-
-
Druckentspannungselement
-
Die Erfindung betrifft ein Druckentspannungselement zur Entspannung
gasförmiger oder flüssiger Medien mit einem Gehäuse und einem durch dieses hindurchgehenden
Entspannungskanal mit engem Querschnitt und zumindest einer Drosselstelle. Solche
Druckentspannungselemente sind vor allem in Pilotanlagen zur Kohleverflüssigung
hohen Beanspruchungen ausgesetzt, da dort Feststoffe führende Flüssigkeiten teilweise
um 300 bar entspannt werden müssen.
-
Ein als Druckentspannungsventil ausgebildetes Druckentspannungselement
ist in der DE-OS 31 24 o34 beschrieben. Es weist ein Gehäuse mit einem Zulauf für
das mit hohem Druck ankommende Medium und einen Ablauf für das entspannte Medium
auf. In dem Gehäuse ist ein Ventilkolben innerhalb einer Ventilbohrung geführt,
wobei der Entspannungskanal durch eine schraubenförmige Umfangsnut in dem Teil des
Ventilkolbens gebildet
wird, der in der Ventilbohrung geführt ist.
-
Im Unterschied zu den bislang bekannten Druckentspannungsventilen,
bei denen die Druckentspannung in einem engen Ringspalt zwischen Ventilkolben und
Ventilbohrung bewirkt wurde, weist dieses Ventil einen gegenüber der Breite eines
solchen Ringspaltes wesentlich größeren hydraulischen Durchmesser auf, so daß auch
Feststoff-Flüssigkeit-Suspensionen, wie sie bei Kohleverflüssigungsanlagen auftreten,
durchgeleitet werden können, ohne daß Feststoffpartikel zurückgehalten werden. Dabei
ist die Durchflußmenge durch die Länge der durchströmten Umfangsnut beeinflußbar,
wobei die Regelbarkeit der Durchflußmenge noch dadurch verbessert werden kann, wenn
die Umfangsnut einen sich in Kolbenlängsrichtung vergrößernden Querschnitt aufweist.
-
Der Nachteil dieses Druckentspannungsventils besteht in dem vergleichsweise
hohen konstruktiven Aufwand.
-
Ventilbohrung und Ventilkolben müssen mit großer Genauigkeit hergestellt
werden, was bei Hartmetallen bzw.
-
Keramik schwierig ist. Trotz Verwendung dieser Materialien unterliegt
die Ventilbohrung bei Feststoffteilchen führenden Medien erheblichem Verschleiß,
weil die Feststoffteilchen Zentrifugalkräften unterliegen und hierdurch gegen die
Ventilbohrung gedrückt werden. Schließlich ist die Entspannung nur einstufig, was
bei flüssigen Medien und sehr großen Druckdifferenzen zu Kavitation mit der Folge
vorzeitiger Zerstörung führen kann.
-
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Druckentspannungselement
der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß es kostengünstig und auch bei der
Verwendung sehr harter Materialien einfach herzustellen ist und daß es geringem
Verschleiß unterliegt und damit
eine hohe Standzeit aufweist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Entspannungskanal
eine im wesentlichen gerade Durchflußrichtung mit mehreren, hintereinander angeordneten,
abwechselnden Querschnittsverengungen als Drosselstellen und Querschnittserweiterungen
aufweist.
-
Ein solcher gerader Entspannungskanal läßt sich einfacher herstellen
als der gekrümmte Entspannungskanal bei dem vorbekannten Druckentspannungsventil.
Außerdem wirken in ihm keine Zentrifugalkräfte, die hohen Verschleiß verursachen
könnten. Schließlich bewahrt die Mehrstufigkeit der Entspannung die Wandungen des
Entspannungskanals vor Kavitation und damit vorzeitiger Zerstörung.
-
Konkret kann dieser er-finderische Grundgedanke dadurch verwirklicht
werden, daß der Entspannungskanal zwischen zwei Kanalplatten verläuft und dort von
gegenüberliegenden Kanalwandungen eingegrenzt ist, von denen zumindest eine von
der Stirnseite einer zwischen den Kanalplatten eingepaßten Drosselplatte gebildet
ist. Die konstruktive Ausbildung kann dabei so geschehen, daß in einem Teil des
Druckentspannungselements eine Nut eingeformt wird, in die von der offenen Seite
her die Drosselplatte eingepaßt wird. Der Nutgrund, die Stirnseite der Drosselplatte
sowie die gegenüberliegenden Seiten der als Kanalplatten dienenden Nutschenkel begrenzen
dann den Entspannungskanal. Herstellungstechnisch einfacher insbesondere bei Verwendung
von Hartmetall oder Keramik ist es jedoch, wenn der Entspannungskanal von den Kanalplatten
und zwei zwischen diesen eingepaßten Drosselplatten begrenzt ist.
