Inhaltsverzeichnis. Wellrohrkompetenz / Verlegehinweise. 9.0 Inhaltsverzeichnis
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- Marta Hofer
- vor 7 Jahren
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1 9.0 Inhaltsverzeichnis 9.0 Inhaltsverzeichnis Teil Teil Berechnungen Erläuterungen Berechnungen Druckverlustdiagramm Wasser DN 15 - DN Druckverlustdiagramm Wasser DN 65 - DN Druckverlustdiagramm Benzin Normal + Super Druckverlustdiagramm Heizöl / Dieselkraftstoffe Druckverlustdiagramm Propan flüssig Druckverlustdiagramm Propan gasförmig 9.2 Planungsgrundlagen Planungsgrundlagen Teil Planungsgrundlagen Teil Planungsgrundlagen Teil Angaben für den Tiefbau Industrierohre und deren Einsatzgebiete
2 Wellrohrleitungen Allgemeines Flexible Rohre werden der vielen Vorteile wegen an Bedeutung zunehmen. Damit ist es sicher von Interesse, etwas über das Strömungsverhalten von Flüssigkeiten oder Gasen in diesen Rohrleitungen zu erfahren. Dieses komplexe Thema, das ausführlich untersucht wurde, soll an dieser Stelle kurz und übersichtlich behandelt werden. 2. Strömungstechnische Grundlagen Bei Durchströmung einer geraden Rohrleitung mit konstantem Durchmesser d (Durchmesser zwischen den Wellentälern) ergibt sich in Flüssigkeiten mit der Dichte ρ, der Länge I und der Durchflussgeschwindigkeit v ein Druckverlust p [3]. Es gibt sowohl für gewellte, als auch für Glattrohre die Kontinuitätsgleichung (1) mit dem Volumenstrom V, der Durchflussgeschwindigkeit v und dem Rohrquerschnitt A. Ein Unterschied zwischen gewellten und glatten Rohren besteht jedoch in der Bestimmung der Rohrreibungszahl l. Bei glattwandigen Rohren ist die Wandrauhigkeit ein wesentlicher Einflussfaktor (Rauhigkeitswert K = 0,002-3 mm je nach Werkstoff und Oberflächenbeschaffenheit). Bei den gewellten Rohren wird von der sogenannten Rillenrauhigkeit gesprochen. 3. Konstruktive Auslegung von gewellten Rohren Es ist möglich, unendlich viele verschiedene Wellprofile auf einer Fertigungsstraße herzustellen. Neben der gibt es jedoch noch weitere Gesichtspunkte, die ebenfalls berücksichtigt werden müssen, wie: Optimale Fertigungsmöglichkeiten (kontinuierliche Längsnahtschweißung und Wellung eines unendlich langen Rohres) Minimierung der Strömungsverluste Optimierung des Materialeinsatzes Ausreichende Flexibilität bei genügender Querstreifigkeit, um bei der Extrembiegung des Rohres einen unveränderten Durchströmungsquerschnitt zu erhalten Der Massentransport erfolgt bei gewellten Rohren durch die Kernströmung, deren äußerer Durchmesser durch den lichten Durchmesser des Wellrohres begrenzt wird. In den Wellenkammern entsteht eine Kammerströmung, mit je nach der Ausbildung der Wellengeometrie unterschiedlichen Strömungstoroiden. Siehe Abb. 1 Bild 1 und 2. Abb. 1 Bild 1 Bild 2 4. Wellrohrströmung Eine optimale Wellenkontur wird durch das mittlere Bild in Abb. 2 gezeigt. Diese Wellenkontur weist gegenüber der links davon dargestellten einen um etwa 35 % niedrigeren Widerstandsbeiwert. T T T d t k HLM Abb. 2
