mini|Lokomotive der York Newcastle & Berwick Railway nach Bersten des Dampfkessels, 1850
Sicherheitsventile (Überdruckventile) gehören zu den Sicherheitsarmaturen nach DIN EN 806-1 bzw. DIN EN 736-1:2018-05 und schützen druckbeaufschlagte Räume oder Druckbehälter (z. B. Heiz- und Dampfkessel, Rohrleitungen, Reaktoren) vor einem für Druckgerät oder Drucksystem unzulässigen Druckanstieg.Peter Schott: Sanitärtechnik - Sicherheits- und Sicherungsarmaturen in der Trinkwasserinstallation, In: IKZ-Haustechnik, Ausgabe 10/2000, Seite 56 ff. Bei Überschreiten des Ansprechdruckes werden Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten in die Atmosphäre oder in Sammelrohrleitungen abgeleitet. Ein Beispiel ist das Kesselsicherheitsventil einer Dampflokomotive.
In R&I-Fließschemata nach internationalem Standard erfolgt die Kennzeichnung eines Drucksicherheitsventils mit PSV (Pressure Safety Valve) mit einer folgenden Zählnummer.
Einteilung Sicherheitsventile werden in Bezug auf ihr Ansprechverhalten eingeteilt nach:
Proportionalventile weisen vom Erreichen des Ansprechdrucks pset bis zum vollständigen Öffnen (1,1 pset) ein zum Druck proportionales Öffnungsverhalten auf, Vollhubsicherheitsventile öffnen bei Ansprechen schlagartig und mit vollem Hub, Normalsicherheitsventile haben kein besonderes Ansprechverhalten.
Ferner werden Sicherheitsventile nach der Art der Gegenkraft zum abzusichernden Druck unterschieden: federbelastete Sicherheitsventile, gewichtsbelastete Sicherheitsventile, mediumbelastete Sicherheitsventile.
Das Gewicht und das Hebelarmübersetzungsverhältnis bzw. die Vorspannung der Feder stehen beim Ansprechdruck im Gleichgewicht mit der Kraft, die aufgrund des Innendruckes auf den Ventilteller wirkt.
Bei mediumbelasteten Sicherheitsventilen wirken auf beiden Seiten des Dichttellers die gleichen Drücke, durch unterschiedlich große Flächen wirkt eine größere Kraft in Schließrichtung. Gesteuert wird das Ventil über eine zusätzliche Ventileinheit. Bei Überschreitung des Ansprechdruckes wird über die zusätzliche Ventileinheit der über dem Dichtteller liegende Bereich entlüftet, die schließende Kraft fällt weg und das Ventil öffnet schlagartig.
Weiterhin wird unterschieden zwischen direkt wirkenden und gesteuerten Sicherheitsventilen. Gesteuerte Sicherheitsventile entsprechen den direkt wirkenden bis auf eine zusätzlich aufgebrachte Schließ- und Öffnungskraft. Das kann ein pneumatischer oder hydraulischer Zylinderantrieb sein, der in gewissen Grenzen eine zusätzliche Belastungskraft und beim Überschreiten des Ansprechdruckes eine zusätzliche Hubkraft bewirkt. Hiermit wird ein wesentlich genaueres Ansprechverhalten erreicht. Gesteuerte Sicherheitsventile werden z. B. bei größeren Kraftwerksdampfkesseln eingesetzt. Auf Grund der Nachverdampfung bei größeren Wasservolumina ergeben sich bei nicht gesteuerten Sicherheitsventilen längere Zeiten bis zum Wiederschließen des Sicherheitsventils nach einer Drucküberschreitung. Eine besondere Klasse bildet die Flammenrückschlagsicherung (engl. flashback arrestor), wie seit Jahrzehnten beim Schweißen nach der Druckregelarmatur und vor dem Schweißschlauchpaar eingebaut werden. Kriecht eine Flammenfront oder schnellt eine Explosionsfront im Schlauch gegen den regulären Gasstrom, schließen diese Bauteile den Weg zur Gasflasche ab. Diese Bauteile (etwa 12 cm lang, 2,5 cm Durchmesser) beinhalten federbelastete Kolben und eine poröse Barriere aus Sintermetall, werden thermisch und vom ankommenden Druckschlag gesteuert und verhindern Flaschenbrände.
Charakteristische Eigenschaften Die charakteristischen Größen für die Auslegung von Sicherheitsventilen sind: pset: Ansprechdruck in bar (Überdruck), d0: kleinster Öffnungsdurchmesser am Ventilsitz in mm, KDr oder : zuerkannte reduzierte Ausflussziffer, h: Hub des Sicherheitsventils (Stellung des Ventiltellers zwischen Sitz und maximaler Öffnung) in mm.
