Beschützer des Rohrsystems – Dehnungen, Setzbewegungen und Passungenauigkeiten: Kompensatoren haben vielfältige Einsatzgebiete in der Technischen Gebäudeausrüstung

Einsatzfälle für Kompensatoren

Soweit es die Randbedingungen zulassen, wird in der Regel versucht, die auftretende Rohrleitungsdehnung durch eine elastische Verlegung des Rohrleitungssystems aufzunehmen, d. h. natürlich zu kompensieren. Dies wird z. B. durch Rohrdehnungsbögen versucht. Bei Rohrdehnungsbögen wird das Rohr durch einen bogenförmigen, ausladenden Verlauf elastisch genug, um Bewegungen aufnehmen zu können. Rohrdehnungsbögen haben allerdings schon bei relativ geringen Bewegungsaufnahmen einen hohen Platzbedarf und spielen deshalb in modernen Rohrleitungssystemen nur noch eine untergeordnete Rolle. Wenn alle Möglichkeiten des natürlichen Dehnungsausgleiches ausgeschöpft sind, werden zur Aufnahme von Längenänderungen Kompensatoren benötigt.

Neben der Wärmedehnung gibt es noch andere Gründe für den Einsatz von Kompensatoren. Einer davon ist der Versatz. Lateraler Versatz bedeutet, dass die Längsachsen zweier Rohrleitungsabschnitte nicht zueinander fluchten, sondern seitlich versetzt verlaufen. Angularer Versatz bedeutet, dass die Längsachsen einen Winkel zueinander bilden.

Versatz an Rohrleitungen entsteht zum Beispiel durch Montageungenauigkeiten, Fundamentsetzungen oder durch bautechnische Komplikationen. Darüber hinaus sind beim Betrieb von Kompressoren, Pumpen, Turbinen oder Motoren die entstehenden mechanischen Schwingungen so zu dämpfen, dass an den angeschlossenen Rohrleitungen und Armaturen keine Schäden verursacht werden. Hierfür werden ebenfalls Kompensatoren eingesetzt. Nicht zu übersehen sind die Einsatzfälle für die Körperschallreduzierung an Pumpen und Kompressoren.

Typische Einsatzfelder von Kompensatoren sind Heizungsanlagen, Wasserleitungen, Leitungen in Kraftwerken und in der chemischen Industrie. Hieraus leiten sich unterschiedliche Qualitäten ab, die auf die jeweiligen Medien (z. B. Trinkwasser, Heißwasser, Öl, Nahrungsmittel etc.) abgestimmt sind.

Aufbau von Kompensatoren

Kernstück eines jeden Kompensators ist der Balg. Er muss in seiner Ausführung so gewählt sein, dass er den Betriebsbedingungen (Druck, Temperatur und Beschaffenheit des Mediums) standhält und gleichzeitig flexibel Dehnungen und ggf. Schwingungen aufnehmen kann. Diesen Balg gibt es je nach o.g. Anforderungen aus Gummi, Edelstahl, PTFE oder auch Gewebe. Alle Werkstoffe haben ihre Vorteile, aber auch ihre Grenzen.

Gummi-Kompensatoren

Der Gummi-Kompensator besteht aus vulkanisierten Kunstkautschuklagen, z. B. EPDM, NBR, CR oder Butyl, die für die verschiedenen Medienbeständigkeiten ausgewählt werden können. Für die jeweiligen Druck- und Temperaturbeständigkeiten stehen unterschiedliche Druckträgereinlagen wie Nyloncord, Aramidcord oder Stahlcord zur Verfügung.

Gummi-Kompensatoren zeichnen sich durch hohe Flexibilität in axialer, lateraler und angularer Dehnungsaufnahme bei sehr kurzen Baulängen aus. Sie kompensieren Bewegungen oder Dehnungen in Rohrleitungssystemen, die durch thermische Veränderung, Gewichtsbelastung oder Senkung von Gebäuden verursacht wird. Außerdem reduzieren Gummi-Kompensatoren mechanische Geräusche und Wasserschallgeräusche. Hinsichtlich ihrer Geräuschdämmungseigenschaften haben sie sich allen anderen Bauelementen gegenüber als weit überlegen erwiesen.

Zudem werden Gummi-Kompensatoren als Ausgleich von Montageungenauigkeiten verwendet. Sie haben darüber hinaus eine hervorragende vibrationsmindernde Wirkung.

