DE2848361A1

DE2848361A1 - Thermisch gesteuertes ventil

Info

Publication number: DE2848361A1
Application number: DE19782848361
Authority: DE
Inventors: Pierre Ledent
Original assignee: INSTITUT NATIONAL DES INDUSTRIES EXTRACTIVES; INIEX
Current assignee: Institution Pour Le Developpement de la Gazeificat
Priority date: 1977-11-16
Filing date: 1978-11-08
Publication date: 1979-05-17
Also published as: FR2409544B1; GB2008229B; CA1087090A; FR2409544A1; BE860888A; DE2848361C2; GB2008229A; US4209065A; NL7811224A

Description

PAT E KTTAN WALTE dipl.-:ng. ALEX STENGER

D-4000 DÜSSELDORF I DIPL.-ING. WOLFRAM WATZKE

Malkastenstraße2 . 0. DIPL.-ING. HEINZ J. RING

Unser Zeichen: 19 570 Datum: 6. November 197b

INSTITUT NATIONAL DES INDUSTRIES EXTRACTIVES, Rue du Chera 200, B - 4000 Lie*ge

Thermisch gesteuertes Ventil

Die Erfindung betrifft ein thermisch gesteuertes Ventil zur automatischen Regulierung der Flüssigkeitsmenge zur Kühlung von Gasen, wie sie durch unterirdische Verschwelung von Festbrennstoff vorkommen oder durch Verbrennung vor Ort zum Abbau von ErdölVorräten anfallen.

Die unterirdische Verschwelung von Kohle sowie der Abbau von Erdölvorkommen durch Verbrennung vor Ort können mit dem Anfall von Gasen mit sehr hoher Temperatur verbunden sein. Um eine Zerstörung der Verrohrungen und eine Beschädigung ihrer Zementierung durch zu hohe Temperatur zu verhindern, ist es unerläßlich, an der Sohle des Bohrlochs arbeitende Kühlvorrichtungen vorzusehen.

Am häufigsten erfolgt die Kühlung durch Zerstäubung einer Flüssigkeit (im allgemeinen Wasser), die bei Kontakt mit dem Gas verdampft. Beim Einsatz einer derartigen Kühlung muß eine zuverlässig und schnell arbeitende Vorrichtung eine Regulierung der Kühlleistung in Abhängigkeit von den jeweiligen Erfordernissen sicherstellen können. Ist nämlich diese Leistung zu gering, so besteht Gefahr für ein Überhitzen der Verrohrung, während bei zu hoher Kühlleistung das Risiko des Eindringens von Wasser in das umgebende Gebirge gegeben ist.

809820/0693

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Aus der US-PS 3 45b 722 und der BE-PS 847 383 sind zwei Ausführungsbeispiele von thermisch gesteuerten Ventilen zur Regulierung der Kühlflüssigkeitsmenge bekannt. In beiden Fällen erfolgt die Ventilsteuerung durch unterschiedliches Dehnungsverhalten zweier konzentrischer Metallzylinder, deren Temperatur sich unter Einwirkung des Heißgasstromes ändert. Diese bekannten Ventile sind jedoch mit zwei Nachteilen behaftet: das öffnen des Ventils erfolgt ausschließlich in Abhängigkeit von der Temperatur des in die Bohrung eintretenden Gases, aber nicht seiner Menge. Nimmt die Strömungsmenge zu, so kann die Menge des eingespritzten Wassers zu klein werden, bei abnehmender Menge dagegen zu groß. Die metallische Vorrichtung, welche das öffnen des Ventils steuert, steht mit dem Gas an derjenigen Stelle, wo es am heißesten ist, in direktem Kontakt und kann beschädigt bzw. beeinträchtigt werden, wenn die Gastemperatur einen sehr hohen Wert erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes thermisch gesteuertes Ventil zu schaffen, das diese Nachteile nicht hat und eine automatische Regulierung der Kühlflüssigkeitsmenge bewirkt, damit die Temperäur des im Bohrloch hochsteigenden Gemisehs aus Gas und Dampf innerhalb eines willkürlich gewählten Temperaturbereichs bleibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das temperaturempfindliche Element aus einem metallischen Rohr von einigen Metern Länge, das in die Flüssigkeitszuleitung eingeschaltet ist und einem koaxialen metallischen Gestänge mit sehr niedrigem Dehnungskoeffizienten, dessen oberes Ende fest mit dem oberen Teil des metallischen Rohrs und dessen unteres Ende über ein Element mit veränderlichem Spiel mit dem Ventil verbunden sind.

