SPRING-LOADED SAFETY VALVE

Abstract: 1. Safety valve having a spring-loaded valve closure element (3), which is guided in a valve housing (1), performs a complete stroke upon acutation and is seated with its sealing surface on an outlet opening of a nozzle (2) in connection with a reservoir, having a gas outlet space (7), which surrounds the sealing surface of the valve closure element and the outlet opening of the nozzle, the conical spiral spring (4) being arranged in a control pressure space (8), which has a plurality of connections (11, 13) to the gas outlet space, one of which connections has, as a control pressure line (11) arranged in the valve housing (1), an adjustable flow cross-section, and another of which is fitted, at least as a control pressure bore (13), in the valve closure element (3) and opens out on the underside of the latter outside the seal seat, characterized by an additional connection (10) between the control pressure space (8) and the gas outlet space (7), which connection has a flow cross-section which increases with decreasing temperature.

Description: Kennwort: Kryo-Sicherheitsventil Sicherheitsventil mit in einem Ventilgehäuse geführten federbelasteten Kegel Die Erfindung betrifft ein Sicherheitsventil mit in einem Ventilgehäuse geführten federbelasteten Kegel nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. An Sicherheitsventile wird die Anforderung gestellt, dass sie nach dem erstmaligen Ansprechen möglichst-bald wieder schliessen, d.h. eine möglichst kleine Schliessdruckdifferenz haben, um unnötige Medienverluste aufgrund eines sofort zu behebenden Störfalles zu vermeiden. Um eine einwandfreie Dichtheit nach dem Schliessen auch bei kryogenen Temperaturen sicherzustellen, ist vor allem bei länger andauernden Störfällen eine vergrösserte Schliessdruckdifferenz wünschenswert. Wegen der bei tiefen Temperaturen eintretenden Materialverhärtung ist eine grössere Schliesskraft notwendig, damit das Ventil nach dem Schliessen dicht ist. An die Funktionsweise des Sicherheitsventils werden also bei kurzen Störfällen und bei langen anhaltenden Störfällen völlig unterschiedliche Forderungen gestellt. Die bekannten Sicherheitsventile erfüllen diese Forderungen nicht oder nur unvollkommen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheitsventil zu schaffen, welches von Umgebungstemperatur bis Kryotemperatur trotz sich verändernder Medien- und Strömungszustände stabile Funktion aufweist, indem sich seine Schliessdruckdifferenz mit sinkender Temperatur selbständig vergrössert. Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 berücksichtigten Stand der Technik ist diese Aufgabe er findungsgemäss gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Bei dem erfindungsgemässen Sicherheitsventil strömt das Medium frei ab, Kegelführung und Passung liegen nicht im Gasstrom. Im Betrieb bei Umgebungstemperatur lassen sich sehr kleine Schliessdruckdifferenzen einstellen. Die Einstellung auf den gewünschten Wert erfolgt auf dem Prüfstand, die einmal gefundene Einstellung wird verplombt. Bei Verwendung des erfindungsgemässen Sicherheitsventils im Tieftemperaturbereich ist beim erstmaligen Ansprechen die Schliessdruckdifferenz noch geringer als bei Umgebungstemperatur, da das durch die Steuerdruckbohrung in den Steuerdruckraum einströmende kalte Gas sich erwärmt und ausdehnt, wodurch die eingestellte Schliessdruckdifferenz weiter verringert wird. Wird der Störfall nicht behoben, strömt also weiterhin kaltes Gas aus, so kühlt sich das erfindungsgemässe Sicherheitsventil ab, wodurch eine weitere Verbindung zwischen Steuerdruckraum und Gasaustrittsraum, nämlich der Spalt im Gleitlager zwischen Kegel und Ventilgehäuse, ihren Querschnitt vergrössert. Im Steuerdruckraum baut sich daher ein geringerer Druck auf und die Schliessdruckdifferenz