DE4133424C2 - Vollhubsicherheitsventil mit einem als Stufenkolben ausgebildeten federbelasteten Hauptabsperrkegel und mittels eines Steuerventils vorgesehener Schließdrucksteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung wird angewendet bei Vollhubsicherheitsventilen mit Hauptabsperrkegeln, die als Stufenkolben ausgebildet sind, um unzulässige Drucksenkungen beim Abblasen des Sicherheitsventils zu vermeiden.

Sicherheitsventile müssen angeordnet werden, um unzulässige Drucksteigerungen in unter Druck stehenden Räumen zu verhindern. Die Arbeitsschutzbestimmungen für Verdichter zum Beispiel fordern, daß der gesamte Förderstrom des Verdichters bei einem bestimmten Überdruck durch das Sicherheitsventil abgelassen werden muß.

Die bekannten Vollhubsicherheitsventile mit Stufenkolben (Patentschrift Nr. 10 95 611) erfüllen diese Forderung sehr gut. Sie arbeiten unabhängig von der Gasart, indem der beim eingestellten Öffnungsdruck austretende Gasstrahl auf die Öffnung eines Pitotrohres trifft, wodurch der dort herrschende Gesamtdruck die Ringfläche des Stufenkolbens beaufschlagt und eine Zusatzkraft erzeugt, die gegen die Feder des Sicherheitsventils gerichtet ist und ohne weitere Drucksteigerung ein sofortiges volles Öffnen des Sicher­ heitsventils bewirkt.

Sinkt der Druck vor dem Sicherheitsventil, so sinkt die Zusatzkraft proportional zum Gesamtdruck. Sie bleibt weiterhin wirksam, bis die Summe aus Ventilsitzkraft und Zusatzkraft kleiner wird als die Federkraft. Der Schließpunkt liegt dadurch oft weit unter dem Öffnungspunkt. Damit wird aber eine weitere Forderung von Arbeitsschutzbe­ stimmungen, nach der der Schließpunkt des Sicherheitsventil bei einem bestimmten zulässigen Druckabfall erreicht sein muß, nicht erfüllt.

Es gibt andere Bauarten von Vollhubsicherheitsventilen, bei denen nach dem Ansprechen eine Hubhilfskraft mit Hilfe eines am Ventilkegel oder in seiner Nähe angebrachten Prallschirmes erzeugt wird, wobei der Staudruck des ausströmenden Gases genutzt wird. Dieser ist jedoch von der Gasdichte und damit von der Gasart abhängig sowie vom Ventilhub und von der ausströmenden Menge. Unter bestimmten Verhältnissen sind dadurch Flattererscheinungen nicht ausgeschlossen.

Es gibt Einrichtungen, die durch Zusatzbelastungen beim Öffnen und beim Schließen sowohl die Druckdifferenz zwischen Öffnen und Schließen günstig beeinflussen als auch die Flatterneigung verringern oder ausschalten. Diese Einrichtungen arbeiten aber mit Fremdenergie, z. B. pneumatisch, sind aufwendig und wirkungslos bei Ausfall der Fremdenergie.

Beim Öffnen eines Vollhubsicherheitsventils wird sofort ein großer Massestrom ab­ geblasen. Das ist nicht immer erforderlich, wenn das Ansprechen durch gelegentliche Druckspitzen ausgelöst wird, die sofort wieder abgebaut werden, wenn nur ein Teil des gesamten Massestroms abgeblasen wird. Es ist bekannt, um unnötige Stoff- und Energieverluste zu vermeiden, zusätzlich zu dem Vollhubsicherheitsventil ein Normal­ sicherheitsventil anzuordnen und dessen Öffnungspunkt etwas unter den Öffnungspunkt des Vollhubsicherheitsventils zu legen. Die Größe des Normalsicherheitsventils wird je nach der Leistung der zu sichernden Druckgasanlage subjektiv festgelegt. Dabei tendiert man zu kleinen Größen, um Kosten und Installationsaufwand niedrig zu halten. Das kann dazu führen, daß sich im praktischen Betrieb das gewählte Normalsicherheitsventil als zu klein erweist und daß somit das Vollhubsicherheitsventil trotzdem anspricht, was bei einem größeren Normalsicherheitsventil noch nicht erforderlich gewesen wäre.

