Wie man ein modulierendes Regelventil dimensioniert und auswählt

Abbildung 1: Eine Auswahl modulierender Regelventile, von links nach rechts: proportionales Magnetventil, modulierender Kugelhahn, elektrisches Membranventil, elektrisches Schrägsitzventil, elektrisches Geradsitzventil und elektrisches Scheibenventil.

Die genaue Dimensionierung modulierender Regelventile ist eine notwendige Voraussetzung für die Gewährleistung der Prozessstabilität, die Maximierung der Energieeffizienz und die Minimierung von Schäden an Anlagen. Zu große oder zu kleine Ventile können Geräusche, Kavitation und vorzeitigen Ausfall verursachen.

Um ein modulierendes Regelventil zu dimensionieren, berechnen Sie den erforderlichen Durchflusskoeffizienten (Kv oder Cv), überprüfen Sie den zulässigen Druckabfall und wählen Sie einen Ventiltyp (Geradsitzventil, Kugelhahn usw.), der bei normalem Durchfluss zwischen 20-80% geöffnet ist.

Inhaltsverzeichnis

• Grundlagen der Regelventildimensionierung
• Leitfaden zur Regelventildimensionierung: Schritt für Schritt
• Arten von modulierenden Regelventilen

Grundlagen der Regelventildimensionierung

Dieser Abschnitt konzentriert sich auf grundlegende Konzepte, die zum korrekten Dimensionieren eines Regelventils verstanden werden müssen. Wenn diese Konzepte zu grundlegend sind, springen Sie zum Abschnitt "Leitfaden zur Regelventildimensionierung: Schritt für Schritt".

Der Durchflusskoeffizient: Kv und Cv

Der Durchflusskoeffizient (Kv oder Cv) ist eine wichtige Kennzahl zur Quantifizierung der Kapazität eines Ventils, Flüssigkeit unter standardisierten Bedingungen durchzulassen.

• Kv: Repräsentiert die Durchflussrate von Wasser in Kubikmetern pro Stunde (m³/h) bei einem Druckabfall von 1 bar über das Ventil.
• Cv: Wird häufig in den Vereinigten Staaten verwendet und repräsentiert die Durchflussrate von Wasser in Gallonen pro Minute (GPM) bei einem Druckabfall von 1 psi über das Ventil.

Wird der Durchflusskoeffizient unterschätzt und das Ventil unterdimensioniert, kann das System einen übermäßigen Druckabfall und unzureichenden Durchfluss erfahren, was zu schlechter Leistung führt. Wird er überschätzt und das Ventil überdimensioniert, wird die Regelgenauigkeit reduziert und das Ventil arbeitet möglicherweise meist nahe der geschlossenen Position, was zu Instabilität und Verschleiß führt.

Systemdruckdynamik und Ventilautorität

Die Leistung eines modulierenden Ventils hängt davon ab, wie sich sein Druckabfall im Vergleich zum Rest des Systems verhält. Diese Wechselwirkung wird als Ventilautorität (β) bezeichnet. Eine hohe Autorität gewährleistet, dass eine Änderung der Ventilposition eine signifikante und vorhersehbare Änderung der Systemdurchflussrate bewirkt, was zu einer besseren Regelstabilität führt.

Der Differenzdruck des Systems ist die treibende Kraft für den Durchfluss. Dieser Gesamtdruck verteilt sich auf das Regelventil (ΔPV) und die übrigen Elemente im Kreislauf (ΔPC). Zu diesen Elementen können Rohre, Fittings, Siebe usw. gehören.

Die Ventilautorität ist ein dimensionsloses Verhältnis, das misst, wie viel Einfluss das Ventil auf die Gesamtdurchflussrate im Vergleich zum festen Widerstand des restlichen Kreislaufs hat. Sie wird mathematisch definiert als das Verhältnis des Druckabfalls über dem vollständig geöffneten Regelventil (ΔPV) zum gesamten Druckabfall über den gesamten Kreislauf, wenn das Ventil vollständig geöffnet ist (ΔPV+ΔPC).

Beispiel

Wenn das vollständig geöffnete Ventil einen Druckabfall ΔPv = 2 bar hat und der Rest des Systems ΔPc = 3 bar beiträgt, dann:

β = ΔPv ÷ (ΔPv + ΔPc) = 2 ÷ (2 + 3) = 0,4 → 40% Autorität.

