Vordruckregler: Funktionsweise & Tipps für Ingenieure
Einstellung eines Vordruckreglers für Probenahmesysteme: Leitfaden für Ingenieure
David Rodriguez, Product Manager
In vielen industriellen Probenahmesystemen übernehmen Vordruckregler wichtige Funktionen, um einen konstanten Eingangsdruck (Druck stromaufwärts) zu gewährleisten und empfindliche Komponenten zu schützen. Damit das Ventil allerdings für eine zuverlässige Druckregulierung sorgt, kommt es bei der Auslegung der Probenahmesysteme insbesondere auf die Vermeidung häufiger Fehler an. Dazu zählen:
- Unzureichende Berücksichtigung eines vorgeschalteten Durchflussbegrenzers
- Zu hoher Durchfluss durch das Analysegerät
- Reihenschaltung eines Druckminderers und eines Vordruckreglers ohne zwischengeschaltete Durchflussbegrenzung
Zentrale Funktionen und Komponenten von Vordruckreglern
Was ist die Funktionsweise eines Vordruckreglers?
Im Gegensatz zu Druckminderern steuern Vordruckregler den Eingangsdruck (d. h. den Druck stromaufwärts) und sind typischerweise am Ende einer Leitung angebracht. Druckminderer hingegen steuern den Ausgangsdruck (d. h. den Druck stromabwärts) und sind typischerweise am Anfang einer Leitung installiert. Beide Arten von Druckreglern kontrollieren den Systemdruck, indem sie eine einstellbare Feder gegen die Kraft ausgleichen, die durch den Einstelldruck entsteht.
Wird dieses Gleichgewicht aufgrund eines ansteigenden oder abfallenden Umgebungsdrucks gestört, verändert das Ventil bzw. der Ventilkegel seine Position und bewegt sich entweder näher zum Ventilsitz oder weiter weg. Je nach Bewegungsrichtung des Ventils wird der Durchfluss durch den Druckregler erhöht oder begrenzt, bis das Gleichgewicht wiederhergestellt ist.
Aus welchen Komponenten ist ein Vordruckregler zusammengesetzt?
Der Regler sorgt für einen konstanten Druck im Analysegerät (Abbildung 1- A), indem eine bestimmte Durchflussmenge ggf. einer Bypass-Leitung zugeführt wird. Hierzu nutzt der Druckregler die beiden Durchflussbegrenzer (Abbildungen R1 und R2).
Abbildung 1 zeigt den typischen Aufbau eines Vordruckreglers für analytische Probenahmesysteme. Wenn kein Durchfluss im Analysegerät benötigt wird (siehe Abbildung 1 A), besteht die Aufgabe des Druckreglers darin, den Probenstrom in eine Bypass-Leitung umzuleiten. Bei etwaigen Druckänderungen an der Quelle passt der Druckregler auch die Menge des umgeleiteten Durchflusses an, sodass der Druck am Eingang des Druckreglers sowie die Durchflussrate im Analysegerät stets konstant sind.
Abbildung 1: Typischer Aufbau eines Vordruckreglers Bild ©2013 „Industrielle Probenahmesysteme“
Ein Vordruckregler muss mit einer Durchflussbegrenzung (in der Regel ein Nadelventil) ausgestattet sein. Dieses wird stromaufwärts installiert, um den Eingangsdruck zu steuern (siehe R1 in Abbildung 1). Bei fehlender Druckbegrenzung zwischen dem Vordruckregler und dem System öffnet sich der Vordruckregler vollständig, um möglichst viel Gas durchzulassen und so den Druck stromaufwärts abzusenken. Das führt allerdings nicht zum gewünschten Ergebnis. Mit einer installierten Begrenzungseinheit hingegen, lässt sich bei erhöhter Durchflussrate auch ein stärkerer Druckabfall erzielen, sodass der Druck stromabwärts verringert wird.
Welche Services rund um Kalibrierung und Testvorgänge für Druckregler, Manometer etc. stehen Ihnen zur Verfügung?
Hinweis: Für die Integrität des Probenahmesystems ist die ordnungsgemäße Kalibrierung des Ventils am Vordruckregler von entscheidender Bedeutung. Mit den Evaluierungs- und Test-Services von Swagelok stellen Sie sicher, dass Ihre Druckregelungsgeräte zuverlässig funktionieren.
