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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Entgasungsvorrichtung mit einem
Entgasungsventil zum Entgasen einer Fluid-Förderleitung in einen Gasauslass.
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Entgasungsvorrichtungen
und -ventile werden u.a. zur Entgasung von Flüssiggasleitungen und Flüssiggas-Pumpen
verwendet, um das unbeabsichtigte Trockenlaufen einer Pumpe und
dadurch verursachte Pumpenschäden
zu vermeiden. Bei Pumpen, die Flüssiggase
bzw. Flüssigkeiten
mit Temperaturen nahe dem Siedepunkt fördern, kann es schon bei kurzzeitigen
Pumpenstillständen
durch Erwärmung des
Flüssiggases über seinen
Siedepunkt zu Gasbildung kommen. Das dabei entstehende Gasvolumen presst
das flüssige
Flüssiggas
ggf. aus der Pumpe heraus, so dass die Pumpe schließlich trocken
ist.
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Bei
Wiederanlauf der trockenen Pumpe kann ggf. kein ausreichender Saug-Unterdruck aufgebaut werden,
so dass kein Flüssiggas
angesaugt werden kann und die Pumpe trocken bleibt. Das Trockenlaufen
der Pumpe kann jedoch bereits nach wenigen Sekunden zu ihrer vollständigen Zerstörung führen. Dieses
Problem betrifft insbesondere Reservepumpen, die nur bei Ausfall
einer Hauptpumpe anlaufen und die wegen ihres langen Stillstandes
und der Erwärmung
nicht ausreichend mit Flüssigkeit
gefüllt
sind. Zur Lösung
dieses Problems wird in die Flüssiggas-Förderleitung
hinter der Pumpe ein Entgasungsventil angeordnet. Als selbsttätig öffnendes
Entgasungsventil ist ein Schwimmer-Entgasungsventil bekannt, bei
dem ein Schwimmer in einer Schwimmerkammer einen Ventilkörper zwischen
einer Durchlassstellung und einer Schließstellung bewegt. Schwimmerventile
sind jedoch aufwendig herzustellen, sind störanfällig und müssen in einer bestimmten räumlichen
Lage montiert werden. Ferner müssen Schwimmerventile
genau der Dichte des jeweiligen Flüssiggases angepasst sein.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine verbesserte Entgasungsvorrichtung zu
schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruches 1.
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Die
erfindungsgemäße Entgasungsvorrichtung
weist einen Ventilkörper
auf, der durch ein Vorspannelement in seine Durchlassstellung vorgespannt
ist. Der Ventilkörper
weist eine Drosselöffnung
auf, durch die das Fluid aus der Fluid-Förderleitung
kommend zu dem Gasauslass gelangen kann. Die Drosselöffnung ist
derart ausgebildet, dass der Druckabfall des hindurchtretenden Fluids
als Schließkraft
auf den Ventilkörper
wirkt, wobei die Schließkraft
beim Hindurchtreten von Flüssigkeit
größer als
die entgegengesetzte Vorspannungskraft ist, so dass der Ventilkörper beim
Hindurchtritt von Flüssigkeit
sofort selbsttätig
schließt.
Der Druckabfall eines Gases an der Drosselöffnung reicht bei mäßigen Gas-Differenzdrücken nicht
aus, um den Ventilkörper gegen
die Vorspannkraft in die Schließstellung
zu bewegen; der Druckabfall einer Flüssigkeit bewirkt jedoch eine
so große
Schließkraft,
dass die sofortige Bewegung des Ventilkörpers in seine Schließstellung erfolgt.
Durch die Vorspannung des Ventilkörpers in Durchlassstellung
entweicht druckloses und mit geringem Druck beaufschlagtes Gas,
d. h. Gas, das im Verhältnis
zum Gasauslass keinen oder nur geringen Überdruck aufweist. Bei mit
hohem Druck gefördertem
Gas kann der Ventilkörper
schließen.
