DE3936172A1 - Brandsicherheitsventil fuer druckbehaelter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brandsicherheitsventil für Druckbehälter, als Ergänzung eines an diesem angeordneten Überdruckventils.

Üblicherweise werden alle unter Druck stehenden Behälter mit Überdruckventilen abgesichert, welche einen Druckaufbau über den zulässigen Wert hinaus verhindern. Zu derartig abgesicherten Druckbehältern gehören beispielsweise Druckflaschen für technische Gase, hydraulische Druckspeicher in der Industrie- und Mobilhydraulik, Flüssiggastanks, Propangasflaschen oder ähnliche Gasbehälter. Bei den herkömmlichen Überdruckventilen wird das Ventil von einer vorgespannten Feder gegen einen Ventilsitz gepreßt, während der Behälterdruck der Federkraft der Feder entgegenwirkt. Die Federsteife und Vorspannkraft der Feder ist so ausgelegt, daß bei Erreichen des unter Berücksichtigung der Festigkeit des Behälters zulässigen Höchstdruckes das Überdruckventil kurz öffnet und so ein Teil des Behälterinhalts entweichen läßt. Das Überdruckventil bleibt so lange geöffnet, bis der zulässige Höchstdruck wieder unterschritten ist. Unter normalen Betriebsbedingungen wird eine Überlastung und damit ein Bersten des Behälters wirksam verhindert.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei starker Wärmeeinwirkung auf den Behälter, beispielsweise im Brandfall, die herkömmlichen Überdruckventile keinen zufriedenstellenden Druckabbau bewirken. Dies hat hauptsächlich zwei verschiedene Ursachen: Zum einen versucht das Überdruckventil den Druck im Behälter möglichst konstant in der Nähe des Einstellwertes (z. B. 200 bar) zu halten, zum anderen nimmt die Festigkeit des Behälterwerkstoffes unter der Wärmeeinwirkung stark ab. Da die Warmfestigkeit des Behälterwerkstoffes in der Regel bedeutend geringer als die bei Normaltemperatur ist, würde somit ein herkömmliches Überdruckventil im Brandfall keinen ausreichenden Berstschutz bieten, weil es nun auf den, Normaltemperaturen zulässigen Höchstdruck ausgelegt ist. Um eine Explosionsgefahr trotzdem zu vermeiden, wurden üblicherweise sehr teure Stähle mit hoher Warmfestigkeit verwendet und die Behälter stark überdimensioniert. Die Verwendung von Aluminiumbehältern oder dünnwandigen mit Kohlefasern umwickelten Aluminium- oder Stahlbehältern war gemäß dem Stand der Tecknik daher insbesondere bei Brandgefahr nicht möglich.

Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, ein gattungsgemäßes durch Wärme aktiviertes Brandsicherheitsventil zum schnellen Abbauen des Drucks in einem Druckbehälter bei unzulässig hohen Temperaturen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein gegen einen ersten Ventilsitz vorgespanntes erstes Ventil, welches den Druckbehälter bei Normaltemperatur abdichtet, ein Sensor/Stellglied in Form eines mit einer dampfentwickelnden Flüssigkeit gefüllten Dehnungsbehälters, der von einem gegen einen zweiten Ventilsitz vorgespannten, den Maximaldruck des Dehnungsbehälters regelnden zweiten Ventil abgedichtet wird, und einen am Dehnungsbehälter ausgebildeten Stoßbolzen, der bei durch Übertemperatur herrschender Dehnung das erste Ventil gegen dessen Vorspannkraft öffnet.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung besteht der Dehnungsbehälter im wesentlichen aus einem Metallfaltenbalg, einem den Stoßbolzen tragenden unteren Deckel und einem den zweiten Ventilsitz tragenden oberen Deckel. Es sind jedoch auch andere Dehnungsbehälter denkbar. So könnte der Dehnungsbehälter beispielsweise aus einer Kolben-Zylinder-Einheit bestehen oder eine Membran aufweisen.

Vorteilhaft ist der untere Deckel des Dehnungsbehälters zusätzlich mit den Hub des Dehnungsbehälters begrenzenden Anschlägen versehen. Die Anschläge stoßen in vollständig gedehntem Zustand des Dehnungsbehälters und damit bei vollständig geöffnetem ersten Ventil gegen den Ventilkörper an. Damit bleibt immer gewährleistet, daß zwischen dem Ventilkörper und dem unteren Deckel des Strömungsbehälters ein ausreichend breiter Spalt verbleibt, durch welchen der Inhalt des Druckbehälters entweichen kann. Außerdem wird durch die Anschläge vermieden, daß der Stoßbolzen, das erste Ventil und dessen Vorspannfeder mit einer höheren Kraft als zum vollständigen Öffnen erforderlich beaufschlagt wird.

Die Erfindung kann vorteilhaft so weitergebildet sein, daß der obere Deckel des Dehnungsbehälters zusätzlich mit einem oberen Rohrstutzen mit Außengewinde versehen ist, auf welchen ein Gewindedeckel mit einer zentralen Bohrung aufgeschraubt ist, durch welche der Ventilschaft des zweiten Ventils geführt ist. Dabei kann sich das zweite Ventil zusammen mit seiner Vorspannfeder, die sich an dem Gewindedeckel abstützt, innerhalb des oberen Rohrstutzens befinden. Die Federsteife und Vorpannkraft der Vorspannfeder des zweiten Ventils ist dabei vorzugsweise so ausgelegt, daß das zweite Ventil öffnet, wenn die zum vollständigen Öffnen des ersten Ventils erforderliche Kraft um 20% überschritten ist. Damit ist gewährleistet, daß der untere Deckel des Dehnungsbehälters im Brandfall stets mit seinem Anschlag gegen den Ventilkörper gepreßt verbleibt, da bei Überschreiten des zum Öffnen des zweiten Ventils erforderlichen Dehnungsbehälterdrucks das zweite Ventil jeweils kurzzeitig öffnet und der Druck sich so in Intervallen abbaut. Dabei herrscht jedoch in dem Dehnungsbehälter stets ein so hoher Druck und damit eine derart hohe Kraft auf den Stoßbolzen, daß das erste Ventil ständig vollständig geöffnet verbleibt.

Gemäß weiteren vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung besteht das den Dehnungsbehälter umgebende Ventilgehäuse im wesentlichen aus einem an den Druckbehälter anschließbaren Ventilkörper und einem damit über Distanzhülsen und Schrauben verschraubten, den Dehnungsbehälter abstützenden Gehäusedeckel. Neben einer sehr einfachen und kostengünstigen Bauweise hat dies den Vorteil, daß der Metallfaltenbalg leicht zugänglich ist und auch von außen eventuelle Beschädigungen erkannt werden können.

Darüber hinaus kann vorteilhaft der Ventilkörper mit dem ersten Ventilsitz und einem unteren Rohrstutzen versehen sein, der mit einem Innengewinde versehen ist, in welches das Außengewinde eines Ventilträgers eingeschraubt ist, in welchem das erste Ventil geführt ist und an dem sich die erste Vorspannfeder abstützt. Vorteilhaft kann dabei der Ventilträger an seinem dem Ventilkörper abgewandten Ende mit einem Innengewinde versehen sein, über welches das Brandsicherungsventils mit dem Druckbehälter verbindbar ist. Mit diesen Maßnahmen wird eine weitere Vereinfachung der Konstruktion, Montage und Wartung erreicht.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß in reiner Abhängigkeit von der Temperatur der Druckbehälter sich vollständig entleeren kann und kein Restdruck verbleibt, der den durch Wärme in seiner Festigkeit stark beeinträchtigten oder gar schmelzenden Behälter zum Explodieren bringen könnte. Um gegebenenfalls nicht durch Wärme hervorgerufenen unzulässigen Druckerhöhungen vorzubeugen, empfiehlt sich neben der Verwendung des erfindungsgemäßen Brandsicherheitsventil die zusätzliche Verwendung eines herkömmlichen Überdruckventils, das ausschließlich durch den Behälterinnendruck aktiviert wird.

Ein weiterer bedeutender Vorteil des erfindungsgemäßen Brandsicherheitsventils ist, daß der Dehnungbehälter gleichzeitig als Temperatursensor, proportional wirkendes Stellglied und als Energiespeicher für den Eigenbedarf wirkt. Damit müssen dem erfindungsgemäßen Brandsicherheitsventil von außen keine elektrischen Steuerleitungen oder sonstige Leitungen für die Zufuhr von Energie wie beispielsweise Druckluftleitungen, Hydraulikölleitungen oder Stromleitungen zugeführt werden, die ausfallen können bevor sie ihre Funktion erfüllt haben.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Brandsicherheitsventils kann bei jeder Art von Druckbehältern eingesetzt werden. Dazu zählen beispielsweise Propan/Butan-Flaschen zum Einsatz im Haushalt und in der Industrie, Energiespeicher wie Tanks, Wasserstoff- oder Flüssiggasbehälter für Kraftfahrzeuge aller Art, Druckflaschen oder Drucktanks für technische Gase sowie Druckreaktoren in der chemischen und kerntechnischen Industrie. Im Falle von ortsfest eingebauten Druckbehältern, die mit giftigen, brennbaren oder radioaktiven Gasen oder mit dampfentwickelnden Flüssigkeiten gefüllt sind, besteht die Möglichkeit, diese Gase von dem Brandsicherheitsventil mit Hilfe von fest installierten Leitungen in Niederdrucksammelbehälter außerhalb der Brandzone abzuführen. Bei Fahrzeugen mit einem Kraftstofftank oder mit Flüssiggas wie Propan, Butan oder Wasserstoff oder bei mit gasförmigem Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen ist das Abführen des Behälterinhalts aus der Brandzone heraus nicht möglich. Dennoch wird eine Behälterexplosion wirksam verhindert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt einen Schnitt durch die dargestellte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brandsicherheitsventils.

Wie die Zeichnung zeigt, besteht das Gehäuse im wesentlichen aus einem Ventilkörper 1, einem Gehäusedeckel 2, Distanzhülsen 3 und Schrauben 4. Der Gehäusedeckel 2 ist über die Distanzhülsen 3 mit dem Ventilkörper 1 verschraubt. Der Ventilkörper 1 ist mit dem Ventilsitz 5 für das erste Ventil 6 versehen, welches bei Normaltemperatur ein Ausströmen des Druckbehälterinhalts verhindert.

An dem Ventilkörper 1 ist der untere Rohrstutzen 7 ausgebildet, der ein Innengewinde aufweist. In dieses Gewinde ist der Ventilträger 8 eingeschraubt. Die Stirnfläche 9 des Rohrstutzens 7 wird dabei gegen einen am Ventilträger 8 ausgebildeten Flansch 10 gepreßt.

Der Ventilträger 8 ist durch einen Zwischenboden 11 in eine obere Hälfte 12 und eine untere Hälfte 13 unterteilt. Die untere Hälfte 13 ist mit einem Innengewinde versehen, über welches der Druckbehälter anschließbar ist. In der oberen Hälfte 12 befindet sich das erste Ventil 6. Der Ventilschaft 14 des ersten Ventils 6 ist in einer Bohrung 15 durch den Zwischenboden 11 geführt.

Eine erste Vorspannfeder 16 stützt sich mit ihrem einen Ende an dem Zwischenboden 11 ab und preßt mit ihrem anderen Ende das erste Ventil 6 gegen den ersten Ventilsitz 5 und dichtet damit den Druckbehälter bei Normaltemperaturen nach außen hin ab. Der Zwischenboden 11 ist mit Bohrungen 17 versehen, durch welche der in dem Druckbehälter befindliche Stoff in die obere Hälfte 12 des Ventilträgers 8 gelangen kann. Darüber hinaus kann der in dem Druckbehälter befindliche Stoff durch den zwischen dem Ventilschaft 14 und der Bohrung 15 ausgebildeten Ringspalt in die obere Hälfte 12 gelangen.

Innerhalb des Gehäuses befindet sich das Stellglied in Form eines mit einer dampfentwickelnden Flüssigkeit 18 gefüllten Dehnungsbehälters 19. Der Dehunungsbehälter 19 besteht im wesentlichen aus einem Metallfaltenbalg 20, einem unteren Deckel 21 und einem oberen Deckel 22, der sich am Gehäusedeckel 2 abstützt oder mit diesem verbunden ist, beispielsweise durch Verschrauben.

Der obere Deckel 22 ist mit einem oberen Rohrstutzen mit Außengewinde versehen und einer zentral in den Rohrstutzen 24 einmündenden Bohrung 25, welche einen zweiten Ventilsitz 26 trägt. In dem oberen Rohrstutzen 24 ist das zweite Ventil 27 angeordnet, welches, sofern ein bestimmter Druck in dem Dehnungsbehälter 19 nicht überschritten wird, von einer Vorspannfeder 28 auf den zweiten Ventilsitz 26 gepreßt wird und so den Dehnungsbehälter 19 nach außen hin abdichtet.

Auf den oberen Rohrstutzen 24 ist ein Gewindedeckel 29 aufgeschraubt, der mit einer zentrischen Bohrung 30 und weiteren Bohrungen 31 versehen ist. Der Ventilschaft 32 ist durch die zentrische Bohrung 30 geführt. Die Vorspannfeder 28 stützt sich mit ihrem einen Ende an dem Gewindedeckel 29 ab und drückt mit ihrem anderen Ende über eine Scheibe 33 das zweite Ventil 27 gegen den zweiten Ventilsitz 26.

Wird die zulässige Temperatur, beispielsweise von -35 bis +85°C, überschritten, zum Beispiel um +20°C, beginnt die dampfentwickelnde Flüssigkeit 18 in dem Dehnungsbehälter einen Überdruck aufzubauen. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Flüssigkeit zu sieden beginnt. Durch diesen Überdruck dehnt sich der Dehnungsbehälter aus und streckt dabei den Metallfaltenbalg. Da der obere Deckel 22 des Dehnungsbehälters 19 mit dem Gehäusedeckel 2 verbunden ist, wird durch die Dehnung der untere Deckel 21 in Richtung zu dem zweiten Ventil 6 hin verschoben. Der untere Deckel 21 ist mit einem Stoßbolzen 23 und Anschlägen 34 versehen. Im Brandfall, d. h. im gedehnten Zustand des Dehnungsbehälters 19, drückt der Stoßbolzen 23 auf das erste Ventil 6 und preßt dieses gegen die Vorspannkraft der ersten Feder 16 und gegen den Innendruck des Druckbehälters so weit nach unten, bis die Anschläge 34 gegen den Ventilkörper 1 gepreßt werden. Damit ist das erste Ventil 6 vollständig geöffnet und der Inhalt des Druckbehälters kann über die Bohrungen 17 und den zwischen dem Ventilschaft 14 und der Bohrung 15 ausgebildeten Ringspalt durch den Spalt zwischen dem Ventilkörper 1 und dem unteren Deckel 21 des Dehnungsbehälters 19 vorbei an den Distanzhülsen 3 in das Freie ausströmen. Dabei gewährleisten die Anschläge 34, daß zwischen dem unteren Deckel und dem Ventilkörper stets ein ausreichend breiter Spalt verbleibt.

Steigt der Druck in dem Dehnungsbehälter über den zulässigen Höchstwert, öffnet sich das zweite Ventil 27 gegen den Druck der Vorspannfeder 28 und ein Teil des Dehnungsbehälterinhalts kann sich nach außen hin entleeren, bis der Druck in dem Dehnungsbehälter 19 wieder so weit gesunken ist, daß die Vorspannfeder 28 das zweite Ventil 27 wieder schließen kann. Die Federsteife und Vorspannkraft der zweiten Vorspannfeder 28 ist so bemessen, daß das zweite Ventil 27 erst bei einem Dehnungsbehälterdruck öffnet, bei dem die zum Öffnen des ersten Ventils erforderliche Kraft bereits um mindestens etwa 20% überschritten ist. Dadurch ist gewährleistet, daß der untere Deckel 21 stets mit seinen Anschlägen 34 auf dem Ventilkörper 1 aufliegt und das erste Ventil 6 im Brandfall ständig geöffnet bleibt, obwohl über das zweite Ventil 27 in Intervallen jeweils ein Teil des Dehnungsbehälterinhalts entweicht.

Claims (8)

1. Brandsicherheitsventil für Druckbehälter, als Ergänzung eines an diesem angeordneten Überdruckventils, gekennzeichnet durch ein gegen einen ersten Ventilsitz (5) vorgespanntes erstes Ventil (6), welches den Druckbehälter bei Normaltemperatur abdichtet, ein Stellglied in Form eines mit einer dampfentwickelnden Flüssigkeit (18) gefüllten Dehnungsbehälters (19), der von einem gegen einen zweiten Ventilsitz (26) vorgespannten, den Maximaldruck des Dehnungsbehälters (19) regelnden zweiten Ventil (27) abgedichtet wird, und einen am Dehnungsbehälter (19) ausgebildeten Stoßbolzen (23), der bei durch Übertemperatur herrschender Dehnung das erste Ventil (6) gegen dessen Vorspannkraft öffnet.

2. Brandsicherheitsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungsbehälter (19) im wesentlichen aus einem Metallfaltenbalg (20), einem den Stoßbolzen (23) tragenden unteren Deckel (21) und einem den zweiten Ventilsitz (26) tragenden oberen Deckel (22) besteht.

3. Brandsicherheitsventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Deckel (21) mit den Hub des Dehnungsbehälters (19) begrenzenden Anschlägen (34) versehen ist.

4. Brandsicherheitsventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Deckel (22) mit einem oberen Rohrstutzen (24) mit Außengewinde versehen ist, auf welchen ein Gewindedeckel (29) mit einer zentralen Bohrung (30) aufgeschraubt ist, in welcher der Ventilschaft (32) des zweiten Ventils (27) geführt ist.

5. Brandsicherheitsventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich das zweite Ventil (27) mit einer Vorspannfeder (33), die sich an dem Gewindedeckel (29) abstützt, innerhalb des oberen Rohrstutzens (24) befindet.

6. Brandsicherheitsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein den Dehnungsbehälter (19) umgebendes Ventilgehäuse, welches im wesentlichen aus einem an den Druckbehälter anschließbaren Ventilkörper (1) und einem damit über Distanzhülsen (3) und Schrauben (4) verschraubten, den Dehnungsbehälter (19) abstützenden Gehäusedeckel (2) besteht.

7. Brandsicherheitsventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (1) mit dem ersten Ventilsitz (5) und einem unteren Rohrstutzen (7) versehen ist, der mit einem Innengewinde versehen ist in welches das Außengewinde eines Ventilträgers (8) eingeschraubt ist, in welchem das erste Ventil (6) geführt ist und an dem sich die Vorspannfeder (16) des ersten Ventils (6) abstützt.

8. Brandsicherungsventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilträger (8) an seinem dem Ventilkörper (1) abgewandten Ende mit einem Innengewinde versehen ist, über welches das Brandsicherungsventil mit dem Druckbehälter verbindbar ist.