des Apparatebaues Elemente Dr.-Ing. Hubert Titze Grundlagen. Bauelemente Apparate Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH Von Ludwigshafen am Rhein

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1 Elemente des Apparatebaues Grundlagen. Bauelemente Apparate Von Dr.-Ing. Hubert Titze Ludwigshafen am Rhein Mit 209 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

2 ISBN ISBN (ebook) DOI / Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet dieses Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege (Photokopie, Mikrokopie) oder auf andere Art zu by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1963 Originally published by Springer-Verlag OHG, Berlin/Gottingen/Heidelberg in 1963 Softcover reprint ofthe hardcover 1st edition 1963 Library of Congress Catalog Card ~umber 63,10998 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnnngen usw. in diesem Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften

3 Herrn Senator Dr.-Ing. E. h. H. Canzler gewidmet

4 Vorwort Der zeichnerische Entwurf von Maschinen und Apparaten bleibt immer eine der wichtigsten Aufgaben der planenden Ingenieurs. Die stürmische Entwicklung der Verfahrenstechnik, die täglich fortschreitende wissenschaftliche Klärung der zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Vorgänge und die Fülle neuer Werkstoffe mit meist noch unbekannten Eigenschaften ließen es daher als zweckmäßig erscheinen, eine Auswahl aus dem vorhandenen Material zu treffen. Das vorliegende Buch versucht, für Konstrukteure und Studenten geeignete Unterlagen zum Entwerfen von Apparaten zusammenzustellen. Es ist eine erweiterte Zusammenfassung der übungen, die ich in den Jahren am Lehrstuhl für Apparatebau und Verfahrenstechnik der Technischen Hochschule Karlsruhe abgehalten habe. Herrn Prof. Dr.- Ing. habil. E. KIRSCHBAUM, dem Leiter des Instituts, der diese Arbeit vorschlug und ihre Durchführung förderte, möchte ich hierfür bestens danken. Das Buch kann dem Konstrukteur keine starren Bauanweisungen geben. Es soll vielmehr zeigen, wie eine konstruktive Aufgabe systematisch gelöst werden kann, denn, wenn auch das Konstruieren vornehmlich eine Sache der Begabung ist, so ist es doch auch lehr- und lernbar, z. B. hinsichtlich der verschiedenen Gestaltungsmöglichkeiten der Bauelemente und Bauteile oder der Wahl und richtigen Behandlung der Werkstoffe. In ihrer jetzigen Form wäre diese Arbeit ohne die Mithilfe anderer nicht möglich gewesen. Dank schulde ich vor allem Herrn Senator Dr.-Ing. E. h. H. CANZLER, Düren, für die Erlaubnis, Konstruktions- und Fertigungsunterlagen seines Unternehmens weitgehend auszuwerten. Ganz besonders zu Dank verpflichtet bin ich auch Herrn Direktor H. BOCK, Düren. Mit großer Freundlichkeit unterzog er sich der mühevollen Aufgabe, die zur Verfügung gestellten Unterlagen und das Manuskript zu beurteilen, und stellte großzügig seine jahrzehntelangen Erfahrungen auf dem Gebiete des Entwurfes und der Fertigung zur Verfügung. Ebenso bin ich den Herren Dipl.-Ing. O. LENHARD und Dipl.-Ing. R. KÖCHER, Düren, für zahlreiche Ratschläge bei der Abfassung der Kapitel "Werkstoffe", "Schweißverfahren" und "Apparate" zu Dank verpflichtet. Für die freundliche überlassung einiger zeichnerischer Entwürfe für Druckbehälter von Spaltungsanlagen danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. H. VOLLBRECHT, Gustavsburg. Nicht zuletzt gilt mein Dank Frl. HELM. JORDAN, Karlsruhe, für die Herstellung der meisten Zeichnungen, Frau G. WEBER, Karlsruhe für zeichnerische Arbeiten und Herrn Dipl.-Ing. P. JANAT, Ludwigshafen, für seine Hilfe bei den Korrekturen.

