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Dokumentenidentifikation DE202006019797U1 19.04.2007
Titel Freilauf-Rückschlagventilanordnung
Anmelder H. Schroeder & Co. GmbH & Co. KG, 51647 Gummersbach, DE
Vertreter Patentanwälte von Kreisler, Selting, Werner et col., 50667 Köln
DE-Aktenzeichen 202006019797
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 19.04.2007
Registration date 15.03.2007
Application date from patent application 22.11.2006
File number of patent application claimed 10 2006 055 405.1
IPC-Hauptklasse F16K 15/02(2006.01)A, F, I, 20070117, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Freilauf-Rückschlagventilanordnung mit einem Hauptstrom-Rückschlagventil, einem Freilaufventil und einem Entgasungsventil.

Derartige Freilauf-Rückschlagventilanordnungen stellen eine notwendige Mindestflussmenge für eine vorgelagerte Förderpumpe, z.B. eine Zentrifugalpumpe, sicher. Das Entgasungsventil wird insbesondere bei niedrig siedenden Flüssigkeiten, beispielsweise sog. Flüssiggas, zur Entgasung von Flüssiggas-Leitungen und Flüssiggas-Förderpumpen benötigt, um das Trockenlaufen einer vorgelagerten Förderpumpe und durch Trockenlaufen verursachte Pumpenschäden zu vermeiden. Bei Pumpen, die Flüssiggase bzw. Flüssigkeiten mit Temperaturen über dem Siedepunkt führen, kann es schon bei kurzzeitigen Pumpen-Stillständen durch Erwärmung des Flüssiggases über seinen Siedepunkt zur Gasbildung kommen. Das dabei entstehende Gasvolumen drückt das flüssige Flüssiggas ggf. aus der Pumpe heraus, so dass die Pumpe schließlich nicht mehr nass, sondern trocken ist. Beim Wiederanlauf der trockenen Pumpe kann ggf. kein ausreichender Saug-Unterdruck aufgebaut werden, so dass das Flüssiggas nicht angesaugt werden kann und die Pumpe trocken bleibt. Das Trockenlaufen der Pumpe kann bereits nach wenigen Sekunden zu ihrer vollständigen Zerstörung führen. Dieses Problem betrifft insbesondere Reservepumpen, die nur bei Ausfall einer Hauptpumpe anlaufen und die wegen ihres häufigen und langen Stillstandes und der Erwärmung nicht ausreichend mit Flüssigkeit gefüllt sind.

Die Freilauf-Rückschlagventilanordnung weist ein Hauptstrom-Rückschlagventil und ein hiermit mechanisch unmittelbar gekoppeltes Freilaufventil auf. Bei geschlossenem Hauptstrom-Rückschlagventil kann sich in der Förderleitung, beispielsweise durch Erwärmung von Flüssiggas, ein Gasvolumen bilden, das sich in der Förderleitung von dem Hauptstrom-Rückschlagventil aus in Richtung Pumpe ausdehnen und flüssiges Flüssiggas aus der Pumpe herausdrücken kann. Das Hauptstrom-Rückschlagventil ist in der Regel höherliegend als die Flüssiggaspumpe angeordnet, derart, dass es an dem höchsten Punkt des Gasvolumens in der Förderleitung liegt. Durch das Hauptstrom-Rückschlagventil wird vermieden, dass Flüssiggas entgegen der Förderrichtung fließen kann.

Durch die mechanische Kopplung des Hauptstrom-Rückschlagventils mit dem Freilaufventil wird sichergestellt, dass bei geringen Flüssiggas-Förderströmen das Flüssiggas durch das Freilaufventil abfließen kann, beispielsweise zurück in einen Flüssigkeitstank fließen kann. Hierdurch kann ein Standby-Betrieb realisiert werden. Die Freilauf-Rückschlagventilanordnung und die Pumpe werden dabei ständig gekühlt, so dass Gasbildung vermieden wird.

