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Die Erfindung betrifft eine Druckstoßentlastungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Druckstoßentlastung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
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Es ist allgemein bekannt, dass es in Rohrleitungen beispielsweise aufgrund eines Ausfalls einer Pumpe zu Druckstößen kommen kann. Wird beispielsweise die Pumpe schlagartig aufgrund eines Defekts gestoppt, behält das sich in der Rohrleitung befindliche Medium aufgrund von Trägheit noch für eine bestimmte Zeit seine Strömungsrichtung bei, wobei aufgrund der Schwerkraft und/oder dem sich aufbauenden Unterdruck die Strömung abgebremst und schließlich umgekehrt wird. Wenn diese umgekehrte Strömung beispielsweise ein geschlossenes Rückschlagventil zur Verhinderung eines Rückflusses erreicht, ist mit einem Druckstoß zu rechnen, der zu einer Beschädigung der Rohrleitung führen kann.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen hierfür bekannt. Zum einen gibt es Druckstoßentlastungsventile, die elektrisch angetrieben werden und damit eine weitgehend freie Einstellung der Öffnungs- und Schließzeiten erlauben. Bei einem Ausfall der Elektrizität, die zumeist auch der Grund für den Ausfall der Pumpe ist, sind diese Ventile jedoch nicht mehr ansteuerbar.
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Zudem sind auch Membranventile bekannt, die ohne elektrische Energie in Abhängigkeit von dem vorhandenen Druck im Rohrleitungssystem arbeiten. Hierbei wird der Druck in der Rohrleitung sowohl für das Auslösen als auch für die Betätigung der Ventile verwendet. Die Öffnungs- und Schließcharakteristik ist folglich immer direkt anhängig von Veränderungen des Systemdrucks. Eine Voreinstellung von definierten Öffnungs- und Schließzeiten, die aus der Druckstoßberechnung resultieren, ist nicht möglich. Deshalb muss auch die Einstellung solcher Membranventile direkt am System bei realen Bedingungen, die dem Störfall entsprechen, erfolgen.
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Ein gattungsgemäße Druckstoßentlastungs-Vorrichtung ist aus der
DE 1 817 129 A bekannt. Dort ist eine Druckstoßentlastungsvorrichtung mit einem in einer Druckstoßentlastungsleitung angeordneten Druckstoßentlastungsventil gezeigt. Die Druckstoßentlastungsleitung zweigt von der zu schützenden Rohrleitung ab, um Druckstöße in der Rohrleitungssystem abführen zu können und damit einen Schutz der Rohrleitung zu ermöglichen. Das Druckstoßentlastungsventil wird mittels einer Drehfeder in der Schließstellung gehalten. Steigt der Druck in der Rohrleitung über einen vorgegebenen Wert, wird ein Verschlussteil des Druckstoßentlastungsventil gegen die Kraft der Feder angehoben und damit ein Ablauf für das in der Rohrleitung befindlichen Medium gebildet. Der Druck kann somit aus der Rohrleitung entweichen und es wird eine Beschädigung der Rohrleitung verhindert. Über die Federhärte kann zwar der Öffnungsdruck bei dieser Vorrichtung eingestellt werden, es ist jedoch nicht möglich, die Zeit zur Öffnung bzw. zum Schließen oder die gesamte Öffnungszeit unabhängig vom Druck in der Rohrleitung einzustellen.
