Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme [26 ed.] 3662597144, 9783662597149

Table of contents :
Vorwort zur 26. Auflage des DUBBEL – Fundiertes Ingenieurwissen in neuem Format
Hinweise zur Benutzung
Inhaltsverzeichnis
Teil I: Kolbenmaschinen
1 Allgemeine Grundlagen der Kolbenmaschinen • Helmut Tschöke und Klaus Mollenhauer
2 Verdrängerpumpen • Helmut Tschöke und Herbert Hölz
3 Kompressoren, Verdichter • Helmut Tschöke und Herbert Hölz
4 Verbrennungsmotoren • Helmut Tschöke und Klaus Mollenhauer
5 Motoren für den maritimen Betrieb • Udo Schlemmer-Kelling und Lars Nerheim
Teil II: Strömungsmaschinen
6 Grundlagen der Strömungsmaschinen • Jörg Seume und Ronald Mailach
7 Wasserturbinen • Paul Thamsen
8 Kreiselpumpen • Paul Thamsen
9 Schiffspropeller • Paul Thamsen
10 Föttinger-Getriebe • Paul Thamsen
11 Dampfturbinen • Edwin Krämer
12 Turboverdichter • Harald Stricker
13 Gasturbinen • Jörg Seume und Jochen Gier
Literatur zu Teil II Strömungsmaschinen
Teil III: Fördertechnik
14 Grundlagen • Thorsten Schmidt, Jan Scholten, Michael Ketting und Karl-Heinz Wehking
15 Hebezeuge und Krane • Jan Scholten
16 Flurförderzeuge • Rainer Bruns
17 Weitere Unstetigförderer • Ludger Overmeyer
18 Aufzüge und Schachtförderanlagen • Karl-Heinz Wehking
19 Stetigförderer • Andre Katterfeld, Friedrich Krause, Ludger Overmeyer, Karl-Heinz Wehking, Willibald Günthner und Michael ten Hompel
20 Lager- und Systemtechnik • Willibald Günthner, Michael ten Hompel, Andre Katterfeld und Friedrich Krause
21 Automatisierung in der Materialflusstechnik • Ludger Overmeyer
22 Baumaschinen • Günter Kunze
Teil IV: Grundlagen der Verfahrenstechnik
23 Einführung • Matthias Bohnet
24 Mechanische Verfahrenstechnik • Arno Kwade und Jörg Schwedes
25 Thermische Verfahrenstechnik • Stephan Scholl und Alfons Mersmann
26 Chemische Verfahrenstechnik • Andreas Seidel-Morgenstern
27 Mehrphasenströmungen • Matthias Bohnet
28 Bioverfahrenstechnik • Rainer Krull, Dietmar Hempel und Thomas Wucherpfennig
Teil V: Thermischer Apparatebau und Industrieöfen
29 Industrieöfen • Eckehard Specht und Friedherz Becker
30 Drehrohröfen • Eckehard Specht und Friedherz Becker
31 Schacht-, Kupol- und Hochöfen • Eckehard Specht und Friedherz Becker
32 Öfen für geformtes Gut • Eckehard Specht und Friedherz Becker
33 Feuerfestmaterialien • Eckehard Specht und Friedherz Becker
34 Wärmeübertrager • Lothar Mörl und Eckehard Specht
35 Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen • Lothar Mörl und Horst Gelbe
36 Intensivkühlung heißer Metalle mit Flüssigkeiten • Eckehard Specht
Literatur zu Teil V Thermischer Apparatebau und Industrieöfen
Teil VI: Kälte-, Klima- und Heizungstechnik
37 Kältetechnik • Christian Hainbach
38 Klimatechnik • Sylvia Schädlich
39 Systeme und Bauteile der Heizungstechnik • Christian Hainbach
Teil VII: Biomedizinische Technik
40 Einführung • Stephan Klein und Marc Kraft
41 Einteilung von Medizinprodukten • Stephan Klein und Marc Kraft
42 Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte • Stephan Klein, Marc Kraft, Henrik Botterweck, Jürgen Manigel, Martin Ryschka, Harald Hanke, Peter Schouwink und Jochim Koch
43 Entwicklung und Marktzugang von Medizinprodukten • Stephan Klein, Marc Kraft und Folker Spitzenberger
44 Aufbereitung • Marc Kraft
45 Telemedizin • Marc Kraft
46 Physiologische Regelkreise • Philipp Rostalski
Literatur zu Teil VII Biomedizinische Technik
Teil VIII: Energietechnik und -wirtschaft
47 Grundsätze der Energieversorgung • Hermann-Josef Wagner, Hendrik Hasenclever und Kathrin Hoffmann
48 Primärenergien • Hermann-Josef Wagner, Christian Bratfisch, Hendrik Hasenclever und Kathrin Hoffmann
49 Wandlung von Primärenergie in Nutzenergie • Hermann-Josef Wagner, Christian Bratfisch, Hendrik Hasenclever und Kathrin Hoffmann
50 Verteilen und Speicherung von Nutzenergie • Hermann-Josef Wagner, Hendrik Hasenclever und Kathrin Hoffmann
51 Feuerungen • Klaus Görner
52 Dampferzeuger • Gerd Oeljeklaus
Teil IX: Fahrzeugtechnik
53 Kraftfahrzeugtechnik • Volker Schindler und Steffen Müller
54 Schienenfahrzeuge • Markus Hecht, Oldrich Polach und Ulrich Kleemann
55 Luftfahrzeuge • Rudolf Voit-Nitschmann und Thomas Keilig
Fachausdrücke
Stichwortverzeichnis

Citation preview

Beate Bender Dietmar Göhlich Hrsg.

DUBBEL

BAND 3

Taschenbuch für den Maschinenbau Maschinen und Systeme 26. Auflage

Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme

DIE KUNST DES HEBENS

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Beate Bender  Dietmar Göhlich (Hrsg.)

Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme 26., überarbeitete Auflage

Hrsg. Prof. Dr.-Ing. Beate Bender Lehrstuhl für Produktentwicklung, Fakultät für Maschinenbau Ruhr-Universität Bochum Bochum, Deutschland

Prof. Dr.-Ing. Dietmar Göhlich Fachgebiet Methoden der Produktentwicklung und Mechatronik, Fakultät Verkehrs und Maschinensysteme Technische Universität Berlin Berlin, Deutschland

ISBN 978-3-662-59714-9 ISBN 978-3-662-59715-6 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 1914, 1929, 1935, 1940, 1941, 1943, 1953, 1961, 1970, 1974, 1981, 1983, 1986, 1987, 1990, 1995, 1997, 2001, 2005, 2007, 2011, 2014, 2018, 2020 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany

Vorwort zur 26. Auflage des DUBBEL – Fundiertes Ingenieurwissen in neuem Format

Der DUBBEL ist seit über 100 Jahren für Generationen von Studierenden sowie in der Praxis tätigen Ingenieurinnen und Ingenieuren das Standardwerk für den Maschinenbau. Er dient gleichermaßen als Nachschlagewerk für Universitäten und Hochschulen, technikorientierte Aus- und Weiterbildungsinstitute wie auch zur Lösung konkreter Aufgaben aus der ingenieurwissenschaftlichen Praxis. Die enorme inhaltliche Bandbreite basiert auf den umfangreichen Erfahrungen der Herausgeber und Autoren, die sie im Rahmen von Lehr- und Forschungstätigkeiten an einschlägigen Hochschulen und Universitäten oder während einer verantwortlichen Industrietätigkeit erworben haben. Die Stoffauswahl ist so getroffen, dass Studierende in der Lage sind, sich problemlos Informationen aus der gesamten Breite des Maschinenbaus zu erschließen. Ingenieurinnen und Ingenieure der Praxis erhalten darüber hinaus ein weitgehend vollständiges Arbeitsmittel zur Lösung typischer Ingenieuraufgaben. Ihnen wird ein schneller Einblick insbesondere auch in solche Fachgebiete gegeben, in denen sie keine Spezialisten sind. So sind zum Beispiel die Ausführungen über Fertigungstechnik nicht nur für Betriebsingenieur*innen gedacht, sondern beispielsweise auch für Konstrukteur*innen und Entwickler*innen, die fertigungsorientiert gestalten. Durch die Vielschichtigkeit technischer Produkte ist eine fachgebietsübergreifende bzw. interdisziplinäre Arbeitsweise nötig. Gerade in Anbetracht der Erweiterung des Produktbegriffs vor dem Hintergrund der Serviceintegration und Digitalisierung müssen Entwicklungsingenieur*innen z. B. über Kenntnisse in der Mechatronik oder Informations- und Kommunikationstechnik verfügen, aber auch auf Systemverständnis sowie Methodenkenntnisse zurückgreifen können. Der DUBBEL hilft somit den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern in allen Unternehmensbereichen der Herstellung und Anwendung maschinenbaulicher Produkte (Anlagen, Maschinen, Apparate, Geräte, Fahrzeuge) bei der Lösung von Problemen: Angefangen bei der Produktplanung, Forschung, Entwicklung, Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, Normung, Materialwirtschaft, Fertigung, Montage und Qualitätssicherung über den technischen Vertrieb bis zur Bedienung, Überwachung, Wartung und Instandhaltung und zum Recycling. Die Inhalte stellen das erforderliche Basis- und Detailwissen des Maschinenbaus zur Verfügung und garantieren die Dokumentation des aktuellen Stands der Technik. Die Vielfalt des Maschinenbaus hinsichtlich Ingenieurtätigkeiten und Fachgebieten, der beständige Erkenntniszuwachs sowie die vielschichtigen V

VI

Vorwort zur 26. Auflage des DUBBEL – Fundiertes Ingenieurwissen in neuem Format

Zielsetzungen des DUBBEL erfordern bei der Stoffzusammenstellung eine enge Zusammenarbeit zwischen Herausgeber*innen und Autor*innen. Es müssen die wesentlichen Grundlagen und die unbedingt erforderlichen, allgemein anwendbaren und gesicherten Erkenntnisse der einzelnen Fachgebiete ausgewählt werden. Um einerseits diesem Ziel weiterhin gerecht zu werden und andererseits die Übersichtlichkeit und Lesbarkeit zu verbessern, haben die Herausgeberin und der Herausgeber gemeinsam mit dem Springer-Verlag entschieden, Schrift- und Seitengröße deutlich zu erhöhen. Damit finden sich die bewährten Inhalte nunmehr in einer dreibändigen Ausgabe. Jeder Band wird künftig zudem als Full-Book-Download über das digitale Buchpaket SpringerLink angeboten. Die Reihung der Kapitel wurde gegenüber der 25. Auflage so verändert, dass im Band 1 Grundlagen und Tabellen, im Band 2 maschinenbauliche Anwendungen und im Band 3 Maschinen und Systeme zu finden sind. Band 1 mit Grundlagen und Tabellen enthält neben den allgemeinen Tabellenwerken das technische Basiswissen für Ingenieur*innen bestehend aus Mechanik, Festigkeitslehre, Werkstofftechnik, Thermodynamik und Maschinendynamik. Aufgrund vielfacher Leser*innen-Hinweise sind auch die Grundlagen der Mathematik für Ingenieure wieder Teil dieser Auflage des DUBBEL. Band 2 behandelt maschinenbauliche Anwendungen und umfasst die Produktentwicklung, die virtuelle Produktentwicklung, mechanische Konstruktionselemente, fluidische Antriebe, Elektrotechnik, Messtechnik und Sensorik, Regelungstechnik und Mechatronik, Fertigungsverfahren sowie Fertigungsmittel. Band 3 fokussiert auf Maschinen und Systeme, im Einzelnen sind dies Kolbenmaschinen, Strömungsmaschinen, Fördertechnik, Verfahrenstechnik, thermischer Apparatebau, Kälte-, Klima- und Heizungstechnik, Biomedizinische Technik, Energietechnik und -wirtschaft sowie Verkehrssysteme (Luftfahrt, Straße und Schiene). Beibehalten wurden in allen Bänden die am Ende vieler Kapitel aufgeführten quantitativen Arbeitsunterlagen in Form von Tabellen, Diagrammen und Normenauszügen sowie Stoff- und Richtwerte. Die Benutzungsanleitung vor dem Inhaltsverzeichnis hilft, die Buchstruktur einschließlich Anhang sowie die Abkürzungen zu verstehen. Zahlreiche Hinweise und Querverweise zwischen den einzelnen Teilen und Kapiteln erlauben eine effiziente Nutzung des Werkes. Infolge der Uneinheitlichkeit nationaler und internationaler Normen sowie der Gewohnheiten einzelner Fachgebiete ließen sich in wenigen Fällen unterschiedliche Verwendung gleicher Begriffe und Formelzeichen nicht immer vermeiden. „Informationen aus der Industrie“ mit technisch relevanten Anzeigen bekannter Firmen zeigen industrielle Ausführungsformen und ihre Bezugsquellen. Mit dem Erscheinen der 26. Auflage wird Prof. Grote nach 25 Jahren und sieben Auflagen aus dem Herausgeberteam ausscheiden. Die Herausgeber danken ihm sehr herzlich für seine lange und zeichensetzende Herausgeberschaft des DUBBEL.

Vorwort zur 26. Auflage des DUBBEL – Fundiertes Ingenieurwissen in neuem Format

VII

Die Herausgeber danken darüber hinaus allen am Werk Beteiligten, in erster Linie den Autoren für ihr Engagement und ihre Bereitschaft zur kurzfristigen Prüfung der Manuskripte im neuen Layout. Wir danken insbesondere Frau G. Fischer vom Springer-Verlag für die verlagsseitige Koordination und Frau N. Kroke, Frau J. Krause sowie Frau Y. Schlatter von der Fa. le-tex publishing services für die engagierte und sachkundige Zusammenarbeit beim Satz und der Kommunikation mit den Autoren. Ein Dank aller Beteiligten geht auch an die Verantwortlichen für das Lektorat beim Springer-Verlag, Herrn M. Kottusch, der insbesondere die Weiterentwicklung des Layouts und die Aufnahme des Mathematikteils vorangetrieben hat, sowie Herrn A. Garbers, der in diesem Jahr das Lektorat des DUBBEL übernommen hat. Beide wurden wirkungsvoll von Frau L. Burato unterstützt. Abschließend sei auch den vorangegangenen Generationen von Autoren gedankt. Sie haben durch ihre gewissenhafte Arbeit die Anerkennung des DUBBEL begründet, die mit der jetzt vorliegenden 26. Auflage des DUBBEL weiter gefestigt wird. Dank der Mitwirkung zahlreicher sehr engagierter und kompetenter Personen steht die Marke DUBBEL weiter für höchste Qualität, nunmehr in einem dreibändigen Standardwerk für Ingenieurinnen und Ingenieure in Studium und Beruf. Bochum und Berlin im Herbst 2020

Prof. Dr.-Ing. Beate Bender Prof. Dr.-Ing. Dietmar Göhlich

Hinweise zur Benutzung

Gliederung. Das Werk umfasst 26 Teile in drei Bänden: Band 1 enthält Grundlagen und Tabellen. Hier findet sich das technische Basiswissen für Ingenieure bestehend aus den Teilen Mathematik, Mechanik, Festigkeitslehre, Werkstofftechnik, Thermodynamik und Maschinendynamik sowie allgemeine Tabellen. Band 2 behandelt Anwendungen und Band 3 richtet den Fokus auf Maschinen und Systeme. Die Bände sind jeweils unterteilt in Teile, die Teile in Kapitel, Abschnitte und Unterabschnitte. Weitere Unterteilungen werden durch fette Überschriften sowie fette und kursive Zeilenanfänge (sog. Spitzmarken) vorgenommen. Sie sollen dem Leser das schnelle Auffinden spezieller Themen erleichtern. Kolumnentitel oder Seitenüberschriften enthalten auf den linken Seiten (gerade Endziffern) die Namen der Autoren, auf der rechten jene der Kapitel. Kleindruck. Er wurde für Bildunterschriften und Tabellenüberschriften gewählt, um diese Teile besser vom übrigen Text abzuheben und Druckraum zu sparen. Inhalts- und Sachverzeichnis sind zur Erleichterung der Benutzung des Werkes ausführlich und Band-übergreifend gestaltet. Kapitel. Es bildet die Grundeinheit, in der Gleichungen, Bilder und Tabellen jeweils wieder von 1 ab nummeriert sind. Fett in blau gesetzte Bild- und Tabellenbezeichnungen sollen ein schnelles Erkennen der Zuordnung von Bildern und Tabellen zum Text ermöglichen. Anhang. Am Ende vieler Kapitel befinden sich Anhänge zu Diagrammen und Tabellen sowie zur speziellen Literatur. Sie enthalten die für die praktische Zahlenrechnung notwendigen Kenn- und Stoffwerte sowie Sinnbilder und Normenauszüge des betreffenden Fachgebietes und das im Text angezogene Schrifttum. Am Ende von Band 1 findet sich zudem das Kapitel „Allgemeine Tabellen“. Er enthält die wichtigsten physikalischen Konstanten, die Umrechnungsfaktoren für die Einheiten, das periodische System der Elemente sowie ein Verzeichnis von Bezugsquellen für Technische Regelwerke und Normen. Außerdem sind die Grundgrößen von Gebieten, deren ausführliche Behandlung den Rahmen des Buches sprengen würden, aufgeführt. Hierzu zählen die Kern-, Licht-, Schall- und Umwelttechnik. IX

X

Nummerierung und Verweise. Die Nummerierung der Bilder, Tabellen, Gleichungen und Literatur gilt für das jeweilige Kapitel. Gleichungsnummern stehen in runden ( ), Literaturziffern in eckigen [ ] Klammern. Bilder. Hierzu gehören konstruktive und Funktionsdarstellungen, Diagramme, Flussbilder und Schaltpläne. Bildgruppen. Sie sind, soweit notwendig, in Teilbilder a, b, c usw. untergliedert (z. B. Bd. 3, Abb. 14.5). Sind diese nicht in der Bildunterschrift erläutert, so befinden sich die betreffenden Erläuterungen im Text (z. B. Bd. 1, Abb. 17.12). Kompliziertere Bauteile oder Pläne enthalten Positionen, die entweder im Text (z. B. Bd. 3, Abb. 2.26) oder in der Bildunterschrift erläutert sind (z. B. Bd. 3, Abb. 51.5). Sinnbilder für Schaltpläne von Leitungen, Schaltern, Maschinen und ihren Teilen sowie für Aggregate sind nach Möglichkeit den zugeordneten DINNormen oder den Richtlinien entnommen. In Einzelfällen wurde von den Zeichnungsnormen abgewichen, um die Übersicht der Bilder zu verbessern. Tabellen. Sie ermöglichen es, Zahlenwerte mathematischer und physikalischer Funktionen schnell aufzufinden. In den Beispielen sollen sie den Rechnungsgang einprägsam erläutern und die Ergebnisse übersichtlich darstellen. Aber auch Gleichungen, Sinnbilder und Diagramme sind zum besseren Vergleich bestimmter Verfahren tabellarisch zusammengefasst. Literatur. Spezielle Literatur. Sie ist auf das Sachgebiet eines Kapitels bezogen und befindet sich am Ende eines Kapitels. Eine Ziffer in eckiger [ ] Klammer weist im Text auf das entsprechende Zitat hin. Diese Verzeichnisse enthalten häufig auch grundlegende Normen, Richtlinien und Sicherheitsbestimmungen. Allgemeine Literatur. Auf das Sachgebiet eines Kapitels bezogene Literatur befindet sich ebenfalls am Ende eines Kapitels und enthält die betreffenden Grundlagenwerke. Literatur, die sich auf das Sachgebiet eines ganzen Teils bezieht, befindet sich am Ende des Teils. Sachverzeichnis. Nach wichtigen Einzelstichwörtern sind die Stichworte für allgemeine, mehrere Kapitel umfassende Begriffe wie z. B. „Arbeit“, „Federn“ und „Steuerungen“ zusammengefasst. Zur besseren Übersicht ersetzt ein Querstrich nur ein Wort. In diesen Gruppen sind nur die wichtigsten Begriffe auch als Einzelstichwörter aufgeführt. Dieses raumsparende Verfahren lässt natürlich immer einige berechtigte Wünsche der Leser offen, vermeidet aber ein zu langes und daher unübersichtliches Verzeichnis. Gleichungen. Sie sind der Vorteile wegen als Größengleichungen geschrieben. Sind Zahlenwertgleichungen, wie z. B. bei empirischen Gesetzen oder bei sehr häufig vorkommenden Berechnungen erforderlich, so erhalten sie den Zusatz „Zgl.“ und die gesondert aufgeführten Einheiten den Zusatz „in“. Für einfachere Zahlenwertgleichungen werden gelegentlich auch zugeschnittene Größengleichungen benutzt. Exponentialfunktionen sind meist in der

Hinweise zur Benutzung

Hinweise zur Benutzung

XI

Form „exp(x)“ geschrieben. Wo möglich, wurden aus Platzgründen schräge statt waagerechte Bruchstriche verwendet. Formelzeichen. Sie wurden in der Regel nach DIN 1304 gewählt. Dies ließ sich aber nicht konsequent durchführen, da die einzelnen Fachnormenausschüsse unabhängig sind und eine laufende Anpassung an die internationale Normung erfolgt. Daher mussten in einzelnen Fachgebieten gleiche Größen mit verschiedenen Buchstaben gekennzeichnet werden. Aus diesen Gründen, aber auch um lästiges Umblättern zu ersparen, wurden die in jeder Gleichung vorkommenden Größen wenn möglich in ihrer unmittelbaren Nähe erläutert. Bei Verweisen werden innerhalb eines Kapitels die in den angezogenen Gleichungen erfolgten Erläuterungen nicht wiederholt. Wurden Kompromisse bei Formelzeichen der einzelnen Normen notwendig, so ist dies an den betreffenden Stellen vermerkt. Zeichen, die sich auf die Zeiteinheit beziehen, tragen einen Punkt. Beispiel: Bd. 1, Gl. (17.5). Variable sind kursiv, Vektoren und Matrizen fett kursiv und Einheiten steil gesetzt. Einheiten. In diesem Werk ist das Internationale bzw. das SI-Einheitensystem (Système international) verbindlich. Eingeführt ist es durch das „Gesetz über Einheiten im Messwesen“ vom 2. 7. 1969 mit seiner Ausführungsverordnung vom 26. 6. 1970. Außer seinen sechs Basiseinheiten m, kg, s, A, K und cd werden auch die abgeleiteten Einheiten N, Pa, J, W und Pa s benutzt. Unzweckmäßige Zahlenwerte können dabei nach DIN 1301 durch Vorsätze für dezimale Vielfache und Teile nach Bd. 1, Tab. 49.3 ersetzt werden. Hierzu lässt auch die Ausführungsverordnung folgende Einheiten bzw. Namen zu: Masse Volumen Druck

1 t = 1000 kg 1 l = 103 m3 1 bar = 105 Pa

Zeit Temperaturdifferenz Winkel

1 h = 60 min = 3600 s 1 °C = 1 K 1° =  rad/180

Für die Einheit 1 rad D 1 m=m darf nach DIN 1301 bei Zahlenrechnungen auch 1 stehen. Da ältere Urkunden, Verträge und älteres Schrifttum noch die früheren Einheitensysteme enthalten, sind ihre Umrechnungsfaktoren für das internationale Maßsystem in Bd. 1, Tab. 49.5 aufgeführt. Druck. Nach DIN 1314 wird der Druck p in der Einheit bar angegeben und zählt vom Nullpunkt aus. Druckdifferenzen werden durch die Formelzeichen, nicht aber durch die Einheit gekennzeichnet. Dies gilt besonders für die Manometerablesung bzw. atmosphärischen Druckdifferenzen. DIN-Normen. Hier sind die bei Abschluss der Manuskripte gültigen Ausgaben maßgebend. Dies gilt auch für die dort gegebenen Definitionen und für die angezogenen Richtlinien.

XII

Chronik des Taschenbuchs Der Plan eines Taschenbuchs für den Maschinenbau geht auf eine Anregung von Heinrich Dubbel, Dozent und später Professor an der Berliner BeuthSchule, der namhaftesten deutschen Ingenieurschule, im Jahre 1912 zurück. Die Diskussion mit Julius Springer, dem für die technische Literatur zuständigen Teilhaber der „Verlagsbuchhandlung Julius Springer“ (wie die Firma damals hieß), dem Dubbel bereits durch mehrere Fachveröffentlichungen verbunden war, führte rasch zu einem positiven Ergebnis. Dubbel übernahm die Herausgeberschaft, stellte die – in ihren Grundzügen bis heute unverändert gebliebene – Gliederung auf und gewann, soweit er die Bearbeitung nicht selbst durchführte, geeignete Autoren, zum erheblichen Teil Kollegen aus der Beuth-Schule. Bereits Mitte 1914 konnte die 1. Auflage erscheinen. Zunächst war der Absatz unbefriedigend, da der 1. Weltkrieg ausbrach. Das besserte sich aber nach Kriegsende und schon im Jahre 1919 erschien die 2. Auflage, dicht gefolgt von weiteren in den Jahren 1920, 1924, 1929, 1934, 1939, 1941 und 1943. Am 1. 3. 1933 wurde das Taschenbuch als „Lehrbuch an den Preußischen Ingenieurschulen“ anerkannt. H. Dubbel bearbeitete sein Taschenbuch bis zur 9. Auflage im Jahre 1943 selbst. Die 10. Auflage, die Dubbel noch vorbereitete, deren Erscheinen er aber nicht mehr erlebte, war im wesentlichen ein Nachdruck der 9. Auflage. Nach dem Krieg ergab sich bei der Planung der 11. Auflage der Wunsch, das Taschenbuch gleichermaßen bei den Technischen Hochschulen und den Ingenieurschulen zu verankern. In diesem Sinn wurden gemeinsam Prof. Dr.-Ing. Fr. Sass, Ordinarius für Dieselmaschinen an der Technischen Universität Berlin, und Baudirektor Dipl.-Ing. Charles Bouché, Direktor der Beuth-Schule, unter Mitwirkung des Oberingenieurs Dr.-Ing. Alois Leitner, als Herausgeber gewonnen. Das gesamte Taschenbuch wurde nach der bewährten Disposition H. Dubbels neu bearbeitet und mehrere Fachgebiete neu eingeführt: Ähnlichkeitsmechanik, Gasdynamik, Gaserzeuger und Kältetechnik. So gelang es, den technischen Fortschritt zu berücksichtigen und eine breitere Absatzbasis für das Taschenbuch zu schaffen. In der 13. Auflage wurden im Vorgriff auf das Einheitengesetz das technische und das internationale Maßsystem nebeneinander benutzt. In dieser Auflage wurde Prof. Dr.-Ing. Egon Martyrer von der Technischen Universität Hannover als Mitherausgeber herangezogen. Die 14. Auflage wurde von den Herausgebern W. Beitz und K.-H. Küttner und den Autoren vollständig neubearbeitet und erschien 1981, also 67 Jahre nach der ersten. Auch hier wurde im Prinzip die Disposition und die Art der Auswahl der Autoren und Herausgeber beibehalten. Inzwischen hatten aber besonders die Computertechnik, die Elektronik, die Regelung und die Statistik den Maschinenbau beeinflusst. So wurden umfangreichere Berechnungsund Steuerverfahren entwickelt, und es entstanden neue Spezialgebiete. Der Umfang des unbedingt nötigen Stoffes führte zu zweispaltiger Darstellung bei größerem Satzspiegel. So ist wohl die unveränderte Bezeichnung „Taschenbuch“ in der Tradition und nicht im Format begründet. Das Ansehen, dessen sich das Taschenbuch überall erfreute, führte im Lauf der Jahre auch zu verschiedenen Übersetzungen in fremde Sprachen.

Hinweise zur Benutzung

Hinweise zur Benutzung

XIII

Eine erste russische Ausgabe gab in den zwanziger Jahren der Springer-Verlag selbst heraus, eine weitere erschien unautorisiert. Nach dem 2. Weltkrieg wurden Lizenzen für griechische, italienische, jugoslawische, portugiesische, spanische und tschechische Ausgaben erteilt. Von der Neubearbeitung (14. Auflage) erschienen 1984 eine italienische, 1991 eine chinesische und 1994 eine englische Übersetzung. 1997 wurde K.-H. Grote Mitherausgeber und begleitete 7 Auflagen bis 2018, darunter auch die beiden interaktiven Ausgaben des Taschenbuchs für Maschinenbau um die Jahrtausendwende. Jörg Feldhusen wurde zur 21. Auflage Mitherausgeber des DUBBEL. Mit der 25. Ausgabe übernahmen B. Bender und D. Göhlich zunächst die Mit-Herausgeberschaft gemeinsam mit K.-H. Grote. Entsprechend der Entwicklung des maschinenbaulichen Kontexts wurden die Inhalte des Dubbel erweitert und aktualisiert wie beispielsweise die komplette Überarbeitung des Kapitels Energietechnik oder die gemeinsame Neustrukturierung der Kapitel Mechatronik und Regelungstechnik erkennen lassen. Mit der 26. Auflage übernahmen B. Bender und D. Göhlich die alleinige Herausgeberschaft. Sie führten 2020 eine übersichtliche Band-Dreiteilung ein. Bereits 2001 übertraf der DUBBEL die Marke von 1 Million verkauften Exemplaren seit der Erstauflage. Dieses beachtliche Gesamtergebnis wurde durch die gewissenhaft arbeitenden Autoren und Herausgeber, die sorgfältige Bearbeitung im Verlag und die exakte drucktechnische Herstellung möglich.

XIV

Biographische Daten über H. Dubbel Heinrich Dubbel, der Schöpfer des Taschenbuches, wurde am 8. 4. 1873 als Sohn eines Ingenieurs in Aachen geboren. Dort studierte er an der Technischen Hochschule Maschinenbau und arbeitete in der väterlichen Fabrik als Konstrukteur, nachdem er in Ohio/USA Auslandserfahrungen gesammelt hatte. Vom Jahre 1899 ab lehrte er an den Maschinenbau-Schulen in Köln, Aachen und Essen. Im Jahre 1911 ging er an die Berliner Beuth-Schule, wo er nach fünf Jahren den Titel Professor erhielt. 1934 trat er wegen politischer Differenzen mit den Behörden aus dem öffentlichen Dienst aus und widmete sich in den folgenden Jahren vorwiegend der Beratung des Springer-Verlages auf dem Gebiet des Maschinenbaus. Er starb am 24. 5. 1947 in Berlin. Dubbel hat sich in hohem Maße auf literarischem Gebiet betätigt. Seine Aufsätze und Bücher, insbesondere über Dampfmaschinen und ihre Steuerungen, Dampfturbinen, Öl- und Gasmaschinen und Fabrikbetrieb genossen großes Ansehen. Durch das „Taschenbuch für den Maschinenbau“ wird sein Name noch bei mancher Ingenieurgeneration in wohlverdienter Erinnerung bleiben.

Hinweise zur Benutzung

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Inhaltsverzeichnis

Teil I 1

2

Kolbenmaschinen Allgemeine Grundlagen der Kolbenmaschinen . . . . Helmut Tschöke und Klaus Mollenhauer 1.1 Definition und Einteilung der Kolbenmaschinen . 1.2 Vollkommene und reale Kolbenmaschine . . . . . 1.2.1 Die vollkommene Maschine . . . . . . . . 1.2.2 Die reale Maschine . . . . . . . . . . . . . 1.3 Hubkolbenmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Triebwerksbauarten . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Kinematik des Kurbeltriebs . . . . . . . . 1.3.3 Kräfte am Kurbeltrieb . . . . . . . . . . . 1.4 Elemente der Kolbenmaschine . . . . . . . . . . . 1.4.1 Kurbeltrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 Abdichten des Arbeitsraumes . . . . . . . 1.4.3 Zylinderanordnung und -zahl . . . . . . . 1.4.4 Lagerung und Schmierung . . . . . . . . . 1.4.5 Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

..... . . . . . . . . . . . . . . .

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Verdrängerpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Helmut Tschöke und Herbert Hölz 2.1 Bauarten und Anwendungsgebiete . . . . . . . . . . . . 2.2 Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Förderhöhen, Geschwindigkeiten und Drücke 2.2.2 Förderleistung, Antriebsleistung, Gesamtwirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Instationäre Strömung . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4 Kavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5 Pulsationsdämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Verlustteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Betriebsverhalten der verlustfreien Verdrängerpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Definition von Wirkungsgraden . . . . . . . . 2.3.3 Volumetrische Verluste . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4 Mechanisch-hydraulische Verluste . . . . . . . 2.3.5 Nutzliefergrad und Gesamtwirkungsgrad . . .

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27 28 28 29 30 XVII

XVIII

Inhaltsverzeichnis

2.4

Auslegung und Hauptabmessungen . . . . . . . . . . 2.4.1 Oszillierende Verdrängerpumpen . . . . . . . 2.4.2 Rotierende Verdrängerpumpen . . . . . . . . 2.5 Baugruppen und konstruktive Gestaltung . . . . . . . 2.5.1 Baugruppen zur Ein- und Auslasssteuerung 2.5.2 Verstellung und Regelung . . . . . . . . . . . 2.5.3 Verwendungsbedingte Ausführung . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

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Kompressoren, Verdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Helmut Tschöke und Herbert Hölz 3.1 Bauarten und Anwendungsgebiete . . . . . . . . . . . . . 3.2 Grundlagen und Vergleichsprozesse . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Volumenstrom, Eintrittspunkt, Austrittspunkt . 3.2.2 Verdichtung idealer und realer Gase . . . . . . . 3.2.3 Vergleichsprozesse für einstufige Verdichtung . 3.2.4 Definition von Wirkungsgraden . . . . . . . . . 3.2.5 Mehrstufige Verdichtung . . . . . . . . . . . . . . 3.2.6 Verdichtung feuchter Gase . . . . . . . . . . . . . 3.3 Arbeitszyklus, Liefergrade und Druckverluste . . . . . . 3.3.1 Arbeitszyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Liefergrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Druckverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Auslegung und Hauptabmessungen . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Hubkolbenverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Schraubenverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Rotationsverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.4 Flüssigkeitsringverdichter . . . . . . . . . . . . . 3.4.5 Roots-Gebläse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Ein- und Auslasssteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Aufbau selbsttätiger Ventile . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Ventileinbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3 Ventilauslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Regelung und Betriebsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.1 Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.2 Betriebsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7 Bauformen und Baugruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.1 Hubkolbenverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.2 Membranverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.3 Schraubenverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.4 Rotationsverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Inhaltsverzeichnis

XIX

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Verbrennungsmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Helmut Tschöke und Klaus Mollenhauer 4.1 Einteilung und Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Arbeitsverfahren und Arbeitsprozesse . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Arbeitsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Vergleichsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Wirklicher Arbeitsprozess . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Ladungswechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Kenngrößen des Ladungswechsels . . . . . . . . . 4.3.2 Steuerorgane für den Ladungswechsel . . . . . . 4.3.3 Ladungswechsel des Viertaktmotors . . . . . . . . 4.3.4 Ladungswechsel des Zweitaktmotors . . . . . . . 4.3.5 Aufladung von Motoren . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Verbrennung im Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Motoren-Kraftstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Gemischbildung und Verbrennung im Ottomotor 4.4.3 Gemischbildung und Verbrennung im Dieselmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.4 Hybride Verfahren für Gemischbildung und Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Verfahren zur Gemischbildung und Zündung bei Ottomotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1 Anforderungen an Gemischbildung . . . . . . . . 4.5.2 Vergaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.3 Saugrohr-Benzin-Einspritzung . . . . . . . . . . . 4.5.4 Direkte Benzin-Einspritzung . . . . . . . . . . . . 4.5.5 Zündausrüstung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Einrichtungen zur Gemischbildung und Zündung bei Dieselmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.1 Einspritzsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.2 Einspritzdüse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.3 Start- und Zündhilfen . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Betriebsverhalten und Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1 Leistung, Drehmoment und Verbrauch . . . . . . 4.7.2 Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.3 Umweltverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.4 Verbrennungsmotor als Antriebsaggregat . . . . . 4.8 Konstruktion von Motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.1 Ähnlichkeitsbeziehungen und Beanspruchung . . 4.8.2 Motorbauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.3 Motorbauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.4 Ausgeführte Motorkonstruktionen . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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XX

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Teil II 6

Inhaltsverzeichnis

Motoren für den maritimen Betrieb . . . . . Udo Schlemmer-Kelling und Lars Nerheim 5.1 Grundsätzliches . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Kraftstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Flüssige Kraftstoffe . . . . . . . 5.2.2 Gasförmige Kraftstoffe . . . . . 5.3 Motor Auslegung und Design . . . . . . 5.4 Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1 Grundauslegung . . . . . . . . . 5.4.2 Brennverfahren . . . . . . . . . . 5.4.3 Emissionen . . . . . . . . . . . . 5.4.4 Motorapplikation und Betrieb . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Grundlagen der Strömungsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . Jörg Seume und Ronald Mailach 6.1 Strömungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Einleitung und Definitionen . . . . . . . . . . . . . 6.1.2 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.3 Strömungsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.4 Absolute und relative Strömung . . . . . . . . . . 6.1.5 Schaufelanordnung für Pumpen und Verdichter (Arbeitsmaschinen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.6 Schaufelanordnung für Turbinen (Kraftmaschinen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.7 Schaufelgitter, Stufe, Maschine, Anlage . . . . . 6.2 Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Thermodynamische Gesetze . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Zustandsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.3 Totaler Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.4 Statischer Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.5 Polytroper und isentroper Wirkungsgrad . . . . . 6.2.6 Mechanische Verluste . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Arbeitsfluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1 Allgemeiner Zusammenhang zwischen thermischen und kalorischen Zustandsgrößen . . 6.3.2 Ideale Flüssigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.3 Ideales Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.4 Reales Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.5 Kavitation bei Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . 6.3.6 Kondensation bei Dämpfen . . . . . . . . . . . . .

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Strömungsmaschinen

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Inhaltsverzeichnis

XXI

6.4

Schaufelgitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Anordnung der Schaufeln im Gitter . . . . . . . . 6.4.2 Leit- und Laufgitter . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.3 Einteilung nach Geschwindigkeits- und Druckänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.4 Reale Strömung in Schaufelgittern . . . . . . . . . 6.4.5 Gitterauslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.6 Strömungsverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Stufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.1 Zusammensetzen von Gittern zu Stufen . . . . . . 6.5.2 Stufenkenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.3 Axiale Repetierstufe eines vielstufigen Verdichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.4 Radiale Repetierstufe eines Verdichters . . . . . . 6.5.5 Kenngrößen-Bereiche für Verdichterstufen . . . . 6.5.6 Axiale Repetierstufe einer Turbine . . . . . . . . . 6.5.7 Radiale Turbinenstufe . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.8 Kenngrößen-Bereiche für Turbinenstufen . . . . 6.6 Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.1 Beschaufelung, Ein- und Austrittsgehäuse . . . . 6.6.2 Maschinenkenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.3 Wahl der Bauweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7 Betriebsverhalten und Regelmöglichkeiten . . . . . . . . . 6.7.1 Zusammenwirken von Strömungsmaschine und Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7.2 Regelung von Strömungsmaschinen . . . . . . . 6.7.3 Kennfeld und Betriebsverhalten von Verdichtern 6.8 Beanspruchung und Festigkeit der wichtigsten Bauteile . 6.8.1 Rotierende Scheibe, rotierender Zylinder . . . . . 6.8.2 Durchbiegung, kritische Drehzahlen von Rotoren 6.8.3 Beanspruchung der Schaufeln durch Fliehkräfte 6.8.4 Beanspruchung der Schaufeln durch stationäre Strömungskräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.5 Schaufelschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.6 Gehäuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.7 Thermische Beanspruchung . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Wasserturbinen . . . . . . . . . . Paul Thamsen 7.1 Allgemeines . . . . . . . . . 7.1.1 Kennzeichen . . . 7.1.2 Wasserkraftwerke 7.1.3 Wirtschaftliches . 7.2 Gleichdruckturbinen . . . . 7.2.1 Peltonturbinen . . 7.2.2 Ossbergerturbinen

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XXII

Inhaltsverzeichnis

7.3

Überdruckturbinen . . . . . . . . . . . . 7.3.1 Francisturbinen . . . . . . . . 7.3.2 Kaplanturbinen . . . . . . . . . 7.3.3 Dériazturbinen . . . . . . . . . 7.4 Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5 Kennliniendarstellungen . . . . . . . . 7.6 Extreme Betriebsverhältnisse . . . . . 7.7 Laufwasser- und Speicherkraftwerke . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Kreiselpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Paul Thamsen 8.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1 Laufrad . . . . . . . . . . . . . . 8.2.2 Gehäuse . . . . . . . . . . . . . . 8.2.3 Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.4 Werkstoff . . . . . . . . . . . . . 8.2.5 Antrieb . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 Betriebsverhalten . . . . . . . . . . . . . . 8.3.1 Kavitation . . . . . . . . . . . . . 8.3.2 Kennlinien . . . . . . . . . . . . 8.3.3 Anpassung der Kreiselpumpe an den Leistungsbedarf . . . . . 8.3.4 Achsschubausgleich . . . . . . . 8.4 Ausgeführte Pumpen . . . . . . . . . . . 8.4.1 Wasserwirtschaft . . . . . . . . . 8.4.2 Kraftwerkstechnik . . . . . . . . 8.4.3 Verfahrenstechnik . . . . . . . . 8.4.4 Andere Einsatzgebiete . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schiffspropeller . . . . Paul Thamsen 9.1 Allgemeines . . . 9.2 Schiffspropeller . Literatur . . . . . . . . . .

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Föttinger-Getriebe . . . . . . . Paul Thamsen 10.1 Prinzip und Bauformen 10.2 Auslegung . . . . . . . . 10.3 Föttinger-Kupplungen . 10.4 Bremsen . . . . . . . . . 10.5 Föttinger-Wandler . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . .

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XXIII

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Dampfturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Edwin Krämer 11.1 Benennungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.1 Kraftwerksturbinen . . . . . . . . . . . . . 11.2.2 Industrieturbinen . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.3 Kleinturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Konstruktionselemente . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.1 Gehäuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.2 Ventile und Klappen . . . . . . . . . . . . 11.3.3 Beschaufelung . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.4 Wellendichtungen . . . . . . . . . . . . . . 11.3.5 Läufer-Dreheinrichtung . . . . . . . . . . 11.3.6 Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4 Anfahren und Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.5 Regelung, Sicherheits- und Schutzeinrichtungen 11.6 Berechnungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 11.6.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.6.2 Auslegung von Industrieturbinen . . . . .

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Turboverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Harald Stricker 12.1 Einteilung und Einsatzbereiche . . . . . . . . . . . . . 12.1.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.2 Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.3 Axialverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.4 Radialverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Radiale Laufradbauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2.1 Allgemeine Anforderungen . . . . . . . . . . 12.2.2 Das geschlossene 2D-Laufrad . . . . . . . . . 12.2.3 Das geschlossene 3D-Laufrad . . . . . . . . . 12.2.4 Das offene 3D-Laufrad . . . . . . . . . . . . . 12.2.5 Laufradverwendung . . . . . . . . . . . . . . . 12.2.6 Laufradherstellung . . . . . . . . . . . . . . . 12.2.7 Laufradfestigkeit und Strukturdynamik . . . 12.3 Radiale Verdichterbauarten . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.1 Einwellenverdichter . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.2 Getriebeverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.3 Gekapselte, direkt angetriebene Verdichter . 12.4 Regelung und Maschinenschutz . . . . . . . . . . . . . 12.4.1 Verdichterkennfeld . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.2 Drehzahlregelung . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.3 Saugdrosselregelung . . . . . . . . . . . . . . 12.4.4 Eintrittsleitschaufel-Regelung . . . . . . . . . 12.4.5 Bypass-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.6 Maschinenüberwachung und -schutz . . . .

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XXIV

Inhaltsverzeichnis

12.5

13

Beispiel einer Radialverdichterauslegung . . . . . . . . . 12.5.1 Vereinfachtes Verfahren . . . . . . . . . . . . . . 12.5.2 Betriebsbedingungen (vorgegeben) . . . . . . . 12.5.3 Gasdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5.4 Volumenstrom, Laufraddurchmesser, Drehzahl 12.5.5 Endtemperatur, spezifische polytrope Arbeit . . 12.5.6 Wirkungsgrad, Stufenzahl . . . . . . . . . . . . . 12.5.7 Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Gasturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jörg Seume und Jochen Gier 13.1 Einteilung und Verwendung . . . . . 13.2 Thermodynamische Grundlagen . . 13.2.1 Idealisierte Kreisprozesse . 13.2.2 Reale Gasturbinenprozesse 13.3 Baugruppen . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.1 Verdichter . . . . . . . . . . . 13.3.2 Turbine . . . . . . . . . . . . 13.3.3 Brennkammer . . . . . . . . 13.4 Gasturbine im Kraftwerk . . . . . . . 13.4.1 Allgemeines und Bauweise 13.4.2 Gas- und Dampf-Anlagen . 13.4.3 Luftspeicher-Kraftwerk . . 13.5 Gasturbinen im Verkehr . . . . . . . . 13.5.1 Flugtriebwerke . . . . . . . . 13.5.2 Schifffahrt . . . . . . . . . . . 13.5.3 Straßenfahrzeuge . . . . . . 13.5.4 Abgasturbolader . . . . . . . 13.6 Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . 13.7 Beanspruchungen und Werkstoffe . 13.8 Betriebsverhalten . . . . . . . . . . . . 13.8.1 Ähnlichkeitskennfelder . . . 13.8.2 Teillastbetrieb . . . . . . . . 13.9 Abgasemission . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Literatur zu Teil II Strömungsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . 311

Inhaltsverzeichnis

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Teil III 14

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Fördertechnik

Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thorsten Schmidt, Jan Scholten, Michael Ketting und KarlHeinz Wehking 14.1 Begriffsbestimmungen und Übersicht . . . . . . . . . . . . 14.1.1 Einordnung der Fördertechnik . . . . . . . . . . . 14.1.2 Fördergüter und Fördermaschinen . . . . . . . . . 14.1.3 Kenngrößen des Fördervorgangs . . . . . . . . . . 14.2 Antriebe der Fördermaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.1 Hubwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.2 Fahrwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.3 Drehwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.4 Einzieh- und Wippwerke . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.5 Kraftschlüssige Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.6 Formschlüssige Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.7 Antriebsmotoren und Steuerungen . . . . . . . . . 14.3 Tragwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.1 Tragwerksgestaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.2 Grundlagen der Tragwerksberechnung . . . . . . 14.3.3 Lasten und Lastkombinationen . . . . . . . . . . . 14.3.4 Zu führende Einzelnachweise . . . . . . . . . . . . 14.4 Charakteristische Maschinenelemente der Fördertechnik 14.4.1 Ketten und Kettentriebe . . . . . . . . . . . . . . . 14.4.2 Seile und Seiltriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4.3 Faserseile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4.4 Mechanische Elemente der Antriebe . . . . . . . 14.4.5 Laufrad und Schiene (Schienenfahrwerke) . . . . 14.4.6 Raupenfahrwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Hebezeuge und Krane . . . . . . . . . . . . . . . . . Jan Scholten 15.1 Tragmittel und Lastaufnahmemittel . . . . . 15.1.1 Lasthaken . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1.2 Lastaufnahmemittel für Stückgüter 15.1.3 Lastaufnahmemittel für Schüttgüter 15.2 Hubwerksausführungen . . . . . . . . . . . . . 15.2.1 Serienhebezeuge . . . . . . . . . . . . 15.2.2 Einzelhebezeuge . . . . . . . . . . . . 15.3 Kranarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3.1 Brücken- und Portalkrane . . . . . . 15.3.2 Drehkrane . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3.3 Fahrzeugkrane . . . . . . . . . . . . . 15.3.4 Weitere Kranarten . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Flurförderzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rainer Bruns 16.1 Baugruppen und Komponenten . . . . . . . . . . . . 16.1.1 Fahrwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1.2 Fahrantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1.3 Hubgerüst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1.4 Lastaufnahmevorrichtung . . . . . . . . . . 16.1.5 Hubantrieb, Antrieb der Nebenfunktionen 16.2 Handbetriebene Flurförderzeuge . . . . . . . . . . . 16.2.1 Handwagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.2 Rollwagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.3 Handgabelhubwagen . . . . . . . . . . . . . 16.3 Motorisch betriebene Flurförderzeuge . . . . . . . . 16.3.1 Niederhubwagen . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.2 Gabelhochhubwagen . . . . . . . . . . . . . 16.3.3 Spreizenstapler . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.4 Gegengewichtstapler . . . . . . . . . . . . . 16.3.5 Schubstapler . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.6 Mehrwegestapler . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.7 Querstapler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.8 Schmalgangstapler . . . . . . . . . . . . . . 16.3.9 Kommissionier-Flurförderzeuge . . . . . . 16.3.10 Wagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.11 Schlepper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.12 Schleppzüge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.13 Portalstapler . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.14 Fahrerlose Transportsysteme (FTS) . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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17

Weitere Unstetigförderer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 Ludger Overmeyer 17.1 Elektrohängebahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407

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Aufzüge und Schachtförderanlagen . . . . . . . . . Karl-Heinz Wehking 18.1 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2 Aufzüge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.1 Hydraulikaufzüge . . . . . . . . . . . . 18.2.2 Seilaufzüge . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.3 Bemessung, Förderstrom, Steuerung 18.2.4 Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.5 Spezifische Sicherheitseinrichtungen 18.3 Schachtförderanlagen . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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XXVII

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Stetigförderer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Andre Katterfeld, Friedrich Krause, Ludger Overmeyer, Karl-Heinz Wehking, Willibald Günthner und Michael ten Hompel 19.1 Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2 Stetigförderer mit Zugmittel . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2.1 Grundlagen der Berechnung . . . . . . . . . . . 19.2.2 Gurtförderer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2.3 Becherwerke (Becherförderer) . . . . . . . . . 19.2.4 Kreisförderer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2.5 Gliederbandförderer . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2.6 Kratzerförderer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2.7 Trogkettenförderer . . . . . . . . . . . . . . . . 19.3 Stetigförderer ohne Zugmittel . . . . . . . . . . . . . . . 19.3.1 Förderer mit Schnecken . . . . . . . . . . . . . 19.3.2 Schwingförderer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.3.3 Rollen- und Kugelbahnen . . . . . . . . . . . . 19.4 Sorter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.4.1 Sortiersystem – Sortieranlage – Sorter . . . . 19.4.2 Systematik der Verteilförderer . . . . . . . . . 19.4.3 Quergurtsorter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.4.4 Kippschalensorter . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.4.5 Schiebeschuhsorter . . . . . . . . . . . . . . . . 19.5 Weitere Stetigförderer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.5.1 Plattenbandförderer . . . . . . . . . . . . . . . . 19.5.2 Schubplattformförderer . . . . . . . . . . . . . . 19.5.3 Schuppenförderer . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.5.4 Umlauf-S-Förderer . . . . . . . . . . . . . . . . 19.5.5 Rutschen und Fallrohre . . . . . . . . . . . . . . 19.6 Strömungsförderer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.6.1 Pneumatische Förderer . . . . . . . . . . . . . . 19.6.2 Hydraulische Förderer . . . . . . . . . . . . . . 19.6.3 Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Lager- und Systemtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Willibald Günthner, Michael ten Hompel, Andre Katterfeld und Friedrich Krause 20.1 Stückgut-Systemtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.1 Transporteinheiten (TE) und Transporthilfsmittel (THM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.2 Funktion und Subsysteme . . . . . . . . . . . . . . 20.1.3 Theoretische Behandlung von Materialflusssystemen . . . . . . . . . . . . . . 20.1.4 Lagereinrichtung und Lagerbedienung . . . . . . 20.1.5 Belegungs- und Bedienstrategien . . . . . . . . . . 20.1.6 Lagerkennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.7 Kommissionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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XXVIII

Inhaltsverzeichnis

20.1.8 Steuerung automatischer Lagersysteme 20.1.9 Betrieb von Lagersystemen . . . . . . . 20.2 Schüttgut-Systemtechnik . . . . . . . . . . . . . . 20.2.1 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.2 Schüttgutlager . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

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Automatisierung in der Materialflusstechnik . . . . . . . . . . Ludger Overmeyer 21.1 Materialflusssteuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Sensorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Aktuatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4 Identifikationssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4.1 Identifikation durch Personen und Geräte . . . . 21.4.2 Optische Datenerfassung und -übertragung . . . 21.4.3 Elektronische Datenerfassung und -übertragung durch RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4.4 Magnetische Datenübertragung . . . . . . . . . . . 21.4.5 Mechanische Datenübertragung . . . . . . . . . . 21.4.6 Weiterverarbeitung der gewonnenen Daten . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Baumaschinen . . . . . . . . . . . . . . Günter Kunze 22.1 Einteilung und Begriffe . . . . . 22.2 Hochbaumaschinen . . . . . . . 22.2.1 Turmdrehkrane . . . . . 22.2.2 Betonmischanlagen . . 22.2.3 Transportbetonmischer 22.2.4 Betonpumpen . . . . . . 22.2.5 Verteilermasten . . . . 22.3 Erdbaumaschinen . . . . . . . . 22.3.1 Bagger . . . . . . . . . . 22.3.2 Schaufellader . . . . . . 22.3.3 Planiermaschinen . . . 22.3.4 Transportfahrzeuge . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Teil IV 23

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Grundlagen der Verfahrenstechnik

Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513 Matthias Bohnet Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514

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XXIX

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Mechanische Verfahrenstechnik . . . . . . . . . . . . . . . Arno Kwade und Jörg Schwedes 24.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2 Zerkleinern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.1 Bruchphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.2 Zerkleinerungsmaschinen . . . . . . . . . . 24.3 Agglomerieren/Granulieren . . . . . . . . . . . . . . 24.3.1 Bindemechanismen, Agglomeratfestigkeit 24.3.2 Granulationstechnik . . . . . . . . . . . . . . 24.4 Trennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.4.1 Abscheiden von Partikeln aus Gasen . . . 24.4.2 Abscheiden von Feststoffpartikeln aus Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . 24.4.3 Klassieren in Gasen . . . . . . . . . . . . . . 24.5 Mischen von Feststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . 24.6 Lagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.6.1 Fließverhalten von Schüttgütern . . . . . . 24.6.2 Dimensionierung von Silos . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Thermische Verfahrenstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stephan Scholl und Alfons Mersmann 25.1 Absorbieren, Rektifizieren, Flüssig-flüssig-Extrahieren 25.1.1 Durchsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.1.2 Stofftrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.2 Verdampfen und Kristallisieren . . . . . . . . . . . . . . . 25.3 Adsorbieren, Trocknen, Fest-flüssig-Extrahieren . . . . 25.4 Membrantrennverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Chemische Verfahrenstechnik . . . . Andreas Seidel-Morgenstern 26.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . 26.2 Stöchiometrie . . . . . . . . . . . 26.3 Chemische Thermodynamik . . 26.4 Kinetik chemischer Reaktionen 26.5 Ideale isotherme Reaktoren . . 26.6 Reale Reaktoren . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Mehrphasenströmungen . . . . . . . . . . . . Matthias Bohnet 27.1 Einphasenströmung . . . . . . . . . . . 27.2 Widerstand fester und fluider Partikel 27.3 Feststoff/Fluidströmung . . . . . . . . . 27.3.1 Pneumatische Förderung . . . 27.3.2 Hydraulische Förderung . . . 27.3.3 Wirbelschicht . . . . . . . . . .

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553 554 555 555 559 560

XXX

Inhaltsverzeichnis

27.4

Gas-/Flüssigkeitsströmung 27.4.1 Strömungsform . 27.4.2 Druckverlust . . . 27.4.3 Filmströmung . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . .

28

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Bioverfahrenstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rainer Krull, Dietmar Hempel und Thomas Wucherpfennig 28.1 Mikroorganismen mit technischer Bedeutung . . . . . . 28.1.1 Bakterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.1.2 Pilze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.1.3 Hefen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.1.4 Algen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.1.5 Viren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.1.6 Pflanzliche und tierische Zellen . . . . . . . . . . 28.2 Kultivierungsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.2.1 Wachstumsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . 28.2.2 Phänomenologie des Wachstums . . . . . . . . . 28.2.3 Ablauf technischer Kultivierungen . . . . . . . . 28.2.4 Prozessbeispiel – Produktion monoklonaler Antikörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.3 Sterilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.3.1 Hitzesterilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.3.2 Sterilfiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.4 Bioreaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.4.1 Oberflächenkultivierung . . . . . . . . . . . . . . 28.4.2 Submerskultivierung . . . . . . . . . . . . . . . . 28.4.3 Mess- und Regelungstechnik . . . . . . . . . . . 28.4.4 Schaumzerstörung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.4.5 Steriler Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.5 Kinetik enzymatischer Reaktionen . . . . . . . . . . . . . 28.5.1 Katalytische Wirkung der Enzyme . . . . . . . . 28.5.2 Michaelis-Menten-Kinetik . . . . . . . . . . . . . 28.5.3 Transformationen der Michaelis-MentenGleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.5.4 Einfluss von Temperatur, pH-Wert, Inhibitoren und Aktivatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.6 Kinetik des mikrobiellen Wachstums . . . . . . . . . . . 28.6.1 Substratlimitiertes Wachstum . . . . . . . . . . . 28.6.2 Wachstumshemmung . . . . . . . . . . . . . . . . 28.6.3 Wachstum mit Transportlimitierung . . . . . . . 28.6.4 Wachstum in kontinuierlicher Kultivierung . . 28.6.5 Fed Batch-Kultivierung . . . . . . . . . . . . . . . 28.6.6 Zellerhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.6.7 Filamentöses Wachstum . . . . . . . . . . . . . . 28.6.8 Rheologie von Kultivierungsbrühen . . . . . . . 28.6.9 Produktbildungskinetik . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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. 586 . . . . . . . . . . . .

586 588 588 590 591 591 594 594 595 598 599 600

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XXXI

Teil V 29

30

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Thermischer Apparatebau und Industrieöfen Industrieöfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eckehard Specht und Friedherz Becker 29.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.2 Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.3 Spezifischer Energieverbrauch . . . . . . . . . . . 29.4 Wärmerückgewinnung durch Luftvorwärmung Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Drehrohröfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eckehard Specht und Friedherz Becker 30.1 Bauarten und Prozesse . . . . . . . . . . . . 30.1.1 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . 30.1.2 Materialtransport . . . . . . . . . . 30.1.3 Beheizung . . . . . . . . . . . . . . . 30.1.4 Drehrohrmantel . . . . . . . . . . . 30.1.5 Lagerung und Antrieb . . . . . . . 30.1.6 Ofenköpfe . . . . . . . . . . . . . . . 30.1.7 Thermische Behandlungsprozesse 30.2 Quertransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.2.1 Arten der Querbewegung . . . . . 30.2.2 Rolling Motion . . . . . . . . . . . . 30.2.3 Segregation . . . . . . . . . . . . . . 30.3 Axialtransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.3.1 Betttiefenprofil . . . . . . . . . . . . 30.3.2 Mittlere Verweilzeit . . . . . . . . . 30.4 Wärmeübergang . . . . . . . . . . . . . . . . 30.4.1 Gesamtmechanismus . . . . . . . . 30.4.2 Direkter Wärmeübergang . . . . . 30.4.3 Regenerativer Wärmeübergang . . 30.4.4 Axiale Temperaturverläufe . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Schacht-, Kupol- und Hochöfen . . . . . . . . . . . Eckehard Specht und Friedherz Becker 31.1 Prozesse und Funktionsweisen . . . . . . . . 31.2 Strömung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.1 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . 31.2.2 Lückengrad . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Wärme- und Stoffübertragung . . . . . . . . . 31.4 Axiale Temperatur- und Massenstromprofile Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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XXXII

32

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Öfen für geformtes Gut . . . . . . . . . . . . . . Eckehard Specht und Friedherz Becker 32.1 Betriebsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2 Durchlauföfen . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2.1 Stoßofen . . . . . . . . . . . . . . . 32.2.2 Hubbalkenofen . . . . . . . . . . . 32.2.3 Tunnelwagenofen . . . . . . . . . 32.2.4 Rollenherdofen . . . . . . . . . . . 32.2.5 Konstruktive Merkmale . . . . . 32.2.6 Verfahrenstechnische Merkmale 32.3 Beschreibung von Chargenöfen . . . . . . 32.4 Beheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.4.1 Direkte Beheizung . . . . . . . . . 32.4.2 Indirekte Beheizung . . . . . . . . 32.4.3 Elektrobeheizung . . . . . . . . . 32.5 Wärmeübertragung . . . . . . . . . . . . . 32.5.1 Strahlung in Industrieöfen . . . . 32.5.2 Konvektion . . . . . . . . . . . . . 32.5.3 Wärmeübergang ins Solid . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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33

Feuerfestmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659 Eckehard Specht und Friedherz Becker Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662

34

Wärmeübertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lothar Mörl und Eckehard Specht 34.1 Konstante Wärmestromdichte . . . . . . . . . . . . 34.2 Konstante Wandtemperatur . . . . . . . . . . . . . . 34.3 Wärmeübertragung Fluid–Fluid . . . . . . . . . . . 34.3.1 Temperaturverläufe . . . . . . . . . . . . . 34.3.2 Gleiche Kapazitätsströme (Gegenstrom) 34.3.3 Ungleiche Kapazitätsstromverhältnisse . 34.4 Auslegung von Wärmeübertragern . . . . . . . . . 34.5 Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34.5.1 Grundbegriffe der Kondensation . . . . . 34.5.2 Oberflächenkondensatoren . . . . . . . . . 34.5.3 Luftgekühlte Kondensatoren . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen . Lothar Mörl und Horst Gelbe 35.1 Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.2 Zylindrische Mäntel und Rohre unter innerem Überdruck 35.3 Zylindrische Mäntel unter äußerem Überdruck . . . . . .

673 673 674 675

Inhaltsverzeichnis

XXXIII

35.4

36

Ebene Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.4.1 Wanddicke verschraubter runder ebener Böden ohne Ausschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.4.2 Wanddicke ebener Böden mit Ausschnitten . . 35.5 Gewölbte Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.6 Ausschnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.6.1 Spannungsbeanspruchte Querschnitte . . . . . . 35.6.2 Druckbeanspruchte Querschnittsflächen Ap . . 35.7 Flanschverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.7.1 Schrauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.7.2 Flansche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.8 Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.8.1 Rohrdurchmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.8.2 Strömungsverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.8.3 Rohrarten, Normen, Werkstoffe . . . . . . . . . 35.8.4 Rohrverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.8.5 Dehnungsausgleicher . . . . . . . . . . . . . . . . 35.8.6 Rohrhalterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.9 Absperr- und Regelorgane . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.9.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.9.2 Ventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.9.3 Schieber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.9.4 Hähne (Drehschieber) . . . . . . . . . . . . . . . 35.9.5 Klappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.10 Dichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.10.1 Berührungsdichtungen an ruhenden Flächen . . 35.10.2 Berührungsdichtungen an gleitenden Flächen . Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Intensivkühlung heißer Metalle mit Flüssigkeiten Eckehard Specht 36.1 Phänomenologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.2 Tauchkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.3 Spritzkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.3.1 Düsentechnik . . . . . . . . . . . . . . . 36.3.2 Wärmeübergangsmechanismus . . . . 36.3.3 Filmverdampfung . . . . . . . . . . . . 36.3.4 Einfluss der Wassertemperatur . . . . 36.4 Wasserqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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677 678 678 680 680 681 682 682 684 687 687 688 688 689 691 692 695 695 697 698 699 700 700 700 702 704 706

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Literatur zu Teil V Thermischer Apparatebau und Industrieöfen . 719

XXXIV

Inhaltsverzeichnis

Teil VI 37

Kälte-, Klima- und Heizungstechnik

Kältetechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723 Christian Hainbach 37.1 Einsatzgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723 37.2 Kältetechnische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724 37.2.1 Kaltdampf-Kompressionskälteanlage . . . . . . . 724 37.2.2 Absorptionskälteanlage . . . . . . . . . . . . . . . . 725 37.2.3 Verdunstungskühlverfahren . . . . . . . . . . . . . 727 37.3 Kältetechnische Betriebsstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 728 37.3.1 Kältemittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 728 37.3.2 Kältemaschinen-Öle . . . . . . . . . . . . . . . . . 733 37.3.3 Kühlsolen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734 37.4 Systeme und Bauteile der kältetechnischen Anlagen . . . 736 37.4.1 Kältemittelverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . 736 37.4.2 Verdampfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 739 37.4.3 Verflüssiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 740 37.4.4 Sonstige Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 740 37.5 Direktverdampfer-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742 37.5.1 Verflüssigersätze, Splitgeräte für Klimaanlagen . 743 37.6 Kaltwassersätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744 37.6.1 Kompressions-Kaltwassersätze . . . . . . . . . . . 744 37.6.2 Absorptions-Kaltwassersatz . . . . . . . . . . . . . 744 37.7 Rückkühlwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745 37.7.1 Kühlwassertemperaturen im Jahresverlauf . . . . 746 37.7.2 Wasserbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747 37.8 Freie Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747 37.8.1 Freie Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747 37.8.2 Freie Kühlung durch Solekreislauf . . . . . . . . . 748 37.8.3 Freie Kühlung durch Kältemittel-Pumpen-System 748 37.8.4 Freie Kühlung durch Rückkühlwerk . . . . . . . . 748 37.9 Speichersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 749 37.9.1 Eisspeichersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 749 37.9.2 Kältespeicherung in eutektischer Lösung . . . . . 750 37.9.3 Kältespeicherung in Binäreis . . . . . . . . . . . . 751 37.10 Wärmepumpenanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 752 37.10.1 Wärmequellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754 37.10.2 Kleinwärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754 37.10.3 Wärmepumpen größerer Leistung . . . . . . . . . 755 37.10.4 Absorptionswärmepumpen . . . . . . . . . . . . . 756 37.10.5 Wärmepumpensysteme Heizbetrieb . . . . . . . . 757 37.10.6 Systeme für gleichzeitigen Kühl- und Heizbetrieb 758 37.10.7 Wärmepumpen in Heizsystemen . . . . . . . . . . 760 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 761 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 762

Inhaltsverzeichnis

XXXV

38

Klimatechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sylvia Schädlich 38.1 Anforderungen an das Raumklima . . . . . . . . . . . . 38.1.1 Raumluftfeuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.1.2 Raumluftgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . 38.1.3 Schadstoffgehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.1.4 Weitere Einflussgrößen . . . . . . . . . . . . . . 38.2 Auslegung von Klimaanlagen . . . . . . . . . . . . . . . 38.2.1 Meteorologische Grundlagen . . . . . . . . . . 38.2.2 Heizlast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.2.3 Kühllast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.2.4 Luft-Volumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . 38.3 Luftführung und Luftdurchlässe . . . . . . . . . . . . . . 38.3.1 Luftführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.3.2 Luftdurchlässe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.4 Komponenten von Lüftungs- und Klimaanlagen . . . . 38.4.1 Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.4.2 Lufterhitzer, -kühler . . . . . . . . . . . . . . . . 38.4.3 Luftbefeuchter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.4.4 Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . 38.4.5 Luftfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.4.6 Schalldämpfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.4.7 Luftkanalsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.4.8 Mess- und Regelungstechnik . . . . . . . . . . 38.5 Lüftungsanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.5.1 Einrichtungen zur freien Lüftung . . . . . . . . 38.5.2 Mechanische Lüftungsanlagen . . . . . . . . . 38.6 Zentrale Raumlufttechnische Anlagen . . . . . . . . . . 38.6.1 Klassifizierung raumlufttechnischer Systeme 38.6.2 Nur-Luft-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.6.3 Luft-Wasser-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . 38.7 Dezentrale Klimaanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.8 Berücksichtigung von Klimaanlagen nach Energieeinsparverordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.8.1 Referenzgebäudeverfahren für Nichtwohngebäude . . . . . . . . . . . . . . 38.8.2 Wartung von Klimaanlagen . . . . . . . . . . . 38.8.3 Energetische Inspektion von Klimaanlagen . 38.8.4 Vorgaben für die Planung von Lüftungs- und Klimaanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.8.5 Berücksichtigung von Klimaanlagen in der DIN V 18599 . . . . . . . . . . . . . . . . 38.8.6 Endenergie für Ventilatoren . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . 765 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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765 769 770 770 770 772 772 772 775 777 777 777 781 784 785 793 794 797 801 804 807 808 808 808 810 810 810 812 814 819

. . 821 . . 821 . . 821 . . 822 . . 822 . . 823 . . 824 . . 824

XXXVI

39

Inhaltsverzeichnis

Systeme und Bauteile der Heizungstechnik . . Christian Hainbach 39.1 Einzelheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.2 Zentralheizung . . . . . . . . . . . . . . . . 39.2.1 Systeme . . . . . . . . . . . . . . . 39.2.2 Raum-Heizkörper, -Heizflächen 39.2.3 Rohrnetz . . . . . . . . . . . . . . . 39.2.4 Armaturen . . . . . . . . . . . . . . 39.2.5 Umwälzpumpen . . . . . . . . . . 39.2.6 Wärmeerzeugung . . . . . . . . . 39.2.7 Heizzentrale . . . . . . . . . . . . 39.2.8 Wärmeverbrauchsermittlung . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Teil VII

. . . . . . . . . . 827 . . . . . . . . . . .

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Biomedizinische Technik

40

Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845 Stephan Klein und Marc Kraft Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 846

41

Einteilung von Medizinprodukten . . . . . . . . . . . . . . . . . 849 Stephan Klein und Marc Kraft Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 850

42

Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte Stephan Klein, Marc Kraft, Henrik Botterweck, Jürgen Manigel, Martin Ryschka, Harald Hanke, Peter Schouwink und Jochim Koch 42.1 Bildgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.1 Definition und Aufgabe . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.2 Modalitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.3 Trends und Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2.1 Patientenmonitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2.2 Maschinenmonitoring . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2.3 Alarmgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2.4 Zentrale Überwachung . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2.5 Gerätetechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3 Beatmung, Inhalationsnarkose . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.1 Beatmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.2 Inhalationsnarkose . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.3 Gasdosierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.4 Narkosemitteldosierung . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.5 Kreissystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.6 CO2 -Absorber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.7 Ventilator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.8 Gas-, Druck- und Flussmessung . . . . . . . . . .

851

851 851 852 858 859 859 859 859 860 860 861 861 862 862 863 863 864 864 865

Inhaltsverzeichnis

XXXVII

42.4 42.5 42.6

Therapie von Herzrhythmusstörungen . . . . . . . . . . Blutreinigung (Dialyse) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pumpen für Infusionen und Herzunterstützung . . . . . 42.6.1 Herzunterstützungssysteme . . . . . . . . . . . 42.7 Minimal-invasive Technologien . . . . . . . . . . . . . . 42.7.1 Endoskopische Techniken . . . . . . . . . . . . 42.7.2 Endoskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.7.3 Interventionelle Kardiologie . . . . . . . . . . . 42.8 Orthopädische Implantate . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.9 Gliedmaßenprothetik (Exoprothetik der Extremitäten) 42.10 Wärmetherapiegeräte für Früh- und Neugeborene . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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865 867 870 872 873 873 874 876 877 880 883 885

43

Entwicklung und Marktzugang von Medizinprodukten . . . 887 Stephan Klein, Marc Kraft und Folker Spitzenberger Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 891

44

Aufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 893 Marc Kraft Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 893

45

Telemedizin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895 Marc Kraft Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 896

46

Physiologische Regelkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 897 Philipp Rostalski Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 899

Literatur zu Teil VII Biomedizinische Technik . . . . . . . . . . . . . . 901

Teil VIII 47

48

Energietechnik und -wirtschaft

Grundsätze der Energieversorgung . . . . . . . . . . . . . Hermann-Josef Wagner, Hendrik Hasenclever und Kathrin Hoffmann 47.1 Planung und Investitionen . . . . . . . . . . . . . . . . 47.2 Elektrizitätswirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47.3 Gaswirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47.4 Fernwärmewirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Primärenergien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hermann-Josef Wagner, Christian Bratfisch, Hendrik Hasenclever und Kathrin Hoffmann 48.1 Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.2 Feste Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.2.1 Natürliche feste Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . 48.2.2 Künstliche feste Brennstoffe . . . . . . . . . . . .

917

917 917 917 918

XXXVIII

Inhaltsverzeichnis

48.2.3 Abfallbrennstoffe . . . . . . . . . . 48.2.4 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . 48.2.5 Mineralische Bestandteile . . . . . 48.3 Flüssige Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . 48.3.1 Zusammensetzung . . . . . . . . . . 48.3.2 Natürliche flüssige Brennstoffe . . 48.3.3 Künstliche flüssige Brennstoffe . . 48.3.4 Abfallbrennstoffe . . . . . . . . . . 48.3.5 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . 48.4 Gasförmige Brennstoffe oder Brenngase . 48.4.1 Natürliche Brenngase . . . . . . . . 48.4.2 Künstliche Brenngase . . . . . . . . 48.4.3 Abfallbrenngase . . . . . . . . . . . 48.4.4 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . 48.5 Kernbrennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 48.5.1 Brutprozess . . . . . . . . . . . . . . 48.5.2 Brennstoffkreislauf . . . . . . . . . 48.5.3 Endlagerung radioaktiver Abfälle 48.6 Regenerative Energien . . . . . . . . . . . . 48.6.1 Wasserenergie . . . . . . . . . . . . 48.6.2 Windenergie . . . . . . . . . . . . . 48.6.3 Solarenergie . . . . . . . . . . . . . 48.6.4 Geothermische Energie . . . . . . . 48.6.5 Biogas . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.6.6 Biomasse . . . . . . . . . . . . . . . Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

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Wandlung von Primärenergie in Nutzenergie . . . . . . . . . . Hermann-Josef Wagner, Christian Bratfisch, Hendrik Hasenclever und Kathrin Hoffmann 49.1 Fossile Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.1.1 Wärmekraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.1.2 Kombi-Kraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.1.3 Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.2 Kraft-Wärme-Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.2.1 KWK-Anlagen mit Verbrennungsmotoren . . . . 49.2.2 KWK-Anlagen mit Gasturbinen . . . . . . . . . . 49.2.3 KWK-Anlagen mit Dampfturbinen . . . . . . . . 49.2.4 Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen . . . . . . 49.2.5 Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz . . . . . . . . . . . 49.3 Strom-/Wärmeerzeugung mit regenerativen Energien . . 49.3.1 Wasserkraftanlagen (s. Abschn. 48.6) . . . . . . . 49.3.2 Windkraftanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.3.3 Anlagen zur Nutzung der Sonnenenergie . . . . . 49.3.4 Wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

943

943 943 950 952 952 953 954 954 955 956 956 956 958 960 965

Inhaltsverzeichnis

XXXIX

50

51

49.4

Kernkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.4.1 Bauteile des Reaktors und Reaktorgebäude 49.4.2 Sicherheitstechnik von Kernreaktoren . . . . 49.4.3 Leistungsregelung bei Kernreaktoren . . . . 49.4.4 Bauarten von Kernreaktoren . . . . . . . . . . 49.5 Umweltschutztechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . 49.5.1 Rauchgasentstaubung . . . . . . . . . . . . . . 49.5.2 Rauchgasentschwefelung . . . . . . . . . . . 49.5.3 Rauchgasentstickung . . . . . . . . . . . . . . 49.5.4 Kohlendioxidabscheidung . . . . . . . . . . . 49.5.5 Entsorgung der Kraftwerksnebenprodukte . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Verteilen und Speicherung von Nutzenergie . . . . . . . . Hermann-Josef Wagner, Hendrik Hasenclever und Kathrin Hoffmann 50.1 Energietransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50.1.1 Mineralöltransporte . . . . . . . . . . . . . . . 50.1.2 Erdgastransporte . . . . . . . . . . . . . . . . . 50.1.3 Elektrische Verbundnetze . . . . . . . . . . . 50.1.4 Fernwärmetransporte . . . . . . . . . . . . . . 50.2 Energiespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50.2.1 Pumpspeicherwerke . . . . . . . . . . . . . . . 50.2.2 Druckluftspeicherwerke . . . . . . . . . . . . 50.2.3 Dampfspeicherung . . . . . . . . . . . . . . . 50.2.4 Elektrische Speicher . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Feuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klaus Görner 51.1 Technische Feuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.1 Feuerung in einem Dampferzeuger . . . . . 51.1.2 Einteilung von Feuerungen für gasförmige, flüssige und feste Brennstoffe . . . . . . . . . 51.2 Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.1 Verbrennungsvorgang . . . . . . . . . . . . . . 51.2.2 Kennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.3 Emissionsgrenzwerte . . . . . . . . . . . . . . 51.3 Feuerungen für gasförmige Brennstoffe . . . . . . . . 51.3.1 Verbrennung und Brennereinteilung . . . . . 51.3.2 Brennerbauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.4 Feuerungen für flüssige Brennstoffe . . . . . . . . . . 51.4.1 Besondere Eigenschaften . . . . . . . . . . . 51.4.2 Brenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.4.3 Gesamtanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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. . . 993 . . . 993 . . . 993 . . . . . . . . . . . .

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. 993 . 994 . 994 . 995 . 997 . 998 . 998 . 998 . 999 . 999 . 999 .1000

XL

Inhaltsverzeichnis

51.5

Feuerungen für feste Brennstoffe 51.5.1 Kohlenstaubfeuerung . . 51.5.2 Wirbelschichtfeuerung . 51.5.3 Rostfeuerungen . . . . . 51.6 Allgemeines Feuerungszubehör . 51.6.1 Gebläse . . . . . . . . . . 51.6.2 Schornstein . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Dampferzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gerd Oeljeklaus 52.1 Angaben zum System . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.1 Entwicklungsstufen . . . . . . . . . . . . . . 52.1.2 Dampferzeugersysteme . . . . . . . . . . . . 52.1.3 Drücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.4 Temperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.5 Dampfleistungen . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.6 Sicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Ausgeführte Dampferzeuger . . . . . . . . . . . . . . 52.2.1 Großwasserraumkessel . . . . . . . . . . . . 52.2.2 Naturumlaufkessel für fossile Brennstoffe 52.2.3 Zwanglaufkessel für fossile Brennstoffe . 52.3 Bauelemente von Dampferzeugern . . . . . . . . . . 52.3.1 Verdampfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3.2 Überhitzer und Zwischenüberhitzer . . . . 52.3.3 Speisewasservorwärmer (Eco) . . . . . . . 52.3.4 Luftvorwärmer (Luvo) . . . . . . . . . . . . 52.3.5 Speisewasseraufbereitung . . . . . . . . . . 52.4 Wärmetechnische Berechnung . . . . . . . . . . . . 52.4.1 Energiebilanz und Wirkungsgrad . . . . . . 52.4.2 Ermittlung der Heizfläche . . . . . . . . . . 52.4.3 Strömungswiderstände . . . . . . . . . . . . 52.4.4 Festigkeitsberechnung . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Teil IX 53

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.1001 .1001 .1009 .1011 .1016 .1016 .1016 .1017

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.1019 .1019 .1019 .1020 .1020 .1021 .1021 .1021 .1021 .1021 .1023 .1026 .1026 .1026 .1028 .1028 .1029 .1030 .1030 .1031 .1032 .1032 .1032

Fahrzeugtechnik

Kraftfahrzeugtechnik . . . . . . . . . . . Volker Schindler und Steffen Müller 53.1 Definition von Kraftfahrzeugen . . 53.2 Bedeutung von Kraftfahrzeugen . . 53.3 Karosserie . . . . . . . . . . . . . . . 53.4 Fahrwerk . . . . . . . . . . . . . . . . 53.4.1 Räder . . . . . . . . . . . . . 53.4.2 Radführungen . . . . . . . 53.4.3 Federung und Dämpfung . 53.4.4 Lenkung . . . . . . . . . . .

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.1037 .1039 .1041 .1045 .1046 .1049 .1050 .1051

Inhaltsverzeichnis

XLI

53.5

54

Antrieb und Bremsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.5.1 Bremsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.5.2 Fahrdynamikregelsysteme . . . . . . . . . . 53.5.3 Energiewandlung . . . . . . . . . . . . . . . 53.5.4 Kupplung und Kennungswandler . . . . . . 53.5.5 Achsgetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.6 Ausstattungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.6.1 Verglasung, Scheibenwischer . . . . . . . . 53.6.2 Sitzanlage, Bedienelemente, Anzeigen . . 53.6.3 Heizung und Klimatisierung . . . . . . . . 53.6.4 Systeme für den Insassenschutz . . . . . . 53.6.5 Licht und Beleuchtung . . . . . . . . . . . . 53.6.6 Fahrerassistenzsysteme . . . . . . . . . . . . 53.6.7 Automatisiertes Fahren . . . . . . . . . . . . 53.7 Elektrische Infrastruktur . . . . . . . . . . . . . . . . 53.8 Eigenschaften des Gesamtfahrzeugs . . . . . . . . . 53.8.1 Package, Ergonomie, Mensch-MaschineInterface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.8.2 Fahrdynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.8.3 Aerodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.8.4 Verbrauch und CO2 -Emission . . . . . . . . 53.8.5 Abgasverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.8.6 Geräusch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.8.7 Fahrzeugsicherheit . . . . . . . . . . . . . . 53.8.8 Betriebsfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 53.9 Typgenehmigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.10 Entwicklungsprozesse und -methoden . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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.1053 .1053 .1054 .1058 .1064 .1067 .1067 .1068 .1068 .1069 .1069 .1070 .1071 .1072 .1073 .1076

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.1076 .1077 .1081 .1081 .1083 .1083 .1083 .1084 .1085 .1085 .1086

Schienenfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Markus Hecht, Oldrich Polach und Ulrich Kleemann 54.1 Grundsätzliche Randbedingungen . . . . . . . . . 54.1.1 Fahrzeugbegrenzungsprofil . . . . . . . . 54.1.2 Fahrgastwechselzeiten . . . . . . . . . . . 54.1.3 Lebenszykluskosten LCC . . . . . . . . . 54.2 Fahrwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.2.1 Grundbegriffe der Spurführungstechnik . 54.2.2 Radbauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.2.3 Radsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.2.4 Rad-Schiene-Kontakt . . . . . . . . . . . . 54.2.5 Fahrwerkskonstruktionen . . . . . . . . . 54.2.6 Neigetechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.3 Aufbau, Fahrzeugarten . . . . . . . . . . . . . . . . 54.3.1 Rohbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.3.2 Klimaanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.3.3 Türen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.3.4 Fenster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.3.5 Führerräume . . . . . . . . . . . . . . . . .

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. . . . .1089 . . . . . . . . . . . . . . . . .

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.1089 .1090 .1091 .1091 .1092 .1092 .1094 .1094 .1095 .1098 .1102 .1103 .1104 .1104 .1105 .1106 .1106

XLII

Inhaltsverzeichnis

54.3.6 Zug-Stoßeinrichtungen . . . . . . . . . . . 54.3.7 Fahrzeugarten . . . . . . . . . . . . . . . . 54.4 Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.4.1 Fahrwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . 54.4.2 Konstruktionen . . . . . . . . . . . . . . . . 54.5 Elektrische/Elektronische Ausrüstung/Diagnose . 54.5.1 Leistungselektrik . . . . . . . . . . . . . . 54.5.2 Diagnosetechnik . . . . . . . . . . . . . . . 54.6 Sicherheitstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.6.1 Aktive Sicherheitstechnik/Bremse, Bremsbauarten . . . . . . . . . . . . . . . . 54.6.2 Passive Sicherheit . . . . . . . . . . . . . . 54.7 Entwicklungsmethodik . . . . . . . . . . . . . . . . 54.7.1 Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.7.2 Fahrkomfort . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.7.3 Rad-Schiene-Kräfte . . . . . . . . . . . . . 54.8 Zuverlässigkeitsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

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.1109 .1113 .1116 .1116 .1116 .1117 .1117 .1119 .1120

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.1120 .1125 .1126 .1128 .1129 .1129 .1130 .1131

Luftfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1135 Rudolf Voit-Nitschmann und Thomas Keilig 55.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1135 55.1.1 Luftverkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1135 55.1.2 Anforderungen an den Luftverkehr und an Luftfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1136 55.1.3 Einordnung und Konstruktionsgruppen von Luftfahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . .1137 55.1.4 Einordnung von Luftfahrzeugen nach Vorschriften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1139 55.2 Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1142 55.2.1 Die internationale Standardatmosphäre (ISA) . .1142 55.2.2 Achsenkreuze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1144 55.2.3 Winkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1144 55.2.4 Gewichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1145 55.2.5 Fluggeschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . .1145 55.2.6 Geometrische Beschreibung des Luftfahrzeuges 1147 55.2.7 Kräfte und Winkel im Flug . . . . . . . . . . . . .1151 55.2.8 Flugsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1152 55.2.9 Flugstabilitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1153 55.3 Grundlagen der Flugphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . .1154 55.3.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1154 55.3.2 Flugzeugpolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1157 55.3.3 Flugleistungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1158 55.4 Zelle, Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1170 55.4.1 Konstruktionsphilosophien und -prinzipien . . .1170 55.4.2 Lasten, Lastannahmen . . . . . . . . . . . . . . . .1171 55.4.3 Leichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1173 55.4.4 Werkstoffe und Bauweisen . . . . . . . . . . . . .1175

Inhaltsverzeichnis

XLIII

55.4.5 55.4.6 55.4.7 Literatur . . .

Rumpf . . . . . . . . . . . . . . Tragflügel . . . . . . . . . . . . Wartung und Instandhaltung . ....................

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.1178 .1180 .1184 .1185

Fachausdrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1189 Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1265

Inhaltsverzeichnis Band 1

Teil I 1

2

Mathematik Mengen, Funktionen und Boolesche Algebra . . Uller Jarecki 1.1 Mengen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Mengenbegriff . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Mengenrelationen . . . . . . . . . . . 1.1.3 Mengenverknüpfungen . . . . . . . . 1.1.4 Das kartesische oder Kreuzprodukt 1.2 Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Boolesche Algebra . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Zweielementige Boolesche Algebra Allgemeine Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3

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3 3 3 4 4 5 6 6 6 9

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Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uller Jarecki 2.1 Reelle Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Grundgesetze der reellen Zahlen . . . . . . . . . . 2.1.3 Der absolute Betrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Mittelwerte und Ungleichungen . . . . . . . . . . 2.1.5 Potenzen, Wurzeln und Logarithmen . . . . . . . 2.1.6 Zahlendarstellung in Stellenwertsystemen . . . . 2.1.7 Endliche Folgen und Reihen. Binomischer Lehrsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.8 Unendliche reelle Zahlenfolgen und Zahlenreihen 2.2 Komplexe Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Komplexe Zahlen und ihre geometrische Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Addition und Multiplikation . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Darstellung in Polarkoordinaten. Absoluter Betrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4 Potenzen und Wurzeln . . . . . . . . . . . . . . . .

13 13 13 13 15 15 15 16 16 18 20 20 20 21 21

XLV

XLVI

Inhaltsverzeichnis Band 1

2.3

Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Algebraische Gleichungen . 2.3.2 Polynome . . . . . . . . . . . 2.3.3 Transzendente Gleichungen Allgemeine Literatur . . . . . . . . . . . . . . 3

4

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Lineare Algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uller Jarecki 3.1 Vektoralgebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Vektoren und ihre Eigenschaften . . . . . . . 3.1.2 Lineare Abhängigkeit und Basis . . . . . . . 3.1.3 Koordinatendarstellung von Vektoren . . . . 3.1.4 Inneres oder skalares Produkt . . . . . . . . . 3.1.5 Äußeres oder vektorielles Produkt . . . . . . 3.1.6 Spatprodukt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.7 Entwicklungssatz und mehrfache Produkte 3.2 Der reelle n-dimensionale Vektorraum Rn . . . . . . 3.2.1 Der reelle Euklidische Raum . . . . . . . . . 3.2.2 Determinanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Cramer-Regel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Matrizen und lineare Abbildungen . . . . . . 3.2.5 Lineare Gleichungssysteme . . . . . . . . . . 3.3 Ergänzungen zur Höheren Mathematik . . . . . . . . Allgemeine Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hans-Joachim Schulz 4.1 Bemerkungen zur elementaren Geometrie . . . . . . 4.2 Ebene Geometrie (Planimetrie) . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Punkt, Gerade, Strahl, Strecke, Streckenzug 4.2.2 Orientierung einer Ebene . . . . . . . . . . . 4.2.3 Winkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Strahlensätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5 Ähnlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.6 Teilung von Strecken . . . . . . . . . . . . . . 4.2.7 Pythagoreische Sätze . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Trigonometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Goniometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Berechnung von Dreiecken und Flächen . . 4.4 Räumliche Geometrie (Stereometrie) . . . . . . . . . 4.4.1 Punkt, Gerade und Ebene im Raum . . . . . 4.4.2 Körper, Volumenmessung . . . . . . . . . . . 4.4.3 Polyeder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.4 Oberfläche und Volumen von Polyedern . . 4.4.5 Oberfläche und Volumen von einfachen Rotationskörpern . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.6 Guldinsche Regeln . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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22 22 23 25 25

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27

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27 27 28 29 30 31 31 32 32 33 34 36 37 41 42 43

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45

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45 45 45 46 46 46 47 48 48 49 49 56 57 57 59 59 60

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60 60 63

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Inhaltsverzeichnis Band 1

XLVII

5

6

Analytische Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . Uller Jarecki 5.1 Analytische Geometrie der Ebene . . . . . . 5.1.1 Das kartesische Koordinatensystem 5.1.2 Strecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3 Dreieck . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4 Winkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.5 Gerade . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.6 Koordinatentransformationen . . . . 5.1.7 Kegelschnitte . . . . . . . . . . . . . . 5.1.8 Allgemeine Kegelschnittgleichung . 5.2 Analytische Geometrie des Raumes . . . . . 5.2.1 Das kartesische Koordinatensystem 5.2.2 Strecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Dreieck und Tetraeder . . . . . . . . 5.2.4 Gerade . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.5 Ebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.6 Koordinatentransformationen . . . . Allgemeine Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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65

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65 65 65 66 66 67 68 69 73 75 75 75 76 76 78 79 80

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Differential- und Integralrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Uller Jarecki 6.1 Reellwertige Funktionen einer reellen Variablen . . . . . . 81 6.1.1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.1.2 Grundfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 6.1.3 Einteilung der Funktionen . . . . . . . . . . . . . . 84 6.1.4 Grenzwert und Stetigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.1.5 Ableitung einer Funktion . . . . . . . . . . . . . . 86 6.1.6 Differentiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.1.7 Sätze über differenzierbare Funktionen . . . . . . 88 6.1.8 Monotonie, Konvexität und Extrema von differenzierbaren Funktionen . . . . . . . . . . . . 90 6.1.9 Grenzwertbestimmung durch Differenzieren. Regel von de l’Hospital . . . . . . . . . . . . . . . 92 6.1.10 Das bestimmte Integral . . . . . . . . . . . . . . . . 92 6.1.11 Integralfunktion, Stammfunktion und Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung . . . . . . 94 6.1.12 Das unbestimmte Integral . . . . . . . . . . . . . . 94 6.1.13 Integrationsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6.1.14 Integration rationaler Funktionen . . . . . . . . . . 96 6.1.15 Integration von irrationalen algebraischen und transzendenten Funktionen . . . . . . . . . . . . . 98 6.1.16 Uneigentliche Integrale . . . . . . . . . . . . . . . . 98 6.1.17 Geometrische Anwendungen der Differentialund Integralrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 6.1.18 Unendliche Funktionenreihen . . . . . . . . . . . . 101

XLVIII

Inhaltsverzeichnis Band 1

6.2

7

8

Reellwertige Funktionen mehrerer reeller Variablen 6.2.1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Grenzwerte und Stetigkeit . . . . . . . . . . . 6.2.3 Partielle Ableitungen . . . . . . . . . . . . . . 6.2.4 Integraldarstellung von Funktionen und Doppelintegrale . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.5 Flächen- und Raumintegrale . . . . . . . . . . Allgemeine Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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106 106 107 108

. . . 113 . . . 113 . . . 118

Kurven und Flächen, Vektoranalysis . . . . . Uller Jarecki 7.1 Kurven in der Ebene . . . . . . . . . . . . 7.1.1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . 7.1.2 Tangenten und Normalen . . . 7.1.3 Bogenlänge . . . . . . . . . . . . 7.1.4 Krümmung . . . . . . . . . . . . 7.1.5 Einhüllende einer Kurvenschar 7.1.6 Spezielle ebene Kurven . . . . 7.1.7 Kurvenintegrale . . . . . . . . . 7.2 Kurven im Raum . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . 7.2.2 Tangente und Bogenlänge . . . 7.2.3 Kurvenintegrale . . . . . . . . . 7.3 Fläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . 7.3.2 Tangentialebene . . . . . . . . . 7.3.3 Oberflächenintegrale . . . . . . 7.4 Vektoranalysis . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . 7.4.2 Der r-(Nabla-)Operator . . . . 7.4.3 Integralsätze . . . . . . . . . . . Allgemeine Literatur . . . . . . . . . . . . . . . .

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. . . . . . . . . . . 119 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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119 119 120 122 123 124 124 128 131 131 131 132 134 134 135 136 137 137 138 139 140

Differentialgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uller Jarecki 8.1 Gewöhnliche Differentialgleichungen . . . . . . . . . . . . 8.1.1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.2 Differentialgleichung 1. Ordnung . . . . . . . . . 8.1.3 Differentialgleichungen n-ter Ordnung . . . . . . 8.1.4 Lineare Differentialgleichungen . . . . . . . . . . 8.1.5 Lineare Differentialgleichungen mit konstanten Koeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.6 Systeme von linearen Differentialgleichungen mit konstanten Koeffizienten . . . . . . . . . . . . 8.1.7 Randwertaufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.8 Eigenwertaufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

141 141 141 142 145 146 147 150 153 154

Inhaltsverzeichnis Band 1

XLIX

8.2

Partielle Differentialgleichungen . . . . . . . . . . . 8.2.1 Lineare partielle Differentialgleichungen 2. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.2 Trennung der Veränderlichen . . . . . . . . 8.2.3 Anfangs- und Randbedingungen . . . . . . Allgemeine Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

10

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Stochastik und Statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hans-Joachim Schulz 9.1 Kombinatorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.1 Permutationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.2 Variationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.3 Kombinationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Ausgleichsrechnung nach der Methode der kleinsten Quadrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.2 Ausgleich direkter Messungen gleicher Genauigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.3 Fehlerfortpflanzung bei zufälligen Fehlergrößen 9.2.4 Ausgleich direkter Messungen ungleicher Genauigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Wahrscheinlichkeitsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.1 Definitionen und Rechengesetze der Wahrscheinlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.2 Zufallsvariable und Verteilungsfunktion . . . . . 9.3.3 Parameter der Verteilungsfunktion . . . . . . . . . 9.3.4 Einige spezielle Verteilungsfunktionen . . . . . . 9.4 Statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.1 Häufigkeitsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.2 Arithmetischer Mittelwert, Varianz und Standardabweichung . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.3 Regression und Korrelation . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

161

Numerische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hans-Joachim Schulz 10.1 Numerische – Analytische Lösung . . . . . . . . . . . . . 10.2 Näherungsverfahren (Iterationsverfahren) . . . . . . . . . 10.2.1 Splineinterpolation und Bezier-Kurven . . . . . 10.2.2 Methode der schrittweisen Näherung (Iterationsverfahren) . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.3 Newtonsches Näherungsverfahren . . . . . . . . 10.2.4 Sekantenverfahren und Regula falsi . . . . . . . 10.2.5 Konvergenzordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.6 Probleme der Genauigkeit . . . . . . . . . . . . . 10.3 Interpolationsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.1 Aufgabenstellung, Existenz und Eindeutigkeit der Lösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

161 161 162 162 163 163 163 165 165 166 166 170 171 174 175 176 176 178 180

. 181 . 181 . 181 . 182 . . . . . .

189 190 190 190 191 191

. 191

L

11

Inhaltsverzeichnis Band 1

10.3.2 Ansatz nach Lagrange . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.3 Ansatz nach Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.4 Polynomberechnung nach dem Horner-Schema . 10.4 Gaußsches Eliminationsverfahren . . . . . . . . . . . . . . 10.4.1 Teilweise Pivotierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.2 Vollständige Pivotierung . . . . . . . . . . . . . . . 10.5 Standardaufgabe der linearen Algebra . . . . . . . . . . . . 10.6 Integrationsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.6.1 Newton-Cotes-Formeln . . . . . . . . . . . . . . . . 10.6.2 Graphisches Integrationsverfahren . . . . . . . . . 10.6.3 Differenzenoperatoren . . . . . . . . . . . . . . . . 10.7 Steifheit von Anfangswertproblemen . . . . . . . . . . . . 10.8 Numerische Lösungsverfahren für Differentialgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.8.1 Aufgabenstellung des Anfangswertproblems . . 10.8.2 Das Eulersche Streckenzugverfahren . . . . . . . 10.8.3 Runge-Kutta-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

192 192 194 195 196 196 197 199 199 202 202 204 205 205 205 206 207 212

Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hans-Joachim Schulz 11.1 Lineare Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.1 Graphisches Verfahren für zwei Variablen 11.1.2 Simplexverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.3 Parametrische lineare Optimierung . . . . 11.2 Nichtlineare Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.1 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.2 Einige spezielle Algorithmen . . . . . . . . 11.3 Optimierungsverfahren zur Eigenwertbestimmung

213 214 214 219 221 221 221 223

. . . . 213 . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

Literatur Teil I Mathematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

Teil II 12

Mechanik Statik starrer Körper . . . . . . . . . . . . . Joachim Villwock und Andreas Hanau 12.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Zusammensetzen und Zerlegen von mit gemeinsamem Angriffspunkt . . 12.2.1 Ebene Kräftegruppe . . . . . 12.2.2 Räumliche Kräftegruppe . . 12.3 Zusammensetzen und Zerlegen von mit verschiedenen Angriffspunkten . 12.3.1 Kräfte in der Ebene . . . . . 12.3.2 Kräfte im Raum . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . 231 ...... Kräften ...... ...... ...... Kräften ...... ...... ......

. . . . . . . 231 . . . . . . . 232 . . . . . . . 232 . . . . . . . 233 . . . . . . . 234 . . . . . . . 234 . . . . . . . 235

Inhaltsverzeichnis Band 1

LI

12.4

Gleichgewicht und Gleichgewichtsbedingungen . . . . 12.4.1 Kräftesystem im Raum . . . . . . . . . . . . . . 12.4.2 Kräftesystem in der Ebene . . . . . . . . . . . . 12.4.3 Prinzip der virtuellen Arbeiten . . . . . . . . . 12.4.4 Arten des Gleichgewichts . . . . . . . . . . . . 12.4.5 Standsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5 Lagerungsarten, Freimachungsprinzip . . . . . . . . . . 12.6 Auflagerreaktionen an Körpern . . . . . . . . . . . . . . 12.6.1 Körper in der Ebene . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6.2 Körper im Raum . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.7 Systeme starrer Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.8 Fachwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.8.1 Ebene Fachwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.8.2 Räumliche Fachwerke . . . . . . . . . . . . . . 12.9 Seile und Ketten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.9.1 Seil unter Eigengewicht (Kettenlinie) . . . . . 12.9.2 Seil unter konstanter Streckenlast . . . . . . . 12.9.3 Seil mit Einzellast . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.10 Schwerpunkt (Massenmittelpunkt) . . . . . . . . . . . . 12.11 Haftung und Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.11.1 Anwendungen zur Haftung und Gleitreibung 12.11.2 Rollwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.11.3 Widerstand an Seilrollen . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

14

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Joachim Villwock und Andreas Hanau 13.1 Bewegung eines Punkts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1.2 Ebene Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1.3 Räumliche Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2 Bewegung starrer Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.1 Translation (Parallelverschiebung, Schiebung) 13.2.2 Rotation (Drehbewegung, Drehung) . . . . . . . 13.2.3 Allgemeine Bewegung des starren Körpers . . Kinetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Joachim Villwock und Andreas Hanau 14.1 Energetische Grundbegriffe – Arbeit, Leistung, Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1.1 Spezielle Arbeiten . . . . . . . . . . . . . . . 14.2 Kinetik des Massenpunkts und des translatorisch bewegten Körpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.1 Dynamisches Grundgesetz von Newton (2. Newton’sches Axiom) . . . . . . . . . . 14.2.2 Arbeits- und Energiesatz . . . . . . . . . . . 14.2.3 Impulssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

236 236 239 239 239 240 241 241 241 243 244 245 245 247 247 248 248 249 249 250 253 255 255 256

. 257 . . . . . . . .

257 257 260 263 264 264 264 265

. . . . 273

. . . . 273 . . . . 274 . . . . 275 . . . . 275 . . . . 276 . . . . 276

LII

Inhaltsverzeichnis Band 1

14.2.4 Prinzip von d’Alembert und geführte Bewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.5 Impulsmomenten- (Flächen-) und Drehimpulssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3 Kinetik des Massenpunktsystems . . . . . . . . . . . . . 14.3.1 Schwerpunktsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.2 Arbeits- und Energiesatz . . . . . . . . . . . . . 14.3.3 Impulssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.4 Prinzip von d’Alembert und geführte Bewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.5 Impulsmomenten- und Drehimpulssatz . . . . 14.3.6 Lagrange’sche Gleichungen . . . . . . . . . . . 14.3.7 Prinzip von Hamilton . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.8 Systeme mit veränderlicher Masse . . . . . . . 14.4 Kinetik starrer Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4.1 Rotation eines starren Körpers um eine feste Achse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4.2 Allgemeines über Massenträgheitsmomente . 14.4.3 Allgemeine ebene Bewegung starrer Körper . 14.4.4 Allgemeine räumliche Bewegung . . . . . . . 14.5 Kinetik der Relativbewegung . . . . . . . . . . . . . . . 14.6 Stoß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.6.1 Gerader zentraler Stoß . . . . . . . . . . . . . . 14.6.2 Schiefer zentraler Stoß . . . . . . . . . . . . . . 14.6.3 Exzentrischer Stoß . . . . . . . . . . . . . . . . 14.6.4 Drehstoß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Schwingungslehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Joachim Villwock und Andreas Hanau 15.1 Systeme mit einem Freiheitsgrad . . . . . . . . . . . . 15.1.1 Freie ungedämpfte Schwingungen . . . . . . 15.1.2 Freie gedämpfte Schwingungen . . . . . . . 15.1.3 Ungedämpfte erzwungene Schwingungen . 15.1.4 Gedämpfte erzwungene Schwingungen . . . 15.1.5 Kritische Drehzahl und Biegeschwingung der einfach besetzten Welle . . . . . . . . . . 15.2 Systeme mit mehreren Freiheitsgraden (Koppelschwingungen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.1 Freie Schwingungen mit zwei und mehr Freiheitsgraden . . . . . . . . . . . 15.2.2 Erzwungene Schwingungen mit zwei und mehr Freiheitsgraden . . . . . . . . . . . 15.2.3 Eigenfrequenzen ungedämpfter Systeme . . 15.2.4 Schwingungen der Kontinua . . . . . . . . . 15.3 Nichtlineare Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . 15.3.1 Schwinger mit nichtlinearer Federkennlinie oder Rückstellkraft . . . . . . . . . . . . . . .

. . 276 . . . . .

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277 278 278 279 279

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280 281 281 282 282 282

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283 285 287 289 292 292 293 293 294 294 294

. . . 295 . . . . .

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295 295 297 298 299

. . . 300 . . . 301 . . . 301 . . . .

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302 303 303 307

. . . 307

Inhaltsverzeichnis Band 1

LIII

15.3.2 Schwingungen mit periodischen Koeffizienten (rheolineare Schwingungen) . . . . . . . . . . . . . 308 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 16

Hydrostatik (Statik der Flüssigkeiten) . . . . . . . . . . . . . . . 311 Joachim Villwock und Andreas Hanau

17

Hydro- und Aerodynamik (Strömungslehre, Dynamik der Fluide) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 Joachim Villwock und Andreas Hanau 17.1 Eindimensionale Strömungen idealer Flüssigkeiten . . . . 316 17.1.1 Anwendungen der Bernoulli’schen Gleichung für den stationären Fall . . . . . . . . . . . . . . . . 317 17.1.2 Anwendung der Bernoulli’schen Gleichung für den instationären Fall . . . . . . . . . . . . . . . 318 17.2 Eindimensionale Strömungen zäher Newton’scher Flüssigkeiten (Rohrhydraulik) . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 17.2.1 Stationäre laminare Strömung in Rohren mit Kreisquerschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 17.2.2 Stationäre turbulente Strömung in Rohren mit Kreisquerschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 17.2.3 Strömung in Leitungen mit nicht vollkreisförmigen Querschnitten . . . . 322 17.2.4 Strömungsverluste durch spezielle Rohrleitungselemente und Einbauten . . . . . . . 322 17.2.5 Stationärer Ausfluss aus Behältern . . . . . . . . . 325 17.2.6 Stationäre Strömung durch offene Gerinne . . . . 326 17.2.7 Instationäre Strömung zäher Newton’scher Flüssigkeiten . . . . . . . . . 326 17.2.8 Freier Strahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 17.3 Eindimensionale Strömung Nicht-Newton’scher Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 17.3.1 Berechnung von Rohrströmungen . . . . . . . . . 327 17.4 Kraftwirkungen strömender inkompressibler Flüssigkeiten 328 17.4.1 Impulssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 17.4.2 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 17.5 Mehrdimensionale Strömung idealer Flüssigkeiten . . . . 330 17.5.1 Allgemeine Grundgleichungen . . . . . . . . . . . 330 17.5.2 Potentialströmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 17.6 Mehrdimensionale Strömung zäher Flüssigkeiten . . . . . 334 17.6.1 Bewegungsgleichungen von Navier-Stokes . . . 334 17.6.2 Einige Lösungen für kleine Reynolds’sche Zahlen (laminare Strömung) . . . . . . . . . . . . 334 17.6.3 Grenzschichttheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 17.6.4 Strömungswiderstand von Körpern . . . . . . . . 336 17.6.5 Tragflügel und Schaufeln . . . . . . . . . . . . . . 339 17.6.6 Schaufeln und Profile im Gitterverband . . . . . . 341 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342

LIV

18

Inhaltsverzeichnis Band 1

Ähnlichkeitsmechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Joachim Villwock und Andreas Hanau 18.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2 Ähnlichkeitsgesetze (Modellgesetze) . . . . . . . . . . 18.2.1 Statische Ähnlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.2 Dynamische Ähnlichkeit . . . . . . . . . . . . . 18.2.3 Thermische Ähnlichkeit . . . . . . . . . . . . . 18.2.4 Analyse der Einheiten (Dimensionsanalyse) und ˘ -Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . 343 . . . . .

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343 344 344 345 347

. . 347 . . 348

Literatur zu Teil II Mechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

Teil III 19

20

Festigkeitslehre

Allgemeine Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Joachim Villwock und Andreas Hanau 19.1 Spannungen und Verformungen . . . . . . . . . . . . 19.1.1 Spannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.2 Verformungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.3 Formänderungsarbeit . . . . . . . . . . . . . 19.2 Festigkeitsverhalten der Werkstoffe . . . . . . . . . 19.3 Festigkeitshypothesen und Vergleichsspannungen . 19.3.1 Normalspannungshypothese . . . . . . . . . 19.3.2 Schubspannungshypothese . . . . . . . . . 19.3.3 Gestaltänderungsenergiehypothese . . . . . 19.3.4 Anstrengungsverhältnis nach Bach . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 353 . . . . . . . . . . .

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Beanspruchung stabförmiger Bauteile . . . . . . . . . . . . . Joachim Villwock und Andreas Hanau 20.1 Zug- und Druckbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . 20.1.1 Stäbe mit konstantem Querschnitt und konstanter Längskraft . . . . . . . . . . . . 20.1.2 Stäbe mit veränderlicher Längskraft . . . . . . 20.1.3 Stäbe mit veränderlichem Querschnitt . . . . . 20.1.4 Stäbe mit Kerben . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.5 Stäbe unter Temperatureinfluss . . . . . . . . . 20.2 Abscherbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.3 Flächenpressung und Lochleibung . . . . . . . . . . . . 20.3.1 Ebene Flächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.3.2 Gewölbte Flächen . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.4 Biegebeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.4.1 Schnittlasten: Normalkraft, Querkraft, Biegemoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.4.2 Schnittlasten am geraden Träger in der Ebene 20.4.3 Schnittlasten an gekrümmten ebenen Trägern

. . . . . . . . . . .

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353 353 357 358 358 361 361 361 361 362 363

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365 365 365 366 366 366 367 367 367 368

. . 368 . . 368 . . 370

Inhaltsverzeichnis Band 1

LV

20.4.4 Schnittlasten an räumlichen Trägern . . . . . . . . 370 20.4.5 Biegespannungen in geraden Balken . . . . . . . 370 20.4.6 Schubspannungen und Schubmittelpunkt am geraden Träger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 20.4.7 Biegespannungen in stark gekrümmten Trägern . 380 20.4.8 Durchbiegung von Trägern . . . . . . . . . . . . . 382 20.4.9 Formänderungsarbeit bei Biegung und Energiemethoden zur Berechnung von Einzeldurchbiegungen . . . . . . . . . . . . . . . . 391 20.5 Torsionsbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395 20.5.1 Stäbe mit Kreisquerschnitt und konstantem Durchmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395 20.5.2 Stäbe mit Kreisquerschnitt und veränderlichem Durchmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 20.5.3 Dünnwandige Hohlquerschnitte (Bredt’sche Formeln) . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 20.5.4 Stäbe mit beliebigem Querschnitt . . . . . . . . . 398 20.6 Zusammengesetzte Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . 399 20.6.1 Biegung und Längskraft . . . . . . . . . . . . . . . 399 20.6.2 Biegung und Schub . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 20.6.3 Biegung und Torsion . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 20.6.4 Längskraft und Torsion . . . . . . . . . . . . . . . . 401 20.6.5 Schub und Torsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 20.6.6 Biegung mit Längskraft sowie Schub und Torsion 401 20.7 Statisch unbestimmte Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . 401 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 21

22

23

Elastizitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Joachim Villwock und Andreas Hanau 21.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Rotationssymmetrischer Spannungszustand 21.3 Ebener Spannungszustand . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . 415 . . . .

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Beanspruchung bei Berührung zweier Körper (Hertz’sche Formeln) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Joachim Villwock und Andreas Hanau 22.1 Kugel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2 Zylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.3 Beliebig gewölbte Fläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flächentragwerke . . . . . . . . . . . . Andreas Hanau und Joachim Villwock 23.1 Platten . . . . . . . . . . . . . . . 23.1.1 Rechteckplatten . . . . 23.1.2 Kreisplatten . . . . . . .

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415 416 418 419

. 421 . . . .

421 422 422 423

. . . . . . . . . . . . . . . . 425 . . . . . . . . . . . . . . . . 425 . . . . . . . . . . . . . . . . 426 . . . . . . . . . . . . . . . . 427

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Inhaltsverzeichnis Band 1

23.1.3 Elliptische Platten . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.1.4 Gleichseitige Dreieckplatte . . . . . . . . . . . 23.1.5 Temperaturspannungen in Platten . . . . . . . 23.2 Scheiben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.2.1 Kreisscheibe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.2.2 Ringförmige Scheibe . . . . . . . . . . . . . . . 23.2.3 Unendlich ausgedehnte Scheibe mit Bohrung 23.2.4 Keilförmige Scheibe unter Einzelkräften . . . 23.3 Schalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.3.1 Biegeschlaffe Rotationsschalen und Membrantheorie für Innendruck . . . . . . . . 23.3.2 Biegesteife Schalen . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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428 428 428 428 428 429 429 429 430

. . 430 . . 431 . . 432

Dynamische Beanspruchung umlaufender Bauteile durch Fliehkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Andreas Hanau und Joachim Villwock 24.1 Umlaufender Stab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2 Umlaufender dünnwandiger Ring oder Hohlzylinder 24.3 Umlaufende Scheiben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.3.1 Vollscheibe konstanter Dicke . . . . . . . . . 24.3.2 Ringförmige Scheibe konstanter Dicke . . . 24.3.3 Scheiben gleicher Festigkeit . . . . . . . . . . 24.3.4 Scheiben veränderlicher Dicke . . . . . . . . 24.3.5 Umlaufender dickwandiger Hohlzylinder . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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. . . 433 . . . . . . . . .

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433 433 434 434 434 435 435 435 435

Stabilitätsprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Joachim Villwock und Andreas Hanau 25.1 Knickung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.1.1 Knicken im elastischen (Euler-)Bereich . . . . . . 25.1.2 Knicken im unelastischen (Tetmajer-)Bereich . . 25.1.3 Näherungsverfahren zur Knicklastberechnung . 25.1.4 Stäbe bei Änderung des Querschnitts bzw. der Längskraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.1.5 Knicken von Ringen, Rahmen und Stabsystemen 25.1.6 Biegedrillknicken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.2 Kugel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.2.1 Träger mit Rechteckquerschnitt . . . . . . . . . . . 25.2.2 Träger mit I-Querschnitt . . . . . . . . . . . . . . . 25.3 Beulung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.3.1 Beulen von Platten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.3.2 Beulen von Schalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.3.3 Beulspannungen im unelastischen (plastischen) Bereich . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

437 437 437 438 439 440 440 441 442 442 442 442 443 445 446 446

Inhaltsverzeichnis Band 1

LVII

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Finite Berechnungsverfahren . . . . . Joachim Villwock und Andreas Hanau 26.1 Finite Elemente Methode . . . . 26.2 Randelemente . . . . . . . . . . . 26.3 Finite Differnezen Methode . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . 447 . . . .

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Plastizitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Andreas Hanau und Joachim Villwock 27.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.2 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.2.1 Biegung des Rechteckbalkens . . . . . . . . . 27.2.2 Räumlicher und ebener Spannungszustand . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Festigkeitsnachweis . . . . . . . . . . . . . . . . Heinz Mertens und Robert Liebich 28.1 Berechnungs- und Bewertungskonzepte 28.2 Nennspannungskonzepte . . . . . . . . . 28.3 Kerbgrundkonzepte . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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447 452 455 456

. . . 457 . . . . .

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457 458 458 459 461

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463 464 466 468

Literatur zu Teil III Festigkeitslehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471

Teil IV 29

Werkstofftechnik

Werkstoff- und Bauteileigenschaften . . . . . . . . . . . . . . Matthias Oechsner, Christina Berger und Karl-Heinz Kloos 29.1 Beanspruchungs- und Versagensarten . . . . . . . . . . 29.1.1 Beanspruchungsfälle . . . . . . . . . . . . . . . 29.1.2 Versagen durch mechanische Beanspruchung 29.1.3 Versagen durch komplexe Beanspruchungen . 29.2 Grundlegende Konzepte für den Festigkeitsnachweis . 29.2.1 Festigkeitshypothesen . . . . . . . . . . . . . . 29.2.2 Nenn-, Struktur- und Kerbspannungskonzept 29.2.3 Örtliches Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.2.4 Plastisches Grenzlastkonzept . . . . . . . . . . 29.2.5 Bruchmechanikkonzepte . . . . . . . . . . . . . 29.3 Werkstoffkennwerte für die Bauteildimensionierung . 29.3.1 Statische Festigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 29.3.2 Schwingfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.3.3 Bruchmechanische Werkstoffkennwerte bei statischer Beanspruchung . . . . . . . . . . . . 29.3.4 Bruchmechanische Werkstoffkennwerte bei zyklischer Beanspruchung . . . . . . . . . . . .

. . 475 . . . . . . . . . . . . .

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475 475 477 478 480 480 481 481 482 482 484 485 485

. . 487 . . 489

LVIII

Inhaltsverzeichnis Band 1

29.4

Einflüsse auf die Werkstoffeigenschaften . . . . . . . . . . 490 29.4.1 Werkstoffphysikalische Grundlagen der Festigkeit und Zähigkeit metallischer Werkstoffe 490 29.4.2 Metallurgische Einflüsse . . . . . . . . . . . . . . . 491 29.4.3 Technologische Einflüsse . . . . . . . . . . . . . . 492 29.4.4 Oberflächeneinflüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . 492 29.4.5 Umgebungseinflüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . 493 29.4.6 Gestalteinfluss auf statische Festigkeitseigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 494 29.4.7 Gestalteinfluss auf Schwingfestigkeitseigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 496 29.5 Festigkeitsnachweis von Bauteilen . . . . . . . . . . . . . . 497 29.5.1 Festigkeitsnachweis bei statischer Beanspruchung 497 29.5.2 Festigkeitsnachweis bei Schwingbeanspruchung mit konstanter Amplitude . . . . . . . . . . . . . . 497 29.5.3 Festigkeitsnachweis bei Schwingbeanspruchung mit variabler Amplitude (Betriebsfestigkeitsnachweis) . . . . . . . . . . . . 498 29.5.4 Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis unter statischer Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . 501 29.5.5 Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis unter zyklischer Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . 502 29.5.6 Festigkeitsnachweis unter Zeitstand und Kriechermüdungsbeanspruchung . . . . . . . . . . 503 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517 30

Werkstoffprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Matthias Oechsner, Christina Berger und Karl-Heinz Kloos 30.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.1.1 Probenentnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.1.2 Versuchsauswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.2 Prüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.2.1 Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.2.2 Druckversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.2.3 Biegeversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.2.4 Härteprüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.2.5 Kerbschlagbiegeversuch . . . . . . . . . . . . . . . 30.2.6 Bruchmechanische Prüfungen . . . . . . . . . . . 30.2.7 Chemische und physikalische Analysemethoden 30.2.8 Materialographische Untersuchungen . . . . . . . 30.2.9 Technologische Prüfungen . . . . . . . . . . . . . . 30.2.10 Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung . . . . . . . . 30.2.11 Dauerversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

521 521 521 522 523 523 524 525 526 529 530 532 533 535 535 537 538

Inhaltsverzeichnis Band 1

LIX

31

32

Eigenschaften und Verwendung der Werkstoffe . . . . . . . . Matthias Oechsner, Christina Berger und Karl-Heinz Kloos 31.1 Eisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.1 Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff . . . . 31.1.2 Stahlerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.3 Wärmebehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.4 Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.5 Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Nichteisenmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.1 Kupfer und seine Legierungen . . . . . . . . . . . 31.2.2 Aluminium und seine Legierungen . . . . . . . . 31.2.3 Magnesiumlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.4 Titanlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.5 Nickel und seine Legierungen . . . . . . . . . . . . 31.2.6 Zink und seine Legierungen . . . . . . . . . . . . . 31.2.7 Blei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.8 Zinn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.9 Überzüge auf Metallen . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Nichtmetallische anorganische Werkstoffe – Keramische Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4 Werkstoffauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Michael Kübler, Andreas Müller und Helmut Schürmann 32.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2 Aufbau und Verhalten von Kunststoffen . . . . . . . . . 32.3 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.4 Wichtige Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.5 Fluorhaltige Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.6 Duroplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.7 Kunststoffschäume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.8 Elastomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.9 Prüfung von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.9.1 Kennwertermittlung an Probekörpern . . . . . 32.9.2 Prüfung von Fertigteilen . . . . . . . . . . . . . 32.10 Verarbeiten von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . 32.10.1 Urformen von Kunststoffen . . . . . . . . . . . 32.10.2 Umformen von Kunststoffen . . . . . . . . . . 32.10.3 Fügen von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . 32.11 Gestalten und Fertigungsgenauigkeit von KunststoffFormteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.12 Nachbehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.13 Faser-Kunststoff-Verbunde . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.13.1 Charakterisierung und Einsatzgebiete . . . . . 32.13.2 Fasern, Matrix-Kunststoffe und Halbzeuge . . 32.13.3 Spannungsanalyse von Laminaten . . . . . . .

539 539 539 541 543 550 570 574 574 578 581 582 583 584 585 585 585 590 593 594 625

. . 627 . . . . . . . . . . . . . . .

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627 628 629 629 633 634 637 638 640 640 644 645 645 649 649

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651 652 653 653 653 657

LX

Inhaltsverzeichnis Band 1

32.13.4 32.13.5 32.13.6 32.13.7 Anhang . . . . Literatur . . . . 33

34

Laminattypen . . . . . . . . . . . . . Festigkeitsanalyse von Laminaten Fügetechniken . . . . . . . . . . . . Fertigungsverfahren . . . . . . . . . ...................... ......................

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Tribologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Karl-Heinz Habig und Mathias Woydt 33.1 Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.2 Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.3 Systemanalyse von Reibungs- und Verschleißvorgängen . 33.3.1 Funktion von Tribosystemen . . . . . . . . . . . . 33.3.2 Beanspruchungskollektiv . . . . . . . . . . . . . . 33.3.3 Struktur tribologischer Systeme . . . . . . . . . . 33.3.4 Tribologische Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . 33.3.5 Checkliste zur Erfassung der wichtigsten tribologisch relevanten Größen . . . . . . . . . . . 33.4 Schmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.5 Schmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.5.1 Schmieröle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.5.2 Schmierfette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.5.3 Festschmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Korrosion und Korrosionsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . Thomas Böllinghaus, Michael Rhode und Thora Falkenreck 34.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34.2 Elektrochemische Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . 34.2.1 Gleichmäßige Flächenkorrosion . . . . . . . . 34.2.2 Galvanische und Kontaktkorrosion . . . . . . . 34.2.3 Selektive und interkristalline Korrosion . . . . 34.2.4 Passivierung, Loch- und Spaltkorrosion . . . . 34.2.5 Risskorrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34.2.6 Erosions- und Kavitationskorrosion . . . . . . 34.2.7 Reibkorrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34.2.8 Mikrobiologisch beeinflusste Korrosion . . . 34.3 Chemische Korrosion und Hochtemperaturkorrosion . 34.3.1 Hochtemperaturkorrosion ohne mechanische Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34.3.2 Hochtemperaturkorrosion mit mechanischer Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34.4 Korrosionsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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673 675 676 676 677 677 677 679 680 680 680 684 685 686 688

. . 691 . . . . . . . . . . .

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691 693 697 699 701 704 709 715 716 716 717

. . 718 . . 723 . . 724 . . 725

Inhaltsverzeichnis Band 1

LXI

Teil V

Thermodynamik

35

Thermodynamik. Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729 Peter Stephan und Karl Stephan 35.1 Systeme, Systemgrenzen, Umgebung . . . . . . . . . . . . 729 35.2 Beschreibung des Zustands eines Systems. Thermodynamische Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . 730

36

Temperaturen. Gleichgewichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Peter Stephan und Karl Stephan 36.1 Thermisches Gleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.2 Nullter Hauptsatz und empirische Temperatur . . . . . . 36.3 Temperaturskalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.3.1 Die Internationale Praktische Temperaturskala Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Erster Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Peter Stephan und Karl Stephan 37.1 Allgemeine Formulierung . . . . . . . . . . 37.2 Die verschiedenen Energieformen . . . . . 37.2.1 Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.2.2 Innere Energie und Systemenergie 37.2.3 Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.3 Anwendung auf geschlossene Systeme . . 37.4 Anwendung auf offene Systeme . . . . . . . 37.4.1 Stationäre Prozesse . . . . . . . . . 37.4.2 Instationäre Prozesse . . . . . . . .

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Zweiter Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . Peter Stephan und Karl Stephan 38.1 Das Prinzip der Irreversibilität . . . . . . . 38.2 Allgemeine Formulierung . . . . . . . . . 38.3 Spezielle Formulierungen . . . . . . . . . 38.3.1 Adiabate, geschlossene Systeme 38.3.2 Systeme mit Wärmezufuhr . . . Exergie und Anergie . . . . . . . . . . . . . . Peter Stephan und Karl Stephan 39.1 Exergie eines geschlossenen Systems 39.2 Exergie eines offenen Systems . . . . 39.3 Exergie einer Wärme . . . . . . . . . . 39.4 Anergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.5 Exergieverluste . . . . . . . . . . . . . .

. 733 733 733 734 735 736

. . . . . . . . . 737 . . . . . . . . .

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737 737 737 738 739 739 740 740 741

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743 744 745 745 745

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Stoffthermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Peter Stephan und Karl Stephan 40.1 Thermische Zustandsgrößen von Gasen und Dämpfen 40.1.1 Ideale Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.1.2 Gaskonstante und das Gesetz von Avogadro .

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747 748 748 749 749

. . 751 . . 751 . . 751 . . 751

LXII

41

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Inhaltsverzeichnis Band 1

40.1.3 Reale Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.1.4 Dämpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.2 Kalorische Zustandsgrößen von Gasen und Dämpfen 40.2.1 Ideale Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.2.2 Reale Gase und Dämpfe . . . . . . . . . . . . . 40.3 Inkompressible Fluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.4 Feste Stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.4.1 Wärmedehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.4.2 Schmelz- und Sublimationsdruckkurve . . . . 40.4.3 Kalorische Zustandsgrößen . . . . . . . . . . . Tabellen zu Kap. 40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Zustandsänderungen von Gasen und Dämpfen . . . . . . Peter Stephan und Karl Stephan 41.1 Zustandsänderungen ruhender Gase und Dämpfe . . 41.2 Zustandsänderungen strömender Gase und Dämpfe . 41.2.1 Strömung idealer Gase . . . . . . . . . . . . . 41.2.2 Düsen- und Diffusorströmung . . . . . . . .

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Thermodynamische Prozesse . . . . . . . . . . . . Peter Stephan und Karl Stephan 42.1 Energiewandlung mittels Kreisprozessen . 42.2 Carnot-Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3 Wärmekraftanlagen . . . . . . . . . . . . . . 42.3.1 Ackeret-Keller-Prozess . . . . . . . 42.3.2 Geschlossene Gasturbinenanlage . 42.3.3 Dampfkraftanlage . . . . . . . . . . 42.4 Verbrennungskraftanlagen . . . . . . . . . . 42.4.1 Offene Gasturbinenanlage . . . . . 42.4.2 Ottomotor . . . . . . . . . . . . . . . 42.4.3 Dieselmotor . . . . . . . . . . . . . . 42.4.4 Brennstoffzellen . . . . . . . . . . . 42.5 Kälteanlagen und Wärmepumpen . . . . . . 42.5.1 Kompressionskälteanlage . . . . . 42.5.2 Kompressionswärmepumpe . . . . 42.6 Kraft-Wärme-Kopplung . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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752 753 755 755 755 757 757 757 757 758 759 776

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777 779 779 780

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Gemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Peter Stephan und Karl Stephan 43.1 Gemische idealer Gase . . . . . . . . . . . . . . 43.2 Gas-Dampf-Gemische . . . . . . . . . . . . . . . 43.2.1 Mollier-Diagramm der feuchten Luft 43.2.2 Zustandsänderungen feuchter Luft . . Tabellen zu Kap. 43 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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783 783 784 784 785 786 787 788 788 789 789 790 790 791 792 792

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793 794 795 796 798

Inhaltsverzeichnis Band 1

LXIII

44

45

Verbrennung . . . . . . . . . . . Peter Stephan und Karl Stephan 44.1 Reaktionsgleichungen . . 44.2 Heizwert und Brennwert 44.3 Verbrennungstemperatur Tabellen zu Kap. 44 . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 801 . . . . .

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Wärmeübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Peter Stephan und Karl Stephan 45.1 Stationäre Wärmeleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.2 Wärmeübergang und Wärmedurchgang . . . . . . . . . 45.3 Nichtstationäre Wärmeleitung . . . . . . . . . . . . . . . 45.3.1 Der halbunendliche Körper . . . . . . . . . . . 45.3.2 Zwei halbunendliche Körper in thermischem Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.3.3 Temperaturausgleich in einfachen Körpern . . 45.4 Wärmeübergang durch Konvektion . . . . . . . . . . . . 45.4.1 Wärmeübergang ohne Phasenumwandlung . 45.4.2 Wärmeübergang beim Kondensieren und beim Sieden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.5 Wärmeübertragung durch Strahlung . . . . . . . . . . . 45.5.1 Gesetz von Stefan-Boltzmann . . . . . . . . . . 45.5.2 Kirchhoffsches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . 45.5.3 Wärmeaustausch durch Strahlung . . . . . . . 45.5.4 Gasstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabellen zu Kap. 45 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Literatur zu Teil V Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825

Teil VI 46

Maschinendynamik

Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Holger Hanselka, Sven Herold, Rainer Nordmann und Tamara Nestorovi´c 46.1 Problematik der Maschinenschwingungen . . . . . . . . . 46.2 Grundbegriffe der Schwingungsanalyse . . . . . . . . . . . 46.2.1 Mechanisches Ersatzsystem . . . . . . . . . . . . . 46.2.2 Bewegungsgleichungen, Systemmatrizen . . . . . 46.2.3 Modale Parameter – Eigenfrequenzen, modale Dämpfungen, Eigenvektoren . . . . . . . . . . . . 46.2.4 Modale Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46.2.5 Frequenzgangfunktionen mechanischer Systeme, Amplituden- und Phasengang . . . . . . . . . . . .

829

829 830 830 830 831 833 833

LXIV

Inhaltsverzeichnis Band 1

46.3

47

48

Grundaufgaben der Maschinendynamik . . . . . . . . . . . 46.3.1 Direktes Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46.3.2 Eingangsproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46.3.3 Identifikationsproblem . . . . . . . . . . . . . . . . 46.3.4 Entwurfsproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46.3.5 Verbesserung des Schwingungszustands einer Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46.4 Darstellung von Schwingungen im Zeit- und Frequenzbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46.4.1 Darstellung von Schwingungen im Zeitbereich . 46.4.2 Darstellung von Schwingungen im Frequenzbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46.5 Entstehung von Maschinenschwingungen, Erregerkräfte F(t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46.5.1 Freie Schwingungen (Eigenschwingungen) . . . 46.5.2 Selbsterregte Schwingungen . . . . . . . . . . . . 46.5.3 Parametererregte Schwingungen . . . . . . . . . . 46.5.4 Erzwungene Schwingungen . . . . . . . . . . . . . 46.6 Mechanische Ersatzsysteme, Bewegungsgleichungen . . 46.6.1 Strukturfestlegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46.6.2 Parameterermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . 46.7 Anwendungsbeispiele für Maschinenschwingungen . . . 46.7.1 Drehschwinger mit zwei Drehmassen . . . . . . . 46.7.2 Torsionsschwingungen einer Turbogruppe . . . . 46.7.3 Maschinenwelle mit einem Laufrad (Ventilator) 46.7.4 Tragstruktur (Balken) mit aufgesetzter Maschine Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

835 835 836 836 839

842 843 843 843 843 848 848 849 849 850 851 854 858 861

Kurbeltrieb, Massenkräfte und -momente, Schwungradberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rainer Nordmann und Tamara Nestorovi´c 47.1 Drehkraftdiagramm von Mehrzylindermaschinen 47.2 Massenkräfte und Momente . . . . . . . . . . . . . 47.2.1 Analytische Verfahren . . . . . . . . . . . 47.2.2 Ausgleich der Kräfte und Momente . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

863 866 866 876 877

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. . . . . 863 . . . . .

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Maschinenakustik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Holger Hanselka, Joachim Bös und Tamara Nestorovi´c 48.1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.1.1 Schall, Frequenz, Hörbereich, Schalldruck, Schalldruckpegel, Lautstärke . . . . . . . . . 48.1.2 Schnelle, Schnellepegel, Kennimpedanz . . 48.1.3 Schallintensität, Schallintensitätspegel . . . 48.1.4 Schallleistung, Schallleistungspegel . . . . . 48.1.5 Fourierspektrum, Spektrogramm, Geräuschanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . .

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. . . 881

Inhaltsverzeichnis Band 1

LXV

48.1.6 Frequenzbewertung, A-, C- und Z-Bewertung . 48.1.7 Bezugswerte, Pegelarithmetik . . . . . . . . . . . 48.2 Geräuschentstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.2.1 Direkte und indirekte Geräuschentstehung . . . 48.2.2 Maschinenakustische Grundgleichung . . . . . 48.2.3 Anregungskräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.2.4 Körperschallfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . 48.2.5 Luftschallabstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . 48.3 Möglichkeiten zur Geräuschminderung . . . . . . . . . . 48.3.1 Verminderung der Kraftanregung . . . . . . . . 48.3.2 Verminderung der Körperschallfunktion . . . . 48.3.3 Verminderung der Luftschallabstrahlung . . . . 48.4 Aktive Maßnahmenzur Lärm- und Schwingungsminderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.5 Numerische Verfahren zur Simulation von Luft- und Körperschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.6 Strukturintensität und Körperschallfluss . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Teil VII 49

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. 891 . 895 . 895 . 898

Allgemeine Tabellen

Allgemeine Tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903 Karl-Heinrich Grote

Fachausdrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 923 Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 999

Inhaltsverzeichnis Band 2

Teil I 1

Grundlagen der Produktentwicklung Grundlagen technischer Systeme und des methodischen Vorgehens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beate Bender, Jörg Feldhusen, Dieter Krause, Gregor Beckmann, Kristin Paetzold und Albert Hövel 1.1 Technische Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Energie-, Stoff- und Signalumsatz . . . . . . . . . 1.1.2 Funktionszusammenhang . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3 Wirkzusammenhang . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.4 Bauzusammenhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.5 Übergeordneter Systemzusammenhang . . . . . . 1.2 Methodisches Vorgehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Allgemeine Arbeitsmethodik . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Abstrahieren zum Erkennen der Funktionen . . . 1.2.3 Suche nach Lösungsprinzipien . . . . . . . . . . . 1.2.4 Beurteilen von Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.5 Kostenermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Arbeitsphasen im Produktentwicklungsprozess . . . . . . 1.3.1 Klären der Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Konzipieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Entwerfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Ausarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.5 Validierung und Verifikation . . . . . . . . . . . . 1.4 Gestaltungsregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Grundregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 Gestaltungsprinzipen . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3 Gestaltungsrichtlinien . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Entwicklung varianter Produkte . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.1 Modulare Produktstrukturierung . . . . . . . . . . 1.5.2 Produktstrukturstrategien . . . . . . . . . . . . . . 1.5.3 Methoden der Produktstrukturierung . . . . . . . 1.6 Toleranzgerechtes Konstruieren . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.1 Grundlagen für ein Toleranzmanagement . . . . . 1.6.2 Die Toleranzvergabe . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.3 Die Toleranzanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.4 Prozessfähigkeitsanalyse . . . . . . . . . . . . . . .

3

3 4 4 7 8 9 9 10 10 10 13 16 19 20 21 22 22 24 25 25 25 29 35 35 38 40 41 41 44 46 46 LXVII

LXVIII

Inhaltsverzeichnis Band 2

1.7

Normen und Zeichnungswesen . . . . 1.7.1 Normenwerk . . . . . . . . . . 1.7.2 Grundnormen . . . . . . . . . . 1.7.3 Zeichnungen und Stücklisten 1.7.4 Sachnummernsysteme . . . . Literatur – Spezielle Literatur . . . . . . . . .

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47 47 50 56 58 60

Anwendung für Maschinensysteme der Stoffverarbeitung . Jens-Peter Majschak 2.1 Aufgabe und Einordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Struktur von Verarbeitungsmaschinen . . . . . . . . . . . 2.2.1 Verarbeitungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Antriebs- und Steuerungssystem . . . . . . . . . 2.2.3 Stütz- und Hüllsystem . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Verarbeitungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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65

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65 66 67 73 76 78 78

Bio-Industrie-Design: Herausforderungen und Visionen . . . Luigi Colani und Juri Postnikov Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79 82

Literatur zu Teil I Grundlagen der Konstruktionstechnik . . . . . .

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2

3

Teil II

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Elektronische Datenverarbeitung

4

Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reiner Anderl

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5

Informationstechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reiner Anderl 5.1 Grundlagen und Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Zahlendarstellungen und arithmetische Operationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Datenstrukturen und Datentypen . . . . . 5.1.3 Algorithmen . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4 Numerische Berechnungsverfahren . . . 5.1.5 Programmiermethoden . . . . . . . . . . . 5.1.6 Programmiersprachen . . . . . . . . . . . 5.1.7 Objektorientierte Programmierung . . . . 5.1.8 Softwareentwicklung . . . . . . . . . . . . 5.2 Digitalrechnertechnologie . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Hardwarekomponenten . . . . . . . . . . . 5.2.2 Hardwarearchitekturen . . . . . . . . . . . 5.2.3 Rechnernetze . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4 Client-/Serverarchitekturen . . . . . . . . 5.2.5 Betriebssysteme . . . . . . . . . . . . . . .

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89

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89

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90 92 93 94 95 98 99 99 100 100 102 103 104 105

Inhaltsverzeichnis Band 2

LXIX

5.3 5.4

Internet und Integrationstechnologien Sicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1 Betriebssicherheit – Safety . 5.4.2 IT-Sicherheit – Security . . . 5.4.3 Kryptografie . . . . . . . . . . Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

7

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Virtuelle Produktentstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reiner Anderl 6.1 Produktentstehungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Basismethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Geometrische Modellierung . . . . . . . . . . 6.2.2 Featuretechnologie . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.3 Parametrik und Zwangsbedingungen . . . . 6.2.4 Wissensbasierte Modellierung . . . . . . . . 6.2.5 Modellierung der Produktstruktur . . . . . . 6.2.6 Durchgängige Erstellung von Dokumenten 6.3 CAx-Prozessketten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1 CAD-CAE-Prozessketten . . . . . . . . . . . 6.3.2 Prozesskette CAD-FEM . . . . . . . . . . . . 6.3.3 Prozesskette CAD-CFD . . . . . . . . . . . . 6.3.4 Prozesskette CAD-MKS . . . . . . . . . . . . 6.3.5 Prozesskette CAD-DMU . . . . . . . . . . . . 6.3.6 Prozesskette CAD-CAM . . . . . . . . . . . . 6.3.7 Prozesskette CAD-TPD . . . . . . . . . . . . 6.3.8 Prozesskette CAD-VR/AR . . . . . . . . . . 6.3.9 Prozesskette CAD-AF . . . . . . . . . . . . . 6.4 Produktdatenmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Methoden des Produktdatenmanagements . 6.4.2 Funktionen des Produktdatenmanagementsystems . . . . . . 6.4.3 Architektur des Produktdatenmanagementsystems . . . . . . 6.5 Kooperative Produktentwicklung . . . . . . . . . . . . 6.6 Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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106 108 108 108 109 112 115

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117 118 118 121 122 124 125 126 127 127 128 128 128 129 129 129 130 130 130 131

. . . 135 . . . .

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136 138 138 140

Elektronische Datenverarbeitung – Agentenbasiertes Steuern 143 Arndt Lüder und Birgit Vogel-Heuser 7.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 7.2 Agentenbegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 7.3 Entwurfsprozess für Agentensysteme . . . . . . . . . . . . 144

LXX

Inhaltsverzeichnis Band 2

7.4

Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.1 Agentenbasierte Produktionsplanung 7.4.2 Agentenbasierte Feldsteuerung . . . . 7.4.3 Agenten in der Intralogistik . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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146 146 148 149 149

Literatur zu Teil II Elektronische Datenverarbeitung . . . . . . . . . 151

Teil III 8

Mechanische Konstruktionselemente

Bauteilverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Helmut Wohlfahrt, Thomas Widder, Manfred Kaßner, Karl Thomas, Klaus Dilger, Heinz Mertens und Robert Liebich 8.1 Schweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.1 Schweißverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.2 Schweißbarkeit der Werkstoffe . . . . . . . . . 8.1.3 Stoß- und Nahtarten . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.4 Darstellung der Schweißnähte . . . . . . . . . 8.1.5 Festigkeit von Schweißverbindungen . . . . . 8.1.6 Thermisches Abtragen . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Löten und alternative Fügeverfahren . . . . . . . . . . . 8.2.1 Lötvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.2 Weichlöten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.3 Hartlöten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.4 Hochtemperaturlöten . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.5 Lichtbogenlöten, Laserlöten . . . . . . . . . . . 8.2.6 Umformtechnische Fügeverfahren . . . . . . . 8.3 Kleben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.1 Anwendung und Vorgang . . . . . . . . . . . . 8.3.2 Klebstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.3 Tragfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4 Reibschlussverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.1 Formen, Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . 8.4.2 Pressverbände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.3 Klemmverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . 8.5 Formschlussverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.1 Formen, Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . 8.5.2 Stiftverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.3 Bolzenverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.4 Keilverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.5 Pass- und Scheibenfeder-Verbindungen . . . . 8.5.6 Zahn- und Keilwellenverbindungen . . . . . . 8.5.7 Polygonwellenverbindungen . . . . . . . . . . 8.5.8 Vorgespannte Welle-Nabe-Verbindungen . . . 8.5.9 Axiale Sicherungselemente . . . . . . . . . . . 8.5.10 Nietverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . .

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155 155 156 170 173 175 185 187 187 187 188 190 190 191 193 193 194 195 196 196 199 203 205 205 205 206 207 208 209 210 210 210 211

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Schraubenverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 8.6.1 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 8.6.2 Kenngrößen der Schraubenbewegung . . . . . . . 213 8.6.3 Gewindearten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 8.6.4 Schrauben- und Mutterarten . . . . . . . . . . . . . 215 8.6.5 Schrauben- und Mutternwerkstoffe . . . . . . . . 217 8.6.6 Kräfte und Verformungen beim Anziehen von Schraubenverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . 218 8.6.7 Überlagerung von Vorspannkraft und Betriebslast 221 8.6.8 Auslegung und Dauerfestigkeitsberechnung von Schraubenverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . 225 8.6.9 Sicherung von Schraubenverbindungen . . . . . . 229 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

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Federnde Verbindungen (Federn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Heinz Mertens, Robert Liebich und Peter Gust 9.1 Aufgaben, Eigenschaften, Kenngrößen . . . . . . . . . . . 245 9.1.1 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 9.1.2 Federkennlinie, Federsteifigkeit, Federnachgiebigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 9.1.3 Arbeitsaufnahmefähigkeit, Nutzungsgrad, Dämpfungsvermögen, Dämpfungsfaktor . . . . . 246 9.2 Metallfedern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 9.2.1 Zug/Druck-beanspruchte Zug- oder Druckfedern 247 9.2.2 Einfache und geschichtete Blattfedern (gerade oder schwachgekrümmte, biegebeanspruchte Federn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 9.2.3 Spiralfedern (ebene gewundene, biegebeanspruchte Federn) und Schenkelfedern (biegebeanspruchte Schraubenfedern) . . . . . . . 250 9.2.4 Tellerfedern (scheibenförmige, biegebeanspruchte Federn) . . . . . . . . . . . . . 251 9.2.5 Drehstabfedern (gerade, drehbeanspruchte Federn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 9.2.6 Zylindrische Schraubendruckfedern und Schraubenzugfedern . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 9.3 Gummifedern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 9.3.1 Der Werkstoff „Gummi“ und seine Eigenschaften 258 9.3.2 Gummifederelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 9.4 Federn aus Faser-Kunststoff-Verbunden . . . . . . . . . . . 262 9.5 Gasfedern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 9.6 Industrie-Stoßdämpfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 9.6.1 Anwendungsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 9.6.2 Funktionsweise des Industrie-Stoßdämpfers . . . 263 9.6.3 Aufbau eines Industrie-Stoßdämpfers . . . . . . . 264 9.6.4 Berechnung und Auswahl . . . . . . . . . . . . . . 264 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

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Kupplungen und Bremsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Armin Lohrengel und Peter Dietz 10.1 Überblick, Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Drehstarre, nicht schaltbare Kupplungen . . . . . . . . . . 10.2.1 Starre Kupplungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.2 Drehstarre Ausgleichskupplungen . . . . . . . . . 10.3 Elastische, nicht schaltbare Kupplungen . . . . . . . . . . . 10.3.1 Feder- und Dämpfungsverhalten . . . . . . . . . . 10.3.2 Auslegungsgesichtspunkte, Schwingungsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.3 Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.4 Auswahlgesichtspunkte . . . . . . . . . . . . . . . 10.4 Drehnachgiebige, nicht schaltbare Kupplungen . . . . . . 10.5 Fremdgeschaltete Kupplungen . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.1 Formschlüssige Schaltkupplungen . . . . . . . . . 10.5.2 Kraft-(Reib-)schlüssige Schaltkupplungen . . . . 10.5.3 Der Schaltvorgang bei reibschlüssigen Schaltkupplungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.4 Auslegung einer reibschlüssigen Schaltkupplung 10.5.5 Auswahl einer Kupplungsgröße . . . . . . . . . . 10.5.6 Allgemeine Auswahlkriterien . . . . . . . . . . . . 10.5.7 Bremsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.6 Selbsttätig schaltende Kupplungen . . . . . . . . . . . . . . 10.6.1 Drehmomentgeschaltete Kupplungen . . . . . . . 10.6.2 Drehzahlgeschaltete Kupplungen . . . . . . . . . . 10.6.3 Richtungsgeschaltete Kupplungen (Freiläufe) . . Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wälzlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gerhard Poll 11.1 Kennzeichen und Eigenschaften der Wälzlager . . . . 11.2 Bauarten der Wälzlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.1 Lager für rotierende Bewegungen . . . . . . . 11.2.2 Linearwälzlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Wälzlagerkäfige . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4 Wälzlagerwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.5 Bezeichnungen für Wälzlager . . . . . . . . . . . . . . . 11.6 Konstruktive Ausführung von Lagerungen . . . . . . . 11.6.1 Fest-Loslager-Anordnung . . . . . . . . . . . . 11.6.2 Schwimmende oder Stütz-Traglagerung und angestellte Lagerung . . . . . . . . . . . . 11.6.3 Lagersitze, axiale und radiale Festlegung der Lagerringe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.6.4 Lagerluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7 Wälzlagerschmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7.2 Fettschmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

267 267 268 268 268 271 271 273 275 276 276 277 280 280 282 284 285 286 286 287 288 288 289 291 292

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11.7.3 Ölschmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7.4 Feststoffschmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8 Wälzlagerdichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.9 Belastbarkeit und Lebensdauer der Wälzlager . . . . . . 11.9.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.9.2 Statische bzw. dynamische Tragfähigkeit und Lebensdauerberechnung . . . . . . . . . . . . . . 11.10 Bewegungswiderstand und Referenzdrehzahlen der Wälzlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Gleitlagerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ludger Deters und Dirk Bartel 12.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.1 Aufgabe, Einteilung und Anwendungen . 12.1.2 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.3 Reibungszustände . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Berechnung fluiddynamischer Gleitlager . . . . . . 12.2.1 Stationär belastete Radialgleitlager . . . . 12.2.2 Radialgleitlager im instationären Betrieb . 12.2.3 Stationär belastete Axialgleitlager . . . . . 12.2.4 Mehrgleitflächenlager . . . . . . . . . . . . . 12.3 Hydrostatische Anfahrhilfen . . . . . . . . . . . . . . 12.4 Berechnung hydrostatischer Gleitlager . . . . . . . 12.4.1 Hydrostatische Radialgleitlager . . . . . . . 12.4.2 Hydrostatische Axialgleitlager . . . . . . . 12.5 Dichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6 Wartungsfreie Gleitlager . . . . . . . . . . . . . . . . 12.7 Konstruktive Gestaltung . . . . . . . . . . . . . . . . 12.7.1 Konstruktion und Schmierspaltausbildung 12.7.2 Lagerschmierung . . . . . . . . . . . . . . . 12.7.3 Lagerkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.7.4 Lagerwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 12.7.5 Lagerbauformen . . . . . . . . . . . . . . . . Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Zugmittelgetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heinz Mertens und Robert Liebich 13.1 Bauarten, Anwendungen . . . . . . . . . . . . 13.2 Flachriemengetriebe . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.1 Kräfte am Flachriemengetriebe . . . 13.2.2 Beanspruchungen . . . . . . . . . . . 13.2.3 Geometrische Beziehungen . . . . . 13.2.4 Kinematik, Leistung, Wirkungsgrad 13.2.5 Riemenlauf und Vorspannung . . . .

