RohRleitungs-Fibelfür die tägliche Praxis

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Dr. Manfred nitsche

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Dieses Buch ist geschrieben für den Rohrleitungspraktiker.

Zahlreiche Beispiele aus der täglichen Arbeitspraxis helfen Ingenieuren und Technikern bei der Lösung ihrer betrieblichen Aufgabenstellungen. Alltägliche Rohrleitungsprobleme vom Druckverlust bis zur Kavitation in Pumpen, Blenden oder Regelventilen werden detailliert beschrieben, wobei auf langschweifige, akademische Ausführungen verzichtet wird.

Über die Darstellung von Beispielen hinaus werden konkrete Lösungsansätze aufgezeigt und insbesondere auf relevante, zu beachtende Einflussgrößen hingewiesen.

Der beispielhafte Charakter des Buches veranschaulicht, dass die praktische Wissens­vermittlung anhand konkreter Problematiken aus der Arbeitspraxis effektiver ist als viele Seiten rein theoretischer Ausführungen.

Die Rohrleitungsfibel basiert im Wesentlichen auf den beruflichen Erfahrungen des Autors sowie aus den Erkenntnissen zahlreicher Diskussionen in den Seminaren über die Rohr­leitungsplanung, die der Autor im Haus der Technik gehalten hat.

Strukturviskose Nicht-Newtonsche FlüssigkeitenWärmeverluste Armaturen

BegleitheizungFlüssigkeitsverteiler

Druckverlustberechnungen für Flüssigkeiten + Gase

Kondensatleitungen

Regelventile

Auslaufzeiten

Festigkeitsberechnungen + Flexibilität

Auslegung von Lochblenden für Flüssigkeiten + Gase

Syphonberechnungen

Vulkan-Verlag gmbHwww.vulkan-verlag.de

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Manfred Nitsche

Rohrleitungs-Fibelfür die tägliche Praxis

VULKAN VERLAG

2762_book.indb 3 11.05.2011 16:31:12 Uhr

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Vorwort

Liebe Leserin, lieber Leser,

dieses Buch ist geschrieben für den Praktiker.

Zahlreiche Beispiele aus der täglichen Arbeitspraxis sollen Ingenieuren und Technikern bei der Lösung ihrer betrieblichen Aufgabenstellungen dienen. Alltägliche Rohrleitungspro-bleme vom Druckverlust bis zur Kavitation in Pumpen, Blenden oder Regelventilen werden umfänglich beschrieben, wobei auf langschweifige, akademische Ausführungen verzichtet wird.

Über die Darstellung von Beispielen hinaus werden konkrete Lösungsansätze aufgezeigt und insbesondere auf relevante, zu beachtende Einflussgrößen hingewiesen.

Der beispielhafte Charakter des Buches veranschaulicht, dass die praktische Wissensvermitt-lung anhand konkreter Problematiken aus der Arbeitspraxis effektiver ist als viele Seiten rein theoretischer Ausführungen.

Die Rohrleitungsfibel basiert im Wesentlichen auf meinen eigenen beruflichen Erfahrungen. Auch Erkenntnisse aus zahlreichen Diskussionen in meinen Seminaren über die Rohrleitungs-planung finden sich hier wieder.

An dieser Stelle möchte ich mich bei meinen ehemaligen Mitarbeitern Herrn Müller und Herrn Lilienthal für ihre Zuarbeit und Unterstützung bei der Gestaltung dieser Fibel bedanken.

Hamburg im Mai 2011

Dr. Manfred Nitsche

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Bibliografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbiblio grafie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

ISBN 978-3-8027-2762-7

© 2011 Vulkan-Verlag GmbH Huyssenallee 52–56, 45128 Essen, Deutschland Telefon: 0201 82002-0, Internet: www.vulkan-verlag.de Kontakt: Nico Hülsdau, n.huelsdau@vulkan-verlag.de

