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Die
Erfindung betrifft ein Druckregelventil zum Kontrollieren eines
vorgeschalteten Fluiddrucks in Bezug auf einen Referenzdruck durch
Regeln der durch das Ventil hindurchgelassenen Fluidmenge, umfassend
ein Gehäuse
mit einem vorgeschalteten Zulauf und einem nachgeschalteten Auslauf
für das Fluid,
ein druckempfindliches Element zum Erfassen der Druckdifferenz zwischen
dem vorgeschalteten Druck und dem Referenzdruck und einen federbelasteten
Regelkolben, der in Zusammenwirken mit einem Sitz so angeordnet
ist, dass er einen Strömungskanal
zwischen dem Zulauf und dem Auslauf regelt, wobei der Kolben wirkend
mit dem druckempfindlichen Element verbunden ist, so dass er seine Stellung
in Bezug auf den Sitz entsprechend der Stellung des druckempfindlichen
Elements ändert.
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Das
erfindungsgemäße Regelventil
wurde entwickelt, um eine festgelegte Druckdifferenz zwischen einem
vorgeschalteten Fluid und einem anderen Fluid, das einen instabilen
Druck hat, aufrechtzuerhalten. Es wurde insbesondere mit dem Ziel
entwickelt, die Aufrechterhaltung einer genauen Druckdifferenz zwischen
zwei Fluiden zu ermöglichen,
die in getrennten Wegen in Gasdiffusionsmembranen strömen, da
diese Membranen sehr teuer sind und nicht tolerieren können, dass
die Druckdifferenz bestimmte Werte übersteigt. Allgemein betrachtet
kann die Erfindung in den meisten Situationen verwendet werden,
in denen es wichtig ist, eine genaue Druckdifferenz zwischen Fluiden
aufrechtzuerhalten oder einen Druck eines Fluids in Bezug auf einen
bestimmten Referenzdruck konstant zu halten.
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Ein
relevanter Bereich der Verwendung des erfindungsgemäßen Druckregelventils
ist die Kontrolle der Druckdifferenz über Gasdiffusionsmembranen, die
verwendet werden, um CO2 aus Naturgas zu
entfernen. Der Einfachheit halber geht die folgende Beschreibung
von einer solchen Anwendung aus. Hier stellt natürlich das Naturgas den Referenzdruck
dar, wobei das Fluid, das von dem Druckregelventil kon trolliert
wird, vorzugsweise eine Flüssigkeit
ist (z.B. Amin), die eine hohe Kapazität zur Absorption von CO2 hat.
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Um
eine optimale Diffusionsgeschwindigkeit zu erreichen, müssen die
Abmessungen der Gasdiffusionsmembran an die Strömungsgeschwindigkeit des Naturgases
bzw. der CO2 absorbierenden Flüssigkeit
angepasst werden. Die Strömungsgeschwindigkeit
der Flüssigkeit
wird vorzugsweise von einer Pumpe kontrolliert, wobei mittels eines
erfindungsgemäßen Druckregelventils
sichergestellt wird, dass die Flüssigkeit,
wenn sie die Gasdiffusionsmembran passiert, einen gewünschten
Druck in Bezug zu dem Naturgas hat. Vorzugsweise wird dies durchgeführt, indem
eine Drosselung an der Flüssigkeitsleitung
der Gasdiffusionsmembran vorgeschaltet angeordnet wird, und indem
ein erfindungsgemäßes Druckregelventil
dieser Membran nachgeschaltet angeordnet wird, um den Strömungswiderstand
zu kontrollieren, so dass der Flüssigkeitsdruck
zu jedem Zeitpunkt einen gewünschten
Wert hat.
