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.Einzelsitz-Flissigkeitsregelventil Die Erfindung betrifft ein .EnzelsitzTFlüssigkeitsregelyentil
mit einem in einen Führungszylinder gleitenden Yerschlußkärper in Form einer zylindrischen
Hülae, und stellt einen Zusatz zum. .Hauptpatent Nr.:*.(R 43866 XIT/47g) dar. ,
Sie betrifft besonders Verfahrens-Regelventile des Typen, der mQtorische oder andere-Antriebe-zur
progressiven Einstellung über den gesamten Hubbereich besitzt und der Zwischenstellungen
zwischen der Offen.- und-Schließstellung einhalten muß: _ -.-In vielexi modennen.
Anwendurigsbereicheri von Regelventilen wird eine Ventiltype benötigt, die nur eine
verhältnismäßig kleine Antriebskraft erfordert,-auch dann, wenn , der Strom einer
Me®igket unter hohem Druck gesteuert
werden soll. Jedoch werden
die Kräfte und Hubenergien von Elektromagneten oder Solenoid-Antrieben dadurch begrenzt,
daß die Wicklungen nicht überhitzt werden,dürfen; es gibt natürlich verschiedene
andere Wege, Ventile zu öffnen oder 'zu schließen, z.B.-durch.Yerwendung eines Luftmotors
oder Zylinders von begrenzten Abmessungen, Schwimmerhebelübertragun= gen und zustandsabhängige
Fühler, wie z.B. Thermostate, die nur verhältnismäßig kleine BeKtigungakräfte abgeben,
falls die Betätigungsvorrichtung direkt mit dem Ventil verbunden ist. In vielen
Fällen ist eine Art von Relais zwischen dem Primärantrieb und dem Ventil zwischengeschaltet,
um die vorhandene Kraft zu erhöhen. Dadurch steigen jedoch die Herstellungskosten,
die Kompliziertheit und der Raumbedarf . des Regelsystems.
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Mit der Erfindung des Hauptpatente soll ein Ventil geschaffen werden,
das eine genaue Regelung. eines Flüssigkeitsatromes zuläßt,-obwohl-die vorhandene
Eingangsleistung für die Regelung verhältnismäßig niedrig isst.
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Dieses Ziel erreicht die Erfindung des Hauptpatentes dadurch, daß
zur Reduzierung der Spindelkräfte eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen getroffen
sind; a) die StArke der Wandung des fieraohlußkörpera ist aus-, gewählt nach: Maßgabe
der Belastung,-die durch die Druokdifferenz.an, seinen beiden Oberfläohen, .hervorgerufen
ist;
b) der Verschlußkörper ist mit einer Gegenbohrung versehen,
um Spindelkräfte bei hohem Hub.zureduzieren.; c) der Verscllußkörper ist an den
Enden, die an dem Ventilsitz anliegen, mit erbgefasten Kanten vershhen; d) der Verachiußkörper
ist so in dem Führungszylinderangeordnetdaß bei geringem Hub zusätzliche öffnende
@Kräfte entstehen: Das Ziel ist es, diese verschiedenen Parameter so zu wählen,
daß die maximale Öffnungskraft, die durch das Ventil an der VentilspincU erzeugt
wird, nicht das. Produkt aus Spindelquerachnitt und Vordruck übersteigt, während
die maximale Schließkraft nicht das Gewicht der beweglichen Teile übersteigt.
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Es hat sich herausgestellt, daß kleine Dimensionsveränderungen in
dem Profil der unteren Fläche des Verschlußkörpers einen großen Einfluß auf die
Spindelkraft haben. Entsprechend wird in einem vorgezogenen Ausführungsbeispiel
des Hauptpatentes-die Wandstärke an dem unteren Ende des Verschlußkörpers durch
eine innen liegende konische Gegenbohrung reduziert.
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In einer weiteren Ausbildung wirdtei dem ,Hauptpatent ein Ventil mit
niedriger Spindelkraft geschaffen, indem es mit. einem kraft getriebenen Antrieb
ausgerüstet wird. Der Antrieb kann motorisch, elektromagnetisch oder nichtelektrisch,
wie z.B. pneumatisch oder hydraulisch,sen.
