DE19723205C1

DE19723205C1 - Druckregler ohne Hilfsenergie

Info

Publication number: DE19723205C1
Application number: DE19723205A
Authority: DE
Inventors: Walter Schneider; Thomas Schicketanz
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 1997-06-03
Filing date: 1997-06-03
Publication date: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2017-06-04
Also published as: FR2764090A1; FR2764090B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckregler ohne Hilfsenergie gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Druckregler ohne Hilfsenergie sind Regeleinrichtungen, bei denen der Druck eines Prozeßmediums die Energie liefert, die zum Verstel len eines Stellventils benötigt wird. Derartige Druckregler werden beispielsweise zur Druckregelung von Dämpfen, Gasen, Flüssigkeiten und insbesondere in Übergabestationen von Fernwärmeversorgungsanla gen eingesetzt.

Bei Druckreglern unterscheidet man grundsätzlich zwischen Druckminderern und Überströmventilen, wobei bei Druckminderern ein Drosselkörper den Sitz eines Stellglieds verschließt, wenn der Druck hinter dem Stellglied ansteigt, während bei Überströmventilen der Drosselkörper den Sitz des Stellglieds öffnet, wenn der Druck vor dem Stellglied ansteigt. Ferner unterscheiden sich Druckregler durch Verwendung eines druckentlasteten Ventilkegels, eines Entlastungsbalgs oder einer Entlastungsmembran und/oder durch Realisierung unterschiedlicher Schließrichtungen des Drosselkörpers sowie unterschiedlicher Anbaulage der Sollwertverstellung.

Es ist bekannt, Membranantriebe mit einer elastomeren Membran in Druckreglern einzusetzen. Meist begrenzt dann die Art der Membran die Einsatzmöglichkeiten des Druckreglers bezüglich des Prozeßmediums und des Temperaturbereichs. Für Anwendungen mit Wasser oder Wasserdampf hat sich vor allem Ethylen-Propylen-Dien- Kautschuk (EPDM) als Membranwerkstoff bis zu Temperaturen von ungefähr 200°C bewährt. Bei Anwesenheit von Luft versprödet EPDM jedoch bei Temperatur ab ungefähr 150°C und verliert damit seine gummielastischen Eigenschaften.

Wenn das Prozeßmedium Temperaturen oberhalb von 150°C besitzt, ist es aus diesem Grund bei bisher bekannten Druckreglern erforderlich, durch konstruktive Zusatzeinrichtungen wie einer Gehäuseverlängerung und/oder einem der Membran vorgeschalteten Kühlgefäß und/oder einem Abgleichgefäß eine Verringerung der Temperatur bis auf unterhalb von 150°C sicherzustellen.

Solche bekannten Druckregler mit Kühlgefäßen sind, beispielsweise, von der Firma DUO Regelarmaturen GmbH unter der Typenbezeichnung "D 8, PN 16" als Druckminderer und unter der Typenbezeichnung "U 8, PN 16" als Überstromregler mit entsprechenden Datenblättern erhältlich. Sowohl im Falle der Druckminderer als auch der Überstromregler wirkt der Druck eines Prozeßmediums dabei über eine Impulsleitung auf die Oberseite einer Membran, während die unterschiedlichen Wirkrichtungen beider Druckregler dadurch realisiert wird, daß der Drosselkörper des Druckminderers den Sitz bei einfahrender Antriebsstange und der Drosselkörper des Überstromreglers den Sitz bei ausfahrender Antriebsstange schließt.

Ferner sind Druckregler mit Abgleichgefäßen gemäß dem Stand der Technik von der Firma Samson AG unter der Typenbezeichnung "41-23" sowie "2114/2415" als Druckminderer und unter der Typenbezeichnung "41-73" sowie "2114/2418" als Überströmventile mit entsprechenden Datenblättern erhältlich. Diese Druckregler besitzen einen Membranantrieb mit einer Rollmembran aus dem Werkstoff EPDM, so daß ohne die Schutzmaßnahmen mittels des Abgleichgefäßes für die Membran die Betriebstemperatur für Flüssigkeiten auf 150°C bzw. für nicht brennbare Gase auf 80°C beschränkt wäre.

Nachteilig bei der Verwendung bekannter Elastomermembrane samt Zusatzeinrichtungen sind die durch die zusätzlichen Bauteile entstehenden Kosten. Weiterhin erfordert ein Wechsel der Betriebstemperatur möglicherweise den Umbau des Druckreglers und ist deswegen sowohl mit Kosten als auch mit Verzögerungen während der Montage verbunden.

Als Alternative sind Druckregler mit einer Metallmembran anstatt einer Elastomermembran bekannt, die einen breiteren Temperatureinsatzbereich aufweisen. Solche Druckregler, insbesondere Druckminderer, sind, beispielsweise, unter der Typenbezeichnung "DPE" und "DP143" mit entsprechenden Datenblättern von der Firma Spirax Sarco GmbH erhältlich. Dabei umfaßt die Metallmembran Phosphorbronze oder Edelstahl.

Neben höheren Kosten für eine derartige Metallmembran im Vergleich zu einer Elastomermembran erfordern Metallmembranen nachteiligerweise auch eine stark unterschiedliche Konstruktion, da sie nur geringe Hübe erlauben.

Aus der GB 1 447 255 ist ein Ventil mit einer Membran aus einem Hauptkörper und einer Beschichtung bekannt, wobei zwischen den Schichten Luft strömen kann, und die Membran aus einem Thermoplast, wie Nylon, und einer Schutzschicht aus Polytetrafluorethylen (PTFE) auf der Seite des Prozeßmediums besteht, um die Membran gegen Ein flüsse eines dampfförmigen Prozeßmediums mit hoher Temperatur, oberhalb von 150°C, zu schützen. Solch eine Membran hat sich zwar durchaus bewährt, weist jedoch unzufriedenstellende mechanische Eigenschaften auf, insbesondere hinsichtlich der Verformbarkeit, Steife sowie Neigung zum Kaltfluß, aufgrund ihrer chemischen Zusam mensetzung und eine frühzeitige Zerstörung infolge der für Membra nen typischen Walkbewegungen während einer Hubarbeit aufgrund des strukturellen Aufbaus.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den gattungsgemäßen Druckregler ohne Hilfsenergie derart weiterzuentwickeln, daß er die Nachteile des Stands der Technik überwindet, d. h. insbesondere ein zu höheren Temperaturen erweiterter Temperaturbereich bei Verwendung einer Elastomermembran genutzt werden kann, ohne den Einsatz bekannter Zusatzmaßnahmen zur Temperaturreduktion.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen von An spruch 1 gelöst. Dabei steht "EPDM" für ein Terpolymer, das aus drei Monomer-Einheiten aufgebaut ist, nämlich Ethylen, Propylen und ein Dien, und "FPM" für Mischpolymere aus hochfluorierten Kohlen wasserstoffen, wie, beispielsweise, "Gummi-Werkstoffe", 1. Auflage, 1981, von Khairi Nagdi, Seiten 218 und 254, zu entnehmen ist.

Die Unteransprüche 2 bis 7 beschreiben bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.

Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß durch Verwendung des erfindungsgemäßen Werkstoffverbunds aus EPDM und FPM, der durch peroxidische Vernetzung erstellt ist, Druckregler auch für höhere Prozeßmediumtemperaturen, d. h. oberhalb von 150°C, ohne spezielle Schutzmaßnahmen für die Membran einzu setzen sind, da EPDM bis zu 200°C problemlos in Kontakt mit Wasser oder Wasserdampf als Prozeßmedium verwendet werden kann, während die bei bekannten Geräten auftretenden Probleme der Versprödung der Membran aufgrund des Luftkontakts auf der dem Prozeßmedium abge wandten Seite der Membran durch Verwendung von FPM, das auch an Luft Temperaturen bis zu 200°C verträgt, in Kontakt mit Luft ver mieden werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Druckminderer gemäß der Erfindung in Schnittansicht; und

Fig. 2 ein Überströmventil gemäß der Erfindung in Schnittansicht.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Druckminderer 10, bei dem ein Drosselkörper 18 einen Sitz 20 verschließt, wenn der Druck hinter einem Stellglied 12 ansteigt. Für diese Regelfunktion besitzt der Druckminderer 10 eine Steuerleitung 46, die bezüglich der Durch flußrichtung A eines Prozeßmediums 16 hinter dem Drosselkörper 18 eine Fluidverbindung zwischen einem Stellgliedgehäuse 22 und einem Membranantrieb 14 realisiert. Die Verbindung des Membranantriebs 14 zum Stellglied 12 übernimmt eine Betätigungsspindel 24, die sowohl eine Verbindung zur Membran 36 als auch zum Drosselkörper 18 be sitzt und mit einer Dichtung 28 gegenüber dem Stellgliedgehäuse 22 abgedichtet ist. Ein Verbindungselement 26 verbindet das Stellgliedgehäuse 22 mit einem Antriebsgehäuse 48. Gleichzeitig ist eine Sollwertfeder 30, deren Federparameter die Druckregelung, beispielsweise, den Proportionalbereich, bestimmen, innerhalb des Verbindungselements 26 angeordnet und stützt sich gegen dieses ab.

Die Membran 36 ist mit mehreren Wellen ausgebildet und trennt das Antriebsgehäuse 48 in eine erste Membrankammer 42 und eine zweite Membrankammer 44, wobei die zweite Membrankammer 44 typischerweise von Wasser oder Wasserdampf als Prozeßmedium 16 gefüllt ist, während die erste Membrankammer 42 Luft (Atmosphäre) enthält. Die Membran 36 ist nach der Erfindung ein Werkstoffverbund aus zwei unterschiedlichen Elastomeren. Eine erste Verbundkomponente 38 ist dabei der ersten Membrankammer 42 zugewandt und besteht aus FPM, während die zweite Verbundkomponente 40 der zweiten Membrankammer 44 zugewandt ist und aus EPDM besteht. Zwischen den beiden Elastomeren 38, 40 ist eine Gewebeeinlage 50 angeordnet, die zur Verstärkung dient.

Der zu regelnde Druck wirkt in dem Druckminderer 10 über die Steuerleitung 46 in der zweiten Membrankammer 44 und erzeugt an der Membran 36 eine aus dem Produkt von Druck und Wirkfläche resultierende Kraft in Schließrichtung des Drosselkörpers 18, die an der Betätigungsspindel 24 der Kraft der den Sollwert des Mindestdrucks definierenden Sollwertfeder 30 entgegenwirkt. Zur Verstellung des Sollwerts wird eine Mutter 32 verdreht, wodurch ein als Anschlag der Sollwertfeder 30 wirkender Teller 34 relativ zu der Betätigungsspindel 24 verschoben, das Kräftegleichgewicht zwischen der Kraft der Sollwertfeder 30 und der an der Membran 36 über das Prozeßmedium 16 wirkenden Gegenkraft verlagert und somit die freigegebene Fläche zwischen dem Drosselkörper 18 und dem Sitz 20 verändert wird.

Ein erfindungsgemäßes Überströmventil 10' ist in Fig. 2 dargestellt, wobei aufgrund dessen große Ähnlichkeit zu dem soeben beschriebenen Druckminderer Bauteile, die denen in Fig. 1 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen zuzüglich eines Apostrophs gekennzeichnet sind und sich die folgende Beschreibung insbesondere auf Unterschiede zwischen dem Überströmventil 10' von Fig. 2 und dem Druckminderer 10 von Fig. 1 bezieht.

Bei dem Überströmventil 10' öffnet der Drosselkörper 18' den Sitz 20', wenn der Druck vor dem Stellglied 12' ansteigt. Das Überströmventil 10' besitzt für diese Regelfunktion die Steuerleitung 46', die bezüglich der Durchflußrichtung A' des Prozeßmediums 16' vor dem Drosselkörper 18' eine Fluidverbindung zwischen dem Stellgliedgehäuse 22' und dem Membranantrieb 14' realisiert.

Die erste Verbundkomponente 38' der Membran 36' aus EPDM ist der ersten Membrankammer 42' und somit dem Prozeßmedium zugewandt, während die zweite Verbundkomponente 40' der Membran 36' aus FPM der zweiten Membrankammer 44 zugewandt ist und damit Kontakt zur Luft (Atmosphäre) besitzt. Zur Verstärkung der Membran 36' ist die Gewebeeinlage 50' zwischen der ersten Verbundkomponente 38' und der zweiten Verbundkomponente 40' vorgesehen. Ferner ist die Membran 36' als Rollmembran ausgebildet und liegt an der dem Prozeßmedium 16' abgewandten Seite an einem Membranteller 52' an, der mittels einer Mutter 54' mit der Betätigungsspindel 24' verbunden ist und die Membran 36' gegen Zerstörung schützt.

Unterhalb eines Druckgrenzwerts vor dem Drosselkörper 18' verschließt dieser den Sitz 20', wie in Fig. 2 dargestellt. Die dafür notwendige Schließkraft liefert die Sollwertfeder 30', die sich im Vergleich zu dem Fall bei dem Druckminderer 10 von Fig. 1 in entgegengesetzter Richtung am Verbindungselement 26' abstützt und die Betätigungsspindel 24' somit in Schließrichtung des Stellglieds 12' mit Kraft beaufschlagt, so daß die Betätigungsspindel 24' relativ zu dem Membranantrieb 14' ausfährt und der Drosselkörper 18' den Sitz 20' verschließt. Ferner wirkt der zu regelnde Druck über die Steuerleitung 46' in der ersten Membrankammer 42' und erzeugt an der Membran 36' eine aus dem Produkt von Druck und Wirkfläche resultierende Kraft entgegen der Kraft der Sollwertfeder 30' in Öffnungsrichtung des Drosselkörpers 18'. Die Verstellung des Sollwerts wird wieder wie im Falle des Druckminderers 10 von Fig. 1 über die Mutter 32' vorgenommen, die dabei den Teller 34' relativ zur Betätigungsspindel 24' verlagert.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist vorgesehen, die Membran beidseitig an einen Membranteller anliegen zu lassen. Dadurch wird die Membran in dem Bereich der Membranteller versteift und vorteilhaft gegen Überlastung geschützt.

Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Ausführungsform, in der die Elastomere des Werkstoffverbunds peroxydisch vernetzt sind, da dies sowohl zu einer einfachen Herstellung des Werkstoffverbunds als auch zur Einsetzbarkeit bei hohen Temperaturen führt.

Um Störungen, beispielsweise, durch Vordruck oder Durchflußänderungen zu verringern, werden oftmals Druckregler mit druckentlastetem Kegel eingesetzt. Ebenfalls bekannt ist der Einsatz von Metallbälgen zur Vor- und/oder Nachdruckentlastung.

Die erfindungsgemäßen Druckregler heben sich somit von den bekannten Druckreglern vorteilhafterweise dadurch ab, daß der Temperatureinsatzbereich deutlich höhere Temperaturen umfaßt, geringere Herstellungskosten aufgebracht werden müssen und eine größere Flexibilität geboten wird, wodurch neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet werden.

Bezugszeichenliste

10

Druckminderer

12

Stellglied

14

Membranantrieb

16

Prozeßmedium

18

Drosselkörper

20

Sitz

22

Stellgliedgehäuse

24

Betätigungsspindel

26

Verbindungselement

28

Dichtung

30

Sollwertfeder

32

Mutter

34

Teller

36

Membran

38

Erste Verbundkomponente

40

Zweite Verbundkomponente

42

Erste Membrankammer

44

Zweite Membrankammer

46

Steuerleitung

48

Antriebsgehäuse

50

Gewebeeinlage
ARichtung

10

'Überströmventil

12

'Stellglied

14

'Membranantrieb

16

'Prozeßmedium

18

'Drosselkörper

20

'Sitz

22

'Stellgliedgehäuse

24

'Betätigungsspindel

26

'Verbindungselement

28

'Dichtung

30

'Sollwertfeder

32

'Mutter

34

'Teller

36

'Membran

38

'Erste Verbundkomponente

40

'Zweite Verbundkomponente

42

'Erste Membrankammer

44

'Zweite Membrankammer

46

'Steuerleitung

48

'Antriebsgehäuse

50

'Gewebeeinlage

52

'Membranteller

54

'Mutter
A'Richtung

Claims

1. Druckregler ohne Hilfsenergie, bestehend aus einem Stellglied und mindestens einem damit verbundenen Membranantrieb, wobei das Stellglied einen Drosselkörper und einen mit diesem zusammenwirkenden Sitz besitzt, der Drosselkörper mittels einer zur Aus führung einer Dreh- und/oder Hubbewegung mit dem Membranantrieb verbundenen Betätigungsspindel relativ zu dem Sitz beweglich ist und der Membranantrieb einseitig mit dem Druck eines Prozeßmedi ums beaufschlagt wird, das die Energie zur Betätigung des Mem branantriebs liefert, und eine elastomere Membran umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß
die Membran (36, 36') des Membranantriebs (14, 14') aus einem Werkstoffverbund besteht, der zumindest zwei unterschiedliche Elastomere als Verbundkomponenten (38, 38', 40, 40') enthält, von
denen die auf der von dem Prozeßmedium (16, 16') mit Druck be aufschlagten Seite der Membran (36, 36') angeordnete Verbundkom ponente (40, 38') Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) und die auf der dem Prozeßmedium (16, 16') abgewandten Seite der Membran (36, 36') angeordnete Verbundkomponente (38, 40') Fluorkautschuk (FPM) umfaßt, und
die Elastomere des Werkstoffverbunds (38, 38', 40, 40') peroxi disch vernetzt sind.

2. Druckregler ohne Hilfsenergie nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Werkstoffverbund eine Gewebeeinlage (50, 50') enthält, die zwischen den beiden Verbundkomponenten (38, 38', 40', 40') ange ordnet ist.

3. Druckregler ohne Hilfsenergie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (36, 36') als Rollmembran und/oder mit mehreren Wel len ausgebildet ist.

4. Druckregler ohne Hilfsenergie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verbundkomponente (38, 38') und/oder die zweite Ver bundkomponente (40, 40') an einem Membranteller (52, 52') an liegt bzw. anliegen.

5. Druckregler ohne Hilfsenergie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregler als Druckminderer (10) ausgebildet ist.

6. Druckregler ohne Hilfsenergie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregler als Überströmventil (10') ausgebildet ist.

7. Druckregler ohne Hilfsenergie nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Druckentlastung, erzielbar durch Einsatz eines druckentlasteten Kegels oder eines Metallbalgs.