DE19607693A1 - Vorrichtung zur temperaturgesteuerten Drosselung von Fluiden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur tempera­ turgesteuerten Drosselung von Fluiden mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen.

Ein typisches Einsatzgebiet gattungsgemäßer Vorrichtungen sind eigenmediumbetätigte Druckabsicherungsventile, nachfol­ gend kurz Sicherheitsventil genannt, die nach dem Entla­ stungsprinzip arbeiten und bei denen der Systemdruck unter dem Ventilkegel ansteht. Solange im Steuerraum Systemdruck herrscht, bleibt ein solches Sicherheitsventil im wesentli­ chen aufgrund der gegenüber der Ventilsitzfläche größeren Kolbenfläche geschlossen. Parallel zum Sicherheitsventil ge­ schaltete Steuerventile haben die Aufgabe, nach Erreichen ei­ nes kritischen Systemdruckes Druckmittel zur Entlastung des Steuerraums abströmen zu lassen, bis das Sicherheitsventil offen ist. Die Öffnungszeit setzt sich daher aus einer Tot­ zeit, die das System benötigt, um den Druck im Steuerraum so­ weit abzusenken, bis der Ventilkegel sich von seinem Sitz ab­ zuheben beginnt, und einer Stellzeit, die der Kolben samt Ventilkegel braucht, um seine Position von "geschlossen" auf "offen" zu verstellen, zusammen. Die Zeit für den Öffnungs­ vorgang hängt somit entscheidend von der Größe des Abström­ querschnitts im Steuerventil ab.

Dabei entsteht insbesondere bei Sicherheitsventilen im Pri­ märkreis eines Druckwasserreaktors das Problem, für die auf­ grund unterschiedlicher thermodynamischer Einflüsse auftre­ tenden Fluide, wie beispielsweise Sattdampf, unterkühltes Wasser, Sattwasser oder mehrphasige Fluide, eine Öffnungszeit von gleicher Größenordnung zu erreichen.

In einem bekannten Sicherheitsventil beträgt der Durchmesser an der engsten Stelle des Abströmquerschnitts im Steuerventil 15 mm. Der Querschnitt ist so groß, daß alle Fluide schnell genug abströmen können, um eine kurze Öffnungszeit zu gewähr­ leisten. Bei Dampf öffnet es aber sogar in 20 bis 30 ms, was zu unerwünschten Druckstößen vor allem auf ein benachbart es Rohrleitungssystem und dessen Halterungen führen kann.

Demgegenüber ist ein anderes Sicherheitsventil bekannt, des­ sen engste Stelle im Abströmquerschnitt eine Drosselbohrung im Steuerventil ist, deren Durchmesser 1,5 mm beträgt. Bei Sattdampf öffnet das Sicherheitsventil in gewünschten 400 bis 500 ms. Steigt jedoch die Temperatur in diesem Sicherheits­ ventil zu sehr an, treten Ausdampfvorgänge auf, die so große Öffnungszeiten nach sich ziehen, daß die Druckabsicherung des zu sichernden Behältnisses gefährdet sein kann.

Dieser Umstand ist in den Fig. 1A und Fig. 1B der Zeichnung durch zwei Diagramme veranschaulicht, in denen für zwei un­ terschiedliche Temperaturen jeweils der Druck im Steuerraum und die Hubhöhe des Ventilkegels in Abhängigkeit der Zeit während eines Öffnungsvorgangs eines bekannten Sicherheits­ ventils aufgetragen ist.

Im Normalbetrieb der Anlage, also bei geschlossenem Sicher­ heitsventil sinkt die Temperatur im den Steuerraum umgebenden Steuerzylinder auf ca. 220°C ab. Dabei entsteht unterkühltes Wasser mit einer Temperatur T < T_s, das beim Ansprechen des Sicherheitsventils über das Steuerventil gemäß Fig. 1A sehr schnell auf den Öffnungsdruck von beispielsweise 90 bar ent­ spannt werden kann. Das Sicherheitsventil öffnet in ausrei­ chend kurzer Zeit. Beim Schließen des Sicherheitsventils ge­ langt heißes Fluid aus dem Primärkreis in den Steuerraum, das mindestens Sättigungstemperatur, bezogen auf den Druck im Primärkreis, also 340°C, besitzt. Spricht das Sicherheits­ ventil mehrfach innerhalb kurzer Zeit an, so wird durch den damit verbundenen Eintrag an Wärmeenergie im Steuerraum Satt­ wasserzustand erreicht. Gemäß Fig. 1B sinkt beim Ansprechen des Sicherheitsventils über das Steuerventil der Druck im Steuerraum nur noch bis auf den der Temperatur T < T_s ent­ sprechenden Sättigungsdruck, zum Beispiel 120 bar, schnell ab, bei dem noch keine Öffnungsbereitschaft vorliegt. Es be­ ginnen die oben erwähnten, zeitaufwendigen Ausdampfvorgänge, die mangels ausreichend großem Abströmquerschnitt den Druck im Steuerraum nur langsam abbauen lassen, was letztendlich zu einer erheblichen Verlängerung der Öffnungszeit des Sicher­ heitsventils führt.

