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Die Erfindung betrifft einen Drosselkolben zum Reduzieren von Fluiddruck in einem Stellventil für eine prozesstechnische Anlage, wie eine Chemieanlage, beispielsweise eine petrochemische Anlage, ein Kraftwerk, beispielsweise ein Nuklearkraftwerk, eine Lebensmittel verarbeitende Anlage, wie eine Brauerei, oder dergleichen. Der Drosselkolben ist eingerichtet zum Reduzieren von Fluiddruck von einem Hochdruckbereich zu einem Niederdruckbereich, wobei der Drosselkolben in einer Axialrichtung translatorisch beweglich ist und eine Radialrichtung quer zur Axialrichtung und eine auf die Axialrichtung bezogene Umfangsrichtung definiert.
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Mit einem Drosselkolben kann im Allgemeinen die potentielle Energie (Druck) eines Fluids in kinetische Energie (hohe Geschwindigkeit) umgeformt und mittels anschließender rascher Verzögerung (Turbulenz) durch Reibung in Wärme gewandelt und so dissipiert werden. Jedoch wird nicht die ganze kinetische Energie in Wärme umgewandelt. Ein gewisser Anteil davon erzeugt Schall-Emissionen, also Drosselgeräusche, womit jedoch ein erhöhter Verschleiß einhergeht.
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Drosselkörper werden üblicherweise eingesetzt, um Stellventilgehäuse und -sitz vor starkem Verschleiß zu schützen. Verschleißfördernde Prozessbedingungen treten beispielsweise auf, wenn an einem Ventil sehr hohe lokale Differenzdrücke auftreten. Sehr hohe lokale Differenzdrücke sind besonders bei gleichzeitig großen Massenströmen problematisch sowie unabhängig vom Massenstrom erfahrungsgemäß ab etwa 20 bar Druckgradient. Verschleißfördernde Prozessbedingungen liegen auch bei Mehrphasenströmungen vor, wenn neben einer flüssigen Phase in dem Prozessfluid auch eine Festkörper- und/oder eine Gasphase vorliegt. In Abhängigkeit von den Eigenschaften des Prozessfluids, insbesondere dessen Dampfdruck, kann es in einer Prozessfluidleitung zu Kavitation kommen, wodurch Verschleiß und Lärmentwicklung stark erhöht werden. Kavitation kann aber auch dann auftreten, wenn bereits eine Mehrphasenströmung beispielsweise in Form eines dampfförmigen Prozessfluids vorliegt. Ist prozessbedingt ein Absenken des Fluiddrucks unterhalb dessen Dampfdruck erforderlich, führt dies zum sogenannten „Flashing-Betrieb“, bei dem das Prozessfluid aus einem einphasigen Flüssigzustand in einen zweiphasigen Zustand mit Flüssig- und Gasphase überführt wird, wobei neben Kavitation auch Stoßwellen auftreten können.
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DE 1 650 196 A1 beschreibt ein Flüssigkeitsstromsteuerorgan für hohe Energieverluste. Ein langer, zylindrischer Stopfen ist als Steuerorgan in einem Gehäuseabschnitt axial hin und her beweglich gleitend geführt. Zum Abschalten kann ein Kopfabschnitt des Steuerorganstopfens mit einer ringförmigen Steuerschulter an einem Sitz in Eingriff gebracht werden. Um in dem Strömungsmedium Energieverluste zu erzielen, ist in dem Steuerorganstopfen eine Vielzahl von langen Reibungssog-Energieverlustkanälen mit geringem Querschnittsströmungsbereich vorgesehen, um die durch den Kanal strömende Flüssigkeit in eine Vielzahl von einzelnen Strömen zu unterteilen. Die parallelen Kanäle können durch einzelne Bohrungen oder gebündelte Rohre gebildet sein. Die einzelnen Energieverlustkanäle erstrecken sich zwischen einem Bereich am Umfang bis zu einem Bereich am Fußende des Stopfens. Hohe Geschwindigkeits- oder Druckwechsel werden mit dem Steuerorgan nicht bewirkt.
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DE 24 31 322 A1 offenbart ein Regelventil mit einem Drosselkörper in Form einer Lochbuchse. Der Drosselkörper besteht aus einer im Querschnitt H-förmigen Lochbuchse. In der Lochbuchse sind Lochscheiben angeordnet. Die Lochscheiben sind durch Abstandshülsen voneinander distanziert. Die unterste Abstandshülse ist etwas länger als die darüber befindliche Abstandshülse, wodurch eine Volumenvergrößerung zwischen den Lochscheiben in Fließrichtung des Mediums gewährleistet wird. Die unterhalb der Sitzkante an dem Drosselkörper in der Lochbuchse angeordneten Löcher weisen einen sich mit zunehmender Entfernung von der Sitzkante vergrößernden Durchmesser auf. Ebenso wächst der freie Querschnitt der in den Lochscheiben angeordneten Löcher von Lochscheibe zu Lochscheibe in Fließrichtung des Mediums. Je nach Hubstellung sind unterschiedlich viele Lochscheiben an der Drosselung des Mediumdruckes beteiligt.
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Mit den konventionellen Absperrorgan- und Drosselventilen, etwa gemäß
DE 1 650 196 A1 oder
DE 24 31 322 A1 , ist eine Geschwindigkeitsreduzierung nur bei Anwendung von niedrigeren Druckabfällen möglich. Herkömmliche Abperr- und Drosselventile zeigen beispielsweise weitgehende Erosionserscheinungen an oder nahe dem Drosselelement und der Sitzbohrung, wenn sie einem hohen Druckabfall ausgesetzt sind. Dabei kann durch kavitierende Flüssigkeiten verursachte Erosion erhebliche Schäden verursachen.
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Um einen möglichst geräusch- und verschleißarmen Druckabbau zu realisieren, werden bei Flüssigkeitsanwendungen ab einem gewissen Differenzdruck üblicherweise mehrstufige Stellventile verwendet, wie etwa in
WO 2019/152263 A1 offenbart. Hierbei wird der Differenzdruck über mehrere Stufen verteilt abgebaut, so dass das Druckgefälle über die jeweilige Stufe unterhalb des kritischen Wertes bleibt, ab dem ein signifikanter Verschleiß oder eine Überschreitung eines zulässigen Schallpegels eintritt. Mit zunehmender Stufenzahl lassen sich so sehr hohe Differenzdrücke verschleiß- und geräuscharm über die Armatur abbauen. Der Druckabbau erfolgt an der Öffnung zwischen dem Kegel und dem Sitzring. An diesen Stellen treten dann sehr hohe Temperaturen auf und die Strömungsgeschwindigkeiten sind sehr hoch. Verschleiß tritt am Kegel und an dem Sitzring auf. Bei Wartungsarbeiten müssen dann die Kegel und Sitzringe getauscht werden. Wartungsarbeiten sind bei Ventilen mit einer Vielzahl an Kegeln sowie Sitzbohrungen mit Sitzringen sehr häufig erforderlich, aufwendig und teuer. Ferner benötigen Drosselsysteme mit mehreren in Reihe geschaltete Drosselelementen eine große Baulänge, und die Strömungsquerschnitte werden über die einzelnen Stufen stark reduziert, mi der Folge eines erheblich beeinträchtigten Massendurchflusses.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, insbesondere einen Drosselkörper zum Reduzieren des Fluiddrucks in einer Prozessfluidleitung einer prozesstechnischen Anlage dahingehend zu verbessern, dass bei einer kompakten Bauweise auch bei großem Durchflussvolumen eine starke Reduktion des Fluiddrucks bewirkt wird, wobei Verschleiß des Stellventils, insbesondere aufgrund von Kavitation, weitestgehend vermieden wird.
