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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Dämpfung von Druckschlägen in einem unter Druck geförderten Medium in einem mit einem Absperrorgan versehenen Rohrleitungssystem, mit einem ein Gas enthaltenden, mit dem Rohrleitungssystem verbundenen Ausgleichsvolumen.
Wenn in einem Rohrleitungssystem, in dem eine Flüssigkeit unter Druck gefördert wird, plötzlich ein Absperrorgan geschlossen wird, so entsteht an diesem Absperrorgan ein plötzlicher Druckanstieg, der zu einem Druckimpuls oder Druckschlag führt, der sich im Rohrleitungssystem entgegen der Förderrichtung zurück fortpflanzt. Dieser Druckimpuls kann einen Druckpegel aufweisen, der das 5- bis lO-fache des normalen Förderdrucks beträgt. Um einen solchen Druckschlag im Rohrleitungssystem unschädlich zu machen, könnte ein Überdruckventil im Rohrleitungssystem angeordnet werden.
Dies ist jedoch bei Anlagen in der Lebensmittelindustrie aus Hygienegründen problematisch, da derartige Überdruckventile nur schlecht gereinigt bzw. sterilisiert werden können: Dabei ergeben sich gerade in Anlagen in der Lebensmittelindustrie, etwa bei automatischen Pasteurisierungsund Abfüllanlagen für Milch, Bier, Fruchtsäfte und dergl. Flüssigkeiten, die genannten Druckschlag-Probleme, etwa dann, wenn in der Abfüllanlage ein Flaschenbruch auftritt, der von einem Detektor erfasst wird, und dessen Signal aus Sicherheitsgründen zum vorübergehenden Schliessen eines der Abfüllanlage vorgeschalteten Absperrorgans (z. B. für einige Sekunden bis zu einer Minute) verwendet wird.
Bei diesem raschen Schliessen des Absperrorgans - im Sterilbereich - entsteht somit der beschriebene Druckschlag, der zumindest zu einer Beschädigung oder Zerstörung der vorgeschalteten Wärmetauscher der Pasteurisierungsanlage führen kann.
Bei bekannten Anlagen dieser Art hat man als Dämpfungseinrichtung im Rohrleitungssystem einen Puffertank (ein Expansionsgefäss) eingebaut, der in seinem unteren Bereich von der pasteurisierten und abzufüllenden Flüssigkeit durchflossen wird, und der in seinem oberen Bereich ein Gasvolumen, etwa CO., enthält, um so bei einem Druckschlag in der Flüssigkeit durch das Gasvolumen die Druckschlagwirkung zu dämpfen. Derartige Puffertanks sind jedoch nicht nur kostenaufwendig, sondern auch sperrig und voluminös, so dass sie im unmittelbaren Anlagenbereich relativ
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viel Platz beanspruchen.
Ein weiterer, noch gravierenderer Nachteil ist, dass sich dieser Puffertank bereits im Sterilbereich der gesamten Anlage befindet und somit bei jeder Inbetriebnahme der Anlage zuvor gereinigt bzw. sterilisiert werden muss ; eine derartige Reinigung, insbesondere Sterilisierung, ist jedoch bei einem solchen Puffertank äusserst schwierig-durchzuführen, wobei es zumeist notwendig ist, den Puffertank innen in aufwendiger Weise mit Heisswasser oder Dampf zu besprühen.
Es ist somit Ziel der Erfindung, eine effiziente Einrichtung zur Dämpfung von Druckschlägen für ein solches Rohrleitungssystem, insbesondere für Pasteurisierungs- und Abfüllanlagen in der Lebensmittelindustrie, vorzusehen, wobei eine sperrige, kostenaufwendige Gefässausbildung vermieden und eine platzsparende Anordnung für das-nichtsdestoweniger in vergleichbarer Weise dämpfende - Gasvolumen ermöglicht wird, und wobei vor allem auch eine leichte und zuverlässige Reinigung sowie Sterilisation gewährleistet werden kann.
Die erfindungsgemässe Einrichtung der eingangs angeführten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsvolumen durch wenigstens eine sich vom Rohrleitungssystem allgemein nach oben erstreckende Nebenschluss-Rohrleitung gebildet ist, die mit ihren Enden an das Rohrleitungssystem angeschlossen ist und im Betrieb eine geschlossene Leitungsschleife bildet.
