Man muss nur ein paar Faktoren kennen 1

Durchflussberechnung zur schnellen Ventilauswahl

Die Ventilgröße wird in vielen Fällen über die Nennweite der Endanschlüsse bestimmt, wobei die Durchflussrate des Ventils die weitaus bessere Kenngröße für die Auswahl ist. Der Durchflusswert eines Ventils ist sehr einfach zu bestimmen. Kenntnisse über die Berechnung von Durchflussmengen, die Anwendung von einfachen Formeln und die Berücksichtigung von spezifischer Gravität und Temperatur reichen aus. Autoren: John Baxter und Ulrich Koch

Die Grundlagen für die Berechnung von Durchflusswerten lassen sich einfach anhand eines Blendendurchflussmessers erläutern. Es müssen in diesem Fall lediglich Größe und Form der Blende, die Nennweite des Rohres, sowie die Dichte des Mediums bekannt sein. Mit diesen Werten lässt sich der Durchfluss für jeden Differenzdruck (Differenzdruck zwischen Eingangsdruck vor und Ausgangsdruck nach der Blende) bestimmen. Zur Berechnung eines Ventils müssen auch die Druckdifferenz und die Dichte des Mediums bekannt sein. Zusätzlich zur Rohr-Nennweite und Blendengröße müssen auch alle Änderungen der Strömungsquerschnitte und -richtungen im Ventil berücksichtigt werden.

Der Ventildurchflusskoeffizient fasst dabei alle Einflüsse von Durchflussänderungen im Ventil in einer Konstanten zusammen. Zur Bestimmung des Durchflusskoeffizienten setzen Ventilhersteller ein von der Instrument Society of America entwickeltes und jetzt allgemein verwendetes Standard-Prüfverfahren für Regelventile ein, bei dem Wasser mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten durch das Ventil geleitet wird. Das zu prüfende Ventil wird dabei in ein gerades Rohleitungssystem mit gleicher Nennweite eingebaut, sodass die Einflüsse von Flanschen und Querschnittsänderungen im Rohleitungssystem ausgeschlossen sind.

Gasdurchflussmengen bei niedrigem und hohem Druckabfall: Mit Hilfe des Blendendurchflussmessers kann das unterschiedliche Gasdurchflussmengen-Verhalten bei niedrigem und hohem Druckabfall aufgezeigt werden. Bei Gasdurchflussmengen mit geringem Druckabfall – der Ausgansdruck (p2) ist größer als der halbe Wert vom Eingangsdruck (p1) – begrenzt der Ausgangsdruck den Durchfluss durch die Blende. Sinkt der Ausgangsdruck, so steigen Durchflussrate und Strömungsgeschwindigkeit des Gases am Blendenausgang an.  

Fällt der Ausgangsdruck auf die Hälfte des Eingangsdrucks, dann strömt das Gas mit Schallgeschwindigkeit aus der Blende. Dieser maximale Wert kann nicht überschritten werden, und die maximale Durchflussrate ist damit erreicht.  Diese maximale Durchflussrate wird auch als choked flow oder kritische Durchflussrate bezeichnet. Eine weitere Verringerung des Ausgangsdruckes steigert die Durchflussrate nicht mehr, selbst wenn der Ausgangsdruck auf Null sinkt. Die Durchflussrate bei großem Druckabfall wird nur vom Eingangsdruck beeinflusst und nicht vom Ausgangsdruck.

Durchflussberechnung von Flüssigkeiten und Gasen: Weil Flüssigkeiten inkompressibel sind, hängt ihre Durchflussrate nur von der Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausgangsdruck ab (Δp, Druckverlust). Die Durchflussmenge ist die gleiche, unabhängig davon, ob der Systemdruck niedrig oder hoch ist, solange die Differenzdruck zwischen Eingangs- und Ausgangsdruck gleich ist. Die Berechnungen von Gasdurchflussmengen sind etwas komplexer, weil Gase kompressible Medien sind, deren Dichte sich mit dem Druck ändert.

Darüber hinaus sind zwei Kriterien zu unterscheiden – das Verhalten bei geringem und bei hohem Druckabfall. Bei geringem Druckabfall, also wenn der Ausgangsdruck (p2) größer ist als die Hälfte des Eingangsdrucks (p1), ist eine Berechnung mittels einer Formel eher schwierig. Es gibt aber Diagramme, die die Durchflusswerte von Luft bei geringem Druckabfall für ein Ventil mit einem Cv-Wert von 1,0 in Abhängigkeit vom Eingangsdruck (p1) für unterschiedliche Differenzdruckwerte (Δp) zeigen.

Ist der Ausgangsdruck (p2) hingegen niedriger als der halbe Wert vom Eingangsdruck (p1) – das heißt hoher Druckabfall – führt ein weiteres Absinken des Ausgangsdrucks nicht mehr zu einer Steigerung der Durchflussrate, weil dann die Gasströmungsgeschwindigkeit am Austritt der Blende Schallgeschwindigkeit erreicht hat. Dieser Grenzbereich kann nicht überschritten werden. Die Durchflusswerte bei hohem Druckabfall sind einfacher zu errechnen, da sie nur von Eingangsdruck, Temperatur, Ventil-Durchflusskoeffizienten und Gas-Dichte abhängen.

