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Das Patent Nr. 277688 betrifft ein Ventil zum Regeln des Massenstromes strömender Medien, mit einem Ventilsitz, einem damit zusammenwirkenden Ventilkegel und einer mit dem Ventilkegel zu dessen Betätigung in Wirkverbindung stehenden Steuermembran od. dgl., deren eine Seite mit vor und deren andere Seite mit hinter dem Ventilsitz abgegriffenem Strömungsmitteldruck beaufschlagbar ist, wobei der Ventilsitz als Messblende mit einstellbarem Durchströmquerschnitt ausgebildet und auf der dem Ventilkegel gegenüberliegenden Seite des Ventilsitzes eine einstellbare Drossel angeordnet ist.
In der brit. Patentschrift Nr. 494, 703 wurde bereits ein Regelventil vorgeschlagen, das seinem Typ nach ein integral wirkender Mengenregler ist. Nachteilig wirkt sich bei einem derartigen Regelventil aus, dass seinem Ventilkegelsystem keine eindeutige Hubstellung zugeordnet werden kann, weil im Messwertvergleicher das während des Ventilhubes konstante Gewicht des Kolbens in Abhängigkeit von seiner Fläche einen Druck Ap darstellt, der dem Sollwert entspricht.
Nachteilig in bezug auf das Stabilitätsverhalten des vorgeschlagenen Reglers innerhalb einer Regelstrecke wirkt sich ferner auch aus, dass durch das konstante Kolbengewicht dem Ventilkegelsystem keine eindeutige Stellung zugeordnet werden kann, da dieser Regler praktisch in seine Begrenzung führt, weil die Stellgeschwindigkeit des Ventilkegel-Systems nicht auf die Daten der Regelstrecke anpassbar ist.
Ein weiterer Nachteil des vorgeschlagenen Regelventils besteht schliesslich auch darin, dass zwischen seiner Ein- und Austrittsseite ein relativ hoher Druckverlust entsteht, da das Messen des einen Steuerdruckes als Staudruck und nicht als statischer Druck erfolgt.
Die erwähnten Nachteile sind durch die Differenzdruckmessung und die integrale Wirkung dieses Regler-Typs bedingt. Dabei ist der Regelabweichung lediglich die Stellgeschwindigkeit, nicht aber die Ventilstellung proportional.
Demgegenüber hat sich die Erfindung unter Berücksichtigung folgender Gesichtspunkte die Aufgabe gestellt, mit überaus einfachen und billigen Mitteln das aus dem Patent Nr. 277688 bekannte Ventil sinnvoll auszugestalten und fortzuentwickeln :
Setzt man in eine Rohrleitung eine Blende mit der Bohrung "d" ein, so errechnet sich die durchfliessende Stoffmenge nach der Gleichung 1) M = 0, 0125-a-e-m-D -Ap [kp/h]
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[m3/h]Dt = Rohr-Innendurchmesser bei t [ C] ist.
Aus den Gleichungen 1) und 2) ist zu ersehen, dass bei den vorstehend erwähnten gegebenen Grössen der Durchfluss vom Differenzdruck an der Blende abhängt : So verdoppelt sich beispielsweise bei vierfachem Differenzdruck die Durchflussmenge.
Aufgabe eines Ventils ist es, die Stoffmenge trotz veränderlichem Differenzdruck zwischen Ein- und Austritt des Ventils konstant zu halten. Zu diesem Zweck wird zunächst der Differenzdruck, der an der Blende geregelt werden soll, gemessen und sodann im Messwertvergleicher mit dem Sollwert verglichen. Als Sollwert dient beispielsweise eine Druckfeder, die auf eine bestimmte Kraft"P"vorgespannt ist. Der Vergleicher ist etwa eine Membran oder aber auch ein Kolben mit bestimmter Fläche "F". Dividiert man in bekannter Weise die Federkraft"p"durch die Membran- oder Kolbenfläche "F", so ergibt mithin der jeweils einzuhaltende Differenzdruck ". 6. p" an der Blende.
