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Abflachung der Durchflusskurve von Druckreglern zur Reduzierung der Regeldifferenz

Vielzahl von Swagelok Reglern

Abflachung der Durchflusskurve von Druckreglern zur Reduzierung der Regeldifferenz

Jon Kestner

Eine konsistente Druckregelung ist für den sicheren Betrieb industrieller Fluidsysteme essenziell. Druckregler sorgen stromabwärts für einen konstanten Druck und tragen insbesondere in Systemen mit hohen Durchflussraten dazu bei, Schwankungen in den Durchflussmengen zu minimieren. Zur Druckregelung und Minimierung der Regeldifferenz muss Ihr Fluidsystem allerdings eventuell um externe Komponenten ergänzt werden.

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Was versteht man unter Regeldifferenz?

“Durchflusskurve
Abbildung 1: Diese Grafik zeigt Durchflusskurven für unterschiedliche Druckreglerkonfigurationen: ein einfacher federbelasteter Druckregler (Option A – Baseline), ein dombelasteter Regler in Kombination mit einem pilotgesteuerten Druckregler (Option B – „gut“), ein dombelasteter Regler in Kombination mit einem pilotgesteuerten Druckregler mit Rückführleitung zum dombelasteten Regler (Option C – „besser“) und ein dombelasteter Regler in Kombination mit einem pilotgesteuerten Druckregler mit Rückführleitung zum pilotgesteuerten Regler (Option D – „am besten“).

Unter Regeldifferenz versteht man ein Absinken des Ausgangsdrucks bei einem Anstieg der Durchflussrate stromabwärts. In der Grafik (Abbildung 1) ist ein Beispiel für eine Durchflusskurve dargestellt. Durchflusskurven sind ein wichtiges Hilfsmittel zur Bestimmung der Ausgangsdruckbereiche eines Druckreglers basierend auf unterschiedlichen Durchflussraten im System. Durchflusskurven werden bei Produktprüfungen erstellt und geben die tatsächliche Leistung von Druckreglern für bestimmte Systemparameter an.

Die vertikale Achse zeigt den Ausgangsdruck, während die horizontale Achse die Durchflussrate stromabwärts veranschaulicht. Die flachste Stelle 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.

Regeldifferenzen treten zwar bei allen Druckminderern auf, allerdings lassen sich die Auswirkungen dieses Phänomens minimieren. Flachere Durchflusskurven können mithilfe der richtigen Reglerkonfiguration für Ihr System erreicht werden. Im Folgenden erläutern wir vier unterschiedliche Möglichkeiten zur Minimierung von Regeldifferenzen.

Option A: Einfacher federbelasteter Druckregler

In den meisten Fällen kommen federbelastete Druckregler zum Einsatz. 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. Der federbelastete Druckregler dient im Folgenden als Baseline.

Ein federbelasteter Druckminderer kann in allgemeinen Anwendungen zu einer angemessenen Reduzierung der Regeldifferenz beitragen. Bei steigendem Durchfluss im System wird der Ventilkegel dieses Reglers aus dem Sitz gehoben. Dabei kommt es zu einer Entspannung der Feder, wodurch die Belastungskraft und der Sollwert des Druckreglers verringert werden. Bei Änderungen der Durchflussrate richtet sich die Regeldifferenz nach der Federbelastung. Wenn besondere Genauigkeit erforderlich ist, sind hier häufig manuelle Eingriffe nötig, um den gewünschten Einstelldruck wieder einzustellen.

Eine effektivere Möglichkeit zur Reduzierung der Regeldifferenz und zur Abflachung der Durchflusskurven sind dombelastete Druckregler. 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 stromabwärts geregelt wird. Bei den weiteren Optionen unten werden dombelastete Druckregler in Kombination mit verschiedenen Komponenten und Auslegungsänderungen eingesetzt, um die Leistung zu verbessern und die Regeldifferenz zu minimieren.

Option B: Dombelasteter Druckregler in Kombination mit pilotgesteuertem Regler

In Option B wird ein dombelasteter Druckminderer mit einem pilotgesteuerten Regler zusammengeschaltet. Bei dieser Konfiguration reagiert der dombelastete Druckregler auf Druckveränderungen, indem der Druck in der Domkammer konstant gehalten wird. Der pilotgesteuerte Regler kontrolliert die Gasversorgung der Domkammer des dombelasteten Druckreglers. Wie in Abbildung 2 dargestellt, wird überschüssiger Druck aus der Domkammer über eine Auslassschleife entspannt.