Das Prinzip der Vorrichtung ist ausschließlich als Beispiel in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt. In den Zeichnungen zeigen:

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Fig. 1 ein Bohrloch im Längsschnittj

Fig. 2 ein im größeren Maßstab gezeichnetes thermisch

gesteuertes Ventil im Längsschnitt.

Das Bohrloch zum Auffangen des Gases ist mit einer metallischen Verrohrung 1 ausgekleidet, die über eine Zementierung von entsprechender Qualität mit dem umgebenden Gebirge verbunden ist. In der Mitte dieser Verrohrung ist ein Rohr 2 kleineren Durchmessers installiert, das der Zuführung von Kühlflüssigkeit dient, deren Verteilung an der Sohle des Bohrlochs mittels eines perforierten Rohrs 3 bzw. durch jede sonstwie geeignete Zerstäubungsvorrichtung erfolgt.

Die Vorrichtung zur Regulierung der Kühlflüssigkeitsmenge ist in einem ausreichenden Abstand von der Sohle des Bohrlochs in die Flüssigkeitszuleitung eingeschaltet, so daß das aus Gas und der Kühlflüssigkeit entstammendem Dampf bestehende Gemisch genügend Zeit zur Homogenisierung hat, bevor es die Vorrichtung erreicht.

Die Regelvorrichtung besteht aus einem metallischen Rohr 4 mit einer Innenverkleidung in Form einer Schicht 5 aus undurchläflteem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit. In der Achse des Rohres 4 befindet sich ein Gestänge 6 aus einem Nickelstahl mit niedrigem Wärmedehnungskoeffizienten (ähnlich Marke Invar).

Das Gestänge 6 und das Rohr 4 sind über eine Vorrichtung 7 aus einer bestimmten Zahl radialer Flügel und mit Anordnung nahe dem oberen Ende des Rohres 4 starr miteinander verbunden.

Am unteren Ende des Rohres 4 befindet sich ein Ventil aus einem liegenden Sitz δ, einem mit einer stumpfkonischen Fläche auf dem

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- Y-

Sitz liegenden Kopf 9 und einem Stößel 10, der in einer Führung 11 verschiebbar angeordnet ist, deren Verbindung mit dem Rohr 4 über eine bestimmte Anzahl radialer Flügel und ein vergrößertes Endstück 12 erfolgt. Der Ventilhub erfolgt mit Hilfe eines Bügels 15, der auf das Ende des Gestänges 6 aufgeschraubt ist, wobei seine Stellung je nach Erfordernis reguliert werden kann, und seine Festlegung durch eine Kontermutter 14 erfolgt.

Die solcherart aufgebaute Gesamtvorrichtung gewährleistet die automatische Regulierung der Flüssigkeitsmenge innerhalb eines frei gewählten Temperaturbereichs, dessen Wahl bestimmt wird durch die Länge des Rohrs 4 und des Gestänges 6 sowie durch entsprechende Wahl des Spiels J, das zwischen dem Endstück 12 und dem Bügel 1J> bei der Montage der Vorrichtung eingestellt wird.

Als Beispiel sei angenommen, daß die maximale Temperatur des aus Gas und Dampf bestehenden und im Bohrloch hochsteigenden Gemischs zwischen 200 und 250° C beträgt.

Hierzu muß das Ventil (8, 9) geschlossen gehalten werden, solange die Temperatur des Gases 200° c noch nicht erreicht hat, und ist so zu verfahren, daß seine größte Öffnung sich dann einstellt, wenn die Gemischtemperatur 250° C erreicht.

In Anbetracht des Vorhandenseins der Isolierschicht 5 kann zugelassen werden, daß die Temperatur des Rohrs 4 während der gesamten Zeit in der Nähe der Temperatur des Gas-Dampf-Gemisches verbleibt, das in dem von den Rohren 1 und 4 gebildeten Ringraum hochsteigt.

Da der Speisedruck der Kühlflüssigkeit, ihre Verdampfungswärme sowie die maximalen Strömungsmengen und -temperaturen, die das aus dem unterirdischen Vorkommen ausströmende Gas haben kann, bekannt sind, läßt sich der Durchmesser des Ventils (8, 9) und die maxi-

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male Öffnung E, die das Ventil zweckmäßigerweise haben sollte, damit die Temperatur des Gas-Dampf-Gemische in keinem Fall wie auch immer 250 C überschreiten kann, bestimmen.

Bei der Berechnung der Regelvorrichtung werden folgende Parameter zugrundegelegt:

L = Länge des Gestänges 6 (m);

J = Montagespiel zwischen Endstück 12 des Ventils und Bügel 15 (m);

E = max. Ventilöffnung (m)j

T = Umgebungstemperatur bei Einbau der Vorrichtung (° C);

Tj^ = mittlere Temperatur des Rohrs 4 (° C)j

Tg = mittlere Temperatur des Gestänges 6 (° C)j

= linearer Dehnungskoeffizient des Metalls des Rohrs 4

C° ο)" ι

λ= linearer Dehnungskoeffizient des Metalls des Gestänges

(° ο)" ^l

Die Ventilöffnung unter Einwirkung der unterschiedlichen Dehnung vom Rohr 4 und Gestänge 6 läßt sich durch die folgende Gleichung ausdrücken:

e = L^₄ (T₄ -T_o) -L^₆ (T₆ -T₀) -J. (1)

Soweit j^_ f- gegenüber ^_ ^ vernachläßigbar ist, vereinfacht sich die Formel (1) zu:

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₄ (T₄ - T_o) - J (2)

Wird vorausgesetzt, daß die öffnung Null betragen soll bei

Ti, = 200° C, so ergibt sich: (200 - T₀) - J - o;

und unter der Voraussetzung, daß die öffnung den Wert E bei 4

Ti₁ = 250° C erreichen soll:

(250 -T₀) - J

Aus diesen beiden Gleichungen wird abgeleitet:

_{= E}

50

Mit den Werten E = 2 mm,^ ₄ = 12.10 " ⁶ (⁰C)" ^l und T = 20° C ergibt sich:

L = -τ— = 3,33 π»

"⁶

50 χ 12.10 und

J = 2.10""⁵ χ — = 7,2.10"^m oder 7,2 mm.

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Claims

ANSPRÜCHE :

1. Thermisch gesteuertes Ventil zur automatischen Regulierung der Flüssigkeitsmenge zur Kühlung von Gasen, wie sie durch unterirdische Verschwelung von Pestbrennstoffvorkommen oder durch Verbrennung vor Ort zum Abbau von Erdölvorräten anfallen,

dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturempfindliche Element besteht aus einem metallischen Rohr (4) von einigen Metern Länge, das in eine Flüssigkeitszuleitung eingeschaltet ist, und einem koaxialen metallischen Gestänge (6) mit niedrigem Dehnungskoeffizienten, dessen oberes Ende fest mit dem oberen Teil des metallischen Rohrs (4) und dessen unteres Ende über eil Element mit veränderlichem Spiel mit dem Ventil (S, 9) verbunden sind.

2. Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als temperaturempfindliches Element dienende metallische Rohr (4) auf seiner Innenseite mit einer Schicht (5) aus einem undurchläßigen Material versehen ist, das eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.

j5. Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das axiale Gestänge (6) aus einem Metall mit niedrigem Dehnungskoeffizienten aus Nickelstahl Marke Invar hergestellt ist.

4. Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement zwischen Ventil (8,9) und dem Gestänge (6) aus Metall mit niedrigem Dehnungskoeffizienten in Form eines Bügels (13) vorgesehen ist, der mit dem Ende des axialen Gestänges (6) verschraubt ist und dessen Stellung mittels Kontermutter (14) fixiert wird.

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St/mr

ORIGINAL INSPECTED