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Mischventil Die Erfindung betrifft ein Mischventil für Verbrennungsanlagen,
Fabrikgas-Versorgungsanlagen, beispielsweise für die Glas- oder Keramikherstellung,
sowie sonstige Anlagen, bei denen zwei' Gaskomponenten zu mischen sind. Das Mischventil
besteht aus einem Gehäuse, das eine Lufteinlaßöffnung, eine Gaseinlaßöffnung und
eine Gemischauslaßöffnung aufweist, wobei im Gehäuse ein Steuerkolben verschiebbar
angeordnet ist.
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Bei Verbrennungsanlagen besteht das Problem, das Verhältnis der Mischkomponenten
nahezu konstant zu halten, und zwar unabhängig vom Mengendurchsatz. Bei Brenngasversorgungsanlagen
mit mehreren Zapfstellen besteht das Problem, daß z.B. eine Zapfstelle allein bei
abgeschalteten anderen Zapfstellen ein Gas-Luftgemisch erhält, das möglichst genau
dasselbe Mischungsverhältnis aufweist, wie bei Maximalbetrieb, bei dem alle Zapfstellen
in Benutzung sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das geschilderte Problem mit einem einfach
aufgebauten, störungssicheren und mit geringen Kosten herstellbaren Mischventil
zu lösens Die Erfindung besteht darin, daß der Kolben des Mischventils hohl ausgebildet
ist, am einen Ende ein Lufteinlaßventil aufweist, das aus einer sich zum Kolbeneinlaßende
hin konisch verjUngenden Ventilfläche besteht, die mit einem Ventilsitz zusammenwirkt,
welcher an einer, im Gehäuse koaxial befestigten Scheibe gebildet ist und am gegenüberliegenden
Ende ein Gaseinlaßventil aufweist, das aus einem, sich in Strömungsrichtung verjüngenden
koaxialen Hals besteht, der eine innere Luftaustrittsöffnung begrenzt und an seiner
Außenfläche mit einer in Strömungsrichtung sich konisch verjüngenden Ventilsitzfläche
zusammenwirkt, die an einem vorderen Gehäusering ausgebildet ist, wobei zwischen
dieser Ventilsitzfläche und dem Kolbenhals ein Ringkanal gebildet wird, der mit
der
Gaseinlaßöffnung in Verbindung steht, und daß eine mechanische
Verschiebeeinrichtung am Kolben vorgesehen ist, bei deren Betätigung der Kolben
aus einer Schließstellung, in der sowohl das Gaseinlaßventil als auch das Lufteinlaßventil
mindestens nahezu geschlossen sind, in eine offnungsstellung - bewegbar ist.
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Mit der Erfindung wird der Vorteil erreicht, daß ein einziges Ventil
mit einem einzigen bewegbaren Teil in der Lage ist, sowohl die einströmende Luftmenge
als auch die einströmende Gasmenge zu steuern, und zwar derart, daß das Mischungsverhältnis
in jeder Kolbenstellung etwa konstant ist. Auf diese Weise läßt sich lediglich durch
Verschieben des Kolbens ein Minimaldurchsatz für das Brenngasgemisch erzielen, das
genau dasselbe vorgegebene Mischungsverhältnis für optimale Verbrennung aufweist,
wie bei einer entgegengesetzten Stellung des Kolbens, die den Maximaldurchsatz definiert.
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Mit dem neuen Mischventil ist eine sehr einfache automatische Regelung
in Abhängigkeit vom Bedarf der Gasversorgungsanlage möglich, indem nämlich im Gemischauslaßkanal
ein Druckfühler angeordnet ist, der über eine Steuereinrichtung einem Stellmotor
Antriebsimpulse zuführt, um den Kolben schrittweise zu verstellen. Sinkt der Druck
im Gemischauslaßstutzen ab, so bedeutet dies, daß weitere Zapfstellen
geöffnet
sind, also der Bedarf größer geworden ist. Diese Druckabsenkung führt nahezu verzögerungsfrei
zu einer Verstellung des Kolbens im Sinne eines größeren Durchsatzes, wobei gleichzeitig
das Lufteinlaßventil und das Gaseinlaßventil synchron weitergeöffnet werden. Die
Antriebsimpulse im Sinne einer Öffnungsbewegung des Kolbens halten solange an, bis
der vom Druckfühler gemeldete Druck mit dem in der Steuereinrichtung voreingestellten
Druck übereinstimmt. Die Gemischversorgung ist dann an den Bedarf genau angepaßt.