-
Die vorbeschriebene Ausbildung des erfindungsgemäßen Druckentspannungselementes
zeichnet sich durch niedrige
Herstellungskosten aus. Die zur Bildung
des Entspannungskanals vorgesehenen Teile sind beispielsweise durch Sinterung ohne
große nachträgliche Bearbeitung einfach herzustellen und zu montieren. Dabei hat
der Entspannungskanal einen großen hydraulischen Durchmesser, so dan auch bei relativ
großen Feststoffteilchen keine Oberflächenberührung und damit auch nur ein geringer
Verschleiß auftreten. Insoweit besonders günstige Verhältnisse sind dann gegeben,
wenn der Entspannungskanal zumindest im Bereich der Drosselstellen nahezu quadratischen
Querschnitt aufweist. Es besteht sogar die Möglichkeit, durch entsprechende Ausformung
der Stirnseiten der Drosselplatten bzw. des Nutgrundes einen fast kreisförmigen
Querschnitt und damit optimalen hydraulischen Durchmesser zu erreichen.
-
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die bzw.
zumindest eine der Drosselplatte(n) zur Veränderung des Abstandes zur gegenüberliegenden
Kanalwandung verstellbar ist. Dies ermöglicht ein Nachstellen bei Verschleiß an
den Kanalwandungen dergestalt, daß der ursprüngliche Drosselquerschnitt wiederhergestellt
wird. Hierdurch wird die nutzbare Lebensdauer des Druckentspannungselements stark
erhöht. Dabei kann die bzw. eine der verstellbaren Drosselplatte(n) aus weicherem
Material als die andere Drosselplatte hergestellt werden, denn durch Nachstellung
kann der Verschleiß an dem weicheren Material kompensiert werden.
-
Das weichere Material ist aber kostengünstiger.
-
Neben der Möglichkeit der Nachstellung bietet sich durch die Verstellbarkeit
die weitere Möglichkeit der Anderung der Drosselwirkung, so daß das Druckentspannungselement
Ventilcharakter bekommt. Das Druckentspannungselement kann dann verschiedenen Betriebsbedingungen
ange-
paßt werden.
-
Es ist ferner besonders zweckmäßig, wenn die verstellbare(n) Drosselplatte(n)
derart einstellbar ist bzw.
-
sind, daß ein sich in Fließrichtung ändernder Querschnitt entsteht.
Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die verstellbare(n) Drosselplatte(n)
jeweils mittels zwei im wesentlichen quer zur Fließrichtung verschiebenden Spindeln
oder dergleichen geführt ist bzw.sind.
-
Die stufenweise Druckentspannung kann beispielsweise durch wellenförmige,
sägezahnförmige oder dergleichen Ausbildung zumindest einer der Kanalwandungen bewirkt
werden, wobei sich eine spiegelbildliche Ausgestaltung der gegenüberliegenden Kanalwandungen
anbietet.
-
Alternativ zu der vorbeschriebenen Ausführungsform kann die Wandung
des Entspannungskanals auch von ineinander übergehenden Durchgangslöchern in mehreren,
in Durchflußrichtung aneinander anliegenden Kanalscheiben gebildet werden.Auch diese
Ausführungsform zeichnet sich durch einfache Bauweise aus, da die einzelnen Kanalscheiben
leicht durch Sinterung oder ähnliche Verfahren hergestellt werden können, ohne daß
große nachträgliche Bearbeitung erforderlich ist. Außerdem läßt sich ein solcher
Entspannungskanal innerhalb eines zugehörigen Gehäuses sehr einfach abdichten.
-
Die Drosselstellen innerhalb des mittels der Kanalscheiben gebildeten
Entspannungskanals können auf zweierlei Weise hergestellt werden. Besonders vorteilhaft
ist es, wenn ein Teil der Durchgangslöcher abwechselnd gegenüber jeweils benachbarten
Durchgangs löchern quer zur Durchflußrichtung versetzt ist. Hierdurch ergeben sich
am übergang
von einer Kanalscheibe zur nächsten Kanalscheibe Querschnittsverengungen
und damit jeweils eine Drosselstelle, so daß die Anzahl der Drosselstellen mit der
Anzahl der Kanalscheiben übereinstimmt. Dabei können die Scheiben identisch ausgebildet
sein, was für die Herstellung besonders günstig ist.
