DE2717733A1

DE2717733A1 - Proportionierungsventil zum volumetrischen aufteilen einer stroemung in bestimmten verhaeltnissen

Info

Publication number: DE2717733A1
Application number: DE19772717733
Authority: DE
Inventors: Cyril A Keedwell
Original assignee: Pall Corp
Current assignee: Pall Corp
Priority date: 1976-06-24
Filing date: 1977-04-21
Publication date: 1977-12-29
Also published as: NO150815B; GB1539311A; IT1073202B; JPS5758971B2; FI61104B; DK155382C; CA1048274A; FR2356193A1; US4033371A; FR2356193B1; NL7704689A; NO771235L; CH621401A5; NO150815C; SE7704978L; BE854094A; SE428239B; JPS53435A; DK155382B; NL172796C

Description

PATENTANWÄLTE 27177^1

Dlpl-lng. P. WIRTH · Dr. V. SCHMIED-KOWARZIK

Dipl.-lng. G. DANNENBERG · Dr. P. WEINHOLD · Dr. D. GUDEL

281134 " β FRANKFURT AM MAIN

TELEFON (0611)

287014 GH. ESCHENHEIMER STRASSE 39

No. 225-007

19. April 1977

Pall Corporation
Glen Cove, New York USA

Proportion!erungsventil zum volumetrischen Aufteilen einer Strömung in bestimmten Verhältnissen

In der USA Patentschrift 2 944 627 ist eine zweibettige, alt einem Trocknungsmittel arbeitende Trockenvorrichtung oder ein« sonstige, mit einem adsorbierenden Bett arbeitende Gasfraktionierungsvorrlchtung beschrieben, bei welcher das eine mit Trocknungsmittel oder mit einem sonstigen Adsorptionsmittel versehene Bett ausserhalb der Strömung liegt und regeneriert wird, während das andere Bett in die Strömung eingeschaltet ist Ein bestimmter Teil des aus dem in dem Strom liegenden Bett austretenden Gasstroms wird als Reinigungsstrom für die Regenerierung des verbrauchten Bettes abgelenkt, worauf der Reinigungsstrom für gewöhnlich entweder in die Atmosphäre abgelassen oder in die Vorrichtung zurückgeführt wird.

Diese Trockenvorrichtung oder sonstige Gasfraktionierungsvorrichtung 1st dadurch gekennzeichnet, dass Heizvorrichtungen

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oder sonstige Energie verbrauchende Vorrichtungen zur Regenerierung des Bettes nicht verwendet werden. Die Regenerierung des ausserhalb der Strömung liegenden verbrauchten Bettes wird im allgemeinen bei einem geringeren Gasdruck durchgeführt als der Adsorptionsvorgang des in der Strömung liegenden Bettes. Wenn man dieses Regenerierungsverfahren anwendet, so geht ein beträchtlicher Teil, bis zu ungefähr 10 % des gesamten Hauptgasstromes , als Reinigungsstrom verloren Verwendet man Jedoch mit Druckschwingungen oder mit konstanter Wärme arbeitende Trockenvorrichtungen, so kann der Regenerationsdruck dem Adsorptionsdruck nahekommen, und wenn er diesen Druck erreicht, beträgt das Verhältnis des Reinigungsströme zum Hauptstrom nahezu 100 %. Eine Erhöhung des Reinigungsstroms ermöglicht es, sein Verhältnis zu dem Hauptstrom zu verringern, da der Sättigungsgrad des Reinigungsstromes dann zunimmt.

Beim Betrieb von Adsorptionssystemen mit Zwillingsbetten wurde es üblich, die Arbeitsbedingungen auf eine vorgegebene Umlaufzeit festzulegen und die Betten aus der Arbeitsstellung im Strom bei BBeendigung der vorgegebenen Umlaufzeit für jeden Arbeitsumlauf aus dem Strom auszuschalten. Bei dieser Arbeitsweise ist das Verhältnis bzw. die Grosse des ReinigungsStroms notwendigerweise auf das Maximum eingestellt, das für die grösste Belastung, die die Trockenvorrichtung erfährt, notwendig ist, wenngleich diese Belastung gelten auftreten wird. Diese Einstellung bedeutet aber eine Verschwendung an Reinigungsströmung, weil das Ausmaß der Belastung des adsorbierenden Bettes in der Strömung am Ende eines Arbeitsumlaufs natürlich von der Menge bzw. der relativen Menge an adsorbiertem Stoff abhängt, der im Bett zurückgehalten wird, z. B. Feuchtigkeit. Häufig tritt der Fall ein, dass diese Menge sich stark Mildert, so dass ein Bett vor dem Ende des Arbeitskreislaufs nicht völlig verbraucht werden kann. Die Verwendung von mehr Reinigungestrom als zur Regenerierung eines Betts notwendig ist, bedeutet natürlich Verschwendung an Reinigungsstrom.

Eine wirtschaflibhere Lösung der Aufgabe könnte darin bestehen,

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das Verhältnis der Grosse des Reinigungsstroms nach Maßgabe des Volumens des abströmenden Gases einzustellen, derart, dass, wenn ein grosses Gasvolumen durch den in der Strömung befindlichen Tank befördert wird, ein verhältnismässig starker Reinigungsstrom für die Regenerierung umgelenkt wird, während andererseits, wenn das Volumen des Hauptstroms gering ist, der Reinigungsstrom entsprechend herabgesetzt werden kann. Auf diese Weise kann das Arbeiten eines Zwillingstanksystems besser an die tatsächlichen Arbeitsbedingungen angepasst werden, wie es für einen hohen Wirkungsgrad der Abtrennung bzw. Reinigung und für einen hohen Wirkungsgrad bei der Regenerierung zu verlangen ist, ohne dass unerwünschte Verschwendung von wertvollem abströmenden Gas als Reinigungsstrom auftritt.