Bei den herkömmlichen
Verfahrens-Regelventilen -mit. normalen Spndelkräften ist es üblich, elektromotorische
Antriebe mit kleiner Teit und hoher Geschwindigkeit zu verwenden, die -das Ventil
über ein Reduziergetriebe antreiben. Die erforderliche Reduzierung ist ganz erheblich:
und enthält in einem typischen Falleine Führungsschraube-und eine Mutter, die durch
ein doppeltes Reduziergetrebe angetrieben werden. Solch ein Antriebsmotor kann nicht
mechanisch abgebremst werden, sondern muß durch Endschalter geschützt werden, die
den Antriebsmotor abschalten, bevor er am Hubende auf mechanische Anschläge auftrifft.
Falls die Endschalter, wie es häufig vorkommt, überfahren werden,kann der Motor
ausbrennen. In vielen Verfahrensregelungen bleibt die durchschnittliche Stellung
des Ventilen und damit die Stellung der.Antrebselemente im wesentlichen konstänt
und unterliegt nur mehr oder weniger zufälligen Abweichungen nach irgendeiner Seite
der Durchschnittsstellung. Als Folge davon ist der Getriebeverschleiß auf
einen schmalen: Teil des Getriebezuges konzentriert, wodurch die Lebensdauer des
Getriebes wesentlich reduziert wird.
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Die Anwendung eines Ventiles mit niedriger Spindelkraft, das entsprechend
den Kriterien ausgebildet ist, wie sie in dem Hauptpatent beschrieben werden, ist
vorteilhaft für jede. Art von Antrieb, da es die Belastung des Antriebes verringert
und die Lebensdauer der Vorrichtung erhöht. Die Belastung setzt sich im weesntlishen
nur aus den Reibungskräften
und aus der Trägheit: zusammen, und
als Ergebnis wird der Abrieb an den Antriebsteilen bedeutend reduziert. Ferner werden
die zufälligen Veränderungen in der-Spindelkraft, die von Störungen in der zu regelnden
Flüssigkeit hervorgerufen werden, notwendigerweise in ihrer Größe reduziert, falls
die hydrodynamischen Spindelkräfte klein sind. Die üblichen Ventile erzeugen große
Spindelkräfte, und daraus folgend-ergeben sich grd3e, willkürliche Veränderungen
an der Spindelkraft. Diese wirken auf den Antrieb zurück und können ein zusätzlicher
Grund für eine kurze Lebensdauer des motorischen Antriebes sein.
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In dem besonderen Fall eines elektromotorischen Antriebs wird es möglich,
einen Motor mit niedriger Geschwindigkeit des Types zu benutzen, der kontinuierlich
ohne Beschädigung mechanisch abgebremst werden kann, so daßdas Problem. des .. Ausbrennens
aufgrund von überlaufendaEndschaltern voilständig überwunden wird. Ferner kann solch
ein Motor so angeordnet. sein, daß er das Ventil über eine Führungsschraube und
eine Mutter ohne ein weiteres Reduziergetriebe antreibt, so daß ein zusätzlicher
Getriebekasten, der bisher in mötoriächen Ventilantrieben verwendet ist.
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Die Schaffung eines Ventiles mit niedriger Spindelkraft bedeutet weiterhin,
daß es in einigen Fällen, wo eab-sher üblich ist, zur Verstärkung der vorhandenen-Regelkraft-ein-Relais
-oder pilotventil in den Regelkreis zwischen der' Ausgangsguelle der Regelkräft
ünd dem auptregelventil zwischenzuschalten,
nunmehr möglich ist,
das Pilotventil fortzulassen-und die Ausgangs-Regelkraft direkt dem Hauptventil
zuzuführen., da die niedrigeren Spindelkräfte des Ventles gemäß dem Hauptpatent*nicht
größer sind, als sie-zur Betätigung eines Filotventiles benötigt werden. Möglichkeiten
zur Anwendung. des Ventiles sind: besonders bei selbstangetriebenen Reglern gegeben,
wo die-Ausgangsquelle der Regelung eine Art von,_ zustandsabhängigem Flühler ist,
wie z.B. ein Schwimmer, der auf Wechsel des Flüssigkeitspegels anspricht.
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Mit- einem gemäß der Haupterfindung ausgebildeten Ventil werden durchaus-
befriedigende Ergebnisse erzielt. Es -hat sich jedoch herausgestellt, daß die Hubkenulinie
in.kleinen Hubbereichen nicht so günstig ist.
