DE102018208219A1

DE102018208219A1 - Ventileinrichtung und Verfahren zum Steuern eines Heißgasstroms aus einer Heißgasquelle

Info

Publication number: DE102018208219A1
Application number: DE102018208219.7A
Authority: DE
Inventors: Matthias Hänel; Christian Eichhorn
Original assignee: Duerr Systems AG
Current assignee: Duerr Systems AG
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2019-11-28

Abstract

Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung zum Steuern eines Heißgasstroms aus einer Heißgasquelle weist ein Kanalelement (14) zum Hindurchleiten eines Heißgasstroms (48) aus einer Heißgasquelle (10) und eine Ventileinheit (24) in Strömungsrichtung des Heißgasstroms (48) stromab des Kanalelements (14) auf. Die Ventileinheit (24) ist mit dem Kanalelement (14) verbunden und weist wenigstens ein Ventilelement (34, 38) zum Steuern eines Strömungsquerschnitts durch die Ventileinheit (24) und einen Ausgang (26) zum Ausgeben des durch das Kanalelement (14) und die Ventileinheit (24) hindurch geströmten Heißgasstroms (48) auf. Das Kanalelement (14) ist zudem mit einer Schutzeinrichtung (18-22, 44) zum thermischen Trennen der Ventileinheit (24) von der Heißgasquelle (10) bei geschlossener Ventileinheit (24) ausgestattet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung zum Steuern eines Heißgasstroms aus einer Heißgasquelle und ein Verfahren zum Steuern eines Heißgasstroms aus einer Heißgasquelle.
An Heißgasquellen wie beispielsweise Brennkammern von RTO-Anlagen, Schmelz- oder Gießereiöfen für Metalle oder Glas, elektrischen Hochtemperatur-Lufterhitzern oder Hochtemperatur-Wärmespeichern sind zur Ausschleusung von Energie Heißgaskanäle mit Ventilen und/oder Absperrklappen vorgesehen. Diese Ventile bzw. Absperrklappen sind sehr hohen thermischen Belastungen ausgesetzt und müssen neben der Funktion der Durchflussregelung auch ein Maximum an Dichtheit gewährleisten, um einen Wärmeaustrag durch Kamineffekte und andere Leckagen zu minimieren. Eine ausreichend hohe Dichtheit kann bei herkömmlichen Einrichtungen nur mit großem Anpressdruck auf entsprechende Dichtflächen, einem hohen Maß an Fertigungsgenauigkeit und bevorzugt durch Einbringen von Sperrluft zwischen mindestens zwei Klappenblättern erreicht werden. Um die hohen Druck- und Biegekräfte bei den hohen Temperaturen zu beherrschen, sind zudem entsprechend hohe Aufwendungen bei Konstruktion und Materialauswahl notwendig.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Ventileinrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Steuern eines Heißgasstroms aus einer Heißgasquelle zu schaffen, welche dauerhaft eine sehr hohe Dichteinheit im geschlossenen Zustand gewährleisten.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche. Einige vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung zum Steuern eines Heißgasstroms aus einer Heißgasquelle weist ein Kanalelement zum Hindurchleiten eines Heißgasstroms aus einer Heißgasquelle auf, welches einen Eingang an einem ersten Ende des Kanalelements aufweist, der mit der Heißgasquelle verbindbar ist oder verbunden ist. Die Ventileinrichtung der Erfindung weist ferner eine Ventileinheit auf, die in Strömungsrichtung des Heißgasstroms stromab des Kanalelements vorgesehen ist und mit dem Kanalelement verbunden ist, und die wenigstens ein Ventilelement zum Steuern eines Strömungsquerschnitts durch die Ventileinheit und einen Ausgang zum Ausgeben des durch das Kanalelement und die Ventileinheit hindurch geströmten Heißgasstroms aufweist. Das Kanalelement ist außerdem mit einer Schutzeinrichtung zum thermischen Trennen der Ventileinheit von der Heißgasquelle bei geschlossener Ventileinheit ausgestattet. Der Schutzeinrichtung kommt dabei insbesondere die Aufgabe zu, die Ventileinheit, insbesondere das Ventilelement, zumindest in deren Schließstellung vor thermischen Überlastungen durch das im Kanalelement anstehende bzw. anströmende Heißgas der Heißgasquelle zu schützen.
Gemäß der Erfindung wird somit vorgeschlagen, die Ventileinheit thermisch von der Heißgasquelle zu trennen, wenn die Ventileinheit geschlossen ist, indem das Kanalelement der Ventileinrichtung mit einer entsprechenden Schutzeinrichtung ausgestattet wird. Da die Ventileinheit selbst keine thermischen Schutzmaßnahmen benötigt und deshalb vorzugsweise unverändert bleiben kann, kann die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung einfach und kostengünstig aufgebaut werden. Als Folge dieser Trennung der Ventileinheit von der Heißgasquelle ist das wenigstens eine Ventilelement der Ventileinheit vor zu großer Hitze geschützt und keinen zu hohen Drücken ausgesetzt, sodass es im geschlossenen Zustand der Ventileinheit eine sehr hohe Dichtheit von bis zu 100% dauerhaft gewährleisten kann, ohne dass zu hohe Anforderungen an die Konstruktion und die Materialauswahl des wenigstens einen Ventilelements gestellt werden.
Die Ventileinrichtung der Erfindung ist grundsätzlich in Kombination mit beliebigen Heißgasquellen anwendbar. Bei dem Heißgasstrom handelt es sich insbesondere um einen Gasstrom oder Luftstrom mit einer Temperatur über 600°C, vorzugsweise über 800°C, bevorzugt bis 1.000°C oder gar darüber.
