DE2837149C2 - Kondensatablaßventil - Google Patents

Description

' Die Erfindung bezieht sich auf ein KondcnsalaMaßvcntil für Drucktanks oder dergleichen, bei denen das Verhältnis P_xIP₁, zwischen Tankinnendruck und Außendruck größer oder gleich dem Quadrat des kritischen Druckverhältnissss für Luft ist.
Von komprimiertem Gas wird wasserhaltiger Dampf zu Wasser kondensiert, das in Tanks oder Abscheidern eines

,_s Kompressors verbleibt und mit Maschinenöl gemischt ist. Dieses Kondensat o. dgl. muß abgelassen werden, da es

" beispielsweise bei pneumatischen Werkzeugen und Maschinen oder in Spritzlackiergebläsen zu erheblichen Störungen führen kann. Zu diesem Zweck sind verschiedene Arten von Ablaßhähnen bekannt, von denen die meisten Schwimmkörper verwenden. Wenn allerdings ein ölrcicher oder schmutziger Abfluß hindurchfließl. behindert die Viskosität des Öls oder des Schmutzes die Schwimmkörper an der Bewegung. DeshaK/-sind automatische Ablaßhäh-

_w ne, die Schwimmkörper als Anzeigevorrichtung für den Flüssigkeitsspiegel verwenden, wenig zuverlässig.

Das Kondensatablaßventil gemäß der Erfindung basiert aufeiner neuen und sorgfältig ausgearbeiteten Methode, die davon ausgeht, ob Luft oder Wasser in einem Rohr strömt. Luft unterscheidet sich von Wasser in den physikalischen Eigenschaften, beispielsweise im spezifischen Gewicht, spezifischer Wärme. Viskosität. Komprimierbarkeit. Wärme- und elektrische Leitfähigkeit usw. erheblich. Obwohl das spezifische Gewicht der auffallendste

_1S Unterschied zu sein scheint, ist es tatsächlich schwierig, den Unterschied des spezifischen Gewichtes von Luft und " Wasser außer durch Schwimnikörpercinrichlungcn anzuzeigen.

Die Erfindung gehl demgegenüber erstmalig von der »Komprimierbarkeit« zur Unterscheidung von Luft und Wasser aus. Unter normalen Bedingungen ist Luft komprimierbar und Wasser nicht komprimierbar. Die Erfindung nutzt die Tatsache aus. daß der L'nterschied der Komprimierbarkeit in bestimmten Fällen Auswirkungen zeigt. Aus

_M} einer Düse oder Ausflußöffnunj: ausströmende Luft stellt nach Auffassung des Erfinders ein kritisches Phänomen dar. Wenn Wasser aus einer Düse ausströmt, ist die Geschwindigkeit V proportional \/ΊΡ, -P₂- wobei P_x der Druck in einer ersten Kammer und P₁ der Druck in einer zweiten Kammer ist.

Steigt der erste Druck P_x. wächst auch die Geschwindigkeit V. Da die Luft nun ein komprimierbarcr Stoff ist, existiert ein kritisches Druckverhältnis P₁IP₁. Wenn /',//',dieses kritische Druckverhältnis überschreitet, steigt die Geschwindigkeit nicht weiter an. sondern bleibt bei der kritischen Geschwindigkeit stehen, die der Schallgeschwindigkeit entspricht. Das kritische Druckvcrhällnis ist nur abhängig vom Verhältnis der spezifischen Wärme unter einem konstanten Druck Cp zu derjenigen unter einem konstanten Volumen Cr. Für Luft ist das kritische Druckverhältnis P_xIP₁ ihcorctisch errechnet mit 1.89.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß. wenn zwei Düsen oder Ausllußöffnungen hintereinander

J₀ angeordnet sind und drei verschiedene Räume, deren Druck P_x. P₂ und P₃ ist, durch zwei Düsen oder Ausnußöffnungen verbunden sind, an der ersten und der/weilen AusfluMöffnungloder Düse) eine Asymmetrie auftreten muß. Wenn nämlich das Verhältnis P₁IP_x größer ist als 3,59, was dem Quadrat des kritischen Uruckverhältnisses entspricht, so übersteigen die beiden Verhältnisse P_x, P₁ und P₁IP) nicht gleichzeitig den kritischen Wert von 1.89. Wenn P_xIP₃ größer ist als 3.59. muß das zweite Druckvcrhällnis P₁IP₃ den kritischen Wert 1,893 übersteigen, aber

jj das erste Druckverhällnis P₁IP₁ muß in einem Bereich unter 1.893 bleiben. Dann ist auch der zweite Druck P₂ nicht der Mittelwert von P_x und P₃. sondern größer als der Mittelwert.

Es bedarf hier der Erklärung einiger Zusammenhänge aus dem Gebiet der Hydrodynamik. Für komprimierbare Stoffe gill die Bernoulli-Glcichung

*" ^r+/'. /> = constant (I)

— Λ — ]

wobei ρ das spezifische Gewicht, r die Geschwindigkeit. /^Jder Druck und Ä'cin Vcrhiillnis von spezifischer Wärme unter einem konstanten Druck C'/i /u demjenigen uniier einem konslanleii Volumen Cr ist. Dieses Verhältnis A' M beträgt bei Luft 1.4. Unter aliphatischen Verhältnissen gilt

P = E ο Κ (2)

wobei /feine Konstante ist.

Wenn Luft von einem ersien Raum durch eine Ausflußöflnung in einen zweiten Raum strömt, errechnet sich die iurchflußmenge Q nach Gleichung (1) und Gleichung (2) (im ungesättigten Zustand) zu

vobei P₁ der Druck des ersten Raumes, P₂ derjenige des zweiten Raumes, y, das spezifische Gewicht im ersten *aum. C eine hydrodynamische Konstante und A ein Querschnitt der AusllußölTnung ist.

Ein Maximum von Q erhält man, indem man Q nach P₁ dilTerenzien und die 1. Ableitung=O setzt. Ein kritisches Verhältnis von P₁JP₁ erhält man gemäß

^P-±J ²-

P₁ \K+\

15

Für Luft ist K= 1,4. Das kritische Verhältnis errechnet sich zu 1,89. Die Geschwindigkeit r wird

1*5.

V ei

(5)

was der Schallgeschwindigkeit entsprichi. Selbsi wenn P₂ unter den kritischen Wer! absinkt, kann die Suömungsgeschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit nicht übe.-äteigen, sondern bliebt konstant, und Q ist ebenfalls konstant. Es gilt

wobei Q unabhängig von P₁ ist (gesättigter Zustand).

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung, bei der die Gleichungen (3) und (6) gleichzeitig miteinander vereinbar gegeben sind. Sie weist zwei AusflußöfThungen und drei Räume auf. die durch die AusflußöfTnungen miteinander verbunden sind. Der Druck innerhalb der drei Räume ist mil P₁. P₁ und P₃ bezeichnet, und die Querschnitte der beiden Ausflußöffnungen werden als gleich groß vorausgesetzt. Wegen der Erhaltung der Durchflußmenge gilt

L UJ \\

wobei im rechten Ausdruck P₁ und Q₁ durch P₁ und Q₁ von Gleichung (6) ersetzt sind. Die Gleichung (7) ist ein™ symbolische Gleichung über die erfindungsgemäße Erkenntnis. Selbst wenn P_xIP₃ viel größer ist als 3,59 - das ^₀ Quadrat des kritischen Verhältnisses , so ist das erste Verhältnis PJP₁ stets kleiner als 1.893. aber das zweite Verhältnis P₂IP₃ ist stets größer als 1,893. Somit ist ein asymmetrischer Zustand gegeben.

Der dazwischenliegende Druck P₂ ist größe» als der Mittelwert von P₁ und P₃. Aus Gleichung (7) folgt:

Ϊ

W ^{+ I}/ J

Für Luft mit K= 1,4 gilt

ρ

p¹-1.25 (9)

P₃ ist ein Außendruck und entspricht im Normalfall 1 atm. P₁ ?:.ann beispielsweise der Innendruck eines Kompressors sein, dessen optimaler Bereich bei 4~ lOatm. liegt.
Wenn andererseits Wasser durch die Vorrichtung fließt, erfordert die Erhaltung der Durchflußmenge

CA γ P_x -P₁ = CA]Jp₂ - P₃ (10)

Ρι = ¹ ₂(Ρ_χ + Ρ>) (.1)

Vergleicht man die Gleichung (9) und (II), so ergibt sich, daß der dazwischenliegende Druck P₁ von Luft signifikant größer ist als der dazwischenliegende Druck P₂ von Wasser. Die Differenz ergibt sich zu

P₂ (Luft)-/',(Wasser) = ·-'-■ - | (/', + />,) = 0,3/>, -0,5 P₃ (12)

f>5

Wenn Ρ_λ = I aim. ist. ergibt sich

0.3 P₁- 0.5 (aim) (13)

< Diese hydrodynamischen Berechnungen sind durch einsprechende Experimente unlerimiucrl.

Zur praktischen Auswertung der vorstehend erlüutcrtcn [Erkenntnisse soll das Kondensalablaßvenlil der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung derart ausgebildet sein. daß /wischen der Einlaßöffnung und der AuslaßölT-nung ein Verbindungsraum und je ein Ventilkörper für diese Öffnungen an zwei getrennten Kolben angeordnet ist und daß die Vorderseite der die Kolben aufnehmenden Zylinderkammern miteinander und mit einer weiteren

in Einlaßöffnung verbunden sind, daß die Rückseite der Zylinderkainmerdesals Diflcrentialkolben ausgebildeten, der Auslaßöffnung zugeordneten Kolbens mit dem Verbindungsraum sowie mit einer EntlastungsölTnung verbunden ist. die durch einen am anderen Kolben angeordneten, den Ventilkörper gegenüberliegenden Ventilkörper verschließbar ist und daß der Kolben durch eine in der rückseitigen Zylinderkammer angeordnete Druckfedereinrichtung in Schließstellung des Ventilkörpers vorgespannt ist. wobei die Abmessungen der Einlaßöffnung und der

ι? Auslaßöffnung so gewählt sind, daß das Druckvcrhültnis PJP₂ der Drucke P₁ vor der Einlaßöffnung und P₁ im Verbindungsraum kleiner und das Druckverhältnis P₁IP) größer als das kritische Druckverhältnis sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fie. 1 eine Seitenansicht einer Komprcssoranlugc. die mit einem erfindungsgemäßen Kondcnsatablaßventil :« versehen ist,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Kondensatablaßvenlil.

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Anwachsens des Rückstandes in einem Tank der Komprcssoranlagc. Fig. 4 ein Diagramm des experimentell ermittelten Anstieges des Druckes vor der Einlaßöffnung auch im Verbindungsraum und
:< Fig. 5 einen Querschnitt durch zwei AusflußöfTnungcn, wie sie experimentell verwendet wurden.

Der Durchmesser der AusflußöfTnungcn beträgt 5 mm. und der Durchmesser der zweiten Kammer beträgt 11.5 mm. Der erste Druck P₁ wurde auf 2 kg/cm² bis 8 kg/cm² lcslgc&ri/t.

In Fig. 1 ist ein Tank 100 dargestellt, der komprimierte Luft und einigen Rückstand enthält. Ein Kompressor 101 Vi wird von einem Motor 102 angetrieben. 103 ist ein Entlastungsventil oder ein elektromagnetisches Absperrglied. Unter dem Tank 100 ist ein automatisches Ablaßventil 1 angebracht. Leitungsrohre 104 und 105 verbinden den Kompressor 101 mit dem Absperrglied 103 und dem automatischen Ablaßventil I.

Wie in Fig. 2 dargestellt, weist das automatische Ablaßventil 1 in einem Gehäuse zwei Kolben 3 und 4 mit den Federn 9 und 9" sowie mehreren 0-Ringcn 24 bis 29 zur Abdichtung auf. In dem Gehäuse sind hintereinanderlicgend J5 eine Einlaßöffnung 2. ein Verbindungsraum 8 und eine Auslaßöffnung 7 vorgesehen. Die Einlaßöffnung 2 und die Auslaßöffnung 7 sind durch Bohrungen 5 und 6 mit dem Verbindungsraum 8 verbunden.

In einer zylindrischen Kammer 17 und 18 des Gehäuses ist ein erster Kolben 3 horizontal bewegbar gelagert. Ein konisch geformter Ventilkörper 30 an dem Kolben 3 öffnet oder schließt die Einlaßöffnung 5. Ein konisch geforrnier hinlerer Ventilkörper 33 dieses Kolbens3 dient zum öffnen oder Schließen einer Enllastungsöffnung 13. Die Federn ■to 9 und 9' wirken ständig auf die Rückseite 32 des Kolbens 3 und drücken diesen nach vorn. Demgegenüber wirkt auf die Vorderseite 31 des Kolbens 3 zeitweilig die Kraft eines unter hohem Druck stehenden Stoffes, der in die Vorkammer 17 eingeleitet wird.

Der zweite Kolben 4 ist in einer zylindrischen Kammer 15 und 11 verschiebbar gelagert, wobei der Durchmesser der hinteren Kammer 11 größer ist als derjenige der vorderen Kammer 15. Der Ventilkörper 40 dieses Kolbens 4 j« greift in die Auslaßöffnung 6 ein.

Ein Vorsprung 30' des Gehäuses und ein Vorsprung 43 des Kolbens 4 begrenzen dessen Bewegungsspielraum. Die beiden vorderen Kammern 17 und 15 sind durch einen Kanal 16 verbunden. Die Kammer 15 führt in eine Anschlußbohrung 14.

Der Verbindungsraum 8 ist mit der hinteren Kammer 11 für den Kolben 4 durch einen Verbindungskanal 10 ?n verbunden. Ein Kanal 12 führt von der hinteren Kammer 11 zu der EntlastungsölTnung 13. Am Ende des Verbindungsraums 8 ist eine Schraube 19 angeordnet. Die 0-Ringe um die beiden Kolben 3 und 4 bewirken einer luftdichten oder wasserdichten Zustand. Die Anschlußbohrung 14 ist durch das Leitungsrohr 105 mit dem Absperrglied 103 verbunden. Die Einlaßöffnung 2 führt in den Innenraum des Tanks 100. Auf der anderen Seite führt die Auslaßöfinung7 in einen Außenraum. Der Druck im Tank 100 wird mil P₁, der Druck im Verbindungsraum 8 mit P₁ und der Druck im Außenraum mil P, bezeichnet.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung wird im folgenden erläutert: Wenn der Kompressor 101 in Betrieb ist, ist das Absperrglied 103 geschlossen. Kein Leitungssignal wird an das Ventil i gegeben, und beide Abflußöffnungen 5 und 6 sind durch die Kolben 3 und 4 geschlossen.

Wird der Motor stillgesetzt, öffnet sich das Absperrglied 103, und das komprimierte Gas im Kompressor 101 «ι strömt durch die Leitungsrohre 104 und 105 in das Ablaßventil 1. Das komprimierte Gas gelangt durch die Anschlußbohrung 14 in die vordere Kammer IS für den Kolben 4 und die vordere Kammer 17 für den Kolben 3 und drückt beide Kolben 3 und 4 zurück. Es sind dann beide Abflußöffnungen 5 und 6 geöffnet, andererseits ist die EntlaslungsöfTnung 13 geschlossen.

Durch die mit dem Tank 100 verbundene Einlaßöffnung 2 tritt nun der im Tank 100 angesammelte Rückstand in ft5 den Verbindungsraum 8 ein und kann durch die Auslaßöffnung7 in einen Außenraum abfließen. Da das abfließende Medium über den Verbindungskanal 10 in die hintere Kammer 11 gelangt, die EntlaslungsöfTnung 13 aber geschlossen ist. wird potentiell der zweite Kolben 4 durch den in der hinteren Kammer 11 wirkenden Druck P₁ nach vorne bewegt.

Wk· bereits erwähnt, gill bei fließendem Medium

weil der Rückstand aus Wasser und Öl besteht, also aus niehl kompnmiorbarcn Stoffen. Die resultierende Kraft /·'. die auf den /weilen Kolben 4 wirkl. ist gegeben durch die Gleichung

F=A_xP_x-A₁P₁ (15)

und isl rückwärts gerichtet, wobei A_x und A₁ Querschnitt der Vorderlläche41 und der RücklläL'hc42dcs Kolbens 4 sind. A_x ist kleinerals,4₂,aber P_x ist viel gröber als P₁. Die resultierende Krall Fisl positiv, und der Kolben 4 wird in der äußersten rückwärtigen Stellung gehallen. 1st der gesamte Rückstand abgelaufen, beginnt komprimierte Luft in das Abflußventil 1 zu strömen. Da das Verhältnis P_xIP_x größer als .1,56 und Luft komprimierbar ist, ist der Durchfluß an der ersten Ausllußöffnung 5 normal (oder ungesättigt), aber der Durchfluß an der zweiten AusfluPölT-nung6 wird anomal (oder gesättigt). Rs entsteht Asymmetrie. Die Geschwindigkeit an der /weiten Ausllußöffnung 6 ist in Höhe der Schallgeschwindigkeit festgelegt. Die zweite AusfluUöffnung 6 ist praktisch gedrosselt, die erste Ausflußöffnung ist dagegen niemals gedrosselt. Der Druck P₂ wächst auf den oben erwähnten Wert

P₁ = P_x /1,25 =0,8P_x. (toi -"

das ist größer als P₁ (Wasser). Der Druck in der hinleren Kammer il steigt an, die Kraft A₂ P₁. die den Kolben nach vorne drückt, übersteigt die Steuerkraft A_x P_x. Infolgedessen wird die resultierende, rückwärts gerichtete Kraft negativ. Der Kolben 4 bewegt sich nach vorn und schließt die AusfluUölTnung 6. Da die komprimierte Luft im Tank 100 nicht mehr entweicht, einfallt der Leilungsdruck /',. Damit verschiebt sich auch der erste Kolben 3 nach vorn ~ und schließt die Ausflußöffnung 5. Dabei öffnet sich die Hntlastungsöffnung 13. und der restliche Rückstand im Ventil wird durch die öffnung 13 abgelassen. Damit isl der Ausgangszustand wieder hergestellt.