Der ausströmende Massenstrom wird berechnet aus der Umsetzung der Druckenergie in kinetische Energie (Bernoulli-Gleichung). Die Ausflussziffer beschreibt die über den Strömungsquerschnitt A0 integrierte tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit zu der bei gleichförmiger Geschwindigkeitsverteilung (Pfropfenprofil).
Die Ausflussziffer KDr wird im Rahmen der Bauteilprüfung in Versuchen ermittelt. Dieser Wert wird noch mit einem Sicherheitsfaktor von 0,9 multipliziert und kann dann als zuerkannte reduzierte Ausflussziffer KDr in die Rechnung für den Abblasemassenstrom eingesetzt werden. Die Ausflussziffern von Gasen und Flüssigkeiten sind unterschiedlich.
Der aus einem Sicherheitsventil ausströmende Massenstrom kann für Gase bis zum kritischen Druckverhältnis p2 ≤ pkrit aus folgender Gleichung berechnet werden:
Bei überkritischem Druckverhältnis ist für p2 der kritische Druck pkrit einzusetzen.
: Ruhedruck (absolut) im Behälter und Ansprechdruck des Sicherheitsventils : spezifisches Volumen des Gases im Behälter : Druck (absolut) im Abströmraum : kritischer bzw. Lavaldruck : Isentropenexponent (Luft: ; Ne, Ar: ; Wasser, CO2: )
In der Drucktechnik werden alle Drücke in Überdrücken angegeben (z. B. der Betriebsdruck von Druckbehältern, der Einstelldruck von Sicherheitsventilen). In den thermodynamischen Gleichungen muss immer der Absolutdruck eingesetzt werden.
Bei kritischen oder überkritischen Druckverhältnissen (Druck im Innendruck zu Druck im Ausströmraum) strömen Gase mit Schallgeschwindigkeit aus (kritisches Druckverhältnis von Luft: ). Der Massenstrom ist dann unabhängig vom Druck im Ausströmraum. Es ist allerdings zu beachten, dass bei zunehmendem Gegendruck die Öffnungskraft auf den Ventilsitz abnimmt, das Ventil nicht mehr vollständig öffnet und somit der Maximalhub nicht mehr erreicht wird. Dies verändert die Ausflusskennziffer, und somit reduziert sich letztendlich der abführbare Massenstrom. In den Berechnungsvorschriften für Sicherheitsventile wird dies insofern berücksichtigt, als die Ausflussziffer nur für bestimmte Gegendrücke gültig sind (Proportionalventile: max. 15 % Gegendruck, Sicherheitsventile mit Faltenbalg: max. 30 % Gegendruck).
Auslegung eines Sicherheitsventils mini|hochkant|Ein federbelastetes Sicherheitsventil in einem Kraftwerk Der Einstelldruck bzw. Ansprechdruck ist der Druck, bei welchem das Sicherheitsventil anfängt zu öffnen, um den Druck abzublasen. Dies ist der Druck, welcher fest beim Sicherheitsventil eingestellt wird. Der Einstelldruck unterliegt einer Toleranz (nach DIN EN ISO 4126-1) von ± 3 % oder bei Ventilen unter 3 bar von ± 0,1 bar. mini|hochkant|Proportional-Sicherheitsventil Der Schließdruck ist der Druckwert, bei welchem das Sicherheitsventil wieder komplett geschlossen ist, nachdem es den Überdruck abgeblasen hat. Dieser Wert liegt bei flüssigen Medien 20 % unterhalb des Einstelldrucks (bei Einstelldruck < 3 bar liegt der Wert 0,6 bar darunter).
Bei gasförmigen Medien liegt der Wert gemäß AD2000 bei 10 % unterhalb dem Einstelldruck und gemäß DIN EN ISO 4126-1 15 % darunter (bei Einstelldruck < 3 bar liegt der Wert 0,3 bar unterhalb des Einstelldruckes).
Der Öffnungsdruck wird auch Abblasedruck genannt und ist der Punkt, bei dem das Sicherheitsventil den maximalen Hub für den erforderlichen abzuführenden Massestrom erreicht. Dieser ist bei Normalhub-Sicherheitsventilen bei max. 10 % über dem Einstelldruck und bei Vollhub-Sicherheitsventilen bei max. 5 % über dem Einstelldruck.
Der Betriebsdruck ist der Arbeitsdruck einer Anlage bzw. Systems unter Normalumständen. Idealerweise liegt der Betriebsdruck 5 % unterhalb des Schließdruckes eines Sicherheitsventils.
Bemessung Je nach Lastannahme (Ursachen, die zum Ansprechen des Sicherheitsventils führen, abzuführende Volumenströme, Art des Mediums) kann die Nennweite des Sicherheitsventils berechnet und die Art der Abblasesysteme (Aufbau eines möglichen Gegendrucks) festgelegt werden.Bernd Glück: Sicherheitsventile. Lastannahmen, Querschnittsbemessung, Abblasesysteme, Algorithmen für ein Rechenprogramm und Beispiele.
