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Ventil für Heißgas-Rohrleitungen
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil nach dem Oberbegriff
des ersten Anspruchs. Derartige Ventile sollen Verwendung finden in Anlagen, z.
B. für die Kohleveredelung, die mit einem Hochtemperatur-Kernreaktor betrieben werden.
In derartigen Reaktoren wird Helium auf eine Temperatur von über 900 °C aufgeheizt,
das in Wärmetauschern seine Warme zur Dampferzeugung oder zur Durchführung chemischer
Prozesse abgibt. Für eine z. Z.
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geplante Anlage mit einer Leistung von 3000 MR ergaben sich die folgenden
Forderungen: Auslegungsdruck p = 46 bar Beherrschung der He-Temperatur t = 900 °C
Geringer Strömungsverlust bei einem He-Strom m 3 37 kg/s Ausführbarkeit der Armatur
für einen Rohrdurchmesser d = 700 mm Schließzeit w 15 s Beherrschung der max. Druckdifferenz
p = 46 bar Schließen der Armatur bei einer Druckdifferenz p = 4 bar Dichtheit im
Sitz 10-3mbar l s-1 Dichtheit des Gehäuses 10-6mbar l s-1 Dichtheit über langen
Zeitraum: Abdichtung bei vollem Differenzdruck über max. 10.000 h bei 573 K Beständigkeit
gegen max. Aufheiz- bzw, Abkthlgeschwindigkeit von t = 5 K/min.
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Temperaturverlust des Heizgasstromes durch die Armatur 1K
Universelle
Einbaumöglichkeiten Symnetrischer Aufbau Vermeidung reibender Flächen Wärmeschutz
der metallischen Teile Wenig bewegte Gehäusedurchführungen Wiederholungsprüfbarkeit
von drucktragenden Schweißnähten Austauschbarkeit von Verschlußteilen Erdbebensicherheit
Diese Anforderungen sind mit herkömmlichen Ventilkonstruktionen nicht zu erfüllen.
Dazu trägt u. a. die Tatsache bei, daß in heißer Heliumatmosphäre aufeinanderreibende
Metallteile zum Verschweißen neigen. Zur Erfüllung der o. a. Dichtheit ist, wie
Berechnungen zeigen, eine mittlere Spaltbreite von nicht mehr als 0,13 un zulässig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Ventilkonstruktion, die
die o. a. Forderungen erfüllt.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im kennzeichnenden Teil
des ersten Anspruchs angegebenen Mittel, wobei einzelne dieser Mittel in anderer
Form bekannt sind, z. B. der hohlzylindrische Schließkörper aus der DE-PS 896 140
oder die Verwendung eines durch Druckaufgabe aufweitbaren, allerdings nicht ringförmigen
Faltenbalges für die Bewegung des Schließkörpers aus der 3E.-OS 27 30 520. Die erfindungsgemäße
Wirkung ergibt sich jedoch erst aus der neuartigen Kombination dieser Merkmale mit
der vorgeschlagenen Kühlung der bei geschlossenem Ventil aufeinandergepreßten Bauteile.
Zur Kühlung wird dabei zweckmäßigerweise ebenfalls Helium verwendet, das sich auf
niedrigerer Temperatur befindet, z. B.
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auf 200 OC.
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Die vorgeschlagene Temperatur bedingt eine besondere Konstruktion
der durch das erfindungsgemäße Ventil abzusperrenden Rohrleitung, die aus einem
inneren, den Gasstrom leitenden Rohr besteht, das nicht völlig dicht zu sein braucht
und an seiner Außenseite mit einer thermischen Isolierung versehen ist, die neben
der Vermeidung von Wärmeverlusten dazu dient, ein äußeres dichtes Mantelrohr auf
einer für dessen Werkstoff zulässigen Temperatur zu halten. Die im zweiten Anspruch
vorgeschlagene Auagestaltung der Erfindung macht hiervon Gebrauch, um die beweglichen
Teile des Ventils in gedffnetem Zustand weitgehend der Einwirkung des Heißgases
zu entziehen.
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Im dritten Anspruch sind besondere Ausführungsformen der im ersten
Anspruch geforderten Kühlung für die Anpreßfläche, den Ventilsitz und die Membran
angegeben.
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Im vierten Anspruch wird eine Möglichkeit zur axialen Führung des
Schließkörpers aufgezeigt, die geeignet erscheint, eine Zentrierung sicherzustellen,
wie sie durch die o. a. Forderung nach extrem kleiner Spaltgröße bedingt wird.
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Die durch den fünften Anspruch definierte Abwandlung des Erfindungsgedankens
sichert eine u. U. erforderlich werdende, über den Umfang des Ventilsitzes sich
ändernde Anpreßkraft.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt,
und zwar zeigt Figur 1 in stark schematisierter Form ein Doppelventil, wie es aus
Sicherheitsgründen an vielen Stellen eines Heißgaskreislaufes erforderlich ist,
Figur
2 in vergrößertem Maßstab die Einzelheit X der Figur 1, Figur 3 in abermals vergrößertem
Maßstab die Einzelheit Y der Figur 2, Figur 4 ein Querschnitt durch das Ventil entsprechend
der Linie IV-IV der Figur 2, Figur 5 in vergrößertem Maßstab eine Einzelheit der
Fig. 4, Figur 6 einen weiteren Querschnitt durch die Aufhängung des Verdrängungskörpers
entsprechend der Linie VI-VI der Figur 1 und Figur 7 eine Alternativkonstruktion
zu der in der Figur 3 dargestellten Einzelheit Y.
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In der Rohrleitung 1 wird Helium bei einem Druck von 46 bar und einer
Temperatur von 900 OC geführt. Die Rohrleitung 1 ist an ihrer Außenseite mit einer
Wärmeisolierung 37 versehen, so daß ein die Dichtigkeit gewährleistendes Mantelrohr
5 nicht über die zulässige Temperatur erhitzt wird. In einer Ausbuchtung der Rohrleitung
1 ist ein ebenfalls mit einer Isolierung 37 versehener Verdrängungskörper 2 angeordnet.
Dieser hat etwa doppelkegelige Form und trägt einen Ventilsitz 22, an dem eine Anpreßfläche
10 eines hohlzylindrischen Schließkörpers 3 zur Anlage gebracht werden kann (hier
in fast geschlossenem Zustand gezeichnet). Der Schließkörper 3 ist am einen Ende
eines ringförmigen Faltenbalges oder Kompensators 4 befestigt, der mit seinem anderen
Ende an einer ortsfesten Aufhängung 7 ebenfalls gasdicht befestigt ist. Der Kompensator
kann aus einer Vielzahl einzelner Membranringe aufgebaut sein, wie sie in der DE-OS
23 59 810 beschrieben worden sind. Abmessungen und Dehnbarkeit des Kompensators
sind so eingerichtet, daß
bei entlastetem Kompensator der Schließkörper
3 ganz in den Zwischenraum zwischen der Isolierung 37 und dem Mantelrohr 5 zurückgezogen
wird, wobei die Anpreßfläche 10 Verbindung mit besonderen, hierfür vorgesehenen
Abdichtungen 26 die Durchbrechung des Rahres 1 quasidicht absperrt (Zustand im Normalbetrieb).
Soll das Ventil geschlossen werden, wird aus einem hier nur angedeuteten Druckspeicher
40 über eine Druckleitung 39 der Kompensator 6 beaufschlagt, der sich ausdehnt und
dabei den Schließkörper 3 in axialer Richtung so verschiebt, daß.
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die Anpreßfläche 10 mit ausreichendem Druck gegen den Ventilsitz 22
zu liegen kommt. Neben den bereits beschriebenen Teilen zeigt die Figur 2 die besondere
Konstruktion des Verdrängungskörpers 2, der mit einem druckfesten Boden 8 versehen
ist. Die äußere kegelige Form des Verdrängungskörpers wird durch Isolierstoff 37
hergestellt. Die diesen stützende, nicht unmittelbar dem Heißgas ausgesetzte Konstruktion
wird durch das in einer zweiten, besonderen Kühlleitung 18 zirkulierende Kthlmittel
(vorzugsweise ebenfalls Helium) gekühlt. Durch eine erste Xühlleitung 17 wird in
gleicher Weise dafür gesorgt, daß der Kompensator 4 thermisch nicht über das zulässige
Maß hinaus belastet wird. Eine weitere, dritte Kühlleitung 19 sorgt für die Kühlung
weiterer gefährdeter Teile der Rohrleitung 1. Das Ventil ist in der Figur 2 in geöffnetem
Zustand dargestellt. Die Druckaufgabe zur Aufweitung des Kompensators 4 erfolgt
vorzugsweise in die mit 16 bezeichneten Innenräume zwischen den einzelnen Membranringen
6. Die Figur 3 verdeutlicht das Zusammenwirken von Anpreßfläche 10 und Ventilsitz
22 bei geschlossenem Ventil. Zwischen beiden ist eine mehrlagige, elastische Membran
11 angeordnet, die über den Ventilsitz 22 gezogen ist und durch Verstärkungsringe
23 und 24 gehalten wird. Die Anpreßfläche 10 ist dabei am Schließkörper 3 befestigt
und der Ventilsitz 22 an einem Haltering 14, der seinerseits am Verdrän-
gunysköL
2 befestigt ist. Die Anpreßfläche 10 ist an ihrer Rückseite mit einem wohlraum 12
versehen, in dem durch eine erste Rühigasleitung 31 herangeführtes Kühlgas zirkuliert.
In gleicher Weise ist der Ventilsitz 22 dn seiner Rückseite mit einem zweiten Kühlgasraum
13 VI-ryeh41. t)ie Kühiyaszutuhr erfolgt hier über eine zweite Kühlgasleituny 32.
Unmittelbar vor Schließen des Ventils wird die Oberflache der Membran 11 zusätzlich
mit Kühlgas angeströmt, das über eine Kühlgasleitung 25 herangeführt über den Umfang
gleichmäßig verteilt aus einem Ringspalt 15 austritt. Diese Einrichtung zur Membrankühlung
kann, statt wie hier dargestellt am Ventilsitz, auch an der Anpreßfläche 10 vorgesehen
werden. Bei geschlossenem Ventil kann über eine erste bzw. zweite Druckgasleitung
29 bzw. 30 der äußere bzw.
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innere Zwischenraum 27 bzw. 28 zwischen der Membran 11 und der Anpreßfläche
10 bzw. dem Ventilsitz 22 unter Druck gesetzt werden, um ein besonders inniges Anschmieqen
der Membran 11 zu erreichen. Durch die Wahl der einen oder aiideren Druckgasleitung
kann darüber hinaus die Richtung des Leckstromes im Ventil bestimmt werden, was
in besonderen Fällen (Störfällen, Reparaturen usw.) von Bedeutung sein kann. Die
Druckgasleitungen 29 bzw.
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30 sind ko-axial zu den Kühlgasleitungen 31 bzw. 32 geführt. In der
Figur 4 ist der Aufbau des Kompensators 4 mit größerer Deutlichkeit zu ersehen.
Die Figur 5 zeigt, wie der Faltenbalg 4 über Stäbe 36 mit Angularkompensatoren 35
am Mantelrohr 5 angelenkt und geführt ist. An ersteren sind innere Kugelgelenke
34 und an letztere äußere Kugelgelenke 33 befestigt, die die bei Axialverschiebungen
des Schließkörpers 3 erforderlichen Winkelbewegungen der Stäbe 36 ermöglichen. Die
Figur 7 zeigt die aufhängung des Verdrängungskörpers 2 am Mantelrohr 5 durch annähernd
radial verlaufende, in beiden Bauteilen in Schwalbenschwanzführungen eingelassene
Stäbe 9. Bei der in Figur 8 dargestellten Alter-
nativkonstruktion
ist im Ventilsitz 22 ein aus einzelnen, federnden Segmenten 38 bestehender Ring
angeordnet. Mögliche Ungleichmäßigkeiten in der Oberfläche der Anpreßfäche 10 werden
durch verschieden großes Zurückfedern der einzelnen Segmente ausgeglichen, und es
wird eine über den Umfang gleichmäßige Anpressung der Membran 11 erreicht.