DE69210921T2

DE69210921T2 - Durchfluss-Regelsystem

Info

Publication number: DE69210921T2
Application number: DE69210921T
Authority: DE
Inventors: Stephen Alan Taylor
Original assignee: AEA Technology PLC
Current assignee: Ricardo AEA Ltd
Priority date: 1991-09-03
Filing date: 1992-07-24
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2012-07-25
Also published as: US5365962A; JP2702648B2; JPH05204463A; CA2075661A1; GB9215831D0; EP0530967B1; EP0530967A2; GB2259585A; AU656790B2; ES2087453T3; KR0169325B1; GB2259585B; KR930006356A; AU2107192A; ZA926274B; CA2075661C; EP0530967A3; GB9119196D0; DE69210921D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strömungsmittel- Durchfluß-Regelsystem sowie ein Verfahren zum Betreiben solcher Ventile.
Ein Hauptproblem bei industriellen Strömungsmittel- Durchfluß-Systemen, besonders dann, wenn ein Strömungsmittel abschleifend ist, wie etwa eine Trübe oder ein Aerosol, oder gelöste Gase enthält, gibt es Erosion von Steuerventilen, die in den Strömungsmittel-Durchfluß-Systemen enthalten sind, wegen entweder der abschleifenden Art des Strömungsmittels selbst oder infolge der Kavitation, wenn Ventile in einem Zustand arbeiten, in dem sie einen beträchtlichen Widerstand gegenüber der Strömung des Strömungsmittels bieten.
Wirbelventile, die keine beweglichen Teile enthalten, werden häufig benutzt, um die Strömung abschleifender Strömungsmittel zu steuern.
Die EP-Patentbeschreibung 0 305 163 offenbart ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, worin der Strom eines Strömungsmittels in einer Strömungsmittel-Strömungsleitung von einem Wirbelventil gesteuert wird, das aus einer Wirbelkammer besteht, die einen radialen Einlaß für das Strömungsmittel, einen axialen Auslaß und eine Öffnung aufweist, mittels deren ein Steuerströmungsmittel tangential in die Wirbelkammer injiziert werden kann, um die Strömung des Strömungsmittels durch die Wirbelkammer zu verändern. Das Steuerströmungsmittel wird aus der Haupt-Strömungsmittel- Strömungsleitung stromaufwärts von der Wirbelkammer abgezweigt und in die Wirbelkammer injiziert, mittels einer Pumpe in der Steuerströmungsmittel-Strömungsleitung und der Steuerung eines Druckwandlers, der Änderungen im Druck in der Haupt-Strömungsmittel-Strömungsleitung erfaßt und Steuersignale entsprechend an die Pumpe abgibt.
Die vorliegende Erfindung sieht ein einfacheres, selbstwirkendes System vor, das weder die Anordnung einer Pumpe erfordert, um die Steuerströmungsmittel-Strömungsleitung unter Druck zu setzen, noch einen Steuerdruckwandler, und so inhärenterweise zuverlässiger und weniger aufwendig ist als das System, das in der EP-Patentbeschreibung 0 305 163 beschrieben ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Strömungsmittel-Durchfluß-Steuersystem mit einem Wirbelventil vorgesehen, das eine zylindrische Wirbelkammer aufweist, die einen radialen Einlaß und einen axialen Auslaß aufweist, die dazu eingerichtet sind, Teil einer Haupt-Strömungsmittel-Durchflußleitung zu bilden, sowie einen Steuerströmungsmittel- Einlaß, mittels dessen ein Steuerströmungsmittel-Durchfluß in die Wirbelkammer eingelassen werden kann, worin eine Steuerströmungsmittel-Durchflußleitung vorgesehen ist, die die Hauptströmungsmittel-Durchflußleitung stromaufwärts von der Wirbelkammer unmittelbar mit dem Steuerströmungsmittel- Einlaß der Wirbelkammer verbindet, ein nicht-strömungsmittelbetätigtes Strömungsmittel-Steuerventil, das in der Haupt-Strömungsmittel-Durchflußleitung zwischen