Grundlagen des Druckreglers
Druckregler sind in vielen gängigen Haushalts- und Industrieanwendungen zu finden. Druckregler werden beispielsweise in Gasgrills zur Regulierung von Propan, in Heizöfen zur Regulierung von Erdgas, in medizinischen und zahnmedizinischen Geräten zur Regulierung von Sauerstoff und Narkosegasen, in pneumatischen Automatisierungssystemen zur Regulierung von Druckluft, in Motoren zur Regulierung von Kraftstoff und in Brennstoffzellen zur Regulierung von Wasserstoff verwendet. Wie diese unvollständige Liste zeigt, gibt es zahlreiche Anwendungen für Regler, doch in allen erfüllt der Druckregler dieselbe Funktion. Druckregler reduzieren einen Versorgungs- (oder Eingangs-)Druck auf einen niedrigeren Ausgangsdruck und arbeiten daran, diesen Ausgangsdruck trotz Schwankungen des Eingangsdrucks aufrechtzuerhalten. Die Reduzierung des Eingangsdrucks auf einen niedrigeren Ausgangsdruck ist das Hauptmerkmal von Druckreglern.
Bei der Auswahl eines Druckreglers müssen viele Faktoren berücksichtigt werden. Wichtige Überlegungen umfassen: Betriebsdruckbereiche für Einlass und Auslass, Durchflussanforderungen, die Flüssigkeit (ist es ein Gas, eine Flüssigkeit, giftig oder entflammbar?), erwarteter Betriebstemperaturbereich, Materialauswahl für die Reglerkomponenten einschließlich Dichtungen sowie Größen- und Gewichtsbeschränkungen.
In Druckreglern verwendete Materialien
Für verschiedene Flüssigkeiten und Betriebsumgebungen steht eine breite Palette an Materialien zur Verfügung. Zu den üblichen Materialien für Reglerkomponenten gehören Messing, Kunststoff und Aluminium. Verschiedene Edelstahlsorten (wie 303, 304 und 316) sind ebenfalls erhältlich. Die im Regler verwendeten Federn bestehen normalerweise aus Federstahl (Kohlenstoffstahl) oder Edelstahl.
Messing eignet sich für die meisten gängigen Anwendungen und ist normalerweise kostengünstig. Aluminium wird häufig verwendet, wenn das Gewicht eine Rolle spielt. Kunststoff wird verwendet, wenn niedrige Kosten von größter Bedeutung sind oder ein Wegwerfartikel benötigt wird. Edelstahl wird häufig bei der Verwendung mit korrosiven Flüssigkeiten oder in korrosiven Umgebungen gewählt, wenn die Sauberkeit der Flüssigkeit eine Rolle spielt oder wenn die Betriebstemperaturen hoch sind.
Ebenso wichtig ist die Kompatibilität des Dichtungsmaterials mit der Flüssigkeit und dem Betriebstemperaturbereich. Buna-n ist ein typisches Dichtungsmaterial. Einige Hersteller bieten optionale Dichtungen an, darunter: Fluorkohlenwasserstoff, EPDM, Silikon und Perfluorelastomer.
Verwendete Flüssigkeit (Gas, Flüssigkeit, giftig oder entzündlich)
Die chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit sollten berücksichtigt werden, bevor die besten Materialien für Ihre Anwendung bestimmt werden. Jede Flüssigkeit hat ihre eigenen, einzigartigen Eigenschaften, daher muss darauf geachtet werden, die geeigneten Gehäuse- und Dichtungsmaterialien auszuwählen, die mit der Flüssigkeit in Kontakt kommen. Die Teile des Reglers, die mit der Flüssigkeit in Kontakt kommen, werden als „benetzte“ Komponenten bezeichnet.
Außerdem muss ermittelt werden, ob die Flüssigkeit entflammbar, giftig, explosiv oder gefährlich ist. Für den Einsatz mit gefährlichen, explosiven oder teuren Gasen ist ein nicht entlastender Regler vorzuziehen, da bei dieser Bauweise kein übermäßiger Druck hinter dem Regler in die Atmosphäre abgelassen wird. Im Gegensatz zu einem nicht entlastenden Regler ist ein entlastender (auch selbstentlastender) Regler so ausgelegt, dass er übermäßigen Druck hinter dem Regler in die Atmosphäre ablässt. Normalerweise befindet sich zu diesem Zweck seitlich am Reglergehäuse eine Entlüftungsöffnung. Bei einigen Sonderkonstruktionen kann die Entlüftungsöffnung mit einem Gewinde versehen sein, sodass jeglicher Überdruck über ein Rohr aus dem Reglergehäuse abgelassen und in einem sicheren Bereich abgelassen werden kann. Wenn diese Art von Konstruktion gewählt wird, muss die überschüssige Flüssigkeit ordnungsgemäß und unter Einhaltung aller Sicherheitsvorschriften abgelassen werden.
