Nachrechnung eines Vollhub-Feder-Sicherheitsventils mit ANSYS CFX

Sicherheitsventile schützen druckbeaufschlagte Räume oder Druckbehälter (z. B. Dampfkessel, Druckbehälter, Rohrleitungen, Transportbehälter) vor einem unzulässigen 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 verwendet, wenn der Druck in einem Druckbehälter den zulässigen Betriebsdruck bei vorhersehbaren Störungen um mehr als 10 % übersteigen kann. Bei richtiger Dimensionierung 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 bei Auslegungsberechnungen, Optimierungen und Sicherheitsanalysen von Sicherheitsventilen helfen. Um Leistungsparameter zu studieren, wurden Experi-mente am Institut für Strömungsmechanik der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) für die CFD-Code-Validierung genutzt. Durch die konstante Weiterentwicklung der Numerik bzw. der physikalischen Modelle ist es nun möglich, die relativ komplexen Strömungsvorgänge in einem Sicherheitsventil (Jets, Umströmung von Hindernissen, Strömungsseparation, Stagnationsgebiete, Zonen mit hohen Ma-Zahlen) zu simulieren.
Mit dem ANSYS CFX-Code erfolgten Nachrechnungen von Durchsatzparametern eines LESER-Sicherheitsventils auf einem numerischen Gitter von einer Million Hexaederzellen (Abb. 1). Am Ein- bzw. Austritt des Strömungsgebietes wurden Druckrandbedingungen definiert. Die Turbulenzmodellierung erfolgte unter Nutzung des k-ε und k-ω basierten SST-Modellansatzes. Eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Messung und CFD-Rechnung ist für die Durchsatzkennlinien der Charakteristiken für die Medien Luft bzw. Wasser bis 5 bar Stagnationsdruck erreicht worden, es existierte jedoch eine systematische Abweichung bei Luft im Falle hoher Ansprechdrücke (über 20 bar) durch Realgasverhalten und das Auftreten hoher Ma-Zahlen. CFD-Rechnungen mit Luft/Wasser-Zweiphasengemischen bei 5 - 9 bar Überdruck und 79 - 93 % Gasanteil ergaben realistische Durchsatzraten. Hierbei wurde das monodisperse Modell des homogenen Euler-Euler-Ansatzes für Zweiphasengemische genutzt. Weitere numerische Untersuchungen, insbesondere das Verhalten von 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.