DE2650485A1 - Selbststeuernde ventilanordnung - Google Patents
Selbststeuernde ventilanordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine selbststeuernde Ventilanordnung für von einer Gasquelle gespeiste, gasansaugende Abnahmeeinrichtungen, insbesondere in geschlossenen Systemen. Sie bezieht sich insbesondere auf eine Ventilanordnung bestehend aus einem Druckminderventil und einem Abschaltventil für ein System, in dem Gas, insbesondere Chlorgas von einer Hochdruckquelle zu Gasabnahmeeinrichtungen geführt wird, die das Gas mit einem Druck absaugen, der niedriger ist als der Systemdruck.
Es sind schon verschiedene Druckminderventile und Absperrventile für die Lieferung und Steuerung von Gas aus einem Hochdrucknetz zu einem Niederdruck-Gasverbraucher bekannt und entwickelt worden. Ein typisches Absperrventil dieser Art, ein automatisches Umschaltventil für ein Chlorgassystem zeigt die US-PS 3 779 268. Ferner sind Kombinationen von Steuer- und Absperrventilen in der US-PS 3 604 445 der Anmelderin in einem System zur Zuführung von Gasen in einen Flüssigkeitsstrom offenbart. Beide Patentschriften
zeigen membrangesteuerte Ventile, die die Gasströmung abschalten oder den Gasdruck mindern können.
Ein größerer Nachteil bei den bisher bekannten Ventilen besteht darin, dass, wenn es nötig ist, den Gasfluß von der Hochdruckgasleitung wegen einer Störung im Gasnetz abzuschalten, Gas in die Atmosphäre austreten kann, da die stromabwärts des Ventils angeordneten Geräte meist aus Kunststoff bestehen.
Es muss daher dafür gesorgt werden, dass schädliche Einwirkungen des Hochdruckes vermieden werden. Dies ist z.B. unerlässlich bei schädlichen Gasen wie Chlor. Wegen der erhöhten Umweltschutzbedingungen ergab sich die Notwendigkeit einer Anordnung, die ein automatisches Abschalten der Gasströmung aus einem Hochdrucknetz erlaubt, aus dem das Gas normalerweise über ein Druckminderventil mit beträchtlich niedrigerem Druck geliefert wird, ohne Gefahr zu laufen, dass das Gas in die Atmosphäre austreten kann. Druckminderventile, die allgemein im Handel sind, werden im Betrieb wegen der Schmutzeinwirkung und Alterung leicht undicht. Derartige Undichtigkeiten bewirken meist, dass das Gas eher in die Atmosphäre austritt, als dass es im geschlossenen System verbleibt. Derartige Undichtigkeiten können nicht hingenommen werden.
Bisher war ein selbststeuerndes Abschalt- und Druckminderventil für Chlorgas und andere gasführende Systeme nicht bekannt, bei denen ein Leck im von der Gasquelle gespeisten Netz kein
Abblasen überschüssigen Gases in die Atmosphäre bewirkt, während die mit Gas zu versorgende Vorrichtung abgeschaltet ist, statt dass das Gas innerhalb des Systems oberhalb des automatischen Abschalt- und Druckminderventils verbleibt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Ventilanordnung zu schaffen, die ein Austreten von Gas in die Atmosphäre vermeidet, auch dann, wenn die Gasabnehmereinrichtungen abgeschaltet sind oder ein Ventil, z.B. infolge Verschmutzung od.dgl. gestört ist. Die Ventilanordnung soll dabei selbststeuernd sein, derart, dass, wenn der Abgabedruck über einen bestimmten Sollwert steigt, die Zufuhr von Gas von der Hochdruckseite automatisch abgesperrt wird. Bei stärker ansteigendem Abgabedruck soll das Abschaltventil mit entsprechend proportional ansteigender Kraft in Schließstellung gehalten werden. Diese Ventilanordnung soll unmittelbar an ein Gasversorgungsnetz anschließbar sein.
Insbesondere soll die Ventilanordnung für Systeme geeignet sein, die Chlorgas, Ammoniak, Schwefeldioxyd oder Kohlendioxyd führen.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwei membrangesteuerte Ventile derart hintereinander geschaltet sind, dass das erste Ventil einen mit einer Gasquelle verbindbaren Einlaßkanal zu und das zweite Ventil einen abgabeseitigen Auslaßkanal aus einer Kammer zu verschließen vermögen, und dass die jeweils in Schließrichtung mit Druck zu beaufschlagende Seite
jeder Membran jeweils einen Teil der Wandung des hinter dem ihr zugeordneten Ventil befindlichen Strömungsraumes bildet. Bei dieser Anordnung ist das zweite Ventil bei Normalbetrieb ständig geöffnet, so dass sich vor und hinter diesem Ventil nur ein äußerst geringes Druckgefälle ergibt. Sobald der Abgabedruck jedoch über einen vorbestimmten Solldruck steigt, wird das zweite Ventil geschlossen, wobei zusätzliche Ventilsitzreaktionskräfte hinzugezogen werden.
