DE102023114043A1

DE102023114043A1 - Überdruckschutzsystem für das Abfüllen von tiefkalten Gasen oder Flüssigkeiten und Betriebsweise dafür

Info

Publication number: DE102023114043A1
Application number: DE102023114043.4A
Authority: DE
Inventors: Miguel José Correia De Sousa Neiva; Ricardo Manuel Paiva Santos; José Gabriel Rocha Goncalves Jacinto
Original assignee: Vinco Valvulas S A; Vinco Valvulas SA
Current assignee: Vinco Valvulas S A; Vinco Valvulas SA
Priority date: 2022-05-31
Filing date: 2023-05-29
Publication date: 2023-11-30
Also published as: GB2620263A; PT118020A; GB202308039D0; FR3136829A1

Abstract

Es geht um eine Vorrichtung zum Schutz gegen Überdruck beim Abfüllen von tiefkalten Gasen oder Flüssigkeiten, um das Umfüllen von tiefkalten Gasen oder Flüssigkeiten zwischen einer Zisterne und einem Tiefkühltank sicherer und effizienter zu machen. Die Vorrichtung ist mit einem Schutzsystem ausgestattet, das aus einem kältetechnischen Kugelventil (1), einem Vorsteuerventil (4), einem Sicherheitsventil und zwei Nadelventileinheiten (6) sowie einem Druckmesser (7) besteht. Die Erfindung arbeitet autonom, d. h. sie ist nicht auf ein externes elektrisches, pneumatisches oder hydraulisches System angewiesen, wodurch die Sicherheit gegen eine mögliche Selbstentzündung oder andere Gefahren maximiert wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Überdruckschutzvorrichtung ist eine komplette Einheit, die entwickelt wurde, um die Überbefüllung von Behältern (meist Tieftemperaturbehältern) während der Füllphase zu verhindern, indem die Leitung bei Erreichen eines bestimmten Drucks mithilfe rein mechanischer Energie automatisch geschlossen wird. Bei der Befüllung eines Behälters mit Flüssiggas über einen Versorgungstank ist es beispielsweise sehr wichtig, eine Überbefüllung zu vermeiden, die zu gefährlichen Situationen wie dem Bersten des Behälters führen könnte.
Dieses System gilt als Sicherheitseinrichtung der Kategorie PED IV gemäß den Bestimmungen der europäischen Richtlinie 2014/68/EU.
Stand der Technik
Es gibt ein System auf dem Markt, das einen Überdruckschutz bewirkt, allerdings bei Linearventilen. Es basiert auf der Verwendung eines Sicherheitsventils, das bei Betätigung einen Auslöser freigibt, der eine lineare Feder im Ventil auslöst, wodurch die Durchflussleitung geschlossen wird.
Die bestehende Lösung ist auf Linearventile, wie z. B. Durchgangsventile, anwendbar. Im Gegensatz dazu ist der Lösungsgegenstand der Erfindung auf 90°-Ventile, wie z.B. Schwimmerkugelventile, anwendbar.
Die erfindungsgemäße Lösung bietet wesentliche Vorteile gegenüber der bestehenden Lösung:

1. in Bezug auf Durchfluss/Druckabfall: Die bestehenden Ventiltypen weisen eine Geometrie auf, die einen erheblichen Druckabfall verursacht, wodurch die Durchflusskapazität verringert und die Zeit zum Füllen der Behälter verlängert wird; die Erfindung hingegen verwendet einen Ventiltyp, der die Leitung kaum beeinträchtigt, da sein Inneres einem einfachen Rohr ähnelt und hohe Durchflussraten bei geringem Druckabfall ermöglicht. Dies ist ein großer Vorteil für die Verkürzung der Befüllungszeit der Behälter;
2. des Weiteren sind die bestehenden Lösungen nicht mit einer Sekundärleitung zur Druckentlastung ausgestattet, im Gegensatz zur Erfindung, die eine Sekundärleitung vorsieht, um einen Überdruck aufgrund von thermischer Ausdehnung von Fluid zu verhindern, das nach einem automatischen Schließen des Schutzsystems zwischen dem Ventil und dem Tank eingeschlossen sein kann;
3. was das Wiederfreigabesystem angeht, ist die derzeitige Lösung komplex, da sie an das Sicherheitsventil gekoppelt werden muss, um den Innendruck abzulassen und es wieder in die offene Position zu bringen. Im Gegensatz dazu wird bei der Erfindung der Innendruck des Zylinders durch Öffnen des Nadelventils der Auslassleitung abgelassen. Das System wird mit einem Hauptschlüssel durch Drehen der Mittelachse des Ventils um 90°, Öffnen des Ventils und Vorspannen des Federrückstellantriebs wieder freigegeben;
4. was fehlerhaftes Öffnen und Vibration angeht, weist die derzeitige Lösung ein hohes Maß an Anfälligkeit auf, während die Erfindung über ein mechanisch stabiles Auslösesystem verfügt und die Sicherheitsstellung nur durch Druckbeaufschlagung des einfachwirkenden Zylinders über das Vorsteuerventil erreichbar ist;
5. in Bezug auf die Dichtheit gewährleisten Kugelventile wie das erfindungsgemäße eine bessere Dichtheit als Durchgangsventile. Dies liegt daran, dass die Kugel mit Druck gegen die Sitze gedrückt wird, wodurch eine bessere Dichtheit erreicht wird;
6. während im gegenwärtigen Stand der Technik ein Sicherheitsventil als Drucksensor verwendet wird, weist die Erfindung ein Vorsteuerventil auf;
7. was schließlich die Drucküberwachung betrifft, so ist die Erfindung mit Manometern zur Überwachung des Drucks während des Füllvorgangs ausgestattet.

Darüber hinaus handelt es sich bei der Erfindung um eine völlig autonome Vorrichtung, die nicht auf ein externes elektrisches, pneumatisches oder hydraulisches System angewiesen ist, um die Sicherheit gegen eine mögliche Selbstentzündung oder andere Gefahren zu maximieren.
Beschreibung der Figuren

1 zeigt im Frontalschnitt die Füllvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Schutzsystem, wobei neben dem Gehäuse (13) das Tieftemperatur-Kugelventil (1), das Vorsteuerventil (4), das Nadelventil (6) und zwei Manometer (7), von denen eines vor und eines nach dem Vorsteuerventil angeordnet ist, das Hydraulikrohr der Sekundärleitung (11) und das Entlastungsrohr (12) zu sehen sind;
2 zeigt im Seitenschnitt die Befüllvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Schutzsystem, wobei neben dem Gehäuse (13) das Tieftemperatur-Kugelventil (1), der Federrückstellantrieb (2), das Sicherheitsventil (5) und der Anschlussträger (10), das Hydraulikrohr der Sekundärleitung (11) und das Entlastungsrohr (12) hervorgehoben sind;
3 zeigt in perspektivischer Darstellung das Tieftemperaturventil (1), das Vorsteuerventil (4), das Nadelventil (6), das Manometer (7) neben dem Vorsteuerventil, den Anschlussträger (10) und die Entlastungsleitung (12) sowie das Gehäuse (13);
4 zeigt in Seitenansicht und im Schnitt den Federrückstellantrieb (2), der mit einem einfachwirkenden Zylinder (3) und einem Auslöser (9) ausgestattet ist;
5 zeigt im Schnitt die Drehachse (8) im Innern des Federrückstellantriebs (2) und den Anschlussträger (10), wobei der Auslöser (9) und der einfachwirkende Zylinder (3) zu sehen sind;
6 zeigt in Schnitt und Perspektive - und detaillierter - das Innere des Anschlussträgers (10), wobei der Auslöser (9) und der einfachwirkende Zylinder (3) zu sehen sind;
7 zeigt im Detail das Tieftemperatur-Kugelventil (1);
8 zeigt im Detail den Federrückstellantrieb (2);
9 zeigt im Detail und perspektivisch den einfachwirkenden Zylinder und den Auslöser (9);
10 zeigt im Detail und perspektivisch das Vorsteuerventil (4);
11 zeigt im Detail und perspektivisch das Sicherheitsventil (5);
12 zeigt im Detail und perspektivisch das Nadelventil (6);
13 zeigt in einem Flussdiagramm die Anordnung (A) des erfindungsgemäßen Schutzsystems in einer Befüllsituation, wobei das Tieftemperatur-Kugelventil (1) und das Sicherheitsventil (5), die Zisterne (14) und der Tieftemperaturbehälter (15) zu sehen sind;
14 zeigt in einem Flussdiagramm das erfindungsgemäße Schutzsystem, wobei die Positionierung des Tieftemperatur-Kugelventils (1), des Federrückstellantriebs (2) und des Vorsteuerventils (4), der beiden Nadelventileinheiten (6) und der beiden Manometereinheiten (7), von denen eine vor und die andere nach dem Vorsteuerventil (4) angeordnet ist, zu sehen ist.