Ein weiterer Nachteil unter dem das Sicherheitsventil leidet, wird anhand der in Fig. 2 und Fig. 3 der Zeichnung dargestell­ ten Teilschnitte einer an ein Steuerventil eines Sicherheits­ ventils angeschlossenen Vorrichtung zur Drosselung des ab­ strömenden Fluids erläutert. Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein Steuerventil 4, an das eine gattungsgemäße Vorrich­ tung mit Einschraubstutzen 6 angeschlossen ist. Gemäß Fig. 3 weist der Einschraubstutzen 6 einen Einlaß 8 für ein zu drosselndes Fluid, einen Auslaß 10 für das gedrosselte Fluid und einen im den Einlaß 8 und den Auslaß 10 verbindenden Durchgangsloch 12 angeordneten Drosseleinsatz 14 auf. Der Drosselbohrung 16 ist dort ein im Drosseleinsatz 14 eingear­ beiteter, trichterförmiger Einlauf 18 vorgeordnet. Dieser birgt die Gefahr in sich, von im Fluid mitgeführten Schmutz­ partikeln zugesetzt zu werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zur temperaturgesteuerten Drosselung von Fluiden gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bereitzustellen, bei der für Fluide mit einer Temperatur unterhalb eines gewissen Schwellenwertes ein fester Abströmquerschnitt zur Verfügung steht, während für Fluide mit einer Temperatur oberhalb die­ ses Schwellenwertes ein zusätzlicher Abströmquerschnitt frei­ gegeben wird, der mit steigender Temperatur zunimmt und mit sinkender Temperatur wieder abnimmt. Außerdem soll vermieden werden, daß insbesondere der feste Abströmquerschnitt durch im Fluid mitgeführte Schmutzpartikel verstopft.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkma­ len. Der Drosseleinsatz besteht aus einer Dehnhülse, deren eines Ende am Einschraubstutzen befestigbar ist, und aus ei­ ner mit dem anderen Ende der Dehnhülse verbundenen Schiebe­ hülse, die von einem im Einschraubstutzen fixierbaren Zylin­ derteil umfaßt wird und axial verschiebbar ist. Dabei sind die Wandungen der Schiebehülse und des Zylinderteils von Öff­ nungen durchsetzt, deren Überlappung durch eine temperaturbe­ dingte Längenänderung der Dehnhülse und einer damit einherge­ henden Axialverschiebung der Schiebehülse im Zylinderteil in folgender Weise steuerbar ist: Für Fluide mit einer Tempera­ tur unterhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes ist keine Überlappung aber ein durchströmbarer, fester Grundquerschnitt vorhanden. Für Fluide oberhalb dieses Schwellenwertes nimmt die Überlappung und damit der gesamte, durchströmbare Quer­ schnitt vom festen Grundquerschnitt ausgehend mit steigender Temperatur zu und mit sinkender Temperatur wieder ab. Dadurch können Fluide unterschiedlicher Temperaturen und Phasen über ein und dieselbe Vorrichtung mit einem vergleichbaren Massen­ strom abgeblasen werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das dem Auslaß zugewandte, stirnseitige Ende der Schiebehülse durch ein Abschlußteil verschlossen, welches ein für das zu drosselnde Fluid durchgängiges, den festen Grundquerschnitt bildendes Bohrungssystem beinhaltet, während das Zylinderteil die Schiebehülse so dicht umschließt, daß bei nicht vorhande­ ner Überlappung von Öffnungen im Zylinderteil und in der Schiebehülse kein Fluid durch diese Öffnungen abströmen kann. Dadurch ist gewährleistet, daß Fluide mit einer Temperatur unterhalb des Schwellenwertes nur durch den Grundquerschnitt definierter Größe zum Auslaß hin abströmen können.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ragt das Abschlußteil in die Schiebehülse hinein und läßt einen hohlzylindrischen Spalt ringförmigen Querschnitts zur Innen­ wand der Schiebehülse hin frei. Dies stellt eine Strömungs­ führung zu den von diesem Spalt ausgehenden Abströmquer­ schnitten dar. Das Bohrungssystem ist aus einer in die dem Auslaß zugewandten Stirnfläche des Abschlußteils hineinragen­ den, als Sackloch ausgebildeten Axialbohrung, die an ihrer engsten Stelle den festen Grundquerschnitt aufweist, und meh­ reren Radialbohrungen, welche den hohlzylindrischen Spalt mit der Spitze der Axialbohrung verbinden, zusammengesetzt. Auf seinem Weg durch ein derart gestaltetes Bohrungssystem wird die Strömung des zu drosselnden Fluids mehrmals umgelenkt, wodurch die engste Querschnittsstelle gut vor Verstopfung durch im Fluid mitgeführte Schmutzpartikel geschützt ist.

Das im Durchgangsloch des Einschraubstutzens praktisch ra­ dialspielfrei sitzende Zylinderteil ist vorzugsweise mittels eines Distanzringes axial positionierbar und durch ein Schraubteil fixierbar. So kann die axiale Lage der Öffnungen im Zylinderteil relativ zu den Öffnungen in der Schiebehülse durch genaues Abmessen und anschließendes Ablängen für Raum­ temperatur eingestellt und festgehalten werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Dehnhülse aus dünnwandigen, ineinandergesteckten Roh­ ren mit abwechselnd kleinerem und größerem Wärmeausdehnungs­ koeffizienten aufgebaut, deren Stirnseiten an einem Ende mit dem nächstkleineren Rohr und am anderen Ende mit dem nächst­ größeren Rohr verschweißt sind. Dadurch erreicht man eine zu­ verlässige Längenausdehnung bzw. Längenkontraktion der Dehn­ hülse im Millimeterbereich bei möglichst geringer Baulänge. Dabei ist das äußerste Rohr als axiale Verlängerung der Schiebehülse ausgebildet und das innerste Rohr mündet in ent­ gegengerichteter axialer Verlängerung in ein Gewindestück zur Befestigung im Einschraubstutzen. Damit wird erreicht, daß sich die Dehnhülse zusammen mit der Schiebehülse bei Tempera­ turbeaufschlagung vom als Fixpunkt dienenden Gewindestück wegbewegen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf ein Ausfüh­ rungsbeispiel in der Zeichnung verwiesen:

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 5 zeigt in je einem Teilschnitt die Lage der Schiebe­ hülse im Zylinderteil bei zwei unterschiedlichen Fluidtemperaturen.

Fig. 6 zeigt den Aufbau der Dehnhülse in einem Halbschnitt.

Gemäß Fig. 4 besteht eine Vorrichtung zur temperaturgesteuer­ ten Drosselung von Fluiden aus einem an eine Ausblaseleitung 2 eines Steuerventils 4 angeschlossenen Einschraubstutzen 6, an dessen eingeschraubtem Ende sich ein Einlaß 8 für ein zu drosselndes Fluid und an dessen anderem Ende sich ein Auslaß 10 für das gedrosselte Fluid befindet. In einem den Einlaß 8 und den Auslaß 10 verbindenden Durchgangsloch 12 ist eine Dehnhülse 20 angeordnet, deren dem Einlaß 8 zugewandtes Ende mittels eines Schraubteils 52 im Einschraubstutzen 6 befe­ stigt und deren anderes Ende mit einer Schiebehülse 22 ver­ bunden ist. Die Schiebehülse 22 ist von einem Zylinderteil 24 dicht umfaßt und an ihrem dem Auslaß 10 zugewandten Ende durch ein Abschlußteil 30 verschlossen. Die Wandungen der Schiebehülse 22 und des Zylinderteils 24 sind von je zwei sich gegenüberliegenden Öffnungen 26 und 28 (Fig. 5A, 5B) durchsetzt, deren Überlappung sich durch temperaturbedingte Axialverschiebung der Schiebehülse 22 im Zylinderteil 24 steuern läßt. Das Abschlußteil 30 ragt in die Schiebehülse 22 hinein und enthält das Bohrungssystem 32. Das Zylinderteil 24 wird durch ein Schraubteil 46 auf einen sich an einem Bund im Einschraubstutzen 6 abstützenden Distanzring 44 gepreßt und dadurch in Position gehalten.

Bei Durchströmung der Vorrichtung durch Fluide mit einer Tem­ peratur T unterhalb eines Schwellenwertes T_s ist gemäß Fig. 5A keine Überlappung von Öffnungen 26 in der Schiebehülse 22 mit Öffnungen 28 im Zylinderteil 24 vorhanden. Das Fluid strömt aus einem Spalt 34 zwischen Abschlußteil 30 und Schie­ behülse 22 in Radialbohrungen 38 und von dort durch eine den Grundquerschnitt Qo aufweisende Axialbohrung 36.

Bei Durchströmung der Vorrichtung durch Fluide mit einer Tem­ peratur T oberhalb des Schwellenwertes T_s überlappen gemäß Fig. 5B die Öffnungen 26 und 28, so daß das Fluid zusätzlich durch die Öffnungen 26 und 28 abströmen kann.

