Kugelhahn - Aufbau, Funktionsweise und Einsatz einfach erklärt

Ein Kugelhahn ist ein spezieller Wasserhahn. Die Armatur dient in den meisten Fällen als Absperrhahn. Namensgebend ist der Aufbau: Ein Kugelhahn nutzt als Absperrkörper eine durchbohrte Kugel, deren Durchbohrung entweder denselben Innendurchmesser hat wie das angeschlossene Rohr – oder einen kleineren. So ergeben sich volle oder reduzierte Durchgänge. Die Kugel wird mit dem Griff manuell oder pneumatisch um bis zu 90 Grad gedreht, um den Durchgang komplett, teilweise oder ganz zu öffnen bzw. zu schließen, so dass sich entsprechende Durchflüsse ergeben.

Als Kugelhahn wird eine speziell konstruierte Armatur bezeichnet, die zumeist als Absperrhahn in mit Flüssigkeiten oder Gasen /Wasser, Öl, Druckluft) durchströmten Rohrleitungen zum Einsatz kommt – insbesondere in Rohren mit großem Durchmesser. Damit lässt sich der Durchfluss komplett absperren.

Als sogenannter Absperrkörper nutzt der Kugelhahn die namensgebende Kugel, die durchbohrt ist, um den Durchfluss zu gewähren. Eine alternative Bezeichnung für den Kugelhahn ist Kugelschieber. Geregelt wird das Bauteil Kugelhahn in der europäischen Norm EN 331/98.

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Grundsätzlich besteht ein Kugelhahn aus einem (zweiteiligen) Gehäuse, in dem eine Kugel sitzt. Sie wird mit Hilfe einer drehbaren Achse mit dem Handhebel verbunden. Der Achse dient eine Stopfbuchse als Abdichtung. Der Hebel – und damit die Kugel – lässt sich von 0 bis zu 90 Grad drehen, wobei gilt:

• 0 Grad = maximaler Durchfluss
• 90 Grad = kein Durchfluss/komplette Absperrung

Bei Kugelhähnen sind Hebel- oder Flügelgriffe gängig, die in Öffnungsstellung parallel zur Durchflussrichtung stehen.

Kugelhähne gibt es üblicherweise in zwei Varianten: Entweder gewährleisten die Kugelhähne einen

• vollen Durchgang oder einen
• reduzierten Durchgang.

Bei einem Kugelhahn mit vollem Durchgang weist die Bohrung in der Absperrkugel denselben Innendurchmesser auf, wie das angeschlossene Rohr. Bei dieser Konstruktionsweise des Kugelhahns treten nur geringe Strömungsverluste auf.

Anders ist das bei Kugelhähnen mit Kugeln, deren Bohrung kleiner ist als der Innendurchmesse der Rohre. Hier ergeben sich größere Strömungsverluste.

In einfach gebauten Kugelhähnen mit schwimmender Kugel „schwimmen“ die Kugeln quasi. An Ort und Stelle gehalten werden sie in der Regel von beidseitig angeordneten Dichtringen.

Alternativ dazu gibt es Kugelhähne mit geführter Kugel. Dort hat die Kugel an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils einen Zapfen – beide Zapfen lagern im Gehäuse. Bei dieser Konstruktionsweise wird nur ein Dichtring benötigt.

Zumeist kommen sogenannte weichdichtende Kugelhähne zum Einsatz: Ihre Dichtringe sind aus Kunststoff, vor allem aus Polytetrafluorethylen (PTFE). Solche Kugelhähne eignen sich für den Einsatz bei Temperaturen von bis zu 220 Grad Celsius. Für Anwendungen mit höheren Temperaturen nutzt man Dichtungen aus Metall.

Die Dichtringe im Kugelhahn sind so angeordnet, dass der Druck, den die durchströmenden Medien (Gas oder Flüssigkeit) auf die Kugel und den Dichtungsring ausüben, zugleich den Anpressdruck zwischen Kugel und Dichtring steigert.

• Lagert die Kugel im Kugelhahn schwimmend, wird sie vom Medium in die gegenüberliegende Dichtung gedrückt.
• Ist die Kugel im Kugelhahn dagegen geführt, drückt das Medium die Dichtung gegen Gehäuse und Kugel.

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Kugelhähne gibt es in unterschiedlichen Ausführungen:

• 1-teiliger Kugelhahn mit reduziertem Durchgang und Innengewinde
• 2-teiliger Kugelhahn mit vollem Durchgang und Innengewinden (I/I)
• 2-teiliger Kugelhahn mit vollem Durchgang und Innen/Außen-Gewinde (I/A)
• 3-teiliger Kugelhahn mit vollem Durchgang, Innengewinde und ISO-TOP (Stellenantrieb)
• 3-Wege Kugelhahn mit vollem Durchgang, T oder L Bohrung, Innengewinde und ISO-TOP 5211 für Stellenantrieb
• Mini-Kugelhahn I/I oder I/A
• 1-teiliger Kompakt-Kugelhahn
• 2-teiliger Flanschenkugelhahn
• 3-teiliger Kugelhahn mit Schneidring- oder Pressanschluss

Zum besseren Verständnis: Bei einem 3-Wege-Kugelhahn zum Beispiel weist die Kugel anstelle einer glatten Durchgangsbohrung entweder eine L-Bohrung oder eine T-Bohrung auf. Über diese lässt sich der Durchfluss des Mediums auf ein oder zwei Abgänge verteilen. Es gibt auch Vier- oder Fünf-Wege-Kugelhähne.

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Wie bereits erwähnt, kommen Kugelhähne in der Praxis oft in Rohrleitungssystemen zur Anwendung, deren Durchmesser (Nenndurchmesser bzw. Nennweite) mit mehr als 150 Millimetern (DN: > 150) vergleichsweise groß ist: zum Beispiel in industriellen Prozessen zur Wassergewinnung und -aufbereitung, in großen Heizungsanlagen.

Dazu muss man wissen, dass Kugelhähne in großen Durchmessern sich nur bedingt als Schnellschluss-Armatur einsetzen lassen. Das lässt sich wie folgt erklären:

Zum Abdichten der Armatur braucht es eine bestimmte Flächenpressung zwischen der Kugel im Kugelhahn und den zugehörigen Dichtringen. Um diese zu realisieren, sind vergleichsweise hohe Arbeitsmomente zum Öffnen und Schließen der Armatur nötig. Bei großen Nennweiten von beispielsweise DN 1200 geht es um Druckwerte von bis zu 80.000 Newtonmeter (Nm).

Gegebenenfalls vorhandene Ablagerungen sowie effektive Adhäsionskräfte zwischen Kugel und Dichtungssitz sorgen zudem dafür, dass sich das sogenannte Losbrechmoment (Kraftaufwand zur Bewegung der Kugel) weiter erhöht.

Wie viel Kraft zum Betätigen des Kugelhahns prinzipiell aufgewandt werden muss, das hängt auch davon ab, welchen Druck das Medium ausübt. So ist es bei großen Nenndurchmessern und hohen Drücken ratsam, einen sogenannten Bypass um die Hauptarmatur zu legen. Auf diese Weise erst einmal der Differenzdruck mindern, so dass das folgende Öffnen leichter fällt. Mitunter kommt ein sogenanntes Schneckengetriebe zum Einsatz, um die nötige Betätigungskraft zu senken.

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Im Vergleich mit anderen Armaturen bringt ein Kugelhahn Vorteile wie diese:

Ein Kugelhahn mit vollem Querschnitt bringt hohe Durchflussraten (hoher Durchflussfaktor, Durchflusskoeffizient, K_vs-Wert)

• Ein Kugelhahn mit vollem Querschnitt beim Reinigen der Leitung von einem Molch durchdrungen werden.
• Ein Kugelhahn ist prinzipiell recht kompakt gebaut.
• Ein Kugelhahn sorgt je nach Aufbau und Material selbst bei hohem Druck für Dichtheit.

Den Vorteilen stehen diese Nachteile gegenüber:

• Beim typischen Kugelhahn berührt das Medium den sogenannten Totraum, lediglich spezielle aufgebaute Kugelhähne sind totraumfrei.

Wegen seines Aufbaus dringt das Medium im teilgeöffneten Zustand in den sogenannten Totraum zwischen Gehäuse und Kugel ein. Es wird dort eingeschlossen und hat bei Temperaturschwankungen keine Chance, sich auszudehnen. Das wird insbesondere dann problematisch, wenn es sich um Medien handelt, die mit hohem Ausdehnungskoeffizient daherkommen. Die Folge: grundsätzliche Betriebsstörungen, Schäden an Kugeldichtung oder Kugel. Abhilfe schafft hier eine sogenannte Entlastungsbohrung (Durchbohrung der Kugel zum Eingang hin).

• In Kugelhähnen verschleißen die Dichtungsflächen besonders stark.
• Zum Einsatz in Systemen mit großen Nennweiten ist ein aufwändigerer Aufbau nötig (doppelte Lagerung).
• Ein Kugelhahn eignet sich nur bedingt zur gleichmäßigen Steuerung des Durchflusses.
• Wird der Kugelhahn schnell geschlossen, kann es zu sogenannten Druckschlägen in den angeschlossenen Leitungen kommen, die über lang den Kugelhahn verschleißen lassen.

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