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4 Min. Lesezeit

Systemdruck mit den passenden Reglern effektiv und sicher beherrschen

In sehr vielen industriellen Fluidsystemen ist die Einhaltung eines konstanten Drucks entscheidend für die Eigenschaften und die Qualität des Prozessmediums. Deshalb sind zuverlässig und präzise arbeitende Druckregler unverzichtbar. Das allein genügt aber noch nicht. Denn es kommt auch darauf an, unter welchen Prozessanforderungen die Regler ihre Aufgaben zu erfüllen haben.

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Zwei Arten von Reglern zur Druckreduzierung

Das entscheidende Merkmal von Druckreglern ist es, einen Eingangsdruck in einen definierten, konstanten Systemdruck umzuwandeln, wobei die Druckregulierung stromabwärts oder stromaufwärts wirkt. Für diese Aufgaben gibt es zwei Arten von Druckreglern:

  • Der Druckminderer reduziert den Druck am Anfang, d.h. stromabwärts direkt hinter der Quelle (z.B. aus Propangasflaschen), in den gewünschten niedrigeren Druck.
  • Der Vordruckregler wird am Ende eines druckbeaufschlagten Fluidstroms installiert. Dort sorgt er stromaufwärts dafür, dass der ankommende Druck aufrechterhalten und eventueller Überdruck abgebaut wird. Er hat somit eine Drucküberwachungsaufgabe.

Elemente der Druckreduzierung – das Funktionsprinzip

Druckregler bestehen im Wesentlichen aus drei Elementen, die interagierend den gewünschten Systemdruck erzeugen bzw. aufrechterhalten. Diese drei Elemente sind

  • das Sensorelement, je nach Bauart eine Membran oder ein Kolben
  • das zweiteilige Kontrollelement: Reglersitz und Reglerkegel
  • das Steuerungselement, je nach Bauart feder- oder dombelastet

Das Funktionsprinzip beruht darauf, dass der Kolben oder die Membran den zu regelnden Druck (stromaufwärts oder stromabwärts) aufnimmt, so dass dieser auf die entgegengesetzte Kraft des Steuerelements einwirkt. Abhängig von diesem Kräfteverhältnis hebt oder senkt das Sensorelement – Membran oder Kolben – den Reglerkegel, wodurch der Eingangsdruck auf den voreingestellten Ausgangsdruck reduziert wird.

Je nach Bauausführung des Reglers ist die Kraft des Steuerelements fest vordefiniert oder sie lässt sich vom Bediener auf den erforderlichen bzw. gewünschten Wert des Ausgangsdrucks mittels Drehgriff oder elektrischem Antrieb (ferngesteuert) einstellen.

Physikalisch gesehen bedeutet Druck = Kraft pro Fläche. Bei Druckreglern bzw. Druckminderern wird die "überschüssige" Kraft des höheren Eingangsdrucks dazu genutzt, um die gegenwirkende Kraft des voreingestellten Sensorelements so weit zu neutralisieren, dass ein Kräftegleichgewicht im Druckregler entsteht. Dieses Kräftegleichgewicht kann vom Steuerelement nach oben oder unten reguliert werden, je nachdem wie stark der Druck reduziert werden soll.

Dies veranschaulichen die beiden Grafiken:

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Beim Druckminderer (obere Abbildung) werden vier Kräfte in Einklang gebracht, indem auf die Belastungskraft F1 die Summe aus Federkraft am Eingang F2, Druckkraft am Ausgang F3 und Druckkraft am Eingang F4 einwirken.

Beim Vordruckregler (untere Abbildung) sind nur drei Kräfte im Einsatz: Hier wirkt auf die Belastungskraft F1 die Summe aus Druckkraft am Eingang F2 und Druckkraft am Ausgang F3 so lange ein bis ein Kräftegleichgewicht erzielt ist.

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Was bedeutet federbelastet, dombelastet, elektrisch gesteuert?

Die Einstellkraft, um eine bestimmte Druckreduzierung zu erreichen, wird über das Steuerungselement auf das Sensorelement (Membran oder Kolben) ausgeübt.

Bei einem federbelasteten Regler erzeugt eine Spiralfeder die eigentliche Kraft, indem der Drehgriff betätigt wird. Dabei wird die Spiralfeder zusammengepresst (höhere Druckminderung) oder entspannt (geringere Druckminderung).

Ist der Regler dombelastet, wird die Einstellkraft durch ein Gaspolster erzielt, das in eine Domkammer eingeleitet wird. Dieser Regelmechanismus in Verbindung mit einem zweiten Regler, dem so genannten Pilotregler wirkt wie eine Feder. Das System ist zwar aufwändiger, erlaubt jedoch vor allem bei niedrigen Drücken eine weitaus feinere Einstellung.

Die elektrische Steuerung von Druckreglern basiert auf Ventilstellantrieben und wird von Swagelok angeboten als

  •  federbelasteter Regler mit Schrittmotorsteuerung
  • Domdruckregler mit Proportionalventilsteuerung
  • Domdruckregler über Pilotventil mit Schrittmotorsteuerung

Eine Frage der Steuerkraft: Kolben- oder Membransteuerung

Je nach der Höhe des Steuerdrucks, der zur Druckreduzierung benötigt wird, kommen unterschiedliche Steuerelemente zum Einsatz:

Die Kolbensteuerung wird verwendet, wenn mithilfe einer Spiralfeder ein sehr hoher Steuerdruck ausgeübt werden soll, um eine Druckreduzierung zu erzielen. Diese Art der Steuerung ist robust und widerstandsfähig gegen Druckstöße.

