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Differentialdruck-Regel-System Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln des Stromes eines Fluidums unter Druck
und insbesondere auf die Regelung des Flusses eines verflüssigten Gases, wie z.
B. flüssigen, wasserfreien Ammoniaks, durch eine Vorrichtung mit einer Drossel und
einem von einer Differenz des Druckes vor und hinter der Drossel abhängigen Druckregelventil.
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Solche Vorrichtungen zur Regelung eines Flüssigkeitsstromes sind bereits
bekannt. Da bei den bekannten Ausführungen die Drossel hinter dem Druckregelventil
angeordnet ist, sind sie jedoch in gewisser Weise Nachteilen unterworfen, wenn sie
für flüchtige Flüssigkeiten bei oder nahe bei deren Verflüssigungsdrucken angewendet
werden und ein absatzweises Strömen benötigt wird. So wird bei den Ausführungen,
bei denen das durch Hand betätigte Hauptabsperrventil (des öfteren als Schnellabsperrventil
bezeichnet) zwischen der Quelle der Druckflüssigkeit und der Vorrichtung mit der
Drossel liegt, lediglich der Strom der Flüssigkeit zu der Vorrichtung unterbrochen,
während die Flüssigkeit in der Vorrichtung selbst noch einige Zeit weiter expandiert,
verdampft und abfließt oder abläuft, nachdem das Hauptabsperrventil schon geschlossen
ist; das ist in manchen Fällen nachteilig, z. B. bei der landwirtschaftlichen Anwendung,
da ein Überschuß von Ammoniak, dem Boden an ein und demselben Punkt zugeführt, die
Pflanzen schädigt. Wenn dagegen das Hauptventil zwischen der Vorrichtung und dem
Auslaß angebracht ist, z. B. den Injektoren im Falle eines Ammoniakverteilers, so
wird ein unmittelbares Abschalten erreicht; jedoch ist in diesem Falle das
der
Vorrichtung- zugeordnete, den Fluß regelnde Ventil vollständig offen infolge der
Gleichheit des Druckes an den beiden Seiten (stromauf und stromab) der Drossel,
so daß beim öffnen des Ilauptabsperrventils der anfängliche Fluß der Flüssigkeit
abnorm groß ist, was ebenfalls zu Schäden führen kann.
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Wenn eine Mischung von Dampf und Flüssigkeit der Drossel zugeführt
wird, führt dies zu großen Unregelmäßigkeiten bei den bekannten Systemen, bei denen
das den Druck regelnde Ventil stromauf der Drossel angebracht ist, da beim Strömen
einer hochflüchtigen Flüssigkeit, z. B. eines verflüssigten Gases wie flüssiges
Ammoniak, nahe dem Verflüssigungsdruck, durch irgendeine Verengung ein Teil der
Flüssigkeit in Dampf übergeht. Die Menge der in Dampf übergegangenen Flüssigkeit
hängt von dein Druckabfall in der Verengung und auch von dem Druck der Flüssigkeit
im Vorratsbehälter für diese Flüssigkeit ab, wobei dieser Druck bestimmt wird durch
die Temperatur der im Vorratsgefäß gespeicherten Flüssigkeit. Ein stromauf angebrachtes
Druckregelventil wirkt selbst auch wie eine Verengung und schickt daher eine Mischung
von Dampf und Flüssigkeit in die kalibrierte Drossel. DerDruckabfall einesDampf-Flüssigkeits-Gemisches
in einer Drossel hängt nun nicht nur von dem Verhältnis von Dampf zu Flüssigkeit
ab; er wird aber im hohen -Maße schwanken, wenn dies Verhältnis sich aus den obengenannten
Gründen ändert. So bewirken selbst geringe Änderungen dieses Verhältnisses in dem
der Drossel zugeführten Strom beachtliche Unterschiede in der durchströmenden Menge.
Große Änderungen treten jedoch manchmal ein, so z. B. wenn der Strom von flüssigem
Ammoniak von einem Vorratsgefäß aus geschieht, da sich der Druck in einem solchen
Vorratsgefäß oft zwischen 3,5 bis 5,2 kg/cm2 während eines Tages ändert.
