DE3829726A1 - Vorgesteuertes druckstoss-nebenauslassventil - Google Patents
Vorgesteuertes druckstoss-nebenauslassventilInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen vorgesteuerten
Druckstoß-Nebenauslaß mit einem Kolbenventil, das
normalerweise geschlossen ist.
Federbelastete Sicherheitsventile neigen zum Flattern
und können Rohre zu Schwingungen anregen, vgl. G.
MacLeod, "Safety Valve Dynamic Instability: An Analysis
of Chatter", transactions of the ASME, 1972/vol. 107,
Mai 1985, S. 172-177.
Bei Ventilen auftretende Druckstoßphänomene sind in
DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V.,
Technische Mitteilung, Merkblatt W 303, Februar 1983
beschrieben. In dieser Druckschrift sind auf S. 15
unter der Nummer 4.3.2.4 auch Nebenauslässe für
Entspannungsturbinen erwähnt. Auf S. 19 ist unter
"4.4.3.5 Nebenauslaß" aufgeführt, daß gesteuerte
Nebenauslässe auf der Saugseite der Pumpen ausführbar
sind, daß sie jedoch auf der Druckseite nicht
empfehlenswert sind und insbesondere die bei der
Abschaltung entstehenden Druckabsenkungen nicht günstig
beeinflussen können.
Die bekannten Ventile weisen den Nachteil auf, daß sie
übersteuern und flattern, weil sie ungedämpft arbeiten.
Dadurch können Druckstöße noch verstärkt werden,
insbesondere dann, wenn die Ventile nicht richtig
dimensioniert sind. Druckstoßnebenauslässe sind sehr
schwer einzustellen. Wenn es nicht gelingt, durch
umfangreiche Einstellversuche die optimale Einstellung
zu erreichen, können die Druckstöße noch verstärkt
werden, siehe das Lehrbuch von Walter Volk,
"Absperrorgane in Rohrleitungen", Springer Verlag 1959,
S. 57-75.
Es ist ferner bekannt, daß Druckstoßnebenauslässe, wenn
sie nicht genau auf die einzelnen Parameter des
Leitungsnetzes abgestimmt sind, zusätzliche Druckstöße
hervorrufen können. Solche Druckstöße sind bekanntlich
bei langen Leitungen besonders gefährlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von dem
genannten Stand der Technik, einen universal
einsetzbaren Druckstoß-Nebenauslaß zu schaffen.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung gelöst durch ein
Kolbenventil, das normalerweise geschlossen ist, und
eine Druckleitung, die den Vordruckbereich über
mindestens eine Drossel mit der geschlossenen
Kolbenkammer verbindet, deren Druck die Rückseite des
Kolbens in Schließrichtung beaufschlagt, durch eine
durch das Medium, das auch durch die Rohrleitung
fließt, gesteuerte Steuereinrichtung, die bei
gewünschtem voreinstellbarem Vordruckzustand den
Kolbenkammerdruck abbaut, und durch eine durch
Speicherkräfte betätigte, gebremste Schließeinrichtung.
Wenn der Druck vor dem Ventil, z. B. aufgrund
betrieblicher Störungen, in den Bereich gelangt, der
voreingestellt ist, öffnet sich der erfindungsgemäße
Nebenauslaß stetig. Dadurch wird ein Übersteuern
verhindert, und unerwünschte Unterdruck- oder
Überdruckwellen können auf eine zulässige Größenordnung
begrenzt werden.
Da die Kolbenkammer im Vergleich zu dem
Durchflußvolumen bei geöffnetem Kolbenventil, ein
relativ kleines Volumen hat, kann der Druck in der
Kolbenkammer schnell absinken, so daß das Ventil sofort
zu öffnen beginnt.
Wenn der Vordruck wieder in den normalen Arbeitsbereich
zurückkehrt, schließt das Druckstoß-Nebenauslaßventil
unter der Wirkung der Speicherkräfte. Dieser
Schließvorgang ist jedoch gebremst, so daß das eher nur
sehr langsam durchgeführt wird. Die Schließzeit beträgt
ein Vielfaches der Öffnungszeit.
Ein bedeutender Vorteil der Erfindung ist, daß die
Öffnungsgeschwindigkeit des Ventils mit der Drossel
einstellbar und auch berechenbar ist, und daß die
Schließzeit über die Stromregelventile der Ölbremse
reproduzierbar eingestellt werden kann.
Zur Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit ist folgendes
zu beachten: In Öffnungsrichtung ist das Ventil in der
Lage, nahezu verzögerungsfrei auf Veränderungen des
Vordrucks P v zu reagieren. In Schließrichtung wird die
Schließgeschwindigkeit über die Stromregelventile der
Ölbremse auf Werte in der Größenordnung von mehreren
Minuten begrenzt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein durch
eine Feder einstellbares Vorsteuerventil vorgesehen,
dessen Durchflußweg zwischen der Drossel der
Druckverbindungsleitung und der Abflußleitung
angeschlossen, und dessen Kammer über eine
Steuerleitung mit der Zuflußleitung kommunizierend
verbunden ist.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist
das einstellbare Vorsteuerventil ein Membranventil.
Die Steuerleitung kann zweckmäßigerweise mit der
Membran verbunden sein, deren Druck die Membrane und
damit die Kolbenstange in Öffnungsrichtung vorspannt,
und der Kolben des Membranventils ist durch Federn in
Schließrichtung vorgespannt, jedoch mit einer Kraft,
die bei normalem Vordruck größer als die
Membran-Kolbenkraft ist.