5 VI Vorwort Meinen besonderen Dank möchte ich dem Springer-Verlag für sein verständnisvolles Eingehen auf meine Wünsche, und besonders Herrn Dr. H. MAYER-KAUPp für die stets gute Zusammenarbeit zum Ausdruck bringen. Dieses Buch sollte einem größeren Kreis von Nutzen sein. Möge mit ihm das angestrebte Ziel, eine Lücke im Schrifttum zu schließen und einen bleibenden Beitrag zur konstruktiven Gestaltung zu bringen, erreicht werden. Schwandorf in Bayern, im September Hubert Titze

6 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung... 1 Werkstoffe Schweißverlahren... 2 Berechnung Konstruktion A. Grundlagen 2 Konstruieren als Aufgabe... 4 Form... 4 Werkstoff... 4 Fertigung... 5 Entwurlsarbeit... 5 Bestlösungen Konstruktionen im Apparatebau Vorschriften und Regeln der Technik... 7 Bezeichnung... 7 Vorschriften Güteüberwachung der Werkstoffe..., Bauvorschriften (UVV 16) Werkstoffe (Zusammensetzung, Kennwerte, Eigenschaften, Verwendung) Lieferlormen Eigenschaften der Werkstoffe...,...,..., Festigkeit Korrosionsbeständigkeit Kalt- und Warmverlormbarkeit Schweißbarkeit Physikalische Kennwerte Eisen und Stahl Grauguß (GG) Eigenschaften, Verwendung Stahlguß Stahl Weicheisen Stähle für Druckbehälter Bleche Kesselbleche nach DIN Sonstige Blechstähle Nahtlose Rohre Warmfeste Röhrenstähle nach DIN Sonstige Röhrenstähle nach AD-W 4/ Rohre mit geschweißter Längsnaht Nahtlose Hohlkörper..., Korrosion... " Anwendung... " 16

7 VIII Inhaltsverzeichnis 4.14 Cr- und Cr-Ni-Stähle (Cr-St, Cr-Ni-St) Korrosion a) Ferritische Stähle b) Austenitische Stähle c) Martensitisch-perlitische Stähle Cr- und Cr-Ni-Stahlguß Hitzebeständige Stähle Bezeichnung... " Eigenschaften Eigenschaften der hitzebeständigen Stähle Hitzebeständiger Stahlguß Druckwasserstoffbeständige Stähle NE-Metalle Kupfer und Cu-Legierungen Korrosion Bronzen Messing Kupfer-Nickel Rotguß Neusilber Verwendung der Cu-Legierungen Aluminium und Al-Legierungen, Magnesium Aluminium Korrosion Eigenschaften, Verwendung... '" Werkstoffe für Druckbehälter Magnesium und Mg-Legierungen Nickel und Ni-Legierungen Monel, K-Monel Ni-Legierungen mit Mo, Cr und Co Titan, Tantal, Zirkon Edelmetalle: Gold, Silber, Platin Zink, Zinn, Blei Plattierte Werkstoffe Begriff Herstellung Art der Verbindung Aufgabe Schichtdicke Aufbau Plattierte Stahlbleche Festigkeit Graphit Bezeichnung Herstellung Eigenschaften Verwendung Elektrographitierte Kohle Wärmeleitfähigkeit-Anwendung Metallgetränkte E-Kohle Gestaltung Mischwerkstoffe..., 35

8 Inhaltsverzeichnis IX 4.5 Glas, Porzellan, Steinzeug Glas Allgemein Korrosion Festigkeit Montage Lieferformen Porzellan Eigenschaften Korrosion Verwendung Keramische Sondermassen Steinzeug Kunststoffe Allgemein Einteilung Veränderte Naturprodukte Polymerisate Polykondensate Polyadditionsprodukte Eigenschaften bei Erwärmung Verwendung im Apparatebau Polyvinylchlorid (PVC) Polymethacrylsäureester Polyfl.uoräthylen Polyäthylen Polystyrol Polyvinylcarbazol Polyesterharze Polyamide Schaumstoffe Kunstfasern Mischwerkstoffe Gummi Naturgummi Hartgummi Kunstgummi Holz Werkstoffe für tiefe Temperaturen Metalle Stahl bei tiefen Temperaturen Bau und Entwurf Verbindung und Formgebung Guß Entwurf Abguß Bearbeitung Schweißen Schweißverfahren Grundlagen Einflußgräßen Schweißnahtfehler

9 x Inhaltsverzeichnis Gas-Schmelzschweißung Lichtbogenschweißung a) Offene Lichtbogenschweißung b) Verdeckte Lichtbogenschweißung c) Schutzgas-Lichtbogenschweißung WIG (Argonarc)-Verfahren MIG-Verfahren II. Elektronenstrahl-Schweißung III. Elektrische Widerstandsschweißung IV. Gaspreßschweißung... "... " V. Abbrennstumpfschweißung VI. Cyx-Arc-Bolzenschweißung VII. Brennschneiden a) Autogenes Pulverbrennschneiden System Linde System Cinox b) Lichtbogenschneiden c) MIG-Schneiden d) WIG-Schneiden ohne Fremdgas e) WIG-Schneiden mit Fremdgas Vergleich der Schweißverfahren Schweißverfahren und Konstruktion Nahtformen Wertigkeit der Naht Das Schweißen der Werkstoffe a) Unlegierte u. niedr. legierte Stähle b) Gußeisen c) Legierte Stähle Allgemein Rost- und säurebeständige Stähle Hitzebeständige Stähle Nichtrostender Stahlguß Hitzebeständiger Stahlguß d) Kupfer und Cu-Legierungen Allgemein Schweißverfahren Festigkeit der Cu-Nähte Cu-Legierungen e) Aluminium- und Al-Legierungen Rein-Al f) Nickel und Ni-Legierungen Oberflächenvorbereitung Wärmebehandlung Schweißverfahren g) Titan und andere Werkstoffe h) Verschweißung ungleicher Werkstoffe C-Stahl und austenitischer Cr-Ni-Stahl Nickel und Stahl Stahl und Kupfer Kupfer und Messing Stahl und Titan Nickel und Ni-Legierung i) Plattierte Werkstoffe Cr-Ni-platt. Stahl... 72

10 Inhaltsverzeichnis XI Cu-platt. Stahl Ni-platt. Stahl Ag-platt. Stahl Ms-platt. Stahl Ti-platt. Stahl k) Kunststoffe Nahtformen Verformbarkeit Löten Lotarten Flußmittel Erwärmung Arbeitstemperatur Spaltbreite Festigkeit der Lötnaht Berechnung Lötung und Schweißung Konstruktive Grundsätze Kleben Begriff Klebstoffe Kleben von Metallen... " Nietung Kaltverformung Verfestigung Begriff Nachweis Ursache Kritische Verformung Die Kaltverformung der Werkstoffe Kaltverfo:r;mung und Tiefziehfähigkeit Abhängigkeit der Verformung Kaltverformung von Blechen Korrosion Allgemein... "..., 89 Begriff Verschleißarten Maßangaben der Korrosion... " Ursachen der Korrosion Spannungspotential Arten der Korrosion Interkristalline Korrosion Kontaktkorrosion Spannungsrißkorrosion Lochfraß Spaltkorrosion Selektive Korrosion Fremdrost Messerschnitt-Korrosion Zundern..., 95

11 XII Inhaltsverzeichnis 10. Aufschlagkorrosion Korrosion und Ermüdung Schutz gegen Korrosion a) Schutz vom Werkstoff ausgehend b) Schutz vom angreifenden Mittel ausgehend c) Schutz durch Oberflächenbehandlung Metallische Überzüge a) Plattierung b) Auskleidung mit Blech c) Auskleidung mit aufgeschmolzenem Metall d) Metallspritzen e) Tauchen in flüssige Metallbäder f) Diffusion von Metallpulvern g) Elektrolytische Behandlung h) Hartverchromung i) Aufdampfen von Schutzschichten im Vakuum Nicht'lletallische Überzüge k) Auskleidung mit Kunststoff ) Auskleidung mit Gummi.., m) Flammenspritzen n) Wirbelsintern ) lieren p) Keramische Auskleidung q) Lacküberzüge r) Phosphatieren d) Schutz durch elektrischen Strom Kathodischer Schutz Fremdstrom-Verfahren e) Schutz durch zweckmäßige Form B. Bauelemente 7 Wände und Böden Zylindrische Wände Entwurf und Herstellung Berechnung Berechnung der Spannungen im zylindrischen Rohr Arten der Verformung Voraussetzungen zur Spannungsberechnung Beanspruchungs-Bereiche Festigkeits-Hypothesen und Vergleichsspannung Gv Spannungen in der Wand Spannungsverlauf Die Beanspruchung der Wand Wandspannungen bei Verfestigung des Werkstoffes Graphische Bestimmung der Wandspannungen Beispiel Bruchverformung Berechnete und wirkliche Spannungen Bemerkung zur Berechnungstemperatur Zylindrische Wände bei äußerem Überdruck Kegelförmige Schüsse Böden

12 Inhal tsverzeichnis XIII 7.31 Gewölbte Böden 128 Allgemein Geltungsbereich Abmessungen für Klöpperböden Kugelböden Tellerdeckel Ebene Böden und Platten Geschweißte Eckverbindungen Rohre und Armaturen Stahlrohre Allgemeines Rohre für Wasser, Dampf, Gas und Luft Rohre aus VA Rohre aus Ge Rohrbogen Nahtlose Rohre aus NE-Metallen... " Rohre mit ebenen Wänden Rohrverbindungen Unlösbare Rohrverbindungen..., Lösbare Rohrverbindungen Schweißverbindungen Lötverbindungen Schraubverbindungen Verbindung mit Fittings Verschraubungen für Rohre ohne Gewinde Lötlose Rohrverschraubungen Verschraubungen für Schlauchleitungen Verschraubungen für Glasrohre Flanschverbindungen Verbindungen für Stahl-Rohre..., Flanschbauarten Flansche für Dampfleitungen Berechnung der Flansche Muffenverbindungen Stutzen, Schaugläser, Rohreinführungen Allgemein Stutzeneinführungen Kupfer-Stutzen mit losem Flansch Schau- und Lichtgläser Rohraufhängungen Dehnungsausgleicher Rohrleitungen und Netze Allgemein Grundsätze für Anlagen Wasserleitungen Dampfleitungen Rohrleitungen in Molkereien... ' Ferngasleitungen Vakuum-Leitungen Flanschdichtungen Dichtungsstoffe