Gummi-Kompensatoren bestehen aus organischem Material und unterliegen damit einem natürlichen Alterungsprozess. Sie müssen daher jederzeit zugänglich eingebaut und in regelmäßigen Abständen ausgewechselt werden.

Beispielsweise wirkt sich starke UV-Bestrahlung negativ auf die Lebensdauer von Gummibälgen aus. Deshalb werden diese Bälge, die intensivem Sonnenlicht ausgesetzt sind, meistens mit einer Schutzhülle versehen. Der Gummibalg ist aufgrund seiner vielen verfügbaren Standard-Gummiqualitäten gegen die meisten Medien beständig, sogar gegen Säuren. In diesem Punkt ist der Gummibalg dem Edelstahlbalg oftmals überlegen, da hier teure Sonderwerkstoffe verwendet werden müssen.Insgesamt stellt der Gummibalg für Drücke bis 16 bar und Temperaturen bis 130°C ein äußerst leistungsfähiges, flexibles Element dar. Er hat gegenüber dem Edelstahlbalg in der Beweglichkeit bei kurzer Baulänge und in der Beständigkeit gegen aggressive Medien oft Vorteile.

Edelstahl-Kompensatoren

Die Bälge der Edelstahl-Kompensatoren bestehen aus dünnwandigen, gewellten Zylindern. Die Anzahl der Wellen variiert von einer bis über zwanzig. Edelstahl-Bälge werden sowohl in einwandigen als auch in mehrwandigen Ausführungen hergestellt. Mehrwandige Bälge erlauben gegenüber einwandigen bei gleicher Baulänge eine höhere Bewegungsaufnahme. Edelstahl-Kompensatoren gibt es mit Festflanschen, mit drehbaren Losflanschen, mit Anschweißenden, Gewindenippeln oder mit Verschraubungen.

Edelstahlbälge können bei entsprechender Beschaffenheit für sehr hohe Drücke eingesetzt werden. Temperaturbelastungen sind bis ca. 1000 °C möglich. In punkto Druck- und Temperaturbelastungen ist der Edelstahlbalg damit dem Gummibalg bei
Weitem überlegen.

Die axiale und angulare Beweglichkeit von Edelstahlbälgen liegt, dank der Mehrwandigkeit, teilweise auf gleichem oder höherem Niveau wie die Gummibälge. Die laterale Beweglichkeit liegt jedoch im Durchschnitt deutlich unter der von Gummibälgen.

Edelstahlbälge sind aufgrund der vielen Werkstoffarten für fast alle Medien verwendbar. Einige diese Edelstähle sind jedoch sehr teuer, sodass die Kosten eines Edelstahlbalges bei gleicher Beständigkeit gegen ein kritisches Medium erheblich über denen eines Gummibalges liegen können.Im Gegensatz zu Gummibälgen unterliegen die meisten Edelstahlbälge keiner materialbedingten Alterung. Sie bleiben auch bei fortschreitender Lebensdauer beweglich. Ebenso wie der Gummibalg ist der Edelstahlbalg ein äußerst leistungsfähiges, flexibles Element. Es gibt viele Anwendungsfälle, bei denen beide einsetzbar sind und einige Anwendungsfälle, bei denen nur der Gummibalg oder nur der Edelstahlbalg inrage kommen. Das ist abhängig von den konkret vorherrschenden Einsatzbedingungen und sollte im Zweifel immer zusammen mit einem Kompensatorenhersteller besprochen werden.

Gewebe-Kompensatoren

Gewebe-Kompensatoren werden fast ausschließlich im Gas-Bereich verwendet, z. B. bei der Müllverbrennung, der Rauchgaswäsche oder in Abgasanlagen. Jeder Gewebe-Kompensator wird einzeln geplant und produziert, je nach den gegebenen Anforderungen. Es gibt hier keine Norm-Kompensatoren. Entsprechend individuell ist daher auch die Materialzusammensetzung der unterschiedlichen Gewebe-Kompensatoren. Durch die mögliche Kombination der verschiedensten Materialien ist eine optimale und individuelle Anpassung der jeweiligen Betriebsverhältnisse möglich.