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Es wurde nun gefunden, daß ein genaues Regeln mittels einer Drossel
unabhängig von der in ihr eintretenden Verdampfung dann durchgeführt werden kann,
wenn das System so eingerichtet ist, daß im wesentlichen lediglich Flüssigkeit der
Drossel zugeführt wird, solange der Druckabfall in dieser Drossel konstant gehalten
wird. Der Ausdruck Drossel schließt dabei jede Art von Verengung ein, sowohl eine
fest eingebaute als auch eine ersetzbare oder einstellbare Öffnung, wie sie zur
Bemessung des Flusses von Flüssigkeiten benutzt werden.
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Auf Grund dieser Erkenntnis ist es nun möglich, ein Verfahren mit
einem Differentialdruckregler mit, einer Drossel zum Regeln des Flusses von verflüsigtem
Gas bei oder nahe bei seinem Dampfdruck, insbesondere von verflüssigtem Ammoniak
anzugeben, bei dem erstens die Regelgenauigkeit weitgehend unabhängig vom Druck
an der Quelle des -'lmmoniakflusses ist und zweitens der Ammoniakfluß nach Schließen
des Hauptabsperrventils schnellstens abgestoppt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das von Dämpfen praktisch
freie verflüssigte Gas einer kalibrierten Drossel zugeführt und der Druckunterschied
stromauf und stromab der Drossel durch ein Differentialdruckregelventil stromab
der Drossel auf einem vorbestimmten Wert gehalten. Die regelnde Drossel wird also
oberhalb des Druckregelventils angeordnet. Solange der Druck des verflüssigten Gases
an der Quelle, z. B. in der Flasche, etwas über dein Dampfdruck liegt, ist dann
gewährleistet, daß der Drossel lediglich Flüssigkeit zugeführt wird, wobei vorausgesetzt
ist, daß man den Druckabfall im Hauptabsperrventil und in der Zuflußleitung vernachlässigen
kann. Wird dagegen wie bisher die Drossel unterhalb des Druckregelventils angeordnet,
ist zu befürchten, daß infolge des Druckabfalls in diesem Z'entil der Drossel bereits
ein Gemisch von Dampf und Flüssigkeit zugeführt und damit die Regelung ungenau wird.
In dieser Hinsicht ist es gleichgültig, ob das Hauptabsperrventil oberhalb oder
unterhalb der Vorrichtung liegt und bei manchen Anwendungsarten, z. B. bei der Zuführung
von flüssigem Ammoniak zu Berieselungswasser, bei der der Fluß während langer Zeiträume
stetig ist, kann das einzige @'@l@sperrventil das des Vorratsbehälters, z. B. der
Hahn der Druckflasche, sein.
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Zur Sicherung einer zuverlässigen An- und Abschaltung des Flusses
ist es jedoch nötig, das Hauptabsperrventil stromaufwärts des Druckregelventils
anzuordnen, rind die Quelle Gier flüchtigen Flüssigkeit, z. B. die eine Flasche,
die flüssiges wasserfreies Ammoniak enthält, durch eine geeignete Zuführungsleitung
mit folgenden Elementen in der angegebenen lZeihenfolge zu verbinden: i. finit einer
Hochdrucksteuerleitung zu einem Differentialdruckregelventil, 2. dem Hauptabsperrventil,
3. der Drossel, d. dem Differentialdruckregelventil und 5. dem Auslaß.
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Die Wirkungen der Erfindung gemäß diesem Charakteristikum können zwar
erreicht werden, auch wenn die Elemente 2 und 3 ausgetauscht werden, d. 11. wenn
die Drossel stromaufwärts des Hauptabsperrventils geschaltet ist, und auch eine
solche Ausführungsform fällt in den Bereich der Erfindung. Eine solche abgeänderte
Ausführungsform ist jedoch nicht vorteilhaft, wenn ein besonders genaues Regeln
von Beginn an nach zeitweiliger Abschaltung des Systems erwünscht ist. Wenn nämlich
das Hauptabschaltventil stromab der Drossel eingesetzt ist, so neigt die Flüssigkeit
dazu, die Zuführungsleitung zwischen der Drossel und dem Absperrventil zu füllen,
und das führt zu einem unerwünscht großen, unnormalen Fluß, wenn (las Abschaltventil
wieder geöffnet wird.
