Innovative Problemlösungen mit Weichstoff- bzw. Gewebekompensatoren

Referat zum Thema Weichstoffkompensatoren in Grenzbereichen von Manfred Adam

Jeder Kompensatoren-Hersteller wurde, z.B. auf einer Messe, schon einmal mit der Frage konfrontiert: "Bis zu welcher Temperatur kann man Ihre Kompensatoren einsetzen?" oder "Bis zu welchem Druck ... ?"

Wenn man diese Frage korrekt beantworten will, ist dies nicht mit einer einfachen Zahlenangabe getan. Man muß erklären, dass hier die Bauform des Kompensators bzw. die Konstruktion, z.B. Ausmauerung der Leitungen, die Abmessungen usw. eine Rolle spielen.

Größte Bedeutung bei der Auslegung von Gewebe-Kompensatoren het jedoch zunächst unser vierteiliger Fragen-Komplex nach den Betriebsbedingungen:

  • Temperatur
  • Druck
  • Bewegungen
  • Medium

Keine dieser vier Fragen kann man für sich alleine beantworten, dass heißt wenn man Grenzen für eine einzelne Komponente der auf den Kompensator einwirkenden Betriebsbedingungen festlegen will, kann man dies nur, wenn auch die drei anderen Betriebskonditionen mit in Betracht gezogen werden.

Die Frage ist nun, wo diese Grenzbereiche tatsächlich liegen und mit dem folgenden Diagramm wird eine bildliche Darstellung versucht. Es sind jedoch lediglich die beiden Komponenten Temperatur und Druck eingetragen.


Kompensatoren-Hersteller könnten jetzt über diese Grenze stundenlang diskutieren, z.B. alleine über die senkrechte Linie, welche den Druck begrenzt. In unseren Güte- und Prüfbestimmungen ist diese Grenze bei 160 mbar gezogen. Aber das Thema dieses Referates sind ja gerade diese Grenzbereiche.

Die untere waagerechte Linie kann z.B. bei Gummikompensatoren nach unten rutschen, wenn es sich um sehr aggresive Medien handelt.

Anhand von Problemlösungen aus der Praxis soll nachfolgend geschildert werden, dass die Grenzen durchaus variabel sein können.

Über den Gummi-Kompensator ist noch eine waagerechte gestrichelte Linie dargestellt. Denn es werden z.B. Kompensatoren aus Silicon-Kautschuk für Kernkraftwerke hergestellt, welche vor sogenannten Schnellschluß-Klappen sitzen. Im Normalbetrieb werden diese Kompensatoren mit ca. 50 mbar belastet. Der Störfall-Druck beträgt jedoch 5 bar und diese Belastbarkeit wird durch Berechnungen nachgewiesen. In einem Fall verlangten die Gutachter einen Nachweis durch Versuche und ein Kompensator wurde mit Glycerin auf 140°C erwärmt und gleichzeitig wurden die zu erwarteten Lateral- und Axial-Bewegungen aufgebracht und die Reaktionskräfte gemessen.

Anschließend war nachzuweisen, dass der Berstdruck des Kompensators das Vierfache des Störfall-Druckes, also 20 bar, beträgt. Die Versuchseinrichtung war für diese 20 bar ausgelegt. Bei 22 bar wurde der Versuch ohne Zerstörung des Kompensators abgebrochen. Hier spricht man auch noch vom Weichstoffkompensator, obwohl es sich um eine höhere Druckbelastung handelt.

Ein anderes Beispiel für Weichstoffkompensatoren in Grenzbereichen wird mit nachfolgender Skizze dargestellt:


Hier lag die Medientemperatur bei 300°C und der Verfahrensdruck bei 270 mbar. Der Kunde hatte eindeutig den Kompensatoren-Hersteller zu spät hinzugezogen, denn es war die Bauform bereits vorgegeben und die Fertigung der Stahlteile war soweit fortgeschritten, dass man sich nicht mehr zu einer Konstruktionsänderung bewegen ließ.