Eine derartige Freilauf-Rückschlagventilanordnung ist aus DE 100 41 555 A1 bekannt, in dem das Entgasungsventil einen durch eine Druckfeder in seiner Öffnungsposition vorgespannten Ventilkörper aufweist, der sich bei Durchtritt von flüssigem Flüssiggas entgegen der Federkraft in seine Schließposition bewegt bzw. in dieser gehalten wird. Bei einem Bruch der Druckfeder öffnet das Entgasungsventil nicht mehr, so dass die betreffende Pumpe beim Eindringen von gasförmigem Flüssiggas heißläuft und schließlich beschädigt bzw. zerstört wird. Angesichts der niedrigen Temperaturen von Flüssiggas von in der Regel –50° bis –100°C ist die Bruchgefahr der Druckfeder sogar relativ groß, was auch durch den Einsatz hochqualitativen Federstahls nur begrenzt kompensiert werden kann. Die Federkraft der Druckfeder kann sich über einen längeren Zeitraum verringern. Es sind daher bei der Bemessung der Druckfeder und ihrer Federkraft relativ hohe Sicherheiten einzubauen, so dass der Schließdruck weit über 2bar liegt.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Freilauf-Rückschlagventilanordnung mit einem Entgasungsventil mit verbesserter Zuverlässigkeit und verbessertem Schließverhalten zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Freilauf-Rückschlagventilanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Freilauf-Rückschlagventilanordnung weist ein Entgasungsventil auf, das einen als Wälzkörper ausgebildeten Ventilkörper aufweist, der in einem Ventilraum angeordnet ist. Der Ventilraum weist eine geneigte Wälzkörperbahn zwischen einer gasauslassseitigen und höher gelegenen Schließposition und einer niedriger gelegenen Öffnungsposition auf. Der Wälzkörper, der Ventilraum und die Wälzkörperbahn sind derart ausgebildet, dass der Wälzkörper bei Gasfluss entgegen der Gasströmung in die Öffnungsposition hinabrollt, und bei Flüssigkeitsfluss mit der Flüssigkeitsströmung in die Schließposition aufwärts geschoben wird. In der Schließposition verschließt der Ventilkörper eine Entgasungsöffnung, während er in seiner Öffnungsposition die Entgasungsöffnung nicht verschließt. Es handelt sich bei dem Entgasungsventil also um ein eigengewichtgesteuertes Unterdruckventil, das bei Überschreitung eines Druck-Schwellenwertes die Entgasungsleitung in ihrer nominellen Flussrichtung schließt.

Das Entgasungsventil schließt, wenn der Ventilkörper durch eine ausreichend große Druckdifferenz in seine Schließposition bewegt und gedrückt wird. Die Größe der Druckdifferenz hängt vom Durchflussspalt, von der Strömungsgeschwindigkeit und von der Dichte des Mediums ab.

Das Entgasungsventil erfordert zur Aufbringung einer Öffnungskraft auf den ' Ventilkörper kein mechanisches separates Vorspannungselement mehr, also keine Druck- oder Zugfeder mehr. Vorzugsweise ist das Entgasungsventil daher frei von mechanischen Vorspannungselementen. Auf diese Weise wird die Anzahl der Bauteile in dem Entgasungsventil reduziert. Hierdurch wird das Entgasungsventil grundsätzlich einfacher und preiswerter herstellbar. Ferner ist das Entgasungsventil erheblich zuverlässiger, da die auf den Ventilkörper aufzubringende Öffnungskraft in Form von Lageenergie vorliegt, also durch die Gravitation generiert wird und sich auch über einen langen Zeitraum nicht ändert. Durch eine Variation der Neigung der Wälzkörperbahn kann die auf den Wälzkörper wirkende Öffnungskraft an jedem Punkt der Wälzkörperbahn wunschgemäß eingestellt werden. So kann beispielsweise die Wälzkörperbahn im Bereich der Schließposition erheblich steiler ausgebildet werden, als in der Nähe der Öffnungsposition, um ein zuverlässiges Öffnen sicherzustellen, sobald sich am Wälzkörper Druckausgleich einstellt, sich also nach Ausschalten der Pumpe vor und nach dem Entgasungsventil der gleiche oder annähernd gleiche Druck einstellt. Die Öffnungsfunktion ist unempfindlich in Bezug auf niedrige Temperaturen, da ein bei Kälte hoher Bruchgefahr ausgesetztes mechanisches Vorspannungselement entfallen kann.

