Eine Regelklappe auswählen beginnt mit einem guten Verständnis der Anlage. Die Klappe regelt den Durchfluss von Wasser beispielsweise durch einen Wärmetauscher, ein Heizregister oder ein Kühlregister. Damit bildet die Regelklappe einen wichtigen Bestandteil der wasserseitigen Regelung einer HVAC-Anlage.
Nur die richtige Anschlussgröße zu wählen, ist nicht ausreichend. Für eine gute Auswahl betrachtet man unter anderem den erforderlichen Durchfluss, den Druckabfall, den Kvs-Wert und die hydraulische Schaltung. Außerdem muss der Antrieb zur Regelklappe und zur gewünschten Regelstrategie passen.
Wie funktioniert eine Regelklappe in einer HVAC-Anlage?
Eine Regelklappe verändert den Durchlass eines Wasserkreises. Der Klappenantrieb positioniert die Klappe auf Basis des Signals eines Reglers. Dadurch kann der Durchfluss beispielsweise durch einen Wärmetauscher an den aktuellen Heiz- oder Kühlbedarf angepasst werden.
Innerhalb von HVAC-Anlagen werden unter anderem 2-Wege- und 3-Wege-Regelklappen eingesetzt. Welche Lösung geeignet ist, hängt vom hydraulischen Aufbau und dem gewünschten Regelprinzip ab.
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Unterschied zwischen einer 2-Wege- und 3-Wege-Regelklappe
Eine 2-Wege-Regelklappe hat einen Einlass und einen Auslass. Die Klappe variiert den Durchfluss durch den betreffenden Kreis, indem sie weiter öffnet oder schließt.
Eine 3-Wege-Regelklappe hat drei Anschlüsse. Diese werden in der Regel mit A, B und AB bezeichnet. Damit kann die Klappe Wasserströme mischen oder verteilen.
Die Wahl zwischen einer 2-Wege- und einer 3-Wege-Klappe ergibt sich daher aus der hydraulischen Auslegung. Ersetzen Sie das eine Prinzip nicht ohne weitere Kontrolle durch das andere.
Wie funktioniert eine 3-Wege-Regelklappe beim Mischen?
Beim Mischbetrieb kommen zwei Wasserströme in der 3-Wege-Regelklappe zusammen. Die Strömungen über Port A und B werden gemischt und verlassen die Klappe über den gemeinsamen Anschluss AB.
Im Prinzipschema befindet sich die 3-Wege-Regelklappe auf der Rücklaufseite des Wärmetauschers. Ein Teil des Wasserstroms läuft durch den Wärmetauscher. Der übrige Teil strömt über den Bypass.
Das Einregulierventil im Bypass spielt hierbei eine wichtige hydraulische Rolle. Es ermöglicht, den Bypass auf die Auslegung des Kreises abzustimmen.
Wie funktioniert eine 3-Wege-Regelklappe beim Verteilen?
Beim Verteilbetrieb verläuft die Strömung in die andere Richtung. Das Wasser tritt über AB in die 3-Wege-Regelklappe ein. Anschließend verteilt die Klappe den Wasserstrom auf A und B.
Damit kann die Klappe bestimmen, welcher Teil des Durchflusses durch den Wärmetauscher läuft und welcher Teil über den Bypass strömt.
Nicht jede 3-Wege-Regelklappe ist sowohl für Misch- als auch für Verteilbetrieb geeignet. Prüfen Sie daher immer die zulässige Strömungsrichtung in der technischen Dokumentation der betreffenden Klappe.
Wie muss man eine Regelklappe auswählen?
Eine Regelklappe auswählen erfordert mehr als nur den nominalen Rohrdurchmesser. Die hydraulischen Eigenschaften des Kreises bestimmen, welche Klappe erforderlich ist. Beginnen Sie daher mit den Auslegungsdaten der Anlage. Anschließend können Sie die Regelklappe hydraulisch dimensionieren und die passende Ausführung bestimmen. Wichtige Auswahlkriterien sind unter anderem:
- der Auslegungsdurchfluss durch die Regelklappe;
- der verfügbare Druckabfall über die Klappe;
- der erforderliche Kvs-Wert;
- die gewünschte Klappenautorität;
- 2-Wege- oder 3-Wege-Ausführung;
- bei einer 3-Wege-Klappe: Mischen oder Verteilen;
- Nenndurchmesser (DN);
- zulässiger Druck und Temperatur;
- Mittel und Materialverträglichkeit;
- Art des Anschlusses;
- passender Klappenantrieb;
- Versorgungsspannung und Regelsignal.
