DE3444039A1

DE3444039A1 - Stellventil

Info

Publication number: DE3444039A1
Application number: DE19843444039
Authority: DE
Inventors: Karl 7118 Ingelfingen Breyer; Roland 7065 Winterbach Tesar
Original assignee: Herion Werke KG
Current assignee: Herion Werke KG
Priority date: 1984-12-03
Filing date: 1984-12-03
Publication date: 1986-06-05
Also published as: CN1004279B; GB8528741D0; DE3444039C2; GB2169059A; CN85108735A; US4707278A; ZA858918B; GB2169059B; JPS61136065A

Description

Petentsnwsiie D:·. rer. na'. Thorn« s Borendt

Dr.-Ing. Κεηε Layh Innere WiiHir t'x. 20 - D £0"0 !^ΰηώοη εο

Unser Zeichen: A 14 Lh/fi

Herion-Werke KG
Stuttgarter Str. 120
7012 Fell bach

Stellventil

Herion-Werke KG - Λ 14 8b1 l.h/fi -

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Stellventil, insbesondere für hochgespannte staubhaltige Gase zum Einstellen des Durchsatzes der Gase durch das Ventil, mit einem z.B. rohrförmigen Ventilgehäuse mit Ventilsitz und einer Ventilnadel mit Schließbewegung in Strömungsrichtung der Gase.

In verfahrenstechnischen Anlagen, z.B. Kohlevergasungsanlagen, werden stark staubhaltige oder staubbeladene Gase erzeugt, die Drücke von z.B. 100-350 bar und Temperaturen im Bereich von z.B. 75O⁰C haben können.

Diese Gase werden über Ventile entspannt und in Auffangbehälter abgeblasen zur Weiterverwendung z.B. als Prozeßgas für die Kessel befeuerung oder als Synthesegas für chemische Prozesse.

Es ist in diesem Zusammenhang bereits ein Ventil vorgeschlagen worden, das einen parabolischen Ventilkörper hat, der mit einem Ventilsitz in Form einer Blende zusammenarbeitet und dessen Hub verstellbar ist, um den Durchsatz des Gases durch das Ventil zu regeln.

Die in dem Gas enthaltenen Staubpartikel werden jedoch bei der Entspannung auf sehr hohe Geschwindigkeiten gebracht und es hat sich gezeigt, daß die Verschluß- und Stellelemente des vorgenannten Ventils und teilweise auch die Rohrwandung einerseits relativ starke Zerstörungen infolge von Erosion durch die Staubpartikel aufwiesen, während andererseits insbesondere am Ventil körper auch ein Anlagern und Aufsintern von Staubpartikeln beobachtet wurde.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Stell ventil der eingangsgenannten Art derart weiterzubilden, daß sowohl eine Erosion der Verschluß- und Stell elemente als auch ein Aufsintern von Staubpartikeln an diesen Elementen im wesentlichen vermieden wird.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das rohrförmige Ventilgehäuse einen ersten kegelförmigen Abschnitt aufweist, der sich vom zylindrischen Querschnitt des Ventil gehäuses in Strömungsrichtung bis zum Ventilsitz verjüngt, und daß sich an den ersten Abschnitt in Strömungsrichtung ein am Ventilsitz beginnender zweiter kegelförmiger Abschnitt anschließt, dessen Kegelwinkel kleiner ist als der Kegelwinkel des ersten Abschnittes.

Vorzugsweise ist hierbei der übergang vom ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt, d.h. der Ventilsitz, in Form einer ringförmigen Kante ausgebildet.

An den zweiten Abschnitt schließt sich vorteil hafterweise in Strömungsrichtung ein sich vom engsten Querschnitt des Ventil gehäuses aus insbesondere kegelig erweiternder Expansionsabschnitt an, in welchem die Strömung auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird.

