Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul EN13.05 berechnet Festkopf-Wärmetauscherböden (fixed tubesheets) nach DIN EN 13445-3, Abschnitt 13.5. Beim Festkopfapparat sind beide Rohrböden fest mit dem Mantel verschweißt; Rohre und Mantel bilden ein statisch unbestimmtes System, in dem sich Druck- und Temperaturlasten gegenseitig beeinflussen. Die Rohrbodenberechnung ist deshalb untrennbar mit dem Nachweis der axialen Rohr- und Mantelbeanspruchung verbunden.
Einen Festkopf-Rohrboden nach EN 13445-3 berechnen heißt, den Rohrboden als auf dem elastischen Rohrfeld gebettete, gelochte Platte zu behandeln und für alle maßgebenden Lastfälle nachzuweisen: schalenseitiger und rohrseitiger Druck einzeln und gemeinsam, jeweils mit und ohne thermische Dehnungsdifferenz zwischen Rohren und Mantel — die Norm definiert dafür die typischen sieben Lastfälle, ergänzt um Anfahr-/Abfahrzustände und außergewöhnliche Betriebszustände. Ein Kompensator im Mantel reduziert die Zwängungskräfte und geht mit seiner Federrate in die Berechnung ein.
Das Modul liefert die Nachweise für Rohrboden, Rohre (einschließlich Knicken der druckbeanspruchten Rohre), Mantel und die Rohr-zu-Rohrboden-Verbindung und wird für Auslegung und Nachrechnung von Festkopf-Wärmetauschern in Prozess- und Energieanlagen eingesetzt.
Regelwerk und Berechnungsbasis: DIN EN 13445-3/13.5: 2021-12
So läuft die Berechnung ab
- Konfiguration und Geometrie festlegen: Anschlusskonfiguration des Rohrbodens (integral, gedichtet, mit Flansch), Rohrfeldgeometrie, Rohrabmessungen sowie Mantel- und Kanaldaten werden erfasst; ein vorhandener Kompensator wird mit seiner Steifigkeit berücksichtigt.
- Lastfälle aufstellen: Schalenseitiger und rohrseitiger Berechnungsdruck, die Prüfdrücke sowie die thermische Dehnungsdifferenz zwischen Rohren und Mantel werden zu den maßgebenden Lastfällen kombiniert — einschließlich Anfahr- und Abfahrzustand sowie außergewöhnlicher Betriebszustände.
- Systemsteifigkeiten berechnen: Aus der axialen Steifigkeit des Rohrfeldes, der Mantel- und ggf. Kompensatorsteifigkeit sowie der Biegesteifigkeit des gelochten Rohrbodens werden die Kopplungsgrößen des statisch unbestimmten Systems gebildet.
- Beanspruchungen je Lastfall ermitteln: Für jeden Lastfall werden die Biegespannungen im Rohrboden, die Axialspannungen in Rohren und Mantel sowie die Kräfte auf die Rohr-zu-Rohrboden-Verbindung berechnet; bei druckbeanspruchten Rohren wird zusätzlich die Knicksicherheit nachgewiesen.
- Nachweise zusammenführen: Alle Bauteilnachweise müssen in jedem Lastfall erfüllt sein; das Modul weist die Auslastungen aus und zeigt, welcher Lastfall für Rohrbodendicke, Rohre oder Mantel maßgebend ist.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Konfiguration des Rohrbodens | Rohrboden | – |
| Berechnung nach 13.5.9 (Verstärkte Schale) | Schale) | – |
| Berechnungsdruck (schalenseitig) | Ps,Op | MPa(p) |
| Berechnungsdruck (rohrseitig) | Pt,Op | MPa(p) |
| Prüfdruck (schalenseitig) | Ps,Test | MPa(p) |
| Prüfdruck (rohrseitig) | Pt,Test | MPa(p) |
| Lastfall 1 | Ps = 0, Pt, γ=0 OC1 | – |
| Lastfall 2 | Ps, Pt = 0, γ=0 OC2 | – |
| Lastfall 3 | Ps, Pt, γ=0 OC3 | – |
| Lastfall 4 | Ps = 0, Pt = 0, γ OC4 | – |
| Lastfall 5 | Ps = 0, Pt, γ OC5 | – |
| Lastfall 6 | Ps, Pt = 0, γ OC6 | – |
| Lastfall 7 | Ps, Pt, γ OC7 | – |
| Lastfall 1 | Ps = 0, Pt, γ=0 TC1 | – |
| Lastfall 2 | Ps, Pt = 0, γ=0 TC2 | – |
| Lastfall 3 | Ps, Pt, γ=0 TC3 | – |
| Anfahr- und Abfahrzustand | SSC | – |
| Außergewöhnlicher Betriebszustand | EXC | – |
| Werkstoff | Boden | – |
| Werkstoff Rohre | Rohre | – |
| Werkstoff Schale | Schale | – |
| Werkstoff Vorkammer | Vorkammer | – |
| Werkstoff Schale am Rohrboden | Rohrboden | – |
| Berechnungstemperatur | T | °C |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Mindestlänge l1 eingehalten? | Check_l1 | – |
| Mindestlänge l'1 eingehalten? | Check_l'1 | – |
| Liegt μ* im gültigen Bereich? | Check_\u03bc* | – |