Der Eingang des Kanalelements ist mit der Heißgasquelle verbindbar oder verbunden. In diesem Zusammenhang kann das Kanalelement als separate Komponente gefertigt und mit einem Ausgang der Heißgasquelle dauerhaft (z.B. Schweißverbindung) oder lösbar (z.B. über Anschlüsse, Muffen, etc.) verbunden werden, oder kann das Kanalelement integral mit dem Ausgang der Heißgasquelle ausgebildet sein.
Die Ventileinheit enthält wenigstens ein Ventilelement, d.h. ein, zwei, drei oder mehr Ventilelemente zum Steuern des Strömungsquerschnitts durch die Ventileinheit. Das Steuern des Strömungsquerschnitts umfasst vorzugsweise ein Öffnen und Schließen des Strömungsquerschnitts, weiter bevorzugt auch ein stufenweises oder kontinuierliches Einstellen der Größe des Strömungsquerschnitts zwischen 0% (geschlossen) und 100% (geöffnet).
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung weist das Kanalelement zum Bilden der Schutzeinrichtung einen ersten Kanalabschnitt, der in Strömungsrichtung des Heißgasstroms stromab des Eingangs vorgesehen ist und im eingebauten Zustand der Ventileinrichtung in Strömungsrichtung des Heißgasstroms abfallend verläuft, und einen zweiten Kanalabschnitt, der in Strömungsrichtung des Heißgasstroms stromab des ersten Kanalabschnitts vorgesehen ist und im eingebauten Zustand der Ventileinrichtung in Strömungsrichtung des Heißgasstroms aufsteigend verläuft, auf. Die Ventileinrichtung ist bei dieser Ausgestaltung vorzugsweise mit dem zweiten Kanalabschnitt des Kanalelements verbunden.
Gemäß dieser Ausführungsvariante der Erfindung wird insbesondere vorgeschlagen, zwischen der Ventileinheit und der Heißgasquelle ein siphonartiges Kanalelement vorzusehen, um die thermische Trennung zwischen Ventileinheit und Heißgasquelle zu erzielen. Auf diese Weise ist die am stromabwärtigen Ende des Kanalelements positionierte Ventileinheit ausreichend weit von der Heißgasquelle entfernt und daher vor einem Wärmeeintrag geschützt. Außerdem kühlt das im Kanalelement nach dem Schließen der Ventileinheit vorhandene Gas (insbesondere Luft oder Abluft) ab und trennt so zudem die Ventileinheit von der Heißgasquelle in der Art eines Siphons aufgrund des durch den Temperaturunterschied erzeugten Dichtegradienten des Gases im Kanalelement
Bei dieser Ausführungsvariante der Erfindung verläuft der erste Kanalabschnitt in Strömungsrichtung des Heißgasstroms abfallend, d.h. das in Strömungsrichtung des Heißgasstroms stromaufwärtige Ende ist im eingebauten Zustand der Ventileinrichtung höher positioniert als das in Strömungsrichtung des Heißgasstroms stromabwärtige Ende. Der erste Kanalabschnitt verläuft vorzugsweise zumindest abschnittweise in Richtung nach unten, bevorzugt über seine gesamte Länge hinweg in Richtung nach unten, wahlweise schräg oder vertikal. Vorzugsweise schließen der erste Kanalabschnitt und/oder eine Hauptströmungsrichtung des Heißgasstroms im ersten Kanalabschnitt im eingebauten Zustand der Ventileinrichtung einen Winkel von weniger als 90°, bevorzugt weniger als 45°, besonders bevorzugt weniger als 15°, idealerweise von etwa 0° zur Vertikalen ein. Vorzugsweise verläuft der erste Kanalabschnitt zumindest teilweise im Wesentlichen vertikal. Analog verläuft der zweite Kanalabschnitt in Strömungsrichtung des Heißgasstroms aufsteigend, d.h. das in Strömungsrichtung des Heißgasstroms stromaufwärtige Ende ist im eingebauten Zustand der Ventileinrichtung niedriger positioniert als das in Strömungsrichtung des Heißgasstroms stromabwärtige Ende. Der zweite Kanalabschnitt verläuft vorzugsweise zumindest abschnittweise in Richtung nach oben, bevorzugt über seine gesamte Länge hinweg in Richtung nach oben, wahlweise schräg oder vertikal. Vorzugsweise schließen der zweite Kanalabschnitt und/oder eine Hauptströmungsrichtung des Heißgasstroms im zweiten Kanalabschnitt im eingebauten Zustand der Ventileinrichtung einen Winkel von weniger als 90°, bevorzugt weniger als 45°, besonders bevorzugt weniger als 15°, idealerweise von etwa 0° zur Vertikalen ein. Vorzugsweise verläuft der zweite Kanalabschnitt zumindest teilweise im Wesentlichen vertikal.
Bevorzugt hat der erste Kanalabschnitt eine größere Höhe (Maß in vertikaler Richtung, im eingebauten Zustand der Ventileinrichtung) als der zweite Kanalabschnitt, sodass der Eingang des Kanalelements höher liegt als die Ventileinheit, insbesondere höher als der Ausgang der Ventileinheit. Insbesondere ist der Eingang des ersten Kanalabschnitts im eingebauten Zustand der Ventileinrichtung räumlich höher positioniert als die Ventileinheit, insbesondere höher als der Ausgang der Ventileinheit. Diese Ausgestaltung des Kanalelements erhöht den Siphoneffekt des die Ventileinheit von der Heißgasquelle beabstandenden Kanalelements.
