DE19949577C2 - Gasdichter Granulatkugelhahn - Google Patents

Gasdichter Granulatkugelhahn

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Description

Die Erfindung betrifft einen gasdichten Granulatkugelhahn.
Bei der Handhabung eines in einer Wirbelschicht abgeschiede­ nen, granulatförmigen Polysiliciums, das in Korngrößen von et­ wa 200 µm bis 3 mm vorliegt, werden Absperrarmaturen zur Steuerung des Granulatstromes benötigt. Um das Polysilicium­ granulat aus dem Wirbelschichtreaktor auszuschleusen, werden Rohrleitungen verwendet, die mit Materialien ausgekleidet sind, die eine Kontamination des Siliciums verhindern, wie z. B. Quarzglas, Silicium oder Keramik. Mit Armaturen, die ebenfalls mit o. g. Materialien ausgekleidet sind, wird der Granulatstrom in senkrechten Förderstrecken abgesperrt. Eine solche Armatur ist beispielsweise in US 5,205,998 beschrieben. Diese Absperrarmaturen sind in der Regel nicht ausreichend gasdicht, so dass Kombinationen aus o. g. Absperrarmaturen und nachfolgenden gasdichten Armaturen eingesetzt werden müssen. Die gasdichten Armaturen dürfen jedoch keinesfalls mit Fest­ körpern, d. h. Granulat oder anderen Schüttgütern, beauf­ schlagt werden, da sonst die Dichtflächen beschädigt werden und die Gasdichtheit nicht mehr gewährleistet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Förderung von granulatförmigen Materialien, wie z. B. in einer Wirbelschicht abgeschiedenem, granulatförmigen Polysilicium, zu vereinfachen und eine Absperrarmatur zur Verfügung zu stellen, die einen Granulatstrom unterbrechen kann und Gasdichtheit zwischen ei­ ner zuführenden Rohrleitung und einer abführenden Rohrleitung gewährleistet. Die Absperrarmatur sollte zudem in beliebiger Größe einfach gefertigt werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Absperrarmatur (1) montier­ bar zwischen eine zuführende Rohrleitung (2) und eine abfüh­ rende Rohrleitung (3) in Form eines Kugelhahns bestehend aus einem Gehäuse (4),
einem Gehäuseströmungskanal mit einem Einströmabschnitt (5) und einem Abströmabschnitt (6),
einer Absperrkugel (7) mit einem Absperrkugelströmungskanal (8) wobei die Absperrkugel (7) ggf. mittels zweier Dichtungs­ ringe (9, 10) im Gehäuse (4) gelagert ist,
und einem Stelltrieb (11) für die Absperrkugel (7)
dadurch gekennzeichnet, daß der Einströmabschnitt (5) derart ausgestaltet ist, dass er bis in den Absperrkugelströmungska­ nal (8) hineinreicht und der Absperrkugelströmungskanal (8) derart ausgebildet ist, dass beim Verschließen des Kugelhahns durch Verdrehen der Absperrkugel (7) der in den Absperrkugel­ strömungskanal (8) hineinreichende Teil des Einströmabschnitts (5) in einem Schlitz (16) der Absperrkugel aufgenommen wird.
Die obere Dichtung (9) muß in der erfindungsgemäßen Absperrar­ matur keine Dichtungsaufgabe mehr erfüllen. Sie dient der Fi­ xierung der Absperrkugel (7) im Inneren des Gehäuses (4). Prinzipiell ist eine Fixierung der Absperrkugel (7) im Inneren des Gehäuses (4) durch das Gehäuse selbst oder die inerte Aus­ kleidung (14) ohne Dichtung denkbar. Die Dichtungsringe sind daher fakultativ.
Die Absperrkugel (7) ist vorzugsweise im 90° Winkel ge­ schlitzt, so dass der in den Absperrkugelströmungskanal (8) hineinreichende Teil des Einströmabschnitts (5) während der Kugeldrehung starr im Kugelkörper verbleiben kann.
Ferner ist der Absperrkugelströmungskanal (8) bevorzugt so gestaltet, dass beim Verschließen des Kugelhahns durch Verdre­ hen der Absperrkugel (7) zunächst ein Schüttkegel aus granu­ latförmigem Material im Absperrkugelströmungskanal (8) den Granulatstrom unterbricht ohne dabei die Gasdichtheit zwischen Einströmabschnitt (5) und Abströmabschnitt (6) herzustellen und erst bei weiterem Verdrehen der Absperrkugel (7) die Gas­ dichtheit zwischen Einströmabschnitt (5) und Abströmabschnitt (6) hergestellt wird.