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Demnach ist ein Drosselkolben zum Reduzieren von Fluiddrucks in einem Stellventil von einem Hochdruckbereich zu einem Niederdruckbereich vorgesehen. Der Drosselkolben ist in einer Axialrichtung translatorisch beweglich und definiert eine Radialrichtung quer zur Axialrichtung sowie eine auf die Axialrichtung bezogene Umfangsrichtung. Vorzugsweise kann der Drosselkolben einen Körper mit zylindrischer Gestalt aufweisen, wobei die Zylinderachse zur translatorischen Bewegungsachse korrespondiert. Der Drosselkolben umfasst mehrere im Inneren des Drosselkolben angeordnete Verteilerkammern, die durch wenigstens einen Übergangskanal mit einander verbunden sind. Vorzugsweise sind an äußeren des Drosselkolbens, insbesondere an einer ersten und/oder zweiten Drosselkolben-Außenseite keine Mischkammer angeordnet. Insbesondere kann die außenumfänglichen Zylinderhülsenform des Drosselkolbens frei von einer Mischkammer gebildet sein. Die mehreren im Inneren des Drosselkolbens angeordneten Verteilerkammern umfassen wenigstens eine Hochdruck-Verteilerkammer und wenigstens eine Niederdruck-Verteilerkammer. Der Drosselkolben weist wenigstens einen Übergangskanal auf, der je wenigstens genau zwei Mischkammern oder wenigstens zwei Mischkammer miteinander fluidisch verbindet. Vorzugsweise verbindet ein Übergangskanal mehrere Mischkammern fluidisch miteinander. Insbesondere kann ein Mischkanal zwei bis 20, vorzugsweise drei bis zehn, besonders bevorzugt fünf bis sieben Mischkammer fluidisch miteinander verbinden.
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Der Drosselkolben umfasst wenigstens einen Eintrittskanal, der von der Hochdruck-Verteilerkammer zu einer ersten, hochdruckbereichsseitigen Drosselkolben-Außenseite führt. Die mehreren im Inneren des Drosselkolbens angeordneten Verteilerkammern können mehrere Hochdruck-Verteilerkammern umfassen. Der Drosselkolben kann zwei, drei oder mehr Eintrittskanäle aufweisen. Insbesondere weist ein Drosselkolben wenigstens eine Hochdruck-Verteilerkammer auf, die mit mehreren Eintrittskanäle ausgestattet ist. Es kann bevorzugt sein, dass ein Drosselkolben mit mehreren Eintrittskanälen und mehreren Hochdruck-Verteilerkammern ausgestattet ist, wobei jede Hochdruck-Verteilerkammer je einen oder mehrere ihr individuell zugeordnete Eintrittskanäle aufweisen. Es kann bevorzugt sein, dass die erste Drosselkolben-Außenseite eine radial außenseitige Drosselkolben-Umfangsseite ist. Entlang der Drosselkolben-Außenseite können mehrere Hochdruck-Verteilerkammern parallel zu der ersten Außenseite relativ zu einander versetzt angeordnet sein, insbesondere in Axialrichtung. Die Eintrittskanäle können eine radiale Durchflussrichtung definieren. An der ersten Drosselkolben-Außenseite können mehrere hundert oder mehrere tausend, insbesondere 10 bis 10000, vorzugsweise 20 bis 5000, Eintrittskanäle vorgesehen sein
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Der Drosselkolben umfasst wenigstens einen Austrittskanal, der von der wenigstens einen Niederdruck-Verteilerkammer zu einer zweiten, niederdruckbereichsseitigen Drosselkolben-Außenseite führt. Die mehreren im Inneren des Drosselkolbens angeordneten Verteilerkammern können mehrere Niederdruck-Verteilerkammern umfassen. Der Drosselkolben kann zwei, drei oder mehr Austrittskanäle aufweisen. Insbesondere weist ein Drosselkolben wenigstens eine Niederdruck-Verteilerkammer auf, mit mehreren Austrittskanäle ausgestattet ist. Es kann bevorzugt sein, dass ein Drosselkolben mit mehreren Austrittskanälen und mehreren Niederdruck-Verteilerkammern ausgestattet ist, wobei jede Niederdruck-Verteilerkammer je einen oder mehrere ihr individuell zugeordnete Austrittskanäle aufweist. Es kann bevorzugt sein, dass die zweite Drosselkolben-Außenseite eine axiale Drosselkolben-Stirnfläche ist. Entlang der zweiten Drosselkolben-Außenseite können mehrere Niederdruck-Kanäle relativ zueinander parallel zu der zweiten Außenseite, insbesondere in Radialrichtung und/oder Umfangsrichtung, versetzt angeordnet sein. Die Austrittskanäle können eine axiale Durchflussrichtung definieren. An der zweiten Drosselkolben-Außenseite können Dutzende, insbesondere 10 bis 10000, vorzugsweise 20 bis 2000, Austrittskanäle vorgesehen sein.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Verteilerkammern in Umfangsrichtung und/oder in Radialrichtung relativ zu einander versetzt angeordnet sind. Zwischen verschiedenen Verteilerkammern weist der Drosselkörper fluiddichte Wände auf, welche durch einen oder mehrere Übergangskanäle unterbrochen sein können. Der wenigstens eine Übergangskanal ist dazu vorgesehen, eine Überbrückung in der Radialrichtung und/oder der Umfangsrichtung zwischen einer Verteilerkammer und einer anderen Verteilerkammer zu bilden. Insbesondere sind zwischen zwei oder mehr benachbarten Verteilerkammern eine entsprechende Anzahl von, insbesondere wenigstens genauso vielen, Übergangskanälen vorgesehen, welche die zwei oder mehr benachbarten Verteilerkammern mit einander verbinden. Es ist zumindest ein Übergangskanal vorgesehen, der von einer Hochdruck-Verteilerkammer zu oder in Richtung zu einer Niederdruck-Verteilerkammer führt.
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Der erfindungsgemäße Drosselkolben realisiert vorzugsweise ein durch die Eintrittskanäle, Austrittskanäle, Übergangskanäle und Verteilerkammern gebildetes Labyrinth. Die Druckentspannung des Prozessfluids findet nahezu ausschließlich innerhalb des Labyrinths im Inneren des Drosselkolbens statt. So wird ein gleichmäßiger Druckabbau gewährleistet. Ferner sind die inneren Durchflussquerschnitte wesentlich verschleißunempfindlicher als der Bereich an einem Öffnungsspalt konventioneller Drosseln zwischen einem Ventilkegel und einem Ventilsitz. Der Druckabbau im Verteilerkammer/Kanal-Labyrinth innerhalb des Drosselkolbens vermeidet Verschleißerscheinungen insbesondere am Ventilsitz und Ventilgehäuse in der Umgebung des Drosselkolbens. Gleichzeitig erlaubt die labyrinthartige Verknüpfung mehrerer Kanäle und Verteilerkammern die Ausschöpfung eines Großteils des Drosselkolben-Körper-Volumens und erlaubt so den Einsatz eines besonders raumsparenden Stellventils zur signifikanten Druckreduktion.
