DE102004031476B4

DE102004031476B4 - Vorrichtung zum Ausgleich von Volumina in einem Rohrleitungssystem

Info

Publication number: DE102004031476B4
Application number: DE200410031476
Authority: DE
Inventors: Günter WORCZINSKI; Gerhard Meister; Marian Watzlaw; Gundar Scholz
Original assignee: Tuchenhagen GmbH
Current assignee: GEA Tuchenhagen GmbH
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: DE102004031476A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausgleich von Volumina in einem Rohrleitungssystem, die in geschlossenen Rohrleitungssystemen eine hydraulische Blockierung der Ventile verhindert und die eine vorgegebene Volumenänderung im Rohrleitungssystem mit einer definierten und tolerierbaren, von der Volumenänderung abhängigen Druckänderung zulässt. Dies wird unter anderem dadurch erreicht, dass eine erste Ausgleichsvorrichtung (1; 10) vorgesehen ist, die in einem Rohrleitungsabschnitt (2; 2*) einen von einem dort befindlichen Fluid (P) beaufschlagten Ausgleichskolben (10.6) aufweist, der einen Durchdringungsbereich mit dem Rohrleitungsabschnitt (2; 2*) verschließt und der durch translatorische Verschiebung unter der Einwirkung des Fluids (P) einerseits eine reversible Volumenänderung (+-DELTAV) im vom Rohrleitungsabschnitt (2; 2*) umfassten Bereich des Rohrleitungssystems zulässt, wobei der Ausgleichskolben (10.6) durch eine Rückstellkraft eines zugeordneten elastisch deformierbaren Bauteils (10.4; 10.5) andererseits beidseitig belastet ist und die jeweilige Volumenänderung (+-DELTAV) gegen die Rückstellkraft dieses Bauteils (10.4; 10.5) vollzogen wird, wobei der Ausgleichskolben (10.6) mit einem Kolbenschaft (10.6a) in den Rohrleitungsabschnitt (2; 2*) eingreift und wobei der Kolbenschaft (10.6a) eine umfangsseitige Berandung des Rohrleitungsabschnitts (2; 2*) mittels einer Kolbendichtung (10.2) abgedichtet und axial verschieblich durchdringt (Figur 1).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausgleich von Volumina in einem Rohrleitungssystem nach den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 oder 5, wobei das in diesen Rohrleitungssystemen befindliche Fluid weitestgehend inkompressibel und dort abgegrenzt eingeschlossen ist.

In Rohrleitungssystemen der Prozesstechnik, vorzugsweise in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, der Pharmazie, der Chemie und der Biotechnologie, sind neben Behältern und anderen Prozesseinrichtungen eine Vielzahl von Ventilen angeordnet. Diese Ventile können als sog. Normalventile mit einem Schließglied aber auch als sog. Doppelsitzventile mit zwei unabhängig voneinander betätigbaren Schließgliedern ausgeführt sein. Die Schließglieder sind entweder als Sitzteller oder aber auch als Schieberkolben ausgeführt. Für den Fall, dass diese Ventile eine sog. Sitzreinigungsfunktion besitzen, ist das jeweilige Schließglied spaltweit von seiner zugeordneten Sitzfläche anlüftbar. Als Sitzteller ausgebildete Schließglieder wirken mit ihrer Sitzdichtung auf der zugeordneten Sitzfläche entweder rein axial oder axial/radial; als Schieberkolben ausgebildete Schließglieder sind in einer zylindrischen Sitzfläche angeordnet und ihre Dichtwirkung ist rein radial, sodass bis zum spaltweiten Öffnen des Schieberkolbens dieser zunächst ein Stück weit in entsprechender axialer Richtung verschoben werden muss, bis die radial wirkende Dichtung die zugeordnete zylindrische Sitzfläche verlassen hat.

Neben den verfahrenstechnisch bedingten Anforderungen an die Anordnung der Ventile zum einen gibt es jedoch auch ventilbedingte Anordnungskriterien zum anderen. So ist es beispielsweise oftmals nicht erwünscht, dass ein Ventil, bei dem das Schließglied als Sitzteller ausgeführt ist, in Strömungsrichtung schließt. In diesem Falle kann es zu sog. Druckschlägen im Rohrleitungssystem kommen, die in der Regel mit sehr hohen Druckspitzen einhergehen, wodurch u.U. Bauteile im Rohrleitungssystem beschädigt oder benachbarte Ventile ggf. kurzzeitig aufgedrückt werden.

Ein weiteres Anordnungskriterium für Ventile in Rohrleitungssystemen besteht ggf. darin, dass Rohrleitungsabschnitte nach Möglichkeit vermieden werden müssen, die durch endseitig angeordnete Ventile verschlossen sind, wodurch das in diesen Rohrleitungsabschnitten beherbergte Volumen fest abgegrenzt ist. Ist eine derartige Anordnung nicht zu vermeiden, dann ergibt sich in einem solchen Falle die Forderung, dass die Möglichkeit der Ausdehnung bzw. Kontraktion des in diesem abgegrenzten Volumen befindlichen Fluids gegeben sein muss. Für den Fall, dass in dem Fluid kompressible Gasbeimengungen enthalten sind oder dass beispielsweise der betreffende Rohrleitungsabschnitt nicht vollständig entlüftet ist oder werden kann, ist eine begrenzte Änderung des Fluidvolumens möglich, wobei die Ursachen der Volumenänderung unterschiedlichster Natur sein können.

Für den Fall, dass es sich bei dem abgegrenzten Volumen um ein inkompressibles Fluid handelt, das weitestgehend entlüftet bzw. entgast ist, führt die geringste Volumenänderung im abgegrenzten Rohrleitungsabschnitt ggf. zu einer unzulässigen Druckänderung (meist handelt es sich um eine Druckerhöhung, manchmal auch um eine Druckabsenkung) mit unterschiedlichen Folgen.

