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Regelventil zum Konstanthalten des Druckgefälles eines
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fliessfähigen Mediums Die Erfindung betrifft ein Regelventil zum Konstanthalten
des Druckgefälles eines fliessfähigen Mediums unabhängig von der Durchflussmenge,
mit einem gehäusefesten Ventilsitz, der durch einen entgegen der Strömungsrichtung
federbelasteten, einen Schliessteil aufweisenden Ventilkörper verschliessbar ist.
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Ein solches Regelventil dient zur Regelung des Druckgefälles auf einen
konstanten Wert ohne Beanspruchung einer Fremdenergie.
Der Regelvorgang
beginnt mit dem Oeffnen des Ventilkörpers, sobald der durch das zu regelnde Medium
auf das Schliessteil ausgeübte Druck die entgegengesetzt gerichtete Federkraft übersteigt.
Die Oeffnungsbewegung erfolgt stetig in Abhängigkeit von dem auf das Schliessteil
durch das strömende Medium ausgeübten Staudruck. Mit zunehmendem Oeffnungshub entsteht
durch die ansteigende Federspannung bei zunehmender Durchflussmenge eine unerwünschte
Erhöhung des Druckgefälles. Ferner nimmt bei ansteigender Durchflussmenge der Widerstand
innerhalb der Strömunqskanäle des Regelventils zu, wodurch das Druckgefälle noch
weiter ansteigt.
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Zur Vermeidung solcher Abweichungen vom vorgesehenen Sollwert ist
es bereits bekannt, die ansteigende Federspannung zu kompensieren. Hierzu wird bei
einem bekannten Regelventil durch den Druck des strömenden Mediums über eine im
Schliessteil angeordnete Düse ein Kolben beaufschlagt. Dieser Kolben unterstützt
die Federspannung bei zunehmendem Oeffnungshub mit abnehmender Wirkung, sodass die
bei kleinem Oeffnungshub geringere Federspannung kompensiert wird. Eine solche Anordnung
ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass die Düse und der Kolben gegen vom Medium
mitgeführte Verunreinigungen störanfällig sind.
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Ein weiterer Nachteil bekannter Regelventile ist die, insbesondere
bei kleiner Durchflussmenge und daher bei kleinem Oeffnungshub auftretende Schwingungsneigung
des Schliessteils.
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Zur Herabsetzung der Schwingungsneigung sind Dämpfungsmassnahmen,
beispielsweise unter Verwendung von Dämpfungskolben
bekannt. Da
aber Dämpfungskolben gegen Verunreinigungen störanfällig sind und das dynamische
Verhalten der damit ausgerüsteten Regelventile nachteilig beeinflussen, handelt
es sich hierbei auch noch um eine weitgehend ungelöste Aufgabe.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Regelventil der
eingangs genannten Art in kompakter Bauweise, gegen Verunreinigungen störungsunempfindlich,
ohne Schwingungsneigung und mit einer über einen grossen Bereich konstanten Regelkennlinie
auszuführen.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt erfindungsgemäss dadurch,
dass der Ventilkörper einen von der Strömung beaufschlagten, entgegen der Federkraft
wirkenden Prallkörper aufweist und mit einem zweiten gehäusefesten Ventilsitz zusammenwirkt,
wodurch die auf den Ventilkörper in Oeffnungsrichtung wirkende, durch den anstehenden
Druck an der Wirkfläche am Schliessteil erzeugte Kraft vermindert wird.
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Eine solche Lösung ist besonders vorteilhaft, weil die in Oeffnungsrichtung
zunehmende Federkraft durch den auf den Prallkörper wirkenden zunehmenden Druck
bei steigender Durchflussmenge kompensiert wird. Der zunehmende Kompensationskraft
sind praktisch keine Grenzen gesetzt, sodass die Feder spannung innerhalb eines
weiten Regelbereichs kompensiert werden kann. Damit sind die Voraussetzungen zur
Erzielung einer konstanten Regelkennlinie gegeben.
