DE4305688C2

DE4305688C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Veränderung des Durchflußwiderstandes einer Drosselvorrichtung für fluide Strömungen

Info

Publication number: DE4305688C2
Application number: DE4305688A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Begemann; Helmut Heinzmann; Wolfgang Ruf
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1993-02-25
Filing date: 1993-02-25
Publication date: 1994-04-21
Anticipated expiration: 2013-02-26
Also published as: FI940871A0; FI111874B; DE4305688A1; US5694961A; FI940871A; JPH06299491A; CA2116268A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Veränderung des Durchflußwiderstandes eines Drosselwiderstandes für fluide Strömungen durch Geometrieänderungen im Ein- und Auslaufbereich an einer Engstelle des Drosselwiderstandes.

Eine ähnliche Vorrichtung, bei der der Durchflußwiderstand eines Leitungssystems durch Erhöhung des Reibungswiderstandes vergrößert wird, indem zumeist durch Einsatz eines flexiblen Elementes der Strömungsquerschnitt, welcher sich zur engsten Stelle hin kontinuierlich verringert und dadurch ebenfalls kontinuierlich wieder erweitert, verändert wird, ist Stand der Technik und findet in Membranventilen, Schlauchklemmen und dergleichen Anwendung und ist in den Schriften DE-GM 71 16 375 und DE 26 43 996 A1 und in vielen einschlägigen Lehrbüchern nachzulesen.

Vorrichtungen dieser Art besitzen jedoch die Nachteile, daß der Verstärkungsfaktor für die Durchflußverstellung, d. h. das Verhältnis einer Durchflußänderung bezogen auf die dazu notwendige Geometrieänderung, klein ist. Aus diesem Grunde ist bereits bei geringer Drosselwirkung eine sehr kleine Spaltweite notwendig, so daß beim Einsatz von feststoffhaltigen Flüssigkeiten, wie z. B. Faserstoffsuspensionen im Papiermaschinenbau, eine erhebliche Verstopfungsgefahr und auch Faserwischbildungsgefahr besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Verfahren zur variablen Drosselung einer fluiden Strömung sowie eine variabel einstellbare Drosselvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, um den Durchfluß von Fluiden, insbesondere von Faserstoffsuspensionen, durch Leitungssysteme, insbesondere durch Rohre im Stoffauflauf einer Papiermaschine, in einem kleinen Betriebsbereich mit extrem großem Verstärkungsfaktor, d. h. kleinen Geometrieänderungen, beeinflussen zu können und dabei die Gefahr einer Verstopfung und Faserwischbildung zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkinale des Verfahrensanspruches 1 und des Vorrichtungsanspruches 2 gelöst.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht beispielhaft darin, den Durchflußwiderstand durch ein Rohr nicht durch Veränderung der Wandreibung im Stellglied zu beeinflussen, sondern durch kleine Geometrieänderungen an einer sich unstetig verengenden bzw. erweiternden Drosselstelle im Rohr das Strömungsverhalten der durchströmenden Flüssigkeit so zu beeinflussen, daß ein wesentlicher Unterschied im Ein- bzw. Auslaufwiderstand entsteht.

Diese Ein- und Auslaufwiderstände lassen sich in der Kontinuitätsgleichung der Bernoulligleichung und dem Impulssatz für ideal scharfkantige, unstetige Querschnittsveränderungen wie folgt berechnen:

ζ_EIN = (A₂/A₀ - 1)² (1)
ζ_AUS = (A₃/A₂ - 1)² (2)

wobei gilt:

z_EIN = Einlaufwiderstand,
ζ_AUS = Auslaufwiderstand,
A₀ = Querschnitt des kontraktierten Strahls
A₂ = Rohrquerschnitt des engen Teils der Drosselstelle
A₃ = Rohrquerschnitt nach der Drosselstelle.

Versuche sowie theoretische Betrachtungen haben ergeben, daß der Ein- und Auslaufwiderstand einer unstetigen Verengung bzw. Erweiterung nur für unendlich kleine Kantenradien R an den Querschnittssprüngen der Drosselstelle den Gleichungen (1) und (2) entsprechen und sich bei geringfügigen Änderungen von R deutlich verringert. Das heißt, wenn also eine Kante bei einem Querschnittssprung geringfügig abgeflacht wird - dann vergrößert sich der Kantenradius R - dann verändert sich der effektive Strömungsquerschnitt A₀ sehr stark im Verhältnis zur Kantenradiusänderung und bewirkt somit einen großen Effekt bezüglich der Widerstandsänderung ζ_EIN. Die Erfindung nutzt diesen Effekt, indem sie durch geeignete Mittel - wie in den nachfolgenden Beispielen gezeigt - Einfluß auf diesen Kantenradius R ausübt und dadurch mit geringen Geometrieänderungen effektive Änderungen bezüglich des Strömungswiderstandes hervorruft.

