Auswahl des passenden Reglers
Druckregler sind in vielen industriellen Fluid- und Analysesystemen ein wichtiger Baustein. Sie tragen bei Veränderungen im System dazu bei, dass immer der richtige Druck bzw. der benötigte Durchfluss herrscht. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die verwendeten Druckregler die spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung erfüllen. Angesichts der großen Anzahl verschiedener Druckreglertypen mit jeweils unterschiedlichen Funktionalitäten gestaltet sich die Auswahl jedoch nicht immer einfach. In diesem Whitepaper stellen wir einen vereinfachten fünfstufigen Prozess vor, mit dem Sie die erforderlichen Druckwerte für Ihre Anwendung ermitteln und auf dieser Grundlage den optimalen Regler wählen können.
Warum die richtige Druckregelung wichtig ist
Für den bestimmungsgemäßen Betrieb industrieller Fluidsysteme müssen Parameter wie Temperatur, Durchfluss und Druck präzise geregelt werden. Zahlreiche Systemkomponenten tragen dazu bei, die erforderlichen Prozessbedingungen aufrechtzuerhalten. Der Druckregler übernimmt dabei die wichtigste Rolle.
Für die sichere und bestimmungsgemäße Funktionsweise Ihres Fluid- oder Analysesystems kommt es darauf an, die richtige Wahl aus den vielen unterschiedlichen Lösungen zu treffen. Der falsche Druckregler kann schwerwiegende Folgen haben, darunter unzureichende Effizienz, mangelhafte Leistung, häufige Störungen sowie Sicherheitsrisiken.
Um zu entscheiden, welcher Regler für Ihr System geeignet ist, muss Ihnen bekannt sein, welche unterschiedlichen Arten von Reglern es gibt. Außerdem sollten Sie deren Funktionsweise und Anwendung kennen, damit die Anforderungen Ihres Systems optimal erfüllt werden. Auf dieser Grundlage können Sie eine fundierte und effektive Wahl treffen.
Wir haben einen vereinfachten Prozess entwickelt, der Sie effektiv unterstützt. Die fünf Einzelschritte dieses Prozesses können auf die meisten industriellen Fluid- und Analysesysteme angewendet werden.
Was passiert, wenn der falsche Regler installiert wurde?
Die Funktion von Druckreglern besteht in erster Linie darin, den Druck im System zu steuern und Änderungen der Systemparameter zu berücksichtigen. Wenn der falsche Regler installiert wurde, kommt es in vielen Fällen stromabwärts zu einem Druckanstieg oder -abfall,
wobei beides die Qualität und Sicherheit Ihres Prozesses beeinträchtigt. Ein unerwünschter Druckabfall kann die Systemeffizienz oder den Prozess negativ beeinflussen. Ein unerwünschter Druckanstieg beschädigt möglicherweise empfindliche Analysegeräte oder gefährdet im schlimmsten Falle sogar die Sicherheit des Anlagenpersonals.
Schritt 1: Ihre Prozessbedingungen verstehen
Die Auswahl des richtigen Druckreglers beginnt mit den grundlegenden Systemparametern, darunter Druck, Temperatur sowie Durchflussrate. Außerdem muss sichergestellt sein, dass der gewählte Regler aus Werkstoffen besteht, die mit den jeweiligen Prozessmedien kompatibel sind.
Zusammensetzung des Prozessmediums
Flüssige und gasförmige Prozessmedien verhalten sich unterschiedlich. Das muss auch bei der Auswahl des Reglers berücksichtigt werden. Bei einer geringeren Gasdichte können Druckregler beispielsweise eine höhere Durchflussrate bewältigen, als dies bei einer hohen Gasdichte der Fall wäre. Details wie diese wirken sich auf die Reglerdimensionierung aus (siehe Abbildung 1).
Druckstufen
Da die Hauptfunktion des Reglers darin besteht, den Systemdruck stabil zu halten, muss der gewählte Regler unbedingt für den Mindest- und Maximaldruck sowie für den regulären Betriebsdruck des jeweiligen Systems ausgelegt sein.