3 Wellrohrleitungen Wellenkammerströmung In den Abb. 3 bis 5 sind Kammerströmungen verschiedener Wellrohrprofile dargestellt. Abb. 3 zeigt zwei Strömungen, die nahezu die gesamte Wellenkammer ausfüllen. Der Primärwirbel (unten) dreht rechts und hebt den links drehenden Sekundärwirbel (oben) an, der als Verlustgröße anfällt. In Abb. 4 erweitert sich die Kernströmung im Bereich der Wellenkammer und deformiert so den Primärwirbel. An der Strömungsrichtung entgegengesetzten Kammerwand entstehen mehrere kleine Sekundärwirbel, deren Wirbelzentren sich ständig verschieben. Ein Primärwirbel, der nahezu die gesamte Wellenkammer ausfüllt, ist in Abb. 5 zu erkennen. Übrig bleiben nur geringe Zonen von der Rückströmung in der Wandnähe. Hier lösen sich kleine Strömungsballen aus der Kammerströmung und treten in die Kernströmung ein. Damit findet ein stetiger geringfügiger Austausch innerhalb der Wellenkammerströmung statt, ein Erscheinungsbild, das Ablagerungen in den Wellungen verhindert oder das vollständige Entleeren der Wellrohrleitung z.b. beim Durchspülen mit Gas ermöglicht. Abb Laminare Strömung Häufig werden durch spiralgewellte Rohrleitungen hochviskose, umweltgefährdende Stoffe gefördert, deren betriebsmäßige Strömungen im laminaren oder im beginnenden turbulenten Bereich liegen. Bei der laminaren Rohrströmung bewegen sich die Teilchen eines flüssigen oder gasförmigen Fluids in koaxialen, parallel zur Achse verlaufenden Schichten. Selbst bei Krümmungen in der Leitung bilden die Bahnen ein geordnetes System von Kurven. Sowohl für das hydraulisch glatte oder rauhe Rohr, als auch für das spiralgewellte Rohr ist der Widerstandsbeiwert λ (Lambda) nur von der Reynolds-Zahl abhängig und ergibt sich durch die Beziehung Abb. 4 λ = 64 Re Abb. 5
4 Wellrohrleitungen Die Strömungsgeschwindigkeit v v = V A 3600 [m/s] π A = d 2 4 [m 2 ] Die Reynoldszahl Re (dimensionslos) Re = v d γ [ ] Der Druckverlust p in horizontal verlaufenden Leitungen p = 0.01 λ l v 2 ρ 2d [mbar] Als bekannt wird vorausgesetzt: V = Volumenstrom m 3 /h v = Strömungsgeschwindigkeit m/s d = lichter Rohrdurchmesser in m l = Länge der Rohrleitung in m ρ = Dichte der Flüssigkeit in kg/m 3 γ = Kinematische Viskosität in m 2 /s A = lichten Rohrquerschnitt in m 2
5 Wellrohrleitungen Der kritische oder instabile Strömungsbereich Viele verfahrenstechnische Strömungen liegen im Übergangsbereich zwischen laminarer und vollturbulenter Strömung. Dort ist die Abhängigkeit des Widerstandsbeiwertes von der Reynolds-Zahl nicht so deutlich ausgeprägt wie im Bereich der laminaren Strömung. Der Umschlag von der laminaren in die turbulente Strömung oder umgekehrt liegt für glatte und gewellte Rohre im Bereich der kritischen Reynolds-Zahl Re = Turbulente Strömung Im Gegensatz zu den geradlinigen laminaren Schichts trömungen bewegen sich bei der turbulenten Strömung die Teilchen des strömenden Fluids unregelmäßig durcheinander. Es ergeben sich fortwährend ändernde, sich vielfach durchschlingende oder sogar rückläufige Strömungsbahnen. Die Widerstandsbeiwerte liegen bei dieser Strömungsform höher als bei der Laminarströmung, da durch die kurzfristigen Geschwindigkeitsschwankungen aufgrund der wirbelnden Bewegung noch zusätzliche Beschleunigungskräfte erforderlich sind. Abb. 6 Die strömungstechnischen Untersuchungen ergaben für den turbulenten Bereich einen anscheinend für spiralgewellte Rohre charakteristischen Kurvenzug. Die geringsten λ- Werte lagen jeweils in dem Re-Bereich von 2 x Mit Zunahme der Reynolds-Zahlen erhöhten sich die λ-werte geringfügig. 