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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es ist bekannt, pneumatische Ventilvorrichtungen als gesteuerte Druckreduzierer bei Anlagen einzusetzen, welche beispielsweise Erdgas zu einem Anschluss eines Verbrauchers durch geeignete Transport- und Verteilungsanlagen führen. Die pneumatischen Ventilvorrichtungen sind hilfsdruckgesteuerte Ventile, bei denen ein Stellglied durch ein Fluid mit einem Druck beaufschlagt wird, der das Stellglied schließt oder entsprechend dem aktuellen Druck mehr oder weniger öffnet. Ein solcher Druckreduzierer ist z. B. aus der
DE 601 05 963 T2 bekannt. Die Vorrichtungen sind üblicherweise auf konstante Eingangs- und Ausgangsdrücke ausgelegt. In der
DE 601 05 963 T2 dient eine Flachmembran als Stellglied und gleichzeitig als Stellantrieb und Ventilsitzabdichtung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Ventilvorrichtung, welche zwischen zwei Fluidnetzen einsetzbar ist, bei denen sich die Druckverhältnisse am Eingang und Ausgang der Ventilvorrichtung umkehren können.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Die Erfindung geht von einer Ventilvorrichtung aus, welche ein Überströmventil mit einem Eingang und einem Ausgang für ein Fluid, die mit einem schaltbaren Kanal verbunden sind, sowie ein an dessen Steuereingang angeschlossenes Vorsteuerventil umfasst. Ein Stellglied des Überströmventils ist durch einen über den Steuereingang einspeisbaren Steuerdruck zum Sperren oder Öffnen des schaltbaren Kanals beaufschlagbar. Das Vorsteuerventil weist einen Anschluss für eine Steuerdruckleitung sowie zwei Druckanschlüsse auf. Das Stellglied ist eine Flachmembran, welche gleichzeitig die Funktion eines Stellantriebs, des Stellglieds und einer Ventilsitzabdichtung übernimmt.
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Es wird vorgeschlagen, dass ein erster Anschluss der Druckanschlüsse mit dem Ausgang des Überströmventils und ein zweiter Anschluss der Druckanschlüsse über eine Messleitung mit dem Eingang des Überströmventils verbunden ist. Es ist vorteilhaft möglich, dass das Vorsteuerventil aufgrund des eingangsseitigen Druckniveaus den schaltbaren Kanal freigibt oder sperrt. Es kann vorteilhaft gewährleistet werden, dass ein auftretender Überdruck im Eingang des Überströmventils begrenzbar ist und über den Ausgang des Überstromventils abgelassen werden kann, etwa in ein nachgeschaltetes Fluidnetz, z. B. ein Gasnetz. Hierdurch wird eine Eingangsdruckbegrenzung erreicht auch bei schnell variierenden eingangsseitigen Drücken. Es wird insbesondere ermöglicht, ohne Zusatzenergie oder steuernde Eingriffe von außen Fluide, insbesondere Gase, in Abhängigkeit eines definierten Solldruckes von einem Gasnetz in ein anderes Gasnetz automatisch überströmen zu lassen. In der Messleitung ist ein Rückschlagventil angeordnet. Dies hat zur Folge, dass ein unerwünschtes Rückströmen des Fluids durch die Messleitung wirksam unterbunden werden kann.
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Insbesondere ist das Stellglied des Überströmventils immer mit dem höheren Druck von eingangsseitigem und ausgangsseitigem Druck gekoppelt, unabhängig davon, ob dieser an der Eingangsseite oder der Ausgangsseite des Überströmventils ansteht.
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Das Überströmventil kann insbesondere eine eingangsseitige Druckanpassung vornehmen.
