DE19528375A1 - Drosselventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Drosselventil, insbesondere für gasförmige Medien, vorzugsweise für Erdgas, mit einer in einem Ventilgehäuse angeordneten Drosselstrecke.

Derartige Ventile werden zum Abbau großer Druckdifferenzen benötigt.

Ein solches Ventil ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift 24 57 964 bekannt. Es wird ein speziell geformter Drosselkörper vorgeschlagen, der die Energie des Mediumstrahles stufenlos und kontinuierlich vernichten soll. Da er von dem Medium umströmt wird, ist seine Oberfläche dem mit hoher Geschwindigkeit fließenden Medium ausgesetzt, so daß er schnell verschleißt. Die dabei auftretenden Verwirbelungen emittieren Schall, der in der Nähe solcher Ventile zu einer unerträglichen Lärmbelästigung führen kann.

Zur Verringerung von Verschleiß ist in der GB 547,104 bereits vorgeschlagen worden, einen Drosselkörper mit mehreren kleineren Öffnungen zu versehen. Dieser Vorschlag betrifft jedoch einen Wasserhahn. Die dort vorkommenden Strömungsgeschwindigkeiten sind gegenüber gasförmigen Medien wesentlich geringer.

Ventile die zum Verschließen von z. B. Erdgasförderleitungen dienen, müssen besonders rauhen Betriebsbedingungen gerecht werden. Aufgrund des hohen Drucks unter dem das Erdgas steht, treten beim Drosseln besonders hohe Strömungsgeschwindigkeiten auf, die auch Schallgeschwindigkeit erreichen. Mitgerissene Staub oder Sandkörner lassen solche Ventile besonders schnell verschleißen. Die Lebensdauer bemißt sich häufig nach Stunden. Der Wartungsaufwand ist entsprechend hoch.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Drosselventil anzugeben, daß weniger Lärm emittiert, geringere Wartung benötigt und eine höhere Lebensdauer aufweist. Darüber hinaus soll es einfach zu reinigen und geänderten Betriebsverhältnissen anzupassen sein.

Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Gegenstand dadurch gelöst, daß die Drosselstrecke als offenporige Struktur ausgebildet ist. Der Druckabbau geschieht also nicht, wie üblich in einer einzigen Drosselstelle, sondern in einer Vielzahl von statistisch verteilten Drosselstellen. Jede offene Pore stellt für sich eine solche Drosselstelle dar. Das Gas diffundiert durch die offenporige Struktur hindurch und erfährt dadurch den erwünschten Druckabfall. Die Schallemission ist wesentlich geringer, weil geringere Geschwindigkeiten auftreten, die Emissionsstellen in der offenporigen Struktur statistisch verteilt sind und durch das sie umgebende Material abgeschirmt sind. Da mitgerissene Fremdkörper, z. B. Sandkörner in der offenporigen Struktur in den Fließgeschwindigkeiten erheblich reduziert werden, tritt auch weniger Verschleiß auf.

Die Höhe des Druckabbaus oder die Menge des durchströmenden Gases oder der Flüssigkeit lassen sich einstellen, indem die offenporige Struktur mindestens eine durchströmte Oberfläche aufweist, deren Größe veränderbar ausgebildet ist.

Eine offenporige Struktur läßt sich vorteilhaft einfach herstellen, wenn die offenporige Struktur aus einer Schüttung von Körnern besteht.

Die Körner werden dann in einen Behälter gefüllt. An den Stellen, wo die Schüttung durchströmt werden soll, sind in der Wandung siebartige Öffnungen vorgesehen. Eine solche Schüttung kann z. B. aus kugelförmigen Körnern bestehen. Dabei kann das Material der Körner Metall oder Keramik sein.

Wenn die Schüttung aus Körnern unterschiedlicher Größe besteht, läßt sie sich auch verdichten. Die Poren können so auf die gewünschten Werte eingestellt werden. Beispielsweise können sogar geeignete Böden verwendet werden.

Auf einen Behälter für die Schüttung kann verzichtet werden, wenn die Schüttung gesintert ist. Die Oberflächen des gesichteten Körpers lassen sich auch schleifen, so daß verschleißfeste Gleitflächen zur Verfügung stehen.

