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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Gasströmungswächter zum automatischen Absperren von Gasleitungen, wenn ein vorgegebener Durchflußgrenzwert überschritten wird.
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Stand der Technik
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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.
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Gasströmungswächter besitzen ein Gehäuse, welches mit der Gasleitung dicht verbunden ist und im Inneren einen Ventilsitz aufweist. Ein Schließkörper ist diesem Ventilsitz zugeordneten 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. Am offenen Schließkörper entsteht ein mit steigendem 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 A1 ,
GB 556 863 A ,
US 37 94 077 A ,
EP 491 027 B1 oder
AT 398 238 B vorgestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Gasströmungswächter der genannten Art zu entwickeln, bei dem der Schließdurchfluss unabhängig von der Einbaulage den gleichen Wert besitzt. Desweiteren soll er eine Dämpfungsfunktion aufweisen, um ein Schließen bei kurzzeitigen Strömungsspitzen zu vermeiden. Aufbau und Herstellung sollen möglichst einfach sein.
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Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, dass zwischen dem Schließkörper und gehäusefesten Konturen Ringspalte vorgesehen sind, welche Räume abschließen, deren Volumen sich bei Bewegung des Schließkörpers verändert, und dass mindestens einige dieser Ringspalte gleichzeitig der Lagerung des Schließkörpers dienen.
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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 Bewegungsgeschwindigkeit wachsender Widerstand entgegen gesetzt. Das Schließen geschieht nicht mehr schlagartig sondern allmählich. Zusätzlich zu dieser wirksamen Verzögerung des Schließvorgangs entsteht gleichzeitig eine vollständige Lagerung des Schließkörpers.
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Wurde der Schließvorgang durch eine kurzzeitige Strömungsspitze der oben geschilderten Art eingeleitet, bewegt sich 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.
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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.
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Durch die Ausgestaltung nach Patentanspruch 2 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.
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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.
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Abhilfe schafft hier die Ausgestaltung nach Patentanspruch 3.
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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.
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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.
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Eine extrem lange Schließzeit kann durch die Ausgestaltung nach Patentanspruch 4 erreicht werden, da die Membranfläche größer als der Ventilsitz und die Drosselung durch eine Düse stärker als durch einen Ringspalt gestaltet werden können.
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Ausführungsbeispiele
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Die Erfindung wird an drei Ausführungsbeispielen beschrieben
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Es zeigen:
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1 einen federbelasteten Gasströmungswächter in Offenstellung mit zwei Ringspalt-Drosselstellen und zwei abgeschlossenen Räumen
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2 den gleichen Gasströmungswächter in Geschlossenstellung
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3 einen Gasströmungswächter in Offenstellung ohne Feder mit drei Drosselstellen und drei abgeschlossenen Räumen
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4 den gleichen Gasströmungswächter kurz vor der Geschlossenstellung
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5 einen Gasströmungswächter mit Membran und Drosseldüse
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Das in 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.
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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.
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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.
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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.
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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 am Umfang des Schließkörpers 2 ist wieder enger gehalten als der durch den Schließvorgang kleiner werdende Querschnitt 17.
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4 zeigt den Gasströmungswächter von 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.
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Der Gasströmungswächter nach 3/4 kann natürlich auch horizontal arbeiten, wenn in den Raum 7 eine Druckfeder gesetzt wird.
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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 5 gezeigten Lösung eine noch längere Schließzeit erreichbar. Die Feder 4 kann durch die Stellspindel 28 von außen auf einen gewünschten Durchflußgrenzwert justiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse Bezugszeichenliste
- 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
- Dichtring
- 23
- Durchflußrichtung
- 24
- Boden
- 25
- Gewinde
- 26
- Verbindungsstege
- 27
- Gehäusedeckel
- 28
- Stellspindel