Die Dichtfolie, das eigentliche Dichtelement und damit das Herzstück des Kompensators, liegt zwischen zwei Gewebelagen. Die Dichtfolie kann, je nach Anforderung, aus sämtlichen Elastomeren (z. B. EPDM, Hypalon) bestehen, aus PTFE oder aus Edelstahlfolien. Das innere Isoliermaterial in entsprechender Dicke und Qualität verhindert die thermische und mechanische Beschädigung. Verwendet werden hierzu Gewebe aus Glas, Silikat oder Keramik.

Das außen liegende Trägergewebe übernimmt die Druckfestigkeit und Formstabilität. Hierfür werden Gewebe aus Polyester, Aramid, Glasgewebe oder Silikat verwendet. Zusätzlich ist das Trägergewebe in der Regel zum Schutz von äußeren Einflüssen beschichtet.

Der Vorteil von Gewebe-Kompensatoren ist die hohe Flexibilität und damit die große Bewegungsaufnahme bei geringer Einbauhöhe. Ein weiteres Argument für Gewebe-Kompensatoren ist der Einsatz bei hohen Temperaturen bis zu 600 °C. Gewebe-Kompensatoren, auch Weichstoff-Kompensatoren genannt, können nur mit einem maximalen Betriebsdruck von 3 - 4 bar eingesetzt werden.

PTFE-Kompensatoren

In chemischen Anlagen werden Kompensatoren meist unter Druck betrieben und mit aggressiven Chemikalien und Lösungsmitteln in Kontakt gebracht. Als besonders widerstandsfähig haben sich unter solchen Bedingungen Kompensatoren aus Polytetrafluorethylen (PTFE), in der Öffentlichkeit besser unter dem Markennamen Teflon bekannt, erwiesen. PTFE-Kompensatoren wirken vibrationsdämpfend und kompensieren thermische Längenänderungen. Sie bestehen aus einem PTFE-Balg mit mehreren Wellen und den Losflanschen für den Einbau in die Rohrleitungen. Je niedriger die Wellenanzahl, desto besser kann der Kompensator Druckbelastungen aufnehmen. Höhere Wellenzahlen hingegen verbessern die Beweglichkeit. Äußere Stützringe in den Wellentälern erhöhen zudem die Druckfestigkeit.

Es gibt weiße und schwarze PTFE-Bälge. Weiße PTFE-Bälge sind elektrisch nicht leitfähig und dienen somit auch als Isolierstücke. Schwarze PTFE-Bälge hingegen werden bevorzugt in explosionsgefährdeten Anlagen eingesetzt, da die Beimischung von Ruß eine elektrostatische Aufladung verhindert.

Die maximale Betriebstemperatur beträgt etwa 150 °C und liegt damit höher als die von Gummibälgen. Dafür ist die maximale Bewegungsaufnahme von PTFE-Kompensatoren erheblich geringer als die von Gummi-Kompensatoren. PTFE-Bälge sind immer dann in Betracht zu ziehen, wenn die Beständigkeit gegen aggressive Medien mit Gummi- oder Edelstahlbälgen nicht oder nur mit kostenintensiven Sonderwerkstoffen realisiert werden kann.

Fazit

Der Kompensator ist durch seine ständige Weiterentwicklung seit über 50 Jahren zu einem unentbehrlichen Element im Rohrleitungsbau geworden. Er ist aus haustechnischen Anlagen wie Heizung, Wasserversorgung sowie in Industrieanlagen und Großanlagen (wie Kraftwerken) nicht mehr weg zu denken. Seine Bedeutung wird in Zukunft weiter zunehmen.

Ein Rohrleitungssystem ohne Kompensatoren benötigt ausladende Rohrschenkel und Rohrdehnungsbögen und damit viel teuren Einbauraum zur Kompensation von Bewegungen. Dagegen braucht ein kompaktes Rohrleitungssystem, in dem Bewegungen mit Kompensatoren aufgenommen werden, erheblich weniger Einbauraum und erweist sich dadurch als besser planbar und als die preiswertere Lösung. Da er seinen festen Platz im Rohrleitungssystem hat und durch seine hervorragenden Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten ein einfaches planerisches Element darstellt, wird der Kompensator von Konstrukteuren und Installateuren immer häufiger eingesetzt.

Autor: Axel Pöhlmann, Fachbereich Kompensatoren Bereich Haustechnik bei Willbrandt KG, HamburgBilder: Willbrandt

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