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Inhaltsverzeichnis Band 2

13.2.6 Riemenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . 13.2.7 Entwurfsberechnung . . . . . . . . . . . 13.3 Keilriemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.1 Anwendungen und Eigenschaften . . . 13.3.2 Typen und Bauarten von Keilriemen . . 13.3.3 Entwurfsberechnung . . . . . . . . . . . 13.4 Synchronriemen (Zahnriemen) . . . . . . . . . . 13.4.1 Aufbau, Eigenschaften, Anwendung . . 13.4.2 Gestaltungshinweise . . . . . . . . . . . 13.4.3 Entwurfsberechnung . . . . . . . . . . . 13.5 Kettengetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.5.1 Bauarten, Eigenschaften, Anwendung . 13.5.2 Gestaltungshinweise . . . . . . . . . . . 13.5.3 Entwurfsberechnung . . . . . . . . . . . Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

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Reibradgetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gerhard Poll 14.1 Wirkungsweise, Definitionen . . . . . . . . . . . . . 14.2 Bauarten, Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.1 Reibradgetriebe mit festem Übersetzungsverhältnis . . . . . . . . . . . . 14.2.2 Wälzgetriebe mit stufenlos einstellbarer Übersetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3 Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.1 Bohrbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.2 Schlupf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.3 Übertragbare Leistung und Wirkungsgrad 14.3.4 Gebräuchliche Werkstoffpaarungen . . . . 14.4 Hinweise für Anwendung und Betrieb . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Zahnradgetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bernd-Robert Höhn 15.1 Stirnräder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1.1 Verzahnungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1.2 Übersetzung, Zähnezahlverhältnis, Momentenverhältnis . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1.3 Konstruktion von Eingriffslinie und Gegenflanke 15.1.4 Flankenlinien und Formen der Verzahnung . . . 15.1.5 Allgemeine Verzahnungsgrößen . . . . . . . . . . 15.1.6 Gleit- und Rollbewegung . . . . . . . . . . . . . . 15.1.7 Evolventenverzahnung . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1.8 Sonstige Verzahnungen (außer Evolventen) und ungleichmäßig übersetzende Zahnräder . . . . . .

389 390 390 390 391 391 392 394 394 398

Inhaltsverzeichnis Band 2

LXXV

15.2 15.3

Verzahnungsabweichungen und -toleranzen, Flankenspiel 399 Schmierung und Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 15.3.1 Schmierstoff und Schmierungsart . . . . . . . . . 401 15.4 Werkstoffe und Wärmebehandlung – Verzahnungsherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 15.4.1 Typische Beispiele aus verschiedenen Anwendungsgebieten . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 15.4.2 Werkstoffe und Wärmebehandlung – Gesichtspunkte für die Auswahl . . . . . . . . . . 403 15.5 Tragfähigkeit von Gerad- und Schrägstirnrädern . . . . . 404 15.5.1 Zahnschäden und Abhilfen . . . . . . . . . . . . . 404 15.5.2 Pflichtenheft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405 15.5.3 Anhaltswerte für die Dimensionierung . . . . . . 405 15.5.4 Nachrechnung der Tragfähigkeit . . . . . . . . . . 408 15.6 Kegelräder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 15.6.1 Geradzahn-Kegelräder . . . . . . . . . . . . . . . . 416 15.6.2 Kegelräder mit Schräg- oder Bogenverzahnung . 416 15.6.3 Zahnform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 15.6.4 Kegelrad-Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 15.6.5 Tragfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 15.6.6 Lagerkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 15.6.7 Hinweise zur Konstruktion von Kegelrädern . . . 418 15.6.8 Sondergetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 15.7 Stirnschraubräder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419 15.8 Schneckengetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419 15.8.1 Zylinderschnecken-Geometrie . . . . . . . . . . . 420 15.8.2 Auslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421 15.8.3 Zahnkräfte, Lagerkräfte . . . . . . . . . . . . . . . 422 15.8.4 Geschwindigkeiten, Beanspruchungskennwerte . 423 15.8.5 Reibungszahl, Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . 424 15.8.6 Nachrechnung der Tragfähigkeit . . . . . . . . . . 425 15.8.7 Gestaltung, Werkstoffe, Lagerung, Genauigkeit, Schmierung, Montage . . . . . . . . . . . . . . . . 427 15.9 Umlaufgetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428 15.9.1 Kinematische Grundlagen, Bezeichnungen . . . 428 15.9.2 Allgemeingültigkeit der Berechnungsgleichungen 430 15.9.3 Vorzeichenregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 15.9.4 Drehmomente, Leistungen, Wirkungsgrade . . . 431 15.9.5 Selbsthemmung und Teilhemmung . . . . . . . . 434 15.9.6 Konstruktive Hinweise . . . . . . . . . . . . . . . . 436 15.9.7 Auslegung einfacher Planetengetriebe . . . . . . . 436 15.9.8 Zusammengesetzte Planetengetriebe . . . . . . . 439 15.10 Gestaltung der Zahnradgetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . 442 15.10.1 Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 15.10.2 Anschluss an Motor und Arbeitsmaschine . . . . 444 15.10.3 Gestalten und Bemaßen der Zahnräder . . . . . . 445 15.10.4 Gestalten der Gehäuse . . . . . . . . . . . . . . . . 445 15.10.5 Lagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446

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Inhaltsverzeichnis Band 2

Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449 16

Getriebetechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Burkhard Corves und Hanfried Kerle 16.1 Getriebesystematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1.2 Arten ebener Getriebe . . . . . . . . . . . . . 16.2 Getriebeanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.1 Kinematische Analyse ebener Getriebe . . . 16.2.2 Kinetostatische Analyse ebener Getriebe . . 16.2.3 Kinematische Analyse räumlicher Getriebe 16.2.4 Laufgüte der Getriebe . . . . . . . . . . . . . 16.3 Getriebesynthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.1 Viergelenkgetriebe . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.2 Kurvengetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.4 Sondergetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . 453 . . . . . . . . . . . . .

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453 453 455 458 458 462 463 464 465 465 467 468 468

Literatur zu Teil III Mechanische Konstruktionselemente . . . . . . 471

Teil IV 17

18

Fluidische Antriebe

Hydrostatik und Pneumatik in der Antriebstechnik . Dierk Feldmann und Stephan Bartelmei 17.1 Das hydrostatische Getriebe . . . . . . . . . . . . . 17.1.1 Elemente des Hydrostatischen Getriebes 17.1.2 Berechnung des Betriebsverhaltens des Hydrostatischen Getriebes . . . . . . . . . 17.1.3 Energieübertragung durch Gase . . . . . Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . 475 . . . . . 475 . . . . . 476 . . . . . 479 . . . . . 481 . . . . . 482

Bauelemente hydrostatischer Getriebe . . . . . . . . . . . . . . 485 Dierk Feldmann und Stephan Bartelmei 18.1 Verdrängermaschinen mit rotierender Welle . . . . . . . . 485 18.1.1 Zahnradpumpen und Zahnring-(Gerotor-)pumpen 488 18.1.2 Flügelzellenpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489 18.1.3 Kolbenpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490 18.1.4 Andere Pumpenbauarten . . . . . . . . . . . . . . . 491 18.1.5 Hydromotoren in Umlaufverdrängerbauart . . . . 491 18.1.6 Hydromotoren in Hubverdränger-(Kolben-)bauart 492 18.2 Verdrängermaschinen mit translatorischem (Ein- und) Ausgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493 18.3 Hydroventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494 18.3.1 Wegeventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494 18.3.2 Sperrventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496 18.3.3 Druckventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496 18.3.4 Stromventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499

Inhaltsverzeichnis Band 2

LXXVII

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500 500 501 501 502

Aufbau und Funktion der Hydrostatischen Getriebe . . . . . Dierk Feldmann und Stephan Bartelmei 19.1 Hydrostatische Kreisläufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.1 Offener Kreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.2 Geschlossener Kreislauf . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.3 Halboffener Kreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2 Funktion des Hydrostatischen Getriebes . . . . . . . . . . . 19.2.1 Berechnung des Betriebsverhaltens . . . . . . . . 19.2.2 Dynamisches Betriebsverhalten . . . . . . . . . . 19.3 Steuerung der Getriebeübersetzung . . . . . . . . . . . . . . 19.3.1 Getriebe mit Verstelleinheiten . . . . . . . . . . . . 19.3.2 Selbsttätig arbeitende Regler und Verstellungen an Verstellmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . .

503

18.4 18.5 19

20

21

18.3.5 Proportionalventile . . . . . . . . . . 18.3.6 Servoventile . . . . . . . . . . . . . . 18.3.7 Ventile für spezielle Anwendungen Hydraulikflüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . Hydraulikzubehör . . . . . . . . . . . . . . . .

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Auslegung und Ausführung von Hydrostatischen Getrieben Dierk Feldmann und Stephan Bartelmei 20.1 Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2 Projektierung, Dimensionierung und konstruktive Gestaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.1 Projektierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.2 Dimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.3 Konstruktive Gestaltung . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.4 Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

503 503 503 504 504 504 505 505 505 506 509 509 511 511 511 512 512

Pneumatische Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515 Dierk Feldmann und Stephan Bartelmei 21.1 Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515 21.2 Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516

Literatur zu Teil IV Fluidische Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517

Teil V 22

Elektrotechnik Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wilfried Hofmann und Manfred Stiebler 22.1 Grundgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1.1 Feldgrößen und -gleichungen . . . . . . . . . 22.1.2 Elektrostatisches Feld . . . . . . . . . . . . . . 22.1.3 Stationäres Strömungsfeld . . . . . . . . . . . 22.1.4 Stationäres magnetisches Feld . . . . . . . . 22.1.5 Quasistationäres elektromagnetisches Feld .

. . . 521 . . . . . .

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521 521 522 523 523 524

LXXVIII

Inhaltsverzeichnis Band 2

22.2

23

24

Elektrische Stromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.1 Gleichstromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.2 Kirchhoff’sche Sätze . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.3 Kapazitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.4 Induktionsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.5 Induktivitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.6 Magnetische Materialien . . . . . . . . . . . . . 22.2.7 Kraftwirkungen im elektromagnetischen Feld 22.3 Wechselstromtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.3.1 Wechselstromgrößen . . . . . . . . . . . . . . . 22.3.2 Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.3.3 Drehstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.3.4 Schwingkreise und Filter . . . . . . . . . . . . . 22.4 Netzwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.4.1 Ausgleichsvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . 22.4.2 Netzwerkberechnung . . . . . . . . . . . . . . . 22.5 Werkstoffe und Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . 22.5.1 Leiter, Halbleiter, Isolatoren . . . . . . . . . . . 22.5.2 Besondere Eigenschaften bei Leitern . . . . . 22.5.3 Stoffe im elektrischen Feld . . . . . . . . . . . 22.5.4 Stoffe im Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . 22.5.5 Elektrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Transformatoren und Wandler . . . . . . . . . . . . . Wilfried Hofmann und Manfred Stiebler 23.1 Einphasentransformatoren . . . . . . . . . . . . . 23.1.1 Wirkungsweise und Ersatzschaltbilder 23.1.2 Spannungsinduktion . . . . . . . . . . . 23.1.3 Leerlauf und Kurzschluss . . . . . . . . 23.1.4 Zeigerdiagramm . . . . . . . . . . . . . . 23.2 Messwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.2.1 Stromwandler . . . . . . . . . . . . . . . 23.2.2 Spannungswandler . . . . . . . . . . . . 23.3 Drehstromtransformatoren . . . . . . . . . . . . . 23.4 Spezielle Anwendungen von Transformatoren . 23.4.1 Regeltransformatoren . . . . . . . . . . . 23.4.2 Mittelfrequenztransformatoren . . . . . 23.4.3 Berührungslose Energieübertragung . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Elektrische Maschinen . . . . . . . . . . . . Wilfried Hofmann und Manfred Stiebler 24.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . 24.1.1 Maschinenarten . . . . . . . 24.1.2 Bauformen und Achshöhen 24.1.3 Schutzarten . . . . . . . . . .

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524 524 525 527 527 528 528 529 531 531 532 533 535 538 538 540 540 540 541 542 543 543 544 546

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547 547 548 548 549 550 550 550 550 552 552 552 554 555

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557 557 559 559

Inhaltsverzeichnis Band 2

LXXIX

24.1.4 Elektromagnetische Ausnutzung . . . . . 24.1.5 Verluste und Wirkungsgrad . . . . . . . . 24.1.6 Erwärmung und Kühlung . . . . . . . . . 24.1.7 Betriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.1.8 Schwingungen und Geräusche . . . . . . 24.1.9 Drehfelder in Drehstrommaschinen . . . 24.2 Asynchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.1 Ausführungen . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.2 Ersatzschaltbild und Kreisdiagramm . . 24.2.3 Betriebskennlinien . . . . . . . . . . . . . 24.2.4 Einfluss der Stromverdrängung . . . . . . 24.2.5 Einphasenmotoren . . . . . . . . . . . . . . 24.3 Synchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.3.1 Ausführungen . . . . . . . . . . . . . . . . 24.3.2 Betriebsverhalten . . . . . . . . . . . . . . 24.3.3 Kurzschlussverhalten . . . . . . . . . . . . 24.4 Gleichstrommaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . 24.4.1 Ausführungen . . . . . . . . . . . . . . . . 24.4.2 Stationäres Betriebsverhalten . . . . . . . 24.4.3 Instationäres Betriebsverhalten . . . . . . 24.5 Kleinmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.5.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.5.2 Asynchron-Kleinmotoren . . . . . . . . . 24.5.3 Synchron-Kleinmotoren für Netzbetrieb 24.5.4 Schrittmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . 24.5.5 Elektronisch kommutierte Motoren . . . 24.5.6 Gleichstrom-Kleinmotoren . . . . . . . . 24.5.7 Universalmotoren . . . . . . . . . . . . . . 24.6 Linearmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.6.1 Gleichstromlinearmotoren . . . . . . . . . 24.6.2 Asynchronlinearmotoren . . . . . . . . . . 24.6.3 Synchronlinearmotoren . . . . . . . . . . . 24.7 Torquemotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.8 High-Speed-Motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

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Leistungselektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wilfried Hofmann und Manfred Stiebler 25.1 Grundlagen und Bauelemente . . . . . . . . . . . . . 25.1.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.1.2 Ausführungen von Halbleiterventilen . . . 25.1.3 Leistungsmerkmale der Ventile . . . . . . . 25.1.4 Einteilung der Stromrichter . . . . . . . . . 25.2 Wechselstrom- und Drehstromsteller . . . . . . . . . 25.3 Netzgeführte Stromrichter . . . . . . . . . . . . . . . 25.3.1 Netzgeführte Gleich- und Wechselrichter . 25.3.2 Steuerkennlinien . . . . . . . . . . . . . . . .

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560 560 561 561 563 564 565 565 565 566 567 568 568 568 570 572 573 573 573 574 575 575 575 577 577 578 578 579 580 580 580 581 581 582 583 584

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585 585 585 586 588 589 589 589 590

LXXX

Inhaltsverzeichnis Band 2

25.3.3 Umkehrstromrichter . . . . . . . . . . . . . . . . 25.3.4 Netzrückwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . 25.3.5 Direktumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.4 Selbstgeführte Stromrichter . . . . . . . . . . . . . . . . 25.4.1 Gleichstromsteller . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.4.2 Selbstgeführte Wechselrichter und Umrichter 25.4.3 Blindleistungskompensation . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

27

Elektrische Antriebstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . Wilfried Hofmann und Manfred Stiebler 26.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26.1.1 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26.1.2 Stationärer Betrieb . . . . . . . . . . . . . 26.1.3 Anfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26.1.4 Drehzahlverstellung . . . . . . . . . . . . . 26.1.5 Drehschwingungen . . . . . . . . . . . . . 26.1.6 Elektrische Bremsung . . . . . . . . . . . 26.1.7 Elektromagnetische Verträglichkeit . . . 26.2 Gleichstromantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26.2.1 Gleichstromantriebe mit netzgeführten Stromrichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . 26.2.2 Regelung in der Antriebstechnik . . . . . 26.2.3 Drehzahlregelung . . . . . . . . . . . . . . 26.3 Drehstromantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26.3.1 Antriebe mit Drehstromsteller . . . . . . 26.3.2 Stromrichterkaskaden . . . . . . . . . . . . 26.3.3 Stromrichtermotor . . . . . . . . . . . . . . 26.3.4 Umrichterantriebe mit selbstgeführtem Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . . . 26.3.5 Regelung von Drehstromantrieben . . . . 26.4 Elektroantriebe in speziellen Anwendungen . . . 26.4.1 Servoantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . 26.4.2 Hybridantriebe in der Fahrzeugtechnik . 26.4.3 Antriebe für Elektrofahrzeuge . . . . . . 26.5 Magnetlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26.5.1 Aktive Magnetlager . . . . . . . . . . . . . 26.5.2 Passive Magnetlager . . . . . . . . . . . . 26.5.3 Leistungssteller . . . . . . . . . . . . . . . 26.5.4 Regelung von Magnetlagern . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energieverteilung . . . . . . . . . . . . . . . Wilfried Hofmann und Manfred Stiebler 27.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . 27.2 Kabel und Leitungen . . . . . . . . . 27.2.1 Leitungsnachbildung . . . . 27.2.2 Kenngrößen der Leitungen

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592 592 593 593 593 594 598 598

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599 599 600 601 601 603 603 604 604

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604 605 606 609 609 610 610

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611 611 616 616 619 622 624 624 628 629 630 632

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Inhaltsverzeichnis Band 2

LXXXI

27.3

Schaltgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.3.1 Schaltanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.3.2 Hochspannungsschaltgeräte . . . . . . . . 27.3.3 Niederspannungsschaltgeräte . . . . . . . 27.4 Schutzeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.4.1 Kurzschlussschutz . . . . . . . . . . . . . . 27.4.2 Schutzschalter . . . . . . . . . . . . . . . . 27.4.3 Thermischer Überstromschutz . . . . . . 27.4.4 Kurzschlussströme . . . . . . . . . . . . . 27.4.5 Selektiver Netzschutz . . . . . . . . . . . . 27.4.6 Berührungsschutz . . . . . . . . . . . . . . 27.5 Energiespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.5.1 Speicherkraftwerke . . . . . . . . . . . . . 27.5.2 Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.5.3 Andere Energiespeicher . . . . . . . . . . 27.6 Elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen . . 27.6.1 Solarenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.6.2 Windenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.6.3 Antriebsstränge in Windenergieanlagen . Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Elektrowärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wilfried Hofmann und Manfred Stiebler 28.1 Widerstandserwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.2 Lichtbogenerwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.2.1 Lichtbogenofen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.2.2 Lichtbogenschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . 28.3 Induktive Erwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.3.1 Stromverdrängung, Eindringtiefe . . . . . . . . . 28.3.2 Aufwölbung und Bewegungen im Schmelzgut 28.3.3 Oberflächenerwärmung . . . . . . . . . . . . . . . 28.3.4 Stromversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.4 Dielektrische Erwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Elektronische Komponenten . . . . . . . . . . . . . Ulrich Grünhaupt und Hans-Jürgen Gevatter 29.1 Passive Komponenten . . . . . . . . . . . . . . 29.1.1 Aufbau elektronischer Schaltungen 29.1.2 Widerstände . . . . . . . . . . . . . . 29.1.3 Kapazitäten . . . . . . . . . . . . . . . 29.1.4 Induktivitäten . . . . . . . . . . . . . . 29.2 Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.2.1 Diodenkennlinien und Daten . . . . 29.2.2 Schottky-Dioden . . . . . . . . . . . . 29.2.3 Kapazitätsdioden . . . . . . . . . . .

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638 638 638 639 639 639 639 640 640 641 642 643 643 644 645 646 646 648 649 654 654

. 657 657 657 657 659 659 659 659 660 660 661 662

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LXXXII

Inhaltsverzeichnis Band 2

29.2.4 Z-Dioden . . . . . . . . . . . . . 29.2.5 Leistungsdioden . . . . . . . . . 29.3 Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.3.1 Bipolartransistoren . . . . . . . 29.3.2 Feldeffekttransistoren . . . . . . 29.3.3 IGB-Transistoren . . . . . . . . 29.4 Thyristoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.4.1 Thyristorkennlinien und Daten 29.4.2 Steuerung des Thyristors . . . . 29.4.3 Triacs, Diacs . . . . . . . . . . . 29.4.4 Abschaltbare Thyristoren . . . 29.5 Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . 29.6 Optoelektronische Komponenten . . . . 29.6.1 Optoelektronische Empfänger 29.6.2 Optoelektronische Sender . . . 29.6.3 Optokoppler . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Literatur zu Teil V Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679

Teil VI 30

31

Messtechnik und Sensorik

Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Horst Czichos und Werner Daum 30.1 Aufgabe der Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.2 Strukturen der Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.2.1 Messkette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.2.2 Kenngrößen von Messgliedern . . . . . . . . . . . 30.2.3 Messabweichung von Messgliedern . . . . . . . . 30.2.4 Dynamische Übertragungseigenschaften von Messgliedern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.3 Planung von Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.4 Auswertung von Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.4.1 Typ A – Methode zur Ermittlung der Standardmessunsicherheit durch statistische Analyse von Messreihen . . . . . . . . . . . . . . . 30.4.2 Typ B – Methode zur Ermittlung der Standardmessunsicherheit . . . . . . . . . . . . 30.5 Ergebnisdarstellung und Dokumentation . . . . . . . . . . Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messgrößen und Messverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . Horst Czichos und Werner Daum 31.1 Einheitensystem und Gliederung der Messgrößen der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.1 Internationales Einheitensystem . . . . . . . . 31.1.2 Gliederung der Messgrößen . . . . . . . . . . .

683 683 683 683 684 685 686 687 688

688 689 690 691 691

. . 693

. . 693 . . 693 . . 693

Inhaltsverzeichnis Band 2

LXXXIII

31.2

Sensoren und Aktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694 31.2.1 Messgrößenumformung . . . . . . . . . . . . . . . 694 31.2.2 Zerstörungsfreie Bauteil- und Maschinendiagnostik . . . . . . . . . . . . . . . . . 694 31.3 Geometrische Messgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695 31.3.1 Längenmesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696 31.3.2 Gewinde- und Zahnradmesstechnik . . . . . . . . 698 31.3.3 Oberflächenmesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . 699 31.3.4 Mustererkennung und Bildverarbeitung . . . . . . 701 31.4 Kinematische und schwingungstechnische Messgrößen . 703 31.4.1 Wegmesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703 31.4.2 Geschwindigkeits- und Drehzahlmesstechnik . . 705 31.4.3 Beschleunigungsmesstechnik . . . . . . . . . . . . 706 31.5 Mechanische Beanspruchungen . . . . . . . . . . . . . . . . 707 31.5.1 Kraftmesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 707 31.5.2 Dehnungsmesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . 708 31.5.3 Experimentelle Spannungsanalyse . . . . . . . . . 711 31.5.4 Druckmesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712 31.6 Strömungstechnische Messgrößen . . . . . . . . . . . . . . 714 31.6.1 Flüssigkeitsstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714 31.6.2 Volumen, Durchfluss, Strömungsgeschwindigkeit 715 31.6.3 Viskosimetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716 31.7 Thermische Messgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 717 31.7.1 Temperaturmesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . 717 31.7.2 Kalorimetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 719 31.8 Optische Messgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 719 31.8.1 Licht- und Farbmesstechnik . . . . . . . . . . . . . 719 31.8.2 Refraktometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721 31.8.3 Polarimetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721 31.9 Umweltmessgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722 31.9.1 Strahlungsmesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . 722 31.9.2 Akustische Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . 723 31.9.3 Feuchtemesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724 31.10 Stoffmessgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726 31.10.1 Anorganisch-chemische Analytik . . . . . . . . . 726 31.10.2 Organisch-chemische Analytik . . . . . . . . . . . 727 31.10.3 Oberflächenanalytik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 728 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 731 32

Messsignalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733 Horst Czichos und Werner Daum 32.1 Signalarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733 32.2 Analoge elektrische Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . 734 32.2.1 Strom-, Spannungs- und Widerstandsmesstechnik 734 32.2.2 Kompensatoren und Messbrücken . . . . . . . . . 735 32.2.3 Messverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736 32.2.4 Funktionsbausteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . 738

LXXXIV

33

Inhaltsverzeichnis Band 2

32.3

Digitale elektrische Messtechnik . . . . . . . 32.3.1 Digitale Messsignaldarstellung . . . 32.3.2 Analog-Digital-Umsetzer . . . . . . 32.4 Rechnerunterstützte Messsignalverarbeitung Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

Messwertausgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Horst Czichos und Werner Daum 33.1 Messwertanzeige . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.1.1 Messwerke . . . . . . . . . . . . . . . 33.1.2 Digitalvoltmeter, Digitalmultimeter 33.1.3 Oszilloskope . . . . . . . . . . . . . . 33.2 Messwertregistrierung . . . . . . . . . . . . . . 33.2.1 Schreiber . . . . . . . . . . . . . . . . 33.2.2 Drucker . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.2.3 Messwertspeicherung . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . 745 . . . . . . . . .

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Literatur zu Teil VI Messtechnik und Sensorik . . . . . . . . . . . . . 751

Teil VII 34

35

Regelungstechnik und Mechatronik

Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Michael Bongards, Dietmar Göhlich und Rainer Scheuring 34.1 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34.2 Differentialgleichung und Übertragungsfunktion . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . 755 . . . 756 . . . 760 . . . 761

Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rainer Scheuring, Dietmar Göhlich, Michael Bongards und Helmut Reinhardt 35.1 White-Box-Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.2 Black-Box-Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.2.1 Sprungantwort und Übergangsfunktion . . . . . 35.2.2 Frequenzgang, Ortskurve und Bode-Diagramm 35.3 Zusammenhang Frequenzbereich – Zustandsraum . . . 35.4 Statisches Systemverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.4.1 Lineare Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.4.2 Nichtlinearitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.5 Dynamisches Verhalten linearer zeitinvarianter Übertragungsglieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.5.1 P-Glied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.5.2 I-Glied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.5.3 D-Glied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.5.4 T t -Glied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.5.5 T 1 -Glied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.5.6 T2=n -Glied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 763

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763 767 767 768 769 769 770 770

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771 771 771 772 772 772 772

Inhaltsverzeichnis Band 2

LXXXV

35.6

Grundstrukturen des Wirkungsplans . . . . . . . . . . . . . 35.6.1 Reihenstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.6.2 Parallelstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.6.3 Kreisstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.7 Regelstrecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.7.1 P-Strecke 0. Ordnung .P -T0 / . . . . . . . . . . . . 35.7.2 P-Strecke 1. Ordnung .P -T1 / . . . . . . . . . . . . 35.7.3 P-Strecke 2. und höherer Ordnung .P -Tn / . . . . 35.7.4 P-Strecke mit Totzeit .P -Tt / . . . . . . . . . . . . 35.7.5 Strecke mit Ausgleich n-ter Ordnung und Totzeit .P -Tn -Tt / . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.7.6 I-Strecke 0. Ordnung .I -T0 / . . . . . . . . . . . . 35.7.7 I-Strecke 1. Ordnung .I -T1 / . . . . . . . . . . . . 35.7.8 I-Strecke n-ter Ordnung und Totzeit .I -Tn -Tt / . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

37

Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rainer Scheuring, Michael Bongards und Helmut Reinhardt 36.1 Struktur und Größen des Regelkreises . . . . . . . . . . . 36.1.1 Funktionsblöcke des Regelkreises . . . . . . . . 36.1.2 Größen des Regelkreises . . . . . . . . . . . . . . 36.1.3 Stell- und Störverhalten der Strecke . . . . . . . 36.2 PID-Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.2.1 P-Anteil, P-Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.2.2 I-Anteil, I-Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.2.3 PI-Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.2.4 PD-Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.2.5 PID-Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.3 Linearer Regelkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.3.1 Führungs-, Störungs- und Rauschverhalten des Regelkreises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.3.2 Stabilität des Regelkreises . . . . . . . . . . . . . 36.3.3 Regelgüte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.3.4 Einstellregeln für Regelkreise . . . . . . . . . . . 36.3.5 Signalskalierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.4 Spezielle Formen der Regelung . . . . . . . . . . . . . . . 36.4.1 Regelung mit Störgrößenaufschaltung . . . . . . 36.4.2 Kaskadenregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36.4.3 Zweipunkt-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . 36.4.4 Fuzzy-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

773 773 773 774 774 774 775 775 776 776 777 777 778 778

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Mechatronische und regelungstechnische Systeme . . . . . . . 795 Dietmar Göhlich, Heinz Lehr und Jan Hummel 37.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795 37.2 Modellbildung und Entwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795

LXXXVI

Inhaltsverzeichnis Band 2

37.3

Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.3.1 Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.3.2 Aktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.3.3 Prozessdatenverarbeitung und Bussysteme 37.4 Beispiele mechatronischer Systeme . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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796 796 797 799 801 804

Literatur zu Teil VII Regelungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805

Teil VIII 38

39

40

Fertigungsverfahren

Übersicht über die Fertigungsverfahren Berend Denkena 38.1 Definition und Kriterien . . . . . . . 38.2 Systematik . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . 809 . . . . . . . . . . . . . 809 . . . . . . . . . . . . . 810 . . . . . . . . . . . . . 810

Urformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rüdiger Bähr 39.1 Einordnung des Urformens in die Fertigungsverfahren . 39.2 Begriffsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.3 Das Urformen im Prozess der Herstellung von Einzelteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.4 Wirtschaftliche Bedeutung des Formgießens . . . . . . . 39.5 Technologischer Prozess des Formgießens . . . . . . . . 39.6 Formverfahren und -ausrüstungen . . . . . . . . . . . . . 39.6.1 Urformwerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.6.2 Verfahren mit verlorenen Formen . . . . . . . . 39.6.3 Dauerformverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 39.7 Kerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.7.1 Verfahrensüberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . 39.7.2 Aushärtung verlorener Kerne . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 813

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Umformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mathias Liewald und Stefan Wagner 40.1 Systematik der Umformverfahren . 40.2 Grundlagen der Umformtechnik . 40.2.1 Fließspannung . . . . . . . 40.2.2 Formänderung . . . . . . . 40.2.3 Fließkriterien . . . . . . . . 40.2.4 Fließgesetz . . . . . . . . . 40.2.5 Fließkurve . . . . . . . . . . 40.2.6 Verfestigungsverhalten . . 40.2.7 Umformvermögen . . . . . 40.3 Verfahren der Druckumformung . 40.3.1 Kaltfließpressen . . . . . . 40.3.2 Warmschmieden . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. 813 . 813 813 815 816 817 818 818 834 844 844 847 848

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Inhaltsverzeichnis Band 2

LXXXVII

40.3.3 Strangpressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.3.4 Walzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.4 Verfahren der Zug-Druckumformung . . . . . . . . . . . 40.4.1 Gleitziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.4.2 Tiefziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.4.3 Ziehen von unsymmetrischen Blechformteilen 40.4.4 Tiefziehen im Weiterzug . . . . . . . . . . . . . . 40.4.5 Stülpziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.4.6 Abstreckgleitziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.5 Verfahren der Zugumformung . . . . . . . . . . . . . . . . 40.5.1 Streckziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.6 Verfahren der Biegeumformung . . . . . . . . . . . . . . . 40.6.1 Biegeverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.6.2 Rückfederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.6.3 Biegen mit geradliniger Werkzeugbewegung . 40.6.4 Biegen mit drehender Werkzeugbewegung . . . 40.7 Wirkmedienbasierte Umformverfahren . . . . . . . . . . 40.7.1 Hydromechanisches Tiefziehen . . . . . . . . . . 40.7.2 Superplastisches Umformen . . . . . . . . . . . . 40.7.3 Innenhochdruck-Umformung (IHU) . . . . . . . 40.8 Warmumformung (Presshärten) . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

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859 860 862 862 863 866 867 867 868 868 868 869 869 869 871 872 873 873 874 875 876 876

Trennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 879 Stefan Wagner, Berend Denkena und Mathias Liewald 41.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 879 41.2 Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden . . . . . . 879 41.2.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 879 41.2.2 Drehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 882 41.2.3 Bohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 887 41.2.4 Fräsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 890 41.2.5 Sonstige Verfahren: Hobeln und Stoßen, Räumen, Sägen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895 41.2.6 Schneidstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 897 41.3 Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide . . . . . 899 41.3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 899 41.3.2 Schleifen mit rotierendem Werkzeug . . . . . . . 902 41.3.3 Honen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 904 41.3.4 Sonstige Verfahren: Läppen, InnendurchmesserTrennschleifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 906 41.4 Abtragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 907 41.4.1 Gliederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 907 41.4.2 Thermisches Abtragen mit Funken (Funkenerosives Abtragen) . . . . . . . . . . . . . 908 41.4.3 Lasertrennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 910 41.4.4 Elektrochemisches Abtragen . . . . . . . . . . . . 912 41.4.5 Chemisches Abtragen . . . . . . . . . . . . . . . . . 912

LXXXVIII

Inhaltsverzeichnis Band 2

41.5

Scheren und Schneiden . . . . . . . . . . . . 41.5.1 Systematik der Schneidverfahren . 41.5.2 Technologie des Scherschneidens 41.5.3 Kräfte beim Schneiden . . . . . . 41.5.4 Werkstückeigenschaften . . . . . . 41.5.5 Materialausnutzungsgrad . . . . . 41.5.6 Schneidwerkzeuge . . . . . . . . . 41.5.7 Sonderschneidverfahren . . . . . . Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

43

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913 913 914 916 918 919 919 921 924 926

Sonderverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Andreas Dietzel, Nico Troß, Jens Brimmers, Eckart Uhlmann, Christian Brecher, Stephanus Büttgenbach, Berend Denkena und Manfred Weck 42.1 Gewindefertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.2 Gewindefertigung mit geometrisch bestimmter Schneide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.3 Gewindefertigung mit geometrisch unbestimmter Schneide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.4 Gewindefertigung mit abtragenden und umformenden Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.5 Entwicklungstrends . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Verzahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2.1 Verzahnen von Stirnrädern . . . . . . . . . . . . . . 42.2.2 Verzahnen von Schnecken . . . . . . . . . . . . . . 42.2.3 Verzahnen von Schneckenrädern . . . . . . . . . . 42.2.4 Verzahnen von Kegelrädern . . . . . . . . . . . . . 42.3 Fertigungsverfahren der Mikrotechnik . . . . . . . . . . . . 42.3.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3.2 Maskengebundene Fertigungsverfahren . . . . . . 42.3.3 Direkte Strukturierungsmethoden . . . . . . . . . 42.4 Beschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.5 Additive Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.5.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.5.2 Folienbasierte Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . 42.5.3 Drahtbasierte Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . 42.5.4 Pulverbasierte Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . 42.5.5 Flüssigkeitsbasierte Verfahren . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

929

935 937 938 938 949 951 952 955 955 956 962 971 973 973 975 977 977 980 982

Montage und Demontage . . . . . . . . . . . . Günther Seliger 43.1 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.2 Aufgaben der Montage und Demontage 43.2.1 Montage . . . . . . . . . . . . . . 43.2.2 Demontage . . . . . . . . . . . .

987 989 989 990

929 929 930 934

. . . . . . . . . . . 987 . . . .

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Inhaltsverzeichnis Band 2

LXXXIX

43.3

Durchführung der Montage und Demontage 43.3.1 Montageprozess . . . . . . . . . . . . 43.3.2 Demontageprozess . . . . . . . . . . 43.3.3 Montageplanung . . . . . . . . . . . . 43.3.4 Organisationsformen der Montage . 43.3.5 Montagesysteme . . . . . . . . . . . . 43.3.6 Automatisierte Montage . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

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Fertigungs- und Fabrikbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 997 Engelbert Westkämper und Alexander Schloske 44.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 997 44.2 Das industrielle System der Produktion . . . . . . . . . . . 997 44.3 Management des Systems Produktion . . . . . . . . . . . .1000 44.3.1 Operative Ziele der Planung und des Fabrikbetriebes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1002 44.3.2 Gestaltungsprinzipien der Produktion . . . . . . .1002 44.4 Planung und Steuerung der Produktion . . . . . . . . . . .1003 44.4.1 Planung der Produktion – Industrial Engineering1003 44.4.2 Traditionelle Arbeitsplanung . . . . . . . . . . . .1005 44.4.3 Arbeitsteuerung bzw. Auftragsmanagement . . .1010 44.5 Fertigung und Montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1012 44.5.1 Teilefertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1012 44.5.2 Einteilung von Fertigungssystemen . . . . . . . .1014 44.5.3 Montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1015 44.5.4 Automatisierung von Handhabung und Montage 1017 44.6 Digitale Produktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1018 44.6.1 Architektur der Informationssysteme . . . . . . .1019 44.6.2 CAX-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1020 44.6.3 Auftragsmanagementsysteme . . . . . . . . . . . .1021 44.6.4 Leitstände und Manufacturing Execution Systeme (MES) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1022 44.7 Qualitätsmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1023 44.7.1 Aufgaben des Qualitätsmanagements . . . . . . .1024 44.7.2 Qualitätsmanagementsysteme (QM-Systeme) . .1024 44.7.3 Werkzeuge des Qualitätsmanagements . . . . . .1026 44.7.4 Methoden des Qualitätsmanagements . . . . . . .1028 44.7.5 Prüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1032 44.8 Kostenmanagement und Wirtschaftlichkeitsrechnung . .1033 44.8.1 Betriebliches Rechnungswesen und Kostenrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1033 44.8.2 Kostenartenrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . .1034 44.8.3 Kostenstellenrechnung . . . . . . . . . . . . . . . .1035 44.8.4 Kostenträgerrechnung . . . . . . . . . . . . . . . .1036 44.8.5 Herstellkosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1037 44.8.6 Vollkostenrechnung und Teilkostenrechnung . .1039 44.8.7 Investitions- und Wirtschaftlichkeitsrechnung . .1039

XC

Inhaltsverzeichnis Band 2

44.9 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . .1042 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1042

Teil IX 45

46

Fertigungsmittel

Elemente der Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . Christian Brecher, Manfred Weck, Marcel Fey und Stephan Neus 45.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.1.1 Funktionsgliederung . . . . . . . . . . . . . . . 45.1.2 Mechanisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . 45.2 Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.2.1 Motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.2.2 Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.2.3 Mechanische Vorschubübertragungselemente 45.3 Gestelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.3.1 Anforderungen und Bauformen . . . . . . . . . 45.3.2 Werkstoffe für Gestellbauteile . . . . . . . . . 45.3.3 Gestaltung der Gestellbauteile . . . . . . . . . 45.3.4 Berechnung und Optimierung . . . . . . . . . . 45.4 Führungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.4.1 Linearführungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.4.2 Drehführungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. .1049

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.1049 .1049 .1051 .1054 .1054 .1064 .1070 .1078 .1078 .1081 .1082 .1084 .1086 .1087 .1093 .1096

Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1099 Alexander Verl und Günter Pritschow 46.1 Steuerungstechnische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . .1099 46.1.1 Zum Begriff Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . .1099 46.1.2 Informationsdarstellung . . . . . . . . . . . . . . .1099 46.1.3 Programmsteuerung und Funktionssteuerung . .1099 46.1.4 Signaleingabe und -ausgabe . . . . . . . . . . . . .1100 46.1.5 Signalbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1100 46.1.6 Signalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . .1100 46.1.7 Steuerungsprogramme . . . . . . . . . . . . . . . .1103 46.1.8 Aufbauorganisation von Steuerungen . . . . . . .1103 46.1.9 Aufbau von Steuerungssystemen . . . . . . . . . .1104 46.1.10 Dezentralisierung durch den Einsatz industrieller Kommunikationssysteme . . . . . . . . . . . . . .1105 46.1.11 Feldbusse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1106 46.1.12 Offene Steuerungssysteme . . . . . . . . . . . . . .1107 46.2 Steuerungsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1109 46.2.1 Mechanische Speicher und Steuerungen . . . . .1109 46.2.2 Fluidische Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . .1110 46.2.3 Elektrische Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . .1110

Inhaltsverzeichnis Band 2

XCI

46.3

47

48

Speicherprogrammierbare Steuerungen 46.3.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . 46.3.2 Arbeitsweise . . . . . . . . . . . 46.3.3 Programmierung . . . . . . . . . 46.4 Numerische Steuerungen . . . . . . . . . 46.4.1 Zum Begriff . . . . . . . . . . . 46.4.2 Bewegungssteuerungen . . . . . 46.4.3 NC-Programmierung . . . . . . 46.4.4 Datenschnittstellen . . . . . . . 46.4.5 Steuerdatenverarbeitung . . . . 46.4.6 Numerische Grundfunktionen . 46.4.7 Lageeinstellung . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Maschinen zum Scheren und Schneiden Mathias Liewald und Stefan Wagner 47.1 Kraft- und Arbeitsbedarf . . . . . . . 47.2 Maschinen zum Scheren . . . . . . . 47.3 Längs- und Querteilanlagen . . . . . 47.4 Platinenschneidanlagen . . . . . . . . 47.5 Feinschneidpressen . . . . . . . . . . 47.6 Stanz- und Nibbelmaschinen . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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.1111 .1112 .1112 .1113 .1114 .1114 .1115 .1115 .1115 .1117 .1118 .1120 .1123

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Werkzeugmaschinen zum Umformen . . . . . . . . Mathias Liewald und Stefan Wagner 48.1 Aufbau von Pressen . . . . . . . . . . . . . . . . 48.1.1 Pressengestell . . . . . . . . . . . . . . 48.1.2 Pressenstößel . . . . . . . . . . . . . . . 48.1.3 Stößelantrieb . . . . . . . . . . . . . . . 48.1.4 Funktionsweise von Tiefziehpressen . 48.1.5 Zieheinrichtungen . . . . . . . . . . . . 48.2 Pressenkenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . 48.2.1 Leistungskenngrößen . . . . . . . . . . 48.2.2 Genauigkeitskenngrößen . . . . . . . . 48.2.3 Geometrische Pressenkenngrößen . . 48.2.4 Umweltkenngrößen . . . . . . . . . . . 48.2.5 Richtlinien, Normen . . . . . . . . . . 48.3 Weggebundene Pressen . . . . . . . . . . . . . . 48.3.1 Arbeitsprinzip . . . . . . . . . . . . . . 48.3.2 Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.3.3 Servopressen . . . . . . . . . . . . . . . 48.3.4 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . 48.4 Kraftgebundene Pressen . . . . . . . . . . . . . 48.4.1 Wirkprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . 48.4.2 Antrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48.4.3 Pressengestell . . . . . . . . . . . . . . 48.4.4 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . .

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.1131 .1131 .1132 .1132 .1133 .1134 .1134 .1134 .1135 .1136 .1136 .1136 .1136 .1136 .1136 .1138 .1139 .1140 .1140 .1140 .1141 .1141

XCII

Inhaltsverzeichnis Band 2

48.5

Arbeitsgebundene Pressen 48.5.1 Hämmer . . . . . . 48.5.2 Spindelpressen . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . 49

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Spanende Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . . Eckart Uhlmann 49.1 Drehmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.1.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.1.2 Universaldrehmaschinen . . . . . . . . . . 49.1.3 Frontdrehmaschinen . . . . . . . . . . . . 49.1.4 Drehautomaten . . . . . . . . . . . . . . . . 49.1.5 Vertikaldrehmaschinen . . . . . . . . . . . 49.1.6 Drehbearbeitungszentren . . . . . . . . . . 49.1.7 Sonderdrehmaschinen . . . . . . . . . . . 49.1.8 Entwicklungstrends . . . . . . . . . . . . . 49.2 Bohrmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.2.2 Tischbohrmaschinen . . . . . . . . . . . . 49.2.3 Säulenbohrmaschinen . . . . . . . . . . . 49.2.4 Ständerbohrmaschinen . . . . . . . . . . . 49.2.5 Schwenkbohrmaschinen . . . . . . . . . . 49.2.6 Bohrwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.2.7 Tiefbohrmaschinen . . . . . . . . . . . . . 49.2.8 Weitere Typen . . . . . . . . . . . . . . . . 49.2.9 Entwicklungstrends . . . . . . . . . . . . . 49.3 Fräsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.3.2 Konsolfräsmaschinen . . . . . . . . . . . . 49.3.3 Bettfräsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . 49.3.4 Portalfräsmaschinen . . . . . . . . . . . . . 49.3.5 Universal-Werkzeugfräsmaschinen . . . 49.3.6 Waagerecht-Bohr-Fräsmaschine . . . . . 49.3.7 Hochgeschwindigkeitsfräsmaschinen . . 49.3.8 Hochleistungsfräsmaschinen . . . . . . . 49.3.9 Fräsmaschinen mit Parallelkinematik . . 49.3.10 Sonderfräsmaschinen . . . . . . . . . . . . 49.3.11 Entwicklungstrends . . . . . . . . . . . . . 49.4 Bearbeitungszentren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.4.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.4.2 Bauformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.4.3 Werkzeugsysteme . . . . . . . . . . . . . . 49.4.4 Werkstückwechselsysteme . . . . . . . . . 49.4.5 Integration von Fertigungsverfahren zur Komplettbearbeitung . . . . . . . . . . . . 49.4.6 Entwicklungstrends . . . . . . . . . . . . .

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.1142 .1142 .1143 .1144

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.1147 .1147 .1149 .1151 .1151 .1154 .1155 .1155 .1157 .1157 .1157 .1158 .1158 .1159 .1159 .1159 .1160 .1160 .1161 .1163 .1163 .1163 .1164 .1165 .1166 .1166 .1167 .1167 .1168 .1168 .1169 .1170 .1170 .1171 .1171 .1172

. . . . .1173 . . . . .1173

Inhaltsverzeichnis Band 2

XCIII

49.5

Hobel- und Stoßmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.5.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.5.2 Hobelmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.5.3 Stoßmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.5.4 Nutenstoß- und Nutenziehmaschinen . . . . . 49.5.5 Entwicklungstrends . . . . . . . . . . . . . . . . 49.6 Räummaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.6.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.6.2 Innen- und Außenräummaschinen . . . . . . . 49.6.3 Senkrecht-, Waagerecht- und HubtischRäummaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.6.4 Entwicklungstrends . . . . . . . . . . . . . . . . 49.7 Säge- und Feilmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.7.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.7.2 Bügel-/Hubsäge- und Hubfeilmaschinen . . . 49.7.3 Bandsäge- und Bandfeilmaschinen . . . . . . 49.7.4 Kreissägemaschinen . . . . . . . . . . . . . . . 49.7.5 Entwicklungstrends . . . . . . . . . . . . . . . . 49.8 Schleifmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.8.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.8.2 Planschleifmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . 49.8.3 Profilschleifmaschinen . . . . . . . . . . . . . . 49.8.4 Rundschleifmaschinen . . . . . . . . . . . . . . 49.8.5 Unrund- und Exzenterschleifmaschinen . . . 49.8.6 Koordinatenschleifmaschinen . . . . . . . . . . 49.8.7 Verzahnungsschleifmaschinen . . . . . . . . . 49.8.8 Schraubenschleif-/Gewindeschleifmaschinen 49.8.9 Kugelschleifmaschinen . . . . . . . . . . . . . . 49.8.10 Werkzeugschleifmaschinen . . . . . . . . . . . 49.8.11 Schleifzentren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.8.12 Sonderschleifmaschinen . . . . . . . . . . . . . 49.8.13 Bandschleifmaschinen . . . . . . . . . . . . . . 49.8.14 Entwicklungstrends . . . . . . . . . . . . . . . . 49.9 Honmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.9.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.9.2 Langhubhonmaschinen . . . . . . . . . . . . . . 49.9.3 Kurzhubhonmaschinen . . . . . . . . . . . . . . 49.9.4 Sonderhonmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . 49.9.5 Entwicklungstrends . . . . . . . . . . . . . . . . 49.10 Läppmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.10.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.10.2 Einscheiben-Läppmaschinen . . . . . . . . . . 49.10.3 Zweischeiben-Läppmaschinen . . . . . . . . . 49.10.4 Rundläppmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . 49.10.5 Entwicklungstrends . . . . . . . . . . . . . . . . 49.11 Mehrmaschinensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.11.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49.11.2 Flexible Fertigungszellen . . . . . . . . . . . .

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.1173 .1173 .1174 .1174 .1175 .1175 .1176 .1176 .1176

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.1176 .1178 .1178 .1178 .1178 .1179 .1179 .1180 .1180 .1180 .1180 .1181 .1182 .1183 .1183 .1183 .1184 .1184 .1184 .1185 .1185 .1185 .1186 .1187 .1187 .1187 .1188 .1190 .1191 .1191 .1191 .1192 .1192 .1193 .1193 .1193 .1193 .1194

XCIV

Inhaltsverzeichnis Band 2

49.11.3 49.11.4 49.11.5 Literatur . . . . 50

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Flexible Fertigungssysteme Transferstraßen . . . . . . . . Entwicklungstrends . . . . . ..................

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Schweiß- und Lötmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . Lutz Dorn und Uwe Füssel 50.1 Lichtbogenschweißmaschinen . . . . . . . . . . . . 50.1.1 Bauausführungen . . . . . . . . . . . . . . 50.2 Widerstandsschweißmaschinen . . . . . . . . . . . 50.3 Laserstrahl-Schweiß- und Löteinrichtungen . . . 50.4 Löteinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50.4.1 Mechanisiertes Hartlöten . . . . . . . . . . 50.4.2 Ofenlöten mit Weich- und Hartloten . . . 50.4.3 Weichlöteinrichtungen in der Elektronik Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Industrieroboter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eckart Uhlmann und Jörg Krüger 51.1 Definition, Abgrenzung und Grundlagen . . . . . . . 51.2 Mechatronischer Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3 Kinematik und Dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.1 Kinematisches Modell . . . . . . . . . . . . . 51.3.2 Dynamisches Modell . . . . . . . . . . . . . . 51.4 Leistungskenngrößen und Kalibrierung . . . . . . . . 51.4.1 Leistungskenngrößen . . . . . . . . . . . . . . 51.4.2 Kalibrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.5 Steuerung und Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.5.1 Aufbau der Robotersteuerung . . . . . . . . . 51.5.2 Regelungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 51.5.3 Betriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.6 Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.6.1 Online-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 51.6.2 Offline-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 51.6.3 Weitere Programmierverfahren . . . . . . . . 51.7 Integration und Anwendungen industrieller Roboter Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Werkzeugmaschinen für die Mikroproduktion Eckart Uhlmann 52.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Hochpräzisionsmaschinen . . . . . . . . . . 52.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . 52.2.2 Anwendung . . . . . . . . . . . . . . 52.2.3 Ausrüstung . . . . . . . . . . . . . . 52.2.4 Entwicklungstrends . . . . . . . . .

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.1199 .1200 .1201 .1202 .1202 .1202 .1203 .1203 .1203

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.1205 .1208 .1208 .1208 .1209 .1210 .1210 .1210 .1211 .1211 .1211 .1213 .1214 .1214 .1215 .1215 .1216 .1217

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Inhaltsverzeichnis Band 2

XCV

52.3

Ultrapräzisionsmaschinen . . . . 52.3.1 Allgemeines . . . . . . . 52.3.2 Anwendung . . . . . . . . 52.3.3 Ausrüstung . . . . . . . . 52.3.4 Entwicklungstrends . . . 52.4 Mikrofunkenerosionsmaschinen 52.4.1 Allgemeines . . . . . . . 52.4.2 Anwendung . . . . . . . . 52.4.3 Ausrüstung . . . . . . . . 52.4.4 Entwicklungstrends . . . 52.5 Laserbearbeitungsmaschinen . . 52.5.1 Allgemeines . . . . . . . 52.5.2 Anwendung . . . . . . . . 52.5.3 Ausrüstung . . . . . . . . 52.5.4 Entwicklungstrends . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Fachausdrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1229 Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1305

Verzeichnis der Herausgeber und Autoren

Über die Herausgeber Professor Dr.-Ing. Beate Bender 1987–2000 Studium des Maschinenbaus und Tätigkeit als Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Maschinenkonstruktion – Konstruktionstechnik an der TU Berlin, bis zu dessen Tod 1998 unter der Leitung von Prof. Beitz. 2001 Promotion an der TU München, 2001 bis 2013 bei Bombardier Transportation Bahntechnologie im Angebotsmanagement, Engineering, Projektleitung und Produktmanagement. Seit 2013 Leiterin des Lehrstuhls für Produktentwicklung an der Ruhr-Universität Bochum. Herausgeberin des DUBBEL, Taschenbuch für den Maschinenbau (ab 25. Auflage), des Pahl/Beitz – Konstruktionslehre (ab 9. Auflage), Mitglied der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktentwicklung (WiGeP). Professor Dr.-Ing. Dietmar Göhlich 1979–1985 Studium an der TU Berlin, 1985–1989 Promotion am Georgia Institute of Technology in den U.S.A, 1989 bis 2010 in leitender Funktion in der Pkw-Entwicklung der Daimler AG u. a. in der Gesamtfahrzeugkonstruktion Smart und S-Klasse. Seit 2010 Leiter des Fachgebiets Methoden der Produktentwicklung und Mechatronik und Geschäftsführender Direktor des Instituts für Maschinenkonstruktion und Systemtechnik an der Technischen Universität Berlin. Herausgeber des DUBBEL, Taschenbuch für den Maschinenbau (ab 25. Auflage). Mitglied der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktentwicklung (WiGeP), Sprecher des BMBF Forschungscampus Mobility2Grid, Mitglied in der acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften. XCVII

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Verzeichnis der Herausgeber und Autoren

Autorenverzeichnis Friedherz Becker studierte 1974 Werkstofftechnik und Verfahrenstechnik an der TU Clausthal und promovierte 2016 an der Otto-von-GuerickeUniversität Magdeburg. Er war dann Prokurist und Leiter der Abteilung Versuch und Entwicklung bei der Ofenbaufirma Riedhammer GmbH in Nürnberg. Von 1987 bis 1995 hatte er einen Lehrauftrag an der FH Nürnberg. In den Jahren 2003 bis 2009 leitete er als Vorsitzender die Forschungsgemeinschaft Industrieofenbau in Frankfurt. Von 1999 bis 2007 war er stellvertretender Vorsitzender des FA Wärmetechnik der DGK. Matthias Bohnet wurde 1964 mit einer Arbeit auf dem Gebiet der Mehrphasenströmungen an der Universität Karlsruhe promoviert. Danach war er bei der BASF AG in Ludwigshafen und New York, N.Y. in Forschung und Entwicklung tätig. Seit 1973 ist er Professor und war Direktor des Institutes für Verfahrens- und Kerntechnik der Technischen Universität Braunschweig. Seine Forschungsschwerpunkte sind Mehrphasenströmungen und Wärme- und Stoffübertragung. Er veröffentlichte über 250 Beiträge in Büchern und Zeitschriften über seine Forschungsarbeiten. Henrik Botterweck studierte bis 1993 Physik an der RWTH Aachen und promovierte dort 1997 auf dem Gebiet der Theoretischen Chemie zum Dr. rer. nat. Anschließend arbeitete er als wissenschaftlicher Mitarbeiter und Senior Scientist am Forschungslabor der Philips GmbH in Aachen an Themen der Spracherkennung, Computertomographie und Nuklearmedizin. Seit 2008 leitet er als Professor an der FH Lübeck das Labor für medizinische Bildgebung. Seine Arbeitsgebiete umfassen die Modellierung und Optimierung tomographischer Methoden und diffusiver Prozesse. Er ist Mitglied im TANDEM Kompetenzzentrum Medizintechnik der Universität Lübeck und der Fachhochschule Lübeck.

Verzeichnis der Herausgeber und Autoren

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Christian Bratfisch studierte an der Ruhr-Universität Bochum Maschinenbau mit der Vertiefungsrichtung Energie- und Verfahrenstechnik. Anschließend war er von Januar bis Juli 2011 als Simulatorausbilder für einen Druckwasserreaktor bei der Gesellschaft für Simulatorschulung (Simulatorzentrum Essen) beschäftigt. Im November 2011 kehrte der Diplom-Ingenieur an die RuhrUniversität zurück um dort im Bereich Reaktorsimulation und -sicherheit des Lehrstuhls Energiesysteme und Energiewirtschaft als wissenschaftlicher Mitarbeiter zu forschen und in diesem Rahmen die Promotion abzuschließen. Seit 2018 ist er für ein Unternehmen in der chemischen Industrie tätig. Rainer Bruns, geb. 06.07.1956 in Hamburg. 1976–1982: Studium Maschinenbau/Luft- und Raumfahrttechnik TU Braunschweig; 1982–1986: Wissenschaftlicher Mitarbeiter Uni Bw Hamburg; 1987: Promotion zum Dr.- Ing.; 1987–1992: Tätigkeit bei der Jungheinrich AG; 1992: Professur Maschinenelemente und Technische Logistik Helmut-Schmidt-Universität. Mitglied: wissenschaftlichen Kuratoriums der Forschungsgemeinschaft für Logistik e.V., Beirat der Zeitschrift „Hebezeuge und Fördermittel“, „Wissenschaftlichen Gesellschaft für Technische Logistik WGTL“, europäischen Kreises deutschsprechender Fördertechnikprofessoren. Veranstalter der Hamburger Staplertagung. Professor Dr.-Ing. Horst Gelbe† wurde 1967 mit einer Arbeit über Mehrphasenströmungen in Füllkörperschüttungen an der TH Hannover promoviert. Nach 8 Jahren Industrietätigkeiten im Chemieanlagenbau wurde er 1975 zum ordentlichen Professor an die TU Berlin berufen. Seine Forschungsschwerpunkte sind: Prozessentwicklung, Prozessdynamik und -führung, Trennkolonnen, Wärmeübertrager mit Schwerpunkt Fluidinduzierte Rohrbündelschwingungen.

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Jochen Gier studierte 1988–1994 Maschinenbau mit der Vertiefung Turbomaschinen (Dipl.-Ing.) an der RWTH-Aachen und 1992–1993 als Stipendiat an der Thayer School of Engineering am Dartmouth College, Hanover, USA. Von 1994–1998 war er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der RWTH-Aachen tätig. 2001 promovierte er zum Dr.-Ing. an der RWTH-Aachen. Seit 1998 arbeitet er bei MTU Aero Engines in verschiedenen Positionen in der Aerodynamik, Technologiemanagement, technischen Reviewleitung und derzeit Wärmetechnik und Verbrennung. Professor Klaus Görner studierte Verfahrenstechnik und promovierte und habilitierte in der Fakultät Energietechnik an der Universität Stuttgart. Von 1991 bis 1996 war er bei der Lentjes AG in Düsseldorf und der Babcock Feuerungssysteme GmbH in Oberhausen tätig. Seit 1996 ist er Leiter des LUAT und seit 2002 in Personalunion wissenschaftlicher Vorstand des GWI. Seine fachlichen Schwerpunkte liegen in den Themengebieten Zentrale und dezentrale Erzeugung von Strom und Wärme, Flexibilisierungsoptionen (P2X), Verbrennungstechnik, Thermische Abfallbehandlung und Modellbildung und Simulation (CFD). Professor Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Willibald A. Günthner studierte an der Technischen Universität München Maschinenbau und Arbeits- und Wirtschaftswissenschaften. Nach seiner Promotion am dortigen Lehrstuhl für Förderwesen trat er als Konstruktions- und Technischer Leiter für Förder- und Materialflusstechnik in die Fa. Max Kettner Verpackungsmaschinen ein. 1989 übernahm er die Professur für Förder- und Materialflusstechnik an der FH Regensburg. Seit 1994 ist Professor Günthner Leiter des Lehrstuhls für Fördertechnik Materialfluss Logistik an der TU München. Er ist Gründungsmitglied und Schatzmeister der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Technische Logistik WGTL, Vorsitzender des Fachbereichs Technische Logistik und Mitglied des Vorstands der VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik.

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Christian Hainbach Geschäftsführer der IKET GmbH. Zuvor war er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Angewandte Thermodynamik und Klimatechnik an der Universität Essen. Seit 1988 ist er Mitglied im Normenausschuss Kältetechnik und war von 1999 bis 2007 Lehrbeauftragter für Heizungs-, Lüftungs- und Kältetechnik an der Universität Essen. Sachverständiger nach §29b BlmSchG, §53 AwSV und §52 KrW-/AbfG, öffentlich bestellt und vereidigt von der IHK für München und Oberbayern. Weiterhin ist er als Sachverständiger der zugelassenen Überwachungsstelle GTÜ, Anlagensicherheit Stuttgart tätig. Autor bzw. Mitherausgeber zahlreicher Veröffentlichungen. Harald Hanke promovierte nach einem Maschinenbaustudium an der TU Hamburg-Harburg dort im Jahr 2000 zum Dr.-Ing. im Fachgebiet Fertigungstechnik. Seit 2001 ist er im Bereich Forschung und Entwicklung in der Medizintechnik/Endoskopie bei der Firma Olympus tätig, seit 2008 General Manager für den Verantwortungsbereich Surgical Therapy.

Hendrik Hasenclever studierte Maschinenbau mit der Vertiefungsrichtung Energie- und Verfahrenstechnik an der Ruhr-Universität in Bochum. Nach seinem Abschluss als Diplom-Ingenieur begann er mit seiner Promotion als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Energiesysteme und Energiewirtschaft an der Ruhr-Universität Bochum. Hier forschte er im Bereich der energetischen Optimierung von Gewerbe- und Industriegebieten mit der Vertiefung in der Nutzung von Kraft-Wärme-Kopplung in industriellen Unternehmen. Seit April 2016 ist er Mitglied im VDI-Richtlinienausschuss für die VDI-Richtlinie „Referenzlastprofile von Ein- und Mehrfamilienhäusern“. Nach Abschluss seiner Promotion fing er als Projektleiter für Quartierssysteme bei der Vonovia SE an.

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Verzeichnis der Herausgeber und Autoren

Markus Hecht Studium Fahrzeugtechnik Uni Stuttgart und RWTH Aachen bis 1982, Assistententätigkeit RWTH Aachen bis 1987, 1988 bis 1997 Schweizerische Lokomotiv- und Maschinenfabrik AG, Winterthur, Leiter Mess- und Steuerungstechnik, seit 1997 Prof. für Schienenfahrzeuge am Institut für Land- und Seeverkehr der TU Berlin, seit 2012 Mitglied im European Railway Research Advisory Council (ERRAC), Brüssel, Forschungstätigkeiten im Bereich Spurführung Rad-Schiene, Treibhausgasreduktion, Lärmminderung und innovative Güterverkehrstechnik; Lehrtätigkeit im Bereich Eisenbahnmechanteil. Professor Dietmar Christian Hempel war nach Promotion in Thermo- und Fluiddynamik (Thema: heterogene Katalyse) an der RU Bochum, Industrietätigkeit (Bayer AG, Reaktionstechnik und Bioverfahrenstechnik) und 14-jähriger Professur in Technischer Chemie und Chemischer Verfahrenstechnik (Universität Paderborn) von 1994 bis 2009 an der TU Braunschweig Begründer und Leiter des Instituts für Bioverfahrenstechnik und Sprecher des SFB 578 „Vom Gen zum Produkt“. Seine Forschungsinteressen lagen in der Reaktions- und Verfahrenstechnik biologischer und chemischer Prozesse, zunächst im Bereich der Umweltbiotechnologie (Paderborn) und später in der Systembiotechnologie (Braunschweig). Kathrin Hoffmann studierte Umwelttechnik und Ressourcenmanagement an der Ruhr-Universität in Bochum. Von 2010 bis 2012 arbeitete die Diplom-Ingenieurin bei der Industrie- und Handelskammer zu Köln als Referentin für Energieeffizienz. Zwischen 2012 und März 2017 war sie als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Energiesysteme und Energiewirtschaft an der Ruhr-Universität in Bochum tätig und forschte im Bereich Energiekonzepte für Gewerbegebiete, Nachhaltigkeit und Energieeffizienz in Unternehmen. Nach einer Station im Bereich der nachhaltigen Stadtentwicklung, arbeitet sie mittlerweile in der Elektromobilität im Bereich Ladeinfrastruktur. Herbert Hölz Berlin, Deutschland

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Professor Dr. Michael ten Hompel studierte Elektrotechnik an der RWTH Aachen und promovierte an der Universität Witten/Herdecke. Er ist Ordinarius des Lehrstuhls für Förder- und Lagerwesen an der TU Dortmund und geschäftsführender Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Materialfluss und Logistik in Dortmund. Schwerpunkte seiner Arbeit liegen in den Bereichen Planung von Logistiksystemen, Logistiksoftware, Warehouse Management, Identtechnik und in der Entwicklung von Materialflusssystemen. Er gilt als einer der Väter des „Internet der Dinge“ und war wesentlich an der Entwicklung der „Shuttle-Technologie“ und der „Zellularen Intralogistik“ beteiligt. Neben weiteren Engagements ist Prof. ten Hompel Vorstandsmitglied der BVL und des BITKOM, Vorsitzender der Fraunhofer Academy und Mitglied der acatech „Deutsche Akademie der Technikwissenschaften“. Ten Hompel wurde 2012 in die Hall of Fame der Logistik aufgenommen. Professor Dr.-Ing. André Katterfeld leitet den Lehrstuhl Förder- und Materialflusstechnik am Institut für Logistik und Materialflusstechnik der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. Nach dem Abschluss seiner Promotion auf dem Gebiet der Kettenförderer im Jahr 2005 beschäftigte er sich als wissenschaftlicher Mitarbeiter in zahlreichen Forschungsprojekten mit dem Einsatz von Computersimulationen auf Basis der Diskrete Elemente Methode (DEM) im Bereich der Schüttgutfördertechnik. Nach einer Tätigkeit als Junior-Professor wurde er 2015 auf den Lehrstuhl Fördertechnik und 2017 auf den Lehrstuhl Förder- und Materialflusstechnik berufen. Seit 2011 ist er zudem Gastprofessor an der University of Newcastle (Australien). Seine Forschungsschwerpunkte liegen auf dem Gebiet der Berechnung, der experimentellen Analyse und Simulation von Stetigförderern sowie Schüttguttechnik. Thomas Keilig Universität Stuttgart, Stuttgart, Deutschland

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Michael Ketting, Jahrgang 1950; 1970–1974 Studium der Regelungstechnik an der TU Dresden, 1977–1981 Studium der Wissenschaftsphilosophie/Physikgeschichte an der Humboldt-Universität zu Berlin. Promotion 1982 über Entwicklungsprobleme in der Geschichte der Festkörperphysik. In langjähriger Industrietätigkeit war Michael Ketting auf dem Gebiet der Baumaschinentechnik, zuletzt (bis 2003) als Vorstand der Intertractor AG in Gevels-berg tätig. Sein Spezialgebiet ist die Raupenfahrwerkstechnik für Baumaschinen und Off-Road-Fahrzeuge. Von 2003 bis 2015 war er Wissenschaftlicher Direktor des IBAFInstitutes für Baumaschinen, Antriebs- und Förder-technik GmbH in Bochum und Generalbevollmächtigter bzw. Geschäftsführer der IAMT mbH (Holding). Bis zu seinem Ruhestand 2016 war er zudem Honorarprofessor für Fördertechnische Systeme/Baumaschinentechnik an der Fakultät für Maschinenbau der Ruhr-Universität Bochum. Allein auf dem Gebiet der Baumaschinen- und Kettenfahrwerkstechnik veröffentlichte er weit über 200 Fachaufsätze. Ulrich Kleemann Studium Maschinenbau an der TU München, Diplom 1981. Akad. Rat am Lehrstuhl B für Mechanik, Schwerpunkte Schwingungstechnik, Regelungstechnik, Fahrdynamik, Robotik; 1989 Promotion bei Prof. Pfeiffer. Von 1989 bis 2008 Knorr-Bremse, Systeme für Schienenfahrzeuge GmbH, München; diverse Positionen im Bereich Bremsen für Schienenfahrzeuge, zuletzt Leiter Innovation Fernverkehr. Convenor der CEN-Arbeitsgruppe „Brake Components“. Lehrauftrag an der TU Berlin zu Fahrdynamik und Bremstechnik des Schienenverkehrs seit 2002. 2009 bis 2013 Faiveley Transport Witten GmbH, Leiter System Engineering Brake. 2014 bis 2018 PROSE München GmbH, Geschäftsführer, Leiter Engineering, Fachexperte Bremse. Honorarprofessor an der Technischen Universität Berlin, Gutachter zum Fachbereich Bremse, anerkannt durch das Eisenbahn-Bundesamt.

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Stephan Klein Studium des Maschinenbaus an der FH Kiel und der TU Berlin bis 1983. Industrietätigkeit im Bereich Ultraschallgeräte sowie feinmechanischer und optischer Systeme bis 1989. Anschließend Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Berlin und dort Promotion zum Dr.-Ing. im Bereich Entwicklungsmethodik. Seit 1994 Professor für Feinmechanik und Konstruktion am Fachbereich Angewandte Naturwissenschaften der TH Lübeck. Leiter des Labors für Medizinische Sensor- und Gerätetechnik der TH Lübeck, des gemeinsamen internationalen Studiengangs Biomedical Engineering sowie stv. Sprecher des gemeinsamen Lübecker Kompetenzzentrums TANDEM-Technology and Engineering in Medicine. Vorstandsmitglied im Verein „Forum für Medizintechnik“. Jochim Koch Maschinenbaustudium von 1969– 1976 an der FH Lübeck und der TU Berlin. Dort 1978 Promotion im Bereich Fahrzeugtechnik. Danach langjährige und verantwortliche Industrietätigkeit als Projekt- und Entwicklungsleiter sowohl in der Grundlagen- als auch in der Produktentwicklung von Medizinprodukten, speziell von Wärmetherapie-, Sauerstoffanreicherungsund Beatmungsgeräten.

Marc Kraft hat 1989 ein Studium an der Offiziershochschule für Militärflieger in Bautzen abgeschlossen und war anschließend Jagdflieger. Danach folgten ein Studium des Maschinenbaus sowie 1999 die Promotion an der TU Berlin. Industrielle Tätigkeiten als Entwicklungsleiter bei der Vanguard AG, Berlin bzw. im strategischen Technologiemanagement der Otto Bock HealthCare GmbH, Duderstadt schlossen sich an. Seit 2004 ist Kraft Universitätsprofessor und Leiter des Fachgebietes Medizintechnik der TU Berlin sowie Mitgründer des Innovationszentrums Technologien für Gesundheit und Ernährung der TU Berlin. Seit 2009 ist Kraft Vorsitzender des VDI Fachgebiets Medizintechnik, seit 2007 Sprecher des Fachausschusses Rehabilitationstechnik und seit 2005 Sprecher des Fachausschusses Aus- und Weiterbildung in der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik im VDE. Arbeitsgebie-

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te: Mechanische Hilfsmittel zur Rehabilitation, Aufbereitung von Medizinprodukten mit besonders hohem Gefährdungspotenzial (Katheter, Chirurgieinstrumente), Prüf- und Bewertungsmethoden für Medizinprodukte, Geräte und Instrumenten für die Kardiologie und minimal invasive Chirurgie. Edwin Krämer 1959 geboren in Deutschland, 1980 Studium des Maschinenbaus an der Universität Karlsruhe, Deutschland, 1985 BBC Forschung an Gleitlagern, Rotor Dynamik und Turbinenschaufel Vibrationen, 1989 ABB Forschung und Entwicklung Projektleiter, 1997 ABB/ALSTOM General Manager Dampfturbinen Forschung und Entwicklung, 2002 ALSTOM Schweiz AG, General Manager Gasturbinen Komponenten Entwicklung und Technologie, 2004 Direktor Industrial Support. 2010 Leitung Einkauf & Engineering für Service Dampfturbinen. 2016 GE Product Management Service Dampfturbinen. Seit 2018 als Consultant tätig. Professor Dr.-lng. habil. Dr. h.c. Friedrich Krause promovierte 1969 an der damaligen Hochschule für Schwermaschinenbau in Magdeburg über den Entleerungsvorgang zellenloser Schaufelräder. Nach seiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Oberassistent am Institut für Fördertechnik leitete er als Forschungs- und Entwicklungsingenieur in der Industrie u. a. die Neuerarbeitung von Berechnungsgrundlagen für Gurtförderer für den TGL-Standard. Im Jahr 1983 habilitierte er und war seit 1989 Professor und Lehrstuhlleiter für Förder- bzw. Materialflusstechnik sowie mehrfach Geschäftsführender Institutsleiter des Instituts für Logistik und Materialflusstechnik der Otto-vonGuericke-Universität Magdeburg. 2004 scheidet er nach Eintritt in den Ruhestand aus dem aktiven Dienst als Hochschullehrer aus, wirkt jedoch weiter in der Doktorandenbetreuung, an Forschungsund Buchprojekten sowie Gutachten.

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CVII

Rainer Krull 1977–1980 Ausbildung zum Chemiefacharbeiter, 1982–1989 Studium der Chemie und Chemietechnik an der Universität Paderborn, 1992 Promotion an der Universität Paderborn, 1993–1994 industrielle Tätigkeit in der Biound Umweltverfahrenstechnik, seit 1995 Akademischer Direktor am Institut für Bioverfahrenstechnik der TU Braunschweig, 2002 Habilitation, 2005 Ernennung zum apl. Prof., 2001–2012 Geschäftsführer des SFB 578 „Vom Gen zum Produkt“. Forschungsschwerpunkte: Verfahrenstechnik biologischer und chemischer Prozesse, Morphologiebeeinflussung und Schersensitivität filamentöser Mikroorganismen, Mikrobioreaktionstechnik, Pharmabioverfahrenstechnik sowie Elektrobiotechnologie. Professor Günter Kunze hat 1972 sein Maschinenbaustudium an der TU Dresden abgeschlossen und anschließend als Wissenschaftlicher Assistent auf dem Gebiet der Rollreibung promoviert. Während seiner Tätigkeit als leitender Ingenieur in der Industrie hat er 1988 zu Problemen der Mitnehmerverzahnungen habilitiert. 1993 überträgt man ihm eine Professur für Maschinenbau. Seine Forschungsschwerpunkte betreffen spezielle Maschinenelemente und die Antriebstechnik sowie Simulation mobiler Arbeitsmaschinen. Arno Kwade promovierte 1996 zum Dr.-Ing. an der Technischen Universität Braunschweig auf dem Gebiet der Feinstzerkleinerung in Rührwerkskugelmühlen. Darauf aufbauend arbeitete er 9 Jahre auf unterschiedlichen Positionen in der Industrie, schwerpunktmäßig im Bereich der Zerkleinerungs-, Schüttgut- und Mischtechnik. Seit 2005 ist er Leiter des Instituts für Partikeltechnik an der TU Braunschweig. Seine Forschungsschwerpunkte sind das Zerkleinern und Dispergieren kleinster Partikel, nanopartikuläre Beschichtungen und Kompositmaterialien, Schüttguttechnik, Elektrodenfertigung für Batterien sowie Bio- und Pharmapartikeltechnik.

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Ronald Mailach studierte 1989–1994 Maschinenbau mit Vertiefung Energietechnik an der Technischen Universität Dresden (Dipl.-Ing.). Von 1994– 2011 war er als wissenschaftlicher Mitarbeiter und Oberassistent an der TU Dresden tätig. Im Jahr 2001 promovierte er zum Dr.-Ing. an der TU Dresden. Er wurde 2009 an der TU Dresden habilitiert und erhielt die Venia Legendi für das Fachgebiet Turbomaschinen. 2011 folgte er dem Ruf auf den Lehrstuhl für Thermische Turbomaschinen an der Ruhr-Universität Bochum. Seit 2015 ist er Inhaber der Professur für Turbomaschinen und Flugantriebe an der TU Dresden. Seine Forschungsschwerpunkte liegen im Bereich Aerodynamik, Fluid-Struktur-Interaktionen und Probabilistik für Flugtriebwerke, Gas- und Dampfturbinen. Jürgen Manigel promovierte 1993 nach seinem Studium der Elektrotechnik im Fachbereich Regelungstechnik der TU Braunschweig. Seit 1993 ist er bei Dräger Medical in Lübeck in der Entwicklung von Intensivbeatmungsgeräten und Anästhesiegeräten tätig. Schwerpunkte sind die Entwicklung und Umsetzung von Beatmungsalgorithmen, Atemwegsmonitoring sowie modellbasierte Regelkreise für Inhalationsanästhetika.

Alfons Mersmann Von 1952 bis 1957 Studium Maschinenbau/Verfahrenstechnik an der Technischen Hochschule Hannover. Tätigkeiten: Von 1957 bis 1961 am Max-Planck-Institut für Strömungsforschung in Göttingen, danach in der chemischen Industrie, von 1969 bis 1997 Inhaber eines Lehrstuhls für Verfahrenstechnik an der Technischen Universität München mit den Forschungsgebieten Mehrphasenströmung und Thermische Trenntechnik, vor allem Adsorption und Kristallisation. 1994 mit der Emil-KirschbaumMedaille und 1996 mit dem Ernest-Solvay-Preis ausgezeichnet.

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Klaus Mollenhauer Studium des Maschinenbaus an der TU Berlin: Diplom (1957), Tätigkeit am Institut für Verbrennungskraftmaschinen der TU Berlin: Promotion (1967), Habilitation (1971), Professor für das Fachgebiet Verbrennungskraftmaschinen (1971–1996). Forschungsarbeiten u. a. zu: Wärmeübergang in Verbrennungskraftmaschinen, Messung der Reibung von Kolben und Kolbenringen in Verbrennungsmotoren, Einsatz von Wasser-Kraftstoff-Emulsionen in Dieselmotoren und Brennkammern, Charakterisierung der Partikelemission von Dieselmotoren, Entwicklung von Partikel-Messverfahren zur normgerechten Messung n. ECE R49 bzw. ISO/CD 8178. Ehrenplakette des VDI. Lothar Mörl promovierte 1972 auf dem Gebiet des Chemischen Ingenieurwesens an der Ottovon-Guericke-Universität Magdeburg. Danach beschäftigte er sich in der industriellen Forschung mit Problemen der Feststofffluidisation. Seit 1982 ist er Professor für Chemischen Apparatebau an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. Seine Hauptforschungsgebiete umfassen Prozesse der Feststofffluidisation, der Trocknung und Granulation und deren apparative Gestaltung. Er hat mehr als 200 Aufsätze in wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht, mehr als 180 Patente angemeldet und ist Mitautor in 3 Büchern über Trocknung und Granulation. Steffen Müller Nach dem Studium der Luft- und Raumfahrt an der TU Berlin promovierte Prof. Dr.-Ing. Steffen Müller 1998 an der TU Berlin im Bereich Schienenfahrzeugdynamik. Er arbeitete dann zwei Jahre im ABB-Forschungszentrum in Heidelberg und beschäftigte sich dort mit Antriebsregelsystemen von Hochleistungszügen. Anschließend ging er für ein Jahr als Postdoc an die UC Berkeley und forschte dort im Gebiet der Fahrzeugregelung von Pkw. Von 2001–2008 arbeitete Prof. Müller bei BMW im Bereich Fahrwerk und Fahrwerkregelsysteme. Er folgte 2008 einem Ruf an die TU Kaiserlautern auf den Lehrstuhl für Mechatronik in Maschinenbau und Fahrzeugtechnik. 2013 wechselte er an die TU Berlin und leitet dort nun das Fachgebiet Kraftfahrzeuge.

CX

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Lars M. Nerheim 1973–1975: Werkstudent, Porsche AG, Stuttgart. 1978: Dipl-Ing. für Maschinenbau/Kfz-Technik Universität Stuttgart; Daimler Benz, Dieselmotoren-Entwicklung. 1980: Rolls-Royce Bergen Diesel: Entwicklung von Diesel- u. insbesondere Gasmotoren. 1992: Entwicklungsleiter. 1998: Leiter für strategische Entwicklungsprojekte. 2003: Associated Fellow of Engineering with Rolls-Roycs plc. 2004: Ricardo plc, UK: Chief Engineer for Large Engines. Seit 2006: Vorsitzender der CIMAC Arbeitsgruppe Gas Engines. Seit 2008 Bergen University College, Professor, Lehrgebiete: Thermische Maschinen, GasTechnologie. Gerd Oeljeklaus absolvierte eine Lehre als Maschinenbauer und studierte an der Universität-GHEssen Maschinenbau mit der Vertiefungsrichtung Energie- und Verfahrenstechnik. Promotion 1987 zum Dr.-Ing. an der Universität-GH-Essen. Ab 1991 Oberingenieur und akademischer Oberrat mit den Schwerpunkten thermodynamische Kreislaufberechnungen, CO2 -Rückhaltung und -Wiederverwertung. Mitarbeit in verschiedenen Gremien des VDI sowie Geschäftsführer der Deutschen Vereinigung für Verbrennungsforschung e. V. (DVV), (01.01.2005 bis 31.12.2019). Ludger Overmeyer schloss sein Studium der Elektrotechnik in Hannover im Jahr 1991 ab und promovierte 1996 im Fachbereich Maschinenbau der Universität Hannover. Von 1997 bis 2001 war er bei der Mühlbauer AG in Roding tätig – zuletzt als Leiter Forschung und Entwicklung. Seit 2002 leitet er das Institut für Transport- und Automatisierungstechnik (ITA) der Leibniz Universität Hannover. Er ist geschäftsführender Gesellschafter des Instituts für Integrierte Produktion Hannover gGmbH (IPH) und Vorstand des Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH). Seit 2004 ist er Mitglied der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Technische Logistik, seit 2006 im wissenschaftlichen Beirat der Bundesvereinigung Logistik (BVL) und seit 2011 Mitglied der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Lasertechnik (WLT). Seine Arbeitsgebiete umfassen Themen der Transporttechnik, Automatisierungstechnik sowie der Auf-

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bau- und Verbindungstechnik mit dem Schwerpunkt Lasertechnologie. Professor Dr.-Ing. habil. Oldrich Polach, selbständiger Berater und Gutachter, von 2001 bis 2016 in leitenden Positionen im Fachbereich Dynamik des Geschäftsbereichs Drehgestelle in Bombardier Transportation, Winterthur, Schweiz. Honorarprofessor am Fachgebiet Schienenfahrzeuge des Instituts für Land- und Seeverkehr der Technischen Universität Berlin, Privatdozent an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, Gutachter für die Prüfung von Fahrzeugen anerkannt vom Eisenbahn-Bundesamt, Mitglied des Überwachungsausschusses des Internationalen Verbands für Systemdynamik der Fahrzeuge (IAVSD) und Mitglied der Redaktionsbeiräte mehrerer internationalen Zeitschriften. Philipp Rostalski Nach dem Studium der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik an der TU Hamburg-Harburg Promotion am Institut für Automatik der ETH Zürich im Jahr 2009. Während dieser Zeit zahlreiche Gastaufenthalte als eingeladener Wissenschaftler, unter anderem in Cambridge, Minneapolis und Amsterdam. Von 2009–2011 Stipendiat der Alexander von Humboldt Stiftung an der University of California, Berkeley. Nach einer Industrietätigkeit in der Research Unit der Drägerwerk AG & Co. KGaA in Lübeck seit 2015 Leiter des Instituts für Medizinische Elektrotechnik der Universität zu Lübeck. Forschungsinteressen liegen auf dem Gebiet der Signalverarbeitung und Regelungstechnik im Bereich der Medizintechnik. Martin Ryschka Physikstudium zum DiplomPhysiker im Jahr 1979 und 1982 Promotion am Institut für Experimentalphysik der Universität Kiel. Von 1982 bis 1994 Industrietätigkeit in der Entwicklung von Medizingeräten. Von 1994 bis 2011 geschäftsführender Gesellschafter der CogniMed GmbH. Seit 1995 Professor an der Technischen Hochschule Lübeck mit den Lehrgebieten analoge und digitale Elektronik, Medizintechnik sowie Medizinelektronik. Mitglied im TANDEM Kompetenzzentrum Medizintechnik der Universität Lübeck und der Technischen Hochschule Lübeck.

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Sylvia Schädlich 1982–1988: Studium des Maschinenbaus an der Universität GH Essen, 1988 Promotion zum Dr.-Ing. an der Universität GH Essen, 1988 - 2004 erst Wissenschaftliche Mitarbeiterin, dann Wissenschaftliche Assistentin am Institut für Angewandte Thermodynamik und Klimatechnik der Universität Essen, seit 1999 Vizepräsidentin des Verbandes für Wärmelieferung (www.energiecontracting.de), seit 2006 Geschäftsführerin des Institutes für Energie-, Kälteund Klimatechnik GmbH (www.inekk.de), seit 2014 Professorin für Angewandte Thermodynamik der Hochschule RuhrWest am Campus Bottrop, u. a. Mitglied der Fachkommission des Fachverbandes Gebäude-Klima e.V., Mitglied in Normausschüssen, Herausgeberin von Fachbüchern sowie Autorin zahlreicher Fachartikel. Volker Schindler studierte Physik an der Technischen Universität München, schloss dort ein Arbeits- und Wirtschaftswissenschaftliches Aufbaustudium ab und wurde zum Dr. rer. nat. promoviert. Danach war er bei der KWU AG und seit 1983 bei der BMW AG in unterschiedlichen Funktionen des technischen Managements tätig. Seit 2000 war er Professor für das Fachgebiet Kraftfahrzeuge an der Technischen Universität Berlin, 2014 wurde er pensioniert. Seine Arbeitsschwerpunkte betreffen Gesamtfahrzeuge, Fahrzeugsicherheit, Energie und Verkehr, Entwicklungsprozesse in der Automobilindustrie. 2001–2002 war er Mitglied der Enquete-Kommission des Deutschen Bundestages „Nachhaltige Energieversorgung unter den Bedingungen der Globalisierung und der Liberalisierung“. Er gehörte dem Wissenschaftlichen Beirat beim Bundesminister für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung an und ist Honorarprofessor der Dalian University of Technology.

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Udo Schlemmer-Kelling studierte Maschinebau an der Universität von Braunschweig. Von 1981 bis 2012 war er bei der Krupp MaK GmbH (später in Caterpillar Motoren GmbH) in Kiel angestellt. In den Jahren 1998/1999 wechselte er zum Caterpillar Stammwerk in Lafayette (USA). Zuletzt war er Engineering Manager in Kiel für den Bereich New Technology Introduction. Seit 2012 ist er bei der FEV GmbH in Aachen und mit der Fachleitung für den Bereich Technologie in der Business Unit Commercial Engines betraut. Im Jahre 2002 promovierte er an der Universität von Rostock. Er hatte verschiedene Lehraufträge an der Fachhochschule in Kiel und der Universität Rostock. Im Jahre 2008 wurde ihm die Umweltnadel des Landes Schleswig Holstein für die maßgebliche Entwicklung des Low Emission Motors verliehen. 2020 Emeritierung. Professor Dr. Thorsten Schmidt führt seit 2008 die Professur für Technische Logistik an der Technischen Universität Dresden. Er studierte Maschinenbau mit Schwerpunkt Maschinentechnik an der Universität Dortmund 1987–1994 und Industrial Engineering am Georgia Institute of Technology, Atlanta, 1991–1992. Nach dem Studium war er als wissenschaftlicher Mitarbeiter, später als Oberingenieur am Lehrstuhl für Förderund Lagerwesen der Universität Dortmund und als Abteilungsleiter Maschinen und Anlagen am Fraunhofer Institut für Materialfluss und Logistik in Dortmund tätig. Seine Tätigkeitsschwerpunkte liegen in der Entwicklung und Gestaltung innerbetrieblicher Produktions- und Logistiksysteme und der Entwicklung und Optimierung technischer Gewerke für die innerbetriebliche Materialflussund Handhabungstechnik. Er ist Vizepräsident der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Technische Logistik und Editor-in-Chief für das Logistics Research Journal.

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Stephan Scholl 1979 bis 1985 Studium Maschinenbau/Verfahrenstechnik an der TU München, 1985 bis 1991 Promotion bei Prof. Mersmann/TU München auf dem Gebiet der Gasphasenadsorption. 1992 bis 2002 Entwicklungsingenieur und Gruppenleiter bei BASF AG, Ludwigshafen. Seit 2002 Direktor und Geschäftsführender Leiter des Instituts für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik an der TU Braunschweig. Forschungsschwerpunkte auf den Gebieten Fouling und Reinigung, innovative Apparate- und Anlagentechnik, biotechnologische und pharmazeutische Verfahren sowie nachhaltige Produktionstechnologien. Jan Scholten 2001 Promotion zur „Beanspruchungsermittlung wartungsfreier Gelenklager“, anschließend zunächst Entwicklungsleiter, heute Geschäftsführer des IBAF – Institut für Baumaschinen, Antriebs- und Fördertechnik GmbH, Bochum. 2002 zunächst Juniorprofessor, heute apl. Professor Baumaschinentechnik. Parallel von 2003–2006 Leiter des Lehrstuhls für Maschinenelemente und Fördertechnik. Forschung im Bereich Produktverifikation: Entwicklung von Methoden und Werkzeugen zur Modellierung, Simulation und Evaluierung des Produktverhaltens in der Nutzungsphase; virtuelle Schädigungssimulation; Modellierung tribomechanischer Systeme; Akustische Simulation. Peter Schouwink schloss sein Studium der Physik 1999 in Münster ab und promovierte 2002 am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Physikalischer Chemie. Seit 2002 ist er bei Olympus Surgical Technologies Europe in Hamburg tätig. Hier verantwortet er die Bereiche Optik- und Mechanik-Entwicklung für starre medizinische Endoskope.

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Jörg Schwedes† Nach einem Studium in Maschinenbau/Verfahrenstechnik promovierte Jörg Schwedes mit einer Arbeit über das Scherverhalten kohäsiver Schüttgüter bei Hans Rumpf an der Universität Karlsruhe. Von 1971 bis 1976 war er Leiter einer Forschungs- und Entwicklungsgruppe über Mechanische Verfahrenstechnik bei der Bayer AG in Leverkusen. 1976 wurde er zum Professor und Leiter des Instituts für Mechanische Verfahrenstechnik an der TU Braunschweig ernannt, wo er bis zu seiner Emeritierung 2005 blieb. Seine Hauptforschungsgebiete waren die Schüttguttechnik und das Zerkleinern. Er betrieb mit D. Schulze ein Ingenieurbüro zur Schüttguttechnik. Professor Andreas Seidel-Morgenstern erwarb 1987 seinen Doktortitel an der Akademie der Wissenschaften in Berlin. Zwischen 1991 und 1992 arbeitete er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Tennessee. Seit 1995 ist er Professor für Chemische Verfahrenstechnik an der Otto-vonGuericke-Universität Magdeburg. Er wurde 2002 zum Direktor am Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg berufen. Seine Forschungsschwerpunkte sind Reaktionstechnik, heterogene Katalyse und Trennprozesse. Jörg Seume, Jahrgang 1958, erhielt seinen MS an der University of Wisconsin, Madison, und promovierte 1988 an der University of Minnesota, Minneapolis/USA. Nach zwei Jahren industrieller Tätigkeit in den USA und neun Jahren in der Erprobung und Entwicklung stationärer Gasturbinen in Mülheim und Berlin wurde er 2000 auf die Professur für thermische Turbomaschinen und Strömungsmechanik an der Leibniz Universität Hannover berufen. Dort lehrt und forscht er auf den Gebieten der Aerodynamik, Aeroelastik und Aeroakustik der thermischen Turbomaschinen und der Windenergieanlagen.

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Eckehard Specht, Jahrgang 1952, Studium der Verfahrenstechnik an der TU Clausthal, Habilitation in Hochtemperaturverfahrenstechnik. Seit 1993 C4-Professor an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. Die Forschungsgebiete sind Analyse, Modellierung und Simulation von thermischen Prozessen in Industrieöfen. Berufenes Mitglied in mehreren Ausschüssen der Industrie. 2000 Ludwig Mond Preis der englischen Ingenieurkammer. Er ist Vorsitzender der Gutachtergruppe Verfahrens- und Energietechnik der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF). Folker Spitzenberger ist Diplom-Chemiker und promovierte an der Universität Heidelberg zum Dr. sc. hum. im Bereich der Molekularbiologie. Nach Postdoc-Tätigkeiten an der Medizinischen Fakultät der Universität Dresden und an der Yale University war er von 2002–2016 hauptamtlich im Bereich der Begutachtung und Implementierung von Qualitätssicherungssystemen im Bereich Medizinprodukte bei der Zentralstelle der Länder für Gesundheitsschutz – ZLG, am Robert KochInstitut – RKI und bei der Deutschen Akkreditierungsstelle – DAkkS tätig. Mit der zusätzlichen Qualifikation als Master of Drug Regulatory Affairs berät er internationale Organisationen wie die WHO und die EU im Bereich QM/QS und Regulatory Affairs. Seit 2016 vertritt Folker Spitzenberger das Fachgebiet Regulatory Affairs für Medizinprodukte an der Technischen Hochschule Lübeck. Harald Stricker Maschinenbaustudium/Strömungsmaschinen an der TU Berlin bis 1991, danach Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen der TU Berlin. Promotion 1996 (Axiale Laufräder für Kreiselpumpen, Schiffspropeller und Rührwerke). Seit 1996 in der Turbomaschinen-Industrie: Mitarbeiter der MAN Diesel & Turbo SE (ehemals GHH BORSIG), zunächst als Berechnungsingenieur, dann Leiter Berechnung und Entwicklung. 2003 Leiter Engineering (Berechnung, Entwicklung, Konstruktion, Anlagen- und MSR-Technik) am Standort Berlin. Seit 2015 gesamtverantwort-

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lich für das Engineering Turbomachinery und Turbocharger der MAN Diesel & Turbo SE. Professor Dr.-Ing. Paul Uwe Thamsen studierte Maschinenbau an der Technischen Universität Braunschweig und forschte am Pfleiderer-Institut für Strömungsmaschinen. Danach wirkte er in verschiedenen technischen Management-Positionen bei der Pleuger Worthington GmbH in Hamburg, einer Firma der Flowserve Corporation. Seit November 2003 ist er Professor an der TU Berlin, Fachgebiet Fluidsystemdynamik – Strömungstechnik in Maschinen und Anlagen. 2011– 2014 war er erster Vize-Präsident der TU Berlin. Seit 2017 lehrt er als Gast-Professor an der NTNU in Trondheim (Norwegen). Zudem wirkt er in verschiedenen Arbeitsgruppen der Fachverbände VDMA und DWA. Helmut Tschöke Dr.-Ing. Dr. h. c., Universitätsprofessor für Kolbenmaschinen an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg bis 31.3.2011. Forschungsschwerpunkte waren: Gemischbildungsvorgänge bei Otto- und Dieselmotoren, der Einsatz alternativer Kraftstoffe sowie Motorakustik und Hochdruck-Einspritztechnik, des Weiteren die Abgasnachbehandlung, insbesondere Rußpartikelfilterung. Sprecher des Forschungsschwerpunktes „Automotive“ an der OVGU und Projektleiter des Instituts für Kompetenz in AutoMobilität (IKAM) bis zur Emeritierung. Langjährige Erfahrung in der Automobilzulieferindustrie in Vorentwicklung, Entwicklung und Fertigung von Hochdruckeinspritzsystemen für Dieselmotoren. Fünf Jahre Vorstandsmitglied der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Fahrzeug- und Motortechnik e.V. (WKM). Von 2003 bis 2018 Vorsitzender des Gesellschaftervereins der WTZ gGmbH Dessau-Roßlau. Beratung und Weiterbildung für die Industrie.

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Professor Rudolf Voit-Nitschmann lehrte an der Universität Stuttgart von 1994 bis 2013. Seine langjährige Karriere in der Luftfahrt umfasst die Entwicklung von Leichtflugzeugen (Speed Canard, Solarflugzeug icaré, Elektroflugzeug e-Genius) bis zu Entwicklungserfahrungen komplexer Flugzeuge wie beispielsweise Dornier 328 und A 600 ST Beluga. Sein Hauptinteresse in der Forschung liegt auf den Gebieten Entwurf von Flugzeugen, insbesondere Entwurf von unkonventionellen Konfigurationen und Elektroflugzeugen. Weiterhin ist er Gründer und war bis Mitte 2018 geschäftsführender Gesellschafter der Steinbeis Flugzeug- und Leichtbau GmbH (SFL-GmbH), Stuttgart, die Dienstleistungen für die Luftfahrtindustrie anbietet. Professor Hermann-Josef Wagner studierte Elektrotechnik an der RWTH Aachen und promovierte dort in der Fakultät Maschinenbau. Nach Arbeiten am Deutschen Bundestag war er Leiter der „Systemanalyse und Technologische Entwicklung“ im Forschungszentrum Jülich. Die Gerhard-Mercator-Universität Duisburg ernannte ihn zum Honorarprofessor. Bevor er 2001 zur Ruhr-Universität Bochum wechselte hatte er Professuren an der Technischen Universität Berlin und der Universität Essen inne. Schwerpunkt seiner derzeitigen Arbeitsthemen sind u. a. kumulierte Energieaufwendungen und Ökobilanzen von erneuerbaren Energien sowie Analysen von Einsatzoptionen effizienter und innovativer Technologien. In den Jahren 2000 bis 2005 nahm er den Vorsitz der VDI Gesellschaft für Energietechnik (GET) wahr. Zuvor war er 6 Jahre Mitglied im Vorstand der ETG im Verein Deutscher Elektrotechniker (VDE). In den Jahren 2009 bis 2015 hatte er den Vorsitz der VDI-Gesellschaft „Energie und Umwelt“ (GEU) inne. Die Deutsche Akademie der Wissenschaften LEOPOLDINA nahm ihn im Jahr 2006 auf. Der VDI ehrte ihn mit der Ehrenmedaille und dem Ehrenzeichen. Im Jahre 2010 zeichnete ihn der Bundespräsident der Bundesrepublik Deutschland mit dem Bundesverdienstkreuz am Bande aus.

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Karl-Heinz Wehking, Jahrgang 1954, studierte Maschinenbau an der Universität Dortmund (1976–1982). Promotion zum Dr.-Ing., Universität Dortmund (1986). Oberingenieur am Institut für Förder- und Lagerwesen der Uni Dortmund und Abteilungsleiter am Fraunhofer Institut Dortmund (1986–1989). Gründung und Aufbau der Firma Logistiktechnologie Ingenieur- und Consultingbüro in Dortmund (1989–1995). Seit 01.09.1995 Ordentlicher Universitätsprofessor und Direktor am Institut für Fördertechnik und Logistik der Universität Stuttgart. 2000 bis 2003 Prorektor der Universität Stuttgart für den Bereich Forschung und Technologie. Seit 2000 Mitglied des Managementkomitees der OIPEEC (Organisation internationale pour l’etude de l’endurance des cables). 2004 bis 2013 Präsident der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Technische Logistik (WGTL). 2006 bis 2013 stellvertretender Vorsitzender/Vorsitzender des Intralogistik Netzwerk in Baden-Württemberg e.V. Visiting Professor University of Western Ontario, London, Kanada (2008/2009). Seit 04/2012 Ehrendoktor der Staatlichen Polytechnischen Universität Odessa, Ukraine. Thomas Wucherpfennig 2003–2009 Studium der Biotechnologie an der TU Braunschweig und an der University of Waterloo in Kanada, 2013 Promotion zum Dr.-Ing. am Institut für Bioverfahrenstechnik der TU Braunschweig, 2013–2014 Beschäftigung als Fermentationsingenieur bei Clariant Produkte Deutschland GmbH und als Post-Doc und Gruppenleiter am LOEWE Zentrum für Insektenbiotechnologie in Gießen, 2014–2015 Post-Doc im Bereich Strömungssimulation bei Boehringer Ingelheim, 2015–2016 Projektleiter Upstream Bioprocess Development, seit 2016 Associate Director und seit 2020 Senior Principal Scientist im Bereich Late Stage Bioprocess Development bei Boehringer Ingelheim in Biberach. Expertise: Bioverfahrenstechnik, Bioprozessentwicklung, Zellkulturtechnik, Numerische Strömungssimulation (CFD), Scale-up, Modellierung, Morphologie und Schersensitivität von Mikroorganismen

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Teil I Kolbenmaschinen

Kolbenmaschinen gehören zu den am weitesten verbreiteten Arbeits- und Kraftmaschinen. Ihre Einsatzmöglichkeiten sind nahezu unbegrenzt. Die thermodynamischen und mechanischen Grundlagen für die verschiedenen konstruktiven Ausführungen von Kolbenmaschinen und die Unterschiede zu anderen Verdrängermaschinen werden dargestellt. Hubkolbenpumpen sind erforderlich wenn Drücke von mehreren 100 oder 1000 bar notwendig werden. Sie sind robust auslegbar für die verschiedensten Fluide mit einem weiten Viskositätsbereich. Daneben werden Verdrängerpumpen wie zum Beispiel Membran- oder Drehkolbenpumpen und ihre Eignung für Anwendungen als Dosier- oder Dickstoffpumpen beschrieben. Die Verdichtung von gasförmigen Fluiden ist eine weitere Domäne des Verdrängerprinzips. Auch hier gilt, dass hohe Drücke bevorzugt mit Hubkolben- oder Membranverdichter realisierbar sind. Die besonderen Anforderungen an die Dichtelemente sowie die Regelung des Durchflusses oder Druckes sind weitere Schwerpunkte. Der Verbrennungsmotor nutzt heute praktisch ausschließlich das Hubkolbenprinzip, überwiegend als Viertaktmotor und nur noch in Sonderanwendungen als Zweitaktmotor. Aufgrund der Verfügbarkeit verschiedener Kraftstoffe werden sowohl fremdzündende (Otto) als auch selbstzündende (Diesel) Verbrennungsverfahren eingesetzt. Die Energiewandlung der Kohlenwasserstoffe über die Verbrennung ist jedoch nicht frei von Emissionen, die gesundheitsschädlich und umweltrelevant sind. Die Gesetzgebung verlangt sehr niedrige Schadstoff-Emissionen und mittel- sowie langfristig eine drastische Absenkung der CO2 -Emission in Stufen. Dies führt bereits heute zur verstärkten Einführung von elektrifizierten Antrieben (Hybride, BatterieE-Fahrzeuge und Brennstoffzellen-E-Fahrzeuge). Im Pkw-Bereich werden sich zuerst bei kleinen Fahrzeugen die reinen E-Antriebe einen nennenswerten Marktanteil erobern. Mittel- und Oberklasse werden zunächst überwiegend auf der Basis von Ottomotoren hybridisiert. Für den kommerziellen Anwendungsbereich wie Nfz, Bau- und Landmaschinen, Stationärmotoren sowie für Bahn- und besonders Schiffsantriebe bleibt der Dieselmotor noch auf lange Sicht die erste Wahl. Bei konsequenter Anwendung der verfügbaren Abgasnachbehandlungssysteme kann der Dieselmotor in allen Betriebsbereichen bezüglich der Schadstoffemissionen völlig unkritisch bei niedrigsten CO2 -Emissionen betrieben werden. Neben den bekannten

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Kraftstoffblends mit biogenen Anteilen werden zukünftig auch geeignete synthetische Kraftstoffe aus H2 , CO2 und CH4 zur Verfügung stehen, die dann sowohl das Schadstoff- wie auch das CO2 -Problem lösen. Die Grundlagen der Verbrennungsmotoren und die konkret ausgeführten Motoren aller Anwendungsbereiche, besonders auch für den maritimen Bereich, werden vorgestellt.

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Allgemeine Grundlagen der Kolbenmaschinen Helmut Tschöke und Klaus Mollenhauer

1.1 Definition und Einteilung der Kolbenmaschinen Definition. Kolbenmaschinen sind Fluidenergiemaschinen, die als Arbeitsmaschinen die Energie eines Fluids (Gas, Flüssigkeit) mittels eines Verdrängers (Kolbens) durch Zufuhr mechanischer Energie erhöhen oder als Kraftmaschinen unter Abfuhr mechanischer Energie vermindern. Die gebräuchliche Bezeichnung „Kraftmaschine“ darf nicht wörtlich genommen werden, da nicht Kräfte, wie bei einfachen Maschinen, sondern mechanische Energie als Nutzarbeit We am Abtrieb ansteht. Arbeitsweise. Mit der Bewegung des Verdrängers ändert sich der nach außen dichte Arbeitsraum Va periodisch innerhalb der Volumengrenzen Vmin und Vmax . Man unterscheidet Hubund Rotationskolbenmaschinen, bei letzteren entspricht der Verdränger nicht einem zylindrischen Kolben. Dieser bewegt sich bei Hubkolbenmaschinen (HKM) in einem Zylinder zwischen zwei Endlagen, den Totpunkten, hin und her, siehe Abb. 1.4a. Bei den Rotationskolbenmaschinen (RKM) bewirkt ein rotierender Verdränger das H. Tschöke () Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Magdeburg, Deutschland E-Mail: [email protected] K. Mollenhauer Technische Universität Berlin Berlin, Deutschland E-Mail: [email protected]

Abb. 1.1 Beispiele von Rotationskolbenmaschinen: a außenachsiger Drehkolbenverdichter, Bauart Roots (1848); b innenachsiger Kreiskolbenmotor, Bauart Wankel (1954); c, d drehkolbenartige (Trotter 1805) bzw. kreiskolbenartige Umlaufkolbenmaschinen (Kompressor, Bauart Wittig um 1900)

Verändern des Arbeitsraumes, der relativ zum Verdränger ebenfalls rotieren kann. Es gibt vier RKM-Grundformen, die durch die Schwerpunktlagen von Verdränger und Arbeitsraum gekennzeichnet sind [1], Abb. 1.1. Drehkolbenmaschinen (DKM) sind frei von rotierenden und oszillierenden Massenkräften (Abb. 1.1a), wogegen Kreiskolbenmaschinen (KKM) rotierende Massenkräfte aufweisen, die vollständig ausgeglichen werden können (s. Wankelmotor Abb. 1.1b). Drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschinen (DUKM) und kreiskolbenartige Umlaufkolbenmaschinen (KUKM)

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_1

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besitzen infolge rotierender und oszillierender Bewegung von Verdränger und auch arbeitsraumbildenden Wandteilen freie, nicht auszugleichende Massenkräfte (Abb. 1.1c,d). Letztere sind daher in ihrer Schnelläufigkeit auf niedrige bis mittlere Drehzahlen beschränkt, wogegen sich Kreiskolbenmaschinen und Drehkolbenmaschinen auch für sehr hohe Drehzahlen eignen. Weitere Unterscheidungsmerkmale sind die Lage der Achsen von Verdränger und Arbeitsraum: parallelachsig (überwiegen), winkel- bzw. geschränktachsig sowie innen- oder außenliegend; ferner feste oder nachgiebige Verdränger oder/und Arbeitsraumwände [1]. Die Vielfalt möglicher RKM wird nur bei thermischen oder hydraulischen Arbeitsmaschinen genutzt. Abgesehen vom Wankelmotor (s. Abschn. 4.8.2) als einzige, technisch realisierte KKM als Verbrennungsmotor, sind diese Rotationskolbenmaschinen noch bei Arbeitsmaschinen zu finden.

H. Tschöke und K. Mollenhauer

schine gilt dann VH D z Vh :

(1.3)

Das minimale Arbeitsvolumen entspricht entweder einem konstruktiv bedingten Schadraum V S oder dem vom Arbeitsprozess her erforderlichen Kompressionsvolumen Vc bei Verbrennungsmotoren, wobei V S möglichst klein sein soll. Sofern nicht prozessbedingt erforderlich, wird die vollkommene Maschine als schadraumfrei angenommen.

1.2.1.2

Arbeitsprozesse vollkommener Maschinen

Definition. Folgende Annahmen bestehen für die vollkommene Maschine und die Zustandsänderung des im Arbeitsraum eingeschlossenen Fluids:

1. Quasistatische, also unendlich langsame Zustandsänderungen, um irreversible Aus1.2 Vollkommene und reale gleichsvorgänge zu vermeiden, Kolbenmaschine 2. kein Wärmeaustausch mit den Wänden des Arbeitsraumes, 1.2.1 Die vollkommene Maschine 3. absolut dichter Arbeitsraum, 4. der für periodisch arbeitende Maschinen er1.2.1.1 Der Arbeitsraum forderliche Austausch des Fluids erfolgt ohne Der Arbeitsraum Va ändert sich während eines Zustandsänderung (keine Druck- und TempeArbeitsspieles infolge der Verdrängerbewegung raturänderung) und Masseverlust. innerhalb der Volumengrenzen Vmin und Vmax , sodass gilt Vmin  Va  Vmax bzw. für das maSomit entspricht der Zustand des Fluids vor ximale Arbeitsvolumen VA , Abb. 1.4a Eintritt in die Maschine dem Anfangszustand (Punkt 1 in Abb. 1.2) in der Maschine. Dabei VA D Vmax  Vmin : (1.1) ist für Gase nicht zwingend, dass es sich um Im speziellen Fall der Hubkolbenmaschine ideale Gase handelt. Unter der Annahme, dass entspricht das maximale Arbeitsvolumen dem die Zustandsänderungen im Arbeitsraum erfolvom zylindrischen Kolben mit dem Durchmes- gen, sind abhängig vom Arbeitsmedium und Aufser D bzw. der Kolbenfläche AK über den Hub s gabe der Maschine die in Abb. 1.2 dargestellzwischen den beiden Totpunkten erzeugten Hub- ten p, V-Diagramme charakteristisch für Kolbenvolumen Vh des Zylinders kraft- und -arbeitsmaschinen. Unabhängig von der Bauart, Hub- oder Rotationskolbenmaschine, 2 VA ! Vh D s   D =4 D s AK : (1.2) erfolgen die Zustandsänderungen jeweils inner(Im technischen Sprachgebrauch wird auch halb zweier Druckgrenzen, pmax und pmin , und bei RKM der maximale Arbeitsraum als „Hub- zweier Volumengrenzen des Arbeitsraumes Vmax und Vmin . Bei einigen Ausführungen von Arraum“ bezeichnet.) Für das Hubvolumen einer aus z Einzeltrieb- beitsmaschinen finden die Zustandsänderungen werken gleicher Abmessungen bestehenden Ma- außerhalb des eigentlichen Arbeitsraumes statt.

1

Allgemeine Grundlagen der Kolbenmaschinen

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.1  20  3  4/ der einer Volldampfmaschine entspricht, (1.4) .Wv /max D VA .pmax  pmin / : Verdrängerpumpe (Abb. 1.2c). Ausgehend von Vmin D Vs D 0 füllt sich durch die Volumenzunahme der Arbeitsraum mit einem inkompressiblen Fluid, was bei Umkehr der Bewegungsrichtung selbst bei infinitesimalen Volumenänderungen zu einem isochoren Druckanstieg führt. Die Höhe des Druckes pmax richtet sich nach der Größe der Ausflussöffnung während des Ausschiebens längs der Isobaren p3 D p4 D pmax zur vollständigen Entleerung des Arbeitsraumes, bis sich der Ansaugvorgang längs der Isobaren Abb. 1.2 Vollkommene Fluidenergiemaschinen: pmin D const wiederholt. Die gegen Uhrzeip, V-Diagramme von a Verbrennungsmotor, b Expansi- gersinn (Arbeitsmaschine) laufenden Zustandsonsmaschine, c Verdrängerpumpe und d -kompressor änderungen zeigen an, dass die zum Antrieb der Pumpe erforderliche mechanische Energie Wa Verbrennungsmotor. Nach Abb. 1.2a findet der Arbeit Wv der vollkommenen Maschine entausgehend vom Zustand in Punkt 1 eine isentrope spricht. Kompression durch Verringerung des Arbeitsraumes von Vmax D Vc C Vh auf das Kompressions- Verdrängerkompressor (Abb. 1.2d). Der vollvolumen Vc D Vmin statt, der sich beispielsweise kommene Kompressor (Arbeitsmaschine) sieht eine teils isochore, teils isobare Wärmezufuhr wegen der geringeren Verdichtungsarbeit eine durch innere Verbrennung einer Kraftstoffmasse isotherme Verdichtung von pmin auf pmax vor, mB anschließt. Dadurch steigt der Kompressions- nachdem zuvor der Arbeitsraum VA D Vmax  druck p2 bis auf den maximalen Zylinderdruck Vmin D Vmax verlustfrei längs der Isobaren pmax D p20 D p3 an bzw. das Volumen von pmin D const beim Ansaugen gefüllt wurde. Im Vc auf V 3 . Die im Punkt 3 einsetzende isentrope Punkt 3 wird die Verbindung zum Druckraum auExpansion endet mit dem Erreichen der Volu- ßerhalb des Arbeitsraumes hergestellt, womit die mengrenze Vmax . Durch Wärmeentzug längs der Verdichtung endet und das Ausschieben längs der Isochoren Vmax D V4 D V1 D const schließt sich Isobaren pmax D const bis zur vollständigen Entleerung einsetzt. der Kreisprozess, s. Abschn. 4.2.2. Expansionsmaschine. Bei dieser ebenfalls mit einem Gas, z. B. Druckluft oder Wasserdampf, als Arbeitsmedium arbeitenden Kraftmaschine, Abb. 1.2b, ist die Druckerhöhung auf pmax außerhalb der Maschine vorgenommen worden, sodass im Arbeitsraum zu Beginn des Arbeitsprozesses der Maximaldruck pmax D p1 herrscht. Der damit beaufschlagte Verdränger leistet Arbeit längs einer Isobaren bzw. einer Isentropen, sofern im Punkt 10 die Zufuhr des Arbeitsgases mit dem Druck pmax gestoppt wird. Mit der Lage des Punktes 10 ändert sich die nutzbare Arbeit, wobei die maximal mögliche Arbeit mit der Fläche

1.2.2

Die reale Maschine

1.2.2.1 Energieumsatz Allgemein gilt für die Arbeit Wv der vollkommenen Maschine I I (1.5) Wv D V d p D  p d V : Üblicherweise gilt für Arbeitsmaschinen Wv > 0 bzw. für Kraftmaschinen Wv < 0. Bei vollkommenen Arbeitsmaschinen entspricht Wv der zu deren Antrieb erforderlichen mechani-

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H. Tschöke und K. Mollenhauer

Abb. 1.3 Energieflussdiagramm für Wärmekraftmaschine und Arbeitsmaschine bei direkter Ankopplung

schen Arbeit Wa bzw. bei Kraftmaschinen der Nutzarbeit We als maximale Ausbeute an zugeführter Energie. Die Abweichungen von der vollkommenen Maschine führen zu der inneren (indizierten) Arbeit Wi , die durch das Integral über den realen Druckverlauf ermittelt wird. Die auf dem Weg vom Arbeitsrauminneren über den Verdränger an die nach außen führende Welle – umgekehrt bei Arbeitsmaschinen – auftretenden Triebwerksverluste werden summarisch als Reibarbeit WR zusammengefasst und mindern die abgebbare Nutzarbeit We von Kraftmaschinen bzw. bei Arbeitsmaschinen die Energie Ef des geförderten Fluids. Geht man umgekehrt von dem geförderten Fluid aus, so bedingen die in einer Arbeitsmaschine auftretenden Verluste einen gegenüber der Arbeit der vollkommenen Maschine erhöhten Einsatz an mechanischer Arbeit Wa zum Antrieb der Arbeitsmaschine (Abb. 1.3).

Entsprechend der Güte der Umsetzung des vollkommenen Prozesses in der realen Maschine kann ein Gütegrad definiert werden gK D Wi =Wv :

(1.7)

Entsprechend gilt für die Arbeitsmaschine mit Wi < Wv und Wv D Wa gA D Wi =Wa :

(1.8)

Analog gilt für den mechanischen Wirkungsgrad, der ebenso wie der Gütegrad kein echter Wirkungsgrad ist, mit der an der Kupplung der Kraftmaschine abnehmbaren mechanischen Nutzarbeit We mK D We =Wi D 1  .WR =Wi / :

(1.9)

Der Nutzenergie We entspricht bei Arbeitsmaschinen die Energie Ef der pro Arbeitsspiel geförderten Masse, sodass analog gilt

1.2.2.2 Wirkungsgrade Wirkungsgrade drücken das Verhältnis von NutmA D Ef =Wi : (1.10) zen zu Aufwand aus. Bei Wärmekraftmaschinen entspricht letzterer der gesamten zugeführten Für Wärmekraftmaschinen unter Einschluss Wärme Qzu , z. B. der im Kraftstoff chemisch der Wärmeerzeugung besteht somit folgende gebundenen und verlustlos umgesetzten EnerWirkungsgradkette gie EB . Somit gilt für den Wirkungsgrad der vollkommenen Kraftmaschine analog dem thereK D v gK mK mischen Wirkungsgrad D .Wv =Qzu /.Wi =Wv /.We =Wi / D We =Qzu (1.6) (1.11) v D Wv =Qzu D 1  .Qab =Qzu / :

1

Allgemeine Grundlagen der Kolbenmaschinen

7

und entsprechend lautet der effektive Wirkungs- zifische Arbeit w, z. B. die volumenspezifische Nutzarbeit we in kJ je dm3 Hubraum eines Mograd für Arbeitsmaschinen tors, eA D gA mA D .Wi =Wa /.Ef =Wi / D Ef =Wa : (1.17) we D We =VH : (1.12) Diese Größe beschreibt also die ArbeitsausMassen, Volumina. Das Volumen des Arbeits- beute für einen gegebenen Arbeitsraum. Oftraumes begrenzt die pro Arbeitsspiel geförderte mals wird hierfür noch der Begriff des „mittoder umgesetzte Masse des Fluids. Bei glei- leren effektiven Druckes“ pe mit der Angabe cher Dichte vor Einlass in die Maschine ent- in bar verwendet, der keinem realen Druck entsprechend dem Außenzustand (p0 ; T0 ) und der spricht, sondern eine reine Rechengröße darstellt, Dichte am Beginn des Arbeitsprozesses %1 D s. Abschn. 4.2.3. Für Arbeitsmaschinen ist es üblich, die mas%0 .p1 =p0 /.T0 =T1 / gilt für die Fluidmasse mv in senspezifische Arbeit w 0 in kJ=kg anzugeben, einer vollkommenen Maschine indem man die Antriebsenergie Wa auf die je Ar(1.13) beitsspiel geförderte Masse bezieht: mv D VA %0 : Die in der realen Maschine umgesetzte Masse des Arbeitsmediums ist wegen der Ladungswechselverluste und Undichtheiten kleiner und damit auch die von Arbeitsmaschinen geförderte Masse bzw. bei Kraftmaschinen die Ausbeute an mechanischer Nutzarbeit We pro Arbeitsspiel. Bezieht man die geförderte Masse mf an Fluid auf die der vollkommenen Maschine, Gl. (1.13), so lässt sich ein Liefergrad L definieren

w 0 D Wa =mf D Wa =L VA %0 .kJ=kg/ ; (1.18) die damit mit zunehmenden Verlusten in der Maschine ansteigt.

Leistung und Drehzahl. Definitionsgemäß folgt die Leistung aus der je Zeiteinheit erbrachten Arbeit aufeinander folgender Arbeitsspiele, sodass bei bekannter Arbeitsspielfrequenz na allgemein gilt (1.14) L D mf =mv D mf =.VA %0 / : (1.19) P D W na : Damit beträgt für Arbeitsmaschinen das geSetzt man die Drehzahl der Maschine ins Verförderte Volumen des Mediums bezogen auf Zuhältnis zur Arbeitsspielfrequenz, erhält man das stand .pf ; Tf / am Austritt aus der Maschine Frequenzverhältnis a, das angibt, wie viele Um(1.15) drehungen für ein Arbeitsspiel erforderlich sind. Vf D mf =%f Hierbei ist z. B. zwischen einfach- oder dopbzw. die geförderte Energie Ef infolge der En- peltwirkend (Kompressoren), Zwei- oder Vierthalpieerhöhung des Fluids taktverfahren (Verbrennungsmotoren) zu unterEf D mf .hf  h0 / D L VA %0 .hf  h0 / : (1.16) scheiden. Somit beträgt das auch als „Taktzahl“ bezeichnete Frequenzverhältnis a für Bei Verbrennungsmotoren entspricht die geförderte Masse mf der im Arbeitsraum (Zylinder) einfachwirkende Viertaktmotoren: eingeschlossenen Masse mL an Luft (Dieselmo- a D 2, tor oder Otto-Direkteinspritzer) bzw. an Krafteinfachwirkende Zweitaktmotoren: stoff-Luft-Gemisch (Ottomotor mit äußerer Gea D 1, mischbildung, s. Abschn. 4.4.3): mf D mL C mB . einfachwirkende Kompressoren/Pumpen: Spezifische Arbeit. Bezieht man die an einer a D 1, Kraftmaschine gewonnene Arbeit auf das Ar- doppeltwirkende Kompressoren/Pumpen: beitsraumvolumen, erhält man die volumenspe- a D 0;5.

1

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H. Tschöke und K. Mollenhauer

1.3 Hubkolbenmaschinen 1.3.1 Triebwerksbauarten Hinsichtlich möglicher Rotationskolbenmaschinen wird auf Kap. 2 und 3 verwiesen. Nachfolgend werden nur Hubkolbenmaschinen behandelt. Deren oszillierende Kolbenbewegung beruht auf dem Kurbeltrieb, die Schubkurbel der Getriebelehre (s. Bd. 2, Kap. 16), wobei man Tauchkol-

ben- und Kreuzkopf-Triebwerke unterscheidet, Abb. 1.4. Seltener sind das Taumelscheibentriebwerk, Abb. 1.4d, und der bei Steuer- und Kleinanlagen zu findende Exzenter, Abb. 1.4e. Bei Kolbenpumpen kommt häufig der Nockentrieb zum Einsatz, Abb. 1.4f. Zur mechanischen Kraftübertragung dient bei Tauchkolbenmaschinen ein Pleuel, entspricht bei Kreuzkopfmaschinen der Schubstange, wobei ein Kreuzkopf den Kolben von der Normalkraft FN entlastet.

Vmin

Endlage oberer Totpunkt

Vmax VA Endlage unterer Totpunkt a

c b

d

e

Abb. 1.4 Hubkolbentriebwerke. a, b Tauchkolbentriebwerk, Hauptabmessungen und Massenverteilung; c Kreuzkopf-, d Taumelscheibentriebwerk; e Exzenterantrieb;

f

f Nockenantrieb. 1 Kolben, 2 Pleuel- oder Schubstange, 3 Kurbelwelle, 4 Kolbenstange, 5 Kreuzkopf, 6 Stopfbuchse, 7 Lager, 8 Zahnkranz

1

Allgemeine Grundlagen der Kolbenmaschinen

9

1.3.2 Kinematik des Kurbeltriebs

1

1.3.2.1 Kolbenweg Mit dem Kurbelradius r und der Pleuel- oder Schubstangenlänge l bzw. dem Schubstangenverhältnis s D r= l ist die Kinematik festgelegt, somit der Kolbenweg x, der zwischen dem oberen (OT) und dem unteren Totpunkt (UT) dem Hub s des Kolbens entspricht: s D 2r. Nach Abb. 1.4b folgt mit dem Kurbelwinkel ' (' D 0: Kolben im OT), dem Stangenwinkel ˇ für sin ˇ D s sin ' q

bzw. cos ˇ D weg x D x.'/

1  2s sin2 ' für den Kolben-

x D r.1  cos '/ C l.1  cos ˇ/  Abb. 1.5 Kolbenweg xK , -geschwindigkeit  K , D r 1  cos ' -beschleunigung aK als Funktion des Kurbelwinkels ':    q S D 0 (dünn), S D 1=3 (dick) C 1  1  2s sin2 ' =s : (1.20) Damit folgt aus Gl. (1.20) für die Kolbengeschwindigkeit Wird der Ausdruck unter der Wurzel nach der Taylor’schen Reihe entwickelt, ergibt sich  x D r 1  cos ' C .s =2/ sin2 ' C C

.3s =8/ sin4 ' .5s =16/ sin6 '



C :

D

(1.21)

Näherungswerte xK liefert eine auf die ersten drei Glieder der Gl. (1.21) beschränkte Beziehung   xK D r 1  cos ' C .s =2/ sin2 ' ; (1.22) die für unendlich lange Pleuel, also s ! 0, den Weg für die Schubkurbel beschreibt. Der für s D 1=3 bestehende Fehler von x xK  r=200 nimmt mit abnehmendem s weiter ab, Abb. 1.5.

1.3.2.2 Kolbengeschwindigkeit Mittlere Kolbengeschwindigkeit. Sie folgt aus dem Hub des Kolbens und der Drehzahlfrequenz n D !=2   (1.23) cm D 2 s n ; wobei für die Kreisfrequenz ! gilt ! D d '=d t D 2   n :

dx dx sin.' C ˇ/ D! Dr! dt d' cos ˇ 0

1

sin 2 ' s C B D r ! @sin ' C q A: 2 2 2 1  s sin ' (1.25) Aus Gl. (1.25) folgt unter Beachtung der goniometrischen Gleichungen (s. Bd. 1, Teil I)   D r ! sin '   s 3s 15 5s C C C sin 2 ' 2 8 26   3 s 3 5s C sin 4 '  16 64  3 5s sin 6 '     : C 256 (1.26) Näherungswerte folgen durch Differentiation von Gl. (1.22) K D r !Œsin ' C .s =2/ sin 2 ' ;

(1.27)

wobei die maximale Abweichung   K D (1.24) r !=207 für ein großes s D 1=3 mit kleinerem

10

H. Tschöke und K. Mollenhauer

s abnimmt. Die Kolbengeschwindigkeit wech- 1.3.2.4 Geschränkter Kurbeltrieb selt in den Totpunktlagen das Vorzeichen und Man erhält ihn durch Versatz q des Mittelpunkerreicht ihre Extremwerte max für ˇ  56;5ı s . tes des Kurbeltriebs gegenüber der Zylinderachse um wenige Millimeter (˙). Neben einer 1.3.2.3 Kolbenbeschleunigung geringfügigen niedrigeren Motor-Bauhöhe verlaAus Gl. (1.25) folgt durch Differentiation gert sich der Anlagewechsel des Kolbens (Möglichkeit zur Geräuschverminderung). Ferner ist d der Bewegungsablauf nicht mehr symmetrisch aD! d' mit Rückwirkungen auf Kräfte und Momente.   2 cos cos.' C ˇ/ ' sin ˇ Entsprechend den Bezeichnungen für den normaC D r !2 len Kurbeltrieb (Abb. 1.4b) folgt mit den Angacos ˇ sin ' cos3 ˇ 2 3 ben in Abb. 1.6 für den Kolbenweg 4 2 cos 2 ' C  sin ' p 6 7 s D r ! 2 4cos ' C s q 5: x D .l C r/2  q 2  l cos ˇ C r cos ' .1  2s sin2 '/3 (1.28) und den Hub p p Die harmonische Analyse der Beschleunigung s D .l C r/2  q 2  .l  r/2  q 2 : ergibt aus Gl. (1.26) nach Differentiation  Die Geschwindigkeit und die Beschleunigung 2 folgen aus der Gl. (1.25) und (1.28), wobei aber a D r ! cos ' für den Winkel ˇ gilt: sin ˇ D .q C r sin '/= l.   3s 15 5s Beim geschränkten Kurbeltrieb ist der BeweC cos 2 ' C s C 4 128 gungsablauf (Abb. 1.6) nicht mehr zum Kur  3 belwinkel ' D 180ı symmetrisch. Bei der in s 3 5s C cos 4 '  Abb. 1.6 gezeigten Anordnung wird bei der Ab4 16  wärtsbewegung des Kolbens der Hub schneller 9 5s cos 6 ' ˙    : C durchlaufen. Hierbei sind also die Geschwindig128 (1.29) keiten und Beschleunigungen und damit auch die Näherungswerte der Kolbenbeschleunigung Kräfte und Momente am größten. beschreibt nach Differentiation von Gl. (1.27) aK D r ! 2 .cos ' C s cos 2 '/

(1.30)

mit einer Abweichung a  aK D r ! 2 =50 für großes s D 1=3, die mit abnehmendem s geringer wird. Verlauf (Abb. 1.5). Im OT .' D 0ı , ˇ D 0ı / bzw. UT .' D 180ı , ˇ D 0ı / betragen die exakten Werte der Beschleunigung aK; OT D r ! 2 .1 C s / ; aK; UT D r ! 2 .1  s / :

(1.31)

Ist aK; OT stets das Maximum, so ist aK; UT nur das Minimum für s  1=4. Für s > Abb. 1.6 Geschränkter Kurbeltrieb: a Anordnung, b Be1=4 existieren symmetrisch zu UT zwei Minima wegungsablauf über Kolbenweg für Exzentrizität q (voll) jaKmin j < jaK; UT j. und q D 0 (gestrichelt)

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Allgemeine Grundlagen der Kolbenmaschinen

Bei Versetzung des Kolbenbolzens aus der Mittenachse spricht man von Bolzendesachsierung. Sie ist kinematisch ähnlich der Schränkung (Richtung der Schränkung und Richtung der Kolbenbolzendesachsierung wirken jeweils umgekehrt), jedoch kleiner im Betrag und kann die Kolbensekundärbewegung günstig beeinflussen.

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1.3.3.2 Massenkräfte

1

Rotierende Massenkräfte. Die Triebwerksmassen vollführen teils rotierende, teils oszillierende Bewegungen. Bei Annahme der Konzentration aller rotierenden Massen mr im Kurbelzapfenmittelpunkt, Abb. 1.4b, laufen die Fliehkräfte Fr D mr r ! 2

(1.34)

mit dem Kurbelwinkel um und wirken in Kurbelrichtung. Zwei um 180ı an den Kurbelwangen versetzt angebrachte Gegenmassen mG D 0;5 mr r=rG ermöglichen den Ausgleich der 1.3.3.1 Fluidkräfte Infolge der periodischen Bewegung des Verdrän- rotierenden Massenkraft, Abb. 1.7b (s. Bd. 1, gers ändert sich der Zustand des im Arbeitsraum Abschn. 46.2). eingeschlossenen Fluids während des Arbeitsprozesses mit der Arbeitsspielfrequenz na bzw. der Oszillierende Massenkräfte. Mit der KolbenPeriode Ta D 1=na, wodurch Triebwerk und beschleunigung a folgt für die oszillierende MasArbeitsraum durch wechselnde Drücke und Tem- senkraft aller oszillierenden Massen, deren geperaturen beansprucht werden. Mit dem Druck meinsamer Schwerpunkt sich in der KolbenbolpZ im Zylinder (Arbeitsraum) und dem Umge- zenachse befindet, bungsdruck po wird der einfachwirkende Kolben (1.35) Fo D a mo : mit Mit Gl. (1.29) ergeben sich entsprechend dem (1.32) FZ D ŒpZ .'/  po  AK Vielfachen des Kurbelwinkels ' Kräfte I., II. und belastet, ebenso der Zylinderdeckel. Damit be- höherer Ordnung, die periodisch in Zylinderachsteht ein geschlossener Kraftfluss, der vom Kol- se entgegen der Kolbenbewegung wirken, ben über den Kurbeltrieb zu den Lagern im n n X X 2 Motorgestell führt bzw. vom Zylinderdeckel über f .s / cos k ' D Fk ; Fo D mo r ! die Zylinderkopfschrauben und die Gehäusewand kD1 kD1 ebenfalls in das Motorgestell, sodass die Gehäuk D 1; 2; 4; 6; 8; : : : ; nI sewand auf Zug beansprucht wird. Entlastung des FI D mo r ! 2 cos ' I aus GG oder Aluminiumguss bestehenden Ge  3s 15 5s häuses erreicht man durch Zuganker, die das Ge2 FII D mo r ! s C C cos 2 ' I 4 128 häuse auf Druck vorbelasten (Gehäuse von Groß  3 dieselmotoren, s. Abschn. 4.8.4). Kreuzkopf3 5s 2 s D m r ! C cos 4 ' I F IV o triebwerke ermöglichen bei Einbau von Stopf4 16 buchsen (6), Abb. 1.4c, die doppeltwirkende Bau9 5s art, bei der auch die Kolbenunterseite am Arbeitsmo r ! 2 cos 6 ' : FVI D 128 prozess teilnimmt, sodass der hier herrschende (1.36) Druck pZu > po ist. Mit Berücksichtigung Hinreichend genaue Werte erhält man mit aK , des Kolbenstangenquerschnittes ASt gilt für die Gl. (1.30), Fluidkraft am Kolben Fo D FI C FII mit FZ D FZ .'/ FI D mo r ! 2 cos ' D FI cos ' ;

1.3.3 Kräfte am Kurbeltrieb

D ŒpZ .'/  pZu .'/ AK C ŒpZu .'/  po  ASt :

(1.33)

FII D s mo r ! 2 cos 2 ' D FII cos 2 ' (1.37)

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H. Tschöke und K. Mollenhauer

Abb. 1.7 Verteilung von Massen (a) und Gegenmassen (b)

mit den mit ' bzw. 2 ' umlaufenden Vektoren F I D mo r ! 2

Abb. 1.8 Oszillierende Massenkräfte I. und II. Ordnung. a Vektor-, b Zeitdiagramm

und FII D s mo r ! 2 : (1.38) Anteil

Ihre Projektionen auf die Zylinderachse entsprechen den Kräften FI und FII , Gl. (1.37) (Abb. 1.8a). Die Abweichungen dieser Näherungswerte beträgt für s D 1=3, ' D 0 zwar nur 0,46 %, dennoch sind die genauen Werte, Gl. (1.36), bei Resonanzen schwach gedämpfter Schwingungen bedeutsam. Mit den Extremwerten ˙ FI für FI bei ' D 0ı (OT) bzw. ' D 180ı (UT) sowie ˙ FII für FII bei ' D 0ı , 90ı , 180ı , 270ı und 360ı erreicht die oszillierende Massenkraft Fo das Maximum FI C FII im OT und den Wert FI  FII im UT, der für s < 1=3;8 auch das Minimum ist. Dabei besteht für die oszillierenden Massenkräfte kein geschlossener Kraftfluss, sodass über die Lagerung der Kurbelwelle im Gehäuse die Maschinenlagerung einer Wechselbeanspruchung unterliegt.

1.3.3.3 Massen

mP; r D mP .l  rP /= l;

mP; o D mP rP = l ; (1.40) wobei in 1. Näherung für übliche Pleuel mit s  1=4 gilt mP; o  mP =3 bzw. mP; r  .2=3/mP . Oszillierende Massen. Hierzu zählen die Kolbenmasse mK einschließlich der Kolbenringe, Kolbenbolzen und evtl. Kühlmittelinhalt, bei Kreuzkopftriebwerken sind die Massen von Kreuzkopf mKK und Kolbenstange mKS zu berücksichtigen, ferner in beiden Fällen der oszillierende Anteil der Pleuel- oder Schubstange mP; o . Kräfte am Triebwerk. Unter Vernachlässigung von Reibkräften ergibt die Superposition von Fluid- und Massenkräften die Kolbenkraft FK mit Wirkrichtung in Zylinderachse (Vorzeichen abhängig von Wirkrichtung beachten), Abb. 1.10, FK D FZ C Fo :

(1.41)

Bei Aufnahme der Kolbenkraft im KolbenbolRotierende Massen. Hierzu zählen die Massen zen, Abb. 1.9a, erfolgt eine Zerlegung in Stanvon Kurbelzapfen mZ und Kurbelwange mW regenkraft FS und Normalkraft FN , welche die duziert auf Kurbelzapfenmitte: mW; red D mW  Führung des Kolbens übernimmt, rW =r (rW : Schwerpunktabstand) sowie der rotierende Anteil der Pleuelmasse mP; r FS D FK = cos ˇ; FN D FK tan ˇ : (1.42) mr D mP; r C mZ C mW; red :

(1.39) Am Kurbelzapfen kann die Stangenkraft in eine Radial- bzw. Tangentialkomponente zerlegt werBei bekanntem Schwerpunktabstand rP den von der Mittelachse des großen Pleuelauges FR DFK cos.' C ˇ/= cos ˇ; (Abb. 1.7a) gilt für die Aufteilung der PleuelFT DFK sin.' C ˇ/= cos ˇ: (1.43) masse mP in einen rotierenden und oszillierenden

1

Allgemeine Grundlagen der Kolbenmaschinen

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1

Abb. 1.9 Kräfte am a Triebwerk, b Gehäuse, c an Einzelteilen

Die allgemeine Abhängigkeit der Kolbenkraft und aller davon abgeleiteten Kräfte von der Kurbelstellung ' bedingt ein wechselndes Drehmoment während eines Arbeitsspieles, das sich einem mittleren Drehmoment überlagert und eine ungleichmäßige Drehung zur Folge hat, ausgedrückt durch den Ungleichförmigkeitsgrad ım D 2.!max  !min /=.!max C !min / : (1.45) Das Gehäuse nimmt die Triebwerkskräfte auf, indem die Fluidkräfte und die Normalkraft FN am Zylinder bzw. an der Gleitbahn des Kreuzkopfes angreifen, Abb. q 1.9b. Das Grundlager nimmt die

Kraft FS D FK2 C FN2 , Gln. (1.41) und (1.42) auf, zusätzlich zu Fr , Gl. (1.34), die nicht in FR enthalten ist. In der Zylinderachse steht der Kraft FZ am Deckel nur die Kraft FK gegenüber, sodass für den Erhalt des Gleichgewichts das Fundament die restlichen Massenkräfte Fo aufnehmen muss. Ebenfalls von den Fundamentschrauben aufgenommen wird das Moment Md D FN z D FT r. Dieses Reaktionsmoment kann bei pendelnd gelagerten Generatoren/Motoren zur Drehmomentmessung verwendet werden. Abb. 1.10 Verlauf von Gaskraft FZ , oszillierender Massenkraft Fo , Kolbenkraft FK , Normal- FN und Tangentialkraft FT bei Vollast (a) .Pe D 115 kW bei 5800 min1 / und Teillast (b) (n D 2000 min1 ) eines aufgeladenen Pkw-Ottomotors

1.3.3.4 Kräfte an Triebwerksteilen und Lagern

Aus Kurbelarm und Tangentialkraft folgt das Kolben. Mit den Kräften FZ und FK; o D mK aK momentane Drehmoment Md an der Welle, wo- in Zylinderachse folgt für die am Bolzen angreibei Kraftrichtung und Drehsinn übereinstimmen, fende Kraft FB als Resultierende q D .FZ  FK;o /2 C FN2 : (1.46) F (1.44) Md D FT r : B

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H. Tschöke und K. Mollenhauer

Pleuelstange. Am oberen Pleuelauge entspricht die Kraft FB der in die Pleuelstange eingeleiteten Pleuelstangenkraft FPS D FB . Bezogen auf die Stange und das große Auge bzw. den Kurbelzapfen ist zusätzlich der oszillierende Anteil der Pleuelmasse FP; o zu berücksichtigen, sodass die Lagerkraft FKL am Kurbelzapfen der Stangenkraft FS , Gl. (1.42), entspricht, ergänzt um die rotierende Massenkraft FP; r des Pleuels, die mit der rotierenden Masse mP; r , Gl. (1.40), analog zu Gl. (1.34) bestimmt werden kann, q 2 : (1.47) FKL D FS2 C FP;r Kurbelwelle. Dieser Belastung am unteren Pleuelauge bzw. am Kurbelzapfen entspricht eine Reaktionskraft am Wellenzapfen. Hinzu kommen die rotierenden Massenkräfte von Wange und Kurbelzapfen FKW; r , sodass für die Kraft FM , die sich auf die benachbarten Grundlager verteilt, gilt q 2 2 C FKW;r : (1.48) FM D FKL Entsprechend sind für die Gesamtlagerkraft Abb. 1.11 Kurbelwellenbauarten von Zweizylindermaeines Grundlagers die aus den jeweils benachbar- schinen ten Kröpfungen herrührenden Kräfte zu berückBei V-Motoren laufen zwei (oder mehr bei Fäsichtigen. chermaschinen) um  in Längsrichtung versetzte Pleuel auf einer Kröpfung und bedingen einen 1.4 Elemente der Kolbenmaschine Versatz der Zylinderreihen, sofern keine Anlenk- oder Gabelpleuel verwendet werden. Die 1.4.1 Kurbeltrieb Motor-Baulänge kann durch Verwendung von meist in Wälzlagern 6 gelagerten Scheibenkur1.4.1.1 Kurbelwellen belwellen deutlich verkürzt werden (Abb. 1.11c), Wie auch bei den übrigen Bauteilen ist die Aus- da Wellenzapfen und Wangen zusammenfallen. führung von Baugröße, Arbeitsverfahren, Medi- Kröpfungen mit angesetzten Hubzapfen für unum, Verwendungszweck etc. abhängig. Grund- terschiedliche Hübe findet man an Motorkomsätzlich besteht die Kurbelwelle (Abb. 1.11a) aus pressoren (Abb. 1.11d), Stirnkurbeln bei kleinen, den Kröpfungen mit den in Grundlagern laufen- schnellaufenden Kompressoren (Abb. 1.11e). Sie den Wellenzapfen 1, dem Kurbel(Hub)zapfen 2, verlangen wegen der fliegenden Lagerung eine den verbindenden Wangen 3 mit daran befind- stark ausgebildete Wange und zwei Grundlager. lichen Gegenmassen 4 und dem Flansch 5. Die Kleinere Kurbelwellen werden aus VergüZylinderabstände aZ  (1,2 . . . 1,6) D (D Kol- tungsstahl im Gesenk, große Abmessungen freibendurchmesser) sind bei homogenen Triebwer- form geschmiedet. Großdieselmotoren verwenken gleich, ebenso die Triebwerksmassen. Üblich den halb-gebaute (Kurbelkröpfungen mit Wellensind (z C1) Grundlager, kleinere, gering belastete zapfen durch Schrumpfen oder Schweißen verMaschinen mit geraden Zylinderzahlen kommen bunden) oder ganz-gebaute Kurbelwellen (Welauch mit 1 C .z=2/ Lagern aus, wenn Dop- len- und Kurbelzapfen über Wangen verbunden). pelkröpfungen vorgesehen werden (Abb. 1.11b). Vorzugsweise bei Pkw-Motoren verwendete ge-

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Allgemeine Grundlagen der Kolbenmaschinen

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Abb. 1.12 Pleuelstangen

gossene Kurbelwellen aus Sphäro-Grauguss gleichen die geringere Festigkeit durch beanspruchungsgerechte Formgebung aus, Abb. 1.11b.