Ein hoher Gasdruck kann nur durch eine bereits mit Flüssiggas gefüllte Pumpe
erzeugt werden, so dass bei hohen Gasdrücken keine Trockenlaufgefahr
für die
Pumpe mehr besteht.
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Beim
Durchströmen
der Drosselöffnung durch
das Fluid wird zwischen der Fluidleitung und dem Gasablauf ein Differenzdruck
erzeugt, der auf eine Querschnittsfläche des Ventilkörpers eine
Axialkraft in Richtung Schließstellung
bewirkt. Diese durch den Druckunterschied bewirkte Axialkraft drückt den Ventilkörper entgegen
der Kraft des Vorspannelementes in seine Schließstellung. Die Größe des Druckabfalls
an der Drosselöffnung
wird u.a. von der Dichte des durchströmenden Fluides bestimmt. Da der
Dichteunterschied zwischen Flüssigkeiten
und Gasen im Bereich mehrerer 10er-Potenzen liegt, unterscheidet
sich auch die durch den Druckabfall erzeugte Schließkraft auf
den Ventilkörper
bei Gasen oder Flüssigkeiten.
Die Vorspannkraft des Vorspannelementes wird so gewählt, dass
sie oberhalb der durch ein Gas bei Trockenlauf der Pumpe erzeugbaren
Schließkraft,
jedoch unterhalb der kleinsten durch ein Fluid erzeugbaren Schließkraft liegt.
Dadurch wird sichergestellt, dass eine Flüssigkeit eine Schließkraft erzeugt,
die stets zum Schließen
des Ventilkörpers
führt.
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Damit
ist ein im Aufbau sehr einfaches und preiswert herstellbares Entgasungsventil
geschaffen, das eine hohe Zuverlässigkeit
gewährleistet
und in jeder Einbaulage an einer Fluid-Förderleitung montiert werden
kann. Ferner ist die Funktionssicherheit weitgehend unabhängig von
der Dichte des flüssigen Fluides.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist der Ventilkörper ein axial verschiebbarer
Hohlzylinder mit einem geschlossenen axialen Ende, wobei der Hohlzylinder
eine radiale Drosselöffnung
aufweist und radial außen
der Drosselöffnung
ein Fluidraum vorgesehen ist, der durch den Ventilkörper zum
Gasablauf hin verschließbar
ist. Das Entgasungsventil weist neben dem Vorspannungselement nur
ein einziges bewegliches Teil auf, nämlich einen axial verschiebbaren
und einseitig geschlossenen Hohlzylinder. In Offenstellung des Hohlzylinders
fließt
das Fluid durch das offene axiale Ende in den Hohlzylinder ein.
Anschließend
fließt
das Fluid durch die radiale Drosselöffnung aus dem Hohlzylinder
heraus in den ihn umgebenden Fluidraum, dessen Verbindung zum Gasablauf
bei Offenstellung des Ventilkörpers
durchgängig
und bei Schließstellung
des Ventilkörpers
blockiert ist.
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Beim
Durchströmen
der Drosselöffnung durch
das Fluid wird zwischen dem Hohlzylinder-Innenraum und dem Fluidraum
bzw. Gasablauf ein Differenzdruck erzeugt, der an dem geschlossenen
axialen Ende des Hohlzylinders eine Axialkraft in Richtung Schließstellung
bewirkt. Diese durch den Druckunterschied bewirkte Axialkraft drückt den
Hohlzylinder entgegen der Kraft des Vorspannelementes in seine Schließstellung.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist eine Dämpfungsvorrichtung vorgesehen,
die die Schließbewegung
und/oder die Öffnungsbewegung des
Ventilkörpers
dämpft.
