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Die Erfindung betrifft eine Druckentlastungsvorrichtung für einen Behälter, insbesondere für ein Hochsilo, mit einer oder mehreren seitlichen Druckentlastungsöffnungen nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche beschrieben.
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Ein Silo oder Hochsilo ist ein großer Speicher für Schüttgut. Gebräuchliche Bauformen von Silos sind Rundsilos, Rechteck- und Achtecksilos. Hochsilos sind etwa 10 bis 20 Meter hohe zylindrische Bauwerke aus Beton, Stein, Stahl, Holz oder Kunststoff. Silos werden zum Speichern von Zement, Kalksteinmehl, Kunststoffgranulat, Futtermittel, Holzspänen und Ähnlichem verwendet. Spezielle Schüttgüter, beispielsweise Kohle, Mehl, Holz, Kakao, Kaffee, Stärke oder Cellulose in Staubkorngröße, können in Luft verteilt eine Mischung ergeben, die bei Zündung in einer Staubexplosion abbrennt. Eine Staubexplosion ist die Variante einer Explosion, bei der in der Luft feinverteilte feste Stoffpartikel gezündet werden. Die Folge ist eine plötzlich verlaufende Kraftentfaltung, die auf dem Ausdehnungsbestreben von plötzlich erhitzten Gasen und Dämpfen beruht.
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In Behältern oder Hochsilos, insbesondere Spannbetonsilos, die als geschlossenen Anlagen mit staub- oder gasexplosionsgefährdeten Schüttgütern betrieben werden, kann es notwendig sein, die Vorrichtungen zur Druckentlastung seitlich in der Behälterwand anzubringen.
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Die allgemein aus dem Stand der Technik bekannten Druckentlastungsvorrichtungen für Behälter mit seitlichen Druckentlastungsöffnungen in den Behälterwänden sind teilweise sehr aufwendig in der Herstellung und kompliziert in ihrer Montage. Dadurch sind seitliche Druckentlastungsvorrichtungen kostenintensiv und werden daher selten bis gar nicht eingesetzt. Eine nachträgliche Montage ist nicht möglich. Zudem haben sie keine 100 prozentige Druckentlastungsfähigkeit.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ausgleich von Druckstößen in geschlossenen Behältern, insbesondere verursacht durch Staubexplosionen, beispielsweise in Spannbetonsilos, zu schaffen, die dabei die 100 prozentige Druckentlastung über die Behälterwand vorsieht, dabei kostengünstig und einfach sowohl in der Herstellung als auch bei ihrer Montage ist sowie sich auch für eine nachträgliche eignet und keine Gefährdung der Umwelt darstellt.
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Die Aufgabe wird vorteilhaft durch die erfindungsgemäße Druckentlastungsvorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale in den Unteransprüche beschrieben.
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Druckentlastungsvorrichtung werden für Behälter, insbesondere Hochsilos, beispielsweise Stahlbetonsilos, mit einer oder mehreren seitlichen Druckentlastungsöffnungen verwendet. Die Öffnungen sind in der Regel quadratisch, können aber auch andere geometrische Formen, beispielsweise rund, sein. Die Druckentlastungsöffnungen sind vorzugsweise durch Stahlrahmen gebildet. Die Druckentlastungsöffnungen sind mit der Druckentlastungsvorrichtung abgedeckt, die sich bei Überdruck oder im Explosionsfall, beispielsweise bei einer Staubexplosion, nach außen teilweise oder gegebenenfalls auch komplett öffnet. Die Druckentlastungsvorrichtung besteht aus einer Druckentlastungsklappe mit der selben geometrischen Form wie die Druckentlastungsöffnung, die über mindestens einen vorgespannten Klappenhalter, der an der Behälterwand befestigt ist, unverlierbar gehalten ist. Zwischen Druckentlastungsklappe und Rahmen kann zudem eine Dichtung eingebaut werden. Die Dichtung ist umlaufend am Innenrand der Druckentlastungsklappe angebracht. Die Klappenhalter sind so dimensioniert, dass die Druckentlastungsklappen bei einem Betriebsdruck der Behälter von bis zu 80 mm Wassersäule (0,008 bar = 8 mbar) geschlossen bleiben. Zur Erreichung dieses Anpressdruckes werden die Klappenhalter gegen die Behälterwand, beispielsweise einer Stahlbetonwand, vorgespannt. Dabei verformen sich die Klappenhalter im elastischen Bereich.
