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Bilder: Gaida

| von Dr.-Ing. Gregor Gaida ist Geschäftsführer beim Planungsbüro Gaida
  • In den letzten Jahren hat sich die Technik von Absperrklappen noch einmal deutlich fortentwickelt.
  • So sind sowohl hohe als auch tiefe Temperaturen im Medium sowie schnelle Temperaturschwankungen der Absperrklappen mittlerweile kein Problem mehr.
  • Auch für den Wunsch, Absperrklappen sowohl für kleine als auch große Durchflussmengen einzusetzen, sind inzwischen Lösungen gefunden.

Sehr lange waren beispielsweise Medien mit Temperaturen unterhalb von -50 °C mit größeren Nennweiten von Absperrklappen nicht ohne Leckagen zu bewerkstelligen. Schon die Norm BS6364 von 1984, welche die Prüfung solcher Armaturen regelt und festlegt, dass ein Durchflussmesser zur Leckageprüfung einzusetzen ist, zeigt das Ausmaß der damals zu erwartenden Leckagen. Dies hat man mit der fünffach exzentrisch aufgebauten Absperrklappe problemlos in den Griff bekommen. Selbst größte Nennweiten, wie DN600, selbst bei Temperaturen von Flüssigstickstoff -196 °C sind mittlerweile problemlos und heliumdicht abzusperren. Dies ermöglichen spezielle Dichtungen aus Inconell mit Silberbeschichtung, in der speziellen Form, wie sie der Dichtsitz der fünffach exzentrisch aufgebauten Klappe darstellt.

Temperaturen sind kein Problem mehr

Auch im gegenteiligen Temperaturbereich hat sich einiges getan: Es erscheint zunächst unmöglich, es lassen sich aber durchaus Medien mit Absperrklappen absperren oder durchleiten, deren Temperatur weit oberhalb von 1.000 °C liegt. Die höchste realisierte Temperatur liegt bei 1.850 °C – und zwar ohne dass dabei exotische Werkstoffe wie Wolfram oder Keramik zum Einsatz gekommen wären. Eine geschickte Medienführung, Isolation und Kühlung ermöglichen die Realisierung auch mit üblichen Werkstoffen. Ähnlich verhält es sich, wenn Medien nicht auf der Oberfläche der inneren Teile der Absperrklappe sublimieren dürfen. In diesem Fall muss für eine entsprechende Beheizung der Klappenteile gesorgt werden, um zu verhindern, dass Gasbestandteile zu kalte Oberflächen berühren und als Feststoffablagerungen die Dichtigkeit der Absperrklappe beeinträchtigen könnten.

2 Oxygen klein

Absperrklappen kommen auch in herausfordernden Sauerstoff-Anwendungen zum Einsatz.

Ein ebenso großes Problem wie extreme Temperaturen stellen Temperaturschwankungen dar. Solange eine übliche Armatur isoliert und gleichmäßig aufgewärmt wird, sind auch einfache Konstruktionen in der Lage, funktionsfähig zu bleiben. Sobald aber die Temperaturschwankungen ein bestimmtes Maß überschreiten, ist es mit einer einfachen Konstruktion nicht mehr getan. Der vielleicht schwierigste Anwendungsfall ist die Auspuffklappe des Dieselmotors eines konventionellen U-Boots. Die Absperrklappe, deren Gehäuse an den Bootsrumpf geschweißt ist, sitzt kaum einen Meter oberhalb des Motors. Sobald an der Oberfläche die Absperrklappe geöffnet wird und der Motor in Betrieb geht, werden die inneren Teile der Absperrklappe innerhalb weniger Minuten auf 700 °C aufgeheizt. Dabei bleibt das Gehäuse der Absperrklappe nach wie vor kalt, da es zum einen massiver ist und zum anderen der Bootskörper für eine hohe Wärmeableitung sorgt. Die Ausdehnung der Klappenwelle beträgt mehrere Millimeter und bringt in üblichen Konstruktionen die Dichtung um diesen Wert aus dem Sitzbereich raus. Erst mit der Konstruktion einer schwimmend gelagerten Welle sind solche Anwendungen in den Griff zu bekommen.