In einer Ausführungsform sind die im eingebauten Zustand der Ventileinrichtung unteren Enden des ersten Kanalabschnitts und des zweiten Kanalabschnitts des Kanalelements über einen Verbindungskanalabschnitt miteinander verbunden, der vorzugsweise zumindest teilweise im Wesentlichen horizontal verläuft. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass der Verbindungskanalabschnitt zumindest abschnittweise bogenförmig ausgebildet ist und/oder ein bogenförmiges Kanalsegment aufweist.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung weist die Schutzeinrichtung des Kanalelements eine Kühldüsenvorrichtung zum Einblasen von Kühlluft in das Kanalelement in Strömungsrichtung des Heißgasstroms stromauf der Ventileinheit auf. Durch die Möglichkeit, über die Kühldüsenvorrichtung Kühlluft in das Kanalelement einzublasen, kann bei geschlossener Ventileinheit diese Ventileinheit mittels der kühleren Luft im Kanalelement effektiv von der Heißgasquelle getrennt werden. Durch die eingeblasene Kühlluft, die im Kanalelement aufgrund der Thermik absinkt, kann insbesondere bei einem im eingebauten Zustand der Ventileinrichtung abfallend verlaufenden Kanalelement vorteilhafterweise zudem ein Kamineffekt unterbunden werden, da der Heißgasstrom aus der Heißgasquelle seine Strömungsrichtung umkehrt und im Kanalelement aufgrund der Thermik wieder aufsteigt. Mittels der Kühldüsenvorrichtung kann so im geschlossenen Zustand der Ventileinheit eine etwaige Undichtheit des wenigstens einen Ventilelements der Ventileinheit ausgeglichen werden und die Dichtheit der gesamten Ventileinrichtung gewährleistet werden. Zusätzlich kann die von der Kühldüsenvorrichtung eingeblasene Kühlluft auch dem Kühlen der Ventileinheit dienen.
Die Kühldüsenvorrichtung weist vorzugsweise mindestens eine Ringdüse oder einen, mehrere Düsen umfassende Düsenring mit einem Coanda-Effekt oder einem Venturi-Effekt auf. Die Kühlluft wird von der Kühldüsenvorrichtung vorzugsweise als Druckluft in das Kanalelement eingeblasen.
Außerdem ist die Kühldüsenvorrichtung bevorzugt derart ausgestaltet und/oder angeordnet, dass sie bei geöffneter Ventileinheit eine den Heißgasstrom fördernde Wirkung entfalten kann.
In weiteren Ausführungsvarianten der Erfindung können die beiden vorbeschriebenen Ausführungsvarianten auch miteinander kombiniert werden. D.h. die Schutzeinrichtung zum thermischen Trennen der Ventileinheit von der Heißgasquelle wird durch ein siphonartiges Kanalelement gebildet und weist zudem eine Kühldüsenvorrichtung auf.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das wenigstens eine Ventilelement der Ventileinheit ein erstes Ventilelement zum wahlweisen Öffnen oder Schließen der Ventileinheit auf. Dieses erste Ventilelement ist vorzugsweise als ein Tellerventil ausgestaltet, bevorzugt mit einer flexiblen, hochtemperaturfesten Dichtleiste zur Abdichtung gegenüber dem Ventilsitz, bevorzugt zur Gewährleistung einer bis zu 100%-Abdichtung bei einem Druckunterschied von bis zu 50 mbar.
Vorzugsweise ist dieses erste Ventilelement in seinem vollständigen Öffnungszustand aus dem Heißgasstrom zurückgesetzt, sodass es nicht weiter von heißen Gasen umströmt wird. Vorzugsweise weist die Ventileinheit ferner eine Kühlvorrichtung zum direkten oder indirekten Kühlen dieses ersten Ventilelements in seiner zurückgesetzten Position auf. Diese Kühlvorrichtung weist vorzugsweise mindestens eine Kühlluftdüse auf.
Bei dieser Ausgestaltung der Ventileinrichtung weist das wenigstens eine Ventilelement der Ventileinheit vorzugsweise ferner ein zweites Ventilelement zum Einstellen des offenen Strömungsquerschnitts durch die Ventileinheit auf. Dieses zweite Ventilelement ist vorzugsweise als eine Klappe, bevorzugt eine drehbare Klappe ausgebildet. Dieses zweite Ventilelement in Form einer Klappe eignet sich insbesondere zum Regeln größerer Volumenströme, während kleiner Volumenströme auch mit Hilfe der über die Kühldüsenvorrichtung eingeblasenen Kühlluft geregelt werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Ventileinrichtung ferner wenigstens einen Sensor zum Erfassen wenigstens eines Parameters des Gases oder Gasgemisches im Kanalelement und/oder in der Ventileinheit auf. Zu diesem wenigstens einen Parameter zählen insbesondere die Temperatur, die Temperaturverteilung, der Druck, der Volumenstrom, die Volumenstromverteilung, die Volumenströmungsrate, etc. an einer oder mehreren Stellen im Kanalelement. Vorzugsweise weist die Ventileinheit eine Ventilsteuerung zum Ansteuern des wenigstens einen Ventilelements auf, die mit dem wenigstens einen Sensor verbunden ist, sodass das wenigstens eine Ventilelement der Ventileinheit in Abhängigkeit von den erfassten Parametern des Gases oder Gasgemisches im Kanalelement gesteuert werden kann. Vorzugsweise ist gegebenenfalls auch eine Kühldüsensteuerung zum Ansteuern der Kühldüsenvorrichtung vorgesehen, die mit dem wenigstens einen Sensor verbunden ist, sodass das Einblasen der Kühlluft in Abhängigkeit von den erfassten Parametern des Gases oder Gasgemisches im Kanalelement gesteuert werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Ventileinrichtung ferner wenigstens einen weiteren Sensor zum Erfassen wenigstens eines Parameters der Ventileinheit auf. Zu diesem wenigstens einen Parameter der Ventileinheit zählen insbesondere die Temperatur von Komponenten der Ventileinheit, der Öffnungsgrad des ersten Ventilelements, der Öffnungsgrad des zweiten Ventilelements, etc. Vorzugsweise weist die Ventileinheit eine Ventilsteuerung zum Ansteuern des wenigstens einen Ventilelements auf, die mit dem wenigstens einen weiteren Sensor verbunden ist, sodass das wenigstens eine Ventilelement der Ventileinheit in Abhängigkeit von den erfassten Parametern der Ventileinheit gesteuert werden kann. Vorzugsweise ist gegebenenfalls auch eine Kühldüsensteuerung zum Ansteuern der Kühldüsenvorrichtung vorgesehen, die mit dem wenigstens einen weiteren Sensor verbunden ist, sodass das Einblasen der Kühlluft in Abhängigkeit von den erfassten Parametern der Ventileinheit gesteuert werden kann. Vorzugsweise kann die Kühldüsenvorrichtung einen weiteren Anschluss zwischen den Ventilelementen der Ventileinheit zur Notkühlung mit Druckluft aufweisen.