Die spezifische Gravität und deren Einfluss auf die Durchflussrate: Die Gleichung zur Berechnung der Durchflussrate beinhaltet die Variablen der spezifischen Gravität für Flüssigkeiten (Gf) und Gase (Gg). Der Faktor entspricht dem Verhältnis der Dichte der Flüssigkeit zur Dichte von Wasser und für Gase aus der Dichte vom Gas zur Dichte von Luft. Bei den meisten Flüssigkeiten liegt der Einfluss der spezifischen Gravität auf die Durchflussrate bei weniger als 10 Prozent. Außerdem sind die meisten Flüssigkeiten mit hoher Dichte, wie konzentrierte Säuren und Basen, meist in Wasser gelöst, sodass die spezifische Gravität der Mischung deutlich näher an der von Wasser als an der der reinen Flüssigkeit liegt.

Bei den meisten Gasen liegt der Einfluss der spezifischen Gravität auf die Durchflussrate bei weniger als 10 Prozent gegenüber der von Luft. Außerdem sind – wie auch bei Flüssigkeiten – die meisten Gase mit außergewöhnlich hoher oder niedriger Dichte oft mit einem Trägergas wie Stickstoff gemischt, sodass die spezifische Gravität der Mischung nahe bei der von Luft liegt. Weil in den Diagrammen der Einfluss der spezifischen Gravität Dichte nicht berücksichtigt ist, muss ein Korrekturfaktor eingeführt werden, der die Wurzel aus G enthält.

Die Verwendung der Wurzelfunktion verringert den Effekt und sorgt dafür, dass der Wert deutlich näher bei dem Wert 1,0 liegt, der Wasser beziehungsweise Luft zugeordnet ist. So ist zum Beispiel die spezifische Gravität von Schwefelsäure um 80 Prozent höher als die von Wasser, die Durchflussrate ändert sich jedoch nur um 34 Prozent. Die spezifische Gravität von Ether ist um 26 Prozent geringer als die von Wasser, die Durchflussrate ändert sich jedoch nur um 14 Prozent. Ähnlich ist der Einfluss der spezifischen Gravität bei Gasen.

So ist zum Beispiel die spezifische Gravität von Wasserstoff um 93 Prozent geringer als die von Luft, die Durchflussrate ändert sich aber nur um 74 Prozent. Die spezifische Gravität von Kohlendioxid ist um 53 Prozent höher als die von Luft, die Durchflussrate ändert sich jedoch nur um 24 Prozent. Nur bei Gasen mit sehr geringer oder sehr hoher spezifischer Gravität ändern sich die Durchflussraten um mehr als 10 Prozent gegenüber Luft.

Die Temperatur und ihr Einfluss auf die Durchflussrate: In der Berechnung der Durchflussrate von Flüssigkeiten kann die Temperatur vernachlässigt werden, da ihr Einfluss die Werte nur gering verändert. Einen größeren Effekt hat die Temperatur bei der Berechnung von Gasdurchflussmengen, da sich Gase bei höheren Temperaturen ausdehnen und bei niedrigeren Temperaturen zusammenziehen. Wie auch bei der spezifischen Gravität beeinflusst die Temperatur die Durchflussrate nur um den WurzelFaktor.

Für Systeme, deren Betriebstemperatur zwischen -40°C und +100°C liegt, beträgt der Korrekturfaktor lediglich +12 bis -11 Prozent. Viele Industrieanwendungen können mit Diagrammen ausgelegt werden und umfassen den Produktbereich von kleineren Dosierventilen bis zu großen Kugelventilen in Druckbereichen von bis 1000 bar. Die auf Wasser bezogenen Berechnungsformeln und Diagramme gelten nur für allgemeine Flüssigkeiten, nicht bei Flüssigkeiten, die verdampfen oder hochviskos sind und bei dickflüssigen Emulsionen aus Feststoffen und Flüssigkeiten.

Die Berechnungsformel und Diagramme für Gase entsprechen annähernd der Zustandsgleichung für ideale Gase, in dem sich Druck, Temperatur und Volumen proportional verhalten. Gase und Dämpfe, die von Druck und von der Temperatur nahe an der Verflüssigungsphase liegen (Kryo- Stickstoff und Sauerstoff), können nicht mit der Berechnungsformel für Gase bestimmt werden. Alle Werte in den Durchflussdiagrammen beziehen sich auf den Überdruck im System. In den Formeln hingegen wird mit dem Absolutdruck gerechnet, das heißt Überdruck plus 1 bar. Alle Durchflussdiagramme basieren auf den Berechnungsformeln nach ANSI/ISA S75.01, Flow Equations for Sizing Control Valves.

www.swagelok.com