Nach Auftragsvergabe wurde dann bekannt, dass bei einer Havarie der Druck auf 300 bis 500 mbar ansteigen kann. Dies ist auch schon tatsächlich der Fall gewesen.

Da es sich um eine Salzsäure Nachverbrennung handelt, machte man sich selbstverständlich große Sorgen bezüglich der Korrosion. Es wurde auf der Aussenseite des Kompensators innerhalb der Isolierung noch eine Begleitheizung angebracht, welche die Temperatur konstant aus 180°C bis max. 190°C gehalten hat. Im Falle einer Undichtheit wäre jedoch das trockene Gas in die Isolierung eingedrungen und hätte dort, in Salzsäre umgewandelt, zu erheblichen Korrosionsschäden geführt. Glücklicherweise handelte es sich um Kompensatoren von maximal 800 mm Durchmesser, und das Risiko wurde eingegangen.

Wenn der Kunde frühzeitig einen Kompensatoren-Hersteller in die Planung einbezogen hätte, wäre eine Konstruktion mit herausgezogenem U-Form-Kompensator denkbar gewesen, bei welchem höhere Druckdichtheit garantiert werden kann.


Diese Lösung ist auch der Grund dafür, dass hier die Untergrenze für Stahlkompensatoren bei 500°C und einem Druck von 1 bar angesiedelt wird (siehe Diagramm). Denn entsprechende Lösungen könnte man sich in diesem Grenzbereich auch noch für Weichstoffkompensatoren vorstellen.

Um noch einmal zu den unteren Temperaturbereichen, ca. 140°C zurückzugehen, soll hier eine Lösung für sehr große Erdbebenbewegungen in der Rauchgasreinigung einer Kupferhütte in Chile vorgestellt werden. Es handelt sich um drei zusammengekoppelte U-Form-Kompensatoren, welche aufgrund des großen Kondensatanfalles mit PTFE ausgekleidet sind. Es hat dort tatsächlich schon ein Erdbeben stattgefunden, welches die Ausmauerung in den Öfen zerstört hat. Die Kompensatoren haben den an sie gestellten Anforderungen standgehalten.

Anschließend ein Fall mit Extrembewegungen:
In unseren Güte- und Prüfbestimmungen wurde seinerzeit festgelegt, dass sich Weichstoffkompensatoren nur bedingt zum Einsatz bei starken Schwingungen, z.B. Schüttelrinnen eignen. Das ist auch richtig, denn bei Temperaturen über 200 bis 250°C ist es nicht mehr möglich, die erforderliche Zwischenisolierung einzusetzen.


In der Regel liegen in Schwingförderern oder Vibrationssieben nicht so hohe Temperaturen vor. Da diese Anlagen unter anderem auch in Kraftwerken zur Kohle-, Asche- oder Schlackeförderung eingesetzt werden, sollte hier nicht unerwähnt bleiben, dass es elegante Lösungen zum elastischen Anschluß von Vibrationsförderern gibt. Die Eigenmasse der Kompensatoren muss so gering wie möglich sein und es werden sehr dehnfähige Gewebe zur Verstärkung eingesetzt.

Machen wir jetzt einen großen Sprung in den oberen Temperaturbereich, bleiben aber noch bei größeren Bewegungen.

Hier wird eine Kompensatorlösung zwischen einer Brennkammer für Chemieabfälle und Abhitzekessel gezeigt. In der ausgemauerten Brennkammer, welche senkrecht neben dem Abhitzekessel steht, triit eine Temperatur von 1200°C auf. Da sich die Wände des aufgehangenen Kessels naturgemäß langsamer und später erwärmen als die Brennkammer, muss der Kompensator zunächst die große Lateralbewegung aus Richtung Brennkammer aufnehmen. Erst dann wird er durch den nach unten wachsenden Kessel gestaucht.

Kesselseitig sollten die Stahlteile zur Aufnahme des Kompensators am Sammler angeschweißt werden, welcher nur eine Temperatur von 300°C hat. Die Wandungstemperatur der Brennkammer wurde mit 350°C berechnet.

