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Vorrichtung mit mehreren Stufen zur Entspannung hoher Drücke und zur
Regelung von unter hohem Druck strömenden Medien In Anlagen zur Energieerzeugung
und Anlagen der chemischen Technik liegt der Fortschritt häufig in der Anwendung
und Beherrschung zunehmend hoher Druckstufen. Die Aufgabe, die Menge eines unter
hohem Druck strömenden Mediums zu regeln bzw. ein unter hohem Druck stehendes Medium
zu drosseln und regelbar auf niedere Druckstufen zu entspannen, erfordert daher
ständig verbesserte Vorkehrungen und Mittel, um die Druckenergie schwingungs-und
geräuscharm sowie möglichst wirbelfrei herabzusetzen.
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Die hierfür bekannten Drosselventile, Kolbenschieber und mit mehreren
parallel angeordneten Düsen versehenen Düsenregelschieber sind für sehr hohe Druckgefälle
wenig geeignet, da ihre einstufige meist überkritische Druckreduzierung im allgemeinen
starke Wirbel und Freistrahlschwingungen auslöst, die die Dauerfestigkeit des Materials
beeinflussen und schließlich auch Geräusche verursachen, die häufig oberhalb der
menschlichen Schmerzschwelle liegen. Bei einstufigen Düsenregelschiebern unterdrückt
der fast geradlinige, in viele Einzelwege unterteilte Strömungsdurchgang zwar die
Wirbelbildung weitgehend, jedoch nicht in allen Fällen ausreichend. Bei sehr hohen
Druckgefällen werden daher in seinem Austrittsstutzen z. B. mehrstufige nicht regelbare
Drosseleinbauten mit Strahlaufteilung verwendet.
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Ferner sind in ähnlichem Zusammenhang zur Verwendung hinter Absperrventilen
auch schon Druckmindervorrichtungen vorgeschlagen worden, die aus einer Vielzahl
hintereinandergeschalteter, in Entspannungsrichtung des Drucks zunehmend größer
werdenden Kammern bestehen. Die Eintrittsleitung in die erste Kammer und die Verbindungsleitungen
nachfolgender Kammern, die das zu entspannende Medium schrittweise auf zunehmend
niedere Druckstufen bringen, münden dabei jeweils tangential in die nachfolgende
Kammer ein. Eine Regelung der nicht geteilten Übergangsquerschnitte zwischen den
einzelnen Entspannungskammern ist dabei nicht vorgesehen.
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Es ist auch bekannt, durch die Anordnung zusätzlicher Drosseleinbauten
vor oder hinter einem in nur einer Stufe geregelten Drosselquerschnitt starken Wirbeln
und Schwingungen zu begegnen. Derartige Drosseleinbauten, z. B. Lochzylinder, Strömunggleichrichter,
Leitkreuze, hintereinandergeschaltete Lochdrosselscheiben, labyrinthartige Verzweigungssysteme
eines regelmäßigen geometrischen Aufbaus mit bestimmten Verhältnissen des wirksamen
geregelten Querschnitts zu dem kürzesten Abstand des nachgeordneten Verzweigungssystems
sowie regellose Kugelaufschüttungen, die gegebenenfalls in einem Siebkorb angeordnet
sind, können nur für einen bestimmten, meist für einen maximalen Mengendurchsatz
ausgelegt werden. Sie verlieren aber bei einem geringeren Durchsatz stark an Wirkung,
insbesondere können sie dann die Strömungsgeschwindigkeit im gedrosselten Düsenquerschnitt
nicht herabsetzen. Bei gegenüber dem maximalen Durchsatz verringerten Mengen wird
daher der wesentliche Umfang der geforderten Entspannung wieder auf den einzigen
regelbaren Drosselquerschnitt der Anordnung zurückverlagert. Damit treten erneut
die nachteiligen Schwingungen und Geräusche sowie ein erhöhter Verschleiß in der
Drosselarmatur auf, wenn auch mit etwas geringerer Energie entsprechend der Teillast.
Der Nachteil dieser bekannten und älteren Vorschlägen entsprechenden Drosselarmaturen
liegt also darin, daß alle zusätzlichen Drosseleinbauten einen während des Betriebes
nicht veränderlichen starren Drosselquerschnitt aufweisen.