Die Dämpfungsvorrichtung verhindert
insbesondere bei der Schließbewegung des
Ventilkörpers
ein zu hartes Anschlagen des Ventilkörpers an den Ventilsitz. Dadurch
wird ein Verkanten des Ventilkörpers
in Schließstellung
vermieden und ein geringer Ventilverschleiß sichergestellt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung wird die Dämpfungsvorrichtung von einer
um den Hohlzylinder herum angeordneten Dämpfungskammer und von einem
Kolbenelement des Hohlzylinders gebildet. Die Dämpfungskammer kann eine um den
Hohlzylinder angeordnete ringartige Dämpfungskammer sein, wobei der
Hohlzylinder einen radial nach außen abragenden Ring als Kolbenelement aufweist.
Die Dämpfungskammer
kann mit einem beliebigen Fluid gefüllt sein, kann jedoch auch über eine entsprechende
Bohrung in der Hohlzylinderwand mit der Fluidleitung verbunden und
daher mit dem Fluid aus der Fluidleitung gefüllt sein. Die Durchgangsöffnung sollte
so klein gewählt
werden, dass durch den Druckabfall des in die Dämpfungskammer einströmenden,
bzw. aus der Dämpfungskammer
herausströmenden
Fluids eine nennenswerte Dämpfung
bewirkt wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist als Vorspannelement eine Feder vorgesehen,
die den Ventilkörper
in seine Offenstellung vorspannt. Damit ist eine einfache Vorspannvorrichtung
realisiert, die das Ventilelement zuverlässig in die Schließstellung
vorspannt. Vorzugsweise ist die Vorspannfeder in der ringartigen
Dämpfungskammer
angeordnet. Auf diese Weise wird ein kompakter und zweckmäßiger Aufbau
des Entgasungsventils realisiert sowie die Feder geschützt angeordnet.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist das Entgasungsventil an einem Gehäuse befestigt, das
in einer Förderleitung
ein Rückschlagventil
und in einer von der Förderleitung
abzweigenden Freilaufleitung ein Freilaufventil aufweist, das mit
dem Rückschlagventil
mechanisch gekoppelt ist. Die Kombination eines Rückschlagventils
mit einem Freilaufventil in einem Gehäuse ist ein typisches Bauelement,
das in Flüssiggasförderanlagen
auf der Druckseite einer Flüssiggaspumpe
im Verlauf der Förderleitung
angeordnet ist. Bei geschlossenem Rückschlagventil kann sich in
der Förderleitung,
beispielsweise durch Erwärmung
von Flüssiggas,
ein Gasvolumen bilden, das sich in der Förderleitung von dem Rückschlagventil
aus abwärts
in Richtung Pumpe ausdehnen und flüssiges Flüssiggas aus der Pumpe herausdrücken kann.
Das Rückschlagventil
ist höherliegend
als die Flüssiggaspumpe
angeordnet, so dass es den höchsten
Punkt eines Gasvolumens in der Förderleitung
darstellt. Durch die Kombination des Entgasungsventils mit dem Rückschlagventil
und dem Freilaufventil in einem Gehäuse, d. h. in einer Baueinheit, wird
sichergestellt, dass das Entgasungsventil stets am höchsten Punkt
eines möglichen
Gasvolumens in der Fluid-Förderleitung
angeordnet ist.
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Vorzugsweise
sind das Entgasungsventil und das Freilaufventil jeweils radial
von der Förderleitung
abzweigend und einander gegenüberliegend angeordnet,
können
jedoch auch anders angeordnet sein, solange keine geometrische Kollision
besteht.
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Im
Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Darstellung einer Flüssiggas-Förderanlage,
mit zwei Pumpen, zwei Freilauf-Rückschlagventilen
und zwei Entgasungsvorrichtungen,
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2 das
Freilauf-Rückschlagventil
mit Entgasungsvorrichtung der 1,
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3 die
Entgasungsvorrichtung der 2 in vergrößerter Darstellung,
und
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4 eine
zweite Ausführungsform
einer Entgasungsvorrichtung.