1. Die den betreffenden Rohrleitungsabschnitt endseitig begrenzenden Ventile öffnen in einer von diesem Raum wegweisenden Richtung. In diesem Falle wird eine positive Volumenänderung (Druckerhöhung) im abgegrenzten Raum u.U. jenes Ventil aufdrücken, das mit der geringsten Schließkraft versehen ist. In der Regel handelt es sich um federschließende pneumatische Antriebe, die gegen einen bestimmten maximalen Druck im zu steuernden und abzusperrenden Fluid ausgelegt sind.
2. Die den betreffenden Rohrleitungsabschnitt endseitig begrenzenden Ventile öffnen in Richtung dieses Raumes. In diesem Falle können positive Volumenänderungen im abgegrenzten Raum über an sich unerwünschte Öffnungsbewegungen der in Frage kommenden Ventile nicht kompensiert werden. Es kommt zu einem mehr oder weniger hohen und unerwünschten Druckanstieg im abgegrenzten Raum, dessen maximale Druckspitzen von der elastischen Duktilität des gesamten, das betreffende Volumen abgrenzenden Rohrleitungssystems abhängen.
3. Negative Volumenänderungen im abgegrenzten Rohrleitungssystem führen dort zur Druckabsenkung, ggf. bis hin zur Unterdruckbildung gegenüber den Rohrleitungsbereichen außerhalb des abgegrenzten Rohrleitungssystems, sodass ggf. auch hier ein entsprechender Volumenausgleich über angrenzende Ventile gegeben ist, wenn deren Schließkräfte überwunden werden.

Neben den vorstehend kurz dargestellten Problemen im Zusammenhang mit fest abgegrenzten Rohrleitungsvolumina, die beispielsweise allein durch Temperaturänderung im abgegrenzten Fluid hervorgerufen werden können, ergibt sich ein zweites Problem aus jenen Ventilen, die den in Frage kommenden Rohrleitungsbereich begrenzen. Befindet sich nämlich im abgegrenzten Rohrleitungsbereich ein weitestgehend entgastes bzw. entlüftetes Fluid, das demzufolge als inkompressibel zu gelten hat, und öffnen die vorstehend genannten Ventile mit einem Schließglied in diesen abgegrenzten Raum hinein, dann ist die Schaltbewegung dieser Ventile selbst Ursache für Volumenänderungen in diesem abgegrenzten Bereich. Die Hubbewegung des Schließgliedes, unabhängig davon, ob es als Sitzteller oder als Schieberkolben ausgebildet ist, bewirkt eine Volumenverdrängung, die in etwa dem Schließgliedquerschnitt multipliziert mit dem jeweiligen translatorischen Hub entspricht.

Bei einem als Sitzteller ausgebildeten Schließglied ( US 5,699,825 ; 2a, oberes Schließglied) ist diese Volumenverdrängungsproblematik weniger gravierend, da das durch den Schließgliedhub verdrängte Volumen im abgegrenzten Raum nur so lange ggf. unter den vorstehend genannten drucksteigernden Wirkungen aufgenommen werden muss, wie das Schließglied noch nicht spaltweit geöffnet hat. Demzufolge ist bei einem als Sitzteller ausgebildeten Schließglied zunächst nur jene Phase des Hubes kritisch, in der die zusammengedrückte Sitzdichtung eine elastische Rückverformung erfährt, die Dichtung selbst noch Kontakt mit ih rer zugeordneten Sitzfläche und demnach noch nicht spaltweit geöffnet hat. Dementsprechend sind die Wirkungen und Folgen auf den Druckanstieg und ggf. benachbarte Ventile weniger gravierend. Es kommt bei benachbarten Ventilen allenfalls zu einer kurzzeitigen Druckerhöhung und ggf. zu kurzzeitigen Entfernungsbewegungen der wirkungsmäßig betroffenen Schließglieder von ihren jeweiligen Sitzflächen, die u.U. kein spaltweites Öffnen dieser Ventile bewirken müssen, sondern lediglich im Bereich der elastischen Rückverformung der in Frage kommenden Sitzdichtungen liegen.

Problematischer ist der Fall, wenn das in den abgegrenzten Raum hinein öffnende Ventil mit einem Schieberkolben ausgestattet ist, der, bevor er sich spaltweit von seiner zugeordneten zylindrischen Sitzfläche entfernt, zunächst eine axiale Verschiebebewegung unter Beibehaltung seiner abdichtenden Stellung vollzieht ( EP 0 208126 B1 , Figuren). In diesem Falle kann das durch den Schieberkolben verdrängte Volumen beträchtlich sein, sodass eine Kompensation des verdrängten Volumens im weitgehend inkompressiblen Fluid innerhalb des abgegrenzten Raumes nicht möglich ist. Für den Fall, dass das das Verdrängungsvolumen generierende Ventil unter diesen Umständen über eine hinreichende Öffnungskraft verfügt, wird das Verdrängungsvolumen gewaltsam in den abgegrenzten Bereich hineingedrückt und muss andernorts entweder zu einer Verformung des Rohrleitungssystems oder aber zu einem Aufdrücken wenigstens eines anderen Ventils führen.

In der Regel wird aber die unter den vorgenannten Prämissen erforderliche Öffnungskraft des Ventils am pneumatischen Antrieb desselben nicht zur Verfügung stehen, sodass es zu einer sog. hydraulischen Blockierung der Schaltbewegung des Ventils kommt. Das betreffende Ventil ist nicht in der Lage, unter den gegebenen Umständen zu öffnen.

