Berechnung des aufgebauten Gegendrucks in der Abblaseleitung von Sicherheitsventilen

Welchen aufgestauten Gegendruck berechnen Sie tatsächlich?

Bevor Sie die Rohrreibungsverluste berechnen, ermitteln Sie, welche auslassseitige Druckgröße vorliegt.

Aufgestauter, überlagerter und Gesamt-Gegendruck sind unterschiedliche Größen

Die ISO 4126-Terminologie definiert den Gegendruck anhand von überlagerten und aufgebauten Komponenten und bezeichnet die aufgebaute Komponente als den Druck, der durch die Strömung durch das Ventil und das Abblasesystem verursacht wird.

Diese Unterscheidung wird wichtig, wenn ein Ventil in einen geschlossenen oder gemeinsamen Sammler abbläst. Ist dieser Sammler bereits unter Druck, bevor das betrachtete Ventil öffnet, so wird der vorhandene Druck nicht durch den Abblasestrom des betrachteten Ventils erzeugt.

Referenzpunkt vor der Hydraulikberechnung festlegen

Im ISO 4126-9-basierten Berechnungsweg für die Auslassleitung, der in diesem Leitfaden verwendet wird:

• P_b ist der Druck am Auslass des Sicherheitsventils während des Abblasens;
• P_u ist der Druck am stromabwärtigen Ende des berechneten Abblasewegs;
• P_b − P_u stellt in diesem Berechnungsmodell die erzeugte Druckerhöhung über diese stromabwärtige Grenze dar.

Ohne diese Referenzgrenze kann eine Druckverlustberechnung arithmetisch korrekt sein und dennoch die falsche Druckkomponente beschreiben.

Festlegung der Berechnungsgrenze für die Abblaseleitung und der erforderlichen Eingangsdaten

Eine Berechnung des aufgebauten Gegendrucks erfordert eine physikalische Grenze. Verfolgen Sie den Abblaseweg vom Auslass des Sicherheitsventils bis zu einem stromabwärts gelegenen Punkt, an dem der Druckzustand bekannt ist oder durch die anwendbare Systemanalyse ermittelt werden kann.

Das Ziel kann die Atmosphäre, ein geschlossener Behälter, ein Entlüftungssystem oder ein gemeinsamer Entlastungssammler sein. Entscheidend ist der Druck am Ende der Berechnung und wie dieser Druck ermittelt wird.

Beginnen Sie mit dem definierten Entlastungsfall

Der erforderliche Prozess-Entlastungsstrom ist nicht automatisch der korrekte Berechnungsdurchfluss der Auslassleitung für jedes Druckentlastungsventil.

Die stromabwärtige Durchflussgrundlage kann vom Betriebsverhalten des Ventils und von der angewandten Auslegungs- oder Installationsmethode abhängen. Daher können einige direkt wirkende Bauarten und modulierende pilotgesteuerte Ausführungen bei der Festlegung des für die stromabwärtige Berechnung verwendeten Durchflusses eine unterschiedliche Betrachtung erfordern.

Wenn die erforderliche Entlastungsmenge selbst noch nicht ermittelt wurde, handelt es sich um eine vorgelagerte Auslegungsaufgabe. Siehe Leitfaden zur Auslegung von Sicherheitsventilen; dieser Artikel behandelt den geeigneten Entlastungsstrom als Eingangsgröße, anstatt das gesamte Überdruckszenario neu zu berechnen.

Erfassen Sie die Eingaben zum Fluid und zu den Entlastungsbedingungen

Das Berechnungspaket sollte, soweit zutreffend, Folgendes ausweisen:

• ob die Abblasung flüssig, gasförmig oder dampfförmig erfolgt;
• Entlastungsdruck und -temperatur;
• die nach der gewählten Berechnungsmethode erforderlichen Fluideigenschaften;
• die erforderliche oder anwendbare Durchflusskapazitätsbasis;
• Strömungsquerschnitt und Abblasedaten des Sicherheitsventils, wenn die gewählte Methode diese verwendet.

Verwenden Sie Eigenschaften, die den nach der gewählten Methode erforderlichen Bedingungen entsprechen, anstatt unzusammenhängende Betriebsdaten einzusetzen, nur weil diese auf einem Prozessdatenblatt verfügbar sind.

