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Die Erfindung betrifft eine Drucksteuervorrichtung mit einem zumindest abschnittsweise rohrförmigen Ventilgehäuse, durch das ein Fluidströmungsweg von einem Anströmbereich zu einem stromabwärts davon gelegenen Abströmbereich führt. In dem Ventilgehäuse ist zwischen dem Anströmbereich und dem Abströmbereich ein in einer axialen Richtung verschieblich gehaltener Ventilkörper mit mindestens einer in dessen Außenseite eingebrachten Nut angeordnet. Der Fluiddruck in dem Anströmbereich ist durch axiale Verschiebung des Ventilkörpers in dem Ventilgehäuse steuerbar und/oder regelbar. In zumindest einer axialen Lage des Ventilkörpers liegt eine Innenwand des Ventilgehäuses eng an der Außenseite des Ventilkörpers an, so dass die Nut zumindest abschnittsweise radial außen durch die Innenwand verschlossen wird. Auf diese Weise wird ein durch die Nut führender, enger Fluidkanal gebildet, durch den der Fluidströmungsweg führt. Dadurch wird der Druck in dem Anströmbereich erhöht.
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Solche Drucksteuervorrichtungen können in Thermalwasserkreisläufe eingebaut werden, um damit ein Absinken des Wasserdrucks in dem Kreislauf unter einen vorgegebenen Grenzwert zu verhindern. Dieser Grenzwert entspricht regelmäßig dem Entlösungsdruck der in dem im Kreislauf zirkulierenden Thermalwasser (Sole) gelösten Gase und/oder Mineralien.
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Ein Thermalwasserkreislauf ist der elementare Teil von Geothermiekraftwerken. Der Thermalwasserkreislauf besteht aus mindestens zwei Bohrungen, die in die Erde abgeteuft sind. Obertägig sind die beiden Bohrungen über Rohrleitungen miteinander verbunden. Untertägig kommunizieren die Bohrungen, indem die beiden Bohrungen in einer wasserführenden Gesteinsschicht (Aquifer, Reservoir) enden. In eine der beiden Bohrungen (Förderbohrung) wird eine Pumpe zur Förderung des Thermalwassers nach übertage eingebracht. Im übertägigen Rohrsystem wird die Wärme des Thermalwassers an einen Wärmeübertrager abgegeben und zur Erzeugung von Strom oder zur Beheizung von Gebäuden genutzt. Mit der zweiten Bohrung (Injektionsbohrung) wird das Thermalwasser wieder in die Erde eingebracht (reinjiziert). In den geförderten Thermalwässern in Mitteleuropa sind große Mengen an Mineralien und Gasen gelöst. Durch die Erschließung der Aquifere und Förderung der Solen ändern sich im Kreislauf die thermodynamischen Bedingungen (Druck und Temperatur) des Thermalwassers gegenüber den Bedingungen im Aquifer, womit sich dort die Sättigungsgrenzen der Inhaltsstoffe verschieben. Die Folge sind Gasentlösung und Mineralneubildung, welche negative Auswirkungen auf den Anlagenbetrieb von Tiefengeothermiekraftwerken haben können. Bei Druckabsenkung kommt es zur Gasentlösung und Verdampfung des Thermalwassers und somit zur Zweiphasenströmung, wodurch der Wärmeübergang an den Wärmeübertragern reduziert wird. Außerdem entstehen Druckschwankungen, welche Kräfte auf die Verrohrung verursachen. Neu gebildete Mineralien können Ablagerungen (Scaling) auf den thermalwasserbenetzten Bauteilen bewirken. Diese Ablagerungen reduzieren die Querschnitte, wodurch der Druckverlust im System steigt und sich der Energiebedarf der Förderpumpe erhöht. Verkrustungen auf den Oberflächen der Wärmeübertrager können zudem ebenfalls den Wärmeübergang senken. In der Nähe und unterhalb der Ablagerungen besteht ferner die Gefahr von verstärkter Korrosion (z. B. Spaltkorrosion). Wenn neu gebildete Mineralpartikel durch die Injektionsleitung in den Aquifer gefördert werden, reduziert sich dessen Injektivität und der Einsatz einer Injektionspumpe kann notwendig werden. Mitgeförderte Partikel können außerdem abrasiven Verschleiß verursachen. Die Arten der Feststoffe, die sich in den mitteleuropäischen Geothermieregionen bilden, sind vielfältig, unter anderem Sulfat- und Carbonatverbindungen. Vor allem Reaktionen, die zur Fällung von Carbonaten führen, sind stark druckabhängig. Ihnen kann entgegengewirkt werden, indem der Thermalwasserkreislauf oberhalb eines Mindestsystemdrucks gehalten wird.
