DE2103366A1 - Überfüllsicherung für geschlossene Flüssigkeitsbehälter - Google Patents

Description

• Überfüllsicherung für geschlossene Flüssigkeitsbehälter Die Erfindung bezieht sich auf überfüllsicherungen für geschloasene Flüssigkeitsbehälter, wie sie vor allem in der Getränke-industrie, bei Brauereien, Fruchtsaftbetrieben, Weinkeilerein u.dgl. zur Anwendung kommen.
• Bein Befüllen von Tanks bzw. Behältern mit Flüssigkeiten mUssen verschiedene Widerstände überwunden werden. Diese Widerstände sind hauptsächlichen bedingt durch Rohrleitungs-widerstände, Höhenunterschiede der Gebäude und Anlagen, den veränderlichen iiöhenunteruchied innerhalb des Tanks während des Füllvorgangs und einen eventl. Gegendruck im Tank.
• Da diese Widerstände (Gesamtgegendruck) innerhalb einer Gesamtanlage stark schwanken, ist die Förderpumpe in ihrem Druckvermögen auf den maximal erforderlichen Förderdruck ausgelegt. Liegt dieser Förderdruck über dem Berstdruck der Tanks, ist die Gefahr der Zerstörung der BehAlter bei Überfüllung gegeben, da aus Wirtschaftlichkeitsgründen die Zufuhrung der Flüssigkeit mit solcher Geschwindigkeit erfolgt, daß die am Tank selbst vornandenen Uberdruckventile o.dgl., die in der Hegel nur den im Gasbereich auftretenden Uberdruck absichern, keinen hinreichenden Druckausgleich herbeiführen können.
• Um den abzuhelfen, wurden gesonderte Überfüllsicherungen entwickelt, die unmittelbar an die Fülleitung angeschaltet werden und so große Auslaßquerschnitte steuern, daß auch bei ungUnstigen Umständen die gesamte zugeführte Flüssigkeitsmenge aL-geleitet werden kann.
• Die einfachste Form einer solchen Überfüllsicherung oe3itzt eine der Auslaßöffnung vorgeschaltete Berstsicherung in Form einer dünnen Platte, die auf einen vorgegebenen Druck geeicht ist und zerbricht, sobald dieser Druck überschritten wird. inmal ist es aber schwierig, eine Platte derart exkt zu bemcßsen und zu gestalten, daß sie tatsächlich bei dem vorgegebenen Druck so weit zerbricht, um hinreichenden Auslaßquerschnitt freizugeben. Solche Berstplatten sind daher verhältnismäßig teuer und zum anderen können auch diese Platten nur für einen einzigen überdruckwert ausgelegt werden. Jeden. Behälter ist daher eine individuell ausgestaltete Berstsicherung zuzuordnen. bein bruch einer solchen Platte strömt die Flüssigkeit in der Hegel ins Freie, und es besteht die Gefahr, daß beirr£ Auswechaeln Derstplatten mit unterschiedlicher ßruchlast zum Einsatz gebracht werden.
• Aus diesem Grunde kommen meist mit einem gesonderten Auslaßanschluß versehene Uberströmventile zur Anwendung, deren Ventilelement entweder durch ein Hebelgewicht oder eine Schrauben-Druckfeder belastet sind. Dabei haben gewichtabelastete Ventile beim öffnungsvorgang die geringsten Belastungsänderungen, Andererseits sind sie verhältnismäßig sperrig und erfordern eine genaue Lageausrichtung, so daß sie durchweg rest am Behälter angebaut werden müssen.
• überströmventile mit Schraubendruckfedern sind dagegen handlicher und lagerunempfindlich. Ihre Federkennlinie kann jedoch naturgemäß nur recht steil ausgelegt werden, d.h. ihr Öffnungiweg ist sehr abhängig von der augenblicklichen Druckbelastung, die volle Öffnung kann nur bei einem beachtliehen Uberdruck erzielt werden. Außerdem zeigen solche Ventiele ein starkes Schwingungsverhalten, 80 daß daß Ventilelement ständig in Bewegung ist und oftmals kräftig auf aen Ventilsitz geschlagen und beschädigt wird.
• Zudem haben die bekannten gewichts- und federbelasteten Überströmventile den Nachteil, daß ihre Vorbelastung oder Linstellung nur mittelbar in Beziehung zum zulässigen Behälterdruck steht und ihre Einstellungen nicht ohne weiteres ermittelt werden können, ihre Grundkonzeption also mit zusätzlichen Sicherheitsfaktoren belastet ist.
• Die erfindung betrifft somit eine Überfüllsicherung für geschlossene Flüssigkeitsbehälter, mit einem an eine Fülleitung angeschlossenen Überströmventil, dessen Ventilelement durch ein federndes Mittel vorgespannt ist und einen Auslaßanschluß steuert.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Überfüllsicherung 50 zu gestalten, daß bei lageunempfindlichem einbau nach Erreichen des vorgegebenen Ansprechdruckes mbglichst unverzüglich der volle Auslaßquerschnitt freigegeben und bei kompaktem Gesamtaufbau größtmögliche Ansprechsicherheit erzielt wird.