Dies fällt in den empfohlenen Bereich von 35–75%.

Kritisches Auswahlintervall

Bei druckabhängigen Regelventilen erfordert die Dimensionierung ein Gleichgewicht zwischen den Anforderungen an die Regelstabilität und dem Energieverbrauch. Ein zu klein dimensioniertes Ventil hat eine hohe Ventilautorität, was zu einer ausgezeichneten Regelung, aber auch zu einem hohen Energieverbrauch führt, da das System den Widerstand des Ventils überwinden muss. Überdimensionierte Ventile sparen Energie, machen aber die Durchflussregelung instabil.

Der optimale Bereich für die Ventilautorität liegt zwischen 35% und 75%. Die Auswahl eines Ventils innerhalb dieses Fensters gewährleistet einen ausreichenden Druckabfall am Regelventil ohne übermäßigen Energieverbrauch. Wenn absolute Präzision erforderlich ist, ist die Wahl eines Ventils mit einer Autorität von 75% und darüber am besten, auch wenn dies mit einem Energiekompromiss verbunden ist.

Tabelle 1: Ventilautoritätsbereich: Regelqualität, Energieverbrauch und Dimensionierungskonsequenz

Druckunabhängige Lösung

Die Herausforderungen der Ventilautoritätsberechnungen und Energieeinbußen werden größtenteils durch druckunabhängige Regelventile (PICVs) gelöst. Bei Aufrechterhaltung eines minimalen Differenzdrucks für den Betrieb hält ein PICV eine konstante Durchflussrate trotz Änderungen des Differenzdrucks über dem Ventil aufrecht. Da dieser Ventiltyp den Einfluss von Systemdruckschwankungen eliminiert, hat er eine inhärente Ventilautorität von 100% und erreicht eine hohe Energieeffizienz.

Abbildung 2: Ein druckunabhängiges Zonenventil für HLK

Inhärente Durchflusscharakteristiken

Die inhärente Durchflusscharakteristik eines Regelventils definiert die Beziehung zwischen dem Prozentsatz des Ventilhubwegs und dem resultierenden Prozentsatz der Durchflussrate. Diese Definition setzt einen konstanten Differenzdruck über dem Ventil voraus.

Tabelle 2: Inhärente Durchflusscharakteristiken

Hinweis: Verstärkung ist das Verhältnis von Ausgangsänderung zu Eingangsänderung

Abbildung 3: Theoretische Darstellungen inhärenter Durchflusscharakteristiken: schnellöffnend (A), linear (B) und gleichprozentig (C)

Gleichprozentige Ventile werden in den meisten Regelanwendungen bevorzugt, da reale Systeme selten einen konstanten Druckabfall aufrechterhalten. Wenn sich das Ventil schließt, erhöht sich der Systemdruckabfall über dem Ventil. Die gleichprozentige Charakteristik kompensiert diesen Effekt und erzeugt eine annähernd lineare Gesamtsystemantwort.

Regelbereich und Stellverhältnis

Der Regelbereich (R) ist eine Eigenschaft der Ventilkörper- und Trimbauform. Er wird definiert als das Verhältnis des maximal regelbaren Durchflusses (Qmax) zum minimal regelbaren Durchfluss (Qmin) bei konstantem Druckabfall (d.h. in einer Laborumgebung gemessen). Ein Geradsitzventil mit einem Regelbereich von 50:1 kann beispielsweise den Durchfluss zuverlässig von 100% bis 2% seiner maximalen Kapazität regeln.

Das Stellverhältnis (TDR) ist das operative Leistungsmaß, mit anderen Worten, wie das Ventil bei der Durchflussregelung außerhalb einer kontrollierten Laborumgebung funktioniert. Es ist das Verhältnis des maximal nutzbaren Durchflusses zum minimal regelbaren Durchfluss. Das TDR ist immer kleiner oder gleich dem theoretischen Regelbereich des Ventils.

