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Roloff / Matek Maschinenelemente Kapitel 18 Rohrleitungen.

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Präsentation zum Thema: "Roloff / Matek Maschinenelemente Kapitel 18 Rohrleitungen."—  Präsentation transkript:

1 Roloff / Matek Maschinenelemente Kapitel 18 Rohrleitungen

2 Bereits vor mehr als 7000 Jahren wurde in China Wasser über weite Strecken durch Bambusrohre geleitet Elemente zur Führung von Fluiden Historische Rohrleitungen

3 Die Römer bauten vor rund 2000 Jahren Aqädukte um ihre Städte und Siedlungen mit Wasser zu versorgen. Elemente zur Führung von Fluiden Historische Rohrleitungen

4 Elemente zur Führung von Fluiden Historische Rohrleitungen Druckleitung nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren.

5 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. Elemente zur Führung von Fluiden Relevanz heutiger Rohrleitungen

6 Einsatz und Funktion Bauformen Gestaltungsgrundlagen Berechnungsgrundlagen Berechnung Druckverlust Berechnung der Wanddicke gegen Innendruck Elemente zur Führung von Fluiden Übersicht

7 Rohrleitungen werden hauptsächlich eingesetzt zum Transport von Fluiden aber auch zum Verteilen Mischen Kühlen Steuern …und als Konstruktionselement! Elemente zur Führung von Fluiden Einsatz und Funktion

8 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. Elemente zur Führung von Fluiden Einsatz und Funktion

9 Pneumatikleitungen für einzelne Ventile an einer Drillmaschine zum Eindüsen des Saatguts Elemente zur Führung von Fluiden Einsatz und Funktion

10 GFK-Abwasserleitung DN 1000 für Kläranlage in Göttingen Elemente zur Führung von Fluiden Einsatz und Funktion

11 Nabucco Gas-Pipeline Projekt, Leitungslänge ca Km Elemente zur Führung von Fluiden Einsatz und Funktion

12 Privatbrauerei Stauder in Essen, Premium-Pils in Bierleitungen Elemente zur Führung von Fluiden Einsatz und Funktion

13 Kawasaki 350 S 2 (Bj. 1972). Dreizylinder-2-Takter mit Auspuffrohr 2 x rechts und 1x links Elemente zur Führung von Fluiden Einsatz und Funktion

14 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 Fluiden Bauformen, Formstücke

15 T-Stück (DIN EN ) - Verteilung oder Zusammenführung der Ströme - Nennweitensprung möglich Elemente zur Führung von Fluiden Bauformen, Formstücke T-Stück mit eingeschweißtem Stutzen

16 Rohrbogen (DIN ) 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 Elemente zur Führung von Fluiden Bauformen, Formstücke

17 Reduzierstück (DIN EN ) Reduzierung oder Aufweitung der Nennweite konzentrische und exzentrische Bauform Elemente zur Führung von Fluiden Bauformen, Formstücke

18 Kappe (als Klöpperboden) DIN EN Verschlussklappe für Rohrleitungsabschluß Elemente zur Führung von Fluiden Bauformen, Formstücke

19 Vorschweißflansch (DIN EN ) DN 10 bis DN 2000 Elemente zur Führung von Fluiden Bauformen, Formstücke

20 Rohrmuffe DIN EN Whitworth-Rohrgewinde nach DIN 2999 Rohrmuffen-Sortiment Elemente zur Führung von Fluiden Bauformen, Formstücke

21 Sonderformen Hosenstück Elemente zur Führung von Fluiden Bauformen, Formstücke Kreuzstück Krümmer T-StückE-Bogen T-StückGrad T-Stück Übergangsstück

22 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 Fluiden Bauformen, Armaturen

23 Schieber Öffnen oder Schließen des gesamten Durchflussquerschnitts nicht zum exakten Regeln der durchströmenden Flüssigkeitsmenge geeignet Bild: Rundschieber Elemente zur Führung von Fluiden Bauformen, Armaturen

24 Ventil Gute Regelfähigkeit Hoher Preis Regelventil Thermostatventil Blitzventil Elemente zur Führung von Fluiden Bauformen, Armaturen

25 Kugelhahn zum Absperren einer Rohrleitung 90°-Hebeldrehung zwischen vollständig geöffnet und geschlossen,Zwischenhebelstellung ist nicht vorgesehen Schnelle Absperrung führt zu Druckstößen Kugelhahn Elemente zur Führung von Fluiden Bauformen, Armaturen

26 Klappe Gute Drosseleigenschaft Relativ großer Strömungswiderstand Absperrklappe Elemente zur Führung von Fluiden Bauformen, Armaturen

27 Richtlinien zur Auswahl der Armaturen Elemente zur Führung von Fluiden Bauformen, Armaturen

28 Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Normung

29 Die Richtlinie 97/23/EG legt die Anforderungen für das Inverkehrbringen von Druckgeräten innerhalb des Europäischen Wirtschaftsraumes (EWR) fest. Sie ist in Deutschland in nationales Recht umgesetzt worden als Geräte- und Produktsicherheitsgesetz (Druckgeräteverordnung). Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Druckgeräte

30 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. Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Druckgeräte

31 Als Druckgeräte im Sinne dieser Richtlinie gelten Behälter (unbefeuerte Druckbehälter) Dampfkessel Rohrleitungen druckhaltende Ausrüstungsteile mit einem inneren Überdruck von mehr als 0,5 bar. Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Druckgeräte

32 Zur Erfüllung der Mindestanforderungen kann der Hersteller eine harmonisierte Norm (z. B. Normenreihe EN 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. Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Druckgeräte

33 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 Fluiden Gestaltungsgrundlagen, AD 2000-Regelwerk

34 Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, AD 2000-Regelwerk Über 100 Merkblätter

35 Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, AD 2000-Regelwerk

36 Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, AD 2000-Regelwerk Auszug aus B1 Anl. 1

37 Rohrleitungs-Klassen nach DIN EN 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 Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Rohrleitungsklassen

38 Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Rohrleitungsklassen

39 Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Rohrleitungsklassen

40 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. Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Rohrleitungsklassen

41 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 Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Rohrklassen

42 Verbindung von Rohrleitungselementen unlösbar Schweißen Löten Kleben lösbar Flansche Rohrverschraubung Muffen Kupplungen Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Rohrleitungsverbindungen

43 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 Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Rohrleitungswerkstoffe

44 Rohrleitungswerkstoffe Präzisionsstahlrohre hohe Maßgenauigkeit gut kalt verformbar (biegen und bördeln) einfache und sichere Montage durch Rohrverschraubung Hydraulikleitungen im Maschinenbau, Bremsleitungen Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Rohrleitungswerkstoffe

45 Rohrleitungswerkstoffe Gewinderohre aus Stahl feste und dichte Verbindung durch Fittings (lösbar) auf Whitworth-Rohrgewinde (Kegel 1:16) abgestimmt Heizungsleitungen, Gas- und Luftleitungen Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Rohrleitungswerkstoffe

46 Rohrleitungswerkstoffe Nicht rostende Stahlrohre gute Korrosionsbeständigkeit, Einsatz bei tiefen Temperaturen Lebensmittelindustrie Druckrohre aus duktilem Gusseisen hohe Festigkeit, relativ korrosionbeständig Gas- und Wasserleitungen Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Rohrleitungswerkstoffe

47 Rohrleitungswerkstoffe Bleirohre beständig gegen Säuren und Salzlösungen gut lötbar leicht umformbar Chemische Industie, nicht für Trinkwasserleitungen Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Rohrleitungswerkstoffe

48 Rohrleitungswerkstoffe Kupferrohre hohe Korrosionsbeständigkeit gut weich- und hartlötbar Trinkwasser, Warmwasser, Heizungsrohre, Kältemittelleitungen Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Rohrleitungswerkstoffe