Beschreibung der Erfindung
Das System besteht aus den folgenden Komponenten, die im Instrumenten- und Rohrleitungsschema definiert sind:

- das Tieftemperatur-Kugelventil (1), das zum Befüllen des Tanks und zur Steuerung des Öffnungs- und Schließvorgangs der Leitung dient (13);
- der Federrückstellantrieb (2), der in der Federrückstellfunktion verwendet wird und Energie speichert, um das Ventil in einer Sicherheitsposition mechanisch zu schließen, wenn der Abzug (9) losgelassen wird. Die Wiederfreigabe des Systems erfolgt über einen Hauptschlüssel, so dass nur befugte Personen diese Aufgabe wahrnehmen können;
- der einfachwirkende Zylinder (3), der für die Auslösefunktion (9) verwendet wird und mit dem Vorsteuerventil (4) und dem Auslöser (9) verbunden ist. Wenn der Zylinder einfährt, wird der unter Spannung stehende Auslösemechanismus (9) freigegeben, wodurch der Federrückstellantrieb (2) aktiviert wird;
- das Vorsteuerventil (4), das zur Aktivierung des einfachwirkenden Zylinders (3) dient, wenn der Sicherheitsdruck erreicht ist. Dieses Ventil ist zwischen der Befüllleitung und der Kammer des einfachwirkenden Zylinders (3) angeschlossen;
- das Sicherheitsventil (5), das dazu dient, nach dem Notschließen eventuell zwischen dem Ventil und dem Tieftemperaturbehälter (15) eingeschlossenes Fluid freizugeben, um ein Bersten aufgrund einer drucksteigernden Phasenänderung des Fluids zu verhindern. Dieses Ventil ist mit dem Ventilgehäuse verbunden;
- zwei Nadelventileinheiten (6), die für die Steuerung des Öffnens und Schließens von zwei verschiedenen Leitungen verwendet werden. Eines ist zwischen dem Vorsteuerventil (4) und dem einfachwirkenden Zylinder (3) angeordnet und normalerweise geschlossen. Wenn sich das Vorsteuerventil (4) öffnet, wird die Kammer des einfachwirkenden Zylinders (3) unter Druck gesetzt. Um das System wieder zu aktivieren, muss der Druck in diesem Zylinder über das Nadelventil (6) abgelassen werden, wodurch die Stellung des einfachwirkenden Zylinders (3) wieder zurückgestellt wird. Das andere normalerweise geschlossene Nadelventil (3) öffnet eine Sekundärleitung für die Durchführung von Funktionstests. Das Tieftemperatur-Kugelventil (1) verbindet das Beschickungssystem des Versorgungstanks (14) mit dem zu befüllenden Tieftemperaturbehälter (15);
- der Federrückstellantrieb (2) wird durch den Auslöser (9) aktiviert und bewirkt, dass das Tieftemperatur-Kugelventil (1) betätigt wird, wenn der Auslöser betätigt wird;
- der mit dem Auslöser (9) verbundene einfachwirkende Zylinder (3) empfängt das Drucksignal vom Vorsteuerventil (4);
- das Vorsteuerventil ist stromabwärts angeschlossen, um das Drucksignal vom Tieftemperaturbehälter (15) zu empfangen, und steht in Verbindung mit dem einfachwirkenden Zylinder (3);
- das Sicherheitsventil ist stromabwärts an das Gehäuse des Tieftemperatur-Kugelventils (1) angeschlossen;
- das Nadelventil (6) der Prüfleitung ist mit einem Prüfanschluss und dem Vorsteuerventil (4) verbunden. Ein weiteres Nadelventil (6) ist mit dem Vorsteuerventil (4) und dem einfachwirkenden Zylinder verbunden.