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Im allgemeinen werden mehrstufige starre Drosseleinbauten bei der
Entspannung von Dämpfen, Gasen oder von siedenden Flüssigkeiten, entsprechend der
Volumenvergrößerung, mit von Stufe zu Stufe zunehmendem freiem Drosselquerschnitt
und größer werdendem Entspannungsraum ausgeführt. So sind insbesondere für die Ableitung
von Kondensat aus Dampfanlagen stufenförmig ausgebildete Entspannungsventile mit
mehrfacher durch Wärmefühler geregelter
Drosselung und zwischengeschalteten
Wirbel- und Entspannungsräumen bekannt. Das zu entspannende Medium passiert derartige
temperaturabhängig regelbare Stufendüsenventile jedoch in einem geschlossenen Strom.
Andere bekannte nach dem Düsenprinzip arbeitende Entspannungsvorrichtungen zerlegen
den Strom des zu entspannenden Mediums in mit versetzten Öffnungen aufeinander geschichteten
Platten zwar in mehrere Teilströme,' sind jedoch weder in ihren Düsenquerschnitten
noch in .den dazwischenliegenden Wirbelräumen verstell- oder regelbar. Als Kondensatableiter
sind -sie im übrigen nur für die Aufgabe gebaut, Kondensat durchzulassen und den
nachströmenden Dampf möglichst vollständig abzusperren.
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Von der bekannten Arbeitsweise der mehrfachen Zerlegung des zu entspannenden
Mediums in mehrere Teilströme und Wiederzusammenführung in Entspannungsräumen ausgehend,
vermeiden Vorrichtungen nach der Erfindung die oben aufgezeigten Nachteile dadurch,
daß in mindestens zwei hintereinandergeschalteten Entspannungsstufen der gesamte
Durchlaßquerschnitt für die Teilströme gleichzeitig oder in den einzelnen Stufen
unabhängig voneinander veränderbar ist, wobei in jeder Stufe entspanntes Medium
abgenommen oder ein beliebiges Medium zugegeben werden kann.
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Solche Vorrichtungen haben in jeder Stufe ein die Drosselöffnungen
enthaltendes feststehendes Sitzteil, ein zugehöriges; dessen freie Öffnungsquerschnitte
freigebendes oder verschließendes stetig bewegbares Verschlußstück und einen diesen
Bauteilen nachgeordneten Entspannungsraum.
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Die geringere Strömungsenergie der einzelnen Strahlen kleinen Querschnitts
vermindert in Verbindung mit einer strömungstechnisch günstigen Ausbildung der Drosselöffnungen
die Gefahr des Auftretens von Geräuschen und Schwingungen wesentlich. Die gleichzeitige
Hintereinand'erschaltung mehrerer Drosselstufen setzt ein zu entspannendes Druckgefälle
stufenweise herab, im allgemeinen bis ins unterkritische Gebiet, so daß sich durch
diese Maßnahme eine erhebliche Verringerung der Wirbelenergie hinter jeder Drosselstufe
ergibt. Durch die während des Betriebes mögliche stufenlose Veränderung parallel
und hintereinandergeschalteter Drosseldurchflußquerschnitte bleiben diese Vorteile
bei der Drosselung von hohen Drücken auch für unterschiedliche Durchsatzmengen und
bei der Teilbelastung der Drosselvorrichtung erhalten.
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Die stufenweise hintereinandergeschalteten Drosseldurchflußquerschnitte
können je nach dem Verwendungszweck der Vorrichtung und je nach dem geforderten
Regelumlauf entweder einzeln oder in Gruppen gemeinsam oder in allen Stufen gleichzeitig
verändert werden, indem die Betätigungsglieder entsprechend geschaltet oder angetrieben
werden. Eine Drosselvorrichtung nach der Erfindung läßt sich nach der Schieber-
oder nach der Ventilbauweise ausführen. Bei einer Schieberausführung kann das die
Drosselöffnungen freigebende und abschließende Verschlußstück konstruktiv in bekannter
Weise als Plattenschieber, als Drehschieber oder auch als Kolbenschieber gestaltet
sein. Ferner können die Drosseldurchflußquerschnitte in sämtlichen Stufen oder nur
in der ersten Stufe bzw. nur in einer ersten Stufengruppe dicht abschließbar ausgeführt
werden, während die übrigen Stufen der Vorrichtung auch nicht absolut dicht abschließende
veränderliche Drosseldurchflußquerschnitte erhalten können.