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Allgemein
ist es selbstverständlich,
darauf zu achten, dass ein gewünschter
Flüssigkeitsdruck
in dem Bereich zwischen einem Druckregelventil und einer Drosselung
aufgebaut wird, wobei die Regeleinrichtung den Durchfluss des Fluids
kontrolliert, so dass ein gewünschtes
Druckniveau in diesem Bereich erzielt wird. Im Prinzip kann dafür entschieden werden,
ein Druckregelventil der Drosselung vorgeschaltet anzuordnen. In
dem Fall muss das Druckregelventil dafür vorgesehen sein, den nachgeschalteten
Druck auf einen gewünschten
Wert zu regeln.
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Der
Druck des Naturgases kann typischerweise eine Höhe von 70–100 bar haben. Gasdiffusionsmembranen
können
einen hohen Gesamtdruck aushalten, können aber beschädigt werden,
wenn die Druckdifferenz zwischen dem Naturgas und dem Amin z.B.
0,7 bar übersteigt.
Um die Diffusion zu optimieren, ist es wünschenswert, dass eine bestimmte Druckdifferenz
zwischen den beiden Fluiden aufgebaut wird. Dementsprechend ist
es sehr wichtig, dass ein solches Druckregelventil optimal funktioniert.
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Auf
dem Markt gibt es viele Arten von Regeleinrichtungen, die dafür bestimmt
sind, entsprechende Regelfunktionen auszuüben. Der allgemeine Zweck dieser
Regeleinrichtungen ist der von Gegendruck-Regeleinrichtungen. Keine
der bekannten Regeleinrichtungen zeigt jedoch die gewünschten
Eigenschaften in der Beziehung, dass sie eine stabile und gleichmäßige Druckregelung
leistet, während
sie gleichzeitig eine ausreichend schnelle Korrektur von Abweichungen
ermöglicht,
so dass Druckimpulse vermieden werden, die die teuren Gasdiffusionsmembranen
beschädigen
können.
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Die
Regelfunktion einer Druckregeleinrichtung wird immer zu einem gewissen
Grad durch Druck- und Strömungsabweichungen
beeinflusst, da solche Abweichungen die Kraft ändern, die erzeugt werden muss,
um Abweichungen zu korrigieren.
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Vor
diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Druckregelventil
zur Verfügung
zu stellen, das frei von den oben genannten Nachteilen ist, wobei
das Ventil eine stabile und gleichmäßige Druckregelung leistet
und gleichzeitig eine ausreichend schnelle Korrektur von Abweichungen
ermöglicht,
so dass schädliche
Druckimpulse vermieden werden, und wobei Druck- und Strömungsabweichungen
einen besonders geringen Einfluss auf die Regelfunktion haben.
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Um
die oben genannte Aufgabe zu erfüllen, wird
ein Druckregelventil der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt,
das sich erfindungsgemäß dadurch
auszeichnet, dass der Regelkolben verschiebbar an der Außenseite
einer Führungsmuffe angeordnet
ist, die Öffnungen
für eine
Fluidströmung von
dem Strömungskanal
zu dem Auslauf hat, und dass das Ventil eine Kammer, definiert zwischen
einer Endfläche
der Führungsmuffe
und einer inneren Endfläche
des Kolbens, und einen Pilotkörper
umfasst, der mechanisch an das druckempfindliche Element gekoppelt
ist und der Kanäle
für eine
Zuführung von
Fluid von dem Zulauf zu der Kammer oder für eine Zuführung von Fluid von der Kammer
zu dem Auslauf in Abhängigkeit
von der Stellung des Pilotkörpers
in Bezug auf den Regelkolben öffnet,
so dass der Kolben seine Stellung in Abhängigkeit von dem Kammervolumen
und damit in genauer Entsprechung mit der Stellung des druckempfindlichen
Elements ändert.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen
aufgelistet.