In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Ventileinheit mit einer thermischen Isolierung gegenüber der Umgebung versehen. Vorzugsweise weist diese thermische Isolierung eine innenliegende hochtemperaturfeste Auskleidung, vorzugsweise eine Keramikfaserauskleidung auf. Vorzugsweise sind auch die Ventilelemente und die Stellglieder der Ventilelemente in der Ventileinheit thermisch isoliert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern eines Heißgasstroms aus einer Heißgasquelle enthält die Schritte des Leitens des Heißgasstroms aus der Heißgasquelle zunächst durch ein Kanalelement und dann durch eine Ventileinheit, wobei ein Strömungsquerschnitt der Ventileinheit mittels wenigstens eines Ventilelements gesteuert wird und die Ventileinheit von der Heißgasquelle bei geschlossener Ventileinheit thermisch getrennt wird.
Mit diesem Verfahren können die gleichen Vorteile erzielt werden wie mit der oben erläuterten Ventileinrichtung der Erfindung. Bezüglich der Vorteile, der bevorzugten Ausgestaltungen und der Begriffsdefinitionen wird deshalb auf die obigen Erläuterungen in Zusammenhang mit der Ventileinrichtung der Erfindung verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung wird der Heißgasstrom aus der Heißgasquelle zunächst durch einen ersten Kanalabschnitt des Kanalelements geleitet, der in Strömungsrichtung des Heißgasstroms abfallend verläuft, und wird der Heißgasstrom nach Durchströmen des ersten Kanalabschnitts durch einen zweiten Kanalabschnitt des Kanalelements geleitet, der in Strömungsrichtung des Heißgasstroms aufsteigend verläuft.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung wird in einem im Kanalelement befindlichen Gas zumindest teilweise ein Dichtegradient derart erzeugt, dass eine Dichte des Gases in Strömungsrichtung des Heißgasstroms zunimmt. Der Dichtegradient kann vorzugsweise durch einen Temperaturunterschied und/oder Unterschiede in der Zusammensetzung des Gas(gemisch)es erzeugt werden.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung wird Kühlluft in das Kanalelement eingeblasen, wenn die Ventileinheit mittels des wenigstens einen Ventilelements geschlossen ist. Diese Kühlluft im Kanalelement bewirkt die thermische Trennung zwischen der Ventileinheit und der Heißgasquelle.
In noch weiteren Ausführungsvarianten der Erfindung können die vorbeschriebenen Ausführungsvarianten zum Erzielen der thermischen Trennung der Ventileinheit von der Heißgasquelle auch einfach oder mehrfach miteinander kombiniert werden. Auf diese Weise kann die Effektivität dieser thermischen Trennung weiter verbessert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ferner Kühlluft in das Kanalelement und/oder in die Ventileinheit eingeleitet, wenn die Ventileinheit mittels des wenigstens einen Ventilelements geöffnet ist. Mit dieser zusätzlichen Kühlluft kann ein Heißgasvolumenstrom durch die Ventileinheit geregelt werden oder die Ventileinheit gekühlt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Ventileinheit mittels eines ersten Ventilelements (z.B. in Form eines Tellerventils) des wenigstens einen Ventilelements wahlweise geöffnet oder geschlossen und wird der offene Strömungsquerschnitt der Ventileinheit mittels eines zweiten Ventilelements (z.B. in Form einer Klappe) des wenigstens einen Ventilelements eingestellt, wenn die Ventileinheit mittels des ersten Ventilelements geöffnet ist.
Vorzugsweise wird das erste Ventilelement in seinem vollständigen Öffnungszustand aus dem Heißgasstrom zurückgesetzt und zudem bevorzugt in seiner zurückgesetzten Position des vollständigen Öffnungszustandes mittels einer Kühlvorrichtung direkt oder indirekt gekühlt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden wenigstens ein Parameter des Gases oder Gasgemisches im Kanalelement, wenigstens ein Parameter des Gases oder Gasgemisches in der Ventileinheit und/oder wenigstens ein Parameter der Ventileinheit erfasst. Vorzugsweise können das wenigstens eine Ventilelement der Ventileinheit und/oder das Einblasen von Kühlluft dann in Abhängigkeit von diesen erfassten Parametern gesteuert werden.
