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Rückschlagklappe
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Die Erfindung betrifft eine Rückschlagklappe in einer intermittierend
durchströmten Druckleitung, bestehend aus einem elastisch oder gelenkig befestigten
Schließteller, der in seiner Schließlage flüssigkeits-oder gasdicht aus einem Sitz
aufliegt und in seiner Öffnungslage gegen die Wirkung des eigenen Gewichtes und/oder
einer Feder von dem strömenden Medium von dem Sitz abgehoben ist.
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Derartige Rückschlagklappen werden vorwiegend auf der Druckseite
von Kreiselpumpen verwendet, um nach Beendigung des Pumpvorganges ein Rückströmen
des geförderten Mediums durch die Pumpe hindurch in den Anwendungsfällen zu verhindern,
bei denen nach Abschalten der Pumpe in der Druckleitung ein Restdruck verbleibt.
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Dieser kann aus einemgeodätischen Höhenunterschied herrühren, er kann
aber auch durch das Gaspolster eines Druckbehälters oder durch Gaseinschlüsse innerhalb
einer mit unterschiedlichem Niveau verlegten Druckleitung vorhanden sein. Aufgrund
von Erfahrungen an ausgeführten Anlagen ist bekannt, daß die in dieser Weise verwendeten
Rückschlagklappen nach dem Abschalten der Pumpe infolge sich innerhalb des Druckrohres
entspannender Druckwellen zum Schlagen neigen. Bei diesem Vorgang wird der Schließteller
der Rückschlagklappe abwechselnd von seinem Sitz hochgerissen und wieder mit hoher
Geschwindigkeit auf den Sitz zurückgeschleudert, was zu Beschädigungen an Armaturen,
Rohrleitungen und Bauwerken führen kann.
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Zur Beseitigung oder wenigstens zur Minderung dieser Druckwellen
und ihrer gegebenenfalls verheerenden Wirkung wird z.B. in dem DT-Cm 1 931 391 vorgeschlagen,
in der Druckleitung in der Nähe der Pumpe einen Windkessel anzuordnen und darüber
hinaus die zwischen dem Windkessel und der Pumpe befindliche Rückschlagklappe in
besonderer Weise zu gestalten. Und zwar ist der Schließteller als flenbrane ausgebildet,
wobei die Dichtfläche zwischen dem Schließteller und dem Sitz aus einem die MeMbrane
stützenden Rahmen gebildet ist. Sowohl das Gaspolster innerhalb des Windkessels
als auch der als Membrane ausgebildete Schließteller bilden dabei elastische Räume,
in die das Medium innerhalb der Druckleitung unter der Einwirkung der Druckwellen
ausweichen kann. Dadurch tritt eine weiche Entspannung der Druckwellen auf, wodurch
die Druckleitung und die Rückschlagklappe besser gegen Oberlastung geschützt sind.
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Es hat sich jedoch, insbesondere bei der Förderung von Abwasser,
gezeigt, daß diese Maßnahmen nachteilig bzw. unzureichend sind. Denn einmal ist
ein Windkessel in der Wartung sehr aufwendig, zum anderen ist bei der Auswahl der
Membrane nur sehr schwer ein Kompromiß zwischen ihren elastischen Eigenschaften
und der notwendigen Festigkeit zu erzielen. Sobald sie nämlich so reißfest ausgeführt
ist, daß sie allen auftretenden Druckspitzen widersteht, ist sie nicht elastisch
genug, um eine ausreichende Wirkung zu erzielen. Wenn andererseits die elastischen
Eigenschaften befriedigen, besteht ständig die Gefahr, daß im Falle eines extremen
Druckstoßes die Membrane einreiBt.oder an ihrer Einspannung abreißt.
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Während diese Nachteile bei der Förderung von z.B. Frischwasser bereits
deutlich in Erscheinung treten, also das axl(3estrebte Ziel, die gefährdende Wirkung
der Druckwellen auszuschalten, nicht ganz erreicht wird, kommt es bei der Förderung
von Abwasser zu weitaus höheren Druckstößen, so daß die bisher bekannten Mittel
vollständig versagen. Das liegt unter anderem daran, daß in Abwässern große Mengen
an Gasen gelöst sind, die bei Druckänderungen, wie sie aufgrund der Druckwellen
innerhalb der Druckleitungen vorkommen, entweder frei werden oder in Lösung gehen,
was in der Regel zu einer Verstärkung der Druckwellen führt. Auch ist wegen der
großen gelösten Mengen an Gasen die Anordnung eines Windkessels innerhalb der Druckleitung
nicht zu empfehlen, da sich beinahe niemals konstante Betriebsbedingungen einstellen,
sondern sich der Windkessel vollständig mit Gas füllen oder das darin befindliche
Gaspolster absorbiert werden kann, so daß der Windkessel praktisch außer Funktion
gesetzt ist. Daher ist eine sehr häufige Kontrolle des Windkessels erforderlich,
die natürlich personalaufwendig ist.
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Die zumindest im Zusammenhang mit der Förderung von Abwässern auftretenden
Druckwellen erreichen nicht nur extrem hohe Spitzenwerte, sondern weisen zum Teil
eine so hohe Frequenz auf, daß die Rückschlagklappe in einer geöffneten Stellung
hin und her schwingt, also die Überdruckperioden nicht ausreichen, den Schließteller
der Rückschlagklappe auf seinen Sitz zu drücken, sondern die nächste Niederdruckperiode
reißt ihn bereits wieder in Richtung auf die Öffnungslage hoch. Dies hat zur Folge,
daß die Druckwellen ungehindert bis zum Pumpengehäuse der zu diesem Zeitpunkt stillstehenden
Pumpe vordringen können. Die Pumpengehäuse sind jedoch für die Spitzenwerte der
Druckwellen - wie Messungen gezeigt haben, erreichen sie unter Umständen mehr als
das Zwanzigfache der maximalen Förderdrücke - nicht ausgelegt, so daß sie wegen
der Überbelastung zerbersten.
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Es ist delllnach Aufgabe der Erfindung, eine Riickschlagklappe zu
schaffen, die unter Vermeidung von von dem zu fördernden Medium benetzten Entspannungsräumen,
wie z.B. Windkesseln, die Entspannung der selbst bei der Förderung von Abwässern
auftretenden extremen Spitzenwerte der Druckwellen auf ein ungefährliches Niveau
gestattet.
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Die Erfindung besteht darin, daß der Schließteller der Rückschlagklappe
mindestens eine Öffnung aufweist, clie mit tlilfe mindestens eines beweglich gelagerten,
im Vergleich zum Sch-ließteller leichtgewichtigen Deckels verschließbar ist.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, mindestens in einer Strömungsrichtung
die Druckwellen dadurch abzubauen, daß ein mit einer geringen Masse behafteter Deckel
eine Öffnung innerhalb des Schließtellers freigibt, der also beinaheträgheitslos
auf geringste Druckunterschiede reagiert. Zum besseren Verständnis dieses Gedankens
sei gesaugt, daß bereits heute Nennweiten bis zu 800 mm mit einer Rückschlagklappe
versehen sind, wobei dann die Schließteller Gewichte von z.B. 600 N erreichen, was
für eine Nennweite von 600 mm zutrifft. Derartig schwere Schließteller weisen natürlich
erhebliche Trägheitskräfte auf, die zu entsprechend verzögerten Bewegungen führen.
Das wiederum bedeutet, daß bis zu einer Entspannung, beispielsweise einer Niederdruckperiode
in der Druckleitung,durch öffnen des Schließtellers der niedrige Druck ziemlich
lange anstehen muß bzw. sehr weit abfallen muß, bis der Schließteller von seinem
Sitz abhebt. Das Entspannen der Druckwellen kann bei diesen Verhältnissen kaum eintreten,
da jeweils große Kräfte zur Bewegung des Schließtellers notwendig sind.