Die Scharfschaltung des Systems erfolgt manuell über einen Schlüsselhebel, der die Federn des Federrückstellantriebs (2) mit potenzieller Kraft vorspannt. Am Ende seines Hubs durchdringt der Auslöser (9) das Endstück des einfachwirkenden Zylinders (3), der federrückgestellt ist, um den Auslöser passieren zu lassen. Der Auslöser (9) verriegelt den Federrückstellantrieb (2) in dieser Stellung.
Das Öffnen des Systems erfolgt, wenn der einfachwirkende Zylinder (3) aufgrund von Erreichen des voreingestellten Eingangsdrucks (z. B. 2 bar) in seiner Kammer zurückweicht.
Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung ist völlig autonom und hängt nicht von einem externen elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen System ab. Auf diese Weise wird die Sicherheit gegen eine mögliche Selbstentzündung oder andere Gefahren maximiert.
Beschreibung der Sicherheitsfunktion
Das Überdruckschutzsystem wird in geöffneter Stellung zwischen dem Versorgungstank (14) und dem zu befüllenden Tieftemperaturbehälter (15) installiert.
Das Sicherheitssystem wirkt nur im Falle einer Überbefüllung und zwingt das Tieftemperatur-Kugelventil (1), die Leitung zu schließen;
Der Versorgungstank (14) versorgt den Tieftemperaturbehälter (15), und sowohl das Vorsteuerventil (4) als auch das Sicherheitsventil (5) stehen unter Druck.
Im Falle einer Überbefüllung, d. h. eines Überdrucks, öffnet sich das Vorsteuerventil (4) und lässt den Überdruck ab, wodurch sich die Kammer des einfachwirkenden Zylinders (3) mit Gas füllt;
Durch diesen Vorgang wird der Kolben des Zylinders in Bewegung gesetzt, wodurch der Auslöser (9) freigegeben wird, wodurch der Federrückstellantrieb (2) dazu veranlasst wird, das Ventil in die geschlossene Stellung zu drehen und den Befüllvorgang zu beenden.
Die Vorrichtung kann mit einem speziellen Schlüssel manuell wieder aktiviert werden, wodurch das Ventil in die offene Position gebracht und das System vorgespannt wird.
Eine mit dem Sicherheitsventil (5) verbundene zweite Leitung dient dazu, zwischen dem Tieftemperaturbehälter (15) und dem Tieftemperatur-Kugelventil (1) eingeschlossenes Fluid abzulassen, falls es zu einer Wärmeausdehnung kommt.
Die Vorrichtung wird an den Tank (14) angeschlossen und die Befüllung des Tieftemperaturbehälters (15) wird gestartet.
Kommt es zu einer Überbefüllung/einem Überdruck (durch Ablenkung des Bedieners oder anderweitig), wird der Richtwert von 2 bar erreicht.
Das Vorsteuerventil (4) ist auf den Richtwert von 2 bar kalibriert und öffnet sich, so dass der einfachwirkende Zylinder (3) befüllt werden kann.
Der einfachwirkende Zylinder (3) weicht zurück, und der Federrückstellantrieb (2) wird freigegeben und zwingt das Tieftemperaturventil (1) zum Schließen, wodurch der Befüllvorgang beendet wird.
Sobald das Problem behoben ist, kann die Vorrichtung zurückgesetzt und die Befüllung des nächsten Tieftemperaturbehälters (15) wieder aufgenommen werden.
In der stromabwärts gelegenen Leitung kann Restfluid in den Rohren zurückbleiben. Die Entlastungsleitung kann sich im Falle des Verdampfens der tiefkalten Flüssigkeit ausdehnen und zu einem Bersten führen. Um dies zu vermeiden, baut ein Sicherheitsventil (5), das auf 4 bar kalibriert ist, einen eventuell auftretenden Überdruck ab.
Im Falle eines allgemeinen Versagens bersten die Scheiben des Tieftemperaturbehälters und machen ihn unbrauchbar.

