Roloff / Matek Maschinenelemente Kapitel 18 Rohrleitungen

Roloff / MatekMaschinenelemente

Kapitel 18Rohrleitungen

Bereits vor mehr als 7000 Jahren wurde in China Wasser

über weite Strecken durch Bambusrohre geleitet

Elemente zur Führung von FluidenHistorische Rohrleitungen

Die Römer bauten vor rund 2000 Jahren Aqädukte

um ihre Städte und Siedlungen mit Wasser zu versorgen.



Druckleitung nach dem Prinzip der

„kommunizierenden Röhren“.

„Heute finden sich Rohrleitungen auf allen

Kontinenten, aber auch unter Wasser in Meeren und

Seen. Sie sind mittlerweile das klassische

Transportmittel für flüssige und gasförmige

Massengüter, wobei sie gleichzeitig Transportbehälter,

Transportmittel und Transportweg sind.“

www.wire.de

Elemente zur Führung von FluidenRelevanz heutiger Rohrleitungen

Einsatz und Funktion Bauformen Gestaltungsgrundlagen Berechnungsgrundlagen

• Berechnung Druckverlust• Berechnung der Wanddicke gegen Innendruck

Elemente zur Führung von FluidenÜbersicht

Rohrleitungen werden hauptsächlich eingesetzt

zum Transport von Fluiden

aber auch zum

• Verteilen• Mischen• Kühlen• Steuern

…und als

Konstruktionselement!

Elemente zur Führung von FluidenEinsatz und Funktion

Definition Fluid

Ein Stoff mit flüssigkeitsähnlichen Eigenschaften wird als Fluid (lat. fluidus „fließend“) bezeichnet.

Alle Gase und Flüssigkeiten sind Fluide, die

in Rohrleitungen eingesetzt

werden können.

Feine Feststoffe mit guten Fließ-

eigenschaften können zur Anwendung

kommen, ggf. mit Unterstützung durch

ein Trägerfluid, gelten selbst aber

nicht als Fluid.


Pneumatikleitungen für einzelne Ventile

an einer Drillmaschine zum Eindüsen des Saatguts


GFK-Abwasserleitung DN 1000 für Kläranlage in Göttingen


Nabucco Gas-Pipeline Projekt, Leitungslänge ca. 3600 Km


Privatbrauerei Stauder in Essen, Premium-Pils in Bierleitungen


Kawasaki 350 S 2 (Bj. 1972).

Dreizylinder-2-Takter mit Auspuffrohr 2 x rechts und 1x links


Formstücke, auch Formteile oder Fittings (engl. to fit: anpassen, „passend machen“) sind Verbindungsstücke einer Rohrleitung, die folgende Funktionen erfüllen:

Gerade Verbindung von Rohrstücken, beispielsweise Muffen und Kupplungen

Richtungswechsel mittels Rohrbögen Durchmesserwechsel (Reduzierungen bzw. Aufweitungen) Abzweig, beispielsweise T-Stücke (3-armig) und

Kreuzungen (4-armig) Einbauteil-Verbindungen, z. B. Flansche oder

Verschraubungen

Elemente zur Führung von FluidenBauformen, Formstücke

T-Stück (DIN EN 10253-2)

- Verteilung oder Zusammenführung der Ströme - Nennweitensprung möglich


T-Stück mit eingeschweißtem

Stutzen

Rohrbogen (DIN 10253-2)

räumliche Umlenkung der Ströme um 90° gegen die Rohrachse (bei 90°-Bögen)

gängige Winkel: 180°, 60°, 45°, 30° größeres Verhältnis „r / D“ nach DIN 2606


Reduzierstück (DIN EN 10253-2)

Reduzierung oder Aufweitung der Nennweite konzentrische und exzentrische Bauform


Kappe (als Klöpperboden) DIN EN 10253-2

Verschlussklappe für Rohrleitungsabschluß


Vorschweißflansch (DIN EN 1092-1)

DN 10 bis DN 2000


Rohrmuffe DIN EN 10241

Whitworth-Rohrgewinde nach DIN 2999

Rohrmuffen-Sortiment


SonderformenHosenstück


Kreuzstück

Krümmer T-Stück E-Bogen T-Stück Grad T-Stück

Übergangsstück

Armaturen dienen zum Schalten und Stellen (Steuern und Regeln) von Fluiden.