Weiterhin sind Einrichtungen bekannt (US-Patent 2.669.252), welche sich zur Hubunter­ stützung des Hauptabsperrkegels der durch den Ruhedruck der aus der Sitzfläche abfließenden Strömung bewirkten Druckkraft auf eine Seite einer mit der Ventilkegel­ spindel gekuppelten Membran bedienen.

Die Größe des auf die andere Seite vorgenannter Membran einwirkenden Druckes, welcher seine Ursache ebenfalls im o. g. Gesamtdruck hat, wird durch die mechanisch an die momentane Stellung des Hauptabsperrkegels gekoppelte Position von zwei Steuerventilen bestimmt.

Dementsprechend kann die resultierende Kräftebilanz über der Membran einerseits eine Hubunterstützung und andererseits eine Schließunterstützung des Hauptabsperrkegels bewirken.

Bei solchen Konstruktionen wirkt sich neben der Gefahr von durch die mechanische Betätigung der Steuerventile möglichen Zwischenstellungen letzterer resultierenden in­ stabilen Betriebszuständen nachteilig aus, daß auch der zur Schließdrucksteuerung benutzte Druck dem Gesamtdruck der Abströmung entspricht, welcher bei den meist vorhandenen überkritischen Druckverhältnissen durch Verdichtungsstöße und damit ver­ bundene Ruhedruckverluste stark vom Gesamtdruck des zu überwachenden Fluids abweichen kann und bedingt durch die Ansteuerung der zwei Membrankammern infolge der zum Austrittsstutzen führenden Bypassleitung eine unabhängig voneinander realisierbare Einstellung von Öffnungs- und Schließdruck nicht oder nur schwierig realisierbar sein dürfte.

Ziel der Erfindung ist ein Vollhubsicherheitsventil mit einstellbarem Schließdruck.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein einstellbares Steuerventil den Druck im Raum unter der Ringfläche des als Stufenkolbens ausgebildeten Hauptabsperrkegels 7 während des Abblasens des Vollhubsicherheitsventils in dem Augenblick, wo der zulässige Druckabfall erreicht ist, soweit absenkt, daß die Ventilfeder des Sicherheitsventils den Stufenkolben wieder auf den Ventilsitz drückt. Das wird dadurch erreicht, daß eine Feder im Steuerventil dessen Abschlußorgan beim Erreichen des zulässigen Sicherheitsventilschließdruckes öffnet und damit eine Verbindung zwischen dem Raum unter der Ringfläche des Stufenkolbens und einem Raum niederen Druckes hergestellt. Die Zusatzkraft durch den Druck im Raum unter der Ringfläche des Stufenkolbens, die beim Ansprechen des Sicherheitsventils dessen sofortiges volles Öffnen bewirkt hat, wird dadurch soweit abgebaut, daß das Vollhubsicherheitsventil sofort schließt. Alle Funktionen des mit dem Steuerventil ausgerüsteten Vollhubsicherheitsventils mit Stufenkolben verlaufen nur abhängig vom Druck und sind unabhängig von der Gasdichte und damit von der Gasart. Daraus ergeben sich Vorteile bei der Bemessung wichtiger Bauteile, insbesondere der Ventilschließfeder und der für die Erzeugung der Hubhilfskraft erforderlichen Ringfläche am Stufenkolben. Diese Vorteile der Vollhubsicherheitsventile mit Stufenkolben bleiben bei der erfindungsgemäßen Ausführung als Vollhubventil mit Stufenkolben und Schließdrucksteuerung voll erhalten. Das Ventil arbeitet flatterfrei auch dann, wenn nicht immer die volle Abblasemenge durchgesetzt werden muß, was beispielsweise bei Kolbenverdichtern der Fall ist, wenn diese mit geregeltem Förderstrom betrieben werden oder wenn bei Arbeitsventilplattenbrüchen beim Mehrstufenbetrieb unzulässige Zwischendruckverschiebungen auftreten.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß allein der Druck des Fördermediums die selbsttätige Arbeit des (einmal richtig eingestellten) Sicherheitsventils bestimmt, ohne daß dazu Fremdenergien benötigt werden.

