Strömungsprinzipien

Der Flüssigkeitsstrom in einem System hat viele Eigenschaften, die von mehreren Faktoren abhängen. Bei der Planung eines Systems und der Auswahl von Ventilen ist es wichtig, diese Faktoren zu verstehen und zu berücksichtigen, um ein optimales Ventil auszuwählen. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die verschiedenen Strömungsprinzipien, um den Lesern bei der Auswahl des bestmöglichen Ventils zu helfen.

Zu berücksichtigende Strömungsfaktoren

• Druck
• Druckverlust
• Beziehung zwischen Druck und Geschwindigkeit
• Temperatur und Durchfluss
• Durchflusskoeffizient
• Abgedrosselter Fluss
• Blinken und Kavitation
• Durchflussart

Druck

Druck ist definiert als die pro Flächeneinheit wirkende Kraft:

p=F/A

wo:

• p: Druck in Pascal (^N/m2)
• F: Kraft in Newton (N)
• A: Fläche (^m2)

Pascal (Pa) ist eine relativ kleine Einheit. Daher werden häufig die Bezeichnungen bar und psi verwendet. 1 bar = 105 Pa.

Wenn Sie Druckberechnungen durchführen, um die richtige Ventilkonstruktion für ein System zu bestimmen, sollten Sie die verschiedenen Aspekte des Drucks kennen:

• Absoluter und relativer Druck: Der Absolutdruck verwendet den absoluten Nullpunkt als Bezugspunkt. Der Relativ- oder Überdruck verwendet den atmosphärischen Druck als Bezugspunkt. Bei der Auswahl eines Ventils wird durch die Verwendung des absoluten Drucks sichergestellt, dass der atmosphärische Druck bei der Bestimmung des Gesamtdrucks, der auf das Ventil wirkt, berücksichtigt wird. Erfahren Sie mehr über die verschiedenen Arten von Druck in unserem Artikel über die verschiedenen Druckarten.
• Statischer und dynamischer Druck: Der statische Druck ist der Druck, der von einer Flüssigkeit oder einem Gas in Ruhe ausgeübt wird. Dynamischer Druck ist der Druck, der von einer sich bewegenden Flüssigkeit ausgeübt wird.
  • Statischer Druck: Diesem Druck wird durch die strukturelle Festigkeit des Ventils widerstanden. Daher ist bei der Planung eines Systems darauf zu achten, dass die Ventile eine ausreichende Festigkeit und Integrität aufweisen, um dem erwarteten statischen Druck standzuhalten.
  • Dynamischer Druck: Der dynamische Druck hängt von der Geschwindigkeit und der Dichte der Flüssigkeit ab. Die Auslegung von Systemen für dynamischen Druck ist komplizierter, da Faktoren wie Rohrdurchmesser, Durchflussmenge, Flüssigkeitsviskosität und die Auslegung des Systems berücksichtigt werden müssen.

Statische und dynamische Druckgleichungen

Nachfolgend finden Sie Standardgleichungen, die Ihnen helfen, sich ein Bild von den statischen und dynamischen Drücken eines Systems zu machen. Tatsächliche Ventil- und Rohrleitungssysteme können aufgrund der Kompressibilität von Flüssigkeiten, Reibungsverlusten, Höhenunterschieden und Strömungsbeschleunigung komplexer sein.