Was sind häufige Probleme, die bei Vordruckreglern auftreten können?
Ein häufiges Problem bei der Auslegung von Probenahmesystemen ist der Verzicht auf Durchflussbegrenzer. Denn der Vordruckregler allein ist nicht in der Lage, den Druck stromaufwärts zu regulieren. Ohne eine Begrenzungseinheit führen Änderungen des Systemdurchflusses zu minimalen oder keinen Druckänderungen, wodurch der Regler beim Versuch den Durchfluss zu erhöhen, Prozessmedien verschwendet. Der regulierte Eingangsdruck bleibt unverändert, sodass der Regler unter Umständen vollständig geöffnet bleibt.
Ein weiterer Auslegungsfehler ist eine zu hohe Durchflussrate durch den Durchflussbegrenzer des Analysegeräts (siehe R2 in Abbildung 1). Denn dadurch kann der Eingangsdruck des Druckreglers unter den spezifizierten Einstelldruck fallen. Das kann wiederum dazu führen, dass sich der Druckregler vollständig schließt und der Entlüftungsstrom begrenzt wird. Für eine bessere Steuerung sollte die Durchflussbegrenzung stromaufwärts (R1) so dimensioniert sein, dass selbst bei maximaler Durchflussrate im Analysegerät noch eine gewisse Durchflussmenge durch den Druckregler strömt.
Wie wird ein Vordruckregler ordnungsgemäß eingerichtet?
Um ein funktionales System wie das in Abbildung 1 einzurichten, sollte bei der Systemauslegung zunächst R2 geschlossen und R1 so eingestellt werden, dass ein ausreichender Bypass-Durchfluss für die gewünschte Reaktionszeit des Analysegeräts sichergestellt ist. Anschließend wird bei R2 die Durchflussrate für die Analyse genau angepasst. Der Bypass-Durchfluss sollte dabei in einem gleichwertigen Maß sinken. Bei Bedarf wird R1 langsam geöffnet, bis die Bypass-Durchflussrate mindestens genauso hoch ist wie der Entlüftungsstrom am Analysegerät. So kann der Druckregler seinen Eingangsdruck auch dann steuern, wenn sich der Druck an der Quelle verändert. Wenn davon auszugehen ist, dass es an der Quelle zu starken Druckveränderungen kommen wird, sollte R1 so eingestellt werden, dass beim niedrigsten zu erwartenden Druck an der Quelle eine kleine Durchflussmenge umgeleitet wird.
Dank der Druckregelung über den Vordruckregler in Kombination mit den Durchflussbegrenzern R1 und R1 kann der Durchfluss zum Analysegerät und zur Entlüftungsleitung genau geregelt werden.
Da diese drei Komponenten den Durchfluss zum Analysegerät sowie den Bypass-Durchfluss steuern, ist in der Bypass-Entlüftungsleitung weder ein Nadelventil noch eine andere Begrenzungseinheit erforderlich. Um zu überprüfen, ob eine gewisse Menge durch den Druckregler strömt und dieser den Eingangsdruck korrekt regelt, sollte allerdings ein Bypass-Durchflussmesser ohne Nadelventil vorgesehen werden.
Wie lassen sich Vordruckregler und Druckminderer in Reihe schalten?
Abbildung 2: In Reihe geschalteter Druckminderer und Vordruckregler ohne Begrenzungseinheit. Bild ©2013 „Industrielle Probenahmesysteme”
Wird ein Vordruckregler, wie in Abbildung 2 dargestellt, unmittelbar stromabwärts eines Druckminderers platziert wird, handelt es sich ebenfalls um einen gängigen Auslegungsfehler. Da die beiden Regler nicht gleichzeitig denselben Druck regeln können, bestimmt nur einer der beiden das Druckniveau.
Dies lässt sich anhand von zwei beispielhaften Situationen veranschaulichen: Szenario 1: Liegt der Einstelldruck des Vordruckreglers über dem Ausgangsdruck des vorgeschalteten Reglers, bleibt der Vordruckregler geschlossen, da die anliegende Kraft nicht ausreicht, um den Ventilkegel aus dem Sitz zu heben und einen Durchfluss zu ermöglichen. In diesem Szenario gibt es keinen Bypass-Durchfluss, da der Vordruckregler geschlossen bleibt.