Die Auflösung des mit dem Regelventil gekoppelten Stellantriebs hat den größten Einfluss auf das Stellverhältnis. Wenn ein Ventil mit hohem Regelbereich mit einem Stellantrieb mit niedriger Auflösung gekoppelt wird, ist es unwahrscheinlich, dass der Öffnungsmechanismus des Ventils (z.B. Kugel oder Scheibe) genau dort positioniert wird, wo er sein sollte. Dies führt dazu, dass der Stellantrieb nach der korrekten Position "sucht", was das Ventil übermäßig zykliert. Letztendlich kann dies das Stellverhältnis auf bis zu 3:1 reduzieren.

Leitfaden zur Dimensionierung von Regelventilen: Schritt für Schritt

Schritt 1: Sammeln der wichtigsten Dimensionierungsparameter

Bevor Dimensionierungsberechnungen durchgeführt werden können, ist es notwendig, die wichtigsten Dimensionierungsparameter zu verstehen:

• Fluideigenschaften: Identifizieren Sie das Medium (Flüssigkeit, Gas oder Dampf), seine spezifische Dichte, Viskosität, Dampfdruck und kritischen Druck.
• Durchflussanforderungen: Maximaler Durchfluss (Qmax), normaler Durchfluss (Qnorm) und minimaler Durchfluss (Qmin).
  • Qmax ist notwendig zur Berechnung des erforderlichen Kv (oben erklärt)
  • Qmin ist notwendig zur Überprüfung der Stellfähigkeit des Ventils (oben erklärt)
• Druck und Temperatur: Absoluter Druck stromaufwärts und stromabwärts oder Druckabfall für Qmax. Die Betriebstemperatur ist ebenfalls erforderlich.
• Konstruktionsvorgaben: Gewünschte Systemautorität (β) (oben erklärt) und inhärente Durchflusscharakteristik (oft gleichprozentig).

Schritt 2: Bestimmen des zulässigen Druckabfalls

Bei der Dimensionierung eines Regelventils müssen Sie wissen, wie viel Druckabfall es sicher aufnehmen kann. Zu viel Druckabfall kann Kavitation, Flashen, Lärm, Erosion verursachen oder einfach die Durchflusskapazität des Ventils begrenzen.

Der zulässige Druckabfall wird durch den niedrigsten der drei folgenden Werte bestimmt:

• Verfügbarer Systemdruckabfall: Die Differenz zwischen dem Druck stromaufwärts und stromabwärts.
• Kritischer Druckabfall: Die hydraulische/Durchflussgrenze: Kavitation bei Flüssigkeiten, Schallgeschwindigkeit bei Gasen.
• Maximale Differenzdruckbewertung des Ventils: Die vom Hersteller angegebene mechanische Festigkeitsgrenze.

IEC 60534 bietet Berechnungsmethoden zur Vorhersage des kritischen Durchflusses unter Verwendung von Parametern wie dem Druckrückgewinnungsfaktor des Ventils (F_L) und Fluideigenschaften wie Dampfdruck (P_v) und kritische Druckverhältnisfaktoren (F_F, x_T).

Wichtige Unterscheidung:

• Die maximale ΔP-Bewertung ist eine mechanische Grenze.
• Das kritische ΔP ist eine hydraulische Grenze.
• Das zulässige ΔP für die Dimensionierung ist der jeweils niedrigere Wert unter Ihren Betriebsbedingungen.

Beispiel 1: Wasser

• Druck stromaufwärts: 10 bar
• Druck stromabwärts: 4 bar
• Fluid: Kaltes Wasser (P_v ≈ 0 bar)
• Ventilbewertung: 6 bar max ΔP
• Ventilrückgewinnungsfaktor: F_L=0,9, F_F = 0,96

Schritt 1: Verfügbarer ΔP

Schritt 2: Kritischer ΔP

Für Flüssigkeiten gibt IEC 60534 vor:

Wobei:

• P₁ = absoluter Eingangsdruck
• P_v = Dampfdruck der Flüssigkeit
• F_F = kritischer Druckverhältnisfaktor für Flüssigkeiten (~0,96 für Wasser)
• F_L = Druckrückgewinnungsfaktor des Ventils

Anwendung:

Schritt 3: Vergleich

• Verfügbarer ΔP = 6 bar
• Kritischer ΔP = 8,1 bar
• Mechanische Nennleistung = 6 bar

Daher beträgt der zulässige ΔP = 6 bar (begrenzt durch System und Nennleistung)