Die dargestellte Erfindung und das entsprechende Verfahren haben folgende Vorteile:
Die zur Verstellung des Durchflusses durch eine Leitung notwendige Geometrieänderung ist so gering, daß vollkommen neue konstruktive Lösungen zur Regelung von Strömungsdurchsätzen insbesondere in Stoffaufläufen einer Papiermaschine zur Verfügung stehen. Aus diesem Grund kann das beim Einsatz von Faserstoffsuspension stets existierende Problein der Faserwischbildung an Spalten, Rücksprüngen und dergleichen eliminiert werden. Ein weiterer Vorteil besteht bei der Anwendung im Turbulenzeinsatz einer Papiermaschine darin, daß die erfindungsgeinäße Vorrichtung einen geringen Raumbedarf besitzt, was den Verhältnissen im Turbulenzeinsatz einer Papiermaschine entgegenkommt.

Außerdem ermöglicht die Tatsache, daß nahezu keine Massenbewegung zur Änderung des Strömungsquerschnittes notwendig ist, auch eine sehr flexible und schnell reagierende automatische Steuerung des Strömungswiderstandes.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist im übrigen folgendes dargestellt:

Fig. 1 zeigt eine variabel einstellbare Drosselvorrichtung mit P1 ≈ P2.

Fig. 2 zeigt eine variabel einstellbare Drosselvorrichtung mit P2 » P1.

In Fig. 1 ist eine variabel einstellbare Drosselvorrichtung in einem Durchflußrohr mit dem Durchmesser D1 gezeigt, die Flußrichtung ist durch den eingezeichneten Pfeil dargestellt. Das Rohr verändert sich von einem Durchmesser D1 auf einen kleineren Durchmesser D2 und bildet dabei einen Druckraum P2. Am Übergang vom Durchmesser D1 zum Durchmesser D2 entsteht eine Kante K1 in deren Bereich die Materialwandstärke der Verengung stark reduziert ist. Das gleiche jedoch spiegelbildliche Bild ist auf der Seite der Erweiterung von D2 auf D1 zu sehen. In dem hier dargestellten Beispiel entspricht der in dem Druckraum P2 vorhandene Druck P2 annähernd dem Druck P1 innerhalb der Rohrleitung. Aus diesem Grunde behalten die Kanten K1 und K2 ihre ursprüngliche scharfkantige Form bei, wodurch sie einen relativ hohen induzierten Widerstand erzeugen.

Fig. 2 zeigt dagegen die gleiche Darstellung jedoch unter der Bedingung, daß der Druck P2 im Raume P2 sehr viel größer als der Druck P1 im Rohrinneren ist. Aufgrund dieser Tatsache verformen sich die dünnwandigen Kanten K1 und K2 entsprechend, so daß die Kanten K1 und K2 stark abgerundet sind und aufgrund dieses großen Rundungsradius einen geringen induzierten Widerstand erzeugen, wodurch auch der Gesamtwiderstand der Drosselvorrichtung entsprechend reduziert ist.

Natürlich sind auch alternative Ausführungsformen denkbar, in denen zum Beispiel der Druckraum P2 in einen vorderen und hinteren Druckraum aufgeteilt ist, wodurch ein gezieltes Beeinflussen der vorderen Kante K1 unabhängig von der hinteren Kante K2 und umgekehrt möglich ist. Weiterhin ist es auch vorstellbar in einer Leitungsstrecke mehrere hintereinander folgende Kanten zu erzeugen, die in den Flüssigkeitsstrom hineinragen und die durch eine entsprechende Beaufschlagung mit Druck mehr oder weniger abgerundet werden, wodurch ebenfalls der induzierte Widerstand sich verändert und der gewünschte Erfolg erreicht wird.

Claims

1. Verfahren zur variablen Drosselung einer fluiden Strömung in einer geschlossenen Leitung mit beliebiger Querschnittsform, insbesondere in einer Stoffsuspensionsleitung einer Papiermaschine, insbesondere an einem Stoffauflauf, mit folgenden Merkmalen:

1.1 das Fluid wird durch einen Hohlraum geführt, der in Strömungsrichtung wenigstens einen sprungartigen Übergang von einem ersten auf einen zweiten konstanten Querschnitt aufweist;
1.2 zur Änderung der Einstellung des jeweiligen Strömungswiderstandes wird eine den sprungartigen Übergang von dem ersten auf den zweiten Querschnitt charakterisierende Kantenform geändert.

2. Variabel einstellbare Drosselvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen:

2.1 es ist ein vom Fluid durchflossener Hohlraum vorgesehen, der in Strömungsrichtung wenigstens einen sprungartigen Übergang von einem ersten auf einen zweiten, im wesentlichen konstanten, Querschnitt aufweist;
2.2 der Übergang von dem ersten zu dem zweiten Querschnitt erfolgt stufenförmig und weist eine dafür charakteristische Kante (K1, K2) auf;
2.3 die Form der Kante (K1, K2) ist hinsichtlich ihrer Rundung bzw. Schärfe einstellbar.

3. Variabel einstellbare Drosselvorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kantenbereich des stufenförmigen Überganges biegeelastisch ausgeführt und von der dem Fluid gegenüberliegenden Seite mit einem einstellbaren Druck beaufschlagt ist.