1.4.1.2 Pleuel-, Schubstange Die Pleuelstange verbindet den Kolben bzw. den Kreuzkopf (als Schubstange) mit dem Kurbelzapfen der Kurbelwelle und besteht aus Schaft 2 (Abb. 1.12a), oberem (kleinem) und unterem (großem) Pleuelauge 1, 3. Neben gesenkgeschmiedeten (Vergütungsstahl) und gegossenen (Grau-, Temperguss, Leichtmetall) Pleuelstangen wird auch die Pulvermetallurgie zur Herstellung eingesetzt, wobei sich das Teilen des großen Auges durch Bruchtrennen („Cracken“), selbst bei Stahlpleuel, durchgesetzt hat [2]. Ungeteilte Pleuel (Abb. 1.12a) findet man nur bei Stirnkurbeln oder gebauten Kurbelwellen in kleinen Zweitaktmotoren, gerade oder schräg geteilte Pleuelköpfe überwiegen (Abb. 1.12b,c), wobei letztere den Ausbau durch die Laufbuchse nach oben auch bei verstärktem Pleuelauge erlauben (s. Abschn. 4.8.3). Eine Gabelung des oberen Pleuelauges kommt bei Kreuzkopf-, des unteren (selten) bei V-Maschinen vor (Abb. 1.12d). 1.4.1.3 Kolben Werkstoffe. Um die Massenkräfte klein zu halten, verwendet man Leichtmetall-Kolbenlegierungen (Al mit Cu-, Si-, Mg- und Ni-Zusätzen, s. Bd. 1, Abschn. 30.2), seltener Grauguss und Stahl; Stahl oder Stahlguss als Vollstahlkolben oder auch als Oberteil gebauter Kolben (s. Abschn. 4.8.3) oder für Plungerkolben. Die Reibpaarung Leichtmetall-Grauguss besitzt günstige (Not-)Laufeigenschaften. Neben der Kraftübertragung führt der Kolben Wärme

Abb. 1.13 Kolben-Bauarten

über die Kolbenringe ab, bei Verbrennungsmotoren evtl. unterstützt durch die Kolbenkühlung, s. Abschn. 4.8.3. Tauchkolben (Abb. 1.13a) zerlegen über den Kolbenbolzen 3 die Kolbenkraft in die Normalund die Stangenkraft, wogegen Kreuzkopfkolben (Abb. 1.13b) mit der Kolbenstange fest verschraubt werden. Bei Verbrennungsmotoren ist der Boden 1 Teil des Brennraumes und enthält Brennraum- und Ventilmulden, der Schaft 2 besitzt einen ballig-ovalen Formschliff. Der mit den Kolbenringnuten 7 versehene Kopf des Kolbens wird dabei stark zurückgenommen, ebenso die Mantelflächen quer zur Kolbenbolzenachse zugunsten der parallel dazu liegenden Tragflächen. Rippen 5 sowie andere Elemente dienen der Abstützung der Bolzenaugen 6, in denen der Bolzen schwimmend gelagert und axial gesichert ist 4, [8]. Scheibenkolben werden mit der Kolbenstange 8 fest verbunden und in doppeltwirkenden Kreuzkopfmaschinen eingesetzt, wobei gebaute, aus mehreren Scheiben zusammengesetzte Kolben geschlossene Dichtringe aus Kohle, Kunststoff (Nutringmanschetten) aufnehmen können (Abb. 1.13b,c). Stufenkolben für Verdichter mit bis zu drei Verdichtungsstufen (Abb. 1.13d).

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Plungerkolben (Abb. 1.13e) laufen mit kleinem Spiel in einer Führungsbuchse 2 des Zylinders 3 und werden über eine nachstellbare Packung 4, 5 zusätzlich gedichtet. Die notwendige Dichtfläche bedingt einen relativ langen Kolben 1, der nur bei selbstschmierenden Stoffen und geringen Kolbengeschwindigkeiten einsetzbar ist (Hydraulikpumpen).

1.4.1.4 Festigkeitsberechnung Kurbelwelle. Näherungsberechnungen beschränken sich auf Stellen höchster Beanspruchung, z. B. bei Verbrennungsmotoren im OT-Bereich. Unter Wirkung von Biegemomenten treten die höchsten Kerbspannungen in den Hohlkehlen, an den Übergängen von Kurbelzapfen zu den Wangen als Zug- oder Druckspannungen auf, je nachdem ob die Fluidkräfte (Zünd-OT) oder die Massenkräfte überwiegen (Ladungswechsel-OT bei Viertaktmotoren). Da es sich bei der Kurbelwelle um ein mehrfach unbestimmtes System handelt, wird unter der Annahme gelenkig miteinander verbundener Kröpfungen für einen „Balken auf zwei Stützen“ das Biegemoment in der Mitte einer Wange (Abb. 1.14) ermittelt [3, 9]:

Abb. 1.14 Kurbelkröpfung eines V-Motors: Ansatz zur Näherungs-Berechnung der maximalen Kerbspannung [3]

selspannungen, sodass mit einer analog ermittelten maximalen Torsionsspannung eine Vergleichsspannung ermittelt werden kann. Die vom Drehmoment herrührenden Torsionsspannungen sind oft klein gegenüber den aus Drehschwingungen herrührenden, sodass eine Berechnung des Drehschwingungsverhaltens stets ratsam ist (s. Bd. 1, Abschn. 46.5).

Pleuelstangen. Der Schaft unterliegt einer Zug-Druck-Wechselbeanspruchung, der sich bei Schnellläufern infolge der Schwenkbewegung Biegespannungen überlagern. Bei 4T-Fahrzeugmotoren mit variabler Drehzahl ist für die maxiMc D 0;5 F c.1 C =az / ; male Druckkraft Fd; max der maximale Gasdruck 2 bei maximalem Moment und minimaler DrehF D FZmax C r ! Œmr C mo .1 C s /  FZmax (1.49) zahl, für die größte Zugkraft Fz; max die maximale (: Pleuelversatz bei V-Motoren; mr , mo : s. Massenkraft bei Höchstdrehzahl im LadungsGl. (1.39) ff.). Damit kann mit der maximalen wechsel-OT anzusetzen: Nennspannung Nmax und der aus ErfahrungsFd; max D FZmax  Fo; min ; werten bekannten Formziffer ˛ [3] die maximale (1.51) Fz; max D FZmin  Fo; max ; Hohlkehlenspannung ermittelt werden max D ˛ Nmax D ˛ Mc =W D ˛ Mc =. d 3 =32/ :

(1.50)

Die Formsteifigkeit erhöhen u. a. große Hohlkehlenradien (%=d  0;05, d D Zapfendurchmesser), ovale, die Zapfen umfassende Wangen (b=d D 1;2 : : : 1;8) bei entsprechender Dicke (h=d D 0;3 : : : 0;5), Entlastungsbohrungen di und eine große Zapfenüberschneidung u. Den Biegespannungen überlagern sich aus dem Drehmoment resultierende Torsionswech-

wobei für die Massenkraft im OT Fm D Fo D mo r ! 2 .1 C s / und mo D mK C mPo ist bei ! ! !min  !  !max . Um am großen Pleuelkopf die an beliebiger Schnittstelle herrschenden Normal-, Querkräfte und Momente zu bestimmen, kann das Pleuelauge als ein kreisförmig gebogener, beidseitig eingespannter Balken (Einspannwinkel ˛  40ı bis 50ı / mit rechteckigem Querschnitt aufgefasst werden, der unter einem Winkel  60ı durch zwei Einzelkräfte F=2, F D r ! 2 Œ.mK C mP; o /.1 C s / C mP; r  ; (1.52)

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Allgemeine Grundlagen der Kolbenmaschinen

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Kolben und Kolbenbolzen. Für den Kolbenboden kann eine allseitig eingespannte, durch den Fluiddruck pZ belastete Kreisplatte angesetzt werden. Für die reale Beanspruchung sind die Abstützung an den Kolbenbolzenaugen und bei Verbrennungsmotoren zusätzliche thermische Belastungen zu berücksichtigen, die nur mittels FEM hinreichend genau erfassbar sind [4, 8, 10] (Abb. 1.16). Der Kolbenbolzen ist auf zulässige Durchbiegung und Ovalverformung zu kontrollieren [3, 8]. Abb. 1.15 Modellansatz zur näherungsweisen Berechnung von Pleuelaugen [3]

1.4.2

Abdichten des Arbeitsraumes

bzw. am kleinen Pleuelkopf durch die Kraft Fo ,

1.4.2.1 Spaltdichtung (1.53) Kolbenmaschinen setzen einen dichten Arbeitsraum voraus, auch wenn sich Arbeitsraumwand belastet wird (Abb. 1.15). Für ihn existiert eine und Kolben (Verdränger) relativ zueinander begeschlossene Lösung. Damit können näherungs- wegen. Spaltdichtungen (Abb. 1.17a) sind empweise die in Teilungsfugen herrschenden Span- findlich gegenüber Wärmedehnungen, sodass für nungen bzw. die notwendigen Schraubenkräfte Verdichter nur geringe Drucksteigerungen von Fs berechnet werden, um ein Abheben oder Ver- nv  2 möglich sind, mit Öleinspritzung (Wärschieben des Deckels zu verhindern [3]. meabfuhr, erhöhte Dichtwirkung) bis nv D 5 : : : 6. Diesel-Einspritzpumpen (Plungerkolbenpumpen) erreichen mit engsten Spalten wegen geringer Wärmeentwicklung bei gleichzeitiger Dichtung und Schmierung durch das Fluid Drücke bis zu 3000 bar. Fo D r ! 2 mK .1 C s / ;

Abb. 1.16 Beanspruchungsanalyse einer Pleuelstange mittels FEM im Zünd-OT für einen Dieselmotor (Pe D 33;1 kW; n D 4500 min1 ) [4]

Abb. 1.17 Abdichten mit a Spalt- und b LabyrinthspaltDichtung

1

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H. Tschöke und K. Mollenhauer

1.4.2.2 Labyrinthspaltdichtung ermöglicht Druckverhältnisse bis nv D 3:5, bei mehrstufiger Anordnung Drücke bis 300 bar, bedingt durch den Druckabbau zwischen den Labyrinthkammern an den Drosselstellen (Abb. 1.17b): Die hier erzeugte kinetische EnerAbb. 1.18 Dichtelemente: a Kolbenring; b Schlitzring als gie geht in der nachfolgenden Kammer unter Ölabstreifring. 1 Dichtbolzen, 2 Stirnleiste, 3 Seitenleiste, Verwirbelung nahezu gegen Null, damit sinkt das 4 Stirnwand Druckniveau [5]. toren weisen in Sternform angeordnete Zylinder 1.4.2.3 Kolbenringe auf (freies Anströmen der Kühlluft!), sind heute gleichen bei Verbrennungsmotoren die unter- aber vom Markt verschwunden. schiedlichen Wärmedehnungen von Kolben und Dient die Mehrzylinderausführung bei VerZylinderwand aus, sichern so die Dichtheit des brennungsmotoren vorwiegend zur LeistungserArbeitsraumes auch unter höchsten Wechseldrü- höhung, so ermöglicht sie bei Kompressoren eine cken und -temperaturen (Abb. 1.18a) [8]. Zur mehrstufige Verdichtung, was unterschiedliche freien, radialen Beweglichkeit in der Kolbenring- Kolbendurchmesser bedingt. nut sind die meist rechteckigen Ringe geschlitzt. Die mit der Baulänge abnehmende DrehsteiDer notwendige Dichtdruck an Nutunterseite und figkeit der Kurbelwelle beschränkt die jeweils in Zylinderwand wird selbstregulierend von der einer Reihe anzuordnenden Zylinder bei FahrDruckdifferenz zwischen Ringober und -untersei- zeugmotoren auf z  6, bei Großmotoren auf te erzeugt. Eine Zylinderschmierung bewirkt eine maximal 12 Zylinder bei Reihen- bzw. 18 bei überwiegend hydrodynamische Schmierung der V-Motoren, s. Abschn. 4.8.2. Der durch die Reibpartner Kolbenring-Buchse. Ölabstreifringe V-Anordnung ermöglichten Leistungskonzentra(Abb. 1.18b) leiten überschüssiges Schmieröl tion in einer Maschine steht eine erschwerte über Bohrungen und Schlitze 1, 2 und 4 ins Zugänglichkeit gegenüber, was die Wartung im Kolbeninnere. Nach dem Prinzip des selbstdich- Vergleich zu Reihenmotoren erschwert und vertenden Kolbenringes lassen sich auch räumliche teuert. Dichtungen bei nichtzylindrischen Verdrängern Um unterschiedlichen Kundenwünschen und Arbeitsräumen erzeugen, wie z. B. beim nachkommen zu können, werden Baureihen Wankelmotor. gebildet. Dabei strebt man einen hohen Anteil Trockenlaufverdichter fördern ölfreie Gase, sogenannter Gleichteile an, wie z. B. Kolben, verzichten auf eine Schmierung und verwenden Pleuel etc., um so die Kostenvorteile einer Masin Scheibenkolben eingesetzte Spezial-Kolben- senproduktion nutzen zu können. ringe aus Keramik, Kunststoff etc.

1.4.3 Zylinderanordnung und -zahl Bei Verbrennungsmotoren werden Einzeltriebwerke überwiegend in Reihen- oder V-Anordnung zusammengefasst. Die Boxeranordnung findet man bei (Pkw-)Motoren selten (Baubreite ungünstig bei Vorderradantrieb), jedoch bei (Hochdruck-)Kolbenverdichtern; kombiniert mit Stufenkolben auch in Tandemanordnung. Ebenso sind L- (z. B. für Motor-Verdichter) oder Abb. 1.19 Zylinderanordnung: a Reihen-, b Boxer-, W-Anordnung üblich (Abb. 1.19). Frühe Flugmo- c V-Motor; d L- und e W-Anordnung; f Sternmotor

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Allgemeine Grundlagen der Kolbenmaschinen

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1.4.4 Lagerung und Schmierung

1

1.4.4.1 Triebwerkslager Überwiegend werden Gleitlager verwendet, seltener Wälzlager, deren Teilung durch Einsatz von Scheiben- (selten) und gebauten Kurbelwellen vermieden wird. Auch Kolbenkompressoren im unteren Leistungsbereich verwenden Wälzlager für Kurbelwellen und Pleuel. Zuverlässige Gleitlager erfordern neben Lagerwerkstoffen hoher Belastbarkeit eine möglichst umfassende Lagerberechnung, die auch Verformungen von Welle und Lagerkörper berücksichtigt [6, 9]. 1.4.4.2 Zylinderschmierung Sie erfolgt bei Tauchkolben kleinerer Motoren und Kompressoren durch das vom Triebwerk abgeschleuderte Spritzöl, wobei Ölabstreifringe den Ölhaushalt regulieren. Die bei kleinen Zweitaktmotoren übliche Gemischschmierung mit einem Schmieröl-Kraftstoff-Verhältnis von 1: 30 bis 1: 50 kann minimal 1: 100 betragen und wird häufig durch dosiertes Öleinspritzen in den Ansaugkanal ersetzt. Großdieselmotoren in Tauchkolben- oder Kreuzkopfausführung versorgen über Dosierpumpen und -düsen im oberen Drittel der Buchse die Laufflächen gezielt mit Öl, meist aus einem separaten Frischölbehälter. Ähnlich verfährt man bei Kompressoren mit doppeltwirkenden Kolben und Stufenkolben. Da in den mit Zylinderschmierung versehenen Kolbenkompressoren das Schmieröl nicht verbrennt, muss es durch nachgeschaltete Ölabscheider aus dem geförderten Fluid entfernt werden. 1.4.4.3 Schmierölkreislauf Üblich ist die Druckumlaufschmierung mit nassem Ölsumpf, der Ölwanne, aus der eine vom Motor angetriebene Ölpumpe über Grobsieb, Ölkühler und Hauptstrom-Ölfilter den Haupt-Ölkanal versorgt, der das Öl auf die Lager und evtl. vorhandene Spritzdüsen zur Kolbenkühlung verteilt (Abb. 1.20). Schmierung mit Trockensumpf: Die Ölwanne fängt nur ablaufendes Öl auf, während die (fremdangetriebene) Ölpumpe aus einem separaten Ölbehälter versorgt wird,

Abb. 1.20 Ölkreislauf eines Nfz-Dieselmotors. 1 Ölwanne, 2 Schmieröl-, 3 Kühlölpumpe, 4 Ölkühler, 5 Schmierölhaupt-, 6 -nebenstromfilter, 7 Umgehungsventil (3,5 bar), 8 Sicherheitsventil (4,5 bar), 9 Drossel, 10 Hauptölkanal mit Abgängen zu Kurbelwelle, Ventiltrieb und Drehzahlregler, 11 Spritzdüse für Kolbenkühlung

z. B. bei Geländefahrzeugen, Diesel-Großmotoren. Ein Sicherheitsventil am Hauptölkanal sorgt für den notwendigen Öldruck (4 bis 5 bar) und Abfluss des überschüssigen Öles in die Ölwanne. Umgehungsleitungen an Ölkühler und -filter mit entsprechenden Druckventilen gewährleisten die sichere Ölversorgung auch bei evtl. Verstopfung von Filter oder Schmierölkühler. Durch Wärmeabgabe über Gehäuse und Ölwanne kommen Verdichter und Motoren kleiner Leistung meist ohne Ölkühler aus, ohne die zul. Öltemperatur von < 130 ı C im Ölsumpf zu überschreiten. Im Nebenschluss angeordnete FeinFilter 6 (Freistrahl-Ölzentrifugen, Schmierölseparatoren bei Großdieselmotoren) zum Reinigen eines Teilstromes (< 30 %) sind sehr wirkungsvoll, sodass eine Kostenersparnis durch verlängerte Ölwechselzeiten ermöglicht wird. Werden die festen Ölwechselintervalle durch ein flexibles Wartungssystem unter Erfassen relevanter Motordaten ersetzt [7], sind weitere Kosteneinsparungen bei Öl, Filter, Personal und durch geringere Ausfallzeiten möglich. Ein Ölwechsel ist unabhängig davon immer dann erforderlich, wenn der Mindestölvorrat erreicht wird oder/und eine Erschöpfung der Schmieröl-Additive erkennbar wird (erfordert evtl. teure Ölanalyse).

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H. Tschöke und K. Mollenhauer

Der leistungsbezogene Öldurchsatz liegt für nahezu gleich bleibt: PKW-Motoren bei qÖ D 25 bis 35 l=kWh, für X mittlere und große Dieselmotoren bei 44 bis ˚K D ˚KW C ˚LLK C ˚ÖK 55 l=kWh (incl. Kolbenkühlung). Für den Ölvor .0;45 : : : 0;55/Pe : (1.54) rat in der Maschine sind für Motoren mit 80 > VH > 20 dm3 ca. 1 bis 1,8 dm3 Öl=dm3 HubDie Ölkühlerwärme enthält dabei auch die bei raum bzw. bei VH  20 dm3 ca. 2 bis 2,5 dm3 der Kolbenkühlung anfallende Bauteilwärme. Öl=dm3 Hubraum anzusetzen, bei Großdieselmotoren rechnet man mit ca. 0,7 dm3 =kW.

Literatur 1.4.5 Kühlung 1.4.5.1 Kühlung des Arbeitsraumes Während des Motor-Arbeitsprozesses an die Arbeitsraumwand übergehende Wärme (Wandwärmeverlust, s. Abschn. 4.2.3) führt zu einer Aufheizung der Wand, damit zu Einbußen an Festigkeit, Schmierfähigkeit des Öles sowie Motorleistung infolge Füllungsverlustes und erfordert eine Kühlung der Zylinderwand. Dabei führt ein Kühlmedium die Wandwärme an die Umgebung ab: Direkt bei Luftkühlung oder indirekt über eine Kühlflüssigkeit (Wasser, seltener Öl) mittels Wärmeübertrager (Kühler). Das beim Kühlen infolge der Wärmeleitung entstehende Temperaturgefälle in der Arbeitsraumwand erzeugt Wärmespannungen, die sich den mechanischen Beanspruchungen überlagern. (Sind bei grenzbelasteten Motoren zu berücksichtigen, s. Abschn. 4.8.1). Kompressoren kühlen den Arbeitszylinder vornehmlich zur Verbesserung der Füllung (entspricht der Ladeluftkühlung bei der Aufladung von Motoren, s. Abschn. 4.3.5). 1.4.5.2 Wärmebilanz Bei Saugmotoren und Motoren geringer Leistung verteilt sich die mit dem Brennstoff zugeführte Energie ungefähr gleichmäßig auf die effektive Leistung, die Kühlwärme und die im Abgas enthaltene Energie („Drittel-Regel“). Bei aufgeladenen Motoren verringert sich relativ zur Leistungssteigerung mit zunehmender Aufladung der Wandwärmeverlust, wobei die Summe der an das Kühlwasser abgegebenen Wandwärme und der im Ladeluft- und Ölkühler abgeführten Wärmen

1. Wankel, F.: Einteilung der Rotationskolbenmaschinen. Deutsche Verlagsanstalt, Stuttgart (1963) 2. Weber, M.: Vorteile der Bruchtrennung bei Pulverschmiedepleueln. ATZ/MTZ-Sonderheft Fertigungstechnik (1993) 3. Mettig, H.: Konstruktion schnellaufender Verbrennungsmotoren. de Gruyter, Berlin (1973) 4. Knoll, G., Peeken, H.: Analyse tribologischer Systeme mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode. VDI-Z 120, 1157 (1978) 5. Graunke, K.: Labyrinthspaltdichtung eines Labyrinthkolben-Kompressors. Technische Rundschau Sulzer, H. 4 (1984) 6. Affenzeller J., Gläser, H.: Lagerung und Schmierung von Verbrennungskraftmaschinen. Die Verbrennungskraftmaschine – Neue Folge, Bd. 8. Springer, Wien (1996) 7. Warnecke, W. et al.: Belastungsgerechte Ölwartung mit ASSYST. MTZ 59, 414–421 (1998) 8. Köhler, E., Flier, R.: Verbrennungsmotoren – Motormechanik, Berechnung und Auslegung des Hubkolbenmotors, 7. Aufl. Vieweg+Teubner, Wiesbaden (2019) 9. Tschöke, H., Mollenhauer, K., Maier, R. (Hrsg.): Handbuch Dieselmotoren, 4. Aufl. Online-Version, Springer (2019) 10. Mahle (Hrsg.): Kolben und motorische Erprobung, 2. Aufl. Springer Vieweg, Wiesbaden (2015)

Weiterführende Literatur van Basshuysen, R., Schäfer, F. (Hrsg.): Handbuch Verbrennungsmotoren, 8. Aufl. Springer Vieweg, Wiesbaden (2017) Eifler, W., Schlücker, E., Spicher, U., Will, G.: Küttner Kolbenmaschinen, 7. Aufl. Vieweg+Teubner, Wiesbaden (2009) Kalide, W., Siegloch, H.: Energieumwandlung in Kraftund Arbeitsmaschinen, 10. Aufl. Hanser, München Wien (2010) Taschenbuch Maschinenbau, Bd. 5: KolbenmaschinenStrömungsmaschinen. VEB Verlag Technik, Berlin (1989) Zima, S.: Kurbeltriebe: Konstruktion, Berechnung und Erprobung von den Anfängen bis heute. Vieweg, Braunschweig, Wiesbaden (1998)

2

Verdrängerpumpen Helmut Tschöke und Herbert Hölz

2.1 Bauarten und Anwendungsgebiete Verdrängerpumpen nehmen das von der Saugleitung in den Arbeitsraum geflossene Fördermedium auf und verschieben es dann in die Druckleitung. Die Verschiebearbeit des Verdrängers erhöht die Energie (Druckenergie, Geschwindigkeitsenergie, potentielle Energie) des Fördermediums und deckt die Rohrreibungsverluste ab. Zur Kapselung und Ein- und Auslasssteuerung des Fördermediums werden druckgesteuerte Ventile oder Wegsteuerung durch Schieber, durch Steuerkanten im Arbeitsraum oder durch weggesteuerte Ventile eingesetzt. Nach der Verdrängerkinematik werden oszillierende und rotierende Verdrängerpumpen unterschieden. Verdrängerpumpen sind in der Lage, eine Saugleitung selbsttätig zu entlüften und arbeiten in dieser Betriebsphase als Verdränger-Vakuumpumpen. Tab. 2.1 nennt Bauarten, Einsatzgebiete und Einsatzgrenzen von Verdrängerpumpen. Die Werte pmax und Qmax werden nicht gleichzeitig erreicht und können in Sonderfällen auch überschritten werden. Neben dem erforderlichen Druck und Volumenstrom bestimmt das Fördermedium die Auswahl der geeigneten Pumpenbauart, sodass Verdrängerpumpen auch nach dem Fördermedium benannt werden: H. Tschöke () Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Magdeburg, Deutschland E-Mail: [email protected]

Fördermedien mittlerer und hoher Viskosität mit abrasiv wirkenden Fremdkörpern: Schlammpumpen, Betonpumpen, Mörtelpumpen. Mit Verdrängerpumpen lassen sich entwässerte, stichfeste Schlämme fördern. Fördermedien mittlerer und hoher Viskosität ohne abrasiv wirkende Fremdkörper: Lebensmittelpumpen, Schmiermittelpumpen (Fette, Öle), Farben, Klebstoffe, Schweröl, Bitumen, Spinnpumpen zur Kunststoffverarbeitung. Fördermedien mit besonderen Anforderungen an die chemische oder thermische Resistenz der Pumpenwerkstoffe: Chemiepumpen. Werkstoffe

Abb. 2.1 Pumpen mit rotierendem Verdränger. a Zahnringpumpe; b Innenzahnradpumpe (Sichelpumpe); c Drehkolbenpumpe; d Schlauchpumpe; e Exzenterschneckenpumpe. Weitere Beispiele s. Bd. 2, Abb. 19.1

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_2

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H. Tschöke und H. Hölz

Tab. 2.1 Bauarten, Einsatzgebiete und Einsatzgrenzen von Verdrängerpumpen (Kinematik: r D rotierend, o D oszillierend, Steuerung: v D ventilgesteuert, w D weggesteuert, Hauptanwendung: H D Hydraulik, S D abrasive und hochviskose Schlämme, V D hochviskose, nicht abrasive Fluide, D D Dosierpumpen, L D Lebensmittel) Kolbenmaschine Verdrängerpumpe Hubkolbenmaschine Reihenkolbenpumpe Taumelscheiben-Axialkolbenpumpe Schrägscheiben-Axialkolbenpumpe Radialkolbenpumpe Winkelachsiger Verdränger Schrägachsen-Axialkolbenpumpe Drehkolbenmaschine Außenzahnradpumpe Innenzahnradpumpe Zahnringpumpe Drehkolbenpumpe Schraubenförmiger Verdränger Schraubenpumpe Kreiskolbenmaschine Exzenterschneckenpumpe Umlaufkolbenmaschine Flügelzellenpumpe Sperrflügelpumpe Elastischer Verdränger Schlauchpumpe Schlauchmembranpumpe Membranpumpe Gasförmiger Verdränger Schwingkolbenmaschine Flügelpumpe

Qmax (m3 /h) Hauptanwendung

Kinematik

Steuerung

Pmax (bar)

o o o o

v, w v, (w) w v, w

3500 400 300 500

800 50 30 50

o

w

250

40

r r r r

w w w w

200 300 200 14

100 100 12 200

r

w

100

1600

r

w

72

400

r r

w w

175 175

60 40

r o o o

w v v v

10 160 300 2

15 140 180 60

o

v

mit besonderer Resistenz sind PTFE, Keramik, rostfreier Stahl, Glas. Fördermedien mit besonderen Sicherheitsanforderungen: Giftstoffe, radioaktive Fördermedien. Hier werden vorzugsweise Membranpumpen eingesetzt. Fördermedien, die zugleich dosiert werden müssen: Dosierpumpen, Einspritzpumpen für Verbrennungskraftmaschinen, Schmierpumpen für Fett oder Öl bei Verbrauchsschmierung. Fördermedien zur Energieübertragung in Umlaufsystemen: Hydraulikpumpen, Heizungsumwälzpumpen, Lenkhelfpumpen für Servolenkung. Hydraulikpumpen siehe Bd. 2, Kap. 18; Einspritzpumpen siehe Abschn. 4.6. Abb. 2.1 und 2.2 zeigen Beispiele für Pumpen mit rotierendem und oszillierendem Verdränger. Pumpen mit rotierendem Verdränger sind immer weggesteuert. Der Arbeitsraum wird durch Spalte abgedichtet. Oszillierende Verdrängerpumpen arbeiten mit druckgesteuerten Ventilen oder mit

0,2

H, S, D, V H, V H H H H, V H, V H, V S, V, L H, V S, V, L H, V H S, V S, L, V S, V, D, L S, V

6

Abb. 2.2 Pumpen mit oszillierendem Verdränger. a Hubkolbenpumpe; b Membranpumpe. Weitere Beispiele s. Bd. 2, Abb. 19.1

Wegsteuerung. Der Dichtspalt am Ventil besitzt einen kleinen Spaltumfang und ist druckkompensiert, deshalb sind mit ventilgesteuerten Pumpen Drücke bis 7000 bar erreichbar. Bei allen weggesteuerten Pumpen lässt sich die Richtung des Energieflusses umkehren, sie können als Hydraulikmotor betrieben werden. Für Pumpen mit Druckübersetzung können bis zu 14 000 bar erreicht werden [1].

2 Verdrängerpumpen

23

2.2 Berechnungsgrundlagen

H ist (Energieerhaltung)

Eine Pumpenanlage (Abb. 2.3) besteht aus Saugund Druckbehälter, Saugleitung, Druckleitung, Leitungsarmaturen und der Pumpe. Der Saugbehälter kann höher oder tiefer liegen als die Pumpe. Die Pumpe erhöht die Energie des Fördermediums und deckt die Energieverluste in den Leitungen und Armaturen. Schnittstellen der Energiebilanz sind die Pumpenflansche und der Ein- und Austritt der Leitung [1].

HA D z2B  z1B C .p2B  p1B /=.% g/  2 2  1B C 2B =.2g/ C HJ1 C HJ2 : (2.2) HJ1 ist die eintrittseitige Verlusthöhe, HJ2 ist die austrittseitige Verlusthöhe infolge Rohrreibung (Rohrreibungszahl ) und Druckverlusten an Armaturen (Widerstandszahl ), vgl. Bd. 1, Kap. 17. Bei i Rohrabschnitten und j Armaturen ist die gesamte Verlusthöhe HJ D HJ1 C HJ2

2.2.1 Förderhöhen, Geschwindigkeiten und Drücke Die Förderhöhe H einer Pumpe entspricht der Differenz der Energiehöhen zwischen Austritt und Eintritt der Pumpe. Sie ist die auf das geförderte Gewicht bezogene Energie, die von der Pumpe an das Fördermedium übertragen wird (g D Erdbeschleunigung, % D Dichte des Fördermediums, übrige Bezeichnungen nach Abb. 2.3) H D .z2  z1 / C .p2  p1 /=.% g/  C 22  12 =.2 g/ :

HJ D

X

i li =di i2 =.2 g/ C

i

X

j j2 =.2 g/ :

j

(2.3) Die Druckdifferenz zwischen Saug- und Druckstutzen einer Pumpe folgt aus Gln. (2.1) und (2.2):  p2  p1 D % g H  .z2  z1 /   22  12 = .2 g/ : (2.4a)

Die Pumpenkopfhöhe HPK D z2  z1 und die Differenz der Geschwindigkeitshöhen zwischen Saug- und Druckstutzen sind meist vernachläs(2.1) sigbar, sodass

(2.4b) p2  p1 D % g H D % g HA : Die Förderhöhe der Anlage H A ergibt sich aus den Daten der Pumpenanlage (Abb. 2.3). Im stationären Betriebspunkt schneiden sich Pumpenkennlinie und Anlagenkennlinie, sodass HA D 2.2.2 Förderleistung, Antriebsleistung,

Gesamtwirkungsgrad

Als Förderleistung Pu wird in DIN 24 260 die von der Pumpe auf das Fördermedium übertragene nutzbare Leistung verstanden .m P D Massenstrom; Q D Volumenstrom) P gH D%QgH : Pu D m

(2.5a)

Mit Gl. (2.4b) ergibt sich: Pu D Q.p2  p1 / D Q  p :

Abb. 2.3 Drücke, Höhen und Strömungsgeschwindigkeiten in einer Pumpenanlage

(2.5b)

Der Leistungsbedarf P der Pumpe (Antriebsleistung) wird an der Pumpenwelle gemessen, sodass sich für den Pumpenwirkungsgrad t ergibt: (2.6) t D Pu =P :

2

24

H. Tschöke und H. Hölz

2.2.3 Instationäre Strömung Bei Verdrängerpumpen ist die Bewegung der Flüssigkeit in der Leitung an die Kinematik des Verdrängers gekoppelt, solange über das offene Steuerorgan eine Verbindung zum Arbeitsraum besteht und keine Pulsationsdämpfer vorhanden sind. Für eine Einzylinder-Kolbenpumpe mit Geradschubkurbeltrieb (Schubstangenverhältnis ) und ohne Pulsationsdämpfer (Abb. 2.5) ergibt sich für die zeitabhängige Strömungsgeschwindigkeit  (t) und Beschleunigung a(t) der Flüssigkeit in der Leitung (K.t/ D Kolbengeschwindigkeit; aK.t/ D Kolbenbeschleunigung; ' D !  t D Kurbelwinkel; A D Leitungsquerschnitt; AK D Kolbenquerschnitt; r D Kurbelradius): .t/ D K.t/ AK =A

a.t/

Abb. 2.4 Kolbenpumpe mit Leitungen und Pulsationsdämpfern

D r !.sin ! t C =2 sin 2 ! t/AK =A ; (2.7) D aK.t/ AK =A

D r ! 2 .cos ! t C  =2 cos 2 ! t/ AK =A : (2.8) Durch Beschleunigung der Flüssigkeitsmasse in den Leitungen ohne Pulsationsdämpfer kommt es zu einer Druckänderung  pa(t) bzw. zu einer beschleunigungsbedingten Druckhöhenänderung  H a(t) (L D Länge der Leitung).  pa.t/ D aK.t/ AK =A L % ;

(2.9a)

 Ha.t/ D  pa.t/ =.% g/ :

(2.9b)

Die beschleunigungsbedingte Druckänderung überlagert sich den reibungsbedingten zeitabhängigen Druckverlusten nach Gl. (2.3) in Verbindung mit Gl. (2.7). Die Druckänderung  pa(t) führt zu einer Druckabsenkung bei Beginn des Saughubes und zu einer Druckerhöhung bei Beginn des Druckhubes für Leitungen ohne Pulsationsdämpfer. Fördern mehrere Zylinder phasenverschoben in eine Leitung ohne Pulsationsdämpfer, überlagern sich Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverläufe der einzelnen Zylinder (Abb. 2.6). Der Maximalwert der resultierenden Beschleunigung beträgt bei 3-, 5- und 7-Zylinderpumpen das

Abb. 2.5 Geschwindigkeit und Beschleunigung in den Leitungen einer Einzylinder-Kolbenpumpe ohne Pulsationsdämpfer [2]

0,5fache des Wertes der Einzylinderpumpe, bei 2- und 4-Zylinderpumpen ergibt sich keine Änderung gegenüber der Einzylinderpumpe. Beeinflusst werden die Geschwindigkeitsund Beschleunigungsverläufe außerdem dadurch, dass die Ventile infolge Triebwerks- und Flüssigkeitselastizität nicht im Totpunkt, sondern um den Winkel ' o verzögert öffnen (Abb. 2.6). Auch die Kinematik rotierender Verdrängerpumpen (Zahnradpumpen, Drehkolbenpumpen)

2 Verdrängerpumpen

25

Die beschleunigungsbedingte Druckhöhenänderung  H a wird nach Gl. (2.9b) bestimmt und tritt nur bei instationärer Strömung auf. Die Energiehöhe NPSHR des Eintrittsdruckverlustes  pE beträgt NPSHR D pE =.% g/ :

(2.11)

Für kavitationsfreien Betrieb muss die Energiehöhe NPSHA einen Sicherheitsabstand zu NPSHR haben: NPSHA > NPSHR :

Abb. 2.6 Überlagerung der bezogenen Strömungsgeschwindigkeit für eine Dreizylinder-Kolbenpumpe ohne Pulsationsdämpfer (Saughub). 'o D Verzögerungswinkel für Ventilöffnung

(2.12)

NPSHR wird experimentell ermittelt, indem NPSHA am Pumpensaugflansch soweit abgesenkt wird, dass ein Kavitationskriterium gerade erfüllt wird, z. B. der Förderstromabfall 3 % beträgt. Das dann erreichte NPSHA entspricht NPSHR.

verursacht in den Leitungen beschleunigungsbedingte Druckänderungen.

2.2.5 2.2.4

Kavitation

Erreicht der Druck im Arbeitsraum der Pumpe den Dampfdruck pv des Fördermediums, tritt Kavitation auf. Dies führt zu einem Förderstromabfall der Pumpe, zu Kavitationsgeräusch und zur Beschädigung von Pumpenbauteilen. Es genügt nicht, dass der Druck am Pumpensaugflansch über dem Dampfdruck pv liegt, da Strömungsgeschwindigkeit und Beschleunigung des Flüssigkeitsvolumens in der Pumpe zusätzliche Druckabsenkungen verursachen. Druckverluste im Arbeitsraum treten besonders im Hubspalt der Pumpenventile auf und durch Umlenkung, Querschnittsänderungen und Spaltströmung auch in rotierenden Verdrängerpumpen. Die um die Dampfdruckhöhe pv =.%g/ verminderte Energiehöhe am Saugflansch der Pumpe NPSHA (Definition siehe Abschn. 8.3.3) beträgt

Pulsationsdämpfung

Die an den Pumpenstutzen bei instationärer Strömung auftretenden periodischen Druckänderungen regen das Fördermedium zu Schwingungen an. Zu deren Dämpfung dienen Windkessel, Blasenspeicher, Resonatoren oder Blenden [1] (Abb. 2.4, 2.8).

2.2.5.1

Fluktuierendes Flüssigkeitsvolumen Eine Einzylinder-Kolbenpumpe mit GradschubKurbeltrieb fördert den zeitabhängigen Volumenstrom VP.t/ VP.t/ D AK .t/ D AK r !.sin ! t C =2 sin 2 ! t/ : (2.13) Der mittlere Volumenstrom Q beträgt Q D AK r !=  :

(2.14)

Nach Abb. 2.7a nimmt ein idealer Pulsationsdämpfer den von der Pumpe verdrängten ÜberNPSHA D H1 geo  HJ1   Ha schuss über den mittleren Volumenstrom auf und gibt ihn an die Leitung ab, wenn VP.t/ < Q. C .p1 B  pv /=.% g/ C 12 B =.2 g/: (2.10) Es besteht das fluktuierende Flüssigkeitsvolumen

2

26

H. Tschöke und H. Hölz Tab. 2.2 Amplitudenfaktor m und Frequenzfaktor k für  D 0;225 und 'o D 0 [2] Zylinderzahl 1 2 3 4 5 6 7

Abb. 2.7 Fluktuierendes Flüssigkeitsvolumen. a Einzylinder-Pumpe; b einfachwirkende Dreizylinder-Pumpe. Ausgezogen bzw. gestrichelt: Saug- bzw. Gegendruckbehälter, schraffiert: flukturierendes Volumen

 V, das zwischen Leitung und Pulsationsdämpfer ausgetauscht wird. Als Amplitudenfaktor m wird das Verhältnis des fluktuierenden Flüssigkeitsvolumens  V zum Hubvolumen VH D 2rAK eines Zylinders bezeichnet, als Frequenzfaktor k das Verhältnis der Kreisfrequenz ! v der Volumenpulsation  V zur Kreisfrequenz ! des Pumpentriebwerks (Tab. 2.2) m D V =VH D V =.2 r AK / ; k D !v =! :

(2.15) (2.16)

m 0,55 0,21 0,035 0,042 0,010 0,018 0,005

k 1 2 6 4 10 6 14

nis und vom Phasenwinkel ' o ab, mit dem das Ventil verspätet öffnet [2, 3]. Mit zunehmendem Phasenwinkel ' o vergrößert sich der Amplitudenfaktor mehrzylindriger Pumpen, der Frequenzfaktor geht auf den Wert der Zylinderzahl zurück. Durch Austausch des fluktuierenden Flüssigkeitsvolumens  V zwischen Leitung und Pulsationsdämpfer wird das Luftvolumen des Pulsationsdämpfers adiabat komprimiert und expandiert, der Luftdruck schwankt um ˙p um den mittleren Luftdruck pm , das fluktuierende Volumen  V entspricht der Änderung des Luftvolumens im Windkessel, welches um ˙V um das mittlere Luftvolumen V m schwankt (Abb. 2.4). Das System nach Abb. 2.4 kann auf ein FederMassesystem mit geschwindigkeitsproportionaler Dämpfung zurückgeführt werden. Die Eigenfrequenz ! 1 des Systems beträgt mit dem Isotropenexponenten ~, Bezeichnungen nach Abb. 2.4: !1 D

p ~ pm A=.% L Vm / :

(2.17)

Bei Blasenspeichern muss bei der Berechnung Amplitudenfaktor und Frequenzfaktor hängen der Eigenfrequenz noch die Federsteifigkeit der von der Zylinderzahl, dem Schubstangenverhält- Blase berücksichtigt werden. Die Kreisfrequenz ! v der Volumenpulsation soll einen ausreichenden Abstand zur Eigenfrequenz ! 1 haben: !v =!1 >

Abb. 2.8 Pulsationsdämpfer. a Windkessel; b Blasenspeicher; c Resonator

p 2:

(2.18)

Nach Gl. (2.17) lässt sich die Eigenfrequenz ! 1 durch große Leitungslängen L und ein großes mittleres Luftvolumen V m im Pulsationsdämpfer herabsetzen, um Gl. (2.18) zu erfüllen. Die gesamte Druckschwankung 2p um den mittleren

2 Verdrängerpumpen

27

Druck pm im Windkessel beträgt bei adiabater der Arbeitsraumabdichtungen konstant, d. h. von Kompression des Luftinhaltes im Windkessel Druck- und Drehzahl unabhängig sind, dass die Viskosität des Fördermediums sich innerhalb der (2.19) Pumpe nicht ändert und dass die volumetrischen 2  p=pm D ~ m VH =Vm : Verluste Energieverluste sind, d. h. durch SpaltDer Wert von 2p=pm soll zwischen 0,001 rückströmung verursacht sind. Die letzte Voraussetzung trifft für Hochdruck-Kolbenpumpen und und 0,1 liegen. Hochdruck-Membranpumpen nicht zu, dort werAufbau der Pulsationsdämpfer. Die Pulsati- den bauartbezogene Modellbeschreibungen veronsdämpfer sollen so nah wie möglich an den wendet. Ventilen liegen, um die beschleunigten Massen zu verringern.

2.3.1

Betriebsverhalten der verlustfreien Verdrängerpumpe

Windkessel (Abb. 2.8a) werden als Saugwindkessel oder Druckwindkessel in Behälterform gebaut. Da sich im Druckwindkessel bei Überdruck Die verlustfreie theoretische Verdrängerpumpe Luft im Fördermedium löst, muss diese über ei- hat weder volumetrische noch mechanisch-hydraulische Energieverluste. Der theoretische Vonen Kompressor erneuert werden. lumenstrom Qth ist drehzahlproportional und Blasenspeicher (Abb. 2.8b) besitzen eine vor- druckunabhängig. W th ist das theoretische Verkomprimierte gasgefüllte Gummiblase, wodurch drängervolumen je Umdrehung sich das Behältervolumen im Vergleich zum Qth D Wth n : (2.20) Windkessel reduziert. Sie werden für Drücke bis 350 bar verwendet. Das theoretische Antriebsdrehmoment M th der verlustlosen Pumpe ergibt sich aus der GleichResonatoren (Abb. 2.8c) dämpfen die Drucksetzung der abgegebenen hydraulischen Leistung wellen durch Reflexion an einer sprunghaften Qth p mit der aufgenommenen Wellenleistung Querschnittsänderung. Sie eignen sich für DrüM th !. Mit ! D 2   n folgt: cke über 350 bar und sind von Änderungen des Betriebsdruckes unabhängig. M D  p W =.2  / : (2.21) th

th

Blenden dämpfen ebenfalls Druckpulsationen Das theoretische Antriebsdrehmoment M th ist durch Reflexion, erzeugen jedoch den größten proportional der Druckdifferenz  p an der Pumbleibenden Druckverlust. pe und unabhängig von der Drehzahl. Der theoretische Volumenstrom W th je Umdrehung wird nach Abb. 2.9 aus dem Verlauf der 2.3 Verlustteilung Qe ,n-Kennlinie für p D 0 bestimmt: Zur Verlustteilung und Kennlinienberechnung von Verdrängerpumpen eignen sich mathematische Modellbeschreibungen und bauartbezogene Modellbeschreibungen. Beim „mathematischen Pumpenmodell“ [4–8] wird die reale Verdrängerpumpe einer verlustfreien Verdrängerpumpe gegenübergestellt und daraus die Verlustteilung in mechanisch-hydraulische Verluste und in volumetrische Verluste abgeleitet. Das Pumpenmodell [4–8] setzt voraus, dass die Spaltweiten

Wth D  Qe = n

für  p D 0 : (2.22)

W th stimmt nicht mit dem geometrischen Verdrängungsvolumen je Umdrehung überein. Der Unterschied wird verursacht durch Fertigungstoleranzen, Näherungsformeln für das geometrische Verdrängungsvolumen, durch liefergradbedingte Füllungsverluste und dadurch, dass die viskose Reibung in den Dichtspalten der Pumpen zur Förderung beitragen kann.

2

28

H. Tschöke und H. Hölz

Abb. 2.9 Verlauf des effektiven Volumenstroms Qe von Verdrängerpumpen über der Drehzahl

Abb. 2.10 p, V-Diagramm einer ventilgesteuerten Hubkolbenpumpe

2.3.2 Definition von Wirkungsgraden Die reale Verdrängerpumpe liefert ein gegenüber Qth kleineren Volumenstrom Qe und benötigt ein gegenüber M th größeres Antriebsdrehmoment Ma .

2.3.2.1 Volumetrischer Wirkungsgrad ¤ und Nutzliefergrad nu Qth und Qe unterscheiden sich durch den Leckstrom Qs , der als innerer Leckstrom durch die Dichtspalte der Pumpe zur Saugseite fließt und durch Füllungsverluste. Der Nutzliefergrad ist das Verhältnis des effektiven zum theoretischen Volumenstrom

Für Hochdruck-Kolbenpumpen und Hochdruck-Membranpumpen ist v  1 und die volumetrischen Verluste setzen sich aus dem Gütegrad G und dem Elastizitätsgrad E zusammen. Für rotierende Verdrängerpumpen ist G E  1 und die volumetrischen Verluste sind Energieverluste. Der volumetrische Wirkungsgrad v ist mit Qs D Leckstrom infolge Druckdifferenz p an der Pumpe. v D Qe =.n Wth / D .Qth  Qs /=Qth D 1  Qs =.n Wth / :

(2.25)

Der Gesamtwirkungsgrad T ist das Verhältnis (2.23) der abgegebenen hydraulischen Leistung zur aufgenommenen mechanischen Leistung und teilt nu D E G F v (2.24) sich auf in den mechanisch-hydraulischen Wirmit E D Elastizitätsgrad; G D Gütegrad; F D kungsgrad mh und den volumetrischen WirFüllungsgrad; V D volumetrischer Wirkungs- kungsgrad v grad. Nach Abb. 2.10 ergibt sich der Gütegrad G T D  p Qe =.Ma !/ D mh v : (2.26) aus der Schließverzögerung der Pumpenventile, der Elastizitätsgrad folgt aus der FlüssigDer mechanisch-hydraulische Wirkungsgrad keits- und der Triebwerkselastizität der Hoch- folgt aus Gln. (2.26) und (2.25) druckpumpe. Der Füllungsgrad F wird verursacht durch saugseitige Füllungsverluste infolge mh D Mth =Ma D  p Wth =.2   Ma / : (2.27) Dampfblasen (Kavitation) oder Luftblasen (Aeration). Durch geeignete Versuchsbedingungen können diese Füllungsverluste ausgeschlossen 2.3.3 Volumetrische Verluste werden. Der volumetrische Wirkungsgrad v ist ein Energiewirkungsgrad und wird durch den Für Pumpen ohne Füllungsverluste (G E F D inneren Leckstrom Qs verursacht, der infolge 1) ergibt sich für den Leckstrom Qs Druckdifferenz p von der Druck- zur Saugseite Qs D Qth  Qe D n Wth  Qe : (2.28) fließt. nu D Qe =Qth ;

2 Verdrängerpumpen

29

2 Abb. 2.11 Verlauf des Leckstroms Qs über der Druckdifferenz. a druckunabhängige Spaltweite, laminarer Leckstrom Qsl , turbulenter Leckstrom Qst ; b Leckstromverbrauch bei druckabhängiger Spaltaufweitung

Abb. 2.12 Ermittlung der Verlustmomente M p , M v , M h , Mc

Der Leckstrom setzt sich aus einem laminaren le und wird durch den Verlustfaktor Cp beschrieAnteil Qsl und einem turbulenten Anteil Qst zu- ben: sammen, die durch die Verlustfaktoren Cl und Ct (2.32) Mp D Cp  p Wth =.2  / : beschrieben werden p Das Verlustmoment Mv ist proportional der Qs D Qsl C Qst D Cl  p C Ct  p : (2.29a) Drehzahl und unabhängig von der DruckdifDie Verlustfaktoren Cl und Ct werden experi- ferenz. Es entsteht durch viskose Reibung in mentell bestimmt. Bei druckabhängiger Spaltauf- den Dichtspalten der Verdrängerpumpe und wird durch den Verlustfaktor Cv beschrieben ( D dyweitung wird nach Abb. 2.11b namische Viskosität, n D Drehzahl je Sekunde) (2.29b) Qs D A1  p C A2  p 2 : (2.33) Mv D Cv n Wth =.2  / : Der physikalische Ansatz für den laminaren Das Verlustmoment Mh erfasst die hydrauliLeckstrom lautet (s D Spaltweite, e D Spaltbreischen Verluste (Strömungsdruckverluste in der te, l D Spaltlänge, D dynamische Viskosität) Pumpe). Es ist proportional der Dichte % des För(2.30) dermediums und dem Quadrat der Drehzahl. Es Qsl D  p s 3 e=.12 l/ : wird durch den Verlustfaktor Ch beschrieben: 5=3

Mh D Ch % n2 Wth =.4  / :

2.3.4 Mechanisch-hydraulische Verluste Die mechanisch-hydraulischen Verluste verursachen das Verlustmoment M a M th , das in vier Teilmomente aufgeteilt wird: Das Verlustmoment M p infolge Druckdifferenz  p, das Verlustmoment M v für die viskosen Reibverluste, das Verlustmoment M h für die hydraulischen Verluste und das konstante Verlustmoment [6] Ma  Mth D Mp C Mv C Mh C Mc :

(2.31)

Das Verlustmoment Mp ist proportional der Druckdifferenz und unabhängig von der Drehzahl. Es entsteht durch mechanische Reibung im Gleitkontakt druckbeaufschlagter Pumpentei-

(2.34)

Das Verlustmoment Mc ist unabhängig von  p und n und entsteht durch Verspannung von Pumpenbauteilen. Die Verlustmomente werden experimentell bestimmt (Abb. 2.12). Die Aufteilung von M v und M h erfolgt durch Polynomapproximation aus den Messwerten. Aus den gemessenen Verlustmomenten lassen sich dann die Verlustfaktoren Cp , Cv und Ch berechnen. Die Verlustfaktoren verschiedener Verdrängerpumpen sind Tab. 2.3 zu entnehmen. Mit bekannten Verlustfaktoren Cl , Ct , Cp , Cv , Ch und dem konstanten Verlustmoment M c können Kennlinien und Wirkungsgrade von Verdrängerpumpen in Abhängigkeit von Viskosität und Dichte des Fördermediums berechnet werden.

30

H. Tschöke und H. Hölz

Tab. 2.3 Verlustfaktoren für Verdrängerpumpen (Ziff. 1 bis 6 nach [6]) Ziffer Pumpentyp 1 Schraubenpumpe 2 Zahnradpumpe ohne Spaltkompensation 3 Zahnradpumpe mit Spaltkompensation 4 Flügelpumpe 5 Axialkolbenpumpe 6 Radialkolbenpumpe 7 Exzenterschneckenpumpe einstufig

Cl  108 10. . . 45 40

Ct  104 8. . . 36 30

2 3. . . 4,3 0,5. . . 2 A1 109 1,3

2 3,5. . . 9 0,5. . . 2,8 A2 1015 27

Cp 0,03. . . 0,06 0,01. . . 0,12

Cv  105 0,2. . . 0,4 0,2. . . 1,0

Ch 500. . . 1400 20. . . 140

0,03. . . 0,06

0,3. . . 0,6

60. . . 270

0,02. . . 0,3 0,01. . . 0,1 0,01. . . 0,08 0,1. . . 0,3

0,4. . . 1,6 0,2. . . 2 0,2. . . 0,8 0,2. . . 0,4

10. . . 60 100. . . 250 10. . . 50 20. . . 50

Abb. 2.13 Mittlerer Nutzliefergrad von ventilgesteuerten Kolbenpumpen und Membranpumpen als Funktion des Förderdruckes [9]

Abb. 2.15 Wirkungsgrad von Exzenterschneckenpumpen. a über Drehzahl; b über Druckdifferenz. v D volumetrischer, mh D mechanisch-hydraulischer, T D Gesamtwirkungsgrad Abb. 2.14 Gesamtwirkungsgrad oszillierender Verdrängerpumpen [10]. a Prozessmembranpumpe großer Leistung; b Hubkolbenpumpe großer Leistung; c DosierMembranpumpen mittlerer Leistung; d Dosier-Hubkolbenpumpen mittlerer Leistung

2.3.5 Nutzliefergrad und Gesamtwirkungsgrad Bei ventilgesteuerten Hochdruck-Kolbenpumpen und Membranpumpen ist der volumetrische Wirkungsgrad 1. Der Nutzliefergrad wird bestimmt durch den Gütegrad und den Elastizitätsgrad (Abb. 2.13).

2 Verdrängerpumpen

Elastizitätsgrad und Gütegrad haben keine Auswirkungen auf den Gesamtwirkungsgrad. Bei Membranpumpen entfällt die Reibung der mediumseitigen Kolbendichtung (Stopfbuchse), deshalb werden höhere Gesamtwirkungsgrade als bei Hubkolbenpumpen erreicht (Abb. 2.14). Bei rotierenden Verdrängerpumpen sind der Gütegrad und der Elastizitätsgrad vernachlässigbar, der Leckstrom bestimmt den volumetrischen Wirkungsgrad als Energiewirkungsgrad (Abb. 2.15). Der volumetrische Wirkungsgrad wird verbessert durch zunehmende Drehzahl und zunehmende Viskosität. Der mechanisch-hydraulische Wirkungsgrad wird verbessert durch zunehmenden Druck und abnehmende Viskosität.

2.4 Auslegung und Hauptabmessungen 2.4.1 Oszillierende Verdrängerpumpen Bei Hubkolbenpumpen wird der Volumenstrom Qe durch die Zylinderzahl z, den Kolbenquerschnitt AK , dem Hub s, die Drehzahl n und den Nutzliefergrad nu bestimmt. Für einfachwirkende Hubkolbenpumpen ist: Qe D z AK s n nu D z AK 0; 5 Km nu : (2.35) Die mittlere Kolbengeschwindigkeit Km D 2sn wird durch Kavitation und das dynamische Verhalten der Ventile begrenzt (Abb. 2.16).

Abb. 2.16 Erreichbare mittlere Kolbengeschwindigkeit vKm für ventilgesteuerte Hubkolbenpumpen als Funktion der Energiehöhe NPSHA am Pumpensaugflansch [11]

31

2

Abb. 2.17 Hauptabmessungen von Membranpumpen

Bei Membranpumpen (Abb. 2.17) ist der Volumenstrom Qe von der Membranauslenkung yo(r) yu(r) und dem Membraneinspanndurchmesser 2 RA abhängig Qe D z Wg n nu ;

mit

ZRA Wg D 2   .yo.r/  yu.r/ / r d r :

(2.36a) (2.36b)

rD0

Die Funktionen yo.r/ und yu.r/ beschreiben die obere und die untere Membranlage. Sie sind abhängig von der Membranform (Formmembran, Flachmembran) und der Membranauslenkung. Die Membranen werden mechanisch oder hydraulisch angetrieben. Mechanisch angetriebene Membranen werden durch den Förderdruck belastet und bis etwa 20 bar eingesetzt. Hydraulisch angetriebene Membranen werden aus gewebeverstärktem Elastomer, aus PTFE oder aus Stahlblech ausgeführt. Sie sind hydraulisch entlastet und daher für höhere Drücke geeignet. Bis 400 bar werden Membranen aus PTFE eingesetzt, darüber hinaus aus Stahlblech. Der maximale Membranhub s D yo .r D 0/  yu .r D 0/ ist abhängig vom Werkstoff, der Membranform und der Membrandicke t: s=D  0; 11 für gewebeverstärkte ElastomerFlachmembranen; s=D  0; 24 für gewebeverstärkte Tellerformmembranen; s=D  0; 08 für hydraulisch betätigte PTFEFlachmembranen; s=D  0; 013 für hydraulisch betätigte Stahlmembranen; s=t D 10 : : : 25 für Stahlmembranen; t D 0;2 bis 2 mm (Membrandicke).

32

2.4.2

H. Tschöke und H. Hölz

Rotierende Verdrängerpumpen

Für Exzenterschneckenpumpen beträgt der D effektive Volumenstrom Qe mit dr Rotordurchmesser, e D Rotorexzentrizität, hst Statorsteigung (D 2  Rotorsteigung), kF D Formfaktor (Abb. 2.18) Qe D kF 4 dr e hst n nu :

(2.37) Abb. 2.19 Hauptabmessungen von Drehkolbenpumpen.

Der Nutzliefergrad nu entspricht dem volumetrischen Wirkungsgrad, wenn Füllungsverluste auszuschließen sind (Abb. 2.15). Der Formfaktor kF korrigiert die Näherungsgleichung für das geometrische Volumen je Umdrehung und ist abhängig vom Übermaß des Rotors über den gummielastischen Stator zur Erzeugung eines vorgespannten Dichtspaltes (kF D 0;93 bis 0,96). Der Rotordurchmesser dr von Exzenterschneckenpumpen-Baureihen beträgt 6 bis 200 mm; e=dr D 0;16 bis 0,2; hSt =dr D 5 bis 11. Für Drehkolbenpumpen ist der effektive Volumenstrom Qe (Abb. 2.19) mit kF D Formfaktor, b D axiale Rotorlänge, n D Drehzahl, AK D Kammervolumen, As D Schadraumvolumen Qe D kF z.AK  As / b n nu :

(2.38)

Die Kammerzahl z je Umdrehung beträgt 6 für dreiflügelige und 4 für zweiflügelige Profile. As D 0 für schadraumfreie Profile (Abb. 2.19a). Rotoren nach Abb. 2.19a werden aus Elastomer mit Stahlkern oder aus gehärtetem Werkzeugstahl hergestellt. Rotoren aus Elastomer be-

a Schadraumfreies dreiflügeliges Profil; b zweiflügeliges Profil mit Schadraum

sitzen einen gummielastisch vorgepressten Dichtspalt, die dadurch hervorgerufene Profilverformung wird durch kF korrigiert. Das Profil schneidet den Wälzkreis (Wälzkreisradius = halber Achsabstand) sechsmal beim dreiflügeligen Rotor und viermal beim zweiflügeligen Rotor. Bedingung für identische Profile ist, dass die Wälzkreisteilung gleiche Teilungswinkel hat: 60° beim dreiflügeligen und 90° beim zweiflügeligen Profil. Beim Profil nach Abb. 2.19a wird das über dem Wälzkreis befindliche Profil bis zum Wälzkreis als Kreisbogen ausgeführt, der innerhalb des Wälzkreises befindliche Profilabschnitt wird punktweise nach dem Verzahnungsgesetz berechnet: Die Profilnormale muss im Profileingriff durch den Wälzpunkt (halber Achsabstand) gehen, und definiert den Eingriffspunkt als gemeinsamen Punkt beider Profile. Exzenterschneckenpumpen und Drehkolbenpumpen werden zur Förderung von hochviskosen und hochabrasiven Schlämmen eingesetzt. Die mittlere Umfangsgeschwindigkeit u am Außendurchmesser dr des Verdrängers muss abhängig vom Fördermedium begrenzt werden: u D dr   n ;

Abb. 2.18 Hauptabmessungen von Exzenterschneckenpumpen

(2.39)

u < 0;8 m=s für hochabrasive und sehr hoch viskose Fördermedien; u < 1;6 m=s für abrasive und hoch viskose Fördermedien; u < 3 m=s für gering abrasive und viskose Fördermedien; u < 4 m=s für Fördermedien ohne Feststoff, gering abrasiv. Das Verhältnis u = der Umfangsgeschwindigkeit zur Strömungsgeschwindigkeit in der

2 Verdrängerpumpen

33

2 Abb. 2.21 Ventilbauarten für Hub- und Membrankolbenpumpen (LEWA, Leonberg). a Kugelventil; b federbelastetes Plattenventil; c federbelastetes Kegelventil

Abb. 2.20 Richtwerte für die Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der kinematischen Viskosität

Saugleitung soll 1 bis 1,6 betragen, um Füllungsverluste zu vermeiden, Abb. 2.20. Weitere Bauformen rotierender und oszillierender Verdrängerpumpen siehe Bd. 2, Kap. 18.

2.5 Baugruppen und konstruktive Gestaltung 2.5.1

Baugruppen zur Ein- und Auslasssteuerung

Zur Steuerung von Ein- und Auslass verwendet man druckgesteuerte Ventile oder Wegsteuerung. Die Wegsteuerung erfolgt mit weggesteuerten Ventilen oder Schiebern oder mit gehäusefesten Steuerkanten, die vom Verdränger gesteuert werden. Druckgesteuerte Ventile dichten höhere Druckdifferenzen ab im Vergleich zur Wegsteuerung, da der Dichtspalt druckkompensiert ist. Das Ventil bewegt sich normal zur Dichtfläche. Mit Wegsteuerung lassen sich größere Öffnungsquerschnitte aufsteuern. Rotierende Verdrängerpumpen arbeiten immer weggesteuert.

Die Verzögerung beim Öffnen wird verursacht durch Adhäsion des Ventils am Sitz und durch Triebwerks- und Flüssigkeitselastizität bei Hochdruckpumpen (Abb. 2.10). Maßgebend für den Öffnungswinkel ist das Kräftegleichgewicht am Ventil. Die Schließverzögerung wird verursacht durch Adhäsion am Hubfänger und durch Verdrängung: da der Kolben noch bis zum Totpunkt imkompressible Flüssigkeit durch den Ventilspalt verdrängt, kann das Ventil im Totpunkt noch nicht geschlossen sein. Die Schließverzögerung kann einen hörbaren Ventilschlag verursachen, der die Pumpendrehzahl nach oben begrenzt. Der Ventilschlag wird hörbar, wenn die kinetische Energie des Ventils beim Auftreten auf den Sitz die Größe von (0,6 bis 1)102 J erreicht [12]. Ventilhub h, Druckverlust  p am Ventil, Ventilgeschwindigkeit h und Ventilschließgeschwindigkeit hP werden durch die Bewegungsdifferentialgleichung des Ventils beschrieben (Abb. 2.22): pAv D Strömungskraft, FG D Gewichtskraft, FF D Federvorspannkraft, cF h D Federkraft, # hP D Dämpfungskraft, m hR D Trägheitskraft, Av D Ventiltellerfläche, D Kraftbeiwert: P pAv FG FF cF h# hm hR D 0: (2.40)

2.5.1.1 Druckgesteuerte Ventile Druckgesteuerte Ventile [1] werden als Kugelventile, Tellerventile oder Kegelventile mit oder ohne Federbelastung ausgeführt (Abb. 2.21). Bei höheren Drehzahlen muss der Ventilhub durch einen Anschlag (Hubfänger) begrenzt werden, um die Schließverzögerung (Schließen nach Tot- Abb. 2.22 Kräfte und Bezeichnungen an einem druckgesteuerten Pumpenventil punkt des Triebwerkes) in Grenzen zu halten.

34

H. Tschöke und H. Hölz

Gleichungen (2.40) und (2.41) enthalten die 3 empirischen Konstanten , Sp und #. Der Kraftbeiwert zur Berechnung der Strömungskraft beträgt 0,4 bis 0,7; die Widerstandszahl sp beträgt im turbulenten Strömungsbereich 1 bis 4. Für laminar umströmte Ventile sind , und die Dämpfungskonstante # von der Viskosität abhängig, # kann für Viskositäten < 6000 mPa s vernachlässigt werden [12, 13].

2.5.1.2 Wegsteuerung Die Wegsteuerung wird so ausgelegt, dass kein Kurzschluss zwischen Einlass und Auslass entsteht (positive Steuerkantenüberdeckung). Wird das zwischen Einlass, Auslass und Verdränger eingeschlossene Volumen komprimiert, entstehen hohe Druckspitzen. Zur Vermeidung werden Entlastungsnuten, Schlitze oder Bohrungen angeordnet. Durch Druckkompensation der Spaltweiten lassen sich die Leckverluste bei Wegsteuerung begrenzen.

2.5.2

Abb. 2.23 Ventilhub (a), Ventilgeschwindigkeit (b), Spaltgeschwindigkeit (c) und Druckverlust (d) an einem Pumpenventil

Die Kontinuitätsgleichung für das durchströmte Ventil mit AK D Kolbenquerschnitt, K D Kolbengeschwindigkeit, Av hP D Ventilverdrängung, AK K D Kolbenverdrängung, ls p D p 2  p=. Sp %/ D AusSpaltumfang, Sp D flussgeschwindigkeit am Ventil lautet: q AK K D lSp h 2  p=. Sp %/ C Av hP : (2.41) Substituiert man den Druckverlust  p in Gl. (2.40) über Gl. (2.41), lässt sich die Bewegungsdifferentialgleichung Gl. (2.40) numerisch nach dem Nyström-Verfahren lösen und Ventilhub, Ventilgeschwindigkeit, Druckverlust und Ausflussgeschwindigkeit berechnen (Abb. 2.23).

Verstellung und Regelung

Durch Verstellung des Hubes, der Exzentrizität oder der Drehzahl von Verdrängerpumpen lässt sich der Volumenstrom von Null bis Qmax ändern. Zusätzlich kann der Volumenstrom auch durch Abschalten einzelner parallel geschalteter Pumpen und durch Bypassleitungen zwischen Saugund Druckleitung verändert werden. Geregelte Verstellungen sind die Druckregelung zur Aufrechterhaltung eines konstanten Druckes, die Volumenstromregelung und die kombinierte DruckVolumenstromregelung (Leistungsregelung).

2.5.3

Verwendungsbedingte Ausführung

Die Beispiele beschränken sich auf Dickstoffpumpen, Prozessmembranpumpen und auf Dosierpumpen. Verdrängerpumpen für Ölhydraulik siehe Bd. 2, Kap. 18; Verdrängerpumpen für Verbrennungsmotoren siehe Kap. 4.

2 Verdrängerpumpen

35

2

Abb. 2.24 Dosierpumpen-Triebwerk mit Stellexzenter (LEWA, Leonberg)

2.5.3.1 Dosierpumpen Dosierpumpen sind Membrankolbenpumpen oder Hubkolbenpumpen mit hubverstellbarem Triebwerk. Die Funktionen des Dosiervorganges (Fördern, Messen, Einstellen) sind in einer Dosierpumpe zusammengefasst. Dies setzt eine weitgehend druckunabhängige Förderstromkennlinie voraus, was nur bei Kolbenpumpen und bei Membranpumpen zutrifft. Beim Stellexzenter-Triebwerk (Abb. 2.24) treibt die Antriebswelle (1) über ein Schneckenrad die Hohlwelle (2) an. Der Stellexzenter (3) wird von der Hohlwelle (2) über eine Abflachung mitgenommen, in die er U-förmig eingreift und längs der er radial verschiebbar ist. Das Pleuel (4) wird vom Stellexzenter (3) angetrieben und treibt einen Kreuzkopf (5) an, von dem aus unterschiedliche Pumpenköpfe betrieben werden können. Die radiale Verschiebung des Stellexzenters (3) erfolgt über eine Schiebewelle (6) mit schräg verlaufender Nut, in die ein Gleitstein eingreift, der mit dem Stellexzenter (3) verstiftet ist. Die Schiebewelle (6) wird über die Spindel (7) manuell oder über elektrische oder pneumatische Hub-Stellantriebe verstellt und damit Hub und Volumenstrom je Umdrehung eingestellt. Abb. 2.25 zeigt verschiedene Pumpenköpfe, die mit dem Stellantrieb (Abb. 2.24) verstellt werden können. Der mechanisch angetriebene Mem-

branpumpenkopf (Abb. 2.25a) besteht aus einer dreilagigen Formmembran und wird bis 20 bar eingesetzt. Ein Bruch der Arbeitsmembran wird über die Überwachungsmembran durch ein Kontaktmanometer signalisiert. Durch die Schutzmembran bleibt die Pumpe noch funktionsfähig. Der hydraulisch betätigte Membranpumpenkopf (Abb. 2.25b) ist mit einer zweilagigen Sandwichmembran ausgerüstet. Sie verhindert, dass bei Membranbruch eine Vermischung von Förder- und Hydraulikfluid eintritt und das Förderfluid an die Atmosphäre gelangen kann. Bricht eine der beiden Membranen, so gelangt Förderoder Hydraulikfluid zum Membranbruchsensor, der ein akustisches oder optisches Signal auslöst. Auf der Hydraulikseite befindet sich unten ein Schnüffelventil, über das der Leckstrom des Hydraulikzylinders ergänzt wird. Der Membranhub wird durch den eingestellten Überdruck begrenzt, die Membrane liegt nicht am Pumpenkopf an (Membranlagensteuerung). Beim Kolbenpumpenkopf (Abb. 2.25c) wird der Kolben über eine Stopfbuchse abgedichtet. Die plastisch verformbaren Packungsringe werden über eine schraubbare Brille verspannt, die Reibungswärme wird über einen Sperrwasserring abgeführt. Bei Stopfbuchsenabdichtungen muss eine geringe Leckrate in Kauf genommen werden.

36

H. Tschöke und H. Hölz

Abb. 2.25 Pumpenköpfe für Dosierpumpen (LEWA, Leonberg). a mechanisch betätigter Membranpumpenkopf; b hydraulisch betätigter Membranpumpenkopf; c Kolbenpumpenkopf

2.5.3.2 Prozessmembranpumpen (Abb. 2.26) Für hohe Drücke und Förderströme werden dreizylindrige Prozessmembranpumpen eingesetzt, die über ein Kurbeltriebwerk angetrieben werden. Der maximale Druck beträgt 350 bar mit Kunststoff-Sandwich-Membran und bis 1200 bar mit Metallmembran. Der Förderstrombereich reicht bis 180 m3 =h, der Leistungsbereich bis 600 kW. Der Vorteil gegenüber der Hubkolbenpumpe ist die hermetische Abdichtung des Arbeitsraumes durch die Membran und die entfallende Stopfbuchsenreibung.

Exzenterschneckenpumpen, Membranpumpen, hydraulisch angetriebene Kolbenpumpen.

Gesichtspunkte zur Gestaltung von Dickstoffpumpen sind: Keine Strömungstoträume, in denen sich Ablagerungen bilden können. Umlenkungen oder Querschnittsänderungen sollen vermieden werden. Keine Zwängungen durch bewegte und feststehende Wandungen, in die sich Fremdkörper einklemmen können. Der größte förderbare Fremdkörperdurchmesser beträgt etwa 40 % des größten Förderquerschnittes, gegebenenfalls müssen Zerkleinerungsmaschinen 2.5.3.3 Dickstoffpumpen vorgeschaltet werden. Die Arbeitsräume müsDickstoffpumpen fördern hochviskose und hoch- sen zu Reinigungszwecken und zur Beseitigung abrasive Schlämme mit einer Feststoffkonzentra- von Störungen zugänglich sein. In medienberührtion bis 50 Gew.-%. Für diese Aufgaben werden ten Gleitkontakten hat sich die Werkstoffpaarung folgende Pumpenbauarten eingesetzt: hart–weich bewährt: gummibeschichtete Oberflä-

2 Verdrängerpumpen

37

2

Abb. 2.26 Prozessmembranpumpe (LEWA, Leonberg)

Abb. 2.27 Exzenterschneckenpumpe (KSB, Frankenthal). a Pumpe; b Sphäro-Bolzengelenk; c Gleitsteingelenk

chen mit 65 Shore gegen gehärteten Werkzeugstahl mit einer Härte von 62 HRC. Verschleißbedingte Spaltweitenvergrößerungen sollen kompensiert werden können. Exzenterschneckenpumpen (Abb. 2.27) fördern mit einem wendelförmigen Rotor, der sich in einem gummielastischen Stator doppelter Steigungshöhe dreht und über eine kardanische Gelenkwelle angetrieben wird. Es sind 1 bis 12 Statorwindungen („Stufen“) vorgesehen, je Stufe können 6 bar Druck zugelassen werden. Die

Saugseite befindet sich normalerweise an der Gelenkwelle. Durch bis 24 bar druckfeste Gelenkmanschetten (Abb. 2.27a,b) kann die Förderrichtung auch umgekehrt und die Exzenterschneckenpumpe als Tauchpumpe ausgeführt werden. Durch Verminderung der geodätischen Saughöhe um die Pumpenlänge wird der NPSHA-Wert verbessert. Als kardanische Gelenke sind SphäroBolzengelenke (Abb. 2.27a) oder Gleitsteingelenke (Abb. 2.27c) vorgesehen. Drehmomentund Axialkraftübertragung sind bei diesen Gelen-

Abb. 2.28 Rohrweichenpumpe (Putzmeister, Aichtal). a Pumpe; b Rohrweiche 1 mit Verschlussring 2 und Brillenplatte 3

38

ken getrennt. Beim Gleitsteingelenk (Abb. 2.27c) bestehen nur Flächenkontakte bei der Drehmomentübertragung, sodass das doppelte Drehmoment bei gleichem Außendurchmesser übertragen werden kann. Die Rohrweichenpumpe (Abb. 2.28) ist eine hydraulisch betätigte Zweizylinder-Kolbenpumpe. Der Kolbenhub beträgt 1000 bis 2100 mm, der Kolbendurchmesser 120 bis 280 mm, der Förderdruck bis 100 bar. Die Rohrweiche stellt die Verbindung zwischen Druckleitung und förderndem Zylinder her und wird hydraulisch geschwenkt, wenn der andere Zylinder fördert. Beim Umschwenken gleitet die Rohrweiche (1) mit einem druckkompensierten Verschleißring (2) auf der Brillenplatte (3). Die Druckkompensation erfolgt über den Durchmesserunterschied A–B.

H. Tschöke und H. Hölz 7. Schlösser, W. M. J.: Über den Gesamtwirkungsgrad von Verdrängerpumpen. Ölhydraulik und Pneumatik 12, 415–420 (1968) 8. Schlösser, W. M. J.: Eine Maßstabtheorie zur Voraussage des Verhaltens von Mitgliedern einer Familie hydraulischer Verdrängermaschinen. Ölhydraulik und Pneumatik 14, 1–5 (1970) 9. Vetter, G.: Untersuchungen an Dosierpumpen für die Verfahrenstechnik. Chemie-Ing.-Techn. 36, 185–191 (1964) 10. Fritsch, H.: Dosierpumpen. Moderne Industrie, Landsberg (1989) 11. Dettinger, W.: Die hydrodynamische und technologische Leistungsgrenze der Kolbenpumpen. IndustrieAnzeiger 88, 923–929, 968–972 (1966) 12. Vetter, G. (Hrsg.): Pumpen, 2. Aufl. Vulkan Verlag, Essen (1992) 13. Adolph, U.: Vorausberechnung der Funktion und der Schlaggrenze selbsttätiger Pumpenventile bei reiner Flüssigkeitsförderung. Dissertation TH Dresden (1967)

Weiterführende Literatur

Literatur 1. Will, D., Gebhardt, N., (Hrsg.): Hydraulik, 6. Auflage, Springer Vieweg, Wiesbaden (2014) 2. Vetter, G., Fritsch, H.: Auslegung von Pulsationsdämpfern für oszillierende Verdrängerpumpen. Chemie-Ing.-Techn. 42, 609–616 (1970) 3. Palte, R.: Einflussgrößen auf die Förderstrompulsation ventilgesteuerter Kolbenpumpen. Ölhydraulik und Pneumatik 24, 534–538 (1980) 4. Schlösser, W. M. J.: Ein mathematisches Modell für Verdrängerpumpen und -motoren. Ölhydraulik und Pneumatik 5, 122–130 (1961) 5. Schlösser, W. M. J., Hildbrands, J. W.: Der volumetrische Wirkungsgrad von Verdrängerpumpen. Ölhydraulik und Pneumatik 7, 469–476 (1963) 6. Schlösser, W. M. J., Hildbrands, J. W.: Über den hydraulisch-mechanischen Wirkungsgrad von Verdrängerpumpen. Ölhydraulik und Pneumatik 9, 333–338 (1965)

Bohl, W.: Pumpen und Pumpenanlagen, 3. Aufl. expert, Grafenau (1982) Ivantysyn, I. u. M.: Hydrostatische Pumpen und Motoren. Vogel, Würzburg (1993) Leuschner, G.: Kleines Pumpenhandbuch für Chemie und Technik. Verlag Chemie, Weinheim (1967) Schulz, H.: Die Pumpen, 13. Aufl. Springer, Berlin (1977) Vetter, G.: Leckfreie Pumpen, Verdichter und Vakuumpumpen. Vulkan, Essen (1998) Vetter, G.: Rotierende Verdrängerpumpen für die Prozesstechnik. Vulkan, Essen (2006) Zey, W.: Dickstoffpumpen. Moderne Industrie, Landsberg (1995) Vetter, G.: Rotierende Verdrängerpumpen für die Prozesstechnik, Vulkan Verlag, München (2006) Surek, D.: Pumpen für Abwasser- und Kläranlagen, Vulkan Verlag München (2014) Matthies, H.J., Renius, K.T.: Einführung in die Ölhydraulik, 8. Auflage, Springer Vieweg, Wiesbaden (2014) www.ksb.com www.lewa.de www.parker.com www.boschrexroth.com

3

Kompressoren, Verdichter Helmut Tschöke und Herbert Hölz

3.1 Bauarten und Anwendungsgebiete Verdrängerkompressoren kapseln das angesaugte Gas und schieben es dann in die Druckleitung. Während der Kapselung verkleinert sich der Arbeitsraum, sodass Druck und Temperatur des Gases ansteigen (innere Verdichtung). Die Verdichtung auf höhere Drücke erfolgt über einen oder mehrere hintereinandergeschaltete Arbeitsräume (Stufen), zwischen denen das Gas gekühlt wird (Außenkühlung). Dadurch wird der Temperaturanstieg begrenzt und die erforderliche Verdichtungsarbeit vermindert. Beim Roots-Gebläse (Wälzkolbenvakuumpumpe) erfolgt keine innere Verdichtung. Öleinspritzgekühlte Schrauben- und Rotationsverdichter werden während der Verdichtung im Arbeitsraum gekühlt (Innenkühlung). Verdrängervakuumpumpen evakuieren einen Vakuumbehälter (Rezipienten). Der saugseitige Druck erreicht Werte unter 103 mbar. Abb. 3.1 zeigt die wichtigsten Bauarten von Verdichtern und Vakuumpumpen. Die Bauarten unterscheiden sich nach der Schmierung der bewegten Teile im Arbeitsraum, nach dem erreichbaren Druck und Volumenstrom und nach den Anwendungsgebieten (Tab. 3.1). Nach der Schmierung wird zwischen Ölschmierung, Trockenlauf mit Berührungsdichtungen und berühH. Tschöke () Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Magdeburg, Deutschland E-Mail: [email protected]

Abb. 3.1 Wichtigste Bauarten von Verdichtern (und Vakuumpumpen). a Hubkolbenverdichter; b Membranverdichter; c Schraubenverdichter; d Rotationsverdichter (Zellenverdichter); e Flüssigkeitsringverdichter (Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe); f Rootsgebläse (WälzkolbenVakuumpumpe); g Drehzahnverdichter (Drehzahn-Vakuumpumpe); h Scrollverdichter

rungsfreiem Trockenlauf mit Spaltdichtungen unterschieden. In Sonderfällen wird auch Wasser verwendet. Schmierung, Innenkühlung und Abdichtung sind kombiniert, wenn das Schmiermittel (Öl, Wasser) in größeren Mengen zugeführt

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_3

39

40

H. Tschöke und H. Hölz

Tab. 3.1 Bauarten und Anwendungsgebiete von Verdrängerverdichtern (VPmax bezogen auf Ansaugdruck) Bauart Schmierung Hubkolbenverdichter Öl Trockenlauf Labyrinthspalt Membranverdichter Trockenlauf Schraubenverdichter Öl Trocken-Spalt Rotationsverdichter Öl Trocken-Lamelle Flüssigkeitsringverdichter Wasser Rootsgebläse Trocken-Spalt Drehzahnverdichter Trocken-Spalt Scrollverdichter Öl Trocken-Spalt

VPmax (m3 =h)

pmax (bar)

Hauptanwendung Luft Gase

100 000 100 000 11 000

3500 200 300

+ +

100

4000

10 000 80 000

40 40

+ +

16 2,5

+ +

+

+ +

10 000

11

+

+

+

84 000

2

+

+

+

840

9

+

35 50

10 10

+

5000 600

wird. Die in Tab. 3.1 genannten Werte von pmax und VPmax werden nicht immer bei derselben Ausführung erreicht und können in Sonderfällen auch überschritten werden. Die Anwendung bestimmt den erforderlichen Volumenstrom und Verdichtungsenddruck, Beispiele:

Vakuum

+ + +

Kälte + +

+ + +

+ +

kuum unter 107 mbar. Im Hochvakuum und Ultrahochvakuum erzeugen Verdrängervakuumpumpen das erforderliche Vorvakuum für die Hochvakuumpumpe; im Grob- und Feinvakuum werden überwiegend Verdrängervakuumpumpen eingesetzt.

Luft: Belüftung, pneumatischer Transport bis 3.2 2 bar; Druckluft, Bremsverdichter 10 bar; Auffüllung von Druckluftflaschen bis 320 bar.

3.2.1

Grundlagen und Vergleichsprozesse Volumenstrom, Eintrittspunkt,

Austrittspunkt Gase: Erdgastankstellen bis 250 bar; Reinjection von Erdgas bis 450 bar; Hydrieren bis 350 bar; Ammoniak-Synthese bis 450 bar; Me- Der nutzbare Ansaugvolumenstrom eines Verthanol-Synthese bis 300 bar; Synthese von Hoch- dichters wird nach DIN 1945 am Austrittspunkt des Verdichters gemessen und auf die am Eindruck-Polyethylen bis 3500 bar. trittspunkt herrschenden Bedingungen für die GeKältemittel: Ammoniak bis 20 bar; Halogen- samttemperatur, den Gesamtdruck und die Gaskohlenwasserstoffe bis 20 bar; Propan bis 35 bar; zusammensetzung (z. B. Feuchtigkeit) bezogen. CO2 bis 110 bar. Beispiele für Kältemittelver- Eintrittsdruck ist der mittlere absolute Gesamtdichter siehe Abschn. 37.4.1. druck am Eintrittspunkt, Austrittsdruck der mittlere absolute Druck am Austrittspunkt. Der absoVakuum: Grobvakuum 1000 bis 1 mbar saug- lute Gesamtdruck kann in der Regel dem absoluseitiger Druck; Feinvakuum 1 bis 103 mbar; ten statischen Druck gleichgesetzt werden. EinHochvakuum 103 bis 107 mbar; Ultrahochva- trittspunkt ist der Saugflansch des Verdichters,

3

Kompressoren, Verdichter

41

bei Kompaktanlagen für Luft die Umgebung des Luftfilters. Austrittspunkt ist der Druckflansch des Verdichters, bei Kompaktanlagen für Luft der Anschluss zum Abnehmer. Für die Umrechnung des Förderzustandes ( f ; 2) in den Ansaugzustand (f a; 1) gilt für trockene Gase (Z D Realgasfaktor) VPfa =VPf D .p2 =p1 / .T1 =T2 / .Z1 =Z2 / :

3

(3.1a)

Für die Umrechnung des Förderzustandes (f ; 2) in den Normzustand .f0 I 0/ gilt für trockene Gase (Realgasfaktor Z0 D 1/ VPf 0 =VPf D .p2 =p0 / .T0 =T2 / .Z0 =Z2 / :

(3.1b)

Abb. 3.2 Realgasfaktor

nent ~ D cp =cv druck- und temperaturabhängig Für die Umrechnung eines angesaugten feuch(Abb. 3.3). ten Volumenstroms VPa vom Zustand .T1 ; p1 / mit Die Isentropenexponenten idealer Gase sind: der relativen Feuchte ' und dem Sättigungsdampfdruck ps (bezogen auf T1 ) auf den Norm für einatomige Gase (He) 1,66; zustand (0) gilt für zweiatomige Gase (CO, H2 , O2 , N2 , Luft) 1,4; VP0 =VPa D .p1  ' ps /=p0 .T0 =T1 / : (3.1c) für mehratomige Gase CO2 1,3; CH4 (Methan) 1,32; C2 H4 (Äthylen) 1,25; NH3 (Ammoniak) 1,31.

3.2.2 Verdichtung idealer und realer Gase Bei der Verdichtung auf hohe Drücke und in der Umgebung des Nassdampfgebietes muss das von der Zustandsgleichung für ideale Gase abweichende Verhalten realer Gase berücksichtigt werden, siehe Bd. 1, Kap. 40. Der Realgasfaktor Z ist das Verhältnis des spezifischen Realgasvolumens real zum spezifischen Idealgasvolumen ideal entsprechend der Zustandsgleichung (R D Gaskonstante des Gases). Z D real =ideal D p real =.RT / : (3.2)

Die Gaskonstante R ist unabhängig vom Realgasverhalten und berechnet sich aus der universellen Gaskonstanten RM D 8315 .J=kmol K/ und der Molmasse M (kg=kmol). Mit R D RM =M ergeben sich die Gaskonstanten in Tab. 3.2.

Der Realgasfaktor (Abb. 3.2) ist für verschiedene Gase Diagrammen zu entnehmen [1] oder numerisch mit stoffabhängigen Konstanten zu berechnen, siehe Bd. 1, Kap. 40. Bei niederen Drücken kann der Realgasfaktor unberücksichtigt bleiben (Z D 1); für Luft bis 25 bar bleibt der Fehler < 1 %. Beim realen Gas sind die spezifischen Wärmekapazitäten cp und cv und der Isotropenexpo- Abb. 3.3 Isentropenexponent von Luft [1, 2]

42

H. Tschöke und H. Hölz

Tab. 3.2 Gaskonstante Gasart Wasserstoff H2 Helium He Luft Sauerstoff O2 Stickstoff N2 Kohlenmonoxid CO Kohlendioxid CO2 Wasserdampf H2 O Methan CH4 Äthylen C2 H4 Ammoniak NH3

Gaskonstante R (J=kg K) 4124,4 2076,9 287,1 259,83 296,8 296,83 188,92 461,4 518,25 296,37 488,1

3.2.3 Vergleichsprozesse für einstufige Verdichtung

Abb. 3.4 Isentroper und isothermer Vergleichsprozess für einstufige Verdichtung idealer Gase

Für die isentrope Verdichtungsarbeit Ws bzw. Verdichtungsleistung Ps gilt Ws D mf ws

und

(3.6b)

P f ws : (3.6c) Ps D m Als Vergleichsprozesse werden die isotherFür die isentrope Verdichtungslinie 1–2 gilt me oder die isentrope Verdichtung gewählt (Abb. 3.4). (3.7) p  D p1 1 D const. Bei der isothermen Verdichtung idealer Gase ist die spezifische isotherme Verdichtungsarbeit R Die Verdichtungstemperatur T 2 des isentropen wT D  dp (schraffierte Fläche 1 20 3 4 in Vergleichsprozesses beträgt Abb. 3.4a) wT D RT ln.p2 =p1 / :

(3.3)

T2 D T1 .p2 =p1 /.~1/=~ :

(3.8)

Mit der je Zyklus geförderten Gasmasse mf Die Verdichtungstemperatur T 2 bei isentrobzw. dem Massenstrom m P f wird die isotherme per Verdichtung ist aus dem T, s-Diagramm Verdichtungsarbeit WT bzw. die isotherme Ver(Abb. 3.4b) direkt ablesbar. Die Fläche 40 2 20 dichtungsleistung PT 3 ist die Wärmemenge, die bei Kühlung des verdichteten idealen Gases auf AnsaugtemperaWT D mf wT und (3.4a) tur im Kühler abgeführt wird. Sie entspricht der zuvor aufgewendeten isentropen VerdichtungsarP f wT : (3.4b) PT D m beit des idealen Gases. Gleichung (3.8) ist für den wirklichen VerFür die isotherme Verdichtungslinie 1 20 gilt dichter eine Näherungsgleichung, da sich das Gas mit  D spezifisches Volumen nach Gl. (3.24) beim Einströmen in den Zylinp  D RT D const. (3.5) der auf T10 D T1 =A erwärmt und das innere Druckverhältnis i D p20 =p10 größer ist als das Die spezifische isentrope Verdichtungsarbeit äußere Druckverhältnis p2 =p1 , verursacht durch ws ist die schraffierte Fläche 1 2 3 4 in Abb. 3.4a: die Druckverluste beim Ein- und Ausströmen, Gl. (3.27). Temperaturerniedrigend wirkt sich da  gegen die Zylinderkühlung aus, was mit einem ws D ~=.~  1/ p1 1 .p2 =p1 /.~1/=~  1 : (3.6a) Exponenten n < ~ berücksichtigt wird.

3

Kompressoren, Verdichter

43

3 Abb. 3.6 Isotherme Verdichtung realer Gase

Die spezifische isotherme Verdichtungsarbeit beträgt für das reale Gas  Abb. 3.5 Temperaturanstieg für isentrope Verdichtung idealer Gase ( =1,4)

Die Verdichtungsendtemperatur wird für ölgeschmierte Luftverdichter nach VBG 16 [3] begrenzt, um die Gefahr von Bränden oder Explosionen zu vermeiden (Auszug): Kompressoren mit Öleinspritzkühlung mehrstufige Kompressoren von Schienenoder Kraftfahrzeugen bei Fahrt mehrstufige Kompressoren > 10 bar einstufige Kompressoren < 10 bar

110 °C 200 °C 160 °C 220 °C

wT D p1 1 =Z1

 Zp2 ln.p2 =p1 / C .Z  1/=pdp p1

(3.9a) und wT D p1 1 =Z1 .ln.p2 =p1 /C.B2 B1 //: (3.9b) Das Integral in Gl. (3.9a) wird über den Realgasfaktor numerisch berechnet oder nach Abb. 3.7 bestimmt. B2 bezieht sich auf p2 , B1 auf p1 . Die spezifische isentrope Verdichtungsarbeit ws realer Gase wird aus der Enthalpiedifferenz unter Berücksichtigung der druck- und tempe-

Diese Werte begrenzen das Druckverhältnis einer Stufe für ölgeschmierte Verdichter (Abb. 3.5). Bei trockenlaufenden Verdichtern mit berührungsfreien Spaltdichtungen führt eine zu hohe Verdichtungsendtemperatur zur Überbrückung der Spaltweite infolge thermischer Dehnung. So beträgt beim trockenlaufenden Schraubenverdichter die maximale Verdichtungsendtemperatur 250 ı C. Bei trockenlaufenden Verdichtern mit Berührungsdichtungen bestimmt der mit der Temperatur zunehmende Verschleiß der Dichtelemente die Temperaturgrenze. Für reale Gase ist das abweichende Volumen bei der Berechnung der Verdichtungsarbeit zu berücksichtigen. Durch die Realgasabweichung besteht die Zusatzarbeit  wT für Z > 1 bzw. Minderarbeit für Z < 1 (Abb. 3.6). Abb. 3.7 B-Werte zur Berechnung der spezifischen isothermen Verdichtungsarbeit

44

H. Tschöke und H. Hölz

raturabhängigen spezifischen Wärmekapazität cp ermittelt: ws D h2  h1 D cp2 T2  cp1 T1 :

(3.10)

3.2.4 Definition von Wirkungsgraden Der indizierte isotherme Wirkungsgrad T;i ist das Verhältnis des isothermen Leistungsbedarfs PT zur indizierten Leistung Pi , die über die p, V-Diagramme und die Verdichterdrehzahl ermittelt wird T;i D PT =Pi D WT =Wi :

3.2.5 Mehrstufige Verdichtung (3.11)

Der effektive isotherme Kupplungswirkungsgrad T;Ku ist das Verhältnis des isothermen Leistungsbedarfs PT zu der an der Kupplung des Verdichters aufgenommenen Kupplungsleistung T;Ku D PT =PKu D WT =WKu :

(3.12)

Der mechanische Wirkungsgrad m ist das Verhältnis der indizierten Leistung Pi zur Kupplungsleistung PKu M D Pi =PKu :

(3.13)

Daraus folgt für den effektiven isothermen Kupplungswirkungsgrad T;Ku D T;i m :

(3.14)

Der effektive isotherme Kupplungswirkungsgrad kleinerer einstufiger Luftverdichter liegt zwischen 0,4 und 0,6; bei großen mehrstufigen Gasverdichtern zwischen 0,56 und 0,74. Er hängt vom Druckverhältnis und bei mehrstufiger Verdichtung von der gewählten Stufenzahl ab. Der mechanische Wirkungsgrad beträgt bei großen Gasverdichtern 0,90 bis 0,95; bei kleinen Tauchkolbenverdichtern zwischen 0,8 und 0,85. Für den isentropen Vergleichungsprozess sind der indizierte isentrope Wirkungsgrad s;i und der effektive isentrope Kupplungswirkungsgrad s;Ku analog definiert: s;i D Ps =Pi D Ws =Wi ; s;Ku D Ps =PKu D Ws =WKu :

Der isentrope Leistungsbedarf Ps liegt, abhängig vom Druckverhältnis und vom Isentropenexponenten um 10 % bis 30 % über dem isothermen Leistungsbedarf, bezogen auf dasselbe Druckverhältnis. Es ist daher s;Ku > T;Ku bei gleicher Kupplungsleistung PKu . Wirkungsgradangaben für Verdichter müssen sich daher immer auf den gewählten Vergleichsprozess beziehen. Bei kleineren einstufigen Luftverdichtern liegt s;Ku zwischen 0,6 und 0,7; bei großen mehrstufigen Gasverdichtern zwischen 0,69 und 0,84.

Mehrstufige Verdichtung begrenzt die Verdichtungsendtemperatur auf zulässige Werte, führt zu einer Arbeitsersparnis im Vergleich zur einstufigen Verdichtung, verbessert den Liefergrad und reduziert die Triebwerkkräfte. Dagegen vergrößert sich der Bauaufwand und es erhöhen sich die Strömungsdruckverluste. In Abb. 3.8 entsprechen die schraffierten Flächen der Verminderung der Verdichtungsarbeit im Vergleich zur einstufigen isentropen Verdichtung; die isentrope Verdichtungsendtemperatur verringert sich von TD I bei einstufiger isentroper Verdichtung auf TD II durch Zwischenkühlung und verringertes Stufendruckverhältnis. Für mehrstufige isentrope Verdichtung idealer Gase mit z Stufen wird die isentrope Verdichtungsarbeit minimiert, wenn das Stufendruckverhältnis Stufe aller Stufen gleich ist und nach Gl. (3.17) aus dem Gesamtdruckverhältnis ges berechnet wird. p z Stufe D ges D pD I =pS I D pD II =pS II D : : : D const.

(3.17)

Die ausgeführten Stufendruckverhältnisse sind bauartabhängig (s. Tab. 3.3). Die hohen Stufendruckverhältnisse von Membranverdichtern und öleinspritzgekühlten Schraubenverdichtern beruhen auf der Kühlung des Arbeitsraumes während der Verdichtung durch die (3.15) große Membranoberfläche bzw. die Öleinspritzung. Bei trockenlaufenden Schraubenverdich(3.16) tern und bei Rootsgebläsen begrenzt die ther-

3

Kompressoren, Verdichter

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3 Abb. 3.8 Zweistufige isentrope Verdichtung Tab. 3.3 Stufendruckverhältnis und Stufenzahl Bauart Trockenlaufende Schraubenverdichter Öleinspritzgekühlte Schraubenverdichter Öleinspritzgekühlte Rotationsverdichter Trockenlaufende Kolbenverdichter Labyrinthkolbenverdichter Ölgeschmierte Hubkolbenverdichter Membranverdichter Flüssigkeitsringverdichter Roots-Gebläse

Stufendruckverhältnis bis 4. . . 5 20. . . 22 12. . . 13 4 4 3,5 (max 10) 10 (max 20) 1,5. . . 2,2 2

Stufenzahl bis 4 3 1 4 4 7 4 3 2

mische Dehnung der Läufer das Druckverhältnis und die zulässige Verdichtungsendtemperatur. Bei ölgeschmierten Hochdruck-Kolbenverdichtern beträgt das Stufendruckverhältnis 1,5 bis 3,5; die kleineren Werte werden für die Hochdruckstufen gewählt und die Stufendruckverhältnisse ungleich ausgeführt. Stufendruckverhältnisse bis 10 werden bei Hubkolbenverdichtern nur für kleine Bremsverdichter ausgeführt bei intensiver Zylinderkühlung (Abb. 3.9). Die Wahl der Stufenzahl für ein vorgegebenes Gesamtdruckverhältnis ist ein Kompromiss zwischen zunehmendem Bauaufwand und Energieersparnis bei höherer Stufenzahl.

3.2.6

Abb. 3.9 Wahl der Stufenzahl i für Hubkolbenverdichter. a Förderströme und indizierte isentrope Wirkungsgrade einer Baureihe; b zulässiges Stufen- und Gesamtdruckverhältnis

Verdichtung feuchter Gase

Bei der Verdichtung feuchter Gase kondensiert in den Zwischenkühlern und im Nachkühler eine bestimmte Menge des kondensierbaren Gasanteils, für dessen Verdichtung Leistung aufgewendet wurde. Die erforderlichen Leistungskorrekturen beschreibt DIN 1945. Die Dichte %W (absolute Feuchte) des kondensierbaren Gases ist mit ' D relative Feuchte, ps D Sättigungsdampfdruck, RW D

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H. Tschöke und H. Hölz

Gaskonstante des kondensierbaren Gasanteils (Wasserdampf)

zwischen Gas und Zylinderwand bei Verdichtung (1 . . . 2) und Expansion (3 . . . 4). Durch den Wärmetausch verlaufen Verdichtung und Ex%W D ' ps =.RW T / D m P W =VPa.p;T / : (3.18a) pansion nicht mehr isentrop, sondern polytrop (Abb. 3.10b). Die absolute Feuchte kann höchstens den Wert %s erreichen. Massen. Der Verdichter fördert nur einen Teil

(3.18b) der theoretisch möglichen Gasmasse mth D %a VH . Es sind die theoretische, die angesaugte Mit Gl. (3.18a) wird die ursprünglich an- und die geförderte Masse mth > ma > mf zu gesaugte Wasserdampfmenge bestimmt, mit beachten. Die theoretische Masse mth füllt das Gl. (3.18b) die maximal lösbare Menge, be- Hubvolumen beim Ansaugzustand aus und dient zogen auf den verdichteten Volumenstrom am als Vergleichsgröße. Die angesaugte Masse ma ist Austritt der Kühler. Die Differenz fällt als Kon- um den Rückexpansions- und Aufheizungsverdensat an und muss ausgeschieden werden. Sinkt lust kleiner, die Fördermasse mf berücksichtigt die Temperatur im Leitungsnetz unter die Tem- auch noch zusätzlich die Leckverluste. peratur am Kühleraustritt, wird eine zusätzliche Für die Berechnung des Arbeitsprozesses wurAbscheidung oder eine Vorwärmung oder eine den bauartbezogene Modelle der RealprozessTrocknung vor der folgenden Verdichtungsstufe rechnung entwickelt, die den Einfluss der Realerforderlich (Kältetrockner, Adsorptionstrock- gaseigenschaften, des Wärmetauschs, der Venner). Mit Kältetrocknern werden Drucktaupunkte tildynamik, der Gassäulenschwingungen und der von 5 ı C erreicht, mit Zweikammer-Adsorptions- Leckverluste berücksichtigen [4–13]. trocknern bis 70 ı C. Eine vereinfachte Berechnung ist mit empirischen Konstanten möglich. Verdichtungslinie 1– 2 und Expansionslinie 3–4 werden mit Gl. (3.7) 3.3 Arbeitszyklus, Liefergrade berechnet, anstelle des Isentropenexponenten und Druckverluste werden die Polytropenexponenten ne für Expansion und nk für Kompression verwendet. 3.3.1 Arbeitszyklus Der Polytropenexponent nk für Kompression erreicht bei hohen Drehzahlen den Wert von . Der Arbeitszyklus eines Verdichters unterschei- Bei langsamlaufenden Verdichtern und bei gudet sich vom Vergleichsprozess durch den Ein- ter Kühlung des Arbeitsraumes ist nk < ~. fluss des Schadraums, der Strömungsdruckver- Für Schraubenverdichter mit Öleinspritzkühlung luste beim Ansaugen (4 . . . 1) und Ausschieben wird nk D 1;5 : : : 1;1 bei Verdichtung von Luft. Der Rückexpansionsexponent ne liegt bei nie(2 . . . 3), der Undichtigkeiten, der Aufheizung des Gases beim Ansaugen und des Wärmetauschs deren Drehzahlen unter dem Kompressionsex%s D ps =.RW T / :

Abb. 3.10 Arbeitszyklus eines Verdichters. a p; V -Diagramm; b T, s-Diagramm

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Kompressoren, Verdichter

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Abb. 3.11 Rückexpansionsexponent ne als Funktion der Drehzahl für Hubkolbenverdichter für verschiedene Kompressionsexponenten nk

Abb. 3.12 Abhängigkeit des Füllungsgrades eines Verdichters vom Druckverhältnis (a) und vom Schadraum (b)

Durch Messung des Nutzliefergrades ist dann aus Gl. (3.20) die Einflusszahl  bestimmbar. Der Füllungsgrad beschreibt den Einfluss des im Schadraum Vs am Ende der Verdichtung noch befindlichen Gases. Dieses Gasvolumen mit der Masse mf wird expandiert (3 . . . 4) und mindert das mit p1 noch ansaugbare Volumen um VRü (Abb. 3.10). Mit "o D Vs =VH D relativer Schadraum, Z 3 bzw. Z4 D Realgasfaktor am Be3.3.2 Liefergrade ginn bzw. Ende der Expansion, D p2 =p1 D Druckverhältnis ist der Füllungsgrad Nutzliefergrad. Der Nutzliefergrad nu ist das  F D 1  "o Z4 =Z3 1=ne  1 : (3.22) Verhältnis der geförderten Gasmasse mf D %a Vfa zur theoretisch möglichen Masse mth D %a VH Nach Abb. 3.12 und 3.13 nimmt der Füllungs(a D Ansaugzustand) grad mit zunehmendem Druckverhältnis und nu D mf =mth D Vfa =VH D VPfa =VPH : (3.19) Schadraum ab. Der relative Schadraum "o ist konstruktionsbedingt durch das Hubspiel zwischen Zur Trennung der Einflüsse wird der NutzKolben und Zylinderdeckel und durch die Venliefergrad in Teilliefergrade aufgeteilt: indizierter tilanordnung und das Ventil selbst gegeben. Liefergrad i und Einflusszahl  . Der indizierte Anhaltswerte für Hubkolbenverdichter sind Liefergrad i wird aufgeteilt in den Füllungsgrad "o D 0;06 bis 0,1 für die 1. und 2. Stufe; F und den Drosselgrad p ; die Einflusszahl  0,08 bis 0,15 für die 3. und 4. Stufe und wird aufgeteilt in den Aufheizungsgrad A und 0,1 bis 0,2 für die 5. und 6. Stufe. den Dichtheitsgrad d Der Drosselgrad p wird durch den Druck0 nu D i  D .F p / .A d / : (3.20) unterschied p1  p1 am Ende des Ansaugens verursacht. Zur Verdichtung von p10 auf p1 wird Der indizierte Liefergrad ist dem p, das Volumen  Vu benötigt (Abb. 3.10a). NäheV-Diagramm zu entnehmen (Abb. 3.10a) rungsweise ist ponenten und nähert sich bei Drehzahlen über 700 min1 diesem an (Abb. 3.11). Ansaug- bzw. Ausschublinie liegen unter bzw. über den Drücken p1 bzw. p2 , verursacht durch die Druckverluste der Ventile, Ventileinbauten und Leitungen.

i D Vi =VH :

(3.21)

p  p10 =p1 :

(3.23)

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H. Tschöke und H. Hölz

Abb. 3.13 Füllungsgrad F eines Verdichters als Funktion des Druckverhältnisses p2 =p1 und des relativen Schadraumes "o für ne D 1;4

Abb. 3.14 Aufheizungsgrad A als Funktion des Druckverhältnisses eines Hubkolbenverdichters. a für zweiatomige Gase; b, c für SO2 - und NH3 -Dämpfe; b in Tauchkolben- und c in Kreuzkopfmaschinen, obere Grenzkurve für große und untere Grenzkurve für kleine Zylinder

Der Drosselgrad liegt im Bereich 0,95 . . . 0,98. Durch Druckschwingungen in der Saugleitung kann er auch > 1 sein. Bei der Saugdrosselregelung wird der Drosselgrad gezielt herabgesetzt, um den Volumenstrom zu reduzieren. Der Aufheizungsgrad A ist das Verhältnis des tatsächlich angesaugten Volumens Va (vom Eintrittszustand 1) zum indizierten Volumen Vi und entspricht dem Verhältnis der Temperatur T 1 am Eintrittspunkt zur Temperatur T10 des Gases am Ende des Ansaugvorganges A D Va =Vi D T1 =T10 :

(3.24)

Das Gas wird an den Zylinderwänden und noch geringfügig von den Restgasen des Schadraums erwärmt. Da die Wand- und Restgastemperaturen mit dem Gegendruck steigen, nimmt der Volumenverlust zu und der Aufheizungsgrad ab. Mit abnehmendem Kolbendurchmesser wird das Verhältnis Volumen zu Oberfläche ungünstiger und der Aufheizungsgrad nimmt ab (Abb. 3.14). Mit zunehmendem Isentropenexponenten fällt der Aufheizungsgrad. Der Dichtheitsgrad d erfasst innere und äußere Undichtheiten. Er ist das Verhältnis des geförderten Volumens Vfa zum angesaugten Volumen Va d D Vfa =Va : (3.25)

Abb. 3.15 Mit Luft als Fördermedium berechneter Dichtheitsgrad d als Funktion des Druckverhältnisses p2 =p1 , des Ansaugdruckes p1 und der Drehzahl für einen Tauchkolbenverdichter

tungen und an Sicherheitsventilen. Eine Rückführung äußerer Undichtheiten in die Saugleitung ist möglich. Bei den spaltgedichteten Maschinen (Labyrinthkolbenverdichter, Schraubenverdichter, Rootsgebläse, Rotationsverdichter) sind die Leckquerschnitte größer als beim Hubkolbenverdichter oder Membranverdichter, der Dichtheitsgrad dadurch bei gleicher Drehzahl kleiner [14]. In Abb. 3.15 ist der Dichtheitsgrad d aufgetragen als .1  d /. Berücksichtigt sind die LeckBei Hubkolbenverdichtern entstehen innere verluste an Ventilen und an den Kolbenringen. Undichtheiten an Kolbenringen und an den Venti- Der Dichtheitsgrad wird durch Drehzahlsteigelen, äußere Undichtheiten an Kolbenstangendich- rung verbessert.

3

Kompressoren, Verdichter

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3.3.3 Druckverluste Bei Verdichtern entstehen in den Ein- und Auslasskanälen, an den Ventilen und in den Verbindungsleitungen und Armaturen (Rohrleitungen, Puffer, Kühler, Abscheider, Filter, Trockner) Druckverluste. Diese bewirken, dass das innere Druckverhältnis i D p20 =p10 über dem äußeren Druckverhältnis D p2 =p1 liegt (Abb. 3.10). Der Druckverlust  p wird durch den relativen Druckverlust ı oder durch das Verlustdruckverhältnis v beschrieben, wobei p der jeweilige Bezugsdruck ist. ı D  p=p ; (3.26a) Abb. 3.16 Mittlere relative Druckverluste an Saug- und (3.26b) Druckventilen. Oben: Druckventile, unten: Saugventile v D .p C  p/=p D 1 C ı : Der Bezugsdruck p ist der Druck in Strömungsrichtung hinter dem den Druckverlust  p verursachenden Element (Ventil, Kühler, Blende, Puffer, Filter, . . . ). Sind mehrere Strömungswiderstände hintereinandergeschaltet, ergibt sich das Gesamtverlustdruckverhältnis aus der Multiplikation der Einzelverlustdruckverhältnisse, wobei der Bezugsdruck p für das Gesamtverlustdruckverhältnis der Druck hinter dem letzten EleAbb. 3.17 Unterverdichtung (a) und Überverdichtung (b) ment ist bei einem Schraubenverdichter (3.26c) v; ges D v1 v2 v3 : : : Rotierende Verdrängerverdichter (Schraubenverdichter, Rotationsverdichter, Drehzahnverdichter, Rootsgebläse) sind weggesteuert, die Ventilverluste entfallen. Diese Verdichter besitzen ein „eingebautes“ inneres Druckverhältnis. Weicht das innere vom äußeren Druckverhältnis ab, entstehen Verluste durch Unterverdichtung oder Überverdichtung (Abb. 3.17). Bei Unterverdichtung erfolgt der über das innere Druckverhältnis hinausgehende Druckverlauf isochor, bei Überverdichtung wird trotz kleinerem äußeren Druckverhältnis bis zum Erreichen des inneren Druckverhältnisses weiterverdichtet. Bei öleingespritzten Schraubenverdichtern entstehen äußere Druckverluste am Ölfilter, Nachkühler, Kondensatabscheider und Trockner. Das Verlustdruckverhältnis vL erreicht Werte bis 1,36 [15] und liegt höher als bei trockenlaufenden Schraubenverdichtern, bei denen die (3.27) Ölfilterung entfällt.

Die Druckverluste in Abb. 3.16 beziehen sich auf Ventile einschließlich des Ventileinbaus. Die äußere Grenzkurve gilt für Mittelwerte ausgeführter Maschinen, die innere Grenzkurve für große Ventil- und Leitungsquerschnitte und für besonders strömungsgünstige Ventile. Bei Zwischenstufenelementen (Rohrleitung, Puffer, Blende, Abscheider, Kühler) ist der Bezugsdruck der Ansaugdruck der nächst höheren Stufe. Der mittlere Druckverlust ist dort von gleicher Größenordnung wie bei Druckventilen und Abb. 3.16, oben, zu entnehmen. Das innere Druckverhältnis i;j einer Stufe j ergibt sich aus dem äußeren Druckverhältnis j D p2j =p1j durch Multiplikation mit den Verlustdruckverhältnissen vS;j für das Saugventil, vD;j für das Druckventil und vL;j für die Leitungselemente (Rohrleitungen, Kühler, Puffer, Blenden, Kondensatabscheider . . . ) i;j

D

j

vS;j

vD;j

vL;j

:

3

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H. Tschöke und H. Hölz

3.4 Auslegung und Hauptabmessungen 3.4.1 Hubkolbenverdichter Bei mehrstufigen Hubkolbenverdichtern wird für ein vorgegebenes Gesamtdruckverhältnis die Stufenzahl und das Stufendruckverhältnis Gl. (3.17) bestimmt; es ergeben sich daraus die Ansaugdrücke p1 und die Verdichtungsenddrücke p2 für jede Stufe. Abb. 3.18, 3.19 und 3.20 zeigen Stufen- und Zylinderanordnungen für mehrstufige Kolbenverdichter. Mehrere Stufen können auf einer Zylinderachse angeordnet werden (Abb. 3.18b,c,g und Abb. 3.19a,b); diese Kolben werden als Stufenkolben bezeichnet. Es können auch Ausgleichsstufen (Ao ) vorgesehen werden (Abb. 3.18d,e, Abb. 3.19a). Die Drücke in Ausgleichsstufen werden so ausgelegt, dass die Gaskräfte im oberen und unteren Totpunkt möglichst ausgeglichen sind. Sie enthalten keine Ventile und leisten keinen Beitrag zur Förderung. Die Wahl der Kurbel-, Zylinder- und Stufenanordnung erfolgt unter folgenden Gesichtspunkten:

Abb. 3.18 Tauchkolbenverdichter. a Einstufig; b–h zweistufig (Ao D Ausgleichsstufe; K1 D Zwischenkühler)

Abb. 3.19 Kreuzkopfverdichter. a Zweistufig mit Ausgleichsstufe .Ao /; b dreistufig; c Winkelverdichter, dreistufig

Die freien Massenkräfte und -momente sollen möglichst gering bzw. ausgleichbar sein. So können bei der 90 °V-Anordnung (Abb. 3.18f,g) die oszillierenden Massenkräfte 1. Ordnung durch Gegengewichte ausgeglichen werden (s. Bd. 1, Kap. 46). Die Gaskräfte sollen im OT und UT möglichst gleich groß sein. Dies führt zu einem ausgeglicheren Drehmomentenverlauf. Möglich ist dies nur, wenn auch die Unterseite des Kolbens verdichtet, was Stufenkolben oder doppeltwirkende Kolben erforderlich macht. Zwischen benachbarten Arbeitsräumen sollen die Druckdifferenzen möglichst gering sein, um die Leckströme zu verringern. Beim Ausschieben des Gases aus der Stufe j soll die Stufe j C1 unmittelbar darauf folgend ansaugen, da sich sonst überhöhte Drücke in der Zwischenstufe aufbauen. Die Anordnungen nach Abb. 3.18 sind für kleine, schnellaufende Verdichter vorgesehen. Von einer Kurbel aus können mehrere Zylinder über nebeneinander liegende Pleuel angetrieben werden. Bei luftgekühlten Verdichtern bietet die Fächerbauart (Abb. 3.18h) den Vorteil, dass mit einem an der Kurbelwelle angeordneten Axiallüfter alle Zylinder gekühlt werden können. Zwischen- und Nachkühler befinden sich vor oder hinter dem Axiallüfter. Die Drehzahl reicht bis 2000 min1 .

3

Kompressoren, Verdichter

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nach Kühlerauslegung 10 bis 25 K über der Ansaugtemperatur T 1 der 1. Stufe liegen. Der Hubvolumenstrom VPH;j berechnet sich mit dem Nutzliefergrad nu;j der Stufe j zu VPH;j D VPj =nu;j :

(3.29)

Die Kolbenfläche AK;j aller parallel geschalteten Kolbenseiten und -zylinder einer Stufe j berechnet sich aus dem Hubvolumenstrom VPH;j mit s D Kolbenhub, n D Drehzahl, cm D 2 s n D mittlere Kolbengeschwindigkeit Abb. 3.20 Vierstufige Kreuzkopfverdichter. a Liegende Doppel-Boxerbauart; b stehende Reihenmaschine (alle Stufen doppeltwirkend, Kühler nicht eingezeichnet)

Bei großen Hubkolbenverdichtern (Abb. 3.19 und 3.20) wird der Kolben über einen Kreuzkopf und eine Kolbenstange angetrieben. Die Kolbenstange wird mit einer auf der Kurbelseite des Zylinders angeordneten Kolbenstangendichtung (Packung) nach außen abgedichtet. Der Drehzahlbereich dieser Verdichter beträgt 300 bis 1000 min1 , die mittlere Kolbengeschwindigkeit 2 bis 4,5 m=s. Bei Kreuzkopfverdichtern überwiegt die Wasserkühlung. Zwischen- und Nachkühler sind bei Großverdichtern nach Abb. 3.20 nicht mehr in die Verdichterkonstruktion integriert. Die Zylinder nach Abb. 3.19e und 3.20a,b sind doppeltwirkend, Deckelseite und Kurbelseite sind parallel geschaltet. Nach Festlegung der Kurbel-, Zylinderund Stufenanordnung werden die Nutzliefergrade nu;j für jede Stufe j bestimmt (Gln. (3.19)–(3.24)). Der Volumenstrom VPj , der von der Stufe j beim jeweiligen Ansaugzustand angesaugt wird, ergibt sich aus der Zustandsgleichung zu

AK;j D VPH;j =.s n/ D 2 VPH;j =cm :

(3.30)

Kolbenhub s und Drehzahl n sind für alle Stufen gleich. Die mittlere Kolbengeschwindigkeit cm beträgt bei Kolbenverdichtern 2 bis 6 m=s. Niedrige mittlere Kolbengeschwindigkeit verbessert die Standzeit der Bauteile. Bei Verdichtern mit Trockenlauf-Kolbenringen werden 3,5 m=s nicht überschritten, Labyrinthkolbenverdichter liegen mit 5 bis 6 m=s an der oberen Grenze. Die Drehzahl beträgt 300 bis 2000 min1 , die Obergrenze wird durch die Ventildynamik bestimmt.

3.4.2

Schraubenverdichter

Schraubenverdichter haben von zwei Schraubenläufern gebildete, sich in axialer Richtung verringernde Arbeitsräume. Mit sich kontinuierlich verkleinernden Zahnlückenräumen arbeiten sie nach dem Verdrängerprinzip. Der Verschleiß der Rotoren ist unbedeutend, freie Massenkräfte treten nicht auf. Sie sind unempfindlich gegen kleinere Mengen mitgeführter Flüssigkeit (hängt vom Kompressionsverhältnis ab). Die Wirkungsgrade sind in erster Linie eine Funktion der Spaltweiten; je größer die Spalte, desto geringer der VPj =VP1 D .p1 =pj / .m P j =m P 1 / .Tj =T1 / .Zj =Z1 / : Wirkungsgrad und umgekehrt. Große Fortschritte (3.28) in den Fertigungsverfahren haben für eine weite Maßgebend für die Verkleinerung des An- Verbreitung dieses Verdichtertyps gesorgt (Hartsaugvolumenstroms VPj der Stufe j ist der von metallwerkzeuge, Wälzfräsen, Profilschleifen). Stufe zu Stufe ansteigende Ansaugdruck pj . Der Massenstrom mj ändert sich gegenüber m1 Einsatzgebiete. Die Förderströme liegen zwidurch Leckströme, Kondensatabscheidung und schen 0,5 und 1200 m3 =min. Mit maximal 4 StuZwischenentnahmen. Die Temperatur Tj kann je fen werden Gegendrücke bis zu 40 bar erzeugt.

3

52

Abb. 3.21 Läuferpaar eines Schraubenverdichters. a Stirnschnitt; b perspektivische Ansicht

Die max. Druckverhältnisse pro Stufe betragen D 4 bis 5 für Trockenläufer und D 20 bis 22 für Öleinspritzkühlung. Bei Luft- und Gasförderung im Trockenlauf darf die Verdichtungsendtemperatur 250 °C nicht überschreiten, damit die thermische Ausdehnung von Rotoren und Gehäuse die Betriebssicherheit nicht gefährdet. Die Durchmesser liegen im Bereich von 40 bis 1000 mm bei Rotorumfangsgeschwindigkeiten von 15 bis 150 m=s, was Rotordrehzahlen von 2500 bis 25 000 min1 entspricht. Arbeitsweise. Der Haupt- und Nebenläufer (Abb. 3.21) (Position und Index 1 und 2 und Achsabstand a) drehen sich im Gehäuse 3. Die mit der Einlassöffnung 4 korrespondierenden Zahnlücken zwischen Gehäuse und den Läufern füllen sich über die ganze axiale Länge. Bei der Verdichtung verringert sich das Volumen zweier korrespondierender Zahnlücken (Stirnquerschnitte A1 und A2 ) durch axiale Verschiebung des Zahneingriffs in Richtung Auslass 5, der Druck steigt an. Ein- und Auslass sind durch das Gehäuse in Umfangsrichtung und stirnseitig während der Verdichtung verschlossen. Bei Erreichung des vorgesehenen Druckverhältnisses wird die Auslassöffnung 5 durch das Profil aufgesteuert. Weicht das vorgesehene Druckverhältnis vom äußeren Druckverhältnis ab, kommt es zu Über- oder Unterverdichtung (Abb. 3.17).

H. Tschöke und H. Hölz

Abb. 3.22 Asymmetrische Schraubenverdichter-Profile (Aerzener, Aerzen). a 3 C 4 Profil; b 4 C 6 Profil; c 5 C 7 Profil

trägt der Förderstrom VPf VPf D nu C.A1s C A2s / L z1 n :

(3.31)

Der Faktor C ist das Verhältnis von Zahnlückenvolumen bei Verdichtungsbeginn zum maximalen Zahnlückenvolumen der Läufer. Er ist bei einem Verschraubungswinkel von 280ı nahezu 1 und fällt dann ab. Der Nutzliefergrad nu D 0;7 bis 0,95 fällt mit zunehmendem Druckverhältnis ab und verbessert sich mit zunehmender Drehzahl. Profile. Zum Einsatz kommen asymmetrische Profile mit unterschiedlichen Zähnezahlen (Abb. 3.22). Kleine Zähnezahlen erhöhen den Förderstrom, große Zähnezahlen die Biegesteifigkeit und damit die Druckbelastbarkeit. Der Hauptrotor liegt in Abb. 3.22 jeweils links und dreht im Uhrzeigersinn. Der untere Rotorenbereich ist die Saugzone, der obere bildet die Verdichtungs- oder Druckzone. Die 3 C 4 Profilzähnekombination (Abb. 3.22a) ist geeignet für Druckdifferenzen bis 3 bar, optimal ist der Bereich 1 bis 2 bar. Die 4 C 6 Profilzähnekombination ist geeignet für Druckdifferenzen bis 12 bar, optimal ist der Bereich 3 bis 6 bar. Die 5 C 7 Profilzähnekombination ist geeignet für Drücke bis 15 bar und höher, optimal ist der Bereich 5 bis 10 bar.

Volumina. Mit den Zahnquerschnitten A1s und A2s im Stirnquerschnitt, der Läuferlänge L, nu D Anhaltswerte. Die heute meist asymmetrische Nutzliefergrad, C D Korrekturfaktor, z1 D Profilform wird mit Verwindungswinkeln zwiZähnezahl des Hauptläufers, n D Drehzahl be- schen 280 und 330° ausgeführt. Das Verhältnis

3

Kompressoren, Verdichter

53

von Profillänge zu Profildurchmesser L=D liegt zwischen 1 und 2,5. Je höher die Arbeitsdruckdifferenz, desto geringer ist L=D, um die Läuferdurchbiegung zu beherrschen. Für Trockenläufer liegt das Verhältnis von Zylinderspalt zu Läuferdurchmesser bei ca. 0,0006; für Nassläufer (Öl) liegt es bei 0,0003 bis 0,0004. Ein Verschweißen (Fressen) der Rotoren muss durch entsprechende Spaltabmessungen vermieden werden.

3 Abb. 3.24 Kräfte an der Lamelle eines Rotationsverdichters

3.4.3 Rotationsverdichter Rotationsverdichter, auch Vielzellenverdichter genannt, bestehen aus einem exzentrisch gelagerten Rotor mit Schlitzführungen, in denen Lamellen gleiten, die sich am Gehäuse abstützen. Voreilende und nacheilende Lamelle bilden jeweils eine Zelle, deren Volumen sich zwischen Es und Aö verkleinert (Abb. 3.23). Die nacheilende Lamelle schließt den Einlass bei Es, die voreilende Lamelle öffnet den Auslass bei Aö. Die Lamellen können im Rotor radial angeordnet oder im Drehsinne angestellt sein, gekennzeichnet durch die Schieberrichtungskonstante x (Abb. 3.23). DrehschieberVakuumpumpen mit zwei Lamellen besitzen ein ölüberlagertes Auslassventil, um die erforderliche innere Verdichtung bei kleiner Lamellenzahl zu ermöglichen. Die Exzentrizität e wird durch die dimensionslose relative Exzentrizität " ausgedrückt: " D e=R D 2 e=D :

Mit z D Lamellenzahl, L D axiale Rotorlänge, t D Lamellendicke wird der Volumenstrom VPf VPf D .  D  z t/ " D L n nu :

(3.33)

Anhaltswerte. Umfangsgeschwindigkeit u D 6 bis 24 m=s; Nutzliefergrad nu D 0;8 : : : 0;9; L=D D 1 : : : 3; " D 0;08 : : : 0;2; z D 2 : : : 8 (max 20). An der Lamelle eines Rotationsverdichters greifen Massenkräfte (F, K, C), Druckkräfte (P, U), Normalkräfte .No ; Nu ; NG / und Reibkräfte .Ro ; Ru ; RG / an (Abb. 3.24). Maßgebend für die Lamellenbeanspruchung ist die Druckdifferenz aus vor- und nacheilendem Zellendruck zum Zeitpunkt des Öffnens der Zelle zum Druckkanal hin. Angestellte Lamellen (x > 0) ermöglichen eine größere Führung der Lamelle im Schlitz und setzen dadurch Reibkräfte und Biegebean(3.32) spruchung der Lamelle herab. Exzentrizität und Bauraumausnutzung können damit erhöht werden [12].

3.4.4

Flüssigkeitsringverdichter

Flüssigkeitsringverdichter werden auch Wasserringpumpen genannt, da in den meisten Fällen Wasser als Betriebsmittel zur Bildung des Arbeitsraumes verwendet wird. Aus verfahrenstechnischen Gründen kann jedoch Wasser nicht imAbb. 3.23 Aufbau und Hauptabmessungen von Rotati- mer eingesetzt werden, es werden dann andere Flüssigkeiten verwendet, wie Öle, Alkohole, Glyonsverdichtern (Drehschieber-Vakuumpumpen)

54

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3.4.5 Roots-Gebläse

Abb. 3.25 Hauptabmessungen eines Flüssigkeitsringverdichters

kol, Schwefelsäure. In der Vakuumtechnik wird die Bezeichnung „Flüssigkeitsringvakuumpumpe“ verwendet. Abb. 3.25 zeigt Aufbau und Hauptabmessungen eines Flüssigkeitsringverdichters. Radiale oder im Drehsinn angestellte Schaufeln tauchen in den Flüssigkeitsring ein (A–B; D–E). Zwischen Innenseite des Flüssigkeitsringes und Nabe (C–D) wird ein Gasvolumen gekapselt, das aus dem Saugkanal angesaugt, verdichtet und in den Druckkanal ausgeschoben wird. Der Volumenstrom VPfa beträgt mit L D axiale Länge des Rotors, nu D Nutzliefergrad, n D Drehzahl VPfa D nu 4 e L ra n : (3.34) Anhaltswerte. Umfangsgeschwindigkeit u D 14 bis 20 m=s; nu D 0;5 bis 0,9; L=ra D 1;2 bis 2,4; e=ra D 0;12 bis 0,15.

Roots-Gebläse arbeiten mit zwei- oder mit dreiflügeligen Rotoren, die außerhalb des Arbeitsraumes durch Zahnräder gekoppelt sind. Die Förderung erfolgt ohne innere Verdichtung. Der Druckanstieg erfolgt durch Rückströmen des Fördermediums in den Arbeitsraum über Spalte (Eintrittsspalt, Umfangsspalt, Seitenspalt) bzw. über die sich öffnende Auslasssteuerkante. Die dadurch verursachten Druckschwankungen führen zu einem Schalldruckpegel bis 170 dB, dessen Maximum bei der Förderfrequenz liegt, d. h. dem vierfachen der Drehfrequenz bei zweiflügeligen und dem sechsfachen bei dreiflügeligen Rotoren entsprechend der Zahl der Ausschubvorgänge pro Umdrehung [9, 18]. Beim dreiflügeligen Rootsgebläse nach Abb. 3.26 wird durch einen Vorauslasskanal konstanter Breite eine Reduktion des Schalldruckpegels um 30 dB bei Förderfrequenz erzielt [18], verursacht durch Interferenz von Druckpulsationen am Vorauslass und am Eingriffsspalt der Profile. Dies ist nur beim dreiflügeligen Rootsgebläse möglich, wo der Winkel zwischen Ein- und Auslass um 60° größer sein kann als der Winkel zwischen den Rotorflügeln, ohne dass die Kanalbreite am Auslass zu stark verengt wird. Die Rotorprofile werden als KreisbogenPunktprofile nach dem Verzahnungsgesetz ausgeführt (s. Abschn. 2.4) oder als KreisbogenEvolventenprofile [9, 19] oder als Epizykloidenprofil [20].

Betriebsverhalten. Flüssigkeitsringverdichter benötigen eine mit dem Druckverhältnis und dem Ansaugdruck zunehmende Mindestumfangsgeschwindigkeit; bei Unterschreitung erfolgt Schaumbildung und Abfall des Nutzliefergrades. Das erreichbare Endvakuum ist durch den Dampfdruck der Betriebsflüssigkeit begrenzt, jedoch erweiterbar durch vorgeschaltete Vakuumpumpen (Gasstrahler). Die Betriebsflüssigkeit wird im Umlauf ausgeschieden, gekühlt und rückgeführt. Eine besondere Eignung besteht für die Verdichtung von zündfähigen Gasen und Dämpfen, von verunreinigten Gasen und von Gasen, die zur Polymerisation nei- Abb. 3.26 Dreiflügeliges Rootsgebläse mit auslassseitigen [16, 17]. gen Steuerkanälen (Aerzener, Aerzen)

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Anhaltswerte. L=D D 1 bis 3; Zähnezahlen z1 D z2 D 2 oder 3; Umfangsgeschwindigkeit u D 20 bis 50 m=s; Nutzliefergrad nu D 0;75 bis 0,95; Achsabstand A D 0;625 D, wenn Welle und Rotor einteilig; A D 0;66 bis 0,68 D, wenn Welle und Rotor zweiteilig.

3 3.5 Ein- und Auslasssteuerung Steuerungen schließen den Arbeitsraum bei der Verdichtung mit der Rückexpansion ab und verbinden ihn beim Ansaugen mit dem Saugstutzen und beim Fördern mit dem Druckstutzen. Steuerpunkte sind hierbei das Öffnen und Schließen Eö und Es des Einlasses und Aö und As des Auslasses. Die Steuerung erfolgt über druckgesteuerte, selbsttätige Ventile oder über Wegsteuerung. Druckgesteuerte Ventile werden überwiegend bei Hubkolbenverdichtern und bei Membranverdichtern eingesetzt, Wegsteuerung überwiegend bei rotierenden Verdrängerverdichtern. Selbsttätige Ventile werden wie Rückschlagventile von den Druckdifferenzen an der Ventilplatte betätigt und passen die Steuerpunkte selbsttätig den Drücken an. Von mechanischen Antrieben unabhängig, stellen sie die übliche Steuerung für Hubkolbenverdichter dar und sind bis zu Drehzahlen von 3000 min1 und Temperaturen bis 250 °C einsetzbar. Wegsteuerungen steuern den Arbeitsraum bei einem festen Drehwinkel und passen sich daher nicht selbsttätig an das äußere Druckverhältnis an. Weggesteuerte Verdichter besitzen ein eingebautes inneres Druckverhältnis. Ist dieses dem äußeren Druckverhältnis nicht angepasst, entsteht Überverdichtung oder Unterverdichtung bei allen Verdichtern mit innerer Verdichtung (Abb. 3.17). Die Steuerkanten sind in der Regel fest im Gehäuse eingebaut und werden vom Verdränger gesteuert. Schiebersteuerungen werden nicht mehr verwendet.

a

b

Abb. 3.27 Einzelringventil (Borsig, Berlin). 1 Hubfänger, 2 Ventilfeder, 3 Einzelring, 4 Ventilsitz, 5 Verschraubung. b Zungenventil (HOERBIGER, Wien)

Ventilsitzen mit kegelförmigen Dichtflächen abdichten. Der Ventilhub wird durch den Hubfänger (1) begrenzt, Ventilsitz und Hubfänger werden verschraubt (5). Der Sitzwinkel beträgt 36ı ; daneben gibt es ebene Ringplattenventile mit einem Sitzwinkel von 0ı . Bei den Ringplattenventilen sind die Ringe durch Stege verbunden, die Ventilplatte besteht aus Stahl oder Kunststoff. Ventile mit kegelförmigen Dichtflächen haben einen kleineren Druckverlust als Ringplattenventile, da die Strömung weniger umgelenkt wird und der angeströmte Ventilring eine gerundete Form erhält. Es werden hochtemperaturbeständige Kunststoffe aus Polyether-EtherKeton (PEEK) mit einer Dauergebrauchstemperatur bis 250 °C verwendet. Kunststoffventilplat3.5.1 Aufbau selbsttätiger Ventile ten sind im Vergleich zu Stahl schmutzunempfindlicher. Abb. 3.27 zeigt den Aufbau eines EinzelringvenAndere Ventilbauformen, wie Zungenventile tils. Die Ventilplatte besteht aus drei Einzelringen (Lamellenventile), kommen z. B. in Klimakom(3) aus Kunststoff, die befedert sind (2) und auf pressoren zum Einsatz (Abb. 3.27b).

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entstanden. Der Ausbau der Ventile ist ohne Abnahme von Rohrleitungen möglich. Konzentrische Ventile (Abb. 3.28c). Die Ventilachse fällt mit der Zylinderachse zusammen, die Einbaufläche entspricht der Kolbenfläche oder ist etwas größer. Saugventil (1) und Druckventil (2) sind in einer Baugruppe zusammengefasst. Saug- und Druckraum werden durch einen plastisch verformbaren Aluminiumring abgedichtet, gegen den der mit einer Ringschneide versehene Deckel mit der Verschraubung (3) verschraubt wird.

Abb. 3.28 Ventileinbau. a Einzelventile, parallel zur Zylinderachse; b dgl. senkrecht dazu; c konzentrische Ventile; d Kältemaschinenventile; e Ventileinbau am Zylinderumfang; f Druckventil etagenförmig über dem Saugventil angeordnet

Kälteverdichterventile (Abb. 3.28d). Bei diesem konzentrischen Ventil ist das Saugventil außen, das Druckventil innen angeordnet. Am Flansch (4) des Zylinders sind 20 Zuflussbohrungen (3) angeordnet, außerdem vier Kolben (5) zum Offenhalten der Saugventile bei der Regelung. Der Sitz (6) des Druckventils (2), zugleich Hubfänger des Saugventils (1), besitzt Ölabflussnuten (7) und wird auf den Bund (4) mit der Feder (8) gedrückt. Hierdurch kann sich bei einem Flüssigkeitsschlag das gesamte Ventil abheben und den Ausflussquerschnitt wesentlich vergrößern. Dadurch werden schwere Beschädigungen der Maschine vermieden.

3.5.2 Ventileinbau Der Ventileinbau bestimmt neben der Kühlung und der Kolbenform die Konstruktion der Zylinder. Bei kleineren Maschinen (Abb. 3.28a–d) und bei Hochdruckmaschinen (Abb. 3.28f) erfolgt der Ventileinbau in den Deckel, bei Kreuzkopfmaschinen auch in den Zylinder (Abb. 3.28e). Beim Einbau in den Deckel bestehen folgende Möglichkeiten: Einzelventile (Abb. 3.28a,b). Hier können die Mittellinien der Ventile parallel, senkrecht und schräg zu den Zylindermittellinien gelegt werden. Die Ventile werden mit einer Schraube (5) im Deckel (6) über die Glocke (7) auf ihren Sitz gedrückt. Der Deckel (6) dichtet mit der Weichdichtung (8) ab und ist mit dem Zylinderdeckel verschraubt. Würde das Ventil direkt vom Deckel auf den Sitz gedrückt, wäre eine Doppelpassung

Etagenförmiger Einbau (Abb. 3.28f ). In den Hochdruckstufen wird der Kolbenquerschnitt immer kleiner, sodass kein Platz mehr für nebeneinander eingebaute Ventile besteht. Das Druckventil wird dann etagenförmig über dem Saugventil angeordnet. Etagenventile gibt es auch bei Niederdruckstufen, um große Strömungsquerschnitte unterbringen zu können, dort sind Saug- und Druckventile getrennt angeordnet und Einzelringe des Ventils befinden sich etagenförmig übereinander. Ventileinbau im Zylindermantel (Abb. 3.28e). Bei Kreuzkopfmaschinen verdichtet auch die Zylinderunterseite. Da für Kolbenstangen und Kolbenstangendichtungen Platz benötigt wird, werden die Ventile oft seitlich im Zylindermantel angeordnet. Zwischen Ventil und Zylinderraum befindet sich ein ovaler Durchbruch und

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Kompressoren, Verdichter

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ein kegelartiger Übergang zum runden Ventil, das Ventilnest. Dieser Durchbruch wird von den Kolbenringen nicht erreicht. Das Ventilnest verursacht einen zusätzlichen Druckverlust.

3.5.3 Ventilauslegung Ventilbauart, Ventilhub und Strömungsquerschnitt werden bei der Ventilauslegung zunächst festgelegt. Der erforderliche Strömungsquerschnitt kann auch auf mehrere Saug- und Druckventile aufgeteilt werden. Der maximal zulässige Ventilhub nimmt mit zunehmender Drehzahl und zunehmendem Druck ab. Erfahrungsgemäß beträgt der maximal zulässige Ventilhub H .mm/ von Ringplattenventilen aus Stahl (p .bar/ D Druck am Ventil; n .min1 / D Drehzahl) [21] lg H D 0;92  0;1851 lg p  .0;66  0;0478 lg p/ lg.n=100/: (3.35) Der Ventilhub wird durch den Hubfänger begrenzt und beträgt 0,5 bis 3 mm. Möglich sind auch fängerlose Ventile [6]. Die Begrenzung des Druckverlustes erfordert einen ausreichenden Strömungsquerschnitt im Hubspalt des Ventils. Maßgebend ist die gleichwertige Düse (Effektivquerschnitt) ˚H des offenen Ventils (H D max. Ventilhub; ˛H D Durchflusszahl; lsp D Spaltumfang aller Ventilringe) ˚H D ˛H H lsp :

Der erforderliche Spaltumfang lsp des Ventils ergibt sich näherungsweise aus der Forderung nach Begrenzung des mittleren relativen Druckverlustes ı (Abb. 3.16), aus dem Bezugsdruck p, dem Kolbenquerschnitt AK , der mittleren Kolbengeschwindigkeit KM , der Dichte % des Gases und der Expansionsziffer " (Kontinuitätsgleichung)

 p lsp D AK KM = H ˛H " 2 p ı=% : (3.37) Die Expansionsziffer " berücksichtigt den Einfluss der Kompressibilität des Gases. Sie ist eine Funktion des relativen Druckverlustes ı und des Isentropenexponenten ~. Näherungsweise ist [6]: " D 1  ı.0;5  0;972.~  1/=~/ :

(3.38)

Die Befederung des Ventils bestimmt das dynamische Verhalten der Ventilplatte. Diese flattert, wenn die Strömungskraft auf die Ventilplatte stets kleiner ist als die maximale Federkraft, d. h. die Federn zu stark ausgelegt sind. Dieser Fall tritt bei der Drehzahlregelung ein (Abb. 3.31). Bei zu schwacher Befederung löst sich die Ventilplatte zu spät vom Hubfänger und trifft verspätet nach Totpunkt und mit zu hoher Geschwindigkeit am Ventilsitz auf. Der Schließwinkel soll 20 : : : 40 ı KW betragen, damit liegt der Schließbeginn für ein deckelseitiges Druckventil bei 320 bis 340 °KW, für ein deckelseitiges Saugventil bei 140 bis 160 °KW. Die Strömungskraft Fstr auf die Ventilplatte wird mit dem experimentell ermittelten Kraftbeiwert (Abb. 3.32) bestimmt, .Apl D

(3.36)

Abb. 3.29 zeigt die Durchflusszahl als Funktion des Hubspaltflächenverhältnisses 2 H/b. Die Sitzspaltbreite b wird größer ausgeführt als der Ventilhub H. Die Durchflusszahl ist auch abhängig von der Einbauumgebung des Ventils. Abb. 3.30 liegt ein Ventileinbau mit Nest entsprechend Abb. 3.28e zugrunde. Beziehen sich die Durchflusszahlen auf Ventile ohne Nest, muss der einbaubedingAbb. 3.29 Durchflusszahl als Funktion des Hubspaltte zusätzliche Druckverlust berücksichtigt wer- flächenverhältnisses. a Einzelringventil mit Kegelsitz; b den [22, 23]. Ringplattenventil mit ebenem Sitz

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H. Tschöke und H. Hölz

Sie kennzeichnet das mittlere Niveau der Strömungsgeschwindigkeit in der gleichwertigen Düse des Ventils bezogen auf die Schallgeschwindigkeit. Die Machzahl für Ventile beträgt 0,1 bis 0,3. Die maximale Federkraft ergibt sich aus der Strömungskraft bei Schließbeginn (Gl. (3.39), Abb. 3.32 und 3.33) unter Berücksichtigung der Gewichtskraft der Ventilplatte. Das dynamische Bewegungsverhalten des Ventils wird über die BewegungsdifferentialgleiAbb. 3.30 Durchflusszahl für ein Ringplattenventil mit und ohne Nest chung der Ventilplatte berechnet (Gl. (2.40)). Die instationäre Ventiltheorie [6] berücksichtigt zusätzlich drei instationäre Effekte auf die Ventilbewegung: den Gasträgheitseffekt, den Gas-

Abb. 3.31 Berechnete Ventilhubverläufe für ein Ringplatten-Druckventil

angeströmte Ventilplattenfläche; ı D relativer Druckverlust D  p=p) Fstr D

Apl ı p :

Abb. 3.32 Kraftbeiwert für Ventile mit geradem Sitz und

(3.39) mit Kegelsitz

Der relative Druckverlust ı am Ventil wird durch die Frenkel-Dolleschal’sche Differentialgleichung beschrieben, für deren Lösung eine Stammgleichung entwickelt wurde [24]. Abb. 3.33 zeigt den relativen Druckverlust ı für ein Druckventil als Funktion des Kurbelwinkels und der Machzahl Ma. Mit AK D Kolbenfläche, r D Kurbelradius, ! D Winkelgeschwindigkeit, T D Gastemperatur, z D Zahl gleicher Ventile je Zylinderseite, D Isentropenexponent, AH D Hubspaltquerschnitt des Ventils, ˛H D Durchflusszahl des Ventils, R D Gaskonstante wird die Machzahl Ma: Abb. 3.33 Relativer Druckverlust für ein Druckventil als

 p Funktion des Kurbelwinkels und der Machzahl Ma D 2AK r !=   ˛H AH z ~ RT : (3.40)

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Kompressoren, Verdichter

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federeffekt und den Arbeitsaustauscheffekt. Der Gasträgheitseffekt erfasst den Einfluss der Beschleunigung des Gases im Ventilkanal auf die Strömungsgeschwindigkeit im Hubspalt und auf die Strömungskraft; der Gasfedereffekt die „Kolbenwirkung“ der Ventilplatte in Bezug auf Kompression und Expansion des Gases in den Räumen vor und nach dem Ventil; der Arbeitsaustauscheffekt den instationären Arbeitsaustausch zwischen Strömung und Ventilplatte.

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3.6 Regelung und Betriebsverhalten 3.6.1 Regelung Zweck der Regelung von Verdichteranlagen ist es, die Fördermenge dem Bedarf anzupassen, den Enddruck auf einem vorgegebenen Wert zu halten und die Einsparung von Antriebsenergie. Regelgröße ist der Druck nach dem Kompressor, aber auch die Durchflußmenge oder Temperaturen bei Kälteanlagen und Wärmepumpen. Bei Verdichtern werden häufig pneumatische Regler mit und ohne Instrumentenluft als Hilfsenergie eingesetzt [25, 26]. Aussetzregler (Abb. 3.34) sind direkt wirkende pneumatische Zweipunktregler ohne Instrumentenluft als Hilfsenergie. Aussetzregler werden zur Leerlaufregelung eines Kompressors in Abhängigkeit vom Enddruck verwendet. Überschreitet der zu regelnde Druck den eingestellten oberen Schaltpunkt, so wird der Eingang E mit dem Ausgang A verbunden (Abb. 3.34, links). Gleichzeitig wird die Entlüftung R verschlossen. Unterschreitet der zu regelnde Druck den unteren Schaltpunkt, so wird der Eingang E (unten) verschlossen und der Ausgang A (seitlich) über eine Entlüftungsbohrung R entlüftet. Beide Schaltvorgänge werden durch eine schlagartige Bewegung der Kugel 9 bewirkt. Sind Eingang E und Ausgang A verbunden, wird über den Behälterdruck ein Stellglied pneumatisch betätigt, das den Verdichter auf Leerlauf schaltet. Verdichterregelungen werden nach den Stelleingriffen benannt, die auf den Antrieb (Dreh-

Abb. 3.34 Aussetzregler (Hoerbiger, Wien)

zahlregelung, Aussetzregelung), auf die Anlage (Bypassregelung, Saugdrosselregelung) oder auf den Verdichter selbst einwirken können. Die wichtigsten Verdichterregelungen sind: Drehzahlregelung. Mit Drehzahlregelung lässt sich die Fördermenge im Bereich von 100 bis 50 % stufenlos regeln. Die Regelung ist energiesparend, da bei konstantem Moment die Leistung mit der Drehzahl abnimmt, zusätzlich auch die Strömungsdruckverluste reduziert werden. Bei Hubkolbenverdichtern nimmt der Ungleichförmigkeitsgrad mit sinkender Drehzahl zu, außerdem können kritische Drehzahlen für Torsionsschwingungen der Kurbelwelle und für Gassäulenschwingungen durchlaufen werden. Die Drehzahlregelung wird auch bei Schraubenverdichtern eingesetzt. Bei trockenlaufenden Schraubenverdichtern erwärmt die Spaltrückströmung des verdichteten Gases das angesaugte Gas, sodass mit abnehmender Drehzahl die Verdichtungsendtemperatur ansteigt. Aussetzregelung. Durch Stillsetzen des Verdichters wird der Förderstrom von 0 bis 100 % intermittierend geregelt. Es entsteht jedoch bei großer Schalthäufigkeit ein zusätzlicher Energieaufwand für das Anfahren des Verdichters. Durch die Wahl großer Druckbehälter lässt sich die Schalthäufigkeit herabsetzen.

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Abb. 3.35 p, V-Diagramm für Saugdrosselregelung

H. Tschöke und H. Hölz

Abb. 3.36 p, V-Diagramm für Zuschaltraumregelung

um so stärker reduziert sich der Füllungsgrad. Abb. 3.42 zeigt die Anordnung eines Zuschaltraumes im Zylinderdeckel. Das Ventil zwischen Zuschaltraum und Zylinder wird pneumatisch betätigt. Durch Anordnung mehrerer Zuschalträume ist eine stufenweise Regelung der Fördermenge möglich. Eine stufenlose Zuschaltraumregelung kann durch einen Verstellkolben erreicht werden, der das Volumen des Zuschaltraumes stufenlos verändert. Die Zuschaltraumregelung wird nur bei großen Hubkolbenverdichtern angewendet. Der Verstellbereich für den Volumenstrom reicht bis 50 %, die indizierte Saugdrosselregelung. Die Saugdrosselrege- Verdichtungsarbeit reduziert sich entsprechend lung arbeitet stufenlos und energiesparend. Durch der verminderten Fläche des p, V-Diagramms Drosseln der Saugleitung wird die Dichte des an- (Abb. 3.36). gesaugten Gases vermindert. Das p, V-Diagramm für Saugdrosselregelung Regelung durch Saugventil-Abhebung. Diese (Abb. 3.35) zeigt, dass das Druckverhältnis und erfolgt stufenlos als Staudruckregelung oder studamit auch die Verdichtungsendtemperatur bei fenweise als Greiferregelung. Saugdrosselregelung zunimmt. Bei öleinspritzgeBei der Staudruckregelung (Abb. 3.37) wird kühlten Schraubenverdichtern wird jedoch auch die Saugventilplatte durch den Greifer (5) über bei großen Druckverhältnissen der Temperatur- Greiferarme (6) vom Ventilsitz abgehoben. Die anstieg durch Innenkühlung gebremst und die Betätigung des Greifers erfolgt pneumatisch über Saugdrosselregelung wird dort häufig eingesetzt. die Steuerluft (1), die Membrane (2) und die Bei Hubkolbenverdichtern für Luft kann zur Be- Feder (4). Die Betätigungsstange ist mit einem grenzung des Temperaturanstiegs und des Druck- Metallfaltenbalg abgedichtet. Eine Entlüftungsverhältnisses bei Saugdrosselregelung die Druck- leitung befindet sich unterhalb der Membran; leitung entlastet werden. Rückführleitungen werden im Falle eines Bruchs der Metallfaltenbalgdichtung wirksam. Neben Zuschaltraumregelung. Bei der Zuschalt- pneumatischen gibt es auch hydraulische Betätiraumregelung wird der Schadraum des Verdich- gungen des Greifers. ters über ein pneumatisch betätigtes Ventil mit Kehrt der Kolben nach Beendigung des Aneinem Zuschaltraum verbunden. Verdichtungs- saugvorganges um, wird das angesaugte Gas in und Expansionslinie verlaufen dadurch flacher, die Saugleitung zurückgeschoben; dabei wächst das indizierte Volumen verkleinert sich entspre- mit zunehmender Kolbengeschwindigkeit die an chend der Größe des Zuschaltraumes (Abb. 3.36). der Saugventilplatte in Schließrichtung wirkenJe größer der Zuschaltraum, desto flacher ver- de Strömungskraft. Wird die Federkraft der Felaufen Verdichtungs- und Expansionslinie und der (4) durch die Strömungskraft kompensiert, Bypassregelung. Die Bypassregelung über alle Stufen des Verdichters verbindet die Druckleitung mit der Saugleitung der 1. Stufe. Das Gas muss gekühlt zurückströmen. Bei der Bypassregelung über alle Stufen besteht keine Energieeinsparung, die Fördermenge lässt sich von 100 bis 0 % verstellen. Eine Bypassregelung hinter der 1. Stufe regelt die Menge von 100 bis 50 %, wobei sich aber die Zwischendrücke der nachfolgenden Stufen verschieben und sich das Druckverhältnis der letzten Stufe erhöht.

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Kompressoren, Verdichter

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schließt das Saugventil und die Verdichtung des Restgases im Zylinder beginnt. Der Volumenstrom wird in einem Bereich von 100 bis 50 % stufenlos geregelt, da die Feder (4) unterschiedlich stark vorgespannt werden kann. Außerdem kann auf Leerlauf eingestellt werden, wenn die Federkraft im ganzen Hubbereich über der Strömungskraft liegt. Das p, V-Diagramm bei Staudruckregelung Abb. 3.38 p, V-Diagramm bei Staudruckregelung (Abb. 3.38) zeigt die Energieersparnis als Differenzfläche zwischen geregeltem und ungeregeltem Diagramm. Die Leerlaufregelung mit Saugventilabhebung arbeitet mit einem starren, unbefederten Greifer. Die Saugventilplatte bleibt im ganzen Arbeitszyklus abgehoben. Das p, V-Diagramm (Abb. 3.39) zeigt, dass im Leerlauf nur die Strömungsdruckverluste des Saugventils aufzubringen sind. Bei Saugventil- Abb. 3.39 p, V-Diagramm für Leerlaufregelung mit abhebung wird die auf den Greiferarmen abge- Saugventilabhebung stützte Saugventilplatte stärker beansprucht als im Normalbetrieb. Bei der Loch- oder Schieberregelung wird der Beginn der Verdichtung (Einlass schließt) durch

Abb. 3.40 Schieberregelung eines Schraubenverdichters

Abb. 3.37 Staudruck-Regelung (Hoerbiger, Wien)

einen Schieber oder ein ventilbetätigtes Loch im Zylinder verschoben. Das Gas strömt im Teillastbereich zunächst durch die aufgesteuerte Öffnung in den Saugkanal zurück, ehe die Verdichtung beginnt. Die Loch- oder Schieberregelung wird bei Rotationsverdichtern und bei Schraubenverdichtern angewandt, seltener bei Hubkolbenverdichtern. Bei öleinspritzgekühlten Schraubenverdichtern kann ein Teil des Gehäuses als verstellbarer Schieber ausgebildet werden. Es entsteht eine Rückströmöffnung, über deren Größe der Verdichtungsbeginn und damit der Volumenstrom stufenlos geregelt wird (Abb. 3.40). Der Regelbereich liegt zwischen 100 und 10 % der Fördermenge. Diese Regelung arbeitet energiesparender als die Saugdrosselregelung. Abb. 3.49 zeigt eine konstruktive Ausführung der Schieberregelung.

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H. Tschöke und H. Hölz

3.7 Bauformen und Baugruppen 3.7.1

Hubkolbenverdichter

Abb. 3.42 zeigt die liegende Zylindereinheit eines Prozessgasverdichters. Der Antrieb erfolgt über ein Boxertriebwerk oder über ein DoppelBoxertriebwerk (Abb. 3.20a). Die Zylinder sind wassergekühlt und werden in Abhängigkeit vom Betriebsdruck und vom Durchmesser aus folgenden Werkstoffen hergestellt:

Abb. 3.41 Kennfeld eines trockenlaufenden Schraubenverdichters (Aerzener, Aerzen)

bis 50 bar D Grauguss GG 25; bis 100 bar D Sphäroguss GGG 40.4 oder GGG 50; bis 220 bar D Stahlguss GS-C 25 oder GS-C 35; bis 1000 bar D Schmiedestahl Ck 35.

3.6.2 Betriebsverhalten Verdrängerkompressoren zeigen folgendes Betriebsverhalten: Zunahme des Druckverhältnisses bei konstanter Drehzahl. Der Volumenstrom fällt nur wenig ab (steile Kennlinie), Leistungsaufnahme und Verdichtungsendtemperatur steigen an. Die Verdichtungsendtemperatur begrenzt das maximale Stufendruckverhältnis; darüber hinaus wird eine höhere Stufenzahl und Zwischenkühlung erforderlich. Zunahme der Drehzahl bei konstantem Druckverhältnis. Volumenstrom und Leistungsaufnahme verhalten sich näherungsweise proportional der Drehzahl, das Drehmoment steigt nur gering an. Bei trockenlaufenden Schraubenverdichtern (Abb. 3.41) steigt die Verdichtungsendtemperatur mit abnehmender Drehzahl an. Grund sind die inneren Leckverluste durch Spaltrückströmung verdichteter Gase. Bei Hubkolbenverdichtern sinkt die Verdichtungsendtemperatur mit abnehmender Drehzahl.

Die Zylinderbuchse wird eingeschrumpft. Die Stutzen sind vertikal angeordnet. Der Druckstutzen liegt unten, um Flüssigkeitsansammlungen zu vermeiden. Der Kolben (3) ist geschweißt und gleitet auf Tragsätteln (4) auf der Zylinderbuchse. Tragsattel und Kolbenringe bestehen aus Kunststoff (PTFE- oder PEEK-Compound). Der Zylinder ist mit einer Zuschaltraumregelung (6) und einer Staudruckregelung (7, 8) ausgerüstet. Die Staudruckregelung entspricht Abb. 3.37. Das Kolbenstangenende (1) ist mit einem Dehnschaft zur Aufnahme der Kreuzkopfkupplung (Abb. 3.43) versehen. Der Kolbenhub beträgt 320 mm, der Kolbendurchmesser 385 mm, das Hubspiel (Sicherheitsabstand zum Zylinderdeckel) 4,5 mm. Der Kreuzkopf (Abb. 3.43) besitzt einstellbare Gleitschuhe mit einer Lauffläche aus Weißmetall. Das Schmieröl wird über Axial- und Umfangsnuten verteilt, in die Keilflächen zum Aufbau eines hydrodynamischen Schmierfilms eingearbeitet sind. Das Schmieröl wird über den Kreuzkopfbolzen und das Pleuel an das Kurbelzapfen-

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Kompressoren, Verdichter

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Abb. 3.42 Liegende Zylindereinheit eines Prozessgasverdichters (Borsig, Berlin). a Längsschnitt; b Querschnitt durch die Ventilgruppe. 1 Kolbenstange, 2 Kolbenstangendichtung, 3 Kolben, 4 Tragsattel, 5 Kolbenstangen-

mutter, 6 Membranabhebung für Zuschaltraumventil, 7 Membranabhebung für Staudruckregelung, 8 Greifer, 9 Saugventil, 10 Druckventil

lager weitergeleitet. Das Kolbenstangenende (1) ist als Dehnschaft gestaltet und wird hydraulisch vorgespannt. Bei der Montage wird über den Nippel (6) Drucköl zur Lippendichtung (7) geführt und der Ring (2) mit Mutter (3) unter Längung des Dehnschaftes nach rechts bewegt. Das linke Ende des Dehnschaftes stützt sich über Halbringe (5) und Schraubring (4) am Kreuzkopf ab. Wird nun die Mutter (3) nachgestellt, bleibt die Vorspannung auch ohne Öldruck erhalten. Den Aufbau der Kolbenstangendichtung zeigt Abb. 3.44. Die Dichtelemente (10) befinden sich in Kammerringen (2), die mit O-Ringen (5) abgedichtet sind. Das Dichtelement (10) ist geschlitzt und wird mit einem Federring verspannt. Der Schlitz wird mit einem Stützring abgedichtet. Vom Gasdruck wird das Dichtelement gegen

die Kolbenstange und gegen den Stützring gedrückt, dieser gegen die Flanke des Kammerrings (2). Das durchtretende Leckgas wird abgesaugt (9), zusätzlich wird mit Überdruck und einem neutralen Gas gesperrt (7), sodass der Austritt gefährlicher Prozessgase wirksam verhindert wird. Höchstdruck-Kolbenverdichter (Abb. 3.45) werden bei der Erzeugung von Hochdruck-Polyäthylen mit Drücken bis 3500 bar eingesetzt [27]. Der Kolben (Plunger) besteht aus Hartmetall und wird mit metallischen, geteilten Dicht- und Deckringen abgedichtet, die in geschrumpften Kammerringen angeordnet sind. Am antriebsseitigen Ende des Plungers befindet sich eine Niederdruckpackung für Leckgasabsaugung, Spülung und Kühlung. Saug- und Druckventile sind hintereinander in einem vom Zylinder getrennten

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Abb. 3.43 Kreuzkopf und Kreuzkopfkupplung (Borsig, Berlin)

H. Tschöke und H. Hölz

Abb. 3.44 Kolbenstangendichtung (Borsig, Berlin). 1 Anschluss für Kühlung, 2 Kammerring, 3 Schmierung, 4 Kühlraum, 5 O-Ring, 6 Sperrgas-Dichtelement, 7 Sperrgaskammer, 8 Leckgas-Dichtelement, 9 Leckgaskammer, 10 Dichtelemente, 11 Drosselelemente

Zylinderkopf angeordnet. Zur Erhöhung der Belastbarkeit durch den schwellenden Innendruck sind Zylinder, Kammerringe und Zylinderkopf lumenstromregelung stufenlos zwischen 10 und geschrumpft. 100 % durch eingebauten Steuerschieber, der nach dem Prinzip von Abb. 3.40 arbeitet. Das 3.7.2 Membranverdichter eingespritzte Öl führt die Verdichtungswärme ab, dichtet und schmiert. Die Rückkühlung des Öls Membranverdichter (Abb. 3.46) verdichten öl- erfolgt über wassergekühlte Ölkühler. Die Fördefrei bis 4000 bar. Die Stahlmembran ist zwischen rung erfolgt von oben nach unten. Die Axialkraft Lochplatte und Membrandeckel eingespannt und auf den Rotor wird von zwei Schrägkugellagern wird durch pulsierenden Hydraulikdruck betätigt, in Tandemanordnung aufgenommen. Bei öleinder vom Hydraulikkolben erzeugt wird. Durch spritzgekühlten Schraubenverdichtern treibt der eine Kompensationspumpe werden die Leckver- Hauptrotor den Nebenrotor im Schraubeneingriff luste des Hydraulikkolbens ausgeglichen, sodass an, ein Koppelgetriebe entfällt. die Membrane wechselseitig am MembrandeZweistufige trockenlaufende Schraubenverckel bzw. an der Lochplatte zur Anlage kommt. dichter (Abb. 3.49) verdichten bis 10,5 bar. Der Durch eine Ölkühlschlange wird das Hydraulik- Antrieb des Hauptläufers erfolgt in jeder Stuöl gekühlt. Wegen der großen wärmetauschenden fe über ein ins Schnelle übersetzendes StirnOberfläche der Membran und des kleinen Schad- radgetriebe. Haupt- und Nebenläufer sind durch raums sind hohe Stufendruckverhältnisse von 10 ein Koppelgetriebe verbunden und arbeiten im (max. 20) möglich. Die Membran ist dreilagig Schraubeneingriff berührungsfrei. Die Abdichaufgebaut, sodass bei Bruch einer Membranlage tung des Wellendurchtritts in den Förderraum erder Membranbruch angezeigt werden kann und folgt durch dreifache Kohle-Labyrinthdichtungen Öl und Gas sich nicht vermischen. und zwei Kammerringe mit neutralem Raum zur Atmosphäre. Die Rotoren sind wälzgelagert (Zylinderrollenlager, Schrägkugellager). Die Getrie3.7.3 Schraubenverdichter bestufen sind schrägverzahnt und mit Zylinderrollenlagern, Nadellagern und Vierpunktlagern Beim öleinspritzgekühlten Schraubenverdichter gelagert. Für Zwischen- und Nachkühler dient mit Schieberregelung (Abb. 3.47) erfolgt die Vo- Wasser oder Luft als Kühlmedium; das Schmier-

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Kompressoren, Verdichter

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Abb. 3.45 Liegende Zylindereinheit eines Höchstdruck-Kolbenverdichters (Sulzer Burkhardt, Winterthur)

Abb. 3.46 Membranverdichter (Hofer, Mülheim). 1 Gasaustritt, 2 Saugventil, 3 Membrandeckel, 4 Lochplatte, 5 Flansch, 6 Ölüberströmventil, 7 Ölrücklauf, 8 Zylinderkühlung, 9 Kurbeltriebwerk, 10 Ölberuhigungsbehälter, 11 Ölansaugleitung, 12 Kompensationspum-

pe, 13 Rückschlagventil, 14 Öleinspritzung (Leckageausgleich), 15 Ölraum, 16 Ölkühlschlange, 17 Kühlwasserein-/austritt, 18 Rückschlagventil, 19 Membranen, 20 Gasraum, 21 Druckventil, 22 Gasaustritt

Abb. 3.47 Öleinspritzgekühlter Schraubenverdichter mit Schieberregelung (Aerzener, Aerzen)

66

H. Tschöke und H. Hölz

Abb. 3.48 Zweistufiger, trockenlaufender Schraubenverdichter (Aerzener, Aerzen)

öl wird mit Luft über Axiallüfter (Abb. 3.48) rückgekühlt. Die Kühlung der Verdichterzylinder erfolgt durch Umgebungsluft. Zur Volumenregelung werden die Bypassregelung, die Drehzahlregelung oder die Vollast-Leerlaufregelung mit Saugdrossel eingesetzt.

3.7.4 Rotationsverdichter Der Rotationsverdichter ist wesentlich durch folgende Bauteile gekennzeichnet:

Gehäuse als Fuß- oder Flanschversion, zwei Gehäusedeckel, Rotor mit ein- oder beidseitiger Lagerung, Rotorschieber aus Elektrographit, Kunststoff, Aluminium, Grauguss oder Stahl bei Laufringmaschinen, zwei Rotorlager in Form von Radialwälzlagern, selten auch Gleitlager, Wellenabdichtung als Gleitringdichtung oder Wellendichtring. Als Antriebseinheit überwiegt der direkt gekuppelte Elektromotor. Bezüglich Schmierung und Kühlung wird zwischen Trockenlauf und Frischölschmierung mit Oberflächenkühlung durch Luft oder Wasser sowie Öleinspritzung mit Innenkühlung unterschieden. Bei Verdichtern und Vakuumpumpen mit Öleinspritzung übernimmt das Öl die Funktionen Dichten, Schmieren und Kühlen. An den

Gleitflächen der Rotorschieber tritt hydrodynamische Schmierung und damit verbundene Verschleißfreiheit auf. Die intensive Spaltabdichtung führt zu einem nahezu gleichbleibenden Nutzliefergrad im Drehzahlbereich von 50 bis 120 % der Nenndrehzahl. Ölumwälzung, Ölkühlung und Ölabscheidung wird durch eine entsprechende Peripherie sichergestellt (Abb. 3.49). Im stationären Bereich fördern Aggregate mit Öleinspritzung technisch ölfreie Luft oder Gas einstufig bis zu einem Volumenstrom von 5000 m3 =h bei einer Antriebsleistung von 500 KW. Stufen mit Öleinspritzung verdichten bis 12 bar bei einer Endtemperatur von 75 bis 85 °C. Trockenlaufende Rotationsverdichter werden für Volumenströme bis 600 m3 =h und Verdichtungsüberdrücke bis 2,5 bar ausgeführt. Die Rotorschieber bestehen aus Elektrographit. Abb. 3.50 zeigt einen luftgekühlten Trockenläufer für Fahrzeugeinbau. Bei Rotationsverdichtern nach dem Laufringprinzip wird ein Teil des Gehäuses über zwei mitrotierende Laufringe dargestellt, deren Innendurchmesser geringfügig kleiner ist als der des Gehäuses. Die Rotorschieber stützen sich in radialer Richtung auf den Laufringen ab. Einstufig werden Endüberdrücke von 2,5 bis 3 bar, zweistufig von 8 bis 9 bar bei Stufenendtemperaturen von ca. 180 °C gefahren. Heutige Rotationsverdichter werden jedoch ohne Laufringe ausgeführt.

3

Kompressoren, Verdichter

67

3

Abb. 3.49 Rotationsverdichter mit Öleinspritzkühlung (Mannesmann DEMAG Verdichter Wittig, Schopfheim). 1 Ansaugfilter, 2 Saugabsperr-Regelung, kombiniert mit Bypass-Regelventil 11, 5 Ölvorrats- und Abscheidebehälter, 6 Entölelement, 7 Sicherheitsventil, 8 Entlastungs-

ventil mit Entlastungs-Luftschalldämpfer 9, 12 Ölfilter, 13 Mindestdruck- und Rückschlagventil, 14 Druckluftnachkühler, 16 Ölkühler, 17 Steuerschrank mit Überwachungsgeräten, 24 Ölstandsanzeige

Abb. 3.50 Trockenlaufender Rotationsverdichter mit Luftkühlung für Fahrzeugeinbau (Mannesmann DEMAG Verdichter Wittig, Schopfheim)

Literatur 1. VDI 2045, Blatt 3. Abnahme und Leistungsversuche an Verdichtern-Teil III, Thermische Stoffwerte. Ausg. Mai (1967) und VDI 2045 Blatt 1 und 2, Ausg. August 1993 2. Baehr, H. D.: Der Isentropenexponent der Gase H2 , N2 , O2 , CH4 , CO2 , NH3 und Luft für Drücke bis 300 bar. Brennstoff, Wärme, Kraft 65–68 (1967) 3. Unfallverhütungsvorschrift „Verdichter“ (VBG 16). Unfallverhütungsvorschriften Ausg. 04/1987 bis 01/1997

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4

Verbrennungsmotoren Helmut Tschöke und Klaus Mollenhauer

4.1 Einteilung und Anwendung Verbrennungsmotoren sind Kolbenmaschinen, die Wärme in mechanische Energie umwandeln. Dazu wird die durch Verbrennung als Wärme frei werdende chemische Energie eines Kraftstoffes einem in einem begrenzten Raum eingeschlossenen gasförmigen Arbeitsmedium zugeführt und in potentieller Form (Druck) ausgenutzt. Für den gasdichten, veränderlichen Arbeitsraum können Hubkolben- und Rotationskolbenmotoren (HKM bzw. RKM) verwendet werden. Motoren mit innerer Verbrennung. Das Arbeitsmedium (Luft) ist zugleich der Sauerstoffträger und vor jedem Arbeitsspiel durch einen Ladungswechsel zu erneuern. Die Verbrennung erfolgt daher zyklisch, wobei je nach Verbrennungsverfahren zwischen Otto-, Diesel- und Hybridmotoren unterschieden wird. Für Motoren mit kontinuierlicher innerer Verbrennung existieren nur technische Konzepte [1]. Motoren mit äußerer Verbrennung. Die außerhalb des Arbeitsraumes durch kontinuierliche Verbrennung entstehende Wärme wird auf das H. Tschöke () Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Magdeburg, Deutschland E-Mail: [email protected] K. Mollenhauer Technische Universität Berlin Berlin, Deutschland E-Mail: [email protected]

Arbeitsmedium durch Wärmeaustausch übertragen. Damit ist ein Arbeitsprozess mit geschlossenem Kreislauf und beliebigem Arbeitsgas möglich, wobei mit der zulässigen Betriebstemperatur des Wärmeübertragers maximale Prozesstemperatur und Wirkungsgrad festliegen. Wirtschaftliche Bedeutung. Hierzu konnten bisher nur Motoren mit innerer Verbrennung als Otto-, Diesel- und Gasmotoren gelangen: Neben stationärer Verwendung zur Stromerzeugung (Blockheizkraftwerk, Notstromaggregat) sowie in Land- und Baumaschinen, Förder- und Hebeanlagen vor allem beim Antrieb von Straßenfahrzeugen (Pkw, Nkw, Omnibus), Schienenfahrzeugen und Schiffen und nur noch in geringem Maße bei Flugzeugen. Die Forderungen an einen Fahrzeugantrieb, wie günstiges Massenverhältnis von Antrieb zu Fahrzeug, geringer Raumbedarf, Wirtschaftlichkeit und gutes Betriebsverhalten, werden vom schnelllaufenden Otto- und Dieselmotor am ehesten erfüllt und führte dazu, dass in Europa die Kraftfahrzeugindustrie zur Schlüsselindustrie wurde. Umweltbelastende Abgasschadstoffe und Geräuschentwicklung beeinflussen heute und in Zukunft noch mehr die Entwicklungsziele für die Motoren, ebenso die begrenzten Energievorräte. Bei höchster Wirtschaftlichkeit und geringster Umweltbelastung muss der Motor bei möglichst hoher Leistungskonzentration auch alternative Kraftstoffe verbrennen können. Regenerative Biokraftstoffe (Bioalkohol, Pflanzenöle, Biodiesel, Biomasse-to-Liquid (BtL)) ent-

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_4

69

70

lasten zwar die globale CO2 -Bilanz (Treibhauseffekt), jedoch stehen sie z. T. in direkter und indirekter Konkurrenz zur Nahrungsmittelherstellung oder sind nicht ausreichend verfügbar. Längerfristig werden dem Wasserstoff größere Chancen eingeräumt, vor allem in Brennstoffzellen („kalte Verbrennung“), vorausgesetzt, er kann ausreichend und kostengünstig regenerativ erzeugt werden, z. B. mittels elektrischer Energie aus der Windkraft oder Photovoltaik. Außerdem kann mittels Wasserstoff und CO2 Methan oder flüssiger Kraftstoff hergestellt werden, sogenannte synthetische Kraftstoffe, hierzu laufen derzeit intensive Entwicklungsprojekte [43, 48].

4.2 Arbeitsverfahren und Arbeitsprozesse

H. Tschöke und K. Mollenhauer

Zweitaktverfahren (2-Takt). Hier erfolgt der Ladungswechsel im Bereich des unteren Totpunkts bei nur noch geringer Änderung des Arbeitsvolumens durch Ausspülen der Verbrennungsgase mit frischer Ladung, sodass für die Verdichtung und Ausdehnung nicht der volle Hub ausgenutzt wird (s. Abschn. 4.3.4). Aufgrund der Nachteile, wie erhöhte thermische Belastung, Schwierigkeiten bei Kolbenschmierung und Abgasemission, Wirkungsgradeinbuße durch Expansionsverlust sowie Überspülen bei äußerer Gemischbildung, wird das Zweitaktverfahren nur noch selten bei kleinen FahrzeugOttomotoren (Moped, Kraftrad) oder zum Antrieb von Hilfsaggregaten sowie bei Großdieselmotoren für Schiffsantriebe angewendet, wo entweder der einfache kostengünstige Motoraufbau oder der bei wartungsgünstiger Gestaltung mögliche Schwerölbetrieb bei Niedrigstdrehzahlen von Vorteil sind (s. Kap. 5).

In den folgenden Abschnitten werden Vorgänge bei Verbrennungsmotoren mit innerer Verbren- Arbeitsspielfrequenz. Sie lautet mit der Drehzahlfrequenz n und der sog. Taktzahl a nung behandelt. na D n=a :

(4.1)

Es ist a D 2 bzw. 1 für einfachwirkende Vierbzw. Zweitakt-Hubkolbenmotoren, ferner ist a D Unabhängig vom Verbrennungsverfahren wird 3 für Rotationskolbenmotoren, System Wankel. zwischen Viertakt- und Zweitaktverfahren un- Damit entspricht die sogenannte Taktzahl einem terschieden. Beiden gemeinsam ist die in ei- Frequenzverhältnis. nem ersten Takt (Hub) ablaufende Verdichtung der Ladung (Luft- oder Kraftstoffdampf-Luftgemisch) durch Verringerung des Arbeitsraumes 4.2.2 Vergleichsprozesse von Vmax D Vh C Vc auf Vmin D Vc (mit Vh Hubvolumen, Vc Kompressionsvolumen, s. Kap. 1) 4.2.2.1 Wahl des Vergleichsprozesses sowie die kurz vor Umkehr der Kolbenbewe- Die Zustandsänderungen des Arbeitsgases im gung einsetzende Zündung, die Verbrennung mit Motor zeigt ein zu definierender Vergleichsproeiner Druckerhöhung bis auf maximalen Zylin- zess (VP), der je nach Anforderung zwischen derdruck pmax und Ausdehnung des Arbeitsgases einem theoretischen, idealisierten Kreisprozess im darauf folgenden Takt, bei der am Kolben Ar- der Thermodynamik und dem wirklichen Motorprozess liegt. beit geleistet wird.

4.2.1 Arbeitsverfahren

Mechanische Arbeit. Sie folgt für jeden VerViertaktverfahren (4-Takt). Es benötigt zwei gleichsprozess aus dem Energieumsatz nach dem weitere Takte, um das Verbrennungsgas durch ersten Hauptsatz der Thermodynamik Ausschieben aus dem Arbeitsraum zu entfernen Z X und den Arbeitsraum mit frischer Ladung zu fülQV D p dV : (4.2) W D Qzu  len.

4 Verbrennungsmotoren

71

Für gleiche zugeführte Wärme Qzu ist die Anhaltswerte. Hi D 43 000 kJ=kg für Benzin Arbeit W nur von den mitP dem jeweiligen VP be- und Dieselkraftstoff (Dk), Hi D 40 000 kJ=kg für Schweröl. Minimaler Luftbedarf bei stöchiorücksichtigten Verlusten QV abhängig. metrischer Verbrennung Lmin D 14;7 kg Luft=kg Brst. (Benzin), 14;5 kg=kg (Dk) bzw. 13;9 kg=kg Energieumsetzungsverluste. Der theoretische (Schweröl). Kreisprozess mit idealem Arbeitsgas berücksichtigt nur den thermodynamischen Verlust: P QV D Qab und liefert den oberen Grenz- 4.2.2.2 Vergleichsprozess mit idealem wert Wth , Arbeitsgas Wth D Qzu  Qab : (4.3) Um jedoch die Energieumsetzung im wirklichen Motor beurteilen zu können, sind auch die durch das reale Arbeitsgas (Druck- und Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität, Dissoziation) bedingten Verluste zu berücksichtigen. Die mittels Computer mögliche Berechnung des realen Arbeitsprozesses erlaubt, die im wirklichen Motor auftretenden Verluste relativ genau zu berechnen und die realen Zustandsänderungen zu erfassen. Wärmezufuhr. Sie wird dem Prozess je Arbeitsspiel durch die Brennstoffmasse mB mit dem (unteren) Heizwert Hi zugeführt Qzu D mB Hi :

(4.4)

Das Arbeitsmedium umfasst neben mB die Masse mL an trockener Luft, mD an Wasserdampf und den Restgasanteil mR aus dem vorhergehenden Arbeitsspiel. Gemischheizwert. Er ist bei Vernachlässigung von mR (vollkommene Restgasausspülung) und mD (Anteil < 1 %), also mit mz D mL C mB hi D Qzu =mz D Hi =.1 C Lmin / :

Voraussetzungen. Unter Vernachlässigung des für eine innere Verbrennung erforderlichen Ladungswechsels gelten: gleiches Volumen und Verdichtungsverhältnis wie der wirkliche Motor bei hermetischer Abdichtung des Arbeitsraums (keine Leckverluste), vollkommene Füllung des Arbeitsraums mit idealem Arbeitsgas (Isentropenkoeffizient = const) vom Zustand vor Eintritt in den Motor, isentropische Verdichtung und Ausdehnung (wärmedichte Wandungen), Wärmezufuhr entsprechend der dem wirklichen Motor zugeführten Brennstoffmenge bei vollkommener und vollständiger Verbrennung, idealisierte Wärmezufuhr entsprechend einer zunächst isochoren Zustandsänderung bei V2 D Vc bis zu einem zulässigen (vorgegebenen) Höchstdruck pmax mit anschließender isobarer Zustandsänderung, isochore Wärmeabfuhr am Ende der Ausdehnung durch verlustlose Entspannung auf den Anfangsdruck.

(4.5) Prozessdaten. Dieser als Seiliger- oder gemischter Prozess bezeichnete VP kommt dem ArEr stellt die pro Masseneinheit des Arbeitsme- beitsprozess im Motor sehr nahe, der – gleichgüldiums zugeführte Wärme dar. tig ob Diesel- oder Ottomotor (auch hier erfolgt die Verbrennung nur mit endlicher ReaktionsgeLuftverhältnis. Es ist das Massenverhältnis der schwindigkeit) – zwischen zwei Volumen- und trockenen Luft im Zylinder zu der bei stöchiome- Druckgrenzen abläuft, Abb. 4.1. trischer Verbrennung erforderlichen Luft: Es ergibt sich für ein Füllungsverhältnis ' ! 1 der Gleichraumprozess und für ein Druckverhält(4.6) nis ! 1 der Gleichdruckprozess.  D mL =.mB Lmin / :

4

72

H. Tschöke und K. Mollenhauer

Abb. 4.1 Seiliger-Prozess (1–2–20 –3–4) Grenzfälle im p, V-Diagramm

und seine

Füllungsverhältnis. Es folgt aus ' D V3 =V2 zu /Œ.hi =cv T2 /  .

' D 1 C .1=~ mit ' ! 'max für

 1/ (4.7)

! 1.

Druckverhältnis. Bei vorgegebenem Verdichtungsverhältnis " und Höchstdruck pmax entsprechend der zulässigen mechanischen Belastbarkeit ist das Druckverhältnis D pmax =pc bekannt. Für ' D 1 beträgt die maximale Drucksteigerung max

D 1 C .hi =cv T2 / :

(4.8)

Abb. 4.2 Einfluss von Temperatur, Druck und Luftverhältnis auf a Isentropenkoeffizienten , b spezifische Wärmekapazität cv von Verbrennungsgasen [3]

Für das Verdichtungsende gilt p2 D "~ p1 ;

werden. Werte für ", , cv : vgl. Tab. 4.4 bzw. (4.9) Abb. 4.2.

T2 D "~1 T1 :

(4.10) Thermischer Wirkungsgrad. Er beträgt Erfahrungsgemäß entspricht p2 weitgehend th D Wth =Qzu dem wirklichen Verdichtungsenddruck pc , wogegen p3 D pmax vom Verbrennungsverfahren und 1 '~  1 D 1   : (4.11) den Betriebsbedingungen abhängt. "~1  1 C ~ .'  1/ Anhaltswerte. Verdichtungsenddruck: Ottomotor: 20 bis 40 bar (S) bzw. 30 bis 80 bar (A). Fahrzeugdieselmotor: 50 bis 80 bar (S) bzw. 100 bis 140 bar (A), mittelschnelllaufender Viertaktdieselmotor (A): 100 bis 200 bar, Zweitaktlangsamläufer (A): 120 bis 150 bar (S Saugbetrieb; A Aufladebetrieb des Motors). Druckverhältnis D 1;1 : : : 1;2 bei Vorkammerdieselmotoren, 1;4 : : : 1;6 bei direkter Einspritzung, jeweils abnehmend mit zunehmender Aufladung. Luftverhältnis: Für den Vergleichsprozess kann   1 (Ottomotor), 1,5 (Dieselmotor-Saugbetrieb), 2 (Dieselmotor mit Aufladung) gesetzt

Mit Gl. (4.4) ist die maximale Arbeit Wth bekannt, wobei für konstante Werte von Qzu , und " mit steigendem Gleichraumanteil bzw. der Wirkungsgrad th zunimmt. Ist " beliebig steigerbar (keine Klopfgrenze bei Luftansaugung), so liefert der Gleichraumprozess (theoretisch) den höchsten Wirkungsgrad, s. Abb. 4.3.

4.2.2.3 Vergleichsprozess (VP) mit realem Arbeitsgas Voraussetzungen. Geht man für einen vollkommenen Motor von einem offenen Durchlaufprozess aus, der einen idealisierten Ladungs-

4 Verbrennungsmotoren

73

4

Abb. 4.3 Einfluss von Verdichtungs- und Luftverhältnis auf den Wirkungsgrad v des vollkommenen Motors bei konstantem Maximaldruck bzw. Druckverhältnis p3 =p1 D 60 [2] Abb. 4.4 Wirkungsgrad v für den Gleichraumprozess mit realem und idealem Arbeitsgas [2]

wechsel einbezieht, so sind die Bedingungen des Wirkungsgrad. Für den vollkommenen Motor VP mit idealem Gas zu ergänzen durch: gilt (4.12) v D Wv =mB Hi : verlustloser Ladungswechsel längs Isobaren (keine Verluste durch Spülen, Drosselung und Dabei ist v < th (Abb. 4.3; [2]) wobei Aufheizung), neben Luftverhältnis  und Verdichtungsverhält Berücksichtigung des wirklichen Arbeitsgases nis " Anfangszustand (p ; T ) und Druckverhält1 1 und seines realen Verhaltens bei allen Zu- nis p =p von Einfluss sind. Für den Grenzfall 3 1 standsänderungen. Gleichraumprozess (s. Abb. 4.1, p 0 D p ) er3

max

möglicht Abb. 4.4 eine Abschätzung nach oben Der so definierte VP für einen vollkommenen für  . v Motor folgt bis auf die Forderung nach gleichem Luftverhältnis für vollkommenen und wirklichen Motor der DIN 1940. 4.2.3 Wirklicher Arbeitsprozess Verluste. Die durch die Änderung der Wärmekapazität mit der Temperatur und Gaszusammensetzung sowie den endothermen Zerfall (Dissoziation) von Verbrennungsprodukten ab 1500 K eintretende Minderung der Arbeitsausbeute von Wth auf Wv kann mit Mollier-h, s-Diagrammen [2] oder rein rechnerisch mittels Näherungsgleichungen bestimmt werden [3]. Die Zusammensetzung des Arbeitsgases ist durch Wahl eines Bezugskraftstoffs (z. B. gilt für Abb. 4.2 ein Massenverhältnis c= h D 85;63=14;37) und das Luftverhältnis festgelegt.

4.2.3.1 Arbeit des wirklichen Motors Innere Arbeit. Für den wirklichen Motorprozess ist sie nach Gl. (4.2) für ein Arbeitsspiel (AS) aus dem Druckverlauf bestimmbar, wenn dieser für jeden der z Zylinder gleich verläuft. Z (4.13) Wi D z pz dV : AS

Sie setzt sich beim Viertaktmotor aus dem im Sinne der Arbeitsabgabe positiven Anteil Wi1

74

H. Tschöke und K. Mollenhauer

Abb. 4.6 Viertaktmotor. a Druck pz und b Ventilerhebung hv als Funktion des Kurbelwinkels ', 'ü Ventilüberschneidung

Nutzarbeit. Die pro Arbeitsspiel geleistete effektive Arbeit folgt aus dem am Abtrieb zur Verfügung stehenden und mittels einer Leistungsbremse bestimmbaren Moment M sowie der „Taktzahl“ a We D 2   a M : Abb. 4.5 a Druckverlauf eines Verbrennungsmotors (Ottomotor) im p, V-Diagramm; b Ladungswechselschleife mit 1 Expansions-, 2 Ausschub-, 3 Ansaugverlust, 4 zusätzlichem Drosselverlust, 5 Wandwärmeverlust

des Kompressions- und Arbeitshubs und dem des Ladungswechsels Wi2 zusammen, der negativ (Saugbetrieb, Verlust) oder positiv (Aufladung, Gewinn) sein kann, Abb. 4.5a. Indizierung. Um die innere Arbeit Wi nach Gl. (4.13) zu bestimmen, muss der Druck pz bekannt sein. Schnelllaufende Motoren mit ihren schnellen Druckänderungen verlangen Druckaufnehmer mit hoher Grenzfrequenz (z. B. piezoelektrische Aufnehmer). Elektronische Messverfahren messen damit den zeitlichen Druckverlauf, der durch gleichzeitig aufgenommene Kurbelwinkelmarken der Kolbenstellung zugeordnet werden kann, Abb. 4.6. Mit der Kolbenwegfunktion xK D xK .'/ (s. Abschn. 1.3.2), der Zylinderzahl z und dem Zusammenhang zwischen Kurbelwinkel ' und Drehzahlfrequenz n d'=dt D 2 n D ! folgt für Wi mit der Kolbenfläche AK Z Wi D zAK !

pz .t/ AS

dxK dt : d'

(4.16)

Reibarbeit. Sie ist die Differenz zwischen innerer Arbeit und Nutzarbeit WR D Wi  We und setzt sich aus der Triebwerksreibung, aerodynamischer und hydraulischer Verlustarbeit sowie vereinbarungsgemäß der Antriebsarbeit für Nebenaggregate zusammen. Hierbei überwiegt bei starkem Drehzahleinfluss der Anteil der Triebwerksreibung (bis zu 2=3 der Gesamtreibung bei Schnellläufern) mit der Kolben- und Kolbenringreibung als Hauptursache.

Messung. Genaue Bestimmung der Gesamtreibarbeit WR erfordert neben einer Drehmomentmessung, Gl. (4.16), die Indizierung des Motors, wobei Abweichungen in den Druckverläufen der einzelnen Zylinder und Zyklen zu berücksichtigen sind, Gl. (4.15), s. auch [49]. Näherungsverfahren sind Auslaufversuch (Messung des Drehgeschwindigkeitsabfalls liefert das Reibmoment MR D Iges d!=dt/, Schleppversuch (Messen der Reibarbeit als (4.14) Schlepparbeit durch Fremdantrieb bzw. Abschalten einzelner Zylinder oder Zylindergruppen) und Willians-Verfahren (Extrapolation aus dem Brennstoffverbrauch mB in Abhängigkeit von we (4.15) für n D const liefert für mB D 0 näherungsweise die spezifische Reibarbeit wR ).

4 Verbrennungsmotoren

75 p

4.2.3.2 Spezifische Arbeit und Mitteldruck Spezifische indizierte Arbeit. Wird die innere Arbeit Wi auf das Hubvolumen VH bezogen, so folgt die volumenbezogene spezifische Arbeit wi wi D Wi =VH :

(4.17)

Bei Hubkolbenmotoren gilt dann (r Kurbelradius) Z dxK wi D .!=2r/ pz .t/ dt : (4.18) d' AS

D; A2 D 0;00084 C 0;00024D C 0;0017D 2 sowie bei Saugmotoren mit direkter Einspritzung B1 D 0;0138; B2 D 0;0282; B3 D 0 bzw. mit indirekter Einspritzung B1 D 0;0275; B2 D 0;263; B3 D 0;19 ist. Bei Aufladung ist ein zusätzlicher Lasteinfluss abhängig vom Ladedruck pL zu berücksichtigen, sofern cm < 14 m=s ist, wRa D f .pL =p0 / D ..pL =p0 /  1/.0;05  0;0035cm / :

(4.24)

Bei Nennleistung sind für Schmieröl- und P Kühlwasserumlaufpumpe zusammen anzusetzen wRH  0;02 : : : 0;05 kJ=dm3 . Dabei wird die Betriebstemperatur des Motors angenommen. Bei abweichender Öltemperatur ändert sich die spezifische Reibarbeit um ca. 0;5 J=dm3 K [4].

Spezifische effektive Arbeit. Aus der Nutzarbeit We des Motors, Gl. (4.16), folgt we D We =VH :

(4.19)

4.2.3.3 Verluste und Wirkungsgrade

Innerer Wirkungsgrad.PEr berücksichtigt die Summe aller Verluste Qv , vgl. Gl. (4.2), die neben dem thermodynamischen Verlust Qab durch das Realgas, durch Undichtheit des Arbeitsraumes (Lässigkeitsverluste), Wärmeaustausch zwischen Arbeitsgas und Wand (Wandwärmeverlust), nichtideale Verbrennung hinsichtlich Verlauf und Vollkommenheit, nichtisochore Wärmeabfuhr am Ende der Expansion sowie durch Drosselung, Verwirbelung und Aufheizung beim Ladungswechsel verursacht werden Spezifische Reibarbeit. Sie beschreibt die ge- und Abweichungen des wirklichen Druckverlaufs vom Vergleichsprozess (Abb. 4.5) bewirsamte Reibung des Motors ken, wR D WR =zVh D wi  we (4.25) i D Wi =mB Hi : D we .1  m /=m : (4.20) Gütegrad. Er vergleicht die innere Arbeit Wi Nachfolgende Beziehungen zur Bestimmung der Reibung mit der Arbeit Wv des Prozesses mit realem Gas. beruhen auf einer Vielzahl von Messungen an Dieselmo- Die somit verbleibenden Verluste sind nur dem toren (D D 0;06 : : : 0;6 m) und berücksichtigen außer Motor anzulasten. Es gilt

Sie ist unabhängig von Motorabmessungen und Drehzahl und ist neben cm (mittlere Kolbengeschwindigkeit) die wichtigste Kenngröße. Sie wird oft als „mittlerer Nutzdruck“ pe bezeichnet, obwohl physikalisch kein messbarer Druck vorliegt. Treffendere Bezeichnungen sind: Spezifische Nutzarbeit, Arbeitsdichte oder auch Arbeit pro Einheit des Hubvolumens („Literarbeit“). Für Umrechnungen gilt z. B. we D pe =10 in kJ=dm3 für pe in bar.

Einspritzpumpe und Ventiltrieb die Hilfsaggregate gesondert: wR D wR0 C wRp C wRa X C wRH (4.21)

mit

wR0 D f .cm ; D/ D A0 C A1 cm C A2 cm2 ;

(4.22)

wRp D f .we / D B1 we C B2 we2 C B3 we3 ;

g D Wi =Wv :

(4.26)

Mechanischer Wirkungsgrad. Er berücksichtigt die auf dem Weg vom Kolben zum Abtriebsflansch auftretenden mechanischen Verluste, d. h. die Reibarbeit

(4.23)

wobei A0 D 0;061 C 0;026D; A1 D 0;0045  D  0;007 

m D We =Wi D 1  .WR =Wi / :

(4.27)

4

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H. Tschöke und K. Mollenhauer

Tab. 4.1 Wirkungsgrade von Verbrennungsmotoren (Bestwerte), S Saugbetrieb, A Aufladung, DE direkte, IDE indirekte Einspritzung (spez. Verbrauch be : s. Gl. (4.69)) Motorenart Pkw-Motor

Nfz-Motor

Mittelschnellläufer MSL Langsamläufer LL a

Verbrennungs- und Arbeitsverfahren Ottomotor (DE) Dieselmotor (IDE) (DE) Dieselmotor (S) (A) Viertaktdieselmotor Zweitaktdieselmotor

e

m

g

0,26 . . . 0,35 . . . 0,38

0,8 . . . 0,9

0,8 . . . 0,9

0,78 . . . 0,82 . . . 0,86 . . . 0,88 . . .

0,86 . . . 0,86 . . . 0,88 . . . 0,86 . . .

0,28 . . . 0,34 0,41 . . . 0,43 0,32 . . . 0,38 . . . 0,44 . . . 0,46 . . .

0,42 0,47 0,51 (0,53)a 0,53 (0,54)a

0,86 0,9 0,92 0,92

0,9 0,9 0,9 0,9

Motor mit Turbo-Compound (s. Abschn. 4.3.5)

Die vom Kurbelwinkel ' abhängigen Glieder Nutzwirkungsgrad oder effektiver Wirkungsder Gleichung stehen in der angegebenen Reihengrad. Er lautet folge für e D We =mB Hi D v g m D i m :

(4.28)

die durch Verbrennung frei werdende und dem System zugeführte Wärme (Brennverlauf), QB , den Wandverlust infolge Wärmeaustausches zwischen Wand und Arbeitsgas, QW , die Änderung der inneren Energie des Systems, mz  uz , die am Kolben geleistete Arbeit, pz  Vz , die mit der einströmenden Ladung zugeführte bzw. mit der ausströmenden Abgasmasse abgeführte Energie [5], mL  hL bzw. mA  hA .

Vergleich der Wirkungsgrade. Beim Vergleich von Motoren ist zu beachten, dass der Wert des Gütegrades auch von der Wahl des Vergleichsprozesses abhängt, sowie von der konstruktiven Ausführung und der Zylinderleistung, Tab. 4.1. Erkennbar wird, dass große Dieselmotoren nur noch geringe Wirkungsgradverbesserungen zulassen. Da die Arbeitsprozessrechnung i liefert, haben v und g an Bedeutung verloren, nicht so der idealisierte Vergleichsprozess, mit dem Wirkungsgrad und Zustandsänderungen einDie Kontinuitätsgleichung liefert mit mB D fach verfolgt und abgeschätzt werden können. QB =Hi

4.2.3.4 Berechnung des realen Arbeitsprozesses

dmz dQB dmA dmL D C .1=Hi /  : (4.30) d' d' d' d'

Zustand des Arbeitsgases. Für die Temperatur Gang der Rechnung. Für den Zylinderinhalt folgt aus der Änderung der inneren Energie uz D (Index z) als ein geschlossenes thermodynami- uz .Tz ; /  sches System (Abb. 4.7) liefert eine EnergiebidQB dTz 1 D lanz die Differentialgleichung, [42, 46]. z d' d' mz @u @T z

dVz d.mz uz / dQB dQw  D C pz d' d' d' d' dmL dmA  hL C hz : (4.29) d' d'

dVz dmL dQw   pz C hL d' d' d'  dmA dmz @uz d  hz  uz  mz : d' d' @ d' (4.31)

4 Verbrennungsmotoren

77

die Wärmefreisetzung während der Brenndauer 'V D 'VE  'VB mit 'B D 0 : : : 'V

 mC1 QB .'/ D QB ges 1  ea.'B ='V / D XQB ges :

(4.35)

Hierbei sind a D ln.1  u /1 ein Maß für den Umsetzungsgrad u des eingebrachten Brennstoffs (a D 6;91 für 1‰ Unverbranntes) und m ein Formparameter. X wird als Durchbrennfunktion bezeichnet, deren Ableitung dann Abb. 4.7 Energiebilanz eines Viertaktmotors den Brennverlauf dQB =d' liefert. VerbrennungsHierbei gilt für die Änderung der Brennstoff- beginn, Brenndauer und Schwerpunktlage des Wärmeumsatzes, berücksichtigt durch den Formmasse faktor (0;2 < m < 2), bestimmen DruckdQB mB dmA dmB und Temperaturverlauf sowie den Wirkungsgrad  D .1=Hi /  (4.32) i , Abb. 4.8a–c. Danach verschlechtern zu früd' d' mz d' her Zündbeginn (Ottomotor) oder Förderbeginn bzw. der Gaszusammensetzung (Dieselmotor) ebenso den Wirkungsgrad wie eine schleppende Verbrennung (m > 1).   dmz mz dmB d  D .1=Lmin mB /  : d' d' mB d' Wandwärmeverlust. Für die vom Arbeitsgas (4.33) an eine bestimmte Wandfläche Ai übergehende Sind die thermischen und kalorischen Zu- Wärme gilt (s. Bd. 1, Abschn. 45.2) standsgrößen des Arbeitsgases bekannt [3], so kann bei gegebenen Randbedingungen Gl. (4.31) (4.36) dQwi D ˛i Ai .Tz  Twi / dt : einer schrittweisen Lösung zugeführt werden. Der Druck im Arbeitsraum folgt aus der um Da die jeweiligen örtlichen Wärmeübergangsden Realfaktor Z ergänzten allgemeinen Gasglei- bedingungen meist unbekannt sind, wird von chung für reale Gase [3] (s. Bd. 1, Abschn. 40.1. einem örtlich mittleren Wärmeübergangskoeffi3) zienten ˛ ausgegangen, ebenso von örtlich und (4.34) zeitlich mittleren Wandtemperaturen Tw für die pz Vz D Zmz RTz : gesamte Wandfläche oder Teile davon (KolBrennverlauf. Für die vielfachen chemischen ben, Laufbuchse, Zylinderkopf). Der Wärmeausund physikalischen Vorgänge während der Ver- tausch Gas – Wand ist vom Zustand des Arbeitsbrennung im Motor gibt es keine einfache analy- gases abhängig, ferner vom Verbrennungsverfahren, den Strömungsverhältnissen im Zylinder tische Beziehung. (cm ), den geometrischen Abmessungen (D) und Ersatzbrennverlauf. Er wird für die Pro- der Wandtemperatur (Tw ) für Tw > 600 K [42]. zessrechnung verwendet und hinsichtlich Form, Brennbeginn 'VB und -dauer 'V so angepasst, Wärmeübergangskoeffizient. Nach Messungen dass der Arbeitsprozess mit gemessenen Motor- an Diesel- und Ottomotoren [7] gilt die Zahlen2 werten (wi ; pz ; pmax ) möglichst gut überein- wertgleichung für ˛ in W=m K stimmt. Die einfachste Form ist ein Dreieck. ˛ D 130 pz0;8 Tz0;53 D 0;2 Vibe-Brennverlauf [6]. Er beruht auf reaktionskinetischen Überlegungen und beschreibt

 ŒC1 cm C C2 .pz  p/Vh T1 =p1 V1 0;8 ; (4.37)

4

78

H. Tschöke und K. Mollenhauer

Hubvolumen. Während Verdichtung und Expansion ist C1 D 2;28 C .0;308cu =cm /, während des Ladungswechsels C1 D 6;18 C .0;417cu =cm /. Das Verhältnis cu =cm berücksichtigt den Anteil der Ansaugdrallströmung an der durch die Hubbewegung des Kolbens verursachten Gasbewegung. Erfahrungswerte. Schnelllaufende Motoren mit direkter Einspritzung cu =cm  2;5, bei Wandverteilung (M. A. N.-M-Verfahren) cu =cm D 3, mit zunehmendem Kolbendurchmesser D geht wegen möglichst drallfreier Strömung cu =cm ! 0. Die Konstante C2 berücksichtigt den während der Verbrennung intensiveren Wärmeübergang infolge erhöhter Gasgeschwindigkeiten, Strahlungseinflüsse etc. Für Dieselmotoren mit indirekter Einspritzung gilt C2 D 6;22  103 ms=K, bei direkter Einspritzung und Ottomotoren C2 D 3;24  103 ms=K jeweils für Tw < 600 K; ist Tw > 600 K gilt C2 D 2;3  105 .Tw  600/ C 0;005 .ms=K/, sodass bei Brennraumisolierung durch Keramik bei hoher Wandtemperatur trotz geringerer Temperaturdifferenz der Wandwärmeverlust steigt [8]. Volumenänderung des Zylinders. Aus dem vom Kurbelwinkel abhängigen Kolbenweg folgt mit der Kolbenfläche AK , dem Kurbelradius r und der Pleuelstangenlänge l (s. Abschn. 1.3.2)

Abb. 4.8 Einfluss des Formparameters m auf a Durchbrennfunktion, b Brennverlauf, c Wirkungsgrad i , maximalen Verbrennungsdruck pmax und Expansionsendtemperatur Texp als Funktion des Verbrennungsbeginns 'VB (Viertakt-Dieselmotor D D 120 D mm, s=D D 1)

wenn Druck pz und Temperatur Tz des Arbeitsgases in bar bzw. K, der Kolbendurchmesser D in m und die mittlere Kolbengeschwindigkeit cm (s. Abschn. 1.3.2) in m=s eingesetzt werden. Die Druckdifferenz pz  p wird aus dem Druckverlauf mit (pz ) und ohne Verbrennung (p) gebildet; p1 , T1 , V 1 bezeichnen einen bekannten Gaszustand während der Kompression (z. B. zum Zeitpunkt Einlass schließt), Vh das

! sin ' cos ' dVz D AK r sin ' C p : d' .l=r/2  sin2 ' (4.38) Massendurchsatz im Ein- und Auslasskanal. Der Austausch von Frischladung und Abgas durch die Ein- und Auslassventile folgt den Gesetzen der instationären Gasdynamik. Bei quasistationärer Betrachtungsweise und dem Ansatz einer adiabatischen Drosselströmung gilt angenähert für den Massendurchsatz am Ventil

 p dm D .1=!/ AV p1 = RT1 d'

1;2

(4.39)

4 Verbrennungsmotoren

79

mit der für p2 =p1 < 1 geltenden Durchflussfunktion, r

2~ Œ.p2 =p1 /2=~  .p2 =p1 /.~C1/=~  ; ~1 (4.40) wobei je nach Vorgang der jeweilige Druck vor und hinter dem Ventilquerschnitt AV einzusetzen ist. So ist z. B. für das Einströmen von Ladung p1 D pL , p2 D pz bzw. für das Ausströmen von Abgas p1 D pz , p2 D pA . Für p1 > p2 kehrt sich die Strömungsrichtung um (p2 und p1 in Gl. (4.40) sind zu tauschen); für p2 =p1 D .2=.~ C 1//~=.~1/ ist das kritische Druckverhältnis und damit der größtmögliche Durchsatz erreicht. Abgesehen von Erfahrungswerten (  0;8), ist der Durchflussbeiwert durch stationäre Strömungsuntersuchungen zu bestimmen. 1;2

4.3

D

Ladungswechsel

4.3.1 Kenngrößen des Ladungswechsels

Abb. 4.9 Liefergrad l unter Einfluss von 1 Aufheiz-, 2 Strömungs- und 3 Spülverlusten in Abhängigkeit von der Drehzahl

(Drosselverluste), den Wärmeaustausch mit den Wänden in Zylinder und Ansaugkanal (Aufheizverlust) sowie die Ventilüberschneidung und das Druckverhältnis Druck vor Einlassorgan zu Abgasgegendruck (Spülverlust). Mit steigender Drehzahl nehmen Drossel- und Aufheizverluste zu, bei geringen Drehzahlen überwiegen die Spülverluste (s. Abschn. 4.3.3), sodass l im mittleren Drehzahlbereich ein Maximum besitzt (Abb. 4.9), das durch Wahl der Steuerzeiten und durch Ausnutzen dynamischer Vorgänge in den Leitungen zu beeinflussen ist.

4.3.1.1 Viertaktmotor

Luftaufwand. Als Verhältnis der einfach zu messenden insgesamt zugeführten Masse mL ges Liefergrad. Nach DIN 1940 beschreibt er den zur theoretischen wird er häufig anstelle des LieErfolg eines Ladungswechsels: Austausch der fergrads benutzt. Es gilt Verbrennungsgase gegen Frischgas (Luft- bzw. (4.42) a D mL ges =mth : Kraftstoffluftgemisch), und ist das Verhältnis der nach Abschluss des Ladungswechsels im Zylinder befindlichen Masse an Frischgas mLz zur Fanggrad. Als Verhältnis von dem Zylinder zugeführter Frischgasmenge zur insgesamt geförtheoretisch möglichen Masse mth D VH %th , derten ist er (4.41) l D mLz =VH %th ; (4.43) z D mLz =mL ges D Vz %z =mL ges ; wobei %th dem Zustand .pL I TL / vor Einlass in den Zylinder entspricht. Bei Saugmotoren wird unter Vernachlässigung von Verlusten im Ansaugkanal statt pL ; TL meist der Zustand vor Ansaugfilter p0 ; T0 eingesetzt. Für %z ! %th und vollkommene Restgasausspülung nähert sich l einem Grenzwert l max D "=."  1/. 4-Takt-Saugmotoren erreichen Bestwerte von l D 0;8 : : : 0;9 und darüber. Der Liefergrad wird beeinflusst durch die Strömungswiderstände im Ansaugsystem und am Ventil

sodass auch gilt z D l =a :

(4.44)

Für selbstansaugende Viertaktmotoren mit geringen Spülverlusten kann z  1 gesetzt werden, sodass a  l .

4.3.1.2 Zweitaktmotor Der Ladungswechsel wird mit dem Luftaufwand a und dem Spülgrad s beurteilt.

4

80

H. Tschöke und K. Mollenhauer

durch Aufladung, s. Abschn. 4.3.5. Da sich ferner nur Liefergrad l und Luftverhältnis  gezielt beeinflussen lassen, wird für Belastungsänderungen beim Saugmotor ausgehend von der Volllast je nach Verbrennungsverfahren entweder l ver(4.45) ringert (Ottomotor) oder  erhöht (Dieselmotor).

Spülgrad. Er gibt den Anteil der Frischladung mLz an der aus Frischladung und Restgas mR bestehenden Gesamtladung an (s. Abschn. 4.3.4) s D mLz =.mLz C mR / :

4.3.1.3 Einfluss des Ladungswechsels Bei Luftansaugung muss nach Gl. (4.6) die zur Verbrennung einer Kraftstoffmasse mB erforderliche Luftmasse mLz D mB Lmin gleich der nach dem Ladungswechsel im Zylinder befindlichen sein, nach Gl. (4.41): mL D mLz D l VH %th . Damit ist die zugeführte Energie, Gl. (4.4), gegeben. Qzu D mB Hi D l VH %th Hi =.Lmin / :

(4.46)

Beispiel

Für einen Ottomotor mit einem Nutzwirkungsgrad von e D 0;3, einem optimalen Liefergrad von l D 1, den spez. Brennstoffwerten Hi D 43 MJ=kg bzw. Lmin D 14;7kg=kg folgt aus Gl. (4.49) bei Saugbetrieb (%L D 1;2 kg=m3 ) und stöchiometrischer Verbrennung eine Literarbeit von we D 0;3  1;0  1;2  43

Mit dem Zustand vor Einlass Motor und dem Nutzwirkungsgrad, Gl. (4.28), folgt damit für die Nutzarbeit We D e l VH .pL =RL TL /.Hi =Lmin / : (4.47) Spezifische Nutzarbeit. Gl. (4.19)

Für sie folgt aus

we D e l .pL =RL TL /.Hi =Lmin / :

=.1 C 1  14;7/ kJ=dm3 D 0;98 kJ=dm3 ; also ca. 1 kJ je Liter Hubraum. Für PkwDieselmotoren mit einem minimalen Luftverhältnis von ca. 1,3 folgt mit Gl. (4.48) eine Literarbeit von we  0;8 kJ=dm3 . J

(4.48)

4.3.2 Bei Gemischansaugung (Ottomotor) gilt mit mLz D mL C mB

Steuerorgane für den Ladungswechsel

4.3.2.1 Konventioneller Ventiltrieb we D e l .pL =RL TL /.Hi =.1CLmin //: (4.49) Ventile. Sie werden vorwiegend bei ViertaktDrehmoment. Für konstante Stoffwerte motoren, aber auch bei Zweitaktmotoren (GleichHi ; Lmin ; RL besteht nach Gl. (4.16) folgen- stromspülung) verwendet. Durch eine zwangsgede Abhängigkeit steuerte Hubbewegung (s. Abb. 4.6b) wird zunehmend bis zum Erreichen eines maximalen Hubes M  e VH l .pL =TL /.1=/ : der Strömungsquerschnitt eines Pilzventils freigegeben und unter der Wirkung einer Ventilfeder Motor-Hauptgleichung. So werden Gln. (4.48) geschlossen. Die Dichtkraft des Ventils 1 am Sitz bzw. (4.49) bezeichnet, die das Verhalten eines wird von der Ventilfeder 2 und der Gaskraft aufVerbrennungsmotors mit innerer Verbrennung gebracht, Abb. 4.10. beschreiben. Sie zeigen, dass bei gegebenem Motor bzw. VH eine wirksame Drehmomentsteige- Untenliegende Nockenwelle (Abb. 4.10). Die rung wegen bestehender Grenzen für  (Zünd- vom Nocken 6 erzeugte Hubbewegung wird über bzw. Rauchgrenze bei Otto- bzw. Dieselmoto- Ventilstößel 5, Stoßstange 4 und Kipphebel 3 auf ren), e .< th /, TL (Umgebungstemperatur) und das meist hängend eingebaute Ventil 1 übertral nur durch Erhöhen von pL möglich ist, d. h. gen. Neben hoher thermischer und mechanischer

4 Verbrennungsmotoren

81

4 Abb. 4.10 Ventilsteuerung mit untenliegender Nockenwelle

Beanspruchung sind Ventile großer Viertaktmotoren im Schwerölbetrieb auch einer Heißkorrosion ausgesetzt, was bei Auslassventilen gekühlte Ventilsitze erfordert, Abb. 4.11. Ein fülliger Ventilkegel vermeidet Verformungen und damit Reibverschleiß. Obenliegende Nockenwelle. Verlegen der Nockenwelle aus dem Gehäusebereich in den Zylinderkopf vermindert die zu bewegenden Massen um Ventilstößel und Stoßstangen; eine weitere Massenreduzierung ergeben die bei modernen schnelllaufenden Pkw-Motoren verwendeten Schwinghebel, Tassenstößel oder Rollenschlepphebel, Abb. 4.12a–c, wobei bei Pkw-Motoren ein hydraulischer Ventilspielausgleich und ein reibungsarmer Antrieb über Rollen üblich ist [9, 10, 37]. Der Antrieb der Nockenwelle erfolgt überwiegend durch Zahnriemen oder Kette; seltener

Abb. 4.11 Auslassventil mit Ventilkorb, Sitz-, Führungskühlung und Drehung durch Abgasstrom. (M. A. N.)

Abb. 4.12 Ventilbetätigung bei obenliegender Nockenwelle. a Schlepphebel mit hydraulischem Ventilspielausgleich; b Tassenstößel; c Rollenschlepphebel

sind Stirnradgetriebe oder zwei Kegelräder mit verbindender Königswelle. Ventilbewegung. Gestaltung des Nockens bestimmt Bewegungsablauf und Zeitquerschnitt, langsamer Anstieg des Nockens bedingt geringere Massenkräfte und vermeidet Schwingungsanregung bei Einbußen am Zeitquerschnitt. Anzustreben ist ein fülliger Nocken (großer Hub schon bei kleiner Nockendrehung) bei Beschleunigungen unter 100 g. Bei schnelllaufenden Motoren sind Nockenformen mit stetigem bzw. ruckfreiem Verlauf (Abb. 4.13) vorzuziehen [11, 37], um erhöhte Beschleunigungen, Geräuschbildung und Abweichung von der vorgeschriebenen Erhebungskurve zu vermeiden.

Abb. 4.13 Verlauf von Ventilhub hV , relativer Ventilgeschwindigkeit cV =! und -beschleunigung a=! 2 abhängig vom Nockenwinkel 'N (ausgezogen: stetiger Beschleunigungsverlauf)

82

H. Tschöke und K. Mollenhauer

Abb. 4.14 Bezeichnungen am Ventil

Ventilquerschnitt. Mit dem Ventilhub hV gilt für den geometrischen Ventilquerschnitt AV Abb. 4.15 Ventilerhebung hV über Kurbeldrehwinkel ' bei mechanischem vollvariablen Ventiltrieb. ': Varia(Abb. 4.14): (4.50) tionsbereich der Ventilöffnungszeiten von Ein- und AusAV D  dhV sin ˇ : lassventil. (Nach BMW)

Dabei wird angenommen, dass das Gas im engsten Querschnitt mit der Geschwindigkeit cs parallel zur Sitzfläche des Ventiles strömt. Der effektive Ventilquerschnitt Aeff kann durch einen Strömungsversuch ermittelt werden. Der für Berechnungen verwendete Beiwert V D Aeff =AV hängt somit von der Bestimmungsgleichung für AV ab. Für die Ventilsitzdurchmesser d ergibt sich für einen möglichst großen Einlassquerschnitt dA =dE D 0;7 : : : 0;9, für den maximalen Ventilhub hmax =d D 0;25 : : : 0;3 und für die Sitzbreite sV =d D 0;05 : : : 0;1. Die Anordnung von je zwei Ein- und Auslassventilen bietet einen größeren Ventilquerschnitt, geringere Drosselung und somit Steigerung des Drehmomentes bei hohen Drehzahlen aber auch Verlust an Drehmoment im unteren Drehzahlbereich (Ausgleich möglich durch variablen Ventiltrieb, z. B. Änderung der Steuerzeiten durch Verdrehen der Nockenwelle). Die thermische Beanspruchung ist bei vier Ventilen wegen der Zentralsymmetrie bei mittiger Zündkerze bzw. Einspritzdüse geringer.

4.3.2.2 Variabler Ventiltrieb Entwicklung. Die Forderung an den Pkw/NfzAntrieb nach maximalem Wirkungsgrad bei minimaler Umweltbelastung erfüllt hinsichtlich Verbrauch zzt. am ehesten der aufgeladene Dieselmotor mit direkter Einspritzung und variablen Ventilsteuerzeiten [42, 50–52]. Wirksam kann der Verbrauch des Ottomotors durch einen drosselfreien Ladungswechsel reduziert werden: entweder durch Zufuhr einer bedarfsgerechte Gemischmenge bei variabler Ventilsteuerung oder

Änderung der Gemischqualität durch geschichteten Magerbetrieb (s. Abschn. 4.5.4). Nach dem Einsatz von teilvariablen Ventiltrieben zum Ausgleich von Drehmomentverlusten sind inzwischen vollvariable Ventiltriebe in Serie [12, 13, 37, 38, 45]. Elektromechanischer vollvariabler Ventiltrieb. Ergänzend zu der stufenlosen Einstellung der Steuerzeiten durch Verdrehen der Nockenwellen (z. B. BMW-VANOS) [12] ermöglicht ein zwischen Nockenwelle und Schlepphebel angebrachter Hebel, der über eine elektrisch angetriebene Exzenterwelle betätigt wird, die stufenlose Variation des Einlassventilhubs, Abb. 4.15. Dabei ändern sich Öffnungsdauer und Steuerzeiten, sodass man in Kombination mit der Nockenstellung ohne zusätzliche Drosselung auskommt und Verbrauchsminderungen von maximal 20 % (niedrige Teillast), im Mittel ca. 10 %, erreicht [13]. Rein elektrischer Ventiltrieb. Ein eigener, variabel ansteuerbarer Ventil-Antrieb sichert maximale Funktionalität. Da über Elektromagneten oder Piezoaktuatoren betätigte Ventile ruckartig öffnen und schließen, entfallen der beim Nocken entstehende Ventilspalt (s. Abb. 4.14) und die für die Gemischbildung günstigen hohen Eintrittsgeschwindigkeiten, was durch große Ventilüberschneidung (interne Abgasrückführung) und eine thermische Gemischaufbereitung kompensierbar ist. Trotz intensiver Entwicklung sind diese Systeme noch nicht in Serie.

4 Verbrennungsmotoren

83

Elektrohydraulischer Ventiltrieb. Dieses System hat den Vorteil, dass Magnetventile angesteuert werden, um die über eine Hydraulik betätigten Ventile zu öffnen bzw. zu schließen. Nachteilig ist der zusätzliche Hilfskreislauf [39, 45].

4.3.2.3 Alternative Steuerorgane Schieber. Gleichförmig bewegte Drehschieber bieten Vorteile hinsichtlich Massenkräften und Steuerquerschnitt, sind jedoch schwer abzudichten. Trotz großer konstruktiver Variationsbreite (z. B. Flach-, Walzen- und Kegeldrehschieber) konnten sie sich daher im modernen Motorenbau nicht durchsetzen. Kolben (Schlitze). Mit Ausnahme des Wankelmotors wird nur bei Zweitaktmotoren der Arbeitskolben als Steuerorgan verwendet, indem er am Zylinderumfang befindliche Ein- und Auslassöffnungen steuert (Schlitzsteuerung). Die Schlitzhöhe bestimmt die Steuerzeiten und mit der Breite den Zeitquerschnitt und damit Vorauslass und Spülerfolg (s. Abschn. 4.3.4).

4.3.3 Ladungswechsel des Viertaktmotors 4.3.3.1 Steuerzeiten. Konventionelles Steuerdiagramm. Mit Öffnen des Auslassquerschnittes am Ende des Expansionshubs (Aö) beginnt der Ladungswechsel durch Ausströmen der Verbrennungsgase zunächst infolge überkritischen Druckgefälles pz  pA im engsten Querschnitt mit Schallgeschwindigkeit, Abb. 4.16a. Durch Auffüllen der Abgasleitung, Drosselung und Entspannung des Zylinderdruckes nimmt das Druckgefälle schnell ab, sodass das restliche Verbrennungsgas vom Kolben unter Arbeitsleistung verdrängt werden muss. Da der Auslassquerschnitt anfangs klein und die Auslassströmung massebehaftet ist, öffnet das Ventil schon vor dem unteren Totpunkt zum Zeitpunkt Aö (s. Abb. 4.5b): Zu frühes Öffnen bedingt hohen Expansionsverlust bei geringer Ausschubarbeit und umgekehrt.

4 Abb. 4.16 a Steuerdiagramm eines Viertaktmotors (vgl. Abb. 4.6); b symmetrisches Steuerdiagramm eines Zweitaktmotors (Schlitzsteuerung)

Ventilüberschneidung. Auch der Einlass öffnet (Eö) bzw. schließt (Es) nicht in den Totpunktlagen, sodass im Bereich des LadungswechselTotpunkts (vgl. Abb. 4.6b) beide Ventile gleichzeitig geöffnet sind. Diese Ventilüberschneidung ermöglicht Spülen des Kompressionsraums (Verbesserung des Liefergrads, Verringerung der thermischen Bauteilbeanspruchung). Der Überschneidungswinkel 'ü D 'As  'Eö beeinflusst den Liefergrad und damit das Drehmomentenverhalten: Höheres Drehmoment im oberen Drehzahlbereich bei größerer Überschneidung. Wichtig ist die Wahl von Es. Spätes Schließen ermöglicht Nutzen der kinetischen Energie der Ladung bei hohen Drehzahlen zur Nachladung. Die Ventilspreizung beschreibt den Abstand des maximalen Ventilhubes zum Ladungswechsel-OT. Variable Steuerzeiten. Eine vollvariable Ventilsteuerung (s. Abschn. 4.3.2) ermöglicht eine „drosselfreie Laststeuerung“ z. B. durch frühes „Einlass schließen“ (Es ) bereits dann, wenn sich die gewünschte Gemischmenge im Zylinder befindet, Abb. 4.17. Bei spätem „Einlass schließen“ muss das zu viel angesaugte Gemisch während der Kompressionsphase durch das noch offene Einlassventil in das Ansaugrohr zurückgeschoben werden, was höhere Ladungswechselverluste im Vergleich mit frühem „Es “ bedingt. Frühes Es wird auch bei Dieselmotoren in Verbindung mit der Aufladung und zur Abkühlung der Zylinderladung (NOx -Reduktion) angewandt (Miller-Verfahren). Das späte Es wird bevorzugt bei OttoMotoren angewandt (Atkinson-Verfahren) [52].

84

H. Tschöke und K. Mollenhauer

Bezogen auf die Dauer 'AS des gesamten Arbeitsspiels erhält man damit den „gleichwertigen“ Querschnitt ANred (s. Beispiel Zweitaktmotor: Abb. 4.18) ANred D

Z's Ared d'='AS :

(4.54)

'ö

Ladungsdurchsatz. Der Massenstrom Frischladung folgt aus Gl. (4.42) P Lz C m P LS m P L ges D a VH %L .n=a/ D m

Abb. 4.17 Ansaugverluste bei frühem Einlassschluss ES (–– –) ohne Drosselung bzw. bei konventionellem Ladungswechsel mit Drosselung

an

(4.55)

und setzt sich aus Zylinderladungs- und Spülluftdurchsatz zusammen. Bezogen auf den Ansaugzustand folgt daraus der Volumenstrom P L ges =%0 VP0 D m

D a VH .n=a/.pL =p0 /.T0 =TL / ; (4.56) Weitere Möglichkeiten eröffnen elektromagnetische bzw. -hydraulische Steuerungen, indem durch frühes Auslass öffnen bzw. spätes Auslass der bei konstanter Motordrehzahl mit Erhöhung schließen Restgasmengen gezielt zur Gemisch- des Ladeluftdrucks steigt bzw. mit steigender Verdünnung oder -Aufbereitung genutzt werden Temperatur TL („Motorschlucklinie“) sinkt. können (innere Abgasrückführung). Spülluftmenge. Für den Spülluftstrom gilt näLadungswechsel. Er wird durch Größe und herungsweise mit der Durchflussfunktion L; A Verlauf des freien Querschnitts AV beeinflusst, aus dem Druck vor und hinter dem Zylinder nach wobei zur Beurteilung der sog. Winkel- oder Gl. (4.40) Zeitquerschnitt A' bzw. AZ herangezogen wird, p (4.57) m P LS D red ANred L; A %L RTL : Z's (4.51) A' D AV .'/ d' bzw. Damit ist die durchgespülte Luftmenge unab'ö

Zts AZ D

AV .t/ dt D A' =! :

(4.52)

tö

Daraus folgt mit steigender Drehzahl eine Abnahme von AZ , der durch größere Öffnungsdauer begegnet werden kann. Für die Überschneidungsphase mit den Einund Auslassquerschnitten (AE bzw. AA ) kann unter vereinfachenden Annahmen ein Ersatzquerschnitt bestimmt werden: q  Ared .'/ D .AE AA /2 = A2E C A2A : (4.53)

hängig von der Drehzahl n, während die insgesamt durchgesetzte Luftmasse proportional mit n zunimmt, Gl. (4.55). Ladungswechselrechnung. Sie berechnet den Liefergrad und den Zylinderinhalt an Frischgas und dient u. a. der Optimierung der Ventilsteuerung. Die instationäre Rohrströmung im Ein- und Auslasssystem kann mit Hilfe der instationären Gasdynamik erfasst werden. Dazu wird entweder auf die Theorie der nichtlinearen oder vereinfachend der linearen Wellenausbreitung zurückgegriffen und als Charakteristiken- bzw. akustisches

4 Verbrennungsmotoren

Verfahren angewendet [14]. Weitere Vereinfachung bringt die sog. Füll- und Entleermethode [42, 46]: Angewendet auf die Abgasleitung eines aufgeladenen Motors, wird das gesamte Leitungssystem als ein Behälter aufgefasst, der durch die einzelnen Zylinder intermittierend aufgefüllt wird und sich durch eine Öffnung konstanten Querschnitts, den Abgasturbolader, kontinuierlich entleert (s. Gl. (4.39)). Dabei werden nur die zeitlichen, nicht die örtlichen Änderungen des Gaszustands in der Leitung berücksichtigt. Die Abweichungen gegenüber dem Charakteristikenverfahren nehmen mit Leitungslänge und Arbeitsspielfrequenz zu, wobei das rechenintensive Charakteristikenverfahren auch Rohrverzweigungen berücksichtigen kann. Da bei Saugbetrieb die Voraussetzung kleiner Änderungen der Zustandswerte relativ zu den Absolutwerten in den Leitungen weitgehend erfüllt ist, wird bei schnelllaufenden Fahrzeugmotoren meist die akustische Theorie verwendet, die jedoch nicht den Einfluss von Rohrverzweigungen erfasst.

4.3.4 Ladungswechsel des Zweitaktmotors 4.3.4.1 Steuerdiagramm Nach Abbau des Druckgefälles pz  pA während des Vorauslasses zwischen Aö und Eö erfolgt der Ladungswechsel im Vergleich zum Viertaktmotor nur durch Spülen und verlangt neben einer entsprechend großen Überschneidung eine Vorverdichtung der Ladung auf den Spüldruck pS . Die Steuerzeiten bei einem nur durch Schlitze und den Arbeitskolben gesteuerten Ladungswechsel ergeben ein symmetrisches Diagramm, Abb. 4.16b. Der Querschnittsverlauf (Abb. 4.18) zeigt, dass entsprechend dem Vorauslasszeitquerschnitt auch Ladung verloren gehen kann. Diesen Verlust verhindert, verbunden mit einem Nachladeeffekt, ein unsymmetrisches Steuerdiagramm, bei dem der Einlass nach dem Auslass schließt. Das erfordert voneinander unabhängige Steuerung der Ein- und Auslassöffnungen z. B. durch ein Auslassventil, Abb. 4.20a (veraltet: Gegen-

85

Abb. 4.18 Verlauf von Aus- und Einlassquerschnitt AA bzw. AE sowie des Ersatzquerschnittes Ared abhängig vom Kurbelwinkel '; Ared gleichwertiger Querschnitt. 1 Vorauslass

oder Doppelkolben), bzw. es sind bei reiner Schlitzsteuerung zusätzliche Maßnahmen entweder hinter dem Auslassschlitz oder vor dem Einlass in den Zylinder (Rückschlagventil) erforderlich.

4.3.4.2 Spülverfahren Spülmodell. Für den Spülvorgang sind zwei Grenzfälle vorstellbar. Verdrängungsspülung. Es werden die Verbrennungsgase durch das einströmende Frischgas ohne Mischung in der Grenzzone verdrängt. Der Spülgrad ist damit linear vom Luftaufwand abhängig und erreicht bei a D "=."1/ den Wert 1 (vollkommene Restgasspülung). Mischungsspülung. Die Frischladung mischt sich sofort mit dem Zylinderinhalt und verdünnt ihn mit zunehmendem Luftaufwand, sodass für den Spülgrad eine exponentiale Abhängigkeit besteht, Abb. 4.19.

Abb. 4.19 Theoretische Abhängigkeit des Spülgrads s vom Luftaufwand a

4

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a

b

c

Abb. 4.20 Spülverfahren. a Gleichstromspülung mit Auslassventil; b Querstromspülung; c Schnürle-Umkehrspülung Abb. 4.21 Spülluftverdichtung mittels Kolbenuntersei-

Der Spülvorgang im wirklichen Motor wird je te bei Kurbelkastenspülung (Zweitakt-Kleinmotoren). nach Spülverfahren durch den Verlauf des Spül- 1 Lufteinlass, 2 Überströmkanal, 3 Abgasaustritt grads zwischen beiden Grenzkurven beschrieben. Bei teilweiser Kurzschlußströmung kann s auch menstrom nach Gl. (4.57) unterhalb der unteren Grenzkurve verlaufen. VP0 D m P L ges =%0 

p D red ANred L; A .pL =p0 / T0 R=TL : Gleichstromspülung (Abb. 4.20a). Sie bietet auch bei extrem langen Hüben günstige Voraus(4.58) setzungen für einen hohen Anteil an Verdrängungsspülung, sodass bei gleichem Luftaufwand Luftaufwand. Es gilt nach Gl. (4.42) die besten Spülgrade erreicht werden. Konstruka D m P L ges =VH %L n tiv bedingt ist ein zweites Steuerorgan erforp derlich und somit Nachladung möglich. Heutige D red ANred L; A RTL =.VH n/ : (4.59) Diesel-Zweitaktgroßmotoren arbeiten nach dieDanach ist a und damit der Spülerfolg abhänsem Verfahren mit einem hydraulisch gesteuerten gig vom Druckverhältnis pL =pA D pS =pA und Auslassventil. vom Spülquerschnitt (Erfahrungswert: red D Querstromspülung (Abb. 4.20b). Der für die 0;55 : : : 0;75 (0,9) zunehmend mit D bzw. abnehEinlassschlitze verfügbare Umfang ist kleiner. mend mit n). Mit steigender Drehzahl nimmt a Möglichst schräg nach oben gerichtete Einlass- ab bzw. erfordert höhere Spüldrücke, was einen kanäle führen das Frischgas längs der Zylinder- Verlust an Nutzleistung bedeutet, wenn das Spülgebläse mit dem Motor gekoppelt ist. wand, um Kurzschlußströmung zu vermeiden. Spüllufterzeugung. Hierzu werden mechanisch gekoppelte Verdichter (z. B. Roots-Drehkolbenverdichter), bei aufgeladenen ZweitaktGroßmotoren elektrisch angetriebene Hilfs-Gebläse für Start und niedrige Teillast oder bei kleinen Motoren die Kolbenunterseite (sog. Kurbelkastenspülung) verwendet, Abb. 4.21. Hierbei wird der Einlass durch die Kolbenunterkante gesteuert und das Frischgas gelangt erst nach der Verdichtung im Kurbelgehäuse durch einen 4.3.4.3 Auslegen der Spülung Überströmkanal in den Zylinder. Für eine genauere LadungswechselberechSpülluftdurchsatz. Da hier m P L ges D m P LS ist, nung wird wie in Abschn. 4.3.3 angedeutet vergilt für den vom Spülgebläse angesaugten Volu- fahren. Umkehrspülung. Früher bei Großmotoren eingesetzt (M. A. N.-Umkehrspülung), findet man sie nur noch bei kleinen Zweitakt-Motoren basierend auf der Schnürle-Umkehrspülung, bei der zwei schräg gegeneinander gerichtete Einlassströmungen, geführt durch die Zylinderwand, das Ausspülen besorgen, möglichst unter Vermeiden eines Kurzschlusses (Abb. 4.20c).

4 Verbrennungsmotoren

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4.3.5 Aufladung von Motoren 4.3.5.1 Aufladeverfahren Unter Aufladung versteht man das Vorverdichten der gesamten oder eines Teils der Ladung, sodass nach Gl. (4.48) mit der spezifischen Nutzarbeit we Drehmoment und Leistung zunehmen. Dabei unterscheidet man zwischen Fremd- und Selbstaufladung, erstere wird außer im Versuchsbetrieb nur in Kombination mit der Abgasturboaufladung angewendet. Selbstaufladung kann ohne und mit Verdichter (mechanische oder Ab- Abb. 4.22 Vergleichsprozess eines abgasturboaufgeladenen Motors (schraffierte Fläche, Index z) mit Verdichtergasturbo-Aufladung) erfolgen. arbeit (1–1 z–7–8–1) und Turbinenarbeit (3–4–8–6–3) für reine Stauaufladung

Verdichterlose Verfahren. Schwingsaugrohraufladung. Durch Ausnutzen der von Drehzahl und Saugrohrlänge abhängigen Saugrohrschwingung werden Aufladegrade von pL =p0 < 1;3 erzielt. Bei Pkw-Ottomotoren eingesetzte Schaltsaugrohre verbinden jeden Zylinder mit einem eigenen Saugrohr variabler Länge, wobei kurze Schwingrohre eine hohe Nennleistung mit Verlust an Drehmoment bei niederen Drehzahlen bedingen, während lange Schwingrohre ein umgekehrtes Verhalten zeigen. Damit wird eine füllige Momentenkurve erzielt.

Motorschlucklinie, Gl. (4.56), bei Drehzahländerungen im Fahrbetrieb unmittelbar an, wogegen besonders bei kleinvolumigen Motoren der Ladedruckaufbau beim Abgasturbolader verzögert erfolgt, Abb. 4.23. Trotzdem setzt sich die Abgasturboaufladung auch beim Ottomotor mehr und mehr durch, inzwischen sind etwa 95 % der aufgeladenen Ottomotoren mit Abgasturboladern ausgestattet.

4.3.5.2 Abgasturboaufladung Die im Abgas enthaltene Energie wird in einer Comprex-Verfahren. Es ist ein verdichterlo- Abgasturbine in mechanische Energie zum Anses Verfahren, bei dem in einem Druckwandler, trieb eines Strömungsverdichters umgewandelt einem von der Kurbelwelle her angetriebenen und damit der Druck p der Ladeluft erhöht. L Zellenrad, die Energie der Abgasdruckwellen direkt auf die Frischladung übertragen wird. Das Verfahren weist für Fahrzeugmotoren Vorteile ge- Stoßaufladung. Ausgehend vom Vergleichsgenüber der Abgasturboaufladung durch ein hö- prozess (Abb. 4.22) wird im Idealfall die gesamte heres Drehmoment im unteren Drehzahlbereich isentrope Expansionsarbeit vom Expansionsendund einen geringeren Rußstoß bei schnellem Beschleunigen auf [15], dagegen Nachteile bei Geräusch und Bauvolumen; bis heute konnte es sich nicht durchsetzen. Mechanische Aufladung. Ein mechanisch mit der Kurbelwelle gekoppelter Verdichter als Verdrängermaschine (z. B. Roots-, Vielzellengebläse, G-Lader [16]) ermöglicht zwar eine höhere Hochdruckarbeit, die Verdichterarbeit ist jedoch höher als der Gewinn durch die positive Ladungs- Abb. 4.23 Drehmomentverlauf bei Aufladung eines kleiwechselschleife (s. Abb. 4.22: Fläche 1 z–5–8 z– nen Pkw-Motors im Vergleich zum Saugbetrieb. 1 statio7 z mit pA D p0 ). Sie passt sich aber der när, 2 instationär

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aufladung (einfachere Führung der Abgasleitung, geringere Ausschubarbeit des Kolbens infolge schnellen Abbaus des Auspuffstoßes, gleichmäßige Beaufschlagung der Turbine) trotz schlechteren Beschleunigungsverhaltens überwiegen. Abgasturboladerwirkungsgrad. Mit dem mechanischen Wirkungsgrad des Aggregats, den isentropen Wirkungsgraden Vs und Ts für Verdichter bzw. Turbine folgt ATL D mA Vs Ts :

Abb. 4.24 Abgasleitungsführung bei a Stoßbetrieb (Zündfolge 1–2–4–6–5–3); b Staubetrieb mit Ladeluftkühlung; c Mehrstoßaufladung eines Ottomotors mit Abblaseregelung und Ladeluftkühlung. 1 Abgasturbolader, 2 Ladeluftkühler, 3 Drosselklappe, 4 ladedruckabhängiges Abgas-Abblasventil („Waste-Gate“)

(4.60)

Verwendet werden einstufige Radialverdichter und -turbinen bei kleinen bzw. Axialturbinen bei größeren Motorleistungen, wobei maximal Wirkungsgrade von ATL D 0;6 : : : 0;75 erreicht werden, bei kleinsten Turboladern mit Raddurchmessern von nur 60 mm wenig über 0,4. Ladeluftdruck. Die mechanische Kopplung zwischen Verdichter und Turbine bedingt Energiegleichgewicht zwischen effektiver Turbinenund Verdichterarbeit. Bei isentroper Verdichtung von p0 auf pL und Entspannung von pA auf p0 (keine Pulsation, Rohrleitungsverluste vernachlässigt) folgt daraus mit dem Wirkungsgrad ATL sowie den Massenströmen m P L ges für Verdichter P L ges C m P B für Turbine und m PA D m

druck p4z auf Umgebungsdruck p0 als kinetische Energie in der Turbine verwertet. In Wirklichkeit erfolgt in der Abgasleitung ein Aufstau der Abgase mit starker Pulsation, sodass die Abgasenergie der Turbine in Form von Druck- und Geschwindigkeitsstößen zugeführt wird. Dabei treten kurzzeitig Druckspitzen auf, die ein Mehrfaches des Ladeluftdrucks pL betragen, sodass V D pL =p0 Aufladung auch bei geringem Abgasturbolader m P A cpA TA wirkungsgrad möglich ist. Dazu müssen die ZyD 1 C ATL linder über relativ enge Abgasleitungen einzeln m P L ges cpL T0 oder bei geeignetem Zündabstand in Gruppen

 ~L =.~L 1/ .1~A /=~A zusammengefasst (keine gegenseitige Beeinflus1  T (4.61) sung des Ladungswechsels) an die Turbine ange(Stoffwerte s. Abb. 4.2, Abschn. 4.2.2: Index A: schlossen werden, Abb. 4.24a. Abgas, Index L: Ladung, Luft, Index 0: AnsaugStauaufladung. Die Abgase werden in einem zustand). Danach ist der Ladeluftdruck abhängig von Abgassammelrohr (Abb. 4.24b) auf Abgasgegendruck pA aufgestaut, sodass die Turbine mit na- dem Wirkungsgrad ATL , dem Druckverhältnis hezu konstantem Gefälle betrieben werden kann, T D pA =p0 und den Temperaturen (1. HauptAbb. 4.22. Dabei geht allerdings ein Teil des ver- gleichung des Abgasturboladers). Eine 2. BestimP A aus bleibenden Expansionsverlustes (Fläche 4 z–30 – mungsgleichung folgt für den Durchsatz m 5 z–4 z, Abb. 4.22) bis auf den Anteil verloren, Gl. (4.57) mit einem Turbinenersatzquerschnitt der zugunsten der Abgasenergie durch Verwirbe- statt ANred und entsprechender Durchflussfunktilung in Wärme umgesetzt wird (Fläche 30 –3–4– on für T . Dazu liefert das Turbinenkennfeld 40 –30 ). Mit steigender Aufladung wird der Verlust den drehzahlabhängigen Wirkungsgrad Ts . Aujedoch geringer, sodass die Vorteile der Stau- ßerdem muss bei gleicher Läuferdrehzahl der

4 Verbrennungsmotoren

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Abb. 4.25 Zusammenhang zwischen Druckverhältnis V und spezifischer Nutzarbeit we bzw. erforderlichem Turboladerwirkungsgrad ATL bei Dieselmotoren

4

Verdichter entsprechend dem Wirkungsgrad Vs das Ansaugvolumen VP0 , Gl. (4.56), auf pL verdichten, um die gewünschte Leistungssteigerung zu bekommen, Abb. 4.25. Ladelufttemperatur. Mit dem Ladeluftdruck pL bzw. dem Verdichtungsverhältnis V D pL =p0 steigt abhängig vom isentropen Verdichterwirkungsgrad Vs die Temperatur TL an (Ansaugzustand p0 ; T0 gleich Zustand vor Verdichter)

 .~1/=~  1 : (4.62) TL D T0 C .T0 =Vs / V Ladeluftkühlung. Hierdurch kann für gleiches we bei verringertem Ladedruck die mechanische und thermische Belastung des Motors herabgesetzt werden. Daher werden Zweitaktmotoren immer mit Ladeluftkühler ausgerüstet, ebenso wegen Klopfgefahr fast alle Gas- und Ottomotoren. Bei Viertaktdieselmotoren ist zur Reduktion der NOx -Emission die LLK inzwischen ebenfalls Standard. Die LLK kann vereinfacht als eine direkte Luft/Luft-Kühlung oder effizienter indirekt über ein Kühlmittel (z. B. Wasser) gekühlt werden [42, 53]. Zusammenwirken von Motor und Verdichter. In einem VP0 , V -Diagramm lassen sich Liefer(Verdichter) und Bedarfskennung (Motor) gemeinsam darstellen. Strömungsverdichter müssen so betrieben werden, dass der Betriebspunkt sich rechts von der „Pumpgrenze“ befindet, vgl. Abb. 4.26a (s. a. Abschn. 6.7), wobei bei konstanter Verdichterdrehzahl nV das Druckverhältnis mit steigendem Durchsatz nach einer annähernd

Abb. 4.26 Zusammenwirken von Motor und Verdichter im VP0 ; V -Diagramm abhängig von der Motor-Bedarfskennung für a Abgasturboaufladung bzw. b mechanische Aufladung eines mit M D const (1) oder n D const (2) laufenden Viertaktmotors, 3 Zweitaktmotor mit ATL

quadratischen Abhängigkeit abnimmt. Den Bedarf des Motors liefert als „Motorschlucklinie“ für den Viertaktmotor Gln. (4.56) bzw. (4.58) für den Zweitaktmotor: Zum einen erhält man, Ladeluftkühlung vorausgesetzt (TL D const), für n D const Geraden mit abnehmender Steigung bei zunehmendem Spülluftanteil, zum anderen eine von der Motordrehzahl unabhängige parabelförmige Kurve, die durch den mit zunehmendem Durchsatz VP0 und Druckverhältnis V steigenden Abgasgegendruck p0 < pA < pA max beeinflusst wird. Sie entspricht damit etwa der Motorbetriebslinie unabhängig von der Betriebsart, wogegen beim Viertaktmotor nur beim Generatorbetrieb (n D const) die Betriebslinie mit der Bedarfslinie übereinstimmt. Beim Motorbetrieb für m D const sinkt mit abnehmender Leistung bei geringerem Durchsatz auch die Abgasenergie vor Abgasturbine, folglich fallen Turboladerdrehzahl und Ladedruck pL . Bei mechanischer Aufladung mit Verdrängerlader, Abb. 4.26b, zeigen die Lieferkennlinien wegen zunehmender innerer Verluste mit steigender Aufladung einen geringeren Durchsatz an. Bei einem konstanten Drehzahlverhältnis nV =n erfolgt mit abnehmender Motordreh-

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zahl und folglich sinkendem Durchsatz für Motorbetrieb mit M D const eine leichte Abnahme des Ladedrucks; für n D const bleibt im gesamten Lastbereich der Ladedruck gleich. Wechsel des Drehzahlverhältnisses verschiebt die Motorbetriebslinien auf ein anderes Druckniveau. Für den Zweitaktmotor folgt die Bedarfskennung aus dem Durchsatz für pA D p0 .

4.3.5.3 Anwendung der Aufladung Dieselmotoren. Nahezu alle Dieselmotoren werden heute serienmäßig mit Abgasturboaufladung betrieben [38, 40, 42]. Um die mit pL steigenden Zünddrücke und Temperaturen zu begrenzen, werden Drucksteigerung pmax =pc und Verdichtungsverhältnis " gesenkt. Einbußen am Wirkungsgrad V , s. Gl. (4.11) werden durch ein höheres Luftverhältnis . > 2;0/ teilweise kompensiert, vgl. Abb. 4.3, wobei gleichzeitig die thermische Belastung sinkt. Da mit steigendem Arbeitsdruck die Wandwärme- .g / und insbesondere die Reibungsverluste .m / relativ abnehmen, steigt der effektive Wirkungsgrad des aufgeladenen Motors. Mit Verdichtung (Abb. 4.25) und Hochaufladung (Leistungssteigerung über 100 %) erreichen Viertaktmotoren bei .6 > V > 2;5/ spezifische Nutzarbeiten von we D 2 : : : 3;0 kJ=dm3 , große Zweitaktmotoren we D 1;5 : : : 1;7 kJ=dm3 , bei einstufiger, die höheren Werte bei zweistufiger Aufladung. Bei schnelllaufenden Hochleistungs-Dieselmotoren wird die Verdichtung zurückgenommen, um den Spitzendruck zu senken, was Start- und Teillastverhalten beeinträchtigt [17] und die Verbrennungstemperaturen reduziert (NOx ). Heute kommen bei Pkw-Motoren sowohl einstufige als auch zweistufige Kombinationen von Register- und Stufenaufladung sowie variabler Turbinengeometrie [54] zum Einsatz. Kann ein Viertaktmotor unter Verzicht auf Spülung auch mit einem Druck pL < pA betrieben werden, so erfordert die Spülung beim Zweitaktmotor ein pL =pA D 1;1 : : : 1;2 und damit wegen erhöhter Verdichterarbeit infolge des Spülluftbedarfs bei verringerter Abgastemperatur höhere Wirkungsgrade ATL , Abb. 4.25. Hinzu kommt,

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dass der Zweitaktmotor mit ATL nur eine Strömungsstrecke zwischen zwei Strömungsmaschinen darstellt, vergleichbar mit einer offenen 1-Wellen-Gasturbinenanlage, sodass eine Erhöhung des Luftdurchsatzes stärker als beim Viertaktmotor vom Durchflusswiderstand des Motors, s. Gl. (4.58) und dem Wirkungsgrad ATL abhängt. Während Start und niedriger Teillast sorgen bei reiner Abgasturboaufladung vorgeschaltete, fremdangetriebene Gebläse für die Spülluft, sodass nachgeschaltete Kolbenunterseiten oder zusätzliche Spülpumpen (kombinierte Aufladung) entfallen. Zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens werden heute zusätzlich elektrisch angetriebene Verdichter als sog. e-Booster eingesetzt. Die Umstellung auf das 48 V-Bordnetz erlaubt leistungsfähige Verdichter einzusetzen [55]. Ottomotoren. Sinnvoll ist eine Aufladung nur im Bereich der Volllast, da im Teillastgebiet meist eine Drosselung erforderlich ist. Da mit der Ladeluftverdichtung außerdem die Neigung zu klopfender Verbrennung zunimmt, ist neben "-Senkung und Ladeluftkühlung auch Spätzündung bzw. Zündzeitpunktregelung über als Körperschallaufnehmer arbeitende Klopfsensoren angebracht. Problematisch ist der für PkwMotoren typische große Drehzahlbereich und das schon bei niedrigen Drehzahlen geforderte hohe Drehmoment und die hohen Abgastemperaturen. Dem wird durch Wahl eines kleinen ATL mit möglichst geringem Massenträgheitsmoment entsprochen, sodass bei ca. 0; 4 nN der maximale Ladeluftdruck schon erreicht wird und ein vom Ladedruck gesteuertes Abgas-Abblaseventil (Wastegate) erforderlich wird, Abb. 4.24c, um Verbrennungshöchstdruck und Klopfgefahr zu mindern. Druckabnahme vor Drosselklappe vermeidet unnötige Laderarbeit. Gegenüber einem Saugmotor gleicher Volllastleistung besteht der Vorteil hinsichtlich vergleichsweise geringerer Reibung eines kleineren Triebwerks, dem ein geringerer thermischer Wirkungsgrad gegenübersteht ("-Senkung, Downsizing). Der ATL setzt sich inzwischen bei Ottomotoren mehr und mehr durch. Die Kombination ATL, Direkteinspritzung und variabler Ventiltrieb ermög-

4 Verbrennungsmotoren

91

schleppen des Turboladers im Teillastbereich zu Lasten des Wirkungsgrades. Nachteilig ist die geringere Abgastemperatur für die Abgasnachbehandlungskomponenten.

4.4 4.4.1

Verbrennung im Motor Motoren-Kraftstoffe

Sie können gasförmig oder flüssig sein, feste Brennstoffe werden indirekt verwendet (Vergasung, Entgasung, Verflüssigung) [38, 41, 42, 48]. Abb. 4.27 Anwendung von Turbo-Compound mit Nutzturbine. a Parallel-, b Serien-, c Direkt-Schaltung. 1 Abgasturbolader, 2 Nutzturbine mit Untersetzungsgetriebe, 3 Überholkupplung

licht eine Optimierung des Verbrennungsprozesses [43]. Turbo-Compound. Verbesserte Abgasturboladerwirkungsgrade ermöglichen gleichen Ladedruck bei niedrigerem Abgasdruckgefälle, was aufgrund besserer Spülung und zunehmender positiver Ladungswechselarbeit den Wirkungsgrad e steigert, ferner, vom Turbolader nicht benutzte Abgasenergie in einer Nutzturbine zur Erzeugung mechanischer (elektrischer) Energie zu verwenden (Waste Heat Recovery, WHR) [42]. Zweitakt- bzw. Viertakt-Dieselgroßmotoren bevorzugen Parallelschaltung, Abb. 4.27a, wobei bei einer Abgas-Abzweigrate von 10 bis 14 % eine Verbrauchsminderung von ca. 5g=kWh bei Nennleistung möglich ist. Der wegen des geringeren Abgasstroms verringerte Turbinenquerschnitt der Turboladerturbine bewirkt außerdem im Teillastbereich bessere Abgasenergienutzung, ebenfalls mit Vorteil für den Verbrauch. Für Nfz-Motoren ist die Reihenschaltung günstiger, Abb. 4.27b, und u. U. sinnvoll bei Überland-Langstreckenverkehr. Eine Vereinfachung stellt die Schaltung in Abb. 4.27c für Mittelschnellläufer dar, wo nach entsprechender Verkleinerung der Abgasturbine bei Schiffsmotoren eine Wirkungsgradverbesserung im gesamten Betriebsbereich zu erwarten ist. Eine Überholkupplung verhindert ein Mit-

Flüssige Kraftstoffe. Sie sind vorwiegend Kohlenwasserstoffe hoher Energiedichte auf Erdölbasis, gut speicher- und transportierbar. Die Emissionsreduzierung, besonders CO2 , sowie der Wunsch nach größerer Unabhängigkeit vom Erdölmarkt zwingt zur Suche nach alternativen Kraftstoffen. Aussichtsreich hinsichtlich Herstellung und verfügbarer Rohstoffe (Kohle bzw. pflanzliche Stoffe) sind Methanol CH3 OH und Ethanol C2 H5 OH, z. B. in Mischung mit Benzin für Ottomotoren. Dieselkraftstoffe auf der Basis von Biomasse sowie Bioalkohol der sogen. 2. Generation tragen wesentlich zur Verringerung von klimarelevanten CO2 -Emmissionen bei. Langfristig gesehen ist, sofern verfügbar, der Einsatz von Wasserstoff möglich, womit die Atmosphäre global entlastet wird [46, 48]. Jedoch ist zunächst der Ersatz von Erdöl bei anderen Verbrauchern (Kraftwerke, Raumheizung) problemloser und daher sinnvoller. Kraftstoffanforderungen. Sie sind unterschiedlich, je nach Verbrennungsverfahren: Ottomotoren verlangen leicht siedende und zündunwillige, Dieselmotoren zündwillige Kraftstoffe. Oktan- und Methanzahl. Die Zündneigung und Klopffestigkeit (s. Abschn. 4.4.2) wird bei Flüssigkraftstoffen durch die Oktanzahl, bei Gasen durch die Methanzahl (Tab. 4.2) angegeben. Dazu wird die Zündwilligkeit des Kraftstoffs verglichen mit der eines Bezugskraftstoffs, eines

4

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Tab. 4.2 Klopffestigkeit verschiedener Brenngase ausgedrückt durch die Methanzahl Gasart Wasserstoff Butan Butadien Ethylen ˇ-Butylen Propylen Isobutylen Stadtgasa Propan Ethan Kohlenoxid Erdgasb Erdgasc Methan Klärgasd

Chem. Zeichen H2 C4 H10 C4 H5 C2 H4 C4 H8 C3 H6 C4 H8 C3 H8 C3 H6 CO

CH4

Methanzahl 0 10 12 15 20 18,6 26 52 33,5 43,7 75 77 78,5 100 133,8

Anteile chemischer Verbindungen in % CO H2 CH4 C2 H6 C3 H8 C4 H10 CO2 N2 a 26 17;8 14;8 53;4 b 84 5;6 1;7 0;7 1;6 6;4 c 81;9 3;4 0;7 0;6 1;2 12;2 d 65 35

Kraftstoffvergleich. Bei unterschiedlichen Kraftstoffen ist bei gleicher Nutzarbeit und gleichem Wirkungsgrad e die zuzuführende Kraftstoffmenge dem jeweiligen Heizwert Hi umgekehrt proportional, der Energieinhalt der Zylinderladung und damit die Motorleistung proportional dem Gemischheizwert hi , Gl. (4.5). Daher steigt z. B. der spezifische Kraftstoffverbrauch (s. Abschn. 4.7.1) bei Methanolbetrieb auf etwa das Doppelte an (Superbenzin Hi D 41 170 kJ=kg, Methanol Hi D 19 600 kJ=kg), jedoch entstehen wegen nahezu gleicher Gemischheizwerte keine größeren Leistungseinbußen (Superbenzin: hi D 2750 kJ=kg, Methanol hi D 2650 kJ=kg für stöchiometrische Mischung:  D 1).

4.4.2

Gemischbildung und Verbrennung im Ottomotor

4.4.2.1 Normale Verbrennung Für konventionelle Ottomotoren ist sie gekennzeichnet durch: äußere Gemischbildung, homogenes Kraftstoff-Luftgemisch, gesteuerte Fremdzündung, Lastbeeinflussung durch Füllungsänderung (oft auch „Quantitätsregelung“ genannt) [43].

Gemisches aus einer zündunwilligen Komponente (Iso-Oktan D O Oktanzahl 100 bzw. MeO Methanzahl 100) mit einer zündwilthan CH4 D O Oktanzahl 0 bzw. Wasligen (n-Heptan C7 H16 D O Methanzahl 0). Oktanzahlen werserstoff H2 D den ferner nach den Prüfbedingungen unterschie- Gemischbildung. Gasförmige Kraftstoffe werden: Üblich sind R(esearch)-OZ und M(otor)- den meist in einer Mischkammer kurz vor EinOZ. tritt in den Zylinder oder durch Direkteinblasung im Zylinder mit der Luft gemischt. Für flüssige Kraftstoffe benötigt man zusätzliche ZerstäuSchwefelgehalt. Da Schwefel die Partikelemisbungseinrichtungen. Die anfänglich verwendeten sion fördert und Katalysatoren (s. Abschn. 4.7.3) Vergaser wurden (außer bei Klein- und Hilfsmoschädigt, ist der Kraftstoffschwefel weitgehend toren) durch die Niederdruck-Einspritzung des zu eliminieren: In der EU max. 10 ppm S seit Kraftstoffs in das Sammelsaugrohr oder das zy2009. linderindividuelle Saugrohr nahe dem Einlassventil ersetzt. Alternativ wird bei Ottomotoren Weitere Merkmale. Wichtig sind neben dem heute mehr und mehr die direkte Einspritzung Heizwert für den Ottomotor Siedeverhalten und in den Brennraum angewandt, um die VorteiFlüchtigkeit (EN 228), für den Dieselmotor (Dk: le hinsichtlich Wirkungsgrad (Verringerung der DIN EN 590) die die Zündwilligkeit beschrei- Ansaugverluste, s. Abb. 4.17, höheres Verdichbende Cetanzahl  51, ferner Viskosität, Verko- tungsverhältnis möglich) und Emissionsverhalten kungsrückstand (DIN 51 551), Schwefel- sowie zu nutzen, s. Abschn. 4.5.4. Dabei kann das Ziel Vanadium-, Aluminium- und Wassergehalt bei für die Gemischbildung eine homogene oder eiSchwerölen [18]. ne inhomogene Verteilung des Kraftstoffes im

4 Verbrennungsmotoren

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Brennraum sein. Letzteres Verfahren bezeichnet man als Ladungsschichtung; sie werden den sog. Hybridmotoren zugerechnet, s. Abschn. 4.4.4 und 4.5.4. Zündung. Bei Benzindampf-Luftgemischen liegen die Zündgrenzen im praktischen Betrieb zwischen  > 0;6 (fett) und  < 1;3 (mager). Der Zündfunke einer elektrischen Entladung führt dem Gemisch kurz vor OT örtlich eine so hohe Energie zu, dass die in der Nähe befindlichen Moleküle zerfallen und komplex ablaufende Vorreaktionen einleiten, die schließlich zur Verbrennung führen. Verbrennung. Sie breitet sich aus, wenn die freiwerdende Energie genügt, um benachbarte zündfähige Gemischteile zur Reaktion zu bringen. Bei normaler Verbrennung erfolgt die Flammenausbreitung ohne sprunghafte Geschwindigkeitsänderungen, sodass sich die Flammenfront nahezu kugelförmig von der Zündkerze aus fortpflanzt, s. Abb. 4.28. Flammenfrontgeschwindigkeit. Sie besteht aus der Brenngeschwindigkeit cB relativ zum unverbrannten Gemisch und der Geschwindigkeit cT , mit der die Flammenfront durch Eigenbewegung des Gasgemisches transportiert wird: cF D cB C cT . Verbrennungsvorgang. Motordrehzahl und Brennraumgeometrie beeinflussen die Transportgeschwindigkeit cT , chemische Zusammensetzung des Kraftstoffs, Luftverhältnis  sowie Zustand des Gemisches die Brenngeschwindigkeit cB , die bei steigendem Druck geringfügig abnimmt, wogegen höhere Temperaturen die Reaktionsgeschwindigkeit steigern. Mit cB  7 m=s bei ruhendem Gemisch (Bombenversuch) erreicht die Flammenfrontgeschwindigkeit während der Verbrennung maximale Werte von cF D 60 : : : 100.150/ m=s bzw. im Mittel 10 bis 40 m=s. Entscheidend ist die durch den Einlassvorgang und die Brennraumgeometrie beeinflussbare Transportgeschwindigkeit. Hohe Turbulenz der Strömung begünstigt den Mischungsvorgang, während gerichtete Strömun-

Abb. 4.28 Nichtnormale Verbrennung beim Ottomotor durch Zündungsklopfen, Fl Flammenfront

4 gen die Bildung eines homogenen Gemisches behindern. Der Einfluss von  auf die Brenngeschwindigkeit wirkt sich über den Brennverlauf auch auf die Motorleistung aus, wogegen der effektive Wirkungsgrad in erster Linie von der Vollkommenheit der Verbrennung bestimmt wird, Abb. 4.29. Ein wirtschaftlicher Betrieb verlangt daher Anpassung von : Teillast – mageres Gemisch ( > 1), Volllast – fettes Gemisch ( 0;85 : : : 0;9), Leerlauf – überfettes Gemisch wegen der Verdünnung durch hohen Restgasanteil ( < 0;9). Andere Kraftstoffe als Benzin weisen abweichende Explosions- oder Zündgrenzen auf (Methanol:  D 0;34 : : : 2;0, Wasserstoff:  D 0;14 : : : 10). Ansaugdrosselung. Da wegen der Zündgrenzen das Luftverhältnis nur in engen Grenzen veränderbar ist, müssen Belastungsänderungen über den Liefergrad l durch zusätzliche Drosselung im Ansaugkanal ausgeglichen werden, s. Gl. (4.49), was den Teillast-Wirkungsgrad verschlechtert, s. Abb. 4.5b. Durch Einsatz variabler Ventilsteuerungen kann diese negative Drosselwirkung weitgehend vermieden werden.

4.4.2.2 Gestörte Verbrennung Zündungsklopfen. Hierbei entzündet sich ein Teil des von der Flammenfront noch nicht erfassten Gemisches, auch Endgas genannt, von selbst und verbrennt so heftig, dass Druckwellen hoher Frequenz entstehen, die Klopf- und Klingelgeräusche sowie thermische und mechanische Überbeanspruchung von Bauteilen (Kolben und Lager) verursachen. Der Selbstzündung voraus gehen ab 750 bis 800 °C einsetzende Vorflammenreaktionen, wenn die Temperatur des Endga-

94

Abb. 4.29 Einfluss von Luftverhältnis  auf Brenngeschwindigkeit cB , spez. Nutzarbeit we und Verbrauch be eines Ottomotors

ses infolge Verdichtung, Wärmefreisetzung und Flammenstrahlung steigt, Abb. 4.28. Oberflächenzündung (Glühzündung). Die initiierende Wärmezufuhr an das Gemisch erfolgt unabhängig vom Zündzeitpunkt durch heiße Stellen der Brennraumoberfläche, z. B. durch glühende Ölkohlebeläge, vorstehende Dichtungskanten, Zündkerzen zu niedrigen Wärmewerts. Treten solche Selbstentflammungen sporadisch auf ohne die oben beschriebenen äußeren Ursachen, spricht man von Vorentflammung [46].

H. Tschöke und K. Mollenhauer

Abb. 4.30 Brennräume von Ottomotoren. a Keilform; b Wannenform; c Halbkugelbrennraum (kompakt, mittige Zündkerzenanlage); d Heron-Brennraum mit Kolbenmulde (a, b mit Quetschströmung infolge Kolbenüberdeckung)

starken Erwärmung des Endgases durch Anordnung der Zündkerzen nahe dem heißen Auslassventil, Zurücknahme des Zündzeitpunkts auf spät, Verringerung des Verdichtungsverhältnisses und niedrige Ansaugtemperatur der Ladung verzögern die Vorreaktionen. Oberflächenzündung kann hauptsächlich durch Beseitigung von Motorablagerungen vermieden werden, andere Maßnahmen (OZ-Erhöhung, Spätzündung) sind weniger wirksam.

Frühzündung. Sie setzt vor Erreichen des Zündzeitpunktes ein und führt oft zu schwerwie- 4.4.3 genden Motorstörungen.

Gemischbildung und Verbrennung im Dieselmotor

Nachzündung. Sie erfolgt wie Zündungsklop- 4.4.3.1 Zündung und Verbrennung fen nach der eigentlichen Zündung und kann Charakteristisch für den Dieselmotor sind: innere Gemischbildung, heterogenes Kraftstoff-Lufthörbar (klopfend) oder nicht hörbar ablaufen. gemisch, Selbstzündung und Lastbeeinflussung Vermeiden von Störungen. Zündungsklopfen durch Änderung des Luftverhältnisses über die wird vermieden, wenn die für den Ablauf der Vor- Kraftstoffmasse (sog. „Qualitätsregelung“) [42]. flammenreaktionen bis zur Selbstzündung erforderliche Zeit tVR länger als die von der Flammen- Gemischbildung. Der Kraftstoff wird erst kurz front zum Erfassen des Endgases benötigte Zeit tF vor dem oberen Totpunkt durch eine Düse in ist. Kurze Brennwege durch mittige Zündkerzen- die hochverdichtete heiße Luft eingespritzt, woanlage und kompakten Brennraum, Erhöhen von bei sich der Strahl in einzelne Kraftstofftröpfchen Transportgeschwindigkeit cT durch Ausnutzen unterschiedlicher Größe und Durchschlagskraft turbulenter Quetschströmungen (s. Abb. 4.30) aufteilt und ein heterogenes Gemisch entsteht. und hohe Brenngeschwindigkeit cB bei optima- Die Selbstzündung setzt ein entsprechend holem Luftverhältnis  (s. Abb. 4.29) verkürzen hes Verdichtungsverhältnis voraus, dessen untetF . Brennstoffe höherer Oktanzahl, Zusatz von rer Grenzwert mit dem steigenden Kolbendurchklopfhemmenden Additiven, Vermeiden einer zu messer abnimmt (" D 19 : : : 11).

4 Verbrennungsmotoren

Zündverzug. Hiermit wird die Zeit zwischen Einspritzbeginn und dem durch Druckzunahme gegenüber dem Kompressionsdruckverlauf messbaren Verbrennungsbeginn bezeichnet, der von motorischen, chemischen und physikalischen Einflüssen abhängt. Da während des Zündverzugs und bis in die Verbrennungsphase hinein Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird (vgl. Abb. 4.40), darf während des Zündverzugs nur soviel zündfähiges Gemisch gebildet werden, dass starke Drucksteigerungen vermieden werden .dp=d' 5 6 : : : 8 bar=ı KW/, die sonst zu hartem Gang (Nageln) und zur Überbeanspruchung der Bauteile führen. Großer Zündverzug begünstigt das Nageln und ist vom Zustand der Ladung sowie vom Luftverhältnis abhängig [19, 44].

95

von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel. Dagegen führt die feste Zündquelle mit den wechselnden Zündbedingungen infolge Inhomogenitäten des Gemisches und Strömungseinflüssen beim Ottomotor zu großen Verbrennungsdruckunterschieden. Heterogene Gemische ermöglichen aber auch kleinste Kraftstoffmengen bei großem Gesamtluftverhältnis zu verbrennen, sodass das Drehmoment der Änderung des Luftverhältnisses folgt. Die Schwierigkeit, in kürzester Zeit (ca. 1 bis 2 ms bei schnelllaufenden Fahrzeugmotoren) eine Gemischbildung und Verbrennung mit möglichst hoher Luftausnutzung zu erreichen, begrenzt die Maximaldrehzahl und führte zur Entwicklung unterschiedlicher Gemischbildungsverfahren. Man unterscheidet Verfahren der indirekten Einspritzung (IDE,IDI) mit Aufteilung des Verbrennung. Sie setzt bei einzelnen Brenn- Brennraums auf Zylinderraum VZ und Zylinderstofftröpfchen ein, indem durch Wärmeaufnahme kopf sowie der direkten Einspritzung (DE,DI) in aus der umgebenden heißen Luft Sieden und Ver- den ungeteilten Brennraum. dampfen eintritt. Durch gegenseitige Diffusion von Kraftstoffdampf und Luft entsteht um den 4.4.3.2 Indirekte Einspritzung IDE (geteilter Brennraum) noch flüssigen Kraftstoffrest eine Mischungszone unterschiedlicher Konzentration entsprechend einem von Null (Tropfenoberfläche) auf Unendlich Entwicklung. Bei Pkw-Dieselmotoren wurden zunehmenden Luftverhältnis. Entsprechend den zunächst Verfahren mit indirekter Einspritzung Zündgrenzen bei homogenen Gemischen kommt entwickelt, um eine schnelle Gemischbildung es im Bereich stöchiometrischen oder fetten Mi- und Verbrennung innerhalb des vorgegebenen schungsverhältnisses bei genügend hoher Tempe- Zeitfensters (< 2 ms) zu ermöglichen. Aus ratur zur Selbstzündung, die Verdampfung und der Aufteilung von Gemischbildung und VerDiffusion beschleunigt sowie die Entzündung be- brennung auf Neben- und Hauptbrennraum folgt eine „verschleppte“ Verbrennung mit geringenachbarter Tröpfchen anregt. rer Drucksteigerung pmax =pc und Vorteilen für Rußbildung. Entsprechend dem Siedeverhalten Laufruhe (Fahrkomfort) sowie Abgasemission des Kraftstoffes verbrennen zuerst die Molekü- (NOx ), jedoch bei höherem Verbrauch (kleiner le mit hohem H-Anteil, während schwersieden- Gleichraumanteil) sowie Neigung zur Rußbilde Anteile zum Teil Crackreaktionen unterlie- dung. Ebenfalls verbrauchserhöhend wirken sich gen. Dabei können schwerentzündbare Moleküle bei IDE-Motoren, die heute nicht mehr angeaus nahezu reinem Kohlenstoff entstehen und wandt werden, die internen Strömungsverluste bei niedrigen Verbrennungstemperaturen im Ab- beim Überschieben der Ladung sowie das größegas als unverbrannter Ruß verbleiben (Schwarz- re Oberflächen-Volumenverhältnis (Wandwärmerauch). Er verursacht auch die stark leuchtende verluste) aus. Dies erfordert außerdem Starthilfe Gelbfärbung einer Diffusionsflamme, wogegen mittels Glühkerze oder -stift und ein höheres Vervorgemischte Flammen von blauer Farbe sind dichtungsverhältnis zum Erreichen der Selbstzündungstemperatur. (Ottomotor). Die beim Dieselmotor auftretenden Vorgänge der Diffusionsflamme führen zu einer statisti- Wirbelkammer-Verfahren. Bei diesem früschen Verteilung der Entzündung und damit zu her häufig verwendeten Verfahren verbindet ein einem nahezu gleichartigen Verbrennungsablauf relativ weiter Überströmkanal den Hauptbrenn-

4

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Abb. 4.31 Wirbelkammer, Typ Ricardo Comet Mark V, eines Pkw-Dieselmotors (VW-Golf-Diesel). 1 Einspritzdüse, 2 Starthilfe (Glühstift), 3 wärmespeichernder Einsatz, 4 Wirbelmulde im Kolben bei Draufsicht

raum mit der kugel- oder scheibenförmigen Wirbelkammer im Zylinderkopf. Der dort bei der Verdichtung entstehende Luftwirbel bedingt eine gute Gemischbildung. Durch den nach der Entzündung eines Teils des Kraftstoffes steigenden Druck verlagert sich die Verbrennung in den Hauptbrennraum, der ca. 50 % des Kompressionsvolumens ausmacht, Abb. 4.31. Vorkammer-Verfahren. Der in der im Zylinderkopf befindlichen Vorkammer (VVK =Vc D 0;2 : : : 0;35) durch Teilverbrennung von in die Kammer eingespritztem Kraftstoff erzeugte Überdruck verlagert die Gemischbildung überwiegend in den Hauptbrennraum, wobei enge Verbindungsbohrungen hohe Strahlgeschwindigkeiten mit hoher Turbulenz erzeugen, welche die Gemischaufbereitung in Neben- bzw. Hauptbrennraum bei hoher Luftausnutzung wirksam unterstützen.

4.4.3.3 Direkte Einspritzung DE (ungeteilter Brennraum) Entwicklung. Entscheidend für die Gemischbildung ist ein hoher Druck in der Düse, um den eingespritzten Kraftstoff genügend fein zu zerstäuben und gleichmäßig über den Brennraum zu verteilen. Somit ist die DE eng verknüpft mit der Entwicklung der Einspritzsysteme [42]. Neben dem Einfluss der Dynamik des Einspritzstrahles wird die Gemischaufbereitung oft durch eine eher luftgestützte Kraftstoffverteilung unterstützt.

H. Tschöke und K. Mollenhauer

a

b

c

d

Abb. 4.32 Ungeteilte Brennräume von Dieselmotoren. a Ältere Muldenform mit teilweiser Wandanlagerung des Kraftstoffes; b Doppelwirbel-Brennraum mit Ausnutzung von Quetsch- und Drallströmung; c ViertaktMittelschnellläufer (Hesselman-Form); d Zweitakt-Großmotor

Luftverteilter Kraftstoff. Um die Gemischbildung zu intensivieren, werden bei kleinen Motoren gerichtete Luftströmungen hoher Geschwindigkeit benötigt. Dazu wird die Verdrängerwirkung des Kolbens und die Ansaugströmung ausgenutzt, die durch die konstruktive Gestaltung von Brennraum und Ansaugtrakt, wie Kolbenüberdeckung, Drallkanal, Tangentialkanal, unterstützt wird, Abb. 4.32a,b. Mit steigendem Durchmesser werden zusätzliche Luftbewegungen immer weniger erforderlich, sodass ab D  300 mm die Kraftstoffverteilung überwiegend durch das als Mehrlochdüse (bis zu 12 Bohrungen) ausgeführte Einspritzventil erfolgt, s. Abschn. 4.6.2. Der Brennraum wird dem Einspritzstrahl angepasst: ein hochgezogener Kolbenrand vermeidet das Anspritzen der Laufbuchse (Zerstörung des Schmierfilms), wobei evtl. vorhandener Luftdrall keine Überdeckung der einzelnen Brennstoffstrahlen bewirken darf. Teilweise Wandanlagerung des Kraftstoffs am Kolben wird mitunter mehr oder weniger stark angestrebt (Hesselmann-Brennraum, Abb. 4.32c). Bei schnelllaufenden DE-Dieselmotoren findet man in Verbindung mit einer Vier-Ventilanordnung oft eine Brennraumform, bei der eine !-förmige Mulde großen Durchmessers lange, freie Einspritzstrahlen ermöglicht. Eine erhöhte Muldenmitte verdrängt die Strömung in Bereiche hoher Drallintensität, wobei der eingezogene Muldenrand die Strahlauflösung unter Vermeiden des Wandanspritzens begünstigt (Abb. 4.32b). Es werden auch Stahlkolben mit Stufenmulde eingesetzt, um das Muldenvolumen zu vergrößern und gleichzeitig die Quetschflä-

4 Verbrennungsmotoren

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chen zu verringern. Dies führt zu einer besseren Luftausnutzung mit geringerer Rußbildung [56]. Die mit der direkten Einspritzung infolge großer Drucksteigerungen verbundene Gefahr starker Verbrennungsgeräusche kann durch Voreinspritzen einer kleinen Kraftstoffmenge vermieden werden (s. Abschn. 4.6.2). Üblich sind heute „luftverteilende“ Verfahren mit Mehrlochdüsen.

Luftgemisch einem insgesamt mageren Gemisch in Verbindung mit motorin- und -externen Maßnahmen zur Entflammung und Verbrennung verhelfen. Infolge des Luftüberschusses, bezogen auf die gesamte Füllung, reduziert sich die NOx Emission, aber auch die Nutzarbeit, die durch Aufladung oder/und Hubraumvergrößerung kompensiert werden kann. Die meist erhöhte HCEmission erfordert eine katalytische Nachoxidation. Das Prinzip wird heute nicht mehr in Wandverteilter Kraftstoff. Je nach Grad der entsprechend konzipierten Motoren [21], sondern Wandanlagerung erfolgt unter Ausnutzen der allenfalls bei Ottomotoren mit direkter EinspritWandwärme bei der Kraftstoffverdampfung ei- zung angewendet [43]. ne schonende Gemischaufbereitung in Verbindung mit einer wandnahen Potentialwirbelströ- Magermotor. Bei magerem Gemisch ( D mung der Luft, somit ein „weicher“, geräusch- 1;4 bis 1,7) werden CO- und NOx -Werte ähnarmer Verbrennungsverlauf (M. A. N.-M-Verfah- lich wie bei Systemen mit 3-Wege-Katalysatoren). Nachteilig ist die Neigung zur Blaurauch- ren erreicht, s. Abb. 4.48. Bei Übergang vom bildung (Geruchsbelästigung) beim Kaltstart. Sie Stadtverkehr (Teillast) zur Volllast erfolgt durch wird vermieden, wenn die Wandanlagerung so Kraftstoffanreicherung ( ! 1) ein Anstieg der beschränkt wird, dass die Wandwärme nur zur NOx -Emission: Daher trotz Verbrauchsvorteil im Unterstützung der Gemischbildung bei hohen Stadtverkehr (max. bis 10 %) keine umfassende Lasten dient (Abb. 4.32a). Heute übliche Ge- Lösung des Abgasproblems (gilt nicht für homomischbildungsverfahren vermeiden Wandanlage- gene Magergemischaufladung von Gas-Ottomotoren), zumal der technische Aufwand erheblich rung des Kraftstoffes. ist [22].

4.4.4 Hybride Verfahren für Gemischbildung und Verbrennung Ottomotoren mit DE. Diese sind gekennzeichnet durch eine innere Gemischbildung, die sowohl homogen als auch inhomogen (Schichtladung/Ladungsschichtung) ausgeführt sein kann und sind heute Stand der Technik, s. Abschn. 4.5.4; [20, 43]. Vielstoffmotoren. Besitzen heute keine Bedeutung mehr. Dagegen gewinnt das Flex-Fuel-Verfahren an Bedeutung, welches Kraftstoffe mit ähnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften verarbeiten kann. Besondere Bedeutung in Brasilien (Benzin, Ethanol, Erdgas) und Biodiesel in Europa. Schichtlademotor. Bei dem besonders in den 70er-Jahren verfolgten Konzept soll ein nahe der Zündkerze befindliches, fettes Benzindampf-

Gasmotor. Gasmotoren besitzen als Ottogasmotoren die Merkmale des normalen Ottomotors, vorausgesetzt das Verdichtungsverhältnis wird der Klopffestigkeit und die elektrische Zündanlage der Zündwilligkeit des jeweiligen Gases angepasst, s. Tab. 4.2. Bei genügend hoher Klopffestigkeit des Gases (methanreiches Erdgas, Klärgas) kann auch soweit verdichtet werden, dass eine Selbstzündung von in üblicher Weise eingespritztem Dieselkraftstoff eintritt, der damit die Zündquelle für das homogene Gas-Luftgemisch abgibt (Zündstrahlmotor). Der Anteil des Zündöls beträgt 0,5 bis 10 % der Volllastkraftstoffmenge und kann bis 100 % gesteigert werden, sodass der Motor dann als Dieselmotor läuft (Dual-FuelMotor). Bei ausreichend weitem Zündbereich erfolgt Laständerung durch Qualitätsänderung bis zur Magergrenze, danach Gemischdrosselung. Das Zündstrahlverfahren eignet sich auch für den Einsatz von Alkoholen (Methanol, Ethanol) in zu Hybridmotoren umgewandelten Dieselmotoren [48].

4

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Homogene Kompressionszündung beim Dieselmotor. Es ist bekannt, dass homogene Gemische wesentlich sauberer und mit gleich guten oder besseren Wirkungsgraden verbrannt werden können wie heterogene Gemische. Die Gemischhomogenisierung vermeidet die bei der Verbrennung heterogener Gemische immer vorhandenen örtlichen Temperaturspitzen und unterdrückt dadurch weitestgehend die Stickoxidentstehung. Gemischzusammensetzungen, die zu einer intensiven Rußbildung führen, können ebenfalls vermieden werden [42]. Die Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen sind jedoch höher als bei der heterogenen Dieselverbrennung. Diese können aber mittels Oxidationsdkatalysator wirksam beseitigt werden. Heute werden teilhomogene Verbrennungsverfahren eingesetzt.

4.5 Verfahren zur Gemischbildung und Zündung bei Ottomotoren 4.5.1 Anforderungen an Gemischbildung Die ottomotorische Verbrennung erfordert ein möglichst homogenes Gemisch, dessen Qualität durch die Zündgrenzen oder den Einsatz eines 3-Wege-Katalysators ( D 1-Betrieb, s. Abschn. 4.7.3) bestimmt wird und eine entsprechende Dosierung von Kraftstoff und Luft erfordert. Die der Lastanforderung entsprechende Gemisch-Quantität wird überwiegend verlustreich durch im Ansaugtrakt angeordnete Drosselklappen (Klappenstutzen) gesteuert, s. Abb. 4.5b. Während bei Benzin-Einspritzanlagen die Bestimmung der angesaugten Verbrennungsluft getrennt von der Kraftstoffdosierung erfolgt, vereinen Vergaser beide Funktionen, Abb. 4.33a,b. Zur Bestimmung eines Luftmassenstromes dienen u. a. Saugrohrdrucksensoren, Luftklappen und Schwebekörper. Weitere Möglichkeiten bieten Sensoren, die nach dem Prinzip des Hitzdraht-Anemometers in Verbindung mit einem Temperaturfühler zur Messung der AnsaugluftTemperatur arbeiten sowie der Heißfilm-Luftmassenmesser (HFM).

H. Tschöke und K. Mollenhauer

Abb. 4.33 Messung des Luftdurchsatzes mittels a Venturidüse; b variabler Düse. 1 Kraftstoffdüse (AB ), 2 Kolben, 3 Membran, 4 Feder

4.5.2

Vergaser

4.5.2.1 Konstant-Querschnitt-Vergaser Beim Venturirohr, Abb. 4.33a, nimmt der statische Druck p0 im engsten Querschnitt AL des Lufttrichters bei gleichzeitig erhöhter Strömungsgeschwindigkeit auf p1 ab. Verbindet man eine im engsten Querschnitt angeordnete Düse mit dem Querschnitt AB mit einem belüfteten, mittels Schwimmer niveaugeregelten Kraftstoffbehälter, so gilt vereinfacht mit dem Druckgefälle P L der pV D p0  p1 für den Massenstrom m Luft, s. Bd. 2, Abschn. 31.6.2, m P L D ˛L AL .2%0 pV /1=2

(4.63)

und mit dem Düsenquerschnitt AB für den Kraftstoffdurchsatz m P B D ˛B AB .2%B pV /1=2 :

(4.64)

Die Durchflusszahlen ˛ hängen u. a. ab von dem Querschnittsverhältnis der Einschnürung, der Reynoldszahl und der Kompressibilität des Mediums. Bei konstanter Kraftstoffdichte folgt für das Luftverhältnis   .˛L =˛B /.AL =AB /.%L =%B /1=2 :

(4.65)

Hohe Luftgeschwindigkeiten wL im Lufttrichter fördern die Zerstäubung des Benzins, der damit sinkende Druck p1 die Verdampfung und somit die Gemischbildung. Zusätzliche Einrichtungen sind erforderlich, um der Anfettung des Gemisches durch die Abnahme der Luftdichte bei sinkendem Druck p1 zu begegnen, ferner beim Leerlauf und Starten wegen zu geringer Luftgeschwindigkeit wL und zur Anreicherung des Gemisches beim Beschleunigen des Fahrzeuges.

4 Verbrennungsmotoren

4.5.2.2 Konstant-Druck-Vergaser Es wird eine abhängig vom Druckgefälle pV gesteuerte, variable Düse, Abb. 4.33b, verwendet, sodass Druckgefälle pV , Ansaugdruckverlust und Luftgeschwindigkeit im Mischbereich nahezu konstant sowie last- und drehzahlunabhängig sind. Daraus folgt für Gl. (4.65), dass entsprechend der Querschnittsänderung von AL auch der Düsenquerschnitt AB variiert werden muss, um die Bedingung AL /AB D const. zu erfüllen, wozu eine mit dem Kolben 2 verbundene konische Düsennadel dient. 4.5.2.3 Einsatz von Vergaseranlagen Die Vorteile (geringe Kosten, Robustheit, gute Notlaufeigenschaften, Möglichkeit zur Selbsthilfe) konnten nicht verhindern, dass die Vergaser aufgrund der gestiegenen Anforderungen an Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit fast gänzlich vom Markt verschwunden sind.

99

ser erreicht. Die Auslösung der Einspritzimpulse erfolgt meist durch den Zündverteiler, wogegen die Einspritzdauer über die Luftmassenmessung ergänzt durch Zusatzinformationen über Motorzustand oder -Sonde, s. Abb. 4.48, gesteuert wird. Ihre Anwendung ist auf einfache und kleine Motoren beschränkt. Einzel-Saugrohreinspritzung. Die Einspritzung erfolgt für jeden einzelnen Zylinder durch ein im Saugrohr angeordnetes Einspritzventil und führt neben guter Zerstäubung zur gleichmäßigen Versorgung der Zylinder und verringert die Ansaugverluste um den durch den Vergaser bedingten Anteil, wobei die Drosselklappe als Steuerorgan beibehalten wird. Außerdem ermöglicht die Einzel-Saugrohreinspritzung freizügige Ausführung der Ansaugrohre, Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses wegen nahezu gleicher Klopfgrenze für alle Zylinder und verbessertes Abgasverhalten bei Verbrauchsminderung und höherer spezifischer Nutzarbeit.

4.5.3 Saugrohr-Benzin-Einspritzung 4.5.3.1 Entwicklung Wesentlich für den Erfolg der Benzin-Einspritzung ist die von der Kraftstoffdosierung getrennte Luftdurchsatzmessung sowie die Möglichkeit, elektro-mechanische Bauteile in Verbindung mit einer elektronischen Regelung einsetzen zu können. Genügten zur Ansaugluftbestimmung oft Saugrohrdruckmessung und Drosselklappenstellung, so werden heute auch elektrische (z. B. HFM) Geräte in Verbindung mit Temperaturfühler zur Bestimmung des Luftdurchsatzes eingesetzt; zur Kraftstoffdosierung vorwiegend elektromagnetisch oder piezo-gesteuerte Einspritzventile, deren Öffnungsdauer entsprechend ihrer elektrischen Erregung proportional der eingespritzten Kraftstoffmasse ist. Zentraleinspritzung Sie verwendet nur ein einziges elektromagnetisches Einspritzventil im Sammelsaugrohr. Infolge guter Zerstäubung (Systemdruck ca. 2 bar) wird i. Allg. eine bessere Gemischverteilung auf die einzelnen Zylinder durch das Sammelsaugrohr als mit einem Verga-

Kontinuierliche Einspritzung. Hierbei wird die angesaugte Luftmasse gemessen, danach der Kraftstoff dosiert und kontinuierlich mit geringem Überdruck (ca. 3 bar) vor jedes Einlassventil in den Ansaugkanal eingespritzt. Der Kraftstoff wird hierzu von einer elektrisch angetriebenen Pumpe einem Mengenteiler zugeführt, der ihn abhängig von der mittels Stauscheibe gemessenen Luftmenge den einzelnen Zylindern zumisst. Ein Differenzdruckventil sorgt für konstanten Öffnungsdruck an der Düse [24]. Korrekturen sind für Kaltstart und Warmlaufperiode vorgesehen. Diskontinuierliche Einspritzung. Derartige Anlagen verarbeiten die Informationen von Luftmengenmessung und Drehzahl als Hauptsteuergrößen für eine intermittierende Einspritzung mittels elektromagnetisch betätigter Einspritzventile. Ein Motor-Steuergerät ermöglicht über die Beeinflussung des Kraftstoff-Luft-Gemisches die Abgasnachbehandlung mittels 3-Wege-Katalysator, Abb. 4.34. Sie ist das nach wie vor am häufigsten eingesetzte Einspritzverfahren bei Ottomotoren. Üblicherweise erfolgt dabei die Ein-

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100

H. Tschöke und K. Mollenhauer

Abb. 4.34 Benzindirekteinspritzung Motronic MED (Bosch). 1 Luftmassensensor mit Temperatursensor, 2 Drosselklappe, 3 Saugrohrdrucksensor, 4 Hochdruckpumpe, 5 Drucksteuerventil, 6 Kraftstoffverteiler, 7 Zünd-

spule, 8, 10 Lambda-Sonden, 9 Katalysator, 11 Fördermodul, 12 Einspritzventil, 13 Drucksensor, 14 Abgasrückführventil, 15 elektronisches Steuergerät

spritzung entsprechend der Zündfolge mit gerin- lung durch den verdampfenden Kraftstoff ermögger Vorlagerung bevor das Einlassventil öffnet licht. Dieses Konzept wird heute überwiegend [24]. eingesetzt [24].

4.5.4

Direkte Benzin-Einspritzung

4.5.4.1 Entwicklung Eine wirkungsvolle Verbrauchsminderung (bis zu 15 . . . 18 % im Zyklus) kann bei Ottomotoren u. a. durch einen ungedrosselten Teillastbetrieb und/oder einen thermodynamisch verbesserten Hochdruckprozess (höhere Verdichtung) in Verbindung mit der direkten Einspritzung (DE) erreicht werden. Die Gemischbildung mit ihrer Parametervielzahl erfordert einen hohen, kostenintensiven Entwicklungsaufwand. Allerdings besteht die Neigung zu erhöhter Rußbildung, der Gefahr von Schmierölabwaschung und -verdünnung sowie die Notwendigkeit zur Abgasnachbehandlung. 4.5.4.2 Grundlagen Lambda=1-Konzept. Die Einspritzung erfolgt während des Saughubes, um ein weitgehend homogenes Gemisch zum Zündzeitpunkt zu bilden. Verbunden mit einer  D 1-Regelung sind konventionelle Dreiwege-Katalysatoren einsetzbar. Verbrauchsvorteile werden durch ein höheres Verdichtungsverhältnis infolge sogen. Innenküh-

Magerkonzept mit Ladungsschichtung. Bei Teillast erfolgt nach drosselfreiem Ansaugen die Einspritzung erst während der Verdichtung, um im Bereich der Zündkerze ein zündfähiges Kraftstoff-Luftgemisch zu bilden, umhüllt von reiner Luft bzw. sehr magerem Gemisch. Damit werden Kontakte brennbaren Gemischs mit der Brennraumwand und somit Reaktionen an der Wand verhindert, sodass die Klopfneigung herabgesetzt wird. Nach bisherigen Erfahrungen ist der geschichtete Betrieb beschränkt auf Drehzahlen bis etwa 4000 1=min und Teillast von ca. 0;8 kJ=dm3 (8 bar mittlerer effektiver Druck). Wegen der begrenzten Magerlauffähigkeit erfolgt daher im oberen Lastbereich ein Betrieb mit homogenem Gemisch innerhalb der Zündgrenzen. Inhomogenitäten mit überfetteten Gemischzonen neigen zur Rußbildung und sind zu vermeiden. Wesentlich für die Gemischbildung ist die Ausbildung des Einspritzstrahls. Man unterscheidet strahl-, luft- und wandgeführte Verfahren. Strahlgeführte Verfahren erfordern eine räumlich nahe Anordnung von Einspritzdüse und Zündkerze bei äußerst exakter Positionierung wegen geringer Ausdehnung der zündfähigen Zone. Wandgeführte Verfahren lassen einen größeren Ab-

4 Verbrennungsmotoren

stand zwischen Einspritzdüse und Zündkerze zu, wobei die Gemischbildung meist in einer Wechselbeziehung zwischen der Brennraummulde und einer, durch den Einlasskanal bedingten, Ladungsbewegung (bevorzugt Tumble) erfolgt. Bei überwiegend luftgeführten Verfahren wird bereits aufbereiteter Kraftstoff durch gezielte Ladungsbewegung zur Zündkerze hin bewegt. Notwendig ist die Verträglichkeit mit einer internen Abgasrückführung, um die NOx -Rohemission zur Entlastung der DeNOx -Katalysatoren senken zu können. Übliche Drei-Wege-Katalysatoren dienen zur Nachoxidation von CO und HC und Reduktion der Stickoxide in Lambda=1 Betriebsbereichen, Abb. 4.34.