Da es erwünscht ist, daß das Stell ventil eine möglichst geringe Schall emission aufweisen soll, folgt auf den Expansionsabschnitt zweckmäßigerweise ein zylindrisches sogenanntes Löschrohr, das einen radialen Abstand zur Wand des rohrförmigen Gehäuses hat und das mit einer insbesondere radialen Lochung versehen ist.

Gas- und Dampfströmungen im schallnahen und im überschallgeschwindigkeitsbereich führen in Rohren zur Ausbildung von Stoßen und Wellen. Beide Erscheinungen haben Gasschwingungen und periodische Druckänderungen zur Folge durch welche Richtungsänderungen des Gasstromes entstehen können, die zu einer starken Schallemission und durch stoßinduzierte Ablösungen zu Schaden an der Rohrwandung führen.

Eine solche Stoß- und Wellenbildung wird durch das vorgenannte Löschrohr im wesentlichen verhindert, mindestens aber stark reduziert, wodurch die Schall emission beträchtlich gesenkt werden kann.

Durch die Ausbildung der Bohrung im Ventilgehäuse in Form eines kegelförmigen Abschnittes, an den sich ein weiterer kegelförmiger Abschnitt

mit kleinerem Kegelwinkel anschließt, der sich bis zum engsten Querschnitt der Bohrung erstreckt, wird eine Verbesserung der Strömungsführung erreicht, wodurch Turbulenzen und Abiösegebiete, sowie Totwasserzonen praktisch vollkommen vermieden werden.

Hierdurch wird eine Erosion der Stellorgane, insbesondere der kegelförmigen Ventilnadel, des Ventilsitzes und der Wand der Ventilbohrung praktisch beseitigt. Außerdem wird ein Anlagern und Aufsintern von Staubpartikeln an und im Bereich der Stellorgane zuverlässig vermieden.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch im Schnitt ein Stellventil nach der Erfindung zeigt.

Fig. 2 zeigt im Schnitt einen Teil des Stellventils nach Fig. 1 in größerem Maßstab.

Fig. 3 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stellventils.

Das Stellventil 10 nach Fig. 1 hat ein rohrförmiges Ventilgehäuse 12, das an der Eingangsseite an eine Rohrleitung 40 angeschlossen ist und an seiner Ausgangsseite in eine Rohrleitung 42 übergeht. Im Ventilgehäuse 12 ist ein Ventilsitz 14 ausgebildet, mit welchem eine insbesondere kegelförmige Ventilnadel 16 zusammenwirkt, deren Ventilschaft 18 an seinem Abschnitt in einer Führungsbüchse 20 axial beweglich geführt ist, wobei die Führungsbüchse 20 in der dargestellten Ausführungsform in der Rohrleitung 40 eingebaut und gehalten ist.

Auf dem Ventilschaft 18 oder auf einem diese umgebenden, nicht dargestellten Mantel und/oder an der Innenwand des Ventil gehäuses 12 sind, wie Fig.1 zeigt, sich in Achsrichtung erstreckende Leitbleche 22 angebracht, durch welche die von der Rohrleitung 40 kommende Gasströmung (oder Dampfströmung) geführt und gerichtet wird. Es können z.B. um den Umfang

des Ventil schaftes 18 mehrere Leitbleche 22 vorgesehen sein, z.B. drei in Winkel abständen von 120°, oder z.B. vier in Winkelabständen von 90°. Ferner können in axialen Abständen mehrere solcher Gruppen von Leitblechen vorgesehen sein.

Fig. 2 zeigt den eigentlichen Stellbereich des Ventils nach Fig. 1. Das rohrförmige Ventilgehäuse 12 hat einen zylindrischen Abschnitt, d.h. eine zylindrische Bohrung 32, an die sich eine sich in Strömungsrichtung der Gase kegelig verjüngende Bohrung oder ein Abschnitt 24 anschließt. Der Abschnitt 24 erstreckt sich von der zylindrischen Bohrung 32 bis zu einem Kontrol!querschnitt 14, der den Ventilsitz bildet, d.h. das Stell ventil 10 ist geschlossen, sobald die Ventilnadel 16 auf dem Ventilsitz aufsitzt.

