5 Stellglieder. Mehr Informationen zum Titel! 5.1 Stellventile und ihre Auslegung. Burkard Fromm. Formelzeichen und Abkürzungen

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1 Mehr Informationen zum Titel! 5 Stellglieder 5.1 Stellventile und ihre uslegung urkard Fromm Formelzeichen und bkürzungen Regel-Tor eines Dreiwegeventils Tor für die Gesamtströmung a uslegungsfaktor, uslegungskennwert eines Wärmeübertragers P rbeitspunkt a V Ventilautorität ypass-tor eines Dreiwegeventils C hydraulischer Widerstand const. konstanter Wert C S hydraulischer Ersatzwiderstand C SP hydraulischer Ersatzwiderstand einer Parallelschaltung C SR hydraulischer Ersatzwiderstand einer Reihenschaltung C V hydraulischer Widerstand eines Ventils C V hydraulischer Widerstand zwischen den Toren und C V hydraulischer Widerstand zwischen den Toren und c Proportionalitätskonstante, spezifische Wärmekapazität Ventilhub, ub eines Stellventils 100 ub bei vollständiger Öffnung K S Proportionalbeiwert (Regelstrecke) k V k V -Wert eines Stellventils k V k V -Wert zwischen den Toren und eines Dreiwegeventils k V k V -Wert zwischen den Toren und eines Dreiwegeventils k V0 k V0 -Wert eines Stellventils k Vr kleinster k V -Wert innerhalb der Neigungstoleranz k VS k VS -Wert eines Stellventils k V100 k V -Wert bei = 100 % max maximaler Wert (Index) min minimaler Wert (Index) m Massenstrom n gl Kenngröße einer gleichprozentigen Ventilkennlinie n lin Kenngröße einer linearen Ventilkennlinie n opt Kenngröße einer optimalen Ventilkennlinie P hydraulische Leistung Q Wärmestrom Q N Wärmestrom unter uslegungsbedingungen (Nennwert) Q 100 Wärmestrom bei = 100 % S V0 (theoretisches) Stellverhältnis S V (praktisches) Stellverhältnis T Periodendauer, Zeitintervall t Zeit V Volumenstrom V ges Gesamtvolumenstrom V 100 Volumenstrom bei = 100 % x Regelgröße y Stellgröße y* modifizierte Stellgröße z Störgröße, ilfsvariable

2 5 Stellglieder p p 0 p P Druckverlust, Druckdifferenz ezugsdruck von der Pumpe erzeugte Druckdifferenz p PC konstanter Pumpendruck p r Druckverlust im volumen stromvariablen Teil einer Schaltung ohne Druckverlust am Stellventil p V Druckverlust über dem Ventil p V100 Druckverlust bei = 100 % Temperatur Laufvariable kinematische Viskosität, 0 Dichte, ezugsdichte Einführung Stellventile werden zur stetigen Einstellung des Volumenstromes V oder zur Einstellung des Verhältnisses zweier Volumenströme V 1 / V 2 eingesetzt. andelt es sich bei dem strömenden Medium (Fluid) um einen Wärmeträger, besteht die Zielstellung in der stetigen Einstellung eines Wärmestromes Q. Der Volumenstrom oder das Verhältnis zweier Volumenströme sind in diesem Fall nur Zwischengrößen. ild 5-1 veranschaulicht diese ufgabenstellung aus regelungstechnischer Sicht: Die Eingangsgröße der entsprechenden Regelstrecke (Stellgröße y) ist in jedem Fall der Ventilhub, usgangsgröße (Regelgröße x) können der Volumenstrom V, das Verhältnis zweier Volumenströme V 1 / V 2 oder der Wärmestrom Q sein. nstelle des Volumenstromes kann auch der Massenstrom oder das Verhältnis zweier Massenströme geregelt werden. y Stellventil + hydraulisches System Wärmeübertrager/Wärmeverbraucher Q bzw. J x V bzw. V/V 1 2 x ild 5-1: Regelstrecke mit