Die Druckregelbereiche – in der Regel in der Form von Durchflusskurven – sind meistens in den Produktspezifikationen der Regler ausgewiesen, da sie für die Wahl des Reglers ausschlaggebend sind. Bei der Auswahl sollten Sie diese beiden wichtigen Fragen berücksichtigen:
1. Wie hängt der Ausgangsdruck mit der erwarteten Durchflussrate zusammen?
2. Ist davon auszugehen, dass der Ausgangsdruck bei minimalem, normalem und maximalem Durchfluss konstant bleibt?
Temperatur
Auch die Betriebstemperatur Ihres Fluidsystems kann bei der Wahl des richtigen Reglers sowie später im Betrieb eine wichtige Rolle spielen. Um den optimalen Regler zu ermitteln, sollten Sie die zu erwartenden Betriebstemperaturen kennen und wissen, wie diese Werte durch andere Umgebungsfaktoren beeinflusst werden.
Bei bestimmten Prozessmedien bewirkt eine Druckänderung eine drastische Änderung der Temperatur – und die bestimmungsgemäße Funktion des Reglers besteht darin, den Druck zu verändern. Dieses Phänomen wird als Joule-Thomson-Effekt bezeichnet. Die Temperatur von komprimiertem Erdgas kann bei einem Druckabfall zum Beispiel von 20 ºC auf -65 ºC sinken (siehe Abbildung 2). Ohne geeignete Vorkehrungen in Ihrem Fluidsystem kann eine derart drastische Temperaturänderung dazu führen, dass der Regler einfriert und seine Aufgabe nicht mehr erfüllt. In einer solchen Situation müssen Sie eventuell zusätzliche Heizelemente installieren, um Temperaturen im Gefrierbereich zu verhindern. Zur Berechnung der Joule-Thomson-Effekte in Ihrem System stehen entsprechende Werkzeuge zur Verfügung. In vielen Fällen können Sie sich auch an den Lieferanten Ihres Reglers wenden, um potenzielle Auswirkungen im Voraus zu ermitteln.
Werkstoffbeständigkeit
Sämtliche Bestandteile des Reglers müssen für Ihre Prozessmedien geeignet sein. Eine Unverträglichkeit kann sich nachteilig auf die Lebensdauer der Bauteile auswirken und zudem übermäßige Ausfallzeiten des Systems zur Folge haben.
So können etwa einige Bauteile im Inneren des Reglers durch Prozessmedien negativ beeinflusst werden, obwohl der Regler keine äußerlichen Defekte aufweist. Ein natürlicher Verschleiß von Gummi- und Elastomerkomponenten ist nie auszuschließen, doch bestimmte Prozessmedien begünstigen den Verschleiß und ein verfrühtes Versagen der Regler (siehe Abbildung 3).
Nachdem Sie die zu erwartenden Systembedingungen umfassend bewertet haben, können Sie nun zu Schritt 2 übergehen.
Schritt 2: Ihre Regelungsanforderungen ermitteln
Es gibt zwei Hauptarten von Reglern: Druckminderer und Vordruckregler. Welcher Regler im Einzelfall am besten ist, hängt vom jeweiligen Einsatzzweck ab.
Druckminderer regeln den Prozessdruck, indem sie den Ausgangsdruck erfassen und den Druck stromabwärts regulieren.
Vordruckregler regeln den Prozessdruck, indem sie den Eingangsdruck erfassen und den Druck stromaufwärts regulieren.
Die Wahl des richtigen Reglers hängt von den Prozessanforderungen Ihrer Anwendung ab. Wenn Sie beispielsweise den Druck einer Quelle reduzieren müssen, bevor das Systemmedium in den Hauptprozess gelangt, ist ein Druckminderer die beste Wahl. Vordruckregler hingegen helfen dabei, den Druck stromaufwärts aufrechtzuerhalten und zu regulieren. Dazu wird überschüssiger Druck abgebaut, wenn der Druck aufgrund von Systembedingungen zu sehr steigt (siehe Abbildung 4).
Im geeigneten Kontext korrekt verwendete Regler tragen dazu bei, den gewünschten Druck in Ihrem System aufrechtzuerhalten.
