Was sind Kugelhähne?
Ein Kugelhahn ist eine präzise Absperrarmatur, die durch eine 90°-Drehung einer durchbohrten Kugel im Gehäuse den Durchfluss von Flüssigkeiten oder Gasen in Rohrleitungen steuert. Diese Bauart ermöglicht ein schnelles und zuverlässiges Absperren, was den Kugelhahn besonders für den Einsatz bei kritischen Medien wie brennbaren oder giftigen Stoffen prädestiniert.
Eigenschaften von Kugelhähnen
Kugelhähne bestehen aus dem Gehäuse, der namensgebenden (Absperr-)Kugel, einer Welle mit Lagerung und Dichtungen, der Kugeldichtung sowie dem Handhebel zur Betätigung. Die Absperrkugel ist mit einer zylindrischen Bohrung versehen und gibt, bei einer 90° Drehung, entweder den Durchgang frei oder sperrt ihn ab. Kugelhähne lassen sich daher einfach und sehr schnell öffnen oder schließen.
Eingesetzt werden Kugelhähne in Rohrleitungen, die zum Transport von Flüssigkeiten oder Gasen eingesetzt werden, wie z. B. Wasser, Öl, Erdgas, Druckluft etc.
Da sie den Durchfluss komplett absperren, werden sie auch bevorzugt bei kritischen, brennbaren oder giftigen Medien eingesetzt.
Bauartbedingt sind Kugelhähne nicht zur Durchflussregelung geeignet
Kugelhahn, einteilig,
reduzierter Durchgang, weichdichtend
Kugelhähne gibt es in den unterschiedlichsten Bauarten und sie lassen sich anhand folgender Merkmale unterscheiden:
Größe der Kugelbohrung
Nach der Größe ihrer Kugelbohrung werden sie in zwei Varianten eingeteilt, mit vollem oder mit reduziertem Durchgang
Kugelhahn, voller Durchgang
Voller Durchgang
Voller Durchgang bedeutet, dass die Kugelbohrung den gleichen Innendurchmesser wie die Rohrleitung aufweist. Die Strömungsverluste sind hierbei äußerst gering.
Kugelhähne mit vollem Durchgang sind molchbar, d.h. die Rohrleitung oder die Anlage kann mit einem speziellen Reinigungs- oder Inspektionsgerät (Molch) gewartet werden.
Reduzierter Durchgang
Bei einem reduzierten Durchgang ist die Kugelbohrung kleiner als der Innendurchmesser der Rohrleitung, was zu großen Strömungsverlusten führen kann. Deswegen werden sie gezielt in Rohrleitungen eingesetzt, in denen die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums erhöht werden soll (Düseneffekt).
Kugelhahn, reduzierter Durchgang
Lagerung der Kugel
Kugelhahn,
Kugel schwimmend gelagert
Schwimmende Lagerung
Die meisten Kugelhähne werden mit schwimmend gelagerter Kugel eingesetzt. Hierbei wird die Kugel durch die beidseitig angeordneten Dichtringe in Position gehalten. Dieses einfache Prinzip macht eine kostengünstige Herstellung möglich. Allerdings ist diese Lagerung nicht für hohe Drücke geeignet.
Zapfenlagerung
Aufwändiger in der Herstellung ist die Ausführung mit geführter Kugel. Dabei sind an zwei gegenüberliegenden Seiten der Kugel Zapfen angebracht, die im Gehäuse gelagert werden. Durch diese Zapfenlagerung ist nur noch ein Dichtring erforderlich. Außerdem können diese Kugelhähne auch bei höheren Betriebsdrücken eingesetzt werden.
Kugelhahn,
Kugel mit Zapfenlagerung
Art der Kugelabdichtung
Kugelhahn, weichdichtend
Weichdichtend
Der „klassische“ Kugelhahn ist weichdichtend und wird aufgrund seiner Vielseitigkeit auch heute noch am häufigsten verwendet. Die (Kugel-)Dichtringe sind aus einem Kunststoff, meistens PTFE, hergestellt. Die PTFE-Dichtringe sind für die meisten Flüssigkeiten und Gase geeignet und bis zu einer Temperatur von +200 °C einsetzbar, je nach Zusatz auch bis +260 °C.
Für feststoffhaltige Medien oder höhere Betriebstemperaturen sind weichdichtende Kugelhähne nicht geeignet.
Metallisch dichtend
Bei Anwendungen mit durchgeleiteten Feststoffen oder bei höheren Betriebstemperaturen werden metallische Kugel-Abdichtungen eingesetzt. Die Dichtringe sind dabei aus Edelstahl oder anderen hochlegierten Stählen, zum Teil zusätzlich gehärtet. Metallisch dichtende Kugelhähne sind geeignet für Betriebstemperaturen bis ca. +650 °C.