Die Gleichung für den statischen Druck lautet:

Wo:

• P: statischer Druck
• ⍴: Dichte der Flüssigkeit
• g: Beschleunigung durch die Schwerkraft
• h: Höhe der Flüssigkeitssäule über dem betrachteten Punkt

Die Gleichung für den dynamischen Druck lautet:

Wo:

• q: dynamischer Druck
• ⍴: Dichte der Flüssigkeit
• v: Geschwindigkeit der Flüssigkeit

Druckverlust

Bei der Auswahl eines Ventils für ein System muss der Druckabfall über dem Ventil berücksichtigt werden. Der Druckabfall des Regelventils unterscheidet sich zwischen dem Druck vor und hinter dem Ventil. Druckabfall wirkt sich auf folgende Weise auf ein System aus:

• Effizienz: Ein hoher Druckabfall über ein Ventil kann zu Energieineffizienz und damit zu höheren Betriebskosten führen.
• Durchflussmenge Ein hoher Druckabfall kann auch zu einem geringen Durchfluss führen und den Betrieb des Systems stören.
• Kontrolle: Der Druckabfall über ein Regelventil steuert den Durchfluss. Das Druckregelventil sollte so ausgelegt sein, dass es den gewünschten Durchfluss bei minimalem Druckabfall liefert, um Energie zu sparen.

Lesen Sie unseren Artikel über Druckabfall, um mehr über die Faktoren zu erfahren, die Druckabfall verursachen.

Beziehung zwischen Druck und Geschwindigkeit

Druck und Geschwindigkeit stehen in einem umgekehrt proportionalen Verhältnis zueinander. Daher wird mit der Anpassung der Strömungsgeschwindigkeit gleichzeitig auch der Druck angepasst. Alle Ventile schränken den Durchfluss in gewissem Maße ein, wobei die Bandbreite von nahezu unbedeutend(Kugelhahn) bis sehr bedeutend(Durchgangsventil) reicht. Diese Einschränkung erfolgt in der Regel in Form einer verringerten Strömungsfläche, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit erhöht und der Druck verringert.

Der Punkt der höchsten Geschwindigkeit und damit des niedrigsten Drucks wird als Vena contracta bezeichnet (Abbildung 2).

Das Produkt aus Geschwindigkeit und Fläche stromaufwärts der Verengung ist gleich dem Produkt aus Geschwindigkeit und Fläche stromabwärts der Verengung.

V₁ * A₁ = V₂ * A₂

Daher können Geschwindigkeit und Druck durch Anpassung der Größe der Verengung eingestellt werden. Bei Regelventilen bedeutet dies, dass der Schließmechanismus auf einen Punkt zwischen offen und geschlossen bewegt wird, um die Durchflussmenge zu modulieren.

Temperatur und Durchfluss

Die Temperatur kann einen erheblichen Einfluss auf den Durchfluss durch ein Ventil haben. Berücksichtigen Sie daher bei der Planung eines Systems und der Auswahl eines Ventils den Betriebstemperaturbereich. Die Temperatur kann den Durchfluss durch ein Ventil auf folgende Weise erheblich beeinflussen:

• Ausdehnung/Kontraktion des Materials: Ventile haben Komponenten aus verschiedenen Materialien. Temperaturschwankungen können dazu führen, dass sich diese Materialien ausdehnen oder zusammenziehen. Wenn sich die Teile eines Ventils durch hohe Temperaturen zu stark ausdehnen, kann es zu Leckagen und verminderter Effizienz kommen.
• Die Viskosität ändert sich: Die Viskosität einer Flüssigkeit ist ein Maß für ihren Widerstand gegen das Fließen. Die Viskosität wird maßgeblich von der Temperatur beeinflusst. Mit steigender Temperatur nimmt die Viskosität in der Regel ab, so dass es leichter fließt. Bei niedrigeren Temperaturen nimmt die Viskosität zu, was die Fähigkeit des Ventils, den Durchfluss zu steuern, beeinträchtigen kann. Erfahren Sie mehr über Ventile für hochviskose Flüssigkeiten in unserem Artikel Ventile für hochviskose Flüssigkeiten.
• Druckänderungen: Eine steigende Temperatur kann den Druck in einem Ventil erhöhen, eine fallende Temperatur kann den Druck verringern.
• Leistung der Dichtung: Liegt die Temperatur unter oder über der zulässigen Temperatur der Ventildichtung, kann die Dichtung beschädigt werden oder ausfallen, was zu Leckagen führt.

