DE2723791A1 - Selbsttaetige sicherheitseinrichtung - Google Patents

Description

Karlsruhe, 17. Mai ZJP/H/Hl

INDUSTRIE-WERKE KARLSRUHE AUGSBURG Aktiengesellschaft

Gartenstraße 71 7500 Karlsruhe 1

Selbsttätige Sicherheitseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine selbsttätige Sicherheitseinrichtung zum Schütze von mit flüssigen oder gasförmigen Medien arbeitenden Wärmeerzeugungs- bzw. -Verbrauchsanlagen vor unzulässig hohen Temperaturen, bestehend aus einem Stellorgan, einem zu diesem gehörenden Stellantrieb, einem Temperaturfühler sowie einem Steuerorgan, wobei Stellorgan, Stellantrieb und Steuerorgan einerseits sowie Steuerorgan und Temperaturfühler andererseits miteinander verbunden sind·

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Selbsttätige Sicherheitseinrichtungen der genannten Art sind hinreichend bekannt.

Bekannte Sicherheitseinrichtungen arbeiten mit Federkraftspeichern. Diese sind üblicherweise, etwa im normalen Betriebsfall, beim Erreichen der eingestellten Grenztemperaturen vorgespannt, lösen sie aus und betätigen das angeschlossene Ventil.

Federkraftspeicher der genannten Art werden mittels Rasten, Klinken, Sperren, Kniehebeln od. dgl. oder aber auch mittels hydraulischem Druck der Fühlerflüssigkeit in ihrer vorgespannten Lage festgehalten. Das Auslösen der Kraftspeicher erfolgt dabei in der Regel durch Entkoppeln der Arretierungen, was beispielsweise wiederum durch den Arbeitskörper des Thermostatfühlers ausgelöst wird. Es liegt nahe, daß insbesondere bei großen Nennweiten der Ventile und/ oder ebensolchen Ventildruckdifferenzen die Federn äusserst kräftiger Auslegung bedürfen, um die Ventile schließen zu können. Wenn die Federspannung im Laufe der Zeit nachläßt oder aber die Feder gar bricht, besteht keinerlei Sicherheit mehr für die zu überwachende Anlage, da das Ventil beim Erreichen der eingestellten Temperatur nicht mehr zu schließen vermag.

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Auch wegen des Auftretens relativ großer Reibungskräfte an der Arretierung der gewählten Federkraftspeicher steigt häufig die Grenztemperatur weit über das zulässige Maß an, bevor das Ausrasten des Kraftspeichers überhaupt wirksam wird. Naheliegenderweise ist auch in einem solchen Falle der zu diesem Zweck vorgesehene Schutz der Anlage unwirksam. Allen diesen Anordnungen ist eine unbefriedigende Auslösegenauigkeit gemeinsam, welche durch mechanische Verriegelung und der damit einhergehenden Reibung, insbesondere unter Berücksichtigung der auftretenden hohen Kräfte, zwangsläufig bedingt ist. Darüber hinaus sind die Kräfte der Federspeicher durch die bauliche Ausgestal tungsweise begrenzt, so daß die zu sichernden Anlagen, insbesondere bei grösseren Ventilnennweiten und hohen Druckdifferenzen, nicht mehr ausreichend oder gar nicht mehr absicherbar sind.

Betrachtet man einerseits die relativ engen Grenzen, welche den bekannten Sicherheitseinrichtungen in baulich-konzeptioneller Hinsicht eigen sind, steht andererseits der zu ihrer Realisierung erforderliche Bau- und Kostenaufwand in einer deutlichen Disproportion, ganz abgesehen davon, daß das Entriegeln der ausgerasteten Sicherheitseinrichtung mit Rücksicht auf die erforderlich starken Federkräfte der Kraftspeicher ohnehin überaus problematisch ist.

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Angesichts der den bekannten Sicherheitseinrichtungen anhaftenden Mangel und Nachteile hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, eine einfache und zugleich höchst betriebssichere, auf dem Prinzip der Flüssigkeitsausdehnung beruhende selbsttätige Sicherheitseinrichtung für membrangesteuerte Regelventile zu schaffen. Im besonderen ist es Ziel bzw. Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sowohl die Eigensicherheit gegen Federbruch zu erhöhen, gleichbleibende Funktionsgute über lange Zeit hinweg zu gewährleisten als auch schließlich uneingeschränkte Verwendungsmöglichkeiten im Rahmen vorgegebener Betriebsbedingungen hinsichtlich Nennweiten und Drücken zu eröffnen.

Eine nach den genannten Kriterien ausgebildete selbsttätige Sicherheitseinrichtung 1st bei entsprechender Ausgestaltungsweise in der Lage, große Ventilschließkräfte, die in jedem Falle für das sichere Schließen eines Ventils ausreichen, sowie auch entsprechend große Ventilhübe aufzubringen. Hierdurch ist gewährleistet, daß z.B. beim Versagen bzw. beim Bruch einer Sicherheitsfeder, der Steuermembran, der Steuerleitungen oder aber auch bei Undichtigkeiten der integrierten Kleinstventile, Leckagen im hydraulischen System des Temperaturfühlers usw. die Sicherheitseinrichtung das Membranventil schließt und in dieser Stellung hydraulisch auch geschlossen hält.

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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß das Steuerorgan mindestens ein Steuerventil enthält, welches im Falle der Anlagen- oder Eigenstörung dem ungehinderten Durchleiten des vor dem Stellorgan befindlichen Druckes auf den Stellantrieb in einem das Ventil schließenden Sinne dient.

In entsprechender Ausgestaltung dieses die vorgeschlagene Erfindung tragenden Gedankens enthält das Steuerorgan ein der üblichen Sicherheitsfunktion Rechnung tragendes, an sich bekanntes Öffnungsventil, ein bei Kapillarrohrbruch bzw. Leckagen tätig werdendes, an sich bekanntes Schließventil sowie einen Sollwertsteller, durch welchen der Arbeitspunkt - beginnender Druckanstieg im hydraulischen System - definiert ist.

Ein weiteres Merkmal der vorgeschlagenen Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge der Steuerventile mit dem vor dem Stellorgan befindlichen Druck in Verbindung stehen und die Ausgänge der Ventile mit dem Stellantrieb in gegensinniger Parallelschaltung verbunden sind.

Die Steuerflächen der Steuerventile sowie des Soll wertstellers sind einem anderen Erfindungsmerkmal zufolge mit dem Temperaturfühler hydraulisch in Parallelschaltung verbunden; die Steuerfläche des

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Schließventils ist dabei nach der Erfindung wesentlich größer ausgebildet als die des Öffnungsventils.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung enthält das Steuerorgan mehrere Kammern, deren eine, mit dem Temperaturfühler in Verbindung stehende und mittels Membranen od. dgl. gegenüber den anderen druck- und flüssigkeitsdicht abgeschotteten Kammern der Aufnahme der Ausdehnungsflüssigkeit dient, deren zweite Kammer zur Aufnahme mechanischer Mittel zum Einstellen des Sollwertes ausgebildet ist, und deren dritte, ggf. weiter unterteilte Kammer zur Aufnahme der als Öffnungs- bzw. Schließventil ausgebildeten Steuerventile vorgesehen ist.

Die mechanischen Mittel der zweiten Kammer bestehen in Ausgestaltung des vorstehend erwähnten Merkmales im wesentlichen aus einem topfartigen Hohlkörper, einer Schraubenfeder sowie aus einer Gewindespindel.

Abgerundet und vervollkommnet wird die vorgeschlagene Erfindung schließlich auch noch dadurch, daß die zentrisch in der Schraubenfeder angeordnete Gewindespindel den bei Temperaturanstieg der AusdehnungsflUssigkeit einsetzenden Hub des Hohlkörpers derart begrenzt, daß die der Einstellhandhabe abgekehrte Seite der Gewindespindel mit ihrer Stirnfläche am Bodeninneren des Hohlkörpers anschlägt.

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An

Mit der vorgeschlagenen Erfindung geht eine Reihe von Vorteilen einher:

Die mit einem Regel- und/oder Absperrventil über Steuerleitungen verbundene Sicherheitseinrichtung ist sowohl hinsichtlich Aufbau als auch Wirkungsweise einfach und effektvoll. Die Einfachheit ihres Aufbaues dokumentiert sich allein schon in der relativ geringen Anzahl der zum Betrieb notwendigen, praktisch verschleißfreien Teile. Die Effektivität dieser Einrichtung ergibt sich einerseits durch ihren einfachen Aufbau und andererseits durch die Perfektionierung des an sich bekannten physikalischen Grundgedankens, zur Ventilsteuerung die Ausdehnung von Flüssigkeiten unter thermischen Einfluß heranzuziehen.

In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Figur zeigt dabei einen Vertikalschnitt durch die mit einem Regelventil verbundene Sicherheitseinrichtung.

Das Ventil 1, welches seinem Typ nach ein Regel- und/oder Absperrventil sein kann, ist baulich mit einem Membrangehäuse 2 verbunden. Ventil 1 und Membrangehäuse 2 stehen Über Steuerleitungen 3» 3a mit einem Steuerorgan 4 in Wirkverbindung.

