Arbeitsblätter Mechanische Regler Einsatzgebiete und -grenzen

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1 Seite 1 1. Einleitung und Anwendungsbereich Der Begriff mechanischer Regler beschreibt die (kompakte) Einheit aus einem Messwertaufnehmer, einer mechanischen Regeleinheit (mit Stellorgan) und einem (Regel-)Ventil. Da sie rein mechanisch arbeiten, werden sie auch als Regler ohne Hilfsenergie (ROH) bezeichnet. Gebräuchliche Typen und Bezeichnungen: - Temperaturregler (mit Heiz- oder Kühlfunktion) - Druckregler (Druckminderer, Überströmventile, Differenzdruckregler) - Durchflussregler Die vorliegenden Arbeitsblätter gelten ganz allgemein für mechanische Regler. Unsere Arbeitsblätter wurden mit großer Sorgfalt erstellt. Ihr Umfang ist jedoch begrenzt und eine Haftung aus der Verwendung ausgeschlossen. Alle Angaben ohne Gewähr. Für Anregungen sind wir jederzeit dankbar. Im Folgenden werden die Einsatzgebiete aber auch die Einsatzgrenzen mechanischer Regler betrachtet. 2. Temperaturregler 2.1 Prinzip Bild 1: Prinzip des Temperaturreglers, hier mit Thermostatfühler Der Temperaturregler sind Regeleinrichtungen, bei denen die Messeinrichtung (der sog. Temperaturfühler) die Energie zur Verstellung des Regelventils liefert und die somit ohne Hilfsenergie auskommen. Sie bestehen aus: - dem Temperaturfühler - dem Thermostaten - und dem Stellventil

2 Seite 2 Der Temperaturfühler ist mit einer spezifischen Flüssigkeit gefüllt, die sich mit der (zu messenden) Temperatur ausdehnt. Er ist entweder über eine Kapillare oder direkt in einer Einheit (=Thermostatfühler) mit dem Thermostaten verbunden. Der Thermostat besteht aus dem Sollwertsteller, der in Abhängigkeit des eingestellten Sollwerts den (statischen) Druck in der Flüssigkeit verändert. Über eine weitere Kapillare wird die Flüssigkeit einem Arbeitskolben zugeführt. Die Ausdehnung der Flüssigkeit wird hier in eine Stellbewegung im Ventil umgesetzt. Sowohl die Kapillare als auch der Arbeitskolben werden begriffsmäßig dem Thermostaten zugeordnet. Im Stellventil muss der Arbeitskolben den Ventilkegel gegen den Mediumsdruck steuern. Bei großem Mediumsdruck und bei großen Nennweiten werden (druck-) entlastete Kegel verwendet, um die Stellkraft des Arbeitskolbens nicht zu überschreiten. Wie das folgende Bild zeigt, muss ein Kompromiss zwischen - Stellkraft, d.h. maximal zulässiger Differenzdruck des Ventils und - Hub des Kegels, d.h. erreichbarer Regelgüte gefunden werden. Stellkraft des Arbeitskolbens Energie des Fühlers Hub des Kegels Bild 2: Das Produkt aus Stellkraft und Hub ist durch den Fühler begrenzt Stellventile gibt es in Durchgangs- und Dreiwegeform. Ferner unterscheidet man zwischen Heiz- und Kühlfunktion, d.h. steigende Temperatur schließt bzw. öffnet das Ventil. 2.2 Proportionalbereich Temperaturänderungen am Fühler führen über die Kapillarflüssigkeit zu einer Ventilverstellung. Nehmen wir an, ein Temperaturregler mit Kühlfunktion würde bei einer Temperatur von 80 C beginnen zu öffnen und wäre bei 90 C vollständig geöffnet. Wenn bei 80 C die geringe Öffnung durch den Kegel ausreicht, die Temperatur zu halten, wird sich ein Gleichgewicht einstellen. Wenn nicht, steigt sie an und das Ventil öffnet weiter. Bei 90 C ist das Ventil voll geöffnet. Ist die Öffnung durch den Kegel erst jetzt groß genug, so stellt sich erst jetzt ein Gleichgewicht ein. Je nach erforderlicher Kühlmenge stellt sich also eine Temperatur zwischen 80 und 90 C ein, d.h. es ergibt sich eine Regelabweichung von +/- 5 C um den Sollwert von 85 C. Dieser Bereich wird als Proportionalbereich bezeichnet. Weitere Hinweise hierzu s. Abschnitt 3.2

