HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung bezieht sich auf Sicherheitsventile
zum Mindern exzessiven Drucks in Fluidsystemen, um
Schaden an der Ausrüstung und Verletzungen des Personals
zu vermeiden. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung
auf eine verbesserte Ventilscheibe und ein die Scheibe
benutzendes Sicherheitsventil, um die Ventilsitzdichte
bei bestimmten ähnlichen derzeitigen
Sicherheitsventilgestaltungen zu verbessern.
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Druckminderungs- oder Sicherheitsventile werden in
Betriebssystemen zum Erzeugen, Steuern und Verwenden von
Fluiden, wie z. B. gesättigtem und überhitztem Dampf
verwendet. Typisch für solche Sicherheitsventile ist ein
Ventil vom Sammelkammertyp (huddling chamber type), das
einige Jahre lang vermarktet worden ist. Solche Ventile
umfassen eine Düse zum Einlassen von Dampf aus einem
Druckbehälter in das Ventil. Ein Ventilsitz ist am
Auslaßende der Düse in einer Kammer des Hauptkörpers des
Ventils ausgebildet. Die Düse wird geschlossen, um ein
Entweichen von Dampf über ein Ventilelement zu
verhindern, das allgemein als "Ventilscheibe" bzw.
"Ventilteller" bezeichnet wird, das relativ zum Düsensitz
beweglich ist und durch eine Druckfeder zu einer
Schließposition auf dem Sitz vorbelastet ist. Wenn der
Dampfdruck im Behälter einen vorbestimmten Wert überschreitet,
wird die Ventilscheibe bzw. der Ventilteller vom
Düsensitz weggedrängt, um Dampf vom Druckbehälter in die
Ventilkammer
einzulassen, von wo aus der Dampf durch
einen aus der Kammer führenden Auslaß strömt. Wenn der
Druck im Behälter auf einen vorbestimmten Pegel sinkt,
drängt die Druckfeder die Ventilscheibe zurück auf den
Düsensitz und schließt damit das Sicherheitsventil. Der
Unterschied zwischen dem Druck, bei dem das Ventil
öffnet, und dem Druck, bei dem sich das Ventil wieder
schließt, wird oft als "Ausblasen" (blowdown) bezeichnet.
Das Druckverhältnis, bei dem das Ventil zum Öffnungsdruck
des Ventils hin zu lecken oder zu "sieden" (simmer)
beginnt, wird als "Sitzdichte" ("seat tightness")
bezeichnet. Z. B. weist ein Ventil mit einem eingestellten
Öffnungsdruck von 3,447 MPa (500 psi), das bei 3,309 MPa
(480 psi) zu "simmern" oder zu lecken beginnt, eine
Sitzdichte von 96% auf.
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Ventile des allgemeinen Typs der vorliegenden
Erfindung sind in den folgenden US-Patenten dargestellt
und beschrieben: Patent Nr. 4 708 164 für SAFETEY RELIEF
VALVE im Namen von David J. Scallan, 24. November 1987;
Patent Nr. 4 858 642 für IMPACT RESISTANT PERSSURE RELIEF
VALVE im Namen von John E. Fain, jr., 22. August 1989;
sowie Patent Nr. 5 234 023 für PRESSURE RELIEF VALVE WITH
AUXILIARY LOADING DEVIDE im Namen von Ying-San Lai,
10. August 1993. Genauer gesagt sind Ventile des Typs der
vorliegenden Erfindung die Sicherheitsventile der
1500er Serie, die von Dresser Industries, Industrial
Valve Operation, Dresser Valve and Controls Division
hergestellt und vermarktet werden und im Bulletin
SV-7,. veröffentlicht von Dresser Industries im Juli 1986,
beschrieben und dargestellt sind. Die Ventile der
1500er Serie verwenden eine THERMOFLEX-Ventilscheibe.
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Die US-A-773 641, die eine Basis für den Oberbegriff
von Anspruch 1 bildet, offenbart ein Sicherheitsventil
mit einer Ventilscheibe. Die Ventilscheibe umfaßt einen
Zentralkörper, einen ersten Kopplungs-Endabschnitt zum
Verbinden der Ventilscheibe mit einem
Ventilscheibenhalter und einen zweiten gegenüberliegenden
Sitz-Endabschnitt, der durch einen externen, ringförmigen,
kegelstumpfartigen Sitz festgelegt ist, welcher den vom
Zentralkörper weggerichteten zweiten Sitz-Endabschnitt
umschließt, sowie eine am zweiten Sitz-Endabschnitt
innerhalb des kegelstumpfartigen Sitzes gelegene und
endwärts über den kegelstumpfartigen Sitz hinausstehende,
konvexe Stirnfläche.
ABRISS DER ERFINDUNG
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Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine neue und verbesserte Scheibe für ein
Sicherheitsventil zum Mindern überflüssigen Fluiddrucks
bereitzustellen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein
Sicherheitsventil mit einer Ventilscheibe
bereitzustellen, die eine verbesserte Sitzdichte liefert.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Sicherheitsventilscheibe bereitzustellen, die zum
Reduzieren von Turbulenzen unterhalb der Scheibe
konfiguriert ist, wenn sich das Ventil schließt, um eine
verbesserte Zentrierung der Scheibe aufrechtzuerhalten
und ein gleichmäßigeres Aufsetzen der Scheibe auf der
Sitz-Führungsbuchse zu erzielen.
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Eine noch andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Sicherheitsventilscheibe bereitzustellen, die einen Sitz
aufweist, der an einer Lippe ausgebildet ist, die sich
bei Druckänderungen verbiegt, um einen im wesentlichen
konstanten Kontaktbereich zwischen der Scheibe und dem
Ventilsitz auf der Düse während Druck- und
Temperaturänderungen aufrechtzuerhalten.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Sicherheitsventilscheibe und ein Sicherheitsventil
bereitzustellen, welche eine solche Scheibe verwenden,
die für alle Fluidanwendungen benutzt werden kann.
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Die Erfindung ist durch den unabhängigen Anspruch 1
definiert. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf
bevorzugte Ausführungsformen der Ventilscheibe und auf
ein Sicherheitsventil, das die Ventilscheibe aufweist.
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Gemäß einer exemplarischen bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung ist ein Sicherheitsventil zur
Verwendung bei erhöhten Temperatur- und Druckpegeln
vorgesehen, das eine Ventilscheibe mit einem
Sitzabschnitt aufweist, der durch einen externen,
abgewinkelten, kegelstumpfartigen Sitz definiert ist,
welcher eine konvexe Endfläche umschreibt, sowie eine
externe Ringnut um die Scheibe, die eine externe,
flexible Ringlippe definiert, auf der der Sitz gebildet
wird, wodurch sich der Sitz als Antwort auf Druck- und
Temperaturänderungen biegt, sowie eine kegelstumpfartige,
ringförmige Sitzfläche auf der Sitzführungshülse des
Ventils um die Eingangsdüse, die sich in den Ventilkörper
hinein zum Eingriff durch den Sitz an der Ventilscheibe
öffnet, um das Ventil zu schließen.
KURBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigen:
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Fig. 1 eine Schnitt-Seitenansicht und eine
Vorderansicht eines Sicherheitsventils vom
Sammelkammertyp nach dem Stand der Technik der Art, auf die die
vorliegende Erfindung gerichtet ist,
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Fig. 2 eine schematische Längsschnittansicht zur
Darstellung der Anwendung einer bevorzugten,
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung auf ein
Sicherheitsventil des in Fig. 1 dargestellten Typs,
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Fig. 3 eine vergrößerte, fragmentarische,
schematische Schnittansicht des peripheren
Ventilsitzabschnitts der Ventilscheibe der Erfindung, die eine
Ventilscheibenlippe darstellt, die sich unter keinen
Belastungs- und Federvorbelastungsbedingungen befindet,
die nicht unter Betriebsdruck steht und im wesentlichen
70ºF aufweist, und
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Fig. 4 eine vergrößerte, schematische,
fragmentarische Ansicht der Ventilscheibenlippe unter
keinen Belastungs- und Federvorbelastungsbedingungen bei
einem Betriebsdruck von im wesentlichen 8,274 MPa
(1200 psi) und einer Betriebstemperatur von 538ºC
(1000ºF).