Temperatur
Die für den Druckregler ausgewählten Materialien müssen nicht nur mit der Flüssigkeit kompatibel sein, sondern auch bei der erwarteten Betriebstemperatur einwandfrei funktionieren. Das wichtigste Kriterium ist, ob das ausgewählte Elastomer im gesamten erwarteten Temperaturbereich einwandfrei funktioniert. Darüber hinaus kann die Betriebstemperatur bei extremen Anwendungen die Durchflusskapazität und/oder die Federrate beeinflussen.
Betriebsdrücke
Der Eingangs- und Ausgangsdruck sind wichtige Faktoren, die bei der Auswahl des besten Reglers berücksichtigt werden müssen. Wichtige Fragen, die beantwortet werden müssen, sind: Wie groß ist die Schwankungsbreite des Eingangsdrucks? Wie hoch ist der erforderliche Ausgangsdruck? Wie groß ist die zulässige Abweichung des Ausgangsdrucks?
Durchflussanforderungen
Welche maximale Durchflussrate ist für die Anwendung erforderlich? Wie stark schwankt die Durchflussrate? Auch die Portanforderungen sind ein wichtiger Aspekt.
Größe Gewicht
In vielen Hightech-Anwendungen ist der Platz begrenzt und das Gewicht ist ein Faktor. Einige Hersteller sind auf Miniaturkomponenten spezialisiert und sollten konsultiert werden, wenn Gesamtgröße und Gewicht kritisch sind. Die Materialauswahl, insbesondere der Reglerkörperkomponenten, wirkt sich auf das Gewicht aus. Überlegen Sie sich auch sorgfältig die Anschlussgrößen (Gewinde), Anpassungsarten und Montageoptionen, da diese Größe und Gewicht beeinflussen.
Druckregler im Einsatz
Ein Druckregler besteht aus drei Funktionselementen
* Ein druckreduzierendes oder einschränkendes Element. Oft handelt es sich dabei um ein federbelastetes Tellerventil.
* Ein Sensorelement. Normalerweise eine Membran oder ein Kolben.
*Ein Referenzkraftelement. Am häufigsten eine Feder.
Im Betrieb öffnet die von der Feder erzeugte Referenzkraft das Ventil. Durch das Öffnen des Ventils wird Druck auf das Sensorelement ausgeübt, das wiederum das Ventil schließt, bis es gerade weit genug geöffnet ist, um den eingestellten Druck aufrechtzuerhalten. Das vereinfachte Schema „Druckreglerschema“ veranschaulicht diese Kraftausgleichsanordnung.
(1) Druckreduzierelement (Sitzventil)
Am häufigsten verwenden Regler ein federbelastetes „Tellerventil“ als Drosselelement. Der Teller enthält eine Elastomerdichtung oder, bei einigen Hochdruckausführungen, eine thermoplastische Dichtung, die so konfiguriert ist, dass sie auf einem Ventilsitz abdichtet. Wenn die Federkraft die Dichtung vom Ventilsitz wegdrückt, kann Flüssigkeit vom Einlass des Reglers zum Auslass fließen. Wenn der Auslassdruck steigt, widersteht die vom Sensorelement erzeugte Kraft der Federkraft und das Ventil wird geschlossen. Diese beiden Kräfte erreichen am Sollwert des Druckreglers einen Gleichgewichtspunkt. Wenn der Druck hinter dem Ventil unter den Sollwert fällt, drückt die Feder den Teller vom Ventilsitz weg und zusätzliche Flüssigkeit kann vom Einlass zum Auslass fließen, bis das Kräftegleichgewicht wiederhergestellt ist.
(2) Sensorelement (Kolben oder Membran)
Kolbenkonstruktionen werden häufig verwendet, wenn höhere Ausgangsdrücke erforderlich sind, wenn Robustheit ein Anliegen ist oder wenn der Ausgangsdruck nicht innerhalb einer engen Toleranz gehalten werden muss. Kolbenkonstruktionen neigen im Vergleich zu Membrankonstruktionen dazu, träge zu sein, da zwischen der Kolbendichtung und dem Reglerkörper Reibung entsteht.
