Ventil

Schema eines Absperrventils: 1 - Stellantrieb, 2 - Buchse, 3 - Verschlussteil, 4 - Gehäuse

Schrägsitzventil als Erstabsperrung einer häuslichen Trinkwasserleitung

Ventil zum Regeln des Druckes in einer Gasleitung

Ventileinsatz aus PKW-Rad

Blitz- oder Dunlopventileinsatz eines Fahrrad

Bodenauslaufventil für einen emaillierten verfahrenstechnischen Apparat

Ein Ventil in Rohrleitungen ist ein Bauteil zur Absperrung oder Regelung des Durchflusses von Fluiden (Gasen oder Flüssigkeiten). In Ventilen wird ein Verschlussteil (z. B. ein Kegel oder eine Kugel) nahezu parallel zur Strömungsrichtung des Fluides bewegt. Strömungen werden unterbrochen, indem dieses Verschlussteil vollständig (über einen gesamten Umfang) auf einer passend geformten Öffnung angepresst wird.

Ventile können so gefertigt werden, dass diese im Gegensatz zu anderen Bauteilen zum Absperren von Stoffströmen (z. B. Absperrklappe, Kugelhahn) über den gesamten Stellbereich, ein im Strömungsquerschnitt gleichmäßiges Strömungsbild besitzen. Deshalb eignen sich Ventile neben dem reinen Absperren von Stoffströmen auch gut für Regelaufgaben.

Bauarten

Unterschiedliche Ventilarten werden nach folgenden Aspekten unterschieden:

Form

Ventile können nach ihrer geometrischen Form eingeteilt werden in:

• Durchgangsventil (Ein- und Austritt liegen in einer gemeinsamen Richtung), wobei der Durchgang „reduziert“ (mit Querschnittsreduzierung) oder „egal“ (ohne Querschnittsreduzierung) ausgeführt sein kann.
• Eckventil (Ein- und Austritt schneiden sich im rechten Winkel)
• Schrägsitzventil (der Absperrkörper ist (meist) 45° zur Strömungsrichtung geneigt)
• Drei-Wege-Ventile für das kontrollierte Mischen von Fluidströmen, wie sie beispielsweise zur Temperaturregelung für Heizwasser in der Heizungstechnik verwendet werden

Betätigungsart

Ventile lassen sich aber auch nach der Art der Betätigung unterteilen in:

• Handbetätigte Ventile. Meist ist dafür ein Handrad vorgesehen. Es gibt Ausführungen mit steigender oder nicht steigender Spindel. Bei großen Nennweiten ist ein Getriebe zwischengeschaltet. Ebenso kann die Handbetätigung nur als Notbetätigung vorgesehen sein, falls der normale motorische Antrieb nicht verfügbar ist.
• Mediumbetätigte Ventile, zum Beispiel Rückschlagventile oder Quetschventile, als Durchgangs- oder Eckventil (bei den mediumbetätigten Ventilen kann man wiederum in eigenmediumbetätigte und fremdmediumbetätigte Ventile unterscheiden)
• Maschinell (elektromotorisch) betätigte Ventile mit Ventilantrieb
• Elektromagnetisch betätigte Ventile, unterteilt in:
  • Direktgesteuerte Ventile 2/2-Wege-Ventile

    2/2-Wege-Ventile, auch Durchgangsventile genannt, sind Absperrventile mit einem Eingang und einem Ausgang. In Ruhestellung drückt die Kernfeder, unterstützt vom Mediumsdruck, die Dichtung auf den Ventilsitz und schließt den Durchgang. Nach dem Einschalten wird der Kern mit der Dichtung in der Magnetspule bis an die Polfläche gezogen, das Ventil öffnet. Die elektromagnetische Kraft ist größer als die Summe aus Federkraft, statischer und dynamischer Druckkraft.

  • Direktgesteuerte Ventile 3/2-Wege-Ventile

    3/2-Wege-Ventile haben drei Anschlüsse und zwei Ventilsitze. Wechselseitig bleibt immer ein Ventilsitz geöffnet oder geschlossen. Je nach Anschluss des Betriebsmediums an den verschiedenen Arbeitsanschlüssen ergeben sich unterschiedliche Funktionen. Der Druck steht unter dem Ventilsitz an. Eine Feder presst im stromlosen Zustand die untere Kerndichtung auf den Ventilsitz und sperrt das Ventil. Die Leitung am Anschluss A wird über R entlüftet. Nach dem Einschalten des elektrischen Stromes zieht der Kern an und dichtet den Ventilsitz am Anschluss R über eine federnd gelagerte Dichtung ab. Das Medium hat Durchgang von P nach A.

