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Die Erfindung betrifft ein Überdruckentlastungsventil
zum Druckausgleich zwischen einem abgeschlossenen Raum und der
umgebenden Atmosphäre. Ein besonders wichtiges
Anwendungsgebiet solcher Überdruckentlastungsventile liegt bei Tankern für
Ölerzeugnisse und Chemikalien, und dieses Anwendungsgebiet
wird in der folgenden Erklärung und Beschreibung als
Ausgangspunkt genommen, was aber so zu verstehen ist, daß die gleichen
Prinzipien genauso auf andere Anwendungsgebiete, zum Beispiel
bei ortsfesten Vorratstanks oder bei Tanks für den Transport
auf Rädern von flüssigen Erdölerzeugnissen oder Chemikalien,
angewendet werden können.
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Wenn eine bestimmte Volumenmenge eines Erzeugnisses
pro Zeiteinheit, zum Beispiel in m³/h gemessen, in einen Tank
gefüllt wird, muß sich das Überdruckentlastungeventil öffnen,
sobald der Druck im Tank auf einen vorabbestimmten
Öffnungsdruck
angestiegen ist, und danach muß eine der pro Zeiteinheit
eingefüllten Menge des Erzeugnisses entsprechende Menge Gas
pro Zeiteinheit abgeblasen werden, gegebenenfalls mit einem
der Verdampfung von der Flüssigkeitsoberfläche im Tank
entsprechenden Aufschlag. Die Abblasmenge pro Zeiteinheit
hängt vom Strömungswiderstand des Ventils - und damit von der
Hubhöhe des Ventils - und vom Druck im Tank ab. Die maximale
Abblasmenge pro Zeiteinheit - nach Abzug eines eventuellen
Aufschlags für Verdampfung, die erreicht werden kann, ohne daß
der Druck im Tank eine bestimmte Sicherheitsgrenze
überschreitet, wird als Kapazität des Überdruckentlastungsventils
bezeichnet, die insofern ein Maß für die maximal zulässige
Einfüllmenge pro Zeiteinheit (zum Beispiel in m³/h) ist.
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Wenn das Einfüllen gestoppt wird und der Druck im Tank
auf einen Wert, den Schließdruck, fällt, der etwas niedriger
als der Öffnungsdruck ist, schließt sich das
Überdruckentlastungsventil. Wenn der Tank entleert wird, fällt der Gasdruck
im Tank. Um ein Abfallen des Druckes unter eine bestimmte
Sicherheitsgrenze zu verhindern, kann ein Unterdruckventil
verwendet werden, das gemeinsam mit dem
Überdruckentlastungsventil gebaut oder separat angebracht sein kann. In
bestimmten Fällen wird der freie Raum über der
Flüssigkeitsoberfläche im Tank aus Sicherheitsgründen mit einem
Inertgas, wie Stickstoff, gefüllt, wobei ein solches Gas
automatisch auf einem vorbestimmten Druck gehalten wird, der
höher als der Atmosphärendruck aber niedriger als der
Öffnungsdruck des Überdruckentlastungsventils sein kann. Auch in
diesem Fall kann ein Unterdruckentlastungsventil als
Absicherung für den Fall verwendet werden, daß die Zuführung des
Inertgases ausfällt.
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Wenn während der Lagerung oder des Transports die
Temperatur der Umgebung steigt oder fällt, wird der Gasdruck im
Tank steigen oder fallen, und dabei öffnet oder schließt sich
das Überdruckentlastungsventil im Prinzip in gleicher Weise
wie im Fall des Einfüllens und Entleerens, normalerweise
jedoch für wesentlich kürzere Zeit spannen und mit kleineren
Abblasmengen pro Zeiteinheit. Gleichermaßen arbeitet ein
Unterdruckentlastungsventil und/oder ein System zur
Inertgaszuführung im Prinzip auf die gleiche Weise wie im Fall der
Entleerung.