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Bei einem kurzfristig leicht erhöhten Überdruck verformt sich der Klappenhalter im elastischen Bereich, die Klappe öffnet sich, wobei der Überdruck entweichen kann, der Klappenhalter federt zurück und die Druckentlastungsklappe schließt sich wieder.
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Auf der anderen Seite ist jedoch auch sichergestellt, dass die Druckentlastungsklappe im Falle einer Staubexplosion sich voll öffnet. Der Klappenhalter verbiegt sich und wirkt dabei als Scharnier. Nach der Explosion bleibt die Druckentlastungsklappe offen stehen.
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Diese vorzugsweise eckigen Druckentlastungsöffnungen sind für Stäube bis KST = 200 bar·m/s und pmax = 9 bar verwendbar.
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Die Druckentlastungsklappe besteht aus Blech, vorzugsweise aus Stahlblech, insbesondere aber aus Aluminiumblech. Denkbar ist aber auch eine Druckentlastungsklappe aus anderen Materialien, wie Carbon oder Kunststoff.
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Die Druckentlastungsklappe ist vorzugsweise flach ausgebildet. Eine besondere Ausführung der Erfindung ist bei Rundsilos, beispielsweise Stahlbetonsilos, eine Anpassung der Druckentlastungsklappe an die Behälterform.
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Es ist vom Vorteil, die Druckentlastungsklappe zu versteifen. Dabei werden vorzugsweise auf der Druckentlastungsklappeninnenseite mindestens eine oder mehrere Versteifungsrippen angebracht. Die Versteifungsrippen sind angeschweißt, angeschraubt oder angenietet. Sie sind in der Regel aus dem selben Material wie die Druckentlastungsklappe, vorzugsweise aus Aluminium.
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Der Klappenhalter ist an mindestens einer Stelle, besser an zwei Stellen, an der Behälterwand befestigt. Er ist vorzugsweise mittig unterhalb der Druckentlastungsöffnung in Klappenhalterlängsrichtung an der Behälterwandaußenseite befestigt. Die Befestigung ist mittels Schweißen, Nieten, Schrauben oder Durchschrauben. Mindestens die obere Befestigung, beispielsweise Verschraubung, ist alleinig schon ausreichend zur Aufnahme der Zugkraft im Falle eines starken Überdrucks, beispielsweise verursacht durch eine Staubexplosion.
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Die Druckentlastungsklappen werden mit den Klappenhalter über den Druckentlastungsöffnungen an der Behälterwand gehaltert. Die aufnehmbare Zugkraft an der Befestigungstelle des Klappenhalters an der Behälterwand muss so groß sein, dass bei Überdruck, insbesondere im Explosionsfall, die Druckentlastungsvorrichtung nicht abreist.
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Um den Klappenhalter an der Druckentlasstungsklappe zu befestigen, ist diese mit mindestens einer Klappenhalteraufnahme versehen. Die Klappenhalteraufnahme kann sowohl auf der Druckentlastungsklappeninnenseite als auch auf der Außenseite angebracht sein.
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Die aufnehmbare Zugkraft der Klappenhalteraufnahme an der Druckentlastungsklappe muss so groß sein, dass bei Überdruck, insbesondere im Explosionsfall, kein Teil der Druckentlastungsvorrichtung abreist.
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Die Klappenhalteraufnahme ist dabei eine an der Druckentlastungsklappe senkrecht angeschweißten oder angeschraubte Stange. Diese Stange ist vorzugsweise eine Gewindestange oder eine Schraube. Sie ist vorzugsweise auf der Klappenmittelachse, insbesondere bevorzugt im Zentrum der Druckentlastungsklappe angebracht. Zusätzlich weist sie eine Vorspannfixierung, vorzugsweise zwei aufgeschraubte Mutter, auf.
