DE10127435A1 - Gasströmungswächter - Google Patents
GasströmungswächterInfo
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Abstract
Gasströmungswächter schließen bisher sofort schlagartig, wenn der eingestellte Durchflußgrenzwert überschritten wird. Dadurch führen kurze Strömungsspitzen, wie sie in Gasnetzen z. B. durch Schalten von Magnetventilen vorkommen, zu ungewolltem Ansprechen des Gasströmungswächters. Der neue Gasströmungswächter soll unempfindlich gegen solche Strömungsspitzen sein. DOLLAR A Um die Schließbewegung zu verzögern, werden zwischen Gehäuse (1) und Schließkörper (2) abgeschlossene Räume (6, 7) gebildet, welche mit dem Raum (9) der Gasleitung nur durch Drosselstellen (10, 11) verbunden sind. Das Volumen dieser Räume (6, 7) verändert sich durch die Schließbewegung. Da das eingeschlossene Gas nur durch die Drosselstellen entweichen kann, wird die Schließbewegung verzögert. Kurze Strömungsspitzen führen nicht zum Schließen. DOLLAR A Der Durchflußgrenzwert des Gasströmungswächters kann ohne große Zuschläge unmittelbar oberhalb des Maximalverbrauchs der nachgeschalteten Gasgeräte eingestellt werden. Dies verbessert seine Schutzfunktion.
Description
Die Erfindung betrifft einen Gasströmungswächter zum automatischen Absperren von Gasleitungen,
wenn ein vorgegebener Durchflußgrenzwert überschritten wird.
Solche Gasströmungswächter werden sowohl in erdverlegten Gasleitungen als auch im Innenbereich
eingesetzt. Sie haben die Aufgabe, den Gasstrom zu unterbrechen, wenn ein vorgegebener
Durchflußgrenzwert überschritten wird. Dieser Durchflußgrenzwert wird so gewählt, daß der
Gasströmungswächter bei normalem Gasverbrauch offen ist aber bei größeren Schäden an der
Gasleitung (z. B. Baggerangriff, Manipulation an der Leitung) die Gaszufuhr absperrt.
Gasströmungswächter besitzen ein Gehäuse, welches mit der Gasleitung dicht verbunden ist und im
Inneren einen Ventilsitz aufweist. Ein Schließkörper ist diesem Ventilsitz zugeordnet und im Gehäuse
gelagerten.
In der Regel hält eine Feder den Schließkörper gegen die Gasströmung offen. Ist der Durchfluß
senkrecht nach oben gerichtet, wird bei einigen Ausführungen der Schließkörper nur durch sein
Eigengewicht gegen die Strömung offen gehalten.
Auf den Schließkörper wirkt eine mit dem Durchfluß steigende Druckdifferenz.
Überschreitet der Gasdurchfluß den vorgegebenen Grenzwert, wird der Schließkörper in Richtung
Ventilsitz bewegt und verschließt diesen. Die Feder ist für einen vorgegebenen Durchflußgrenzwert
bemessen und in der Regel auch justiert.
Der Schließkörper, der zur Minderung der Lageempfindlichkeit möglichst leicht gehalten wird,
schließt bei Überschreitung des Durchflußgrenzwertes sofort und schlagartig. Während des
Schließens verringert sich der freie Durchlaß und erhöht sich der Druckverlust und damit die
Beschleunigung des Schließkörpers.
Ausführungen solcher Gasströmungswächter sind z. B. in WO 92/01184, GB-PS 556,863,
US-PS 3,794,077, EP 0491 027 B1 oder AT 398 238 B vorgestellt.
Der Schutz durch den Gasströmungswächter ist um so besser, je geringer dessen Durchflußgrenzwert
gewählt wird. Optimal wäre es, diesen Wert nur sehr wenig über dem stationären Maximalverbrauch
der nachgeschalteten Gasgeräte einzustellen.
Dies führt aber bei Gasströmungswächtern nach dem oben beschriebenen Stand der Technik zu
Problemen bei instationärem Gasdurchfluß.
Dieser tritt immer dann auf, wenn ein Leitungsabschnitt des dem Gasströmungswächter
nachgeschalteten Leitungssystems abgesperrt und drucklos war und dieser Leitungsabschnitt sehr
schnell befüllt wird. Es kommt zu einem kurzen aber hohen Durchfluß am Gasströmungswächter und
dieser schließt.
