Dampfleitungen [1]

Dampfleitungen für ortsfeste Maschinenanlagen werden bei großen Leitungslängen aus Guß- oder Schmiedeeisen hergestellt, während kurze' Leitungsanschlüsse, besonders Krümmer, häufig aus Kupfer bestehen. Für eine gegebene, durch die Leitung strömende Dampfmenge ergibt sich der, zweckmäßigste Leitungsdurchmesser wesentlich von zwei Einflüssen abhängig, nämlich vom Spannungsverlust infolge der Leitungswiderstände und Dampfverlust infolge äußerer Abkühlung. Ersterer Verlust nimmt mit Verkleinerung des Durchmessers zu, letzterer ab.

Druckverlust. Nach Versuchen an Schachtleitungen hat sich für den Druckverlust ergeben: Z = 0,0015γ · 1/d · u². In der Formel ist Z = Leitungswiderstand in Kilogramm auf 1 qm Rohrquerschnitt (Atmosphären), γ = Gewicht eines Kubikmeters Dampf von der in der Leitung herrschenden mittleren Spannung p in Kilogramm; d = Durchmesser der Leitung in Metern; l = Länge der Leitung in Metern; l = mittlere sekundliche Geschwindigkeit des Dampfes in der Leitung in Metern. Bei Druckverlusten über 2 Atmosphären und bei Dampfgeschwindigkeiten über 20 m in der Sekunde ist vorstehende Formel nur für rohe Rechnungen noch hinreichend genau. Für genauere Rechnungen sind folgende Gleichungen zu benutzen:

[593] wenn p₁ > 3,6 Atmosphären, Z = p₁ – p₂. Hierin ist: p₁ = Anfangsspannung; p₂ = Endspannung in Atmosphären; Z = Druckverlust in Atmosphären; d = Rohrdurchmesser in Metern; Q = stündliche Dampfmenge, die aus der Leitung ausströmt, in Kilogramm; k = stündliche Kondensationswassermenge in Kilogramm für 1 qm Rohrinnenfläche (s. die Tabelle); k π d l = stündlich in der ganzen Leitung gebildete Kondensationswassermenge in Kilogramm.

Die Größe des Dampfverlustes durch äußere Abkühlung ist weniger abhängig von dem zur Umhüllung der Leitung verwendeten Isoliermaterial als von der Art und Güte der Ausführung. Der Dampfverlust wächst mit der Zunahme des Dampfdruckes und der Abnahme der Dicke der Umhüllung. Ueber die wirkliche Größe des Kondensationsverlustes gibt folgende Zusammenstellung von Versuchsergebnissen an verschiedenen Leitungen und mit verschiedenem Isoliermaterial Aufschluß.

Da die betreffenden Versuche unter voneinander wesentlich abweichenden äußeren Umständen ausgeführt wurden, sind die verschiedenen Umhüllungsmaterialien zugehörigen Zahlenwerte untereinander nicht vergleichbar. – Eine sehr wirksame Isolierung geben die aus Abfallseide hergestellten Zöpfe oder Polster von Pasquay. Dieselben sind zwar teurer als die übrigen Isoliermaterialien, sie verringern dafür aber tatsächlich die Kondensationsverluste mehr als diese. – Bei der Umhüllung von Leitungen für überhitzten Dampf müssen die aus pflanzlichen oder tierischen Stoffen hergestellten Verkleidungen durch einen Kieselguhrunterstrich von genügender Stärke vor dem Verbrennen geschützt werden.

Nach dem Zusammenhang zwischen Leitungswiderstand, Dampfverlust und Leitungsdurchmesser ergibt sich für die Ermittlung des zweckmäßigsten Leitungsdurchmessers folgender Rechnungsvorgang, unter Zugrundelegung der am Ende der Dampfleitung nötigen Dampfmenge und des nötigen Dampfdruckes:

1. Ist die Kesselspannung vorgeschrieben, so ist dadurch auch der zulässige Spannungsabfall bestimmt, und die Dampfgeschwindigkeit sowie der Leitungsdurchmesser ermitteln sich somit aus der Formel für den Leitungswiderstand ohne Rücksicht auf die Kondensationsverhältnisse in der Leitung. Der Kondensationsverlust ist alsdann ohne Erhöhung des Spannungsverlustes (d.i. ohne Verminderung des Leitungsdurchmessers) nicht günstiger zu gestalten.