Bei Niederdruckanwendungen oder wenn eine hohe Genauigkeit erforderlich ist, wird die Membranbauweise bevorzugt. Membranregler verwenden ein dünnes, scheibenförmiges Element, das zur Erfassung von Druckänderungen verwendet wird. Sie bestehen normalerweise aus einem Elastomer, in speziellen Anwendungen wird jedoch auch dünnes, gewelltes Metall verwendet. Membranen eliminieren im Wesentlichen die Reibung, die bei Kolbenkonstruktionen auftritt. Darüber hinaus ist es bei einer bestimmten Reglergröße oft möglich, mit einer Membrankonstruktion einen größeren Erfassungsbereich bereitzustellen, als dies bei einer Kolbenkonstruktion möglich wäre.
(3) Das Referenzkraftelement (Feder)
Das Referenzkraftelement ist normalerweise eine mechanische Feder. Diese Feder übt eine Kraft auf das Sensorelement aus und bewirkt das Öffnen des Ventils. Die meisten Regler sind mit einer Einstellung ausgestattet, mit der der Benutzer den Ausgangsdrucksollwert durch Ändern der von der Referenzfeder ausgeübten Kraft anpassen kann.
Genauigkeit und Kapazität des Reglers
Die Genauigkeit eines Druckreglers wird durch die Darstellung des Ausgangsdrucks im Verhältnis zur Durchflussrate bestimmt. Die resultierende Grafik zeigt den Abfall des Ausgangsdrucks bei steigender Durchflussrate. Dieses Phänomen wird als Druckabfall bezeichnet. Die Genauigkeit eines Druckreglers wird definiert als der Druckabfall, den das Gerät über einen Durchflussbereich aufweist; weniger Druckabfall bedeutet höhere Genauigkeit. Die Druck-Durchfluss-Kurven in der Grafik „Betriebskennfeld für direkt wirkende Druckregler“ zeigen die nutzbare Regelkapazität des Reglers an. Bei der Auswahl eines Reglers sollten Ingenieure die Druck-Durchfluss-Kurven prüfen, um sicherzustellen, dass der Regler die für die vorgesehene Anwendung erforderlichen Leistungsanforderungen erfüllen kann.
Droop-Definition
Der Begriff „Droop“ wird verwendet, um den Abfall des Ausgangsdrucks unter den ursprünglichen Sollwert bei zunehmendem Durchfluss zu beschreiben. Droop kann auch durch erhebliche Änderungen des Eingangsdrucks (vom Wert bei der Einstellung des Reglerausgangs) verursacht werden. Wenn der Eingangsdruck von der Anfangseinstellung ansteigt, fällt der Ausgangsdruck. Umgekehrt steigt der Ausgangsdruck, wenn der Eingangsdruck fällt. Wie in der Grafik „Betriebskennfeld für direkt wirkende Druckregler“ zu sehen ist, ist dieser Effekt für einen Benutzer wichtig, da er die nutzbare Regelkapazität eines Reglers zeigt.
Öffnungsgröße
Durch eine Vergrößerung der Ventilöffnung kann die Durchflusskapazität des Reglers erhöht werden. Dies kann von Vorteil sein, wenn Ihr Design einen größeren Regler aufnehmen kann. Achten Sie jedoch darauf, die Größe nicht zu überdimensionieren. Ein Regler mit einem für die Bedingungen der beabsichtigten Anwendung überdimensionierten Ventil reagiert empfindlicher auf schwankende Eingangsdrücke und kann zu übermäßigem Druckabfall führen.
Sperrdruck
Der „Sperrdruck“ ist der Druck über dem Sollwert, der erforderlich ist, um das Regelventil vollständig zu schließen und sicherzustellen, dass kein Durchfluss stattfindet.
Hysterese
Hysterese kann in mechanischen Systemen wie Druckreglern aufgrund von Reibungskräften auftreten, die durch Federn und Dichtungen verursacht werden. Wenn Sie sich die Grafik ansehen, werden Sie feststellen, dass bei einer bestimmten Durchflussrate der Ausgangsdruck bei abnehmendem Durchfluss höher ist als bei zunehmendem Durchfluss.