Dabei ist der Absperrkugelströmungskanal (8) bevorzugt so ge­ staltet, dass der Granulatstrom bei einem möglichst kleinen Verdrehwinkel der Absperrkugel (7) abgeschlossen wird während die Dichtung (10) den Absperrkugelströmungskanal (8) und somit den Gasstrom so spät wie möglich in Richtung der abführenden Rohrleitung (3) abdeckt. So wird eine Beschädigung der Dich­ tung (10) durch das granulatförmige Material sicher verhin­ dert.
Dies wird vorzugsweise durch die Wahl eines geeigneten Ab­ sperrkugelströmungskanal-Durchmessers erreicht. Der Absperrku­ gelströmungskanal-Durchmesser wird dazu möglichst klein ge­ wählt um einen möglichst grossen Abstand zum Schüttkegel zu erhalten, jedoch groß genug um einen einwandfreien Schüttgut­ fluss zu ermöglichen. Ferner sind dazu vorzugsweise Fasen (12, ggf. 13) im Absperrkugelströmungskanal (8) unterhalb des Ein­ strömabschnitts (5), und ggf. am Austritt in den Abströmab­ schnitt (6) vorhanden.
Die Fase (12) im Absperrkugelströmungskanal (8) unterhalb des Einströmabschnitts (5) ist vorzugsweise in einem an das Schüttgut angepassten Winkel gestaltet. Der Winkel ist dabei derart zu bemessen, dass die Fase mit dem Schüttkegel bereits bei einem geringen Verdrehwinkel der Kugel einen 180° Winkel bildet und der Schüttgutstrom unterbrochen wird, jedoch kein Schüttgut in dem Spalt zwischen Einströmquerschnitt und Kugel gequetscht werden kann.
Soll die Absperrarmatur beispielsweise zum Handling von Sili­ ciumgranulat verwendet werden, so wird die Fase derart ausge­ bildet, dass sie bei einem Verdrehwinkel der Kugel von 15° mit der Siliciumgranulatoberfläche einen Winkel von 30° bildet, da Siliciumgranulat einen Schüttkegel von ca. 30° Steigung bil­ det. Sobald das Granulat einen Kegel mit einem Winkel von 30° zur Waagerechten bildet, stoppt der Fluss des Granulats. Dies wird sehr sicher durch die bevorzugt vorhandene Fase (12) er­ reicht.
Die Fase (13) am Austritt in den Abströmabschnitt (6) und die Lage der Dichtung (10) sind vorzugsweise so aufeinander abge­ stimmt, dass der Verdrehwinkel der Kugel zwischen Abschluss des Granulatstroms und Abschluss des Gasstroms möglichst groß ist.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen eine Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Absperrarmatur.
Fig. 1 zeigt die geöffnete Absperrarmatur.
Fig. 2 zeigt die Absperrarmatur aus Fig. 1 in Richtung der Längsachse um 90° gedreht.
Fig. 3 zeigt die für das Schüttgut gesperrte Absperrarmatur. Das Granulat bildet einen Kegel mit seinem Schüttwinkel (im vorliegenden Fall etwa 30°) zur Waagerechten. Das Granulat kann aufgrund der Fase (12) im Absperrkugelströmungskanal (8) unterhalb des Einströmabschnitts (5), nicht mehr zur Seite wegfliessen - der Granulatstrom ist zum Stillstand gekommen. Aufgrund der Fase (13) ist die Dichtung (10) (ringförmige Dichtung) noch nicht voll im Eingriff; das Gas kann weiter strömen.
Fig. 4 zeigt die gasdicht geschlossene Absperrarmatur. Die Dichtung (10) ist voll im Eingriff. Der Hahn ist gasdicht. Auch hier ist der Schüttkegel noch erkennbar
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Absperrkugel (7) die im 90° Winkel geschlitzt ist. Seitlich sichtbar ist eine übliche Aussparung (15) für die übliche Befestigung des Stelltriebs (11). Erkennbar ist ferner die Fase (12) im Absperrkugelströ­ mungskanal (8).
Die erfindungsgemäße Absperrarmatur kombiniert die Stoffeigen­ schaft des spezifischen Schüttwinkels eines Schüttgutes, wie z. B. Siliciumgranulat, mit der bekannten Technik eines Kugel­ hahnes. Durch die spezielle Ausformung der Absperrkugel wird beim Verschließen der Armatur zunächst mittels eines Schüttke­ gels der Granulatstrom unterbrochen und erst bei weiterem Ver­ drehen der Gasstrom gasdicht abgeschlossen.
