Durchflussbegrenzer – Werden wir bloß begrenzt oder kriegen wir es auch geregelt?
Was genau macht ein Durchflussbegrenzer? Vom Namen her könnte man denken, ein Durchflussbegrenzer begrenzt den Durchfluss. Ganz so einfach ist es jedoch nicht, denn strenggenommen ist ein Durchflussbegrenzer auch ein Durchflussregler, denn er hält den Durchfluss auf einem nahezu konstanten Wert. Un wat jenau macht dat janze?
An dieser Stelle wollen wir keine komplizierten, aktiv angesteuerten Regelventile betrachten, sondern die mechanischen Durchflussbegrenzer der alten Schule.
Die treibende Kraft für einen Durchfluss in einer Rohrleitung ist eine Druckdifferenz. Damit ist gemeint, dass auf einer Seite des Rohres ein höherer Druck anliegen muss als auf der anderen. Dabei fließt das Medium freilich stets vom hohen zum niedrigen Druck.
Zunächst gilt: Je höher die Druckdifferenz, desto höher der Durchfluss. Das ist aber nur die halbe Wahrheit, denn während bei mäßigen Strömungsgeschwindigkeiten eine laminare Strömung vorliegt, nehmen mit steigender Geschwindigkeit Turbulenzen und Reibung im Fluid zu, sodass mehr Energie dissipiert, also „verbraten“ wird. Im Bereich geringer Durchflussraten besteht noch ein linearer Zusammenhang zwischen Druck und Durchfluss, während dies bei höheren Geschwindigkeiten nicht mehr der Fall ist. Dann entspricht der Verlauf einer Wurzelfunktion, d.h. ein vierfach erhöhter Druck erzeugt nur noch einen etwa zweifach erhöhten Durchfluss.
Bei unseren Durchflussbegrenzern handelt es sich um ein Rohrstück mit einem mechanischen Regeleinsatz, auch Regelblende genannt. Diese kann aus Metall, Kunststoff oder Gummi ausgeführt sein. Die Regelblende engt den freien Rohrquerschnitt ein und lässt einen definierten Querschnitt offen. Dies stellt einen gewollten Strömungswiderstand dar.
Wie oben beschrieben, braucht es eine Druckdifferenz, um eine Strömung anzutreiben. Das heißt, auf der Eingangsseite des Durchflussbegrenzers herrscht ein höherer Druck als auf der Ausgangsseite. Dieser Drucküberschuss sorgt für eine elastische Verformung des Regeleinsatzes, was den Strömungsquerschnitt weiter verengt und den Strömungswiderstand erhöht. Fällt der Druck, stellt sich die Regelblende zurück und der Strömungswiderstand sinkt wieder. So kann der Durchfluss auf ein nahezu konstantes Niveau geregelt werden, und das ohne komplizierte Elektronik. Der Sollwert wird durch die Wahl der entsprechenden Regelblende eingestellt.
Ein Durchflussbegrenzer erzeugt freilich einen Druckverlust. Eine typische Druckverlustkurve ist hier dargestellt. Auf der horizontalen Achse ist der Druckverlust, auf der vertikalen der Durchfluss dargestellt. Der hier gezeigte Druckverlust ist gleichbedeutend mit der Druckdifferenz, die die Strömung antreibt.
Im unteren Bereich ist ein geringer Druckverlust vorhanden. Der Durchfluss liegt unterhalb des Sollwerts. Das liegt daran, dass die Druckdifferenz noch nicht ausreicht, um eine ausreichende Strömung zu erzeugen. Dieser Umstand muss bei der Auswahl des geeigneten Durchflussbegrenzers und bei der Auslegung einer Anlage berücksichtigt werden. Im gezeigten Beispiel liegen der Sollwert für den Durchfluss bei 20 l/min und der Regeldruckbereich zwischen 2 und 10 bar. Das heißt, der Durchflussbegrenzer muss mit mindestens 2 bar betrieben werden, um optimal zu arbeiten.
Warum sollte der Durchfluss überhaupt begrenzt werden? Viel hilft doch viel, oder nicht?
Es gibt vielfältige Anwendungen, in denen ein konstanter Durchfluss vorteilhaft ist, z. B. bei Kühlkreisläufen zur konstanten Wärmeabfuhr, bei Wasserverteilern für eine gleichmäßigere Verteilung, bei Dosieranlagen für eine feinere Dosierung und vieles mehr.
Hohe Durchflussraten bedeuten hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit zu hoch wird, kommt es zunehmend zu Turbulenzen, die unerwünschte Vibrationen in der Rohrleitung erzeugen. Dieser Effekt kann durch einen Durchflussbegrenzer vermieden werden.
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