Um das Problem der hydraulischen Blockierung insbesondere von Ventilen, die mit einem als Schieberkolben ausgeführten Schließglied ausgestattet sind, von vornherein zu vermeiden, stattet man derartige Ventile mit einem sog. Druckaus gleichkolben aus, der sich entweder unmittelbar am Schieberkolben durchmessergleich anschließt ( EP 0140 432 B1 , 1, unterer Schieberkolben) oder der mit Abstand vom Schieberkolben fest an diesem angeordnet ist und das benachbarte Ventilgehäuse, in Öffnungsrichtung des Schieberkolbens gesehen, abgedichtet durchdringt ( EP 0 140 432 B1 , 1, oberer Schieberkolben). Für den Fall, dass dieser Druckausgleichkolben exakt durchmessergleich mit dem wirksamen Durchtrittsquerschnitt im Sitzbereich des Schieberkolbens ausgeführt ist, wird das durch den Schieberkolben bei seiner Schaltbewegung verdrängte Volumen entsprechend exakt durch die gleichgerichtete Verschiebebewegung des Druckausgleichkolbens kompensiert. Die Öffnungsbewegung des Schieberkolbens bewirkt eine hier als positive Volumenänderung definierte Volumenverdrängung in den abgegrenzten Rohrleitungsbereich hinein, wobei der aus diesem abgegrenzten Bereich entsprechend herausgeführte Druckausgleichkolben eine adäquate und hier definitionsgemäß eine negative Volumenänderung bewirkt.

Der vorgenannte Volumenausgleichmechanismus des Druckausgleichkolbens ist jedoch bekanntlich nicht dessen vorrangige Aufgabe. Vielmehr soll dieser Druckausgleichkolben, wie sein Name sagt, für einen Druck- bzw. Kräfteausgleich am schieberartig ausgebildeten Schließglied sorgen, damit Druckkräfte aus dem Fluid, die an dem Schließglied anstehen, nicht resultierend nach außen wirksam werden und über entsprechend groß dimensionierte Antriebe aufgefangen werden müssen.

Der vorgenannte Ausgleichsmechanismus hinsichtlich der Volumenverdrängung mittels des Druckausgleichkolbens ist, wie bereits dargestellt, jedoch nur dann voll befriedigend, wenn Durchmessergleichheit zwischen Schieberkolben und Druckausgleichkolben besteht. Eine derartige Durchmessergleichheit führt jedoch in der Regel zu Problemen bei der Montage oder Demontage des Schieberkolbens in Verbindung mit seinem Druckausgleichkolben, wenn diese Einheit einstückig ausgeführt und beispielsweise über die dem Druckausgleichkolben abgewandte Seite des Ventils aus diesem aus- bzw. in dieses eingebaut werden soll. In einem derartigen Fall muss dann der Sitzbereich des Ventils beispielsweise derart ausgestaltet werden, dass der Ventilsitz zusammen mit dem Schieberkolben ausbaubar ist.

Für den Fall, dass eine derartige Anordnung nicht getroffen werden kann, muss Ungleichheit der Durchmesser zwischen Schieberkolben und Druckausgleichkolben hingenommen werden. In diesem Falle ist dann die vorgenannte Volumenkompensation zwischen Schieber- und Druckausgleichkolben unvollständig und es ergeben sich u.U. die vorstehend beschriebenen nachteiligen Wirkungen in dem angrenzenden und räumlich begrenzten Rohrleitungssystem.

Aus der vorstehend umrissenen Problematik erschließt sich die Erkenntnis, dass bei der Rohrleitungsplanung komplexer Rohrleitungssysteme für die Prozesstechnik eine Reihe von Randbedingungen und Anordnungskriterien für Ventile zu erfüllen sind, die teilweise einander widersprüchlich sein können, die in jedem Falle jedoch vom Fachmann, der derartige Systeme plant, ein umfangreiches Wissen und eine vielfältige Erfahrung erfordern. Nicht immer wird es daher gelingen, eine Lösung zu finden, die alle vorstehend kurz dargestellten nachteiligen Auswirkungen vermeidet und in jedem Falle eine hinreichende Betriebssicherheit der gesamten Prozessanlage sicherstellt.

Durch die AT 410 127 B ist bereits eine Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen in einem Hydrauliksystem mit einem vom Hydrauliksystem beaufschlagbaren federnd abgestützten Schwingungskörper bekannt, wobei das Gehäuse einen den Schwingungskörper aufnehmenden, mit einem Hydraulikmittel als Federelement gefüllten Druckraum und einen Beaufschlagungsraum bildet, zwischen dem und dem Druckraum eine durch einen Beaufschlagungsteil des Schwingungskörpers verschlossene Durchtrittsöffnung vorgesehen ist. Dabei kann der Beaufschlagungsteil gemäß einer ersten Ausführungsform unter Freilassung eines Dichtungsspaltes durch die Durchtrittsöffnung zwischen Druckraum und Beaufschlagungsraum ragen. Eine derartige Ausführung ist nicht geeignet, um in Rohrleitungssystemen der Prozesstechnik, vorzugsweise in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, der Pharmazie, der Chemie und der Biotechnologie, zur Kompensation von Volumenänderungen eingesetzt zu werden-, da über diesen Dichtungsspalt Prozessmittel, beispielsweise Milch oder Bier, eindringen kann. Da dieser Raum nicht hinreichend reinigbar ist, könnte es hier zu Verkeimungen mit anschließender Reinfektion des in der Rohrleitung strömenden Produktes kommen. Eine zweite Ausführungsform sieht einen flüssigkeitsdichten Abschluss der Durchtrittsöffnung zwischen Druckraum und Beaufschlagungsraum vor, wobei eine Membran die Durchtrittsöffnung überbrückt und verschließt und gleichzeitig als Beaufschlagungsteil für den Schwingungskörper dient. Da die Membran nur begrenzt verformbar ist, ist diese Ausführungsform kaum geeignet, um die im Rahmen der vorgenannten Anwendungen auftretenden Volumenänderungen mit tolerierbaren Druckänderungen aufzunehmen.