• Dies geschieht erfindungsgenLäß vor allem dadurch, daß das Ventilelement durch einen verschiebbaren Kolben gebildet und durch eine Gasdruckfeder belastet wird, deren Ausgangsdruck in Schließstellung dem zulässigen Behälterdruck angepaßt und deren Volumen vielfach größer ist als ihr Verformungßvolumen bis zum vollen Öffnen des Ventils.
• einer steht das Verdrängungsvolumen weitgehend in direktem Verhältnis zum hubvolumen des Kolbens. Durch entsprechende Bemessung der Gasdruckfeder kann dann die Federkennlienie nahezu bebei liebig flach gestaltet werden, 80 daß sich das VentiVnur geringfügigem überschreiten des Einstelldruckes praktisch augenblicklich voll öffnet. zur diese Funktion ist die Einbaulage grundsätzlich ohne Bedeutung, und der durch ein Manometer anzuzeigende Druck der Gasdruckfeder läßt stets one weiteres ufer: Ansprechdruck erkennen. Man kann daher jederzeit überprüfen, ob dieser Ansprechdruck unterhalb des zulässigen Behälterdruckes liegt. Wenigstens wenn verschiedene Behälter mit gleichem Grenzdruck zu bedienen sind, kann die überfüllsicherung an der Fülleitung verbleiben. Ihr Auslaßanschluß kann auch ständig mit einer überlaufschlauch o.dgl. verbunden sein, so daß beim Ansprechen des Ventils keine Flüssigkeit verlorengeht. Selbst wenn Behälter mit unterschiedlichen Prüfdrücken zu bedienen sind, kann der Gasaruck schnell durch ein ohnehin vorzusehendes Luftventil angepaßt werden, ohne daß es irgendwelcher Poebeeinstellungen bedarf.
• Eine hinreichend flache Federkennlinie läßt sich beispielsweise erzielen, wenn das Ausgangsvolurnen der Gasdruck feder wenigstens zehnfach, insbesondere fünfzehn- bis zwanzigfach größer ist als das Verformungsvolumen.
• Vom Kolben we£ kann rückseitig ein Druckstempel in eine -eschlossene Gasdruckkammer vorragen, deren lichter Querschnitt mehrfach größer ist als der Stempelquerschnitt. Im Prinzip genügt es, wenn die Rückseite des Kolbens direkt oder indirekt mit der Gasdruckkammer in Verbindung ist und deren tatsächliches Volumen ändern kann, d.h. die Kolbenführung bzw. der Kolbenzylinder kann unwittelbar zur Gasdruckkammer hin geöfflc-t wenn den. In diesem Fall ist allerdings das Kammervolumen direkt nach dem Verdrängungsvolumen des Kolbens zu bemessen und kann verhältnisrräßig groß werden, wenn eine besonders flache Federkennlinie gewünscht wird.
• Eine kompaktere bauart läßt sic dadurch erzielen, daß der Ventilkolben mit dem Stempel einen Differentialkolben bildet und einen n.ehrfach, insbesondere drei- bis fünffach größeren querschnitt als der Stempel hat. Das Verdrängungsvolumen des Stempels und damit das Veformungsvolumen der Gasdruckreder wird dann entsprechend kleiner. Im gleichen Verhältnis steigt daegen der in der Gasdruckkammer herrschende Kffektivdruck, beispielsweise ist er etwa vierfach größer als der zulässige Behälterdruck.
• Die Ausführung als Differentialkolben ermöglicht zu dem eine Dämpfung der Federungswirkung in dem der sich an den Ventilkolben anschließende, den Stempel umgebende ringraum Uber eine Drosselöffnung mit der Umgebungsluft in Verbindung gebracht wird.
• Beispielsweise kann in der oder einer Drosselöffnung ein itUckschlagventil vorgesehen sein, das den Einlaßquerschnitt stärker begrenzt als den auslaßquerschnitt. Dies läßt sich meist auf verhältnismäßig einfache Weise dadurch erreichen, daß in einen; den Ringraum begrenzendem Gehäuseteil, vorzugsweise einem diesen zur Gasdruckkammer hin abschließenden Deckel, eine Stufenbohrung mit einer Ventilkugel angeordnet wird, die ggf. aunh durch eine kleine Andruckfeder belastet sein kann, um beliebige Einbaulagen zu ermöglichen.