Derartige Betriebszustände können entstehen, wenn das erste Ventil, das zweckmäßig als Druckminderventil benutzt wird, versagt oder undicht ist. Um die Ventilanordnung gegen einen eventuellen Druckaufbau zu sichern, ist vorgesehen, dass das Ventilgehäuse oberhalb des zweiten Ventils aus Metall besteht. Der hinter dem zweiten Ventil befindliche Teil des Ventilgehäuses kann, wie die meisten Gasabnahmeeinrichtungen aus einem anderen, vorzugsweise korrosionsfesten Werkstoff, z.B. Kunststoff bestehen. Korrosionen ergeben sich durch eindringende Feuchtigkeit, die sich leicht mit dem Gas verbindet.
Um die Wirkung der Ventile möglichst zuverlässig und rasch herbeizuführen ist vorteilhaft vorgesehen, dass das erste Ventil eine in Schließrichtung wirkende erste elastische Einrichtung aufweist, dass die erste Membran mit einer in Öffnungsrichtung des zugeordneten ersten Ventils wirkenden dritten elastischen Einrichtung verbunden ist, und dass die zweite Membran mit einer Schließrichtung für das zweite Ventil wirkenden zweiten elastischen Einrichtung in Verbindung steht.
Weitere Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben:
Nachstehend ist die Erfindung beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert und zwar zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein selbstregelndes Abschalt- und Druckminderventil gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines Ventils gemäß der Erfindung, bei der das Abschaltventil geöffnet ist, und Gas von einer Hochdruckquelle mit vermindertem Druck zu einem Abnehmergerät fließen kann und
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht ähnlich Fig. 2, bei der die Strömung des unter hohem Druck stehenden Gases durch das Abschaltventil gesperrt ist und ein Betriebszustand dargestellt ist, bei dem eine Störung im Druckminderventil auftritt.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein selbststeuerndes Abschalt- und Druckminderventil gemäß der Erfindung. Das Ventilgehäuse 10 enthält das Ventil und besitzt einen herausragenden Stutzen 14 zum Anschluß einer Zuleitung 48 von einer Gasquelle. Normalerweise fließt das Gas aus einer Gasquelle mit hohem Systemdruck in Richtung des Pfeiles A in das Ventil durch den Einlaßkanal 48 und erreicht das erste bewegliche Ventil 16, das aus einem Druckminderventilkegel 16A und einem Ventilsitz 16B besteht. Das Gas hat hier im wesentlichen den gleichen Druck wie in der Gaszuleitung.
Unterstellt man, dass das Druckminderventil 16 geöffnet ist, so gelangt das Gas zwischen dem Ventilkegel 16A und dem Sitz 16B des Druckminderventils hindurch in eine Kammer 40 des Ventilgehäuses 10 und hat dort einen beträchtlich geringeren Druck als in der Zuleitung 48. Ein Auslaßkanal 50 führt aus der Kammer 40 zu einem Auslaßstutzen 46, mit dem der Auslaßkanal 50 an ein Gerät anschließbar ist, das mit einem Druck betrieben wird, der unterhalb des Systemdruckes liegt. Das Gas fließt normalerweise durch den Auslaßkanal 50 aus dem selbststeuernden Abschalt- und Druckminderventil in Richtung des Pfeiles B aus. In diesem Auslaßkanal 50 befindet sich das Abschaltventil 18, das aus einem zweiten Ventilkegel 18A und einem Ventilsitz 18B gebildet ist. Während des normalen Betriebes ist das Abschaltventil 18 geöffnet, und das Gas gelangt im wesentlichen ohne Druckverlust aus der Kammer 40 durch die Ventilteile 18A, 18B in den Auslaßkanal 50.
Das Abschaltventil 18 wird durch eine zweite, auf Druck ansprechende Membran 32 betätigt, deren Außenseite 56 dem Atmosphärendruck, und deren Innenseite 58 im wesentlichen dem gleichen Druck ausgesetzt ist, der auch im Auslaßkanal 50, d.h. hinter dem Abschaltventil 18, herrscht. In den Anwendungsfällen, wo der Erfindungsgegenstand benutzt wird, sind die Gasdurchsätze relativ gering. Infolgedessen bleibt der Gasdruck im wesentlichen auch in der Kammer 40 der gleiche. Beim Durchströmen des Ventils 18 erfolgt
nur ein sehr geringer Druckabfall. Wegen der geringen Gasgeschwindigkeiten bleibt der Gasdruck im Normalbetrieb im gesamten Auslaßkanal 50 hinter dem Abschaltventil 18 gleichförmig.
Ein zweites Ventilteil, nämlich ein verlängerter Ventilstößel 34 verbindet die zweite Membran 32 mit dem Abschaltventil 18. Eine zweite elastische Einrichtung 38, vorzugsweise eine Schrauben- oder Spiralfeder, dient dazu, die zweite Membran 32 gegen die auf die Außenseite 56 vom Atmosphärendruck ausgeübte Kraft zu spannen. Beiderseits der Membran 32 sind Verstärkungsklemmplatten 72,74 vorgesehen.
