Eigenschaften und Auswahl von verschiedenen Mehrstufen-Druckreduzierventilen

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Eigenschaften und Auswahl von Mehrstufen-Druckreduzierungsventilen Es wird eine systematische Einführung in die gängigen Strukturtypen sowie Eigenschaften von Mehrstufen-Druckreduzierungsventilen gegeben. Es werden die gängigen Methoden zusammengefasst, mit denen Benutzer den CV-Wert von Regelventilen unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen in kompressiblen Medien berechnen können. Dies dient als Orientierungshilfe, damit die Benutzer die Eigenschaften mehrstufiger Druckreduktionsregelventile verstehen und diese entsprechend auswählen können. I. Einleitung Im modernen industriellen Produktionsprozess dienen Regelventile als Geräte zur Steuerung des Fließverhaltens der Flüssigkeiten in den Leitungen. Sie sind somit die Endsteuerkomponenten in den Leitungssystemen und spielen eine wichtige Rolle bei der Verteilung der Flüssigkeiten sowie bei der Regulierung des Fließvolumens. In den letzten Jahren haben die stetigen Fortschritte in der Industrietechnologie dazu geführt, dass die besonderen Betriebsbedingungen wie hohe Temperaturen und Drücke in der Praxis höhere Anforderungen an Regelventile stellen. Insbesondere Regelventile, die in Anwendungen mit hohem Druckunterschied eingesetzt werden, weisen aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten oft Abtragskorrosion an den internen Drosselteilen auf. Zudem treten durch das Kavitationsphänomen Probleme wie Kavitation, Lärm und Vibrationen auf, was erhebliche Sicherheitsrisiken für den sicheren Betrieb darstellt. Daher haben verschiedene Hersteller im In- und Ausland spezielle Regelventile mit mehrstufiger Druckreduzierung entwickelt, die für Bedingungen mit hohem Druckunterschied geeignet sind. In diesem Artikel werden die Struktur, der Funktionsmechanismus sowie die Eigenschaften der gängigen Arten von mehrstufigen Druckregelventilen einzeln vorgestellt. Außerdem werden für komprimierbare Betriebsbedingungen die gängigen Methoden zusammengefasst, mit denen der Benutzer den CV-Wert des Regelventils anhand des tatsächlich benötigten Durchflusses berechnen kann. Es dient als Referenz, damit Nutzer die Eigenschaften von Mehrstufen-Druckreduzierventilen kennenlernen und diese entsprechend auswählen können. II. Häufige Typen und Eigenschaften von mehrstufigen Druckregelventilen
Die Ursache für das Auftreten von Kavitation in Regelventilen ist der zu hohe Druckunterschied vor und hinter dem Ventil. Es wird allgemein angenommen, dass bei Δp > 2,5 MPa der Druck des Fluids im Inneren der Ventilvorrichtung an der Stelle des Drosselbereichs plötzlich abfällt. An der Stelle mit der kleinsten Querschnittsfläche erreicht der Druck seinen niedrigsten Wert. Wenn dieser Druck unter den Sättigungsdampfdruck des Fluids bei der aktuellen Temperatur fällt, verdampft ein Teil des Flüssigkeitsmaterials und es entstehen zahlreiche kleine Dampbläschen. Wenn das Fluid wieder durch den Drosselbereich fließt und der Druck wieder ansteigt, platzen diese Dampbläschen und kehren in den flüssigen Zustand zurück. Dadurch entstehen Belastungen für die Komponenten des Ventils wie den Ventilkörper und den Ventilstempel – was wiederum zu Geräuschen und Vibrationen führt. In den letzten Jahren haben einige Hersteller von Regelventilen im In- und Ausland verschiedene Arten von mehrstufigen Druckreduzierungsregelventilen entwickelt, die gegen Kavitation geeignet sind und für anspruchsvolle Betriebsbedingungen konzipiert wurden. Gängige mehrstufige Druckreduzierungsventile lassen sich in drei Kategorien einteilen. Obwohl sie strukturell unterschiedlich sind, verfolgen sie alle denselben Funktionsmechanismus: Durch Anpassung der Struktur wird der Gesamtdruckunterschied in mehrere Stufen aufgeteilt. Dadurch bleibt der Druckabfall pro Stufe Δp1 unter dem kritischen Wert, ab dem Kavitation entsteht. So werden Schäden durch Kavitation effektiv vermieden. 