Vier Bauarten: Schieber, Ventil, Hahn und Klappe.

Bedienung per Hand oder mittels elektrischem, pneumatischem oder hydraulischem Antrieb.

Funktionen von Armaturen• Rückflußverhinderung, Absperrung, Drosselung, Druckminderung,

Regelung• Sicherheit, bspw. Druckbegrenzung gegen unzulässig hohen Druck

Elemente zur Führung von FluidenBauformen, Armaturen

Schieber

Öffnen oder Schließen des gesamten Durchflussquerschnitts

nicht zum exakten Regeln der durchströmenden Flüssigkeitsmenge geeignet

Bild: Rundschieber


Ventil

Gute Regelfähigkeit Hoher Preis

Regelventil

Thermostatventil

Blitzventil


Kugelhahn zum Absperren einer Rohrleitung 90°-Hebeldrehung zwischen vollständig „geöffnet“ und

„geschlossen“,Zwischenhebelstellung ist nicht vorgesehen Schnelle Absperrung führt zu Druckstößen

Kugelhahn


Klappe

Gute Drosseleigenschaft Relativ großer Strömungswiderstand

Absperrklappe


Richtlinien zur Auswahl der Armaturen


Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Normung

Die Richtlinie 97/23/EG legt die Anforderungenfür das Inverkehrbringen von Druckgeräteninnerhalb des Europäischen Wirtschaftsraumes(EWR) fest.

Sie ist in Deutschland in nationales Rechtumgesetzt worden alsGeräte- und Produktsicherheitsgesetz(Druckgeräteverordnung).

Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Druckgeräte

Voraussetzung für das Inverkehrbringen ist, dass der

Hersteller die Druckgeräte

mit der CE-Kennzeichnung versieht dem Druckgerät eine EG-Konformitätserklärung und eine Betriebsanleitung in deutscher Sprache beifügt.


Als Druckgeräte im Sinne dieser Richtlinie gelten

Behälter (unbefeuerte Druckbehälter) Dampfkessel Rohrleitungen druckhaltende Ausrüstungsteile

mit einem inneren Überdruck von mehr als 0,5 bar.


Zur Erfüllung der Mindestanforderungen kann der Hersteller

eine harmonisierte Norm (z. B. Normenreihe EN 13480 für

industrielle Rohrleitungen) anwenden und kann dann davon

ausgehen (Vermutungswirkung), dass er die grundlegenden

Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen erfüllt.

Er kann aber auch andere Spezifikationen (z. B. AD 2000

Merkblätter, CODAP 2000, BS 5500, ASME) anwenden, wenn

er nachweist, dass er damit ebenfalls die grundlegenden

Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen erfüllt. Dies wird

durch eine Benannte Stelle geprüft.


Die technische Spezifikation "AD 2000-Regelwerk„

konkretisiert alle wesentlichen Sicherheitsanforderungen, die

nach der europäischen Druckgeräterichtlinie (97/23/EG) erfüllt

werden müssen.

Die AD 2000-Merkblätter werden von den in der

"Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter" (AD)

zusammenarbeitenden Verbänden erstellt.

Sie werden laufend dem Fortschritt der Technik angepasst.

Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, AD 2000-Regelwerk


Über 100 Merkblätter



Auszug aus B1 Anl. 1

Rohrleitungs-Klassen nach DIN EN 13480-1

Die Einstufung in Rohrleitungs-Klassen erfolgt in Abhängigkeit

von Fluidgruppe, Nennweite und max. zul. Druck.

