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Beschreibung
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Drucks inderventi l Die Erfindung bezieht sich auf eine Druckregelarmatur
ohne Hilfsenergie zur Konstanthaltung des N iederdruckes in Druckrohrleitungen z.
B.für die Wasserversorgung.
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Bekannte Konstruktionen gehen davon aus, daß sich das Steliglied des
Ventiles in der Zuleitung, d. h. auf der Hochdruckseite befindet und den Druck unmittelbar
hinter dem Ventil, d. h. auf-der Niederdruckseite regelt.
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Insbesondere soll der Druck auf der Niederdruckseite unabhangig vom
Vordruck und vom Verbrauch konstant gehalten werden. Diese bekannten Konstruktionen
sind meistfederbelastet und zeigen die Regelcharakteristik eines P-Reglers. In seltenen
Rillen werden auch statt der Feder Gewichte verwendet, um eine l-Regelung zu erreichen.
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Ein bekanntes Druckminderventil mit Hilfssteuerung nach der deutschen
Patentschrift 852 324 besitzt je eine Einrichtung für kleine und große Entnahmen..
Bei kleinen Entnahmen öffnet sich durch die auf der Niederdruckseite entstehende
Druckverm inderung der federbelastete Ventilkegel eines Hilfssteuerventils in der
Neben leitung, wodurch ein Überströmen einer kleinen Flüssigkeitsmenge von der I
Hochdruckseite in einen Raum oberhalb einer mit ihrem Rand in einem Gehäuse eingespannten
Membrane erfolgt. Das Druckmedium gelangt über mehrere Drosselbohrungen auf die
Niederdruckseite.
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Die Membranunterseite ist mit einer Feder gegen das Gehäuse abgestutzt.
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Der beim Durchfluß durch die Drossel bohrungen entstehende Druckverlust
bewirkt einen Druckunterschied zwischen Membranober- und Unterseite, wodurch der
Drosselkörper durch die Membran gegen die Kraft der Feder in eine Öffnungsstellung
bewegt wird. Dadurch erfolgt eine Freigabe
der Drosselschlitze in
Abhängigkeit von der Entnahme, so daß Flüssigkeit von der Hochdruckseite nach der
Niederdruckseite überströmt.
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Bei weiteren bekannten Druckminderventilen nach den deutschen Patentschriften
1 093 639 und 1121 895 wird der eine Öffnung in der Zwischenwand des Gehäuses verschließende
Drosselkegel im öffnenden Sinne vom Vordruck her belastet. Ober eine Abzweigleitung
der Neben leitung gelangt gleichzeitig der Vordruck in einen von der Vordruckseite
durch eine Zwischenwand abgetrennten Raum unter einem Ausgleichskolben, der mit
einer Kolbenstange mit dem Drosselkegel verbunden ist. Der Ausgleichskolben besitzt
einen größeren Durchmesser als der Drosselkegel, so daß bei abnehmender Entnahme
und steigendem Vordruck eine Schließkraft entsteht, welche die durch den Nachdruck
unter dem Drosselkegel entstehende Schließkraft unterstützt. Die sich daraus ergebenden
Kräfte werden angenähert durch die Kraft einer Feder ausgewogen, welche auf einen
Ausgleichskolben im öffnenden Sinne wirkt. Bei Entnahme öffnet zunuchst gemaß einer
Weiterentwicklung ein Druckminderventil mit kleiner Nennweite, entsprechend der
Veröffentlichung im Maschinenmarkt Nr. 68, Jg. 75, 1969, in der Nebenleitung, wodurch
eine Strömung entsteht, die in einem Venturirohr einen Druckabfall verursacht. Der
Druckabfall bewirkt über die Abzweigleitung eine Druckverminderung im Raum unter
dem Ausgleichskolben, wodurch der Drosselkegel einen Querschnitt freigibt, dessen
Größe sich nach der jeweiligen Entnahme richtet.
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Bei anderen bekannten Ausführungen mit Vorsteuerung ist ein in einem
Stutzen des Gehduses löngsverschieblich geführter Kolben größeren Durchmessers mit
Abstand mit einem Ventilkegel kleineren Durchmessers vorhanden.
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Der mit einer Dichtung versehene Kolben trennt einen von der Nebenleitung
beaufschlagten Raum oberhalb des Kolbens von der Niederdruckseite. Der Ventilkegel
besitzt an seiner Stirnseite eine Dichtung, mit der er in Schließlage auf einem
Sitz in der Zwischenwand des Gehäuses aufsitzt und so die Hochdruckseite von der
Niederdruckseite trennt. Wird der Hochdruck im Raum oberhalb des Kolbens bei fallendem
Niederdruck durch das Vorsteuerventil vermindert, so wird vom Hochdruck der Ventilkegel
geöffnet, wodurch Flüssigkeit von der Hochdruck- zur Niederdruckseite gelangen kann.
