DE2019950A1 - Regelventil - Google Patents

Description

MA-PA₉ 14-4-1970

INDUSTRIE-WERKE KARLSRUHE Aktiengesellschaft

75 Kar 1 s r u h e Qartenstrasse 71

Regelventil -Zusatz zum Patent Ko. ... (Pat.-Anmeld. P 15 48 996.0) -

Das Hauptpatent No. ... (Pat.-Anaeid. P 15 48 996.0) betrifft ein Ventil zum Regeln des Maesenetromes strömender Medien, ■it einem Ventilkegel, der mit einen Ventilsitz zusammen- ■

wirkt und mit einer Steuermembran od. dgl,, die mit einem an einer im Strümungsweg des Mediums angeordneten Messblende abgegriffenen Oifferenzdruok beaufeohlagt ist, wobei die Oifferenzdruoktlbertragung durch zwei Steuerleitungen erfolgt und der unmittelbar vor der Messblende abgegriffene Strömungsmitteldruck auf die eine und der unmittelbar hinter der Messblende abgegriffene Strömungsmitteldruck auf die andere Membraneelt· wirkt, verbunden und von dieser gegen die Wirkung •ine· RüokfUhrorgane betätigbar ist, wobei der Ventilsitz als Messblende ausgebildet 1st.

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■ BAD ORIGINAL ^k

In der britischen Patentschrift No. 494 703 wurde bereite ein Regelventil vorgeschlagen, das seinem Typ nach ein integral wirkender Mengenregler ist. Nachteilig wirkt sich bei einem derartigen Regelventil aus, dass seinem Ventilkegelsyetem keine eindeutige Hubstellung ,zugeordnet werden kann, weil im Messwertvergleioher das während des Ventilhubes konstante Gewicht des Kolbens in Abhängigkeit von seiner Fläche einen Druck 4p darstellt, der dem Sollwert entspricht.

Nachteilig in bezug auf das Stabilitätsverhalten des vorgesohlagenen Reglere innerhalb einer Regelstrecke wirkt sich ferner auch aus, dass durch das konstante Kolbengewicht dem Ventilkegelsystem keine eindeutige Stellung zugeordnet werden kann, da dieser Regler praktisch in seine Begrenzung fährt, weil die Stellgeschwindigkeit de· Ventilkegel-Sy·tem· nioht auf die Daten der Regelstrecke anpassbar ist.

Ein weiterer Nachteil des vorgesohlagenen Regelventils besteht schliessllch auoh darin, dass zwischen seiner Ein- und Austritts· seite ein relativ hoher Druckverlust entsteht, da das Messen dee Mlnus-Steuerdruokes ale Staudruck und nioht als statischer Druck erfolgt«

Die erwähnten Nachteile sind duroh die Differenzdruckmessung und die integrale Wirkung dieses Regler-Typs bedingt. Dabei ist der Regelabweichung lediglioh die Stellgesehwlndigkeit, nicht aber die Ventilstellung proportional·

Demgegenüber hat »loh dl· vorliegende Erfindung unter BerUok-

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eichtigung folgender Gesichtspunkte die Aufgabe gestellt, alt überaus einfachen und billigen Mitteln das aus dem Patent No. ... (Pat.-Xnmeld. P 15 48 996.0) bekannte Regelventil sinnvoll auszugestalten und fortzuentwickeln!

Setzt man in eine Rohrleitung eine Blende mit der Bohrung »d.« ein, so errechnet sich die durchfliessende Stoffmenge nach der Gleichung . .

(ι.) M- 0,0125 ·ο< . ε »m · D* 'If^ ·VZJT Ckp/hJ (2.) ν» 0,0125. * ¹B · m 'B₁ ²

wobei o( a Durchflusszahl, £ « Expansionszahl, m » Öffnungsverhältnis, ^ a Oiohte, 4f> a Differenzdruck und D^ « Rohr-Innendurchaesser bei tH⁰C] ist. '

Aus den Gleichungen (l.) und (2.) ist zu ersehen, dass bei den vorstehend erwähnten gegebenen Grossen der Durchfluss von Differenzdruck an der Blende abhängt: So verdoppelt sich beispielsweise bei vierfachen Differenzdruok die Durchflussmenge. --1

Aufgabe eines Regelventils ist es nun, die Stoffmenge trotz veränderlichem Differenzdruok zwischen Ein- und Austritt des Ventils konstant zu halten. Zu diesem Zweck wird zunächst der Differenzdruck, der an der Blende geregelt werden soll, gemessen und sodann im Messwertvergleicher mit dem Sollwert verglichen. Als Sollwert dient beispielsweise eine Druckfeder, die auf eine bestimmte Kraft "P vorgespannt 1st. Der Vergleicher ist etwa «ine Membran· oder aber auch ein Kolben mit bestimmter

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Fläche "F". Dividiert man nun in bekannter Weise die Federkraft "P" durch die Membran- oder Kolbenfläche "F", so ergibt mithin der jeweils einzuhaltende Differenzdruck ^ηΔγ ⁿ an der Blende. Da nach Gleichung (i.) und (2.) die Durchflussmenge von der Quadratwurzel des Differenzdruckes ⁿäp " abhängig ist, bedarf es an dieser Stelle nun doch der näheren Klärung eben dieses Differenzdruokess -

Im allgemeinen unterscheidet man in einem Strömungs—System einen statischen und einen dynamischen Druok; letzterer wird auoh mit Staudruck bezeichnet. Als Differenzdruck für die Mengenmessung ist die arithroetische Differenz der beiden etatischen Drücke vor und hinter dem Drossel-System zu verstehen.

Venn nun der Differenzdruck "Zip ^w an der Blende ansteigt, so führt das Membran-(KoIben-)System eine entgegengesetzte Hubbewegung aus. Mit dieser Membrane od. dgl. ist eino Ventilkegel verbunden, der die Durchflussmenge drosselt, um wieder den richtigen Differenzdruck ¹Mn" an der Blende einzustellen, (b Sollwert des Membransystems.od dgl·) Auf'diese Weise gelingt es, den Ventildurchfluss mittels einer Differenzdruokregelung an der Blende konstant zu halten.

In der im Hauptpatent No» ··· (Pat.-Anmeld. P 15 48 996.0) beschriebenen Erfindung dient der Ventilsitz als Blende. Deren Strömungs-Quersohnitt ist jedoch.mittels einer über dem Ventilsitz angeordneten einstellbaren Drosselscheibe veränderlich. Die Vorspannung der Sollwertfeder bleibt bei diesem Lösungsvorschlag unverändert, so dass das Regelventil bei.jeder einge-.

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stellten Durchflussmenge mit dem gleichen Differenzdruck arbeitet. Der Druok vor dem Blendensystem wird an einer am Eintritt des Ventilgehäuses angeordneten Bohrung abgenommen und in das untere Membrangehäuse eingeführt, währenddessen der Druck hinter

dem Blendensystem auf dem Ventilkegel gemessen und beispiels-■· - . > ■

weise durch Bohrungen auf die Oberneite der Membran gegeben

wird.' -

Betrachtet man nun das Regelventil nach dem Hauptpatent No.

... (Pat.-Anmeld. P 15 48 996,0), so ist ersichtlich, dass der Plus-Steuerdruck als statischer Druck gemessen wird. . ■ . {

Um einen statischen Druck handelt es sich hier deshalb, weil

die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums an der Ventilwand zu Null wird und die dynamischen Druokanteile somit nicht

in die Druckmessung eingehen· . . .-.,

Bein Messen des Minus-Druckes nach dem Drossel-System herrsehen andere Gesetzmäseigkeiten, da der Druck hier auf' dem Ventilkegel abgenommen wirdζ Das Messen des Druckes auf dem Ventilkegel entspricht einem Messen des Gesamtdruckes, d.h. a der..Summe aus statischem und dynamischem Druck, da man den. Ventilkegel ohne weiteres als Stossplatte betrachten kann, auf deren Oberfläche die Strömungsgeschwindigkeit zu Null wird. Der Minus-Steuerdruck 1st dabei um den dynamischen An teil grosser ale der statische Druck.

Zn der Praxis hat sioh vielfältig gezeigt, dass ein Regelventil in einer derartigen Schaltung zwar ausserordentlioh

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exakt arbeitet, jedoch hinsichtlich des Druokverlustes zwischen Ein- und Austritt des Ventils bei entsprechender Durchflussmenge noch weiter verbessert werden kann. Der hohe Druckverlust wird vor allem durch die aus Ventilsitz, und Drosselscheibe bestehende einstellbare Messblende erzeugt, die je nach geforderter Durchflussmenge mehr oder minder hoch über dem Ventilsitz steht. In gewisser. Weise ist das Regelventil nach Hauptpatent No. ... (Pat.-Anmeld. P 15 48 996,0) auch hinsichtlich dessen noch zu verbessern, dass schon bei kleiner Verstellung der Messblende die Durchflussmenge in zu grossem Umfang zunimmt, so dass eine genaue Mengeneinstellung sich deshalb als relativ schwierig erweisen kann.

Unter Berücksichtigung dieser Einflussgrössen geht die vorgeschlagene Erfindung folgerichtig due von einem Ventil zum Regeln des Massenstromes strömender Medien, mit einem Ventilkegel, der mit einem Ventilsitz zusammenwirkt und mit einer Steuermembran od. dgl., die mit einem an einer im Strömungsweg des Mediums angeordneten Messblende abgegriffenen Differenzdruck beaufschlagt ist, wobei die Dlfferenzdrucklibertragung durch zwei Steuerleitungen erfolgt und der unmittelbar vor der Messblende abgegriffene Strömungsmitteldruck auf die eine und der unmittelbar hinter der Messblende abgegriffene Strömungsmitteldruck auf die andere Membranseite wirkt, ver- , bunden und von dieser gegen die Wirkung eines RUokfiihrorgans betätigbar ist, wobei der Ventilsitz als Messblende ausgebildet ist· .

Daa Regelventil ist nach dem Willen der Erfindung daduroh ge-

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mm "J mm

kennzeichnet, dass der Minus-Steuerdruck direkt hinter der Drosselstelle mittels einer am Ventilsitz angeordneten Bohrung abgenommen und mittels einer besonderen Steuerleitung in das obere Membrangehäuse geführt ist.

Vie sich aus dem Vorstehenden ergibt, beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass der Minus-Steuerdruck nicht mehr auf dem Ventilicegel, sondern direkt hinter der Drosselscheibe der Messblende mittels einer im Ventilsitz angeordneten Bohrung gemessen wird. Hierdurch ergibt sich ein statisches Messen des Druokes, so dass die Bedingung Δ ρ =φ>,, . minus der Gleichung (i.) und (2.) erfüllt ist.

Bei gleichbleibender Drosseleinstellung erhöht sich hier nun der Differenzdruck ^ηΑγ " im Membrangehäuse, wodurch der Regler weiter auf Schliess-Stellung fährt und dabei eine kleinere Durchflussmenge als bei der Schaltung nach dem Hauptpatent- No. ... (Pat.-Anmeld. P 15 48 996,0) einstellt. Um bei der erfindungsgemässen Schaltung dieselbe Durchflussmenge zu erzielen, ist es erforderlich, die Drosselscheibe der Messblende weiter zu Öffnen, wodurch sich aber zugleich auch in * überaus vorteilhafter Weise der Gesamtdruckabfall des Regelventils verringert. ..-.,;

Mit der vorgeschlagenen Erfindung gehen naheliegenderweiee '■" eine Reihe bedeutender Vorteile einher:

Das .erfindungegemässe Regelventil ist seinem Typ nach ein Proportionalregelventil; im Messwertvergleicher ist deswegen eine Feder angeordnet, deren Kraft in Abhängigkeit von der

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Membran-(KoIben-)Fläche den Sollwert darstellt. Beim Bewegen des Ventilkegel-Systems ändert sich die Kraft der Feder entsprechend der ihr eigenen Federkonstanten in Abhängigkeit von dem zu durchfahrenden Ventilhub und ordnet damit einer Regelabweichung eine feste Hubstellung des Ventilkegels zu. Damit ist also in Bezug auf das Stabilitätsverhalten des Regelgerätes in der Regelstrecke ein einfaches und in seiner Einstellung problemloses Regelgerät gesohaffen. ,

Das proportional wirkende und mit einem definierten Propor-W tionalbereich ausgestattete Regelventil nach der Erfindung hat zudem noch den besonderen Vorteil, dass es in der Regelstrecke stabil arbeitet. ■ ·

In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel dargestellt· Dabei zeigt

Fig. 1 das erfindungsgemässe Regelventil in schematischer Darstellung;

Fig. 2 ein Diagramm der Durchsatzmenge in Abhängigkeit von der Stellung der Einstelldrossel , wobei die Kurve des Regelventils voll ausgezogen ist, währenddessen die des Reglers nach der britischen Patentschrift k9k 703 gestrichelt gezeichnet ist, und sohliesslioh

Fig. 3 ein Diagramm des zum Regeln notwendigen Mindest-Differenzdruckes zwischen Ein- und Auslass des Ventiles in Abhängigkeit von der Durchsatzmenge in einer zeichnerischen Weise, der der Fig. 2 entspricht.