Die oben beschriebene Ventileinrichtung und das oben beschriebene Verfahren sind in vorteilhafter Weise zum Beispiel bei der Rückführung oder Entnahme von Heißgas von RTO-Anlagen zum Betrieb von Trocknungsanlagen (z.B. für die Trocknung von lackierten oder oberflächenbehandelten Gegenständen) oder zur Bereitstellung von Wärmeenergie für Abhitze- oder Dampfkessel, beim Anschluss an den heißen Dombereich von Hochtemperatur-Wärmespeichern, zur Beschickung von ORC-Anlagen, Mikrogasturbinen oder dergleichen einsetzbar. Dementsprechend betrifft die Erfindung insbesondere auch die Verwendung der oben beschriebenen Ventileinrichtung sowie des oben beschriebenen Verfahrens an einer regenerativ-thermischen Abluftreinigungsanlage (RTO-Anlage), an einem Heißgas-Wärmespeicher, einer ORC-Anlage und/oder einer Gasturbinenanlage sowie die vorgenannten Anlagen mit einer oben beschriebenen Ventileinrichtung sowie deren Betrieb unter Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens.
Obige sowie weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen, größtenteils schematisch:

1 den Aufbau einer Ventileinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 den Aufbau einer Ventileinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 den Aufbau einer Ventileinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
4 den Aufbau einer Ventileinrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Aufbau und Funktionsweise eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung werden nun beispielhaft anhand 1 näher erläutert.
Die Ventileinrichtung ist an eine Heißgasquelle 10, zum Beispiel einen Ausgangskanal einer Brennkammer einer RTO-Anlage, angeschlossen. Die Heißgasquelle 10 bzw. der Ausgangskanal weist zu diesem Zweck hier einen Heißgasausgang 12 auf.
Die Ventileinrichtung weist als eine wesentliche Komponente ein Kanalelement 14 zum Hindurchleiten eines Heißgasstroms 48 aus der Heißgasquelle 10 auf. Am stromaufwärtigen ersten Ende des Kanalelements 14 ist ein Eingang 16 vorgesehen, der mit dem Heißgasausgang 12 der Heißgasquelle 12 verbunden ist, um das heiße Gas von der Heißgasquelle 10 in das Kanalelement 14 einzuleiten.
Das Kanalelement 14 hat einen ersten Kanalabschnitt 18, der in Strömungsrichtung des Heißgasstroms 48 an den Eingang 16 anschließt und in dem in 1 veranschaulichten eingebauten Zustand der Ventileinrichtung in Strömungsrichtung des Heißgasstroms 48 abfallend, vorzugsweise über seine gesamte Länge im Wesentlichen vertikal abfallend verläuft. In Strömungsrichtung des Heißgasstroms 48 stromab dieses ersten Kanalabschnitts 18 weist das Kanalelement 14 einen zweiten Kanalabschnitt 20 auf. Dieser zweite Kanalabschnitt 20 verläuft in dem in 1 veranschaulichten eingebauten Zustand der Ventileinrichtung in Strömungsrichtung des Heißgasstroms 48 aufsteigend, vorzugsweise über seine gesamte Länge im Wesentlichen vertikal aufsteigend. Der erste Kanalabschnitt 18 und der zweite Kanalabschnitt 20 des Kanalelements 14 sind über einen Verbindungskanalabschnitt 22 miteinander verbunden, der in dem in 1 veranschaulichten eingebauten Zustand der Ventileinrichtung vorzugsweise im Wesentlichen horizontal verläuft. Insgesamt ist das Kanalelement 14 so in der Art eines Siphons ausgestaltet.
An dem in Strömungsrichtung des Heißgasstroms 48 stromabwärtigen Ende des Kanalelements 14 ist eine Ventileinheit 24 angeordnet. Diese Ventileinheit 24 ist mit dem zweiten Kanalabschnitt 20 des Kanalelements 14 verbunden und weist einen Ausgang 26 zum Ausgeben des durch das Kanalelement 14 und die Ventileinheit 24 hindurch geströmten Heißgasstroms 48 auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Ausgang 26 der Ventileinheit 24 über einen Anschluss 30 mit einem Heißgaskanal 30 verbunden, in dem beispielsweise ein hier optionaler saugseitiger Ventilator 32 zum Fördern des Heißgasstroms 48 vorgesehen ist. In diesem Zusammenhang sind dem Fachmann auch andere Möglichkeiten zum Fördern des Heißgasstroms 48 bekannt, die ohne Beeinträchtigung der Erfindungsidee alternativ oder ergänzend zu dem hier gezeigten Ventilator 32 Einsatz finden können. So wäre beispielsweise anstelle der hier gezeigten saugenden Beschaltung eine druckseitige Beschaltung zum Fördern des Heißgasstroms 48 denkbar. Auch können eine saugseitige Beschaltung mit erhöhtem räumlichen Abstand zur Ventileinheit 24 vorgesehen sein und/oder eine einzeln oder in Ergänzung zum Ventilator 32 angeordnete Düsenanordnung zum Beispiel unter Ausnutzung des Venturi-Effektes vorgesehen sein.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der erste Kanalabschnitt 18 länger ausgebildet als der zweite Kanalabschnitt 20 des Kanalelements 14. Als Folge davon sind die Ventileinheit 24 und auch deren Ausgang 26 unterhalb des Eingangs 16 des Kanalelements 14 positioniert. Dies verstärkt die Siphonwirkung des Kanalelements 14.
Die Ventileinheit 24 weist ein Tellerventil als erstes Ventilelement 34 auf, das in dem in 1 gezeigten geöffneten Zustand von einem zugehörigen Ventilsitz 36 entfernt ist, um den Strömungsquerschnitt durch die Ventileinheit 24 zu öffnen. Im geschlossenen Zustand liegt das Tellerventil 34 am Ventilsitz 36 an, um den Strömungsquerschnitt der Ventileinheit 24 zu schließen und möglichst zu 100% abzudichten. Das Tellerventil 34 weist hierzu beispielsweise eine flexible, hochtemperaturfeste Dichtleiste auf, die einen Druckunterschied von bis zu 50 mbar abdichten kann.
