Die Grundlagen von Druckreglern

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Druckregler sind in vielen gängigen Anwendungen im Haushalt und in der Industrie zu finden. Zum Beispiel werden Druckregler in Gasgrills zur Regulierung von Propan, in Heizungsöfen zur Regulierung von Erdgas, in medizinischen und zahnmedizinischen Geräten zur Regulierung von Sauerstoff und Anästhesiegasen, in pneumatischen Automatisierungssystemen zur Regulierung von Druckluft, in Motoren zur Regulierung von Kraftstoff und in Brennstoffzellen zur Regulierung von Wasserstoff eingesetzt. Wie diese unvollständige Aufzählung zeigt, gibt es zahlreiche Anwendungen für Druckregler, wobei der Druckregler in allen Fällen dieselbe Funktion erfüllt. Druckregler reduzieren einen Versorgungsdruck (oder Eingangsdruck) auf einen niedrigeren Ausgangsdruck und sorgen dafür, dass dieser Ausgangsdruck trotz Schwankungen des Eingangsdrucks aufrechterhalten wird. Die Reduzierung des Eingangsdrucks auf einen niedrigeren Ausgangsdruck ist das Hauptmerkmal von Druckreglern.

Bei der Auswahl eines Druckreglers müssen viele Faktoren berücksichtigt werden. Zu den wichtigen Überlegungen gehören: Betriebsdruckbereiche für den Ein- und Ausgang, Durchflussanforderungen, die Flüssigkeit (ist sie gasförmig, flüssig, giftig oder entflammbar?), der erwartete Betriebstemperaturbereich, die Auswahl des Materials für die Reglerkomponenten, einschließlich der Dichtungen, sowie Größen- und Gewichtsbeschränkungen.

Werkstoffe für Druckregler

Es gibt eine breite Palette von Werkstoffen für verschiedene Flüssigkeiten und Betriebsumgebungen. Zu den gebräuchlichen Werkstoffen für Druckregler gehören Messing, Kunststoff und Aluminium. Auch verschiedene Edelstahlsorten (wie 303, 304 und 316) sind erhältlich. Die im Inneren des Reglers verwendeten Federn bestehen in der Regel aus Musikdraht (Kohlenstoffstahl) oder Edelstahl.

Messing eignet sich für die meisten gängigen Anwendungen und ist in der Regel wirtschaftlich. Aluminium wird oft verwendet, wenn das Gewicht eine Rolle spielt. Kunststoff wird in Betracht gezogen, wenn niedrige Kosten im Vordergrund stehen oder ein Wegwerfartikel benötigt wird. Rostfreie Stähle werden oft für den Einsatz mit korrosiven Flüssigkeiten, in korrosiven Umgebungen, wenn die Sauberkeit der Flüssigkeit eine Rolle spielt oder wenn die Betriebstemperaturen hoch sind, gewählt.

Ebenso wichtig ist die Kompatibilität des Dichtungsmaterials mit der Flüssigkeit und mit dem Betriebstemperaturbereich. Buna-n ist ein typischer Dichtungswerkstoff. Einige Hersteller bieten optionale Dichtungen an, darunter: Fluorkautschuk, EPDM, Silikon und Perfluorelastomer.

Verwendete Flüssigkeit (gasförmig, flüssig, giftig oder entflammbar)

Die chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit sollten berücksichtigt werden, bevor die besten Materialien für Ihre Anwendung bestimmt werden. Jede Flüssigkeit hat ihre eigenen Eigenschaften, so dass bei der Auswahl der geeigneten Gehäuse- und Dichtungswerkstoffe, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommen, Vorsicht geboten ist. Die Teile des Reglers, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommen, werden als „medienberührte“ Komponenten bezeichnet.

Es ist auch wichtig festzustellen, ob die Flüssigkeit entflammbar, giftig, explosiv oder von gefährlicher Natur ist. Bei gefährlichen, explosiven oder teuren Gasen wird ein nicht entlastender Regler bevorzugt, da er keinen übermäßigen Druck in die Atmosphäre abgibt. Im Gegensatz zu einem Regler ohne Druckentlastung ist ein Regler mit Druckentlastung (auch Selbstentlastung genannt) so konstruiert, dass er überschüssigen Druck in die Atmosphäre ableitet. Zu diesem Zweck befindet sich in der Regel eine Entlüftungsöffnung an der Seite des Reglergehäuses. Bei einigen Sonderausführungen kann die Entlüftungsöffnung mit einem Gewinde versehen werden, so dass überschüssiger Druck durch Schläuche aus dem Reglergehäuse entweichen und in einem sicheren Bereich abgelassen werden kann. Wenn diese Art der Konstruktion gewählt wird, sollte die überschüssige Flüssigkeit in geeigneter Weise und in Übereinstimmung mit allen Sicherheitsvorschriften entlüftet werden.