1. Kaskadielle Regelventile: Die kaskadielle, mehrstufige Druckreduzierungseinrichtung ist in Abbildung 1 dargestellt. Bei dieser Konstruktion wird das ursprünglich einzige Drosselgebiet in mehrere getrennte Drosselgebiete aufgeteilt, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Dadurch werden große Druckunterschiede in mehrere kleinere Druckunterschiede umgewandelt. So bleibt der Druck bei jedem Schritt über dem Sättigungsdampfdruck – dadurch tritt kein Kavitationsphänomen mehr auf. Abbildung 1: Stufenregelventil. Stufenregelventile werden hauptsächlich in Anwendungen eingesetzt, bei denen mit Flüssigkeiten gearbeitet wird. Ihre Eigenschaften sind wie folgt: 1) Während des Öffnungs- und Schließvorgangs kann der kontinuierliche Druckunterschied verringert werden. Die Bewegung jedes einzelnen Drosselabschnitts erfolgt zeitlich nach der Bewegung des vorhergehenden Abschnitts. Dadurch wird der auf die Ventilöffnung wirkende hohe Druck schrittweise reduziert; somit wird der Druck auf den ersten Drosselabschnitt gemindert. 2) Der Strömungswiderstand ist gering, wodurch er auch in Fällen mit nicht hoher Reinheit der Flüssigkeit sowie bei Schüttgut-Flüssigkeitsströmen eingesetzt werden kann. 3) Serielle Ventilkerne werden in der Regel durch Wüststoffbeschichtung gehärtet und weisen eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb und Kavitation auf. 4) Im Vergleich zu anderen mehrstufigen Druckreduzierventilen ist der Herstellungsprozess einfacher, die Verarbeitung unkomplizierter und die Herstellungskosten geringer. 5) Steuerventile mit Kaskadenregelung haben in der Regel nur eine begrenzte Anzahl von Druckreduktionsstufen – meist 3 bis 4 Stufen. Sie eignen sich daher nicht für Situationen mit zu hohem Druckunterschied. 2. Mehrschichtiger Sleeve-Regelventil: Die mehrschichtige, mehrstufige Druckreduzierungsstruktur ist in Abbildung 2 dargestellt. Solche Ventile werden häufig in Kraftwerken oder in der Chemieindustrie eingesetzt. Abbildung 2: Mehrschichtiger Hülsenregelventil. Die typischen Strukturmerkmale eines mehrschichtigen Hülsenregelventils sind die Drosselkomponenten im Ventilkern, die aus mehreren Schichten bestehen, in denen kleine Löcher vorhanden sind. Zwischen den einzelnen Schichten gibt es einen gewissen Abstand, wodurch der Flüssigkeitsstrom abgebremst wird und somit die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in einem bestimmten Bereich gehalten werden kann. Seine Eigenschaften sind: 1) Die Anzahl der Druckreduktionsstufen bei den mehrstufigen Zylinderverschluss-Regelventilen kann groß gestaltet werden; die Druckreduktionsfähigkeit ist im Vergleich zu seriell geschalteten Ventilen höher, wodurch sie für Anwendungen mit hohen Druckunterschieden geeignet sind. 2) Die mehrschichtige Hüllrohrstruktur kann sowohl hohe Druckabfälle bewältigen als auch bei der Arbeit einen hohen Durchfluss gewährleisten. 