DE3444039C2 - - Google Patents
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Description
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. 750°C haben können.
Diese Gase werden über Ventile entspannt und in Auffangbehälter abgeblasen
zur Weiterverwendung z. B. als Prozeßgas für die Kesselbefeuerung 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 Ventilkörper auch ein Anlagern und Aufsintern von Staubpartikeln be
obachtet wurde.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Stellventil der eingangs
genannten Art derart weiterzubilden, daß sowohl eine Erosion der Verschluß-
und Stellelemente 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 Ventilgehäuses 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 ausge
bildet.
An den zweiten Abschnitt schließt sich vorteilhafterweise in Strömungs
richtung ein sich vom engsten Querschnitt des Ventilgehäuses aus insbe
sondere kegelig erweiternder Expansionsabschnitt an, in welchem die
Strömung auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird.
Da es erwünscht ist, daß das Stellventil eine möglichst geringe Schall
emission aufweisen soll, folgt auf den Expansionsabschnitt zweckmäßiger
weise ein zylindrisches sogenanntes Löschrohr, das einen radialen Ab
stand zur Wand des rohrförmigen Gehäuses hat und das mit einer insbesondere
radialen Lochung versehen ist.
Gas- und Dampfströmungen im schallnahen und im Überschallgeschwindigkeits
bereich führen in Rohren zur Ausbildung von Stößen und Wellen. Beide Er
scheinungen haben Gasschwingungen und periodische Druckänderungen zur Folge,
durch welche Richtungsänderungen des Gasstromes entstehen können, die zu
einer starken Schallemission und durch stoßinduzierte Ablösungen zu Schäden
an der Rohrwandung führen.
Eine solche Stoß- und Wellenbildung wird durch das vorgenannte Löschrohr
im wesentlichen verhindert, mindestens aber stark reduziert, wodurch die
Schallemission beträchtlich gesenkt werden kann.
Durch die Ausbildung der Bohrung im Ventilgehäuse in Form eines kegel
förmigen Abschnittes, an den sich ein weiterer kegelförmiger Abschnitt
mit kleinerem Kegelwinkel anschließt, der sich bis zum engsten Quer
schnitt der Bohrung erstreckt, wird eine Verbesserung der Strömungs
führung erreicht, wodurch Turbulenzen und Ablösegebiete, sowie Tot
wasserzonen praktisch vollkommen vermieden werden.
Hierdurch wird eine Erosion der Stellorgane, insbesondere der kegel
förmigen 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 19
in einer Führungsbüchse 20 axial beweglich geführt ist, wobei die Führungs
büchse 20 in der dargestellten Ausführungsform in der Rohrleitung 40
eingebaut und gehalten ist.
Auf dem Ventilschaft 18 oder auf einem diese, umgebenden, nicht darge
stellten Mantel und/oder an der Innenwand des Ventilgehäuses 12 sind,
wie Fig. 1 zeigt, sich in Achsrichtung erstreckende Leitbleche 22 ange
bracht, durch welche die von der Rohrleitung 40 kommende Gasströmung (oder
Dampfströmung) geführt und gerichtet wird. Es können z. B. um den Umfang
des Ventilschaftes 18 mehrere Leitbleche 22 vorgesehen sein, z. B. drei
in Winkelabständen von 120°, oder z. B. vier in Winkelabständen von 90°.
Ferner können in axialen Abständen mehrere solcher Gruppen von Leit
blechen 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 Kontrollquerschnitt 14, der den Ventilsitz bildet, d. h. das Stell
ventil 10 ist geschlossen, sobald die Ventilnadel 16 auf dem Ventilsitz 14
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 Ring
raum 36 erstrecken, welcher das Löschrohr 34 von der drucktragenden Wand
der Rohrleitung 42 trennt. Die Bohrungen 38 in der Wand des Löschrohres 34
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.
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
Druckverhältnisse, d. h. je nach Stellung der Ventilnadel 16, Schallge
schwindigkeit 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 Ab
lösungen 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 er
reicht, indem der Kontrollquerschnitt 14, der den Ventilsitz bildet,
d. h. der Übergang von der Bohrung 24 zur Bohrung 26 in Form einer ring
förmigen Kante ausgebildet wird.
Bezeichnet man den Durchmesser der zylindrischen Bohrung 32 des Ventil
gehäuses 12 mit DN, so hat der Ventilsitz 14 vorzugsweise einen Durch
messer 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 Ventilnadel 16 beträgt z. B. 5-12°, derjenige des Ab
schnittes 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 Ventil
sitzes 14.
Es wurde oben bereits erwähnt, daß in Gas- und Dampfströmungen mit Ge
schwindigkeiten 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 Stößen und Wellen in der Strömung im wesentlichen ver
hindert 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 ver
wendet werden.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß ein Stellventil 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 Ventilnadel.
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 Ventil
gehäuses 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 be
steht, die sich vom engsten Querschnitt 30 an kegelförmig bis zum Ventil
sitz 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 46.
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 Ventil
nadel 16 im Abschnitt 46, d. h. im Bereich zwischen dem engsten Querschnitt 30
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 Stell
ventils eine günstige Strömungsführung, d. h. insbesondere eine gleichmäßige
Geschwindigkeitsverteilung über den Querschnitt der Gasströmung im Bereich
der Stellelemente erreicht und die Ausbildung von Turbulenzen, Ablösungs
gebieten 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.
Claims (10)
1. Stellventil, insbesondere für hochgespannte, staubhaltige Gase,
mit einem z. B. rohrförmigen Ventilgehäuse mit Ventilsitz und einer
Ventilnadel 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 Ventil
sitz (14) verjüngt, und daß sich an die Bohrung (24) in Strömungs
richtung eine am Ventilsitz (14) beginnende zweite kegelförmige
Bohrung (26) anschließt, deren Kegelwinkel kleiner ist als der Ke
gelwinkel der ersten Bohrung (24).
2. Stellventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ober
gang 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. Stellventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
sich an die zweite Bohrung (26) in Strömungsrichtung eine sich
vom engsten Querschnitt (30) des Ventilgehäuses aus insbesondere
kegelig erweiternde dritte Bohrung (28) anschließt.
4. Stellventil 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. Stellventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Kegelwinkel der Bohrungen (24, 44) etwa
15-30°, 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 ge
kennzeichnet, daß die axiale Länge der Bohrung (26, 46) etwa das
0,75-1,5-fache des Durchmessers des Ventilsitzes (14) beträgt.
8. Stellventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Durchmesser des engsten Querschnitts (30)
etwa das 0,7-0,9-fache des Durchmessers des Ventilsitzes (14) be
trägt.
9. Stellventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß um den Ventilschaft (18) der Ventilnadel (16)
und/oder an der Innenwand des Ventilgehäuses (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 kegel
förmige 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).
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