Reichelt Chemietechnik Magazin
Ventile begegnen uns im alltäglichen Leben – in Wasserhähnen, als Fahrradventil oder an der Heizung als 3-Wege-Mischventil. Letzteres übernimmt die Regelung der Durchflussraten von Flüssigkeiten oder Gasen bis zur Absperrung von Leitungen. Dafür muss es in Bauart und Dimension genau darauf ausgelegt sein. Für die richtige Dimensionierung nimmt der sogenannte KVS-Wert eine wichtige Rolle ein.
Was es mit dem KVS-Wert auf sich hat
Der KVS-Wert ist eine wichtige Kenngröße für Ventile. Er wird auch als Durchflussfaktor oder als Durchflusskoeffizient bezeichnet. Über den KVS-Wert kann der Durchsatz eines flüssigen Mediums oder eines Gases durch ein Ventil berechnet werden, was wiederum für die Typauswahl und dessen sachgerechte Dimensionierung hilfreich ist. Der KVS-Wert beschreibt den Wasserdurchfluss durch ein Ventil bei einer Druckdifferenz von 0,98 bar sowie einer Wassertemperatur zwischen 5°C und 30°C. In der Praxis wird statt mit 0,98 bar oft mit einem Näherungswert von 1 bar gerechnet. Die Angabe des Durchflusses erfolgt abhängig von der Ventilgröße in m³/h oder in l/min. Bei allen anderen Medien, deren Dichte von ρ = 1 g/cm³ abweicht, hängt der Druckkoeffizient nicht nur von der Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsdruck ab, sondern auch von der Dichte.
Wegen der starken Temperaturabhängigkeit der Dichte von Gasen muss für die Berechnung auch die Temperatur berücksichtigt werden.
Normalerweise besitzen Ventile verschiedene Öffnungsgrade. Jeder Öffnungsgrad, der auch als Hub bezeichnet wird, hat einen spezifischen KVS-Wert, da der Durchfluss für jeden Hub unterschiedlich ist. Über diese Größe kann der maximal mögliche Durchsatz bestimmt werden. Zur Sicherheit wird in der Praxis bei der Auslegung eines Durchflussventils eine Reserve von 20% bis 30% auf den errechneten Durchflusskoeffizient aufgeschlagen.
Vor dem Einsatz eines Ventils müssen auf jeden Fall die Betriebsdaten bekannt sein, um den Durchflusskoeffizienten errechnen zu können. Dazu gehören die gewünschte, maximale Durchflussrate, die Temperatur des Mediums, die Druckdifferenz sowie, je nach verwendetem Medium, dessen Dichte.
Wie funktioniert ein 3-Wege-Mischventil und welche Bedeutung nimmt hier der KVS-Wert ein?
Während ein Hahn nur die beiden Endzustände „auf“ und „zu“ kennt, lässt das Ventil auch Zwischenstellungen zu, die eine Regelung des Durchflusses zwischen beiden Endzuständen ermöglichen. Der übliche „Wasserhahn“ am Spültisch oder im Bad ist demnach ein handgeregeltes Ventil am Ende einer Rohrleitung für die Entnahme von Wasser. Da jedoch keine grundlegenden konstruktiven Unterschiede zwischen Hahn und Ventil bestehen, wird meist weder im gewöhnlichen Sprachgebrauch noch im anwendungstechnischen Sinne zwischen beiden Kategorien klar unterschieden.
Bei einem 3-Wege-Ventil, das für Mehrweghähne geeignet ist, wird, wie der Name bereits sagt, das Durchströmen auf mehreren Leitungen geregelt – in diesem Fall auf drei Leitungen mit zwei Ausgängen.
Dreiwege-Ventile sind somit nur technische Varianten von Dreiwege-Hähnen. Sie verfügen über drei gleichberechtigte Ports. Die Ports stehen gewöhnlich rechtwinklig oder im Winkel von 120° zueinander, aber auch andere Winkel sind selbstverständlich möglich, wenn es die konstruktiven Gegebenheiten erfordern. Notwendig ist jedoch, dass die Durchlassbohrungen in dem zugehörigen Absperrkörper – bei Kükenhähnen gewöhnlich ein Normschliff-Konus, bei Zylinderhähnen ein eingeschliffener Zylinder und bei Kugelhähnen eine passgenaue Kugel – im gleichen Winkel zueinander stehen.