In der AT 188 840 A ist eine Vorrichtung zur Stoßdämpfung in von Flüssigkeiten durchströmten Rohrleitungen beschrieben, wobei in die Rohrleitung ein elastisches Rohrstück eingeschaltet ist, das von einem zwischen den Anschlussstellen an die Rohrleitung erweiterten Druckbehälter umgeben ist, und wobei der resultierende Druckraum über eine verschließbare Öffnung mit einem Druckfluid beaufschlagbar ist. Um das elastische Rohrstück zur Aufnahme sehr hoher Druckstöße nicht übermäßig stark ausführen zu müssen, werden im Druckraum Gummiringe oder mit Gas gefüllte Schläuche zur elastischen Abstützung des elastischen Rohrstücks angeordnet, da die Wandung des erweiterten Druckbehälters für eine diesbezügliche Abstützung nicht geeignet ist.

Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die in geschlossenen Rohrleitungssystemen eine hydraulische Blockierung der Ventile verhindert und die eine vorgegebene Volumenänderung im Rohrleitungssystem mit einer definierten und tolerierbaren, von der Volumenänderung abhängigen Druckänderung zulässt.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche oder 5 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorgeschlagenen Ausgleichvorrichtung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Ein erster erfinderischer Grundgedanke besteht hinsichtlich einer ersten Ausgleichvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform darin, dass ein Rohrleitungsabschnitt des Rohrleitungssystems, der auch als separates Rohrleitungsgehäuse ausgeführt sein kann, einen von einem dort befindlichen Fluid beaufschlagten Ausgleichkolben aufweist, der durch translatorische Verschiebung unter der Einwirkung des Fluids einerseits und gegen eine Rückstellkraft eines zugeordneten elastisch deformierbaren Bauteils andererseits eine reversible Volumenänderung im vom Rohrleitungsabschnitt umfassten Bereich des Rohrleitungssystems zulässt. Dabei ist die reversible Volumenänderung derart zu verstehen, dass das abgegrenzte Rohrleitungssystem ein bestimmtes Verdrängungsvolumen über die diesbezügliche Systemgrenze hinweg aufnimmt (positive Volumenänderung: ΔV > 0) oder aber dass es eine Volumenabfuhr über diese Systemgrenze hinweg erfährt (negative Volumenänderung: ΔV < 0). Die reversible Volumenänderung ±ΔV wird dadurch realisiert, dass der Ausgleichkolben mit einem Kolbenschaft in den Rohrleitungsabschnitt eingreift, und dass der Kolbenschaft eine umfangsseitige Berandung des Rohrleitungsabschnittes mittels einer Kolbendichtung abgedichtet und axial verschieblich durchdringt. Dabei wird die jeweilige Volumenänderung ±ΔV gegen die Rückstellkraft des zugeordneten Bauteils vollzogen, das den Ausgleichkolben beidseitig belastet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bauteil jeweils als Feder ausgebildet. Diese Feder steht zweckmäßig unter einer definierten Vorspannkraft, sodass die Verschiebung des Ausgleichkolbens aus dem Rohrleitungsabschnitt heraus erst dann eintritt, wenn der Druck des Fluids in Verbindung mit der wirksamen Fläche des Ausgleichkolbens diese Vorspannkraft überwindet. Da die Feder eine bestimmte Federcharakteristik bzw. -kennlinie besitzt, ist vorausseh- und berechenbar, welcher Druckanstieg im Fluid hingenommen werden muss, um eine bestimmte, definierte positive Volumenänderung durch die Verschiebung des Ausgleichkolbens zu realisieren.

Wird die erste Ausgleichsvorrichtung, wie dies weiter vorgeschlagen wird, derart ausgebildet, dass die Vorspannkraft jeweils von außerhalb einstellbar ist, dann lässt sich die erste Ausgleichvorrichtung sehr einfach an unterschiedliche Betriebsbedingungen und -verhältnisse anpassen.

Da der Ausgleichkolben beidseitig durch das elastisch deformierbare Bauteil belastet ist, ist er auch unter dem Einfluss einer negativen Volumenänderung (ΔV < 0) gegen dieses Bauteil verschieblich. In diesem Falle wird der Ausgleichkolben in den abgegrenzten Raum des Rohrleitungssystems hinein verschoben. Abhängig von einer definierten Vorspannkraft des unter diesen Bedingungen beaufschlagten Bauteils setzt die Verschiebebewegung erst unterhalb eines bestimmten Unterdruckes gegenüber dem Umgebungsdruck der ersten Ausgleichvorrichtung ein. Auch hier ist die im abgegrenzten Raum hinzunehmende Druckabsenkung voraussehbar und steht aufgrund der Kennlinie für das zweite Bauteil bzw. die zweite Feder im engen Zusammenhang mit der zu kompensierenden negativen Volumenänderung.

Ein zweiter erfinderischer Grundgedanke manifestiert sich in einer zweiten Ausgleichvorrichtung und besteht darin, dass ein Rohrleitungsabschnitt bzw. -gehäuse des Rohrleitungssystems einen von einem dort befindlichen Fluid beaufschlagten zylindrischen Wandabschnitt aufweist, der durch elastische Deformation unter der Einwirkung des Fluids eine reversible Volumenänderung im vom Rohrleitungsabschnitt umfassten Bereich des Rohrleitungssystems bzw. -gehäuse zulässt. Dabei ist der zylindrische Wandabschnitt in Gestalt eines Ausgleichelementes ausgebildet, das mit einem schlauchförmigen Dehnungsteil einen axialen Bereich des Rohrleitungsabschnittes umfangsseits umschließt und jeweils endseitig in einem zweiten Gehäuse des Rohrleitungsabschnittes abgedichtet eingespannt ist, wobei das schlauchförmige Dehnungsteil radial dehnbar und/oder radial kontraktierbar ist. Dabei beruht die Wirkungsweise des schlauchförmigen Dehnungsteils vorrangig auf Rückstellkräften, die infolge der Eigenelastizität des Dehnungsteils bei entsprechender Deformation generiert werden.