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Eine gleichmäßige Spndelkraft auch in kleinen Hubbereichen wird erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß die Bohrung des Ventilsitzes in Richtung auf die Schließbewegung
des Verschlußkörpers abgeschrägt ist und das Ende des Verschlußkörpers in der abgeschrägten
Bohrung arbeitet.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend
in mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen@näher erläutert.-Dabei
stellen darr.
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Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ventil der bekannten Art, das erfindungsgemäß
ausgebildet werdenkann; Fig, 2 bis ¢ Schnitte durch verschiedene Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Verschlußkörper und Ventilsitze.
Das in Fig.
1 dargestellte Ventil besteht aus einem Ventilgehäuse 11, das durch eine Trennwand
12 in zwei Kammern geteilt ist, in deren waagerecht verlaufendem Abschnitt dich
ein Ventilsitz 13 befindet. Die obere Ventilkammer steht mit einer Einlaßöffnung
14 in Verbindung, während die untere Ventilkammer mit einer Auslaßöffnung 15 in.Yerbindung-steht.
In den Ventilsitz 13 ist ein senkrecht geführter Verschlußkörper 16 in Form einer
zylindrischen Hülse eingepaßt, der die r Durchlaßöffnung 17 des Ventilsitzes 13
und damit das Ventil verschließt. Der Verschlußkörper 16 wird durch eine am oberen
Teil des VerschluBkörpers befestigte Ventilspindel 18 bewegt und ist dumk einen
Führungszylinder 1:9 in senkrechter Stellung gehalten. Die Anschlußflansche des
Ventils können, wie zeichnerisch dargestellt, in einer Linie liegen, sie können
aber auch rechtwinklig zueinander stehen.
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Ein derartiges Ventil ist hydrostatisch nicht ausgeglichen. Wie schon
eingangs erwähnt, ist es erwünscht, die an der Spindel angreifenden Kräfte, die
durch hydrostatische und hydrodynamische Einflüsse hervorgerufen sind-, wesentlich
zu vermindern.
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In Versuchen hat sich-gezeigt, daß die Spindelkräfte bei einem derartigen
Ventil durch die. folgende Gleichung in ausreichender Genauigkeit angegeben werden
können.
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E = AP1, - B(pl p2) - (W +-f) (i)
Dabei haben die
Buchstaben folgende Bedeutung: F = Spindelkraft A = Querschnittsfläche des Verschlußkörpers
-B = eine negative Konstante hubunabhängig P1 = Vordruck P2 = Nachdruck ii = Gewicht
der sich bewegenden Teile f = Renbungskraft.
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Natürlich müssen die Einheiten dieser Größen miteinander konsistent
sein. Die senkrecht nach oben auftretenden Kräfte werden als positiv und öffnend-,
die senkrecht nach unten wirkenden Kräfte negativ und schließend bezeichnet.-Die
Reibungskraft steht der Bewegung immer entgegen und erhält daher ein entsprechendes
Vorzeichen, das von der Bewegungs= richtung abhängig ist: Die Gleichung (i) läßt
sich auch ausdrücken als: (F/AP@) - (1-(B/A)) + (B/A) (P2/P1) - (W + f)/(A21) (ii)
Dabei liegt das hauptsächliche Interesse in zwei Fällen: 1. Wenn -B = -A ist, und
2. wenn -- B u 0 ist. --Diese zwei Fälle sind in Fig. 2 graphisch für verschiedene
Werte von W,A, f und P1 dargestellt.
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Positive Werte der Konstanten B bewirken eine Kraft,' die unveränderlich
öffnend ist und die: von einem Minimum:
Api - (w + f) wenn 22 =
Pi, zu. einem Höchstwert P1 (A + B) - (W + f-), wenn P2 = 0 ist,. anwächst, Wenn'B
wie in Gleichung (i) negativ ist und -A im Betrage übersteigt, wird die Spindelkraft
bei abnehmendem Wert'zvon (2/P1) zunächst geringer und wird schließlich zur schließenden
Kraft, sobald (P 2/p1) gegen Null geht.
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Die günstigste Bedingung :lautet also folgendermaßen: -A -B 0 .-
| Diese Bedingung führt zu einem Ventil, in dem die |
| öffnende |
| größte/Kraft nicht das Produkt aus Ventilspindelqnerschnitt |
und Vordruck, und die größte schließende Kraft nicht das Gewicht der beweglichen
Teile übersteigt.
