Download - Elemente zur Führung von Fluiden
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Roloff / MatekMaschinenelemente
Kapitel 18Rohrleitungen
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Bereits vor mehr als 7000 Jahren wurde in China Wasser
über weite Strecken durch Bambusrohre geleitet
Elemente zur Führung von FluidenHistorische Rohrleitungen
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Die Römer bauten vor rund 2000 Jahren Aqädukte
um ihre Städte und Siedlungen mit Wasser zu versorgen.
Elemente zur Führung von FluidenHistorische Rohrleitungen
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Elemente zur Führung von FluidenHistorische Rohrleitungen
Druckleitung nach dem Prinzip der
„kommunizierenden Röhren“.
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„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.“
www.wire.de
Elemente zur Führung von FluidenRelevanz heutiger Rohrleitungen
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Einsatz und Funktion Bauformen Gestaltungsgrundlagen Berechnungsgrundlagen
• Berechnung Druckverlust• Berechnung der Wanddicke gegen Innendruck
Elemente zur Führung von FluidenÜbersicht
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Rohrleitungen werden hauptsächlich eingesetzt
zum Transport von Fluiden
aber auch zum
• Verteilen• Mischen• Kühlen• Steuern
…und als
Konstruktionselement!
Elemente zur Führung von FluidenEinsatz und Funktion
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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 FluidenEinsatz und Funktion
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Pneumatikleitungen für einzelne Ventile
an einer Drillmaschine zum Eindüsen des Saatguts
Elemente zur Führung von FluidenEinsatz und Funktion
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GFK-Abwasserleitung DN 1000 für Kläranlage in Göttingen
Elemente zur Führung von FluidenEinsatz und Funktion
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Nabucco Gas-Pipeline Projekt, Leitungslänge ca. 3600 Km
Elemente zur Führung von FluidenEinsatz und Funktion
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Privatbrauerei Stauder in Essen, Premium-Pils in Bierleitungen
Elemente zur Führung von FluidenEinsatz und Funktion
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Kawasaki 350 S 2 (Bj. 1972).
Dreizylinder-2-Takter mit Auspuffrohr 2 x rechts und 1x links
Elemente zur Führung von FluidenEinsatz und Funktion
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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 FluidenBauformen, Formstücke
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T-Stück (DIN EN 10253-2)
- Verteilung oder Zusammenführung der Ströme - Nennweitensprung möglich
Elemente zur Führung von FluidenBauformen, Formstücke
T-Stück mit eingeschweißtem
Stutzen
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Rohrbogen (DIN 10253-2)
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 FluidenBauformen, Formstücke
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Reduzierstück (DIN EN 10253-2)
Reduzierung oder Aufweitung der Nennweite konzentrische und exzentrische Bauform
Elemente zur Führung von FluidenBauformen, Formstücke
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Kappe (als Klöpperboden) DIN EN 10253-2
Verschlussklappe für Rohrleitungsabschluß
Elemente zur Führung von FluidenBauformen, Formstücke
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Vorschweißflansch (DIN EN 1092-1)
DN 10 bis DN 2000
Elemente zur Führung von FluidenBauformen, Formstücke
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Rohrmuffe DIN EN 10241
Whitworth-Rohrgewinde nach DIN 2999
Rohrmuffen-Sortiment
Elemente zur Führung von FluidenBauformen, Formstücke
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SonderformenHosenstück
Elemente zur Führung von FluidenBauformen, Formstücke
Kreuzstück
Krümmer T-Stück E-Bogen T-Stück Grad T-Stück
Übergangsstück
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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 FluidenBauformen, Armaturen
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Schieber
Öffnen oder Schließen des gesamten Durchflussquerschnitts
nicht zum exakten Regeln der durchströmenden Flüssigkeitsmenge geeignet
Bild: Rundschieber
Elemente zur Führung von FluidenBauformen, Armaturen
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Ventil
Gute Regelfähigkeit Hoher Preis
Regelventil
Thermostatventil
Blitzventil
Elemente zur Führung von FluidenBauformen, Armaturen
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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 FluidenBauformen, Armaturen
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Klappe
Gute Drosseleigenschaft Relativ großer Strömungswiderstand
Absperrklappe
Elemente zur Führung von FluidenBauformen, Armaturen
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Richtlinien zur Auswahl der Armaturen
Elemente zur Führung von FluidenBauformen, Armaturen
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Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Normung
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Die Richtlinie 97/23/EG legt die Anforderungenfür das Inverkehrbringen von Druckgeräteninnerhalb des Europäischen Wirtschaftsraumes(EWR) fest.
Sie ist in Deutschland in nationales Rechtumgesetzt worden alsGeräte- und Produktsicherheitsgesetz(Druckgeräteverordnung).
Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Druckgeräte
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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 FluidenGestaltungsgrundlagen, Druckgeräte
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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 FluidenGestaltungsgrundlagen, Druckgeräte
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Zur Erfüllung der Mindestanforderungen kann der Hersteller
eine harmonisierte Norm (z. B. Normenreihe EN 13480 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 FluidenGestaltungsgrundlagen, Druckgeräte
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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 FluidenGestaltungsgrundlagen, AD 2000-Regelwerk
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Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, AD 2000-Regelwerk
Über 100 Merkblätter
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Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, AD 2000-Regelwerk
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Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, AD 2000-Regelwerk
Auszug aus B1 Anl. 1
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Rohrleitungs-Klassen nach DIN EN 13480-1
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 FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrleitungsklassen
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Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrleitungsklassen
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Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrleitungsklassen
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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 FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrleitungsklassen
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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 FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrklassen
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Verbindung von Rohrleitungselementen
unlösbar• Schweißen• Löten• Kleben
lösbar• Flansche• Rohrverschraubung• Muffen• Kupplungen
Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrleitungsverbindungen
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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 FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrleitungswerkstoffe
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Rohrleitungswerkstoffe
Präzisionsstahlrohre
• hohe Maßgenauigkeit• gut kalt verformbar (biegen und bördeln)• einfache und sichere Montage durch Rohrverschraubung• Hydraulikleitungen im Maschinenbau, Bremsleitungen
Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrleitungswerkstoffe
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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 FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrleitungswerkstoffe
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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 FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrleitungswerkstoffe
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Rohrleitungswerkstoffe
Bleirohre
• beständig gegen Säuren und Salzlösungen• gut lötbar• leicht umformbar• Chemische Industie, nicht für Trinkwasserleitungen
Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrleitungswerkstoffe
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Rohrleitungswerkstoffe
Kupferrohre
• hohe Korrosionsbeständigkeit• gut weich- und hartlötbar• Trinkwasser, Warmwasser, Heizungsrohre, Kältemittelleitungen
Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrleitungswerkstoffe
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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 FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrleitungswerkstoffe
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Rohrleitungswerkstoffe
Kunststoffrohre
• leicht• korrosionssicher• witterungsfest• Chemie, Abwasserrohre, Fußbodenheizungen
Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrleitungswerkstoffe
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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 FluidenGestaltungsgrundlagen, Dehnungsausgleicher
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Lyra-Bogen
Federhänger
Wellrohrkompensator
Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Dehnungsausgleicher
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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 FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrhalterungen
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Rohrbefestigung mit Schelle
Gleitlager mit YZ-Stop
Elemente zur Führung von FluidenGestaltungsgrundlagen, Rohrhalterungen
![Page 55: Elemente zur Führung von Fluiden](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062309/56813dd2550346895da79d21/html5/thumbnails/55.jpg)
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 FluidenGestaltungsgrundlagen, Gestaltungsgrundsätze
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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 FluidenGestaltungsgrundlagen, Gestaltungsgrundsätze
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Druckverlust für beliebig verlaufende kreisförmige Rohrleitungen mit Einbauten nach RM FS 18.7:
p = (* v² / 2 * * l / di ) + (* v² / 2 * h g Luft)] p = p1 + p2 + p3
1.
Druckverlust bei geraden kreisförmigen Rohrleitungen ohne Einbauten nach RM FS 18.8:
p1 = * v² / 2 * * l / di
Elemente zur Führung von FluidenBerechnungsgrundlagen, Druckverlust
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Laminare und turbulente Strömung
Laminare Strömung: Das Fluid strömt in Schichten, die sich nicht vermischen.
Elemente zur Führung von FluidenBerechnungsgrundlagen, Druckverlust
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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 FluidenBerechnungsgrundlagen, Druckverlust
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Reynolds-Zahl (Formelzeichen: Re)
Die Strömungsform (laminar, turbulent) kann rechnerisch mit der Reynolds-Zahl ermittelt werden. Der Übergang erfolgt bei Rekrit = 2320
Die Reynolds-Zahl hängt von der Strömungsgeschwindigkeit v, der Dichte sowie der Viskosität des Fluids und dem Rohr-Innendurchmesser di ab.
Re = v * di / RM FS 18.5]
Elemente zur Führung von FluidenBerechnungsgrundlagen, Druckverlust
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Elemente zur Führung von FluidenBerechnungsgrundlagen, Druckverlust
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Druckverlust für beliebig verlaufende kreisförmige Rohrleitungen mit Einbauten nach RM FS 18.7:
p = (* v² / 2 * * l / di ) + (* v² / 2 * h g Luft)] p = p1 + p2 + p3
2.
