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Druckreduzierventil mit Einrichtung zur Verminderung von Geräuschen
und Vibrationen Die Erfindung befaßt sich mit einem Druckreduzierventil, das eine
geräusch- und vibrationsarme Drosselung von Medien, insbesondere eine Druckreduzierung
von Dampf in Dampfreduzier- und Dampfumformventilen auch bei hohen Drücken, Druckgefällen
und Durchsätzen gestattet, z. B. bei einem Druck von 150 atü und höher in der Zuleitung,
einem Druckverhältnis von 6 : 1 und mehr und bei Durchsätzen von 180 tlh und darüber.
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In den üblichen Drosselvorrichtungen wird der zu reduzierende Dampf
beim Durchgang durch eine Verengung mit nachfolgendem Expansionsraum entspannt.
Bei diesem Reduziervorgang entstehen Geräusche und Vibrationen, die mit wachsendem
Durchsatz und wachsendem Druckgefälle erheblich ansteigen können und des öfteren
nicht nur zu stärkster akustischer Belästigung, sondern auch zur Zerstörung des
Ventils, nachgeschalteter Einbauten und von Rohrleitungen geführt haben. Als Abhilfe
wurde bei hohem Druckgefälle eine Aufteilung in Stufen mit kritischem oder fast
kritischem Druckgefälle vorgenommen. Die Stufen werden teilweise durch andere Drosselvorrichtungen
als Ventile, wie z. B. Lochzylinder, Blenden, Siebe oder Lochplatten, die auch eine
gleichrichtende Wirkung haben können, gebildet. Weiterhin wurde versucht, durch
Doppelsitzventile mit gegeneinander gerichteten Dampfstrahlen eine Verminderung
der Geräusche und Vibrationen zu erreichen.
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Es ist eine Anordnung bekanntgeworden, die sich auf den Auspuff eines
Verbrennungsmotors bezieht. Hierbei soll eine Geräuschdämpfung bewirkt werden, und
zwar erfolgt die Schallabsorption mit Hilfe von schallschluckenden Materialien,
wie Watte, Filz, Glaswolle usw., die zur Erhaltung der Formbeständigkeit von durchlöcherten
Metallhülsen, z. B. in Kugelform, umgeben sind. Der Druckabfall beim Durchströmen
soll dabei naturgemäß wegen des damit verbundenen Leistungsverlustes möglichst gering
gehalten werden. Somit soll eine Drosselwirkung möglichst vermieden werden.
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Es ist weiterhin eine Einrichtung zur Dämpfung von Geräuschen in Druckleitungen
bekanntgeworden. Es handelt sich dabei um eine Bauform, bei der dem V erschlußstück
ein von Sieben begrenztes Rohrstück vorgeschaltet ist, welches lose Masseteilchen
aus festem Werkstoff enthält. Solche Masseteilchen können als Glasperlen ausgebildet
sein oder auch aus Schrot oder facettierten Körperchen bestehen. Einrichtungen
zur Dämpfung der Turbulenz in der ankommenden Strömung oder auch zum Herausnehmen
von Drallbewegungen im Zwischenstrom, also zum Beruhigen der Strömung, werden auch
bei Reduzierventilen häufig angewendet. Wie weit sie dabei zu einer Dämpfung der
Schallschwingungen beitragen, ist bei der Betrachtung der vorliegenden Erfindung
insofern uninteressant, als hierbei von einer der Absperrstelle nachgeschalteten
Reduziereinrichtung ausgegangen wird, bei der die Turbulenz in der Reduziereinrichtung
nicht gedämpft, sondern gerade zur Druckreduzierung herangezogen werden soll.
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Schließlich ist noch eine Vorrichtung zum Dämpfen von Stößen strömender
Gase oder Flüssigkeiten durch in die Druckmittelleitung eingeschaltete querliegende
Leitflächen bekanntgeworden, die das strömende Mittel radial ausbreiten. Eine solche
Vorrichtung soll dem Schutze von Rohrleitungen, Manometern usw. vor plötzlichen
Druckstößen dienen. Dies wird bei der bekannten Vorrichtung dadurch erreicht, daß
die steile Vorderfront eines solchen Druckstoßes im Druckmittel abgebaut wird. Die
einander gegenüberliegenden Leitflächen sind dabei mit ineinandergreifenden, quer
zur radialen Strömungsrichtung liegenden Wellungen versehen, die die Reibung des
strömenden Mittels an den Leitflächen erhöhen und den Strömungsweg zwischen den
Leitflächen verlängern. Eine Drosselung ist dabei nicht erwünscht und soll sogar
weitgehend vermieden werden.