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Bei kleineren Entnahmen oder bei Entnahme Null schließt das Vorsteuer-
- -ventil und mit dem sich im Raum oberhalb des Kolbens aufbauenden Hochdruck wird
der Ventilkegel in Schließlage bewegt.
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Eine weitere bekannte Ausführung und Weiterentwicklung nach dem deutschen
Gebrauchsmuster 1 895 407 besteht darin, daß der Drosselkörper stufenförmig ausgebildet
ist, so daß der auf den Drosselkörper wirkende Niederdruck und der auf die ringförmigen
Flachen wirkende Hochdruck den Drosselkörper in Offnungsrichtung bewegen. Eine wirkungsvolle
Druckminderung erfolgt durch den Zusammenprall der von der Hochdruckseite nach der
Niederdruckseite durch die Öffnungen des Drosselkörpers in radialer Richtung strömenden
Flüssigkeit. Durch die entsprechend geformten Öffnungen im Drosselkörper können
die Druckminderventile sowohl für große als auch für kleine Entnahmen verwendet
werden. Die Steuerung erfolgt in bekannter Weise über eine Nebenleitung, die mit
einem Regulier- und Vorsteuervent-?il versehen ist.
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Eine weitere Ausführung besitzt einen im Gehause geftihrten Regulier-
und Abschlußkolben in bekannter Weise, der auf dem Differenzkolbenprinzip arbeitet.
Der Zylinderraum über dem Kolben ist über Schmutzinger, Regulierventil und Umführungsleitung
mit dem Niederdruck verbunden. Das Vorsteuerventil ist auf den gewünschten Niederdruck
eingestellt. Ftillt der Niederdruck unter diesen Einstel Iwert ab, so öffnet das
Vorsteuerventil und der Druck im Zylinderraum sinkt. Dieser Druckabfall wird durch
die Drosselung am Regulierventil erreicht. Uberwiegen die Krdfte unter dem Kolben,
so öffnet der Kolben. Besteht Krdftegleichgewicht zwischen Ober- und Unterseite
des Kolbens, so steht der Kolben in Zwischenstellung. Uberwiegen die Kräfte oberhalb
des Kolbens, so schließt er. Das jeweilige Kräfteverhältnis wird durch das vom Niederdruck
gesteuerte Vorsteuerventil beeinflußt.
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Nachteilig bei den seitherigen Druckminderventilen ist, daß das Stellglied
(Regulier- und Steuerkolben) und das Regelglied (Vorsteuerventil) vom Hochdruck
gesteuert werden. Dömpfungseinrichtungen sind nicht vorhanden, so daß starke Druckschwankungen
infolge von Entnahmen auf der Niederdruckseite ein "Flattern" des Drosselkolbens
hervorrufen. Durch das direkte Beaufschlagen des Drosselkolbens wird ein Ubersteuern
hervorgerufen, und im Ventil treten über einen gewissen Zeitraum so lange Schwingungen
auf, bis der
entsprechende Druck erreicht ist. Ein weiterer Nachteil
besteht darin, daß einige Austührungen fur kleine und große Entnahmen getrennte
Einrichtungen aufweisen, aus vielen Teilen bestehen und somit störanfaillig sein
können.
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Die Drosselung erfolgt entweder mit einem zylindrischen Querschnitt
(Spalt) oder mit in einer feststehenden Einsatzbuchse angeordneten Öffnung. Bei
Drosselung mit einem Spalt ergeben sich relativ kleine Hübe des Drosselkegels, somit
eine schlechte Regulierbarkeit und hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Spalt, die
zu Kavitationserscheinungen führen können und eine Zerstörung der umgebenden Wand
nachsichziehen. Bei Drosselung mit in einer feststehenden Einsatzbuchse angeordneten
Öffnung, deren Querschnitt vom Rand einer im Drosselkörper gehaltenen Dichtung vermindert
oder vergrößert wird, kann der Rand der Dichtung von den hohen Strömungsgeschwindigkeiten
beschädigt werden. Außerdem wird die Druckverminderung der in radialer Richtung
durch die Öffnungen eintretenden Flüssigkeit durch ein kegelförmiges Andttjckstück
am Drosselkörper vermindert.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Druckminderventil, z. B. für die
Wasserversorgung, welches die Aufgabe hat, in den nachgeschalteten Leitungen den
Druck unabhangig vom Vordruck ohne Hilfsenergie konstant zu halten sowie eine möglichst
weitgehende Unabhängigkeit des geminderten und geregelten Hinterdruckes vom Vordruck
zu erreichen. Gleichzeitig wird dadurch im Zusammenwirken mit dem verzögert angesteuerten
Regelkolben und der Dämpfungseinrichtung erreicht, daß ein unstabiler Betrieb auch
bei Einbau in ungünstige Leitungssysteme nahezu ausgeschlossen ist. Der übersichtliche
Aufbau gestattet es zudem, das Zeitverhalten des Ventils und damit der Drücke rechnerisch
vorauszubestimmen. Das Ventil kann deshalb von vornherein optimal eingestellt werden.
Des weiteren hat die Erfindung zum Ziel, ein Druckminderventil mit P/l-Regelcharokteristik
und überlagertem bleibendem P-Grad zu erhalten.
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Die vorteilhafte Wirkung der Erfindung besteht darin, daß die auf
der Niederdruckseite anzustrebende Konstanthaltung des Druckes unabhängig vom Vordruck,der
auf der Hochdruckseite ansteht, vom Niederdruck über einen Regelkolben realisiert
wird.
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DieUnabhängigkeit vom Vordruck ist dadurch gewdhrleistet, daß der
Schließ-/ Öffnungskolben mit seinem Außendurchmesser bis zum Regelkolben durchgeführt
ist.
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Durch eine in der Nebenleitung angeordnete, einstellbare Laminardrossel
wird die Druckinderung, welche in der Niederdruckleitung entstehen kann, zeitlich
verzögert auf den axial über dem Schließkolben des Ventils angeordneten Regelkolben
übertragen. Dieser Regel kolben ist über die Kolbenstange mit dem Schließkolben
verbunden und arbeitet gegen den Atmosphdrendruck, so daß'auch kleine Druckänderungen
ohne getrennte Einrichtung, wie ein Druckminderventil für kleine Mengen in Nebenleitungen,
mit diesem Ventil geregelt werden können.
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Eine weitere vorteilhafte Wirkung der Erfindung besteht darin, daß
axial über dem Regelkolben eine Dämpfungseinrichtung angeordnet ist, welche ebenfalls
mit der Kolbenstange eine direkte Verbindung hat und über eine weitere einstellbare
Laminardrossel mit der in der Niederdruckleitung entstandenen Druckänderung beaufschlagt
wird, die ein Obersteuern des Schließkolbens verhindert und dem Ventil ein bestimmtes
dynamisches Verhalten verleiht.
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Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung schematisch dargestellt,
wobei diese Darstellung ein federbelastetes Druckminderventil mit Regel- und Dömpfungseinrichtung
zeigt. Die Konstruktion und Arbeitsweise des Ventils wird nachfolgend beschrieben.
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Im Gehäuse (1) des Druckminderventils ist ein in bekannter Weise ausgebildeter
Schließkolben (2) beispielsweise vertikal zur Ventilachse (Durchflußrichtungangeordnet.
Der Schließkolben (2) ist mit seinem vollen Durchmesser als Kolbenstange ausgebildet
und durch das Ventilgehäuse (1) geführt, so daß er mit dem daran anschließenden
Regelkolben (4) fest verbunden ist. Dieser Regelkolben (4) wird von der Niederdruckseite
des Ventils über eine Nebenleitung pro), in die eine einstellbare Laminardrossel
(5) eingebaut ist, beaufschlagt. Dieser Regelkolben (4)arbeitet bei der Schließbewegung
gegen den Atmospharendruck, welcher über die Bohrung (9) im unteren Zylinderraum
(8) des Reglers herrscht.
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Eine weitere Nebenleitung (19) führt vom Regler zu einem unmittelbar
darüber angeordneten Dömptungszylinder (10). Der darin arbeitende Dempfungskolben
(13) wird von zwei zylindrischen Druckfedern (11,12) gehalten und ist sowohl zur
Zylinderwand als auch zur Kolbenstange hin frei beweglich und abgedichtet. Eine
weitere Umführungsleitung (18) mit einstellbarer Laminardrossel (7) verbindet den
unteren Zylinderraum (16) der Dämpfung mit dem oberen Zylinderraum (17). Darauf
aufbauend folgt eine weitere zylindrische Druckfeder (21), wobei diese gegen einen
Federteller (22) drückt, der ebenfalls mit der Kolbenstange fest verbunden ist und
den Schließkotben (2) in Öffnungsrichtung bewegt.
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Die Funktion dieses Druckminderventils ist wie folgt zu beschreiben.
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Der Schließkolben (2) des Druckminderventils ist geschlossen, so daß
auf der Ausfrittseite des Ventils ein niedrigerer Druck herrscht als auf der Eintrittseite.