Fluide werden in• gefährliche Medien (Gruppe 1) und• weniger gefährliche / ungefährliche Medien (Gruppe 2)

eingeteilt.

Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrleitungsklassen



Einstufung in die Rohrleitungs-Klassen I bis III

Eine höhere Rohrleitungs-Klasse (III hat die höchsten

Anforderungen) hat Auswirkungen auf• das Konformitätsbewertungsverfahren*• die Herstellerzulassung• Prüfart und –umfang

*) Ggf. Gefahrenanalyse, Risikobewertung mit Dokumentation,

QMS, techn. Dokumentation (z. B. Aufbauanleitung,

Wartungspläne, Bedienungsanleitung), Baumusterprüfung, CE-Kennzeichnung mit EG-Konformitätserklärung.


Grundlage für Rohrklassen sind die in DIN EN

1333 festgelegten Nenndruckstufen (PN) [RM TB 18-3] und die

in DIN ISO 6708 gestuften Nennweiten (DN) [RM TB 18-4].

PN und DN bilden zusammen eine Rohrklasse, die das

„Baukastenprinzip“ für Rohre, Armaturen usw. ermöglicht, und

somit die Konstruktion vereinfacht.

Die Nennweite DN bezeichnet den ungefähren Innen-

Durchmesser.

Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrklassen

Verbindung von Rohrleitungselementen

unlösbar• Schweißen• Löten• Kleben

lösbar• Flansche• Rohrverschraubung• Muffen• Kupplungen

Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrleitungsverbindungen

Rohrleitungswerkstoffe

Nahtlose, geschweißte Stahlrohre

• einfache, feste und dichte Verbindungen durch Schweißen möglich• kalt und warm biegbar• Einsatz für Brauchwasser, Heißwasser, Dampf

Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrleitungswerkstoffe


Präzisionsstahlrohre

• hohe Maßgenauigkeit• gut kalt verformbar (biegen und bördeln)• einfache und sichere Montage durch Rohrverschraubung• Hydraulikleitungen im Maschinenbau, Bremsleitungen



Gewinderohre aus Stahl

• feste und dichte Verbindung durch Fittings (lösbar)• auf Whitworth-Rohrgewinde (Kegel 1:16) abgestimmt• Heizungsleitungen, Gas- und Luftleitungen



Nicht rostende Stahlrohre

• gute Korrosionsbeständigkeit, Einsatz bei tiefen Temperaturen• Lebensmittelindustrie• Druckrohre aus duktilem Gusseisen• hohe Festigkeit, relativ korrosionbeständig• Gas- und Wasserleitungen



Bleirohre

• beständig gegen Säuren und Salzlösungen• gut lötbar• leicht umformbar• Chemische Industie, nicht für Trinkwasserleitungen



Kupferrohre

• hohe Korrosionsbeständigkeit• gut weich- und hartlötbar• Trinkwasser, Warmwasser, Heizungsrohre, Kältemittelleitungen



Aluminiumrohre

• leicht• gute Festigkeit und Zähigkeit bei tiefen Temperaturen• gut schweiß- und umformbar• beständig gegen schwach saure und basische Fluide• Fahrzeugbau, Apparatebau, Lebensmittelindustrie



Kunststoffrohre

• leicht• korrosionssicher• witterungsfest• Chemie, Abwasserrohre, Fußbodenheizungen


Dehnungsausgleicher (Kompensatoren)

Rohrleitungen unterliegen infolge Temperaturschwankungen

einer Längenänderung.

Eine elastische Gestaltung ist notwendig um Spannungen zu

vermeiden.