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Wenn jedoch gemäß der Erfindung der Deckel eine relativ
kleine
Öffnung in dem Schließteller nach Art einer Rückschlagklappe verschließt, kann er
aus Festigkeitsgründen sehr leichtgewichtig ausgeführt sein (z.B. bei einer Nennweite
der Rückschiagklappe von 600 mm und bei einem Deckeldurchmesser von ca. 100 mm beträgt
das Gewicht des Deckels nur etwa 4 N), was ihn gegenüber Druckänderungen innerhalb
der Druck leitung empfindlich macht und so für eine schnelle Ausgleichsreaktion
sorgt. Denn er vermag aufgrund seines geringen Gewichtes bereits kleinsten Druckänderungen
bzw. nur sehr kurz andauernden Druckunterschieden unmittelbar zu folgen, vorausgesetzt,
daß die herrschenden Drücke gerade die Öffnung des Deckels bewirken. Falls es sich
dabei als notwendig erweisen sollte, daß zum Ausgleich der Druckwellen relativ große
Mengen des zu fördernden Mediums von einer Seite des Schließtellers auf die andere
strömen müssen, brauchen die Deckel nicht vergrößert zu werden, sondern es ist ebenso
möglich, ihre Anzahl zu vergrößern, wodurch der verfügbare Querschnitt vergroßert,
nicht jedoch die Massenkräfte verändert werden.
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Der erfindungsgemäß die Öffnung verschließende Deckel kann gegenüber
der Rückschlagklappe gleichsinnig oder gegensinnig angebracht werden, das bedeutet,daß
einmal der Deckel sich beim Anschalten der Pumpe öffnet, oder daß zum anderen der
Deckel beim Anschalten der Pumpe gegen die dem Sitz zugewandte Seite des Schließtellers
gedrückt wird. Im letztgenannten Fall und bei einer Einbaulage der Rückschlagklappe,
deren Schließteller in der Schließlage annähernd horizontal liegt und nach oben
abhebt, ist es vorteilhaft, den Deckel mit Hilfe einer Feder an den Schließteller
anzudrücken. Diese Maßnahme kann im übrigen bei gleicher Einbaulage der Rückschlagklappe
auch auf einen an der Oberseite des Schließtellers angebrachten Deckels angewandt
werden.
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Um nicht nur in einer Strömungsrichtung einen Ausgleich der Druckwellen
zu bewirken, ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung
vorgesehen, daß innerhalb des Schließtellers mindestens zwei Öffnungen und zwei
Deckel vorgesehen sind, wobei jeweils mindestens ein Deckel auf der einen Seite
des Schließtellers und ein Deckel auf der anderen Seite des Schließtellers angeordnet
ist. Je nach dem Druckniveau der Druckwelle, das eine entsprechend Strömungsrichtung
des innerhalb der Druckleitung befindlichen Mediums zur Folge hat, gibt dann entweder
der eine oder der andere Deckel die zugeordnete Öffnung innerhalb des Schließtellers
frei. Auch hier kann durch Vervielfältigen derselben Deckeltypen eine Vergrößerung
der Durchtrittsfläche ohne Vergrößerung der Massenkräfte bewirkt werden. In jedem
Fall kann dabei eine Konstellation gefunden werden, bei der der Schließteller der
Rückschlagklappe auf seinem Sitz liegenbleibt.
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Die bisher genannten Ausführungsbeispiele bewirken jeweils die freie
Entspannung zumindestens in einer Strömungsrichtung des den Druckwellen ausgesetzten,
in der Druckleitung befindlichen Mediums. Die Erfindung sieht weiterhin vor, in
einem anderen Ausführungsbeispiel neben der reinen Entspannung auch noch eine Dämpfung
vorzusehen. Dazu ist jede Öffnung auf beiden Seiten des Schließtellers mit einem
Deckel versehen, wobei jeder Deckel mit Hilfe einer Membrane flüssigkeitsdicht und
in Achsrichtung der Öffnung parallel zur jeweiligen Schließtelleroberfläche verschieblich
gelagert ist und daß der von den beiden Deckeln und den beiden Membranen gebildete,
die zugeordnete Öffnung einschließende Raum mit einem flüssigen und/oder gasförmigen
Medium gefüllt ist, wobei die Querschnittsfläche der Öffnung im Vergleich zu der
der Deckel kleingehalten ist. Damit wird ein von dem geförderten Medium isolierter
Raum geschaffen, dessen zwei jeweils auf unterschiedlichen Seiten des Schließtellers
liegenden Begrenzungen in Form der Deckel bei einem Druckunterschied innerhalb der
Druckleitung ihren Abstand zu dem Schließteller verändern, wobei Flüssigkeit oder
ein Gas von der einen Seite des Schließtellers auf die andere Seite gedrückt wird,
was bei entsprechender Abmessung der
Durchmesser von Öffnung und
Deckel eine Dämpfungswirkung zur Folge hat. Ein Abreißen oder eine Überdehnung der
die Deckel stützenden Membranen ist dabei ausgeschlossen, da die Deckel nur soweit
auf den Schließteller gedrückt werden können, bis die Öffnung verschlossen ist,
also die Deckel auf dem Schließteller aufliegen.