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Durch die Möglichkeit, die zunehmende Federkraft praktisch beliebig
kompensieren zu können, stört die stärkere Zunahme der Federkraft bei einer kurzen
Feder nicht, sodass dadurch auch die Herstellung eines kompakten Regelventiles möglich
ist.
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Gemäss vorteilhaften Ausgestaltungen kann der zweite Ventilsitz einen
kleineren Durchmesser als der erstgenannte Ventilsitz aufweisen und beide Ventilsitze
können zueinander koaxial versetzt angeordnet sein. Die Ausbildung des Regelventiles
als Sitzventil mit axial versetzten Sitzen verschiedenen Durchmessers bringt gegenüber
einem einfachen Sitzventil eine Reihe von Vorteilen. Insbesonders wird der Ventilkörper
im kritischen Oeffnungsbereich durch das Zusammenwirken zweier Ventilsitze weitgehend
stabilisiert, sodass dadurch auch die Schwingungsneigung beseitigt ist. Durch den
Wegfall von Dämpfungselementen ist das erfindungsgemässe Regelventil trägheitsarm.
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Gemäss einer weiteren Ausgestaltung kann der Ventilkörper ein weiteres,
als Ventilkegel ausgebildetes Schliessteil aufweisen, wobei beide Ventilkegel zusammen
mit dem im Strömungsweg des ersten Ventilsitzes angeordneten Prallkörper an einem
Schaft angeordnet sind. Diese Anordnung stellt einen kompakten Ventilkörper dar,
welcher der Forderung nach einer kompakten Bauweise des ganzen Regelventils entgegenkommt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann darin bestehen, dass
die Einlasseiten beider Ventilsitze an eine gemeinsame Einlasskammer angrenzen,
wodurch die Strömung in zwei Teilströme aufgeteilt wird. Eine solche Anordnung für
zwei parallele Teilströme gestattet eine beliebige Aufteilung der Teilströme, um
damit die angestrebte Regelcharakteristik optimal zu erreichen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann darin bestehen, dass
der Ventilkörper bei freigegebenen Ventilsitzen ein innen und aussen umströmter
Hohlkörper ist. Die beiden dadurch erzielten Teilströme verlaufen parallel zueinander,
so dass bei dieser Anordnung keine Umlenkung der Strömung erforderlich ist. Der
Prallkörper kann hierbei im Strömungsraum des äusseren und/oder inneren Teilstromes
angeordnet und durch quer zur Strömungsrichtung am Hohlkörper angeordnete Prallflächen
gebildet sein. Die gewünschte Regelcharakteristik lässt sich durch die Anordnung
der Prallkörper beeinflussen.
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Um eine mit zunehmendem Oeffnungshub veränderliche Wirkung des Prallkörpers
zu erzielen, kann der Prallkörper in einem in Richtung der Strömung einen variablen
Querschnitt aufweisenden Strömungskanal angeordnet sein. Durch die Ausbildung des
variablen Strömungskanals kann das Regelventil
an flüssige oder
gasförmige Medien angepasst werden. Wenn der variable Querschnitt in Strömungsrichtung
des Schliessteils abnimmt, wird dadurch bei flüssigen Medien mit zunehmendem Oeffnungshub
eine gesteigerte Wirkung des Prallkörpers erzielt.
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Anhand der Zeichnungen sind Beispiele des Erfindungsgegenstandes näher
erläutert. Es zeigen Fig. 1 ; ein schematisch dargestelltes Regelventil mit zwei
an einem Schaft angeordneten Ventilkegeln und Fig. 2 : ein Regelventil mit einem
als Hohlkörper ausgebildeten Ventilkörper.
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Das in der Fig. 1 schematisch dargestellte Regelventil weist ein zylindrisches
Gehäuse 11 mit einem koaxial angeordneten Zuflussstutzen 12 und einem ebenfalls
koaxial angeordneten, dem Zuflussstutzen 12 gegenüberliegenden Abflussstutzen 13
auf. Dem Zuflussstutzen 12 benachbart ist innerhalb des Gehäuses 11 ein erster Ventilsitz
14 und koaxial zu diesem, jedoch in Richtung des Abflussstutzens 13 versetzt ein
zweiter Ventilsitz 15 angeordnet. Der zweite Ventilsitz 15 weist einen kleineren
Durchmesser als der erste Ventilsitz 14 auf.
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Ein Pfeil 16 bezeichnet die Einlasseite des ersten Ventilsitzes 14
und ein Pfeil 17 diejenige des zweiten Ventilsitzes 15. Die Einlasseiten 16, 17
sind den einander abgewendeten Seiten der sich gegenüberliegenden Ventilsitze 14,
15 zugeordnet. Beide Einlasseiten 16, 17 grenzen an eine mit
dem
Zuflussstutzen 12 verbundene Einlasskammer 18. Die Auslasseiten beider Ventilsitze
14, 15 sind einander zugewendet und grenzen an eine mit dem Abflussstutzen 13 verbundene
Auslasskammer 19.
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Dem ersten Ventilsitz 14 ist ein erster Ventilkegel 20 und dem zweiten
Ventilsitz 15 ist ein zweiter Ventilkegel 21 zugeordnet. Beide Ventilkegel 20, 21
sind koaxial mit einem Schaft 22 verbunden, der gegenüber dem ersten Ventilkegel
20 in Richtung des Zuflussstutzens 12 verlängert ist. Auf diese Verlängerung 23
ist stirnseitig koaxial ein scharfkantiger Prallkörper 24 angeordnet. Dem Abflussstutzen
13 benachbart ist im Gehäuse 11 eine die Einlasskammer 18 von der Auslasskammer
19 trennende Trennwand 25 quer zur Achsrichtung angeordnet. Auf dieser Trennwand
25 ist eine, auf den Schaft 22 in Richtung des Zuflussstutzens 12 eine Kraft ausübende
Schraubenfeder 26 abgestützt. Diese Feder 26 kann dabei in einen Hohlraum des Schaftes
22 eingreifen. Ueber den Schaft 22 wird die Kraft der Feder 26 auf die Ventilkegel
20, 21 in deren Schliessrichtung übertragen. Der erste Ventilkegel 20 verschliesst
dabei den ersten Ventilsitz 14 von seiner Auslasseite und der zweite Ventilkegel
21 verschliesst dabei den zweiten Ventilsitz 15 von seiner Einlassseite 17.
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Dem ersten Ventilsitz 14 ist auf seiner Einlasseite 16 ein in Richtung
der Strömung einen variablen Querschnitt aufweisender Strömungskanal 27 vorgeschaltet.
Der Strömungskanal 27 ist trichterförmig ausgebildet, sodass sein Querschnitt in
Richtung der Einlasseite 16 des Ventilsitzes 14 abnimmt. Koaxial innerhalb dieses
Strömungskanals 27 befindet
sich der Prallkörper 24.
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Im folgenden Abschnitt wird die Funktionsweise des in der Fig. 1 dargestellten
Regelventils beschrieben. In der Ruhestellung, d.h. ohne Strömungsdruck, sind die
durch die Ventilsitze 14, 15 und die Ventilkegel 20, 21 gebildeten Ventilöffnungen
durch die Kraft der Feder 26 verschlossen.
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Sobald die durch den Druck des zu regelnden Mediums auf die Ventilkegel
20 und 21 ausgeübte, resultierende Kraft die Kraft der Feder 26 übersteigt, beginnt
der aus den Ventilkegeln 20, 21 und dem Schaft 22 gebildete Ventilkörper zu öffenen.
In der Folge strömt das Medium durch den Zuflussstutzen 12, die Einlasskammer 18,
durch die in Strömungsrichtung parallel angeordneten Ventilöffnungen 14, 20 und
15, 21, durch die Auslasskammer 19 und den Abflussstutzen 13. Die Aufgabe des Regelventils
ist es, das Druckgefälle zwischen dem Zuflussstutzen 12 und dem Abflussstutzen 13
unabhängig von der Durchflussmenge konstant zu halten. Um diese Aufgabe zu erfüllen,
muss der Ventilkörper 20, 21, 22 in Abhängigkeit von der Durchflussmenge, entgegen
der Kraft der Feder 26 mehr oder weniger öffnen.
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Der im Strömungskanal 27 angeordnete Prallkörper 24 wirkt durch den
Druck des strömenden Mediums in Oeffnungsrichtung.
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Da der Querschnitt des Strömungskanals 27 in Oeffnungsrichtung abnimmt,
nimmt die Wirkung des Prallkörpers 24 in Oeffnungsrichtung zu, da durch den abnehmenden
Querschnitt die Strömungsgeschwindigkeit und damit der auf den Prallkörper ausgeübte
Druck erhöht wird. Dieser in Oeffnungsrichtung zunehmende Druck wirkt der zunehmenden
Kraft der Feder 26 entgegen. Durch die in Oeffnungsrichtung zunehmende Kraft des
Prallkörpers 24 kann die zunehmende Spannung der
Feder 26 sogar
überkompensiert werden. Eine solche Ueberkompensation bewirkt eine stärkere Oeffnung,
als sie normalerweise der Durchflussmenge entsprechen würde. Da aber bei einer grossen
Durchflussmenge der Reibungswiderstand innerhalb des Ventils stärker in Erscheinung
tritt, können auch die dadurch entstehenden Druckverluste weitgehend kompensiert
werden, so dass das beschriebene Regelventil innerhalb eines grossen Durchflussbereiches
ein konstantes Druckgefälle gewährleistet.
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In Fig. 2 ist ein Regelventil mit einem als Hohlkörper ausgebildeten
Ventilkörper im Schnitt dargestellt. Ein etwa rohrförmiges Gehäuse 30 weist eine
Zuflusseite 32 und gegenüberliegend eine Abflusseite 33 auf. Zum Einbau in einer
Rohrleitung können die Anschlusseiten 32 und 33 mit Innengewinden ausgerüstet sein.
Der Zuflusseite 32 benachbart ist koaxial innerhalb des Gehäuses an radial verlaufenden
Stützen 34 ein Körper 35 angeordnet. Die der Zuflusseite 32 zugekehrte Seite des
Körpers ist halbkugelförmig ausgebildet. Die in Achsrichtung der halbkugelförmigen
Seite entgegengesetzte Seite weist eine quer zur Achsrichtung liegende Fläche auf.
In diesem Körper 35 ist in einer ):koaxial ausgerichteten Bohrung ein Schaft 36
eingesetzt, dessen freies Ende der Abflusseite 33 zugekehrt ist. Auf den Schaft
36 ist ein als Ventilkörper 37 wirkender Hohlkörper axial verschiebbar aufgesetzt.
Der Hohlkörper 37 weist in Richtung des gehäusefesten Körpers 35 einen zylinderförmigen
Bereich 38 auf, dem sich in Richtung der Abflusseite 33 eine trichterförmige Erweiterung
anschliesst. Die trichterförmige Erweiterung ist als erster Ventilkegel 39 ausgebildet
und wirkt mit einem gehäusefesten ersten Ventilsitz 40 zusammen.
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Das freie Ende des zylinderförmigen Bereiches 38 des Ventilkörpers
37 ist als Schliessteil 41 ausgebildet und wirkt mit einem gehäusefesten zweiten
Ventilsitz 42 zusammen, der auf der, dem Ventilkörper 37 gegenüberliegenden Fläche
des Körpers 35 angeordnet ist.
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Der Durchmesser des Ventilkörpers 37 ist so bemessen, dass zwischen
seiner Mantelfläche und der Innenwand des Gehäuses 30 ein erster Strömungskanal
43 und zwischen seiner Innenfläche und dem Schaft 36 ein zweiter Strömungskanal
44 gebildet ist. Innerhalb des zweiten Strömungskanals 44 befinden sich radial angeordnete
und als Prallflächen wirkende Stege 45, die den Ventilkörper 37 mit einer auf den
Schaft 36 gleitenden Führungsbuchse 46 verbindet. Auf die Führungsbuchse 46 drückt
eine, in Schliessrichtung des Ventilkörpers 37 wirkende, auf dem Schaft 36 angeordnete
und sich an gekonterten Muttern 47 am Ende des Schaftes 36 abstützende Schraubenfeder
48.
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Auf der Mantelfläche des Ventilkörpers 37 im zylindrischen Bereich
38 sind Prallflächen 49 radial angeordnet, die in den ersten Strömungskanal 43 hineinragen.
Im Bereich dieser Prallflächen 49 weist der Strömungskanal 43 in Oeffnungsrichtung
des Ventilkörpers 37 einen abnehmenden Querschnitt 50 auf. Der Bereich dieses abnehmenden
Querschnittes 50 ist durch einen in Strömungsrichtung abnehmenden Innendurchmesser
des Gehäuses 30 gebildet und befindet sich auf der Einlasseite des ersten Ventilsitzes
40, von dem er durch einen kurzen zylindrischen Bereich 51 getrennt ist.
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Im Anschluss an den ersten Ventilsitz 40 in Strömungsrichtung weist
das Gehäuse 30 einen grösseren Durchmesser als der zylinderförmige Bereich 51 auf.
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Die Wirkungsweise entspricht weitgehend derjenigen, die bereits zu
Fig. 1 beschrieben wurde. In der Ruhestellung dieses Regelventils sind die durch
den ersten Ventilkegel 39 und den ersten Ventilsitz 40 gebildete Durchflussöffnung
und die durch das Schliessteil 41 und den zweiten Ventilsitz 42 gebildete zweite
Durchflussöffnung durch die Kraft der Feder 48 geschlossen. Der Ventilkörper 37
beginnt zu öffnen, sobald die durch den Druck des Mediums auf ihn in Oeffnungsrichtung
ausgeübte Kraft die Kraft der Feder 48 übersteigt. Durch die Oeffnungsbewegung werden
die beiden Durchflussöffnungen 39, 40 und 41, 42 gleichzeitig geöffnet. Die Strömung
verteilt sich auf beide Strömungskanäle 43, 44. Bei zunehmendem Oeffnungshub gelangt
der durch die Prallflächen 49 gebildete Prallkörper im ersten Strömungskanal 43
in den Bereich des abnehmenden Querschnittes 50. Durch den abnehmenden Durchflussquerschnitt
zwischen den Prallflächen 49 und dem Bereich 50 erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit
in diesem Bereich und übt auf die Prallflächen 49 eine zunehmende Kraft in Oeffnungsrichtung
aus. Diese zunehmende Kraft kompensiert die in Oeffnungsrichtung zunehmende Spannung
der Feder 48, sodass durch eine entsprechende Bemessung der Prallflächen 49 und
dem Bereich 50 des Strömungskanals 43 eine konstante Regelkennlinie erzielbar ist.
Die Stege 45 innerhalb des zweiten Strömungskanals 44 können ebenfalls als Prallflächen
ausgebildet sein, um die auf den Ventilkörper 37 in Oeffnungsrichtung wirkende Kraft
zu verstärken. Durch eine entsprechende Bemessung der Prallflächen 45 und 49 kann
die zunehmende Spannung der Feder 48 auch überkompensiert werden, um infolge des
zunehmenden Reibungswiderstandes bei grosser Durchflussmenge ein konstantes Druckgefälle
zu erzielen.
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Die Ausbildung des Stellorgans als Sitzventil mit koaxial versetzten
Ventilsitzen unterschiedlichen Durchmessers bringt gegenüber einem einfachen Sitzventil
eine Reihe von Vorteilen. Da die vom Differenzdruck beaufschlagte wirksame Fläche
(Differenz der beiden Sitzquerschnitte) kleiner ist, ist bei gleichem Differenzdruck
auch die benötigte Federkraft geringer. Bei gleichem Platzbedarf lässt sich daher
eine Feder verwenden, welche bei gleichem Hub eine geringere relative Zunahme der
Federkraft aufweist und damit einen kleineren Anstieg des Druckabfalles über dem
Ventilsitz zur Folge hat. Bezogen auf den Durchfluss ist die Zunahme noch um einen
Faktor geringer, da wegen des grösseren Oeffnungsquerschnittes beim Doppelsitzventil
der benötigte Hub kleiner ist. Insgesamt ergibt sich somit eine erheblich kleinere
Zunahme einer zudem im Betrag kleineren Federkraft, sodass eine entsprechend kleine
Kompensationskraft genügt, um den Druckabfall über dem beweglichen Teil bei zunehmendem
Durchfluss konstant zu halten. Zweckmässigerweise ist die Kompensationskraft etwas
grösser zu machen, um damit auch den mit zunehmendem Durchfluss ansteigenden Druckabfall
an den festen Teilen zu kompensieren und damit den Gesamtdruckabfall über dem Gerät
konstant zu halten.
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Auch bezüglich der Stabilitätsprobleme bei kleinen Durchflüssen zeigt
das Doppelsitzventil wesentliche Vorteile.
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Ursache der Instabilität bei Geräten mit einfachen Ventilsitzen sind
die strömungsbedingten Unterdrücke in der Sitzzone und, je nach Ausbildung letzterer,
auch die Abnahme der beaufschlagten Fläche beim Oeffnen, welche eine Verminderung
der Kraft in Oeffnungsrichtung und damit eine Bewegung in Schliessrichtung bewirken.
Bei etwas grösseren
Durchflüssen können zudem Kipp- oder Taumelschwingungen
des Schliessteils auftreten. Da sich die Anforderungen an die Ausbildung der Sitz
ozone zur Vermeidung der erwähnten Instabilitäten weitgehend widersprechen, ist
das Erreichen einer befriedigenden Lösung bei Ventilen mit einfachem Ventilsitz
schwierig. Bei einem Sitzventil mit zwei koaxial versetzten Ventilsitzen sind die
Verhältnisse wesentlich günstiger, weil hier eine Kippbewegung des einen Schliessteils
eine seitliche Auslenkung des anderen Schliessteils hervorruft und damit einer erheblich
stärkeren hydrodynamischen Dämpfung unterworfen ist. Wegen der geringen Neigung
zu Kipp- und Taumelschwingungen im Oeffnungsbereich besteht eine grössere Freiheit
in der Gestaltung der Sitzzonen, sodass die Möglichkeit besteht, die Abnahme der
beaufschlagten Fläche beim Oeffnen klein zu halten. In einigen Ausführungsformen
besteht beim Doppelsitzventil zudem die Möglichkeit, die beim Oeffnen beaufschlagte
Differenzfläche konstant zu halten oder gar zunehmen zu lassen, was dadurch erreichbar
ist, dass man beim Ventilsitz mit den kleineren Abmessungen durch entsprechende
Ausbildung der Sitz zone die beim Oeffnen beaufschlagte Fläche stärker abnehmen
lässt.
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Da bei vielen Anwendungen absolute Dichtheit nicht erforderlich ist,
oder wegen der Verschmutzung des strömenden Mediums ohnehin nicht zu erreichen ist,
besteht beim Doppelsitzventil zudem die Möglichkeit, durch minimale Längenunterschiede
das Schliessteil nur an einem der beiden Sitze abdichten zu lassen. Dadurch wird
der Nenndruck (Druckgefälle) erst von einem gewissen Durchfluss an erreicht und
damit eine lokal fallende Charakteristik beim Oeffnen vermieden.