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Ventil für eine explosionsfhige
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Fluide führende Leitung Die Erfindung betrifEt ein Ventil für eine
explosionsfähige Fluide führende Leitung mit Spindel und Ventilkegel.
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Unter explosionsfähigen Stoffen sollen hier nicht nur Gase oder Gasgemische
sondern alle Stoffe oder Stoffgemische, die zu detonativen chemischen Reaktionen
neigen, beispielsweise auch Staub-Luft-Gemische, verstanden werden.
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Ist eine deflagrativ oder detonativ verlaufende Explosion in einem
Leitungsystem nicht auszuschließen, muß die Leitung in ihrer gesamten Länge den
hierbei auftretenden Beanspruchungen in der Regel sicher widerstehen. Dies gilt
insbesondere auch für Absperrarmaturen in einem derartigen Leitungssystem.
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Es ist bekannt, zum Absperren einer Leitung, beispielsweise einer
Acetylen-Hochdruck-Leitung ein Ventil zu verwenden. Ein Ventil schließt entgegen
der Strömungsrichtung des Fluids und besteht im wesentlichen aus einem Ventilgehäuse
mit Ein- und Ausgang, aus einer Spindel, huber die von außerhalb des Ventilgehäuses
ein an der Spindel befestigter Ventilkegel bewegt werden kann und einem Ven-
tilsitz-.
Durch Drehen der Spindel bewegt sich der Ventilkegel auf den Ventilsitz zu oder
von diesem weg und verschließt bzw. öffnet den Ventilsitz. Das als Ventilkegel bezeichnete
Ventilteil besitzt meist die Form eines geraden Kreiskegelstumpfes. Dessen Grundfläche
ist an der Spindel befestigt, während sich dessen zur Grundfläche parallele Deckfläche
am Ventileintritt befindet und im wesentlichen entgegen der Strömungsrichtung des
Fluids orientiert ist.
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Derartige Ventile sind jedoch nur von einer Seite, nämlich von der
Seite des Ventilaustritts her, detonationsfest.
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Ublicherweise werden daher Hähne, insbesondere. Kugelhähne als Absperrorgan
in Leitungen für explosionsfähige Fluide eingesetzt. Hähne werden durch Drehen des
Hahnkükens um seine quer zur Strömungsrichtung liegende Achse betätigt. Entsprechend
dimensionierte Hähne sind zwar von beiden Seiten detonationsfest und erfüllen die
gesetzlichen Anforderungen, die an Leitungen und Absperrorgane für explosionsfähige
Fluide gestellt werden.
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Bei Betätigen eines Hahns wird der Strömungsweg jedoch abrupt unterbrochen
oder freigegeben. Dieses allen Hähnen eigene Merkmal kann nun zur Ausbildung eines
Druckstoßes und damit zu unerwünschten Folgeraktionen führen: Infolge einer adiabatischen
Kompression kann eine Zündung des explosionsfähigen Fluids ausgelöst werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Absperrorgan anzugeben,
das von beiden Seiten detonationsfest ist und bei dessen Betätigung Druckstöße vermieden
werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Ventil der eingangs erwähnten
Art gelöst, das durch einen in das Innere
des Ventileingangs hineinragenden,
sich entgegen der Strömungsrichtung des Fluids verjüngenden Körper, der mit seiner
Grundfläche an dem der Spindel abgewandten Ende des Ventilkegels befestigt ist,
gekennzeichnet ist.
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Erfindungsgemäß findet ein in besonderer Weise ausgestaltetes Ventil
als Absperrorgan Anwendung. Der Offnungs- bzw.
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Schließvorgang eines Ventils ist naturgemäß wesentlich "weicher",
d.h. der Fluidstrom wird langsam unterbrochen und freigegeben. Dadurch werden Druckstöße
und eine unerwünschte Zündung des Fluids vermieden. Dennoch ist das erfindungsgemäße
Ventil auf beiden Seiten detonationsfest: Das erfindungsgemäße Ventil besitzt an
seinem Eintritt, also auf der Seite, auf der das Fluid zum Ventil strömt, im wesentlichen
keine Fläche, die senkrecht zur Mittelachse der Leitung und damit senkrecht zur
Fortpflanzungsrichtung einer anlaufenden Detonationswelle orientiert ist.
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An die bei konventionellen Ventilen ebene, senkrecht zur Mittelachse
der Leitung orientierte Deck fläche des Ventilkegels schließt sich erfndungsgemäß
ein sich ins Leitungsinnere verjüngender, unter Einwirkung einer Druckwelle im wesentlichen
formstabiler Körper an. Diesem sich verjüngenden Körper kommt die Aufgabe zu, eine
anlaufende Stoßwelle, die sich zunächst senkrecht zur Achse der Leitung ausbreitet,
durch Keilwirkung zur Wandung des Ventils hin abzuleiten. Beim erfindungsgemäßen
Ventil wird eine Stoßwelle nicht mehr entgegen der Fortpflanzungsrichtung der anlaufenden
Welle reflektiert. Vielmehr erfolgt die Reflexion der Stoßwelle in einem Bereich,
dessen Länge mit dem des sich verjüngenden Körpers übereinstimmt.
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Die durch die Stoßwelle ausgeübten Kräfte werden nun nicht mehr -
wie bei konventionellen Ventilen - vollständig vom Ventilkegel aufgenommen, sondern
in Richtung zum Ventilgehäuse abgelenkt. Je näher die Stoßwelle sich dem Bereich
der Grundfläche des sich verjüngenden Körpers
nähert, desto kleiner
wird der zwischen dem Körper und dem Ventilgehäuse gebildete Raum und desto geringer
wird auch die Intensität der Stoßwelle. Auf diese Weise werden die in Richtung der
Ventilachse, die üblicherweise parallel zur Leitungsachse verläuft, wirkenden Kräfte
erheblich verringert. Die verbleibenden, auf die Spindel wirkenden Kräfte können
von dieser aufgenommen werden, ohne daß die Dichtwirkung beeinträchtigt wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist im
Bereich des Ventilkegels zwischen diesem und dem Ventilsitz, in den der Ventilkegel
in Schließstellung formschlüssig eingreift, ein elastischer Dichtring angeordnet,
der in Schließstellung dichtend am Ventilsitz und am Ventilkegel anliegt. Diese
Kombination aus einer metallisch harten und einer elastischen Dichtung (Ventilsitz
und -kegel bzw. Dichtring) hat bei einem explosiven Zerfall des Fluids Vorteile:
So bremst die metallische Dichtung, die zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilkegel
gebildet wird und in Schließstellung praktisch fluiddicht ist, die anlaufende Stoßwelle,
so daß der elastische Dichtring weder durch einen hohen Druckstoß noch durch die
Wärmeentwicklung zerstört wird. Zudem ist es ohne Beeinträchtigung der Dichtwirkung
möglich, daß der Ventilkegel durch die anlaufende Stoßwelle ein wenig aus dem Ventilsitz
herausgedrückt wird, so daß die metallische Dichtwirkung kurzfristig aufgehoben
ist.. Auch wenn der Zerfall abgeklungen ist, schließt die elastische Dichtung noch
dicht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgedankens besitzt
der sich verjüngende Körper wenigstens die doppelte Länge des Leitungsdurchmessers.
Die maximale Länge ist etwa derfünffacheLeitungsdurchmesser. Als besonders zweckmäßig
hat sich die Verwendung eines sich verjüngenden Körpers mit einer Länge erwiesen,
die dem 2-fachen bis 3-fachen Leitungsdurchmesser gleicht.
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Aus fertigungstechnischen Gründen hat sich eine Variante des erfindungsgemäßen
Ventils als besonders zweckmäßig erwiesen. Dabei sind der Ventilkegel und der sich
verjüngende Körper aus einem Stück gefertigt.
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Aus dem gleichen Grund aber auch, damit eine Stoßwelle möglichst gleichmäßig
zum Ventilgehäuse reflektiert wird, ist der sich verjüngende Körper nach einer vorteilhaften
Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ein gerader Kreiskegel. Für eine optimale
Stoßwellenreflexion hat es sich dabei als besonders günstig erwiesen, wenn der Grundkreisdurchmesser
des Kreiskegels und der Leitungsdurchmesser gleich groß sind.
