Elemente zur Führung von Fluiden (Rohrleitungen): Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 1. Juli 2006, 11:37 Uhr

Einführung

Rohrleitungen stellen für den innerbetrieblichen Transport von Fluiden das wichtigste Verbindungsmedium dar. Die Förderung der Fluide erfolgt durch ein Druckgefälle zwischen Quell- und Zielort, so dass innerhalb der Rohrleitungen während des Förderprozesses in der Regel ein erhöhter Druck herrscht. In Systemen aus Rohrleitungen, Apparaten und Behältern übernehmen Armaturen als Rohrleitungsteile die Funktion des Stellens und Schaltens. Eine Rohrleitung ist die Zusammenstellung von Rohren, Formstücken, Armaturen, Dichtungen, Verbindungselementen wie Flansche, Fittinge, Verschraubungen , Muffen, Schweiß- und Lötnähten zu einer für den Transport von Fluiden nutzbaren Einheit. In dem weiteren Sinne gehören auch noch Pumpen und Rohrunterstützungen zu dieser Zusammenstellung. Diese Einzelteile unterliegen oft der Normung. So ist es möglich, eine Rohrleitung wie aus einem Baukasten zusammenstellen zu können. Rohrleitungen werden in der Nennweite von wenigen Millimetern bis zu einigen Metern ausgeführt und können zum beispiel bei einer Pipeline die Länge von Tausenden von Kilometern erreichen. Die Nenndruckstufen können bis zu einigen hundert bar erreichen. Die Wahl der Werkstoffe einer Rohrleitung richtet sich nach statischen und dynamischen Belastungen (z.B.: Nenndruckstufe, Verkehrslasten, Erddrücke, Drücke von innen oder außen, Druckstoß ), mechanischen Beanspruchungen (z.B.: Fließgeschwindigkeiten, Geschiebestoffe), korrosiver Beanspruchung sowie Art und Temperatur des zu transportierenden Fluids.

Funktion

Rohrleitungen dienen zur Führung von flüssigen, gasförmigen und feinen festen Stoffen. Die Förderung der Fluide erfolgt durch ein Druckgefälle zwischen Quell- und Zielort, so dass innerhalb der Rohrleitungen während des Förderprozesses in der Regel ein erhöhter Druck herrscht. Konstruktion, Montage, Betrieb und Instandhaltung von Rohrleitungen werden durch die gehandhabten Stoffe, Prozess- und Umgebungsparameter bestimmt.

Eigenschaften

• Führung von Gasen oder Flüssigkeiten
• Feststoffe mit Trägermedium oder mit Feststoffpumpen (Beton)
• Energieversorgung fluidischer Antriebe
• Druckdifferenz durch Gefälle, Absaugen, Überdruck
• Topologie als Ringleitung, Rohrnetz oder Strahlenleitung
• Querschnitt meist kreisförmig
• Material Stahl, Buntmetall, Gusseisen, Leichtmetall, Kunststoff
• Nennweite (DN) entspricht ungefähr dem Durchmesser und ist Kenngröße für Rohre, passende Armaturen und Formteile
• Nenndruck (PN) zulässiger Betriebsüberdruck bei 20°C

Bauarten von Rohren

Schläuche

Wenn Verbindungen leicht lösbar sein sollen oder die Anschlussstellen gegeneinander beweglich sein müssen, werden statt Rohre Schläuche verwendet. Schläuche, als flexible, rohrförmige Halbzeuge aufgebaut aus mehreren Schichten dürfen keine Rückwirkung auf die angeschlossenen Aggregate ausüben. Schlauchleitungen sind genormt in der DIN 20066 http://www.wiebeck.de/hydr_l.htm

Ummantelte Gummischläuche

Diese TÜV- und DVGW-geprüften Schläuche gibt es bis DN 50 in Standardlängen bis 1500 mm mit allen gängigen Anschlüssen.