Zusammen mit den Planern hat man sich für eine konische bzw. pyramidenförmige Ausführung des Kompensators entschieden, weil man damit häher an den kälteren Sammler herangehen und Taupunkt-unterschreitungen vermeiden konnte. Die Baulänge des Kompensators wurde dadurch so klein wie möglich gehalten, weil sich der elastische Bereich des Kompensators vergrößerte.

Zusätzlich wurde im Kaltzustand eine Vorspannung um die Hälfte der zu erwartenden Lateralbewegung in Richtung Brennkammer geschaffen. Bei Erwärmung wanderte der Kompensator durch seinen Null-Punkt und hatte so im Betriebszustand auch nur den halben Lateral-Versatz aufzunehmen.

Im letzten Beispiel findet man eine Kombination von Medium, hoher Temperatur und großer Bewegung. Es handelt sich um die Asche-Rückführung an einem Wirbelschicht-Kessel. Im Betrieb wird der Kompensator gegenüber dem Kaltzustand um 120 mm gestreckt und die Asche hat eine Temperatur von 500 bis 600°C. In dieser Anlage staut sich die Asche oft auf und der Kompensatorbereich wird dann mit 900°C belastet.

Da bei dieser Bewegung keine Innenisolierung vorgesehen werden kann ( sie wäre im Betriebszustand ohnehin geöffnet), wurden die Wärmebrücken zum Kompensatoreinspann-bereich seinerzeit durch isolierte Kammern unterbrochen. Durch Anschläge an den beiden unteren Kompensatoren wird die Stauchung auf alle drei Kopensatoren gleichmäßig verteilt. Umgekehrt wird durch eine aussen angebrachte Konstruktion aus dünnen Stahlseilen auch eine gleichmäßig verteilte Streckung der einzelnen Kompensatoren gewährleistet.

Eine elegante Scherelösung, welche die Bewegung ebenfalls gleichmäßig verteilt, ist hier nicht möglich, denn in dem Moment, wo der untere Bereich der Kammer, und damit auch die Kompensatorwelle mit Staub gefüllt ist, ist die ganze Schere blockiert.

In den Güte- und Prfübestimmungen mußten allgemein gültige Grenzen festgelegt werden, innerhalb derer die große Masse der Weichstoffkompensatoren erfasst werden muss.

Die wenigen Beispiel zeigten aber bereits, dass es immer Sonderlösungen gibt und vor allem hier wünschen wir uns eine frühzeitige Zusammenarbeit von planenden Ingenieuren, Anlagen-Herstellern, Kompensatoren-Herstellern und künftigem Anlagen-Betreiber. Letztere sind ja tatsächlich schon oft in die Anlagenplanung involviert.

Gemeinsam an einem Tisch ist es so möglich, eine optimale Kompensatorenlösung zu erarbeiten. Der Kompensatoren-Hersteller bringt dabei seine Erfahrungen aus vielen anderen Anlagen und Einsatzbedingungen mit ein.

Wichtig ist uns auch, speziell bei Kompensatoren in Grenzbereichen, die spätere zusammenarbeit mit den Betriebsleitern. Wir Kompensatoren-Hersteller können nicht alle Betriebsbedingungen in Versuchen nachvollziehen. Wir können Druck- und Bewegungsprüfungen durchführen und ggf. auch einen Kompensator aufheizen. Das Medium mit seiner Strömungsgeschwindigkeit steht uns jedochnicht für Versuche zur Verfügung. Im Rahmen einer Überwachung der Kompensatoren während einer Betriebsphase und daraus resultierender Optimierungen (z.B. an den Aussenisolierungen) möchten wir zum störungsfreien Betrieb einer Anlage beitragen.
Wir schaffen damit nicht nur eine Vertrauensbasis zu unserem Produkt, sondern sammeln auch Erfahrungen, welche später wieder in unsere Konstruktionsvorschläge einfliessen.

Kitzingen, den 10. Oktober 1997