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Druckentlastungsvorrichtung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Druckentlastung
von Behältern und sonstigen abgeschlossenen Räumen, welche explosionsfähige Gemische
enthalten können, bestehend aus wenigstens einem Sperrkörper, der im Explosionsfall
eine Öffnung definierter Größe des Behälters bzw. des Raumes freigibt.
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Aus der VDI-Richtlinie 3673 (Ausgabe 1977, BEUTH-Verlag Berlin, Köln)
sind beispielsweise Druckentlastungseinrichtungen für Behälter, die Stäube enthalten,
welche mit Luft explosionsfähige Gemische bilden können, bekannt. Hierbei wird im
Explosionsfall in der Behälterwandung eine Entlastungsöffnung freigegeben, deren
Größe von dem Benältervolumen, dem aufgrund der Festigkeit der Behälterwandungen
maximal zulässigen Innendruck und der Art des Staubes abhängt. Als treibende Kraft
zur Freigabe der Öffnungen wird hierbei die Druckdifferenz zwischen Innen- und Außendruck
eingesetzt.
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Die Entlastungsöffnungen in der Behälterwandung können durch Berstscheiben,
die üblicherweise mit Kerben oder anderen SoLlbruchstellen versehen sind und nur
eine einmalige Verwendung gestatten oder durch Explosionsklappen verschlossen sein.
Bei Berstscheiben besteht das Problem, daß insbesondere bei chemisch aggressiver
Innenatmosphäre das Werkstoffverhalten, zum Beispiel Kriechen, Verfestigung und
sonstige strukturelle Gefügeveränderungen nicht eindeutig vorhersehbar sind.
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Explosionsklappen bestehen beispielsweise aus einseitig mit Scharnieren
angelenkten Platten, welche unter Eigengewicht in den jeweiligen Schließstellungen
gebalten werden. Explosionsklappen oder ähnliche Konstruktionsformen haben gegenüber
Berstscheiben den Vorteil, daß nach Ablauf eines Explosionsvorganges ein Schließen
der jeweiligen Entlastungsoffnung in der Behälterwandung selbsttätig eingeleitet
wird und eine Wiederverwendung somit auch nach mehreren Explosionsvorgängen gegeben
ist. Diese Eigenschaft der Explosionsklappen ist besonders bei Behältern von Bedeutung,
in denen bei normalem Betriebszustand Unterdruck vorliegt und bei denen ein Eindringen
von Umgebungsluft bei auftretenden Explosionen in engen Grenzen gehalten werden
muß.
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Der bei Explosionsklappen im Innenraum des Behälters im Falle einer
Explosion auftretende maximale Innendruck wird
unter anderem wesentlich
beeinflußt durch den zeitlichen Ablauf des Öffnungsvorganges der Klappe. Hierbei
besteht das Problem, daß die Klappe einerseits eine Mindestfestigkeit, die im wesentlichen
durch den Betriebsdruck des Behälters bestimmt wird, nicht unterschreiten darf,
daß aber andererseits die Klappe zur Erzielung einer großen Anfangsbeschteunigung
eine möglichst geringe Masse haben sollte. Denn eine Erhöhung des Zeitverzuges zwischen
dem Auftreten einer Explosion im Behälter und der völligen Freigabe der Entlastungsöffnungen
aufgrund einer zu großen Masse der zu bewegenden Klappe ist ein den maximal auftretenden
Innendruck deutlich erhöhender Faktor. Es mul3 somit durch konstruktive Maßnahmen
das Beschleunigungsverhalten der Klappe diesen Anforderungen angepaßt werden. Eine
große Beschleunigung der Klappe erfordert aber geeignete Auffang- bzw. Abbremseinrichtungen,
welche stoßartige Beanspruchungen möglichst klein halten. Dies ist insbesondere
bei den aus der zitierten Literaturstelle bekannten federbelasteten Explosionsklappen
nicht der Fall. Hierbei wird zwar ein Anschlagen an Halte- bzw.