Diese Ausführungsform der Erfindung eignet sich
insbesondere als Überströmventil vor Hochbehältern. Sie
dient insbesondere zur Absicherung der Rohrleitungen
bei Fehlschaltungen der Behältereinlaufarmaturen.
Bei Wasserversorgungsanlagen sind im allgemeinen die
verschiedenen nachgeschalteten Behälter mit der
Falleitung jeweils über mehrere Einlaufarmaturen
verbunden, die, elektrisch angesteuert, nacheinander
schließbar sind, so daß kein übermäßig hoher Druckstoß
entsteht. Solch eine Wasserversorgung ist jedoch nicht
voll gegen einen Stromausfall abgesichert, bei dem
sämtliche Einlaufarmaturen gleichzeitig schließen
würden. In diesem Falle wäre damit zu rechnen, daß ein
solcher Druck entsteht, daß die Leitung zerstört werden
könnte.
Diese Gefahr wird durch das beschriebene
Druckstoß-Nebenauslaßventil aus der Welt geschafft. Es
öffnet schnell, so daß kein hoher Druckaufbau entstehen
kann. Es öffnet mit Sicherheit, da es durch das
Eigenmedium gesteuert wird und nicht auf
Fremdsteuerenergie angewiesen ist; auch ein
vollständiger Stromausfall hätte keinen Einfluß auf die
Funktion dieses Druckstoß-Nebenauslasses. Schließlich
schließt das erfindungsgemäße
Druckstoß-Nebenauslaßventil so langsam, daß sich kein
hoher, die Rohrleitung gefährdender Druckstoß ausbilden
kann.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Betreiber solcher
Wasserversorgungsanlagen sich bereits seit Jahren
vergeblich darum bemühen, eine derartige
Sicherungsanlage zu erhalten.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuerleitung mit der Membran
verbunden ist, deren Druck die Membran und die
Kolbenstange in Schließrichtung vorspannt, und der
Kolben des Membranventils durch Federn in
Öffnungsrichtung vorgespannt ist, jedoch mit einer
Kraft, die bei normalem Vordruck kleiner als die
Membrankolbenkraft ist.
Wenn der Vordruck unter einen voreingestellten Wert
abfällt, überwindet die Öffnungskraft der Feder die
Öffnungskraft des durch die Steuerleitung zugeführten
Druckes, mit der Folge, daß das Membranventil öffnet.
Damit fällt der Druck in der Kolbenkammer schnell, aber
nicht übersteuert, auf den Hinterdruck in der
Abflußleitung ab, und das Kolbenventil wird geöffnet.
Wenn der Vordruck wieder über den voreingestellten
Vordruck ansteigt, schließt das Membranventil, in der
Kolbenkammer baut sich wieder nahezu der Vordruck auf,
und das Kolbenventil schließt wieder, jedoch sehr
langsam, wegen Ölbremse. Dadurch wird die
zurückströmende Wassersäule sehr langsam abgebremst.
Diese Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich zum
Einbau parallel zur Pumpe aus, welche normalerweise in
eine Steigleitung fördert. Bekanntlich fällt beim
Ausfall einer Pumpe der Druck zunächst ab.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung über
eine Blende mit einem Blasenspeicher verbunden ist, daß
eine Membrankammer des Membranventils mit dem Bereich
der Steuerleitung zwischen Blende und Zuflußleitung
kommunizierend verbunden ist, und die andere
Membrankammer mit dem Bereich der Steuerleitung
zwischen Blende und Blasenspeicher kommunizierend
verbunden ist.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wirkt das
Membranventil als Differenzdruckregler.
Nach einer Ausführungsform kann die Membrankammer,
deren Druck die Membrane und den Kolben in
Schließrichtung beaufschlagt, mit dem Bereich der
Steuerleitung zwischen Blende und Zuflußleitung
kommunizierend verbunden sein, und die andere Membrane
mit dem Bereich der Steuerleitung zwischen Blende und
Blasenspeicher kommunizierend verbunden sein.
Dieses Druckstoß-Nebenauslaßventil öffnet bei
Druckabfall unter einen voreingestellten Wert, und es
schließt im wesentlichen dann, wenn der Druck nicht
weiter fällt, d. h. wenn die zeitliche Änderung des
Druckes gleich oder größer null ist.
Bei einer anderen Ausführungsform ist die
Membrankammer, deren Druck die Membrane und den Kolben
in Schließrichtung beaufschlagt, mit dem Bereich der
Steuerleitung zwischen Blende und Blasenspeicher
kommunizierend verbunden, und die andere Membrankammer
ist mit dem Bereich der Steuerleitung zwischen Blende
und Zuflußleitung kommunizierend verbunden. Dieses
Druckstoß-Nebenauslaßventil öffnet dann, wenn die
zeitliche Änderung des Druckes nach der Zeit größer als
null ist. Das ist z. B. dann, wenn, nach Ausfall der
Pumpe, der Druckabfall beendet ist und der Druck wieder
anzusteigen beginnt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß dem Membranventil, das bei Abfall
des Vordruckes unter einen vorbestimmten Wert öffnet,
ein Differenzdruckregler in Reihe nachgeschaltet ist.
Die Durchflußkanäle dieser Reihenschaltung können
ebenfalls wiederum zur Hinterdruckseite geführt sein
oder aber ins Freie führen.
