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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Betriebs eines
Ventils, durch das die Reinigung, Produktbehandlung, Kavitation,
Wasserschläge etc. optimiert werden können, wobei
das Ventil ausgestaltet ist mit einem in einem Ventilgehäuse
zwischen einem Einlass und einem Auslass angeordneten Ventilsitz,
mit einem Ventilteller, der mit einer Betätigungsstange
verbunden ist, und mit einer auf die Betätigungsstange
einwirkenden Betätigungsvorrichtung, mit der der Ventilteller
zum Schließen des Ventils in eine Schließposition
gebracht und an den Ventilsitz angepresst wird und zum Öffnen des
Ventils vom Ventilsitz abgehoben und in eine Öffnungsposition
gebracht wird. Wobei das Ventil zur Durchführung des Verfahrens
im Verlauf einer Reinigung mit Reinigungsflüssigkeit durchströmt
wird.
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Aus
der
WO 2007/061519
A1 ist eine Ventilanordnung bekannt, die zur Durchführung
des gattungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Bei
der Reinigung strömt die Reinigungsflüssigkeit über
Einlass und Auslass durch das Innere des Ventilgehäuses. Dabei
gibt es Bereiche des Innenraums, die von der Reinigungsflüssigkeit
nur unvollkommen durchströmt werden, was negative Auswirkungen
auf die Reinigungswirkung hat. Zur Verringerung der Reinigungszeit
und Verbesserung der Reinigungswirkung sind daher bei der bekannten
Vorrichtung Strukturen vorgesehen, die beim Umströmen mit
Reinigungsflüssigkeit als Wirbelerzeuger dienen, damit
die Reinigungsflüssigkeit im Innenraum des Ventils stark
verwirbelt wird und somit auch die abgelegensten Winkel des zu reinigenden
Ventilinnenraums von Verunreinigungen befreit werden. Die als Wirbelerzeuger dienenden
Strukturen haben allerdings den Nachteil, dass sie auch im Normalbetrieb
des Ventils Wirbel erzeugen und damit den freien Durchfluss zumindest teilweise
behindern und Reibungsverluste erzeugen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Optimierung des Betriebs
eines Ventils anzugeben, welches im Wesentlichen ohne zusätzlichen Fertigungsaufwand
eine Verbesserung von Betriebsbedingungen wie der Reinigungswirkung
ermöglicht.
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Die
erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass
während der Produktbehandlung oder bei der Reinigung der
Ventilteller in mindest eine Zwischenposition zwischen der Schließposition
und der Öffnungsposition gebracht wird. In einer solchen
Zwischenposition behindert der Ventilteller den freien Fluss der
Flüssigkeit, sodass diese wesentlich stärker verwirbelt
wird als wenn der Ventilteller in seiner Öffnungsposition
wäre. Moderne Ventile sind so konstruiert, dass der Ventilteller
in seiner Öffnungsposition den freien Fluss der Flüssigkeit
durch das Ventil einen möglichst geringen Widerstand entgegensetzt. Dies
ist aber bei solchen Konstruktionen gleichzeitig auch der Grund
dafür, dass einige Endbereiche des Ventilinnenraums, die
nicht direkt vom Hauptstrom der Flüssigkeit durchflossen
werden, während der Reinigung des Ventils nicht ausreichend
von Schmutz befreit werden können. Durch die erfindungsgemäße
Zwischenposition des Ventiltellers werden am Ventilteller erzeugte
Wirbel der Reinigungsflüssigkeit auch in die hintersten
Winkel des Ventilinnenraums gelenkt, wo sie die anhaftenden Verunreinigungen
wirkungsvoll wegspülen können.
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Die
Spülwirkung kann noch verbessert werden durch die Maßnahme,
dass der Ventilteller nicht einfach in irgendeine Zwischenposition,
sondern in eine solche Zwischenposition gebracht wird, in der die
durch das Ventil strömende Reinigungsflüssigkeit besonders
stark verwirbelt wird.