wird grösser. Je grösser jedoch die Schliessdruckdifferenz wird, um so stabiler- ist die Arbeitsweise eines Sicherheitsventils. Es wird unempfindlich gegen nachteilige Zuleitungs- und Ausblaseleitungseinflüsse. Ausserdem sind die Dichtkräfte nach dem Schliessen direkt proportional der Schliessdruckdifferenz. Dies ist im Tieftemperaturbereich wichtig, weil Weichstoffdichtungen mit abnehmender Temperatur hart werden und zur Abdichtung dann grössere Rräfte benötigen. Ausserdem wird durch das längere Abblasen auf ein tieferes Druckniveau der Abstand zum maximal zulässigen Behälterdruck grösser. Es dauert also länger, bis der unzulässige Behälterzustand wieder erreicht wird. Die Zeichnungen veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es zeigen: Fig.1 den Längsschnitt durch ein Sicherheitsventil in schematischer Form, Fig.2 einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig.1 bei Umgebungstemperatur, Fig.3 einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig.1 bei tiefer Temperatur, Fig.4 einen Längsschnitt durch eine ausgeführte Konstruktion. Das in Fig.1 in schematischer Weise dargestellte erfindungsgemässe Sicherheitsventil besteht in seinen wesentlichen Teilen aus dem Ventilgehäuse 1, der Düse 2 für den Gaseintritt, dem Kegel 3 und der Kegelfeder 4. Der Pfeil 5 bezeichnet den Gaseintritt und der Pfeil 6 den Gasaustritt. Die Düse 2, auf welcher der Kegel 3 mit seiner Kegeldichtfläche aufliegt, mündet in den Gasaustrittsraum 7. Die Kegelfeder 4 ist im Steuerdruckraum 8 angeordnet, der vom Ventilgehäuse 1 gebildet wird. Das Gleitlager zwischen Kegel 3 und Ventilgehäuse 1 ist als Führungsbuchse 9aus Kunststoff dargestellt.- Die Führungsbuchse 9 ist mit einem Längsschlitz 10 versehen, wie aus Fig.2 und 3 ersichtlich, und besitzt auf federnde Eigenschaften. Erfindungsgemäss weist der Steuerdruckraum 8 mehrere Verbindungen zum Gasaustrittsraum 7 auf. Eine dieser Verbindungen ist die Steuerdruckleitung 11, deren Strömungsquerschnitt durch die Steuerdruckschraube 12 eingestellt werden kann. Eine weitere Verbindung ist die Steuerdruckbohrung 13 im Kegel 3. Sie mündet an der Unterseite-des Kegels 3 ausserhalb der-Dichtfläche.-Eskönnen auch mehrere Steuerdruckbohrungen 13:vorgesehen werden. Die dritte Verbindung ist der Längsschlitz 10 in der Führungsbuchse 9 und der'Spalt-für das notwendige Spiel des Kegels 3. Bei der in Fig*4 dargestellten ausgeführten Konstruktion wurden für gleiche Teile die Bezugsnummern von Fig.1 bis 3 beibehalten. Hierbei besitzt der Kegel 3 zwei Steuerdruckbohrungen 13. Die Dichtfläche des Kegels 3 ist mit einer Kegeldichtung 14 aus Weichmaterial ausgerüstet. Die Düse 2 ist mittels des Düsenanschlussstückes 15 und der Dichtung 16 in das Ventilgehäuse 1 eingeschraubt. Die Steuerdruckschraube 12 ist durch die Gegenmutter 17 gesichert. Zwischen Kegel 3 und Kegelfeder 4 befindet sich der Federteller 18. -Die-Kraft der Kegelfeder 4 wird durch die Stellschraube 19 eingestellt, welche-von einem Gewindestift 20 gesichert ist. An dem Ventilgehäuse 1 ist ferner ein Typenschild 21 mittels der Schraube 22 angebracht. Die auf dem Prüfstand gefundene optimale Einstellung des Sicherheitsventils wird durch einen Plombendraht 23 durch die Steuerdruckschraube 12 und die Schraube 22 gesichert. Zunächst sei die Funktionsweise des erfindungsgemässen Sicherheitsventils bei Umgebungstemperatur geschildert. Mit Erreichen des Ansprechdruckes, der von der Einstellung der Kegelfeder 4 abhängig ist, wird das Sicherheitsventil durch die Entlastung der Kegeldichtung 14 undicht. Dieser kleine Leckmassenstrom strömt unter den Kegel 3 und wirkt hier bei kleinem Druck auf eine im Vergleich zur Dichtfläche grosse Fläche. Infolgedessen regiert das kraftmässig im Gleichgewicht befindliche Federdrucksystem durch schlagartige Vollöffnung mit einem vollen Hub des