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Herkömmlicherweise wird die Druckhaltung in Thermalwasserkreisläufen durch Plattenschieber umgesetzt, die am Bohrungskopf der Injektionsbohrung sitzen. Es hat sich allerdings herausgestellt, dass mit solchen Plattenschiebern der Druck nicht in der erforderlichen Genauigkeit einstellbar bzw. regelbar ist. Ferner ist ein Plattenschieber aufgrund der auf den Ventilkörper wirkenden erheblichen Fluidkräfte nicht ausreichend haltbar und erfordert deshalb einen hohen Wartungsaufwand.
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Bei anderen, bereits auf dem Markt verfügbaren Druckregelventilen geschieht der Druckabbau über eine oder mehrere Öffnungen, deren Durchlassquerschnitt über einen axial verschiebbaren Ventilkörper geregelt wird. Hier sind sowohl sogenannte Sitzventile mit Ventilkegel in verschiedenen Ausführungsformen zu nennen. Weiterhin sind Druckregelventile bekannt, bei denen ein zylindrisches Rohr mit einer Vielzahl von Bohrungen versehen ist, deren Öffnungen über einen verschiebbar angeordneten zylindrischen Ventilkörper entsprechend der Regelaufgabe freigegeben werden. Bei diesen Bauarten ist die Höhe des Druckabbaus durch die Höhe der Durchtrittgeschwindigkeit und die dabei auftretende Kavitationsgefahr begrenzt. Bei einem großen Druckgefälle ist dann ein stufenweises Vorgehen erforderlich. Bei einer weiteren Variante besteht der Ventilkegel aus einer Vielzahl von Scheiben mit eingearbeiteten Durchflusskanälen. Je nach Ventilstellung variiert die Anzahl der durchströmten Öffnungen. Die Durchströmung erfolgt radial.
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Aus den Druckschriften
DE 1 055 830 und
US 5,819,775 sind Vorrichtungen zur Durchflussregelung bekannt, bei denen das Fluid durch eine wendelförmige Nut geführt wird.
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Aus den Druckschriften
DE 3124034 C2 ,
WO 2005/001346 A1 und
WO 2008/052275 A1 sind Drucksteuervorrichtungen mit einem rohrförmigen Ventilgehäuse und einem in dem Ventilgehäuse axial verschieblich gehaltenen Ventilkörper offenbart, bei denen der Druck durch axiale Verschiebung des Ventilkörpers in dem Ventilgehäuse regelbar ist. Es hat sich allerdings herausgestellt, dass diese Vorrichtungen aufgrund ihrer nur bedingten Haltbarkeit insbesondere nicht in größerer Tiefe einsetzbar sind, wo eine Wartung umständlich und zeitaufwändig ist.
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In Anbetracht der beschriebenen Probleme ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine auch bei Durchflussschwankungen und in größerer Tiefe einsetzbare Drucksteuer- bzw. Druckregelvorrichtung bereitzustellen, die besonders haltbar und wartungsarm ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Weiterbildung der eingangs genannten Drucksteuervorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Bei der erfindungsgemäßen Drucksteuervorrichtung ist eine dem Anströmbereich zugewandte Fluidanströmgeometrie des Ventilkörpers und/oder eine dem Abströmbereich zugewandte Fluidabströmgeometrie des Ventilkörpers strömungsoptimiert ausgeformt.
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Unter einer strömungsoptimiert ausgeformten Geometrie wird erfindungsgemäß eine Geometrie des Ventilkörpers und damit des Fluidströmungswegs verstanden, durch die Verwirbelungen, Kavitationen und starke Druckgefälle vermieden werden können. Eine derart ausgeformte Geometrie ist insbesondere in denjenigen Zonen des Strömungswegs wichtig, in denen das Fluid in die Nut einströmt und aus der Nut herausströmt, da in diesen Zonen die Gefahr eines hohen lokalen Druckgefälles in Verbindung mit einer starken Richtungsänderung des Fluidströmungswegs besteht und in diesen Zonen ferner Raum für mögliche Verwirbelungen vorhanden ist. Dabei hat es sich herausgestellt, dass sich eine radiale Anströmung des Ventilkörpers (also eine Anströmung von der Seite) besonders negativ auf das Strömungsverhalten auswirken kann, da eine seitliche Anströmung mit einer starken Richtungsänderung des Fluidströmungswegs verbunden ist. Eine axiale Anströmung des Ventilkörpers (eine Anströmung in Längsrichtung des Ventilkörpers) hat sich dagegen als strömungsoptimiert herausgestellt, da dadurch starke Krümmungen des Strömungswegs und damit verbundene Verwirbelungen vermieden werden können.
