-
Die Erfindung betrifft ein Drehscheibenventil zur Durchflusssteuerung einer Flüssigkeit oder eines feuchten Gases mit einem Ventilgehäuse, mit einer in dem Ventilgehäuse angeordneten Festscheibe mit mindestens einem Strömungsdurchgang, und mit einer die Festscheibe bedeckenden Losscheibe, die mindestens eine Freigabeöffnung aufweist und die um eine in Strömungsrichtung ausgerichtete Schwenkachse schwenkbar gelagert ist, so dass die Freigabeöffnung der Losscheibe den Strömungsdurchgang der Festscheibe verschließen oder mindestens teilweise freigeben kann.
-
Derartige Drehscheibenventile werden beispielsweise in Heizkraftwerken eingesetzt, bei denen in dem Heizkraftwerk erwärmtes Wasser über geeignete Leitungssysteme an die an das Heizkraftwerk angeschlossenen Wärmeenergieverbraucher verteilt wird. Um den Wärmeenergiebedarf im Winter je nach Bedarf abwickeln zu können, wird mit einem geeigneten Ventil die Einspeisung von aufgeheiztem Wasser in das Leitungssystem gesteuert und vorgegeben. Über einen Regelkreis kann die Einspeisung des in dem Heizkraftwerk erhitzten Wassers in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Bedarf der Wärmeenergieverbraucher geregelt werden. Während der Winterzeit müssen üblicherweise 60% bis 90% der maximalen Einspeisung durch das Ventil in das Leitungssystem durchgelassen bzw. eingespeist werden.
-
Im Gegensatz zum Winter sinkt während der Sommerzeit der Bedarf an Wärmeenergie deutlich ab. Die im Sommer benötigte Einspeisung von Heißwasser in das Leitungssystem kann auf etwa 5% der maximalen Einspeisung abfallen.
-
In der Übergangszeit muss die Einspeisung üblicherweise über einen Bereich zwischen 5% im Sommer und etwa 60% bis 90% im Winter geregelt und an den tatsächlichen Wärmeenergiebedarf der Wärmeenergieverbraucher angepasst werden.
-
Um eine möglichst präzise Regelung der in das Leitungssystem eingespeisten Wärmeenergie über einen derart großen Bereich zu ermöglichen, werden üblicherweise mehrere Ventile parallel in einer Ventilgruppe so angeordnet, dass die Ventile verschiedene Durchflussbereiche abdecken und jedes Ventil in einem zugeordneten Durchflussbereich eine zuverlässige und ausreichend präzise Regelung der Durchflussmenge ermöglicht. Jedes Ventil der Ventilgruppe wird dabei gesondert angesteuert und in dem Regelkreis der Ventilgruppe gesondert berücksichtigt.
-
Während des Betriebs kann nicht ausgeschlossen werden, dass die Wärmeenergieverbraucher eine Einspeisung von Heißwasser in das Leitungssystem vorgeben, die in einem Überlappungsbereich von zwei verschiedenen Ventilen der Ventilgruppe liegt. Dies stellt eine besondere Herausforderung für die Regelung der einzelnen Ventile dar, da bei geringen Veränderungen der vorgegebenen Einspeisung zwischen zwei Ventilen umgeschaltet und die jeweils zugeordnete Ventilsteuerung von dem Regelkreis vorgegeben werden muss.
-
Eine zuverlässige und präzise Ansteuerung der einzelnen Ventile der Ventilgruppe wird zusätzlich erschwert, wenn sich auch der Vordruck ändert, mit dem das aufgewärmte Heißwasser von dem Heizkraftwerk bereitgestellt wird. Wenn sich bei einem ungünstigen Arbeitspunkt für die Ventilgruppe gleichzeitig der Vordruck des durch die Ventilgruppe geregelten Heißwasserdurchflusses verändert, können Situationen eintreten, in denen keine zuverlässige Regelung automatisiert gewährleistet werden kann und eine manuelle Regelung und Ansteuerung der einzelnen Ventile erforderlich wird.