• Stets läßt sich dabei ein verhältnismäßig großer Auslaßquerschnitt freigeben, so daß die Öffnungsbewegung des Ventils weitgehend ungehindert erfolgen kann, wlthrend der Einlaßdweg mehr oder weniger stark gedrosselt wird, damit sich der Ventilkolben nur langsam zurückbewegt und nicht auf den Ventilsitz aufschlagen und Schwingungen des stömenden Mediums und damit Druckschwingungen im Behäl@er erzeugen kann.
• In der Regel dürfte der Stempel gegenüber der Gasdruckkammer durch Hingdichtungen wie 0-Ringe o.dgl. abgedichtet sein. Bei Überdrücken unter 1 kp/cm2 kann es jedoch vorteilhaft sein, dort eine volle membran einzusetzpn, um möglichst große Ansprechempfindlichkeit zu erzielen.
• Schließlich wird erfindungsgemäß noch vorgeschlagen, mit einem an der Gasdruckkammer vorgesehenen Manometer den Behälterdruck direkt anzuzeigen, vorzugsweise zwei Skalen vorzusehen, die im Verhältnis der Querschnitte von Ventilkolben und Stempel geeicht sind, einmal also den in der Kaiimer effektiv wirkenden Druck und zum andern den damit verhältnisgleichen Behälterdruck anzeigen.
• Die Zeichnung gibt die Erfindung beispielsweise wieder. Es zeigen Fig. 1 in räumlicher Darstellung einen möglichen Anschluß einer Überfüllsicherung an einen zu füllenden chälter, Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Uberfüllsicherung und Fig. 3 eine Abwandlung zur Ausführung nach Fig. 2.
• Der nur teilweise in Fig. 1 gezeigte behälter 1 besitzt an seiner Unterseite einen einzigen Füll- und Auslaßkrünimer 2, an welchem fest ein Absperrventil 3 angebaut ist, dessen Zweigstutzen 4 durch eine Überwurfmutter oder ein lihnliclies lösbare Kupplungsmittel 5 mit einer Füll- oder Auslaßleitung verbunden werden kann.
• Der hier mit 6 bezeichnete Anschlußschlauch ist Uber eine ochaulaterne 7, ein weiteres Absperrventil 8 und ein T-förmiges Rohrstück 9 bei 5 angeschlossen. Aur dem meist nach oben ragenden Zweigstutzen 10 von 9 ist die allgemein mit 11 bezeichnete überfüllsicherung angebracht, die einen Auslaßstutzen 12 besitzt, an dem wiederum ein zu einem Auffanggefäß geführter Schlauch 13 angeachlossen sein kann.
• Die Teile 6 bis 13 bilden eine zusammenhängende Baugruppe, die bei 5 wahlweise an den einen oder anderen einer Anzahl von BehAltern angeschlossen werden kann.
• Wie vor allem Fig. 2 erkennen läßt, ist Hauptbestandteil der überfüllsicherung eine Zylinderbuchse 13, in deren unteres lande ein Ventilsitzring 14 eingeschraubt ist, der durch eine Uberwurfmutter 15 am Zweigstutzen 10 festgelegt wird.
• Die Innenfläche 16 der Zylinderbuchse ist feinbearbeitet und dient zur Führung eines Kolbens 17, der an seinem unteren kegelförmigen Ende einen eingelassenen Dichtungs- 0 - Ring 18 trägt, der an der ebenfalls kegelförmig ausgebildeten Ventilsitafläche anliegt. Der Zweigstutzen 12 ist so an der Zylinderbuchse angeformt, daß er etwa unter 600 zu deren Achse schräg nach oben ab steht und die zu steuernde Auslaßöffnung 20 in der gezeigten schließstellung von der Kolben-Mantelfläche nur um etwa 1 bis 3 nim überdeckt wird. Lin im oberen Kolbenbereich eingelassener O-Ring 21 ist dagegen auch in der Schließstellung nech in einen Abstand von ca. 5 mm von der Auslaßöffnung 20 gehalten, gleitet also nur an der sonst ununterbrochenen Lauffläche 16.
• An der Oberseite des Kolbens 17 ist zentrisch ein zylindrischer Stempel 22 befestigt oder angeformt, der den halben Durchmesser des Kolbens 17 hat. Das Querschnittsverhältnis der beiden Kolben wird dann zu d1 = 4. Dieser Stempel durchragt, mittels eines O-Ringes 23 abgedichtet, einen Ringdeckel 24, der durch eine Überwurfmutter 25 auf der Zylinderbuchse befestigt und von unten an den Innenflansch 26 einer zylindrischen Druckkammer 27 bei 28 angeechraubt ist. Die.Abdichtung zwischen 24 und 27 besorgt wiederum ein O-Ring 29.
• Der Druck in der Kammer 27 kann durch ein Luftventil 30 geändert werden und wird an einem i4anometer 31 angezeigt, das eine äußere Skala 32 und eine innere Skala 33 besitzt. Die äußere Skala zeigt dabei den tatsächlich in der Kammer herrschenden Druck, während die innere Skala 33 dem Querschnittsverhältnis F1/F2 entsprechend einen vierfach kleineren Wert anzeiet.