Mit einer derartigen Ausbildung wird der vorstehenden Zielsetzung in vorteilhafter Weise entsprochen, und es wird eine Realisierung des Ausgleichsvolumens in einer platzsparenden Weise insofern ermöglicht, als die Nebenschluss-Rohrleitung. einfach dort, wo ausreichend Platz ist, oberhalb des das Medium fördernden Rohrleitungssystems, angebracht werden kann. Überdies kann die Nebenschluss-Rohrleitung einfach zu Reinigungs- und Sterilisationszwecken vom Reinigungsmedium, z. B.
Heisswasser, unter Druck durchflossen und dadurch gespült werden, so dass sich die Reinigung und Sterilisation äusserst einfach gestaltet.
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Enden der Nebenschluss-Rohrleitung unmittelbar neben dem Absperrorgan an das Rohrleitungssystem angeschlossen werden, also etwa in einem Abstand von 10 bis 20 cm voneinander, je nach der Dimension des Absperrungsorgan-Gehäuses, wobei durch eine derartige enge Anschluss-Anordnung zugleich sichergestellt wird, dass auch die beiden Seiten des Absperrorgans in der Schliessstellung während der Reinigung und Sterilisation gespült und somit gereinigt bzw. sterilisiert werden.
Für eine Regelung der Gaszufuhr zum Ausgleichsvolumen, etwa bei variierenden Förderdruckpegeln im Rohrleitungssystem, ist es weiters günstig, wenn an die Nebenschluss-Rohrleitung im Bereich des Gas-Ausgleichsvolumens, z. B. ungefähr in der Mitte ihrer Länge, ein Gas-Anschlussrohr über ein Absperrorgan angeschlossen ist. Als Gas für das Ausgleichsvolumen kann beispielsweise in an sich herkömmlicher Weise CO, oder aber Luft (nach vorhergehender Sterilisation) verwendet werden.
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haft erwiesen, wenn an der Nebenschluss-Rohrleitung zumindest ein Füllniveau-Sensor, vorzugsweise zwei Füllniveau-Sensoren in einem vorgegebenen Abstand übereinander, vorgesehen ist bzw. sind. Mit Hilfe der Sensorsignale kann dann jeweils eine Gaszufuhr bewirkt oder die Gaszufuhr gestoppt werden.
Um etwaige Druckschläge zwecks Dämpfung wirksam in die Nebenschluss-Rohrleitung einzuleiten, ist es günstig, wenn zumindest das Ende der Nebenschluss-Rohrleitung, das dem einen Druckschlag beim Schliessen bewirkenden Absperrorgan im Rohrleitungssystem näherliegt, mit einer Ausrichtung allgemein fluchtend zum benachbarten Leitungsabschnitt des Rohrleitungssystems angeschlossen ist.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Nebenschluss-Rohrleitung zur Erzielung eines grossen Gasvolumens in ihrem oberen Abschnitt wendelförmig oder spiralförmig ausgebildet ist.
Zur weiteren Erhöhung des Gasvolumens hat es sich schliesslich als zweckmässig erwiesen, wenn mehrere NebenschlussRohrleitungen an das Rohrleitungssystem angeschlossen sind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch
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nicht beschränkt sein soll, in Gegenüberstellung zu einer Einrichtung gemäss Stand der Technik noch weiter erläutert. Im einzelnen zeigen : Fig. l schematisch eine Einrichtung zu Dämpfung von Druckschlägen gemäss Stand der Technik ; Fig. 2 in einem entsprechenden Schema eine Einrichtung zur Dämpfung von Druckschlägen gemäss der Erfindung ;
Fig. 3 in einem hinsichtlich dernicht massstäblich dargestellten - Abstandsverhältnisse der Fig. 2 entsprechendem Diagramm schematisch den Verlauf eines Druckschlages oder-impulses im Rohrleitungssystem, mit entsprechender Dämpfung ; und Fig. 4 in einer schematischen ausschnittsweisen Darstellung eine bevorzugte Anschlussmöglichkeit für die zur Dämpfung der Druckschläge vorgesehenen Nebenschluss-Rohrleitung.
