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Mehrstufige Regeldüse
Die Erfindung betrifft eine mehrstufige Regeldüse, insbesondere zum Ableiten von Dampfwasser, mit von Stufe zu Stufe zunehmenden engsten Durchflussquerschnitten, vorzugsweise mit konischer Erweiterung in jeder Stufe und mit axial bewegbarem Regelkörper. Diese Regeldüsen haben den Nachteil, dass bei ihrer Verwendung zur Ableitung von Dampfwasser oder andern siedend heissen Flüssigkeiten bei stark nachlassendem oder ganz aufhörendem Zufluss von Flüssigkeit, also beispielsweise des Dampfwassers, ein Dampfdurchschlag entsteht, der unter Umständen untragbar hohe Werte annehmen kann, sofern der Regelkörper in diesem Betriebsfalle nicht in Schliessrichtung verstellt wird.
Ausser entsprechenden Hand-Verstelleinrichtungen sind auch schon selbsttätige Steuerungen zur Betätigung des Regelkörpers vorgeschlagen worden, beispielsweise Schwimmersteuerungen, die in Abhängigkeit vom Stand des Dampfspiegels, oder thermische Steuerungen, die in Abhängigkeit von der Temperatur der abzuleitenden Flüssigkeit auf den Regelkörper direkt oder auch indirekt, beispielsweise unter Zwischenschaltung bekannter hydraulischer oder pneumatischer Kraftverstärker, einwirken. Derartige Steuerungen bringen einen erheblichen zusätzlichen baulichen Aufwand und eine verringerte Betriebssicherheit mit sich.
Diese Nachteile sollen gemäss der Erfindung dadurch vermieden werden, dass die sich beim Durchfluss einerseits von Flüssigkeit, also beispielsweise Wasser, anderseits von Dampf unterschiedlich einstellenden Zwischendrücke in den einzelnen Düsenstufen direkt zur selbsttätigen Steuerung des Regelkörpers ausgenutzt werden.
Hiezu wird vorgeschlagen, dass bei einer mehrstufigen Regeldüse der eingangs beschriebenen Bauart, bei welcher beispielsweise der Regelkörper als Regeldorn ausgebildet ist, die-in Durchflussrichtung gesehen-erste bzw. die ersten Stufen in Öffnungsrichtung des Regelkörpers und die letzte bzw. die letzten Stufen in Schliessrichtung des Regelkörpers durchströmt werden. Verwirklicht wird dies erfindungsgemäss durch einen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen angeordneten Umlenkkanal bzw.
Umlenkraum, mittels welchem die Durchflussrichtung des Durchflussmediums um 1800 umgelenkt wird, derart, dass-in Durchflussrichtung gesehen- die vor dem Umlenkkanal liegende Stufe oder Stufen in Öffnungsrichtung des Regelkörpers und die hinter dem Umlenkkanal liegende Stufe oder Stufen in Schliessrichtung des Regelkörpers durchströmt werden.
Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich nach einem weiteren Erfindungsgedanken, wenn die letzte Stufe der mehrstufigen Regeldüse in zwei einander parallel geschaltete Stufenhälften von beispielsweise gleichgrossem engstem Durchflussquerschnitt aufgeteilt ist, von denen die eine Stufenhälfte in Öffnungsrichtung und die andere Stufenhälfte in Schliessrichtung des Regeldorns durchströmt wird. In jedem Falle ist eine derartige Zunahme der druckbelasteten Flächen des Regeldorns von Stufe zu Stufe vorgesehen, dass der Regeldorn beim Durchfluss von kalter Flüssigkeit in Öffnungsrichtung und beim Durchströmen von Dampf in Schliessrichtung bewegt wird.
Zur Erläuterung der Erfindung sind in der Zeichnung drei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt, u. zw. zeigt Fig. 1 eine mehrstufige Regeldüse mit als Regeldorn ausgebildetem Regelkörper, bei welcher die beiden ersten Stufen und die eine Stufenhälfte der dritten Stufe in Öffnungsrichtung und die zweite Stufenhälfte der dritten Stufe in Schliessrichtung des Regeldorns durchströmt werden ; Fig. 2 eine mehrstufige Regeldüse entsprechend jener der Fig. 1, bei der jedoch der dritten Stufe noch eine vierte, ebenfalls in zwei Stufenhälften unterteilte Stufe nachgeschaltet ist ; Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweistufige Regeldüse mit als Platte ausgebildetem Regelkörper ; Fig. 4 einen Schnitt IV-IV durch die zweistufige Regeldüse der Fig. 3.
