Steuerventil-Blasenbildung vs. Kavitation: Was ist der Unterschied?

Blasenbildung und Kavitation sind zwei häufige Flüssigkeitsphänomene, die mit Druckabfällen über Regelventile verbunden sind. Beide können auftreten, wenn eine Flüssigkeit ein Ventil passiert und ihr lokaler Druck auf oder unter den Dampfdruck der Flüssigkeit fällt.

Da beide Bedingungen Dampfblasen beinhalten, werden sie manchmal miteinander verwechselt.

Der Hauptunterschied besteht darin, was mit diesen Blasen geschieht, nachdem die Flüssigkeit das Ventil verlassen hat.

Bei der Blasenbildung bleiben die Dampfblasen im nachgeschalteten Strom, da der nachgeschaltete Druck unter dem Dampfdruck der Flüssigkeit bleibt.

Bei der Kavitation erholt sich der Druck über den Dampfdruck und die Dampfblasen kollabieren.

1. Was ist Blasenbildung?

Blasenbildung tritt auf, wenn eine Flüssigkeit beim Durchströmen eines Regelventils verdampft und nachgeschaltet teilweise verdampft bleibt.

Der Prozess beginnt, wenn der lokale Druck auf oder unter den Dampfdruck der Flüssigkeit fällt.

Wenn der nachgeschaltete Druck unter dem Dampfdruck bleibt, kollabieren die Dampfblasen nicht.

Stattdessen setzt sich die Flüssig-Dampf-Mischung nachgeschaltet fort.

Eine Regelventil-Anwendung wird im Allgemeinen als Blasenbildung betrachtet, wenn:

P₂ < Pᵥ

wobei:

• P₂ = nachgeschalteter Druck
• Pᵥ = Dampfdruck der Flüssigkeit

Blasenbildung kann erhebliche Erosion verursachen, da die Hochgeschwindigkeits-Flüssig-Dampf-Mischung kontinuierlich Ventil- und Rohrleitungsflächen treffen kann.

2. Was ist Kavitation?

Kavitation beginnt auf ähnliche Weise.

Wenn Flüssigkeit durch die Verengung im Inneren eines Regelventils strömt, erhöht sich die Geschwindigkeit und der lokale Druck sinkt.

Wenn der Druck am vena contracta den Dampfdruck der Flüssigkeit erreicht, können sich Dampfblasen bilden.

Der Unterschied tritt nachgeschaltet auf.

Wenn sich der Flüssigkeitsdruck über den Dampfdruck erholt, kollabieren die Blasen.

Dieser Kollaps setzt Energie frei und kann Folgendes erzeugen:

• Lärm
• Vibration
• Lochfraß
• Beschädigung des Trims
• Reduzierte Ventilperformance

Kavitationsschäden sind oft durch eine raue, angefressene oder unregelmäßige Oberfläche gekennzeichnet.

3. Blasenbildung vs. Kavitation

Die Unterscheidung hängt hauptsächlich vom Verhältnis zwischen nachgeschaltetem Druck und Dampfdruck liefern.

4. Warum verursacht Blasenbildung Erosion?

Wenn Blasenbildung auftritt, wandelt sich die Flüssigkeit in eine Flüssig-Dampf-Mischung um.

Die Mischung kann durch und nachgeschaltet vom Ventil hohe Geschwindigkeiten erreichen.

Im Gegensatz zur Kavitation kollabieren die Dampfblasen nicht wiederholt gegen die Ventiloberfläche, da der nachgeschaltete Druck unter dem Dampfdruck bleibt.

Das Hauptproblem ist daher die kontinuierliche Erosion durch den zweiphasigen Hochgeschwindigkeitsstrom.

Blasenbildungsschäden können ein relativ glattes und poliertes Aussehen haben, was sich vom rauen Lochfraß unterscheidet, der üblicherweise mit Kavitation verbunden ist.

5. Warum verursacht Kavitation Lochfraß?

Im Kavitationsbetrieb bilden sich Dampfblasen, wenn der lokale Druck ausreichend niedrig wird.

Wenn sich der Druck nachgeschaltet erholt, kollabieren die Blasen.

Wenn der Kollaps nahe einer Metalloberfläche auftritt, kann die während des Blasen-Kollapses freigesetzte Energie lokalisierte Schäden verursachen.

Wiederholter Kollaps kann eine raue, angefressene Oberfläche am Ventiltrim verursachen.

In schweren Fällen können sich die Schäden bis in die nachgeschaltete Rohrleitung erstrecken.

6. Wie identifiziert man Blasenbildung oder Kavitation?

Einige praktische Anzeichen können helfen, das Problem zu identifizieren.

Mögliche Anzeichen von Kavitation

• Lauter Lärm
• Starke Vibration
• Angefräster Ventiltrim
• Wiederholtes Versagen des Trims
• Instabile Regelung
• Schäden in der Nähe des Druckwiederherstellungsbereichs

Mögliche Anzeichen von Blasenbildung

• Kontinuierliche Erosion
• Glatte oder polierte beschädigte Oberflächen
• Zweiphasiger Strom nachgeschaltet
• Hohe nachgeschaltete Geschwindigkeit
• Erosion des Ventilauslasses und der nachgeschalteten Rohrleitung

Eine alleinige visuelle Inspektion reicht jedoch nicht aus, um den genauen Strömungszustand zu bestimmen.