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Die Vorspannfixierung ist so dimensioniert, beispielsweise dass die Mutter bis an eine vorgegebene Stelle auf dem Gewinde positioniert sind, dass der Klappenhalter an der Vorspannfixierung derart vorspannt ist, dass der gewünschte Anpressdruck auf die Druckentlastungsklappe ausgeübt wird.
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Der Klappenhalter ist aus Flachstahl oder aus einem anderen Material mit ähnlichen Eigenschaften. Wichtig ist, dass bei Überdruck, insbesondere bei einer Staubexplosion, der Klappenhalter sich lediglich verbiegt und nicht bricht.
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Um einen entsprechenden Anpressdruck zu erhalten, kann es sinnvoll sein, den Klappenhalter zu verstärken. Dies geschieht im einfachsten Falle durch einen weiteren Klappenhalter. Dieser Klappenhalterverstärker ist normalerweise kürzer, vorzugsweise um etwa 1/3, als der eigentliche Klappenhalter. Sie wirken wie eine Blattfeder. Der Klappenhalterverstärker ist vorzugsweise aus dem selben Material wie der Klappenhalter.
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Die Druckentlastungsvorrichtung wird bevorzugt in folgender Reihenfolge am Behälter montiert:
- • Anbringen der Klappenhalteraufnahme auf der Druckentlastungsklappe,
- • Anbringen der Vorspannfixierung,
- • Anbringen bzw. Auffädeln des Klappenhalters,
- • Sicherung des Klappenhalters, um die Druckentlastungsklappe im Explosionsfall gegen wegfliegen zu sichern,
- • Aufsetzen der Druckentlastungsklappe über der Druckentlastungsöffnung,
- • Befestigen des Klappenhalters an der Behälterwand,
- • Vorspannen des Klappenhalters.
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Nachfolgend wird die Druckentlastungsvorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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1: Druckentlastungsvorrichtung am Behälter, Schnittansicht seitlich;
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2: Druckentlastungsklappe mit montiertem Klappenhalter in Frontansicht;
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3: Druckentlastungsvorrichtung am Behälter, Schnittansicht von oben;
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4: Klappenhalter in Frontansicht;
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5: Vorgespannte Druckentlastungsvorrichtung am Behälter, Schnittansicht seitlich;
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6: Vorgespannte Druckentlastungsvorrichtung am Behälter, seitliche Schnittansicht mit verstärktem Klappenhalter.
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In 1 wird eine Druckentlastungsvorrichtung 1 an einem Behälter, in einer seitlichen Schnittansicht, dargestellt. Der Behälter weist in seiner Behälterwand 30 eine Druckentlastungsöffnung 33 auf. Diese wird von einer Druckentlastungsklappe 2 abgedeckt. Um eine optimale Abdichtung der Druckentlastungsöffnung 33 zu erhalten, ist die Druckentlastungsklappe mit einer umlaufenden Dichtung 8 an der Druckentlastungsklappeninnenseite 4 versehen. Um eine optimale Steifigkeit der Druckentlastungsklappe 2 zu erhalten, ist diese zusätzlich mit Versteifungsrippen 3 versehen. Druckentlastungsklappe 2 und Versteifungsrippen 3 sind vorzugsweise aus Aluminium gefertigt. Im Mittelpunkt der Druckentlastungsklappe 2 ist eine Klappenhalteraufnahme 10 mit einer Vorspannfixierung 12 an der Druckentlastungsklappenaußenseite 5 angebracht. Daran ist ein Klappenhalter 20 angebracht, der über eine Klappensicherung 14 unverlierbar an der Klappenhalteraufnahme 10 gesichert ist. Der Klappenhalter 20 ist mit mindestens einer Befestigungschraube 25 an der Behälterwandaußenseite 31 unverlierbar befestigt.