Die erfindungsgemäße Lösung bietet auch die Möglichkeit, die Vollhubfunktion des Vollhubsicherheitsventils mit Verzögerung einzuleiten. Dazu wird das Steuerventil so eingestellt, daß sein Abschlußorgan erst dann schließt, wenn der Druck etwas über dem Öffnungsdruck des Vollhubsicherheitsventils liegt. Dadurch arbeitet das Vollhubsicherheitsventil nach dem Ansprechen zunächst als Normalsicherheitsventil, weil sich wegen des noch geöffneten Steuerventils kein Druck im Ringraum unter der Ringfläche des Stufenkolbens aufbauen kann und somit keine zusätzliche Hubhilfskraft zur Überwindung der Sicherheitsventilschließfeder erzeugt wird. Reicht der in dieser Arbeitsphase abgeblasene Massestrom bereits aus, eine weitere Drucksteigerung zu verhindern, so wird die Vollhubfunktion nicht ausgelöst.

Andernfalls steigt der Abblasedruck weiter, bis er das Abschlußorgan des Steuerventils auf die Steuerventilsitzfläche preßt, und damit die Entspannung des über das Pitotrohr in den Ringraum unter der Ringfläche des Stufenkolbens einströmenden Gases unterbunden wird. Durch den jetzt im Ringraum herrschenden Druck, der dem Gesamtdruck an der Pitotrohröffnung entspricht, wird die Vollhubfunktion des Vollhubsicherheitsventils sofort ausgelöst.

Bei sinkendem Abblasedruck wird dann zunächst das Steuerventil wieder ansprechen und öffnen. Der Druck im Ringraum fällt sprunghaft. Die Sicherheitsventilfeder bewegt den Hauptabsperrkegel in Richtung Sicherheitsventilsitzfläche, wo er aufsetzt, wenn der Abblasedruck den Öffnungsdruck des Vollhubsicherheitsventils unterschreitet. Diese Arbeitsweise ist etwa vergleichbar mit der zum Stand der Technik erwähnten gemein­ samen Anordnung eines Vollhub- und eines Normalsicherheitsventils. Sie vermeidet jedoch deren Nachteile, die in der subjektiven Größenauswahl des Normalsicherheitsventils und in der längeren Vollhuböffnungsphase des Vollhubsicherheitsventils zu sehen sind. Stoff- und Energieverluste werden somit weiter reduziert.

Die Zeichnung zeigt den Längsschnitt eines Vollhubsicherheitsventils mit dem als Stufenkolben ausgebildeten Hauptabsperrkegel und Schließdrucksteuerung.

Im Gehäuse 1 ist die durch die Verschlußkappe 14 gehaltene und auf den Sicherheits­ ventilstößel 12 drückende Sicherheitsventilfeder 13 auf den geforderten Öffnungsdruck eingestellt. Der im Druckstutzen 2 herrschende Betriebsdruck wirkt über die Verbindungs­ bohrung 16 und den Steuerventilraum 17 auf den Steuerventilkolben 19 und drückt diesen gegen die Steuerventilsitzfläche 21. Die Dichtringe 18 des Steuerventilkegels 19 dichten dabei den Steuerventilraum 17 gegen den Regelraum 20 ab, der über die Verbindungs­ bohrung 22 mit dem Ringraum 8 unter dem Stufenkolbenteil des Hauptabsperrkegels 7 verbunden ist.

Wenn der im Druckstutzen 2 herrschende Druck den Öffnungsdruck übersteigt, hebt der als Stufenkolben ausgebildete Hauptabsperrkegel 7 von der Sicherheitsventilsitzfläche 5 ab. Das ausströmende Druckmedium trifft dabei auf die Öffnung des Pitotrohrs 4. Dadurch wird im Ringraum 8 unter der Ringfläche des Stufenkolbens des Hauptabsperrkegels 7 der Gesamtdruck aufgebaut, der an der Pitotrohröffnung herrscht. Dieser Druck ergibt eine zusätzliche Kraft auf die Sicherheitsventilfeder 13 und bewirkt den Hub des Hauptab­ sperrkegels 7 bis zum Anschlag an den Hubbegrenzungsring 11. Das Druckmedium strömt ohne unzulässige Drucksteigerung über den Abstromstutzen 3 ab.

