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Absperrvorrichtung für Prozessleitungen, über die ein Lagerbehälter mit staubförmigen Materialien oder Explosivstoffen befüllbar ist.
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Die Erfindung betrifft eine Absperrvorrichtung für Prozessleitungen, die an einen Prozessbehälter angeschlossen ist, und über die der Lagerbehälter, etwa ein Silo, beispielsweise aus einem Transportwagen mit brennbaren, staubförmigen Materialien oder Explosivstoffen befüllbar ist.
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Staubexplosionen bei Siloanlagen, in denen brennbare, staubförmige Materialien oder Explosivstoffe eingelagert sind, werden in aller Regel mit pneumatischen Förderanlagen ausgestattet, um die Materialien einzufüllen oder abzuziehen. Dabei sind zündfähige Staub/Luft-Gemische nicht zu vermeiden. Bei einer Zündung erfolgt eine Staubexplosion, die sich dann auch über die angeschlossenen Leitungen der Fördereinrichtungen ausbreiten kann. Technische Regelwerke wie VDI 3673 (November 2002) ”Druckentlastung von Staubexplosionen” oder DIN EN 15089-2009 (Juli 2009) ”Explosions-Entkopplungssysteme” sowie DIN-Fachbericht 140 (Stand 2009-.03) ”Auslegung von Silo-Anlagen gegen Staubexplosionen” enthalten Hinweise zum Minimieren des durch Staubexplosionen gegeben Risikos.
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Solche Absperrvorrichtungen sollen im Falle einer Explosion im Lagerbehälter selbsttätig schließen, so dass weder Druckimpuls noch Flammenfront den an die Prozessleitung angeschlossenen Transportwagen erreichen und beschädigen kann. Bekannt ist dabei einen Druck- oder Flammensensor vorzusehen und von diesem angesteuert eine Absperrvorrichtung zu schließen, die in einer derartigen Entfernung vom Anschluss der Prozessleitung an den Lagerbehälter angeordnet ist, dass die Druckwelle oder die Flammenfront gerade diese Stelle nicht mehr erreichen kann. Dazu entnimmt der Fachmann der
DE 1 607 423 B , Drucksensoren im Zusammenwirken mit Einrichtungen zur Unterdrückung der Ausbreitung von Staubexplosionen einzusetzen und in Weiterbildung anstelle von Drucksensoren auch optische Sensoren zum Erkennen der Zündung eines Staub-Luftgemisches und damit zum Auslösen entgegenwirkender Maßnahmen vorzusehen. Der
US 5 018 585 entnimmt der Fachmann, dass auftretende Flammen einer Staubexplosion von einem Sensor erfasst werden, der in diesem Fall eine Schnellschluss-Einrichtung aktiviert, die so die Anlagenteile entkoppelt und eine Ausbreitung der Explosion unterbindet. Schließlich offenbart
DE 42 07 320 A1 eine staubexplosionsgeschützte Anlage mit einem Entkopplungssystem, das miteinander verbundene Rohrleitungen abschottend ein Ausbreiten von Druckwelle oder Flammenfront bei einer Staubexplosion unterbindet, so dass die Druckwelle einer Staubexplosion in der Anlagen die abgeschotteten Teile nicht erreichen kann. Diese Maßnahmen weisen Sensoren auf, deren Signale zur Aktivierung der Mittel zur Unterdrückung der Ausbreitung von Druckwelle und/oder Flammfront verarbeitet werden müssen und so zusätzlicher Mittel bedarf. Darüber hinaus setzen solche Maßnahmen voraus, dass die jeweiligen Fortpflanzungsgeschwindigkeiten bekannt sind, so dass die durch die schnellste dieser Geschwindigkeiten vorgegebene Stelle der Anordnung, bestimmbar ist. Wegen der Unsicherheit, die in den Geschwindigkeiten liegt, ist hier eine gewisse Unbestimmtheit unvermeidbar.