49 Rohrleitungswerkstoffe Aluminiumrohre leicht gute Festigkeit und Zähigkeit bei tiefen Temperaturen gut schweiß- und umformbar beständig gegen schwach saure und basische Fluide Fahrzeugbau, Apparatebau, Lebensmittelindustrie Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Rohrleitungswerkstoffe

50 Rohrleitungswerkstoffe Kunststoffrohre leicht korrosionssicher witterungsfest Chemie, Abwasserrohre, Fußbodenheizungen Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Rohrleitungswerkstoffe

51 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 Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Dehnungsausgleicher

52 Lyra-Bogen Federhänger Wellrohrkompensator Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Dehnungsausgleicher

53 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 Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Rohrhalterungen

54 Rohrbefestigung mit Schelle Gleitlager mit YZ-Stop Elemente zur Führung von Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Rohrhalterungen

55 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 Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Gestaltungsgrundsätze

56 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 Fluiden Gestaltungsgrundlagen, Gestaltungsgrundsätze

57 Druckverlust für beliebig verlaufende kreisförmige Rohrleitungen mit Einbauten nach RM FS 18.7: p = ( * v² / 2 * * l / d i ) + ( * v² / 2 * h g Luft )] p = p 1 + p 2 + p 3 1. Druckverlust bei geraden kreisförmigen Rohrleitungen ohne Einbauten nach RM FS 18.8: p 1 = * v² / 2 * * l / d i Elemente zur Führung von Fluiden Berechnungsgrundlagen, Druckverlust

58 Laminare und turbulente Strömung Laminare Strömung: Das Fluid strömt in Schichten, die sich nicht vermischen. Elemente zur Führung von Fluiden Berechnungsgrundlagen, Druckverlust

59 Laminare und turbulente Strömung Turbulente Strömung: Es treten Verwirbelungen auf. Vorteile: Gute Durchmischung Guter Wärmeübergang Nachteile: Vibrationen an Einbauten Großer Widerstand Elemente zur Führung von Fluiden Berechnungsgrundlagen, Druckverlust

60 Reynolds-Zahl (Formelzeichen: Re) Die Strömungsform (laminar, turbulent) kann rechnerisch mit der Reynolds-Zahl ermittelt werden. Der Übergang erfolgt bei Re krit = 2320 Die Reynolds-Zahl hängt von der Strömungsgeschwindigkeit v, der Dichte sowie der Viskosität des Fluids und dem Rohr-Innendurchmesser d i ab. Re = v * d i / RM FS 18.5] Elemente zur Führung von Fluiden Berechnungsgrundlagen, Druckverlust

61 Elemente zur Führung von Fluiden Berechnungsgrundlagen, Druckverlust

62 Druckverlust für beliebig verlaufende kreisförmige Rohrleitungen mit Einbauten nach RM FS 18.7: p = ( * v² / 2 * * l / d i ) + ( * v² / 2 * h g Luft )] p = p 1 + p 2 + p 3 2. Druckverlust durch Einbauten nach RM FS 18.9: p 2 = * v² / 2 * -Werte siehe RM TB 18-7 Elemente zur Führung von Fluiden Berechnungsgrundlagen, Druckverlust

63 Druckverlust für beliebig verlaufende kreisförmige Rohrleitungen mit Einbauten nach RM FS 18.7: p = ( * v² / 2 * * l / d i ) + ( * v² / 2 * h g Luft )] p = p 1 + p 2 + p 3 3. Druckverlust durch Höhenunterschied: p 3 = h g Luft )] Elemente zur Führung von Fluiden Berechnungsgrundlagen, Druckverlust

64 Aufgabe 1, Dimensionierung, Druckverlustberechnung Elemente zur Führung von Fluiden Berechnung

65 Aufgabe 1 a) Auswahl einer geeigneten Rohrart [RM TB 18-1] gewählt: Stahlrohre für Wasserleitungen DIN EN aus P235TR1 (unlegierter Qualitätsstahl, Baustahl, schweißbar), nahtlos Elemente zur Führung von Fluiden Berechnung