Beispiel 2: Luft

• Eingangsdruck: 7 bar
• Ausgangsdruck: 2 bar
• Medium: Luft
• Ventilnennleistung: 10 bar max ΔP
• Druckrückgewinnungsfaktor des Ventils: F_L = 0,85
• Kritischer Druckverhältnisfaktor für Gase: x_T = 0,7

Schritt 1: Verfügbarer ΔP

Schritt 2: Kritischer ΔP

Für Gase:

Schritt 3: Vergleich

• Verfügbarer ΔP = 5 bar
• Kritischer ΔP = 3,6 bar
• Mechanische Nennleistung = 10 bar

Daher beträgt der zulässige ΔP = 3,6 bar (begrenzt durch Schallgeschwindigkeitsbegrenzung)

Schritt 3: Berechnung des Durchflusskoeffizienten (Kv oder Cv)

Sobald der zulässige Druck festgelegt ist, kann der Durchflusskoeffizient berechnet werden.

Tabelle 3: Berechnung der Durchflusskoeffizienten für Flüssigkeiten und Gase

Flüssigkeiten	Kv		Q = Durchflussrate (m3/h) Δp = Druckabfall über das Ventil (bar) ⍴ = Flüssigkeitsdichte [kg/m3]
	Cv		Q = Durchflussrate [US gpm] Δp = Druckabfall über das Ventil (psi) Gf = spezifisches Gewicht der Flüssigkeit (Wasser = 1,0)
Gase	Kv		QN = Gasdurchflussrate unter Normbedingungen (Nm3/h) Δp = Druckabfall (bar) ⍴N = Gasdichte unter Normbedingungen [kg/m3] TN = Normaltemperatur (z.B. 273 K) T = absolute Temperatur des Gases (K)
	Cv		Q = Gasdurchflussrate (SCFH) T = absolute Temperatur des Gases (R) Gg = spezifisches Gewicht des Gases relativ zu Luft P1 = Eingangsdruck (psia) Y = Expansionsfaktor

Schritt 4: Vorläufige Ventilauswahl und Hubbereich

Der berechnete Durchflusskoeffizient wird verwendet, um die anfängliche Ventilbaugröße und Trimkombination auszuwählen. Um eine optimale Leistung zu gewährleisten, sollte das Ventil so dimensioniert werden, dass es innerhalb eines nutzbaren Hubbereichs arbeitet. Während des Betriebs sollte das Ventil vermeiden, nahe der vollständig geschlossenen oder vollständig geöffneten Position zu arbeiten. Eine gute Schätzung ist, dass der Ventilhub bei maximalem Durchfluss zwischen 60% und 80% und bei minimalem Durchfluss nicht weniger als 20% betragen sollte.

Wenn der berechnete Durchflusskoeffizient zu einem überdimensionierten Ventil führt, wird das Ventil gezwungen, am unteren Ende seines Hubs (z.B. unter 20%) zu arbeiten, um den Durchfluss genau zu drosseln. Dieser Betrieb beeinträchtigt das Regelungsverhältnis drastisch und reduziert es oft auf 3:1 oder weniger, was zu hoher Verstärkungsinstabilität und Schwingungen führt. Darüber hinaus wird generell vermieden, das Ventil auf deutlich weniger als die Hälfte der Rohrgröße zu dimensionieren, um unnötige Turbulenzen und lokale Druckverluste außerhalb des Bedienelements zu verhindern.

Überprüfung des Regelbereichs

Nach der vorläufigen Auswahl wird der minimale Durchfluss (Qmin) anhand der Herstellerkennlinie überprüft, um sicherzustellen, dass der entsprechende Hubprozentsatz nicht unter 10% fällt. Wenn das Ventil bei minimalem Durchfluss zu nahe am Sitz arbeitet, kann ein kleineres Ventil erforderlich sein, um den Betriebsbereich in den stabilen Regelbereich (20%-80%) zu verschieben.