In diesem Beispiel wird der Steuerdruck durch ein Entlastungsventil oder ein elektromechanischen Absperrventil eingeleitet, das gleichzeitig mit dem Betrieb des Kompressors arbeitet. Jedesmal, wenn der Kompressor stillgesetzt wird, entleert sich der gesamte Rückstand. Jedoch isl die Abflußmenge proportional zur Betriebszeit, wie in Fig. 3 ^w dargestellt ist, wo ein Kompressor von 10 HP. die Raumtemperatur 40 C. die Luftfeuchtigkeit 80% und der Druck im Tank 7 kg/cm² zugrundegclegt worden sind. Wenn eine Beiriebszeit nicht allzu lang isl, erfolgt der Abfluß automatisch, bevor er zu Störungen führt.

Das Ablaßventil gemäß dieser Erfindung nutzt die Druckdifferenz von Luft und Wasser, die in einem zwischen zwei öffnungen liegenden Verbindungsraum auftritt, zur Betätigung des Ventils. Die Druckdifferenz P₁ (Luft) ^Ji - P₂ (Wasser) ist sehr viel größer als der Auftrieb, der auf einen Schwimmkörper wirkt. Die maximale Auftriebsdifferenz von Luft und Wasser ist gleich dem Volumen des Schwimmkörpers, multipliziert mit dem spezifischen Gewicht des Wassers, d. h.

wobei A und h Querschnitt und Höhe des Schwimmkörpers sind. Das Verhältnis (/:,/) ist ungefähr P/i>h. P ist ein Mehrfaches von IO m Wassersäule, (j/i entspricht dagegen nur ein paar Zentimeter Wassersäule. Das Verhältnis (F//') geht in die Tausendc. Damit ist dieses Ablaßventil völlig unempfindlich gegen Störungen durch den dickflüssigen, ölreichen oder schmutzigen Rückstand. Da jede Vorrichtung, die einen Schwimmkörper aufweist, dann Störungen ausgesetzt ist. wenn sie sich in Schrägslellung befindet, und gegen äußere Erschütterungen empfindlich ist, weist die Erfindung demgegenüber große Vorteile auf. da die hierbei genutzte wirkende Kraft tausend- oder hundertfach so groß ist wie die Schwerkraft oder eine beliebige äußere Erschütterung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Kondensatablaßveniil lür Drucktanks ο. dgl., bei denen das Verhältnis PJP₃ zwischen Tankinnendruck und Außendruck größer oder gleich dem Quadrat des kritischen Druck Verhältnisses für Luft ist. dadurch gekennze ich net. daß zwischen der Einlaßöffnung (5) und der AuslaßölTnung (6) ein Vcrbindungsraum (8) und je ein Ventilkörper (30. 40) für diese Öffnungen an zwei getrennten Kolben (3, 4) angeordnet ist und daß die Vorderseite der die Kolben (3.4) aufnehmenden Zylinderkammern (17.15) miteinander und mit einer weiteren Einlaßöffnung (14) verbunden sind, daß die Rückseite der Zylinderkammer (11) des als Differentialkolben ausgebildeten, der AuslaßölTnung (6) zugeordneten Kolbens (4) mit dem Verbindungsraum (8) sowie mit e'ner Entlastungsöffnung (13) verbunden ist. die durch einen am anderen Kolben (3) angeordneten, den Ventilkörper (30) gegenüberliegenden Ventilkörper (33) verschließbar ist und daß der Kolben (3) durch eine in der rückseitigen Zylinderkammer (18) angeordnete Druckfedereinrichtung (9. 5 ) in Schließstellung des Ventilkörpers (30) vorgespannt ist. wobei die Abmessungen der FinliiRnffnung (5; and der Auslaßöffnung (6) so gewählt sind, daß das Druck verhältnis P_xJP₁ der Drucke P_x vorder Einlaßöffnung (5) und P₂ im Verbindungsraum (8) kleiner und das Druckverhältnis P₁IP₁. größer als das kritische Druckverhältnis sind.