Stellventil, hydraulischem System und Wärmeübertrager/ Wärmeverbraucher Da im Vergleich zum Wärmestrom Q die Temperatur viel einfacher messtechnisch erfasst werden kann, ist in den meisten Fällen anstelle des Wärmestromes die Temperatur Regelgröße (Temperaturregelung anstelle einer Leistungsregelung). Der Ventilhub wird durch einen Stellantrieb eingestellt, der aus regelungstechnischer Sicht mit dem eigentlichen Regler eine Einheit bildet. Die uslegung eines Stellventils macht es erforderlich, das gesamte hydraulische System (Pumpe, hydraulische Widerstände) zu betrachten und gegebenenfalls den Wärmeübertrager bzw. Wärme verbraucher einzubeziehen. Dabei sollten die folgenden drei Zielstellungen berücksichtigt werden: 122

3 5.1 Stellventile und ihre uslegung 1. Minimaler und maximaler Volumenstrom müssen im ubbereich 10 bis 100 % einstellbar sein. ei der Regelung des Verhältnisses zweier Volumenströme oder bei der Regelung des Wärmestroms bzw. der Temperatur gilt dies analog für das minimale und maximale Volumenstromverhältnis bzw. für den minimalen und maximalen Wärmestrom. Warum der usschluss des ubbereiches unter 10 % notwendig ist, wird weiter unten noch deutlich. Die Werte für den maximalen Volumen- bzw. Wärmestrom liefert die nlagenauslegung. nhand dieser Werte erfolgt die Dimensionierung der hydraulischen Schaltung (uswahl der Pumpe und des Stellventils). nschließend sollte überprüft werden, ob minimaler Volumen- oder Wärmestrom bei einem ub oberhalb 10 % einstellbar ist, d. h., es sollte der Frage nachgegangen werden, ob das System im Teillast- bzw. Schwachlastbereich die gestellten Forderungen erfüllt. Ist das nicht der Fall, muss das hydraulische System einschließlich Stellventil in geeigneter Weise verändert werden. In der Praxis wird häufig nur der uslegungsfall hinreichend berücksichtigt, obwohl Schwach- bzw. Teillastfall im nlagenbetrieb viel häufiger auftreten als der uslegungsfall. 2. Der Volumenstrom, das Verhältnis zweier Volumenströme oder der Wärmestrom sollte möglichst linear vom Ventilhub abhängen, oder mit anderen Worten ausgedrückt, der Proportionalbeiwert K S der entsprechenden Regelstrecke (Steigung der Tangente an die Übertragungsfunktion) sollte im ubbereich 10 bis 100 % möglichst konstant sein. Woraus resultiert diese Forderung? K S bildet die asis für eine optimale Einstellung des Reglers. Ändert sich K S im rbeitsbereich sehr stark, gilt die optimale Reglereinstellung nur für einen rbeitspunkt. Ist K S dagegen konstant, arbeitet der Regelkreis bei richtiger Einstellung der Reglerparameter nahezu in jedem rbeitspunkt optimal. Zur ewertung der Linearität der Regelstrecke kann das Verhältnis KSmax / K Smin im ubbereich 10 bis 100 % herangezogen werden. KSmax / K Smin 1 bedeutet lineares Verhalten ( KSmax KSmin K S const.), die Streckenkennlinie ist in diesem Fall eine Gerade. Dieser Fall lässt sich jedoch nur in usnahmefällen realisieren. Praktisch sind Werte für K / K 2 3 akzeptabel. Smax Smin V/ V 100 bzw. Q/ Q ,8 (b) 0,6 (a) 0,4 0,2 (c) 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 ild 5-2: Übertragungsverhalten von drei Regelstrecken mit Stellventil 123