Wenn nachstehend von einer Bewegung der Membran 32 die Rede ist, so ist darunter auch die gleichzeitige Bewegung der Klemmplatten 72,74 mit dieser Membran 32 zu verstehen. Wenn davon die Rede ist, dass die Innenseite 58 und die Außenseite 56 dem Abgabedruck und dem Atmosphärendruck ausgesetzt sind, so ist zu verstehen, dass auch die Klemmplatten 72,74 jeweils diesen Drücken entsprechend ausgesetzt sind.
Die zweite elastische Einrichtung 38 greift an der Klemmplatte 72 an und übt auf diese eine Kraft aus. Hierdurch wird zugleich eine Kraft gegen die Membran 32 ausgeübt. Für den Zweck dieser Beschreibung gilt somit, dass die Klemmplatten 72,74 als mit der Membran 32 einheitlich verbunden angesehen werden können.
Der Ventilstößel 34 des Abschaltventils 18 ist an der Membran 32 mittels einer geeigneten, üblichen O-Ringanordnung 76 luftdicht angeschlossen. Es gibt keinen Durchlaßkanal durch die Membran oder um die O-Ringanordnung 76, die es der Umgebungsatmosphäre gestatten würde, in den Auslaßkanal 52 einzudringen.
Die zweite Membran 32 bewegt sich entsprechend den auf sie ausgeübten Kräften einerseits des Atmosphärendruckes an der Außenseite 56 und andererseits des Abgabedruckes an der Innenseite 58 sowie des Federdruckes der elastischen Einrichtung 38. Wenn die auf die Außenseite 56 einwirkende Kraft größer ist als die von der normalerweise gespannten elastischen Einrichtung 38 und die vom Abgabedruck des Auslaßkanals 50 auf die Innenseite 58 wirkende Kraft, bewegt sich die Membran 32 nach rechts (Fig. 1) und öffnet dadurch das Abschaltventil 18. Durch entsprechende Auswahl der Federkonstante der elastischen Einrichtung 38 kann das Abschaltventil 38 so ausgebildet sein, dass es bei jedem beliebigen Abgabedruck geöffnet ist, sofern dieser unterhalb des Atmosphärendruckes liegt. Der ausgewählte Druck, bei dem das Ablaßventil 18 sich öffnet, ist nachstehend als "zweiter Solldruck" bezeichnet, während die Druckdifferenz über der zweiten Membran 32, bei der das Abschaltventil 18 sich öffnet als "zweite Solldruckdifferenz" bezeichnet wird.
Die erste Membran 30 bildet einen Teil der Wandung der Kammer 40 im Ventilgehäuse 10 und hat eine Außenseite 52 und eine Innenseite 54. Die Außenseite 52 ist dem Atmosphärendruck und die Innenseite 54 dem Gasdruck in der Kammer 40 ausgesetzt.
Zur Verstärkung der Membran 30 sind Klemmplatten ähnlich wie bei der zweiten Membran 32 vorgesehen und hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher bezeichnet. Die erste Membran 30 und die Klemmplatten sind durch eine Schraube 78 fest miteinander verbunden, die sich durch sie erstreckt und in einen zylindrischen Körper 60 eingeschraubt ist. Wie bei der zweiten Membran 32 bilden auch hier die Membran, die Klemmplatten, der zylindrische Körper 60 und die Schraube 78 ein einheitliches Gebilde. Wenn somit eine Kraft auf die Membran 30 durch z.B. eine dritte elastische Einrichtung 28 ausgeübt wird, so heißt dies, dass die von dieser dritten Einrichtung 28 ausgeübte Federkraft zwar unmittelbar auf den zylindrischen Körper 60 und mittelbar auf die Membran 30 infolge der mit diesen Teilen verbundenen Zwischenteil übertragen wird. An der Stelle, wo die Schraube 78 durch die erste Membran 30 hindurchgeht, ist eine luftdichte Abdichtung vorgesehen, damit keine Luft in die Kammer 40 gelangt und die Membran 30 erfolgreich auf jeden Unterschied zwischen Atmosphärendruck und Kammerdruck ansprechen kann.
Von der Rückseite des mit der ersten Membran 30 und den Klemmplatten verbundenen zylindrischen Körpers 60 ragt eine Schraube 70 vor, mittels der gegebenenfalls ein Drehknopf 44 mit dem zylindrischen Körper 60 verbunden werden kann. Wenn die erste Membran 30 sich infolge einer Druckdifferenz zwischen Atmosphären- und Kammerdruck bewegt, bewegen sich mit dieser auch die Schrauben 70 und 78, der zylindrische Körper 60 und die Klemmplatten. Die Schraube 70 ist im Drehknopf 44 gleitend geführt. Infolgedessen bewirkt eine Bewegung dieser Schraube 70, in Fig. 1 in lotrechter Richtung, keine
Bewegung des Drehknopfes 44. Auch behindert der Drehknopf 44 eine derartige Bewegung der Schraube 70 nicht, wenn sich die erste Membran 30 bewegt.