-
Selbstverständlich können die Drosselstellen auch dadurch gebildet
werden, daß die Durchgangslöcher in einem Teil der Kanalscheiben einen geringeren
Querschnitt als jeweils benachbarte Kanalscheiben haben. Hier kann allerdings maximal
nur jede zweite Kanalscheibe eine Drosselstelle bilden. Zudem müssen zumindest zwei
verschiedene Arten von Kanalscheiben hergestellt und entsprechend zusammengesetzt
werden.
-
Bei beiden Ausführungsformen ist es vorteilhaft, wenn die Durchgangslöcherin
jeder zweiten Kanalscheibe quer zur Durchflußrichtung versetzt sind und/oder einen
geringeren Querschnitt haben, damit eine möglichst geringe Baulänge erzielt wird.
-
Um die ursprünglichen Drosselquerschnitte nach einem Verschleiß wiederherstellen
und/oder die Drosselwirkung verschiedenen Betriebsbedingungen anpassen zu können,
sollte ein Teil der Kanalscheiben, vorzugsweise jede zweite, gegenüber den jeweils
benachbarten Kanalscheiben verschiebbar sein. Durch die gegenseitige Verschiebung
kann der Durchflußquerschnitt an den Drosselstellen vergrößert bzw. verkleinert
werden. Dabei sollte die Verschiebbarkeit so weit gehen können, daß die Ausnehmungen
selbst in durch Verschleiß erweitertem Zustand sich nicht mehr überdecken, damit
ein vollkommen dichter Abschluß erreicht werden kann.
-
Die verschiebbaren Kanalscheiben können in den Fingern einer kammartigen
Halterung angeordnet sein, die dann als Ganzes mittels einer entsprechenden Hubeinrichtung
verschiebbar ist.
-
Die Durchgangslöcher können beispielsweise kreisförmig ausgebildet
sein, wobei der Querschnitt sich nach dem maximalen Durchflußwert richten sollte.
Hierdurch ergibt sich ein optimaler hydraulischer Durchmesser, und zwar im wesentlichen
auch dann, wenn die Kanalscheiben gegeneinander versetzt sind. Kommt allerdings
eine sehr starke Versetzung in Frage, so bildet sich an der Drosselstelle ein linsenförmiger
Spalt. Um dies zu vermeiden, können die Durchgangslöcher auch quadratisch ausgebildet
werden, wobei sie an den Drosselstellen in Richtung ihrer Diagonalen gegeneinander
versetzt sind. Auf diese Weise bleibt immer ein quadratischer Querschnitt an der
Drosselstelle erhalten.
-
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß die
verstellbare(n) Drosselplatte(n) bzw. die verschiebbaren Kanalscheiben derart ausgebildet
oder angeordnet sind, daß die Drosselstellen sich in Fließrichtung vergrößernde
Querschnitte aufweisen. Diese Ausführungsform ist insbesondere für gasförmige oder
ausdampfende Medien vorteilhaft, wobei der Grad der Erweiterung entsprechend den
Betriebsdaten und Medien einzustellen ist.
-
Schließlich sollten die Kanalplatten und/oder Drosselplatte(n) bzw.
die Kanalscheiben aus Hartmetall und/oder Keramik bestehen, da diese Materialien
besonders abriebfest sind, günstige Gleiteigenschaften aufeinander haben und an
den Gleitstellen auch die notwendige Dichtigkeit aufweisen. In der Zeichnung ist
die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher veranschaulicht. Es zeigen:
Figur
1 einen Querschnitt durch ein Druckentspannungselement; Figur 2 eine Seitenansicht
des Druckentspannungselements gemäß Figur 1 mit Teilquerschnitt; Figur 3 einen Querschnitt
durch ein anderes Druckentspannungselement; Figur 4 einen vergrößerten Teilquerschnitt
des Druckentspannungselements gemäß Figur 3 und Figur 5 einen Querschnitt durch
das Druckentspannungselement nach den Figuren 3 und 4 in einer Ebene senkrecht zu
der Schnittebene in Figur 3.