-
Derartige Schwierigkeiten bei der geregelten Ansteuerung mehrerer Ventile einer Ventilgruppe könnten durch die Verwendung eines einzigen Ventils beseitigt werden, falls dieses Ventil den gesamten Arbeitsbereich abdeckt und eine zuverlässige Regelung der Durchflussmenge zwischen etwa 5% und bis zu 60% bzw. 90% der maximalen Durchflussmenge ermöglicht. Insbesondere bei geringen Durchflussmengen in Kombination mit einem großen Vordruck des anströmenden Heißwassers muss befürchtet werden, dass Kavitationen auftreten können und das Ventil beschädigt oder sogar zerstört wird.
-
Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, ein Drehscheibenventil der eingangs genannten Gattung so auszugestalten, dass einerseits ein möglichst großer Arbeitsbereich der Durchflusssteuerung ermöglicht wird und andererseits möglichst zuverlässig vermieden wird, dass Kavitäten auftreten und das Ventil beschädigt oder zerstört werden könnte.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Drehscheibenventil der eingangs genannten Gattung der Strömungsdurchgang einen ersten Bereich, der bei einem Verschwenken der Losscheibe als erstes freigegeben wird, und einen zweiten Bereich aufweist, und dass nur der erste Bereich in ein die Strömungsgeschwindigkeit herabsetzendes Stauelement mündet.
-
Indem der erste Bereich, der bei einem Öffnen des Drehscheibenventils zuerst freigegeben wird und deshalb für die Vorgabe kleiner Durchflussmengen verwendet wird, in ein Stauelement mündet, kann die Ausbildung von Kavitäten, die ausschließlich in diesem Arbeitsbereich auftreten können, zuverlässig vermieden werden. Im Gegensatz zu dem ersten Bereich mündet der zweite Bereich, der für die Vorgabe größerer Durchflussmengen verwendet wird, nicht in ein Stauelement, durch das die Strömungsgeschwindigkeit herabgesetzt und die Durchflussmenge maßgeblich beschränkt würde.
-
Auf diese Weise kann das derart ausgestaltete Drehscheibenventil sowohl zur Vorgabe einer sehr geringen Durchflussmenge als auch zur Vorgabe von sehr großen Durchflussmengen verwendet werden. Die Verwendung mehrerer Ventile mit getrennten, sich überlappenden Arbeitsbereichen und die gemeinsame Regelung einer derartigen Ventilgruppe werden dadurch überflüssig.
-
Einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass der erste Bereich eine erste Durchgangsöffnung und der zweite Bereich eine zweite Durchgangsöffnung aufweisen, die getrennt voneinander in der Festscheibe ausgebildet sind. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass durch den ersten Bereich durchströmende Flüssigkeit oder durchströmendes feuchtes Gas in den zweiten Bereich umgelenkt wird und das Stauelement seitlich umströmt, sobald durch das Stauelement ein nennenswerter Staudruck erzeugt wird. Solange durch die Freigabeöffnung in der Losscheibe ausschließlich der erste Bereich bzw. die erste Durchgangsöffnung freigegeben werden, muss die durch die erste Durchgangsöffnung durchströmende Flüssigkeit oder das durchströmende feuchte Gas notwendigerweise das Stauelement passieren, so dass die Strömungsgeschwindigkeit herabgesetzt wird und die Ausbildung von Kavitäten unterbunden wird.
-
Die erste Durchgangsöffnung ist zweckmäßigerweise eine hohlzylindrische Bohrung, die einfach und kostengünstig in der Festscheibe ausgebildet werden kann. Die Querschnittsfläche der hohlzylindrischen Bohrung kann in Abhängigkeit von den erwarteten Betriebsbedingungen für das Drehscheibenventil so vorgegeben werden, dass zum einen eine präzise Vorgabe geringer Durchflussmengen gewährleistet wird und zum anderen die Ausbildung von Kavitäten auch dann verhindert wird, wenn die Losscheibe weiter verschwenkt wird und zusätzlich mindestens einen Teilabschnitt des zweiten Bereichs des Strömungsdurchgangs in der Festscheibe freigibt.
