So verringern Sie den Versorgungsdruckeffekt bei Druckreglern

So verringern Sie den Versorgungsdruckeffekt bei Druckreglern

Wouter Pronk, leitender Feldingenieur, Swagelok

Beim Betrieb von Prozessleitungen über Gasflaschen haben viele Fluidsystembetreiber sicherlich schon einmal beobachtet, dass der Ausgangsdruck eines Druckminderers ohne ersichtlichen Grund ansteigt. Im Laufe des Betriebs entleert sich die Gasflasche und der Eingangsdruck am Druckregler sinkt. Eigentlich erwartet man, dass damit auch der Ausgangsdruck abnimmt; tatsächlich kommt es zu einem Anstieg. Dieses Phänomen wird auch als Versorgungsdruckeffekt (Supply Pressure Effect – SPE) bezeichnet.

Was genau ist der Versorgungsdruckeffekt?

Der Versorgungsdruckeffekt beschreibt eine Änderung des Ausgangsdrucks in Abhängigkeit des Eingangs- bzw. Versorgungsdrucks. Dabei verändert sich der Ausgangsdruck umgekehrt proportional zum Eingangsdruck, d.h. wenn der Eingangsdruck abnimmt, nimmt der Ausgangsdruck zu und umgekehrt.

Hersteller von Druckreglern berücksichtigen diesen Effekt in der Regel schon bei der Auslegung und geben die Änderung des Ausgangsdrucks als Verhältnis bzw. als prozentualen Anteil des Eingangsdrucks an. Ein Versorgungsdruckeffekt von 1:100 bzw. 1 % bedeutet somit, dass bei einem Abfall des Eingangsdrucks um 100 psi der Ausgangsdruck um 1 psi steigt. Die Änderung des Ausgangsdrucks an einem Druckregler lässt sich anhand der folgenden Formel abschätzen:

∆P (Ausgang) = ∆P (Eingang) x SPE

Druckentlastete vs. nicht-druckentlastete Ventilkegel in federbelasteten Druckreglern

Federbelastete Druckminderer zählen zu den am häufigsten verwendeten Druckreglern. Der Ausgangsdruck wird kontrolliert, indem über eine Feder Kraft auf eine Membran oder einen Kolben ausgeübt und der Ventilkegel aus dem Sitz gehoben wird.  

Bei der nicht-druckentlasteten Auslegung wird der Eingangsdruck am Ventilkegel auf eine Fläche ausgeübt, die der Fläche des Ventilsitzes entspricht. Bei einem Abfall des Eingangsdrucks liegt somit weniger Kraft am Ventilkegel an und die Feder kann diesen bis zu einem gewissen Grad aus dem Ventilsitz herausheben – dies führt zu einem Anstieg des Ausgangsdrucks. Der Ausgangsdruck reicht aber nicht aus, um die Federkraft vollständig zu kompensieren und den Ventilkegel in seine ursprüngliche Position zurückzuschieben. Infolgedessen kommt es durch den Versorgungsdruckeffekt zu einem Anstieg des Ausgangsdrucks.

Da sich die Funktion von Druckreglern nach dem Kräftegleichgewicht richtet, lässt sich das Ausmaß des Versorgungsdruckeffekts anhand der Flächen am Ventilkegel und an der Membran bzw. am Kolben ermitteln, an denen der Druck anliegt. Dies wiederum bedeutet, dass Druckregler mit großen Membranen bzw. Kolben und kleinem Ventilkegel den geringsten Versorgungsdruckeffekt aufweisen, während umgekehrt bei kleinen Membranen bzw. Kolben und großem Ventilkegel der Versorgungsdruckeffekt am größten ist.

Bei Druckreglern mit nicht-druckentlastetem Ventilkegel lässt sich dieser Effekt einfach nachstellen, indem man den Eingangsdruck schrittweise verringert. Bei einem Eingangsdruck von 1160 psig (80 bar) liegt der Ausgangsdruck bei 43,5 psig (3 bar). Reduziert man den Eingangsdruck allerdings auf 870 psig (60 bar), springt der Ausgangsdruck auf einen Wert von 53,7 psig (3,7 bar). Da der Eingangsdruck auf die gesamte Fläche des ungeführten Ventilkegels wirkt, führt eine Änderung zu einer starken Kräfteverschiebung innerhalb des Druckreglers.

Eine gängige Methode zur Minimierung des Versorgungsdruckeffekts besteht darin, auf Druckregler mit druckentlastetem Ventilkegel auszuweichen. Diese eignen sich insbesondere für Anwendungen mit hohem Durchfluss und typischerweise größeren Ventilkegeln. Dabei wird die Fläche reduziert, auf die der Eingangsdruck wirkt, und verteilt sich auf eine Bohrung, die vertikal durch den Ventilkegel läuft und mit einem O-Ring am unteren Ende des Ventilkegels abgedichtet ist. Eine Änderung des Eingangsdrucks führt in diesem Fall nur zu einer geringfügigen Kräfteverschiebung, da der Druck auf eine viel kleinere Fläche wirkt. 