Da nach Gleichung 1) und 2) die Durchflussmenge von der Quadratwurzel des Differenzdruckes "Ap" abhängig ist, bedarf es an dieser Stelle nun doch der näheren Klärung eben dieses Differenzdruckes :
Im allgemeinen unterscheidet man in einem Strömungs-System einen statischen und einen dynamischen Druck ; letzterer wird auch mit Staudruck bezeichnet. Als Differenzdruck für die Mengenmessung ist die arithmetische Differenz der beiden statischen Drücke vor und hinter dem Drossel-System zu verstehen.
Wenn der Differenzdruck ". 6. p" an der Blende ansteigt, so führt das Membran- (Kolben)-System eine entgegengesetzte Hubbewegung aus. Mit dieser Membran od. dgl. ist ein Ventilkegel verbunden, der die Durchflussmenge drosselt, um wieder den richtigen Differenzdruck ". 6. p" an der Blende einzustellen. (= Sollwert des Membransystems od. dgl.) Auf diese Weise gelingt es, den Ventildurchfluss mittels einer Differenzdruckregelung an der Blende konstant zu halten.
In der im Stammpatent Nr. 277688 beschriebenen Erfindung dient der Ventilsitz als Blende. Deren Strömungs-Querschnitt ist jedoch mittels einer über dem Ventilsitz angeordneten einstellbaren Drosselscheibe veränderlich. Die Vorspannung der Sollwertfeder bleibt bei diesem Lösungsvorschlag unverändert, so dass das Regelventil bei jeder eingestellten Druchflussmenge mit dem gleichen Differenzdruck arbeitet. Der Druck vor dem Blendensystem wird an einer am Eintritt des Ventilgehäuses angeordneten Bohrung abgenommen und in das untere Membrangehäuse eingeführt, währenddessen der Druck hinter dem Blendensystem auf dem Ventilkegel gemessen und beispielsweise durch Bohrungen auf die Oberseite der Membran gegeben wird.
Betrachtet man das Ventil nach dem Stammpatent Nr. 277688, so ist ersichtlich, dass der Plus-Steuerdruck als statischer Druck gemessen wird. Um einen statischen Druck handelt es sich hier deshalb, weil die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums an der Ventilwand zu Null wird und die dynamischen Druckanteile
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somit nicht in die Druckmessung eingehen.
Beim Messen des einen Steuerdruckes nach dem Drossel-System herrschen andere Gesetzmässigkeiten, da der Druck hier auf dem Ventilkegel abgenommen wird : Das Messen des Druckes auf dem Ventilkegel entspricht einem Messen des Gesamtdruckes, d. h. der Summe aus statischem und dynamischem Druck, da man den Ventilkegel ohne weiteres als Stossplatte betrachten kann, auf deren Oberfläche die Strömungsgeschwindigkeit zu Null wird. Der eine Steuerdruck ist dabei um den dynamischen Anteil grösser als der statische Druck.
In der Praxis hat sich vielfältig gezeigt, dass ein Regelventil in einer derartigen Schaltung zwar ausserordentlich exakt arbeitet, jedoch hinsichtlich des Druckverlustes zwischen Ein- und Austritt des Ventils bei entsprechender Durchflussmenge noch weiter verbessert werden kann. Der hohe Druckverlust wird vor allem durch die aus Ventilsitz und Drosselscheibe bestehende einstellbare Messblende erzeugt, die je nach geforderter Durchflussmenge mehr oder minder hoch über dem Ventilsitz steht. In gewisser Weise ist das Ventil nach dem Stammpatent Nr. 277688 auch hinsichtlich dessen noch zu verbessern, dass schon bei kleiner Verstellung der Messblende die Durchflussmenge in zu grossem Umfang zunimmt, so dass eine genaue Mengeneinstellung sich deshalb als relativ schwierig erweisen kann.
Das Ventil nach der Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, dass der eine Steuerdruck direkt hinter der Drosselstelle mittels einer am Ventilsitz angeordneten Bohrung abgenommen und mittels einer besonderen Steuerleitung in das obere Membrangehäuse geführt ist.
Wie sich aus dem vorstehenden ergibt, beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass der eine Steuerdruck nicht mehr auf dem Ventilkegel, sondern direkt hinter der Drosselscheibe der Messblende mittels einer im Ventilsitz angeordneten Bohrung gemessen wird. Hiedurch ergibt sich ein statisches Messen des Druckes, so dass
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wodurch der Regler weiter auf Schliessstellung fährt und dabei eine kleinere Durchflussmenge als bei der Schaltung nach dem Stammpatent Nr. 277688 einstellt. Um bei der erfindungsgemässen Schaltung dieselbe Durchflussmenge zu erzielen, ist es erforderlich, die Drosselscheibe der Messblende weiter zu öffnen, wodurch sich aber zugleich auch in überaus vorteilhafter Weise der Gesamtdruckabfall des Regelventils verringert.
Mit der vorgeschlagenen Erfindung gehen naheliegenderweise eine Reihe bedeutender Vorteile einher :
Das erfindungsgemässe Ventil ist seinem Typ nach ein Proportionalregelventil ; im Messwertvergleicher ist deswegen eine Feder angeordnet, deren Kraft in Abhängigkeit von der Membran- (Kolben) -Fläche den Sollwert darstellt. Beim Bewegen des Ventilkegel-Systems ändert sich die Kraft der Feder entsprechend der ihr eigenen Federkonstanten in Abhängigkeit von dem zu durchfahrenden Ventilhub und ordnet damit einer Regelabweichung eine feste Hubstellung des Ventilkegels zu. Damit ist also in bezug auf das Stabilitätsverfahren des Regelgerätes in der Regelstrecke ein einfaches und in seiner Einstellung problemloses Regelgerät geschaffen.
Das proportional wirkende und mit einem definierten Proportionalbereich ausgestattete Ventil nach der Erfindung hat zudem noch den besonderen Vorteil, dass es in der Regelstrecke stabil arbeitet.
In den Zeichnungen ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei zeigen Fig. 1 das erfindungsgemässe Regelventil in schematischer Darstellung, Fig. 2 ein Diagramm der Durchsatzmenge in Abhängigkeit von der Stellung der Einstelldrossel, wobei die Kurve des Regelventils voll ausgezogen ist, währenddessen die des Reglers nach der brit. Patentschrift Nr. 494703 gestrichelt gezeichnet ist, und schliesslich Fig. 3 ein Diagramm des zum Regeln notwendigen Mindest-Differenzdruckes zwischen Ein- und Auslass des Ventils in Abhängigkeit von der Durchsatzmenge in einer zeichnerischen Weise, der der Fig. 2 entspricht.
Wie auch im Patent Nr. 277688 bereits dargestellt, besteht das in Fig. 1 dargestellte Regelventil im wesentlichen aus dem eigentlichen Ventilgehäuse--l--mit dem Ventilsitz--2--, dem in herkömmlicher Weise zu dem Ventilsitz verschiebbar gelagerten Ventilkegel-3--, der in der dargestellten Form druckentlastet ist, der über ein Gestänge --4-- mit einer in noch näher zu beschreibenden Weise durch
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Die folgende Erläuterung des Ausführungsbeispieles gemäss der Erfindung erfolgt unter der Voraussetzung, dass ein durch das Regelventil strömendes Medium hinsichtlich seines in der Zeiteinheit durchgesetzten Massenstromes bzw. seiner Strömungsgeschwindigkeit konstant zu halten ist. Das Medium tritt durch den Einlass --9-- in das Regelventil ein, durchströmt den Ventilsitz--2--und verlässt das Ventil durch den Ausgang - -10--.
Wie aus den Zeichnungen weiterhin entnommen werden kann, ist der Teller --7 -- in einem mehr oder weniger grossen Abstand von der Oberseite des Ventilsitzes --2-- einstellbar. Hiedurch ist eine im Querschnitt veränderliche, einen ringspaltartigen Durchströmquerschnitt aufweisende Messblende geschaffen. Der nach unten gerichtete Teil des Ventilsitzes arbeitet in üblicher Weise mit dem als Absperrorgan wirkenden Ventilkegel - zusammen. Von dem Ventileinlass --9-- aus führt eine Steuerleitung--11--zu dem Membrangehäuse --6-- und mündet in den Beaufschlagungsraum--12--ein.
Durch diese Steuerleitung
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hindurch erfährt die Membran--5--eine einseitige Druckbeaufschlagung mit dem vor der Messblende abgegriffenen Strömungsmitteldruck, der eine Verschiebung der Membran und damit unter Vermittlung des Betätigungsgestänges--4--eine Verschiebung des Ventilkegels in Richtung auf dessen Schliesslage herbeiführt.
Die andere Seite der Membran --5-- erhält ihre Druckbeaufschlagung mittels einer im Ventilsitz abgenommenen Steuerleitung--14--, die in den Druckraum-13-des Membrangehäuses-6--
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unterliegt der Beaufschlagung durch den zwischen den Steuerleitungen-11 und 14--herrschenden Differenzdruck Ap = p i-p.
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Gestänge-4-Ventilkegel --3-- angeordnet. Die Membran --5-- trägt eine sich bis zur Anlage an den Teller--21--des Gestänges --4-- erstereckende Betätigungsstange --23--, deren am Teller --21-- anliegender Abschnitt pilzförmig in der Art eines Stösselkopfes-24-ausgebildet ist.
Insoweit können von der Membran-5auf den Ventilkegel --3-- nur Verschiebekräfte im Sinne einer Schliessbewegung des Ventilkegels gegen die Wirkung der Feder --22-- übertragen werden. Die Ventilkegelrückstellung in ihre Öffnungslage bewirkt die genannte Rückstellfeder --22--.
Auf der von der Betätigungsstange Membran --5-- gegenüberliegenden Seite erstreckt sich
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--28-- angeordnet,Membrangehäuse --6-- im Bereich der Stangendurchführung und anderseits an einer Anschlagmutter-29-- abstützt.
Das Beaufschlagen der Membran--5--mit dem abströmseitig vom Ventilsitz --2-- abgegriffenen Strömungsmitteldruck im Druckraum--13--und die Kraftwirkung der auf der Einstellstange-26-
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--28-- erfolgenDruckraum--12--wirkt.
Im Diagramm nach Fig. 2 ist die Durchsatzmenge--Q--in Abhängigkeit von der Stellung "D" der Einstelldrossel aufgetragen. Die gestrichelt gezeichnete Kurve, die auf Regelventile zurückgeht, wie sie etwa in der brit. Patentschrift Nr. 494, 703 beschrieben wurden, lässt erkennen, dass bereits bei kleiner Öffnung der Drosselblende die Durchsatzmenge in unerwünschter und daher nachteiliger Weise recht sprunghaft ansteigt, weil damit eine Einstellung des Gerätes auf kleine Durchsatzmengen recht problematisch wird. Demhingegen steigt die Durchsatzmenge bei Benutzung des Regelventils nach der Erfindung nur relativ langsam und vor allem in geringerem Umfange an, unter der Voraussetzung, dass die Wirkdrücke sowie die Durchlassöffnungen an der Messblende sowohl bei der Lösung nach der Erfindung als auch bei der nach der brit.
Patentschrift Nr. 494, 703 gleich oder zumindest annähernd gleich sind.
Gleiche, mindestens aber ähnliche Charakteristika gelten auch für das in Fig. 3 dargestellte Diagramm : Hier
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Demgegenüber steigt die Durchsatzmenge beim Regelventil nach der Erfindung nur in einer äusserst flachen Kurve und liegt dabei im Bereich ebenso niedriger Differenzdrücke. Nach alledem ist gerade aus diesem Diagramm die besondere Vorteilhaftigkeit der vorgeschlagenen Erfindung plastisch demonstriert derart, dass bei gleichen Durchsatzmengen die zum Regeln erforderlichen Mindest-Differenzdrücke zwischen Ein- und Auslass des Ventils relativ stark unterschiedlich sind. Ein Regelventil gemäss Erfindung arbeitet also mit wesentlich kleineren Druckverlusten.