-
Um bei einem geringen Verschwenken der Losscheibe um einen kleinen Winkel eine möglichst große Änderung der Durchflussmenge zu ermöglichen ist vorgesehen, dass in Umfangsrichtung in der Festscheibe mehrere Strömungsdurchgänge und in der Losscheibe mehrere an die Strömungsdurchgänge angepasste Freigabeöffnungen ausgebildet sind. Jeder Strömungsdurchgang kann durch zugeordnete Bereiche der Losscheibe vollständig verschlossen werden. Wird die Losscheibe geringfügig verschwenkt, wird jeweils der erste Bereich eines jeden Strömungsdurchgangs zunehmend durch die diesem Strömungsdurchgang zugeordnete Freigabeöffnung freigegeben. In einer maximalen Öffnungsstellung der Losscheibe wird durch jede Freigabeöffnung ein zugeordneter zweiter Bereich eines jeden Strömungsdurchgangs maximal freigegeben.
-
Um die zur Verfügung stehende Querschnittsfläche in einem Innenraum des Drehscheibenventils möglichst vorteilhaft ausnutzen zu können ist vorgesehen, dass der zweite Bereich des Strömungsdurchgangs und die Freigabeöffnung jeweils eine näherungsweise dreieckige Formgebung aufweisen. Eine Spitze des Dreiecks zeigt dabei zweckmäßigerweise zu einem Mittelpunkt der Festscheibe bzw. der Losscheibe, durch den auch die Schwenkachse der Losscheibe verläuft. Die Formgebung des zweiten Bereichs des Strömungsdurchgangs und der Freigabeöffnung ist dabei zweckmäßigerweise so vorgegeben, dass zwei Seitenkanten sich jeweils in radialer Richtung von der mittig angeordneten Schwenkachse nach außen erstrecken, so dass die einzelnen Strömungsdurchgänge jeweils wie Tortenstücke um die Schwenkachse herum angeordnet sind und von den jeweils zugeordneten Freigabeöffnungen gleichzeitig verschlossen oder zunehmend freigegeben werden können.
-
Um einen möglichst präzise vorgebbaren Übergang zwischen der durch den ersten Bereich strömenden Durchflussmenge und der mit zunehmender Freigabe des Strömungsdurchgangs zusätzlich durch den zweiten Bereich durchströmenden Durchflussmenge zu erleichtern ist vorgesehen, dass der zweite Bereich eine sich zum ersten Bereich hin verjüngende, seitlich vorspringende Ausformung aufweist. Durch die Anordnung und Formgebung der seitlich vorspringenden Ausformung kann der Übergang von dem ersten Bereich zu dem zweiten Bereich in geeigneter Weise vorgegeben werden.
-
Um mit möglichst geringem Raumbedarf eine möglichst effiziente Stauwirkung zu erzeugen ist vorgesehen, dass das Stauelement ein Gehäuse mit quer zur Strömungsrichtung angeordneten Austrittsöffnungen aufweist. Durch den ersten Bereich in einen durch das Gehäuse des Stauelements vorgegebenen Innenraum strömende Flüssigkeit oder strömendes feuchtes Gas wird auf Grund der quer zur Strömungsrichtung angeordneten Austrittsöffnungen notwendigerweise umgelenkt und strömt seitlich aus dem Gehäuse des Stauelements aus. Durch die Anordnung und Öffnungsfläche der Austrittsöffnungen kann der Staudruck vorgegeben werden, der durch das Stauelement erzeugt wird.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Stauelement ein hohlzylindrisches Gehäuse aufweist, dessen der Durchflussöffnung abgewandtes Ende verschlossen ist. Die Abmessungen des hohlzylindrischen Gehäuses sind an die Abmessungen des ersten Bereichs der Durchgangsöffnung angepasst, der zweckmäßigerweise als hohlzylindrische Bohrung ausgestaltet ist.
-
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt:
-
1 eine schematische Schnittansicht eines Drehscheibenventils mit einem Ventilgehäuse, in dem eine Festscheibe sowie eine verschwenkbare Losscheibe angeordnet sind,
-
2 eine Ansicht der Festscheibe in Strömungsrichtung,
-
3 eine Schnittansicht der Festscheibe gemäß 2 längs einer Linie III-III in 2,
-
4 eine Schnittansicht der Festscheibe gemäß 2 längs einer Linie IV-IV in 2,
-
5 eine Ansicht der Losscheibe in Strömungsrichtung,
-
6 eine Schnittansicht der Losscheibe gemäß 5 längs der Linie VI-VI in 5, und
-
7 eine perspektivische Ansicht der Festscheibe mit einer daran verschwenkbar gelagerten Losscheibe ohne das umgebende Ventilgehäuse.