GENAUE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN,
BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
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Gemäß Fig. 1 umfaßt ein typisches
Sicherheitsventil 10 nach dem Stand der Technik, auf das die
Erfindung angewandt ist, einen Ventilkörper 11, der mit
einem Flansch versehene Einlaß- und Auslaßverbindungen 12
und 13 aufweist. Ein offenes Joch 14 ist am Ventilkörper
angebracht, der einen durch eine Hebeanordnung 20 manuell
betätigbaren Ventilschaft 15 trägt. Eine
präzisionsgewickelte Spiralfeder 21 ist an dem Ventilschaft
innerhalb des Jochs angebracht und zwischen Federanschlägen 22
und 23 komprimiert. Der untere Federanschlag 23 kann in
einen am Ventilschaft ausgebildeten, externen konischen
Ansatz 24 eingreifen. Eine Ventilscheibe bzw. ein
Ventilteller 25 ist am unteren Ende des Ventilschafts innerhalb
einer Montier-Rohrführung oder einem durch eine
Scheibenmutter 31 gehaltenen Scheibenhalter 30 montiert. Die
Ventilscheibe 25 hat eine nach unten und innen
geschwungene ringförmige Lippe 32, die einen 45º-Sitz
definiert, der mit einem 45º-Sitz 33 an einer Sitz-
Führungsbuchse 34 in Eingriff gebracht werden kann, die
in der einen Einlaß-Strömungsdurchgang 35, der in das
Sicherheitsventil führt, definierenden
Einlaßverbindung 12 angebracht ist.
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Im Betrieb ist das Sicherheitsventil 10 nach dem
Stand der Technik an einem Druckbehälter zum Zweck des
Minderns exzessiven Fluiddrucks, der sich im
Druckbehälter entwickeln kann, angebracht. Der Fluiddruck im
Behälter wird auf das Sicherheitsventil durch den
Strömungsdurchgang 35 in der Sitz-Führungsbuchse 34 des
Ventils übertragen. Das Sicherheitsventil wird durch die
Druckfeder 21 geschlossen gehalten, welche die
Ventil
scheibe 25 in abdichtenden Eingriff mit dem Sitz 33 auf
der Sitz-Führungsbuchse 34 drängt. Wenn der Druck in dem
Druckbehälter auf den eingestellten Druck des
Sicherheitsventils steigt, so wird ein Druckpegel unterhalb des
eingestellten Drucks erreicht, bei dem das Ventil vor dem
vollen Öffnen bei dem eingestellten Druck zu lecken
beginnt. Dieser Druckpegel, bei dem das Ventil zu lecken
beginnt, definiert in bezug auf den Öffnungsdruck, was
als "Sitzdichte" ("seat tightness") bekannt ist.
Typischerweise kann die Sitzdichte eines
Sicherheitsventils nach dem Stand der Technik, wie dargestellt, 94%
betragen, was bedeutet, daß das Ventil zu lecken beginnt,
wenn der Druck im Behälter 94% des eingestellten Drucks
des Sicherheitsventils erreicht. Wenn das Lecken des
Ventils beginnt, wird die Ventilscheibe 25 durch den
Fluiddruck vom Sitz 33 abgehoben, wobei sie eine Strömung
von dem Strömungsdurchgang 35 um die Ventilscheibe
innerhalb des Sitzes 33 in den Auslaß 13 des
Sicherheitsventils ermöglicht. Wenn sich der Fluiddruck im
Druckbehälter aufgrund des Freisetzens des Drucks durch das
Sicherheitsventil vermindert, nimmt der Druck auf einen
Wiederaufsitzdruck (reseating pressure) für das Ventil
ab, bei dem die Ventilscheibe wieder auf den Sitz 33
gezwungen wird und das Ventil wieder schließt. Die
Druckminderung zwischen dem eingestellten Druck des Ventils
und dem Wiederaufsitzdruck wird als das
Ausblasdifferenzial (blowdown differential) oder kürzer gesagt,
das "Ausblasen" ("blowdown") des Ventils genannt.
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Gemäß der Erfindung ist in Fig. 2 eine bevorzugte,
exemplarische Ausführungsform einer modifizierten Form
des Sicherheitsventils 10 schematisch dargestellt. Gemäß
Fig. 2 ist die Ventilscheibe 25 des in Fig. 1 gezeigten
Ventils 10 nach dem Stand der Technik durch eine
Ventil
scheibe 40 und eine Sitz-Führungsbuchse 41 ersetzt,
welche die Merkmale der Erfindung aufweisen. Die
restlichen Komponenten des Sicherheitsventils sind wie in
Fig. 1 dargestellt.
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Gemäß den Fig. 2 bis 4 weist die Ventilscheibe 40
einen ersten Kopplungs-Endabschnitt 42 auf, der durch den
Scheibenhalter 30 und die Scheibenmutter 31, welche die
Ventilscheibe in Betriebsposition im Sicherheitsventil
versperrt, in Eingriff bringbar und zwischen diesen
festgeklemmt ist. Die Ventilscheibe 40 weist einen zweiten
Ventilsitz-Endabschnitt 43 auf, der durch eine konvexe
Endfläche 44 und eine ringförmige, sich nach unten und
innen schwingende, kegelstumpfartige Sitzfläche 45 an
einer äußeren, ringförmigen, flexiblen Lippe 50
festgelegt ist. Ein zentraler Körperabschnitt 51 der
Ventilscheibe 40 ist mit einer äußeren ringförmigen Nut
oder Ausnehmung 52 versehen, welche den
Ventilscheibenkörper an der der Lippe 50
gegenüberliegenden Seite umschreibt, wodurch die Lippe 50
ein flexibles Merkmal der Ventilscheibe darstellt. Die
Sitzfläche 45 an der Ventilscheibe ist mit einer
kegelstumpfartigen Sitzfläche 53 in Eingriff bringbar,
die an einem erstem Endabschnitt der Sitz-
Führungsbuchse 41 vorgesehen ist, um ein Durchströmen
durch den Strömungsdurchgang 35 der Sitz-Führungsbuchse
zu sperren, wenn das Sicherheitsventil geschlossen ist.
Bei dem Beispiel des dargestellten erfindungsgemäßen
Ventils betragen die Winkel der Sitzflächen 45 und 53 im
wesentlichen 60º, gemessen von einer Vertikalachse durch
die Scheibe und die Sitz-Führungsbuchse, wie sie in den
Fig. 2 bis 4 orientiert ist. Diese Sitzwinkel sind jedoch
selbstverständlich nicht bindend. Die flexible Lippe 50
der Ventilscheibe 40, auf welcher die Sitzfläche 45
ausgebildet ist, ermöglicht erfindungsgemäß, daß sich die
Sitzfläche mit den Änderungen der Betriebskräfte und
-temperaturen des Sicherheitsventils biegt, um einen
maximalen Kontakt zwischen der Sitzfläche der
Ventilscheibe und der Sitzfläche der Sitz-Führungsbuchse
aufrechtzuerhalten.