Kugelhahn, metallisch dichtend,
voller Durchgang, zapfengelagert,
Zugang von oben
Anschlussarten
Kugelhähne werden hauptsächlich mit folgenden Anschlussarten geliefert:
- Beidseitig mit Innen- oder Außengewinde
- Eine Seite Innengewinde – andere Seite mit Außengewinde
- Beidseitig mit Anschweißenden
- Beidseitig mit Flanschen
- Kompakt-Kugelhahn zum Klemmen zwischen zwei Flansche
Beidseitiges Innengewinde
Beidseitiges Aussengewinde
Kompakte Bauform
Beidseitige Anschweissenden
Beidseitig Flansche
Gehäuseausführung
Bezogen auf das Gehäuse sind die folgenden Ausführungsarten üblich
Einteiliger Kugelhahn
Das Gehäuse besteht aus nur einem Bauteil, der Durchgang ist reduziert und als Anschlussart ist nur ein Innengewinde möglich.
Kugelhahn, einteiliges Gehäuse
Kugelhahn, zweiteiliges Gehäuse
2-teiliger Kugelhahn
Zwei Gehäuseteile sind miteinander verschraubt, Ausführung mit vollem oder reduziertem Durchgang, alle Anschlussarten sind möglich.
3-teiliger Kugelhahn
Der Kugelhahn besteht aus drei Teilen (Eingangsseite – Mittelteil – Austrittsseite). Diese Ausführung ist besonders wartungsfreundlich, da man das Mittelteil einfach ausbauen kann, um es entweder komplett auszutauschen oder nur die einzelnen Verschließteile wie Kugel- und Gehäusedichtringe oder Spindelabdichtungen auszutauschen.
Ein weiter Vorteil besteht darin, dass der Mittelteil inkl. Kugel und Dichtsystem unabhängig mit allen Anschlussarten kombiniert werden kann. Es kann also z.B. eine Seite mit Flanschanschluss und die andere Seite mit Gewindeanschluss oder Anschweißende versehen werden.
Kugelhahn, dreiteiliges Gehäuse
Drei- oder Vierwege-Kugelhahn
Mit vollem oder reduziertem Durchgang, Flansch- oder Gewindeanschluss. Anstatt mit einer Durchgangsbohrung wird die Kugel mit einer L- oder T-förmigen Bohrung versehen. Dadurch sind unterschiedliche Schaltmöglichkeiten zum Verteilen auf ein oder zwei Abgänge oder zum Mischen des Durchflussmediums möglich.
3-Wege Kugelhahn
Mögliche Schaltstellungen eines 3-Wege-Kugelhahns,
mit T- oder L-Bohrung
Betätigungsarten
Wie alle Absperrarmaturen können auch Kugelhähne auf verschiedene Arten betätigt werden
- Handhebel:
Die Betätigung erfolgt manuell durch eine 90° Drehbewegung des Handhebels.
Einteilige Kugelhähne mit reduziertem Durchgang werden häufig auch mit einem Flügelgriff betätigt.
- Elektroantrieb:
Die Betätigung erfolgt durch einen elektrischen Schwenkantrieb; Schwenkantriebe sind für alle verfügbaren Spannungen sowie Gleich-, Wechsel- oder Drehstrom lieferbar.
- Pneumatik- und Hydraulikantriebe:
Diese Antriebe werden durch Druckluft (pneumatisch) oder durch Öl (hydraulisch) betätigt. Hierbei wir noch zwischen doppelt- und einfachwirkenden Antrieben unterschieden.
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Doppeltwirkender Antrieb:
Öffnen und Schließen erfolgt durch Zuführung von Druckluft bzw. Öl. -
Einfachwirkender Antrieb:
Luftdruck bzw. Öldruck öffnet – durch Federkraft schließt der Antrieb;
auch die umgekehrte Funktion ist möglich: Federkraft öffnet – Luft / Öl schließt
Vor- und Nachteile von Kugelhähnen
Folgendes sind die hauptsächlichen Vorteile von Kugelhähnen:
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Bauartbedingt sind Kugelhähne recht kompakt gebaut
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Öffnen und Schließen erfolgt sehr schnell über eine 90° Drehung
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Kugelhähne mit vollem Durchgang sind molchbar
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Kugelhähne sind absolut dicht schließend, je nach Aufbau und Material auch bei hohen Temperaturen und hohen Drücken
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Bei vollem Durchgang sind sehr hohe Durchflussraten möglich, hoher Kvs-Wert, nur geringe Druckverluste
Diese Nachteile stehen den Vorteilen gegenüber:
Die Dichtungsflächen der Kugelhähne können schnell verschleißen
Bei hohen Drücken oder großen Nennweiten muss die Welle zapfengelagert werden, das führt zu höheren Herstellungskosten.
Kugelhähne sind nicht zur Durchflussregelung geeignet.
Im Rohrleitungssystem können durch schnelles Schließen eines Kugelhahnes Druckschläge auftreten.
Bei Standard-Kugelhähnen berührt das Betriebsmedium den sog. Totraum des Kugelhahnes.
Bauartbedingt dringt das Medium in teilweise geöffneter Position in den Bereich zwischen Gehäuse und Kugel ein, dieser Bereich wird als Totraum bezeichnet. Im geschlossenen Zustand wird es dort dann eingeschlossen und das Medium hat keine Möglichkeit, sich bei Temperaturschwankungen auszudehnen. Das kann dann zu Schäden am Dichtsystem, an der Kugel und schließlich zu Betriebsstörungen führen.
Toträume beim Kugelhahn
Durch eine aufwändige Bearbeitung kann ein Kugelhahn nahezu „totraumfrei“ ausgeführt werden.
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