-
Ein in 1 schematisch dargestelltes Drehscheibenventil 1 weist ein näherungsweise hohlzylindrisches Ventilgehäuse 2 auf, das auf entgegengesetzten Stirnseiten 3, 4 jeweils ringförmige Anschlussflächen 5 sowie Bohrungen 6 für einen Anschluss an angrenzende Rohrleitungen aufweist. In dem Ventilgehäuse 2 sind eine mit dem Ventilgehäuse 2 fest verbundene Festscheibe 7 und eine verschwenkbare Losscheibe 8 angeordnet. Die Losscheibe 8 ist um eine strichpunktiert dargestellte Schwenkachse 9 schwenkbar in dem Ventilgehäuse 2 gelagert.
-
In den nachfolgenden Figuren ist jeweils nur eines von mehreren gleichartigen Bauteilen, bzw. technischen Details mit einem Bezugszeichen versehen.
-
Die in den 2 bis 4 gesondert dargestellte Festscheibe 7 weist sechs radialsymmetrisch und konzentrisch um die mittige Schwenkachse 9 angeordnete Strömungsdurchgänge 10 auf. Jeder Strömungsdurchgang 10 weist einen ersten Bereich 11 mit einer ersten Durchgangsöffnung 12 auf, die als parallel zur Schwenkachse 9 verlaufende Bohrung ausgestaltet ist, sowie einen zweiten Bereich 13 mit einer zweiten Durchgangsöffnung 14 auf, die eine näherungsweise dreieckige Kontur mit zwei radial von innen nach außen verlaufenden Seitenkanten aufweist. Die zweite Durchgangsöffnung 14 eines jeden Strömungsdurchgangs 10 weist eine sich zum ersten Bereich 11 bzw. zur ersten Durchgangsöffnung 12 hin verjüngende nasenförmige Ausformung 15 auf.
-
Die als Bohrung ausgestaltete erste Durchgangsöffnung 12 und die näherungsweise tortenstückförmige zweite Durchgangsöffnung 14 eines jeden Strömungsdurchgangs 10 sind durch einen schmalen Steg 16 voneinander getrennt, der einen an die Bohrung angepassten gekrümmten Verlauf aufweist. Der Steg 16 erhöht die Festigkeit der Festscheibe 7 in diesem Bereich und unterteilt den Strömungsdurchgang 10 in die zwei getrennten Durchgangsöffnungen 12 und 14. Sofern es für einen Anwendungsfall zweckdienlich wäre, könnte auf den Steg 16 verzichtet werden, so dass der erste Bereich 11 fließend und ohne Begrenzungen in den zweiten Bereich 13 übergeht und die beiden Bereiche 11 und 13 eine einzige, nicht unterteilte Durchgangsöffnung bilden.
-
Jede als Bohrung ausgestaltete erste Durchgangsöffnung 12 mündet in Strömungsrichtung hinter der Festscheibe 7 in ein hohlzylindrisches Stauelement 17, dessen Durchmesser an den Durchmesser der ersten Durchgangsöffnung 12 angepasst ist. Jedes Stauelement 17 kann in der zugeordneten Bohrung eingeschraubt, verschweißt, verklebt, kraftschlüssig oder formschlüssig zusammengefügt oder an der Festscheibe 7 angeflanscht sein. Das hohlzylindrische Stauelement 17 weist auf einer der Bohrung gegenüberliegenden Stirnseite 18 eine geschlossene Endfläche sowie seitliche Austrittsöffnungen 19 auf. Eine durch die Bohrung in der Festscheibe 7 in das zugeordnete Stauelement 17 einströmende Flüssigkeit wird von der geschlossenen Endfläche 18 des Stauelements 17 abgebremst und aufgestaut, um ausschließlich seitlich und quer zu der Anströmungsrichtung durch die Austrittsöffnungen 19 aus dem Stauelement 17 austreten zu können. Durch den Durchmesser des Stauelements 17 sowie durch die Anzahl und den jeweiligen Durchmesser der Austrittsöffnungen 19 kann die Stauwirkung der Stauelemente 17 vorgegeben werden, durch die die Strömungsgeschwindigkeit der in das Ventilgehäuse 2 einströmenden Flüssigkeit herabgesetzt wird.
