2. Strömungszustände bei Stellventilen

2. Strömungszustände bei Stellventilen

2.1. Druck- und Geschwindigkeitsverlauf im Stellventil (Drosselvorgang)

Der Drosselvorgang im Ventil ist grundsätzlich mit der Umwandlung von Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie vom Eingang bis zur Drosselstelle verbunden, die zwischen dem Ventilkegel und dem Ventilsitzbereich liegt und meist als vena contracta vc bezeichnet wird.

Hinter der Drosselstelle entstehen durch den sich aufweitenden Strahl und dessen hohe Austrittsgeschwindigkeit Ablösungen mit Verwirbelungen in den Toträumen. Diese Wirbelbildung ist mit irreversiblen Reibungsverlusten verbunden, so daß der Ausgangsdruck kleiner als der Eingangsdruck ist - d.h. ein Druckverlust entsteht . Die Geschwindigkeitsenergie bei inkompressiblen Medien wie z.B. Wasser (Flüssigkeiten) erreicht nahezu den Wert am Eingang. Bei Gas- und Dampfströmungen ist die Geschwindikeit aufgrund der Dichtereduzierung wesentlich höher als am Eingang.

Dieser Geschwindigkeits- und Druckverlauf im Ventil führt nun zu einigen Phänomenen, die das Durchflußverhalten und die Schallentwicklung maßgeblich beeinflussen.

2.2 Turbulente Strömung

Aufgrund der Verwirbelungen hinter der Drosselstelle entstehen Turbulenzen und somit chaotische zeitlich veränderliche Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen, die zu Schallwellen im fließenden Durchflußmedium und somit zur Schallemission führen.

Turbulenzen sind bei Ventilströmungen grundsätzlich fast immer vorhanden, außer bei Mikrostellventilen mit sehr kleinen -Werten unter 0.001 m3/h, wo die Strömung durchaus laminaren Charakter haben kann.

Bei gas- und dampfförmigen Durchflußmedien ist Turbulenz die Hauptursache für die Schallentwicklung, weil die Geschwindigkeit in der Drosselstelle Schallgeschwindigkeit erreichen kann (Hubstellventile ca. bei = 2 unabhängig von ). Für Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit ungefähr 340 m/s.

2.3 überkritische Strömung bei gas- und dampfförmigen Medien

Wie unter 2.2 angedeutet kann die Strahlgeschwindigkeit im Kegel-Sitzbereich Schallgeschwindigkeit (meist mit c bzw. hier bezeichnet ) erreichen, wenn das Druckverhältnis (Hubstellventile) erreicht. Bei Klappen kann aufgrund des höheren Druckrückgewinnes dieses kritische Druckverhältnis auch schon bei 1.4 liegen.

Bei konstantem Eingangsdruck bewirkt die Druckabsenkung von keine weitere Steigerung der mittleren Strahlgeschwindigkeit über die Schallgeschwindigkeit hinaus, so daß es bei unverändertem Drosselquerschnitt zu keiner weiteren Massenstromerhöhung und somit zur sogenannten Durchflußbegrenzung (s. Durchflußkapazität) kommt.

Auf jeden Fall kann aber hier die Strömung hinter der Drosselstelle in Teilzonen Überschallgeschwindigkeiten erreichen, sodaß es zu Verdichtungsstoßbildungen kommt, wie sie in Überschallwindkanälen bekannt sind. Verdichtungsstöße sind scharfe Trennflächen in der Strömung mit nahezu unstetigem Übergang von Überschall in Unterschall bei senkrecht zur Hauptströmungsrichtung liegenden Verdichtungsstößen. Dies hat zur Folge, daß andererseits auch der Druck pötzlich zunimmt (in der Regel im Bereich des -Druck-Niveaus).

Diese Verdichtungsstoßmuster erhöhen nicht nur das Geräuschniveau im Zusammenwirken mit den Turbulenzen des Strahles, sie können auch stehende Wellen mit unangenehmen Einzeltonüberlagerung bilden. Abhilfe kann hier z.B. durch Verwendung sogenannter Strömungsteiler als nachrüstbare Standardelemente in Hubstellventilen erreicht werden.

2.4. Kavitation und Flashing bei Flüssigkeiten

Ähnlich wie bei Gasen und Dämpfen kommt bei Flüssigkeiten aufgrund des Druckverlaufes im Ventil zur Turbulenz noch ein weiteres Phänomen hinzu, nämlich die sogenannte Kavitation.

Das Druckminimum im Druckverlauf kann in der Umgebung bzw. im Randbereich des aus der Drosselstelle kommenden Strahles bzw. bei heftiger Kavitation auch im Strahlkern den temperaturabhängigen Dampfdruck erreichen, wenn die Druckdifferenz bzw. die Geschwindigkeit ausreichend groß genug sind.

Dies führt mit kleiner werdender Druckdifferenz zu mehr und größeren Dampfblasen.

Andererseits ist bei nicht vorhandener Ausdampfung hinter dem Ventil (Flashing) der Druck größer als der Dampfdruck, so daß es bald nach der Blasenbildung wieder zum Blasenzerfall in Form einer Implosion kommt. Die Implosionsstärke nimmt bei gleicher Blasenanzahl und -größe mit zunehmenden zu.

Man erkennt hier 2 gegenläufige Effekte der Differenz , weil zum einen die Blasenbildungsrate mit fallendem zunimmt, zum anderen aber die treibende Implosionsenergie abnimmt. Somit steigt die Kavitationsintensität nach beginnender Kavitation (-Wert, Schallemission) zunächst plötzlich an, erreicht ein Maximum (-Wert, Durchflußbegrenzung) und fällt dann wieder ab (, Flashing).

