IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 18/1998, Seite 86 ff.

SANITÄR-/HEIZUNGSTECHNIK

Kompensatoren

für gebäudetechnische Anlagen

Klaus Pätzmann

Der Kompensator ist ein Konstruktionselement, das in der modernen Gebäudetechnik viele Probleme löst und folglich zu einem unverzichtbaren "Baustein" in der Heizungs-, Klima- und Sanitärinstallation geworden ist.

Bild 1: Gummi- (oben) und Metallkompensator in der bekannten Ausführung. 

Auf die Darstellung der Ausführung und des Aufbaues des Kompensators wird hier verzichtet, da diese seit Jahrzehnten hinreichend bekannt sind. Es soll nur darauf hingewiesen werden, daß zwischen Kompensatoren aus Gummi und Kompensatoren aus Metall (Bild 1) und deren jeweiligen spezifischen Einsätzen unterschieden wird.

Kompensatoren werden eingesetzt zur

  1. Spannungsreduzierung,
  2. Schwingungs- und Geräuschdämmung (Schallabstrahlung),
  3. Aufnahme von Dehnungen,
  4. Aufnahme von Montageungenauigkeiten,
  5. Ein- und Ausbauhilfe für Armaturen,
  6. Aufnahme von Gebäudesenkungen.

1. Spannungsreduzierung

Die Forderung der Pumpen-, Aggregate- und Armaturenhersteller, die Kräfte und Momente an Saug- und Druckstutzen bzw. Ein- und Auslaßseite möglichst klein zu halten, erfordert zwangsläufig einen flexiblen Anschluß an diesen Stutzen, folglich den Einsatz von Kompensatoren. Ferner bedingt die Tatsache, daß die Aggregate aus Gründen der Schwingungs- und Schalldämpfung elastisch gelagert werden müssen (Gummimetall-Elemente unter den Pumpen etc.), daß das Rohrleitungssystem ebenfalls flexibel angeschlossen werden muß.

Spannungen sind thermischer und mechanischer Art.

1.1 Thermische Spannungen

Die an einem Anschlußstutzen auftretenden thermischen Spannungen ergeben sich bedingt durch die von der Einbautemperatur nach oben und/oder nach unten abweichende(n) Betriebstemperatur(en). Diese sind, wie das nachfolgende Beispiel zeigt, beachtlich.

Bild 2: Thermische Spannung an einem Pumpenstutzen (Berechnungsbeispiel s. Text). 

Aus thermischer Spannung, z.B. an einem Pumpenstutzen (Bild 2), errechnet sich eine Längskraft nach der Gleichung:

Es bedeuten:

f1 = Längskraft in N

E = Elastizitätsmodul in N/mm2

DJ = Temperaturdifferenz in K

a = Ausdehnungskoeffizient in mm/(m · K)

A = Querschnitt der Rohrwand in mm2

Ausgehend von einem Stahlrohr DN 150 mit A = 2316 mm2, a = 12 · 10-3 mm/(m · K) und E = 210000 N/mm2 erhält man bei einem angenommenen DJ = 80 K eine Längskraft von:

Das bedeutet, daß hierbei aus thermisch bedingter Spannung eine Längskraft von rd. 47 t wirksam wird.

Durch den Einsatz eines Kompensators werden diese Längskräfte aufgenommen. Diese sind immer größer als die hydraulischen Druckkräfte, die durch den Kompensator in einem Rohrleitungssystem freigesetzt werden.

1.2 Mechanische Spannungen

Diese werden von rotierenden Maschinenteilen am Aggregat, z.B. von Elektromotoren, Lüfterflügeln oder Kreiseln, Plunger, Membranen und Schnecken an Pumpen, erzeugt. Auch treten Momente bedingt durch Rohrleitungsversatz auf.

Hierbei werden die angeschlossenen Rohrleitungen durch die rotierenden Massen angeregt, wodurch eine Materialermüdung, außerdem durch die mechanischen Spannungen am Pumpenstutzen auch erhöhter Verschleiß von Gleitringdichtungen, eintreten können.

Um dies zu vermeiden, werden auch hier, mit sehr gutem Erfolg, Kompensatoren eingesetzt.

