DE1009876B - Ventil fuer hochgespannte und heisse Medien, insbesondere Sicherheitsventil - Google Patents

Description

An ein Ventil für hochgespannte und heiße Medien, insbesondere Sicherheitsventil, sind besonders bei steigendem Druck und steigender Temperatur mehrere Forderungen zu stellen. Die bei den hohen Temperaturen auftretenden Wärmedehnungen müssen kontrollierbar sein und abgefangen werden. Um für eine feststehende Leistung das Ventil nicht unnötig zu vergrößern, müssen strömungsgünstige Formen verwandt werden, die den Ausflußwirkungsgrad optimal halten. Die Formgebung der Druckgehäuse muß so erfolgen, daß bei gleichmäßiger Spannungsverteilung im kalten und warmen Zustand optimal kleine Wandstärken benötigt werden, wie es ideal bei einer Hohlkugel oder einem Hohlzylinder der Fall ist. Ist durch die hohen Drücke und Temperaturen die Verwendung von Schmiedestahl erforderlich, so müssen alle Teile wirtschaftlich aus Schmiedestahl herstellbar sein.

Es sind hilfsgesteuerte Sicherheitsventile bekannt, deren Hauptventilkegel durch einen im Auspuff liegenden Kolben aufgedrückt werden. Der dabei benötigte Zylinder bildet bei einer bekannten Ausführung mit dem Rotationskörper des Auspuffgehäuses einen Ringkanal. Dieser Zylinder und die zugehörige Steuerleitung stehen normalerweise mit der Atmosphäre in Verbindung. Der Zylinder und der in ihm gleitende Kolben ist somit den Verschmutzungen und Korrosionen der atmosphärischen Luft ausgesetzt. Dabei ist besonders zu berücksichtigen, daß solche Ventile insbesondere im Industriebetrieb Verwendung rinden, mit unreiner und aggressiver Atmosphäre. Bei diesen Ventilen wird beim Ansprechen der im Auspuff liegende kalte Zylinderraum momentan mit der Temperatur des abzusichernden Mediums beaufschlagt. Durch die fortschreitende Technik sind diese Temperaturen aber auf 650° C maximal gestiegen. Das Material von Zylinder und Kolben erhält somit einen Temperaturschock, dessen nachteilige Wirkung bei den hochgezüchteten Austenitstählen noch nicht ganz übersehen wird. Nach dem heutigen Stand der Technik werden in Hochdruckanlagen, die derartige warmfeste Stähle verwenden, Anwärmzeiten von der Größenordnung einer Stunde benötigt. Dagegen spielt sich das Aufheizen beim Ansprechen des Sicherheitsventils in wenigen Sekunden ab, mit dem wesentlichen Unterschied, daß solch ein Sicherheitsventil weitaus mehr zur Betätigung kommt, d. h. warm und kalt wird, als eine gesamte Anlage. Es wäre somit vorteilhaft, den Zylinder und den in ihm gleitenden Kolben in das betriebswarme Druckgehäuse der Zuflußseite zu verlegen. Diese Verlegung würde zusätzlich einen geringeren Materialaufwand bedingen, da es immer vorteilhafter ist, mit kleinen Zylindern höherer Drücke zu arbeiten als umgekehrt. Dies gilt besonders, da auf Grund der vorausgesetzten hohen Ventil für hochgespannte

und heiße Medien,
insbesondere Sicherheitsventil

Anmelder:

Rheinische Armaturen- und

Maschinenfabrik Albert Sempell,

M.Gladbach, Lürriper Str. 1-13

Dipl.-Ing. Alfred Kreuz, M. Gladbach,
ist als Erfinder genannt worden

Temperatur ohnehin ein hochlegiertes, temperaturbeständiges Material Verwendung finden muß.

Es ist weiterhin bekannt, Zylinderbüchsen wärmebeweglich in der Art aufzuhängen oder zu zentrieren, daß der an der einen Zylinderbüchsenseite benutzte Zentrierpunkt einen genügend großen axialen Abstand zur eigentlichen Zylinderinnenfläche erhält. Damit verbleiben Verformungen, die durch Temperaturunterschiede hervorgerufen werden, in einem Gebiet, das nicht zur Führung des Kolbens herangezogen wird.

Bei dieser Art wendet man maßlich und materiell etwas mehr auf, wobei dieser Aufwand bei niederen Drücken und Temperaturen nicht wesentlich ist.