-
Das in den Figuren 1 und 2 dargestellte Druckentspannungs element
1 weist ein Gehäuse 2 auf, wobei dieses Gehäuse 2 aus zwei Gehäusehälften 3, 4 besteht,
die durch Schrauben 5 miteinander verbunden sind.
-
Innerhalb des Gehäuses 2 ist ein Hohlraum 6 vorgesehen, in den ein
Zulauf 7 für das Einfließen des unter hohen Druck stehenden Mediums einmündet und
aus dem ein Ablauf 8 für das entspannte Medium herausführt. Durch die eingezeichneten
Pfeile wird die Fließrichtung verdeutlicht.
-
In den Hohlraum 6 sind zwei parallel und übereinander angeordnete
Kanalplatten 9, 1o aus Hartmetall eingesetzt, zwischen denen zwei Drosselplatten
11, 12 eingepaßt sind.
-
Dies läßt sich insbesondere aus Figur 2 ersehen. Die Kanalplatten
9, 1o sind mit dem Gehäuse 2 fest verbunden,
während die Drosselplatte
11 zwischen den Kanalplatten 9, 1o fixiert ist. Die Drosselplatte 12 ist dagegen
verschieblich in den Richtungen des Pfeils A zwischen den Kanalplatten 9, 1o geführt.
Beide Drosselplatten 11, 12 bestehen ebenfalls aus Hartmetall, können jedoch wie
auch die Kanalplatten 9, 1o auch aus Keramik hergestellt sein.
-
Zur Verschiebung der Drosselplatte 12 wird diese von einem im Querschnitt
U-förmigen Führungsstück 13 an der über die Kanalplatten 9, lo hervorstehenden Kante
umfaßt.
-
Dieses Führungsstück 13 ist mit zwei Führungsstangen 14, 15 gelenkig
verbunden, die ebenfalls in den Richtungen des Pfeils A bewegbar sind, und zwar
unabhängig voneinander. Dies kann durch eine hier nicht näher dargestellte Spindelbetätigung
geschehen. Führungsbuchsen 16, 17 sorgen dabei für eine einwandfreie Führung. Außerdem
sind Dichtpackungen 18, 19 vorgesehen, um Leckagen zu vermeiden.
-
Die Drosselplatten 11, 12 sind an ihren gegenüberliegenden Stirnseiten
wellenförmig ausgebildet, wobei die Wellenform spiegelbildlich verläuft. Zusammen
mit den innenliegenden Oberflächen der Kanalplatten 9, 1o schließen diese Stirnseiten
20, 21 einen Entspannungskanal 22 ein, wobei jeweils. zwei gegenüberliegende Wellenkämme
23 eine Drosselstelle 24 mit engstem Querschnitt bilden. Im dargestellten Beispiel
sind demnach insgesamt acht Drosselstellen 24 vorhanden, die für eine entsprechende
achtstufige Druckentspannung des Mediums sorgen. Stellt sich im Laufe der Zeit ein
Verschleiß an den Wellenkämmen 23 ein, so kann der ursprüngliche Querschnitt der
Drosselstellen 24 dadurch wiederhergestellt werden, daß die Drosselplatte 12 durch
Betätigung der Führungsstangen 14, 15 in Richtung auf die gegenüberliegende Drossel-
platte
11 verschoben wird. Davon abgesehen kann der Querschnitt der Drosselstellen 24 auch
nach den jeweiligen Erfordernissen durch Verschiebung der Drosselplatte 12 eingestellt
werden. Durch die Möglichkeit, die Führungsstangen14, 15 unabhängig voneinander
zu betätigen, kann auch ein Entspannungskanal 22 mit sich in Fließrichtung erweiternden
Querschnitten der Drosselstellen 24 gebildet werden. Hierzu wird die in dieser Ansicht
untere Führungsstange 15 nicht ganz so weit eingefahren wie die obere Führungsstange
14.
-
Die Dicke der Drosselplatten 11, 12 ist im wesentlichen so bemessen,
dan sich an den Drosselstellen 24 ein quadratischer Querschnitt des Entspannungskanals
22 ergibt. Ein solcher Querschnitt kommt dem optimalen kreisförmigen recht nah,
so daß eventuell mitgeführte Feststoffpartikel nicht zurückgehalten werden bzw.
die Wahrscheinlichkeit eines Kontaktes zwischen diesen und den Stirnseiten 20, 21
gering ist.