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Das erfindungsgemäße Ventil kann für verschiedene Rohrdurchmesser
ausgelegt sein. Es ist in allen stoßbelasteten Leitungen einsetzbar (neben dem Einsatz
in Leitungen für explosionsfähige Fluide ist auch ein Einsatz in stoß- bzw.
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schwellend belasteten Leitungen wie z.B. in Hydraulikleitungen, möglich.
Außerdem kann ein erfindungsgemäßes Ventil nicht nur je einen Ein- und Ausgang,
sondern auch mehrere Ein- und Ausgänge besitzen.
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Zusammenfassung kann festgestellt werden, daß die erfindungsgemäße
Absperrarmatur detonationsfest ist und dennoch einen weichen, d.h. ohne Druckstoß
verlaufenden Offnungs-bzw. Schließvorgang ermöglicht.
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Im folgenden soll anhand einer schematischen Skizze ein Ausführungsbeispiel
für ein erfindungsgemäßes Ventil beschrieben werden: Das dargestellte Ventil besitzt
ein Gehäuse 1, einen Ventileingang 12 und einen Ventilausgang 13. Nicht dargestellt
ist, daß Ein- und Ausgang als Stutzen mit Außenge-
winde zum Anschluß
an ebenfalls nicht dargestellte, beispielsweise Acetylen unter Hochdruck führende
Leitungen ausgebildet sind. Die beiden Stutzen sind senkrecht zueinander orientiert.
Gegenüber dem Eingangsstutzen 12 ist das Gehäuse 1 ebenfalls als Stutzen 14 ausgebildet.
In den konisch auslaufenden Stutzen 14 ist ein Gehäuseverschluß 2 formschlüssig
eingesetzt. Der Gehäuseverschluß 2 wird durch eine Mutter 15 gehalten. Der Gehäuseverschluß
2 dient zur Führung einer Spindel 3. Zwischen Spindel 3 und Gehäuseverschluß 2 und
zwischen Gehäuse 1 und Gehäuseverschluß 2 sind Abdichtungen (Spindelabdichtung 9,
Gehäuseabdichtung 10) angeordnet. Am außerhalb des Gehäuses liegenden Ende der Spindel
kann ein Handrad für die Drehung der Spindel 3 befestigt sein. Am gegenüberliegenden
Ende der Spindel 3 ist ein Ventilkegel 4 befestigt, der durch Drehen der Spindel
3 gegenüber einem Ventilsitz 11 bewegt werden kann. Zwischen Gehäuseverschluß 2
und dem Ventilkegel 4 ist eine Feder 5 zur Schwingungsdämpfung gespannt. Der konisch
zulaufende Ventilsitz 11 kann durch den Ventilkegel 4 verschlossen werden. Der kegelige
Sitz gewährleistet eine einwandfreie Führung und Zentrierung sowie eine metallische
Abdichtung in dem Bereich, in dem sich Ventilkegel 4 und Ventilsitz 11 berühren
(Dichtfläche 7). Erfindungsgemäß trägt der Ventilkegel 4 einen in den Eingangsstutzen
hineinragenden sich in Richtung entgegen der Strömungsrichtung des Azetylens verjüngenden
Körpers 6. Im Ausführungsbeispiel bilden Ventilkegel 4 und der sich verjüngende
Körper 6 eine Einheit. Bei konventionellen Ventilen ist der Ventilkegel ein Kegelstumpf,
dessen Deckfläche sich in Schließstellung im verjüngten Bereich des Ventilsitzes
11, also in dem Bereich, in dem der Ventilsitz in den Eingangsstutzen übergeht,
befindet.
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Erfindungsgemäß geht der Ventilkegel Uber in einen kegelförmigen Fortsatz,
der - wie geschildert - zur Dämpfung von Stoßwellen dient. Weiterhin ist im Bereich
der metallischen Dichtfläche 7 eine Ringdichtung 8 am Ventilkegel befestigt.