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In 1 ist
eine Flüssiggas-Förderanlage 10 dargestellt,
die im wesentlichen aus einem Flüssiggastank 12,
aus einer Hauptpumpe 14, einer Reservepumpe 14', zwei Freilauf-Rückschlagventilen 18, 18', einer Hauptförderleitung 22 und
weiteren, die genannten Vorrichtungen 12–20 verbindenden
Fluidleitungen besteht. Der Flüssiggastank 12 enthält gekühltes Ethen,
kann jedoch auch gekühltes
Propen, Ammoniak oder ein anderes gekühltes flüssiges technisches Flüssiggas 24 drucklos
oder unter Druck enthalten. Das Flüssiggas wird, je nach Gasart,
auf eine Temperatur von –5°C bis –160°C gekühlt bzw. kann
unter Druck auch Umgebungstemperatur haben.
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Die
Flüssiggas-Förderanlage 10 weist
zwei voneinander unabhängige
Förderwege 22, 22' auf. Im Verlauf
einer Hauptförderleitung 22 ist
die Haupt-Flüssiggaspumpe 14 und
das Haupt-Freilauf-Rückschlagventil 18 angeordnet.
Analog ist in einer parallelen Reserveförderleitung 22' eine Reserve-Förderpumpe 14' und ein Reserve-Freilauf-Rückschlagventil 18' angeordnet.
Die Reserveförderleitung 22' schließt sowohl
die Hauptpumpe 14 als auch das Haupt-Freilauf-Rückschlagventil 18 kurz.
Bei einem Ausfall der Hauptpumpe 14 wird automatisch die Reservepumpe 14' eingeschaltet,
so dass die Flüssiggas-Förderanlage 10 gegen
einen Ausfall der Hauptpumpe 14 gesichert ist.
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Das
Freilauf-Rückschlagventil 18 bzw. 18' besteht im
wesentlichen aus einem Gehäuse 29 und, daran
angebracht, einem Rückschlagventil 30 in
der Förderleitung 22,
einer von der Förderleitung 22 abzweigenden
Freilaufleitung 34 mit einem Freilaufventil 36 und
eine als Entgasungsventil 38 ausgebildeten Entgasungsvorrichtung
mit einer Entgasungsleitung 35, 39, wie in 2 dargestellt.
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Durch
das Rückschlagventil 30 in
der Förderleitung 22 wird
vermieden, dass Flüssiggas
entgegen der Förderrichtung
fließen
kann. Dadurch wird wiederum vermieden, dass bei Betrieb einer der
beiden Pumpen 14, 14' über die Zusammenmündung der beiden
Hauptförderleitungen 22, 22' Flüssiggas
in die jeweils betriebslose Förderleitung 22', 22 eindringen kann.
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Das
Rückschlagventil 30 und
das Freilaufventil 36 sind mechanisch durch einen Hebel 37 miteinander
gekoppelt. Bei geschlossenem Rückschlagventil 30 ist
das Freilaufventil 36 in Durchlassstellung, so dass bei
geringen Flüssiggas-Förderströmen das Flüssiggas durch das Freilaufventil 36 in
die Freilaufleitung 34 und über die Freilaufleitung 34 zurück in den
Flüssiggastank 12 fließen kann.
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Die
Flüssiggaspumpe 14 ist
normalerweise in Dauerbetrieb und versorgt nachgeschaltete Verbraucher.
Falls kein Flüssiggas
zum Verbraucher gefördert
werden soll, wird zur Begrenzung von Erwärmung der Pumpe sowie der dadurch
verursachten Gasbildung eine vorgegebene Mindestdurchflussmenge
Flüssiggas
im Kreis gepumpt, d. h. es wird Flüssiggas aus dem Flüssiggastank 12 durch
die Flüssiggaspumpe 14,
das offene Freilaufventil 36 und die Freilaufleitung 34 zurück in den
Flüssiggastank 12 gepumpt.
Dadurch wird vermieden, dass sich die Pumpe 14 und die
Leitungen auf Temperaturen oberhalb der Siedetemperatur des Flüssiggases
erwärmen
können.
