Hoe een modulerende regelklep te dimensioneren en te selecteren

Figuur 1: Een verscheidenheid aan modulerende regelkleppen, van links naar rechts: proportioneel magneetventiel, modulerende kogelkraan, elektrische membraanklep, elektrische vrijstroomafsluiter, elektrische klepafsluiter en elektrische schijfklep.

Nauwkeurige dimensionering van modulerende regelkleppen is een noodzakelijke vereiste voor het waarborgen van processtabiliteit, het maximaliseren van energie-efficiëntie en het minimaliseren van schade aan apparatuur. Kleppen die te groot of te klein zijn, kunnen lawaai, cavitatie en vroegtijdige uitval veroorzaken.

Om een modulerende regelklep te dimensioneren, berekent u de vereiste flowcoëfficiënt (Kv of Cv), verifieert u de toelaatbare drukval en kiest u een kleptype (klepafsluiter, kogelkraan, enz.) dat bij normale stroming tussen 20-80% open staat.

Inhoudsopgave

• De grondbeginselen van het dimensioneren van regelkleppen
• Handleiding voor het dimensioneren van regelkleppen: stap voor stap
• Soorten modulerende regelkleppen

De grondbeginselen van het dimensioneren van regelkleppen

Dit gedeelte richt zich op fundamentele concepten die noodzakelijk zijn om te begrijpen voor het correct dimensioneren van een regelklep. Als deze concepten te basaal zijn, ga dan direct naar het gedeelte "Handleiding voor het dimensioneren van regelkleppen: stap voor stap".

De flowcoëfficiënt: Kv en Cv

De flowcoëfficiënt (Kv of Cv) is een belangrijke metriek die wordt gebruikt om de capaciteit van een klep om vloeistof door te laten onder gestandaardiseerde omstandigheden te kwantificeren.

• Kv: Vertegenwoordigt het debiet van water in kubieke meters per uur (m³/h) bij een drukval van 1 bar over de klep.
• Cv: Vaak gebruikt in de Verenigde Staten, Cv vertegenwoordigt het debiet van water in gallons per minuut (GPM) bij een drukval van 1 psi over de klep.

Als de flowcoëfficiënt wordt onderschat en de klep te klein is gedimensioneerd, kan het systeem een overmatige drukval en onvoldoende stroming ervaren, wat leidt tot slechte prestaties. Als deze wordt overschat en de klep te groot is gedimensioneerd, wordt de regelnauwkeurigheid verminderd en kan de klep voornamelijk in bijna gesloten positie werken, wat instabiliteit en slijtage veroorzaakt.

Systeemdrukdynamiek en klepautoriteit

De prestaties van een modulerende klep hangen af van hoe de drukval zich verhoudt tot de rest van het systeem. Deze interactie staat bekend als klepautoriteit (β). Een hoge autoriteit zorgt ervoor dat een verandering in de kleppositie een significante en voorspelbare verandering in het systeemdebiet produceert, wat leidt tot betere regelstabiliteit.

De verschildruk in het systeem is de drijvende kracht voor de stroming. Deze totale druk wordt verdeeld tussen de regelklep (ΔPV) en de overige elementen in het circuit (ΔPC). Deze elementen kunnen leidingen, fittingen, filters, enz. omvatten.

Klepautoriteit is een dimensieloze verhouding die meet hoeveel invloed de klep heeft op het totale debiet in vergelijking met de vaste weerstand van de rest van het circuit. Het wordt wiskundig gedefinieerd als de verhouding tussen de drukval over de volledig geopende regelklep (ΔPV) en de totale drukval over het gehele circuit wanneer de klep volledig open is (ΔPV+ΔPC).

Voorbeeld

Als de volledig geopende klep een drukval ΔPv = 2 bar heeft en de rest van het systeem ΔPc = 3 bar bijdraagt, dan:

β = ΔPv ÷ (ΔPv + ΔPc) = 2 ÷ (2 + 3) = 0,4 → 40% autoriteit.