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Bei den eingangs beschriebenen Ventilen wird das zu regelnde Medium stark umgelenkt und beschleunigt. Niedrigdruckzonen und damit einhergehende Entgasung und Kavitation sind die Folge.
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Aus den genannten Gründen ist es vorteilhaft, dass der Fluidströmungsweg keine starke lokale Krümmung aufweist bzw. dass der Krümmungsradius des Fluidströmungswegs im Eingangs- und Endbereich der Nut sowie in der Übergangszone zwischen Anström- bzw. Abströmbereich und Ventilkörper keine kleinen Werte annimmt. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Drucksteuervorrichtung treten keine Kavitation und Verwirbelungen im Fluidströmungsweg auf, so dass eine dadurch hervorgerufene Beschädigung des Ventilkörpers verhindert werden kann. Dies erhöht die Haltbarkeit der Drucksteuervorrichtung und der gesamten Anlage, wie z. B. der Wärmetauscher, Filtersysteme, Rohrleitungen, Armaturen sowie der Sensorik insbesondere der Messfühler, und verringert den Wartungsaufwand.
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Eine axiale Anströmung des Ventilkörpers kann dadurch erreicht werden, dass der Anströmbereich in axialer Richtung vor dem Ventilkörper angeordnet ist. Eine starke Richtungsänderung im Abströmbereich kann dadurch verhindert werden, dass der Abströmbereich in axialer Richtung hinter dem Ventilkörper angeordnet ist. Mit anderen Worten erstreckt sich die gesamte erfindungsgemäße Drucksteuervorrichtung vorzugsweise im Wesentlichen in axialer Richtung. Eine Fluidzuführung von der Seite ist zwar möglich, jedoch sollte ein ausreichender Abstand zwischen der seitlichen Anströmung und dem Ventilkörper eingehalten werden, so dass kleine Krümmungsradien des Strömungswegs im Nuteintrittsbereich vermieden werden.
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Eine vorteilhafte Fluidströmung auf der Anströmseite des Ventilkörpers ist dadurch erreichbar, dass der Ventilkörper in axialer Richtung von einer dem Anströmbereich zugewandten Frontfläche begrenzt ist, die durch das Fluid anströmbar ist, wobei bevorzugt die Nut ausgehend von der Frontfläche entlang der Außenseite verläuft. Mit anderen Worten trifft die Strömung anders als bei herkömmlichen Ventilen nicht seitlich auf den Ventilkörper, sondern frontal. Dies führt zu einem insgesamt kurvenärmeren Fluidströmungsweg.
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Vorzugsweise verläuft die Frontfläche des Ventilkörpers dabei nicht senkrecht zu der Strömungsrichtung, sondern unter einem Winkel von weniger als 80° und mehr als 10°, vorzugsweise von weniger als 55° und mehr als 25°. Mit anderen Worten verläuft die Frontfläche vorzugsweise schräg gegenüber der Strömungsrichtung und lenkt die Strömung damit allmählich in Richtung auf den Nuteingang. Alternativ oder zusätzlich ist die Frontfläche zumindest abschnittweise abgerundet. Insbesondere kann die Frontfläche einen trichterförmig abgerundeten Übergang aufweisen, in dem der Strömungsweg in die Nut eintritt. Der Nuteingang ist vorzugsweise an dem stromabwärts gelegenen Ende der abgeschrägten Frontfläche angeordnet. An dieser Stelle tritt der Fluidstrom in den Zwischenraum zwischen dem Ventilgehäuse und dem Ventilkörper ein.
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In der Mitte der Frontfläche kann eine Vertiefung zur Aufnahme einer Achse wie etwa einer Steuerstange zum axialen Verschieben des Ventilkörpers angeordnet sein.
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Der Strömungsverlauf kann dadurch weiter optimiert werden, dass zumindest ein dem Anströmbereich zugewandter Einlassabschnitt der Nut in axialer Richtung verläuft. Mit anderen Worten entspricht die Richtung des Fluidströmungswegs im Einlassabschnitt der Nut im Wesentlichen der Richtung des Fluidströmungswegs im Anströmbereich.