9. Druckverlustgleichung für Wellrohre Kauder untersuchte das Widerstandsverhalten in schraubenförmig gewellten Rohren ausschließlich im turbulenten Strömungsbereich und gibt als Ergebnis seiner Untersuchungen für diesen Strömungsbereich zur Berechnung des Widerstandsbeiwertes eine etwas unhandliche Gleichung an. 10. Druckverlustdiagramme Zur einfachen und schnellen Auslegung der Prozessleitungen sind in den Arbeitsblättern Druckverlustdiagramme angegeben. Wegen der Vielzahl von Einsatzgebieten konnte nur eine kleine Auswahl an Förderstoffen getroffen werden. Sollten weitere Daten oder Berechnungen erforderlich sein, stehen wir Ihnen mit unseren EDV-Programmen zur Verfügung (erforderliche Daten: Dichte und kinematische Viskosität, bei kompressiblen Medien zusätzlich Druck und Isotropenexponent). Hinweis: Die hydraulische Auslegung der spitalgewellten Rohre entspricht den Druckverlusten des glattwandigen Stahlrohres mit vergleichbarer Nennweite. Es genügt im Regelfall, die Erfahrungswerte der Stahlrohrdimension auf den entsprechenden Wellrohrtyp anzuwenden.
6 Druckverlustdiagramm für Wasser Wellrohr: DN 15 - DN Mittlere Wassertemperatur = 80 C Massendurchfluss [kg/h] Pa/m mmws/m mbar/m Druckverlust Beispiel: Wellrohr-Typ 60/66 (DN 50) Massendurchfluss 4000 kg/h Druckverlust 70 Pa/m DN 15 = Wellrohr-Typ: 16/20 DN 20 = Wellrohr-Typ: 22/25 DN 25 = Wellrohr-Typ: 30/34 DN 32 = Wellrohr-Typ: 39/44 DN 40 = Wellrohr-Typ: 48/55 DN 50 = Wellrohr-Typ: 60/66
7 Druckverlustdiagramm für Wasser Wellrohr: DN 65 - DN Mittlere Wassertemperatur = 80 C Massendurchfluss [kg/h] Pa/m mmws/m mbar/m Druckverlust Beispiel: Wellrohr-Typ 75/86 (DN 65) Massendurchfluss 7000 kg/h Druckverlust 90 Pa/m DN 65 = Wellrohr-Typ: 75/ 86 DN 80-1 = Wellrohr-Typ: 83/ 94 DN 80-2 = Wellrohr-Typ: 98/109 DN 100 = Wellrohr-Typ: 127/143 DN 125 = Wellrohr-Typ: 147/163 DN 150 = Wellrohr-Typ: 200/220
8 Druckverlustdiagramm für Benzin Normal und Super Temperatur: 15 C Spezifisches Gewicht: 735 kg/m 3 Kinematische Zähigkeit: m 2 /s DN 100 DN 80-2 DN 80-1 DN 50 DN 40 DN 32 DN 25 DN 15 Durchflussmenge [l/min] Pa/m mmws/m mbar/m Druckverlust DN 80-1 ^= Innenrohrdurchmesser 83 mm DN 80-2 ^= Innenrohrdurchmesser 98 mm Beispiel: Rohr DN 50 Durchflussmenge 80 l/min bei einer Geschwindigkeit von ca. 0.4 m/s ist der Druckverlust 0.6 mbar/m
9 Druckverlustdiagramm für Heizöl (EL) und Dieselkraftstoff Temperatur: 15 C Spezifisches Gewicht: 860 kg/m 3 Kinematische Zähigkeit: m 2 /s DN 100 DN 80-2 DN 80-1 DN 50 DN 40 DN 32 DN 25 DN 15 Durchflussmenge [kg/h] 2, DN 80-1 ^= Innenrohrdurchmesser 83 mm DN 80-2 ^= Innenrohrdurchmesser 98 mm Beispiel: Rohr DN 50 Massendurchfluss 7000 kg/h bei einer Geschwindigkeit von ca. 0.8 m/s ist der Druckverlust 2.5 mbar/m Druckverlust Pa/m mmws/m mbar/m
10 Druckverlustdiagramm für Propan flüssig Temperatur: 15 C Spezifisches Gewicht: 508 kg/m 3 Kinematische Zähigkeit: m 2 /s DN 100 DN 80 DN 50 DN 40 DN 32 DN 25 Durchflussmenge [kg/h] Pa/m mmws/m mbar/m Druckverlust Beispiel: Rohr DN 50 Massendurchfluss 3000 kg/h bei einer Geschwindigkeit von ca. 0.5 m/s ist der Druckverlust 0.8 mbar/m