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Aus der
DE 10 2004 025 983 A1 ist zudem eine Vorrichtung zur Vermeidung von Druckstößen in Rohrleitungssystemen bekannt, bei der Druckstöße dadurch verhindert werden, dass die Schließgeschwindigkeit eines Ventils in der Rohrleitung im Falle einer vorgegebenen Druckänderung automatisch reduziert oder gestoppt wird, so dass es nicht zu einem Druckstoß kommt.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Druckstoßentlastungsvorrichtung zu ermöglichen, die weitestgehend frei einstellbar ist und ohne elektrische Komponenten zuverlässig arbeitet.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Druckstoßentlastungs-Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass in der Druckstoßentlastungsleitung von der zu schützenden Rohrleitung aus gesehen in Reihe hinter dem Druckstoßentlastungsventil ein Zusatzventil angeordnet ist und die Druckstoßentlastungsvorrichtung eine Steuereinrichtung zur Betätigung des Druckstoßentlastungsventils durch ein erstes Betätigungselement in eine Offenstellung im Fall einer definierten Druckänderung und zur Betätigung des Zusatzventils durch eine zweites Betätigungselement in eine Schließstellung abhängig von der Stellung des Druckstoßentlastungsventils aufweist. Der Öffnungs- bzw. Schließcharakter des Druckstoßentlastungsventils und des Zusatzventils können unabhängig voneinander eingestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Steuereinrichtung ein dem ersten Betätigungselement entgegenwirkendes erstes Stellelement und ein dem zweiten Betätigungselement entgegenwirkendes zweites Stellelement auf. Dies ermöglicht ein besonders schnelles Betätigen der Betätigungselemente, da jedes Betätigungselement durch ein Stellelement vorgespannt ist und somit direkt auf eine Aktion des Stellelements reagiert.
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Um eine wartungsarme Ansteuerung der Stellelemente zu ermöglichen, kann die Steuereinrichtung eine erste und eine zweite Ventilschaltung aufweisen, die jeweils den Stellelementen zugeordnet sind. Derartige Ventilschaltungen können hydraulisch oder pneumatisch betrieben werden und sind somit unabhängig von einer elektrischen Energiezufuhr.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die erste Ventilschaltung ein als Sensor ausgebildetes erstes Schaltventil aufweisen, das über eine Messleitung mit der zu schützenden Rohrleitung verbunden ist. Damit wird ein direktes und aufgrund des zumeist geringen Querschnitts der Messleitung schnelles Erkennen der Druckänderung durch das erste Schaltventil ermöglicht.
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Das erste Schaltventil kann zudem zur Reduzierung der Haltekraft des ersten Stellelements ausgebildet sein, wobei der Grad der Reduzierung der Haltekraft durch das Schaltventil oder ein Stromregelventil bevorzugt stufenlos einstellbar ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache, wartungsarme und zudem freie Ansteuerung des ersten Stellelements.
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Zur Betätigung des Zusatzventils durch das zweite Betätigungselement kann die zweite Ventilschaltung in einer bevorzugten Ausführungsform zudem ein zweites Schaltventil aufweisen. Dieses zweite Schaltventil kann zur Reduzierung der Haltekraft des zweiten Stellelements ausgebildet sein, wobei der Grad der Reduzierung der Haltekraft durch das zweite Schaltventil oder ein Stromregelventil bevorzugt stufenlos einstellbar ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache, wartungsarme und zudem freie Ansteuerung des zweiten Stellelements.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erste Stellelement durch einen ersten Stellzylinder und das zweite Stellelement durch einen zweiten Stellzylinder gebildet. Der erste Stellzylinder bildet die Haltekraft für das Druckstoßentlastungsventil und der zweite Stellzylinder die Haltekraft für das Zusatzventil. Hydraulische Stellzylinder können durch ein einfaches Öffnen einer Ableitung entspannt bzw. freigegeben werden und ermöglichen somit eine einfache, wartungsarme und weitgehend freie Ansteuerung.
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Um eine von dem Druck in der Rohrleitung unabhängige Kraft zum Schließen bzw. Öffnen des Druckstoßentlastungsventils und des Zusatzventils zu ermöglichen, sind bevorzugt Fallgewichte als Betätigungselemente vorgesehen, die durch ihre potentielle Energie einen Energiespeicher zur unabhängigen Betätigung des Druckstoßentlastungsventils bzw. des Zusatzventils bilden. Es ist jedoch auch möglich, andere Energiespeicher wie einen Drucktank, einen Spannspeicher oder eine Feder vorzusehen.
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Als erfindungsgemäß wird zudem ein Verfahren zur Druckstoßentlastung einer Rohrleitung beansprucht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in einer Druckstoßentlastungsleitung die vorgenannte Druckstoßentlastungsvorrichtung angeordnet ist, wobei die Steuereinrichtung bei Erkennen einer Druckänderung das Druckstoßentlastungsventil noch bevor es zu einem Druckstoß kommt öffnet und nach Erreichen einer bestimmten Position des Druckstoßentlastungsventils das Zusatzventil schließt.
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Weitere Vorzüge und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Diese zeigt:
- 1 eine Seitenansicht der Druckstoßentlastungs-Vorrichtung im Schnitt und
- 2 eine schematische Übersicht über den Aufbau der Druckstoßentlastungsvorrichtung.
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In 1 ist die Druckstoßentlastungsvorrichtung 1 im Schnitt in einer Seitenansicht gezeigt. Von der von dem Druckstoß zu schützenden Rohrleitung 2 zweigt eine Druckstoßentlastungsleitung 3 ab, welche die Druckstoßentlastungsvorrichtung 1 aufweist. In der Druckstoßentlastungsleitung 3 sind ein Druckstoßentlastungsventil 4 und ein weiteres dem Druckstoßentlastungsventil 4 in Reihe nachgeschaltetes Zusatzventil 5 angeordnet. Das Druckstoßentlastungsventil 4 und das Zusatzventil 5 sind beim gezeigten Ausführungsbeispiel als Ringkolbenventile ausgebildet, können aber auch als Kugelhahn, Absperrklappe oder dergleichen ausgebildet sein.
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Das Druckstoßentlastungsventil 4 und das Zusatzventil 5 weisen jeweils eine Kurbelwelle 6 auf, die über einen Pleuel 7 den Ringkolben 8 betätigt. Je nach Position des jeweiligen Ringkolbens 8 verschließt oder öffnet dieser einen ringförmigen Spalt. An einem außerhalb des Druckstoßentlastungsventil 4 und des Zusatzventils 5 endenden Abschnitt der Kurbelwellen 6 sind jeweils an einem Hebel Betätigungselemente 9 und 10 in Form von Fallgewichten befestigt. Durch die Betätigungselemente 9 und 10 wird auf die Kurbelwellen 6 ein Drehmoment aufgebracht. Das Druckstoßentlastungsventil 4 wird hierdurch von seiner ursprünglichen Schließstellung in eine Öffnungsstellung und das Zusatzventil 5 von einer Öffnungsstellung in eine Schließstellung belastet. Zur Betätigung des Druckstoßentlastungsventil 4 und des Zusatzventils 5 mittels der Betätigungselemente 9 und 10 im Fall eines Druckstoßes ist eine Steuereinrichtung 11 vorgesehen.
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In 2 ist ein schematischer Überblick über den Aufbau der Druckstoßentlastungsvorrichtung 1 gezeigt. Wie der 2 zu entnehmen ist, weist die Steuereinrichtung 11 als hydraulische Stellzylinder ausgebildete Stellelemente 12 und 13 auf, die jeweils dem Druckstoßentlastungsventil 4 und dem Zusatzventil 5 zugeordnet sind. Das erste Stellelement 12 erzeugt eine Haltekraft, die das Druckstoßentlastungsventil 4 gegen die Kraft des ersten Betätigungselements 9 in einer Schließstellung hält. Das zweite Stellelement 13 erzeugt ebenfalls eine Haltekraft, die jedoch das Zusatzventil 5 gegen die Kraft des zweiten Betätigungselements 10 in einer Öffnungsstellung hält.