4 5 Stellglieder ild 5-2 zeigt drei eispiele für das Übertragungsverhalten von Regelstrecken mit Stellventil. V 100 bzw. Q 100 ist der Volumen- bzw. Wärmestrom bei vollständig geöffnetem Ventil. ezieht man V und Q auf diese Größen, wird bei einer ngabe des ubes als dimensionslose Zahl zwischen 0 und 1 (physikalischer ub in mm, bezogen auf seinen Maximalwert) K S ebenfalls dimensionslos. Die Kurve (a) mit KS / K max S 3,25 (ubbereich 10 bis 100 %) min ist praktisch brauchbar, während die Kurven (b) und (c) mit KS / K max S 25,6 und 19,8 min regelungstechnisch sehr ungünstige Konstruktionen widerspiegeln. Kann eine stark nichtlineare Streckenkennlinie nicht vermieden werden, gibt es zwei Möglichkeiten, trotz dieser Nichtlinearität ein befriedigendes Verhalten des geschlossenen Regelkreises zu erzielen: Die erste Möglichkeit besteht in der sogenannten Entzerrung der Streckenkennlinie. Dabei wird die usgangsgröße des Reglers (Stellgröße y) einer mathematischen Funktion y* = f (y) unterworfen, die die nichtlineare Streckenkennlinie linearisiert. uf den Stellantrieb des Ventils wirkt dann y*. Ist z.. die Streckenkennlinie konkav gekrümmt, kann eine konvex gekrümmte Funktion y* = f (y) die Nichtlinearität zumindest teilweise kompensieren. eim Einsatz moderner Mikroprozessorregler ist die Programmierung einer Funktion y* = f (y) zur Entzerrung der Streckenkennlinie meist unproblematisch möglich. uch bestimmte Stellantriebe gestatten die Einstellung einer entweder konkav oder konvex gekrümmten Entzerrungs funktion zur Linearisierung der Streckenkennlinie [7]. Diese Vorgehensweise setzt aber, zumindest näherungsweise, die Kenntnis der nichtlinearen Streckenkennlinie voraus. Die zweite Möglichkeit besteht im Einsatz eines adaptiven Regelalgorithmus, der die Reglereigenschaften automatisch an die Streckeneigenschaften im jeweiligen rbeitspunkt anpasst (adaptiert). Trotz dieser beiden Möglichkeiten, auch stark nichtlineare Strecken regelungstechnisch zu beherrschen, ist bei der uswahl eines Stellventils stets ein möglichst lineares Streckenverhalten anzustreben. 3. ydraulische Systeme arbeiten in der Praxis häufig lange Zeit ohne Unterbrechung. us Gründen der Energieeinsparung sollte daher die hydraulische Leistung P 1), die das Stellventil bzw. das gesamte hydraulische System aufnimmt, möglichst klein sein. Zusätzlich muss angestrebt werden, dass die Pumpe im rbeitsbereich einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist eine Forderung, die mit der uswahl des Stellventils an sich nichts zu tun hat. uch der Einsatz geregelter Pumpen bzw. der Einsatz von Pumpen mit einer speziellen Pumpenkennlinie, die durch eine interne elektronische Pumpenregelung realisiert wird, ist unter diesem Gesichtspunkt zu betrachten. Diese drei Punkte machen deutlich, dass die optimale uslegung einer hydraulischen Schaltung eine sehr komplexe ufgabe ist, wobei die uswahl des Stellventils nur eine Teilaufgabe darstellt. In der Praxis wird man die hier umrissenen Forderungen nur näherungsweise erfüllen. Das rührt allein schon daher, dass der nlagenplaner aus Kostengründen auf augruppen aus einer uswahlreihe zurückgreifen muss. 1) Für die hydraulische Leistung P gilt folgende eziehung: P p V. 124