Ein erfindungsgemäßer Kugelhahn läßt sich durch entsprechende Bearbeitung der Absperrkugel aus einem üblichen, käuflich er­ hältlichen Kugelhahn herstellen. Der erfindungsgemäß verlän­ gerte, in den Absperrkugelströmungskanal hineinreichende Teil des Einströmabschnitts, (5) läßt sich beispielsweise durch Be­ festigung eines Rohres von entsprechender Länge im Inneren des Einströmabschnitts eines üblichen käuflich erhältlichen Kugel­ hahns herstellen. Dieses Rohr kann ebenso oben am Gehäuse (4) oder auch an der zuführenden Rohrleitung (2) befestigt sein. Somit ist der erfindungsgemäße Kugelhahn einfach aus einem üb­ lichen Kugelhahn herzustellen. Der erfindungsgemäße Kugelhahn ist nicht störanfällig, da er nur ein bewegtes Teil besitzt. Zudem entfällt durch seinen Einsatz die Notwendigkeit einer zweiten gasdichten Armatur.
Falls erforderlich können das Gehäuse (4) des Kugelhahns eben­ so wie die zuführende Rohrleitung (2) und die abführende Roh­ leitung (3) mit inerten Auskleidungsteilen (14) versehen sein.
So besteht die erfindungsgemäße Absperrarmatur beim Einsatz als Absperrarmatur zur Steuerung des Stromes von Polysilicium­ granulat aus dem Wirbelschichtreaktor zur Verhinderung einer Kontamination des hochreinen Siliciumgranulats, vorzugsweise aus Quarzglas, reinem Mono- bzw. Polysilicium oder keramischem Material wie z. B. Zirkonoxid, oder sie ist mit einem der ge­ nannten Materialien in den Bereichen, die mit dem Siliciumgra­ nulat in Kontakt kommen können, ausgekleidet.
Für Anwendungen mit weniger hohen Reinheitsansprüchen, z. B. bei anderen Schüttgütern, sind auch andere Werkstoffe, etwa Metalle (z. B. Edelstahl) zur Herstellung oder Auskleidung des erfindungsgemäßen Kugelhahns, geeignet.
Für die Dichtungen (9, 10) können die als Dichtungswerkstoffe bekannten Materialien, wie z. B. PTFE, als Weichdichtung ver­ wendet werden. Es sind jedoch ebenso andere Dichtungen wie Me­ talldichtungen, geeignet.
Die erfindungsgemäße Absperrarmatur eignet sich zum Handling von hochreinem Siliciumgranulat ebenso wie zum Handling von Ferrosilicium oder zum Handling jeglicher Schüttgüter und Gra­ nulate, bei denen ein gasdichter Abschluß der Rohrleitung, in der das Material gefördert wird, verlangt ist.
Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.
Beispiel Lecktests nach DIN 3230 Teil 3
Eine erfindungsgemäße Armatur sowie drei käuflich erhältliche Kugelhähne wurden einem Lecktest nach DIN 3230 Teil 3 unterzo­ gen. Dazu wird die jeweilige Armatur unter Wasserdruck ge­ setzt, der dem Nenndruck der Armatur, in diesen Fällen 16 bar, entspricht.
Für Armaturen bis Nennweite 40 (Nennweitenabstufung gemäß EN ISO 6708) gelten folgende Werte:
Prüfzeit 25 min,
Leckrate 1 bedeutet "dicht", 0 Tropfen pro Minute;
Leckrate 2 bedeutet "feucht", 1 Tropfen pro Minute;
Leckrate 3 bedeutet "tropfend", 5 Tropfen pro Minute (1 Trop­ fen = 100 mm3)
Ergebnisse
In den Vergleichsbeispielen Zeile 2 und 3 wurden Kugelhähne verschiedener Hersteller und unterschiedlicher Materialien eingesetzt. Diese teueren Kugelhähne haben die Eigenschaft, dass die Kugeln in einen Sitz aus gleichem Material, wie die Kugel, eingeschliffen sind, also keine Weichdichtung haben. Das Einschleifen bewirkt normalerweise, dass die Hähne dicht (Leckrate 1-2) sind. Durch die angegebenen Schaltspiele der mit Siliciumgranulat beaufschlagten Hähne, wurden die Schliff­ flächen so beschädigt, dass die Leckraten anstiegen.
In Zeile 1 wurde ein erfindungsgemäß modifizierter Edelstahl­ kugelhahn verwendet und unter den gleichen Bedingungen gete­ stet, wie die Kugelhähne in den Zeilen 2 bis 4. Aufgrund der besonderen Ausformung der Absperrkugel in Zusammenspiel mit dem verlängerten Einströmabschnitt wurde die Dichtung im Ku­ gelhahn geschützt und die Gasdichtheit des Edelstahlkugelhah­ nes blieb erhalten. Der erfindungsgemäße Kugelhahn zeigt somit auch nach einer mehr als doppelt so hohen Zahl der Schaltspie­ le unter Granulatbelastung eine bessere Gasdichtheit als die aus stabilerern Materialien gefertigten aufwendigeren und teu­ reren Vergleichskugelhahne in den Zeilen 2 und 3 von Tab. 1.