4.5.4.3 Ausgeführte Verfahren Mitsubishi-Verfahren. Der erste serienreife Motor mit einem Common-Rail-Einspritzsystem (s. Abschn. 4.6.1) arbeitet mit einem Einspritzdruck von 50 bar. Die elektromagnetisch betätigten und nach innen öffnenden Einspritzdüsen besitzen Drallkanäle, sodass der Kraftstoff mit einem Drall austritt. Die Europa-Version der GDI(Gasoline Direct Injection-)Motoren weist eine 2Phasen-Einspritzung mit einer auf den Kaltstart beschränkten 2-Phasen-Verbrennung auf: Während des ungedrosselten Ansaugvorganges erfolgt die erste Einspritzung und bildet ein homogenes Magergemisch (  2. . . bis 5), die zweite Einspritzung erfolgt gegen Ende der Kompression und soll ein möglichst homogenes, zündfähiges Gemisch bilden, Abb. 4.35. Das extrem magere Gemisch verringert die Klopfneigung, sodass die Europa-Motoren ein Verdichtungsver-

Abb. 4.35 Mitsubishi-Verfahren: 2-Phasen-Benzineinspritzung bei Ottomotoren: 1. Phase homogenes Magergemisch, 2. Phase homogenes zündfähiges Gemisch

101

hältnis von " D 12;5 erlauben. Zur Abgasnachbehandlung dienen ein kontinuierlicher DeNOKatalysator und ein nachgeschalteter DreiwegeKatalysator zur Nachoxidation von HC und CO. Um bei kaltem Motor die Katalysator-Betriebstemperatur schnell zu erreichen, wird bei später, erster Einspritzung nach Beginn der ersten Verbrennung während des Expansionstaktes ein zweites Mal eingespritzt und damit eine zweite Verbrennungsphase eingeleitet und die Abgastemperatur erhöht.

4.5.4.4 VW-FSI-(Fuel Stratified Injection-)Motor Charakteristisch für das VW-Konzept ist ein durch ein eingegossenes Blech geteilter Ansaugkanal, bei dem der untere Kanalteil durch eine unterdruckgesteuerte Klappe verschlossen werden kann, Abb. 4.36. Der Kolben weist einlassseitig eine Kraftstoff-, auslaßseitig eine Luftmulde auf. Beim Teillast-Schichtladebetrieb wird bei geschlossener Kanalklappe im Brennraum eine Tumble-(Walzen-)Strömung erzeugt, dadurch der während der Kompressionsphase eingespritzte Kraftstoff abgebremst und weitgehend in der Kraftstoffmulde konzentriert. Nur ein wandnaher Anteil in der Kolbenmulde wird, unterstützt durch den Tumble, zur Zündkerze hin umgelenkt und sichert eine stabile Entflammung. Eine zusätzliche Abgasrückführung AGR erlaubt einen nahezu drosselfreien Teillastbetrieb bei  < 2 und bei abgesenkter Drehzahl einen stabilen Leerlaufbetrieb. Bei Volllast erfolgt bei geöffneter Kanalklappe die direkte Einspritzung wäh-

Abb. 4.36 FSI-Verfahren für direkte Benzin-Einspritzung bei Ottomotoren (Volkswagen AG) mit Tumbleklappe zur Ladungsschichtung

4

102

rend des Ansaugvorganges und ist vor „Einlassschließt“ beendet. Bei hohen Drehzahlen und Lasten arbeitet der FSI-Motor wie ein konventioneller Motor mit homogenem Gemisch und externer AGR, jedoch mit besserem Wirkungsgrad infolge höherer Verdichtung (" D 12;0, normal: " D 9). Ein Managementsystem steuert die drei Betriebsarten: Lambda D 1 C AGR, homogener Magerbetrieb ( D 1;4) und geschichteter Magerbetrieb + AGR, dazu u. a. das mit Drücken bis 120 bar arbeitende Common-Rail-System und die Abgasnachbehandlung durch einen Drei-Wege-Katalysator als Vorkatalysator und einen DeNOx -Speicherkatalysator mit einer Regeneration in Intervallen von weniger als 1 min (s. Abschn. 4.7.3).

4.5.4.5 Weiterentwicklung Derzeit werden die vorgenannten wand- und luftgeführten Verfahren mit Ladungsschichtung nicht mehr appliziert und überwiegend die frühe direkte Kraftstoffeinspritzung mit homogenem Gemisch und Lamda = 1 angewandt. Das etwa 2005 in Serie eingeführte strahlgeführte Verfahren (mit Ladungsschichtung und 2–5-fach Einspritzung mittels Piezoinjektoren) führt zu deutlich geringeren Verbräuchen bei allerdings höherem Aufwand [34–36, 43]. Um die Anzahl der Partikel, die seit Euro 6 auch für Ottomotoren mit Direkteinspritzung limitiert sind, zu verringern, werden heute Mehrfacheinspritzungen (bis zu 5 mal) und höhere Einspritzdrücke (bis zu 350 bar) angewandt. In der Entwicklung befinden sich Systeme mit bis zu 500 bar. Auch der Partikelfilter für Ottomotoren wird ab 2017 von verschiedenen Fahrzeugherstellern serienmäßig eingeführt. Derzeit wird auch eine Wassereinspritzung im Vollastbereich entwickelt, um z. B. die heute notwendige Anfettung mit Kraftstoff zu vermeiden [59].

H. Tschöke und K. Mollenhauer

Gemisch (Batteriezündung), wobei überwiegend Bleibatterien (Elektroden Pb/PbO2 , Elektrolyt H2 SO4 ), seltener alkalische Batterien (Elektroden Ni(OH)3 / Fe bzw. Cd, Elektrolyt KOH) verwendet werden. Magnetzünder. Sie erzeugen durch einen rotierenden Dauermagneten im Feld einer umgebenden Spule infolge Induktion die notwendige Energie (autarker Motorbetrieb, z. B. bei Zweiradfahrzeugen), wobei der Hochspannungsteil der Zündanlage dem bei Batteriebetrieb entspricht.

4.5.5.2

Zündanlagen

Spulenzündanlage. Durch einen Unterbrecherkontakt, Abb. 4.37, wird der durch den Primärteil der Zündspule fließende Strom unterbrochen. Ein parallel zum Unterbrecher liegender Kondensator ergänzt den Ladekreis zu einem Schwingkreis, der über den Sekundärteil der Zündspule im Entladekreis eine hochtransformierte Spannung induziert, sodass ein Überschlag an der Zündkerze erfolgen kann (Überschlagspannung ca. 5000 bis 20 000 V). Ein von der Kurbel- oder Nockenwelle aus angetriebener Zündverteiler ordnet die Entladungen den einzelnen Zylindern zu und befindet

4.5.5 Zündausrüstung 4.5.5.1 Zündstromquellen Batterie (Akkumulatoren). Sie liefern durch elektrische Entladung die Zündenergie für das

Abb. 4.37 a Spulenzündanlage; b Kontaktlose Transistorzündanlage. 1 Zündschalter, 2 Zündspule, 3 Zündverteiler, 4 Zündkerzen, 5 über Zündverteiler angetriebener Unterbrecherkontakt, 6 am Zündverteiler befestigtes Polrad mit induktivem Geber, 7 elektronisches Schaltgerät. 1, 4, 15 Anschlussklemmen

4 Verbrennungsmotoren

sich mit dem Kondensator, dem über einen Nocken gesteuerten Unterbrecherkontakt und einem Zündversteller in einem Gehäuse. Der Zündversteller steuert lastabhängig (Saugrohrdruck) und drehzahlabhängig (Fliehmassen) den Öffnungszeitpunkt am Unterbrecherkontakt und somit den Zündzeitpunkt (Vorverlegung mit Drehzahlzunahme, Unterdruck für zusätzliche Frühzündung bei Teillast). Transistorzündanlage. Ein Leistungstransistor dient zum Schalten des Zündstroms, wodurch der Unterbrecherkontakt nur noch vom Steuerstrom des Transistors beaufschlagt wird (Verschleißminderung). Sie bietet höhere Zündenergie, die für magere Gemische, höhere Turbulenzen im Brennraum und größere Elektrodenabstände erforderlich ist. Kontaktlose Transistorzündanlage. Sie verwendet statt des Unterbrecherkontakts berührungslose Impulsgeber (induktive, magnetische oder fotoelektronische Geber), die die Impulse für eine Schaltelektronik liefern, Abb. 4.37b. Elektronische und vollelektronische Zündanlage. Mikrocomputer ersetzen den mechanischen Zündversteller und berechnen jeweils zwischen zwei Zündvorgängen den günstigsten Zündzeitpunkt nach einem gespeicherten Zündwinkelkennfeld in Abhängigkeit von Drehzahl, Kurbelstellung und Saugrohrdruck (Last), wobei mittels weiterer Sensoren (Motortemperatur, Drosselklappenschalter, Batteriespannung) korrigierende Eingriffe über den Rechner möglich werden. Ein mechanischer Hochspannungsverteiler verteilt nach kontaktloser Auslösung den Zündfunken auf die Zylinder, wobei bei vollelektronischer Zündung der mechanische Verteiler durch statisch arbeitende, elektronisch gesteuerte Komponenten ersetzt wird. Diese Anlagen bieten die Ausbaumöglichkeit zu einem elektronisch gesteuerten und geregelten Motormanagement (Motronic, Bosch) durch Kombination mit einer elektronischen Einspritzung und ergänzt z. B. durch eine Klopf-, - oder/und Leerlaufregelung gegebenenfalls bis hin zur zentralen Steuerung

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von Bremskraft, Gangwahl bei automatischen Getrieben etc. unter Wahrnehmung von Überwachungsaufgaben [24]. Auch Mehrfachzündungen (Multi Spark Ignition) sind in Anwendung. Magere Gemische lassen sich besonders sicher durch sogenannte Raumzündungen (z. B. Corona-Zündsysteme oder Laserzündung) entflammen, diese Systeme befinden sich noch in der Entwicklungsphase. Dabei werden dem Hochfrequenzzündsystem gute Chancen eingeräumt [57].

4.5.5.3 Zündkerze Ein gasdicht in ein Einschraubgehäuse eingesetzter Isolator (Aluminiumoxid) enthält eine Mittelelektrode (Abb. 4.38), die über Kerzenstecker und Verteilerkabel mit dem Zündverteiler verbunden ist. Zwischen ihr und der am Gehäuse befindlichen Masseelektrode erfolgt die elektrische Entladung mit Funkenbildung. Die dabei freiwerdende Energie ist abhängig von der Überschlagspannung, die bei gleichem Zustand des Gasgemisches vom Elektrodenabstand (ca. 0,3 bis 1 mm) sowie von Formgebung und Werkstoff der Elektroden beeinflusst wird. Wärmewert. Die hohe thermische Belastung der Zündkerze erfordert je nach Motor die Anpassung des Wärmeleitwiderstands, ausgedrückt durch den sog. Wärmewert, sodass sich eine Kerzen-Betriebstemperatur zwischen 450 und 900 °C einstellt. Bei zu hohem Wärmewert wird die Selbstreinigungstemperatur (400 °C) unterschritten: die Kerze verschmutzt. Zu niedriger Wärmewert bedingt Wärmestau mit Gefahr von Glühzündungen. Innere und äußere Verschmutzungen der Kerze begünstigen unerwünschte Kriechentladung des Zündstroms.

Abb. 4.38 Zündkerze mit Entstörwiderstand (Bosch). 1 Masseelektrode, 2 Mittelelektrode, 3 Isolator, 4 Entstörwiderstand

4

104

4.6 Einrichtungen zur Gemischbildung und Zündung bei Dieselmotoren 4.6.1 Einspritzsysteme

H. Tschöke und K. Mollenhauer

verlauf bzw. Brennverlauf. Abb. 4.39 zeigt eine Übersicht der Einspritzsysteme. Das Einspritzen beginnt mit dem durch den Druckanstieg ausgelösten Abheben der Düsennadel gegen die Kraft der Düsenfeder oder eine hydraulische Kraft (hydraulischer Steuerkreis) und endet, wenn die Wirkung des Leitungsdrucks diese unterschreitet, Abb. 4.40. Der Druckanstieg kann durch die Kraftstoffförderung mittels eines Kolbens oder durch Schließen eines elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigten Ventils erfolgen. In Common Rail Systemen (CRS) beginnt die Einspritzung durch die elektrische Energiezufuhr zum Aktuator (Magnetventil oder piezogesteuertes Ventil), der an der Düse anliegende Druck ist dabei nahezu konstant.

Die Aufgaben jedes Einspritzsystems sind die lastgerechte Kraftstoffdosierung, deren zeitgenaue Einspritzung innerhalb eines Zeitfensters sowie Zerstäubung im Brennraum, um die gewünschte Gemischbildung zu ermöglichen [42]. Forderungen nach minimalem Verbrauch und Einhalten ständig verschärfter Grenzwerte für die Abgas- und Geräuschemission stellen hohe Anforderungen an das Einspritzsystem. Die Vielzahl der Einflussgrößen (Förderverlauf der Pumpe, konstruktive Ausführung von Pumpe, Einspritzleitung, Injektor, Düse, Mehrfachein- Druckwellen. Sie werden in dem bei hohen spritzung etc.) erfordert eine Abstimmung des Drücken und kleinen Durchsätzen hochelastiEinspritzsystems auf den gewünschten Einspritz- schen Kraftstoff durch den Druckstoß ausge-

Abb. 4.39 Einspritzsysteme. a Reihenpumpe (mech./elektr. kantengesteuert); b Hubschieberpumpe (elektr. kantengesteuert); c Steckpumpe (mech./elektr. kantengesteuert); d Axialkolben-Verteilerpumpe (mech./ elektr. kantengesteuert); e Axialkolben-Verteilerpumpe

(magnetventil-gesteuert); f Radialkolben-Verteilerpumpe (magnetventil-gesteuert, hubgesteuert); g Pumpe-DüseEinheit (Magnetventil/Piezo); h Pumpe – Leitung – Düse (Magnetventil); i Common-Rail (Magnetventil/Piezo)

4 Verbrennungsmotoren

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4 Abb. 4.40 Einspritzvorgang: Verlauf von Zylinderdruck pz , Einspritzdruck pE vor Düse, Düsennadelhub hN und eingespritzter Menge dmB =dt . FB, EB und VB Förder-, Einspritz und Verbrennungsbeginn; EE Einspritzende; ZV Zündverzug

löst und laufen infolge von Reflexionen bis zur Aufzehrung durch Reibung in der Leitung mit Kraftstoffschallgeschwindigkeit mehrmals hin und her. Sie führen bei ungünstiger Auslegung bei konventionellen Leitungssystemen zu unerwünschtem Nachspritzen der Düse (Verschleppen der Verbrennung) sowie Kavitation in der Einspritzleitung oder Mengenschwankungen, besonders bei Druckwellen in Injektoren. Durch schnell aufeinanderfolgende Mehrfacheinspritzungen in CRS können ungewünschte, mengenbeeinflussende Druckwellen im Injektor entstehen. Druckentlastung bei Leitungssystemen. Sie verhindert ein nochmaliges Abheben der Düsennadel (Nachspritzen) und wird durch Druckabsenkung in der Leitung beim Schließen des die Pumpe zur Leitung hin abschließenden, federbelasteten Entlastungsventils bewirkt.

4.6.1.1 Einspritzpumpen Einzeleinspritzpumpe. Je Zylinder ist ein Pumpenelement vorgesehen. Über einen auf einer Nocken-(Steuer-)welle befindlichen Nocken wird der Einspritzvorgang ausgelöst. Das aus Kolben 2 und Zylinder 1 bestehende Pumpenelement, Abb. 4.41, wird über Filter durch eine Förderpumpe mit Kraftstoff versorgt. Zur Steuerung der Kraftstoffmenge wird meist eine Über-

Abb. 4.41 Mengensteuerung mittels Steuerkante für Einspritzsysteme a, b und c Abb. 4.39: a Vollförderung; b Teilförderung; c Leerlauf. FB Förderbeginn, FE Förderende; 1 bis 4 siehe Text, 5 Längs-, 6 Ringnut, 7 Zulauf. (Bosch)

strömöffnung vor Hubende freigegeben, sodass nicht der volle Pumpenhub zur Förderung beiträgt. Dazu werden meist vom Kolben über eine Schrägkante 3 gesteuerte Überströmöffnungen 4 verwendet. Der in einer außen verzahnten Regelhülse fixierte Kolben wird dazu über die als Zahnstange ausgebildete Regelstange verdreht, sodass sich der gewünschte Nutzhub einstellt. Pumpe – Leitung – Düse (PLD) oder Unit Pump System (UPS). Wurden Einzel-Einspritzpumpen bisher vorwiegend bei Großmotoren (PZ > 100 kW) und kleinen Stationär-Motoren eingesetzt, findet man dieses System auch bei schnelllaufenden Dieselmotoren. Es verfügt über eine Einzeleinspritzpumpe (Steckpumpe) je Zylinder, die angetrieben von einer möglichst hoch angeordneten Nockenwelle über eine kurze, abgestimmte Hochdruckleitung mit der Düsenhalter-Kombination verbunden ist. Ein schnell schaltendes, elektronisch angesteuertes Magnetventil ersetzt die Schrägkantensteuerung. Überwiegend in Nfz-Motoren eingesetzt werden Einspritzdrücke bis zu 2200 bar erreicht. Reiheneinspritzpumpe. Die auf einer Nockenwelle angebrachten Pumpennocken sind mit den zugehörigen Pumpenelementen (Abb. 4.41) in einem Gehäuse vereinigt, woran meist noch Drehzahlregler und Kraftstoffförderpumpe ebenso wie

106

Spritzversteller angeflanscht werden. Dieser verlegt den Einspritzzeitpunkt mit zunehmender Drehzahl vor und gleicht so die Zunahme des relativen Zündverzuges in °KW aus. Bei Einspritzdrücken zwischen 550 und 1300 bar werden sie bei Motoren mit maximal 100 kW eingesetzt. Hubschieber-Reiheneinspritzpumpe. Sie unterscheidet sich von der herkömmlichen ReihenEinspritzpumpe durch einen auf dem Pumpenkolben gleitenden Hubschieber, mit dem der Vorhub und damit der Förderbeginn über eine zusätzliche Stellwelle verändert werden kann, womit ein zusätzlicher Freiheitsgrad gewonnen wird. Verteilereinspritzpumpen. AxialkolbenVerteilereinspritzpumpe. Eine kosten- und bauraumgünstige Vereinfachung wird erreicht, wenn nur ein Pumpenelement (Abb. 4.42) für alle Zylinder die Förderung übernimmt, wobei die einzelnen Zylinder über eine entsprechende Anzahl von Auslässen an einem Verteiler angeschlossen werden. Außerdem sind Förderpumpe, Spritzversteller und Drehzahlregler im Pumpengehäuse konstruktiv vereinigt. Förderung (Hubbewegung) und Verteilung (Drehung) werden von einem Verteilerkolben ausgeführt,

Abb. 4.42 Axialkolben-Verteilereinspritzpumpe (Bosch). Schematische Darstellung von a Förderbeginn, b Einspritzung, c Förderende. 1 Kraftstoffzulauf, 2 Verteilerkolben, 3 Anschluss Einspritzdüse, 4 Regelschieber

H. Tschöke und K. Mollenhauer

wobei ein Regelschieber Förderende und damit die eingespritzte Kraftstoffmasse bestimmt. Die Zahl der Hübe je Umdrehung entspricht der Zylinderzahl. Dazu befindet sich auf der Unterseite einer mit dem Kolben verbundenen Hubscheibe eine entsprechende Zahl von Nockenerhebungen, die sich auf an einem Rollenring befindlichen Rollen abstützen. Durch Verdrehen des Rollenringes kann der Förderbeginn geändert werden. Elektronisch gesteuerte Hochdruckmagnetventile können anstelle des Regelschiebers die Dosierung in Verbindung mit einer elektronischen Dieselregelung EDC (s. Abb. 4.56) übernehmen, Einspritzdrücke bis 1600 bar. Radialkolben-Verteilereinspritzpumpe. Zwei bis vier Radialkolben, die paarweise gegeneinander arbeiten, wobei sie sich auf innerhalb eines rotierenden Ringes befindlichen Nocken abstützen, übernehmen die Hochdruckerzeugung und -förderung und ein Hochdruckmagnetventil die Dosierung bei Einspritzdrücken an der Düse bis zu 1900 bar. Pumpe-Düse-Einheit (PDE) oder Unit Injection System (UIS) Steigende Anforderungen an Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit erfordern eine unabhängige Einstellung von Ein-

Abb. 4.43 Pumpe-Düse mit elektromagnetischem Ventil zur Mengenregelung. (Bosch)

4 Verbrennungsmotoren

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4

Abb. 4.44 Schema eines Common-Rail-Einspritzsystems mit hydraulischer Druckübersetzung im Injektor. (Bosch)

spritzmenge und -zeitpunkt unter Einsatz der elektronischen Kennfeldregelung zur Ansteuerung von Magnetventilen (Abb. 4.43) oder Piezoaktoren. Die sog. „Pumpe-Düse“ vereinigt Einspritzdüse und Pumpenstempel unter Wegfall der Einspritzleitung, sodass keine Druckschwingungen auftreten und Einspritzdrücke > 2000 bar erreicht werden können. Der für den Pumpenkolben erforderliche Nockentrieb bedingt größeren Bauaufwand und Einbauraum im Zylinderkopf.

4.6.1.2 Common-Rail-Einspritzsystem (CRS) Eine Hochdruckpumpe fördert den Kraftstoff in ein gemeinsames Leitungssystem (Rail), von dem aus die Injektoren für jeden einzelnen Zylinder versorgt werden. Die Einspritzung erfolgt durch elektronische Ansteuerung der Injektoren über das Steuergerät (Abb. 4.44). Die Fördermenge ist abhängig von der Öffnungsdauer und dem Systemdruck, der über einen Drucksensor gemessen wird und zur Regelung der Hochdruckpumpe dient. Über ein regelbares Ventil wird sie mit Kraftstoff versorgt. Abtasten der Kurbelstellung sichert die zeitliche Zuordnung des Einspritzvorganges. Mit dem durch den zwischengeschalteten Speicher von der Einspritz-

pumpendrehzahl nahezu unabhängigen Einspritzdruck existiert eine zusätzliche Variable, um eine bedarfsgerechte Einspritzung des Kraftstoffs zu ermöglichen. Bei Dieselmotoren mit direkter Einspritzung hat sich das Common-Rail-System bei allen Motorgrößen inzwischen durchgesetzt, weil es u. a. hohe Drücke bis 2700 bar (Feinstzerstäubung) und eine Mehrfach-Einspritzung (bis zu 8 Einspritzungen) ermöglicht: z. B. mehrere Vor(Pilot)- und Nach(Post)-Einspritzungen um die Geräusch- bzw. Rußemission zu reduzieren bzw. den Partikelfilter zu regenerieren. Eingesetzt werden magnetventil- oder piezogesteuerte Injektoren. Außerdem kann der Einspritzdruck durch eine Druckstärkung (Stufenkolben) in Injektor erhöht werden. Die Bewegung des Steuerventils oder der Düsennadel werden heute für Regelungsfunktionen zur exakten Steuerung von Mehrfacheinspritzungen (Menge und Abstand) genutzt [58].

4.6.2

Einspritzdüse

Bei Diesel-Einspritzsystemen werden geschlossene Düsen mit einer unter Federkraft oder hydraulischen Kraft schließenden Nadel verwendet, die, hydraulisch betätigt, nach innen öffnet.

108

H. Tschöke und K. Mollenhauer

Düsenhalter/Injektor dienen zum Einbau der Düsen in den Motor und enthalten neben den Anschlüssen für Drucköl- und Leckölleitung auch Filtereinsätze und Einstellmöglichkeiten für den Öffnungsdruck (80 bis 150 bar bei Zapfendüsen, bis 300 bar bei Lochdüsen). Bei Common-RailSystemen wird die Düse mit der Mengenzumesseinrichtung zum sogen. Injektor kombiniert, der magnet- oder piezogesteuert sein kann und damit auch einen elektr. Anschluss erforderlich macht.

Abb. 4.45 Durchflusscharakteristik von Einspritzdüsen. a Mehrlochdüse bei verschiedenen Raildrücken (rechts mit vermindertem Sacklochvolumen); b Drosselzapfendüse. 1 Brennstoffzulauf, 2 Sacklochvolumen

Mehrlochdüsen übernehmen über die Anzahl der Bohrungen (6 bis 12 Spritzlöcher, dmin > 0;08 mm) die Verteilung des Kraftstoffs auf den Brennraum. Das Spritzbild und die Zerstäubungsgüte werden außer von der Lochzahl durch die Länge und Neigung der Bohrungen bestimmt, wobei die Tröpfchengröße mit abnehmendem Bohrungsdurchmesser, steigendem Einspritz- sowie Gegendruck abnimmt, und damit gleichfalls die Rußbildung. Angestrebt wird ein möglichst kleines Sack- und Spritzlochvolumen, um HCund Partikelemissionen zu senken, Abb. 4.45a. Ab Temperaturen von 200 bis 250 °C am Düsennadelsitz wird zur Funktionssicherung eine Düsenkühlung erforderlich, bei Schwerölbetrieb schon ab 120 bis 140 °C, um Cracken und Verkoken des Brennstoffes zu vermeiden: Koksansätze an der Düse verändern deren Spritzbild und verschlechtern die Verbrennung. Zapfendüsen werden bei Kammermotoren verwendet. Es sind Einlochdüsen mit einem in das Spritzloch des Düsenkörpers eintauchenden Zapfen am Nadelventil, wodurch eine Selbstreinigung der Düsenöffnung bewirkt wird. Der Mengenverlauf wird wesentlich vom Verlauf des effektiven Düsenquerschnitts AD in Abhängigkeit vom Nadelhub hN beeinflusst. Bei der Zapfenausführung als Drosselzapfen tritt zunächst nur eine kleine Brennstoffmenge aus, um den Druckanstieg (Geräusch) zu begrenzen.

4.6.3 Start- und Zündhilfen Thermische Zündhilfe. Da die Selbstzündung eine Mindesttemperatur voraussetzt, müssen besonders bei kleinen Motoren (großes Oberflächen-Volumenverhältnis), zündunwilligen Kraftstoffen oder niedrigem Verdichtungsverhältnis (bei Höchstaufladung zur Senkung von pmax , s. Abschn. 4.3.5) je nach Starttemperatur Zündhilfen eingesetzt werden. Die minimale Starttemperatur der Ansaugluft beträgt bei Vorkammermotoren 60 °C, Wirbelkammermotoren 30 °C, Motoren mit ungeteilten Brennräumen (DI) 10 °C. Sie wird durch elektrisch beheizte Glühkerzen oder -stifte (bis zu 1200 °C) oder durch Anheizkerzen bzw. Heizflansche erhöht. Wirkungsvoller ist eine Flammenbeheizung der Ansaugluft mit gegenüber der elektrischen Beheizung geringerem Energiebedarf aber größerem Aufwand (Flammenkerzen, Kraftstoffförder- und -dosiereinrichtung). Sie wird bei größeren Direkteinspritzern angewendet (Vh D 3 : : : 15 dm3 ) [42]. Mechanische Zündhilfe. Bei Verfahren mit überwiegend wandverteiltem Kraftstoff verringern im Ansaugkanal angeordnete Drallklappen während des Startens die Drallströmung. Dadurch steigt der leichter zündende Anteil an luftverteiltem Brennstoff, wodurch das Starten erleichtert und gleichzeitig der Ruß- und Aldehydgehalt in dieser Phase verringert wird. Starteinrichtungen. Um die Startdrehzahl zu erreichen, werden neben dem Handstart bei Kleinmotoren meist elektrisch betriebene Hilfs-

4 Verbrennungsmotoren

109

motoren (Starter) durch Eingriff eines Ritzels in einen Zahnkranz an der Schwungscheibe zugeschaltet, größere Motoren werden mit gespeicherter Druckluft (15 bis 40 bar) über ein mechanisch oder pneumatisch gesteuertes Anlaßventil im Zylinder angelassen.

4.7 Betriebsverhalten und Kenngrößen 4.7.1

Leistung, Drehmoment und Verbrauch

4.7.1.1 Nutzleistung Sie beträgt für einen Motor mit z Zylindern und einer Arbeitsspielfrequenz na (s. Gl. (4.1)) Pe D We na D zVh we na D M 2   n :

(4.66)

Zahlenwertgleichungen. Mit we in kJ=dm3 , Vh in dm3 und na in 1=s folgt aus Gl. (4.66) die Nutzleistung in kW. Bei Drehzahlangabe in 1=min gilt für einfachwirkende Motoren mit der Taktzahl a Pe D zVh we .n=a 60/ in kW ;

Leistungsangaben. Für Kraftfahrzeugmotoren erfolgen sie nach ISO 1585 (bisher DIN 70 020) für T0 D 298 K, p0 D 1 bar, rel. Feuchte 30 % (entspr. Wasserdampfpartialdruck von 1 kPa), für sonstige Anwendungen nach ISO 3046, Teil 1 (Bezugszustand: T0 D 300 K, p0 D 1;0 bar, rel. Luftfeuchte '0 D 60 %, Kühlwassertemperatur vor Ladeluftkühler Tk D 300 K), wobei je nach Verwendung und Betriebsdauer nach Dauerleistung A mit kurzzeitig zulässiger Überleistung (z. B. für 1 h innerhalb 12 h um 10 % überlastbar), Dauerleistung B bei blockierter Mengenzumessung und Höchstleistung unterschieden wird. Die Leistungsbemessung für Schiffshauptmotoren erfolgt meist nach der MCR (Maximum Continuous Rating), was ungefähr Dauerleistung A jedoch mit abweichendem Bezugszustand entspricht (z. B. T0 D 318 K, p0 D 1 bar, Kühlwassertemperatur vor Ladeluftkühler 305 K, '0 D 60 %). Abweichungen vom vereinbarten Bezugszustand werden durch Korrekturformeln oder entsprechende Vereinbarungen bei der Leistungsbewertung und den Verbrauchsangaben berücksichtigt (s. DIN 70 020 bzw. ISO 1585).

(4.67) 4.7.1.2 Motorkennung Hiermit bezeichnet man den Verlauf des Drehbei Gebrauch des „Nutzdrucks“ pe in bar moments über der Drehzahl. Ebenso wie die (s. Kap. 1) ist Leistung ändert sich das Drehmoment zwischen Leerlauf nL („runder“ Lauf des unbelasteten Pe D zVh pe .n=a 600/ in kW : (4.68) Motors) bzw. einer wegen der strömungsabhängigen Gemischbildungsvorgänge höheren MinDefinition. Die Nutzleistung ist nach DIN 1940 destdrehzahl nmin D n0 bei Volllast und der die Kupplungsleistung, die nach Abzug der für Nenndrehzahl nN als maximale Drehzahl entalle zum Motorbetrieb erforderlichen Hilfsag- sprechend der Leistungsangabe. Die Überdrehgregate aufgewendeten Leistung zur Verfügung zahl (ca. 1,1 bis 1,2 nN ) dient der konstruktisteht (Pumpen für Kraftstoff, Öl, Kühlwasser, ven Auslegung. Drehzahlabhängigkeit des LieZündvorrichtung, Gebläse). Dagegen berücksich- fergrads (vgl. Abschn. 4.3.1), der Reibung, tigen die amerikanischen SAE-Vorschriften diese s. Gl. (4.22), sowie der Gemischbildung und VerVerlustleistungen nicht, die angegebene Motor- brennung bedingen Abweichungen vom idealen leistung ist also höher. Die nutzbare maximale Verlauf M.n/ D const, sodass das maximale MoLeistung ist abhängig vom Verwendungszweck ment Mmax bei einer Zwischendrehzahl nM max und den zu erwartenden Volllastbetriebsstunden. erreicht wird, s. Tab. 4.3 (Orientierungswerte). Gegenüber einem Anteil von ca. 3 bis 5 % an der Der Drehmomentanstieg bei sinkender Drehzahl jährlichen Betriebszeit bei Pkw-Motoren werden bringt im Fahrbetrieb erwünschte „Motorelasvon einem Schiffsmotor ca. 8000 h=a störungs- tizität“ (s. Abb. 4.53). Sind in einem Pe ; nDiagramm die Linien konstanten Moments Nullfreier Volllastbetrieb verlangt.

4

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Tab. 4.3 Nutzbare Drehzahlspanne nN D n0 =nN , Drehmomentlage nM max =nN und Drehmomentanstieg Mmax =MN für Fahrzeugmotoren nN Saug 0,25. . . 0,15 ATL PkwSaug 0,28. . . 0,2 Dieselmotor ATL NfzSaug 0,55. . . 0,3 Dieselmotor ATL

Motorenart PkwOttomotor

nM max =nN Mmax =MN 0,25. . . 0,35 1,25. . . 1,3 1,3 . . . 1,5 0,15. . . 0,4 1,15. . . 1,2 1,3 . . . 1,6 0,15. . . 0,6 1,1 . . . 1,2 1,2 . . . 1,6

Vergleichbarkeit der meist in g=kWh angegebenen Werte setzt gleichen Kraftstoff bzw. Heizwert voraus: Bezugsheizwert nach DIN 6271: Hi D 42 000 kJ=kg, vgl. auch Abschn. 4.4.1.

Zahlenwertgleichung. Für Hi D 42 860  43 000 kJ=kg (Benzin, Dk) und Angabe von be in g=kWh ist e D 84=be bzw. be D 85;7=e für Hi D 42 000 kJ=kg. Für n D const nimmt der spezifische Verbrauch mit sinkender Belastung we wegen relativer Zunahme der mechanischen Verluste zu. Für Fahrzeugmotoren wird der Verbrauch auf die Fahrleistung bezogen und in l=100 km angegeben, in den USA in miles per gallon (10 mpg D O 4;26 km=l D O 23;5 l=100 km). Erstmals besteht hier eine Verbrauchsgesetzgebung mit einem über einen Fahrzyklus gemessenen mittleren Verbrauch, der auf alle verkauften Fahrzeuge eines Herstellers bezogen wird (Flottenverbrauch). Weltweit wird inzwischen die CO2 Emission oder der Verbrauch bezogen auf die neu zugelassenen Fahrzeuge begrenzt. Der Wirkungsgrad (Verbrauch) von großen Dieselmotoren wird auch durch das Verhältnis we =pmax charakterisiert (entspricht dem GleichAbb. 4.46 Kennfeld (Muscheldiagramm) eines 2-l-Pkwraumgrad der Verbrennung); angestrebt wird für Ottomotors für den effektiven, mechanischen und indizieroptimalen Verbrauch ein Verhältnis we =pmax D ten Wirkungsgrad 0;0125 : : : 0;01, .pmax =pe D 8 . . . 9). punktsgeraden, so sind die Linien konstanter Leistung im M, n-Diagramm gleichseitige Hyperbeln, wobei die Hyperbel maximaler Leistung die 4.7.2 Kenngrößen Volllastlinie nicht bei MN tangieren muss. Neben der volumenbezogenen Nutzarbeit we und Kennfelddarstellung. Linien gleichen Wir- der mittleren Kolbengeschwindigkeit cm werkungsgrads e im M, n- bzw. we ; n-Dia- den auch leistungsbezogene Kenngrößen zum gramm zeigen die Wirtschaftlichkeit des Motors, Vergleich der Motoren untereinander verwendet, Abb. 4.46 („Muscheldiagramm“). Die Grenze der Tab. 4.4. maximalen Nutzarbeit bzw. des Moments bei Volllast (MVolllast ) entspricht der Linie maximaler Hubraumleistung. Die auf das Hubvolumen Drosselklappenöffnung bei Otto- bzw. der zuläs- bezogene Leistung („Literleistung“) ist drehzahlsigen Abgastrübung („Rauchgrenze“) oder max. abhängig, Druckbelastung bei Dieselmotoren. (4.70) PV D Pe =zVh D we na ; 4.7.1.3 Verbrauch Statt e wird häufig der spezifische Brennstoffund nur bei gleichem Zylindervolumen bzw. Moverbrauch be verwendet, Abb. 4.47: toren gleicher Größenordnung sinnvoll anwendbe D m P B =Pe D 1=Hi e : (4.69) bar.

4 Verbrennungsmotoren

111

4

Abb. 4.47 Verbrauchskennfeld eines 3-Zylinder Dieselmotors [59]

Kolbenflächenleistung. Für die auf die Kolben- Kennwerte für den Bauaufwand. Hier sind flächen bezogene Leistung gilt die auf die Leistung bezogene Motormasse mM („Leistungsgewicht“) mP D mM =Pe in kg=kW (4.71) üblich, ferner die Bauraumleistung VP D VM =Pe PA D Pe =zAK D we cm =2a : in m3 =kW, wobei das Motorvolumen VM einem 3 2 Mit Angabe in W=mm für we in kJ=dm , cm Quader aus den lichten Motormaßen entspricht. in m=s. Die Kenngröße ist proportional dem Produkt aus spezifischer Arbeit und der Schnellläufigkeit des Motors, ausgedrückt durch die mittlere 4.7.3 Umweltverhalten Kolbengeschwindigkeit cm , beides größenunab4.7.3.1 Abgasemission hängige Werte. Gesundheitsschädigende Bestandteile im Abgas von Verbrennungsmotoren veranlassten den Beispiel Gesetzgeber, zuerst national (USA und z. B. Aufgeladene Großmotoren erreichen z. B. als Deutschland: Bundes-Immissionsschutz-Gesetz Zweitakt-Langsamläufer mit 800 bis 900 mm mit TA-Luft für stationäre Anlagen mit VerbrenBohrungsdurchmesser eine spezifische Kol- nungsmotoren), später übernational (EU) und inbenflächenleistung von PA D 6;8 W=mm2 ternational (ISO 8178) Vorschriften zu erlassen, mit we D 1;7 kJ=dm3 und cm D 8 m=s; in denen Prüfverfahren, Messgeräte und zulässibei einem Otto-Viertakt-Pkw-Hochleistungs- ge Grenzwerte festgelegt sind [23, 38, 41, 42]. motor mit z. B. 162 kW bei 5700 min1 (s=D D 86;4=81; z D 5) ist PA D 1;53  Gesetzliche Grenzwerte (Tab. 4.5–4.7). Sie 16;4=4 D 6;3 W=mm2. J gelten für die gasförmigen Schadstoffe KohlenDiese Kolbenflächenleistungen weisen beide Motoren als Spitzen- oder „High-Tech“-Produkte aus, dagegen nicht die Werte für die volumenspezifische („Liter“-)Leistung von ca. 2 bzw. ca. 70 kW=dm3 . Steigerung von we wie auch cm stößt auf die Grenzen zulässiger mechanischer und thermischer Belastung, s. Abschn. 4.8.1. Heute werden bereits Literleistungen von bis zu 100 kW/l bei PkwDieselmotoren und 140 kW/l bei Pkw-Ottomotoren erreicht.

monoxid CO, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide, summarisch mit HC bzw. NOx bezeichnet. Bei Dieselmotoren ist auch die Abgastrübung sowie die Emission an Staub nach TA-Luft (für Dk entspricht Staub etwa dem Gehalt an trockenem Ruß) bzw. Partikeln PM VO 715/2007/EG limitiert: Diesel-Partikel bestehen überwiegend aus Ruß mit daran angelagerten

112

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Tab. 4.4 Kenngrößen von Verbrennungsmotoren: Sofern kein Bereich angegeben, handelt es sich um Mittelwerte bzw. Orientierungswerte. Die maximale spezifische Arbeit we max entspricht dem maximalen Moment bei nM max (vgl. Tab. 4.3) nN 1=min Kraftrad-Ottomotoren Zweitakt Viertakt Einbaumotoren Otto: Zweitakt Otto: Viertakt Diesel: Viertakt Pkw-Motoren Otto: Saugbetrieb 2V Otto: Saugbetrieb 4V DI Otto: m. Aufladung 2V Otto: m. Aufladung 4V DI Diesel: Saugbetrieb Diesel: m. Auflad. (IDE) Diesel: m. Auflad. (DE) Nfz-Dieselmotoren Saugbetrieb m. Aufladung m. Aufladung u. LLKa Schnelllaufende Hochleistungsdieselmotorena Mittelschnelllaufende Viertaktmotorena Langsamlaufende Zweitaktdieselmotorena Rennmotoren Saugbetrieb mit Aufladung a

D mm

s=D

"

cm m=s

we max m=P e PA kJ=dm3 kg=kW W=mm2

13 17

0,65 1,0

3,5 2

3,8 4,1

0,5 0,8 0,6

3,4 4 9

1,5 1,3 1,1

5500. . . 9000 5000. . . 10500

40 . . . 80 0,8. . . 1,0 40 . . . 100 0,7. . . 1,25

8,6 9,4

3600. . . 7000 3600. . . 6200 2300. . . 3600

40. . . 90 0,7. . . 1,0

8

70. . . 100

0,7. . . 1,3

4600. . . 5200. . . 5000. . . 5000. . . 4200. . . 4200. . . 4000. . .

6600 7000 6800 6800 5000 5000 4500

70. . . 100

0,75. . . 1,1 11 14 0,75. . . 1,1 8 10 0,9. . . 1,1 22 22 0,0. . . 1,1 16. . . 19

14,5 14,5 15 15 13 13 12. . . 14

1,2 1,8 1,4 1,6 0,75 1,1 2,0

1,2 1,3 1,3 1,3 2,6 3,0 1,8

3,2 4,4 5,5 5,5 2,1 3,0 2,8

2000. . . 1800. . . 1800. . . 1000. . .

4000 2800 2800 2000

90. . . 140 90. . . 170 165. . . 280

0,9. . . 1,35 17 0,9. . . 1,35 15 15 1,0. . . 1,35 12

10,2 10 10 10,3

0,8 1,2 1,5 2,3

5,4 4,3 3,8 5,8

1,8 2,4 3,1 5,0

350. . . 750

240. . . 620

1,0. . . 1,5

12

8,7

2,2

13

4,5

58. . . 250

260. . . 900

2,8. . . 3,8

12

8,0

1,8

36

7,2

10 000. . . 19 000 10 000. . . 15 000

70. . . 90 74. . . 90

0,5. . . 0,9 0,5. . . 0,7

14 7

22 15

1,2 4,3

0,4 0,28

80. . . 100 75. . . 100 75. . . 100

19,6

8 8 8,5

5,8 19,4

Mit Abgasturboaufladung und Ladeluftkühlung; 2V, 4V: 2 bzw. 4 Ventile je Zylinder.

anorganischen und organischen Verbindungen, wenn das Abgas mit Luft verdünnt und auf maximal 52 °C abgekühlt wird. Ab 2011/13 (Euro 5b) ist zusätzlich die Anzahl der Partikeln (PN) im Dieselabgas und ab 2014/15 (Euro 6) auch im Abgas von DI-Ottomotoren limitiert [42, 43]. Toxizität. Gemessen an der gesetzlich maximal zulässigen Immissionskonzentration MIK ist die Gefährlichkeit des Stickstoffdioxids NO2 um den Faktor 100 größer als die von Kohlenmonoxid CO. Dabei entsteht im Motor überwiegend NO, das erst an der Luft zu dem hochgiftigen NO2 aufoxidiert. Die Schädlichkeit der geringen Mengen an HC-Verbindungen ist einzeln für sich

genommen sehr unterschiedlich und reicht von geruchsbelästigend bis karzinogen, hervorgerufen durch teiloxidierte Kohlenwasserstoffe, wie Aldehyde und Ketone, bzw. durch polyzyklische Aromaten (PAH), wie z. B. Benzo-a-pyren. Sie machen weniger als 1 ‰ an der Partikelmasse aus. Die potentielle Gefährdung durch Dieselrußpartikel wird in dem PAH-Gehalt und der geringen Größe von meist unter 0,2 µm gesehen. Die Technischen Regeln für Gefahrstoffe TGRS 554 geben für Dieselmotorenemissionen in Arbeitsbereichen deshalb eine Technische Richtkonzentration TRK von 0;1 mg=m3 an. Erwähnt werden sollte aber auch, dass bei jeder Verbrennung von Kohle oder Kohlenwasserstoffen

4 Verbrennungsmotoren

113

Tab. 4.5 Abgasgrenzwerte für Pkw. (Quelle: Umweltbundesamt, www.umweltbundesamt.de/themen/verkehr-laerm/ emissionsstandards/pkw-leichte-nutzfahrzeuge (Stand: August 2016)) Schadstoff in g/km

EURO 2a ab 01.01.1996 01.01.1997 94/12/EG

EURO 3 ab 01.01.2000 01.01.2001 98/69/EG

EURO 4 ab 01.01.2005 01.01.2006 98/69/EG

CO HC+NOx THC NOx Partikelmasse (PM) Partikelzahl (PN) (in Anzahl/km) NMHC CO HC+NOx /THX+NOx (ab Euro 5) NOx Partikelmasse (PM) Partikelzahl (PN) (in Anzahl/km)

2,2 0,5 – – – –

2,3 – 0,2 0,15 – –

1 – 0,1 0,08 – –

EURO 5 ab EURO 6 ab 01.09.2009 01.09.2014 01.01.2011 01.09.2015 VO EG 715/2007b i. V. mit VO EG 692/2008 und VO EG 459/2012 1 1 – – 0,1 0,1 0,06 0,06 c 0,0045 0,0045c 6,0 × 1011 d

– 1 0,7 / 0,9e

– 0,64 0,56

– 0,5 0,3

0,068 0,5 0,23

0,068 0,5 0,17

– 0,08 / 0,17f –

0,5 0,05 –

0,25 0,025 –

0,18 0,0045 6,0 × 1011

0,08 0,0045 6,0 × 1011

Typprüfung Serienprüfung Richtlinie/ Verordnung (VO) Benzin

Diesel

a

Ab Euro 2 werden die Grenzwerte nicht mehr nach Typ/Serie unterschieden Die Verordnungen EG 692/2008 und EG 459/2012 setzen die Verordnung EG 715/2007 um c Die Grenzwerte für die Partikelmasse gelten nur für Fremdzündungsmotoren mit Benzin-Direkteinspritzung d Für Euro-6-Fahrzeuge mit fremdgezündeten Benzin-Direkteinspritzmotoren gilt nach Wahl des Herstellers für neue Typgenehmigungen bis zum 01.09.2017 bzw. für neue Fahrzeuge bis zum 01.09.2018 ein Emissionsgrenzwert für die Partikelzahl von 6,0 × 10E12 Partikel/km. Spätestens zu diesen Zeitpunkten ist ein Typgenehmigungs-Prüfverfahren einzuführen, das die wirksame Begrenzung der Partikelzahl sicherstellt e Bei Fahrzeugen mit direkteinspritzenden Dieselmotoren gilt bis zum 30.09.1999 der Grenzwert von 0,9 g/km f Bei Fahrzeugen mit direkteinspritzenden Dieselmotoren gilt bis zum 30.09.1999 der Grenzwert von 0,10 g/km b

(Hausbrand, Kraftwerk, Ottomotor etc.) PAHs sowie Schwebstaub emittiert werden.

4.7.3.2 Abgase von Ottomotoren

Brennraumform (Oberflächenvolumenverhältnis, Quetschspaltanteil), da im Bereich der „kalten“ Wand die Flamme erlischt und die Verbrennung abbricht. An der gesamten HC-Emission eines Motors bzw. Fahrzeugs sind außerdem die Verdampfungsverluste des Kraftstoffsystems und die Kurbelgehäuseabgase beteiligt und erfordern Maßnahmen wie geschlossene Kurbelhausbelüftung und Kraftstoffsysteme.

Kohlenmonoxid. Es entsteht im Luftmangelgebiet durch unvollkommene Verbrennung, wobei der Reaktionsablauf weitgehend der Wassergasreaktion folgt. Da das wirkliche Kraftstoff-Luftgemisch nicht völlig homogen ist, tritt auch bei Luftüberschuss noch CO auf, Abb. 4.48. Stickoxide. Die Bildung von NO, das an der Atmosphäre zu NO2 oxidiert, ist stark temperaKohlenwasserstoffe. Auf den Gehalt an unver- turabhängig und erreicht deshalb ihre maximabrannten Kohlenwasserstoffen wirkt sich für  < le Konzentration dort, wo örtlich die höchsten 1 die unvollkommene, für  > 1 die mit zuneh- Verbrennungstemperaturen auftreten und ausreimendem Luftgehalt schleppendere Verbrennung chend Sauerstoff vorhanden ist (  1;1). Der aus (Gefahr von Zündaussetzern an der oberen gegensätzliche Einfluss von  auf NOx - und HCZündgrenze); ferner die Motorbelastung und die bzw. CO-Emission lässt eine allseitige Verringe-

4

0,5

0,15

–

0,5

EEV 99/96/EG Stufe c EEV

0,8

EURO V 99/96/EG Stufe B2

ab ab ab – 01.10.2000 01.10.2005 01.10.2008 ab ab ab ab 01.10.2001 01.10.2006 01.10.2009 01.07.2000 Grenzwerte für die ESC- und die ELR-Prüfung 2,1 1,5 1,5 1,5 0,66 0,46 0,46 0,25 – – – 5 3,5 2 2 – – – – – – – – – – – – – – – – 0,10; 0,13e 0,02 0,02 0,02 – – –

EURO IV 99/96/EG Stufe B1

EURO VI EG 582/2011, Anhang XV Diesel-Fzg. ab 31.12.2012 ab 31.12.2013 WHSC 1,5 – 0,13 0,4a – – 10 – 0,01 8,0 × 1011

EURO III 99/96/EG Stufe A

EURO IV 99/96/EG Stufe B1

EURO V 99/96/EG Stufe B2

–

–

–

ab ab ab 01.10.2000 01.10.2005 01.10.2008 ab ab ab 01.10.2001 01.10.2006 01.10.2009 Grenzwerte für die ETC-Prüfung 5,45 4 4 0,78 0,55 0,55 – – – 5 3,5 2 – – – – – – – – – 1,6 1,1 1,1 0,16; 0,21e 0,03 0,03 – –

EURO III 99/96/EG Stufe A

–

3 0,4 – 2 – – – 0,65 0,02 –

ab 01.07.2000

–

EEV 99/96/EG Stufe c EEV

–

EURO VI EG 582/2011, Anhang XV Diesel-Fzg. ab 31.12.2012 ab 31.12.2013 WHTC 4 – 0,16 0,46a – – 10 – 0,01 6,0 × 1011 –

f

4 – – 0,46a 0,5 0,16 10 – 0,01

EURO VI EG 582/2011, Anhang XV Otto-Fzg. ab 31.12.2012 ab 31.12.2013

Ab EURO II Grenzwert für alle Fzg. = Grenzwert für neue Fahrzeugtypen Messungen für EURO I und II erfolgen im 13-Stufen-Test Messungen für EURO III bis VI erfolgen im ESC und ELR-Verfahren bzw. ETC-Test EEV Enhanced Environmentally Friendly Vehicle, ESC European Stationary Cycle, ELR European Load Reponse Test, ETC European Transient Cycle, WHSC World Harmonized Stationary Cycle, WHTC World Harmonized Transient Cycle a Der Wert des zulässigen NO2 -Anteils am NOx -Grenzwert kann zu einem späteren Zeitpunkt festgelegt werden b Gilt nur für Fahrzeuge mit Erdgasmotoren c Gilt bei der ETC-Prüfung nicht für mit Gas betriebene Motoren in den Stufen A, B1 und B2 d Bis zum 31.12.2012 wird eine Messprozedur für die Partikelzahlmessung für Otto- und Diesel-Lkw (Euro VI, WHSC- und WHTC-Zyklen) festgelegt e Für Motoren mit einem Hubraum von unter 0,75 dm3 je Zylinder und einer Nennleistungsdrehzahl von über 3000 U/min f Vor dem 31.12.2012 wird ein Grenzwert für die Partikelzahl eingeführt

In g/kWh CO HC THC NOx CH4 NMHC NH3 (in ppm) Methan Partikelmassec,d Partikelzahld (in Anzahl/kWh) Rauchtrübung

Serienprüfung

Typprüfung

Richtlinie/ Verordnung

Tab. 4.6 Abgasgrenzwerte für Lkw und Busse ab 2610 kg Fahrzeuggewicht. (Quelle: Umweltbundesamt, www.umweltbundesamt.de/verkehr/index.htm)

114 H. Tschöke und K. Mollenhauer

4 Verbrennungsmotoren

115

Tab. 4.7 TA Luft-Schadstoffgrenzwerte für stat. Verbrennungsmotoren größer 1 MWth (für Deponiegas besteht keine Leistungsgrenze) in mg/m3 [42] Staub SO2 Formaldehyd Gesamt-C Chlor, Fluor, Halogene COb,c

NOx c

20a Abhängig vom Kraftstoff, z. B. 350 bei Biogas oder Klärgas Motoren mit sonstigen Brennstoffen außer Biogas Motoren mit Biogas – 3% a) Selbstzündungsmotoren und Fremdzündungsmotoren mit flüssigen Brennstoffen, Selbstzündungsmotoren (Zündstrahlmotoren) und Fremdzündungsmotoren mit gasförmigen Brennstoffen (ausgenommen Bio-, Klärgas oder Grubengas) b) Fremdzündungsmotoren mit Bio- oder Klärgasd c) Fremdzündungsmotoren mit Grubengas a) Selbstzündungsmotoren mit flüssigen Brennstoffen b) Gasbetriebene Selbstzündungsmotoren (Zündstrahlmotoren) und Fremdzündungsmotoren – Zündstrahlmotoren mit Bio- oder Klärgas – Magergasmotoren und andere 4-Takt-Ottomotoren mit Biooder Klärgas – Zündstrahlmotoren und Magergasmotoren mit sonstigen gasförmigen Brennstoffen c) Sonstige 4-Takt-Ottomotoren d) Zweitaktmotoren

60 40

300

4

u00 a D u2 . Für das spezifische entspricht den Verlusten im Laufgitter y00 D j00 Volumen gilt v2 > v1 . und ist nur klein. Der Axialschub kann meistens durch das Axiallager aufgenommen werden. Querschnittsverlauf. Die Strömungsquerschnitte (Abb. 6.28a) würden bei gleicher SchauGegendrall. Der Nachteil des kleinen Gefälles felbreite b in Durchflussrichtung mit dem Radius bei der Reaktionsstufe kann unter weitgehender D/2 abnehmen, also wäre A2 /A1 D D2 b2 /(D1 b1 ).

6 Grundlagen der Strömungsmaschinen

195

Die Meridiankomponente kann auf die Umfangsgeschwindigkeit am Austritt bezogen werden ' 2(2) cm2 /u2 . Der Vergleich dieser Kenngröße mit der von Axialstufen ist aber schlecht, weil die Bezugsgeschwindigkeit u2 klein ist. Deswegen wird die Form vorgezogen ' 1(1) cm1 /u1 . Ihre kleineren Werte lassen sich besser mit Axialstufen vergleichen, weil sich ungefähr gleiche Bezugsgeschwindigkeiten in beiden Stufenarten verwirklichen lassen.

a

6.5.8

b

Abb. 6.28 Radiale Repetierstufe einer Turbine. a Meridianschnitt; b normierte Geschwindigkeitsdreiecke

Damit der Massenstrom bei etwa gleicher Meridian-Komponente durch den Querschnitt 2 fließt, muss nach der Kontinuitätsgleichung (Gl. (6.2)) b2 > b1 sein, b2 =b1 D v2 D1 cm1 =.v1 D2 cm2 /:

(6.64)

Die Radbreite am Eintritt b1 muss also klein gewählt werden.

Kenngrößen-Bereiche für Turbinenstufen

Für Turbinenstufen ist aus den analogen Gründen wie für Verdichterstufen (s. Abschn. 6.5.6) der Enthalpieabbau und damit der Arbeitsumsatz in Radialstufen größer als in Axialstufen. Das auf die Umfangsgeschwindigkeit am Eintritt bezogene Durchfluss-Geschwindigkeits-Verhältnis für Radialstufen ist kleiner als das übliche auf die Umfangsgeschwindigkeit am Austritt bezogene Durchfluss-Geschwindigkeits-Verhältnis für Axialstufen (s. Abschn. 6.5.7). Die für verschiedene Radial- und Axialturbinenstufen üblichen Anwendungsbereiche s. Abb. 6.29. Gegenüber den Verdichterstufen

Bezugsgröße für Enthalpie- und DurchflussKenngröße. Mit u1 /u2 > 1 ist bei etwa gleichem relativem Eintrittswinkel (Abb. 6.28b) in das Laufgitter ˇ 1 die absolute Eintrittsgeschwindigkeit stärker zur Umfangsgeschwindigkeit geneigt als bei der Axialstufe; deshalb ist die UmfangsKomponente cu1 /u2 größer. Wird die EnthalpieKenngröße wieder auf die Umfangsgeschwindigkeit am Austritt aus dem Laufrad bezogen, so ist nach Gl. (6.49) hT.2/ =2 D hT =u22 D cu1 u1 =u22 ; sie wird durch den Bezug auf das Quadrat der kleineren Umfangsgeschwindigkeit besonders groß. Oft wird für Radialstufen auch die größere Umfangsgeschwindigkeit u1 als Bezugsgröße gewählt; denn sie ist mit Rücksicht auf die Festigkeit des Rads begrenzt. Dann ist die Enthalpie-Kenngröße hT.1/ =2 D hT =u21 D cu1 =u1 . Sie hat dann einen kleineren Wert als |cu1 /u2 |, ist aber je nach Durchmesserverhältnis immer noch Abb. 6.29 Bereiche der Enthalpie ( h )- und Durchgrößer als für eine Axialstufe. fluss (')-Kenngrößen für Radial- und Axialturbinenstufen

6

196

J. Seume und R. Mailach

(Abb. 6.25) werden bei ungefähr gleichen Durchfluss-Geschwindigkeits-Verhältnissen in Turbinenstufen doppelt so große Enthalpie-Kenngrößen erreicht, da sich eine beschleunigte Strömung bei gutem Wirkungsgrad stärker umlenken lässt als eine verzögerte. In Abb. 6.29 sind auch die Bereiche für die üblichen Wasserturbinenbauarten angegeben: eina b strahlig beaufschlagte Pelton-, Francis- und KaAbb. 6.30 Zustandsänderung in der Maschine. a Zweiplanturbine. stufiger Verdichter; b zweistufige Turbine

Die Dissipation in den Gehäusen (Index G) folgt aus Gl. (6.16) bei Vernachlässigung der Änderung der potentiellen Energien gzG D 0  2  ca ce2 jG D hG  yG D    yG : 2 2

6.6 Maschine 6.6.1 Beschaufelung, Ein- und Austrittsgehäuse

Beschaufelung. Ihr muss das Arbeitsfluid von Bei kleinen Dichteänderungen gilt yG Š einem Maschinenflansch in einem EintrittsgehäuN ca2 =2 Š .pa t  pa /=N und ce2 =2 Š .p a  pe / =, se zugeführt werden, z. B. Abb. 6.6. Dahinter fließt es im Austrittsgehäuse zum anderen Ma- .pe t  pe /=N (mit t für den Totalzustand). Dann schinenflansch, wobei noch möglichst viel kine- folgt tische Energie in Druck umgesetzt wird. pa t  pe t pt G D ; jG Š  N N Ein- und Austrittsgehäuse. Hier wird kei1 1 pt G sG Š  jG D   ne Arbeit zu- oder abgeführt; der WärmeausT T N tausch mit der Umgebung ist vernachlässigbar, und pG D N  hG C pt G : (6.66) wenn entweder die Temperaturdifferenzen klein, oder die Gehäuse ausreichend isoliert sind. Nach Entsprechend gilt dann auch dem Energieerhaltungssatz (Gl. (6.13)) bleibt die sM D ˙si C ˙sG ; Totalenthalpie beim Durchströmen der Gehäuse gleich; jedoch ändern sich die Enthalpien und alpM D ˙pi C ˙pG und le anderen Zustandsgrößen: y D ˙y C ˙y Š y ; (6.67) ˙M

 ha  he D  ca2  ce2 =2  g .za  ze / :

D ˙hi C ˙hG :

G

M

wobei durch y†M angedeutet wird (s. Abschn. 6.5.1), dass als Integrationsweg die Aneinanderreihung der einzelnen Zustandsänderungen gewählt wurde. Dieser Weg kann näherungsweise als yM für eine Polytrope durch Ein- und Austrittszustand ersetzt werden.

In Eintrittsgehäusen sinkt die Enthalpie bei zunehmender und steigt in Austrittsgehäusen bei abnehmender kinetischer Energie. In der gesamten Enthalpieänderung der Maschine sind die Gehäuse durch hE und hA (mit E für Ein- und A für Austrittsgehäuse) und die Stufen durch †hi 6.6.2 (mit i D I, II. . . ) zu berücksichtigen (Abb. 6.30) hM D ˙hi C hE C hA

i

Maschinenkenngrößen

Sie sind analog zu den Stufen-Kenngrößen definiert, aber auf andere Durchfluss- und Umfangs(6.65) Geschwindigkeiten bezogen, um dafür nur ein

6 Grundlagen der Strömungsmaschinen

197

Längenmaß und ein Maß für die Drehbewegung Momenten-Kenngröße. zu verwenden. Da sich streng genommen alle 1 hM DB hM Kenngrößen nur auf geometrisch ähnliche MaM D D  'M 2 nVP schinen übertragen lassen, genügen die beiden hM m P DB DB Bezugsgrößen, wenn sie nur in gleicher Art für D DM :  2 die ganze Familie verwendet werden. ! VP VP 2

(6.75)

Bezugsgrößen. Für die Länge ist es der größte Reibungseinfluss. Die neben Turbulenzgrad Durchmesser DB des Rotors (des Laufgitters), für und Oberflächenbeschaffenheit maßgebende die Drehbewegung die Umfangsgeschwindigkeit Reynoldszahl wird mit der Umfangsgeschwindigkeit (Gl. (6.68)) definiert uB D  nDB : (6.68) (6.76) ReM D uB DB = : Für die fiktive Durchfluss-Geschwindigkeit wird der Volumenstrom VP D m= P auf den ge- Kompressibilitätseinfluss. Die Machzahl samten Querschnitt DB2 =4 bezogen: wird ebenfalls mit der Umfangsgeschwindigkeit  cD D 4VP = DB2 :

(6.69)

Enthalpie-Kenngröße. Mit der Enthalpiedifferenz für die Maschine hM (Gl. (6.65)) und der Umfangsgeschwindigkeit (Gl. (6.68)) ergibt sich D

(Gl. (6.68)) gebildet MaM D uB =cs :

(6.77)

Sie und die Eigenschaften des Fluids sind die Einflussgrößen der Kompressibilität.

hM 2hM D 2 2 2: u2B =2  n DB

(6.70) Ähnlichkeitsbedingungen. Analog zu den Kenngrößen für Gitter gilt auch für die MaschiDruck-Kenngröße. Die Strömungsarbeit yM nenkenngrößen (Gl. (6.67)) wird ebenso bezogen h M D h M .M ; ReM ; Tu; MaM ; yM 2yM k; ˛; ˇ; geom. Größenverh./: (6.71) D 2 2 2: yM D 2 uB =2  n DB hM

Von den gleichen Kenngrößen hängen auch Wirkungsgrad. Für einen Verdichter bzw. eine  yM , M , M , und  M ab. Turbine gilt: M V D yM =hM D

y M=

hM

M T D hM =yM D

h M=

y M:

; (6.72)

Mit den verschiedenen Maschinenbauarten lassen sich jeweils nur bestimmte Bereiche der Kenngrößen erreichen. Zur Auswahl der zweckmäßigen Bauart werden die Kenngrößen folgendermaßen umgeformt. In den Kenngrößen  yM (Gl. (6.71)) und ' M (Gl. (6.73)) kommen jeweils (6.73) beide noch unbekannten Größen D und n vor, B die die Maschine charakterisieren, während nur jeweils eine der beiden Größen yM und VP enthalten ist, die durch die Aufgabe vorgegeben sind. Zur Wahl der Bauweise wäre es einfacher, (6.74) je eine Kenngröße für die beiden Unbekannten

Durchfluss-Kenngröße. Sie ist das Verhältnis der fiktiven Durchflussgeschwindigkeit (Gl. (6.69)) zur Umfangsgeschwindigkeit (Gl. (6.68)) 'M D

cD 4VP D 2 3: uB  nDB

Schluck-Kenngröße. 'M M D p yM

D

4VP : p DB2 2yM

6.6.3 Wahl der Bauweise

6

198

J. Seume und R. Mailach

Abb. 6.31 Durchmesser-Kenngröße ı M in Funktion der spezifischen Drehzahl  M für einstufige Turbomaschinen (Cordier-Diagramm)

Spezifischer Durchmesser. Das Potenzprodukt 2  yM /'M gemäß den Gln. (6.71) und (6.73) enthält die Drehzahl nicht; daraus ist die vierte Wurzel zu ziehen, um den Bezugsdurchmesser DB in der ersten Potenz stehen zu lassen ˇ ˇ  1=4 ˇ y M ˇ1=4 DB jyM j1=4  2 ıM D D p : 8 j'M j1=2 VP Spezifische Drehzahl. Die Forderung, es sol(6.79) le nur n nicht aber DB vorkommen, würde mit den Gln. (6.71) und (6.73) das Potenzprodukt ˇ ˇ3=2 Cordier-Diagramm. Für einstufige Verdichter erfüllen; soll die Drehzahl in der 'M = ˇ y M ˇ und Turbinen lassen sich  M und ı M eindeuersten Potenz enthalten sein, so ist aus diesem tig einander zuordnen (Abb. 6.31); dazu dürfen Verhältnis die Wurzel zu ziehen: nur Maschinen mit den unter den jeweiligen p Verhältnissen besten aus Rechnung oder Mesn VP  2 1=4 j'M j1=2 M D ˇ : (6.78) sung erreichbaren Wirkungsgraden herangezo2 ˇ D ˇ y M ˇ3=4 jyM j3=4 gen werden, Optimalpunkte in den Abb. 6.25 n und DB zu haben, wobei in jeder die durch die Aufgabe gegebenen Größen yM und VP vorkommen können. Deswegen werden die beiden Kenngrößen  y M und ' M durch zwei aus ihnen zweckmäßig gebildeten Potenzprodukten ersetzt.

6 Grundlagen der Strömungsmaschinen

199

und 6.29. Ist neben dem Volumenstrom VP und der Strömungsarbeit y eine der beiden Größen n oder DB vorgegeben, so lässt sich eine der beiden Kenngrößen berechnen, die andere folgt aus Abb. 6.31 und damit die andere Auslegungsgröa b ße [14]. Zusätzlich sind Netze mit Linien konstan- Abb. 6.32 Einfache Pumpenanlage. a Schaltbild; ter Druck-  yM und Durchfluss-Kenngröße ' M b Kennlinie eingetragen. Außerdem sind den einzelnen Bereichen von  M oder ı M bestimmte Bauweisen (axial, diagonal, radial) zugeordnet, mit denen ein guter Wirkungsgrad zu erzielen ist. Mehrstufige Maschinen. Hier sind keine so a b einfachen Zusammenhänge zu finden, da hier die Stufenzahl als zusätzlicher Parameter hinzutritt; durch Hintereinanderreihung mehrerer Stu- Abb. 6.33 Pumpenanlage mit geodätischem Höhenunterschied. a Schaltbild; b Kennlinie fen lassen sich die für die Stufen und die Gehäuse aufsummierten Strömungsarbeiten für alle Baugilt: weisen in einem weiten Bereich ändern. Nur bei Umrechnung vielstufiger Maschinen in einstufige yA D yM I yA D y M ; lassen sich diese in den gleichen Zusammenhang (6.80) VPA D VPM I 'A D 'M einordnen. Hierbei spielen die Zustandsänderungen in den Gehäusen bei Maschinen mit sehr Der Betriebspunkt ergibt sich deshalb als vielen Stufen nur eine untergeordnete Rolle. Schnittpunkt der Maschinen- und Anlagenkennlinie. Durch diesen Betriebspunkt und dessen Variation bei geänderten Anforderungen der Anlage 6.7 Betriebsverhalten und werden Bauart, Leistung, Abmessungen und BeRegelmöglichkeiten triebsverhalten der Strömungsmaschine grundlegend bestimmt. 6.7.1 Zusammenwirken von Die in einer Strömungsmaschine zwischen Strömungsmaschine und Anlage der Beschaufelung und dem Fluid übertragene Energie wird beim Durchströmen der Anlage Fluidseitig sind Strömungsmaschinen stets mit verbraucht für den Ausgleich der Strömungsvereiner Anlage bzw. einem Verbraucher gekoppelt. luste (hydrodynamischer Anteil), die Änderung Zur Anlage gehören alle vom Fluid durchström- der potentiellen Energie der Teilchen (hydrostaten Anlagenteile, unabhängig davon, ob diese vor tischer Anteil) sowie die Überwindung von AnEintritt oder nach Austritt der Strömungsmaschi- lagendruckdifferenzen (z. B. bei Förderung in eine angeordnet sind. nen druckbeaufschlagten Behälter). Folgend sind Das Zusammenwirken von Strömungsmaschi- die y -'-Kennlinien für Maschine und Anlage ne und Anlage wird durch die Koppelungsbe- anhand von 2 Beispielen dargestellt. dingungen bestimmt, d. h. einige Betriebskenngrößen sind ihnen gemeinsam. Für BeharrungsBeispiel zustände müssen deshalb an den Trennstellen Einfache Anlage, deren Durchströmung mit zwischen Maschine und Anlage e und a gleiche einer Pumpe realisiert wird (Abb. 6.32). Zustände und Fluidströme vorliegen (Abb. 6.32 Wenn keine geodätischen Höhenunterschiede und 6.33). Mit Hinblick auf Gl. (6.71) und (6.73)

6

200

J. Seume und R. Mailach

und keine Anlagendruckdifferenzen vorhanden sind, dann ist die Pumpe lediglich für die Überwindung der Strömungsverluste der Anlage verantwortlich. Entsprechend gelten dann folgende Zusammenhänge für die Anlage: yA  VNPA2 I

J

yA

 'NA2

(6.81)

Am Schnittpunkt der Anlagen- und Pumpenkennlinie (A und M) stellt sich dann entsprechend Gl. (6.80) der gemeinsame Betriebspunkt ein (Abb. 6.32b). Beispiel

Eine Pumpe soll Wasser von einem Behälter durch eine Rohrleitung in einen an größerer geodätischer Höhe befindlichen Behälter fördern (Abb. 6.33). Die Füllstande der Behälter sind als konstant vorausgesetzt. Durch die Pumpe muss zunächst die hydrostatische Druckdifferenz überwunden werden, bevor die Förderung des Fluids überhaupt möglich ist. Zusätzlich muss der Druckaufbau für die Überwindung des Reibungswiderstandes der Rohrleitung erfolgen. Damit ergeben sich die in Abb. 6.33b qualitativ dargestellte Anlagenkennlinie und der gemeinsame Betriebspunkt von Maschine und Anlage. J

6.7.2

Regelung von Strömungsmaschinen

Mit geänderten Anforderungen seitens der Anlage ergibt sich für diese auch eine neue Kennlinie. Wenn die Strömungsmaschine bei konstanter Drehzahl und auch sonst ungeänderten Bedingungen betrieben wird, verschiebt sich dadurch der gemeinsame Betriebspunkt als Schnittpunkt von Anlagen- und Maschinenkennlinie. Um geänderten Anforderungen der Anlage in der Praxis Rechnung zu tragen, ist eine Regelung von Strömungsmaschinen oftmals unumgänglich.

Saugdruck üblich. Als Stellgrößen werden u. a. die Drehzahl, die Stellung von Leitschaufeln, von Drosselklappen und Bypassventilen verwendet. Drehzahländerung: Durch eine Drehzahlvariation ändert sich der Volumenstrom VP bzw. die Durchflusskenngröße ' der Maschine etwa linear. Währenddessen ändern sich die Druckänderungsarbeit y bzw. die Druckkenngröße y näherungsweise quadratisch mit der Drehzahl. Ein Vorteil besteht darin, dass am Verdichter selbst keine besonderen Anpassungen notwendig sind, da die Drehzahländerung durch die zugehörige Antriebsmaschine realisiert wird. Für diese Regelungsvariante ist eine Anpassung des Betriebszustandes bei hohen Teillastwirkungsgraden möglich. Leitschaufelverstellung: Bei dieser Regelungsvariante wird geänderten Lastbedingungen dadurch Rechnung getragen, dass durch die Verstellung einer oder mehrerer Schaufelreihen der Durchströmquerschnitt des Gitters, die Zuströmbedingungen des nachfolgenden Schaufelgitters sowie der Drall geändert werden. Mit der Dralländerung geht auch eine Änderung der Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit cu einher, die entsprechend der Eulerschen Turbomaschinengleichung (Gl. 6.5) auch eine Änderung der spezifischen Laufradarbeit bzw. des Leistungsumsatzes bewirkt. Ein Nachteil der Leitschaufelverstellung besteht im erhöhten konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand. Drosselregelung: Eine weitere Möglichkeit der Anpassung der Maschinenkennlinie besteht durch die Anordnung eines Drosselorgans, vorzugsweise am Verdichtereintritt (Saugdrossel). Durch eine Saugdrosselregelung kann bei konstanter Drehzahl und definiertem Eintrittszustand des Verdichters ein gewünschter Austrittsdruck des Verdichters pA eingestellt werden. Ein Vorteil besteht in niedrigen Investitionskosten, nachteilig sind vergleichsweise niedrige Wirkungsgrade. Für eine detailliertere Diskussion der Regelung von Verdichtern wird auf Abschn. 12.4 verwiesen.

Turbinen. Regelgrößen sind Fluidstrom, ZuVerdichter. Bei Verdichtern sind als Regelgrö- stand vor der Turbine, Gegendruck und Drehßen der Volumenstrom, der Gegendruck und der zahl, soweit diese nicht durch die angetriebene

6 Grundlagen der Strömungsmaschinen

Arbeitsmaschine, z. B. Synchrongenerator, festgelegt ist. Gleitdruck-Betrieb: da Turbinen ohne Eingriffe näherungsweise bei konstanter Schluckkennp größe nach Gl. (6.74) VP  yM arbeiten, besteht die Möglichkeit, mit der Anlage den Druck zu erzeugen, der dem gewünschten Volumenstrom entspricht (z. B. Gleitdruckverfahren bei Dampfturbinen). Temperatur-Verfahren: die von der Turbine geforderte Leistung wird über die Temperatur am Turbineneintritt bestimmt (Beispiel Gasturbine). Das Druckverhältnis von Turbine und Verdichter der Gasturbinenanlage ändern sich dabei entsprechend der Maschinencharakteristiken. Düsengruppen-Verfahren: es wird der dem Fluid im ersten Leitkranz zur Verfügung gestellte Querschnitt dadurch geändert, dass ein Teil der parallelen Zuflüsse abgesperrt wird (Teilbeaufschlagung). Dabei sinkt der Druck nach der Regelstufe, weil die nachfolgende vollbeaufschlagte Beschaufelungsgruppe ihrer Charakteristik entsprechend bei kleinerem Durchfluss auch nur ein kleineres Gefälle verarbeiten kann.

6.7.3 Kennfeld und Betriebsverhalten von Verdichtern Eine Strömungsmaschine wird für einen bestimmten Betriebspunkt ausgelegt (Auslegungspunkt AP). Bei geänderten Anforderungen durch eine Anlage und die Regelung der Maschine ergibt sich eine Variation des Betriebspunktes, der im Kennfeld dargestellt werden kann. In Abb. 6.34 ist ein typisches Kennfeld eines drehzahlgeregelten Axialverdichters dargestellt. Aufgetragen ist das Druckverhältnis des Verdichters über dem Volumenstrom. Eingezeichnet sind Linien konstanter Drehzahl, Linien konstanter Wirkungsgrade (sogenannte Muschelkurven), die Betriebsgrenzen (Schluckgrenze SG, Pumpgrenze PG) und eine exemplarische Anlagenkennlinie (AKL). Alternativ können für die Kennfelddarstellung bezogene oder dimensionslose Kenngrößen verwendet werden. Für konstante Verdichterdrehzahl ergibt sich bei Verschiebung der Anlagenkennlinie eine ein-

201 pa / p e

AKL

PG

η =konst.

PGA

n=konst. AP

SG

.

V

Abb. 6.34 Kennfeld eines drehzahlgeregelten Axialverdichters

zelne Kennlinie, durch Variation der Drehzahl das Kennfeld. Bei Steigerung der Drehzahl werden bei ungeänderter Anlagenkennlinie ein höheres Druckverhältnis und ein höherer Durchsatz erreicht. Verschiebt sich hingegen die Anlagenkennlinie bei konstanter Drehzahl, ergibt sich ein neuer Betriebspunkt auf der Drehzahllinie. Der stationäre Betriebsbereich eines Verdichters wird durch dessen Betriebsgrenzen limitiert. Die Schluckgrenze ergibt sich durch den maximal möglichen Massendurchsatz bei der jeweiligen Drehzahl. Die Pumpgrenze stellt hingegen die Betriebsgrenze bei minimalem Durchsatz dar. Verschiebt sich der Betriebspunkt eines Verdichters bei konstanter Drehzahl mit steigendem Austrittsdruck zu kleinerem Volumenstrom, so wird der relative Zuströmwinkel ˇ 1 zu den einzelnen Schaufelreihen immer größer. Die Strömung wird dann von den Gittern stärker umgelenkt und die aerodynamische Belastung steigt. Schließlich löst die Strömung von einzelnen Schaufeln ab. Die zunächst lokale Strömungsablösung läuft in Umfangsrichtung um und breitet sich innerhalb weniger Umdrehungen des Verdichters auf einen Teil der Beschaufelung des Schaufelkranzes aus. Damit bildet sich eine Ablösezelle, die mit einer Geschwindigkeit von ca. 30–50 % der Drehgeschwindigkeit des Rotors umläuft. Dieses Phänomen wird als rotierende Ablösung (engl.: rotating stall) bezeichnet. Innerhalb der Ablösezelle ist der Durchsatz geringer bzw. es können Rückströmungen auftreten. Der Verdichter fördert bei rotierender Ablösung noch stetig, allerdings mit

6

202

vergleichsweise geringem Druckaufbau. In Abhängigkeit der Randbedingungen (z. B. Geometrie und Drehzahl des Verdichters, Luftvolumen der Anlage nach Verdichteraustritt) kann weiterhin Pumpen (engl.: surge) des Verdichters auftreten, das durch eine periodische Oszillation des Massenstroms am gesamten Umfang gekennzeichnet ist. Bei starker Ausprägung kann ein periodischer Wechsel zwischen Vor- und Rückströmung im gesamten Verdichter auftreten [15]. Durch rotierende Ablösung und Pumpen werden Schwingungen der Beschaufelung und Maschinenkomponenten angeregt, die zu Schäden und im Extremfall zur Zerstörung der Maschine führen können. Deren Auftreten ist deshalb definitiv zu vermeiden, weshalb beim Betrieb von Verdichtern ein genügend großer Abstand zwischen Betriebspunkt und Pumpgrenze eingehalten wird: Pumpgrenzabstand PGA, Abb. 6.34 (engl.: surge margin).

J. Seume und R. Mailach

Zentrifugalkräfte. Sie wirken in allen drehenden Teilen in radialer Richtung. Dabei kommt es nicht nur auf die Masseverteilung des Rotorkörpers, sondern auch auf die an ihm befestigten Schaufeln, Deckplatten, -bänder, -scheiben, Dämpfungs- und Bindeelemente zwischen den Schaufeln an.

Strömungskräfte. Die senkrecht auf jedem Oberflächenelement der Schaufeln stehenden Druckkräfte und die wesentlich kleineren in Strömungsrichtung an der Oberfläche wirkenden Schubkräfte ergeben eine resultierende Schaufelkraft, die auch als Reaktion auf die Umlenkung der Strömung aufgefasst werden kann. Sowohl Lauf- wie auch Leitschaufeln werden durch sie beansprucht, wenn auch nur die Umfangskomponente der an den Laufschaufeln wirkenden Strömungskraft zur Umwandlung von oder in mechanische Arbeit beiträgt. Schaufelkräfte und -momente müssen vom die Schaufeln aufnehmenden Schaufelträger bzw. 6.8 Beanspruchung und Festigkeit Rotor übertragen werden. Die Strömungskräfte der wichtigsten Bauteile wirken nicht nur stationär, sondern enthalten periodisch sich ändernde Anteile; dadurch können Mechanische Lasten in Strömungsmaschinen. Schaufeln zu Schwingungen erregt werden. Strömungsmaschinen wandeln kinetische Energie des strömenden Arbeitsmediums in Rotorarbeit um (Turbine – umgekehrt für Verdichter Druckkräfte. Auch andere Bauteile werden und Pumpen), indem an der Rotorbeschaufelung durch Kräfte als Folge ungleicher Drücke, die auf Druckkräfte wirken, die auf den Rotor ein Dreh- ihre Oberfläche wirken, beansprucht. Solche tremoment ausüben. Aus dieser Funktionsweise fol- ten z. B. bei Gehäusen durch den Innendruck des gen unmittelbar die allen Strömungsmaschinen Arbeitsfluids und den atmosphärischen Außengemeinsamen wesentlichen mechanischen Belas- druck auf; aber auch infolge der Druckänderung des Arbeitsfluids in der Maschine werden auf Rotungen: tor und Gehäuse Kräfte ausgeübt. Umfangskräfte, die die Beschaufelung auf Biegung beanspruchen, und den Rotor tordieren Instationär wechselnde Kräfte an der Beschaufelung Fliehkräfte an den Rotorkomponenten (Laufrad), häufig bestehend aus Welle, Scheibe und Schaufel

Gewichts-, statische und dynamische Stützkräfte. Die infolge des Eigengewichts auftretenden Kräfte müssen für das Gehäuse über Abstützungen und für den Rotor über Lager und deren Abstützungen in das Fundament geleitet werden. Durch die Abstützungen des Gehäuses ist auch das auf die Leitschaufeln ausgeübte Drehmoment aufzunehmen. Von den Lagern Die Bauteile von Strömungsmaschinen wer- werden nicht nur die Kräfte infolge des Rotorden durch folgende äußere Kräfte und innere gewichts, sondern auch die dynamischen Kräfte Spannungen beansprucht: z. B. infolge von Restunwuchten, thermischen

6 Grundlagen der Strömungsmaschinen

203

Bei aufgezogenen Scheiben herrschen am inneren Rand die dort aufgebrachten Schrumpfspannungen. Bei ungelochten Scheiben gehen im Zentrum Radial- und Tangentialspannungen ineinander über. Nach dem Querschnittsverlauf Thermische Beanspruchung. Mit der Tem- lassen sich folgende Spezialfälle unterscheiden: peratur des Arbeitsfluids wird in thermischen Maschinen auch die Temperatur der Bauteile Scheibe gleicher Dicke. In diesem Fall ist angehoben. Dadurch werden nicht nur die Fes- dy/dr D 0, tigkeitseigenschaften der Werkstoffe beeinflusst, r2 r2  r2 sondern bei ungleicher Temperaturverteilung tre.ra  ri / r D ra  i2 a2 ten innere thermische Spannungen auf. r ra  ri2    r2 3C ri2 1 2 C 1  2 u2a ; Spannungen. Welche Spannungen im Bauteil 8 ra r durch die aufgezählten Beanspruchungen hervor2 2 2 r r Cr gerufen werden, hängt von ihrer Form und ihrer .ra  ri / t D ra C i2 a2 r ra  ri2 Lage zur beanspruchenden Kraft, von ihrer Tem3C peraturverteilung und auch von den WerkstoffC eigenschaften ab. Ihre Berechnung erfolgt nach 8   Bd. 1, Abschn. 19.1 und Bd. 1, Kap. 21. Hier seiri2 ri2 1 C 3 r 2  1C 2 C 2  u2a : en nur die Zusammenhänge für einige typische ra r 3 C  ra2 Formen von Strömungsmaschinen-Bauteilen zu(6.84) sammengestellt. Hierin bedeuten ra Außenradius der Scheibe, ri Innenradius der Scheibe,  ra Radialspannung am Außenrand der Scheibe,  ri Radialspannung 6.8.1 Rotierende Scheibe, rotierender am Innenrand der Scheibe,  QuerkontraktionsZylinder verhältnis. In der gelochten Scheibe ist die Spannung am In einer rotierenden Scheibe (s. Bd. 1, Lochrand am größten, in der ungelochten Scheibe Abschn. 24.3.2) herrscht ein ebener Spannungs- (ri D 0) erreicht sie im Zentrum (r D 0) ihr Maxizustand, wenn ihre Dicke überall so gering ist, mum. Hier sind Normal- und Tangentialspannung dass sich keine Spannungen in axialer Richtung einander gleich. t D r D ra C 3C u2a . 8 ausbilden können. Radial-  r und TangentialSie ist wesentlich kleiner als die Tangentispannungen  t folgen der Differentialgleichung alspannung am Lochrand einer gelochten, aber sonst gleichen Scheibe. r dy d r 2 Ein beschaufelter Kranz überträgt auf eine r Cr Cr t C.r!/ D 0 ; (6.82) dr y dr Scheibe eine Radialspannung, die nach Gl. (6.84) wobei r der Radius des betrachteten Elements auch eine Erhöhung der Tangentialspannung am und y die Breite der Scheibe an dieser Stelle Rand zur Folge hat. Die Anschlussbedingung für ist. Bei elastischem Verhalten des Werkstoffs gilt den Kranz auf der Scheibe [2] lautet Verkrümmungen oder infolge anderer dynamischer Erregungen übertragen. Die Abstützungen der Lager werden zusätzlich durch das Lagerreibungsmoment belastet.

  auch die Differentialgleichung ˙ Fs rK aK u2K C t a D   ra 2 ˛aK ˛aK dt dr      C .1 C / .t  r / D 0: r y rK ya dr dr a C  1   ra : (6.85) (6.83) yk ˛aK Dabei ist  das Querkontraktionsverhältnis. Darin bedeuten für den Kranz rK SchwerAls Randbedingung am äußeren Umfang ist die Scheibe durch den Schaufelkranz belastet. punktradius, uK Umfangsgeschwindigkeit im

6

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J. Seume und R. Mailach

3.5). Die Gln. (6.84) gelten auch für rotierende Zylinder, wenn darin die Koeffizienten (3 + )/8 durch [3 + /(1  )]/8 und (1 + 3)/(3 + ) durch (1 + 2)/(32) ersetzt werden [2]. Die Axialspannung  z folgt aus

Abb. 6.35 Fliehkraftbeanspruchung durch Radkranz. aK Querschnitt mit Schaufelfüßen und Zwischenstücken, r K Schwerpunktradius, yK Kranzbreite, Fs Fliehkraft der Schaufelblätter

z D    .t C r / 

2 ra2  ri2

Z

 .t C r / r dn :

Hohlzylinder (Trommel). Hier ist die Radialspannung an der freien inneren Begrenzung  ri D 0.

Schwerpunkt, aK Querschnitt mit Schaufelfüßen und Zwischenstücken, ˛ Querschnittsanteil, der Umfangsspannungen überträgt und yK Breite. F s Vollzylinder. In seinem Zentrum ist wieder ist die Radialkraft der Schaufelblätter, Abb. 6.35.  r D  t . Zusätzlich durch äußere Axialkräfte eingeleitete Axialspannungen dürfen überlagert werScheibe gleicher Festigkeit. Zur opti- den.

malen Werkstoffausnutzung wird gefordert:  r D  t D  D const. (s. Bd. 1, Abschn. 24.3.3). Fertigung, Qualitätssicherung und Montage Aus Gl. (6.82) folgt damit für die Scheibenkontur der Rotorkomponenten – Rotoren werden entweder aus monolithischen Schmiedeteilen ge   y D ya exp ! 2 ra2  r 2 = .2 / : (6.86) fertigt oder aus Scheiben durch Formschluss (axiale Verzahnung, radiale Stifte), durch ReibKegelige Scheibe. Für ihre Kontur gilt: schluss (unter axialer Vorspannung durch Zugany D y0 (1  r/R). Hierin ist R Radius der (geloch- ker) oder durch Materialschluss (Verschweißen ten) Kegelspitze; y0 (gedachte) Scheibendicke für der Scheiben) aufgebaut. Fertigungsbedingt entr D 0. Für den praktischen Gebrauch werden hier halten diese mechanisch hoch belasteten Schmiedie Kurventafeln in [2] empfohlen. destücke Ungänzen, so dass sie zerstörungsfrei geprüft werden können (Ultraschall, Röntgen) Scheiben mit beliebigem Querschnittsverlauf. und anhand der kleinsten detektierbaren FehJeder Querschnittsverlauf lässt sich durch Auftei- ler ein bruchmechanischer, rechnerischer Festiglen der Scheibe in kegelige Ringe beliebig genau keitsnachweis der Zeitfestigkeit geführt wird. annähern. Der Spannungsverlauf in den einzelBei einer Vollscheibe tritt die maximale Ranen Teilringen ist mit den vorgenannten Tafeln dial- und Tangentialspannung im Kern auf. Bei mit genügender Genauigkeit zu bestimmen. einer gebohrten Scheibe verschwindet die Radialspannung an der Bohrung, während die TangentiRotierende Zylinder. Sie sind aus Scheiben alspannung an der Bohrung den maximalen Wert gleicher Dicke zusammengesetzt zu denken. Nur erreicht, der die doppelte Tangentialspannung im sind hier die für Scheiben vernachlässigbaren Kern der Vollscheibe ist. Axialspannungen zu berücksichtigen; denn bei Die de Laval’sche (Voll-)Scheibe gleicher Fesgrößerer Länge des Zylinders erzeugen die ra- tigkeit erreicht durch einen geeigneten Verlauf dialen und tangentialen Spannungen über die der Breite über dem Radius eine radial gleichQuerkontraktion auch axiale Spannungen. Diese förmige Festigkeit mit breitem Ballen und gerinhängen ohne eine von außen eingeleitete Axial- gerer Dicke am Außendurchmesser. In der Prakraft nur von den beiden anderen Normalspan- xis werden in Axialmaschinen zumeist gebohrte nungskomponenten ab (s. Bd. 1, Abschn. 24. Scheiben mit breitem Ballen eingesetzt.

6 Grundlagen der Strömungsmaschinen

Spezielle Rotorformen. Lassen sich diese auch nicht näherungsweise durch die behandelten Formen ersetzen, sind Verfahren mit finiten Elementen zu empfehlen. Dies gilt auch für die Scheiben von Radialrädern, die einseitig durch die Schaufeln auf Biegung beansprucht werden [16–18].

205

6.8.3 Beanspruchung der Schaufeln durch Fliehkräfte

Axialschaufeln. Sie werden durch Fliehkräfte in ihrer Längsachse beansprucht. Kürzere Schaufeln haben oft von Fuß bis Kopf den gleichen Querschnitt; bei längeren Schaufeln müssen die Querschnitte A sowohl den Strömungsbedingun6.8.2 Durchbiegung, kritische gen angepasst, wie auch mit dem Radius r verDrehzahlen von Rotoren jüngt werden (Abb. 6.36), um die Beanspruchung durch Fliehkräfte zu verkleinern. Die Spannung Bei größerem Lagerabstand und einem biege- an jedem beliebigen Radius rj beträgt weichen Rotor ist die statische Durchbiegung Zra möglichst klein zu halten, damit sich die Spiele A 2 zj D ! r dr: (6.87) an den Schaufeln und in den Dichtungen entspreAj chend klein einstellen lassen. rj Mit der Durchbiegung hängen die biegeDie größte Spannung tritt im Fußquerschnitt kritischen Drehzahlen zusammen (s. Bd. 1, Abschn. 46.7.3). Da sich fertigungsbeding- Aj D AF an den Ausrundungsradien auf. Je weite Exzentrizitäten durch Wuchten (s. Bd. 1, ter sich die Schaufel nach außen verjüngt, um Abschn. 46.5.4) nicht restlos beseitigen lassen, so kleiner ist die Spannung am Fuß. Der Querliegt der Schwerpunkt etwas exzentrisch zur Ro- schnittsverlauf A/AF lässt sich oft so annähern, torachse und lenkt das umlaufende System aus. dass Gl. (6.87) geschlossen zu integrieren ist. Besonders gilt für zylindrische Schaufeln Die Ausschläge sind bei den biegekritischen D ! 2 .ra2  rF2 /=2 D A/A F D 1 und zF Drehzahlen am größten, die mit den Eigen2 frequenzen der Biegeschwingungen des Rotors 2um l=Dm . Hierin bezeichnen l D ra  rF die Schaufellänübereinstimmen. Sie liegen um so tiefer, je biegeweicher der Rotor ist, je größer also seine ge, Dm den Durchmesser und um die Umfangsstatische Durchbiegung ist. Dies zeigt die für geschwindigkeit für die mittlere Schaufelhöhe. Mit der Kontinuitätsgleichung VP D cax Dm l, einen dämpfungsfrei gelagerten p Einscheibenrotor gültige Gleichung nk D g=f =2 mit der wobei VP der Volumenstrom und cax die AxialErdbeschleunigung g und der Durchbiegung des komponente der Geschwindigkeit ist, folgt zF D ! 2 VP =.2cax /. Rotors f . Die Spannung in der Schaufel ist bei dem Als Abschätzung der ersten Ordnung der biedurch die Aufgabe gegebenen Volumenstrom, gekritischen Drehzahl von Rotoren mit beliebiger Querschnittsverteilung angewandt, liefert sie bei durch An- oder Abtrieb gegebener Drehzahl etwas zu tiefe Werte. Für genauere Rechnun- oder Winkelgeschwindigkeit und bei nach aerogen sind folgende Einflüsse zu erfassen: Querschnittsverteilung, Lagerelastizität und Lagerdämpfung, Nachgiebigkeit des Lagerbocks und der Fundamente, innere Dämpfung und Art der Kupplung mit anderen Maschinen. Biegeweiche Rotoren sind auch empfindlich gegenüber einer Spalterregung, die in den Spalten von Strömungsmaschinen auftreten kann, z. B. in Schaufelspalten, in Labyrinthspalten usw. [19]. Bei Zusammenarbeit mit anderen rotierenden Maschinen Abb. 6.36 Fliehkraftbeanspruchung rotierender Schaukann es auch zu Torsionsschwingungen kommen. feln

6

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dynamischen Gesichtspunkten gewählter Axialgeschwindigkeit unabhängig davon, ob längere Schaufeln auf kleinerem Durchmesser oder kürzere Schaufeln auf größerem Durchmesser eingesetzt werden. Zusatzspannungen. Sie werden in den Schaufeln durch Deckbänder, -platten und -scheiben, Bindedrähte, Dämpferdrähte oder andere Dämpfungselemente zur Reduktion von Schwingungen erzeugt. Ringförmige Körper verursachen zwischen ihrer und der Schaufelbefestigung eine Zusatzspannung  Z j D 2u2Z AZ = zAj :

Abb. 6.37 Biegebeanspruchung einer schräg stehenden rotierenden Schaufel

Schräglagen. Die Unterschiede in den Biegemomenten erzeugen ein Torsionsmoment auf die Schaufel, das der Verwindung entgegenwirkt. Be(6.88) rechnungsverfahren nach [2].

Darin bedeuten uZ Umfangsgeschwindigkeit im Schwerpunkt des Zusatzkörpers, AZ sein Querschnitt, z Anzahl der tragenden Schaufeln und Aj ihr tragender Restquerschnitt.

Schaufeln von Radial-Dampfturbinen. Die üblicherweise schlanken Schaufeln liegen parallel zur Drehachse und werden meistens an beiden Enden durch Tragringe gehalten. Sie werden auf Biegung nach der Theorie eines beidseitig Schräg gestellte Schaufeln. Werden sie ge- gestützten Trägers mit der kontinuierlichen Begenüber der radialen Richtung um den Winkel lastung dF D r! 2 A dx beansprucht (s. Bd. 1,  in Umfangsrichtung (Abb. 6.37) etwas schräg Abschn. 20.4.8). gestellt, so wirken die Zentrifugalkräfte der einzelnen Schaufelelemente als Zugkräfte und üben Schaufeln zentrifugaler Verdichter und zenzusätzlich ein Biegemoment aus tripetaler Turbinen. Die Beanspruchung der Schaufeln dieser Maschinen lässt sich nicht un2 dM D rF sin ! A .x/ x dx : abhängig von der Radscheibe berechnen; wie Spannungen und Verformungen sich in Schaufeln Hierbei ist x die laufende Längenkoordinate und Scheiben gegenseitig beeinflussen, ist nicht der Schaufel, dM ist mit dem Querschnittsvermehr elementar darzustellen. lauf A(x) über die Schaufellänge l zu integrieren. Um die Spannungen und Verformungen zu berechnen, wird das Biegemoment in Komponenten in Richtung der beiden Hauptträgheitsachsen (s. 6.8.4 Beanspruchung der Schaufeln durch stationäre Bd. 1, Abschn. 20.4.5) des Profilquerschnitts z. B. Strömungskräfte des am stärksten belasteten Fußquerschnitts zerlegt. Schaufeln werden oft etwas schräg gestellt, Die Strömung übt Kräfte auf Leit- und Laufum dem Biegemoment infolge der Strömungs- schaufeln hauptsächlich durch Druckunterschiekräfte (s. Abschn. 6.8.4) entgegen zu wirken und de auf beiden Seiten der Schaufel aus; viel kleiner sind die Kräfte infolge der an der Oberfläche der dadurch die Biegespannungen klein zu halten. Schaufel wirkenden Schubspannungen. Stark verwundene Schaufeln. Hier haben die Verbindungslinien sich entsprechender Punkte in Biegebeanspruchung einseitig eingespannter den Schaufelschnitten wie Vorderkanten, Profil- Schaufeln. Aus dem Impulssatz folgt für die schwerpunkte und Hinterkanten unterschiedliche Komponente der Schaufelkraft in Umfangsrich-

6 Grundlagen der Strömungsmaschinen

207

tung: dFu D .a cm a cu a  e cm e cu e /

2 r dr: z

Hierin ist z die Anzahl der Schaufeln im Gitter. Für eine Laufschaufel ergibt sich in Bezug auf den Radius am Fuß rF für die Komponenten des Biegemoments in Umfangs- und Meridianrichtung Mu D Zra

2 z .a cm a cu a  e cm e cu e /.r  rF /r dr;

 rF

Mm D Zra

2 z .pa  pe C a cm2 a  e cm2 e /.r  rF /r dr:

 rF

(6.89) Für eine Leitschaufel ist der Radius am Fuß gleich dem Außenradius und deshalb (rrF ) durch (ra r) zu ersetzen. Das resultierende Biegemoment lässt sich in die Richtungen der beiden Hauptträgheitsachsen des Fußprofils zerlegen. Die maximale Spannung wird dann durch die Biegung um die Achse des kleinsten Flächenträgheitsmomentes hervorgerufen. Näherung für kurze Axialschaufeln. Bei kleinem lm /r sind die Größen cme D cma D wm , %, wu D cu ; pe und pa nahezu unabhängig vom Radius; mit Gl. (6.89) folgt dann rm 2 l wm wu ; z rm 2 Mm D l .pa  pe / Š Mu cot : (6.90) z Mu D

Bei vernachlässigbaren Verlusten steht die Kraft auf die Schaufel senkrecht zum vektoriellen Mittelwert aus Ein- und Austrittsgeschwindigkeit w1 , Abb. 6.38. Diese liegt unter dem Winkel zur Umfangsrichtung, sodass gilt wm D w1 sin ( 90°). Aus Gl. (6.90) ergibt sich dann q rm 2 M D Mu2 C Mm2 Š l w1 wu : (6.91) z

Abb. 6.38 Biegebeanspruchung einer Schaufel infolge von Strömungskräften

Fällt die Achse des kleinsten Flächenträgheitsmomentes in die Richtung der mittleren Geschwindigkeit, so ergibt sich die maximale Biegespannung im Fußprofil mit dem Widerstandsmoment W zu Max D

rm l 2 w1 wu : z W

(6.92)

6.8.5 Schaufelschwingungen Erregung. Ein großer Teil der Schäden an Turbomaschinen wird durch Schwingungsbrüche von Schaufeln verursacht. Schwingungen können einerseits durch periodische Strömungsphänomene wie Wirbelablösungen erregt werden; in Verdichterbeschaufelungen können umlaufende Ablösungen (rotating stall) und die als „Pumpen“ bezeichneten Gaspulsationen entstehen (s. Abschn. 6.7.1). Andererseits wirken sich auch stationäre Ungleichmäßigkeiten in der Absolutströmung in den relativ dazu umlaufenden Gittern als periodische Erregung aus. So sind durch Ein- oder Austrittsgehäuse verursachte ungleiche Geschwindigkeitsverteilungen, der unterbrochene Strom bei Teilbeaufschlagung oder Störungen durch Rippen oder Unrundheiten des Gehäuses für die Laufschaufeln periodische Störungen. Die Nachlaufströmung hinter den Leitschaufeln („Nachlaufdellen“) wirkt als periodische Erregung auf die Laufschaufeln und umgekehrt der Laufschaufelnachlauf auf die Leitschaufeln. Bei einer festen Drehzahl können den durch die Relativbewegung verursachten Erregungsmöglich-

6

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keiten bestimmte Frequenzen zugordnet werden. Bei variabler Drehzahl und auch beim An- und Abfahren sind die Frequenzbereiche für die Erregung zu berücksichtigen. Resonanz. Schaufeln werden zu Schwingungen mit großer Amplitude angeregt, wenn die Erreger- in der Nähe einer Eigenfrequenz liegt (s. Bd. 1, Abschn. 15.1). Ihren verschiedenen Schwingungsformen entsprechend haben Schaufeln viele Eigenfrequenzen. Die durch Schwingungen verursachte Wechselbeanspruchung ist proportional zur Schwingungsamplitude. Um sie gering zu halten, sind die zu den niedrigen Ordnungen der Biegeschwingungen und zu der ersten Ordnung der Torsionsschwingung gehörenden Resonanzen durch Einwirkung auf die Erregungsquellen und/oder die Auslegung der Schaufeln zu vermeiden. Sie können für schlanke Schaufeln (großes l/s) bei starrer Einspannung ohne Wirkung eines Zentrifugalfelds wie für einseitig eingespannte Stäbe berechnet werden, s. Bd. 1, Abschn. 15.2.4. Jedoch liegen sie infolge der schwer zu erfassenden Elastizität der Einspannung oft tiefer. Über die Einspannung können auch Schwingungen der Scheibe oder der Nachbarschaufeln übertragen werden (Koppelschwingungen). Bei Laufschaufeln hat das Zentrifugalfeld einen versteifenden und daher die Eigenfrequenz f e erhöhenden Einfluss [2]   rN 3 2 D Cn C kn  cos # : l 4 (6.93) Darin bedeuten f eo Eigenfrequenz ohne Einwirkung des Zentrifugalfelds, n Drehzahl, rN Nabenradius, # Winkel zwischen Schwingungs- und Umfangsrichtung, kn Eigenwerte der Ordnung n, für n D 1, 2 und 3 ist kn D 1, 61, 7,05 und 16,7. Bindungen zwischen den Schaufeln, Dämpferdrähte, Deckbänder, verschweißte oder einzelne sich berührende Deckplatten vermehren einerseits die schwingende Masse, sie lassen andererseits nur gekoppelte Schwingungen des ganzen Schaufelpakets zu. Der zweite Effekt überwiegt und bewirkt eine Eigenfrequenzerhöhung. In diesen Fällen wie auch bei kurzen Schaufeln (l/s klein) und stark verwundenen Schaufeln sind 

fe2

feo2

2

Abb. 6.39 Campbell-Diagramm für Eigen- und Erregerfrequenzen in Funktion der Drehzahl. ı beim An- und Abfahren durchlaufene Resonanzen

analytische Rechenverfahren [2] oder eine Aufteilung in finite Elemente [18] anzuwenden. Eigenfrequenzen lassen sich im CampbellDiagramm (Abb. 6.39) als Funktion der Drehzahl zusammen mit den möglichen Erregungen als Vielfache der Drehzahl (insbesondere Schaufelzahl mal Drehzahl) darstellen. An den (s. Bd. 1, Kap. 26) Schnittpunkten von Eigenfrequenz- und Erregerlinien ist bei der entsprechenden Drehzahl Resonanz zu erwarten. Die Betriebsdrehzahl oder deren Bereich muss frei von Resonanzen zumindest der niederen Ordnungen sein. Schaufelschwingungen und Aeroelastik. Dynamisch wechselnde Kräfte treten in Strömungsmaschinen zumeist aus strömungsmechanischen („aerodynamischen“) Gründen der StrömungsStruktur-Wechselwirkung auf: Umfangskraft – Die Umfangskraft werden von den Schaufeln auf den Rotor bzw. die Aufhängung der Leitschaufel übertragen. Sie belastet die Schaufeln stationär auf Biegung und Torsion. Die Umfangskraft wird verursacht durch den Druckgradienten zwischen Saug- und Druckseite der Schaufeln, der zu einer inhomogenen Verteilung des statischen Drucks in Umfangsrichtung führt. Durch die rotierende Relativbewegung des

6 Grundlagen der Strömungsmaschinen

Rotors werden die strömungsführenden Komponenten des Stators, z. B. die Leitschaufeln, dem instationären Druckfeld des Rotors, z. B. mit der Schaufelwechselfrequenz, ausgesetzt. Aus gleichem Grund sind die Druckgradienten im Stator verantwortlich für dynamisch wechselnde Lasten der Rotorbeschaufelung. „Forced Response“ – Die Grenzschichten an umströmten Komponenten und durch Wechselwirkung der Grenzschichten und durch Leckagen induzierte komplexere Sekundärströmungen führen zu Geschwindigkeitsgradienten, die zu einer inhomogenen Verteilung des Totaldrucks im Strömungsfeld führen. Insbesondere führen die Nachlaufdellen eines Schaufelgitters zu einer periodisch- instationären Schwellbelastung der nachfolgenden Schaufelgitter. Dadurch werden strömungsführende Komponenten zu Schwingungen angeregt. Die dominante Anregung tritt mit den Schaufelwechselfrequenzen (Drehzahl x Schaufelzahl) und deren Vielfachen und Schwebungsfrequenzen auf. Die beiden bisher genannten Schwingungen der strömungsführenden Bauteile werden durch dynamisch wechselnde Schwankungen in statischem und Totaldruck erzwungen, engl. „forced response“. Flattern – Wenn nun die schwingenden Schaufeln (oder andere strömungsführende Komponenten) durch ihre Schwingung das Strömungsfeld instationär so ändern, dass die Schwingung der Schaufel angefacht wird („negative Dämpfung“), so spricht man von Flattern (engl. „flutter“). Steigen die Amplituden, ohne dass die Komponenten versagen, so wird ein Grenzzyklus („limit cycle“) erreicht, in dem das so gekoppelte aeroelastische System schwingt, typischerweise bis eine Komponente ermüdet und versagt. HCF und das Campbell-Diagramm. Da die dominante Anregung der Schaufeln hochfrequent ist, belastet sie die Bauteile in kurzer Zeit mit einer hohen Anzahl von Lastzyklen, so dass die resultierende Materialermüdung als „high cycle fatigue“ (HCF) bezeichnet wird. Die Ermüdung erfolgt besonders dann schnell, wenn zwischen

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der Schwingungsanregung der Schaufel und den Eigenschwingungsformen („Eigenmoden“) der Schaufel eine Resonanz auftritt, d. h. die Anregungsfrequenz nahe der natürlichen Frequenz (Eigenfrequenz) der Schaufel liegt. Um die Möglichkeiten der Resonanz zu prüfen, werden im Campbell-Diagramm (Abb. 6.39) die Eigenfrequenzen der Beschaufelung über den drehzahlvielfachen Anregungsfrequenzen aufgetragen, wobei die Anregungsfrequenzen Ursprungsgeraden sind. An den Schnittpunkten der anregenden Drehzahlvielfachen mit den Eigenfrequenzen sind Resonanzen zu erwarten. Die Aufgabe des Konstrukteurs ist es nun, die Beschaufelung so auszulegen, dass diese Schnittstellen im Betrieb entweder vermieden oder nur kurzzeitig durchfahren werden, nicht aber im Dauerbetrieb getroffen werden. Konstruktive Vermeidung der Resonanzen. Um die Resonanzmöglichkeiten zu vermeiden, gilt die Regel, dass in keiner Strömungsmaschine identische Schaufelzahlen in aufeinanderfolgenden Stufen verwendet werden sollten. In manchen Fällen wird sogar in der oberen Hälfte des Stators eine andere Schaufelzahl verwendet als in der unteren Hälfte, um den nachfolgenden Rotor nicht über den gesamten Umfang mit einer Schaufelwechselfrequenz anzuregen. Ausnahmen von der Regel, in aufeinanderfolgenden Statoren oder aufeinanderfolgenden Rotoren nur unterschiedliche Schaufelzahlen einzusetzen, werden zur Nutzung des „Clocking“-Effekts gemacht, bei der die Umfangspositionen zweier aufeinanderfolgender Stator-(Leitschaufel-)reihen oder Rotor-(Laufschaufel-)reihen um einen Winkel so versetzt sind, dass der Wärmeübergang oder die Aerodynamik stromabwärts durch das gezielte Auftreffen der Schaufelnachläufe besonders günstig wird. Im Falle des „clocking“ müssen Resonanzmöglichkeit besonders sorgfältig geprüft und vermieden werden. Die unterschiedlichen Schaufelzahlen der einzelnen Schaufelreihen verursachen eine Vielzahl von Schaufelwechselfrequenzen. Zusätzlich regen niedrige Vielfache der Rotordrehzahl („Low Engine Order“) die Komponenten der Strö-

6

210

mungsmaschine zu Schwingungen an. Im Einlauf eines Verdichters können diese Anregungen z. B. von den Stützrippen eines Lagers, Stützrippen in Übergangskanälen zwischen Niederdruck- und Hochdruckverdichter oder von anderen Asymmetrien herrühren; im Einlauf eines Flugtriebwerks werden z. B. durch die Bodengrenzschicht verursachte Wirbel angesogen. Brenner in der Brennkammer vor der Hochdruckturbine sowie Stützrippen zwischen Hochdruck- und Niederdruckturbine oder im Turbinenaustrittsdiffusor regen ebenfalls niederfrequente Schwingungen an. Diese Schwingungen können nicht nur in der Beschaufelung auftreten, sondern in vielen schwingungsfähigen Komponenten von Strömungsmaschinen, so dass mögliche Resonanzen anhand des Campbell-Diagramms in Strömungsmaschinen an allen Komponenten geprüft werden sollten, die erfahrungsgemäß zu Schwingungen neigen. Dabei müssen neben Biege- und Torsionsschwingungen auch Membranschwingungen, z. B. hohler Turbinenschaufeln, geprüft werden. Wegen der Vielfalt der auftretenden Anregungen und der möglichen Resonanzmoden ist ein vollständiger Nachweis der Resonanzfestigkeit einer gesamten Strömungsmaschine in der Praxis nicht möglich, insbesondere weil die Dämpfung der Schwingungen schwer abschätzbar ist. Wegen der Schwierigkeit der Berechnung, besonders der gekoppelten und komplexen Eigenmoden, empfiehlt sich ein experimenteller Nachweis der Resonanzfestigkeit am Prototyp oder in vorausgehenden Komponentenversuchen. Bei hydraulischen Strömungsmaschinen führen aufgrund der hohen Dichte des strömenden Mediums die Trägheit des Mediums und die daraus resultierenden Massenkräfte zu hohen dynamischen Belastungen. Bei thermischen Strömungsmaschinen führen die für einen hohen Arbeitsumsatz (vgl. Eulersche Turbomaschinengleichung) erforderlichen hohen Geschwindigkeiten zu hohen dynamischen Belastungen.

6.8.6 Gehäuse

J. Seume und R. Mailach

das Ein- und Austrittsgehäuse zur und von der Beschaufelung geführt wird. An der oder den Wellendurchführungen muss die Welle gegen das Gehäuse bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten berührungslos (Labyrinthe) und nur bei niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten mit Dichtlippen oder Stopfbüchsen gedichtet werden. Die Wellenlager können mit dem Gehäuse integriert oder auf gesonderten Böcken angeordnet sein. Beim Betrieb darf sich das Gehäuse weder unter dem Innendruck noch unter den thermischen Beanspruchungen so weit verziehen, dass die Schaufel- oder Labyrinthspiele überbrückt werden. Die Gehäuse sind insbesondere bei mehrstufigen Maschinen im Mittelteil zylindrisch, bei hohen Innendrücken auch kugelförmig und werden an den Enden durch Ein- und Austrittsgehäuse abgeschlossen. Zylindrische Gehäuse. Die Spannungen in einem durch Innen- oder Außendruck belasteten Hohlzylinder (Bd. 1, Abschn. 23.3.2) folgen aus den Gln. (6.84) ohne Fliehkraftglied, wenn der Druck auf die innere Fläche pi für  ri und auf die Außenfläche pa für  ra eingeführt werden: r D pa 

ri2 ra2  r 2 .pi  pa / ; r 2 ra2  ri2

t D pa C

ri2 ra2 C r 2 .pi  pa /: r 2 ra2  ri2

(6.94)

Für die Axialspannung ergibt sich a D

ri2 pi  ra2 pa : ra2  ri2

(6.95)

Für dünnwandige Gehäuse (s/r klein mit s als Wandstärke) folgt hieraus r .pi  pa / : 2s (6.96) Die Radialspannung ist in dünnwandigen Gehäusen meist vernachlässigbar. t Š

r .pi  pa / ; s

a Š

Kugelförmige Gehäuse. Hier muss in jedem Meridianschnitt die gleiche Kraft übertragen werEs nimmt die Leitgitter auf, und schließt den Ro- den, wie in einem senkrecht zur Achse geschnittor und das Arbeitsfluid druckdicht ein, das durch tenen Hohlzylinder; die Spannung ist also nach

6 Grundlagen der Strömungsmaschinen

211

Gl. (6.95) zu berechnen. Wie im Fall dünnwandiger Gehäuse aus den Gl. (6.96) abzulesen ist, könnten kugelförmige Gehäuse mit gleichem Radius unter dem gleichen Innendruck mit ungefähr halber Wandstärke gegenüber zylindrischen Gehäusen ausgeführt werden, jedoch muss eine Hohlkugel (s. Bd. 1, Abschn. 23.3.2) einen größeren Radius haben als ein Hohlzylinder, wenn sie die gleiche Beschaufelung aufnehmen Abb. 6.40 Zweischaliges Gehäuse soll. Ein- und Austrittspartien. Die hier in den Gehäusen auftretenden Spannungen lassen sich wie die in Kugelschalen abschätzen, wenn keine zusätzlichen Schubspannungen auftreten; auch in eingestülpten Schalen können Schubspannungen durch axial gehaltene Innenringe vermieden werden. Sonst gilt die Theorie der biegesteifen Schalen [20]. Zweischalige Gehäuse. Bei hohem Innendruck lässt sich das Gehäuse aufteilen (Abb. 6.40) in ein Innengehäuse – meist ein eingesetzter Schaufelträger – und ein Außengehäuse; der Zwischenraum wird mit der Austrittseite im Gehäuse verbunden, sodass vom bei thermischen Maschinen heißen Innengehäuse nur der Differenzdruck zwischen Ein- und Austritt aufzunehmen ist, während das kältere Außengehäuse den Austrittsdruck gegenüber der Atmosphäre aushalten muss. Trennflansch. Die Gehäuse müssen sich zum Einbau der Leitschaufeln und zum Einlegen des Rotors öffnen lassen. Dazu wird der Trennflansch parallel (Abb. 6.41a) oder senkrecht zur Maschinenachse (Topfgehäuse, Abb. 6.41b) gelegt. Die aus der Spannung im entsprechenden Schnitt des Gehäuses folgende Kraft muss vom Trennflansch übertragen werden. Sie ist für ein dünnwandiges, zylindrisches Gehäuse senkrecht zur Maschinenachse nach Gl. (6.96) halb so groß wie parallel dazu. Der Trennflansch senkrecht zur Achse wird viel bei nur einer radialen oder axialen Stufe mit fliegend gelagertem Läufer angewendet. Bei vielen Stufen werden meistens zur Maschinenachse parallele Trennflansche zur Monta-

6

a

b

Abb. 6.41 Lage des Trennflansches. a Parallel; b senkrecht zur Maschinenachse

ge bevorzugt. Die größeren Kräfte werden durch Flanschkonstruktion oder zweischalige Bauweise übertragen. Der Ausbildung der Flansche ist besondere Aufmerksamkeit zu widmen [2].

6.8.7 Thermische Beanspruchung In thermischen Strömungsmaschinen haben Verdichten oder Entspannen Temperaturunterschiede gegenüber der Umgebung und im Arbeitsfluid zur Folge, die sich auf die durch- oder umströmten Teile übertragen. Hierbei sind nicht nur die stationären Temperaturfelder maßgebend, sondern

212

auch die instationären beim An- und Abfahren und bei Laständerungen. Den Temperaturdifferenzen in den Bauteilen folgen bei freier Einstellmöglichkeit unterschiedliche Ausdehnungen. Soweit sich die Verformungen gegenseitig behindern, haben sie Zusatzspannungen zur Folge (s. Bd. 1, Abschn. 23.1.5). Im Bereich elastischen Verhaltens der Werkstoffe können sie den anderen Spannungen überlagert werden.

J. Seume und R. Mailach

Außerdem ist die Oberflächentemperatur weder örtlich gleich noch zeitlich konstant. Je schneller sich die Temperatur des Arbeitsfluids ändert, um so steiler werden die Temperaturgradienten und um so höher die thermischen Spannungen. Sie sind höher als im stationären Betrieb und begrenzen deshalb die An-, Abfahrund Laständerungsgeschwindigkeiten. Im Fall von Maschinen für industrielle Zwecke stehen sie je nach Fahrprogramm nur während der Laständerungen, also nur für kurze Zeiten an. Eine (6.97) genaue Berechnung der thermischen Zusatzspan D E ˇ .Tm  T / = .1  / : nungen muss mit finiten Elementen erfolgen [18]. Hierin bedeuten ˇ Längenausdehnungskoeffizient,  Querkontraktionverhältnis, T m mittlere Schaufeln. Die Temperaturverteilung des ArTemperatur in der neutralen Faser, in der keine beitsfluids um die Schaufeln ist ungleichmäßig: Zusatzspannungen auftreten. Im Staupunkt wird die über der Temperatur in Die örtliche und zeitliche Temperaturverteider Zuströmung liegende Stagnationstemperatur lung und deren Mittelwert T m hängen von der erreicht, während um die Schaufel herum die Form des Bauteils und dessen OberflächentemTemperatur der Geschwindigkeitsverteilung entperatur ab. sprechend fallen oder steigen kann. Die Temperatur an der Oberfläche stellt sich Dünne ebene Platte. Hier gilt sowohl für die dem Übergang der Wärmeströmung folgend ein: maximale Zugspannung auf der kalten Seite (T K ) Bei ungekühlten Schaufeln sind im stationären wie auch für die maximale Druckspannung auf Zustand nur diese Temperaturdifferenzen maßder heißen Seite (T H ) gebend für die thermischen Spannungen. Bei max D 0;5 E ˇ .TH  TK / = .1  / : (6.98) gekühlten Schaufeln sind die Temperaturdifferenzen und die dadurch erzeugten thermischen Hohlzylinder. Er sei außen beheizt (Trommel- Spannungen wesentlich größer. Besonders groß rotor). Für dünnwandige Zylinder gilt in erster werden sie beim instationären An- und Abfahren Näherung auch Gl. (6.98). Bei dickwandigeren von thermischen Turbomaschinen, weil sich die Zylindern werden die Temperaturgradienten in- ungleichen Querschnitte der Schaufel an Schaunen steiler und außen flacher. Die neutrale Faser felspitze und -fuß unterschiedlich schnell aufwärverschiebt sich dabei nach innen, da Druck- und men und abkühlen. Zugkräfte im Gleichgewicht stehen müssen. So ergeben sich für ein relativ großes Radienverhält- Materialermüdung: LCF und TCF. Da honis ra /ri D 2,0: Zugspannungen innen um 22 % he Umfangsgeschwindigkeiten des Rotors zu höher; Druckspannungen außen um 22 % niedri- hohem Arbeitsumsatz beitragen (vgl. ebenfalls ger als bei der ebenen Platte. Der Hohlzylinder die Eulersche Turbomaschinengleichung), wersei innen beheizt (Gehäuse). Bei dickwandigen den sie in Strömungsmaschinen zur Erhöhung Zylindern mit ra /ri D 2,0 sind die Druckspannun- der Leistungsdichte angestrebt. Änderungen der gen innen um 22 % höher, Zugspannungen außen Umfangsgeschwindigkeit verursachen Änderunum 22 % niedriger als bei der ebenen Platte [2]. gen der Fliehkraftdehnung der rotierenden KomDiese Rechnungen für idealisierte Körper mit ponenten. Diese sind mindestens bei An- und gleicher Oberflächentemperatur geben nur einen Abfahren einer Maschine unvermeidbar, treten Anhalt, denn Flansche, Stutzen usw. bedingen aber zumeist auch bei Änderungen des BetriebsAbweichungen der thermischen Spannungen von punkts auf. Da diese Änderungen selten (also mit den für einfache Formen berechneten. niedriger Zyklenzahl) auftreten, spricht man bei

6 Grundlagen der Strömungsmaschinen

213

der resultierenden Materialermüdung von „Low 6. Brennen, C. E.: Cavitation and Bubble Dynamics. Oxford Engineering Science Series 44, Oxford UniCycle Fatigue“ (LCF). versity Press (1995) Da in thermischen Strömungsmaschinen zu7. Gyarmathy, G.: Grundlagen einer Theorie der Nassnächst thermische Energie in kinetische Energie dampfturbine. Dissertation No. 3221, ETH Zürich (1962) der Strömung umgesetzt wird (in Turbinen; bei Verdichtern umgekehrt), treten in thermischen 8. Moore, M.J., and Sieverding, C.H.: Two-Phase Steam Flow in Turbines and Separators. Washington Strömungsmaschinen zusätzlich hohe Temperaand London: Hemisphere (1976) turen auf, die insbesondere bei Änderung des 9. Gyarmathy, G.: Nucleation of Steam in High-pressure Nozzle Experiments, Proceedings of 6th European Betriebspunkts zu hohen Temperaturgradienten Turbomachinery Conference, Paper 042_05/225, Lilund daher zu hohen thermischen Dehnungen fühle (2005) ren. Da sich thermische Vorgänge (im Vergleich 10. Lakshminarayana, B.: Fluid Dynamics and Heat zur Zeitkonstante von Schaufelschwingungen) Transfer of Turbomachinery. New York: John Wiley langsam vollziehen, folgt diese thermisch induand Sons 1996. zierte Materialermüdung („Thermal Cycle Fati- 11. AGARD-LS-195: Turbomachinery Design using CFD (1994) gue“ D TCF) ähnlich dem LCF den Änderungen 12. Schlichting, H.: Grenzschicht-Theorie, 8. Aufl. des Betriebspunkts. Springer, Heidelberg (1982)

Literatur Spezielle Literatur 1. Denton, J. D.: Loss Mechanisms in Turbomachines, ASME J. Turbomach. 115, 621–656 (1993) 2. Traupel, W.: Thermische Strömungsmaschinen. Erster Band: Thermodynamisch-strömungstechnische Berechnung. Zweiter Band: Geänderte Betriebsbedingungen, Regelung, Mechanische Probleme, Temperaturprobleme. Berlin: Springer (2001) 3. Fister, W.: Fluidenergiemaschinen, Bd. 1. Berlin: Springer (1984) 4. Casey, M.V.: Accounting for Losses and Definitions of Efficiency in Turbomachinery Stages, Proc. IMechE Vol. 221 (6), pp. 735–743. Part A: J. Power and Energy (2007) 5. Wagner, W., Kruse, A.: Properties of Water and Steam – The Industrial Standard IAPWSIF97/Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf – Der Industrie-Standard IAPWS-IF97. Springer, Berlin (1998)

13. Hirsch, C.: Numerical Computation of Internal and External Flows. Vol. 1: Fundamentals of Numerical Discretization. Vol. 2: Computational Methods for Inviscid and Viscous Flows. Wiley (1994) 14. Cordier, O.: Ähnlichkeitsbedingungen für Strömungsmaschinen. VDI-Ber. 3, 85 (1955) 15. Greitzer, E. M.: The Stability of Pumping Systems – the 1980 Freeman Scholar Lecture. ASME Journal of Fluids Engineering 103, 193–242 (1981) 16. Zienkiewics, O. C.: Methode der finiten Elemente. Hanser, München (1984) 17. Mlejnek, H. P., Schreineck, R.: Einsatz der Finite Elemente Methode zur statischen und dynamischen Berechnung von schalenartigen Radial- und Axialschaufeln bei beliebigen Drehzahlen (System Turban). VDI-Ber. 264, 173–178 (1976) 18. Hohn, A.: Die Rotoren großer Dampfturbinen. Brown Boveri Mitt. 60(2), 404–416 (1973) 19. Thomas, H. J., Ulrichs, K., Wohlrab, R.: Läuferinstabilität bei thermischen Turbomaschinen infolge Spalterregung. VGB Kraftwerkstechnik 56(6), 377– 383 (1976) 20. Gravina, P. B. J.: Theorie und Berechnung der Rotationsschalen. Springer, Berlin (1961)

6

7

Wasserturbinen Paul Thamsen

7.1 Allgemeines

In den Industrieländern kommt den Wasserturbinen beim Bau großer Pumpspeicherkraftwerke Die Wasserturbinen haben die Aufgabe, die als Regel- und Spitzenkraftwerke in Ergänzung Lage-, Druck- oder Geschwindigkeitsenergie des zu den dominierenden thermischen Kraftwerken Wassers für die Erzeugung mechanischer Arbeit und zum Ausgleich der Energie aus regenerativer Energierzeugung weiterhin große Bedeutung zu. auszunutzen.

7.1.1 Kennzeichen Wasserturbinen sind Bestandteil eines Wasserkraftwerks, Abb. 7.1. Ihre Aufgabe ist die Umwandlung der in Stauseen, Kanälen, Flüssen, Gezeiten enthaltenen potentiellen Energie des Wassers in mechanische Leistung, meist zum Antrieb elektrischer Generatoren [1–6]. Wasserturbinen arbeiten mit relativ niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten. Die Dichte und Temperatur des durchströmenden Wassers ändern sich minimal. Beim Einsatz der Turbinen besteht die Gefahr der Kavitation (s. Abschn. 6.3.5). Durch das Entstehen von Dampfblasen, an Stellen mit Drücken nahe dem Dampfdruck pv und das schlagartige Zusammenbrechen der Dampfblasen bei höheren Drücken, können Schäden entstehen (vgl. Abschn. 8.3.1). Hierbei ist die Ausführung des Saugrohres beziehungsweise die Geschwindigkeitsverzögerung hinter dem Laufrad bis zum Unterwasser UW zu beachten (Abb. 7.1a–c). P. Thamsen () Technische Universität Berlin Berlin, Deutschland E-Mail: [email protected]

Arbeitsweise. teilt in:

Wasserturbinen werden einge-

Gleichdruckturbinen (Abb. 7.2a,b). Die statischen Drücke sind am Laufradein- und -austritt gleich groß. Das Laufrad lässt sich segmentweise mit einzelnen Massenströmen beaufschlagen (Teilbeaufschlagung – Abb. 7.4), da hier keine verlustbehaftete Druckausgleichsströmung in Umfangsrichtung entsteht. Hierdurch ist eine Leistungsanpassung möglich. Überdruckturbinen (Abb. 7.2c–e). Der statische Druck ist am Eintritt in das Laufrad größer als am Austritt. Daher sind nur vollbeaufschlagte Laufräder möglich. Einsatzbereich (Abb. 7.3). Der Leistungsbereich beträgt i. d. R. 1 kW bis 1000 MW; Wasserturbinen sind energiesparend regelbar infolge der Schaufelverstellung bzw. Teilbeaufschlagung. Die Ausführung ist meist einstufig und einströmig, die Aufstellung kann waagerecht bis senkrecht (weniger Grundfläche, bessere Anpassung an schwankende Wasserstände im UW) sein. Die Fallhöhen betragen 2 bis 2000 m, die Laufraddurchmesser 0,3 bis 11 m und mehr [1–6].

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_7

215

216

P. Thamsen

Abb. 7.2 Zur Arbeitsweise der Wasserturbinen. a Pelton-, b Ossberger-, c Francis-, d Dériaz- und e Kaplanturbine

Abb. 7.1 Wasserkraftwerke. a Niederdruckanlage im Seitenkanal mit Francisturbine; b Niederdruckanlage im Fluss mit Kaplanturbine; c Hochdruckanlage an einer Talsperre mit Francisturbine; d Hochdruckanlage im Gebirge mit Peltonturbine. OW Oberwasser, UW Unterwasser, WS Wasserschloss, Hstat Statische Fallhöhe

Die wichtigsten Begriffe, Zeichen und Einheiten aus der Wasserturbinentechnik sind in [3, 6–8] festgelegt.

7.1.2

Wasserkraftwerke

Je nach der verfügbaren statischen Fallhöhe H stat lassen sich Wasserkraftwerke in Mittel- bis Hochdruckkraftwerke (= 50 m) und Niederdruckkraft- Abb. 7.3 Einsatzbereiche der Wasserturbinen (nach Unterlagen der Firmen Sulzer und Voith). Bereiche: 1 Peltonwerke (< 50 m) einteilen. Hauptteile. Ein Wasserkraftwerk besteht in der Regel aus folgenden Hauptteilen (Abb. 7.1): – Speicheranlage OW (See, Staustufe, Seitenkanal)

turbinen, 2 Ossbergerturbinen, 3 Francisturbinen, 4 Dériazturbinen, 5 vertikale Kaplanturbinen, 6 horizontale Kaplanturbinen (Rohrturbinen). nq spezifische Drehzahl (s. Abschn. 8.2.1), H N Nennfallhöhe, VPN Nennvolumenstrom

7

Wasserturbinen

– Entnahmeanlage (Rechen, Überlauf, Schütze) – Leitung (bei längeren Leitungen Druckstoßsicherung in Form eines offenen Wasserschlosses WS (Abb. 7.1d) zur Aufnahme von Wassersäulenschwingungen bis 20 m Höhe erforderlich, Druckleitung auf Gefällstrecke dennoch auf Festigkeit bei schnellen Regelvorgängen nachzurechnen) – Wasserturbine (Maschinenhaus) – Rückgabeanlage UW (bei Niederdruckanlagen Fallhöhenverlust durch Hochwasser möglich). Sonderformen. Verschiedene Wasserkraftwerke benötigen kein besonderes Maschinenhaus (Freiluftaufstellung); Wasserturbine und Druckleitungen werden sehr häufig in Felsen eingebaut (Kavernenkraftwerk), Zusammenlegung von Turbinen und Pumpen im gemeinsamen Maschinenhaus bei Pumpspeicheranlagen. Zusammenfassende Literatur in [1, 2, 6].

217

7.2 7.2.1

Gleichdruckturbinen Peltonturbinen

Peltonturbinen [2–6, 9–11] mit horizontaler Welle werden mit 1 bis 2 Freistrahldüsen und mit vertikaler Welle mit 1 bis 6 Düsen je Rad eingesetzt. Abb. 7.4 zeigt als Beispiel eine sechsstrahlige Peltonturbine. Bei der Durchströmung der Schaufeln (Becher) ändert sich der statische Druck nicht (Reaktionsgrad 0). Das Wasser wird in den Düsen stark beschleunigt; am Düsenaustritt herrscht Atmosphärendruck. Der Massenstrom wird über axial verschiebbare Nadeln zur Leistungsregulierung verändert. Die Verschiebung geschieht über außen oder innen angeordnete Verstelleinrichtungen (hydraulisch oder elektrisch).

7.1.3 Wirtschaftliches Bei kleineren Wasserkraftwerken (< 500 kW) liegen die Investitionskosten für Wasserturbinen und Regeleinrichtungen bei 10 bis 50 % der gesamten Anlagekosten. Bei mittleren bis großen Wasserkraftwerken bei ca. 10 % (Hochdruckanlagen) bis 20 % (Niederdruckanlagen). Die gesamten Anlagekosten sind – je nach den Geländeverhältnissen – sehr verschieden. In Pumpspeicherwerken wird die nachts und sonntags überschüssige Energie der Kraftwerke genutzt, um das Wasser in hochgelegene Speicher zu pumpen, von denen es zu Zeiten besonderen Spitzenbedarfs wieder zur Arbeitsabgabe durch Wasserturbinen zurückströmt (s. Abschn. 7.7). Investitionskosten solcher Werke sind besonders hoch, zusätzliche Verluste entstehen durch zweimalige Energieumsetzung, daher ist „Spitzenstrom“ teurer als „Nachtstrom“. Im Zuge des Ausbaus der Nutzung der regenerativen Energien spielt Ener- Abb. 7.4 Peltonturbine mit sechs innengesteuerten Düsen (Voith). Strahlkreisdurchmesser 4,35 m, HN D 413 m, giespeicherung eine zunehmende Rolle.

VPN D 46;1 m3 =s, n D 180 min1 , PN D 167 MW. 1 Laufrad, 2 Düse, 3 Strahlablenker, 4 Innensteuerung der Düsennadel (Schließstellung), 5 Ringleitung, 6 Absperrorgan

7

218

P. Thamsen

7.3 7.3.1

Überdruckturbinen Francisturbinen

Abb. 7.5 Innengesteuerte Peltondüse mit Strahlablenker, oben geschlossen, unten geöffnet (Voith). Steueröldruck: 1 Öffnen, 2 Schließen

Den Einsatzbereich von Francisturbinen zeigt Abb. 7.3, die Konstruktion Abb. 7.6. Das radiale (Langsamläufer) bis halbaxiale (Schnellläufer) Laufrad wird von außen nach innen durchströmt, die Abströmung ist stets axial. Der Druck am Laufradeintritt ist höher als am Austritt. Die Einlaufspirale führt das Wasser axialsymmetrisch in das Leitrad; seine Leitschaufeln sind profiliert und drehbar gelagert, der Fink’sche Leitapparat.

Die Strahlablenker greifen ein, wenn bei plötzlicher Lastverringerung die Maschine schnell nachreguliert werden soll, der Druckstoß in der Zuleitung ein bestimmtes Maß jedoch nicht überschreiten darf. Die Strahlablenker (Abb. 7.5) schneiden von der Seite her in den Strahl, lenken einen Teil des Wasserstroms ab und verringern damit sehr schnell die Antriebsleistung der Turbine. Gleichzeitig werden die Düsennadeln, wenn auch wesentlich langsamer, auf den neuen Betriebszustand eingestellt. Spezialliteratur über Peltonturbinen ist in den diversen Druckschriften der Hersteller zu finden, z. B. Sulzer, J. M. Voith sowie in [1–6, 9–11].

Schaufelverstellung. Zur Regelung werden die Leitschaufeln über die Lenker eines gemeinsamen Rings verstellt. Stellkräfte von zwei (in Sonderfällen auch vier) hydraulischen Servomotoren. Angewendet werden auch Einzelservomotoren für jede Laufschaufel. Bei einer Änderung der Betriebsverhältnisse aufgrund von Fallhöhenund/oder Volumenstromschwankungen wird der Drall vor dem Laufrad durch Leitschaufelverstellung in dem Maße reguliert, dass die Laufraddrehzahl je nach abgenommener Antriebsleistung des Generators konstant bleibt. Die Leitschaufeln bewirken in den extremen Betriebsstellungen einen fast freien oder nahezu geschlossenen

7.2.2

Ossbergerturbinen

Bei diesen Kleinturbinen (Abb. 7.2b) durchströmen flache Freistrahlen, geführt durch verstellbare Leitschaufeln, ein trommelförmiges Laufrad, und zwar erst von außen nach innen, dann von innen nach außen. Haupthersteller heute Fa. Ossberger, Weißenburg/Bayern: VP D 0;04 : : : 13;0 m3 =s, H D 1 : : : 200 m, n D 50 : : : 200 min1 , P D 15 : : : 10 000 kW. Wegen des Gleichdruckprinzips ist Teilbeaufschlagung (Aufteilung in Laufradzellen) möglich; gute Anpassungsfähigkeit an stark schwankende Wasserströme. Teillastströme von 100 % bis ca. 15 % des Nennvolumenstroms können bei Bestwirkungsgraden von ca. 80 % (und höher) verarbeitet werden. Bis zu 30 einfache Laufschaufeln aus blank gezogenem Stahlprofil, kein Achsschub [2, 4].

Abb. 7.6 Francisturbine, Laufraddurchmesser 7,13 m, HN D 113;5 m, VPN D 415 m3 =s, n D 107;1 min1 , PN D 415 MW (Voith). 1 Laufrad (Schweißkonstruktion), 2 verstellbare Leitschaufeln, 3 Einlaufspirale mit Stützschaufeln und Traversenring (Schweißkonstruktion), 4 Diffusor (Saugrohr), 5 hydraulische Servomotoren (zu 2), 6 Regelring (Schweißkonstruktion), 7 Führungslager, 8 Lenker, 9 Spurlager, 10 Generator

7

Wasserturbinen

219

Durchflussquerschnitt. Bei Abweichungen vom Nennbetriebspunkt, die eine Dralländerung notwendig machen, ist die Abströmung nach dem Laufrad nicht mehr drallfrei (Wirkungsgradverlust). Zudem treten außerhalb des Bestpunktes instationäre Strömungszustände auf [1, 2, 6], die – teilweise auf Kavitation zurückzuführen – mechanische und akustische Schwingungen anregen. Aufbau. Das Laufrad ist aus einem Stück gegossen oder aus Deckscheiben und Schaufeln zusammengeschweißt. Bei Gusskonstruktionen kann u. U. die vordere Deckscheibe (Außenkranz) fehlen, wodurch die Reibleistung verringert wird, jedoch die Gefahr von Schaufelschwingungen steigt. Francisturbinen werden auch bei kleineren Fallhöhen .< 5 m/ und Leistungen (< 200 kW) ohne Einlaufspirale als Kleinturbine in Schächten und Seitenkanälen (s. Abb. 7.1a) eingesetzt. Weitere konstruktive Details von Francisturbinen in [1, 2, 4–6].

7.3.2 Kaplanturbinen Kaplanturbinen sind für relativ niedrige und schwankende Fallhöhen (z. B. bei Laufkraftwerken, s. Abb. 7.1b) geeignet. Sowohl die radialen Leitradschaufeln als auch die axialen Laufradschaufeln sind verstellbar, s. Abb. 7.7. Der Einsatzbereich geht aus Abb. 7.3 hervor. Aufbau. Er entspricht grundsätzlich dem der Francisturbine, der wesentliche Unterschied liegt im axialen Laufrad (Schnellläufer). Die Verstellung der Laufradschaufeln erfolgt über einen Hydraulikservomotor, der am oberen Wellenende (Teil 10 in Abb. 7.7) oder in der Laufradnabe selbst untergebracht ist. Die Lagerung der Schaufeln in der Nabe gestaltet sich dadurch schwierig, dass die Verstellfunktion auch noch bei der Durchgangsdrehzahl (bei Kaplanturbinen ca. 2,6fache Nenndrehzahl, s. [2]) gewährleistet sein muss. Bei der in Abb. 7.7 dargestellten Kaplanturbine ergeben sich für die einzelne Schaufel bei Durchgangsdrehzahl konstruktiv

Abb. 7.7 Kaplanturbine, Laufraddurchmesser 7,80 m, HN D 9;6 m, VPN D 408 m3 =s, n D 65;2 min1 , PN D 34;7 MW (Voith). 1 Laufrad mit verstellbaren Schaufeln (je 12 t Schaufelgewicht), 2 Diffusor (Saugrohr), 3 verstellbare Leitradschaufeln mit Füllstücken, 4 unteres Führungslager, 5 Traversenring mit Stützschaufeln (Schweißkonstruktion), 6 Einlaufspirale (Betonkonstruktion), 7 Regelring mit Leitradservomotor, 8 Spurlager, 9 oberes Führungslager, 10 Servomotor zur Verstellung der Laufradschaufeln, 11 Verstellstange innerhalb der Turbinenwelle, 12 Generator

zu berücksichtigende Zentrifugalkräfte von max. 11 000 kN. Sonderbauarten von Kaplanturbinen z. B. als Rohrturbinen (mit axialen bis halbaxialen verstellbaren Leitschaufeln) oder als Spiralturbine mit liegender Welle, s. [1–6]. Regelung. Regelgröße ist die Drehzahl, Stellgröße die Schaufelstellung, und als Störgrößen treten die Belastung und der Wasserstand auf. Die Kaplanturbinen haben wegen der Lauf- und Leitradverstellung einen aus energetischen Gründen besonders vorteilhaften flachen .VP /-Verlauf im Gegensatz zu den „einfachgesteuerten“ Francisturbinen. Das Problem besteht bei Kaplanturbinen darin, stets die für den Leistungsbetrieb notwendige, optimale Zuordnung von Leitschaufel- zur Laufschaufelstellung zu finden. Dazu bedient man sich zweckmäßigerweise eines Prozessrechners.

7

220

P. Thamsen

7.3.3 Dériazturbinen

und äußere zur Austrittskante hin gelegene Flächen der Saugseite). Weitere Bearbeitung der Flügelflächen bei GeEine neuere Entwicklung einer doppeltregulierten Halbaxialturbine mit verstellbaren tragflü- nauguss nur noch Glätten (Zugabe < ca. 3 mm), gelähnlichen Schaufeln ist in Abb. 7.2d darge- sonst Kopierfräsen. stellt [2]. Das Laufrad ist als halbaxialer Propeller ausgelegt, wonach sich eine höhere SchaufelarAbström- und Zuströmgehäuse. Sie werden beit im Vergleich zum axialen Laufrad umsetzen bei Niederdruckanlagen sehr oft als Teil des Baulässt. Diese Turbinen eignen sich auch als Umwerks aus Beton gestaltet, bei besonders hohen kehrturbinen (Pumpenturbinen s. Abschn. 7.7). Maßanforderungen mit sog. „verlorener Schalung“ aus St 37-Blech.

7.4 Werkstoffe Gehäuse. Bei Hochdruck-Spiralgehäusen (Schweißkonstruktion vorherrschend) wird meist Feinkornbaustahl (z. B. TT STE 36) verwendet, Blechstärken bis 80 mm; bei Kleinturbinen auch GS- oder GG-Konstruktionen, Traversen mit Stützschaufeln werden ebenfalls aus Feinkornbaustahl (z. B. TT STE 43) gefertigt. Für Leitschaufeln werden bei kleineren Turbinen und Fallhöhen oft GG, sonst GS oder bei Schweißkonstruktionen Chrom-Nickel-Stahlblech (z. B. X 5 CrNi 13 4) verwendet.

7.5

Kennliniendarstellungen

Im praktischen Betrieb konstante Drehzahl n (Antrieb von Drehstromgeneratoren) gefordert, Fallhöhe H bleibt in der Regel unverändert, Volumenstrom VP wird abhängig von Wellenleistung P geregelt.

Spezielle Kennlinien. Bei den Kennlinien (Abb. 7.8) einer Francisturbine ist die Leitschaufelstellung längs dieser Kurven verschieden, bei Kaplanturbinen auch die Laufschaufelstellung; Läufer. Pelton-Laufräder praktisch immer aus hier wird die jeweils günstigste Kombination beiChrom-Nickel-Stahl (z. B. G-X 5 CrNi 13 4, der Einstellungen durch planmäßige Versuche Werkstoffnr. 1.4313), Strahlablenker mit Auf- ermittelt und im praktischen Betrieb angewendet. tragschweißungen an erosionsgefährdeten Stellen. Francislaufräder bis ca. 3 m Durchmesser aus GS, größere geschweißt (bei Stückzahlen > ca. 6 auch GS-Konstruktionen wirtschaftlich). Bei Schweißkonstruktionen Deckscheiben meist aus GS 20 Mn 5, ebenfalls die Schaufeln (wenn einzeln gegossen), seltener aus rostbeständigem Material, auch heiß formgepresst (z. B. aus TT STE 36). In der Regel ist Auftragschweißung an den kavitationsgefährdeten Stellen vorgesehen. Bronzelaufräder (z. B. G-SnBz 10) vereinzelt bei Kleinturbinen. Kaplanturbinenschaufeln werden in der Regel aus Mangan- oder Chrom-NickelStahl, seltener aus GG oder Bronze gegossen. Bei geschweißten Flügeln Verwendung von Blechen aus Kohlenstoff- oder Chrom-Nickel-Stahl (z. B. Abb. 7.8 Charakteristik einer Francisturbine; VolumenX 5 CrNi 13 4). Auftragschweißungen an kavi- strom wird über die verschiedenen Stellungen des Leitaptationsgefährdeten Stellen (besonders Außenspalt parates reguliert

7

Wasserturbinen

a

221

c

7

b

d

Abb. 7.9 Wasserturbinen-Kennfelder [2]. a Peltonturbine nq D 16 min1 ; b Francisturbine nq D 23 min1 ; c Francisturbine nq D 90 min1 ; d Kaplanturbine nq D 160 min1 . Bezeichnungen: nq spez. Drehzahl (s. Abschn. 8.2.1), n Drehzahl, nmax Drehzahl bei max.