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Im Gegensatz zu einem Teil der genannten bekannten Anordnungen, bei
denen bereits vorhandener Schall durch Absorption herabgesetzt werden soll, kommt
es bei der Erfindung darauf an, bei der Druckreduzierung von gasförmigen Medien
das Entstehen von Schall überhaupt zu verhindern. Den geschilderten bekannten Ausführungsformen
von Drosselvorrichtungen
ist weiterhin gemeinsam, daß Freistrahlen
hoher Geschwindigkeiten auftreten, deren kinetische Energie durch Freistrahlvermischung
in Wärme übergeführt wird. Die durch den ungeregelten Zerfall des Freistrahls und
den Vermischungsvorgang erzeugten Druckschwankungen sind die Hauptquelle der Geräusche
und Vibrationen.
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Weitere starke Geräusch- und Vibrationsquellen treten bei ungünstigem
Aufprall der Freistrahlen auf die Wände des Ventilgehäuses oder auf ungünstig angebrachte
Einbauten auf.
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Eine schließlich noch zu nennende, Beachtung verdienende Störquelle
stellen Hohlräume auf der hl iederdruckseite des Ventilgehäuses dar, die durch die
obenerwähnten Einbauten geschaffen werden. In diesen Hohlräumen können sich bei
ungünstigen Abmessungen Hohlraumschwingungen ausbilden. Befindet sich in der Apparatur
ein schwingfähiger Teil mit einer Eigenfrequenz, die in der Nähe einer solchen Hohlraumschwingung
liegt, so kann die Apparatur sehr schnell zerstört werden.
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Der Erfindung liegen Überlegungen zugrunde, daß das Auftreten von
Druckschwankungen, die beim ungeregelten Zerfall von Freistrahlen und beim Vermischungsvorgang
erzeugt werden und die Geräusche und Vibrationen hervorrufen, zunächst vermieden
werden muß. Die Freistrahlvermischung darf also zur Entspannung des Dampfes nicht
mehr herangezogen werden, sondern das strömende Medium wird bei niedriger Geschwindigkeit
in einem labyrinthartigen Verzweigungssystem unter ständigen Richtungs- und gegebenenfalls
Geschwindigskeitsänderungen durch innere turbulente und molekulare Reibung auf einen
vorgegebenen Enddruck entspannt. Die Freistrahlvermischung als Hauptquelle der Störungen
wird dabei für die Entspannung des Dampfes gar nicht mehr herangezogen.
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Abgesehen davon, daß als Drosselstrecke ein labyrinthartiges Verzweigungssystem
mit den geschilderten Eigenschaften verwendet wird, kommt es darüber hinaus auch
noch darauf an, daß sich dieses labyrinthartige Verzweigungssystem unmittelbar an
den Ventilsitz des Verschlußstückes anschließt. Das bedeutet also, daß das labyrinthartige
Verzweigungssystem nach Möglichkeit so dicht hinter dem Ventilsitz des Verschlußstückes
liegt, daß das Auftreten einer Freistrahlwirkung der geschilderten Art vermieden
wird.
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Die bei der Reduzierung entstehenden Geräusche und Vibrationen hängen
stark von der Strömungsgeschwindigkeit und von den geometrischen Abmessungen des
labyrinthartigen Verzweigungssystems ab, die wiederum die Strömungsgeschwindigkeit
beeinflussen. Als labyrinthartiges Verzweigungssystem wird bei dem Dampfdruckreduzierventil
nach der Erfindung eine Anordnung verwendet, die durch Schüttgut oder Packungen
gebildet ist. Ein solches Schüttgut oder solche Packungen können regelmäßige Körper,
z. B. Kugeln, insbesondere mit einem Durchmesser unter 20 mm, Hohlkugeln, Hohlzylinder,
Hohlkegel, Kegel- oder Kugelschalen, unter Umständen mit Durchtrittsöffnungen, enthalten.
Es ist aber auch möglich, solches Schüttgut oder solche Packungen durch unregelmäßige
Körper, z. B. Stahlwolle oder Stahlspäne, aufzubauen. Schließlich läßt sich ein
labyrinthartiges Verzweigungssystem auch durch ein enges Gitter- oder Strebenwerk
oder schließlich auch durch Schichten porösen Materials bilden.