ARBEITSWEISE DER BEVORZUGTEN, EXEMPLARISCHEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Das Sicherheitsventil 10 ist an einem Druckbehälter
unter Verwendung eines nicht dargestellten, geeigneten
Fittings angebracht, wobei das zu steuernde Fluid in den
Einlaß-Strömungsdurchgang der Sitz-Führungsbuchse 41
gerichtet wird. Die Kraft der Spiralfeder 21, die über
den Ventilschaft 15 einwirkt, hält die Ventilscheibe 40
gegen die Sitz-Führungsbuchse 41, wobei die
Ventilscheiben-Sitzfläche 45 an der Sitz-Führungsbuchsen-
Sitzfläche 53 anliegt, um ein Strömen von Fluid vom
Druckbehälter durch das Sicherheitsventil zu verhindern,
bis der Fluiddruck den eingestellten Druck erreicht, an
dem sich das Sicherheitsventil öffnet. Fig. 2 stellt die
Ventilscheibe 40 in der Schließposition dar. In Fig. 3
ist der Umfang der Ventilscheibe 40 unter den Bedingungen
keiner Druckeinwirkung und einer Umgebungstemperatur von
etwa 21,1ºC (70ºF) graphisch dargestellt. Das untere Bild
der Scheibe zeigt die Position der Lippe 50 mit dem
Sitz 45 vor dem Einwirken der Last der Feder 21 auf die
Scheibe. Wenn der Außenumfang der Scheibe einschließlich
der Lippe und des Sitzes durch die Kraft der Spiralfeder
vorbelastet werden, biegen sie sich, wie gezeigt, nach
oben. Wie in den graphischen Darstellungen der Scheibe in
Fig. 4 unter Betriebsbedingungen von 8,274 MPa (1200 psi)
und einer Temperatur von 538ºC (1000ºF) dargestellt ist,
expandiert daraufhin durch die Last der Spiralfeder auf
die Oberseite der Scheibe und die Last des Fluiddrucks
auf die Unterseite der Scheibe sowie durch die Temperatur
die Scheibe radial und verformt die Scheibenlippe und den
Sitz, wie gezeigt, nach unten. Während der zusammen mit
der Federvorbelastung auf die Scheibe stattfindenden
Temperatur- und Druckerhöhung, die das Ventil geschlossen
halten, erzeugt die Flexibilität der Scheibenlippe einen
im wesentlichen konstanten, einheitlichen Kontaktbereich
zwischen dem Scheibensitz und dem Sitz auf der Sitz-
Führungsbuchse. Wenn der Druck zu dem eingestellten Druck
für das Öffnen des Sicherheitsventils hin zunimmt,
beginnt bei einem Druckpegel von im wesentlichen 97-
98% des eingestellten Drucks für das Ventil die
Ventilscheibe, sich gegen die Kraft der Feder nach oben zu
bewegen, wobei das Ventil zu lecken beginnt und sich dann
in eine volle Öffnungsposition bewegt, bei der das Ventil
den Druck im Behälter freisetzt, um den Druck solange
abzusenken, bis das Ausblasdifferential erreicht ist, an
dem die Ventilscheibe wieder auf ihren Sitz zurückkehrt
und das Ventil schließt.
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Ein besonderer Vorteil des Ventils der vorliegenden
Erfindung ist die Erhöhung der vorher genannten
Sitzdichte von etwa 94% zu dem Bereich von 97-98%. Die
sphärische Endfläche 45 der Ventilscheibe neigt zu einer
gleichmäßigen Verteilung der Strömung von Fluiden vom
Druckbehälter um die Ventilscheibe zum Auslaß des
Ventils, wobei sie einen zentrierenden Effekt auf die
Ventilscheibe mit einer Verminderung in der Turbulenz
unterhalb der Ventilscheibe ausübt, was zu einem
gleichmäßigeren Wiederaufsitzen der Scheibe auf der Sitz-
Führungsbuchse führt, wenn sich das Ventil schließt.
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Die Ventilscheibe und das Sicherheitsventil der
Erfindung sind zwar anhand einer bevorzugten,
beispielhaften Ausführungsform beschrieben und dargestellt
worden, es ist jedoch selbstverständlich, daß weitere
Änderungen und Modifikationen an der Ventilscheibe und
dem Sicherheitsventil vorgenommen werden können, ohne vom
Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den
beigefügten Ansprüchen dargestellt ist.