeren Verschleiß. Dreifach gekröpfte Ventile bestehen häufig aus Metallsitzen, die einen blasendichten Abschluss gewährleisten. Durch die Metallsitze sind die Absperrklappen für höhere Temperaturbereiche geeignet.

Hochleistungsabsperrklappen nutzen den Druck in der Rohrleitung, um die Abdichtung zwischen Sitz und Tellerrand zu erhöhen. Diese Absperrklappen haben höhere Druckstufen und sind weniger verschleißanfällig.

Schema einer exzentrischen Absperrklappe in der Draufsicht

Abbildung 5: Schema einer exzentrischen Absperrklappe in der Draufsicht

Gestaltung der Verbindung

Absperrklappen können auf unterschiedliche Weise an ein Rohrleitungssystem angeschlossen werden. Die gebräuchlichsten Anschlüsse sind Zwischenflansch, Lasche und Flansch.

Anschlussarten der Absperrklappe: Absperrklappe mit Zwischenflansch (A), Absperrklappe mit Flansch (B), Absperrklappe mit Zapfen (C).

Abbildung 6: Anschlussarten von Absperrklappen: Absperrklappe mit Zwischenflansch (A), Absperrklappe mit Flansch (B), Absperrklappe mit Nase (C).

Wafer-Stil

Die kostengünstigste Variante ist eine Zwischenflanschklappe, die zwischen zwei Rohrflanschen eingefügt wird. Die Rohrleitungsflansche werden durch lange Schrauben verbunden, die quer über das gesamte Ventilgehäuse verlaufen. Dieser Anschlusstyp eignet sich zur Abdichtung gegen bidirektionale Druckunterschiede und zur Verhinderung des Rückflusses in Anlagen, die für einen universellen Durchfluss ausgelegt sind. Einige Versionen dieses Ventils haben Flanschbohrungen außerhalb des Ventilgehäuses (Abbildung 6, Kennzeichnung A). Dichtungen, O-Ringe und flache Ventilflächen auf beiden Seiten des Ventils sorgen gemeinsam für eine effiziente Abdichtung.

Lug-Stil

Die Absperrklappe mit Laschen hat Gewindeeinsätze (Laschen) außerhalb des Ventilgehäuses (Abbildung 6, gekennzeichnet mit C). Zwei Schraubensätze ohne Muttern verbinden die Rohrflansche auf jeder Seite der Bolzeneinsätze. Diese Konstruktion ermöglicht es, eine Seite abzuschalten, ohne die Funktion der anderen Seite zu beeinträchtigen, so dass eine Sackgasse entsteht. Absperrklappen in Lug-Bauweise, die im Sackgassenbetrieb eingesetzt werden, haben im Allgemeinen eine niedrigere Druckstufe. Und im Gegensatz zu Zwischenflanschklappen tragen Stutzenventile das Gewicht der Rohrleitung durch das Ventilgehäuse.

Verfahren zur Betätigung

Absperrklappen können manuell mit Handgriffen und Getrieben oder automatisch mit elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Antrieben betätigt werden. Diese Vorrichtungen ermöglichen eine präzise Drehung der Scheibe in Positionen, die von vollständig geöffnet bis vollständig geschlossen reichen. Im Folgenden werden die verschiedenen Arten der Betätigung kurz beschrieben.

Manuelle Absperrklappe

Manuell betätigte Absperrklappen sind kostengünstig und einfach zu bedienen. Die beiden gängigsten Methoden sind:

  • Handhebel: Bei kleinen Absperrklappen ist ein Handhebel üblich. Mit dem Griff kann das Ventil in einer offenen, teilweise offenen oder geschlossenen Position arretiert werden. Ein Beispiel ist in Abbildung 4 (links) zu sehen. Absperrklappen mit verlängerter Spindel haben lange Spindeln, die eine Fernbetätigung der Armatur ermöglichen, wenn sie sich unter der Erde oder in einer Grube befindet.
  • Ausrüstung: Diese sind für etwas größere Klappen ausgelegt und verwenden ein Getriebe, um das Drehmoment auf Kosten einer geringeren Öffnungs-/Schließgeschwindigkeit zu erhöhen. Zahnradgetriebene Armaturen sind außerdem selbsthemmend (nicht rückwärtsfahrend) und können mit Stellungsanzeigen ausgestattet werden. Ein Beispiel ist in Abbildung 4 (rechts) zu sehen.
Manuelle Absperrklappen

Abbildung 7: Manuelle Absperrklappen

Betätigte Absperrklappe

Kraftbetriebene Stellantriebe sind eine zuverlässige Methode, um Absperrklappen von einem entfernten Standort aus zu steuern. Klappenantriebe ermöglichen auch die schnelle Betätigung größerer Armaturen. Diese Stellantriebe können so konstruiert sein, dass sie bei einem Ausfall des Stellantriebs offen bleiben (fail-open) oder geschlossen bleiben (fail-close), und sie verfügen oft über eine manuelle Betätigungsmethode im Falle eines Ausfalls, wie in Abbildung 8 zu sehen ist. Die drei Arten von automatischen Stellantrieben sind im Folgenden aufgeführt:

  • Elektrische (motorisierte) Absperrklappe: Verwendet einen Elektromotor zum Drehen der Drosselklappenstange. Erfahren Sie mehr über elektrische Stellantriebe.
  • Pneumatische Absperrklappe: Benötigt Druckluft, um einen Kolben oder eine Membran zum Öffnen/Schließen des Ventils zu bewegen, wie in Abbildung 8 dargestellt. Erfahren Sie mehr über pneumatische Stellantriebe.
  • Hydraulische Absperrklappe: Erfordert hydraulischen Druck, um einen Kolben oder eine Membrane zum Öffnen/Schließen des Ventils zu bewegen.