3) Gute Kavitationsbeständigkeit: Bei Verwendung in flüssigen Medien fließt die Flüssigkeit vom äußersten Gehäuse zum innersten. Dabei wird der Druck der Flüssigkeit im Gehäuse schrittweise verringert, um das Auftreten von Kavitation zu vermeiden. Schließlich strömt die Flüssigkeit durch kleine Öffnungen im inneren Gehäuse in den Bereich der zentralen Ventilkammer. Dadurch platzen die Blasen in der Mitte des Gehäuses – ohne dass die Metalloberfläche des Ventils direkt beschädigt wird. 4) Gute Eigenschaften gegenüber Geräuschen und Vibrationen. Bei Verwendung in gasförmigen Medien fließt das Gas von der Innenseite des Mantels nach außen. Dabei sind die Durchmesser der Öffnungen sowie die Zwischenräume am äußeren Mantel im Vergleich zum inneren Mantel größer. Dadurch dehnt sich das Gasmedium während des schrittweisen Druckabfalls kontinuierlich aus, wodurch die schädlichen Auswirkungen von Geräuschen und Vibrationen effektiv reduziert werden können. 5) Der Bearbeitungsprozess des Zylinders ist ziemlich kompliziert und kostspielig. Aber die Installation und Wartung sind einfach, und es ist leicht, sie auszutauschen. 3. Labyrinthartiger Regelventil: Die mehrstufige Druckreduzierungsstruktur mit Labyrinthscheiben ist in Abbildung 3 dargestellt. Der zentrale Drosselbereich besteht aus mehreren Metallscheiben, auf denen Labyrinthkanäle angebracht sind. Der Fluidfluss durchläuft in den Labyrinthkanälen zahlreiche Kollisionen und Biegungen, wodurch Energie verbraucht wird. Gleichzeitig wird durch den schrittweisen Druckabfall auch die Strömungsgeschwindigkeit kontrolliert. Abbildung 3: Labyrinthregelventile werden in der Regel in Branchen wie der Kernenergie- und Kraftwerksindustrie eingesetzt, wo hohe Temperaturen und Drücke vorliegen. Als Arbeitsmedium dient meist überhitzter Dampf; sie können jedoch auch für flüssige Medien verwendet werden. Seine Eigenschaften sind wie folgt. 1) Die Anzahl der Biegungen in den Labyrinthkanälen entspricht der Anzahl der Druckreduktionsstufen eines Labyrinthregelventils. In der Regel beträgt diese Anzahl zehn bis mehrere zwanzig Stufen. Daher weist die mehrstufige Druckreduktionsstruktur bei Labyrinthregelventilen die höchste Druckreduktionsfähigkeit unter den gängigen mehrstufigen Druckreduktionsregelventilen auf. Im Ausland gibt es Produkte, bei denen der Druck bis zu 40 MPa reduziert werden kann. 2) Hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen Kavitation sowie ausgezeichnete Schalldämm- und Dämpfungseigenschaften. Die mehrstufigen, labyrinthartigen Strömkanäle ermöglichen eine effektive Steuerung der Fließgeschwindigkeit des Fluids und verhindern so das Auftreten von Problemen wie Kavitation, Lärm und Vibrationen. 3) Durch die Kombination verschiedener Formen von Labyrinthscheiben können bei Labyrinthregelventilen unterschiedliche Regelkurven für den Durchfluss erreicht werden. 4) Die Genauigkeit bei der Herstellung von Labyrinthplatten ist sehr hoch. In der Regel werden diese Platten aus Stellite-Legierungen hergestellt, wodurch eine lange Lebensdauer erreicht wird ； Die Installation und Wartung sind relativ einfach; die Scheiben lassen sich leicht austauschen. 