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Inhaltsverzeichnis

Druckverlustberechnungen in der Praxis1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.1 Druckverlustberechnungen für Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.2 Druckverluste von Formstücken und Armaturen im laminaren Bereich . . . . . . . . . . . . . 191.3 Druckverluste in Reduzierungen und Blenden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Druckverluste in Reduzierungen1.3.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Druckverluste für Reduzierstücke nach DIN 2616/EN 102531.3.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Druckverlustberechnungen für Rohrleitungen mit unterschiedlichen 1.3.3 Durchmessern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26Druckverlust für ein T-Stück mit reduziertem Abgang1.3.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Druckverlust von Drosselblenden1.3.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.4 Druckverlustberechnungen für Gase und Dämpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.5 Dimensionierung von Vakuumleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351.6 Kompressibilitätsfaktor z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.7 Kavitationsgefahr durch Absenken des statischen Drucks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Absenkung des statischen Drucks bei höheren Strömungsgeschwindig keiten1.7.1 . . 40Zulässige Strömungsgeschwindigkeit zur Vermeidung von Kavitation1.7.2 . . . . . . . . . 42

1.8 Berechnung der Rohrleitungskapazität für ein vorgegebenes ΔP und einen Rohrleitungswiderstandsfaktor Kges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Inkompressible Medien (Flüssigkeiten)1.8.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Kompressible Medien (Gase)1.8.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

1.9 Leistungsbedarf von Pumpen, Gebläsen und Verdichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Ermittlung des Leistungsbedarfs N von Pumpen1.9.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Ermittlung des Leistungsbedarfs N von Gebläsen1.9.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Leistungsbedarf bei isothermer Verdichtung1.9.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Leistungsbedarf bei adiabater Verdichtung1.9.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Erwärmung durch adiabate Verdichtung1.9.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Kompressorberechnungen für Turboverdichter1.9.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

1.10 Strukturviskose Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Fließverhalten1.10.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Druckverlustberechnungen für Ostwaldsche Flüssigkeiten1.10.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Druckverluste in Formstücken und Armaturen1.10.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Druckverlustberechnungen für Binghamsche Flüssigkeiten1.10.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

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9

Auslegen von Lochblenden zur Durchsatz begrenzung5 . . .155

5.1 Inkompressible Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1555.2 Kompressible Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1585.3 Schnellmethode zur Dimensionierung von Drosselblenden für Flüssigkeiten . . . . .1595.4 Kavitationskontrolle von Drosselblenden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1615.5 Auslegung von Mehrfachblenden in Serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1635.6 Schnellmethode zur Dimensionierung von Drosselblenden für Gase und

Dämpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166

Verschiedenes aus der Praxis6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169

6.1 Wehrablauf-Kapazitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169Rechteck-Wehr6.1.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169Dreieck-Wehr6.1.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169Runder Überlauf6.1.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170Bestimmung der Wassermenge aus der Spritzweite6.1.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170

6.2 Dimensionierung einer Pumpenvorlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1716.3 Behälterdimensionierung für bestimmte Verweilzeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1726.4 Syphonberechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173

Treibendes Gefälle für den Syphon6.4.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173Wieviel strömt durch einen Syphon bei einem vorgegebenen ΔP?6.4.2 . . . . . . . . . . . .174Was ist die maximal zulässige Heberhöhe h16.4.3 max? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175Berechnung des Drucks P6.4.4 S im Syphonscheitel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176Berechnung der maximalen Heberhöhe h26.4.5 max des Ablaufschenkels . . . . . . . . . .177

6.5 Maximal zulässige Fallrohrhöhen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1796.6 Dimensionierung von Kondensatleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1806.7 Flüssigkeitsausdehnung und Volumen kompensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1816.8 Druckstoßberechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1836.9 Auslegung eines Verteilers für Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1866.10 Auslegung von Ausdehnungsgefäßen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190

Offener Flüssigkeitskreislauf (Bild 6.10.1)6.10.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190Geschlossenes Ausdehnungsgefäß mit Gaspolster (Bild 6.10.2)6.10.2 . . . . . . . . . . . . . . .192

Gasausströmung aus Behältern und 7 Rohrleitungen . . . . . . .195

7.1 Unterkritische Gasausströmung ohne Rohrleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1967.2 Überkritische Gasausströmung aus Behältern ohne angeschlossene Rohrleitung . .1987.3 Gasausströmung aus Behältern mit angeschlossener Rohr leitung bei überkriti-

schen Druckverhältnissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206

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Armaturen2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.1 Armaturenauswahl und -normen/-vorschriften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 682.2 Automatisierung von Armaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692.3 Wofür benötigt man Rückschlagklappen und Rückschlag ventile? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732.4 Wofür benötigt man Sicherheitsventile? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732.5 Sonstige Armaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Regelventile3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.1 Was ist wichtig bei der Auslegung und Auswahl eines Regelventils? . . . . . . . . . . . . . . . . 763.2 Berechnungsablauf für eine Regelventilauslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783.3 Regelventilauslegung mit Kontrollrechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Berechnung des k3.3.1 V-Werts nach DIN EN 60534 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84Ermittlung des maximal zulässigen Druckverlustes in Regelventilen und 3.3.2 Stellklappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.4 Geometriefaktor FP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 873.5 Expansionsfaktor Y für Gase und Dämpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 893.6 Auslegung eines Regelventils für Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903.7 Auslegung eines Regelventils für Gase und Dämpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 943.8 Ventilkennlinien und Betriebskennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100

Kreiselpumpen4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105

4.1 Betriebseigenschaften von Kreiselpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1054.2 Pumpenkennlinie beim Hintereinanderschalten von zwei Kreisel pumpen . . . . . . . . .1054.3 Pumpenkennlinie beim Parallelschalten von zwei Kreiselpumpen . . . . . . . . . . . . . . . .1074.4 NPSH-Wert und Mindestdurchfluss zur Vermeidung von Kavitation . . . . . . . . . . . . . . .1084.5 Regelung von Kreiselpumpen über Drosselung oder Drehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1114.6 Kavitation und Pumpensaughöhen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113

Was bedeutet Kavitation?4.6.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113NPSH-Werte4.6.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113„Effektiver Dampfdruck“4.6.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116Gasvolumenanteil in der Fördermenge4.6.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118Zulässige Saughöhen4.6.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121

4.7 Probleme beim Ansaugen aus Leitungen oder Behältern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1354.8 Rohrleitungsdimensionierung für Kreiselpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1444.9 Anlagenkennlinien für Serien- oder Parallelschaltung von Rohrleitungen . . . . . . . . .1514.10 Kreiselpumpen-Probleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153

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10.7 Abkühlung in stehenden Rohrleitungen mit der Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25710.8 Berechnung der Abkühlzeit bis zur Eisbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25810.9 Begleitheizungen für Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .259

Wärmebedarfsermittlung10.9.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .259Heizleistungen verschiedener Begleitheizsysteme10.9.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .260

Checkliste für Verrohrungen11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .264

11.1 Allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26411.2 Produkteigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26411.3 Anlagendetails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26411.4 Gefahrenpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26411.5 Sicherheitseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26411.6 Molchbare Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .264

Schrifttum12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265

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Auslaufzeiten aus Behältern8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211

8.1 Berechnung der Auslaufmenge bei konstanter Flüssigkeitshöhe . . . . . . . . . . . . . . . . . .2118.2 Berechnung der Entleerungszeit ohne Rohrleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2128.3 Auslaufzeiten für Behälter mit angeschlossener Rohrleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2138.4 Leerlaufzeit für Behälter mit angeschlossener Rohrleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2158.5 Niveauausgleich zwischen zwei Behältern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218

Mechanische Rohrleitungsplanung9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219

9.1 Wanddickenermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219Wanddicke s für Rohre9.1.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219Rohrbogenwanddicke9.1.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220Wanddicke von T-Stücken9.1.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220

9.2 Zulässige Stützweiten L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2219.3 Resultierende Normalspannung σNges im Rohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2229.4 Rohrleitungsausdehnung und Dehnglieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2269.5 Kompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229

Axial-Kompensator für geringe Drücke9.5.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .230Angularkompensator mit Gelenksystem9.5.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231

9.6 Flexibilität von Rohrleitungssystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232Thermospannung durch Temperaturerhöhung9.6.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232Festpunktbelastung durch Thermospannungen9.6.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .233Dehnglieder9.6.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234Spannungsanalyse9.6.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .236Zulässige Stutzenbelastungen9.6.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239Rohrleitungslager9.6.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241

9.7 Rohrbrückenbelastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .246

Wärmeverluste isolierter Rohrleitungen und 10 Abkühlung in Rohrleitungen sowie Auslegung von Begleitheizungen für Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .250

10.1 Berechnung der Wärmeverluste QVL pro m isoliertes Rohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25010.2 Berechnung der Wärmeverluste QVO pro m2 Isolieroberfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25010.3 Praktische Wärmeverlustberechnung für QVL pro m Rohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25110.4 Berechnung der Oberflächentemperatur tO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25110.5 Auslegungstabelle für wärmeisolierte Rohre in Innenräumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25310.6 Abkühlung in durchströmten Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .255

2762_book.indb 10 11.05.2011 16:31:13 Uhr

1.7 Kavitationsgefahr durch Absenken des statischen Drucks 41

Beispiel 1.7.1: Berechnung des statischen Druckabfalls bei höherer Strömungs­geschwindigkeit

Es wird die Absenkung des statischen Drucks beim Eintritt in eine Pumpe durch die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit von 1 m/s auf 8 m/s, z. B. beim Eintritt in die Pumpe berechnet:

w1 = 1 m/s w2 = 8 m/s ρ = 800 kg/m3 Pges = 1 bar

Berechnung des statischen Druckabfalls

ΔPstat = — = 25 200 Pa

ΔPstat = — = 3,21 m FS

Berechnung des statischen Drucks Pstat1 bei 1 m/s Strömungsgeschwindigkeit

Pstat1 = Pges – — = 1 · 105 – — = 99 600 Pa

Berechnung des statischen Drucks Pstat2 bei 8 m/s Strömungsgeschwindigkeit

Pstat2 = Pstat1 – ΔPstat = 99 600 – 25 200 = 74 400 Pa

Pstat2 = Pges – — = 1 · 105 – — = 74 400 Pa

Kontrolle:

ΔPstat = Pstat1 – Pstat2 = 99 600 – 74 400 = 25 200 Pa

Durch den Abfall des statischen Duckes auf den Dampfdruck der Flüssigkeit in der Pum-pe kommt es zur Kavitation in der Pumpe. Dadurch wird die Pumpenfunktion beein-trächtigt und die Pumpe zerstört.

Durch eine Zulaufhöhe vor der Pumpe, den sogenannten NPSH-Wert der Pumpe, wird die Verdampfung in der Pumpe unterbunden, weil der statische Druck um die Zulauf-höhe angehoben wird.

Der erforderliche NPSH-Wert von Kreiselpumpen liegt im Bereich von 2,5 bis 3 m FS.

Die Auslegung von Kreiselpumpen wird in Kapitel 4 behandelt.

(82 – 12) · 8002

82 – 12

2 · 9,81

w12 · ρ2

12 · 8002

w22 · ρ2

82 · 8002

2762_book.indb 41 11.05.2011 16:31:20 Uhr

40 1 Druckverlustberechnungen in der Praxis

1.7 Kavitationsgefahr durch Absenken des statischen Drucks

Der Gesamtdruck in einer Rohrleitung setzt sich zusammen aus dem Höhendruck PH, dem statischen Druck Pstat und dem dynamischen Druck Pdyn.

Es gilt die Bernoulli-Gleichung

Pges = PH + Pstat + Pdyn = h · g · ρ + Pstat + — [Pa]

h = Flüssigkeitshöhe (m FS) g = Erdbeschleunigung = 9,81 m/s2

w = Strömungsgeschwindigkeit [m/s] ρ = Flüssigkeitsdichte [kg/m3]

Absenkung des statischen Drucks bei höheren Strömungsgeschwindig-1.7.1 keiten

Da der Gesamtdruck konstant bleibt, nimmt der statische Druck in der Rohrleitung mit zu-nehmender Strömungsgeschwindigkeit ab, weil der dynamische Druck mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit größer wird.

Für zwei Punkte in der Rohrleitung mit unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit gilt fol-gende Beziehung:

P1 + h1 · ρ · g + — = P2 + h2 · ρ · g + —

P1 + P2: Statischer Druck [Pa] h1 + h2: Flüssigkeitshöhe [m] w1 + w2: Strömungsgeschwindigkeit [m/s] ρ1 + ρ2: Flüssigkeitsdichte [kg/m3]

Für eine horizontale Rohrleitung mit h1 = h2 vereinfacht sich die Formel:

P1 + — = P2 + —

Daraus ergibt sich für den Abfall des statischen Drucks ΔPstat bei höherer Strömungsge-schwindigkeit:

ΔPstat = P1 – P2 = (w22 – w1

2) · — [Pa]

Der statische Druck bei höherer Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich wie folgt:

P2stat = P1stat – ΔPstat [Pa]

w2 · ρ2

w12 · ρ2

w22 · ρ2

w12 · ρ2

w22 · ρ2

ρ2

Bild 1.7.1:

Durch die Absenkung des statischen Drucks auf den Dampfdruck der Flüssigkeit kommt es zur Ver-dampfung und Kavitation. Besonders gefährdet sind Blenden, Verengungen, Regelventile, Pum-peneinläufe mit großen Geschwindigkeitsände-rungen (w2 >> w1, Bild 1.7.1)

2762_book.indb 40 11.05.2011 16:31:20 Uhr

1.7 Kavitationsgefahr durch Absenken des statischen Drucks 43

Beispiel 1.7.3: Auslegung von 3 Drosselblenden in Serie zur Vermeidung von Kavitation

Rohrleitungsdurchmesser D = 102 mmw1 = 2 m/sBlendendurchmesser d0 = 40 mmV = 58,5m3/hPges = 3,0 bar ΔPVerl = 2 bar PD = 0,2 barρ = 997 kg/m3

m = ——

————

2

= ——

————

2

= 0,153

w2 = — = — = 13,1 m/s

wzul = 0,7 · — = 8,87 m/s

w2 = 13,1 m/s > wzul = 8,87 m/s → Kavitation in der Blende!

d0

D40

102102

w1

m2

0,153

2 · (3 – 2 – 0,2) · 105

997

Kontrolle

Pstat = Pein – ΔPV – PV – PV dyn = 2 – 0,5 – — = 0,63 bar > PD = 0,2 bar

Der statische Druck Pstat in der Engstelle ist größer als der Dampfdruck PD. Keine Kavi-tation!

Ohne Sicherheitsfaktor 0,7 mit wzul = 18 m/s:

Pstat = 2 – 0,5 – — = 0,2 bar = PD = 0,2 bar

12,62 · 8002 · 105

182 · 8002 · 105

Mithilfe der zulässigen Strömungsgeschwindigkeit in der Verengung kann kontrolliert werden, ob Kavitationsgefahr besteht.

2762_book.indb 43 11.05.2011 16:31:21 Uhr

42 1 Druckverlustberechnungen in der Praxis

Zulässige Strömungsgeschwindigkeit zur Vermeidung von Kavitation1.7.2

Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten sinkt der statische Druck in der Rohrleitung, weil der dynamische Druck mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit ansteigt. Wenn der sta-tische Druck absinkt auf den Dampfdruck der Flüssigkeit, kommt es zur Verdampfung und Kavitation. Das passiert in Verengungen, z. B. in Blenden, Regelventilen oder im Pumpen-einlauf.

In horizontalen Rohrleitungen kann man die zulässige maximale Strömungsgeschwindigkeit zur Vermeidung von Kavitation berechnen:

wzul = 0,7 · — [m/s]

Pstat = Statischer Druck in der Verengung [Pa]PD = Dampfdruck der Flüssigkeit [Pa]ρ = Dichte der Flüssigkeit [kg/m3]

Der Faktor 0,7 ist ein Sicherheitsfaktor, um eine zu enge Annäherung an den Dampfdruck der Flüssigkeit zu vermeiden.

