Membránové ventily v procesní a dávkovací technice: konstrukce a výběr

Plastový membránový ventil patří v procesní a dávkovací technice k nejspolehlivějším uzavíracím a regulačním armaturám pro agresivní, vysoce čistá nebo pevnými látkami zatížená média. Důvodem je jeho princip funkce: pružná membrána zcela odděluje pohon od průtočného prostoru, takže médium přichází do styku výhradně s chemicky odolnými materiály jako PVC-U, PP, PVDF nebo PTFE. V tomto rádci vysvětlíme konstrukci membránových ventilů, porovnáme běžná konstrukční provedení a materiály, ukážeme nejdůležitější kritéria výběru a dimenzování a uvedeme typické chyby, které v praxi vedou k předčasnému selhání membrány.

Konstrukce a princip funkce membránového ventilu

Membránový ventil se v jádru skládá ze tří konstrukčních skupin: tělesa ventilu (spodní díl), membrány a horního dílu s pohonem. Těleso ventilu vede médium a má – podle konstrukčního provedení – přepážku (jez) nebo hladký průchod. Membrána leží mezi spodním a horním dílem a je přitlačována dolů přes ventilový talíř (kompresor). Při zavírání se přiléhá těsnicím způsobem na přepážku, resp. dno tělesa, a přerušuje tak průtok.

Rozhodující konstrukční výhoda: membrána je jediné pohyblivé těsnicí místo, které přichází do styku s médiem. Vřeteno, ventilový talíř a pohon leží nad membránou mimo dosah média. Odpadají tak těsnění vřetena přicházející do styku s médiem a ucpávky, médium není kontaminováno mazivy a armatura je vhodná i pro aplikace s vysokými nároky na čistotu. Ventil se ovládá ručně přes ruční kolo nebo automaticky přes pneumatický, resp. elektrický akční člen.

Membrána jako klíčový díl

Membrána zajišťuje zároveň těsnicí funkci, oddělovací funkci a pohyb, a je tak nejvíce namáhaným dílem. Je plánovaným dílem podléhajícím opotřebení a musí být přizpůsobena médiu, teplotě a počtu sepnutí. Běžné jsou dva základní typy:

• Elastomerové membrány (např. EPDM, FPM/FKM, NBR): pružné, cenově výhodné, s dobrou vratnou silou a dlouhou životností u mírných médií.
• Membrány z PTFE s podpůrnou vrstvou z elastomeru na rubu: chemicky téměř univerzálně odolné a vhodné pro agresivní kyseliny, louhy a rozpouštědla; na straně média zabraňuje PTFE přímému kontaktu elastomeru.

U náročných médií se často kombinuje membrána z PTFE s podpůrnou membránou z EPDM, aby se spojila chemická odolnost s mechanickou pružností.

Konstrukční provedení: jezový membránový ventil a přímý membránový ventil

Podle konstrukčního provedení se rozlišují především dva principy, které se výrazně liší vedením proudění a těžištěm použití.

Jezový ventil (Weir-Type)

U jezového ventilu se ve středu tělesa zvedá přepážka (jez), na kterou se membrána při zavírání přiloží. Zdvih membrány je nízký, namáhání membrány nízké a regulační chování jemné – jezový ventil je proto vhodný pro škrcení a regulaci malých až středních objemových průtoků. Přepážka však vytváří poněkud vyšší tlakovou ztrátu a neúplně vypustitelný zbytkový prostor.

Přímý ventil (Straight-Through)

Přímý ventil má hladký, průběžný otvor bez přepážky. Membrána je přitlačována přes celý průřez proti dnu tělesa. Toto konstrukční provedení nabízí téměř plný průchod, nízkou tlakovou ztrátu a dobré samovyprazdňování – výhoda u suspenzí, podílů pevných látek, vláknitých nebo hutných médií. Větší zdvih membrány vede k vyššímu namáhání membrány.

Plastový membránový ventil v procesním nasazení: správná volba materiálů

Volba materiálu rozhoduje o chemické odolnosti, teplotní a tlakové zatížitelnosti, a tím i o životnosti armatury. Pro plastový membránový ventil v procesním nasazení je nutné materiál tělesa a materiál membrány posuzovat odděleně a vždy je ověřit podle tabulky odolnosti pro konkrétní médium v kombinaci koncentrace a teploty.

Materiály tělesa (termoplasty)

• PVC-U: cenově výhodný, dobře odolný vůči mnoha kyselinám, louhům a roztokům solí; standard pro vodárenskou a odpadní techniku. Omezené teplotní použití (zpravidla do cca 60 °C).
• PVC-C: podobná chemie jako PVC-U, avšak vyšší teplotní odolnost.
• PP (polypropylen): dobrá odolnost vůči louhům a mnoha organickým médiím, vyšší teplotní rozsah, pro agresivní chemii často v provedení PP-H nebo vyztuženém.
• PVDF (polyvinyliden-fluorid): vysoká chemická odolnost vůči agresivním kyselinám, halogenům a rozpouštědlům, vysoký stupeň čistoty, použitelný do vyšších teplotních rozsahů – první volba pro náročné chemické aplikace a aplikace s vysoce čistými médii.

Materiály membrán

• EPDM: dobře odolný vůči vodě, zředěným kyselinám a louhům, polárním médiím; neodolný vůči minerálním olejům a mnoha uhlovodíkům.
• FPM/FKM (fluorkaučuk): odolný vůči mnoha olejům, palivům a agresivním médiím; omezený u horké vody a louhů.
• PTFE (s podpůrnou vrstvou z elastomeru): téměř univerzální chemická odolnost, pro vysoce agresivní a vysoce čistá média; vyšší tuhost, proto odlišná spínací a regulační charakteristika.

Dimenzování: jmenovitá světlost, hodnota Kv a tlaková třída

Správné dimenzování zajišťuje, že ventil zvládne požadovaný objemový průtok při přijatelné tlakové ztrátě a že membrána není přetěžována. Rozhodujícími veličinami jsou jmenovitá světlost (DN), součinitel průtoku (hodnota Kv, resp. Cv), tlaková třída (PN) a přípustný tlakově-teplotní rozsah.

Hodnota Kv popisuje objemový průtok v m³/h vody, který proteče ventilem při tlakové ztrátě 1 bar. Slouží k přizpůsobení ventilu provoznímu bodu. Pro regulační úlohy je navíc nutné zohlednit ventilovou charakteristiku – jezové ventily zde nabízejí jemnější regulační chování. Zásadně platí: ventil neurčuje jmenovitá světlost potrubí, nýbrž požadovaný provozní bod z průtoku a přípustné tlakové ztráty.