Um an Reinigungsstrom zu sparen, muss bei der Bemessung der anteiligen Volumenverhältnisse der Ströme nicht nur die volumetrische Grosse der eintretenden Strömung , sondern auch die Grosse der AdsorptionsdrUcke in Rechnung gestellt werden. Es wurde schon darauf hingewiesen, dass der Mengenanteil des Reinigungsstroms zunimmt, wenn sich der Reinigungsdruck und der Adsorptionsdruck einander nähern. Die zur anteiligen Bemessung der Ströme zur Verfügung stehenden Ventile sind nicht darauf eingerichtet, den Reinigungsstrom volumetrisch, im Verhältnis zum Hauptstrom und das Druckverhältnis derart einzustellen, dass es eine vollständige Regenerierung eines verbrauchten Bettes gewährleistet, ohne dass Reinigungsstrom verschwendet wird. Die verfügbaren Ventile sind zu kompliziert und besitzen eine Vielzahl von in empfindlicher Weise voneinander abhängigen Teilen, so dass fehlerhaftes Arbeiten des Ventils praktisch während langer Betriebszeiten auftritt. Da das fehlerhafte Arbeiten des Reinigungsstromes dazu führt, dass ein verbrauchtes Bett nicht vollständig regeneriert wird, kann dies zu einem Durchbruch des adsorbierten Stoffes führen, so dass das abströmende Gas nicht vollständig fraktioniert oder nicht vollständig von der zu entfernenden Komponente befreit ist. Man darf daher bei den meisten Systemen unzuverlässiges oder ungenaues Arbeiten des Ventils nicht während längerer Zeiträume zulassen.

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Gemäss der Erfindung ist ein Proportionierungsventil zum volumetrischen Aufteilen einer Strömung nach bestimmten Verhältnissen vorgesehen, bei dem viele der bei bisherigen Ventilen notwendigen arbeitenden Teile vermieden werden, z.B. Teile zur Stabilisierung eines Ventilgliedes gegen eine Feder oder das Eigengewicht des Ventilgliedes selbst, oder Teile zu veränderlichen Kopplungen bei den Arbeitsbewegungen eines Ventilgliedes. Das erfindungsgemässe Proportionierungsventil kann unmittelbar in den Hauptgasstrom eingesetzt werden und macht von dem einströmenden volumetrischen Strom und dem"Druck zur Positionierung des Ventilgliedes in einer Weise Gebrauch, dass man eine vorgegebene volumetrische Proportionierung der Strömung zur gleichen Zeit mit einer Kompensierung der Druckänderungen erhält. Darüber hinaus kann das Ventilglied selbst zwischen dem Druck des einströmenden Mediums und dem Druck des ausströmenden Mediums ausbalanciert werden, wodurch das Eigengewicht des Ventilgliedes selbst als ein Faktor des Ventilbetriebs beseitigt wird. Das erfindungsgemässe Proportionierungsventil ist insbesondere dazu eingerichtet, den Reinigungsstrom in einem bestimmten Verhältnis zum Volumen des aus einer Trockenvorrichtung mit einem Trocknungsmittelbett und ohne Heizvorrichtung austretenden Stromes einzustellen, wobei die Trockenvorrichtung entsprechend der USA-Patentschrift 2 944 627 ausgebildet sein kann, das Ventil aber auch in jedem beliebigen Falle anwendbar ist, in welchem eine volumetrische Aufteilung eines in einer Mediumleitung fliessenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes auf zwei Flüssigkeitsleitungen in bestimmten Verhältnissen verlangt wird.

Das erfindungsgemässe Proportionierungsventil ist dadurch gekennzeichnet, dass es in Kombination miteinander ein Gehäuse, eine Ventilkappe, einen Strömungseinlasskanal und zwei Auslassströmungskanäle in dem Gehäuse aufweist, die über die Ventilka$ße' in Strömungsverbindung miteinander stehen; dass ferner ein erstes Ventilglied in die zwischen dem Einlasskanal und den Auslasskanälen verlaufende Strömungsbahn derart eingebaut

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» dass es die ankommende Strömung und die Zuteilung dieser Strömung auf die beiden abgehenden Strömungskanäle abfühlt, wobei das Ventilglied in der Ventilkammer derart angebracht ist, dass es sich zwischen Grenzstellungen und einer Vielzahl von Zwischenstellungen bewegen kann, in denen der Druck ausgeglichen ist; dass ferner das erste Ventilglied eine Druck aufnehmende Fläche besitzt, die von dem stromaufwärts in dem Einlass-Strömungskanal herrschenden Mediumdruck beaufschlagt wird, der das Ventilglied in seiner einen Richtung zu bewegen sucht; dass ferner eine zweite Druckaufnahmefläche an dem Ventilglied vorgesehen ist, die von dem stromabwärts in der Ventilkammer herrschenden Mediumdruck beaufschlagt wird, der das Ventilglied in der entgegengesetzten Richtung zu bewegen sucht; dass ferner eine dritte Druckaufnahmefläche am Ventilglied vorgesehen ist, die von dem stromabwärts in dem einen Austrittskanal herrschenden Mediumdruck beaufschlagt wird, der das Ventilglied in dieser Gegenrichtung zu bewegen sucht; dass ferner das erste Ventilglied eine Stellung in Bezug auf seine Grenzstellungen einnimmt, die der eintretenden volumetrischen Strömung entspricht, und proportional zu dieser Strömung und zu der vom Differenzdruck abhängigen Ausgleichskraft ist, die auf die zweite und die dritte Druckaufnahmefläche einwirkt; dass ferner das erste Ventilglied zusammen mit den Seitenwandungen der Ventilkammer eine erste veränderliche öffnung für de» von dem Einlasskanal in die Kammer eintretendes Mediumstrom begrenzt, wobei der offene Querschnitt dieser ersten öffnung, der den Strom durchtreten lässt, von der Ventilstellung abhängig ist; dass ferner das erste Ventilglied die Grosse der öffnung proportional zu dem in die Ventilkammer einströmenden, in der Einlassleitung fliessenden volumetrisehen Strom begrenzt; dass ferner ein zweites Ventilglied vorgesehen ist, das eine erste Druckaufnahmefläche besitzt, die dem stromaufwärts in dem Eintrittskanal herrschenden Mediumdruck ausgesetzt ist, der das Ventilelement in der einen Richtung zu bewegen sucht, und dass eine zweite Druckaufnahmefläche

