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Tipps zur richtigen Auswahl von Ventilen für industrielle Fluidsysteme

Tipps zur richtigen Auswahl von Ventilen für industrielle Fluidsysteme

22. September 2020 | Joe Bush, Senior Product Manager, Swagelok

Die Ventilauswahl ist ein wichtiger Faktor bei der Auslegung sowie Wartung von industriellen Anlagen, Rohrleitungen und Analysesystemen. Wenn das Ventil nicht optimal auf die jeweilige Anwendung abgestimmt ist, müssen sich Anlagenbetreiber unter Umständen auf eine geringere Leistungsfähigkeit ihrer Fluidsysteme, längere Ausfallzeiten und vermeidbare Sicherheitsrisiken einstellen.

Ventile werden üblicherweise bei der ersten Auslegung des Fluidsystems festgelegt. Über die Lebensdauer des Systems hinweg werden die Ventile dann (genauso wie die meisten anderen Komponenten) gemäß Spezifikation in der Regel stets durch denselben Typ ersetzt. Darum ist es umso wichtiger, gleich zu Beginn die richtige Auswahl zu treffen. Denn so können Betreiber das Risiko vermeiden, dass Ventile vorzeitig ausfallen oder ausgetauscht werden müssen.

Worauf kommt es bei der Ventilauswahl an?

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Bei der Ventilauswahl können sich Ingenieure und Techniker an der sogenannten STAMPED-Methode orientieren. STAMPED steht für Size, Temperature, Application, Media, Pressure, Ends oder Fittings und Delivery (dt.: Dimensionierung, Temperatur, Anwendung, Medien, Druck, Endanschlüsse bzw. Verschraubungen und Bereitstellung). Bei gründlicher Berücksichtigung dieser Betriebsbedingungen steht einer optimalen Ventilauswahl für industrielle Fluid- und Probenahmesysteme nichts mehr im Weg.

So wendet man die STAMPED-Methode bei der Auslegung eines Fluidsystems am besten an:

S: Size

Die Dimensionierung des Ventils ist ausschlaggebend für die spätere Durchflussmenge und muss sich an der gewünschten (bzw. erforderlichen) Durchflussrate Ihres Systems orientieren. Hersteller geben hierzu den Durchflusskoeffizienten an (Cv), der das Verhältnis zwischen dem Druckverlust an einem Ventil und der jeweiligen Durchflussrate beschreibt.

Der Durchflusskoeffizient oder Cv entspricht dem Wasserdurchfluss durch das Ventil in U.S. Gallonen pro Minute bei einer Druckdifferenz von 1 psi und einer Temperatur von 60°F. Bei kompressiblen Fluiden wie Gasen gestaltet sich die Berechnung und Verwendung von Cv zur Prognose des Durchflusses zwar etwas komplexer, liefert aber dennoch eine effektive Ausgangsbasis für die Dimensionierung der Ventile für eine spezifische Anwendung.

In metrischen Systemen wird mit dem Kv Wert gearbeitet. Der entspricht dem Wasserdurchfluss in m3/h bei einem Druckverlust von 1 bar (1 Kv = Cv x 0,86).

Der Cv wird durch Auslegungsparameter wie die Dimensionierung und Geometrie des Strömungswegs beeinflusst. Zudem hat die Größe der Bohrung Einfluss auf die letztendliche Durchflussmenge durch das Ventil. Dabei gilt: Je größer die Bohrung, desto höher die potenzielle Durchflusskapazität. Die Bohrungen können von Ventil zu Ventil sehr unterschiedlich ausfallen. Zum Beispiel bietet ein Kugelhahn nur einen geringen Strömungswiderstand, während ein Nadelventil die Durchflussmenge begrenzen kann. Diese Faktoren sollten Sie bei der Auswahl unbedingt berücksichtigen.

Wenden Sie sich bei Fragen und Unsicherheiten an den Hersteller. Ein zuverlässiger Hersteller hilft Ihnen sicher auch gerne bei der richtigen Dimensionierung Ihrer Ventile weiter. Swagelok bietet in diesem Zusammenhang einen praktischen Cv-Rechner an. Die damit berechneten Werte dienen als Anhaltspunkt für die Auswahl des passenden Ventils für Ihre Anwendung.

T: Temperatur

Auch die Betriebstemperaturen spielen bei der Ventilauswahl eine wichtige Rolle. Hierzu zählen sowohl die Temperatur der Prozessmedien als auch die Umgebungstemperaturen im Betrieb. Ausschlaggebend ist hierbei auch, ob die Temperaturen konstant bleiben oder ob es häufige Wechsel gibt. Diese Faktoren sollten sowohl bei der Ventilauswahl als auch bei der Festlegung der Intervalle für die vorbeugende Wartung beachtet werden.

Temperaturschwankungen können zu einer Ausdehnung bzw. Schrumpfung der Dichtmaterialien führen. Auch fällt ins Gewicht, dass die Festigkeit von metallischen Komponenten bei höheren Temperaturen unter Umständen abnimmt – und damit auch die Druckstufe. Halten Sie daher unbedingt Rücksprache mit dem Hersteller und versichern Sie sich, dass das betreffende Ventil umfassend unter Extrembedingungen getestet wurde.

A: Application

Hier geht es um die Aufgabe, die das Ventil in Ihrem System erfüllen soll. Soll es den Durchfluss starten oder stoppen, die Durchflussrate regulieren oder die Durchflussrichtung ändern? Oder soll das Ventil das System vor Überdruck schützen?

Die Antworten auf diese Fragen sind ein idealer Leitfaden für die Auswahl der Ventile für Ihr System. Das lässt sich am besten an einem einfachen Zwei-Wege-Kugelventil veranschaulichen. Obwohl Kugelventile anderer Hersteller teilweise auch eine Drosselfunktion bieten, sollten diese Ventile generell nicht für die Durchflussbegrenzung bzw. -regelung eingesetzt werden. Sie sind vielmehr für den Betrieb in vollständig geöffneter oder geschlossener Position bestimmt. Wenn Ihre Anwendung eine Durchflussregulierung benötigt, wäre ein Nadel- oder Dosierventil die bessere Wahl.

M: Media

Das Prozessmedium, das durch das System geleitet wird, spielt besonders bei der Materialzusammensetzung Ihres Ventils eine Rolle. Es ist unbedingt darauf zu achten, dass das Prozessmedium mit den Werkstoffen der Ventilkörper und -sitze, den Spindelspitzen und anderen weicheren Materialien kompatibel ist. Anderenfalls können Korrosionsprobleme, Materialversprödung oder Spannungsrisskorrosion die Folge sein – inklusive der daraus entstehenden Sicherheitsrisiken und kostspieliger Produktionsausfälle.

Ebenso wie bei der Temperatur sollten Sie auch hier genau berücksichtigen, an welcher Stelle im Prozess das Ventil zum Einsatz kommen soll. Wird es in einer klimatisierten Umgebung eingesetzt, z. B. im Innern einer Anlage oder in einer beheizten Schutzgehäuse? Wird das Ventil in einem Außenbereich installiert und ist direktem Sonnenlicht, Regen, Schnee, Frost, Eis und Temperaturschwankungen ausgesetzt? Ist das Ventil für den Einsatz in einer Anwendung in Meeresnähe oder im Meer vorgesehen, wo mit einer erheblichen Chloridbelastung zu rechnen ist? Bei den Ventilen und zugehörigen Komponenten ist die Vielfalt der Werkstoffe groß. Treffen Sie Ihre Auswahl mit Bedacht, damit Ihre Ventile möglichst lange funktionstüchtig bleiben.

P: Pressure

Der Druck ist ein bedeutender Faktor bei der Ventilauswahl. In diesem Zusammenhang sind zwei Begriffe von Bedeutung:

  • Betriebsdruck: Bezeichnet den Druck im Normalbetrieb Ihres Systems.
  • Auslegungsdruck: Dieser Wert steht für den Maximaldruck nach Herstellerangabe. Der Auslegungsdruck von Fluidsystemkomponenten darf unter keinen Umständen überschritten werden, außer unter kontrollierten Testbedingungen.

Der maximale Auslegungsdruck eines Fluidsystems richtet sich nach der Komponente mit der niedrigsten Druckstufe – und das ist auch bei der Ventilauswahl von Relevanz. Druck und Temperatur des Prozessmediums wirken sich maßgeblich auf die Leistungsfähigkeit der einzelnen Komponenten aus. Das ausgewählte Ventil muss auf den erforderlichen Druck ausgelegt und bei Anforderung ansprechbar sein. Zudem muss es in einem breiten Temperatur- und Druckbereich funktionieren. Für die Ventilleistung entscheidend sind Auslegung, Materialauswahl und Validierung. Bedenken Sie auch, dass sich Druck und Temperatur in Ihrem System wechselseitig erheblich beeinflussen. Generell gilt: Je höher die Temperatur im Prozessmedium, desto niedriger der maximale Betriebsdruck des Systems.

E: End Connections

Auf dem Markt sind Ventile mit vielen unterschiedlichen Endanschlüssen erhältlich, z. B. integrierte Rohrverschraubungen, Gewindeanschlüsse, Flansche, geschweißte Endanschlüsse usw. Auch wenn den Endanschlüssen bei der Ventilauslegung traditionell eher nachrangige Bedeutung beigemessen wird: Für den Gesamtaufbau und die Dichtfähigkeit des Ventils sind sie dennoch maßgeblich. Achten Sie darauf, dass die Endanschlüsse auf die Druck- und Temperaturparameter Ihres Systems ausgelegt und ausreichend dimensioniert sind. Mit dem richtigen Endanschluss vereinfachen Sie die Installation und vermeiden mögliche Leckagestellen.

D: Delivery

Sie haben all diese Faktoren berücksichtigt und das geeignete Ventil für Ihre Anwendung ausgewählt? Dann stellt sich nun die Frage, bis wann und wie viele Ventile Sie für Ihr System benötigen.

Eine rechtzeitige Lieferung und zuverlässige Versorgung sind mindestens genauso wichtig für den unterbrechungsfreien Betrieb Ihres Fluidsystems wie die zuvor genannten Faktoren. Im letzten Schritt der STAMPED-Methode geht es daher in erster Linie darum, bei Ihren Lieferanten genauer hinzusehen. Können sie Ihnen die benötigten Komponenten fristgerecht liefern? Besteht ein guter und schneller Kontakt? Arbeitet der Lieferant eng mit Ihnen zusammen, um sich mit Ihren Systemanforderungen vertraut zu machen?

Bei der Auslegung von sicheren und effizienten Fluidsystemen kommt es auch auf die richtige Ventilauswahl an. Möchten Sie mehr über das Thema Ventilauswahl und Fluidsystemauslegung erfahren? Dann sind Sie in unseren Schulungen zur Systemauslegung genau richtig. Hier erfahren Sie mehr über unsere anstehenden virtuellen Schulungen:

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Joe Bush ist als Senior Product Manager bei Swagelok für die langfristige Vision und strategische Ausrichtung der allgemeinen Produktreihe der Industrieventile verantwortlich. In seinen 26 Jahren bei Swagelok hat er umfassende Erfahrung in unterschiedlichen Bereichen gesammelt, darunter in der Leitung des technischen Service in der Gruppe für Hochreinprodukte, als Senior Pricing Analyst sowie als Market Manager für die Öl- und Gasbranche.

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