2. Schwingungs- und Geräuschdämmung (Schallabstrahlung)

In der modernen Gebäudetechnik werden zur Förderung von Flüssigkeiten (in verfahrenstechnischen Anlagen) eine große Anzahl von Pumpen und Aggregaten eingesetzt. Diese erzeugen, wie bereits erwähnt, durch rotierende und hin- und hergehende Massen Schwingungen und somit Schallabstrahlung. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß in gebäudetechnischen Anlagen die Oberflächen der Rohrleitungen ein Vielfaches dessen an Schall abstrahlen, als alle anderen Schallverursacher zusammen. Daraus folgt, daß ein "aktiver Lärmschutz" zur Eliminierung der unerwünschten Schallabstrahlung mit Gummi-Kompensatoren erreicht und auch erfüllt wird.

Pauschal kann gesagt werden, daß mit den hier gezeigten Gummi-Kompensatoren eine Körperschalldämmung von 4 bis 28 dB (A) erzielt wird, wobei 5 dB (A) eine Reduzierung der Geräusche um die Hälfte bedeutet.

Der Gummi-Kompensator erfüllt diese Aufgabe aufgrund seines konstruktiven Aufbaues und des Werkstoffes am besten, was in einer Versuchsreihe mit einem namhaften Pumpenhersteller bestätigt wurde [1]. Aussagen, daß Geräuschdämmung in jedem speziellen Einsatzfall erreicht wird, können nicht gemacht werden, da die Parameter in jedem Einzelfall sehr unterschiedlich sind.

Bild 3: Gegenüberstellung von zwei Gummi-Kompensatoren gleichen Fabrikats ohne und mit Zugstangen in einem Körperschall-Diagramm. 

Das Bild 3 zeigt ein Körperschall-Diagramm. Die Untersuchungen wurden in Anlehnung an die Schallschutzforderung der DIN 4109 durchgeführt. Durch die spezielle Konstruktion der Zuganker bei den dabei verwendeten Kompensatoren, serienmäßig bis DN 150 in Gummibuchsen gelagert, wird eine Geräuschdämmung erreicht, die unverspannten Kompensatoren fast gleichkommt. Der sich über die Zugstangen fortleitende Körperschall wird von den Gummibuchsen optimal unterbrochen.

2.1 Zum Einsatz von Kompensatoren

In jedem druckbeaufschlagten Rohrleitungssystem wirkt eine hydraulische Kraft, die durch den Einsatz von Kompensatoren freigesetzt wird. Diese Kraft, auch Axialkraft genannt, muß immer mittels zweier Festpunkte oder einer integrierten Verspannung am Kompensator aufgenommen werden.

errechnet sich diese Kraft aus dem wirksamen Balgquerschnitt und dem Prüfdruck der Anlage:

fR = A · p · 10

Es bedeuten

fR = hydraulische Kraft in N

A = wirksamer Balgquerschnitt in cm2

p = Prüfdruck in bar

gilt dies nicht, denn durch eine Versuchsreihe wurde bestätigt, daß jede Nennweite bei einer bestimmten Fixlänge der Kompensator keine axialen Kräfte freisetzt.

Diese theoretische Betrachtung ist in der Praxis kaum realisierbar. Grundsätzlich sind die Axialkräfte eines Gummi-Kompensators wesentlich geringer als die eines Metall-Kompensators gleicher Nennweite, weil bei Gummi-Kompensatoren zur Ermittlung der Axialkräfte nicht vom geometrischen, sondern vom effektiv wirksamen Querschnitt ausgegangen wird.

Als Empfehlung kann gesagt werden, daß für den Einsatz von Kompensatoren zur Spannungsreduzierung und zur Schwingungs- und Geräuschdämmung (Schallabstrahlung) Konstruktionselemente aus dem Werkstoff Gummi bessere Ergebnisse erzielen als Kompensatoren aus Metall.

Bild 4: Beispiele für den Einsatz von Kompensatoren zur Spannungsreduzierung und zur Schwingungs- und Geräuschdämpfung.

Das Bild 4 zeigt einige Beispiele für den Einsatz von Kompensatoren zur Spannungsreduzierung und zur Schwingungs- und Geräuschdämmung.