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Wie auch Im Hauptpatent No. ... '(Pat.-Anmeid· P 15 48 996,0) bereits dargestellt, besteht das in Flg. i dargestellte Regelventil im wesentlichen aus dem eigentlichen Ventilgehäuse 1 mit dem Ventilsitz 2, dem in herkömmlicher Weise zu dem Ventilsitz verschiebbar gelagerten Ventilkegel 3, der in der dargestellten Form druckentlastet ist, der über ein Gestänge k mit einer in noch näher zu beschreibenden Weise durch Differenzdruok beaufschlagbaren Membran 5, die von einem Membrangehäuse 6 umschlossen ist, in Verbindung steht. Auf· der dem Ventilkegel 3 gegenüberliegenden Seite des Ventilsitzes 2 ist eine z.B. als flacher Teller 7 ausgebildete | Drosselscheibe angeordnet, die mittels einer Einstellspindel 8 einstellbar und in geeigneter Weise am Ventilgehäuse 1 gelagert ist.

Die folgende Erläuterung des Ausführungsbeispiels gemäss der Erfindung erfolgt unter der Voraussetzung, dass ein durch das Regelventil strömendes Medium hinsichtlich seines in der 'Zeiteinheit durchgesetzten Massenstromes bzw* seiner Strömungsgeschwindigkeit konstant zu halten ist. Das Medium λ

jf tritt duroh den Einlass 9 in das Regelventil ein, duroh—

Ί f ■-...-■

strömt den Ventilsitz 2 und verlässt das Ventil duroh den

Ausgang 10» - . .

Vie aus der Figur weiterhin entnommen werden kann, ist der Teller 7 in einem mehr oder weniger grossen Abstand von der Oberseite des Ventilsitzes 2 einstellbar. Hierduroh ist eine im Querschnitt veränderliche, einen ringspaltartigen Duroh- ttrömquerschnitt aufweisend·^ Messblende geschaffen. Der nach unttn gerichtete Teil des Ventilsitzes arbeitet in üblicher

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Weise mit dem als Absperrorgan wirkenden Ventilkegel 3 zusammen. Von dem Ventileinlass 9 aus führt eine Steuerleitung 11 zu dem Membrangehäuse 6 und mündet in den Beaufschlagungsraum 12 ein. Durch diese Steuerleitung hindurch erfährt die Membran 5 eine einseitige Druckbeaufschlagung mit dem vor der Messblende abgegriffenen Strömungsmitteldruck, der eine Verschiebung der Membran und damit unter Vermittlung des Betätigungsgestänges k eine Verschiebung des Ventilkegels in Richtung auf dessen Schliesslage herbeiführt·

Die andere Seite der Membran 5 erhält ihre Druckbeaufschlagung mittels einer im Ventilsitz abgenommenen Steuerleitung Ik, die in den Druckraum 13 des Membrangehäuses 6 einmündet. Die dem Ventilsitz 2 zugewandte Fläche 15 des Ventilkegels 3 ist mit Durchgangsbohrungen 16, 17 zur Druckentlastung des Ventilkegels versehen. Die Steuermembran 5 unterliegt der Beaufschlagung durofe den zwischen den Steuerleitungen 11 und Ik herrschenden Differenzdruck /Ip ■» Pi *" "pj; · '

Das der Verbindung des Ventilkegels 3 mit der Membran 5 dienende Gestänge k erstreckt sich durch einen am Ventil— körper 1 angeordneten iratfSrmigen abgedichteten Gehäuseteil 20 hindurch.

Das Gestänge 4 besitzt an seinem unteren Ende einen Teller 21. Zwischen dem hutfurmigen Gehäuseteil 20 und dem Teller 21 des Gestänges 4 ist eine Rückstellfeder 22 für den Ventilkegel 3 angeordnet· Die Membran 5 trägt eine sich bis zur Anlage an den Teller 21 des Gestänges h erstreckende Betätigungsstange 23»

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deren am Teller 21 anliegender Abschnitt pilzförmig in der Art eines Stösselkopfs 2k ausgebildet ist. Insoweit können von der Membran 5 auf den Ventilkegel 3 nur Versohiebekräfte im Sinne einer SchliessÜcwegung des Ventilkegels gegen die Wirkung der Feder 22 übertragen werden. Die Ventilkegelrückstellung in ihre Öffnungslage bewirkt die genannte Rückstellfeder 22.