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Aus
DE 27 17 709 A1 ist bekannt, die Fortpflanzung der Druckwelle einer Explosion in der Prozessleitung eines pneumatischen Fördersystems für Fördergut in Form von rieselfähigem Schüttgut, Stäuben, fluidisierten Medien oder dergleichen mit geschlossener Leitungsführung dadurch zu unterbrechen, dass ein senkrechter Rohrabschnitt der Prozessleitung beidendig mit Verschlussorganen versehen ist, die periodisch wechselweise geschlossen bzw. geöffnet sind. Der Zwischenraum zwischen diesen beiden Verschlussorganen nimmt als Puffer Fördergut auf und gibt diese wieder ab, wodurch der Förderstrom regelmäßig unterbrochen ist. Diese Anordnung erlaubt keinen kontinuierlichen Förderbetrieb, sie ist nicht nur komplex im Aufbau, sondern bedarf auch höherer Überwachung im Betrieb, da bei laufender Förderung die Verschlussorgane ständig wechselweise öffnen und schließen und so erhöhtem Verschleiß unterliegen. Eine solche Anordnung ist durch die beiden Ventile komplex aufwendig und, da ständig eines der Ventile geschlossen ist – für einen kontinuierlichen Betrieb eines Fördersystems ungeeignet.
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Somit ergibt sich die Aufgabe, eine Abschlussanordnung anzugeben, bei der dieser Nachteil vermieden ist, die ohne zusätzliche Steuerungsmittel für kontinuierlichen Betrieb sicher einsetzbar ist, und die einfach und wirtschaftlich herstellbar ist.
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Bei der Absperrvorrichtung nach dieser Erfindung werden alle Sensoren und Übertragungsglieder vermieden, so dass allein Schwerkraft und Druckwelle für die Lage des die Prozessleitung verschließenden Ventilkopfdeckels bestimmt. Dieser ist im rohrförmigen Körper der auf dem Prozessbehälterdach möglichst senkrecht angeordneten Absperrvorrichtung auf einer pyramidenstumpfartigen, vorzugsweise konusförmigen Auslöseeinheit – im Folgenden mit Auslösekonus bezeichnet – so aufgelagert und von radialen Ventilführungen so geführt, dass er frei bewegbar ist. Dieser Auslösekonus unterteilt den Strömungsraum in einen inneren Teil, der durch einen Ventildeckel abgeschlossen ist, und einem äußeren Teil, der zur Prozessleitung führt. Bei einer Explosion, ob ohne oder mit Flammenfront, wird im Lagerbehälter eine Druckwelle erzeugt, die im inneren Teil auflaufend den Ventildeckel anhebt und gegen eine Dichtung im oberen Kopfdeckel des Ventils drückt und so den Übergang von dem äußeren Teil zur Prozessleitung verschließt. Dieser Verschluss der Prozessleitung dauert an, solange ein von der Druckwelle ausgelöster Überdruck ansteht. Danach öffnet die Absperrvorrichtung selbsttätig wieder, so dass die Prozessleitung wieder frei ist. Dabei wird die Masse des Ventildeckels möglichst gering gewählt, um durch die geringere Massenträgheit das rechtzeitige Schließen des Ventils zu gewährleisten.
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Die Druckwelle läuft vom Prozessbehälter ausgehend im Ringraum zwischen der inneren Wandung des rohrförmigen Körpers und der äußeren Wandung des Auslösekonus in Richtung der abgehenden Prozessleitung. Dabei wird die Druckwelle im rohrförmigen Körper mittels eines sich nach unten öffnenden Auslösekonus in einen inneren, den Ventildeckel direkt beaufschlagenden Teil und einen im Ringraum zwischen der inneren Wandung des rohrförmigen Körpers und der äußeren Wandung des Auslösekonus äußeren Teil, der die Prozessleitung direkt erreichen kann, aufgeteilt.
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Um dieses Auflaufen der Druckwelle im äußeren Teil zu bremsen, sind im rohrförmigen Körper der Absperrvorrichtung Strömungsschikanen zwischen diesem und dem Auslösekonus vorgesehen. Diese bestehen aus mindestens einem eingesetzten Ring, der den Ringspalt zwischen innerer Wandung des rohrförmigen Körpers und äußerer Wandung des Auslösekonus einengt. Dieser Ring ist dabei kegelabschnittartig so gestaltet, wobei der Öffnungswinkel des Kegels so gewählt ist, dass Staubablagerungen ”abrutschen” können. Die Anordnung mehrerer Ringe ist dabei wechselweise so, dass der eine Ring an der äußeren Wandung des Auslösekonus, der (in Laufrichtung der Druckwelle) nächste an der inneren Wandung des rohrförmigen Körpers ansitzt.