Bei dieser Ausführungsform öffnet das Membranventil,
wenn der Vordruck unter einen vorbestimmten Wert
abfällt. Der nachgeschaltete Differenzdruckregler ist
jedoch noch geschlossen. Infolgedessen bleibt der Druck
in der Kolbenkammer im wesentlichen gleich dem Vordruck
und das Kolbenventil bleibt geschlossen. Wenn der
Vordruck jedoch sein Minimum durchlaufen hat und zu
steigen beginnt, steigt der Druckabfall an der Blende
zwischen Zuflußleitung und Blasenspeicher an, so daß
der Differenzdruckregler öffnet. Damit ist der
Druckleitungsweg von der Kolbenkammer über das
Membranventil und das Differenzdruckreglerventil
freigegeben, mit der Folge, daß der Druck in der Kammer
abfällt und das Kolbenventil aufgrund des Vordruckes
öffnet.
Bereits aus diesen wenigen beschriebenen
Ausführungsbeispielen geht hervor, daß das
erfindungsgemäße Druckstoß-Nebenauslaßventil universell
anwendbar ist. Es kann, nur durch geringfügige
Modifikation in der Steuerleitung, so eingestellt
werden, daß es bei beliebigen Druckwerten oder bei
beliebigen Druckdifferenzen in gewünschter Weise öffnet
bzw. schließt.
Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann in
der Druckverbindungsleitung, zwischen der Drossel und
der Kolbenkammer, eine verstellbare Drossel vorgesehen
sein. Durch diese verstellbare Drossel kann der
Öffnungsquerschnitt der Druckverbindungsleitung in
beliebiger Weise geändert werden, so daß die
Geschwindigkeit des Druckabbaus in der Kolbenkammer bei
geöffnetem nachgeschaltetem Steuerventil in gewünschter
Weise begrenzt werden kann.
Vorzugsweise ist eine Fallgewichtsanordnung zur
Erzeugung der Speicherenergie für den Schließvorgang
vorgesehen. Es kann auch Federanordnung zur Erzeugung
der Speicherenergie vorgesehen sein.
Als Bremse für den Schließmechanismus des Hauptventils
kann eine Ölbremse mit einstellbaren Stromregelventilen
vorgesehen sein.
Sämtliche Blenden oder einstellbare Drosselventile
können auch Drosselrückschlagventile sein, also
Ventile, die in beiden Richtungen unterschiedliche
Druckverluste bzw. Drosselwirkungen haben.
Die Erfindung ist im folgenden anhand einiger
Ausführungsbeispiele und in Verbindung mit der
Zeichnung näher beschrieben. Im einzelnen zeigt
Fig. 1 die Anordnung eines
Druckstoß-Nebenauslaßventiles parallel zu
Einlaufarmaturen vor einem Hochbehälter,
Fig. 2 und 2a ein erfindungsgemäßes Druckstoß-
Nebenauslaßventil zur Verhinderung eines
plötzlichen Druckstoßes in einer
Falleitung,
Fig. 3 und 4 Skizzen zur Beschreibung der
Druckverhältnisse am Kolben des
Hauptventils,
Fig. 5 die Anordnung eines erfindungsgemäßen
Ventils parallel zu einer Pumpe, zur
Verhinderung eines unerwünscht hohen
Druckabfalls bei Ausfall der Pumpe,
Fig. 6 bis 9 weitere Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen
Druckstoß-Nebenauslaßventils in
verschiedenen Anwendungsformen,
Fig. 10 ein Druckstoß-Nebenauslaßventil mit
Magnetventil und Ausgleichsbehälter,
Fig. 11 ein Druckverlaufsdiagramm für den
Druckverlauf bei Ausfall einer Pumpe und
verschiedene Schaltbereiche für das
erfindungsgemäße
Druckstoß-Nebenauslaßventil.
Die Fig. 1 zeigt in schematischer Weise eine
Wasserversorgung. Von einem Hochbehälter 10 führt eine
Falleitung zu einem Hochbehälter 16. Die Falleitung 12,
die z. B. 10 km, 50 km oder länger sein kann, ist über
Einlaufarmaturen 14 mit dem Hochbehälter 16 verbunden.
Parallel zu den Einlaufarmaturen 14, von denen der
Einfachheit halber nur zwei dargestellt sind, ist ein
erfindungsgemäßes Druckstoß-Nebenauslaßventil 20
geschaltet.
Im normalen Betrieb werden dann, wenn der Hochbehälter
16 gefüllt ist, die Einlaufarmaturen 14 nacheinander
geschlossen, so daß keine hohen Druckstöße entstehen.
Problematisch sind diese Anlagen jedoch insofern, als
keine Sicherung dagegen besteht, daß im Falle einer
Fehlschaltung der Armaturen durch den Computer oder bei
einem Stromausfall sämtliche Einlaufarmaturen 14
gleichzeitig schließen. Das könnte einen so hohen Druck
aufbauen und solchen Druckstoß zur Folge haben, daß die
Rohrleitung 12 platzt. Diese Gefahr ist bekanntlich bei
langen Leitungen besonders groß.
Für einen solchen Fall ist das erfindungsgemäße
Druckstoß-Nebenauslaßventil 20 parallel geschaltet.
Im Falle eines plötzlichen Druckstoßes infolge
gleichzeitigen Schließens der Einlaufarmaturen öffnet
dieses Überströmventil sehr schnell, jedoch ohne zu
flattern und ohne zu übersteuern, und anschließend
schließt es stetig und sehr langsam, so daß kein
übermäßig hoher Druckstoß entstehen kann.
Dieses Sicherheitsventil 20 ist in Fig. 2, die im
folgenden beschrieben wird, im einzelnen dargestellt.