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Fangvorrichtungen während des Öffnungsvorganges vermieden - jedoch
erfolgt die Rückwärtsbewegung der Klappe unter der vereinten Wirkung von Eigengewicht
und der während des Öffnungsvorganges in den Federelementen gespeicherten potentiellen
Energie, welche während des Schließvorganges
in kinetische Energie
umgesetzt wird. Ein hartes Anschlagen an den Wandungen des Behälters läßt sich hierbei
praktisch nicht vermeiden. Bei den gewichtsbelasteten Explosionsklappen treten stoßartige
Beanspruchungen im wesentlichen während des Öffnungsvorganges auf, deren Größe von
dem Innendruck und der sich hierbei ergebenden Anfangsgeschwindigkeit abhängt.
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Mit diesen bekannten Explosionsklappen lassen sich somit die beim
Abfangvorgang auftretenden Stoß- und Rückwurfkräfte nicht sicher beherrschen, so
daß mit Beschädigungen der Klappe und/oder den Teilen der -Behälterwandung bzw.
von Auffangeinrichtungen gerechnet werden muß, an denen die Klappe anschlägt.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Druckentlastung
von Behältern und sonstigen abgeschlossenen Räumen zu schaffen, welche unter Vermeidung
der oben aufgeführten Nachteile eine große Anfangsbeschleunigung der Klappe sowie
ein sicheres, Auffangen und Rückführen der Klappe unter geringstmöglicher mechanischer
Beanspruchung gewährleistet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß der Sperrkörper mit einer Dämpfungseinrichtung in Wirkverbindung steht. Durch
die Dämpfung wird die dem Sperrkörper innewohnende kinetische Energie in Wärme
umgewandelt,
so daß diese Energie zum größten Teil nicht mehr für ein Zurückschlagen in Richtung
auf die Entlastungsbffnung hin zur Verfügung steht. Ein Schließen erfolgt somit
im wesentlichen nur noch unter dem Einfluß von auf den Schließvorgang abgestimmten
Kräften, z.B. dem Eigengewicht des Sperrkörpers.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Dämpfungseinrichtung
eine Staukammer auf, die mit Ausströmöffnungen versehen ist. Dabei sollte diese
Kammer im Verlauf der Bewegungsbahn des Sperrkörpers derart angeordnet sein, daß
sie nur in deren, dem die explosionsgef-ihrlichen Stäube enthaltenden Raum abgekehrten
Endbereich wirksam ist. Der Sperrkörper kann auf diese Weise weitestgehend ungehindert
durch Dämpfungskräfte. und unter größtmöglicher Beschleunigung öffnen, wodurch der
maximal in dem Raum auftretende Druck in Grenzen gehalten wird. In dem genannten
Endbereich hingegen erfährt der Sperrkörper durch Dämpfungskräfte eine rasche G.eschwindigkeitsreduzierung,
wobei, sobald dies die Druckverhältnisse in dem Raum erlauben, eine Richtungsumkehr
eingeleitet werden sollte. Die der Anfangsbeschleunigung aufgrund der Explosion
entgegengerichtete Beschleunigung bzw. Abbremsung im Wirkungsbereich der Dämpfungseinrichtung
wird dadurch erzeugt, daß.der Sperrkörper in die Staukammer eindringt,
hierbei
durch Kompression der in dieser enthaltenen Luft eine Druckerhöhung auslöst, wobei
dieser Druck wiederum durch die über die Ausströmöffnungen austretende Luft abgebaut
wird und wobei der zeitliche Ablauf des Druckabbaues über die Weite dieser Ausströmöffnungen
beeinflußt werden kann. Die bei gegebener Masse des Sperrkörpers sowie Anfangsbeschleunigung
erforderliche Größe der Ausströmöffnungen bei vorgegebenem Abbremsweg innerhalb
der Staukammer kann aufgrund der wechselseitigen Abhängigkeit dieser Systemgrößen
nach jedem einschlägigen Fachmann bekannten Methoden bzw. funktionellen Zusammenhängen
ermittelt werden.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung enthält die Staukammer
ein viskoses Dämpfungsmittel. Die Dämpfungskräfte können auf diese Weise anstatt
durch die Kompression eines Gases, z.B. Luft und dessen gesteuertes Abströmen auch
durch Verdrängung eines flüssigen Dämpfungsmittels erzeugt werden, das über die
Ausströmöffnungen abströmt. Zur Erzielung unterschiedlicher Bremswege können hierbei
sehr vorteilhaft Dämpfungsmittel von unterschiedlichster Viskosität eingesetzt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Ausströmöffnung
in der Weite einstellbar ausgebildet.
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Auch auf diese Weise kann der Abbremsweg innerhalb der Staukammer
variiert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird hierdurch anpaßbar an unterschiedliche
Arten von explosionsfähigen Gemischen, welche unterschiedliche Explosionsdrucke
mit sich bringen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die
Ausströmöffnungen mit Staueinrichtungen wie Lippen, Bürsten oder dergleichen ausgerüstet.
Auf diese Weise erfährt das während der Öffnungsbewegung aus der Staukammer entweichende
Dämpfungsmittel eine zusätzliche Drosselung, wodurch der zeitliche Druckverlauf
und damit ebenfalls der Bremsweg innerhalb der Staukammerbeeinflußt werden kann.
Die zitierten Lippen können sehr vorteilhaft derart ausgestaltet sein, daß sich
eine variable Abströmlänge ergibt. Auf diese Weise erfährt das Dämpfungsmittel eine
beeinflußbare Drosselung.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Staukammer
mit Rückschlagventilen ausgerüstet. Der die explosionsfähigen Gemische enthaltende
Raum sollte insbesondere dann, wenn in diesem ein Verfahren bei Unterdruck durchgeführt
wird, aber auch in allen übrigen Fällen, in denen ein Einbruch von Umgebungsluft
unerwünscht ist, nach Ablauf der Explosion auf schnellstmöglichem Wege wieder verschlossen
werden.
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Insbesondere wenn der Sperrkörper sich ausschließlich unter der Wirkung
des Eigengewichts wieder in die Scnließstellung bewegt, muß jedoch mit einem, durch
die
Dämpfungseinrichtung gebremsten Schließvorgang gerechnet werden.
Denn die erfindungsgemäßen Ausströmöffnungen sind entsprechend dem während der Öffnungsphase
zu erwartenden, bzw. erwünschten Druckaufbau dimensioniert und würden aufgrund der
während der Schließphase geänderten Druckverhältnisse nur ein verhältnismäßig langsames
Wiedereinströmen von Luft in die Staukammer zulassen. Aus diesen Gründen ist die
Staukammer zusätzlich mit Rückschlagventilen wie zum Beispiel Zungenventilen ausgerüstet,
welche während der Öffnungsphase geschlossen bleiben, aber während der Schließphase
sich unter der Wirkung einer Differenz zwischen dem Innendruck der Staukammer und
dem Außendruck öffnen. Auf diese Weise entwickelt die erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung
unterschiedliche Dämpfungskräfte während der Öffnungsphase einerseits und der Schließphase
andererseits, so daß ein rascber Schließvorgang gewährleistet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Staukammer mit
Federelementen ausgerüstet, welche in einem, durch das Ende der Öffnungsbewegung
charakterisierten Endbereich der Staukammer angeordnet sind. Auf diese Weise wird
dem Sperrkörper in der Staukammer im Bereich der Richtungsumkehr ein zusätzlicher
Impuls zur Beschleunigung des Schließvorganges erteilt.
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Die Federelemente haben primär jedoch lediglich die Aufgabe, den Schließvorgang
zu unterstützen und nicht die
Bewegung des Sperrkörpers während
der Öffnungsphase abzubremsen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den folgenden,
zeichnerisch dargestellten Ausfübrungsbeispielen. Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße
Vorrichtung mit geradliniger Bewegung des Sperrkörpers; Fig. 2 eine erfindungsgemäße
Vorrichtung mit schwenkbarem Sperrkörper; Mit 1 ist in Fig. 1 ein ein explosionsfähiges
Gemisch enthaltender Raum bezeichnet, von welchem nur ein kleiner Teil im Aufriß
dargestellt ist. Eine Wandung 2 des Raumes 1 ist mit einem Rohrstutzen 3 versehen,
auf welchem ein Zwischenroht 4 aufgesetzt ist. Der Querschnitt des Rohrstutzens
3 bildet eine Entlastungafläche 3 für den Raum 1.
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In dem Zwischenrohr 4 sind mehrere Halteelemente 5 angebracht, welche
in der Mitte dieses Zwischenrohres eine axiale Führung 6 für eine Stange 7 bilden.
An der Stange 7 befestigt ist ein Sperrkörper 8, der an seinem, dem Zwischenrohr
4 zugekehrten Ende einen Flansch 9 aufweist,
der zu einem Flansch
10 des Zwiscbenrohres korrespondiert.
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Der Sperrkörper 8 nat die Aufgabe, die Entlastungsöffnung 3' unter
regulären Druckvernältnissen in dem Raum 1 gegen uie Umgebung dicht abzuschließen.
In den Flanscn 10 ist ein Dichtungsring 11 eingelegt, wobei die erforderliche Anprekraft
durch das Eigengewicht des Sperrkörpers 8 erzeugt wird.
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Oberhalb des Sperrkörpers 8, durch mehrere Scützwinkel 12 an der Aufäenseite
des Zwischenrohres 4 befestigt, befindet sich eine Staukammer 13, welche in ihrem
oberen Bereich eine Bohrung aufweist, welche eine weitere axiale Führung 14 für
die Stange 7 bildet.
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Die Staukammer 13.ist in ihrer geometrischen Gestalt auf der Innenseite
der äußeren Form des Sperrkörpers 8 angepaßt und bildet eine erfindungsgemäe Dämpfungseinrichtung.
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Tritt in dem Raum 1 eine Explosion auf, wird der Sperrkörper 8 zulläcust
eine kurze Strecke dämpfungsfrei angehoben, so aafo durch die Entlastungsfläche
3' hindurcb Gase und Stäube zur Reduzierung des ExpLosionsdruckes in dem Raum 1
austreten können. Sobald der Sperrkörper s in die Staukammer 13 eintritt, werden
Dämpfungskräfte, aie eine rasche Abbremsung bervorrufen, wirksam. Die Außenmaße
des
Sperrkörpers und die Innenmaße der Staukammer sind hierbei so dimensioniert, daß
sich eine ringspaltartige Ausströmöffnung 15 von definierter Weite ergibt. Die Fläche
dieser Ausströmöffnung 15 und die durch das radiale Spiel der axialen Führung 14
definierte weitere Auströmöffnung 14', sind so bemessen, daß sich unter Berücksichtigung
der Aufwärtsbewegung des Sperrkörpers 8, insbesondere dessen Geschwindigkeit, dessen
Masse und dem in der Staukammer 9 zur Verfügung stehenden Abbremsweg ein bestimmter
zeitlicher Verlauf des Druckaufbaus bzw.
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-abbaus ergibt. Auf diese Weise strömt während der Öffnungsphase Luft
über die Ausströmöffnungen 14' und 15 ab. In der Zeichnung ist eine Position des
Sperrkörpers 8 während der Öffnungsbewegung in Richtung des Pfeiles 16 gestrichelt
dargestellt. Hieraus ist die Lage der ringspaltartigen Ausströmöffnung 15 ersichtlich,
durch welche während der Öffnungsbewegung Luft in Richtung der Pfeile 17 entweicht.