Auf der von der Betätigungsstange 23 der Membran 5 gegenüberliegenden Seite erstreckt sich von der Membran ein Einstellgestänge 26 fort, welches das Membrangehäuse 6 durchgreift. Auf der Einstellstange 26 ist eine Schraubenfeder 28 angeord- _g net, die sich einerseits an dem Membrangehäuse 6 im Bereich der Stangendurchführung und andererseits an einer Ansohlagmutter 29 abstützt·

Das Beaufschlagen der Membran 5 mit dem abströmseitig vom Ventilsitz 2 abgegriffenen Strömungsmitteldruck im Druckraum 13 und die Kraftwirkung der auf der Einstellstange 26 angeordneten Schraubenfeder 28 erfolgen gleichsinnig, während diesen Kraftwirkungen entgegengerichtet die Membranbeaufschlagung mit dem in der Nähe des Einlasses 9 abgegriffenen Strömungsmittel- * druck im Druckraum 12 wirkt.

Im Diagramm nach Fig. 2 ist die Durchsatzmenge ⁿQⁿ in Abhängigkeit von der Stellung "D" der ■Einstelldrossel aufgetragen. Die gestrichelt gezeichnete Kurve, die auf Regelventile zurückgeht, wie sie etwa in der britischen Patentschrift 494 703 beschrieben wurden, lässt erkennen, dass bereits bei kleiner Öffnung der Drosselblende die Durohsatzmenge

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in unerwünschter und daher nachteiliger Weise recht sprunghaft ansteigt» weil damit eine Einstellung des Gerätes auf kleine Durchsat zraengen recht problematisch wird. Demhingegen steigt die Durohsatzmenge bei Benutzung des Regelventils nach der Erfindung nur relativ langsam und vor allem in geringerem Umfange an, unter der Voraussetzung, dass die Wirkdrücke sowie die Durchlassöffnungen an der Messblende sowohl bei der Lösung nach der Erfindung als auch bei der nach der britischen Patentschrift 494 703 gleich oder zumindest annähernd gleich sind.

Gleiche, mindestens aber ähnliche Charakteristika gelten auch für das in Fig. 3 dargestellte Diagramm: Hier wurde der zur Regelung notwendige Diiiorenzdruok "^p " am Ventil in Abhängigkeit von der Durchsatzmenge "Q" aufgetragen: Beim Vorschlag nach dem britischen Patent k$k 703 (gestrichelt gezeichnet) steigt der Druckverlust zunächst erst relativ langsam an, um sodann bei grösseren Druchflussmengen erheblich anzusteigen. Demgegenüber steigt die Durohsatzmenge beim Regelventil naoh der Erfindung nur in einer äusserst flachen Kurve und liegt dabei im Bereich ebenso niedriger DifferenzdrUoke. Nach alledem ist gerade aus diesem Diagramm die besondere Vorteilhaftigkeit der vorgeschlagenen Erfindung plastisch demonstriert derart, dass bei gleichen Durchsatzmengen die zum Regeln erforderlichen Mindest-Differenzdrücke zwischen Ein- und Auslass des Ventils relativ stark unterschiedlich sind« Ein Regelventil gem. Erfindung arbeitet also mit wesentlich kleineren Druckverlueten. '.

In Betracht gezogene Druckschriften: Brltisohe Patentschrift k$k 703 (Brugraa).

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Claims (1)

1. 201395 ο

   Patentanspruch

   Ventil zum Regeln des Massenstroms strömender Medien, mit einem Ventilkegel, der mit einem Ventilsitz zusammenwirkt und mit einer Steuermembran od. dgl., die mit einem an einer im Strömungsweg des Mediums angeordneten Messblende abgegriffenen Differenzdruck beaufschlagt ist, wobei die Differenzdruckübertragung durch zwei Steuerleitungen erfolgt und der unmittelbar vor der Messblende * abgegriffene Strömungsmitteldruck auf die eine und der unmittelbar hinter der Messblende abgegriffene Strömungsmitteldruck auf die andere Membranseite wirkt, verbunden und von dieser gegen die.Wirkung eines Rückführorgans betütigbar let, wobei der Ventilsitz als Moseblende ausgebildet ist, nach Patent....(Pat.-Anm. P 15 48 996.0),

   dadurch gekennzeichnet, . .

   dass der Minus-Steuerdruck direkt hinter der Drosselstelle mittels einer am Ventilsitz (.2) angeordneten Bohrung abgenommen und mittels einer besonderen Steuerleitung in das obere Membrangehäuse (l5) geführt ist·

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