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Die die Drosseldurchflußquerschnitte der einzelnen Stufen freigebenden
und schließenden Versehlußstücke werden, wie bereits erwähnt, entweder stufenweise
einzeln oder in Stufengruppen zusammengefaßt gemeinsam oder in sämtlichen Stufen
gemeinsam betätigt. Gemeinsam betätigte Verschlußstücke können die Drosseldurchflußquerschnitte
in mehreren Stufen mit jeweils dem gleichen proportionalen Betrag des gesamten freien
Öffnungsquerschnittes freigeben oder schließen oder auch in jeder in der Strömungsrichtung
des Mediums nachfolgenden Drosselstufe um einen anderen größeren oder kleineren
Betrag. Die einzelnen Drosseldurchflußquerschnitte bzw. Strömungswege jeder Stufe,
durch die die Teilströme des zu entspannenden Mediums hindurchtreten, kann man in
an sich üblicher Weise entweder etwa doppelt konusförmig mit zunächst enger und
dann wieder weiter werdenden Bohrungen ausführen oder mit im Längsschnitt düsenförmiger
Begrenzung der Bohrungen nach an sich bekannten Düsenvorbildern. Ganz allgemein
lassen sich Vorrichtungen zur Ausführung des Verfahrens so gestalten, daß z. B.
in jeder Stufe ein fester Sitzteil die einzelnen Drosselöffnungen enthält und daß
ein darüber geführtes Verschlußstück diese Öffnungen ganz oder teilweise freigibt.
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Weitere Merkmale seien an Hand der Abbildungen näher erläutert: Abb.
1 a zeigt eine Vorrichtung im Längsschnitt, Abb. 1 b die gleiche Vorrichtung im
Querschnitt mit einem Antriebsmittel für ein Verschlußstück.
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In einem konisch erweiterten Gehäuse a sind für eine stufenweise Entspannung
bzw: Drosselung des nach Abb. 1 a in Pfeilrichtung unter hohem Druck eintretenden
Mediums Sitzteile b angeordnet und mit dem Gehäuse druckdicht verbunden. Zur Teilung
des Stromes des zu entspannenden Mediums weist jedes Sitzteil b, auf zwei gegenüberliegende
Quadranten verteilt, eine Anzahl Öffnungen x auf, die in der Abb. 1 a mit gleichbleibendem
Durchtrittsquerschnitt wiedergegeben, vorzugsweise jedoch düsenförmig ausgeführt
sind. Über jedem Sitzteil b ist je ein kreisförmiger Steuerschieber als Verschlußstück
c angeordnet, der in zwei gegenüberliegende Quadranten mit sektorförmigen Durchbrechungen
entsprechend dem flächenmäßigen Umfang der Drosselöffnungen eines Quadranten jedes
Sitzteils b versehen ist. Die Steuerschieber sind in diesem Fall über sämtliche
Stufen hinweg mit einer in zentralen Bohrungen der Sitzteile b gelagerten
Welle d fest verbunden. Bei einer Drehbewegung der Welle d werden die nicht durchbrochenen
Quadranten der Steuerschieber über die die Drosselöffnungen x aufweisenden Quadranten
der Sitzteile b geführt und verkleinern oder vergrößern dabei deren gesamten freien
Durchtrittsquerschnitt. Steuerschieber der verwendeten Art sind im wesentlichen
bekannt. Zur Ausführung der Drehbewegung der Welle ist, zweckmäßig in einer Stufe
geringeren Druckes, eine Spindel bzw. ein am Ende mit einem Auge versehener Stößel
k von außen her durch eine Stopfbüchse in den Entspannungsraum n dieser Stufe eingeführt.