-
Von den beiden Führungsstangen 14, 15 kann eine automatisch betätigt
werden, während die andere dann manuell zur Nachstellung bei Verschleiß und Einstellung
des Querschnitts der Drosselstellen 24 verstellbar ist.
-
Das in den Figuren 3 bis 5 dargestellte Druckentspannungselement 25
weist ein Gehäuse 26 auf, das aus dem hohlen Gehäusekörper 27 und den beiden Deckeln
28, 29 besteht, welche durch Schrauben 30 miteinander verbunden sind.
-
Innerhalb des Gehäuses 26 befindet sich ein Hohlraum 31, in den ein
Zulauf 32 für das Einfließen des unter hohem Druck stehenden Mediums einmündet und
aus dem ein Ablauf 33 herausführt. Die darin eingezeichneten Pfeile
verdeutlichen
die Fließrichtung.
-
Im wesentlichen in Richtung des Durchflusses sind kreisrunde Kanalscheiben
- beispielhaft mit 34 bezeichnet - angeordnet, die identisch ausgebildet sind und
mittig jeweils ein Durchgangsloch - beispielhaft mit 35 bezeichnet - aufweisen.
Fünf dieser Kanalscheiben 34, und zwar die bei Zählung in Reihe ungeradzahligen,
sind in einer ortsfest im Gehäuse 26 angeordneten, kammartigen Halterung 36 derart
befestigt, daß ihre Durchgangslöcher 35 koaxial in Durchflußrichtung liegen. Die
dazwischen angeordneten, geradzahligen Kanalscheiben 34 sind in einer ebenfalls
kammartig ausgebildeten Halterung 37 befestigt, die in dem Gehäuse 26 in Richtung
des Doppelpfeils A verschieblich geführt ist. Die Verschiebung kann mittels einer
hier nicht näher dargestellten Hubeinrichtung geschehen, die auf eine mit der Halterung
37 über ein Gelenk 38 verbundene Hubstange 39 wirkt. Eine Stoffbuchse 40 dient dabei
als Abdichtung.
-
Die geradzahligen Kanalscheiben 34 sind in der Halterung 37 in deren
gezeigter Stellung so gehalten, daß sie gegenüber den ungleichzahligen Kanalscheiben
34 in dieser Ansicht nach links versetzt sind, wobei die Versetzung in Durchflußrichtung
abnimmt.Hierdurch werden an jedem übergang von einer Kanalscheibe 34 zur nächsten
Kanalscheibe 34 Querschnittsverengungen gebildet, die die Drosselstellen 41 bilden.
Die Querschnittsverengung ist dabei um so größer, je mehr die jeweilige geradzahlige
Kanalscheibe 34 gegenüber den benachbarten ungeradzahligen Kanalscheiben 34 in Querrichtung
versetzt ist.
-
Die Durchgangslöcher 35 selbst bilden zwischen zwei Drosselstellen
41 entsprechende Entspannungsräume. Die in Fließrichtung geringer werdende Versetzung
der gerad-
zahligen Kanalscheiben 34 hat zur Folge, daß die Querschnittsverengungen
an den übergängen zwischen den Kanalscheiben 34 in Fließrichtung hin abnehmen und
damit die Expansion des Mediums berücksichtigen.
-
Durch Verschiebung der Halterung 37 kann das Maß der Querschnittsverengungen
an den Drosselstellen 41 verschieden eingestellt werden, so daß das Druckentspannungselement
25 Ventilcharakter hat. Diese Verschiebbarkeit ermöglicht es im übrigen, die Querschnittsverengungen
an den Drosselstellen 41 trotz zunehmendem Verschleiß konstant zu halten, indem
entsprechend nachgestellt wird. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, daß die
Halterung 37 mit den geradzahligen Kanalscheiben 34 so weit nach links verschoben
wird, daß eine loo%ige überdeckung und damit absolute Dichtheit erzielt wird.
-
Die Kanalscheiben 34 bestehen zweckmäßigerweise aus Keramikmaterial
oder Hartmetall. Diese Materialien lassen sich so bearbeiten, daß zwischen den Kanalscheiben
34 dichte und dennoch gleitfähige Anlageflächen entstehen.
-
Figur 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt entsprechend dem Detail
Z in Figur 3, während Figur 5 einen Querschnitt gemäß der Linie B-C in Figur 4 darstellt,
der deutlich die linsenförmige Drosselstelle 41 zwischen zwei Kanalscheiben 34 zeigt.
-
- Leerseite -