Der zum Schließen des als Wälzkörper ausgebildeten Ventilkörpers erforderliche Druck bzw. die Druckdifferenz ist gering und kann bei 2bar und weniger als 2bar liegen, ohne, dass hierdurch eine zuverlässige Schließfunktion gefährdet wird. Das Entgasungsventil schließt also schneller, sobald flüssiges Flüssiggas in das Entgasungsventil eindringt. Hierdurch wird die Funktion des Entgasungsventils genauer und besser.

Die Neigung der Wälzkörperbahn beträgt im Mittel zwischen 2° und 15° zur Horizontalen. Die Spalthöhe zwischen dem Wälzkörper und dem den Ventilraum umgebenden Ventilgehäuse kann über die Länge der Wälzkörperbahn variierend ausgebildet sein. Auf diese Weise kann insbesondere das Schließverhalten des Ventilkörpers verbessert werden. Ferner kann durch eine entsprechende Ausgestaltung der ggf. eine Drossel darstellenden Spalte zwischen dem Wälzkörper und dem Ventilgehäuse auch sichergestellt werden, dass bei kleinen Gasstößen das Ventil nicht schließt, sondern nur dann schließt, wenn flüssiges Flüssiggas in das Entgasungsventil einströmt.

Der Wälzkörper ist vorzugsweise eine Kugel, kann jedoch grundsätzlich auch als zylindrischer Wälzkörper ausgebildet sein. Eine Kugel bietet jedoch den Vorteil, in der Wälzkörperbahn praktisch nicht verkanten zu können, und in jeder beliebigen rotatorischen Lage eine zuverlässige Verschließung der Entgasungsöffnung des Ventilgehäuses sicherzustellen.

Vorzugsweise weist der mit dem Wälzkörper abgestimmte Dichtsitz der Entgasungsöffnung einen stumpfen Kegelwinkel von mehr als 100° auf. Hierdurch wird ein Verkanten des Wälzkörpers an dem Dichtsitz der Entgasungsöffnung ausgeschlossen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Neigung der Wälzkörperbahn im Mittel zwischen 2° und 15° zur Horizontalen.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

1 eine Darstellung einer Flüssiggas-Förderanlage mit zwei Pumpen und zwei Freilauf-Rückschlagventilanordnungen mit Entgasungsventilen,

2 die Freilauf-Rückschlagventilanordnung der 1,

3 das Entgasungsventil der Freilauf-Rückschlagventilanordnung der 2 in vergrößerter Darstellung und in Schließposition, und

4 das Entgasungsventil der 3 in Öffnungsposition.

In 1 ist eine Flüssiggas-Förderanlage 10 dargestellt, die im Wesentlichen aus einem Flüssiggastank 12, aus einer Haupt-Förderpumpe 14, einer Reserve-Förderpumpe 14', zwei Freilauf-Rückschlagventilanordnungen 18, 18', einer Haupt-Förderleitung 22 und weiteren die genannten Vorrichtungen verbindenden Fluidleitungen besteht.

Der Flüssiggastank 12 enthält gekühltes Ethen, kann jedoch auch gekühltes Propen, Ammoniak oder ein anderes gekühltes flüssiges technisches Flüssiggas 24 drucklos oder unter Druck enthalten. Das Flüssiggas 24 wird, je nach Gasart, auf eine Temperatur von –5°C bis –160°C gekühlt bzw. kann unter Druck auch Umgebungstemperatur annehmen.

Die Flüssiggas-Förderanlage 10 weist zwei voneinander unabhängige Förderwege auf. Im Verlauf einer Haupt-Förderleitung 22 sind die Haupt-Förderpumpe 14 und die Haupt-Freilauf-Rückschlagventilanordnung 18 angeordnet. Analog sind in einer parallelen Reserve-Förderleitung 22' eine Reserve-Förderpumpe 14' und eine Reserve-Freilauf-Rückschlagventilanordnung 18 angeordnet. Die Reserve-Förderleitung 22' schließt sowohl die Haupt-Förderpumpe 14 als auch die Haupt-Freilauf-Rückschlagventilanordnung 18 kurz. Bei einem Ausfall der Haupt-Förderpumpe 14 wird automatisch die Reserve-Förderpumpe 14' eingeschaltet, so dass die Flüssiggas-Förderanlage 10 gegen einen Ausfall der Haupt-Förderpumpe 14 gesichert ist.

Die Freilauf-Rückschlagventilanordnung 18 bzw. 18' besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 29, einem in dem Gehäuse 29 im Verlauf der Förderleitung 22 angeordneten Hauptstrom-Rückschlagventil 30, einer von der Förderleitung 22 abzweigenden Freilaufleitung 34 mit einem Freilaufventil 36 einschließlich Rückschlagventil 32 und einem Entgasungsventil 38 mit einer Entgasungsleitung 39, wie in 2 dargestellt.

Durch das Hauptstrom-Rückschlagventil 35 in der Haupt-Förderleitung 22 wird dafür gesorgt, dass das Flüssiggas ausschließlich in der Förderrichtung fließen kann, nicht jedoch entgegen der Förderrichtung. Hierdurch wird u.a. vermieden, dass bei Betrieb einer der beiden Förder-Pumpen 14, 14' über die Zusammenmündung der beiden Förderleitungen 22, 22' das Flüssiggas in die jeweils betriebslose Förderleitung 22', 22 eindringen kann. Das Gleiche gilt analog auch in Bezug auf das Freilauf-Rückschlagventil 32.

Das Hauptstrom-Rückschlagventil 30 und das Freilaufventil 36 sind mechanisch durch einen Hebel 37 miteinander gekoppelt. Die Haupt-Förderpumpe 14 ist normalerweise in Dauerbetrieb und versorgt nachgeschaltete Vorrichtungen, beispielsweise Verbraucher. Bei geschlossenem Hauptstrom-Rückschlagventil 30 ist das Freilaufventil 36 in Durchlassstellung, so dass bei geringen Flüssiggas-Förderströmen das flüssige Flüssiggas durch das Freilaufventil 36, und dass das Rückschlagventil in die Freilaufleitung 34 und über die Freilaufleitung 34 zurück in den Flüssiggastank 12 fließen kann.

Falls kein Flüssiggas mehr in die Haupt-Förderleitung 22 gefördert werden soll, wird zur Vermeidung von Erwärmung der Förderpumpe 14 sowie einer dadurch verursachten Gasbildung eine Mindest-Durchflussmenge an Flüssiggas im Kreis gepumpt, d.h., es wird Flüssiggas aus dem Flüssiggastank 12 durch die Haupt-Förderpumpe 14, das geöffnete Freilaufventil 36, das sich daran anschließende Rückschlagventil 32 und die Freilaufleitung 34 zurück in den Flüssiggastank 12 gepumpt. Dadurch wird dafür gesorgt, dass die Förderpumpe 14 und die angeschlossenen Leitungen ständig gekühlt werden und auf Temperaturen unterhalb der Siedetemperatur des Flüssiggases gehalten werden.