Die in der Fig. 1 dargestellte Regeldüse besteht aus drei Stufen 1, 2, 3', 3", von denen die beiden ersten Stufen 1, 2 mit den engsten Durchflussquerschnitten F1 und F2 in Öffnungsrichtung des Regeldorns 5 durchströmt werden. Die dritte Stufe ist in zwei einander parallel geschaltete Stufenhälften 3', 3" mit den beispielsweise gleich grossen engsten Querschnitten Fa'und Fa" auf- geteilt, wobei Fg'in Önhungsrichtung und Fg"
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in Schliessrichtung des Regeldorns 5 durchströmt werden, was dadurch bewirkt wird,
dass zwischen dem engsten Durchflussquerschnitt F2 der vorletzten Stufe 2 und dem engsten Durchflussquerschnitt F3" der anschliessenden Stufenhälfte 3" der letzten Stufe ein Umlenkkanal 6 angeordnet ist.
Die Entspannung durch die Regeldüse soll
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den Zwischendrücken P2 = 4, 9 ata nach dem ersten engsten Querschnitt Fi und P3 = 2, 4 ata nach dem zweiten engsten Querschnitt F2, u. zw. beim Durchfluss von Wasserdampf mit Sattdampftemperatur. Jede Stufe hat also in diesem Fall ein überkritisches Druckgefälle zu verarbeiten, so dass in allen drei engsten Durchflussquerschnitten Fi, F2 und F3 = F3'+F3" die gleiche kritische Dampfgeschwindigkeit auftritt.
Massgebend für die Bemessung der engsten Querschnitte ist also in diesem Beispiel ausschliesslich das in ihnen jeweils vorliegende spezifische Dampfvolumen, das sich aus den bekannten Wasserdampftabellen für den jeweiligen Druck im engsten Querschnitt, der mit Hilfe des kritischen Druckverhältnisses ermittelt wird, zu zirka 0, 33 in Fi, 0, 66 in F2 bzw. 1, 32 in F3 ergibt.
Die engsten Durchflussquerschnitte müssen sich also im vorliegenden Beispiel wie 1 : 2 : 4 verhalten.
Die druckbelasteten Flächen fl, f,-fl, f,-f2 und des Regeldorns 5 sollen sich nun beispielsweise wie 1 : 2 : 4 : 15 verhalten. Dann wirkt beim Durchströmen von Sattdampf auf den Regeldorn 5 in Öffnungsrichtung die Kraft f,. (p,-p,) +
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Der Regeldorn 5 wird mit 5, 3 Krafteinheiten in Schliessstellung gebracht, wodurch ein unzulässig grosser Dampfdurchschlag vermieden wird.
Strömt nun durch die Regeldüse beispielsweise kaltes Wasser, so müssen sich die Stufendruckgefälle bei dem vorgesehenen Verhältnis der engsten Querschnitte F1 : F2 : F3 = 1 : 2 : 4 verhalten wie 1 : 1/4 : 11t6. D. h. : Das Druckgefälle in der ersten Stufe ist jetzt P1-P2'= 6, 8 at, in der zweiten Stufe P2'-P3'= 1, 7 at und in der dritten Stufe P3'-P4 = 0, 5 at bei der unverändert angenommenen Gesamtdruckdifferenz von pl-p4 = 10-1 = 9 at. Nunmehr wirken auf den Regeldorn 5 in Öffnungsrichtung
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8+2. 1, 7selbsttätig geöffnet, so dass das kalte Wasser ungehindert abgeleitet werden kann.
Erwärmt sich dieses allmählich mit zunehmender Durchwärmung der beispielsweise vorgeschalteten Dampfanlage, so wird bei der Entspannung in der Regeldüse zunehmend Dampfbildung ein- treten, die ein Rückführen des Regeldorns 5 in Schliessrichtung bewirkt.