Funktionsweise eines Reglers
Nachdem Sie ermittelt haben, welche Funktion der Regler erfüllen soll, kann es hilfreich sein, die einzelnen Elemente zu kennen, die diese Funktionalität bereitstellen.
Regler bestehen aus folgenden Teilen:
• Steuerungselement: Je nach den anwendungsspezifischen Anforderungen können Regler feder- oder dombelastet sein. Das Steuerungselement übt eine nach unten gerichtete, ausgleichende Kraft auf die Membran aus.
• Sensorelement: Hierbei handelt es sich in der Regel um eine Membran oder einen Kolben. Mithilfe des Sensorelements hebt sich der Ventilkegel vom Ventilsitz bzw. senkt sich auf diesen ab. Dadurch wird der Ausgangs- beziehungsweise Eingangsdruck reguliert.
• Kontrollelement: Das Kontrollelement setzt sich aus Reglersitz und Ventilkegel zusammen. Der Reglersitz trägt dazu bei, den Druck aufrechtzuerhalten, und verhindert, dass das Fluid bei gesperrtem Durchfluss am Regler vorbei gelangt. Im Zusammenspiel mit dem Reglersitz vervollständigt der Ventilkegel diesen Abdichtungsprozess.
Durch die Zusammenarbeit dieser Elemente wird der gewünschte Druck aufrechterhalten. Der Kolben oder die Membran erfasst den Druck stromabwärts (Ausgangsdruck). Das Sensorelement versucht anschließend, die Kraft des Steuerungselements auszugleichen. Das Steuerungselement kann vom Nutzer von außen mithilfe eines Handrads oder eines anderen Drehmechanismus eingestellt werden. Abhängig vom Sensorelement hebt sich der Ventilkegel vom Reglersitz bzw. senkt sich auf diesen ab. Durch die Zusammenarbeit der einzelnen Elemente entsteht ein Gleichgewicht und der benötigte Druck wird aufrechterhalten. Ändert sich eines der Elemente, müssen andere Faktoren nachziehen, damit alles im Gleichgewicht bleibt.
Bei Druckminderern muss ein Gleichgewicht zwischen vier unterschiedlichen Faktoren herrschen (siehe Abbildung 5). Hierzu gehören die Federkraft (F1), die Federkraft am Eingang (F2), die Druckkraft am Ausgang (F3) sowie die Druckkraft am Eingang (F4). Die Belastungskraft muss der Kombination von Federkraft am Eingang und Druckkraft am Ausgang sowie am Eingang entsprechen.
Vordruckregler funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip. Bei ihnen muss ein Gleichgewicht zwischen der Federkraft (F1), der Druckkraft am Eingang (F2) und der Druckkraft am Ausgang (F3) bestehen, siehe Abbildung 6. Hier muss die Federkraft der Kombination aus der Druckkraft am Eingang und der Druckkraft am Ausgang entsprechen.
Nachdem Sie ermittelt haben, welcher Reglertyp für Ihre Zwecke geeignet ist, können Sie zu Schritt 3 übergehen.
Schritt 3: Das Reglerverhalten verstehen
Nach der Installation des Reglers müssen praxisrelevante Faktoren berücksichtigt werden. Dabei ist zu beachten, dass ein Regler eine mechanische Komponente ohne elektronische Eingänge zur Steuerung oder Erfassung ist. Deshalb ist es wichtig, bestimmte natürliche Verhaltensweisen von Reglern zu kennen, die im Normalbetrieb auftreten.
Durchflusskurve
Durchflusskurven stellen die tatsächliche Leistung eines Reglers für bestimmte Systemparameter dar (siehe Abbildung 7). Die vertikale Achse zeigt den Ausgangsdruck und die horizontale Achse den Durchfluss stromabwärts an. Der flachste bzw. beinahe horizontale Teil der Kurve zeigt an, wann ein Druckregler den Druck konstant hält – auch bei erheblichen Änderungen der Durchflussrate. Das rechte Ende der Kurve gibt an, wann der Regler vollständig geöffnet und nicht in der Lage ist, den Druck konstant zu halten. Innerhalb dieses Bereichs, d. h. zwischen dem Beginn des Druckabfalls und dem Erreichen des Nullpunkts, erreicht der Ventilkegel den Anschlag und eine Druckregelung ist nicht länger möglich. Ab diesem Punkt dient der Regler nicht mehr wirklich zur Druckregelung, sondern übernimmt vielmehr die Funktion einer Begrenzungsblende.