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Steigt dagegen der Druck gemessen am Druckfühler, so erhält der Stellmotor
Antriebsimpulse im Sinne einer Verschiebung des Kolbens in Richtung eines kleineren
Durchsatzes.
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Beide konischen Ventilflächen haben eine genau berechnete Steigung,
die sich aus den jeweils notwendigen Strömungsmengen der Komponenten pro Zeiteinheit
ergeben. Falls eine große Genauigkeit für das Mischventil gefordert wird, werden
exakt konische Ventilflächen nicht ausreichen, um in allen Stellungen des Kolbens
ein konstantes Mischungsverhältnis zu gewährleisten, da aufgrund auftretender Unterdrücke
Beeinflussungen der Strömung genauso zu berUcksichtigen sind, wie Strömungswiderstände,
die mit zunehmendem Durchsatz anwachsen. Die Ventilflächen beider Ventile werden
in diesem Fall im Querschnitt gekrümmt sein. Allerdings lassen sich die genauen
Formen dieser Ventilflächen theoretisch nur annähernd bestimmen. Praktische Versuche
ergeben
dann die optimalen Formen.
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Weitere wichtige Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß die Gehäuse
scheibe am Lufteinlaßventil axial verstellbar angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich,
mit einfachen Mitteln die Schließstellung zu definieren, und zwar auch dann, wenn
gewisse Herstellungsungenauigkeiten auftreten.
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Der Kolben wird mit seinem Hals bis zur Anlage an der Ventilfläche
des Gaseinlaßventils gefahren und in dieser Stellung wird dann die Scheibe des Lufteinlaßventils
entsprechend eingestellt, um beide Ventile genau gleichzeitig in der Schließstellung
zu halten.
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Vorteilhaft ist weiterhin, einen Ninimaldurchsatz auch bei geschlossenen
Ventilen aufrecht zu erhalten. Dies könnte geschehen, indem ein Anschlag vorgesehen
ist, um den Kolben kurz vor seiner Schließstellung anzuhalten, es wird dem gegenüber
Jedoch vorgezogen, den Kolben bis in die volle Schließstellung zu bewegen, Jedoch
Bohrungen sowohl im Kranz des Kolbenhalses als auch in der Scheibe am Lufteinlaßventil
vorzusehen, deren Querschnitte so gewählt.sind, daß ein minimaler Durchsatz beider
Mischkomponenten gewährleistet ist, der z.B. ausreicht, um eine Pilotflamme brennen
zu lassen, die als Sicherheitseinrichtung dafür dient, daß im Brenngasgemisch-Auslaßkanal
tatsächlich auch immer ein brennbares Gemisch vorhanden ist, denn wenn die Pilotflamme
erlischt,
beispielsweise durch Unterbrechung der Brenngaszufuhr, so muß unter allen Umständen
verhindert werden, daß reine Luft in das Versorgungssystem gelangt, womit Explo-.
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sionsgefahr bestünde. Die Pilotflamme kann nun sehr einfach zur Steuerung
benutzt werden, indem beim Erlöschen der Flamme Magnetventile in den Zuleitungen
der Mischkomponenten geschlossen werden.
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Schließlich besteht noch ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung
darin, daß die Ventilsitzflächen mindestens am Kolben an ausweöhselbaren Einsätzen
ausgebildet sind, so daß bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen nur diese Einsätze
und die entsprechenden Gehäusescheiben ausgewechselt werden müssen, ohne das ganz
Mischventil ändern zu müssen.
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Anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel darstellt, sei die
Erfindung näher beschrieben.
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Es zeigt Figur 1 einen Querschnitt durch das neue Mischventil und
Figur 2 eine Schaltung der Steuer- und Regelgeräte in den Zu- und Ableitungen des
Mischventils gemäß Figur 1.
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Das allgemein mit 10 bezeichnete Mischventil besteht aus einem zylindrischen
Gehäuse 12, in dem ein Kolben 14 verschiebbar gelagert ist. Der Kolben 14 hat einen
zylindrischen
Mittelteil 16, einen sich konisch verjüngenden Vorderteil
18, an den sich ganz vorn ein zylindrischer Hals 20 anschließt. Der Kolben 14 ist
hohl ausgebildet und in seinem Inneren ist eine Strömungskammer für die eine Mischkomponente,
hier Luft, vorgesehen. Am hinteren Ende des Kolbens 14 wird ein Lufteinlaßventil
22 gebildet und am vorderen Ende des Kolbens 14 ist ein mit 24 bezeichnetes Gaseinlaßventil
vorgesehen.