Formstücke

Formstücke sind Bauteile von Rohrleitungsanlagen, z.b. Rohrbogen, Fittings, Abzweig-und Verbindungsstücke, Wasserabscheider usw., die oft hohen Beanspruchungen unterliegen und entsprechend dem Verwendungszweck aus nahtlosem Stahlrohr oder als Schmiedestücke, in Stahlguss oder duklilem Gusseisen gefertigt sind

Verbindungsarten von Rohrleitungen

Schweißverbindungen

siehe auch Artikel Schweißverbindungen

Flanschverbindungen

Eigenschaften

• lösbare Verbindung
• Rohre mit unterschiedlichem Material
• statische Dichtstelle, elastische Dichtelemente
• Lochzahl durch vier teilbar, symmetrisch verteilt
• Flansche mit glatter Dichtfläche

Gussflansch	Vorschweissflansch	Gewindeflansch	Löt- oder Schweissflansch	Bördelflansch

Flansche mit Vor- und Rücksprung

Feder und Nut DIN 2512	Feder und Nut DIN2513	Vorsprung mit Eindrehung DIN2514

Rohrverschraubungen

Eigenschaften

• Stahl oder Guss
• Whitworth Rohrgewinde
  - zylindrisches Innengewinde
  - kegeliges Außengewinde

• metallische Dichtung

Einsatz

• Hausinstallation

Muffe zur Verbindung zweier gleicher Rohre	Reduziermuffe mit Durchmessersprung	Fittings 1) T-Stück 2) Bogen 3) Kreuzstück

Hydraulikverschraubungen

Eigenschaften

• metallisch oder O-Ring gedichtet
• Durchmesser 6 bis 38 mm
• leicht, mehrfach lösbar

Einsatz

• Hydraulikanlagen

Schneidring, Dichtkegel 24°	Bördel, Dichtkegel 37°	flachdichtend mit O-Ring	Schweißdichtkegel, Dichtkegel 24°

Verschraubungsarten

gerade Einschraubverschraubung - Verbindung Rohr zu Block	gerade Verbindungsverschraubung - Verbindung Rohr zu Rohr	Winkelverschraubung	Schwenkverschraubung - Winkel einstellbar

Rohrleitungsarmaturen

Mit Armaturen werden z.B. Durchflussmengen geregelt, Druckverluste eingestellt, Rückströmungen verhindert und sonstige Einflüsse auf den Strömungsvorgang ausgeübt. Sie werden meist elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder der von Hand betätigt. Mit Regelarmaturen (Klappen oder Ventile) können Durchflussmengen und Strömungswiderstände beeinflusst werden. Die aktuellen Einstellungen der Armaturen sind in der Leitwarte und vor Ort zu dokumentieren und vorzuhalten.

Ventile

Bewegung des Abschlusses senkrecht zur Strömung

Absperrventil Auf -Zu Funktion Durchgangsventil	Rückschlagventil Rückstromsperre schließt bei Druckausgleich Durchgangsventil	federbelastetes Sicherheitsventil Sekundärseite Tank Überdrucksicherung Eckventil

Schieber

Bewegung des Abschlusses quer zur Strömung

Einsatz

Keilschieber	Parallel-Plattenschieber

Hähne

Drehung des Abschlusses um die Längsachse quer zur Strömung, Abschluss geöffnet durchströmt

Eigenschaften

• geringer Bauraum
• schnell schaltend
• geringer Widerstand

Durchgangshahn	Schmierhahn	Kugelhahn

Klappen

Drehung des Abschlusses um die Längsachse quer zur Strömung, Abschluss geöffnet umströmt

Klappen haben allg. kurze Baulängen, jedoch ist bei zusätzlicher Installation von Armaturen (Rückschlagklappen, Kompensatoren usw.) auf genügend Freiraum zur Klappenöffnung zu achten.