3 Seite 3 3. Druckregler 3.1 Prinzip < Sollwertsteller Sollwertsteller > Bild 3: Prinzip von Druckminderer und Überströmventil Druckminderer: Die Feder drückt das Ventil auf. Mit steigendem Nachdruck steigt die Kraft auf die Membrane und das Ventil schließt. Mit dem Sollwertsteller wird die Federkraft, die gegen die Membrane wirkt, verstellt und damit der gewünschte, zu regelnde Nachdruck eingestellt. Überströmventil: Die Feder drückt das Ventil zu. Mit steigendem Vordruck steigt die Kraft auf die Membrane und das Ventil öffnet. Mit dem Sollwertsteller wird die Federkraft, die gegen die Membrane wirkt, verstellt und damit der gewünschte, zu regelnde Vordruck eingestellt. Differenzdruckregler: Er entspricht dem Überströmregler, jedoch wird die untere Membrane (wie beim Druckminderer) mit der Nachdruckseite verbunden. Die Feder drückt das Ventil zu. Mit steigendem Differenzdruck steigt die Kraft auf die Membrane und das Ventil öffnet. Mit dem Sollwertsteller wird die Federkraft, die gegen die Membrane wirkt, verstellt und damit der gewünschte, zu regelnde Differenzdruck eingestellt. Volumenstromregler: Er wiederum entspricht dem Differenzdruckregler. Anstelle des Differenzdrucks über dem Ventil wird jedoch der über einer festen Blende geregelt. Dies entspricht der Regelung eines festen Volumenstroms.

4 Seite Proportionalbereich Nehmen wir an, ein Überströmventil würde bei einem Vordruck von 4 bar beginnen zu öffnen (Überschreitung der Federvorspannung) und wäre bei 5 bar vollständig geöffnet (Feder vollständig zusammengedrückt). Wenn bei 4 bar die geringe Öffnung durch den Kegel ausreicht, den Vordruck zu halten, wird sich ein Gleichgewicht einstellen. Wenn nicht, steigt der Vordruck an, die Feder wird entsprechend zusammengedrückt und das Ventil öffnet weiter. Bei 5 bar Vordruck ist das Ventil voll geöffnet. Ist die Öffnung durch den Kegel erst jetzt groß genug, so stellt sich erst jetzt ein Gleichgewicht ein. Je nach erforderlicher Überströmmenge stellt sich also ein Vordruck zwischen 4 und 5 bar ein, d.h. es ergibt sich eine Regelabweichung von +/- 0,5 bar um den Sollwert von 4,5 bar. Dieser Bereich wird als Proportionalbereich bezeichnet. Änderungen der Durchflussmenge führen bei Druckreglern also zu Regelabweichungen. Im Extremfall können diese den Proportionalbereich erreichen. Durch Auslegung des Reglers auf größere Mengen als erforderlich, kann der Proportionalbereich und damit die maximale Regelabweichung reduziert werden. Allerdings muss die kleinstmögliche Menge berücksichtigt werden. Öffnet das Ventil aufgrund eines sehr kleinen Proportionalbereichs weiter als für die Menge erforderlich, so fällt der Druck sofort und das Ventil schließt sofort wieder, d.h. es kommt zu Schwingungen. Vorsicht: Wird der Proportionalbereich zu klein ausgelegt, kann dies insbesondere im Schwachlastbereich zu Schwingungen und damit zur Zerstörungen beispielsweise der Membrane führen!

5 Seite 5 4. Mechanische Regler im Vergleich zu Stellventilen 4.1 Einfach und robust Mechanische Regler benötigen keine Hilfsenergie und sind aufgrund ihres Aufbaus sehr robust. Anstelle eines separaten Prozessreglers wie er bei Stellventilen erforderlich ist, tritt der integrierte, mechanische Regler. Mit seinem fest vorgegebenen Verhalten reduziert die Inbetriebnahme auf die Einstellung des Sollwerts. 4.2 Regelverhalten Insbesondere Druckregler sind durch ihre Mechanik und ihrem starren P- Verhalten sehr schnell. Jede Istwertänderung führt unmittelbar zu einer Verstellung der Ventilstellung. Jedoch ist der Proportionalbereich und somit die bleibende Regelabweichung durch die Auslegung auf den Regelbereich bestimmt. Bei Stellventilen ermöglicht der übergeordnete Prozessregler aufgrund seines I-Anteils große Proportional-Bereiche bei sehr hoher (statischer) Regelgenauigkeit. Moderne Prozessregler erlauben sogar eine lastabhängige Parameteranpassung. Der größere Hub bei Stellventilen ermöglicht die feinere Profilierung der Kegel und damit gute Ventilkennlinien. 4.3 Kosten Rechnet man bei Stellventilen den Prozessregler, Sensor und einen Schaltschrank mit ein, so schneiden mechanische Regler je nach Betriebsdaten - bis hinauf zu mittleren Nennweiten günstiger ab. (als sehr grober Anhaltswert sei hier DN 80 genannt) Gerne unterbreiten wir Ihnen ein Vergleichsangebot. Rufen Sie uns an - wir beraten Sie gerne: Ihr Partner für die Lieferung aller, aufeinander abgestimmter Komponenten: Industriearmaturen, Regelungen und Sensoren, wärmetechnische Apparate.