DE3602603A1 - Selbstkompensierendes fernheizungsrohr mit verbindungselement, ausgebildet als stahlmantel-verbundrohr - Google Patents

Description

Gegenstand

Gegenstand der Erfindung ist eine Fernwärme- bzw. Fernheizleitung für ein beliebiges, wärmetransportierendes Medium (in der Regel: Heisswasser oder Dampf) mit Selbst-Kompensation, die als Stahlmantel-Verbundrohr ausgebildet ist und nahezu vollständig aus handelsüblichen, glatten Rohren besteht.

Der Zweck der Konstruktion der hier beschriebenen Fernheizleitung gem Fig. 1 ist, die oberirdische, unterirdische oder halb-unterirdische Verlegung einer Fernheizleitung genauso einfach durchführen zu können, wie dies bei Gas-, Wasser- und Abwasserleitungen möglich und üblich ist.

Das bedeutet, daß die Verlegung der Fernheizleitung möglich sein muß:
- ohne Dehnungselemente (Kompensatoren, Dehnungsbögen etc.) vorsehen und einbauen zu müssen;
- ohne die dazugehörigen Festpunkte;
- ohne eine Vorwärmung oder eine mechanische Vorspannung der Leitung während der Rohrverlegung.

Auch soll es nicht notwendig sein, den Rohrgraben (bei unterirdischer Verlegung) an bestimmten, diskreten Stellen zu erweitern und mit sog. Dehnungspolstern auszulegen.

Vielmehr soll die Fernheizleitung so herzustellen sein, daß die angelieferten Rohrelemente (Stangen) in den Rohrgraben eingelegt und miteinander verschweisst werden, ohne jeden zusätzlichen Aufwand. Die so hergestellte Fernheizleitung soll nach der Druckprobe sofort betriebsbereit sein, und während des Betriebes keine, bzw. nahezu keine äusserlich feststellbare Wärmedehnung aufweisen (Selbst-Kompensation).

Erreicht wird die erfindungsgemäß dadurch, s. Fig. 1, daß das Innenrohr (1) des Rohrelements aus zwei Abschnitten gebildet wird, aus einem Glattrohr-Teil (1 a) und aus einem Wellrohr-Teil (1 b). Diese werden im folgenden auch einfach als "Glattrohr" und "Wellrohr" bezeichnet.

Die Wärmedehnung wird auf diese beiden Abschnitte so verteilt, daß der überwiegende Anteil (ca. 2/3) vom Wellrohr und der verbleibende Anteil (ca. 1/3) vom Glattrohr aufgenommen wird.

Die Abmessungen, die Werkstoffe und die Form des Wellrohrs werden so gewählt, daß die Dehnungs-Aufnahmefähigkeit des Glattrohres vollständig oder nahezu vollständig ausgenützt, jedoch die zulässige Zugspannung im Rohrwerkstoff nicht überschritten wird. Dadurch, daß das Glattrohr einen definierten Anteil der Gesamt-Wärmedehnung aufnimmt, kann das Wellrohr aus dem selben Werkstoff wie das Glattrohr, ausserdem billig und einfach hergestellt werden (beispielsweise durch Warmwalzen). Der Einbau eines handelsüblichen, bereits bekannten Axial-Kompensators aus Edelstahl mit Längsführung kann daher entfallen.

Die vorgenannten Eigenschaften der hier beschriebenen Fernheizleitung werden ferner erfindungsgemäß dadurch erreicht s. weiter Fig. 1, daß das Aussenrohr nicht als durchgehendes Schutzrohr sonder diskontinuierlich ausgeführt wird, siehe Aussenrohr (2).

An beiden Enden des Rohrelementes ist das Aussenrohr (2) mittels Abdeckungen (3) luftdicht verschlossen. Die Abdeckungen sind so geformt, daß örtliche Werkstoffspannungen vermieden werden. Zwischen den Enden von zwei benachbarten Rohrelementen wird lediglich eine Wärmeisolierung (8) ohne Schutzmantel verwendet, die (in Grenzen) deformierbar ist. Dadurch ist die freie Ausdehnung der Aussenrohre möglich, ohne daß die Gesamtlänge einer aus vielen Rohrelementen bestehenden Fernheizleitung verändert würde. Dies ist aus Fig. 1 unmittelbar einzusehen.