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Gemäß einer Ausführung umfasst der Drosselkolben ferner wenigstens eine Mitteldruck-Verteilerkammer, die mit einem ersten Übergangskanal mit der Hochdruck-Verteilerkammer und/oder mit einem zweiten Übergangskanal mit der Niederdruck-Verteilerkammer verbunden ist. Insbesondere führt kein Eintritts- oder Austrittskanal unmittelbar von der Mitteldruck-Verteilerkammer zu einer ersten oder zweiten Drosselkolben-Außenseite. Die im Inneren des Drosselkolbens angeordneten Verteilerkammern können eine oder mehrere Mitteldruck-Verteilerkammern umfassen. Es sei klar, dass eine Mitteldruck-Verteilerkammer mit wenigstens zwei Übergangskanälen ausgestattet ist, wobei einer der Übergangskanäle der Mitteldruck-Verteilerkammer zu oder in Richtung zu einer Hochdruck-Verteilerkammer führt und wobei der andere der Übergangskanäle der Mitteldruck-Verteilerkammer zu oder in Richtung zu einer Niederdruck-Verteilerkammer führt. Es ist zumindest ein Übergangskanal vorgesehen, der von einer Hochdruck-Verteilerkammer zu einer Mitteldruck-Verteilerkammer und/oder von einer Mitteldruck-Verteilerkammer zu einer Niederdruck-Verteilerkammer führt. Bei einem Drosselkolben, der zahlreiche Mitteldruck-Verteilerkammern aufweist, führt ein Übergangskanal von einer Hochdruck-Verteilerkammer zu einer ersten Mitteldruck-Verteilerkammer, ein zweiter Übergangskanal führt von einer Niederdruck-Verteilerkammer zu einer zweiten Mitteldruck-Verteilerkammer, und weitere Übergangskanäle verbinden die wenigstens zwei oder mehr Mitteldruck-Verteilerkammern innerhalb des Drosselkolbens. Mehrere Übergangskanäle können durch eine einzige Bohrung oder ähnliche rohrförmige Aushöhlung des Drosselkolbens gebildet sein, welche sich quer durch den Drosselkolben erstreckt und mehrere Verteilerkammern kreuzt. Der Drosselkolben kann wenigstens eine Mitteldruck-Verteilerkammer aufweisen, die gegenüber wenigstens einer Hochdruck-Verteilerkammer und/oder wenigstens einer Niederdruck-Verteilerkammer in Radialrichtung und/oder Umfangsrichtung versetzt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung sind die wenigstens eine Hochdruck-Verteilerkammer, insbesondere mehrere Hochdruck-Verteilerkammer, und die wenigstens eine, insbesondere die mehreren, Niederdruck-Verteilerkammern durch ein dreidimensionales Geflecht aus Übergangskanälen miteinander fluidisch verbunden. Im Inneren des Drosselkolbens ist ein labyrinthartiges, dreidimensionales Geflecht aus Kanälen sowie gegebenenfalls Mitteldruck-Verteilerkammern gebildet, durch welches sich das Prozessfluid einen Weg von dem wenigstens einen Eintrittskanal zu dem wenigstens einen Austrittskanal bahnen kann. Das dreidimensionale Geflecht ist gebildet durch eine Vielzahl von Kreuzungsstellen von Übergangskanälen und Verteilerkammern, insbesondere Mitteldruck-Verteilerkammern. Sinnbildlich gesprochen kann der Drosselkolben wie ein Schweizer Käse von Kanälen und Verteilerkammer durchdrungen sein, von denen ein durch Eintritts- und Austrittskanäle gebildeter Teil mit einer Außenseite des Drosselkolbens verbunden ist. Ein Drosselkolben mit einem darin gebildeten dreidimensionalen Geflecht aus Übergangskanälen und Verteilerkammern, insbesondere Mitteldruck-Verteilerkammern, zeigt besonders bei sehr hohen Druckdifferenzen zwischen dem Hochdruckbereich an der ersten Drosselkolben-Außenseite und dem Niederdruckbereich an der zweiten Drosselkolben-Außenseite hervorragende schalldämpfende und vibrationsarme Eigenschaften. Ferner erlaubt die Verwendung eines Geflechts aus Kanälen innerhalb des Drosselkolbens einen dauerhaften, wartungsarmen Betrieb, weil einzelne Fehlstellen innerhalb des Geflechts infolge von lokalen Kavitationserscheinungen im Inneren des Drosselkolbens keine merkliche Beeinträchtigung des gesamten Drosselventils zur Folge haben. Insbesondere hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass das Auftreten lokaler Kavitationserscheinungen innerhalb des Drosselkolbens anders als Kavitationserscheinungen an einem Öffnungsspalt zwischen Ventilkolben und Ventilsitz eines herkömmlichen Drosselventils nicht zu einer exponentiellen Schadensentwicklung mit raschem Ventilversagen führt.
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Gemäß einer Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Drosselkolbens, der mehrere Mitteldruck-Verteilerkammern umfasst, die zwischen der wenigstens einen Hochdruck-Verteilerkammer, insbesondere den mehreren Hochdruck-Verteilerkammer, und der wenigstens einen Niederdruck-Verteilerkammer, insbesondere den mehreren Niederdruck-Verteilerkammern, in das Geflecht aus Übergangskanälen eingebunden sind, wobei insbesondere dritte Übergangskanäle gegen einander versetzte Mitteldruck-Verteilerkammern mit einander fluidisch verbinden. Der Drosselkolben kann wenigstens zwei oder mehr Mitteldruck-Verteilerkammern aufweisen, die relativ zueinander in Radialrichtung und/oder in Umfangsrichtung versetzt sind. Vorzugsweise kann der Drosselkolben wenigstens zwei Mitteldruck-Verteilerkammern aufweisen, die sowohl relativ zueinander als auch relativ zu wenigstens einer Hochdruck-Verteilerkammer und/oder relativ zu wenigstens einer Niederdruck-Verteilerkammer in Radialrichtung und/oder Umfangsrichtung versetzt sind.
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Gemäß einer Weiterbildung ist das Geflecht gebildet aus Übergangskanälen mit einem spitzen Winkel relativ zur Axialrichtung und aus Übergangskanälen mit einem stumpfen Winkel relativ zur Axialrichtung. Ein spitzer Winkel hat im Allgemeinen zwischen 0° und weniger als 90°. Ein stumpfer Winkel hat im Allgemeinen zwischen mehr als 90° und 180°. Die Übergangskanäle können unterteilt werden in eine erste Gruppe fächerartig in Axialrichtung schräg verlaufender Kanäle und in eine zweite Gruppe fächerartig entgegen der Axialrichtung schräg verlaufender Kanäle. In dem Geflecht sind gegensätzlich geschrägte Übergangskanäle beziehungsweise Übergangskanal-Gruppen vorgesehen, die einander kreuzen, wobei insbesondere die Kreuzungsstellen in den Mitteldruck-Verteilerkammern realisiert sind. Die zwei Gruppen Übergangskanäle können derart angeordnet sein, dass sie in einem Diagonalquerschnitt durch den Drosselkörper ein netzartiges Geflecht gemeinsam mit den Verteilerkammern bilden.
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Gemäß einer Weiterbildung weisen die Verteilerkammern stufenartig von den Übergangskanälen abweichende Durchströmungsquerschnitte auf. Vorzugsweise sind die Durchströmungsquerschnitte der Eintrittskanäle kleiner als die Durchströmungsquerschnitte der Hochdruck-Verteilerkammern. Vorzugsweise sind die Durchströmungsquerschnitte der Austrittskanäle kleiner als die Durchströmungsquerschnitte der Niederdruck-Verteilerkammer. Vorzugsweise sind die Durchströmungsquerschnitte der Übergangskanäle kleiner als die Durchströmungsquerschnitte der Hochdruck-Verteilerkammer, Niederdruck-Verteilerkammern und/oder Mitteldruck-Verteilerkammern. Durch eine insbesondere stufenförmig unterschiedliche Querschnittsgestalt der Kanäle und Verteilerkammern wird bei den vielen Übergängen zwischen Kanälen und Verteilerkammern mittels Verwirbelungen des Prozessfluids Energie dissipiert.