In Fig. l ist als typische Anwendung für eine Einrichtung zur Dämpfung von Druckschlägen eine Anlage zur Pasteurisierung und Abfüllung von Flüssigkeiten, wie Milch, Bier, Fruchtsäften oder dergl., veranschaulicht. Im einzelnen ist eine Pasteurisierungsanlage 1 herkömmlicher Bauart (mit nicht näher dargestellten Wärmeaustauschern, wobei dort auch ein Druckbegrenzerventil vorgeordnet sein kann) gezeigt, wo eine über ein Absperrorgan 2 und eine Pumpe 3 zugeführte, zu pasteurisierende und abzufüllende Flüssigkeit erhitzt und dadurch pasteurisiert wird. Im vorhandenen Rohrleitungssystem 4 wird sodann die Flüssigkeit gemäss Pfeilrichtung einem Puffertank 5, und zwar dessen unterem Teil, zugeführt, von wo die Flüssigkeit dann wiederum gemäss Pfeilrichtung einer Füllanlage 6 zugeleitet wird.
Im Rohrleitungssystem 4 ist dabei vor der Abfüllanlage 6 ein Absperrorgan 7 angeordnet, um in Störungsfällen, etwa im Fall eines Flaschenbruchs, wenn Flaschen mit der pasteurisierten Flüssigkeit zu füllen sind, die Flüssigkeitszufuhr zur Abfüllanlage 6 kurzfristig (etwa für einige s, z. B. 10 s bis 1 min oder einige min) abzusperren. Durch ein derartiges Absperren mit Hilfe des Absperrorgans 7 (das typischerweise druckluftbetätigt ist) entsteht, da die Flüssigkeit unter Druck gefördert wird, am Absperrschieber oder an der Absperrklappe dieses Absperrorgans 7 ein Druckschlag, welcher im Rohrleitungssystem zurückwandert und, wenn er nicht gedämpft wird, Schäden im vorhergehenden System, insbesondere in der Pasteurisierungsanlage 1, und zwar in deren Wärmetauschern, verursachen kann.
Derartige Druckschläge erreichen typischerweise eine Stärke, die das 10-oder
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20-fache des normalen Förderdrucks der Flüssigkeit im Rohrleitungssystem 4 beträgt. Um diese Druckschläge zu dämpfen, ist gemäss Stand der Technik der Puffertank 5 vorgesehen, welcher ein grosses Volumen hat und in seinem oberen Teil mit einem unter Druck stehenden Gas, insbesondere CO2, gefüllt ist. Dieses GasTeilvolumen wirkt als Gasfeder und dämpft im Anlassfall vom Absperrorgan 7 kommende Druckschläge.
Von Nachteil ist bei dieser bekannten Einrichtung, dass der Puffertank 5 viel Platz beansprucht, und dass er schwer zu reinigen und zu sterilisieren ist. Letzteres ist aber deshalb von Bedeutung, da der betroffene Teil der Anlage zum "Sterilbereich"gehört.
Gemäss Fig. 2, in der der Einfachheit halber die Pasteurisierungsanlage 1 sowie die Abfüllanlage 6 gemäss Fig. l weggelassen wurden, ist nun als Einrichtung zur Dämpfung von Druckschlägen, die im Rohrleitungssystem 4 vom Absperrorgan 7 benachbart dem Füller 6 herrühren, eine Nebenschluss-Rohrleitung 10 vorgesehen, die eine Leitungsschleife mit an das Rohrleitungssystem 4 in geringem Abstand voneinander angeschlossenen Enden 11,12 bildet. Diese Nebenschluss-Rohrleitung 10 erstreckt sich dabei vom Rohrleitungssystem 4, in dem die pasteurisierte Flüssigkeit, z. B. Bier, von der Pasteurisierungsanlage 1 zum Füller 6 gefördert wird, allgemein nach oben, und in ungefähr der Mitte ihrer Rohrlänge ist bei 13 ein Gas-Anschlussrohr 14, etwa für die Zuführung von C02 oder aber von Luft, über ein Absperrorgan 15 in Form eines Magnetventils angeschlossen.
Die Luft, das CO2 oder allgemein das Gas wird dabei über die Rohrleitung 14 unter Druck, etwa in der Grössenordnung von einigen bar, in die Nebenschluss-Rohrleitung 10 zugeführt, und danach wird das Absperrorgan 15 geschlossen. Dadurch wird ein Gas-Ausgleichsvolumen in der Nebenschluss-Rohrleitung 10 oberhalb der Anschlussenden 11,12 erhalten, das zur Dämpfung von Druckschlägen genutzt werden kann, die vom Absperrorgan 7 herkommen.