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Die
Erfindung wird im Folgenden im Zusammenhang mit beispielartigen
Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
Längsschnittansicht
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Regelventils
ist;
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2A und 2B einen
Abschnitt des Regelmechanismus des Ventils aus 1 und
die Funktion des Pilotkörpers
in zwei unterschiedlichen Phasen der Regelung zeigt; und
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3 einen
vergrößerten Abschnitt
eines Teils des Regelmechanismus bei einer Ausführungsform zeigt, bei der der
Pilotkörper
und dessen Führungskörper so
geformt sind, dass das Ventil in der Geschlossen-Stellung praktisch
leckfrei ist.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das Regelventil
in einer teilweise offenen Stellung gezeigt. Die Regeleinheit ist
in ein Gehäuse 1 eingebaut,
das einen vorgeschalteten Zulauf 2 und einen nachgeschalteten
Auslauf 3 für
das Fluid aufweist, das durch das Ventil fließen soll. Weiterhin weist das Gehäuse einen
zusätzlichen
Zulauf 4 für
das jeweilige Gas auf, z.B. Naturgas, wie in der Einführung erwähnt. Der
Druck dieses Gases stellt den Referenzwert des Ventils dar.
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Wie
aus 1 zu ersehen ist, ist ein druckempfindliches Element
in dem Gehäuse 1 angeordnet,
wobei das Element bei der gezeigten Ausführungsform die Form einer am
Umfang befestigten Membran 5 hat, um die Druckdifferenz
zwischen dem vorgeschalteten Druck, d.h. dem Fluiddruck in dem Zulauf 2,
und dem Referenzdruck zu erfassen. Wie ersichtlich wird, ist die
Unterseite der Membran 5 von dem Fluiddruck beeinflusst,
während
die Oberseite der Membran von dem Referenzdruck und der Kraft einer
Vorspannfeder 6 beeinflusst ist, so dass die Größe der Vorspannkraft
der Feder das Druckniveau des Fluids in Bezug auf das Naturgas bestimmt.
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In
dem Gehäuse 1 ist
weiterhin ein federbelasteter Regelkolben 7 angeordnet,
der in Zusammenwirken mit einem Sitz 8 so angeordnet ist,
dass er einen Strömungskanal 9 zwischen
dem Zulauf 2 und dem Auslauf 3 regelt, wobei der
Kolben 7 wirkend mit der Sensormembran 5 verbunden
ist, wie weiter unten beschrieben ist. Wie gezeigt, ist der Regelkolben 7 als
im Wesentlichen tassenförmiger
Körper
geformt, der verschiebbar an der Außenseite des oberen Endabschnitts
einer Führungsmuffe 10 angeordnet
ist, die in dem Gehäuse 1 befestigt
ist. Die Führungsmuffe
ist mit Öffnungen 11 für die Fluidströmung von
dem ringförmigen
Strömungskanal 9 zu dem
Auslauf 3 versehen, wenn der Kolben 7 von dem Sitz 8 angehoben
wird. Die Öffnungen 11 sind
durch symmetrisch angeordnete Anschlüsse in der Muffenwand gebildet,
die Fluid von dem Strömungskanal 9 radial
nach innen zu der Mitte des Auslaufs 3 leiten. Die Fluidströmung ist
in 1 durch Pfeile dargestellt.
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In
einem Ring zwischen dem Kolben 7 und der Führungsmuffe 10 ist
eine Feder 12 angeordnet, die für die Federbelastung des Kolbens
sorgt und die zu jedem Zeitpunkt dafür sorgt, dass der Kolben nach unten
gegen den Sitz 8 gepresst wird.
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Zwischen
einer oberen Endfläche 13 der Führungsmuffe 10 und
einer unteren oder inneren Endfläche 14 des
Kolbens 7 ist eine Kammer 15 vorgesehen, die so
angeordnet ist, dass Fluid von dem Zulauf 2 in sie eingeführt wird
und dass sie Fluid dem Auslauf 3 zuführt, in Abhängigkeit von den Stellungen eines
Pilotkörpers 16,
der mechanisch mit der Sensormembran 5 gekoppelt ist. Der
Pilotkörper 16 besteht
aus aus einem gestreckten zylindrischen Element, das über eine
Betätigungsstange 17 mit
der Membran 5 verbunden ist und das in einer sich axial erstreckenden
Bohrung 18 (s. 2A) in
einem Führungskörper 19 in
dem Regelkolben 7 verschiebbar angeordnet ist. Der Pilotkörper 16 und
sein Führungskörper 19 sind
mittig durch die Endflächen 13 und 14 der
Führungsmuffe 10 bzw.
des Kolbens 7 gelagert.