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Bei
speziellen Ausgestaltungen des Ventilinnenraums kann unter Umständen
eine bestimmte Stellung des Ventiltellers für einen ersten
Bereich des Innenraums optimal sein, möglicherweise aber
nicht für einen zweiten Bereich des Innenraums, für
den eine andere Zwischenposition des Ventiltellers zu besseren Reinigungsergebnissen
führen würde. In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist deshalb vorgesehen, dass eine oder mehrere Positionen
des Ventiltellers festgelegt werden, in denen die Verwirbelung der
Reinigungsflüssigkeit in mindestens einem inneren Ventilbereich
zumindest ausreichend gut ist, und dass bei anschließenden Reinigungsvorgängen
der Ventilteller nacheinander in die so festgelegten Positionen
gebracht wird. Auf diese Weise können mehrere innere Ventilbereiche optimal
gereinigt werden.
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Eine
weitere Verbesserung des Verfahrens kann darin bestehen, dass der
Ventilteller in eine Zwischenposition in der Nähe des Ventilsitzes
gebracht wird, sodass die Fließgeschwindigkeit der Reinigungsflüssigkeit
aufgrund der verengten Durchlassöffnung erhöht
wird. Bei gegebener Durchflussmenge pro Zeiteinheit kann man durch
Verengung des Durchflussquerschnitts eine starke Vergrößerung
der Fließgeschwindigkeit erreichen. Eine erhöhte
Fließgeschwindigkeit wiederum führt normalerweise
zu stärkerer Verwirbelung der Flüssigkeit an Hindernissen.
Die stärkere Verwirbelung führt in der Regel zu besseren
Reinigungsergebnissen.
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Da
auch bei der Verengung der Durchlassöffnung verschiedene
Positionen des Ventiltellers zu unterschiedlichen Auswirkungen auf
verschiedene Bereiche des Ventilinnenraums führen können,
wird in Weiterbildung des Verfahrens vorgeschlagen, dass eine oder
mehrere Positionen des Ventiltellers festgelegt werden, in denen
die Fließgeschwindigkeit der Reinigungsflüssigkeit
zur Verbesserung der Reinigungswirkung zumindest ausreichend groß ist
und dass bei anschließenden Reinigungsvorgängen
der Ventilteller nacheinander in die so festgelegten Positionen
gebracht wird.
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Eine
zusätzliche Verwirbelung der Reinigungsflüssigkeit
und Verbesserung der Reinigungswirkungen wird durch die Maßnahme
erreicht, dass der Ventilteller während der Reinigung des
Ventils gedreht wird.
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Die
Erfindung umfasst auch eine Betätigungsvorrichtung für
ein Ventil zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens umfassend einen Betätigungsmotor und eine Steuereinheit,
wobei der Ventilteller mittels des Betätigungsmotors durch Steuersignale
der Steuereinheit in eine Schließposition, eine Öffnungsposition
und in frei festlegbare Zwischenpositionen bringbar ist. Bei bekannten
Betätigungsvorrichtungen ist in der Regel ein pneumatischer
Motor vorgesehen, der den Ventilteller entweder in die Schließposition
oder in die Öffnungsposition bringen kann. Im Gegensatz
dazu kann die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung
den Ventilteller auch in beliebige Zwischenpositionen bringen.
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Mit
Vorteil weist die Steuereinheit einen programmierbaren Mikroprozessor
auf, wobei die erfindungsgemäßen Verfahren zum
Betrieb des Ventils festlegbar und steuerbar sind. Die Festlegung
der Parameter für die jeweils einzustellenden Zwischenpositionen
des Ventiltellers und deren zeitliche Abfolge kann somit auf einfache
Weise durch Programmierung festgelegt werden. Im normalen Betrieb steuert
die Software mittels des Mikroprozessors dann den Betätigungsmotor
der Betätigungsvorrichtung vollautomatisch. Wenn der Betätigungsmotor neben
einer translatorischen Bewegung auch eine Rotation des Ventiltellers
ausführen kann oder ein zweiter Motor zur Rotation des
Ventiltellers vorgesehen ist, kann die Rotation zur weiteren Verwirbelung der
Reinigungsflüssigkeit beitragen und damit die Reinigungswirkung
verbessern.
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Die
erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung
kann auch zu einer verbesserten Ablaufsteuerung des Öffnungs-
und Schließvorgangs eines Ventils verwendet werden, indem
der Ventilteller beim Öffnen und/oder Schließen
des Ventils durch die Betätigungsvorrichtung in unmittelbarer
Nähe zur Schließposition deutlich langsamer bewegt
wird als in den von der Schließposition entfernten Bereichen des
Betätigungsweges. Auf diese Weise erhält man ein
Ventil, welches für den gesamten Schließ- oder Öffnungsvorgang
nur relativ wenig Zeit benötigt, bei dem aber das Ende
des Schließvorgangs bzw. der Anfang des Öffnungsvorgangs
nicht abrupt, sondern sanft erfolgt. Dadurch werden „Hammerschläge"
auf die Flüssigkeitssäulen im Zulauf und/oder
Ablauf vermieden, die ansonsten auf die Dauer Beschädigungen
des Ventils oder anderer Anlagenteile verursachen könnten.
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Ein
Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen
im Einzelnen:
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1:
ein Ventil mit pneumatischem Motor in Schließposition;
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2:
eine Teilansicht desselben Ventils in Öffnungsposition;
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3:
eine Teilansicht desselben Ventils in einer ersten Zwischenposition;
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4:
wie 3 in einer zweiten Zwischenposition;
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5:
ein Diagramm des Betätigungsweges des Ventiltellers während
der Ventilreinigung, aufgetragen gegen die Zeit;
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6:
ein Diagramm des Betätigungsweges des Ventiltellers beim
normalen Öffnen und Schließen, aufgetragen gegen
die Zeit.
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Die
in 1 dargestellte Ventilanordnung besteht im Wesentlichen
aus einem Ventil 1 und einer Betätigungsvorrichtung 2.
Das Ventil 1 besitzt ein Ventilgehäuse 3 und
einen Ventilteller 4, der bei der in 1 dargestellten
Schließposition gegen einen Ventilsitz 5 gepresst
wird. Ein Rohrstutzen 6 bildet den Einlass 7 des
Ventils, in den eine Flüssigkeit in das Ventil eintritt.
Ein im rechten Winkel zum Rohrstutzen 6 angeordneter Rohrstutzen 8 dient
als Auslass 9, aus dem die Flüssigkeit austritt.
Bei dem in 1 dargestellten geschlossenen
Zustand des Ventils kann keine Flüssigkeit vom Einlass 7 zum Auslass 9 gelangen.
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Der
Ventilteller 4 ist mit einer Betätigungsstange 10 verbunden,
die ihrerseits mit einem pneumatischen Motor 11 der Betätigungsvorrichtung 2 in Wirkverbindung
steht. Mittels des Motors 11 kann die Betätigungsstange 10 und
mit dieser der Ventilteller 4 in Pfeilrichtung 12 nach
oben oder nach unten bewegt werden. Durch die Bewegung nach unten
wird der Ventilteller 4, wie in 1 gezeigt,
gegen den Ventilsitz 5 gepresst und damit der Durchfluss
durch das Ventil 1 verschlossen. Zum Öffnen des
Ventils wird der Ventilteller 4 durch den Motor 11 und
mittels der Betätigungsstange 10 nach oben gehoben,
bis er seine in 2 dargestellte Öffnungsposition
erreicht. Jetzt kann die am Einlass 7 unter Druck stehende Flüssigkeit,
die am Ventilsitz 5 entstehende Öffnung passieren
und nach der Passage durch das Ventilgehäuse 3 am
Auslass 9 austreten. Der Hauptstrom 13 der Flüssigkeit
ist in 2 durch einen dicken Pfeil angedeutet. Die Flüssigkeit
füllt aber den gesamten Innenraum 17 des Ventils 3 aus,
wobei allerdings nicht in jedem Bereich des Innenraums 17 gleiche Strömungsbedingungen
herrschen. Insbesondere in den in 2 eingezeichneten
Bereichen 14, 15 und 16 ist die Strömungsgeschwindigkeit
sehr gering.
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Wenn
das Ventil 1 gereinigt werden soll, so wird es von Reinigungsflüssigkeit
durchströmt, insbesondere gemäß dem Hauptstrom 13.
Wegen der geringen Fließgeschwindigkeit der Reinigungsflüssigkeit
in den Bereichen 14, 15, 16 mit dem in Öffnungsposition
befindlichen Ventilteller 4 (2) ist die
Reinigungswirkung in den Bereichen 14, 15, 16 stark vermindert.
Dies bedeutet, dass der Reinigungsvorgang zeitlich sehr weit ausgedehnt
werden muss, um befriedigende Reinigungsergebnisse zu erzielen.
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Die
Erfindung sieht jetzt aber vor, dass der Ventilteller 4 aus
der in 2 dargestellten Öffnungsposition mittels
des Motors 11 in Schließrichtung bewegt wird,
bis er eine in 3 dargestellte Zwischenposition
einnimmt. In der Zwischenposition von 3 ist der
Abstand 18 zwischen dem Ventilteller 4 und dem
Ventilsitz 5 kleiner als bei der Öffnungsposition. Dadurch
ergeben sich veränderte Strömungsverhältnisse
für die Reinigungsflüssigkeit mit der Folge, dass
in den Bereichen 14, 15, 16 eine höhere
Strömungsgeschwindigkeit der Reinigungsflüssigkeit
und damit eine bessere Reinigungswirkung erzielt wird. Die genaue
Lage der Zwischenposition bzw. des dafür erforderlichen
Verschiebewegs in Pfeilrichtung 12 kann beispielsweise
durch Versuche herausgefunden werden, bei denen entweder die Reinigungswirkung
oder die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit
in Abhängigkeit von der Position des Ventiltellers 4 ermittelt
werden.
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4 zeigt
dasselbe Ventil 1, wobei sich aber der Ventilteller 4 hier
in einer anderen Zwischenposition befindet, bei der nur noch ein
sehr kleiner Abstand 19 zwischen dem Ventilteller 4 und
dem Ventilsitz 5 verbleibt. Der Abstand 19 definiert
eine ringförmig um den Ventilteller 4 umlaufende
Durchlassöffnung 20 innerhalb derer, wegen des
geringen Querschnitts der Durchlassöffnung 20,
eine stark erhöhte Fließgeschwindigkeit der Reinigungsflüssigkeit auftreten
muss. Aufgrund dieser erhöhten Fließgeschwindigkeit
wird wiederum die Fließgeschwindigkeit der Reinigungsflüssigkeit
in den Bereichen 14, 15, 16 verändert
und ggf. die Reinigungswirkung verbessert. Auch bei solch engen
Abständen 19 muss die optimale Lage des Ventiltellers 4 in
der jeweiligen Zwischenposition durch Versuche ermittelt werden, bei
denen die Reinigungswirkung in den kritischen Bereichen 14, 15, 16 in
Abhängigkeit von der Zwischenposition bestimmt werden kann.
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Wie
man in der schematischen Darstellung von 2 erkennen
kann, ist der Motor 11 über eine Steuerleitung 21 mit
einer Steuereinheit 22 verbunden. Die Steuereinheit 22 umfasst
einen programmierbaren Mikroprozessor, sodass der Motor 11 mittels
einer in der Steuereinheit 22 ablaufenden Software gesteuert
werden kann, um über die Betätigungsstange 10 den
Ventilteller 4 in beliebige Positionen zu bringen, insbesondere
die in 1 gezeigte Schließposition, die in 2 gezeigte Öffnungsposition
und die in den 3 und 4 gezeigten
verschiedenen Zwischenpositionen.
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5 zeigt
ein Diagramm, in dem der Betätigungsweg (entsprechend Pfeilrichtung 12 von 1)
des Ventiltellers 4 und der Betätigungsstange 10 während
eines Reinigungszyklus in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt
ist. Es beginnt mit der Schließposition 23, aus
welcher der Ventilteller 4 zunächst in die Öffnungsposition 26 gebracht
wird. Jetzt kann die Reinigungsflüssigkeit durch das voll
geöffnete Ventil strömen und einen Großteil
des Innenraums 17 reinigen. In einem nächsten
Schritt wird der Ventilteller 4 aus der Öffnungsposition 26 in
eine erste Zwischenposition 24 gebracht. Dabei ändern
sich die Strömungsverhältnisse und einige Bereiche,
beispielsweise die Bereiche 14, 15, 16 des
Innenraums 17 des Ventils 1 werden nunmehr wirkungsvoller
gereinigt als bei voll geöffnetem Ventil 1. In
einem nächsten Schritt fährt der Ventilteller 4 aus
der ersten Zwischenposition 24 in eine zweite Zwischenposition 25.