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Durch diese Strömungsschikanen wird der äußere Teil der auflaufenden Druckwelle so gebremst, dass auf jeden Fall der innere Teil der Druckwelle den Ventildeckel erreicht, bevor der äußere Teil am (dann noch offenen) Ventildeckel vorbei in die Prozessleitung gelangen kann.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Öffnungswinkel des Kegels mindestens 2° ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Größe der ringförmigen Strömungsfläche gewählt ist, dass das ringförmige Strömungsvolumen mindestens 10% des Volumens des Auslösekonus überschreitet.
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Das Wesen der Erfindung wird an Hand der 1 bis 4 näher erläutert; dabei zeigen
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1: Absperrvorrichtung auf Prozessbehälterdeckel (geschnitten),
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1a: Ventildeckel in Sperrstellung,
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2: Schnitt II-II durch Absperrvorrichtung nach 1 unter dem Ventilkopfdeckel,
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3: Schnitt III-III durch Absperrvorrichtung nach 1 über den Strömungsschikanen,
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4: Schnitt IV-IV durch Absperrvorrichtung nach 1 über den Auslösekonus-Haltestegen.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Absperrvorrichtung, aufgesetzt auf einen Prozessbehälterdeckel PBD und angeschlossen an eine Prozessleitung PZL. Diese Absperrvorrichtung weist einen den Prozessbehälterdeckel PBD durchdringenden zylindrischen Ventilkörper 1 auf, der die Strömungsverbindung zwischen dem Prozessbehälter PBD und der Prozessleitung PZL herstellt. Im Inneren des zylindrischen Ventilkörpers 1 mit einem Radius 2 ist konzentrisch ein Auslösekonus 6, der mit über den Umfang verteilten, an der inneren Wandung des zylindrischen Ventilkörper 1 ausgehenden radialen Auslösekonus-Haltestegen 7 gehalten ist. In der Darstellung der 4 ist deren Anordnung nahe dem prozessbehälterseitigen Ende des zylindrischen Ventilkörpers 1 dargestellt, ohne darauf beschränkt zu sein. Gleichfalls können auf weitere solche Auslösekonus-Haltestegen 7 in anderen Schnittebenen des zylindrischen Ventilkörpers 1 vorgesehen sein. Das kopfdeckelseitige Ende des zylindrischen Ventilkörpers 1 ist mit einem Ventilkopfdeckel 4 verschlossen, der das direkte oder indirekte Anflanschen einer Prozessleitung PZL gestattet.
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Auf das kopfdeckelseitige Ende des Auslösekonus 6 ist ein Ventildeckel 10 lose aufgesetzt, der mit seinem Deckelboden 11 auf dem kopfdeckelseitigen Ende des Auslösekonus 6 aufsitzt, wobei an den Deckelboden 11 ein zylinderringförmiger Ventilring 12 angeformt ist, der das kopfdeckelseitige Ende des Auslösekonus 6 überragt. Im Regelfall strömt das zu fördernde Gut von der Prozessleitung PZL über den Ventildeckel, durch den äußeren Ringraum in den Prozessbehälter PZB.
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Bei einem Auflaufen einer aus dem Prozessbehälter kommenden Druckwelle dringt die Druckwelle in das Innere des Auslösekonus 6 wie auch in den durchströmten Ringraum zwischen der inneren Wandung des zylindrischen Ventilkörpers 1 und der äußeren Wandung des Auslösekonus 6 ein. Der durch den Auslösekonus 6 auflaufende Teil einer solchen Druckwelle wirkt mit seiner kinetischen Energie auf den Ventildeckel 10 ein und hebt diesen so an, dass sich der Deckelboden 11 – wie in 1a gezeigt – gegen die auf der Innenseite des Ventilkopfdeckel 4 vorgesehenen Dichtungsring 4.1 anliegt und sperrt den Durchgang für den über den Ringraum zwischen der inneren Wandung des zylindrischen Ventilkörpers 1 und der äußeren Wandung des Auslösekonus 6 zum Ventilkopfdeckel 4 strömenden Prozessstrom mitgeführten brennbaren, staubförmigen Bestandteilen.