Je nach Stellung des Absperrkörpers wird dadurch entweder der Durchfluss nur in eine der zwei möglichen Richtungen ermöglicht, der gleichzeitige Durchfluss in beide Richtungen freigegeben oder der Durchfluss in beide Richtungen abgesperrt.3-Wege-Ventile können auch als Mischer für Flüssigkeiten oder Gase eingesetzt werden. Hier fungieren dann zwei der drei Ports als Eingang für jeweils ein Fluid, der dritte Port ist der Ausgang für das Gemisch beider Fluide. Technisch entsprechend dafür ausgerüstete Dreiwege-Ventile kommen als Dreiwege-Mischer beispielsweise zur Temperatursteuerung von Heizungsanlagen zum Einsatz. Mit ihrer Hilfe lässt sich eine vorgegebene Solltemperatur einstellen, indem der Volumenstrom des Heizmediums mit höherer Temperatur mit dem Volumenstrom des Heizmediums mit niedrigerer Temperatur gemischt wird. Ein Temperatursensor misst zeitgleich den jeweiligen Ist-Wert und vergleicht ihn mit dem vorgegebenen Temperatur-Soll-Wert, um damit über eine elektronische Stelleinheit den 3-Wege-Mischer automatisch zu regeln.
Der KVS-Durchflusswert kann über die Parameter Druck, Temperatur sowie der Dichte des Fluidgemischs errechnet werden. Einfacher sind aber Online-Tools zur KVS-Wert-Bestimmung oder entsprechende Diagramme, denen der Durchflusskoeffizient entnommen werden kann.
Die wichtigsten Ventilarten und ihre Merkmale
Für das kontrollierte Mischen und Verteilen von Flüssigkeiten, wie es bei der Heizung benötigt wird, sind 3-Wege-Ventile unverzichtbar geworden. Derartige Ventile werden aber auch in vielen anderen Bereichen gebraucht und eingesetzt, für die der KVS-Wert eine relevante technische Größe ist.
Stromventile verringern den Mengenstrom eines Fluids durch die Verengung des Strömungsquerschnitts der Leitung, indem sie dessen Druck mindert. Derartige Ventile werden deshalb auch Drosselventile genannt. Sie sind hauptsächlich für die Regulierung von Gasströmen konzipiert. Weil mit der Druckminderung zugleich eine Expansion des Fluids einhergeht, werden sie auch Expansionsventile genannt. Im einfachsten Fall erfolgt die Drosselung ungeregelt durch die Verengung des Rohrquerschnitts, wie es bei Kühlschrankkompressoren realisiert wird.
Eine für den Maschinen- und Anlagenbau wichtige Kategorie von Ventilen sind die Sperrventile. Hierzu zählen vor allem Schnellschluss- und Schnellöffnungsventile sowie Rückschlagventile.
Schnellschussventile sorgen für die schlagartige Unterbrechung des Medienflusses in einer Rohrleitung. Schnellöffnungsventile sind hingegen Überdruckventile für das sofortige Öffnen einer Leitung. Beide werden meist als Not- oder Sicherheitsventile, beispielsweise in der chemischen Industrie, eingesetzt, um im Havariefall den Fluss in Rohrleitungen schnell zu unterbrechen oder unter Druck stehende Leitungen zu öffnen, um den Überdruck in kurzer Zeit entweichen lassen zu können. Sie können für den Handbetrieb ausgelegt sein, meist funktionieren derartige Ventile jedoch automatisch.
Rückschlagventile sperren den Durchfluss in einer Richtung ab. Sie verhindern bei Druckabfall im Leitungssystem das Zurückfließen des Mediums. Das funktionsbestimmende Schließelement des Rückschlagventils ist meist eine Kugel, aber auch kegelförmige Absperrkörper und Membranen können die Funktion übernehmen. Sie dichten entgegen der Fließrichtung durch Federkraft den Medienfluss ab. Erst durch den Druck des Fluids wird der Absperrkörper angehoben und in die vorgegebene Fließrichtung freigegeben.
Das Druckhalteventil begrenzt den Druck in einer Leitung und entspricht in seiner Grundform einem Dreiwege-Verteiler, bei dem ein Port durch den Druck einer Feder auf einen Absperrkörper oder eine Membran verschlossen ist. Übersteigt der Druck in der Leitung den Andruck des Sperrkörpers, öffnet sich der Port so lange, bis der Ist-Druck den zulässigen, durch die Feder einstellbaren Höchstdruck wieder unterschritten hat. Derartige Ventile werden vor allem als Sicherheitsventile verbaut, um Überdrücke gefahrlos abbauen zu können. Auch hierfür wird der Durchfluss über den KVS-Wert bestimmt.
Der Durchflusskoeffizient oder KVS-Wert ist eine wichtige Kenngröße, um 3-Wege-Ventile und andere Varianten optimal zu dimensionieren und dadurch den erforderlichen Durchfluss zu gewährleisten.