3. Aufnahme von Dehnungen in Rohrleitungen

Für den sicheren Betriebsablauf in gebäudetechnischen Anlagen werden Wärmedehnungen in Rohrleitungen durch Kompensatoren aufgenommen. Zum Einsatz gelangen Axial-, Lateral- und Angular-Kompensatoren. Hierzu einige Beispiele:

3.1. Axial-Kompensatoren

Bild 5: Axialkompensatoren mit Hauptfestpunkt (HFP) und Zwischenfestpunkt (ZFP) sowie Gleitlager als Führungslager (FL). 

Geringe und mittlere Dehnungen können mit einem Axial-Kompensator aufgenommen werden (gerader Rohrleitungsverlauf). Bei größerer Dehnung müssen mehrere Kompensatoren auf die Rohrstrecke verteilt werden. Axial-Kompensatoren erfordern außerdem starke, ausreichend dimensionierte Haupt-Festpunkte (Bild 5).

3.2. Lateral- und Angular-Kompensatoren

Bild 6: Für große Dehnungen:

a) Doppelgelenk- und Angular-Kompensator im "L3"-System zur gleichzeitigen Aufnahme großer Bewegungen aus zwei Richtungen in einer Ebene;

b) Kugelgelenk- und Angular-Kompensator im "Z3"-räumlich-System zur Aufnahme großer Bewegungen in allen Ebenen. 

Große Dehnungen (90° zur Kompensationsachse) werden in einer Ebene oder räumlich mit Lateral- und/oder Angular-Kompensatoren ausgeglichen (Bild 6). Die hier erforderlichen Festpunkte werden geringer belastet als die bei Axial-Kompensatoren, da diese Kompensatoren eine integrierte Verspannung haben, die die hydraulischen axialen Druckkräfte aus Balgquerschnitt mal max. Systemdruck aufnehmen.

Wärmedehnungen werden überwiegend mit Metall-Kompensatoren ausgeglichen.

4. Montageungenauigkeiten

Bild 7: Gummi-Kompensator als Ausgleich großer Montageungenauigkeiten und Setzungen. 

Gummi- und Metall-Kompensatoren bieten eine sehr gute Möglichkeit, Montageungenauigkeiten und Setzungen auszugleichen. Hierbei hat der Gummi-Kompensator den Vorteil, durch kurze Baulänge relativ große Werte an Montageungenauigkeiten und Setzungen aufnehmen zu können (Bild 7).

5. Ein- und Ausbauhilfen für Armaturen

Bild 8: Metall-Kompensator mit einer Justiereinrichtung für Ein- und Ausbauhilfe. 

Gummi- und Metall-Kompensatoren mit einer Justier-Einrichtung (integriert an den Kompensatorflanschen) sind sehr einfach zu handhabende und wirkungsvolle Elemente, um Armaturen problemlos aus der Rohrleitung auszubauen. Hierbei wird der Kompensator mittels Gewindestangen und Muttern, integriert an den Flanschen (Bild 8), in seiner Baulänge reduziert, so daß ein Herausnehmen der Armatur ohne Verkanten und ohne Schwierigkeiten möglich ist.

6. Spezifische Anwendung

Gummi- und Metall-Kompensatoren für die Gebäudetechnik sind unverzichtbare Bausteine in Anlagen für:

Bild 9: Kompensatoren und deren spezifische Anwendung.

 Bild

Bezeichnung

Anwendung

1

Gummikompensator mit textilem Druckträger oder mit Stahldraht-Druckträger DIN 4809- und TÜV-zugelassen

· Spannungsreduzierung, Schwingungs- und Geräuschdämmung,
· Ausgleich von Wärmedehnungen und Montageungenauigkeiten,
· Ein- und Ausbauhilfe für Armaturen.

2

Gummikompensator mit Geräuschdämpfer und Zugstangen-Verspannung

· Wie 1, immer dann, wenn nicht ausreichend dimensionierte Festpunkte installiert werden können.
Axialdehnung unzulässig!

3

Gummimetall-Rohrverbinder

· Nur zur Aufnahme von Schwingungen mit kleiner Amplitude, (Geräuschdämmung). Bewegungsaufnahme und Montageausgleich unzulässig!

4

Stahl-Rohrverbinder mit Gummiflanschen, auch mit Verspannung

· Bis +140°C
· Wie 1, wenn verspannter Kompensator.
Axialdehnung unzulässig!

5

Axial-Stahlkompensator mit Flanschen oder mit Anschweißenden

· Axiale Dehnungsaufnahme,
· für Wärmedehnungen,
· auch bei geringer lateraler und angularer Dehnungsaufnahme,
· Zulassung DVGW, VdS.

6

Lateral-Stahlkompensator mit Flanschen oder mit Anschweißenden

· Laterale Dehnungsaufnahme,
· für große Wärmedehnungen,
· lange Rohrleitungen, wenn 90° abgewinkelte Rohrleitung vorhanden,
· mit Gelenk- oder Zugstangenverspannung.

7

Angular-Stahlkompensator mit Flanschen oder mit Anschweißenden

· Wie 6, mit Einfach-Gelenk für Dehnungen aus einer Ebene,
· mit Kardangelenk für räumliche Dehnungen.

8

Schläuche aus Gummi oder Chromstahl

· Wie 1, auch Verlegung in U-Form für große Wärmedehnungen und als 90°-Bogen möglich.

Das Bild 9 zeigt die spezifische Anwendung von Kompensatoren.

7. Spezial-Kompensator für die Heizungstechnik

Bild 10: Gummi-Kompensator mit Stahldrahtdruckträger. 

Zur Schallpegelabsenkung in heizungstechnischen Anlagen wurde ein Gummi-Kompensator mit Stahldrahtdruckträger entwickelt (Bild 10), der sich durch folgende Eigenschaften auszeichnet:

In der DIN 4809 wird gefordert, daß Schadensfälle an Gummi-Kompensatoren nicht schlagartig ablaufen dürfen, sondern daß das Versagen sich optisch sichtbar ankündigen soll - etwa durch kleine Risse und geringen Wasseraustritt. Die Stahldrahtkarkasse erfüllt diese Forderung.

8. Zugstangenverspannung

Bild 11: Detail einer Zugstangenverspannung. 

Es sei nun nochmals auf die Funktion bzw. Merkmale der Zugstangenverspannungen (Bild 11) hingewiesen:

An Lateral-Kompensatoren (s. Bild 9 Nr. 6) dürfen keine Axialdehnungen auftreten, da diese den Kompensator zusammendrücken und folglich der Kraftschluß zwischen den Muttern der Gewindestangen und den Flanschen nicht mehr gegeben ist - die Zugstangen hängen lose am Kompensator, da die Längskräfte durch die Erwärmung der Rohrleitung (Axialdehnung) höher sind als die Reaktionskräfte des Kompensators. Fazit: In diesem Fall sind die Zugstangen funktionslos, und die Festpunkte werden mit den vollen Reaktionskräften belastet.

9. Qualitätsprüfung und Zulassung

Kompensatoren aus Gummi und aus Metall für gebäudetechnische Anlagen sollten grundsätzlich einer Bauteil- und Eignungsprüfung unterzogen werden, auch wenn keine Abnahmepflicht vorliegt. Nur so können größtmögliche Sicherheit und optimale Lebensdauer gewährleistet werden. Es liegen z.B. für die hier gezeigten Kompensatoren von folgenden Stellen Zulassungen vor: TÜV Technischer Überwachungsverein; DIN nach DIN 4809 für Heizungsanlagen; DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V.: VdS Verband der Sachversicherer (Sprinkleranlagen); KTW-Empfehlung für Gummiqualität neuester Stand für Trinkwasser.

10. Schlußbemerkung

Diese Ausführungen sind als Empfehlungen für den spezifischen Einsatz von Kompensatoren in verfahrenstechnischen Anlagen der Gebäudetechnik zu verstehen.

Sie erheben in diesem vorliegenden Umfang keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

L i t e r a t u r :
[1] Schallpegelmessungen und Versuchsanordnungen der Firmen KSB Aktiengesellschaft, Frankenthal, und Stenflex Rudolf Stender GmbH, Hamburg.

B i l d e r :   Stenflex GmbH, Hamburg

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