Auslegung von Kompensatoren
in Rohrleitungen

Auslegung von Stahlkompensatoren

Kompensatoren in ihren verschiedenen Bauformen dienen dem Ausgleich von Längenänderungen oder Versatz in Rohrleitungen, hervorgerufen durch Temperaturunterschiede, Montagetoleranzen oder Fundamentabsenkungen. Kernstück eines jeden Kompensators ist der Metallbalg, der durch seine Wellengeometrie und dünnwandige Ausführung als Feder wirkt.

Die Kompensatoren sind für folgende Bewegungsformen geeignet:

Torsionsbewegung ist bei Kompensatoren unbedingt zu vermeiden.

Die Auslegungsdaten in den technischen Datenblättern von Stahlkompensatoren beziehen sich auf folgende Festlegungen:
- Temperatur 20°C
- Lastspielzahl 1000
Bei abweichenden Werten sind folgende Werte mit Abminderungsfaktoren zu beaufschlagen:
- Nenndruck PN
- Nominale Dehnungsaufnahme
- Lebensdauer
- Kompensatorsteifigkeit

Die hier genannten Abminderungsfaktoren beziehen sich für den Balgwerkstoff 1.4541. Je nach Balgwerkstoff bzw. Hersteller können die Werte abweichen. Im speziellen Anwendungsfall sind die Werte aus den Datenblättern der Hersteller zu entnehmen.

Temperatureinfluss auf den Nenndruck

Bei Einsatztemperaturen > 20°C ist der Nenndruck mit einem Abminderungsfaktor K _p zu beaufschlagen.

PN _Rt = Nenndruck (bar) bei 20°C
p _Bt = max. Druck (bar) (Prüfdruck)
K _p = Abminderungsfaktor bei erhöhter Temperatur

PN _Rt = Nenndruck (bar) bei 20°C
p _Bt = max. Druck (bar) (Prüfdruck)
K _p = Abminderungsfaktor bei erhöhter Temperatur

Einfluss der Lastspielzahl auf die Bewegungsgröße

Die Auslegungsdaten aus den Datenblättern beziehen sich auf eine Lastspielzahl von 1000. Bei einer größeren Lastspielzahl ist die Bewegungsgröße mit dem Abminderungsfaktor K _L zu beaufschlagen.
Ein Lastspiel ist die gesamte Bewegung des Kompensators aus einer Anfangsstellung zum Extremwert auf der einen Seite, zurück über den Ausgangspunkt hinaus zum Extremwert auf der anderen Seite und wieder in die Ausgangsstellung.

N _e = geforderte Lastspielzahl (-)
K _L = Abminderungsfaktor bei erhöhter Lastspielzahl

N _e = geforderte Lastspielzahl (-)
K _L = Abminderungsfaktor bei erhöhter Lastspielzahl

Temperatureinfluss auf die Bewegungsgröße

Die zulässige Bewegung ist bei Einsatztemperaturen > 20°C mit einem Abminderungsfaktor K _T zu beaufschlagen.

Bewegungsgröße des Kompensators bei erhöhter Temperatur und Lastspielzahl

Die bei Raumtemperatur Rt ermittelten Bewegungsgrößen entsprechen den Daten aus den technischen Datenblättern.

K _B = Abminderungsfaktor für Bewegungsgröße
K _L = Abminderungsfaktor bei erhöhter Lastspielzahl
K _T = Abminderungsfaktor bei erhöhter Temperatur
Δ _{ax, Rt} = Axialbewegung bei 20°C (mm)
Δ _{ax, Bt} = Axialbewegung bei erhöhter Belastung (mm)
Δ _{lt, Rt} = Lateralbewegung bei 20°C (mm)
Δ _{lt, Bt} = Lateralbewegung bei erhöhter Belastung (mm)
Δ _{α, Rt} = Angularbewegung bei 20°C (Grad)
Δ _{α, Bt} = Angularbewegung bei erhöhter Belastung (Grad)
Rt   = Raumtemperatur 20°C = Nominalwert = Wert aus Datenblatt.
Bt   = Betriebstemperatur (°C)