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Das Fluid kann vorzugsweise ein nichtaggressives Fluid sein und kann beispielsweise ein Gas sein, z. B. Methan, Stickstoff, Luft, oder auch Flüssiggas.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann im Vorsteuerventil ein Strömungskanal vorgesehen sein, welcher den Steuereingang des Überströmventils mit einer Abströmseite des Überströmventils verbindet, und der dann freigebbar ist, wenn ein Sollwert des eingangsseitigen Drucks am Eingang des Überströmventils erreicht oder überschritten ist. Hierdurch kann ein Steuerdruck, der das Stellglied des Überstromventils beaufschlagt, über einen Strömungskanal des Vorsteuerventils in Strömungsrichtung zur Abströmseite abgelassen werden, so dass der schaltbare Kanal im Überströmventil freigebbar ist. Der das Stellglied beaufschlagende Steuerdruck kann durch das Vorsteuerventil abströmen, womit ein Öffnen des Stellglieds möglich ist und automatisch ein Überströmen des Fluids vom Eingang zum Ausgang erfolgen kann. Der schaltbare Kanal lässt insbesondere einen Durchsatz in einer Größenordnung zu, der ein Halten des Solldrucks erlaubt. Sinkt der Druck unter den Sollwert, schließt das Stellglied wieder vollständig und sperrt den schaltbaren Kanal. Ein Überströmen ist nicht mehr gefordert und auch nicht mehr möglich. Insbesondere kann ein Querschnitt des schaltbaren Kanals im Überströmventil abhängig von einer Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang des Überströmventils einstellbar sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Drossel zur Einstellung eines Drucks in der Steuerdruckleitung vorgesehen sein. Die Drossel kann zwischen einer Messleitung, einem Abzweig von der Messleitung und der Steuerdruckleitung angeordnet sein. Durch die Drossel kann ein Steuerdruckniveau ausgehend vom eingangsseitigen Druckniveau des Überströmventils mit hoher Genauigkeit einstellbar sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Strömungskanal bei einem Druck am Ausgang des Überströmventils, der größer ist als der Druck am Eingang des Überströmventils freigebbar sein. Dies ermöglicht besonders vorteilhaft eine Rückströmsicherheit des Überströmventils. Üblicherweise ist der Druck am Eingang des Überströmventils höher als am Ausgang. Bei Überströmventilen, bei denen bauartbedingt das als Membran ausgebildete Stellglied gleichzeitig die Funktion eines Stellantriebs, des Stellglieds und die der Ventilsitzabdichtung übernimmt, führt eine vom Vorsteuerventil kommende Ansteuerung zu der gewünschten Beeinflussung des Öffnungsgrads des schaltbaren Kanals und damit zu der Regelung der Regelgröße „Druckniveau” auf einen gewünschten Sollwert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Stellglied eine Flachmembran sein. Flachmembran-Überströmventile zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau aus und erfordern daraus resultierend nur einen geringen Aufwand im Zuge von Wartungsarbeiten. Weiterhin ist die Zahl von Verschleißteilen gering.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Stellglied mit einer Feder verbunden sein, welche eine Schließwirkung des Stellglieds unterstützt. Dadurch kann der Steuerdruck besonders genau eingestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann in der Messleitung ein Filter angeordnet sein. Ein Verschmutzen des Rückschlagventils, der Drossel und des Vorsteuerventils durch Partikel des am Eingang des Überströmventils ankommenden Fluids kann vermieden werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann am Eingang und/oder am Ausgang des Überströmventils ein Druckniveau von höchstens 20 bar, insbesondere höchstens 16 bar, vorgesehen sein. Dies ermöglicht vorteilhaft einen Einsatz beispielsweise in Gasnetzen, bei denen sowohl Erdgas und Biogas auftreten können. Beispielsweise kann das Überströmventil in Gasnetzen der Druckstufe PN 16 eingesetzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang des Überströmventils höchstens 5 bar betragen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Fluid Erdgas oder Biogas umfassen. Insbesondere kann die Ventilreinrichtung zwei Gasnetze miteinander verbinden, bei denen bedarfsweise Gas mit höherem Druck zwischengespeichert werden kann und gegebenenfalls auch Flüssiggas zugespeist werden kann, um etwa einen gewünschten Brennwert des Gases einzustellen. Vorteilhaft kann das Fluid auch andere, vorzugsweise saubere, trockene und nicht aggressive Gase wie Stickstoff und Wasserstoff umfassen.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen beispielhaft:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer pneumatischen Ventilvorrichtung nach der Erfindung;
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2 einen Überströmvorgang der Ventilvorrichtung aus 1;
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3 einen Schließvorgang der Ventilvorrichtung aus 1; und
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4 einen Sperrvorgang im Falle eines gegenüber einem eingangsseitigen Druckniveau erhöhten ausgangsseitigen Druckniveaus.