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Überdruckentlastungsventile zur Verwendung in
Öltankern müssen strenge Sicherheitsanforderungen erfüllen, die in
international anerkannten Regeln festgelegt sind. Die
wichtigsten darunter sind:
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1. Der Durchtritt von Flammen aus der Umgebung durch das
Überdruckentlastungsventil in das Innere des Tanks, im
allgemeinen als Rückschlag bezeichnet, muß ganz sicher
ausgeschlossen sein.
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2. Wenn die Sicherheit gegen Rückschläge im offenen
Zustand des Ventils alleine mittels einer hohen
Abblasgeschwindigkeit erreicht wird - sogenannte
Hochgeschwindigkeitsventile, darf die Abblasgeschwindigkeit zu keinem Zeitpunkt während
des Öffnungsvorgangs des Ventils unter einen vorgeschriebenen
Mindestwert, zum Beispiel 30 m/s fallen.
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3. Das Abblasen soll in Form eines vertikal aufwärts
gerichteten Strahles erfolgen, um eventuell
gesundheitsschädliche oder entflammbare Gase soweit wie möglich von Stellen
fernzuhalten, an denen Menschen anwesend sind.
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4. Im Fall einer Vereisung des Ventils soll das Ventil
schnell, einfach und so wirksam enteist werden können, daß der
normale Betrieb des Ventils wiederhergestellt wird.
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Das hier betrachtete Überdruckentlastungsventil ist
von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bezeichneten Art.
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Aus dem US Patent Nr. 3,999,571 ist ein
Überdruckentlastungsventil dieser Art bekannt, in dem die Hubscheibe als
Ventilkörper mit einer auf einen passenden Ventilsitz im
Ventilgehäuse dichtend aufsetzenden im wesentlichen konischen
Ventilfläche, während der tropfenförmige Körper mit kleinem
Spielraum in die Abblasöffnung des Ventils paßt.
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Mit diesem bekannten Ventil sind die oben erwähnten
Sicherheitsregeln 1 bis 3 erfüllt, weil das Abblasen immer in
Form eines vertikal nach oben gerichteten Strahles bei hoher
Geschwindigkeit erfolgt. Auch Sicherheitsregel 4 ist erfüllt,
weil die Führung des Strahles ohne Verwendung umgebender
Führungsflächen erfolgt, so daß eine eventuelle Eisbildung direkt
von außen zugänglich ist. Eine relativ geringe Eisbildung kann
einfach durch Anheben des Ventils mittels der manuellen
Prüfhubeinrichtung weggebrochen werden, mit der ein
Überdruckentlastungsventil immer ausgestattet sein muß, und größere
Eisniederschläge können leicht weggehackt werden, weil sie sich
vollständig außerhalb des Ventils befinden, wonach die letzten
Reste durch Anheben des Ventils wie beschrieben weggebrochen
werden können.
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Das Ziel der Erfindung ist, das bekannte Ventil so zu
verändern, daß unter Beibehaltung seiner Vorteile eine im
Vergleich mit dem bekannten Ventil höhere Hubgeschwindigkeit und
damit ein geringerer Druckanstieg zu Beginn des Öffnens
erhalten werden.
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Die Erfindung ist, um dies zu erreichen, durch die im
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale
gekennzeichnet.
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Wegen dieser Anordnung wird der Hubdruck zu Beginn des
Öffnens von der kleineren Fläche der Unterseite des
tropfenförmigen Bauteils innerhalb des Ventilsitzes zu der größeren
Fläche der Hubscheibe verschoben, wodurch eine höhere
Hubgeschwindigkeit erreicht wird. Jedoch muß die Fläche der
Hubscheibe natürlich so begrenzt werden, daß selbst im Falle
kleiner Abblasmengen die Abblasgeschwindigkeit immer höher als
die vorgeschriebene Sicherheitsgrenze von zum Beispiel 30 m/s
liegt.