Das Wiederöffnen des Gasströmungswächters ist insbesondere dann aufwendig, wenn dieser keine
Überströmöffnung für den Druckausgleich hat sondern Gegendruck aufgebracht werden muß.
Besonders problematisch für Gasströmungswächter nach dem Stand der Technik sind Gasgeräte, die
durch ein schlagartig öffnendes Magnetventil automatisch geschaltet werden. Zwischen diesem
Magnetventil und den Brennerdüsen des Gasgerätes, welche den Gasdurchfluß auf den normalen
Verbrauchswert begrenzen, liegt ein Leitungsvolumen, welches bei geschlossenem Magnetventil
drucklos ist. Beim Öffnen des Magnetventiles kommt es zu einer kurzzeitigen Strömungsspitze über
den normalen Verbrauchswert hinaus, welche zu einem ungewollten Schließen des
Gasströmungswächters führt, wenn dieser sehr nahe oberhalb des Normalverbrauches eingestellt ist.
Um solche Betriebsstörungen durch den Gasströmungswächter zu vermeiden, muß der
Durchflußgrenzwert weit über dem normalen Verbrauchswert eingestellt werden, was natürlich die
Schutzwirkung des Gasströmungswächters herabsetzt. Es ist dann z. B. nicht mehr möglich, sich
verzweigende und dabei auf kleinere Rohrnennweiten springende Leitungssysteme bis an ihre Enden
abzusichern. Im Havariefall an diesen Enden erreicht der Ausfluß nicht den zum Abschalten
erforderlichen hohen Durchflußgrenzwert des Gasströmungswächters.
Die Erfindung hat einen Gasströmungswächter zum Ziel, der bei solchen kurzzeitigen
Strömungsspitzen licht auslöst und dessen Durchflußgrenzwert dadurch sehr nahe über dem
Normalverbrauch eingestellt werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mit dem Gehäuse verbundene Konturen und
mit dem Schließkörper verbundene Konturen zusammen einen oder mehrere abgeschlossene Räume
bilden, welche mit dem Raum der Gasleitung nur durch eine oder mehrere Drosselstellen verbunden
sind und daß bei Bewegung des Schließkörpers in Richtung Ventilsitz das Volumen dieser
abgeschlossenen Räume verändert wird.
Wird der Durchflußgrenzwert überschritten, beginnt bei dem erfindungsgemäßen
Gasströmungswächter wie bisher der Schließvorgang. Da aber nun durch die Bewegung des
Schließkörpers Gas durch die engen Drosselstellen aus den abgeschlossenen Räumen gedrückt oder in
sie gesaugt wird (je nachdem, ob die Bewegung des Schließkörpers das Volumen des abgeschlossenen
Raumes verkleinert oder vergrößert), wird der Bewegung des Schließkörpers ein mit dessen
Bewegunsgeschwindigkeit wachsender Widerstand entgegen gesetzt. Das Schließen geschieht nicht
mehr schlagartig sondern allmählich.
Wurde der Schließvorgang durch eine kurzzeitige Strömungsspitze der oben geschilderten Art
eingeleitet, bewegt ich der Schließkörper bis zum Abklingen dieser Spitze nur wenig in Richtung
Ventilsitz. Danach wird der Schließkörper durch die Feder wieder in seine volle Offenstellung
gebracht. Es kommt zu keiner Betriebsstörung.
Liegt aber eine Havarie am Gasnetz vor, strömt also stationär mehr Gas als der Durchflußgrenzwert,
schließt der Gasströmungswächter bestimmungsgemäß. Es können kleinere Durchflußgrenzwerte
gewählt werden als bisher nach dem Stand der Technik möglich, da ein großer Zuschlag über den
Normalverbrauch zur Berücksichtigung instationärer Strömungsspitzen nicht mehr notwendig ist.
Eine besonders einfache Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Der
Schließkörper bildet durch seinen Innenzylinder einen über einen gehäusefesten Kolben gleitenden
Topf. Das Spiel zwischen Innenzylinder und Kolben bildet gleichzeitig eine Drosselstelle und eine
erste Lagerstelle.