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von dem in dem einen Ausflusskanal herrschenden Mediumdruck beaufschlagt ist, der das Ventil in der Gegenrichtung zu bewegen sucht; dass ferner Vorspannungsglieder vorgesehen sind, die das zweite Ventilglied in die erstgenannte Richtung drücken und einer Bewegung des zweiten Ventilgliedes in der Gegenrichtung Widerstand leisten, Jedoch eine Bewegung in dieser Richtung erlauben, wenn die Drücke ein vorgegebenes Minimum überschreiten, und zwar derart, dass der Widerstand gegen diese Bewegung zunimmt, wenn sich das Ventilglied in diese Richtung bewegt; dass ferner das zweite Ventilglied entgegen den Vorspanngliedern abhängig von einem genügend grossen, zwischen dem Eintrittskanal und dem einen Ausflusskanal herrschenden Differenzdruck derart beweglich ist, dass es die veränderliche Grosse der öffnung proportional zu diesem Differenzdruck begrenzt; dass ferner das erste Ventilglied und das zweite Ventilglied in Kombination miteinander die Strömung in dem einen Ausflusskanal auf ein gewünschtes Volumen und einen gewünschten Druck abhängig von dem in dem Eintrittskanal herrschenden Druck und der im Eintrittskanal bestehenden Strömung einstellen.

Bei der in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das erste Ventilglied die Form eines Kolbens, der in einer Bohrung des Gehäuses oder einer im Gehäuse befindlichen Hülse hin- und herbeweglich ist. Der Kolben besitzt an seinem einen, in der Ventilkammer befindlichen Ende eine Scheibe mit einer vergrösserten Oberfläche, die an ihrer einen Seite die erste Druckaufnahmefläche und an ihrer anderen Seite die zweite Druckaufnahmefläche aufweist An seinem entgegengesetzten Ende besitzt der Kolben eine dritte Druckaufnahmefläche, die den Druck des Stromabwirts in der Ausflussleitung befindlichen Mediums ausgesetzt ist. Der Kolben besitzt ferner einen mittleren, durch ihn hindurchgehenden Kanal, der von der VeAtilkammer zu der zweiten öffnung veränderlicher Grosse führt, die zwischen einem Schlitz in dem Kolben und einer ringförmigen öffnung der Gehäusebohrung oder Hülse gebildet wird. Die erste öffnung veränderlicher

Grosse wird zwischen dem Umfang der Scheibe und den Wandungen

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der Ventilkamaer gebildet, wobei diese vorzugsweise derart gestaltet sind, dass die zwischen der Scheibe und den Wandungen der Ventilkanuaer gebildete ringförmige öffnung zunimmt oder abnimmt, je nachdem, wie sich die Scheibe zwischen Grenzstellungen in der Kammer bewegt.

Bei dieser Auβführungsform hat das zweite Ventilglied die Form eines ringförmigen Kolbens, die hin- und herbeweglich in einer Bohrung des Gehäuses oder einer im Gehäuse befindlichen Hülse gelagert ist und eine mittlere Bohrung oder Buchse besitzt, in der das erste Ventilglied hin- und herbeweglich gelagert ist. Die ein oder mehreren Vorspannglieder, gegen die sich das zweite Ventilglied bewegt, bestehen aus einem System von zwei Pederscheiben, deren Steifigkeit sich ändert, Je nachdem, wie sie sich in einem Raum bewegen, der durch den relativen Abstand zwischen dem zweiten Ventilglied und dem Gehäuse der Ventilkammer gebildet wird, wobei die Steifigkeit der Federn zunimmt, wenn sie sich in der einen Richtung bewegen, und abnimmt, wenn sie sich in der anderen Richtung bewegen. Das eine Ende der Hülse begrenzt die eine Seite der an der zweiten öffnung veränderlicher Grosse befindlichen ringförmigen öffnung, so dass bei Bewegung der Hülse die Grosse der öffnung zunimmt oder abnimmt.

Eine bevorzugte AusfUhrungsform des erfindungsgemässen Ventils ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das erfindungsgemässe Proportionierungsventil;

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1, in

der Pfeilrichtung gesehen, zur Darstellung des Ventile in seiner ersten Grenzstellung bei minimaler Strömung durch den Ausflusskanal nach Fig. 1;

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Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1,
in der Pfeilrichtung gesehen, zur Darstellung des
Ventilgliedes in der anderen Grenzstellung, die in
Fig. 1 in gestrichelten Linien gezeigt ist, und

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der veränderlichen

1/2 1 -

Grosse

die in der Ordinate gegen den Differenzdruck P₁ - P,
aufgetragen ist, der die Bewegung des zweiten
Ventilgliedes verursacht.

Das in Fig. 1 gezeigte Proportionierungsventil besitzt ein
Gehäuse 1, das bei dieser Ausführungsform aus rostfreiem Stahl hergestellt 1st, aber zweckentsprechend aus irgendeinem Metall oder Kunststoffmaterial gefertigt sein kann. Das Gehäuse besteht aus zwei Teilen 2 und 3· Der Teil 2 besitzt einen Einlasskanal 4 für die Strömung, der mit einer Auslassleitung in Verbindung steht (z.B. wie die Auslassleitung, die aus einer unbeheizten Trockenvorrichtung der in der USA-Patentschrift
2 944 627 gezeigten Bauart herausführt). Der Teil 2 besitzt
einen ersten Strömungsauslass 5 für die aus dem Ventilgehäuse
kommende Strömung. Der Gehäuseteil 2 bildet eine Ventilkammer
6 und ist im wesentlichen becherförmig gestaltet. Sein offenes Ende ist durch einen weiteren Gehäuseteil 3 abgeschlossen, der mittels (nicht gezeichneter) Schrauben an dem Teil 2 befestigt ist und einen zweiten Ausflusskanal 7 besitzt. Bei einer nicht mit einer Heizvorrichtung versehenen Trockenvorrichtung würde der Kanal 4 mit der von den mit Trockenmittel versehenen Betten
kommenden Ausflussleitung verbunden sein,und der Kanal 7 würde der Hauptausflusskanal für von dem in die Strömung eingeschalteten Bett der Trockenvorrichtung kommenden Gasstrom sein, während der Kanal 5 mit der Leitung für die Reinigungsströmung
verbunden sein würde, die zur Regeneration des mit dem Trockenmittel versehenen Bettes dient, das aus dem Strom ausgeschaltet

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In einem Stück mit dem Gehäuseteil 2 ist ein mittlerer zylindrischer Teil 10 ausgebildet, der an seinem inneren, zum Gehäuse hin gelegenen Ende den Auslasskanal 5 aufweist und sich in dieser Richtung in die Ventilkammer 6 hinein erstreckt, wobei er diese Kammer in seinem Bereich auf einen Ringraum 11 verengt, der in Strömungsverbindung mit dem Einlasskanal 4 steht. Am äusseren Ende des zylindrischen Teils 10 befindet sich ein dritter Teil 1OA des Ventilgehäuses, der mit dem Teil 10 mittels (nicht gezeichneter) Schrauben verbunden ist und eine ringförmige Kammer 12 bildet. Die Aussenwand 12B der Kammer 12 bildet die untere Begrenzung der Bewegung eines ersten Ventilgliedes 15» das in der Kammer 12 hin- und herbewegbar ist, deren Innenraum mittels eines Kanals 12A in Strömungsverbindung mit dem Auslasskanal 5 steht.

Von dem zweiten Gehäuseteil 3 ragt in das Innere der Ventilkammer 6 ein StrömungsverteilerstUck 13» das mit Löchern versehen ist, die es dem von der Kammer 6 kommenden Mediumstrom gestatten, in den Auslass 7 zu strömen. Die innere Oberfläche des VerteilerstUcks bildet die obere Grenze der Bewegung für das erste Ventilglied 15. Dieses Glied besitzt einen scheibenförmigen flachen Teil 16, der an seiner einen Seite, die stromaufwärts von dem eintretenden Strom beaufschlagt wird, eine Druckaufnahmefläche 41, und die an ihrer anderen Seite, die von dem in der Ventilkammer 6 stromabwärts herrschenden Druck beaufschlagt wird, eine Druckaufnahmefläche 40 besitzt. Der die Scheibe 16 mit sich führende Kolben 17 ist in Bohrungen 18 und 18A Un- und herbeweglich gelagert und führt diese Bewegungen aus, wenn die Ventilscheibe 16 sich zu der einen oder der anderen ihrer in Fig. 1 gezeigten Grenzstellungen oder in eine bliebige Zwischenstellung zwischen diesen Grenzstellungen bewegt.

Die Scheibe 16 ist mit dem einen Ende des Ventilschaftes oder Kolbens 17 verbunden, der in einer mittleren rohrförmigen Bohrung 18 eines ringförmigen Kolbens 24 und einer Bohrung 18A einer ringförmigen Hülse 19 hin- und herbewegbar ist. Die Hülse

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19 ist innerhalb eines in den TeiHO eingeschraubten Teils 19A beweglich. Die Bahn des Kolbens 17 endet innerhalb des Teils 1OA an einem Anschlagteil 39. Das diesem Teil gegenüberliegende Stirnende des Kolbens 17 wirkt als Druckaufnahmefläche, die von dem am Auslass 5 herrschenden Druck des ausströmenden Mediums beaufschlagt wird.

Der Auslasskanal 5 steht in Strömungsverbindung mit einer ringförmigen öffnung 20, die durch das Stirnende 22 der ringförmigen Hülse 19 und das Stirnende 23 eines ringförmigen Kolbens 24 begrenzt wird. Der Auslasskanal 5 steht auch mit einem in der Wandung des Ventilschaftes 17 ausgebildeten verjüngten Schlitz 21 und dadurch auch mit dem mittleren Kanal 14 in Verbindung, der durch den Ventilschaft des Ventilglieds 15 hindurchgeht.

Die Aufwärtsbewegung des ringförmigen Kolbens 24 wird durch einen Anschlag 25 begrenzt, der mittels (nicht gezeichneter) Schrauben an dem Gehäuseteil 2 befestigt ist.

Ein System von Federn 26 ist zwischen das innere Ende 27 des Teils 10 und den Umfangsflansch 28 des ringförmigen Kolbens eingesetzt. Diese Federn suchen den ringförmigen Kolben 24 gegen den Anschlag 25 zu drücken, biegen sich aber bei Zunahme des auf den ringförmigen Kolben wirkenden Differenzdrucks derart ab, dass sie dem Kolben 24 erlauben, sich zu bewegen und die ringförmige Öffnung 20 nach Maßgabe des Differenzdrucks zu vergrössern oder zu vermindern.

Das Federsystem besteht aus zwei Scheibenfedern 29 und 30, die axial entlang dem ringförmigen Kolben 24 durch Abstandsscheiben 31 voneinander getrennt und durch schmale Anschlagflächen 28 und 27» die am Innendurchmesser der Federn vorgesehen sind, gegen die Abstandsscheiben angedrückt gehalten werden. Das Ausmaß der Abbiegung der Federn des Systems kann bei einer beliebigen Grosse der Abbiegung dadurch vergrössert werden, dass

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die Umfange der oberen Oberfläche 32 und der unteren Oberfläche 33 der Abstandsscheibe derart geändert werden, dass sich die tragenden Durchmesser der Scheiben bei ihrer Abbiegung ändern. Es ist ersichtlich, dass die Oberflächen 32 und 33 von den Federn weg konvex gebogen sind, wodurch die genannte Veränderung des Abbiegeeffekts hervorgerufen wird. In jeder der Abstandescheiben ist ein schmaler Auslasskanal 34 vorgesehen, der dazu dient, die Mediumdrücke an beiden Seiten jeder Feder miteinander auszugleichen.

Es wurde nun festgestellt, dass die untere Anschlagfläche 39 und die ihr gegenüber liegende Stirnendfläche des Ventilschafts 17 von dem Druck beaufschlagt sind, der in der Ausflussleitung stromabwärts an dem Auslass 5 herrscht. Die Oberseite 40 der Ventilscheibe 16 ist von dem Druck des Mediums beaufschlagt, der stromabwärts in dem Hauptteil der Ventilkammer 6 herrscht. Die andere Seite 41 der Ventilscheibe 16 ist m

«n dem Druck des beaufschlagt, de Mediums/in der

beaufschlagt, der in den Teil 11 der Ventilkammer einströmenden Mdi/i d Einflussleitung des Einlasses 4 erzeugt wird. Die Fläche 41 bildet eine erste Druckaufnahmefläche des ersten Ventilgliedes, während die Fläche 40 eine zweite Druckaufnahmefläche des ersten Ventilgliedes und die Fläche 39 eine dritte Aufnahmefläche des ersten Ventilgliedes bildet.-

In gleicher Weise hat der ringförmige Kolben 24 eine erste Druckaufnahmefläche 35, die von dem Druck des Mediums beaufschlagt wird, das sich stromaufwärts in dem Kammerteil 11 befindet, ferner eine zweite Druckaufnahmefläche 23, die von dem Druck des Mediums beaufschlagt wird, das sich stromabwärts in der Ausflussleitung zum Auslass 5 befindet.

Eine erste veränderliche öffnung ist-Zeftne öffnung 37 und eine zweite veränderliche öffnung wird durch die Schnittfläche der ringförmigen öffnung 20 mit der Breiten-dimension des verjüngten Schlitzes 21 gebildet, die durch die Lage des Schaftes 17 bestimmt wird.

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Es 1st ersichtlich, dass der Mediumdruck in der Einströmleitung und der Mediumstrom aus dem Kammerteil 11 durch die erste veränderliche öffnung 37 zum Kammerteil 6 bestrebt sind, die Ventilscheibe 16 des Ventilgliedes 15 und zusammen mit der Ventilscheibe den Ventilschaft 17 zur gegenüberliegenden Seite der Ventilkammer 6 in die Grenzstellung zu drücken, die in gestrichelten Linien dargestellt ist und durch das Anschlagglied 13 bestimmt wird.

Wenn die Ventilscheibe 16 und der Schaft 17 zum Anschlag 13 hin bewegt werden, so nimmt die Grosse desjenigen Teils des Schlitzes 21, der der zweiten variablen Öffnung 20 gegenüberliegt, zu, wodurch der offene Querschnitt, der dem Durchtritt des Mediumstroms zur Verfügung steht und dementsprechend die Geschwindigkeit des durch den Austrittskanal 5 austretenden Stroms vergrössert werden.

In der gleichen Zeit, in der sich die Ventilscheibe 16 gegen den Anschlag 13 bewegt, vergrössert sich der offene Bereich der öffnung 37, weil die Wandung 38 der Ventilkammer 6 sich nach aussen verjüngt. Demgemäss stellt sich das Ventilglied 15 von selbst derart ein, dass es Zunahmen der Strömung in der Einflussleitung angepasst ist. Wenn nun die eintretende Strömung abnimmt, so geht das Ventilglied 15 in die Grenzstellung zurück, in der es Berührung mit dem in Fig. 1 gezeigten Ventilteil 1OA hat, wobei die Grosse der Öffnung 37 verringert wird.

In der gleichen Zeit steht das Ventilglied 15 unter vollständigem Druckausgleich, so dass es eine Zwischenstellung einnehmen kann, die nach Maßgabe der volumetrischen Strömung in der Einlassleitung zwischen den beiden Grenzstellungen verlangt wird, wobei der an der Fläche 41 herrschende Differenzdruck, der das Ventil 15 entlang der Kammer 6 gegen den Anschlag 13 zu bewegen sucht, durch einen entsprechenden Differenzdruck an der Ventilfläche 40 und der Ventilschaftstirnfläche bei 39 ausgeglichen wird. Dieser Differenzdruck entspricht dem Differenzdruck zwischen der Kammer 6 und dem Strömungsauslass 5, der das Ventil

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ΛΖ

durch die Kammer 6 gegen seine untere Grenzstellung zu bewegen sucht. Somit wirkt der in der Kammer 6 herrschende Druck nicht mehr als treibende Kraft und ist die vom Ventil 15 in der Kammer 6 eingenommene Stellung lediglich eine Funktion der volumetrischen, durch die öffnung 37 einströmende Menge. Es ist ersichtlich, dass, wenn P, (absoluter Druck im sekundären Gasausgang) konstant ist und wenn der Druck des einströmenden Mediums erhöht wird und sich z.B. verdoppelt, der Differenzdruck P₂ (absoluter Druck im primären Gasausgang) minus P, an der durch das erste Ventilglied und das zweite Ventilglied bei 20 und 21 bestimmten öffnung sich nicht entsprechend verdoppelt, sondern auf einen grösseren als den doppelten Betrag anwächst. Es ist daher notwendig, diesen Differenzbetrag zu kompensieren, und diese Kompensation wird durch den das zweite Ventilglied bildenden ringförmigen Kolben 24 geliefert. Das Federsystem, das dieses Ventilglied bremst, biegt sich zwischen den Flächen 27 und 28 um sich selbst nach innen, wenn der Differenzdruck zwischen der Kammer 11 und dem Auslass 5 zunimmt. Wenn sich die Federn des Federsystems biegen, ändern sich ihre Berührungspunkte mit den gekrümmten Flächen 32 und 33, wodurch das Verhältnis des Biegemoments zum Differenzdruck abnimmt. Auf diese Weise erhält man eine einstellbare veränderliche Steifigkeit für die Federn und kann dadurch die ringförmige öffnung 20 verändern und auch die Zunahme der aus dem Auslass 5 austretenden Strömung verhindern oder vermindern, die sonst auftreten würde.

Es ergibt sich, dass das erste Ventilglied 15 und das zweite Ventilglied 24 in Kombination miteinander die Strömung bzw. die Strömungsgeschwindigkeit am Auslass 5 auf Jedes beliebige Volumen und jeden beliebigen Druck im Verhältnis zum Druck und der Strömung am Einlass 4 einstellen. Die Einstellung kann man mit vernünftiger Genauigkeit durch Anwendung der folgenden mathematischen Formeln erhalten, und das Ergebnis kann man durch ein empirisches Annäherungsverfahren verbessern. Die physikalischen Dimensionen können auf optimale Werte gebracht

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werden, nit denen beliebige Ausführungscharakteristika erzielt werden können.

Dieser mathematischen Beschreibung des Bemessungeventils liegt die Annahme zugrunde, dass es zur Regelung der Reinigung einer nicht mit Heizvorrichtung versehenen Trockenvorrichtung dient.

Es sei angenommen: Absoluter Druck des einströmenden Gases « P₁

Absoluter Druck des primären abströmenden Gases = Pp Absoluter Druck des sekundären abströmenden Gases * P,

Volumetrische Strömungsgeschwindigkeit (Volumen pro Zeiteinhdt) des einströmenden Gases beim Druck P₁ » V₁ Volumetrische Strömungsgeschwindigkeit des primären

austretenden Gases beim Druck P₂ = Vp

Volumetrische Strömungsgeschwindigkeit (Volumen pro Zeiteinheit) des sekundären ausströmenden Gases beim Druck P^ = V,

Querschnitt der ersten variablen öffnung » A₁ Querschnitt der zweiten variablen öffnung « Ap Die Beschreibung basiert auf der Bedingung, dass V, gleich V₁ wird, wenn das Verhältnis von ^P2 das kritische Verhältnis

für den Gasstrom durch die variable öffnung A₂ Überschreitet. Die Temperatur wird als konstant angenommen. Für die erste variable öffnung gilt:

(P₁- P₂) - K₁. ^JjP-) ... (1),

wobei K₁ * ein Gesamtkoeffizient für die Mediumallgabe an der ersten variablen öffnung A₁, einschliesslich die Umrechnungskonstanten für die physikalische Einheit.

d₁ - die Dichte des Gases beim Druck P₁.

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Die Kraft, die das erste Ventilglied in der gleichen Richtung zu bewegen sucht wie der eintretende Gasstrom, ist:

F₁-P₁ .B₁-P₂-B₂ (2)

wobei F₁ « die Kraft;

B₁ = die Grosse der ersten durch den Druck P₁

beaufschlagten Fläche;
B₂ « die Grosse der zweiten, durch P₂ beaufschlagten Fläche.

Wenn aber zufolge der Konstruktion B₁ « B₂, so ist

F₁ - (P₁ - P₂) . B₁ (3)

Für den Fall von Gleichgewicht wird die Kraft F₁ ausgeglichen durch eine gleiche und entgegengesetzte Kraft, die durch den Differenzdruck P₂ - P₃ geliefert wird, der auf die dritte Fläche B₃ des ersten Ventilgliedes wirkt, so dass:

(P₁ - P₂) . B₁ - (P₂ - P₃) . B₃ (U)

Setzt man (P₁ - P₂) nach Gleichung (1) abhängigen der Strömungsgeschwindigkeit (V₁) ein, so wird:

^K1 * ^d1 '(AT"/ · ^B1 - (^P2 -V · ^B3

• Β,ϊ ^1/2
oder V₁ = A₁ J --* * ³ (5)

L ^K1 · ^di ·^]

Da nun P₃ das kritische Verhältnis für den Gasstrom über-

schreitet, der durch die zweite variable öffnung hindurchgeht, so ergibt sich:

AP Y
ρ . * ρ * P

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wobei K₂ - der Gesamtkoeffizient der Mediumabgabe an der zweiten Variablen öffnung A₂, einschliesslich die Umrechnungs konstanten der physikalischen Einheit, d, - die Dichte des Gases beim Druck P,.

Zufolge der Konstruktion ist nun aber V₁ = V,

Verbindet man nun die Gleichungen (5). und (6) miteinander, so gilt - λ λ Jo

A I ^(P2 - ^P3> ·^Β3 1 ' ^A2 · ^P2 ■ ^K2 ¹ 1 J ^Γ

_
^K1 · ^d1 ' ^B1

Es sei nun angenommen, dass (P-j - ^P2) klein ist, so dass in der Gleichung (6) P₁ = P₂ wird.

Es sei ferner d₁ » C₁ .P₁ und d, » C, . P,, wobei C₁ und C, Konstante sind.

Diese Konstanten werden wie folgt miteinander kombiniert:

C. » ι ^1/2

₁ .

(8)

Hieraus lässt sich die Gleichung (7) vereinfachen zu:

A» · A^

P₁ - P, I ^1/2 P₁

J =^af;

Die zweite variable öffnung des Ventils ist durch die Maße χ und y bestimmt, χ seinerseits wird durch die Lage des ersten Ventilgliedes und y durch die Lage des zweiten Ventilgliedes bestimmt, so dass A₂ ■ x . y; wenn xH?^ proportional ist, so wird x»K, . A₁, wobei K* eine Konstante ist.

A₂ - K₃ . A₁ . y (10)

Setzt man für A₂ in der Gleichung (9) die vorstehende Formel für A₂ ein, so wird:

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. A₁ . L ρ-— j

1/2 ρ

oder y - -^- . -p^ ] 1- ^ \ (12)

Das Diagramm In Flg. 4 zeigt den variablen Teil der rechten Seite der vorstehenden Gleichung als Ordinate und den Differenzdruck (P^ - P,) als Abszisse; dieser Differenzdruck veranlasst die Bewegung des zweiten Ventilgliedes.

Die Extremstellungen der Bewegung sind diejenigen, bei denen die korrekten Werte von y bei dem Maximalwertund dem Minimalwert von (P₁ - P,) auftreten; bei Zwischenwerten folgt y der Form der Kurven der Fig. 4. Da die Lage des zweiten Ventilgliedes bei grösseren oder kleineren Werten von (P₁ - P,) nicht stark ins Gewicht fällt, ist es am einfachsten, zuzulassen, dass das zweite Ventilglied eine Ruhestellung erreicht, wenn (P₁ - ?-*)^m 0, wenngleich das Ventilglied auch so vorbelastet sein kann, dass es den konstruktionsbedingten Minimalwert von (P₁- P,) einnimmt. In gleicher Weise kann die Verwendung geeigneter Begrenzungsanschläge das Ventil hindern, eine maximale Bewegungsstrecke zu überschreiten, wie sie dem konstruktionsbedingten Maximalwert von (P₁ - P,) entspricht.