-
In Strömungsrichtung betrachtet ist vor der Festscheibe 7 die Losscheibe 8 in dem Ventilgehäuse 2 angeordnet. Die in den 5 und 6 dargestellte Losscheibe 8 ist schwenkbar um die Schwenkachse 9 gelagert und wird zweckmäßigerweise durch eine geeignete Federeinrichtung an die Festscheibe 7 angedrückt. Die Losscheibe 8 weist Freigabeöffnungen 20 auf, deren Formgebung und Abmessungen an die zweiten Durchgangsöffnungen 14 der Strömungsdurchgänge 10 angepasst sind. Ein in Umfangsrichtung vorgegebener Abstand zwischen benachbarten zweiten Durchgangsöffnungen 14 der Strömungsdurchgänge 10 in der Festscheibe 7 ist ebenso wie ein vergleichbarer Abstand zwischen benachbarten Freigabeöffnungen 20 derart bemessen, dass die Freigabeöffnungen 20 der Losscheibe 8 entweder zwischen benachbarten zweiten Durchgangsöffnungen 14 der Strömungsdurchgänge 10 angeordnet sein können und zwischen den Freigabeöffnungen 20 befindliche geschlossenen Bereiche der Losscheibe 8 die zugeordneten Strömungsdurchgänge 10 in einer Verschlussstellung vollständig bedecken und verschließen, oder dass die Freigabeöffnungen 20 über den zweiten Durchgangsöffnungen 14 der Strömungsdurchgänge 10 zu liegen kommen und in einer Freigabestellung die zweiten Durchgangsöffnung 14 der Strömungsdurchgänge 10 vollständig freigeben. In einer zwischen diesen beiden Endpositionen der Losscheibe 8 befindlichen mittleren Stellung geben die Freigabeöffnungen 20 zunächst nur die als Bohrungen ausgebildeten ersten Durchgangsöffnungen 12 mit den dahinter angeordneten Stauelementen 17 frei, um bei einem weiteren Verschwenken einen ständig größer werdenden Anteil der zweiten Durchgangsöffnungen 14 der Strömungsdurchgänge 10 freizugeben.
-
7 zeigt zur Verdeutlichung der Funktionsweise eine perspektivische Ansicht der in den 2 bis 4 dargestellten Festscheibe 7 und der in den 5 und 6 gezeigten Losscheibe 8.
-
Da bei einem Verschwenken der Losscheibe 8 aus der Verschlussstellung heraus zuerst die ersten Durchgangsöffnungen 12 freigegeben werden und die druckbeaufschlagte Flüssigkeit durch die ersten Durchgangsöffnungen 12 in die dahinter befindlichen Stauelemente 17 einströmt und dort abgebremst wird, können ansonsten unvermeidliche Kavitäten zuverlässig verhindert werden, die durch eine unter hohem Druck durch kleine Ventilöffnungen hindurchschießende Fluidströmung erzeugt werden und zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Drehscheibenventils 1 führen können.
-
Mit einem erfindungsgemäßen Drehscheibenventil 1 kann die Durchflussmenge über einen weiten Bereich gefahrlos vorgegeben und nahezu beliebig verändert werden. Durch die Ausgestaltung der einzelnen Stauelemente 17 kann erreicht werden, dass Kavitäten verhindert werden und gleichzeitig die Menge der durchströmenden Flüssigkeit in der angestrebten Weise vorgegeben, bzw. durch eine Veränderung der Bedeckung der Strömungsdurchgänge 10 mit der Losscheibe 8 verändert werden kann. Durch die Formgebung und Ausgestaltung der ersten Bereiche 11 und der zweiten Bereiche 13, bzw. der ersten Durchgangsöffnungen 12 und der zweiten Durchgangsöffnungen 14 sowie durch die Ausgestaltung und Formgebung der Stauelemente 17 kann ein nahezu beliebiger Kennlinienverlauf für die freigegebene Durchflussmenge der Flüssigkeit im Verhältnis zu dem eingestellten Öffnungswinkel der Losscheibe 8 gegenüber der Festscheibe 7 vorgegeben werden, der den gesamten relevanten Bereich zwischen weniger als 5% und bis zu 100% der maximalen Durchflussmenge abdeckt.
-
Das in der Zeichnung dargestellte Drehscheibenventil (1) kann auch zur Steuerung der Durchflussmenge eines feuchten Gases verwendet werden.