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Gemäß einer Ausführung sind die Verteilerkammern zumindest teilweise relativ zueinander in Axialrichtung versetzt. Beispielsweise können mehrere Hochdruck-Verteilerkammer in Axialrichtung versetzt entlang der ersten Außenfläche angeordnet sein. Alternativ können mehrere Niederdruck-Verteilerkammern in Axialrichtung versetzt entlang der zweiten Außenfläche angeordnet sein. Die wenigstens eine Mitteldruck-Verteilerkammer kann relativ zu der wenigstens einen Niederdruck-Verteilerkammer und/oder der wenigstens einen Hochdruck-Verteilerkammer in Axialrichtung versetzt angeordnet sein. Die wenigstens zwei Mitteldruck-Verteilerkammern können in Axialrichtung zueinander versetzt sein. Vorzugsweise sind die wenigstens zwei Mitteldruck-Verteilerkammern in Axialrichtung relativ zu wenigstens einer Niederdruck-Verteilerkammer, insbesondere relativ zu allen Niederdruck-Verteilerkammern, versetzt angeordnet. Vorzugsweise sind die wenigstens zwei Mitteldruck-Verteilerkammern in Axialrichtung wenigstens zu relativ einer Hochdruck-Verteilerkammer versetzt angeordnet.
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Gemäß einer Ausführung erstreckt sich wenigstens eine Verteilerkammer, d. h. wenigstens eine Hochdruck-Verteilerkammer, wenigstens einer Mitteldruck-Verteilerkammer, und/oder wenigstens eine Niederdruck-Verteilerkammer, ring- oder spiralförmig. Alternativ oder zusätzlich kann sich wenigstens eine Verteilerkammer im Inneren des Drosselkolbens in Umfangsrichtung teil- oder vollumfänglich erstrecken. Vorzugsweise können mehrere Verteilerkammern ring- oder spiralförmig sein und/oder sich im Inneren des Drosselkolbens teilumfänglich oder vollumfänglich erstrecken. Die umfängliche Erstreckung beziehungsweise Ringform ist vorzugsweise auf die Achse des Drosselkolbens bezogen rotatorisch, insbesondere rotationssymmetrisch. Beispielsweise kann wenigstens eine Verteilerkammer torusförmig sein. Vorzugsweise sind mehrere Verteilerkammern vollumfänglich ringförmig. Insbesondere sind alle Mitteldruck-Verteilerkammern, alle Hochdruck-Verteilerkammer und/oder alle Niederdruck-Verteilerkammern vollumfänglich ringförmig. Bei einer Ausführung mit ausschließlich vollumfänglich ringförmigen Verteilerkammern sind die Verteilerkammern zumindest teilweise in Radialrichtung relativ zueinander versetzt sowie gegebenenfalls zumindest teilweise in Axialrichtung relativ zu einander versetzt in dem Drosselkolben angeordnet.
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Gemäß einer Weiterbildung sind die Hochdruck-Verteilerkammern und die Niederdruck-Verteilerkammern insbesondere vollumfänglich ringförmig. Zusätzlich können auch die Mitteldruck-Verteilerkammern insbesondere vollumfänglich ringförmig sein. Insbesondere sind die Verteilerkammern koaxial zueinander, sowie gegebenenfalls zu der Achse des Drosselkolbens angeordnet. Ausgehend von einem radialen oder axialen, stichbohrungsartigen Eintrittskanal an der ersten Außenseite des Drosselkolbens kann die Verwendung wenigstens einer insbesondere vollumfänglich ringförmigen Verteilerkammer eine Verteilung des Prozessfluides von dem einen Eintrittskanal über eine größeren Volumen-Bereich des Ventilkolbens bewirken, um eine große Durchströmungsfläche für eine große Menge Prozessfluid bereitzustellen und um das zur Dissipation bereitgestellt Drosselvolumen bezüglich jedes einzelnen Eintrittskanal zu maximieren.
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Gemäß einer Ausführung eines Drosselkolbens führen mehrere Eintrittskanäle von derselben Hochdruck-Verteilerkammer zur ersten Drosselkolben-Außenseite. Indem zwei oder mehr Eintrittskanäle in dieselbe Hochdruck-Verteilerkammer führen, wo eine Umlenkung des einströmenden Prozessfluides erfolgt, können die Prozessfluidteilströmungen der einzelnen Eintrittskanäle in der Hochdruck-Verteilerkammer gegeneinander gelenkt werden, um kinetische Energie des Prozessfluids zu Dissipieren.
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Bei einer bevorzugten Ausführung, die mit den vorigen Ausführungen kombinierbar ist, sind an der ersten Drosselkolben-Außenseite zwei in Axialrichtung versetzte Eintrittsbereiche angeordnet, wobei die Eintrittskanäle in dem ersten Eintrittsbereich eine geringere Anzahl und/oder einen geringeren kumulierten Einlassquerschnitt haben als die Eintrittskanäle dem zweiten Eintrittsbereich. Insbesondere können der erste Eintrittsbereich und der zweite Eintrittsbereich in Axialrichtung und Umfangsrichtung gleich groß sein. Bei einer translatorischen Bewegung des Hubkolbens in der Axialrichtung kann insbesondere zunächst der erste Eintrittsbereich freigegeben werden, um in einem anfänglichen Öffnungsbereich einen geringen Durchflussquerschnitt bereitzustellen, sodass die Durchflussmenge fein dosierbar ist. Anschließend kann der zweite Eintrittsbereich freigegeben werden, um große Durchflussmengen zu gestatten.
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Gemäß einer Weiterbildung bildet die erste Drosselkolben-Außenseite in Axialrichtung vor dem ersten und hinter dem zweiten Eintrittsbereich je eine geschlossene Fläche. Die geschlossene Fläche vor dem ersten Eintrittsbereich kann einen Abschnitt zum vorzugsweise abdichtenden Ergreifen eines Ventilsitzes des Stellventils umfassen. Insbesondere kann der Abschnitt eine sich verjüngende, insbesondere abgerundete oder schräge, beispielsweise kegelstumpfförmige, Form aufweisen. Die geschlossene Fläche hinter dem zweiten Eintrittsbereich kann einen Mischbereich des Drosselkolbens umgeben, in dem wenigstens eine Niederdruck-Verteilerkammer, vorzugsweise mehrere Niederdruck-Verteilerkammern, sowie gegebenenfalls wenigstens eine Mitteldruck-Verteilerkammer, vorzugsweise eine Vielzahl von Mitteldruck-Verteilerkammern, angeordnet sind. Durch die Verwendung eines sich in Axialrichtung erstreckenden Mischbereichs ohne Eintrittskanäle und ohne Austrittskanäle, innerhalb dessen eine Vielzahl von in Axialrichtung sowie in Radialrichtung und/oder Umfangsrichtung zumindest paarweise relativ zueinander versetzten Verteilerkammern angeordnet sind, kann innerhalb eines kleinen Drosselkolben-Volumens eine große Druckreduktion bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausführung führen mehrere Austrittskanäle von derselben Niederdruck-Verteilerkammer zur zweiten Drosselkolben-Außenseite. Zwischen der Niederdruck-Verteilerkammer der Drosselkolben-Außenseite ist eine Außenwand angeordnet, durch welche die Auslasskanäle dringen. Die Niederdruck-Verteilerkammer stellt einen Aufnahmeraum bereit, in dem Übergangs-Fluidströmungen von vorangehenden Mitteldruck-Verteilerkammern und/oder wenigstens einer Hochdruck-Verteilerkammer gegeneinander gerichtet sein können.
