Führungselemente für Flüssigkeiten und Gase

Führungselemente für Flüssigkeiten und Gase

Gase und Flüssigkeiten werden überwiegend in Rohrleitungen geführt. Die besonders relevanten sicherheitstechnischen Anforderungen sind in der DIN EN 13480 umgesetzt. Es werden verschiedene Rohrarten und Fittings,  aber auch Armaturen näher behandelt. Weiterhin erfolgen diverse Beispielrechnungen für die erforderliche Wanddicke oder auch Druckverlust der Rohrleitung.

  • Rohrleitungen

    In Rohrleitungen werden überwiegend Flüssigkeiten und Gase geführt. Sie dienen aber auch zur Förderung von breiartigen Stoffen und Schüttgütern sowie zur Übertragung von Drücken, wobei die Fortleitung des Mediums im Rohr nahezu unwichtig ist.

    Rohrleitungsanlagen bestehen aus Rohren, Formstücken (Krümmer und Verzweigungen), Rohrverbindungen, Dichtungen, Rohrhalterungen, Dehnungsausgleichern und Armaturen. Für die Berechnung, Darstellung, Ausführung und Überwachung dieser Anlagen gibt es zahlreiche Normen und Vorschriften. Praktisch besteht ein Rohrleitungssystem fast nur noch aus Normteilen.

    Rohrleitungen

    Grundlagen

    Die Nennweite, Kurzzeichen DN (= Diameter Nominal), und und der Nenndruck PN, (= Pressure Nominal), sind die grundlegenden Kenngrößen für Rohrleitungen und Armaturen, worauf deren Normung aufgebaut ist. Beide werden ohne Einheit angegeben.

    Rohrarten

    Im Rohrleitungsbau verwendet man hauptsächlich nahtlose und geschweißte Stahlrohre. Daneben werden je nach Verwendungszweck Rohre aus Gusseisen, Nichteisenmetallen und Kunststoffen eingesetzt. Für bestimmte Anwendungsgebiete kommen außerdem Rohre aus Stahlbeton, Spannbeton, Asbestzement, Glas und Porzellan oder aus Werkstoffkombinationen in Betracht. Schläuche werden anstelle von starren Rohren zur Verbindung von transportablen und sich im Betrieb gegeneinander bewegenden Apparaten sowie für leicht lösbare Verbindungen eingesetzt.

    Rohrformstücke

    Bauelemente einer Rohrleitung, die kein gerades Rohr sind, z. B. Bogen oder Krümmer, T-Stücke, Kreuzstücke, Stutzen, Reduzierstücke, Muffen, Kappen, Stopfen und dgl., werden als Formstücke bezeichnet. Sie heißen auch Fittings und dienen zur Änderung der Strömungsrichtung, zum Verteilen und Vereinigen von Stoffströmen. Die einschlägigen Herstellerfirmen bieten genormte und andere, handelsübliche Ausführungen an als Stahlschweiß- oder Stahlschraubfittings, als Temperguss- und als Lötfittings, außerdem Formstücke aus verschiedenen Kunststoffen.

    Stahlfittings zum Einschweißen: a) T-Stück, b) Reduzierstücke, c) Kappe, d) Sattelstutzen, e) Einschweißbogen
    Stahlfittings zum Einschweißen

    Rohrverbindungen

    Man unterscheidet lösbare und unlösbare Rohrverbindungen. Unlösbar können Rohrleitungsteile durch Schweißen, Löten, Kleben, Walzen und Sicken verbunden werden.

    Lösbare Verbindungen sind u. a. Flanschverbindungen, Muffenverbindungen und Rohrverschraubungen. Rohrverbindungen müssen dicht sein und kostengünstig ausgeführt werden können.

    Dehnungsausgleicher

    Durch Änderungen der Temperaturen des Rohrinhalts oder der Umgebung entstehen in Rohrleitungen Längenänderungen, die ausgeglichen werden müssen. Zweckmäßig ist eine elastische Ausführung der Rohrleitung möglichst so, dass der Dehnungsausgleich innerhalb des Leitungssystems durch Richtungsänderung von Rohrstrecken ohne besondere Bauteile erfolgen kann.

