DE2653192A1

DE2653192A1 - Waermeausdehnungskompensator mit einem elastischen gestaenge

Info

Publication number: DE2653192A1
Application number: DE19762653192
Authority: DE
Inventors: Laszlo Tolnai
Original assignee: Eroemue Es Halozattervezoe
Current assignee: Eroemue Es Halozattervezoe
Priority date: 1976-06-29
Filing date: 1976-11-23
Publication date: 1978-01-05
Also published as: HU173990B; GB1541294A

Description

-Z-HOFFMANN · EITLE & PARTNER

PATENTANWÄLTE DR.ING. E. HOFFMAN N · DIPL.-ING. W. EITLE - DR. RER. NAT. K. HOFFMAN N ■ DIPL.-1NG. W. LEH N D-8000 MÖNCHEN 81 - ARAB ELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-2961? (PATHE)

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ERÖMÖ-ES HALOZATTERVEVÖ VALLALAT Budapest / Ungarn

Wärmeausdehnungskompensator mit einem elastischen Gestänge

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeausdehnungskompensator, der einen Kompensator und ein in Axialrichtung angeordnetes Gestänge enthält. Die Erfindung betrifft insbesondere einen mit einem elastischen Gestänge versehenen Wärmeausdehnungskompensator, der zur Aufnahme der aus der Temperaturänderung sich ergebenden Verschiebungen bei Rohrleitungssystemen, Rohrleitungsanlagen und Gefäßen dient.

Die Förderung in Rohrleitungen, so z.B. Wasser-, Dampf-, Gasförderung, ist weit verbreitet, wobei diese Förderung in Rohrleitungen infolge der Wärmeausdehnung recht viele Probleme mit

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sich bringt. Unter einer Rohrleitung wird - unabhängig von dem jeweiligen Querschnittsprofil - ein aus Stahlrohren bestehendes System verstanden.

Aus der Grundbeziehung für die eindimensionalen Wärmedilatation

A.1 = (XA t . 1_O

/\ 1 = die Längsverformung (mm),

OC = den linearen Ausdehnungsbeiwert

(1/Grad),

/\ t = Temperaturänderung (Grad), 1 = die ursprüngliche Länge (mm)

bezeichnen, geht eindeutig hervor, daß außer dem Ausdehnungsbeiwert, der einen Materialkennwert darstellt, der zahlenmässige Wert der Längsverformung durch die Temperaturdifferenz und die Maße in Längsrichtung bestimmt wird. Bei Rohrleitungen sind die Maße in Längsrichtung immer von äußerster Bedeutung, wobei in der Mehrheit der Fälle die Temperaturdifferenzen keineswegs außer acht gelassen werden können.

Aus den obenerwähnten Gründen hat sich die Anwendung von Wärmeausdehnungskompensatoren, sogenannten Rohrkompensatoren, (wie z.B. Lyrabogen, Kompensator mit einer Stopfbüchse, Metallschlauchkompensator, Blattfederkompensator, Linsenkompensator) in der technischen Praxis weitgehend verbreitet.

Die Abmessungen und Leistungen von Industrieanlagen haben sich in der letzten Zeit rasch vergrößert. So nahmen die Ab-

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messungen und Betrxebsparameter - Druck und Temperatur der die Anlagen bedienenden Rohrleitungen zwangsläufig ebenfalls zu. Die erwähnten größeren Dimensionen in Durchmesser und Wandstärke rufen zusammen mit den Schwankungen in der Umgebungstemperatur und/oder technologischen Temperaturschwankungen sowie zusammen mit dem Betriebsdruck immer schwierigere, aus der Wärmeausdehnung sich ergebende Festigkeitsprobleme bei der Ausführung der Rohrleitungen bzw. der zugehörigen sonstigen Anlagen hervor.

Durch die Zunahme des Durchmessers und der Wandstärke wird die Elastizität der Spurlinie herabgesetzt, wobei die aus der Wärmeausdehnung resultierenden Verschiebungen überall möglich sein müssen, da sonst in der Rohrleitung bzw. in den zugehörigen Anlagen schädlich hohe Spannungen entstehen.