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Zur Sicherheit können beide Deckel mit Hilfe eines Steges in einem
Abstand zueinander festgelegt sein. Außerdem ist durch Einfügen einer Feder zwischen
dem Schließteller und einem oder beiden Deckeln die Einhaltung einer Ruhelage möglich.
Damit ist sichergestellt, daß unabhängig von den jeweils herrschenden Druckverhältnissen
unmittelbar nach Abschalten der Pumpe ein gewisser Dämpfungsweg der Deckel zur Verfügung
steht.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen,
die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert; Es bedeuten: Fig. 1 eine
Querschnittsansicht durch eine Rückschlagklappe mit einem gemäß der Erwindung ausgebildeten
Schließteller, Fig. 2 eine Schnittansicht gemäß der Linie II-II in Fig. 1, und Fig.
3 eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles eines gemäß der
Erfindung ausgebildeten Schließtellers als Ausschnitt.
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In den Fig. 1 und 2 ist in einer Querschnittsansicht bzw. in einer
Querschnittsdraufsicht das übliche Gehäuse 1 einer bekannten Rückschlagklappe dargestellt,
in dem ein erfindungsgemäß ausgeführter Schließteller 2 eingebaut ist. An der Ober-und
Unterseite des Gehäuses 1 ist jeweils ein Flansch 4 zur Befestigung der Rückschlagklappe
innerhalb einer Druckleitung anordnet. An derSeite des Gehäuses 1 befindet sich
ein NnTartungsdeckel 6, nach dessen Entfcrnen der Schließteller 2 einschließlich
seiner halterung aus- und einyebaut werden kann. Die halterung besteht im wesentlichen
aus einer Anschraubleiste 12, die mit Hilfe von von außerhalb des Gehäuses 1 zugänglichen
Schrauben 10 befestigt ist und einer zwischen der Anschraubleiste 12 und dem Schließteller
2 angeordneten elastischen Lasche 14, die gewissermaßen die gelenkige Befestigung
des Schließtellers 2 gegenüber dem Gehäuse 1 darstellt. Sie gestattet nicht nur
das Aufklappen des Schließtellers 2 in einer Winkelbewegung nach oben, sondern sie
bewirkt auch das Ausrichten des Schließtellers 2 gegenüber der durch einen Sitz
16 definierten Auflagefläche.
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Gemäß der Erfindung ist der Schließteller 2 mit einer Offnung 18
versehen, dien dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel von einem
auf der Oberseite des Schließtellers 2 aufliegenden Deckel 20 verschlossen wird.
Der Deckel 20 ist dem Prinzip nach dem Schließteller 2 gleich, d.h., es ist eine
Anschraubmöglichkeit ähnlich der Anschraubleiste 12, ein Teller ähnlich dem Schließteller
2 und eine Lasche ähnlich der Lasche 14 voryesehen. (Der Einfachheit halber sind
die genannten drei Bestandteile des Deckels 20 nicht mit Bezugszeichen versehen).
Der Deckel 20 muß im Vergleich zu dem Schließteller 2 nur die im Durchmesser relativ
kleine Öffnung 18 abdecken,während der Schließteller 2 eine Fläche gemäß der entsprechenden
Nennweite des Gehäuses 1 abdecken muß. Dadurch ist der Deckel 20 wesentlich leichter
und
somit trägheitsloser als der Schließteller 2. Irgendwelche Druckwellen innerhalb
der an das Gehäuse 1 angeschlossenen Druckleitung können dadurch leichter entspannt
werden, weil bereits geringe oder nur kurz andauernde Druckunterschiede bei entsprechender
Wirkrichtung (in diesem Fall als Saugwirkung oberhalb des Schließtellers 2) den
Deckel 20 von seiner die Öffnung 18 verschließenden Ruheposition abzuheben vermögen.