    Wenn eine derartige Kompensation der Längenänderung unwirtschaftlich oder z. B. aus Platzgründen nicht möglich ist, werden Dehnungsausgleicher (Kompensatoren) als zusätzliche Bauelemente in der Rohrleitung vorgesehen.

    Festpunkte für Rohrleitungen: a) Verschraubung mit U-förmigem Rundstahlbügel auf Konsole
    Festpunkte für Rohrleitungen

    Rohrhalterungen

    Rohrhalterungen haben die Aufgabe, die Gewichtskraft der Rohrleitung mit Inhalt, Kräfte aus temperaturbedingten Längenänderungen sowie betriebsbedingte Momente und Kräfte (z. B. Reaktionskräfte durch Umlenkung und Geschwindigkeitsänderung des strömenden Mediums, an Austrittsöffnungen und Sicherheitsventilen) aufzunehmen und über Stützen, Konsole oder Aufhängungen in die Bauwerksteile einzuleiten.

    Rohrleitungszeichnung in isometrischer Projektion (vereinfachter Ausschnitt)
    Rohrleitungszeichnung in isometrischer Projektion

    Darstellung von Rohrleitungen

    Im Allgemeinen werden nur schwierige Rohrleitungssysteme und -bauteile in technischen Zeichnungen ausführlich dargestellt. Meistens wendet man eine axonometrische, vereinfachte Darstellung an, wobei die isometrische Projektion bevorzugt wird.

    Für Rohrleitungen, Armaturen und Stellenantriebe sind grafische Symbole festgelegt, die Teile oder Funktionen darstellen, wie sie allgemein in Rohrleitungssystemen vorkommen. Ihre Lage in der Zeichnung entspricht dem Verlauf der Leitung. Mit diesen Symbolen ist es möglich, Rohrleitungen einheitlich, klar und einfach darzustellen.

    Berechnung von Rohrleitungen

    Von den zahlreichen Berechnungen, die für ein Rohrleitungssystem insgesamt erforderlich sind und zum Teil bereits angedeutet wurden (Flanschverbindungen, Dehnungsausgleicher, Rohrhalter, Stützweiten), können nur die wichtigsten erläutert werden. Das sind

    1. die Berechnung des erforderlichen Rohrinnendurchmessers, von dem auf Grund des zu fördernden Volumenstromes und einer wirtschaftlichen Fördergeschwindigkeit üblicherweise bei der Planung einer Rohrleitungsanlage ausgegangen wird,

    2. die Ermittlung der Rohrleitungsverluste als Reibungs-, Strömungs- und Druckverluste, die den Energiebedarf wesentlich bedingen,

    3. die Bestimmung oder Überprüfung (Festigkeitskontrolle) der Rohrwanddicke, für die vor allem der innere Überdruck und das Werkstoffverhalten ausschlaggebend sind.

    Berechnungsbeispiele:
    Beispielaufgabe (29.3)
    Beispielaufgabe (29.4)
    Beispielaufgabe (29.5)

    Materialien zu den Beispielaufgaben:
    Tabelle (29.5)
    Tabelle (29.9)
    Tabelle (29.10)
    Tabelle (29.11)
    Tabelle (29.12)
    Tabelle (29.13)
    Tabelle (29.14)
    Tabelle (29.15)
    Diagramm (29.1)

    Ein Excel-Arbeitsblatt:
    Excel-Arbeitsblatt

     

     

  • Armaturen

    Unter Armaturen versteht man Bauteile, die in Systemen aus Rohrleitungen, Behältern, Apparaten und Maschinen als Absperrorgane, als Regelorgane oder als Sicherheitsorgane eingesetzt werden. Nach ihrer Bauart sind es Ventile, Schieber, Hähne oder Klappen. Sie üben die Funktion des Schaltens und Stellens aus. Armaturen in Rohrleitungen werden auch als Rohrleitungsschalter bezeichnet.