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Um ein sicheres Absperren zu erreichen ist es notwendig, den durch das Innere des Auslösekonus 6 laufenden Teil der Druckwelle zu beschleunigen und/oder den durch den Ringraum zwischen der inneren Wandung des zylindrischen Ventilkörpers 1 und der äußeren Wandung des Ringraum zwischen der inneren Wandung des zylindrischen Ventilkörpers 1 und der äußeren Wandung des Auslösekonus 6 laufenden Teil der Druckwelle zu verzögern. Dazu ist der Auslösekonus 6 so ausgebildet, dass sein unteres, prozessbehälterseitiges Ende einen größeren Querschnitt mit dem Radius 8.1 aufweist, als sein kopfdeckelseitigen Ende mit dem Radius 9.1. Bei einer solchen Ausbildung des Auslösekonus 6 als Kegelstumpf mit einem Öffnungswinkel von maximal 10° ändert sich auch der Strömungsquerschnitt des Ringraumes zwischen der inneren Wandung des zylindrischen Ventilkörpers 1 und der äußeren Wandung des Auslösekonus 6. Die Verringerung des Querschnittes des Auslösekonus 6 bedingt eine Beschleunigung des in den Auslösekonus 6 gelangenden Teiles der Druckwelle, während sich der Strömungsquerschnitt im Ringraum aufweitet und so eine Verzögerung der in diesem Strömungsweg gelangenden Teil der Druckwelle. Die Beschleunigung bewirkt im Zusammenwirken mit der Verzögerung eine Zeitdifferenz, die bei entsprechender Auswahl der Parameter ausreicht, um den Strömungsweg zu verschließen und ein Übertreten der Druckwelle in die Prozessleitung sicher zu verhindern.
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Vorteilhaft ist es, wenn im Ringraum zwischen dem zylindrischen Ventilkörper 1 und dem Auslösekonus 6 Strömungsschikanen 15, 17 vorgesehen sind. In einer Ausführungsform mit Strömungsschikane 15 außen werden diese als ringförmige Schrägstreifen an die innere Wandung des Ventilkörpers 1, bei einer anderen Ausführungsform mit Strömungsschikane 17 innen werden diese als ringförmige Schrägstreifen an die äußere Wandung des Auslösekonus 6 so angesetzt, dass die freien Ränder auf das prozessbehälterseitige Ende von Auslösekonus 6 bzw. von zylindrischen Ventilkörper 1 weisen. Solche Strömungsschikanen können auch – wie in 1 dargestellt – als Schikanen-Paar angesetzt werden. Es versteht sich von selbst, dass auch mehrere solcher Schikanen einzeln oder paarweise über die Länge des zylindrischen Ventilkörpers 1 vorgesehen werden können. Die Schrägstelle bewirkt neben den strömungstechnischen Wirkungen, dass Gefahren von Ablagerungen von brennbaren, staubförmigen Bestandteilen aus dem Prozess vermieden werden. Vorteilhaft engen diese Schikanen den Strömungsquerschnitt an den engsten Stellen um 25% bis 65% ein.
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Die 2 zeigt diese Verhältnisse für das kopfdeckelseitige Ende des Auslösekonus 6 im Schnitt II-II. Hier sind die an der inneren Wandung des zylindrischen Ventilkörpers 1 angesetzten Ventildeckel-Führungsstege 3 zu erkennen, die so gegen den Ventilring 12 gerichtet sind, dass dieser Ventilring 12 von diesen Ventildeckel-Führungsstegen 3 mit geringem, die freie Bewegung des Ventildeckels 10 zum Schließen der Absperrvorrichtung nicht behindernden Spiel sicher geführt ist. Die kopfdeckelseitige Querschnittsfläche des Ringraumes wird hier durch die Differenz von innerem Radius 2 des zylindrischen Ventilkörpers 1 und äußerem Radius 9.2 des Auslösekonus 6 bestimmt, die des Auslösekonus 6 von dessen inneren Radius 9.1. Vorteilhaft liegen diese Radien und damit die Querschnittsflächen so, dass die Größe der ringförmigen Strömungsfläche derart ist, dass das ringförmige Strömungsvolumen mindestens 10% des Volumens des Auslösekonus überschreitet.