der Verzweigungsstelle der Durchflußleitungen des Haupt- und des Steuerströmungsmittels sowie dem Einlaß der Wirbelkammer angeordnet ist, sowie Mittel zum Ändern des Zustands des nicht- strömungsmittelbetätigten Strömungsmittel-Steuerventils, um hierdurch eine Differenz zwischen dem Strömungsmitteldruck in der Haupt-Strömungsmittel-Durchflußleitung stromabwärts vom nicht-strömungsmittelbetätigten Strömungsmittel-Steuerventil und dem in der Steuerströmungsmittel-Durchflußleitung zu bewirken, um das Funktionieren des Wirbelventils zu bewirken und den Strömungsmittel-Durchfluß in der Haupt-Strömungsmittel-Durchflußleitung zu steuern.
Das nicht-strömungsmittelbetätigte Ventil kann irgendeine Form eines mechanischen Ventils aufweisen, beispielsweise eines Hahns, Flügelhahns oder Membranventils, und kann von Hand oder durch eine Servoeinrichtung betätigt werden.
Die Erfindung wird beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen noch weiter beschrieben, in welchen:
Fig. 1 eine schematische Skizze eines Durchfluß-Steuersystems ist;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des Durchfluß-Steuersystems ist; und
Fig. 3 ein Bestandteil eines Wirbelventils darstellt.
Die Zeichnung zeigt ein Wirbelventil 1, das in einer Durchflußleitung 2 für ein Strömungsmittel enthalten ist, das ein Gas oder eine Flüssigkeit sein kann. Das Wirbelventil ist eine fluidische Vorrichtung, die eine Wirbelkammer 3 mit einem Einlaß, einem Auslaß und Steueröffnungen aufweist. In der vorliegenden Anordnung tritt Strömungsmittel, das längs der Durchflußleitung 2 in der durch den Pfeil bezeichneten Richtung strömt, radial in die Wirbelkammer 3 an der Einlaßöffnung ein und tritt axial aus der Kammer 3 an der Auslaßöffnung aus.
Eine weitere Durchflußleitung 4 ist an die Steueröffnung oder -öffnungen des Wirbelventils 1 angeschlossen und erstreckt sich bis zu einer Verbindungsstelle 5 in der ersten Durchflußleitung 2 stromaufwärts vom Wirbelventil 1. Ein nicht-strömungsbetätigtes Ventil 6 ist in der Durchflußleitung 2 an einer Stelle zwischen der Verbindungsstelle 5 und der Wirbelkammer 1 angeordnet. Das Ventil 6 kann irgendeine geeignete Art eines mechanischen Ventils sein und lediglich als Beispiel können ein Flügelhahn und ein Membranventil erwähnt werden. Zusätzlich kann das Ventil 6 von Hand oder durch eine Servoeinrichtung betätigt werden. Die weitere Durchflußleitung 4 kann ihrerseits eine Durchflußdrossel bilden oder umfassen, um für die geforderten Aufteilungen der Strömung auf die Leitungen 2 und 4 zu sorgen.
In der Benutzung und bei voll offenem Ventil 6 kann Strömungsmittel in der Leitung 2 unbehindert durch sowohl das Ventil 6 als auch das Wirbelventil 1 strömen. In der Abwesenheit einer Steuerströmung befindet sich das Wirbelventil in seinem Betriebszustand mit niedrigem Widerstand.
Nach Schließen des Ventils 6 wird ein Druckunterschied über das Ventil 6 hinweg erzeugt, mit dem Ergebnis, daß der Druck am Einlaß zum Wirbelventil 1 geringer ist als der Druck an der stromaufwärts gelegenen Seite des Ventils 6 und somit niedriger ist als der Druck in der weiteren Durchflußleitung 4 zur Steueröffnung. Somit veranlaßt das Schließen des Ventiles 6 eine Zunahme im Druckunterschied zwischen der Steuer- und Einlaßöffnung. Der Steuerdurchfluß längs der weiteren Durchflußleitung 4 wirkt auf den Durchfluß längs der Leitung 2 ein, um einen Wirbel in der Wirbelkammer 3 zu erzeugen, um hierdurch den Strömungswiderstand der Wirbelkammer 1 zu erhöhen. Der Widerstand des Wirbelventils 1 nimmt mit dem Schließen des Ventiles 6 progressiv zu.