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Wie
gezeigt ist zwischen einem Oberflächenabschnitt des Pilotkörpers 16 und
einem entsprechenden Abschnitt der Bohrung 18 des Führungskörpers 19 ein
ringförmiger
Kanal 20 angeordnet, der über einen Querkanal 21 in
dem Führungskörper 19 mit
der Kammer 15 in Verbindung steht. Weiterhin ist der Führungskörper 19 in
seinem oberen Teil mit einem Längskanal 22 versehen
und ist an seinem unteren Ende mit einem Querkanal 23 versehen,
wo diese Kanäle
für eine
Verbindung mit dem Längskanal 20 in
Abhängigkeit
von der Stellung des Pilotkörpers 16 bezüglich des
Kolbens 7 vorgesehen sind.
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In
dem Pilotkörper 16 ist
ein sich axial und mittig ersteckender Druckausgleichskanal 24 angeordnet,
der an seinem unteren Ende mit dem Ventilauslauf 3 in Verbindung
steht und an seinem oberen Ende mit einer Kammer 25 in
Verbindung steht, die in dem Führungskörper 19 angeordnet
ist und einen Ring um die Betätigungsstange 17 hinter
dem Pilotkörper 16 bildet.
Dieser Kanal sorgt dafür,
dass die Kammer 25 ungefähr den gleichen Druck hat wie
der Auslauf 3, so dass der nachgeschaltete Druck auch den
Teil der Endfläche
des Pilotkörpers
beeinflusst, der der Kammer 25 zugewandt ist. Die Druckdifferenz
zwischen dem vorgeschalteten und dem nachgeschalteten Druck beeinflusst
daher in Wirklichkeit den Pilotkörper
nur auf einer Fläche,
die gleich der Querschnittsfläche
der Betätigungsstange 17 ist. Dementsprechend
erfährt
der Pilotkörper
einen effektiven Druckausgleich.
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Eine
weitere Beschreibung des Betriebs des Regelventils folgt unten stehend.
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Die
Fluidströmung
in die und aus der Kammer 15 wird zu jedem Zeitpunkt von
der Stellung des Regelkolbens 7 bezüglich des Pilotkörpers 16 kontrolliert,
dessen Stellung wiederum von der Stellung der Sensormembran 5 bestimmt
wird. Die Stellung der Sensormembran wird wiederum von dem vorgeschalteten
Druck des Fluids in dem Gehäuse 1 bezüglich der
Spannkraft der Feder 6 und des Drucks des Naturgases bestimmt,
das mit dem Zulauf 4 in offener Verbindung steht. Wenn
der Druck innerhalb des Gehäuses
einen gewünschten
Wert überschreitet,
wird die Sensormembran sofort angehoben und zieht den Pilotkörper 16 und
dadurch den Kolben 7 mit sich, so dass der Fluiddruck durch
einen Anstieg der Fluidströmung
korrigiert wird. Wie oben erwähnt, bestimmt
die Größe der Spannkraft
der Feder 6 das Druckniveau des Fluids bezüglich des
Naturgases.
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Die
Fluidströmung
durch das Ventil wird durch die Stellung des Kolbens 7 bezüglich des
Sitzes 8 bestimmt. Um den Kolben bezüglich des Sitzes zu bewegen,
ist es erforderlich, dass das Volumen der Kammer 15 geändert wird.