Durch die Ausgestaltung nach Patentanspruch 3 wird eine noch wirksamere Verzögerung des
Schließvorganges erreicht. Gleichzeitig entsteht eine vollständige Lagerung des Schließkörpers.
Durch die Ausgestaltung nach Patentanspruch 4 wird erreicht, daß der volle Öffnungsquerschnitt am
Beginn des Schließvorganges noch eine Zeit erhalten bleibt. Eine instationäre Spitzenströmung kann
gut abfließen und der Schließkörper wird durch sie möglichst wenig beschleunigt.
Die genannten Ringspalte müssen zur Erzielung einer wirksamen Drosselung als enges Spiel
ausgeführt sein. Dienen sie gleichzeitig als Lager, kann dies in Schließstellung nachteilig für die
Anpassung des Schließkörpers an den Ventilsitz sein.
Abhilfe schafft hier die Ausgestaltung nach Patentanspruch 5.
Eine Drosselung ist nur im Bereich unmittelbar nach der Offenstellung von Bedeutung, weil hier der
große Öffnungsquerschnitt eine Zeit gehalten wird und einen schnellen Abbau der Durchflußspitzen
bewirkt.
Ist der Schließkörper erst in der Nähe des Ventilsitzes, ist der Druckverlust durch die
Querschnittsverkleinerung so hoch, daß der Schließvorgang ohnehin abgeschlossen wird.
Zur Erzielung eines guten Dichtsitzes kann es sogar besser sein, wenn der Schließkörper ab einer
bestimmten Position schnell auf den Ventilsitz fällt.
Eine extrem lange Schließzeit kann durch die Ausgestaltung nach Patentanspruch 6 erreicht werden,
da die Membranfläche größer als der Ventilsitz und die Drosselung durch eine Düse stärker als durch
einen Ringspalt gestaltet werden können.
Die Erfindung wird an drei Ausführungsbeispielen beschrieben
Es zeigen:
Fig. 1 einen federbelasteten Gasströmungswächter in Offenstellung mit zwei
Ringspalt-Drosselstellen und zwei abgeschlossenen Räumen
Fig. 2 den gleichen Gasströmungswächter in Geschlossenstellung
Fig. 3 einen Gasströmungswächter in Offenstellung ohne Feder mit drei Drosselstellen und drei
abgeschlossenen Räumen
Fig. 4 den gleichen Gasströmungswächter kurz vor der Geschlossenstellung
Fig. 5 einen Gasströmungswächter mit Membran und Drosseldüse
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gasströmungswächters
besitzt ein rohrförmiges Gehäuse 1, welches in eine Gasleitung 5 eingebracht ist. Diese Gasleitung
kann beispielsweise der Eingang einer Gasarmatur sein. Mit dem Gehäuse 1 ist über die Stege 26 und
den Schaft 15 der Kolben 13 verbunden. Die Stege 26 sind einstückig mit dem Gehäuse 1 verbunden
und werden vom Gas umströmt. Der Pfeil 23 zeigt die Strömungsrichtung.
Ein Schließkörper 2 bildet zusammen mit einem Boden 24 im Inneren einen Topf, dessen
Innenzylinder 14 auf dem Kolben 13 ein erstes Lager 10 bildet. Ein zweites Lager 11 bildet der
Schließkörper 2 auf dem Schaft 15 des Kolbens.
Eine Druckfeder 4 stützt sich einerseits in einer Aufnahme des Kolbens 13 ab, andererseits in einer
Aufnahme im Boden 24 und hält den Schließkörper gegen die Strömung 23 offen, solange diese den
Durchflußgrenzwert nicht überschreitet. Der Boden 24 ist über das Gewinde 25 gegen die Feder 4
verstellbar, womit der Durchflußgrenzwert justierbar ist.
Wird der Durchflußgrenzwert nur durch eine kurzzeitige Strömungsspitze überschritten, wie es durch
das Zuschalten druckloser Leitungsteile nach dem Gasströmungswächter oder von Leitungsteilen mit
höherem Druck vor dem Gasströmungswächter geschieht, kommt es nicht mehr zu schlagartigem
ungewollten Schließen.