Diese Daten müssen im Zusammenhang beurteilt werden. Eine Regelklappe ausschließlich nach DN auszuwählen, kann zu einer hydraulisch ungünstigen Dimensionierung führen.
Kvs-Wert einer Regelklappe bestimmen
Der Kvs-Wert gibt die Durchflusskapazität einer vollständig geöffneten Regelklappe an. Dieser Wert bildet daher einen wichtigen Bestandteil der Dimensionierung.
Für Wasser kann der erforderliche Kv-Wert aus dem Auslegungsdurchfluss und dem gewünschten Druckabfall über die Regelklappe bestimmt werden. Bei Wasser wird dafür in der Praxis die folgende Beziehung verwendet:
Kv = Q / √Δp
Dabei gilt:
- Kv = erforderlicher Durchflusskoeffizient;
- Q = Volumenstrom in m³/h;
- Δp = Druckdifferenz über die Klappe in bar.
Nach der Berechnung wählen Sie einen verfügbaren Kvs-Wert, der zur berechneten Situation passt. Anschließend kontrollieren Sie erneut den tatsächlichen Druckverlust und das hydraulische Verhalten der ausgewählten Klappe. Der Nenndurchmesser der Regelklappe muss dadurch nicht automatisch dem Rohrdurchmesser entsprechen. Eine kleinere Klappengröße kann hydraulisch die richtige Auswahl sein, wenn die Berechnung dies angibt.
Beispielberechnung Kvs-Wert
Angenommen, ein HVAC-Kreis hat einen Auslegungsdurchfluss von 2,5 m³/h. Der gewünschte Druckabfall über die vollständig geöffnete Regelklappe beträgt 0,20 bar. Für Wasser verwenden wir:
Kv = Q / √Δp
Dabei ist:
- Q = 2,5 m³/h
- Δp = 0,20 bar
Die Berechnung lautet dann:
Kv = 2,5 / √0,20 = 5,59
Der berechnete Kv-Wert beträgt also ungefähr 5,6.
Anschließend wählen Sie einen verfügbaren Kvs-Wert aus dem Sortiment des Herstellers. Dabei wählen Sie nicht automatisch einfach die nächstgrößere Klappe. Prüfen Sie auch den tatsächlichen Druckabfall, die Klappenautorität, die verfügbare Druckdifferenz und das Regelverhalten des Kreises.
So vermeiden Sie, dass eine hydraulisch zu große Regelklappe ausgewählt wird.
Warum ist die Klappenautorität wichtig?
Neben dem Kvs-Wert spielt die Klappenautorität bei konventionellen Regelklappen eine wichtige Rolle. Sie gibt an, wie sich der Druckabfall über die Regelklappe zu den Druckverlusten im geregelten Kreis verhält. Ein sehr kleiner Druckabfall über die Regelklappe im Verhältnis zum Rest des Kreises kann die Regelkennlinie ungünstig beeinflussen. Daher darf bei der Dimensionierung nicht nur auf den maximalen Durchfluss geachtet werden. Die gewünschte Klappenautorität muss im Zusammenhang mit der hydraulischen Auslegung bestimmt werden. Dabei spielen unter anderem der Wärmetauscher, Leitungen, Armaturen und der verfügbare Pumpendruck eine Rolle.
Warum ist eine zu große Regelklappe nicht automatisch besser?
Ein häufig gemachter Denkfehler ist, dass eine größere Regelklappe immer eine sichere Wahl ist. Für die Regeltechnik gilt das nicht. Ein zu groß ausgewählter Kvs-Wert ergibt bei gleichem Durchfluss einen kleineren Druckabfall über die Klappe. Dadurch kann die Klappe einen relativ kleinen Teil ihrer Schlacke nutzen, um den erforderlichen Durchfluss zu regeln. Eine korrekte Dimensionierung hilft daher, die verfügbare Klappenschlacke effektiv zu nutzen. Das unterstützt eine stabilere und besser vorhersehbare Regelung.
Welchen Regelklappenantrieb benötigen Sie?
Nach der hydraulischen Auswahl der Klappe folgt die Auswahl des Klappenantriebs. Der Antrieb muss mechanisch und regelungstechnisch zur Klappe passen.
Prüfen Sie unter anderem:
- erforderliche Stellkraft oder erforderliches Drehmoment;
- Versorgungsspannung;
- Regelsignal;
- Laufzeit;
- gewünschte Rückmeldung;
- gewünschte Sicherheitsfunktion;
- mechanischer Anschluss an die Regelklappe.