Claims

Überdruckschutzvorrichtung für die Befüllung mit tiefkaltem Gas oder Flüssigkeit und Betriebsverfahren, gekennzeichnet durch ein Tieftemperatur-Kugelventil (1), das im Zufuhrsystem zwischen dem Versorgungstank (14) und dem Tieftemperaturbehälter (15) angeordnet ist, einen Federrückstellantrieb (2), der Energie zum Schließen des Ventils speichert, einen einfachwirkenden Zylinder (3), der mit dem Vorsteuerventil (4) und dem Auslöser (9) verbunden ist, ein Vorsteuerventil (4) zur Aktivierung des einfachwirkenden Zylinders (3), ein Sicherheitsventil (5) zur Druckentlastung und zwei Nadelventileinheiten (6), von denen eine zwischen dem Vorsteuerventil (4) und dem einfachwirkenden Zylinder (3) und die andere in einer sekundären Druckentlastungsleitung angeordnet ist.
Verwendung der Überdruckschutzvorrichtung für die Befüllung mit tiefkaltem Gas oder Flüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schritte oder Verfahren vorgesehen sind, a) das Versorgungssystem des Versorgungstanks (14) mit dem zu befüllenden Tieftemperaturbehälter (15) über das Tieftemperatur-Kugelventil (1) zu verbinden, b) das Tieftemperatur-Kugelventil (1) zu betätigen, wenn der Auslöser (9) des Federrückstellantriebs (2) betätigt wird, c) das Drucksignal vom Vorsteuerventil (4) durch den mit dem Auslöser (9) verbundenen einfachwirkenden Zylinder (3) zu empfangen, d) das Vorsteuerventil (4), das stromabwärts angeschlossen ist, um das Drucksignal vom Tieftemperaturbehälter (12) zu empfangen, kommuniziert mit dem einfachwirkenden Zylinder (3), e) das Sicherheitsventil (5) ist stromabwärts mit dem Gehäuse des Tieftemperatur-Kugelventils (1) verbunden, f) das Nadelventil (6) der Prüfleitung ist mit einem Prüfanschluss und dem Vorsteuerventil (4) verbunden, und das andere Nadelventil (6) ist mit dem Vorsteuerventil (4) und dem einfachwirkenden Zylinder (3) verbunden, (g) die Vorrichtung wird an den Versorgungstank (14) angeschlossen und das Befüllen des Tieftemperaturbehälters (15) wird gestartet.
Verwendung der Überdruckschutzvorrichtung für die Befüllung mit tiefkaltem Gas oder Flüssigkeit nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Sicherheitsfunktion umfasst, die als Verfahren berücksichtigt: a) die Notwendigkeit, dass die Schutzvorrichtung in geöffneter Stellung zwischen dem Versorgungstank (14) und dem zu befüllenden Kryotank (15) installiert sein muss, b) dass die Sicherungsfunktion der Schutzvorrichtung nur im Falle einer Überbefüllung greift, wobei in diesem Fall das Tieftemperatur-Kugelventil (1) gezwungen wird, die Leitung zu schließen, c) dass der Versorgungstank (11) gefüllt ist und das Vorsteuerventil (4) und das Sicherheitsventil (5) druckbeaufschlagt sind, d) dass sich im Falle einer Überbefüllung (Überdruck) das Vorsteuerventil (4) öffnet und den Überdruck ablässt, wodurch die Befüllung der Kammer des einfachwirkenden Zylinders (3) mit Gas eingeleitet wird, e) dass das Füllen der Kammer des Zylinders mit Gas den Kolben des einfachwirkenden Zylinders (3) zwingt, sich zu bewegen, wodurch der Auslöser (9) freigegeben wird und der Federrückstellantrieb (2) veranlasst wird, das Ventil in die geschlossene Position zu drehen, wodurch der Befüllungsvorgang angehalten wird, f) dass die Vorrichtung manuell zurückgesetzt werden kann, indem das Ventil in die offene Position gebracht und die Vorrichtung vorgespannt wird, g) dass es eine zweite Leitung gibt, die mit dem Sicherheitsventil (5) verbunden ist und dazu dient, zwischen dem Tieftemperaturbehälter (15) und dem Tieftemperatur-Kugelventil (1) eingeschlossenes Fluid im Falle einer Wärmeausdehnung freizusetzen.
Überdruckschutzvorrichtung für die Befüllung mit tiefkaltem Gas oder Flüssigkeit oder Betriebsverfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass kein externes elektrisches, pneumatisches oder hydraulisches System verwendet ist.