Diese Art der Zylinderbüchsen wird auch bei hilfsgesteuerten Sicherheitsventilen verwandt, bei denen der Steuerzylinder auf der Zuflußseite, also im Dampfraum des Ventils liegt. Dabei handelt es sich aber um Eckventile, deren Druckgehäuse keine Rotationskörper darstellen, sondern in ihrer Form sehr verwickelt sind. Dabei werden die in der oben beschriebenen Form gelagerten Zylinderbüchsen wohl vom Medium umspült, aber bei geöffnetem Ventil nicht symmetrisch umströmt. Dadurch stellt sich eine über dem Umfang der Büchsen unsymmetrische Temperaturverteilung ein, die zu einem Unrundwerden der Büchsen führen kann.

Ein Unrundwerden der Büchsen auf Grund der ungleichmäßigen Anströmung beim geöffneten Ventil gibt aber wiederum Anlaß zur Havarie.

Normalerweise ist ein solches hilfsgesteuertes Sicherheitsventil geschlossen und somit Endpunkt einer

709 547/221

Rohrleitung. Die Betriebstemperatur, mit der z. B. eine Kesselanlage arbeitet, sei 525° C. Dann wird das '. Ventil, da es Endpunkt einer Rohrleitung ist, beispielsweise 450° C Innentemperatur haben. Spricht nun das Sicherheitsventil an, so wird in kürzester Zeit das Ventil durch den ausströmenden heißen Dampf aufgeheizt. Dabei werden die im Dampfstrom liegenden •Teile sehr rasch die Temperatur des Dampfes, nämlich 525° C, erreichen, während sich die Teile, die einerseits vom Dampf berührt werden, andererseits von der atmosphärischen Luft, langsamer erwärmen, da sie durch natürliche Konvektion an die atmosphärische Luft Wärme in erheblichem Maße abgeben. Andere Teile, die nur einseitig beströmt werden, während sie andererseits mit toten Räumen Verbindung haben, werden innerhalb des Temperaturfeldes, das bei dieser Art der Strömung ohne Zweifel besteht, Zwischentemperaturen erhalten. Es ist somit vorteilhaft, durch eine Symmetrie die vollständig umströmten Teile von den nur einseitig beströmten Teilen streng zu trennen und eine Verbindung durch elastische und wärmebewegliche Glieder zu bewerkstelligen. Diese elastischen und wärmebeweglichen Teile sind unumgänglich, da bei einer starren Verbindung durch die unterschiedlichen Wärmedehnungen plastische Verformungen oder Zerstörungen hervorgerufen würden.

Gemäß der Erfindung wird ein Ventil für hochgespannte heiße Medien, insbesondere Sicherheitsventil, mit einem vom Medium umspülten Steuerzylinder auf der Zuflußseite vorgeschlagen, dessen Steuerzylinder mit dem rotationssymmetrischen Gehäuse einen Ringkanal bildet und durch elastische, Wärmespannungen ausgleichende Verbindungsglieder abgestützt ist. Weiterhin wird der ausströmende Dampf nahezu gerade durch das Ventil geführt, da der Eintrittsquerschnitt, Sitzquerschnitt und Austrittsquerschnitt des .Ventils in einer Achse liegen. Nach einem weiteren Merkmal können alle Innenteile, die einem Verschleiß unterliegen, ausgebaut werden. Dabei wird der Steuerzylinder mit seinen Wärmespannungen ausgleichenden Verbindungsgliedern, die an ihren Enden durch einen Ring verbunden sind, durch diesen Ring im Gehäuse gelagert und andererseits gegen axiale Verschiebung durch den den Ventilsitz tragenden Bauteil gesichert. Nach einem weiteren. Merkmal ist der Ventilkegel mit dem Steuerkolben in an sich bekannter Weise gelenkig verbunden.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Steuerzylinder und der ringförmige Steuerkolben in an sich bei Sicherheitsventilen bekannter Weise gestuft, wobei sie zwischen sich eine vom Steuerdruck beaufschlagte Ringkammer einschließen, wobei das Medium den hohlen Kolben durchströmt und der Ventilkegel durch Rippen mit dem ringförmigen Kolben verbunden ist.