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Das Steuerorgan 4 besteht aus einem druckfesten und allseitig geschlossenen Gehäuse 5. Das Innere des Gehäuses 5 ist in mehrere Kammern 5a» 5b, 5c unterteilt. Die mittels der Membranen 6, 6a, 6b druck- und flUssigkeitsdicht abgeschottete Kammer 5a ist mit einer Ausdehnungsflüssigkeit gefüllt. Diese Flüssigkeit wiederum steht über eine Kapillare 7a mit dem Temperaturfühler 7 in Wirkverbindung.

Die Kammer 5b dient der Aufnahme von mechanischen Mitteln, welche zum Einstellen des Sollwertes erforderlich sind: Der topfartig ausgebildete Hohlkörper 8 ist mit seiner unteren Hälfte 8a konzentrisch in dem dazu korrespondierend ausgebildeten Teil der Membran 6b angeordnet und geführt. Die koaxial oberhalb des topfartigen Hohlkörpers 8 angeordnete Schraubenfeder 9 stützt sich unter Vorspannung einerseits auf dem Hohlkörper 8 selbst ab und andererseits im Inneren des Gehäuses 5* Die zentrisch in der Schraubenfeder 9 angeordnete Gewindespindel 10 begrenzt den bei sich ausdehnender Fühlerflüssigkeit einsetzenden Hub ^Haⁿ des Hohlkörpers 8 derart, daß die der Einstellhandhabe 10a abgekehrte Seite der Gewindespindel 10 mit ihrer Stirnfläche 10b am Bodeninneren 8b des topf artigen Hohlkörpers 8 anschlägt.

In der Kammer 5c sind zwei federbelastete Steuerventile 11, 14 mit paralleler, jedoch gegensinniger Funktion

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angeordnet. Die Ventile 11, 14 stehen dabei in direkter Wirkverbindung mit den Steuerflächen 12, 13 der zugehörigen Membranen 6, 6a. Die Steuerfläche 12 des Öffnungsventils 11 ist wesentlich kleiner ausgebildet als die Steuerfläche 13 des Schließventils 14, um genügend Schließkraft für dieses Ventil bereitzustellen.

Im normalen Betriebsfall liegt der Boden 8b des Hohlkörpers 8 am Ende 10b der Gewindespindel 10 nicht an. Infolge der vorgespannten Feder 9 wird in der Kammer 5a

ein hydraulischer Mindestdruck vorgehalten, welcher mittels der Steuerfläche 13 das Schließventil 14 stets geschlossen hält. Der Druck reicht aber nicht aus, das Öffnungsventil 11 mittels der Steuerfläche 12 entgegen der Schließfeder 15 zu öffnen.

Liegt jedoch die Steuerfläche 8b des topfartigen Hohlkörpers 8 an der Stirnfläche 10b der Gewindespindel 10 an und erhöht sich die Temperatur am Fühler 7 um einen geringen Betrag, etwa um 1° C, so erfolgt durch die Volumenzunahme der Ausdehnungsflüssigkeit ein steiler Druckanstieg innerhalb des Hydrauliksystems. Hierbei öffnet das Öffnungsventil 11, um in diesem Zustand Steuerdruck vom (Haupt-) Ventil 1 über die Steuerleitungen 3a, 3, auf die Unterseite des Membranantriebs abzugeben. Das Membranventil 2 wird also mit der Kraft von Membranfläche 17 mal Steuerdruck (^Vordruck) das Ventil 1 schließen und auch geschlossen halten, weil

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der Steuerdruck aus dem beaufschlagten Membranantrieb nicht mehr entweichen kann. Auf diese Weise ist das (Haupt-) Ventil 1 hydraulisch verriegelt. Eine Entriegelung ist nur dann möglich, wenn der Steuerdruck bei abgefallener Fühlertemperatur manuell mittels des Entlüftungsventils 18 abgelassen wird, was im übrigen einer Forderung nach DIN 3440 entspricht.

Das Schließventil 14 wird in den genannten Betriebsfällen fest geschlossen gehalten. Es tritt dann in Funktion, wenn durch Leckage bzw. Bruch von Steuerleitungen oder Kapillaren der hydraulische Druck in der Kammer 5a abfällt. Die Öffnungsfeder 16 legt dabei die Druckhöhe zum öffnen des Schließventils 14 fest. Beim Eintreten dieses Zustandes wird wiederum Steuerdruck vom (Haupt-) Ventil 1 über den Kegel des Schließventils 14 auf den Membranantrieb 2 abgegeben, wodurch der Antrieb das Ventil 1 ebenfalls schließt und hydraulisch verriegelt.