In Fig. 1 bedeuten weiter:

(4): Stege, (5): Stützbügel, (6): Wärmeisolierung, (7): Schweissverbindung zwischen Glattrohr und Wellrohr.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist, die oben dargelegte, einfache Verlegungsart einer Fernheizleitung aus glatten Rohren auch in solchen Fällen zu ermöglichen, in denen eine relativ hohe Mediumtemperatur gegeben ist (ca. 150 bis 200°C).

Fernheizleitungen aus glatten Rohren, die in der Lage sind, Wärmedehnungen in sich aufzunehmen, sind bereits bekannt. Sie werden während der Verlegung thermisch oder mechanisch vorgespannt. Sie sind jedoch nach dem heutigen Stand der Technik auf wesentlich kleinere Mediumtemperaturen beschränkt, da sonst die im Werkstoff auftretenden Spannungen die zulässigen Grenzen überschreiten würden.
Nachdem die Mediumtemperatur in einer Fernheizleitung bzw. in einer Fernheiz-Vorlaufleitung für die Wirtschaftlichkeit der Wärmeverteilung von besonderer Bedeutung ist, bietet eine Konstruktion, die nahezu vollständig aus glatten Rohren besteht, und eine einfache Verlegungsart mit hohen Mediumtemperaturen verbindet, wesentliche wirtschaftliche Vorteile den heute bekannten Bauarten gegenüber.

In der hier beschriebenen Konstruktion ist der Längenanteil des Glattrohres ca. 97 bis 99% bezogen auf die Länge eines Rohrelementes. Auf das Wellrohr entfällt ein Längenanteil dementsprechend von 3 bis 1% bezogen auf die Länge eines Rohrelementes.

Auch Fernheizleitungen mit Selbst-Kompensation für höhere Mediumtemperaturen sind bereits bekannt. Bei diesen besteht das gesamte Innenrohr aus einem Edelstahl-Spiralwellrohr. Solche Ferheizleitungen haben jedoch bezogen auf den gleichen Rohr-Innendurchmesser und auf den gleichen Heizwasserdurchsatz etwa den sechs- bis zehnfachen Druckverlust einer Fernheizleitung, die aus glatten Rohren besteht.
Nachdem auch der Druckverlust von Fernheizleitungen für die Wirtschaftlichkeit der Wärmeverteilung von Bedeutung ist, bietet eine Konstruktion, die die Vorteile der Selbst-Kompensation mit den der hohen Mediumtemperaturen und des geringmöglichsten Druckverlustes verbindet, wesentliche wirtschaftliche Vorteile den heute bekannten Bauarten gegenüber.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Ausbildung der Abzweige für die Hausanschlußleitungen.

Bekanntlich verursachen Abzweige für Hausanschlußleitungen bei den meisten bekannten Fernheizleitungen erhöhte Spannungen im Rohrwerkstoff und müssen daher von Fall zu Fall konstruktiv und rechnerisch überprüft werden, was sowohl bei der Projektierung wie bei der Ausführung zusätzlichen Aufwand bedeutet.

Bei den heute bekannten Fernheizleitungen werden die Rohrelemente ("Stangen") unmittelbar miteinander verbunden.

Bei dem hier beschriebenen Rohrsystem dagegen wird erfindungsgemäß nach jedem Rohrelement ein spezielles Verbindungselement gesetzt, s. Fig. 2. Das Verbindungselement (1) hat folgende Funktionen:

• 1. Aufnahme einer geringfügigen Rest-Wärmedehnung zwischen zwei benachbarten Rohrelementen. Hierfür erhält das Verbindungselement eine spezielle Formgebung.
• 2. Anschlußstelle für einen Wärmeabnehmer (Abzweig für Verbraucher). Zu diesem Zweck ist jedes Verbindungselement mit einem Absperrorgan im Abzweig ausgestattet.
• 3. Richtungsänderungen der Fernheizleitung zu ermöglichen.