Kompensationsmöglichkeiten:• Natürlicher Dehnungsausgleich durch Richtungswechsel

[RM Bild 18-15a]• Dehnungsausgleicher [RM Bild 18-15b-d]

Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Dehnungsausgleicher

Lyra-Bogen

Federhänger

Wellrohrkompensator

Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Dehnungsausgleicher

Rohrhalterungen Betriebsgewicht tragen und Kräfte und Momente aus

Wärmedehnung aufnehmen Schwingungen dämpfen Zulässige Stützweite beachten [RM FS 18.30]

Freiheitsgrade:• Festpunkte zur absoluten Fixierung der Leitung• Lospunkte erlauben ein Schieben in bestimmten Richtungen

Bilder in [RM 18-16]

Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrhalterungen

Rohrbefestigung mit Schelle

Gleitlager mit YZ-Stop

Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrhalterungen

Gestaltungsgrundsätze • kurze und gerade Rohrleitungen anstreben• ausreichend Gefälle für „nasse“ Rohrleitungen vorsehen• Wärme und Kälte führende Rohrleitungen isolieren• nur geeignete und zugelassene Werkstoffe benutzen• Korrosionsschutzmaßnahmen durchführen• eindeutige Leitungskennzeichnung (Farbe, Beschriftung)• Entlüftungs- und Entleerungsmöglichkeit vorsehen• leichte Zugänglichkeit und Bedienbarkeit für Leitungen und

Armaturen berücksichtigen

Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Gestaltungsgrundsätze

Gestaltungsgrundsätze • strömungstechnisch sinnvolle Fließgeschwindigkeit wählen

und geeignete Formstücke und Armaturen verwenden• Redundante Ausführung für wichtige Leitungen• Montage-, Demontage- und Erweiterungsmöglichkeiten

vorsehen• Leitungsdehnung berücksichtigen• Leitungen ausreichend abstützen, Spannungen vermeiden• Funktion und Sicherheit durch geeignete Armaturen

sicherstellen (Rückschlagklappe, Sicherheitsventil u.ä.)• Druckstöße vermeiden durch kurze Rohrführung und ggf.

Wasserschloß

Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Gestaltungsgrundsätze

Druckverlust für beliebig verlaufende kreisförmige Rohrleitungen mit Einbauten nach RM FS 18.7:

p = (* v² / 2 * * l / di ) + (* v² / 2 * h g Luft)] p = p1 + p2 + p3

1.

Druckverlust bei geraden kreisförmigen Rohrleitungen ohne Einbauten nach RM FS 18.8:

p1 = * v² / 2 * * l / di

Elemente zur Führung von FluidenBerechnungsgrundlagen, Druckverlust

Laminare und turbulente Strömung

Laminare Strömung: Das Fluid strömt in Schichten, die sich nicht vermischen.


Laminare und turbulente Strömung

Turbulente Strömung: Es treten Verwirbelungen auf.

Vorteile:

Gute Durchmischung Guter Wärmeübergang

Nachteile:

Vibrationen an Einbauten Großer Widerstand


Reynolds-Zahl (Formelzeichen: Re)

Die Strömungsform (laminar, turbulent) kann rechnerisch mit der Reynolds-Zahl ermittelt werden. Der Übergang erfolgt bei Rekrit = 2320

Die Reynolds-Zahl hängt von der Strömungsgeschwindigkeit v, der Dichte sowie der Viskosität des Fluids und dem Rohr-Innendurchmesser di ab.

Re = v * di / RM FS 18.5]





2.

Druckverlust durch Einbauten nach RM FS 18.9:

p2 = * v² / 2 *

-Werte siehe RM TB 18-7




3.

Druckverlust durch Höhenunterschied:

p3 = h g Luft)]


Aufgabe 1, Dimensionierung, Druckverlustberechnung

Elemente zur Führung von FluidenBerechnung

Aufgabe 1

a) Auswahl einer geeigneten Rohrart [RM TB 18-1]

gewählt:

Stahlrohre für Wasserleitungen

DIN EN 10216-1 aus P235TR1

(unlegierter Qualitätsstahl, Baustahl, schweißbar),

nahtlos


Aufgabe 1

b) Ermittlung des erforderlichen Rohrinnendurchmessers di erf

[RM FS 18.3]

