DE3744424C2 - Drosselventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Drosselventil zur mehrstufigen Entspannung von unter Druck stehenden Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen. Insbesondere betrifft sie ein Ventil, in dem die Entspannung in mindestens einer Stufe drehend, d. h. unter Bildung eines Wirbels erfolgt.

Ein solches Ventil ist beispielsweise durch die DE 16 00 878 C2 bekannt. Dieses Ventil ist in der Lage auch sehr große Druckgefälle zu verarbeiten, ohne daß im Ventil Kavitations- oder Erosionsschäden auftreten. Da die Strömung dieses Ventil in Form eines Wirbels verläßt, können jedoch im Gegensatz zur herrschenden Fachmeinung in der Abströmleitung Schäden auftreten. Der Abströmwirbel hat i. a. zuerst einen stabilen Wirbelkern, der die Rohrleitung bekanntlich wie das Ventilinnere schützt, aber nach einer gewissen Leitungslänge eine Korkenzieherform bekommt, die bei entsprechender Vergrößerung gegen die Leitungswand schlägt und dort Geräusche und Schäden verursacht. Dieser Vorgang tritt besonders stark auf, wenn die Abströmleitung kurz hinter dem Ventil eine plötzliche Erweiterung hat. Durch die nicht sichtbaren und wegen des herrschenden Schallpegels kaum hörbaren Kavitations- und Erosionsschäden wird einerseits die Rohrwand bis zum Durchbruch geschwächt und andererseits Material der Rohrwand in den Prozeß eingeschleppt und Folgeschaden bewirkt.

In Dampfkraftanlagen, Atomkraftwerken und ähnlichen kritischen Anlagen, die mit vollentsalztem Heißwasser betrieben werden, werden die Innenwände der Rohrleitungen vor allem dadurch über längere Zeit geschützt, daß das Strömungsmittel an den Rohrwänden eine Grenzschicht aufbaut, die an der Wand mit ihrer äußersten Schicht anklebt und sich mit Metallionen aus dem Rohrmaterial sättigt. Durch diese Sättigung wird jeder weitere Angriff auf das Material gestoppt. Sobald jedoch das vorbeschriebene Schlagen einsetzt, wird die Grenzschicht fortgespült und muß sich immer wieder durch Aufnahme neuer Metallionen sättigen. An solchen Stellen entstehen Bruchstellen oder Löcher, aus denen das unter Druck stehende Heißwasser austritt, so daß Verbrühungsgefahr für das Personal besteht. In Atomkraftwerken besteht die zusätzliche Gefahr, daß laufend Metallionen, insbesondere mit Kobalt-Anteilen, in den Kreislauf eingeschleppt werden, die sich an kritischen Stellen ablagern und dort Co-60-Strahlung abgeben. Die Vermeidung solcher Gefahren ist sicherheitstechnisch und volkswirtschaftlich von erheblicher Bedeutung und kann, nachdem die Fachwelt Kenntnis der o. a. Gefahren hat, bei Mißachtung strafrechtliche Konsequenzen haben.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei den bekannten mehrstufigen Ventilen, in denen die Entspannung in mindestens einer Stufe drehend unter Bildung eines bisher als für das Ventil und die Abströmleitung vorteilhaft geltenden Abströmwirbels erfolgt, deren nun bekannt gewordene schädliche Auswirkungen zu vermeiden.

Die Lösung besteht darin, daß vor dem Ventilaustritt ein Gleichrichter sämtliche nicht-axialen Geschwindigkeitsvektoranteile vernichtet.

Die Unteransprüche, deren kennzeichnende Teile alle an sich bekannt sind, haben aus den o. a. Gefährdungsgründen ihre Berechtigung, denn die dort angegebenen Einzelheiten müssen vor dem Ventilaustritt eingebaut sein, damit jede Gefahr ausgeschaltet bleibt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher beschrieben. Die Fig. 1 zeigt in Abhängigkeit vom Durchfluß Q den Verlauf der einzelnen Druckkomponenten in Addition. Am Ventilaustritt herrscht zuerst einmal der konstante statische Druck p_S. Die Kurve p_D zeigt den Verlauf des dynamischen Drucks, der i. a. quadratisch mit dem Durchfluß Q ansteigt. Der Druck am Ventileintritt p₁ ist als konstant angenommen. Das Druckgefälle für den Gleichrichter p_G ist als quadratische Kurve eingezeichnet. Als gestrichelte Linie ist der Dampfdruck der durchfließenden Flüssigkeit mit p′ dargestellt. Im Gleichrichter wird der axiale Anteil der Strömungsgeschwindigkeit verzögert. Dadurch wird gemäß dem Impulssatz eine Druckerhöhung bewirkt, die vom Flächenverhältnis Gleichrichter/Ventilaustritt bestimmt ist. Wenn dieses 1 : 2 beträgt, findet der maximal mögliche Druckrückgewinn statt, der die Hälfte des Gesamtdruckgefälles im Gleichrichter ausmacht. Hinter dem Gleichrichter als Viellochblende stellt sich also die Drucksenke gemäß der Kurve p_M ein. Solange diese oberhalb der Kurve p′ bleibt, tritt keine Kavitation Auf. Das Druckgefälle zwischen Ventileintritt und dem Gleichrichter p₁-p₆ teilt sich in den tangentialen Anteil auf, der vom Gleichrichter ohne Druckrückgewinn vernichtet wird, und die axialen Anteile der Stufen 2, 3, 4, . . ., nämlich p_T, p₂, p₃, p_n . . ., wobei eine der Stufen gleichzeitig Ventilsitz ist.