Bei etwaigem Bruch der Feder 15 öffnet das zugehörige Ventil 11 sofort, so daß das Ventil 1, wie beschrieben, ebenfalls sofort schließt. Bricht indessen die Feder im Sollwerteinsteller, fällt der Systemdruck der Ausdehnungsflüssigkeit in der Kammer 5a zusammen und das Schließventil 14 öffnet seinen Ventilkegel, wobei in diesem Zustand ebenfalls Steuerdruck zum Schließen des Ventils 1 auf den Membranantrieb 2 abgegeben wird.

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Sind in einem anderen etwaigen Störungsfall die Steuerventile 11, 14 nicht dicht abschließend, erfolgt ebenfalls das Schließen des (Haupt-) Ventils 1. Die thermostatische Sicherheitseinrichtung ist im Störungsfalle mithin selbstUberwachend.

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Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Selbsttätige Sicherheitseinrichtlang zum Schütze von mit flüssigen oder gasförmigen Medien arbeitenden Wärmeerzeugungs- bzw. -Verbrauchsanlagen, bestehend aus einem Stellorgan, einem zu diesem

   gehörenden Stellantrieb, einem Temperaturfühler sowie einem Steuerorgan, wobei Stellorgan, Stellantrieb und Steuerorgan einerseits sowie Steuerorgan und Temperaturfühler andererseits miteinander verbunden sind,

   dadurch gekennzeichnet,

   daß das Steuerorgan (4) mindestens ein Steuerventil (11 bzw. 14) enthält, welches im Falle der Anlagenoder Eigenstörung dem ungehinderten Durchleiten des vor dem Stellorgan ( 1) befindlichen Druckes auf den Stellantrieb (2) in einem das Ventil (1) schließenden Sinne dient.
2. 2. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
   daß das Steuerorgan (4) ein der üblichen Sicherheits-

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   ORIGINAL INSPECTED

   funktion Rechnung tragendes, an sich bekanntes Öffnungsventil (11), ein bei Bruch der Steuerleitungen bzw. Leckagen tätigwerdendes, an sich bekanntes Schließventil (14) sowie einen Sollwerteinsteller (8, 9, 10) enthält, durch welchen der Arbeitspunkt - beginnender Druckanstieg im hydraulischen System - definiert ist.
3. 3. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Eingänge der Steuerventile (11, 14) mit dem vor dem Stellorgan ( 1) befindlichen Druck in Verbindung stehen und die Ausgänge der Ventile (11, 14) mit dem Stellantrieb (2) in gegensinniger Parallelschaltung verbunden sind.
4. 4. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Steuerflächen der Steuerventile (11, 14) sowie des Sollwerteinstellers (8, 9, 10) mit dem Temperaturfühler (7) hydraulisch in Parallelschaltung verbunden sind.

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5. 5. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Steuerfläche des Schließventils (14) wesentlich größer ausgebildet ist als die des Öffnungsventils (11).
6. 6. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

   daß das Steuerorgan (4) mehrere Kammern (5a, 5b, 5c) enthält, deren eine, mit dem Temperaturfühler (7) in Verbindung stehende (5a) und mittels Membranen od. dgl. (6, 6a, 6b) gegenüber den anderen druck- und flüssigkeitsdicht abgeschotteten Kammern (5b, 5c) der Aufnahme der Ausdehungsflüssigkeit dient, deren zweite Kammer (5b) zur Aufnahme mechanischer Mittel (8, 9, 10) zum Einstellen des Sollwerts ausgebildet ist, und deren dritte, ggf. weiter unterteilte Kammer (5c) zur Aufnahme der als Öffnungs- bzw. Schließventil (11, 14) ausgebildeten Steuerventile vorgesehen ist.
7. 7. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

   daß die mechanischen Mittel im wesentlichen aus

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   einem Hohlkörper (8), einer Schraubenfeder (9) sowie aus einer Gewindespindel (To) bestehen.
8. 8. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet,

   daß die zentrisch in der Schraubenfeder (9) angeordnete Gewindespindel (10) den bei Temperaturanstieg der Ausdehnungsflüssigkeit einsetzenden Hub des Hohlkörpers (8) derart begrenzt, daß die der Einstellhandhabe (10a) abgekehrte Seite der Gewindespindel (10) mit ihrer Stirnfläche (10b) am Bodeninneren (8b) des topfartigen Hohlkörpers (8) anschlägt.

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