Das zwischen dem Kolben 13, dem Innenzylinder 14 und dem Boden 24 eingeschlossene Volumen
muß durch die erste Lagerstelle 10, die einen engen Ringspalt darstellt, abfließen. Ein Teil des
Volumens muß auch noch die zweite Lagerstelle 11 passieren. Die Schließbewegung verläuft dadurch
verzögert.
Die instationäre Strömungsspitze umfließt den Schließkörper. Ist die Strömungsspitze abgeklungen,
wird der Schließkörper 2, der nur wenig aus seiner Offenstellung bewegt wurde, durch die Feder 4
wieder in die voll geöffnete Stellung gebracht.
Die Durchflußkontur des Gasströmungswächters ist so gestaltet, daß der Durchflußquerschnitt 16
zwischen Umfang des Schließkörpers 2 und Gehäuse 1 in Offenstellung und bei Beginn der
Schließbewegung kleiner ist als der durch den Schließvorgang kleiner werdende Durchflußquerschnitt
17 im Bereich des Ventilsitzes. Während des Schließens kommt es dadurch zunächst nicht zu einer
Verkleinerung des engsten Durchflußquerschnittes sondern nur zum Anstieg der entgegenwirkenden
Federkraft. Das Ziel der Erfindung, den Gasströmungswächter bei kurzzeitigen Strömungsspitzen
offen zu halten, wird dadurch unterstützt.
Fig. 2 zeigt den gleichen Gasströmungswächter in Geschlossenstellung. Der Kolben 13 kommt in
dieser Stellung in einen Bereich 18 des Innenzylinders, welcher im Durchmesser erweitert ist.
Dadurch wird die Lagerung des Schließkörpers 2 an dieser Stelle gelockert und der Schließkörper
kann sich in den Ventilsitz 3 einpassen. Der Ventilsitz ist hier metallisch dichtend ausgeführt. Das ist
bei Gasströmungswächtern möglich, da eine gewisse Überströmöffnung zum automatischen
Wiederöffnen wünschenswert ist.
Fig. 3 zeigt einen Gasströmungswächter in Offenstellung, welcher drei Ringspalt-Drosselstellen 10, 11
und 12 und drei abgeschlossenen Räume 6, 7 und 8 aufweist. Die Strömung 23 ist hier nach oben
gerichtet, so daß auf die Feder verzichtet werden kann. Der Schließkörper 2 wird durch Eigengewicht
offen gehalten.
Als Ventilsitz 3 wurde ein Rundring gewählt.
Der Querschnitt 16 im Umfang des Schließkörpers 2 ist wieder enger gehalten als der durch den
Schließvorgang kleiner werdende Querschnitt 17.
Fig. 4 zeigt den Gasströmungswächter von Fig. 3 kurz vor Erreichen der Schließstellung.
Der Innenzylinder 14 hat den Kolben 13 vollkommen verlassen, so daß der obere abgeschlossene
Raum 6 nicht mehr vorhanden ist. Der Schaft des Schließkörpers 2 ist an der Stelle 19 konisch
verjüngt, so daß dieser zweite Ringspalt mit Annäherung an die Schließstellung weiter wird und sich
der Schließkörper 2 in den Ventilsitz 3 einpassen kann. Nur der dritte Ringspalt 12 ist noch eng und
sorgt sowohl für Drosselung als auch für die Ausrichtung des Schließkörpers 2.
Der Gasströmungswächter nach Fig. 3/4 kann natürlich auch horizontal arbeiten, wenn in den Raum 7
eine Druckfeder gesetzt wird.
Fig. 5 zeigt einen Gasströmungswächter, bei dem der abgeschlossene Raum 6 zwischen dem
Gehäusedeckel 27 und einer Membran 21 gebildet wird. In die Membran ist ein Schließkörper 2
aufgenommen, welcher die Feder 4 führt und in Geschlossenstellung dem Druck standhält. Die
Membran dient mit ihrem Dichtrand 22 gleichzeitig der Abdichtung zum Ventilsitz 3.
Der abgeschlossene Raum 6 ist mit dem Gasraum 9 durch eine Düse 20 verbunden.