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Alternativ oder zusätzlich ist die Abströmgeometrie des Ventilkörpers strömungsoptimiert ausgeformt. In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der Ventilkörper in axialer Richtung von einer dem Abströmbereich zugewandten Rückseite begrenzt ist, die sich verjüngend, insbesondere etwa tropfenförmig oder konusförmig ausgebildet ist. Insbesondere durch eine tropfenförmige Ausformung des dem Abströmbereich zugewandten Endes des Ventilkörpers, das sich an den Nutausgang anschließt, kann ein starkes lokales Druckgefälle und damit die Gefahr einer Kavitationsausbildung im Abströmbereich verringert werden.
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Eine stufenlose Einstellung des Drucks im Anströmbereich ist dann möglich, wenn eine oder mehrere den Ventilkörper wendelförmig umlaufende Nuten in die Außenseite des Ventilkörpers eingebracht sind. Eine wendelförmige Nut führt zu einem besonders langen Fluidströmungsweg, wodurch eine exakte Einstellung des Drucks im Anströmbereich durch eine axiale Verschiebung des Ventilkörpers möglich ist. Ferner sind wendelförmige Nuten zum Beibehalten eines großen Druckunterschieds zwischen dem Anström- und dem Abströmbereich vorteilhaft.
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Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere axial verlaufende Nuten in die Außenseite des Ventilkörpers eingebracht sein. Axial verlaufende Nuten haben den Vorteil, dass sich die Richtung des Fluidströmungswegs insgesamt kaum ändert, wodurch Verwirbelungen vermieden werden können.
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Im Fall einer wendelförmigen Nut hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Steigung der Nut ausgehend von einem dem Anströmbereich zugewandten Einlassabschnitt in Richtung auf einen dem Abströmbereich zugewandten Endabschnitt der Nut variierend einzurichten. Durch eine Steigungsvariation kann die Nut im Hinblick auf einen vorteilhaften Strömungsverlauf optimal angepasst werden.
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Dabei ist eine größere Steigung der Nut in dem Einlassabschnitt als in dem Endabschnitt der Nut besonders vorteilhaft. Der Endabschnitt der Nut stellt so einen langen Strömungsweg bereit, über den ein großer Druckunterschied zwischen dem Anströmbereich und dem Abströmbereich allmählich abgebaut werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist ein Steigungsverlauf der Nut, bei dem die Nut im Einlassabschnitt im Wesentlichen axial verläuft und über einen Zwischenabschnitt mit sich allmählich verringernder Steigung in einen Abschnitt mit bevorzugt im Wesentlichen konstanter Steigung übergeht. Dadurch geht eine axiale Anströmung allmählich in eine wendelförmige Strömung mit konstanter Steigung über. Ein solcher Steigungsverlauf führt zu einem guten Strömungsverhalten und gleichzeitig zu einer flexibel und auch bei großen Druckschwankungen einsetzbaren Drucksteuervorrichtung.
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Der angeschrägte und abgerundete Einlass und die allmähliche Veränderung der Nutsteigung sorgen in Kombination für eine stetige und ablösungsfreie Durchströmung der Ventilsteuervorrichtung. Dadurch werden Tiefdruckgebiete ausgeschlossen, so dass es zu keiner lokalen Unterschreitung des Gasentlösungsdrucks kommt. Numerische Strömungssimulationen konnten zeigen, dass bei gleichzeitiger tropfenförmiger Ausformung der Abströmgeometrie des Ventilkörpers die Strömungsgeschwindigkeit im gesamten Ventil vorausberechenbar ist. Unerwartete Strömungsablösungen und Niedrigdruckgebiete werden somit ausgeschlossen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nimmt der Querschnitt der Nut ausgehend von dem Einlassabschnitt der Nut in Richtung auf den Endabschnitt der Nut zumindest abschnittsweise ab. Mit anderen Worten ist der Nutquerschnitt in dem Endabschnitt der Nut, der dem Abströmbereich zugewandt ist, besonders klein. Durch einen kleinen Nutquerschnitt und damit einen engen Fluidströmungsweg können insbesondere auch bei geringem Durchfluss große Druckgefälle abgebaut werden, während bei einem großen Durchfluss ein größerer Nutquerschnitt für den erforderlichen Druckabbau ausreichen kann.