Szenario 2: Der Einstelldruck des Vordruckreglers ist niedriger. Wenn nun die Durchflussrate ansteigt, sinkt der Ausgangsdruck des Druckminderers proportional zur Regeldifferenz des vorgeschalteten Druckreglers. Die Durchflussrate steigt deutlich an, ebenso wie der Staudruck des Vordruckreglers und dessen Eingangsdruck.
Je nach Einstellung der beiden Druckregler hat dieser Anstieg unterschiedliche Folgen:
- Wenn sich die Einstellungswerte nahezu entsprechen, steigt die Durchflussrate immer weiter an, bis die Regeldifferenz des Druckreglers stromaufwärts und der Staudruck des Druckreglers stromabwärts auf demselben Niveau liegen. Allerdings führt dies zu einer äußerst hohen Durchflussrate.
- Bei größerer Differenz der Einstellwerte steigt die Durchflussrate, bis einer der Druckregler die Steuerung vollständig übernimmt, während der andere die Funktion eines Durchflussbegrenzers erfüllt.
Welche Faktoren beeinflussen die Leistung eines Vordruckreglers?
Bei der Wahl geeigneter Ventile für Vordruckregler gilt es, Leistungsfaktoren wie Durchflussstabilität und Materialverträglichkeit abzuwägen. Swagelok bietet eine breite Auswahl zuverlässiger Lösungen für Probenahmesysteme in Analyselaboren.
Abbildung 3Die Abbildung zeigt, dass der in Abb. 2 illustrierte Auslegungsfehler dazu führt, dass beide Druckregler einen Zwischendruck zwischen ihren jeweiligen Einstellwerten aufrechterhalten – bei gleichzeitig hoher Durchflussrate. Bild ©2013 „Industrielle Probenahmesysteme”
Die Durchflussrate in der Bypass-Leitung hängt von der Differenz der beiden Einstellwerte ab und steigt, bis sich ein Gleichgewicht zwischen den beiden Reglern eingestellt hat. Bei Schwankungen des stromaufwärts anliegenden Drucks oder der Durchflussrate im Analysegerät versuchen beide Druckregler, den Druck zwischen ihren jeweiligen Einstellwerten zu halten – jedoch mit nicht eindeutigem Ergebnis. Dies wird in Abbildung 3 dargestellt.
Das bedeutet nicht, dass eine Reihenschaltung der beiden Druckregler generell nicht möglich ist. Allerdings muss für eine korrekte Funktionsweise in jedem Fall ein Durchflussbegrenzer zwischengeschaltet werden. Dieses Szenario ist in Abbildung 4 dargestellt. Bei korrekter Einstellung erfüllen beide Druckregler die gewünschte Funktion und der Druck an den Ausgängen der beiden Durchflussregler ist jeweils konstant. Das konstante Druckniveau sorgt somit für eine gleichmäßige Durchflussrate und schützt das Analysegerät vor Schwankungen in Eingangs- und Ausgangsdruck.
Abbildung 4: Hier ist dargestellt, wie eine effektive Druck- und Durchflussregelung erzielt werden kann, wenn eine Durchflussbegrenzung zwischen dem Vordruckregler und dem Druckminderer vorgesehen wird. Bild ©2013 „Industrielle Probenahmesysteme”
Zuverlässigkeit von Vordruckreglern dank Wartung
Für eine zuverlässige Vordruckregelung muss das Probenahmesystem entsprechend sorgfältig ausgelegt sein. Zu hohe oder zu niedrige Drücke können Schäden oder Verzögerungen im System verursachen.
Bei Fragen zur Integration von Reglern in Probenahmesysteme unterstützen wir Sie gerne. Die Field Engineers von Swagelok kommen gerne bei Ihnen vor Ort vorbei und führen eine Bewertung Ihres Probenahmesystems durch, geben Ratschläge zur Auslegung oder unterstützen Sie bei der Fehlerbehebung. Auch in unseren Schulungen „Process Analyzer Sampling System (PASS)“ oder „Sampling System Problem Solving and Maintenance (SSM)“ können Sie alles über die Auslegung und den Einsatz von Probenahmesystemen erfahren.
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