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Bei einer Ausführung eines Drosselkolbens, die mit den vorherigen kombinierbar ist, führt der wenigstens eine Austrittskanal, insbesondere mehrere Austrittskanäle, zu wenigstens einem Ausgangsdiffusor an der zweiten Drosselkolben-Außenseite. Der Ausgangsdiffusor kann kreisförmig, ringförmig und/oder blütenförmig sein. An der zweiten Drosselkolben-Außenseite können mehrere insbesondere konzentrisch zueinander angeordnete Ausgangsdiffusoren angeordnet sein. Ein Diffusor kann einen sich konusförmig aufweitenden Ausgangsquerschnitt definieren, um die austretende Fluidströmung gleichmäßig in den Niederdruckbereich des Stellventils einzuleiten.
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Insbesondere erstrecken sich bei einer Ausführung des Drosselkolbens die Eintrittskanäle in Radialrichtung zu einer ersten Drosselkolbenaußenseite am radialen Außenumfang des Drosselkolbens. Vorzugsweise sind die Eintrittskanäle quer zu der Drosselkolben-Achse und/oder quer zu ihrer insbesondere ringförmigen Hochdruck-Verteilerkammer ausgerichtet. Alternativ oder zusätzlich erstrecken sich die Austrittskanäle in Axialrichtung von einer zweiten Drosselkolben-Außenseite an einer axialen Stirnfläche des Drosselkolbens. Vorzugsweise sind die Austrittskanäle parallel zu der Drosselkolben Achse und/oder quer zu ihrer insbesondere ringförmigen Niederdruck-Verteilerkammer ausgerichtet.
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Erfindungsgemäß ist ein Stellventil für eine prozesstechnische Anlage vorgesehen, beispielsweise eine chemische Anlage, wie eine petrochemische Anlage, ein Kraftwerk, beispielsweise ein Nuklearkraftwerk, ein hydrothermisches Kraftwerk, oder dergleichen, oder eine lebensmittelverarbeitende Anlage, wie eine Brauerei. Das Stellventil umfasst einen Hochdruckbereich zum Empfangen eines Prozessfluids mit einem ersten Druckniveau und einen Niederdruckbereich zum Abgeben des Prozessfluids mit einem zweiten Druckniveau unterhalb des ersten Druckniveaus. Die Druckdifferenz zwischen dem ersten Druckniveau und dem zweiten Druckniveau beträgt betriebsgemäß wenigstens 10 bar, vorzugsweise wenigstens 20 bar, insbesondere mehr als 30 bar. Das Stellventil umfasst ferner ein Ventilgehäuse, welches einen von einem Eingang zu einem Ausgang durchströmbaren Querschnitt definiert, und einen an dem Ventilgehäuse ausgebildeten, zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich angeordneten Ventilsitz. Ferner umfasst das Stellventil einen in dem Ventilsitz geführten erfindungsgemäßen Drosselkolben. Vorzugsweise kooperiert der erfindungsgemäße Drosselkolben mit dem Ventilsitz. Der Drosselkolben ist relativ zu dem Ventilgehäuse, insbesondere dem Ventilsitz, in Axialrichtung beweglich angeordnet. Insbesondere kann der Drosselkolben beweglich sein zwischen einer ersten geschlossene Stellung, in welcher ein Schließbereich, insbesondere ein kegelförmiger Abschnitt, des Drosselkolbens, abdichtend mit einem Ventilsitz kooperiert, und einer zweiten Durchflussstellung, in welcher sämtliche Eintrittskanäle und Austrittskanäle des Drosselkolbens von Ventilgehäuse, insbesondere dem Ventilsitz und/oder einem Ventilkäfig, freigegeben sind. Der Drosselkolben kann dazu eingerichtet sein, eine oder mehrere Zwischenstellungen zwischen der Schließstellung und der Durchflussstellung einzunehmen, wobei abhängig von der Lage des Drosselkolbens in der jeweiligen Zwischenstellung in Relation zu dem Ventilgehäuse eine verschieden große Anzahl von Eintrittskanälen und/oder Austrittskanälen freigegeben sind. Die Durchflussrate des Prozessfluids durch das Stellventil mit dem Drosselkolben kann in Abhängigkeit von der Anzahl der freigegebenen Eintrittskanäle und/oder Austrittskanäle einstellbar sein.
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Vorzugsweise ist der Drosselkolben gemäß einer sogenannten „Flow-To-Close“ (FTC) Fließrichtung in der prozesstechnischen Anlage unterzubringen, wobei insbesondere die Eintrittskanäle einem radialen Außenumfang des Drosselkolbens und die Austrittskanäle an einer axialen Stirnseite des Drosselkolbens angeordnet sind. Bei den FTC-Ventil ist für die Durchflussrate die Anzahl beziehungsweise kumulierte Eintrittsfläche der freigegebenen Eintrittskanäle maßgeblich. Alternativ kann das Stellventil gemäß einer sogenannten „Flow-to-Open“ (FTO) Fließrichtung in der prozesstechnischen Anlage untergebracht sein, wobei insbesondere die Eintrittskanäle an einer axialen Stirnseite des Drosselkolbens und die Austrittskanäle an einer radialen Umfangsseite des Drosselkolbens angeordnet sind. Bei dem FTO-Ventil ist für die Durchflussrate die Anzahl beziehungsweise kumulierte Austrittsfläche der freigegebenen Austrittskanäle maßgeblich.
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Weitere Eigenschaften, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung von bevorzugten Ausführungen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlich, in denen zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Stellventils mit einem erfindungsgemäßen Drosselkolben in einer Durchflussstellung;
- 2 eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Drosselkolbens,
- 3 eine Draufsicht auf eine axiale Stirnfläche des erfindungsgemäßen Drosselkolbens gemäß 2;
- 4 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Drosselkolbens gemäß 2;
- 5 eine schematische Querschnittsansicht des Stellventils nach 1 in einer Zwischenstellung;
- 6 eine schematische Querschnittsansicht des Stellventils nach 1 in einer Schließstellung; und
- 7 eine schematische Querschnittsansicht eines anderen Stellventils.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen anhand der Figuren werden für dieselben oder ähnliche Komponenten verschiedener Ausführungen dieselben oder ähnliche Bezugszeichen verwendet.
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Ein erfindungsgemäßer Drosselkolben ist im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Der erfindungsgemäße Drosselkolben 1 umfasst Einlasskanäle 41, 43, Hochdruck-Verteilerkammern 11, 13, Übergangskanäle 62, 64, 65, Niederdruck-Verteilerkammern 31 und Austrittskanäle 51.
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Wie in 1 zu erkennen, kann der Drosselkolben 1 betriebsgemäß in einem Stellventil 100 eingebaut sein. Das Stellventil 100 ist für den Einbau einer prozesstechnischen Anlage in der Strömungsrichtung Flow-to-Close (FTC) entsprechend dem dargestellten Pfeil vorgesehen.
