Fachübersicht
Das Modul EN13.06 berechnet Rohrböden von Schwimmkopf-Wärmetauschern nach DIN EN 13445-3, Abschnitt 13.6. Beim Schwimmkopf-Bauprinzip ist nur einer der beiden Rohrböden fest mit Mantel und Kanal verbunden, der zweite Rohrboden kann sich mit dem Rohrbündel axial frei bewegen. Dadurch werden thermische Dehnungsunterschiede zwischen Rohrbündel und Mantel weitgehend zwängungsfrei aufgenommen – ein entscheidender Vorteil bei großen Temperaturdifferenzen zwischen Mantel- und Rohrseite.
Wer einen Schwimmkopf-Wärmetauscher berechnen will, muss beide Rohrböden (feststehend und schwimmend) für alle maßgebenden Kombinationen aus mantelseitigem und rohrseitigem Berechnungsdruck nachweisen, einschließlich der Prüfzustände. Das Modul fragt daher die Berechnungsdrücke und Prüfdrücke beider Seiten getrennt ab und untersucht die daraus resultierenden Lastfälle. Es eignet sich für die Auslegung im Apparatebau ebenso wie für die Nachrechnung bestehender Rohrbündel-Wärmetauscher nach europäischem Regelwerk.
Die Berechnung folgt der harmonisierten Druckgerätenorm DIN EN 13445-3 und ist damit unmittelbar für Druckgeräte im Geltungsbereich der Druckgeräterichtlinie (2014/68/EU) einsetzbar.
Anwendungsbereich
- Schwimmkopf-Wärmetauscherböden
Typischer Arbeitsablauf
Bauform und Geometrie festlegen
Zunächst wird die Schwimmkopf-Konfiguration nach Abschnitt 13.6 gewählt (z. B. innenliegender Schwimmkopf oder außen abgedichteter Schwimmkopf) und die Geometrie erfasst: Rohrbodendurchmesser, Bohrfeld, Rohrteilung, Rohrabmessungen sowie die Anschlussverhältnisse zu Mantel, Kanal und Flanschen.
Wirksame Kennwerte des Rohrbodens ermitteln
Aus Rohrteilung und Bohrungsdurchmesser werden die wirksamen Kenngrößen des gelochten Bodens bestimmt, insbesondere der Ligamentwirkungsgrad und die wirksame Biegesteifigkeit. Sie beschreiben, wie stark das Bohrfeld die Tragfähigkeit der Platte gegenüber einer ungelochten Platte abmindert.
Lastfälle aus den Druckkombinationen aufstellen
Mit dem schalenseitigen und rohrseitigen Berechnungsdruck sowie den zugehörigen Prüfdrücken werden alle maßgebenden Lastfälle gebildet: jede Seite allein, beide Seiten gemeinsam sowie die Prüfzustände. Da Mantel- und Rohrseite unabhängig voneinander drucklos sein können, muss jede Kombination nachgewiesen werden.
Spannungsnachweise für beide Rohrböden führen
Für den feststehenden und den schwimmenden Rohrboden werden die Biegespannungen und Schubspannungen nach den Gleichungen des Abschnitts 13.6 berechnet und mit den zulässigen Werten aus Berechnungsnennspannung und Lastfallkategorie verglichen.
Rohre und Anschlussbauteile nachweisen
Ergänzend werden die axialen Rohrspannungen, die Rohr-Rohrboden-Verbindung und bei Druckrohren der Stabilitätsnachweis gegen Ausknicken geprüft. Auch die Übergänge zu Mantel und Kanal sowie zugehörige Flanschverbindungen sind in den Folgebedingungen enthalten.
Häufige Fragen
Worin unterscheidet sich der Schwimmkopf-Rohrboden vom Festrohrboden nach Abschnitt 13.5?
Beim Festrohrboden-Wärmetauscher (Abschnitt 13.5) sind beide Rohrböden starr mit dem Mantel verbunden; Temperaturdifferenzen zwischen Rohren und Mantel erzeugen dort Zwängungskräfte, die in die Berechnung eingehen. Beim Schwimmkopf kann sich ein Rohrboden axial frei bewegen, sodass diese thermischen Zusatzlasten weitgehend entfallen. Die Berechnung nach 13.6 konzentriert sich daher auf die Druckkombinationen aus Mantel- und Rohrseite.
Warum müssen die Prüfdrücke beider Seiten getrennt eingegeben werden?
Bei der Druckprüfung wird in der Regel jede Seite einzeln beaufschlagt, während die andere Seite drucklos ist. Gerade dieser einseitige Zustand ist für den Rohrboden oft der maßgebende Lastfall, weil die Druckdifferenz über die Platte am größten wird. Die Norm verlangt deshalb den Nachweis aller Kombinationen einschließlich der Prüfzustände mit den zulässigen Spannungen des Prüffalls.
Welche Rolle spielt der Ligamentwirkungsgrad bei der Rohrbodenberechnung?
Der Ligamentwirkungsgrad beschreibt die Schwächung der Platte durch das Bohrfeld: Je enger die Rohrteilung im Verhältnis zum Bohrungsdurchmesser, desto geringer die verbleibende tragende Stegbreite und desto höher die tatsächlichen Spannungen im Boden. Er geht direkt in die wirksamen Kennwerte des gelochten Bodens ein und beeinflusst die erforderliche Rohrbodendicke maßgeblich.
Deckt die Berechnung auch die Flansche und Dichtungen des Schwimmkopfs ab?
Abschnitt 13.6 behandelt den Rohrboden mit seinen Randbedingungen aus Mantel, Kanal und gegebenenfalls angeformtem oder verschraubtem Flansch. Die vollständige Flanschverbindung mit Dichtung und Schrauben wird nach DIN EN 13445-3 Kapitel 11 (bzw. EN 1591-1) in separaten Modulen nachgewiesen; die Folgebedingungen im Modul stellen die Verknüpfung her.
Technische Inhaltsbasis: LV-Solved-Problems-Content 628d313247e7