DE3744424A1 - Drosselventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Drosselventile zur mehrstufigen Entspannung von unter Druck stehenden Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen. Insbesondere be­ trifft sie Ventile, in denen die Entspannung in mindestens einer Stufe drehend, d. h. unter Bildung eines Wirbels erfolgt.

Solche Ventile sind beispielsweise durch die Patentschrift DE 16 00 878 C2 bekannt. Diese sind in der Lage, auch größte Druckgefälle zu verarbeiten, ohne daß in den Ventilen Kavitations- oder Erosionsschäden auftreten. Da die Strömung diese Ventile in Form eines Wirbels verläßt, können jedoch in der Abströmleitung Schäden auftreten. Der Abströmwirbel hat i. a. zu­ erst einen stabilen Wirbelkern, der nach einer gewissen Leitungslänge eine Korkenzieherform bekommt, die bei entsprechender Vergrößerung gegen die Leitungswand schlägt und dort Geräusche und Schäden verursacht. Dieser Vor­ gang tritt besonders stark auf, wenn die Abströmleitung kurz hinter dem Ventil eine plötzliche Erweiterung hat. Durch die Kavitations- und Erosi­ onsschäden wird einerseits die Rohrwand bis zum Durchbruch geschwächt und andererseits Material der Rohrwand in den Prozeß eingeschleppt und Folge­ schaden bewirkt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung unter Beibehaltung der Vorteile der be­ kannten Ventile deren Nachteile zu vermeiden.

Die Lösung besteht darin, daß vor dem Ventilaustritt durch einen Gleich­ richter sämtliche nicht-axialen Geschwindigkeitsvektoranteile vernichtet werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Die Fig. 1 zeigt in Abhängigkeit vom Durchfluß Q den Verauf der einzelnen Druckkom­ ponenten in Addition. Am Ventilaustritt herrscht zuerst einmal der kon­ stante statische Druck p _S . Die Kurve p _D zeigt den Verlauf des dynamischen Drucks, der i. a. quadratisch mit dem Durchfluß Q ansteigt. Der Druck am Ventileintritt p ₁ ist als konstant angenommen. Das Druckgefälle für den Gleichrichter p _G ist als quadratische Kurve eingezeichnet. Als gestrichelte Linie ist der Dampfdruck der durchfließenden Flüssigkeit mit p′ darge­ stellt. Im Gleichrichter wird der axiale Anteil der Strömungsgeschwindig­ keit verzögert. Dadurch wird gemäß dem Impulssatz eine Druckerhöhung be­ wirkt, die vom Flächenverhältnis Gleichrichter/Ventilaustritt bestimmt ist. Wenn dieses 1 : 2 beträgt, findet der maximal mögliche Druckrückgewinn statt, der die Hälfte des Gesamtdruckgefälles im Gleichrichter ausmacht. Hinter dem Gleichrichter als Viellochblende stellt sich also die Drucksenke gemäß der gestrichelten Kurve p _M ein. Solange diese oberhalb der Kurve p′ bleibt, tritt keine Kavitation auf. Das Druckgefälle zwischen Ventileintritt und dem Gleichrichter p ₁-p ₄ teilt sich in den tangentialen Anteil auf, der vom Gleichrichter ohne Druckrückgewinn vernichtet wird, und die axialen Anteile der Stufen 2, 3, 4, . . ., nämlich p _T , p ₂, p ₃, p _n , . . ., wobei eine der Stufen gleichzeitig Ventilsitz ist.

Fig. 2 zeigt schematisch die Strömungsverhältnisse in der ersten Stufe. In der Umrandung 1 der Strömungskammer 2 findet der Eintritt der Strömung unter dem Winkel α statt, der zum Radiusvektor 4 besteht. Diese Strahlachsen 5 sind Tangenten zum Radius R. Die Strömung bildet einen Wirbel, der den mi­ nimalen Radius r hat. Von R zu r wird die Strömung beschleunigt, wodurch der statische Druck entsprechend abgesenkt wird. Die bei r herrschende gro­ ße Strömungsgeschwindigkeit wird durch den Gleichrichter ohne Druckrückge­ winn abgestoppt. Damit sind sämtliche nicht-axialen Geschwindigkeitsvektor­ anteile vernichtet und mit ihm das entsprechende Druckgefälle.