Die Ausführung mit einer Rohrleitung 10 hat dabei den Vorteil, dass diese Rohrleitung 10 in einer mehr oder weniger beliebigen, platzsparenden Weise vom Rohrleitungssystem 4 allgemein nach oben (im Hinblick auf das Gasvolumen) geführt werden kann, wobei zur Erzielung grosser Rohrlängen und damit grösser Gasvolumina die Rohrleitung 10 auch wendel-oder spiralförmig
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verlaufen kann, wie in Fig. 2 bei 10'schematisch angedeutet ist.
Vor allem ist bei der Nebenschluss-Rohrleitung 10 zur Druckschläge-Dämpfung von Vorteil, dass eine solche Rohrleitung im Vergleich zu einem Puffertank ausserordentlich einfach und problemlos gereinigt bzw. sterilisiert werden kann. Zu diesem Zweck ist es nur erforderlich, über das Rohrleitungssystem 4 von der Pasteurisierungsanlage 1 herkommend, beispielsweise Heisswasser zuzuführen, wobei das die Gaszufuhr steuernde Absperrorgan 15 zu schliessen ist.
Weiters ist im Rohrleitungssystem 4 zwischen den Enden 11,12 der Nebenschluss-Rohrleitung 10 ein Absperrorgan 16 angeordnet, welches im Fall einer derartigen Reinigung und Sterilisation ebenfalls in Funktion tritt und
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11,12 der Nebenschluss-Rohrleitung 10 an ihm, was ohne weiteres möglich ist (der Abstand zwischen diesen Rohrleitungsenden 11, 12 kann beispielsweise bloss 15 bis 20 cm betragen, bei einer Abmessung des Absperrorgans 16 in der Grössenordnung von 10 bis 15 cm), ebenfalls ausreichend vom Heisswasser bespült, so dass auch dort eine entsprechende Reinigung und Sterilisation erfolgt. Das Heisswasser gelangt sodann von der NebenschlussRohrleitung 10 über das Anschlussende 12 zurück in das Rohrleitungssystem 4 und zum Absperrorgan 7 bzw. zum Füller 6.
Wenn nach einer Reinigung der Betrieb aufgenommen wird, so dass beispielsweise Bier oder Milch in der Pasteurisierungsanlage 1 pasteurisiert und unter Druck in das Rohrleitungssystem 4 gefördert wird, so verdrängt diese Flüssigkeit das zuvor zu Reinigungszwecken zugeführte Heisswasser. Wenn die Flüssigkeit an der Füllanlage 6 anlangt, wird das Absperrorgan 16 geöffnet.
Ebenso wird dann das Absperrorgan 15 für die Gaszufuhr über die Rohrleitung 14 geöffnet, so dass in der Nebenschluss-Rohrleitung 10 oberhalb des Rohrleitungssystems 4 das Gas-Ausgleichsvolumen für eine etwaige Dämpfung von Druckschlägen gebildet wird. Dabei verbleibt ein Teil der Flüssigkeit in den Anschlussenden 11,12 der Nebenschluss-Rohrleitung 10 unter Beaufschlagung mit dem Gasdruck, und es können Füllniveau-Sensoren 17,18 an einem Schenkel der Nebenschluss-Rohrleitung 10 in einem Abstand übereinander angeordnet werden, um über diese Sensoren 17,18 Steuersignale
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für die Zufuhr von Gas über die Rohrleitung 14 zu erhalten.
Im einzelnen dient der untere Füllniveau-Sensor 17 dazu, im Betrieb dann, wenn das Flüssigkeitsniveau (das in Fig. 2 mit etwas dickeren Linien angedeutet ist) darunter sinkt, die Gaszufuhr über das Magnetventil-Absperrorgan 15 abzuschalten. Das Flüssigkeitsniveau steigt dann im Schenkel benachbart dem Anschlussende 11, und es pegelt sich in einer Höhe zwischen den Sensoren 17, 18 ein. Sofern das Flüssigkeitsniveau den Stand des oberen Füllniveau-Sensors 18 erreicht, signalisiert dies, dass in der Nebenschluss-Rohrleitung 10 zuwenig Gas enthalten ist, und es wird demgemäss über ein Signal des Sensors 18 das Absperrorgan 15 wieder geöffnet, um Gas unter Druck über die Rohrleitung 14 der Nebenschluss-Rohrleitung 10 zuzuführen.