Sicherheitsventile zum Einsatz in Solaranlagen werden nach DIN 4757, Teil 2 ausgewählt.
Während Berstscheiben auch für die Druckentlastung bei schnellen Druckerhöhungen wie beispielsweise Explosionen empfohlen werden, können Sicherheitsventile den benötigten Strömungsquerschnitt in Ausnahmefällen nicht schnell genug freigeben. Wenn plötzliche Druckstöße zu erwarten sind, ist eine sorgfältige Bemessung der Sicherheitsventile notwendig. Ungünstig dimensionierte Ventile können in Schwingung geraten, wodurch die Druckstoßamplitude sich noch erhöhen kann.Andreas Ismaier: Untersuchung der fluiddynamischen Wechselwirkung zwischen Druckstößen und Anlagenkomponenten in Kreiselpumpensystemen. Dissertation, 2010, ISBN 978-3-8322-9779-4.
Normen
mini|hochkant|Druckluft-Sicherheitsventil miniatur|Genormte Darstellung eines federbelasteten Sicherheitsventils 1. Durchgangsform2. Eckform Vor Umsetzung der Druckgeräterichtlinie 2002 wurden Sicherheitsventile nach dem AD-Merkblatt A2 (Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter, Ausrüstung) ausgelegt. Die Sicherheitsventile mussten bauteilgeprüft sein. Die Prüfungen wurden vom TÜV oder ähnlichen Institutionen durchgeführt. Verfahren und Umfang der Bauteilprüfung waren in dem VdTÜV-Merkblatt „Sicherheitsventil 100“ aufgeführt.
Seit Gültigkeit der Druckgeräterichtlinie 97/23/EG bzw. Richtlinie 2014/68/EU kann das AD-2000-Merkblatt A2 als Prüfgrundlage angewendet werden. Alternativ dürfen auch andere Vorschriften, z. B. die harmonisierte europäische Normenreihe EN ISO 4126 zur Anwendung kommen. Die Norm umfasst folgende Teile: EN ISO 4126 Teil 1: Sicherheitsventile EN ISO 4126 Teil 2: Berstscheibeneinrichtungen EN ISO 4126 Teil 3: Sicherheitsventile und Berstscheibeneinrichtungen in Kombination EN ISO 4126 Teil 4: Pilotgesteuerte Sicherheitsventile EN ISO 4126 Teil 5: Gesteuerte Sicherheitsventile (CSPRS) EN ISO 4126 Teil 6: Berstscheibeneinrichtungen – Auswahl, Anwendung und Einbau EN ISO 4126 Teil 7: Allgemeine Daten EN ISO 4126 Teil 9: Anwendung und Einbau EN ISO 4126 Teil 10: Zweiphasenströmung EN ISO 4126 Teil 11: Funktions- und Durchflussprüfung
Für Kälteanlagen ist eine eigenständige Norm für Druckentlastungseinrichtungen entwickelt worden: EN 13136 Kälteanlagen und Wärmepumpen, Druckentlastungseinrichtungen und zugehörige Leitungen – Berechnungsverfahren
Sicherheitsventile gelten nach der Druckgeräterichtlinie als Ausrüstungsteile mit Sicherheitsfunktion. Sie sind der höchsten Kategorie IV zugeordnet und müssen nach den vorgegebenen Herstellungs- und Prüfanforderungen unter Einschalten einer benannten Stelle hergestellt werden.
Durch entsprechende Prüfungen wird die Ausflussziffer ermittelt. Aufgrund der unterschiedlichen strömungstechnischen Kennwerten ist die Ausflussziffer für Gase und Flüssigkeiten unterschiedlich. Darüber hinaus muss nachgewiesen werden, dass der Druckanstieg vom Abheben des Ventiltellers bis zum vollständigen Öffnen nicht mehr als 10 % beträgt. Sicherheitsventile müssen bei einer Druckabsenkung von 10 % (Gase) bzw. 20 % (Flüssigkeiten) unterhalb des Ansprechdrucks wieder schließen.
In Abhängigkeit von der Federauslegung kann der Ansprechdruck von Sicherheitsventilen in einem gewissen Bereich eingestellt werden. Der vorgegebene Ansprechdruck wird erreicht, indem über einen Gewindeeinsatz die Federvorspannung beeinflusst wird. Die Stellung der Vorspannung wird z. B. über eine Kontermutter gegen Lockern gesichert. Die Einstellverschraubung wird mit einer Haube verschlossen. Als Maßnahme gegen unbefugte Änderung der Einstellung wird diese Haube mit einer Plombe gesichert. Bei kleineren Sicherheitsventilen werden auch Kappen als Abdeckung verwendet. Das unbefugte Verstellen von Sicherheitsventilen kann eine erhebliche Gefährdung bewirken und stellt eine gefährliche Manipulation dar.
mini|hochkant|Sauerstoff-Sicherheitsventil