Nachrechnung von experimentell bestimmten Leistungsparametern eines Vollhub-Feder-Sicherheitsventils mit ANSYS CFX

Sicherheitsventile schützen druckbeaufschlagte Räume oder Druckbehälter (z. B. Dampfkessel, Druckbehälter, Rohrleitungen, Transportbehälter) vor einem unzuläs-sigen Druckanstieg, der zu einer Schädigung des angeschlossenen Druckgerätes führen kann. Sicherheitsventile leiten bei Überschreiten des Ansprechdruckes Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten in die Atmosphäre ab. Das Sicherheitsventil wird verwen-det, wenn der Druck in einem Druckbehälter den zulässigen Betriebsdruck bei vor-hersehbaren Störungen um mehr als 10 % übersteigen kann. Bei richtiger Dimensio-nierung des Sicherheitsventils bleibt der Druckaufbau beherrschbar. Nach dem Ansprechen des Sicherheitsventils und Abbau des zu hohen Druckes durch Abblasen in die Umgebung oder über eine Rohrleitung schließt das Ventil wieder und die Anlage kann weiter betrieben werden.
Numerische Strömungs-berechnungsprogramme (CFD-Codes) können helfen, die Leistung von Sicherheitsventilen zu verbessern. Um Leistungsparameter zu studie-ren, wurden Experimente am Institut für Strömungsmechanik der Technischen Universität Hamburg-Haburg (TUHH) für die CFD-Codevalidierung genutzt. Durch die konstante Weiterentwicklung der Numerik bzw. der physikalischen Modelle ist es nun möglich, die relativ komplexen Strömungsvorgänge eines Sicherheitsventils (Jets, Umströmung von Hindernissen, Strömungsseparation, Stagnationsgebiete, Zonen mit hohen Ma-Zahlen) zu simulieren.
Mit dem ANSYS CFX-Code wurden Nachrechnungen von Durchsatzparametern ei-nes Leser Sicherheitsventils mit einem Gitter von 1 Million Hexaeder Zellen vorge-stellt (Abb. 1). Druckrandbedingungen wurden am Ein- und Austritt des Strömungs-gebietes definiert. Die Turbulenz wurde mit dem k-ε und k-ω basierten SST-Modell berechnet. Sehr gute Übereinstimmung wurde bei den Durchsatzkennlinien der Cha-rakteristiken für Luft und Wasser bis 5 bar Stagnationsdruck erzielt, es existierte je-doch eine systematische Abweichung bei Luft im Falle hoher Ansprechdrücke (über 20 bar) durch Realgasverhalten und das Auftreten hohe Ma-Zahlen. CFD-Rechnungen mit Luft/Wasser-Zweiphasengemischen bei 5-9 bar Überdruck und 70-95% Gasanteil ergaben realistische Durchsatzraten. Hierbei wurde das monodisper-se Partikelmodell des homogenen Euler-Euler-Ansatzes für Zweiphasengemische genutzt. Weitere Untersuchungen, insbesondere das Verhalten bei Stoffgemischen (Glukoselösung) bzw. der Einfluss des Hubs des Sicherheitsventils (Stellung des Ventiltellers zwischen Sitz und maximaler Öffnung) auf den Durchsatz im Vergleich mit Experimenten werden vorgestellt.