Wirkungsgrad, VP10 D VP =.D 2 H 1=2 ) Einheitsvolumenstrom in m3 /s, VP Volumenstrom in m3 /s, H Fallhöhe in m, D Laufradnenndurchmesser in m, a Maßzahl für Leitradöffnung (dimensionslose Lichtweite), ' Laufschaufelwinkel

Einheitsdiagramm. Es entsteht aus den speziellen Kennlinien durch Umrechnung mehrerer solcher Kurven auf eine geometrisch ähnliche Turbine mit 1 m Raddurchmesser und auf 1 m Fallhöhe. Das Einheitsdiagramm zeigt das Betriebsverhalten einer Bauart, Abb. 7.9. In Einheitsdiagrammen kann der Einfluss von Änderungen der Reynoldszahl (Baugröße und Drehzahl), der Spaltweite, der relativen Rauigkeit usw. nicht dargestellt werden. Diese Einflüsse sind bei mittleren Verhältnissen nur gering, müssen jedoch in jedem Fall geprüft werden.

7.6

Extreme Betriebsverhältnisse

Durchgangsdrehzahl. Wasserturbinen „gehen durch“, wenn plötzlich das Lastmoment ausbleibt und die Regelung noch nicht eingegriffen hat, z. B. bei schlagartigem Lastabwurf eines Generators. Das Verhältnis von Durchgangsdrehzahl zu Normaldrehzahl kann folgende Werte annehmen: Peltonturbinen: 1,8 bis 1,9, Francisturbinen: Langsamläufer 1,6, Schnellläufer bis 2,1, Kaplanturbinen: 2,2 bis 2,8.

222

P. Thamsen

Vereinfachte Theorie zur Berechnung der Durchgangsdrehzahl ist in [1, 2] zu finden. Der Turbinenläufer und die angekuppelten rotierenden Teile müssen diese Drehzahl auch bei dem größtmöglichen Gefälle aushalten. Maximales Drehmoment. Es liegt bei Francisturbinen bei der Drehzahl 0 und ist das ca. 1,6- bis 1,8fache des Auslegungswertes (günstig für das Anfahren). Bei Kaplanturbinen ist M max Abb. 7.10 Schema des Speicherkraftwerks Shrum (Brinur ca. 1,05 M normal bei 0,25facher Normaldreh- tish-Columbia, Kanada). Staudamm mit 83 m Höhe und einer Breite von 2040 m, vorgesehen für 10 vertikale Mazahl [1, 2]. schinen mit je 227 MW bis 260 MW (Francis-Turbinen), Fallhöhe 152 m, Volumenstrom 170 m3 /s, Drehzahl 150 min1 (24 Polpaare 60 Hz). 1 Einlaufkontrolle; 2, 3 Einlauf für 10 Maschinen; 4 Druckrohr; 5 Maschinenhaus (Kaverne); 6 Turbinenauslass; 7 Sammelkammer; 8 Ablasstunnel; 9 Umspannwerk 500 kV; 10 Kabelschacht; 11 Abdichtungsschirm; 12 Entwässerungstunnel

Unterwasserstand. Bei Hochwasser setzt die Gefälleverringerung die Leistung herab (ausgenommen Peltonturbinen mit durch Überdruck erzwungenem Freihang); in „Ejektor-Leerschüssen“ nutzt man die kinetische Energie des Hochwassers, um den Druck nach der Turbine zu So liegt der Aggregatwirkungsgrad, der alle senken. Wenn das Saugrohr bei zu tiefem Wasserstand Luft saugt, verliert es seine Wirkung; daher Wirkungsgrade umfasst, in diesem Falle zwischen 0,75 und 0,93 [1, 2]. liegen Saugrohrmündungen möglichst tief. Speicherkraftwerk. Speicherkraftwerke sind meist Hochdruckanlagen an Talsperren, Tages- bis Jahresspeicherbecken und Gebirgsseen (s. Abb. 7.1c und d). Sie können als SpitzenlastLaufwasserkraftwerke sind Niederdruckanla- kraftwerke bei kurzzeitig erhöhtem Strombedarf gen in Flüssen und Seitenkanälen (s. Abb. 7.1a eingesetzt werden. Im Gegensatz zum Laufwasund b). Infolge der zunehmenden Nutzung regene- serkraftwerk muss das zufließende Wasser nicht rativer Energien sind hier auch die Gezeitenkraftwerke zu nennen. Die jahreszeitlich bedingten Schwankungen des Wasserstroms sind bei Laufwasserkraftwerken beträchtlich. Daher sind doppeltregulierte Wasserturbinen hier besonders vorteilhaft. Der Aggregatwirkungsgrad Gr für das Laufwasserkraftwerk ist

7.7 Laufwasser- und Speicherkraftwerke

Gr D Pel =.% g VP H / D GT Tu L mit Pel elektrische Leistung am Generator bzw. Transformator. Er lässt sich in folgende Wirkungsgrade aufteilen: GT  0;95 : : : 0;99 für Generator und Transformator; Tu  0;85 : : : 0;95 für die Turbine; L  0;93 : : : 0;99 für strömungsAbb. 7.11 Energiebilanz eines Pumpspeicherwerks mit führende Bauteile (z. B. Rohrleitungen). einem Drei-Maschinen-Satz

7

Wasserturbinen

Abb. 7.12 Maschinensatz des Pumpspeicherwerks Vianden (Luxemburg). 1 Francis-Spiralturbine, H D 265 : : : 290 m; VP D 37;2 : : : 39;5 m3 =s, n D 428;6 min1 , P D 90 : : : 100 MW, Pmax D 104 MW; 2 Synchronmaschi-

223

ne (Generator oder Motor), 3 Anwurf-Freistrahlturbine mit Zahnschaltkupplung, H D 288 m; VP D 1;31 m3 =s, P D 2;7 MW; 4 zweiflutige-zweistufige Speicherpumpe, P D 67 : : : 69 MW, Pmax D 76 MW

sofort ausgenutzt werden, sondern kann zur späteren Spitzendeckung dienen, u. U. bis zur erheblichen Entleerung des Beckens. Die Maschinenhäuser der Spitzenkraftwerke liegen entweder am Fuße des Gebirges (s. Abb. 7.1d) oder ina b nerhalb des Gebirges bei Kavernenkraftwerken, Abb. 7.10. Bei nicht ausreichendem Zufluss zur Deckung der Spitzenlast werden Speicherkraftwerke oft als Pumpspeicherwerke angelegt (Ausnutzung billic d gen Stroms, Netzregulierung, s. Abschn. 7.1.3). Es gibt drei mögliche Anordnungen von Turbine Abb. 7.13 Wasserkraftwerke. Hydrodynamische Wasserturbinen. a Horizontalachser; b Vertikalachser; c ummanund Pumpe [2]: teltes Flügelrad; d oszillierender Flügel

Turbine mit separatem Generator und Pumpe mit separatem Motor (Vier-Maschinen-Satz), Turbine und Pumpe mit gemeinsamem MotorGenerator (Drei-Maschinen-Satz), reversible Pumpturbine mit Motor-Generator (Zwei-Maschinen-Satz).

Hydrodynamische Wasserturbinen sind eine neuere Entwicklungen. Diese Anlagen nutzen die kinetische Energie aus Gezeitenströmungen (Tiden) oder Flüssen. Sie sind schnellläufig, mit spezifischen Drehzahlen über denen von Rohrturbinen. Grundsätzlich lassen sich vier Bauarten unterscheiden (Abb. 7.13a–d): Horizontalachser, Entscheidung nach Kosten, Wirkungsgrad, Vertikalachser, das ummantelte Flügelrad, sowie Fall-Förderhöhenbereich, Betriebsart und zur der oszillierende Flügel. Verfügung stehender Zeit zum Starten oder Wechseln vom Turbinenbetrieb in den Pumpbetrieb und umgekehrt. Abb. 7.11 zeigt die Energiebilanz eines Pumpspeicherwerks mit einem Literatur Drei-Maschinen-Satz. Der Gesamtwirkungsgrad von nahezu 80 % liegt an der oberen heute mögli- Spezielle Literatur chen Grenze, üblich sind Gesamtwirkungsgrade 1. Giesecke, J., Mosonyi, E.: Wasserkraftanlagen, Planung, Bau, Ausführung und Betrieb. Springer, Berlin um 75 %. Abb. 7.12 zeigt die technische Ver(2009) wirklichung eines Drei-Maschinen-Satzes für das 2. Raabe, J.: Hydraulische Maschinen und Anlagen. VDI-Verlag, Düsseldorf (1989) Pumpspeicherwerk Vianden in Luxemburg.

7

224 3. DIN 4048-2: Wasserbau. Begriffe, Teil 2: Wasserkraftanlagen. Beuth, Berlin (1994) 4. Bohl, W.: Strömungsmaschinen 1. Vogel, Würzburg (2008) 5. Bohl, W.: Strömungsmaschinen 2. Vogel, Würzburg (2005) 6. Raabe, J.: Hydro Power. VDI-Verlag, Düsseldorf (1985) 7. IEC 60041: Field acceptance tests to determine the hydraulic performance of hydraulic turbines, storage pumps and pump turbines, Genf (1991)

P. Thamsen 8. IEC 60193: Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines – Model acceptance tests, Genf (1991) 9. Fister, W.: Fluidenergiemaschinen, Bände 1 und 2. Springer, Berlin (1986) 10. Siekmann, H., Thamsen, P.U.: Strömungslehre, Grundlagen. Springer, Berlin (2007) 11. Siekmann, H., Thamsen, P.U.: Strömungslehre für den Maschinenbau, Technik und Beispiele. Springer, Berlin (2008)

8

Kreiselpumpen Paul Thamsen

8.1 Allgemeines Pumpen heben Flüssigkeiten bzw. erhöhen deren Druck oder Geschwindigkeit. Bei Kreiselpumpen erfolgt dies, indem mechanische Arbeit durch die Fliehkraft und Umlenkung des Mediums in Schaufelrädern übertragen wird. Fördermedien sind neben Wasser auch aggressive Medien und zähe Fluide bis hin zum Flüssigbeton.

8.2 Bauarten Einteilung und Bezeichnung der Kreiselpumpen erfolgen nach verschiedenen Gesichtspunkten: Form der Laufräder, Gehäuseaufbau, Stufenzahl, Antrieb, Fördermedien, Verwendung [4–12].

8.2.1 Laufrad Meist werden die Pumpen nach der Bauart ihrer Laufräder bezeichnet (Abb. 8.1): Radiale, halbaxiale, axiale Pumpen mit aufsteigenden spezifischen Drehzahlen nq (Gl. (8.1)). Dabei erfolgt die Bezeichnung nach der Hauptrichtung der Strömung in den Schaufelkanälen in Bezug zur Welle.

Abb. 8.1 Laufradbauarten nach [7]. a Radialrad mit b axial vorgezogenen Schaufeln; c Halbaxialrad mit d einstellbaren Schaufeln; e Axialrad

für ausgasende Fluide, Abwässer und Feststoffe in Trägerflüssigkeiten. Die vordere Laufraddeckscheibe ist erforderlich bei Förderung faseriger Verunreinigungen („geschlossene“ Laufräder), „offene“ Laufräder bewähren sich bei dem Transport von gashaltigen Flüssigkeiten und Schlämmen.

Radialräder nach Abb. 8.2a,b dienen zur Förderung von reinen Fluiden, Räder nach Abb. 8.3 Halbaxialräder (Abb. 8.1c,d). Die Schaufeln (Abb. 8.1d) können während des Betriebs verP. Thamsen () stellt oder, je nach Konstruktionsaufwand, im Technische Universität Berlin Stillstand eingestellt werden. Die Kontur der Berlin, Deutschland E-Mail: [email protected] Laufradnabe und des Pumpengehäuses sind im © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_8

225

226

P. Thamsen

Abb. 8.2 Anordnung von Radialrädern nach [7]. a, b Zweistufig; a gleiche, b gegensinnige Durchströmrichtung (back-to-back); c zweiströmig; d vierströmig

Bereich der möglichen Schaufelwinkel kugelig auszuführen. Halbaxiale Laufräder werden eingesetzt für relativ geringe bis mittlere Förderhöhen bei großen Volumenströmen. Axialräder (Abb. 8.1e). Hierfür gilt gleiches. Ist keine Winkeländerung erforderlich, so sind die Schaufeln mit der Nabe meist in einem Stück gegossen, und es entfällt die strömungsungünstige kugelige Kontur an Nabe und Gehäuse. Axiale Laufräder bewältigen große Volumenströme bei relativ geringen Förderhöhen.

8.2.1.1 Spezifische Drehzahl Sie ermöglicht die Wahl der Laufradbauart mit dem besten Pumpenwirkungsgrad und lautet dimensionslos:

Abb. 8.3 Sonderformen radialer Laufräder nach [7]. a Einschaufelräder; c Einkanalrad; d Zweikanalräder; f Dreikanalräder; h Freistromrad. a, c, d, f „geschlossen“, für Flüssigkeiten mit Feststoffen; b, e, g, h „offen“, für gasbeladene Flüssigkeiten ohne faserige Beimengungen

8.2.1.2 Verteilung der Stufen Es bestehen folgende Möglichkeiten:

Mehrstufige Bauart (Abb. 8.2a,b). Mehrstufigkeit, d. h. Reihenschaltung der Laufräder, bewirkt die Addition von Förderhöhen bei gleichem Förderstrom. Bei Standardpumpen werden bis zu 20, bei Tiefbrunnenpumpen bis zu 40 Stufen in 1=2 (8.1) einem Pumpenteil verwirklicht. Zum Ausgleich n q D 333 nN VPN =.gHN /3=4 des Axialschubs sind die Laufräder häufig spiemit nN Nenndrehzahl in min1 , VPN Nennförder- gelbildlich angeordnet (Abb. 8.2b). strom in m3 =s, H N Nennförderhöhe in m der Stufe, g D 9;81 m=s2 Fallbeschleunigung, Faktor Mehrströmige Bauart (Abb. 8.2c,d). Große 333 nur für die dimensionslose Darstellung von Förderströme werden in zwei, bisweilen in vier Bedeutung [4–8]. Teilströme aufgespalten, um z. B. zur VermeiDie Umfangsgeschwindigkeiten liegen je nach dung von Kavitation die StrömungsgeschwinKavitationsbedingung, Festigkeit und zulässiger digkeit im Laufradeintritt möglichst niedrig zu Geräuschemission zwischen ca. 20 und 60 m=s, halten; der Axialschub ist ebenfalls ausgeglichen. in Sonderfällen bis 140 m=s. Bei hohen Um- Mehrströmigkeit bewirkt als Parallelschaltung fangsgeschwindigkeiten werden Stufenförderhö- die Addition von Förderströmen bei gleicher Förhen bis zu 800 m verwirklicht. derhöhe.

8 Kreiselpumpen

227

8.2.2 Gehäuse

(Blockpumpen Abb. 8.18, 8.21); die Trockenoder Nassaufstellung des Gehäuses bzw. auch Kreiselpumpen werden auch nach der Bauart ih- des Elektromotors (Unterwassermotorpumpen, rer Gehäuse bezeichnet, z. B.: Tauchmotorpumpen Abb. 8.16 und 8.18). Spiralgehäusepumpe (Abb. 8.14, 8.15, 8.21, 8.23, 8.24). Um den Radialschub auszuglei- 8.2.3 Fluid chen, erhalten Spiralgehäuse oft eine zweite Spirale (Doppelspirale), deren Zunge um 180° zur Sehr verbreitet ist die Bezeichnung der Kreiselpumpen nach dem zu fördernden Fluid, z. B.: ersten versetzt beginnt. Reinwasser-, Abwasser-, Schlamm-, Säure-, Öl-, Ringraumgehäusepumpe. Ringraumgehäuse Flüssiggaspumpe. Der Mittransport sowohl von weisen im Meridianschnitt symmetrische Quer- Dampf und Gas als auch von Feststoffen ist nicht schnitte auf, oft abgewandelt zu spannungsgüns- auszuschließen, die Viskosität des Fluids beeintigen, montagefreundlichen Konstruktionen in flusst erheblich die Kennlinien [7, 13, 16]. kugeliger Grundform, Abb. 8.22.

8.2.4

Werkstoff

Rohrgehäusepumpe (Abb. 8.17). Sie ist vorzugsweise bei großen halbaxialen und axialen Die Bezeichnungen Kunststoffpumpe, BetonPumpen in vertikaler Aufstellung zu finden. gehäusepumpe, Graugusspumpe usw. geben Auskunft über den Hauptwerkstoff (GehäuseRohrschachtpumpe (Abb. 8.25). Sie ist in werkstoff). Die wichtigsten Kriterien bei der axialer und halbaxialer Bauart geeignet zur För- Werkstoffauswahl sind Festigkeit (Kesselspeisederung von Oberflächen- und vorgereinigtem Ab- pumpen), Korrosionsbeständigkeit (Chemiepumwasser. pen), Erosionsbeständigkeit (Baggerpumpen), Kavitationsbeständigkeit (Kondensatpumpen) Seitenkanalpumpe (Abb. 8.26). Sie gehört zur und – gleichermaßen wichtig für alle Pumpen Gruppe der sogenannten Peripheralpumpen und – Kosten für Investition, Bearbeitung, Wiederbeist weit verbreitet wegen ihrer relativ hohen schaffung, u. a. Druckzahlen. Die technologisch weit entwickelte Seitenkanalpumpe enthält Kunststoffflügelräder, Gehäuse und Laufräder Blechtiefziehteile und wird in Topfgehäuseform (Barrel) ausgeführt. Teilung. Gehäuse sind in der Mehrzahl radial geteilt. Abb. 8.15 zeigt ein axial geteiltes Gehäuse. Kesselspeisepumpen besitzen entweder eine Gliederform (Abb. 8.19) oder ein Topfgehäuse, Abb. 8.20. Je kleiner der Massenstrom, um so kostengünstiger kann eine Gliederpumpe im Vergleich zur Topfgehäusepumpe hergestellt werden [7]; im Falle einer Läuferrevision ist die Topfgehäusepumpe wie auch die axial geteilte Wellen Bauweise montagefreundlicher. Charakteristische Merkmale der Pumpen können auch sein: die Befestigung des Pumpengehäuses, z. B. am Elektromotorgehäuse

8

228

8.2.4.1 Kavitationsbeständigkeit Geeignet sind Chromnickelstähle, nicht hingegen Gusseisen und Kunststoffe; neben der Werkstoffzusammensetzung spielt hierbei auch die Formgebung (Gießen, Schmieden, Spanen) und die Oberflächenbeschaffenheit (rau, poliert) eine Rolle. Allen kavitationsbeständigen Werkstoffen gemein ist eine relativ hohe Dauerfestigkeit und Beständigkeit gegen Schwingungsrisskorrosion.

P. Thamsen

Dampfturbinen. Sie dienen hauptsächlich als Antrieb von Großpumpen der Kraftwerkstechnik (z. B. Direktantrieb von Kesselspeisepumpen, Antriebsleistungen bis 50 MW, Drehzahlbereich 3000 bis 6000 min1 ), teilweise auch von Wasserwerkspumpen bis hin zum Antrieb kleinerer Pumpen über Getriebe.

8.3 8.2.5 Antrieb

Betriebsverhalten

8.3.1 Kavitation

Kavitation, das Entstehen und schlagartige ZuUnterwassermotorpumpen, Dieselmotorpumpen, sammenbrechen von Dampfblasen, tritt in FlüsTurbopumpen u. a. sind Bezeichnungen nach sigkeitsströmungen an Stellen mit Drücken nahe dem Antrieb. dem Dampfdruck (Verdampfungsdruck) pV auf. Zur Einleitung ist die Anwesenheit von GasspuElektromotoren. Der gebräuchlichste Antrieb ren (Keimen) erforderlich. für Kreiselpumpen. Üblich sind EinphasenWechselstrommotoren in den untersten Leis- Vorgang. Die Druckabsenkung im Pumpeneintungsbereichen ( NPSHR, gestrichelt: NPSHA < NPSHR nach [7]

ptot  pV %g

 (8.3) min

ist erforderlich, um die Kreiselpumpe ohne Kavitationsfolgen dauernd betreiben zu können. Gebräuchlich sind folgende Alternativkriterien bzw. Erscheinungsformen (VP D const):

zur Quantifizierung der Kavitationsempfindlichkeit einer Kreiselpumpe [1, 2]. Der NPSH-Wert ist definiert als Gesamtdruckhöhe der Strömung in Laufradmitte, vermindert um die Verdampfungsdruckhöhe der Flüssigkeit, Einheit m. Es ist zu unterscheiden zwischen dem vorhandenen NPSH-Wert der Anlage NPSHA (Abb. 8.5) und dem mindest erforderlichen NPSH-Wert der Pumpe NPSHR (engl. vorhanden D available, erforderlich D required).

Blasenlänge eine nach Ort und Größe definierte Ausdehnung des Dampfgebiets auf der Schaufel (z. B. 5 mm auf der äußeren Flusslinie).

Anlage. Hier gilt:

Schalldruckpegel eine nach Messort und Größe definierte kavitationsbedingte Erhöhung.

ptot  pV %g v2 pa C p1  pV C 1 C z1 D %g 2g

Wirkungsgradabfall (z. B. 1 % von dem kavitationsfrei gemessenen Wirkungsgrad). Förderhöhenabfall (z. B. 3 % von der kavitationsfrei gemessenen Förderhöhe).

NSPHA D

Materialverschleiß, als Pumpenmaterial, das in der Zeiteinheit durch Kavitationswirkung abge(8.2) tragen wird.

Abb. 8.5 Energieverlauf ptot =% g auf der Eintrittsseite einer Pumpenanlage. a Pumpe oberhalb des Flüssigkeitsspiegels, zI < 0 geodätische Saughöhe; b Pumpe

unterhalb des Flüssigkeitsspiegels, zI > 0 geodätische Zulaufhöhe. Bezugspunkt des Saugspiegels im Eintritt der Anlage, s. Abb. 8.8

8

230

P. Thamsen

Verläufe (Abb. 8.4, 8.6 und 8.7). Aus Gl. (8.3) ergibt sich die zu verwirklichende geodätische Saughöhe (zI < 0) bzw. Zulaufhöhe (zI > 0) (Abb. 8.5) zu pa C pI  pV 2  I : %g 2g (8.4) Durch Vergleichmäßigung der Zuströmung und Einsatz eines axialen Vorsatzläufers (Inducer) kann NPSHR und damit zI noch wesentlich verringert werden. Der NPSHA-Wert ändert sich mit der Anlagenkennlinie (Widerstandsparabel), der NPSHRWert mit der Pumpenkennlinie. Ein Betriebspunkt der Pumpe kann nur dann ein Dauerbetriebspunkt ohne schädliche Kavitationsfolgen sein, wenn in diesem Punkt folgende Ungleichung deutlich mit einer Mindestsicherheit von ca. 1–2 m erfüllt ist:

Bestpunkt (engl. Best Efficiency Point BEP). Mit dem maximalen Wirkungsgrad max ist der Bestpunkt H opt , Popt , NPSHRopt über VPopt bestimmt; der Nennbetriebspunkt sollte i. Allg. möglichst nah bei dem Bestpunkt liegen.

zI  NPSHR C HJ:I;1 

NPSHA > NPSHR :

Verlauf. In Abb. 8.6 sind, bezogen auf die Bestwerte, die Kennlinien für drei unterschiedliche Bauarten einstufiger Kreiselpumpen qualitativ dargestellt, in Abb. 8.7 findet sich eine quantitative Darstellung. Drosselkurven (Förderhöhenkurven). Die Steigung ist vorwiegend negativ; Kurvenstücke mit positiven Steigungen heißen nichtstabil wegen u. U. nicht eindeutig definierter Betriebspunkte. Die Nullförderhöhe .VP D 0/ liegt, bezogen auf H opt , um so höher, je größer nq ist. Drosselkurven axialer und halbaxialer Kreiselpumpen zeigen – je höher nq , um so ausgeprägter – einen Sattel im Teillastgebiet VP =VPopt < 1 (Abb. 8.6).

Die Gefahr, durch Kavitation Schäden im Dauerbetrieb zu erleiden, ist offensichtlich um so geringer, je größer NPSHA gegenüber NPSHR ist, so dass der Differenz NPSHA  NPSHR die Bedeutung einer Sicherheit gegenüber Kavitation zukommt.

8.3.2 Kennlinien Die Kennlinien einer Kreiselpumpe sind Darstellungen folgender Größen in Abhängigkeit vom Förderstrom VP : Förderhöhe H oder spezifische Förderarbeit Y=gH, Leistungsbedarf P, Pumpenwirkungsgrad  D %VP Y =P mit Dichte des Fluids unter den Bedingungen am Saugstutzen, NPSHR-Wert und u. U. auch akustische und mechanische Schwingungsgrößen, u. a. Voraussetzungen für die einzelne Kennlinie sind die Konstanz der Pumpendrehzahl n, der Pumpengeometrie (z. B. Schaufelwinkel) und der physikalischen Beschaffenheit des Fluids.

Abb. 8.6 Einfluss der spezifischen Drehzahl nq auf die Kennlinien der Pumpen (ohne Viskositätseinflüsse). a axial nq 200 min1 , h halbaxial nq  80 min1 , r radial nq  25 min1 [7]

8 Kreiselpumpen

231

Wirkungsgradkurven. In Richtung Teillast und Überlast fällt der Wirkungsgrad um so mehr, je höher nq ist. Diesem Nachteil kann durch die günstigeren Regelmöglichkeiten aufgrund von Schaufelverstellung begegnet werden. NPSH-Kurven. Der Verlauf wird von der Radialpumpe zur Axialpumpe ungünstiger (vgl. dazu die winkelabhängigen Unterdruckspitzen von Tragflügeln). In Richtung Teillast werden die meisten Kreiselpumpen unempfindlicher gegen Kavitation (um so mehr eingeschränkt, je größer nq ), s. Abb. 8.6. Betriebspunkt. Er ist der Schnittpunkt zwischen Drosselkurve H.VP / und Anlagenkennlinie (Rohrleitungskennlinie) HA .VP / für die Förderhöhe H der Pumpe und Förderhöhe H A der Anlage (Abb. 8.9 und 8.10): H D z2  z1 C

 2  12 p2  p1 C 2 ; %g 2g

pII  pI  2  I2 C II %g 2g C HJ:I;1 C HJ:II;2 :

(8.5)

HA D zII  zI C

(8.6)

Während in Gl. (8.5) für H nur pumpenspezifische Größen enthalten sind (Leistungsangebot), so gibt Gl. (8.6) für H A den anlagenbedingten Leistungsbedarf wieder, um den Förderstrom VP zwischen dem Eintrittsquerschnitt AI und Austrittsquerschnitt AII aufrechtzuerhalten. Im Beharrungszustand der Förderung, d. h. im Betriebspunkt, ist H D H A , Abb. 8.9 und 8.10. In der Regel kann nicht jeder Punkt der Drosselkurve ein Dauerbetriebspunkt sein. Meist ist der Förderstrom nach oben durch nicht mehr ausreichenden NPSH-Wert der Anlage NPSHA, nach unten durch unzulässig starke wirbelerregte Abb. 8.7 Kennlinien ausgeführter einstufiger Pumpen (KSB und SIHI-Halberg). a Radial nq 15 min1 , n D Schwingungen (Teillastwirbel), insbesondere bei 1450 min1 , Wasser 15 °C; b axial nq 200 min1 , n D Drosselkurven mit Sattel, begrenzt. 314 min1 , Wasser 15 °C [6, 7]

Leistungskurven. Axialpumpen nehmen bei VP D 0 maximale, Radialpumpen dagegen minimale Leistung auf. Daher sind – um Überlastung des Antriebs zu vermeiden – Axialpumpen bei geöffnetem und Radialpumpen bei geschlossenem Absperrorgan anzufahren.

8.3.3 Anpassung der Kreiselpumpe an den Leistungsbedarf Die Anpassung an den Leistungsbedarf P D % g VP H= kann durch Änderung der Anlagenkennlinie oder der Drosselkurve geschehen.

8

232

Abb. 8.8 Schema einer Kreiselpumpe und Anlage [1]. BN Bezugsniveau, SS Saugspiegel, DS Druckspiegel, Pu Pumpe, S saugseitige Anlage, D druckseitige Anlage, Sy System. AI ; AII Eintritts-, Austrittsquerschnitte der Anlage; A1 ; A2 Eintritts-, Austrittsquerschnitte (Saug-, Druckstutzenquerschnitte) der Kreiselpumpe; z Höhenkoten zum Bezugsniveau BN; p Überdruck (p > 0) oder Unterdruck (p < 0) zum örtlichen barometrischen Luftdruck pa ;  absolute Strömungsgeschwindigkeit (Mittelwert VP =A/; HJ:I;1 ; HJ:2;II Verlusthöhen in saugseitiger, druckseitiger Anlage; H geo geodätische Förderhöhe (zII zI ). II Bezugspunkt des Druckspiegels im Austritt der Anlage, I Bezugspunkt des Saugspiegels im Eintritt der Anlage

P. Thamsen

Abb. 8.10 Betriebspunkte B auf der Anlagenkennlinie HA .VP / infolge Drehzahländerung der Pumpe oder Zuschaltens einer zweiten gleichen Pumpe. B1 , B2 eine Pumpe bei reduzierter bzw. bei Nenndrehzahl; B3 zwei gleiche Pumpen in Reihenschaltung (Addition zweier gleicher Förderhöhen gestrichelt); B4 zwei gleiche Pumpen in Parallelschaltung (Addition zweier gleicher Förderströme strichpunktiert)

dagegen sind die Investitionskosten für Drosselarmaturen relativ niedrig. Die Hauptanwendung liegt bei kleineren radialen Kreiselpumpen, insbesondere auch wegen des mit verringertem Förderstrom fallenden Leistungsbedarfs, Abb. 8.7a. Bypass. Diese Anpassung basiert ebenfalls auf veränderbaren Strömungsverlusten bei relativ geringen Investitionskosten, hier für eine gedrosselte Rückführleitung von der druckseitigen zur saugseitigen Anlage. Er ist vereinzelt bei Axialpumpen zu finden, deren Leistungsbedarf mit zunehmendem Förderstrom abnimmt, Abb. 8.7b.

8.3.3.2 Drosselkurve Drehzahländerung. Bei gleicher Pumpengröße und Förderflüssigkeit lauten die Modellgesetze: Abb. 8.9 Betriebspunkte B auf der Drosselkurve H.VP / bei Änderung der Anlagenkennlinie HA .VP /. B1 Anlagenkennlinie ohne statische Förderhöhe Hstat D Hgeo C .pa  pI /=% g D 0I B2  B5 Anlagenkennlinien mit statischer Förderhöhe und unterschiedlicher Drosselstellung der Armatur; B5 Armatur geschlossen

VP  n ;

H  n2 ;

P  n3 :

So wandern bei Veränderung der Drehzahl die Punkte einer Drosselkurve auf Parabeln zweiten Grades auf die andere Drosselkurve (Kennfeld Abb. 8.11a), während der Wirkungsgrad bei kleineren Abweichungen bis zu 20 % von der Nenn8.3.3.1 Anlagenkennlinie drehzahl und genügend hohen Reynoldszahlen konstant bleibt. Bei größeren Drehzahlsprüngen Drosselung. Da HA .VP / nur durch Vergrößern zwischen den Betriebspunkten 1 und 2 und kleider Strömungsverluste beeinflusst wird, ist sie neren Reynoldszahlen Re < 106 (auf den Laufradhinsichtlich der Betriebskosten unwirtschaftlich; austritt bezogen) ändert sich der Wirkungsgrad

8 Kreiselpumpen

233

lastet sein. Die Drehzahlregelung ist aus der Sicht der Betriebskosten die wirtschaftlichste Regelart, wenn die Anlagenkennlinie keine oder nur geringe statische Förderhöhe aufweist (vgl. Abb. 8.9). Vorleitschaufelverstellung. Die übliche hydraulische Auslegung einer Kreiselpumpe geht von einer gleichmäßigen, drallfreien Zuströmung zum Laufrad aus. Wird nun durch ein vorgeschaltetes Leitrad mit veränderlicher Schaufelstellung (Vordrallregelung, s. Abb. 8.17) der Zuströmung ein Drall aufgeprägt, so wird die Lage der Drosselkurve verändert. Gleichdrall (Umfangskomponenten der Zuströmung in Richtung der Umfangsgeschwindigkeit, Schaufelstellung < 90°) führt zu einer Absenkung der Drosselkurve, Gegendrall (Schaufelstellung > 90°) zu einer Anhebung, Abb. 8.11b. Aus der Euler-Strömungsmaschinenhauptgleichung (s. Abschn. 6.1.3) folgt, dass diese Verstellung um so wirksamer ist, je größer nq ist. Das gilt insbesondere, wenn Förderhöhenschwankungen bei annähernd gleichbleibendem Förderstrom auftreten, z. B. bei Kühlwasserpumpen (s. Wirkungsgrad in Abb. 8.11b). Laufschaufelverstellung. Abb. 8.11c zeigt ihren Einfluss bei einer axialen Kreiselpumpe (Propellerpumpe) auf die Lage der Drosselkurve. An der aufwändigen Konstruktion der laufschaufelverstellbaren Propellerpumpe (auch in halbaxialer Bauart) ist bei gleichbleibender Förderhöhe der Förderstrom mit relativ gutem Wirkungsgrad zu verändern. Vorbilder für diese Verstellung sind Schiffspropeller und Kaplanturbinen. Konstruktiv weniger aufwändig sind einstellbare SchauAbb. 8.11 Kennfelder [7] von Kreiselpumpen. a Axiale feln, die allerdings wegen der Demontage des Pumpe mit Drehzahländerung nq 200 min1 ; b halbaxia- Laufrads nur bei langfristigen Eingriffen vorteille Pumpe mit Vordralländerung nq 160 min1 ; c axiale haft sind. Pumpe mit Laufschaufelverstellung n 200 min1 q

8.3.3.3 Verändern der Schaufelaustrittskanten nach der Näherungsformel (WirkungsgradaufHierunter wird das Abdrehen des Laufrads (Bauwertung) [4, 12] arten a–c Abb. 8.1) sowie das Zuschärfen der Schaufelenden als einmalige Anpassung verstan2 D 1  .1  1 /.n1 =n2 /0;1 : den. Abdrehen stellt eine Durchmesserreduktion Leistungsbedarf. Da dieser mit der dritten Po- des Laufrads von Dx auf Dy dar, das Ausdrehen tenz der Drehzahl steigt, kann der Antrieb bei bezieht sich dabei nur auf die Schaufeln und nicht nur geringen Drehzahlsteigerungen schon über- auf die Radseitenwände. Wird der Durchmesser

8

234

P. Thamsen

nur soweit geändert, dass die Schaufeln gegenseitig überdeckt bleiben, so gilt näherungsweise VPx =VPy D Hx =Hy D .Dx =Dy /2 . Der Wirkungsgrad verringert sich dabei um so weniger, je kleiner nq ist. Das Zuschärfen der Schaufelenden in Richtung steilerer Schaufelaustrittswinkel ergibt bei radialen und halbaxialen Pumpen eine bis zu 3 % höhere Förderhöhe im Bereich des Wirkungsgradmaximums.

Druckkräften vor und hinter der Wellendichtung, Fi D %VP .ax; 1  ax; 2 / D Impulskraft (Index 1 Laufradeintritt, Index 2 Laufradaustritt), Fd  Fs D resultierende Druckkraft aus den Druckkräften auf die druckseitige und saugseitige Laufraddeckscheibe, Fmech D resultierende Axialkraft aufgrund mechanischer Einrichtungen (z. B. Achsschubausgleichseinrichtung, magnetischer Zug im Elektromotor), FG D Axialkomponente der Rotorgewichtskraft. Dominierend ist in 8.3.3.4 Selbstregelung durch Kavitation der Regel der Anteil Fd  Fs , entgegen der AnDieser Ausgleich tritt vornehmlich bei Konden- strömrichtung (ax ) gerichtet. satpumpen auf und nutzt den Blockierungseffekt der Dampfblasen in den Schaufelkanälen aus. Näherungsformeln. D Fd  Fs Fällt wenig Kondensat an, so sinkt mit dem Flüs- .0;7 : : : 0;9/ Ane % g H bei Radialrädern mit sigkeitspegel die Zulaufhöhe; dabei wächst das nichtentlasteter Laufradfläche Ane und Fd  Fs D Blasenvolumen und reduziert wie gewünscht den .1;0 : : : 1;3/ % g H   D22 =4 bei halbaxialen bis Förderstrom. axialen Laufrädern.

8.3.4 Achsschubausgleich Bei allen Bauarten tritt abhängig vom Betriebspunkt am Laufrad eine resultierende Axialkraft (Achsschub) auf, deren Wirkungslinie die Drehachse ist und deren Richtung (falls kein Achsschubausgleich vorhanden) zur Saugseite der Kreiselpumpe weist. Der Achsschub F setzt sich aus mehreren in der Drehachse liegenden Komponenten zusammen, die, am Beispiel einer einstufigen radialen Kreiselpumpe im stationären Strömungszustand, aus Abb. 8.12 hervorgehen: FWd D resultierende Druckkraft aus den

Abb. 8.12 Axialkräfte einer Kreiselpumpe

Abb. 8.13 Ausgleich des Axialschubs. a Mit druckseitigem Dichtspalt und Entlastungsbohrungen, Pfeile: Spaltstrom, 1 und 2 saugseitiger (äußerer) und druckseitiger (innerer) Seitenraum, 3 druckseitiger Dichtspalt, 4 Entlastungsbohrungen; b mit Rückenschaufeln 5; c mit Entlastungsscheibe 6

8 Kreiselpumpen

235

Achsschubausgleich. Er ist möglich durch: 1. Axiallager (Wälz- oder Gleitlager) mit ausreichender Dimensionierung, 2. gegenströmige bzw. zweiströmige Anordnung von Laufrädern (Abb. 8.2b–d, 8.15), 3. Entlastungsbohrungen (Druckausgleich zwischen innerem Seitenraum und Saugraum des Laufrads, kombiniert mit Dichtspalt, Abb. 8.13a), 4. Rückenschaufeln (Erzeugung eines verminderten Drucks im inneren Seitenraum (Abb. 8.13b), 5. Entlastungsscheibe (Abb. 8.13c), 6. Entlastungskolben und Axiallager, 7. Doppelkolben und Axiallager.

a

8.4 Ausgeführte Pumpen b

8.4.1 Wasserwirtschaft Dieser große Anwendungsbereich umfasst die Wassergewinnung, -aufbereitung (z. B. in Meerwasser-Entsalzungsanlagen) und -verteilung (Abb. 8.14, 8.15), die Wasserhaltung und -absenkung auf Baustellen und den Grubenbetrieb (Abb. 8.16), die Be- und Entwässerung, auch bei schwankenden Wasserspiegeln (z. B. Grundwasserabsenkung im Braunkohletagebau), sowie die Entsorgung, Abb. 8.18. Um die Anforderungen an den Abwassertransport zu erfüllen, kommen Laufräder mit freien, unverengten Laufraddurchgängen und einer geringen Schaufelzahl von ein bis drei Schaufeln zum Einsatz.

8.4.2 Kraftwerkstechnik Hier liegen Extrembedingungen vor, wie: die Kesselspeisepumpen als Höchstdruckpumpen in Gliederbauweise oder Topfbauweise (Abb. 8.20), die Kesselwasser-Umwälzpumpen (Abb. 8.21) unter hohen Temperaturen (bis 420 °C) und Systemdrücken (bis ca. 400 bar), die Reaktorkühlmittelpumpen (Abb. 8.22) neben hohen Temperaturen und Drücken (z. B. 350 °C, 170 bar bei Druckwasserreaktoren) unter extremen Dichtproblemen [7, 15].

Abb. 8.14 Spiralgehäusepumpe. a Ausführung nach EN 733; b Spiralgehäusepumpe mit Lagerträger (KSB)

Abb. 8.15 Zweiströmige Spiralgehäusepumpe zur Förderung von Reinwasser und vorgereinigtem Wasser (Sulzer)

8.4.3 Verfahrenstechnik In diese Gruppe gehören Chemie-, Raffinerieund Tanklagerpumpen. Extreme Bedingungen sind durch die Förderflüssigkeiten gegeben, die korrosiv, giftig, explosiv oder leichtflüchtig sind oder bei relativ hohen oder tiefen Temperaturen gefördert werden. Hier wird oft die vielseitig einsetzbare, besonders montagefreundliche Spiralgehäusepumpe verwendet, die den Vorschrif-

8

236

P. Thamsen

Abb. 8.17 Rohrgehäusepumpe: Schraubenradpumpe mit Vordrallregler zur Förderung von Kühlwasser (KSB)

ten des American Petroleum Institute (API 610) entspricht. Abb. 8.23 zeigt eine Spaltrohrmotorpumpe zur Förderung.

8.4.4

Andere Einsatzgebiete

Umwälzpumpen aus der Haustechnik (s. Abschn. 39.2.5) werden für Warmwasserheizungsanlagen in Zwillingsausführung gebaut, bei der eine Pumpe als stets betriebsbereite ReserveAbb. 8.16 Mehrstufige halbaxiale Unterwassermotor- pumpe oder als parallel arbeitende Zweitpumpe pumpe zur Wasserhaltung und Trinkwasserförderung dient. (Flowserve)

8 Kreiselpumpen

237

Die in Abb. 8.24 dargestellte Spiralgehäusepumpe besitzt ein Freistromrad, das besonders zur Förderung gasbeladener Abwässer geeignet ist; die relativ großen Abstände zu den Gehäusewänden machen diese Pumpe auch zur Förderung verzopfender Beimengungen tauglich. Axiale Rohrschachtpumpen (Abb. 8.25) mit Tauchmotor finden sowohl kommunale als auch industrielle Anwendung in Abwasserpumpwerken, Schöpfwerken und zur allgemeinen Wasserversorgung.

Abb. 8.18 Tauchmotorpumpe mit Kanalrad zur Förderung von Abwasser (Flygt). 1 wasserdichte Kabeldurchführung, 2 Klemmplatte, 3 Kugellager, 4 Statorgehäuse, 5 Welle, 6 Rotor, 7 Stator mit Isolierung nach Klasse F (155 °C), 8 obere Dichtungseinheit mit Hartmetall/Kohle-Gleitringdichtung, 9 untere Dichtungseinheit mit Hartmetall-Gleitringdichtung, 10 Pumpengehäuse, 11 Ölgehäuse: das Öl schmiert und kühlt die Dichtungsringe und dient zur Kontrolle des Zustandes der Dichtung, 12 verstopfungsfreies Kanalrad

8 Abb. 8.20 Vierstufige Kesselspeisepumpe mit Topfgehäuse (KSB)

Abb. 8.19 Sechsstufige horizontale Gliedergehäusepumpe nach ISO 5199/ EN 25199 (Sterling SIHI)

238

P. Thamsen

Abb. 8.22 Reaktorkühlmittelpumpe für Druckwasserreaktoren (KSB) Abb. 8.21 Stopfbuchslose Kesselwasser-Umwälzpumpe (KSB)

Spaltrohr

Abb. 8.23 Spiralgehäusepumpe mit Spaltrohrmotor für die Verfahrenstechnik (KSB)

Abb. 8.24 Trocken aufgestellte radiale Spiralgehäusepumpe mit Freistromrad zur Förderung von Rohabwasser (KSB)

8 Kreiselpumpen

239

8

Abb. 8.25 Bewässerungspumpe: wartungsfreie Tauchmotor-Propellerpumpe mit einstellbaren Laufschaufeln (KSB)

Abb. 8.26 Horizontale Seitenkanalpumpe mit offenen Flügelrädern und NPSH-Vorstufe (Sterling SIHI)

240

Literatur Spezielle Literatur 1. DIN (EN) 12 723: Flüssigkeitspumpen, Allgemeine Begriffe für Pumpen und Pumpenanlagen. Beuth, Berlin (2000) 2. DIN 24 250: Kreiselpumpen, Benennung und Benummerung von Einzelteilen. Beuth, Berlin (2000) 3. DIN EN ISO 9906: Kreiselpumpen – Hydraulische Abnahmeprüfung- Klasse 1 und Klasse 2. Beuth, Berlin (2002) 4. Pfleiderer, C., Petermann, H.: Strömungsmaschinen. Springer, Berlin (2004) 5. Troskolanski, A. T., Lazarkiewicz, S.: Kreiselpumpen. Birkhäuser, Basel (1976) 6. Wesche, W.: Radiale Kreiselpumpen. Berechnung und Konstruktion der hydrodynamischen Komponenten, Springer, Berlin (2012) 7. Klein, Schanzlin & Becker (KSB): Kreiselpumpenlexikon, 4. Aufl. Frankenthal (2009)

P. Thamsen 8. Bohl, W.: Strömungsmaschinen 1. Vogel, Würzburg (2004) 9. Bohl, W.: Strömungsmaschinen 2. Vogel, Würzburg (2005) 10. Raabe, J.: Hydraulische Maschinen und Anlagen. VDI-Verlag, Düsseldorf (1989) 11. Fister, W.: Fluidenergiemaschinen, Bände 1 und 2. Springer, Berlin (1984 und 1986) 12. Gülich, J. F.: Kreiselpumpen. Springer, Berlin (2010) 13. Siekmann, H., Thamsen, P.U.: Strömungslehre, Grundlagen. Springer, Berlin (2007) 14. Siekmann, H., Thamsen, P.U.: Strömungslehre für den Maschinenbau, Technik und Beispiele. Springer, Berlin (2008) 15. Sihi-Halberg: Grundlagen für die Planung von Kreiselpumpenanlagen. Sihi-Halberg, Ludwigshafen 16. Reprints der VDMA-Pumpentagungen 1973–2016. VDMA-Fachgemeinschaft Pumpen und Verdichter, Frankfurt

9

Schiffspropeller Paul Thamsen

9.1 Allgemeines

9.2

Schiffspropeller sind hydrodynamische Strömungsarbeitsmaschinen meistens axialer Bauart zur Erzeugung eines Vortriebs. Der Achsschub, eine sonst lästige Nebenwirkung auf die Lager, ist hier Hauptwirkung (Impulssatz, Propellerstrahltheorie [1]). Für Anwendungen ist die Berechnung der Propeller nach der Wirbel- oder Tragflügeltheorie [2, 3] sinnvoller als nach der Strahltheorie. Profile sind Göttinger, NACA-, Kármán-Trefftz-, Kreissegment- und Sonder-Profile (z. B. Wageninger Profile). Modellversuche entscheiden die endgültige Auslegung, insbesondere bei ungleichförmigen Geschwindigkeitsfeldern vor und hinter dem Propeller (Druckschwankungen am Einzelflügel). Entsprechend den extrem hohen spezifischen Drehzahlen nq  300 : : : 1000 min1 ist die Schaufelzahl niedrig, 2 bis 6, selten mehr. Strömungstechnische Begrenzungen sind bei Schiffspropellern durch Kavitationswirkungen gegeben [4]. Oft sind Festigkeitsprobleme ausschlaggebend. Nachgeschaltete Leiträder können Verlust durch nicht ausgenutzten Austrittsdrall minimieren, bewirken jedoch zusätzliche Reibverluste; daher werden sie nur in Sonderfällen mit Erfolg angewendet [5].

Abb. 9.1 zeigt einen Schiffspropeller für ein schnelles Containerschiff (21 kn). Bei einer Leistung am Dieselmotor (8 Zyl. 2 T.) von 17,8 MW hat der Propeller die Daten: Durchmesser 6,3 m, Drehzahl 120 min1 , Flügelzahl 6, Werkstoff G-NiA1 BzF60, Gewicht 25,3 t, Wirkungsgrad 63,5 %. Der Propeller wurde dem vorliegenden Nachstrom des Schiffes angepasst.

P. Thamsen () Technische Universität Berlin Berlin, Deutschland E-Mail: [email protected]

Schiffspropeller

Verstellpropeller. Sie ermöglichen größere Sicherheit und Wirtschaftlichkeit des Antriebs auch bei reduzierten Schiffsgeschwindigkeiten mit im Betrieb veränderlicher Flügelsteigung, bessere Beherrschung der von ungleichförmigem Nachstromfeld induzierten Wechsellasten und bessere Abstimmung bei Mehrmotorenanlagen. Sie werden heute bis ca. 8 m Durchmesser und ca. 35 MW gebaut [6, 7]. Hydraulischer Servomotor zur Flügelverstellung im Schiffsinnern oder in der Propellernabe selbst (Abb. 9.2); vgl. Verstelleinrichtung von Kaplanturbinen Kap. 7. Azimuthing Podded Drive (Azipod). Dies ist ein neuartiger seegängiger dieselelektrischer Außenbordantrieb, um 360° schwenkbar, meist in der Anordnung zweier gleichlaufender Propeller hintereinander (Zug- und Druckpropeller).

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_9

241

242

P. Thamsen

der Schraube selbst gesteigerte Durchflussgeschwindigkeit, also Leistungs- bzw. Wirkungsgradsteigerung infolge größeren Massenstroms. – Infolge der Druckverteilung an der mit dem Schiff verbundenen Düse trägt auch diese zur Vortriebswirkung bei. – Ruhiger Nachstrom; Ufer und Sohlen von Binnengewässern werden weniger angegriffen. Ein- und Austrittsquerschnitt der Düse können rechteckig sein zur Anpassung an den zwischen Oberfläche und Grund vorhandenen Wasserquerschnitt. Bei herkömmlichen Propellerdüsen macht sich aber die grobe Wasserverschmutzung durch Verklemmen fester Bestandteile im Spalt zwischen Propeller und Düse nachteilig bemerkbar [8].

Abb. 9.1 Schiffspropeller mit nichtverstellbaren Schaufeln. 1 Erzeugende, 2 Durchschlagskurve, 3 Nabe, 4 Berandung der projizierten und 5 der abgewickelten Druckseitenfläche, 6 Orte maximaler Profildicke, 7 Schaufelprofile

Anwendung. Ummantelte Propeller spielen auch als Manövrierhilfen eine große Rolle, z. B. Aktivruder (im Ruder eingebauter Hilfspropeller mit elektrischem Unterwassermotorantrieb oder um 360° schwenkbarer Düsenpropeller mit Winkeltrieb), Querstrahlruder (in Rohrkanälen quer zur Fahrtrichtung im Vor- und/oder Hinterschiff angeordnete Propeller erzeugen je nach Dreh- und Durchströmrichtung eine Steuerwirkung nach Back- oder Steuerbord). Die sog. Strahlantriebe sind eher als Kreiselpumpenanlagen an Bord zu betrachten (Erzeugung eines Schubstrahls unter oder über Wasser).

Kort-Düse. Hierbei ist der Propeller mit einer Düse ummantelt. Bei geringer Fahrt und hoher Schubbelastung ergeben sich folgende Vorteile: Am Flügelende geringere Verluste. – Abströmquerschnitt aus Düse ist größer als beim freien Strahl (keine Strahlkontraktion), Geschwindig- Voith-Schneider-Propeller, heißt auch Zyklokeit also kleiner, kleinerer Austrittsverlust; in idenpropeller. Er hat gute Manövriereigenschaf-

Abb. 9.2 Nabe eines Verstellpropellers (Escher Wyss). 1 Schaufel, 2 Schaufelzapfen, zweifach gelagert, 3 Verstellhebel, 4 Zapfenmutter, 5 Lenker, 6 Verstellkreuz mit

zweifach gelagerter Verstellstange, 7 Servomotorkolben, 8 Propellerwelle

9 Schiffspropeller

243

Abb. 9.4 Bugsierfahrzeug mit Voith-Schneider-Propeller (Voith). 1 Voith-Schneider-Propeller, 2 Föttinger-Kupplung, 3 Dieselmotor, 4 Schlepphaken, 5 Schleppwinde, 6 Stabilisierungsflosse, 7 Propellerschutzplatte

Abb. 9.3 Schubsteuerung eines Voith-Schneider-Propellers (Voith). 1 Steuerpunkt „N“ in O-Position, keine Schuberzeugung, 2 „N“ ausgelenkt nach links, Schuberzeugung voraus, 3 Phasenverschiebung im Uhrzeigersinn, Schubrichtung schwenkt entsprechend, 4 „N“ ausgelenkt nach vorn, Schubrichtung nach Steuerbord, 5 „N“ ausgelenkt nach rechts, Schubrichtung zurück. 0 Mittelposition, N Steuerpunkte, S Schub

ten. An einem Rotor mit vertikaler Drehachse sind am Umfang in sich unverwundene Flügelprofile angeordnet, denen während des Umlaufs Schwingbewegungen aufgezwungen werden, wodurch stets ein positiver Anstellwinkel zur resultierenden Anströmrichtung zum Profil und somit Schuberzeugung möglich ist [9]. Arbeitsweise. (Abb. 9.3) Der nicht mitrotierende Steuerhebel kann nach Größe und Richtung verstellt werden. Hierdurch Einstellen des vollen Schubs im Betrieb nach jeder Steuerrichtung möglich. Hauptdrehbewegung um O, Ausrichten der Flügel jeweils senkrecht zur Verbindungslinie von Flügelmitte nach N. Abb. 9.3 zeigt je nach Lage von O und N fünf verschiedene Schübe S nach Größe und Richtung. Der Einbau ist an verschiedenen Stellen des Schiffs möglich; bei Abb. 9.4 am Bug eines Schleppers, hier werden zwei Dieselmotoren mit 880 kW und zwei Propeller nebeneinander eingesetzt (Schiffslänge ca. 30 m, Trossenzug voraus ca. 270 kN, Freifahrtgeschwindigkeit 12 kn). Einsatzgebiete sind: Wassertrecker (Propeller unter Vorschiff, Schleppgeschirr achtern),

Schwimmkrane mit Eigenantrieb, Doppelendfähren auf relativ kurzen Fährstrecken, Fahrgastschiffe auf viel befahrenen Binnenwasserstraßen, Messschiffe und Forschungsschiffe, Bohrschiffe und Arbeitsgeräte, die im Offshore-Gebiet dynamisch positioniert werden müssen.

Literatur Spezielle Literatur 1. Baer, W.: Der Voith-Schneider-Propeller heute und seine Entwicklungstendenzen. In: Jahrbuch 1972 der STG. Springer, Berlin (1973) 2. Lerbs, H., Alef, W., Albrecht, U.: Numerische Auswertungen zur Theorie der tragenden Fläche von Propellern. In: Jahrbuch 1964 der STG. Springer, Berlin (1965) 3. Ulrich, W., Danckwardt, E.: Konstruktionsgrundlagen für Schiffsschrauben. Fachbuchverlag, Leipzig (1956) 4. Siekmann, H., Thamsen, P. U.: Strömungslehre für den Maschinenbau, Technik und Beispiele. Springer, Berlin (2008) 5. Propellers, 78, Symposium, Virginia Beach, Va. USA, May 24–25, 1978. The Society of Naval Architects and Marine Engineers, New York (1979) 6. Grim, O.: Propeller und Leitrad, Forschungszentrum des Deutschen Schiffbaus, Bericht 22, Hamburg (1971) 7. Wührer, W.: Konstruktive Fortschritte als Folge erhöhter Anforderungen am Beispiel von Verstellpropelleranlagen. In: Jahrbuch 1978 der STG. Springer, Berlin (1979) 8. Mehr als 40 Jahre Escher Wyss Verstellpropeller, Druckschrift der Firma Escher Wyss (Sulzer), Ravensburg (1977) 9. Luthra, G.: Untersuchungen der Maßnahmen zur Verbesserung der Betriebssicherheit bei Düsenpropellern. Schiff & Hafen 29, H. 6 (1977)

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Föttinger-Getriebe

10

Paul Thamsen

10.1 Prinzip und Bauformen Prinzip: Hydrodynamische Leistungsübertragung mit Kreiselpumpe (P) und Flüssigkeitsturbine (T) in einem gemeinsamen Gehäuse. P ist mit der Antriebswelle verbunden, T mit der Abtriebswelle [1–6]. Föttinger-Getriebe (Abb. 10.1–10.6) enthalten mehrere, die Strömung umlenkende Schaufelräder als Hauptglieder H, bestehend aus: Pumpenlaufrad P, Turbinenlaufrad T und Leitrad (Reaktionsglied) R. Letztgenanntes ist nur bei Wandlern (P, T, R) vorhanden; Kupplungen (P, T) und hydrodynamische Bremsen (P, T fest) sind einfacher aufgebaut als Wandler [5]. Die leistungsübertragende Flüssigkeit ist meist Öl.

Abb. 10.1 Konstantfüllungskupplungen (H = Hauptglied als Pumpe oder Turbine wirkend). a–c Füllung im Stillstand; a ohne Nebenraum; b mit Nebenraum innen; c mit Nebenraum innen und außen; d mit Kühlstromdurchfluss [1]

Abb. 10.2 gibt einen Überblick über Stell- und Schaltkupplungen [5], wobei von außen in die Kreislaufströmung oder auf den Fluidinhalt während des Betriebes eingegriffen wird.

Föttinger-Kupplungen. Sie bewirken eine stufenlose Drehzahlanpassung ohne Drehmomentwandlung als stoß- und schwingungsdämpfender Überlastschutz in Aggregaten mit Strömungsmaschinen, Kolbenmaschinen, Fördergeräten, Walzenantrieben, Fahrzeugen, Mahlwerken u. a. Abb. 10.1 zeigt vier Bauarten von Konstantfüllungskupplungen [5], wobei H sowohl als P als auch als T wirken kann. P. Thamsen () Technische Universität Berlin Berlin, Deutschland E-Mail: [email protected]

Abb. 10.2 Stell- und Schaltkupplungen. a Bewegliches Schöpfrohr; b–d mit Zu- oder Ablaufsteuerung; b Staudruckpumpe; c stehendes Gehäuse; d umlaufendes Gehäuse und bewegliches Schöpfrohr [1]

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_10

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246

Abb. 10.3 Einphasige Wandler. a Einstufig mit Zentripetalturbine; b einstufig mit Zentrifugalturbine; c zweistufig; d einstufig Pumpe und Turbine gegensinnig laufend [1]

P. Thamsen

Abb. 10.4 Mehrphasige Wandler. a–c Zwei-, drei- und vierphasig; d zweiphasig, zweistufig [1]

Föttinger-Wandler. Ihre Aufgabe ist die stufenlose Drehzahlanpassung und Drehmomentwandlung zwischen Kraftmaschinen (Benzin-, Diesel-, Elektromotor, Gas-, Dampf- oder Wasserturbine) auf der Antriebsseite und Arbeitsmaschinen (Kreisel-, Verdrängerpumpe, Propeller, Ventilator, Verdichter, Förderanlage, Schienen-, Straßenfahrzeug, Hebezeug oder Wickelmaschine) auf der Abtriebsseite. Abb. 10.3 zeigt vier bekannte Bauarten einphasiger Wandler, bestehend aus P, T (gleichsinnig oder gegensinnig zu P) und R (fest). Bei hoher Momentwandlung werden T und R mehrstufig ausgeführt. Abb. 10.4 gibt vier verbreitete Bauarten mehrphasiger Wandler wieder, bei denen der Leistungsfluss von der Pumpe zur Turbine eine selbsttätige Änderung aufgrund von Strömungskräften im Kreislauf erfährt. Diese Änderung erfolgt durch Öffnen oder Schließen eines Freilaufs zwischen R und dem Gehäuse oder P und R und dem Gehäuse. Stell- und Schaltwandler sind in Abb. 10.5 dargestellt.

Abb. 10.5 Stell- und Schaltwandler. a Mit Leitschaufelverstellung; b mit Ringschieber; c mit axial verschiebbarer Turbine (Ausrückturbine); d mit festbremsbarem Leitrad [1]

beim Abbremsen von Schienen- und Straßenfahrzeugen (Omnibussen, Lastkraftwagen) [1–6].

Abb. 10.6 gibt die bekanntesten Bauarten einer hydrodynamischen Bremse wieder, die einer Hydrodynamische Bremsen (Retarder). Sie hydrodynamischen Kupplung entspricht, deren liefern die verschleißärmste Leistungsumwand- Turbine (hier Stator S) gegen das Gehäuse fest lung mechanischer Leistung in Wärmeleistung abgestützt ist.

10 Föttinger-Getriebe

247

eher hydrostatische Getriebe [2–5]. Das Föttinger-Getriebe möglichst auf die schnelllaufende Welle setzen, wenn Zahnrad- oder Riemenübersetzungen vorhanden sind. Leistung und Drehmoment. Für die Pumpe gilt nach Ähnlichkeitsgesetzen der Strömungsmaschinen PP D  % D 5 !P3 ;

MP D  % D 5 !P2 :

Für Kupplungen mit normalem Schlupf s D .1  /  100  3 % gilt, wenn  D nT =nP das Drehzahlverhältnis ist, erfahrungsgemäß die Zahlenwertgleichung PP D .0;7 : : : 0;8/  106 D 5 n3P Abb. 10.6 Hydrodynamische Bremsen (Retarder). a Konstantfüllung mit Kühlstrom; b mit Stellschaufeln; c, d mit Zu- oder Ablaufsteuerung; c einflutig; d zweiflutig [1]

mit PP in kW, D in m, nP in min1 . Die Winkelgeschwindigkeit ! P der Pumpe und die geometrische Größe des Getriebes, wie der Kreislaufdurchmesser D, sind entscheidend Konstantfüllungsbremsen (Abb. 10.6a) besit- für PP und M P (weniger die Dichte % der Bezen ein je nach Füllungsgrad veränderliches triebsflüssigkeit). Kennfeld. Stellbremsen (Abb. 10.6b) zeigen zusätzlich zum Füllungsgrad noch den Stellwinkel Charakteristische Parameter sind: von nichtrotierenden Verstellschaufeln als Parameter im Kennfeld. Änderungen des Füllungs- Leistungszahl  (Abb. 10.8 und 10.14), grades durch einen gesteuerten oder geregelten Zu- oder Ablauf (Abb. 10.6c) führen zu unter- Drehmomentenzahl D MT =MP , die bei schiedlichen Kennlinien. Diese Bauart kann auch Kupplungen stets D 1 und bei Wandlern D zweiflutig (Abb. 10.6d) ausgeführt werden. ./ ist, Wandlerwirkungsgrad w D  (Abb. 10.14).

10.2 Auslegung Maßgebend für die hydrodynamische Auslegung ist wieder die Euler-StrömungsmaschinenHauptgleichung; übertragene hydraulische LeisP mit Y D u2 2u u1 1u . Bei gegetung Ph D mY benen Leistungswerten ist optimales nq möglich, da die Betriebswerte Y und m P des Pumpenrads im Rahmen eines der gegebenen Leistung entsprechenden Produkts mY P frei gewählt werden können; man erhält daher günstige Verhältnisse von Radbreiten zu Durchmessern. Bei großem Moment und kleiner Drehzahl (großes M=n2 ) ergeben sich Räder, die im Verhältnis zur übertragenen Leistung zu groß sind; dann eignen sich

10.3

Föttinger-Kupplungen

Die Konstantfüllungskupplung (Abb. 10.7) hat eine unsymmetrische Radform von Pumpe und Turbine. Dadurch wird unter der Pumpe ein Stauraum gebildet, der dem Ölkreislauf bei großem Schlupf zwischen Pumpen- und Turbinenrad (kleines Drehzahlverhältnis ) einen Teil des Öls entzieht. Dieses Konstruktionsprinzip bewirkt, dass die Drehmomentaufnahme des Pumpenrads zwischen Anfahrpunkt A und einem bestimmten (vom Anwendungsfall der Kupplung her erforderlichen) Drehzahlverhältnis nahezu konstant

10

248

Abb. 10.7 Zur Konstruktion einer Föttinger-Kupplung (Zahnradfabrik Friedrichshafen). 1 Antrieb, 2 Abtrieb, 3 Turbinenrad, 4 Pumpenrad, 5 Stauraum

P. Thamsen

im Synchronpunkt S  D 1. Hier besteht kein Kreislauf und keine Momenten- und Leistungsübertragung. Abb. 10.9 zeigt die industrielle Ausführung einer Stellkupplung mit Schöpfrohr. Die rotierenden Teile sind in einem allseits geschlossenen, öldichten Gehäuse gelagert. Der Ölbehälter (5) ist in das Gehäuse integriert. Die Betriebsmittelpumpe (6) ist als Zahnradpumpe ausgeführt, die über einen Nebenantrieb von der Welle des Pumpenrades (1) angetrieben wird. Die Wellen sind wälzgelagert und mit Drucköl geschmiert. Die zugehörigen Kennlinien sind in Abb. 10.10 dargestellt [7].

10.4 Bremsen Abb. 10.11 zeigt eine hydrodynamische Bremse (Retarder) für den Einsatz in Omnibussen und Lastkraftwagen. In der Regel übernehmen die Retarder ca. 90 % aller Bremsvorgänge. Der angetriebene Rotor (Pumpe) fördert die Flüssigkeit Abb. 10.8 Kupplungskennlinie (qualitativ) für eine Bauart nach Abb. 10.7 bei einer konstanten Ölfüllung. Be- in den Stator (festgebremste Turbine). Die kinetriebspunkte: A Anfahrpunkt, U unterer Dauerbetriebs- tische Energie wird dort in Wärme gewandelt, punkt, N Nennbetriebspunkt, S Synchronpunkt. Betriebs- das Fahrzeug gebremst. Die anfallende Wärme bereiche: A bis S Hauptbetrieb, U bis S Dauerbetrieb. wird über den Wärmeübertrager an die Fahr < 0 Gegenbremsung,  > s übersynchron zeugkühlanlage abgeführt (Kühlwasseranschlüsbleibt, Abb. 10.8. Dieses Drehzahlverhältnis ist se). Bei der Konstruktion ist auf ein Minimum durch die Radienverhältnisse der Kupplung und drehender Massen geachtet worden, um negative damit der Größe des Stauraums beeinflussbar. Einflüsse auf den Gelenkwellenstrang zu vermeiden. Der Kupplungswirkungsgrad ist mit D 1 In Abb. 10.12 ist ein Bremsenkennfeld eines  D  ; Retarders für Kraftfahrzeuge mit fünf schaltba-

Abb. 10.9 Stellkupplung mit Schöpfrohr (Voith Turbo). 1 Pumpenrad, 2 Turbinenrad, 3 Schale, 4 Schöpfrohrgehäuse, 5 Ölbehälter, 6 Betriebsmittelpumpe, 7 Schöpfrohr, 8 Wärmeaustauscher, a Schöpfrohrabstand vom Boden

10 Föttinger-Getriebe

249

ren Bremsstufen dargestellt. Die angegebenen Füllungsgrade f ergeben die für Kreiselpumpen typischen parabolischen Momentenverläufe. Der Betriebspunkt ist durch den Schnittpunkt von Bremskennlinie und Füllungsgradkennlinie f D konstant gegeben, wobei die Bremskennlinie durch eine Füllungssteuerung aufgeprägt wird [5].

10.5 Föttinger-Wandler Abb. 10.10 Kennlinien einer Stellkupplung. Füllungsgrad f ist proportional zum Schöpfrohrhubverhältnis a=amax (s. Abb. 10.9). Stabile Schnittpunkte zwischen Betriebskennlinie und Kupplungskennlinie erlauben Drehzahlstellungsgenauigkeiten bis ˙ 0,1 %

Der Wandler (Abb. 10.13) besteht aus dem Pumpenrad P, dem Turbinenrad T und dem Leitrad R, das feststehend oder – wie dargestellt – über einen Freilauf (Trilokprinzip) am feststehenden Gehäuse abgestützt sein kann. Wesentliche Baugruppen hierbei sind in Blech konstruiert. Kennlinien Abb. 10.14; bei Betrieb im Wandlungsbereich > 1 (MT < MP ) ist R stets mit dem Gehäuse verbunden; bei D 1 (MP D MT ) wirkt Wandler wie Kupplung, Leitrad ist wirkunglos (Freilauf).

Zweiphasige Wandler. Die Leitradabstützung über Freilauf (Abb. 10.4a, 10.13) ermöglicht also zwei Betriebsphasen. In der ersten stützt sich das Leitrad gegen das Gehäuse ab, das Antriebsdrehmoment wird gewandelt. Die zweiHydrodynamische Bremse (Voith Turbo). te arbeitet mit über den Freilauf gelöstem

Abb. 10.11 1 Rotor, 2 Stator, 3 Retardergehäuse, 4 Ölbehälter, 5 Ritzelwelle, 6 Antriebsrad, 7 Wärmeübertrager, 8 Kühlwasseranschlüsse

Abb. 10.12

Bremsenkennfeld qualitativ

Abb. 10.13 Föttinger-Wandler mit Freilauf und Überbrückungskupplung (Fichtel & Sachs). 1 Antrieb, 2 Abtrieb, 3 Freilauf, 4 Leitrad, 5 Pumpe, 6 Turbine, 7 Torsionsdämpfer, 8 Überbrückungskupplung

10

250

P. Thamsen

gleich bei der Verbindung von Kraft- und Arbeitsmaschinen, z. B. beim Anfahren einer Gasturbine.

Literatur Spezielle Literatur

Abb. 10.14 Wandlers

Kennlinien eines einstufigen, zweiphasigen

Leitrad, der Wandler arbeitet als hydraulische Kupplung. Die Überbrückungskupplung verbindet Pumpen- und Turbinenrad mechanisch und wird immer dann betätigt, wenn der Wandler nicht mehr zur Zugkrafterhöhung beiträgt. Damit wird der Übertragungswirkungsgrad verbessert. Hauptanwendungsgebiete sind AutomatikGetriebe für Nutzkraftwagen (Bus, Lkw) und Arbeitsmaschinen mit überwiegendem Fahreinsatz. Stellwandler. Sie besitzen verstellbare Leitschaufeln. Ihre große Bedeutung liegt im Aus-

1. VDI-Richtlinie 2153: Hydrodynamische Leistungsübertragung, Begriffe – Bauformen – Wirkungsweise. VDI-Verlag, Düsseldorf (1994) 2. Förster, H. J.: Automatische Fahrzeuggetriebe. Springer, Berlin (1994) 3. Kickbusch, E.: Föttinger-Kupplungen und FöttingerGetriebe. Springer, Berlin (1963) 4. Wolf, M.: Strömungskupplungen und Strömungswandler. Springer, Berlin (1962) 5. Voith, J. M.: Hydrodynamik in der Antriebstechnik, Wandler, Wandlergetriebe, Kupplungen und Bremsen. Krausskopf, Mainz (1987) 6. Bohl, W.: Strömungsmaschinen 1. Vogel, Würzburg (2008) 7. Höller, H.: Steuern von Antriebsanlagen mittels hydrodynamischer Kupplungen, in VDI-Z Special-Ölhydraulik und Pneumatik, Heft 1. VDI, Düsseldorf (1989) 8. Menne, A.: Einflüsse von hydraulischen Kupplungen auf Torsionsschwingungen in Antriebssystemen, in Antriebstechnik 36/3. Springer, Berlin (1997)

11

Dampfturbinen Edwin Krämer

Der Beitrag basiert auf Ausführungen der Arbeitsverfahren. Hiernach gibt es Gleich19. Auflage von L. Busse, Mannheim. druckturbinen (Entspannung des Dampfes vorwiegend im Leitteil der Turbinenstufen) und Überdruckturbinen (Entspannung etwa je zur Hälfte im Leit- und Laufteil). 11.1 Benennungen Nach DIN 4304 sind zu unterscheiden: Dampfturbine. Sie ist eine Wärmekraftmaschine mit rotierenden Laufteilen, in der das Enthalpiegefälle stetig strömenden Dampfes in einer oder mehreren Stufen in mechanische Arbeit umgewandelt wird.

Eintrittszustand. Es werden unterschieden Heißdampfturbinen, bei denen der Dampfeintrittszustand mindestens 50 K überhitzt ist, und Sattdampfturbinen (vorwiegend für Leichtwasser-Kernkraftwerke) sowie Niederdruck-, Mitteldruck-, Hochdruck und Höchstdruckturbinen.

Dampfturbosatz. Er besteht aus einer Dampf- Dampfzuführung. Es werden zwischen Frischturbine mit angetriebener Arbeitsmaschine, auch dampf-, Abdampf-, Speicherdampf und Zweimit Getriebe. oder Mehrdruckturbinen unterschieden. Dampfturbinenanlage. Dies ist ein Dampftur- Dampfabführung. Hiernach werden die bosatz einschließlich Kondensationsanlage, ver- Dampfturbinen meist benannt: Bei Kondensabindender Rohrleitungen und Hilfseinrichtungen. tionsturbinen wird die Kondensationswärme des Abdampfes durch ein Kühlmittel ohne weiteWeitere Benennungen. Hierfür ist der Zustand re Ausnutzung an die Umgebung abgeführt. und das Verhalten des Dampfes in der Turbine Bei der Frischwasserkühlung an einen Fluss, maßgebend. See oder das Meer, bei der Rückkühlung durch im Kreislauf geführtes Kühlwasser über einen Durchflussrichtung. Hiernach gibt es Axial- Nass- oder Trockenkühlturm an die Luft, bei der und Radialturbinen. Luftkondensation direkt an die Luft. Bei Gegendruckturbinen wird die Abdampfenergie noch für andere Zwecke – meist zur Heizung – ausgenutzt. Bei der Anzapfturbine wird ein Teil des Dampfes E. Krämer () nach teilweiser Entspannung ungeregelt, bei der Consenec AG Entnahmeturbine geregelt entnommen. Damit Baden, Schweiz E-Mail: [email protected] bestimmt der weiterfließende Dampfstrom den © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_11

251

252

E. Krämer

Anzapfdruck, während der Entnahmedruck durch 11.2.1.1 Turbinen für konventionelle Dampfkraftwerke nachgeschaltete Drosselorgane, Regelstufen oder verstellbare Leitschaufeln konstantgehalten wird. Der thermische Wirkungsgrad (s. Bd. 1, Abschn. 42.3.2) lässt sich darstellen als th D .Qzu  Qab /=Qzu , wobei Qzu die der Turbine zugeführte, Qab die aus dem Kondensator abge11.2 Bauarten führte Wärme bedeutet.

11.2.1 Kraftwerksturbinen

Wärmezufuhr. Da sie hauptsächlich bei der Verdampfung erfolgt, ist der Frischdampfdruck und vor allem die Frischdampftemperatur für den thermischen Wirkungsgrad maßgebend. Sie sind gekoppelt über die Bedingung, dass die Dampfnässe am Ende der Expansion bei der Kondensationsturbine den Wert von etwa 15 % nicht überschreiten darf. Üblicherweise wird die spezifische Wärmezufuhr und damit der thermische Wirkungsgrad durch die einfache Zwischenüberhitzung des Dampfes erhöht. Damit ergeben sich dann im h-s-Diagramm (Abb. 11.1) die üblichen Bereiche für Frischdampftemperatur und -druck. Heute hat sich bei den Großturbinen weltweit die Frischdampf- und Zwischenüberhitzungstemperatur auf etwa 565 bis 620 °C und der Frischdampfdruck auf etwa 250 bis 300 bar eingependelt. Angesichts steigender ökologischer Anforderungen wird derzeit durch die Weiterentwicklung und den Einsatz von Nickel-Basis-Legierun-

h in kJ/kg

300 bar

30 b ar

350 bar 120 bar 100 bar 70 65 bbar ar

Über Jahrzehnte waren Dampfturbinen aufgrund einer hohen Leistungsdichte, sehr grosser Einheitsgrössen (bis zu 1100 MW in Kohleblöcken, 1600 MW in Kernkraftwerken), langer Lebensdauer (> 200 000 Betriebsstunden), exzellenter Verfügbarkeit und gutem thermischen Wirkungsgrad die dominierende Antriebsmaschine im Bereich der Stromerzeugung. Dabei erfolgte die Dampferzeugung grösstenteils auf Kohlebasis oder in nuklearen Reaktoren. Im Zuge der CO2 -Vermeidungsdiskussionen und der abnehmenden Aktzeptanz der Kernenergie gibt es weltweit einen signifikanten Zuwachs der Stromerzeugung mittel „Regenerativer Energien“ (Abschn. 48.6). Gleichzeitig bieten immer größere Gasturbinen mit GUD Wirkungsgraden von bis zu 62 % grosstechnische Alternativen mit geringerem CO2 -Austoß. Für die Kraftwerksdampfturbine bedeutet dies vermehrt kleinere Leistungseinheiten in GUD-Prozessen, aber viel wichtiger 4000 ist der Trend zur flexiblen Betriebsweise. Die 720 °C 3800 extrem niedrigen variablen Betriebskosten der 620 °C 600 °C 585 °C regenerativen Energien sowie die hohen Schwan°C 3600 540 °C 700 520 °C kungen der Wind- und Solarenergieeinspeisung 3400 (Abschn. 48.6) zwingen Kohle- und Kombikraft410 °C 1 werke in Netzen mit einem hohen Anteil rege3200 2 nerativer Energien weg vom Grundlast- hin zum 3000 Lastfolgebetrieb. Die Folgen sind erhöhter Verx = 1,0 2800 schleiss durch höhere Temperaturgradienten bei schnellen Lastwechseln und längerer Betrieb in 2600 x = 0,85 Teillastzuständen mit starker Drosselung in den 2400 Ventilen und ungleichmässiger Strömung durch die Turbine. Verbesserte Berechnungsverfahren 2200 und Regeleinheiten erlauben eine wirtschaftliche 2000 5,4 5,8 6,6 7,0 7,4 7,8 8,2 6,2 Optimierung der bestehenden Anlagen. Zusätzs in kJ/(kg K) lich wird bei Neuanlagen oder größeren Umbauten die Konstruktion an diese Anforderungen Abb. 11.1 Übliche Dampfzustände von Kondensationsturbinen mit (1) und ohne (2) Zwischenüberhitzung angepasst.

11

Dampfturbinen

253

Abb. 11.2 Wärmeschaltbild einer unterkritischen 350-MW-Zwischenüberhitzungs-Dampfturbinenanlage

Abb. 11.3 Wärmeschaltbild einer überkritischen 350-MW-Zwischenüberhitzungs-Dampfturbinenanlage

gen der Anwendungsbereich zu erhöhten Dampfparametern von 720 °C und 350 bar ausgeweitet. Damit sind Netto-Wirkungsgrade von 50 % und kombiniert mit weiteren Kreislaufoptimierungen (z. B. Ausführung einer doppelten Zwischenüberhitzung) von mehr als 50 % realisierbar.

meschaltbild (Abb. 11.2) zeigt eine 350-MWDampfturbinenanlage mit unterkritischen Frischdampfzuständen (Druck p < 166;5 bar) am Turbineneintritt und siebenstufiger Speisewasservorwärmung, bestehend aus vier Niederdruckvorwärmern, einem Mischvorwärmer-Entgaser und zwei Hochdruckvorwärmern. Damit wird ein thermischer Wirkungsgrad von 46 % erreicht, was einem Netto-Wirkungsgrad von 40 % entspricht. Im Vergleich dazu zeigt das nächste Wärmeschaltbild (Abb. 11.3) eine 350-MW-Dampfturbinenanlage mit überkritischen Frischdampfzuständen (Druck p > 221;2 bar) am Turbineneintritt und neunstufiger Speisewasservorwärmung. Durch die höheren Dampfzustände am Turbineneintritt, die bessere Vorwärmung und eine tiefer liegende Kühlwassertemperatur beträgt der Netto-Wirkungsgrad ca. 47 % (s. Abschn. 49.1.1). Das Ergebnis der rechnerischen Optimierung der Variabeln des Dampfturbinenprozesses ist stark abhängig von den standortspezifischen ökonomischen und ökologischen Randbedingungen.

Wärmeabfuhr. Um diese zu verringern, wird die untere Prozesstemperatur möglichst tief, also nahe an die Umgebungstemperatur abgesenkt wie bei der Frischwasserkühlung, die aber wegen der schon bestehenden Wärmebelastung unserer Gewässer und in vielen Regionen bestehenden Wasserknappheit kaum noch zu verwirklichen ist. So bleibt nur die Wärmeabfuhr über Nassoder Trockenkühltürme an die Luft. Die Vorwärmung des Speisewassers mit Anzapfdampf aus der Turbine verringert die Prozessabwärme ebenfalls und hebt die mittlere Temperatur der Wärmezufuhr an. Die obere Grenze dieses Verfahrens ist dadurch gegeben, dass bei einer zu hohen Speisewasser-Endtemperatur die Kessel-AbgasTemperatur trotz Luftvorwärmung nicht mehr auf dem Tiefstwert gehalten werden kann. Das Wär-

11

254

Unter Berücksichtigung von Stromlieferverträgen, Kraftwerksfinanzierung, Umweltauflagen, Brennstoffpreisen, Wasserverfügbarkeit und den klimatischen Verhältnissen werden Frischdampfund Zwischenüberhitzungszustände, Anzahl, Gütegrad und Anzapfdrücke der Vorwärmer, Anzahl und Größe der Niederdruckbeschaufelungen, Größe und Ausführung des Kondensators und Kühlturms optimal aufeinander abgestimmt. Konstruktiver Aufbau. Den vielfältigen Anforderungen werden am besten Baukastensysteme für Ein- und Mehrgehäuse-Turbinen gerecht. Bei den mehrgehäusigen Großturbinen sind die Niederdruckteile und ihre Beschaufelung genormt, bei den Hochdruck- und Mitteldruckteilen werden Wellen und Beschaufelungen lediglich angepasst. Ferner sind Konstruktionselemente wie Ventile, Schaufeln, besonders Endschaufeln, Lagergehäuse und Lager, Kupplungen, Wellendichtungen und Läufer-Dreheinrichtungen durch Herstellernormen festgelegt. Der Aufbau der Großturbinen ist bei den verschiedenen Herstellern, bei Gleichdruck- und Überdruckturbinen weitgehend ähnlich. In der 300-MW-Klasse sind Hochdruck- und Mitteldruckbeschaufelungen einflutig, die Niederdruckteile bei Kühlturmbetrieb zweiflutig ausgeführt. Zwischen 600 und 800 MW sind die Hochdruckteile einflutig, die Mitteldruckteile ein- oder zweiflutig und die Niederdruckteile meist vierflutig ausgelegt. Da bei den kürzesten Schaufeln auch die Axialspiele und damit die Relativdehnungen zwischen Läufern und Gehäusen am kleinsten sein müssen, sitzt das Axiallager üblicherweise zwischen Hochdruck- und Mitteldruckturbine und die Zudampfstutzen liegen neben dem Axiallager. Hochdruck- und Mitteldruckgehäuse sind in Topf- oder Doppelmantelbauweise, die Niederdruckteile mit geschweißten Außengehäusen und teils gegossenen, teils geschweißten Innengehäusen ausgeführt. Das Hochdruck-Topfgehäuse einer 800-MW-Turbine in Überdruckbauweise für 501=s, 180 bar, 525 °C (Abb. 11.4), ein entsprechender kombinierter Hoch- und Mitteldruckteil für nukleare Kraftwerke in Gleichdruckbauart (Abb. 11.5) sowie der Hochdruck-, Mitteldruck- und ein von drei Nie-

E. Krämer

derdruckteilen einer der größten Einwellen-Anlagen mit 930 MW für 50 1=s, gebaut für 260 bar, 550 °C (Abb. 11.6) zeigen die konstruktive Gestaltung moderner Dampfturbinen.

11.2.1.2

Turbinen für kombinierte Gas-Dampfkraftwerke Kombinierte Gas-Dampfkraftwerke (Abschn. 49.1.3) haben in den letzten Jahren enorm an Bedeutung gewonnen. Gründe sind: in vielen Gebieten günstiges und in ausreichenden Mengen zur Verfügung stehendes Erdgas, die durch den Brennstoff, den hohen Wirkungsgrad und fortschrittliche Verbrennungstechnologie bedingten geringen Emissionen, die Entwicklung großer Gasturbinen (s. Kap. 13) mit Leistungen bis 450 MW sowie geringe spezifische Investitionen bei Neuanlagen im Vergleich zu anderen Technologien. Die in typischen GUD-Prozessen eingesetzten Dampfturbinen arbeiten mit Frischdampfzuständen von 100 bis 180 bar und 540 bis 600 °C je nach Abgastemperatur der Gasturbine. Im Vergleich zu Dampfkraftwerken wird zugunsten der Investitionskosten meist auf einfachere Vorwärmkonzepte zurückgegriffen und teilweise auch auf die Zwischenüberhitzung verzichtet. Statt dessen wird dem Abhitzekessel sogenannter Zweit-, manchmal auch Drittdampf auf tieferem Druck- und Temperaturniveau entnommen und der Dampfturbine zugeführt. Der 3-Druck-Prozess ist heute eher der Standard. Neben den bisher üblichen Aufstellungskonzepten, welche ein Zusammenschalten von 2 bis 3 Gasturbinen mit einer Dampfturbine vorsahen, setzt sich die Einwellenanordnung, d. h. Gasturbine, Generator und Dampfturbine in einem Wellenstrang, immer stärker durch. Mittels einer schaltbaren Kupplung zwischen Generator und Dampfturbine ist es möglich, die Dampfturbine vom Rest des Wellenstranges ab- und anzukuppeln. Dadurch wird dem unterschiedlichen Anfahr- und Auslaufverhalten von Dampfund Gasturbine Rechnung getragen. Die bei Einwellenanordnungen derzeit resultierenden Dampfturbinenleistungen bis ca. 240 MW wurden mit ein- oder doppelflutigen Niederdruckteilen ausgeführt. Mit einer separa-

11

Dampfturbinen

255

Abb. 11.4 Hochdruckteil einer 800-MW-Zwischenüberhitzungsturbine (Siemens). 1 hydraulische Dreheinrichtung, 2 Lagergehäuse, 3 Hochdruckgehäuse in Topfbauweise, 4 Lagergehäuse mit Radial-Axiallager 2 1 3

11

Abb. 11.5 Kombinierte Hoch- und Mitteldruckturbine in Gleichdruckbauart für den Einsatz in Kernkraftwerken (General Electric) 1 Gehäuse, 2 Laufbeschaufelung, 3 Wellendichtung

ten, einflutigen Hochdruckturbine und einer kombinierten, im Umkehrfluss ausgeführten Mitteldruck-Niederdruckturbine mit axialem Abdampf (Abb. 11.7) ergeben sich kompakte Anordnungen.

Hochdruckteilturbine (Abb. 11.5) stellen besondere Anforderungen an die Konstruktion von Sattdampfturbinen. Um die Endnässe in Grenzen zu halten, wird in der Rohrleitung nach der Hochdruckturbine ein Hochgeschwindigkeitsabscheider und dahinter ein mit Frischdampf be11.2.1.3 Turbinen für nukleare Kraftwerke heizter Überhitzer eingesetzt. Diese verbessern Der Frischdampfzustand bei Siedewasserreakto- den thermischen Wirkungsgrad um 1,0 bis 1,5 %. ren liegt nur bei etwa 70 bar, der Sättigungstem- Das optimale Druckniveau für Wasserabscheiperatur (etwa 285 °C) und einer Dampffeuchte dung und Überhitzung liegt bei 8 bis 12 bar. von etwa 0,3 %. Druckwasserreaktoren liefern um bis zu 30 K überhitzten Dampf. Die gro- Abmessungen. Da die Anlagenkosten bei eißen Volumenströme und die Dampfnässe in der nem Kernkraftwerk mit zwei Dritteln in die

256

E. Krämer

Abb. 11.6 930-MW-Zwischenüberhitzungsturbine (General Electric). 1 Läufer-Dreheinrichtung, 2 einflutige Hochdruckturbine, Innengehäuse mit Schrumpfringen,

3 geschweißte Welle, 4 Axiallager, 5 doppelflutige Mitteldruckturbine, 6 geschweißtes Niederdruckgehäuse

Abb. 11.7 Dampfturbine für Einwellenanordnung mit Gasturbine und Generator (General Electric). 1 Schaltbare Kupplung (SSS), 2 Hochdruckturbine mit 360° Einlass-

spirale, 3 kombinierte Mittel- und Niederdruckturbine, 4 axiales Abströmgehäuse

Stromentstehungskosten eingehen, sind große Einheiten notwendig. Dazu kommt wegen der niedrigen Frischdampfdaten im Vergleich zu einer konventionellen Zwischenüberhitzungsturbine gleicher Leistung ein vierfacher Volumenstrom am Eintritt und ein etwa 70 % größerer Abdampfvolumenstrom. Dies führt bei frischwassergekühlten Anlagen zu sogenannten halbtourigen Turbinen, d. h. Drehzahlen mit halber Netzfrequenz (25 oder 30 1=s). Werden nämlich bei einer gegebenen volltourigen Endstufe alle geometrischen Abmessungen verdoppelt, so bleiben Strömungsverhältnisse, mechanische Be-

anspruchungen und relative Lage der Schaufeleigenfrequenzen bei halber Drehzahl konstant, der Abdampfvolumenstrom aber steigt um den Faktor vier. Die Sattdampfturbinen der heute üblichen Leistungsklasse 1000 bis 1800 MW sind im Hochdruckteil zweiflutig und im Niederdruckteil, je nach Abdampfdruck, vier- oder sechsflutig ausgeführt. Erosion und Korrosion. Hierfür und für die Abschaltsicherheit ist die Dampfnässe in der Hochdruckturbine maßgebend. Erosionskorrosion tritt im Bereich hoher Dampfdichte und hoher

11

Dampfturbinen

Dampfgeschwindigkeit, also in der Hochdruckturbine an allen Drosselstellen, im Wasserabscheider und in den Anzapf- und Überströmleitungen an un- und niedriglegierten Werkstoffen auf. Abhilfe bringen Panzerung durch hochlegierte Schweiß- oder Spritzschichten bzw. Übergang zu hochlegierten Werkstoffen. Die Nachverdampfung des Kondensatfilms in der Beschaufelung und des Kondensats im Wasserabscheider bei einer Abschaltung erfordern zusätzliche Maßnahmen – z. B. Abfang- oder Bypassklappen vor der Niederdruckturbine – um die Sattdampfturbinen abschaltsicher zu machen, also um ein Hochlaufen in die Schnellschlussdrehzahl zu vermeiden.

11.2.1.4 Speisepumpen-Antriebsturbinen Speisepumpen werden direkt von der Hauptturbine, von einem Elektromotor oder einer speziellen Dampfturbine angetrieben. Verwendet werden heute meist Turbinen mit eigenem Kondensator, die bei Normalbetrieb mit Dampf aus einer Anzapfung der Hauptturbine zwischen etwa 3 und 10 bar und im Niedriglast-Bereich bzw. Störfall aus der Leitung zum Zwischenüberhitzer versorgt werden. Die Leistungen der Speisepumpe und der Antriebsturbine im Anzapfbetrieb stimmen über dem Lastbereich relativ gut überein (Abb. 11.8), sodass oft ein Regelrad entbehrlich ist. Andererseits verlangen hohe Pumpendrehzahlen und kleine Gefälle meist eine zweiflutige Beschaufelung.

11.2.2 Industrieturbinen Leistungen von einigen Hundert kW bis über 100 MW, einfache Gegendruckturbinen bis zu Doppelentnahme-Kondensationsturbinen, Drehzahlen zwischen 50 und 300 1=s bei niedrigen und hohen Dampfdaten, Antrieb von Generatoren, Pumpen, Gebläsen und Kompressoren lassen sich hier mit Baukastensystemen bedienen. Möglich war dies durch Baugruppen auch für die Gehäuse, die durch Steckmodelle und Flansche weitgehend anpassungsfähig sind, Abb. 11.9. Die Hauptabmessungen der Baugruppen sind meist nach einer Normzahlreihe abgestuft. Die Dreh-

257

Abb. 11.8 Leistungsbedarf von Speisepumpen-Antriebsturbinen. 1 Mögliche Leistung der SpeisepumpenAntriebsturbinen im Anzapfbetrieb, 2 Speisepumpenleistung im Festdruckbetrieb, 3 Speisepumpenleistung im Gleitdruckbetrieb. Leistungen: PSP Speisepumpe, PST Speisepumpenturbine, PH PHmax Hauptturbine

zahlen sind dann umgekehrt proportional zu den Bezugsdurchmessern der Beschaufelungen, z. B. den Regelraddurchmessern und stammen aus der gleichen Normzahlreihe. Dabei bleiben mit den Gefällen die Stufenzahlen, Durchfluss- und Druck-Kenngrößen (s. Abschn. 6.6.2) konstant. So ergeben sich auch bei kleinen Leistungen gute Wirkungsgrade, für den Generatorantrieb ist aber ein Getriebe erforderlich. Die bei Industrieturbinen üblichen Frischdampfdaten reichen bis etwa 150 bar und 540 °C, bei vorgeschalteten Gasturbinen sogar 565 °C, die Gegen- und Entnahmedrücke bis etwa 55 bar. Von den Radialturbinen wird nur noch die auf dem Konstruktionsprinzip von Köhler beruhende, von außen nach innen durchströmte Turbine (Abb. 11.10) gebaut. Sie eignet sich nur für relativ kleine Volumenströme erreicht aber hohe Wirkungsgrade dank Deckplattenbeschaufelung und verlustarmer Abströmung. Gegendruckturbinen. Sie werden überall dort eingesetzt, wo elektrische Energie und Wärme gebraucht wird. Da die Kondensationswärme des Gegendruckdampfes ausgenutzt wird, ist der Gegendruck durch das geforderte Temperaturniveau, der Dampfstrom durch den benötigten Wärmestrom gegeben. Die benötigte Leistung lässt sich dann in gewissen Grenzen durch das Gefälle d. h. durch die Frischdampfdaten erreichen. Ist die benötigte Leistung größer als die im Gegendruckbetrieb erzeugbare, bietet sich der

11

258

E. Krämer

Abb. 11.10 Gegendruck-Radialturbine (Siemens). 450 °C Frischdampftemperatur, 64 bar Frischdampfdruck und 4 MW Leistung Abb. 11.9 Industrieturbinen-Baukasten. 1 Lagergehäuse Einströmseite, 2 Stellventilgehäuseblock, 3 Gehäuse-Einströmteil, 4 Gehäuse-Mittelteil, 5 Gehäuse-Abdampfteil, 6 Lagergehäuse Abdampfseite, 7 Gehäuse-Abdampfteil für hohen Gegendruck

Bezug aus dem öffentlichen Netz oder eine Entnahme-Kondensationsturbine an. Gegendruckturbinen werden im Allgemeinen auf konstanten Gegendruck, also auf benötigten Wärmestrom geregelt, die Mehr- oder Minderleistung wird vom Netz übernommen. Ist bei Netzstörungen ein Inselbetrieb erforderlich, so läuft die Turbine leistungsgeregelt, fehlenden Dampf liefert eine Reduzierstation, fehlende Leistung muss durch Abschalten nicht lebensnotwendiger Verbraucher kompensiert oder durch Zuschalten eines Notkondensators erzeugt werden. Die Gegendruckturbine in Überdruck-Bauart (Abb. 11.11) aus einer Baukastenreihe ist für Frischdampf von 140 bar, 540 °C, Gegendrücke bis 16 bar, Drehzahlen bis 270 1=s und Leistungen bis 140 MW ausgelegt. Kondensationsturbinen. Zur reinen Stromerzeugung sind sie in der Industrie meist nicht wirtschaftlich und daher relativ selten. Ausgenommen sind Turbinen für Entwicklungslän-

der und die Fälle, in denen Dampf aus Abwärme erzeugt wird, wie bei bestimmten Prozessen in der Chemie, in Müllverbrennungsanlagen oder kombinierten Gas-Dampf-Anlagen (s. Abschn. 13.5.2). Meist dienen sie zum Antrieb von Gebläsen, Verdichtern und Pumpen. Mit Rücksicht auf die Endnässe liegen die Frischdampfdrücke oft unter 100 bar, maximal bei 130 bar. Auch hierfür wurden Baukastenreihen mit einem Leistungsbereich von 0,5 bis über 150 MW und Drehzahlen bis 250 1=s entwickelt. Anzapf- und Entnahmeturbinen. Es gibt zwei Möglichkeiten, Dampf aus einer oder mehreren Zwischenstufen der Beschaufelung zu entnehmen: Bei der Anzapfung ungeregelt, wobei der Druck an der Zwischenstufe vom Dampfstrom durch die nachfolgende Beschaufelung bestimmt wird und bei der Entnahme geregelt, wobei der Druck an der Zwischenstufe durch ein nachgeschaltetes Drosselorgan konstantgehalten wird. Da, abgesehen von der Speisewasservorwärmung, vom Dampfverbraucher meist ein konstanter Druck gefordert wird, muss bei der Anzapfung im Teillastbereich auf eine oder mehrere im Druck höher gelegene Anzapfungen umge-

11

Dampfturbinen

259

Abb. 11.11 Baukasten-Gegendruckturbine (General Electric). 1 Drehzahlwächter, 2 Axiallager, 3 Leitschaufelträger

11

Abb. 11.12 Anzapfdiagramm

Abb. 11.13 Entnahmediagramm

mit dem relativen Wert A D m P A =m P Amax des Anzapfstroms m P A , Abb. 11.12. Seine Grenzkurven sind: Der Betrieb ohne Anzapfung a, die Linie minimalen Anzapfdrucks b an der Anzapfung 2, die maximale Anzapfmenge c – begrenzt durch die Dampfgeschwindigkeit im Stutzen und die Schaufelbeanspruchung –, die maximale FrischAnzapfdiagramm. Es zeigt den Fahrbereich dampfmenge d und die maximale Leistung e, beeiner Anzapfturbine mit Wanderanzapfung im grenzt durch den Generator. In dem Zwickel zwiDampfstrom-Leistungsdiagramm m P F D f .PK / schen den Linien f und g, den Verbindungslinien schaltet werden (Wanderanzapfung). Die Anzapfung ist einfacher und billiger als die Entnahme, hat aber dort ihre Grenzen, wo der geforderte Druck bei großen Anzapfmengen, also kleinen weiterströmenden Dampfmengen nicht mehr gehalten werden kann.

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E. Krämer

Abb. 11.14 Baukasten-Entnahme-Kondensationsturbine (MAN Turbo). 1 Hochdruck-Düsengehäuse, 2 Regelrad einkränzig, 3 Überdruckstufen mit Leitschaufelträger, 4 Überström-Stellventil, 5 Regelrad zweikränzig

der Umschaltpunkte von Anzapfung 1 auf Anzapfung 2 ist kein Betrieb möglich, da beim Umschalten bei konstanter Anzapfmenge die Leistung von f nach g oder umgekehrt springt. Entnahmediagramm. Bei einer Entnahmeturbine (Abb. 11.13) mit dem relativen EntnahmeP Emax ist diese Unstetigkeit nicht strom E D m P E =m vorhanden. Dafür ist hier eine weitere Grenzlinie, nämlich die der Schluckfähigkeit der Überströmventile h, zu finden. Die Entnahme-Kondensationsturbine (Abb. 11.14) gehört zu einem Bausteinsystem für einen Frischdampfzustand bis 130 bar 540 °C, Entnahmedrücke bis 45 bar und Abdampfdrücke bis 0,2 bar. Die Regelstufe im Hochdruck ist einkränzig, im Niederdruck zweikränzig ausgeführt. Die für Baukastenturbinen typischen Leitschaufelträger haben folgende Vorzüge: Etwa gleich schnelle Erwärmung von Läufer und dampfumspültem Leitschaufelträger, große zulässige Belastungs- und Temperaturänderungen, Einhaltung kleiner Schaufelspiele, schnelle Reparaturmöglichkeit im Schadensfall und die Unterbringung stark unterschiedlicher Beschaufelungen im gleichen Gehäuse. Zweidruckturbinen. Sie entsprechen im Aufbau der Entnahmeturbine. An einer Zwischenstufe wird Dampf einer niedrigeren Druckstufe zugeführt. Bei der Entnahme-Zweidruck-Turbine wird der Dampf zugeführt oder entnommen.

Eingesetzt werden Zweidruck-Turbinen dort, wo Abdampf aus einem industriellen Prozess, meist mit stark schwankender Menge angeboten wird oder ein Abhitzekessel Dampf in zwei Druckstufen liefert. Die mittlere Temperaturdifferenz bei der Wärmeübertragung im Abhitzekessel lässt sich dadurch erheblich verringern und damit der Gesamtprozess verbessern. Zwei- oder Dreidruckturbinen heißen auch die Turbinen, die das Dampfangebot eines Gefällespeichers ausnutzen. Da beim Entladevorgang der Dampfdruck stark sinkt, muss für konstante Turbinenleistung der Speicherdampf stufenweise auf die Stufen niedrigeren Drucks umgeschaltet werden.

11.2.3 Kleinturbinen Sie werden in der Industrie und im Schiffbau als Haupt- und Hilfsantriebe vielfach verwendet. Meist sind es Einradturbinen mit ein- oder zweikränziger Gleichdruckbeschaufelung, oft mit einem Getriebe zusammengebaut. Sie sind einfach im Aufbau, robust und zuverlässig im Betrieb und unkompliziert in der Bedienung. Das ist, besonders bei nur zeitweisem Betrieb, wichtiger als bester Wirkungsgrad. Die einkränzige Getriebeturbine (Abb. 11.15) ist mit einer radialen Wellendichtung ausgerüstet. Diese Turbine kann maximal mit 4000 kW, 215 1=s, 125 bar, 530 °C und 20 bar Gegendruck betrieben werden.

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Dampfturbinen

261

druck meist dem Abdampfdruck entspricht. Die Abdichtung des Innengehäuses übernehmen verschraubte Teilflansche oder Schrumpfringe. Letztere ergeben kleinere Außengehäuse-Abmessungen, rotationssymmetrische Innengehäuse ohne Materialanhäufungen und besseres Betriebsverhalten bei instationären Zuständen.

Abb. 11.15 Einrad-Getriebeturbine (Siemens). 1 Frischdampfstutzen, 2 Aktions-Rad verschraubt mit Hirth-Verzahnung, 3 Abdampfstutzen, 4 Entwässerung, 5 Wellendichtung, 6 Spritzring, 7 Ölabstreifer, 8 Radiallager, 9 Druckkamm

11.3 Konstruktionselemente 11.3.1 Gehäuse Das Turbinengehäuse hat die Druck- und Temperaturdifferenz zwischen dem Dampf in der Beschaufelung und der Atmosphäre aufzunehmen.

Topfgehäuse. Sein rohrförmiger Mantel weist die kleinsten Zusatzspannungen auf und vermeidet die Schwierigkeiten des horizontalen Teilflansches (Abb. 11.4). Die Abdichtung übernimmt hier ein stirnseitiger Deckel, der geflanscht oder mit einem selbstdichtenden Verschluss versehen sein kann. Die Vorteile des Topfgehäuses werden mit einer schlechteren Zugänglichkeit bei Revisionen und Reparaturen erkauft. Die Dampfeinführung in das Innengehäuse verlangt wegen der Relativdehnung zwischen Innen- und Außengehäuse eine axial und radial bewegliche Dichtung mit Kolbenringen oder einem Winkelring.

11.3.2 Ventile und Klappen Eine Dampfturbine benötigt für ihren sicheren Betrieb folgende Ventile: Auf der Frischdampfseite eine doppelte Absperrung durch Schnellschluss- und Frischdampfstellventile, nach der Zwischenüberhitzung zur Ausschaltung des Zwischenüberhitzervolumens eine doppelte Absperrung durch Abfang-Schnellschluss- und -Stellventile, für die Entnahme Überström-Stellventile und Schnellschluss-Rückschlagventile. Dazu kommen Rückschlagklappen in den Anzapfleitungen zu den Vorwärmern, um das Rückströmen von Wasser und Dampf in die Beschaufelung zu verhindern sowie Abfangklappen vor den Niederdruckteilen der Sattdampfturbinen. Alle Schnellschlussventile gehören zum Schutzkreis gegen Überdrehzahlen (s. Abschn. 11.5).

Einschalige Gehäuse. Mit horizontaler Teilfuge werden sie nur bis zu einem Frischdampfzustand von etwa 140 bar und 565 °C ausgeführt. Höhere Druckdifferenzen sind wegen der Flanschabmessungen schwer zu realisieren, die mit ihren großen Massen auch die zulässigen Temperaturänderungen bei instationären Betriebszuständen begrenzen. Einsitzventile. Sie werden wegen ihrer guten Dichtheit und ihres kleinen Druckverlustes Doppelmantelgehäuse. Bei höheren Dampfzu- am häufigsten verwendet: Unentlastete Einsitzständen wird deshalb die Gesamtdifferenz auf ventile wegen ihrer großen Stellkräfte nur für zwei Schalen aufgeteilt, wobei der Zwischen- relativ kleine Sitzdurchmesser, sonst entlastete

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262

E. Krämer

Abb. 11.16 Abfang-Schnellschlussklappe und Stellventil (General Electric). 1 Schnellschlussklappe, 2 Stellventil, 3 Entlastungsventil, 4 Dampfsieb

Abb. 11.18 Entnahme-Schnellschluss-Rückschlagventil (General Electric). 1 Ventilkolben, 2 Rückschlagteller

Einsitzventile mit Vorhubkegel oder Rohrventile. Beide Ventile benötigen nur kleine Stellkräfte, das Rohrventil ist allerdings nicht völlig dicht. Die Abfang-Schnellschlussklappe kombiniert mit dem entlasteten Stellventil hat einen besonders kleinen Druckverlust, Abb. 11.16. Der Diffusor des Stellventils ist als Dampfdurchführung zum Innengehäuse ausgestaltet.

tigt wird, während die beiden anderen durch das jeweils vorhergehende Ventil geöffnet und durch eine Feder geschlossen werden. Wegen der kleinen Stellkräfte genügt ein Antrieb für die drei Stellventile. Das mediumbetätigte Entnahme-Schnellschluss-Rückschlagventil (Abb. 11.18) besitzt einen frei beweglichen Rückschlagteller. Es wird durch Beaufschlagung des Kolbens mit dem VorDoppelsitzventile. Sie haben kleine Stellkräf- druck und durch Federkraft geschlossen und te, sind aber schwer dicht zu halten und kommen öffnet durch Absenken des Druckes im Kolbenmeist bei Industrieturbinen vor. Der Stellventil- raum. Düsengehäuseblock (Abb. 11.17) einer Industrieturbine hat drei Doppelsitz-Stellventile, von denen nur das erste vom Stellantrieb direkt betä- 11.3.3 Beschaufelung Sie soll die thermische Energie des Dampfes (Druck und Temperatur) möglichst verlustlos in Geschwindigkeitsenergie umwandeln und die dabei auftretenden Kräfte auf die Welle und das Gehäuse übertragen. Jedes Schaufelprofil ist infolgedessen ein Kompromiss zwischen strömungstechnischen, festigkeitsmäßigen, schwingungstechnischen und wirtschaftlichen Forderungen. Die Schaufelprofile stehen mit meist geometrisch abgestuften Sehnenlängen zur Verfügung.

Abb. 11.17 Stellventil-Düsengehäuseblock Electric). 1 Stellventil, 2 Düsen

Leit- und Laufschaufeln. In Hoch- und Mitteldruckteilturbinen werden fast ausnahmslos aus dem Vollen gefräste Deckplattenschaufeln verwendet, die gute Festigkeitseigenschaften mit (General hohen Wirkungsgraden verbinden, Abb. 11.19a und b.

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Dampfturbinen

263

Abb. 11.19 Stufenformen. a Überdruckstufe mit integralen Füßen und Deckplatte und Spaltabdichtung in Noniusteilung (Siemens); b Gleichdruckstufe mit geschweißtem Leitrad und Laufschaufel mit Steckfuß und Deckplatte (Alstom); c Leitschaufel als Blechhohlschaufel ausgeführt und in einen inneren und äußeren Tragring eingeschweißt (Alstom); d aus dem Vollen erodierter und anschließend auf die Welle geschweißter Regelradschaufelkranz (General Electric)

Regelstufen. Ihre Laufschaufeln sind besonders hoch beansprucht, da sie teilbeaufschlagt sind und bei Teillast große Gefälle verarbeiten. Sie erhalten bei Großturbinen Steckfüße, axiale Tannenbaumfüße oder werden mit der Welle ver- Abb. 11.20 Endschaufeln von Großturbinen. a Leitreihe und freistehende Laufschaufel mit gebogenem Tannenschweißt, Abb. 11.19d. baumfuß; b gebundene Laufschaufel mit Steckfuß

Endschaufeln. Sie sind am höchsten beansprucht. Für ihre Auslegung gilt in vermehrtem Maße der schon erwähnte Kompromiss zwischen Aerodynamik, Schaufelfestigkeit und Schwingungsverhalten. Die Modellgesetze erlauben die Bildung von Familien mit geometrisch ähnlichen Schaufeln, wenn sich die Abmessungen umgekehrt proportional zu den Drehzahlen ändern. Der Steck- und der Tannenbaumfuß (Abb. 11.20) sind die heute allein üblichen Befestigungsarten für Endschaufeln von Großturbinen. Man unterscheidet ferner freistehende und gebundene Endschaufeln, wobei letztere im äußeren Profilbereich Bindelemente wie eingelegte Drähte und Bolzen, integrale Stützflügel oder Deckplatten aufweisen.

Der ausgeprägt dreidimensionale Charakter der Strömung im Niederdruckströmungskanal erfordert diesen Verhältnissen angepasste Schaufelgeometrien. Durch die mechanischen Einschränkungen bei der hochbelasteten Laufschaufel kommt der aerodynamischen Gestaltung der letzten Leitreihen eine besondere Bedeutung zu. Sehr lange Endschaufeln können wegen der hohen Fliehkräfte nicht mehr aus Stahl ausgeführt werden. Endschaufeln bei Dampfturbinen mit einer Drehzahl 501=s werden ab einer Schaufelblattlänge von ca. 1100 mm in Titan ausgeführt.

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264

E. Krämer

noch heißen Gehäuse eine Temperaturschichtung aus, die zu einer Verkrümmung von Läufer und Gehäuse führt, sodass die Turbine erst wieder nach dem Erkalten angefahren werden kann. Alle größeren Turbinen haben deshalb eine Dreheinrichtung mit einer Drehzahl von 0,1 bis 2 1=s. Als Antriebsenergie stehen Strom, Drucköl oder Druckluft zur Verfügung, wobei letztere meist nur für Hilfsantriebe verwendet wird (Abb. 11.6). Zur Verringerung des Losbrechmoments und zur Vermeidung trockener Reibung in den Lagern wird bei Großturbinen unter die Lagerzapfen Hochdrucköl eingespeist, das den gesamten Läuferstrang beim Anfahren aufschwimmen lässt.

11.3.6 Lager

Abb. 11.21 Wellendichtungen. a Mit eingestemmten Dichtbändern in der Welle; b mit federnden Dichtsegmenten; c mit glatter Welle

Radiallager. Bei den Dampfturbinen sind fast alle im Maschinenbau vertretenen GleitlagerTypen zu finden (s. Bd. 2, Kap. 12): Taschenlager, Mehrkeillager und Kippsegmentlager. Die Lager haben oft zur Überwachung eine eingebaute Temperaturmessstelle und bei Großturbinen Anschlüsse für das Hochdrucköl zur Läuferanhebung.

Axiallager. Sie nehmen den Restschub der Beschaufelung auf und sind bei Klein- und Industrieturbinen oft starre Mehrflächenlager, sonst Berührungsfreie Labyrinthdichtungen (Abb. meist Klotzlager, deren auf Kippkanten gelagerte 11.21) sind heute allgemein üblich. Form Klötze zum Belastungsausgleich auf FedereleAbb. 11.21c wird an Niederdruckteilen mit ihren menten oder Ausgleichhebeln sitzen. großen Relativdehnungen zwischen Welle und Gehäuse verwendet. Alle Wellendichtungen von Großturbinen sind in einzelne Abschnitte mit 11.4 Anfahren und Betrieb dazwischenliegenden Ringkammern aufgeteilt und haben federnde Dichtsegmente. Die äußerste Anfahren. Hierbei treten an den vom Dampf Kammer besitzt eine Absaugung zur Vermeidung umströmten Bauteilen mit größerer Wandstärke von Dampfaustritt an der Welle, die zweite Kam- zusätzliche Beanspruchungen auf, die die Lemer ein Sperrdampfsystem. Hier herrscht ein bensdauer verringern. Sie sind vom zeitlichen leichter Überdruck, um das Eindringen von Luft Ablauf des Anfahrvorgangs und den dabei gefahrenen Dampfdruck- und Temperaturtransienten in die Niederdruckteile zu verhindern. abhängig. Bei Großturbinen ermitteln numerische Regler aus Temperaturmessungen die Span11.3.5 Läufer-Dreheinrichtung nungen in den gefährdeten Bauteilen und steuern den Anfahrvorgang automatisch so, dass die TurWenn beim Abstellen einer Turbine der Läufer bine schnell und schonend hochfährt und dass zum Stillstand gekommen ist, bildet sich in dem die kritischen Drehzahlbereiche so schnell wie

11.3.4 Wellendichtungen

11

Dampfturbinen

265

möglich durchfahren werden. Im Umfeld steigender Anforderungen an die Betriebsflexibiliät werden die Kosten erhöhten Verschleiss durch schnelleres Anfahren den zusätzlichen Erlösen gegenübergestellt.

Lagertemperatur), Niveauwächter (zu hoher Wasserstand in den Vorwärmern), Wellenlagewächter (zu große Axialschubkräfte) und Schwingungsüberwachung.

Schwingungsverhalten. Die Lage der biegeund torsionskritischen Drehzahlen der aus bis zu sieben Einzelwellen bestehenden Läuferstränge wird mit Hilfe moderner Rechenverfahren (s. Bd. 1, Abschn. 46.7) bestimmt, die auch eine Aussage über das Auftreten von Lauf-Instabilitäten erlauben. Der Läuferstrang wird mit Schwingungsaufnehmern an den Lagergehäusen und/oder an den Läufern überwacht. Fehler an diesen Teilen können so rasch erkannt und vor dem Auftreten größerer Schäden beseitigt werden.

11.6 Berechnungsverfahren 11.6.1

Allgemeines

Seitdem die Wasserdampfgleichungen programmiert sind, werden selbst Kleinturbinen mit Rechenprogrammen ausgelegt. Die für die Wirkungsgradberechnung der Schaufelprofile notwendigen Einzelverlust-Rechnungen sind auch so kompliziert geworden, dass sie nur noch auf elektronischen Rechenanlagen durchgeführt werden können. Deshalb werden hier nur Überschlagsrechnungen gebracht, deren Genauigkeit aber für Projektierungsrechnungen völlig ausreicht. Für den Wärmeverbrauch der Kraftwerks11.5 Regelung, Sicherheits- und turbinen wird auf das VDI-Handbuch EnergieSchutzeinrichtungen technik, Teil 2 Wärmetechnische Arbeitsmappe, Regelkreis. Turbinen sind meist mit Dreh- Arbeitsblätter 6.4, 6.5 und 6.6 verwiesen. zahlreglern ausgerüstet. Regelgröße ist also die Drehzahl, Stellgröße der Dampfstrom. Störgrößen sind die Belastung, aber auch der Entnahme- 11.6.2 Auslegung von strom, der Gegen- und der Vordruck, Stellglieder Industrieturbinen sind die Stellventile, Abb. 11.17. Die Regelstrecken haben, vom Hochfahren abgesehen, einen 11.6.2.1 Gegendruckturbinen Ausgleich. Die Regler wirken bei Netzbetrieb Gegeben sind i. Allg. die Kupplungsleistung PK , nach dem PI-, beim Inselbetrieb nach dem P-Ver- der Frischdampfdruck pF , die Frischdampftempefahren. Sie arbeiten entweder mechanisch mit ratur tF , der Gegendruck pG . Fliehgewichten, also Pendeln oder Stabfedern, hydraulisch mit einer Ölpumpe oder elektronisch Kupplungswirkungsgrad. Aus der Dampftamit einem Tachogenerator als Impulsgeber. Wei- fel bzw. dem h, s-Diagramm folgen die Enthalterhin werden noch weitere Größen wie der Vor-, pie h und die Entropie s des Frischdampfes. F F Gegen- und Entnahmedruck geregelt (s. Bd. 2, Durch Auftragen im h, s-Diagramm oder auch Abschn. 36.4). durch Interpolieren in der Dampftafel lässt sich Schutzkreis. Schnellschluss- und Stellventile schließen, um Schäden bei Ausfall der Regelung zu verhüten. Auslösend wirken Drehzahlwächter (bei 110 % der Nenndrehzahl), Druckwächter (zu niedriger Schmieröldruck, zu hoher Kondensatordruck, Gegendruck, Entnahmedruck), Temperaturwächter (zu hohe Kondensatortemperatur,

die isentrope Enthalpiedifferenz ys zwischen dem Frischdampfzustand und dem Gegendruck (Index G) bestimmen, Abb. 11.22. ys D hF  hGo . Mit dem inneren Wirkungsgrad i D 0;8 folgt yi D 0;8ys . Damit wird vorläufig die Gegendruckenthalpie hG D hF  yi und der Frischdampfstrom m P F D PK =yi mech . Hierbei ist der mechanische Wirkungsgrad mech D 0;98.

11

266

E. Krämer

ten c bestimmen: 30 bis 60 m=s für Zudampf- und 50 bis 80 m=s für Gegendruckstutzen. Die Druckverluste in den Schnellschluss- und Stellventilen sollen 1 bis 2 bzw. 3 bis 4 % nicht überschreiten. Die Durchmesser ergeben sich dann mit p D

c 2 %=2 (s. Bd. 1, Abschn. 17.2). Die -Werte betragen: Schnellschlussventil 1,5 bis 2,5, Einsitzstellventil 0,4 bis 0,8, Doppelsitzstellventil 1,0 bis 2,0.

Abb. 11.22 Gefällebestimmung im h,s-Diagramm

11.6.2.2 Kondensationsturbinen Gegeben sind i. Allg. die Kupplungsleistung PK , der Frischdampfdruck pF , die Frischdampftemperatur tF , der Kondensatordruck pc oder die Kühlwassertemperatur tKW . Ist nur tKW bekannt, lässt sich der Kondensatordruck pc D f.ts / mit der Sättigungstemperatur des Kondensats ts D tKW C t abschätzen. Hierbei ist t D 13 K (Kühlwasseraufwärmung D 10 K, Grädigkeit des Kondensators D 3 K).

Kupplungswirkungsgrad. Zunächst wird die Enthalpiedifferenz zwischen dem Frischdampfzustand und dem Kondensatordruck ys D hF  hc bestimmt. Mit den Wirkungsgraden i D 0;82 Abb. 11.23 Kupplungswirkungsgrad K als Funktion des und  mech D 0;99 und mit Abb. 11.24 wird dann mittleren Volumenstroms VPm von Gegendruckturbinen wie bei der Gegendruckturbine weitergerechnet. (Abdampf-Dampfnässe 15 % nicht überschreiFür den Frischdampf- und Abdampfzustand ten!) wird aus der Dampftafel das spezifische Volumen  F und  G abgelesen. Damit ergibt sich der Zu- Stutzen und Ventile. Der Zudampfstutzen und P F vF die Ventile werden wie für die Gegendruckturdampf- und Abdampfvolumenstrom VPF D m und P F G und ihr Mittelwert VPm D binen ausgelegt. Der Abdampfstutzen sollte für p VPG D m eine Geschwindigkeit von 100 bis 150 m=s beVPF VPG . Aus der Abb. 11.23 folgt damit k D i mech . messen werden. Mit diesem Wert wird m P F und VPm verbessert. Eine weitere Iteration ergibt meist den endgültigen Wirkungsgrad. Höhere Drehzahlen bei kleinem mittlerem Volumenstrom verbessern den Wirkungsgrad, Abb. 11.23. Dabei verursacht aber das dann notwendige Getriebe einen Verlust von 2 bis 3 % und zusätzliche Kosten. Stutzen und Ventile. Die Zudampf- und AbK als Funktion des dampfstutzenabmessungen lassen sich aus VPF Abb. 11.24 Kupplungswirkungsgrad Frischdampfvolumenstromes VPF von Kondensationsturbiund VPG und den üblichen Dampfgeschwindigkei- nen

11

Dampfturbinen

267

11.6.2.3 Entnahmeturbinen Der Hochdruckteil wird wie eine Gegendruckturbine, der Niederdruckteil wie eine Gegendruckoder Kondensationsturbine berechnet. Das Entnahmediagramm (Abb. 11.13) entsteht, wenn der Dampfverbrauch der beiden Teilturbinen über der Leistung aufgetragen wird und die Punkte gleichen Entnahmestroms miteinander verbunden werden. Beim Anzapfdiagramm (Abb. 11.12) muss dabei, da der Anzapfdruck gleitet, für jeden Punkt das Gefälle neu bestimmt werden.

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12

Turboverdichter Harald Stricker

12.1 Einteilung und Einsatzbereiche

treten. Der Übergang zum Verdichter ist jedoch fließend.

12.1.1 Allgemeines Turboverdichter (auch Turbokompressoren genannt) sind Strömungsarbeitsmaschinen zur Verdichtung von Gasen. Als Element der Energieübertragung auf das Gas dient das beschaufelte, kontinuierlich durchströmte Laufrad. Druck, Temperatur und Geschwindigkeit des Gases sind nach dem Verlassen des Laufrads größer als am Eintritt. Das dem rotierenden Laufrad nachgeschaltete stehende Leitteil sorgt für weitere Druck- und Temperaturerhöhung durch Verzögerung des Gases (s. Kap. 6). Die Unterteilung in Axial- und Radialverdichter erfolgt anhand der Hauptströmungsrichtung in der Meridianebene des Laufrads, d. h. einer Ebene, die die Drehachse enthält. Diese für den Durchsatz maßgebende Meridianströmung verläuft bei Axialverdichtern während der Energieübertragung im Wesentlichen axial, bei Radialverdichtern im Wesentlichen radial von innen nach außen. Gelegentlich trifft man auch Mischbauarten an (sog. Diagonalverdichter). Eine andere Unterteilung in Verdichter und Ventilatoren basiert auf der Höhe der spezifischen Verdichtungsarbeit. Beim Ventilator bleibt sie vergleichsweise gering, so dass keine nennenswerten Dichte- und Temperaturänderungen aufH. Stricker () MAN Diesel & Turbo SE Berlin, Deutschland E-Mail: [email protected]

12.1.2

Ventilatoren

Die Auslegungsberechnung wird mit den Formeln für inkompressible Medien durchgeführt. Die niedrige Umfangsgeschwindigkeit des Laufrads und der Betrieb meist auf niedrigem Druckniveau führen im Vergleich zum aufwändigen Turboverdichter zu einfachen, leichten, dünnwandigen Blechkonstruktionen. Der ungefähre Einsatzbereich von Ventilatoren ist aus Abb. 12.1 ersichtlich. Einsatzbereiche: Gruben- und Tunnelbelüftung, Kesselluftversorgung, Klima-, Chemie-, Verbrennungs-, Entstaubungsanlagen, Zement-, Papier-, Glasindustrie, Abwasseraufbereitung u. a. Außer für Luft auch für erosive, korrosive, explosive, toxische und staubhaltige Gase.

12.1.3 Axialverdichter Kennzeichen des Axialverdichters sind große Volumenströme bei moderaten Druckverhältnissen (s. Abb. 12.1) und vergleichsweise hohen Wirkungsgraden. Die statische Druckerhöhung im Laufrad erfolgt ausschließlich durch Strömungsumlenkung und die damit verbundene Verzögerung der Relativströmung, weil durch die Abwesenheit einer wesentlichen Radialströmung die Arbeit des Fliehkraftfelds entfällt. Somit bleibt die polytrope Arbeit je Stufe verhältnismäßig ge-

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_12

269

270

H. Stricker

mischen Industrie weit verbreitet [1], beispielsweise

1000 RV

max. (abs.) Betriebsdruck in bar

RG 100 RH RI

A

10

1 100

V 10 000

1 000 000

zur Erhöhung des Gasdruckes auf ein für die Verarbeitung erforderliches Druckniveau, zur Überwindung von Systemwiderständen bzw. Druckverlusten, die bei der Förderung von Gasen durch Rohrleitungen, Wärmetauschern, Reaktoren u. a. m. auftreten (Anlagencharakteristik, s. Abschn. 6.7.2), als Teil von Industriekälteanlagen zum Absaugen des Kältemittels aus dem Verdampfer und Erhöhen des Druckes auf den Betriebsdruck des Kondensators, u. a. m.

Saugvolumenstrom in m3/h

Abb. 12.1 Arbeitsbereiche Verdichter und Ventilatoren. RV Radialverdichter, vertikale Teilfuge, Radialverdichter, horizontale Teilfuge, RI Radialverdichter, horizontale Teilfuge, integrierte Kühler, RG Radialverdichter, integriertes Getriebe, A Axialverdichter, V Ventilatoren. Je nach Hersteller variieren die Grenzen erheblich

ring, wodurch der Axialverdichter für das gleiche Druckverhältnis wesentlich mehr Stufen benötigt als der Radialverdichter, während bei gleicher Baugröße größere Volumenströme gefördert werden können. Höhere Gehäusedruckverhältnisse lassen sich durch den Einsatz einer radialen Endstufe erzielen. Abb. 12.2 zeigt einen Axialverdichter als Industriemaschine zur Verdichtung von Erdgas in einer Erdgasverflüssigungsanlage (LNG). Der breite Betriebsbereich des Verdichters wird durch synchron verstellbare Vorleitgitter in allen 16 Stufen erzielt. Der Zwischenstutzen dient der Entlastung des Verdichters während des Anfahrens mit Stickstoff. Einsatzbereiche: Hochofenwinderzeugung, Luftzerlegungsanlagen und in chemischen und petrochemischen Prozessen zur Verdichtung von Luft und Gasen.

12.1.4 Radialverdichter Der radiale Prozessverdichter in Einwellenbauweise ist im Öl- und Gasfeldbetrieb, in der Erdgasverarbeitung, in der Ölraffinerie- und petrochemischen Verfahrenstechnik und in der che-

Das leichteste, von Prozess-Radialverdichtern geförderte Medium ist das in der Benzinherstellung benötigte H2 -Reichgas mit einer molaren Masse von M  4 g mol1 und Drücken bis ca. 200 bar, das schwerste ist der in der Kältetechnik verwendete Fluorkohlenwasserstoff R134a mit M  102. Im unteren Feld liegen NH3 Synthesegas (M D 8;5; pmax D 200 bar), Methanolsynthesegas (M D 11;3; pmax D 85 bar) und NH3 (M D 17; Saugtemperatur ts min D 35 ı C). Im Mittelfeld findet sich Erdgas, gemischt mit anderen Normal-Paraffinen (M D 18–26) in Gaslifting-Anlagen bis 220 bar und Reinjections-Anlagen bis 800 bar. Atmosphärische Luft (M D 28;8) wird bis maximal 50 bar in Ammoniak-, Terephthal- und Essigsäure-Anlagen verdichtet, in Luftzerlegungsanlagen bis 120 bar. Ethylen-Anlagen erfordern einen Rohgasverdichter (M D 28; p D 30 bar), einen Ethylen- (M D 28; ts D 101 ı C) und einen Propylen-Verdichter (M D 42; ts D 43 ı C). Im Bereich schwerer Gase liegt auch die CO2 -Verdichtung in Harnstoff-Anlagen (M  44; pmax D 200 bar), in Speicheranlagen (Carbon Capture and Storage, CCS) bis 250 bar mit Getriebeverdichtern, bis 550 bar mit EinwellenTopfverdichtern. Chlorgas (M D 71) wird bis zu ca. 13 bar verdichtet. Die Stufenzahlen der Prozess-Radialverdichter in Einwellenbauweise reichen von 1 bis 26 in bis zu drei hintereinander geschalteten, bis zu fünfmal zwischengekühlten Gehäusen. Maximale Stufenzahl je Gehäuse: ca. zehn; maxi-

12 Turboverdichter

Abb. 12.2 Axialverdichter (MAN Diesel & Turbo SE) mit Leitschaufelregelung für eine Anlage zur Erdgasverflüssigung (LNG), Leistung 57 MW. 1 Saugstutzen, 2 Zwischenstutzen, 3 Druckstutzen, 4 Laufschau-

271

fel, 5 Leitschaufel, 6 Leitschaufel-Verstellmechanismus, 7 Ausgleichskolben, 8 Diffusor, 9 Radiallager, 10 Axiallager, 11 Trockengasdichtung

Abb. 12.3 Radialer Einwellenverdichter (MAN Diesel & Turbo SE) mit horizontal geteiltem Schweiß-Gehäuse. 1, 2 Saug-, Druckstutzen, 3, 4 Radial-, Axiallager, 5 Labyrinthdichtung, 6 gasgeschmierte Gleitringdichtung, 7 Kupplung

12 male Zwischenkühlungen je Gehäuse: drei, d. h. maximal vier Stufengruppen und maximal acht Stutzen je Gehäuse. Antrieb durch Elektromotore, Dampf- und Gasturbinen; Einwellenverdichter-Drehzahlen bis ca. 20 000 min1 ; Getriebeverdichter-Ritzeldrehzahlen bis ca. 50 000 min1 ; Leistungen bis ca. 50 MW, in seltenen Fällen auch darüber. Das Gas strömt während der Energieübertragung im Laufrad im Wesentlichen radial von innen nach außen und unterliegt der Änderung des Zentrifugalfelds. Damit wird die statische Enthalpie um den Summanden .u22  u21 /=2 erhöht, wodurch die erzielbaren Druckverhältnisse wesentlich höher als beim Axialverdichter werden. Die radiale Strömungsrichtung im Laufrad erfor-

dert wiederum radial angeordnete Diffusoren, die den Außendurchmesser des Gehäuses auf etwa das Doppelte des Laufraddurchmessers erhöhen. Die außen angeordneten Leitteile mit vielen Umlenkungen und vergleichsweise langen Strömungswegen erklären die gegenüber dem Axialverdichter niedrigeren Wirkungsgrade und setzen dem Radialverdichter durch Anwachsen des Außendurchmessers und der Masse Volumenstromgrenzen, s. Abb. 12.1. Einen fünfstufigen Radialverdichter mit hintereinander geschalteten Laufrädern zeigt Abb. 12.3. Abb. 12.4 zeigt, als Sonderbauform, einen „Isothermverdichter“ mit horizontaler Gehäuseteilfuge, mit im Gehäuse integrierten Kühlerbündeln zur Verdichtung von Luft. Die Einsatzbe-

272

H. Stricker

Abb. 12.4 Radialer Einwellenverdichter (MAN Diesel & Turbo SE) mit horizontaler Gehäuseteilfuge und integrierten Zwischenkühlern (Isothermverdichter) als HauptLuftverdichter für eine Luftzerlegungsanlage. 1 Saugstut-

zen, 2 Druckstutzen, 3 Laufrad (1. Stufe offen, fliegend gelagert), 4 Radialdiffusor, 5 Leitschaufel, 6 LeitschaufelVerstellmechanismus, 7 Zwischenkühler, 8 Ausgleichskolben, 9 Radiallager, 10 Kombiniertes Axial-Radiallager

reiche von Getriebeverdichtern (Radialverdichter mit integriertem Getriebe, Abb. 12.11) sind die Verdichtung von: Luft und luftähnlichen Gasen (z. B. N2 , CO) in der Luftzerlegungs- und Grundstoffindustrie; Prozessbrüden (Dampf) in der Zuckerindustrie, Destillationsprozessen u. a.; Erdgas in der Brenngasversorgung von Gasturbinenanlagen. Auf Grund der vielfältigen Vorteile des Getriebeverdichters, die sich in vergleichsweise geringen Investitions- und Betriebskosten niederschlagen (s. Abschn. 12.3.2), kommt er zunehmend in den klassischen Anwendungsfeldern des einwelligen radialen Prozessverdichters zum Einsatz, beispielsweise in Kälteanlagen, Synthesegasanwendungen und Hochdruck-CO2Anwendungen wie Harnstoffsynthese und CCS.

Aero-Thermodynamik muss Volumenstrom, polytrope Arbeit, Wirkungsgrad und Betriebsbereich sicherstellen; Festigkeitsberechnung muss statische und dynamische Integrität nachweisen; Werkstofftechnik muss geeignetes Material festlegen (z. B. Korrosions-, Erosions- und Temperaturbeständigkeit); Rotordynamik muss Laufruhe und Fertigungstechnik soll wirtschaftliche Herstellung gewährleisten. Man unterscheidet geschlossene und offene Laufräder, sowie 2D- und 3D-Laufräder, Abb. 12.5.

12.2 Radiale Laufradbauarten 12.2.1 Allgemeine Anforderungen Die aero-thermodynamischen und strukturmechanischen Möglichkeiten und Grenzen dieses schnelllaufenden und daher hoch beanspruchten Bauteils bestimmen das Einsatzpotenzial des Verdichters. Die Auslegung des Laufrads, d. h. die Festlegung der Geometrie und der Drehzahl wird durch mehrere Disziplinen bestimmt:

12.2.2

Das geschlossene 2D-Laufrad

Das traditionelle Laufrad des radialen Industrieverdichters besitzt eine Deckscheibe und hat rückwärts gekrümmte Schaufeln, die über die ganze Schaufeltiefe dieselbe Krümmung aufweisen (Kurzbezeichnung: 2D). Je höher das Druckverhältnis je Gehäuse, desto stärker nehmen beim Einwellenverdichter die Volumenstromzahlen von Stufe zu Stufe ab. Das führt zu 2D-Laufrädern mit '-Werten bis unter 0,01 mit erheblich abgesenkten Stufenwirkungsgraden. Dadurch werden jedoch kleine Volumenströme, hohe Druckverhältnisse, niedrige Drehzahlen und große Stufenzahlen je Gehäuse erst möglich gemacht. Je nach Hersteller werden

12 Turboverdichter

273

Laufradbauart

2D (geschlossen)

3D (geschlossen)

3D offen

Deckscheibe Schaufeleintritt Schaufelaustrittswinkel ° Volumenstromzahl

ja radial ca. 40 - 45 ca. 0,005 - 0,05

ja diagonal ca. 45 - 55 ca. 0,05 -0,15

nein axial ca. 50 - 60 (90) ca. 0,03 - 0,18

Abb. 12.5 Bauarten radialer Laufräder und typische Kennwerte. Schaufelaustrittswinkel gemessen von Tangente. VoP lumenstromzahl ' D   dV2 u 4

2

2

mit geschlossenen 2D-Laufrädern Radialstufen Vorziehen der Schaufeln in den Einlauf (daraus mit spezifischen Drehzahlen (Abschn. 6.6.3) von wird dann der axiale sog. „Vorsatzläufer“, „Inducer“), Aufdrehen des Schaufelaustrittswinkels, ca. 0,08 bis 0,25 verwirklicht. konische Schaufeln mit schwingungsmindernder Dickenverteilung. Die offenen Räder operieren mit engem Spalt zwischen Gehäuse und 12.2.3 Das geschlossene 3D-Laufrad Schaufelspitzen und haben räumlich verwundene Eine Erhöhung des Volumenstroms bei gleichem Schaufeln. Spezifische Drehzahlen herstellerabRaddurchmesser führt zu breiteren Schaufelka- hängig ca. 0,15–0,5. nälen und größeren '-Werten. Zur Erzielung Gelegentlich wird nur ein Teil der Laufradhoher Wirkungsgrade muss die Schaufeleintritts- schaufeln bis in den Saugmund vorgezogen und kante an die unterschiedlichen Strömungswinkel die dazwischen liegenden Schaufeln kürzer ausan Deck- und Nabenscheibe angepasst und die geführt (sog. „splitter blades“), um lokal das Schaufellänge vergrößert werden. Diese Forde- Niveau der Strömungsgeschwindigkeiten zu senrungen führen zu räumlich verwundenen Schau- ken. feln mit vorgezogenen Eintrittskanten, mit unterschiedlichen Krümmungen über die Schaufelbreite (Kurzbezeichnung: 3D), zu kleineren Na- 12.2.5 Laufradverwendung benverhältnissen und vergrößerter axialer Baulänge (s. Abb. 12.10). Geschlossene 3D-Räder Einwellenverdichter werden fast ausschließlich sind gekennzeichnet durch hohen Wirkungsgrad mit geschlossenen 2D- und 3D-Laufrädern bebei verringertem Außendurchmesser, weiten Be- stückt. Bei axialer Ansaugung kann die erste triebsbereich, hohe Drehzahl und eine reduzierte Stufe vorteilhaft auch als offenes Rad ausgeführt maximale Stufenzahl je Einwellenverdichterge- werden, s. Abb. 12.4. Offene Laufräder sind prädestiniert für den häuse. Spezifische Drehzahlen ca. 0,25 bis 0,5, je Einsatz als fliegend gelagerte Räder mit axialer nach Hersteller. Ansaugung, also in ein- und vielstufigen Getriebeverdichtern, weil die Vorteile hoher Um12.2.4 Das offene 3D-Laufrad fangsgeschwindigkeiten durch die Rotordynamik der kurzen Ritzelwellen nicht behindert und die Eine höhere Umfangsgeschwindigkeit ist Vor- Laufradspalte gut beherrscht werden. In vieaussetzung für eine weitere Steigerung des Vo- len Anwendungsfällen werden Getriebeverdichlumenstroms und der polytropen Arbeit. Dazu ter auch mit geschlossenen 3D- und bei hohen sind erforderlich: Weglassen der Deckscheibe, Enddrücken deren letzte Stufen auch mit 2D-RäGestaltoptimierung der Nabenscheibe, weiteres dern ausgerüstet.

12

274

12.2.6 Laufradherstellung

H. Stricker

Vakuum-Hochtemperatur-Löten der Deckscheibe. Lötung für Laufraddurchmesser derzeit bis ca. 1000 mm. Für größere Durchmesser wird während der Aufheizung die absolute Verformung so groß, dass die Lötspaltweite die zulässigen Grenzen über- oder unterschreiten kann und eine einwandfreie Bindung entlang der ganzen Schaufellänge nicht gewährleistet ist. Als Lot wird meist eine Gold-Nickel-Legierung gewählt.

Industrieller Standard ist das Fräsen aus dem vollen Schmiedematerial der Nabenscheibe. Für geschlossene Laufräder wird die Deckscheibe entweder getrennt gefertigt und durch Schweißen oder Vakuum-Hochtemperatur-Löten angefügt, oder sie wird gemeinsam mit Schaufeln und Nabenscheibe aus einem Schmiedestück gefräst (Integralfräsen). Je nach Herstellerfirma, Anforderungen der Betreiber, Laufradgröße etc. kom- Integralfräsen geschlossener Laufräder. Die men in Frage: Schaufelkanäle werden vom Innen- und Außendurchmesser her aus dem vollen SchmiedemateFräsen der Schaufeln. Aus dem vollen Schmie- rial gebohrt und gefräst, das anschließende Fügen dematerial der Nabenscheibe nach dem NC-Ver- der Deckscheibe entfällt. Anwendbar auf 2D- und fahren heraus gefräste Schaufelkanäle. 2D-Räder 3D-Räder, deren Strömungskanäle sich von innen erfordern 3 Achsen; Räder mit räumlich ver- und außen her vollständig mit dem Fräswerkzeug wundenen Schaufeln erfordern 5 Achsen (drei (Kugelfräser) bearbeiten lassen. translatorische, zwei rotatorische Bewegungen relativ zwischen Werkzeug und Werkstück). Da Elektroerodierte Laufräder. Basiert auf Werkdie Schaufeloberflächen oft aus erzeugenden Ge- stoffabtrag durch Funkenentladung in einer diraden, die keine Nachteile für die Aerodynamik elektrischen Flüssigkeit zwischen dem Werkdarstellen, bestehen (s. Abb. 12.5, Linienraster), stück und dem Werkzeug, das die Form eines ist kostengünstiges Flankenfräsen entlang dieser Laufradkanals hat. Das auf einfache SchaufelGeraden möglich, wobei der Fräser über die ge- formen beschränkte Verfahren findet vorteilhaft samte Schaufelhöhe im Eingriff ist. Sogenanntes bei sehr kleinen Strömungskanalbreiten Anwenpoint milling mit kugelförmigen Fräsern ermög- dung, wenn eine gelötete Deckscheibe aufgrund licht eine punktweise Beschreibung der Schau- der Zusammensetzung des geförderten Gases unfeloberfläche, die dem Aerodynamiker größere zulässigen Korrosionsangriffen ausgesetzt wäre. Freiheiten bei der Auslegung lässt. Je nach Gestaltung des Strömungskanals kann Separate Schaufelfertigung. Schaufeln können es vorteilhaft sein, die Schaufeln aus dem vol- auch separat durch Gesenkschmieden, Freiverlen Schmiedematerial der Deckscheibe zu fräsen formung oder Gießen hergestellt und mit Deckund anschließend die Nabenscheibe anzufügen, und Nabenscheibe verschweißt werden; meist für die folgenden Beschreibungen gelten dann sinn- Laufraddurchmesser über ca. 1300 mm. gemäß. Gegossene Laufräder. Die durch Einschlüsse Schweißen der Deckscheibe. Aufschweißen der verringerte Integrität des Gussstücks reduziert Deckscheibe durch Einführen der Elektrode in die maximale Umfangsgeschwindigkeit, Modellden Strömungskanal vom Innen- oder Außen- kosten erzwingen viele Abgüsse ohne geomedurchmesser her. Kostengünstiger Einsatz von trische Variation. Sandguss für Laufräder über Schweißrobotern ist möglich. Verfahren begrenzt ca. 400 mm Durchmesser, Wachsausschmelzverdurch die Zugänglichkeit der Schweißnaht im fahren für kleinere Laufraddurchmesser und gröStrömungskanal bei Austrittsbreiten unterhalb ßere Stückzahlen. ca. 20 mm, darunter anderes Fügeverfahren oder Modellerstellung durch 3D-Stereolithografieintegrale Herstellung. Verfahren (Rapid Prototyping) möglich, meist

12 Turboverdichter

275 815 MPa 650 420 330 165 5 MPa

zur Entwurfsverifikation oder als erster Prototyp. Ein von den CAD-Daten des Werkstücks gesteuerter UV-Laserstrahl „baut“ das positive Laufradmodell in einem Kunstharz durch sukzessives Aushärten dünner, horizontal übereinanderliegender Schichten auf. Genietete Laufräder. Deckscheibe aufgenietet. Nur für 2D-Schaufeln geeignet, größere erforderliche Schaufeldicke senkt den Wirkungsgrad, Nietfestigkeit reduziert maximale Umfangsgeschwindigkeit. Veraltete Fügetechnik, für Industrieverdichter heute praktisch bedeutungslos. Weitere Herstellverfahren wie z. B. das Schlitzschweißen (Deckscheibe wird mit den Schaufeln von außen durch gefräste Schlitze verschweißt), Sintern und Hippen (hotisostatic pressing) von Laufrädern stellen für die industrielle Praxis Ausnahmen dar.

Abb. 12.6 Festigkeitsberechnung von Laufrädern. Segment eines offenen Getriebeverdichter-Laufrades mit Flächen gleicher v. Mises-Vergleichsspannungen im Betrieb (Umfangsgeschwindigkeit ca. 420 m=s)

12.3 12.2.7 Laufradfestigkeit und Strukturdynamik Spannungen, Dehnungen, Eigenformen und -frequenzen werden nach der Finite-Elemente-Methode (FEM) berechnet (s. Bd. 1, Kap. 26). Infolge der Fliehkraftbeanspruchung verformen sich die Laufräder im Betrieb durch axiale Verkürzung und Aufweitung sämtlicher Durchmesser. Durch eine Schleuderprobe (impeller overspeed test, [2]) ist nachzuweisen, dass diese Verformungen im elastischen Bereich liegen. Absicherung gegen Schwingbrüche erfolgt durch Berechnung der Eigenfrequenzen und Vergleich mit möglichen Anregungen. Zur Erfassung höherer Eigenformen ist die Modellierung des ganzen Laufrades erforderlich. Abb. 12.6 zeigt exemplarisch für ein Segment eines offenen Getriebeverdichter-Laufrades die für den Betriebsfall berechneten Vergleichsspannungen. Die höchsten Beanspruchungen treten am hinteren Ende der Nabenbohrung, am Radrücken und im saugseitigen Grund des Strömungskanals auf. Bei breiten geschlossenen Rädern treten die Maximalspannungen meist saugseitig am Innenrand der Deckscheibe auf.