Werden besondere Eigenschaften der Oberfläche der offenporigen Struktur gewünscht, so ist vorgesehen, daß die Oberfläche der Struktur von einer Schicht mit Öffnungen abgedeckt ist.

Besonders gute Verschleißfestigkeit wird erreicht, wenn die Körner mineralisch sind. Als geeignet haben sich auch gesinterte Keramiken erwiesen. Durch geeignete, während des Brennprozesses ausgasende Stoffe in der Rohmasse, kann die Porengröße und Verteilung eingestellt werden.

Konstruktiv läßt sich auf günstige Weise ein solches Ventil dadurch verwirklichen, daß die Struktur eine, vorzugsweise zylindrische, durchströmbare Innenfläche aufweist, in der eine Steuerfläche angeordnet ist, die vorzugsweise als Steuerkolben ausgebildet ist. Dabei bestimmt die Lage des Steuerkolbens die Größe des Druckabfalls bzw. die Durchflußmenge.

Je nachdem, ob die Struktur eine durchströmbare, vorzugsweise zylindrische, Außenfläche aufweist und/oder eine durchströmbare Außenfläche der Struktur als Stirnfläche ausgebildet ist, ergeben sich unterschiedliche Kennlinien für das Ventil. Man kann so vorteilhaft das Verhalten des Ventils einstellen.

Wenn um eine die durchströmbare Außenfläche bedeckende Steuerfläche vorgesehen ist ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten das Ventil an den jeweiligen Einsatzzweck anzupassen.

Auch während des Betriebs läßt sich das Ventil dadurch einstellen, daß die durchströmbare Fläche der Struktur und die Steuerfläche relativ zueinander verstellbar sind.

In Verbindung mit der Ausgestaltung, daß zur relativen Verstellung von Steuerfläche und Struktur ein Stellantrieb vorgesehen ist, der vorzugsweise als Stellglied in einem Regelkreis, vorzugsweise in einem Druck- oder Volumen- oder Mengenregelkreis, geschaltet ist, lassen sich Druck oder Menge des abströmenden Gases konstant halten.

Das Ventil kann auch zum Absperren des Gasstromes verwendet werden, wenn die Steuerfläche ein Teil eines Schließkörpers ist, der mit einer entsprechenden Dichtfläche des Ventilgehäuses zusammenwirkt.

Demselben Zweck dient eine Konstruktion, bei der eine Stirnfläche des Steuerkolbens als Ventilteller ausgebildet ist.

Wenn die Steuerfläche als Drehkolben ausgebildet ist, weist das Ventil vorteilhaft geringe Betätigungskräfte auf.

Dasselbe gilt, wenn der Steuerkolben eine Kraftausgleichsfläche aufweist. Die aus dem Statischen Druck des Gases auf den Stellantrieb ausgeübten Kräfte lassen sich so zumindest teilweise kompensieren.

Wenn die Struktur austauschbar ausgebildet ist, kann bei geändertem Drosselverhalten des Ventils, was beispielsweise durch Verschmutzungen hervorgerufen werden kann, der Ursprungszustand dadurch einfach wieder hergestellt werden. Auch eine Anpassung an geänderte Betriebsverhältnisse ist leicht möglich. Lediglich die Struktur muß gegen eine andere ausgetauscht werden. Die ausgetauschte Struktur kann dann eventuell gereinigt oder aufgearbeitet werden.

Dadurch daß bei Ausfall des Steuermediums das Ventil federkraftsicherheitsgerichtet den Durchgang abschließt, kann das Ventil neben der Regelfunktion auch Sicherheitsfunktionen erfüllen.

Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind. Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Zeichnungen zeigen im einzelnen:

Fig. 1a einen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäßes Drosselventil in schematischer Darstellung mit Steuerkolben,

Fig. 1b einen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäßes Drosselventil in schematischer Darstellung mit Steuerkolben und Druckausgleichsbohrung,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäßes Drosselventil in schematischer Darstellung mit Plunger als Steuerkolben und mit Ventilsitz,

Fig. 3 einen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäßes Drosselventil in schematischer Darstellung mit Kraftausgleich,

Fig. 4 einen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäßes Drosselventil in schematischer Darstellung mit Steuerfläche, und

Fig. 5 einen Radialschnitt durch ein erfindungsgemäßes Drosselventil in schematischer Darstellung mit Drehkolben.

In Fig. 1a und 1b bezeichnet 1 das erfindungsgemäße Ventil. Es besteht aus einem Gehäuse 2 mit einer Zuströmleitung 3 und einer Abströmleitung 4. Zwischen den Öffnungen der Leitungen 3, 4 ist eine offenporige Struktur 5 angeordnet. Die offenporige Struktur 5 besteht aus einer Vielzahl kleiner Körner 6, die als Schüttung in einem Behälter 7 eingeschlossen sind. Der Behälter 7 ist ringförmig aus einer zylindrischen Außenwand und einer zylindrischen Innenwand 9 aufgebaut. Damit die Wände 8, 9 durchströmt werden können, weisen beide eine Vielzahl Öffnungen 10 auf. Innerhalb der zylindrischen Innenwand 9 ist ein Steuerkolben 11 angeordnet, dessen Kolbenstange 12 aus dem Gehäuse 2 herausragt und von einem Stellantrieb 13 verstellt werden kann. Gehäuse 2, Struktur 5 und Kolben 11 können konzentrisch zueinander angeordnet sein. Durch eine zwischen Gehäuse 2 und Kolbenstange 12 vorgesehene Dichtung 14 kann das Medium nicht nach außen dringen.

Das Medium strömt in Richtung des Pfeils 15 durch Leitung 3 in den zylindrischen Innenraum ein, in dem sich auch der Kolben 11 befindet. Durch die Öffnungen 10 in der Innenwand des Behälters 7 kann das Gas in die Struktur 5 eintreten. Die offenen Poren der Struktur 5 bilden kettenförmig angeordnete Drosselstellen, die den Druck des zuströmenden Mediums herabsetzen. Mit geringerem Druck tritt es schließlich durch die Öffnungen 10 der Außenwand 8 hindurch. Es gesammelt sich in dem zylindrischen Raum zwischen Außenwand 8 und Gehäuse 2. Diesen Raum verläßt das Medium durch Leitung 4.

Dem einströmenden Medium steht als Fläche für den Eintritt in die Struktur nur die von Kolben 11 begrenzte Restfläche 16 zur Verfügung. Diese ist kleiner als die Austrittsfläche. Auf diese Weise wird dem Volumenzuwachs des Gases beim Drosseln Rechnung getragen. Entsprechend ist auch der Querschnitt der Leitung 4 größer als der der Leitung 3.

Durch Änderung der Lage des Kolbens 11 ist die Größe der Restfläche 16 veränderbar. Zu diesem Zweck ist Stellantrieb 13 vorgesehen, der z. B. als elektrischer, pneumatischer oder hydraulischer Linearantrieb ausgebildet sein kann.

In der Abströmleitung 4 dient ein Drucksensor 17 zum Erfassen des momentanen Drucks in der Leitung 4. Über eine Signalleitung 18 wird das Messergebnis an einen Regler 19 übermittelt, der dann in bekannter Weise das erforderliche Stellsignal erzeugt und über Steuerleitung 20 an den Stellantrieb 13 übergibt, so daß dieser den Druck konstant hält.

In Fig. 1b taucht der Kolben 11 in ein Tauchrohr 44 ein. Zwischen Kolben 11 und Tauchrohr 44 ist eine Dichtung 43 vorgesehen. Zum Zwecke des Druckausgleichs weist der Kolben 11 eine Druckausgleichsbohrung 42 auf, die in den von Kolben 11 getrennten Räumen stets denselben Druck sicherstellt. Auf diese Weise kann der Kolben 11 mit kleinen Stellkräften bewegt werden.

Wird stromabwärts kein Medium abgenommen, ist es sinnvoll in der Leitung noch ein Absperrventil vorzusehen. Anderenfalls sollte diese Funktion mit im Drosselventil integriert werden. Ein solches Ventil ist in Fig. 2 dargestellt.

Zur Verstellung der Restfläche 16 ist ein Plunger 21 als Kolben vorgesehen, der an seinem die Restfläche 16 begrenzenden Ende eine Dichtung 22 trägt. Das Gehäuse 2 des Ventils weist einen topfförmigen Abschnitt 23 auf, dessen Innenfläche, die Restfläche 16 verlängert. Durch Einfahren der Dichtung 22 in den topfförmigen Abschnitt 23 wird die in den Abschnitt 23 mündende Abströmleitung 4 verschlossen.

Die Zuströmleitung 3 mündet im Gehäuse 2 auf der Seite einer Stirnfläche 24 der offenporigen Struktur 5. Das Medium tritt über diese Stirnfläche 24 in die Struktur 5 ein. Durch Verschieben des Kolbens verändert sich somit nicht nur die Größe der Restfläche 16 sondern auch der Strömungsweg innerhalb der Struktur 5. Dieses Ventil weist deshalb eine andere Kennlinie als das Ventil gemäß Fig. 1 auf.

Das Ventil gemäß Fig. 3 ähnelt dem Ventil aus Fig. 1, wobei statt eines Kolbens einer Plunger 21 vorgesehen ist. Zusätzlich ist der Plunger 21 an seinem zuströmseitigen Ende mit einer konusförmigen Dichtfläche 25 ausgerüstet, die mit einem in der Öffnung der Zuströmleitung 3 vorgesehenen Ventilsitz 26 zusammenwirkt. Durch Einfahren der Dichtfläche 25 in ihren Sitz 26 kann die Leitung 3 abgesperrt werden.

Wie in Fig. 1 würde auch hier der auf die Kolbenfläche lastende Druck des Mediums die erforderlichen Stellkräfte für Stellantrieb 13 nachteilig erhöhen. Um dies zu verhindern ist am entgegengesetzten Ende des Plungers eine Kraftausgleichsfläche 27 vorgesehen, die in einem zusätzlichen Druckraum 28 angeordnet ist, der über eine Druckausgleichsleitung 29 mit der Zuströmleitung 3 verbunden ist. Auf diese Weise erfolgt ein Kraftausgleich, da beide Seiten des Plungers mit demselben Druck beaufschlagt sind. Zum Verstellen ist eine dünnere Kolbenstange 12 aus dem Druckraum herausgeführt. Ihr Querschnitt bestimmt die verbleibende Restkraft.

In Fig. 4 ist ein Ventil dargestellt, bei dem das Medium wiederum über eine Stirnseite 24 in die Struktur 5 einströmt. Eine Steuerfläche 30, die rohrförmig ausgebildet ist, umhüllt die zylindrische Außenfläche der Struktur 5. Durch Veränderung der Eintauchtiefe, mit der die Struktur 5 in Steuerfläche 30 ragt, wird die Restfläche 16 verändert. Damit kein Medium aus Gehäuse 2 nach außen treten kann, ist die Steuerfläche 30 mittels Dichtung 14 gegenüber der dem Gehäuse 2 abgedichtet und das der Struktur 5 abgewandte Ende der Steuerfläche durch einen Boden 31 verschlossen. Die Verstellung erfolgt mittels Kolbenstange 12.

In Fig. 5 ist der Querschnitt eines Ventils gezeigt, das einen Drehkolben 32 zur Verstellung der Restfläche 16 verwendet. Der radial geführte Schnitt zeigt, daß das Gehäuse 2 in 4 sektorförmige Kammern 33, 34, 35, 36 geteilt ist. Nach innen werden sie von einer zylindrischen Fläche 37 begrenzt. Kammern 33 und 35 sind mit der Struktur 5 befüllt. Im Bereich dieser Kammern kann das Medium durch die zylindrische Innenfläche 37 hindurchtreten. In dem von der zylindrischen Fläche 37 begrenzten Innenraum ist ein zweiflügliger Drehkolben angeordnet. Dieser Kolben 32 deckt zwei gegenüberliegende Sektoren der zylindrischen Fläche 37 ab. Durch verstellen, das heißt durch drehen des Kolbens 32 wird die Restfläche 16 verändert.

Das Medium strömt über zwei gegenüberliegend angeordnete Zuströmleitungen 3 in die Kammern 34 und 36 ein. Anschließend strömt es durch die Trennwände 38 und 39 in die benachbarten Sektoren, die mit der Struktur 5 befüllt sind. Des Medium verläßt die Struktur 5 im Bereich der Restfläche 16, um aus stirnseitig vorgesehenen Ausströmleitungen 4 auszutreten. Die Trennwände zwischen Sektoren 34 und 36 bzw. 33 und 34 sind undurchlässig. Auch dieses Ventil weist den Vorteile auf, daß auf den Drehkolben keine statischen Kräfte wirken, die aus dem Druck des Mediums resultieren. Die erforderlichen Stellmomente sind entsprechend gering.

