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Kompensator für Rohrleitungen Die Erfindung betrifft einen Kompensator
für Rohrleitungen, der dazu dient, die durch Temperatur- und Druckunterschiede in
der Leitung hervorgerufenen Längenänderungen aufzunehmen, Diese Änderungen werden
entweder durch den Temperaturwechsel in der Umgebung hervorgerufen oder sie werden
durch die Temperatur des in,der Leitung strömenden Mediums verursacht und müssen,
um die Betriebssicherheit der Anlage nicht zu gefährden, durch elastische Bauelemente
aufgenommen werden. Zu diesem Zweck sind Linsen- oder Wellrohrkompensatoren bekannt,
die jedoch nur für Leitungen mit niedrigem Druck Verwendung finden können. Zudem
ist ihre Dehnungsaufnahme begrenzt und beträgt für jedes Well-Glied etwa 15 mm,
wobei mehrere Glieder meistens hintereinander angeordnet werden. Sie erzeugen große
axiale Schubkräfte, die sich aus der Vorspannung und Pressung, die auf die einzelnen
Wellen des Kompensators wirken, und dem Betriebsdruck zusammensetzen. Für höhere
Temperaturen und Drücke werden im allgemeinen -federnde Rohrbögen, die als U-Bögen,
Lyra-Bögen, Faltenrohrbögen und Winkelbögen Anwendung finden, in die Rohrleitungen
eingebaut.
Ihr großer Nachteil liegt jedoch darin, daß die auftretenden axialen Schubkräfte,
die sogenannten Festpunktkräfte sehr groß sind, trotzdem haben sich diese Kompensatoren
in der Praxis bewährt.. Ihre Verwndung ist aber meistens nur dort möglich, wo viel
Raum zur Verfügung steht. Beibeengten Einbauverhältnissen kommen deshalb S,topfbuchs-Kompensatoren
zur Anwendung, die entweder als nichtentlastete oder entlastete Kompensatoren bekannt
sind. Bei den erstgenannten wirken als Festpunktkräfte einerseits die aus der Stopfbüchsenreibung
sich erp;ebenden Kräfte und zum anderen der auf die Ringfläche-des Degenrohres wirkende
Innendruck. Der Nachteil besteht darin, daß sich die Stopfbüchsenreibung rechnerisch
nicht einwandfrei erfassen läßt, da sie von der Beschaffenheit der Degenrohroberfläche,
der Art der Packung, der Stärke des Anziehens der Stopfbüchsenbrille und anderen,
nicht festzulegenden Werten abhängt. Vor allem besteht bei diesen Kompensatoren
die Gefahr, daldas Degenrohr festbrennt.
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Demgegenüber stellen die entlasteten Stopfbuchskompensatoren eine
Verbesserung dar, da ein Ausgleichskolben, der mit dem Degenrohr fest verbunden
ist, für den Druckausgleich sorgt. So können durch die Wahl der richtigen Größe
der Ausgleicriskolbenfläche rückwirkende Druckkräfte vermieden, und wenn es notwendig
ist, sogar in Zugkräfte umgewandelt werden. Die Herstellung solcher Kompensatoren
verlangt aber ein großes
Maß an Genauigkeit, weil die drei erforderlichen
Stopfbüchsen in einer Ebene liegen müssen. Infolgedessen führen kleine Abweichungen
zur Verklemmung des Degenrohres und stellen damit die Funktion selbst und die Entlastung
der Festpunkte in Frage Da weiterhin alle bisher bekannten Stopfbuchskompensatoren
ein hohes Maß an Wartung erfordern und je nach Medium Druck und Temperatur eine
mehr oder weniger häufige Erneuerung der Packungen notwendig wird, finden solche
tompensatoren bei Temperaturen über 300o 0 kaum noch Verwendung.
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Da jedoch Kessel mit Drücken von 80 bis 200 atü und Temperaturen von
400o bis 610o immer mehr Anwendung finden, um die Wärmeersparnis des Höchstdruckdampfes
auszunutzen, die besonders bei Gegendruckanlagen vorteilhaft ist, finden die Fachleute
für solche Rohrleitungen bis jetzt noch keinen im Betrieb und in der Wartung befriedigenden
Kompensator.
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Dementsprechend liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin,
einen Kompensator für Rohrleitungen zu schaffen, die hohen Temperaturen und Drücken
unterworfen sind, wobei aber eine Wartung des Kompensators nicht erforderlich ist,
da bewegliche Teile, Stopfbüchsen u.s.w. nicht vorhanden sind. Bei dem erfindungsgemäßen
Kompensator erfolgt die Längenänderung durch mehrere ringförmig (spiralförmig) gebogene
Rohre, deren lichter Querschnitt zusammen dem Querschnitt der Rohrleitung entspricht
und deren Enden beiderseits mit sogenannten Verteilerköpfen mit anschließendem Etagenbogen
verbunden
sind und dann als Rohrleitung weitergeführt werden. Die konstruktive Ausbildung
erfolgt in der Weise, daß zunächst aus dem gegebenen Druck und der Temperatur die
Wanddicke des Hauptrohres (Rohrleitung) bestimmt wird. Nachdem die Querschnittfläche
= F errechnet ist, erfolgt die Aufteilung des Hauptrohres in Rohre kleinerer Nennweite
mit den Querschnittsflächen = f, wobei die Wanddicken dieser kleinen Rohre dünn
ausfallen. Es muß sein F = ZEf Diese Bedingung-läßt sich bei richtiger Aufteilung
mit handelsüblichen Rohren ohne weiteres erreichen. Kleine Differenzen haben auf
die Funktion des Kompensators keinen Einfluß. Dann -ist--die Dehnungsaufnahme festzulegen
und daraus die Ausladung des Kompensators, das ist der mittlere Bogen-, sowie die
Reaktionskraft (Festpunktdruck) zu berechnen. Ausladung, Dehnungsaufnahme und Reaktionskraft
sind voneinander abhängig, d.h. je größer die Ausladung, je größer ist die Dehnungsaufnahme,
je kleiner ist die Reaktionskraft oder umgekehrt.
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Dr. Ing. Schwaigerer hat in seinem Buch "Festigkeitsberechnung von
Bauelementen des Dampfkessel- und Rohrleitungsbaues" Ausgabe 1961 Seite 49,
Springerverlag Berlin, die Spannungen in gekrümmten Rohren-untersucht und formelmäßig
festgelegt und auch gleichzeitig die Dauerfestigkeitsverhältnisse in der Wärmeuntersucht
mit folgendem Ergebnis: Ein Rohrbogen von 108 ä.0 aus $t 35.8 bei 4000 o,
Fließfrenze
12 kg/mm 2 unter einer Beanspruchung von 23 kg/mm2 ertrug 3000 Lastwechsel
und zusätzlich unter 26 kg/mm2 nochmal 2000 Lastwechsel ohne zu Bruch zu gehen.
Diese Erkenntnisse. wurden bei der Berechnung und Konstruktion des Kompensators
berücksichtigt.
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Außerdem gestattet die Konstruktion des Kompensators auch im Kaltzustand
die hinsichtlich der Spannungen günstigste Vorspannung auszunutzen, so daß dadurch
die Festpunkte verhältnismäßig kleine Zugkräfte erhalten. .Jas ,Maß der Vorspannung
ist günstig gewählt, wenn bei der später zu errechnenden Vergleichsspannung in der
Rohrwand die Sicherheiten gegenüber den zulässigen Spannungen im warmen und kalten
Zustand annähernd gleich sind.
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Der Druckverlust, der.durch die Aufteilung des Hauptrohres in mehrere
kleinere Rohre entsteht, ist bei den hohen Drücken, für die der Kompensator bestimmt
ist, gering, da auf die strömüngstechnißc.he Ausbildung der Verteilerköpfe großer
Wert gelegt wurde, außerdem das Medium in einer Richtung fließt und nicht wie z:..B..
bei den bekannten U-Kompensatoren in dem Kompensator mehrmals umgelenkt wird.. Was
die platzsparenden Einbauverhältnsse und die statischen Verhältnisse anbetrifft,
so lassen sich dieselben am besten aus folgendem Vergleich erkennen: Ein U-Kcmrpensat.or
I300., 40 atü Betriebsdruck, Rohr 318 ä.0 x 1:2 mm Wand hat einte Bauhöhe
(Ausladung) von 5000 mm.
Die Dehnungsaufnahme beträgt 180 mm und
die Reaktionskraft H = 1360 kg. Der Biegungshalbmesser ist dabei mit 4 D eingesetzt.