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Das Stellventil 100 hat ein Gehäuse 103, welches den Prozessfluid-führenden Innenraum umgibt. Der Prozessfluid-führende Innenraum des Stellventils 1 lässt sich unterteilen in den Hochdruckbereich 104, den Niederdruckbereich 105 und den Bereich des Ventilsitzes 101. bei der ersten Ausführung eines Stellventils 100 gemäß der 1, 5 und 6 sind am Eingang und am Ausgang des Gehäuses 103 koaxiale Befestigungsflansche zum Anbinden von Zufluss- beziehungsweise Abflussrohren vorgesehen. Die Flussrichtung des Prozessfluids durch das Stellventil 100 korrespondiert zu der Radialrichtung R.
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Bei der Ausführung eines Stellventils 100 gemäß 7 sind die Strömungsrichtungen am Eingangsbereich 104 und am Ausgangsbereich 105 quer relativ zu einander ausgerichtet. Die Strömung im Niederdruckbereich 105 verläuft parallel zu der Axialrichtung A und die Strömung im Hochdruckbereich 104 entsprechend der Radialrichtung R.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird der Ventilsitz 101 als Teil des Ventilgehäuses 103 betrachtet. Es sei klar, dass der Ventilsitz 101 eine von dem übrigen Ventilgehäuse 103 lösbares Einzelteil sein kann. Im betriebsgemäßen Verwendungszustand des Stellventils 100 ist der Ventilsitz 101 fest mit dem übrigen Ventilgehäuse 103 verbunden. Das Ventilgehäuse 103 weist eine als Laterne 107 gebildete Abdeckung in Axialrichtung A oberhalb des Ventilsitzes 101 auf. An der Laterne 107 ist ein insbesondere pneumatischer oder elektrischer Stellaktor 109 angebracht, der mittels der Stellstange 111 kraftübertragungsgemäß mit dem Drosselkolben 1 verbunden ist. Durch eine Betätigung des Stellaktors 109 kann eine Relativstellung des Drosselkolbens 1 in Bezug auf das Ventilgehäuse 103 eingestellt werden.
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1 zeigt den Drosselkolben 1 in einer Durchflussstellung, in der alle Eintrittskanäle 41, 43 freigegeben sind. 6 und 7 zeigen eine Schließstellung des Drosselkolbens 1 in dem jeweiligen Stellventil 100. In 5 ist eine Zwischenstellung des Drosselkolbens 1 in dem Stellventil 100 dargestellt, in dem eine Reihe von Eintrittskanälen 43 durch den Ventilsitz 101 verschlossen sind und dem einige wenige Eintrittskanäle 41 freigegeben sind. In jedem Stellzustand des Drosselkolbens 1 in dem Stellventil 100 gemäß 1, 5 oder 6 ist am Eingang des Stellventils 101 ein Hochdruckbereich 104 und am Ausgang des Stellventils 100 ein Niederdruckbereich 105 vorgesehen.
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Der Drosselkolben 1 wird nachfolgend bezugnehmend auf die 1 bis 4 beschrieben. Der Drosselkolben 1 hat eine im Allgemeinen zylindrische Gestalt, durch welche eine Axialrichtung A sowie quer dazu eine Radialrichtung R definiert ist, wie auch eine auf die Axialrichtung A bezogene Umfangsrichtung U. Da der Drosselkolben 1 im Wesentlichen rotationssymmetrisch ist, braucht keine Unterscheidung zwischen verschiedenen Radialrichtung getroffen werden. An zwei unterschiedlichen Außenseiten 4, 5 sind in das Innere des Drosselkolbens 1 ragende Eintrittskanäle 41, 43 beziehungsweise aus dem Drosselkolben 1 heraus führende Austrittskanäle 51 angeordnet.
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Bei den vorliegenden exemplarischen Ausführungen ist gemäß der Prozessfluid-Strömungsrichtung FTC die Bezeichnung Eintrittskanäle 41, 43 für die sich in Radialrichtung R von der ersten, radialen Umfangs-Außenseite 4 ins Innere des Drosselkolbens 1 erstreckende Kanäle gewählt. Dazu korrespondierend es für die hier dargestellten exemplarischen Ausführungen gemäß der Prozessfluid-Strömungsrichtung FTC die Bezeichnung Austrittskanäle 51 für die sich in Axialrichtung A von der zweiten, axialen Stirnfläche-Außenseite 5 ins Innere des Drosselkolbens 1 erstreckenden Kanäle gewählt. Die Bezeichnung Eintrittskanäle 41, 43 beziehungsweise Austrittskanäle 51 ist im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zur einfacheren Verständlichkeit unter Bezugnahme auf die in den Figuren dargestellte bevorzugte Fließrichtung gewählt. Es sei klar, dass abhängig von der Prozessfluid-Strömungsrichtung bei einer alternativen (nicht näher dargestellt) Ausführung die radialen Kanäle als Austrittskanäle und die axialen Kanäle als Eintrittskanäle realisieren würden.
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Der Drosselkolben 1 kann als insbesondere einstückiger Körper 3 vorzugsweise aus einem Vollmaterial gebildet sein. Der Körper 3 des Drosselkolbens 1 ist von einem Geflecht 6 aus Kanälen und Verteilerkammern durchdrungen. Durch das labyrinthartige Geflecht 6 aus Verteilerkammern und Kanälen kann das Prozessfluid durch den Drosselkolben 1 strömen. Ein Vollmaterial-Körper 3, der von einem Kammer- und Kanal-Geflecht 6 mit zahlreichen Hinterschnitten durchzogen ist, kann beispielsweise durch ein generatives Herstellungsverfahren, wie ein 3-D-Druck-Verfahren, eine Sinter-Verfahren oder dergleichen hergestellt sein.
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An der ersten, radialen Außenseite 4 des Drosselkolbens 1 sind Eingänge für die verschiedenen Eingangskanäle 41, 43 vorgesehen. Die radiale Außenseite 4 des Drosselkolbens 1 kann in verschiedene Bereiche unterteilt werden, wie bezüglich 4 beschrieben werden soll. An dem in Axialrichtung A obersten Teil des Drosselkolbens 1 ist ein Verschlussbereich durch eine geschlossene Fläche 10 gebildet, an der ein kegelstumpfförmiger Vorsprung zum abdichtenden in Eingriff bringen mit einem Ventilsitz 101 des Stellventils vorgesehen ist.
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In Axialrichtung A benachbart zu dem Verschlussbereich 10 hat der Drosselkolben 1 einen ersten, progressiven Eintrittsbereich 40 mit ersten Eintrittskanälen 41. Die Dichte von Eintrittskanälen 41 nimmt in dem ersten Eintrittsbereich 40 in Axialrichtung A zu, d.h. mit zunehmendem Abstand von dem Verschlussbereich 10 steigt die Eintrittskanal-Dichte. Die Dichte von Eintrittskanälen 41 kann in Axialrichtung A bis zu einem Maximum erhöht werden. Weitere Eintrittskanäle 43 sind in einem zweiten, konstanten Eintrittsbereich 42 vorgesehen, der sich in Axialrichtung A an den ersten Eintrittsbereich 40 anschließt. In dem zweiten Eintrittsbereich 42 herrscht eine hohe, insbesondere die maximale, Eintrittskanal-Dichte. Mit Eintrittskanal-Dichte kann die Anzahl an Eintrittskanäle 41 oder 43 in einem Abschnitt des Drosselkörpers 1 in Axialrichtung A bezeichnet werden. Indem der Drosselkörper 1 mit einem ersten Eintrittsbereich 40 steigender Kanaldichte und einem zweiten Eintrittsbereich 42 hoher Kanaldichte ausgestattet ist, kann eine Drosselkörper 1 realisiert werden, der sowohl einerseits hohe Durchflussmengen erlaubt, wenn beide Eintrittsbereiche 40, 42 freigegeben sind, und der andererseits eine präzise Dosierung geringer Durchflussmengen erlaubt, wenn ausschließlich ein erster Eintrittsbereich 40 geringer Kanaldichte, insbesondere nur teilweise, freigegeben ist. Alternativ kann ein Drosselkörper mit nur einem konstanten oder progressiven Eintrittsbereich ausgeführt sein (nicht dargestellt).