In dieser Fig. 2 sieht man rechts eine Zuflußleitung
22, welche den Vordruck P V auf den Kolben 24 gibt, der
einen geschlitzten Vorsatz 26 trägt. Dieser Kolben 24
ist beweglich in einer Kolbenkammer 28 angeordnet. Von
der Zuflußleitung 22 führt eine Druckverbindungsleitung
30, in der eine Drossel 32 eingebaut ist, über den Teil
34 der Druckverbindungsleitung in das Innere der
Druckkammer 28. Wenn der Ventilkolben 24 sich in seiner
Schließstellung befindet, liegt er an dem Dichtungssitz
36 an. In diesem Zustand führt die
Druckverbindungsleitung 30, 34 den Vordruck P V in die
Druckkammer 28. Der Druck P i in dieser Druckkammer,
welcher von hinten auf den Kolben 24 wirkt und diesen
in Richtung Schließstellung beaufschlagt, ist somit im
wesentlichen gleich dem Vordruck P V .
Hinter der Drossel 32 führt eine Abzweigung 38 von der
Druckverbindungsleitung 30 zu einem Regelventil mit
Membranantrieb 40, welches durch eine Feder 42 in seine
Schließstellung vorgespannt ist. Die Abflußleitung des
Durchgangskanals des Regelventils mit Membranantrieb 40
führt über eine Rohrleitung 44 zu der Abflußleitung 48.
Ferner ist eine Überdrucksteuerleitung 50 vorgesehen,
welche in die untere Membrankammer 52 des Regelventils
mit Membranantrieb 40 führt. Durch diese
Überdruckleitung 50 wird der Vordruck P V , der in der
Zuflußleitung 22 herrscht, von unten auf die Membran 60
des Regelventils mit Membranantrieb 40 geführt. Der
Vordruck P V wirkt somit gegen die Vorspannrichtung der
Feder 42 und beaufschlagt die Membran in Richtung der
Öffnungsbewegung des Ventils 40.
Fener sieht man in Fig. 2a eine mechanische
Schließvorrichtung 70, die an der Welle 62 über eine
Schubstange 64 angreift. Diese Schließeinrichtung (70)
wird durch Speicherenergie betrieben, z. B. durch
Fallgewichte 71. Die Schließbewegung dieser
Schließvorrichtung ist durch eine Ölbremse 72 gebremst.
Vor Beschreibung der Funktion dieser Vorrichtung werden
zunächst kurz anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben,
welche Kräfte in der Schließstellung und welche Kräfte
in der Öffnungsstellung auf den Kolben wirken.
Fig. 3 zeigt die Kräfteverhältnisse am Kolben für den
Fall, daß das Vorsteuerventil 40 geschlossen ist.
Rechts in Fig. 3 ist durch D D der Durchmesser des
Dichtungssitzes angegeben, auf den die Vorkraft P V nach
links wirkt. An der linken Seite ist durch D K der
Durchmesser des Kolbens bezeichnet, welcher in der
Schließkraft mit dem Vordruck P V auf den Kolben wirkt,
und zwar in Fig. 3 nach rechts. Durch F sx ist die
Stangenkraft des Hebel-Gewichts-Mechanismus bezeichnet,
welche ebenfalls nach rechts, also in Schließstellung,
wirkt.
Auf den abgestuften, umlaufenden Absatz 68 an der
Vorderseite des Kolbens, also außerhalb des
Schlitzzylinders 26, wirkt der Hinterdruck P H in
Öffnungsrichtung.
Es wirken also die folgenden vier Kräfte:
1) → P V × π/4 D K ²
2) ← P H × π/4 (D K ² - D D ²)
3) ← P V × π/4 D D ²
4) → Stangenkraft vom Hebel + Gewicht F sx
2) ← P H × π/4 (D K ² - D D ²)
3) ← P V × π/4 D D ²
4) → Stangenkraft vom Hebel + Gewicht F sx
Insgesamt wirkt somit auf den Kolben 24 eine
Schließkraft, die durch die folgende Formel ausgedrückt
ist:
Schließkraft = (P V - P H ) (π/4(D K ² - D D ²) + F sx .
Die Durchmesser D K und D D sind nahezu gleich groß, die
resultierende Schließkraft in Schließrichtung ist somit
größer oder zumindest genauso groß wie die Kraft, die
durch Hebel und Gewicht in Schließrichtung ausgeübt
werden.
Fig. 4 zeigt die Kräfteverhältnisse am Kolben für den
Fall, daß das Vorsteuerventil geöffnet ist. In Fig. 4
bezeichnen gleiche Buchstaben wiederum die entsprechend
gleichen Größen wie in Fig. 3. In dieser Fig. 4 wirken
die folgenden vier Kräfte:
1) → P H × π/4 D K ²
2) ← P H × π/4 (D K ² - D D ²)
3) ← P V × π/4 D D ²
4) → Stangenkraft vom Hebel + Gewicht F sx
2) ← P H × π/4 (D K ² - D D ²)
3) ← P V × π/4 D D ²
4) → Stangenkraft vom Hebel + Gewicht F sx
Vereinfacht dargestellt ergibt sich somit die nach
links wirkende, resultierende Öffnungskraft zu:
Öffnungskraft = (P V - P H ) × π/4 D D ² - F sx.
Wie man aus dieser Gleichung sieht, wirkt in diesem
Falle die volle Druckdifferenz zwischen dem Vordruck P V
und dem Hinterdruck P H in Öffnungsrichtung auf den
Kolben, gegen die Stangenkraft F sx .