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Mit 18 und 19 sind in der Wandung der Staukammer 13 angeordnete Rückschlagventile
bezeichnet, welche während der Öffnungsphase geschlossen bleiben, hingegen während
der Scbliebewegung des Sperrkörpers 8 ein Einströmen von Luft ermöglichen und auf
diese Weise den Schließvorgang beschleunigen. Der Schließvorgang wird weiterhin
durch an der Innenseite des oberen Bereiches der Staukammer 13
angebrachte
Federelemente 20 und 21 beschleunigt, welche dem Sperrkörper hier einen zusätzlichen
Impuls zur Abwärtsbewegung, d.h. zur Schließbewegung verleihen, welcher zweckmäßigerweise
so bemessen werden sollte, daß mindestens die, sich der Abwärtsbewegung widersetzenden
Dämpfungskräfte überwunden werden. Die Ziffern 22 und 23 bezeichnen weitere, in
der Wandung der Staukammer 13 angeordnete Ausströmöffnungen, welche vorzugsweise
regelbar ausgestaltet sind.
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Zweckmäßig ist es, besonders im Hinblick auf ein ungehindertes Ausströmen,
die Auströmöffnungen im oberen Bereich des Stauraumes anzubringen. Von wesentlicher
Bedeutung ist in jedem Fall, daß die Ausströmquerschnitte derart beschaffen sind,
daß sich eine Abbremsung des Sperrkörpers unter geringstmöglicher mechanischer Beanspruchung
bis zum Stillstand ergibt, wobei anschließend, sobald es die Druckverhältnisse in
der Staukammer erlauben, eine Richtungsumkehr gegebenenfalls unter Zuhilfenahme
der erwähnten RückschLagventiLe 18 und 19 eingeleitet wird.
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In Fig. 2 bezeichnet 24 einen ein explosionsfähiges Gemisch enthaltenden
Raum, 25 eine Entlastungsöffnung, in der ein ebener Sperrkörper 26 angeordnet ist.
Der Sperrkörper 2b ist um eine Achse 27 schwenkbar gelagert.
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Eine Staukammer kb ist in ihrer Geometrie der bewegungsbahn des Sperrkörpers
2d, d.h. dessen Drehung um die Achse 27 angepaßt.
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Die Staukammer Zb bestrebt demzufolge aus einer im wesentlichen rechteckigen
Endwand 29, einer äußeren, zylindrischen Wand 30, sowie zwei Seitenwänden 31, von
denen in der Zeichnung eine erkennbar ist, welche jeweils die Gestalt eines Kreisausschnitts
haben.
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Die Staukammer 28 ist durch eine Reihe von Stäben 32 an der Wandung
33 des Raumes 24 befestigt. Die Ausmaße des Sperrkörpers 26 sind im Verhältnis zu
den Innenmaßen der Staukammer 28 derart bemessen, daß sich zwischen den Kanten des
Sperrkörpers und den Wandungen der Staukammer eine bestimmte Spaltweite ergibt.
Durch diese Spaltweite wird eine Ausströmöffnung 34 der Staukammer 6 definiert,
welche zwischen dem getrichelt dargestellten, sich in Richtung des Pfeiles 35 zur
Freigabe der Entlastungsöffnung 25 bewegenden Sperrkörper 26 und der zylindrischen
Wand 30 der Staukammer 28 zum Teil erkennbar ist und durch welche während der Öffnungsphase
Luft in Richtung der Pfeile 6 ausströmt.
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Mit 37 sind weitere in der Wandung der Staukammer 28 angebrachte Ausströmöffnungen
von vorzugsweise regelbarer Weite bezeichnet. Die Staukammer 28 ist darüberhinaus
mit
Rückschlagventilen 3b, deren Durchlaßrichtung durch den Pfeil
39 angedeutet ist, sowie Federelementen 40 ausgerüstet.
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Die Wirkungsweise der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
insbesondere der Rückschlagventile 38 und der Federelemente 40 entspricht im übrigen
derjenigen der unter Fig. 1 beschriebenen, so daß sich weitere Ausführungen hierzu
erübrigen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere auch für
Flammstrahlsperren, die üblicherweise nach langen Rohrleitungen vor Behältern, z.B.
Filtern eingesetzt werden.
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