Rohrleitungen

Bei der Installation von Rohrleitungssystemen verwendet man die Begriffe Nennweite (DN) und Nenndruck (PN) einer Rohrleitung als kennzeichnende Merkmale, um zueinander passende Teile wie z. B. Flanschverbindungen zu definieren. Nennweite und Nenndruck sind jeweils nach dem geometrischen Stufensprung genormt.

Die Dimensionierung von Rohrleitungen, also die Festlegung der Nennweite und des Nenndrucks für Rohrleitungen und Armaturen, ist dabei immer ein Abwägen zwischen den technisch notwendigen Anforderungen, wie z. B. den Druckverlust oder den Wärmeverlust möglichst gering zu halten, und den hierfür notwendigen Investitions- und Betriebskosten. Dabei ergibt sich für jede Rohrleitung und jede Anlage ein unterschiedliches Gesamtkostenoptimum zwischen Investitions- und Betriebskosten. Durch den meist flachen Kurvenverlauf im Bereich des Minimums der Gesamtkosten liegen oft zwei Nennweiten im optimalen Bereich.

Für die Auslegung von Rohrleitungen sind folgende Schritte zu beachten:

• Nennweite festlegen
• Nenndruck festlegen
• Werkstoff auswählen
• Stützweiten festlegen
• Wärmeausdehnung beachten
• Besonderheiten des Mediums bei der Montage beachten
• Isolierung festlegen

Da für eine detaillierte Betrachtung jedoch viele anlagenspezifische, technische und kaufmännische Einzelparameter betrachtet werden müssen, werden Rohrleitungen meist nach wirtschaftlich sinnvollen und technisch notwendigen Erfahrungswerten als Richtwerte für die Strömungsgeschwindigkeit ausgelegt. Abhängig vom Medium und dem Einsatz haben sich die Richtwerte in vielen Anlagen als praxiskonform bewährt. Die folgende Tabelle kann für die Dimensionierung im Kesselhaus verwendet werden.

Medium	Anwendungsbereich	Richtgeschwindigkeit
Wasser	Vor- und Rücklaufleitungen im Kesselhaus	2 (1,5 – 3) m/s
Rauchgas		16,5 m/s
Öl	Leichtöl Saugseite Leichtöl Druckseite Schweröl Saugseite Schweröl Druckseite	0,5 m/s 1 m/s 0,3 m/s 0,5 m/s
Erdgas		Keine Vorgaben (Auslegung über Druckverlust)

Übliche Auslegungsgeschwindigkeiten (Richtgeschwindigkeiten) zur Rohrleitungsdimensionierung

Vor- und Rücklaufleitungen im Nah- und Fernwärmenetz werden normalerweise nicht nach Richtgeschwindigkeit, sondern nach Richtwerten für den Druckverlust pro 100 m dimensioniert. Übliche Druckverlustwerte liegen zwischen 100 und 300 Pa/100 m.

Festlegung der Nennweite DN

Die Nennweiten in der nachfolgenden Tabelle haben keine Einheit. Sie entsprechen nur annähernd dem Innendurchmesser der Rohrleitung in mm. Dies ist fertigungsbedingt, da die Werkzeuge für die Fertigung von Rohren über den Außendurchmesser festgelegt sind und daher der lichte Durchmesser je nach Wandstärke schwankt. Für die grobe Dimensionierung ist es meist ausreichend, den Nenndurchmesser als Berechnungsgröße für den Innendurchmesser heranzuziehen.

Nennweite DN	Außendurchmesser d1 [mm]			Nennweite DN	Außendurchmesser d1 [mm]			Nennweite DN	Außendurchmesser d1 [mm]
6	10,2			80	88,9			500	508,0
8	13,5			100	114,3			600	610,0
10	17,2			125	139,7			700	711,0
15	21,3			150	168,3			800	813,0
20	26,9			200	219,1			900	914,0
25	33,7			250	273,0			1 000	1 016,0
32	42,4			300	323,9			1 200	1 219,0
40	48,3			350	355,6			1 400	1 422,0
50	60,3			400	406,4			1 600	1 626,0
65	76,1			450	457,0

Rohrdurchmesser (EN 10255:2004+A1:2007, EN 1092-1:2013-04, Tabelle A.1)

Die erforderliche Nennweite kann dann wie folgt berechnet werden:

Zur Optimierung der nach einer zulässigen Richtgeschwindigkeit ausgelegten Nennweite kann es in Einzelfällen, z. B. bei besonders langen Rohrleitungen, sinnvoll sein, mit Hilfe von speziellen Auslegungsprogrammen, eine Nachberechnung und Optimierung der Leitungsnennweite durchzuführen.