Im Falle einer Erwärmung
des Fluids auf Siedetemperatur bei Betrieb der Hauptpumpe 14 erfolgt
ein Förderstromabriss
in der Pumpe, so dass die Gefahr des Trockenlaufens der Hauptpumpe 14 besteht.
Durch die Verbindung beider Pumpen 14, 14' über die
gemeinsame Saugleitung 22 besteht die Möglichkeit, dass bei Gasbildung
in der Hauptpumpe 14 auch die Reservepumpe 14' mit Gas gefüllt wird,
und beim anschließenden
Anlaufen der Reservepumpe 14' die
Gefahr ihrer Zerstörung
wegen Trockenlaufens besteht.
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Als
Flüssiggaspumpen 14, 14' werden vorwiegend
mehrstufige Zentrifugenpumpen verwendet, die schon bei kurzen Trockenlaufzeiten
zerstört
werden. Diese Gefahr betrifft insbesondere die Reservepumpe 14', die normalerweise über lange
Zeiträume stillsteht
und nur bei Ausfall der Hauptpumpe 14 eingeschaltet wird.
Die Gefahr des trockenen Pumpenanlaufens besteht jedoch auch für die Hauptpumpe 14 nach
einem automatischen Restart der Pumpe 14. Um ein trockenes
Anlaufen der Flüssiggaspumpen 14, 14' zu verhindern,
ist an dem Freilauf-Rückschlagventil 18 das
Entgasungsventil 38 angeordnet. Das Entgasungsventil 38 ist
immer geöffnet,
solange sich druckarmes Gas in der Pumpe 14 und der nachfolgenden
Hauptförderleitung 22 befindet,
und die durch den Druckunterschied erzeugte Axialkraft auf den Ventilkörper 40 geringer
als die Kraft des Vorspannelements.
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Wie
in 3. dargestellt, weist das Entgasungsventil 38 als
Ventilkörper 40 einen
Hohlzylinder mit einem geschlossenen axialen Ende 42 und
einem offenen axialen Ende 44 auf. Das geschlossene vordere
axiale Ende 42 ist als konische Ventilspitze 48 ausgebildet,
die in Schließstellung
des Ventilkörpers 40 in
einem konischen Ventilsitz 50 fugenlos anliegt. Die Seitenwand 52 des
Hohlzylinders 40 weist in der Nähe des geschlossenen Endes 42 zwei
Drosselöffnungen 54 auf,
durch die das durch das offene Ende 44 einströmende Fluid
radial nach außen
in einen den Ventilkörper 40 ringartig
umgebenen Fluidraum 46 strömt.
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Der
Ventilkörper 40 wird
durch ein als Druckfeder 56 ausgestaltetes Vorspannelement
in seine in 3 gezeigte Durchlassstellung
vorgespannt. Die Feder 56 ist in einer ringartigen Dämpfungskammer 58 angeordnet,
deren Innenwand von dem Ventilkörper
und deren Außenwand
von dem Gehäuse 60 gebildet
wird. Ein radial nach außen
ragender ringartiger Steg 59 des Ventilkörpers 40 bildet
sowohl einen in der Dämpfungskammer 58 axial
bewegbaren Kolben als auch einen Anschlag für die Feder 56. Im
Bereich der Dämpfungskammer 58 weist
der Ventilkörper 40 mehrere
radiale Öffnungen 62 auf,
die einen gedrosselten Fluiddurchtritt in oder aus der Dämpfungskammer 58 heraus
erlauben. Hierdurch wird die axiale Bewegung des Ventilkörpers 40 gedämpft und ein übermäßig hartes
Anschlagen des Ventilkörpers 40 in
seinen beiden Endpositionen vermieden.