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Im axialen Anschluss an den gesamten Eintrittsbereich kann der Drosselkörper 1, wie vorliegend dargestellt, mit einer zweiten geschlossenen Fläche 50 ausgestaltet sein, welche sich in Axialrichtung A erstreckt. Im Bereich der zweiten geschlossenen Fläche 50 kann im Inneren des Drosselkörpers 3 ein Mischbereich mit zahlreichen Verteilerkammern 21, 31 und Übergangskanälen 62 gebildet sein. Insbesondere können im Bereich der geschlossenen Fläche 50 eine Vielzahl von Mitteldruck-Verteilerkammern 21 vorgesehen sein, welche weder durch Eintrittskanäle 41, 43 noch durch Austrittskanäle 51 direkt mit dem Hochdruckbereich 104 oder dem Niederdruckbereich 105 direkt verbunden sind. Die Mitteldruck-Verteilerkammern 21 sind nur über Übergangskanäle 62, 64 und 65 mit einander und mit den Hochdruck-Verteilerkammern 11, 13 und den Niederdruck-Verteilerkammern 31 verbunden. Durch die Verwendung mehrerer Mitteldruck-Verteilerkammern 21 werden im Inneren des Körpers 3 des Drosselventils 1 eine Vielzahl von Prozessfluid-Strömungs-Kreuzungsstellen realisiert, an denen Energie des Prozessfluids dissipiert werden kann, um einen großen Druckgradient zwischen der Hochdruck-Bereich 104 und dem Niederdruckbereich 105 einzustellen. Selbst wenn es an einer Kreuzungsstelle im Inneren des Drosselventilkörpers 3 zu Schäden infolge von Kavitation oder ähnlichem kommt, bleiben die übrigen Kreuzungsstellen hiervon unbeeinträchtigt. Dadurch kann der Drosselkolben 1 für lange Zeit wartungsfrei eingesetzt werden. Schäden am Ventilsitz 101 werden praktisch vollständig vermieden
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Am in Axialrichtung A unteren Ende des Drosselkolbens 1 ist die zweite Außenseite 5 gebildet, an der eine Vielzahl von Austrittskanälen 51 in mehrere Ausgangsdiffusoren 53 münden. Die untere Außenseite 5 beziehungsweise Stirnseite des Drosselkolbens 1 ist in 3 abgebildet. An der unteren Außenseite 5 ist mittig ein kreisförmiger, zentraler Ausgangsdiffusor 53 vorgesehen, der koaxial von fünf ringförmigen Ausgangsdiffusoren 53 umgeben ist. In die verschiedenen Ausgangsdiffusoren 53 münden je mehrere, unterschiedlich viele Austrittskanäle 51. Die Menge der Austrittskanäle 51 pro Diffusor 53 nimmt mit zunehmendem radialen Abstand zur Achse des Drosselkolbens 1 zu. Durch den Einsatz der Austrittsdiffusoren 53 ist sichergestellt, dass die in Axialrichtung A aus dem Drosselkolben 1 austretende Prozessfluidströmung homogen in den Niederdruckbereich 105 des Stellventils 100 abgeführt wird, um das Ventilgehäuse 103 zu schonen.
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Wie in den 1 und 2 zu erkennen ist, bildet das Kanal- und Kammer-Geflecht 6 im Inneren des Körpers 3 des Drosselkolbens 1 eine dreidimensionale, vielfach verknüpfte Netzstruktur. Von der ersten, radialen Außenseite 4 des Drosselkolbens 1 führen die Eintrittskanäle 41 und 43 zu den Hochdruck-Verteilerkammern 11, 13. Im ersten Eintrittsbereich 40 sind, bezogen auf die Gesamtzahl der Eintrittskanäle 41 und 43 verhältnismäßig wenige, in Radialrichtung R lange Eintrittskanäle 41 vorgesehen. Die langen Eintrittskanäle 41 führen zu Hochdruck-Verteilerkammern 11 mit relativ großem Abstand zu radialen Außenseite 4 beziehungsweise geringem Abstand zur Achse A. In den langen Eintrittskanälen 41 kann durch Wandreibung Energie der Prozessfluidströmung aufgenommen werden. Die ersten Eintrittskanäle 41 sind von relativ dicken durch den Körper 3 gebildeten Kanalwandungen mit einer entsprechend hohen thermischen Masse umgeben.
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Im zweiten Eintrittsbereich 42 ist eine sehr hohe Anzahl Eintrittskanäle 43 bezogen auf die Gesamtzahl der Eintrittskanäle 41 und 43 vorgesehen, sodass ein großer kumulierter Durchströmungsquerschnitt realisierbar ist. Die zweiten Eintrittskanäle 43 im zweiten Eintrittsbereich 42 sind sehr kurz und führen zu Hochdruck-Verteilerkammern 13 nahe der radialen Außenseite 4 des Drosselkörpers 1. In den kurzen zweiten Eintrittskanälen 43 findet wenig Wandreibung statt. In dem zweiten Eintrittsbereich 42 sind die einzelnen, vollumfänglichen torusförmige Hochdruck-Verteilerkammern 13 je mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen 43 ausgestattet, sodass die Fluidströmung mit verschiedensten Eintrittsrichtungen in die Hochdruck-Verteilerkammer 13 hineinströmt und sich in den einzelnen Hochdruck-Verteilerkammer entgegen einander orientierte Teilströmungen und viele Verwirbelungen einstellen, damit Energie des Prozessfluids dissipiert wird.
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Die verschiedenen Hochdruck-Verteilerkammer 11 und 13 des Drosselkolbens 1 sind in Radialrichtung und Axialrichtung A zumindest teilweise relativ zueinander versetzt im Körper 3 des Drosselkolbens 1 angeordnet. Es ist denkbar, dass insbesondere in dem zweiten Eintrittsbereich 42 mehrere Hochdruck-Verteilerkammern 13 nur in Axialrichtung A relativ zueinander versetzt sind. Die Eintrittskanäle 41, 43 haben bei der hier dargestellten exemplarischen Ausführung einen tropfenförmigen, nach oben verjüngten Querschnitt. Alternativ können die Kanäle 41, 43 zumindest teilweise eine rautenförmige, dreieckige, ovale und/oder runde Querschnittsform haben. Es sei klar, dass die Eintrittskanäle 41, 43 eine andere Querschnittsform aufweisen können. Alternativ oder zusätzlich können die Eintrittskanäle 41, 43 dieselbe oder unterschiedliche andere als die abgebildeten ovalen Querschnittsform und -größe aufweisen. Die einzelnen Eintrittskanäle 41, 43 können geradlinig oder labyrinth-, kaskaden- bzw. schraubenkanalartig oder völlig frei gestaltet sein.