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Bei hohem Durchfluss muss demnach nur ein geringer Teil des Ventilkörpers axial in das rohrförmige Ventilgehäuse eingefahren werden, um den notwendigen Druck im Anströmbereich zu generieren. Bei niedrigem Durchfluss muss ein längeres Stück eingefahren werden. Da die Strömungsgeschwindigkeit ein limitierendes Maß ist, ist die Querschnittsfläche der Nut so ausgelegt, dass sie am Ende der Nut die Höchstgeschwindigkeit nicht überschreitet. Diese Eigenschaft der Drucksteuervorrichtung kann auch dazu genutzt werden, auftretenden Verschleiß bis zu einem gewissen Grad durch die Möglichkeit der axialen Verstellung zu kompensieren.
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Die Drucksteuerung bzw. die Druckregelung kann wie folgt durchgeführt werden: Der Ventilkörper ist von einer ersten Axialstellung, in der eine Innenwand des Ventilgehäuses einen dem Abströmbereich zugewandten Endabschnitt der Nut zur Bildung eines Fluidkanals radial verschließt, in eine zweite Axialstellung verstellbar, in der der Endabschnitt der Nut in radialer Richtung offen ist, so dass das Fluid außen an dem Endabschnitt der Nut vorbeiströmen kann. Mit anderen Worten ist der im Anströmbereich einzustellende Druck um so kleiner, je weiter der Endabschnitt der Nut aus dem rohrförmigen Teil des Ventilgehäuses axial herausgeschoben wird, so dass das Fluid außen daran vorbeiströmen kann. Dies hat den Vorteil, dass der Fluidströmungsweg unabhängig von der axialen Stellung des Ventilkörpers an dem strömungsoptimiert ausgeformten Einlassabschnitt der Nut vorbeiströmt.
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Vorzugsweise ist der Ventilkörper stufenlos zwischen der ersten Axialstellung, in der der Ventilkörper praktisch vollständig in dem rohrförmigen Teil des Ventilgehäuses aufgenommen ist, so dass der Fluidströmungsweg notwendigerweise von dem Einlassabschnitt bis zu dem Endabschnitt durch die Nut führt (maximaler Druckabbau), in die zweite Axialstellung verstellbar, in der die Außenseite des Ventilkörpers nicht an der Innenwand des Ventilgehäuses anliegt, so dass im Wesentlichen die gesamte Nut in radialer Richtung offen ist (kein oder nur geringer Druckabbau).
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Auch in umgekehrter Richtung ist vorzugsweise eine stufenlose Verstellung möglich.
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Der Aufbau der erfindungsgemäßen Drucksteuervorrichtung kann dadurch vereinfacht werden, dass das Ventilgehäuse ein hohlzylindrisches Rohr aufweist und der Ventilkörper im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist, wobei der Außendurchmesser des Ventilkörpers im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Rohrs entspricht.
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In Richtung auf den Abströmbereich kann sich der Durchmesser des Ventilgehäuses vergrößern, so dass das Fluid in diesem Bereich außen an dem Ventilkörper vorbeiströmen kann.
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Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die Erfindung eine Leitungsanordnung zum Injizieren von Wasser in einen Grundwasserleiter oder einen Aquifer mit einer Injektionsleitung mit einer daran angeordneten erfindungsgemäßen Drucksteuervorrichtung. Die erfindungsgemäße Drucksteuervorrichtung ist besonders wartungsarm und haltbar, was sie für einen Einbau in eine Injektionsleitung besonders geeignet macht. Dabei kann die erfindungsgemäße Drucksteuervorrichtung anders als bei herkömmlichen Leitungsanordnungen nicht am Kopf der Injektionsleitung, sondern in einem tiefgelegenen Abschnitt der Bohrung angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass die Injektionsbohrung nicht drucklos ist und keine nachteiligen Effekte wie Kavitation, Gasentlösung, Ausfällungen etc. darin auftreten.
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Vorzugsweise ist die Drucksteuervorrichtung unterhalb des Ruhewasserspiegels des Grundwasserleiters positioniert. Das zirkulierende Wasser entspannt somit gegen eine statische Wassersäule, und im gesamten Thermalwasserkreislauf wird der notwendige Systemdruck nicht unterschritten, so dass Ausgasungen und Fällungsreaktionen vermieden werden.