Das Verbindungselement wird entweder aus dem Rohrwerkstoff ausgeformt (z. B. durch Warmwalzen) oder aus zwei gepressten Halbschalen hergestellt. Es ist ebenfalls möglich, Wellrohr- Teil und Verbindungselement aus dem Werkstoff des Glattrohres so auszuformen, daß das Innenrohr (abgesehen vom Abzweig für eine Hausanschlußleitung) bestehend aus Glattrohr-Teil, Wellrohr-Teil und Verbindungselement einen einzigen Bauteil bildet.

Fig. 2 zeigt das Verbindungselement als selbständigen Bauteil zusammengebaut mit zwei benachbarten Rohrelementen. Es bedeuten:
(1): Verbindungselement, (2): Absperrorgan, (3): Anschweissende für Hausanschlußleitung, (4): angeschlossene Rohrelemente gem. Fig. 1, (5): Wärmeisolierung des Verbindungselementes, (6): Wärmeisolierung der Hausanschlußleitung.

In Fig. 3 ist ein Verbindungselement dargestellt, das zusammen mit dem Wellrohr-Teil (1 b) in Fig. 1 aus einem Stück hergestellt ist. Es bedeuten:
(1): Wellrohr mit Verbindungselement aus einem Stück gefertigt, (2): Absperrorgan, (3): Anschweissende für die Hausanschlußleitung, (4): Rohrelement, (5): Schweissnaht zwischen Glattrohr und Wellrohr gem. Fig. 1.

In Fig. 4 ist ein Verbindungselement dargestellt, das mit dem kompletten Innenrohr einen einzigen Bauteil bildet. In Fig. 4 bedeuten:
(1): Innenrohr, (2): Aussenrohr, (3): Stege, (4): Absperrorgan, (5): Anschweissende für die Hausanschlußleitung.

Erläuterungen s. Fig. 1

Bevor das Innenrohr (1) mit dem Aussenrohr (3) über die Stege (4) verschweisst wird, wird das Innenrohr (1) vorgewärmt, und zwar auf eine höhere Temperatur als die spätere Betriebstemperatur des Innenrohres. Nach der Vorwärmung, wobei das Innenrohr sich frei dehnen kann, werden die Stege (4) verschweisst. Das Aussenrohr (2) wird dabei etwa auf Zimmertemperatur gehalten.

Durch die Abkühlung des Innenrohres entsteht eine Zugspannung im Innenrohr und eine Druckspannung im Aussenrohr. Das Aussenrohr wird damit auf Knicken beansprucht. Aufgrund der Konstruktionsmaße liegt die Belastung des Aussenrohres weit unterhalb der zulässigen Knicklast.

Die max. Zugspannung im Innenrohr und die max. Knicklast im Aussenrohr treten dann auf, wenn beide Rohre die gleiche Temperatur haben, also wenn das Rohrelement noch nicht eingebaut ist, sondern auf Lager liegt.

Ist jedoch das Rohrelement eingebaut und wird die fertiggestellte Fernheizleitung auf Betriebstemperatur gehalten, so werden die Spannungen sowohl im Innenrohr wie im Aussenrohr nahezu vollkommen abgebaut. Die Fernheizleitung auf Betriebstemperatur ist nahezu spannungsfrei.

Es verbleibt lediglich eine vernachlässigbar kleine Restspannung aufgrund der Temperaturdiffernz zwischen Vorwärmtemperatur und Betriebstemperatur (ca. 20 bis 40 K), die lediglich dazu dient, das Wellrohr (1 b) in Fig. 1 prinzipiell im Zugspannungsbereich zu halten.

Die Stützbügel (5) gem. Fig. 1 dienen zur Verhinderung des Durchhängens des Innenrohres (1).

Die Stützbügel (5), die Stege (4) und die Deckel (3) sind so gestaltet, daß die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung zwischen Innenrohr (1) und Aussenrohr (2) klein bleibt.

