Wilfried Franke Bernd Platzer. Rohrleitungen. Grundlagen Planung Montage

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1 Wilfried Franke Bernd Platzer Rohrleitungen Grundlagen Planung Montage

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort Rohre und Armaturen Rohre Armaturen Sperr- und Regeleinrichtungen Sicherheitsarmaturen Sonderarmaturen Strömungs- und wärme technische Rohrauslegung Strömungscharakteristika Inkompressible Medien Berechnung der Rohrreibung Verlustbeiwerte von Formstücken Kenngrößen von Armaturen Rohrleitungsdimensionierung und Pumpenauslegung Förderhöhe und Rohrleitungskennlinie Bestimmung des optimalen Rohrdurchmessers Auswahl von Regelventilen Auslegung von Sicherheitsventilen Strömungsabriss und Kavitation Wirkungsgrad von Rohrleitungen und Diffusoren Rohrnetze Strömung kompressibler Medien durch gerade Leitungen Ideale Gase Verdünnte Gase Dampfleitungen Instationäre Strömungsvorgänge Beanspruchungen von Rohrleitungen Kraftwirkung bei stationären Strömungen Druckstoß Leckage Verweilzeitverteilung Thermische Vorgänge Wärmeausdehnung Wärmeleitung Konvektiver Wärmeübergang...106

3 Inhaltsverzeichnis Wärmedurchgang Wärmedurchgangskoeffizient Rohre mit Rippen oder Nadeln Rohrdämmung Temperaturänderungen in Rohrleitungen Wärmeübertragung durch Strahlung Konstruktive Dimensionierung von Rohrleitungselementen Berechnung der Rohrwanddicke bei Innendruck Grundlagen Werkstoffprüfung und zulässige Spannung Praktische Berechnung der Wanddicke Bestell-Wanddicke Flanschverbindungen Berechnung der Wanddicke von Rohrbogen Glattrohrbogen Segmentbogen Wanddickenberechnung von T-Stücken und Abzweigen Arten Grundlagen Berechnungsansatz Verlegung von Rohrleitungen Halterungen Stützweite in einer Rohrleitung Einspannung des Rohrs an den Stützen Gelenkige Lagerung des Rohrs an den Auflagern Betrachtung der Biegespannungen Thermisch belastetes gerades Rohr zwischen zwei Festpunkten Dehnungsausgleich Künstlicher Dehnungsausgleich Einordnung der Ausgleicher in die Rohrleitung Natürlicher Dehnungsausgleich (s. auch [61]) Montage Inhalt und Umfang der Montage Voraussetzungen für die Montage Montagedurchführung Montageplanung Montageablauf Anlageninterne Rohrleitungen Lineare Rohrleitungen Schweißverfahren Qualitätssicherung Qualitätssicherung der Fügestellen...269

4 8 Inhaltsverzeichnis Zerstörungsfreie Schweißnahtprüfung Innenreinigung von Rohrleitungen Entrosten und Entzundern von Stahlrohren Komplexprüfung Vorfertigung Anhang Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis

5 2 Strömungs- und wärmetechnische Rohrauslegung 2.1 Strömungscharakteristika Rohrleitungen dienen dem Transport von fließfähigen Stoffen. Dabei unterscheidet man einphasige Systeme, bei denen Phasengrenzen nur an den Grenzen des betrachteten Systems vorhanden sind (z. B. Behälterwand, Flüssigkeitsoberfläche), und Mehrphasenströmungen. Bei der eindimensionalen oder Fadenströmung existiert eine einheitliche Geschwindigkeit über dem Querschnitt (Pfropfenströmung). Bei diesem Modell werden für alle Größen (z. B. Geschwindigkeit, Druck, Temperatur, Dichte, Viskosität, Konzentration) nur Änderungen in der Durchströmungsrichtung und ggf. mit der Zeit zugelassen, die als repräsentative Mittelwerte für die jeweils durchströmte Fläche stehen. Die stationäre Strömung ist dadurch gekennzeichnet, dass alle Größen einschließlich des Fließverhaltens sich nicht mit der Zeit ändern. Sonst spricht man von einer instationären Strömung. Fluide ist der Oberbegriff für Gase und Flüssigkeiten. Als inkompressibel bezeichnet man dichteunveränderliche Fluide, was für Flüssigkeiten meist sehr gut und für Gase bei relativ kleinen Geschwindigkeiten näherungsweise zutrifft. Ein ideales Gas besteht aus massebehafteten Teilchen, die kein Eigenvolumen aufweisen, keinerlei Anziehungs- oder Abstoßungskräfte ausüben und nur vollkommen elastische Wechselwirkungen eingehen. Die Reduzierung der Atome/Moleküle auf Massenpunkte ist für Gase möglich, wenn der Druck so niedrig ist, dass die freie Weglänge viel größer ist als die Molekülabmessungen. Die Relation zwischen den Zustandsgrößen Druck, Temperatur und Dichte (bzw. spezifisches Volumen v = 1 ) wird dann durch die ideale Gasgleichung, die einfachste Art der Zustandsgleichung für Gase, beschrieben. Bei den Zustandsänderungen unterscheidet man: isotherme: konstante Temperatur im gesamten Strömungsbereich, was bei langen nichtisolierten Rohrleitungen gut erfüllt sein kann, isentrope/reversibel adiabate: reibungsfrei und kein Wärmeaustausch mit der Umgebung, gute Näherung bei sehr kurzen Abschnitten mit stark beschleunigter/verzögerter Strömung (Düsen/Diffusoren), polytrope: reversible Vorgänge bei beliebigem Wärmeaustausch mit der Umgebung, aus thermodynamischer Sicht nicht für reibungsbehaftete Strömungen nutzbar, dennoch wird damit (ggf. auch durch Polygonzüge mit unterschiedlichen Exponenten) eine z. T. recht gute Wiedergabe der experimentell gefundenen Zusammenhänge möglich, isobare: konstanter Druck im System (z. B. bei Gleichdruckverbrennung).

6 28 2 Strömungs- und wärme technische Rohrauslegung Weitere Arten der Zustandsänderungen existieren zwar, spielen jedoch bei Rohrleitungen und Armaturen keine große Rolle. Für die Beschreibung der Strömungsvorgänge und der Zustandsänderungen werden Stoffwerte benötigt, die von unterschiedlichen Größen (z. B. Temperatur, Druck, Zusammensetzung) abhängen. Besondere Bedeutung für Strömungsvorgänge hat die Viskosität. Man unterscheidet die kinematische Viskosität ( = in m 2 /s) und die dynamische Viskosität ( in Pa s = kg/(m s)). Die Viskosität ist stark temperaturabhängig, wobei gilt: Flüssigkeit: T Gase: T Für häufig verwendete Stoffe gibt es in der Literatur Stoffwertegleichungen und Tabellen (z. B. in [2], [16], [65]). In der Tabelle Anhang A1 sind für Wasser, Wasserdampf und Luft einige empirische Gleichungen zusammengestellt. Stoffwerte für Erdgas enthält z. B. [15]. Bei Mehrphasenströmungen, an denen zwei oder mehr Fluide und ggf. auch feste Phasen beteiligt sind, treten im betrachteten Gebiet durch Phasengrenzen getrennte Bereiche auf, die Relativgeschwindigkeiten aufweisen. Man spricht auch oft dann von Mehrphasenströmungen, wenn sich im Bilanzbereich mindestens zwei Phasen befinden, sich aber nur eine Phase frei bewegt (z. B. Durchströmung einer Schüttung). Um eine disperse Phase handelt es sich, wenn die Phase in räumlich getrennte Bereiche zerfällt, die in einer kontinuierlichen (zusammenhängenden) Phase verteilt sind. Hängen beide Phasen zusammen, handelt es sich um geschichtete Systeme. Beispiele für Mehrphasenströmungen sind gemeinsame Strömungen von Flüssigkeiten und Gasen in Rohren oder Apparaten, Emulsionen (z. B. Öl- Wasser-Systeme), Suspensionen (Teilchen in Flüssigkeiten) und der pneumatische Transport. Mehrphasensysteme sind oft dichteveränderlich. Es muss weiterhin beachtet werden, dass in Abhängigkeit von den wechselwirkenden Phasen, den Phasenanteilen, den geometrischen Gegebenheiten und den Betriebsbedingungen unterschiedlichste, oft optisch gut unterscheidbare Strömungsformen auftreten. Deren Existenzbereiche versucht man in geeigneten Diagrammen zu verallgemeinern, wobei in der Literatur unterschiedliche und sich z. T. auch widersprechende Angaben existieren. Durch die Vielfalt der Einflussgrößen sind bei Mehrphasenströmungen die gefundenen Zusammenhänge viel komplexer. Übersichten enthalten z. B. [2], [15], [20] und [21]. 2.2 Inkompressible Medien Berechnung der Rohrreibung Der Druckverlust Dp V infolge der Reibung zwischen Fluid und Rohrwandung beträgt bei geraden Rohren ohne Einbauten der Länge l zwischen den Bilanzpunkten 1 (Anfang) und 2 (Ende) gemäß der Darcy-Weisbach-Gleichung: 2 l c D pv = p1 p2 = (2.1) d 2