Radiale Verdichterbauarten

12.3.1 Einwellenverdichter Die mit einer Deckscheibe versehenen Laufräder sind auf einer Welle mittels Schrumpfsitz zwischen den beiden Lagern angeordnet. Die Eintrittsstutzen sind radial, die Austrittsstutzen meist tangential zum zylindrischen Gehäusekörper orientiert. Es werden Maschinen mit bis zu acht Stutzen, d. h. maximal vier Stufengruppen mit drei Zwischenkühlungen je Gehäuse ausgeführt. Eine Stufengruppe wird von den zwischen zwei aufeinander folgenden Stutzen liegenden Stufen gebildet. In der Prozesstechnik wird die Stufengruppe oftmals mit Stufe oder Prozessstufe bezeichnet. Horizontale und vertikale Teilfuge. Der wartungsfreundliche Verdichter mit horizontaler Gehäuseteilfuge (Abb. 12.3) wird bis zu einem maximalen Betriebsdruck von ca. 80 bar eingesetzt, bei H2 -haltigen Gasen bis zu einem maximalen H2 -Partialdruck von 14,8 bar [2]. Oberhalb dieser Grenze kommt der (Topf-)Verdichter mit vertikaler Teilfuge, die größere Dichtfähigkeit hat, zum Einsatz (Abb. 12.7).

12

276

H. Stricker

Abb. 12.7 Radialer Einwellenverdichter (MAN Diesel & Turbo SE) mit vertikaler Gehäuseteilfuge (Topfverdichter) als kombinierter Synthese- und Kreislaufgasverdichter einer Methanolanlage. 1 Saugstutzen, 2 Druckstutzen

(S Synthesegas, K Kreislaufgas), 3 Radiallager, 4 Axiallager, 5 Ausgleichskolbendichtung, 6 Labyrinthdichtung, 7 Trockengasdichtung, 8 Scherring, 9 Kupplung

Schaltung der Laufräder. Sind keine Zwischenkühler vorhanden, werden die Laufräder meist wie in Abb. 12.3 hintereinander geschaltet: Das Gas strömt vom Laufradaustritt durch den Diffusor und wird dem jeweils folgenden Laufrad über Rückführkanäle rotationssymmetrisch verteilt zugeführt; erst in der letzten Stufe wird es in der Spirale gesammelt und aus dem Gehäuse geleitet. Die Diffusoren werden beschaufelt (Wirkungsgrad, Kennlinienanstieg) oder unbeschaufelt (Kennfeldbreite) ausgeführt, die Rückführkanäle beschaufelt (drallfreie Anströmung des folgenden Laufrades). Den Axialschubausgleich besorgt ein auf der Welle montierter, hinter dem letzten Rad sitzender Kolben. Bei Gegeneinanderschaltung („back to back“, häufig bei Zwischenkühlung angewandt) übernehmen die Räder selbst zum größten Teil den Schubausgleich. Die im mittleren Wellenlabyrinth zwischen Hoch- und Niederdruck-Stufengruppe überfließende Leckmenge ist kleiner und zirkuliert nur in der Hochdruck-Stufengruppe. Die Leistung ist daher kleiner als bei Hintereinanderschaltung (d. h. höherer Verdichterwirkungsgrad).

Zwischenzuführung und Doppelflutigkeit. Maschinen mit Zwischenzuführung(en) haben eine spezielle Rückführbeschaufelung, die Zumischung eines Seitenstroms zwischen zwei Laufrädern gestattet, so wie sie bei Industriekälteverdichtern häufig ausgeführt wird. Gelegentlich erfolgt die Zuführung auch außerhalb des Verdichtergehäuses, insbesondere bei relativ großen Zuspeisemassenströmen. Das Konzept der Doppelflutigkeit ermöglicht durch Teilung des Massenstroms auf zwei spiegelbildliche, „back to back“ angeordnete Verdichterhälften die Reduzierung des Außendurchmessers um 30 %; bei Stufenzahlen über drei jedoch wird wegen der Verdoppelung der Laufradzahl meist ein zweites Gehäuse erforderlich. Stabilität, maximale Stufenzahl. Länge und Durchmesser der Welle werden maßgeblich bestimmt durch Stufenzahl und Volumenstromzahlen der eingesetzten Laufräder. Tendenziell nehmen mit steigender Volumenstromzahl die axiale Länge der Stufe zu und der Wellendurchmesser ab, Abb. 12.10. Beide Tendenzen können sich negativ auf das Schwingungsverhalten des

12 Turboverdichter

0,7 0,6 0,5

Ana lyse , Lev el II erfo rder lich

Ana lyse , Lev el I a usre iche nd

0,8 Wellensteifigkeit-Verhältnis F

Rotors auswirken; die rotordynamische Berechnung ist i. d. R. ausschlaggebend, ob die geplanten Volumenstromzahlen (die den Wirkungsgrad bestimmen) bei der geplanten Stufenzahl ausführbar sind. Die Stabilitätsanalyse als Teil der rotordynamischen Berechnung soll nachweisen, dass die Dämpfung des aus Rotor, Lager und Lagerabstützung gebildeten Systems ausreichend groß ist und Schwingungsanregungen wie Unwuchten, Spaltanregung in den Labyrinthen, Schrumpfsitzreibung, Schaufel- und Getriebezahn-Frequenzen, u. a. nicht zu unzulässig hohen Wellenschwingungen führen [2]. Das Verhältnis von erster biegekritischer Drehzahl in starren Lagern und maximaler Dauerdrehzahl wird als „Wellensteifigkeitsverhältnis“ definiert: F D n1starr =nmax . Wenn bei steigendem Lagerabstand (Zunahme der Stufenzahl) und/oder abnehmendem Wellendurchmesser (Zunahme der Volumenstromzahl) F einen Grenzwert unterschreitet, neigt der Rotor zur Instabilität, d. h. zu Wellenschwingungen hoher Amplitude mit Frequenzen, die deutlich unter der Drehfrequenz liegen (subsynchrone Schwingungen) und den Betrieb des Verdichters unmöglich machen. Die Ursache sind Querkrafterregungen, die im Ringspalt zwischen Welle und feststehender Labyrinthdichtung auftreten: Infolge der Wellen-Durchbiegung kommt es zu einer Exzentrizität des Ringspalts. Der Drall des durchströmenden Gases erzeugt eine Rückstellkraft (Querkraft), die bei nicht ausreichender Dämpfung den Rotor zu subsynchronen Schwingungen anregt; der Rotor wird instabil. Die Querkraft nimmt zu, je größer die Durchbiegung (länger und dünner der Rotor) und die Gaskraft im Spalt (Gasdichte) werden. Daher wird bei gegebener Dämpfung (maßgeblich bestimmt durch Lagerverhalten und -abstützung) und Gasdichte (maßgeblich bestimmt durch Druckniveau und molare Masse) der Rotor um so stabiler, je kleiner die Durchbiegung bzw. je steifer der Rotor ist. Da die biegekritische Drehzahl in einer umgekehrt proportionalen Funktion zur Durchbiep gung f steht (n1starr  1= f ), muss die kritische Drehzahl also einen Mindestwert haben, der umso höher liegt, je dichter das Gas ist. Die von Fulton [3] statistisch ermittelte Kurve in Abb. 12.8

277

Fmin-Fulton

0,4 0,3 0

20

40 60 80 mittlere Gasdichte ρm in kg/m3

100

120

Abb. 12.8 Wellensteifigkeitsverhältnis Level I und II. m arithm. Mittelwert Gasdichte Saug-/Druckseite, F D n1starr =nmax (nach API 617, 2002, Kap. 2.6.5 und 2.6.6)

zeigt diese Mindestwerte. Oberhalb der FultonKurve waren alle untersuchten Verdichter stabil, unterhalb instabil. Der international maßgebliche API-Standard 617 [2] schreibt die Art der Stabilitätsanalyse je nach F und m vor, Abb. 12.8. „Level I“ benutzt eine vereinfachte Querfederzahl, „Level II“ ist detaillierter, um das logarithmische Dekrement (natürlicher Logarithmus des Amplitudenverhältnisses zweier aufeinanderfolgender Ausschläge gleicher Richtung) als Maß für die Dämpfung zu ermitteln. Es darf den Wert von 0,1 nicht unterschreiten (bei einem Stoß auf die Welle soll die jeweils folgende Schwingungsamplitude um mehr als 10 % kleiner sein als die vorhergehende). Genügt der Rotor den Anforderungen nicht, muss der Wellendurchmesser vergrößert und/oder der Lagerabstand verkleinert werden. Beide Maßnahmen führen zu einer weniger als optimalen aerodynamischen Auslegung der Maschine. Dieser negative Effekt lässt sich teilweise durch den Einbau von Drallbrechern vor den Labyrinthen umgehen. Diese beschaufelten Elemente reduzieren die Drehbewegung des in den Ringspalt einströmenden Leckgases und damit weitgehend die Entstehung einer Querkraft. Abb. 12.9 zeigt grobe Richtwerte der maximal im Gehäuse unterzubringenden Laufradzahl als Ergebnis statistischer Daten [1]. Mit ' steigt die axiale Stufenlänge und sinkt der Wellendurchmesser (n1starr sinkt), Abb. 12.10. Mit steigender Machzahl wird das Gasvolumen von Stufe zu Stufe stärker reduziert, so dass die Stufen weniger Baulänge benötigen und die Laufradanzahl erhöht werden kann. So kann z. B. ein Verdichter

12

278

H. Stricker

12.3.2

10 φ1. Stufe = 0,01...0,02

Getriebeverdichter

9 0,02...0,04 max. Laufradzahl/Welle

8 0,04...0,06 7 0,06...0,08 6 0,08...0,10 5 0,10...0,13

4

b

3 a

2 0,2

0,4 0,6 0,8 Umfangs-Machzahl 1. Stufe Mu2

1,0

Abb. 12.9 Einwellenverdichter, angenäherte maximale Laufradzahl je Gehäuse [1]. a max. Machzahl für Läufer mit identischen Rädern. b max. Machzahl für ungekühlte Verdichter. Je nach Hersteller variieren die Grenzen erheblich

Abb. 12.10 Stufengeometrie, Unterschiede [1]. a Mittlere, b kleine Volumenstromzahl, L axiale Länge, dW Wellendurchmesser d2 Laufraddurchmesser

bei Mu2 D 0;5 und ' D 0;015 neun Laufräder aufnehmen, dagegen ist bei Mu2 D 0;5 und ' D 0;13 die Kapazität mit vier Rädern ausgeschöpft. Aus Kostengründen sollte angestrebt werden, den Verdichter eingehäusig auszuführen. Bei Stufenzahlen über sechs muss jedoch die (optimale) Volumenstromzahl abgesenkt werden, mit dem Resultat eines im Durchmesser größeren Gehäuses und eines verringerten Wirkungsgrades (s. Abb. 12.17). Die volumetrische Schluckfähigkeit eines im Durchmesser vorgegebenen Gehäuses ist somit umso größer, je kleiner die Stufenzahl ist.

Der ein- oder mehrstufige Radialverdichter mit integriertem Getriebe, kurz auch Getriebeverdichtergenannt (Abb. 12.11 und 12.12), besteht aus einzelnen am Getriebe angeflanschten und durch Rohrleitungen verbundenen Spiralgehäusen. Die Eintrittsstutzen sind axial, die Austrittsstutzen tangential angeordnet. Die fliegend gelagerten Laufräder sind meist mittels Hirthverzahnung und Dehnschraube auf die verlängerte Ritzelwelle montiert. Die maximal ausgeführte Laufradzahl beträgt derzeit zehn auf fünf Ritzelwellen. Zwischenkühlung nach jeder Stufe, Zwischenzuführungen und -entnahmen, Integration unterschiedlicher Prozesse in einer Maschine bis hin zur Kombination von Verdichter und Expansionsturbine (sog. „Compander“), sowie doppelflutige Ausführungen sind möglich. Da die Laufräder meist paarweise gegeneinander geschaltet sind, wird ein Teil des Schubes dadurch bereits ausgeglichen. Der Restschub wird über die Druckkämme der Ritzel zu dem auf der langsam laufenden Radwelle liegenden Axiallager geleitet. Getriebeverdichter ermöglichen wegen der axialen Ansaugung, der kleinen Laufradnabendurchmesser und der Anpassung der Drehzahl an den von Stufe zu Stufe abnehmenden Saugvolumenstrom (es können oft Volumenstromzahlen in der Nähe des Wirkungsgradoptimums radialer Laufräder realisiert werden, Abb. 12.17) hohe aerodynamische Stufenwirkungsgrade. In Verbindung mit Zwischenkühlung ergeben sich hieraus Leistungsvorteile des Getriebeverdichters, auch bei hohen Stufendruckverhältnissen, wie sie sich üblicherweise durch Einsatz offener Laufräder hoher Umfangsgeschwindigkeit ergeben. Nachteilig kann sich bei kleinen Nutzmassenströmen und hohen Enddrücken die Anzahl der benötigten Wellendichtungen auswirken, da jede Stufe einzeln gegen Atmosphäre gedichtet wird. Zum Einsatz kommen je nach Anwendung Labyrinth-, Kohlering- und Trockengasdichtungen. Erfolgt der Antrieb des Getriebeverdichters durch einen Elektromotor, so wird wie in Abb. 12.11 die Antriebskupplung direkt auf die

12 Turboverdichter

Abb. 12.11 Getriebeverdichter (MAN Diesel & Turbo SE) als Hochdruck-Luftverdichter einer Luftzerlegungsanlage. 1 Stufen-Saugstutzen, 2 Stufen-Druckstutzen, 3 verstellbare Eintrittsleitschaufeln, 4 Laufrad (offen),

279

5 Laufrad (geschlossen), 6 Getriebegehäuse, 7 Großrad, 8 Ritzelwelle, 9 Druckkamm,10 Radiallager, 11 Axial-Radiallager, 12 Antriebszapfen, 13 Schmierölpumpe

12

Abb. 12.12 Getriebeverdichter-Anlage (MAN Diesel & Turbo SE). 1 vierstufiger Getriebeverdichter (HochdruckLuftverdichter einer Luftzerlegungsanlage), 2 Antriebs-

motor, 3 Saugleitung, 4 Druckleitung, 5 Umblaseleitung, 6 Zwischenkühler, 7 verbindende Rohrleitungen, 8 Nachkühler, 9 Kühl- und Schmierölsystem

280

Bauartbedingte Besonderheiten. Wegen der vergleichsweise hohen Teilkreisgeschwindigkeiten (z. T. in der Größenordnung von 180 m/s) unterliegen die Verzahnungen der integrierten Getriebe hohen Qualitätsanforderungen [2, 4]. Lastabhängige Durchbiegung und Lagerreaktionskräfte der Verdichter- bzw. Ritzelwellen, da bei fester Antriebsdrehzahl die Verzahnungskräfte mit der Verdichterleistung steigen. In der Folge lastabhängige Steifigkeiten und Dämpfungen mit entsprechender Auswirkung auf Eigenfrequenzen und Stabilitätsverhalten bei Voll- und Teillast. Radiallager: Zulässige maximale Temperatur im Schmierspalt und gefordertes Dämpfungsverhalten begrenzen die spezifische Belastung und Wellenumfangsgeschwindigkeit (je nach Lagerdurchmesser, -breite und -spiel, KippsegmentAbstützung u. a.). Bei gegebener Teilkreisgeschwindigkeit des Getriebes führt dies mit steigender Drehzahl zu kleineren realisierbaren Verdichterwellenleistungen, Abb. 12.13. Dieser Zusammenhang und die in Abschn. 12.3.1 genannten, auch für Getriebeverdichter gültigen [2, 4] Stabilitätsanforderungen setzen der optimalen aerodynamischen Auslegung der Maschine Grenzen. Durch höhere Teilkreisgeschwindigkeiten können höhere Leistungen realisiert werden; dem gegenüber stehen die dann erhöhten Getriebeverlustleistungen („Ventilationsverluste“), Massenträgheitsmomente (Startverhalten) und Herstellkosten der Maschine bei steigendem Großraddurchmesser. In der Auslegungspraxis gilt es, das gemeinsame Optimum hinsichtlich der Aerodynamik und des Getriebes zu finden.

5.000 uP=

max Verdichterwellenleistung in kW

Radwelle gesetzt. Im Falle eines Turbinenantriebes ermöglicht ein zusätzliches Antriebsritzel vorteilhaft die Reduzierung der höheren Turbinendrehzahl auf die Raddrehzahl, ein Zwischengetriebe ist so nicht erforderlich.

H. Stricker

130 m/s 150 m/s 170 m/s

Lagerdaten: pJ, zul = 2,5 N/mm2 uJ, zul = 95 m/s dJ = 100 mm bJ / dJ= 0,5 500 10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

Verdichterwellendrehzahl in min–1

Abb. 12.13 Getriebeverdichter, maximale Verdichterwellenleistung bei gegebener Verdichterwellendrehzahl. up Teilkreisgeschwindigkeit des Getriebes; die zulässigen Lagerdaten pJ:zul spezifische Belastung und uJ:zul Wellenumfangsgeschwindigkeit variieren je nach Lagertyp (dJ Nenndurchmesser, bJ =dJ relative Breite, KippsegmentAbstützung u. a.) erheblich und sind je nach Anwendungsfall (zulässige maximale Temperatur im Schmierspalt, geforderte Feder- und Dämpfungseigenschaften u. a.) festzulegen

Antriebsmotor wird zusammen mit den Verdichterkomponenten in einem gemeinsamen, drucktragenden Gehäuse verbaut. Die Motorwelle ist direkt mit der Verdichterwelle gekoppelt und läuft bei gleicher Drehzahl; ein drehzahlerhöhendes Getriebe entfällt. Wellendurchtritte durch das Gehäuse und damit einhergehend Wellenabdichtungssysteme werden gänzlich vermieden, so dass sich die Systemkomplexität deutlich reduziert. Der Elektromotor läuft unter hohem Druck in der Prozessgasumgebung und kann bei entsprechender Auslegung durch das geförderte Gas direkt gekühlt werden. Der Antriebsmotor wird als sog. Hochfrequenzmotor ausgeführt, um die vergleichsweise hohe Drehzahl der Verdichterwelle zu ermöglichen. Der Antrieb erfordert auf elektrischer Versorgungsseite einen Frequenzumrichter, welcher ausgehend von der Netzfrequenz mittels leistungselektronischer Komponenten die für den Betrieb des Hochfrequenzmotors notwendige elektrische Frequenz im Bereich von ca. 100 12.3.3 Gekapselte, direkt angetriebene bis 300 Hz bereitstellt und zugleich die Regelung Verdichter der Maschinendrehzahl ermöglicht. Verdichter dieser Bauart werden mit aktiven Zunehmend werden Einwellenverdichter auch Magnetlagern ausgestattet, da konventionelle Ölals gekapselte, direkt angetriebene Ausführun- lager nicht für einen Betrieb in direkter Prozessgen realisiert (s. Abb. 12.14). Der elektrische gasumgebung geeignet sind; Öl- und Ölaufbe-

12 Turboverdichter

281

Abb. 12.14 Gekapselter, direkt angetriebener Verdichter (MAN Diesel & Turbo SE) mit integriertem Hochfrequenzmotor und beidseitig angeflanschten, mehrstufigen Radialverdichtern. 1 Hochfrequenzmotor, 2 fünfstufiger

Niederdruckverdichter, 3 fünfstufiger Hochdruckverdichter, 4 radiale Magnetlager, 5 Fanglager, 6 axiales Magnetlager, 7 Kupplung

reitungssysteme für die Lager werden vermieden. Aktive Magnetlager ermöglichen ein fallspezifisches Anpassen der Regelparameter; das rotordynamische Betriebsverhalten des Maschinenstrangs kann so ohne weitere bauliche Maßnahmen positiv beeinflusst werden. In der Folge ermöglicht sich ein schwingungstechnisch stabiler Betrieb des Verdichters über einen relativ weiten Drehzahlbereich (typischer Weise von ca. 30 bis 100 % der Nenndrehzahl) mit entsprechenden Vorteilen hinsichtlich der Verdichterregelung (s. Abschn. 12.4.2). Als Sonderbauform gekapselter, direkt angetriebener Verdichter sind Unterwasser-Kompressoren (subsea compressors) zur Erdgasförderung zu erwähnen: Durch Installation direkt auf dem Meeresboden erfolgt die Druckanhebung bohrlochnah und erhöht die Effizienz der Förderung. So wird eine längere und höhere Ausbeutung von entlegenen Unterwasser-Erdgasfeldern ermöglicht.

zur Kennlinie. Durch Veränderung der Stellgrößen Drehzahl, Saugdrosselverhältnis, Leitschaufelwinkel oder Bypass-Massenstrom entstehen weitere Kennlinien, die in ihrer Gesamtheit als Kennfeld bezeichnet werden. Dabei werden die Verstellorgane Saugdrosselklappe, Eintrittsleitschaufeln und Bypassventil thermodynamisch als integrale Bestandteile des Verdichters betrachtet und deren Verluste dem Verdichterwirkungsgrad zugerechnet. Ansaugdruck, Ansaugtemperatur (bei Zwischenkühlung auch Rückkühltemperatur) und Gasdaten werden i. d. R. für das gesamte Kennfeld konstant gehalten, obwohl sie im praktischen Betrieb mit der Entfernung vom Auslegungspunkt von diesen Bezugsgrößen abweichen können. Durch Veränderung der o. g. Stellgößen, kann jeder Punkt im Kennfeld, der stets ein Schnittpunkt der Verdichter- und der Anlagenkennlinie ist, angefahren werden. In der Praxis erfolgt dies automatisiert durch den sog. Fahrpunktregler; je nach Anwendungsfall sind der Förderstrom, der Saug- oder der Enddruck die Regelgröße. Im Folgenden werden vier wichtige Regelungsarten für Radialverdichter beschrieben, vgl. [1]. Dazu zeigt Abb. 12.15 die typischen Kennfelder verschiedener Verstellarten einzelner Stufen mit Laufrädern mit rückwärts gekrümmten Schaufeln bei mittleren Umfangsmachzahlen. Hierbei bezeichnet der Punkt bei VP =VP0 D 1 und hp = hp0 D 1 den Auslegungspunkt und die gestrichelte Linie die Pumpgrenze, die den stabilen Arbeitsbereich abgrenzt.

12.4 Regelung und Maschinenschutz 12.4.1 Verdichterkennfeld Wird der Verdichter mit einem vom Auslegungspunkt abweichenden Volumenstrom bzw. Druckverhältnis betrieben, ohne die Drehzahl, die Stufengeometrie oder die Gaszusammensetzung zu ändern, erweitert sich der Betriebspunkt

12

282

H. Stricker

die näherungsweise auch für kompressible Medien noch gültig sind, werden durch Drehzahländerung der Volumenstrom linear und die polytrope Arbeit quadratisch mit der Drehzahl variiert (Abb. 12.15a). Merkmale. Hohe Teillastwirkungsgrade, da der Verdichter nur die benötigte polytrope Arbeit erzeugt (keine zusätzliche Energiedissipation); volumetrische Überlast durch Überdrehzahl möglich; wirkt auf alle Stufen des Verdichters; eignet sich für alle Laufrad- und Verdichterbauarten, besonders aber für parabolische Anlagenkennlinie; Antrieb mit veränderlicher Drehzahl oder Regelkupplung erforderlich. Die vergleichsweise höchsten Wirkungsgrade im Kennfeld und die ausgezeichnete Betriebs-Flexibilität machen die Drehzahlregelung zur ersten Wahl aller Regelungsarten.

12.4.3

Saugdrosselregelung

Wird eine in die Saugleitung eingebaute Drosselklappe als integraler Bestandteil des Verdichters betrachtet, ergibt sich das in Abb. 12.15b dargestellte Saugdrosselkennfeld. Der Verdichteransaugzustand ist vor der Klappe definiert und der Kurvenparameter ist das Druckverhältnis an der Klappe. Wird die Klappe aus der Offenstellung verdreht, erzeugt sie einen mit dem Verstellwinkel wachsenden Widerstand, der den Laufradansaugdruck absenkt. Dadurch werden der Massenstrom, der Enddruck und die Leistung reduziert. Merkmale. Sehr niedrige Teillastwirkungsgrade, da die nicht benötigte polytrope Arbeit zwar vom Laufrad erzeugt, aber in der Klappe dissipiert wird; bei konstanter polytroper Arbeit keine volumetrische Überlast möglich; wirkt auf alle Stufen des Verdichters; geeignet für alle Laufradund Verdichterbauarten, besonders aber für Anlagenkennlinie mit (nahezu) konstantem Enddruck; 12.4.2 Drehzahlregelung niedrige Investitionskosten, hohe spezifische Betriebskosten bei Betrieb mit stark abgesenktem Entsprechend der Ähnlichkeitsbeziehungen für Enddruck. In vielen Fällen nicht geeignet für Strömungsmaschinen („fan law“) Verdichter mit atmosphärischem Ansaugdruck, VP D c1 n und hp D c2 n2 ; da Unterdrücke im Verdichter bei entflammbaren Abb. 12.15 Typische Einzelstufen-Kennfelder für verschiedene Regelungsarten [1]. a Drehzahlregelung, n=n0 Drehzahlverhältnis; b Saugdrosselregelung, ps =ps0 Druckverhältnis an der Drosselklappe; c Eintrittsleitschaufel-Regelung, ˛1 Leitschaufelwinkel; d BypassRegelung, m= P m P Bypassverhältnis; =0 bezogener Wirkungsgrad

12 Turboverdichter

283

Gasen wegen der Gefahr des Lufteinbruchs oft- falls nach links versetzt, da der für die Einleitung mals untersagt sind. des Pumpens maßgebende kleinste Absolutwinkel ˛ 2 min erst bei kleinerem Volumenstrom erreicht wird. Der hydraulische Wirkungsgrad h erfasst alle inneren Stufenverluste außer Leck12.4.4 Eintrittsleitschaufel-Regelung und Scheibenreibungsverlusten. Mit zunehmenEine vor dem Laufrad verstellbar angeordnete dem Verstellwinkel der Leitschaufeln (je nach ı Schaufelreihe („Dralldrossel“) erzeugt positiven Ausführung ab ca. 30 ) gewinnt die Absenkung oder negativen Vordrall. Gemäß der Euler-Glei- des Druckes im Laufradsaugmund, hervorgerufen durch die Druckverluste im Eintrittsleitapparat, chung an Einfluss auf das Regelverhalten (vgl. Saughp D .cu2 u2  cu1 u1 /  h drosselregelung); daher die gelegentlich verwenwird damit durch Variation der Umfangskom- dete Bezeichnung „Dralldrossel“. Dies erklärt ponenten der Zuströmgeschwindigkeit cu1 pri- auch die Wirksamkeit der v. a. von axialen Strömär die Arbeit beeinflusst (Förderhöhenrege- mungsmaschinen bekannten Eintrittsleitschaufellung) (Abb. 12.16), Ableitung s. [1]. Ein gege- Regelung für Radialverdichter, selbst bei reinen bener positiven Vordrall (Mitdrall) erzeugender 2D-Laufrädern mit vergleichsweise kleinem VerLeitschaufelwinkel bewirkt jedoch keine gleich- hältnis u1 =u2 . mäßige Reduzierung der polytropen Arbeit entlang der Kennlinie: im volumetrischen Überlast- Merkmale. Mittlere Teillastwirkungsgrade; der bereich ist die Wirkung sehr stark, da cu1 groß Verdichter erzeugt nur die benötigte polytrope und im Teillastgebiet gering, da cu1 klein gegen- Arbeit; volumetrische Überlast durch negativen über cu2 ist. Dadurch tritt bei Mitdrall de facto Vordrall (Gegendrall); Verstellschaufeln wirken eine Linksverschiebung des gesamten Kennfelds nur auf das nachgeschaltete Laufrad; für Geein (Abb. 12.15c). Die Pumpgrenze wird eben- triebeverdichter sehr gut geeignet, da vor jeder Stufe Platz zur Unterbringung vorhanden; mehrstufige Einwellenverdichter können jedoch in der Regel aus Platzgründen nur mit ein bis zwei Vorleitapparaten bestückt werden, die gelegentlich im radial von außen nach innen durchströmten Rückführkanal der vorherigen Stufe angeordnet sind; geeignet für alle Laufradtypen; besonders aber für Anlagenkennlinie mit (nahezu) konstantem Enddruck; höhere Investitions- und niedrigere spezifische Teillast-Betriebskosten als mit Saugdrosselung. Vollständigkeitshalber erwähnt sei die Nachleitgitter-Regelung, bei die Winkel der Diffusorschaufeln verstellt werden, [1].

12.4.5 Bypass-Regelung Obwohl diese Methode allein auf Energie-Dissipation beruht, wird sie häufig in der Öl- und Gasindustrie angewandt, wenn andere RegelungsarAbb. 12.16 Verstellbare Eintrittsschlaufen, axiale Anord- ten nicht möglich oder nicht angemessen sind. nung (Beispiel: Laufrad mit Vorsatzläufer). N Drehrich- Die Differenz zwischen dem gewünschten Protung, mD Stromlinie mit positivem Drall, oD ohne Drall zess- und dem Verdichter-Massenstrom m P bei

12

284

dem Soll-Enddruck wird nach Durchströmen eines Bypass-Kühlers zur Saugleitung zurückgeführt. Wenn die Umführungsleitung als interne Angelegenheit des Verdichters betrachtet wird, entsteht für jedes Bypass-Verhältnis eine neue „Verdichter“-Kennlinie und der Prozess relevante Verdichter-Wirkungsgrad muss modifiziert werP den gemäß:  D .1  m= P m/ P  , wobei m der Verdichtermassenstrom und  der eigentliche Verdichter-Wirkungsgrad sind. Merkmale. Hohe Energieverluste bei großem Unterschied zwischen Soll- und tatsächlichem Verdichter-Betriebspunkt; geeignet für alle Laufrad- und Verdichterbauarten; am besten geeignet für Anlagenkennlinie mit (nahezu) konstantem Enddruck; bei parabolischer Anlagenkennlinie sehr hohe Verluste.

12.4.6 Maschinenüberwachung und -schutz Turboverdichter sind für eine Lebensdauer von mindestens 20 Jahren auszulegen; je nach Bauart und Anwendung wird ein ununterbrochener Betrieb (zwischen zwei geplanten Service-Stillständen) von drei bis fünf Jahren gefordert [2, 4]. Neben sorgfältiger Auslegung, Konstruktion, Materialauswahl und Fertigung spielt die Maschinenüberwachung hierbei eine wesentliche Rolle; sie soll die Zustandsdiagnose während des Betriebes ermöglichen und die Maschine vor unzulässigen Betriebszuständen schützen (Maschinenschutz). Hierzu werden geeignete Betriebsdaten gemessen, und bei Erreichen der vom Hersteller festgelegten Grenzwerte wird ein entsprechender Alarm ausgelöst bzw. bei entsprechendem Gefährdungsrisiko die Maschine abgeschaltet, ggf. automatisch. Zu den überwachten Betriebdaten zählen i. d. R. Wellendrehzahl und -schwingungen, Lagertemperaturen, Förderstrom des Verdichters, saug- und druckseitige Gastemperaturen und -drücke, u. a. m. Weitere Anforderungen an die Schutzeinrichtungen können sich aus der Risikobewertung ableiten [5].

H. Stricker

Pumpgrenzregelung. Die Lage des Betriebspunktes im Verdichterkennfeld (Abb. 12.15) wird überwacht und bei Annäherung an die Pumpgrenze wird der Verdichter durch Öffnen des Pumpgrenz-Regelventils (Abblase- oder Bypass-Ventil) entlastet; der instabile Betrieb (s. Abschn. 6.7.1) des Verdichters links von der Pumpgrenze, gekennzeichnet durch lokale Strömungsablösungen bis hin zu periodischem Rückströmen über den gesamten Querschnitt (Pumpstoß), wird so vermieden. Erklärung der in Radialverdichtern zu beobachtenden Phänomene, Unterscheidung System- und Stufenpumpgrenze s. [1]. Stand der Technik: Die sog. Pumpgrenzregelinie, bei deren Überschreiten das PumpgrenzRegelventil zunächst proportional-integral zur Regelabweichung geöffnet wird, liegt ca. 10 % rechts von der tatsächlichen Pumpgrenze des Verdichters; der Pumpgrenzregler hält den Betriebspunkt auf der Regellinie. Je nach Empfindlichkeit der Maschine gegenüber der Wirkung von Pumpstößen, bestimmt durch Bauart, Druckniveau u. a. m., sowie der im Regler verwirklichten Signalverarbeitungszeit (i. d. R. 100–150 ms) können kleinere Sicherheitsabstände zwischen Pumpgrenze und -regellinie realisiert werden. In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, mit der sich der Betriebspunkt der Pumpgrenzregellinie nähert, wird diese vom Regelalgorithmus in das Kennfeld verschoben (der Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze vergrößert); das Pumpgrenz-Regelventil beginnt also im Falle einer schnellen Annäherung an den instabilen Betriebsbereich früher zu öffnen. Zusätzlich wird bei Überschreiten der sog. Pumpgrenzsicherheitslinie (ca. 3–5 % rechts der tatsächlichen Pumpgrenze) das Pumpgrenz-Regelventil sehr schnell (max. 2 s) vollständig geöffnet und der Verdichter sicher entlastet. Je nach Anlagenschaltung und Größe des Pumpgrenz-Regelventils (Radialverdichter: abhängig vom Anwendungsfall und Kennlinienanstieg ca. 100–150 % des Nennförderstromes bei Nenndruckverhältnis) stellt sich dann ein sicherer Betriebspunkt unterhalb des Nennbetriebspunktes ein.

12 Turboverdichter

285

12.5 Beispiel einer Radialverdichterauslegung 12.5.1

Vereinfachtes Verfahren

Vereinfachtes Verfahren zur Auslegung vielstufiger Einwellenverdichter mit geschlossenen Laufrädern mit rückwärts gekrümmten Schaufeln nach [1]. Berechnung basiert auf Totalzuständen für Drücke und Temperaturen. In der industriellen Praxis finden vereinfachte Verfahren dieser Art oft zur ersten überschlägigen Festlegung von Gehäusegröße und Stufenzahl Anwendung. Die detaillierte Auslegung erfolgt meist durch stufenweise Überlagerung gemessener, in geeigneter Form normierter Einzelstufenkennlinien (sog. „Basischarakteristiken“) und Umrechnung auf den jeweiligen Anwendungsfall. Je nach Herstellerfirma unterschiedliche normierte Kennlinienbeschreibungen und Standardisierungsgrade der Stufen [1]. Überprüfung von Details, Entwicklungs- und Sonderauslegungen mittels numerischer Strömungsberechnung (CFD, „computational fluid dynamics“).

12.5.2

Betriebsbedingungen (vorgegeben)

Gas: Kreislaufgas, N2 C CH4 Raumanteile

r N2 rCH4 ps pd ˘ D pd =ps Ts D ts C 273;15 Tk D tk C 273;15 m P

Ansaugdruck (absolut) Enddruck (absolut) Druckverhältnis Ansaugtemperatur Kühlwassertemperatur Massenstrom Zusatzbedingungen laut Anfragespezifikation Maximale Drehzahl nmax Max. spezifische polytrope Stufenarbeit hp max Definitionen Volumenstromzahl Polytrope Druckzahl Arbeitszahl

'D p

VP .=4/d22 u2

D

sD

hp u22 =2

h u22

D

p

2p

0,639 0,361 6,2 33,06 5,3323 305,15 298,15 14,85

– – bar bar – K K kg=s

15.000 42

1=min kJ=kg

12

286

H. Stricker

12.5.3 Gasdaten Gasgemisch-Kennwerte werden aus Zustandsgleichungen für reale Gase berechnet, z. B. LKP (Lee-Kesler-Plöcker) oder BWRS (Benedict-Webb-Rubin-Starling) oder RKS (RedlichKwong-Soave) [1, 6]. In dem hier benutzten Näherungsverfahren werden die Realgasfaktoren nach der generalisierten Methode von NelsonObert [7] als Funktion der reduzierten Werte für Druck und Temperatur und ein mittlerer Isentropenexponent für ideales Gasverhalten als Funktion der Temperatur ermittelt; spezifische isobare Wärmekapazität cp z. B. aus Wärmeatlas [8]. P M D r i Mi 23,693 R D 8;3145=M 0,3509 Saugseite Zs  1,0 Druckseite Zd  1,0  P Molare isobare Saugseite M cp .Ts / D r M cp .Ts / i 31,60  P Wärmekapazität Druckseite M cp .Td / D r M cp .Td / i 33,38  Verhältnis spez. Saugseite ~s D M cp = M cp  8;3145 1,357  Wärmekapazitäten Druckseite ~d D M cp = M cp  8;3145 1,332 Die druckseitigen Werte werden iterativ ermittelt, da die Endtemperatur zunächst nicht bekannt ist Mittlerer isentroper Volumenexponent kv  ~  .~s C ~d / =2 1,344 Mittlerer isentroper Temperaturexponent kT  ~  .~s C ~d / =2 1,344 Molare Masse Gaskonstante Realgasfaktor

12.5.4

kg=kmol kJ=.kg K/ – – kJ=.kmol K/ kJ=.kmol K/ – – – –

Volumenstrom, Laufraddurchmesser, Drehzahl

VP D mZ P s RTs =ps Volumenstrom, Saugzustand 2,565 m3 =s Mittlere polytrope Druckzahl, geschätzt 0,99 – p p Maximale Umfangsgeschwindigkeit u2max D 2hp max = p 291 m=s Volumenstromzahl Berechnet 'ber D 4V n2max =u32max 0,082 – 1. Stufe Gewählt ' 0,081 – Liegen keine Beschränkungen oder Vorgaben für n und u2 vor, kann für erste Durchrechnung gesetzt werden: '  0;1; u2  300 m/s; jedoch: u2  a0 q Laufraddurchmesser 1. Stufe d2 D 4VP = .u2 '/ 0,372 m Drehzahl

n D u2 = .d2 /

14.940

1=min

12 Turboverdichter

287

12.5.5 Endtemperatur, spezifische polytrope Arbeit Temperaturexponent, polytrop (p wird iterativ ermittelt) Zahl der Zwischenkühler, gewählt Zahl der Stufengruppen Mittl. Druckverhältnis Stufengruppe Endtemperatur 1. Stufengruppe Grädigkeit Zwischenkühler, t D 5 : : : 15 K Rückkühltemperatur Endtemperatur Spezifische polytrope Arbeit Volumenexponent, polytrop Kühlerverlust

12.5.6

 m  .~  1/ = ~p

0,32

–

c cC1 1 ˘Gr D ˘ cC1 m td1  Ts ˘Gr  273;15 t TR D TK C t m td D TR ˘Gr  273;15

1 2 2,3092 126 10 308,15 130

– – – °C K K °C

hp  ŒTs C cTR .1 C hc /

Zs CZd  R nn1 2



.n  1/ =n  .~  1/ = ~p hc D hpc = hp



  n 1 ˘Grn  1 207

0,32 0,005

kJ=kg – –

Wirkungsgrad, Stufenzahl

Volumenstrom-Faktor (für c D 0: TR =Ts D 1) Volumenstromzahl Saugseite Polytroper Wirkungsgrad, Abb. 12.17 Arbeitszahl, Abb. 12.17 Volumenstromzahl Druckseite Polytroper Wirkungsgrad, Abb. 12.17 Spezifische Arbeitszahl, Abb. 12.17 Mittlere Volumenstromzahl Polytroper Wirkungsgrad, Abb. 12.17 Arbeitszahl, Abb. 12.17 Polytroper Wirkungsgrad Polytrope Druckzahl Spezifische polytrope Arbeit je Stufe Stufenzahl, berechnet Stufenzahl, gewählt Schallgeschwindigkeit Saugseite, kVS  ~s Umfangs-Machzahl 1. Stufe (falls Mu2  .0;9 : : : 1;0/, u2 reduzieren und d2 , n, i neu bestimmen!) Maximale Stufenzahl/Gehäuse, Abb. 12.9

~1

1



a D .TR =Ts / ˘ .cC1/~p  's D 4VP = d22 u2 ps D f .'s / ss D f .'s / 'd D a's pd D f .'d / sd D f .'d / 'm D .'s C 'd / =2 pm D f .'m / sm D f .'m /  p D ps C pm C pd =3 p D 2p .ss C sm C sd / =3 h0p D p u22 =2 iber D hp = h0p i p a0 D kVS Zs RTs Mu2 D u2 =a0

0,247 0,081 0,83 0,615 0,02 0,74 0,65 0,05 0,82 0,625 0,797 1,0 42,3 4,9 5 381,2 0,763

– – – – – – – – – – – – kJ=kg – – m=s –

imax

6

–

12.5.7 Leistung Labyrinthverluste, geschätzt (Ausgleichskolben + Sperrgas) Innere Leistung Mechanische Verluste (nach Herstellerangaben) Lager (2 Radial-, 1 Axiallager) Sperröldichtungen (2 Stück) Gleitringdichtungen (2 Stück, gasgeschmiert) Leistung an der Verdichterkupplung

m= P m P Pi D m P Œ1 C .m= P m/ P hp =p

0,02 – 3934 kW

PVL PVS PVD PK D Pi C PVL C PVS.D/

40 – 4 3978

kW kW kW kW

12

288

H. Stricker

Literatur Spezielle Literatur

Abb. 12.17 Grobe Richtwerte für polytrope Druckzahl, polytropen Stufenwirkungsgrad und Arbeitszahl als Funktion der Volumenstromzahl (Grundwerte) [1]. Für geschlossene Laufräder, ˇ2 D 40ı : : : 50ı , d2 D 400 mm, Mu2 D 0;7, Reu2 D 500 000; erforderliche -Korrekturen: Größeneinfluss, Mach-, Reynoldszahl, Diffusorverhältnis, Ein-, Austrittsverlust, Geometrievarianten, Rauheit

1. Lüdtke, K.H.: Process Centrifugal Compressors. Springer, Berlin (2004) 2. API: Axial and Centrifugal Compressors and Expander-compressors for Petroleum, Chemical and Gas Industry Services. Standard 617(7) (2002) 3. Fulton, J.W.: The decision to full load test a high pressure centrifugal compressor in its module prior to tow-out. 2nd European Congress on Fluid Machinery for the Oil, Petrochemical and Related Industries. I Mech E Conf Publ (1984) 4. API: Packaged, Integrally Geared Centrifugal Air Compressors for Petroleum, Chemical, and Gas Industry Services, 4. Aufl. Bd. 672. API (2004) 5. Kompressoren und Vakuumpumpen – Sicherheitsanforderungen, Teil 1: Kompressoren; EN 1012-1:2010 und Teil 3: Prozesskompressoren; EN 1012-3:2013 6. Knapp, H., Döring, R., Oellrich, L., Plöcker, U., Prausnitz, J.M.: Vapor-liquid equilibria for mixtures of low boiling substances. Dechema Chemistry Data Series, Bd. VI. (1982) 7. Nelson, L.C., Obert, E.F.: Generalized Compressibility Charts. Trans Asme 76, (1954) 8. VDI: Wärmeatlas, 11. Aufl. Springer, Berlin (2013)

13

Gasturbinen Jörg Seume und Jochen Gier

13.1 Einteilung und Verwendung Die Gasturbine zählt zu den Wärmekraftmaschinen, weil sie, in der Regel durch Verbrennung von Brennstoff freigesetzte, Wärme in mechanische Energie (Wellenleistung) oder in Schubkraft (bei Luftfahrt-Triebwerken) umsetzt. Sie besteht im einfachsten Fall (Abb. 13.1a) aus einem Verdichter, einer Turbine und einer Brennkammer. Der Verdichter saugt einen bestimmten Luftmassenstrom aus der Umgebung an und bringt ihn auf einen erhöhten Druck. Durch isobare Verbrennung eines bestimmten Brennstoffmassenstroms mit diesem Luftmassenstrom in der Brennkammer wird zusätzlich die Temperatur des Arbeitsgasstroms erhöht, so dass bei dessen anschließender Entspannung auf Umgebungsdruck in der Turbine diese mehr Leistung abgeben kann, als der von ihr angetriebene Verdichter aufnimmt. Der Leistungsüberschuss der Turbine steht als Nutzleistung (z. B. zum Antrieb des Generators G) zur Verfügung. Gasturbinenprozesse. Nach dem Weg des Arbeitsmediums unterscheidet man:

J. Seume () Leibniz Universität Hannover Hannover, Deutschland E-Mail: [email protected] J. Gier MTU Aero Engines AG München, Deutschland E-Mail: [email protected]

Offener Prozess. Das Arbeitsmedium wird (als Luft) aus der Umgebung angesaugt und nach dem Durchströmen aller Komponenten des Gasturbinenaggregats (in der Regel als Verbrennungsgas) wieder an die Umgebung abgegeben (Abb. 13.1a und c–e). Geschlossener Prozess. Das Arbeitsmedium läuft geschlossen um und nimmt nicht an der Verbrennung teil. An die Stelle der Brennkammer im offenen Prozess tritt ein Wärmetauscher (D Erhitzer). Zum Schließen des thermodynamischen Kreisprozesses ist zusätzlich ein Rückkühler erforderlich (Abb. 13.1b). Außer Luft kommen auch andere Gase als Arbeitsmedium in Frage (z. B. Helium). Der geschlossene Kreislauf ermöglicht es, den Ansaugdruck des Verdichters über den Umgebungsdruck und damit das Dichteniveau des Arbeitsmediums insgesamt anzuheben, was zur Verkleinerung der Aggregat-Abmessungen und zu einer wirkungsgradgünstigen Leistungsregulierung (Druckpegelregelung) genutzt wird. Halboffener Prozess. Dabei wird einer der beiden Teilkreisläufe der aus einem Hochdruckund einem Niederdruckkreislauf bestehenden Gasturbinenanlage offen, der andere geschlossen geführt. Prozessführung. Man unterscheidet: Einfache Prozesse. Sie bestehen nur aus einer Verdichtung, einer Erhitzung und einer Entspannung (beim offenen Prozess); beim

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_13

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290

J. Seume und J. Gier

Prozess mit Abgaswärmetauscher (Abb. 13.1d). Die im Arbeitsmedium nach der Turbine (5) enthaltene Abgaswärme (Restexergie) wird zur Vorwärmung der verdichteten Luft vor der Brennkammer benutzt, womit der Brennstoffverbrauch reduziert wird. Prozess mit Zwischenkühlung bzw. Zwischenerhitzung (Abb. 13.1e). Durch Rückkühlung des Arbeitsmediums zwischen den Verdichtungsstufen und/oder Wiederaufheizung zwischen den Entspannungsstufen lässt sich bei gleichbleibender thermischer und mechanischer Belastung die Leistungsdichte des Gasturbinenaggregats erhöhen. In der Praxis sind auch Kombinationen der unter Abb. 13.1c–e gezeigten Prozessführungen zu finden.

13.2 Thermodynamische Grundlagen 13.2.1 Idealisierte Kreisprozesse Das Arbeitsmedium durchläuft beim kontinuierlichen Durchströmen der Komponenten des Gasturbinenaggregats einen thermodynamischen Kreisprozess, der sich in einem h, s-, T, s- oder p, v-Diagramm darstellen lässt. Reale Gasturbinenprozesse werden bezüglich Wirkungsgrad und Arbeitsvermögen an idealisierten Kreisprozessen gemessen. Für diese gelten folgende Voraussetzungen:

Abb. 13.1 Beispiele für Gasturbinenschaltungen. BK Brennkammer, E Erhitzer, G Generator bzw. angetriebene Maschine, HDT Hochdruckturbine, HDV Hochdruckverdichter, K Rückkühler, NDT Niederdruckturbine, NDV Niederdruckverdichter, NT Nutzturbine, T Turbine, V Verdichter, WT Abgas-Wärmetauscher, ZE Zwischenerhitzer, ZK Zwischenkühler, 1–6 Zustände des Arbeitsmediums

Das Arbeitsmedium ist ein ideales Gas, d. h. die kalorischen Stoffgrößen cp , cv , und R sind Konstanten. Das Arbeitsmedium läuft geschlossen um und ändert seine Zusammensetzung nicht. Die Zustandsänderungen in den Strömungsmaschinen (Verdichter, Turbine) sind reversibel. Es treten keine Druckverluste und, außer in Wärmetauschern, auch keine Wärmeverluste auf. Die Zustandsänderungen verlaufen unendlich langsam, so dass keine kinetischen Energieanteile zu berücksichtigen sind.

geschlossenen Prozess tritt noch die Rückkühlung hinzu. Dabei ist es unerheblich, ob die Entspannung in nur einer Turbine (Abb. 13.1a) oder gemäß Abb. 13.1c zum Teil in der Turbine des Gaserzeugersatzes (V C BK C T) und zum Rest in der Nutzturbine dieses zweiwelli- a) Joule-Prozess. Er bildet den theoretischen gen Aggregats erfolgt. Vergleichsprozess für den einfachen Gasturbi-

13

Gasturbinen

291

nenprozess gemäß Abb. 13.1a und b. Er besteht gemäß Abb. 13.2a aus einer isentropen Verdichtung 1–2 um das Druckverhältnis , einer isobaren Wärmezufuhr 2–3, einer isentropen Expansion 3–4, wobei p3 =p4 D  gilt, und einer isobaren Wärmeabfuhr 4–1. Der thermische Wirkungsgrad 1 th D 1  ~1  ~ hängt nur vom Druckverhältnis  ab und steigt mit diesem an. Die spezifische Nutzarbeit wt des Prozesses, mit cp T 1 dimensionslos gemacht, wt T3 D cp  T1 T1

 1

1 

~1 ~

  .

~1 ~

 1/

hängt außer vom Druckverhältnis  auch noch, bei gegebener Ansaugtemperatur T 1 , von der Turbineneintrittstemperatur T 3 ab, wobei für jedes T 3 ein anderes optimales Druckverhältnis  existiert. Im T, s-Diagramm (Abb. 13.2a) entspricht wt der vom Zustandsverlauf 1–2–3–4–1 eingeschlossenen Fläche. b) Ericsson-Prozess (Abb. 13.2b). Im Unterschied zum Joule-Prozess verlaufen die Verdichtung 1–2 und die Expansion 3–4 jeweils isotherm, was sich praktisch durch möglichst viele Zwischenkühl- und Zwischenerhitzungsstufen (siehe Abb. 13.1e) annähern lässt. Für gleiche Werte bezüglich T 3 /T 1 und  liegt im Vergleich zum Joule-Prozess die spezifische Nutzarbeit höher

(Zugewinn entspricht schraffierten Teilflächen in Abb. 13.2b), der thermische Wirkungsgrad liegt jedoch niedriger und hängt außer von  auch von T 3 /T 1 ab. c) Joule-Prozess mit Abgaswärmetauscher (Abb. 13.2c). Durch einen Abgaswärmetauscher gemäß Abb. 13.1d lässt sich im Idealfall aus dem Abgas die spezifische Wärme qR entsprechend der Fläche 5–6–a–b–5 entnehmen und auf die verdichtete Luft zur isobaren Temperaturerhöhung 2–3 übertragen. Bei gleicher spezifischer Nutzarbeit wie beim Joule-Prozess gilt für den thermischen Wirkungsgrad nunmehr th D 1 

~1 T1  ~ : T4

Wie Abb. 13.3 verdeutlicht, geht der Vorteil des Abgaswärmetauschers ab einem (von T4 =T1 abhängigen) Wert von  jedoch in einen Nachteil über, weil dann ein Wärmeaustausch in der umgekehrten Richtung erfolgt. Bei einer Kombination des Ericsson-Prozesses mit einem Abgaswärmetauscher kann die spezifische Wärme entsprechend der Fläche 4–1– a–b in Abb. 13.2b getauscht, d. h. zur isobaren Aufheizung 2–3 verwendet werden, wodurch

13

Abb. 13.2 Idealisierte Gasturbinenprozesse im Temperatur-Entropie-(T, s-) Diagramm

Abb. 13.3 Thermischer Wirkungsgrad th des idealen Gasturbinenprozesses mit Abgaswärmetauscher abhängig vom Druckverhältnis  für unterschiedliche Turbineneintrittstemperaturen T 4

292

J. Seume und J. Gier

der thermische Wirkungsgrad gleich dem Carnot- fische Turbinenarbeit nur noch hT beträgt. Die Wirkungsgrad wird. Druckdifferenz p4 p0 stellt den Abgasdruckverlust dar. Druckverluste werden vielfach als jeweils relativer Druckverlust 13.2.2 Reale Gasturbinenprozesse " D p=p Demonstriert am Beispiel des einfachen offenen Gasturbinenprozesses entsprechend der Schal- angegeben, wobei der Druckabfall p über den tung in Abb. 13.1a, unterscheidet sich der Ablauf betrachteten Abschnitt auf den Druck p vor diedes realen Prozesses von dem des Idealprozesses sem Abschnitt bezogen wird. (Joule-Prozess) gemäß Abb. 13.4. Der Ausbrenngrad a der Brennkammer

13.2.2.1 Polytrope Kompression und Expansion, Druckverluste Durch den Ansaugverlust (Druckabfall p0 p1 ) nimmt schon die zum Erreichen des Verdichteraustrittsdrucks p2 ideal aufzubringende isentrope Enthalpiedifferenz von hsV0 auf hsV zu; die real aufzubringende Enthalpiedifferenz hV ist infolge polytroper Verdichtung noch größer. Ohne den Druckverlust in der Brennkammer pBK D p2  p3 würde die Expansion in der Turbine vom Punkt 30 aus erfolgen und im Idealfall bei isentroper Expansion auf den Umgebungsdruck p0 eine spezifische Turbinenarbeit entsprechend hsT0 freisetzen. Real erfolgt die Expansion in der Turbine von 3 ausgehend auf den Druck p4 , nicht isentrop nach 4 S, sondern polytrop nach 4, wodurch die reale spezi-

a D

P B /  h3  m P L  h2 .m PL Cm m P B  Hu

mit

a < 1

berücksichtigt, dass infolge unvollständiger Verbrennung des Brennstoffs und durch Wandwärmeverluste die Enthalpieerhöhung in der Brennkammer kleiner ausfällt, als sie aus der theoretischen Heizleistung m P B Hu des zugeführten Brennstoffs im Idealfall entstehen würde. Das Arbeitsmedium ist ein reales Gas, d. h. die kalorischen Stoffgrößen sind mit Druck und Temperatur veränderlich. Im Falle des offenen Prozesses ändert sich zudem während des Durchlaufs auch die Zusammensetzung des Arbeitsmediums. Verluste durch Leckage-, Sperr- und Kühlluft. Durch Leckage von Luft an der berührungs-

Abb. 13.4 Vergleich von idealem und realem (verlustbehafteten) Gasturbinenprozess im Enthalpie-Entropie-(h, s-)Diagramm

13

Gasturbinen

293

losen Verdichter-Wellenabdichtung und gegebenenfalls am regenerativen Abgaswärmetauscher sowie durch Entnahme verdichteter Luft zur Bereitstellung von Sperrluft für die Turbinenwellenabdichtung und insbesondere für die Turbinenschaufel-Kühlung verringert sich der Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine, weil diese Luft-Teilströme zwar zuvor die volle spezifische Verdichterarbeit aufnehmen, dann aber keine bzw. nur zu einem sehr geringen Anteil spezifische Turbinenarbeit erzeugen.

13.2.2.2 Leistung und Wirkungsgrad Alle bislang aufgeführten Verluste lassen sich im Abb. 13.5 Effektiver Wirkungsgrad eines einfachen Gasinneren Wirkungsgrad i der Gasturbinenanlage turbinenprozesses über dem Druckverhältnis für verschiezusammenfassend berücksichtigen. Mit diesem dene Turbineneintrittstemperaturen T 3 erhält man aus der zugeführten Brennstoffleistung m P B  Hu die innere Leistung Pi Pi D m P B  Hu  i : Unter Berücksichtigung der Reibleistung Pr , bestehend aus der Lagerreibung und eventuell zusätzlich aus der Antriebsleistung für Hilfsaggregate (z. B. Brennstoff- und Schmierölpumpen), ergibt sich die effektive Leistung Pe an der Kupplung (Kupplungsleistung) Pe D Pi  Pr : Entsprechend gilt für den mechanischen Wirkungsgrad m D

Pe Pe D Pi Pe C Pr

und den effektiven Wirkungsgrad (D Kupplungswirkungsgrad) e D i  m D

Pe : m P B  Hu

Abb. 13.5 zeigt, dass e des realen Gasturbinenprozesses sich insbesondere über eine Anhebung der Turbineneintrittstemperatur steigern lässt, dabei aber das Druckverhältnis  mitanzuheben ist. In jedem Fall aber sollten die Strömungsmaschinenwirkungsgrade v und T hoch sein.

13.3 Baugruppen 13.3.1 Verdichter In Gasturbinen finden sowohl Radialverdichter als auch Axialverdichter Anwendung. Der Radialverdichter kann schon in einstufiger Ausführung, bei dennoch relativ gutem Wirkungsgrad, ein Druckverhältnis bis  D 4;5 erreichen. Noch höhere Werte sind durchaus realisierbar, allerdings unter Einbußen am Wirkungsgrad. Der Radialverdichter wird demgemäß bevorzugt bei Kleingasturbinen eingesetzt, die normalerweise gar keine höheren Verdichter-Druckverhältnisse benötigen, so auch bei Abgasturboladern. Aus Wirkungsgradgründen werden die Laufräder heute überwiegend mit rückwärts gekrümmten Schaufeln .ˇ2 < 90ı / gestaltet gegenüber den früher aus Festigkeitsgründen bevorzugten radial endenden Schaufeln .ˇ2 D 90ı /. Der Axialverdichter liefert in einer Stufe ein Druckverhältnis von  D 1;2 bis 2,0 und wird daher in der Regel mehrstufig gebaut. Sein Wirkungsgrad liegt günstiger als der des Radialverdichters. Wegen der zusätzlich günstigen Eigenschaft des großen Massenstroms relativ zu seinen radialen Abmessungen ist in Industriegasturbinen und Flugtriebwerken ausschließlich der mehrstufige Axialverdichter in Anwendung, mit

13

294

Gesamtdruckverhältnissen bis 35 bei schweren Industrie-Gasturbinen und bis über 40 bei modernen Zweistrom-Luftfahrt-Triebwerken. Da die Leistung der Gasturbine dem durchgesetzten Massenstrom proportional ist, erfordert unter sonst gleichbleibenden Bedingungen (u. a. Turbineneintrittstemperatur) eine beabsichtigte Leistungssteigerung einen erhöhten Verdichtermassenstrom, dem jedoch nach oben Grenzen gesetzt sind. Nach Ausschöpfen der zulässigen Umfangsgeschwindigkeit (mechanische Belastung) bietet der Übergang zu transonischen Schaufelprofilen eine Durchsatzsteigerung gegenüber dem Unterschallverdichter. Isentrope Wirkungsgrade. Sie nehmen grundsätzlich mit der Baugröße zu und erreichen Bestwerte von 87 bis 92 % (Axialstufe) bzw. 78 bis 85 % (Radialstufe).

13.3.2 Turbine Wie der Verdichter ist auch die Turbine in axialer und radialer Bauart in Gasturbinen zu finden. Die isentropen Wirkungsgrade von Turbinenstufen liegen höher als die der entsprechenden Verdichterstufen, weil die in den (konvergenten) Turbinen-Schaufelkanälen stattfindende Düsenströmung mit weniger Verlusten darstellbar ist als die Diffusorströmung in den (divergenten) Verdichter-Schaufelkanälen. Ihre Bestwerte betragen 88 bis 93 % (Axialstufe) und 83 bis 88 % (Radialstufe), wobei eine zunehmende Baugröße sich wie bei allen Strömungsmaschinen positiv auswirkt. Die Axialturbine überwiegt in den möglichen Gasturbinenanwendungen und ist in Industriegasturbinen und Flugtriebwerken immer mehrstufig ausgeführt. In Abgasturboladern von Großdieselmotoren ist sie in einstufiger Ausführung zu finden (mit einem einstufigen Radialverdichter auf der gemeinsamen Welle). Die Axialturbinenstufe wird bei Gasturbinen aus Wirkungsgradgründen als Reaktions-(D Überdruck-)stufe mit einem Reaktionsgrad von etwa 50 % ausgeführt, d. h. nicht als Aktions-(D Gleichdruck-)stufe, wie

J. Seume und J. Gier

sie als Anfangsstufen (Regelstufen) von Dampfturbinen verwendet werden. Die Schaufellänge L nimmt entlang der Stufenreihe zu. Die auf den mittleren Stufendurchmesser Dm (Rotorkreis durch halbe Schaufelhöhe) bezogene Schaufellänge sollte zur Vermeidung von Schaufel(biege)schwingungen L=Dm D 0;25 jedoch nicht überschreiten. Schaufelkühlung. Um bei immer weiter gesteigerter Turbineneintrittstemperatur zum Zweck der Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades die thermische Belastung der Turbinenschaufeln beherrschbar zu halten, werden bei Flugtriebwerken und Kraftwerksturbinen zusätzlich zur Verwendung extrem hochwarmfester Werkstoffe die Leit- und Laufschaufeln der Anfangsstufen gekühlt. Dazu wird Luft hinter dem Verdichter abgezweigt und – bei der Laufschaufel über den hohlen Rotorinnenraum durch den Schaufelfuß, bei der Leitschaufel über das Turbinengehäuse – ins Innere der Schaufel geleitet. Nach Aufnahme der Kühlwärme wird der Kühlluftstrom wieder dem Arbeitsmedium zugemischt. Es wird unterschieden (s. Abb. 13.6) in Konvektionskühlung. Über eine möglichst große wirksame innere Schaufeloberfläche wird durch Konvektion Wärme aus dem Schaufelmaterial auf die Kühlluft übertragen, die über Bohrungen am Profilende austritt. Filmkühlung. Zusätzlich zur Konvektionskühlung im Schaufelinneren lässt man über kleine Bohrungen an thermisch besonders hochbelasteten Stellen der Schaufeloberfläche Kühlluft austreten, die dort einen Kühlluftfilm bildet. Transpirationskühlung. Die Kühlluft gelangt über eine poröse Außenhaut vom Inneren an die Oberfläche der Schaufel. Der praktische Einsatz steht u. a. aus Werkstoffgründen noch aus. Die Wirksamkeit der Schaufelkühlung lässt sich, ähnlich wie bei einem Wärmetauscher, über einen Rekuperationsgrad R; Sch D

TG  TM TG  TK

13

Gasturbinen

295

in Kleingasturbinen zu finden, meist auf gemeinsamer Welle mit einem Radialverdichter, eine Bauform, die im Abgasturbolader von Fahrzeugmotoren die stückzahlmäßig größte Anwendung gefunden hat.

13.3.3 Brennkammer Energieumsatz. In der Brennkammer findet die kontinuierliche isobare Verbrennung des Brennstoffmassenstroms m P B , von der gegenüber dem Heizwert H u vernachlässigbar kleinen Enthalpie des unverbrannten Brennstoffs hB , mit dem Luftmassenstrom m P L , von der Enthalpie hL (T 2 ), zum Turbinenmassenstrom m P T , von der Enthalpie hT (T 3 ), statt. Aus der Energiebilanz P B . hB CHu a / D m P T hT .T3 / m P L hL .T2 /C m „ƒ‚… 0

und der Massenbilanz PB D m PT m PL Cm Abb. 13.6 Einfluss der Schaufelkühlung auf den effektiven Wirkungsgrad

beschreiben, wobei T G die Heißgastemperatur vor der Schaufel, T M die mittlere Schaufel-Materialtemperatur an der Oberfläche und T K die Kühlmitteleintrittstemperatur bedeuten. Durch Schaufelkühlung sind heute thermodynamisch äquivalente, d.h. durch Massenstrommittelung der Enthalpien des Heißgases und der Kühlluftströme berechnete, Turbineneintrittstemperaturen bei Industriegasturbinen bis 1200 °C und bei Luftfahrt-Triebwerken (geringere Lebensdauer) bis 1600 °C möglich. Der Gesamtwirkungsgrad steigt mit intensivierter Schaufelkühlung allerdings degressiv (Abb. 13.6), weil die dazu erforderliche Erhöhung des Kühlluftstroms ihrerseits der Wirkungsgradsteigerung entgegenwirkt. Die Radialturbine zeichnet sich analog dem Radialverdichter dadurch aus, dass sie bei relativ hohem Wirkungsgrad und geringen Abmessungen schon in einer einzigen Stufe ein relativ hohes Enthalpiegefälle bzw. Druckverhältnis abarbeiten kann. Sie ist dementsprechend bevorzugt

ergibt sich das (massenmäßige) stoff/Luft-Verhältnis

Brenn-

m PB hT .T3 /  hL .T2 / D : m PL Hu  a  hT .T3 / Unter Verwendung der Luftverhältniszahl , kurz Luftverhältnis genannt, D

m PL Lmin  m PB

mit Lmin als dem Mindestluftbedarf des Brennstoffs, T 2 als der Bezugstemperatur für die Enthalpie und cp, BK als Mittelwert für cp, L (T 2 ) und cp, T (T 3 ) ergibt sich für die Temperaturerhöhung in der Brennkammer TBK D T3  T2 D

Hu  a : cp; BK  .  Lmin C 1/

Beispielsweise mit Dieselkraftstoff oder Heizöl EL als Brennstoff (Hu 42 500 kJ=kg, Lmin D 14;5 kg=kg) kann demnach die Temperaturerhöhung in der Brennkammer maximal (für a D 1;0,  D 1;0, cp; BK D 1;16 kJ=.kg K/) den Betrag TBK D 2364 K erreichen.

13

296

Abb. 13.7 Gleichstrom-Brennkammer mit Diffusionsbrenner (schematisch)

J. Seume und J. Gier

kammeraustrittstemperatur die zulässige Turbineneintrittstemperatur nicht überschreitet, wobei bei Volllast -Werte von 3,5 bis 4 vorliegen, bei Teillast Werte bis  D 15. Bei Vormischbrennern, für gasförmige oder zuvor verdampfte flüssige Brennstoffe, werden (Primär-)Luft und Brennstoff bereits vor der Primärzone gemischt. Vormischbrenner ermöglichen gegenüber Diffusionsbrennern ein höheres  in der Primärzone, wodurch die Temperatur in der Primärzone sinkt und dementsprechend weniger NOx gebildet wird. Instabilität der Flamme infolge zu mageren Gemisches in der Primärzone kann durch eine (fett brennende) Pilotflamme zu höheren -Werten verschoben werden. In katalytischen Brennkammern sorgen katalytisch beschichtete keramische oder metallische Wabenkörper (Oxidationskatalysatoren) dafür, dass das durchströmende Brennstoff/LuftGemisch auch noch bei -Werten von 1,5 und größer stabil brennt, was extrem niedrige NOx -Werte ermöglicht.

Aufbau und Funktionsprinzip (Abb. 13.7). Die zuströmende Luft wird durch die Anordnung von Flammrohr und Gehäuse in den Primär- und in den Sekundärluftstrom aufgeteilt. Drallschaufeln prägen der Primärluft eine Rezirkulationsströmung in der Primärzone auf. Der flüssige Brennstoff wird über eine Dralldüse bei Drücken bis 100 bar in die Primärzone eingespritzt, zerstäubt, verdampft, mit der Primärluft vermischt und mit dieser bei relativ kleinem  (1,2 bis 1,5) bei einer Temperatur von etwa 2000 °C verbrannt (Diffusionsbrenner). Die nachfolgend über die Sekundärluftbohrungen im Flammrohr Bauarten. Hierbei wird unterschieden in zugemischte Sekundärluft kühlt Gehäuse und Flammrohr, vervollständigt die Verbrennung und 1. Gleichstrom- und Gegenstrombrennkammer, je nachdem ob die Sekundärluft in Flammenist mengenmäßig so bemessen, dass die Brenn-

Abb. 13.8 Einwellige Kraftwerks-Gasturbine mit Hybrid-Vormischbrenner für Erdgas oder Heizöl (Siemens V64.3A). 1 Verdichter-Stütze, 2 Gehäuse, 3 TurbinenStütze, 4 Turbinen-Lagergehäuse, 5 Abgasdiffusor, 6 Ansaugkanal, 7 Axial-Radial-Lager, 8 Vorleitgitter-Verstell-

einrichtung, 9 Radscheibe, 10 Verdichter-Leitschaufelträger, 11 Verdichter-Diffusor, 12 Brennkammer, 13 Kühllufttrennrohre, 14 Turbinen-Leitschaufelträger, 15 RadialLager, 16 Zuganker

13

Gasturbinen

297

richtung (z. B. Abb. 13.7) oder entgegengesetzt strömt. 2. Einzelrohr-Brennkammer. Sie ist bei Kleingasturbinen und bei Gasturbinen in Schwerbauweise (auch in Mehrfachanordnung) zu finden. 3. Rohr-Ringbrennkammer. Auf einem Kreis um die Längsachse des Gasturbinenaggregats sind einzelne Flammrohre in einem gemeinsamen kreisringzylindrischen Gehäuse angeordnet, von dem aus die Sekundärluft zugeführt wird. Diese Bauform ist bei Flugtriebwerken und davon abgeleiteten stationären Gasturbinen anzutreffen. 4. Ringbrennkammer. Primär- und Sekundärluftströme werden in zur Triebwerkslängsachse konzentrischen Ringräumen geführt, mit über dem Umfang verteilten einzelnen Brennern (Abb. 13.8). Anwendung wie bei 3. Belastung und Verluste. Brennkammerbelastung

von Abb. 13.1d genutzt, sondern zur Erzeugung von Nah- oder Fernwärme, für Trocknungsprozesse oder zur Meerwasserentsalzung (KraftWärme-Kopplung). Heute steht der Einsatz in Gas- und Dampf-Anlagen (s. Abschn. 13.4.2) im Vordergrund. Die höchsten Einheitenleistungen von Gasturbinen in Schwerbauweise liegen derzeit bei 375 MW, wofür ein Luftmassenstrom von etwa 829 kg=s erforderlich ist. Die Kupplungswirkungsgrade reichen bis etwa 40 % (Abb. 13.8).

13.4.2

Gas- und Dampf-Anlagen

Die im Abgas der Gasturbine enthaltene Restexergie wird einem Dampfkraftprozess zugeführt, der daraus zusätzliche elektrische Energie liefert. Zwischen folgenden beiden Grundkonzepten ist zu unterscheiden.

Die spezifische

Gasturbine mit Abhitzekessel (Abb. 13.9). Die elektrische Leistung wird überwiegend von m P B  Hu der Gasturbinenwelle abgegeben, ergänzt um qBK D die elektrische Zusatz-Leistung aus dem DampfVBK  pBK kraftprozess, der entweder einzig aus der Abgasmit V BK für das Brennkammervolumen und pBK wärme der Gasturbine gespeist wird oder im Falle für den Druck in der Brennkammer, liegt bei des befeuerten Abhitzekessels eine entsprechend Flugtriebwerken mit 20 bis 50 MW=.m3 bar/ am größere Zusatzleistung liefert. höchsten. Für Industriegasturbinen kann sich dieser Wert bis auf ein Zehntel verringern, was an Gas- und Dampf-Kombiprozesse. Da die Gasden möglichen größeren Abmessungen und daran turbine bei Volllast bei etwa  D 2 betrieben liegt, dass vielfach Abgaswärmetauscher einge- wird, demnach die Hälfte des Luftsauerstoffs setzt sind. Die Druckverluste betragen je nach nicht verbraucht wird, kann das GasturbinenabBauart zwischen 1 und 6 %. gas als (bereits sehr heiße) „Ansaugluft“ einem Dampferzeuger zugeführt und in diesem zusätzlich noch Brennstoff verbrannt werden. Die vom 13.4 Gasturbine im Kraftwerk Dampfturbinensatz daraus erzeugte elektrische Leistung beträgt wegen des höheren Dampf13.4.1 Allgemeines und Bauweise turbinenwirkungsgrades das rund Vierfache der Gasturbinenleistung. Der besondere Vorteil dieBasierend auf ihrer hohen Leistungsdichte und ses über zwei getrennte Feuerungen verfügenden ihrem schnellen Lastannahmevermögen, dien- Nicht-integrierten Kombiprozesses besteht darin, ten Gasturbinen im Kraftwerksbetrieb über Jahr- dass im Dampferzeuger auch relativ minderwertizehnte überwiegend zur Spitzenlastdeckung, für ge Brennstoffe (Kohle, Schweröl) verfeuert werReservekraftwerke sowie als fahrbare Notstrom- den können. aggregate. Die Abgaswärme wird gegebenenfalls Beim Integrierten Kombiprozess (Abb. 13.9) nicht in einem Abgaswärmetauscher im Sinne mit dem Verbrennungsgas ( nahe bei 2) zu-

13

298

J. Seume und J. Gier

Abb. 13.9 Gasturbinenanlage mit (unbefeuertem) Abhitzekessel

Abb. 13.10 Luftspeicherkraftwerk

nächst der Dampfkraftprozess beheizt und anschließend die Turbine des Gasturbinensatzes beaufschlagt. Die Brennstoffauswahl hat sich dabei an den (anspruchsvolleren) Anforderungen der Gasturbine zu orientieren. In Kombianlagen werden Gesamtwirkungsgrade (elektrische Leistung/Brennstoffleistung) bis über 60 % erzielt. Kombianlagen eignen sich außer für Neuanlagen besonders auch zur Leistungsaufstockung bestehender DampfturbinenKraftwerke (s. Abschn. 49.1.3).

volumina (z. B. ausgelaugter Salzstock) mit Luft (bis 75 bar, mit 2;5 bar=h) aufgepumpt, wobei die Verdichter mit billigem Nachtstrom betrieben werden. Tagsüber wird zur Spitzenlastdeckung verdichtete Luft entnommen (von 75 auf 55 bar, mit 10 bar=h) und einem Gasturbinensatz zugeführt, dessen gesamte Turbinenleistung nunmehr als Nutzleistung verfügbar ist, weil der Verdichter dabei abgekoppelt ist.

13.5 Gasturbinen im Verkehr 13.4.3 Luftspeicher-Kraftwerk (Abb. 13.10)

13.5.1

Flugtriebwerke

Nach ersten Anfängen in den 30er und 40er Analog zum Pumpspeicher-Wasserkraftwerk Jahren des 20. Jahrhunderts haben sich Gasturbiwerden entsprechend große, natürliche Speicher- nen als Antrieb für Flugzeuge und Hubschrauber

13

Gasturbinen

mit Ausnahme von Kleinflugzeugen durchgesetzt. Dies liegt an dem im Vergleich zu Kolbenmotoren niedrigeren Gewicht und Bauvolumen durch die große erreichbare Leistungsdichte. Dabei unterteilt man die Fluggasturbinen in schuberzeugende Luftstrahltriebwerke und in Wellenleistungstriebwerke zum Antrieb von Propellern und Hubschrauberrotoren. Die einfachste Bauform ist das Turbo-Luftstrahltriebwerk (TL, engl. Turbojet). Dabei handelt es sich um ein Einkreistriebwerk bestehend aus Einlauf, Gasgenerator (einwellige Gasturbine) und Schubdüse. Besonders für zivile Antriebe haben sich Zweistrom-Turbo-Luftstrahltriebwerke (ZTL, engl. Turbofan) durchgesetzt. Dem Gasgenerator wird hier noch ein Gebläse (engl. Fan) und ggf. ein Niederdruckverdichter vorgeschaltet, die von der nachgeschalteten Niederdruckturbine angetrieben werden. Diese laufen auf einer separaten Welle mit niedrigerer Drehzahl. Für größere propellergetriebene Flugzeuge werden Propeller-Turbo-Luftstrahltriebwerke (PTL, Turboprop) eingesetzt. Hier wird dem Gasgenerator eine Nutzturbine nachgeschaltet, die über eine separate Welle und ein Getriebe den Propeller antreibt. Üblicherweise werden noch ungefähr 10 % der Schubleistung über eine Schubdüse durch den Abgasstrahl erzeugt. Für Hubschrauber setzt man reine Wellenleistungstriebwerke ein, Turbo Motor (TM, engl. Turboshaft). Diese ähneln den PTL Triebwerken, erzeugen aber keinen Schub über einen Luftstrahl.

299 Verdichter

2

Turbine 3

4

5

9

c9

c0 . m

1

Düse

Brennkammer

Abb. 13.11 Schematische Darstellung eines Einkreistriebwerks mit den Referenzebenen Eintritt 2, Verdichteraustritt 3, Brennkammeraustritt 4, Turbinenaustritt 5 und Schubdüsenaustritt 9 1,0

FS = 0,5 c0 1,0

0,8

ηP

1,5

0,6 0,4

FN FS = = c9 – c0 m& l

0,2

FS c = 9 –1 c0 c0

2,0 3,0

0,0 1

2

3

c 9 /c 0

4

5

Abb. 13.12 Vortriebswirkungsgrad p und spez. Schub Fs als Funktion des Geschwindigkeitsverhältnisses c9 /c0

Brennstoffmassenstrom und der aus dem Triebwerk für z. B. Kabinenbelüftung und Enteisung abgeführte Zapfluftmassenstrom berücksichtigt. Wenn man diese beiden Massenströme und die unterschiedlichen Druckkräfte vernachlässigt, erhält man als vereinfachte Schubformulierung: FN D m P l  .c9  c0 /

Bei hohen Austrittsgeschwindigkeiten sinkt 13.5.1.1 Grundlegende Zusammenhänge die Effizienz des Luftstrahltriebwerks deutlich Die Antriebsleistung von Luftstrahltriebwerken ab. Dies lässt sich durch den Vortriebswirkungsin Form des Schubs ergibt sich aus der Differenz grad (propulsiver Wirkungsgrad) beschreiben: des eintretenden und austretenden Impulses. Für 2 ein TL-Triebwerk (Abb. 13.11) ergibt sich der P D Schub zu: l C c9 =c0 P l Cm P B m P Z /c0  m P l CA9 .p9 p0 / F N D c9 .m Dabei entspricht die Schubkraft dem Impulsunterschied zwischen dem Austrittsimpuls und dem Eintrittsimpuls sowie dem Druckkraftunterschied zwischen Umgebungsdruck und Druck am Düsenaustritt. Für den Austrittsimpuls sind der

Dieser nähert sich 100 % bei Annäherung der Düsenaustrittsgeschwindigkeit c9 an die Fluggeschwindigkeit c0 an. Allerdings nimmt gleichzeitig der spezifische, auf die Fluggeschwindigkeit bezogene Schub ab (Abb. 13.12). Hier muss bei dem Triebwerksentwurf der sinnvollste Kompromiss gewählte werden, da der

13

300

J. Seume und J. Gier Gebläse

Nebenstrom

c19

.

mII

c0

c9

.

.

m I+II

mI

Hochdruckturbine

Kerntriebwerk

Niederdruckturbine

Abb. 13.13 Schematische Darstellung eines Zweikreistriebwerks mit dem Primärkreis I und dem Sekundärkreis II

Vortriebswirkungsgrad stark in den Brennstoffverbrauch eingeht. Diese für Einkreistriebwerke dargestellten Zusammenhänge liefern gleichzeitig die primäre Motivation für die Einführung der Zweikreistriebwerke (ZTL) (Abb. 13.13). Durch Einführen eines separaten Gebläses, welches den größeren Teil des Luftmassenstroms beschleunigt, ist es möglich, das Geschwindigkeitsverhältnis deutlich zu reduzieren und damit den Vortriebswirkungsgrad zu erhöhen. Der gesamte Schub ergibt sich aus der Addition des Primärkreisschubs FI und des Sekundärkreises FII . F N D FI C FII FI D c9  .m Pl Cm PB m P Z /  c0  m Pl C A9  .p9  p0 / FII D m P II  .c19  c0 / In gleicher Näherung wie bei der Schubgleichung für Einkreistriebwerke ergibt sich vereinfacht: FN D m P l  .c9  c0 / C m P II  .c19  c0 / Für diesen Triebwerkstyp ist das Verhältnis des Massenstroms des Sekundär- und des Primärkreises eine wichtige Kennzahl. Diese wird als Nebenstrom- oder Bypassverhältnis bezeichnet: D

mPII mP I

Der thermodynamische Basisprozess der Flugtriebwerke ist wie bei den stationären Gasturbinen der Joule Prozess. Bei EinkreisLuftstrahltriebwerken (TL) entzieht die Turbine

dem Abgas nur so viel Energie, wie zum Antrieb des Verdichters benötigt wird. Die restliche nutzbare Enthalpie wird zur Beschleunigung der Abgasströmung in der Schubdüse genutzt (Ebene 5 ! 9, Abb. 13.14). Im Zweikreistriebwerk (Abb. 13.15) wird ein großer Teil der nutzbaren Enthalpie des Abgases zum Antrieb des Gasgenerators (Hochdruckturbine, Expansion von 4 nach 45) und zusätzlich zum Antrieb des Gebläses (Niederdruckturbine, Expansion von 45 nach 5) verwendet. Dadurch ist die restliche kinetische Energie des Abgases in der Schubdüse deutlich kleiner. Während bei Turboprop Antrieben (PTL) die Niederdruckturbine in ähnlicher Weise lediglich über ein Getriebe den Propeller antreibt und die Abgase über eine Schubdüse noch in einem geringen Umfang zum Vortrieb beiträgt, wird die kinetische Energie in reinen Wellenleistungstriebwerken (TM) im Austritt minimiert, da sie dort einen Verlust darstellt. Je größer das Nebenstromverhältnis eines ZTL-Triebwerks ist, desto geringer können die Geschwindigkeitsdifferenzen zwischen Luftstrahl und Fluggeschwindigkeit sein. Neben einem geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauch durch den besseren Vortriebswirkungsgrad führt ein großes Nebenstromverhältnis auch zur einer verringerten Lärmemission. Während die ersten Zweikreistriebwerke nur Nebenstromverhältnisse um 2 hatten, weisen moderne Triebwerke heute Werte von bis zu 10 auf. Eine weitere Steigerung des Nebenstromverhältnisses stößt allerdings an verschiedene Grenzen. Zum einen wird die Frontalfläche des Triebwerks und der Umfang der Gondel immer größer, was erhöhte Strömungswiderstände des installierten Triebwerks verursacht. Außerdem wächst das Gewicht an. Beides bedeutet, dass es für gegebene Randbedingungen und Triebwerksarchitekturen Optima gibt, über die hinaus es trotz besseren Vortriebswirkungsgrads keine weitere Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs des Flugzeugs (engl. fuel burn) gibt. Außerdem führt ein hohes Nebenstromverhältnis zu der Kombination von niedrigen Drehzahlen der Niederdruckwelle und hohen Niederdruckturbinenleistungen. Dies führt zu einer wachsenden Anzahl von Turbinen-

13

Gasturbinen

301 2

3

4

5

9

Schubdüse 1.600 4 1.400

Turbine

Temperatur[K]

1.200

5

Brennkammer

1.000 Verdichter

9

800 3 600 Isobaren

400 2 200

-0.2

0

0,2

0,4 0,6 Entropie[kJ/(kg K)]

0,8

1

1,2

Abb. 13.14 Energieumsetzung im Einkreistriebwerk dargestellt im T-s Diagramm 4 Hochdruckturbine

Temperatur

45 4

Niederdruck-

5

turbine 5

3

2

13

Entropie

Abb. 13.15 Energieumsetzung im Zweikreistriebwerk dargestellt im T-s Diagramm

stufen, was sowohl Gewicht als auch Produktionskosten in die Höhe treibt. Weitere Limitierungen betreffen hier Triebwerksbauteile wie die Niederdruckwelle, die das wachsende Drehmoment von der Niederdruckturbine zum Gebläse übertragen muss. Bei militärischen Triebwerken spielt im Vergleich zu zivilen Triebwerken das SchubGewichtsverhältnis eine deutlich größere Rolle. Hier wird auch ein größerer spezifischer Schub gefordert bei Forderung nach kompakten Abmes-

sungen. Daher weisen militärische Triebwerke für Kampfflugzeuge nur kleine Nebenstromverhältnisse auf (Abb. 13.16). Zur weiteren Schubsteigerung bei militärischen Luftstrahltriebwerken werden diese oft mit Nachbrennern (engl. afterburner) ausgestattet. Im Nachbrenner wird hinter dem Kerntriebwerk zusätzlich Kraftstoff eingespritzt, durch dessen Verbrennung und der damit verbundenen Expansion des Abgases die Austrittsgeschwindigkeit aus der Düse erheblich erhöht wird. So wird

302

J. Seume und J. Gier NDV

HDV

HDT

c0 .

NB

SD

c9

ml

BK

NDT

Abb. 13.16 Schematische Darstellung eines militärischen Zweikreistriebwerks mit Niederdruckverdichter (NDV), Hochdruckverdichter (HDV), Brennkammer (BK), Hochdruckturbine (HDT), Niederdruckturbine (NDT), Nachbrenner (NB) und Schubdüse (SD)

bei Einstromtriebwerken der Schub um 30 % bis 40 % erhöht, während die Schubsteigerung bei modernen Zweistromtriebwerken wie dem EJ200 50 % bis 70 % betragen kann. Wegen des hohen Brennstoffverbrauchs im Nachbrennerbetrieb (ca. 100 % mehr) wird dieser jedoch meist nur relativ kurzzeitig genutzt.

13.5.1.2 Triebwerksaufbau Um einen thermisch effizienten, schnelldrehenden Gasgenerator mit einem langsam drehenden Gebläse zu kombinieren, weisen ZTL Triebwerke im Gegensatz zu stationären Gasturbinen zwei oder bei einer Reihe von Rolls-Royce Triebwerken 3 unterschiedlich schnell drehende Wellen auf. In Abb. 13.17 ist ein typisches Zweiwellen ZTL Triebwerk abgebildet. Die Kernstromluft 12

a

wird vom langsam drehenden Gebläse und Niederdruckverdichter vorverdichtet und im sich anschließenden, schnelldrehenden Hochdruckverdichter auf den Enddruck gebracht. Hinter der Brennkammer schließt sich zuerst die Hochdruckturbine an, die über die Hochdruckwelle den Hochdruckverdichter antreibt. Dahinter expandiert das Abgas durch die Niederdruckturbine, die über die Niederdruckwelle den Niederdruckverdichter und das Gebläse antreibt. Schließlich strömt das Abgas durch das Austrittsleitgitter, welches der Strömung den Restdrall entnimmt, und die Austrittsdüse, die bei diesem Triebwerk als Blütenmischer zur Vermischung von Kernstrom und Nebenstrom ausgeführt ist. In Abb. 13.18 ist das Hubschraubertriebwerk MTR 390 dargestellt. Dieses ist in sehr kompakter Bauweise mit zwei Radialverdichterstufen, einstufiger Hochdruckturbine und zweistufiger Leistungsturbine, die über ein Getriebe den Hubschrauberrotor antreibt, ausgeführt Luftstrahltriebwerke werden für Schübe von ca. 5 kN bis zu 500 kN (GE90-115B, 115 000 lbs Schub) eingesetzt. Bei ZTL Triebwerken geht der Trend dabei zu Nebenstromverhältnissen von 5– 6 für kleinere Triebwerke bis 80 kN Schub und bis zu Nebenstromverhältnissen von 10 für große Triebwerke. Neu entwickelte ZTL Triebwerke 10

13

11

b

1

3

4

2

5 6

7

8

9

Abb. 13.17 Schnittbild des zweiwelligen ZTL Triebwerks PW6000 (Nebenstromverhältnis: 4,6; Schub: 106 kN [23800 lbf] ) a Nebenluftstrom, b Kernluftstrom, 1 Gebläse, 2 Niederdruckverdichter NDV, 3 Hochdruckverdichter HDV, 4 Brennkammer, 5 Hochdruckturbine HDT, 6 Nie-

derdruckturbine NDT, 7 Austrittsgehäuse, 8 Austrittsdüse mit Mischer, 9 Niederdruckwelle, 10 Turbinenscheibe der HDT, 11 Turbinenscheibe NDT mit Wellenanschluss, 12 Übergangskanal NDV – HDV, 13 Übergangskanal HDT NDT

13

Gasturbinen

303

druckverdichter und damit in das Kerntriebwerk, dem äußeren Teil des Luftstroms wird im nach4 folgenden Leitrad der Drall entzogen und dann der Nebenstromdüse oder bei gemischten Triebwerken dem Mischer zugeführt. Je größer das Nebenstromverhältnis ist, umso geringer ist das Fandruckverhältnis. Typische Werte liegen hier bei modernen Triebwerken bei 1,7 – 1,5 bei Wirkungsgraden bis zu 95 %. 5 Bei militärischen Triebwerken ist der Fan oft mit dem Niederdruckverdichter kombiniert. Im EJ200 Triebwerk ist er dreistufig ausgeführt. Bei Abb. 13.18 Wellenleistungstriebwerk MTR390, 1000 kW zivilen ZTL Triebwerken bewirkt der Nieder1 zweistufiger Radialverdichter, 2 Brennkammer, 3 einstu- druckverdichter eine Vorverdichtung des Luftfige Hochdruckturbine, 4 zweistufige Nutzturbine, 5 Anstroms im Kerntriebwerk. triebsgetriebe Traditionell werden Gebläseschaufeln und Niederdruckverdichterschaufeln aus Titanlegierungen hergestellt. Bei neuen Triebwerksentwicklungen geht der Trend hier aber zu leichteren Bauweisen aus hochfestem Aluminium und faserverstärktem Kunststoff. 3

1

2

Abb. 13.19 ZTL Triebwerk GP7200

mit Getriebe (Getriebefan, GTF) zwischen dem Gebläse und der dann schnell drehenden Niederdruckwelle kommen schon auf Nebenstromverhältnisse von bis zu 12. Für geringen Kraftstoffverbrauch ist neben dem Vortriebswirkungsgrad auch der thermische Wirkungsgrad des Gasgenerators wichtig. Dies führt zu Kreisprozessen mit hohen Gesamtdruckverhältnissen von bis zu 50 und hohen Turbineneintrittstemperaturen von über 1700 K. In Abb. 13.19 ist exemplarisch das GP7000 Triebwerk als Antrieb für den A380 gezeigt.

13.5.1.3 Triebwerkskomponenten Gebläse (Fan) und Niederdruckverdichter (Booster). Bei zivilen ZTL Triebwerken besteht das Gebläse aus einem großen Rotor mit kleinem Nabenverhältnis. Hinter dem Rotor teilt sich der Luftstrom. Der innere Teil geht in den Nieder-

Hochdruckverdichter. Dank der hohen Drehzahl der Hochdruckwelle kann im Hochdruckverdichter effizient ein hohes Druckverhältnis erzielt werden. In zivilen ZTL Triebwerken mit großen Nebenstromverhältnissen werden hier Werte von bis zu 20 bei Wirkungsgraden um die 90 % polytrop erzielt. Dazu werden diese mit Stufenzahlen bis zu 10 ausgeführt. Bei der aerodynamischen Auslegung muss ein guter Kompromiss zwischen dem aerodynamischen Wirkungsgrad und der Betriebsstabilität eingestellt werden. Da Flugtriebwerke in einem großen Lastbereich betrieben werden, muss im Verdichterkennfeld ein größerer Betriebsbereich einschließlich Pumpgrenze vorhanden sein als bei stationären Gasturbinen. Besonders aufwändig ist bei diesem Verdichtertypus das aeromechanische Design aufgrund der hohen Schwingspannungsbelastung (high cycle fatigue, HCF). Konstruktiv werden moderne Hochdruckverdichter zunehmend in Bliskbauweise (bladed disc) ausgeführt. Dabei besteht der Rotor aus einem integralen Bauteil bestehend aus der Scheibe und den Schaufeln. Dieses wird meist aus einem Schmiederohling gefräst. Diese Bauweise vermeidet die mechanisch hochbelasteten Schaufel-

13

304

Abb. 13.20 Rotor eines 6stufigen Hochdruckverdichters

füße gebauter Rotoren aus Scheiben und Einzelschaufeln und ermöglicht so die hohen Drehzahlen und somit die hohen Stufendruckverhältnisse. Lediglich die Endstufen werden in Triebwerken mit großen Gesamtdruckverhältnissen über 40 wegen des sich dort einstellenden Temperaturniveaus als gebaute Stufen ausgeführt. Je nach Designphilosophie werden Hochdruckverdichterschaufeln mit Deckband und Labyrinthdichtung (shroud) oder mit offenem Radialspalt (cantilever) ausgeführt. Zur Erweiterung des Betriebsbereichs werden die ersten Hochdruckverdichterstufen mit verstellbaren Leitgittern ausgestattet. Alternativ gibt es Konzepte zur Betriebsstabilitätsverbesserung durch Gehäusestrukturen (engl. casing treatment). Während die Frontstufen von Hochdruckverdichtern aus Gewichtsgründen aus Titanlegierungen gefertigt werden, müssen die Endstufen bei großen Triebwerksdruckverhältnissen wegen der Austrittstemperaturen von bis zu 700 °C aus Nickelbasislegierungen ausgeführt werden (Abb. 13.20). Brennkammer. Wie bei stationären Gasturbinen sorgt die Brennkammer für die notwendige Enthalpieerhöhung des Gasstroms zwischen dem Verdichteraustritt und dem Turbineneintritt. In Flugtriebwerken werden ausschließlich Ringbrennkammern für Flüssigkraftstoffe eingesetzt. Zum Einsatz kommt hier Kerosin, es gibt aber auch schon erste erfolgreiche Versuche mit Biokraftstoffen. Als Randbedingungen für Brennkammern sind dabei ein spezifizierter Druckverlust – in der Regel ca. 3–5 % – und eine geforderte Temperaturverteilung am Hoch-

J. Seume und J. Gier

druckturbinen-Eintritt einzuhalten. Zur Beschreibung der Temperaturverteilung am Hochdruckturbinen-Eintritt werden die Verteilungskennwerte OTDF und RTDF gebildet. Der OTDF-Wert (Overall Temperature Distribution Factor) beschreibt die Höhe des absoluten Temperaturmaximums in der Brennkammeraustrittsfläche und ist ein Maß für die thermische Belastung des Turbinenleitkranzes. Der RTDF-Wert (Radial Temperature Distribution Factor) beschreibt den in Umfangsrichtung gemittelten Spitzentemperaturwert und stellt eine wichtige Randbedingung für die Laufschaufeln dar. Aufgrund von verbrennungs- und kühlungstechnischen Randbedingungen erfolgt eine Aufteilung der Verdichteraustrittsluft auf mehrere Ströme, die in getrennten Zonen (Primärzone, Sekundär-/Nachreaktionszone) der Brennkammer zugeführt und mit dem Brennstoff reagieren bzw. gemischt werden. Bei modernen Brennkammern geht dabei die Entwicklung wegen der Begrenzung der NOx Emissionen hin zu trockener Magerverbrennung, was auch wiederum über die Änderung des Temperaturaustrittsprofils Auswirkungen auf die thermische Auslegung der Turbine hat. Hochdruckturbine. Die Hochdruckturbine stellt die erste Expansionsstufe dar. Sie hat die Funktion, den auf der Hochdruckwelle verbundenen Hochdruckverdichter anzutreiben. Sie wird je nach Anwendung ein- oder zweistufig ausgeführt. Einstufige Hochduckturbinen haben Druckverhältnisse bis zu 4, zweistufige bis zu 6. Dabei sind die Turbinen transonisch ausgelegt und laufen in einem großen Lastbereich des Triebwerks gesperrt, d. h. mit konstantem reduziertem Massenstrom. Einstufige Ausführungen sind bezüglich der Komponentenkosten attraktiv, zweistufige weisen aber merklich höhere Wirkungsgrade auf, wodurch die größeren zivilen ZTL Triebwerke überwiegen zweistufige Hochdruckturbinen haben. Aufgrund der hohen Turbineneintrittstemperaturen von bis zu 1900 K bei zivilen Triebwerken und teilweise noch höheren bei militärischen Triebwerken müssen Hochdruckturbinen sowohl in den Leitgittern als auch in den Lauf-

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gittern gekühlt werden. Insbesondere die erste Stufe wird mit sehr komplexen Kühlanordnungen in Kombination von Film-, Prall- und Konvektionskühlung ausgeführt. Zusätzlich kommen Wärmedämmschichten zu Einsatz. Hochdruckturbinenlaufschaufeln werden wegen der hohen thermischen und mechanischen Belastung ohne Deckband ausgeführt, mit Ausnahme der größeren, zivilen Triebwerke der Firma Rolls-Royce, die aufwändig gekühlte Deckbänder einsetzt. In Hochdruckturbinen kommen hochwertige, hochlegierte Nickelbasislegierungen zum Einsatz. Die Beschaufelung wird aus hochtemperaturfestem Einkristallguss ausgeführt. Die mechanisch und thermisch hochbelasteten Scheiben werden aus geschmiedeten oder Pulvermetall-Nickelbasislegierungen gefertigt.

der Schaufelkühlungsnotwendigkeit können die ND-Turbinen je nach Baugröße mit Schaufelzahlen zwischen 50 bis 150 pro Schaufelreihe ausgeführt werden, was zusammen mit den moderaten Strömungsmachzahlen gute Wirkungsgrade ermöglicht. Diese liegen bei kleineren Triebwerken in der Größenordnung von 90 % isentrop und können bei großen Triebwerken bis zu 94 % betragen. Zur Vermeidung von Schaufelkühlung bestehen die Frontstufen meist aus Einkristallguss auf Nickelbasis, während die mittleren und hinteren Stufen in polykristallinen Nickelbasislegierungen ausgeführt sind. Scheiben und Gehäuse werden aus Schmiedewerkstoffen – überwiegend auch Nickelbasis – hergestellt. Hinter der Niederdruckturbine sorgt das Turbinenaustrittsgehäuse für eine drallfreie AbströNiederdruckturbine. Die Niederdruckturbine mung des Gasstroms in die Schubdüse. treibt durch Nutzung des verbliebenen Drückverhältnisses das Gebläse und den Niederdruck- Spezifika bei Getriebefantriebwerken. Eine verdichter an. Dies geschieht bei der durch die Möglichkeit, zur weiteren Reduktion des spemaximale Gebläsedrehzahl definierten relativ ge- zifischen Verbrauchs das Nebenstromverhältnis ringen Drehzahl der Niederdruckwelle. Da der von ZTL Triebwerken über ca. 10 zu steigern ist Wirkungsgrad der Niederdruckturbinen nahezu das Entkoppeln der Niederdruckturbinendrehzahl 1 : 1 in den spezifischen Kraftstoffverbrauch des von der Gebläsedrehzahl durch Zwischenschalten Triebwerks eingeht, ist ein hoher Wirkungsgrad eines Getriebes mit einem festen Übersetzungseine zentrale Zielgröße der Niederdruckturbine. verhältnis zwischen 2 und 3. Dadurch kann das Da aufgrund der geringen Drehzahl die effi- Gebläse langsamer laufen, was Wirkungsgradzient erzielbare Leistungsdichte nicht so hoch und Lärmvorteile hat, und die Niederdruckturist, weisen Niederdruckturbinen bei zivilen ZTL bine und der Niederdruckverdichter können mit Triebwerken Stufenzahlen zwischen 3 und 7 deutlich höheren Drehzahlen betrieben werden. bei Druckverhältnissen zwischen ca. 3 und 7 Das Gewicht des zusätzlich integrierten Planeauf. Durch die steigenden Nebenstromverhält- tengetriebes wird durch die Möglichkeit kompennisse tragen Niederdruckturbinen so zunehmend siert, die Stufenzahl des Niederdruckverdichters zur Baulänge und Gewicht der Triebwerke bei. und vor allem der Niederdruckturbine zu reNiederdruckturbinen arbeiten durch die in der duzieren. So beträgt die NDT Stufenzahl des Hochdruckturbine durchgeführte Expansion bei PW1524G Triebwerks nur 3 anstelle von 6 Stufen Temperaturen, die meist keine Schaufelkühlung einer vergleichbaren langsamdrehenden Niedermehr erfordern. Es gibt aber auch einige Ausnah- druckturbine. Die höhere Drehzahl hat allerdings men mit gekühlter erster Stufe. zur Folge, dass die mechanische Belastung der Zivile Niederdruckturbinen weisen zur Auf- Niederduckturbine deutlich höher ist. nahme der Expansion divergente Ringräume auf, die sich sinnvoll nur mit Deckbandspitzendich- Sekundärluftsystem. Innerhalb des Triebtungen ausführen lassen. Bei den im Vergleich werks wird ein nicht unerheblicher Teil der Luft zur Hochdruckturbine langen, schlanken Schau- des Kerntriebwerks zu Kühlungszwecken in der feln haben die Deckbänder auch eine schwin- Hochdruckturbine und in geringerem Umfang gungsdämpfende Funktion. Durch den Wegfall in der Niederdruckturbine benötigt. Die hierfür

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notwendige Kühl- und Sperrluft wird dem Hochdruckverdichter an meist mehreren Stufen entnommen. Diese Luft, die das notwendige Druckniveau hat und zugleich immer noch merklich kühler ist als der Gasstrom in der Turbine, wird über Leitungen und den Rotor vom Verdichter zur Turbine transportiert und dort verteilt. Diese Luft wird in der Hochdruckturbine zur Schaufelkühlung und als Sperrluft gegen Heissgaseintritt in die Dichtungsbereiche verwendet. Dabei werden bei kleineren Triebwerken um die 15 % und bei großen zivilen und bei militärischen Triebwerken durchaus auch 25 % des Verdichtermassenstroms als Kühlluft eingesetzt. In der Niederdruckturbine werden meist zwischen 2 und 3 % des Luftmassenstroms für die Temperaturreduktion der Turbinenscheiben und des Gehäuses benötigt. Einige zivile Triebwerke nutzen darüber hinaus Luft aus dem Nebenstrom zur thermischen Spaltkontrolle (Active Clearance Control, ACC). Dabei wird im Reiseflug Luft außen auf das Turbinengehäuse geblasen, wodurch dieses schrumpft und den Laufspalt der Rotorschaufeln verringert.

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meist als von Flugtriebwerken abgeleitete Versionen. In der zivilen Schifffahrt werden Gasturbinen ebenfalls in schnellen Schiffen eingesetzt, wobei sie in vielen Fällen in CODOG-(combined diesel or gas turbine-)Anlagen zu finden sind, in denen die Gasturbine gemeinsam oder wechselweise mit einem Dieselmotor arbeitet. Der Antrieb von großen seegehenden Schiffen erfolgt heute weltweit praktisch ausschließlich über Großdieselmotoren, weil hier der Vorteil der Gasturbine in Form einer hohen Leistungsdichte nicht von Bedeutung ist, der Dieselmotor jedoch den besseren Wirkungsgrad und zudem extreme Schweröltauglichkeit aufzuweisen hat.

13.5.3 Straßenfahrzeuge Als Antrieb für Straßenfahrzeuge (PKW, LKW, Bus) ist die Gasturbine bislang nicht über die prototypische Anwendung hinausgekommen, weil sie, zumindest bei metallischer Ausführung, dem Otto- und erst recht dem Dieselmotor wirkungsgradmäßig weit unterlegen ist. Ihren Vorteil der im Vergleich zum Verbrennungsmotor in jedem Fall günstigeren Abgasqualität kann die Gasturbine erst dann ausspielen, wenn sie durch eine Steigerung der Turbineneintrittstemperatur bis zu 1350 °C wirkungsgradmäßig an den Verbrennungsmotor heranreicht. Dies erfordert den Einsatz von Keramik (SiC, Si3 N4 ) für die heißgasführenden Komponenten, der bisher im Serieneinsatz nicht gelungen ist. Ebenfalls aus Wirkungsgradgründen wird eine Fahrzeuggasturbine immer über einen Abgaswärmetauscher (Regenerator oder Rekuperator) verfügen.

Spezifische Randbedingungen bei der Auslegung. Fluggasturbinen werden für definierte Flugmissionen ausgelegt. Diese bestehen aus einer Anzahl typischer Betriebspunkte und der Verweildauer in diesen Punkten. Besonders relevant sind hierbei typischerweise der Reiseflug (engl. cruise) für die aerodynamische Auslegung, der Start (take-off) für die thermische und mechanische Belastung sowie verschiedene Punkte für die Lärmauslegung (Start – take-off, Vorbeiflug – sideline, Landeanflug – approach). Dabei ist zu beachten, dass das Triebwerk in unterschiedlichen Höhen bei stark variierenden Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur) operieren muss. Die Abstimmung der Triebwerkskom- 13.5.4 Abgasturbolader (Abb. 13.21) ponenten für den Betriebsbereich und die transienten Beschleunigungen und Verzögerungen wer- Er stellt eine Sonderform der einwelligen Gasturbine dar. Anstelle der Brennkammer (in den durch die Leistungsrechnung abgedeckt. Abb. 13.1a) liefert ein Verbrennungsmotor sein Abgas an die Turbine und erhält dafür vom Ver13.5.2 Schifffahrt dichter vorverdichtete Luft (Aufladung). Entsprechend der Luftdichteerhöhung kann die MotorIn der militärischen Schifffahrt kommen Gastur- leistung gegenüber der des nicht-aufgeladenen binen vornehmlich in Schnellbooten zum Einsatz, Motors angehoben werden (s. Abschn. 4.3.5).

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Abb. 13.21 Abgasturbolader eines Großdieselmotors, mit Axialturbine, Typ MAN, NA/S

13.6 Brennstoffe Gasturbinen im offenen Prozess sind auf gute Brennstoffqualitäten angewiesen, da Brennstoffaschen zu Schaufelerosion und Ablagerungen an den Schaufeln, Brennstoffgehalte an Schwefel, Natrium und Vanadium durch Bildung von Na2 SO4 und V2 O5 zu Schäden durch Heißkorrosion führen. Von den flüssigen Brennstoffen kommen daher vor allem alle Destillatkraftstoffe (wie Heizöl EL, Dieselkraftstoff, Kerosin, Benzine) und auch Alkoholkraftstoffe (Methanol, Ethanol) in Frage, von den gasförmigen spielt vor allem Erdgas eine wichtige Rolle. An sich sind alle bekannten Brenngase (s. Abschn. 48.4) für den Gasturbineneinsatz geeignet, sofern sie ausreichend schwefelfrei (H2 S) und weitestgehend staubfrei .< 2 mg=m3 / sind.

13.7 Beanspruchungen und Werkstoffe

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Thermische Beanspruchung. Thermische Spannungen infolge ungleichmäßiger Wärmedehnungen von Bauteilen in sich und miteinander verbundener Bauteile, Gefügeveränderungen im Bauteil-Werkstoff, Verzundern der Bauteiloberfläche. Thermomechanisch am höchsten belastet sind die Laufschaufeln der ersten Turbinenstufe. Bei der Werkstoffauswahl kommt es infolge der hohen Bauteiltemperaturen und dem damit verbundenen Kriechen des Werkstoffs vor allem auf ausreichend hohe Werte für die Zeitstandfestigkeit Rm=t =T und die Zeitdehngrenze Rp0;2=t =T an, wobei für denselben Werkstoff höhere Werte für die Zeit t und die Temperatur T zu einem entsprechend niedrigeren Festigkeitswert führen (s. Bd. 1, Kap. 29, Bd. 1, Kap. 31). Gasturbinenbauteile sind jeweils für eine bestimmte Lebensdauer auszulegen, die bei Flugtriebwerken mit etwa 5000 h, bei Industriegasturbinen in Schwerbauweise mit etwa 100 000 h angesetzt wird. Dies erklärt, warum bei in beiden Fällen gleichem Werkstoff in den Flugtriebwerken die höheren Turbineneintrittstemperaturen gefahren werden können. Für die thermomechanisch hochbelasteten Bauteile, insbesondere die Turbinenschaufeln, werden hochwarmfeste Superlegierungen auf Nickel- und auch Kobaltbasis eingesetzt, wobei auch Sekundäreigenschaften wie gute Schmiedoder Gießbarkeit (für innengekühlte Schaufeln) gefragt sind. In Luftfahrt-Triebwerken werden inzwischen gerichtet erstarrte Superlegierungen und Einkristallschaufeln eingesetzt. Gegen zu hohe thermische Beanspruchung, aber auch zum Schutz gegen Heißkorrosion werden Schutzschichten (Coatings), unter anderem durch Plasmaspritzen, aufgebracht.

Die Komponenten von Gasturbinen sind unterschiedlich hohen mechanischen und thermischen 13.8 Belastungen ausgesetzt.

Betriebsverhalten

13.8.1 Ähnlichkeitskennfelder Mechanische Belastung. Innendruck auf Gehäuse, Fliehkräfte an rotierenden Bauteilen, Bie- Bei der Untersuchung des Betriebsverhaltens geschwingungen an Laufschaufeln und Rotor, von Gasturbinenanlagen und Luftfahrttriebwerken müssen die Eigenschaften der Turbomaschigekoppelt mit Drehschwingungen.

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nen unter veränderlichen Bedingungen bekannt sein. So ist beim Verdichter beispielsweise der Einfluss eines unterschiedlichen Ansaugzustands zu berücksichtigen. Reduzierte Größen. Nach der Ähnlichkeitstheorie sind bei einer Turbomaschine bei gegebenem Fluid zwei Betriebspunkte dann ähnlich, wenn die Machzahlen Ma der Strömungsgeschwindigkeit c an einer Stelle gleich sind, also .c=a/1 D .c=a/2 . Unter Berücksichtigung des Zusammenhangs zwischen Strömungsgeschwindigkeit c und MasAbb. 13.22 Verdichter-Ähnlichkeitskennfeld (schemasenstrom m P und der Gaszustandsgleichung % D tisch) p=.R  T / ergibt sich wenn an einem Querschnitt des Verdichters Schallgeschwindigkeit vorliegt. Der isentrope Verdichterwirkungsgrad sV nimmt entsprechend Unter Einbeziehung der Schallgeschwindig- den dargestellten Isolinien von ( ) p sV max ausgekeit a D ~  R  T und der Tatsache, dass bei hend nach außen ab. Ma1 D Ma2 auch .Tt =T /1 D .Tt =T /2 und .pt =p/1 D .pt =p/2 gilt, erhält man schließlich Turbinenähnlichkeitskennfeld. Abb. 13.23 den reduzierten Massenstrom zeigt schematisch eines der möglichen Turbi 

p

p nenähnlichkeitskennfelder, p mit dem reduzierten P Tt =pt : m P Tt =pt D m 1 2 Turbinendurchsatz m P Tt3 =pt3 und dem isentropen Turbinenwirkungsgrad sT jeweils als FunkWegen der Ähnlichkeit der Strömungsge- tion des Turbinendruckverhältnisses p =p und t3 4 schwindigkeit c und der Umfangsgeschwindigkeit u des Läufers c D m=.A P  %/ D m P  R  T =.A  p/  m P  T =p :

ucm P T =p p p gilt .u= Tt /1 D .u= Tt /2 und mit dem Zusammenhang zwischen u und dem Durchmesser D sowie der Drehzahl n uDD nn ergibt sich die reduzierte Drehzahl .n=

p

p Tt /1 D .n= Tt /2 :

Verdichterähnlichkeitskennfeld (Abb. 13.22). Diep Linien konstanter Verdichterdrehzahl .n Tt1 D const/ sind nach links durch die Pumpgrenze begrenzt, jenseits der kein stabiler Betrieb mehr möglich ist, nach rechts unten durch Abb. 13.23 Ähnlichkeitskennfeld einer kleinen Radialdie Stopfgrenze. Diese ist z. B. dann erreicht, turbine

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Gasturbinen

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p mit der reduzierten Turbinendrehzahl n= Tt3 als Abb. 13.24) vor, so dass sich über einen Wärmetauscher der Wirkungsgrad stärker anheben lässt Parameter. als im Fall A.

13.8.2 Teillastbetrieb

13.9 Abgasemission Geht eine einwellige Gasturbine im offenen Prozess (Abb. 13.1a) bei Generatorbetrieb (n = const) vom Volllastpunkt auf einen Teillastpunkt über, so wandert der Betriebspunkt im Verdichterkennfeld p (Abb. 13.24) längs der Verdichterkennlinie n Tt1 D const von NP nach A. Da dabei der (reduzierte) Verdichtermassenstrom leicht zunimmt, fällt wegen der bei Teillast geringeren Brennstoffleistung die Turbineneintrittstemperatur .Tt3 =Tt1 / relativ stark ab. Bei einer Zweiwellenanlage (Abb. 13.1c) verschiebt sich bei gleicher Leistungsabnahme gegenüber NP der Betriebspunkt nach B. Gegenüber A sinken die Drehzahl und damit das Druckverhältnis sowie der Massenstrom des Verdichters weiter ab, so dass die Turbineneintrittstemperatur weniger stark als im Fall A abfällt. Ohne Einsatz eines Abgaswärmetauschers würden sich die Fälle A und B im Wirkungsgrad allerdings kaum unterscheiden. Im Fall B liegt jedoch eine höhere Turbinenaustrittstemperatur (Punkt 4 B im h, s-Diagramm,

Unter der idealisierenden Annahme vollständiger Verbrennung, die bei Gasturbinen aber auch praktisch weitgehend zutrifft, setzt sich bei Verbrennung beispielsweise von Heizöl EL bei  D 4 (Volllast) das Abgas volumetrisch zusammen aus 76,7 % Stickstoff N2 , 15 % Sauerstoff O2 , 3,5 % Kohlendioxid CO2 und 4,8 % Wasser(dampf) H2 O. Unter realen Bedingungen kommen noch die so genannten Schadstoffe Stickoxide NOx , Kohlenmonoxid CO und unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC hinzu, die in Summe kaum mehr als 1 Vol.% ausmachen, aber entsprechend giftig sind. Weiter kann im Abgas VerbrennungsRuß (Partikel) auftreten. Bei Vorhandensein von Schwefel im Brennstoff enthält das Abgas einen entsprechenden Anteil an SO2 . Unter Umweltschutzgesichtspunkten spielen eine Rolle: Kohlendioxid CO2 . Dieses an sich unschädliche Gas zählt jedoch zu den Verursachern des (unerwünschten) Treibhauseffekts. Als Produkt der vollständigen Verbrennung lässt es sich nur in dem Maße verringern, in dem weniger bis gar nicht kohlenstoffhaltige Brennstoffe eingesetzt werden. So liegt Erdgas mit einem C=H-Massenverhältnis von 3;2 W 1 diesbezüglich rund doppelt so günstig wie Heizöl EL oder Dieselkraftstoff mit C=H D 6;6 W 1. Kohlenmonoxid CO. ist ein extrem giftiges Gas und entsteht vor allem bei O2 -Mangel in der Reaktionszone. Da Gasturbinen bei relativ hohen -Werten betrieben werden, liegt ihre CO-Emission auf vernachlässigbar geringem Niveau.

Unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC. Darunter wird die Summe aller (gasförmigen) Kohlenwasserstoffverbindungen im Abgas verstanden. Abb. 13.24 Generator-Teillastbetrieb mit einer Einwellenanlage (A) und einer Zweiwellenanlage (B); NP Betrieb Sie bestehen aus unverbranntem Brennstoff oder aus nicht vollständig verbrannten Anteilen des bei Nennleistung

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Brennstoff/Luft-Gemisches. Diese entstehen entweder durch lokalen O2 -Mangel oder durch Abkühlung an zu kalten Wandstellen (QuenchingEffekt). Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren spielt die HC-Emission bei Gasturbinen, so wie CO, eine vernachlässigbare Rolle.

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Abgasvorschriften. Für Gasturbinen gelten, wie für andere Verbrennungskraftmaschinen auch, je nach Einsatzart und Leistungskategorie unterschiedliche nationale oder auch internationale gesetzliche Vorschriften, meist in Form von Grenzwerten (s. Abschn. 4.7.3).

Stickoxide NOx . Diese bestehen unmittelbar im Abgaskamin aus etwa 9 Teilen NO und 1 Teil Literatur NO2 . In der Atmosphäre wird dann aber auch NO in das wesentlich giftigere NO2 umgewan- Spezielle Literatur 1. Bräunling, W.J.G.: Flugzeugtriebwerke, 3. Auflage, delt. Die NOx -Bildung wird gefördert durch hohe Temperatur in der Reaktionszone (Primärzone der Brennkammer), hohen Anteil freien Sauerstoffs (O2 ) in der Reaktionszone und lange Verweildauer. Die Stickoxide sind bei Gasturbinen praktisch die einzige Abgaskomponente, auf deren Senkung Maßnahmen zur Verbesserung der Abgasqualität zielen, wenngleich die NOx -Rohemission von Gasturbinen schon eine Zehnerpotenz niedriger liegt als die von Verbrennungsmotoren (s. Abschn. 13.5.3). Interne Maßnahmen zur NOx -Senkung. bestehen überwiegend in einer Erhöhung von  in der Primärzone, die allerdings nicht auf Kosten der Flammenstabilität gehen darf (s. a. Abschn. 13.3.3). Auch durch Einspritzen von Wasser in die Brennkammer, entweder direkt oder in Form einer Brennstoff/Wasser-Emulsion, lässt sich die NOx -Emission verringern. So konnte bei Kraftwerksturbinen durch Eindüsung von P Brennstoff D Wasser bis zum Verhältnis m P Wasser =m 1;0 die NOx -Emission bis auf 30–40 % des Ausgangswertes abgesenkt werden.

Springer (2009). 2. Cohen, H., Rogers, G.F.C., Saravanamuttoo, H.I.H.: Gas Turbine Theory. 4. Auflage, Longman Group Ltd., Harlow Essex, England (1996). 3. El-Sayed, A.F.: Aircraft Propulsion and Gas Turbine Engines. CDC Press, Taylor & Francis Group, LLC (2008). 4. Grieb, H.: Verdichter für Turbo-Flugtriebwerke. Springer (2009). 5. Lechner, C., Seume, J.: Stationäre Gasturbinen. 2. Auflage. Springer (2010). 6. Mattingly, J.D.: Elements of Gas Turbine Propulsion. McGraw-Hill (1996). 7. Müller, R.: Luftstrahltriebwerke. Friedr. Vieweg & Sohn (1997). 8. Urlaub, A.: Flugtriebwerke. 2. Auflage. Springer (1995).

Normen und Richtlinien DIN 4340: Gasturbinen; Begriffe, Benennungen DIN 4341: Gasturbinen; Abnahmeregeln für Gasturbinen. Grundlagen DIN 4342: Gasturbinen; Normbezugsbedingungen, Normleistungen, Angaben über Betriebswerte ISO 2314: Gas turbines Acceptance tests ISO 2533: Standard atmosphere ISO 3977: Gas turbines – Procurement CIMAC (Congrès International des Machines à Combustion): Recommendations for gas turbine acceptance tests

Literatur zu Teil II Strömungsmaschinen

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Lechner, C., Seume, J.: Stationäre Gasturbinen, 2. Aufl., Springer, Berlin (2010) Leizerovich, A.S.: Steam Turbines for modern FossilFuel Power Plants. Fairmont Press, Lilburn (Georgia) (2007) Menny, K.: Strömungsmaschinen, 5. Aufl. Teubner, Stuttgart (2006) Petermann, H.: Konstruktion und Bauelemente von Strömungsmaschinen. Springer, Berlin (1982) Pfleiderer, C.: Die Kreiselpumpen für Flüssigkeiten und Gase, 6. Aufl. Springer, Berlin (1991) Pfleiderer, C., Petermann, H.: Strömungsmaschinen, 7. Aufl. Springer, Berlin (2005) Saravanamuttoo, H.I.H., Roger, G.F.C., Cohen, H., Straznicky, P.: Gas Turbine Theory, 6th edition. Prentice Hall, Upper Saddle River (New Jersey) (2008) Siekmann, H.E., Thamsen, P.U.: Strömungslehre für den Maschinenbau (Technik und Beispiele), 2. Aufl. Springer, Berlin (2009) Traupel, W.: Thermische Turbomaschinen, Bd. 1 und 2, 4. Aufl. Springer, Berlin (2001)

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Teil III Fördertechnik

Die Fördertechnik ist die anwendungsbezogene Fachrichtung des Maschinenbaus, die sich mit dem Transport von Gütern und Personen in einem abgegrenzten räumlichen Gebiet – dem sogenannten innerbetrieblichen Transport beschäftigt. Die Reichweite der Transportverfahren grenzt das Fachgebiet von der Verkehrstechnik (LKW-, Bahn-, Schiffs und Flugtransporte) ab. Die Fördertechnik ist heute nach der Antriebstechnik die zweitgrößte Branche des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus [VDMA: Maschinenbau in Zahl und Bild 2016. Maschinenaußenhandel nach Fachzweigen für das Jahr 2015.]. Von großer Vielfalt sind die mechanischen Elemente der Fördertechnik wie auch die Fördermaschinen selbst, über deren Konstruktion und Auslegung dieses Kapitel informiert. Menschen haben schon seit Urzeiten und aus den unterschiedlichsten Gründen versucht, Gegenstände bzw. Lasten zu transportieren, anzuheben oder zumindest ihre Lage zu verändern. Räder, Rollen, schiefe Ebenen, Seile und komplizierte Flaschenzüge wurden in vielen Hochkulturen benutzt und sind auch heute noch wichtige mechanische Maschinenelemente der Fördertechnik. Die Industrialisierung des 19. Jahrhunderts wäre ohne geeignete Fördermittel nicht denkbar gewesen. Kräne ermöglichten erst den Transport großer Lasten, Kratzerförderer und Bagger den mechanisierten Abbau von Rohstoffen und Ketten- und Kreisförderer eine Produktion nach dem Fließbandprinzip. Doch auch im Zeitalter des Internets und der Energiewende, ist die Fördertechnik nicht wegzudenken. Oder wie sollten sonst die zahllosen Pakete der Internetgroßhändler ihren Weg zum Kunden finden? Wie sollten sonst die über 100 m hohen Türme der vielen Windkraftanlagen mitten auf einem Feld errichtet werden oder hoch produktive Montagestraßen für das immer mehr nach Kundenwunsch ausgestattete Auto funktionieren? Viel wichtiger als früher ist jedoch die Betrachtung des kompletten Materialflusses in den z. T. vollautomatisch arbeitenden Produktionsanlagen, den Verteil- und Kommissionierzentren. Die Verknüpfung des Informationsflusses mit dem eigentlichen Guttransport macht aus den kontinuierlich und diskontinuierlich arbeitenden Maschinen der Fördertechnik Materialflussanlagen, die in das logistische Netzwerk eines Unternehmens direkt eingebunden sind. So verschmelzen Fördertechnik und Materialflusstechnik zur Intralogistik, die eine Schlüsseldisziplin und Voraussetzung für die 4. Industrielle Revolution ist.

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Grundlagen Thorsten Schmidt, Jan Scholten, Michael Ketting und Karl-Heinz Wehking

14.1 Begriffsbestimmungen und Übersicht 14.1.1 Einordnung der Fördertechnik Die Aufgabe der Fördertechnik ist das Fortbewegen (Fördern) von Gütern und Personen über begrenzte Entfernung innerhalb einer örtlich begrenzten und zusammenhängenden Betriebseinheit unter Einsatz von technischen Mitteln, den Fördermitteln. Zu ihnen gehören die Fördermaschinen (s. Abschn. 14.1.2). Der Transport von Gütern und Personen über große Entfernungen ist ein Aufgabengebiet der Verkehrstechnik. Verkehrsmittel sind Lkw, Bahn, Schiff, Flugzeug. Der Transport von Flüssigkeiten und Gasen durch Rohrleitungen ist ein Aufgabengebiet der Verfahrenstechnik. Das Fachgebiet Fördertechnik befasst sich mit der Projektierung und Konstruktion der FörderT. Schmidt () Technische Universität Dresden Dresden, Deutschland E-Mail: [email protected] J. Scholten Ruhr-Universität Bochum Bochum, Deutschland E-Mail: [email protected] M. Ketting Ruhr-Universität Bochum Bochum, Deutschland K.-H. Wehking Universität Stuttgart Stuttgart, Deutschland E-Mail: [email protected]

mittel sowie mit der Planung und Projektierung von Materialflusssystemen [1]. Der Materialfluss entsteht durch die Verkettung aller Vorgänge beim Gewinnen, Be- und Verarbeiten sowie bei der Verteilung von Gütern innerhalb festgelegter Bereiche. Materialflusssysteme, behandelt in [2, 3], entstehen in der Regel aus einer sinnvollen Verkettung von Fördermaschinen. Richtlinien zur Planung der Materialflusssysteme enthalten [4, 5]. Die Folge von technisch und organisatorisch miteinander verknüpften Vorgängen, bei denen Personen oder Güter von einem Ausgangsort (Quelle) zu einem Ziel (Senke) bewegt werden, heißt Transportkette. Darin können Fördermittel allein (innerbetriebliche Transportkette) oder Verkehrsmittel allein (außerbetriebliche Transportkette) oder Förder- und Verkehrsmittel gemeinsam arbeiten. Grundbegriffe enthält DIN 30781 T1. Die Transportkette ist als System aufzufassen, bei dem die Verknüpfungen systemverträglich sein müssen. Der Überbegriff Transporttechnik umfasst die Fördertechnik (innerbetrieblich) und die Verkehrstechnik (außerbetrieblich). Hauptoperationen in der Transportkette sind: Transportieren, Umschlagen, Lagern. Als Umschlag wird die Gesamtheit aller Vorgänge bezeichnet, die beim Übergang der Güter auf ein Transportmittel, beim Abgang von einem Transportmittel und beim Wechseln des Transportmittels notwendig sind. Abgeleitet sind die Begriffe Umschlagtechnik und Umschlagmittel. Handhaben oder Manipulieren ist die positionsgerechte Übergabe von Gütern in eng be-

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_14

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grenzten Arbeitsräumen. Fördermaschinen können auch zur positionsgerechten Übergabe eingesetzt werden. Sie bedienen jedoch wesentlich größere Arbeitsräume als Manipulatoren. Die ganzheitliche Betrachtung des Materialflusses und des begleitenden Informationsflusses einschließlich der Gestaltung der zu lösenden dispositiven und administrativen Aufgaben ist Gegenstand der Logistik. Sie stellt sich die Aufgabe, das richtige Objekt (Material, Gut, Information, Dienstleistung, Energie) zum richtigen Zeitpunkt in der richtigen Qualität und Quantität, versehen mit den notwendigen Informationen, am rechten Ort mit minimalen Kosten bereitzustellen [2].

14.1.2 Fördergüter und Fördermaschinen Fördergüter lassen sich einteilen nach ihrer Beschaffenheit in Schüttgüter (lose Güter in schüttbarer Form, z. B. Kohle, Erz, Getreide) und Stückgüter (individualisierte Güter, die stückweise gehandhabt werden, z. B. Kiste, Container, Pkw). Eine Transporteinheit kann ein Einzelstück sein oder aus mehreren Einzelstücken bestehen, die auf einem Transporthilfsmittel (z. B. Palette, Container) zusammengefasst sind. Fördermaschinen sind Arbeitsmaschinen, die mittels Gutaufnahmemittel oder anderer Zwischenmittel die Ortsveränderung von Gütern ausführen (Hebe- und Transportmaschinen) oder die mittels Schneidwerkzeug und Aufnahmemittel der Gewinnung von Schüttgütern dienen (Gewinnungsmaschinen). Nach der Hauptarbeitsbewegung des Gutaufnahmemittels unterscheidet man zwei Hauptgruppen von Fördermaschinen: die Unstetigförderer mit aussetzenden und die Stetigförderer mit dauernden Arbeitsbewegungen. Die dritte Hauptgruppe bilden die Gewinnungsmaschinen. Sie haben funktionell immer zwei Aufgaben zu erfüllen: das Lösen und Aufnehmen des Guts und dessen Transport. Die Unstetigförderer lassen sich entsprechend der Hauptarbeitsbewegung des Gutaufnahmemittels unterteilen. Sie verläuft für Hebezeuge im

T. Schmidt et al.

Raum, Flurförderer auf horizontalen Flächen, Regalbediengeräte auf vertikalen Flächen, Seilund Hängebahnen auf Kurven, Aufzüge auf Geraden und Kipper um eine Drehachse. An der stetigen Fördergutbewegung bei Stetigförderern sind die drei physikalischen Wirkprinzipien Reibungs- und Formschluss zwischen Gut und Aufnahmemittel, Kraftfeldwirkung am Gut und allseitige Druckfortpflanzung im Fördermedium beteiligt. Das führt zur Einteilung der Stetigförderer in Zugmittelförderer, Schwerkraftförderer, Strömungsförderer, Strömungsmischförderer, Fließrinnen sowie Dreh- und Schwingförderer (s. auch DIN 15201 T1). Kriterium für die Gliederung der Gewinnungsmaschinen sind die Hauptschneidbewegungen. Sie verlaufen stetig oder unstetig, jeweils auf geradlinigen Bahnen, kreisförmigen Bahnen oder Koppelkurven. Beispiele sind Eimerkettenbagger und Schürfkübelbagger (Scraper), Schaufelradbagger und Teilschnittmaschinen sowie Löffelbagger. Unstetigförderer erledigen ihre Transportaufgabe durch mehrere, zeitlich hintereinander, teilweise auch gleichzeitig, ablaufende Einzelbewegungen (z. B. bei Kranen das Greifen, Heben, Fahren usw.). Wiederholt sich dieser Ablauf in gleicher Reihenfolge, so bilden die zwischen dem Aufnehmen der einen und der nächsten Last ausgeführten Einzelbewegungen das Spiel (Abb. 14.1). Die dazwischen liegende Zeit heißt Spielzeit ts . Die Spielzahl zs ist die Anzahl der in der Zeiteinheit ausgeführten Spiele. Das ständige Anfahren und Bremsen der Antriebe erfordert, verglichen mit den Stetigförderern, einen größeren Aufwand in der Steuerung und führt zu größeren dynamischen Beanspruchungen. Stetigförderer bringen das Fördergut i. Allg. mit konstanter Fördergeschwindigkeit bei stetig fließendem (Gurtförderer) oder bei pulsierend fließendem Gutstrom (Becherwerk, Kreisförderer) von der Aufgabe- zur Abgabestelle. Ein anderes Gliederungskriterium für Fördermittel ist, ob sie auf dem Flur (Flurförderer) oder über dem Flur (flurfreie Förderer) arbeiten. Unter bestimmten Voraussetzungen können Baumaschinen den Fördermaschinen zugerech-

Immer dann,

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.

14 Grundlagen

319

Bei stetig pulsierender Stückgutförderung bestimmen die Fördergeschwindigkeit  und der erforderliche Mindestabstand b zweier aufeinander folgender Transporteinheiten (Abb. 19.1c) die Stückgutstromstärke bzw. den Stückgutdurchsatz: IS D =b. Abb. 14.1 Spieldiagramm für Unstetigförderer. Beispiel: Kran im Greiferbetrieb

14.2 Antriebe der Fördermaschinen

net werden. So gehören die im Hochbau arbeitende Krane (Unstetigförderer) zu den Baumaschinen. Andererseits gibt es Baumaschinen, die keine Transportaufgabe erfüllen (z. B. Verdichter). In Abschn. 15.3.2 (Turmdrehkrane) und in Kap. 22 werden Baumaschinen vorgestellt, die den Fördermaschinen zuzurechnen sind.

14.2.1

14.1.3 Kenngrößen des Fördervorgangs Die Stromstärke  ist die im Augenblick pro Zeiteinheit geförderte Menge. Der über einen größeren Zeitabschnitt zwischen den Zeiten t1 und t2 gebildete Mittelwert ist der Durchsatz I 1 I D t2  t1

Zt2  dt : t1

Es sind V die Volumenstromstärke, M die Massenstromstärke, S die Stückgutstromstärke und entsprechend IV , IM , IS der Volumen-, Massen-, Stückgutdurchsatz. Die Stromstärke ist bestimmend bei der Auslegung des Fördermittels, der Durchsatz gibt Auskunft über seine Leistungsfähigkeit. Bei Unstetigförderern errechnet sich der Durchsatz aus der Zahl der Spiele (Spielzahl) je Zeiteinheit zs und der je Spiel transportierten Menge Q (Nutzlast): IM D Qzs . Bei stetiger Schüttgutförderung bestimmen Fördergeschwindigkeit  und Transportstromquerschnitt A die Stromstärke und den Durchsatz. Für z. B. einen Gurtförderer mit konstanter Streckenbelegung und Fördergeschwindigkeit  (Abb. 19.1a) ist IV D A. Mit der Schüttgutdichte % folgt der Massendurchsatz IM D %I .

Hubwerke

Winden – manuell oder motorisch getrieben – können Zugkräfte in beliebiger Richtung aufbringen und dabei das Zugmittel speichern. Hubwerke sind stationär oder auf Laufkatzen von Kranen angeordnete Winden einschließlich des Seiltriebs, die Lasten heben und senken. Übliche Hubgeschwindigkeiten 0,8 bis 40 m=min (DIN 15022), bei Umschlagkranen bis 180 m=min. Tragfähigkeiten s. DIN 15021. Konstruktive Ausführung (s. Abschn. 15.2). Das Hubwerk – bestehend aus Motor, drehelastischer Kupplung, Getriebe, Seiltrieb und Last – ist ein schwingungsfähiges System. Die Größe der dynamischen Beanspruchung seiner Glieder kann in einer Simulationsrechnung bestimmt werden [6]. In der Praxis werden die Triebwerke auch heute noch über ein starrkörperkinetisches Modell berechnet, wobei die Spannungserhöhung infolge dynamischer Belastung durch einen Schwingbeiwert berücksichtigt wird, der zwischen 1,5 und 2,5 liegt [7, 8]. Er ist um so höher, je größer der Momentenstoß des Motors beim Anfahren, die Hubgeschwindigkeit, das Getriebespiel und die Schlaffseillänge sind. Antriebsleistung. Die Bewegungsphasen des Hubwerks innerhalb eines Spiels lassen sich in einem Bewegungsdiagramm darstellen (Abb. 14.2). In der Phase 2 wird die Hubmasse m (Masse der Nennlast, des Lastaufnahmemittels und des anteiligen Seiles) mit der Nenngeschwindigkeit  gehoben. Die Volllastbeharrungsleistung ist PL D mg=, mit Wirkungsgrad  D Seiltrieb Getriebe (überschlägig   0;85). In der Phase 1 sind zusätzlich die Leistung PBL und PBJ zur Beschleunigung der Hub-

14

320

T. Schmidt et al. Leitrad Spanneinheit Laufrolle

Kette Obertrum Kette Untertrum Rahmen

Tragrolle Hydraulikantrieb Antriebsrad

a

b

Abb. 14.2 Bewegungsdiagramm eines Hubwerks und Definition der Einschaltdauer ED. M Motormoment,  Hubgeschwindigkeit, 1 bis 8 Bewegungsphasen

masse m und der rotierenden Massen Jred aufzubringen. PBL D m 2 =.ta / und PBJ D Jred ! 2 =.ta /. Jred ist das auf die mit der Winkelgeschwindigkeit ! drehende Motorwelle reduzierte Massenträgheitsmoment aller rotierenden Teile. Hochlaufzeit ta D 0;2 bis 1,0 s, je nach Motorgröße. In den meisten Fällen ist PBL  0;1 PL . Da PBL und PBJ nur kurzzeitig wirken, werden sie bei der überschlägigen Motordimensionierung vernachlässigt. Diese erfolgt über die Volllastbeharrungsleistung PL und über die relative Einschaltdauer ED D ˙ Einschaltzeiten  100 %=.˙ Einschaltzeiten C ˙ stromlose Pausen/. Die Motornennleistung PM nen ist in den Motorkatalogen für ED D 15; 25; 40; 60; 100 % angegeben. Es muss sein PM nen  PL . Genauere Motordimensionierung und -auswahl (s. Abschn. 14.2.7). Beim Senken mit Nenngeschwindigkeit (Phase 6) ist die elektrisch zu bremsende Leistung PBR D PL 2 . Die maximale Bremsleistung wird in Phase 7 benötigt: PBRmax D .PL C PBL C PBJ /2 . Bei Winden bestimmen Seilzugkraft S und Aufwickelgeschwindigkeit S die Volllastbeharrungsleistung PL D Ss =.

14.2.2

Fahrwerke

Der Fortbewegung von Fördermaschinen dienen Fahr-, Schreit- und Kriechwerke. Schreit- [36] und Kriechwerke [37] haben eine untergeordnete Bedeutung. Bei den Fahrwerken unterscheidet

c

Abb. 14.3 Schakenfahrwerk (TEREX Cranes Germany, Zweibrücken). a Fahrschiff; b Schakenkettenglied; c Ablauf der Kette über das Antriebsrad

man im Wesentlichen zwischen Schienenfahrwerken, schienenlosen Fahrwerken (Radfahrwerken) und Raupenfahrwerken (Kettenfahrwerken). Schienenfahrwerke (s. Abschn. 14.4.5) werden hauptsächlich bei Kranen (s. Abschn. 15.3) eingesetzt. Flurförderzeuge (s. Abschn. 16.1.1) und zahlreiche Baumaschinen (s. Kap. 22) sind mit Radfahrwerken ausgerüstet. Raupenfahrwerke ([9, 10]; s. Abschn. 14.4.6) kommen ebenfalls bei Kranen und Baumaschinen, aber auch bei Rück- und Gewinnungsmaschinen, Absetzern u.Ä. zum Einsatz. Während die Auslegung von Radfahrwerken, in Abhängigkeit von den jeweiligen Belastungen und Beanspruchungen, an die Kraftfahrzeug- [38] bzw. die Schienenfahrzeugtechnik (s. Abschn. 54.2, 14.4.5, 15.3.1) angelehnt werden kann, gelten für Raupenfahrwerke anders geartete Anforderungen, beispielsweise bezogen auf Verschleiß und Betriebsfestigkeit (s. Abschn. 14.4.6 u. Kap. 16). Die Vorteile von Raupenfahrwerken sind u. a. eine hohe Traktionsfähigkeit bei gleichzeitig bodengriffiger Geländegängigkeit. Große Aufstandsflächen gewährleisten hohe Standsicherheiten und geringen Bodendruck. Bezogen auf Radfahrwerke können sich Nachteile aus ggf. größeren Massen, höheren inneren Fahrwiderständen und ganz besonders hinsichtlich eines modifizierten Fahr- und Lenkverhaltens ergeben. Abb. 14.3a zeigt das Fahrschiff eines nach der konstruktiven Ausführung der Kette benannten Schakenfahrwerkes (einteilig geformtes Kettenglied – Abb. 14.3b). Mit derartigen Fahrwerken sind unterschiedliche Förder- und Baumaschi-

14 Grundlagen

321

Abb. 14.4 Antriebssysteme für Krane und Laufkatzen. 1 E-Motor, 2 Bremse, 3 Getriebe, 4 Flanschkupplung, 5 Laufrad, 6 starre Welle, 7 Gelenkwelle (weitere Erläuterungen im Text)

nen ausgerüstet, z. B. nicht schienengebundene Krane (Raupenkrane), aber auch Gewinnungsmaschinen, Seilbagger u.Ä. Fahrwerke für schienengebundene Krane werden im Folgenden dargestellt. So zeigt Abb. 14.4 mögliche Antriebssysteme für Krane und Laufkatzen, bei denen die Laufräder 5 auf zwei parallelen Schienen laufen. Abb. 14.4a: In Kranen mit großer Spurweite l werden vorwiegend Einzelradantriebe eingesetzt. Abb. 14.4b,c: Zentralantriebe mit Kopplung zweier Räder über starre Wellen 6 oder über Gelenkwellen 7 werden nur noch bei kleiner Spurweite (z. B. Laufkatze) und bei manuell über Kettenzug bewegten Kleinkranen verwendet. Das Drehmoment kann in die Laufräder bei leichten Kranen und Katzen über einen in das Laufrad gefrästen Zahnkranz (Abb. 14.5a), bei schweren Kranen und Katzen über einen mit dem Laufrad verschraubten Zahnkranz (Abb. 14.5b,c) eingeleitet werden. Ein Antrieb der Laufräder über die Radwelle vermeidet offene Zahnräder (Abb. 14.5d). Bei leichten Kranen und Katzen können dafür an den Kran geflanschte Getriebemotoren (Abb. 14.6) verwendet werden. Bei schweren Kranen werden Aufsteckgetriebe (Abb. 14.7) mit Drehmomentstütze 5 eingesetzt, die das Moment über ein Keilwellenprofil DIN 5471 oder über Schrumpfscheiben in die Radwelle übertragen, oder es werden über Flanschkupplungen angeschlossene Getrie-

Abb. 14.5 Drehmomenteinleitung in Laufräder (Erläuterungen im Text)

be (Abb. 14.8) mit Drehmomentstütze 5 eingesetzt. Üblich ist die Abstützung auf vier Rädern. Schwere Geräte erhalten Teilfahrwerke mit mehreren Laufrädern, die in Schwingen gelagert sind (Abb. 14.7). Die Schwinge 1 mit einem angetriebenen und einem nicht angetriebenen Rad ist in A1 und A2 drehbar in der Krankonstruktion 2 gelagert. Die an der Schwinge wirkende Vertikalkraft FV teilt sich in F1 und F2 auf. Diese sind ungleich, wenn eine Seitenführungskraft FS wirkt: F1;2 D FV =2  FS h1 =b. Durch den Hebelarm h2 erzeugt die Antriebskraft Fan ungleiche Radlasten R1 und R2 . Sie errechnen sich zu R1;2 D FV =2  Fan h2 =a. Die erforderliche

14

Abb. 14.6 Einzelradantriebe durch angeflanschte Getriebemotore (1). a Über Zahnkranz (2); b über Laufradwelle (3)

322

T. Schmidt et al.

Abb. 14.7 Äußere Kräfte an einer Radschwinge. 1 Radschwinge, 2 Krankonstruktion, 3 Aufsteckgetriebe, 4 E-Motor, 5 Drehmomentstütze, 6 Führungsrollen

Anzahl nR der Räder je Schwinge ist der Quotient aus maximaler Vertikalkraft FVmax und zulässiger Radlast Rzul . Beim Verfahren des Krans sind der Fahrwiderstand FF (Reibungskräfte in Radlagerung und zwischen Rädern und Schiene), Windkräfte FW und Massenkräfte FB zum Beschleunigen des Krans zu überwinden. Die Fahrwiderstandskraft ist FF D w˙Ri mit w Fahrwiderstandsbeiwert (Tab. 14.1) und ˙Ri Summe der Radlasten. Die Windkraft ist FW D q˙ cfi Ai . Dabei sind q der Winddruck (z. B. q D 250 N=m2 bei Windstufe „2 normal“ nach DIN EN 13001-2), Ai die Windangriffsflächen der angeströmten Bauteile des Krans sowie der Last und cfi der zugehörige, von der Form der einzelnen Bauteile bzw. von der Form der Last abhängige, aerodynamische Kraftbeiwert, s. DIN EN 1991-1-4. Lasteinwirkungen s. auch DIN EN 13001-2, Lastannahmen für Tragwerke (s. Abschn. 14.3.3).