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Zur Ansteuerung der Stellelemente 12 und 13 sind jeweils hydraulische Ventilschaltungen 14a und 14b vorgesehen. Die erste Ventilschaltung 14a weist ein als Sensor ausgebildetes erstes Schaltventils 15 auf, dass über eine Messleitung 16 und einem Medientrenner 17 mit der zu schützenden Rohrleitung 2 verbunden ist. Der Schaltpunkt des ersten Schaltventils 15 ist einstellbar, so dass es eine vorgegebene Druckänderung in der zu schützenden Rohrleitung 2 erkennt und das Stellelement 12 noch bevor sich ein Druckstoß entwickelt zur Öffnung des Druckstoßentlastungsventils ansteuert.
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Um das Druckstoßentlastungsventil 4 zu öffnen, reduziert das erste Schaltventil 15 die Haltekraft des ersten Stellelements 12, indem es einen Auslass an dem ersten Stellelement 12 öffnet, so dass ein Hydraulikmittel austreten kann. Die zweite Ventilschaltung 14b umfasst ein zweites Schaltventil 18, das zur Reduzierung der Haltekraft des zweiten Stellelements 13 ausgelegt ist. Das zweite Schaltventil 18 öffnet einen Auslass an dem zweiten Stellelement 13, so dass ein Hydraulikmittel aus diesem austreten kann und sich die Haltekraft des zweiten Stellelements 13 hierdurch reduziert. Der Grad der Reduzierung der Haltekraft der Stellelemente 12 und 13 und damit die Öffnungs- bzw. Schließcharakteristik des Druckstoßentlastungsventils 4 und des Zusatzventils 5 können über die Schaltventile 15 und 18, beispielsweise deren Öffnungsquerschnitt, stufenlos eingestellt werden. Es können aber auch zusätzliche Stromregelventile 19 und 20 zur Drosselung der als hydraulische Stellzylinder ausgebildeten Stellelemente 12 und 13 vorgesehen sein. Hierdurch kann sowohl ein proportionales als auch ein nicht-proportionales Ansteuern des Druckstoßentlastungsventils 4 und des Zusatzventils 5 umgesetzt werden. Zudem ist es auch möglich, die Öffnungs- bzw. Schließzeiten des Druckstoßentlastungsventils 4 und des Zusatzventils 5 mehrstufig auszubilden, z.B. 2-fach oder 3-fach, wobei eine Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit von schnell nach langsam bevorzugt ist.
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Das erste Schaltventil 15 wird durch den Druck in der Messleitung 16 angesteuert und verrastet, sobald es geschalten ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass nach einem Auslösen der Druckstoßentlastungsvorrichtung 1 weitere Druckschwankungen in der zu schützenden Rohrleitung 2 keinen Einfluss auf die Druckstoßentlastungsvorrichtung 1 haben. Das zweite Schaltventil 18 ist an dem Druckstoßentlastungsventil 4 derart angeordnet, dass es durch eine an der Kurbelwelle 6 des Druckstoßentlastungsventils 4 befestigte Nocke 21 stellungsabhängig betätigt wird.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise anhand der schematischen Übersicht in 2 erläutert.
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In der Rohrleitung 2 befindet sich ein Medium, wie beispielsweise Wasser, dass in diesem Ausführungsbeispiel in Richtung des Pfeils 22 in 1 strömt. Mittels der mit der Rohrleitung 2 verbundenen Messleitung 16 und dem Medientrenner 17 wird der Druck in der Rohrleitung 2 zur Ansteuerung auf das erste Schaltventil 15 übertragen. Das erste Schaltventil 15 wird so eingestellt, dass dieses bei den im normalen Betrieb der Pumpe üblichen Drücken in der Rohrleitung 2 geschlossen bleibt. Das als hydraulischer Stellzylinder ausgebildete erste Stellelement 12 ist über Leitungen mit dem Schaltventil 15 verbunden, so dass kein Hydraulikmittel aus dem ersten Stellelement 12 austreten kann und folglich dessen auf das Druckstoßentlastungsventil 4 wirkende Haltekraft konstant bleibt.
