Druckbegrenzungsventile - Wie sie funktionieren

Druckbegrenzungsventile sind unerlässlich, um hydraulische und pneumatische Systeme unterhalb des Ansprechdrucks zu halten. Je nach Installation können sie entweder:

• Reduzieren Sie den Druck in der Anlage auf ein konstantes Niveau, wenn er einen Schwellenwert überschreitet
• Aufrechterhaltung des Drucks vor oder hinter dem Ventil
• Reduzieren Sie die Druckspitzen oder Druckimpulse, um nachgeschaltete Geräte zu schützen.

Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über Druckbegrenzungsventile, in dem ihr Aufbau, ihr Funktionsprinzip, ihre Anwendungen und ihr Einbau in ein System erläutert werden.

Inhaltsübersicht

• Aufbau und Funktionsweise von Druckbegrenzungsventilen
• Anwendungen für Druckbegrenzungsventile
• Unterschiede zwischen Überdruckventilen und Sicherheitsventilen
• Auswahlkriterium
• Einbau eines Druckbegrenzungsventils
• FAQs

Aufbau und Funktionsweise von Druckbegrenzungsventilen

Der Aufbau und die Funktionsweise von Druckbegrenzungsventilen variiert zwischen den verschiedenen Typen von Druckbegrenzungsventilen. Dieser Abschnitt behandelt die Konstruktion und den Betrieb der folgenden Sicherheitsventile:

• Direktwirkendes Druckbegrenzungsventil
• Ausbalanciertes, pilotgesteuertes Druckbegrenzungsventil
• Ferngesteuertes Druckbegrenzungsventil
• Elektrisches Druckbegrenzungsventil

Direktwirkendes Druckbegrenzungsventil

Wie in Abbildung 2 (links) zu sehen ist, hat ein direkt wirkendes Druckventil einen Einlass, einen Auslass und einen Durchflussregelmechanismus (d. h. Kegel, Kugel oder Membran), der von einer einstellbaren Feder getragen wird. Es gibt zwei Arten von Überdruckventilen zur Einstellung der Feder: externe und interne. Eine externe Konstruktion ermöglicht die Einstellung der Feder mit einem Knopf oder Griff, der an der Außenseite des Ventils angeschraubt wird. Bei einer internen Konstruktion befindet sich eine Mutter oder Schraube im Gehäuse des Ventils, die sich in beide Richtungen drehen lässt, um die Feder zu lockern oder zu versteifen. Die interne Konstruktion erfordert eine teilweise Demontage des Ventils, um die Federsteifigkeit einzustellen.

Ein direkt wirkendes Druckbegrenzungsventil begrenzt den Druck in einem System, der über einen bestimmten Grenzwert ansteigt. Die Feder (Abbildung 2, Kennzeichnung A) im Ventil, die entweder einstellbar ist oder nicht, bestimmt den Grenzwert. Wenn der Mediendruck im System nicht hoch genug ist, lässt sich der Öffnungsmechanismus des Ventils (Abbildung 2, Kennzeichnung B), bei dem es sich in der Regel um eine Scheibe oder einen Kegel handelt, nicht öffnen.

Der Öffnungsmechanismus beginnt sich zu öffnen, wenn der Mediendruck den Öffnungsdruck des Ventils erreicht. Das Überdruckventil entlässt ein bestimmtes Medium in die Luft (bei Luftkompressoren) oder in einen Tank (bei Hydrauliksystemen). Dadurch wird die Geschwindigkeit des Druckaufbaus im System verlangsamt.

Erreicht der Systemdruck schließlich den eingestellten Druckgrenzwert des Überdruckventils, wird das Ventil vollständig geöffnet und alle Medien fließen durch das Ventil ab. Dadurch wird der Betrieb aller nachgeschalteten Komponenten gestoppt, bis der Druck soweit gesunken ist, dass das Ventil zu schließen beginnt. Die Differenz zwischen dem Öffnungsdruck des Ventils und der tatsächlichen Einstellung des Überdruckventils beträgt in der Regel mindestens 13,8 bar (200 psi) und wird als Druckübersteuerung bezeichnet.