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Das Differentialdruckregelventil ist zweckmäßig von der Art, die sich
progressiv öffnet und schließt, im Gegensatz zu der Art, die nur eine Offenstellung
und eine Zustellung besitzt. Es kann aber auch von anderer Bauart sein, solange
es sich öffnet, wenn die Differenz zwischen den zwei verschiedenen Drücken unter
einen vorbestimmtem Wert sinkt, und sich schließt, wenn diese Differenz einen vorbestimmten
Wert übersteigt, der zweiterwähnte vorbestimmte Wert kann der gleiche
sein
wie (ler erste, wenn auch die Erfindung nicht beschrankt ist auf Vorrichtungen,
bei denen diese Werte genau gleich sind. Der höhere der beiden auf <las Differentialdruckregelventil
wirkenden Drücke ist im wesentlichen der der Flüssigkeitsduelle und wird zur Einwirkung
gebracht durch die Hochdrucksteuerleitung, die stromauf der Drossel und auch vorzugsweise
stromauf des Hauptabsperrventils abgezweigt ist, während der niedrigere Druck der
stromab der Drossel und stromauf des Differentialdruckregelventils herrschende ist,
wobei dieser Druck geringer ist als der ersterwähnte, und zwar um den Betrag des
Druckverlustes in der Drossel. Dabei wird wieder unterstellt, daß der Druckabfall
durch den Strömungswiderstand in der Zuführungsleitung und dem Hauptabschaltventil
vernachlässigt werden kann. Da kein Stromhindernis stromauf der Drossel vorhanden
ist, so wird der Drossel im wesentlichen lediglich Flüssigkeit zugeführt, wobei
unterstellt wird, daß die Druckflüssigkeit unter geeigneten Bedingungen gespeichert
ist, und eine genaue Bemessung der Durchflußmerige erreicht. Wenn (las liauptabsperrventil
geschlossen ist, so wird die eine erstgenannte Seite des Steuerelements im 1)ifferentialdruckregelventil
gemäß der bevorzugten Ausführungsform immer noch durch den Druck der Zuführungsleitung
beaufschlagt; der auf die andere Seite des Steuerelements wirkende Druck wir(l unmittelbar
nach dem Schließen des I lauptsteuerventils augenblicklich scharf vermindert, wodurch
ein erhebliches Ansteigen der Druckdifferenz auf beiden Seiten des Steuerelements
geschaffen und das Regelventil, das sich nahe der Auslaßleitung Befindet, geschlossen
wird. Wenn (las Ilauptabschaltventil wieder geöffnet wird, so wird auf die zweite
Seite des Steuerelements wieder 1)rucl< zur Einwirkung gebracht, wodurch das
Öffnen des Regelventils bewirkt wird und ein Fließen des Fluidums wieder in Gang
kommt; da jedoch (las Differentialdruckregelventil sich ursprünglic'h in Schließstellung
befindet, an Stelle der Offenstellung wie bei den vorbekannten Einrichtungen, so
wird der Fluß vom Beginn an geregelt.
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Die Erfindung wird verdeutlicht durch die Zeiehnung. die einen Teil
der Erfindung darstellt und schematisch die verschiedenen bei einer Verwirklichung
des lZcgelventilsystems benutzten Elemente zeigt.
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Die gezeigte Ausführungsform vereinigt die leiden Grundlagen
der Erfindung in einem System. In der Zciclinting ist mit i ein Druckzylinder l>ezeichiiet,
der flüssiges, wasserfreies Ammoniak cntliält; er ist durch eine Hauptzuführungsleitung
2 mit einer Drossel 3 verbunden. Solche Drosseln sind bekannt und gestatten den
Durchgang eines Fluidums in einem von der Differenz der Drücke stromauf und stromab
abhängigen Verhältnis. Ein Halin 4 kann finit Vorteil an der Druckflasche angebracht
sein, damit sie im gefüllten Zustand transportiert werden kann; wenn die Druckflasche
installiert ist, wird dieser Hahn geöffnet und offengelassen und spielt bei der
Wirkung des Systems ]<eine Rolle. Ein Hauptabschaltventil 5 wird stromauf der
Drossel vorgesehen. Dieses Ventil kann von beliebiger Bauart sein, vorzugsweise
derart, daß es einen raschen Übergang von der völligen Offenstellung zu der völligen
Schließstellung .erlaubt durch Drehung der Spindel über einen kurzen Weg. In der
gezeichneten Ausführungsform kann das Ventil 5 durch Hand mittels eines Hebels 6,
dessen Handgriff dem Führer des Traktors oder eines anderen Fahrzeuges für die Injektionseinrichtung
erreichbar ist, betätigt werden.