Die Ventileinheit 24 weist ferner eine Klappe als zweites Ventilelement 34 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel stromauf des Tellerventils 34 angeordnet ist. Mit dieser Klappe 38 kann der offene Strömungsquerschnitt der Ventileinheit stufenweise oder kontinuierlich eingestellt werden.
Die Ausbildungen der Ventilelemente 34, 38 in den in 1 dargestellten Ausführungen als Tellerventil bzw. Klappe sind dabei nicht einschränkend für den Erfindungsgedanken zu verstehen. Vielmehr sind dem Fachmann alternative Ausbildungen zu einem Tellerventil oder einer Klappe bekannt, welche ebenfalls erfindungsgemäß zum Einsatz kommen können. So können beispielsweise auch Jalousie- oder Blenden-Klappen, Dreh- oder Schwenk-Klappen oder aber auch Sperrströmungen herangezogen werden.
Des Weiteren weist die Ventileinheit 24 eine Ventilsteuerung 40 auf, mit der die Ventilelemente 34, 38 der Ventileinheit 24 angesteuert werden können.
Wie in 1 angedeutet, ist die Ventileinheit 24 innen mit einer thermischen Isolierung 42 gegenüber der Umgebung, beispielsweise in Form einer hochtemperaturfesten Auskleidung, vorzugsweise einer Keramikfaserauskleidung, versehen. Zusätzlich können auch die Ventilelemente 34, 38 und deren Stellglieder thermisch isoliert sein.
Zwischen dem Kanalelement 14 und der Ventileinheit 24 ist ferner eine Kühldüsenvorrichtung 44 vorgesehen, die von einer Kühldüsensteuerung 45 angesteuert wird. Die Kühldüsenvorrichtung 44 weist beispielsweise eine Ringdüse mit Coanda-Effekt auf, um aus ihrem kompletten 360°-Innenkreis einen zum Zentrum gerichteten laminaren Kühlluftstrom 50 in das Kanalelement 14 einzublasen.
Wie in 1 angedeutet, weist die Ventileinrichtung zudem mehrere Sensoren 46 zum Erfassen wenigstens eines Parameters (z.B. Temperatur, Temperaturverteilung, Druck, Volumenstrom, Volumenstromverteilung, Volumenströmungsrate, etc.) des Gases oder Gasgemisches an einer oder mehreren Stellen im Kanalelement 14 und/oder in der Ventileinheit 24 auf. Außerdem sind in der Ventileinheit 24 mehrere weitere Sensor zum Erfassen wenigstens eines Parameters der Ventileinheit 24 (z.B. Temperatur von Komponenten der Ventileinheit, Öffnungsgrad des Tellerventils, Öffnungsgrad der Klappe, etc.) vorgesehen. Die Ventilsteuerung 40 und die Kühldüsensteuerung 45 sind mit diesen Sensoren 46 und weiteren Sensoren 47 verbunden, sodass die Ventilelemente 34, 38 der Ventileinheit 24 und die Kühldüsenvorrichtung 44 in Abhängigkeit von den erfassten Parametern angesteuert werden können.
Die Funktionsweise dieser Ventileinrichtung ist wie folgt.
Im geschlossenen Zustand der Ventileinheit 24, d.h. wenn das Tellerventil 34 vollständig geschlossen ist und möglichst zu 100% gegen den Ventilsitz 36 abdichtet, ist die Ventileinheit 4 über das Kanalelement 14 von der Heißgasquelle 10 beabstandet und über das im Kanalelement 14 vorhandene Gas(gemisch) von der Heißgasquelle 10 getrennt. Ein Wärmeeintrag von der Heißgasquelle 10 in die Ventileinheit 24 ist somit verhindert oder zumindest deutlich reduziert, sodass die Ventileinheit 24 und deren Ventilelemente 34, 38 thermisch weniger stark belastet sind und daher dauerhaft einen höheren Dichtheitsgrad gewährleisten können.
Um diesen Siphoneffekt des Kanalelements 14 zu verstärken, kann über die Kühldüsenvorrichtung 44 Kühlluft in das Kanalelement 14 eingeblasen werden. Die eingeblasene Kühlluft sinkt im Kanalelement 14 ab, sodass vorteilhafterweise ein Kamineffekt unterbunden werden kann, da der Heißgasstrom 48 aus der Heißgasquelle 10 seine Strömungsrichtung umkehrt und im ersten Kanalabschnitt 18 des Kanalelements 14 aufgrund der Thermik wieder aufsteigt. Im Ergebnis kann so im geschlossenen Zustand der Ventileinheit 24 eine etwaige Undichtheit des Tellerventils 34 ausgeglichen werden.
Im geöffneten Zustand der Ventileinheit 24, d.h. wenn das Tellerventil 34 vollständig geöffnet ist, kann mit der Klappe 38 der Strömungsquerschnitt durch die Ventileinheit 24 eingestellt und so der Volumenstrom des Heißgasstroms 48 geregelt werden. Dies gilt insbesondere für größere Volumenströme, die im Beispiel der 1 mit eingeschaltetem Ventilator 32 erzeugt werden können.
