Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner · Berechnung und Auswahl von Stellventilen · 1

Berechnung und Auswahl von Stellventilen

SAMSON AG – Technischer Verkauf – Markus Güntner

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Berechnung und Auswahl von Stellventilen

1. Einleitung1. Bedeutung der Auslegung von Stellventilen2. DIN EN 60534 – Stellventile für die Prozessregelung

2. Durchflusskapazität von Stellventilen1. Allgemeine Betrachtung2. Gebrauchsformeln in der Praxis3. Berechnung und Auswahl der Durchflusskapazität

3. Strömungszustände1. Übersicht verschiedener Strömungszustände2. Videosequenzen Flashing und Kavitation3. Kennzahlen zur Erkennung von kritischen Strömungszuständen

4. Auslegung von Stellventilen bei kritischen Strömungszuständen1. Kavitationsschall2. Kritische Kavitation3. Hoher Schalldruckpegel bei Gasen

5. Life Cycle Costs von Stellventilen1. Übersicht

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1. Einleitung1.1 Bedeutung der Auslegung von Stellventilen

Warum müssen Stellventile ausgelegt werden? Zur Dimensionierung des Stellventils Zur Gewährleistung eines störungsfreien und langen Betriebs

Auf was muss geachtet werden? Vielzahl an Möglichkeiten und Varianten von Stellventilen Jeder Betriebsfall bedarf einer eigenen Auslegung Einhaltung von Grenzen (z.B. Schall und andere Erfahrungswerte)

Was wird ausgelegt? Kv-Wert Nennweite DN Austrittsgeschwindigkeit Nenndruck PN Kennlinie Schalldruckpegel Antrieb

Durchflusskapazität (Kv-Wert) als wichtige Ventilkenngröße muss bestimmt werden

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1. Einleitung1.2 DIN EN 60534 – Stellventile für die Prozessregelung

DIN EN 60534 als Hilfsmittel zur Berechnung der Durchflusskapazität

Teil 1: Begriffe und allgemeine BetrachtungenLegt einen Teil der Grundbegriffe fest und dient als Anleitung für die Benutzungaller anderen Teile von IEC 60534.

DIN EN 60534-1

Teil 2-1: Durchflusskapazität Bemessungsgleichungen für Fluide unterEinbaubedingungenEnthält Gleichungen für die Bemessung von Stellventilen für kompressibleund inkompressible Fluide.

DIN EN 60534-2-1

Teil 9: Prüfverfahren zur Bestimmung des Verhaltens vonStellventilen bei SprungfunktionenDieser Teil legt die Anforderungen für die Abnahme und Prüfung vonStellventilen fest.

DIN EN 60534-9

……

Teil 2-3: Durchflusskapazität - PrüfverfahrenBeinhaltet die Prüfverfahren zur Ermittlung der Kenngrößen, die in denGleichungen aus DIN EN 60534 Teil 2-1 verwendet werden.

DIN EN 60534-2-3

……

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1. Einleitung1.2 DIN EN 60534 – Stellventile für die Prozessregelung

Anwendungsbereich: Gleichungen für die Bemessung von kompressiblen und inkompressiblen Fluiden

Geltungsbereich:

Mehrphasenfluide: Gas-Flüssigkeits-Mischungen Dampf-Flüssigkeits-Mischungen Gas-Feststoff-Mischungen

Gase oder Dämpfe

kompressible Medien

Nicht-newtonsche Flüssigkeiten Stoffgemische Stoffe mit flüssig-festen Anteilen

Newtonsche Flüssigkeiten (Wasser, Öl, etc.)

inkompressible Medien

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Was passiert beim Durchströmen einer Querschnittsverengung (reibungsfrei)?

2. Durchflusskapazität von Stellventilen2.1 Allgemeine Betrachtung

Kontinuitätsgleichung (Massenerhaltung) Strömungsgeschwindigkeit im engen Querschnitt größer

.2211 konstwAwA

.22

222

211 konstwpwp

Satz von Bernoulli (Energieerhaltung) Druck im engen Querschnitt geringer

1A 2A1w 2w

Querschnittsverengung

1A1w

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2. Durchflusskapazität von Stellventilen2.1 Allgemeine Betrachtung

Das Durchströmen eines Ventils ist reibungsbehaftet, daher kommt es zu einem bleibenden Druckverlust

w [m/s]

Was passiert beim Durchströmen einer Querschnittsverengung (reibungsfrei)?

1A 2A1w 2w

Querschnittsverengung

1A1w

p [bar]

p [bar]

p

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2. Durchflusskapazität von Stellventilen2.1 Allgemeine Betrachtung

Stellventile im Einsatz als Prozessregler

ΔpVentil ΔpVentilΔpVentil

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2. Durchflusskapazität von Stellventilen2.2 Gebrauchsformeln in der Praxis

über Druckverlust Bestimmung der Durchflusskapazität

2

2

AQp

YFFQ

ppK

RPv

10

0

maxpp ......

Gebrauchsformeln in der Praxis:

pQKv

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2. Durchflusskapazität von Stellventilen2.2 Gebrauchsformeln in der Praxis

Definition:Der Kv-Wert als Kennwert für die Durchflusskapazität entspricht dem Wasserdurchfluss durch ein Ventil (in [m³/h]) bei einer Druckdifferenz von Δp0=1bar und einer Temperatur von 5-30°C (Wasserdichte von ρ0≈1000kg/m³).Anmerkung:Der Cv-Wert beschreibt den Wasserdurchfluss in Gallonen pro Minute bei einem Differenzdruck von 1psi. (Umrechnungsfaktor: )

Wo wird der Vor- und Nachdruck angenommen?

vv KC 17,1

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2. Durchflusskapazität von Stellventilen2.3 Berechnung und Auswahl der Durchflusskapazität

Beispiel: Wasser

Betriebsdaten Q= 20…126 m³/h p1=15…18bar p2=13 bar

Wie sieht die Vorgehensweise zur Berechnung aus?

pQKv

9vK 89vK

Q=20 m³/h

p1=18 bar

p2=13 bar

Q=126 m³/h

p1=15 bar

p2=13 bar

maximaler Durchfluss + minimale Druckdifferenz

Gibt es weitere Punkte, auf die geachtet werden muss?