5 5.1 Stellventile und ihre uslegung auformen von Stellventilen ild 5-3 (a) zeigt die wesentlichen Teile eines Stellventils. Im Strömungsweg des Fluids befindet sich der Ventilkegel (auch Schließ- oder Drosselkörper genannt), dessen Position zum Ventilsitz den Volumenstrom durch das Stellventil beeinflusst. Über die Ventilspindel, die starr mit dem Ventilkegel verbunden ist, kann dessen Lage über den Ventilhub von außen eingestellt werden. Zur bdichtung wird die Ventilspindel durch eine Stopfbuchse oder eine andere Spindelabdichtung (z.. O-Ring) geführt. In anspruchsvolleren Konstruktionen kommt anstelle dieser Spindelabdichtungen ein Faltenbalg zum Einsatz. Für bestimmte nwendungen sind solche Faltenbalgabdichtungen vorgeschrieben. Physikalisch gesehen ist der Ventilhub ein Weg, der unter erücksichtigung eines ezugspunktes Werte zwischen 0 und 100 annehmen kann. ei = 0 befindet sich der Ventilkegel in Schließstellung, bei = 100 ist das Stellventil vollständig geöffnet. Je nach auform und Größe des Stellventils kann 100 Werte zwischen wenigen mm und über 100 mm annehmen. Die Einstellung des Ventilhubes geschieht durch einen Stellantrieb. Möglich sind andeinstellung, elektrischer, thermoelektrischer, pneumatischer oder elektropneumatischer Stellantrieb (siehe bschnitt 4.6). (a) (b) Sp Sb Sp Sb D K D S K K S S M ild 5-3: Einsitzdurchgangsventil (a) und Doppelsitzdurchgangsventil (b) D Dichtung Ventilhub K Ventilkegel (Schließkörper) S Ventilsitz Sb Stopfbuchse Sp Ventilspindel; unten dargestellt ist das Symbol für ein Durchgangsventil, links mit Stellantrieb 125

6 5 Stellglieder In der Praxis wird häufig auf 100 bezogen. Damit kann die ngabe des Ventilhubes in Prozent (0 bis 100 %) oder als dimensionslose Zahl zwischen 0 ( = 0) und 1 ( = 100 ) erfolgen. Diese etrachtungsweise kommt dem Einsatz moderner Stellantriebe entgegen, die mit einer Steuerspannung von 0 bis 10 V arbeiten: ei 0 V ist der Ventilhub 0, bei 10 V stellt sich = 100 ein. Mitunter arbeiten solche Stellantriebe selbstlernend: eim ersten Einschalten ermitteln sie selbstständig die Positionen = 0 und = 100, d. h., der Stellantrieb passt sich automatisch dem verwendeten Stellventil an (selbstlernender Ventilantrieb). Für den nwender ist damit die Kenntnis von 100 nur noch von untergeordneter edeutung. uf die Problematik der Stellantriebe wird im bschnitt 4.6 genauer eingegangen. edingt durch die Lage des Ventilkegels im Strömungsgang müssen der Ventilkegel, die Ventilspindel und ihre Führung sowie der Stellantrieb die durch den statischen Druck verursachten Kräfte aufnehmen. Im ild 5-3 (a) wird deutlich, dass diese Kraft bei der eingezeichneten Strömungsrichtung das estreben hat, den Ventilkegel nach oben zu drücken, d. h., das Ventil zu öffnen. Da die Richtung dieser Kraft von der Strömungsrichtung abhängt, ist für viele Stellventile die Strömungsrichtung vorgegeben. Einen usweg bietet das Doppel- oder Zweisitzventil (siehe ild 5-3 (b)). Es enthält zwei Ventilkegel, die so angeordnet sind, dass sich die durch den statischen Druck verursachten Kräfte gerade aufheben, wodurch die Ventilspindel und der Ventilantrieb nahezu vollständig druckentlastet sind. Diese Konstruktion kommt dann zum Einsatz, wenn die Strömungsrichtung beliebig sein soll oder wenn