Festlegung des Nenndrucks PN

Der Nenndruck ist eine genormte Druckstufe für Rohrleitungen und Armaturen. Er stellt eine Kenngröße für die mechanischen und maßlichen Eigenschaften eines Bauteils dar. Bauteile gleicher Nennweite und mit gleichem Nenndruck passen zueinander. Der Nenndruck entspricht dem maximal zulässigen Überdruck [bar] bei einer Bezugs­temperatur von 20 °C.

Der maximal zulässige Überdruck eines Bauteils hängt jedoch neben dem Werkstoff vor allem auch von der Temperatur ab. Bei höheren Temperaturen sinkt der maximal zulässige Betriebsüberdruck unter den Nenndruck ab. Rohrleitungen oder Armaturen dürfen dann nicht bei Nenndruck betrieben werden.

Die Druck-Temperatur-Zuordnung von Flanschen erfolgt nach den Werkstoffgruppen. Im Dampfkesselbereich sind folgende Werkstoffe und Gruppen üblich:

Werkstoffgruppen nach EN 1092-1:2013-04 Tabelle 9, G.2.2, G.3.2, Tabelle D.1

Das nachfolgende Diagramm gibt die Druck-Temperaturverläufe für unterschiedliche Nenn­druckstufen an. Bitte beachten Sie hierzu die Hinweise im Kapitel Tools – Druck-Temperatur-Zuordnung, in welchem sich die Tabellen zum Diagramm befinden.

Festlegung des Werkstoffs

Die folgende Tabelle gibt nur die Mindest­anforderung an die Werkstoff­auswahl wieder. Bei besonderen Aufstellungs­bedingungen, Kunden­anforderungen oder nationalen oder lokalen Vorschriften können auch abweichende Werkstoffe zum Einsatz kommen.

Einsatz­bereich	Rohr­leitungs­werkstoff
Vor- und Rücklauf­leitungen	Stahl mit Abnahme­prüfzeugnis
Sicherheits­ventilausblase­leitungen	Stahl
Entlüftungs- und Entwässerungs­leitungen	Stahl
Sitzent­wässerung (Sicherheits­ventile)	Kupfer oder Edelstahl
Enthärtetes Wasser	Kunststoff (kalt) oder Edelstahl (nach Erwärmung)

Mindestanforderung an die Werkstoffauswahl

Festlegung der Stützweiten

Durch eine ausreichende Anzahl und die korrekte Ausführung von Halterungen muss sichergestellt werden, dass sich Rohrleitungen durch die Gewichtskräfte (Eigengewicht, Inhalt, Armaturen und Isolierung) und andere Krafteinwirkungen (z. B. an Umlenkungen) nicht unzulässig verformen.

Anforderungen an Rohrhalterungen werden in der EN 13480-3 erläutert.

Rohrleitungen und Flansche für Wasser und Dampf

DN	ØA	PN 40 S	Max. Stützweite L11)
10	17,2	2,0	–
15	21,3	2,0	–
20	26,9	2,3	–
25	33,7	2,6	2,9
32	42,4	2,6	3,2
40	48,3	2,6	3,5
50	60,3	2,9	3,9
65	76,1	2,9	4,7
80	88,9	3,2	5,4
100	114,3	3,6	6,2
125	139,7	4,0	6,9
150	168,3	4,5	7,5
200	219,1	6,3	8,6
250	273	7,1	9,7
300	323,9	8,0	10,6
350	355,6	8,8	11,1
400	406,4	11,0	11,8
500	508	14,2	12,5
600	610	16,0	13,2

Stützweiten von Rohrleitungen (Abstand von Halterung zu Halterung)

1) Anforderungen an die Stützweite L1:

• Nach EN 13480-3:2014 – mit Wasser gefüllt, Dicke der Dämmung 80 mm
• Mit Ergänzungen durch Interpolation
• L1 Begrenzung der Durchbiegung, bis DN 50 = 3 mm Durchbiegung, ab DN 65 = 5 mm Durchbiegung
• Details siehe EN 13480-3

Wärmedehnung

Beim Erwärmen von Feststoffen dehnen sich diese aus und ziehen sich beim Abkühlen wieder zusammen.

Dieser Effekt muss an vielen Stellen einer Dampfkesselanlage berücksichtigt werden, insbesondere an Orten, an welchen hohe Temperaturen im Betrieb auftreten können.

Beispielhaft sind hier für die Planung und Installation folgende Punkte zu nennen:

• Planung und Montage geeigneter Rohrbefestigungen (Halter, Gleitpunkte, Festpunkte bzw. Fixpunkte) an den richtigen Stellen
• Kompensation der Ausdehnung in Rohrleitungen durch:
  • Dehnschenkel (L- oder Z-Schenkel)
  • U-Rohrbogen
  • Lyrabogen (Omega-Bogen)
  • Axial- oder Lateralkompensatoren
• Kompensation der Ausdehnung an Kesseln und Behältern durch
  • Gleitlager an Füßen und Grundrahmen

Kompensatoren und Dehnschenkel an zu- und abführenden Rohrleitungen Zur Berechnung der linearen Wärmedehnung kann folgende Gleichung verwendet werden:

Die erforderlichen Dehnschenkellängen zur Aufnahme von Wärmedehnung müssen nach den allgemein anerkannten Regeln der Technik ermittelt werden. Zur Berechnung der erforderlichen Dehnschenkellängen kann das AD 2000-Merkblatt HP 100 R herangezogen werden.

Mindestabstand zum Bauwerk und benachbarten Rohrleitungen

Zur Montage der Rohrleitungen und Dämmung sowie zu Instandhaltungszwecken sollte ein Zwischenraum von mindestens 50 - 100 mm eingehalten werden. Die häufig verwendete technische Norm für Isolierarbeiten, die DIN 4140, empfiehlt einen Mindestabstand von 100 m.

Zur Minimierung der Abstände sollten Flanschverbindungen auf Rohrbrücken versetzt angeordnet werden.

Funktionale Abstände von Rohrleitungen auf Rohrbrücken und versetzte Anordnung von Flanschverbindungen

Vor- und Rücklaufleitungen (Hauptleitungen)

Für Vor- und Rücklaufleitungen sind neben der Wärmeausdehnung häufig keine Besonderheiten zu beachten. Mitunter kann für kurze Leitungen auch eine Strömungsgeschwindigkeit ≤ 2,3 m/s akzeptiert werden.

Ausblaseleitung im Flüssigkeitsbereich

Bei der Verlegung der Sicherheitsventil-Ausblaseleitung für Flüssigkeiten müssen folgende Kriterien beachtet werden:

• Die Ausblaseleitung eines Sicherheitsventils, das an einen Wasserraum angeschlossen ist, muss mit einem Entspannungs- und Wasserabscheidetopf versehen sein.
• Das System der Ausblaseseite des Sicherheitsventils muss so bemessen sein, dass beim Ausblasen ein Eigengegendruck von 10 % des Ansprechdrucks nicht überschritten wird.
• Das Rohrstück zwischen Sicherheitsventilaustritt und Entspannungs- und Wasserabscheidetopf muss mit Gefälle (≥ 0,5 %) verlegt werden.
• Bei vorhandener Entwässerungsbohrung am Sitz des Sicherheitsventils sollte eine zusätzliche Entwässerung vorgenommen werden.
• Dabei ist die Entwässerungsleitung ohne Einschnürung mit Gefälle zu verlegen.
• Ein Verstopfen der Entwässerung durch Schmutz oder Fremdkörper muss vermieden werden.
• Das anfallende Kondensat im Entspannungs- und Wasserabscheidetopf muss gefahrlos abgeführt und abgekühlt werden.
• Das Rohrstück zwischen Sicherheitsventilaustritt und Entspannungs- und Wasserabscheidetopf muss so verlegt und befestigt sein, dass Schub-, Biege- und Torsionskräfte vom Sicherheitsventil ferngehalten werden (z. B. durch Abstützungen, Federhänger). Die Reaktionskräfte beim Ausblasen sind zu berücksichtigen.
• Beim Ausblasen treten hohe Temperaturen, Strömungsgeschwindigkeiten und Strömungsgeräusche auf. Die Ausblaseleitung am Entspannungs- und Wasserabscheidetopf muss daher so ins Freie ausmünden, dass dadurch keine Gefahren entstehen können.
• Die Ausblaseleitung am Entspannungs- und Wasserabscheidetopf muss von anderen Leitungen (z. B. Entlüftungs-, Entspannungs- und Sicherheitsventil-Ausblaseleitungen) getrennt und gegen Einfrieren gesichert sein.