Die Kombination aus dem Ventil 6 und dem Wirbelventil 1 wirkt als eine Steuerung in der Durchflußleitung 2. Ein geringer Druckabfall über das Ventil 6 hinweg, der zu einer geringen Steuerströmung führt, kann eine beträchtliche Zunahme im Widerstand des Wirbelventils 1 gegenüber dem Durchfluß längs der Leitung 2 verursachen. Der Vorteil aus dieser Anordnung, verglichen mit einem nicht-strömungsmittelgesteuerten Ventil alleine in der Durchflußleitung 2, ist der, daß der Hauptwiderstand gegenüber der Strömung im Wirbelventil 1 auftritt und nicht am Ventil 6 stattfindet. Wie erwähnt, kann ein geringes Schließen des Ventiles 6 eine beträchtliche Zunahme im Strömungswiderstand des Wirbelventils 1 bewirken. Nach Schließen des Ventils 6 nimmt die Strömungsgeschwindigkeit hierdurch zu, mit den hieraus erfolgenden Problemen der Erosions- und Kavitationswirkungen am Ventil 6. In Kombination mit dem Wirbelventil ist es nicht notwendig, das Ventil 6 im selben Ausmaß zu schließen, als wenn man das Ventil 6 alleine benutzen würde, um dieselbe Steuerung im Durchfluß zu erreichen. Als Ergebnis sind die Probleme der Erosion und Kavitation verringert, mit einer verbesserten Lebensdauer für das Ventil 6.
Die Fig. 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel des Systems und, wo anwendbar, sind dieselben Bezugszeichen in Fig. 2 benutzt, um die entsprechenden Komponenten in Fig. 1 zu bezeichnen.
In Fig. 2 sind das Wirbelventil 1 und das nicht-strömungsbetätigte Ventil 6 an Flanschen 7 an den Enden eines kurzen Rohr-Längenabschnitts 8 angebracht oder befestigt, wobei das Rohr Teil einer Durchflußleitung 2 ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Ventil 6 ein Flügelhahn.
Das Wirbelventil 1 weist ein Gehäuse 9 auf, das mittig im Inneren eines kreisringförmigen Gehäuses 10 durch eine Haltespinne 11 getragen ist. Das Gehäuse 10 ist am Flansch 7 am Ende des Rohres 8 befestigt. Eine Ringplatte 12 ist am Gehäuse 10 angebracht, und das Ventil 1 ist durch ein Abdeckgehäuse 13 fertiggestellt, das an der Platte 12 befestigt ist. Ein Auslaß-Diffusor 14, der ein Teil der Durchflußleitung 2 ist, erstreckt sich axial vom Abdeckgehäuse 13 weg.
Eine Wirbelkammer 15 ist zwischen dem Gehäuse 9 und dem ringförmigen Gehäuse 10 sowie der Platte 12 gebildet. Das Gehäuse 9 weist einen zylindrischen Abschnitt auf, mit einem konischen Abschnitt, der gegen das Ventil 6 gerichtet ist.
Eine Leitung 16 stellt eine Verbindung zwischen Öffnungen in den Flanschen 7 her. Ein Kanal 17 im Gehäuse des Ventils 6 erstreckt sich von der Leitung 16 her und öffnet sich in die Durchflußleitung 2 unmittelbar stromaufwärts vom Flügelhahn 6, wobei die Strömungsrichtung durch den Pfeil in der Fig. 2 gezeigt ist. Ein ähnlicher Kanal 18 im ringförmigen Gehäuse 10 stellt eine Verbindung zwischen der Leitung 16 und einer durchgehenden, kreisförmigen Nut 19 her, die in der Stirnfläche des ringförmigen Gehäuses 10 ausgebildet ist, die gegen die ringförmige Platte 12 anliegt.
Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die ringförmige Platte 12 mit vier mit gleichem Winkelabstand getrennten Kanälen oder Schlitzen 20 ausgebildet, wobei jeder Schlitz 20 eine Düse 21 aufweist, die im wesentlichen tangential mit der Bohrung der Platte 12 in Verbindung steht.
Der Weg, der vom Kanal 17, der Leitung 16, dem Kanal 18, der Nut 19, den Schlitzen 20 und den Düsen 21 gebildet ist, entspricht der Durchflußleitung 4 in Fig. 1.