Im Betrieb mit ausgeschaltetem Ventilator 32, d.h. bei kleineren Volumenströmen können diese wahlweise auch mit Hilfe der über die Kühldüsenvorrichtung 44 eingeblasenen Kühlluft geregelt werden. Beim Einblasen der Kühlluft mittels geeigneter Düsengeometrien bildet sich unter Ausnutzung des Coanda- oder Venturi-Effekts oder anderer Strömungseffekte schnell ein trichterförmiger Luftstrom, der ein großes Volumen an umgebendem Gas mitreißt. Auf diese Weise kann man mit einem geringen Einsatz an Druckluft beispielsweise einen bis zu 30-fachen Volumenstrom längs der Flussrichtung erzielen. Eine exakte Ausbalancierung der Temperaturniveaus ist so wesentlich feinfühliger möglich als mit einem stark eingedrosselten separaten Fördersystem nach dem Stand der Technik. Eine zusätzliche Regelung des Volumenstroms mit der Klappe 38 ist auch hier möglich.
In dem Ausführungsbeispiel von 1 ist die Schutzeinrichtung zum thermischen Trennen der Ventileinheit 24 von der Heißgasquelle 10 bei geschlossener Ventileinheit 24 durch die siphonartige Ausgestaltung des Kanalelements 14 mit dem ersten und dem zweiten Kanalabschnitt 18, 20 gebildet und weist diese Schutzeinrichtung die Kühldüsenvorrichtung 44 auf. In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann auch auf die Kühldüsenvorrichtung 44 verzichtet werden, sodass die thermische Schutzeinrichtung allein durch das siphonartige Kanalelement gebildet wird.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung. Dabei sind gleiche oder entsprechende Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern wie im ersten Ausführungsbeispiel versehen.
Das zweite Ausführungsbeispiel von 2 unterscheidet sich von dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel durch die Ausgestaltung und Anordnung des ersten Ventilelements 34. Wie in 2 veranschaulicht, weist die Wandung der Ventileinheit 24 im Bereich des ersten Ventilelements 34 eine Vertiefung auf, in welche das erste Ventilelement 34 in seinem Öffnungszustand zurückgesetzt werden kann. Auf diese Weise kann das erste Ventilelement 34 in seinem Öffnungszustand aus dem Heißgasstrom 48 herausgezogen und auf diese Weise geschont werden.
Optional kann die Ventileinheit 24 zum Beispiel im Bereich der Vertiefung für das erste Ventilelement 34 eine Kühlvorrichtung 52 aufweisen. Diese Kühlvorrichtung 52 enthält beispielsweise eine Kühlluftdüse. Mit Hilfe der Kühlvorrichtung 52 kann das erste Ventilelement 34 insbesondere in seinem Öffnungszustand direkt oder indirekt gekühlt werden.
Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel von 2 dem ersten Ausführungsbeispiel von 1, einschließlich seiner beschriebenen Varianten.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung. Dabei sind gleiche oder entsprechende Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern wie im ersten Ausführungsbeispiel versehen.
Das dritte Ausführungsbeispiel von 3 unterscheidet sich von dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel durch die Ausgestaltung der thermischen Schutzeinrichtung für die Ventileinheit 24. In dem Ausführungsbeispiel von 3 ist das Kanalelement 14 im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel von 1 nicht siphonartig ausgestaltet, sondern enthält nur einen im Wesentlichen vertikal aufsteigenden Kanalabschnitt. Demgemäß weist die thermische Schutzeinrichtung in diesem Ausführungsbeispiel nur die Kühldüsenvorrichtung 44 auf.
In einer Variante dieses dritten Ausführungsbeispiels kann auch in diesem Fall die Ausgestaltung und Anordnung des ersten Ventilelements 34 der Ventileinheit 24 analog zum zweiten Ausführungsbeispiel abgeändert werden.
Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel von 3 dem ersten Ausführungsbeispiel von 1, einschließlich seiner beschriebenen Varianten.
4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung. Dabei sind gleiche oder entsprechende Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen versehen.
Das vierte Ausführungsbeispiel von 4 unterscheidet sich von dem dritten Ausführungsbeispiel von 3 durch den Verlauf des Kanalelements 14. Im Ausführungsbeispiel von 4 verläuft das Kanalelement 14 in Strömungsrichtung des Heißgasstroms 48 im Wesentlichen vertikal abfallend.
In einer Variante dieses vierten Ausführungsbeispiels kann auch in diesem Fall die Ausgestaltung und Anordnung des ersten Ventilelements 34 der Ventileinheit 24 analog zum zweiten Ausführungsbeispiel abgeändert werden.
Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel von 4 dem dritten Ausführungsbeispiel von 3, einschließlich seiner beschriebenen Varianten.
Die Auswahl aus drittem und viertem Ausführungsbeispiel wird insbesondere je nach dem zur Verfügung stehenden Bauraum und je nach den an die Ventileinrichtung stromabwärts angeschlossenen Einheiten getroffen.
Bezugszeichenliste

10: Heißgasquelle
12: Heißgasausgang
14: Kanalelement
16: Eingang
18: erster Kanalabschnitt
20: zweiter Kanalabschnitt
22: Verbindungskanalabschnitt
24: Ventileinheit
26: Ausgang
28: Heißgaskanal
30: Anschluss Heißgaskanal
32: Ventilator
34: erstes Ventilelement, insbes. Tellerventil
36: Ventilsitz
38: zweites Ventilelement, insbes. Klappe
40: Ventilsteuerung
42: thermische Isolierung
44: Kühldüsenvorrichtung
45: Kühldüsensteuerung
46: Sensoren
47: weitere Sensoren
48: Heißgasstrom
50: Kühlluftstrom
52: Kühlvorrichtung

Claims

Ventileinrichtung zum Steuern eines Heißgasstroms aus einer Heißgasquelle, aufweisend: ein Kanalelement (14) zum Hindurchleiten eines Heißgasstroms (48) aus einer Heißgasquelle (10), mit einem Eingang (16) an einem ersten Ende des Kanalelements (14), der mit der Heißgasquelle (10) verbindbar ist oder verbunden ist; und eine Ventileinheit (24), die in Strömungsrichtung des Heißgasstroms (48) stromab des Kanalelements (14) vorgesehen ist und mit dem Kanalelement (14) verbunden ist, mit wenigstens einem Ventilelement (34, 38) zum Steuern eines Strömungsquerschnitts durch die Ventileinheit (24) und einem Ausgang (26) zum Ausgeben des durch das Kanalelement (14) und die Ventileinheit (24) hindurch geströmten Heißgasstroms (48), wobei das Kanalelement (14) mit einer Schutzeinrichtung (18-22, 44) zum thermischen Trennen der Ventileinheit (24) von der Heißgasquelle (10) bei geschlossener Ventileinheit (24) ausgestattet ist.
Ventileinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Kanalelement (14) zum Bilden der Schutzeinrichtung einen ersten Kanalabschnitt (18), der in Strömungsrichtung des Heißgasstroms (48) stromab des Eingangs (16) vorgesehen ist und im eingebauten Zustand der Ventileinrichtung (24) in Strömungsrichtung des Heißgasstroms (48) abfallend verläuft, und einen zweiten Kanalabschnitt (20), der in Strömungsrichtung des Heißgasstroms (48) stromab des ersten Kanalabschnitts (18) vorgesehen ist und im eingebauten Zustand der Ventileinrichtung in Strömungsrichtung des Heißgasstroms (48) aufsteigend verläuft, aufweist, wobei die Ventileinheit (24) mit dem zweiten Kanalabschnitt (20) des Kanalelements (14) verbunden ist.
Ventileinrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der erste Kanalabschnitt (18) des Kanalelements (14) im eingebauten Zustand der Ventileinrichtung eine größere Höhe hat als der zweite Kanalabschnitt (20) des Kanalelements (14).
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Schutzeinrichtung des Kanalelements (14) eine Kühldüsenvorrichtung (44) zum Einblasen von Kühlluft in das Kanalelement (14) in Strömungsrichtung des Heißgasstroms (48) stromauf der Ventileinheit (24) aufweist.
Ventileinrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Kühldüsenvorrichtung (44) derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass sie bei geöffneter Ventileinheit (24) eine den Heißgasstrom (48) fördernde Wirkung entfalten kann.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das wenigstens eine Ventilelement (34, 38) der Ventileinheit (24) ein erstes Ventilelement (34) zum wahlweisen Öffnen oder Schließen der Ventileinheit (24) aufweist.
Ventileinrichtung nach Anspruch 6, bei welcher das erste Ventilelement (34) zum wahlweisen Öffnen oder Schließen der Ventileinheit (24) in seinem vollständigen Öffnungszustand aus dem Heißgasstrom (48) zurückgesetzt ist.
Ventileinrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Ventileinheit (24) ferner eine Kühlvorrichtung (52) zum direkten oder indirekten Kühlen des ersten Ventilelements (34) zum wahlweisen Öffnen oder Schließen der Ventileinheit (24) in seiner zurückgesetzten Position des vollständigen Öffnungszustandes aufweist.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das wenigstens eine Ventilelement (34, 38) der Ventileinheit (24) ein zweites Ventilelement (38) zum Einstellen eines offenen Strömungsquerschnitts durch die Ventileinheit (24) aufweist.
Verfahren zum Steuern eines Heißgasstroms aus einer Heißgasquelle, bei welchem der Heißgasstrom (48) aus der Heißgasquelle (10) zunächst durch ein Kanalelement (14) und dann durch eine Ventileinheit (24) geleitet wird, wobei ein Strömungsquerschnitt der Ventileinheit (24) mittels wenigstens eines Ventilelements (34, 38) gesteuert wird; und die Ventileinheit (24) von der Heißgasquelle (10) bei geschlossener Ventileinheit (24) thermisch getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem der Heißgasstrom (48) aus der Heißgasquelle (10) zunächst durch einen ersten Kanalabschnitt (18) des Kanalelements (14) geleitet wird, der in Strömungsrichtung des Heißgasstroms (48) abfallend verläuft, und der Heißgasstrom (48) nach Durchströmen des ersten Kanalabschnitts (18) durch einen zweiten Kanalabschnitt (20) des Kanalelements (14) geleitet wird, der in Strömungsrichtung des Heißgasstroms (48) aufsteigend verläuft.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei welchem in einem im Kanalelement (14) befindlichen Gas zumindest teilweise ein Dichtegradient derart erzeugt wird, dass eine Dichte des Gases in Strömungsrichtung des Heißgasstroms (48) zunimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei welchem Kühlluft in das Kanalelement (14) eingeblasen wird, wenn die Ventileinheit (24) mittels des wenigstens einen Ventilelements (34, 38) geschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei welchem Kühlluft in das Kanalelement (14) und/oder in die Ventileinheit (24) eingeleitet wird, wenn die Ventileinheit (24) mittels des wenigstens einen Ventilelements (34, 38) geöffnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei welchem die Ventileinheit (24) mittels eines ersten Ventilelements (34) des wenigstens einen Ventilelements (34, 38) wahlweise geöffnet oder geschlossen wird, und der Strömungsquerschnitt der Ventileinheit (24) mittels eines zweiten Ventilelements (38) des wenigstens einen Ventilelements (34, 38) eingestellt wird, wenn die Ventileinheit (24) mittels des ersten Ventilelements (34) geöffnet ist.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem das erste Ventilelement (34) in seinem vollständigen Öffnungszustand aus dem Heißgasstrom (48) zurückgesetzt und in seiner zurückgesetzten Position des vollständigen Öffnungszustandes mittels einer Kühlvorrichtung (52) direkt oder indirekt gekühlt wird.