Sobald dann die Flüssigkeit wieder auf ein Niveau in der Höhe bzw. unterhalb des unteren Füllniveau-Sensors 17 fällt, wird das Absperrorgan 15 wieder geschlossen.
In Fig. 3 ist schematisch gezeigt, dass ein vergleichsweiser hoher Druckimpuls 19 (mit einem Druck von beispielsweise 40 bar, bei einem normalen Förderdruck von 5 bar) entstehen kann, wenn das Absperrorgan 7 geschlossen wird, etwa wenn in der Abfüllanlage 6 ein Flaschenbruch auftritt (was herkömmlicherweise automatisch erfasst wird, wobei ein Detektorsignal zum Schliessen des Absperrorgans 7 benutzt werden kann).
Dieser Druckimpuls 19, der durch den Flüssigkeitsstau im Rohrleitungssystem 4 am
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Absperrorgans 7 mehr oder weniger rasch aufgebaut wird, bewegt sich dann im Rohrleitungssystem 4 zurück, wie in Fig. 3 bei 20 schematisch veranschaulicht ist, und wird von der NebenschlussRohrleitung 10 bzw. dem darin enthaltenen Gasvolumen in zwei ganz kurzzeitig aufeinanderfolgenden Stufen 21,22 (entsprechend dem Abstand zwischen den Anschlussenden 11,12) gedämpft, und zwar vorzugsweise auf den gegebenen Vordruck (z. B. 5 bar) ; es ist daher notwendig, dass die durch das Gasvolumen in der Nebenschluss-Rohrleitung 10 gebildete "Gasfeder") ein Vielfaches des Vordrucks (z. B. 40 bar - 5 bar = 35 bar) dämpfen oder "schlucken"muss.
Die Nebenschluss-Rohrleitung 10 kann durchaus ein Volumen in der Grössenordnung von 50 1 bis 100 1 - bei einer Rohrlänge von
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6 m bis 10 m-aufweisen. Sollte das dabei erhaltene Gasvolumen nicht ausreichen, so wären entsprechend grössere Rohrlängen vorzusehen ; anstattdessen ist es auch denkbar, eine zweite, dritte usw. Nebenschluss-Rohrleitung, je mit einem Absperrorgan (16 in Fig. 2) zwischen seinen Anschlussenden, zusätzlich zur beschriebenen Nebenschluss-Rohrleitung 10 an das Rohrleitungssystem 4 anzuschliessen, um so über mehrere solche-im Normalbetrieb parallel geschaltete-Nebenschluss-Rohrleitungen und damit Gasdämpfungen das gewünschte Dämpfungsausmass zu erreichen.
Zur Reinigung werden alle Absperrorgane 16 geschlossen, so dass die Nebenschluss-Rohrleitungen dann alle in Serie von der Reinigungsflüssigkeit durchflossen werden.
Um ein sicheres Einleiten der Druckschläge in die Nebenschluss-Rohrleitung 10 zu erreichen, kann für letztere ein Anschluss wie in Fig. 4 gezeigt vorgesehen werden. Dabei wird das Anschlussende 12 der Nebenschluss-Rohrleitung 10, das dem Absperrorgan 7, an dem der Druckschlag hervorgerufen wird, näher liegt, in Ausrichtung zum benachbarten Leitungsabschnitt 23 des Rohrleitungssystems 4 angeschlossen sein. Wenn sich ein Druckschlag im Rohrleitungssystem 4 vom Füller 6 bzw. vom Absperrorgan 7 kommend fortpflanzt, wird dieser Druckschlag, wie in Fig. 4 mit gestrichelten Linien veranschaulicht ist, bevorzugt, vom Leitungsabschnitt 23 direkt in die unmittelbar gegenüberliegende Rohrleitung 10 bzw. deren Anschlussende 12 eintreten.
Ein Teil der Druckwelle wird sich über das Absperrorgan 16 im Rohrleitungssystem 4 fortpflanzen, wobei auch auf der anderen Seite des Absperrorgans 16 der Anschluss so vorgesehen sein kann, dass das Anschlussende 11 der Nebenschluss-Rohrleitung mit seiner Achse in der Richtung 25 der Fortpflanzung der Druckwelle verläuft, so dass auch dort der Druckschlag bevorzugt in das Anschlussende 11 und somit in die Nebenschluss-Rohrleitung 10 eintritt. Damit wird eine maximale Ausnutzung der Gasdämpfung in der NebenschlussRohrleitung 10 sichergestellt.