Dit valt binnen het aanbevolen bereik van 35–75%.

Kritisch selectievenster

Voor drukafhankelijke regelafsluiters vereist de dimensionering een evenwicht tussen de eisen van regelstabiliteit en energieverbruik. Een te kleine afsluiter heeft een hoge afsluiterautoriteit, wat resulteert in uitstekende regeling maar hoog energieverbruik omdat het systeem de weerstand van de afsluiter moet overwinnen. Te grote afsluiters besparen energie maar maken de debietregeling instabiel.

Het optimale bereik voor afsluiterautoriteit ligt tussen 35% en 75%. Het selecteren van een afsluiter binnen dit bereik zorgt voor voldoende drukval bij de regelafsluiter zonder overmatig energieverbruik. Wanneer absolute precisie noodzakelijk is, is het selecteren van een afsluiter met een autoriteit van 75% en hoger het beste, ondanks de energiecompromissen.

Tabel 1: Bereik van afsluiterautoriteit: regelkwaliteit, energieverbruik en gevolgen voor dimensionering

Drukonafhankelijke oplossing

De uitdagingen van afsluiterautoriteitsberekeningen en energienadelen worden grotendeels opgelost door drukonafhankelijke regelafsluiters (PICV's). Met een minimale verschildruk die gehandhaafd wordt voor de werking, handhaaft een PICV een constant debiet ondanks veranderingen in de verschildruk erover. Omdat dit type afsluiter de invloed van systeemdrukschommelingen elimineert, heeft het een inherente afsluiterautoriteit van 100% en bereikt het een hoge energie-efficiëntie.

Figuur 2: Een drukonafhankelijke zoneklep voor HVAC

Inherente stromingskarakteristieken

De inherente stromingskarakteristiek van een regelafsluiter definieert de relatie tussen het percentage van de klepsteel verplaatsing en het resulterende percentage van het debiet. Deze definitie gaat uit van een constante verschildruk over de afsluiter.

Tabel 2: Inherente stromingskarakteristieken

Opmerking: Versterking is de verhouding van outputverandering tot inputverandering

Figuur 3: Theoretische weergaven van inherente stromingskarakteristieken: snel openend (A), lineair (B), en gelijkpercentage (C)

Gelijkpercentage kleppen hebben de voorkeur in de meeste modulerende toepassingen omdat echte systemen zelden een constante verschildruk handhaven. Naarmate de klep sluit, neemt de verschildruk over de klep in het systeem toe. De gelijkpercentage karakteristiek compenseert voor dit effect, wat resulteert in een bij benadering lineaire algehele systeemrespons.

Regelbereik en turndown ratio

Regelbereik (R) is een eigenschap van het kleplichaam en de bouwvorm van het binnenwerk. Het wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de maximaal regelbare stroom (Qmax) en de minimaal regelbare stroom (Qmin) bij constante verschildruk (d.w.z. gemeten in een laboratoriumomgeving). Een klepafsluiter met een regelbereik van 50:1 kan bijvoorbeeld betrouwbaar de stroom moduleren van 100% tot 2% van zijn maximale capaciteit.

De turndown ratio (TDR) is de operationele prestatiemaat, met andere woorden, hoe de klep presteert bij het moduleren van de stroom wanneer deze niet in een gecontroleerde laboratoriumomgeving is. Het is de verhouding tussen de maximaal bruikbare stroom en de minimaal regelbare stroom. De TDR is altijd kleiner dan of gelijk aan het theoretische regelbereik van de klep.

De resolutie van de actuator die gekoppeld is aan de regelklep heeft de meeste invloed op de turndown ratio. Als een klep met een hoog regelbereik wordt gekoppeld aan een actuator met een lage resolutie, is het onwaarschijnlijk dat het openingsmechanisme van de klep (bijv. bal of schijf) precies wordt gepositioneerd waar het zou moeten zijn. Dit zal ervoor zorgen dat de actuator gaat "zoeken" naar de juiste positie, wat de klep overmatig laat cycleren. Uiteindelijk kan dit de turndown ratio verlagen tot zelfs 3:1.