Die dritte elastische Einrichtung 28 ist zwischen einer Schulter 69 und dem zylindrischen Körper 60 angeordnet und dient dazu, die erste Membran 30 in Fig. 1 in Richtung nach unten vorzuspannen. Eine Bewegung der Schulter 69 ermöglicht eine Einstellung der Spannung der normalerweise vorgespannten, aus einer Feder bestehenden elastischen Einrichtung 28. Diese ist bestrebt, die erste Membran 30 zusammen mit dem Atmosphärendruck gegen den auf die Innenseite 54 der Membran 30 wirkenden Gasdruck in der Kammer nach unten zu drücken. Wenn sich die erste Membran 30 bewegt, bewegt sich der zylindrische Körper 30 in der elastischen Einrichtung 28. Diese wiederum bewegt sich aufgrund der Bewegung der Membran 30, wobei sie sich entweder zusammenzieht oder ausdehnt, je nach der Bewegungsrichtung der Membran 30. Die elastische Einrichtung 28 dient somit dazu, die Membran 30 ständig in Richtung der Kraftwirkung des Atmosphärendruckes vorzuspannen.
Der zylindrische Körper 60 ist von einem Wust 62 umgeben, der, wie Fig. 1 zeigt, einen waagerecht nach außen vorragenden, im Querschnitt V-förmigen Teil aufweist. Im Ventilgehäuse 10 sind zwei parallele Stäbe 64,66 angeordnet, die den zylindrischen Körper 60 in seiner oberen Stellung dadurch verriegeln, dass der V-förmige Teil des Wulstes 62 auf die Stäbe 64,66 zu liegen kommt. Wird der V-förmige Teil des Wulstes oberhalb der Stäbe 64,66 zurückgehalten,
so bilden die Stäbe 64,66 und der Wulst 62 gemeinsam eine Verriegelungseinrichtung für den zylindrischen Körper 60 und damit auch für die erste Membran 30 in einer gesperrten Stellung lotrecht oberhalb der in Fig. 1 gezeigten Stellung.
In Fig. 1 sind die erste Membran 30, die hiermit verbundene Schraube 78 und der zylindrische Körper 60 in der ungesperrten Betriebsstellung gezeigt. Die Membran 30 kann aus dieser in die gesperrte Stellung dadurch bewegt werden, dass eine Bedienungsperson den Drehknopf 44 entgegen dem Uhrzeiger dreht. Hierdurch wird der Drehknopf 44 lotrecht nach oben bewegt und nimmt dabei mit dem Boden einer Einsenkung 80 am Drehknopf 44 die Unterseite des Kopfes 71 der Schraube 70 mit, die dann bei weiterer Bewegung lotrecht hochgezogen wird. Sogleich werden hiermit auch der zylindrische Körper 60 und die mit ihm verbundene Membran 30 nach oben gezogen. Dabei stößt der V-förmige Teil des Wulstes 62 an den beiden Stäben 64,66 an und schnappen durch sie hindurch. In dieser Stellung halten die mit Abstand zueinander parallelen Stäbe 64,66 den V-förmigen Teil des Wulstes 62 gegen die nach unten gerichtete Kraft der Feder 28 und halten somit auch die Membran 30 in ihrer gesperrten Stellung, auch wenn der Drehknopf 44 anschließend wieder in seine Ausgangsstellung zurückgedreht worden ist in der er die Schraube 70 nicht mehr festhält.
Es sei hier erwähnt, dass der Ventilstößel 22, der sich vom Ventilkegel 16A des Druckminderventils 16 zur Schraube 78 erstreckt, deren Kopf lediglich berührt, so dass zwischen diesen Teilen keine feste Verbindung besteht. Infolgedessen berührt, wenn die Membran 30 ihre
gesperrte Stellung eingenommen hat, der Kopf der Schraube 78 nicht mehr den Ventilstößel 22 des Ventilkegels 16A, so dass die Membran 30 auch nicht auf den Betrieb des Druckminderventils 16 einwirkt. Das Druckminderventil 16 schließt sich dann infolge der auf es einwirkenden Kraft der ersten elastischen Einrichtung 36.
Wenn sich die erste Membran 30 in ihrer gesperrten Stellung befindet, bleibt sie unwirksam, bis die auf die Außenseite 52 der Membran 30 wirkende Kraft des Atmosphärendruckes zusammen mit der von der dritten elastischen Einrichtung 28 ausgeübten Kraft ausreicht, um die Rückhaltekraft der Sperreinrichtung bestehend aus den Stäben 64,66 und dem V-förmigen Teil des Wulstes 62 und die vom Gasdruck in der Kammer 40 auf die Innenseite 54 der Membran 30 ausgeübte Kraft zu überwinden.
Der Kammerdruck und die Druckdifferenz zwischen dem Atmosphärendruck und dem Kammerdruck, bei dem die erste Membran sich entsperrt, sind nachstehend als "dritter Solldruck" bzw. "dritte Solldruckdifferenz" bezeichnet. Sinkt der Kammerdruck unter ein bestimmtes Maß, so drückt der Atmosphärendruck zusammen mit der dritten elastischen Einrichtung 28 den zylindrischen Körper 60 und mit ihm die erste Membran 30 durch die Sperrstellung nach unten, so dass die erste Membran 30 entsprechend dem auf ihre Außenseite 52 einwirkenden Atmosphärendruck und der von der dritten elastischen Einrichtung 28 in gleicher Richtung ausgeübten
Kraft gegen die verminderte Kraft aus dem Kammerdruck bewirkt, der auf die Innenseite 54 der Membran 30 einwirkt.