ISO-Normen für betätigte Absperrklappen

  • ISO 5211: ISO 5211 ist eine internationale Norm, die Anforderungen für den Anbau von Schwenkantrieben (mit oder ohne Getriebe) an Industriearmaturen festlegt. ISO 5211 spezifiziert die Flanschabmessungen und die Abmessungen der Antriebskomponenten von Schwenkantrieben, die für die Befestigung an den angetriebenen Komponenten erforderlich sind, sowie die Referenzwerte für Drehmomente für Schnittstellen und Kupplungen. Weitere Informationen über ISO 5211 finden Sie in unserem Artikel ISO 5211.
  • ISO 5752: Die Norm ISO 5752 für Absperrklappen spezifiziert die Grundreihe der Flächen- und Mittenabmessungen für Zweiwege-Metallklappen.
  • ISO 10631: ISO 10631 legt die allgemeinen Anforderungen an Konstruktion, Werkstoffe (z. B. Stahl, Gusseisen, Sphäroguss, Kupferlegierungen), Druck-/Temperaturstufen und Prüfungen für Absperrklappen mit Metallgehäuse zur Verwendung in geflanschten oder stumpfgeschweißten Rohrleitungssystemen fest.
  • ISO 16136: ISO 16136 legt die Anforderungen an die Konstruktion, die funktionellen Eigenschaften und die Herstellung von Absperrklappen aus thermoplastischen Werkstoffen für Absperr- und Regelzwecke, ihren Anschluss an das Rohrleitungssystem, die Gehäusewerkstoffe und ihre Druck-/Temperaturbeständigkeit zwischen - 40 °C und + 120 °C für eine Lebensdauer von 25 Jahren fest und spezifiziert auch ihre Prüfungen.
Pneumatische Absperrklappen mit einem Handrad

Abbildung 8: Pneumatische Absperrklappen mit einem Handrad

Verdrahtung der Absperrklappe

Bei einer elektrisch betätigten Absperrklappe gibt es zwei Verdrahtungsmöglichkeiten:

  • 2-Punkt-Stellantriebe: Die drei Drähte in 2-Punkt-Stellantrieben sind für +, - und einen Steuerdraht. Der Steuerdraht muss bestromt sein, um das Ventil zu öffnen, und unbestromt, um das Ventil zu schließen, oder andersherum. Diese Funktion ist besonders hilfreich, wenn sich das Ventil an einem abgelegenen Ort befindet. Das Ventil bleibt in der letzten Stellung, wenn das gesamte Gerät nicht mit Strom versorgt wird.
  • 3-Punkt-Stellantriebe: Die vier Drähte in 3-Punkt-Stellantrieben sind für +, - und zwei Steuerdrähte. Die beiden Steuersignale können das Ventil schließen oder öffnen, je nachdem, welches Signal gespeist wird. Die 3-Punkt-Steuerung ermöglicht Zwischenstopps (teilweise geöffnet). Die beiden Steuerleitungen dürfen nicht gleichzeitig betätigt werden, da sonst der Antrieb beschädigt werden kann.

Anwendungen

Absperrklappen werden in den verschiedensten Branchen und Anwendungen eingesetzt, z. B. in der pharmazeutischen Industrie, in der Chemie- und Ölindustrie, in der Lebensmittelindustrie, in der Wasserversorgung, in der Abwasseraufbereitung, im Brandschutz, in der Gasversorgung, bei der Handhabung von Kraftstoffen und in der Sanitärtechnik. Absperrklappen für Wasser werden als Regelventile in Rohrleitungen zum Absperren des Wasserflusses eingesetzt. Diese Ventile sind in großen Größen erhältlich und eignen sich für die Förderung von Schlämmen und Flüssigkeiten mit relativ hohen Feststoffanteilen bei niedrigen Drücken. Absperrklappen aus Edelstahl werden in korrosiven und maritimen Umgebungen eingesetzt, da das Material sehr langlebig und korrosionsbeständig ist.

Kugelhahn vs. Absperrklappe

In der Regel ist eine Absperrklappe mit ähnlichen Merkmalen wie ein Kugelhahn billiger, einfacher zu installieren und hat einen geringeren Installationsbedarf. Aufgrund der Scheibe in Absperrklappen können diese jedoch nicht zu Reinigungszwecken gemolcht werden. Kugelhähne sind für Hochdruckanwendungen mit kleinem Durchmesser vorteilhaft, da sie besser für höhere Druckunterschiede geeignet sind und einen minimalen Druckabfall über das Ventil verursachen. Absperrklappen haben eine relativ einfache Konstruktion mit weniger beweglichen Teilen und weniger Taschen/Fallen für Medien. Daher sind sie leichter zu reparieren und billiger in der Wartung. Bei kleinen Rohrdurchmessern ist ein Kugelhahn in der Regel besser für das Drehmoment und die Kosten geeignet. Die Drehmoment- und Kostenvorteile von Absperrklappen kommen ab DN 50 zum Tragen. Lesen Sie unseren Artikel über Kugelhähne vs. Absperrklappen für einen detaillierten Vergleich zwischen beiden Ventiltypen.

Absperrklappe (links) und Kugelhahn (rechts)

Abbildung 9: Absperrklappe (links) und Kugelhahn (rechts)

FAQs

Wozu dient eine Absperrklappe?

Absperrklappen werden für die Ein-Aus- oder modulierte Flüssigkeitsregelung verwendet.

Kann man eine Absperrklappe für Gas verwenden?

Ja, Absperrklappen können für Flüssigkeiten und Gase verwendet werden, aber nicht für Schüttgüter.

Was ist der Vorteil einer Absperrklappe?

Absperrklappen sind leicht und können sowohl für die Ein-Aus- als auch für die modulierte Flüssigkeitsregelung verwendet werden.