Vom Ventilsitz 14 an erstreckt sich in Strömungsrichtung eine weitere sich kegelig verjüngende Bohrung oder ein zweiter Abschnitt 26, dessen Kegelwinkel kleiner ist als der Kegelwinkel des ersten Abschnittes 24. Das Ende dieser Bohrung bzw. dieses Abschnittes 26 bildet den engsten Querschnitt 30 im Ventilgehäuse 12.

Auf den engsten Querschnitt 30 folgt ein dritter Abschnitt 28, der in Form einer sich in Strömungsrichtung insbesondere kegelförmig, aber auch glockenförmig erweiternden Bohrung ausgebildet ist.

An den Abschnitt 28 schließt sich ein zylindrisches Rohr, ein sogenanntes Löschrohr 34 an, welches mit insbesondere radialen Bohrungen 38 versehen ist, die sich durch seine Wand in einen das Löschrohr 34 umgebenden Ringraum 36 erstrecken, welcher das Löschrohr 34 von der drucktragenden Wand der Rohrleitung 42 trennt. Die Bohrungen 38 in der Wand des Löschrohres sind, wie dargestellt, in axialen Abständen und in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet. Die Gesamtfläche aller Bohrungen 38 beträgt z.B. bis zu 10% der Innenwandfläche des Löschrohres 34.

Das erfindungsgemäße Stellventil nach den Fig. 1 und 2 arbeitet wie folgt.

-*"- 344Λ039

Die Schließbewegung der Ventilnadel 16 erfolgt in Strömungsrichtung der durch das Ventil strömenden staubbeladenen Gase. In der kegelförmig sich verjüngenden Bohrung 24 wird die Strömung vor dem eigentlichen Ventilsitz vorbeschleunigt, danach in der kegelförmigen Bohrung 26, deren Kegelwinkel kleiner ist als derjenige der Bohrung 24, weiter beschleunigt, wobei im Abschnitt 26 beim Vorliegen kritischer Druckverhä'ltnisse, d.h. je nach Stellung der Ventilnadel 16, Schallgeschwindigkeit erreicht wird. In der sich an den engsten Querschnitt 30 anschließenden sich erweiternden Bohrung 28, die eine Expansionsdüse darstellt, wird die Strömung auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Die Bohrung 28 ist zweckmäßigerweise kegelig ausgebildet, sie kann aber auch glockenförmig ausgebildet sein.

Es hat sich nun gezeigt, daß insbesondere durch den Abschnitt 26 die Strömung beruhigt wird, d.h. eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung der Strömung über den Querschnitt erreicht wird und Turbulenzen und Ablösungen vermieden werden, was zur Folge hatte, daß eine Erosion der Stellorgane oder ein Aufsintern von Staubpartikeln auf den Stellorganen vermieden wird.

Eine weitere Verbesserung der Strömungsführung (und damit eine weitere Verringerung von Erosion oder Aufsinterung von Staubpartikeln) wird erreicht, indem der Kontrollquerschnitt 14, der den Ventilsitz bildet, d.h. der übergang von der Bohrung 24 zur Bohrung 26 in Form einer ringförmigen Kante ausgebildet wird.

Bezeichnet man den Durchmesser der zylindrischen Bohrung 32 des Ventilgehäuses 12 mit DN, so hat der Ventilsitz 14 vorzugsweise einen Durchmesser D von 0,25-0,35, insbesondere 0,3 DN. Der Durchmesser des engsten Querschnittes 30 beträgt vorzugsweise etwa 0,7-0,9 D.