Welche Eigenschaften erforderlich sind, hängt von der gewählten Regelklappe und Regelstrategie ab. Prüfen Sie daher immer die Kombination aus Klappe und Antrieb anhand der Produktdokumentation.
Regelsignal und Anschluss an den Regler
Der Antrieb erhält sein Steuersignal von einem Regler oder Gebäudeleitsystem. Abhängig vom gewählten Antrieb kann dies beispielsweise ein Auf/Zu-, 3-Punkt- oder modulierendes Signal sein. Bei der Auswahl muss das Regelsignal des Antriebs mit dem verfügbaren Ausgang des Reglers übereinstimmen. Prüfen Sie auch, ob eine Positionsmeldung oder andere Rückmeldung erforderlich ist.
Damit wird die Auswahl der Regelklappe Teil des kompletten Regelkreises: Sensor → Regler → Antrieb → Regelklappe → Prozess.
Praktische Schritte zur Auswahl einer Regelklappe
Eine systematische Auswahl verringert die Wahrscheinlichkeit einer falsch dimensionierten Klappe. In der Praxis können Sie die folgende Reihenfolge verwenden:
- Bestimmen Sie die Funktion des Wasserkreises.
- Bestimmen Sie, ob eine 2-Wege- oder 3-Wege-Klappe erforderlich ist.
- Bestimmen Sie bei einer 3-Wege-Klappe die gewünschte hydraulische Schaltung.
- Legen Sie den Auslegungsdurchfluss fest.
- Bestimmen Sie den verfügbaren oder gewünschten Druckabfall über die Klappe.
- Berechnen Sie den erforderlichen Kv-Wert.
- Wählen Sie einen passenden verfügbaren Kvs-Wert aus.
- Prüfen Sie DN, Druck, Temperatur, Mittel und Anschluss.
- Prüfen Sie das hydraulische Verhalten und die Klappenautorität.
- Wählen Sie einen passenden Antrieb und das richtige Regelsignal aus.
So entsteht die Auswahl aus der Anlage heraus statt nur aus der Rohrgröße oder einer vorhandenen Klappe.
Von der hydraulischen Berechnung zur richtigen Regelklappe
Eine gute Regelklappenauswahl kombiniert Hydraulik und Regeltechnik. Zuerst bestimmen Sie, was der Kreis benötigt. Danach wählen Sie die dazu passende Klappe und den passenden Antrieb aus. Die Abbildung mit Misch- und Verteilbetrieb zeigt, warum die hydraulische Schaltung dabei wichtig ist. Dieselben drei Anschlüsse können je nach Strömungsrichtung eine andere Funktion erhalten.
Betec Controls kann Sie bei der Auswahl von Regelklappen und zugehörigen Antrieben für HVAC-Anwendungen unterstützen. Halten Sie dafür vorzugsweise den Auslegungsdurchfluss, den verfügbaren Druckabfall und relevante Anlagendaten bereit. Damit kann gezielter nach einer passenden Ausführung gesucht werden.
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C. FAQ
Wie wählen Sie die richtige Regelklappe aus?
Beginnen Sie mit dem Auslegungsdurchfluss und dem gewünschten Druckabfall über die Regelklappe. Bestimmen Sie anschließend den Kv-Wert und wählen Sie einen passenden Kvs-Wert aus. Prüfen Sie danach unter anderem DN, Klappenautorität, Anschluss und Antrieb.
Ist die DN-Größe einer Regelklappe immer gleich der Rohrgröße?
Nein. Die hydraulische Dimensionierung bestimmt die erforderliche Regelklappe. Dadurch muss der Nenndurchmesser der Klappe nicht automatisch dem Rohrdurchmesser entsprechen.
Was ist der Kvs-Wert einer Regelklappe?
Der Kvs-Wert gibt die Durchflusskapazität einer vollständig geöffneten Klappe an. Dieser Wert wird verwendet, um eine Regelklappe auf den gewünschten Durchfluss und die gewünschte Druckdifferenz zu dimensionieren.
Was ist Klappenautorität?
Klappenautorität beschreibt das Verhältnis zwischen dem Druckabfall über die Regelklappe und den Druckverlusten im geregelten Kreis. Dieses Verhältnis beeinflusst das Regelverhalten der Anlage.
Was ist der Unterschied zwischen einer 2-Wege- und 3-Wege-Regelklappe?
Eine 2-Wege-Regelklappe variiert den Durchfluss durch einen Strömungspfad. Eine 3-Wege-Regelklappe hat drei Anschlüsse und kann, abhängig von der Auslegung, zum Mischen oder Verteilen verwendet werden.
