Berechnung und Auswahl von Stellventilen

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1 Berechnung und Auswahl von Stellventilen SAMSON AG Technischer Verkauf Markus Güntner Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 1

2 Berechnung und Auswahl von Stellventilen 1. Einleitung 1. Bedeutung der Auslegung von Stellventilen 2. DIN EN Stellventile für die Prozessregelung 2. Durchflusskapazität von Stellventilen 1. Allgemeine Betrachtung 2. Gebrauchsformeln in der Praxis 3. Berechnung und Auswahl der Durchflusskapazität 3. Strömungszustände 1. Übersicht verschiedener Strömungszustände 2. Videosequenzen Flashing und Kavitation 3. Kennzahlen zur Erkennung von kritischen Strömungszuständen 4. Auslegung von Stellventilen bei kritischen Strömungszuständen 1. Kavitationsschall 2. Kritische Kavitation 3. Hoher Schalldruckpegel bei Gasen 5. Life Cycle Costs von Stellventilen 1. Übersicht Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 2

3 1. Einleitung 1.1 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? K v -Wert Nennweite DN Austrittsgeschwindigkeit Nenndruck PN Kennlinie Schalldruckpegel Antrieb Durchflusskapazität (K v -Wert) als wichtige Ventilkenngröße muss bestimmt werden Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 3

4 1. Einleitung 1.2 DIN EN Stellventile für die Prozessregelung DIN EN als Hilfsmittel zur Berechnung der Durchflusskapazität DIN EN DIN EN DIN EN DIN EN Teil 1: Begriffe und allgemeine Betrachtungen Legt einen Teil der Grundbegriffe fest und dient als Anleitung für die Benutzung aller anderen Teile von IEC Teil 2-1: Durchflusskapazität Bemessungsgleichungen für Fluide unter Einbaubedingungen Enthält Gleichungen für die Bemessung von Stellventilen für kompressible und inkompressible Fluide. Teil 2-3: Durchflusskapazität - Prüfverfahren Beinhaltet die Prüfverfahren zur Ermittlung der Kenngrößen, die in den Gleichungen aus DIN EN Teil 2-1 verwendet werden. Teil 9: Prüfverfahren zur Bestimmung des Verhaltens von Stellventilen bei Sprungfunktionen Dieser Teil legt die Anforderungen für die Abnahme und Prüfung von Stellventilen fest. Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 4

5 1. Einleitung 1.2 DIN EN Stellventile für die Prozessregelung Anwendungsbereich: Gleichungen für die Bemessung von kompressiblen und inkompressiblen Fluiden Geltungsbereich: inkompressible Medien Newtonsche Flüssigkeiten (Wasser, Öl, etc.) Nicht-newtonsche Flüssigkeiten Stoffgemische Stoffe mit flüssig-festen Anteilen kompressible Medien Gase oder Dämpfe Mehrphasenfluide: Gas-Flüssigkeits-Mischungen Dampf-Flüssigkeits-Mischungen Gas-Feststoff-Mischungen Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 5

6 2. Durchflusskapazität von Stellventilen 2.1 Allgemeine Betrachtung Was passiert beim Durchströmen einer Querschnittsverengung (reibungsfrei)? w1 w2 A1 A2 w 1 A 1 Querschnittsverengung Kontinuitätsgleichung (Massenerhaltung) Strömungsgeschwindigkeit im engen Querschnitt größer A1 w1 A2 w2 konst. Satz von Bernoulli (Energieerhaltung) Druck im engen Querschnitt geringer 2 2 p1 w1 p2 w2 konst. 2 2 Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 6

7 2. Durchflusskapazität von Stellventilen 2.1 Allgemeine Betrachtung Was passiert beim Durchströmen einer Querschnittsverengung (reibungsfrei)? w1 w2 A1 A2 w 1 A 1 Querschnittsverengung w [m/s] p [bar] p [bar] p Das Durchströmen eines Ventils ist reibungsbehaftet, daher kommt es zu einem bleibenden Druckverlust Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 7

8 2. Durchflusskapazität von Stellventilen 2.1 Allgemeine Betrachtung Stellventile im Einsatz als Prozessregler Δp Ventil Δp Ventil Δp Ventil Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 8

9 Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 9 2. Durchflusskapazität von Stellventilen 2.2 Gebrauchsformeln in der Praxis über Druckverlust Bestimmung der Durchflusskapazität 2 2 A Q p Y F F Q p p K R P v p p max Gebrauchsformeln in der Praxis: p Q K v

10 2. Durchflusskapazität von Stellventilen 2.2 Gebrauchsformeln in der Praxis Definition: Der K v -Wert als Kennwert für die Durchflusskapazität entspricht dem Wasserdurchfluss durch ein Ventil (in [m³/h]) bei einer Druckdifferenz von Δp 0 =1bar und einer Temperatur von 5-30 C (Wasserdichte von ρ kg/m³). Anmerkung: Der C v -Wert beschreibt den Wasserdurchfluss in Gallonen pro Minute bei einem Differenzdruck von 1psi. (Umrechnungsfaktor: C 1, 17 ) v K v Wo wird der Vor- und Nachdruck angenommen? Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 10

11 2. Durchflusskapazität von Stellventilen 2.3 Berechnung und Auswahl der Durchflusskapazität Beispiel: Wasser Betriebsdaten Q= m³/h p 1 =15 18bar p 2 =13 bar Wie sieht die Vorgehensweise zur Berechnung aus? Q=20 m³/h p 1 =18 bar p 2 =13 bar Q=126 m³/h p 1 =15 bar p 2 =13 bar K v Q K p 9 v K v 89 maximaler Durchfluss + minimale Druckdifferenz Gibt es weitere Punkte, auf die geachtet werden muss? Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 11

