Experimentelle und theoretische Untersuchungen zu Hochdruck-Sicherheitsventilen – Auslegung und Design unterstützt durch numerische Rechenmethoden (CFD)

摘要

Hochdruck-Sicherheitsventile mit Ansprechdrücken von mehr als 20 MPa (200 bar) werden in der Industrie z. B. für Polyethylen- und Synthesegasanwendungen benötigt. Ihre Auslegung erfolgt derzeit nach ISO 4126-1. Dort sind nur Gleichungen für ideale Gase dargestellt und es fehlen Hinweise, wie der Realgasfaktor und der Isentropenexponent für reale Gase zu berechnen sind. Deshalb wurde eine Gleichung für den kritischen Massenstrom eines realen Gases durch eine Düse hergeleitet und mit einem Modell nach EN-ISO 4126-1 sowie experimentellen Daten verglichen. Es wird empfohlen, die derzeitige ISO-Norm mit dem Düsenströmungsmodell für reale Gase zu ergänzen. Erste numerische Berechnungen (ANSYS-CFX) zeigen, dass der Durchflusskoeffizient für Hochdruck-Sicherheitsventile in Verbindung mit dem Modell für reale Gase zu sehr großen Drücken extrapoliert werden kann. Dieses Ergebnis muss jedoch für weitere Ventilbauarten noch experimentell validiert werden. Die BASF hat dazu in Ludwigshafen einen Hochdruck-Ventilprüfstand errichtet. High-pressure safety valves with set pressures of more than 200 bar are required in industry, e.g. for polyethylene and synthesis gas applications. They are presently sized according to ISO 4126-1. Only equations for ideal gases are presented there, and there are no indications as to how the real gas factor and the adiabatic exponent for real gases are to be calculated. For this reason, an equation for the critical mass flow rate of a real gas through a nozzle was derived and compared with the model according to EN-ISO 4126-1 and with experimental data. It is recommended that the current ISO-standard be supplemented by the nozzle flow model for real gases. The first numerical calculations (ANSYS-CFX) show that the discharge coefficient for a high pressure safety valve measured at moderate pressures can be extrapolated to very high pressures if it is used in conjunction with the nozzle flow model for real gases. However, this numerical result must yet be validated for further valve types by experiment. For this purpose, BASF has set up a high pressure valve test facility in Ludwigshafen.