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Für die Auslegung der Drucksteuervorrichtung ist der Druck am Kopf der Injektionsleitung ausschlaggebend, da ab dieser Position bis zum Wasserspiegel der minimale Systemdruck herrscht und in diesem Bereich der Mindestdruck nicht unterschritten werden darf. Der Druck in der Injektionsleitung ist von der Druckerhöhung durch Rohrreibung und durch die Druckantwort des Reservoirs, dem sogenannten Fließdruck, abhängig. Druck, der zusätzlich zur Druckerhöhung durch Rohrreibung und die Reservoirantwort notwendig ist, um den Systemdruck zu erreichen, wird durch die Drucksteuervorrichtung aufgebracht. In Kraftwerken mit Kraft-Wärme-Kopplung ist der Durchfluss abhängig von der Jahreszeit. Im Sommer wird aufgrund des geringeren Wärmebedarfs weniger gefördert. Der Druck im System ist jedoch abhängig vom Durchfluss, weshalb die erfindungsgemäße Drucksteuervorrichtung regelbar ist.
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In der nun folgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
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1a eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drucksteuervorrichtung, wobei der Ventilkörper in einer zweiten Axialstellung angeordnet ist (geringer Druckabbau),
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1b eine Schnittansicht der in 1a gezeigten Drucksteuervorrichtung, wobei der Ventilkörper in einer ersten Axialstellung angeordnet ist (maximaler Druckabbau),
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2a eine Seitenansicht der in 1a gezeigten Drucksteuervorrichtung, wobei der Ventilkörper in der zweiten Axialstellung angeordnet ist (geringer Druckabbau),
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2b eine Seitenansicht der in 1a gezeigten Drucksteuervorrichtung, wobei der Ventilkörper in der ersten Axialstellung angeordnet ist (maximaler Druckabbau),
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3a–3c verschiedene Seitenansichten des Ventilkörpers der ersten Ausführungsform, und
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4 eine Seitenansicht eines Ventilkörpers einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drucksteuervorrichtung.
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In 1b ist eine erfindungsgemäße Drucksteuervorrichtung 10 in einer Schnittansicht dargestellt. Die Drucksteuervorrichtung 10 besteht im Wesentlichen aus einem Ventilgehäuse 20 oder Ventilsitz mit einem rohrförmigen Abschnitt und einem in dem rohrförmigen Abschnitt des Ventilgehäuses 20 axial verschieblich gehaltenen Ventilkörper 30. Der rohrförmige Abschnitt hat eine konstante und durchgängige Querschnittsgeometrie. Der Ventilkörper 30 besitzt eine Außenkontur, die an die Innenkontur des Ventilgehäuses 20 angepasst ist, so dass der Ventilkörper 30 in dem Ventilgehäuse 20 axial bewegt werden kann. Dabei liegt je nach Axialstellung des Ventilkörpers 30 eine Außenseite des Ventilkörpers zumindest abschnittsweise dichtend an einer Innenwand des rohrförmigen Abschnitts des Ventilgehäuses 20 an.
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Durch das Ventilgehäuse 20 führt ein Fluidströmungsweg ausgehend von einem vor dem Ventilkörper 30 angeordneten Anströmbereich 22 in Richtung auf einen hinter dem Ventilkörper 30 angeordneten Abströmbereich 24. Der Fluidströmungsweg führt zumindest abschnittsweise durch einen Spalt zwischen dem Ventilkörper 30 und einer Innenwand des Ventilgehäuses 20. In eine Außenseite 31 des Ventilkörpers 30 ist eine Nut 32 eingebracht. 1b zeigt eine erste Axialstellung I des Ventilkörpers 30, in der die Innenwand des Ventilgehäuses 20 die Nut 32 zur Bildung eines Fluidkanals radial verschließt, so dass der Fluidströmungsweg notwendigerweise entlang der Nut durch den Fluidkanal verläuft. Diese Axialstellung I führt zu einem maximalen Druckabbau zwischen dem Anströmbereich 22 und dem Abströmbereich 24.
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Ausgehend von der in 1b gezeigten Axialstellung I kann der Ventilkörper 30 axial nach unten verschoben werden, bis zumindest ein Endabschnitt 36 der Nut 32 in radialer Richtung offen ist, so dass das Fluid außen daran vorbeiströmen kann (geringerer Druckabbau). In dieser Axialstellung führt der Fluidströmungsweg nur entlang eines Eingangsabschnitts 34 der Nut 32 durch den engen Fluidkanal.
