DE10260808B4 - Quenching - Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Quenching-Vorrichtung umfassend ein Quenchingrohr (12), wobei das Quenchingrohr (12) eine stirnseitige Eingangsseite, eine seitliche Wandung (9) und eine stirnseitige, der Eingangsseite gegenüberliegende Wandung (11) aufweist und wobei die Quenching-Vorrichtung an der Eingangsseite des Quenchingrohres (12) mit einer bei Auftreten eines Überdrucks ansprechenden Berstscheibe (10) ausgestattet ist sowie Öffnungen für den Durchtritt von Verbrennungs- und Expansionsgasen durch die seitliche Wandung (9) und durch die stirnseitige der Berstscheibe gegenüberliegende Wandung (11) des Quenchingrohrs (12) in einen Außenraum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Eingangsseite und der stirnseitigen Wandung (11) des Quenchingrohrs (12) mindestens eine Prallstruktur (13) angeordnet ist, die die Detonationsfront in einen radial nach außen strömenden Anteil (14) und einen auf die stirnseitige Wandung (11) zuströmenden Anteil (15) auftrennt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Quenching-Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
• Die DE 38 22 012 A1 beschreibt eine Quenching-Vorrichtung mit einem Quenchingrohr der eingangs genannten Art. Die Anmelderin hat umfangreiche Versuchsreihen angestellt mit dem Ziel, die Effizienz bei einer Quenching-Vorrichtung der zuvor genannten bekannten Art zu erhöhen. Bislang ließen sich mit derartigen Quenching-Vorrichtungen etwa Wirkungsgrade von maximal ca. 80% erreichen. Der Nachteil bei den bekannten Quenching-Vorrichtungen liegt darin, dass nach dem Zerbersten der Berstscheibe die in das Quenchingrohr einströmenden Explosionsflammen der Detonationsfront in dem Quenchingrohr überwiegend axial strömen und daher zunächst auf die stirnseitige der Berstscheibe gegenüberliegende Wandung auftreffen und durch deren Öffnungen ins Freie strömen. Die Detonationsfront gelangt hingegen weniger rasch durch die ebenfalls Öffnungen aufweisende seitliche Wandung des Quenchingrohrs. Wenn es sich beispielsweise um ein zylindrisches Quenchingrohr handelt ist der radiale Strömungsanteil der Detonationsfront langsamer als der axiale Strömungsanteil, bedingt durch den Eintritt der Detonationsfront am einen stirnseitigen Ende, dort wo sich die Berstscheibe befindet und bedingt durch die Geometrie des Quenchingrohrs. Dies führt dazu, dass in den ersten Momenten nach Ansprechen der Berstscheibe die zur Verfügung stehende Oberfläche der seitlichen Wandung des Quenchingrohrs mit deren Durchtrittsöffnungen für den erwünschten Abkühleffekt nicht ausreichend genutzt wird. Wenn man hier Abhilfe schafft, lässt sich der Wirkungsgrad eines solchen Quenchingrohrs erhöhen.
• Aus der Druckschrift DE 40 15 354 C2 ist eine Quenching-Vorrichtung bekannt, die ein ähnlich gestaltetes Quenchingrohr aufweist, durch welches ausströmende Expansions- und Verbrennungsgase austreten können. Aus der Druckschrift CH 521 534 ist ein Explosionsentlastungventil bekannt, welches jedoch kein Quenchingrohr umfasst.
• Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Quenching-Vorrichtung mit einem Quenchingrohr der eingangs genannten Gattung zu schaffen, welche eine größere Effizienz und einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist.
• Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine erfindungsgemäße Quenching-Vorrichtung der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Ausgehend von dem zuvor erwähnten Gedanken, dass die Detonationsfront die für das Ausströmen der Explosionsgase verfügbare Oberfläche nicht ausreichend nutzt, weil nicht alle Oberflächenbereiche der Innenseite des Quenchingrohrs gleichzeitig erreicht werden, hat die Anmelderin eine Quenching-Vorrichtung entwickelt, bei der innerhalb des Quenchingrohrs mindestens eine Prallstruktur angeordnet ist. Diese Prallstruktur führt dazu, dass sich die Detonationsfront, die in das Quenchingrohr eintritt, in einen radial nach außen strömenden Anteil und einen im Wesentlichen axial und/oder auf die stirnseitige der Eintrittsseite mit der Berstscheibe gegenüberliegende Wandung des Quenchingrohrs zuströmenden Anteil auftrennt. Dadurch erreicht die Detonationsfront rascher auch die seitliche Wandung des Quenchingrohrs und die gesamte verfügbare Oberfläche für den Austritt der Explosionsflammen/-gase wird in kürzerer Zeit verfügbar gemacht.
• Die Anmelderin hat weiterhin festgestellt, dass es dabei vorzugsweise so sein sollte, dass die Berstscheibe bei ihrem Aufprall auf die Prallstruktur nicht vollständig zerstört wird, da ansonsten Teile einer zerfetzten Berstscheibe sich unkontrolliert im Quenchingrohr bewegen und die Wandung des Quenchingrohrs zerstören können. Andererseits ist es für eine Optimierung des Wirkungsgrads einer solchen Quenching-Vorrichtung wichtig, dass die Berstscheibe so rasch wie möglich anspricht und sich möglichst rasch vollständig aus ihrer Verankerung löst. Nach den Erkenntnissen der Anmelderin sollte die Berstscheibe oder ein anderes Verschlusselement, welches sich dort befindet, jedenfalls rascher ansprechen, als bei den der Anmelderin bekannten üblichen Vorrichtungen dieser Art. Die Anmelderin hat festgestellt, dass sich dies vorzugsweise durch Befestigung der Berstscheibe mittels eines Knickstabs erreichen lässt. Bei Ansprechen der Berstscheibe knickt der Knickstab weg und gibt die Berstscheibe frei. Bei dieser Variante der Erfindung ist es nicht unbedingt notwendig, eine weitere Befestigung der Berstscheibe im äußeren Randbereich vorzusehen, eine solche Befestigung kann aber vorhanden sein falls erforderlich. Es kann also ausreichend sein, die Berstscheibe in ihrem äußeren Randbereich nur mit einer Dichtung gegenüber dem Quenchingrohr zu versehen und die Befestigung der Berstscheibe allein mittels eines Knickstabs vorzunehmen, welcher vorzugsweise einerseits etwa mittig an der Innenseite der konkav ausgebildeten Berstscheibe anliegt und andererseits am anderen Ende mit der Prallstruktur verbunden ist. Vorzugsweise hat ein solcher Knickstab zwischen der Berstscheibe und der Prallstruktur eine Sollknickstelle.
• Die Prallstruktur verläuft vorzugsweise mindestens teilweise etwa im mittigen Bereich des Quenchingrohrs, wobei sie sich durch den Mittelpunkt des Quenchingrohrs erstrecken kann. Die Prallstruktur kann sich bei einer erfindungsgemäßen Quenching-Vorrichtung radial in Querrichtung durch den Mittelpunkt erstrecken.
• Wenn in dieser Anmeldung von einer Berstscheibe die Rede ist, so muss dies nicht unbedingt eine Berstscheibe im eigentlichen Sinne sein, sondern vielmehr kann an die Stelle der Berstscheibe auch ein anderes Verschlusselement treten, welches beispielsweise einen Behälter im Normalfall verschließt, aber bei Auftreten eines Überdrucks anspricht, das heißt sich aus einer Verankerung löst und bei einer Detonation eine Expansion von Gasen und/oder Explosionsflammen aus dem Innenraum des Behälters heraus zulässt.
• Die Berstscheibe ist vorzugsweise bevor sie anspricht konkav zum Inneren des Quenchingrohrs hin gewölbt und trifft nach der Explosion auf die Prallstruktur auf und verfängt sich an dieser. Dies hat den Vorteil, dass dadurch ein unkontrolliertes Umherfliegen der Berstscheibe oder von Teilen der beim Aufprall zerstörten Berstscheibe Beschädigungen an der Wandung des Quenchingrohrs verursachen. Außerdem hat dies den weiteren Vorteil, dass nach Abschluss des Druckentlastungsvorgangs verhindert wird, dass die Berstscheibe in einen mit einer solchen Quenching-Vorrichtung versehenen Behälter zurückfällt. Die Berstscheibe verfängt sich also vorzugsweise an der Prallstruktur und verbleibt auch nach Abschluss des Druckentlastungsvorgangs an dieser, was man durch eine entsprechende gezielte Verformung der Berstscheibe an der Prallstruktur erreichen kann.