Damit bei zunehmender Dampfabfuhr nicht schlagartig ein völliger Abschluss der Regeldüse erfolgt, der nach dem darauf erfolgenden Druckabbau in den Zwischenkammern 7, 8 und besonders 9 der Regeldüse zwangsweise wieder zu einem schlagartigen Öffnen und unter Umständen zu einer ständigen Wiederholung dieses Vorganges führen würde, ist zweckmässig ein bevorzugt einstellbar angeordneter Anschlag 10 od. dgl. vorgesehen, mittels welchem der Hub des Regeldorns 5 in Schliessrichtung begrenzt ist. Der Anschlag 10 wird beispielsweise vorteilhaft derart eingestellt, dass die bei ganz in Schliessrichtung bewegtem Regeldorn 5 verbleibenden Restquerschnitte FI, F2 und F 3 gerade ausreichen, um das im Dauerbetrieb bei ganz durchwärmter Anlage noch anfallende Dampfwasser ohne Frischdampfdurchschlag abzuleiten.
Im Dauerbetrieb ist dann keinerlei Bewegung des Regeldorns 5 erforderlich, und es wird somit ein Minimum an mechanischem Verschleiss und an Geräuschbildung erzielt. Ein ruhiges, stetiges Arbeiten des Regeldorns 5 und gleichzeitig eine selbsttätige Entlüftung und Entgasung der Dampfwasserleitung und somit auch ein ständiges, ungehindertes Arbeiten des mit einer solchen Regeldüse ausgerüsteten Dampfwasserableiters ist damit gewährleistet.
Der Regeldorn 5 ist zweckmässig als Drehkörper ausgebildet bei kreisringförmigen Durchflussquerschnitten F1-F3". Mit grundsätzlich gleicher Wirkung sind aber auch andere Querschnittsformen denkbar, beispielsweise quadratische oder rechteckige.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt die Fig. 2, bei welchem der Stufe 3', 3", einer gemäss der Fig. 1 ausgestalteten mehrstufigen Regeldüse, noch eine weitere Stufe nachgeschaltet ist, die ebenfalls in zwei Stufenhälften 4', 4"aufgeteilt ist, von denen die eine Stufenhälfte 4'in Öffnungsrichtung des Regeldorns und die andere Stufenhälfte 4" in Schliessrichtung des Regeldorns 5 durchströmt wird. Bei dieser Regeldüse ist ein weiterer an dem Abfluss 11 zwischen den beiden Stufenhälften 3', 3" angeschlossener Umleitungskanal 12 vorgesehen, der sich derart gabelt, dass mittels der einen Gabelung 12' die Stufenhälfte 4' in Öffnungsrichtung des Regeldorns 5 und mittels der andern Gabelung M" die Stufenhälfte 4" in Schliessrichtung des Regeldorns 5 durchströmt wird.
Der Abfluss aus der mehrstufigen Regel-
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mehrstufigen Regeldüse sind denkbar. So ist beispielsweise eine Ausführung der mehrstufigen Regeldüse nach Fig. 1 denkbar, bei der die dritte Stufe nicht in zwei Stufenhälften 3', ?" unter- teilt ist, sondern als ungeteilte Stufe in Schliessrichtung des Regeldorns 5 durchströmt wird.
An Stelle des engsten Durchflussquerschnittes F3' zwischen der zweiten Stufe 2 und der Stufen-
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hälfte 3'der dritten Stufe muss in diesem Fall eine die axiale Bewegung des Regeldorns 5 nicht behindernde Abdichtung 35 des Durchflussraumes der ersten beiden Stufen gegenüber dem Durchflussraum der dritten Stufe vorgesehen sein, etwa in der Weise, wie sie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zwischen der dritten Stufe 3', 3" und der vierten Stufe 4', 4" vorgesehen ist.
Denkbar ist auch eine Ausführung der mehrstufigen Regeldüse nach Fig. 2, bei welcher die dritte Stufe nicht in zwei Stufenhälften 3', 3" unterteilt ist, sondern insgesamt in Schliessrichtung des Regeldorns 5 durchströmt wird, und denkbar ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher die vierte Stufe nicht in zwei Stufenhälften 4'und 4" unterteilt ist, sondern insgesamt in Schliessrichtung des Regeldorns 5 durchströmt wird, wobei die dritte Stufe sowohl in zwei Stufenhälften 3', 3"unterteilt wie auch nicht unterteilt sein kann.
Eine weitere vorteilhafte Verwirklichung der Erfindung bei einer zweistufigen Regeldüse zeigt das Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 3 und 4.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Regelkörper als ebene Platte 19 mit in einer Ebene liegenden Dichtflächen ausgebildet, die in dem vom Regeldüsenkörper 13 und dem Oberteil 36 gebildeten Innenraum der Regeldüse nach allen Richtungen hin frei beweglich lose angeordnet ist. Der Regelkörper kann aber auch als gewölbt ausgestalteter Regelkörper ausgebildet sein.
