Regelventil: Kennlinie wählen, Kavitation und Geräusch vermeiden

Die Kennlinie beschreibt, wie sich der Kv-Wert mit dem Hub ändert. Bei der linearen Kennlinie bringt jeder gleiche Hubschritt denselben Zuwachs an Kv. Bei der gleichprozentigen bringt jeder gleiche Hubschritt denselben prozentualen Zuwachs, bezogen auf den Kv-Wert, der gerade anliegt – die Kurve beginnt flach und wird nach oben steiler.

In Zahlen, für ein Stellverhältnis von 50:1: Bei halbem Hub hat das lineare Ventil rund 51 Prozent seines Kvs-Werts erreicht, das gleichprozentige rund 14 Prozent. Bei drei Vierteln Hub sind es etwa 76 gegenüber 38 Prozent. Das gleichprozentige Ventil regelt kleine Durchflüsse mit viel Hub und damit feinfühlig.

Beide Kurven gelten unter einer Bedingung, die in der Anlage selten erfüllt ist: konstante Druckdifferenz über dem Ventil. Sie heißen deshalb inhärente Kennlinien.

Öffnet das Ventil, steigt der Durchfluss – und mit ihm der Druckverlust in der übrigen Strecke. Für das Ventil bleibt weniger Druckdifferenz übrig. Der Durchfluss wächst deshalb langsamer, als die inhärente Kennlinie erwarten lässt. Was tatsächlich entsteht, ist die Betriebskennlinie: Durchfluss über Hub, in dieser Anlage.

Wie stark sie von der inhärenten abweicht, hängt an der Ventilautorität. Bei hoher Autorität bleibt die Form nahezu erhalten. Bei niedriger Autorität wird aus einer linearen Kennlinie eine, die auf den ersten Prozent Hub fast den gesamten Durchfluss freigibt. Eine gleichprozentige Kennlinie wird unter denselben Bedingungen in Richtung linear verformt – und liefert damit im Betrieb das Verhalten, das man sich von der Regelung wünscht.

Ziel ist eine Regelstrecke, deren Verstärkung über den Lastbereich möglichst gleich bleibt. Die Kennlinie des Ventils soll ausgleichen, was Anlage und Prozess verzerren.

Im engsten Querschnitt eines Ventils ist die Geschwindigkeit am höchsten und der Druck am niedrigsten; dahinter erholt sich der Druck teilweise. Fällt er an der engsten Stelle unter den Dampfdruck der Flüssigkeit, bilden sich Dampfblasen. Steigt er dahinter wieder über den Dampfdruck, fallen die Blasen schlagartig zusammen. Die dabei entstehenden Druckstöße treffen Kegel, Sitz und Gehäusewand.

Zu erkennen ist Kavitation an einem prasselnden Geräusch, als würde Kies durch die Leitung gefördert, an Schwingungen und – am ausgebauten Ventil – an rauen, narbigen Oberflächen. Bei ausgeprägter Kavitation wächst außerdem der Durchfluss nicht mehr mit der Druckdifferenz.

Wie anfällig ein Ventil ist, hängt von seiner Druckrückgewinnung ab. Bauarten mit strömungsgünstigem Durchgang – Kugelhähne, Klappen – erholen den Druck stark und kavitieren früher als Hubventile. Hersteller geben dafür Kennwerte an: den Druckrückgewinnungsfaktor F_L und einen Wert für das Druckverhältnis, bei dem Kavitation einsetzt.

Liegt der Druck hinter dem Ventil dauerhaft unter dem Dampfdruck, fallen die Blasen nicht mehr zusammen. Ein Teil des Mediums verlässt das Ventil als Dampf, und die Leitung dahinter führt ein Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf mit hoher Geschwindigkeit. Das ist Flashing.

Das Schadensbild ist ein anderes: glatte, wie ausgewaschene Flächen statt narbiger Krater, verursacht durch Tropfen, die mit hoher Geschwindigkeit auftreffen. Vor allem aber ist Flashing keine Frage der Ventilbauart. Ob es auftritt, entscheiden Ausgangsdruck und Temperatur – also die Anlage. Ein anderes Ventil kann die Folgen mindern, nicht die Ursache beseitigen.

Gegen Kavitation hilft alles, was verhindert, dass der Druck in einem Schritt bis unter den Dampfdruck fällt. Gegen Flashing hilft, die Verdampfung dorthin zu legen, wo sie nicht schadet.

Bei Flüssigkeiten ist Kavitation die wesentliche Geräuschquelle – wer sie vermeidet, hat meist auch ein leises Ventil. Bei Gasen und Dampf entsteht das Geräusch durch Turbulenz und, bei hohen Druckverhältnissen, durch Verdichtungsstöße hinter der Drosselstelle. Es wächst mit dem Massenstrom und dem Druckverhältnis.

Abschätzen lässt sich der Schallpegel vor dem Kauf: nach IEC 60534-8-3 für Gase und Dämpfe, nach IEC 60534-8-4 für Flüssigkeiten. Die Maßnahmen teilen sich in zwei Gruppen. An der Quelle wirken geräuscharme Garnituren, die den Strom in viele kleine Strahlen teilen, und mehrstufiger Druckabbau. Auf dem Übertragungsweg wirken dickere Rohrwände, Schalldämmung und Schalldämpfer. Maßnahmen an der Quelle senken auch die Belastung des Ventils; Maßnahmen auf dem Weg senken nur, was außen ankommt.