Bauteil 133: Stellventil mit KV-Charakteristik

In diesem Thema

Vorgaben

Leitungsanschlüsse
1	Eintritt
2	Austritt
3	Anschluss für DP, Hub

Allgemeines Vorgabewerte Ergebnisse Kennlinien Verwendete Physik Bauteilform Beispiel

Allgemeines

Mithilfe dieses Bauteils wird der Zusammenhang zwischen Druckverlust und Durchfluss durch ein Stellventil in Abhängigkeit vom

a) KV-Wert des Ventils (Öffnungsgrad 100%, Vorgabewert KVS) und der
b) KV-Charakteristik des Ventils in Abhängigkeit vom Öffnungsgrad (Kennlinie 1 CLKV)

modelliert (Definitionen nach DIN EN 60534 und VDI/VDE 2173).

Das Bauteil kann für Flüssigkeiten (inkompressibel) oder Gase (kompressibel) genutzt werden. Jedoch wird bei Phasenwechsel bzw. 2-Phasen-Strömung im Bauteil eine Fehlermeldung erzeugt.

Vorgegeben werden kann entweder
• der KVS-Wert mit Hub und Durchsatz oder Druckvorgaben, dann wird der nicht vorgegebene Durchsatz oder der nicht vorgegebene Druckabfall errechnet (FCALC = 1,2,3), oder
• Durchsatz und Druckvorgaben werden vorgegeben und der KV-Wert wird errechnet (Identifikationsmodus, FCALC = 4,5).

Geprüft wird,
• bei inkompressiblen Fluiden, ob partielle Kavitation auftritt (dafür müssen vom Ventilhersteller angegebene sinnvolle Werte für XFZN und die Kennlinie CLXFZ vorgegeben werden) – es wird dann eine Warnung ausgegeben.
• Bei allen Fluiden, ob der maximal mögliche Durchsatz erreicht ist bzw. die maximale wirksame Druckdifferenz überschritten ist (Durchflussbegrenzung). Im Fall FLIM=0 wird dann nur eine Warnung ausgegeben. Für FLIM=1 und FCALC=2,3 wird dann zusätzlich der Durchsatz auf den maximal möglichen Durchsatz begrenzt. Dafür müssen vom Ventilhersteller angegebene sinnvolle Werte für XTN und die Kennlinie CLXT für Gase und für FLN und die Kennlinie CLFL für Flüssigkeiten vorgegeben werden.

Der Durchflusskoeffizient KV ist definiert als

- Volumenstrom Ventileintritt

- Massenstrom Ventileintritt

- Referenzdruckverlust (Bei SI-Definition 1 bar)

- Referenzdichte (Bei SI-Definition 1000 kg/m³)

- Expansionsfaktor, der für inkompressible Fluide gleich 1 ist

Für kompressible Fluide ist

Der Expansionsfaktor kann nur die Werte zwischen 2/3 und 1 annehmen.

- der Quotient des Verhältnisses der spezifischen Wärme

zu 1,4 (der Wert für die Luft)

- ist das Druckdifferenzverhältnis (relevant für kompressible Fluide, Gase)

- das Differenzdruckverhältnis, bei dem die Durchflussbegrenzung auftritt

Das US Zollsystem verwendet den Durchflusskoeffizienten CV, der einem Wasserdurchfluss in USgal/min bei 1 psi Differenzdruck (Δp0=1 psi) und 60 °F (ca. 15,6°C) Temperatur entspricht. KV und CV stehen in dem Zusammenhang KV = 0,865 * CV.

KVS-Wert bezeichnet den KV-Wert beim Öffnungsgrad (Hub) 100%.

Für das Teillastverhalten beschreibt eine Kennlinie die Abhängigkeit des KV-Wertes vom Hub. Diese Kennlinie kann entweder linear oder gleichprozentig sein.

Die tatsächliche Kennlinie Kv = f(Hub) kann von der theoretischen Kennlinie (linear oder gleichprozentig) abweichen.