Die wirksame Fläche der Membran ist größer als die des Ventilsitzes. Der freie Querschnitt der Düse
kann bedeutend kleiner gehalten werden als die der vorher benutzten Ringspalte. Dadurch ist mit der
in Fig. 5 gezeigten Lösung eine noch längere Schließzeit erreichbar.
Die Feder 4 kann durch die Stellspindel 28 von außen auf einen gewünschten Durchflußgrenzwert
justiert werden.
1
Gehäuse
2
Schließkörper
3
Ventilsitz
4
Feder
5
Gasleitung
6
erster abgeschlossener Raum
7
zweiter abgeschlossener Raum
8
dritter abgeschlossener Raum
9
Gasleitungsraum
10
erster Ringspalt
11
zweiter Ringspalt
12
dritter Ringspalt
13
Kolben
14
Innenzylinder
15
Schaft
16
Durchflußquerschnitt am Umfang des Schließkörpers
17
Durchflußquerschnitt im Sitzbereich
18
Erweiterung Innenzylinder
19
Verjüngung Schaft
20
Düse
21
Membran
22
Dichtrand
23
Durchflußrichtung
24
Boden
25
Gewinde
26
Verbindungsstege
27
Gehäusedeckel
28
Stellspindel
Claims (6)
1. Gasströmungswächter, welcher die Gasleitung absperrt, wenn der Gasstrom einen vorgegebenen
Durchflußgrenzwert überschreitet, mit einem Gehäuse (1), welches mit der Gasleitung (5) dicht
verbunden ist und im Inneren einen Ventilsitz (3) aufweist, einem diesem Ventilsitz zugeordneten
und im Gehäuse gelagerten Schließkörper (2), welcher durch eine Feder (4) oder Eigengewicht
gegen die Gasströmung offen gehalten ist und der sich bei Erreichen des vorgegebenen
Durchflußgrenzwertes in Richtung Ventilsitz bewegt und diesen verschließt,
dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Gehäuse (1) verbundene Konturen und mit dem
Schließkörper (2) verbundene Konturen zusammen einen oder mehrere abgeschlossene Räume (6,
7, 8) bilden, welche mit dem Raum (9) der Gasleitung (5) nur durch eine oder mehrere
Drosselstellen (9, 10, 11, 20) verbunden sind und daß bei Bewegung des Schließkörpers (2) in
Richtung Ventilsitz (3) das Volumen dieser abgeschlossenen Räume (6, 7, 8) verändert wird.
2. Gasströmungswächter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein abgeschlossener Raum
(6) durch ein mit dem Gehäuse (1) verbundenen Kolben (13) und ein im Schließkörper (2)
befindlichen Innenzylinder (14) gebildet wird und ein enger Ringspalt (10) zwischen Kolben (13)
und Innenzylinder (14) die Drosselstelle bildet.
3. Gasströmungswächter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Ringspalte
zwischen Schließkörper (2) und gehäusefesten Konturen vorgesehen sind, welche weitere Räume
abschließen, deren Volumen sich bei Bewegung des Schließkörpers verändert und daß mindestens
einige dieser Ringspalte gleichzeitig der Lagerung des Schließkörpers (2) dienen.
4. Gasströmungswächter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt
(16) zwischen Umfang des Schließkörpers und Gehäuse in Offenstellung und bei Beginn der
Schließbewegung kleiner ist als der durch den Schließvorgang kleiner werdende
Durchflußquerschnitt (17) im Bereich des Ventilsitzes.
5. Gasströmungswächter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der
Ringspalte, welcher gleichzeitig der Lagerung dient, im Bereich der Geschlossenstellung des
Gasströmungswächters erweitert oder vollständig geöffnet ist.
6. Gasströmungswächter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gehäusefeste Kontur
und die mit den Schließkörper (2) verbundene Kontur durch eine Membran (21) verbunden sind
und die Drossel stelle zwischen abgeschlossenem Raum (6) und dem Raum (9) der Gasleitung
durch eine Düse (20) gebildet wird.
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Legal Events
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: MERTIK MAXITROL GMBH & CO. KG, 06502 THALE, DE |
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8181 | Inventor (new situation) |
Inventor name: SCHULZE, KLAUS, DR.-ING., 06507 GERNRODE, DE |
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Effective date: 20150101 |