• Im Ringdeckel 24 ist noch eine Stufenbohrung 34 angebracht, die eine Ventilkugel 35 aufnimmt und bei 36 nach seitlich außen geöffnet ist. Sorern die Überfüllsicherung auch unter stärkerer Neigung zur Lotrechten eingebaut werden soll, kann die Kugel durch eine kleine nicht gezeigte Feder belastet werden. Sie gibt jedenfalls den Auslaßweg aus dem Ringraum 37 zwischen 22 und 16 bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens 17 weitgehend frei, so daß diese Bewegung im wesentlichen ungedämpft erfolgen kann.
• Bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens in Richtung auf den Ventilsitz wird die Stufenbohrung jedoch wenigstens annähernd abgeschlossen, so daß die Luft nur zwischen 13 und 25 einströmen kann. Um diese Dämpfung nicht zu stark von der Art und Weise abhängig zu machen, in welcher die Uberwurfmutter 25 angebracht ist, kann auch eine gesonderte feine Bohrung vorgesehen werden, die ständig geöffnet bleibt.
• Es sei angenommen, daß der Tank 1 mit einer C02-Vorspannung von 0,8 kp/cm² gefüllt werden soll und der zulässige Höchstbetriebs-Überdruck 1,0 kp/cm² beträgt. Damit bei diesem Grenzdruck die auf den Kolben wirkenden Kräfte im Gleichgewicht sind, muß in der Kammer 27 ein vierfach größerer Druck von 3,6 kp/cm2 herrschen, der bei 32 angezeigt wird. An der Skala 33 ist dagegen direkt der im Behälter 1 vorgesehene zulässige Betriebs-Überdruck von 0>9 kp/cmZ ablesbar.
• Der lichte Durchme@sser der Kammer 27 ist etwa dreimal größer als der des Stempels 22, die lichte Höhe etwa 70% großer als der Hub bis zum vollständigen öffnen der Fläche 20. Das gesamte Kammervolumen ist damit etwa fünfzehnmal größer als das beim öffnen des Ventils durch den Stempel 22 in der Kammer verdrängte Volumen. Dadurch wird die Federkennlinie der als Rückstellorgan wirkenden Gasfeder so flach, daß die Rückstellkraft bis zum vollständigen öffnen des Ventils nur um 7% größer wird als die anfängliche Vorspannungskraft. Selbst wenn sich statische Verhältnisse einstellen wurden, die ein ständiges Offenhalten des Ventils erfordern würden, dann könnte der Druck in der Kammer ebenso wie der Druck im Behälter nur um 7 ß steigen d.h. der Behälterdruck würde maximal 0,95 kp/cm2 erreichen. Da der Auslaßquerschnitt dem Zuführquerschnitt entsprechend groß gewählt ist, kann auf diene Weise die ganze zugeführte FlUssigkeitsmenge abgeleitet werden, ohne daß eine Beschädigungsgefahr für den Behälter entsteht. Schon bei geringen Uberschreitungen des vorgegebenen Grenzdruckes öffnet das Ventil so schnell und so weit, daß Druckschwankungen aus dem Behälter und auch aus der Leitung nahezu völlig ferngehalten werden können, zumal die Rückstellung durch die vorhandene Dämpfung nahezu beliebig langsam, erfolgen kann.
• ile hier zunächst vorgesehene Gleitdichtung 23 bringt nur geringe Verluste und vergrößert den Ansprechbereich bei den Ublichen zulässigen Drücken von 0,8 bis 2 kp/cm2 nur unwesentlich.
• Sofern Jedoch der Behälterdruck noch kleiner gehalten werden soll, empfiehlt sich die Verwendung einer Rollmembran 38 nach Fig. 3.
• Der verstärkte Rand 39 der Rollmembran ist dabei zwischen benachbarten Flanschen des Kammergehäuses 27' und des Ringdeckels 24' eingespannt. In der Mitte ist sie durch eine Flanschscheibe 40 am gerundeten Ende des Stempels 22' befestigt, dieser ist mit solchem Umfangsspiel 41 zur Bohrung des Deckels 27' angeordnet, daß die Membrane in diesem UmtangsspiQl frei abrollen kann.
• Eine Rollmembran kann im Prinzip auch benutst werden, wenn der Kolben unmittelbar auf die Gasdruckfeder einwirken 8011. Eine Überfüllaicherung mit direkter Einwirkung kann auch möglicherweise billiger erstellt werden als die vordiskutierte Differentialkolbenausführung. Sie errordert aber nicht nur mehr Platz, sondern wird auch bedeutend schwerer, was vor allem beim Umsetzen zwischen verschiedenen Tanks hinderlich ist. Sofern jedoch mehrere Tanks mit unterschiedlichen Betriebidrücken bedient werden sollen, kann es auch von Vorteil sein, eine weitere Druckkammer mit hochgespannter Druckluft vorzusehen, um ohne Anschließen gesonderter Druckluftschläuche den Jeweiligen Kammerdruck schnell dem zulässigen Behälterdruck anpassen zu können.