Die Liste der sauerstoffzugelassenen, nichtmetallischen Werkstoffe der Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) ist zwar lang, jedoch wird man vergeblich einen Dichtungs- oder Gleitwerkstoff suchen, der bei 500 °C, 40 bar und 100 % Sauerstoff zugelassen ist. Spezielle Lagerbeschichtungen machen Schmierstoffe obsolet. Besonders aufgebaute Gehäuse mit Inconel-Dichtungen erlauben es auf Wellenabdichtungen zu verzichten, die für die hohen Temperaturen nicht zugelassen sind.

Verschmutzungen, Feststoffe und giftige Medien

Eine völlig „dichte“ Dichtung gibt es nicht. Selbst eine massive Stahlwand ist für manche Werkstoffe wie Wasserstoff durchlässig. Die Frage ist nur, ob die Leckage problematisch ist bzw. wie sie abgeführt werden kann. Dabei ist bei der Absperrklappe stets die einzige dynamische Dichtung am problematischsten: die Wellendichtung. Meist als Stopfpackung ausgeführt, erfüllen diese Dichtungen zwar die TA Luft auch in der neuesten Fassung, reichen aber zum Beispiel bei hochgiftigen Medien trotzdem nicht aus.

Dieses Problem lässt sich mit einer speziellen Abdichtungsform lösen, nämlich mit abgedichteten Wellenlagern. Das Lager wird dabei durch eine Packung vor dem Medium abgedichtet, so dass das Lager nicht mehr medienberührend ist. Die der Atmosphäre zugewandte Seite des Lagers wird durch eine zweite Packung abgedichtet. Die Lager sind jetzt vor eventuellen Verschmutzungen oder sonstigen Angriffen des Mediums geschützt. Insbesondere auch der Schmierstoff des Lagers, der sonst bei vielen Anwendungen ausgewaschen werden und so zur Zerstörung der Absperrklappe führen könnte, ist geschützt. Der Bereich des Lagers lässt sich jetzt zusätzlich mit Druck – zum Beispiel in Form eines inerten Gases – beaufschlagen, der höher ist als der Mediumsdruck. Dies schließt jegliche Leckagen für die Atmosphäre aus. Selbst wenn die Dichtung undicht wird, gelangt das Medium nicht in die Atmosphäre; im schlimmsten Fall gelangt das inerte Gas in das Medium. Alternativ lässt sich der Bereich des Lagers evakuieren. Eine einfache, drucklose Leitung führt eventuelle Leckagen bis zur Flamme ab, wo diese verbrannt werden.

Große und kleine Durchflussmengen

Häufig besteht der Wunsch, Absperrklappen sowohl für kleine als auch große Durchflussmengen einzusetzen. Die Absperrklappe V-AXX beispielsweise hat sehr hohe Kv-Werte und trotzdem kann sie mit Hilfe des Orca-Designs auch sehr kleine Durchflussmengen regeln. Gelochte Platten, die fest mit der Klappenscheibe verbunden sind, zwingen bei kleinen Öffnungswinkeln der Absperrklappe das Medium in ein Labyrinth von Kanälen und bauen den Druck an mehreren Stellen ab und helfen auf diese Art und Weise zu verhindern, dass überkritische Strömung oder Kavitation entsteht. Trotzdem behindern die Platten bei voller Öffnung der Absperrklappe die Strömung kaum, da sie parallel zur Strömung liegen. Dies unterscheidet die Klappe deutlich von Lösungen, die zum Beispiel Prallplatten oder Zähne als Störkörper nutzen, die auch bei voller Öffnung mitten in der Strömung liegen. Absperrklappen wie die V-AXX lassen sich zu 100 % aus Metallen wie Monel, Inconel oder Bronze aufbauen. Dies ermöglicht den Einsatz in praktisch jedem Medium – selbst in konzentrierten Säuren oder bei hohen Temperaturen.

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