DE384714C - Dampfventil - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN
AM 26. NOVEMBER 1923

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

- M 384714 -' KLASSE 47g GRUPPE

(A 36393 XIIl₄₇ g)

Aktiebolaget Vaporackumulator in Stockholm*).

Dampfventil. Patentiert im Deutschen Reiche vom 6. Oktober 1921 ab.

Die zum Regeln der durch eine Leitung fließenden Dampf menge für gewönlich verwendeten Absperrventile (beispielsweise Tellerventile) sind für manche Zwecke deswegen ungeeignet, weil die durch sie hindurchströmende Dampfmenge sowohl vom Druck vor als hinter dem Ventil abhängig ist. Diese Dampfmenge ist bekanntlich etwa der Quadratwurzel des Druckunterschiedes der zu beiden Seiten des Ventils herrschenden Drucke verhältnisgleich, und da dieser Unterschied in der Regel verhältnismäßig klein ist, so ergibt sich, daß bereits eine kleine Druckänderung vor oder hinter dem Ventil einen sehr großen Einfluß auf die Größe der durchströmenden Dampfmenge ausübt. Angenommen, in einer Leitung betrage der Druck vor dem Ventil 10 kg und hinter dem Ventil 9 kg und es möge der Druck aus irgendeinem Grunde hinter dem Ventil auf 9,5 kg steigen, so wird die durch das Ventil strömende Dampfmenge um etwa 30 Prozent vermindert; sollte der Druck hinter dem Ventil bis auf 9,8 kg steigen, so würde hierdurch die Dampfmenge sogar um etwa 55 Prozent vermindert werden. Soll die durch die Leitung strömende Dampfmenge gleich oder annähernd gleich gehalten werden, so muß das Ventil diesen Druckschwankungen entsprechend geregelt werden. Ferner ergeben sich bei mit derartigen Ventilen versehenen Anlagen häufig noch folgende Nachteile, die an Hand der Abb. 1 der Zeichnung erläutert weiden sollen.

Nach dieser Abbildung sind an eine mit A bezeichnete Hauptdampfleitung verschiedene Dampfleitungen B, C und D angeschlossen, die

*) Von dem Patentsucher ist als Erfinder angegeben worden:

Dr.-Ing. Johannes Ruths in Stockholm.

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zu Dampfverbrauchern führen, die beispielsweise aus Kochern E o. dgl. bestehen können. In diese Leitungen sind Absperrventile F eingebaut, die z. B. aus Tellerventilen bestehen mögen. Es sei ferner angenommen, in der Leitung A herrsche ein Druck von iokg und in den Leitungen B, C und D hinter den Ventilen F ein Druck von 9 kg. Wenn nun aus irgendeinem Grunde der Druck in der LeitungB hinter dem Ventil F. beispielsweise auf 9,5 kg steigt, so wird die durch F nach dieser Leitung strömende Dampfmenge um etwa 30 Prozent verringert. Infolgedessen wird der Druck in der Leitung^ etwas steigen. FoIg-Hch werden die durch die anderen Ventile F in den Leitungen C und D strömenden Dampfmengen infolge des eintretenden größeren Druckunterschiedes vergrößert, was wiederum zur Folge hat, daß auch die in diesen Leitungen sitzenden Absperrventile verstellt werden müssen, wenn in A eine Drucksteigerung eintritt.

Die Erfindung bezweckt, diese Übelstände zu beseitigen und ein Ventil zu schaffen, das in jeder Betriebsstellung eine andere, aber genau bestimmte Dampfmenge hindurchläßt, die nur von dem Druck vor dem Ventil und dem Durchgangsquerschnitt abhängig und diesen Größen unmittelbar verhältnisgleich ist. Die vor dem Ventil eintretenden Druckschwankungen haben verhältnismäßig sehr wenig zu bedeuten, wie das folgende Beispiel zeigt.

Es sei angenommen, vor dem Ventil herrsche ein Druck von 10 kg und hinter dem Ventil ein solcher von 9,5 kg. Falls jetzt aus irgendeiner Ursache der Druck vor dem Ventil auf 10,5 kg steigt, so wird der Unterschied zwischen den beiden Drucken doppelt so groß, was bei Anwendung eines gewöhnlichen Ventils bedeuten würde, daß die durch dasselbe strömende

Dampfmenge j/ämal größer, d. h. um

41 Prozent vergrößert werden würde. Wenn ein Ventil gemäß der Erfindung verwendet wird, bei dem die Dampfmenge, wie bereits erwähnt, nur von dem vor dem Ventil herrschenden Druck abhängig und diesem Druck verhältnisgleich ist, so wird in diesem Falle die Dampfmenge nur um 5 Prozent vergrößert. Mittels eines der Erfindung gemäß ausgebildeten Ventils wird es möglich, den Dampfverbrauch für jeden Dampf verbraucher der jeweils erwünschten Menge genau anzupassen.