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Die einfachste Form des Verschlußkörpers ist ein Zylinder von rechteckigem
Längsschnitt, und mit solch einem Zylinder wurden die Versuche durchgeführt. Diese
Versuche bestätigten, daß es miiglich ist,. durch Gegenbohren des Verachlußkörpers
die Größe von B bei großem Hub zu reduzieren, jedoch auf Kosten eines Anwachaena
bei kleinem Hub . Falls@der Körper an seinem unteren Ende nach außen abgefaat ist,
kehrt-die Fase das Vorzeichen von H bei kleinem Hub um, und die Wirkung der fase
wird kleiner, sowie der Hub ansteigt. Die Punkte der Ablenkung zur positiven B-Achse
der dann erzielten Kennlinie-:treten auf, wenn die Senkrechten zu den abgefasten
Oberflächen die Oberkanten den Ventilsitzes nicht mehr oohneiden. Eine
An-
nehmbare Annäherung an die zuvor beschriebene, erforderliche
Bedingung kann durch geeignete Kombination von Gegenbohrungen und Abfasen erreicht
werden, mit Ausnahme jedoch möglicherweise bei sehr geringen Hüben, wenn sich der
Verschlußkörper noch in dem Sitz befindet.
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Hinzuzufügen ist, daß der Winkel, in dem die Fase ausgebildet ist,
einen großen Einfluß auf die Spindelkraft hat: Es hat sich gezeigt, daß die günstigsten
Winkel zwischen 45 0 -und 60 0, liegen. Jedem Winkel der Fase ist eine entsprechende,
optimale, radiale Tiefe der Fase zugeordnet: Die oben angeführten Versuche, wurde
mit scharfkantigen Ver.schlußkörpern und Ventiletzen durchgeführt. Die scharfen
Kanten bleiben aber aufgrund der korrosiven Wirkung der Flüssigkeit im Betrieb nicht
allzu lange scharfkantig.
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Die Abrundungswirkung an den scharfen ganten ist beträchtlich, jedoch
ist es möglich, auf diese Weise brauchbare Werte. für die Spindelkraft zu erreichen.
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Übergroße, schließende Kräfte bei kleinem Hub können durch Einbau
eines Ver,echlußkörpers und einer Führungskonstruktion reduziert werden, wie sie
in der früheren Patentanmeldung beschrieben wurden. Der Verachlußkörper wird durch
zwei im Innern des Zylinders ringförmig angebrachte Führung sflächen geführt und
besitzt an seinem oberen Ende einen erweiterten -Durchmesser -oder-einen Kolben.
Wenn der Hub klein ist, übersteigt der Druck in der ringförmigen Kammer
unter
dem Kolben: des VerAchlußkörpers den Druck in dem Ventilkörper oberhalb des Verschlußkörpers
und erzeugt so eine öffnende Kraft, die gleich dem Produkt aus der Fläche des Kolbens
des Verschlußkörpers unncIfier Druck-Differenz ist. Diese zusätzliche Kraft geht
verloren, sobald der erweiterte Durchmesser oder Kolben des Verschlußkörpers den
Führungszylinder verläßt. Mit diesen Vorrichtungen ist eq(nöglich, für@die gesamte
Spindelkraft-Kennlinie annehmbar gute Werte zu erreichen.
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Es hat sich jedoch" herausgestellt, daß gemäß der Er-
| Findung noch bessere Werte erreicht werden können: |
| -Konstante |
| Es soll nun die Durchflußs -des Ventils betrachtet |
werden, die durch die Anzahl der Gallonen Wasserbestimmt wird, die bei einem Druckunterschied
von 1 p.s.i.g durch das Ventil läuft, wobei die Temperatur des WasserOnormalerWeise
vorgeschrieben ist. Der Durchfluß durch das Ventil wird durch die Gleichung gegeben:
Dabei bedeuten.
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Q = Durchfluß in Gallonen pro Minute Pl= Vordruck in p.s.g.
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P,2 Abdruck in p.s.i.g.