Die vorgeschlagene zweite Ausgleichvorrichtung erfüllt auch höchste Anforderungen an die hygienische Sicherheit, wie sie insbesondere in Prozessanlagen für die Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, die Pharmazie und die Biotechnologie gestellt werden, da die zweite Ausgleichvorrichtung keine dynamisch beanspruchten Dichtungen im Bereich des Ausgleichelementes aufweist. Vielmehr weist das Ausgleichelement jeweils endseitig einen Einspannflansch auf, über den es jeweils zwischen dem zweiten Gehäuse und einem benachbarten Rohrflansch abgedichtet eingespannt ist. Die Abdichtung erfolgt somit statisch und ist dadurch unter hygienischen Gesichtspunkten unproblematisch, da eine Verschleppung von Keimen in die abdichtenden Spalte aufgrund nicht vorhandener Verschiebebewegungen (sog. Fahrstuhleffekt) vermieden wird.

Um bei positiver Volumenänderung eine Überdehnung des schlauchförmigen Dehnungsteils zu verhindern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die radiale Dehnung des schlauchförmigen Dehnungsteils an einer inneren Gehäusekontur begrenzt ist, die in einem das schlauchförmige Dehnungsteil umschließenden Gehäusemittelteil des zweiten Gehäuses der zweiten Ausgleichvorrichtung ausgebildet ist.

Ist das schlauchförmige Dehnungsteil radial außenseits von einem ringförmigen Ausgleichraum umschlossen, wie dies eine andere Ausführungsform vorschlägt, wobei dieser Ausgleichraum mit einem kompressiblen Fluid beaufschlagt ist, so lässt sich der Anwendungsbereich des Ausgleichelementes über das durch seine Eigenelastizität bestimmte Maß hinaus erweitern. Das kompressible Fluid wirkt wie eine zusätzliche Feder, die der elastischen Dehnung des Ausgleichelementes rückstellend entgegenwirkt.

Die vorgeschlagene zweite Ausgleichvorrichtung vereinfacht sich in ihrem Aufbau, wenn die innere Gehäusekontur den Ausgleichraum radial außenseits begrenzt.