Ermittlung des statischen Drucks in der Verengung

Pstat = Pein – ΔPV [Pa]

Pein = Statischer Eintrittsdruck vor der Verengung [Pa]ΔPV = Druckverlust in der Verengung [Pa]

Pdyn = Dynamischer Druck [Pa] Pdyn = — · ρ

w = Strömungsgeschwindigkeit in der Verengung [m/s]

2 · (Pstat – PD)ρ

w2

2

Beispiel 1.7.2: Berechnung der zulässigen Strömungsgeschwindigkeit

Pein = 2 bar = 2 · 105 Pa ΔPV = 0,5 bar = 0,5 · 10V = 0,5 bar = 0,5 · 10V5 Pa ρ = 800 kg/m3

w = 5 m/s PD = 0,2 bar = 0,2 · 105 Pa

Pstat = 2 – 0,5 = 1,5 bar = 1,5 · 105 Pa

wzul = 0,7 · — = 12,6 m/s Ohne Faktor 0,7: wzul = 18 m/s

Die Strömungsgeschwindigkeit darf maximal 12,6 m/s betragen, wenn eine Verdamp-fung mit Sicherheit vermieden werden soll.

2 · (1,5 – 0,2) · 105

800

2762_book.indb 42 11.05.2011 16:31:20 Uhr

1.8 Berechnung der Rohrleitungskapazität für ein vorgegebenes ΔP und einen Rohrleitungswiderstandsfaktor Kges 45

1.8 Berechnung der Rohrleitungskapazität für ein vorgegebenes ΔP und einen Rohrleitungswiderstandsfaktor Kges

Es wird berechnet, welche Flüssigkeits- bzw. Gasmenge durch eine Armatur oder eine Rohr-leitung mit dem Widerstandsbeiwert K bei einem vorgegebenen Druckgefälle ΔP strömen kann.

Es wird die Durchsatzleistung bzw. Rohrleitungskapazität einer Rohrleitung ermittelt.

Inkompressible Medien (Flüssigkeiten)1.8.1

G = 3996,6 · d2 · — [kg/h]

ΔP = K · — [Pa]

w = — · — [m /s ]

V = w · A · 3600 [m3/h]

G = Flüssigkeitsdurchsatz [kg/h]d = Durchmesser [m]ΔP = Druckverlust [Pa]ρ = Dichte [kg/m3]K = WiderstandsbeiwertV = Volumendurchfluss

3996,6 = 2 · 3600 · —

ΔP · ρK

w2 · ρ2

ΔPK

2ρ

π4

Beispiel 1.8.1.1: Kontrollrechnung für die Druckverlustberechnung in Beispiel 1.1.1

V = 100 m3/h d = 0,15 m L =300 m KFormst = 38,3 f = 0,022 ρ = 800 kg/m3 ΔP = 0,812 bar