Einstufiger Regler
Einstufige Regler sind eine ausgezeichnete Wahl für relativ kleine Druckreduzierungen. Beispielsweise erzeugen die in den meisten Fabriken verwendeten Luftkompressoren maximale Drücke im Bereich von 100 bis 150 psi. Dieser Druck wird durch die Fabrik geleitet, aber oft mit einem einstufigen Regler auf niedrigere Drücke (10 psi, 50 psi, 80 psi usw.) reduziert, um automatisierte Maschinen, Prüfstände, Werkzeugmaschinen, Lecktestgeräte, Linearantriebe und andere Geräte zu betreiben. Einstufige Druckregler funktionieren bei großen Schwankungen des Eingangsdrucks und/oder der Durchflussraten normalerweise nicht gut.
Zweistufiger (Dual Stage) Regler
Ein zweistufiger Druckregler ist ideal für Anwendungen mit großen Schwankungen der Durchflussrate, erheblichen Schwankungen des Eingangsdrucks oder abnehmendem Eingangsdruck, wie er beispielsweise bei Gas auftritt, das aus einem kleinen Lagertank oder einer Gasflasche geliefert wird.
Bei den meisten einstufigen Reglern (mit Ausnahme derer mit druckkompensierter Konstruktion) führt ein großer Abfall des Eingangsdrucks zu einem leichten Anstieg des Ausgangsdrucks. Dies liegt daran, dass sich die auf das Ventil wirkenden Kräfte aufgrund des großen Druckabfalls gegenüber der ursprünglichen Einstellung des Ausgangsdrucks ändern. Bei einer zweistufigen Konstruktion ist die zweite Stufe diesen großen Änderungen des Eingangsdrucks nicht ausgesetzt, sondern nur der geringen Änderung am Ausgang der ersten Stufe. Diese Anordnung führt zu einem stabilen Ausgangsdruck der zweiten Stufe trotz der erheblichen Druckänderungen, die der ersten Stufe zugeführt werden.
Dreistufiger Regler
Ein dreistufiger Regler bietet einen stabilen Ausgangsdruck ähnlich einem zweistufigen Regler, kann aber zusätzlich einen deutlich höheren maximalen Eingangsdruck bewältigen. Der dreistufige Regler der Beswick PRD4HP-Serie ist beispielsweise für einen Eingangsdruck von bis zu 3,000 psi ausgelegt und bietet trotz Änderungen des Versorgungsdrucks einen stabilen Ausgangsdruck (im Bereich von 0 bis 30 psi). Ein kleiner und leichter Druckregler, der trotz eines Eingangsdrucks, der mit der Zeit von einem hohen Druck abfällt, einen stabilen niedrigen Ausgangsdruck aufrechterhalten kann, ist in vielen Designs eine kritische Komponente. Beispiele sind tragbare Analysegeräte, Wasserstoffbrennstoffzellen, UAVs und medizinische Geräte, die mit Hochdruckgas aus einer Gaskartusche oder einem Vorratszylinder betrieben werden.
Nachdem Sie nun den Regler ausgewählt haben, der am besten zu Ihrer Anwendung passt, ist es wichtig, dass der Regler richtig installiert und eingestellt wird, um sicherzustellen, dass er wie vorgesehen funktioniert.
Die meisten Hersteller empfehlen die Installation eines Filters vor dem Regler (einige Regler verfügen über einen eingebauten Filter), um zu verhindern, dass Schmutz und Partikel den Ventilsitz verunreinigen. Der Betrieb eines Reglers ohne Filter kann zu einem Auslaufen des Auslasses führen, wenn der Ventilsitz mit Schmutz oder Fremdmaterial verunreinigt ist. Regulierte Gase sollten frei von Ölen, Fetten und anderen Verunreinigungen sein, die die Ventilkomponenten verschmutzen oder beschädigen oder die Reglerdichtungen angreifen könnten. Viele Benutzer sind sich nicht bewusst, dass in Zylindern und kleinen Gaskartuschen gelieferte Gase Spuren von Ölen aus dem Herstellungsprozess enthalten können. Das Vorhandensein von Öl im Gas ist für den Benutzer oft nicht erkennbar und daher sollte dieses Thema mit Ihrem Gaslieferanten besprochen werden, bevor Sie die Dichtungsmaterialien für Ihren Regler auswählen. Darüber hinaus sollten Gase frei von übermäßiger Feuchtigkeit sein. Bei Anwendungen mit hohem Durchfluss kann es bei Vorhandensein von Feuchtigkeit zur Vereisung des Reglers kommen.
