mini|Kompensator für die Rohrseite eines Wärmetauschers Der Kompensator ist ein Element, das die Beweglichkeit von Rohrleitungen erhöht. Es wird verwendet zur Kompensation von thermischen Längenänderungen, Bewegungen durch Vibrationen, Setzungserscheinungen oder um die Montage zu erleichtern. Die Kompensation erfolgt dabei mechanisch über einen elastischen Balg. Abhängig von Medium, Druck, Temperatur und Anforderungen an die Lebensdauer wird der Kompensator aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt. Im Kraftwerksbereich sind Metall- und Weichstoffkompensatoren am meisten verbreitet, es gibt allerdings auch Anwendungen, in denen Kompensatoren aus Gummi, PTFE oder anderen Kunststoffen zum Einsatz kommen.

Geschichte

mini|x120px|links|Kom­pen­sa­toren für Dampf­turbine Bereits 1920 meldete Emil Witzenmann den ersten sogenannten Metallschlauch-Kompensator zum Patent an (Deutsches Reichspatent Nr. 367 185 vom 29. Juli 1920). Rein technisch gesehen handelte es sich bei diesem Vorläufer der heutigen Kompensatoren um einen groß dimensionierten, druckdichten Metallschlauch mit definiert eingeschränkter Bewegungsfreiheit.

In den 1930er Jahren wurde das Metallschlauchprinzip als zentrales Funktionselement durch den Metallbalg abgelöst. Dieses Konstruktionsprinzip – Metallbalg mit Anschlussstücken – ist bis heute die konstruktive Grundlage der modernen Metallkompensatoren.

Aufbau Jeder Kompensator besteht aus einem elastischen Balg und einem Rohrleitungsanschluss. Bei Metallkompensatoren bilden Balg und Anschluss meist eine Einheit.

Kompensatorbalg Der Balg des Kompensators kann sowohl aus Metall, einem Verbund aus technischen Geweben, Kunststoffen oder Gummi bestehen. Immer ist sowohl ein einlagiger als auch ein mehrlagiger Aufbau, bei dem die Schichten unterschiedlichen Auslegungskriterien (z. B. Dichtheit, Korrosionsschutz etc.) folgen, möglich. Die Geometrie des Balgs macht ihn gegen Längenänderung, Biegung und Versatz der angeschlossenen Rohre elastisch. Gegen Druck im Rohr und Momentenbelastung um die Rohrachse ist er relativ steif.

Kanalanschluss Der Anschluss des Kompensators an den Kanal erfolgt entweder über einen Flansch oder direkt, jeweils durch Verschraubungen oder Anschweißen.

Leitblech Bei gasförmigen Strömungsmedien werden optional Leitrohre oder Leitbleche eingesetzt, um Wirkungsgradverluste durch Strömungsumlenkung und Schäden am Kompensator zu minimieren. Turbulente Verwirbelungen aufgrund der Vergrößerung des Strömungsquerschnitts im Bereich des Kompensators können sowohl zu Ablagerung von Strömungspartikeln im Kompensator als auch zu Schäden durch Abrasion führen. Für die Auslegung eines Kompensators mit Leitblech ist es essentiell, dass die maximalen Bewegungen und die Strömungsrichtung definiert sind.

Abdeckung Zum Schutz vor äußeren Einflüssen (chemische Wechselwirkungen, Temperatureinflüsse z. B. durch Wärmeabstrahlung anderer Bauteile, Witterung), können Kompensatoren zusätzlich mit einer Abdeckung versehen werden. Die Isolierwirkung, die durch die Abdeckung entsteht, muss jedoch berücksichtigt werden.

Spezieller Aufbau von Metallkompensatoren (viellagig und vielwandig) Im modernen Kompensatorenbau werden die Metallbälge häufig im sogenannten Multilayer-Design gefertigt. Dabei werden, zur gleichzeitigen Erhöhung von Flexibilität und Stabilität, mehrere dünne Lagen von Metall als Wandung des Balgs kombiniert. Hierbei unterscheidet man zwischen zwei Konstruktionsarten, dem viellagigen und vielwandigen Balgaufbau. Der viellagige Aufbau besteht aus einem druckdicht längsgeschweißten Außen- und Innenzylinder aus Edelstahl. Dazwischen liegt ein offener spiralförmiger Zylinder, der je nach Auslegung mehrere Innenlagen bildet. Beim vielwandigen Aufbau sind es mehrere längsgeschweißte Zylinder, die ineinandergesteckt werden. Jeder Zylinder bildet dabei eine druckdichte und in sich geschlossene „Wand“.