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2. Durchflusskapazität von Stellventilen2.3 Berechnung und Auswahl der Durchflusskapazität

Inhärente Kennlinie Linear Gleichprozentig

Kvs: Kv-Wert bei Nennhub Kvr: kleinster regelbarer Kv-Wert

Stellverhältnis = Kvs/ Kvr

typisches Stellverhältnis Hubventil DN ≤ 50 50:1 DN > 50 30:1

Kv [%]

Hub [%]

20

40

60

80

0

100

20 40 60 800 100

lin

glp

Kvs

Kvr

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2. Durchflusskapazität von Stellventilen2.3 Berechnung und Auswahl der Durchflusskapazität

9vK 89vK

Katalogwert:

Minimalfall noch regelbar? 50 : 1 Kvr=2 30 : 1 Kvr=3,33 Regelbarkeit für beide Fälle gegeben (aber: Sicherheitsfaktoren abstimmen!!)

Sicherheitsfaktor von 1,1

98vK

100vsK

Kv [%]

Hub [%]

20

40

60

80

0

100

20 40 60 800 100

lin

glp

Kvs

Kvr

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2. Durchflusskapazität von Stellventilen2.3 Berechnung und Auswahl der Durchflusskapazität

Auswahl der Nennweite:

Auswahlkriterien Rohrnennweite Ausgangsgeschwindigkeit

Zwischen 3-5 m/s bei unkritischer Strömung

80100125150

100

24

2ND

Qu

s

mDNu 85,2125,2

sm

DNu 46,4100,2

sm

DNu 96,680,2

sm

DNu 98,1150,2

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2. Durchflusskapazität von Stellventilen2.3 Berechnung und Auswahl der Durchflusskapazität

…keine Angst, das machen entsprechende Programme für Sie…

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3. Strömungszustände3.1 Übersicht verschiedener Strömungszustände

unkritische Strömung pvc > p v

pv

p1

p2

pvc

P1 Vordruckp2 Nachdruck

pvc tiefster Druckpv Dampfdruck

pv

pv

Kavitation pvc ≤ p v und p2 > p v

Dampfbildung und Implosion Schall und Zerstörungsgefahr Durchflussbegrenzung

Flashing pvc ≤ p v und p2 ≤ p v

Dampfbildung ohne Implosion Hohe Austrittsgeschwindigkeit Schall und Zerstörungsgefahr Durchflussbegrenzung

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3. Strömungszustände3.2 Videosequenzen Flashing und Kavitation

Flashing

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3. Strömungszustände3.2 Videosequenzen Flashing und Kavitation

Kavitation + Flashing

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3. Strömungszustände3.3 Kennzahlen zur Erkennung von kritischen Strömungszuständen

xF: Differenzdruckverhältnis xFz: Kennzahl für den Kavitationsbeginn xFmr: Beginn kritische Kavitation

3" Hubventil (Cv 30) , Wasser p1=8 bar(a), pv=2 bar

40

45

50

55

60

65

70

75

80

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2

xF

L pAe

xFz

Flashing

v1

21F

ppppx

Kavitation

Turbulenz

vF pp

ppx

1

21

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4. Auslegung von Stellventilen bei kritischen Strömungszuständen4.1 Kavitationsschall

Betriebsdaten T1=20°CQ=30…144m³/h p1=11bar p2=4bar

xF > xFZ = Kavitation

Lösung: AntiCavitation TRIM geräuscharme und

kavitationsfreie Entspannung von Flüssigkeiten

spezielle Konstruktion verschiebt Beginn des Kavitationsgeräusches xFZ zu höheren Druckverhältnissen

xF < xFmr = unkritische Kavitation Kavitationsschall

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4. Auslegung von Stellventilen bei kritischen Strömungszuständen4.1 Kavitationsschall

Ausführung mit AC2-Trim zur Reduzierung des Kavitationsschalls

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4. Auslegung von Stellventilen bei kritischen Strömungszuständen4.2 Kritische Kavitation

Betriebsdaten T1=20°CQ=20…30m³/h p1=120bar p2=10...14bar

xF > xFZ = Kavitation

Lösung: mehrstufiger AntiCavitation TRIM (AC3) geräuscharme und

kavitationsfreie Entspannung von Flüssigkeiten bei hohen Differenzdrücken

durch spezielle Konstruktion Verschiebung des Kavitationsbeginns und deutliche Schallreduzierung

xF > xFmr = kritische Kavitation Schalldruckpegel zu hoch

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4. Auslegung von Stellventilen bei kritischen Strömungszuständen4.2 Kritische Kavitation

Ausführung mit AC3-Trim verhindert Kavitation und reduziert Schall

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4. Auslegung von Stellventilen bei kritischen Strömungszuständen4.3 Hoher Schalldruckpegel bei Gasen

Betriebsdaten T1=20°CQ=410…740m³/h p1=25bar p2=10...12,5bar

Schalldruckpegel zu hoch

Lösung: Strömungsteiler Geräuschminderung für Gase

und Dämpfe Schallreduzierung zwischen

10 und 25 dB(A)

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4. Auslegung von Stellventilen bei kritischen Strömungszuständen4.3 Hoher Schalldruckpegel bei Gasen

Ausführung mit Strömungsteiler zur Reduzierung des Schalldruckpegels