Da sich das Flüssiggas durch diese Art der Förderung im Kreis selbst aber erwärmt und durch Energieeinsatz an anderer Stelle wider gekühlt werden muss, wird die Förderung in der Praxis durch Ausschalten der Pumpe unterbrochen. Genau dann tritt partielle Erwärmung des Flüssiggases in der Pumpe, in den Leitungen und in den Armaturen auf, die wiederum zum Sieden des Flüssiggases mit entsprechender Gasbildung führen kann. Dieses Gas kann dann über die beschriebene Entgasungseinrichtung abgeführt werden.

Als Förderpumpen 14, 14' werden überwiegend mehrstufige Zentrifugalpumpen eingesetzt, die schon bei kurzen Trockenlaufzeiten beschädigt oder zerstört werden. Die Gefahr des Trockenlaufens betrifft insbesondere die Reserve-Förderpumpe 14', die in der Regel über lange Zeiträume stillsteht und nur bei Ausfall der Haupt-Förderpumpe 14 eingeschaltet wird. Die Gefahr des trockenen Anlaufens besteht jedoch auch für die Haupt-Förderpumpe 14 nach einem automatischen Restart der Haupt-Förderpumpe 14.

Um ein trockenes Anlaufen der Förderpumpen 14, 14' zu verhindern, ist an der Freilauf-Rückschlagventilanordnung 18 das Entgasungsventil 38 vorgesehen. Das Entgasungsventil 38 ist immer geöffnet, solange sich gasförmiges Flüssiggas in der Förderleitung 22 innerhalb des Gehäuses 29 und unterhalb des Hauptstrom-Rückschlagventils 30 befindet.

Wie in den 24 dargestellt, weist das Entgasungsventil 38 als Ventilkörper 40 einen als Kugel ausgebildeten Wälzkörper 41 auf, der in einem Ventilraum 42 auf einer zur Horizontalen geneigten Wälzkörperbahn 44 zwischen einer in der 3 dargestellten Schließposition und einer in der 4 dargestellten Öffnungsposition rollen kann. Die Wälzkörperbahn 44 ist mit einem konstanten Winkel von ungefähr 5° zur Horizontalen geneigt.

Die Freilauf-Rückschlagventilanordnung 18, 18' ist jeweils exakt horizontal montiert, wie in der 2 dargestellt. Zur Erleichterung der Montage und zur Kontrollierbarkeit der funktionsgerechten Orientierung der Freilauf-Rückschlagventilanordnung 18, 18' und insbesondere des Entgasungsventils 38 kann außenseitig an dem Gehäuse 29 eine Neigungsanzeige angebracht sein, beispielsweise in Form einer Wasserwaagen-Libelle.

Die Wälzkörperbahn 44 ist derart geneigt, dass der Ventilkörper 40 in seiner in 3 dargestellten Schließposition eine Entgasungsöffnung 46 vollständig verschließt. Die Entgasungsöffnung 46 weist gehäuseseitig einen stumpfen Dichtsitz 48 auf, dessen Dichtsitz-Flächen zwischen sich einen Kegelwinkel von ungefähr 120° einschließen. Der stumpfe Dichtsitz 48 stellt sicher, dass der Wälzkörper 40 an der Entgasungsöffnung 46 nicht verkanten kann. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Wälzkörper 41 durch die Schwerkraft auf der geneigten Wälzkörperbahn 44 in Richtung Öffnungsposition rollt, sobald dies die Druckverhältnisse erlauben.

Die Wälzkörperbahn 44 ist im vorliegenden Beispiel konstant geneigt, kann jedoch auch über ihre Länge verschiedene Neigungen zur Horizontalen aufweisen. Insbesondere kann an die Entgasungsöffnung 46 angrenzend eine größere Neigung der Wälzkörperbahn 44 vorgesehen sein, um ein zuverlässiges Öffnen sicherzustellen. In der in 4 dargestellten Öffnungsposition wird die Zulauf-Öffnung 50 überhaupt nicht oder nur teilweise durch den Wälzkörper 41 verstellt.