• Umfangreiche Untersuchungen an derartigen Quenchingrohren mit Berstscheiben haben zu der Erkenntnis geführt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Berstscheibe in irgendeiner Form strukturiert ist. Um zu verhindern, dass die Berstscheibe beim Auftreffen auf die Prallstruktur zerreißt, könnte man natürlich auch die Berstscheibe insgesamt mit einer größeren Materialstärke ausbilden. Dies hätte jedoch den Nachteil, dass dadurch die Masse der Berstscheibe zunehmen würde, was wiederum eine erhöhte Ansprechzeit der Berstscheibe zur Folge hätte. Wenn man andererseits die Berstscheibe zu dünn ausbildet, besteht die Gefahr, dass sie sich beim Auftreffen auf die Prallstruktur regelrecht zerknäult. Dies wäre keine gezielte Verformung, die ein Leiten der Explosionsflammen und Verbrennungsgase in gezielter Richtung ermöglichen würde. Die Berstscheibe ist also vorzugsweise strukturiert, um zu erreichen, dass sie sich beim Aufprall auf die Prallstruktur gezielt verformt. Eine solche Strukturierung kann man beispielsweise dadurch erreichen, dass man Bereiche mit geringerer Materialstärke und Bereiche mit höherer Materialstärke vorhersieht. Beispielsweise kann die Berstscheibe etwa fachwerkartige Verstärkungen aufweisen, die ähnlich wie bei einem Fachwerk im Bauwesen eine Art tragende Funktion übernehmen. Bei solchen fachwerkartigen Verstärkungen, die sich natürlich vorzugsweise über den Bereich erstrecken, in dem der Aufprall auf die Prallstruktur erfolgt, verhindert man das Zerreißen, beziehungsweise das Durchreißen oder die völlige Zerstörung der Berstscheibe in dem Aufprallbereich. Da die Berstscheibe vorzugsweise etwa in ihrem mittigen Bereich auf die Prallstruktur auftreffen wird, bietet es sich an, die Berstscheibe dort zu verstärken. Man kann beispielsweise etwa fachwerkartige Verstrebungen von einem mittigen Bereich der Berstscheibe etwa radial nach außen verlaufen lassen. Es ist fertigungstechnisch möglich, von einer Grundmaterialstärke ausgehend die Berstscheibe in diesen Bereichen zu verstärken. Man kann beispielsweise entsprechende Strukturen, die diese fachwerkartigen Verstärkungen bilden, auf eine Berstscheibe mit ansonsten geringer Materialstärke aufbringen. Man kann aber auch beispielsweise von einer vorgegebenen Materialstärke ausgehen und dann geschwächte Bereiche ausbilden, indem man dort Material abträgt, beispielsweise durch Weglasern des Materials, so dass dann verstärkte Bereiche mit der ursprünglichen Materialstärke übrig bleiben, die die genannten fachwerkartigen Verstärkungen bilden. Bei einer solchen Struktur der Berstscheibe erreicht man eine gezielte Verformung der Berstscheibe beim Auftreffen auf die Prallstruktur. Beispielsweise kann man die Berstscheibe so ausbilden, dass sie ausgehend von einer konkav gewölbten Ausgangsstruktur sich zunächst beim Ansprechen löst und dann beim Auftreffen auf die Prallstruktur quasi schirmartig umklappt und sich dabei gezielt so verformt, dass sie danach ein definiert geformtes Strömungshindernis bildet, welches die Explosionsflammen der Detonationsfront aufteilt in eine etwa radial nach außen gerichtete Strömung, die sich dann durch die Seitenwände des Quenchingrohrs entspannt und eine weitgehend axiale Strömung, die an der verformten Berstscheibe vorbeigeleitet wird, um sich dann durch Hindurchströmen durch die gegenüberliegende Stirnseite des Quenchingrohrs zu entspannen. Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung.
• Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen
• 1 einen Längsschnitt durch ein Quenchingrohr gemäß einer möglichen beispielhaften Variante der Erfindung,
• 2 eine Draufsicht auf eine Berstscheibe gemäß einem möglichen Ausführungsbeispiel.
• Zunächst wird auf 1 Bezug genommen. Das dort dargestellte Quenchingrohr ist insgesamt mit 12 bezeichnet und umfasst eine die eine Stirnseite, welche die Eingangsseite der Quenching-Vorrichtung bildet, im gewöhnlichen Fall verschließende Berstscheibe 10, die konkav nach innen hin gewölbt ist. Das Quenchingrohr 12 kann insgesamt etwa zylindrisch ausgebildet sein, mit einer zylindrischen Seitenwandung 9 und einer der Berstscheibe 10 gegenüberliegenden stirnseitigen Wandung 11, die einen Innenraum definieren, in den nach dem Zerplatzen und dem sich Loslösen der Berstscheibe 10 die Explosionsflammen und Verbrennungsgase einer Detonationsfront hineinströmen. 1 zeigt den ursprünglichen Zustand des Quenchingrohrs mit intakter Berstscheibe 10.