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Ausführungsform der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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1 stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer hilfsdruckgesteuerten Ventilvorrichtung 10 nach der Erfindung. Die Ventilvorrichtung 10 umfasst ein Überströmventil 20 (in der Figur in geschlossener Stellung gezeigt) sowie ein an dessen Steuereingang 42 angeschlossenes Vorsteuerventil 60. Das Überströmventil 20 weist einen Eingang 22 und einen Ausgang 24 für ein Fluid auf, z. B. Gas, die mit einem schaltbaren Kanal 30 verbunden sind. In der Figur ist der schaltbare Kanal 30 im gesperrten Zustand dargestellt, in dem das Fluid nicht über eine obere Kammer 30a einer eingangsseitigen Kammer 26 zu einer ausgangsseitigen Kammer 28 gelangen kann. Im geöffneten Zustand verbindet der schaltbare Kanal 30 die beiden Kammern 26 und 28.
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Das Fluid kann vom Ausgang 24 in eine Abströmleitung 44 gelangen.
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Ein Stellglied 34 des Überströmventils 20 ist durch einen über den Steuereingang 42 einspeisbaren Steuerdruck zum Sperren oder Öffnen des schaltbaren Kanals 30 beaufschlagbar. Das Stellglied 34 ist als elastische Flachmembran ausgebildet, welche nicht nur als Stellglied dient, auf das der Steuerdruck einwirkt, sondern auch gleichzeitig als Ventilsitzabdichtung und Stellantrieb des Überströmventils 20 fungiert.
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Das Vorsteuerventil 60 weist einen Anschluss 62 für eine Steuerdruckleitung 58 sowie zwei Anschlüsse 64, 66 auf, wobei der erste Anschluss 64 über die Abströmleitung 44 mit dem Ausgang 24 des Überströmventils 20 und der zweite Anschluss 66 über eine Messleitung 50 mit dem Eingang 22 des Überströmventils 20 verbunden ist. Dadurch kann der durch das Überströmventil 20 zu regelnde Sollwert des Drucks aus dem am Eingang 22 des Überströmventils 20 anstehenden Eingangsdruck pEIN abgeleitet werden und nicht, wie im Stand der Technik, der ausgangsseitige Druck.
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Am Anschluss 62 für die Steuerdruckleitung 58 steht am Vorsteuerventil 60 der Steuerdruck an, der dazu benötigt wird, das Stellglied 34 auf den Ventilsitz zu pressen und damit das Überströmventil 20 geschlossen zu halten und den schaltbaren Kanal 30 zu sperren, der ansonsten je nach einem vom Stellglied 34 freigegebenen Öffnungsgrad ein mehr oder weniger starkes Überströmen des Fluids aus der eingangsseitigen Kammer 26 zu der ausgangsseitigen Kammer 28 des Überströmventils 20 ermöglicht. Eine Feder 36 kann dabei das Schließen des Stellglieds 34 mit ihrer Federkraft unterstützen. Der Steuerdruck wird der im Eingang 22 des Überströmgeräts 20 angeschlossenen Messleitung 50 des Vorsteuerventils 60 über den Abzweig 56 entnommen. Dazwischen ist zur Feinjustierung des Steuerdrucks eine Drossel 80 angeordnet, die z. B. manuell verstellbar ist. Die Drossel 80 ist mit einem Anschluss 82 mit einer Abzweigung 56 der Messleitung 50 verbunden und mit einem weiteren Eingang 84 an dem Vorsteuerventil 60 angeordnet, während ein weiterer Anschluss 86 mit der Steuerdruckleitung 58 verbunden ist.