Handleiding voor het dimensioneren van regelkleppen: stap voor stap

Stap 1: Verzamel belangrijke dimensioneringsparameters

Voordat er dimensioneringsberekeningen kunnen worden uitgevoerd, is het noodzakelijk om de belangrijke dimensioneringsparameters te begrijpen:

• Vloeistofeigenschappen: Identificeer het medium (vloeistof, gas of stoom), de soortelijke massa, viscositeit, dampdruk en kritische druk.
• Stromingsvereisten: Maximale stroom (Qmax), normale stroom (Qnorm) en minimale stroom (Qmin).
  • Qmax is noodzakelijk voor het berekenen van de benodigde Kv (hierboven uitgelegd)
  • Qmin is noodzakelijk voor het controleren van het turndown vermogen van de klep (hierboven uitgelegd)
• Druk en temperatuur: Absolute druk stroomopwaarts en stroomafwaarts, of verschildruk voor Qmax. Bedrijfstemperatuur is ook vereist.
• Ontwerpbeperkingen: Gewenste systeemautoriteit (β) (hierboven uitgelegd) en inherente stromingskarakteristiek (vaak gelijkpercentage).

Stap 2: Bepaal toelaatbare verschildruk

Bij het dimensioneren van een regelklep moet u weten hoeveel verschildruk deze veilig kan verdragen. Te veel verschildruk kan cavitatie, flashing, geluid, erosie veroorzaken of simpelweg de stromingscapaciteit van de klep beperken.

De toelaatbare verschildruk wordt bepaald door de laagste van drie waarden:

• Beschikbare systeemverschildruk: Het verschil tussen de druk stroomopwaarts en stroomafwaarts.
• Gesmoorde verschildruk: De hydraulische/stromingslimiet: cavitatie in vloeistoffen, geluidssnelheid in gassen.
• Maximale verschildrukclassificatie van de klep: De mechanische sterktegrens gespecificeerd door de fabrikant.

IEC 60534 biedt berekeningsmethoden om gesmoorde stroming te voorspellen met behulp van parameters zoals de drukherwinningsfactor van de klep (F_L) en vloeistofeigenschappen zoals dampdruk (P_v) en kritische drukverhouding factoren (F_F, x_T).

Belangrijk onderscheid:

• De maximale ΔP-classificatie is een mechanische limiet.
• De gesmoorde ΔP is een hydraulische limiet.
• De toelaatbare ΔP voor dimensionering is de laagste van beide onder uw bedrijfsomstandigheden.

Voorbeeld 1: Water

• Druk stroomopwaarts: 10 bar
• Druk stroomafwaarts: 4 bar
• Vloeistof: Koud water (P_v ≈ 0 bar)
• Klepclassificatie: 6 bar max ΔP
• Drukherwinningsfactor klep: F_L=0,9, F_F = 0,96

Stap 1: Beschikbare ΔP

Stap 2: Kritische ΔP

Voor vloeistoffen geeft IEC 60534:

Waarbij:

• P₁ = absolute druk stroomopwaarts
• P_v = dampdruk van de vloeistof
• F_F = kritische drukverhouding factor voor vloeistoffen (~0,96 voor water)
• F_L = drukherwinningsfactor van de klep

Toepassing:

Stap 3: Vergelijken

• Beschikbare ΔP = 6 bar
• Kritische ΔP = 8,1 bar
• Mechanische classificatie = 6 bar

Daarom is de toelaatbare ΔP = 6 bar (beperkt door systeem en classificatie)