Gemäß Fig. 6 ist die Dehnhülse 20 aus dünnwandigen, ineinan­ dergesteckten Rohren mit abwechselnd kleinerem 48 und größe­ rem 50 Wärmeausdehnungskoeffizienten aufgebaut, die paarweise stirnseitig verschweißt sind. Das äußerste Rohr 50 ist als axiale Verlängerung der Schiebehülse 22 ausgebildet, während das innerste Rohr 50 in entgegengerichteter axialer Verlänge­ rung in das Gewindestück 52 mündet.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur temperaturgesteuerten Drosselung von Flui­ den mit einem an eine Ausblaseleitung (2) einer ein zu dros­ selndes Fluid führenden Komponente (4), insbesondere ein Steuerventil eines Druckabsicherungsventils, anschließbaren Einschraubstutzen (6), der einen Einlaß (8) für ein zu dros­ selndes Fluid, einen Auslaß (10) für das gedrosselte Fluid und ein den Einlaß (8) und den Auslaß (10) verbindendes Durchgangsloch (12) aufweist, in dem ein Drosseleinsatz (14) zur Festlegung des vom Fluid zu durchströmenden Querschnitts (Q) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Drossel­ einsatz (14) aus einer Dehnhülse (20), deren eines Ende am Einschraubstutzen (6) befestigbar ist, und einer mit dem an­ deren Ende der Dehnhülse (20) verbundenen Schiebehülse (22), die von einem im Einschraubstutzen (6) fixierbaren Zylinder­ teil (24) umfaßt wird und axial verschiebbar ist, besteht, wobei die Wandungen der Schiebehülse (22) und des Zylinder­ teils (24) von Öffnungen (26, 28) durchsetzt sind, deren Überlappung durch eine temperaturbedingte Längenänderung der Dehnhülse (20) und einer damit einhergehenden Axialverschie­ bung der Schiebehülse (22) im Zylinderteil (24) derart steu­ erbar ist, daß für Fluide mit einer Temperatur (T) unterhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes (T_s) keine Überlappung aber ein durchströmbarer, fester Grundquerschnitt (Qo) vorhanden ist, und für Fluide mit einer Temperatur (T) oberhalb dieses Schwellenwertes (T_s) die Überlappung und damit der gesamte, durchströmbare Querschnitt (Q) vom festen Grundquerschnitt (Qo) ausgehend mit steigender Temperatur (T) zunimmt und mit abnehmender Temperatur (T) wieder abnimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Aus­ laß (10) zugewandte, stirnseitige Ende der Schiebehülse (22) durch ein Abschlußteil (30) verschlossen ist, welches ein für das zu drosselnde Fluid durchgängiges, den festen Grundquer­ schnitt (Qo) aufweisendes Bohrungssystem (32) beinhaltet, während das Zylinderteil (24) die Schiebehülse (22) so dicht umschließt, daß bei nicht vorhandener Überlappung von Öffnun­ gen (26, 28) im Zylinderteil (24) und in der Schiebehülse (22) kein Fluid durch diese Öffnungen (26, 28) abströmen kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschluß­ teil (30) in die Schiebehülse (22) hineinragt und einen hohlzylindrischen Spalt (34) ringförmigen Querschnitts (Qr) zur Innenwand der Schiebehülse (22) hin freiläßt, und daß das Bohrungssystem (32) aus einer in die dem Auslaß (10) zuge­ wandte Stirnfläche des Abschlußteils (30) hineinragenden, als Sackloch ausgebildeten Axialbohrung (36), die an ihrer eng­ sten Stelle den festen Grundquerschnitt (Qo) aufweist, und mehreren Radialbohrungen (38), welche den hohlzylindrischen Spalt (34) mit der Spitze der Axialbohrung (36) verbinden, zusammengesetzt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das im Durch­ gangsloch (12) des Einschraubstutzens (6) radial praktisch spielfrei sitzende Zylinderteil (24) mittels eines Distanz­ ringes (44) axial positionierbar und durch ein Schraubteil (46) fixierbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnhülse (20) aus dünnwandigen, ineinandergesteckten Rohren mit abwechselnd kleinerem (48) und größerem (50) Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten aufgebaut ist, deren Stirnseiten an einem Ende mit dem nächstkleineren Rohr (50, 48) und am anderen En­ de mit dem nächstgrößeren Rohr (50, 48) verschweißt sind, wobei das äußerste Rohr (50) als axiale Verlängerung der Schiebehülse (22) ausgebildet und das innerste Rohr (50) in entgegengerichteter axialer Verlängerung in ein Gewindestück (52) zur Befestigung im Einschraubstutzen (6) mündet.