Verstopfter Durchfluss in Steuerventilen

Drosselströmung ist ein wenig verstandenes Phänomen, das sich auf die Größe des Steuerventils sowie auf die Innengarnitur und die Materialspezifikation auswirken kann. Dieser Artikel wurde ursprünglich in der Juli/August-Ausgabe von InTech veröffentlicht.

Ein verstopfter Durchfluss in Regelventilen ist für Industrieanwender ein ernstes Problem. Der Begriff wird normalerweise mit zerstörerischen Prozessbedingungen in Verbindung gebracht, die Ventileinbauten beschädigen oder Bediener Lärmpegeln aussetzen können, die weit über den OSHA-Grenzwerten liegen. Obwohl ein gedrosselter Fluss nicht immer die Ursache für diese Zustände ist, kann er darauf hindeuten, wann sie auftreten. Dieser Artikel beschreibt das Phänomen des gedrosselten Flusses und zeigt, warum es auftritt und wie es vorhergesagt werden kann. Außerdem wird erklärt, wann verstopfte Strömungsbedingungen schädlich sind und wie dieser Schaden reduziert oder vermieden werden kann.

Wenn der Eingangsdruck (P1) und der Ventildurchflussquerschnitt festgelegt sind, steigt der Durchfluss durch ein Ventil normalerweise an, wenn der Hinterdruck (P2) verringert wird. Die „Ideal“-Linie in Abbildung 1 veranschaulicht diesen Punkt und zeigt, wie der Flüssigkeitsfluss linear ansteigt, wenn er gegen die Quadratwurzel des Differenzdrucks über dem Ventil dividiert durch das spezifische Gewicht aufgetragen wird.

Bei Flüssigkeitsanwendungen ist die Verstopfung eine Folge des Druckabfalls durch die Steuerelemente. Abbildung 2 zeigt den momentanen Druck, wenn Flüssigkeit durch ein Steuerventil fließt. Die Einlass- und Auslassquerschnitte eines Ventils sind viel größer als der Steuerbereich, beispielsweise der Käfig oder der Bereich um Kegel und Sitz. Da der Gesamtdurchfluss an jeder Stelle im Ventil gleich ist, muss die Flüssigkeitsgeschwindigkeit im reduzierten Bereich (Vena Contracta) viel höher sein, um den gleichen Durchfluss zu ermöglichen.

Ein gedrosselter Durchfluss allein führt im Allgemeinen nicht zu Schäden an einem Ventil, es gibt jedoch häufig mit einem gedrosselten Durchfluss verbundene Strömungsbedingungen, die zu Problemen führen können, darunter:Geräuschpegel: Eine gedrosselte Strömung erzeugt nicht direkt Lärm, aber hohe Geräusche können aus Prozessphänomenen resultieren, die normalerweise mit einer gedrosselten Strömung einhergehen. In Flüssigkeitssystemen kann es bei gedrosseltem Durchfluss zu Kavitation kommen, die Geräusche erzeugt und letztendlich das Ventil beschädigen kann. Wenn der stromabwärtige Druck verringert wird, geht die Kavitation in eine Verdampfung über. Während Kavitation aufgrund der Implosion kollabierender Dampfblasen aus Mikrostrahlen und Stoßwellen einen hohen Schalldruckpegel haben kann, führt Flashing aufgrund der resultierenden Zweiphasenströmung zu einer geringeren Geräuschentwicklung. Bei der Dampfströmung steigt die Geräuschentwicklung deutlich an Geschwindigkeit wird Schall. Wenn der Hinterdruck verringert wird, wird die zusätzliche Energie in Schallenergie umgewandelt. Ventile mit übermäßigem Druckabfall können Schallpegel von mehr als 100 dB erzeugen. Bei Flüssigkeits- oder Dampfströmen hängt der Gesamtgeräuschpegel normalerweise vom Differenzdruck über dem Ventil ab. Beim ersten Auftreten von Erstickungsgefahr sind Geräusche vorhanden, die jedoch nicht übermäßig laut sein dürfen. Wenn der stromabwärtige Druck sinkt, nimmt der Lärm dramatisch zu und kann zu Schäden an den Ventilinnenteilen führen und dazu führen, dass Bediener unsicheren Schallpegeln ausgesetzt sind.Flashing und Kavitation: Ein häufiges Missverständnis besteht darin, dass Bedingungen mit gedrosselter Strömung Flash-Bedingungen erfordern, eine gedrosselte Strömung kann jedoch auch unter kavitierenden Bedingungen auftreten. Wie in Abbildung 2 dargestellt, entsteht Kavitation, wenn der P2-Druck über den Dampfdruck der Flüssigkeit steigt. Wenn dies geschieht, kollabieren die Blasen und werden wieder flüssig. Bleibt der P2-Druck unter dem Dampfdruck, kocht die Flüssigkeit und verdampft beim Durchgang durch das Ventil und bleibt beim Austritt dampfförmig (Abbildung 3).