Die freie Querschnittsfläche, also die Spalthöhe bzw. Spaltfläche zwischen dem Wälzkörper 41 und dem den Ventilraum 42 umgebenden Ventilgehäuse ist über die Länge des Ventilgehäuses nicht konstant, sondern verringert sich zu der Entgasungsöffnung 46 hin konstant. In der in der 4 dargestellten Öffnungsposition des Wälzkörpers 41 ist die Spaltfläche relativ groß. Hierdurch wird u.a. sichergestellt, dass nicht bereits kleine Druckstöße des hindurchfließenden gasförmigen Flüssiggases den Wälzkörper 41 in Richtung Schließposition bewegen.

Die zum Schließen des Entgasungsventils 38 erforderliche Druckdifferenz kann durch geeignete Gestaltung der Drosselspalte über den Schließweg des Wälzkörpers sehr klein eingestellt werden. Eine weitere Beeinflussung ist über die Gestaltung des Dichtsitzes und z.B. über die Ausführung des Wälzkörpers selbst möglich. Der Schließdruck und der Öffnungsdruck des Entgasungsventils 38 wird für jede Anlage individuell festgelegt und eingestellt. Auch die Trägheit insbesondere der Schließbewegung kann beispielsweise über das Gewicht des Wälzkörpers 41 eingestellt werden. Weitere Parameter können über die Neigung und den Neigungsverlauf der Wälzkörperbahn 44 eingestellt werden.


Anspruch[de]
Freilauf-Rückschlagventilanordnung (18, 18') mit einem Hauptstrom-Rückschlagventil (30), einem Freilaufventil (36) und einem Entgasungsventil (38) zum Entgasen einer Fluidleitung (22, 22'), wobei das Entgasungsventil (38) einen passiv beweglichen Ventilkörper (40) aufweist, der in Öffnungsposition gebracht wird, wenn die Fluidleitung (22, 22') Gas führt und der in Schließposition gebracht wird, wenn die Fluidleitung eine Flüssigkeit führt,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Ventilkörper (40) ein Wälzkörper (41) in einem Ventilraum (42) ist,

dass der Ventilraum (42) eine geneigte Wälzkörperbahn (44) zwischen der höher gelegenen Schließposition und der niedriger gelegenen Öffnungsposition aufweist, und

dass der Wälzkörper (41) in seiner Schließposition eine Entgasungsöffnung (46) verschließt und in seiner Öffnungsposition nicht verschließt.
Freilauf-Rückschlagventilanordnung (18, 18') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entgasungsventil (38) frei von mechanischen Vorspannungselementen ist. Freilauf-Rückschlagventilanordnung (18, 18') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörper (41) eine Kugel ist. Freilauf-Rückschlagventilanordnung (18, 18') nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entgasungsöffnung (46) einen Dichtsitz (48) aufweist, der einen Dichtsitz-Winkel von mehr als 100° aufweist. Freilauf-Rückschlagventilanordnung (18, 18') nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörperbahn (44) im Mittel eine Neigung von 2°–15° aufweist. Freilauf-Rückschlagventilanordnung (18, 18') nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltfläche zwischen dem Wälzkörper (41) und dem den Ventilraum (42) umschließenden Ventilgehäuse über die Länge des Ventilgehäuses nicht konstant ist. Freilauf-Rückschlagventilanordnung (18, 18') nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der Wälzkörperbahn (44) zur Horizontalen über die Wälzkörperbahn-Länge nicht konstant ist. Freilauf-Rückschlagventilanordnung (18, 18') nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörper (41) selbsttätig gravitationsbeeinflusst in Öffnungsposition gelangt, wenn über dem Entgasungsventil (38) eine Druckdifferenz kleiner als ein definierter Schwellenwert herrscht, und der in Schließposition gebracht wird, wenn die Druckdifferenz über den Schwellenwert ansteigt.






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