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Das zweite Schaltventil 18 ist in der Schließstellung des Druckstoßentlastungsventils 4 ebenfalls geschlossen, so dass kein Hydraulikmittel aus dem zweiten Stellelement 13 austreten kann und folglich auch die auf das Zusatzventil 5 wirkende Haltekraft konstant bleibt.
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In der Rohrleitung 2 ist in Strömungsrichtung des Mediums vor der Druckstoßentlastungsleitung 3 ein nicht dargestelltes Rückschlagventil zur Verhinderung eines Rückflusses des Mediums angeordnet. Im Fall eines Ausfalls einer Pumpe wird der aufgrund der Trägheit des strömenden Mediums entstehende Unterdruck in der Rohrleitung 2 durch die Messleitung 16 und den Medientrenner 17 noch vor einer Strömungsumkehr des Mediums in der Rohrleitung 2 auf das erste Schaltventil 15 übertragen, welches daraufhin schaltet und in der geschalteten Stellung verrastet. Hierdurch wird der Auslass des ersten Stellelements 12 geöffnet, so dass das Hydraulikmittel aus dem ersten Stellelement 12 in einen Tank 23 abfließen kann, wodurch sich die Haltekraft des ersten Stellelement 12 auf das Druckstoßentlastungsventil 4 reduziert und das Druckstoßentlastungsventil 4 durch die Kraft des ersten Betätigungselement 9 in eine Öffnungsstellung bewegt wird. Je nach dem Strömungsquerschnitt des Schaltventils 15 bzw. der Drosselung des ersten Stellelements 12 durch das Stromregelventil 19 wird der Abfluss des Hydraulikmittels gebremst und damit die Zeit zur Öffnung des Druckstoßentlastungsventils 4 beeinflusst.
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Mit der Öffnung des Druckstoßentlastungsventils 4 kann Luft bzw. ein anderes Medium über das geöffnete Druckstoßentlastungsventil 4 und das Zusatzventil 5 in der Druckstoßentlastungsleitung 3 in die Rohrleitung 2 einströmen, wodurch der Unterdruck in der Rohrleitung 2 zumindest reduziert und der Druckstoß in der Rohrleitung 2 somit verhindert wird.
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Um den weiteren Zulauf von Luft bzw. dem Medium in die Rohrleitung 3 und auch. den anschließenden Abfluss von dem Medium in der Rohrleitung 2 über die Druckstoßentlastungsleitung 3 zu verhindern, wird das Zusatzventil 5 automatisch geschlossen, indem über die an der Kurbelwelle 6 des sich öffnenden Druckstoßentlastungsventils 4 angebrachte Nocke 21 das zweite Schaltventil 18 betätigt wird. Der Zeitpunkt der Betätigung des zweiten Schaltventils 18 im Verhältnis zu der Stellung des Druckstoßentlastungsventils 4 kann über die Position der Nocke 21 in Umfangsrichtung an der Kurbelwelle 6 des Druckstoßentlastungsventils 4 bzw. der Position des zweiten Schaltventils 18 an dem Druckstoßentlastungsventil 4 verändert werden. Zudem kann auch über den Grad der Drosselung des ersten Stellelements 12 durch das Stromregelventil 19 der Zeitpunkt der Betätigung des zweiten Schaltventils 18 verändert werden.
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Durch die Betätigung des zweiten Schaltventils 18 wird der Abfluss von Hydraulikmittel aus dem zweiten Stellelement 13 in den Tank 23 ermöglicht. Hierdurch reduziert sich die Haltekraft des zweiten Stellelements 13, so dass das Zusatzventil 5 bedingt durch die Kraft des zweiten Betätigungselements 10 in eine Schließstellung bewegt wird. Das zweite Stellelement 13 ist durch das weitere Stromregelventil 20 gedrosselt, wodurch die Zeit zum Schließen des Zusatzventils 5 an die Anforderungen angepasst werden kann. Durch das Zusatzventil 5 wird die Druckstoßentlastungsleitung 3 geschlossen und ein weiterer Durchfluss von dem Medium hierdurch verhindert.
