vgbe energy journal 11 (2022) - International Journal for Generation and Storage of Electricity and Heat

Stellventil 4.0 – Konzept. Regelarmatur ganz einfach
Einsatz von Energie durch Einsparung von
Kraft, Material und der Gestaltung von Bauteilen.
Eine „neue“ Anforderung ist der Einsatz
im Bereich der Wasserstoff-Technologie
oder der Kryotechnik (z.B. L-H 2 (flüssig
Wasserstoff); L-O 2 (flüssiger Sauerstoff)
L-N 2 (flüssig Stickstoff)
1.2.1 Temperaturen und
Druckdifferenzen
Betrachtet man die Temperaturen, die beim
Betrieb von Kraftwerken (Stoffstrom Dampf
bis über 600 °C (Grad Celsius), Supraleiterkabel
und in kryogenen Anlagen (L-H 2 Einsatztemperatur
minus 273 °C) auftreten
können, wird das weite Spektrum der Einsatztemperaturen
deutlich. Für die meisten
Stellventile ist der Einsatz im Temperaturbereich
von 873 K (Kelvin) (-273 °C bis 600 °C)
heute inzwischen enorm hoch.
Ebenso verhält es sich im Bereich der Arbeitsdrücke.
Die Drücke liegen zwischen 0
bar bis 1.000 bar und in speziellen Anwendungsfällen
weit darüber.
1.2.2 Stoffströme
Die zu regelnden Fluidströme können flüssige
und gasförmige Anteile sowie feste Bestandteile
aufweisen. Im Extremfall treten
alle drei Phasen in einem Fluidstrom gleichzeitig
auf. Des Weiteren kann es während
der Durchströmung der Armatur zum Phasenwechsel
(flüssig-gasförmig, gasförmigflüssig)
kommen.
Ebenso nimmt die chemische Belastung
durch die veränderten Stoffströme deutlich
zu. All diese Veränderungen haben große
Einflüsse auf die Auslegung und Konstruktion
und Auswahl der Materialen, die im Stellventil
eingesetzt werden.
Die geschilderten zu berücksichtigenden
Faktoren sind im B i l d 2 noch einmal zusammenfassend
dargestellt.
1.2.3 Bauformen
Ein Stellventil wird überwiegend in Durchgangsform
oder Mehrwegeform (Verteiloder
Mischventil) produziert.
Betrachtet wird in B i l d 3 beispielsweise
der Gehäusekörper des Durchgangsventils,
in klassischer Bauart.
Dieses Ventil hat einen Ein- und Ausgang.
Zwischen dem Ein- und Ausgang befindet
sich ein Ventilsitz mit einem Drosselkörper.
Dieser Drosselkörper wird über eine Ventilspindel
in Hubrichtung (in Auf- oder Zustellung)
bewegt und öffnet das Ventil. Das
Stellventil kann als Auf-Zu- oder als Regelventil
gebaut werden. Das Auf-Zu-Ventil arbeitet
zwischen 100 % offen und 0 % offen.
Der Drosselkörper besitzt in der Regel einen
Auf-Zu-Kegel (mit Auf Zu-Funktion). Im
weit geöffneten Zustand des Ventilkegels
gleichen sich die Drücke im Eingangs- und
Ausgangsbereich aus. Beim Schließen des
Ventils, wenn der Ventilkegel näher in den
Sitz fährt, steigt der Differenzdruck zwischen
Eingangs- und Ausgangsraum.
Der Drosselkörper hat eine wirksame Fläche,
die mit dem Differenzdruck eine Kraft
erzeugt. Diese Kraft muss beim Verschließen
oder Öffnen des Ventils durch einen
Stellantrieb oder Handrad aufgebracht werden.
Hinzu kommen noch weiterer Kräfte
beispielsweise Reibungskräfte, Auftriebskräfte,
sowie Spindelkräfte die nach außen
zum Antrieb geführt werden. Ferner sind
noch Dichtkräfte an Berührungskanten zwischen
Sitz und Kegel zu berücksichtigen.
Bei größeren Sitzflächen und hohen Drücken
riesige Kräfte, die ein Antrieb aufbringen
muss, um einen Hub zu erzeugen.
1.2.4 Antriebskräfte - Antriebe
Ein Stellventil wird meist betätigt mit einem
Hand-, Hydraulischen-, Membran-, oder
elektrischem Antrieb. Die Antriebe sind bei
hohen Stellkräften kostenintensiv. Aus diesem
Grunde ist eine Druckentlastung in
Stellventile eingebaut.
Um die Stellkraft zu verringern, wird oberhalb
vom Regelkegel ein Zylinder angeordnet,
der die gleiche Fläche wie der Ventilsitz
hat. Über eine mechanische Verbindung
Bild 2. Auswahlkriterien für Ventile im Anlagenbau.
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