Die wesentlichen Vorteile des vielwandigen Balges:

Beherrschung hoher und höchster Drücke große Bewegungsaufnahme kleine Baumaße geringe Verstellkräfte optimale Kompensation auf kleinstem Raum frühzeitige Leckanzeige (im Schadensfall) über standardmäßige Kontrollbohrung völlige Berstsicherheit Möglichkeit zur permanenten Lecküberwachung bei kritischen Medien wirtschaftlicher Einsatz hochwertiger, korrosionsbeständiger Materialien wie Inconel, Incoloy, Hastelloy, Titan und Tantal isolierend gegen Körperschall bis zu 20 dB

Diese Konstruktion bringt neben technischen auch wirtschaftliche Vorteile.

So können für den Balgaufbau unterschiedliche Werkstoffe eingesetzt werden. Wie z. B. hochlegierte Edelstähle für das mediumbeaufschlagte Innen- und/oder Außenrohr und niederlegierte Edelstähle für die Zwischenlagen.

Kompensationsarten mini|hochkant|Prinzipskizzen von Kompensatorbewegungen Grundsätzlich wird bei der Auslegung von Kompensatoren zwischen axialen, lateralen und angularen Bewegungen unterschieden. Bei rechteckigen Kompensatoren spielt nicht nur die Bewegung selbst, sondern auch zusätzlich die Raumrichtung der Bewegung eine Rolle. Abhängig von der Bewegung bilden sich unterschiedliche Rückstellkräfte aus. Rückstellkräfte sind Federkräfte, die den Kompensator in seine Ausgangslage zurückzwingen. Vor allem bei Metallkompensatoren steigen die Rückstellkräfte mit zunehmender Verformung stark an.

Axial Bei der axialen Kompensation wird die Wärmedehnung eines geraden Leitungsabschnitts zwischen zwei Festpunkten von einem Axialkompensator aufgenommen. Der Abstand der beiden Festpunkte bestimmt die zu kompensierende Leitungslänge und damit die vom Kompensator auszuführende Axialbewegung.

Für die axiale Kompensation gelten folgende Grundregeln: Das ebene oder räumliche Rohrleitungssystem wird durch Festpunkte so in individuelle, gerade Teilstrecken unterteilt, dass sie jeweils durch einen einzigen Axialkompensator kompensiert werden können. Die Festpunkte sind so auszulegen, dass sie den Druck- und Federkräften des Axialkompensators, den Reibungskräften der Führungslager und den Strömungskräften standhalten. Lange Rohrleitungen sind zwischen den Festpunkten durch Führungslager gegen Ausknicken zu sichern. Der Axialkompensator sollte in unmittelbarer Nähe eines Festpunkts und eines Führungslagers eingebaut werden. Unzulässig große Festpunktbelastungen können durch druckkraftentlastete Axialkompensatoren vermieden werden.

Angular hochkant=0.5|mini|Angular­bewegung Bei der angularen Kompensation von Wärmedehnungen sind mindestens zwei, für eine vollständige Kompensation sogar drei Angularkompensatoren erforderlich. Angularkompensatoren bieten eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten in so genannten Zwei- oder Dreigelenksystemen.

Die ebenen Dreigelenksysteme kommen mit einseitig angular beweglichen Kompensatoren aus, während die räumlichen Dreigelenksysteme zur Aufnahme von Wärmedehnungen in drei Achsrichtungen mindestens zwei allseitig angular bewegliche Kardankompensatoren benötigen.

Für die angulare Kompensation gelten folgende Grundregeln: Es sind immer mindestens zwei Angularkompensatoren erforderlich. Die angulare Kompensation ist immer mit mehrfacher Strömungsumlenkung um 90° verbunden. Da Angularkompensatoren als Gelenkkompensatoren die von den Bälgen freigesetzten Druckkräfte selbst aufnehmen, werden die Rohrleitungsfestpunkte nur noch von deren Verstellkräften und -momenten, sowie von den Reibungskräften der Leitungsführungen und den Strömungskräften belastet. Die angulare Kompensation ist besonders für räumlich komplizierte Leitungsverläufe geeignet.

Lateral hochkant=0.5|mini|Lateral­bewegung Die laterale Kompensation ist ebenfalls mit einer Umlenkung der Strömung um 90° innerhalb des ebenen oder räumlichen Leitungssystems verbunden. Meist werden im System vorhandene rechtwinklige Umlenkungen für den Einbau von Lateralkompensatoren genutzt.