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Die Druckentlastungsflächen sind für einen Betriebsdruck von 80 mm Wassersäule (0,008 bar = 8 mbar) ausgelegt. Bis zu diesem Druck werden die Druckentlastungsklappen 2 durch Klappenhalter 20 aus Flachstähle angepresst. Zur Erreichung dieses Anpressdruckes werden die Flachstähle gegen die Behälterwand 30, beispielsweise eine Stahlbetonwand, vorgespannt. Dabei verformen sich die Flachstählen im elastischen Bereich.
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Die Druckentlastungsöffnungen können unterschiedlich groß ausgebildet sein. Die folgende Berechnung der Druckentlastungsvorrichtung zeigt auf, dass die aufnehmbare Zugkraft ausreicht, um die Druckentlastungsklappe 2 gegen Abreißen zu halten. Die Berechnung kann entsprechend auch auf andere Flächen der Druckentlastungsöffnung 33 angewendet werden und insbesondere auch für Flächen von über 2 m2. Sie wird hier am Beispiel einer Druckentlastungsöffnung 33 von 0,95 m × 0,95 m durchgeführt:
Bei einer Fläche der Druckentlastungsöffnung 33 von A = 0,95 m·0,95 m = 0,90 m2 und einer Last im Betriebszustand von FB = 1 kN/m2·0,9 m2 = 0,90 kN wird ein Flachstahl mit Normbezeichnung S335 von 50 mm × 15 mm × 800 mm verwendet. Die Fließgrenze liegt bei 35,5 kN/cm2 und die Zugfestigkeit zwischen 49–63 kN/cm2. Das elastische Widerstandsmoment beträgt Wel = 5·1,52/6 = 1,875 cm3 und das plastische Widerstandsmoment beträgt Wpl = 5·1,52/4 = 2,813 cm3.
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Der Hebelarm 28 der Kraft bis zur Einspannstelle 27 ist a = 56,0 cm. Der Hebelarm 28 wird beispielsweise durch entsprechend dimensionierte Unterlagsscheiben 29 optimal eingestellt.
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Der Betriebszustand des Behälters liegt bei M = FB·a = 0,90 kN·56,0 cm = 50,4 kNcm und die Spannung beträgt δ = M/Wel = 50,4 kNcm/1,875 cm3 = 26,88 kN/cm2 <= 35,5 kN/cm2. Die Druckentlastungsklappe 2 bleibt bei diesem Betriebsdruck daher geschlossen.
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Bei einem kurzfristig leicht erhöhten Überdruck verformt sich der Flachstahl im elastischen Bereich, die Klappe öffnet sich teilweise, wobei der Überdruck entweichen kann, der Flachstahl federt zurück und die Druckentlastungsklappe 2 schließt sich wieder.
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Bei Überschreiten der Fließgrenze von 35,5 kN/cm2, beispielsweise bei einer Staubexplosion, verformt sich der Flachstahl stark und die Druckentlastungsklappe 2 öffnet sich völlig. Es wird das plastische Widerstandsmoment Wpl aktiviert.
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Der Flachstahl setzt dem Öffnen maximal folgenden statistischen Widerstand von 2,4 kN entgegen. Bei 2,4 kN tritt starke Verformung ein; die Kraft kann nicht mehr gesteigert werden. Dazu kommen noch Kräfte aus der Massenträgheit.
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Diese 2,4 kN werden nun in eine Spannung umgerechnet. Dieses Ergebnis kann dann auf anderen Druckentlastungsklappengrößen übertragen werden:
| Staubexplosion: | M = FSt·a = 2,4·56,0 = 134,4 kNcm |
| | δ = M/Wpl = 134,4/2,813 = 47,8 kN/cm2 = 49 kN/cm2 |
im Rahmen der vorhandenen Messgenauigkeit war dies eine ausreichend gute Übereinstimmung.
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Kraft aus dem Ansprechdruck der Druckentlastungsklappen 2: pstat = 0,1 bar = 10 KN/m2 A·pstat = 0,90·10 = 9,0 kN >> 2,4 kN
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D. h. die Druckentlastungsklappe 2 öffnet sich auf jeden Fall.
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Schlägt die Druckentlastungsklappe 2 auf, so wird durch die Druckwelle eine Zugkraft auf den Flachstahl wirken.