Bei steigender Durchflussrate im System wird der Ventilkegel des Reglers aus dem Sitz gehoben, damit die gesamte Durchflussmenge passieren kann. Anders als bei einem federbelasteten Druckregler gibt es hier jedoch keine Feder, die sich entspannen kann. Stattdessen biegt sich die Membran nach unten, wodurch sich die Domkammer vergrößert und der Druck darin leicht reduziert wird. Der pilotgesteuerte Regler erkennt den Druckabfall und reagiert, indem er sich öffnet und mehr Gas in den Dom lässt. So wird der erforderliche Einstelldruck aufrechterhalten. Wenn sich die Durchflussanforderungen stromabwärts verringern, nähert sich der Ventilkegel dem Ventilsitz. Dadurch wird die Membran nach oben gedrückt und der Druck in der Domkammer erhöht sich leicht. Dieser überschüssige Druck wird stromabwärts des Reglers über eine dynamische Auslassschleife entspannt.

Dombelasteter Druckregler in Kombination mit einem pilotgesteuerten Regler

Abbildung 2: Option B umfasst einen dombelasteten Druckregler in Kombination mit einem pilotgesteuerten Regler und einer dynamischen Auslassschleife zur Druckregelung in der Domkammer.

In Abbildung 1 wird dies als Durchflusskurve „Option B“ dargestellt. Im Vergleich zur Durchflusskurve für den federbelasteten Druckregler (Option A) ermöglicht ein dombelasteter Druckregler in Kombination mit einem pilotgesteuerten Regler eine dynamischere Druckregelung. Regeldifferenzen treten zwar weiterhin auf, aber die Durchflusskurve ist flacher. Das bedeutet, dass ein Regler einen bestimmten Einstelldruck auch bei verschiedenen Durchflussraten besser aufrechterhalten kann. Normale dombelastete Druckregler können in vielen Systemen zuverlässig dafür sorgen, dass es nicht zu erheblichen Schwankungen im Ausgangsdruck kommt. Die Regeldifferenz kann jedoch mithilfe der folgenden Konfigurationen weiter reduziert werden.

Option C: Externe Rückführleitung zu einem dombelasteten Druckregler

Abbildung 3: Option C beinhaltet eine externe Rückführleitung zu einem dombelasteten Druckregler, um Druckabfälle stromabwärts besser auszugleichen.

Durch eine externe Rückführleitung zu einem dombelasteten Druckregler kann die Präzision zusätzlich gesteigert werden. Die Rückführung erfolgt über eine externe Leitung von der Prozessleitung stromabwärts zurück in den Steuerungsbereich des domgesteuerten Druckreglers.

Über die externe Rückführleitung wird Druck von einem Punkt im System stromabwärts des Reglers an den Steuerungsbereich weitergeleitet. So kann der Regler auf Druckänderungen an diesem Punkt im System reagieren und nicht nur auf Druckänderungen am Regler selbst, wie es bei standardmäßigen Auslegungen von dombelasteten Druckreglern der Fall ist.

In Abbildung 1 ist Option C durch die dritte Durchflusskurve dargestellt. Die Durchflussrate erhöht sich bevor der kritische Drosselpunkt erreicht wird. Diese Durchflusskurve ist zwar flacher als bei den ersten beiden Optionen, allerdings weist sie trotzdem ein paar Regeldifferenzen auf.

Option D: Externe Rückführleitung zu einem pilotgesteuerten Druckregler

Konfiguration mit einer externen Rückführleitung zu einem pilotgesteuerten Druckregler
Abbildung 4: Bei Option D ist die externe Rückführleitung mit dem pilotgesteuerten Druckregler verbunden und gibt so den Druck von einem Punkt stromabwärts weiter.

Diese letzte Option stellt die beste Lösung zur Abflachung der Durchflusskurve dar. Wie in Abbildung 4 dargestellt, ist die Rückführleitung direkt mit dem pilotgesteuerten Druckregler statt mit dem dombelasteten Regler verbunden. Dadurch kann der pilotgesteuerte Druckregler den Druck im dombelasteten Regler äußerst präzise anhand des tatsächlichen Drucks stromabwärts anpassen. Dies wird im dombelasteten Regler durch Anpassung des Ausgangsdrucks kompensiert.

Bei steigendem Durchfluss wird der geringere Druck über die Rückführleitung an den pilotgesteuerten Druckregler weitergegeben. Der pilotgesteuerte Druckregler reagiert auf diese Druckänderung, indem er den Druck im dombelasteten Regler erhöht, wodurch wiederum der erforderliche Einstelldruck stromabwärts erreicht wird. In dieser Konfiguration ermöglicht die Rückführleitung eine kontinuierliche und automatische Anpassung zur Stabilisierung des Systems für eine optimierte Leistung. In Abbildung 1 ist diese Option als vierte Durchflusskurve mit einer geringen Regeldifferenz und einem hohen Durchflussbereich dargestellt.

Regeldifferenzen treten bei allen Druckreglern auf. Je nach System stellen diese kein Problem dar. Wenn jedoch bei schwankenden Durchflussraten ein konstanter Druck gewährleistet werden muss, kann der richtige Druckregler Abhilfe schaffen. Weitere Informationen zur richtigen Konfiguration der Druckminderer in Ihrem System erhalten Sie bei Ihrem zuständigen Vertriebs- und Servicezentrum von Swagelok. Unsere Experten helfen Ihnen gerne weiter.

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