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Durch eingangsseitige Übergangskanäle 65 kann das Prozessfluid von den Hochdruck-Verteilerkammer 13 in andere Hochdruck-Verteilerkammer 13 strömen, was zu zusätzlicher Wirbelbildung anregen kann. Insbesondere kann das Prozessfluid aus den Hochdruck-Verteilerkammer 11, 13 durch eingangsseitige Übergangskanäle 65 in erste Mitteldruck-Verteilerkammern 21 hineinströmen. Zwischen den Mitteldruck-Verteilerkammern 21 und den Hochdruck-Verteilerkammern 11, 13 können eine Vielzahl von Übergangskanälen 65 gebildet sein, sodass in den Mitteldruck-Verteilerkammern 21 wiederum Prozessfluidströmung mit unterschiedlichsten Orientierungen hineinströmen kann, was weitere entgegengesetzt zu einander gerichtete Strömungen und Verwirbelungen in den Mitteldruck-Verteilerkammern 21 zur Folge hat.
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Im Inneren des Drosselkolbens 1 ist eine Vielzahl verschiedener Mitteldruck-Verteilerkammern 21 vorgesehen. Die Mitteldruck-Verteilerkammern 21 können vollumfänglich torusförmig sein. In dem Drosselkolben 1 können mehrere oder ausschließlich teilumfängliche Verteilerkammern, d.h. Hochdruck-Verteilerkammer 11, 13, Niederdruck-Verteilerkammer 31 und/oder Mitteldruck-Verteilerkammern 21, gebildet sein. Eine teilumfängliche Verteilerkammer kann beispielsweise ringabschnittsförmig sein. Eine teilumfängliche Kammer ist mit wenigstens zwei, vorzugsweise mehr als zwei, Kanälen ausgestattet, von denen wenigstens einer in Richtung der ersten Außenseite 4 und wenigstens ein anderer in Richtung zur zweiten Ausgangsseite 5 führt. Beispielsweise können in dem Drosselkolben mehrere in Umfangsrichtung 4 benachbarte Verteilerkammern vorgesehen sein, die durch radiale Wände voneinander getrennt sind, die nicht, teilweise oder alle von Übergangskanälen in Umfangsrichtung durchdrungen sind. Mehrere Mitteldruck-Verteilerkammern 21 können einander koaxial zu der Achse A des Drosselkolbens in einer axialen Ebene umgeben. Verschiedene Mitteldruck-Verteilerkammern 21 können in Axialrichtung A relativ zueinander versetzt in verschiedenen axialen Ebenen angeordnet sein. Benachbarte axiale Ebenen können mit oder ohne axiale Höhenüberschneidung im Körper 3 des Drosselkolbens 1 angeordnet sein.
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In dem in 1 abgebildeten Drosselkolben 1 sind in Axialrichtung A übereinander sechs verschiedene Etagen mit Mitteldruck-Verteilerkammern 21 gebildet. In Axialrichtung A darüber ist eine weitere Etage mit einer ersten Hochdruck-Verteilerkammer 11 angeordnet. Die oberste Etage besteht aus einer einzigen vollumfänglichen, torusförmigen Hochdruck-Verteilerkammer 11. Anstelle einer einzigen vollumfänglichen torusförmigen Hochdruck-Verteilerkammer 11 ist es denkbar, das nicht mehr als einer oder nicht mehr als beispielsweise zwei der ersten Einlasskanäle 41 in teilumfänglich Hochdruck-Verteilerkammern 11 münden. In dem zweiten Eintrittsbereich 42 sind gemäß der in 1 dargestellten Schnittansicht drei Hochdruck-Verteilerkammern 13 in drei entsprechenden axialen Etagen vorgesehen. Jede der vollumfänglichen Hochdruck-Verteilerkammer 13 umgibt mehrere in derselben Etage gebildete Mitteldruck-Verteilerkammern 21.
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Unterhalb der Mitteldruck-Verteilerkammern 21 ist eine zusätzliche Etage mit sämtlichen Niederdruck-Verteilerkammern 31 angeordnet. Die Niederdruck-Verteilerkammern 31 sind mit zweiten Übergangskanälen 62 mit der untersten Etage von Mitteldruck-Verteilerkammern 21 verbunden. Ausgehend von den Niederdruck-Verteilerkammern 31 führen die Austrittskanäle 51 zu den Ausgangsdiffusoren 53. Die Austrittskanäle 51 haben bei der hier dargestellten exemplarischen Ausführung einen ovalen Querschnitt. Es sei klar, dass die Austrittskanäle 51 eine andere Querschnittsform aufweisen können. Alternativ oder zusätzlich können die Austrittskanäle 51 dieselbe oder unterschiedliche andere als die abgebildeten ovalen Querschnittsform und -größe aufweisen. Die einzelnen Austrittskanäle 51 können geradlinig oder labyrinth-, kaskaden- bzw. schraubenkanalartig oder völlig frei gestaltet sein.
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Wie beispielsweise in den 1 und 2 zu erkennen ist, bilden die Übergangskanäle 62, 64 und 65 zusammen mit den Verteilerkammern 11, 13, 21 und 31 ein Geflecht 6. Die Übergangskanäle bilden eine netzartige Struktur, welche an den Verteilerkammern ihre Kreuzungsstellen hat. Die Übergangskanäle können unterteilt werden in 2 verschiedene Gruppen, nämlich eine erste Kanalgruppe die bezüglich der Achse A in einem spitzen Winkel angeordnet ist und eine zweite Gruppe, die bezüglich der Achse A in einem stumpfen Winkel angeordnet ist, sodass sich das Geflecht 6 mit der in 1 abgebildeten rautenförmigen Netzstruktur bildet.
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Die Übergangskanäle sind bei der hier exemplarisch dargestellten Ausführung in koaxial fluchtenden Untergruppen ausgeführt, die sich diagonal durch den Körper 3 des Drosselkolbens 1 erstrecken (ähnlich wie Durchgangsbohrungen, abgesehen davon, dass die Untergruppen bei der beispielsweise in 1 dargestellten exemplarischen Ausführung ohne die Eintrittsöffnung einer typischen Bohrung gebildet sind). Wie hier exemplarisch dargestellt, können die Übergangskanäle 62, 64, 65 alle dieselbe, konstante Querschnittsform und -größe aufweisen. Der Durchströmungsquerschnitt der Verteilerkammern 11, 13, 21, 31 ist größer als der Querschnitt der Kanäle 41, 43, 51, 62, 64, 65. Auf diese Weise sind Stufen gebildet, was Dissipation von Energie des Prozessfluids begünstigt. Es sei klar, dass die Übergangskanäle verschiedene und/oder variable Querschnittsformen haben können. Die einzelnen Übergangskanäle können geradlinig oder labyrinth-, kaskaden- bzw. schraubenkanalartig oder völlig frei gestaltet sein.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drosselkolben
- 3
- Körper
- 4
- erste Außenseite
- 5
- zweite Außenseite
- 6
- Geflecht
- 10
- geschlossene Fläche
- 11, 13
- Hochdruck-Verteilerkammer
- 21
- Mitteldruck-Verteilerkammer
- 31
- Niederdruck-Verteilerkammer
- 40
- erster Eintrittsbereich
- 42
- zweiter Eintrittsbereich
- 41, 43
- Eintrittskanal
- 50
- geschlossene Fläche
- 51
- Austrittskanal
- 53
- Austrittsdiffusor
- 62, 64, 65
- Übergangskanal
- 100
- Stellventil
- 101
- Ventilsitz
- 103
- Ventilgehäuse
- 104
- Hochdruckbereich
- 105
- Niederdruckbereich
- 107
- Laterne
- 109
- Aktor
- A
- Axialrichtung
- R
- Radialrichtung
- U
- Umfangsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1650196 A1 [0004, 0006]
- DE 2431322 A1 [0005, 0006]
- WO 2019/152263 A1 [0007]