  • Servogesteuerte Ventile

    Mit zunehmendem Durchmesser steigt bei direktgesteuerten Ventilen die statische Druckkraft, zu deren Überwindung dann eine entsprechend größere Magnetkraft erforderlich ist. Höhere Drücke bei größeren Nennweiten schaltet man deshalb mit zwangsgesteuerten oder vorgesteuerten Ventilen.

  • Zwangsgesteuerte Ventile

    Eine Membrane oder ein Kolben, der mit dem Magnetkern gekoppelt ist, dient dem Abdichten des eigentlichen Ventilsitzes. Nach dem Einschalten des elektrischen Stromes zieht der Kern an und öffnet den Hilfsventilsitz in der Membrane oder dem Kolben. Das auf der Membrane oder dem Kolben stehende Medium kann abströmen. Dadurch entstehen ausgeglichene Druckverhältnisse im Ventil und über die Kopplung Kern/Membrane oder Kern/Kolben wird der Hauptventilsitz geöffnet. Bei dieser Ausführung ist kein Differenzdruck erforderlich. Der Nenndruckbereich beginnt beim Druck null.

  • Vorgesteuerte Ventile

    Vorgesteuerte Ventile haben ein 3/2-Wege-Pilotmagnetventil. Eine Membrane oder ein Kolben dient dem Abdichten des eigentlichen Ventilsitzes. Bei geschlossenem Vorsteuerventil kann sich über eine Drosselbohrung auf beiden Seiten der Membrane der anstehende Mediumsdruck aufbauen. Solange zwischen Eingang und Ausgang ein Druckunterschied besteht, wirkt auf Grund der größeren Fläche auf der Oberseite der Membrane eine Schließkraft. Wenn das Pilotventil geöffnet wird, baut sich der Druck oberhalb der Membrane ab. Die dadurch größer werdende Kraft an der Unterseite hebt nun die Membrane nach oben und öffnet das Ventil. Vorgesteuerte Ventile benötigen eine Mindestdruckdifferenz, um ein einwandfreies Öffnen und Schließen zu gewährleisten.

  • Fremdgesteuerte Ventile

    Im Gegensatz zu den vorgesteuerten Ventilen benutzt man hier nicht mehr das Betriebsmedium zum Steuern, sondern ein fremdes Medium. Bei einigen Ventilen ist es möglich, auch das Betriebsmedium zum Steuern zu verwenden. Meist handelt es sich um kolben- oder membrangesteuerte Ventile. Im drucklosen Zustand wird der Ventilsitz abgesperrt. Ein 3/2-Wege-Magnetventil, das am Antrieb angeflanscht werden kann, steuert das Fremd- oder Betriebsmedium. Nach dem Einschalten des Magnetventils wird der Kolben gegen die Feder angehoben und das Ventil öffnet. Eine drucklose offene Ausführung ergibt sich, wenn die Feder unterhalb des Antriebskolbens angeordnet wird. In diesem Fall muss zum Schließen des Ventils das Steuermedium von oben eingeleitet werden. Antriebe, welche über ein 5/2-Wege-Ventil beidseitig angesteuert werden, benötigen keine Feder.

• Elektrisch betätigte Ventile
• Pneumatisch betätigte Ventile
• Hydraulisch betätigte Ventile
• Feder- und gewichtsbelastete Ventile, vor allem in der Bauform Eckventil als Sicherheitsventil

Bauart des Absperrkörpers

Ventile können auch nach der Bauart des Absperrkörpers unterteilt werden. Beispiele sind:

• Tellerventil, auch Sitzventil genannt: Der Absperrkörper ist tellerförmig ausgebildet, ein Beispiel ist der typische Wasserhahn. Vgl. auch Ventilsteuerung (Verbrennungsmotoren)
• Rohrventil oder Doppelsitzventil: Der Absperrkörper ist ein Rohrstück und besitzt zwei ringförmige Dichtflächen; dadurch wird druckentlastete Betätigung erreicht. Vgl. auch Ventilsteuerung von Dampfmaschinen
• Kolbenventil: Der Absperrkörper ist ein Kolben
• Rollmembranventil: Der Absperrkörper besteht aus einer Membran, die durch Abrollen die Ventilquerschnittsfläche mehr oder weniger freigibt, diese Bauart wird zum Beispiel bei Be- und Entlüftungsventilen eingesetzt.
• Quetschventil: Der Absperrkörper ist schlauchförmig.
• Nadelventile: Die kegelförmige Spitze des Absperrkörpers drückt gegen eine ringförmige Ein-/Auslassöffnung (z. B. Schwimmernadelventil im Vergaser eines Benzinmotors)
• Kugelventil: Der Absperrkörper ist eine Kugel.