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Der
Ventilkörper 40 ist
in die in 3 dargestellte Durchlassstellung
durch die Feder 56 vorgespannt. Solange aus der Hauptförderleitung 22 durch den
Einlass 35 Gas in den Ventilkörper 40 eintritt, kann
dieses auch bei größeren Volumenströmen mit relativ
geringem Druckabfall durch die Drosselöffnungen 54 in den
Fluidraum 46, und von dort durch den Ringspalt zwischen
der Ventilspitze 48 und dem Ventilsitz 50 in den
Gasauslass 39 strömen.
Durch den Druckabfall an den Drosselöffnungen 54 wird ein
Differenzdruck zwischen Gasauslass 39 und Ventilkörper-Innenraum
geschaffen, der auf die innere Stirnwand 63 des Ventilkörpers 40 eine
Schließkraft
erzeugt. Die Federkraft der Feder 56 ist so bemessen, dass
auch mittlere Gasflussmengen eine Schließkraft auf die Stirnwand 63 erzeugen,
die stets kleiner ist, als die von der Feder 56 erzeugte
Vorspannkraft. Dadurch wird sichergestellt, dass das Entgasungsventil 38 stets
in Durchlassstellung steht, solange die zugeordnete Pumpe 14, 14' nicht in Betrieb
ist und wenig Gas hindurchtritt. Erst wenn größere Gasmengen durch die wieder
nasslaufende Pumpe bzw. eine flüssige
Phase des Flüssiggases
in das Entgasungsventil 38 eintritt, entsteht an den Drosselöffnungen 54 ein
so hoher Druckabfall, dass die dadurch auf die Ventilkörper-Stirnfläche 63 wirkende
Schließkraft größer als
die Federkraft der Feder 56 wird. Dadurch wird die sofortige
axiale Verschiebung des Ventilkörpers 40 in
seine Schließstellung
bewirkt. Der Schließdruck,
d. h. der Druck, bei dem der Ventilkörper schließt, beträgt bei Gas ungefähr 8,0 bar
und bei Flüssigkeiten
ungefähr
5,5 bar. Der Ventilkörper 40 bleibt
so lange in Schließstellung,
bis der statische Druck bei Gas unter 3,5 bar bzw. bei Flüssigkeit
unter 3,0 bar fällt.
Der Schließdruck
und der Öffnungsdruck werden
jedoch für
jede Anlage individuell festgelegt und eingestellt.
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In 4 ist
eine zweite Ausführungsform
eines Entgasungsventils 138 dargestellt, das sich von dem
in 3 dargestellten Ventil durch eine kompaktere Bauweise
und ein am Einlassende des Entlüftungsventils 138 vorgesehenes
Außengewinde 170 unterscheidet.
Das Entgasungsventil 138 ist mit seinem Außengewinde
auf einfache Weise in das Gehäuse 180 eines
Ventilkörpers
oder einer Fluidleitung einschraubbar. Ferner sind in dem Ventilkörper 140 keine
Dämpfungsbohrungen
in der Ventilkörperwand 152 vorgesehen,
so dass die Dämpfungswirkung
verstärkt
ist.
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Durch
Vorsehen des Entgasungsventils in Fluidleitungen, in denen sowohl
Gas als auch Flüssigphasen
auftreten können,
wird eine zuverlässige selbsttätige Entgasung
sichergestellt. In Flüssiggasförderanlagen
wird auf diese Weise gewährleistet, dass
auch in stillstehende und sich erwärmende Pumpen stets gekühltes Flüssiggas
nachläuft,
während
das erwärmte
Gas durch das Entgasungsventil abfließt. Ein unbeabsichtigtes Trockenlaufen
bzw. trockenes Anlaufen der Pumpen wird auf diese Weise zuverlässig verhindert.
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Der
funktionssichere Betriebseinsatz des Entgasungsventils 38 in
Pumpen- und in Fluidleitungen ist nicht auf Flüssiggase beschränkt, sondern
für alle
in der Praxis verwendeten Fluide geeignet, im besonderen, wenn Fluide
nahe ihrem Siedepunkt oder wenn Gas-Flüssigkeitsgemische gefördert werden.