Ausbalanciertes, pilotgesteuertes Druckbegrenzungsventil

Ein entlastetes, vorgesteuertes Entlastungsventil hat einen Einlass, einen Auslass und zwei Kegel: den Hauptkegel und einen angeschraubten Vorsteuerkegel. Beide Poppets sind federunterstützt. Eine weiche, nicht einstellbare Feder stützt den Hauptkegel und eine viel steifere, einstellbare Feder stützt den Vorsteuerkegel. Eine Pilotbohrung lässt das Medium vom Einlass über den Hauptkegel zum Pilotkegel fließen. Außerdem fließen die Medien vom Einlass bis unterhalb des Hauptkegels. Wenn sich der Hauptkegel anhebt, fließen die Medien von unten zum Auslass.

Da sich die Medien oberhalb und unterhalb des Hauptkegels befinden und die Ober- und Unterseite des Kegels ungefähr die gleiche Oberfläche haben, ist der Druck auf beiden Seiten des Kegels gleich. Auf diese Weise kann die weiche Feder den Ventilkegel bei hohen Systemdrücken geschlossen halten.

Der Steuerventilkegel ist ein direkt wirkender Kegel, der die Druckeinstellung des Überdruckventils bestimmt. Wenn der Druck im System so weit ansteigt, dass der Pilotkegel geknackt wird, können Medien oberhalb des Hauptkegels am Pilotkegel vorbei zum Auslass fließen. Dies führt zu einem Druckabfall oberhalb des Hauptkegels, so dass dieser sich öffnet und die darunter befindlichen Medien zum Auslass des Ventils fließen können.

Der Vorteil eines balancierten, vorgesteuerten Druckbegrenzungsventils besteht darin, dass die Drucküberschreitung (die Differenz zwischen dem Öffnungsdruck des Ventils und den eingestellten Druckgrenzen) viel geringer ist als bei einem direkt wirkenden Druckbegrenzungsventil. Ein geringerer Überdruck verhindert unnötigen Wärmestau und reduziert den Energieverbrauch in einem Hydrauliksystem.

Ferngesteuertes Druckbegrenzungsventil

Ein ferngesteuertes Druckbegrenzungsventil ist bis auf einen Unterschied dasselbe wie ein balanciertes, vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil. Dieses Überdruckventil hat eine Entlüftung, die über einen langen, schmalen Schlauch mit einem direkt wirkenden Überdruckventil verbunden ist. Das direkt wirkende Überdruckventil befindet sich in der Regel in größerer Entfernung und ist bequem an der Bedienerkonsole angebracht.

Medien in einem System werden immer den Weg des geringsten Widerstands gehen. Wenn also ein Bediener die Druckeinstellung des ferngesteuerten Überdruckventils auf einen Wert unterhalb der Druckeinstellung des verschraubten Steuerkegels einstellt, übernimmt das ferngesteuerte Ventil die Kontrolle über die Einstellung des maximalen Drucks des Systems. Die Steuerung kehrt zum Vorsteuerventil zurück, wenn der Bediener die Druckeinstellung des entfernten Überdruckventils auf einen Wert über dem des Vorsteuerventils einstellt.

Elektrisches Druckbegrenzungsventil

Ein elektrisches Druckbegrenzungsventilsystem verwendet ein ferngesteuertes Druckbegrenzungsventil, das mit mehreren direkt wirkenden Druckbegrenzungsventilen verbunden ist. Jedes direkt wirkende Überdruckventil ist mit einem Magnetventil verbunden, das steuert, ob Medien zum Überdruckventil fließen können oder nicht.

Die direkt wirkenden Überdruckventile haben eine niedrigere Druckeinstellung als das Hauptüberdruckventil. Zum Beispiel können drei direktwirkende Überdruckventile eine Druckeinstellung von 70, 138 und 207 bar (1000, 2000 und 3000 psi) haben. Das Hauptdruckbegrenzungsventil kann eine Druckeinstellung von 4000 psi haben. Wenn eine Magnetspule eingeschaltet wird und sich öffnet, folgt das Medium dem Weg des geringsten Widerstands und fließt in Richtung des Überdruckventils mit der niedrigsten Einstellung. Auf diese Weise kann ein System schnell mehrere Druckeinstellungen durchlaufen, z. B. eine Pressmaschine in einer Fertigungsanlage.

Anwendungen für Druckbegrenzungsventile

Vermeidung von Kavitation

Kavitation tritt auf, wenn der Druck in einer Flüssigkeit schnell unter den Dampfdruck fällt. Wenn eine Zentrifugalpumpe gegen ein geschlossenes System pumpt, muss der Überdruck innerhalb des Pumpengehäuses entweichen. Dadurch entstehen Bereiche mit niedrigem Druck, die zu Kavitation führen können.

Überdruckventile öffnen sich proportional zum Druckanstieg und umgehen so das Gehäuse. Dadurch wird der Überdruck langsam abgebaut. Und durch die Vermeidung von Kavitation wird die Lebensdauer der Pumpe erhöht. Weitere Informationen finden Sie in unseren Leitfäden über Kavitation und Kavitation in Pumpen, Ventilen und Rohren.

Kühl-/Heizkreisläufe

Die Durchflüsse können bei intermittierender Belastung oder beim An- und Abfahren erheblich schwanken. Reaktionen von angeschlossenen Kesseln oder Reaktoren können zu einem Druckanstieg oder -abfall führen, der unverhältnismäßig hoch ist im Vergleich zu dem, was die vom Benutzer gesteuerten Geräte (z. B. Pumpen und Wärmetauscher) erzeugen. Druckbegrenzungsventile helfen, unerwartete Druckschwankungen in Heizkreisen zu vermeiden.

Systeme mit empfindlichen Geräten

Auch in pneumatischen Systemen mit mehreren Komponenten kann ein übermäßiger Druck die Ausrüstung beschädigen. Ein Druckbegrenzungsventil kann einen vorzeitigen Ausfall der Anlage verhindern und kann Teil eines vorbeugenden Wartungsplans sein.

Erfahren Sie, wie ein Entlastungsventil zusammen mit einem Manometer für Schwimmbadfilter für den Einsatz in Schwimmbädern geeignet ist.

Unterschiede zwischen Überdruckventilen und Sicherheitsventilen

Druckbegrenzungsventile haben einen kontinuierlichen, proportionalen Betrieb (Abbildung 3, Bezeichnung 1), während Sicherheitsventile dies nicht haben (Abbildung 3, Bezeichnung 2). Druckbegrenzungsventile sind ein wichtiger Bestandteil von Flüssigkeitssystemen und nicht nur ein Sicherheitsmerkmal. Während des normalen Betriebs ist es normal, dass ein Überlauf-/Druckbegrenzungsventil ständig geöffnet ist, um das System wieder auf normale Arbeitsbedingungen einzustellen.

Sicherheitsventile hingegen müssen alle Energie, die in ein System eindringen kann, ableiten, um einen Systemausfall zu verhindern. Nach dem anfänglichen Anheben der Scheibe vergrößert sich die Fläche, auf die der Druck wirkt, und die Kraft auf die Feder nimmt deutlich zu. Die große Kraft verursacht das Ploppverhalten des Sicherheitsventils.

Sicherheitsventile entleeren sich nicht in eine Niederdruckzone des Kreislaufs, sondern in die Atmosphäre, und zwar auch noch kurze Zeit, nachdem der Systemdruck wieder den Schwellwert erreicht hat. Da Sicherheitsventile zum Schutz von Druckbehältern dienen, stoppen sie die Entleerung erst, wenn eine sichere Situation erreicht ist.

Der Funktionsunterschied zwischen einem Überdruckventil und einem Sicherheitsventil ist in den jeweiligen Druckkennlinien zu erkennen. Diese Ventile sind abwechselnd vollständig geöffnet (Abbildung 3, Kennzeichnung A) und vollständig geschlossen (Abbildung 3, Kennzeichnung B).

• Blowdown: Der Abblasbereich eines Überdruckventils (Abbildung 3, Bezeichnung F) ist viel enger als der eines Sicherheitsventils (Abbildung 3, Bezeichnung G). Das bedeutet, dass der Unterschied zwischen dem eingestellten Druck und dem Schließdruck viel geringer ist, was bedeutet, dass er schneller schließt.
• Druck wiederherstellen: Der Wiedereinschaltdruck (Abbildung 3, Bezeichnung C), auch Schließdruck genannt, ist der Druck, bei dem das Ventil schließt. Überdruckventile schließen proportional in der Nähe des eingestellten Drucks (Abbildung 3, Kennzeichnung D), während Sicherheitsventile weiter vom eingestellten Druck entfernt schließen.
• Maximaler Entlastungsdruck: Überdruckventile beginnen sich in der Nähe des maximalen Entlastungsdrucks zu schließen (Abbildung 3, Kennzeichnung E), während Sicherheitsventile viel weiter vom maximalen Entlastungsdruck entfernt schließen.
• Simmern: Sicherheitsventile haben einen weiten Simmerwert (Abbildung 3 mit H gekennzeichnet), der den Aufbau bis zum Aufspringen des Ventils darstellt.

Auswahlkriterium

Bei der Auswahl eines Druckbegrenzungsventils sind die folgenden Kriterien zu beachten. Lesen Sie unseren Leitfaden zur Auswahl von Überdruckventilen und Sicherheitsventilen, um weitere Informationen zu erhalten.

• Minimaler/maximaler Betriebsdruck: Stellen Sie sicher, dass das Überdruckventil mit den Druckgrenzen des Systems kompatibel ist.
• Materialien für Gehäuse und Dichtungen: Stellen Sie sicher, dass die Komponenten des Überdruckventils mit dem Medium kompatibel sind.
• Abflussmenge: Stellen Sie sicher, dass das Überdruckventil die richtige Größe hat, um in einem Extremszenario ausreichend entlasten zu können.
• Einstellbar/nicht einstellbar: Ein einstellbares Überdruckventil ist von Vorteil, wenn der gewünschte Einstelldruck nicht bekannt ist oder sich möglicherweise während der Lebensdauer des Ventils ändert.

Einbau eines Druckbegrenzungsventils

Druckbegrenzungsventile funktionieren am besten hinter Hochdruckzonen in einem System. Eine häufige Anwendung ist die Installation eines Überdruckventils in der Nähe des Pumpenauslasses. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zur Installation von Überdruck- und Sicherheitsventilen.

FAQs

Verringert ein Druckbegrenzungsventil den Durchfluss?

Ja, aber dies geschieht nur, wenn der Druck den eingestellten Druck überschreitet. Im Normalbetrieb darf der Druck den eingestellten Wert nicht überschreiten, und das Überdruckventil bleibt geschlossen.

Worauf müssen Sie bei der Auswahl eines Druckbegrenzungsventils achten?

Maximaler Durchfluss, maximaler Druck und die Beschaffenheit des Mediums. Korrosive Medien können andere Dichtungen, Membranen oder Gehäuse erfordern. Vergewissern Sie sich, dass das Ventil die für Ihre Anwendung erforderlichen Zulassungen besitzt.

Können Überdruckventile Wasserschläge verhindern?

Ja - bestimmte Modelle können das. Um Wasserschläge vollständig zu vermeiden, sollten Sie ein spezielles Modell verwenden, das sowohl den hohen Durchfluss als auch die Druckunterschiede bewältigen kann, die in einem Wasserschlagszenario üblich sind.

Gibt es Nachteile bei der Verwendung von Druckbegrenzungs-/Überströmventilen in einem Bypass?

Der größte Nachteil ist der Energieverlust. Alles, was durch das Ventil gepumpt wird, wird per definitionem nicht nachgelagert verwendet. Für kurze Zeitspannen ist dies im Allgemeinen kein Problem.