Wird der Ausgleichraum über eine mit einem Ventil verschließbare Verbindungsleitung mit der Umgebung der zweiten Ausgleichvorrichtung verbunden, wie dies eine weitere Ausführungsform vorsieht, dann lässt sich die Ansprechempfindlichkeit des Ausgleichelementes in Grenzen von außen einstellen, sodass auch hier eine Anpassung der zweiten Ausgleichvorrichtung an unterschiedliche Betriebsbedingungen und -verhältnisse ohne Weiteres möglich ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der vorgeschlagenen Vorrichtung gemäß der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Es zeigen
1 einen Mittelschnitt durch eine erste Ausgleichvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
2 einen Mittelschnitt durch eine zweite Ausgleichvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform der gemäß der Erfindung, wobei der die 2 betreffende Teil der Ausgleichvorrichtung oberhalb deren Längsachse angeordnet ist und ein schlauchförmiges Dehnungsteil eines Ausgleichelementes in seinem undeformierten Zustand zeigt und
2a gleichfalls einen Mittelschnitt durch die zweite Ausgleichvorrichtung gemäß 2, wobei der betreffende Teil der Ausgleichvorrichtung unterhalb deren Längsachse dargestellt ist und das schlauchförmige Dehnungsteil eine maximale radiale Dehnung bis zur Anlage an einer inneren Gehäusekontur erfahren hat.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine erfindungsgemäße Ausgleichvorrichtung 1 in einer ersten grundsätzlichen Bauart (erste Ausgleichvorrichtung 10; 1) ist an einem Rohrleitungsab schnitt 2 angeordnet, der beispielsweise auch in Form eines separaten Rohrleitungsgehäuses 2* ausgeführt sein kann, wie es beispielsweise aus der Firmendruckschrift GEA Tuchenhagen, VARIVENT^®-In-Line Kontroll- und Messtechnik, Ausgabe 624d-00, bekannt ist. In jedem Falle verfügt der Rohrleitungsabschnitt 2 über einen ersten Flansch 2a, an dem ein erstes Gehäuse 10.1 der ersten Ausgleichvorrichtung 10 mittels eines ersten Gegenflansches 10.1c befestigt ist. Für den Fall, dass der Rohrleitungsabschnitt 2 in diesem Bereich in Form des separaten Rohrleitungsgehäuses 2* ausgeführt ist, besitzt dieses Rohrleitungsgehäuse 2* auf der dem ersten Flansch 2a gegenüberliegenden Seite in der Regel einen zweiten Flansch 2b, dessen Durchtrittsquerschnitt mittels eines Gehäusedeckels 4, der einen zweiten Gegenflansch 4a aufweist, verschlossen ist. Der jeweilige Flansch 2a und 2b und der jeweilige Gegenflansch 10.1c bzw. 4a sind jeweils mit einer Klammer 3, vorzugsweise zwei sich zu einem geschlossenen Ring ergänzenden Halbringen, miteinander verbunden.
Das erste Gehäuse 10.1 ist topfförmig ausgebildet; es besteht aus einem zylinderförmigen Gehäusemantel 10.1a und einem Deckel 10.1b. Der Gehäusemantel 10.1a weist inenseits eine erste Führungsbohrung 10.1d auf, in der ein Ausgleichkolben 10.6 mittels eines Führungskolbens 10.6c, in dem ein Führungsring 10.7 angeordnet ist, axial verschieblich geführt ist. Zwischen dem Endabschnitt des Führungskolbens 10.6c und dem Deckel 10.1b ist ein Widerlagerteil 10.3 angeordnet, das sich einerseits am Deckel 10.1b abstützt und andererseits mit einem Bund 10.3a einen Sicherungsring 10.8 formschlüssig hintergreift. Der Sicherungsring 10.8 ist in einer zweiten Führungsbohrung 10.6e angeordnet, die den Führungskolben 10.6c konzentrisch durchdringt.
Der Ausgleichkolben 10.6 setzt sich im Anschluss an den Führungskolben 10.6c und an dessen dem Widerlagerteil 10.3 abgewandten Ende in einem zylindrischen Kolbenschaft 10.6a fort, der an seinem dem Führungskolben 10.6c abgewandten Ende mittels eines Kolbenbodens 10.6b verschlossen ist. Zwischen Kolbenboden 10.6b und dem Widerlagerteil 10.3 ist in einer den Kolbenschaft 10.6a in Längsrichtung durchdringenden Aufnahmebohrung 10.6d ein erstes elastisch deformierbares Bauteil 10.4, im vorliegenden Falle vorzugsweise eine erste Feder 10.4, die vorzugsweise als Schraubenfeder ausgeführt ist, angeordnet. Die erste Feder 10.4 steht vorzugsweise unter einer ersten Vorspannkraft F_V1.
Die erste Führungsbohrung 10.1d geht an ihrem dem Deckel 10.1b abgewandten Ende zunächst in einen sich radial nach innen erstreckenden, durchmessergrößeren ersten Rezess 10.1e und anschließend, ein axiales Stück weiter, in einen sich gleichfalls radial nach innen erstreckenden, durchmesserkleineren zweiten Rezess 10.1f über. Ein Übergangsbereich zwischen dem Führungskolben 10.6c und dem Kolbenschaft 10.6a ist in Form einer sich radial erstreckenden Anschlagfläche 10.6f am Führungskolben 10.6c ausgeführt und zwischen dieser Anschlagfläche 10.6f und dem zweiten Rezess 10.1f befindet sich ein zweites elastisch deformierbares Bauteil 10.5, im vorliegenden Falle eine den Kolbenschaft 10.6a umschließende zweite Feder 10.5, die gleichfalls vorzugsweise als Schraubenfeder ausgeführt ist. Letztere steht in einer Ausgangslage des Ausgleichkolbens 10.6, in der dieser frei ist von jedweden Druckkräften aus einem Fluid P im Rohrleitungsabschnitt 2 bzw. -gehäuse 2*, unter einer zweiten Vorspannkraft F_V2.
Der Durchdringungsbereich des Ausgleichkolbens 10.6 mit der Wandung des Rohrleitungsabschnittes 2 bzw. des -gehäuses 2* ist mittels einer Kolbendichtung 10.2 abgedichtet, welche über einen im ersten Flansch 2a vorgesehenen Gehäuseeinsatz 5 formschlüssig festgelegt und gleichzeitig mit der notwendigen Vorspannung gegen den Kolbenschaft 10.6a angepresst wird. Der Gehäuseeinsatz 5 ist, ebenso wie der Gehäusedeckel 4, mittels einer Gehäusedichtung 6 statisch gegenüber dem Rohrleitungsabschnitt 2 bzw. dem -gehäuse 2* abgedichtet.
Der Kolbenboden 10.6b in Verbindung mit dem über die Kolbendichtung 10.2 in den Innenraum des Rohrleitungsabschnittes 2 bzw. des -gehäuses 2* hineinragenden Teil des Kolbenschaftes 10.6a bilden den Ausgleichkolben 10.6, der erfindungsgemäß durch translatorische Verschiebung unter der Einwirkung des dort befindlichen Fluids P einerseits und gegen eine Rückstellkraft des zugeordneten elastisch deformierbaren Bauteils 10.4, 10.5 andererseits, im vorliegenden Falle sind dies die erste Feder 10.4 und die zweite Feder 10.5, eine reversible Volumenänderung ±ΔV im vom Rohrleitungsabschnitt 2 bzw. -gehäuse 2* umfassten Bereich des Rohrleitungssystems zulässt.