2. Ist der Kesseldruck nicht vorgeschrieben, so müssen Vergleichsrechnungen über den Dampfverbrauch der ganzen Dampfmaschinenanlage samt Leitung bei großem und kleinem Spannungsabfall, also bei enger und weiter Leitung, sowie die besonderen praktischen Anforderungen an den Maschinenbetrieb den Leitungsdurchmesser bestimmen.

Im allgemeinen wird sich hinsichtlich der Dampfkosten großer Spannungsabfall und enge Leitung vorteilhafter erweisen als geringer Spannungsabfall und weite Leitung, um so mehr als bei den heutigen Kesselkonstruktionen die Erhöhung der Kesselspannung um eine halbe oder ganze Atmosphäre keine ins Gewicht fallenden Mehrkosten zur Folge hat und der Mehraufwand an Wärme zur Erzeugung der höheren Spannung ebensowenig einen Wärmeverlust mit sich bringt als die Widerstände in der Rohrleitung. Besonders bei überhitztem Dampf ist es mit Rücksicht auf den Abkühlungsverlust angezeigt, den Rohrdurchmesser klein zu wählen und eher einen etwas größeren Reibungsverlust mit in den Kauf zu nehmen.

Den Durchmesser der Dampfzuleitung und -ableitung bei Dampfmaschinen aus dem Querschnitt der Dampfkanäle am Zylinder abzuleiten, ist, obwohl noch allgemein üblich, prinzipiell unrichtig. Für die Abmessungen der gußeisernen Dampfleitungsrohre bis zu 8 Atmosphären Betriebsdruck gelten die vom Verein deutscher Ingenieure und dem Deutschen Verein der Gas- und Wasserwerksfachmänner aufgestellten Normalien für Flanschenrohre. Für höhere Dampfspannungen bis zu 20 Atmosphären hat der Verein deutscher Ingenieure besondere Normalien aufgestellt [1], die neben den Abmessungen auch die für die einzelnen Fälle als geeignet erachteten Baustoffe enthalten. Hiernach sind Kupfer und Bronze dort, wo sie in erheblichem Maße auf Zug- und Bruchfestigkeit in Anspruch genommen werden, bei Dampfspannungen über 8 Atmosphären und Temperaturgraden über 200° C. auszufließen. Ebenso soll Gußeisen bis 13 Atmosphären nur für Durchmesser bis 150 mm, von 13 bis 20 Atmosphären aber überhaupt[594] nicht mehr verwendet werden. Die Formstücke und Ventilgehäuse sind dann in weichem, zähem Stahlguß herzustellen, während für die geraden Rohrstränge und große Bogen gezogene oder überlappt geschweißte schmiedeeiserne Rohre zur Verwendung kommen, die aufgewalzte oder besser aufgeschweißte Bunde erhalten, die mit ihren Stirnflächen durch lose auf den Rohren sitzende Flanschen gegeneinander gezogen werden. Als Dichtung eignet sich der gegen Herausschleudern durch Nut und Feder gesicherte einfache Asbestring am besten. Die mit Nut und: Federn ineinander greifenden Flanschen (s. Rohrverbindungen) haben allerdings den Nachteil, daß das Auswechseln eines Rohres unter Umständen – wenn bei der Anlage durch Ausgleichstücke nicht vorgesorgt würde – mit Schwierigkeiten verbunden ist. Im Interesse der Biegsamkeit der Leitungen empfiehlt es sich, die Wandungen der geschweißten Rohre nur so dick zu machen, als es die Schweißarbeit erfordert. Diesen Forderungen sucht die Formel s = p · d : 700 + 1 zu entsprechen, die für Rohre bis 200 mm 1. W. Gültigkeit hat, und in der bedeutet: 5 die Wandstärke in Millimetern, p den höchsten Betriebsdruck in Atmosphären und d den Rohrdurchmesser in Millimetern. Stumpfgeschweißte Rohre, sogenannte Gasrohre, sollten selbst für kleinere Durchmesser bei hohen Dampfspannungen nie zur Verwendung kommen, auch die Verbindung dieser Rohre durch Muffen mit Rechts- und Linksgewinde und dazwischengelegtem und eingepreßtem Kupferring ist besser durch aufgewalzte oder aufgeschraubte Flanschen auszuführen.