Auswahl der richtigen Armatur

Fördern von Fluiden

Zur Förderung flüssiger Medien werden meist Kreiselpumpen eingesetzt.
Normpumpen	Inlinepumpen

Pumpen sollten druckorientiert eingeplant werden, d.h. die erforderliche Druckerhöhung wird aus dem gesamten Δp (druckseitig) ermittelt: a) vom Pumpendruckstutzen bis zur Systemgrenze (offenes System) b) vom Pumpendruckstutzen bis zum Pumpensaugstutzen (geschlossenes System) Am Pumpensaugstutzen muss ein Mindestdruck vorliegen, sonst entsteht Kavitation

Dimensionierung

Auslegung Nenndruck und Nennweite

Es ist der wirtschaftlichste Rohrdurchmesser zu wählen:

• geringer Strömungswiderstand
• geringe Investition

Strömungsgeschwindigkeiten für Flüssigkeiten im Rohr ca. 1-4 m/s Rohrzusammenstellung nach:

• Nennweite DN: Als Nennweite bezeichnet man den Durchmesser eines Rohres/Schlauchleitung oder die Größe/Anschlussmaß einer Armatur (Ventil, Schieber). Die Angabe der Nennweite erfolgt durch die Bezeichnung DN (engl. Diameter Nominal) gefolgt von einer, ungefähr dem Innendurchmesser in Millimeter entsprechenden, dimensionslosen Zahl.
  

Bevorzugte DN-Stufen (Nennweiten) nach DIN EN ISO 6708

• Nenndruck PN: Zugehörige Druckstufen lassen sich mit der Kenngröße Nenndruck PN ermitteln.

Der Nenndruck gibt für ein Rohrleitungssystem eine Referenzgröße an. Die Angabe erfolgt durch die Bezeichnung PN (Pressure Nominal) gefolgt von einer dimensionslosen ganzen Zahl, die den Auslegungsdruck in bar bei Raumtemperatur (20 °C) angibt.

Auswahl von PN nach DIN EN 1333 (Nenndruckstufen)

Achtung: die Druckfestigkeit innerhalb einer Nenndruckstufe nimmt mit steigender Produkttemperatur ab.
Beispiel:

PN Änderung bei Wärme

Kunststoffrohre

Kunststoffrohre sind nicht über Nennweiten zusammenfassbar, sondern über die jeweiligen Außendurchmesser !

Anwendungsgrenzwerte für Kunststoffrohre

Bei Kunststoffrohren ändern sich die inneren Durchmesser abhängig von der Druckfestigkeit deutlicher als bei Stahlrohren. Die hydraulischen Auswirkungen auf das System sind zu beachten. Die temperaturabhängige Festigkeit ist besonders zu beachten Kunststoffbauteile werden meist miteinander verklebt (siehe auch Klebverbindungen) und/oder verschraubt. Die Herstellerangaben sind unbedingt zu befolgen, um Undichtigkeiten und verminderte Druckfestigkeiten zu verhindern. Kunstoffrohre und Stahlrohre können mittels Flansche verbunden werden.
ACHTUNG: Kunststoffflansche entsprechen nicht der Stahlrohrnorm, die entsprechenden Herstellervorgaben sind zu beachten. Die Produktverträglichkeit der Kunststoffrohre ist zu beachten.

Längenänderung in Rohrleitungen

Die während des Betriebes einer Rohrleitung auftretenden Biege- und Torsionsbeanspruchungen muß durch einen Dehnungsausgleich sicher aufgenommen werden.
Geringfügige Längenänderungen von Rohrleitungen können über den Dehnungsraum abgeleitet oder von der Elastizität des Rohrnetzes aufgenommen werden.
Bei größeren Rohrleitungsnetzen müssen Dehnungsausgleicher wie Kompensatoren, Rohrschenkel- oder U-Bogen-Dehnungsausgleicher eingebaut werden.
Rohrleitungen haben je nach Werkstoff eine unterschiedliche Wärmeausdehnung. Dies ist beim Verlegen zu berücksichtigen durch