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Um die ausgelöste Druckstoßentlastungsvorrichtung 1 wieder in den Grundzustand zu bringen, ist eine Pumpe 26 vorgesehen, die mechanisch und/oder elektrisch betrieben werden kann und Hydraulikmittel aus dem Tank 23 zurück zu den Stellelementen 12 und 13 transportiert. Hierdurch werden die Betätigungselemente 9 und 10 wieder in ihre Ausgangslage bewegt und zugleich das Druckstoßentlastungsventil 4 geschlossen und das Zusatzventil 5 geöffnet. Für den Fall, dass der Druck nach der Pumpe 26 eine definierte Grenze übersteigt, öffnet das Sicherheitsventil 27 einen Hydraulikmittel-Rücklauf in den Tank 23.
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Um bei einer Rückstellung der Betätigungselemente 9 und 10 einen Durchfluss von Medien durch die Druckstoßentlastungsvorrichtung 1 zu verhindern, ist ein weiteres Schaltventil 24 vorgesehen, dass bei der Kurbelwelle 6 des Druckstoßentlastungsventils 4 angeordnet ist und über eine weitere Nocke 25 der Kurbelwelle 6 betätigt wird. Das Schaltventil 24 ist in der Öffnungsstellung des Druckstoßentlastungsventils 4 geschlossen, so dass bei einer Rückstellung der Betätigungselemente 9 und 10 durch die Pumpe 26 zuerst Hydraulikmittel nur zu dem ersten Stellelement 12 fließt und damit das erste Betätigungselement 9 in die Ausgangslage bewegt wird. Sobald das erste Betätigungselement 9 in dieser Ausgangslage ist, öffnet die Nocke 25 der Kurbelwelle 6 das Schaltventil 24, wodurch anschließend Hydraulikmittel zu dem zweiten Stellelement 13 fließt und damit das zweite Betätigungselement 10 in die Ausgangslage bewegt. Auf diese Art wird sichergestellt, dass zuerst das Druckstoßentlastungsventil 4 geschlossen wird, bevor das Zusatzventil 5 geöffnet wird, wodurch der ungewollte Durchfluss von Medien durch die Druckstoßentlastungsvorrichtung 1 bei der Rückstellung zuverlässig verhindert wird.
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Die Druckstoßentlastungsvorrichtung 1 ermöglicht bei Pumpenausfall eine rein hydromechanische Auslösung in Abhängigkeit von dem Druckabfall in der zu schützenden Rohrleitung. Das System arbeitet unabhängig von elektronischen Sensoren (z.B. Drucksensoren oder -schaltern), elektrischen Steuerungen und elektrisch betriebenen Antrieben, so dass auch bei einem Ausfall der elektrischen Energie die Funktion der Vorrichtung gewährleistet ist.
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Die Druckstoßentlastungsvorrichtung 1 kann nicht nur hinter einem Rückschlagventil sondern auch in Strömungsrichtung des in der Rohrleitung 2 transportierten Mediums vor einem Sicherheitsventil, einer Pumpe oder dergleichen angeordnet sein. Im Fall eines Schließens des Sicherheitsventils bildet sich in diesem Fall kein Unterdruck, sondern direkt ein Überdruck vor dem Sicherheitsventil und das erste Schaltventil ist folglich auf einen entsprechenden vorgegebenen Überdruck einzustellen, so dass durch ein rechtzeitiges Auslösen der Druckstoßentlastungsvorrichtung das Medium über die Druckstoßentlastungsleitung abfließen und ein Druckstoß in der zu schützenden Leitung 2 verhindert werden kann.