11 Druckverlustdiagramm für Propan gasförmig Temperatur: 15 C Spezifisches Gewicht: kg/m 3 Kinematische Zähigkeit: m 2 /s DN 80-1 DN 50 DN 40 DN 32 DN 25 DN 15 Durchflussmenge [kg/h] Beispiel: Pa/m mmws/m mbar/m Druckverlust Rohr FSR 60/83 Massendurchfluss 15 kg/h bei einer Geschwindigkeit von ca m/s ist der Druckverlust mbar/m
12 Planungsgrundlagen FLEXWELL-Sicherheitsrohr Das FLEXWELL-Sicherheitsrohr ist im Gegensatz zu konventionellen Rohren ein biegsames Rohrsystem. Es ist in einem Stück gefertigt und auf Kabeltrommeln gewickelt. Aufgrund seiner Biegsamkeit kann das FLEXWELL-Sicherheitsrohr in großen Längen in einem Stück verlegt. Das handwerkliche Herstellen von Rohrverbindungen und das Nachisolieren auf der Baustelle ist nur jeweils an den Enden der Rohrleitungsstränge erforderlich. Lieferlängen Typ FSR Lieferlängen von - bis Sonderlängen bis m m 16/ / / / / / / Längere Rohrstrecken werden auf der Baustelle mit überwachbaren Durchgangsverbindungen hergestellt. Dehnungsaufnahme Temperaturbedingte Längenausdehnungen werden beim FLEXWELL-Sicherheitsrohr ähnlich wie bei einem Kompensator durch die geometrische Veränderung der Wellung aufgefangen. Daher brauchen beim Einsatz von FLEXWELL-Sicherheitsrohren keine Maßnahmen für den Dehnungsausgleich getroffen werden. Dehnungsschenkel, die bei konventionellen Rohrleitungen erforderlich sind, entfallen. Festpunkte Festpunkte sind bei Erdverlegung nicht erforderlich. Somit kann die Trassenführung in dieser Hinsicht frei gewählt werden und ist insofern nicht mit einem Mehraufwand verbunden. Temperaturbedingte Volumenzunahmen von Flüssigkeiten und damit verbundene Druckerhöhungen werden bei oberirdischer Verlegung nur begrenzt aufgenommen. Sicherheitseinrichtungen Für das FLEXWELL-Sicherheitsrohr gelten folgende technische Grundsätze für Rohrleitungen, die Stand der Technik sind: Rohrleitungen müssen mit den für einen sicheren Betrieb erforderlichen Einrichtungen versehen sein. Rohrleitungen müssen gegen Drucküberschreitung gesichert sein, wenn eine Überschreitung des zulässigen Betriebsdrucks nicht auszuschließen ist. Die Sicherheitseinrichtungen gegen Drucküberschreitung müssen an geeigneter Stelle eingebaut werden und sind nach AD-Merkblatt A2 auszulegen. Zur Verhinderung von unzulässigen Drücken infolge Erwärmung der brennbaren Flüssigkeiten (z.b. durch Sonneneinstrahlung) eignen sich z.b. Überstromventile. Die aus Sicherheitseinrichtungen gegen Drucküberschreitung austretenden brennbaren Flüssigkeiten müssen gefahrlos abgeleitet werden, z.b. in einen Leckflüssigkeitsbehälter. Ist eine Rohrleitung mit Einrichtungen zur Anzeige und Registrierung des Betriebsdrucks versehen, können diese dazu verwendet werden. Bei Erreichen des zulässigen Betriebsdrucks die Pumpen abzuschalten bzw. vor Erreichen des zulässigen Betriebsdrucks Alarm auszulösen. Freie Rohrleitungen müssen flüssigkeitsdicht verschlossen sein. Bei der Möglichkeit der Entnahme aus mehreren Tanks, die nicht kommunizierend verbunden sind, ist durch eine Zwangsschaltung sicherzustellen, dass der Rücklauf nur in den Tank gelangen kann, aus dem die Entnahme erfolgt.