Ist die erste Membran 30 einmal entsperrt und hat sich unter der Wirkung der Druckdifferenz von Atmosphären- und Kammerdruck sowie des Federdruckes der dritten elastischen Einrichtung 28 nach unten bewegt, berührt der Kopf der Schraube 78 den Ventilstößel 22 des ersten Ventiles 16. Einer weiteren Abwärtsbewegung der Membran 30 steht nun nicht nur der Kammerdruck entgegen, sondern auch die von der ersten elastischen Einrichtung 26 auf das erste Ventil 16 einwirkende Federkraft. Eine weitere Abwärtsbewegung der Membran 30 bewirkt somit ein Verschieben des Ventilstößels 22 und damit ein Verschieben des Ventilkegels 16A gegen die Federkraft der ersten elastischen Einrichtung 26 und die Ventilsitz-Reaktionskräfte, so dass das Gas durch den Einlaßkanal 48 in die Kammer 40 einströmen kann.
Die Ventilsitz-Reaktionskräfte sind diejenigen Kräfte, die infolge der Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten des Druckminderventils 16 auf die Fläche des Ventilkegels 16A einwirken. Diese Kräfte können sehr beträchtlich sein. Beispielsweise ist, wenn der Systemdruck in der Gaszuleitung
<NichtLesbar>
kp/cm[hoch]2 beträgt, und in der Kammer 40 Atmosphärendruck herrscht und die Fläche des Ventilkegels 0,645 cm[hoch]2 beträgt, eine Kraft von 4,54 kp bestrebt, um das Ventil 16 zu verschließen. Wenn der Druck in der Kammer 40 infolge des einströmenden Gases ansteigt, nimmt der erhöhte Kammerdruck und die Kraft auf den Stößel 22 infolge der Ventilsitz-Reaktionskräfte sowie die erste elastische Einrichtung 26 bestrebt, die erste Membran 30 nach oben gegen den auf sie ausgeübten Atmosphärendruck und die Wirkung der dritten elastischen Einrichtung zu bewegen. Jede Aufwärtsbewegung dieser Art bewirkt wiederum, dass sich das erste Ventil 16 in Richtung auf seine Schließstellung bewegt. Es ergibt sich somit, dass die Membran 30 eine Gleichgewichtsstellung anstrebt, in der sich die Kräfte gegenseitig ausgleichen.
<NichtLesbar>
kp/cm[hoch]2 beträgt, und in der Kammer 40 Atmosphärendruck herrscht und die Fläche des Ventilkegels 0,645 cm[hoch]2 beträgt, eine Kraft von 4,54 kp bestrebt, um das Ventil 16 zu verschließen. Wenn der Druck in der Kammer 40 infolge des einströmenden Gases ansteigt, nimmt der erhöhte Kammerdruck und die Kraft auf den Stößel 22 infolge der Ventilsitz-Reaktionskräfte sowie die erste elastische Einrichtung 26 bestrebt, die erste Membran 30 nach oben gegen den auf sie ausgeübten Atmosphärendruck und die Wirkung der dritten elastischen Einrichtung zu bewegen. Jede Aufwärtsbewegung dieser Art bewirkt wiederum, dass sich das erste Ventil 16 in Richtung auf seine Schließstellung bewegt. Es ergibt sich somit, dass die Membran 30 eine Gleichgewichtsstellung anstrebt, in der sich die Kräfte gegenseitig ausgleichen.
Durch geeignete Wahl der Fläche des Ventils 16 der Federkonstanten der ersten und dritten elastischen Einrichtungen 26,28 sowie Verstellung der Schulter 69, indem dieser gegenüber dem Stutzen 68 des Ventilgehäuses 10 bewegt wird, können die auf die erste Membran 30 einwirkenden Kräfte so eingestellt werden, dass der Gasdruck in der Kammer 40 eine Sollhöhe einnimmt.
