Elemente zur Führung von Fluiden (Rohrleitungen)

--Frederik 12:45, 8. Dez 2007 (CET) 2.Wahl --S. Schneider 12:32, 8. Dez 2007 (CET)

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

Bauarten	Hartblei	Präzisionsrohr	Gewinderohr	Edelstahlrohr	Gusseisen	Kupferrohr	Aluminium	Kunststoff
Einsatz	Chemie, Trinkwasser	Hydraulik, Pneumatik	Gas, Wasser, Heizung	Lebensmittel, Chemie	Trinkwasser, Abwasser	Heizung, Schmieröl, Lebensmittel, Kältetechnik	Fahrzeugbau, Apparatebau, Lebensmittel	Installationstechnik, Haustechnik, Trinkwasser, Abwasser
Vorteile	gute chemische Beständigkeit	Genauigkeit, gut schweißbar	billig	gute chemische Beständigkeit, korrosionsbeständig	mit großem Durchmesser herstellbar	gute chemische Beständigkeit, gut schweißbar, hartlötbar	chemische Beständigkeit, gut schweißbar, bei tiefen Temperaturen einsetzbar	leicht korrosionsbeständig, kleben, schlagfest, wärmebeständig
Werkstoff	Blei Antimon (PbSb1As)	ST32	Stahl	meist austenitischer Edelstahl, Cr Ni Stahl	duktiles Gusseisen	sauerstofffreie Kupfersorten	Al- und Al-Knetlegierungen	PVC, PE, PP
Herstellung	-	kaltgezogen, geglüht	Schwarz, verzinkt, Kunststoffüberzug	-	Überzug aus Zementmörtel, PE oder Zink	nahtlos gezogen	nahtlos gezogen oder stranggepresst	-
Norm: DIN 1262	-	-	DIN EN ISO 1127	EN 595, EN 969	DIN 1754	DIN 1795, DIN 9107	DIN 8061, 8062	DIN 8074, DIN 8075	DIN 8077, 8078

Frage 1:

Welche Rohrarten werden im Rohrleitungsbau eingesetzt? Zu jeder Rohrart sind zwei für den Einsatz wichtige Eigenschaften und ein typisches Anwendungsbeispiel zu nennen

zur Lösung

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

Stumpfnaht

Kehlnaht
Schweißkantenvorbereitung
mechanisch beste Lösung

Überschiebmuffe

gut bei Innenbeschichtung
vorteilhaft bei Reparaturen

Kugelschweißmuffe

Winkel bis 10° möglich

Nippelschweißmuffe

keine Schweißrückstände im Inneren
vollkommen durchschweißbar
keine Querschnittsverengung

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

Eigenschaften

aufwendige Montage
große Sicherheit
beste Dichtwirkung

Einsatz

Vakuum
Hochdruck (>1000 bar)
Gefahrengut


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

1) Dichtring
2) Feder
3) Nut

4) Vorsprung
5) Rücksprung
6) Strömungsrichtung

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

Frage 2: Welche grundsätzlichen Möglichkeiten gibt es, Stahlrohre unlösbar, lösbar bzw. zu funktionsfähigen Leitungen zu verbinden? zur Lösung

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

Gas

Druckluft

Wasser

Dampf


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

1.Schmierkammer

2.Schmierspindel

3.Schmiernuten

4.Anschlag

Klappen

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

Eigenschaften

geringer Bauraum
verschleißarm
verschiedene Antriebe

Bauarten

Absperrklappe
Drosselklappe
Rückschlagklappe

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

1.Gehäuse

2.Scheibe

3.Futter austauschbar

4.Lagerzapfen

5.Antriebswelle

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

Frage 3:

Nach DIN 3211 ist eine Armatur ein Rohrleitungsteil, das in Systemen aus Rohrleitungen, Behältern, Apparaten und Maschinen die Funktion des Schaltens und Stellens ausübt. Welche 4 Grundbauarten von Armaturen gibt es?

zur Lösung

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

DN 10

DN 15

DN 20

DN 25

DN 32

DN 40

DN 50

DN 60

DN 65

DN 80

DN 100

DN 125

DN 150

DN 200

DN 250

DN 300

DN 350

DN 400

DN 450

DN 500

DN 600

DN 700

DN 800

DN 900

DN 1000

DN 1100

DN 1200

DN 1400

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)

PN 2,5	PN 6	PN 10	PN 16
PN 25	PN 40	PN 63	PN 100

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.

Frage 4: Bei Rohrleitungen gibt es das Problem der Längenänderungen. Wodurch werden diese Längenänderungen verursacht? Welche konstruktiven Möglichkeiten bestehen zur Kompensation dieser Längenänderungen? Was versteht man unter natürlichem Dehnungsausgleich? zur Lösung

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 Verhältnis 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 (X5Cr Ni18 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

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)

Elemente zur Führung von Fluiden (Rohrleitungen)

Inhaltsverzeichnis

Einführung

Funktion

Eigenschaften

Bauarten von Rohren

Schläuche

Formstücke

Verbindungsarten von Rohrleitungen

Schweißverbindungen

Flanschverbindungen

Flansche mit Vor- und Rücksprung

Rohrverschraubungen

Hydraulikverschraubungen

Verschraubungsarten

Rohrleitungsarmaturen

Ventile

Schieber

Hähne

Klappen

Auswahl der richtigen Armatur

Fördern von Fluiden

Dimensionierung

Auslegung Nenndruck und Nennweite

Kunststoffrohre

Längenänderung in Rohrleitungen

Berechnungsgrundlagen

Übungsaufgabe zur Berechnung einer Rohrleitung

Beispiel einer Rohrvernetzung am Beispiel der Fernwärme Hamburg

Hersteller, Lieferanten

Richtlinien, Normung

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