Dies ist z. B. von großem Vorteil in allen Fällen, in denen Dampf zum Trocknen und Kochen verwendet wird, indem dadurch eine gleichförmigere und erhöhte Güte der hergestellten Ware erzielt wird. In solchen Fällen, wo der Druck im Dampfverbraucher mit der Dampfzufuhr steigt, wird es möglich, das Ven- ! til auf die gewünschte Dampfmenge unabhängig von dem Gegendruck einzustellen und diese Dampfmenge gleichbleibend zu halten, ohne daß irgendwelche Regelung des Ventils trotz des steigenden Gegendrucks vorgenommen zu werden braucht.

Wie sich aus diesen Darlegungen ergibt, trifft es fast immer zu, daß, wenn der Dampfverbrauch nach einem Dampfverbraucher gesteigert oder herabgesetzt wird, der Betrieb von allen anderen an dieselbe Leitung angeschlossenen Dampfverbrauchern sehr beträcht-.· lieh gestört wird, wenn gewöhnliche Absperrventile verwandt werden. Dieser Übelstand wird aber durch die Erfindung vermieden.

Im folgenden soll zunächst der Grundgedanke, auf den die Erfindung aufgebaut ist, an Hand der Abb. 2 näher erläutert werden.

Wird in eine Dampfleitung ein Hindernis für die Strömung eingesetzt, beispielsweise ein Drosselflansch, ein gewöhnliches Absperrventil o. dgl, so ist die in der Zeiteinheit durch dieses Organ hindurchgehende Dampfmenge gleich derjenigen Dampf menge, die bei demselben Druck und demselben Druckunterschied durch eine gut abgerundete Mündung mit demselben Durchströmungsquerschnitt als die Drosselstelle hindurchgeht, vermehrt mit einer gewissen Ausflußzahl. Die durch eine solche Mündung in der Zeiteinheit hindurchgehende Dampfmenge D ist bei dem Druck p_x vor und p₂ hinter der Mündung gleich:

D = F₂- ^-,

wobei F₂ den Ausströmungsquerschnitt, c, die dem Druckunterschied P₁ —p., entsprechende Geschwindigkeit und v.₂ den spezifischen Rauminhalt des Dampfes bei dem Ausfluß aus der Mündung bezeichnet.

Die Geschwindigkeit C₂ ist von dem Druckunterschied P₁ —p., abhängig. Da außerdem

auch ν., von *, und p„ abhängig ist so kann —

' ^ö 's

als eine Funktion / (P₁, p₂) bezeichnet werden. In der obigen Formel bezeichnet der Ausdruck -~T=f (P₁, pj die Dampfmenge, die in

der Zeiteinheit durch die Flächeneinheit hindurchströmt. Es ergibt sich, daß für einen bestimmten Druck- der Wert der Funktion anfangs sehr rasch mit dem Druckabfall wächst, dann aber langsamer zunimmt, was auf die allmähliche Zunahme des spezifischen Rauminhalts zurückzuführen ist, und es wird schließlich ein Höchstwert erreicht, der bei trocken gesättigtem Dampf bei einem Druck-

verhältnis -f-

0,57 und bei überhitztem

Dampf bei -^- = 0,53 liegt.

Sinkt nun der Druck hinter der Mündung weiter herunter, als es den vorgenannten Verhältnissen entspricht, so kann durch die Mündung trotzdem nicht mehr Dampf hindurchtreten als diejenige Dampf menge, die bei dem obengenannten Druckverhältnis hindurchgeht. Man bezeichnet daher dieses Verhältnis als ein kritisches und nennt die entsprechende Geschwindigkeit die kritische Geschwindigkeit, die

ίο auch gleich der Schallgeschwindigkeit in dem betreffenden Mittel ist.

Aus der obigen Überlegung ergibt sich deutlich, daß durch den kleinstem Querschnitt für eine Strömung niemals eine größere Dampfmenge in der Zeiteinheit und Flächeneinheit hindurchtreten kann als diejenige, die dem

obengenannten Höchstwert von -~ entspricht. In Abb. 2 ist der Verlauf der Funktion -~- =. f (P₁ · p_z) durch die Kurve I wiedergegeben; als Abszisse ist dabei das Druckverhältnis ^t- aufgetragen. Diese Kurve gibt also, wie

oben gesagt, die in der Zeit- und Flächeneinheit, durch eine Mündung hindurchgehende Dampfmenge bei verschiedenen Druckverhältnissen wieder, wobei jedoch p_± als gleichbleibend angenommen worden ist. Ändert sich p_x unter Beibehaltung des Verhältnisses —²-, so ist

die Dampfmenge innerhalb der hier nur in Frage stehenden beschränkten Grenzen praktisch verhältnisgleich P₁.