Wenn die erste Membran 30 aus der Sperreinrichtung gelöst wird, berührt der Kopf der Schraube 78 fast gleichzeitig das Ende des Ventilstößels 22, wobei dieser durch einen kontinuierlichen Stellungsbereich bewegt wird. Dieser Bereich der Stellungen der ersten Membran wird als erste Stellungsfolge bezeichnet. In dieser ersten Stellungsfolge wird die Stellung der ersten Membran 30 vom Atmosphärendruck auf die Außenseite 52 der ersten Membran 30, vom Kammerdruck auf die Innenseite 54 der ersten Membran 30 und von der, von der dritten elastischen Einrichtung 28 ausgeübten Federkraft bewirkt. Wenn sich die erste Membran 30 soweit bewegt hat, dass eine Berührung zwischen dem Kopf der Schraube 78 und dem Ende des Ventilstößels 22 des ersten
Ventils 16 herbeigeführt ist, wodurch das Druckminderventil 16 geöffnet wird, wird dieser Stellungsbereich, indem eine Berührung zwischen dem Kopf der Schraube 78 und dem Ventilstößel 22 besteht, als zweite Stellungsfolge der ersten Membran bezeichnet. In der zweiten Stellungsfolge der ersten Membran sind einige, der auf die erste Membran 30 einwirkenden Kräfte die gleichen, wie in der ersten Stellungsfolge. Es wirken aber auch zusätzliche Kräfte auf die Membran 30 ein. Diese Kräften stammen von der ersten elastischen Einrichtung 26, die auf das Druckminderventil 16 in Schließrichtung einwirkt und von den Ventilsitz-Reaktionskräften auf den Ventilkegel 16A. Diese Kräfte werden auf die erste Membran über den Ventilschlüssel 22 übertragen, der den Kopf der Schraube 78 berührt. Die erste Membran 30 kann sich innerhalb der beiden Stellungsfolgen und zwischen diesen bewegen, je nach den auf sie einwirkenden Kräften. Normalerweise schnappt die erste Membran 30 nach dem Verlassen der Sperreinrichtung sofort durch die erste Stellungsfolge in eine Stellung, in der der Kopf der Schraube 78 das Ende des Ventilstößels 22 des Ventils 16 berührt.
Von dort bewegt sich die erste Membran bei Normalbetrieb nur innerhalb der zweiten Stellungsfolge, entsprechend den auf sie einwirkenden Kräften, solange das Gas von der Hochdruckquelle durch das Ventil gemäß der Erfindung strömt.
Während des normalen Betriebes eines Gasversorgungsnetzes ist die Arbeitsfolge des Ventils wie folgt: Wenn das erfindungsgemäße
Ventil eingebaut wird, befindet sich die erste Membran 30 in ihrer gesperrten Stellung. Demgemäß ist das Druckminderventil 16 geschlossen. Es wird somit eine normale Strömung des Gases von einer stromaufwärts gelegenen Hochdruck-Gasquelle in Richtung des Pfeiles A verhindert. Es könnte eine Leckströmung durch das Ventil 16 eintreten, wenn die Ventilteile verschlissen oder verschmutzt sind. Darüberhinaus ist auch das Abschaltventil 18 verschlossen, da beiderseits der zweiten Membran 32 ein Atmosphärendruck herrscht und die zweite Druckdifferenz gleich Null ist. Das Abschaltventil 18 wird somit durch die Einwirkung der zweiten elastischen Einrichtung auf die Membran 32 geschlossen gehalten.
Wenn das System einmal in Betrieb genommen ist, entnimmt das hinter dem Ventil angeschlossene Gasabnehmergerät in Richtung des Pfeiles B zumindest ein Teilvakuum, d.h. es saugt Gas an. Beim Absaugen ergibt sich somit im Auslaßkanal 50 ein Unterdruck und damit eine resultierende Druckdifferenz über der zweiten Membran 32. Diese Druckdifferenz strebt danach, das Abschaltventil 18 zu öffnen, wobei es in eine von mehreren offenen Stellungen gezwungen wird, worauf dann ein Unterdruck ein Einströmen in die Kammer 40 bewirkt.
Das Abschaltventil 18 öffnet sich, wenn der Druck im Auslaßkanal 50 den zweiten Solldruck und die Druckdifferenz die zweite Solldruckdifferenz erreichen.
Wird das Abschaltventil 18 geöffnet, so dass der stromabwärts gelegene Unterdruck des Eindringens von Hochdruckgasen in die Kammer 40 bewirkt, löst sich die erste Membran 30 aus ihrer Sperreinrichtung, sobald der Kammerdruck den dritten Solldruck und die dritte Druckdifferenz erreicht hat.
In diesem Zusammenhang sei noch bemerkt, dass der dritte Solldruck vorzugweise niedriger ist als der zweite Solldruck, was von der Wahl der Federkonstanten der drei elastischen Einrichtungen abhängt.
Wenn der Druck in der Kammer 40 infolge des Hineingelangens des Unterdruckes weiter abfällt, entsperrt sich die erste Membran und bewegt sich beinah augenblicklich in eine Stellung, wo der Kopf der Schraube 76 das Ende des Ventilstößels 22 berührt, der sich vom Druckminderventil 16 aus erstreckt. Daraufhin bewirkt ein weiterer Druckabfall in der Kammer 40 das Öffnen des Druckminderventiles 16.
Das Druckminderventil 16 und das Abschaltventil 18 sind dann beide geöffnet und das Gas kann nun durch das selbststeuernde Ventil mit gemindertem Abgabedruck hindurchströmen, der durch geeignete Wahl der Federkonstanten der elastischen Einrichtungen bestimmt ist. Diesen normalen Betriebszustand zeigt schematisch Fig. 2. Dort sind das Druckminderventil 16 und das Abschaltventil 18 dargestellt. Das unter hohem Druck stehende Gas ist durch eine stark punktierte Fläche, das Niederdruckgas durch eine schwach punktierte Fläche wiedergegeben. Man kann sehen, dass der
Druck weitestgehend gemindert wird, wenn das Gas durch das Druckminderventil 16 strömt, und dass das Abschaltventil 18 bei dem hinter dem Druckminderventil 16 herrschenden Niederdruck geöffnet bleibt.