Claims (9)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Überfüllsicherung für geschlossene Flüssigkeitsbehälter mit einem an eine Fülleitung angeschlossenen Überströmventil, dessen Ventilelement durch ein federndes Mittel vorgespannt ist und einen auslaßanschluß steuer, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement durch einen verschiebbaren Kolben (17) gebildet und durch eine Gasdrukfeder (27) belastet ist, deren ausgangsdruk in Schließstellung dem zulässigen Behälterdruck angepaßt und deren Volumen vielfach größer ist als ihr Verformungsvolumen bis zur vollen öffnen (20) des Ventils.

2. Überfüllsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsvolumen der Gasdruckfeder (27) wenigstens zehnfach, insbesondere fünfzeh- bis zwanzigfach größer ist la sihr Verformungsvolumen.

3. Überfüllsicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g.ekennzeichnet, daß vo Kolben (17) rückseitig ein Druckstempel (22) in eine geschlossene Gasdruckkammer (27) vorragt, deren leichter Querschnitt mehrfach großer ist als der Stempelquerschnitt.

4. Überfüllsicherung nach Anspruch 3, dadurch gekennselchnet, daß der Ventiklkolben (@7) mit dem Stempel (22) einen Differentialkolben bildet und einen mehrfach, insbesondere drei- bis fünffach größeren Querschnitt hat als der Stempel.

5. Überfüllsicherung nach Anspruch 4, dadurch geklennzeichnet, daB der sich n den V.ntilkolben (17) anschließende, den Stempel (22) umgebende Ringraum (37) über eine Drosselöffnung (34) mit der Umgebungsluft in Verbindung ist.

6. Überfüllsicherung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein in der Drosselöffnung (34) vorgesehenes Rückschlagventil (35), das den Einlaßquerschnitt stärker begrenzt als den Auslaßquerschnitt.

7. Überfüllsicherung nach Auspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einem den Ringraum (37) begrenzenden Gehäuseteil, vorzugsweise einem diesen zur Gasdruckkammer hin abschließenden Deckel (24), eine Stutenbohrung (34) mit einer Ventilkugel (35) anbetracht ist.

8. Überfüllsicherung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (22) gegenüber der Gasdruckkammer (27') durch eine Rollmembran (38) abgedichtet ist.

9. Überfüllsicherung nach Anspruch 4, dadurch gekennzelchnet, daß die Gasdruckkammer (27) mit einem Manometer (31) verbunden ist, das direkt den Behälterdruck anzeigt, vorzugsweise zwei Skalen (32,33) aufweist, die im Verhältnis der Querschnitte von Ventilkolben (17) und Stempel (22) gewicht sind.