Abgasanlage

Die Abgasanlage beginnt am Kesselende und hat die Aufgabe, die bei der Verbrennung entstehenden Abgase sicher an die Umgebung abzuleiten. Hierzu zählen die Abgasleitungen innerhalb und außerhalb des Kesselraumes, der Schornstein und vorhandene zusätzliche Einbauten wie Kompensatoren, Schalldämpfer oder Abgasklappen.

Alle Komponenten einer Feuerungsanlage, beginnend beim Brenner mit dem zugehörigen Gebläse über den Kessel, den Economiser, die Abgasleitungen und Schalldämpfer bis hin zum Schornstein, müssen sorgfältig aufeinander abgestimmt sein. Nur dann ist in allen Betriebszuständen und auf Dauer ein einwandfreier Betrieb gewährleistet. Fehlende Abstimmung oder falsche Ausführung einzelner Komponenten führen im Gesamtsystem zu Vibrationen, Geräuschen, erhöhten Emissionen oder einer instabilen Verbrennung.

Abgasanlagen müssen entsprechend den nationalen und lokalen Vorschriften sowie einschlägigen Normen ausgelegt werden.

Abgaskanäle müssen aus nicht brennbaren Baustoffen bestehen und widerstandsfähig gegen Abgas- und Wärmeeinwirkung sein. Das Material der kompletten Abgasanlage für Dampfkessel muss für Temperaturen bis 350 °C geeignet sein. Ist der Kessel mit einem vierten Zug ausgestattet bzw. bei einem Abhitzekessel zur Abwärmenutzung von Abgasen aus einem BHKW bzw. einer Gasturbine, muss die Abgasanlage für die jeweils höchste Temperatur geeignet sein.

An die Auslegung des Abgassystems und die Höhe des Schornsteins werden oft zusätzliche länderspezifische Anforderungen gestellt. Daher werden hier nur die wichtigsten funktionalen Planungsgrundsätze beschrieben.

Abgasleitung

Die Abgasleitung stellt die Verbindung zwischen dem Kesselende und dem Eintritt in den Kamin dar. Sie sollte möglichst direkt, strömungsgünstig und mit wenigen Bögen verlegt werden, um den Druck- und Wärmeverlust klein zu halten. Reduzierungen oder auch Erweiterungen sollen nicht sprungartig, sondern immer mit einem Übergangswinkel von maximal 30° erfolgen. Die Anbindung der Abgasleitung an den Schornstein sollte außerdem mit einem Anstich im Winkel von 30 - 45° geschehen.

Anforderung	Ausführung
Konstante Feuerraumbedingungen	Auslegung auf +0/-1 mbar am Kesselende Ein Schornsteinzug je Kessel empfohlen
Geringer Druckverlust	Kurz, wenig Bögen und strömungsgünstig
Geringer Wärmeverlust	Isolierung vorsehen
Kondensat ableiten	Kondensatentwässerungsstutzen und Neutralisation
Freien Durchgang gewährleisten	Besichtigungs- und Reinigungsöffnungen vorsehen
Emissionsmessung	Emissionsmessstutzen vorsehen
Reinigung und Besichtigung	Reinigungs- und Besichtigungsöffnungen an allen Umlenkungen vorsehen
Wärmedehnung ausgleichen	Kompensatoren vorsehen
Beständigkeit	Temperatur- (bis 350 °C), Kondensat-, Korrosionsbeständigkeit
Druckfestigkeit	Über- und Unterdruck
Gasdichte	Gasdichtheit nach EN 1856
Gefährdung durch Luftmangel	Abgas- und Zuluftklappen mit sicherheitsgerichtetem Endlagenschalter einbinden

Allgemeine Anforderungen an die Abgasleitungen

Dimensionierung

Die Abgasleitung mit allen Komponenten wie Abgasklappen, Kompensatoren und Schalldämpfern kann meistens in der gleichen Nennweite des Abgasanschlussstutzens am Kessel bis zum Kamin fortgeführt werden.