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In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des
Überdruckentlastungsventils nach der Erfindung hat das
Ventilgehäuse einen solchen inneren Aufbau, daß die Freidurchlaßfläche
um die Hubscheibe vergrößert wird, wenn der tropfenförmige
Körper und die Hubscheibe angehoben werden.
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Dadurch wird der Vorteil erzielt, daß auch bei
anwachsender Abblasmenge ein geringerer Druck, als sonst möglich
wäre, erhalten wird, bis das Ventil seinen vollständig
geöffneten Zustand erreicht.
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Wenn es erwünscht ist, eine besonders hohe Dichtigkeit
des Ventils in seinem vollständig geschlossenen Zustand zu
erreichen, zum Beispiel um die Verschwendung von Inertgas zu
vermindern, kann das nach der Erfindung erreicht werden, indem
eine ringförmige elastische Dichtung entlang dem inneren Rand
des Ventilsitzes vorgesehen wird, wobei die Dichtung eine
Lippe aufweist, die sich in der Schließposition des
tropfenförmigen Körpers dichtend an die Unterseite des
tropfenförmigen Körpers anlegt.
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Die Erfindung ist im folgenden in weiteren
Einzelheiten anhand der Zeichnung beschrieben, in der:
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Fig. 1 ein Überdruckentlastungsventil nach einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung in
Seitenansicht und teilweise im Querschnitt zeigt,
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Fig. 2 ein Teilquerschnitt in größerem Maßstab durch
den an die Abblasöffnung des
Überdruckentlastungsventils anschließenden Bereich ist,
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Fig. 3 und 4 Kennlinien zeigen, die den Tankdruck
beziehungsweise die Abblasgeschwindigkeit, aufgetragen
gegen die Abblasmenge pro Zeiteinheit, wie für
einen nach der Erfindung gebauten Prototyp eines
Überdruckentlastungsventils bestimmt,
darstellen.
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In der Zeichnung bezeichnet 1 ein vertikal
orientiertes Ventilgehäuse, das an seinem unteren Ende einen Flansch 2
aufweist, der an einen Flansch 3 eines Röhrensockels 4
angeschraubt ist, der mit einem Flansch 5 an seinem unteren Ende
aufgebaut ist, der an einem Druckentlastungsauslaß eines
Öltanks oder an das obere Ende einer mit einem oder mehreren
Tankabschnitten verbundenen Druckentlastungsrohrleitung
angeschraubt werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist
der Sockel 4 eine laterale Öffnung 6 auf, mit der ein
Unterdruckentlastungsventil 7 verbunden ist. Dieses Ventil wird
nicht in Einzelheiten beschrieben, weil es nicht zum
Gegenstand der Erfindung gehört.
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An seinem unteren Ende weist das Ventilgehäuse einen
zylindrischen Wandabschnitt 8 auf, auf den in Richtung nach
oben ein sich aufweitender Wandabschnitt 9 und danach ein sich
verengender Wandabschnitt 10, welcher oben am Ventilgehäuse
durch eine Abblasöffnung 11 abgeschlossen ist, folgen.
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In der Abblasöffnung ist ein Mündungsring 12
angebracht, an dessen Innenseite ein konischer Ventilsitz 13
ausgebildet ist. In der Abblasöffnung 11 ist ein tropfenförmiger
Körper 14 angeordnet, an dessen Unterseite eine konische
Ventilfläche 15 ausgebildet ist, die im geschlossenen Zustand des
Ventils dichtend an den Ventilsitz 13 in Anlage kommt. Zur
Verbesserung der Dichtigkeit kann eine ringförmige elastische
Dichtung 16 an der Innenseite des Mündungsringes 12 angeordnet
werden, wobei die Dichtung eine an die Unterseite des
tropfenförmigen Körpers 14 in Anlage kommende Lippe 17
aufweist.