Es wird darauf hingewiesen, daß die Stangenkraft F sx
des Schließmechanismus sehr viel kleiner ist als die
Kraft, die aufgrund der Druckdifferenz zwischen
Vordruck P V und Hinterdruck P H auf den Kolben 24 in
Öffnungsrichtung wirkt. Diese Stangenkraft F sx ist
deshalb bei der Öffnungsbewegung des Kolbens 24 von
ganz untergeordneter Bedeutung.
Wenn man, wie es gemäß der Erfindung vorgesehen ist,
den Schließmechanismus 62, 64 von der Öffnungsbewegung
so entkoppelt, daß er während der kurzen Öffnungszeit
nicht anspricht und der Öffnungsbewegung nicht
entgegensteht, so wirkt die volle Druckdifferenz
zwischen Vordruck P V und Innendruck P A auf den Kolben,
dieser wird somit sehr schnell geöffnet.
Anhand der Fig. 2 wird jetzt die Wirkungsweise des
dargestellten Druckstoß-Nebenauslaßventils 20
beschrieben. Das Regelventil mit Membranantrieb 40 ist
so eingestellt, daß dann, wenn der Vordruck P V sich in
üblicherweise zu erwartenden Arbeitsbereichen befindet,
die Kraft der Feder 42 auf den Schließkolben größer
ist, als die von dem Vordruck P V über die Membran 60
auf den Kolben ausgeübte Kraft. Bei dieser Einstellung
ist das Regelventil mit Membranantrieb 40 geschlossen.
Infolgedessen baut sich der Vordruck P V über die
Druckverbindungsleitung 30, 34 als innerer Druck P i in
der Kolbenkammer 28 auf. P i ist somit gleich P V . Durch
den Schließmechanismus 62, 64 wird der Kolben 24 nach
rechts in die Schließstellung verschoben, in welcher er
an dem Sitz 36 anliegt. Das Ventil 20 ist somit
geschlossen.
Wenn der Vordruck P V über den voreingestellten
Druckwert ansteigt, erhöht sich auch der Druck auf die
Membran 60 und damit die Kraft auf den Kolben 68 in
Öffnungsstellung. Diese Kraft wird jetzt größer als die
von der Feder 42 ausgeübte Schließkraft, so daß das
Regelventil mit Membranantrieb 40 öffnet. Da der
Durchflußquerschnitt des Regelventils mit
Membranantrieb 40 wesentlich größer als derjenige der
Drossel 32 ist, liegt am stromabwärtigen Ende der
Drossel 32 der Hinterdruck P H an. Damit fällt auch der
Innendruck P i in der Kolbenkammer sehr schnell ab, bis
etwa in die Größenordnung des Hinterdruckes P H . Damit
wirkt angenähert der volle Differenzdruck P V -P H in
Öffnungsrichtung auf den Kolben 24 und öffnet diesen.
Dadurch wird der Durchflußweg durch den Kolben 24
hindurch freigegeben. Damit wird ein plötzlicher
Druckanstieg in der Zuflußleitung 22, der zum Platzen
der gesamten Leitung führen kann, sicher verhindert.
In Fig. 2 ist ferner eine weitere einstellbare Drossel
35 dargestellt, die nicht notwendigerweise vorhanden
sein muß. Durch diese verstellbare Drossel 35 kann der
Durchfluß durch das Rohr 34 eingestellt werden, und
damit die Geschwindigkeit des Abfalles des Innendruckes
P i der Kolbenkammer 28.
Es wird darauf hingewiesen, daß dieses
Druckstoß-Nebenauslaßventil 20 durch das Eigenmedium,
also durch das Medium, das auch durch die Rohrleitung
fließt, gesteuert ist. Das hat zwei Vorteile zur Folge:
zum einen ist sichergestellt, daß dieses Ventil auch
dann arbeitet, wenn die Stromversorgung ausfällt. Zum
anderen tritt kein Flattern ein, wie es bei
federgesteuerten Ventilen im allgemeinen eintritt.
Die Fig. 5 zeigt ein erfindungsgemäßes
Druckstoß-Nebenauslaßventil, welches parallel zur Pumpe
angeordnet ist und bei plötzlichem Abschalten von
Pumpen, z. B. bei Stromausfall die Druckrohrleitung
absichern soll. Eine Pumpe 112 fördert aus einem
Behälter 116 über ein Rückschlagventil 118 eine
Flüssigkeit durch die Steigleitung 114 in einen höher
gelegenen Behälter 110. Wenn die Pumpe plötzlich
ausfällt, fällt auch augenblicklich der Pumpendruck ab.
Wenn der Druck plötzlich abfällt, öffnet dieses
Druckstoß-Nebenauslaßventil 120, unter Umgehung der
Pumpe und des Rückschlagventils 118.
Eine derartige Pumpensicherung 120 ist in Fig. 6 im
einzelnen dargestellt. In dieser Figur tragen
vergleichbare Teile wieder dieselben Bezugszeichen, wie
auch in Fig. 2. Dieses Druckstoß-Nebenauslaßventil 120
der Fig. 6 unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 2
nur dadurch, daß das Regelventil mit Membranantrieb
anders geschaltet ist. Die Feder 142 spannt bei dieser
Ausführungsform den Kolben 168 in Öffnungsstellung vor.
Die Drucksteuerleitung 150 ist jedoch bei dieser
Ausführungsform in den oberen Teil der Membrankammer
geleitet. Der über die Drucksteuerleitung 150 auf die
Membran ausgeübte Druck spannt somit den Druckkolben in
Richtung auf die Schließstellung vor.