Da bei einer Membransteuerung das Sensorelement ein dünnes Plättchen aus Metall oder Kunststoff ist, kommt diese Steuerungsart bei geringerem feder- oder dombelasteten Steuerdruck zum Einsatz.

Die wichtigsten Eigenschaften für die Wahl des richtigen Reglers

Das Produktprogramm der Swagelok Druckregler ist naturgemäß sehr umfangreich, da die Spezifikationen der Regler auf unterschiedliche Anwendungen abgestimmt sind. Das Verständnis von Aufbau, Funktion und Unterscheidungsmerkmalen von Druckreglern erleichtert jedoch die Wahl des passenden Modells für den vorgesehenen Einsatz.

Im Folgenden einige Erläuterungen zu den wichtigsten Kriterien, die bei der Wahlentscheidung beachtet werden sollten:

  • Die Durchflussrate gibt die Kapazität des Druckreglers an. Je höher die Durchflussrate, desto größer ist im Allgemeinen der Regler. Sie ist daher mitbestimmend bei der Wahl des richtigen Reglers. Im Umkehrschluss bedeutet es, dass kleinere Regler eher für kleinere Durchflussraten geeignet sind. Für die Druckregulierung spielt auch die Größe der Sensorelemente (Kolben oder Membran) eine Rolle. Größere Elemente auch bei geringerem Systemdruck bieten eine feinfühligere Druckregulierung.
  • System-, Mindest- und Maximaldruck sind drei Werte in der Liste der technischen Spezifikationen, die besonders zu beachten sind. Nur die Übereinstimmung dieser Werte mit denen der voraussichtlichen Anforderungen garantieren eine ordnungsgemäße Funktion des Reglers.
  • Die Systemtemperatur ist insofern von Bedeutung, als extrem hohe oder tiefe Temperaturen der Fluide und der Umgebung zu Funktionsstörungen des Druckreglers führen können, wenn diese nicht darauf ausgelegt sind. In diesem Zusammenhang ist der Joule-Thomson-Effekt ein nicht seltenes Phänomen. Dieser tritt auf, wenn bestimmte Gase entspannt werden (isenthalpe Druckminderung) und dadurch ihre Temperatur sinkt (z.B. Luft, Sauerstoff, Stickstoff) oder steigt (z.B. Wasserstoff, Helium, Neon). Bei temperatursensiblen Prozessen ist dieser Effekt zu beachten. Eine starke und rasche isenthalpe Druckminderung kann Vereisungen auch am Druckregler verursachen.
  • Als Kompatibilität zum Prozessmedium wird die Eigenschaft eines Werkstoffs bezeichnet, der sich neutral bzw. resistent gegenüber dem durchfließenden oder umspülenden Prozessmedium verhält. Sowohl der Druckregler-Körper als auch das verarbeitete Dichtungsmaterial (z.B. Gummi, Elastomer) müssen daher auf das Medium abgestimmt sein. Denn von dieser Kompatibilität hängen ganz entscheidend zuverlässige Funktion und Lebensdauer des Reglers ab.

Was noch beachtet werden sollte

Um den richtigen Regler auszuwählen, ist es wichtig, die technischen Spezifikationen des gesamten Fluidsystems zu kennen und mit denen des Druckreglers abzustimmen. Daher gibt es eine große Anzahl an Kriterien, die berücksichtigt werden sollten:

  • Welche Prozessmedien werden im System verarbeitet im Hinblick auf die Beständigkeit des Druckreglers (Körperwerkstoff, Dichtungsmaterial)?
  • Enthalten die Medien Feststoffpartikel? Empfohlen: Einbau von Filtern.
  • Geht es bei der Wahl des Druckreglers um Druckreduzierung oder um Drucküberwachung?
  • Soll der Druckregler auf Federbelastung oder Dombelastung ausgelegt sein?
  • Welche Art von Anschlüssen werden benötigt (z.B. Verschraubung, Verschweißung)
  • Höhe des maximalen Eingangsdrucks
  • Gewünschter/erforderlicher Ausgangsdruck
  • Höhe/Bereich der Systemtemperatur (relevant für das Material der O-Ringe, der Membrane und des Sitzes)
  • Durchflussraten bzw. Volumenströme
  • Welche Druckmesseinrichtungen sind gewünscht (Manometer oder Drucksensoren)?
  • Position des separaten Absperrventils (bei Ein- oder Ausgang)
  • Ist eine Absicherung der Ausgangsseite durch ein Überströmventil gewünscht (empfohlen)?
  • Einbaulage des Druckreglers (empfohlen horizontal)
  • Selbstentlüftung (empfohlen)

Fachwissen und Erfahrung vereint: im Swagelok Vertriebs- und Servicezentrum

Mit einem soliden Grundwissen über die unterschiedlichen Arten von Druckreglern und ihre Funktionsweisen können Sie als Verantwortlicher für die Komponentenbeschaffung grundlegende Entscheidungen zur Auswahl des infrage kommenden Reglers treffen. Ergänzt werden die Informationen durch die Beratung eines Swagelok Experten, der im Anschluss eine gezielte Empfehlung zum genau richtigen Druckregler abgibt.

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