K _B = Abminderungsfaktor für Bewegungsgröße
K _L = Abminderungsfaktor bei erhöhter Lastspielzahl
K _T = Abminderungsfaktor bei erhöhter Temperatur
Δ _{ax, Rt} = Axialbewegung bei 20°C (mm)
Δ _{ax, Bt} = Axialbewegung bei erhöhter Belastung (mm)
Δ _{lt, Rt} = Lateralbewegung bei 20°C (mm)
Δ _{lt, Bt} = Lateralbewegung bei erhöhter Belastung (mm)
Δ _{α, Rt} = Angularbewegung bei 20°C (Grad)
Δ _{α, Bt} = Angularbewegung bei erhöhter Belastung (Grad)
Rt   = Raumtemperatur 20°C = Nominalwert = Wert aus Datenblatt.
Bt   = Betriebstemperatur (°C)

Temperatureinfluss auf die Kompensatorsteifigkeit

Bei höheren Temperaturen verändern sich die Verstellkräfte und Verstellmomente der Kompensatoren um folgende Abminderungsfaktoren.

C _{i, Bt} = Kompensatorsteifigkeit bei Betriebstemperatur (N/mm - Nm/Grad)
C _{i, Rt} = Kompensatorsteifigkeit bei Raumtemperatur (N/mm - Nm/Grad)
K _c = Abminderungsfaktor (siehe Tabelle)

C _{i, Bt} = Kompensatorsteifigkeit bei Betriebstemperatur (N/mm - Nm/Grad)
C _{i, Rt} = Kompensatorsteifigkeit bei Raumtemperatur (N/mm - Nm/Grad)
K _c = Abminderungsfaktor (siehe Tabelle)

Vorspannung eines Kompensators

Um die volle Dehnungsfähigkeit eines Kompensators zu nutzen, ist eine Vorspannung erforderlich. Jeder Kompensator kann von der Neutralstellung (Lieferzustand) aus in beide Richtungen gleich große Bewegungen ausführen. Die optimale Vorspannung wäre demnach 50% der Gesamtbewegung.

Δ V  = Vorspannung bei Einbautemperatur (mm - Grad)
Δ _x = Rohrleitungsbewegung bei Temperaturdifferenz Tmax − Tmin (mm - Grad)
T _Einb = Einbautemperatur (°C)
T _min = minimale Temperatur (°C)
T _max = maximale Temperatur (°C)

Δ V  = Vorspannung bei Einbautemperatur (mm - Grad)
Δ _x = Rohrleitungsbewegung bei Temperaturdifferenz Tmax − Tmin (mm - Grad)
T _Einb = Einbautemperatur (°C)
T _min = minimale Temperatur (°C)
T _max = maximale Temperatur (°C)

Hubverteilung bei kombinierter axial und lateral Bewegung

Bei Niederdruckkompensatoren in Abgasleitungen werden Kompensatoren verwendet die axiale und laterale Bewegungen gleichzeitig zulassen. Die in den Datenblättern aufgeführten axialen und lateralen Bewegungen sind Maximalwerte. Zum Erreichen der geforderten Lebensdauer darf nur einer der beiden Bewegungen maximal ausgenutzt werden. Treten Axial- und Lateralbewegung gleichzeitig auf, muss die erlaubte Bewegungskombination mit folgendem Diagramm ermittelt werden:
Die aus dem Datenblatt gelesenen Maximalbewegungen bilden die Eckpunkte des Hubdreieckes (resp. der Hubbegrenzungslinie), innerhalb dessen Grenzen beliebige Bewegungskombinationen für die entsprechende Lebensdauer gebildet werden können.

Berechnungs-Beispiel:
Datenblattwerte bei 20°C und Lastspielzahl 1000 : axial 80 mm − lateral 60 mm
Betriebstemperatur 300°C − Abminderungsfaktor Temperatur K T = 0,85
Lastspielzahl 2000 - Abminderungsfaktor Lastspielzahl K L = 0,82
Abminderungsfaktor bei Betriebszustand K B = 0,85 * 0,82 = 0,7
Zulässige axiale Bewegung im Betriebszustand D ax, Bt = 80 * 0,7 = 56 mm
Zulässige laterale Bewegung im Betriebszustand D lt, Bt = 60 * 0,7 = 42 mm
Innerhalb diesem Lastdreieck (roter Bereich) können alle möglichen Bewegungskombinationen gebildet werden.
Bei einer Axialbewegung von 28 mm ist zum Beispiel eine Lateralbewegung von 20 mm zulässig.