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In der Messleitung 50 ist ein Filter 52 angeordnet, beispielsweise ein Feinfilter zum Abscheiden von Partikeln, um das Vorsteuerventil 60 vor Partikeln zu schützen. Ferner ist ein Rückschlagventil 54 in der Messleitung 50 angeordnet, um eine Rückströmung des Fluids vom Vorsteuerventil 60 zum Eingang 22 und eingangsseitigen Kammer 26 des Überströmventils 20 zu unterbinden. Zweckmäßigerweise ist der Filter 52 zwischen dem Eingang 22 und dem Rückschlagventil 54 angeordnet.
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Das Vorsteuerventil 60 dient als Vergleicher zwischen den am Eingang 22 und am Ausgang 24 des Überströmventils 20 herrschenden Drücken pEIN und pAUS. Der Anschluss 64 ist über eine Leitung 32 mit dem Ausgang 24 über die daran anschließende Abströmleitung 44 verbunden und überträgt den dort herrschenden Druck pEI N in eine Kammer 68 im Vorsteuerventil 60. Die Messleitung 50 ist an den Anschluss 66 angeschlossen, so dass der dort herrschende Druck pAUS in eine Kammer 78 gelangt. Ferner ist ein über eine Stellfeder 74 federbelasteter Steuerschieber 76 vorgesehen, der auf und ab verschiebbar ist. Dieser reagiert auf zwischen den Kammern 68 und 78 vorhandene Druckunterschiede. Über die Stellfeder 74 kann der Solldruck eingestellt werden, ab dem das Vorsteuerventil 60 öffnen soll.
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Die Kammer 78 umgibt einen Teil 76a des Steuerschiebers 76, der gegenüber dem zur Kammer 68 weisenden Teil verbreitert ist und eine ringförmige Druckfläche bietet. Der Vorgang des Öffnens und Schließens des Vorsteuerventils 60 ist in den 2 und 3 in Zusammenhang mit 1 näher beschrieben. Einseitige Pfeile deuten jeweils ein fließendes Fluid mit der entsprechenden Strömungsrichtung an, während doppelseitige Pfeile ein stehendes Fluid andeuten.
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Das Vorsteuerventil 60 öffnet, wenn der am Eingang anliegende Druck pEIN seinen Sollwert pSOLL erreicht oder überschreitet, d. h. wenn gilt pEIN ≥ pSOLL. Dabei wird der Steuerschieber 76 durch den auf die Druckfläche des Teils 76a wirkenden höheren Druck in der Kammer 78 von der Kammer 68 in Richtung der Kammer 78 gedrückt (in der Zeichnung nach unten) bis er einen schaltbaren Strömungskanal 70 öffnet, der im geöffneten Zustand die Steuerdruckleitung 58 mit der Kammer 68 verbindet. Dies ermöglicht das Abfließen des Steuerdrucks und damit den Druckabbau über dem Stellglied 34, das durch den Druck in der Kammer 26 des Überströmventils 20 geöffnet wird und einen druckabhängigen Querschnitt des schaltbaren Kanals 30 freigibt.
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Das Stellglied 34 ist als Flachmembrane ausgebildet. Baut sich der Druck über der Flachmembrane ab, so hebt sich die die Flachmembrane, die auch die Ventilsitzabdichtung darstellt, vom Ventilsitz ab, und das Fluid kann von der Kammer 26 in die Kammer 28 strömen und über die Abströmleitung 44 wegfließen. Dieser Vorgang wird dadurch möglich, dass die Kraft unter der Flachmembrane durch den erhöhten Eingangsdruck pEIN größer wird als die Summenkräfte oberhalb der Flachmembrane, die aus der Schließfederkraft der Feder 36 und der Kraft des Steuerdrucks resultieren. Der Schließvorgang erfolgt entsprechend umgekehrt, wie in 3 angedeutet ist. Der Druck pEIN fällt unter den Sollwert pSOLL, so dass das Vorsteuerventil 60 wieder schließt und gleichzeitig der Steuerdruck über die Drossel 80 wieder in der Steuerdruckleitung 58 aufgebaut wird. Der erhöhte Druck über dem Stellglied 34, d. h. der Flachmembrane, drückt das Stellglied 34 wieder auf den Ventilsitz und führt zum Sperren des schaltbaren Kanals 30 im Überströmventil 20.
