Optimierte Membranventile für längere Standzeiten

Membranen in Form bringen

14.09.2007 Membranventile sind auf Grund ihrer Totraumfreiheit sehr gut für Anwendungen mit hohen hygienischen Anforderungen geeignet. Ihre dem Stand der Technik entsprechende Konstruktion weist jedoch einige Schwachstellen auf, die nach wenigen Schaltwechseln zu Rissen in der Membran führen. Optimierte Membranventile ermöglichen aber auch bei hohen Schaltzahlen lange Standzeiten der Membranen und sind damit sogar für Abfüllanlagen geeignet.

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Das Leben eines Membranventils lässt sich mit einem Wort beschreiben: Stress. Ventile in Abfüllanlagen für Lebensmittel wie Getränke, Pharmaka oder andere Produkte, die in hohen Stückzahlen hergestellt werden, müssen bis zu 500000 mal pro Monat öffnen und schließen. Die in der Pharma-, Food- und Biotechindustrie immer häufiger eingesetzten Membranventile haben zwar den Vorteil, dass sie totraumfrei sind, die Membranen bekommen jedoch durch die hohe mechanische Beanspruchung schnell Risse.

Die Ursachen dafür liegen in der üblichen Konstruktion von Sitz, Membran, Zwischen- und Druckstück. Durch die Führungsstege und -nuten an Druck- und Zwischenstück, die die Führung gewährleisten und Drehmomente auffangen sollen, wird die Membran ungleichmäßig an den Sitz angedrückt. Gleichzeitig belastet der Wulst des Druckstücks die Membran. Bei diesem Konstruktionsprinzip ist es meist der Bereich um den Membranpin, der zuerst versagt. Während die Membran im geschlossenen Zustand unnötig stark beansprucht wird, erhält sie im offenen Zustand zu wenig Unterstützung. Der Druck, der im Ventil herrscht, dehnt die Membran um den Wulst herum und belastet sie zusätzlich.

Höhere Standzeiten durchrotationssymmetrische Druckstücke

Die Lösung für diese Probleme sind runde Membranen und rotationssymmetrische Druckstücke. Druckstücke ohne Stege und Wülste unterstützen die Membranen homogen. Die Membran wird symmetrisch eingespannt und über ihren äußeren Wulst gleichmäßig an den Ventilkörper angepresst. Im offenen Zustand werden die Membranen zudem optimal vom Druckstück abgestützt. Drehmomente, die beim Betätigen von Hand- und anderen Ventilen häufig auftreten, müssen dabei bereits im Antrieb aufgefangen werden, damit die Membranen durch Drehmomente nicht zusätzlich belastet werden.

Bei jedem Schaltzyklus eines Ventils wölben sich die Membranen von konvex zu konkav um. Die Kontur der Membran spielt dabei eine wichtige Rolle für die Biegewechselfestigkeit. Idealerweise sollte sie eine gleichmäßig geschwungene Form mit großen Radien haben.Membranen mit kleinen Radien, vor allem am Rand, haben mehrere Nachteile:

  • Der Randbereich ist schwer abzudichten, weil der kleine Radius die Membran an dieser Stelle sehr steif werden lässt.
  • Die gesamte Membran hat die Form eines Klöpperbodens, eine Gestalt, die gerade dafür konzipiert wurde, um beispielsweise als Druckbehälterboden möglichst steif zu sein.
  • Die Kräfte, die nötig sind, um eine solche Membran umzuwölben, sind wesentlich höher als bei einer gleichmäßig geschwungenen Membran.
  • Der kleine Radius am Rand der Membran ist quasi eine Sollbruchstelle, weil er bei jeder Umwölbung stark belastet wird.

 

Ein Test eines Herstellers von Abfüllanlagen hat die Unterschiede zwischen Membranen mit verschiedenen Konturen bestätigt. Geprüft wurden Membranventile nahezu aller Hersteller. Bereits nach 100000 Schaltwechseln fielen die ersten Ventile aus. Nach 650000 Zyklen war auch für das beste der gängigen Membranventile Schluss. Die optimal geformten Membranen, wie sie die Firma Zwick – Biotech herstellt, hielten dagegen auch nach 2000000 Schaltwechseln ohne jegliche Beschädigungen dem Test stand.

Fazit: Die zum Teil seit 50 Jahren unveränderten Membrankonturen sind dem Stress moderner Produktionsverfahren nicht mehr gewachsen. Durch eine verbesserte Konstruktion und die optimale Kontur der Membran können die Standzeiten von Membranventilen erheblich verlängert werden. Damit halten die Ventile auch den hohen Schaltzahlen in Abfüllanlagen besser stand.

Heftausgabe: September 2007
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Über den Autor

Dr. Gregor Gaida , Geschäftsführer,Dr. Gaida Planungsbüro
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