Durchflusskoeffizient

Der Durchflusskoeffizient, entweder Cv oder Kv, ist ein Maß für die Kapazität des Ventils für den Flüssigkeitsdurchfluss. Kv gibt die Wassermenge in Kubikmetern pro Stunde an, die bei einem Druckabfall von einem Bar durch ein Ventil fließen kann. Cv drückt die Wassermenge in Gallonen pro Minute aus, die bei einem Druckabfall von einem psi durch das Ventil fließen kann. Ein höherer Durchflusskoeffizient bedeutet eine größere Durchflusskapazität, d. h. es kann mehr Flüssigkeit bei einem bestimmten Druckabfall durch das Ventil fließen.

Außerdem hat ein Ventil mit einem höheren Durchflusskoeffizienten einen geringeren Druckverlust. Der Durchflusskoeffizient kann zur Schätzung des Druckabfalls über dem Ventil verwendet werden.

Durchflusskoeffizient	Gleichung zur Abschätzung des Druckabfalls
Kv
Cv

Wo:

• ΔP: Druckabfall über dem Ventil (bar, psi)
• Q Durchflussmenge durch das Ventil (^m3/h, gpm)
• SG: spezifisches Gewicht der Flüssigkeit

Erfahren Sie mehr über die verschiedenen Durchflusskoeffizienten und deren Berechnung in unseren Artikeln über kv- und cv-Rechner .

Abgedrosselter Fluss

Ein gedrosselter Durchfluss bedeutet, dass der Druckabfall durch das Ventil zunimmt, der Durchfluss jedoch nicht, da er ein Maximum erreicht hat. Dies geschieht in der Regel, wenn die Geschwindigkeit der Flüssigkeit die Schallgeschwindigkeit erreicht hat, was auch als kritische Strömungsbedingung bezeichnet wird. Ein gedrosselter Durchfluss ist ein großes Problem, da er zu Geräteschäden und Geräuschen führen kann, die lauter sind als die empfohlenen oder vorgeschriebenen Sicherheitsstufen.

Um einen gedrosselten Durchfluss zu vermeiden, sollten Sie bei der Auswahl eines Ventils Folgendes beachten:

• Durchflussmenge: Ein zu kleines Ventil kann schnell drosseln und die Durchflussmenge unabhängig vom Druck begrenzen.
• Druckabfall: Da der Durchfluss im Ventil gedrosselt wird, wenn der Druck hinter dem Ventil auf einen bestimmten Wert abfällt, muss sichergestellt werden, dass die Ventile für den maximalen Druck vor und hinter dem Ventil ausgelegt sind, dem sie während des Betriebs ausgesetzt sind.
• Flüssigkeitstyp: Gase und Flüssigkeiten verhalten sich unterschiedlich, wenn sie durch ein Ventil strömen. Ihre spezifischen Eigenschaften, wie z. B. Temperatur, Druck und spezifisches Wärmeverhältnis, beeinflussen den Punkt, an dem das Drosseln auftritt.

Blinken und Kavitation

Ein gedrosselter Durchfluss ist oft eine Vorstufe von Flashen und Kavitation. Diese beiden Phänomene treten auf, wenn der Druck im System unter den Dampfdruck der Flüssigkeit fällt, wodurch sich in der Flüssigkeit Blasen bilden. Wenn der Druck wieder ansteigt, implodieren die Blasen und erzeugen Stoßwellen, die Ventilkomponenten beschädigen können. Ähnlich wie bei der Strömungsdrosselung sind Kavitation und Flashen schädlich für die Ausrüstung und gefährlich für die Bediener, da sie sehr laut sind. In unserem Artikel über Kavitation und Blitzen erfahren Sie mehr über die Besonderheiten der beiden Phänomene. Unser Artikel über Kavitation in Pumpen, Ventilen und Rohrleitungen befasst sich näher mit den Auswirkungen von Kavitation auf Ventile.