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Der erfindungsgemäße Kompensator NW 300, 40 atü Betriebsdruck, Rohr
318 ä:,0 x 12 mm Wand hat eine Bauhöhe (Ausladung) von 2750 mm, bei einer Aufteilung
des Hauptrohres in y Stück Rohre 108 ä.0 x 3,5 mm Wand. Die Dehnungsaufnahme beträgt
330 mm und die Reaktionskraft H = 750 kg. -Die Zeichnung zeigt die konstruktive
Ausbildungsform des erfindungsgemäßen kompensators an einem vereinfachten Ausführungsbeispiel.
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Fig. 1
Gemäß der Darstellung in Fig. 1, in der das Grundprinzip
des erfindungsgemäßen Kompensators dargestellt ist, werden in eine Rohrleitung 1
mehrere spiralförmig (ringförmig) gebogene Rohre 2 kleinerer Nennweite, die an ihren
Enden sogenannte Verteilerköpfe 3 erhalten und von wo aus dann ein Etagenbogen 4
die Rohrachse wieder gewährleistet, eingebaut. Die spIralfärmig (ringförmig) gebogenen
Rohre 2 stellen somit ein elastisches Glied dar, was einmal durch die Ringform,
dann aber auch durch die Erfüllung der Bedingung, daß.die Summe der lichten Querschnittsflächen
der Rohre 2 der lichten Querschnittsfläche der Rohrleitung 1 entspricht, gewährleistet
ist, weil die . Wanddicken der Rohre: 2' auch bei hohen Drücken und Temperaturen
gegenüber
der Rohrleitung 1 verhältnismäßig dünn ausfallen. Nach Möglichkeit ist eine ungerade
Zahl der spiralförmig (ringförmig) gebogenen Rohre 2 anzustreben, weil dadurch die
Flächen der Verteilerköpfe 3 an den Aushalsungen günstig ausgenützt werden. Die
Berechnung der Rohrwanddicken 1 und 2 erfolgt nach der Gleichung DIN 2413 für Heißdampfrohre
(150o bis 525o c). Nun ist aus der Länge der Rohrleitung 1 die vom Kompensator Fig.
1 aufzunehmende Dehnung zu bestimmen und der erforderliche Biegeradius R für ein
Rohr 2 - das ist der kleinste zulässige Biegeradius - sowie das auftretende Biegemoment
zu berechnen. Die Spannungen am Umfang sind nach Dr. Ing. Schwaigerer (Festigkeitsberechnung
von Bauelementen des Dampfkesser und Rohrleitungsbaues, Ausgabe 1961, Seite 49,
Springer-Verlag Berlin) zu ermitteln. Danach muß die maximale Spannung am Umfang
kleiner sein als die Fließgrenze des Rohrwerkstoffes. Entsprechend der Konstruktion
Fig. 1 werden die Biegeradien für alle anderen Rohre 2 größer und somit die Spannungen
am Umfang in diesen Rohren 2 kleiner, so daß sich dafür ein rechnerischer Nachweis
erübrigt. Die Bauhöhe des Kompensators Fig. 1 ergibt sich bei der Erfüllung der
vorgenannten Bedingungen aus der Konstruktion. Das gleiche gilt für die Bestimmung
der Reaktionskraft. Zwischen Bauhöhe, Dehnungsaufnahme und Reaktionskraft besteht
die Beziehung: Je größer die Bauhöhe des Kompensators Fig. 1, je größer ist die
Dehnungsaufnahme, je kleiner ist die Reaktionskraft (Festpunktdruck) und umgekehrt.
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Die Ausbildung der beiden konischen Verteilerköpfe 3 erfolgt
nach
den Grundlagen der Strömungstechnik. Das Medium (Dampf) tritt mit einer bestimmten
Geschwindigkeit und einem bestimmten Betriebsdruck in den ersten Verteilerkopf 3
ein und durchströmt denselben in Richtung der spiralförmig (ringförmig) gebogenen
Rohre 2. Die Erweiterung des Verteilerkopfes 3 bedingt eine Druckabnahme bei gleichzeitiger
Zunahme der Geschwindigkeit des Dampfes. Mit dieser Geschwindigkeit durchströmt
der Dampf die spiralförmig (ringförmig) gebogenen Rohre 2, um dann in den zweiten
Verteilerkopf 3 einzutreten. hier vollzieht sich beim Durchströmen der umgekehrte
Vorgang. Die Geschwindigkeit nimmt ab und der Druck zu bis Betriebs= druck und Anfangsgeschwindigkeit
wieder erreicht sind.
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Der erfindungsgemäße Kompensator Fig. 1 kann in die Leitung eingeschweißt
oder falls seine Enden Flanschen erhalten, eingeschraubt werden.