Bisher wurde das Problem unter Zuhilfenahme zweier Methoden bzw. deren Kombination gelöst, und zwar:

1) durch die entsprechend elastische Gestaltung der Spurlinie gemäß dem Lyrabogenprinzip,

2) durch den Einbau eines Elementes, eines sogenannten Kompensators, in der Spurlinie, dessen Elastizität diejenige des Grundrohrs weit überschreitet.

Die Voraussetzung für die Anwendung der ersten Methode besteht darin, daß der zur Verfügung stehende Raum für die Verschiebungen genügend groß ist. Hier treten erhebliche technologische Hindernisse auf; so ist zu erwähnen, daß bei Rohrleitungen, in denen flüssige Medien, wie z.B. Heißwasser, Öl usw. befördert werden, die erforderliche Pumpenleistung bedeutend erhöht wird.

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Bei der anderen Methode werden zahlreiche, bereits erwähnte Kompensatorentypen angewendet, von denen wegen der weitverbreiteten Anwendung die sogenannten Linsenkompensatoren ausführlich beschrieben werden sollen; bei höheren Druckstufungen und bei der Förderung aggressiver gefährlicher Medien werden in erster Linie die erwähnten Typen angewendet; jedoch beziehen sich die gemachten Feststellungen auch auf die sonstigen Typen.

Der Vorteil der Linsenkompensatoren zeigt sich in dem geringen Raumbedarf und in den in einer Größenordnung günstigeren Elastizitätseigenschaften sowie in der sich daraus ergebenden, bedeutend niedrigeren Reaktionskraft.

Die Anwendung der Linsenkompensatoren hat sich daher bei Rohrleitungen von Wärmekraftwerken gut bewährt, da bei diesen Leitungen große Abmessungen, hohe Wärmedifferenzen und Hochdruck gleichzeitig vorhanden sind sowie der zur Verfügung stehende Raum infolge der hohen Baukosten ebenfalls ziemlich begrenzt ist. Wie es in den U.S.A. mit Rechenanlagen durchgeführte Prüfungen gezeigt hatten, konnte durch die Anwendung des Linsenkompensators in Wärmekraftwerken, verglichen mit herkömmlichen Lyrabogensystemen, eine erhebliche Einsparung, eben durch die gesenkten Baukosten, erreicht werden; der Einbau wird übrigens auch durch die vorhandenen technischen Vorteile motiviert.

Drei Haupttypen der Linsenkompensatoren sind bekannt, und zwar:

1) axial

2) verzapft und

3) mit einem Gestänge versehen.

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Die erwähnten Typen sind in den Katalogen der bekannten Herstellungsbetriebe (wie z.B. Franz Wagner und Co, Industriewerke, Karlsruhe, Thermosel usw.) beschrieben; bei dem axialen Typ wird die grundsätzliche Beschaffenheit des sich deformierenden Elements des Linsenkompensators ausgenützt, wobei diese Lösung die einfachste Anwendung des Funktiontsprinzips darstellt. Der Nachteil besteht darin, daß die entstehenden Reaktionskräfte proportional dem Betriebsdruck und dem Quadrat des Leitungsdurchmessers sind. So entstehen z. B. in einer Leitung mit einem Nenndurchmesser von 400 mm und mit einem Betriebsdruck von 6 at bei dem eingebauten Linsenkompensator Reaktionskräfte in der Höhe von etwa 10000 kp; das bedeutet, daß bei höheren Druckpegeln (20-60 at), die in der industriellen Praxis recht oft vorkommen und die durch die Fertigungstechnologie der Linsenkompensatoren ermöglicht werden, Reaktionskräfte in einer Höhe auftreten können, die den axialen Typ aus den in Frage kommenden Lösungen bei dem als Beispiel zitierten Nenndurchmesser ausschließen; mit der Zunahme der Leitungsdurchmesser nimmt auch die Reaktionskraft rapid zu.

Der verzapfte Kompensator kann durch den hohen Momentanbedarf charakterisiert werden, wobei verhältnismäßig lange Arme erforderlich sind und die Gestaltung der Spurlinien einen recht hohen Raumbedarf mit sich bringt. Es ist jedoch festzustellen, daß der Raumbedarf, verglichen mit kompensatorlosen, d.h. mit den Lyralösungen, wesentlich geringer ist; die entstehenden Reaktionskräfte sind sehr hoch.