Außerdem werden Ventile nach Nennweiten, Nenndruckstufen und Medien unterteilt. Dabei kann man zusätzlich steigende oder nichtsteigende Spindeln wählen. Steigende Spindeln haben den Vorteil, dass die Ventilstellung von außen ersichtlich ist, was ansonsten nicht der Fall ist.

Anwendung

Durch Ventile lassen sich Durchflussmengen in einer Rohrleitung präzise dosieren, sowie sicher gegen die Umgebung abschließen. Sicherheitsventile dagegen sind dahingehend konzipiert, große Massenströme zuzulassen, um unzulässige Druckverhältnisse (z.B. in einem Behälter) rasch ausgleichen zu können. Ventile haben stets einen gewissen Strömungswiderstand, wodurch sie für manche Anwendungen nicht geeignet sind. Außerdem ist es sehr schwierig, die Betätigungseinheit absolut dicht zu halten.

In der überwiegenden Zahl von Fahrzeugen wird heute als Antrieb ein Ottomotor in Viertaktbauweise eingesetzt, bei dem Ventile in der Ventilsteuerung dazu dienen, den Gasfluss zu steuern.

Ventile, insbesondere Magnetventile, werden in der Industrie oft und vielfältig eingesetzt: im Bereich der Fabrikautomation zum Bewegen von Zylindern, Greifsystemen oder Auswerfern, in der Medizintechnik für Beatmungsgeräte oder Dialyse, in der chemischen Industrie, der Lebensmittelindustrie, Wasseraufbereitung und vielen weiteren Gebieten.

Auch die Segelklappen am Herzen von Säugetieren und die Taschenklappen in den Venen haben die Funktion von Ventilen.

Häufig wird der Begriff Ventil als Überbegriff verwendet. Je nach Bauart werden synonyme Bezeichnungen wie Hahn, Schieber oder Klappe verwendet.

Gebräuchliche Ausführungen

• Abblaseventil
• Absperrventil
• Ein- und Auslassventil bei Viertakt-Verbrennungsmotoren - siehe Ventilsteuerung
• Bodenauslaufventil
• Flipperventil
• Fußventil = Rückschlagventil am unteren Ende einer Sauglanze, die den Rückfluss unterbindet.
• Füllventil
• Membranventil
• Membran-Antiheber-Ventil
• Nadelventil
• Probenahmeventil
• Regelventil
• Reifenventil, z.B. Fahrradventile
• Rückschlagventil
• Sicherheitsventil
• Steuerventil
• Überdruckventil
• Ventilinsel
• Wasserhahn
• Wippenventil

Pneumatik und Hydraulik

Sperrventile und Stromventile

• Drosselventil
• Drosselrückschlagventil
• Rückschlagventil
• Schnellentlüftungsventil
• Verzögerungsventil
• Wechselventil (ODER-Element)
• Zweidruckventil (UND-Element)

Druckventile

• Druckbegrenzungsventil und Zuschaltventil
• Druckdifferenzventil
• Druckminderventil
• Druckregelventil

Schnellschlussventil

Ein Schnellschlussventil erlaubt die schlagartige Unterbrechung einer Rohrströmung. Zum Beispiel kann bei plötzlicher mechanischer Entlastung eines Generators (Lastabwurf) die Dampfzufuhr schlagartig unterbrochen werden. So lässt sich ein „Durchgehen“ der Turbine verhindern.

In der chemischen Industrie werden Schnellschlussventile eingesetzt, um im Fehlerfall Rohrleitungen möglichst schnell zu trennen.

Schaltsymbole und Schaltpläne

Eine umfangreiche Auflistung von Schaltzeichen für Ventile sowie für deren Betätigungsart in der Fluidtechnik findet man in folgender Liste der Schaltzeichen (Fluidtechnik). Komplette pneumatische Schaltpläne enthalten u. a. Stellglieder (Ventile) zur Steuerung der Arbeitsglieder (Zylindern).

Elektrotechnik

In der Elektrotechnik werden Thyristoren und steuerbare Quecksilberdampfgleichrichter sowie Funktionsglieder daraus ebenfalls manchmal als Ventil bezeichnet. Hochspannungs-Gleichrichterröhren werden zuweilen als Glühventil bezeichnet. Allerdings ist der Begriff hier nicht mehr sehr gebräuchlich.

Elektrisches Analogon des Rückschlagventils sind elektrische Dioden.

Literatur

• Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme - Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie, Springer Verlag 2006, ISBN 3-540-29664-6

Siehe auch

• Fahrradventil
• Kv-Wert (Durchflusskoeffizient, Durchflusskennzahl) zur Auslegung von Ventilen
• Ventilation
• Ventilsitte
• Pneumatik

Weblinks

 Commons: Valves – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien