So dimensionieren Sie ein Regelventil: Cv, Kv, Durchflussfälle und Ventilweg

Ein häufiger Fehler bei der Dimensionierung von Regelventilen beginnt mit einer einfachen Annahme: Die Rohrleitung ist DN100, daher wählt das Projekt ein DN100-Regelventil aus.

Das Ventil lässt den erforderlichen maximalen Durchfluss durch, bleibt aber im Normalbetrieb nahe am Sitz. Kleine Spindelbewegungen erzeugen große Durchflussänderungen, der Stellungsregler korrigiert kontinuierlich die Ventilposition und die Prozessvariable beginnt, um den Sollwert zu kreisen.

Das Ventil muss nicht unbedingt defekt sein. Möglicherweise verfügt es einfach über mehr Durchflusskapazität, als der Prozess im Normalbetrieb nutzen kann.

Die richtige Dimensionierung beginnt mit den Prozessbedingungen – nicht mit dem Rohrleitungsdurchmesser. Dieser Artikel erklärt wie man ein Regelventil dimensioniert unter Verwendung von Cv oder Kv, minimalen, normalen und maximalen Durchflussfällen, entsprechenden Druckbedingungen und vorhergesagten Ventilwegen.

Beginnen Sie mit einem Arbeitsblatt zur Dimensionierung von Regelventilen

Bereiten Sie vor der Auswahl eines Ventilmodells ein Arbeitsblatt zur Dimensionierung vor, das alle Betriebsbedingungen enthält, die das Ventil steuern muss.

Geben Sie nicht eine maximale Durchflussrate zusammen mit unabhängigen Auslegungsdrücken an. Jeder Strömungsfall muss seinen eigenen Eingangsdruck, Ausgangsdruck und seine eigene Temperatur haben.

Anlauf-, Abschalt-, Bypass-, Reinigungs-, Regenerations- oder Notbetriebsfälle sollten separat hinzugefügt werden, wenn sie unterschiedliche Durchfluss- oder Druckbedingungen erfordern.

Flüssigkeitsdaten erforderlich

• Flüssigkeitsname und chemische Zusammensetzung
• Minimale, normale und maximale Durchflussrate
• Eingangs- und Ausgangsdruck für jeden Strömungsfall
• Betriebstemperatur für jeden Strömungsfall
• Dichte oder spezifisches Gewicht
• Dampfdruck bei Betriebstemperatur
• Kritischer Druck, sofern die gewählte Dimensionierungsmethode dies erfordert
• Viskosität für viskose Flüssigkeiten
• Feststoffgehalt, Partikelgröße und Schleifeigenschaften

Gas- und Dampfdaten erforderlich

• Gaszusammensetzung oder Dampfzustand
• Minimaler, normaler und maximaler Massen- oder Volumenstrom
• Absoluter Eingangs- und Ausgangsdruck für jeden Fall
• Einlasstemperatur
• Molekulargewicht oder spezifisches Gewicht des Gases
• Kompressibilitätsfaktor
• Verhältnis der spezifischen Wärme, sofern erforderlich
• Dampfqualität oder Überhitzungsgrad

Was Cv und Kv eigentlich bedeuten

Cv und Kv sind Durchfluss-Kapazitätskoeffizienten. Sie stellen die Kapazität eines bestimmten Ventils und einer bestimmten Innengarnitur bei einer definierten Öffnung unter bestimmten Referenzbedingungen dar.

Sie identifizieren nicht direkt:

• Die Nenngröße der Rohrleitung
• Die Ventildruckklasse
• Die Aktuatorkraft
• Die Sitzleckageklasse
• Die Eignung des Ventils für Kavitation oder Flashing

Grundlegende metrische Flüssigkeitsscreening-Gleichung

Für eine turbulente, nicht verstopfte, wasserähnliche Flüssigkeit ohne wesentliche Rohrleitungskorrektur kann eine vorläufige metrische Schätzung wie folgt ausgedrückt werden:

Kv = Q × √(SG / ΔP)

• Kv: metrischer Durchflusskoeffizient
• F: Flüssigkeitsdurchfluss in m³/h
• SG: spezifisches Gewicht der Flüssigkeit im Verhältnis zu Wasser
• ΔP: Druckabfall am Ventil in bar

Grundlegende US-Flüssigkeitsscreening-Gleichung

Unter Verwendung der in den USA üblichen Einheiten lautet die entsprechende vorläufige Gleichung:

Cv = Q × √(SG / ΔP)

• Lebenslauf: US-Durchflusskoeffizient
• F: Flüssigkeitsdurchflussrate in US-Gallonen pro Minute
• SG: spezifisches Gewicht der Flüssigkeit im Verhältnis zu Wasser
• ΔP: Druckabfall am Ventil in psi

Die Gleichung sieht gleich aus, aber die Einheiten sind unterschiedlich. Cv und Kv dürfen nicht ohne Umrechnung ausgetauscht werden.

Zur praktischen Umrechnung:

• Cv ≈ 1,156 × Kv
• Kv ≈ 0,865 × Cv

Warum eine genaue Größenbestimmung mehr erfordert als die Grundgleichung

Bei der Dimensionierung des installierten Steuerventils müssen möglicherweise Folgendes berücksichtigt werden:

• Flüssigkeitsdruckwiederherstellung und gedrosselter Durchfluss
• Kavitation oder Blitzen
• Gasexpansion und Kompressibilität
• Kritisches Druckverhältnis
• Ventilspezifische Druckwiederherstellungsfaktoren
• Reduzierstücke, Expander und andere Anbauteile
• Nicht turbulente Strömung oder Strömung mit niedriger Reynoldszahl
• Hohe Viskosität
• Mehrstufiger Beschnitt
• Austrittsgeschwindigkeit und aerodynamischer Lärm

Der Hersteller muss daher die tatsächlichen Koeffizienten des ausgewählten Ventilkörpers und der Innengarnitur verwenden und nicht einen generischen Koeffizienten, der von einem nicht verwandten Produkt übernommen wurde.

Warum minimaler, normaler und maximaler Durchfluss getrennt dimensioniert werden müssen

Der erforderliche Cv oder Kv ändert sich, wenn sich Durchfluss oder Druckabfall ändern. Der Fall des maximalen Durchflusses erzeugt nicht automatisch den maximal erforderlichen Koeffizienten.

Beispielsweise kann der Prozess einen maximalen Durchfluss erfordern, wenn der verfügbare Druckabfall am Ventil relativ gering ist. Dadurch kann der höchste erforderliche Lebenslauf erreicht werden.

Bei minimalem Durchfluss kann der Druck stromaufwärts hoch bleiben, während der Bedarf stromabwärts sinkt. Das Ventil hat dann einen größeren Druckabfall, muss aber einen viel kleineren Durchfluss regulieren, ohne zu nah am Sitz zu arbeiten.

Minimaler Durchflussfall

Im Minimalfall wird geprüft, ob das Ventil den niedrigsten erforderlichen Durchfluss mit stabiler und wiederholbarer Bewegung regulieren kann.

Wichtige Fragen sind:

• Funktioniert das Ventil sehr nahe am Sitz?
• Liegt der erforderliche Durchfluss unterhalb des steuerbaren Bereichs der ausgewählten Trimmung?
• Werden Sitzreibung und Packungsreibung kleine Positionsänderungen dominieren?
• Ist eine reduzierte Trimmung, eine charakterisierte Trimmung oder eine Split-Range-Anordnung erforderlich?

Normaler Durchflussfall

Der Normalfall verdient die größte Aufmerksamkeit, da er den Ort darstellt, an dem das Ventil möglicherweise den größten Teil seiner Betriebslebensdauer verbringt.

Das Ventil sollte in diesem Zustand einen nutzbaren Hub und eine vorhersehbare installierte Verstärkung bieten, anstatt ständig in der Nähe der geschlossenen oder vollständig geöffneten Position zu arbeiten.

Fall mit maximalem Durchfluss

Im Maximalfall wird geprüft, ob das Ventil über genügend Kapazität verfügt und gleichzeitig ein angemessener Spielraum für Prozessschwankungen und Größenunsicherheiten bleibt.

Ein Ventil sollte nicht automatisch vergrößert werden, nur um eine sehr große Kapazitätsreserve zu schaffen. Eine übermäßige Reservekapazität kann die Steuerbarkeit bei normaler Last beeinträchtigen.

