Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul EN13.04 berechnet Rohrböden von U-Rohr-Wärmetauschern nach DIN EN 13445-3, Abschnitt 13.4. Beim U-Rohr-Apparat ist das Rohrbündel nur an einem einzigen Rohrboden befestigt; die thermische Dehnung der Rohre wird durch die U-Bögen zwängungsfrei aufgenommen. Der Rohrboden wird dadurch nicht durch axiale Zwängungskräfte, wohl aber durch die Druckdifferenz zwischen Rohr- und Mantelseite und durch die Randmomente aus den angeschlossenen Flanschen beansprucht.
Einen U-Rohr-Rohrboden nach EN 13445-3 berechnen heißt, die Biegetragfähigkeit der durch das Lochfeld geschwächten Platte für alle maßgebenden Druckkombinationen nachzuweisen: schalenseitiger und rohrseitiger Berechnungsdruck einzeln und gemeinsam wirkend, dazu die Prüfzustände beider Seiten. Die Einspannbedingungen am Plattenrand — integral angeschlossen, über Dichtung gelagert oder als Kombination mit Flansch — bestimmen die Berechnungsbeiwerte wesentlich.
Das Modul deckt die Konfigurationen des Abschnitts 13.4 einschließlich der Folgebedingungen (subsequent conditions) ab und wird bei der Auslegung und Nachrechnung von U-Rohr-Wärmetauschern in Prozess- und Energieanlagen eingesetzt.
Regelwerk und Berechnungsbasis: DIN EN 13445-3/13.4: 2021-12
So läuft die Berechnung ab
- Konfiguration festlegen: Zunächst wird die Anschlusskonfiguration des Rohrbodens gewählt: integral mit Mantel und/oder Kanal verschweißt, über Dichtungen gelagert oder mit Flanschverlängerung — die Konfiguration bestimmt Randbedingungen und Beiwerte der Berechnung.
- Drücke und Lastfälle definieren: Schalenseitiger und rohrseitiger Berechnungsdruck sowie die zugehörigen Prüfdrücke werden vorgegeben. Die Norm verlangt den Nachweis aller Druckkombinationen, da je nach Vorzeichen der Druckdifferenz unterschiedliche Zustände maßgebend werden.
- Lochfeldschwächung erfassen: Aus Rohrteilung, Rohrlochdurchmesser und gegebenenfalls eingeschweißten bzw. eingewalzten Rohren wird der Verschwächungsbeiwert des Lochfeldes bestimmt, der die Biegetragfähigkeit der Platte reduziert.
- Spannungsnachweise führen: Für jede Druckkombination werden die Biegespannungen im Rohrboden sowie die Spannungen in den Anschlussbereichen zu Mantel und Kanal berechnet und mit den zulässigen Werten verglichen; bei gedichteten Konfigurationen gehen die Flanschmomente ein.
- Ergebnis bewerten: Maßgebend ist die ungünstigste Kombination aus Betriebs- und Prüfzuständen; das Modul weist die erforderliche Rohrbodendicke bzw. die Auslastung der gewählten Dicke aus.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Konfiguration des Rohrbodens | Rohrboden | – |
| Berechnungsdruck schalenseitig (innen) | PBs | MPa(p) |
| Berechnungsdruck rohrseitig (innen) | PBt | MPa(p) |
| Prüfdruck schalenseitig (innen) | PPs | MPa(p) |
| Püfdruck rohrseitig (innen) | PPt | MPa(p) |
| Belastungsfall (1) | Ps=0 Pt OC1 | – |
| Belastungsfall (2) | Ps Pt=0 OC2 | – |
| Belastungsfall (3) | Ps Pt OC3 | – |
| Belastungsfall (1) | Ps=0 Pt TC1 | – |
| Belastungsfall (2) | Ps Pt=0 TC2 | – |
| Belastungsfall (3) | Ps Pt TC3 | – |
| Anfahr- und Abfahrzustand | SSC | – |
| Außergewöhnlicher Betriebszustand | EXC | – |
| Werkstoff | Boden | – |
| Werkstoff Rohre | Rohre | – |
| Werkstoff Schale | Schale | – |
| Werkstoff Vorkammer | Vorkammer | – |
| Berechnungstemperatur | T | °C |
| Nennwanddicke *) | eN | mm |
| Außendurchmesser | A | mm |
| Querkontraktionszahl | \u03bd | - |
| Toleranzzuschlag | \u03b4 | mm |
| Korrosionszuschlag | c | mm |