Claims

1. Strömungsmittel-Durchfluß-Steuersystem mit einem Wirbelventil, das eine zylindrische Wirbelkammer aufweist, die einen radialen Einlaß und einen axialen Auslaß aufweist, die dazu eingerichtet sind, Teil einer Haupt-Strömungsmittel- Durchflußleitung zu bilden, sowie einen Steuerströmungsmittel-Einlaß, mittels dessen ein Steuerströmungsmittel-Durchfluß in die Wirbelkammer eingelassen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerströmungsmittel-Durchflußleitung (4) vorgesehen ist, die die Hauptströmungsmittel-Durchflußleitung (2) stromaufwärts von der Wirbelkammer (1) unmittelbar mit dem Steuerströmungsmittel-Einlaß der Wirbelkammer (1) verbindet, ein nicht-strömungsmittelbetätigtes Strömungsmittel-Steuerventil (6), das in der Haupt-Strömungsmittel-Durchflußleitung (2) zwischen der Verzweigungsstelle (5) der Durchflußleitungen (2, 4) des Haupt- und des Steuerströmungsmittels sowie dem Einlaß der Wirbelkammer (1) angeordnet ist, sowie Mittel zum Ändern des Zustands des nicht-strömungsmittelbetätigten Strömungsmittel-Steuerventils (6), um hierdurch eine Differenz zwischen dem Strömungsmitteldruck in der Haupt-Strömungsmittel-Durchflußleitung (2) stromabwärts vom nicht-strömungsmittelbetätigten Strömungsmittel-Steuerventil (6) und dem in der Steuerströmungsmittel-Durchflußleitung (4) zu bewirken, um das Funktionieren des Wirbelventils (1) zu bewirken und den Strömungsmittel-Durchfluß in der Haupt-Strömungsmittel-Durchflußleitung (2) zu steuern.

2. Strömungsmittel-Durchfluß-Steuersystem nach Anspruch 1, worin die Wirbelkammer (1) aus einem ringförmigen Körper 10 besteht, der dazu eingerichtet ist, axial an die Haupt-Störmungsmittel-Durchflußleitung (2) angeschlossen zu werden, aus einer Vielzahl tangentialer Einlässe (20, 21) für das Steuerströmungsmittel sowie aus einer Abdeckplatte (13), die einen axialen Auslaß und einen Strömungsdiffusor (14) umfaßt, die dazu eingerichtet sind, mit der Haupt-Strömungsmittel-Durchflußleitung (2) verbunden zu sein.

3. Verfahren zum Betreiben eines Strömungsmittel-Durchfluß-Steuersystems, das ein Wirbelventil umfaßt, das eine Wirbelkammer aufweist, die einen radialen Einlaß und einen axialen Auslaß aufweist, die dazu eingerichtet sind, Teil einer Haupt-Strömungsmittel-Durchflußleitung zu bilden, sowie einen Steuerströmungsmittel-Einlaß, mittels dessen ein Steuerströmungsmittel-Durchfluß in die Wirbelkammer eingelassen werden kann, eine Steuerströmungsmittel-Durchflußleitung, die die Haupt-Strömungsmittel-Durchflußleitung stromaufwärts der Wirbelkammer mit dem Steuerströmungsmittel- Einlaß der Wirbelkammer unmittelbar verbindet, sowie ein nicht-strömungsmittelbetriebenes Durchfluß-Steuerventil, das zwischen der Verzweigungsstelle der Durchflußleitungen des Haupt- und Steuerströmungsmittels und dem Einlaß zur Wirbelkammer angeordnet ist, worin der Betriebsvorgang umfaßt ist, den Betriebszustand des nicht-strömungsmittelbetätigten Durchfluß-Steuerventils (6) so zu ändern, daß eine Differenz zwischen dem Druck im Strömungsmittel, das in der Steuerströmungsmittel-Durchflußleitung (4) strömt, und dem im Strömungsmittel, das durch die Haupt-Strömungsmittel-Durchflußleitung (2) stromabwärts vom nicht-strömungsmittelbetriebenen Durchfluß-Steuerventil (6) strömt, erzeugt wird, um hierdurch das Funktionieren des Wirbelventils zu bewirken, um den Durchfluß des Strömungsmittels in der Haupt- Strömungsmittel-Durchflußleitung (2) zu steuern.