7 2.2 Inkompressible Medien 29 Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit c bestimmt bei vorgegebenem Durchsatz den Strömungsquerschnitt und ist wie folgt definiert: c A = V 1 cda A = A 0 (2.2) Neben der Gewährleistung des Durchsatzes müssen bei der Festlegung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit noch weitere Anforderungen beachtet werden (s. Kap ). ist der Rohrreibungsbeiwert bzw. die Rohrreibungszahl. Einflussgrößen sind die Reynolds-Zahl, Wandrauigkeit, Leitungsabmessungen, Form des Leitungsquerschnitts sowie Stoffeigenschaften. Anhand der Größe der Reynolds-Zahl cchar lchar cchar lchar Re = = (2.3) erfolgt die Einteilung in laminare (Schichtenströmung, Re < Re krit ) und turbulente (Grundströmung überlagert mit stochastischen Wirbelstrukturen, Re > Re krit ) Strömungen. Neuere Messungen haben gezeigt, dass auch in ausgebildeten turbulenten Strömungen die Grob- und die Feinturbulenz eine Intermittenz aufweisen. Bei Störungsfreiheit (abgerundeter Einlauf, sorgsames Anfahren, Vermeidung auch kleinster Störungen wie z. B. Schwingungen) kann sich Re krit zu sehr großen Werten verschieben. Solche Bedingungen sind jedoch meist nur mit speziellen Laboraufbauten zu erreichen. Die Strömung schlägt dann aber auch schon bei sehr kleinen Störungen um und bleibt danach turbulent. Richtwerte für Re krit bei Rohrströmungen unter technischen Bedingungen, bei denen von der Existenz kleiner Störungen (Druckschwankungen, Schwingungen der Rohre u. a.) ausgegangen werden kann, enthält Tabelle 2.1. Sie stellen somit die untere Grenze des Umschlags dar. Die mittlere Geschwindigkeit wird bei Rohrströmungen meist als charakteristische Geschwindigkeit verwendet. Die Stoffwerte werden bei moderaten Druck- und Temperaturänderungen während der Strömung meist auf den mittleren Druck ( p1+ p2) 2 und die mittlere T + T bezogen. Temperatur ( ) Die Innenwandung wird durch die Wandrauigkeit k charakterisiert. Sie ist eine mittlere Größe für die Wandunebenheiten. Anhaltswerte enthält Tabelle 2.2, detailliertere Zusammenstellungen gibt es z. B. in [4]. Man unterscheidet zwischen unregelmäßigen und welligen Rauigkeiten sowie einer Sandrauigkeit k S, die für Strömungsuntersuchungen im Labor durch dicht aufgeklebte Sandkörner auf Flächen erzeugt wurde. Versuche zeigten, dass bei gleichem Druckverlust die Erhebung bei Wellenrauigkeit ca. fünfmal größer sein kann als die Erhebung der Sandrauigkeit. Es ist zu beachten, dass sich die Rohrrauigkeiten durch Ablagerungen, Korrosion und Erosion während der Betriebszeit gegenüber dem Neuzustand sehr stark verändern können, was erhebliche Auswirkungen auf den Druckverlust haben und zum vollständigen Verstopfen von Leitungen bzw. zur Lochbildung führen kann. Stahlrohrleitungen verschmutzen weniger als Gussrohre, denn die Gussrohre weisen neben der schon größeren Anfangsrauigkeit viele Muffenverbindungen auf, die das Ablagern mitgeführter Teilchen begünstigen. In Gasleitungen erhöht mitgeführtes Wasser die Korrosion.