Im Regeldüsenkörper 13 ist eine Eintrittsöffnung 14 vorgesehen, über die das Dampfwasser oder die siedend heisse Flüssigkeit in den als Wirbelraum ausgebildeten Umlenkraum 15 eintritt. Der Austritt des Kondensats aus der Eintrittsöffnung 14 in den Wirbelraum 15 stellt die erste Stufe der zweistufigen Regeldüse dar.
Symmetrisch zur Eintrittsöffnung 14 sind im Regeldüsenkörper 13 Austrittsöffnungen 16, 17 vorgesehen, wobei der Eintritt in die Austritts- öffnungen 16, 17 die zweite Stufe der Entspannung bildet. Beide Stufen liegen in einer Ebene 18.
Im einfachsten Falle würde für die Regelung des abzuleitenden Dampfwassers oder der siedend heissen Flüssigkeiten eine Eintritts- und eine Austrittsöffnung genügen. Hiedurch tritt jedoch eine unsymmetrische Belastung und demzufolge ein ungleichmässiger Verschleiss des Regelkörpers auf. Die Erfindung sieht daher vor, dass eine oder mehrere symmetrisch angeordnete, die erste Stufe bildende Eintrittsöffnungen 14 und eine oder mehrere symmetrisch zu der oder den Eintrittsöffnungen 14 angeordnete, die zweite Stufe darstellende Austrittsöffnungen 16, 17 vorgesehen sind.
Die Zuführung des Durchflussmediums zu der zweistufigen Regeldüse erfolgt über die Bohrung 32 und der Abfluss aus der zweistufigen Regeldüse erfolgt über die Bohrung 33, die einerseits mit den Austrittsöffnungen 16, 17 und anderseits mit der nicht gezeichneten, aussen liegenden Abflussleitung verbunden ist.
Zwecks Vermeidung einer Sogwirkung an der Eintrittsöffnung 14 bzw. an den Eintrittsöffnungen und einer Dämpfungswirkung an den Austrittsöffnungen 16, 17 sind an der Eintritts- öffnung 14 möglichst schmale Dichtflächen 20 (z. B. 1/2 mm) und an den Austrittsöffnungen 16,17 breite Dichtflächen 21, die ein Mehrfaches der Dichtflächen 20 der Eintrittsöffnung 14 betragen, vorgesehen.
Um bei starkem Nachlassen oder ganz aufhörendem Zufluss von Flüssigkeit das Durchschlagen von Dampf, welches unter Umständen einen hohen Wertverlust darstellen kann, und um eine allfällige Unterdruckbildung zwischen der Eintrittsöffnung und den Austrittsöffnungen zu vermeiden, die eine verkleinerte Wasserleistung zur Folge hätte, ist der Umlenkraum 15 zwischen den Eintritts- und den Austrittsöffnungen 14 und 16, 17 als ein zur Verhinderung eines Durchschlagens genügend grosser Wirbelraum ausgebildet. Die Öffnungen der Eintritts- und der Austrittsöffnungen 14, 16, 17 sind bevorzugt ventilsitzartig vorspringend ausgebildet.
Als vorteilhaft erwiesen hat sich ferner ein um die Eintrittsöffnung angeordneter ringförmiger Wirbelkanal 22, dessen der Eintrittsöffnung 14 zugekehrte Wandung 23 bevorzugt schräg ausgebildet ist. Hiedurch erweitert sich der Durchflussquerschnitt hinter der ventilsitzartig vorspringenden, die erste Stufe der Entspannung darstellenden Einmündung der Eintrittsöffnung 14 in den Umlenkraum 15 allmählich.
Zur Vergrösserung des Kaltwasserhubes sind zwischen dem als Wirbelraum ausgebildeten Umlenkraum 15 und dem Raum 24 über der Platte 19 in der letzteren Druckausgleichsbohrungen 25 vorgesehen. Zu dem gleichen Zweck ist ferner in der Platte 19 über der Ein-
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ordnet.