Druckverlust durch Einbauten nach RM FS 18.9:
p2 = * v² / 2 *
-Werte siehe RM TB 18-7
Elemente zur Führung von FluidenBerechnungsgrundlagen, Druckverlust
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Druckverlust für beliebig verlaufende kreisförmige Rohrleitungen mit Einbauten nach RM FS 18.7:
p = (* v² / 2 * * l / di ) + (* v² / 2 * h g Luft)] p = p1 + p2 + p3
3.
Druckverlust durch Höhenunterschied:
p3 = h g Luft)]
Elemente zur Führung von FluidenBerechnungsgrundlagen, Druckverlust
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Aufgabe 1, Dimensionierung, Druckverlustberechnung
Elemente zur Führung von FluidenBerechnung
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Aufgabe 1
a) Auswahl einer geeigneten Rohrart [RM TB 18-1]
gewählt:
Stahlrohre für Wasserleitungen
DIN EN 10216-1 aus P235TR1
(unlegierter Qualitätsstahl, Baustahl, schweißbar),
nahtlos
Elemente zur Führung von FluidenBerechnung
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Aufgabe 1
b) Ermittlung des erforderlichen Rohrinnendurchmessers di erf
[RM FS 18.3]
Gewählt: vw= 1,5 m/s [RM TB 18-5]
gegeben: V. = 50m³/2h = 25m³/h = 0,0069m³/s
di erf= Wurzel [V. * 4 / (v * pi)]
di erf= 76,5 mm
Elemente zur Führung von FluidenBerechnung
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Aufgabe 1
c) Ermittlung des Nenn-Innendurchmessers DN, Festlegung Außendurchmesser da und Vorzugswanddicke s
gewählt: DN 80 mit da = 88,9 mm [nach DIN 2402]
gewählt: s = 3,2 mm (Normalwanddicke nach DIN EN 10220)
Der tatsächliche Innendurchmesser di ergibt sich aus:
di = da – (2 * s) = 88,9 mm – (2 * 3,2 mm) = 82,5 mm
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Aufgabe 1
d) Ermittlung der tatsächlichen Strömungsgeschwindigkeit v [RM FS 18.1] und Prüfung auf Wirtschaftlichkeit
di = 82,5 mm
V. = 0,0069m³/s
v = V. * 4 / (di² * 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!
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Aufgabe 1
e) Berechnung der Reynoldszahl Re nach RM FS18.5
Kinematische Viskosität von Wasser
bei 10°C = 1,307 * 10-6 m²/s [RM TB 18-9a]
Re = v * di /
Re = 1,29 m/s * 0,0825 m / 1,307 * 10-6 m²/s
Re = 81427
Re > Rekrit (es liegt turbulente Strömung vor)
Elemente zur Führung von FluidenBerechnung
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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
di / k = 27,5 oberhalb der Grenzkurve (hydraulisch rau)
= 1 / [2 * lg(di / k) + 1,14]²
0,062
Elemente zur Führung von FluidenBerechnung
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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 / di )+ h g Luft)]
p = 95104 Pa = 0,95 bar
Elemente zur Führung von FluidenBerechnung
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Aufgabe 1
h) Mindestpumpenleistung
Wirkungsgrad an der Welle = 0,85
Pel = (p * V.) /
Pel = (95104 Pa * 0,0069m³/s) / 0,85
Pel = 0,77 kW
Elemente zur Führung von FluidenBerechnung
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Aufgabe 2, Mindestwanddickenberechnung
Elemente zur Führung von FluidenBerechnung
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Aufgabe 2 – Mindestwanddickenberechnung
tmin = tv + c1 + c2 [RM FS 18.18]
Für tv:
da / di = 88,9 mm / 82,5 mm = 1,08 < 1,7 [RM FS 18.20]
tv = pe * da / (2 * zul * N + pe)
zul = min 150 N/mm² [RM FS 18.21 unter Hinweis]
N = 1 (Schweißnahtfaktor bei 100%-Prüfung)
tv = 0,095 N/mm² * 88,9 mm / (2 * 150 N/mm² * 1 + 0,095 N/mm2)
tv = 0,02 mm
Elemente zur Führung von FluidenBerechnung
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Aufgabe 2 – Mindestwanddickenberechnung
Für c1 :
c1 = 0,4 mm
(Werte gleich bei RM FS 18.18 und RM FS 18.19)
Für c2 :
c2 = 1 mm (Korrosionszuschlag für ferritischen Stahl)
tmin = tv + c1 + c2 = 0,02 mm + 0,4 mm + 1 mm = 1,42 mm
t / tmin = 3,2 mm / 1,42 mm = 2,25-fache Sicherheit. Ok !
Elemente zur Führung von FluidenBerechnung
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Roloff / MatekMaschinenelemente
Kapitel 18Rohrleitungen
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