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DaslLuSteinlaßventil 22 besteht aus einer koaxialen Scheibe 26, die
mittels eines Gewindebolzens 28 an einem Steg 30 des Gehäuses 12 axial verstellbar
gehalten ist. Am hinteren Ende des Kolbens 14 ist in die Kolbenwand an der Innenseite
ein Ventileinsatz 32 austauschbar befestigt, der eine sich entgegen der Strömungsrichtung,
also in Figur 1 nach rechts veräüngende konische innere Ventilsitzfläche 34 aufweist,
die mit einer entsprechend angeordneten konischen äußeren Ventilsitzfläche 36 der
Gehäusescheibe 26 zusammenwirkt.
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In Figur 1 ist die Schließstellung des Kolbens dargestellt.
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In dieser Stellung berühren die beiden Ventilsitzflächen 34 und 36
einander und sprren das Kolbeninnere gegen den rechtsseitigen Gehäuseinnenraum ab.
Wird der Kolben 14 geöffnet, also in Figur 1 nach rechts bewegt, so wird der Ringspalt
zwischen den beiden Ventilsitzflächen 34, 36 zunehmend grösser, so daß Luft in das
Kolbeninnere und am Kolbenvorderende durch den Hals 20 in einen sich konisch erweiternden
Auslaßstutzen
38 strömen kann.
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Das Gaseinlaßventil 24 weist ebenfalls eine konische Ventilfläche
40 auf, die an einem Gehäusering 42 koaxial angeordnet ist und sich in Strömungsrichtung,
also entgegengesetzt zur Ventilfläche 34 verjüngt. Mit dieser Ventilfläche 40 wirkt
ein äußerer Kranz am Hals 20 des Kolbens 14 zusammen, um in der Schließstellung
des Kolbens einen Strömungs-Ringkanal 44 gegenüber dem Auslaßstutzen 38 abzusperren.
Dieser Strömungs-Ringkanal 44 für die Gaskomponente steht mit dem Innenraum des
Gehäusezylinders 12 in Verbindung, der seinerseits an den Gaszuleitungsstutzen 46
angeschlossen ist.
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In der Umfangswand des Kolbens 14 und zwar in dessen Mittelbereich
16 befindet sich eine Längsnut 48, deren eine Seitenwand als Zahnstange 50 ausgebildet
ist, mit welcher ein Antriebsritzel 52 zusammenwirkt, dessen Welle 54 durch eine
Gehäusebohrung nach außen herausgeführt und mit einem nichtdargestellten Stellmotor
verbunden ist. Zwei O-Dichtungen 56, 58 beidseitig der Außennut 48 des Kolbens dichten
den Ringspalt zwischen Gehäuse und Kolben ab, so daß keine Falschluft eintreten
kann.
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In Figur 1 ist mit ausgezogenen Linien die Schließstellung des Kolbens
14 im Mischventil 10 dargestellt. Wird der Stellmotor im Sinne einer Öffnungsbewegung
des Kolbens betätigt, so dreht die Antriebswelle 54 das Ritzel 52 und verschiebt
damit
den Kolben 14 nach rechts, wobei gleichzeitig die Ventile 22 und 24 geöffnet werden.
Die volle offnungsstellung des Kolbens 14 ist in Figur 1 gestrichelt veranschaulicht.
Die Ventilflächen 34, 36 am Lufteinlaßventil 22 und die Ventilfläche 40 am Gaseinlaßventil
24 sind hier der Einfachheit halber konisch dargestellt, obwohl sich die genaue
Form der Ventilflächen aus den Strömungsverhältnissen durch praktische Versuche
ergibt. In Jedem Fall lassen sich diese Ventilflächen so gestalten, da3 in Jeder
Kolbenstellung das Verhältnis der am Ventil 22 einströmenden Luftmenge und .der
am Ventil einströmenden Gasmenge konstant ist. Die einzelnen Kolbenstellungen definieren
damit einen bestimmten Gemischstrom, also eine Menge an Luft-Gasgemisch pro Zeiteinheit,
ohne daß das Mischungsverhältnis der Mischkomponenten verändert wird.