Die axiale Länge des Abschnittes 26, der sich vom Ventilsitz 14 bis zum engsten Querschnitt 30 erstreckt, hat vorzugsweise eine Länge von 0,75-1,5 D. Der Kegelwinkel der Ventil nadel 16 beträgt z.B. 5-12°, derjenige des Abschnittes 24 z.B. 15-30°, derjenige des Abschnittes 26 z.B. 4-12° und der-

jenige des Abschnittes 28 z.B. 10-24°.

Der Hub der Ventilnadel 16 ist etwa gleich dem Durchmesser D des Ventilsitzes 14.

Es wurde oben bereits erwähnt, daß in Gas- und Dampfströmungen mit Geschwindigkeiten im schallnahen und Überschallbereich Stöße und Wellen entstehen, die zu Gasschwingungen und periodischen Druckschwankungen führen, welche eine starke Schallemission sowie Schäden an der Rohrwandung zur Folge haben können.

Durch das sich an den Abschnitt 28 anschließende Löschrohr 34 wird die Ausbildung von Stoßen und Wellen in der Strömung im wesentlichen verhindert und dadurch die Schallemission stark reduziert.

Dieses Löschrohr 34 kann praktisch bei allen gegenwärtig bekannten Expansionsvorgängen nach Stellventilen und Regelventilen eingesetzt und zur Dämpfung von Gasschwingungen und damit zur Geräuschminderung verwendet werden.

überraschenderweise wurde nun gefunden, daß ein Stell ventil nach Fig. 2 mit praktisch denselben Ergebnissen und demselben Erfolg in umgekehrter Richtung betrieben werden kann. d.h. bei gleicher Strömungsrichtung der zu entspannenden staubhaltigen Gase, jedoch umgekehrter Schließbewegung der Ventil nadel.

Fig. 3 zeigt eine solche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stellventils. bei dem die Ventilnadel 16 durch die Gase von vorn angeströmt wird und ihre Schließbewegung entgegen der Strömungsrichtung der Gase erfolgt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist das Ventilgehäuse 12 mit einem ersten Abschnitt 44 versehen, der in Form einer sich kegelförmig in Strömungsrichtung verjüngenden Bohrung ausgebildet ist, die sich von der zylindrischen Bohrung 32 aus bis zum engsten Querschnitt 30 des Ventilgehäuses 12 erstreckt. An den engsten Querschitt 30 schließt sich in Strömungsrichtung ein zweiter Abschnitt 46 an, der dem Abschnitt 26 der

Ausführungsform nach Fig. 2 entspricht, hier jedoch aus einer Bohrung besteht, die sich vom engsten Querschnitt 30 an kegelförmig bis zum Ventilsitz 14 erweitert. Auf den Abschnitt 46 folgt in Strömungsrichtung ein Abschnitt 48, der aus einer sich insbesondere kegelförmig erweiternden Bohrung besteht, deren Kegelwinkel größer ist als derjenige der Bohrung Auf den Abschnitt 46 folgt das bereits anhand von Fig. 2 beschriebene Löschrohr 34.

Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist der Ventilsitz 14, d.h. hier der übergang vom Abschnitt 46 zum Abschnitt 48, in Form einer ringförmigen Kante ausgebildet.

In dem Stellventil nach Fig. 3 wird die Strömung in der kegelförmig sich verjüngenden Bohrung 44 beschleunigt, wobei je nach der Stellung der Ventilnadel 16 im Abschnitt 46, d.h. im Bereich zwischen dem engsten Querschnitt und dem Ventilsitz 14, Schallgeschwindigkeit auftritt, und die Strömung in der sich erweiternden Bohrung 48, die eine Expansionsdüse darstellt, weiter auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird.

Es wurde bereits erwähnt, daß auch bei dieser Ausführungsform des Stellventils eine günstige Strömungsführung, d.h. insbesondere eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung über den Querschnitt der Gasströmung im Bereich der Stellelemente erreicht und die Ausbildung von Turbulenzen, Ablösungsgebieten und Totwasserzonen verhindert wird. Als Folge davon wird eine Erosion der Stellelemente und ein Aufsintern von Staubpartikeln auf diese praktisch vermieden.