Die hier verwendete Definition des KV-Wertes ist für einphasige Medien in der Richtlinie DIN EN 60534 und VDI/VDE 2173 genormt und bezieht sich auf Wasser mit einer Temperatur zwischen 5°C und 40°C und Druckverlust von 1 bar. Bei mehrphasigen Strömungen kommt das Problem der genauen Dichtebestimmung bzw. Bestimmung des oben genannten Expansionsverhältnisses Y für das Phasengemisch dazu. Es wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen. Jedoch wurde kein Vorschlag als Norm anerkannt. Daher beschränkt sich die derzeitige Implementierung des Bauteils 133 auf die einphasigen Strömungen.

Die Überwachung der maximalen wirksamen Druckdifferenz Δpmax bzw. der Durchflussbegrenzung erfolgt in Abhängigkeit vom Fluidtyp / Fluidphase

Bei einkomponentiger Flüssigkeit wird die Durchflussbegrenzung mittels des Vergleichs DP12 zu DPMAX überprüft. DPMAX wird aus FL ausgerechnet.

mit Pc – kritischer Druck

und Pv – Sättigungsdruck bei Temperatur T1

Bei Gasgemischen und einkomponentigem Dampf wird durch den Vergleich von X zu Fγ*XT überprüft, ob der Durchfluss kritisch ist

Der dem DPMAX entsprechende begrenzte Volumenstrom V1MAX und Massenstrom M1MAX lassen sich aus Druckdifferenz und dem aktuellen KV-Wert ausrechnen

Umgekehrt lässt sich ein begrenzter KVMAX-Wert aus DPMAX und M1 ausrechnen:

Vorgabewerte

FMODE	Schalter für Berechnungsmodus =0: GLOBAL =1: Lokale Teillast =-1: Lokale Auslegung
FDEF	Schalter für Definition des Durchflusskoeffizienten =0: SI, Wasser bei 5-40°C, DP=1 bar (KV) =1: US, Wasser bei 40-100°F, DP=1psi (CV)
KVS	KV-Wert beim Öffnungsgrad 100%
FTRAVEL	Schalter für Vorgabe des aktuellen HUB (nur für FCALC<4) =0: Durch den Vorgabewert TRAVEL =1: Von außen als H3 (Logik-Anschluss 3)
TRAVEL	aktueller Hub (Öffnungsgrad), nur für Off-Design. Dieser Wert wird NUR als X-Wert für die Kennlinien 1-3 verwendet, wenn FTRAVEL=0 und FCALC=1,2,3. Für FCALC=4,5 wird dieser Wert ignoriert. Stattdessen wird ein Ergebniswert TRAVELCL aus dem identifizierten KV-Wert und der Kennlinie 1 ausgerechnet Für FTRAVEL=1 wird dieser Wert ebenso ignoriert. Stattdessen wird als TRAVEL der Wert von H3 verwendet
FDP12D	Schalter für Vorgabe des gewünschten DP12D =0: Durch den Vorgabewert DP12D =1: Von außen als P3 (Logik-Anschluss 3)
DP12D	gewünschtes DP12 (nur für FCALC = 3 oder FCALC=5)
FCALC	Berechnungsmodus =1: TRAVEL und M1 gegeben, DP12 berechnet =2: TRAVEL und P1 und P2 gegeben, M1 berechnet =3: TRAVEL und DP12D gegeben, M1 berechnet =4: M1, P1 und P2 gegeben, KV berechnet. Identifikation, Kennlinie F(TRAVEL) wird ignoriert, zusätzlich wird aber TRAVELCL aus KV und F(TRAVEL) berechnet =5: M1 und DP12D gegeben, KV berechnet. Identifikation, Kennlinie F(TRAVEL) wird ignoriert, zusätzlich wird aber TRAVELCL aus KV und F(TRAVEL) berechnet
FLIM	Schalter für die Durchflussbegrenzung =0: AUS. Die Grenzwerte DPMAX, M1MAX, VM1MAX, KVMAX werden berechnet, beim Überschreiten DPMAX nur Warnung, jedoch keine aktive Begrenzung von M1 =1: AN. Beim Überschreiten DPMAX wird M1 begrenzt, aber nur für FCALC=2 oder FCALC=3. Achtung! Sinnvolle / genaue Vorgabewerte FLN, XTN werden vom Benutzer erwartet.
FLN	Faktor für den Druckrückgewinn mit Durchflussbegrenzung nominal. Relevant für flüssige Medien
XFZN	XFZ-Wert nominal. Relevant für flüssige Medien und partielle Kavitation. XFZ=DP12Krit/(P1-P1SAT). Aus XFZ wird DP12Krit ermittelt, bei dessen Überschreitung die partielle Kavitation beginnt
XTN	Differenzdruckverhältnis, bei dem die Durchflussbegrenzung auftritt nominal. Relevant für gasförmige (kompressible) Medien
DP12N	Druckdifferenz nominal (Hub = 100%)
M1N	Massenstrom nominal
VM1N	Volumenstrom am Eintritt nominal
V1N	Spezifisches Volumen am Eintritt nominal