Auf diese Weise kann sofort das unterhalb des Schließtellers 2 befindliche Medium
durch die Öffnung 18 nachströmen, wodurch die Entspannung der Druckwellen bewirkt
wird. Falls danach in der Druckleitung wieder ein Druckanstieg erfolgt, wird der
Deckel 20 unmittelbar nach Xnderung des Druckniveaus wieder in seine Schließseite
zurückkehren, so daß sich nicht erst hohe Geschwindigkeiten des in dem Gehäuse 1
befindlichen Mediums durch die Öffnung 18 aufbauen können. Entsprechend gering ist
dann auch der Schlag mit dem der Deckel 20 sich auf den in Ruhe befindlichen Schließteller
2 niederlegt.
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Es ist offensichtlich, daß die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform
der Erfindung eine Entspannung der Druckwellen dadurch ermöglicht, daß das oberhalb
des Schließtellers 2 befindliche Medium eine Saugwirkung auf den Schließteller ausübt.
Um auch im Falle einer Druckwirkung an dieser Stelle eine Entspannung- zu erreichen,
kann der Schließteller 2 neben dem Deckel 20 einen weiteren, nicht dargestellten
Deckel auf seiner dem Sitz 16 zugewandten Unterseite aufweisen, der eine zusätzliche,
ebenfalls nicht dargestellte Öffnung in seiner Schließlage abdeckt. Damit die Rückschlagklappe
insgesamt ihre Funktion behält, muß dieser zusätzliche Deckel dann mit einer Feder
geschlossen gehalten werden, deren Schließkraft so groß ist, daß der Dekkel bei
maximal erreichbarer geodätischer Wasserhöhe oberhalb des Schließtellers 2 noch
geschlossen ist, bei Drücken, die darüber hinausgehen, jedoch aufgedrückt wird.
Derartige federbelastete
Deckel sind bekannt und brauchen deshalb
hier jetzt nicht näher erläutert zu werden. Im übrigen kann der Deckel 20 und auch
der gegebenenfalls auf der Unterseite des Schließtellers 2 angeordnete weitere Deckel
einschließlich der zugehörigen Öffnungen 18 mehrfach vorhanden sein, falls es erforderlich
ist, extrem leichte Deckel zu verwenden - dies hedeutet, daß die zugehörigen Öffnung£r
18 einen keinen Durchmesser haben - aber dennoch für den Ausgleich der Druckwelle
einen yroßen Durchtrittsquerschnitt zu bekommen.
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In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Schließtellers 2' gezeigt. Hierbei wird die Öffnung 18 nicht von dem zu fördernden,
also innerhalb des Gehäuse 1 befindlichen Medium durchströmt, sondern von einem
flüssigen und/oder gasförmigen Medium, das innerhalb eines Raumes 22 eingeschlossen
ist. Dieser besteht aus zwei in der in Fig. 3 dargestellten Lage symmetrisch zueinander
liegenden Teilräumen oberhalb und unterhalb der dem Schließteller 2 eingelagerten
Metallplatte 24; er wird begrenzt durch die Deckel 20 und 20', die mit Hilfe zweier
Membranen 26 und 26' gehalten sind. Die Membranen 26 und 26' werden mit Hilfe von
Stützringen 28 und 28' sowohl gestützt als auch flüssigkeitsdicht auf die Metallplatte
24 des Schließtellers 2 gedrückt.
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Bei einer Füllung des Raumes 22 nur mit einem flüssigen Medium weist
die Bewegung in Achsrichtung der Öffnung 18'des Deckels 20 die Charakteristik eines
hydraulisch gedämpften Gliedes auf, d.h., je höher die Bewegungsgeschwindigkeit
ist, desto höher ist die sich dieser Bewegung widersetzende Kraft. Denn bei einer
Bewegung des Deckels 20 muß die im oberen Teil des Raumes 22 befindliche Flüssigkeit
durch die relativ enge Öffnung 18 hindurch in den unteren Teil hinüberströmen, wodurch
die entsprechende
Dämpfungswirkung zustande kommt. Falls der Raum
22 zusätzlich noch mit einem gasförmic3en Medium gefüllt ist, entsteht eine hydraulisch
gedämpfte Gasfeder, solange die Öffnung 18' von Flüssigkeit benetzt ist. Der Deckel
20' bildet hierbei eine Art passives Glied, dessen Lage sich nach den Druckverhältnissen
im unteren Teil des Raumes 22 richtet.