Das erfindungsgemäße Stellventil erlaubt duch sehr niederen Widerstand hohe Massendurchsätze und kann daher auch in relativ kleinen Rohrleitungen eingesetzt werden.

- Leerseite -

Claims

Herion-Werke KG A 14 851 Lh/fi Patentansprüche

1. Stell ventil,insbesondere für hochgespannte, staubhaltige Gase, mit einem z.B. rohrförmigen Ventilgehäuse mit Ventilsitz und einer Ventil nadel mit Schließbewegung in Strömungsrichtung der Gase, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse (12) eine erste kegelförmige Bohrung (24) aufweist, die sich vom zylindrischen Querschnitt (32) des Gehäuses in Strömungsrichtung bis zum Ventilsitz (14) verjüngt, und daß sich an die Bohrung (24) in Strömungsrichtung eine am Ventilsitz (14) beginnende zweite kegelförmige Bohrung (26) anschließt, deren Kegelwinkel kleiner ist als der Kegplwinkel der ersten Bohrung (24).

2. Stellventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der übergang von der Bohrung (24) zur Bohrung (26), der den Ventilsitz (14) bildet, in Form einer ringförmigen Kante zwischen den beiden Bohrungen (24, 26) ausgebildet ist.

3. Stell ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die zweite Bohrung (26) in Strömungsrichtung eine sich vom engsten Querschnitt (30) des Ventil gehäuses aus insbesondere kegelig erweiternde dritte Bohrung (28) anschließt.

4. Stell ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (28) übergeht in ein zylindrisches Löschrohr (34), das durch einen es umgebenden Ringraum (36) von der sich an das Ventilgehäuse (12) anschließenden Rohrleitung (42) getrennt ist.

5. Stellventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Löschrohr (34) mit radialen durchgehenden Bohrungen (38) versehen ist, deren Gesamtfläche etwa 10% der Oberfläche der Innenwand des Löschrohres (34) beträgt.

6. Stel 1 ventil nach einem der vorhergehenden Anspruches dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel der Bohrungen (24, 44) etwa 15-30¹³, derjenige der Bohrungen (26, 46) etwa 4-12° und derjenige der Bohrungen (28, 48) etwa 10«24° und derjenige der Ventilnadel (16) etwa 5-12° beträgt.

7. Stellventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daS die axiale Länge der Bohrung (26, 46) etwa das 0,75-1,5-fache des Durchmessers des Ventilsitzes (14) beträgt.

8. Stell ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des engsten Querschnitts (30) etwa das 0,7-0,9-fache des Durchmessers des Ventilsitzes (14) beträgt.

9. Stellventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß um den Ventilschaft (18) der Ventilnadel (16) und/oder an der Innenwand des Ventil gehäuses (12) in Umfangsrichtung mehrere in Achsrichtung verlaufende Leitbleche (22) angeordnet sind zur Führung und Richtung des Gasstromes.

10. Stellventil, insbesondere für hochgespannte staubhaltige Gase, mit einem z.B. rohrförmigen Ventilgehäuse mit Ventilsitz und einer Ventil nadel mit Schließbewegung entgegen der Strömungsrichtung der Gase, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse (12) eine erste kegelförmige Bohrung (44) aufweist, die sich vom zylindrischen Querschnitt (32) des Gehäuses in Strömungsrichtung bis zum engsten Querschnitt (30) verjüngt, daß sich an die Bohrung (44) eine vom engsten Querschnitt (30) bis zum Ventilsitz (14) reichende Bohrung (46)anschließt, die sich in Strömungsrichtung kegelförmig erweitert, und daß auf die Bohrung (46) eine sich in Strömungsrichtung insbesondere kegelförmig erweiternde Bohrung (48) folgt, deren Kegelwinkel größer ist als derjenige der Bohrung (46).