Die blau markierten Parameter sind Referenzgrößen für den Teillastmodus. Die Ist-Teillastwerte beziehen sich in den verwendeten Gleichungen auf diese Größen.

Generell sind alle sichtbaren Eingaben erforderlich. Häufig werden jedoch Standardwerte zur Verfügung gestellt.

Für weitere Informationen über die Farbe der Eingabefelder und ihre Beschreibungen siehe Komponenten bearbeiten\Vorgabewerte

Für weitere Informationen über Auslegung vs. Teillast und Nominalwerte siehe Allgemeines\Nominalwerte übernehmen

Ergebnisse

KV	Aktueller KV-Wert
DP12	Aktuelle Druckdifferenz
TRAVELCL	berechneter Hub (kann von TRAVEL-Vorgabewert abweichen, wenn FCALC>3). Dieser Wert wird aus der Kennlinie 1 für FCALC=4,5 ausgerechnet, indem der identifizierte KV-Wert als X-Wert in die Kennlinie eingesetzt wird und der dazu passende Y-Wert gesucht wird.
KVREF	Referenzwert KV (nach Kennlinie KV=f(TRAVEL))
DPREF	Ref-Druckdifferenz (nach Kennlinie KV=f(TRAVEL) und aktuellem M1)
M1REF	Ref-Durchfluss (nach Kennlinie KV=f(TRAVEL) und aktuellem DP12)
VM1REF	Ref-Volumenstrom (nach Kennlinie KV=f(TRAVEL) und aktuellem DP12)
X	allgemeines Differenzdruckverhältnis DP12/P1
XF	Differenzdruckverhältnis DP12/(P1-P1SAT)
FL	Faktor für den Druckrückgewinn mit Durchflussbegrenzung aus der Kennlinie
XT	das Differenzdruckverhältnis, bei dem die Durchflussbegrenzung auftritt aus der Kennlinie
XFZ	XFZ Wert aus Kennlinie. XFZ=DP12Krit/(P1-P1SAT). Aus XFZ wird DP12Krit ermittelt, bei dessen Überschreitung die partielle Kavitation beginnt
DPMAX	maximale wirksame Druckdifferenz für die Durchflussbegrenzung
V1MMAX	maximaler Volumenstrom entsprechend der Durchflussbegrenzung, DPMAX und KV
M1MAX	maximaler Massenstrom entsprechend der Durchflussbegrenzung, DPMAX und KV
KVMAX	maximaler KV-Wert entsprechend der Durchflussbegrenzung, DPMAX und M1

Kennlinien

Kennlinie 1: KV-Wert KV/KVS = f(TRAVEL) für verschiedene Hub-Werte

     X-Achse        1         TRAVEL            1. Punkt
                         2         TRAVEL            2. Punkt
                        .
                       N         TRAVEL            letzter Punkt