Der Stößel k ist seinerseits über einen in einem Führungsschlitz l des Steuerschiebers
dieser Stufe gelagerten Gleitstein mit Führungszapfen e an den mit der Welle d fest
verbundenen Steuerschieber angelenkt. Mittels mehrerer Spindeln bzw. Stößel k und
einer entsprechend geteilten Welle d können die
Drosseldurchflußquerschnitte
der Drosselstufen auch gruppenweise getrennt verändert werden. Durch den in Pfeilrichtung
wirkenden Druck des zu drosselnden Mediums wird der Steuerschieber der ersten Stufe
gegen den zugehörigen Sitzteil b gepreßt und sorgt für einen dichten Abschluß der
abgedeckten Drosselöffnungen x.
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Die Verteilung der Drosselöffnungen x auf je zwei gegenüberliegende
Quadranten wird so vorgenommen, daß sie in an sich üblicher Weise in benachbarten
Drosselstufen jeweils im anderen Quadrantenpaar liegen. Der durch die Öffnungen
des einen Quadranten eines Sitzteils b hindurchtretende geteilte Strom des Mediums
trifft dabei zunächst auf die nicht durchbrochene Quadrantenfläche des Steuerschiebers
der benachbarten Stufe-, wird dort abgelenkt und findet erst nach einer Richtungsumkehr
im zugehörigen Entspannungsraum n den Weg durch die freien Drosselöffnungen dieser
Stufe. Dieser Vorgang wiederholt sich von Stufe zu Stufe, wobei in den aufeinanderfolgenden
Stufen in an sich bekannter Weise sowohl die freien Öffnungsquerschnitte der Drosselöffnungen
als auch das Volumen der Entspannungs- oder Wirbelräume n zwischen den einzelnen
Stufen zunehmen.
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Sofern es notwendig ist, die Drosselung des Stromes eines Mediums
in der beschriebenen Vorrichtung mit einer Beeinflussung der Temperatur oder der
Zusammensetzung des bereits entspannten oder des zu entspannenden Mediums zu verbinden,
kann in einer der Drosselstufen ein zweites wärmeres oder kälteres Medium eingeführt
werden. Die Zumischung erfolgt z. B. über eine im Gehäuse a vorgesehene Düse
f mit zentraler Bohrung oder über eine Ringdüse. Hat das Gemisch der beiden Medien
keine oder nur eine geringe verschleißende Wirkung, so ist es zur besseren Durchmischung
zweckmäßig, das zusätzliche Medium schon in eine Zwischenstufe einzubringen. Zur
weiteren Mischung beider Medien kann ferner nach der letzten Stufe ein Mischkorb
g angeordnet sein, der aus einem Rohr von etwa der lichten Weite der Vorrichtung
an ihrem Ausgang besteht, in das ein festes Lochsieb h1 und ein lösbares Lochsieb
h2 eingebaut ist. Zwischen diesen beiden Sieben sind zur Erhöhung der Turbulenz
und zur besseren Vermischung zweier Medien Widerstandskörper i schüttelfest eingelegt,
die richtungsändernd und zugleich nochmals druckvermindernd wirken, wie es im wesentlichen
auch bekannt ist. Zweckmäßig wird der Mischkorb g mit einem Flansch versehen, der
sich zwischen dem Anschlußflansch der Vorrichtung und einem gegenüberliegenden Flansch
druckdicht festlegen läßt. Ferner kann jeder Drosselstufe durch den Stutzen m bereits
gedrosseltes Medium abgenommen werden. Das Zuführen von zusätzlichem Medium ist
an sich bekannt und schon vorgeschlagen worden.
