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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Freilauf-Rückschlagventilanordnung mit
einem Hauptstrom-Rückschlagventil,
einem Freilaufventil und einem Entgasungsventil.
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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.
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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.
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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.
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Eine
derartige Freilauf-Rückschlagventilanordnung
ist aus
DE 100 41
555 A1 und
DE
200 23 895 U1 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 2 bar
liegt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, eine
Freilauf-Rückschlagventilanordnung
mit einem Entgasungsventil mit verbesserter Zuverlässigkeit und
verbessertem Schließverhalten
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit einer Freilauf-Rückschlagventilanordnung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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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.
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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.
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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.
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Der
zum Schließen
des als Wälzkörper ausgebildeten
Ventilkörpers
erforderliche Druck bzw. die Druckdifferenz ist gering und kann
bei 2 bar und weniger als 2 bar 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.
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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.
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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.
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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.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung beträgt
die Neigung der Wälzkörperbahn
im Mittel zwischen 2° und
15° zur
Horizontalen.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Darstellung einer Flüssiggas-Förderanlage
mit zwei Pumpen und zwei Freilauf-Rückschlagventilanordnungen mit
Entgasungsventilen,
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2 die
Freilauf-Rückschlagventilanordnung
der 1,
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3 das
Entgasungsventil der Freilauf-Rückschlagventilanordnung
der 2 in vergrößerter Darstellung
und in Schließposition,
und
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4 das
Entgasungsventil der 3 in Öffnungsposition.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Durch
das Hauptstrom-Rückschlagventil 30 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.
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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
das Rückschlagventil
in die Freilaufleitung 34 und über die Freilaufleitung 34 zurück in den
Flüssiggastank 12 fließen kann.
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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.
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Da
sich das Flüssiggas
durch diese Art der Förderung
im Kreis selbst aber erwärmt
und durch Energieeinsatz an anderer Stelle wie der 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.
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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.
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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.
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Wie
in den 2-4 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.