Mit dem Gestängetyp kann das Problem ausschließlich innerhalb der Spannweite des Gestänges gelöst werden. Auch hier muß man mit dem Problem des Raumbedarfs und der Reaktionskräfte rech-

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nen. Außerhalb der Spannweite des Gestänges treten ähnliche Erscheinungen wie bei dem verzapften Typ auf.

Eine axiale Verschiebung wird weder durch die Lösung mit Zapfen noch durch die Gestängelösung ermöglicht, wobei die erwähnten Lösungen ausschließlich bei Rohrleitungen mit einer Ausgleichsschlinge anwendbar sind.

Ausgehend hiervon kann die Verbindung zweier Anlagen durch eine einzige gerade Rohrstrecke infolge der auftretenden bedeutenden Wärmeausdehnungen nur auf recht komplizierte Weise realisiert werden. Die hohen Reaktionskräfte erfordern bei Linsenkompensatoren mit Zapfen- und Gestängesystemen den Aufbau einer Rahmenkonstruktion, welche zur Aufnahme der erwähnten Reaktionskräfte dient, gleichzeitig aber schließen die Rahmenkonstruktionen die Möglichkeit einer axialen Verschiebung aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeausdehnungskompensator zu schaffen, mit dem die Nachteile der geschilderten Kompensatoren vermieden und die Vorteile der bekannten Lösungen vereinigt werden.

Die Aufgabe wird mit einem Wärme^ausdehnungskompensator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in dem Gestänge mindestens ein die axiale Verschiebung sicherstellendes elastisches Element eingebaut ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeausdehnungskompensator werden durch das Einsetzen eines elastischen Elements in das Gestänge die Vorteile der Rahmenkonstruktion und der axialen Verschiebung vereinigt. Bezüglich der Verschiebungen entspricht die

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Lösung der Reihenschaltung eines herkömmlichen axialen Kompensators und eines Kompensatortypes mit Gestänge, wobei nur ein Bruchteil der den Parametern des Systems entsprechenden Reaktionskraft erzeugt wird. Vom technischen Standpunkt her und verglichen mit den aus den bekannten Typen bestehenden Systemen ergibt die erfindungsgemäße Lösung eine viel höhere Leistung, da die einzelnen Funktionen auf einem viel höheren Niveau vereinigt sind.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Wärmeausdehnungskompensators ist einfach, die spezifischen Herstellungskosten sind gleich denen der bereits gefertigten Linsenkompensatoren.

Wird eine größere Investitionseinheit, z.B. ein Rohrleitungssystem, überprüft, so kann neben den technischen Vorteilen auch eine wesentliche Einsparung der Kosten erwartet werden. Einerseits unterschreiten die Einrichtungskosten diejenigen des herkömmlichen !Compensators, da infolge des erhöhten Wirkungsgrades weniger Einheiten einzubauen sind. Andererseits kömen auch bezüglich der zugeordneten Stahlkonstruktionen, der Rohrträger und sonstiger Einrichtungen, Einsparungen erzielt werden.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmeausdehnungskompensator mit elastischem Gestänge in schematischer Darstellung.

Der Wärmeausdehnungskompensator besteht aus einer zur Aufnah-

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me der aus der Wärmeausdehnung resultierenden Verschiebungen dienenden Linsenwelle 1, aus einer das optimale Kräftespiel der Konstruktion sicherstellenden Konsole 2, sowie aus einem mit einem elastischen Element 4 versehenen Gestänge 3. Das Gestänge 3 ist an der Konsole 2 mit einem Verbindungselement 5 befestigt. Die elastischen Elemente 4 können in Form von Tellerfedern, Spiralfedern oder hydraulischen Elementen vorgesehen sein.

Die für die Deformation der Kompensatorlinsen während des Betriebes erforderliche Kraft ist aus zwei Hauptkomponenten zusammengesetzt^ und zwar aus der infolge der Differenz zwischen dem Innendruck und Außendruck resultierenden Kraft, die eine den Druck charakterisierende Komponente darstellt, und aus der durch die Formänderungsarbeit der aus Stahlblech hergestellten Linsenwelle 1 hervorgerufenen Kraft.