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Der Ventilkörper kann vollständig aus dem rohrförmigen Abschnitt des Ventilgehäuses 20 heraus in einen Abschnitt des Ventilgehäuses 20 mit einem größeren Innendurchmesser bis in die in 1a gezeigte zweite Axialstellung II geschoben werden, in der der Fluidströmungsweg in axialer Richtung außen an dem Ventilkörper 30 vorbeiführt (kaum Druckabbau). Zwischen der ersten und der zweiten Axialstellung I, II ist eine stufenlose Verstellung des Ventilkörpers 30 möglich. Falls der Fluiddruck im Anströmbereich 22 unter einen Grenzdruck (Entlösungsdruck) abzusinken droht, wird der Ventilkörper nach oben in Richtung auf den Anströmabschnitt 22 geschoben, um eine Anhebung des Drucks im Anströmbereich 22 herbeizuführen. Hierzu kann ein Druckregelkreis vorgesehen sein.
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Zwischen der Innenwand des Ventilgehäuses 20 und der Außenseite 31 des Ventilkörpers 30 kann eine spiralförmige Dichtung zum dichtenden Verschließen des Fluidkanals angeordnet sein.
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Wie in den 1b und 3 besonders deutlich dargestellt ist, weist der Ventilkörper 30 eine strömungsoptimiert ausgeformte Fluidanströmgeometrie 45 und eine strömungsoptimiert ausgeformte Fluidabströmgeometrie 55 auf. Mit anderen Worten ist der Ventilkörper 30 so geformt, dass keine starken Krümmungen und sprunghaften Querschnittänderungen des Fluidströmungswegs auftreten, um auf diese Weise eine Kavitation und lokale Druckabfälle zu vermeiden, die zu Verwirbelungen und Abrasionen führen können.
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Zum einen ist der Anströmbereich 22 in axialer Richtung vor dem Ventilkörper 30 und der Abströmbereich 24 in axialer Richtung hinter dem Ventilkörper 30 angeordnet. Mit anderen Worten wird der Ventilkörper 30 nicht radial, sondern axial angeströmt, und das Fluid wird nicht radial, sondern axial abgeführt. Zum zweiten wird der Ventilkörper 30 in axialer Richtung A von einer dem Anströmbereich 22 zugewandten abgeschrägten Frontfläche 42 begrenzt, die durch das Fluid anströmbar ist. Die schräge Frontfläche 42 ist besonders deutlich in den 3a und 3c dargestellt. In 3b ist besonders deutlich dargestellt, dass die Nut 32 ausgehend von einem trichterförmig abgerundeten Übergang 37 der Frontfläche 42 entlang der Außenseite verläuft. Ferner zeigt 3b den in axialer Richtung A verlaufenden Einlassabschnitt 34 der Nut 32. Aufgrund dieser Ausformung der Anströmgeometrie 45 des Ventilkörpers 30 weist der Fluidströmungsweg insbesondere im Anströmbereich 22, der den Hochdruckbereich darstellt, keine großen Krümmungen und/oder stufenförmigen Querschnittsveränderungen auf.
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Der Ventilkörper 30 weist an seiner Außenseite 31 eine einzige wendelförmige Nut 32 auf, wobei die Nut 32 im Einlassabschnitt 34 im Wesentlichen in axialer Richtung verläuft und über einen Zwischenabschnitt 38 mit sich allmählich verringernder Steigung in einen Endabschnitt 36 mit etwa konstanter (geringer) Steigung übergeht.
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Die dem Abströmbereich 24 zugewandte Rückseite 56 des Ventilkörpers verjüngt sich in Richtung auf den Abströmbereich 24 tropfenförmig. Auf diese Weise ist auch die Abströmgeometrie 55 des Ventilkörpers 30 strömungsoptimiert ausgeformt.
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Wie besonders deutlich in den 3a bis 3c dargestellt ist, verringert sich der Nutquerschnitt zumindest in dem Endabschnitt 36 der Nut 32 allmählich. Dies führt dazu, dass bereits eine kleine Axialbewegung des Ventilkörpers 30 einen großen Einfluss auf den Druck im Anströmbereich haben kann, wenn der Ventilkörper ausgehend von der in 1b gezeigten ersten Axialstellung I verschoben wird.
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In den 2a und 2b ist die in den 1a und 1b dargestellte erfindungsgemäße Drucksteuervorrichtung 10 in einer Seitenansicht gezeigt.