Verschiedene Federanordnungen wurden verwendet, um die im Diagramm nach Fig. 4 gezeigten Verhältnisse zu erhalten. Zwei Federscheiben, von denen jede eine lineare Charakteristik besitzt, können miteinander so kombiniert werden, dass sieeine nicht lineare Bewegung erzeugen, welche der gewünschten Form der Bewegung sehr nahe kommt. Bei dem hier gezeigten Beispiel wird eine einzige flache Federscheibe so unterstützt, dass, wenn sie sich abbiegt, der Durchmesser ihrer Unterlage abnimmt und die Feder steifer wird. Auf diese Weise wird eine stetig variable Federkraft erzeugt. Durch eine geeignete For/iyung"lief* unterlage der Feder wird die Bewegung des zweiten Ventilgliedes genau an die Form der Kurven nach Fig. 4 herangebracht.

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Der Auaführungsform der Erfindung liegt zusammenfassend folgendes zugrunde:

Ein Proportionierungsventil ist zur volumetrischen Aufteilung einer in einer Eintrittsleitung des Ventils fliessenden Strömung nach bestimmten Verhältnissen auf zwei Ausflussleitungen des Mediums aus dem Ventil vorgesehen. Das Ventil ist insbesondere dafür eingerichtet, den Hauptstrom abzufühlen und den Reinigungsstrom auf ein gegebenenes Verhältnis zum Hauptstrom einzustellen, und zwar bei einem ohne Heizvorrichtung arbeitenden und nicht durch Hitze reaktivierten Gasfraktionierapparat mit adsorbierendem Zwillingsbett, wie z.B. bei einer mit Trockenmittel arbeitenden Trockenvorrichtung. Das Ventil besitzt zwei Ventilglieder, von denen jedes unabhängig vom anderen arbeitet, wobei das eine die Strömung durch eine variable öffnung abfühlt und auf diese anspricht und das andere anspricht und mit dem ersten Ventilglied zusammenarbeitet, um die durch eine zweite variable öffnung fliessende Strömung einzustellen. Die erste variable öffnung befindet sich in der Strömungsleitung des einströmenden Mediums des Ventils, und die zweite variable öffnung befindet sich in der Strömungsleitung für den Austritt des Mediums aus dem Ventil. Das erste Ventilglied und das zweite Ventilglied stellen in Kombination miteinander die Strömung in der einen Austritteleitung des Ventils auf ein gewünschtes Volumen und einen gewünschten Druck im Verhältnis zum Druck und der Strömung in der Eintritteleitung des Ventils ein.

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L e e r s e i t e

Claims

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PATENTANWÄLTE Φ R ^

Dipl.-Ing. P. WIRTH · Dr. V. SCHMIED-KOWARZIK DipL-lng. G. DANNENBERG · Dr. P. WEINHOLD ■ Dr. D. GUDEL

2717713

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TELEFON (Oeil)

287014 GR. ESCHENHEIMER STRASSE 39

Pail Corporation

PW/Ar Glen Cove, New York

19. April 1977 ^No· 225-007

Patentansprüche

Proportion!erungsventil zur volumetrischen Aufteilung einer in einer Einlassleitung strömenden Mediumströmung auf zwei Auslassleitungen in bestimmtem Verhältnis zueinander, dadurch gekennzeichnet, dass es in Kombination miteinander ein Gehäuse (2), eine Ventilkammer (6), einen Strömungseinlasskanal (4) und zwei Strömungsauslasskanäle (5 und 7) im Gehäuse aufweist, die über die Ventilkammer miteinander in Medium-Strömungsverbindung stehen; dass ein erstes Ventilglied (15) in der Linie der Strömung zwischen den Einlasskanal und die Auslasskanäle derart eingesetzt ist, dass es den Einlasstrom und die Aufteilung dieses Stromes auf die zwei Auslasskanäle abfühlt, wobei es derart in der Ventilkammer angebracht ist, dass es sich zwischen GrenzStellungen und einer Vielzahl von Zwischenstellungen bewegt, in denen der Druck ausgeglichen ist; dass ferner das erste Ventilglied (15) eine erste Druck aufnehmende Fläche (41) besitzt, die dem stromaufwärts in dem Strömungseinlasskanal herrschenden Mediumdruck ausgesetzt ist, der das Ventilglied in seiner einen Richtung zu bewegen sucht;

dass ferner das Ventilglied (15) eine zweite Druckaufnahmefläche (40) besitzt, die dem stromabwärts in der Ventilkammer (6) herrschenden Mediumdruck ausgesetzt ist, der das Ventilglied in seiner entgegengesetzten Richtung zu bewegen sucht;

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und dass eine dritte Druckaufnahmefläche dem stromabwärts i r η t ti

in dem-Strömungsauslasskanal herrschenden Mediumdruck auegesetzt ist, der das Ventilglied (15) in der letztgenannten Gegenrichtung zu bewegen sucht;

dass ferner das erste Ventilglied (15) eine Stellung in Bezug auf die Grenzstellungen einnimmt, die dem Volumen des Einlaßstromes entspricht und proportional zu diesem Strom und zu der ausgleichenden, vom Differenzdruck abhängigen Kraft ist, die auf die zweite Druckaufnahmefläche und die dritte Druckaufnahmefläche einwirkt;

dass ferner das erste Ventilglied (15) zusammen mit den Wänden (38) der Ventilkammer (6) eine erste veränderbare öffnung (37) für den Durchtritt des Mediums von dem Einlaßströmungskanal in die Kammer begrenzt, wobei der offene Querschnitt dieser öffnung, der die Strömung durchlässt, von der Ventilstellung abhängt;

dass ferner das erste Ventilglied zusammen mit einer Wandung des einen Auslasskanals (14, 21) auch eine zweite veränderbare öffnung (20) für den Durchtritt des Mediums von dieser Kammer in diesen Kanal begrenzt, wobei der die Strömung an der zweiten öffnung (20) durchlassende Querschnitt von der Stellung des Ventils abhängig ist;

dass ferner das erste Ventilglied (15) die Grosse der öffnung proportional zur volumetrisch gegebenen, in den Einlasskanal (4) zur Ventilkammer (6) strömenden Strömung einstellt; dass ferner ein zweites Ventilglied (24) sich unabhängig vom ersten Ventilglied (15) bewegt und mit diesem beim Einstellen der Grosse der zweiten veränderlichen öffnung (20) zusammenarbeitet;

dass ferner das zweite Ventilglied (24) eine erste Druckaufnahmefläche (35) besitzt, die von dem stromaufwärts im Einlasskanal (4) herrschenden Mediumdruck beaufschlagt wird, der das Ventilglied in seiner einen Richtung zu bewegen sucht, das eine zweite Druckaufnahmefläche (bei 12) besitzt, die von dem stromabwärts in dem einen Auslasskanal (21, 20) herrschenden Mediumdruck beaufschlagt wird, der das Ventil (24)