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Diese Gleichung bezieht sich auf den Durchfluß einer inkompressiblen
Fliissigkeit@ Sie kann für andere inkompreseible -Flüssigkeiten als Wasser korrigiert
werden, indem man vor dem Ziehen der Quadratwurzel die Druckdifferenzen durch das
spezifische Gewicht dividiert.
Allgemein gesagt besitzen progressiv
öffnende Regelventile eine Dur chfluB%Hub-gennlinie, die entweder --linear oder
ex ponential ist. Im ersten Fall ist der Durchfluß eine lineare Funktion des Hubes;
im zweiten Fall ist der natürliche Logarithmus des_Durchflusses proportional zum
Hub,- wobei diese Art der Ventilkennlinie ebenfalls als "gleicher Prozentsatz" bekannt
ist.
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Fig. 2 zeigt einen Verschlußkörper 60 und einen zusammenwirkenden
Sitz 61, wobei der Sitz eine konventionelle, zylindrische Bohrung 62 aufweist. Die
Öffnungsfläche ist die -Umfangsfläche, die durch. das Produkt aus dem Sitzumfang
und dem Hub gebildet wird. Aufgrund der Auswirkungen der Druckverluste in den Eingangs-
und Ausgangsteilen des Ventilkörpers und in dem Sitz, ist der Dürchfluß eines solchen
Ventiles nur. dann eine lineare Funktion, wenn die Höhe h ein kleiner Bruchteil
des Sitzdurchmessers D0 ist. Die allgemeine Gleichung, die den Durchfluß Ov und
den Hub für alle solche Ventile verbindet, läßt sich ausreichend gut folgenderweise
aufstellen:
Dabei bedeuten: h = Hub oberhalb des Sitzes D0 = Sitzdurchmesser E = eine Konstante
F = eine Konstante für eine vorgegebene Ausbildung
Die relativen
Größen der Konstanten sind abhängig von der Ausbildung des Ventilkörpers und des
Sitzes und mit der Beziehung zwischen den Verlusten in:den festen Teilen und denen
in der veränderlichen Öffnung. Daher ist die Konstante F in einem schlecht konstruierten
Ventil verhältnismäßig groß, und die Kennlinie ist nur über eir4en schmalen Bereich
des Hubes linear.
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Diese Nachteile können korrigiert werden, indem man, wie in Fig, 3
gezeigt, den Ventilsitz 61 mit einer Fase-versieht und den Verschlußkörper 60 in
dem abgefasten Sitz arbeiten läßt. Die geometrische- Öffnungsfläche wird nun durch
ein Lot 65 von der Spitze 6¢ des Verschlußkörpers 6'V auf die abgefasten Flächen
des Ventilsitzes bestimmt.
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Dadurch ist eeinöglich, eine lineare Beziehung zwischen DurchfluB-und
Hub zu erreichen und einen annehmbaren Maximalwert des Durchflusses für irgendeine
vorgegebene Ventilkörpergröße zu erzielen.
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Eine Exponential-Kennlinie kann dadurch: erreicht werden,.daß der
Fasenwinkel gegenüber der Achse des Verschlußkörpers in Richtung auf die Öffnungsbewegungdes
Verschlußkörpers progressiv anwächst. Eine Annäherung an die erforderlivhe Exponential-Kennlinie
kann durch die in Fig. 4 dargestellte Ausbildung erreicht werden, in welcher
der Sitz nur unter zwei Winkeln erbgefast ist. Eine genaue Exponential-Kennlinie
kann durch eine Erweiterung des`Ventileitzen in der-erforderlichen Kontur erreicht
werden. - -
- Ein Ventil mit niedrigem Sgindeldruck, das gemäß
den vorher erwähnten Kriterien konstruiert ist, kann z.B. als ein Verfahrens-Regelventil
oder in einer selbst getriebenen Regeleinrichtung ohne ein Relais- oder Pilotventil
zischen sich und dem Ausgangspunkt der Regelkraft verwendet werden. Zur Verfahrensregelung
benötigt das Ventil einen entsprechenden Antrieb. Dieser kann eletrisch, pneumatisch
oder hydraulisch sein. Für kleinere Ventilgrößen, bis zu 100 mm Nenn-Bohrung ist
ein Elektromagnet oder ein Solenoid-Antrieb zweckmäßig, jedoch mit größeren Abmessungen
über 100 mm Nenn-Bohrung ist ein Motor-Antrieb günstiger.