Die Wirkungsweise der ersten Ausgleichvorrichtung 1, 10 ist folgende: Das im Rohrleitungsabschnitt 2 bzw. -gehäuse 2* befindliche Fluid P besitzt den Fluiddruck p. Bis zu einem ersten Überdruck p = p₁ der unterhalb eines vorgesehenen Grenzdruckes p_grenz bleibt oder allenfalls diesem gleich ist (p₁ ≤ p_grenz), verbleibt die erste Ausgleichvorrichtung 1, 10 in ihrer in 1 dargestellten Ausgangslage, wobei der Grenzdruck p_grenz durch die Vorspannkraft F_V1 an der ersten Feder 10.4 determiniert ist.
Wird nun dem besagten Rohrleitungssystem und damit dem Rohrleitungsabschnitt 2 bzw. dem -gehäuse 2* eine positive Volumenänderung (Volumenzunahme) +ΔV aufgezwungen, so führt dies ggf. zu einem zweiten Überdruck p₂ wenn das Fluid P hinreichend inkompressibel ist, wobei nunmehr p = p₂ > p_grenz sein soll. Es kommt zu einer der positiven Volumenänderung +ΔV entsprechenden axialen Verschiebung des Ausgleichkolbens 10.6, wobei infolge dieser Verschiebebewegung die erste Feder 10.4 entsprechend ihrer Kennlinie zusammengedrückt wird. Der Ausgleichvorgang und damit die Kompensation der positiven Volumenänderung +ΔV ist beendet, wenn Kräftegleichgewicht am Ausgleichkolben 10.6 zwischen der an diesem angreifenden, aus dem zweiten Überdruck p₂ resultierenden Druckkraft einerseits und der Federkraft andererseits, die aus der um das vorgenannte axiale Maß zusammengedrückten ersten Feder 10.4 resultiert, besteht.
Die von der ersten Ausgleichvorrichtung 1, 10 maximal aufzunehmende positive Volumenänderung +ΔV ist durch den in 1 mit a gekennzeichneten ersten Hub (Druckhub) bestimmt. Dabei gleitet der Führungskolben 10.6c in der ersten Führungsbohrung 10.1d aufwärts, bis er am Deckel 10.1b zur Anlage kommt. Das Widerlagerteil 10.3 verschiebt sich dabei mittels seines Bundes 10.3a relativ zum Führungskolben 10.6c, und zwar innerhalb der in diesem angeordneten zweiten Führungsbohrung 10.6e, sodass die über den Kolbenboden 10.6b ursächlich zu sammengedrückte erste Feder 10.4 am stationären Widerlagerteil 10.3 ihre ortsfeste Abstützung erfährt.
Für den Fall, dass die erste Ausgleichvorrichtung 1, 10 eine negative Volumenänderung –ΔV kompensieren muss, wird der Ausgleichkolben 10.6 um einen adäquaten Hub in den Innenraum des Rohrleitungsabschnittes 2 bzw. des -gehäuses 2* hinein verschoben. In diesem Falle verschiebt sich die Einheit, bestehend aus dem Ausgleichkolben 10.6, dem Sicherungsrings 10.8 und dem Widerlagerteil 10.3, insgesamt, wobei die erste Feder 10.4 keinerlei zusätzliche Deformation erfährt. Vielmehr wird die zweite Feder 10.5 über ihre zweite Vorspannkraft F_V2 hinaus zusammengedrückt, falls der nunmehr im Fluid P wirkende Druck p₃, der einen Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck p_U der ersten Ausgleichvorrichtung darstellt, einen vorgegebenen zweiten Grenzwert p_grenz,U unterschreitet (p₃ < p_grenz,U < p_U). Die maximale negative Volumenänderung –ΔV ist bestimmt durch den in 1 ersichtlichen und mit b gekennzeichneten zweiten Hub (Saughub). Eine diesbezügliche Volumenkompensation wird begrenzt durch Anlage der Anschlagfläche 10.6f an den ersten Rezess 10.1e.
Eine erfindungsgemäß vorgeschlagene zweite Ausgleichvorrichtung 1 in einer bevorzugten Ausführungsform (zweite Ausgleichvorrichtung 20) zeigen die 2 und 2a. Der Rohrleitungsabschnitt 2 bzw. das -gehäuse 2* werden hier durch ein zweites Gehäuse 20.1 in jeweiliger endseitiger Verbindung mit einem Rohrflansch 20.3 gebildet. Bei den Rohrflanschen 20.3 handelt es sich beispielsweise um handelsübliche Anschweißflansche, an die die strichpunktiert dargestellten, nicht näher bezeichneten Rohrleitungen des angrenzenden Rohrleitungssystems angeschweißt werden. Das zweite Gehäuse 20.1 besteht aus einem rohrförmigen Gehäusemittelteil 20.1a, das endseitig jeweils einen Gehäuseflansch 20.1b aufweist, der mit dem zugeordneten Rohrflansch 20.3 mittels Verbindungsmittel 20.4, vorzugsweise Verschraubungsmittel, die durch eine erste Flanschbohrung 20.1c und eine korrespondierende zweite Flanschbohrung 20.3b hindurchgeführt sind, miteinander verbunden sind.
Durchmesserbündig mit dem Durchmesser eines durch den jeweiligen Rohrflansch 20.3 determinierten Rohrquerschnittes 20.3a ist in dem zweiten Gehäuse 20.1 ein Ausgleichelement 20.2 angeordnet, das aus einem schlauchförmigen Dehnungsteil 20.2a und einem jeweils an seinem Ende angeordneten Einspannflansch 20.2b besteht. Das schlauchförmige Dehnungsteil 20.2a bildet einen von dem im Rohrleitungsabschnitt 2 bzw. im -gehäuse 2* befindlichen Fluid P beaufschlagten zylindrischen Wandabschnitt 20.2a, der durch elastische Deformation unter der Einwirkung des Fluids P eine reversible Volumenänderung ±ΔV im vom Rohrleitungsabschnitt bzw. -gehäuse 2, 2* umfassten Bereich des Rohrleitungssystems zulässt. Über die Einspannflansche 20.2b ist das Ausgleichelement 20.2 jeweils zwischen dem zweiten Gehäuse 20.1 und dem zugeordneten Rohrflansch 20.3 abgedichtet eingespannt. Das schlauchförmige Dehnungsteil 20.2a ist radial dehnbar und/oder radial kontraktierbar. Dabei ist die radiale Dehnung des schlauchförmigen Dehnungsteils 20.2a an einer inneren Gehäusekontur 20.1d begrenzt, die in dem das schlauchförmige Dehnungsteil 20.2a umschließenden Gehäusemittelteil 20.1a des zweiten Gehäuses 20.1 ausgebildet ist.
Das schlauchförmige Dehnungsteil 20.2a ist radial außenseits von einem ringförmigen Ausgleichraum 20.5 umschlossen, der zum einen die radiale Dehnung des schlauchförmigen Dehnungsteils 20.2a ermöglicht und zum anderen mit einem kompressiblen Fluid K beaufschlagbar ist.
Wird, wie dies eine Ausführungsform vorsieht, der Ausgleichraum 20.5 über eine mit einem Ventil 20.7 verschließbare Verbindungsleitung 20.6 mit der Umgebung der zweiten Ausgleichvorrichtung 20 verbunden, dann kann er mit dem kompressiblen Fluid K definiert beaufschlagt werden, sodass die Formänderung des schlauchförmigen Dehnungsteils 20.2a, sowohl hinsichtlich einer radialen Dehnung als auch hinsichtlich einer radialen Kontraktion, in Grenzen verändert werden kann.
Für den zweiten Überdruck p₂ > p_grenz wird das schlauchförmige Dehnungsteil 20.2a ggf. bis zu seiner Anlage an der inneren Gehäusekontur 20.1d radial ge dehnt. Für den Unterdruck p₃ gegenüber dem Umgebungsdruck p_U, wobei wiederum p₃ < p_grenz,U gelten muss, wird das schlauchförmige Dehnungsteil 20.2a radial nach innen kontraktiert, sodass eine adäquate negative Volumenänderung –ΔV möglich wird.