Die Kurve zeigt, wie zunächst die Dampfmenge sehr rasch, dann aber langsamer mit

P > dem Druckabfall steigt, um bei ~f- = 0,53 einen

Höchstwert erreicht zu haben.

Bei gewöhnlichen Absperrventilen strebt man nach kleinen Druckverlusten, weshalb man diese Ventile immer so zu gestalten sucht, daß das Regelungsgebiet immer auf demjenigen Teil der Kurve liegt, wo große Empfindlichkeit gegen Änderungen der Druckunterschiede vorhanden ist.

Man kann aber äußerst selten bei solchen Ventilen einen so großen Druckabfall zulassen, daß die größte Dampfmenge erreicht wird.

Bei einer Lavaischen Düse, d. h. bei einer sich erweiternden Düse, liegt die Sache anders. Eine solche Düse weist einen kleinsten Querschnitt auf, der kurz hinter dem Einströmquerschnitt liegt, worauf sich die Düse gegen den Ausflußquerschnitt erweitert. Diese Erweiterung muß hierbei immer so ausgeführt werden, daß eine Strahlablösung vermieden wird.

Hat die Düse diese richtige Form, so gilt

auch hier die Gleichung: D = F₂-~^L, wo r₂ und v„ die dem Druck p₂ hinter der Düse entsprechenden Werte der Geschwindigkeit und des spezifischen Rauminhalts sind und F₂ den Ausfiußquerschnitt bedeutet. Es ist klar, daß

hierbei -7- dieselbe Funktion ist, die oben un-

tersucht und in der Kurve I der Abb. 2 wiedergegeben worden ist.

Wird nun auch die Strömung in dem kleinsten Querschnitt F_m der Düse untersucht, so findet man, daß hier folgende Beziehung vorhanden ist:

Es können also, wenn keine Sonderverluste oder Strahlablösung auftreten, die Werte nach der Kurve I mit dem Erweiterungsverhältnis der Düse vermehrt werden, um die durchgehende Dampfmenge zu erhalten. Entstehende Verluste wirken etwas störend ein; wenn man aber hiervon absieht, erkennt man, daß die durch eine solche erweiterte Düse strömende Dampfmenge in der Zeiteinheit und Flächeneinheit höher liegen muß als die Dampfmenge nach der Kurve I. Die Werte sind um so größer, je größer das Erweiterungsverhältnis ist, unter der Voraussetzung, daß dieses die Grenze, jenseits derer eine Strahlablösung stattfindet, nicht überschreitet.

Es ist oben gezeigt, daß die durch den kleinsten Querschnitt strömende Dampfmenge den

Höchstwert von-p- nicht überschreiten kann.

und man erkennt daraus, daß bei einer erweiterten Düse dieser Höchstwert bedeutend früher erreicht wird als bei einer gewöhnlichen Mündung, die, wie oben dargelegt, einem gewohnlichen Ventil entspricht.

Die durch eine solche erweiterte Düse in der Zeiteinheit und Flächeneinheit durchgehende Dampfmenge ist in der Kurve II (Abb. 2) wiedergegeben. Aus dieser Kurve ersieht man, daß die größte Dampfmenge schon bei einem Druckverhältnis von in diesem Fall = 0,97 erreicht wird. Die durchgehende Dampfmenge ist darauf bei allen größeren Druckunterschieden gleich und nur veränderlich mit dem Anfangsdruck, d.h. mit dem Druck vor der Düse.

Mit einem nach diesem Grundgedanken gebauten Ventil kann also erreicht werden, daß die durch es strömende Dampf menge bei gleichem Anfangsdruck p_r und einem Verhältnis —3—=— = -^- <C o,Q7 gleichbleibt, auch Antangsdruck p, ^{y/ ö}

wenn der Gegendruck p₂ schwankt. Man erkennt z. B., daß bei 10 kg Anfangsdruck die durchströmende Dampfmenge gleichbleibt, auch wenn der Gegendruck zwischen 0 bis 9,7 kg

schwankt. Durch Anpassung der Erweiterung können somit Ventile hergestellt werden, die schon bei sehr kleinen und somit zulässigen Druckunterschieden die größte Dampfmenge in der Zeiteinheit und Flächeneinheit im kleinsten Querschnitt liefern, so daß die Dampfmenge innerhalb des ganzen zur Verwendung kommenden Gebiets nur durch den kleinsten Querschnitt bestimmt wird.