Absperrdruck (Lock-up)
Ganz am Anfang der Durchflusskurve tritt ein Absperrdruck auf: Dieser entspricht einem Druckabfall gegenüber dem spezifizierten Druck knapp über dem Sollwert. Dieser Druckabfall ist notwendig, um den Regler vollständig abzuschalten und den Durchfluss zu stoppen. Bei geöffnetem Durchfluss (z. B. weil ein Ventil geöffnet ist) ist auf der Durchflusskurve des Reglers ein Druckabfall im Vergleich zum Sollwert zu erkennen. Hierbei handelt es sich um ein typisches Reglerverhalten. Bei gut ausgelegten Druckreglern wird jedoch darauf geachtet, diesen Effekt auf ein Mindestmaß zu begrenzen.
Regeldifferenz (Droop)
Die Regeldifferenz ist ebenfalls ein typisches Regelverhalten und folgt unmittelbar auf den Absperrdruck (Lock-up). Eine Regeldifferenz tritt auf, wenn sich der Ventilkegel aufgrund der bestehenden Durchflussanforderungen weiter öffnet. Die Feder dehnt sich, bis sie allmählich an Kraft verliert. Dies hat einen Druckverlust bzw. eine Regeldifferenz zur Folge. Eine Regeldifferenz ist bei jedem Regler bei bestimmten Durchflussraten zu erwarten. Im Idealfall wird jedoch eine möglichst flache Durchflusskurve aufrechterhalten, bevor der Druck abfällt. Deshalb ist es wichtig, eine Reglerkonfiguration zu wählen, die die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung optimal erfüllt.
Versorgungsdruckeffekt
Der Versorgungsdruckeffekt beschreibt eine Änderung des Ausgangsdrucks in Abhängigkeit vom Eingangs- bzw. Versorgungsdruck (siehe Abbildung 8). Aufgrund dieses kontraintuitiven Phänomens verhält sich der Ausgangsdruck umgekehrt proportional zum Eingangsdruck, d. h. wenn der Eingangsdruck abnimmt, steigt der Ausgangsdruck und umgekehrt.
Hersteller von Druckreglern berücksichtigen diesen Effekt in der Regel schon bei der Auslegung und geben die Änderung des Ausgangsdrucks als Verhältnis bzw. als prozentualen Anteil des Eingangsdrucks an. Ein Versorgungsdruckeffekt von 1:100 bzw. 1 % bedeutet somit, dass bei einem Abfall des Eingangsdrucks um 100 psi der Ausgangsdruck um 1 psi steigt. Die Änderung des Ausgangsdrucks an einem Druckregler lässt sich anhand der folgenden Formel abschätzen:
Eine gängige Methode zur Minimierung des Versorgungsdruckeffekts besteht darin, auf Druckregler mit druckentlastetem Ventilkegel auszuweichen. Diese eignen sich insbesondere für Anwendungen mit hohem Durchfluss und typischerweise größeren Ventilkegeln. Außerdem kann der Versorgungsdruckeffekt durch einen zweistufigen Systemaufbau abgemildert werden. Der erste Regler senkt den hohen Eingangsdruck, sodass der Druck des zweiten Reglers nur minimal abfällt. Diese Maßnahme ist jedoch nicht für jede Anwendung erforderlich. Bei der optimalen Konfiguration für Ihre spezifischen Anforderungen hilft Ihnen Ihr Reglerlieferant sicher gerne weiter.
Nach dieser Übersicht über die wichtigsten Verhaltensweisen von Reglern geht es nun weiter mit Schritt 4.
Schritt 4: Ermittlung des richtigen Steuerungselements
Wie bereits erläutert, übt das Steuerungselement des Reglers eine nach unten gerichtete, ausgleichende Kraft auf das Sensorelement aus und trägt somit dazu bei, den Druck zu regulieren. Die folgenden beiden Typen von Steuerungselementen werden am häufigsten verwendet: federbelastete und dombelastete Regler.