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Schließlich zeigt 3 im Schnitt III-III die Höhe der Strömungsschikane. Zu erkennen sind der ringförmig geschnittene zylindrische Ventilkörper 1 sowie der ringförmig geschnittene Auslösekonus 6. Für die äußere Strömungsschikane 15 ist deren ringförmiger Schrägstreifen 15.1 an die innere Wandung des zylindrischen Ventilkörpers 1 zum Auslösekonus 6 hin weisend angesetzt und ragt mit seinem freien Rand in deren Ringraum, wobei dessen Abstand von der Außenwand des Auslösekonus 6 die Spaltweite 16 gibt. Für die innere Strömungsschikane 17 ist deren ringförmiger Schrägstreifen 17.1 an die Außenwandung des Auslösekonus 6 zum zylindrischen Ventilkörper 1 hin weisend angesetzt und ragt mit seinem freien Rand in deren Ringraum, wobei dessen Abstand von der Innenwand des zylindrischen Ventilkörpers 1 die Spaltweite 18 gibt.
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Die 4 zeigt in vereinfachter Darstellung die Querschnittsverhältnisse an einem Horizontalschnitt in Höhe des prozessbehälterseitigen Endes von Auslösekonus 6/zylindrischem Ventilkörper 1 im Schnitt IV-IV (1) mit seinem. durch den inneren Radius 2 des zylindrischen Ventilkörpers 1 (1a) und den äußeren Radius 8.2 des Auslösekonus 6 in einem Horizontalschnitt in Höhe des prozessbehälterseitigen Endes von Auslösekonus 6/zylindrischem Ventilkörper 1 begrenzten Strömungsringspalt. Die prozessbehälterseitige Querschnittsfläche dieses Ringraumes wird durch die Differenz von innerem Radius 2 des zylindrischen Ventilkörpers 1 und äußerem Radius 8.2 des Auslösekonus 6 bestimmt, wobei die Weite des Strömungsringspaltes mit 13 bezeichnet ist. Zu erkennen ist hier weiter auch die Halterung des Auslösekonus 6 im zylindrischen Ventilkörper 1 mittels der radial verlaufenden Haltestege 7. Diese Haltestege 7 können – wie dargestellt – einen Anstellwinkel aufweisen, wodurch ein Strömungsdrall erzeugt wird.
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Bezugszeichenliste
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- PBD
- Prozessbehälterdach
- PZL
- Prozessleitung
- 1
- Zylindrischer Ventilkörper
- 2
- Innenradius des zylindrischen Ventilkörpers
- 3
- Ventildeckel-Führungsstege
- 4
- Ventilkopfdeckel
- 4.1
- Dichtungsring
- 5
- Prozessleitung
- 6
- Auslösekonus
- 7
- Auslösekonus-Haltestege
- 8.1
- innerer Radius am Strömungseintritt
- 8.2
- äußerer Radius am Strömungseintritt
- 9.1
- innerer Radius am Strömungsaustritt
- 9.2
- äußerer Radius am Strömungsaustritt
- 10
- Ventildeckel
- 11
- Deckelboden
- 12
- Ventilring
- 13
- Weite prozessbehälterseitiger Ringspalt
- 14
- Weite kopfdeckelseitiger Ringspalt
- 15
- Strömungsschikane außen
- 15.1
- Schrägstreifen
- 16
- Spaltweite zwischen äußerer Wandung Auslösekonus und Kante der Strömungsschikane
- 17
- Strömungsschikane innen
- 17.1
- Schrägstreifen
- 18
- Spaltweite zwischen innerer Wandung Ventilkörper und Kante der Strömungsschikane
- 19
- Erdungsband