ίο Das Ventil wird nun gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß der kleinste Querschnitt verändert werden kann, wobei in jeder Lage, d. h. bei jeder Querschnittsgröße, der Durchgang durch das \^rentil die Form einer Lavaischen Düse hat und die thermodynamische Wirkung der Lavaldüse erzielt wird. Es muß dabei vermieden werden, daß bei der Veränderung eine Ablösung des Strahls entsteht, was auf die Wirkung störend einwirken würde. In den Abb. 3 und 4 sind zwei Ausführungsformen des Erfindungsgedankens beispielsweise veranschaulicht. In der Ausführungsform nach Abb. 3 bezeichnet H das Ausflußrohr eines Durchgangsventils und I einen auf der Ventilspindel L befestigten Dorn, der gemeinsam mit dem Ausflußrohr H eine Lavaische Düse bildet und für sich oder in Verbindung mit dem Ausflußrohr derart gestaltet ist, daß er die Veränderung des kleinsten Durchgangsquerschnitts der Lavaldüse ermöglicht, ohne daß die Düsenwirkung der letzteren selbst geändert wird, wodurch das Einstellen der gewünschten Dampfnienge unabhängig von etwa auf der Austrittsseite auftretenden Druck-Schwankungen ermöglicht wird.

Da die durch das Ventil strömende Dampfmenge, wie bemerkt, dem Drucke vor demselben und dem Durchströmungsquerschnitt verhältnisgleich ist, und da Druckschwankungen vor dem Ventil die durchfließende Dampf- | menge nur sehr wenig beeinflussen, so ändert sich diese praktisch entsprechend dem Durchströmungsquerschnitt, d. h. entsprechend der Einstellung des Domes /. }

Cm die Durchgangsquerschnitte und dadurch die durch das Ventil h'indurchströmenden Dampfmengen von außen kenntlich zu machen, wird die Spindel L zweckmäßig mit 1 einer Skala M versehen, die derart ausgeführt j ist, daß man auf ihr die Dampfmenge unmittelbar oder mittelbar ablesen kann. , Der Ventilkörper wird, wie gewöhnlich, mit- j tels eines Handrades K eingestellt. I Dorn und Ausflußrohr können so ausgebildet ; wer lon, daß sie allein einen vollständigen ' Schluß des Ventils ermöglichen. Dies ist jedoch in den meisten Fällen nicht zweckmäßig, weil die Anlageflächen zwischen Dorn und Gehäuse infolge der hohen Dampfgeschwindigkeiten an diesen Stellen leicht stark abgenutzt werden. Zweckmäßiger ist es daher, das Ventil mit einer besonderen Abschlußvorrichtung zu versehen, die dadurch gebildet ist, daß in dem Ventilgehäuse in für andere Ventilbauarten bekannter Weise ein Sitz ,S¹ angeordnet ist, gegen den ein auf der Ventilspindel L befestigter Ventilteller V bei geschlossenem Ventil angepreßt wird. Sitz und Teller sind mit größeren Durchmessern ausgeführt als der Dorn, so daß an der Abdichtungsstelle bei offenem Ventil stets eine geringere Geschwindigkeit herrscht als in dem für die Wirkung der Lavaldüse maßgebenden Durchgangsquerschnitt.

Selbstverständlich kann das Ventil in der verschiedenartigsten Weise ausgebildet sein. In Abb. 4 ist beispielsweise ein Eckventil dargestellt, d. h. ein Ventil, das zwei im Winkel zueinander liegende Rohrleitungen verbindet. Die Skala ist in diesem Falle auf einem Schieber P angebracht, der durch eine auf der Spindel L befestigte und in einer Nut O des Schiebers P sich drehende Scheibe N beim Drehen des Handrades K mitgenommen wird. Indem sowohl die Scheibe A^r als der Schieber P in Grade abgeteilt werden, kann man eine sehr genaue Einstellung der Lage der Spindel und des Domes oder, was dasselbe ist, des Durchströmungsquerschnitts erreichen; hierdurch wird es möglich, die durch das Ventil strömende Dampfmenge sehr genau einzustellen und abzulesen.

Claims (2)

1. Patent-An Sprüche:

   ι. Dampf ventil mit einem an die Durchgangsstelle des Dampfes sich anschließenden Ausflußrohr und einem in dieses Rohr hineinragenden, von der Ventilspindel einstellbaren Regelungskörper, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausflußrohr (H) und der Regelungskörper (7) so geformt sind, daß in jeder Lage des Regelungskörpers (J) die Führung des Dampfes wie bei einer Lavaldüse und mit der thermodynamischen Wirkung dieser Düse erfolgt.
2. 2. \'entil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein besonderes, gegen eine Sitzfläche (S) des Ventilgehäuses abdichtendes Absperrorgan (V), dessen Abdichtungsdurchmesser größer ist als der größte Durchmesser des Regelungskörpers (/").

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.