DE2729570A1 - Elektromagnetisches sicherheitsabsperrventil - Google Patents

Description

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Anmelderin:

Bürkert GmbH Stuttgart, den 29.Juni 1977

Postfach 20

7118 Ingelfingen ^V

Vertreter:

Patentanwalt
Dipl.-Ing Max Bunke
Lessingstr. 9
7000 Stuttgart 1

Elektromagnetisches Sicherheitsabsperrventil

elektrische Schalter oder

Die Erfindung betrifft ein durch/kritische Betriebszustände erfassende Signalgeber steuerbares elektromagnetisches Sicherheitsabsperrventil für zusätzlich mit mechanisch wirkenden Rohrbruchsicherungen arbeitende Rohrleitungssysteme.

In der chemischen Verfahrenstechnik, der Kernreaktortechnik und anderen Anwendungsbereichen werden in Rohrleitungssystemen, vor allem

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wenn giftige, aggressive, radioaktive, unter hohem Druck stehende oder auf hohe Temperaturen aufgeheizte Medien durch die Rohrleitung strömen, aus Sicherheitsgründen besondere Sicherheitsarmaturen eingebaut, die in kritischen Fällen, z.B. beim Austreten des Mediums in die Umgebung des Rohrleitungssystems, dieses absperren und damit das Austreten des Mediums unterbinden.

Bei Rohrsystemen kleinerer Nennweite und insbesondere auch in Meßleitungen derartiger Systeme werden vielfach direktwirkende Magnetventile eingebaut, die vorzugsweise in stromlos offener Bauweise ausgeführt sind und durch kritische Betriebszustände erfassende Signalgeber gesteuert werden können. Diesen elektromagnetischen Sicherheitsabsperrventilen werden häufig noch rein mechanisch wirkende Rohrbruch— sicherungen vorgeschaltet. Bekannte derartige Rohrbruchsicherungen weisen einen in der Längsachse ihres rohrförmigen Gehäuses geführten, strömungsgünrtig geformten Schließkörper auf, der durch die Vorspannung einer zylindrischen Feder bei normalen Strömungsverhältnissen in Offenstelluno zu einem Ventilsitz gehalten wird und der erst bei Überschreiten einer durch die Höhe der eingestellten Federvorspannung vorgegebenen Druckdifferenz am Schließkörper in seine Schließstellung verschoben wird. Die Federvorspannung wird dabei so eingestellt, daß diese Rohrbruchsicherung bei betriebsnormalen Durchflußverhältnissen nicht anspricht, sondern erst beim Überschreiten einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit, wie z.B. bei einem Rohrbruch. Bei Anfahrvorgängen oder Abschaltvorgängen (Auffüllvorgänge des Rohrsystems bei Inbetriebnahme, vor allem bei Hochdrucksystemen mit gasförmigen Medien)kann es jedoch zu derart hohen Strömungsgeschwindigkeiten kommen, daß die Rohrbruchsicherung ungewollt anspricht und dadurch die Rohrleitung abgesperrt wird; dann steht vor dem Schließkörper der Rohrbruchsicherung der volle Betriebsdruck an, ausgangssei tig aber ein niedrigerer Druck, Das Druck— gefälle am Schließkörper hält diesen in seiner Schließstellung, bis es zu einer ausreichenden, den Öffnungsvorgang einleitenden Reduzierung der Druckdifferenz kommt. Eine Reduzierung des Drucks vor der Rohrbruchsicherung ist häufig ein kostenaufwendiger und mit Zeitverlust verbundener Vorgang; daher kombiniert man die Rohrbruchsicherung vorzugsweise mit einem elektromagnetischen, stromlos geschlossenen Umgehungs-(Bypass-) Ventil kleiner Nennweite, das eine Verbindung der Ausgangsmit der Eingangsseite der Rohrbruchsicherung erlaubt, so daß durch das

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Öffnen dieses Ventils eine Umströmung der Rohrbruchsicherung und eine Druckbeaufschlagung des nachgeschalteten Rohrzweigs ermöglicht und das Druckgefälle an dem Schließkörper der Rohrbruchsicherung so weit reduziert wird, bis diese durch die Federvorspannung selbsttätig wieder öffnet.