Federbelastete Regler
In den meisten Fällen kommen federbelastete Regler zum Einsatz. Mit diesen Reglern sind die meisten Bediener am besten vertraut. Bei dieser Art Druckregler wird der Ausgangsdruck kontrolliert, indem über eine Feder Kraft auf eine Membran oder einen Kolben ausgeübt und so der Ventilkegel aus dem Sitz gehoben oder hinein gedrückt wird. Federbelastete Regler sind eine zuverlässige Option für viele allgemeine Anwendungen.
• Die Bedienung erfolgt über einen externen Griff oder Knopf. So wird die Federkraft auf dem Sensorelement reguliert.
• Die Regler üben eine nach unten gerichtete, ausgleichende Kraft auf das Sensorelement (in der Regel eine Membran oder ein Kolben) aus, um den Druck zu regulieren.
• Federbelastete Regler sind die richtige Wahl für viele allgemeine Anwendungen
Federbelastete Druckminderer:
• regeln den Prozessdruck, indem sie den Ausgangsdruck erfassen und den Druck stromabwärts regulieren.
• tragen dazu bei, den Druck aus einer Quelle mit hohen Drücken zu senken
Federbelastete Vordruckregler:
• regeln den Prozessdruck, indem sie den Eingangsdruck erfassen und den Druck stromaufwärts regulieren
• können dazu beitragen, den Druck stromaufwärts aufrechtzuerhalten und zu regulieren, indem sie überschüssigen Druck abbauen
Dombelastete Regler
Dombelastete Regler ermöglichen eine dynamischere Druckregelung und sorgen so für einen gleichbleibenden Druck bei variierenden Durchflussanforderungen. Die Belastungskraft dieser Druckregler wird nicht durch eine Feder kontrolliert, sondern durch druckbeaufschlagtes Gas in einer Domkammer. Das Gas übt Druck auf eine Membran aus, wodurch der Ventilkegel aus dem Sitz gehoben und der Druck geregelt wird. Diese Regler bieten mehrere Vorteile, darunter eine höhere Präzision, einen geringeren Versorgungsdruckeffekt sowie eine niedrigere Regeldifferenz.
• sind mit einem dombelasteten Element ausgestattet, dass eine nach unten gerichtete, ausgleichende Kraft auf das Sensorelement des Reglers (in der Regel eine Membran oder ein Kolben) ausübt, um den Druck zu regulieren.
• nutzen den Fluiddruck innerhalb des Systems, um den Einstelldruck auf das Sensorelement zu erzeugen.
• bieten eine höhere Präzision in sensiblen Anwendungen.
Dombelastete Druckminderer:
• regeln den Prozessdruck, indem sie den Ausgangsdruck erfassen und den Druck stromabwärts regulieren.
• tragen dazu bei, den Druck aus einer Quelle mit hohen Drücken zu senken
Dombelastete Vordruckregler:
• regeln den Prozessdruck, indem sie den Eingangsdruck erfassen und den Druck stromaufwärts regulieren
• können dazu beitragen, den Druck stromaufwärts aufrechtzuerhalten und zu regulieren, indem sie überschüssigen Druck abbauen
Dombelastete Regler können in zahlreiche unterschiedliche Konfigurationen integriert werden, um eine sehr flache Durchflusskurve aufrechtzuerhalten. Für eine hochpräzise Anpassung an die jeweiligen Anforderungen können sie auch mit Pilotreglern und externen Rückführleitungen kombiniert werden.
In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass bei allen Reglern eine gewisse Regeldifferenz auftritt. Je nach System stellt das kein Problem dar. Wenn jedoch bei schwankenden Durchflussraten ein konstanter Druck gewährleistet werden muss, kann ein technisch komplexerer Druckregler Abhilfe schaffen.
Sie haben nun einen genaueren Überblick, welcher Regler die Anforderungen Ihres Systems am besten erfüllt. Außerdem sollten Sie in der Lage sein, die Auswirkungen eines natürlichen Reglerverhaltens auf die Systemleistung besser vorherzusehen und den richtigen Belastungsmechanismus zu finden, der die gewünschten Ergebnisse erzielt. In Schritt 5 beschäftigten wir uns abschließend mit einigen Best Practices für einen reibungslosen Reglerbetrieb.