Diese Druckdifferenzwird durch die Öffnungsfeder (21) eingestellt, die mit dem Kolbenflochenverholtnis
von Regelkolben (4) zum Schließkolben (2) zusammenwirkt. Kommt es nun auf der Niederdruckseite
infolge Entnahme durch eine nachgeschaltete Absperrarmatur, welche geöffnet wird,
zu einem Druckabfall, so ist das Ventil bestrebt zu öffnen, um den abgefallenen
Druck wieder auf das eingestellte Niveau zu bringen. Ein Schließen des Verbrauchers
verursacht eine Druckerhöhung, so daß das Ventil ebenfalls in Schließstellung fahren
muß. Verlauft dieser Vorgang ungedrosselt, so treten pulsierende Druckschwankungen
auf, welche im Zusammenwirken mit Druckstößen insbesondere in vorgeschalteten Leitungen
ein " "Flattern" des Ventils verursachen, das sich zu starken Schwankungen aufschaukeln
kann.
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Der auf der Niederdruckseite auftretende Druckabfall wirkt sich infolge
der vorgeschalteten Laminardrossel (5) zeitlich verzögert (im regelungstechnischen
Sinne) auf den Regelkolben aus. Die in Aufrichtung wirkende Feder öffnet also den
Schließkolben entsprechend dem eingestellten Drosselwert ebenfalls zeitlich verzögert.
Durch die Öffnungsbewegung wird der untere Federteller (14) im Dämpfer (6) nach
oben bewegt, da er mit der durchsteigenden Kolbenstange (3) des Schließkolbens (2)
fest verbunden ist. Die zwischen unterem Federteller (14) und Dämpferkolben (13)
eingespannte Druckfeder (11) nimmt etwas verzögert den Kolben in die Öffnungsbewegung
mit.
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Die damit verbundene Vorspannung der Feder (11) und die gleichzeitige
Entlastung der Feder (12) bewirkt eine weitere Verzögerung der Öffnungsbewegung.
Im unteren Zylinderraum (16) des Dömpferorganes hat sich der gleiche reduzierte
Druck eingestellt wie im Regelzylinder selbst. Dies geschieht über eine weitere
Nebenleitung (19), die den oberen Regelzylinderraum (23) mit dem unteren Dömpferzylindermum-
(16) verbindet. Der steigende Dumpferkolben (13) hat zur Folge, daß das Medium vom
oberen Dömpferzylinderraum (17) über eine weitere Nebenleitung (18) mit einstellbarer
Laminardrossel (7) in den unteren Dömpferzylinderraum (16) gedrückt wird. Gleichzeitig
entspannen sich damit die Federn (11) und (12), so daß die Öffnungsbewegung so lange
langsam weiter erfolgt, bis der neue Beharrungszustand erreicht ist.
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Auf diese Weise erreicht man das gewünschte P/I-Verhalten.
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Bei der Druckerhöhung über den eingestellten Wert, durch das plötzliche
Schließen des Verbrauchers, wird der Regelkolben (4) über die Nebenleitung (20)
mit dem höheren Druck beaufschlagt.
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In Schließrichtung arbeitet der Regelkolben (4) gegen den Atmospharendruck,
der unter dem Regelkolben (4) herrscht. Dies gestattet dem Ventil,auf sehr kleine
Druckerhöhungen gegenüber dem eingestellten Wert reagieren zu können.
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Bedingt durch das Kolbenflächenverha Itnis ist die Kraft, welche auf
den Regelkolben (4) wirkt,großer als die Kraft der Öffnungsfeder (21) plus der Kraft,
die unter dem Schließkolben (2) angreift. Der Schließkolben (2) wird somit in Schließstellung
bewegt. Auch dieser Vorgang wird durch die Laminardrossel (5) vor dem Regeizylinder
(4) verzögert. Ein zu rasches Schließen des Ventils wird zusätzlich dadurch vermieden,
daß der Dämpferkolben (13) in umgekehrter Weise wie beim Öffnungsvorgang beschrieben,
zum Eingriff kommt.
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Der obere Federteller (15), der fest mit der Kolbenstange (3) des
Schließkolbens (2) verbunden ist, wandert nach unten und drückt somit über die eingespannte
zweite Feder (12) den Dämpferkolben (13) nach unten. Da nun der untere Dömpferzylinderraum
(16) mit dem höheren Druck beaufschlagt ist, wird das Medium über die Nebenleitung
(18) mit Laminardrossel (7) in den oberen Dsumpferzyl inderraum (17) gedrtickt.
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Die Schließbewegung läuft also gedampft über einen bestimmten Zeitraum
ab. Das Druckminderventil stellt sich langsam auf den Sollwert ein und hält den
N iederdruck konstant auf diesem Wert.
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In einfach gelagerten Fellen kann auf den Einbau der Dämpfungseinrichtung
verzichtet werden. Das Verhalten entspricht dann dem eines P-Reglers.