     Y-Achse       1          KV/KVS                     1. Punkt
                         2          KV/KVS                     2. Punkt
                       .
                        N         KV/KVS                     letzter Punkt

Kennlinie 2: Differenzdruckverhältnis XT/XTN = f(TRAVEL)

     X-Achse      1        TRAVEL                       1. Punkt
                         2        TRAVEL                       2. Punkt
                         .
                     N        TRAVEL                       letzter Punkt

     Y-Achse       1        XT/XTN                      1. Punkt
                         2        XT/XTN                      2. Punkt
                         .
                        N        XT/XTN                      letzter Punkt

Kennlinie 3: Faktor für den Druckrückgewinn FL/FLN = f(TRAVEL)

     X-Achse   1        TRAVEL                 1. Punkt
                  2        TRAVEL                 2. Punkt
                     .
                   N        TRAVEL                letzter Punkt

     Y-Achse  1        FL/FLN              1. Punkt
                    2        FL/FLN              2. Punkt
                    .
                    N        FL/FLN             letzter Punkt

Kennlinie 4: XFZ/XFZN = f(KV/KVS)

     X-Achse 1        KV/KVS                              1. Punkt
                  2        KV/KVS                              2. Punkt
                    .
                  N        KV/KVS                             letzter Punkt

     Y-Achse 1        XFZ/XFZN             1. Punkt
                    2        XFZ/XFZN             2. Punkt
                    .
                    N        XFZ/XFZN             letzter Punkt

Verwendete Physik

Gleichungen

Wenn FDEF=0

DP0 = 1 bar

Wenn FDEF=1

DP0 = 1 psi = 0,068944 bar

RHO0 = 1000 (kg/m³)

KVREF aus Kennlinie 1 CLKV

XT aus Kennlinie 2 CLXT

FL aus Kennlinie 3 CLFL

XFZ aus Kennlinie 4 CLXFZ

X=(P1-P2)/P1 – Differenzdruckverhältnis

Wenn an Anschluss 1 und 2 flüssiges Medium

Y = 1

XF = (P1-P2)/(P1-PSAT(T1))

Wenn an Anschluss 1 und 2 Dampf / Gas / Gasgemisch

FY = GAMMA/1,4

Y= 1 – X/(3*FY*XT)

DPREF = DP0/(RHO1*RHO0) * (M1/(KVREF*Y)) * (M1/(KVREF*Y))

M1REF = KVREF*Y*SQRT(DP12*RHO0*RHO1/DP0)

VM1REF = M1REF/RHO1

Wenn FLIM=1 (Begrenzung aktiv)

Wenn M1REF>M1MAX dann M1REF=M1MAX

Massenbilanz:

M1 - M2 = 0

Wenn FCALC=2 oder FCALC=3

M1 = M1REF

Druckbilanz:

Wenn FCALC<>2 und FCALC<>4

Wenn FCALC=1

P1 – P2 = DPREF

sonst

P1 – P2 = DP12D

Enthalpiebilanz:

H1 - H2 = 0 (adiabater Prozess)

Berechnung der Grenzwerte:

Wenn Medium kompressibel (Gas, Dampf):

DPMAX = P1*FY*XT

Wenn Medium inkompressibel (Flüssigkeit):

PCRIT – Kritischer Druck des Mediums

FF = 0.96-0.28*SQRT(P1SAT/PCRIT)

DPMAX = FL*FL*(P1-FF*P1SAT)

M1MAX = KV*Y*SQRT(RHO1*DPMAX*RHO0/DP0)

VM1MAX = M1MAX/RHO1

KVMAX = M1/Y*SQRT(DP0/(RHO1*DPMAX*RHO0))

Überprüfung der partiellen Kavitation (nur für inkompressible Medien)

Aus XFZ (Kennlinie 4) und XFZ=DP12Krit/(P1-P1SAT) wird DP12Krit ausgerechnet

Wenn DP12>=DP12Krit, Warnung: partielle Kavitation möglich!

Bauteilform

Form 1

Beispiel

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