Voorbeeld 2: Lucht

• Druk stroomopwaarts: 7 bar
• Druk stroomafwaarts: 2 bar
• Medium: Lucht
• Klepclassificatie: 10 bar max ΔP
• Drukherwinningsfactor klep: F_L = 0,85
• Kritische drukverhouding factor voor gassen: x_T = 0,7

Stap 1: Beschikbare ΔP

Stap 2: Kritische ΔP

Voor gassen:

Stap 3: Vergelijken

• Beschikbare ΔP = 5 bar
• Kritische ΔP = 3,6 bar
• Mechanische classificatie = 10 bar

Daarom is de toelaatbare ΔP = 3,6 bar (beperkt door sonische verstopping)

Stap 3: Bereken de stromingscoëfficiënt (Kv of Cv)

Zodra de toelaatbare druk is vastgesteld, kan de stromingscoëfficiënt worden berekend.

Tabel 3: Bereken stromingscoëfficiënten voor vloeistoffen en gassen

Vloeistoffen	Kv		Q = debiet (m3/h) Δp = drukval over de klep (bar) ⍴ = dichtheid van de vloeistof [kg/m3]
	Cv		Q = debiet [US gpm] Δp = drukval over de klep (psi) Gf = specifieke dichtheid van vloeistof (water = 1,0)
Gassen	Kv		QN = gasdebiet bij standaardcondities (Nm3/h) Δp = drukval (bar) ⍴N = gasdichtheid bij normale condities [kg/m3] TN = normale temperatuur (bijv. 273 K) T = absolute temperatuur van het gas (K)
	Cv		Q = gasdebiet (SCFH) T = absolute temperatuur van het gas (R) Gg = specifieke dichtheid van gas ten opzichte van lucht P1 = stroomopwaartse druk (psia) Y = expansiefactor

Stap 4: Voorlopige klepselectie en slagbereik

De berekende stromingscoëfficiënt wordt gebruikt om de initiële klepgrootte en trim-combinatie te selecteren. Om optimale prestaties te garanderen, moet de klep zodanig worden gedimensioneerd dat de werking binnen een bruikbaar slagbereik blijft. Tijdens bedrijf moet de klep vermijden om dicht bij de volledig gesloten positie of de volledig open positie te werken. Een goede schatting is dat de slagbeweging van de klep tussen 60% - 80% moet liggen bij maximale stroming en niet minder dan 20% bij minimale stroming.

Als de berekende stromingscoëfficiënt leidt tot een te grote klep, zal de klep gedwongen worden om aan het lage uiteinde van zijn slag te werken (bijv. onder 20%) om de stroming nauwkeurig te regelen. Deze werking compromitteert de regelverhouding drastisch, waardoor deze vaak daalt tot 3:1 of minder, wat leidt tot hoge versterkingsinstabiliteit en cyclische werking. Bovendien wordt het dimensioneren van de klep op aanzienlijk minder dan de helft van de leidingdiameter over het algemeen vermeden om onnodige turbulentie en gelokaliseerde drukverliezen buiten het regelelement te voorkomen.

Controle van het regelbereik

Na de voorlopige selectie wordt het minimale debiet (Qmin) gecontroleerd aan de hand van de karakteristieke curve van de fabrikant om ervoor te zorgen dat het bijbehorende slagpercentage niet onder de 10% komt. Als de klep te dicht bij de zitting werkt bij minimaal debiet, kan een kleinere klep nodig zijn om het werkbereik te verschuiven naar de stabiele regelband (20%-80%).