Schritt 5: Best Practices für einen reibungslosen Betrieb
Beim reibungslosen Betrieb des Reglers spielt nicht nur die richtige Auswahl eine Rolle, sondern auch die Einhaltung der bewährten Wartungsverfahren über die gesamte Lebensdauer des Systems. Wie jede andere industrielle Ausrüstungskomponente ist auch ein Regler im Laufe der Zeit natürlichem Verschleiß ausgesetzt. Durch bewährte Wartungsverfahren können Sie die Lebensdauer sowie die Sicherheit Ihres Fluidsystems maximieren.
Das häufigste Problem, das durch unzureichende Wartung entsteht, wird allgemein als „Kriechen“ (Creep) bezeichnet. Dies ist kein natürliches Verhalten von Druckreglern. Vielmehr entsteht aufgrund einer Verunreinigung ein hauchfeiner Spalt zwischen Reglersitz und Ventilkegel (siehe Abbildung 9). So fließen Prozessmedien unbeabsichtigt über den Reglersitz und verursachen stromabwärts einen ungewollten Druckanstieg. Das kann problematisch und gefährlich sein, wenn die Komponenten stromabwärts nicht für die Drücke ausgelegt sind, die über den Druckreglersitz in den nachgelagerten Prozessabschnitt gelangen.
Es gibt mehrere Maßnahmen, mit denen das Kriechen und die damit verbundenen Auswirkungen verhindert werden können:
Filtration
Ein guter Filter stromaufwärts des Reglers kann sicherstellen, dass nur gereinigte Medien durch den Regler fließen. Für eine optimale Filtration sollte der Filter regelmäßig gereinigt oder gegebenenfalls ausgetauscht werden.
Überströmventile
Ein Überströmventil kann stromabwärts des Reglers installiert werden, um etwaige Kriecheffekte abzumildern.
Ersatzteile
Um eventuelle Probleme in kürzester Zeit beheben zu können, ist es sinnvoll, Ersatzteil-Kits bereitzuhalten. So vermeiden Sie längere Ausfallzeiten bis zur Lieferung der erforderlichen Ersatzteile.
Zusätzliche Ressourcen
Diese Schritte unterstützen Sie effektiv bei der Auswahl des richtigen Reglers. Allerdings decken diese Überlegungen ggf. nicht alle Anforderungen Ihres jeweiligen Systems umfassend ab. Bei weiteren Fragen hilft Ihnen Ihr Reglerlieferant sicherlich gerne weiter.
Auch unsere erfahrenen Swagelok-Experten beraten Sie gerne. Sie greifen auf ihr umfassendes Know-how und Fachwissen zurück, um die bestmögliche Lösung für Ihr System zu finden. Wir bieten unterschiedliche Ressourcen zur Optimierung Ihres Fluidsystems, darunter:
• Grundlagenschulung zu Reglern: Hier erhalten Sie einen umfassenden Einblick und erfahren, wie Sie durch die Wahl des richtigen Reglers die Sicherheit und Effizienz Ihres Systems verbessern.
• Vor-Ort-Services von Swagelok®: Wir bringen unsere technische Fachkompetenz, Anwendungserfahrung sowie unser Branchenwissen ein, um Ihr Fluidsystem mit den richtigen Komponenten zu optimieren.
• Swagelok Blog: Unsere Blog-Beiträge bieten wertvolle Einblicke von Branchenprofis. Die vorgestellten Analysen unterstützen Sie dabei, Ausfallzeiten zu reduzieren, Ihre Effizienz zu steigern, Probleme zu beheben und die Arbeitssicherheit zu maximieren.
• YouTube-Kanal von Swagelok: Hier finden Sie praxisorientierte Videos zu Best Practices rund um Fluidsysteme.
Sie möchten die Leistung Ihrer Regler optimieren? Bei Fragen rund um die Druckregulierung ist unser Expertenteam gerne für Sie da.