Fig. 2 zeigt schematisch die Strömungsverhältnisse in der ersten Stufe. In der Umrandung 1 des Rotationsraums 2 findet der Eintritt der Strömung unter dem Winkel α statt, der zum Radiusvektor 4 besteht. Diese Strahlachsen 5 sind Tangenten zum Radius R. Die Strömung bildet einen Wirbel, der den minimalen Radius r hat. Von R zu r wird die Strömung beschleunigt, wodurch der statische Druck entsprechend abgesenkt wird. Die bei r herrschende große Strömungsgeschwindigkeit wird durch den Gleichrichter ohne Druckrückgewinn abgestoppt. Damit sind sämtliche nicht-axialen Geschwindigkeitsvektoranteile vernichtet und mit ihm das entsprechende Druckgefälle.

Fig. 3 zeigt das Drosselventil in seiner einfachsten Form. Die Umrandung 1 ist mit der Innenwand des Zylinders 6 identisch. Der Rotationsraum 2 wird durch den Ventilsitz 7 und den Ventilkolben 8 begrenzt. Innerhalb des Ventilsitzes 7 liegt der zentrale Austritt 3 mit dem Radius r. Der Ventilkolben 8 kann durch die Stange 9 von der Schließlage in die maximale Offenstellung verschoben werden. Im Zylinder 6 sind Schrägschlitze 14 eingearbeitet, durch die die Strömung mit aufgeprägter Richtung in den Rotationsraum 2 gelangt. Die Fig. 4 zeigt, wie sich in bekannter Weise die Winkel α der Strahlachsen 5 mit dem Hub verändern, um das Restdruckgefälle anzupassen.

Fig. 5 zeigt das Drosselventil mit zusätzlichen axialen Stufen, die im Gehäuse 13 untergebracht sind. Die Stange 9 ist nun im Deckel 17 verschieblich angeordnet. Unten am Ventilaustritt befindet sich der Gleichrichter, der als Viellochblende 19 ausgebildet ist. Die am Rotationsraum 2 anschließende Drosselstufe 20 hat eingearbeitete Drosselschlitze 21, die axial oder halbaxial oder gewunden verlaufen können und mit denen die Ventilkennlinie den erforderlichen Werten angepaßt werden kann. Die zwischen den Drosselschlitzen verbleibenden Rippen dienen zur Führung des Ventilkörpers 22. Die folgende Drosselstufe 23 ist ohne Drosselschlitze dargestellt, obwohl sie genau wie die Drosselstufe 20 ausgebildet sein kann. Die Drosselstufe 23 bildet mit dem Ventilkörper 24 einen veränderlichen ringförmigen Drosselspalt 25, der den Vorteil hat, daß in seiner Spaltströmung keine Trennflächen auftreten. Die folgende Drosselstufe ist der Ventilsitz 7 mit dem Ventilkegel 26. Beim Schließen des Ventils wird der Spalt zwischen Ventilsitz 7 und Ventilkegel 26 immer enger und übernimmt schließlich das gesamte Druckgefälle. Der austretenden Ringstrahl 27 wird durch den Querschnittsverlauf des Spaltes 7/26 kontinuierlich beschleunigt und besitzt deshalb in seiner Normalfläche konstanten statischen Druck. Seine Begrenzungsflächen sind noch nicht von einer Schichtströmung ummantelt. Er gelangt in das Totwasser des Entspannungsraumes 28 und ummantelt sich dort wie jeder Freistrahl mit einer inneren und einer äußeren Mischströmung 29, 30. Darin geschieht der Impulsaustausch zum Abbau der Strömungsenergie. Bei entsprechend geringem statischen Druck könnte dort Kavitation auftreten, wenn nicht der sogenannte Siede-Verzug wäre. Die Mischströmungen 29, 30 beginnen an den scharfen Austrittskanten des Ventilsitzes 7 bzw. des Ventilkegels 26 und haben keine radiale Ausdehnung. Es fehlt somit der Raum zur Bildung endlich großer Dampfbläschen. Ein solcher ist aber erforderlich, weil die Verdampfungswärme von Flüssigkeiten aus zwei Teilen besteht, nämlich der inneren Energie zur Lösung des Molekülverbandes und der äußeren Energie zum Bilden des Volumens. Solange das erforderliche Volumen nicht zur Verfügung steht, unterbleibt die Bildung von Dampf. Versuche mit Acryl-Glas-Modellen haben gezeigt, daß erst bei sehr großen Druckgefällen und niedrigem Gegendruck am Beginn der Mischströmungen eine milchige Trübung auftritt, die jedoch nach einem Weg von etwa 1 mm wieder klar wird, ohne daß Dampfbläschen entstehen. Wichtig ist nur, daß der Freistrahl mit seinem Kern nicht auf feste Körper auftreffen kann. Deshalb muß der Entspannungsraum entsprechend gestaltet sein.