12 2. Durchflusskapazität von Stellventilen 2.3 Berechnung und Auswahl der Durchflusskapazität Inhärente Kennlinie Linear Gleichprozentig K vs : K v -Wert bei Nennhub K vr : kleinster regelbarer K v -Wert K vs Stellverhältnis = K vs / K vr typisches Stellverhältnis Hubventil DN 50 50:1 DN > 50 30:1 K v [%] lin glp K vr Hub [%] Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 12

13 2. Durchflusskapazität von Stellventilen 2.3 Berechnung und Auswahl der Durchflusskapazität K 9 89 v K v Sicherheitsfaktor von 1,1 100 K vs 80 K v 98 K v [%] 60 lin Katalogwert: K vs glp 20 Minimalfall noch regelbar? 50 : 1 K vr =2 30 : 1 K vr =3,33 Hub [%] Regelbarkeit für beide Fälle gegeben (aber: Sicherheitsfaktoren abstimmen!!) K vr Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 13

14 2. Durchflusskapazität von Stellventilen 2.3 Berechnung und Auswahl der Durchflusskapazität Auswahl der Nennweite: Auswahlkriterien Rohrnennweite Ausgangsgeschwindigkeit Zwischen 3-5 m/s bei unkritischer Strömung u 2 4 Q 2 D N u 6, 96 2, DN 80 u 4, 46 2, DN 100 u 2, 85 2, DN 125 u 1, 98 2, DN 150 m s m s m s m s Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 14

15 2. Durchflusskapazität von Stellventilen 2.3 Berechnung und Auswahl der Durchflusskapazität keine Angst, das machen entsprechende Programme für Sie Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 15

16 3. Strömungszustände 3.1 Übersicht verschiedener Strömungszustände unkritische Strömung p vc > p v Kavitation p vc p v und p 2 > p v Dampfbildung und Implosion Schall und Zerstörungsgefahr Durchflussbegrenzung p 1 p v p 2 p v Flashing p vc p v und p 2 p v Dampfbildung ohne Implosion Hohe Austrittsgeschwindigkeit Schall und Zerstörungsgefahr Durchflussbegrenzung P1 p2 Vordruck Nachdruck pvc pv tiefster Druck Dampfdruck p vc p v Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 16

17 3. Strömungszustände 3.2 Videosequenzen Flashing und Kavitation Flashing Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 17

18 3. Strömungszustände 3.2 Videosequenzen Flashing und Kavitation Kavitation + Flashing Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 18

19 3. Strömungszustände 3.3 Kennzahlen zur Erkennung von kritischen Strömungszuständen x F : Differenzdruckverhältnis x Fz : Kennzahl für den Kavitationsbeginn x Fmr : Beginn kritische Kavitation x F p p 1 1 p p 2 v 3" Hubventil (C v 30), Wasser p 1 =8 bar(a), p v =2 bar x F p p 1 1 p p 2 v Kavitation LpAe Flashing 50 x Fz Turbulenz 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 x F Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 19

20 4. Auslegung von Stellventilen bei kritischen Strömungszuständen 4.1 Kavitationsschall Betriebsdaten Q=30 144m³/h p 1 =11bar p 2 =4bar T 1 =20 C x F > x FZ = Kavitation x F < x Fmr = unkritische Kavitation Kavitationsschall Lösung: AntiCavitation TRIM geräuscharme und kavitationsfreie Entspannung von Flüssigkeiten spezielle Konstruktion verschiebt Beginn des Kavitationsgeräusches x FZ zu höheren Druckverhältnissen Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 20

21 4. Auslegung von Stellventilen bei kritischen Strömungszuständen 4.1 Kavitationsschall Ausführung mit AC2-Trim zur Reduzierung des Kavitationsschalls Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 21

22 4. Auslegung von Stellventilen bei kritischen Strömungszuständen 4.2 Kritische Kavitation Betriebsdaten Q=20 30m³/h p 1 =120bar p 2 = bar T 1 =20 C x F > x FZ = Kavitation x F > x Fmr = kritische Kavitation Schalldruckpegel zu hoch Lösung: mehrstufiger AntiCavitation TRIM (AC3) geräuscharme und kavitationsfreie Entspannung von Flüssigkeiten bei hohen Differenzdrücken durch spezielle Konstruktion Verschiebung des Kavitationsbeginns und deutliche Schallreduzierung Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 22

23 4. Auslegung von Stellventilen bei kritischen Strömungszuständen 4.2 Kritische Kavitation Ausführung mit AC3-Trim verhindert Kavitation und reduziert Schall Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 23

24 4. Auslegung von Stellventilen bei kritischen Strömungszuständen 4.3 Hoher Schalldruckpegel bei Gasen Betriebsdaten Q= m³/h p 1 =25bar p 2 = ,5bar T 1 =20 C Schalldruckpegel zu hoch Lösung: Strömungsteiler Geräuschminderung für Gase und Dämpfe Schallreduzierung zwischen 10 und 25 db(a) Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 24

25 4. Auslegung von Stellventilen bei kritischen Strömungszuständen 4.3 Hoher Schalldruckpegel bei Gasen Ausführung mit Strömungsteiler zur Reduzierung des Schalldruckpegels Mai 11 / Technischer Verkauf M. Güntner Berechnung und Auswahl von Stellventilen 25