Dabei ändern sich die Strömungsverhältnisse
erneut, was zu einer besseren Reinigungswirkung in anderen Bereichen des
Innenraums 17 des Ventils 1 führt. Danach
folgt ein mehrmaliger Wechsel, bei dem der Ventilteller 4 von
einer Zwischenposition 25 in die andere Zwischenposition 24 und
zurück bewegt wird. Gegen Ende der Reinigungsprozedur wird der
Ventilteller 4 noch einmal in die Öffnungsposition 26 gebracht,
was beispielsweise zum Ausspülen der Reinigungsflüssigkeit
zweckmäßig sein kann. Am Ende wird der Ventilteller 4 wieder
in die Schließposition 23 bewegt, womit der Reinigungsvorgang
abgeschlossen ist. Die gesamte Ablaufsteuerung des Motors 11 und
damit der Positionen 23 bis 26 des Ventiltellers 4 erfolgt
durch die Software im Mikroprozessor der Steuereinheit 22.
Der für die Erfindung wesentliche Abschnitt 27 des
Verfahrensablaufs ist in 4 markiert.
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Eine
weitere Verbesserung des Verfahrensablaufs lässt sich durch
einen in 2 schematisch dargestellten
zweiten Motor 28 erreichen, mit dessen Hilfe die Betätigungsstange 10 und
damit der Ventilteller 4 entsprechend dem Pfeil 29 in
Rotation versetzt werden kann. Der zweite Motor 28 ist über
eine Steuerleitung 30 mit der Steuereinheit 22 verbunden. Deshalb
kann die Rotation gemäß Pfeil 29 von 2 genauso
wie die Translation gemäß Pfeil 12 von 1 durch
die Steuereinheit 22 mittels Software gesteuert werden.
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In
dem Diagramm von 6 ist eine weitere Ablaufsteuerung
zum Öffnen und Schließen des Ventils 1 dargestellt.
Dabei ist der Verschiebeweg gemäß Pfeilrichtung 12 von 1 des
Ventiltellers 4 und der Betätigungsstange 10 gegen
die Zeit aufgetragen. Der Ablauf beginnt in der Schließposition 23 des
Ventiltellers 4. Zum Öffnen des Ventils 1 wird
der Ventilteller 4 zunächst mit langsamer Geschwindigkeit
in eine Zwischenposition 31 gebracht und danach mit hoher
Geschwindigkeit (größere Steigung) bis zur Öffnungsposition 26 verschoben.
Beim Schließen des Ventils wird der Ventilteller 4 aus
der Öffnungsposition 26 zunächst mit
hoher Geschwindigkeit bis in die Zwischenposition 31 verschoben,
um dann mit geringer Geschwindigkeit bis in die Schließposition 23 gebracht
zu werden. Die wesentlichen Abschnitte 32, 33 des
Vorgangs sind in 6 markiert. Dieser Ablauf bedeutet
in der Praxis, dass der Ventilteller 4 beim Öffnen
und Schließen generell schnell bewegt wird, aber in den
Abschnitten 32 und 33, d. h. wenn er sich ganz
in der Nähe der Schließposition 23 befindet,
mit deutlich langsamerer Geschwindigkeit bewegt wird. Auf diese
Weise vermeidet man „Hammerschläge" auf den Einlass 7 oder
Auslass 9 mit dem Ventilteller 4 in Verbindung
stehenden Wassersäulen. Würde man den Ventilteller 4 mit
voller Geschwindigkeit in die Schließposition 23 oder
aus dieser heraus bewegen, entstünden solche „Hammerschläge"
auf die Wassersäulen, die möglicherweise zu Beschädigungen
der Anlage führen könnten, in die das Ventil 1 eingebaut
ist.
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- 1
- Ventil
- 2
- Betätigungsvorrichtung
- 3
- Ventilgehäuse
- 4
- Ventilteller
- 5
- Ventilsitz
- 6
- Rohrstutzen
- 7
- Einlass
- 8
- Rohrstutzen
- 9
- Auslass
- 10
- Betätigungsstange
- 11
- pneumatischer
Motor
- 12
- Pfeilrichtung
- 13
- Hauptstrom
- 14
- Bereich
- 15
- Bereich
- 16
- Bereich
- 17
- Innenraum
- 18
- Abstand
- 19
- Abstand
- 20
- Durchlassöffnung
- 21
- Steuerleitung
- 22
- Steuereinheit
- 23
- Schließposition
- 24
- erste
Zwischenposition
- 25
- zweite
Zwischenposition
- 26
- Öffnungsposition
- 27
- Abschnitt
- 28
- zweiter
Motor
- 29
- Pfeil
- 30
- Steuerleitung
- 31
- weitere
Zwischenposition
- 32
- Abschnitt
- 33
- Abschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2007/061519
A1 [0002]