Die Durchflusskennlinie eines Regelventils legt den Zusammenhang zwischen Öffnung und Volumenstrom fest: linear, gleichprozentig oder schnellöffnend.
Diese Kurven werden bei konstanter Druckdifferenz gemessen. In einer wirklichen Anlage ist die Druckdifferenz nicht konstant: Mit dem Öffnen des Ventils steigt der Volumenstrom, der Anlagenverlust steigt, und das Gefälle über dem Ventil fällt.
Die Ventilautorität
Die Folge ist, dass sich die Betriebskennlinie von der Grundkennlinie unterscheidet. Bestimmender Parameter ist das Verhältnis des Druckverlusts über dem voll geöffneten Ventil zum Gesamtverlust der Anlage — die Ventilautorität.
Ist die Autorität niedrig, erreicht der Volumenstrom schon innerhalb der ersten zwanzig Prozent der Öffnung nahezu seinen vollen Wert, und die restlichen achtzig Grad bewirken nichts. Die Regelauflösung geht verloren und die Anlage pendelt. Genau dafür gibt es die gleichprozentige Kennlinie.
Kavitation und Ausdampfen
Beim Drosseln beschleunigt die Strömung im engsten Querschnitt des Ventils und der Druck fällt. Sinkt der Druck dort unter den Dampfdruck, bilden sich Blasen.
Kavitation. Erholt sich der Druck stromab, kollabieren die Blasen. Das erzeugt Geräusch, Schwingungen und Erosion; der Schaden liegt meist nicht im Ventil, sondern in der Rohrwand einige Durchmesser weiter stromab.
Ausdampfen (Flashing). Bleibt der Druck stromab unter dem Dampfdruck, kollabieren die Blasen nicht und die Zweiphasenströmung setzt sich fort. Die Erosion hat einen anderen Charakter, und die Strömung sperrt.
Die Unterscheidung ist praktisch wichtig: Gegen Kavitation hilft eine mehrstufige Drosselung (den Druck in Stufen abzubauen), gegen Ausdampfen die Werkstoff- und Geometriewahl.
Modellierung
Der örtliche Minimaldruck im engsten Querschnitt liegt deutlich unter dem stationären Mittelwert; die Frage des Kavitationsbeginns verlangt eine instationäre Lösung. Siehe die Notiz zur Kavitation.
Im Gasbetrieb kann im engsten Querschnitt eine Sperrung auftreten, und die Strömung wird vom Druck stromab unabhängig. Siehe die Notiz zur kompressiblen Strömung.
Referenzen
- Singhal, A. K., Athavale, M. M., Li, H. & Jiang, Y. (2002). Mathematical basis and validation of the full cavitation model. Journal of Fluids Engineering, 124(3), 617–624. DOI: 10.1115/1.1486223
- Hydraulic Institute. ANSI/HI 9.6.1 — Rotodynamic Pumps Guideline for NPSH Margin. Hydraulic Institute, Parsippany, NJ.