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Ein Schaft 18 ist mit dem tropfenförmigen Körper
verbunden und erstreckt sich nach unten durch das Gehäuse, wo er
durch eine obere Schaftführung 19 im Ventilgehäuse und eine
untere Schaftführung 20 im Sockel 4 geführt ist. Der Schaft 18
trägt eine Hubscheibe 21, die im Inneren des zylindrischen
Wandabschnitts 8 angeordnet ist und einen etwas geringeren
Durchmesser als letzterer hat, so daß ein Freidurchlaßspalt 22
um die Hubscheibe gebildet ist. Unter dem unteren Ende des
Schaftes 18 ist ein Schwenkhebel 24 zur Verwendung beim
prüfenden Anheben des Ventils angeordnet.
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Eine Druckfeder 23 ist zwischen der oberen
Schaftführung 19 und der Hubscheibe 21 eingesetzt. Dadurch wird die
Struktur, die im weiteren als Abblaskontrollelement bezeichnet
ist und als Bestandteile den tropfenförmigen Körper 14, den
Schaft 18 und die Hubscheibe 21 hat, mit einer nach unten
gerichteten Schließkraft beaufschlagt, die gleich ist der
Schubspannungskraft der Feder 23 + dem Gesamtgewicht aller Teile
dieser Struktur. Wenn diese Teile so ausgeführt sind, daß ihr
Eigengewicht eine ausreichende Schließkraft bereitstellt, kann
die Feder 23 weggelassen werden.
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Wenn ein über den Atmosphärendruck hinausgehender
Druck im Tank auftritt, dann wird sich dieser Druck wegen des
Leckens durch den Spalt 22 in den Raum über der Hubscheibe 21
hinein ausbreiten, und diese wird deswegen demselben Druck von
oben und von unten ausgesetzt. Eine anhebende Kraft wird
deswegen nur durch die Wirkung des Überdruckes auf die Unterseite
des tropfenförmigen Körpers ausgeübt. Diese anhebende Kraft
ist gleich dem Überdruck multipliziert mit der
Querschnittsfläche der Abblasöffnung innerhalb des Ventilsitzes.
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Wenn die anhebende Kraft die zuvor erwähnte
Schließkraft übersteigt, öffnet sich das Ventil. Das passiert bei
einem vorbestimmten Wert des Tankdruckes, dem Öffnungsdruck, der
durch die Auslegung des Gewichts des tropfenförmigen Körpers
14, des Schaftes 18 und der Hubscheibe 21 vorgewählt ist, das
durch ein zusätzliches Lastgewicht und/oder eine Druckfeder 23
ergänzt werden kann. Wenn das Abblasen beim Öffnen des Ventils
beginnt, fällt der Druck auf die Oberseite der Hubscheibe ab,
und der Nettowert der anhebenden Kraft wird gleich dem
Tankdruck multipliziert mit der Fläche der Hubscheibe. Weil diese
größer als die Fläche der Abblasöffnung ist, wird die
anhebende Kraft verstärkt, und dadurch wird die Hubgeschwindigkeit
und damit die Abblasmenge pro Zeiteinheit erhöht.
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Wenn das Ventil weiter angehoben wird, kommt die
Hubscheibe 21 in dem Bereich des sich verbreiternden
Wandabschnittes 9 an, wodurch die Abblasmenge weiter erhöht wird.
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Die Gesamtauslegung sollte so sein, daß bei einer
gegebenen Anwendung geeignete, den Tankdruck PT und die
Abblasgeschwindigkeit DV gegen die Abblasmenge F pro
Zeiteinheit auf tragende Kennlinien erhalten werden. Beispiele solcher
Kennlinien sind in den Fig. 3 und 4 gezeigt.