Die Zeichnung zeigt ein hilfsgesteuertes Sicherheitsventil gemäß der Erfindung teilweise geschnitten. Das äußere Gehäuse besteht aus dem rotationssymmetrischen Körper 1 für den Hochdruckteil und dem ebenfalls rotationssymmetrischen Körper 2 für den Niederdruckteil. Der Körper 1 ist über eine Leitung 3 mit der abzusichernden Anlage verbunden und mit dem Körper 2 durch Flansche 4. Diese Verbindung kann auch durch andere bekannte Verschluß arten hergestellt werden. Eintrittsquerschnitt 5, Ventilsitz 6 und Austrittsquerschnitt 7 liegen in einer Achse. Der Zylinder 8 ist in dem Körperl durch Stahlrippen 9 befestigt, die so elastisch sind, daß sie Wärmedehnungen aufnehmen können. Diese elastische Verbindung kann aber auch in anderer Weise, z. B. durch radiale BoI-zen, ausgeführt werden. Der Zylinder 8 trägt innen eine kurzgeführte Gleitbüchse 10, in der ein Differentialkolben 11, der mit Kolbenringen 12 abgedichtet sein kann, verschieblich angeordnet ist. Der Abschlußkegel 18 ist mit dem Differentialkolben 11 beweglich und auswechselbar verbunden. Der Druck zum Schließen des Ventils wird vom Differentialkolben 11 durch eine Kugel 21 auf den Abschlußkegel 18 übertragen. Die Kugel kann aber auch durch eine ballige Fläche am Differentialkolben ersetzt werden. In dem zylindrischen Körper 1 ruht ein Sitzring 13, der gegenüber dem Körper 1 durch eine Schweißdichtung 14 abgedichtet ist. Nach Lösen der Schweiß dichtung können alle dichtenden und gleitenden Teile dem Körper 1 entnommen werden. Der Körper 2 schließt sich an den Dichtring 13 an. Der Innenraum des Zylinders 8 ist durch eine Druckleitung 16 mit einer Steuereinrichtung verbunden. An den Abschlußkegel 18 kann über die Stange 22 ein außerhalb der Strömung liegendes Dämpfungssystem angeschlossen werden. Die Feder hält bei Evakuierung des abzusichernden oder abzuschließenden Systems das Ventil geschlossen. Der Strömungskörper 25 und der Körper 2 können so ausgebildet werden, daß bei senkrechtem Einbau und Abblasen des Ventils ins Freie keine Fremdkörper auf den Abschlußkegel 18 fallen können. Der erfindungsgemäße Gegenstand arbeitet in folgender Weise:

Auf die kleine Kreisfläche des Differentialkolbens wirkt bei geschlossenem Ventil der volle Druck der Anlage. Die Kraft, gebildet aus diesem Druck mal der kleinen Kreisfläche des Differentialkolbens, preßt den Abschlußkegel auf die Dichtung des Sitzringes 13. Überschreitet nun der Druck des abzusichernden Mediums den Ansprechdruck, so wird der Innenraum 15 des Differentialkolbens 11 vom Steuerventil 17 über die Druckleitung 16 entlastet. Da auf die Ringfläche des Differentialkolbens weiterhin der Druck des abzusichernden Mediums wirkt, überwiegt nun die auf die Ringfläche ausgeübte Kraft die Kraft auf die große Fläche des Differentialkolbens; das Ventil öffnet.

Bei geöffnetem Ventil wirkt auf die Ringfläche des Differentialkolbens ein statischer Druck, der durch einen relativ großen Strömungsanteil zum Gesamtdruck niedrig liegt. Im Eintritt 5 dagegen herrscht eine geringe Strömung, so daß bei Abschluß der Steuerleitung 16 der höhere statische Druck des Eintrittsquerschnittes 5 in den Zylinderraum gelangt und das Ventil schließt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Ventil für hochgespannte und heiße Medien, insbesondere Sicherheitsventil, mit einem vom Medium umspülten Steuerzylinder auf der Zuflußseite, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder mit dem rotationssymmetrischen Gehäuse einen Ringkanal bildet und durch elastische, Wärmespannungen ausgleichende Verbindungsglieder abgestützt ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkegel mit dem Steuerkolben gelenkig verbunden ist.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmespannungen ausgleichenden Verbindungsglieder mit dem Steuerzylinder zusammen ausgebaut werden können.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmespannungen ausgleichenden Verbindungsglieder mit ihren Enden am Gehäuse

durch einen Ring verbunden sind, der einerseits auf einem Bund am Gehäuse aufliegt und andererseits gegen axiale Verschiebung durch den den Ventilsitz tragenden, mit dem Gehäusehauptteil lösbar verbundenen Bauteil gesichert ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 147 395, 455 133, 917, 634 929, 644 672, 677 769, 686 646, 711 053; französische Patentschrift Nr. 840 323; britische Patentschrift Nr. 617 624.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen