Regelventil auslegen: den Kv-Wert berechnen

Der Kv-Wert gibt an, wie viele Kubikmeter Wasser pro Stunde bei einer Druckdifferenz von 1 bar durch ein Ventil in einer bestimmten Stellung fließen. Er beschreibt also nicht das Ventil, sondern das Ventil bei einem bestimmten Hub. Der Kvs-Wert ist der Nennwert bei voller Öffnung – die Zahl, die im Datenblatt steht und nach der Ventile gestuft sind.

Im angelsächsischen Raum wird stattdessen der Cv-Wert verwendet, der auf US-Gallonen pro Minute und 1 psi bezogen ist. Die Umrechnung ist ein fester Faktor: Cv ≈ 1,156 · Kv. Grundlage für beide Größen ist die Normenreihe IEC 60534; ihre Auslegungsgleichungen stehen in Teil 2-1.

Für eine Flüssigkeit in turbulenter Strömung, die im Ventil nicht verdampft, gilt:

Kv = Q · √(ρ / (1000 · Δp))

mit dem Volumenstrom Q in m³/h, der Dichte ρ in kg/m³ und der Druckdifferenz Δp über dem Ventil in bar. Für Wasser mit 1000 kg/m³ bleibt Kv = Q / √Δp: 30 m³/h bei 0,9 bar Druckdifferenz ergeben einen Kv-Wert von 31,6.

Die Dichte geht nur unter der Wurzel ein, die Druckdifferenz ebenfalls – aber sie ist die Größe, die am häufigsten falsch angesetzt wird. Eine Verdoppelung der angenommenen Druckdifferenz verkleinert den berechneten Kv-Wert um knapp 30 Prozent.

Die Druckdifferenz am Ventil ist keine Vorgabe. Sie ist das, was übrig bleibt, wenn vom verfügbaren Druck – etwa der Förderhöhe der Pumpe – die Verluste in Rohrleitung, Apparaten und Armaturen abgezogen sind. Diese Verluste wachsen mit dem Quadrat des Durchflusses, während die Förderhöhe einer Kreiselpumpe mit dem Durchfluss sinkt.

Daraus folgt: Beim größten Durchfluss steht dem Ventil die kleinste Druckdifferenz zur Verfügung, beim kleinsten die größte. Der benötigte Kv-Bereich ist deshalb weiter gespreizt als der Durchflussbereich. Im Beispiel der Tabelle ändert sich der Durchfluss um den Faktor fünf, der Kv-Wert um mehr als den Faktor acht.

Gerechnet werden deshalb mindestens drei Punkte – kleinster, normaler und größter Durchfluss –, jeder mit der Druckdifferenz, die die Anlage in diesem Zustand tatsächlich liefert.

Kvs-Werte sind gestuft; gewählt wird ein Wert oberhalb des größten berechneten Kv. Wie weit oberhalb, zeigt erst der Blick auf den Hub. Für eine gleichprozentige Kennlinie mit dem Stellverhältnis R gilt Kv / Kvs = R^(h − 1), wobei h der relative Hub ist.

Im Beispiel liegt der größte Kv-Wert bei 56,6. Mit Kvs 63 wäre das Ventil dabei zu rund 97 Prozent geöffnet – ohne jede Reserve. Mit Kvs 100 und einem Stellverhältnis von 50:1 liegen die drei Betriebspunkte bei etwa 85, 71 und 31 Prozent Hub: Der Normalbetrieb sitzt im oberen Mittelfeld, nach oben bleibt Reserve, und beim kleinsten Durchfluss arbeitet das Ventil weit genug vom Sitz entfernt.

Das Stellverhältnis ist das Verhältnis von Kvs zum kleinsten Kv-Wert, bei dem die Kennlinie noch eingehalten wird. Für Hubventile werden häufig Werte zwischen 30:1 und 50:1 angegeben; maßgeblich ist das Datenblatt. Der kleinste benötigte Kv-Wert muss sicher darüber liegen.

Die Ventilautorität ist das Verhältnis der Druckdifferenz am voll geöffneten Ventil bei Auslegungsdurchfluss zur Druckdifferenz am geschlossenen Ventil – also zum gesamten Druck, der in der geregelten Strecke zur Verfügung steht.

Ist sie klein, nimmt das Ventil im geöffneten Zustand nur einen kleinen Teil des Druckverlusts auf. Dann ändert sich der Durchfluss auf den ersten Prozent Hub stark und danach kaum noch: Die Regelung wird im unteren Bereich nervös und im oberen wirkungslos. Als Richtwert nennt die Literatur Autoritäten ab etwa 0,3 bis 0,5; darunter braucht es zumindest eine gleichprozentige Kennlinie.

Die Autorität ist der Grund, warum ein Regelventil in aller Regel kleiner ist als die Leitung, in der es sitzt. Ein Ventil in Leitungsnennweite hat fast immer zu wenig Druckverlust, um zu regeln.

Die Formel setzt voraus, dass der Durchfluss mit der Wurzel der Druckdifferenz wächst. Das gilt nicht unbegrenzt. Fällt der Druck im engsten Querschnitt bis zum Dampfdruck, bilden sich Dampfblasen, und der Durchfluss steigt nicht mehr, auch wenn der Ausgangsdruck weiter sinkt. Die größte wirksame Druckdifferenz ist nach IEC 60534-2-1 Δp = F_L² · (p1 − F_F · pv) – mit dem Druckrückgewinnungsfaktor F_L des Ventils, dem Eingangsdruck p1, dem Dampfdruck pv und einem Faktor F_F, der vom Medium abhängt. Wer mit einer größeren Druckdifferenz rechnet, erhält einen zu kleinen Kv-Wert.

Ein überdimensioniertes Regelventil ist selten das Ergebnis einer falschen Formel. Es entsteht aus Zuschlägen, die jeder Beteiligte für sich aufschlägt.