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Wie aus Fig. 3 ersichtlich, übersteigt der Tankdruck
PT den Öffnungsdruck PO bei kleinen Abblasmengen F. Diese
Situation tritt unmittelbar nach dem Öffnen des Ventils auf,
aber wegen des schnellen Öffnens des Ventils wird der
Tankdruck selbst im Falle eines relativ hohen Öffnungsdruckes PO
deutlich unterhalb der zulässigen Grenze PTmax gehalten
werden. Bei Ansteigen der Abblasmenge fällt der Tankdruck erneut
ab und nähert sich allmählich demjenigen Wert, den er bei
Abblasen durch das völlig geöffnete Ventil hätte, vgl. den
gestrichelten Graphen. Bei fortgesetztem Ansteigen der
Abblasmenge steigt der Tankdruck weiter an, und wenn er den Wert
PTmax annimmt, hat die Abblasmenge den maximal zulässigen Wert
erreicht, d. h. die Kapazität C des betrachteten
Überdruckentlastungsventils. Wenn beim Einfüllen in den Tank die
pro Zeiteinheit eingefüllte Menge, nach Abzug eventueller
Verdunstung, unterhalb dieses Wertes gehalten wird, ist der
Tank mit erheblichem Sicherheitsabstand gegen Explosion
geschützt, und das gilt auch während eines Transportes, weil,
wie zuvor erwähnt, erwartet werden kann, daß die Abblasmengen
infolge eines Temperaturanstiegs erheblich niedriger als
während des Einfüllens sein werden.
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Durch Verändern der Dimensionierung können
verschiedene Typen von Überdruckentlastungsventilen mit dem gleichen
Aufbau, aber unterschiedlicher Kapazität hergestellt werden.
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Wie aus Fig. 4 hervorgeht, wird die
Abblasgeschwindigkeit D bei geringen Abblasmengen F sehr hoch sein und wird
dann bei Ansteigen der Abblasmenge auf einen Minimalwert
fallen und dann wieder ansteigen. Der Minimalwert muß zum
Absichern gegen Rückschlag deutlich über der vorgeschriebenen
Minimalgeschwindigkeit DVmin, z. B. 30 m/s, liegen.
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In der geschlossenen Position des Ventils stellt die
Anlage der Ventilfläche 15 des tropfenförmigen Körpers 14 an
dem Ventilsitz 13, ergänzt durch die Dichtung 16, eine sehr
hohe Dichtigkeit sicher.
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Im Falle einer Beschädigung oder vollständigen
Zerstörung der Dichtung 15, z. B. durch Verbrennen, Schmelzen,
Altern oder mechanische Verletzung, wird die Dichtigkeit des
Ventils immer noch ausreichend zur Absicherung gegen
Rückschlag sein, so daß die in der Einleitung erwähnte
Sicherheitsregel 1 immer noch erfüllt sein wird, auch in der
geschlossenen Position des Ventils.
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Absolute Gasdichtigkeit kann durch gegenseitige
Überdeckung von Metallflächen nicht erreicht werden, und es muß
erwartet werden, daß die Leckrate bei einem konischen
Ventilsitz und einem axial geführten Ventilkörper etwas höher sein
wird als im Fall eines flachen Ventilkörpers. In dem
Überdruckentlastungsventil nach der Erfindung ohne Dichtung
wird jedoch jedes Lecken von Gas in der geschlossenen Position
des Ventils wegen der Kleinheit der Durchgangsfläche mit hohen
Abblasgeschwindigkeiten erfolgen und wegen der aerodynamischen
Wirkung des tropfenförmigen Körpers vertikal nach oben
gerichtet sein. Um Rückschläge auch in einer Situation sicher
auszuschließen, in der der Druck im Tank nicht höher als der
Atmosphärendruck ist, wird der ringförmigen Anlagefläche
zwischen dem Ventilsitz und dem tropfenförmigen Bauteil eine
solche Breite gegeben, daß eine Flamme durch die auf dem Weg des
Leckens auftretende Kühlung ausgelöscht wird. Normalerweise
kann die Dichtung 16 deswegen ohne merklichen Nachteil
weggelassen werden, aber wenn eine Inertgasatmosphäre im Tank
gehalten wird, wird die Dichtung 16 zur Verminderung des
Verlustes an Inertgas nützlich sein.
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Im Falle einer Vereisung des Ventils kann die
Enteisung wie zuvor beschrieben durchgeführt werden.