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Die Abb. 2 zeigt eine Vorrichtung in der Ventilbauweise. In einem
konisch verlaufenden Ventilgehäuse a sind ein mehrgliedriges mit Drosselöffnungen
x versehenes Sitzteil bi und die mit diesem lösbar oder unlösbar fest verbundenen
Sitzteile b2, b3 und b4 der nachfolgenden Drosselstufen angeordnet. Die in den Sitzteilen
b gleitenden kolbenartigen Verschlußstücke c sind an einer gemeinsamen Spindel d
befestigt. Das Verschlußstück c1 verhindert durch seinen dichten Abschluß im Sitzteil
bi den Durchtritt des Mediums durch die Drosselöffnungen x. Beim Anheben der Spindel
d gleiten alle Verschlußstücke c gemeinsam und mit gleichem Hub aus dem sie umschließenden
Sitzteil b und geben je nach ihrer Stellung den Durchtritt des Mediums durch die
Drosselöffnungen x frei. Die Drosselöffnungen sind in diesem Fall als nutenähnliche
Schlitze ausgeführt. Derartige nutenähnliche Schlitze nehmen ebenso wie die Entspannungs-
und Wirbelräume n jeder Stufe in ihren räumlichen Abmessungen nach der Niederdruckseite
hin zu. Die Dichtungsfläche im Sitzteil bi wird zweckmäßig so angeordnet, daß sie
im Strömungsschatten des durchtretenden Mediums liegt. In entsprechender Weise wird
auch die Dichtungsfläche des Verschlußstückes cl in den Strömungsschatten verlegt
oder wird durch eine vorgezogene Kante gegen ein direktes Auftreffen des Mediums
geschützt, wie es zum Schutz des Sitzes bekannt ist. Die Abb. 2 zeigt die als nutenähnliche
Schlitze ausgeführten Drosselöffnungen x in den Verschlußstücken e angeordnet. Die
Drosselöffnungen x können auch, wie es die rechte Seite der Abb. 2 zeigt, in den
die Verschlußstücke umgebenden Sitzteilen b angeordnet sein. Man kann also die Drosselöffnungen
grundsätzlich entweder in den bewegten Verschlußstücken c oder in den sie umgebenden
festen Sitzteilen anordnen. Bei genügendem Hub der Verschlußstücke gegenüber den
festen Sitzteilen können sie sich aber auch teilweise in jeweiligen Verschlußstücken
c und teilweise in den sie umgebenden Sitzteilen b befinden. Statt der Ausführung
der Drosselöffnungen x als nutenähnliche Schlitze sind auch düsenförmige Bohrungen
möglich, die nach Abb. 3 a in die Verschlußstücke c oder nach Abb. 3 b in die Sitzteile
b eingebracht werden. Durch eine axiale Führung der Verschlußstücke c läßt sich
erreichen, daß gegenüberliegende Drosselöffnungen x beim Öffnen und Schließen auf
der gleichen Mantelfläche bleiben, d. h., die Verschlußstücke müssen bei den in
den Abb. 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen gegen Drehen gesichert werden.
Andernfalls sind, wie es die Abb. 3 c zeigt, die Drosselöffnungen x1 auf der jeweiligen
Druckseite durch einen Ringkanal o1 und die Drosselöffnungen x2 auf der Entspannungsseite
durch einen Ringkanal 02 über den ganzen Umfang der Trennflächen hinweg miteinander
zu verbinden. In diesem Fall wirken die gegenüberliegenden Ringkanäle o1, 02 wie
kleine Wirbelräume zwischen unabhängigen Drosselöffnungen x1 und x2 in den Verschlußstücken
c und den zugehörigen Sitzteilen b.
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Die Abb. 4 zeigt eine der Abb. 3 c wesensähnliche Anordnung der Drosselöffnungen
x1 und x., bei der die zusammenwirkenden Austritts- und Eintrittsöffnungen der Drosselöffnungen
in einer radialen Ebene liegen und der gewünschte Drosseldurchflußquerschnitt durch
Drehen des Verschlußstückes eingestellt wird. Diese Anordnung kann in Verbindung
mit einer drehbaren Welle d der Vorrichtung nach Abb. 1 in einer bestimmten Drosselstufe
der Vorrichtung angewandt werden.
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Es ist möglich, die besonderen Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen
miteinander zu kombinieren. Es läßt sich z. B. durch Anordnung von teleskopartig
ineinandergreifenden Hohlwellen bzw. Spindeln eine Regelung des Druckes oder der
Durchflußmenge in bestimmten Drosselstufen der Vorrichtung in Verbindung mit einem
ventilartigen Abschluß einzelner Stufen oder Stufengruppen durchführen.
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Bei allen beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung können die
Drosselöffnungen und die von den einzelnen Strahlen des zu entspannenden
Mediums
direkt beaufschlagten Flächen durch Aufbringung von Sonderstählen hinreichend verschleißfest
ausgeführt werden.