Die Grundeinstellung ist so getroffen, daß die durch
den Vordruck P V auf die Membran 160 aufgegebene und auf
den Kolben 168 des Regelventils mit Membranantrieb 140
ausgeübte Kraft, die in Schließstellung wirkt, größer
ist als die von der Feder 142 ausgeübte Kolbenkraft,
die den Kolben in Öffnungsstellung vorspannt. In der
Grundstellung, wenn das Hauptventil, also das
Druckstoß-Nebenauslaßventil 120 geschlossen ist, ist
die von dem Vordruck P V ausgeübte Kraft größer als die
Federkraft, und deshalb ist das Regelventil mit
Membranantrieb geschlossen.
Wenn der Vordruck plötzlich unter einen
voreingestellten Wert abfällt, überwindet die Kraft der
Feder 142 auf den Kolben des Regelventils mit
Membranantrieb 140 die Membrankraft. Das hat zur Folge,
daß das Regelventil mit Membranantrieb 140 öffnet. Da
der Durchflußkanal des Regelventils mit Membranantrieb
140 wiederum, siehe auch Fig. 2, wesentlich größer als
der Durchmesser der Drossel 32 in der
Druckverbindungsleitung 30 ist, fällt der Druck in der
Steuerleitung 34 und damit der Innendruck P i sofort ab.
Infolgedessen steigt die Druckdifferenz P V -P i , also
zwischen Vorderdruck und Hinterdruck auf den Kolben 24
und dieser verschiebt sich in Öffnungsstellung. Das
Regelventil mit Membranantrieb bleibt so lange
geöffnet, bis der Vordruck wieder über den
eingestellten Wert ansteigt. Die Wassersäule in der
Leitung 114, Fig. 5, kommt zum Stillstand, läuft
rückwärts und wird durch das langsam schließende
Nebenauslaßventil sanft abgebremst.
Es wird darauf hingewiesen, daß das
Druckstoß-Nebenauslaßventil 120 der Fig. 6 in seinen
sämtlichen Teilen mit demjenigen der Fig. 2
vergleichbar ist. Der einzige Unterschied ist, daß die
Drucksteuerleitung 150 in die obere Membrankammer 162
eingeführt wird (vgl. Fig. 6), und nicht in die untere
Membrankammer 52 (vgl. Fig. 2). Der einzige andere
Unterschied besteht darin, daß die Feder 142 so
eingestellt ist, daß sie den Kolben nach oben drängt
(Fig. 6), während die Feder 42 (vgl. Fig. 2) den Kolben
nach unten drängt. Letzterer Unterschied kann durch ein
und dieselbe Feder erreicht werden, wenn sie
entsprechend eingebaut und eingestellt ist.
Die Fig. 7 zeigt ein Druckstoß-Nebenauslaßventil,
welches mit einem Differenzdruckregler arbeitet, der
öffnet, wenn ein vorbestimmter Differenzdruck
überschritten wird.
Zu diesem Zweck ist die Druckverbindungsleitung 30 über
eine Blende 326 mit einem Blasenspeicher 328 verbunden.
An der Blende 326 findet z. B. dann ein Druckabfall
statt, wenn der Vordruck P V abfällt. Wenn P A = P B ist,
soll das Ventil durch die Kraft der Feder 342
geschlossen gehalten werden. Dabei ist P A identisch
mit P V , und P B ist der Druck des Blasenspeichers. Wenn
P B größer als P A ist, soll das Ventil wieder öffnen.
Das tritt dann ein, wenn dP V /dt<0 ist. Dieser Zustand
tritt dann ein, wenn der Vordruck P V plötzlich abfällt
und damit an der Drossel 326 ein entsprechender
Druckabfall stattfindet.
Auch dieses Druckstoß-Nebenauslaßventil 320 kann als
Bypass zu einer Pumpe verwendet werden, um einen
unerwünscht starken Druckabfall beim Abschalten der
Pumpe zu verhindern.
Die Fig. 8 zeigt ein Druckstoß-Nebenauslaßventil 420,
welches sich von demjenigen 320 der Fig. 7 dadurch
unterscheidet, daß jetzt die Druckkammer 311 mit der
Druckleitung P B verbunden ist, während die Druckkammer
312 mit dem Druck P A verbunden ist. Auch hier spannt
die Feder 420 den Differenzdruckregler in
Schließrichtung vor.
Letzterer öffnet bei dP v /dt<0, wobei er auf Δ p∼0,2
bar eingestellt ist. Das ist der Fall, wenn, nach
Ausfall einer Pumpe und nach Abfall des Druckes der
Druckabfall ein Minimum erreicht hat und wieder zu
steigen beginnt. In diesem Falle ist der Druck P A ,
wegen des Abfalls an der Blende 426, größer als der
Druck P B .
Fig. 9 zeigt ein Druckstoß-Nebenauslaßventil mit
Kolbenventil mit Druckregler. Dieses
Druckstoß-Nebenauslaßventil 520 ist weitgehend
identisch mit dem Ventil 120 der Fig. 6. Wenn der
Vordruck P V unter einen voreingestellten Wert abfällt,
öffnet das Kolbenventil 140. Diesem Ventil 140 ist
jedoch ein Differenzdruckregler 540 nachgeschaltet,
welcher erst öffnet, wenn dP v /d t <0 ist, eingestellt
auf etwa Δ P∼0,2 bar. Da das Differenzdruckregelventil
540 mit dem Ventil 140 in Reihe geschaltet ist, bleibt
der Gesamtweg durch beide Steuerventile geschlossen,
solange der Vordruck, nach Aussetzen der Pumpe, noch
abfällt. Dabei fällt zwar auch der Innendruck P i in der
Kolbenkammer, jedoch nicht unter den Wert des
Vordruckes P V . Erst wenn der Vordruck P V wieder
anzusteigen beginnt, öffnet auch der
Differenzdruckregler 540, so daß in dem Drucksteuerrohr
38, also zwischen dem Druckminderventil und der Drossel
32, der Druck abfällt. Dadurch fällt auch der
Innendruck P i in der Kolbenkammer ab und das Ventil 520
beginnt unmittelbar zu öffnen.