8 30 2 Strömungs- und wärme technische Rohrauslegung Tabelle 2.1 Reynolds-Zahlen für Rohrströmungen und Anhaltswerte für Re krit Flüssigkeit Re Re krit Newtonsches Fluid f ( ) cd Vd t = = Rohr* ) : A 2 10 dd k für 15 < dk d < 860, (d k siehe Tabelle Anhang A2) Bingham-Fluid t = t + 0 B (t 0 Fließgrenze t w Wandschubspannung) pseudoplastisch (n < 1) oder dilatant (n > 1) (Ostwaldde Waele-Fluid) n t = k B P t0 = + = k n 1 Ringspalt, R 2 > R 1 : 2 V π R + R cd B ( ) n n 8 c d 1+ 3n k 2 n n gekrümmtes Rohr: ( ) 0,32 Rohrschlange: ,6 d + D 0,45, (D s. Tabelle Anhang A2) oszillierende/pulsierende Strömung: z. T. deutlich über oder unter [13] Kanal (Seite a b, in Re d d h ): 1,6 b a tanh 0,26 a b (Anpassung an [46]) Ringspalt** ) : (Anpassung an [47]) innerer Zylinder: 0, tanh 1,8 R R 2 4 t0 1 t tw 3 t w Rohr: t 0 1 t (s. auch [44], [45]) 7144 n 2 + n n Rohr: ( ) ( ) 2 1 * ) Bis Re = kann die Strömung intermittierend sein. Bei Mikrokanälen wurde von einigen Autoren der Wert für Re krit bestätigt, es sind in der Literatur dafür jedoch auch größere oder kleinere Werte zu finden. ** ) Die Strömung wird zunächst am inneren und erst später am äußeren Zylinder turbulent. Schon eine leicht exzentrische Anordnung des inneren Kerns senkt Re krit deutlich [66]. w + n + n 4

9 Tabelle 2.2 Anhaltswerte für die absolute Rauigkeit k von Rohren 2.2 Inkompressible Medien 31 Rohrart Bemerkung k (in mm) gezogene Rohre aus < 0,0015 Glas, Messing, Kupfer, Aluminium Stahlrohre gezogen, neu gezogen, angerostet gezogen, stark verkrustet geschweißt, neu 0,04 0,2 3,0 0,05 gusseiserne Rohre Betonrohre Kunststoffrohre neu gebraucht, angerostet Glattstrich rau neu länger gebraucht 0,5 1,2 0,5 3,0 < 0,0015 < 0,03 Bei laminaren Strömungen kann der Einfluss der Wandrauigkeit so lange vernachlässigt werden, wie der freie Querschnitt nicht merklich eingeengt wird. Die Größe der Wandrauigkeit hat jedoch im turbulenten Strömungsbereich große Auswirkungen auf das sich ausbildende Strömungsprofil und den sich einstellenden Druckverlust. Man unterscheidet folgende Situationen: hydraulisch glatt Übergangsgebiet hydraulisch rau k 78 5 Re d k 5 Re < < 225 Re d k Re d Bei Newtonschen Medien besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Schubspannung (tangential an einer Fläche angreifende Kraft) und der Deformationsgeschwindigkeit (Änderung des Deformationswinkels eines Fluidteilchens mit der Zeit, was der Ableitung der Geschwindigkeit quer zur Strömungsrichtung entspricht). Wasser, Gase, Lösungsmittel, viele technische Öle und zumindest näherungsweise die Mehrzahl der dünnflüssigen Einphasensysteme können als Newtonsche Medien angesehen werden. Nicht-Newtonsche Medien sind alle Fluide, für die ein anderer als der obige Zusammenhang zwischen der Schubspannung und der Deformationsgeschwindigkeit besteht. Dazu gehören z. B. Polymerschmelzen, viele Lebensmittel (Honig, Zahnpasta) und viele Mehrphasensysteme. Bei nicht-newtonschen Medien und mehrphasigen Strömungen existieren neben der Reynolds-Zahl (s. Tabelle 2.1) weitere Einflussgrößen. Im laminaren Strömungsbereich gilt für ein Medium im waagerechten Rohr das Hagen- Poiseuille-Gesetz, das schon 1838/1840 gefunden wurde: ( ) c r D pd r r = 1 2c 1 16 l = R R (2.4)