13 Planungsgrundlagen FLEXWELL-Sicherheitsrohr Trassenführungen mit Abzweigen Wenn mehrere Abnehmerstellen durch Rohrleitungen versorgt werden sollen, ist es bei konventionellen Rohrnetzen üblich, Stichleitungen zur Hauptleitung zu legen. Dies führt dann notwendigerweise zur Installation von T-Abzweigen, die handwerklich auf der Baustelle zu erstellen sind. Bei erdverlegten Rohrleitungen bedeutet dies ein zusätzliches Risiko, da die Abzweige weder sichtbar noch leicht zu kontrollieren sind. Die Biegsamkeit des FLEXWELL-Sicherheitsrohres ermöglicht in Anlehnung an die Technik des Verlegens von Starkstrom-Kabeln das Einschleifen (siehe Skizze). Einschleifen bedeutet: 1. Der eigentliche Abzweig, als Überbrückung ausgebildet, liegt im gesicherten bzw. zu kontrollierenden Bereich (z.b. im Domschacht oder Kesselraum). 2. Keine handwerklich hergestellte Verbindung liegt im Erdreich. Der fabrikseitig hergestellte und geprüfte Korrosionsschutz wird an keiner Stelle im Erdreich unterbrochen. Für Sonderfälle sind korrosionsgeschützte und voll überwachbare T-Abzweige lieferbar. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass in der Regel das Einschleifen wirtschaftlicher ist als das Herstellen von überwachbaren T-Abzweigen. A Abnehmer FLEXWELL- Sicherheitsrohr eingeschleift, ohne Abzweige in der Erde B Hauptleitung mit Stichleitungen und T-Abzweigen in üblicher Bauweise C Rohrgefälle, vorhandene Versorgungsleitungen, Streuströme Zwecks Entleerung und Entlüftung der Rohrleitungen bzw. Anlagen ist es sinnvoll, das FLEXWELL-Sicherheitsrohr mit dem im Rohrleitungsbau üblichen Gefälle zu verlegen. In dicht bebauten Gebieten kommt es jedoch häufig vor, dass Versorgungsleitungen die geplante Trassenführung kreuzen. Soweit vom Gesetzgeber bzw. dem Eigner keine Mindestabstände vorgeschrieben sind, kann das FLEXWELL-Sicherheitsrohr zwischen den kreuzenden Leitungen oder sonstigen Hindernissen durchgefädelt werden (siehe Skizze). Dies gilt allerdings nur für den Einsatz von Druckleitungen. Bei Saugleitungen sind Höhensprünge, die größer als der Innendurchmesser des Innenrohres sind, nicht zulässig. Die geltenden Regeln der Technik im Rohrleitungsbau sind in jedem Fall einzuhalten. Insbesondere sind die Eigenschaften der im Rohr zu transportierenden Medien zu beachten. Das FLEXWELL-Sicherheitsrohr ist infolge seines durchgehenden PE-Mantels gegenüber Streuströmen geschützt. Im Bereich von Gleichstromanlagen (Straßenbahnschienen, kathodisch geschützten Rohrleitungen) kann es verlegt werden, ohne dass Nachteile für irgendwelche Anlagenteile zu erwarten sind.