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Um sicher zu sein, daß keine Überdehnung der Membranen 26 und 26'
eintritt, kann es zweckmäßig sein, die Deckel 20 und 20' mit einem Steg 30 zu verbinden,
der sie stets in einem vorgec3ebenen parallelen Abstand zueinander hält. Wenn dabei
die Spitzenwerte der Druckwellen so groß sind, daß einer der Deckel auf der Metallplatte
24 des Schließtellers 2' aufliegt, ist auch der andere Deckel an einer weiteren
Bewegung gehindert. In diesem Fall ist also die Ausgleichskapazität des erfindungsgemäßen
Schließtellers 2' erschöpft, die Abmessungen können jedoch durch Versuche so gewählt
werden, daß dieser Zustand nur selten oder überhaupt nicht eintritt.
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Um in der statischen Ruhelage des Systems nach Abklingen aller Druckwellen
eine Lage der Deckel 20 und 20' zu erhalten, die in etwa der in Fig. 3 gezeigten
entspricht, ist es zweckmäßig, zwischen der Metallplatte 24 und einem der beiden
Deckel oder beiden Deckeln entsprechende Federn 32 einzusetzen, die trotz des auf
den Deckel 20 wirkenden statischen Druckes oberhalb des Schließtellers 2 diesen
in einer Lage deutlich oberhalb der Metallplatte 24 halten. Dadurch steht nach Abschalten
einer die Druckleitung versorgenden Pumpe (also nach Schließen des Schließtellers
2') sofort in beiden Strömungsrichtungen ein Ausgleichsweg der Deckel 20 und 20'
zur Verfügung, gleichgültig ob es zunächst zu einer Saugwirkung oder zu einer Druckwirkung
innerhalb der Druckleitung kommt. Zur Anpassur.g der
Dämpfungscharakteristik
an die Erfordernisse des jeweiligen Einsatzortes können in der Metailplatte 24 noch
weitere Öffnungen 34 vorgesehen sein.
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Unabhängig davon, welches Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen
Schließteller 2 gewählt wird, die jeweiligen Dekkel sind in der Öffnungslage des
Schließtellers jeweils unwirksam, d.h., sie behindern die nominale Funktion des
Schließtellers 2 in keiner Weise. Selbst wenn z.B. kurz nach Anschalten der die
Druck leitung speisenden Pumpe einer der Deckel durch den dann einsetzenden Pumpendruck
wegen seiner geringen Massenträgheit öffnet, bzw.
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im Falle des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 3 die beiden Deckel
20 und 20' ihre Lage ändern, so führt das lediglich zu einem geringfügig verzögerten
Abheben des Schließtellers 2 von dem Sitz 16, was keinesfalls störend ist, sondern
im Gegenteil das Anschwillen der Strömung innerhalb des Gehäuses 1 weicher werden
läßt.Bei voll geöffnetem Schließteller 2 bleiben die jeweiligen Deckel vollkommen
passiv, da auf beiden Seiten des Schließtellers 2 annähernd der gleiche Druck herrscht
und dieser nur durch den Impulsstrom des durch das Gehäuse 1 strömenden Mediums
offengehalten wird.
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Bei Zwangsbelüftungen von Abwasser- und Wasseranlagen werden innerhalb
der Leitungen zwischen der zu belüftenden Stelle und dem Gebläse oder den Gebläsen
oftmals den Rückschlagklappen für Flüssigkeiten ähnliche Klappen eingesetzt, deren
hauptsächlicher Unterschied in der leichteren Bauweise liegt. Auch diese Klappen
neigen oft zum Schlagen, so daß die Erfindung auch für diese Art von Klappen mit
Erfolg angewendet werden kann.
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- Patentansprüche -