Auch in diesem Fall lässt sich der Versorgungsdruck veranschaulichen, indem man den Eingangsdruck schrittweise absenkt. Bei einem Eingangsdruck von 1160 psig (80 bar) liegt der Ausgangsdruck wie im Beispiel oben bei 43,5 psig (3 bar). Wenn der Eingangsdruck allerdings auf 870 psig (60 bar) absinkt, steigt der Ausgangsdruck lediglich auf einen Wert von 46,4 psig (3,2 bar) an. Selbst bei einem Eingangsdruck von 725 psig (50 bar) bleibt der Ausgangsdruck stabil auf demselben Wert. 

Daran lässt sich einfach erkennen, dass der Versorgungsdruckeffekt bei der Auslegung mit druckentlastetem Ventilkegel weitaus schwächer ausgeprägt ist. Ein weiterer Vorteil von Druckreglern mit druckentlastetem Ventilkegel besteht darin, dass es bei einem plötzlichen Schließen des Ventilkegels nicht zu einem sprunghaften Anstieg des Ausgangsdrucks kommt. 

Einstufige vs. zweistufige Regelung

Bei Anwendungen mit niedrigeren Durchflussraten wie z. B. im Bereich der Analysetechnik lässt sich der Versorgungsdruckeffekt auch durch eine zweistufige Druckregelung minimieren. Hierbei werden zwei einstufige Druckregler in Reihe geschaltet oder in ein Modul integriert. Beide Druckregler halten den Eingangsdruck in einem bestimmten Bereich und sorgen im Zusammenspiel dafür, dass der Ausgangsdruck möglichst nahe am eingestellten Sollwert bleibt.

Zur Berechnung des Ausgangsdruckbereichs bei einem zweistufigen Druckregler wird die Eingangsdruckdifferenz gemäß der folgenden Gleichung mit den SPE-Werten beider Regler multipliziert.

∆P (Ausgang) = ∆P (Eingang) x SPE₁ x SPE₂

Der Versorgungsdruckeffekt beschreibt hierbei die Abhängigkeit zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsdruck. Wenn sich die Gasflasche entleert und der Eingangsdruck sinkt, kommt es am ersten Druckregler zu einem Anstieg des Ausgangsdrucks. Dieser Anstieg liegt dann am zweiten Druckregler als Eingangsdruck an und führt auf dessen Druckseite folglich zu einem niedrigeren Ausgangsdruck. Da sich die starke Änderung des Eingangsdrucks am ersten Druckregler nur als geringfügige Änderung des Ausgangsdrucks bemerkbar macht, kommt es auch beim Ausgangsdruck des zweiten Druckreglers lediglich zu einer geringfügigen Änderung.

Im folgenden Beispiel wird der Versorgungsdruckeffekt anhand eines Druckminderer der Serie KCY veranschaulicht. Die Gasflasche entleert sich, wobei der Eingangsdruck von 2500 psig (172 bar) auf 500 psig (34 bar) sinkt. Bei beiden Druckreglern wird ein SPE-Wert von 1 % zugrunde gelegt. Wenn der Eingangsdruck um 2000 psig (137 bar) abfällt, steigt der Ausgangsdruck am ersten Druckregler um 20 psig (1,3 bar) an. Folglich fällt der Ausgangsdruck am zweiten Druckregler um gerade einmal 0,20 psig (0,01 bar). Daran lässt sich gut erkennen, dass die Änderung des Ausgangsdrucks in der zweistufigen Ausführung weitaus geringer ausfällt.  

Im Hinblick auf den Versorgungsdruckeffekt lassen sich mit der zweistufigen Variante deutlich bessere Ergebnisse erzielen als mit einem einstufigen Druckregler mit geführtem Ventilkegel. Für Anwendungen, in denen mehrere Prozesse über eine einzige Gasflasche mit demselben Ausgangsdruck versorgt werden, sind beide Optionen geeignet. 

Wenn jedoch unterschiedliche Druckstufen in den verschiedenen Prozessen erreicht werden müssen, ist der Einsatz eines zweistufigen Systems mit jeweils zwei einstufigen Druckreglern erforderlich. Der erste Druckregler wird dabei in der Nähe der Gasflasche und der zweite Druckregler an den jeweiligen Prozessleitungen angebracht. Die meisten Systeme sind zur Minimierung des Versorgungsdruckeffekts jedoch mit einem zweistufigen Druckregler an der Gasversorgung und einem einstufigen Druckregler am Einsatzort ausgestattet. Diese Variante entspricht damit einer dreistufigen Druckregelung – was in den meisten Anwendungsfällen überhaupt nicht erforderlich ist. Zwei in Reihe geschaltete einstufige Druckregler reichen völlig aus, um einen niedrigen Versorgungsdruckeffekt bei gleichzeitig geringeren Kosten sicherzustellen.

Fazit

Wenn bei der Druckversorgung über eine Gasflasche ein Druckregler zum Einsatz kommt, ist der Versorgungsdruckeffekt ein nahezu unumgängliches Phänomen. Bei einer Änderung des Eingangsdrucks kommt es zwangsläufig auch zu einer Änderung des Ausgangsdrucks. In vielen Anwendungen lässt sich der Versorgungsdruckeffekt durch den Einsatz eines einstufigen Druckreglers mit druckentlastetem Ventilkegel oder eines zweistufigen Druckreglers minimieren. Wenn jedoch mehrere Prozessleitungen mit unterschiedlichen Druckstufen über eine Gasquelle versorgt werden sollen, sind gegebenenfalls mehrere einstufige Druckregler erforderlich – einer an der Gasquelle selbst und einer an der jeweiligen Prozessleitung.

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