Durchflussart

In einem System können verschiedene Strömungsarten auftreten. Einige dieser Strömungsarten können bei bestimmten Anwendungen besser funktionieren als andere. Diese Erkenntnis ist wichtig für die Auswahl eines Ventils, das eine bestimmte Funktion erfüllen soll:

• Laminar: Die laminare Strömung (Abbildung 3 links) ist eine Flüssigkeitsströmung, bei der sich die Flüssigkeitsteilchen in parallelen Schichten mit minimaler Vermischung bewegen. Die laminare Strömung eignet sich für Anwendungen, die eine gleichmäßige Strömung erfordern, z. B. für Laboranwendungen. Durchgangsventile haben hervorragende Drossel- und Regelungseigenschaften und eignen sich daher für die Schaffung laminarer Strömungsbedingungen.
• Turbulent: Die turbulente Strömung (Abbildung 3 rechts) ist das Gegenteil der laminaren Strömung. Die Flüssigkeitsteilchen bewegen sich chaotisch mit Vermischung und Wirbeln. Sie tritt typischerweise bei hohen Durchflussraten und größeren Rohrdurchmessern auf. Turbulente Strömungen können bei Mischanwendungen von Vorteil sein. Absperrklappen eignen sich aufgrund ihrer robusten Konstruktion und ihrer Fähigkeit, hohe Durchflussraten zu bewältigen, gut für Systeme mit turbulenten Strömungen.

• Transitional: Übergangsströmungen treten zwischen laminarer und turbulenter Strömung auf. Die Bediener sollten sich dieser Strömungsart bewusst sein, um zu verstehen, dass die Strömung zwischen laminar und turbulent hin und her wechseln kann. Schieber eignen sich gut für diese Durchflussbedingungen, da sie eine große Bandbreite an Durchflussbedingungen bewältigen können und sich vollständig öffnen, um hohe Durchflussraten zu ermöglichen.
• Stetig und unbeständig: Bei einer stationären Strömung ändert sich die Geschwindigkeit der Flüssigkeit im Laufe der Zeit nicht, unabhängig davon, ob sie laminar oder turbulent ist. Bei einer instationären Strömung schwankt die Geschwindigkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt. Ein gleichmäßiger Durchfluss erfordert ein Ventil, das eine konstante Durchflussmenge bietet, wie z. B. Kugelhähne. Instabiler Durchfluss erfordert ein Ventil, das schnell auf Veränderungen im System reagieren kann, wie z. B. ein Magnetventil.
• Komprimierbar und inkompressibel: Die kompressible Strömung wirkt sich stärker auf Gase als auf Flüssigkeiten aus, während die inkompressible Strömung in der Regel für Flüssigkeiten betrachtet wird. Ein komprimierbarer Durchfluss erfordert ein Ventil, das mit Dichte- und Volumenänderungen umgehen kann, z. B. ein Membranventil. Inkompressibler Durchfluss erfordert ein Ventil, das hohen Drücken standhält, ohne undicht zu werden, wie z. B. Schieberventile.

FAQs

Wie hängen Flüssigkeitsdruck und -geschwindigkeit zusammen?

Flüssigkeitsdruck und Geschwindigkeit stehen in einem umgekehrt proportionalen Verhältnis. Je mehr der eine im System steigt, desto mehr sinkt der andere.

Was ist ein Durchflusskoeffizient?

Ein Durchflusskoeffizient (Cv oder Kv) misst die Durchflussmenge durch ein Ventil bei einer bestimmten Temperatur und 1 bar oder 1 psi.

Wie wirkt sich die Temperatur auf den Durchfluss aus?

Temperaturänderungen können die Viskosität und den Druck einer Flüssigkeit verändern. Auch die Temperatur kann sich negativ auf das Gehäuse und die Dichtungsmaterialien eines Ventils auswirken und die Durchflussbedingungen verschlechtern.