Gewählt: vw= 1,5 m/s [RM TB 18-5]

gegeben: V. = 50m³/2h = 25m³/h = 0,0069m³/s

di erf= Wurzel [V. * 4 / (v * pi)]

di erf= 76,5 mm


Aufgabe 1

c) Ermittlung des Nenn-Innendurchmessers DN, Festlegung Außendurchmesser da und Vorzugswanddicke s

gewählt: DN 80 mit da = 88,9 mm [nach DIN 2402]

gewählt: s = 3,2 mm (Normalwanddicke nach DIN EN 10220)

Der tatsächliche Innendurchmesser di ergibt sich aus:

di = da – (2 * s) = 88,9 mm – (2 * 3,2 mm) = 82,5 mm


Aufgabe 1

d) Ermittlung der tatsächlichen Strömungsgeschwindigkeit v [RM FS 18.1] und Prüfung auf Wirtschaftlichkeit

di = 82,5 mm

V. = 0,0069m³/s

v = V. * 4 / (di² * pi)

v = 0,0069m³/s * 4 / (82,5²mm² * pi)

v = 1,29 m/s

1 < v < 2 [Vergleich v mit RM TB 18-5, Hauptwasserltg.] Ok!


Aufgabe 1

e) Berechnung der Reynoldszahl Re nach RM FS18.5

Kinematische Viskosität von Wasser

bei 10°C = 1,307 * 10-6 m²/s [RM TB 18-9a]

Re = v * di /

Re = 1,29 m/s * 0,0825 m / 1,307 * 10-6 m²/s

Re = 81427

Re > Rekrit (es liegt turbulente Strömung vor)


Aufgabe 1

f) Bestimmung der Rauigkeitshöhe k und Rohrreibungszahl .

k = 3 mm für nahtloses, stark verkrustetes Stahlrohr

[RM TB 18-6]

Formel [RM FS 18.11] für weil Re > 2320 und

di / k = 27,5 oberhalb der Grenzkurve (hydraulisch rau)

= 1 / [2 * lg(di / k) + 1,14]²

0,062


Aufgabe 1

g) Berechnung Druckverlust p.

Wasser bei 10°C 999,7 kg/m³ [RM TB 18-9a]

Luft = 1,293 kg/m³ [RM TB 18-9b]

l = 6m + 2m + 5m + 3,46m + 6m + 3,5m = 25,96m

A=2,5; B=1,28; D=2*0,51=1,02;E=2*0,357=0,714;F=1

= 6,514

h = 6m + 2m + 3m - 3,5m = 7,5 m

p = {* v² / 2 [(* l / di )+ h g Luft)]

p = 95104 Pa = 0,95 bar


Aufgabe 1

h) Mindestpumpenleistung

Wirkungsgrad an der Welle = 0,85

Pel = (p * V.) /

Pel = (95104 Pa * 0,0069m³/s) / 0,85

Pel = 0,77 kW


Aufgabe 2, Mindestwanddickenberechnung


Aufgabe 2 – Mindestwanddickenberechnung

tmin = tv + c1 + c2 [RM FS 18.18]

Für tv:

da / di = 88,9 mm / 82,5 mm = 1,08 < 1,7 [RM FS 18.20]

tv = pe * da / (2 * zul * N + pe)

zul = min 150 N/mm² [RM FS 18.21 unter Hinweis]

N = 1 (Schweißnahtfaktor bei 100%-Prüfung)

tv = 0,095 N/mm² * 88,9 mm / (2 * 150 N/mm² * 1 + 0,095 N/mm2)

tv = 0,02 mm


Aufgabe 2 – Mindestwanddickenberechnung

Für c1 :

c1 = 0,4 mm

(Werte gleich bei RM FS 18.18 und RM FS 18.19)

Für c2 :

c2 = 1 mm (Korrosionszuschlag für ferritischen Stahl)

tmin = tv + c1 + c2 = 0,02 mm + 0,4 mm + 1 mm = 1,42 mm

t / tmin = 3,2 mm / 1,42 mm = 2,25-fache Sicherheit. Ok !


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