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Ein Differentialdruckregelventil7 wird stromab der Drossel 3 angeordnet.
Es ist mit einem Ventilsitz 8 versehen, der mit einem beweglichen Ventilverschlußstück
9 auf einem Stift io zusammen arbeitet, das normalerweise in Offenstellung gehalten
wird durch eine Schraubenfeder i i, deren Spannung mittels einer Schraube 12 eingestellt
werden kann. Die Spindel io ist außerdem mit einer biegsamen Membran 13 verbunden,
deren eine Seite (zur linken) über die Leitung 14 verbunden ist mit der Hauptleitung
2 stromauf des Hauptal)sperrN,entils 5 und deren andere Seite beaufschlagt wird
durch das Fluidum stromab der Drossel 3 und stromauf des Regelventils 7. Der Druck
auf der ersten Seite der Membran strebt zum Schließen des Ventils 9, und der Druck
auf der zweiten Seite will das Ventil offenhalten. Das Ventil 9 ist im Gleichgewicht,
wenn die Kraft auf der ersten Seite der Membran gleich ist der Summe Gier Kraft
der Feder i i und der auf die zweite Seite wirkenden Kraft.
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Das Fluidum wird aus dem Regelventil durch eine Auslaßleitung 15 entladen,
die mit einem Verteiler oder Verteilerkopf 16 verbunden sein kann, in (lern das
Ammoniak in eine Mehrzahl von Einzelströmen unterteilt wird, die durch Einzelleitungen
17 zu Schlauchverbindungen 18 und Injektionsscharen i9 führen für die Einführung
in den Boden.
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Es ist klar, daß etwas Ammoniak nach Durchgang durch die Drossel 3
verdampft und daß die Elemente des Systems stromab der Scheibe von einer Mischung
von flüssigem und verdampftem Ammoniak durchlaufen werden. Jedoch wird die Genauigkeit
der Regelung dadurch nicht beeinflußt, weil der Drossel lediglich Flüssigkeit zugeführt
wird. Der Grad des Ammoniakflusses kann durch Einstellung der Schraube 12 geändert
werden, um das Ventil bei irgendeiner gewünschten Druckdifferenz, z. B. 2,8 kg/cm2,
ins Gleichgewicht zu bringen. Auch ist es möglich, den Fluß zu variieren durch Ändern
der Drossel unter Anbringung einer Scheibe mit der Öffnung gewünschter Größe. Bemerkt
sei, daß unter Drossel Drosselventile und Vorrichtungen, bei denen die Größe der
Öffnung geändert werden kann, mit verstanden werden.
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Wenn der Hauptschalter 5 geschlossen wird, so wird der Druck auf der
zweiten, rechten Seite der Membran augenblicklich vermindert, wodurch (las Ventil
9 geschlossen und ein weiterer Fluß von Ammoniak durch den Auslaß 15 verhindert
wird. Wenn das Ventil 5 geöffnet wird, so wird
der Druck
auf der zweiten Seite der Membran erhöht und das Ventil 9 geöffnet.
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Beim Entleeren des Zylinders i fällt der Druck infolge der Abkühlung,
verursacht durch die Verdampfung des für die Ausfüllung des durch das Abziehen der
Flüssigkeit freigegebenen Raumes benötigten Ammoniaks, jedoch hält das Differentialdruckregelventil
7 den Fluß auf im wesentlichen derselben Höhe, da es den Druckabfall durch die Drossel
konstant hält. Umgekehrt bleibt, wenn der Druck im Zylinder oder der Flasche infolge
der Erhöhung der herrschenden Umgebungstemperatur ansteigt, der Durchflußgrad durch
das System wesentlich konstant infolge der konstanten Druckdifferenz, die durch
die Differentialregelung bei diesem System in der Düse aufrechterhalten wird.