Prozessdruck, Temperatur, Durchflussrate und Dampfdruck der Flüssigkeit sollten überprüft werden.

7. Wie kann Kavitation kontrolliert werden?

Da Kavitation mit Druckwiederherstellung und Blasen-Kollaps zusammenhängt, besteht das Ziel darin, die Bedingungen zu reduzieren oder zu kontrollieren, die einen schädlichen Blasen-Kollaps ermöglichen.

Mögliche Ansätze umfassen:

Gestufte Druckreduzierung

Spezialisierte Trims können den Druckabfall in mehrere Stufen unterteilen.

Anti-Kavitations-Trim

Käfige und Strömungskanäle können so konstruiert werden, dass sie Geschwindigkeit und Druckwiederherstellung steuern.

Richtige Ventilgröße

Die richtige Dimensionierung hilft, unnötig hohe Geschwindigkeiten und übermäßige Druckabfälle zu vermeiden.

Angemessene Ventilwahl

Die Geometrie des Ventilkörpers und des Trims kann einen erheblichen Einfluss auf die Druckwiederherstellung und das Kavitationsrisiko haben.

Zum Beispiel ist der Fisher Cavitrol III Trim so konzipiert, dass er die Druckreduzierung in Kavitationsanwendungen stuft.

8. Wie können Blasenbildungsschäden reduziert werden?

Blasenbildung kann nicht einfach durch den Austausch des Regelventils beseitigt werden, da sie durch die Prozessbedingungen bestimmt wird.

Wenn der nachgeschaltete Druck unter dem Dampfdruck der Flüssigkeit bleibt, kann Blasenbildung auftreten.

Das Ziel ist daher, die daraus resultierende Erosion zu managen liefern.

Gängige Ansätze umfassen:

• Auswahl erosionsbeständiger Materialien
• Reduzierung der lokalen Flüssigkeitsgeschwindigkeit
• Verwendung geeigneter Ventilgeometrie
• Schutz anfälliger Ventiloberflächen
• Erhöhung des nachgeschalteten Strömungsbereichs
• Auswahl geeigneter Ventildesigns für schwere Beanspruchung

Emerson weist darauf hin, dass Blasenbildung eine Systembedingung ist und empfiehlt die Auswahl von Ventilgeometrie und Materialien, die die Erosion minimieren, anstatt zu versuchen, die Blasenbildung selbst zu verhindern.

9. Kann dasselbe Ventil für Blasenbildung und Kavitation verwendet werden?

Nicht unbedingt.

Die beiden Bedingungen erzeugen unterschiedliche Schadensmechanismen, daher sollte das Ventil entsprechend der tatsächlichen Prozessbedingung ausgewählt werden.

Bei Kavitation ist das Designziel im Allgemeinen, den Druckabfall zu kontrollieren und den schädlichen Blasen-Kollaps zu verhindern oder zu reduzieren.

Bei Blasenbildung konzentriert sich das Designziel mehr auf das Management von zweiphasigen Hochgeschwindigkeitsströmen und die Minimierung von Erosion.

Regelventile für schwere Beanspruchung können für spezifische Kombinationen von Kavitation, Blasenbildung, Erosion, hohem Druckabfall und hoher Geschwindigkeit ausgelegt werden.

10. Welche Prozessdaten werden benötigt?

Bei der Bewertung von Blasenbildung oder Kavitation geben Sie bitte an:

• Flüssigkeitsname
• Durchflussrate
• Vordruck
• Nachdruck
• Betriebstemperatur
• Dampfdruck
• Flüssigkeitsdichte
• Rohrgröße
• Ventilgröße
• Ventiltyp
• Erforderlicher Druckabfall

Für ein bestehendes Ventil geben Sie bitte auch das Ventilmodell und die Trim-Informationen an, falls verfügbar.

Dies ermöglicht es dem Ventil-Lieferanten, die tatsächlichen Druckbedingungen zu bewerten, anstatt das Problem nur anhand von Lärm oder sichtbaren Schäden zu diagnostizieren.

Schlussfolgerung

Blasenbildung und Kavitation beginnen unter einer ähnlichen Bedingung: der Flüssigkeitsdruck fällt ausreichend niedrig ab, damit sich Dampfblasen bilden liefern.

Der Hauptunterschied besteht darin, was danach geschieht:

Blasenbildung:

Dampf bildet sich → Nachgeschalteter Druck bleibt unter Dampfdruck → Dampf bleibt im Strom

Kavitation:

Dampf bildet sich → Nachgeschalteter Druck erholt sich → Dampfblasen kollabieren

Dieser Unterschied führt zu unterschiedlichen Schadensmechanismen.

Blasenbildung ist hauptsächlich mit Erosion durch zweiphasigen Hochgeschwindigkeitsstrom verbunden, während Kavitation durch kollabierende Dampfblasen zu schweren Lochfraß, Lärm und Vibrationen führen kann.

Die richtige Ventilgröße, genaue Prozessdaten und die Auswahl des geeigneten Ventils oder Trims sind für beide Bedingungen wichtig.

Für Anwendungen mit schwerer Beanspruchung können wir Regelventile und spezielle Ventil-Lösungen von Fisher, Flowserve, Masoneilan, Samson, Koso und anderen Herstellern liefern.

Wenn Sie Ventil-Erosion, Lärm oder Vibrationen erfahren, geben Sie die Prozessbedingungen und das bestehende Ventilmodell für eine technische Überprüfung an.