• Die Seitenwandung 9 und auch die gegenüberliegende stirnseitige Wandung 11 des Quenchingrohrs 12 weisen einen an sich bekannten mehrlagigen Aufbau auf aus beispielsweise mehreren wellenartig ausgeformten Schichten aus Metall und dazwischen befindlicher Stein- beziehungsweise Glaswolle oder andere Materialien mit vergleichbaren Filtereigenschaften, zum Beispiel Metallwolle oder ähnliches. In dieser mehrschichtig aufgebauten Seitenwandung 9 und in der gegenüberliegenden stirnseitigen Wandung 11 befinden sich siebartig angeordnete Löcher 14, 15, so dass ausströmende Expansions- und Verbrennungsgase durch diese Löcher hindurchströmen können und durch die dabei erzielte Entspannung eine Abkühlung entsteht. Es kann vorteilhaft sein, wenn von Schicht zu Schicht von innen nach außen die jeweils mittlere Größe der Öffnungen in der Wandung 9, 11 abnimmt. Dies hat den Vorteil, dass sich größere Partikel nicht gleich vor die Öffnungen der innersten Schicht setzen und diese verstopfen. Dabei wirken die Zwischenschichten aus Stein- oder Glaswolle, Metallwolle oder ähnlichen Materialien als Staubfilter, so dass die Stäube zurückgehalten werden, während die Explosionsflamme durch die Abkühlung erlischt. Die ausströmenden Expansionsgase werden abgekühlt auf ein ungefährliches Temperaturniveau, wenn sie in die Umgebung entlassen werden.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist nun etwa im mittigen Bereich eine sich durch das Quenchingrohr 12 erstreckende Prallstruktur 13 vorhanden. Die Prallstruktur 13 ist in 1 im Längsschnitt dargestellt. Es kann sich bei dieser Prallstruktur 13 beispielsweise um ein Joch oder um ein Flacheisen oder um eine pilzförmige Struktur handeln. Bei der Wahl der genauen Form der Prallstruktur 13 kommt es unter anderem auf die Form der Berstscheibe 10 an sowie auf das Material aus dem Berstscheibe 10 und Prallstruktur 13 bestehen. Außerdem können die Größe des Quenchingrohrs 12 und der jeweilige Anwendungszweck und die dabei auftretenden Explosionsdrücke und Volumina an zu entspannenden Gasen eine Rolle spielen ebenso wie die Form und die Ansprechzeit der jeweiligen Berstscheibe 10. Da es sich um relativ komplexe Faktoren handelt und es auch darauf ankommt, wie die Berstscheibe 10 beim Aufprall auf die Prallstruktur 13 gezielt verformt werden soll, sind entsprechende Versuche sinnvoll, um die optimale Form und Anordnung der Prallstruktur 13 sowie die Art der Strukturierung der Berstscheibe 10 zu ermitteln.
• Anhand solcher Versuche ist aber ein Fachmann ohne weiteres in der Lage, die Form der Prallstruktur 13 und der Berstscheibe 10 zu optimieren.
• In 1 ist in gestrichelter Darstellung die Berstscheibe 10 nach dem Ansprechen und Aufprallen auf die Prallstruktur 13 dargestellt und man erkennt gut, dass die ursprünglich konkav gewölbte Berstscheibe 10 sich etwa schirmartig verformt hat, da sie in ihrem mittleren Bereich auf die Prallstruktur 13 auftrifft und dann dort umklappt. Die Berstscheibe 10 verfängt sich dann an der Prallstruktur 13 und bildet nach der Verformung ein gezieltes Strömungshindernis, welches die Detonationsfront (siehe eingezeichnete Pfeile) so lenkt, dass ein Teil 14 radial durch die Seitenwandung 9 nach außen strömt und ein anderer Teil 15 an der verformten Berstscheibe vorbeiströmt und sich durch die gegenüberliegende stirnseitige Wandung 11 hindurch entspannt.