Hohe Kavitationsintensitäten führen zu hohen Schallpegeln und unter Umständen auch zur Werkstoffzerstörung an Ventilkegel und/oder Sitz oder auch am Ventilgehäuse.

Wird der Dampfdruck im Strahlkern erreicht, kommt es zu einem Verstopfungseffekt aufgrund größerer Dampfblasenräume. Somit kann es auch bei Flüssigkeiten zur Durchflußbegrenzung kommen.

In der Regel kommt es zur Werkstoffzerstörung erst, wenn die Druckdifferenz nahezu die maximale Druckdifferenz (Durchflußbegrenzung) erreicht. Ein Maß hierfür ist der sogenannte -Wert, der bei Hubstellventilen im Bereich 0.73 bis 0.82 liegt.

Allerdings müssen hier bei nicht korrosiv wirkenden Medien aber Druckdifferenzen p1-p2 > 25 bar (einstufiges Ventil im Dauerbetrieb) wirken, weil die Kavitationsintensität auch maßgeblich von der Geschwindigkeit uvc im Drosselbereich abhängt. Je höher diese Geschwindigkeit im Zusammenhang mit starker Dampfblasenbildung, desto höher auch die treibende Blasenimplosionsenergie, wenn der Dampf mitführende Strahl auf Kegeldichtkanten oder Ventilgehäuse trifft. Denn die Blasenimplosionsenergie ergibt sich dann annähernd aus dem Staudruck

und dem Dampfdruck .

Das Phänomen Kavitation ist ein sehr kompliziertes Gebiet, weil z.B. auch nur mit hohem Aufwand erfaßbare Parameter wie Gasgehalt, Oberflächenspannung (Blasenhaut) etc. eine Rolle spielen, welche bei industriellen und verfahrenstechnischen Anlagen natürlich nicht berücksichtigt werden können.

Der Kavitationszustand geht in den sogenannten Flashing-Zustand über, wenn der Druck hinter dem Ventil kleiner als der Dampfdruck wird. Es kommt zur bleibenden Ausdampfung und zu einem abströmenden Gemisch hinter der Drosselstelle, welches aus Flüssigkeit und Dampf besteht. Verbunden ist hiermit eine plötzliche Zunahme der mittleren Geschwindigkeiten im Ventilgehäuse und in der Rohrleitung aufgrund der Dichteabnahme gegenüber dem Eingang des Ventils.

In der Regel hat man hier keine Probleme mit der Schallentwicklung und der Bauteilzerstörung. Es ist aber die Ventilnennweite so zu wählen, daß die mittlere Geschwindigkeit im Ventilaustritt und in der Rohrleitung ca. 60 m/s nicht überschreitet (s. Auslegung Ventilnennweite).

2.5. Abströmgeschwindigkeit in der Rohrleitung

Der vorherige Absschnitt weist auf die notwendige Begrenzung der mittleren Geschwindigkeit im Ventilaustritt beim Zustand Flashing hin. Grundsätzlich ist die Geschwindigkeit zu begrenzen, wobei absolute Grenzen eingehalten werden sollten (s. Auslegung Ventilnennweite).

Ein solcher Grenzwert bei Gas- und Dampfströmungen ist die maximale Ventilaustrittsmachzahl 0.3, d.h. das Verhältnis aus mittlerer Strömungsgeschwindigkeit und Schallgeschwindigkeit.

Beispiel für Luft: Schallgeschwindigkeit ca. 340 m/s, somit zulässige mittlere Austrittsgeschwindigkeit 102 m/s.

Insbesondere bei Rohrerweiterungen hinter dem Ventil () ist zu beachten, daß der Druck im Ventilaustritt aufgrund der Energieumwandlung kleiner als der Druck in der größeren Rohrleitung ist, so daß die Machzahl höher ausfällt als der Wert, der sich unter Annahme eines konstanten -Druckes ergibt. Diese Effekte sind in diesem Ventilauslegungsprogramm berücksichtigt.

Die oft verwendete Annahme, daß die Restentspannung in solchen Systemen in der Rohrleitung abläuft und der Druck am Ventilausgang () dem Druck in der vena contracta (bei Hubstellventilen ) gleich ist, ist schlicht falsch.

Vielmehr kann es in der diffusorartigen Erweiterung durchaus zu Überschall und zu erheblich niedrigeren Drücken als in der großen Rohrleitung kommen. Dies basiert auf Machzahlen im Ventilaustritt von ca. 1 und Verdichtungsstößen im Diffusor. Diese Verdichtungsstoßmuster breiten sich sozusagen von der Drosselstelle ausgehend dorthin aus.

Diese Vorgänge im Diffusor stellen somit quasi ein 2. Ablösungsgebiet mit Strahlbildung und damit eine überlagerte Schallquelle dar, die insbesondere bei schallmindernden Maßnahmen im Stellventil (z.B. Strömungsteiler) zu berücksichtigen sind (Schallemission bei Gas- und Dampfströmungen).

2.6. 2-phasige Strömung am Ventileingang

Ein besonderes Phänomen tritt auf, wenn der Eingangsdruck nahezu dem Dampfdruck des Mediums entspricht, so daß schon am Eingang des Ventils ein Zweiphasengemisch (Dampf/Flüssigkeit) strömt. Es gibt aber auch Gas/Flüssig-keitsgemische. Für diese Grenzzustände stehen zur Zeit keine genormten Berechnungsverfahren für die Durchflußkapazität und die Schallemission zur Verfügung, so daß oft Verfahren aus der Literatur verwendet werden (z.B. Additionsmodell für -Wert-Bestimmung), welche außerhalb ihres Validitätsbereiches erhebliche Abweichungen von der Realität haben können.