Fig. 3 zeigt das Drosselventil in seiner einfachsten Form. Die Umrandung 1 ist mit der Innenwand des Zylinders 6 identisch. Der Rotationsraum 2 wird durch den Ventilsitz 7 und den Ventilkolben 8 begrenzt. Innerhalb des Ven­ tilsitzes 7 liegt der zentrale Austritt 3 mit dem Radius r. Der Ventilkol­ ben 8 kann durch die Stange 9 von der Schließlage in die maximale Offenstel­ lung verschoben werden. Im Zylinder 6 sind Schrägschlitze 14 eingearbeitet, durch die die Strömung mit aufgeprägter Richtung in den Rotationsraum 2 ge­ langt. Die Fig. 4 zeigt, wie sich in bekannter Weise die Winkel α der Strahlachsen 5 mit dem Hub verändern, um das Restdruckgefälle anzupassen.

Fig. 5 zeigt das Drosselventil mit zusätzlichen axialen Stufen, die im Ge­ häuse 13 untergebracht sind. Die Stange 9 ist nun im Deckel 17 verschieblich angeordnet. Unten am Ventilaustritt befindet sich der Gleichrichter 19, der als Viellochblende ausgebildet ist. Die am Rotationsraum 2 anschließende Drosselstufe 20 hat eingearbeitete Drosselschlitze 21, die axial oder halb­ axial oder gewunden verlaufen können und mit denen die Ventilkennlinie den erforderlichen Werten angepaßt werden kann. Die zwischen den Drosselschlit­ zen verbleibenden Rippen dienen zur Führung des Ventilkörpers 22, die fol­ gende Drosselstufe 23 ist ohne Drosselschlitze dargestellt, obwohl sie ge­ nau wie die Drosselstufe 20 ausgebildet sein kann. Die Drosselstufe 23 bil­ det mit dem Ventilkörper 24 einen veränderlichen ringförmigen Drosselspalt 25, der den Vorteil hat, daß in seiner Spaltströmung keine Trennflächen auf­ treten. Die folgende Drosselstufe ist der Ventilsitz 7 mit dem Ventilkegel 26. Beim Schließen des Ventils wird der Spalt zwischen Ventilsitz 7 und Ventilkegel 26 immer enger und übernimmt schließlich das gesamte Druckge­ fälle. Der austretende Ringstrahl 27 wird durch den Querschnittsverlauf des Spaltes 7/26 kontinuierlich beschleunigt und besitzt deshalb in seiner Normalfläche konstanten statischen Druck. Seine Begrenzungsflächen sind noch nicht von einer Schichtströmung ummantelt. Er gelangt in das Totwasser des Entspannungsraumes 28 und ummantelt sich dort wie jeder Freistrahl mit einer inneren und einer äußeren Mischströmung 29, 30. Darin geschieht der Impulsaustausch zum Abbau der Strömungsenergie. Bei entsprechend geringem statischen Druck könnte dort Kavitation auftreten, wenn nicht der sogenannte Siede-Verzug wäre. Die Mischströmungen 29, 30 beginnen an den scharfen Aus­ trittskanten des Ventilsitzes 7 bzw. des Ventilkegels 26 und haben keine radiale Ausdehnung. Es fehlt somit der Raum zur Bildung endlich großer Dampf­ bläschen. Ein solcher ist aber erforderlich, weil die Verdampfungswärme von Flüssigkeiten aus zwei Teilen besteht, nämlich der inneren Energie zur Lö­ sung des Molekülverbandes und der äußeren Energie zum Bilden des Volumens. Solange das erforderliche Volumen nicht zur Verfügung steht, unterbleibt die Bildung von Dampf. Versuche mit Acryl-Glas-Modellen haben gezeigt, daß erst bei sehr großen Druckgefällen und niedrigem Gegendruck am Beginn der Mischströmungen eine milchige Trübung auftritt, die jedoch nach einem Weg von etwa 1 mm wieder klar wird, ohne daß Dampfbläschen entstehen. Wichtig ist nur, daß der Freistrahl mit seinem Kern nicht auf feste Körper auftref­ fen kann. Deshalb muß der Entspannungsraum entsprechend gestaltet sein.

