KugelventileSeit 200 Jahren sind Kugelventile ein fester Bestandteil der Fluidsteuerung und heute allgegenwärtig. In manchen Anwendungen können sie jedoch auch zur vollständigen Absperrung von Fluiden eingesetzt werden. Kugelventile dienen typischerweise der Durchflussregelung. Ihre Funktionsweise – sowohl das Ein- und Ausschalten als auch die Modulation – findet man häufig an der Außenseite von Wohnhäusern und Geschäftsgebäuden.

Dampf und Wasser waren für die industrielle Revolution unerlässlich, doch diese potenziell gefährlichen Substanzen mussten eingedämmt werden.KugelventilDas erste Ventil, das für die effektive Ausführung dieser Aufgabe benötigt wird, ist das Kugelventil. Die Konstruktion des Kugelventils war so erfolgreich und beliebt, dass die meisten der großen traditionellen Ventilhersteller (Crane, Powell, Lunkenheimer, Chapman und Jenkins) ihre ersten Patente erhielten.

SchieberventileKugelventile sind für den Betrieb in vollständig geöffneter oder vollständig geschlossener Position vorgesehen, während sie als Absperr- oder Absperrventile eingesetzt werden können, aber für die Durchflussregelung im Regelbetrieb teilweise geöffnet sind. Bei der Auslegung von Kugelventilen für Absperr- und Ein-/Aus-Ventile ist Vorsicht geboten, da es schwierig ist, bei erheblichem Druck auf die Ventilscheibe eine dichte Abdichtung zu gewährleisten. Die Strömungskraft des Mediums trägt zu einer positiven Abdichtung bei und vereinfacht das Abdichten, wenn das Medium von oben nach unten fließt.

Kugelventile eignen sich aufgrund ihrer Regelfunktion ideal für Steuerventilanwendungen. Diese ermöglicht eine äußerst präzise Regelung mit Stellungsreglern und Stellantrieben, die mit dem Ventilkopf und der Spindel verbunden sind. Sie bewähren sich in zahlreichen Anwendungen der Fluidsteuerung und werden dort als „Stellglied“ bezeichnet.

indirekter Strömungsweg

Das Kugelventil, auch als Globusventil bekannt, verdankt seine Form seiner ursprünglichen runden Gestalt, die den ungewöhnlichen und verschlungenen Strömungsweg noch immer verbirgt. Aufgrund seiner gezahnten oberen und unteren Kanäle weist ein vollständig geöffnetes Kugelventil im Gegensatz zu einem vollständig geöffneten Schieber- oder Kugelventil immer noch eine erhebliche Reibung bzw. einen Widerstand für den Flüssigkeitsdurchfluss auf. Die durch die geneigte Strömung verursachte Reibung verlangsamt den Durchfluss durch das Ventil.

Der Durchflusskoeffizient (Cv) eines Ventils dient zur Berechnung des Durchflusses. Schieberventile weisen im geöffneten Zustand einen extrem geringen Strömungswiderstand auf; daher unterscheidet sich der Cv-Wert eines Schieberventils deutlich von dem eines Kugelventils gleicher Größe.

Die als Schließmechanismus des Kugelventils dienende Scheibe oder der Ventilkegel kann in verschiedenen Formen gefertigt werden. Durch die Veränderung der Scheibenform lässt sich der Durchfluss durch das Ventil in Abhängigkeit von der Anzahl der Spindelumdrehungen bei geöffnetem Ventil deutlich beeinflussen. Die gängigere, sogenannte „traditionelle“ gebogene Scheibenform kommt in den meisten Anwendungen zum Einsatz, da sie besser als andere Bauformen für eine bestimmte Bewegung (Rotation) der Ventilspindel geeignet ist. V-förmige Scheiben eignen sich für Kugelventile aller Größen und ermöglichen eine feine Durchflussbegrenzung über verschiedene Öffnungsgrade. Nadelventile zielen auf eine absolute Durchflussregelung ab, sind jedoch häufig nur in kleineren Durchmessern erhältlich. Für eine vollständige Absperrung kann ein weicher, elastischer Einsatz in die Scheibe oder den Ventilsitz eingesetzt werden.

Kugelventil-Zierleiste

Der eigentliche Verschluss zwischen den Komponenten eines Kugelventils wird durch den Schieber gewährleistet. Ventilsitz, Ventilscheibe, Spindel, Rücksitz und gegebenenfalls die Befestigungselemente zwischen Spindel und Ventilscheibe bilden die Ventilausstattung. Die einwandfreie Funktion und Lebensdauer eines jeden Ventils hängen von der Konstruktion und der Materialwahl der Ventilausstattung ab. Kugelventile sind jedoch aufgrund der hohen Strömungsreibung und der komplexen Strömungswege besonders anfällig. Strömungsgeschwindigkeit und Turbulenzen nehmen zu, wenn sich Ventilsitz und Ventilscheibe annähern. Aufgrund der korrosiven Eigenschaften des Fluids und der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit kann die Ventilausstattung beschädigt werden, was die Leckage des Ventils im geschlossenen Zustand drastisch erhöht. Als „Stringing“ bezeichnet man einen Fehler, der gelegentlich in Form kleiner Abplatzungen an Ventilsitz oder Ventilscheibe auftritt. Was als kleine Leckage beginnt, kann sich vergrößern und zu einer erheblichen Leckage führen, wenn sie nicht rechtzeitig behoben wird.

Der Ventilkegel kleinerer Bronze-Kugelventile besteht oft aus dem gleichen Material wie das Ventilgehäuse oder gelegentlich aus einer robusteren, bronzeähnlichen Legierung. Das gängigste Material für den Schieber von Gusseisen-Kugelventilen ist Bronze. IBBM, kurz für „Eisenkörper, Bronzemontage“, ist die Bezeichnung für diese Eisenausstattung. Für Stahlventile stehen viele verschiedene Ausstattungsmaterialien zur Verfügung, häufig werden jedoch ein oder mehrere Ausstattungselemente aus martensitischem Edelstahl der 400er-Serie gefertigt. Darüber hinaus kommen harte Werkstoffe wie Stellite, Edelstähle der 300er-Serie und Kupfer-Nickel-Legierungen wie Monel zum Einsatz.

Es gibt drei grundlegende Bauformen für Kugelventile. Die T-Form, bei der die Spindel senkrecht zur Rohrströmungsrichtung steht, ist die typischste.
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Ähnlich einem T-Ventil lenkt ein Winkelventil den Durchfluss im Inneren um 90 Grad und dient somit sowohl als Durchflussregler als auch als 90°-Rohrbogen. Bei Öl- und Gas-Heizkesseln werden Winkelventile häufig als Endabsperrventile eingesetzt.
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Die dritte Ausführung, das „Y“-Design, dient der Optimierung der Dichtheit bei Ein/Aus-Anwendungen und reduziert gleichzeitig Turbulenzen im Ventilkörper. Deckel, Spindel und Scheibe dieses Ventiltyps sind in einem Winkel von 30–45 Grad angeordnet, um den Strömungsweg zu begradigen und die Reibung zu verringern. Durch die geringere Reibung ist das Ventil weniger anfällig für Erosionsschäden, und die Strömungseigenschaften des gesamten Rohrleitungssystems werden verbessert.