5) Labyrinthförmige Strömkanäle erfordern eine hohe Reinheit des Fluids; andernfalls können diese Kanäle leicht verstopfen. Drei, Berechnung des CV-Werts der mehrstufigen Druckreduzierventile. Der Durchflusskoeffizient (CV) wird in der Regel verwendet, um die Durchflussfähigkeit eines Ventils anzugeben. Um das geeignete Regulierventil auswählen zu können, muss zunächst der notwendige CV-Wert unter Berücksichtigung der Einsatzbedingungen berechnet werden. Anschließend kann auf Grundlage des zulässigen Durchflusskoeffizienten das passende Modell des Regulierventils ausgewählt werden. Unter kompressiblen Bedingungen sinkt der Druck des Fluids während des Drosselvorgangs, sein Volumen nimmt zu und seine Dichte verringert sich. Die Strömungsbedingungen innerhalb der Ventile sind im Vergleich zu nicht kompressiblen Flüssigkeiten deutlich komplexer. Daher ist auch die Berechnungsmethode des Durchflusskoeffizienten für mehrstufige Druckreduzierungsventile, die in der Regel in kompressiblen Betriebsbedingungen eingesetzt werden, recht speziell. Bei typischen kompressiblen Betriebsbedingungen gibt es hauptsächlich zwei gängige Methoden zur Berechnung des CV-Werts: die Methode des Kompressionskoeffizienten und die Methode des Ausdehnungskoeffizienten. 1. Kompressionskoeffizientenmethode: Die Kompressionskoeffizientenmethode wurde in den 1950er Jahren von der Sowjetunion entwickelt und gehört zu den frühen Formeln zur Berechnung des Durchflusskoeffizienten unter kompressiblen Bedingungen. Die Methode des Kompressionskoeffizienten berücksichtigt die Kompressibilität des Gases, indem ein Gas-Kompressionskoeffizient ε zu den allgemeinen Formeln für Flüssigkeiten hinzugefügt wird, um diese zu korrigieren. Diese Methode vereinfacht das Rechenmodell erheblich, indem sie verschiedene Arten von Regelventilen auf dieselben Durchflussdüsen reduziert. Anschließend wird angenommen, dass der Fluss des Gasmediums durch die Düse ein adiabatischer Prozess ist. Mit Hilfe der Energiebilanzgleichung werden anschließend die Berechnungsformeln abgeleitet, nämlich: (1) Dabei steht γN für die Dichte des Gases unter Standardbedingungen, in Einheiten von kgf/m³ (1 kgf = 9,8 N) ； Q – Volumenstrom unter Normbedingungen, Einheit: m³/h ； T – Temperatur des Gases, in K angegeben ； p1 – Druck vor der Ventil, in kgf/m2 (1 kgf = 9,8 N) ； ∆p – Druckunterschied vor und hinter der Ventil, in kgf/m2. Der Kompressionskoeffizient ε kann durch Experimente bestimmt werden. Für Luft liefern die Experimente in der Regel folgendes Ergebnis: (2) Neben der Methode des Kompressionskoeffizienten gab es früher auch Methoden wie die Methode der Dichte vor dem Ventil, die Methode der Dichte nach dem Ventil sowie die Methode der Durchschnittsdichte. Frühe Formeln sind nur für Fälle geeignet, in denen das Ausmaß der Druckwiederherstellung gering ist; im nicht-kritischen Strömungsbereich können sie eine gute Berechnungsgenauigkeit gewährleisten. Doch aufgrund der Vereinfachung des Berechnungsmodells durch die Formel entstehen bei zunehmendem ∆p/p1 bis zum kritischen Druckunterschiedsverhältnis erhebliche Fehler; in der Übergangszone und im kritischen Bereich können somit die Anforderungen nicht erfüllt werden. 2. Methode des Ausdehnungskoeffizienten Da die früheren Berechnungsformeln den Einfluss der Druckregenerationseigenschaften von Ventilen auf die Berechnung nicht berücksichtigten, entwickelten einige ausländische Hersteller in den 1970er Jahren eine Reihe späterer Formeln – darunter die Methode des Ausdehnungskoeffizienten, die Polynommethode und die Sinusmethode –, die die früheren Formeln verbesserten und eine hinreichende Berechnungsgenauigkeit sowohl im nichtkritischen als auch im kritischen Bereich gewährleisten. Im Vergleich zu früheren Formeln sind die Berechnungsergebnisse der späteren Formeln, die auf dem Expansionskoeffizientenprinzip beruhen, kostengünstiger und ermöglichen es, unnötige Verschwendungen zu vermeiden. Dabei wird die Methode des Ausdehnungskoeffizienten