Den tatsächlichen Abblaseweg abbilden

Erfassen Sie den hydraulischen Weg und nicht nur die Nennweite des Auslasses:

• tatsächliche Rohrinnendurchmesser;
• gerade Längen;
• Bögen und andere Formstücke;
• Ventile oder Drosseln;
• Reduzierstücke und Erweiterungsstücke;
• Schalldämpfer oder andere nachgeschaltete Einrichtungen;
• Höhenänderungen, sofern das gewählte Verfahren diese erfordert.

Eine Berechnung, die nur auf der Länge gerader Rohrleitungen basiert, bildet einen installierten Verlauf mit erheblichem örtlichem Widerstand nicht ab. Fragen zur mechanischen Installation außerhalb dieser hydraulischen Aufgabe gehören in den Bereich Installationsanleitung für Sicherheitsventile.

Festlegung der stromabwärtigen Druckgrenze

Abschließend P festlegen_u, oder den äquivalenten stromabwärtigen Druck, der vom gewählten Verfahren verwendet wird.

Bei einer Ausblasung in die Atmosphäre unterscheidet sich die Randbedingung am Austritt von der eines Ventils, das an einen unter Druck stehenden geschlossenen Sammelbehälter angeschlossen ist. In einem gemeinsamen Sammelbehälter kann die Randbedingung zudem von anderen Entlastungsquellen und dem untersuchten Systemfall abhängen.

Vor der weiteren Berechnung sollte die Berechnungsgrundlage vier Fragen beantworten: Welcher Volumenstrom wird abgeblasen? Welcher Fluidzustand wird zugrunde gelegt? Welcher physikalische Pfad ist enthalten? Welcher Druck herrscht am Ende dieses Pfades?

Berechnung des aufgebauten Gegendrucks für einen Flüssigkeits-Entlastungsfall

Für ein definiertes einphasiges Fluid Fallbeispiel: Das Engineering-Handbuch von LESER, das die Auslassleitungsmethode nach ISO 4126-9 anwendet, liefert eine Beziehung zwischen dem Widerstand des Abblasesystems und dem Druck am Ventilauslass:

Für diese dargestellte Beziehung sind P₀, P_b und P_u Absolutdrücke und müssen auf einer konsistenten Druckbasis verwendet werden. Die Differenz P_b − P_u ist der aufgestaute Druckbeitrag über die definierte stromabwärtige Grenze in diesem Berechnungsmodell.

wobei:

• P₀ = Abblasedruck, absolut;
• P_b = Druck am Ventilauslass während des Abblasens, absolut;
• P_u = Druck am Ende des berechneten Abblasewegs, absolut;
• A = Strömungsquerschnitt des Sicherheitsventils;
• A_A = Strömungsquerschnitt der Auslassleitung;
• K_dr = anwendbarer reduzierter Ausflusskoeffizient des Verfahrens;
• ζ_A = Widerstandsbeiwert für den stromabwärtigen Strömungsweg.

Der Nutzen dieser Beziehung liegt nicht darin, dass sie eine isolierte Abkürzung bietet. Sie hält Ventilströmungsgeometrie, Auslassleitungsgeometrie, Systemwiderstand, Abblasedruck und stromabwärtigen Druck innerhalb eines definierten Berechnungsmodells.

Berechnungsgrundlage für die Flüssigkeitsströmung festlegen

Zunächst bestätigen, dass der Betriebszustand zulässigerweise nach dem gewählten Verfahren behandelt werden kann. einphasiges Fluid Verfahren.

ISO 4126-9 legt fest, dass die Anwendungs- und Installationsinformationen von einphasiger Strömung ausgehen und Zweiphasenbedingungen auf ISO 4126-10 verweisen. Wenn die Flüssigkeit im Ventil oder in der Auslassleitung wesentlich verdampfen kann, begründet eine Änderung der Dichte innerhalb dieser Einphasengleichung allein keine gültige Zweiphasenberechnung.

Geradrohr- und lokale Widerstände berechnen

Der durch ζ dargestellte Ausströmwiderstand_A kann verteilte Rohrleitungswiderstände und Verluste lokaler Komponenten enthalten.

wenn diese Darstellung mit der gewählten Methode konsistent ist.