Wenn der Druckregler mit Sauerstoff verwendet wird, beachten Sie, dass für die sichere Systemkonstruktion spezielle Kenntnisse erforderlich sind. Sauerstoffkompatible Schmiermittel müssen angegeben werden und normalerweise ist eine zusätzliche Reinigung erforderlich, um Spuren von Schneidölen auf Mineralölbasis zu entfernen. Informieren Sie Ihren Reglerlieferanten unbedingt darüber, dass Sie den Regler in einer Sauerstoffanwendung verwenden möchten.
Schließen Sie Regler nicht an eine Versorgungsquelle an, deren Maximaldruck höher ist als der Nenneingangsdruck des Reglers. Druckregler sind nicht als Absperrvorrichtungen vorgesehen. Wenn der Regler nicht verwendet wird, sollte der Versorgungsdruck abgeschaltet werden.
Installation
STEP 1
Beginnen Sie damit, die Druckquelle an den Einlassanschluss und die geregelte Druckleitung an den Auslassanschluss anzuschließen. Wenn die Anschlüsse nicht gekennzeichnet sind, wenden Sie sich an den Hersteller, um falsche Anschlüsse zu vermeiden. Bei einigen Konstruktionen können die internen Komponenten beschädigt werden, wenn der Versorgungsdruck irrtümlicherweise an den Auslassanschluss geleitet wird.
STEP 2
Bevor Sie den Versorgungsdruck zum Regler einschalten, drehen Sie den Einstellknopf zurück, um den Durchfluss durch den Regler zu begrenzen. Schalten Sie den Versorgungsdruck schrittweise ein, um den Regler nicht durch einen plötzlichen Schwall unter Druck stehender Flüssigkeit zu „schockieren“. HINWEIS: Drehen Sie die Einstellschraube nicht ganz in den Regler hinein, da bei einigen Reglerkonstruktionen der volle Versorgungsdruck an den Auslassanschluss geliefert wird.
STEP 3
Stellen Sie den Druckregler auf den gewünschten Ausgangsdruck ein. Wenn der Regler nicht entlastet, lässt sich der Ausgangsdruck leichter einstellen, wenn Flüssigkeit fließt, als wenn sie „tot“ ist (kein Durchfluss). Wenn der gemessene Ausgangsdruck den gewünschten Ausgangsdruck überschreitet, lassen Sie die Flüssigkeit von der stromabwärtigen Seite des Reglers ab und senken Sie den Ausgangsdruck durch Drehen des Einstellknopfs. Lassen Sie niemals Flüssigkeit ab, indem Sie Armaturen lösen, da dies zu Verletzungen führen kann.
Bei einem Entlastungsregler wird überschüssiger Druck automatisch von der stromabwärtigen Seite des Reglers in die Atmosphäre abgelassen, wenn der Knopf gedreht wird, um die Ausgangseinstellung zu verringern. Verwenden Sie Entlastungsregler daher nicht mit brennbaren oder gefährlichen Flüssigkeiten. Stellen Sie sicher, dass die überschüssige Flüssigkeit sicher und in Übereinstimmung mit allen örtlichen, staatlichen und bundesstaatlichen Vorschriften abgelassen wird.
STEP 4
Um den gewünschten Ausgangsdruck zu erhalten, nehmen Sie die letzten Einstellungen vor, indem Sie den Druck langsam von unterhalb des gewünschten Sollwerts erhöhen. Es ist besser, den Druck von unterhalb des gewünschten Sollwerts einzustellen als von oberhalb des gewünschten Sollwerts. Wenn Sie beim Einstellen des Druckreglers den Sollwert überschreiten, verringern Sie den eingestellten Druck auf einen Wert unterhalb des Sollwerts. Erhöhen Sie dann den Druck wieder allmählich auf den gewünschten Sollwert.
STEP 5
Schalten Sie den Versorgungsdruck mehrmals ein und aus, während Sie den Ausgangsdruck überwachen, um sicherzustellen, dass der Regler konstant zum Sollwert zurückkehrt. Darüber hinaus sollte der Ausgangsdruck auch ein- und ausgeschaltet werden, um sicherzustellen, dass der Druckregler zum gewünschten Sollwert zurückkehrt. Wiederholen Sie die Druckeinstellungssequenz, wenn der Ausgangsdruck nicht zur gewünschten Einstellung zurückkehrt.
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