| Festigkeitskennwert (Betrieb) | KOp | N/mm² |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Rohrboden Biegespannung OLC1 | OLC1 | – |
| Rohrboden Biegespannung OLC2 | OLC2 | – |
| Rohrboden Biegespannung OLC3 | OLC3 | – |
| Rohrboden Biegespannung TLC1 | TLC1 | – |
| Rohrboden Biegespannung TLC2 | TLC2 | – |
| Rohrboden Biegespannung TLC3 | TLC3 | – |
| Rohrboden Biegespannung SSC | SSC | – |
| Rohrboden Biegespannung EXC | EXC | – |
| Rohrboden Schubspannung OLC1 | OLC1 | – |
| Rohrboden Schubspannung OLC2 | OLC2 | – |
| Rohrboden Schubspannung OLC3 | OLC3 | – |
| Rohrboden Schubspannung TLC1 | TLC1 | – |
| Rohrboden Schubspannung TLC2 | TLC2 | – |
| Rohrboden Schubspannung TLC3 | TLC3 | – |
| Rohrboden Schubspannung SSC | SSC | – |
| Rohrboden Schubspannung EXC | EXC | – |
| Schale_Vergl OLC1 | OLC1 | – |
| Schale_Vergl OLC2 | OLC2 | – |
| Schale_Vergl OLC3 | OLC3 | – |
| Schale_Vergl TLC1 | TLC1 | – |
| Schale_Vergl TLC2 | TLC2 | – |
| Schale_Vergl TLC3 | TLC3 | – |
| Schale_Vergl SSC | SSC | – |
| Schale_Vergl EXC | EXC | – |
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 · d1 - Rohrboden nicht als Flansch / Schale und Vorkammer abgedichtet / schmale Dichtung · d1' - Rohrboden nicht als Flansch / Schale und Vorkammer abgedichtet / durchgehende Dichtung · d2 - Rohrboden als Flansch / Schale und Vorkammer abgedichtet / schmale Dichtung · d2' - Rohrboden als Flansch / Schale und Vorkammer abgedichtet / durchgehende Dichtung · e - Rohrboden als Flansch / Schale abgedichtet / Vorkammer verschweißt / schmale Dichtung · e' - Rohrboden als Flansch / Schale abgedichtet / Vorkammer verschweißt / durchgehende Dichtung · f - Rohrboden nicht als Flansch / Schale abgedichtet / Vorkammer verschweißt
Rohranordnung
dreieckig · rechteckig
Verbindung Rohr - Rohrboden
eingeschweißt · eingewalzt glatt ohne Rille nach Bild 13.7.3-3 · eingewalzt mit einer 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 Schraubenkraft
berechnen · eingeben
Soll Option 3 genutzt werden?
Nein · Ja
Häufige Fragen
Warum ist der U-Rohr-Rohrboden einfacher zu berechnen als ein Festkopf-Rohrboden?
Weil das U-Rohr-Bündel axial frei dehnen kann, entstehen keine Zwängungskräfte zwischen Rohren und Mantel. Der Rohrboden trägt nur die Druckdifferenz und die Randmomente — die aufwendige gekoppelte Betrachtung von Rohrfeld-Steifigkeit, Manteldehnung und Temperaturdifferenz wie beim Festkopfapparat (Abschnitt 13.5) entfällt.
Warum müssen beide Drücke auch einzeln wirkend nachgewiesen werden?
Betriebszustände wie Anfahren, Abstellen oder einseitige Druckprüfung führen dazu, dass zeitweise nur eine Seite unter Druck steht. Die Biegebeanspruchung des Rohrbodens hängt von der Druckdifferenz ab und kann in diesen Zuständen größer sein als im Normalbetrieb mit beidseitigem Druck — die Norm verlangt deshalb alle Kombinationen einschließlich der Prüfzustände.
Welche Rolle spielt die Einspannbedingung am Plattenrand?
Ob der Rohrboden integral mit Mantel und Kanal verschweißt oder über Dichtungen gelagert ist, ändert die Randmomente und damit die maßgebende Biegespannung erheblich. Bei gedichteten Konfigurationen gehen zusätzlich die Schrauben- und Dichtungskräfte des Flansches ein; die Konfiguration muss der realen Konstruktion exakt entsprechen, sonst ist der Nachweis nicht belastbar.
Berücksichtigt die Berechnung auch die Rohre als Stützung?
Beim U-Rohr-Apparat stützen die Rohre die Platte nicht wie ein elastisches Feld ab, da sie nur an einem Boden befestigt sind. Das Lochfeld wirkt als Schwächung über den Verschwächungsbeiwert; die Rohr-zu-Rohrboden-Verbindung ist separat gegen die Auszieh- bzw. Druckkräfte nachzuweisen.