13 XIV Inhaltsverzeichnis 8.72 Form der Dichtfläche Form der Dichtung... '"..,..., '" Hochdruck-Dichtplatten Anwendung Dichtungen für Rohrverbindungen Flansche an Apparaten Apparate-Flansche... '"... '" Flansche an platt. Behältern..., Flansche an Doppelmantel-Behältern Werkstoffe für Flansche Werkstoffe für Schrauben Blockflansche Bodenausläufe Stopfbuchsen und Packungen Dichtungen für bewegliche Dichtflächen Stopfbuchspackungen Stulpen und Manschetten... '"... '".., '" Radialdichtungen Federringdichtungen Gleitringdichtungen c. Apparate 10 Behälter Drucklose Behälter Maßabweichungen nach DIN Druckbehälter Wärmetauscher Bezeichnung..., Einteilung der Apparate nach Stoffen nach Bauarten Allgemein Bauelemente der Wärmetauscher Entwurf von Rohrböden Verbindung von Rohrboden und Rohr Aufdornen Einwalzen Schweißen Löten Mit Stopfbüchse gedichtet Ausgeführte Konstruktionen Verbindung des Bodens mit Mantel und Rohr Böden mit eingewalzten Rohren Böden mit eingeschweißten Rohren Böden mit eingelöteten Rohren Rohrboden mit schwimmendem Kopf Besondere Bauarten Kondensatoren Lage des Kondensators... '"... '"

14 Inhaltsverzeichnis xv Dampf-Umlenkbleche Befestigung Gasabzug Zufuhr und Abfuhr des Kühlmittels Kondensatabfuhr Verdampfer Aufgabe Arten der Beheizung Heizdampf (Wasserdampf) Warmwasser Heizflüssigkeit Heizgase Elektrischer Strom Verdampfer-Bauarten... " Kondensat-Abfuhr Dampf-Führung, Umlenkbleche Dehnungsausgleicher Gasabfuhr Wärmeübertrager Rohrbündel mit gebogenen Rohren Doppelrohr-Übertrager Rohrschlangen Herstellung Halterung Heizschlangen Doppelrohr-Schlangen Arten der Beheizung Dampf, Heizwasser, Heizflüssigkeit..., Elektrische Beheizung Beheizung durch Feuergase Doppelmantelgefäße Abnehmbare Mäntel Bodenausgänge Wärmeübertrager mit Rippenrohren... " Rohre mit Blechrippen Rohre mit Walzrippen... : Guß rohre Verbindung von Rippenrohren Übertrager mit Spiralwänden Übertrager mit ebenen Wänden Rührwerksbehälter Kolonnen und Türme Berechnung Zerlegbare Bauten Konische Übergänge Einbauten ] 3.5 Ablaufrohre im Boden Behälterlagerung, Bühnen Pratzen Füße Fußstücke an Kolonnen

15 XVI Inhaltsverzeichnis 14.4 Berechnung der Ankerschrauben Bühnenbelag Geländer Treppen Isolierungen Eigenschaften der Wärme-Isolierstoffe Wärmeisolierstoffe Isolierung in Kälteanlagen Isolierung in Molkereibetrieben Isolierung von Kaltwasserleitungen Isolienmg von Dampfleitungen Ausführung von Zeichnungen Tabellen Schrifttum DIN.Normen Sachverzeichnis Urheber der Zeichnungen C. Canzler, Dürenj Rhld. Abb.37-39, 41, 42, 44, 56-58, 60, 61, 63-65, 67-69, 70-73, 75-81, 87-90, , , , , a, 156, , ,181,182,184, , , 207 Kerb-Konus- Vertriebs-GmbH, SchnaittenbachjOpf. Abb. 121, 122 Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg AG, Werk Gustavsburg Abb.69, 101, 155b-d, 206 Brown Fintube- Uhde, Dortmund Abb.84,85 RingsdorU Werke GmbH, Bad Godesberg-Mehlem Abb.4,5