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In seiner Gegenrichtung zu bewegen sucht; dass ferner ein oder mehrere Vorspannglieder (29t 30) vorgesehen sind, die das zweite Ventilglied (24) In der erstgenannten Richtung zu bewegen suchen und seiner Bewegung In der Gegenrichtung Widerstand entgegenstellen, die aber eine Bewegung In dieser Richtung erlauben, wenn die Drücke In dieser Richtung ein vorgegebenes Minimum überschreiten, so dass der durch die Vorspannung bewirkte Widerstand gegen diese Bewegung zunimmt, wenn das Ventilglied In dLese Richtung bewegt wird; dass ferner das zweite Ventilglied (24) abhängig von einem genügend grossen Differenzdruck zwischen dem Druck Im Einlasskanal (4) und dem Druck Im einen Auslasskanal (21) der Strömung entgegen der Wirkung der Vorspannglieder (29, 30) bewegbar 1st und hierdurch die veränderliche Grosse der öffnung (20) abhängig von diesem Differenzdruck bestimmt wird, wobei das erste Ventilglied und das zweite Ventilglied In Kombination miteinander die Strömung in dem einen Auslasskanal (21) auf ein gewünschtes Volumen und einen gewünschten Druck einstellen, die von dem Druck und der Strömung im Einlasskanal (4) abhängen.
2. Proportionierungsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilglied (15) eine Ventilscheibe (16) aufweist, die an ihrer einen Seite als eine erste Druckaufnahmefläche (40) und auf ihrer anderen Seite als eine

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zweite Druckaufnahmefläche'dient, dass ferner der Umfang dieser Ventilscheibe zusammen mit der Wandung (38) der Ventilkammer (6) die erste, in ihrer Grosse einstellbare öffnung (37) begrenzt, dass ferner die Innenwandung (38) der Ventilkammer sich derart verjüngt, dass die veränderliche Grosse der ersten öffnung sich nach Maßgabe der Stellung der Ventilscheibe in der Ventilkammer ändert; dass ferner ein Ventilschaft (17) vorgesehen ist, an dessen einem Ende die Ventilscheibe angebracht ist und dessen anderes Ende zu einer dritten Druckaufnahmefläche (bei t£) ausgebildet ist; dass ferner ein Mittelkanal (14) durch den Ventilschaft

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hindurchgeht und ein in den Mittelkanal einmündender Schlitz (21) veränderlicher Breite eine Verbindung dieses Kanals mit der zweiten öffnung (20) von veränderlicher Grosse herstellt; und dass der Ventilschaft (17) in einer Bohrung (18) des Ventilgehäuses (2) derart gleitend hin- und herbeweglich gelagert ist, dass sein Schlitz veränderlicher Breite sich nach Maßgabe der Stellung des Ventilschafts in der Bohrung mit unterschiedlicher Schlitzbreite mit der in die Bohrung hineinführenden öffnung (20) deckt.
3. Proportionierungsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Vorspannglieder (29, 30) für das zweite Ventilglied (24) als ringförmige Federscheiben (29, 30) ausgebildet sind, von denen jede an ihrem äusseren Umfang an einem konvex gekrümmten Sitz anliegt, der so gestaltet ist, dass eine Biegung der ringförmigen Scheiben nach aussen in Richtung des gekrümmten Sitzes den Berührungspunkt der Scheibe am Sitz nach innen zur Mitte der Scheibe hin verschiebt, so dass die Steifigkeit der ringförmigen Federscheibe oder Federscheiben zunimmt.
4. Proportionierungsventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Umfang der ringförmigen Federscheibe (29, 30) biegsam auf einem beweglichen Glied (24) sitzt, das die eine Wandung der zweiten veränderlichen öffnung (20) bildet, wobei eine Bewegung des inneren Umfangs der Ventilscheibe (16) das Ventilglied (24) derart bewegt, dass sich die Grosse der veränderlichen öffnung (20) verändert.
5. Proportionierungsventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilglied (15) eine Scheibe (16) besitzt, die auf ihrer einen Seite (40) als eine erste Druckaufnahmefläche\und auf ihrer anderen Seite (41) als eine zweite Druckaufnahmefläche dient, dass ferner der Umfang der Scheibe zusammen mit der Wandung (38) der Ventilkammer (6) die erste veränderliche öffnung (37) begrenzt, dass

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ferner die Wandung der Ventilkammer derart verjüngt verläuft, dass die Grosse der ersten veränderlichen öffnung nach Maßgabe der Stellung der Ventilscheibe in der Ventilkammer verändert wird; dass ferner ein Ventilschaft (17) vorgesehen ist, an dessen einem Ende die Ventilscheibe angebracht ist und dessen anderes Ende (bei 39) zu einer dritten Druckaufnahmefläche ausgebildet ist, dass ferner ein Mittelkanal (14) durch den Ventilschaft hindurchgeht; dass ferner ein Schlitz (21) veränderlicher Breite den Mittelkanal mit der zweiten veränderlichen öffnung (20) verbindet, dass ferner der Ventilschaft in einer Bohrung (18) des Ventilgehäuses (2) derart gleitend hin- und herbeweglich gelagert ist, dass sein Schlitz veränderlicher Breite sich nach Maßgabe der Stellung des Ventilschaftes mit veränderlicher Breite mit der Auslassöffnung (20) deckt, und dass das bewegliche Glied des zweiten Ventilgliedes (24) eine entlang dem Ventilschaft hin- und herbewegliche Hülse ist, die die eine Seite der veränderlichen öffnung begrenzt.