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Kugelschüttungen waren an sich bereits in der eingangs beschriebenen,
bekannten Einrichtung verwendet worden, welche in Druckleitungen einem Verschlußstück
vorgeschaltet war, bei der die Strömungsrichtung sich aber im Gegensatz zu dem Dampfdruckreduzierventil
nach der Erfindung in umgekehrter Richtung erstreckte. Der Vollständigkeit halber
sei weiterhin noch erwähnt, daß ähnliche Kugelschüttungen an sich bereits auch bei
einem Dampf-Flüssigkeits-Mischer bekannter Art vorhanden waren, der einen mit Füllkörpern
besetzten Mischraum aufweist. Bei diesem bekannten Mischer wird an der Mischungsstelle
des Dampfes mit dem Wasser eine bestimmte hohe Dampfgeschwindigkeit angestrebt,
um Dampfstöße sowie störende und schädliche Wasserschläge zu vermeiden. Bei dem
Mischer handelt es sich um eine Bauart, die einem ganz anderen Verwendungszweck
angepaßt ist, als dies bei einem Dampfdruckreduzierventil der Fall ist. Vor allem
ist hierbei zu beachten, d.aß bei einem Dampfdruckreduzierventil mit hohen Drücken
gearbeitet wird. Drücke, wie sie bei dem geschilderten, beispielsweise für Dampf-
und Heizungsanlagen geeigneten Mischventil auftreten, können demgegenüber nicht
als hohe Drücke angesprochen werden. Somit tritt bei einem Dampf-Flüssigkeits-Mischer
dieser Art, der also nicht für Hochdruck ausgelegt ist, auch nicht die Möglichkeit
auf, daß eine Freistrahlentspannung entsteht, welche die oben geschilderten Fälle
von Störungen zu bilden vermag.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Wirksamkeit des labyrinthartigen
Verzweigungssystems des geschilderten Aufbaues stark von den geometrischen Abmessungen
dieses Systems abhängt. Die ständigen Richtungs- und Geschwindigkeitsänderungen
werden besonders intensiv und unregelmäßig, wenn das labyrinthartige Verzweigungssystem
in besonderer Weise gestaltet ist. Aus diesen Überlegungen heraus besteht die Erfindung
darin, daß die in der Schüttung oder Packung im Gitter- oder Strebenwerk oder im
porösen Material entstehenden Hohlräume mindestens in zwei zueinander senkrechten
Richtungen durchschnittlich kleiner als 20 mm sind.
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Wenn man für das Schüttgut eine gitter- oder rostartige Halteeinrichtung
vorsieht, so kann es zweckmäßig sein, diese so zu bemessen, daß der freie Durchtrittsquerschnitt
der Halteeinrichtung größer als 1/g, zweckmäßig 1/4 der Gesamtfläche ist. Der Querschnitt
der Gitter- oder Strebenbauteile wird zweckmäßig kleiner als 300 mm2 bemessen, wobei
der gegenseitige Abstand der Teile kleiner als 20 mm ist.
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Wie bereits erwähnt, hängen die bei der Reduzierung von Dampf hohen
Druckes entstehenden Geräusche und Vibrationen sehr stark von der Strömungsgeschwindigkeit
ab. Sie wachsen mit einer hohen Potenz der Geschwindigkeit an. Durch geeignete Bemessung
der Durchtrittsöffnungen und der Abmessungen des Labyrinthsystems läßt sich jedoch
die Geschwindigkeit bei maximalem Durchfluß in allen Teilen der gesamten Reduzierapparatur
einschließlich der etwa vorhandenen Regelteile unter einer vorgegebenen Geschwindigkeit
erhalten. Auf diese Weise können die Geräusche und Vibrationen auf praktisch jedes
gewünschte Maß herabgesetzt werden.
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Dadurch, daß die Freistrahlvermischung als Hauptquelle der Störungen
bei dieser Art der Entspannung des Dampfes nicht mehr herangezogen wird, werden
die Voraussetzungen für eine weitgehende geräusch-und vibrationsarme Reduzierung
geschaffen. Praktische Versuche zeigen, daß die Abmessungen der Hohlräume einen
wesentlichen Einfluß auf die Geräusche und Vibrationen haben. Die Störungen werden
geringer mit abnehmender Ausdehnung der Hohlräume,
was auf die mit
der Verkleinerung der Hohlräume einhergehende Frequenzerhöhung des erzeugten Schalls
zurückzuführen ist. Bekanntlich nimmt die molekulare Absorption von Schall stark
mit der Frequenz zu.
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Durch unmittelbares Heranrücken des Labyrinthsystems an die Absperrstelle
können die die Wellenlänge der Hohlraumschwingungen bestimmenden Abmessungen so
klein gemacht werden, daß für deren Anregung praktisch keine anfachenden Frequenzen
mehr in der Strömung vorhanden sind. Wenn man bei Betrachtung des eingangs genannten
bekannten Sicherheitsventils, bei dem im Ausflußrohr eine Anzahl Drosselplatten
eingesetzt sind, das Zusammenwirken dieser Drosselplatten als Labyrinthsystem ansprechen
wollte, so befindet sich dieses nicht unmittelbar hinter dem Ventilsitz des Verschlußstückes,
so daß bei der bekannten Anordnung ein Freistrahl auftreten kann und somit mit der
Entstehung von Hohlraumresonanzen im hörbaren Bereich zu rechnen ist.