Die Bewegung eines Lateralkompensators setzt sich immer aus der gewünschten Lateralbewegung und einer geringfügigen, unvermeidbaren Axialbewegung aus dem Kompensator selbst zusammen. Die einfachen Lateralkompensatoren für Lateralbewegungen in nur einer Ebene erlauben im Vergleich zu den Axialkompensatoren eine wesentlich größere Dehnungsaufnahme. Allseitig bewegliche Lateralkompensatoren ermöglichen darüber hinaus die gleichzeitige Dehnungsaufnahme von zwei Leitungsstrecken unterschiedlicher Richtung.

Für die laterale Kompensation gelten folgende Grundregeln: Entsprechend ihrer Bewegungsart werden Lateralkompensatoren immer senkrecht zur kompensierenden Rohrleitung angeordnet. Das heißt, laterale Kompensation ist immer mit Strömungsumlenkung verbunden. Entlastung der Festpunkte von Druckkräften wie bei Angularkompensatoren.

Die unvermeidbare, kleine Axialbewegung von Lateralkompensatoren wird bei der „vollständigen Kompensation“ von einem zusätzlichen Gelenkkompensator aufgenommen. Häufig kann sie jedoch die Rohrleitung durch elastische Biegung ausgleichen. In diesem Fall ist in den Leitungsführungen genügend Lagerspiel vorzusehen. Lateralkompensatoren lassen eine Angularbewegung um die Bolzen oder Gelenkachsen zu. Dies kann zur Aufnahme von Leitungsdurchhang zwischen den Rohrhalterungen ausgenützt werden. Lateral- und Angularkompensatoren werden häufig auch kombiniert in Dreigelenksystemen eingesetzt.

Werkstoffe und Bauformen Die Wahl eines geeigneten Kompensators orientiert sich am Prinzip der kostengünstigsten Funktionserfüllung. Bei einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung müssen nicht nur die Kosten der Kompensatoren, sondern auch die der erforderlichen Festpunkte, Rohrhalterungen und Schachtbauwerke beachtet werden. Darüber hinaus müssen vor allem die Wartungs- und Instandhaltungskosten in ökonomische Überlegungen mit einbezogen werden. Reparatur und Austausch von Kompensatoren übersteigen die Investitionskosten meist um ein Vielfaches: im Schadensfall kommen unter Umständen zusätzlich zur Neuinvestition die Kosten für den Anlagenstillstand, zu treffende Sicherheitsvorkehrungen und Gerüstbau an mitunter schwer zugänglichen Stellen hinzu.

Weichstoffkompensator mini|hochkant|Weichstoffkompensator Weichstoff- oder Gewebekompensatoren sind aus technischen Geweben oder Elastomeren hergestellte Leitungs- und Kanalbauteile. Sie werden sowohl für die Kompensation von mechanischem Versatz als auch zur Schall- und Vibrationsminderung eingesetzt. Der Weichstoff wird entweder auf einem Stahlrahmen befestigt oder – bei geringer Belastung – mit Spannbändern an die Rohrleitung angeschlossen. Je nach Einsatzzweck werden Weichstoffkompensatoren in einlagiger oder mehrlagiger Ausführung hergestellt. Durch den mehrlagigen Aufbau können unterschiedliche Funktionen, z. B. Isolierung, Dichtheit, Druckstoßverhalten etc. entsprechend den spezifischen Anforderungen kombiniert werden. Im Vergleich zu Metallkompensatoren zeichnen sich Weichstoffkompensatoren durch ein geringes Gewicht und niedrige Reaktionskräfte aus (auch Rückstellkräfte genannt). Daher sind Gewebekompensatoren vor allem für große Abmessungen bei niedrigen Betriebsdrücken und gasförmigen Medien (Luft, Abgas, Rauchgas) geeignet. Für die Auslegung existiert keine Normung, aber eine Sammlung von technischen Informationen der Gütegemeinschaft Weichstoff-Kompensatoren im RAL-Verband, die den Stand der Technik beschreiben.

Metallkompensator mini|Übersicht von Metall-Kompensatoren Metallkompensatoren werden vorzugsweise dann eingesetzt, wenn die Leitungssysteme druckbeaufschlagt sind, hohe Temperaturen herrschen oder wenn aggressive Medien geleitet werden müssen. Sie bestehen aus einem oder mehreren Metallbälgen und Anschlussteilen an beiden Enden. Je nach Einsatzgebiet und den zu kompensierenden Bewegungen verfügen sie zusätzlich über Gelenkverankerungen. Entsprechend den drei grundsätzlichen Bewegungsarten unterscheidet man Axial-, Angular- und Lateralkompensatoren.