Know-How Druckentlastungsventile

Aufgabe

Druckentlastungsventile werden zum Abbau von auftretenden Druckspitzen und permanenten Überdrücken in Rohrleitungssystemen eingesetzt.

Auf der Suche nach geeigneten Methoden zur Abschwächung oder gar Verhinderung von Druckstößen sind zuvor einige Dinge zu beachten. Wir nähern uns mit den Fragen:

Was ist ein Druckstoß und wann tritt ein Druckstoß auf?

Was ist ein Druckstoß?

Druckstöße sind dynamische Druckänderungen. Diese können bei schlagartiger Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums entstehen. Die Bewegungsenergie des Mediums wird in einer Änderung des Drucks umgesetzt. Diese kann sich entweder als Druckerhöhung oder Druckabsenkung darstellen und sowohl in Strömungsrichtung als auch gegen die Strömungsrichtung des Systems laufen. Die Druckänderung kann dabei so groß werden, dass entweder der zulässige Maximaldruck im System überschritten wird oder es durch Druckabsenkung zu Kavitation im System kommt.

Auswirkungen durch Druckstöße

Im Betrieb von Rohrleitungen sind dynamische Druckänderungen im Allgemeinen unvermeidbar, müssen aber innerhalb zulässiger Grenzen gehalten werden. Unzulässig hohe Druckstoßbelastungen können zu großen Schäden führen: 

Wann tritt der Druckstoß auf?

Druckstöße im Allgemeinen

• Beim An- oder Abfahren der Pumpe im Normalbetrieb
• Wenn der Durchfluss plötzlich stoppt, z.B. im Brandfall oder bei Stromausfall
• Wenn ein Absperrventil plötzlich geschlossen wird

Dies sind alles Fälle, in denen typischerweise Druckstöße auftreten können. Und hierfür gibt es Ventile, die diesem Problem Abhilfe schaffen.

Druckstöße in der Praxis

• Beim Einschalten von Pumpen durch Beschleunigung der Flüssigkeitsmasse 
• Abreißen der Flüssigkeitssäule beim Ausschalten von Pumpen
• Schlagartiges Stoppen einer sich in Bewegung befindenden Flüssigkeit durch ein Schnellschlussventil
• Plötzliche Änderung der Flussrichtung durch Magnetventile
• Abrupte Änderung des Rohrquerschnittes durch Verengungen und Drosselungen
• Auch in Rohrleitungssystemen mit geringer Steigung oder geringem Gefälle kann es zu transienten Druckschwankungen kommen

Selbsttätige Regelarmaturen gegen Druckstöße

Diese Ventile arbeiten unabhängig von externer Hilfsenergie und benötigen keine zusätzlichen pneumatischen oder elektrischen Steuerteile. Deshalb sind sie sind besonders geeignet für Pumpensysteme, Förderpumpen, Tiefbrunnen und schwierig zu wartende, abgelegene Standorte sowie ältere Systeme. 

Typische selbsttätige Industriearmaturen für Anwendungen mit Druckstoßproblematiken sind sogenannte Druckentlastungsventile SRV (surge relief valve) sowie Druckabfang- und -entlastungsventile SAV (surge anticipation valve).

In einigen Fällen können Druckentlastungsventile eine preiswerte Alternative zu einem Ausgleichsbehälter oder einem Hydropneumatikbehälter sein.

Funktionsweise von Regelarmaturen für Anwendungen mit Druckstoßproblematiken

Druckentlastungsventile SRV (surge relief valve) öffnen bei Erreichen und Überschreiten des Einstelldrucks, um das Medium aus dem System abzuführen und schließen dann kontrolliert langsam, um keinen Druckstoß zu erzeugen. Nach einem Stromausfall, welcher häufig zu einem schnellen, sprunghaften Druckimpuls führen kann, kann das SRV möglicherweise zum Öffnen zu langsam sein, weshalb das SRV üblicherweise zum Abbau von allmählichen Druckanstiegen und zur permanenten Überdrückkontrolle an kritischen Punkten entlang der Rohrleitung oder in der Bypass-Leitung an den Pumpen eingesetzt wird.