Es wird darauf hingewiesen, daß der Ausgang des
Durchflußkanals des Differenzdruckreglers 540 wieder
mit der Abflußleitung 48 verbunden sein kann, er kann
jedoch auch ins Freie führen.
Fig. 10 zeigt ein Druckstoß-Nebenauslaßventil mit
Magnetventil und Ausgleichsbehälter.
In normaler Betriebsstellung ist die Sicherheitsarmatur
20 geschlossen und das Magnetventil 800 steht unter
Strom, wobei die Verbindung vom Kolbeninneren zum
Ausgleichsbehälter 810 gesperrt ist. Auf dem Kolben 24,
26 wirkt von beiden Seiten der gleiche Druck P v = P i .
Durch die unterschiedlichen Kolbendurchmesser D K <D D
ist der Kolben 24, 26 in Zustellung.
Bei Stromausfall oder bei Abschalten der Pumpen wird
das Magnetventil 800 stromlos und schaltet um, wodurch
die Verbindung vom Kolbeninnenraum zum
Ausgleichsbehälter 810 geöffnet wird. Der Druck P i
fällt dadurch ab und der Druck P v öffnet die
Sicherheitsarmatur 20. Das vom Kolben verdrängte Medium
strömt über das Magnetventil 800 in den
Ausgleichsbehälter 810. Über die Drossel 32 strömt
so lange Medium in den Ausgleichsbehälter 810 nach, bis
dieser gefüllt ist und die Schwimmerkugel 820 die oben
angebrachte Be- und Entlüftungsöffnung schließt. Über
die Drossel 32 strömt nun das Medium in den
Kolbeninnenraum, wodurch der Kolben entsprechend der
Einstellung der Drossel 32 langsam schließt.
Die Verweilzeit in Aufstellung wird durch das Volumen
des Ausgleichsbehälters 810 bestimmt.
Nach Stromrückkehr oder Einschalten der Pumpen erhält
das Magnetventil 800 wieder Strom. Die
Sicherheitsarmatur 20 bleibt geschlossen, der
Ausgleichsbehälter 810 kann sich entleeren. Nach
Entfernung des Ausgleichsbehälters 810 ist die
Sicherheitsarmatur wieder betriebsbereit.
Die Fig. 11 zeigt ein Druckverhalten, wenn zur Zeit t1
eine Pumpe plötzlich abfällt. Zunächst fällt dann der
Pumpendruck unter den statischen Druck auf ein Minimum
ab, steigt dann wieder an, über die ursprüngliche
Druckhöhe, und führt danach gedämpfte Schwingungen aus.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, mit demselben
Druckstoß-Nebenauslaßventil in nahezu beliebigen
Bereichen dieser Druckverlaufskurve zu schalten. Die
Doppelpfeile in Fig. 11 zeigen jeweils die Zeit, in
der das Druckstoß-Nebenauslaßventil öffnet oder
geöffnet ist. Am linken Ende des Doppelpfeils beginnt
das Ventil zu öffnen. Spätestens am rechten Ende des
Doppelpfeils muß das Ventil geöffnet sein. Das rechte
Ende des Doppelpfeils markiert gleichzeitig den Beginn
des Schließvorgangs.
Wie man aus dieser Figur sieht, erlaubt es die
Erfindung, mit demselben Hauptventil, nur durch
Umschaltung entweder desselben Pilot- oder
Steuerventils oder durch leichte Modifikation der
Steuerleitungen, ein Druckstoß-Nebenauslaßventil so
einzustellen, daß es bei gewünschtem Druck oder bei
gewünschtem Druckgradienten, also Anwachsen des Druckes
bzw. Abfall des Druckes, öffnet. In jedem Falle sind
die Abschaltzeiten, durch Bremsenwirkung auf den
Schließmechanismus, erheblich höher als die
Öffnungszeiten. Bei kurzen Leitungen können die
Schließzeiten jedoch kürzer sein als bei langen
Leitungen von 5, 10 oder noch mehr km Länge.
Claims (15)
1. Vorgesteuertes Druckstoß-Nebenauslaßventil, mit
einem Ring-Kolbenventil, das normalerweise geschlossen
ist, gekennzeichnet durch
eine Druckverbindungsleitung (30, 34), die den Vordruckbereich über mindestens eine Drossel (35) mit der geschlossenen Kolbenkammer verbindet, deren Druck die Rückseite des Kolbens (24) in Schließrichtung beaufschlagt,
eine durch das Medium, das auch durch die Rohrleitung fließt, gesteuerte Steuereinrichtung, die bei gewünschtem voreinstellbarem Vordruckzustand den Kolbenkammerdruck abbaut,
und eine durch Speicherenergie betätigte, gebremste Schließeinrichtung (70, 71, 62) des Ringkolbenventils.
eine Druckverbindungsleitung (30, 34), die den Vordruckbereich über mindestens eine Drossel (35) mit der geschlossenen Kolbenkammer verbindet, deren Druck die Rückseite des Kolbens (24) in Schließrichtung beaufschlagt,
eine durch das Medium, das auch durch die Rohrleitung fließt, gesteuerte Steuereinrichtung, die bei gewünschtem voreinstellbarem Vordruckzustand den Kolbenkammerdruck abbaut,
und eine durch Speicherenergie betätigte, gebremste Schließeinrichtung (70, 71, 62) des Ringkolbenventils.
2. Druckstoß-Nebenauslaßventil nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß ein durch eine Feder (42)
einstellbares Vorsteuerventil (40) vorgesehen ist,
dessen Durchflußweg zwischen der Drossel der
Druckverbindungsleitung und der Abflußleitung oder dem
Ventilgehäuse angeschlossen ist, und dessen Kammer (52)
über eine Steuerleitung mit der Abflußleitung
kommunizierend verbunden ist.
3. Druckstoß-Nebenauslaßventil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsteuerventil ein
Ventil mit einem Membranantrieb ist.
4. Druckstoß-Nebenauslaßventil nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung mit der
Membrankammer (52) verbunden ist, deren Druck die
Membran (60) und damit die Kolbenstange in
Öffnungsrichtung vorspannt, und der Kolben des
Membranventils durch Federn (42) in Schließrichtung
vorgespannt ist, jedoch mit einer Kraft, die bei
normalem Vordruck größer als die Membrankraft ist.
5. Druckstoß-Nebenauslaßventil nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung (150) mit
der Membrankammer (162) verbunden ist, deren Druck die
Membran (160) und die Kolbenstange in Schließrichtung
vorspannt, und der Kolben des Membranventils (140)
durch Federn (142) in Öffnungsrichtung vorgespannt ist,
jedoch mit einer Kraft, die bei normalem Vordruck
kleiner als die Membrankraft ist.
6. Druckstoß-Nebenauslaßventil nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung (150)
über eine Blende (326) mit einem Blasenspeicher (328)
verbunden ist, eine Membrankammer mit dem Bereich der
Steuerleitung (150) zwischen Blende (326, 426) und
Zuflußleitung (30) kommunizierend verbunden ist, und
die andere Membrankammer mit dem Bereich der
Steuerleitung (150) zwischen Blende (326, 426) und
Blasenspeicher (328) kommunizierend verbunden ist.
7. Druckstoß-Nebenauslaßventil nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Membrankammer (311),
deren Druck die Membrane und den Kolben in
Schließrichtung beaufschlagt, mit dem Bereich der
Steuerleitung zwischen Blende (326) und Zuflußleitung
(30) kommunizierend verbunden ist, und die andere
Membrankammer (312) mit dem Bereich der Steuerleitung
(150) zwischen Blende (326) und Blasenspeicher (328)
kommunizierend verbunden ist.
8. Druckstoß-Nebenauslaßventil nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Membrankammer, deren
Druck die Membrane und den Kolben in Schließrichtung
beaufschlagt, mit dem Bereich der Steuerleitung
zwischen Blende (426) und Blasenspeicher (328)
kommunizierend verbunden ist, und die andere
Membrankammer (312) mit dem Bereich der Steuerleitung
zwischen Blende (426) und Zuflußleitung (30)
kommunizierend verbunden ist.
9. Druckstoß-Nebenauslaßventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Behältersenke mit der
Druckverbindungsleitung über ein Magnetventil (800)
verbunden ist, das bei Stromausfall öffnet, und daß die
Behältersenke eine Schwimmkugel (820) enthält, die den
Behälter, wenn er gefüllt ist, abschließt.
10. Druckstoß-Nebenauslaßventil nach Anspruch 3 oder
4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Durchflußkanal des
Membranventils ein Differenzdruckregler (540) in Reihe
nachgeschaltet ist.
11. Druckstoß-Nebenauslaßventil nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung (150),
die zu dem Membranventil führt, über eine Blende (326)
mit einem Blasenspeicher (328) verbunden ist, und daß
eine Membrankammer des Differenzdruckreglers mit der
Steuerleitung kommunizierend verbunden ist und die
andere Membrankammer mit der Leitung zwischen der Blende
(326) und dem Blasenspeicher (328) kommunizierend
verbunden ist.
12. Druckstoß-Nebenauslaßventil nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
in der Druckverbindungsleitung, zwischen der Drossel
und der Kolbenkammer (28), eine verstellbare Drossel
(35) vorgesehen ist.
13. Druckstoß-Nebenauslaßventil nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine
Fallgewichtsanordnung (71, 62) zur Erzeugung der
Speicherkräfte für den Schließvorgang.
14. Druckstoß-Nebenauslaßventil nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine
Ölbremse (70) für den Schließmechanismus (71, 62) des
Hauptventils.
15. Druckstoß-Nebenauslaßventil nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Blende oder Blenden und das oder die einstellbaren
Drosselventile Drosselrückschlagventile sind, also
Ventile, die in beiden Richtungen unterschiedliche
Druckverluste bzw. Drosselwirkungen haben.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883829726 DE3829726A1 (de) | 1988-09-01 | 1988-09-01 | Vorgesteuertes druckstoss-nebenauslassventil |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883829726 DE3829726A1 (de) | 1988-09-01 | 1988-09-01 | Vorgesteuertes druckstoss-nebenauslassventil |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3829726A1 true DE3829726A1 (de) | 1990-05-17 |
Family
ID=6362092
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19883829726 Ceased DE3829726A1 (de) | 1988-09-01 | 1988-09-01 | Vorgesteuertes druckstoss-nebenauslassventil |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3829726A1 (de) |
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1988
- 1988-09-01 DE DE19883829726 patent/DE3829726A1/de not_active Ceased
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Legal Events
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