Dieser Vorgang kann durch die folgene Beziehung ausgedrückt werden:

F = F + F,
re ρ d

dabri ist F = eine für einen bestimmten Betriebszustand

charakteristische Reaktionskraft,

F = das aus dem Druck resultierende Glied, das aus dem Innendruck und dem sogenannten Kolbendurchmesser errechnet werden kann,

F, = die zu der entsprechenden Formänderung der Linsen gehörende Kraft

Im Hinblick darauf, daß in der Mehrzahl der Fälle das sich aus

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-Jf-

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dem Druck ergebende Glied F den entscheidenden Anteil der Steifigkeit des Kompensatorsystems darstellt, scheint es zweckmäßig, diesen Anteil mit dem Gestänge 3 aufzunehmen und dadurch die Elastizität des Systems zu erhöhen. Die an das elastische Element 4 gestellten Forderungen können durch die Anwendung von Federn, hydraulischen Lösungen usw. befriedrigt werden.

Der von dem Gestänge 3 übernommene und der an die anderen Teile der Rohrleitung bzw. Anlage weitergeleitete Anteil der gesamten Reaktionskraft wird zweckmäßig durch eine Vorspannung des elastischen Elements 4 bzw. durch eine Einstellung während des Betriebs erreicht.

Dementsprechend gestaltet sich das Kräftespiel der Konstruktion wie folgt:

F = F + F, + F
re ρ d e

wobei außer den früher verwendeten Bezeichnungen

F = die sich aus der Vorspannung des elastischen Elements bzw. der elastischen Elemente 4 ergebende Kraft

bezeichnet.

In dem geschilderten Zusammenhang handelt es sich selbstverständlich um vektorielle Summierung.

Theoretisch können die Reaktionskräfte von 10-50 Mp durch die Vorspannung bzw. durch die während des Betriebs stattfindende

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«ftf

Änderung auf Null reduziert werden. In der Praxis wird der Grenzwert von 1-2 Mp nicht überschritten, wodurch bei den Anlagen sowie bei den Stahlkonstruktionen und Rohrträgern bedeutende technische und wirtschaftliche Vorteile erreicht werden.

Kurz umrissen umfaßt die Erfindung einen Wärmeausdehnungskompensator mit einem elastischen Gestänge, der zur Aufnahme der sich aus Temperaturänderungen ergebenden Verschiebungen bei Rohrleitungssystemen, Rohrleitungsanlagen und Gefäßen dient. Der Wärmeausdehnungskompensator enthält eine Linsenwelle für die Aufnahme der durch die Wärmeausdehnung hervorgerufenen Verschiebungen, wobei das optimale Kräftespiel der Konstruktion durch eine Konsole sichergestellt wird. An der Konsole ist ein mit einem elastischen Element versehenes Gestänge befestigt. Die elastischen Elemente können in Form von Tellerfedern, Spiralfedern oder hydraulischen Elementen vorhanden sein. Die auftretenden Reaktionskräfte sind, verglichen mit bekannten Typen, viel geringer; die sich aus Temperaturänderungen ergebenden axialen Verschiebungen werden auch bei keine Ausweichsschlingen aufweisenden Rohrleitungen kompensiert.

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Claims

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Patentansprüche :

M. Wärmeausdehnungskompensator, der einen Kompensator und ein in Axialrichtung angeordnetes Gestänge enthält, dadurch gekennzeichnet , daß in dem Gestänge mindestens ein die axiale Verschiebung sicherstellendes elastisches Element (4) eingebaut ist.
2. Wärmeausdehnungskompensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das elastische Element (4) in Form einer Spiralfeder vorgesehen ist.
3. Wärmeausdehnungskompensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das elastische Element (4) in Form einer Tellerfeder vorgesehen ist.
4. Wärmeausdehnungskompensator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß in dem Gestänge (3) ein vorgespanntes elastisches Element (4) eingebaut ist.
5. Wärmeausdehnungskompensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als elastisches Element (4) ein hydraulisches Element vorgesehen ist.
6. Wärmeausdehnungskompensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Kompensator ein elastisches Element (4) mit einer kontinuierlich veränderlichen Kraftwirkung enthält.

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