K = KFormst + — = 38.3 + — = 82,3

G = 3996,6 · 0,15 2 · — = 79 890,7 kg/h

V = — = 99,9 m3/h

f · Ld

0,022 · 3000,15

0,812 · 105 · 80082,3

79.890,7800

2762_book.indb 45 11.05.2011 16:31:21 Uhr

44 1 Druckverlustberechnungen in der Praxis

Neuer Ansatz: 3 Blenden mit d0 = 50 mm und je ΔPVerl = 0,666 bar

m = 0,2403 α = 0,6236 K = 33,8 f = 1,12188

1. Blende

w2 = 8,32 m/sPges = 3,0 – 0,67 = 2,33 bar

wzul = 0,7 · — = 14,47 m/s

w2 = 8,32 m/s < wzul = 14,47 m/s → Keine Kavitation in Blende 1

2. Blende

w2 = 8,32 m/sPges = 2,33 – 0,67 = 1,66 bar

wzul = 0,7 · — = 12 m/s

w2 = 8,32 m/s < wzul = 12 m/s → Keine Kavitation in Blende 2

3. Blende

w2 = 8,32 m/sPges = 1,66 – 0,66 = 1 bar

wzul = 0,7 · — = 8,7 m/s

w2 = 8,32 m/s < wzul = 8,7 m/s → Keine Kavitation in Blende 3

Gesamtdruckverlust in 3 Blenden

ΔPBlende = 3 · 33,8 · — = 2 bar

Durchsatzkontrolle

V = ——

————

2

· — = 58,5 m3/h

2 · (2,33 – 0,2) · 105

997

2 · (1,66 – 0,2) · 105

997

2 · (1 – 0,2) · 105

997

22 · 9972 · 105

0,0501,12188

0,6666 · 105

997

2762_book.indb 44 11.05.2011 16:31:21 Uhr

RohRleitungs-Fibelfür die tägliche Praxis

Roh

Rlei

tun

gs-

Fibe

l fü

r die

tägl

iche

Pra

xis

M. nitsche

Dr. Manfred nitsche

M. n

itsc

he

Dieses Buch ist geschrieben für den Rohrleitungspraktiker.

Zahlreiche Beispiele aus der täglichen Arbeitspraxis helfen Ingenieuren und Technikern bei der Lösung ihrer betrieblichen Aufgabenstellungen. Alltägliche Rohrleitungsprobleme vom Druckverlust bis zur Kavitation in Pumpen, Blenden oder Regelventilen werden detailliert beschrieben, wobei auf langschweifige, akademische Ausführungen verzichtet wird.

Über die Darstellung von Beispielen hinaus werden konkrete Lösungsansätze aufgezeigt und insbesondere auf relevante, zu beachtende Einflussgrößen hingewiesen.

Der beispielhafte Charakter des Buches veranschaulicht, dass die praktische Wissens­vermittlung anhand konkreter Problematiken aus der Arbeitspraxis effektiver ist als viele Seiten rein theoretischer Ausführungen.

Die Rohrleitungsfibel basiert im Wesentlichen auf den beruflichen Erfahrungen des Autors sowie aus den Erkenntnissen zahlreicher Diskussionen in den Seminaren über die Rohr­leitungsplanung, die der Autor im Haus der Technik gehalten hat.

Strukturviskose Nicht-Newtonsche FlüssigkeitenWärmeverluste Armaturen

BegleitheizungFlüssigkeitsverteiler

Druckverlustberechnungen für Flüssigkeiten + Gase

Kondensatleitungen

Regelventile

Auslaufzeiten

Festigkeitsberechnungen + Flexibilität

Auslegung von Lochblenden für Flüssigkeiten + Gase

Syphonberechnungen

Vulkan-Verlag gmbHwww.vulkan-verlag.de

46 1 Druckverlustberechnungen in der Praxis

Kompressible Medien (Gase)1.8.2

G = 2826 · d2 · — · — [kg/h]

G = Durchflussmenge [kg/h]d = Durchmesser [m]P1 = Eintrittsdruck [Pa]P2 = Austrittsdruck [Pa]K = Widerstandsbeiwert der Armatur oder Rohrleitung

Beispiel 1.8.2:

d = 52,5 mm ρ1 = 8,65 kg/m3 (Druckluft bei 8 bar und 50 °C)

Wie groß ist der Gasdurchsatz bei ΔP = 4 bar durch eine Armatur mit dem Widerstands-faktor K = 4,1?

P1 = 8 bar P2 = 4 bar ΔP = 4 bar

G = 2.826 · 0,0525 2 · — · — · 105 = 7.576 kg/h8,56

4,1 + 2 · ln —84

8 2 – 4 2

8

Beispiel 1.8.3: Kontrollrechnung für die Druckverlustberechnung in Beispiel 1.4.1

V = 1396,7 m3/h d = 0,1572 m K = 51,19 ρ = 2,4 kg/m3

P1 = 3 bar ΔP = 0,256 bar P2 = 3 – 0,256 = 2,744 bar

G = 2826 · 0,1572 2 · — · — · 105 = 3342 kg/h

V = — = — = 1392,5 m3/h

2,4

51,19 + 2 · ln —32,744

3 2 – 2,744 2

3

Gρ

33422,4

ρ1

K + 2 · ln—P1

P2

P12 – P2

2

P1

2762_book.indb 46 11.05.2011 16:31:21 Uhr