Fig. 3 zeigt die Lage, wenn das geöffnete Druckminderventil 16 versagt. Bei einer solchen Betriebsstörung fließt das Gas mit höherem Druck als der erste Solldruck in die Kammer 40 und wird stromabwärts durch das Abschaltventil 18 strömen, bis der Druck hinter dem Abschaltventil 18 auf den zweiten Solldruck gestiegen und die zweite Solldruckdifferenz erreicht sind.
Wenn der Abgabedruck den zweiten Solldruck erreicht hat, schließt sich das Abschaltventil 18 und lässt kein Gas mehr aus der Kammer 40 herausströmen.
Wenn das offene Druckminderventil 16 gestört ist, kann der Kammerdruck gegebenenfalls auch den Systemdruck erreichen. Je größer somit die Gasströmung, um das Druckminderventil 16 oberhalb der vorgewählten Gasströmung ist, um so dichter wird sich das Abschaltventil 18 schließen. Das Schließen des Abschaltventils 18 bewirkt somit ein Einschließen des Gases oberhalb des Ventils ohne es in die Atmosphäre zu entlassen. Je höher der Abgabedruck hinter dem Abschaltventil über dem zweiten Solldruck liegt, desto dichter schließt sich das Abschaltventil 18.
Die zweite Druckdifferenz über der Membran 32 gilt immer dann als algebraisch positiv, wenn der Atmosphärendruck höher ist als der Abgabedruck, der auf die Innenseite 58 der zweiten Membran 32 einwirkt. Sie ist algebraisch negativ immer dann, wenn der auf die Innenseite 58 der zweiten Membran 32 wirkende Abgabedruck höher ist als der Atmosphärendruck. Infolge der Wirkung der zweiten elastischen Einrichtung 38, die zusammen mit dem Abgabedruck wirksam ist,
<NichtLesbar>
bevor eine Kraft auf die zweite Membran 32 in Schließrichtung des Abschaltventils 18 ausüben, bleibt das Abschaltventil 18 normalerweise geschlossen, wenn die Druckdifferenz über der zweiten Membran 32 positiv ist, d.h. die zweite Solldruckdifferenz ist algebraisch eine vorgewählte positive Druckdifferenz über der zweiten Membran 32.
<NichtLesbar>
bevor eine Kraft auf die zweite Membran 32 in Schließrichtung des Abschaltventils 18 ausüben, bleibt das Abschaltventil 18 normalerweise geschlossen, wenn die Druckdifferenz über der zweiten Membran 32 positiv ist, d.h. die zweite Solldruckdifferenz ist algebraisch eine vorgewählte positive Druckdifferenz über der zweiten Membran 32.
Wenn sich bei weiterem Ansteigen des Abgabedruckes das Abschaltventil 18 schließt, verringert sich die Druckdifferenz über der zweiten Membran 32, wird Null, wenn der Abgabedruck gleich dem Atmosphärendruck wird und nimmt dann wieder zu. Sie ist dann allerdings algebraisch negativ. Der Abgabedruck steigt dabei über den zweiten Solldruck und wird höher als der Atmosphärendruck. Die zweite Druckdifferenz nimmt algebraisch ab, erreicht Null, und erreicht sogar einen noch höheren algebraisch negativen Wert. Das Abschaltventil 18 wird mit zunehmender Kraft geschlossen.
In der Praxis wird das erfindungsgemäße Ventil mit einem Ventilgehäuse hergestellt, das, soweit es das Abschaltventil 18 und alle Stellen oberhalb davon umgibt, aus Bronze besteht, während das
Ventilgehäuse hinter dem Abschaltventil 16 aus Kunststoff besteht. Der aus Bronze gebildete Teil des Ventilgehäuses ist hochdruckbeständig, während der Niederdruckteil aus Kunststoff Korrosionseinwirkungen widersteht, die bei Eintritt von Feuchtigkeit in das Ventil auftreten können, insbesondere infolge eines Soges entgegen der Richtung des Pfeiles B, wobei sich die Feuchtigkeit leicht mit dem Gas, z.B. Chlor vermischt.
Ein erfindungsgemäßes Ventil wurde für einen Systemdruck von 35,2 kp/cm[hoch]2 entwickelt. Dies ist der bei üblichen Chlorgasbehältern verwendete Prüfdruck. Der dünnste Teil der Gehäusewandung oberhalb des Abschaltventiles 18 ist etwa 35 mm stark.