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Um in der voll geschlossenen Stellung, gemäß Figur 1 einen minimalen
Mischstrom aufrecht zu erhalten, sind im Kranz des Halses 20 des Kolbens 14 eine
Anzahl Bohrungen 60 vorgesehen, die einen minimalen Gasstrom in den sich konisch
erweiternden Auslaßstutzen 38 gewährleisten. Zu demselben Zweck sind in der Gehäuse
scheibe 26 mehrere Luftdurchtrittsbohrungen 62 vorgesehen, die einen bestimmten
minimalen Luftdurchsatz gewährleisten, wenn der Kolben in reiner Schließstellung
ist. Die iuerschnitte der Bohrungen 60, 62 sind so gewählt, daß das gewünschte Mischungsverhältnis
auch
in der Schließstellung des Kolbens vorhanden ist, Die Arbeitsweise wird anhand der
Figur 2 beschrieben. An den Auslaßstutzen 38 ist ein Druckfühler 64 angeschlossen,
der mit einer elektrischen Steuereinrichtung 66 verbunden ist, die ihrerseits elektrisch
mit einem Stellmotor 68 in Verbindung steht, welcher mit der Antriebswelle 54 des
Ritzels 52 verbunden ist. Wird nun eine Zapfstelle in dem an den Auslaßkanal 38
angeschlossenen Versorgungssystem der Verbrennungsanlage geöffnet, so sinkt der
Druck in dem Versongssystem und der Druckfühler 64 spricht an. Durch das Absinken
des Druckes am Druckfühler 64 gegenüber einem vorher in der Steuereinrichtung 66
eingestellten Wert, werden Steuerimpulse dem Stellmotor 68 zugeführt, wodurch der
Kolben 14 in Richtung seiner Offenstellung verschoben wird. Diese Bewegung findet
solange statt, bis der Druckfühler 64 den Sollwert mißt. Wesentlich ist, daß während
dieser Verstellung des Kolbens das Mischungsverhältnis der beiden Mischkomponenten
Luft und Brenngas nicht verändert wird. Sinkt dann der Bedarf im Versorgungssystem,
z. B.
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durch Abschalten einzelner Zapfstellen, so steigt der Druck an. Der
Druckfühler 64 mißt diesen Anstieg und die Steuereinrichtung 66 führt dem Stellmotor
68 Antriebsimpulse zu, bis der eingestellte Solldruck wieder erreicht ist. Dies
kann geschehen, nachdem der Kolben 14 seine volle Schließstellung erreicht hat.
Zu diesem Zweck ist der Motor 68
über eine Rutschkupplung mit der
Antriebswelle 54 verbunden.
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Um weiterhin zu verhindern, daß durch irgendwelche Defekte reine Luft
in das Versorgungssystem gelangt, ist an den Auslaßstutzen 38 ein Flammenüberwachungsgerät
70 angeschlossen, in welchem eine Pilotflamme brennt. Die Versorgung dieser Pilotflamme
70 mit brennbarem Gas-Luftgemisch wird auch in der voll geschlossenen Stellung des
Kolbens 14 durch die Bohrungen 60, 62 sichergestellt. Das Flåmmendberwachungsgerät
70 ist mit Dichtkontrollgeräten 72, 74 in der Gaszuleitung und der Luftzuleitung,
sowie mit Magnetventilen 76, 78 in diesen Leitungen verbunden, so daß beim Erlöschen
der Pilotflamme die Ionisation und der Stromkreis unterbrochen werden und die Magnetventile
76, 78 geschlossen werden.
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Eine Luftanreicherung in der Versorgungsanlage ist damit ausgeschlossen.
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Die Gasleitung weist unmittelbar vor dem Anschluß an das Mischventil
10 einen Gasregler 80 auf und ein entsprechender Regler 82 ist in der Luftzuführung
vorgesehen. Diese Regler 80, 82 werden auf den Jeweils benötigten Arbeitsdruck eingestellt.
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Bei einem Druckabfall vor den Reglern 80, 82 wird der Kontakt über
die beiden Druckfühler 72, 74 zu den Magnetventilen 76, 78 unterbrochen, so daß
die Anlage ebenfalls außer Betrieb gesetzt wird. Schließlich sind die Regler 80,
82 so ausgelegt,
daß sie auch bei Uberdruck in der Jeweiligen Zuleitung
schließen.
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Das neue Mischventil kann z. B. auch als Vorschaltventil für eine
heizwertabhängige Regelung (Wobberegelung) verwendet werden. Soll z. B. das Gas-Luftgemisch
mit einer bestimmten Wobbezahl konstant gehalten werden, so wird über einen Wobbe-Geber
84 und den angeschlossenen elektronischen Steuerregler 66 ein in der Luftzuführung
eingebautes Motorregelventil 86 angesteuert, Durch Ausregeln der Luftmenge wird
das Gas-Luftgemisch auf die im Wobbeleber (84) und Steuerregler eingestellte Wobbezahl
konstant gehalten.