• Schaffen von Ausdehnungsraum (Natürlicher Dehnungsausgleich)
• Setzen von Fixpunkten und Gleitpunkten

U-Bogen	Z-Bogen	Lyra-Bogen

Die Rohrleitungen werden so geführt, dass die durch den Richtungswechsel entstehenden Schenkel durch elastische Verbiegung die Wärmedehnung aufnehmen können. Bei räumlichen Leitungen ist dies fast immer zu verwirklichen. Wegen der hohen Betriebssicherheit versucht man stets, die Leitungen geschlossen zu halten und je nach Bedarf und Rohrverlauf eine ausreichende Weichheit des Rohrsystems durch U-Bögen, Lyra-Bögen und Z-Bögen zu erreichen.

• Installation von Dehnungsausgleichern

Metallkompensator

Für die Aufnahme von temperaturbedingten Längenänderungen werden überwiegend Metallkompensatoren eingesetzt. Sie bestehen aus einem flexiblen Metallbalg mit beidseitig angebrachten Anschlüssen. Der Grad der Elastizität des Metallbalgs kann sowohl durch die Blechdicke des Zylinders als auch bei dessen Verformung zu parallel verlaufenden Wellen durch die Wellenhöhe und die Wellenanzahl vorherbestimmt werden. Als Anschlüsse sind beidseitig Verschraubungen, Lötenden, Gewindeanschlüsse, Anschweißenden und Flansche gebräuchlich.

Gummikompensator

Gummikompensatoren eignen sich aufgrund ihrer Form und der hohen Verformbarkeit des verwendeten Werkstoffs vorzüglich für die Reduzierung von: thermische Spannungen. Sie können z.B. an den Anschlussstutzen von Sockelpumpen und anderen Aggregaten aufgrund von wechselnden Betriebstemperaturen auftreten. mechanische Spannungen. Mit ihnen ist an den Anschlussstutzen von Rohreinbauten mit Motoren, mit rotierenden oder mit schwingenden Maschinenteilen etc. zu rechnen. Schwingungen und Geräusche. Auch diese gehen von Pumpen und von Aggregaten mit bewegten Maschinenteilen aus und werden, wenn hiergegen keine Vorkehrungen getroffen werden, von den Rohrleitungen weitergeleitet und noch weit entfernt als Schall abgestrahlt.

Berechnungsgrundlagen

• Re = Reynolds-zahl
  
• di = Rohrinnendurchmesser in mm
  
• da = Rohraußendurchmesser in mm
  
• κ = mittlere Rauhigkeitshöhe der Rohrinnenwand in mm
  
• λ = Rohrreibungszahl
• K = Festigkeitskennwert in N/mm²
  
• ν_N = Wertigkeit der Längs- bzw. Schraubenlinien- Schweißnaht
  
• S = Sicherheitsbeiwert
  
• C₁ = Zuschlag zum Ausgleich der zulässigen Wanddickenunterschreitung in mm
  
• C₂ = Korrosionszuschlag in mm
  
• t = erforderliche Wanddicke in mm
  
• t_v = rechnerische Wanddicke in mm
  
• = Volumenstrom m³/s
  
• = Strömungsgeschwindigkeit in m/s
  
• = kinematische Viskosität in m²/s RM 18-9a
• g = Fallbeschleunigung in m/s²
• Δh = geodätischer Hohenunterschied bei nicht horizontal verlaufenden Leitungen in m
• l = Länge der Rohrleitung in m
• pe = Berechnungsdruck in N/mm²
• Δp = Druckverlust in der Rohrleitung durch Reibung und Einzelwiderstände in Pa
• ζ = Widerstandszahl von Rohrleitungselementen
• = Dichte in kg/m³

erforderlicher Rohrinnendurchmesser bei gegebenem Volumstrom Formelsammlung RM 18 Nr.3
erforderlicher Rohrinnendurchmesser bei gegebenem Massenstrom Formelsammlung RM 18 Nr.4
erforderliche Strömungsgeschwindigkeit bei gegebenem Volumstrom Formelsammlung RM 18 Nr.1
Die Reynolds-zahl kennzeichnet die Strömungsform und stellt das Verhältn der Trägheitskräfte zu den Viskositätskräften dar. Formelsammlung RM 18 Nr.5
Volumenstrom
Gesamter Druckverlust für beliebig verlaufende Rohrleitungen mit Einbauten. Formelsammlung RM 18 Nr.7
erforderliche Wanddicke mit Wanddickenzuschlag. Formelsammlung RM 18 Nr.18
Rechnerische Wanddicke ohne Zuschläge bei vorwiegend ruhender Beanspruchung. Formelsammlung RM 18 Nr.20

Übungsaufgabe zur Berechnung einer Rohrleitung

Von einer Brauerei sollen 3.500 Liter Bier pro Stunde zu einer höher gelegenen Plattform gedrückt werden. Es wird eine 500m lange Edelstahlleitung (X5CrNi18 10) nach DIN 11850 verwendet. Der senkrechte Abstand zwischen Pumpe und Ausströmung beträgt 14m, die Saughöhe aus dem Behälter 2m. Als Einbauten sind 1 Durchgangshahn, 1 Durchgangsventil, 1 Rückschlagklappe und 3 Kniestücke 60° vorgesehen.

Es ist das zu bestellende Rohr zu berechnen und zu prüfen, ob die angegebene Wandstärke ausreichend ist.

a) Rohrinnendurchmesser
b) Auswahl der Nennweite (DN) und passendes Rohr aus DIN 11850
c) Tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit
d) Reynoldszahl
e) Rohrreibungszahl (für den k-Wert ist ein neues nahtloses Stahlrohr zu wählen)
f) der aufzubringende Druck (Druckverlust)
g) erforderliche Wanddicke

hier geht es zum Auszug der DIN 11850

hier geht es zur Lösung

Beispiel einer Rohrvernetzung am Beispiel der Fernwärme Hamburg

Durch ein 770 Kilometer langes Rohrleitungsnetz gelangt die Wärme zu den 9.800 Übergabestationen in den Gebäuden der Kunden. So lieferte Vattenfall im Jahr 2004 vier Milliarden Kilowattstunden Heizwärme. Rund 400.000 Wohneinheiten in Hamburg werden von uns mit Wärme versorgt – sicher, sauber, komfortabel.

Fernwärmenetz im Überblick: http://www.vattenfall.de/www/vf/vf_de/204178priva/222253wxrme/222283ansch/222313netzk/index.jsp?WT.ac=content

Hersteller, Lieferanten

• http://www.pipesystems.com/
• http://schwarz-simon.de/
• http://www.ehm-edelstahl.de/site/main/default.asp?language=de
• http://www.s-w-rohrsysteme.de/
• http://www.rohrleitungssysteme.de/
• http://www.unipipe.de/
• http://www.gussrohrtechnik.de/
• http://www.wlw.de/rubriken/rohrsysteme.html

Richtlinien, Normung

Die EU-Druckgeräterichtlinie und die zugehörigen deutschen Vorschriften sind zu beachten. In einer technischen Dokumentation sind die Ergebnisse festzuhalten. Die Dokumentation beinhaltet die Anlagenbeschreibung mit Angaben zur Festigkeitsauslegung, einen Rohr- und Instrumentierungsplan (P&I) und einen Rohrverlegeplan mit detaillierten Angaben. Isometrien können unterstützend eingesetzt werden. http://www.eu.int/comm/enterprise/pressure_equipment/ped/directive/directive_de.html http://www.druckgeraete-online.de/pdf/ped_leitlinien(muster).pdf Toleranzen Kosten

--Danny Ribens 10:09, 5. Nov 2005 (CET)