• Für die genannten Abläufe spielt auch die Art der Befestigung der Berstscheibe 10 eine Rolle. In 1 ist diese mittels eines Knickstabs 16 befestigt, der etwa mittig im Scheitelpunkt der konkav gewölbten Berstscheibe 10 anliegt und am anderen Ende an der Prallstruktur 13 endet. Zwischen diesen Befestigungspunkten hat der Knickstab 16 vorzugsweise eine Sollknickstelle 17. Die Berstscheibe 10 kann in ihrem umlaufenden Randbereich 18 gegebenenfalls zusätzlich an dem Quenchingrohr 12 befestigt sein oder aber dort lediglich über eine Dichtung abgedichtet sein, so dass sie in ihrem umlaufenden Randbereich frei liegt und nur von dem Knickstab 16 gehalten wird. Wenn nun im Falle einer Detonation ein Überdruck auftritt, der dem Ansprechdruck der Berstscheibe 10 entspricht, gibt der Knickstab 16 nach und knickt weg, so dass sich die Berstscheibe 10 aus ihrer Verankerung löst und mit hoher Geschwindigkeit sich in das Quenchingrohr 12 hineinbewegt, wo sie auf die Prallstruktur 13 aufprallt. An der Prallstruktur 13 verformt sich die Berstscheibe 10 und klappt schirmartig um, so dass sie die in 1 gestrichelt dargestellte verformte Position einnimmt. Durch die Strukturierung der Berstscheibe 10 mit vorzugsweise verstärkten mittigen Bereichen wird verhindert, dass die Berstscheibe beim Aufprallen auf die Prallstruktur 13 zerreißt. Vielmehr verfängt sie sich nur an der Prallstruktur 13, von der sie sich aufgrund ihrer Verformung nicht mehr ohne weiteres löst.
• Die Struktur einer solchen Berstscheibe kann beispielsweise so sein wie sie in 2 dargestellt ist. 2 zeigt in der Draufsicht eine etwa runde Berstscheibe 10, die verstärkte etwa fachwerkartige Bereiche 10a aufweist, die sich von der Mitte der Berstscheibe aus wie Arme radial nach außen erstrecken. Dazwischen liegen sektorartige dünnere Bereiche 10b, in denen die Materialstärke der Berstscheibe geringer ist. Durch die verstärkten fachwerkartigen Bereiche 10a bekommt die Berstscheibe 10 ihre Stabilität, die ein Zerreißen verhindert und die die gezielte gewünschte Verformung fördert. Die Berstscheibe 10 kann dadurch umklappen, wie dies in 1 erläutert wurde und hat aufgrund der dünneren Bereiche 10b eine vergleichsweise geringe Masse und daher eine kurze Ansprechzeit. Eine solche Struktur der Berstscheibe 10, wie sie in 2 dargestellt ist, kann man beispielsweise dadurch herstellen, dass man ausgehend von einer Ausgangsmaterialstärke, die den verstärkten Bereichen 10a entspricht, die geschwächten Bereiche 10b durch Weglasern oder dergleichen abträgt.

Claims (8)

1. Quenching-Vorrichtung umfassend ein Quenchingrohr (12), wobei das Quenchingrohr (12) eine stirnseitige Eingangsseite, eine seitliche Wandung (9) und eine stirnseitige, der Eingangsseite gegenüberliegende Wandung (11) aufweist und wobei die Quenching-Vorrichtung an der Eingangsseite des Quenchingrohres (12) mit einer bei Auftreten eines Überdrucks ansprechenden Berstscheibe (10) ausgestattet ist sowie Öffnungen für den Durchtritt von Verbrennungs- und Expansionsgasen durch die seitliche Wandung (9) und durch die stirnseitige der Berstscheibe gegenüberliegende Wandung (11) des Quenchingrohrs (12) in einen Außenraum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Eingangsseite und der stirnseitigen Wandung (11) des Quenchingrohrs (12) mindestens eine Prallstruktur (13) angeordnet ist, die die Detonationsfront in einen radial nach außen strömenden Anteil (14) und einen auf die stirnseitige Wandung (11) zuströmenden Anteil (15) auftrennt.
2. Quenching-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstscheibe (10) mittels eines Knickstabs (16) befestigt ist.
3. Quenching-Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Knickstab (16) zwischen der Berstscheibe (10) und der Prallstruktur (13) verläuft und eine Sollknickstelle (17) aufweist.
4. Quenching-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstscheibe (10) konkav zum Inneren des Quenchingrohrs (12) hin gewölbt ist.
5. Quenching-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstscheibe (10) in sich strukturiert ist mit fachwerkartigen Verstärkungen (10a).
6. Quenching-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstscheibe (10) fachwerkartige Verstärkungen (10a) und gegenüber diesen in der Materialstärke geschwächte Bereiche (10b) aufweist.
7. Quenching-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die fachwerkartigen Verstrebungen (10a) radial von einem mittigen Bereich nach außen verlaufen.
8. Quenching-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mittiger Bereich der Berstscheibe (10), mit dem diese nach ihrem Lösen im Explosionsfall auf die Prallstruktur (13) auftrifft, verstärkt ausgebildet ist.