| Rohrboden Biegespannung OC1 | OC1 | – |
| Rohrboden Biegespannung OC2 | OC2 | – |
| Rohrboden Biegespannung OC3 | OC3 | – |
| Rohrboden Biegespannung OC4 | OC4 | – |
| Rohrboden Biegespannung OC5 | OC5 | – |
| Rohrboden Biegespannung OC6 | OC6 | – |
| Rohrboden Biegespannung OC7 | OC7 | – |
| Rohrboden Biegespannung TC1 | TC1 | – |
| Rohrboden Biegespannung TC2 | TC2 | – |
| Rohrboden Biegespannung TC3 | TC3 | – |
| Rohrboden Biegespannung SSC | SSC | – |
| Rohrboden Biegespannung EXC | EXC | – |
| Rohrboden Schubspannung OC1 | OC1 | – |
| Rohrboden Schubspannung OC2 | OC2 | – |
| Rohrboden Schubspannung OC3 | OC3 | – |
| Rohrboden Schubspannung OC4 | OC4 | – |
| Rohrboden Schubspannung OC5 | OC5 | – |
| Rohrboden Schubspannung OC6 | OC6 | – |
| Rohrboden Schubspannung OC7 | OC7 | – |
| Rohrboden Schubspannung TC1 | TC1 | – |
| Rohrboden Schubspannung TC2 | TC2 | – |
Berechnungsoptionen
Konfiguration des Rohrbodens
a - Rohrboden mit Schale und Vorkammer verschweißt · b - Rohrboden als Flansch, Schale verschweißt, Vorkammer abgedichtet, schmale Dichtung · b' - Rohrboden als Flansch, Schale verschweißt, Vorkammer abgedichtet, durchgehende Dichtung · c - Rohrboden nicht als Flansch, Schale verschweißt, Vorkammer abgedichtet · d - Rohrboden nicht als Flansch, Schale und Vorkammer abgedichtet, schmale Dichtung · d' - Rohrboden nicht als Flansch, Schale und Vorkammer abgedichtet, durchgehende Dichtung
Berechnung nach 13.5.9 (Verstärkte Schale)
Nein · Ja
Rohranordnung
dreieckig · rechteckig
Verbindung Rohr - Rohrboden
eingeschweißt · eingewalzt glatt ohne Rille nach Bild 13.7.3-3 · eingewalzt mit 1 Rille · eingewalzt mit 2 Rillen · eingeschweißt nach Bild 13.12.3-1 · angeschweißt nach Bild 13.12.4-1 bis 13.12.7-1
Bestimmung der Knicklänge der Rohre
berechnen · eingeben
Art der Rohrunterstützung durch Leitbleche
1 Leitblech, nicht alle Rohre gestützt oder kein Leitblech · 1 oder mehrere Leitbleche und pro Leitblech alle Rohre gestützt · mehrere Leitbleche und pro Leitblech nicht alle Rohre gestützt
Kompensator in Schale vorhanden?
Nein · Ja
Bestimmung der Schraubenkraft
berechnen · eingeben
Häufige Fragen
Warum sind beim Festkopfapparat die Temperaturlastfälle oft maßgebend?
Weil Rohre und Mantel fest gekoppelt sind, erzeugt jede Temperaturdifferenz zwischen beiden eine Zwängung: Dehnen sich die Rohre stärker als der Mantel, werden sie auf Druck beansprucht (Knickgefahr) und der Rohrboden auf Biegung. Diese Zwängungskräfte können die reinen Drucklasten deutlich übersteigen — deshalb verlangt die Norm die Lastfälle mit und ohne thermische Dehnungsdifferenz.
Wann ist ein Kompensator im Mantel erforderlich?
Wenn die Zwängungskräfte aus der Dehnungsdifferenz ohne Kompensator zu unzulässigen Spannungen in Rohren, Mantel oder Rohrboden führen — typischerweise bei großen Temperaturdifferenzen zwischen Rohr- und Mantelseite oder Werkstoffen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten. Der Kompensator senkt die axiale Systemsteifigkeit des Mantels und damit die Zwängungskräfte; seine Federrate geht direkt in die Berechnung nach 13.5 ein.
Was unterscheidet die sieben Lastfälle der Norm?
Sie kombinieren systematisch: nur rohrseitiger Druck, nur schalenseitiger Druck, beide Drücke gemeinsam — jeweils ohne und mit thermischer Dehnungsdifferenz — sowie den reinen Temperaturlastfall. Da das Vorzeichen der Rohraxialkraft je nach Kombination wechselt, kann jeder dieser Fälle für ein anderes Bauteil (Rohrboden, Rohrknicken, Rohr-Rohrboden-Verbindung) maßgebend werden; keiner darf entfallen.
Warum muss das Knicken der Rohre nachgewiesen werden?
In Lastfällen mit druckbeanspruchten Rohren wirken die Rohre als schlanke Druckstäbe, die zwischen den Umlenkblechen knicken können. Die zulässige Druckspannung wird deshalb über die Knicklänge zwischen den Stützstellen begrenzt. Ein zu großer Umlenkblechabstand reduziert die zulässige Rohrdruckkraft und kann die gesamte Auslegung bestimmen.