Bei der Auslegung sollte dabei eine Richtgeschwindigkeit von 16,5 m/s bezogen auf die Kesselaustrittstemperatur nicht überschritten werden. Da sich die Richtgeschwindigkeit auf den Betriebsvolumenstrom bezieht, muss der meistens angegebene Abgasmassenstrom noch auf den Betriebsvolumenstrom umgerechnet werden.

Für die Umrechnung kann das ideale Gasgesetz verwendet werden.

Formel: Normzustand und Standardzustand

Beispiel Erdgas H:

λ = 1,15 Luftüberschuss

_AG = 10 000 Abgasmassenstrom [kg/h]

p_n,AG = 1,244 Normdichte Abgas [kg/m³_n]

T_b = 250 / 523,15 Abgas­temperatur [°C]/[K], nach Kessel und vor Economiser

p_b= p_n = 1,01325 Umgebungsdruck [bar] (Abweichung von der Normbedingung wird vernachlässigt)

Vor allem bei geringen Kaminhöhen und langen Abgasleitungen kann die Zugberechnung des Kamin­herstellers auch eine größere Nennweite erfordern.

Abgasschalldämpfer

Abgasschalldämpfer haben die Aufgabe, die Emission der Verbrennungsgeräusche zu reduzieren. Um die Wirksamkeit zu gewährleisten, muss der Schalldämpfer auf die vom Brenner abgegebenen Frequenzen, die Kesselleistung und die vorgegebenen, zulässigen Geräuschemissionen ausgelegt werden.

A-bewertete Frequenzanalyse und entsprechender Summenschall­druckpegel in Abhängigkeit von der Kesselwärmeleistung

Die bei der Verbrennung entstehende Schallentwicklung wird als Luftschall über die Oberfläche des Abgassystems abgestrahlt und tritt am Schornsteinkopf aus. Die Geräusche einer Kesselanlage enthalten überwiegend tieffrequente Geräuschanteile.

Diese Schallemission kann wirkungsvoll durch Abgasschalldämpfer vermindert werden. Um die vorge­schrie­benen Schallemissionswerte einzuhalten, muss zur Auslegung eines Abgasschalldämpfers das Frequenz­spektrum der Abgasgeräusche an der Schornsteinmündung der Kesselanlage berücksichtigt werden.

Das dargestellte Diagramm in der Abbildung (A-bewertete Frequenzanalyse und entsprechender Summenschall­druckpegel in Abhängigkeit von der Kesselwärmeleistung) stellt den durchschnittlichen Schall­druckpegel eines Kessels, gemessen an der Kaminmündung ohne Abgasschalldämpfer im Abgassystem, dar. Da das Verbrennungs­system (z. B. durch die Brennerkonstruktion oder durch das sich einstellende Strömungsprofil im Brenn­raum) und das Abgassystems (z. B. durch Anzahl der Bögen, Länge und Durchmesser der Abgasleitung) einen erheblichen Einfluss auf die sich einstellenden Werte haben, können hier nur Anhaltswerte für den Schall­druckpegel angegeben werden. Im Falle einer Mehrkessel­anlage müssen die Schallwerte aller Kessel addiert werden.

Bei der Planung der Abgasleitung muss beachtet werden, dass für die Reduzierung der Geräusch­emissionen je nach Anforderung eine erhebliche Schalldämpferlänge notwendig ist, die im oder außerhalb des Aufstellraums vor Eintritt in den Schornstein untergebracht werden muss.

Bei hohen Anforderungen an die Schallemission, z. B. im Krankenhausbereich, ist es aufgrund der Komplexität der Thematik zu empfehlen, zur konkreten Auslegung eines Abgasschalldämpfers einen Schallgutachter heranzuziehen.