Temperatur

Die für den Druckregler ausgewählten Materialien müssen nicht nur mit der Flüssigkeit verträglich sein, sondern auch bei der erwarteten Betriebstemperatur einwandfrei funktionieren. Dabei geht es in erster Linie darum, ob das gewählte Elastomer über den erwarteten Temperaturbereich hinweg einwandfrei funktioniert oder nicht. Darüber hinaus kann die Betriebstemperatur bei extremen Anwendungen die Durchflusskapazität und/oder die Federrate beeinflussen.

Betriebsdrücke

Der Eingangs- und Ausgangsdruck sind wichtige Faktoren, die bei der Auswahl des besten Reglers zu berücksichtigen sind. Wichtige Fragen, die es zu beantworten gilt, sind: Wie groß ist die Schwankungsbreite des Eingangsdrucks? Wie hoch ist der erforderliche Ausgangsdruck? Wie groß ist die zulässige Schwankungsbreite des Ausgangsdrucks?

Durchflussanforderungen

Wie groß ist der maximale Durchfluss, den die Anwendung erfordert? Wie stark schwankt die Durchflussmenge? Die Anforderungen an die Anschlüsse sind ebenfalls eine wichtige Überlegung.

Größe &Gewicht

In vielen Hochtechnologieanwendungen ist der Platz begrenzt und das Gewicht ein Faktor. Einige Hersteller haben sich auf Miniaturkomponenten spezialisiert und sollten konsultiert werden. Die Wahl des Materials, insbesondere der Komponenten des Reglergehäuses, hat Auswirkungen auf das Gewicht. Auch die Größe der Anschlüsse (Gewinde), die Art der Einstellung und die Montageoptionen sollten sorgfältig geprüft werden, da sie die Größe und das Gewicht beeinflussen.

Druckregler im Einsatz

Ein Druckregler besteht aus drei Funktionselementen

1. ) Ein druckreduzierendes oder drosselndes Element. Häufig ist dies ein federbelastetes Sitzventil.
2. ) Ein Fühlerelement. Typischerweise eine Membrane oder ein Kolben.
3. ) Ein Referenzkraftelement. Am häufigsten eine Feder.

Im Betrieb öffnet die von der Feder erzeugte Bezugskraft das Ventil. Durch das Öffnen des Ventils wird ein Druck auf das Sensorelement ausgeübt, das seinerseits das Ventil schließt, bis es gerade so weit geöffnet ist, dass der eingestellte Druck aufrechterhalten wird. Das vereinfachte Schema „Schema des Druckreglers“ veranschaulicht diese Kraftausgleichsanordnung. (siehe unten)

(1) Druckminderer (Tellerventil)

Am häufigsten wird bei Druckreglern ein federbelastetes „Tellerventil“ als Drosselelement verwendet. Das Tellerventil enthält eine Elastomerdichtung oder, bei einigen Hochdruckausführungen, eine thermoplastische Dichtung, die so konfiguriert ist, dass sie an einem Ventilsitz abdichtet. Wenn die Federkraft die Dichtung vom Ventilsitz wegbewegt, kann die Flüssigkeit vom Einlass des Reglers zum Auslass fließen. Wenn der Auslassdruck steigt, widersteht die vom Sensorelement erzeugte Kraft der Federkraft und das Ventil wird geschlossen. Diese beiden Kräfte erreichen einen Gleichgewichtspunkt am Sollwert des Druckreglers. Wenn der Druck hinter dem Ventil unter den Sollwert fällt, drückt die Feder den Ventilkegel vom Ventilsitz weg, und zusätzliche Flüssigkeit kann vom Einlass zum Auslass fließen, bis das Kräftegleichgewicht wiederhergestellt ist.

(2) Sensorelement (Kolben oder Membran)

Kolbenausführungen werden häufig verwendet, wenn höhere Auslassdrücke erforderlich sind, wenn Robustheit eine Rolle spielt oder wenn der Auslassdruck nicht innerhalb einer engen Toleranz gehalten werden muss. Kolbenausführungen sind im Vergleich zu Membranausführungen aufgrund der Reibung zwischen der Kolbendichtung und dem Reglergehäuse eher träge.