Soorten modulerende regelkleppen

Zodra de vereiste doorstroomcoëfficiënt van de regelklep is berekend, is de volgende stap het kiezen van het meest geschikte kleptype voor de toepassing. Hoewel de grootte van de regelklep cruciaal is, zijn de constructie, de doorstroomkarakteristiek en de compatibiliteit met het medium even belangrijk. Hieronder staan de belangrijkste overwegingen voor veelvoorkomende modulerende kleptypes:

Aangedreven klepafsluiter

De klepafsluiter blijft de meest veelzijdige optie voor nauwkeurige regeling. Met een uitstekend regelbereik en voorspelbare doorstroomkarakteristieken wordt deze vaak gekozen wanneer hoge nauwkeurigheid vereist is. De Cv-waarde en bouwgrootte van de klepafsluiter moeten zorgvuldig worden afgestemd op de berekende doorstroomeisen van het systeem, rekening houdend met de verhouding tussen de grootte van de regelklep en de leidinggrootte. In veel gevallen is een klepafsluiter opzettelijk kleiner dan de leidinggrootte om een betere regelautoriteit te bereiken.

Aangedreven schijfklep

Schijfkleppen zijn compact en betrouwbaar, en worden vaak gebruikt in toepassingen die een gematigde regelprestatie vereisen tegen lagere kosten. Verkrijgbaar in verschillende bouwgroottes, zijn ze het meest geschikt waar ruimte beperkt is en waar extreem fijne modulatie niet nodig is.

Aangedreven vrijstroomafsluiter

Vrijstroomafsluiters worden gewaardeerd om hun duurzaamheid en lange levensduur, vooral bij gebruik met stoom en agressieve media. Het vermogen van een vrijstroomafsluiter om frequente bediening aan te kunnen, maakt ze een sterke keuze voor schone industriële processen.

Aangedreven membraanklep

Membraankleppen zijn bijzonder effectief in het hanteren van corrosieve vloeistoffen, slurries of hygiënische toepassingen. Hun membraanklep Cv en Kv-waarde moeten zorgvuldig worden vergeleken met het vereiste werkpunt, aangezien ze doorgaans een lagere doorstroomcapaciteit hebben dan klepafsluiters of kogelkranen. Verkrijgbaar in verschillende bouwgroottes, worden ze vaak gekozen wanneer mediacompatibiliteit de doorslaggevende factor is.

Modulerende kogelkraan

Kogelkranen met gekarakteriseerde trims bieden goede regelprestaties met behoud van een compact ontwerp. Een juist geselecteerde poorgrootte van de regelklep zorgt voor zowel een goede afsluiting als een stabiele modulatie. Ze worden vaak gekozen voor HVAC-, water- en algemene utiliteitssystemen waar een hoge doorstroomcapaciteit vereist is.

Proportioneel magneetventiel

Proportionele magneetventielen bieden een snelle respons en compacte vorm, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen met lage doorstroming of systemen die frequente aanpassing vereisen. Ze zijn over het algemeen verkrijgbaar in kleinere maten en zijn het meest geschikt waar nauwkeurige modulatie bij lage doorstroming belangrijker is dan een grote doorstroomcapaciteit. Lees meer in ons artikel over proportionele magneetventielen.

Drukonafhankelijke regelklep (PICV)

Drukonafhankelijke regelkleppen combineren een modulerende regelklep met een geïntegreerde verschildrukregelaar. Dit ontwerp compenseert automatisch voor veranderingen in de systeemdruk, waardoor een constant debiet wordt gehandhaafd ongeacht fluctuaties stroomopwaarts of stroomafwaarts. Door de noodzaak van handmatig inregelen te elimineren, vereenvoudigen PICV's de inbedrijfstelling en verbeteren ze aanzienlijk de energie-efficiëntie in systemen met variabele doorstroming.

Tabel 4: Praktijkvoorbeelden van modulerende regelkleppen

Veelgestelde vragen

Wat is klepautoriteit en waarom is het belangrijk?

Klepautoriteit is de verhouding tussen de drukval over een klep en de totale systeemdrukval. Hogere autoriteit (≥0,5) verbetert de regelnauwkeurigheid en stabiliteit.

Wat is een modulerende regelklep?

Een modulerende klep past de vloeistofstroom continu aan met behulp van een actuator en regelsignaal om de gewenste stroming of druk te handhaven.