Der Kolben wird von dem Sitz weggezogen, indem der Pilotkörper 16 unter
dem Einfluss der Sensormembran 5 angehoben wird, so dass
ein Weg für
die Zufuhr des Fluids zu der Kammer 15 aus dem Zulauf 2 durch
den Kanal 22 und weiter durch den Kanal 20 und
den Kanal 21 vorgesehen ist (s. 2A). Auf
entsprechende Art wird der Kolben 7 zurück in Richtung des Sitzes 8 bewegt, wenn
der Pilotkörper 16 durch
die Sensormembran 5 nach unten gedrückt wird, so dass Fluid von
der Kammer 15 durch den Weg, der über den Kanal 21, den
Kanal 20 und den Kanal 23 vorgesehen ist, zu dem
Ventilauslauf 3 abgeführt
wird (s. 2B).
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2A zeigt
einen vergrößerten Abschnitt des
Regelmechanismus aus 1 in der Situation, in der der
Pilotkörper 16 durch
die Sensormembran 5 angehoben wurde, so dass das Fluid
in die Kammer 15 geleitet wird, was dazu führt, dass
der Kolben 7 unmittelbar folgt. 2B zeigt
entsprechend einen vergrößerten Abschnitt
des Regelmechanismus, wenn der Pilotkörper 16 nach unten
gedrückt
wurde, so dass Fluid von der Kammer 15 zu dem Ventilauslauf 3 abgeführt wird,
was dazu führt,
dass der Regelkolben 7 sich in Richtung der Geschlossen-Stellung bewegt.
Die Fluidströmung
um den Pilotkörper 16 ist durch
Pfeile dargestellt. Die hydraulische Verbindung zwischen dem Pilotkörper 16 und
dem Kolben 7 ist sehr stark. Sobald der Pilotkörper in
eine Richtung bewegt wird, folgt der Kolben sofort. Bei einer normalen
Betriebssituation der Druckregeleinrichtung finden die Sensormembran
und dadurch der Pilotkörper und
der Regelkolben eine Gleichgewichtsstellung, was dazu führt, dass
die Fluidmenge in der Kammer 15 ungefähr stabil ist, wobei eine geringe
permanente Fluidströmung
in dem kleinen Zwischenraum zwischen dem Pilotkörper 16 und der Bohrung 18 in
dem Führungskörper 19 vorhanden
ist.
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In
der in 1 und 2 gezeigten
Ausführungsform
wurde die Verwendung einer Metall-Metall-Abdichtung zwischen dem
Regelkolben 7 und dem Sitz 8 gewählt. Die
Abdichtflächen
können
geschliffen werden, so dass die Abdichtverbindung annähernd gasdicht
ist. Alternativ kann die ringförmige
Abdichtung 8 aus einem weichen Material bestehen. Wie oben
erwähnt
ist ein kleiner Zwischenraum in der Führung zwischen dem Pilotkörper 16 und
der Bohrung 18 vorhanden, was dazu führt, dass immer eine bestimmte
Fluidströmung
an dem Pilotkörper
vorbei vorhanden ist. Es ist jedoch möglich, eine Metall-Metall-Abdichtung
oder alternativ eine weiche Abdichtung vorzusehen, was dazu führt, dass
die Fluidströmung
an dem Pilotkörper
vorbei vollständig
gestoppt wird, wenn sich das Druckregelventil in Richtung der Geschlossen-Stellung
bewegt. Dies ist notwendig, um es zu ermöglichen, das Druckregelventil
absolut leckfrei zu machen. Eine Ausführungsform mit einer solchen
Abdichtung ist in 3 gezeigt, wo der Führungskörper 19 mit
einem Sitz 26 zum Abdichten gegenüber dem Pilotkörper 16 versehen
ist.
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Durch
den oben genannten Druckausgleichskanal 24 wird erreicht,
dass der Pilotkörper 16 einen
effektiven Druckausgleich erfährt.
Das Druckregelventil hat da her die Fähigkeit, auf stabile Art einen
gewünschten
Druck in dem Fluid aufrechtzuerhalten, das durch das Ventil an der
Unterseite der Sensormembran 5 strömt.