Dampfleitungen sind mit gleichmäßigem Gefälle in der Richtung des Dampfstromes zu verlegen und genügend oft zu unterstützen, so daß sich keine Wassersäcke bilden und das Kondensationswasser, das sich durch die Wärmeabgabe im Betrieb und durch die Erwärmung der kalten Rohrleitung beim Einlassen von Dampf bildet, schnell und sicher abläuft. Zur Ausscheidung des Kondensationswassers werden vor der Dampfmaschine besondere Wasserabscheider in die Leitung eingebaut. Diese haben aber meistens nur eine geringe Wirkung, weil der Dampf von dem ausgeschiedenen Wasser nicht genügend getrennt wird und es sofort wieder mitreißt. Sofern das Volumen dieser Wasserabscheider genügend groß ist, gleichen sie bei der wechselnden Dampfentnahme die Geschwindigkeitsschwankungen nach Art der Windkessel aus und vermindern die von diesen Schwankungen herrührenden rüttelnden Bewegungen der Rohrleitung. Die Rohrleitungen müssen so verlegt und unterstützt werden, daß weder deren Eigengewicht noch die aus den Temperaturänderungen sich ergebenden Verschiebungen Zwängungen und Materialüberanstrengungen hervorrufen. Bei senkrechten Schachtleitungen werden daher an mehreren Stellen Traghebel angeordnet [2], die den Rohrstrang pendelnd fassen und durch ein am entgegengesetzten Hebelende angebrachtes Gewicht tragen. Wagerechte Leitungen in größeren Abmessungen legt man auf Rollenlager. Zum Ausgleich der Längenänderungen werden hier besondere Bogen oder Schleifen, die sogenannten Kompensationsrohre (s.d.), eingebaut. Damit diese Rohre dauernd ihre Federung behalten, darf die Nachgiebigkeit derselben nur so weit beansprucht werden, als es die Fertigkeit des Materials innerhalb der Elastizitätsgrenze erlaubt. Zur Begrenzung der jeder Schleife zugedachten Ausdehnung wird die Leitung an bestimmten Stellen durch Klemmböcke festgehalten, die so zu bemessen sind, daß sie den auf sie entfallenden Schub aufzunehmen vermögen. Die Ausgleichstopfbüchsenrohre bewähren sich im allgemeinen bei überhitztem Dampfe schlecht, da die Packung hierbei rasch hart wird und festbrennt und dadurch jede Beweglichkeit aufhebt. Zur Verringerung der Gefahr bei Rohrbrüchen werden in die Leitungen dicht am Kessel besondere Rohrbruchventile eingebaut. Diese müssen, wenn sie im Notfalle nicht versagen sollen, täglich benutzt werden; nicht selten bilden sie eine Quelle fortwährender Störungen, da sie zur Unzeit in Wirksamkeit treten.

Bei größeren Dampfmaschinenanlagen werden die Dampfzuleitungen aus Rücksicht auf Betriebssicherheit doppelt ausgeführt, wie in Kraft- und elektrischen Lichtzentralen, Wasserwerksanlagen u. dergl. Der Materialersparnis und der Abkühlungsverluste wegen werden in diesen Fällen die Rohrdurchmesser meistens nur so groß gewählt, daß die Summe der beiden Rohrquerschnitte dem einer normalen einfachen Leitung gleichkommt.

Literatur: [1] Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure 1900, S. 1481. – [2] Ebend. 1904, S. 590.

G. Schwarz.