aufgrund ihrer einfachen Berechnung von der IEC als Standardformel empfohlen. Die Ausdehnungskoeffizientenmethode ergibt sich aus der für Flüssigkeiten verwendeten Berechnungsformel, indem der Ausdehnungskoeffizient Y zur Korrektur hinzugefügt wird. Wenn Y = 1 ist, ist die Ausdehnungskoeffizientenmethode auch auf den Fall inkompressibler Flüssigkeiten anwendbar. (3) In der Formel ist ρN die Dichte des Gases unter Normbedingungen; Einheit: kg/m³ ； Q – Volumenstrom unter Normbedingungen, Einheit: m³/h ； T1 – Temperatur am Gas-eingang, in K angegeben ； p1 – Druck vor der Ventil, in kPa ； X – Druckunterschiedsverhältnis, X = Δp/p1 ； Z – Kompressionskoeffizient. Der Ausdehnungskoeffizient Y gibt das Verhältnis des Durchflusskoeffizienten eines kompressiblen Mediums zum Durchflusskoeffizienten eines inkompressiblen Mediums bei derselben Reynolds-Zahl an. Es zeigt die Dichteveränderung des Fluids, wenn es vom Eingang der Ventil von dort aus in den Bereich mit der kleinsten Querschnittsfläche unterhalb des Drossellochs fließt, sowie die Veränderung der Querschnittsfläche an diesem Drosselbereich bei Veränderungen des Druckunterschieds. (4) In der Formel ist FK – der Verhältniskoeffizient der spezifischen Wärme; FK = K/1,4. Da die Berechnungsformeln selbst die tatsächliche Dichte des Fluids unter den oberflächennahen Bedingungen nicht berücksichtigen, wird bei der Methode des Ausdehnungskoeffizienten der Kompressionskoeffizient Z eingeführt, um die Abweichungen zwischen dem tatsächlichen Gas und dem idealen Gas unter bestimmten Bedingungen auszugleichen. Der Ausdehnungskoeffizient Y dient dazu, die Änderungen der Gasdichte von der Eintrittsstelle der Ventil zu der Stelle im Verengungsbereich auszugleichen. Y hängt von Faktoren wie dem Verhältnis der Fläche im Verengungsbereich zur Eintrittsfläche, der Form des Kanals, dem Druckunterschied X, der Reynolds-Zahl sowie dem spezifischen Wärmekapazitätskoeffizienten FK ab. Die Methode des Ausdehnungskoeffizienten berücksichtigt alle Faktoren, die den Fluss kompressibler Flüssigkeiten beeinflussen. Dadurch kann in dem gesamten Flussbereich eine hohe Berechnungsgenauigkeit gewährleistet werden. Zudem eignet sie sich für verschiedene Arten von Ventilen und wird daher häufig eingesetzt. IV. Fazit: Mehrstufige Druckreduzierventile, die unter Bedingungen hoher Druckdifferenzen eingesetzt werden, sind als entscheidende Komponenten in Leitsystemen von zentraler Bedeutung und spielen eine entscheidende Rolle im Steuerungsprozess. Dieser Artikel gibt eine systematische Einführung in die Funktionsweise, die grundlegende Konstruktion, die Eigenschaften sowie die jeweiligen Anwendungsbereiche der drei gängigsten Arten von mehrstufigen Druckreduzierungsventilen. Er dient somit als Referenz, damit Nutzer die grundlegenden Typen und Eigenschaften dieser Ventile kennenlernen können. Außerdem werden in diesem Artikel, da mehrstufige Druckreduzierventile häufig in kompressiblen Betriebsbedingungen eingesetzt werden, die typischen Berechnungsmethoden für den Durchflusskoeffizienten unter solchen Bedingungen zusammengefasst. Dadurch können die Nutzer auf der Grundlage der richtigen Berechnungsmethoden das geeignete Modell des Regulierventils auswählen. Kurz gesagt, liefert dieser Artikel eine gewisse Orientierungshilfe dafür, dass Nutzer die Eigenschaften von mehrstufigen Druckreduktionsventilen, die speziell für Anwendungen mit hohem Druckunterschied geeignet sind, verstehen und diese entsprechend auswählen können.