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4 zeigt einen Sperrvorgang im Falle eines gegenüber einem eingangsseitigen Druck pEI N erhöhten ausgangsseitigen Druckniveau pAUS. Einseitige Pfeile deuten wiederum jeweils ein fließendes Fluid mit der entsprechenden Strömungsrichtung an, während doppelseitige Pfeile ein stehendes Fluid andeuten.
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Dieser Zustand kann unter bestimmten Umständen bei Verwendung der Ventilvorrichtung 10 auftreten, wenn die Drücke am Eingang 22 und/oder am Ausgang 24 des Überströmventils 20 schwanken. Ein Anwendungsfall kann vorsehen, die Ventilvorrichtung 10 in einem Gasversorgungsnetz zwischen einem vorgeschalteten Gasnetz und einem nachgeschalteten Gasnetz einzusetzen, bei dem z. B. im vorgeschalteten Gasnetz Erdgas und im nachgeschalteten Gasnetz ein signifikanter Anteil eines anthropogenen und/oder biogenen methanhaltigen Gases (auch als Biogas bekannt) enthalten ist. In derartigen Anwendungsfällen kann es durch starke Schwankungen bei Verbräuchen wie auch Einspeisungen der entsprechenden Fluide zu entsprechenden Druckschwankungen vor und hinter dem Überströmventil 20 kommen.
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Steigt der ausgangsseitige Druck pAUS über den eingangsseitigen Druck pEIN, wird durch das Vorsteuerventil 60 eine Rückströmsicherheit zwischen Ausgang 24 und Eingang 22 des Überströmventils 20 gewährleistet. Das Vorsteuerventil 60 stellt einerseits sicher, dass innerhalb des Überströmventils 20 kein Rückströmen durch den schaltbaren Kanal 30 erfolgen kann. Dies ergibt sich daraus, dass der Steuerschieber 76 im Vorsteuerventil 60 durch den erhöhten Druck pAUS am Ausgang 24 (über die Leitung 32 und die Kammer 68) von der Kammer 68 zur Kammer 78 gedrückt wird (in der Figur nach unten), da diese nur mit dem nunmehr geringeren eingangsseitigen Druck pEIN beaufschlagt ist. Dadurch öffnet sich der Strömungskanal 70 zwischen der Kammer 68 und der Steuerdruckleitung 58, und der hohe ausgangsseitige Druck gelangt über die Drossel 80 zum Stellglied 34 des Überströmventils 20. Das Stellglied 34, in diesem Falle die Flachmembran, wird auf seinen Ventilsitz gedrückt und sperrt zuverlässig den schaltbaren Kanal 30 zwischen den Kammern 26 und 28 des Überströmventils 20. Das Rückschlagventil 54 in der Messleitung 50 sperrt die Messleitung 50 zum Eingang 22 hin ab, so dass auch über die Messleitung 50 kein Rückströmen erfolgen kann.
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Vorteilhaft ist die Ventilvorrichtung 10 so ausgelegt, dass diese zwei Fluidnetze, z. B. Gasnetze, verbindet, welche für vergleichbare Druckstufen vorgesehen sind. Vorteilhaft sind Betriebsdrücke der beiden Fluidnetze höchstens 20 bar, beispielsweise bei Gasnetzen der Druckstufe PN16 höchstens 16 bar.
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Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung 10 ermöglicht vorteilhaft eine selbsttätige Überströmung des Fluids ab einem einstellbaren Sollwert pSOLL. im Sinne einer Druckbegrenzung im vorgelagerten Fluidnetz am Eingang 22 des Überströmventils 20. Ebenso ermöglicht die Ventilvorrichtung 10 eine Rückströmsicherheit auch bei umgekehrten Druckverhältnissen an Eingang 22 und Ausgang 24 des Überströmventils 20. Durch den Einsatz von Flachmembrantechnik für das Stellglied 34 zeichnet sich die Ventilvorrichtung 10 zudem durch eine hohe Wartungsfreundlichkeit aus.