Um die im Dampfwasser oder in siedend heissen Flüssigkeiten vorhandenen Luftmengen schneller und besser abzuführen und um den Kammerdruck schneller abzubauen, sind vorteilhaft in den Dichtflächen der Ein-und/oder Austrittsöffnungen 14, 16, 17 - u. zw. in den Dichtflächen 20, 21 am Regeldüsenkörper 13 und/oder in den diesen zugeordneten Dichtflächen an der Platte 19 - die Dichtflächen kreuzende Entlüftungsrillen 27, 28 vorgesehen.
An Stelle der Entlüftungsrillen 27, 28 können aber auch die Platte 19 durchdringende Entlüftungsbohrungen in derselben über den Einund/oder Austrittsöffnungen 14, 16, 17 vorgesehen sein. Es ist also denkbar, dass beispielsweise in den Dichtflächen der Eintrittsöffnung 14 Entlüftungsrillen und über den Austrittsöffnungen 16, 17 Entlüftungsbohrungen in der Platte 19 vorgesehen sind, und es ist auch denkbar, dass in den Dichtflächen der Austrittsöffnungen 16, 17 Entlüftungsrillen 27, 28 vorgesehen sind, während über der Eintrittsöffnung 14 in der Platte.
M eine Entlüftungsbohrung vorgesehen ist, und es ist ferner auch denkbar, dass sowohl Entlüftungs-
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rillen in den Dichtflächen wie auch gleichzeitig Entlüftungsbohrungen in der Platte 19 über den Ein- und/oder Austrittsöffnungen 14, 16, 17 vorgesehen sind.
Die Schliessbewegung des Regelkörpers 19 ist, ähnlich wie auch die Schliessbewegung des Regeldorns 5 bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2, vorteilhaft durch einen bevorzugt einstellbaren Anschlag 29 od. dgl. begrenzbar, u. zw. zweckmässig derart begrenzbar, dass mittels der durch die Begrenzung verbleibenden offenen Durchflussquerschnitte das im normalen Dauerbetrieb bei ganz durchwärmter Anlage anfallende Kondensat ohne Dampfdurchschlag abgeleitet wird. Erreicht wird hiedurch, dass das im normalen Dauerbetrieb anfallende Kondensat bei voller Siedetemperatur ohne jede Bewegung des Regelkörpers-im Fall des Ausführungsbeispiels der Fig. 3 und 4 der Platte 19 - abgeleitet wird, wodurch ein Minimum an mechanischem Verschleiss und an Geräuschbildung erzielt wird.
Vorteilhaft ist ein regel-und/oder absperrbarer Umführungskanal 30 vorgesehen, der sowohl zum Ausblasen wie auch zum schnellen Entlüften sowie ferner zum Variieren der Abflusstemperatur des heissen Wassers dient, und der vom Innenraum 15, 22, 24 der mehrstufigen Regeldüse zum Kondensatabfluss 33 oder aber auch nach aussen führt. Als Regel- und Absperrorgan 31 des Umführungskanals 30 dient bevorzugt ein Regel- und Absperrventil. Die Betätigung des Regel-und/oder Absperrorgans 31 erfolgt mittels Handbetrieb oder aber auch mittels einer selbsttätig wirksam werdenden Betätigungseinrichtung, beispielsweise für eine temperaturabhängige Steuerung eine solche mit einem Thermostaten.
Um eine möglichst schnelle Entlüftung und Entwässerung der kalten Anlage etwa bei Be- triebsbeginn zu ermöglichen, und anderseits bei voll durchwärmter Anlage und Ausbleiben jeglichen Kondensatzuflusses einen möglichst kleinen Dampfverlust zu erzielen, soll die thermisch betätigte Umführung mittels des Umführungskanals 30 bei Raumtemperatur geöffnet und bei Dampftemperatur geschlossen sein.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Mehrstufige Regeldüse, insbesondere zum Ableiten von Dampfwasser, mit von Stufe zu Stufe zunehmenden engsten Durchflussquerschnitten, vorzugsweise mit konischer Erweiterung in jeder Stufe, und mit axial bewegbarem Regelkörper, gekennzeichnet durch einen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen angeordneten Umlenkkanal bzw. Umlenkraum, mittels welchem die Durchflussrichtung des Durchflussmediums um 1800 umgelenkt wird, derart, dass-in Durchflussrichtung gesehen-die vor dem Umlenkkanal liegende Stufe oder Stufen in Öffnungsrichtung des Regelkörpers und die hinter dem Umlenkkanal liegende Stufe oder Stufen in Schliessrichtung des Regelkörpers durchströmt werden.