DE3744424A1 - Drosselventil - Google Patents
DrosselventilInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
- F16K47/00—Means in valves for absorbing fluid energy
- F16K47/04—Means in valves for absorbing fluid energy for decreasing pressure or noise level, the throttle being incorporated in the closure member
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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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873744424 DE3744424C2 (de) | 1987-12-29 | 1987-12-29 | Drosselventil |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873744424 DE3744424C2 (de) | 1987-12-29 | 1987-12-29 | Drosselventil |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3744424A1 true DE3744424A1 (de) | 1989-07-13 |
DE3744424C2 DE3744424C2 (de) | 1997-08-07 |
Family
ID=6343793
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19873744424 Expired - Lifetime DE3744424C2 (de) | 1987-12-29 | 1987-12-29 | Drosselventil |
Country Status (1)
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Also Published As
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