Die Größe der Rohrleitung bestimmt nicht die Größe des Steuerventils

Der Rohrleitungsdurchmesser wird anhand von Systemgeschwindigkeit, Druckverlust, Durchflussbedarf, mechanischem Design und wirtschaftlichen Überlegungen ausgewählt.

Die Größe des Steuerventils wird ausgewählt aus:

• Erforderlicher Cv oder Kv
• Verfügbarer Druckabfall
• Voraussichtlicher Betriebsweg
• Ventilgehäuse und Innengarniturkapazität
• Einlass- und Auslassgeschwindigkeit
• Gefahr von Kavitation, Blitzbildung und Lärm
• Mechanischer Anschluss und Rohrleitungslayout

Ein Regelventil kann daher kleiner sein als die angeschlossene Rohrleitung. Geeignete Reduzier- und Expander können verwendet werden, wenn die resultierende Geschwindigkeit, der Geräuschpegel, die Druckrückgewinnung und die Rohrleitungsbelastungen akzeptabel bleiben.

Die Auswirkungen der angebrachten Reduzier- und Erweiterungselemente müssen gegebenenfalls in die installierte Dimensionierung einbezogen werden.

Wenn ein Regelventil mit Leitungsgröße möglicherweise zu groß ist

Ein Ventil mit Leitungsgröße ist wahrscheinlich überdimensioniert, wenn:

• Das Steuerventil erhält nur einen kleinen Teil des gesamten Systemdruckabfalls
• Der Ventilkörper hat im Verhältnis zu den Prozessanforderungen einen hohen Nenn-Cv
• Der gewählte Zellenradschleusen hat eine deutlich größere Kapazität als ein Durchgangsventil gleicher Nennweite
• Der Prozess läuft normalerweise weit unterhalb des Design-Flows ab
• Ein zukünftiger Kapazitätszuschuss wurde von verschiedenen Projektdisziplinen immer wieder hinzugefügt

Der erforderliche CV ist nicht dasselbe wie der Ventilhub

Nach der Berechnung des erforderlichen Cv oder Kv für jeden Betriebsfall besteht der nächste Schritt darin, diese Werte mit der Kapazitäts-Hub-Kurve des ausgewählten Ventils zu vergleichen.

Ein Ventil mit einem Nenn-Cv von 100 liefert nicht unbedingt Cv 50 bei 50 % Hub.

Die Beziehung hängt ab von:

• Inhärente Strömungscharakteristik
• Geometrie trimmen
• Ventilkörperstil
• Ausgewählte reduzierte oder große Ausstattung
• Systemdruckverluste
• Druckabfall am Ventil bei jedem Durchfluss

Lineare Charakteristik

Eine lineare Innengarnitur erzeugt ungefähr gleiche Inkremente des Durchflusskoeffizienten für gleiche Inkremente des Ventilhubs bei einem konstanten Druckabfall über dem Ventil.

Dies garantiert nicht, dass der installierte Prozessfluss linear zum Hub verläuft, da sich der Druckabfall am Ventil häufig ändert, wenn sich der Systemfluss ändert.

Gleichprozentige Charakteristik

Eine gleichprozentige Trimmung erzeugt unter den definierten Testbedingungen ungefähr die gleiche prozentuale Änderung des aktuellen Durchflusskoeffizienten für gleiche Wegschritte.

Dies wird häufig in Betracht gezogen, wenn der Prozess einen großen Durchflussbereich erfordert oder wenn sich der Anteil des Ventils am Gesamtdruckabfall des Systems erheblich ändert.

Die ausgewählte Trimmcharakteristik kann den vorhergesagten Weg und die installierte Prozessreaktion ändern. Lesen Gleichprozentiges vs. lineares Regelventil bevor Sie die endgültige Trimmkurve bestätigen.

Installierte Kennlinie und installierte Verstärkung

Die installierte Kennlinie beschreibt den tatsächlichen Zusammenhang zwischen Ventilhub und Prozessfluss, nachdem das Ventil an das Rohrleitungssystem angeschlossen wurde.

Die installierte Verstärkung beschreibt, wie stark sich der Durchfluss bei einer bestimmten Änderung des Ventilhubs ändert. Eine zu hohe oder niedrige installierte Verstärkung kann die Abstimmung und Stabilität des Regelkreises erschweren.