Auf diese Weise ist ein Ventil zur Drosselung hoher Druckunterschiede geschaffen, das gegenüber herkömmlichen Ventilen eine geringere Schallemission und eine wesentlich gesteigerte Lebensdauer aufweist.

Bezugszeichenliste

1 Ventil
2 Gehäuse
3 Zuströmleitung
4 Abströmleitung
5 Struktur
6 Körner
7 Behälter
8 Außenwand
9 Innenwand
10 Öffnung
11 Steuerkolben
12 Kolben
13 Stellantrieb
14 Dichtung
15 Pfeil
16 Restfläche
17 Drucksensor
18 Signalleitung
19 Regler
20 Steuerleitung
21 Plungerkolben
22 Dichtung
23 Abschnitt
24 Stirnfläche
25 Dichtfläche
26 Ventilsitz
27 Kraftausgleichsfläche
28 Druckraum
29 Druckausgleichsleitung
30 Steuerfläche
31 Boden
32 Drehkolben
33 Kammer
34 Kammer
35 Kammer
36 Kammer
37 zylindrischer Fläche
38 durchströmbare Trennwand
39 durchströmbare Trennwand
40 dichte Trennwand
41 dichte Trennwand
42 Druckausgleichsbohrung
43 Dichtung
44 Tauchrohr

Claims (19)

1. Drosselventil, insbesondere für gasförmige Medien, vorzugsweise für Erdgas, mit einer in einem Ventilgehäuse angeordneten Drosselstrecke dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstrecke als offenporige Struktur (5) ausgebildet ist.

2. Drosselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die offenporige Struktur (5) mindestens eine durchströmte Oberfläche (16) aufweist, deren Größe veränderbar ausgebildet ist.

3. Drosselventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die offenporige Struktur (5) aus einer Schüttung von Körnern (6) besteht.

4. Drosselventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung gesintert ist.

5. Drosselventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung aus Körnern (6) unterschiedlicher Größe besteht.

6. Drosselventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Struktur von einer Schicht (8, 9) mit Öffnungen abgedeckt ist.

7. Drosselventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Körner mineralisch sind.

8. Drosselventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (5) eine, vorzugsweise zylindrische, durchströmbare Innenfläche (9) aufweist, in der eine Steuerfläche (11, 21, 30, 32) angeordnet ist, die vorzugsweise als Steuerkolben (11) ausgebildet ist.

9. Drosselventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (5) eine durchströmbare, vorzugsweise zylindrische, Außenfläche (8) aufweist.

10. Drosselventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine durchströmbare Außenfläche (8) der Struktur (5) als Stirnfläche (24) ausgebildet ist.

11. Drosselventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine die durchströmbare Außenfläche der Struktur bedeckende Steuerfläche (30) vorgesehen ist.

12. Drosselventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durchströmbare Fläche der Struktur (5) und die Steuerfläche relativ zueinander verstellbar sind.

13. Drosselventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur relativen Verstellung von Steuerfläche und Struktur ein Stellantrieb (13) vorgesehen ist, der vorzugsweise als Stellglied in einem Regelkreis (13, 17, 18, 19, 20) vorzugsweise einem Druck- oder Volumen- oder Mengenregelkreis, geschaltet ist.

14. Drosselventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfläche ein Teil eines Schließkörpers ist, der mit einer entsprechenden Dichtfläche des Ventilgehäuses zusammenwirkt.

15. Drosselventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stirnfläche des Steuerkolbens als Dichtfläche (25) ausgebildet ist.

16. Drosselventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfläche als Drehkolben (32) ausgebildet ist.

17. Drosselventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben eine Kraftausgleichsfläche (27) aufweist.

18. Drosselventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (5) austauschbar ausgebildet ist.

19. Drosselventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall des Steuermediums das Ventil federkraftsicherheitsgerichtet den Durchgang abschließt.