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In 4 ist ein Ventilkörper 30' einer alternativen Ausführungsform der Erfindung gezeigt. In die Außenseite dieses Ventilkörpers 30' sind mehrere in axialer Richtung A verlaufende Axialnuten 32' eingebracht. Auch hier ist die Frontfläche 42' des Ventilkörpers 30' angeschrägt, wobei jedoch aufgrund der Anzahl der in Umfangsrichtung beabstandeten Axialnuten 32' die Anschrägung konisch ausgebildet ist, so dass die Nuten 32' jeweils ausgehend von dem in Strömungsrichtung zurückgesetzten Teil der konischen Anschrägung in die Außenwand des Ventilkörpers 30' eingebracht sind. Dagegen liegt bei der in den 1 bis 3 gezeigten ersten Ausführungsform die Frontfläche 42 des Ventilkörpers 30 im Wesentlichen in einer Ebene, die unter einem Winkel von mehr als 20° und weniger als 50° zu der axialen Richtung A verläuft.
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Auch bei der alternativen Ausführungsform ist die Rückseite des Ventilkörpers 30' im Wesentlichen tropfenförmig ausgebildet (siehe Abströmgeometrie 55).
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Der Innendurchmesser des Ventilgehäuses 20 beträgt vorzugsweise mehr als 50 mm, insbesondere etwa 100 mm oder mehr. Die Länge des Ventilkörpers 30 in axialer Richtung kann mehr als 500 mm, insbesondere mehr als 700 mm und weniger als 3500 mm betragen. Die Drucksteuervorrichtung kann auf einen Fluiddurchfluss von mehr als 5 l/s und weniger als 200 l/s eingerichtet sein. Der nominale Volumenstrom kann etwa 130 l/s betragen.
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Die erfindungsgemäße Drucksteuervorrichtung ist vorzugsweise in eine Leitungsanordnung zum Injizieren von Wasser in einen Aquifer eingebaut und ist dabei in einer Injektionsleitung unterhalb des Wasserspiegels angeordnet. Durch die Drucksteuervorrichtung 10 wird der Druck in der Injektionsleitung und einem damit verbundenen Thermalwasserkreislauf oberhalb eines Grenzdrucks gehalten.
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Die Injektionsleitung hat vorzugsweise eine Wanddicke von mehr als 1 cm und eine Länge von mehr als 50 m, insbesondere etwa 400 m. Die erfindungsgemäße Drucksteuervorrichtung wird vorzugsweise in einer Tiefe von etwa 400 m in die Injektionsleitung eingebaut.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Drucksteuervorrichtung sind insbesondere:
- – Gleichmäßiger Druckabbau: Durch die konstruktive Besonderheit des Ventils wird ein gleichmäßiger, stufenloser Druckabbau ohne Druckmaxima/-minima gewährleistet. Das Druckniveau kann einfach über eine lineare Bewegung sehr sensibel dosiert werden.
- – Schonender Druckabbau: Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion ist der schonende Druckabbau. Das heißt, dass auf das durchgeleitete Hydraulik-Fluid eine sehr geringe Scherbeanspruchung wirkt und damit dem Fluid kein Schaden zugefügt wird. Hydrauliköle, Kunststoffemulsionen und Biofluide reagieren empfindlich auf Scherung und können dadurch sogar zerstört werden.
- – Abrasions- und Kavitationsfreiheit: Das Ventil kann mit geringem Aufwand für den jeweiligen Anwendungsfall dimensioniert werden. Die Strömungsgeschwindigkeiten im Ventil weißen dann Werte auf, die keine Kavitation zulassen und Abrasion minimieren. Aufgrund der individuell angepassten Parameter wird die Konstruktion den Randbedingungen angepasst und die konstruktive Besonderheit garantiert einen kavitationsfreien Betrieb des Ventils.
- – Verschleißkompensation: Eine weitere Besonderheit ist die Verschleißkompensation über einen weiten Bereich. In diesem zulässigen „Verschleißbereich” hat dieser keine negativen Auswirkungen auf die Regelbarkeit des Ventils. In denkbaren Anwendungsfällen kann Verschleiß sogar erwünscht sein. Im Zusammenhang mit einer Sollwertregelung kann die Verschleißkompensationen konstruktiv umgesetzt werden.
- – Druckverlustfreie Stellung: Es ist auch möglich, alle Ventile aus dem Ventilsitz zu fahren und somit freien Durchgang für das Fluid zu ermöglichen. Dabei erzeugen die Ventile nur noch einen sehr geringen Druckverlust.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1055830 [0006]
- US 5819775 [0006]
- DE 3124034 C2 [0007]
- WO 2005/001346 A1 [0007]
- WO 2008/052275 A1 [0007]