Kegels 3. Das Gas strömt nun mit Schallgeschwindigkeit aus der Düse 2 aus. Grosse Impuls-, Umlenk- und Druckkräfte wirken unter dem Kegel 3 und drücken ihn nach oben. Auch dann; wenn der Druck im Behälter erheblich sinkt, könnten die Federkräfte allein den Kegel nicht zum Schliessen bringen. Ein Schliessen des Sicherheitsventils innerhalb des gewünschten Druckbereiches ausschliesslich durch Federkraft ist unmöglich. Sobald die Vollöffnung erreicht ist, strömt jedoch aufgrund des Druckgefälles Gas durch die Steuerdruckbohrung 13 in den Steuerdruckraum 8. Hier baut sich ein Druck auf, der über die Stirnfläche des Kegels 3 die Wirkung einer zusätzlichen Kraft hat. Die Grösse des Drucks im Steuerdruckraum 8 und damit die Grösse der Gegenkraft lässt sich durch die Steuerdruckschraube 12 einstellen. Diese verschliesst den Strömungsquerschnitt der Steuerdruckleitung 11 mehr oder weniger. Ist der Strömungsquerschnitt klein, baut sich ein hoher Druck im Steuerdruckraum 8 auf und umgekehrt. Die gemeinsamen Kräfte der Kegel feder 4 und des Drucks auf die Stirnfläche des Kegels 3 bewirken, dass der Kegel 3 in Schliessstellung zurückkehrt, sobald der Druck im Behälter auf das erwünschte Druckniveau abgefallen ist. Bei kryogenen Temperaturen verhält sich das erfindungsgemässe Sicherheitsventil zunächst genauso wie bei Umgebungstemperatur. Zusätzlich wird jedoch ausgenutzt, dass der Druck im Steuerdruckraum 8 nicht nur durch den Strömungsquerschnitt der Steuerdruckleitung 11 bestimmt wird, sondern auch durch den temperaturabhängig sich verändernden Spalt im Gleitlager zwischen Kegel 3 und Ventilgehäuse 1. Dieser Spalt ist für ein ausreichendes mechanisches Spiel notwendig. Zunächst einmal kann durch die Einstellung der Steuerdruckschraube 12 der Einfluss on fertigungstechnisch notwendigen Toleranzen, also unterschiedlichem Spiel, ausgeglichen werden. Dies geschieht während der Einstellung des Sicherheitsventils auf dem Prüfstand. Erfindungsgemäss wird die Werkstoffkombination zwischen Kegel 3 und Ventilgehäuse 1 so gewählt, dass der Spalt im Gleitlager mit abnehmender Temperatur grösser wird. Dies kann man z.B. erreichen, indem der Kegel aus Aluminium und das Gehäuse aus Edelstahl gefertigt werden, ohne dass eine spezielle Führungsbuchse 9 vorgesehen wird. Da der innenliegende Kegel naturgemäss kälter ist als das der Umgebung ausgesetzte Gehäuse schrumpft er stärker als das Gehäuse. Der Effekt wird durch die werkstoffabhängige Wärmeausdehnung noch verstärkt. Das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt jedoch eine Ausführungsform mit Führungsbuchse 9. Diese besteht aus Kunststoff, besitzt einen Längsschlitz 10 und hat auf federnde Eigenschaften. Kegel 3 und Ventilgehäuse 1 bestehen aus ähnlichem Werkstoff. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kunststoffs ist erheblich grösser als der von Metall. Bei Abkühlung ist wiederum der innenliegende Kegel 3 das kälteste Teil. Die Führungsbuchse 9 wird durch die Abkühlung in der Wandstärke dünner und an Umfang kürzer, d.h. der Längsschlitz 10 wird breiter. Da die Führungsbuchse 9 auf federt, drückt sie sich gegen das Ventilgehäuse 1, wodurch der Spalt grösser wird. Es vergrössert sich somit das Radialspiel zwischen Kegel 3 und Führungsbuchse 9. Beim ersten Ansprechen des erfindungsgemässen Sicherheitsventils geschieht folgendes, wenn es an einen Behälter mit einem kryogenen Medium angeschlossen ist: Das Gas strömt aus dem Behälter und erwärmt sich, während die Rohrleitung und die Armaturen kalt werden. Das kalte Gas strömt in den Steuerdruckraum 8, wo es sich erwärmt und ausdehnt. Dadurch wird sein Druck grösser als der Druck, der sich bei einem Medium mit Umgebungstemperatur einstellt. Dies verursacht ein sehr rasches Schlie Ben des Sicherheitsventils, d.h. die Schliessdruckdifferenz ist sehr klein und das Sicherheitsventil schliesst wesentlich früher als bei einem Medium mit Umgebungstemperatur. Wird die Ursache für den unerwünschten Druckanstieg im Behälter nicht abgestellt, wiederholt sich der Vorgang, wobei sich das Ventil immer stärker abkühlt. Da sich das Gas im Steuerdruckraum 8 dabei nur noch geringfügig erwärmen kann, würde sich die Schliessdruckdifferenz dem Wert bei Umgebungstemperatur immer mehr nähern. Da sich jedoch gemäss der Erfindung der Spalt im Gleitlager zwischen Kegel 3 und Ventilgehäuse 1 beim Abkühlen vergrössert, strömt immer mehr Gas aus dem Steuerdruckraum 8 nicht nur durch die Steuerdruckleitung 11, sondern auch durch diesen sich vergrössernden Spalt und den sich entsprechend vergrössernden Längsschlitz 10 in den Gasaustrittsraum 7 zurück. Der im Steuerdruckraum 8 aufgebaute Druck wird infolgedessen immer kleiner. Daher kann sich das Sicherheitsventil erst schliessen, wenn der Druck im Behälter erheblich abgesunken ist. Der Schliessdruck wandert also zu kleineren Werten, d.h. es entsteht eine grössere Schliessdruckdifferenz. Durch dieses selbstregelnde Verhalten des Sicherheitsventils wird erreicht, dass bei kurzzeitigen Drucküberschreitungen (Störfälle) mit kleinen Schliessdruckdifferenzen und damit geringen Gasverlusten gearbeitet wird. Bei länger andauernden Störfällen wird dagegen der Schliessdruck kleiner und damit der Abstand zum maximal zulässigen Behälterdruck grösser, Dies ist wichtig, weil der Störfall unbehoben fortbesteht. Das erfindungsgemässe Sicherheitsventil ist aufgrund seiner Eigenschaften besonders unempfindlich gegen Zweiphasenströmungen und undefinierbare, sich stetig ver ändernde Gaszustände. Im Störfall steht viel Zeit zur Beseitigung der Störung zur Verfügung. Die Dichtkräfte, die proportional zur Schliessdurckdifferenz sind, sind gross, weil der Ansprechdruck das Kräftegleichgewicht darstellt und somit die Federkräfte stärker überwiegen. Dadurch können auch temperaturbedingt sich verhärtende Dichtwerkstoffe für die Kegeldichtung 14 einwandfrei abdichten.

Claims: Patentansprüche 1. Sicherheitsventil mit in einem Ventilgehäuse geführ ten federbelasteten Kegel (3), der beim Ansprechen einen vollen Hub ausführt und mit seiner Dichtfläche auf der Austrittsöffnung einer mit einem Speicherbe hälter in Verbindung stehenden Düse (2) aufsitzt, sowie einen die Dichtfläche des Kegels und die Aus trittsöffnung der Düse umgebenden Gasaustrittsraum (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Kegelfeder (4) in einem Steuerdruckraum (8) angeordnet ist, welcher mehrere Verbindungen (10,11,13) zum Gasaustrittsraum aufweist, von denen eine einen einstellbaren Strömungsquerschnitt besitzt und eine weitere Verbindung zumindest eine Steuerdruckbohrung (13) im Kegel ist, die an der Unterseite des Kegels ausserhalb der¯Dichtfläche mündet. 2. Sicherheitsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung mit einstellbarem Strömungsquer schnitt eine im Ventilgehäuse (1) angeordnete Steuer druckleitung (11) mit Steuerdruckschraube (12) ist. 3. Sicherheitsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Verbindungen (10) einen bei sinkender Temperatur sich vergrössernden Strömungs querschnitt aufweist. 4. Sicherheitsventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung mit bei sinkender Temperatur sich vergrösserndem Strömungsquerschnitt der Spalt im Gleitlager zwischen Kegel (3) und Ventilgehäuse (1) ist, wobei der Effekt des sich vergrössernden Strö xungsquerschnittes durch die Werkstoffauswahl erreicht wird. 5. Sicherheitsventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager eine längsgeschlitzte, auf federnde Führungsbuchse (9) aus Kunststoff ist.

Inventors: KLEIN, WOLFGANG, TOCHA, KLAUS
Applicants: MESSER GRIESHEIM GMBH
Application year: 1986
Main classification: F16K17
IPC codes: F17C13, F16K17