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Auslegung von Sicherheitsventilen Schleichende Leckagen vermeiden

| Autor/ Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Arne Gastberg / Wolfgang Ernhofer

Kenntnis von den individuellen Einsatzbedingungen ist ganz wesentlich für die zuverlässige Funktion von Sicherheitsventilen. Dennoch stehen auch sie unter Druck, da im Zuge der Ressourcenoptimierung Anlagenkomponenten durchaus bis an ihre physikalischen Grenzen getrieben werden. Problematisch ist auch, wenn ein konstanter Fremdgegendruck in der Leitung vorhanden ist.

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Auf dem Leistungsprüfstand (Luft) werden Sicherheitsventile getestet.
Auf dem Leistungsprüfstand (Luft) werden Sicherheitsventile getestet.
(Bild: Albert Richter Ari-Armaturen)

Bei der Auslegung eines Sicherheitsventils muss neben den üblichen Parametern zur Dimensionierung auch die Existenz eines Gegendruckes beachtet werden. Daher soll in diesem Beitrag die Funktion eines Sicherheitsventils dargestellt werden, wenn ein konstanter Fremdgegendruck in der Abblaseleitung vorhanden ist und damit gegen die Öffnungsrichtung des Sicherheitsventils wirkt.

Das federbelastete Sicherheitsventil ist das Ventil, welches automatisch – ohne Unterstützung durch eine andere Energie als die des jeweiligen Mediums – eine Menge des Mediums ausfließen lässt, sodass die Überschreitung eines vorbestimmten Drucks verhindert wird. Es wird so ausgelegt, dass es schließt und weiteres Austreten des Mediums verhindert, nachdem wieder normale Arbeitsbedingungen hergestellt sind. [2] Dadurch hat es als letzte Sicherung in der technischen Anlage eine besondere Aufgabe, die absolut störungsfrei erfüllt werden muss.

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Wesentlich für die Funktion sind die sorgfältige Auslegung des Anlagenplaners und die fachgerechte Ausführung der gesamten Anlageninstallation. Im Sicherheitsventil selber ist es wichtig, dass die Feder(n) und der Kegel (Abschlusskörper) bei ihrer Arbeit (Hub) nicht gestört werden. Sollte dieser Zustand eintreten und der erforderliche Hub eingeschränkt, behindert oder blockiert sein, könnte dies zu einem verzögerten Ansprechen, Flattern, geringerer Leistung oder generell einer Funktion außerhalb der nach den Regelwerken zulässigen Grenzen geben. Die Sicherheit der Gesamtanlage wäre in diesem Fall nicht mehr gewährleistet. Sicherheitsventile, welche nach den europäischen oder amerikanischen Regelwerken zugelassen sind, unterliegen einer strengen Normierung und Bauteilüberwachung. Die von der Firma Ari-Armaturen hergestellten Sicherheitsventile sind unter anderem nach DIN EN ISO 4126 [5] und ASME VIII Div. 1 [7] zugelassen.

Kräftebilanz des Ventils

Die Kräftebilanz eines federbelasteten Sicherheitsventils lässt sich vereinfacht ausdrücken als:

Wenn FDruckFederkraft ist das Sicherheitsventil geschlossen. (1)

Wenn FDruck>FFederkraft ist das Sicherheitsventil offen. (2)

Dies bedeutet, wenn der Druck (und damit die Kraft unter dem Kegel) im Druckbehälter größer wird, als die Kraft, welche den Kegel auf den Sitz (Düse) drückt, öffnet das Ventil.

Hierbei unterscheidet man im Wesentlichen zwei verschiedene Arten von Ansprechen: schlagartig (schnelles Öffnen) oder nahezu stetig (aber nicht unbedingt lineares Öffnen). [2, S. 4] Während das Betriebsverhalten von Sicherheitsventilen mit einem sich aufbauenden Eigengegendruck schon im Rahmen von [1] untersucht worden ist, soll es bei den folgenden Untersuchungen um das Betriebsverhalten bei vorgegebenem konstantem Fremdgegendruck und einer Einstellung nach Kalt-Einstelldruck (CDTP, Cold-Differential-Test-Pressure) gehen.

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