Eine solche kombinierte Sicherheitseinrichtung besteht also aus zwei in Serie geschalteten Ventilen, nämlich der Rohrbruchsicherung mit damit vereinigtem elektromagnetischem Umgehungsventil einerseits und dem stromlos geöffneten, elektromagnetischen Sicherheitsabsperrventil andererseits. Der technische Aufwand in Form von zwei Ventilgehäusen, zwei Magnetsystemen, drei Ventilsitzen und den dazugehörigen Schließ— körpern ist dabei beträchtlich, sehr kostenintensiv /mit hohem Raumbedarf verbunden; wegen ihrer vielen Funktionskomponenten ist eine solch Einrichtung außerdem entsprechend störanfällig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Funktionen von elektromagnetischem Sicherheitsabsperrventil und Rohrbruchsicherung ohne die genannten Nachteile bekannter AusfiLhrungen, nämlich hohe Kosten, hoher Raumbedarf, hohe Komponentenanzahl /Störanfälligkeit zu verwirklichen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht gem& der Erfindung darin, daß bei einem elektromagnetischem Sicherheitsabsperrventil der eingangs erwähnten Gattung ein infolge des Druckabfalles bei Rohrbruch selbsttätig mechanisch schließendes, die Rohrbruchsicherung darstellendes Ventil mit dem Schließkörper des elektromagnetischen Sicherheitsabsperrventils vereinigt ist.

Gegenüber den mehrere voneinander getrennte Einheiten umfassenden bekannten Bauarten werden mit der erfindungsgemäßen Bauart dieselben Wirkungen in wesentlich einfacherer Weise und dementsprechend mit größerer Betriebssicherheit erreicht. Die erfindungsgemäße Bauart nimm auch weniger Platz weg als die bekannten Anordnungen; sie ist überdies billiger herzustellen.

Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel.

F'i.'j. I. ι?! ein Schnitt durch ein er Γ i nc! u ng ng em H ß ausgebildetes Ven-

rig. 2 bis 4 sind Teilschnitte, welche verschiedene Arbeitsstellungen des Ventils wiedergeben.

Cin Ventilsitz 2 eines Ventilgehäuses 1 ist durch einen Schließkörper 3 in dessen unterer Stellung verschlossen und in seiner oberen Stellung geöffnet. Mjh dem Schließkörper 3 wirkt ein zylindrisch ausgebildeter elektromagnetischer DoppelantrJeb in unten näher erläuterter Weise zusammen .

Der den Magnetfluß führende Eisenkreis der elektromagnetischen Antriebseinrichtung besteht aus einem zylindrischen Außenrohr 4, einem unteren Magnetdeckel 5, einem oberen Magnetdeckel 6 und einem mittleren Magnetdeckel 7. Die Antriebseinrichtung umfaßt ferner zwei Magnetspulen 3 und 9 und einen in Richtung seiner Längsachse beweglichen Magnetanker 10, der zwischen einem oberen Magnetstopfen 11 und einem unteren Magnetstopfen 12 in seiner Mittellage einen unteren Luftspalt 13 und einen oberen Luftspalt 14 als magnetischen Arbeitsluftspalt aufweist.

Der Magnetstopfen 11 ist durch Schweißung mit einem aus nichtmagnetischem Material bestehenden Ankerführungsrohr 15 und über dieses mit einem daran angeschwei ßten Zwischenrohr 16 verbunden, das auf das Ventilgehäuse 1 aufgeschraubt ist und dadurch die Verbindung der Magnetantriebseinrichtung mit dem Ventilgehäuse herstellt. Der Magnetanker 10 ist durch eine Führungsspindel 19 zusätzlich zu seiner radialen Führung im Ankerführungsrohr 15 im unteren Magnetstopfen 12 geführt. Die den Eisenkreis bildenden Bauteile und das Ankerführungsrohr sind, beginnend in Fig. 1 von unten beim unteren Magnetdeckel 5, wie folgt zu einer mechanisch starren, die untere Magnetspule 9 und die obere Magnetspule 8 einschließenden Einheit verbunden. Auf einer Schulter am Umfang des unteren Magnetdeckels 5 ruht das Außenrohr 4, dessen Unterkante mit dem Umfang des unteren Magnetdeckels 5 verschweißt ist. In eine Mittelbohrung des unteren Magnetdeckels 5 ist das Ankerführungsrohr 15 dicht passend eingesetzt. In den Ringraum zwischen der inneren Wandung des Außenrohres 4 und der äußeren Wandung des Ankerführungsrohres 15 ist

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e untere Magnetspule 9 eingesetzt und in diesem Raum mit Kunstharn irgossen. Nach oben ist die untere Magnetspule 9 durch den mittleren ignetdeckel 7 abgedeckt, der ouf einer im Außenrohr 4 angebrachten :hulter ruht und mit seinem Umfang dicht Ln den Innenmantel des Außen-)hres 4 paßt, während er andererseits auf dem Ankerführungsrohr 15 .ent aufsitzt. In dem zwischen dem Außenrohr 4 und dem Ankerführungs- >hr 15 gebildeten Ringraum ist oberhalb des mittleren Magnetdeckels 7 Le obere Magnetspule 8 untergebracht und innerhalb dieses Ringraumes »rgossen. In Fortsetzung der Außenfläche des Ankerführungsrohres 15 st der Innenmantel dieses Ringraumes an seinem oberen Ende durch die ißenfläche des oberen, mit dem oberen Ende des Ankerführungsrohres 15 »rschweißten Magnetstopfens 11 gebildet. Nach oben ist die obere Magstspule 8 durch den oberen Magnetdeckel 6 abgeschlossen, der auf einer zhulter im Außenrohr 4 ruht, dessen Umfang dicht in das Außenrohr 4 aßt und der mit einer mittleren Bohrung dicht auf dem Umfang des oberen agnetstopfens 11 sitzt. Gegen Axialbewegung nach oben sind die im Außenohr 4 angeordneten Teile durch einen Sprengring 18 gesichert, der über em oberen Magnetdeckel 6 in eine Nut des Innenmantels des Außenrohres ingesetzt ist.

ei Erregung der oberen Magnetspule 8 verläuft der Magnetfluß durch die u einem oberen Eisenkreis gehörenden Eisenteile 4,6,7,10,11 und durch en oberen Luftspalt 14 und erzeugt eine auf den Magnetanker 10 nach iben in Richtung auf den Magnetstopfen 11 wirkende Zugkraft. Sei Erregung ler unteren Magnetspule 9 verläuft der Magnetfluß durch die Eisenteile 1,5,7^0,12 und durch den unteren Luftspalt 13 und erzeugt eine auf den lagnetanker 10 in Richtung auf den Magnetstopfen 12 wirkende Zugkraft.

de Führungsspindel 19 trägt an ihrem unteren Ende eine Glocke 20 mit ;iner äußeren Ringrippe 20». An der Ringrippe 20· liegen bei der in ig.l gezeichneten Stellung der Teile ein oberer Federteller 23 und ein interer Federteller 24 an. Zwischen der unteren Stirnfläche des unteren lagnetstopfens 12 und dem Federteller 23 ist eine obere Druckfeder 21, vorzugsweise eine zylindrische Wendelfeder, eingespannt, zwischen einer Schulter im Gehäuse 1 und dem Federteller 24 eine untere, der Feder 21 sntsprechende Druckfeder 22. Solange keine sonstigen Kräfte einwirken,

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halten die Federn 21 und 22 die Glocke 20 und damit die Führungsspindel 19 in der in Fig. 1 gezeichneten mittleren Höhenlage. Bei dieser Stellung liegen die Federteller 23,24 nicht nur an der äußeren Ringrippe 2ο¹ der Glocke 20 von entgegengesetzten Seiten her an, sondern mit ihren äußeren Bereichen auch an einer inneren Ringrippe 25 des Gehäuses 1, die ebenso dick ist, wie die äußere Ringrippe 20' der Glocke 20.

Der Ventilkegel des Schließkörpers 3 weist einen Schaft 3¹ auf. In die Glocke 20 ist von unten her eine Kappe 26 eingeschraubt. In einer mittleren Bohrung der Kappe 26 ist der Schaft 3¹ längsverschieblich — in Fig.l heb- und senkbar — geführt. An seinem in Fig.l oberen Ende trägt er einen innerhalb der Kappe 26 Platz findenden Teller 31. Zwischen einem auf dem Boden der Kappe gebildeten, dessen Mittelbohrung umgebenden Federsitz und der Unterseite des Tellers 31 ist als Druckfeder eine zylindrische Wenddfeder 28 eingespannt. Um die Teile zusammensetzen zu können, ist der Schaft 3* entweder mit dem Ventilkegel oder mit dem Teller 31 oder mit beiden verschraubt. Innerhalb der Glocke 20 ist ein auf der oberen Stirnkante der eingeschraubten Kappe 26 und auf dem Federteller 31 aufliegender Federteller 29 angeordnet, gegen den sich eine zwischen ihn und den Boden der Glocke 20 eingespannte zylindrische Wendelfeder 27 als weitere Druckfeder abstützt.

Wenn die beiden Magnetspulen 8 und 9 stromlos sind, nehmen die Führungsspindel 19 und der Schließkörper 3 ihre durch die Vorspannung der Federn bestimmte, in Fig.l gezeigte Ausgangsstellung ein, solange kein Medium durch den Sitz 2 strömt oder die Geschwindigkeit eines durchströmenden Mediums einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Bei Durchströmung des Ventils wirkt auf den Schließkörper 3 am Ventilsitz 2 eine Druckdifferenz; bei Überschreiten eines bestimmten Durchflußwertes übersteigt die durch sie ausgeübte Kraft die Vorspannkraft der Feder 28, und das Ventil wird bei weiterem Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit geschlossen. Dabei bewegt sich der Schließkörper 3 bei unverändert bleibender Stellung der Führungsspindel 19 in Richtung auf den Sitz 2 und wird durch den sich durch die Verringerung des Strömungsquerschnittes am Sitz ergebenden Druckanstieg auf den Sitz 2 gepreßt (Fig.2). Dabei wird die Feder 28

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zusammengedrückt; wenn sich der Schließkörper 3 der Schließstellung nähert, nähert sich die untere Fläche des an seinem oberen Ende befindlichen Tellers 31 bis auf ein geringes Spiel der Schulterfläche 30 der Kappe 26 und die Differenz aus der auf den Schließkörper 3 ausgeübten, druckdifferenzbedingten hydraulischen Kraft und der Kraft der Feder 28 wirkt als dichtende Schließkraft auf den Schließkörper 3 ein. In dieser Weise arbeitet das Ventil z.B. bei Rohrbruch. Wenn es wie beschrieben geschlossen ist, läßt es sich dadurch wieder öffnen, daß die obere Magnetspule 8 unter Strom gesetzt wird. Ihre am Luftspalt 14 auf den Magnetanker 10 wirkende Zugkraft verringert diesen Luftspalt bis auf den Wert Null und öffnet den Ventilsitz 2 durch Anheben der Führungsspindel 19 mit der Glocke 20 und der in diese eingeschraubten Kappe 26, die mit ihrer Schulter 30 den Teller 31 und damit den Schließkörper 3 anhebt. Wenn das Schließen nicht durch Rohrbruch, sondern unbeabsichtigt durch kurzzeitig überhöhte Durchflutung erfolgte, kann nach deren Wegfall und nach dem Offnen der Steuerimpuls an der Magnetspule 8 wieder aufgehoben werden; die Führungsspindel 19 wird dann durch die Druckfeder 21 und der Schließkörper 3 durch die Feder 27 in die neutrale Ausgangsstellung gemä3 Fig.l zurückgebracht.

Das Schließen des Ventils in seiner Eigenschaft als elektromagnetisch zu betätigendes Sicherheitsabsperrventil erfolgt aus der neutralen Ausgangsstellung (Fig.l) heraus dadurch, daß die untere Magnetspule 9 unter Strom gesetzt wird. Die Magnetkraft verschiebt dann die Führungsspindel 19 um den Betrag des Luftspaltes 13 in Sitzrichtung, wobei der Schließkörper 3 bereits vor Beendigung der Bewegung des Ankers 10 auf dem Sitz 2 zur Anlage kommt und der Anker 10 in der letzten Phase seiner Bewegung einen zusätzlichen Hub unter Zusammenpressen der Feder 27 ausführt, sodaß, wie für das brummfreie Arbeiten von Wechselstrommagneten erforderlich, der Luftspalt 13 mit Sicherheit auf Null verkleinert wird, ohne daß dazu sorgfältige Voreinstellungen notwendig gewesen wären (Fig.3). Das Öffnen eines derartig geschlossenen Ventils erfolgt durch Ausschalten der Magnetspule 9; die Druckfeder 22 verschiebt dann über die Teile 19,20,26,30,31,3' den Schließkörper 3 wieder in seine in Fig.l gezeichnete Ausgangsstellung.

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Statt das Öffnen des elektromagnetisch geschlossenen VentUs nach dem Abschalten der unteren Magnetspule 9 der Druckfeder 22 zu überlassen, wird gernaß einer Weiterbildung der Erfindung die obere Magnetspule 8 hierfür benutzt, die dann nach dem Abschalten des als Schließstrom wirkenden, die Spule 9 durchlaufenden Stromes ihrerseits mit Strom gespeist wird, der dann als Öffnungsstrom wirkt. Dabei wird der Schließkörper 3 mit der Glocke 20 über die Führungsstange 19 zunächst über die Mittelstellung hinaus nach oben bewegt. Nach erfolgtem Öffnen kann der die obere Magnetspule

8 speisende Öffnungsstrom wieder abgeschaltet werden, sodaß dann die Glocke 20, die Führungsspindel 19 und der Magnetanker 10 durch die Feder 21 wieder in die Mittelstellung zurückgestellt werden. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, daß die Feder 22, die bei der zuerst beschriebenen Ausführung die Rückführarbeit leisten musste, schwächer ausgeführt und mit kleinerer Vorspannung eingebaut werden kann, weil sie nur noch die Aufgabe hat, im Zusammenwirken mit der Feder 21 die Mittelstellung der Teile zu bestimmen. Der Magnetanker 10 braucht dann beim elektromagnetischen Schließen des Ventils auch nur diese geringere Vorspannung der Feder 22 zu überwinden, sodaß auch die mit dem Schließstrom zu speisende Magnetspule

9 für eine kleinere Leistung ausgelegt werden und somit mit kleinerem Gewicht und Volumen hergestellt werden kann.

Dem Anheben des Schließkörpers 3 mittels der oberen Magnetspule 8 läßt sich noch eine weitere vorteilhafte Wirkung zuordnen. Die Abmessungen können nämlich so gewählt sein, daß bei normalen Betriebsbedingungen der Schließkörper 3 über die Führungsspindel 19 soweit angehoben werden kann, daß er nicht mehr durch Strömungsdruckdifferenzen geschlossen werden kann, sodaß also seine Wirkung als Rohrbruchventil aufgehoben wird. Das ist für bestimmte besondere Betriebszustände eines Leitungssystems vorteilhaft, so bei Anfahr- und Auffüllvorgängen. Eine entsprechende Hochhubstellung des Schließkörpers 3 ist in Fig.4 gezeigt.

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Claims (8)

Patentansprüche elektrische Schalter oder

1. Durch/kritische Betriebszustände erfassende Signalgeber steuerbares elektromagnetisches Sicherheitsabsperrventil für zusätzlich mit mechanisch wirkenden Rohrbruchsicherungen arbeitende Rohrleitungssysteme, dadurch gekennzeichnet, daß ein infolge des Druckabfalles bei Rohrbruch selbsttätig mechanisch schließendes, die Rohrbruchsicherung darstellendes Ventil mit dem Schließkörper des elektromagnetischen Sicherheitsabsperrventils vereinigt ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einzige Schließkörper (3) unter einer einen vorbestimmten Grenzwert überschreitenden Strömungsdruckdifferenz gegen die Wirkung einer Rückführfeder (28) beweglich in einem seinerseits magnetisch antreibbaren Haltekörper (Glocke 20) geführt ist, derart, daß er bei einer Mittelstellung dieses Haltekörpers (Glocke 20) innerhalb desselben seinerseits in einer den Durchfluß freigebenden Mittelstellung zwischen der Rückführfeder (28) und einer Gegenfeder (27) gehalten und gegen die Wirkung der Rückführfeder (28) in die Schließstellung bewegbar ist.

3. Ventil nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Haltekörper (Glocke 20) des Schließkörpers (3) ein doppelt wirkender Magnetantrieb (8,9,10,19) vorgesehen ist.

4. Ventil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelstellung des Haltekörpers (Glocke 20) des Schließkorpers (3) durch von entgegengesetzten Seiten auf den Haltekörper wirkende Federn (Druckfedern 21, 22) und einen Anschlag (Innenrippe 25) im Ventilgehäuse (1) bestimmt ist.

5. Ventil nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnt , daß die von entgegengesetzten Seiten auf den Haltekörper (Glocke 20) wirkenden Federn (Druckfedern 21, 22) sich auf Federtellern (23,24) stützen, die ihrerseits^begrenzt durch eine am Halterungskörper (Glocke 20) vorgesehene äußere Ringrippe (20·), an dem Halterungskörper axial beweglich sind und deren Umfange über die Innenrippe (25) im Ventilgehäuse (1) hinüberreichen, wobei die äußere

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Ringrippe (20·) und die Innenrippe (25) vorzugsweise gleich dick sind.

6. Ventil nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungskörper (3) als durch eine Führungsspindel (19) mit dem Magnetanker (10) verbundene Glocke (20) ausgebildet ist, die auf der Unterseite durch eine eingeschraubte, mittels einer Mittelbohrung einen Schaft (3·) des Ventilkörpers (3) führende Kappe (26) verschlossen ist, welche zugleich den Sitz für die Rückführfeder (28) bildet, die zwischen der Kappe (26) und einem mit dem Schaft (3¹) des Schließkörpers (3) verbundenen Teller (31) eingespannt ist und die eine den Weg des Tellers (31) nach unten begrenzenden innere Ringschulter (30) bildet, während auf der oberen Stirnfläche der eingeschraubten Kappe (26) innerhalb der Glocke (20) ein Federteller (29) aufgelegt ist, und wobei zwischen diesen Federteller (29) und den Boden der Glocke (20) die entgegen der Rückführfeder (28) wirkende Gegenfeder (27) eingespannt ist.

7. Ventil nach Anspruch 1 und 2 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch eine solche Wahl der Abmessungen, daß bei der elektromagnetischen Schließbewegung des Schließkörpers (3) dieser seinen Sitz (2) schon vor Beendigung des Hubes des Magnetankers (10) erreicht und ein Resthub bis zum Verschwinden des zugehörigen Luftspaltes (13) durch zusätzliches Verschieben des Haltekörpers (Glocke 20) des Schließkörpers (3) unter Zusammendrücken der Gegenfeder (27) ermöglicht ist.

8. Ventil nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die untere (22) der beiden außen mit dem Haltekörper (Glocke 20) zusammenwirkenden Federn (21,22) so bemessen und vorgespannt ist, daß sie für das Aufrechterhalten der Mittelstellung des Haltekörpers (Glocke 20) ausreicht, während für das Offnen des mittels der unteren Magnetspule (9) geschlossenen Ventils nach deren Abschalten die obere Magnetspule (8) mit einem/Hand zu betätigenden Schalter für das Einschalten dieser Magnetspule zum Öffnen des Ventils und zum Wiederabschalten nach dem Offnen ausgerüstet ist.

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