Die Steuerventilfeder 24 ist mittels des Einstellschraube 26 so eingestellt, daß sie bei dem geforderten Schließdruck des Vollhubsicherheitsventils den Steuerventilkolben 19 von der Steuerventilsitzfläche 21 abhebt. Wenn also der im Druckstutzen 2 herrschende Druck sinkt, so öffnet beim Erreichen des geforderten Sicherheitsventilschließdrucks das Steuerventil und schafft über die Verbindungsbohrung 22, den Regelraum 20 und die Ent­ spannungsbohrungen 25 und 10 eine Verbindung zwischen dem Ringraum 8 unter dem Stufenkolbenteil des Hauptabsperrkegel 7 und einem Raum niederen Druckes, der an die Entspannungsbohrung 10 anschließt. Dadurch entspannt sich der Druck im Ringraum 8. Die zusätzliche Kraft auf die Ringfläche 28 des Stufenkolbens wird schlagartig gesenkt, und die Sicherheitsventilfeder 13 drückt den Hauptabsperrkegel 7 über den Sicherheits­ ventilstößel 12 sofort auf die Sicherheitsventilsitzfläche 5.

Da der Schließdruck um ein bestimmtes Maß unter dem Öffnungsdruck liegt (zulässiger Druckabfall nach Arbeitsschutzbestimmungen), kann ein Flattern des Hauptabsperrkegels 7 nicht eintreten.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
2 Druckstutzen
3 Abströmstutzen
4 Pitotrohr
5 Sicherheitsventilsitzfläche
6 Dichtring
7 Hauptabsperrkegel
8 Ringraum
9 Dichtring
10 Entspannungsbohrung
11 Hubbegrenzungsring
12 Sicherheitsventilstößel
13 Sicherheitsventilfeder
14 Verschlußkappe
15 Dichtverschluß und Kolbenanschlag
16 Verbindungsbohrung
17 Kolbenraum
18 Dichtringe
19 Steuerventilkolben
20 Regelraum
21 Steuerventilsitzfläche
22 Verbindungsbohrung
23 Steuerventilstößel
24 Steuerventilfeder
25 Entspannungsbohrung
26 Einstellschraube
27 Dichtverschluß
28 Ringfläche des Stufenkolbens

Claims (4)

1. Vollhubsicherheitsventil mit einem als Stufenkolben ausgebildeten feder­ belasteten Hauptabsperrkegel (7) und mittels eines Steuerventils vorgesehener Schließdrucksteuerung mit folgenden Merkmalen:

• - ein Steuerventil mit einem in einem Kolbenraum (17) verschiebbaren federbelasteten Steuerventilkolben (19), der mit seiner einen Seite mit einer Steuerventilsitzfläche (21) zusammenwirkt und dessen andere Seite mit dem im Druckstutzen (2) herr­ schenden Druck des Vollhubsicherheitsventils beaufschlagt ist und die Steuerven­ tilfeder (24) in einem der Steuerventilsitzfläche (21) benachbarten, vom Druckstutzen (2) abgewandt angeordneten Raum eingesetzt ist, wobei je nach Stellung des Steuer­ ventilkolbens (19) ein unter der Ringfläche (28) des Stufenkolbens ausgebildeter Ringraum (8) über eine Verbindungsbohrung (22) und einen im Bereich des Steuer­ ventilsitzes angeordneten Regelraum (20) mit einer im Vollhubsicherheitsventil aus­ gebildeten Entspannungsbohrung (25) verbunden oder getrennt ist.

2. Vollhubsicherheitsventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Vorspannung der Steuerventilfeder (24) durch eine Einstellschraube (26) einstellbar ist.

3. Vollhubsicherheitsventil nach Anspruch 1 und Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß statt des durch die Steuerventilfeder (24) beaufschlagten Steuerventilkolbens (19) eine andere Vorrichtung zum Verbinden oder Trennen des Ringraumes (8) und der Entspannungsbohrung (25) eingesetzt ist.

4. Vollhubsicherheitsventil entsprechend Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß mittels einer Verschlußkappe (14) die Schließkraft der Ventilfeder (13) des Vollhub­ sicherheitsventils veränderbar ist und somit die Öffnungsdruckdifferenz veränderlich einzustellen ist und über die Einstellschraube (26) in Verbindung mit einer Kraftänderung der Steuerventilfeder (24) eine unabhängig voneinander realisierbare Vorgabe von Öffnungs- und Schließdruckdifferenz erfolgen kann.