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Aufnehmbare Zugkraft:
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F = ARestquerschnitt Flachstahl·Zugfestigkeit = ((5,0 – 3,0)·1,5) cm2·49,0 kN/cm2 = 3,0·49,0 = 147 kN
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Diese aufnehmbare Zugkraft reicht aus, um die Druckentlastungsklappe 2 gegen Abreißen zu halten.
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Die Bruchkraft der verwendeten Schrauben oder Gewindestange 11 zur Befestigung der Druckentlastungsklappe 2 an den Flachstahl ist dabei ebenfalls zu berücksichtigen. Die folgende Berechnung bezieht sich auf das oben genannte Beispiel. Werden andere Befestigungsmittel gewählt oder größere Druckentlastungsklappen 2 verwendet, so muß auch hier die aufnehmbare Zugkraft entsprechend dimensioniert sein. Wird als Gewindestange 11 eine Schraube M16 8.8 verwendet, so berechnet sich die aufnehmbare Zugkraft wie folgt: Spannungsquerschnitt AS·Zugfestigkeit = 1,57·80 = 126 kN.
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Diese aufnehmbare Zugkraft ist ausreichend, um die Druckentlastungsklappe 2 zu halten.
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Des weiteren ist zu beachten, das die Befestigung des Flachstahls an der Behälterwand 30 entsprechend dimensioniert ist. Werden Schrauben verwendet, so empfiehlt es sich hier M27 8.8-Schrauben zu verwenden.
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Im Falle einer Staubexplosion öffnen sich die Druckentlastungsklappen 2. Die Flachstähle verbiegen sich und wirken dabei als Scharnier. Nach der Explosion bleiben die Druckentlastungsklappen 2 offen stehen. Weder die Flachstähle, Schrauben oder Druckentlastungsklappe 2 reisen oder brechen ab.
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2 zeigt die Druckentlastungsklappe 2 mit montiertem Klappenhalter 20 in Frontansicht. Die Klappenhalteraufnahme 10 ist im Klappenzentrum 7 der Druckentlastungsklappe 2 auf der Druckentlastungsklappenaußenseite 5 angebracht. Der Klappenhalter 20 ist senkrecht zur Klappenmittelachse 7 an der Klappenhalteraufnahme 10 angebracht. Durch eine Klappensicherung 14 ist der Klappenhalter 20 dann unverlierbar an der Druckentlastungsklappe gehaltert. In Klappenhalterlängsrichtung 23 befinden sich auf der überstehenden Seite des Klappenhalters 20 zwei Befestigungsbohrlöcher 23. Diese dienen dazu, den Klappenhalter an der Behälterwand 30 mittels Befestigungsschrauben 25 zu haltern.
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Das die Druckentlastungsvorrichtung 1 auch an gekrümmten Behälterwänden, beispielsweise an einer Wand eines Spannbetonsilos, angebracht werden kann zeigt 3 in einer Schnittansicht von oben. Die Druckentlastungsklappe 2 ist hier flach dargestellt und über die umlaufende Dichtung 8 liegt sie optimal an der Behälterwand 30 an. Die Druckentlastungsklappe 2 kann aber auch gebogen ausgebildet sein und der Krümmung der Behälterwand 30 angepasst sein.
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In 4 sehen wir eine mögliche Ausgestaltungsform des Klappenhalters 20 in Frontansicht. In Klappenhalterlängsrichtung 23 befindet sich an einem Ende eine Klappenhalteraufnahmeöffnung 2 am anderen Ende sind zwei Befestigungsbohrlöcher 24 eingebracht. Grundsätzlich kann der Klappenhalter auch anders ausgeführt werden, sofern die Unverlierbarkeit an der Druckentlastungsklappe 2 und an der Behälterwand 30 gegeben ist und er die Druckentlastungsklappe 2 vorgespannt über der Druckentlastungsöffnung 33 hält.
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Die 4 zeigt eine Druckentlastungsvorrichtung 1 in seitlicher Schnittansicht durch die Behälterwand 30 mit einem vorgespannten Klappenhalter 20a. Der vorgespannte Klappenhalter 20a hält die Druckentlastungsklappe 2 über der Druckentlastungsöffnung 33. Die Klappenhalteraufnahme 10 ist mittels einer Gewindestange 11 realisiert und wird mit Klappenhalteraufnahmemuttern 16 an der Druckentlastungsklappe 2 gehalten. Zwei Spannmuttern 13 werden als Vorspannfixierung 12 eingesetzt und sitzen an einer vorgegebenen Position auf die Gewindestange 11. Der auf die Gewindestange 11 eingefädelte Klappenhalter 20a ist über zwei Befestigungsschrauben 25 an der Behälterwandaußenseite 31 befestigt. Der vorgespannte Klappenhalter 20a kann über das verdrehen der Spannmuttern 13 in seine ideal vorgespannte Position gebracht werden. Über Sicherungsmuttern 15 wird die Druckentlastungsklappe 2 unverlierbar gesichert.
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5 zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Druckentlastungsvorrichtung 1. Zusätzlich zum Klappenhalter 20a wird ein Klappenhalterverstärker 20b eingesetzt. Dieser ist auf den Klappenhalter 20a aufgesetzt und mit diesem an der Behälterwand 30 befestigt. Der vorgespannte Klappenhalter 20a spannt dadurch auch den Klappenhalterverstärker 20b vor. Der Einsatz von verstärkten Klappenhaltern 20 ist insbesondere bei großen Druckentlastungsklappen vom Vorteil, da dadurch der Anpressdruck der Druckentlastungsklappe 2 sich entsprechend erhöht.
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Im folgenden wird die Erfindung nochmals kurz zusammengefasst.
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Die Druckentlastungsvorrichtung 1 presst bis zum Betriebsdruck von 8 mbar die Druckentlastungsklappen 2, vorzugsweise aus Aluminium, durch Klappenhalter 20, insbesondere als Flachstahl ausgebildet, an die Behälterwand 30. Zur Erreichung dieses Anpressdruckes werden die Klappenhalter 20 gegen die Behälterwand 30 vorgespannt. Dabei verformen sich die Klappenhalter 20 im elastischen Bereich.
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Bei einem kurzfristigen kleinen Überdruck verformt sich der Klappenhalter 20 im elastischen Bereich, die Druckentlastungsklappe 2 öffnet sich, wobei der Überdruck entweichen kann, der Klappenhalter 20 federt zurück und die Öffnung schließt sich wieder.
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Im Falle einer Staubexplosion öffnen sich die Druckentlastungsklappen 2 voll. Die Klappenhalter 20 verbiegen sich und wirken dabei als Scharnier. Nach der Explosion bleiben die Druckentlastungsklappen 2 offen stehen. Die Druckentlastungsvorrichtung 1 bricht oder reist nicht ab und ist somit unverlierbar an der Behälterwand 30 gehaltert.
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Obgleich die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckentlastungsvorrichtung
- 2
- Druckentlastungsklappe
- 3
- Versteifungsrippe
- 4
- Druckentlastungsklappeninnenseite
- 5
- Druckentlastungsklappenaußenseite
- 6
- Klappenmittelachse waagrecht
- 7
- Klappenzentrum
- 8
- Dichtung
- 10
- Klappenhalteraufnahme
- 11
- Gewindestange
- 12
- Vorspannfixierung
- 13
- Spannmutter
- 14
- Klappensicherung
- 15
- Sicherungsmutter
- 16
- Klappenhalteraufnahmemutter
- 20
- Klappenhalter
- 20a
- Vorgespannter Klappenhalter
- 20b
- Vorgespannter Klappenhalterverstärker
- 21
- Klappenhalteraufnahmeöffnung
- 23
- Klappenhalterlängsrichtung
- 24
- Befestigungsbohrloch
- 25
- Befestigungsschraube
- 26
- Befestigungsschraubenmutter
- 27
- Einspannstelle
- 28
- Hebelarm
- 29
- Unterlagsscheibe
- 30
- Behälterwand
- 31
- Behälterwandaußenseite
- 32
- Behälterwandinnenseite
- 33
- Druckentlastungsöffnung
