DE2261532A1

DE2261532A1 - Drosselventil

Info

Publication number: DE2261532A1
Application number: DE19722261532
Authority: DE
Inventors: Thomas Lefeuvre
Original assignee: Thermo Electron Corp
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Inc
Priority date: 1972-01-06
Filing date: 1972-12-15
Publication date: 1973-07-26
Also published as: CA961651A; FR2167638B1; IT973266B; US3727406A; FR2167638A1; GB1406660A

Description

Patentanwälte
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65-19.931Ρ(19.932H) 15. 12.'1972

THERMO ELECTRON CORPORATION. Waltham (Mass.)

Y. St. A.

Drosselventil

Die Erfindung bezieht sich auf ein Drosselventil, insbesondere auf ein hermetisch dichtes Drosselventil für eine Clausius-Rankine-Maschine.

In einer Clausius-Rankine-Maschine steuert das Drosselventil den Pluß eines verdampften Fluids vom Dampferzeuger in den Expander. Dadurch hat der Dampf an dieser Stelle des Kreisprozesses eine hohe Temperatur und zugleich einen hohen Druck, wie insbesondere einige 10 000 g/cm , einige 100 psi und eine Temperatur zwischen 97 °C und 152 °C (zwischen 200 ⁰F und 300 °F). Sowohl aus wirtschaftlichen Überlegungen, als auch aus Gründen der Sicherheit ist es erforder-

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lieh, das Ventil dicht abzuschließen, um ein Ausdringen des Arbeitsfluids aus der Maschine zu verhindern. Wenn das Drosselventil einen linearen Hub besitzt, dann 1st es erforderlich, eine hermetische Abdichtung für einen gegenwirkenden Ventilschaft oder eine gegenwirkende Ventilspindel vorzusehen, wobei die Abdichtung die auftretenden Maximalwerte der Temperatur und des Druckes aushält. Bei einem herkömmlichen Verfahren zur hermetischen Abdichtung eines gegenwirkenden Ventilschaftes ist vorgesehen, Dehnungsausgleicher oder Faltenbälge, die gewöhnlich aus Metall bestehen, zu verwenden, die den Schaft und zugleich das Gehäuse des Ventils abdichten, um eine geeignete Hin- und Herbewegung zu ermöglichen. Jedoch arbeiten Faltenbalg-Dichtungen, die aus Materialien bestehen, die die auftretenden Temperaturen aushalten, gewöhnlich mit einem DIfferenzdruck, der nicht größer ist als 0,8 χ 10 g/cm (1OO psi). Da jedoch Faltenbälge verwendet werden müssen, die bei höheren Drücken arbeiten, sind die verwendeten Materialien für einen Hochtemperaturbetrieb nicht geeignet.

Das erfindungsgemäße Ventil verwendet zur Abdichtung des Ventilschaftes eine Balgdichtung der herkömmlichen Bauweise, um eine hermetische Dichtung zwischen dem Ventilschaft und dem Gehäuse zu bewirken. In der geschlossenen Stellung greift der Kopf des Ventilschaftes in einen Sitz im Ventilkörper ein und sperrt dadurch einen Fluß des Arbeitsfluids durch das Ventil in den Expander der Maschine ab. Um das Ventil zu öffnen, wird der Schaft entlang seiner Längsrichtung geführt, so daß sich sein Kopf vom Sitz löst, wodurch ein Strom des Arbeitsfluids mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck durch die den Ventileinlaß bildende Leitung und aus der den Ventilauslaß bildenden Leitung möglich ist. Zwischen dem Kopf des Ventilschaftes und der Balgdichtung ist eine Radialdirchtung vorge-

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sehen« Die Radialdichtung kann beispielsweise.dadurch gebildet sein, daß sich der Schaft durch eine enge angepaßte Öffnung im Ventilgehäuse erstreckt. Am Balgende des Ventilschaftes vergrößert sich diese Öffnung in eine Kammer, die. die Bälge umgibt und die einen Entgasungsstutzen zu. einem Niederdruckpunkt in der Maschine, beispielsweise zum Kondensator, aufweist. Diese Kombination aus Balgdichtungen, die in einer Kammer vorgesehen sind, die zu einem Niederdruckteil der Haschine entlüftet und vom Hochdruckende des Ventilschaftes durch eine Radialdichtung getrennt ist, ermöglicht es, daß Ventile mit hermetisch abgedichteten Bälgen bei einem Arbeitsfluid mit einer hohen Tempeeratur und einem hohen Druck verwendet werden. Die Radialdichtung gewährleistet einen Druckabfall zwischen der Hochdruckkammer des Dampfes neben der Einlaßleitung des Ventils und der Niederdruckkammer um die Bälge. Die Belüftung zum Niederdruckteil der Maschine verhindert jeden Aufbau eines hohen Druckes in der Kammer um die Bälge.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer geschlossenen Fluidkreismaschine;

Fig. 2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Ventil ; und

Fig. 3 einen Schnitt durch eine weitere Abdichtung eines Teiles des in der Fig. 2 dargestellten Ventils.