66 Aufgabe 1 b) Ermittlung des erforderlichen Rohrinnendurchmessers d i erf [RM FS 18.3] Gewählt: v w = 1,5 m/s [RM TB 18-5] gegeben: V. = 50m³/2h = 25m³/h = 0,0069m³/s d i erf = Wurzel [V. * 4 / (v * pi)] d i erf = 76,5 mm Elemente zur Führung von Fluiden Berechnung

67 Aufgabe 1 c) Ermittlung des Nenn-Innendurchmessers DN, Festlegung Außendurchmesser d a und Vorzugswanddicke s gewählt: DN 80 mit d a = 88,9 mm [nach DIN 2402] gewählt: s = 3,2 mm (Normalwanddicke nach DIN EN 10220) Der tatsächliche Innendurchmesser d i ergibt sich aus: d i = d a – (2 * s) = 88,9 mm – (2 * 3,2 mm) = 82,5 mm Elemente zur Führung von Fluiden Berechnung

68 Aufgabe 1 d) Ermittlung der tatsächlichen Strömungsgeschwindigkeit v [RM FS 18.1] und Prüfung auf Wirtschaftlichkeit d i = 82,5 mm V. = 0,0069m³/s v = V. * 4 / (d i ² * 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! Elemente zur Führung von Fluiden Berechnung

69 Aufgabe 1 e) Berechnung der Reynoldszahl Re nach RM FS18.5 Kinematische Viskosität von Wasser bei 10°C = 1,307 * m²/s [RM TB 18-9a] Re = v * d i / Re = 1,29 m/s * 0,0825 m / 1,307 * m²/s Re = Re > Re krit (es liegt turbulente Strömung vor) Elemente zur Führung von Fluiden Berechnung

70 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 d i / k = 27,5 oberhalb der Grenzkurve (hydraulisch rau) = 1 / [2 * lg(di / k) + 1,14]² 0,062 Elemente zur Führung von Fluiden Berechnung

71 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 / d i )+ h g Luft )] p = Pa = 0,95 bar Elemente zur Führung von Fluiden Berechnung

72 Aufgabe 1 h) Mindestpumpenleistung Wirkungsgrad an der Welle = 0,85 P el = ( p * V.) / P el = (95104 Pa * 0,0069m³/s) / 0,85 P el = 0,77 kW Elemente zur Führung von Fluiden Berechnung

73 Aufgabe 2, Mindestwanddickenberechnung Elemente zur Führung von Fluiden Berechnung

74 Aufgabe 2 – Mindestwanddickenberechnung t min = t v + c 1 + c 2 [RM FS 18.18] Für t v: d a / d i = 88,9 mm / 82,5 mm = 1,08 < 1,7 [RM FS 18.20] t v = p e * d a / (2 * zul * N + p e ) zul = min 150 N/mm² [RM FS unter Hinweis] N = 1 (Schweißnahtfaktor bei 100%-Prüfung) t v = 0,095 N/mm² * 88,9 mm / (2 * 150 N/mm² * 1 + 0,095 N/mm2) t v = 0,02 mm Elemente zur Führung von Fluiden Berechnung

75 Aufgabe 2 – Mindestwanddickenberechnung Für c 1 : c 1 = 0,4 mm (Werte gleich bei RM FS und RM FS 18.19) Für c 2 : c 2 = 1 mm (Korrosionszuschlag für ferritischen Stahl) t min = t v + c 1 + c 2 = 0,02 mm + 0,4 mm + 1 mm = 1,42 mm t / t min = 3,2 mm / 1,42 mm = 2,25-fache Sicherheit. Ok ! Elemente zur Führung von Fluiden Berechnung

76 Roloff / Matek Maschinenelemente Kapitel 18 Rohrleitungen Vielen Dank !


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