Erste Ausgleichvorrichtung

2a: erster Flansch
2b: zweiter Flansch
3: Klammer
4: Gehäusedeckel
4a: zweiter Gegenflansch
5: Gehäuseeinsatz
6: Gehäusedichtung
10: erste Ausgleichvorrichtung
10.1: erstes Gehäuse
10.1a: Gehäusemantel
10.1b: Deckel
10.1c: erster Gegenflansch
10.1d: erste Führungsbohrung
10.1e: erster Rezess
10.1f: zweiter Rezess
10.2: Kolbendichtung
10.3: Widerlagerteil
10.3a: Bund
10.4: erstes elastisch deformierbares Bauteil
10.5: zweites elastisch deformierbares Bauteil
10.4: erste Feder
10.5: zweite Feder
10.6: Ausgleichkolben
10.6a: Kolbenschaft
10.6b: Kolbenboden
10.6c: Führungskolben
10.6d: Aufnahmebohrung
10.6e: zweite Führungsbohrung
10.6f: Anschlagfläche
10.7: Führungsring
10.8: Sicherungsring

Zweite Ausgleichvorrichtung

20: zweite Ausgleichvorrichtung
20.1: zweites Gehäuse
20.1a: Gehäusemittelteil
20.1b: Gehäuseflansch
20.1c: erste Flanschbohrung
20.1d: innere Gehäusekontur
20.2: Ausgleichelement
20.2a: zylindrischer Wandabschnitt/schlauchförmiges Dehnungsteil
20.2b: Einspannflansch
20.3: Rohrflansch
20.3a: Rohrquerschnitt
20.3b: zweite Flanschbohrung
20.4: Verbindungsmittel
20.5: Ausgleichraum
20.6: Verbindungsleitung
20.7: Ventil
a: erster Hub (Druckhub)
b: zweiter Hub (Saughub)
p: Fluiddruck
p₁: erster Überdruck
p₂: zweiter Überdruck
p₃: Unterdruck
p_grenz: Grenzdruck
p_grenz,U: Grenzdruck bei Unterdruck
p_U: Umgebungsdruck
F_V1: erste Vorspannkraft
F_V2: zweite Vorspannkraft
K: kompressibles Fluid
P: Fluid
ΔV: Volumenänderung
+ΔV: positive Volumenänderung (Volumenzunahme)
–ΔV: negative Volumenänderung (Volumenabnahme)

Claims

Vorrichtung zum Ausgleich von Volumina in einem Rohrleitungssystem, die in einem Rohrleitungsabschnitt (2; 2*) einen von einem dort befindlichen Fluid (P) beaufschlagten Ausgleichkolben (10.6) aufweist, der einen Durchdringungsbereich mit dem Rohrleitungsabschnitt (2; 2*) verschließt und der durch translatorische Verschiebung unter der Einwirkung des Fluids (P) einerseits eine reversible Volumenänderung (±ΔV) im vom Rohrleitungsabschnitt (2; 2*) umfassten Bereich des Rohrleitungssystems zulässt, wobei der Ausgleichkolben (10.6) durch eine Rückstellkraft eines zugeordneten elastisch deformierbaren Bauteils (10.4; 10.5) andererseits beidseitig belastet ist und die jeweilige Volumenänderung (±ΔV) gegen die Rückstellkraft dieses Bauteils (10.4; 10.5) vollzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichkolben (10.6) mit einem Kolbenschaft (10.6a) in den Rohrleitungsabschnitt (2; 2*) eingreift, und dass der Kolbenschaft (10.6a) eine umfangsseitige Berandung des Rohrleitungsabschnittes (2; 2*) mittels einer Kolbendichtung (10.2) abgedichtet und axial verschieblich durchdringt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10.4; 10.5) jeweils als Feder (10.4; 10.5) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch deformierbare Bauteil (10.4; 10.5) unter einer definierten Vorspannkraft (F_V1; F_V2) eingebaut ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannkraft (F_V1; F_V2) jeweils von außerhalb der ersten Ausgleichsvorrichtung (1; 10) einstellbar ist.
Vorrichtung zum Ausgleich von Volumina in einem Rohrleitungssystem, die in einem Rohrleitungsabschnitt (2; 2*) einen von einem dort befindlichen Fluid (P) beaufschlagten zylindrischen Wandabschnitt (20.2a) aufweist, der durch elastische Deformation unter der Einwirkung des Fluids (P) eine reversible Volumenänderung (±ΔV) im vom Rohrleitungsabschnitt (2; 2*) umfassten Bereich des Rohrleitungssystems zulässt, wobei der zylindrische Wandabschnitt (20.2a) in Gestalt eines Ausgleichelementes (20.2) ausgebildet ist, das mit einem schlauchförmigen Dehnungsteil (20.2a) einen axialen Bereich des Rohrleitungsabschnittes (2; 2*) umfangsseits umschließt und jeweils endseitig in einem zweiten Gehäuse (20.1) des Rohrleitungsabschnittes (2; 2*) abgedichtet eingespannt ist, wobei das schlauchförmige Dehnungsteil (20.2a) radial dehnbar und/oder radial kontraktierbar ist, und wobei das Ausgleichelement (20.2) jeweils endseitig einen Einspannflansch (20.2b) aufweist, über den es jeweils zwischen dem zweiten Gehäuse (20.1) und einem benachbarten Rohrflansch (20.3) abgedichtet eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Dehnung des schlauchförmigen Dehnungsteils (20.2a) an einer inneren Gehäusekontur (20.1d) begrenzt ist, die in einem das schlauchförmige Dehnungsteil (20.2a) umschließenden Gehäusemittelteil (20.1a) des zweiten Gehäuses (20.1) der zweiten Ausgleichsvorrichtung (1; 20) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das schlauchförmige Dehnungsteil (20.2a) radial außenseits von einem ringförmigen Ausgleichraum (20.5) umschlossen ist, der mit einem kompressiblen Fluid (K) beaufschlagt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Gehäusekontur (20.1d) den Ausgleichraum (20.5) radial außenseits begrenzt.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichraum (20.5) über eine mit einem Ventil (20.7) verschließbare Verbindungsleitung (20.6) mit der Umgebung der zweiten Ausgleichvorrichtung (1; 20) verbunden ist.