Arten von Regelventilen

Nachdem der erforderliche Durchflusskoeffizient des Regelventils berechnet wurde, besteht der nächste Schritt darin, den am besten geeigneten Ventiltyp für die Anwendung auszuwählen. Während die Baugröße des Regelventils entscheidend ist, sind die Bauform des Ventils, die Durchflusskennlinie und die Kompatibilität mit dem Medium ebenso wichtig. Nachfolgend finden Sie wichtige Überlegungen zu gängigen Regelventiltypen:

Angetriebenes Geradsitzventil

Das Geradsitzventil bleibt die vielseitigste Option für präzise Drosselung. Mit ausgezeichneter Regelbarkeit und vorhersehbaren Durchflusseigenschaften wird es oft gewählt, wenn hohe Genauigkeit erforderlich ist. Der Kv-Wert und die Baugröße des Geradsitzventils sollten sorgfältig auf die berechneten Durchflussanforderungen des Systems abgestimmt werden, wobei das Verhältnis von Regelventilgröße zu Leitungsgröße zu berücksichtigen ist. In vielen Fällen ist ein Geradsitzventil absichtlich kleiner als die Leitungsgröße, um eine bessere Regelgüte zu erreichen.

Angetriebenes Scheibenventil

Scheibenventile sind kompakt und zuverlässig und werden oft in Anwendungen eingesetzt, die eine moderate Regelleistung bei geringeren Kosten erfordern. Sie sind in verschiedenen Baugrößen erhältlich und eignen sich am besten, wenn der Platz begrenzt ist und keine extrem feine Modulation erforderlich ist.

Angetriebenes Schrägsitzventil

Schrägsitzventile werden für ihre Haltbarkeit und lange Lebensdauer geschätzt, insbesondere bei Dampf und aggressiven Medien. Die Fähigkeit eines Schrägsitzventils, häufige Betätigungen zu bewältigen, macht sie zu einer starken Wahl für saubere industrielle Prozesse.

Angetriebenes Membranventil

Membranventile sind besonders effektiv bei der Handhabung von korrosiven Flüssigkeiten, Schlämmen oder in hygienischen Anwendungen. Ihr Membranventil Kv-Wert muss sorgfältig mit dem erforderlichen Betriebspunkt verglichen werden, da sie typischerweise geringere Durchflusskapazitäten als Geradsitz- oder Kugelhähne haben. Sie sind in verschiedenen Baugrößen erhältlich und werden oft gewählt, wenn die Medienkompatibilität der ausschlaggebende Faktor ist.

Regelnder Kugelhahn

Kugelhähne mit charakterisierten Einbauten bieten gute Regelleistung bei kompakter Bauform. Eine richtig gewählte Nennweite des Regelventils ermöglicht sowohl dichte Absperrung als auch stabile Modulation. Sie werden oft für HLK-, Wasser- und allgemeine Versorgungssysteme ausgewählt, bei denen ein hoher Durchfluss erforderlich ist.

Proportional-Magnetventil

Proportional-Magnetventile bieten schnelle Ansprechzeiten und kompakte Bauform, was sie ideal für Anwendungen mit geringem Durchfluss oder Systeme macht, die häufige Anpassungen erfordern. Sie sind in der Regel in kleineren Baugrößen erhältlich und eignen sich am besten, wenn präzise Modulation bei geringem Durchfluss wichtiger ist als eine große Durchflusskapazität. Erfahren Sie mehr in unserem Artikel zur Übersicht über Proportional-Magnetventile.

Druckunabhängiges Regelventil (PICV)

Druckunabhängige Regelventile kombinieren ein modulierendes Regelventil mit einem integrierten Differenzdruckregler. Diese Bauform kompensiert automatisch Änderungen im Systemdruck und hält einen konstanten Durchfluss unabhängig von Schwankungen im Vor- oder Nachlauf aufrecht. Durch die Eliminierung der Notwendigkeit manuellen Abgleichs vereinfachen PICVs die Inbetriebnahme und verbessern die Energieeffizienz in Systemen mit variablem Durchfluss erheblich.

Tabelle 4: Reale Anwendungsfälle für modulierende Regelventile

Häufig gestellte Fragen

Was ist Ventilautorität und warum ist sie wichtig?

Die Ventilautorität ist das Verhältnis des Druckabfalls über ein Ventil zum gesamten Systemdruckabfall. Eine höhere Autorität (≥0,5) verbessert die Regelgenauigkeit und -stabilität.

Was ist ein modulierendes Regelventil?

Ein modulierendes Ventil passt den Flüssigkeitsdurchfluss kontinuierlich mithilfe eines Antriebs und eines Steuersignals an, um den Zieldurchfluss oder -druck aufrechtzuerhalten.