• λL/D steht für den Widerstand gerader Rohrleitungen;
• Σζ_i steht für lokale Widerstände aus Fittings und Komponenten.

Verwenden Sie eine in sich konsistente Widerstandsdarstellung. Wenn beispielsweise ein Bogen bereits in eine äquivalente gerade Rohrleitungslänge umgerechnet wurde, würde die erneute Berücksichtigung des vollständigen lokalen Verlustbeiwerts desselben Bogens diesen Widerstand doppelt erfassen.

Statische Höheneffekte berücksichtigen, sofern zutreffend

Die geodätische Höhe ist ein Druckgleichgewichtsproblem, insbesondere bei Flüssigkeitsabblaseleitungen, ihre Behandlung ist jedoch methodenabhängig.

Einige hydraulische Methoden berücksichtigen ausdrücklich einen hydrostatischen Beitrag aus der Höhendifferenz; andere sind anders formuliert. Die Kombination einer Gleichung aus einer Methode mit einem separaten ρgΔz-Term aus einer anderen erfordert daher eine gesicherte technische Grundlage und keine intuitive Ergänzung.

Die Druckverlustberechnung vom Austritt bis zur Systemgrenze aufbauen

Zur Vereinfachung der Berechnung wird definiert:

Die gleiche verifizierte Beziehung kann dann algebraisch umgestellt werden:

und der aufgebaute Anteil ist:

P_u bleibt die stromabwärtige Randbedingung; P_b − P_u ist der in diesem Berechnungsmodell erzeugte aufgebaute Anteil.

Berechnungsstruktur für den durchgerechneten einphasigen Flüssigkeitsfall

1. Absoluten P₀ und P_u auf einer einheitlichen Druckbasis erfassen.
2. Ventil-Strömungsfläche A und tatsächliche Abblaseleitungsfläche A erfassen_A.
3. Ermitteln Sie das zutreffende K_dr.
4. Berechnen Sie den vollständigen Widerstandsbeiwert ζ der nachgeschalteten Leitung_A.
5. Berechnen Sie R.
6. Lösen Sie nach dem absoluten P auf_b.
7. Berechnen Sie P_b − P_u als den aufgebauten Anteil.
8. Führen Sie das Ergebnis in die Abnahme von Ventil und System über, anstatt es mit einem angenommenen universellen Prozentsatz zu vergleichen.

So berechnen Sie den aufgebauten Gegendruck bei Gas- oder Dampfentlastung

Gas- und Dampfaustritt erfordern einen anderen Berechnungsansatz, da die Dichte bei Druckänderung durch das Abblasesystem nicht wirksam konstant bleibt.

Eine Druckverlustbehandlung nach Art einer Flüssigkeit mit konstanter Dichte ist daher für den Gas- oder Dampfaustritt eines Sicherheitsventils nicht ohne Weiteres gültig.

Warum Gas oder Dampf nicht wie eine inkompressible Flüssigkeit behandelt werden kann

Wenn der Gasdruck durch das Auslasssystem fällt, ändern sich Dichte und Geschwindigkeit gemeinsam. Druckverhältnisse und thermodynamische Eigenschaften können an Bedeutung gewinnen, und im Abblaseweg kann sich ein kritisches Strömungsverhältnis einstellen.

Die Notwendigkeit einer separaten Methode ergibt sich aus dieser Kopplung von Druck, Dichte und Geschwindigkeit und nicht allein aus der geringeren Dichte eines Gases.

Änderungen von Druck, Dichte und Strömungsbedingungen berücksichtigen

Je nach gewählter Methode für kompressible Strömung können relevante Eingaben umfassen:

• Abblasedruck;
• Druck stromabwärts;
• Entlastungstemperatur;
• Verhältnis der spezifischen Wärmen k;
• Kompressibilität oder andere von der Methode geforderte Realgasangaben;
• Strömungsquerschnitt des Sicherheitsventils;
• Strömungsquerschnitt der Auslassleitung;
• anzuwendender Ausflusskoeffizient;
• gesamter Rohrleitungswiderstand.

Die Stoffeigenschaften und die Druckbasis sollten aus einer einzigen ausgewählten Methode für kompressible Strömung stammen und nicht aus einer Mischung nicht zusammengehöriger Gasströmungsgleichungen.

Prüfen, ob kritisches oder blockiertes Strömungsverhalten die Methode ändert

Das Engineering-Handbuch von LESER, das die Auslassleitungsmethode nach ISO 4126-9 anwendet, enthält eine Prüfung auf eine mögliche zweite kritische Strömungsbedingung am Ende der Auslassleitung:

Diese Gleichung prüft die mögliche kritische Bedingung am Rohraustritt; sie berechnet nicht allein den vollständigen Gegendruck P am Ventilauslass_b. Die in dieser Beziehung für den kritischen Druck verwendeten Druckgrößen werden auf der erforderlichen absoluten Druckbasis bewertet.

Den Abblaseweg bis zur definierten nachgeschalteten Bedingung berechnen

1. Die anwendbare Abblaseströmungsbasis festlegen.
2. Entlastungs- und nachgeschaltete Drücke auf der vom gewählten Verfahren geforderten Druckbasis definieren.
3. Die vom gewählten Modell für kompressible Strömung benötigten Fluideigenschaften ermitteln.
4. Widerstand über den tatsächlichen Austrittsweg berechnen.
5. Die zutreffende kritische Austrittsbedingung bewerten.
6. Die ausgewählte Beziehung für kompressible Strömung für das Abblasesystem lösen.
7. Rohrleitungsgeometrie anpassen und neu berechnen, falls die sich ergebende Bedingung nicht akzeptabel ist.

Für ein komplexes kompressibles System kann ein validiertes Berechnungspaket oder ein hydraulisches Modell geeigneter sein als eine kompakte Handgleichung. Software hängt weiterhin von korrekt definierten Randbedingungen, Fluidzustand und Annahmen zum Entlastungsfall ab.

Wie Formstücke, Höhenlage und ein geschlossener oder gemeinsamer Sammler die Berechnung beeinflussen

Ein reales Abblasesystem eines Sicherheitsventils besteht selten aus einer geraden Rohrleitung mit konstantem Durchmesser zur Atmosphäre. Die Berechnung muss den tatsächlichen hydraulischen Weg abbilden und dabei verschiedene Druckanteile begrifflich getrennt halten.

Rohrbögen, Armaturen und Durchmesseränderungen ohne Doppelzählung berücksichtigen

Wählen Sie eine einheitliche Methode zur Darstellung des lokalen Widerstands.

Wird ein Formstück über einen lokalen Verlustbeiwert dargestellt, ist dieser Beiwert einmal zu berücksichtigen. Wandelt die gewählte Methode das Formstück in eine äquivalente Rohrlänge um, würde das erneute Hinzufügen desselben vollständigen lokalen Verlustbeitrags den Widerstand überbewerten.

Höhenunterschied gemäß der anwendbaren Fluiddurchflussberechnung behandeln

Der Höhenunterschied ist ein Beitrag zum Druckgleichgewicht und nicht auf Reibung zurückzuführen.

Bei Flüssigkeitssystemen kann der hydrostatische Druck das Druckgleichgewicht wesentlich beeinflussen. Bei Gas-/Dampfsystemen hängt die geeignete Behandlung von der gewählten Methode für kompressible Strömung und den Stoffeigenschaften ab.

Der Höhenbeitrag sollte daher der gewählten hydraulischen Methode folgen und nicht aus einer unpassenden Formel angehängt werden.

Druck stromabwärts/ im Sammelrohr vom durch diese Abblasung erzeugten Druck trennen

Wenn andere Druckentlastungseinrichtungen in dasselbe Netz abblasen, kann sich der an der Abzweigung anliegende Druck erneut ändern. In diesem Fall muss die zusätzliche Systemwechselwirkung dargestellt werden und darf nicht in einer festen Annahme für den stromabwärtigen Druck verborgen bleiben.

Prüfen, ob andere Abblaseströme die Systemgrenze verändern können

Für den relevanten Entlastungsfall ist zu klären:

• Können bei demselben glaubwürdigen Ereignis mehrere Einrichtungen abblasen?
• Verändert deren kombinierter Durchfluss den Kopfdruck, den dieses Ventil sieht?
• Kann der nachgeschaltete Druck weiterhin durch eine belastbare feste Randbedingung dargestellt werden?
• Oder erfordert das Problem eine hydraulische Berechnung auf Systemebene?

Sobald der nachgeschaltete Druck maßgeblich von einem interagierenden Entlastungsnetz abhängt, kann eine einzelne isolierte Ausblaseleitungsberechnung das installierte System möglicherweise nicht mehr darstellen. Die übergeordnete Aufgabe des Entlastungs-/Abblasesystems gehört in ZOBAIs API 521 Leitfaden für Druckentlastungssysteme.

Interpretation des berechneten Gegendrucks

Ein berechneter aufgebauter Gegendruck ist ein hydraulisches Ergebnis. Er ist für sich genommen kein zulässiger Gegendruckgrenzwert und kein Nachweis, dass ein bestimmtes Sicherheitsventil geeignet ist.

Berechneter aufgebauter Gegendruck ist kein zulässiger Grenzwert

Die Berechnung beantwortet:

Welchen auslassseitigen Druck erzeugt das definierte Abblasesystem unter den genannten Annahmen?

Die Abnahmeprüfung beantwortet eine andere Frage:

Wie viel Gegendruck darf dieses bestimmte Ventil und dieses Projekt nach der geltenden Grundlage akzeptieren?

Die zweite Antwort kann vom anwendbaren Standard oder Regelwerk, der genauen Ventilarchitektur, der Herstellerdokumentation, den Betriebsbedingungen und der Projektspezifikation abhängen.

Vergleichen Sie das Ergebnis mit der anwendbaren Ventil- und Projektgrundlage

Stellen Sie fest, ob die relevante Abnahmeprüfung verwendet:

• nur aufgebauter Gegendruck;
• überlagerter Gegendruck;
• kombinierter Auslassgegendruck;
• minimaler und maximaler variabler Gegendruck;
• eine herstellerdefinierte Leistungskorrektur oder eine andere konstruktionsspezifische Grenze.

Ein konventionelles federbelastetes Ventil, ein faltenbalgkompensiertes Ventil und ein pilotgesteuertes Ventil sollten nicht auf eine universelle Prozenttabelle reduziert werden. Ihr akzeptables Verhalten ist konstruktions- und betriebsabhängig.

Für die weitergehende Entscheidung zur Ventilkonfiguration, nachdem die hydraulische Bedingung bekannt ist, verwenden Sie ZOBAIs Leitfaden für Gegendruck und Faltenbalg.

Überprüfen Sie die Auslegung der Auslassleitung, wenn das Ergebnis nicht akzeptabel ist

Die Auslassverrohrung und die Ventilprüfung bilden einen iterativen technischen Prozess. Wenn die berechnete Bedingung nicht akzeptabel ist, prüfen Sie zunächst, ob der stromabwärtige Widerstand vernünftigerweise reduziert werden kann, bevor Sie das Ergebnis in eine Regel zur Ventiltypauswahl umwandeln.

Mögliche Prüfpunkte sind:

• Vergrößerung des Strömungsquerschnitts der Abblaseleitung, wo technisch sinnvoll;
• Reduzierung unnötiger Einschränkungen;
• Vereinfachung der Leitungsführung;
• Überprüfung verlustreicher Armaturen oder Schalldämpfer;
• Neubewertung der Randbedingung des gemeinsamen Systems.

Nach einer wesentlichen hydraulischen Änderung ist die Berechnung zu wiederholen. Wenn Änderungen an der Rohrleitung keine akzeptable Bedingung erzielen können, ist die Ventilkonfiguration anhand exakter Hersteller- und Projektnachweise zu bewerten.

Welche Informationen in die technische Prüfung oder Anfrage einfließen sollten

Eine technisch sinnvolle technische oder Lieferantenprüfung sollte, soweit zutreffend, Folgendes ermitteln:

• erforderlichen Entlastungsaufgabe — der Bedarf des geschützten Systems;
• Berechnungsgrundlage für den Abblasedurchfluss am Austritt — der für die hydraulische Überprüfung der nachgeschalteten Leitung verwendete Durchfluss;
• Medium und Phase — flüssig, gasförmig/Dampf oder möglicherweise zweiphasig;
• Entlastungsdruck und -temperatur;
• berechneter aufgebauter Gegendruck;
• überlagerter Gegendruckbereich;
• ob der nachgeschaltete Druck konstant oder veränderlich ist;
• Abblaseziel und Sammelleitungsanordnung;
• geltende Projektvorschrift oder Norm;
• Daten zu Ventil-/Konfigurationskandidaten wenn bereits festgelegt.

Die hydraulische Berechnung bereitet eine produktspezifische technische Anfrage vor. Sie begründet keine ZOBAI-Modellgrenze oder Produkteignung, die nicht durch die entsprechende Produktdokumentation bestätigt wurde.

Wann eine einfache Berechnung des aufgebauten Gegendrucks nicht ausreicht

Der oben beschriebene Berechnungsablauf ist bewusst begrenzt. Er gilt nur, solange die Annahmen der gewählten einphasigen hydraulischen Methode vertretbar bleiben.

Verdampfung oder Zweiphasen-Entlastung

ISO 4126-9 legt fest, dass seine Anwendungs- und Installationsinformationen von Einphasenströmung ausgehen. Bei Gas/Flüssig-Zweiphasen-Entlastung ist eine andere Berechnungsmethode erforderlich; ISO 4126-10:2024 ist eine aktuelle maßgebliche Referenz, die speziell die Auslegung von Sicherheitseinrichtungen für Zweiphasenströmung behandelt.

Wenn eine Flüssigkeit im Ventil oder in der Auslassleitung wesentlich verdampfen kann oder wenn der Entlastungsstrom bereits zweiphasig ist, reicht eine Einphasen-Flüssigkeitsgleichung mit ersetzter Dichte nicht aus, es sei denn, die anwendbare Methode unterstützt diese Behandlung ausdrücklich.

Die maßgebliche Projektmethode muss weiterhin festgelegt werden. Die Bezugnahme auf ein ISO-Dokument macht es nicht zur verbindlichen rechtlichen Grundlage für jede Jurisdiktion oder jedes Projekt.

Wechselwirkende Entlastungseinrichtungen und komplexe gemeinsame Sammelleitungen

Eine Berechnung auf Abzweigebene wird ebenfalls unzureichend, wenn ihr nachgeschalteter Druck durch wechselwirkende Entlastungsströme bestimmt wird.

Eine Eskalation ist angemessen, wenn:

• mehrere Druckentlastungseinrichtungen während des maßgeblichen Szenarios entlasten können;
• ihre Ströme den Druck in der gemeinsamen Sammelleitung wesentlich verändern;
• das terminale Entsorgungssystem die Bedingungen im Abzweig bestimmt;
• der Druck so stark variiert, dass eine feste nachgeschaltete Randbedingung nicht vertretbar ist;
• das Modell eine hydraulische Wechselwirkung zwischen mehreren Entlastungsquellen erfordert.

Fälle, in denen die hydraulischen Annahmen nicht mehr vertretbar sind

Die gewählte Methode sollte überprüft werden, wenn:

• die Fluidphase unklar ist;
• erhebliches Verdampfen (Flashing) möglich ist;
• erforderliche thermodynamische Eigenschaften nicht verfügbar sind;
• ein kritisches Strömungsverhältnis (Critical Flow) durch das gewählte Modell nicht abgebildet werden kann;
• der nachgeschaltete Druck für den relevanten Fall nicht bestimmt werden kann;
• das Ergebnis wesentlich von einer Annahme abhängt, die technisch nicht begründet wurde.

Fehlende technische Informationen sollten als offener Eingabeparameter sichtbar bleiben, anstatt durch eine optimistische Annahme ersetzt zu werden, nur damit die Berechnung fortgesetzt werden kann.

Auf eine geeignetere systembezogene Analyse übergehen

Eine Berechnung des aufgebauten Gegendrucks ist am nützlichsten, wenn ihre Grenzen eindeutig definiert sind. Ihre Aufgabe ist es, ein definiertes hydraulisches Ergebnis zu liefern, das an die Ventil-, Rohrleitungs- und Projektprüfung weitergegeben werden kann – nicht zu behaupten, dass das gesamte Druckentlastungssystem als akzeptabel nachgewiesen wurde.