Bemerkung:

Die Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 4 sind keine Werkstatt-Zeichnungen. Die Schweissverbindungen, Schnitte, etc. sind nur in der einfachsten Form angedeutet.

Claims (6)

1. Selbstkompensierendes Fernheizungsrohr mit Verbindungselement, ausgebildet als Stahlmantel-Verbundrohr dadurch gekennzeichnet,
- daß das Innenrohr in vorgewärmten oder mechanisch vorgespanntem Zustand mit den beiden Enden des Aussenrohres kraftschlüssig verbunden wird (wodurch beim Temperaturausgleich zwischen Innen- und Aussenrohr das Innenrohr auf Zug und das Aussenrohr auf Druck bzw. Knickung beansprucht wird);
- daß die Vorwärmtemperatur höher ist als die spätere bzw. projektierte Betriebstemperatur des Innenrohres;
- daß das Innenrohr aus zwei Abschnitten besteht, aus einem Glattrohrteil (Längenanteil 95 und mehr % bezogen auf die Gesamtlänge eines Rohrelementes) und einem Wellrohrteil (Längenanteil 5 und weniger % bezogen auf die Gesamtlänge eines Rohrelementes);
- daß die (negative) Wärmedehnung des Innenrohres beim Temperaturausgleich zwischen Innen- und Aussenrohr auf den Glattrohrteil und auf den Wellrohrteil definiert verteilt d. h. konstruktionsmäßig zugeteilt und dabei die Dehnungskapazität des Glattrohres nahezu vollständig ausgenutzt wird;
- daß der Glattrohrteil aus handelsüblichem Stahlrohr und der Wellrohrteil entweder aus dem gleichen Werkstoff oder aus einem anderen, handelsüblichen Rohrleitungs- oder Kesselbauwerkstoff besteht und als "Kompensator ohne Längsführung" ausgebildet ist;
- daß das Aussenrohr einer fertiggestellten, aus vielen Rohrelementen bestehenden Fernheizleitung kein durchgehendes Schutzrohr bildet sondern das Innenrohr und das Verbindungselement zwischen zwei benachbarten Rohrelementen freilässt, dadurch sich nach beiden Richtungen frei ausdehnen kann ohne daß hierdurch die Gesamtlänge der o. g. Fernheizleitung verändert wird;
- daß das Verbindungselement zwischen zwei benachbarten Rohrelementen so geformt ist, daß es die Wärmedehnung des Innenrohres zwischen den o. g. beiden Rohrelementen und seine eigene Wärmedehnung kompensieren kann.

2. Selbstkompensierendes Fernheizungsrohr mit Verbindungselement, ausgebildet als Stahlmantel-Verbundrohr nach 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement einen Abzweig mit Absperrorgan aufweist.

3. Selbstkompensierendes Fernheizungsrohr mit Verbindungselement, ausgebildet als Stahlmantel-Verbundrohr nach 1. und/oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement so gestaltet (abgewinkelt) ist, daß es eine Richtungsänderung der Fernheizleitung ermöglicht.

4. Selbstkompensierendes Fernheizungsrohr mit Verbindungselement, ausgebildet als Stahlmantel-Verbundrohr nach 1. und/oder 2. und/oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement und der Wellrohrteil aus einem Werkstück gefertigt sind.

5. Selbstkompensierendes Fernheizungsrohr mit Verbindungselement, ausgebildet als Stahlmantel-Verbundrohr nach 1. und/oder 2. und/oder 3. und/oder 4. dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement, der Wellrohrteil und der Glattrohrteil aus einem Werkstück gefertigt sind.

6. Selbstkompensierendes Fernheizungsrohr mit Verbindungselement, ausgebildet als Stahlmantel-Verbundrohr nach 1. und/oder 2. und/oder 3. und/oder 4. und/oder 5. dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Wellrohrteiles ein handelsüblicher Axial-Kompensator jedoch ohne Längsführung eingebaut ist.