Übergroße, richtig dimensionierte und unterdimensionierte Ventile

Wenn das eingebaute Ventil wiederholt um den Betriebspunkt herum pendelt, kann die Dimensionierung nur eine mögliche Ursache sein. Nutzen Sie unsere Leitfaden zur Fehlerbehebung bei der Suche nach Steuerventilen zum Vergleichen von Steuerungsbefehlen, tatsächlichem Hub, Haftreibung, Luftzufuhr, Reaktion des Stellungsreglers und Verhalten des Prozessregelkreises vor dem Austausch des Ventils.

Beispiel für die Größenbestimmung von Flüssigkeiten

Das folgende vereinfachte Beispiel zeigt, warum drei Betriebsfälle überprüft werden müssen. Es ist kein Ersatz für die endgültige IEC- oder ISA-Dimensionierung.

Prozessdaten

• Flüssigkeit: wasserähnliche Prozessflüssigkeit
• Spezifisches Gewicht: 0,98
• Durchflusseinheiten: m³/h
• Druckabfalleinheiten: bar
• Vorläufige Gleichung: Kv = Q × √(SG / ΔP)

Was die vorläufigen Ergebnisse zeigen

Der Fall mit maximalem Durchfluss erfordert den höchsten vorläufigen Kv-Wert, da der verfügbare Druckabfall in diesem Zustand am niedrigsten ist.

Angenommen, ein Kandidatentrimm hat einen Nenn-KV von 90. Die vorläufig erforderlichen Koeffizienten stellen ungefähr Folgendes dar:

• 10,7 % des Nenn-Kv bei minimalem Durchfluss
• 39,1 % des Nenn-Kv bei normalem Durchfluss
• 79,2 % des Nenn-Kv bei maximalem Durchfluss

Diese Prozentsätze sind nicht die Ventilwegprozentsätze. Der tatsächliche Hub muss aus der Kapazitätskurve der ausgewählten Ausstattung und der Berechnung der installierten Dimensionierung ermittelt werden.

Der Dimensionierungsingenieur muss nun Folgendes bestimmen:

• Ob die gewählte Kennlinie einen stabilen Minimaldurchflussweg ermöglicht
• Ob der normale Durchfluss in einen nützlichen Betriebsbereich fällt
• Ob der maximale Durchfluss ohne inakzeptable Geschwindigkeit oder schwerwiegende Betriebsrisiken erreicht werden kann
• Ob ein Nenn-Kv von 90 angemessen ist oder ob ein reduzierter Trimm, eine andere Charakteristik oder eine andere Körpergröße vorzuziehen ist

Zusätzliche Flüssigkeitskontrollen

Vor der endgültigen Auswahl muss die Berechnung Folgendes umfassen:

• Dampfdruck und kritischer Flüssigkeitsdruck
• Ventildruck-Erholungsfaktor
• Druckabfall bei gedrosseltem Durchfluss
• Kavitations- oder Blitzbeurteilung
• Reduzierungs- und Expanderkorrektur
• Einlass- und Auslassgeschwindigkeit
• Gegebenenfalls Korrektur der Viskosität und der Reynoldszahl

Wenn Kavitation, Flashing oder ein starker Druckabfall festgestellt werden, ist eine Überprüfung verfügbar Steuerventil-Trimmoptionen zur Kavitations- und Geräuschreduzierung.

Die Dimensionierung von Dampf und Gas erfordert Berechnungen komprimierbarer Strömungen

Die einfache Flüssigkeitsgleichung sollte nicht für die Dimensionierung von Gas oder Dampf verwendet werden.

Berechnungen für kompressible Strömungen müssen Dichteänderungen berücksichtigen, wenn sich die Flüssigkeit durch das Ventil ausdehnt. Für die Berechnung sind möglicherweise auch ventilspezifische Faktoren für Druckverhältnis, Ausdehnung, Drosselfluss und angeschlossene Armaturen erforderlich.

Beispiel eines Steam-Größendatensatzes

Dieser Datensatz ermöglicht es dem Dimensionierungsingenieur, den erforderlichen Koeffizienten und den prognostizierten Weg für jeden Fall zu berechnen und gleichzeitig Folgendes zu überprüfen:

• Ob der kompressible Fluss gedrosselt wird
• Ventilaustrittsgeschwindigkeit
• Aerodynamischer Lärm
• Austrittsgeschwindigkeit trimmen
• Temperaturgrenzen für Körper und Trimmung
• Erforderlicher Aktuatorschub
• Größe des nachgeschalteten Rohrs und Anordnung des Reduzierstücks

Ein Ventil mit ausreichendem Nenn-Cv kann dennoch ungeeignet sein, wenn die Auslassgeschwindigkeit, der Lärm oder die Trimmenergie zu hoch sind.

Informationen zu geeigneten Produkten finden Sie unter Dampfregelventil. Für Kesselanwendungen ist möglicherweise auch ein dedizierter Kessel erforderlich Regelventil für Kesselspeisewasser oder Sprühwasser-Steuerventil.

Bei der Dimensionierung müssen schwierige Betriebsbedingungen berücksichtigt werden

Eine Größenberechnung sollte mehr als nur einen erforderlichen Lebenslauf liefern. Es sollte ermitteln, ob das ausgewählte Ventil einem destruktiven oder einschränkenden Verhalten der Flüssigkeit ausgesetzt ist.

Flüssigkeit verstopfter Fluss

Der Flüssigkeitsfluss wird gedrosselt, wenn die Erhöhung der Druckdifferenz nicht mehr zu der erwarteten Flusssteigerung führt. Dies kann mit einer Dampfbildung im Inneren des Ventils verbunden sein.

Ein größerer Aktuator kann einen gedrosselten Durchfluss nicht korrigieren, da die Grenzbedingung eher strömungsdynamischer als mechanischer Natur ist.

Kavitation

Kavitation tritt auf, wenn sich an der Ventilverengung Dampfblasen bilden, die nach der Druckwiederherstellung kollabieren.

Mögliche Ergebnisse sind:

• Beschnitt und Karosserienarben
• Lärm und Vibration
• Sitzschaden
• Verlust der Durchflusskapazität
• Beschädigung der nachgeschalteten Rohrleitungen

Blinkt

Flashing tritt auf, wenn Flüssigkeit durch das Ventil verdampft und stromabwärts teilweise verdampft bleibt.

Da der Dampf nicht sofort wieder in Flüssigkeit kollabiert, muss das Design die Zweiphasengeschwindigkeit, die Austrittsrichtung und die Erosion berücksichtigen, anstatt Flashing als gewöhnliche Kavitation zu behandeln.

Gas- und Dampffluss verstopft

Der komprimierbare Durchfluss kann gedrosselt werden, wenn das Druckverhältnis den Grenzzustand für das ausgewählte Ventil und die ausgewählte Innengarnitur erreicht.

Ab diesem Punkt führt eine weitere Reduzierung des Hinterdrucks nicht mehr zu der proportionalen Kapazitätssteigerung, die von einer ungedrosselten Gleichung erwartet wird.

Lärm und Geschwindigkeit

Ein Ventil kann die Cv-Anforderung erfüllen und gleichzeitig inakzeptable Werte erzeugen:

• Aerodynamischer Lärm
• Hydrodynamisches Geräusch
• Ausgangs-Machzahl
• Vibration der Rohrwand
• Vibration trimmen
• Erosionsgeschwindigkeit

Hochdruckanwendungen sollten mit einem geeigneten Prüfgerät überprüft werden Hochdruckregelventil Gehäuse- und Innengarniturkonfiguration, anstatt nur die Druckklasse eines Standardventils zu erhöhen.

Reduzierte Innengarnitur, volle Innengarnitur oder ein anderes Ventilgehäuse?

Wenn die Rohrleitungsanschlussgröße festgelegt ist, der erforderliche Cv jedoch relativ niedrig ist, kann eine reduzierte Innengarnitur die Regelbarkeit verbessern, ohne die Anschlussgröße des Ventilkörpers zu ändern.

Reduzierter Trimm kann nützlich sein, wenn

• Die Rohrleitungsgröße ist aus mechanischen oder zukünftigen Anlagengründen erforderlich
• Normaler Durchfluss erfordert einen viel niedrigeren Cv, als die Innengarnitur in voller Größe bietet
• Ein kleinerer Ventilkörper würde zu übermäßigen Reduzier- oder Auslassgeschwindigkeitsproblemen führen
• Zukünftige Kapazitäten können durch eine Änderung der Ausstattung statt durch einen Austausch des Gehäuses bewältigt werden

Ein kleinerer Ventilkörper ist möglicherweise besser

• Das Leitungsventil bleibt selbst bei reduzierter Trimmung stark überdimensioniert
• Ein kleinerer Körper sorgt für eine bessere Trimmgeometrie und eine bessere Abstimmung des Aktuators
• Die Untersetzungsgetriebe und die installierte Geschwindigkeit bleiben akzeptabel
• Gewicht, Platzbedarf und Kosten können reduziert werden, ohne dass sich das Risiko schwerer Wartungsarbeiten erhöht

Möglicherweise ist ein anderer Ventiltyp erforderlich

• Ein Kugelventil kann keine Feststoffe ohne Verstopfung durchlassen
• Ein Drehventil sorgt für eine bessere Kapazität und einen besseren Durchflussweg
• Ein Eckventil leitet den Flash- oder Erosions-Auslassstrom besser
• Für eine starke Druckreduzierung ist eine mehrstufige Trimmung erforderlich
• Durch die große Leitungsgröße ist ein kompaktes Drehventil praktischer

Überprüfen Sie die Hauptseite Leitfaden zur Auswahl von Regelventilen wenn das Dimensionierungsergebnis darauf hinweist, dass der Karosseriestil, die Ausstattung oder das Antriebskonzept überdacht werden sollten.

Die Dimensionierung des Aktuators erfolgt unabhängig von der CV-Dimensionierung

Der Cv bestimmt die Durchflusskapazität. Der Antrieb muss die erforderliche Kraft bzw. das erforderliche Drehmoment bereitstellen, um das ausgewählte Ventil zu bewegen und unter Prozessbedingungen die spezifizierte Absperrung zu erreichen.

Bei der Antriebsdimensionierung sollte Folgendes berücksichtigt werden:

• Auf den Stopfen, die Scheibe oder das Drehverschlusselement wirkende Prozesskraft
• Ungleichgewicht im Ventildruck
• Erforderliche Sitzlast für die angegebene Leckageklasse
• Packungs- und Führungsreibung
• Ventilhub bzw. Drehweg
• Mindestens verfügbare Luft-, Hydraulikdruck- oder Stromversorgung
• Fail-Open-, Fail-Close- oder Fail-in-Place-Anforderung
• Erforderliche Streichzeit

Ein Aktuator mit größerer Schubkraft erhöht nicht den maximalen Cv der ausgewählten Ventilgarnitur.

Für die vollständige Aktuatorüberprüfung verwenden Sie die Leitfaden zur Auswahl von Ventilantrieben.

Vor dem Kauf ist die Dimensionierung des Steuerventilausgangs erforderlich

Ein professionelles Dimensionierungsergebnis sollte mehr als die gewählte Ventilnenngröße liefern.

Geben Sie das Ventil nicht allein aufgrund des in einem Katalog angegebenen Nenn-Cv frei. Bestätigen Sie, dass der Größenbericht genau dem angebotenen Gehäuse, der Ausstattung, den Eigenschaften und dem angebotenen Antrieb entspricht.

Datenblatt zur Dimensionierung von Regelventilen für RFQ

Geben Sie bei der Anfrage folgende Informationen an:

Wenn einige Flüssigkeitseigenschaften nicht verfügbar sind, geben Sie den Namen des Mediums, die Zusammensetzung, den Druck und die Temperatur an, damit die fehlenden Daten vor der Angebotserstellung identifiziert werden können.

Verwandte Ressourcen zu Regelventilen

• Leitfaden zur Auswahl von Regelventilen
• Industrielle Regelventilprodukte
• Hochdruckregelventil
• Dampfregelventil
• Regelventil für Kesselspeisewasser
• Sprühwasser-Steuerventil
• Steuerventil-Trimmoptionen zur Kavitation und Geräuschreduzierung
• Leitfaden zur Auswahl von Ventilantrieben
• Leitfaden zur Druck-Temperatur-Bewertung von Ventilen

Technische Basis

• IEC 60534-2-1 – Gleichungen zur Dimensionierung der Durchflusskapazität für installierte Regelventile
• ANSI/ISA-75.01.01 – Berechnungsgleichungen für die Durchflusskapazität von Regelventilen
• Emerson – Verfahren zur Dimensionierung von Regelventilen
• ISA – Verwendung von Verstärkungsberechnungen für installierte Regelventile