In der Fig. 1 ist ein Blockdiagramm für eine Fluidmaschine mit einem geschlossenen Kreis, wie beispielsweise

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eine Clausius-Rankine-Maschine, dargestellt. Die Maschine umfaßt einen Expander 11, in dem das in Dampfform von einem Dampferzeuger 17 über ein Drosselventil 18 eingespeiste Arbeitsfluid expandiert« um die Antriebskraft für die die Arbeit erzeugenden Elemente des Expanders zu erzeugen. Der Dampf vom Expander 11 wird dann zu einem Kondensator 13 abgesaugt, wo er in seine flüssige Form kondensiert wird, um dann mit Hilfe einer Pumpe 15 zum Dampferzeuger 17 gespeist zu werden. Der Dampferzeuger 17» der im allgemeinen die Form eines Kessels besitzt, heizt die Flüssigkeit auf, um sie in einem begrenzten Volumen zu verdampfen, und erzeugt so ein Hochdruck- und Hochtemperatürgas, das zum Einlaß des Drosselventils 18 gespeist wird; Nach der Expansion ist der Dampf im Expander 11 bei einem niedrigen Druck und einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur und wird im Kondensator 13 in eine Flüssigkeit zurückkondensiert, wobei die Flüssigkeit einen niedrigen Druck aufweist. Eine Steueroder Zapfleitung 16 verbindet einen Belüftungsschlitz im Ventil 18 mit der Niederdruckkammer des Kondensators 13*

In der Fig. 1 ist ein vereinfachtes Diagramm einer typischen Naschine dargestellt. Es ist selbstverständlich, daß in der Praxis zahlreiche zusätzliche Bauteile vorgesehen sind. Das Arbeitsfluid der Maschine kann eines von verschiedenen geeigneten Materialien sein. Geeignete Beispiele sind Trifluoräthanol, Trifluoräthanol mit Wasser gemischt und Thiophan. Mit diesen Materialien sowie mit vielen anderen geeigneten Fluiden bestimmen sowohl die wirtschaftlichen Faktoren als auch die Sicherheitsfaktoren für den Betrieb der Maschine, daß das Fluid vollständig in einem abgedichteten System eingeschlossen ist. Typische Parameter für das im Dampfzustand in das Drosselventil 18 eintretende Arbeitsfluid sind ein Druck im Bereich von 0,8 · 10 bis 0,8 · 10-⁷ g/cm (100 - 1000 psi) und eine Temperatur im

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Bereich zwischen 40°C bis 42O °C (1QO bis 800 °F) .

Ein ausführlicher Querschnitt des Ventils 18 der Fig. 1 ist in der Fig. 2 dargestellt. Das Ventilgehäuse 21 umfaßt eine Einlaßleitung 22 und eine Auslaßleitung 23. Ein Ventilschaft oder eine Ventilspindel 24 hat einen so ausgebildeten Kopf 25» daß dieser in einen Ventilsitz Z6 bei der Öffnung der Ausgangsleitung 23 eingreift. Der Ventilschaft 24 erstreckt sich durch eine Dichtung bei der Bohrung 27 des Gehäuses 2t und in eine Kammer 28 mit einem wesentlich größeren Durchmesser im Gehäuse 21. Der Ventilschaft Zh ist in der Kammer 28 mit einer Balgdichtung 30 dicht' verbunden, die ebenfalls mit einer hermetischen Dichtung an einem Balgflansch 31 angebracht ist, wobei der Balgflansch 31 mit Hilfe eines O-Ringes 34 am Ventilgehäuse 21 abgedichtet ist. Die Balgdichtung kann eine herkömmliche Balgdichtung sein, die aus einem Material aus einer Anzahl von geeigneten Materialien besteht, wie beispielsweise aus Edelstahl, Messing, Beryllium, Teflon (Wz), fluorhaltige Polymere, Vi tan (Wz), Fluorelastomere und anderen Materialien, die gegenüber dem Arbeitsfluid beständig sind und die die in der Kammer 28 auftretenden Temperaturen und Drücke aushalten. Der Flansch 31 wird mechanisch gegen einen Distanzring 36 und den O-Ring 34 mit Hilfe eines Anschlußgehäuses 38 gedrückt, das am Ventilgehäuse 21 mit Hilfe von Schrauben 40 befestigt ist. Ein Belüftungsrohr 16, das die Kammer 28 belüftet, ist mit einem Niederdruckteil der Maschine verbunden. Ein Balgstab 41, der direkt mit dem Ventilschaft Zk an einem Ende verbunden ist, ist auch über eine Walzen-Bolzen-Anordnung mit einer Kugel-Schrauben-Anordnung 45 verbunden, die für die Längsbewegung des Ventilschaftes 24 abhängig vom Antrieb durch einen Schrittmotor 50 vorgesehen ist. Die Anordnung 43 verhindert, daß ein Drehmoment von der Anord-

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nung 45 auf die Balgdichtung 30 übertragen wird. Das Ventilgehäuse 21 und das Anschlußgehäuse 38 können aus einem geeigneten Material, beispielsweise Messing, bestehen.

Im Betrieb erfolgt die Translationsbewegung des Ventilschaftes 24 zwischen einer innersten Stellung, in der der Ventilkopf 25 in den Ventilsitz Z6 eingreift, und einer zurückgezogenen Stellung, in der das Ventil vollständig geöffnet ist und das Gas durch die größte öffnung der Einlaßleitung 22 durch die Auslaßleitung 23 strömt. Während die Wirkung des Ventils in Prozenten der größten Durchströmung für eine beliebige Schaftstellung von der besonderen Ausgestaltung des Ventils abhängt, gewährleistet eine geeignete Form des Ventilkopfes 25» daß die prozentuale Veränderung der Öffnung mit dem Prozentsatz des gesamten Hubes der Ventilschaftstellung übereinstimmt. So bewirkt beispielsweise eine Veränderung von 1 $ in der Translationsstellung des Ventilschaftes eine Veränderung von 1 i* in der Durchströmmenge durch das Ventil selbst.

Wie oben bereits gezeigt wurde, entspricht der Innendurchmesser 27 des Ventilgehäuses mit einer sehr engen Toleranz dem Außendurchmesser des Ventilschaftes 24, so daß eine Dichtung zwischen dem Schaft 24 und dem Gehäuse 21 besteht, um die Bälge vor den hohen Temperaturen und dem hohen Druck des durch die Einlaßleitung 22 zuströmenden Gases zu schützen. Die Dichtung kann von jeder geeigneten Art sein, die für einen ausreichenden Druckabfall vorgesehen ist. Geeignete Dichtungen sind beispielsweise eine Laminardichtung oder eine Labyrinthdichtung. Bei einer Laminardichtung muß insbesondere der Abstand zwischen dem Außendurchmesser des Ventilschaftes und dem Innendurchmesser zwischen 0,0075 und 0,15 cm (0,003 und 0,007 Zoll) liegen. Unter diesen Bedingungen erfolgt ein bedeutender

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Druckabfall zwischen dem Hochdruckdampf in der Leitung und der Kammer 28. Wenn beispielsweise der Druck des zu-

geführten Gases bei 40 000 g/cm (500 psi) liegt, dann sollte der Druck in der Kammer 28 weniger als 8000 g/cm (1OO psi) betragen. Um eine Verstärkung des Druckes in der Kammer 28 zu verhindern, muß die Belüftungsleitung mit einem Niederdruckteil der Maschine, wie beispielsweise dem Kondensator der Maschine, verbunden sein. Ein geeigneter Innendurchmesser für die Niederdruckleitung 16 beträgt 0,46 cm (O,181 Zoll).

Es ist offensichtlich, daß der Druckabfall zwischen der Eingangsleitung 22 und der Kammer 28 sowohl von der durch die Laminardichtung 27 und der Größe der Öffnung der Belüftungsleitung 16 bestimmten Verengung, als auch von dem Druck abhängt, mit dem die Belüftungsl.eitung' 16 verbunden ist. Während eine zunehmende Größe der Belüftungsleitung 16 und damit der Ausströmmenge des Gases aus der Kammer einen Druckabfall in dieser Kammer begünstigt, wird dadurch auch eine Abnahme des Wirkungsgrades des Kreisprozesses- der Maschine begünstigt, da der belüftete Dampf ein Arbeitsfluid bildet, das nicht durch den Expander verarbeitet wird, sondern das um den Expander geführt und durch den Kondensator und den Verdampfer zurückgeleitet wird. Jede beträchtliche Fluidmenge, die so abgeleitet wird, verringert beträchtlich den Wirkungsgrad der Maschine. Eine obere Grenze für diesen abgeleiteten Strom sollte bei ungefähr 5 # liegen.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Dichtung für diesen Teil des Ventils dargestellt. Wie in dieser Figur gezeigt, weist der Schaft 2k eine Folge von Rillen 60 auf, so daß die Dichtung entlang des Schaftes _<;, eine Labyrinthdichtung ist. .

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Ein Drosselventil der oben beschriebenen Art wurde mit einem Schrittmotor so betrieben, daß der gesamte Weg des Ventilschaftes Zk O,381 cm (O,15 Zoll) betrug, entsprechend zu 2^0 Schritten des Schrittmotors. Die größte Öffnungsfläche des Ventils betrug in einer vollständig geöffneten Stellung 0,517 cm² (0,08 Zoll²), und der umriß des Kopfes 25 war so ausgebildet, daß für einen konstanten Prozentsatz an Durchströmveränderung eine Veränderung des Prozentsatzes des Hubes vorgesehen war. Ein derarti-

2 ges Ventil wurde mit einem Absolutdruck unter 7800 g/cm (1OO psi) bei den Bälgen und mit Temperaturen zwischen 152 ⁰C (300 ⁰F) und 25** °C (500 °F) bei den Bälgen betrieben. Der Druck bei der Einlaßleitung 22 liegt in der Größenordnung von kO 000 g/cm (500 psi). Das Ventil erforderte eine Maximalkraft (Drehmoment) von 10 Unzen χ Zoll, um den maximalen Gasdruck auf dem Kopf 25 des Schaftes 2k zu überwinden, und die eingeschlossene Reibung erforderte eine zusätzliche Kraft (Drehmoment) von 30 Unzen χ Zoll, um den Widerstand durch das Ventil zu überwinden. Ein geeigneter Schrittmotor zum Betrieb dieses Ventils ist der von der Firma Sigma Instrumente Inc. of Braintree, Massachusetts, in Serienfertigung hergestellte Motor des Typs 20-3*t2*iE 200, der 60 Unzen, χ Zoll liefert.

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Claims

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Patentansprüche

I 1J Drosselventil für eine Kreisprozeßmaschine oder eine Haschine mit geschlossenem Fluidkreis, bestehend aus einem Expander, einem Kondensator, einem Verdampfer und dem Drosselventil, durch das das Fluid unter hohem Druck und hoher Temperatur vom Verdampfer zum Expander strömt, _ während das Fluid unter einem niederen Druck vom Expander zum Kondensator strömt, gekennzeichnet durch

ein Ventilgehäuse (21 j mit einer Fluid-Einlaßleitung (22) und einer Fluid-Auslaßleitung (23),

ein Ventilsitz (z6) im Bereich dieser Leitungen (22, 23),

einen länglichen Ventilschaft (24), der sich durch das Gehäuse (21) erstreckt und für eine Hin- und Herbewegung entlang seiner Längsachse befestigt ist, wobei ein Ende (25) des Ventilschaftes (2*0 in den Ventilsitz (26) eingreift, um da· Ventil zu schließen, wenn der Ventilschaft (24) in der einen Grenzlage seiner Hin- und Herbewegung ist, und wobei das eine Ende (25) den Ventilsitz (26) freigibt, um den Fluidetrom von der Einlaßleitung (22) zur Auslaßleitung (23) zu ermöglichen, wenn.das eine Ende aus seiner Grenzlage bei der Hin- und Herbewegung entfernt ist, und

eine Balgdichtung (30), die hermetisch das gegenüberliegende Ende des Ventilschaftes mit dem Ventilgehäuse (21) verbindet, wobei das Gehäuse eine längliche Öffnung (27), die den Ventilschaft (24) umgibt, und eine vergrößerte Kammer (28) aufweist, die die Balgdichtung (30) umgibt, wobei die längliche öffnung (2?) solche Abmessungen auf-

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weist, daß ein bedeutender Druckabfall zwischen dem Fluidvolumen, das den Ventilsitz (26) umgibt, und dem Fluidvolumen in der vergrößerten Kammer (28) gewährleistet ist,
und wobei die Kammer (28) eine weitere Auslaßleitung (16) aufweist, die mit einem der Niederdruckteile (z. B. 13)
der Maschine verbunden ist.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die längliche Öffnung (27) im Gehäuse (21) eine Laminardichtung um den Ventilschaft (2h) bildet.
3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die längliche Öffnung einen freien Abstand um den Ventilschaft (24) von weniger als 0,018 cm (0,007 Zoll) aufweist.

h. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsfluid der Maschine in das Ventil als Gas mit einer Temperatur zwischen 200 ⁰C (hOO ^oF) und h25 °C (800 °P) und einem Absolutdruck zwischen 7800 g/cm (100 psi) und
78 000 g/cm (1OOO psi) eintritt, und daß der Absolutdruck des Gases in der Kammer (28), die die Bälge (30) umgibt,
im wesentlichen geringer ist als 7800 g/cm (1OO psi).

5· Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom entlang der Öffnung durch die Kammer zur weiteren Auslaßleitung nicht mehr als 5 $ des Fluidvolumens beträgt, das durch das Drosselventil strömt.

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