14 Planungsgrundlagen FLEXWELL-Sicherheitsrohr Beispiel einer Trassenskizze mit Längenerfassung für FSR 39/60 l1 l2 Bezugsmaß l3 Typ bei einem für einen 90 Bogen Biegeradius R von Wert l x abrechnen FSR 16/ m lx = 0.12 m FSR 30/ m lx = 0.21 m FSR 39/ m lx = 0.25 m FSR 48/ m lx = 0.25 m FSR 60/ m lx = 0.3 m FSR 83/ m lx = 0.43 m FSR 127/ m lx = 0.64 m R l4 R l5 l6 l7 Tabelle 1 Längenerfassung Abschnitt Länge l1* 0.20 m l2 l3 l4 l5 l m 9.30 m m m 0.15 m l7* 0.20 m lx für 2 x R = 0.6 m (2 x 0.25 m) = 0.50 m Gesamtlänge m * Vorrichtmaß: Mauerdurchführung Arbeitsblatt FSR Stahlschachteinführung Arbeitsblatt FSR 4.302
15 Angaben für den Tiefbau FLEXWELL-Sicherheitsrohr Rohrgraben Das FLEXWELL-Sicherheitsrohr ist auf einem cm starken Sandbett zu verlegen und nach den Anforderungen der TRbF 131 und 231 Absatz 4.33 mit Sand (Körnung 2 mm) über Rohrscheitel abzudecken. Zu beachten sind DIN 18300, DIN 4033 und das Merkblatt über das Zufüllen von Leitungsgräben. B2 B2 Trassenwarnband Sandbettung Sandbettung 0.3 m 0.15 m T m B1 FLEXWELL-Sicherheitsrohr B Das Trassenwarnband wird von BRUGG geliefert und ist bauseits zu verlegen. Typ FSR Verlegeradien Grabentiefe Grabenbreite Grabenbreite Aushub Sandschüttung R* T B1 B2 m m m m m 3 /lfd. m m 3 /lfd. m 16/ (0.40) 0.67 (0.73) 0.46 (0.54) 0.09 (0.11) 30/ (0.40) 0.67 (0.73) 0.46 (0.54) 0.09 (0.11) 39/ (0.40) 0.70 (0.75) 0.50 (0.58) 0.10 (0.14) 48/ (0.40) 0.70 (0.75) 0.50 (0.58) 0.10 (0.14) 60/ (0.40) 0.70 (0.75) 0.50 (0.58) 0.10 (0.14) 83/ (0.40) 0.70 (0.75) 0.53 (0.60) 0.12 (0.16) 127/ (0.50) 0.80 (0.90) 0.66 (0.77) 0.17 (0.22) * Diese Radien dürfen beim Einziehen in den Rohrgraben nicht unterschritten werden. Zahlen in () beziehen sich auf Zweirohrführungen (z.b. Vor- und Rücklauf) Technische Vorschriften und DIN-Normen Bei der Durchführung von Tiefbauarbeiten für das FLEXWELL-Sicherheitsrohr sind folgende DIN-Normen, Vorschriften, Bestimmungen und Richtlinien zu berücksichtigen: DIN 1072 Straßen- und Wegbrücken, Lastannahmen DIN 4124 Baugruben und -gräben; Böschungen, Arbeitsraumbreiten, Verbau DIN VOB, Teil C, Allgemeine technische Vorschriften; Erdarbeiten DIN VOB, Teil C, Allgemeine technische Vorschriften; Verbauarbeiten DIN VOB, Teil C, Allgemeine technische Vorschriften; Gas- und Wasserleitungsarbeiten im Erdreich DIN VOB, Teil C, Allgemeine technische Vorschriften; Landschaftsbauarbeiten DIN VOB, Teil C, Allgemeine technische Vorschriften; Mauerarbeiten DIN VOB, Teil C, Allgemeine technische Vorschriften; Abdichtung gegen nichtdrückendes Wasser DIN VOB, Teil C, Allgemeine technische Vorschriften; Asphaltbelagarbeiten Merkheft Sicherung von Leitungsgräben und Baugruben Merkblatt über das Zufüllen von Leitungsgräben Unfallverhütungsvorschriften 1 Berufsgenossenschaft 2 Forschungsgesellschaft für das Straßenwesen, Arbeitsgruppe Untergrund, Maastrichter Straße 45, Köln Bei der Erstellung des Rohrgrabens ist das im Rohrleitungsbau übliche Gefälle erforderlich.
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