Prinzip und Anwendung von Druckreglern
Die Druckregler verwenden eine spezielle Strömungskanalstruktur (wie in Abbildung 1 dargestellt). Wenn das Hochdruckmedium durch die Düse vom Einlass strömt, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und der Druck sinkt, wodurch der Zweck der Druckregelung erreicht wird. Darüber hinaus können die Druckregler, die durch den Einlassdruck und den Ausgangsdruck erzeugte Mediumslast durch die Einstellung der Federkraft ausgleichen, um so den Ausgangsdruck zu steuern und aufrechtzuerhalten. Das Kraftgleichgewicht der Druckregler erfüllt die Gleichung (1).
Flast-Element = Fmess-Element + Fregel-Element Formel (1)
Wobei:
Flast-Element = Last der Bereichfeder
Fsensorelement = Ausgangsdruck × wirksame Fläche der Membran
Fregel-Element = Eingangsdruck × wirksame Fläche des Ventilsitzes + Last der Ventilfeder
Abbildung 1: Strukturdiagramm von Druckreglern
Der Hauptzweck von Druckreglern besteht darin, den upstream-Eingangsdruck auf den eingestellten Ausgangsdruckwert zu reduzieren und diesen konstant zu halten, um die spezifischen Systemdruckanforderungen zu erfüllen. Druckregler werden häufig in Bereichen wie Spezialgase, Hochreinheitsanwendungen und ähnlichen Einsatzfeldern verwendet.
Zusammensetzung und Funktion eines Durchflussdiagramms
Das Durchflussdiagramm (in Abbildung 2 dargestellt) beschreibt die Beziehung zwischen der Durchflussrate (horizontale Achse) und dem Ausgangsdruck (vertikale Achse) der Druckregler bei einem gegebenen Eingangsdruck. Aus diesem Diagramm lässt sich der Reaktionszustand der Druckregler erkennen, wenn sich die Durchflussrate im System ändert. Es zeigt den Bereich der Systemdrücke, den ein Druckregler bei bestimmten Durchflussraten aufrechterhalten kann.
Abbildung 2: Durchflussdiagramm von Druckreglern
Aus dem Durchflussdiagramm lässt sich erkennen, ob die ausgewählten Druckregler die Anforderungen der tatsächlichen Systemarbeitsbedingungen (Druck, Durchflussrate usw.) erfüllen. Dies trägt zur schnellen Auswahl der passenden Artikelnummer bei.
Wie verwendet man einen Durchflussdiagramm?
Analyse eines Durchflussdiagramms
Ventilhersteller stellen üblicherweise mehrere Durchflusskurven für dieselbe Serie von Druckreglern bei unterschiedlichen Eingangsdrucken und gleichem Ausgangsdruck zur Verfügung, um den Arbeitsbereich des Reglers darzustellen. Wie in Abbildung 2 gezeigt, stellt die horizontale Achse die Durchflussrate dar, die vertikale Achse den Ausgangsdruck, und der Eingangsdruck wird durch Kurven in verschiedenen Farben dargestellt, z. B. 3000 psig (206,8 bar), 2000 psig (137,9 bar) und 1000 psig (68,9 bar). Wenn die Durchflussrate 0 beträgt, zeigt der Ausgangsdruck auf der vertikalen Achse den eingestellten Ausgangsdruck.
Die Durchflusskurve zeigt einen sogenannten „Droop“-Verlauf, das heißt: Unter bestimmten Bedingungen von Eingangsdruck und eingestelltem Ausgangsdruck sinkt der Ausgangsdruck allmählich, wenn die Durchflussrate zunimmt. Aufgrund der Begrenzung durch die interne Struktur und die Bauteile können Druckregler keine perfekte horizontale Durchflusskurve in einem bestimmten Regelzustand liefern. Daher nimmt der Ausgangsdruck bei steigendem Durchfluss bis zu einem gewissen Grad ab.
Bei der Anwendung von Druckreglern wird üblicherweise gefordert, dass der Ausgangsdruck auch bei stark wechselndem Systemdurchfluss möglichst konstant bleibt. Deshalb gilt: Je geringer der Droop der Durchflusskurve, desto besser ist die Leistung des Druckreglers.
Wie man ein Durchflussdiagramm verwendet
Für einen bestimmten Typ von Druckregler suche zunächst das entsprechende Durchflussdiagramm und wähle die passende Kurve gemäß dem tatsächlichen Eingangsdruck und dem eingestellten Ausgangsdruckwert aus. Anschließend finde anhand der Skala der horizontalen Achse (Durchflussrate) den entsprechenden Punkt auf der Kurve und entnimm den tatsächlichen Ausgangsdruck dieses Punktes der vertikalen Achse. Falls im Durchflussdiagramm des Druckreglers keine Kurve für die erforderlichen Druckbedingungen vorhanden ist, kann eine neue Kurve zwischen zwei benachbarten vorhandenen Kurven abgeleitet werden.
Darüber hinaus basiert das vom Hersteller bereitgestellte Durchflussdiagramm auf Testbedingungen, bei denen das Prüfmedium Stickstoff und die Prüftemperatur 70℉ (20°C) beträgt. Wenn im tatsächlichen System ein anderes Medium und eine andere Betriebstemperatur verwendet werden, muss die Skala der Durchflussrate auf der horizontalen Achse des Durchflussdiagramms gemäß Formel (2) angepasst werden, wobei der Verlauf der Kurve unverändert bleibt.
Q2 = Q1 × FG × FTFormel (2)
In der Formel ist Q1 die ursprüngliche Durchflussratenskala, Q2 die angepasste Durchflussratenskala, FG der Schwerkraft-Korrekturfaktor und FT der Temperatur-Korrekturfaktor. Die Werte für FG und FT können in Tabelle 1 bzw. Tabelle 2 nachgeschlagen werden.
Tabelle 1
Tabelle 2
FITOK Druckregler
Regler, die für Hochreinheits- (HP) und Ultrahochreinheits- (UHP) Anwendungen geeignet sind: RTCC Serie Miniatur-Tied-Membran-Druckregler, RTGC Serie Allgemeine Tied-Membran-Druckregler, RDCC Serie Miniatur-Membran-Druckregler und RDGC Serie Allgemeine Membran-Druckregler usw. Regler, die für Spezialgasanwendungen geeignet sind: RDGC Serie Allgemeine Membran-Druckregler, RDDC Serie Zweistufige Membran-Druckregler, RDSC Serie Hochsensible Membran-Druckregler und RPGX Serie Hochdruck-Kolben-Druckregler usw. Umschaltsysteme, die für eine unterbrechungsfreie Gasversorgung geeignet sind: FDR-1 Serie Manuelle Umschaltsysteme, FDR-2 Serie Manuelle Umschaltsysteme, CEPR Serie Automatische Umschaltsysteme und DPPR Serie Automatische Umschaltsysteme usw.
Abbildung 3: FITOK Druckregler
Auswahlbeispiele
Zum Beispiel ist das Durchflussdiagramm für die FITOK RDSC Serie Hochsensible Membran-Druckregler in Abbildung 4 dargestellt. Der Kunde möchte den Ausgangsdruck bestimmen, wenn der Eingangsdruck 3000 psig (206,8 bar), der eingestellte Ausgangsdruck 90 psig (6,2 bar), die Betriebstemperatur 100°F (37°C) und die Durchflussrate des Systemmediums (CO2) 10 SCFM (283 SLPM) beträgt.
Abbildung 4: Durchflussdiagramm der Druckregler der RDSC-Serie
Da der vom Kunden geforderte Medientyp und die Betriebstemperatur nicht mit dem Testmedium und der Prüftemperatur des vom Hersteller bereitgestellten Durchflussdiagramms übereinstimmen, muss die Skala der Durchflussrate gemäß dem Schwerkraft-Korrekturfaktor (FG) und dem Temperatur-Korrekturfaktor (FT) angepasst werden. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, beträgt der entsprechende Schwerkraft-Korrekturfaktor FG für Kohlendioxid 0,80. Aus Tabelle 2 geht hervor, dass der entsprechende Temperatur-Korrekturfaktor FT bei einer Temperatur von 100°F (37°C) 0,97 beträgt. Setze die ursprüngliche Durchflussratenskala (also den Wert auf der horizontalen Achse) aus Abbildung 4 sowie FG und FT in die Formel (2) ein, um die angepasste Durchflussratenskala zu berechnen (Beispiel: 3,9 = 5 × 0,8 × 0,97). Ersetze die horizontale Achse in Abbildung 4 durch die angepasste Durchflussratenskala, während die vertikale Achse und die Durchflusskurve unverändert bleiben, um ein neues Durchflussdiagramm wie in Abbildung 5 zu erhalten.
Abbildung 5: Durchflussdiagramm der Druckregler nach Anpassung
Wie in Abbildung 5 zu sehen ist, ist die Durchflusskurve für den vom Kunden gewünschten Eingangsdruck von 3000 psig (206,8 bar) und den eingestellten Ausgangsdruck von 90 psig (6,2 bar) nicht dargestellt. Wir können durch Interpolation und Analogiebildung anhand der beiden Durchflusskurven für einen Eingangsdruck von 3000 psig (206,8 bar) und eingestellten Ausgangsdrucken von 75 psig (5,2 bar) und 100 psig (6,9 bar) eine Durchflusskurve für den Eingangsdruck von 3000 psig (206,8 bar) und den eingestellten Ausgangsdruck von 90 psig (6,2 bar) ableiten, wie sie in der roten Kurve in Abbildung 6 dargestellt ist.
Abbildung 6: Durchflussdiagramm nach Interpolation und Analogiebildung
Aus der in Abbildung 6 dargestellten Durchflusskurve (rote Kurve) für den Eingangsdruck von 3000 psig (206,8 bar) und den eingestellten Ausgangsdruck von 90 psig (6,2 bar) wird der Punkt A auf der Kurve mit einer horizontalen Achse von 10 SCFM (283 SLPM) gefunden, und der tatsächliche Ausgangsdruck von 84 psig (5,8 bar) wird von der vertikalen Achse abgelesen.
Daher beträgt für die RDSC Serie Hochsensible Membran-Druckregler bei einem Eingangsdruck von 3000 psig (206,8 bar), einem eingestellten Ausgangsdruck von 90 psig (6,2 bar), einer Betriebstemperatur von 100°F (37°C) und einer Durchflussrate des Systemmediums (CO2) von 10 SCFM (283 SLPM) der tatsächliche Ausgangsdruck 84 psig (5,8 bar).
Durch die korrekte Nutzung des Durchflussdiagramms der Druckregler können wir überprüfen, ob der Arbeitsdruckbereich des ausgewählten Druckreglertyps den Anforderungen des Kunden entspricht. Dies trägt zur schnellen und präzisen Auswahl der passenden Artikelnummer bei. Darüber hinaus spiegelt das Durchflussdiagramm auch die Druckregelungsleistung der Druckregler wider.