Viele Ventilhersteller verfügen über Steuerventildimensionierungsprogramme, die den Zustand verstopfter Strömungen vorhersagen und Benutzern dabei helfen können, das Ventil richtig zu dimensionieren. Da diese Programme jedoch nur so genau sind wie die Eingabedaten, müssen die korrekten Prozess- und Ventilinformationen eingegeben werden. Das Vorhandensein und Ausmaß einer Durchflussdrosselung hängt von vielen Prozessbedingungen ab, einschließlich der physikalischen Eigenschaften der beteiligten Flüssigkeit und der Durchflussraten stromaufwärts und stromabwärtige Drücke, Prozesstemperatur und Einlass- und Auslassrohrkonfigurationen – sowie eine Reihe von Details im Zusammenhang mit dem Regelventil selbst. Spezielle Parameter wie das Druckabfallverhältnis, der Druckwiederherstellungsfaktor und der Kavitationsindex helfen dabei, genau vorherzusagen, wann Kavitation oder Drosselung auftritt und wie viel Durchfluss ein Ventil durchlässt. Da die Parameter für jeden Gehäusetyp und jede Ausstattung unterschiedlich sind, muss jede Option einzeln bewertet werden, um den tatsächlichen Durchfluss zu bestimmen, der unter bestimmten Prozessbedingungen sicher durchgelassen werden kann. Solche Größenberechnungen können kompliziert werden, insbesondere wenn mehrere Ausstattungsoptionen verfügbar sind Daher ist es ratsam, sich an Ihren Ventillieferanten zu wenden, um Optionen zu bewerten und die beste Lösung für Ihre Anwendung zu ermitteln.

Ein verstopfter Durchfluss an sich ist kein Grund zur Sorge. Die Verwirrung rührt daher, dass ein verstopfter Durchfluss mit vielen negativen Phänomenen in Verbindung gebracht wird, die Steuerventile beeinträchtigen und beschädigen können. Wenn die Möglichkeit einer Drosselung des Durchflusses besteht oder Bedenken oder Fragen zum weiteren Vorgehen bei der Ventildimensionierung oder -auswahl bestehen, wenden Sie sich für technische Unterstützung an die Ventilhersteller. Sie können in der Regel Ventildimensionierungsprogramme bereitstellen, die vorhersagen, wann eine Verstopfung auftritt und welche Auswirkungen dies auf die Ventildimensionierung und -auswahl hat. Sie können Benutzern auch dabei helfen, die beste Kombination von Materialien und Verkleidungsdesigns auszuwählen, um schädliche Bedingungen zu lindern. Dieser Artikel wurde ursprünglich in der Juli/August-Ausgabe von InTech veröffentlicht.

Katherine Bartels ist Entwicklungsingenieurin bei Emerson Automation Solutions mit Schwerpunkt auf kundenspezifischen Antikavitationsventilen. Sie schloss ihr Maschinenbaustudium an der Iowa State University mit einem Bachelor ab und arbeitet seit sechs Jahren bei Emerson. Adam Harmon ist leitender Konstruktionsingenieur bei Emerson Automation Solutions mit Schwerpunkt auf Ventilen in Dampfaufbereitungsanwendungen. Er hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau von der Iowa State University und ist seit 11 Jahren bei Emerson.

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