Neue Membranventil-Konstruktion verringert Druckverluste und spart Energie

Verluste halbiert

Anlagenbau
Chemie
Pharma
Ausrüster
Planer
Betreiber
Einkäufer
Manager

04.02.2011 Druckverluste an einzelnen Membranventilen werden in der Praxis häufig kaum beachtet. Da die Ventile in Package Units aber oft in hohen Stückzahlen verbaut werden, können sich die Verluste spürbar aufsummieren. Durch clevere Strömungsführung und neue Fertigungsmethoden ist es Georg Fischer gelungen, die Verluste zu halbieren. Unter Umständen können dadurch kleinere Pumpen eingesetzt werden.

Anzeige

Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Durch Umlenkungen und Einschnürungen entstehen an Membranventilen Druckverluste, die sich summieren können.
  • Die Strömungsführung der neuen Membranventile vermeidet scharfe Umlenkungen und turbulente Strömungen. Dadurch werden die Druckverluste halbiert.
  • Bei den Ventilen ersetzt eine zentrale Gehäusemutter aus Kunststoff die sonst üblichen Schrauben. Die Verbindung vermeidet Korrosion und muss nicht nachgezogen werden.
Für Planer
  • Sind die Druckverluste an den Ventilen der Flaschenhals, können mit der neuen Konstruktion eventuell kleinere Pumpen eingesetzt werden.
  • Der Kv-Wert der Ventile wurde gegenüber dem Vorgängermodell verdoppelt.

Kleinvieh macht auch Mist. Die populäre Binsenweisheit gilt auch für die Druckverluste von Membranventilen, die in Prozessanlagen, Skids und Package Units zu Dutzenden verbaut werden. Die Folge: Es müssen hohe Pumpleistungen aufgebracht werden, und diese wiederum bedeuten hohe Energiekosten.

Der Grund für die Druckverluste liegt unter anderem in der strömungstechnischen Konstruktion der Ventile begründet: Mehr oder weniger scharfe Kanten am Dichtsteg, abrupte Umlenkungen und Einschnürungen und Aufweitungen des Querschnitts über die Ventillänge machen selbst aus laminaren Rohrströmungen turbulente Strömungsbereiche mit entsprechend hohen Verlusten. Denn: Das Produkt aus Strömungsgeschwindigkeit und Querschnitt in einem Leitungssystem konstant.

Kanten entschärft, Strömungsabrisse vermieden

Basierend auf diesen Erkenntnissen hat der Rohrleitungsspezialist Georg Fischer seine neue Membranventil-Baureihe strömungstechnisch optimiert: „Wir haben bei dem neuen Ventil-Konzept auch solche Sachverhalte und Konstruktionsdetails hinterfragt, die bisher als unumstößlich hingenommen wurden“, erklärt Rainer Kech, Produktmanager bei GF Piping Systems. Sanfte Umlenkungen und Querschnittsveränderungen minimieren die Druckverluste, und insbesondere am Dichtsteg werden scharfe Kanten und Strömungsabrisse vermieden und die Flüssigkeit in einem vergleichsweise großen Radius geführt. „Wir erreichen so eine fast laminare Strömung“, erläutert Kech. In der Konsequenz führt dies zu einer Verdopplung des Durchflusskoeffizienten (Kv-Wert). Gleichzeitig werden durch diese Geometrie Bereiche minimiert, in denen die Flüssigkeit durch „Verwirbelungen“ quas steht.

Grundlagen für die Massenfertigung der Konstruktion sind, so Kech, neue Methoden im Kunststoff-Spritzguss, die es ermöglichen, die neue Konstruktion zu fertigen, ohne die Kosten gegenüber dem Vorgängermodell in die Höhe zu treiben. In einem Rechenmodell hat der Hersteller die Auswirkungen auf ein typisches Rohrleitungssystem untersucht. Dort sind 50 Membranventile installiert und herrscht eine Strömungsgeschwindigkeit von 3?m/s. Um die Ventil-Druckverluste zu überwinden, benötigen die eingesetzten Pumpen jährlich rund 50?600 kWh Strom. Wird die Anlage dagegen mit den neuen Membranventilen ausgestattet, beträgt der Energiebedarf lediglich 24?800 kWh – eine Einsparung von gut 50 Prozent. „In Anlagen, in denen die Membranventile den Flaschenhals darstellen, können so unter Umständen kleinere Pumpen installiert werden“, verdeutlicht Kech. Ein Aspekt, der sich für Anlagenbetreiber durch niedrigere Betriebskosten und für Anlagenbauer durch niedrigere Investitionskosten auszahlt.

Nachziehen von Schrauben passé

Zu den weiteren Merkmalen der Ventilkonstruktion gehört der Verzicht auf Metallschrauben zur Montage des Ventilkörpers mit der Betätigung: Das Ventil wird über eine zentrale Kunststoffverschraubung verbunden. Dadurch wird eine gleichmäßige Flächenpressung der Membrane erreicht und ein Mediumsdruck bis zu 16 bar möglich. Gleichzeitig ist die Verbindung korrosionsfrei und erspart durch das homogene Ausdehnungsverhalten der Kunststoffverbindung das Nachziehen, wie es bei geschraubten Membranventilen häufig notwendig ist.

Bei der Variante mit Handrad zeigt ein zweifarbiger Anzeigestift die aktuelle Position der Membrane in vier Schritten an. Zudem ist das Gehäuseoberteil die Schnittstelle für eine selbstjustierende elektrische Rückmeldung. Um die „Abwärtskompatibilität“ zu den Vorgängermodellen sicher zu stellen, haben die neuen Membranventile dieselbe Einbaulänge.

Die Ventile stehen in verschiedenen Werkstoffen – von PVC über ABS, PP bis hin zu PVDF – zur Verfügung und werden je nach Anwendung mit Membranen aus EPDM, PTFE, FPM und NBR ausgestattet.

Für automatisierte Prozesse können die Ventile mit pneumatischen Antrieben ausgestattet werden. Der Hersteller hat dazu seinen Diastar-Antriebsreihe überarbeitet: Unterschiedliche Schließkräfte werden durch die Verwendung von 3, 4 oder 6 Federpaketen erreicht. Ein wartungsarmer Kolbenantrieb mit doppelter Spindelführung sorgt dabei für eine lange Lebensdauer.

infoDIRECT 1102CT611

Heftausgabe: Februar 2011

Über den Autor

Armin Scheuermann
Loader-Icon