Vom Entspannungsraum 28 gelangt die Strömung nun in den Gleichrichter 19. Dieser ist hier mit düsenförmigen Drosselbohrungen 31 und anschließenden Austauschstrecken 32 versehen. In dieser Anordnung wirkt sich der Siedever­ zug derart aus, daß die vorerwähnte milchige Trübung erst einsetzt, wenn der Gegendruck absolut gemessen weniger als 23% des Drucks am Eintritt des Gleichrichters 19 beträgt. Wegen der hohen Oberflächenspannung der sehr kleinen Dampfbläschen der milchigen Trübung spielt dabei der Dampfdruck keine Rolle, solange wegen der Oberflächenspannung der Innendruck der Dampf­ bläschen höher ist als dem temperaturgerechten Dampfdruck entspricht.

Die Fig. 6 zeigt das Diagramm für das Drosselventil nach Fig. 5. Die Be­ zeichnungen entsprechen dem Diagramm nach Fig. 1. Die Drucksenke hinter dem Gleichrichter 19 darf nun unterhalb der Dampfdruckkurve p′ verlaufen, so daß das Drosselventil vollkommen kavitationssicher ist, solange nur der statische Druck p _S am Ventilaustritt oberhalb der Dampfdruckkurve p′ ver­ läuft. Wird im Ventilaustritt die Dampfdruckkurve p′ unterschritten, so ge­ nügt ein ansteigender Verlauf der Rohrleitung, um Kavitationsschäden zu vermeiden, denn die entstehenden Dampfblasen können sich wegen der abneh­ menden geodätischen Höhe nur vergrößern und keinesfalls implodieren.

Die Fig. 7 zeigt in Draufsicht die Drosselstufe 20 mit tangential einge­ arbeiteten Drosselschlitzen 21. Die Drosselstufe 20 ist in dieser Form ge­ eignet, einen Wirbel zu erzeugen wie die erste Stufe nach Fig. 2.

Das Drosselventil nach Fig. 5 ist nicht nur für Flüssigkeiten, sondern auch für Dämpfe und Gase geeignet. Um zur Kühlung bei Dämpfen Flüssigkeit zuführen zu können oder bei Gasen zumischen zu können, ist in der Stange 9 die Bohrung 18 eingebracht. Diese Bohrung 18 kann aber auch verwendet wer­ den, um den Druck vor dem Gleichrichter 19 zu überwachen, um regeltech­ nisch einzugreifen, wenn die milchige Trübung eingesetzt hat.

Claims (8)

1. Mehrstufiges Drosselventil mit mindestens einer Entspannungs­ stufe mit um die Ventilachse drehender Strömung und axial ver­ schieblichem Ventilkolben, der Durchfluß und/oder Drehstärke verändert, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ventilaustritt durch einen Gleichrichter (19) sämtliche nicht- axialen Geschwindigkeitsvektoranteile vernichtet werden.

2. Drosselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis Gleichrichter (19)/Ventilaustritt 1 : 2 beträgt.

3. Drosselventil nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Teil der Stufen veränderliche Ringspalte bilden.

4. Drosselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine der Stufen durch Ventilsitz (7) und Ventilke­ gel (26) gebildet wird.

5. Drosselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Teil der Stufen eingearbeitete Drosselschlitze (21) haben, die axial schräg verlaufen und in Draufsicht radial, halb-tangential oder tangential verlaufen.

6. Drosselventil nach Anspruch 5 mit in Draufsicht radial verlaufen­ den Drosselschlitzen (21), dadurch gekennzeichnet, daß diese als Gleichrichter in der oder den letzten Stufen vor dem Ventilaus­ tritt wirken.

7. Drosselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gleichrichter aus einer Viellochdüse besteht und die Düsen sich von ihren Einläufen zu ihren Ausläufen stetig verengen und scharfe Austrittskanten haben.

8. Drosselventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß hin­ ter den düsenförmigen Drosselbohrungen (31) Austauschstrecken (32) angeordnet sind.