Bei Anwendungen mit niedrigem Druck oder wenn eine hohe Genauigkeit erforderlich ist, wird die Membranausführung bevorzugt. Membranregler verwenden ein dünnes, scheibenförmiges Element, das zur Erfassung von Druckänderungen verwendet wird. Sie bestehen in der Regel aus einem Elastomer, für spezielle Anwendungen wird jedoch auch dünnes gewundenes Metall verwendet. Membranen eliminieren im Wesentlichen die Reibung, die bei kolbenartigen Konstruktionen auftritt. Außerdem ist es bei einer bestimmten Reglergröße oft möglich, mit einer Membran einen größeren Messbereich zu schaffen, als dies bei einer kolbenartigen Konstruktion möglich wäre.

(3) Das Referenzkraftelement (Feder)

Das Referenzkraftelement ist in der Regel eine mechanische Feder. Diese Feder übt eine Kraft auf das Fühlerelement aus und bewirkt das Öffnen des Ventils. Die meisten Regler sind mit einer Einstellvorrichtung versehen, die es dem Benutzer ermöglicht, den Ausgangsdruck-Sollwert durch Änderung der von der Bezugsfeder ausgeübten Kraft einzustellen.

Reglergenauigkeit und Kapazität

Die Genauigkeit eines Druckreglers wird durch die grafische Darstellung des Ausgangsdrucks im Verhältnis zum Durchfluss bestimmt. Das resultierende Diagramm zeigt den Abfall des Ausgangsdrucks bei steigender Durchflussmenge. Dieses Phänomen wird als Regelabweichung bezeichnet. Die Genauigkeit eines Druckreglers wird dadurch definiert, wie stark der Druckabfall über einen bestimmten Durchflussbereich ist; weniger Druckabfall bedeutet höhere Genauigkeit. Die Druck-Durchfluss-Kurven im Diagramm „Direct Acting Pressure Regulator Operating Map“ zeigen die nützliche Regelkapazität des Reglers. Bei der Auswahl eines Reglers sollten Ingenieure die Druck-Durchfluss-Kurven prüfen, um sicherzustellen, dass der Regler die für die geplante Anwendung erforderlichen Leistungsanforderungen erfüllen kann.

Droop Definition

Der Begriff „Droop“ wird verwendet, um den Abfall des Ausgangsdrucks unter den ursprünglichen Sollwert zu beschreiben, wenn der Durchfluss steigt. Der Druckabfall kann auch durch erhebliche Änderungen des Eingangsdrucks (gegenüber dem Wert bei der Einstellung des Reglerausgangs) verursacht werden. Wenn der Eingangsdruck gegenüber der ursprünglichen Einstellung ansteigt, fällt der Ausgangsdruck ab. Umgekehrt steigt der Ausgangsdruck, wenn der Eingangsdruck sinkt. Wie aus dem Diagramm „Betriebskennfeld für direkt wirkende Druckregler“ hervorgeht, ist dieser Effekt für den Benutzer wichtig, da er die nützliche Regelkapazität eines Reglers anzeigt.

Düsengröße

Eine Vergrößerung der Ventilöffnung kann die Durchflusskapazität des Reglers erhöhen. Dies kann von Vorteil sein, wenn Ihre Konstruktion einen größeren Regler aufnehmen kann, aber achten Sie darauf, dass Sie nicht zu viel angeben. Ein Regler mit einem für die Bedingungen der vorgesehenen Anwendung überdimensionierten Ventil reagiert empfindlicher auf schwankende Eingangsdrücke und kann einen übermäßigen Durchhang verursachen.

Sperrdruck

„Sperrdruck“ ist der Druck über dem Sollwert, der erforderlich ist, um das Reglerventil vollständig zu schließen und sicherzustellen, dass kein Durchfluss stattfindet.

Hysterese

Hysterese kann in mechanischen Systemen wie Druckreglern aufgrund von Reibungskräften durch Federn und Dichtungen auftreten. Schauen Sie sich das Diagramm an, und Sie werden feststellen, dass der Ausgangsdruck bei einem gegebenen Durchfluss mit abnehmendem Durchfluss höher ist als mit zunehmendem Durchfluss.

Einstufiger Druckregler

Einstufige Druckregler sind eine ausgezeichnete Wahl für relativ kleine Druckreduzierungen. Zum Beispiel erzeugen die in den meisten Fabriken verwendeten Luftkompressoren einen maximalen Druck im Bereich von 100 bis 150 psi. Dieser Druck wird durch die Fabrik geleitet, aber oft mit einem einstufigen Regler auf niedrigere Drücke (10 psi, 50 psi, 80 psi usw.) reduziert, um automatisierte Maschinen, Prüfstände, Werkzeugmaschinen, Lecktestgeräte, Linearantriebe und andere Geräte zu betreiben. Einstufige Druckregler eignen sich in der Regel nicht für große Schwankungen des Eingangsdrucks und/oder der Durchflussmenge.

Zweistufiger Druckregler

Ein zweistufiger Druckregler ist ideal für Anwendungen mit großen Schwankungen der Durchflussmenge, erheblichen Schwankungen des Eingangsdrucks oder abnehmendem Eingangsdruck, wie dies bei Gas aus einem kleinen Lagertank oder einer Gasflasche der Fall ist.

Bei den meisten einstufigen Druckreglern, mit Ausnahme derer, die eine druckkompensierte Konstruktion verwenden, führt ein starker Abfall des Eingangsdrucks zu einem leichten Anstieg des Ausgangsdrucks. Dies geschieht, weil sich die auf das Ventil wirkenden Kräfte aufgrund des großen Druckabfalls gegenüber dem ursprünglich eingestellten Ausgangsdruck ändern. Bei einer zweistufigen Konstruktion ist die zweite Stufe nicht diesen großen Änderungen des Eingangsdrucks ausgesetzt, sondern nur der geringen Änderung des Ausgangsdrucks der ersten Stufe. Diese Anordnung führt zu einem stabilen Ausgangsdruck der zweiten Stufe trotz der erheblichen Druckänderungen, die der ersten Stufe zugeführt werden.

Dreistufiger Regler

Ein dreistufiger Regler bietet einen stabilen Ausgangsdruck, der dem eines zweistufigen Reglers ähnelt, jedoch mit der zusätzlichen Fähigkeit, einen wesentlich höheren maximalen Eingangsdruck zu verarbeiten. Der dreistufige Druckregler der Serie PRD3HP von Beswick ist beispielsweise für einen Eingangsdruck von bis zu 3.000 psi ausgelegt und liefert trotz Änderungen des Versorgungsdrucks einen stabilen Ausgangsdruck (im Bereich von 0 bis 30 psi). Ein kleiner und leichter Druckregler, der trotz eines Eingangsdrucks, der im Laufe der Zeit von einem hohen Druck abfällt, einen stabilen niedrigen Ausgangsdruck aufrechterhalten kann, ist in vielen Konstruktionen eine wichtige Komponente. Beispiele hierfür sind tragbare Analyseinstrumente, Wasserstoff-Brennstoffzellen, UAVs und medizinische Geräte, die mit Hochdruckgas aus einer Gaskartusche oder Speicherflasche betrieben werden.

Nachdem Sie den für Ihre Anwendung am besten geeigneten Regler ausgewählt haben, ist es wichtig, dass der Regler richtig installiert und eingestellt wird, um sicherzustellen, dass er wie vorgesehen funktioniert.

Die meisten Hersteller empfehlen den Einbau eines Filters vor dem Regler (einige Regler haben einen eingebauten Filter), um zu verhindern, dass Schmutz und Partikel den Ventilsitz verunreinigen. Der Betrieb eines Reglers ohne Filter kann zu einer Leckage an der Auslassöffnung führen, wenn der Ventilsitz mit Schmutz oder Fremdkörpern verunreinigt ist. Geregelte Gase sollten frei von Ölen, Fetten und anderen Verunreinigungen sein, die die Ventilkomponenten verschmutzen oder beschädigen oder die Dichtungen des Reglers angreifen könnten. Viele Benutzer sind sich nicht bewusst, dass Gase, die in Flaschen und kleinen Gaskartuschen geliefert werden, Spuren von Ölen aus dem Herstellungsprozess enthalten können. Das Vorhandensein von Öl im Gas ist für den Anwender oft nicht erkennbar. Daher sollte dieses Thema mit Ihrem Gaslieferanten besprochen werden, bevor Sie die Dichtungsmaterialien für Ihren Regler auswählen. Außerdem sollten die Gase frei von übermäßiger Feuchtigkeit sein. Bei Anwendungen mit hohen Durchflussraten kann der Regler vereisen, wenn Feuchtigkeit vorhanden ist.

Wenn der Druckregler mit Sauerstoff verwendet werden soll, ist zu beachten, dass dieser Sauerstoff spezielle Kenntnisse für eine sichere Systemauslegung erfordert. Es müssen sauerstoffverträgliche Schmiermittel angegeben werden, und in der Regel ist eine zusätzliche Reinigung erforderlich, um Spuren von Schneidölen auf Erdölbasis zu entfernen. Vergewissern Sie sich, dass Sie Ihren Reglerlieferanten darüber informieren, dass Sie den Regler in einer Sauerstoffanwendung einsetzen wollen.

Schließen Sie Regler nicht an eine Versorgungsquelle mit einem maximalen Druck an, der über dem Nenneingangsdruck des Reglers liegt. Druckregler sind nicht als Absperrvorrichtungen vorgesehen. Wenn der Regler nicht benutzt wird, sollte der Versorgungsdruck abgestellt werden.

Installation

SCHRITT 1
Beginnen Sie mit dem Anschluss der Druckquelle an den Eingangsanschluss und der regulierten Druckleitung an den Ausgangsanschluss. Wenn die Anschlüsse nicht gekennzeichnet sind, wenden Sie sich an den Hersteller, um falsche Anschlüsse zu vermeiden. Bei einigen Konstruktionen können die internen Bauteile beschädigt werden, wenn der Versorgungsdruck fälschlicherweise dem Auslassanschluss zugeführt wird.

SCHRITT 2
Bevor Sie den Versorgungsdruck zum Regler einschalten, drehen Sie den Einstellknopf zurück, um den Durchfluss durch den Regler zu begrenzen. Den Versorgungsdruck allmählich aufdrehen, um den Regler nicht durch einen plötzlichen Druckstoß zu „schocken“. HINWEIS: Vermeiden Sie es, die Einstellschraube ganz in den Regler hineinzudrehen, da bei einigen Reglerkonstruktionen der volle Versorgungsdruck an den Auslassanschluss abgegeben wird.

SCHRITT 3
Stellen Sie den Druckregler auf den gewünschten Auslassdruck ein. Wenn der Regler nicht entlastet ist, ist es einfacher, den Ausgangsdruck einzustellen, wenn die Flüssigkeit fließt, als wenn sie nicht fließt (kein Durchfluss). Wenn der gemessene Ausgangsdruck den gewünschten Ausgangsdruck übersteigt, entlüften Sie die Flüssigkeit auf der stromabwärts gelegenen Seite des Reglers und senken Sie den Ausgangsdruck durch Drehen des Einstellknopfes. Niemals Flüssigkeit durch Lösen von Verschraubungen entlüften, da dies zu Verletzungen führen kann.

Bei einem Druckminderer mit Druckminderung wird überschüssiger Druck automatisch von der stromabwärts gelegenen Seite des Druckminderers in die Atmosphäre entlüftet, wenn der Drehknopf gedreht wird, um die Ausgangseinstellung zu verringern. Aus diesem Grund dürfen Druckminderer mit Entlastungsfunktion nicht mit brennbaren oder gefährlichen Flüssigkeiten verwendet werden. Stellen Sie sicher, dass die überschüssige Flüssigkeit sicher und in Übereinstimmung mit allen örtlichen, staatlichen und bundesstaatlichen Vorschriften entlüftet wird.

SCHRITT 4
Um den gewünschten Ausgangsdruck zu erreichen, nehmen Sie die letzten Einstellungen vor, indem Sie den Druck langsam von unterhalb des gewünschten Sollwerts erhöhen. Es ist besser, den Druck unterhalb des gewünschten Wertes einzustellen als oberhalb des gewünschten Wertes. Wenn Sie beim Einstellen des Druckreglers über den Sollwert hinausgehen, verringern Sie den eingestellten Druck bis zu einem Punkt unterhalb des Sollwerts. Erhöhen Sie dann den Druck allmählich wieder auf den gewünschten Sollwert.

SCHRITT 5
Schalten Sie den Versorgungsdruck mehrmals ein und aus und überwachen Sie dabei den Ausgangsdruck, um zu überprüfen, ob der Regler beständig zum Sollwert zurückkehrt. Zusätzlich sollte auch der Ausgangsdruck ein- und ausgeschaltet werden, um sicherzustellen, dass der Druckregler auf den gewünschten Sollwert zurückkehrt. Wiederholen Sie die Druckeinstellsequenz, wenn der Ausgangsdruck nicht auf den gewünschten Wert zurückkehrt.

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