große Druckverluste über dem Stellventil auftreten. ei größeren Einsitzventilen wird mitunter eine Druckentlastung durch einen zusätzlichen Entlastungskolben realisiert, auf den über eine externe Entlastungsleitung oder einen besonderen Kanal im Ventilgehäuse der statische Druck des strömenden Mediums wirkt. Die Stellventile nach ild 5-3 (a) und (b) sind so genannte Drossel- oder Durchgangsventile. Typisch für diese Ventile ist, dass der Ventilhub den hydraulischen Widerstand lediglich eines Zweiges der hydraulischen Schaltung beeinflusst. Im ild 5-3 (a) und (b) ist zusätzlich das übliche Symbol für ein Drosselventil eingezeichnet, in (a) ist es um einen Stellantrieb mit Motor ergänzt. ild 5-4 (a) und (b) zeigt zwei Dreiwegeventile. Sie verfügen über drei nschlüsse, die auch als Tore bezeichnet werden. ei diesen Konstruktionen ist die Ventilspindel starr mit zwei Ventilkegeln verbunden, d. h., der Ventilhub beeinflusst den Volumenstrom bzw. den hydraulischen Widerstand in zwei Zweigen der hydraulischen Schaltung. us den Darstellungen ist unschwer zu erkennen, dass diese eeinflussung gegenläufig erfolgt: efindet sich z.. der untere Ventilkegel in Schließposition, ist der obere Strömungsweg maximal geöffnet. Da aus oben genannten Gründen die Strömungsrichtungen festliegen und beide Strömungswege (Tor und Tor ) einen gemeinsamen nschluss haben (Tor ), können zwei Fälle unterschieden werden: Mischventil (auch kurz Mischer genannt, ild 5-4 (a)): Die vom Tor und vom Tor kommenden Volumenströme werden im Ventil gemischt, die Summe verlässt das Ventil über das Tor. Die ubangabe bezieht sich stets auf Tor, d. h., bei = 0 ist Tor geschlossen und Tor vollständig geöffnet, bei = 100 ist Tor vollständig geöffnet und Tor geschlossen. ufgrund dieser Konvention entspricht im ild 5-4 (a) die ewegung der Ventilspindel nach unten einer ubvergrößerung. Verteilventil (ild 5-4 (b)): Der über das Tor in das Ventil eintretende Volumenstrom verteilt sich je nach Stellung der beiden Ventilkegel auf die Tore und. ei = 0 ist Tor geschlossen und Tor vollständig geöffnet, bei = 100 ist es umgekehrt. 126

7 5.1 Stellventile und ihre uslegung (a) (b) Tor Tor Tor Tor Tor Tor ild 5-4: Dreiwegeventile mit den zugehörigen Symbolen (a) Mischventil (b) Verteilventil Tor wird häufig als Regel-Tor, Tor als ypass-tor bezeichnet. Im ild 5-4 (a) und (b) sind die Symbole für diese Ventiltypen angegeben. Wichtig ist die ngabe der Strömungsrichtungen durch Pfeile oder andere Symbole, da erst dadurch eine Unterscheidung in Misch- und Verteilventil gegeben ist. Prinzipiell vereinen Dreiwegeventile zwei einzelne Durchgangsventile, deren Ventilhübe gegenläufig gekoppelt sind, siehe ild 5-4. Dabei befindet sich in jedem Strömungsweg ein Durchgangsventil (Ventile - und - beim Mischer sowie die Ventile - und - beim Verteilventil). Diese etrachtungsweise ist insbesondere für die Diskussion der Ventilkennlinien sowie für die rechnerische nalyse von hydrau lischen Schaltungen mit Dreiwegeventilen von edeutung. eim Einsatz eines Dreiwegeventils sind die vom ersteller angegebenen Strömungsrichtungen einzuhalten, d. h., ein Mischventil kann nicht ohne weiteres als Verteilventil eingesetzt werden und umgekehrt. 127