Druckabfang- und -entlastungsventile SAV (surge anticipation valve) öffnen beim Erreichen und Unterschreiten des unteren Einstelldrucks in Erwartung eines anschließenden hohen Druckanstiegs (oberer Einstelldruck) zur Atmosphäre. Das SAV erfasst so zunächst die Niederdruckwelle, die typisch ist für eine Notabschaltung der Pumpe (oder bei einem Stromausfall), weshalb das SAV üblicherweise in einem Bypass an der Pumpe eingebaut wird. Durch das Voröffnen ist das SAV bereits geöffnet, wenn die zurückkehrende Hochdruckwelle das SAV erreicht. Das Erfassen des Überdrucks der Hochdruckwelle ist erforderlich, um das Öffnen des SAV einzuleiten. Das SAV schließt kontrolliert langsam, um keinen Druckstoß zu erzeugen. Das SAV ist bei sprunghaften transienten Druckänderungen im Vergleich zum SRV etwas besser geeignet, da es schneller reagieren und öffnen kann.

Um eine auftretende Unterdruckwelle zu kompensieren (z.B. Kavitationsschläge) und auftretendes Vakuum zu brechen, ist zusätzlich zum SRV und SAV eine Komplettlösung aus Be- und Entlüftungsventilen und Vakuumbrechern erforderlich.

Know-How Be- und Entlüfter     Know-How Vakuumbrecher

Auswahl von Ventiltyp und Nennweite

Damit Ihre Druckentlastungsventile (SRV + SAV) richtig funktionieren, müssen diese für Ihre Anwendung passgenau ausgelegt werden. Die Beschaffenheit der Anlage ist entscheidend für die Auslegung, z. B. je nachdem, wie viele Ventile und Pumpen in Betrieb sind, ist auch der Durchfluss unterschiedlich. 

In der Regel werden die Druckentlastungsventile bei ca. 25 % des maximalen Rohrleitungsdurchflusses betrieben. Besondere Beachtung muss dem Durchsatz (K_vs-Wert) und den Ansprechdrücken geschenkt werden. 

Eine Überdimensionierung (SRV + SAV), ein zu groß gewählter K_vs-Wert oder ein falsch gewählter unterer Einstelldruck (SAV) kann im Druckstoßfall zuviel Betriebsmedium zur Atmosphäre entlasten und so eine Anlagendruckrückgewinnung unmöglich machen, da das Ventil geöffnet bleibt, bis keine Druckdifferenz mehr über dem Ventil ansteht. Dieser Verlust des Betriebsmediums bleibt bestehen, bis die Rohrleitung leergelaufen ist, oder es kommt zum Abreißen der Flüssigkeitssäule und nachfolgend zu hohen Drucksteigerungen beim Wiederzusammenschlagen der Flüssigkeitssäulen (Makrokavitation).

Vor der Auslegung der Ventile empfehlen wir daher, eine umfassende Druckstoßanalyse (surge analysis) bei einem qualifizierten Engineering-Dienstleister durchzuführen. Bei Bedarf besprechen wir mit Ihnen und dem Dienstleister die Analyse und beraten gerne bei der richtigen Auswahl der Armatur (SRV + SAV).

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Materialauswahl

Mankenberg-Armaturen sind aus Materialien wie Edelstahl oder Duplexstahl lieferbar. Elastomere für O-Ringe und Dichtungen werden passend für die Anforderungen des Mediums und der Betriebstemperatur ausgelegt.

Sitzdichtheit

SRV und SAV sind keine Absperrorgane, die einen dichten Ventilabschluss gewährleisten. Sie können in der Schließstellung nach DIN EN 60534-4 und/oder ANSI FCI 70-2 eine Leckrate entsprechend der Leckageklassen III oder V, optional IV, aufweisen:

Leckageklasse III (metallisch dichtenden Kegel) = 0,1 % K_vs-Wert
Leckageklasse IV (PTFE- dichtende Kegel ) = 0,01 % K_vs-Wert
Leckageklasse V (weichdichtende Kegel ) = 1,8 x 10^-5 x Δp x D* [l/h]
*D = Sitzdurchmesser