Vom Entspannungsraum 28 gelangt die Strömung nun in die Viellochblende 19. Diese ist hier mit düsenförmigen Drosselbohrungen 31 und anschließenden Austauschstrecken 32 versehen. In dieser Anordnung wirkt sich der Siedeverzug derart aus, daß die vorerwähnte milchige Trübung erst einsetzt, wenn der Gegendruck absolut gemessen weniger als 23% des Drucks am Eintritt der Viellochblende 19 beträgt. Wegen der hohen Oberflächenspannung der sehr kleinen Dampfbläschen der milchigen Trübung spielt dabei der Dampfdruck keine Rolle, solange wegen der Oberflächenspannung der Innendruck der Dampfbläschen höher ist als dem temperaturgerechten Dampfdruck entspricht.

Die Fig. 6 zeigt das Diagramm für das Drosselventil nach Fig. 5. Die Bezeichnungen entsprechen dem Diagramm nach Fig. 1. Die Drucksenke hinter der Viellochblende 19 darf nun unterhalb der Dampfdruckkurve p′ verlaufen, so daß das Drosselventil vollkommen kavitationssicher ist, solange nur der statische Druck p_S am Ventilaustritt oberhalb der Dampfdruckkurve p′ verläuft. Wird im Ventilaustritt die Dampfdruckkurve p′ unterschritten, so genügt ein ansteigender Verlauf der Rohrleitung, um Kavitationsschäden zu vermeiden, denn die entstehenden Dampfblasen können sich wegen der abnehmenden geodätischen Höhe nur vergrößern und keinesfalls implodieren.

Die Fig. 7 zeigt in Draufsicht die Drosselstufe 20 mit tangential eingearbeiteten Drosselschlitzen 21. Die Drosselstufe 20 ist in dieser Form geeignet, einen Wirbel zu erzeugen wie die erste Stufe nach Fig. 2.

Das Drosselventil nach Fig. 5 ist nicht nur für Flüssigkeiten, sondern auch für Dämpfe und Gase geeignet. Um zur Kühlung bei Dämpfen Flüssigkeit zuführen zu können oder bei Gasen zumischen zu können, ist in der Stange 9 die Bohrung 18 eingebracht. Diese Bohrung 18 kann aber auch verwendet werden, um den Druck vor der Viellochblende 19 zu überwachen, um regeltechnisch einzugreifen, wenn die milchige Trübung eingesetzt hat.

Claims (6)

1. Mehrstufiges Drosselventil, bei dem in einer Entspannungsstufe eine um die Ventilachse drehende Strömung erzeugt wird und ein axial verschieblicher Ventilkolben vorgesehen ist, der den Durchfluß der Strömung mit oder ohne deren Drehstärke verändert, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ventilaustritt ein Gleichrichter sämtliche nicht-axialen Geschwindigkeitsvektoranteile vernichtet.

2. Drosselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Stufen eingearbeitete Drosselschlitze (21) hat, die axial schräg verlaufen und in Draufsicht radial, halb-tangential oder tangential verlaufen.

3. Drosselventil nach Anspruch 2 mit in Draufsicht radial verlaufenden Drosselschlitzen (21), dadurch gekennzeichnet, daß diese als Gleichrichter in der oder den letzten Stufen vor dem Ventilaustritt wirken.

4. Drosselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter aus einer Viellochblende (19) besteht und die Drosselbohrungen (31) sich von ihren Einläufen zu ihren Ausläufen stetig verengen und scharfe Austrittskanten haben.

5. Drosselventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis Gleichrichter/Ventilaustritt 1 : 2 beträgt.

6. Drosselventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß hinter den düsenförmigen Drosselbohrungen (31) Austauschstrecken (32) angeordnet sind.