In vorteilhafter Weise wurden die Ventilsitze 16B und 18B des Druckminder- und des Abschaltventiles aus Tetrafluoräthylen hergestellt. Die Membran 30 des Druckminderventils ist zweilagig ausgebildet, wobei diese dem Atmosphärendruck ausgesetzte Schicht aus einem synthetischen Elastomer besteht, während die der Gasströmung ausgesetzte Schicht ebenfalls aus Tetrafluoräthylen besteht. Tetrafluoräthylen oder ein anderer, inerter Kunststoff wird gasseitig benutzt, um korrosiven Wirkungen des Gases wie Chlor od.dgl. entgegenzuwirken. Solche Kunststoffe sind jedoch in hohem Maße permeabel, da Gase wie Chlorgas mit beträchtlichem Durchsatz durch Wandstärken von 0,254 mm diffundieren. Daher werden zweckmäßig synthetische Elastomere, wie solche, die unter der Handelsbezeichnung Hypalon und Viton angeboten werden und eine geringere Permeabilität haben, auf der atmosphärischen Seite benutzt, um die Diffusion und damit auch den schädlichen Geruch
und die Korrosion der Teile zu vermindern.
Das erfindungsgemäße Ventil wurde erfolgreich zur Versorgung von Chlorgas aus einer Gasquelle zwischen 0,7 und 9,0 kp/cm[hoch]2 verwendet. Die Federkonstante der zweiten elastischen Einrichtung 38 wurde so ausgewählt, dass das Abschaltventil 18 sich öffnet, sobald ein Abgabedruck von 25,4 mm Hg erreicht ist.
Die Federkonstanten der ersten und dritten elastischen Einrichtungen 26,28 wurden so gewählt, dass sich das Druckminderventil 16 öffnet, wenn der Kammerdruck einen Druck von minus 50,8 mm Hg erreicht. Bei diesen Werten handelt es sich allerdings nur um Anwendungsbeispiele, die den Schutzbereich der Erfindung nicht einschränken sollen.
Claims (12)
1. Selbststeuernde Ventilanordnung für von einer Gasquelle gespeiste, gasansaugende Abnahmeeinrichtungen, insbesondere in geschlossenen Systemen, dadurch gekennzeichnet, dass zwei membrangesteuerte Ventile (16,18) derart hintereinander geschaltet sind, dass das erste Ventil (16) einen mit einer Gasquelle verbindbaren Einlaßkanal (48) zu und das zweite Ventil (18) einen abgabeseitigen Auslaßkanal (50) aus einer Kammer (40) zu verschließen vermögen, und dass die jeweils in Schließrichtung mit Druck zu beaufschlagende Seite (54,58) jeder Membran (30,32) jeweils einen Teil der Wandung des hinter dem ihr zugeordneten Ventil (16,18) befindlichen Strömungsraumes (40,50) bildet.
2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (40) nur die von den beiden Ventilen (16,18) verschließbaren Öffnungen aufweist.
3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Außenseite (52,56) der ersten und zweiten Membrane (30,32) Atmosphärendruck ausgesetzt sind, der in Öffnungsrichtung auf die zugeordneten Ventile (16,18) wirksam ist.
4. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil (16) eine in Schließrichtung wirkende, erste elastische Einrichtung (26) aufweist, dass die erste Membran (30) mit einer in Öffnungsrichtung
des zugeordneten ersten Ventiles (16) wirkenden, dritten elastischen Einrichtung (28) verbunden ist, und dass die zweite Membran mit einer in Schließrichtung für das zweite Ventil (18) wirkenden, zweiten elastischen Einrichtung (38) in Verbindung steht.
5. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Membran (30) eine Sperreinrichtung (60-66) zugeordnet ist, die die Membran (30) in wirkungsloser Stellung bezüglich des ihr nur durch eine Stoßverbindung zugeordneten ersten Ventils (16) zu halten vermag.
6. Ventilanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperreinrichtung (60-66) aus einem mit der ersten Membran (30) fest verbundenen, einen im Querschnitt V-förmigen Wulst (62) aufweisenden zylindrischen Körper (60) und einem Paar paralleler, im Ventilgehäuse (10) angeordneter Stäbe (64,66) besteht, die den Wulst (62) des zylindrischen Körpers (60) in einer axial ausgelenkten Stellung als Unterlage zu dienen vermögen.
7. Ventilanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der ersten Membran (30) auf deren der Kammer (40) abgewandten Seite ein zumindest teilweise mit einem Außengewinde versehener Stutzen (68) mit einem ein entsprechendes Innengewinde aufweisenden Drehknopf (44) in Verbindung steht, der seinerseits mit dem zylindrischen Körper (68) der Sperreinrichtung (60-66) derart verbunden ist, dass eine
Drehbewegung des Drehknopfes (44) in der einen Richtung eine axiale Bewegung des zylindrischen Körpers (60) in die Sperrstellung bewirkt.
8. Ventilanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehknopf (44) mit dem zylindrischen Körper (60) nur in Richtung in die Sperrstellung in Eingriffsverbindung steht.
9. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil (16) einen mit dem Ventilkegel (16A) fest verbunden und in die Kammer (40) ragenden Ventilstößel (22) aufweist, dessen Ende mit der ersten Membran (30) in deren ungesperrter Stellung in Stoßverbindung zu stehen vermag.
10. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil (16) ein Druckminderventil und das zweite Ventil (18) ein Abschaltventil ist.
11. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (10) oberhalb des zweiten Ventiles (18) aus Metall besteht.
12. Ventilanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (10) oberhalb des zweiten Ventiles (18) eine Metallwandstärke von mindestens 6,3 mm aufweist.
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