    Allgemeines

    Absperrorgane sollen einen Strömungsweg dicht absperren, jedoch nicht schlagartig, um Belastungen durch Druckstöße zu vermeiden. Die wichtigsten Grundformen unterscheiden sich vor allem durch die Art des Abschlusskörpers (Platte, Kolben, Kegel, Kugel), der im geöffneten Zustand im Förderstrom verbleibt (Ventil, Klappe) oder herausgeführt bzw. gedreht wird (Schieber, Hahn) und den gesamten Durchflussquerschnitt ohne Strömungsumlenkung freigibt.

    Regelorgane dienen der Einstellung oder Veränderung des Volumenstroms in Abhängigkeit vom Druck, von der Temperatur oder einer anderen Größe.
    Sicherheitsorgane verhindern das Überschreiten eines Sollwertes (meist Höchstwert von Druck oder Temperatur) und bewahren das Rohrleitungssystem vor Schäden.

    Ventile

    Ventile werden bis DN 400 für alle Drücke und Temperaturen hergestellt. Im Gegensatz zu Schiebern, Hähnen und Klappen sind sie normalerweise nur für eine Strömungsrichtung geeignet, die am Gehäuse durch einen Pfeil gekennzeichnet ist.

    Der Abschlusskörper, eine tellerförmige Platte (Ventilteller), ein Kegel (Ventilkegel), ein Zylinder (Kolben), eine Kugel, ein parabolischer Körper (bei Drosselventilen) oder eine Membrane, wird durch eine Spindel, durch Federkraft oder durch die Druckkraft des Durchflussstoffes bewegt. Beim Öffnen wird der Abschlusskörper längs zur Strömungsrichtung vom Ventilsitz abgehoben.

    Absperrschieber [KSB]: a) Keilschieber mit Flachgehäuse (Spindelmutter im Absperrkeil)
    Absperrschieber

    Schieber

    Schieber werden für fast alle Medien bis zu größten Nennweiten (DN 2000) als Absperrorgane eingesetzt. Sie sind für hohe Strömungsgeschwindigkeiten und beide Strömungsrichtungen geeignet, haben einen geringen Strömungswiderstand und eine kurze Baulänge.

    Hähne

    Hähne (auch Drehschieber genannt) sind einfache und robuste Armaturen mit geringem Raumbedarf, kurzen Schließ- bzw. Umschaltzeiten, geringen Strömungsverlusten und der Möglichkeit, als Auslaufhahn, Durchgangshahn, Eckhahn oder als Mehrwegehahn mit mehreren Anschlüssen ausgeführt zu werden.

    Von Nachteil sind die aufeinander gleitenden großen Dichtflächen, die bei häufiger Bewegung des Abschlusskörpers schnell verschleißen. Je nach Oberflächengüte der Dichtflächen, Schmierung, Vorspannung sowie Art und Temperatur des Durchflussstoffes können die beim Schalten zu überwindenden Reibungskräfte sehr hoch sein. Nach längerem Stillstand ist sogar Blockieren möglich.

    Klappen

    Klappen sind sehr einfache Armaturen mit geringstem Raumbedarf. Als Abschlusskörper dient eine kreisförmige Platte, die um eine Achse senkrecht zur Strömungsrichtung gedreht und in Offenstellung vom Durchflussstoff umströmt wird. Sie schließen bei metallischen Dichtungen meistens nur tropfdicht, können aber mit weichen Gehäuseauskleidungen aus Kunststoffen dichtschließend ausgeführt werden.

    Ihre Einsatzgebiete sind u. a. Wasserversorgungsanlagen, Abwassertechnik, Kraftwerksbau, chemische Industrie und Gasfernleitungen. Klappen werden bis zu sehr großen Nennweiten hergestellt.

    Armaturenantriebe

    Die Betätigung der Armaturen ist auf verschiedene Weise möglich. Sie kann von Hand (direkt an der Armatur oder fernbedient), durch Gewichts- oder Federkraft, mittels Eigen- oder Fremdmedium, hydraulisch, pneumatisch, elektromotorisch oder elektromagnetisch erfolgen.