Bei dem in Zeile 4 getesteten Kugelhahn, der wie der erfin­ dungsgemäße Kugelhahn aus Edelstahl mit PTFE-Weichdichtung be­ steht, wurde die Dichtung so stark beschädigt, dass der Kugel­ hahn seine Aufgabe nach kürzester Zeit nicht mehr erfüllte.

Claims (10)

1. Absperrarmatur (1), montierbar zwischen eine zuführende Rohrleitung (2) und eine abführende Rohleitung (3) in Form eines Kugelhahns bestehend aus einem Gehäuse (4),
einem Gehäuseströmungskanal mit einem Einströmabschnitt (5) und einem Abströmabschnitt (6),
einer Absperrkugel (7) mit einem Absperrkugelströmungskanal (8) wobei die Absperrkugel (7) ggf. mittels zweier Dich­ tungsringe (9, 10) im Gehäuse (4) gelagert ist,
und einem Stelltrieb (11) für die Absperrkugel (7)
dadurch gekennzeichnet, daß der Einströmabschnitt (5) der­ art ausgestaltet ist, dass er bis in den Absperrkugelströ­ mungskanal (8) hineinreicht und der Absperrkugelströmungs­ kanal (8) derart ausgebildet ist, dass beim Verschließen des Kugelhahns durch Verdrehen der Absperrkugel (7) der in den Absperrkugelströmungskanal (8) hineinreichende Teil des Einströmabschnitts (5) in einem Schlitz (16) der Absperrku­ gel aufgenommen wird.
2. Absperrarmatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrkugel (7) im 90° Winkel geschlitzt ist, so dass der in den Absperrkugelströmungskanal (8) hineinreichende Teil des Einströmabschnitts (5) während der Kugeldrehung starr im Kugelkörper verbleiben kann.
3. Absperrarmatur nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeich­ net, daß der Absperrkugelströmungskanal (8) so gestaltet ist, dass beim Verschließen des Kugelhahns durch Verdrehen der Absperrkugel (7) zunächst ein Schüttkegel aus granulatför­ migem Material im Absperrkugelströmungskanal (8) den Granu­ latstrom unterbricht ohne dabei die Gasdichtheit zwischen Einströmabschnitt (5) und Abströmabschnitt (6) herzustellen und erst bei weiterem Verdrehen der Absperrkugel (7) die Gasdichtheit zwischen Einströmabschnitt (5) und Abströmab­ schnitt (6) hergestellt wird.
4. Absperrarmatur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Absperrkugelströmungskanal (8) so gestaltet ist, dass der Granulatstrom bei einem möglichst kleinen Verdrehwinkel der Absperrkugel (7) abgeschlossen wird, während die Dichtung (10) den Absperrkugelströmungs­ kanal (8) und somit den Gasstrom so spät wie möglich in Richtung der abführenden Rohrleitung (3) abdeckt.
5. Absperrarmatur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Absperrkugelströmungskanal- Durchmesser möglichst klein gewählt ist, um einen möglichst grossen Abstand zum Schüttkegel zu erhalten, jedoch groß genug um einen einwandfreien Schüttgutfluss zu ermöglichen, und Fasen (12, ggf. 13) im Absperrkugelströmungskanal (8) unterhalb des Einströmabschnitts (5), und ggf. am Austritt in den Abströmabschnitt, (6) vorhanden sind.
6. Absperrarmatur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fase (12) im Absperrkugelströmungskanal (8) unter­ halb des Einströmabschnitts (5) in einem an das Schüttgut angepassten Winkel gestaltet ist.
7. Absperrarmatur nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, dass die Fase (13) am Austritt in den Abströmabschnitt (6) und die Lage der Dichtung (10) so aufeinander abge­ stimmt sind, dass der Verdrehwinkel der Kugel zwischen Ab­ schluss des Granulatstroms und Abschluss des Gasstroms mög­ lichst groß ist.
8. Absperrarmatur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Absperrkugelströmungskanal hineinreichende Teil des Einströmabschnitts (5) durch Befe­ stigung eines Rohres von entsprechender Länge im Inneren des Einströmabschnitts eines üblichen käuflich erhältlichen Kugelhahns ausgebildet ist.
9. Absperrarmatur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) des Kugelhahns ebenso wie die zuführende Rohrleitung (2) und die abführende Rohrleitung (3) mit inerten Auskleidungsteilen (14) verse­ hen ist.
10. Verwendung einer Absperrarmatur nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Handling von hochreinem Siliciumgranulat oder zum Handling von Ferrosilicium oder zum Handling jeglicher Schüttgüter und Granulate.
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