Abb. 14.8 Einzelradantrieb (Krupp-Kranbau). 1 Motor, 2 Bremstrommel, 3 elastische Kupplung, 4 Getriebe mit Ölumlaufschmierung, 5 Drehmomentstütze, 6 starre Kupplung, 7 Laufrad, 8 Kunststoffpuffer

Die Beschleunigungskraft ist FB D mges Fnen =ta , mit mges Summe von Eigen- und Lastmasse, Fnen Nennfahrgeschwindigkeit und ta Beschleunigungszeit. Abb. 14.9: Brückenkrane, s. Abschn. 15.3.1. Die von den Fahrantrieben zu überwindende resultierende Abtriebskraft Fab des gesamten Krans ist Fab D FF C FW C FB . Die Exzentrizität e ihrer Kraftwirkungslinie berechnet sich zu e D ..FF C FB /eM C FW eW /=.FF C FB C FW /. Dabei ist eM der Abstand des gemeinsamen Schwerpunkts S von Kran, Katze und Last zur Kranmitte und eW der Abstand der resultierenden Windkraft FW . Wenn Krane eine Gleichlaufsteuerung (s. Abschn. 15.3.1) haben, sind die AntriebskräfTab. 14.1 Fahrwiderstandsbeiwert w in ‰ (nach [11]) Laufraddurchmesser d1 mm 200 250 315 400 500 630 710 800 900 1000 1120 1250

Fahrwiderstandsbeiwert w in ‰ bei Wälzlagerung bei Gleitlagerung mit ohne mit ohne SpurSpurSpurSpurkranz kranz kranz kranz 10,5 5,5 32 27 9,5 4,5 28 23 8,5 3,5 26 21 8,0 3,0 23,5 18,5 7,5 2,5 21,5 16,5 7,0 2,0 19,5 14,5 7,0 2,0 19 14 6,5 1,5 19 14 6,5 1,5 19 14 6,5 1,5 19 14 6,0 1,0 19 14 6,0 1,0 19 14

14 Grundlagen

323

FRan 1; 2 =.Rmin 1;2 / folgende ganze Zahl. Es sind Rmin 1;2 die kleinste Radlast der betreffenden Kranseite und die Reibungszahl zwischen Rad und Schiene ( D 0;14 nach DIN 15019 T1). Ein Antriebsmotor treibt meist ein Laufrad oder zwei Laufräder, in Sonderfällen bis zu vier. Für die erforderliche Nennleistung PM nen eines Motors bei zM Motoren pro Kranseite und dem Gesamtwirkungsgrad  . 0;87 bis 0;92/ gelten überschlägig die Gleichungen der Tab. 14.2. PM nen und die EinschaltAbb. 14.9 a Durch asymmetrische Katzstellung hervor- dauer ED (s. Abschn. 14.2.1) bestimmen die gerufene Horizontalkräfte am Brückenkran mit zwei Ein- Motorgröße. Genauere Motordimensionierung zelradantrieben; b Bestimmung der resultierenden Ab(s. Abschn. 14.2.7). triebskraft F und der Exzentrizität e beim Anfahren ab

gegen den Wind

te der Kranseiten Fan 1; 2 D Fab e=.2l/. Hierbei wird für die Katze die ungünstigste aller Laststellungen berücksichtigt. Für Krane mit steifen Kranträgern kann bei Einzelradantrieben eine Gleichlaufsteuerung entfallen. Bei beidseitig gleich starken, ungeregelten Motoren sind die Antriebskräfte dann wegen der Drehzahlkopplung (s. Abschn. 14.2.7) Fan 1 D Fan 2 D Fab =2. In diesem Fall entsteht bei außermittiger Abtriebskraft ein Moment Fab e, das an den Spurführungselementen die Horizontalkräfte FH D Fab e=a hervorruft. Aus Symmetriegründen ist i. Allg. die Zahl der angetriebenen Räder sowie die Zahl und Größe der Antriebsmotore auf beiden Kranseiten gleich. Nur bei großen Kranen kann die Zahl der angetriebenen Räder je Kranseite aus wirtschaftlichen Gründen unterschiedlich groß sein. Die erforderliche Zahl nRan 1; 2 der anzutreibenden Räder pro Kranseite ist die auf

14.2.3

Drehwerke

Ein Drehwerk realisiert die Drehbewegung um eine i. Allg. senkrechte Achse. Das Oberteil kann sich gegenüber dem Unterteil drehen. Dieses kann fest stehen (z. B. Säulendrehkran, Derrickkran), auf Schienen verfahren (z. B. Wippdrehkran, Eisenbahnkran), auf einem Schwimmkörper montiert sein (Schwimmkran) oder ein straßengängiges Fahrgestell sein (Autokran, Mobilkran). Das Drehwerk besteht aus den maschinellen Teilen der Drehverbindung und dem Drehwerkantrieb.

14.2.3.1 Drehverbindung Abb. 14.10: Die Drehverbindung zwischen Oberund Unterteil überträgt Vertikalkräfte Fy , Horizontalkräfte Fx und Momente Mz . Letztere entstehen durch die außermittige Schwerpunktlage des Oberteils und der Last, durch Windkräfte

14 Tab. 14.2 Erforderliche Nennleistung eines Fahrwerkmotors PM nen (überschlägig). Dazu Abb. 14.9 Betriebsart Im Freien arbeitende Krane

Hallenkrane a

PMnen Gleichlaufsteuerung vorhanden   e FF C FW 1 C  vFnen sowiea 1;2  zM   2 I   e FF C FW C FB 1 C  vFnen 1;7  zM   2 I   1 FF C FB e  C  vFnen 1;6  zM   2 I

Der größere der beiden Werte ist die erforderliche Nennleistung

Gleichlaufsteuerung nicht vorhanden FF C FW 1   vFnen sowiea 1;2  zM   2 FF C FW C FB 1   vFnen 1;7  zM   2 FF C FB 1   vFnen 1;6  zM   2

324

T. Schmidt et al.

Abb. 14.11 Wälzkörperdrehverbindungen (Hoesch Rothe Erde). a Dreireihige Rollendrehverbindung; b zweireihige Kugeldrehverbindung. 1 Außenring, 2 Innenring mit Verzahnung, 3 Wälzkörper, 4 Dichtung, 5 Kranoberteil, 6 Kranunterteil, 7, 8 Abstützungen

durch Rippen, können örtlich zu starker Überlastung führen [12, 13]. In einen der beiden Wälzringe ist der Zahnkranz für das Drehwerk gefräst. Abb. 14.10 Drehverbindungen. a Mit fester Säule 4; b mit drehender Säule 5; c mit Königzapfen 6 (weitere Erläuterungen im Text)

und durch Massenkräfte beim Drehen und Fahren. Abb. 14.10a: Das Oberteil 1 stützt sich oben über ein Axialpendellager 2 (Aufnahme von Fx , Fy ) und unten über am Umfang verteilte Laufräder 3 .Fx / an der fest mit dem Unterteil 4 verbundenen Säule 5 ab. Das Moment Mz überträgt ein Kräftepaar (Abstand h), dessen gleich große Horizontalkräfte durch 2 und 3 gestützt werden. In Abb. 14.10b sind die Einbaulage von Axialpendellager 2 und Laufräder 3 vertauscht. Die Säule 5 gehört hier zum drehenden Oberteil 1. Abb. 14.10c: Das Oberteil 1 stützt sich über Laufräder 2 .Fy / und über eine Kreisringschiene 3 auf das Unterteil 4. Horizontalkräfte Fx werden über ein Gleitlager 5 in den sog. Königzapfen 6 geleitet, der in das Unterteil 4 eingespannt ist. Das Moment Mz nimmt ein durch die Laufräder 2 gestütztes Kräftepaar auf. Abb. 14.11: Am häufigsten werden heute die (ein- bis dreireihigen) Kugel- und (zweibis dreireihigen) Rollendrehverbindungen eingesetzt. Einer der beiden Ringe dieser Großwälzlager (Laufbahndurchmesser DL bis 14 m) wird mit dem Oberteil 5, der andere mit dem Unterteil 6 verschraubt und dort am günstigsten durch Zylinderrohre 7 und 8 gleichmäßig gestützt. Steifigkeitssprünge in der Unterkonstruktion, z. B.

14.2.3.2 Drehwerkantrieb Abb. 14.12: Der Drehwerkantrieb ist i. Allg. auf dem Oberteil 6 befestigt. Er bewirkt dessen Verdrehung gegenüber dem Unterteil 8. Dabei wälzt das Drehwerkritzel 5 in einem mit dem Unterteil 8 fest verbundenen Zahnkranz 9. Die Drehzahl des Oberteils ist n D nMotor =.i1 .1  i2 //. Es ist i1 die Übersetzung des Drehwerkgetriebes 3, i2 ist die Standübersetzung zwischen Zahnkranz

Abb. 14.12 Drehwerk für schwere Krane. 1 Motor, 2 mechanische Bremse, 3 Getriebe, 4 Rollendrehverbindung, 5 Abtriebsritzel, 6 Kranoberteil, 7 Kegelspannhülse, 8 Kranunterteil, 9 Zahnkranz. (Krupp)

14 Grundlagen

325

Die Verbindung zwischen Ober- und Unterteil ist betriebssicher, wenn die Ringe des Großwälzlagers mit den Auflagekonstruktionen von Oberund Unterteil ordnungsgemäß verschraubt worden sind, die zulässigen Wälzkörperkräfte nicht überschritten werden [14] und die für das Drehen des Oberteils erforderlichen Antriebsmomente übertragen werden können. Momente am Drehwerkmotor. Das größte Motormoment MM max entsteht beim Drehbeschleunigen des Oberteils mit Ausleger und Last unter Gegenwind. Die um die Drehachse des Oberteils wirkenden Momentenanteile sind MD , MW , Ma . MD berücksichtigt die Reibungswiderstände in der Drehverbindung. Für einen Kran mit Wälzkörperdrehverbindung nach Abb. 14.11 ist überschlägig ˇ ˇ MD D ˇFy =2 C Mz =.0;75 DL /ˇ ˇ ˇ C ˇFy =2  Mz =.0;75 DL /ˇ  Abb. 14.13 Drehwerkantrieb für leichte Krane (LiebC jFz j DL =2 ; herr). 1 Motor, 2 Strömungskupplung, 3 elektrohydraulische Scheibenbremse, 4 dreistufiges Planetengetriebe, 5 Drehwerkritzel

9 und Drehwerkritzel 5, i2 D Cr2 =r1 . Um ein Ausschlagen der Drehwerkbefestigung in Oberteil 6 zu vermeiden, empfiehlt sich ein fester Sitz z. B. über eine Kegelspannhülse 7. Drehwerke werden meist von Kurzschlussläufermotoren getrieben und gebremst. Die mechanische Bremse wirkt nur als Haltebremse. Wenn das Bremsmoment kleiner ist als das durch Windkräfte bei Sturm erzeugte Moment, werden zur Vermeidung von Kollisionen, z. B. mit benachbarten Kranen oder Schiffsaufbauten, Oberteil 6 und Unterteil 8 in der Außerbetriebsstellung des Krans durch Bolzen verriegelt. Abb. 14.13: Drehwerke für leichte Krane können über eine zwischengeschaltete Strömungskupplung angetrieben werden. Bei Baukranen wird die mechanische Drehwerkbremse in der Außerbetriebstellung geöffnet, damit sich der Ausleger selbsttätig in den Wind stellen kann. Drehwerke von Autokranen werden hydraulisch getrieben und gebremst.

mit DL mittlerer Rollkreisdurchmesser (Laufbahndurchmesser), Rollreibungszahl ( D 0;003 bis 0,006), Fy Vertikal-, Fx Horizontalkraft. Mz ist das auf die Drehverbindung wirkende resultierende Moment, das durch ein Kräftepaar mit dem angenommenen Hebelarm 0;75 DL gestützt wird. Windkräfte: MW D MW entsteht durch  ˙ .Ari ri cfi / q  ˙ Alj ri cfi q. Es sind Arj und Alj die rechts und links der Drehachse (Abb. 14.14) liegenden Windwirkflächen der Bauteile des Oberteils, r die Abstände ihrer Flächenschwerpunkte zur Drehachse, cfi der zugehörige aerodynamische Kraftbeiwert nach DIN EN 1991-1-4 und q der Winddruck (s. Abschn. 14.2.2). Ma beschleunigt in der Zeit ta die um die Drehachse rotierenden Massen des Oberteils. Zur Berechnung von Ma gliedert man das mit der Winkelgeschwindigkeit ! drehende Oberteil in einzelne Massen mi , bestimmt deren Schwerpunktsabstände ri zur Drehachse und deren Massenträgheitsmomente J0i um den eigenen

14

326

T. Schmidt et al.

14.2.4

Abb. 14.14 Kräfte am Drehkran (schematisch) beim Drehen. 1 Unterteil, 2 Oberteil mit Ausleger, 3 Gegengewicht, 4 Laufkatze

 Schwerpunkt. Ma D ˙ mi ri2 C J0i !=ta . Bei geringer Ausdehnung der Massen mi in horizontaler Richtung kann J0i vernachlässigt werden (z. B. Gegengewicht). Unberücksichtigt bleiben auch die relativ kleinen rotierenden Massen des Antriebs. Beispiel

Für den Kran nach Abb. 14.14 ist Ma D  m2 r22 C J02 C m2 r22 C m3 r32 C m4 r42 !=ta . Das maximale Motormoment ist MM max D .MD C jMW j C Ma / =.i1  .1  i2 /  /. Es sind i1 die Übersetzung des Drehwerkgetriebes, i2 die Standübersetzung zwischen Zahnkranz und Drehwerkritzel (s. Beschreibung von Abb. 14.12). Der Gesamtwirkungsgrad von Zahnkranz=Ritzel und Getriebe ist   0;85. Das erforderliche Motornennmoment ist überschlägig MM erf  MM max =1;7. Mit der zugehörigen Motornennleistung PM nen und der Einschaltdauer ED (25 oder 40 %. Definition der ED, s. Abschn. 14.2.1) lässt sich die Motorgröße aus dem Motorkatalog ermitteln. Es muss sein: MMotor (ED)  MM nenn . Genauere Motordimensionierung (s. Abschn. 14.2.7) J Steht die Drehachse nicht vertikal (z. B. beim Schwimmkran) ist ein zusätzliches Moment zu überwinden, da das Drehwerk infolge der Schräglage seines Unterteils (schwimmender Ponton) Hubarbeit leisten muss. Näheres s. [1].

Einzieh- und Wippwerke

Einzieh- und Wippwerke – sie ähneln sich in ihrer konstruktiven Ausführung, Wippwerke arbeiten mit größeren Geschwindigkeiten – ändern den Neigungswinkel und damit die Ausladung von Auslegern. Wie Hubwerke werden sie vorrangig durch Gewichtskräfte belastet. Zur Wirkung der Hubmasse tritt i. Allg. die der Ausleger-Eigenmasse. Der Verstellung des Auslegers dienen Seil-, Zahnstangen-, Spindeltriebe oder Hydraulikantriebe. Um dabei die Hubarbeit so gering wie möglich zu halten, wird die Kinematik der Ausleger- und Hubseilführung so gestaltet, dass sich die Last beim Verändern der Ausladung auf einer möglichst horizontalen Bahn bewegt (Hubwegausgleich). Der Eigenmassenausgleich kompensiert weitgehend die Auslegermasse [15, 16]. Abb. 14.15a: Das Oberteil ist über eine Wälzkörperdrehverbindung 6 mit der Rohrsäule 8 des Unterteils verbunden. Der Ausleger 1 wird durch den Seilrollenzug 3 verstellt. Der annähernd horizontale Lastweg wird erreicht durch die Dreifacheinscherung des Hubseils 2 zwischen Ausleger 1 und Pylon 7 in Verbindung mit der besonderen Lagezuordnung der Seilrollen des Hubseilflaschenzugs. Abb. 14.15b: Bei dem sog. Doppellenkerwippkran laufen die Seile vom Hubwerk 6 über zwei Lenker 2 und 1 zum Lastaufnahmemittel. Durch die aufeinander abgestimmten Gliedlängen des Gelenkvierecks, gebildet aus dem Ausleger 1, Zuglenker 2, Drucklenker 3 und dem feststehenden Pylon 7, schneiden sich die Verlängerungen der Glieder 2 und 3 in jeder Lenkerstellung annähernd auf der Wirkungslinie der Last (Momentanpol P). Nur dann ergibt sich der gewünschte, annähernd horizontale Lastweg. Die Größe des beweglichen Ausgleichsgewichts 4 und die Kinematik seiner Ankopplung an den Drucklenker 3 sind so auf das Lenkersystem abgestimmt, dass in jeder Lenkerstellung ein annähernder Eigenmassenausgleich des Lenkersystems stattfindet. Dessen Verstellung geschieht entweder über ein Spindelgetriebe 5 (Wippwerk Abb. 14.16), über einen doppelt wirkenden Hydraulikzylinder oder bei großen Kranen über ein geschlossenes, vorgespanntes Seilzugsystem.

14 Grundlagen

Abb. 14.15 Wippdrehkrane (MAN). a Auslegerkran. 1 Ausleger, 2 Hubseil, 3 Auslegereinziehseil, 4 Gegengewicht, 5 Kranführerkanzel, 6 Wälzkörperdrehverbindung, 7 Pylon, 8 Unterteil; b Doppellenkerwippkran. 1 Aus-

327

leger, 2 Zuglenker, 3 Drucklenker, 4 Ausgleichsgewicht für Lenkersystem, 5 Auslegereinziehwerk (Wippwerk), 6 Hubwerk, 7 Pylon, 8 Gegengewicht, 9 Unterteil, 10 Axialpendellager

Umfangskraft durch Reibung auf ein biegsames Zugelement (Seil, Gurt). Bedingungen für die Kraft- bzw. Bewegungsübertragung sind: ausreichende Spannung des Zugelements, ausreichende Reibungszahl zwischen den Berührungsflächen, ausreichender Umschlingungswinkel. Für den Nachweis der Treibfähigkeit ist die Eytelwein’sche Gleichung (s. Bd. 2, Abschn. 13.2.1) heranzuziehen. Vorteile gegenüber dem formschlüssigen Antrieb sind ein stoßfreier, geräuscharmer Lauf, wodurch hohe Fördergeschwindigkeiten ermögAbb. 14.16 Wippwerk (Krupp). 1 Trapezgewindespin- licht werden. Nachteilig ist die Baugröße des del, 2 Mutter, 3 Getriebe, 4 Kupplung, 5 Bremstrommel, Antriebsorgans. Anwendungsgebiete sind z. B. 6 Antriebsmotor, 7 Wirbelstrombremse, 8 Anschlussbol- Seilaufzüge (s. Abschn. 18.2.2) mit Treibscheizen zum Kran, 9 Anschlussbolzen zum Auslegersystem, ben [1], Gurtförderer (s. Abschn. 19.2.2) und 10 Endschalter Becherwerke (s. Abschn. 19.2.3). Momente am Antriebsmotor. Die am bewegten Ausleger angreifenden Kräfte bzw. Momente sind Bestimmungsgrößen für die Bemessung. 14.2.6 Formschlüssige Antriebe Im Unterschied zu Hubwerken sind die am Antriebselement angreifenden äußeren Kräfte nicht Beim formschlüssigen Antrieb überträgt das Ankonstant, sondern ändern sich mit der Ausladung. triebsorgan (Kettenrad) die Umfangskraft durch Hinweise zur Dimensionierung s. Abschn. 14.2.7 Formschluss auf ein entsprechend gestaltetes Zugelement (Laschenkette). Bei der Auslegung und [1]. ist der sog. Polygoneffekt (s. Bd. 2, Abschn. 13.5, [1]) zu berücksichtigen. 14.2.5 Kraftschlüssige Antriebe Der Vorteil gegenüber dem kraftschlüssigen Antrieb ist die Größe des übertragbaren Moments Beim kraftschlüssigen Antrieb überträgt das An- bei gleicher Baugröße des Antriebsorgans. Die triebsorgan (Treibscheibe, Antriebstrommel) die schlechtere Laufqualität wegen des Polygonef-

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fektes lässt aber nur geringere Fördergeschwindigkeiten zu. Angewendet werden formschlüssige Antriebe z. B. in Gliederbandförderern (s. Abschn. 19.2.5), Kratzerförderern (s. Abschn. 19.2.6), Trogkettenförderern (s. Abschn. 19.2.7), Kreisförderern (s. Abschn. 19.2.4) und bei Raupenfahrwerken (s. Abschn. 14.2.2).

14.2.7 Antriebsmotoren und Steuerungen 14.2.7.1 Elektromotorische Antriebe Die Dreiphasenspannung der Drehstrommotoren für die meisten Fördermaschinen beträgt 400, 480 und 690 V nach DIN EN 60038 bei 50 Hz Netzfrequenz (in manchen Ländern 60 Hz). Direkteinspeisung in fahrende Geräte erfolgt durch Schleif- oder Schleppleitung. Geräte großer Leistung werden mit 3, 6, 10 oder 20 kV über Kabeltrommel und eigenen Transformator versorgt. Am häufigsten eingesetzte Elektromotoren arbeiten mit Nenndrehzahlen zwischen 600 und 1800 U=min, bei Leistungen kleiner ca. 20 kW auch mit bis zu 3000 U=min. Üblich sind selbstbelüftende Motoren in Schutzart IP 44 oder IP 54 nach DIN EN 60034-5. Empfehlenswert sind Kondenswasserlöcher. Bei Gefahr starker Kondenswasserbildung empfiehlt sich zusätzlich eine Stillstandsheizung. Bauformen sind IM B3, IM B5, IM B35 und IM V 1 nach DIN EN 60034-7 (s. Bd. 2, Abschn. 24.1.2). Bei länger im kleinen Drehzahlbereich arbeitenden, geregelten Motoren ist Fremdbelüftung erforderlich. In die Wicklung integrierte Temperaturfühler schützen Motoren gegen thermische Überlastung. Wirken Axial- oder Querkräfte z. B. durch Ritzel oder Riemenscheiben auf die Motorwelle, sind die Lager zu überprüfen. Motorgröße. Antriebsmotoren der Stetigförderer arbeiten im Dauerbetrieb nach DIN EN 60034-1. Sie werden nach der Leistung im Dauerbetrieb dimensioniert, die sich aus dem Lastmoment ergibt. Die Eignung für den Anlauf (Anlaufmoment, -zeit) ist zu prüfen.

T. Schmidt et al.

Antriebsmotoren der Unstetigförderer, z. B. Hebezeugmotoren, arbeiten im Aussetzbetrieb. Ihr Anlaufmoment ist 2- bis 3mal größer als das Nennmoment Mnen . Der Motor wird überschlägig nach der Volllastbeharrungsleistung und Einschaltdauer (für Hubwerke s. Abschn. 14.2.1, für Fahrwerke s. Abschn. 14.2.2, für Drehwerke s. Abschn. 14.2.3) ausgewählt. Bei Laständerungen innerhalb eines Spiels (z. B. Volllast, Teillast, ohne Last) kann, solange die Spielzeiten tS < 10 min sind, die Motorgröße genauer über das äquivalente Moment Meff bestimmt werden. Dazu werden die Motormomente Mi .i D 1; : : : ; n/ der n Bewegungsphasen eines Spiels ihren Wirkungsdauern ti wie folgt zugeordnet: s M12 t1 C M22 t2 C    C Mn2 tn ; Meff D tS  tsP mit tS Spielzeit, tsP stromlose Pausenzeit innerhalb tS . Meff würde bei gleicher Einschaltdauer ED (Definition s. Abschn. 14.2.1) den Motor gleich stark erwärmen, wie das Momentenkollektiv. Daher wird die Motorgröße aus dem Katalog mit Meff und der ermittelten Einschaltdauer ED bestimmt, wobei MM nen (ED)  Meff sein muss. Zur Motorauswahl nach Herstellerkatalog ist über die Winkelgeschwindigkeit die äquivalente Leistung Peff zu berechnen, sodass PM nen (ED)  Peff gilt. Anmerkung: Liegt die ermittelte Einschaltdauer zwischen zwei genormten Einschaltdauern (15; 25; 40; 60; 100 %), so kann aus der nächstliegenden genormten Einschaltdauer das für die Motorauswahl zugrunde zu legende äquivalente Moment MM eff zu MM eff D p Meff EDermittelt =EDgenormt bestimmt werden. Bei Kurzschlussläufermotoren ist die zulässige Schalthäufigkeit entsprechend den Herstellerunterlagen zu überprüfen. Energieverbrauch. Für die Auswahl des Motors bezüglich des Energieverbrauchs und des Wirkungsgrads ist die Klassifizierung nach DIN EN 60034-30-1 zu beachten. Hier werden für Drehstrommotoren mit Kurzschlussläufer die

14 Grundlagen

Wirkungsgradklassen IE1, IE2, IE3 und IE4 (Standard, Hoch, Premium und Super Premium) verbindlich festgelegt. Laut EU-Verordnung 2019/1781 dürfen ab Juli 2021 nur noch Motoren in Verkehr gebracht werden, deren Energieeffizienz im Leistungsbereich von 0,75 bis 1000 kW mindestens dem Effizienzniveau IE3 entspricht und im Leistungsbereich von 0,1 bis 0,75 kW mindestens dem Effizienzniveau IE2. Ab Juli 2023 müssen Motoren im Leistungsbereich 75 bis 200 kW mindestens dem Effizienzniveau IE4 entsprechen. Motorsteuerung. Triebwerke der Fördermaschinen sind schwingungsfähige Systeme. Die beim Anfahren und Bremsen auftretenden Belastungen liefern i. Allg. die max. Schnittlasten in den Maschinenbau- und Stahlbauelementen, von denen im Betriebsfestigkeitsnachweis auszugehen ist. Um zu kleinen Bauteilabmessungen zu kommen, sollen die elektrische Maschine, ihre Steuerung und Regelung auf den mechanischen Teil beanspruchungsgünstig abgestimmt werden. Die Motorsteuerung bietet Einsparpotenzial von Energie: Rückspeisung der Bremsenergie ins Netz oder in einen Akkumulator bzw. deren Nutzung durch intelligente Zwischenkreiskopplung, bei der die Bremsenergie des einen Antriebs von einem Partnerantrieb zum Treiben eingesetzt wird. Ungeregelte Antriebe. Für viele Einsatzfälle können preiswerte, dem Einsatzzweck angepasste Drehstromkurzschlussläufermotoren verwendet werden. Kurze Hochlaufzeiten sind anzustreben, da während des Anlaufs ca. die Hälfte der elektrischen Energie im Motor in Wärme gewandelt wird. Zur Reduzierung des Anlaufmoments (Anlaufstroms) ist der Hochlauf möglich mit Stromverdrängungsläufern, Stern/Dreieckschaltung, Polumschaltung, sog. Kusa-Widerständen im Ständerkreis (Kusa steht für Kurzschlussläufer-Sanft-Anlauf) und Drehstromstellern. Ungeregelte Hubwerkantriebe. Die einzelnen Betriebsphasen werden des besseren Verständnis-

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ses wegen am Beispiel des Drehstromschleifringläufermotors erläutert (Abb. 14.17a). Vorwiderstände im Läuferkreis ermöglichen bei konstantem Kippmoment eine Veränderung der Kennlinie. Der Hochlauf in Hubrichtung im I. Quadranten beginnt auf Kennlinie 1 bei Man (Stoß). Stufenweise werden durch Zeit- oder Frequenzrelais die Vorwiderstände Rv bei S1 , S2 usw. überbrückt. Nach dem Hochlauf arbeitet der Motor bei ca. 5 % Schlupf s.s D 1  n=n0 / auf seiner natürlichen Kennlinie 4 (Arbeitspunkt A1 , Rv D 0, Motormoment MM(H) D ML =). ML ist das Motormoment infolge der Hublast ohne Berücksichtigung des mechanischen Wirkungsgrads . Der Antrieb wird durch Netztrennung und Einschalten der mechanischen Bremse stillgesetzt. Beim Senken arbeitet der Motor im übersynchronen Bereich des IV. Quadranten, z. B. mit Kennlinie 6 (Arbeitspunkt A2 , MM(S) D ML ) als elektrische Bremse (Generatorbetrieb) mit Rückspeisung ins Netz (MM(S) D MM(H) 2 ). Stillsetzen des Antriebs erfolgt durch Kontern, d. h. kurzzeitige Netztrennung und Umschalten von A2 auf die in Hubrichtung wirkende Kennlinie 5. Das mit abnehmender Drehzahl sinkende motorische Bremsmoment ist dann MBR D MM  .ML /. Weitere Kennlinien zum Senken kleiner Lasten bei kleiner Geschwindigkeit sind möglich, wenn die Ständerwicklung mit Gleichstrom gespeist wird (Kennlinie 7, Arbeitspunkt A3, der Motor arbeitet dann als Wirbelstrombremse), oder wenn nur zwei der drei Wicklungen des Motors an nur zwei Phasen des Netzes geschaltet werden (untersynchrone Senkbremsung). Die im III. Quadranten beginnende Kennlinie 8 wird zum schnellen Beschleunigen kleiner Lasten in Senkrichtung benutzt. Sie ergibt sich aus der Kennlinie 6, bei einem großen Vorwiderstand im Läuferkreis. Der II. und III. Quadrant liefert bei Hubwerken keinen stabilen Arbeitspunkt. Alle Umschaltungen im Läuferkreis erzeugen Drehmomentensprünge an den Antriebselementen. Bei Schalthandlungen im Statorkreis (z. B. Anlauf, Kontern) entstehen zusätzliche Drehschwingungen im Bereich um 50 Hz.

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T. Schmidt et al.

Abb. 14.17 Elektromotorische Hubwerkantriebe (Siemens). a Drehstromschleifringläufermotor, im Vier-Quadrantenbetrieb, ungeregelt; b Gleichstromnebenschlussmotor, im I. und IV. Quadranten, geregelt; c Drehstromkurzschlussläufermotor, im I. und IV. Quadranten, mit Frequenzumrichter geregelt; Bezeichnungen: n Motordrehzahl, n0 Drehzahl bei MM D 0 .n0 

Leerlaufdrehzahl bei Nennfrequenz und Nennspannung), MM Motormoment, MKM Kippmoment im Motorbetrieb, MKG Kippmoment im Generatorbetrieb, ML Lastmoment, MBR Bremsmoment, Ua Läuferspannung (Ankerspannung), Us Ständerspannung, f Frequenz, Rv Läufervorwiderstand, ˚ magnetischer Fluss

Geregelte Hubwerkantriebe. Sie gewinnen zunehmend an Bedeutung, da sie ein sanftes Anfahren und Bremsen und eine stufenlose Geschwindigkeitseinstellung im Bereich zwischen der Ordinate und der Grenzkennlinie GKL 1 (Abb. 14.17b,c) bei Beharrung und GKL 2 bei Beschleunigung ermöglichen. Abb. 14.17b: Bei Gleichstromnebenschlussmotoren geschieht die Drehzahlregelung durch Veränderung der Läuferspannung Ua bei konstantem Erregerstrom (magnetischer Fluss ˚ const). Im Teillastbereich oberhalb n0 ist eine Drehzahlvergrößerung auf ca. 2nnen durch Verkleinerung des Erregerstroms möglich (Feldschwächung, ˚ ¤ const, Ua D Ua nen D const). Für GKL 1 und GKL 2 ist hier n ungefähr gleich. Senken im IV. Quadranten geschieht durch Richtungsänderung von Ua . Die elektrische Maschine arbeitet dann als Generator.

Abb. 14.17c: Die größte Bedeutung haben über Frequenzumrichter gespeiste Kurzschlussläufermotoren. Durch gleichzeitige Verstellung von Frequenz f und Ständerspannung US ist die stufenlose Wahl einer anderen Kennlinie möglich, d. h. die Drehzahl kann von Null bis zur Maximaldrehzahl verstellt werden. Auch im Stand kann der Motor ein Moment abgeben. Im Drehzahlbereich jn=n0j > 1 nähern sich mit steigender Drehzahl die Grenzlinien GLK 1 und GLK 2 sowohl beim Gleichstromnebenschlussmotor als auch beim Drehstromkurzschlussläufermotor (hier noch deutlicher). Die damit verbundene Verringerung der Regelreserve ist bei der Auswahl des Antriebs zu beachten. Bei längerem Betrieb im niedrigen Drehzahlbereich ist die thermische Belastung des Motor sehr groß; oft ist Fremdbelüftung erforderlich. Der Frequenzumrichter ist dafür großzügig zu dimensionieren.

14 Grundlagen

Fahr- und Drehwerkantriebe. Sie arbeiten mit ähnlichen Kennlinienfeldern wie die Hubwerke. Dabei gilt der I. Quadrant für Fahren bzw. Drehen nach rechts, der II. für das Bremsen aus dieser Bewegung, der III. für das Fahren bzw. Drehen nach links und der IV. entsprechend für das Bremsen. Werden mehrere Motoren in Fahrwerken durch die Rad/Schiene-Kopplung gezwungen, mit gleicher Drehzahl zu laufen und wird nicht jeder Motor einzeln geregelt, soll der Schlupf s bei Nennmoment mindestens 5 % betragen, da andernfalls zu flache (starre) Kennlinien wegen unvermeidbarer Fertigungsungenauigkeiten zu ungleicher Belastung der Motoren führen können.

14.2.7.2 Verbrennungsmotorische Antriebe Verbrennungsmotoren (s. Kap. 4) werden in der Fördertechnik als Energiewandler eingesetzt, wenn Aufgabe und Betriebsweise der Fördermaschine die Unabhängigkeit von der Energiezufuhr aus einem stationären Netz erfordern. Hauptanwendungsgebiete sind Fahrzeugkrane, Flurförderer und Bagger. Dieselhydraulische Antriebe werden in Mobil-, Auto- und Raupenkranen eingesetzt. Hydraulische Bauelemente und Antriebe (s. Bd. 2, Kap. 18 und Bd. 2, Kap. 19). Mit dieselektrischen Antrieben arbeiten Schwimm- und Schienendrehkrane (Eisenbahnkrane). Zusatzmaterial: http://eur-lex.europa.eu/ LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2009:191: 0026:0034:DE:PDF.

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Abb. 14.18 I-Profil. a Kraftflussgerechte Gestaltung; b mit Unterflanschbiegung

se sind u. a. eine kraftflussgerechte Gestaltung durch Vermeidung von exzentrischer Lasteinleitung und Querschnittssprüngen, ein symmetrischer Aufbau der Querschnitte zur Verringerung von Schweißverzügen, eine möglichst flächige Einleitung äußerer Lasten zur Reduzierung lokaler Beanspruchungen sowie die Ausführung des Querschnittes im Sinne einer gewichts- und kostenoptimierten Konstruktion. Neben gewalzten Hohlprofilen mit Rechteck- oder Zylinderquerschnitt kommen häufig I-Profile und geschweißte Kastenträger zum Einsatz, die sich durch gute Anschlussmöglichkeiten, hohe Belastbarkeit und geringe Eigenmassen auszeichnen.

14.3.1.1 I-Träger I-Träger sind als gewalzte und geschweißte Ausführung erhältlich, wobei Walzprofile bezüglich Kosten und Beanspruchbarkeit und Schweißprofile aufgrund ihrer einsatzspezifischen Gestaltungsmöglichkeiten Vorteile aufweisen. Bei der Verwendung von I-Profilen ist die kraftflussgerechte Ausführung der Verbindungen besonders zu beachten. So kann beispielsweise durch Einschweißen von Querblechen eine gleichmäßige Lastverteilung an der Verbindungsstelle erzielt werden (s. Abb. 14.18a). Im Kranbau werden I-Träger häufig direkt als Kranbahn für 14.3 Tragwerke Hängekatzen eingesetzt (Einträger-Brückenkrane, Schwenkkrane). In diesem Zusammenhang 14.3.1 Tragwerksgestaltung ist bei der Tragwerksauslegung die lokale Unterflanschbiegung zu berücksichtigen, die eine Im Bereich der fördertechnischen Anwendungen Biegebeanspruchung um eine Achse parallel zur sind Tragwerke in der Regel als geschweißte Trägerlängsachse hervorruft (s. Abb. 14.18b). Stahlbaukonstruktionen ausgeführt. Ihre Gestaltung unterliegt neben den konstruktiven Rahmen- 14.3.1.2 Kastenprofile bedingungen des eigentlichen Verwendungszwe- Abb. 14.19a zeigt schematisch den Aufbau eines ckes weiteren Kriterien, die auf eine beanspru- Kastenträgers. Die zentralen profilkennzeichnenchungsgerechte Auslegung abzielen [17]. Die- den Elemente sind die beiden parallel verlaufen-

14

332

Abb. 14.19 a Kastenträgeraufbau; b beanspruchungsgerechte Gestaltung. 1 Gurtbleche, 2 Stegbleche, 3 Schottbleche, 4 Beulsteifen, 5 Kranschiene, 6 T-Profil

den Gurtbleche 1 und die dazu senkrecht angeordneten, zueinander parallelen Stegbleche 2. Schottbleche 3 und Beulsteifen 4 dienen zur Erhaltung des Querschnitts unter Lasteinwirkung. Aufgrund hoher 2-achsiger Biegebeanspruchbarkeit bei gleichzeitiger Torsionsbeanspruchbarkeit finden Kastenträger ihre Hauptanwendung im Bereich des Brücken- und Kranbaus. Auch bei dieser Trägerform ist der Einsatz von Unterflanschkatzen möglich, wobei sich eine zum I-Träger vergleichbare Problematik der Unterflanschbiegung einstellt. Darüber hinaus kommen Kastenträger häufig bei Zweiträgerbrücken- und Portalkranen mit oben laufender Katze zum Einsatz. In der Regel ist die Kranschiene 5 oberhalb eines der Stegbleche montiert, wodurch die Radlast neben einer globalen Biegung aufgrund der Exzentrizität zusätzliche Beanspruchungen im Träger verursacht. Einerseits sind hier die durch Querkraft und Torsionsmoment verursachten Schubspannungen zu nennen, die bei geringer Blechdicke einen dominierenden Einfluss auf die Gesamtbeanspruchungen gewinnen. Andererseits ergeben sich auf die beiden Stegbleche ungleichmäßig verteilte Lasten, woraus eine deutlich verminderte Beanspruchbarkeit des Trägers resultiert, da nur ein Teil des Querschnitts als tragend anzunehmen ist. Um dem entgegen zu wirken, kommen so genannte Schottbleche 3 zum Einsatz, die in bestimmten Abständen zur Entlastung und zur Erhaltung des Querschnitts in den Träger eingeschweißt werden. Mit Hilfe dieser hauptsächlich auf Schub beanspruchten Querbleche erfolgt eine Lastverteilung auf beide Stegbleche. Findet die Lasteinleitung zwischen diesen Ble-

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chen statt, kommt es neben der globalen Biegung des Trägers aufgrund des in diesem Bereich geringeren wirksamen Widerstandsmomentes zur so genannten Sekundärbiegung, die bei mittiger Belastung zwischen zwei Schottblechen maximal wird. Zur Erhöhung der elastischen Stabilität des Trägers können zudem Beulsteifen 4 eingesetzt werden. Diese sollten kontinuierlich über die gesamte Trägerlänge verschweißt sein. Alternativ kommen funktionsbedingt auch ovale oder halbovale Profile zur Anwendung, die in den druckbeanspruchten Zonen des Trägers durch ihre Form einem Beulen der Struktur entgegenwirken (z. B. Mobilkrane, s. Abschn. 15.3.4 Abb. 15.28). Im Gegensatz zu gewalzten Profilen ist bei Kastenträgern der herabgesetzten Beanspruchbarkeit im Bereich der Schweißnähte Rechnung zu tragen. Dies kann beispielsweise durch konstruktive Maßnahmen wie die Positionierung der Schweißnähte außerhalb hoch beanspruchter Zonen, bspw. durch Einsatz gewalzter T-Profile 6 (s. Abb. 14.19b), geschehen.

14.3.2

Grundlagen der Tragwerksberechnung

Die Methodik zur Berechnung von Tragwerken ist prinzipiell vergleichbar mit Festigkeitsnachweisen aus anderen Bereichen des Maschinenbaus sowie des Stahlhochbaus und zielt darauf ab, eine vorhandene und eine zulässige Bauteilbeanspruchung zu ermitteln und diese miteinander zu vergleichen, schematisch dargestellt in Abb. 14.20. Im Gegensatz zu Regelwerken anderer Anwendungsbereiche des Maschinenbaus, die häufig nur Teilaspekte eines Nachweises abbilden, stellen Normen und Richtlinien auf dem Gebiet der Tragwerksauslegung in der Regel ein ganzheitliches geschlossenes Konzept zur Verfügung und sind damit ähnlich wie im Stahlhochbau aufgebaut. Der Fokus liegt dabei zum einen auf der Seite der anzusetzenden Lasten und zum anderen auf der Seite der Berücksichtigung und Quantifizierung zulässiger Grenz- bzw. Versagenszustände. Prinzipiell ist die Vorgehensweise zur Durchführung von Festigkeitsnachweisen im Rahmen der verschiedenen Regelwerke vergleichbar. Mit Hilfe von Lastmodellen werden

14 Grundlagen

333

Abb. 14.20 Methodik von Festigkeitsnachweisen mit globalem Sicherheitsbeiwert (oberer Bereich) und mit Teilsicherheitsbeiwerten (unterer Bereich)

die rechnerischen Lasten ermittelt. Im Anschluss erfolgt das Zusammenfassen zeitgleich auftretender Lasten zu „Lastkombinationen“ und eine Überführung in die für den jeweiligen Nachweis anzusetzenden Bemessungsgrößen. Anhand von Beanspruchungsmodellen werden dann für jedes entscheidende Konstruktionsdetail die aufgrund der verschiedenen Lastkombinationen vorhandenen inneren Beanspruchungen bestimmt und letztendlich mit den entsprechenden zulässigen Bemessungsgrößen verglichen. Prinzipiell sind zwei Sicherheitskonzepte zu unterscheiden.

14.3.2.1 Sicherheitskonzepte

auch bei nichtlinearen Beanspruchungsmodellen ein transparentes und andererseits prinzipiell ein wesentlich differenzierteres Sicherheitsniveau zu schaffen. Die Größe der Teilsicherheitsbeiwerte ist u. a. abhängig von der Genauigkeit der Lastmodelle und der Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Belastung. Streuungen in den Materialkennwerten werden durch eine Verminderung der Beanspruchbarkeit bzw. des entsprechenden Grenzzustandes abgedeckt (s. Abb. 14.20).

14.3.2.2 Nachweisführung Lastermittlung. Im Rahmen der Nachweise müssen sämtliche relevante auf das Tragwerk wirkende reale Belastungen zunächst identifiziert und anschließend mit Hilfe von Lastmodellen als rechnerische Lasten quantifiziert werden. Die Normen und Regelwerke geben Auskunft darüber, um welche Lasten es sich handelt und welche Lastmodelle herangezogen werden können (s. Abschn. 14.3.3).

Methode der zulässigen Spannungen. In älteren Normen und Regelwerken (z. B. DIN 15018, DIN 15350, FEM-Regeln) weit verbreitet ist die „Methode der zulässigen Spannungen“. Hierbei wird die Beanspruchbarkeit eines Konstruktionsdetails um einen globalen Sicherheitsbeiwert vermindert, der u. a. sowohl Streuungen in den Materialkennwerten als auch Ungenauigkeiten bei der Last- und Beanspruchungsermittlung sowie Wartungsmöglichkeiten und Gefährdungspoten- Beanspruchungsermittlung. Die Überführung tial bei Bauteilversagen berücksichtigt. der äußeren Lasten in innere Beanspruchungen des Tragwerks mit Hilfe von geeigneten BeanMethode der Grenzzustände mit Teilsicher- spruchungsmodellen liegt in der Regel in der Verheitsbeiwerten. In aktuellen Regelwerken (z. B. antwortung des Anwenders des jeweiligen RegelDIN 22261, so genannter Eurocode: EN 1991 werkes. Da die normativ gegebenen Beansprubzw. EN 1993 [18], EN 13001, ISO 20332) hat chungsgrenzen oft auf dem Nennspannungskonsich immer mehr die „Methode der Grenzzustän- zept basieren, bietet es sich in solchen Fällen an, de mit Teilsicherheitsbeiwerten“ durchgesetzt, bei das Tragwerk in ein stabstatisches Ersatzmodell der im Gegensatz zur „Methode der zulässigen zu überführen, sofern die Tragwerksstruktur dies Spannungen“ bereits die rechnerischen Lasten mit zulässt. In den Bereichen, die einen hinreichenindividuellen Sicherheitsbeiwerten, den so ge- den Abstand von Lasteinleitungsstellen aufweinannten „Teilsicherheitsbeiwerten“ überhöht wer- sen, sind die vorhandenen Spannungen mit guter den. Auf diese Weise ist es einerseits möglich, Genauigkeit anhand der Schnittgrößen und der

14

334

Querschnittsgeometrie zu ermitteln. Zur Bestimmung der Schnittgrößen selbst bietet sich aufgrund der häufig vorhandenen Überbestimmtheit der Tragwerke der Einsatz von rechnergestützten Stabstatikprogrammen [19] an. Vor allem beim Einsatz von Trägern mit dünnwandigen Querschnitten (z. B. Kastenträger, s. Abschn. 14.3.1) können neben Normalspannungen auch Schubspannungen signifikanter Größe auftreten, die im Rahmen der Nachweise ebenfalls zu berücksichtigen sind. Beanspruchungsüberhöhungen durch Kerben, Schweißnähte oder weitere geometrische Einflüsse sowie durch lokale Lasteinleitung in Bereichen von Stößen, Flanschen oder durch Radlasten (Sekundär- und Flanschbiegung, s. Abschn. 14.3.1) sind gesondert zu betrachten. In diesem Zusammenhang geben viele Normen für bestimmte tragwerkstypische Fälle eine reduzierte Beanspruchbarkeit oder auch Modelle zur Bestimmung der Beanspruchungen für konkrete Konstruktionsdetails unter spezifischen Belastungszuständen an. Neben der Beanspruchungsermittlung im Sinne von Nennspannungen sind viele aktuelle Normen auch offen gegenüber anderen Methoden, beispielsweise der Einbeziehung örtlicher, mit Hilfe von Finite-Elemente-Berechnungen ermittelter Spannungen, wobei in solchen Fällen die Wahl geeigneter Grenzzustände zu beachten ist. Grenz- bzw. Versagenszustände. Auf der Seite der Beanspruchbarkeit sind prinzipiell die „Grenzzustände der Tragfähigkeit“ und die „Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit“ zu unterscheiden. Hinsichtlich der Tragfähigkeit sehen die aktuellen Regelwerke einerseits Beanspruchungsgrenzen gegenüber einer maximal auftretenden Belastung vor, andererseits ist ein Grenzwert gegenüber zyklisch auftretender Beanspruchung nicht zu überschreiten. Über die zuvor aufgeführten Grenzzustände hinaus werden in einigen Regelwerken auch verschiedene „Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit“ genannt, die jedoch individuell abhängig vom konkreten Einsatz des Tragwerks sind und daher nicht allgemein angegeben werden können (s. Abschn. 14.3.4).

T. Schmidt et al.

14.3.3 Lasten und Lastkombinationen Für die Anwendung der vorgestellten Nachweismethoden ist eine Differenzierung zwischen einzelnen Lasten (Einzellasten) und Kombinationen von Einzellasten (Lastkombinationen) sowie zwischen Teilsicherheitsbeiwerten und Dynamikfaktoren erforderlich [20]. Einzellasten. Relevante Belastungen und deren Quantifizierung sind ebenso wie die Bestimmung der zulässigen Spannungen bzw. Grenzzustände in Normen vorgegeben. Die realen äußeren Belastungen werden anhand von Lastmodellen in rechnerische Einzellasten überführt. Die Lastmodelle reichen von einfachen physikalischen Zusammenhängen bis zu empirisch basierten Ansätzen. Exemplarisch seien an dieser Stelle Gewichtskräfte, die durch Wiegen oder Berechnung relativ einfach zu bestimmen sind und Windlasten, die anhand komplexer Berechnungsmodelle zu ermitteln sind und u. a. Geometrie und Anströmrichtung des Tragwerks berücksichtigen, genannt. Die Ermittlung der Lasten und der Beanspruchbarkeit ist innerhalb einer Norm aufeinander abgestimmt und bildet eine Einheit. Eine abweichende Art der Lastermittlung würde ggf. auch andere zulässige Spannungen bzw. Grenzzustände erfordern und umgekehrt. In der Regel werden Einzellasten unterschieden in regelmäßige Lasten (Hauptlasten): dauernd im Betrieb auftretende Lasten, z. B. Eigengewicht, Fördergut/Hublast, Massenkräfte aus Beschleunigungen, nicht regelmäßige Lasten (Zusatzlasten): nur zeitweise im oder außer Betrieb auftretende Lasten, z. B. Wind-, Schnee- und Eislasten, außergewöhnliche Lasten (Sonderlasten bzw. Grenzlasten): nicht erwartungsgemäß, sondern nur in Ausnahmefällen im oder außer Betrieb auftretende Lasten, z. B. Überlast aus Prüflast, Erdbeben. Da im realen Betrieb mehrere Einzellasten gleichzeitig auftreten, ist die Nachweisführung für Einzellasten nicht ausreichend.

14 Grundlagen

335

Lastkombinationen. Das gleichzeitige Auftreten aller ungünstigsten Einzellasten im Gebrauch ist nahezu unmöglich und würde als Grundlage der Nachweisführung zu überdimensionierten und teuren Konstruktionen führen. Normen geben deshalb realistische Kombinationen von Einzellasten vor, für die jeweils die Nachweise (s. Abschn. 14.3.4) zu führen sind. Die nachzuweisenden Lastkombinationen (auch „Lastfälle“) bestehen

ter die Einzellast auftritt und je größer die Abweichung und deren Konsequenz sein können, desto höher ist in der Regel der Teilsicherheitsbeiwert gewählt. Zudem sind die Teilsicherheitsbeiwerte für häufiger auftretende Lastkombinationen in der Regel größer. Partiell werden Teilsicherheitsbeiwerte kleiner als 1 verwendet, wenn eine kleinere Last eine Beanspruchungserhöhung verursacht (z. B. Gegengewicht).

nur aus regelmäßigen Lasten, aus regelmäßigen und nicht regelmäßigen Lasten oder aus regelmäßigen und außergewöhnlichen Lasten (ggf. auch mit nicht regelmäßigen Lasten).

Dynamikfaktoren. Dynamikfaktoren (auch „Schwingbeiwerte“ genannt) werden wie die Teilsicherheitsbeiwerte auf die Lasten aufgeschlagen, unterscheiden sich von diesen aber grundlegend. Trieb- und Tragwerk bilden mit ihren gekoppelten Nachgiebigkeiten und Trägheiten ein schwingfähiges System. Daraus resultieren als Effekte bei periodischer Anregung Vibrationen und bei stoßartiger Anregung ein Überschwingen (Anfahr-/Abbremsvorgänge, Anheben/Abwerfen von Lasten, etc.) und somit eine Beanspruchungserhöhung. Dynamikfaktoren berücksichtigen den aufgrund von Schwingungen real auftretenden dynamischen Effekt der Beanspruchungsüberhöhung, indem die statische Last mit ihrem Dynamikfaktor multipliziert wird. Sie beinhalten jedoch keine zusätzliche Sicherheit. Abb. 14.21 zeigt qualitativ den BeanspruchungsZeitverlauf eines einmalig erregten Systems und die Definition eines Dynamikfaktors. Dynamikfaktoren bilden unabhängig vom jeweiligen Nachweiskonzept einen pragmatischen Ansatz, das Überschwingen bei Lasten, die mit starrkörperkinetischen und quasi-statischen Rechnungen bestimmt wurden, zu berücksichtigen und auf Messungen oder elastokinetische

Tab. 14.3 zeigt als Beispiel einen Auszug aus den Lastkombinationen der EN 13001 mit den Dynamikfaktoren i und den für den Nachweis der statischen Festigkeit erforderlichen Teilsicherheitsbeiwerten p . Für alle Lastkombinationen ist ein statischer Nachweis gegen Fließen bzw. Bruch erforderlich, für regelmäßig auftretende Lastkombinationen i. d. R. zusätzlich ein Betriebsfestigkeitsnachweis gegen Ermüdung (Details zu den Nachweisen und weitere Nachweise in Abschn. 14.3.4). Bei Tragwerken mit beweglichen Teilen sind für alle Lastkombinationen die jeweils ungünstigsten Stellungen nachzuweisen.

Teilsicherheitsbeiwerte/Sicherheitsbeiwerte. In älteren und teilweise noch gültigen Normen werden statt der Teilsicherheitsbeiwerte globale Sicherheiten für die Lastkombinationen verwendet, die die Beanspruchbarkeit (meist Werkstoffkennwert, wie z. B. Fließgrenze) pauschal herabsetzen (s. Abschn. 14.3.2). In aktuellen Normen werden abhängig vom nachzuweisenden Grenzzustand Teilsicherheitsbeiwerte verwendet. Je nach Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Lastkombinationen und eventueller Abweichungen werden die Einzellasten jeweils mit einem Teilsicherheitsbeiwert beaufschlagt, der eine Sicherheit gegen Versagen (s. Nachweise in Abschn. 14.3.4) darstellt. Je öf- Abb. 14.21 Veranschaulichung eines Dynamikfaktors 

14

Fallbeschleunigung und Stoßwirkungen

– – – – – – – – – –

– – – – – – – – – – –

5 – 1 –

5 – 1 –

Lastkombinationen A Faktor p A1 A2 0,95–1,22  1  1 1,34 2 3 1,22 – –

Masse des Krans Masse der Hublast Fahren über Unebenheiten Beschleunigungsohne Hubbewegungen 1,34 wirkung aus Antrieben mit Hubbewegungen Weggrößen 0,09–1,10 Nicht Wetterbedingte Lasten aus Wind in – regelEinflüsse Betrieb mäßige Schnee- und Eislasten – Lasten Lasten aus Wärmeein- – wirkungen Schräglauf – AußerLasten aus Wind außer Betrieb – gewöhn- Prüflasten – liche Pufferstoß – Lasten Kippkräfte – Antriebskräfte durch Not-Halt – Antriebskräfte durch Triebwerksversagen – Externe Schwingungsanregung des Krantrag– werks Widerstandsbeiwert m 1,1

Regelmäßige Lasten

Lastkate- Einzellasten f i gorien

Tab. 14.3 Auszug aus den Lastkombinationen der EN 13001

– – – – – – – –

– –

– 5 1 –

A3 1 1 –

– – – – – – – –

– –

5 – 1 –

A4 – – 4

1,1

1,16 – – – – – – –

1,22 1,16

–

– – – – – – – –

1 1

5 – 0,95–1,05 1 1,22 1 1,22

– – – – – – – –

1 1

5 – 1 1

Lastkombinationen B Faktor p B1 B2 0,97–1,16  1  1 1,22 2 3 1,16 – –

– – – – – – – –

1 1

– 5 1 1

B3 1 1 –

– – – – – – – –

1 1

5 – 1 1

B4 – – 4

1 – – – – – – –

1 1

– – 1 1

B5 – – 4

1,1

– 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1

1,1 1,05

1,0 1,16

1,1

–

– – – – – – – –

– –

– – 1 –

– 1 – – – – – –

1 1

– – 1 –

Lastkombinationen C Faktor p C1 C2 1,00–1,10  1 1 1,1  2C W – – –

– – 6 – – – – –

– –

5 – 1 1

C3 1 – –

– – – 7 – – – –

– –

– – 1 –

C4 1 1 –

– – – – 1 – – –

– –

– – 1 –

C5 1 1 –

– – – – – 5 – –

– –

– – 1 –

C6 1 1 –

– – – – – – – –

– –

– – 1 –

C7 1 L –

– – – – – – – –

– –

– – 1 –

C8 1 9 –

– – – – – – 5 –

– –

– – 1 –

C9 1 1 –

– – – – – – – 1

– –

– – 1 –

C10 1 1 –

– – – – 1 – – –

– –

– – 1 1

C11 1 – –

336 T. Schmidt et al.

14 Grundlagen

Simulationen verzichten zu können. Sie werden in Normen unabhängig vom zugrunde liegenden Nachweiskonzept verwendet. Die Bestimmung der Dynamikfaktoren reicht von einer einfachen Auswahl aus einer Tabelle über überschlägige Formeln bis hin zu Mehrmassenschwingermodellen und Messungen am realen System. Neuere Normen sehen oft mehrere Möglichkeiten vor, sodass zur schnellen Rechnung mit wenig Aufwand ein Dynamikfaktor auf der sicheren Seite gewählt oder, falls erforderlich, eine aufwändigere und genauere Bestimmung des Dynamikfaktors vorgenommen werden kann.

14.3.4 Zu führende Einzelnachweise Ziel der durchzuführenden Nachweise der Tragwerke ist der Beleg, dass Versagens- bzw. Grenzzustände, die entweder eine entsprechende Gefährdung nach sich ziehen oder die Gebrauchstauglichkeit des Tragwerkes einschränken, nicht auftreten. Während die Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit, wie hohe Verformungen oder niedrige Eigenfrequenzen, meist nur einsatzspezifisch festzulegen sind, lassen sich die gefährdungsrelevanten Grenzzustände unabhängig vom genauen Einsatz des Tragwerks im Wesentlichen durch die Zustände Fließen, Ermüdung, elastische Instabilität, sowie Starrkörperinstabilität benennen. Für diese Zustände sind in den Tragwerksnormen der Fördertechnik (z. B. DIN 15018, DIN 15350, DIN 22261, EN 13001, ISO 20332) sowie in den Normen des allgemeinen Stahlbaus (z. B. so genannter Eurocode: EN 1991 bzw. EN 1993) Nachweise formuliert [20]. Daneben gibt es die in Sonderfällen zu berücksichtigenden Grenz- und Versagenszustände wie Temperatur oder Korrosion. Fließen. Der Nachweis für den Grenzzustand Fließen, häufig als allgemeiner Spannungsnachweis bezeichnet, ist für jedes Tragwerk zu führen. Im Gegensatz zum allgemeinen Stahlbau (z. B. so genannter Eurocode: EN 1991 bzw. EN 1993) lassen dabei die Richtlinien und Normen in der Fördertechnik in der Regel nur das so genannte Verfahren elastisch-elastisch zu. Hiernach ist

337

bereits das Auftreten eines Spannungszustandes oberhalb der um eine entsprechende Sicherheit (s. Abschn. 14.3.2) verminderten Fließgrenze des Werkstoffes an einem Querschnittspunkt unzulässig. Damit werden plastische Reserven des Werkstoffs bzw. des Tragwerks insbesondere für den Fall einer überwiegend ruhenden Beanspruchung nicht ausgenutzt. Aufgrund des in der Regel verwendeten Nennspannungskonzeptes muss der im Nachweis angesetzte Grenzzustand auch kerbwirkungsbedingte Spannungsüberhöhungen berücksichtigen. Diese liegen insbesondere für Schweißverbindungen vor und werden je nach Stoßgeometrie und Schweißnahtform sowie -güte in den betreffenden Normen entweder als Verminderungsfaktoren oder direkt als verminderter Grenzzustand angegeben. Außerdem enthalten einige Normen konstruktive Hinweise bzw. Restriktionen, welche die Gültigkeit der angegebenen Grenzzustände betreffen, z. B. für Bohrungsabstände bei Schraubstößen, für die Spannungsberechnung in Lasteinleitungszonen sowie für Schweißnahtdicken. Um die Nachweisführung zu erleichtern, werden für Schrauben- oder Bolzenverbindungen als Grenzwert bereits abmessungsabhängige Schnittgrößen angegeben, welche dem zunächst auf Spannungsebene gegebenen Grenzzustand entsprechen. Zusätzlich zum Grenzzustand Fließen ist zur Sicherstellung eines zähen Versagens eine gewisse Mindestzähigkeit (z. B. Kerbschlagbiegearbeit), beispielsweise abhängig von der Einsatztemperatur, der Wandstärke, der Spannungskonzentration sowie der Fließgrenze, erforderlich (z. B. EN 13001, ISO 20332, so genannter Eurocode: EN 1991 bzw. EN 1993). Ermüdung. Der Nachweis für den Grenzzustand Ermüdung, häufig auch als Betriebsfestigkeitsnachweis bezeichnet, ist immer dann zu führen, wenn das Tragwerk nicht nur überwiegend ruhend beansprucht wird. Die Ermüdung ist dabei die z. B. nach Palmgren/Miner kumulierte Schädigung der einzelnen Spannungsspiele, welche den mit einer entsprechenden Sicherheit (s. Abschn. 14.3.2) verminderten Grenzwert,

14

338

umgerechnet auf eine zulässige Amplitude bzw. Oberspannung, für ein Ermüdungsversagen nicht überschreiten darf. Wesentliche Einflussgrößen für diesen Grenzwert sind neben der Anzahl der Spannungsspiele deren Amplituden. Der quantitative Zusammenhang hinsichtlich der Schädigung eines Spiels ist die so genannte Wöhlerlinie, die aufgrund des überwiegend eingesetzten Nennspannungskonzeptes als Bauteilwöhlerlinie formuliert ist. Diese berücksichtigt den jeweiligen Kerbfall, der u. a. von der lokalen Geometrie, dem Werkstoff und ggf. der Verbindungsart beeinflusst ist. Dabei ist insbesondere in den aktuellen Normen (EN 13001, ISO 20332) eine sehr feine Stufung der Kerbfälle vorgesehen, um so beispielsweise die vorliegende Stoßgeometrie, Schweißnahtform und -güte detailliert berücksichtigen zu können. Die Ermittlung der als Beanspruchungskollektiv bezeichneten Häufigkeitsverteilung der Amplitudenhöhe kann in Sonderfällen rechnerisch infolge einer Simulation erfolgen, meist werden allerdings so genannte Einstufungen in genormte Kollektive aufgrund von Erfahrungswerten mit vergleichbaren fördertechnischen Geräten und Einsatzfällen (DIN 15018: Beanspruchungsgruppen B1–B6; EN 13001: S-Klassen S02, S01, S0–S9) vorgenommen. Grundlage bildet dabei die Kollektivform und die Spielzahl. Während in der alten DIN 15018 die Beanspruchungsgruppeneinstufung durch relativ grobe Zuordnung der Spielzahlen und der Kollektivform in jeweils vier Stufen manuell erfolgt, realisiert die aktuelle EN 13001 diese Einstufung über einen so genannten Spannungsverlaufsparameter s. Dieser erfasst die tatsächliche Schädigungswirkung eines vorzugebenden Kollektivs und kann damit detailliert errechnete, simulierte oder gemessene Spannungskollektive exakt erfassen. Die Klasse S02 bedeutet dabei eine sehr geringe Schädigung (geringe Spielzahlen, geringe Kollektivvölligkeit), die Klasse S9 hingegen eine hohe Schädigung (sehr hohe Spielzahlen, hohe Kollektivvölligkeit). Der Spannungsverlaufsparameter kann dabei als auf die maximale Amplitude bezogene Relativschädigung interpretiert werden. Diese Relativschädigung wird anschließend für den konkreten Einsatzfall über die vorliegende maximal rechnerisch regelmäßig auftretende

T. Schmidt et al.

Spannungsamplitude (s. Abschn. 14.3.3) skaliert und erlaubt die Bestimmung des Grenzwertes unter Zuhilfenahme der betreffenden Bauteilwöhlerlinie bzw. des Kerbfalles. In einigen Normen wird zusätzlich auch der Einfluss des Mittelspannungsniveaus (DIN 15018) zur Ermittlung des Grenzwertes berücksichtigt. Elastische Instabilität. Der Nachweis für den Grenzzustand elastische Instabilität, häufig auch als Stabilitätsnachweis bezeichnet, ist für jedes Tragwerk zu führen. Insbesondere Druckstäbe (Grenzzustand Knicken), druckbeaufschlagte dünne Platten/Scheiben (Grenzzustand Beulen) können elastisch instabil werden. Da die Grenzzustände nur über mechanische Modelle höherer Ordnung bestimmbar sind, geben die betreffenden Normen eine pragmatische Vorgehensweise zur vereinfachten Ermittlung an (z. B. EN 13001, ISO 20332). Starrkörperinstabilität. Der auch als Lagesicherheits- sowie Standsicherheitsnachweis bezeichnete Nachweis hinsichtlich des Grenzzustandes Starrkörperinstabilität ist immer dann zu führen (z. B. DIN 15019, EN 13001), wenn das übergeordnete fördertechnische Gerät des Tragwerks als Starrkörper kippen kann. Dabei ist für die in den betreffenden Normen spezifizierten relevanten Lastkombinationen (s. Abschn. 14.3.3) für die so genannten Kippkanten sicherzustellen, dass das resultierende Kippmoment positiv bleibt. Umkippend wirkende Momente sind dabei negativ zu zählen. Je nach Ausführung des Tragwerkes kann hierbei die Berücksichtigung der lastbedingten Verformung (Theorie 2. Ordnung) bei der Bildung des Gleichgewichtes notwendig sein.

14.4 Charakteristische Maschinenelemente der Fördertechnik 14.4.1

Ketten und Kettentriebe

Ketten bestehen aus einer Vielzahl kurzer miteinander verbundener Glieder. Wegen ihrer Vorteile wie: gute Beweglichkeit, Unempfindlichkeit

14 Grundlagen

339

Abb. 14.23 Gallkette als Hubkette

Abb. 14.22 Kettenräder. a Taschenrad; b Kettenrad, hier mit auswechselbarem zweiteiligen Zahnkranz. Normen und Richtlinien: DIN 764, 766 Rundstahlketten für Hebezeuge; DIN 5684 Rundstahlkette, DIN 5687-1 und DIN EN 818-2 Rundstahlketten, DIN 5688-1 und DIN EN 8184 und DIN EN 1677-4 und DIN 5688-3 Anschlagketten

gegenüber Verschleiß und Korrosion, einfacher Ersatz einzelner Kettenglieder bei Beschädigung und der Möglichkeit, mit ihnen kleine Antriebsräder und Umlenkrollen verwenden zu können (gedrängte Bauweise von Kettentrieben), werden Ketten in vielfältiger Weise eingesetzt. Hinsichtlich des Einsatzes unterscheidet man: Lastketten (z. B. in Kettenzügen), Förderketten (z. B. in Stetigförderern) und Treibketten (z. B. in Fahrzeugen), s. Abb. 14.23. Die Nachteile der Kette gegenüber dem Seil liegen im höheren Gewicht, der kleineren Elastizität, der größeren Empfindlichkeit gegenüber Überlastungen und dem Fehlen von erkennbaren Anzeichen, die einem Bruch vorhergehen. Nach der konstruktiven Form der Kettenglieder werden unterschieden:

sehr kleine Abmessungen verwirklicht werden können. Nicht lehrenhaltige Rundstahlketten können nicht über ein Kettenrad geführt werden. Sie dienen aber u. a. als geprüfte Ketten zum Anschlagen von Lasten an den Tragmitteln z. B. von Hebezeugen (Anschlagketten). Bei den Stahlgelenkketten werden die Kettenglieder meist aus Laschen und Bolzen gebildet (s. Abb. 14.24a). Dadurch sind diese Ketten i. Allg. nur in einer Ebene beweglich. Als Lastketten werden sie in der Form einer Gallkette für kleine Geschwindigkeiten bis 0;5 m=s eingesetzt. Bevorzugt dienen Stahlgelenkketten als Förderketten. Die bei ihnen übliche größere Länge der Kettenglieder verringert die Zahl der notwendigen Glieder, die auftretende Reibung und die Menge der dem Verschleiß unterworfenen Gelenke und damit auch das Gewicht der Kette. Die manchmal notwendige räumliche Führung der

14

Rundstahlketten und Stahlgelenkketten. Die Kettenglieder von Rundstahlketten werden aus Rundstahl gebogen und dessen Enden durch Abbrenn- oder Press-Stumpfschweißung verbunden. Die Ketten werden in verschiedenen Güteklassen mit unterschiedlichen Bruchspannungen und -dehnungen hergestellt. So eignet sich z. B. die lehrenhaltige geprüfte Rundstahlkette der Güteklasse 8 (DIN 5684) besonders für motorisch angetriebene Hebezeuge, weil mit ihr

Abb. 14.24 Stahlgelenkketten – unterschiedliche Ausführungen der Gelenkstelle. a Lasche und Bolzen; b Lasche und Buchse mit Bolzen; c Lasche und Rolle, Buchse mit Bolzen

340

Abb. 14.25 Zerlegbare Gelenkkette. Normen: DIN 8150 Gallketten; DIN 8164 Buchsenketten; DIN 8187, DIN ISO 606 Rollenketten; DIN 8194 Stahlgelenkketten

Förderketten macht die Beweglichkeit der Kette in einer zweiten Ebene in gewissem Maße erforderlich, was durch eine entsprechende Gestaltung der Kettenglieder ermöglicht wird (z. B. Steckkette). Eine besondere Forderung an Förderketten ist ihre leichte Montierbarkeit möglichst ohne Werkzeug (s. Abb. 14.25). Stahlgelenkketten mit zusätzlichen Buchsen auf den Bolzen (Buchsenketten) oder mit auf den Bolzen drehbaren Rollen (Rollenketten), beides zur Verringerung der Pressung und der Reibung in den Gelenken bzw. beim Ein- und Auslauf der Kette, werden auch als Förderketten eingesetzt. Sie können mit größeren Geschwindigkeiten (Buchsenkette bis 5 m=s und Rollenkette bis 30 m=s) betrieben werden und eignen sich daher vorzugsweise als Treibketten in Fahrzeugen und Getrieben (s. Abb. 14.24b,c). Kettenräder werden bei Kettentrieben zur Einleitung von Zugkräften in die Kette benötigt (Abb. 14.26). Bei Rundstahlketten erfolgt die Kraftübertragung durch Formschluss zwischen

T. Schmidt et al.

den am Umfang des Kettenrades angebrachten Taschen und den darin liegenden Kettengliedern (Abb. 14.22a,b). Bei Stahlgelenkketten greifen die Kettenglieder mit ihren Bolzen in ein Kettenrad ein, dessen Verzahnung durch die Kettenteilung, den Bolzendurchmesser und durch die Bewegungsbahnen des einlaufenden und des auslaufenden Kettengliedes bestimmt ist. Für die langgliedrigen Ketten werden Kettenräder in Form eines Polygons verwendet (Abb. 14.27). Ihre großen Durchmesser sind meist mit Rücksicht auf die Abmessungen der von der Förderkette bewegten Lasten notwendig. Die kleinsten Kettenraddurchmesser werden mit Rundstahlketten und Zähnezahlen von 4 bis 5 Zähnen erreicht. Für Gall- und Buchsenketten (die man in gekapselter Form auch als Kettennuss bezeichnet) soll die kleinste Zähnezahl 10 betragen, was größere Abmessungen des Kettentriebes ergibt. Sein Wirkungsgrad ist aber besser und der Verschleiß geringer als bei der Verwendung von Rundstahlketten. Kettenrollen dienen zur Umlenkung der Kette. Die Form ihrer Rillen soll eine Auflage der Kettenglieder ohne zusätzliche Biegebeanspruchung ermöglichen (Abb. 14.28). DIN 8191 Berichtigung 1: Verzahnung der Kettenräder für Zahnketten nach DIN 8190.

Kraftübertragung zwischen Kette und Kettenrad. Die am Einlauf der Kette in das Kettenrad vorhandene Kettenzugkraft wird im Eingriffsbereich von Zahn zu Zahn bis auf eine Restkraft am Auslauf abgebaut. Ist die Vorspannkraft gleich der Restkraft, dann liegt die Kette konzentrisch auf dem Kettenrad [21]. Im praktischen Betrieb

Abb. 14.26 Abmessungen eines Kettenrads für Rollen- und Buchsenketten

14 Grundlagen

341

Abb. 14.29 Aufbau eines Rundlitzenseiles. 1 Seil, 2 Kerndraht, 3 Litze, 4 Einlage

Abb. 14.27 Polygonrad

Abb. 14.28 Rillenformen für Kettenrollen

ist das selten der Fall, weil sich die erforderlichen Kettenzugkräfte und damit auch die Restkräfte ständig ändern. Ist die vorhandene Vorspannkraft größer als die Restkraft, wandert die Kette nach innen (Gefahr des Festklemmens der Kette), ist sie kleiner, wandert sie nach außen (Gefahr des Herausspringens aus der Kettenradverzahnung). In beiden Fällen liegt die Kette exzentrisch auf dem Kettenrad. Die erforderliche Vorspannkraft und die mögliche Zahnhöhe können nach [22] bestimmt werden.

14.4.2

Seile und Seiltriebe

14.4.2.1 Drahtseile und Drahtseilelemente

Zugfestigkeit (Rm D 1570 : : : 2450 N=mm2 ), in Sonderfällen aus legierten (z. B. nichtrostenden) Stählen. Die Litzen werden um eine Einlage 4 aus pflanzlichen oder synthetischen Faserstoffen (FC) 4 wie z. B. Sisal oder Polyamid oder aber um eine Stahleinlage (WC) 4, die eine Litze oder ein Seil sein kann, zum Seil 1 geschlagen (Abb. 14.29). Litzen. Die Litzenkonstruktionen unterscheiden sich durch Zahl, Anordnung und Dicke ihrer Drähte sowie durch die Zahl ihrer Drahtlagen (eine oder mehrere). Bei der Parallelverseilung (Abb. 14.30a–c) liegen die Drähte aller Drähte einer Litze parallel, bei Standardverseilung (Abb. 14.30d) kreuzen sich die Drähte der einzelnen Drahtlagen auch bei gleicher Schlagrichtung. Weite Verbreitung finden Litzen aus der kombinierten Verseilung mit drei oder mehr Drahtlagen z. B. die Warrington-Seale-Litze. Die Warrington-Seale-Litze entsteht durch Kombination einer Warrington und einer Seale Litze (Abb. 14.31a). Die so genannten Formlitzen (Abb. 14.31b,c) werden nur noch selten z. B. im Bergbau bzw. der Schachtförderung eingesetzt. Verdichtete Litzen (Abb. 14.32a–b) sind Litzen aus Runddrähten, die nach der Verseilung durch Ziehen, Walzen oder Hämmern verdichtet worden sind. Ein Seil aus verdichteten Litzen hat bei gleichem Durchmesser einen größeren metallischen Querschnitt.

Herstellung und Eigenschaften. Hergestellt werden Seile in einem oder mehreren Arbeitsgängen, indem um einen Kerndraht schraublinienförmig Drähte zu einer Litze 3 geschlagen werden. Die Seildrähte nach EN 10264 Teil 1–4 sind Abb. 14.30 Gebräuchliche Litzenkonstruktionen mit aus kaltgezogenen, blanken (U) oder verzink- zwei Drahtlagen. a Filler; b Warrington; c Seale; d Stanten (B) oder dick verzinkten (A) Drähten großer dard

14

342

Abb. 14.31 Sonstige Litzenmacharten. a WarringtonSeale-Litze; b Dreikantlitze; c Flachlitze

Abb. 14.32 Litzenverdichtung. a vor der Verdichtung; b nach der Verdichtung

T. Schmidt et al.

Die Biegung der Seile beim Lauf über Scheiben ist nur möglich, wenn die innere Reibung zwischen den Seildrähten und zwischen Seil und Seilscheibe durch Schmierstoff herabgesetzt wird. Durch die Grundschmierung, die beim Verseilvorgang in das Seil eingebracht wird, erhalten Seile aus blanken Drähten zusätzlich einen Korrosionsschutz. Seile aus verzinkten Drähten müssen auch geschmiert werden, da die Zinkschicht nicht als Schmiermittel dient. Als Schmiermittel werden je nach Einsatz der Seile Mineralöle, Teere oder Vaseline verwendet. Bei hohen Seilgeschwindigkeiten über  D 2;5 m=s werden zähflüssige oder pastöse Schmiermittel eingesetzt z. B. Vaseline. Mineralöle eignen sich bei mittleren Geschwindigkeiten von  D 1;5 : : : 2;5 m=s. Guten Korrosionsschutz bieten bituminöse Stoffe wie z. B. Teere. Die Nachschmierung, bei der Schmierstoff im Betrieb auf das Seil gebracht wird, erhöht die Seillebensdauer nachhaltig.

Seileinlagen. Die Seileinlage (früher auch Seele genannt) bildet den Kern eines Litzenseils, um den die Litzen geschlagen sind. Die Aufgaben der Stahl- oder Fasereinlagen ist die elastische Stützung der Außenlitzen und die Speicherung von Schmierstoff im Seilinnern. In Tab. 14.4 sind genormte Seileinlagen und deren Kurzzeichen nach DIN EN 12385 Teil 2 und der abgelösten DIN 3051 zusammengefasst. 14.4.2.2 Seilschmierung. Drahtseile ermöglichen Fahrgeschwindigkeiten bis zu 20 m=s, geräuscharmen Lauf, Temperaturen von 40 bis C100 ı C, kurzzeitig bis 250 °C. Durch die Parallelschaltung vieler Drähte hat das Seil eine große Sicherheit. Gebrochene Drähte tragen nach einiger Entfernung von der Bruchstelle wieder mit.

Seile

Einteilung nach Verwendungszweck. Je nach Verwendungszweck haben Drahtseile verschiedene Aufgaben zu erfüllen (Abb. 14.33). Laufende Seile müssen große Zug- und Biegebeanspruchungen ertragen, während stehende Seile vorwiegend durch schwellende Zugkräfte belastet werden.

Tab. 14.4 Übersicht über genormte Seileinlagen nach DIN EN 12385 Teil 2 und DIN 3051 (alt) Seileinlage Fasereinlage Naturfaser Kunstfaser Massivpolymer Stahleinlage Stahllitze Stahlseileinlage, gesondert verseilt Stahlseileinlage verdichtet, gesondert verseilt Stahlseileinlage, gesondert verseilt und mit Kunststoff umspritzt Parallel verseiltes Stahleinlage, parallel verseilt Seil Stahleinlage verdichtet, parallel verseilt Drehungsarme und Fasereinlage drehungsverminStahllitze derte Seile Verdichtete Stahllitze Einlagiges Seil

a

Nicht in DIN 3051 genormt

DIN EN 12385 FC NFC SFC SPC WC WSC IWRC IWRC(K) EPIWRC PWRC PWRC(K) FC WSC KWSC

DIN 3051 FE FEN FEC – SE SEL SES – SESUGa SESPa – FE SEL –

14 Grundlagen

343

Drehmomente unter einer Zugkraft heben sich teilweise auf und die Seile bekommen dadurch drehungsarme Eigenschaften. Durch Vorformung werden bei der Verseilung die Spannungen in den Drähten und Litzen reAbb. 14.33 Einteilung der Drahtseile nach ihrem Verwendungszweck, VDI 2358 duziert, sodass der Seilverbund beim Entfernen von Abbindungen erhalten bleibt und nicht aufspringt. Seilbezeichnung. Das Bezeichnungssystem nach DIN EN 12385-1 und -2 sieht die Angabe der folgenden Schlüsselmerkmale vor: Abb. 14.34 Spiralseilkonstruktionen nach DIN EN 12385 Teil 2. a offenes Spiralseil; b halbverschlossenes Spiralseil; c vollverschlossenes Spiralseil

a) b) c) Spiralseile. Einfach verseilte Drahtseile wer- d) den als Spiralseile bezeichnet. Die genormten e) Spiralseile (Abb. 14.34) sind wenig biegsam, f) eignen sich aber zur Übertragung von großen Zugkräften und Querkräften. Spiralseile finden Anwendung im Seilbahnbau, Kabelkranbau und Brückenbau. Rundlitzenseile. Sie bestehen aus einer Einlage und einer oder mehreren Litzenlagen, (siehe auch Abschnitt Auswahl von laufenden Seilen). In Gleichschlagseilen haben die Seildrähte in den Litzen und die Litzen im Seil gleiche (zZ, sS), in Kreuzschlagseilen entgegengesetzte (sZ, zS) Schlagrichtungen (Abb. 14.35a–d). Die zwei- und dreilagigen Rundlitzenseile werden nach DIN EN 12385 Teil 2 drehungsarme Seile genannt. Üblicher Sprachgebrauch ist Spiral-Rundlitzenseile. Dabei ist die Schlagrichtung der Außenlitzen der Schlagrichtung der darunter liegenden Litzenlage entgegengesetzt. Die

Maß (z. B. Seildurchmesser), Seilkonstruktion, Konstruktion der Einlage, Seilfestigkeitsklasse, Oberflächenausführung der Drähte, Schlagart und Schlagrichtung. Beispiel

22 6 × 36 WS-IWRC 1770 B sZ a) Seildurchmesser 22 mm, b) Konstruktion: 6 Litzen (Warrington-Seale) à 36 Seildrähte, c) Einlage: unabhängig verseilte Stahlseileinlage (indepent wire rope core IWRC), d) Seilfestigkeitsklasse 1770 N=mm2 , e) normalverzinkt, f) Kreuzschlag rechtsgängig. J

Rechengrößen. Die Rechengrößen für die Drahtseile sind in DIN EN 12385-2 festgelegt (Tab. 14.5). Die für die Berechnung notwendigen Faktoren und Konstanten sind nicht für einzelne Seilkonstruktionen (wie bislang nach DIN 3051), sondern für Seil- bzw. Konstruktionsklassen in Tabellen angegeben. Der metallische Seilnennquerschnitt A wird aus dem Faktor für den metallischen Querschnitt C (vom Füllfaktor f abgeleiteter Faktor) und dem Seildurchmesser d berechnet. Der Füllfaktor f ist das Verhältnis des metallischen Querschnitts A zum Flächeninhalt seines UmkreiAbb. 14.35 a Gleichschlagseil rechtsgängig (zZ). b linksgängig (sS); c Kreuzschlagseil rechtsgängig (sZ); d links- ses Au . Für Hebezeugseile ist f D 0;47 : : : 0;77 je nach Seilkonstruktion. gängig (zS). DIN EN 12385 Teil 2

14

344

T. Schmidt et al.

Tab. 14.5 Rechengrößen für Drahtseile nach DIN EN 12385-2 und -4 Rechengröße Metallischer Querschnitt Faktor für den metallischen Querschnitt

Berechnung A D C  d2  C Df  4 f D

Rechnerische Bruchkraft

Fe.min D

Mindestbruchkraft

Fmin D

Mindestbruchkraftfaktor

KD

Wirkliche Bruchkraft (aus Versuch)

Fm

Seilelastizitätsmodul. Die Seilspannungs-Seildehnungskurve ist nicht linear und ist wegen der Hysterese bei Be- und Entlastung wegen der Hystereseverluste unterschiedlich. Zahlenwerte für Seil-E-Modul sind Mittelwerte. Sie sind umso größer, je kleiner die Zahl der Drähte und Litzen im Seil, je größer die Schlaglänge und je länger die Aufliegezeit. Zudem sind die Seilelastizitätsmodule wesentlich von den Seilzugspannungen abhängig. Anhaltswerte: Litzenseile mit Fasereinlage: E D 0;5 : : : 1;2  105 N=mm2 Litzenseile mit Stahleinlage: E D 0;6 : : : 1;4  105 N=mm2

–

A Au

Füllfaktor

Die Rechnerische Seilbruchkraft Fe; min wird mit dem Mindestbruchkraftfaktor K und der Seilfestigkeitsklasse Rr berechnet. Die Seilfestigkeitsklasse Rr ist das Anforderungsniveau an die Seilbruchkraft, die z. B. 1770 oder 1960 N=mm2 betragen kann. Der Verseilverlustfaktor k berücksichtigt die Minderung der Seilbruchkraft gegenüber der Bruchkraft eines unverseilten Drahtbündels aus parallelen Einzeldrähten (k D 0;74 : : : 0;9 je nach Seilkonstruktion). Die Wirkliche Bruchkraft Fm ist die beim Zerreißen des ganzen Seilstrangs gemessene Bruchkraft. Fr und Rmin sind zusammen mit den Faktoren C und K für die Seilklassen in EN 12385 – Teil 4 angegeben.

Einheit mm2

– d 2  C  Rr 1000

d  Rr  K 1000

kN

2

 f k 4

kN – kN

Offene und verschlossene Spiralseile: E D 1;4 : : : 1;7  105 N=mm2 Auswahl von laufenden Seilen. Die über Seilrollen laufenden Seile haben in den meisten Fällen eine große sicherheitstechnische Bedeutung, insbesondere dann, wenn Personen von diesen Seilen getragen werden. Zur Bemessung der Seiltriebe von Förderanlagen sind die jeweils gültigen Technischen Regeln für Aufzüge, Seilbahnen, Schachtförderanlagen, Seiltriebe von Hebezeugen etc. heranzuziehen. Wenn nicht anders geregelt, können die Seile aus einer Vielzahl von Seilkonstruktionen ausgewählt werden. In Hebezeugen werden häufig sechs- oder achtlitzige Seile mit zwei oder drei Drahtlagen je Litze (Abb. 14.36a–b) in Parallelmachart eingesetzt. Seile in Parallelmachart haben gegenüber den Seilen in Kreuzverseilung (Standardmachart) bessere Biegewechseleigenschaften, da die Drähte sich in den Litzen linienförmig berühren und nicht punktförmig. Trotz der etwas geringeren Lebensdauer beim Lauf in Rundrillen werden Kreuzschlagseile gegenüber Gleichschlagseilen wegen der besseren Erkennbarkeit der Ablegereife und der besseren Handhabung bevorzugt eingesetzt. Seile mit Fasereinlage sind flexibler und erreichen nahezu die gleiche Lebensdauer wie Seile mit Stahleinlage. Bei stoßartiger Beanspruchung, hohen Querkräften z. B. bei der mehrlagigen Bewicklung von Seiltrommeln oder Temperaturen über 100 °C sind Seile mit Stahleinlage wegen der größeren Formstabilität und der ge-

14 Grundlagen

345

Bemessung der Seiltriebe von Hebezeugen nach DIN 15020. Nach DIN 15020 T1 wird der Seildurchmesser so bemessen, dass das Seil eine ausreichende Lebensdauer hat und die Ablegereife zuverlässig anzeigt. Der kleinste erforderliche Seilnenndurchmesser errechnet sich aus der größten auftretenden Seilzugkraft S zu p dmin D c S ; dmin kleinster erforderlicher Seildurchmesser, S größte auftretende Seilzugkraft, Betriebsfestigkeitswert. Abb. 14.36 Beispiele für Seilkonstruktionen nach DIN c EN 12385 Teil 2. a Rundlitzenseil 6 × 19 Filler FC; b Rundlitzenseil 6 × 36 Warrington-Seale IWRC; c SpiralRundlitzenseil 18 × 7 mit IWRC; d Drehungsarmes Seil mit verdichteten Außenlitzen

Abb. 14.37 Seil mit kunststoffumspritzter Stahleinlage

ringeren spezifischen Drahtbelastung (höher metallischer Querschnitt) vorzuziehen. Sehr günstig auf die Seillebensdauer dynamisch belasteter Seile wirkt sich die Ummantelung der Stahleinlage mit Kunststoffen (bis 100 °C) aus (Abb. 14.37). Bei stark verschleißbehaftetem Betrieb (z. B. Greiferseile, Schrapperseile) sind Konstruktionen mit dicken Außendrähten zu wählen (z. B. Seale, Warrington-Seale). Als vorteilhaft in der Mehrlagenwicklung haben sich Seile mit verdichteten Außenlitzen wegen der höheren Bruchkraft und Flexibilität und der besseren Schmiegung in die Rillen von Seilrollen und -trommeln erwiesen. Guten Korrosionsschutz bieten Seile mit verzinkten oder dick verzinkten Drähten. In einlagigen Rundlitzenseilen entsteht durch die Draht- und Litzenwendeln ein von der Seilkonstruktion und der Belastung abhängiges Drehmoment. Bei einsträngiger Aufhängung muss das Drehen der Last unterbunden oder ein Seil in drehungsarmer bzw. drehungsfreier Konstruktion (Abb. 14.36c–d) gewählt werden.

c (Tab. 14.6) ist ein Betriebsfestigkeitswert, der durch die Nennfestigkeit R der Drähte und die Triebwerkgruppe bestimmt wird. Er ist unabhängig vom Füllfaktor, von der Draht-, Litzenzahl und Art der Seileinlage. Die Triebwerkgruppe ergibt sich aus dem Lastkollektiv und der mittleren Laufzeit je Tag (Tab. 14.7). Die Berechnung des erforderlichen Seilrollenund Seiltrommelmindestdurchmessers, bezogen auf Seilmitte, erfolgt nach DIN 15020 T 1 über Dmin D h1  h2  dmin : Der Faktor h1 begrenzt die Biege- und Druckspannungen zwischen Seil und Rille (Tab. 14.8). h2 berücksichtigt die Zahl der Einfach- und Gegenbiegewechsel des höchst beanspruchten Seilstücks, das die meisten Biegungen bei einem Hubspiel erfährt. Für Trommeln und Ausgleichsrollen ist h2 D 1. Für Seilrollen liegt h2 je nach Seilführung und Zahl der Rollen zwischen 1 und 1,25. Beispiele für Seiltriebe in Hebezeugen. Einsträngiger Eintrommelseiltrieb (Abb. 14.38a). Abb. 14.38b: zweisträngige Seilführung mit Unterflasche 1 und oberem Festpunkt 2. Bei Hubhöhen größer 80 × Rollendurchmesser drehungsarme oder -freie Seile einsetzen. Abb. 14.38c: Lastaufhängung mittels Traverse 3 und Seilbefestigungspunkten an zwei Stellen für den Einsatz von Seilen mit entgegengesetzten Schlagrichtungen für Drehmomentenausgleich an der Traverse 3. Das Trommelmoment ist bei gleicher Last

14

1570 – – – 0,0850 0,0900 0,0950 0,106 0,118 0,132

1770 0,0670 0,0710 0,0750 0,0800 0,0850

1960 0,0630 0,0670 0,0710 0,0750

übliche Transporte nicht drehungsfreie Drahtseile 2160 0,0600 0,0630 0,0670 – – – – – –

2450 0,0560 0,0600

Lastkollektiv

Laufzeitklasse

Benennung leicht

mittel

schwer

Nr 1

2

3

V012 über 0,125 bis 0,25 Erklärung Triebwerkgruppe geringe Häufigkeit der größ- 1Em 1Em ten Last etwa gleiche Häufigkeit 1Em 1Dm von kleinen mittleren und größten Lasten nahezu ständig größte Las1Dm 1Cm ten

Kurzzeichen mittlere Laufzeit je Tag in h, bezogen V006 auf 1 Jahr bis 0,125

1Bm

1Cm

1Dm

V025 über 0,25 bis 0,5

drehungsfreie bzw. drehungsarme Drahtseile 1570 1770 1960 – 0,0710 0,0670 – 0,0750 0,0710 – 0,0800 0,0750 0,0900 0,0850 0,0800 0,0950 0,0900 0,106 0,118 0,132 0,150

Tab. 14.7 Triebwerkgruppen nach Laufzeitklassen und Lastkollektiven nach DIN 15020

1Em 1Dm 1Cm 1Bm 1Am 2m 3m 4m 5m

Triebwerkgruppe

p Tab. 14.6 Beiwerte c nach DIN 15020, c in mm= N , Nennfestigkeit der Einzeldrähte in N=mm2

1Am

1Bm

1Cm

V05 über 0,5 bis 1

1570 – – – – 0,0950 0,106 0,118 0,132 0,150

2m

1Am

1Bm

V1 über 1 bis 2

1770

3m

2m

1Am

V2 über 2 bis 4

1960

gefährliche Transporte nicht drehungsfreie Drahtseile

4m

3m

2m

V3 über 4 bis 8

5m

4m

3m

V4 über 8 bis 16

5m

5m

4m

V5 über 16

drehungsfreie bzw. drehungsarme Drahtseile 1570 1770 1960 – – – – 0,106 0,118 – – –

346 T. Schmidt et al.

14 Grundlagen

347

Tab. 14.8 Beiwert h1 nach DIN 15020 Triebwerkgruppe

1Em 1Dm 1Cm 1Bm 1Am 2m 3m 4m 5m

h1 für Seiltrommel nicht drehungsfreie Drahtseile 10 11,2 12,5 14 16 18 20 22,4 15

drehungsfreie bzw. drehungsarme Drahtseile 11,2 12,5 14 16 18 20 22,4 25 28

Seilrolle nicht drehungs- drehungsarme freie Drahtseile Drahtseile 11,2 12,5 14 16 18 20 22,4 25 28

12,5 14 16 18 20 22,4 25 28 31,5

Ausgleichrolle nicht dredrehungsfreie bzw. hungsfreie drehungsarme Drahtseile Drahtseile 10 12,5 10 12,5 12,5 14 12,5 14 14 16 14 16 16 18 16 18 18 20

nere Strangzahl führt bei gleicher Last zu kürzeren, dickeren, schwerer handhabbaren Seilen, zu größeren Seilrollen, größeren Trommeldurchmessern und -momenten. Entscheidend für die Ausbildung des Seiltriebs sind oft die Platzverhältnisse und die erforderliche Begrenzung des Schrägzugwinkels ' zwischen Seil und Seilrolle bzw. Trommelrille. Die Seilablenkung führt zu Seilverschleiß und damit reduzierter Lebensdauer. Nach DIN 15020 darf der maximal auftretende Schrägzugwinkel ' D 4ı bei Rundlitzenseilen und ' D 1;5ı bei Spiral-Rundlitzenseilen nicht übersteigen. Es gilt die Regel je kleiner der Schrägzug umso besser. Redundante Seiltriebe arbeiten mit zwei parallel laufenden Seilen. Beim Versagen eines Seiles kann das redundante Seil die volle Last übernehmen. Abb. 14.38 Beispiele von Seiltrieben (Erläuterungen im Text)

Wirkungsgrad von Seiltrieben. Verluste beim Lauf (Biegung) des Seiles über Rollen und Trommeln führen zur Vergrößerung der Seilzugkraft. Anhaltswerte: Seilrollenwirkungsgrad R D 0;98 bei Wälzlagerung, R D 0;96 bei Gleitlagerung. Wenn das Seil über n Seilscheiben läuft, deren Achsen zueinander feststehen so ist der Wirkungsgrad dieser Anordnung

zweimal so groß wie bei Lösung b und erfordert ein größeres Getriebe. Abb. 14.38d: viersträngige Ausführung mit Unterflasche 4 und Oberflasche 5. Abb. 14.38e: viersträngiger Seiltrieb mit einem durchlaufenden Seil und Ausgleichsrolle 6. Abb. 14.38f: viersträngige Aufhängung mit G D n : zwei Seilen entgegengesetzten Schlagrichtungen und Ausgleichshebel 7. Der Wirkungsgrad beim Lauf des Seiles über Die Strangzahl n je Rollenzug ist bis n D 8 eine lose Scheibe (Abb. 14.39) ist wirtschaftlich. Darüber hinaus kann die Tragfähigkeit durch Parallelschaltung von zwei oder 1C L D : mehr Rollenzügen vergrößert werden. Eine klei2

14

348

Abb. 14.39 Lose Seilscheibe

T. Schmidt et al.

Anschlagseile dürfen nach DIN EN 134143 auch aus den flexiblen Kabelschlagseilen hergestellt werden. Daneben gibt es noch endlos gemachte Seile so genannte Grummets. Angaben zur Tragfähigkeit siehe DIN EN 13414-3. Anleitung für die Auswahl, Verwendung, Prüfung und Ablegen von Anschlagseilen allgemein, siehe DIN EN 13414-2.

Der Wirkungsgrad eines Flaschenzuges mit Halte- und Abspannseile (Stehende Seile). z Seilsträngen (Abb. 14.40) ist Sind Seile die nicht über Rollen oder Trom1 1  nZ meln geführt sind und nicht von Rollen befahren ; F D  z 1 werden, z. B. Krannackenseile, Abspannseile von Masten und hochfeste Zugglieder in Bauwerken.  Wirkungsgrad beim Heben der Last, Die Bemessung von Halte- und Abspannseilen  Seilrollenwirkungsgrad, regelt die DIN EN 13001-3-1. Die zulässigen z Anzahl der Seilstränge, s. a. Abb. 14.39. Spannungen (Tab. 14.9) für Seile mit einer Nenn2 Wenn das Seil über n Seilscheiben mit fest- festigkeit R D 1570 N=mm sind abhängig von stehender Achse und einen Flaschenzug mit z den dort definierten Beanspruchungsgruppen, die tragenden Strängen läuft, dann ist der Gesamtwir- sich nach der Anzahl der vorgesehenen Spannungsspiele N und dem Spannungskollektiv richkungsgrad ten. Bei ruhender Belastung beträgt die zulässige ges D G  F : Zugspannung z D 450 N=mm2 . Bei schwellenDer Wirkungsgrad beim Senken unterscheidet der Belastung ist die zulässige Zugspannung sehr sich nur geringfügig von dem beim Heben. stark abhängig vom Seildurchmesser d und von dem Grenzspannungsverhältnis Anschlagseile. Es sind nach DIN EN 13414min  1-3 Seile der Festigkeitsklassen 1770 oder 1960 D : max  zu verwenden. Die Seildrähte können blank oder verzinkt ausgeführt sein. Für die Seilklassen Die in Tab. 14.9 angegebenen Spannungsgren6 × 19, 6 × 36 mit Fasereinlage und 6 × 19, 6 × 36 zen gelten für Seile, die durch Seilvergüsse oder und 8 × 36 mit Stahleinlage und verpresster SeilPoller befestigt sind. Für Pressklemmen ist eiEndverbindungen sind in DIN EN 13414-1 Tragne Minderung der Seilspannungen auf 90 %, bei fähigkeiten für verschiedene Anschlagarten in Seilschlössern und -spleißen auf 80 % und bei Abhängigkeit vom Seildurchmesser angegeben. Seilklemmen auf 40 % zu berücksichtigen. Die DIN 15018 entspricht wie neue Untersuchungen zeigen nicht mehr dem derzeitigen Wissensstand der Seilforschung und wird überarbeitet werden. Tab. 14.9 Zulässige Spannungen für Halte- und Abspannseile, Auszug aus DIN EN 13001-3-1 Drahtseildurchmesser mm

Abb. 14.40 Flaschenzug

bis 5 über 5 bis 20 über 20 bis 30 über 30 bis 40

Zulässige Spannung zul  Dz in N=mm2 bei Beanspruchungsgruppe B1, B2 und B3 B4, B5 und B6 450 400 + 50  H 350 + 100  H 250 + 200  H 300 + 150  H 200 + 250  H 250 + 200  H 150 + 300  H

14 Grundlagen

349

Abb. 14.41 Spiralseilkonstruktionen. a Spirallitzenseil; b vollverschlossenes Spiralseil mit 2 Z-Drahtlagen

Tragseile. Sie dienen in Seilbahnen und Kabelkranen als Fahrbahn für Laufräder mit kunststoffgefütterter Rundrille (Polyamid oder Polyurethan). Tragseile sind meist vollverschlossene Spiralseile (Abb. 14.41b), bei denen die äußeren Lagen durch die Formdrähte (Z-Drähte) eine glatte Lauffläche bilden und die innenliegenden Drähte vor Korrosion schützen. Die Nennfestigkeit ist allgemein R D 1570 N=mm2. Anhaltswerte für die zulässige Pressung zwischen Rad und Seil p D R=.Dd / D 40 N=mm2 . Darin ist R die Radlast, D der Raddurchmesser und d der Seildurchmesser.

14.4.2.3 Sicherheit und Ablegekriterien bei Stahldrahtseilen Übersicht über die Ablegekriterien. Anzeichen für die Ablegereife eines Seiles sind: Drahtbrüche (wichtigstes Ablegekriterium) (Ablegedrahtbruchzahl auf Bezugslängen nach DIN 15020, ISO 4309, BOSeil, TAS, usw.), Litzenbruch, Seilverformungen (Korkenzieherartige Verformungen, Korbbildung, Schlaufenbildung, Knoten, Klanken, Knicke), Seildurchmesser, Schlaglänge (Ablegen bei 10 % Durchmesserverminderung bezogen auf den Durchmesser eines nicht über Seilrollen laufenden und nicht korrodierten Seilstücks), Korrosion und Verschleiß (Abrieb) (Ablegen bei 10 % Durchmesserverminderung oder bei wesentlichen Kerben, Rostnarben oder starker innerer Korrosion), Aufliegezeit und starke Hitzeentwicklung. Bei starker Seilverformung oder einem Litzenbruch ist die Anlage sofort stillzulegen und erst nach Auswechseln (Ablegen) des Seiles wieder in

Abb. 14.42 Messprinzip magnetinduktive Seilprüfung. 1 Magnet, 2 Seil, 3 Streufeld, 4 Fehlstelle, 5 Messspule

Betrieb zu nehmen. Die übrigen Kriterien wachsen mit der Aufliegezeit des Seiles und zeigen erst durch eine bestimmte Größe die Ablegereife an. An dem Wachstum der Größe kann der voraussichtliche Ablegezeitpunkt geschätzt werden. Die Zahl der Drahtbrüche ist dabei das wichtigste Kriterium. Sicherheit von Drahtseilen. Die Sicherheit, mit der ein Seilbruch vermieden wird, hängt im Wesentlichen von der zuverlässigen Inspektion der Seile ab. Im Normalfall werden die Seile durch visuelle und taktile Inspektion überwacht. Gezählt werden dabei die sichtbaren Drahtbrüche auf Bezugslängen (6-facher und 30-facher Seilnenndurchmesser) der offensichtlich am stärksten beanspruchten Seilzone. Gemessen wird der Seildurchmesser und gegebenenfalls die Schlaglänge. Darüber hinaus werden die Seile qualitativ beurteilt, insbesondere hinsichtlich Verschleiß und Korrosion. Bei höheren Anforderungen an die Sicherheit, insbesondere wenn durch die Seile Personen getragen oder gefährliche Güter transportiert werden, genügt die einfache taktile und/oder visuelle Inspektion für die Sicherheit nicht. Je nach den technischen Möglichkeiten und Erfordernissen werden dann verschiedene zusätzliche Maßnahmen ergriffen. Eine dieser Maßnahmen ist der Einsatz von Messmethoden zur Erkennung von inneren Seilschäden. Dazu dient in der Praxis insbesondere die magnetinduktive Seilprüfung (Abb. 14.42). Eine andere Maßnahme, die z. B. für Seile im Aufzugsbau verwendet wird um die Erhöhung der Sicherheit zu erreichen ist, dass hier mindestens 3 und bis zu 8 parallel tragende Seile verwendet werden. D. h. man arbeitet hier mit aktiv redundanten Bauteilen.

14

350

T. Schmidt et al.

Tab. 14.10 Ablegereife von Seilbahnseilen nach BOSeil Bezugslänge L 6-facher Seildurchmesser 40-facher Seildurchmesser

Ablegereife wenn die Zahl der äußerlich feststellbaren Dauerdrahtbrüche mehr als 5 % der als tragend anzunehmenden Drahtzahl des Seiles (also ohne Einlage) beträgt. wenn durch äußerlich feststellbare Dauerdrahtbrüche und Abnützung der Drähte eine Verminderung des als tragend anzunehmenden metallischen Seilquerschnittes (also ohne Einlage) von mehr als 10 % eingetreten ist. 500-facher wenn durch äußerlich feststellbare Dauerdrahtbrüche eine Verminderung des als tragend anzunehSeildurchmesser menden metallischen Seilquerschnittes (also ohne Einlage) von mehr als 25 % eingetreten ist. Tab. 14.11 Ablegereife von Seilen nach DIN 15020 Anzahl der Anzahl sichtbarer Drahtbrüche bei Ablegereife tragenden Drähte Triebwerkgruppen 1Em , 1Dm , 1Cm , 1Bm , 1Am in den Außenlitzen Kreuzschlag auf einer Gleichschlag auf einer des Drahtseiles a Länge von Länge von n 6d 30 d 6d 30 d bis 50 2 4 1 2 51 bis 75 3 6 2 3 76 bis 100 4 8 2 4 101 bis 120 5 10 2 5 121 bis 140 6 11 3 6 141 bis 160 6 13 3 6 161 bis 180 7 14 4 7 181 bis 200 8 16 4 8 201 bis 220 9 18 4 9 221 bis 240 10 19 5 10 241 bis 260 10 21 5 10 261 bis 280 11 22 6 11 281 bis 300 12 24 6 12 Über 300 b 0;04  n 0;08  n 0;02  n 0;04  n

Triebwerkgruppen 2m , 3m , 4m , 5m Kreuzschlag auf einer Gleichschlag auf Länge von einer Länge von 6d 30 d 6d 30 d 4 8 2 4 6 12 3 6 8 16 4 8 10 19 5 10 11 22 6 11 13 26 6 13 14 29 7 14 16 32 8 16 18 35 9 18 19 38 10 19 21 42 10 21 22 45 11 22 24 48 12 24 0;08  n 0;16  n 0;04  n 0;08  n

Bei Seilkonstruktionen mit besonders dicken Drähten in der Außenlänge der Außenlitzen, z. B. Rundlitzenseil 6 × 19 Seale nach DIN 3058 oder Rundlitzenseil 8 × 19 Seale nach DIN EN 12385-4, ist die Anzahl sichtbarer Drahtbrüche bei Ablegereife um 2 Zeilen niedriger als nach den Tabellenwerten anzunehmen. Triebwerkgruppen nach DIN 15020 Blatt 1. d Drahtseildurchmesser a Fülldrähte werden nicht als tragend angesehen. Bei Drahtseilen mit mehreren Litzenlagen gelten nur die Litzen der äußersten Litzenlagen als „Außenlitzen“. Bei Drahtseilen mit Stahleinlage ist die Einlage wie eine innere Litze anzusehen b Die errechneten Zahlen sind aufzurunden

14.4.2.4 Beispiele für Ablegekriterien nach gültigen technischen Regeln Ablegereife von Seilbahnseilen nach BOSeil. Für Seilbahnen ist durch die BOSeil (Technische Verordnung für den Bau und Betrieb von Seilbahnen) bzw. die dazu gehörenden Ausführbestimmungen die Seilablegereife aufgrund verschiedener Seilschäden festgelegt. Das Hauptablegekriterium ist der Querschnittsverlust, der auf drei verschiedenen Bezugslängen definiert ist (Tab. 14.10).

Ablegereife nach DIN 15020. Für Seiltriebe von Kranen und allen Hebezeugen, für die nicht besondere technische Regeln erlassen sind, gelten die Grundsätze für die Überwachung von Seiltrieben DIN 15020, Blatt 2. Das Seil ist abzulegen, wenn auf einer Bezugslänge von 6-fachem bzw. 30-fachem Seildurchmesser eine bestimmte Anzahl an äußerlich sichtbaren Drahtbrüchen überschritten wird (Tab. 14.11). In ISO 4309 sind ebenfalls Ablegekriterien auf der Basis von Drahtbrüchen auf Bezugslängen angegeben.

14 Grundlagen

351

Abb. 14.43 Lösbare und unlösbare Seilendverbindungen

Seilendverbindungen. Die Befestigung der Drahtseile im Maschinenbau und Baubereich erfolgt über lösbare und unlösbare Seilendverbindungen (Abb. 14.43). Zu den unlösbaren Seilendverbindungen zählen Seilvergüsse, mit denen regelmäßig die größten Bruchkräfte und Schwingspielzahlen unter Zugschwellbeanspruchung erreicht werden. Spleiße sind in EN 13411-4 und Pressverbindungen in DIN EN 13411-3 geregelt. Die durch Umformvorgänge hergestellte schlanke Bolzenverpressung ist hingegen noch nicht genormt. Zu den lösbaren Seilendverbindungen gehören die Seilschlösser, wobei zwischen symetrischen Seilschlössern nach DIN EN 13411-7 für den Aufzugbau und asymmetrischen Seilschlössern nach DIN EN 13411-6 unterschieden wird. Drahtseilklemmen nach DIN EN 13411-5 dienen wie die Seilschlösser zur Herstellung von lösbaren, meist nur temporären Seilendverbindungen. Auswahlempfehlungen. Die Auswahl der Seilendverbindung richtet sich sehr stark nach dem Verwendungszweck und den Anforderungen. Meist ist die Bruchkraft bei der Auswahl einer Seilendverbindung für laufende Seile, Tragseile und Anschlagseile nicht das ausschlaggebende Kriterium, da die Ablegereife durch Schäden auf

der freien Seilstrecke und nicht an den Endverbindungen auftritt. Hier entscheidet oftmals die zweckmäßige Bauform, die Nachstellmöglichkeit, die Lösbarkeit und die Kosten die Auswahl. Bei Anwendungen mit großem Zugschwellanteil sind Seilschlösser weniger, Seilklemmen und Spleiße praktisch nicht geeignet.

14.4.3

Faserseile

Herstellung. Faserseile werden aus Pflanzenfasern (z. B. Sisal, Manila, Hanf) oder aus Chemiefasern (z. B. Polyamid PA, Polyester PES, Polypropylen PP, Polyethylen PE, hochmolekulare Polyethylene HMPE, Aramide) gefertigt. Die Fasern für synthetische Faserseile werden in Spinnverfahren (z. B. Trockenspinnverfahren) und vorgeschalteten chemischen Reaktionen (Polymerisation, Polykondensation) gewonnen. Mit technischen Verfahren (weben, flechten, drehen, verseilen) werden aus den Spinnfasern, Filamentgarnen, Monofile, Splitfasern oder Filamentvliese Faserseile hergestellt. Zunehmend gewinnen hochfeste Garne aus Aramiden und Polyethylene wegen der günstigen Eigenschaften (hohe Festigkeit bei geringem Gewicht) an Bedeutung für Faserseile.

14

352

T. Schmidt et al.

Abb. 14.44 Faserseilkonstruktionen, Auszug aus VDI 2500

Konstruktionen und Eigenschaften. Die große Variantenvielfalt der Faserseilkonstruktionen wird in die beiden Gruppen der gedrehten und geflochtenen Faserseile eingeteilt. Eine Übersicht über Faserseilkonstruktionen gibt die VDI 2500 (Abb. 14.44). Das Garnmaterial bestimmt zusammen mit der Seilkonstruktion die mechanischen und chemischen Eigenschaften der Faserseile. So lassen sich sehr elastische Faserseile mit großer Bruchdehnung (Bergseile) und auch hochfeste Seile mit kleiner Bruchdehnung (Segelleinen) je nach Anforderung und Einsatzfall herstellen. Die Festigkeitswerte einiger hochfester Faserwerkstoffe liegen z. T. deutlich oberhalb der Festigkeit von Seildrähten. In Tab. 14.12 sind einige mechanische und thermische Eigenschaften von Chemiefasern gegenübergestellt. Die Werkstoffe für Faserseile werden nach VDI 2500 unterteilt in Pflanzenfasern bzw. Chemiefasern (s. oben). Die Eigenschaften von Pflanzenfasern sind:

Es besteht Verrottungsgefahr. Sie sind nicht UV-beständig. Ihr Einsatz ist heute nur noch selten. Die Eigenschaften von Chemiefasern sind:

Sie haben hohe Bruchkräfte. Sie lassen sich gezielt erzeugen. Sie sind teilweise UV-beständig. Sie sind teilweise beständig gegen Säuren. Sie sind vielfältig einsetzbar.

Auswahl von Faserseilen. Faserseile eignen sich wegen der günstigen mechanischen und z. T. chemischen Eigenschaften für weitreichende Anwendungen in der Schiffs- und Meerestechnik (z. B. DIN 83307, DIN 83334, DIN EN ISO 1968), Umschlags- und Handhabungstechnik (Anschlagmittel nach DIN EN 1492-4), Personensicherung gewerblich und im Bergsport (DIN EN 892, DIN EN 1891) als auch für allgemeine Anwendungen (DIN EN ISO 1140, DIN EN ISO 1141, DIN EN ISO 1181, DIN EN Sie haben eine geringere Bruchkraft als Che- ISO 1346, DIN EN ISO 1969, DIN EN ISO 9554) miefasern. als Halte- und Abspannseile. Erste Hilfestellung Sie sind empfindlich gegen Feuchte. zu Auswahl, Eigenschaften und Bemessung ge-

14 Grundlagen

353

Tab. 14.12 Eigenschaften hochfester Chemiefasern Markennamen Twaron 1055 Kevlar 49 Technora Dyneema SK60 Zylon-HM

Dichte [g/cm3 ] 1,45 1,45 1,39 0,97 1,56

Bruchfestigkeit [N/mm2 ] 2800 2800 3500 2700 5800

E-Modul [N/mm2 ] 120 000 120 000 74 000 87 000 270 000

Bruchdehnung [%] 2,4 2,4 4,6 3,5 2,5

Hitzebeständigkeit [°C] 450 450 500 140 650

ben die „Faserseile-Richtlinien“ VDI 2500 und DIN EN ISO 2307. Hochfeste Faserseile. Neben den Stahldrahtseilen hat Ende der 1980er bzw. Anfang 1990erJahre die Bedeutung von hochfesten Faserseilen (z. B. aus Aramid und HMPE) eine besondere Bedeutung bekommen. Verwiesen werden kann hier exemplarisch auf eine Veröffentlichung von Jacobs und van Dingenen [33]. Innerhalb der Fördertechnik werden Faserseile zunehmend als laufendes Seil und damit als Alternative zum Tragmittel Drahtseil verwendet. Die meist gute Biegsamkeit der Faserseile (z. B. auch von hochfesten Garnen) und die daraus resultierende kleine Biegebeanspruchung kommt der Forderung innerhalb der Förder- und Personenfördertechnik nach Seiltrieben mit kleinen Umlenkradien und kleinbauenden Antrieben nach. Die sehr leichten und hochfesten Faserseile weisen z. T. erheblich günstigere Biegewechseleigenschaften [24] und höhere Biegewechselzahlen beim Lauf über Scheiben bis zum Ablegen oder bis zum Versagen auf als Drahtseile unter sonst gleichen Bedingungen. Verwiesen wird hier auf die Veröffentlichung hochfeste Faserseile beim Lauf über Seilrollen [30]. Aus dieser Veröffentlichung stammt auch Abb. 14.45. Dieses zeigt in Abhängigkeit vom Durchmesserverhältnis von Seilscheibe und Seil (D/d) die Biegewechselzahl einerseits von Faserseilen aus hochfesten Polyethylen und andererseits eines Drahtseiles (8 × 19 W + FE sZ). Man erkennt, dass die Biegewechselzahlen des Faserseiles bei geringen Lasten um ein vielfaches höher sind als die eines Stahlseiles. Welche Chancen sich aus diesen neuen hochfesten Faserwerkstoffen für Seile ergeben liegt einerseits an ihren besonderen Vorteilen, nämlich

Abb. 14.45 Bruchbiegewechselzahlen eines Faserseils mit hochfesten Polyethylenfasern Dyneema SK 60 [30]

dem geringen spezifischen Gewicht pro Meter (bis zu 30 % leichter als bei einem Stahlseil), den günstigen Biegewechseleigenschaften (viel höher als bei einem Stahlseil) und den daraus sich ergebenden guten und günstigen Verhältnissen des Scheiben-zu-Seil-Durchmessers. Die Anwendung von hochfesten Faserseilen ist stark von den Anwendungsparametern abhängig. Hinsichtlich der bisher untersuchten Eigenschaften von Stahlseilen im Vergleich zu hochfesten Faserseilen ist in der Forschung ein großer Nachholbedarf festzustellen (Abb. 14.46). Neben den in Abb. 14.46 gezeigten Eigenschaften ist außerdem das Problem der Bestimmung der Ablegereife (d. h. dem rechtzeitigen Tausch der Seile bevor ein Gefahrenzustand für Mensch und Maschine entsteht) von hochfesten Faserseilen ein sehr wichtiges Thema. Die klassische Vorgehensweise, nämlich die Ermittlung von Drahtbrüchen auf einem bestimmten Längenabschnitt (z. B. 6d / 40d / 500xd) des Stahlseiles, ist bei hochfesten Faserseilen aufgrund der Konstruktion nicht möglich. Typische Ablegekriterien für Faserseile sind beispielhaft Garn- und Litzenbrüche, Quetschun-

14

354

T. Schmidt et al.

Abb. 14.46 Untersuchte Eigenschaften von laufenden Seilen [34]

gen, Schäden durch Schnitte, aggressive Medien und Durchmesserveränderungen. Darüber hinaus wird in der Forschung vor allem intensiv an zerstörungsfreien Prüfmethoden mittels Kamerasystem [31] und intelligenten Indikatoren als Sensorelement eingebettet ins hochfeste Faserseil [32] gearbeitet. Erste Erfolge sind erkennbar. Für Forschung und Entwicklung sind hochfeste Faserseile in der Zukunft von großer Bedeutung. Eine gute überblickende Zusammenfassung der Aktivitäten von hochfesten Faserseilen liefert die Veröffentlichung neuartiger Maschinenelemente in der Fördertechnik und Logistik – hochfeste, laufende Faserseile [35]. Hier wird auf verschiedene Anwendungsbereiche für laufende Faserseile, nämlich in den Bereichen

Serienkleinhebezeuge Offshore-Technik Tiefseeforschung Schleppen und Festmachen von Schiffen Aufzugstechnik

14.4.4

Mechanische Elemente der Antriebe

14.4.4.1 Mechanische Bremsen Sie sind im Hebezeugbau aus Sicherheitsgründen stets so auszuführen, dass bei Stromausfall sofort die volle Bremswirkung eintritt (s. Bd. 2, Abschn. 10.5.7 Fremdgeschaltete Kupplungen – Bremsen). 14.4.4.2 Betriebsart Stopbremsen. Sie bringen geradlinig sich bewegende und rotierende Massen zum Stillstand. Die kleinsten Abmessungen haben die Bremsen, wenn die Trommel bzw. Scheibe auf der am schnellsten sich drehenden Welle sitzt.

Haltebremsen. Bei neuzeitigen Antrieben nimmt die elektrische Maschine 80 bis 100 % der Bewegungsenergie auf. Sie wird erst nach Erreichen einer Geschwindigkeit  0;1nen geschlossen. Im Ausnahmefall arbeitet die Halteeingegangen und der Stand in diesen Anwen- bremse als Notstoppbremse. Sie muss daher wie dungsbereichen geschildert. Diese Untersuchun- eine Stoppbremse ausgelegt werden. gen zeigen, dass laufende Faserseile in speziellen Anwendungen zu den Stahldrahtseilen eine Al- Sicherheitsbremsen. Bremsen werden als Siternative sind. Die oben zitierten weiteren For- cherheitsbremsen bezeichnet, wenn sie in Hubschungen, insbesondere hinsichtlich der sicheren werken als zusätzliche Bremse am Ende der kiErkennung der Ablegereife, werden dieses Poten- nematischen Kette des Triebwerks stehen und nur dann aktiv werden, wenn eines der davor liegential weiter erhöhen.

14 Grundlagen

den Glieder der Antriebskette versagt (passive Redundanz). Da ihre Bremskörper (i. Allg. die Trommelbordwand oder die Treibscheibe) mit relativ kleiner Geschwindigkeit drehen, müssen sie große Bremsmomente aufnehmen. Zweikreisbremsen bestehen aus zwei unabhängigen Bremshälften, von denen jede das Triebwerk bis zum Stillstand abbremsen kann (aktive Redundanz). Nur die Bremsscheibe und ggf. der Lüfter ist gemeinsam (Beispiel Aufzug). Werkstoffe der Reibpaarung. Bremstrommeln und -scheiben werden nach DIN 15437 aus Gusseisen mit Lamellengraphit EN-GJL250/GG25 (nicht für Hüttenwerkskrane) oder mit Kugelgraphit EN-GJS-400/GGG40, ENGJS-600/GGG60, Stahlguss GS60, aus Baustahl S355JO/St52-3 oder seltener aus Vergütungsstählen C45 oder 42CrMo4 hergestellt. Reibbeläge sind ein unter großem Druck und großer Temperatur gepresstes Gemisch aus organischen und anorganischen Stoffen. Sie sollen ausreichend widerstandsfähig sein gegen thermische Belastung (bis 400 °C), einen geringen Verschleiß haben, die Bremsscheibe nicht angreifen und nicht Geräusch anregend wirken. Die mittlere Reibungszahl m unter Normalbelastung ist je nach Belagfabrikat 0,25 bis 0,45. Bei Überschreitung der zulässigen Reibflächentemperatur kann die mittlere Reibzahl stark abfallen [24, 25]. Bremsmomente werden i. Allg. mit m D 0;35 berechnet. Bei Reibflächentemperaturen bis 150 °C werden auch gewebte Baumwollbeläge eingesetzt. Bremsbeläge (DIN 15436) werden auf die Belaghalter geklebt, bei Trommelbremsen auch noch genietet. Der Belagverschleiß, bezogen auf die Reibarbeit, ist bei Normalbelastung q D 0;1 bis 1; 0 cm3 =kWh je nach Werkstoffpaarung und Reibflächenrauheit. Über die zulässige Verschleißdicke  s, die wirksamen Reibflächen ˙ A1 und über die je Bremsung in Wärme umgesetzte Energie WBR D MBR !1 ta =2 lässt sich die Zahl ZB der mit einem Belagsatz erreichbaren Stopbremsungen abschätzen zu: ZB D ˙ A1  s=.qWBR /.

355

Es sind MBR Bremsmoment, !1 Winkelgeschwindigkeit der Bremswelle bei Bremsbeginn, ta Bremszeit. Nach DIN 15434 ist  s D 0;8mal Dicke des neu geklebten Belags. Für genietete Beläge ist s um 2 mm kleiner. Der Trommel- und Scheibenverschleiß ist bei abgestimmter Reibpaarung unter Normalbelastung unbedeutend. Er kann aber bei unpassender Werkstoffkombination der Reibpartner oder bei zu großer thermischer Belastung unannehmbar groß werden.

14.4.4.3 Bauart Kegel- und Lamellenbremsen. Sie werden z. B. bei leichten Kranen in Verbindung mit seriengefertigten Getriebemotoren und in Elektrozügen eingesetzt. Trommelbremsen (DIN 15435 T 1) nach Abb. 14.47 sind in schweren Kranen die gebräuchlichsten Bremsen (Trommelabmessungen s. DIN 15431). Bremsbeläge 10 (DIN 15435 T 3) sind auf zwei leicht auswechselbaren Bremsbacken 3 und 5 (DIN 15435 T 2) aus Gusseisen, Stahl- oder Aluminiumguss geklebt, selten noch genietet. Diese sind drehbar in den Bremshebeln 4 und 6 gelagert. Eine geführte Druckfeder 9 erzeugt beidseitig über das Hebelsystem 8, 6, 7, 4 die zwischen den Reibbelägen 10 und der Trommel 2 wirkende Bremskraft. Durch Verändern der Federkraft FF und der Hebellänge b lässt sich das Bremsmoment bis zum Fünffachen verstellen. Nachstellen des Verschleißwegs er-

14

Abb. 14.47 Doppelbacken-Trommelbremse (ThyssenKrupp) (Erläuterungen im Text)

356

T. Schmidt et al.

Tab. 14.13 Zulässige .p1 m /zul -Werte, Trommeldurchmesser und Bremsmomente (DIN 15434) d1 cm 20 25 31,5 40 50 63 71

.p1 m /zul Bei Drehzahl n1 in min1 1500 1000 750 W=cm2 M BRzul in Nm 75 78 117 – 80 130 195 260 90 – 348 464 100 – 624 832 110 – – 1430 125 – – 2580 135 – – –

600 – – 580 1040 1788 3225 4423

folgt über ein manuell oder automatisch betätigtes Spannschloss 7. Einstellbare Pufferelemente 11 sorgen für gleichmäßiges Öffnen. Stellschrauben 12 verhindern Schleifen der Beläge bei ge- Abb. 14.48 Zweikreisbackenbremse, Feyrer öffneter Bremse. Das Bremsmoment ist überschlägig mit den bremsen Vorteile. Sie werden daher zunehmend z. B. in Krantriebwerken eingesetzt, wenn deren Bezeichnungen aus Abb. 14.47: Bremsen bei großen Geschwindigkeiten oder bei MBR D FF  a2 =.b/  h1 =.h2 /  m d1   MBR zul ; großer thermischer Belastung arbeiten. Greift nur ein Bremsbackenpaar an der Scheibe an, so ermit   0;9 Wirkungsgrad des Bremshebelsys- zeugt die Bremskraft ein Biegemoment an der tems. Das zulässige Bremsmoment ist MBR zul D Bremswelle. 2 A1  .p1 m /zul =!1 mit A1 Reibfläche eines BeStandardisierte Scheibenaußendurchmesser lags. A1 D 0;204d12 nach DIN 15434 T 1. p ist (DIN 15432) entsprechen den Bremstrommeldie mittlere Flächenpressung zwischen Trommel durchmessern (Tab. 14.13). Es sind zzt. 15 und und Belag (p D 10 bis 40 N=cm2 ), 1 die Reib- 30 mm dicke Vollscheiben und 30, 42, 80, geschwindigkeit bei Bremsbeginn (bis 60 m=s) und w1 die Winkelgeschwindigkeit bei Bremsbeginn. .p1 m /zul ist die Reibleistung, bezogen auf die Reibflächeneinheit des Belages, zulässige Werte (Tab. 14.13). Bei thermisch stark beanspruchten Trommelbremsen ist nachzuweisen, dass die mittlere Reibflächenbeharrungstemperatur 150 °C nicht überschreitet. Rechengang s. DIN 15434. Bei Serientriebwerken sind die Bremshebel am Triebwerksgehäuse mit genauer Zuordnung zur Bremsscheibe gelagert. Dadurch kann eine einfache Bauform ohne die beweglichen Bremsbacken eingesetzt werden (Abb. 14.48). Scheibenbremsen (DIN 15433-2). Scheiben als Bremskörper bringen wegen ihrer kleineren Massenträgheitsmomente und ihrer größeren zulässigen Reibflächenbeharrungstemperatur Abb. 14.49 Elektrohydraulisches Hubgerät (Eldro) mit (350 °C nach DIN 15434) gegenüber Backen- integrierter Bremsfeder (EMG) (Erläuterungen im Text)

14 Grundlagen

357

Abb. 14.51 Scheibenbremse (SIMINDUSTRIE) (Erläuterungen im Text)

Abb. 14.50 Scheibenbremse (Stromag) (Erläuterungen im Text)

112 mm dicke Scheiben mit radialen Lüftungskanälen im Einsatz. Diese selbst belüftenden Scheiben haben ein größeres Wärmeabgabevermögen. Sie sind vorteilhaft in Stoppbremsen, wenn diese im oberen Temperaturbereich arbeiten. Die kostengünstigeren massiven Scheiben haben bei gleicher Dicke ein größeres Wärmespeichervermögen. Sie sind für Halte- und Sicherheitsbremsen zu empfehlen [26]. Bei kleinen Motoren werden die Scheibenbremsen in den Motor integriert. Das Bremsmoment errechnet sich aus der Zahl Z der Bremsbacken (z. B. ist Z D 2 für Bremsen nach Abb. 14.50), der Anpresskraft FN zwischen diesen und der Bremsscheibe, deren mittleren Reibkreisdurchmesser d1 und der mittleren Reibungszahl m zu MBR zul D Z  FN  m  d1 =2. Das zulässige Bremsmoment ist MBR zul D .p1 m /zul A1 Z.1=!1 /. In Ermangelung anderer Werte kann .p1 m /zul nach Tab. 14.13 gewählt werden. A1 ist die wirksame Reibfläche eines Bremsbelags (s. DIN 15433-2). Bei thermisch stark beanspruchten Scheiben ist nachzuweisen, dass die mittlere Reibflächentemperatur 350 °C nicht überschreitet. Rechengang siehe DIN 15434. Bei der direkt wirkenden Federkraftbremse (Schließzeit ca. 0,15 s) sitzen die Bremsbeläge 1 auf zwei gegeneinander arbeitenden Hydraulikkolben 2 (Abb. 14.50). Ein Tellerfeder-

paket 3 erzeugt die Bremskraft zwischen den Belägen 1 und der Scheibe 6. Drucköl aus dem Speicher 4 öffnet die Bremse nach Betätigen eines Ventils. Für konstanten Druck sorgt Pumpe 5, die mit dem Speicher 4, dem Ventilblock 7 und dem Ölbehälter 8 eine Baueinheit bildet. Diese ist mit dem Bremsgehäuse 9 verschraubt. Abb. 14.51: Bei der Bremszange (Schließzeit ca. 0,17 s) drückt die Bremsfeder 1 die radial zur Scheibe angeordneten Zangenhebel 2 und 3 zusammen, wobei sich der Hebel 3 nur um den ortsfesten Drehpunkt B dreht und drückt damit Bremsbacken 4, auf die Bremsbeläge 5 geklebt sind, gegen die Bremsscheibe 6. Exzenter 7 sorgen für Verschleißnachstellung. Das Öffnen der Bremszange erfolgt durch das Magnetfeld der Spule 8, das das Joch 9, gegen die Bremsfederkraft wirkend, an das Gehäuse 10 zieht und so die Entfernung der Zangenhebellagerpunkte A und B (ortsfest) vergrößert. Rückzugfeder 11 sorgt für das vollständige Öffnen der Zange. Zur Vergrößerung des Bremsmoments können mehrere Bremszangen am Scheibenumfang angeordnet werden. Abb. 14.52: Die Bremskraft zwischen der Scheibe 1 und den Bremsbelägen 2 wird durch die Feder 3 über zwei parallel zur Reibfläche liegende Hebel 4 und 5 aufgebracht. Das Öffnen der Bremse erfolgt durch das Eldrogerät 6 (z. B. nach Abb. 14.49, aber ohne Bremsfeder 9). Die Schließzeit ist ca. 0,2 bis 0,6 s je nach Größe des Eldros (6). Es wirkt über Hebel 7 und über einen zwischen Bremshebeln 4 und 5 wirkenden Drehkeil 8 gegen die Bremsfeder 3. Rollen 9 mindern Keilreibung. Verschleißnachstellung erfolgt selbsttätig oder manuell über Gewindestange 10. Bei größeren Bremsmomenten kann auf der an-

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358

T. Schmidt et al.

Abb. 14.52 Scheibenbremse (Asku-Scholten) (Erläuterungen im Text)

Abb. 14.54 Einfachbandbremse

Abb. 14.53 Zweikreis-Sicherheitsbremse (mayr)

deren Seite der Scheibe ein zweites Hebelpaar untergebracht werden, das über ein Gestänge mit dem ersten verbunden und durch dasselbe Eldrogerät geöffnet werden kann. Scheibenbremse mit Doppelrotorausführung (Abb. 14.53) werden auch im Aufzugbau als Zweikreis-Sicherheitsbremsen eingesetzt. Bandbremsen werden eingesetzt bei Bremstrommeln mit großem Durchmesser (Fördermaschinen, Bagger-, Schiffs-, Montagewinden). Bandbremsen beanspruchen die Bremswelle stark auf Biegung. Die Betätigungskraft FF wird manuell oder durch ein Gewicht oder durch eine Feder aufgebracht. Bandbremsen können bei kleinen Betätigungskräften FF große Bremsmo-

mente MBR erzeugen, da die längenbezogene Anpresskraft zwischen Bremsband und Bremstrommel verstärkt wird zu MBR D .F1  F2 /   d1 =2. Abb. 14.54: Ein Stahlband 1 mit aufgenietetem Bremsbelag 2 bildet das Bremsband. Am Umfang verteilte ortsfeste Anschläge ermöglichen gleichmäßiges Abheben des Bands nach dem Öffnen der Bremse. Stahlbanddicke t D F1 S=.BRe /. Sicherheitsfaktor S D 1;5 bis 2,0. Bandbreite B (10- bis 15mal Stahlbanddicke t). Re Streckgrenze des Bandwerkstoffs (gebräuchlich ist St52-3). Die maximale Bremsbelagflächenpressung ist pmax D 2 F1 =.d1 B/ < pzul . Für gebräuchliche Belagwerkstoffe ist pzul D 30 bis 40 N=cm2 . Für Stoppbremsen ist zu überprüfen, ob .pmax 1 m /  .p1 m /zul . In Ermangelung anderer Werte kann mit den in Tab. 14.13 festgelegten .p1 m /zul -Werten gerechnet werden. 1 Reibgeschwindigkeit bei Bremsbeginn.

14 Grundlagen

359

Abb. 14.55 Laufrad mit Laufradwelle. a Lagerung in Ecklagern; b Korblager. (Quelle: DIN 15071)

Bremslüfter. Gleichstrommagnete werden bevorzugt in der zuverlässigen Bauform mit Flachanker ausgeführt (Abb. 14.48 und Abb. 14.51). Elektrohydraulische Hubgeräte (Eldro, Abb. 14.47) oder Motordrücker werden bei größerer Lüfterarbeit eingesetzt. Hydraulische Bremslüfter sind nur bei sehr großen Bremsmomenten anzutreffen (Abb. 14.50).

14.4.5 Laufrad und Schiene (Schienenfahrwerke) Laufrad und Schiene sind die wichtigsten Bauteile von Schienenfahrwerken, die, im Vergleich z. B. zu Reifenfahrwerken, vorwiegend für Fahrbewegungen mit kleineren Steigungen eingesetzt werden. Sie verursachen einen geringen Fahrwiderstand, verlangen aber eine gute Stützung der Fahrbahn (Biegebeanspruchung der Schiene). Ihr Nachteil ist die Bindung an die fest verlegte Fahrbahn. Schienenfahrwerke von Kranen unterscheiden sich von denen der Eisenbahnfahrzeuge durch das Auftreten erheblich größerer Rad-, Seiten- und Führungskräfte und durch wesentlich kleinere Fahrgeschwindigkeiten. Die Laufräder von Schienenfahrwerken haben nicht nur die vertikalen Radkräfte sondern auch Horizontalkräfte, die von der Führung des Fahrzeuges durch die Schiene herrühren, aufzunehmen. Bei angetriebenen Rädern kommen noch die Umfangskräfte hinzu. Diese Kräfte werden über die Aufstandsfläche des Rades auf die Schiene übertragen. Durch Führungsmittel, das sind z. B. Spurkränze am Laufrad oder zusätzlich angeordnete horizontale Führungsrollen, wird sichergestellt, dass das Laufrad die Schiene nicht

verlassen kann. Beim Anlaufen der Führungsmittel an den Schienenkopf treten horizontale Seitenkräfte auf, die, wie die Führungskräfte und die Vertikalkräfte, von der Schiene in den Fahrbahnträger eingeleitet werden. Die Laufräder von Kranen haben wegen der großen Radkräfte relativ breite Laufflächen, wobei sich der Radkranz, zur Aufnahme der durch die Seiten- und Führungskräfte auftretenden Momente, über Versteifungsrippen auf die Radnabe abstützt (Abb. 14.55a,b). Laufräder werden meist in Wälzlagern gelagert. Bei niedriger Beanspruchung (kleiner Belastung, niedriger Fahrgeschwindigkeit, seltenem Einsatz) werden gelegentlich noch fettgeschmierte oder selbstschmierende Gleitlager verwendet. Wie das Bild zeigt, kann man den Ein- und Ausbau des Laufrades durch Abstützung der Wälzlager auf einer drehgesicherten Buchse, die über die feststehende Achse geschoben wird, vereinfachen. Angetrieben wird in diesem Beispiel das Laufrad über einen seitlich angeschraubten Zahnkranz. Diese Ausbildung als „offenes“ Zahnradvorgelege erschwert die Schmierung der Verzahnung. Ein Beispiel der Lagerung eines Laufrades auf mitdrehender Welle zeigt Abb. 14.56. Es ermöglicht die Unterbringung der Antriebsräder in einem geschlossenen Getriebegehäuse. Das Laufrad kann hier durch Lösen des mit dem Tragwerk verschraubten Lagergehäuses und durch Herausrollen der ganzen Baugruppe auf der Schiene, nach vorausgegangener Abstützung des Tragwerkes, ausgebaut werden. Die Auswahl des geeigneten Schienenprofiles hängt von der Steifigkeit des Fahrbahnträgers bzw. der Bettung der Schiene und von der Größe der auftretenden Vertikal- und Horizontalkräfte

14

360

T. Schmidt et al.

Abb. 14.56 a Laufrad auf stehender Achse. b Laufrad auf mitdrehender Welle [2]

ab. Sind die Schienen auf Schwellen abgestützt, werden sie in erheblicher Weise auf Biegung beansprucht und ihr Profil sollte ein großes Trägheitsmoment um die horizontale Trägheitsachse aufweisen (Eisenbahnschienen). Bei hohen Seitenkräften, wie sie bei Kranen wegen des kleinen Radstandes im Verhältnis zur Spurweite (Spannweite) auftreten, wird ein großes Trägheitsmoment auch um die vertikale Trägheitsachse notwendig, insbesondere wenn die Schiene auf ihrer ganzen Länge gleichmäßig abgestützt werden kann (Kranschiene). Ein Beispiel für die Befestigung einer Kranschiene nach DIN 536 auf einem Kranträger zeigt Abb. 14.57. Im rechten Teil des Bildes vermeidet eine elastische Unterlage zwischen Schiene und Träger das Auftreten hoher Kantenpressungen z. B. infolge elastischer Verformungen des Tragwerkes.

Abb. 14.57 Kranschiene (DIN 536 T 1) mit Befestigungsmöglichkeiten

Für leichten Betrieb (geringe Betriebsstundenzahl, selten Höchstlast) wird auch Flachstahl mit gerundeten Kanten nach DIN EN 10058 als Kranschiene verwendet und mit dem Kranträger direkt verschweißt (Abb. 14.58). Bei hohen Biegebeanspruchungen der Schiene werden Eisenbahnschienen nach DIN EN 136741 und -4 als Kranschienen eingesetzt. Die Schienenkopfbreiten sind nach DIN 15072 bestimmten Laufraddurchmessern zugeordnet, wodurch ein gewisses Spurspiel sichergestellt wird. Dabei ist auch berücksichtigt, dass der Abrundungsradius am Schienenkopf immer größer sein muss, als der Abrundungsradius in der Hohlkehle zwischen Lauffläche und Spurkranz des Laufrades, damit ein Aufsteigen des Laufrades auf den Schienenkopf vermieden wird. Die Festigkeiten der verwendeten Schienenwerkstoffe liegen im Bereich von 590 bis 880 N=mm2 .

Abb. 14.58 a Kranschiene aus Flachstahl (DIN EN 10058). Übliche Querschnitte k × h: 50 × 30; 50 × 40; 60 × 30; 60 × 40. b gefährdete Schweißnähte durch hohlliegende Kranschiene

14 Grundlagen

361

Laufradberechnung. Die Nachweiskriterien in der aktuellen Norm DIN EN 13001-3-3 beruhen auf der Hertz’schen Pressung auf die Kontaktfläche und der durch den Laufrad/SchieneKontakt hervorgerufenen Scherspannung unterhalb der Oberfläche. Die Berührung von Laufrad und Schiene kann meist mit der Wälzpaarung Zylinder und Ebene (Linienberührung) verglichen werden, wenn man eine ebene Schienenoberfläche voraussetzt und Parallelitäts-Abweichungen zwischen ihr und der Laufradachse vernachlässigt. Die Druckfläche ist dann eine Rechteckfläche von der Länge (b0 D tragende Breite des Schienenkopfes) und der Breite 2a (D Hertz’sche Berührungsbreite), s. Abb. 14.59a,b. Berücksichtigt man, dass die Hertz’sche Berührungsbreite klein gegenüber b0 ist, ergibt sich ein dreiachsiger Spannungszustand für Rad und Schiene. Im Bild ist der Spannungsverlauf entlang der Symmetrielinie y nach L. Föppl [27] dargestellt. Die im Bild eingetragenen Größen ergeben sich aus: Hertz’sche Pressung: pH2 D

FR E1  E2 1 2  b 0  DL E1 C E2   .1   2 /

Hertz’sche Berührungsbreite: s FR  DL E1 C E2 a D 2  0;29   b0 2  E1  E2 Normalspannungen: pH a2 C 2y 2 x D  2y  p a a2 C y 2 a y D pH  p 2 a C y2

!

Abb. 14.59 Bezeichnungen am Laufrad und Schienenkopfprofil

Für die Berührungsfläche y D 0 ergibt sich an der Stelle der Symmetrieachse x D pH I

y D pH I

 D0:

Wenn nur die vertikale Radkraft wirkt ist die Berührungsfläche schubspannungsfrei. Wegen b 0 a gilt, dass ein ebener Formänderungszustand vorliegt und somit die Querausdehnung in der z-Achse durch eine senkrecht zur x, yEbene wirkende Druckspannung verhindert wird z D   .x C y / D 2    pH : Wird der Fließbeginn des Werkstoffes als Versagensursache angesehen, ergibt sich nach der Schubspannungshypothese die Vergleichspannung für y D 0 zu V D max min D 2  max D .2    1/  pH : Mit  D 0;3 für Stahl wird V D 0;4  pH . Wie aus dem Bild weiter hervorgeht, tritt die maximale Schubspannung im Abstand 0,78 a unter der Oberfläche in der Größe max D 0;3  pH

I

auf. Die Vergleichspannung wird damit an dieser Stelle V D 2  max D 0;6  pH

und ist ebenfalls größer als in der Berührungsfläche. ! Wegen des 3-achsigen Spannungszustandes pH 1 D y 1 p darf daher die Hertz’sche Pressung pH die Fließ2 a .a=y/ C 1 grenze des Werkstoffes erheblich überschreiten FR D Radkraft; E1 ; E2 D Elastizitätsmoduln ohne dass Fließbeginn befürchtet werden muss. von Rad und Schiene;  D Querdehnungszahl Außer den Beanspruchungen aus der verti(1= D m Poisson’sche Zahl). kalen Radkraft sind Schubspannungen aus den Schubspannung:

14

362

T. Schmidt et al.

Abb. 14.60 Spurführungskräfte bei Fahrwerksschräglauf

Führungskräften quer zur Laufrichtung und, bei angetriebenen Rädern, auch aus der Umfangskraft in Laufrichtung an der Schienenoberfläche zu berücksichtigen. Neben der statischen Betrachtungsweise ist insbesondere bei höher beanspruchten Laufwerken die Bemessung auf eine bestimmte Anzahl von ertragbaren Überrollungen d. h. auf Lebensdauer vorzunehmen. Als Werkstoffkennwert wird die „Wälzfestigkeit“ [28] herangezogen, wobei die Einflüsse von Laufraddrehzahl, Betriebsdauer, Lastkollektiv und auftretenden Umfangskräften über Beiwerte berücksichtigt werden können [29]. Für die Wälzfestigkeit wird in Abhängigkeit der Brinellhärte des Werkstoffes bei Linienberührung für eine Überrollungszahl von 6; 4  106 und eine Überlebenswahrscheinlichkeit von 90 % ein Wert pH; D N=mm2 D 3;0  HBW N=mm2 eingesetzt. HBW ist die Brinellhärte des Werkstoffes nach DIN EN-ISO 6506-1 und ist dimensionslos. Der Faktor 3,0 ergibt sich aus früheren Versuchsergebnissen nach Umstellung auf N=mm2 . In neueren Berechnungsansätzen wird auch der auftretende Verschleiß insbesondere an den Spurkränzen der Laufräder berücksichtigt und

durch günstigere Gestaltung (Vergrößerung der Spurkranzhöhe und des Neigungswinkels der Kegelfläche gegenüber der Norm) verringert. Führungskräfte. Wegen nicht zu vermeidender Fertigungstoleranzen bei der Herstellung eines Fahrwerkes verläuft der Fahrweg des Schienenfahrzeuges bogenförmig, soweit das vorgesehene Spurspiel das zulässt. Dadurch kann sich das Fahrzeug schräg zur Schiene stellen und es kommt zum Anlauf eines der vorhandenen Spurführungsmittel (Spurkranz, horizontale Führungsrolle) an den Schienenkopf unter dem Schräglaufwinkel ˛. Das Fahrzeug wird dann durch die senkrecht zur Schiene wirkende Seitenkraft gerade gerichtet. Es wird eine Drehbewegung um den Gleitpol erzwungen, die sich der reinen Fahrbewegung überlagert. Die Seitenkraft muss dabei die an den Aufstandspunkten der Räder wirkenden Reibungskräfte (Reaktionskräfte) überwinden (Abb. 14.60). Der Gleitpol hängt von der Lage des Gesamtschwerpunktes des Fahrzeuges ab. Sein Abstand h zur auftretenden Seitenkraft kann aus dem Gleichgewicht des Momentes der Seitenkraft mit den Momenten aus den Reaktionskräften um den Gleitpol bestimmt werden. ˙M D 0 :

14 Grundlagen

363

Die Reaktionskräfte Fi sind bestimmt durch die jeweilige Radkraft Ri und einen vom Schlupf abhängigen Kraftschlussbeiwert fi

Bodenplattenanschraubfläche Kettenglied Buchse Bolzen

Fi D fi  Ri : Der Schräglaufwinkel ist ein Maß für die Dichtung an den Aufstandspunkten erzwungenen VerschieStopfen Ölreservoir bewege und damit für den dort auftretenden Lauffläche Schlupf. Im Kraftschluss-Schlupf-Gesetz, das das Ergebnis zahlreicher experimenteller Unter- Abb. 14.61 Gleiskette mit Ölschmierung suchungen ist, wird der Kraftschlussbeiwert als Funktion von ˛ dargestellt: in Abb. 14.3 ein im Bereich der Raupenkrane oft eingesetztes Schakenfahrwerk gezeigt. Der strukf D fmax .1  e a˛ / : turelle Aufbau (s. Bildlegende) gilt prinzipiell für Nach DIN 15018, T 1, gilt für Krane fmax D alle Raupenfahrwerke. 0;3 und a D 0;25. In gleicher Weise ist der Kraftschlussbeiwert vom Schlupf  abhängig. Zur Ausführungs- und Bauformen. Die BezeichErrechnung der Reaktionskräfte müssen daher nung der Raupenfahrwerke richtet sich nach die jeweiligen Kraftschlussbeiwerte fi für die an der konstruktiven Ausführung der Fahrwerksden Aufstandspunkten vorhandenen unterschied- ketten. Hiernach werden, für zivile Anwenlichen Schlupfe i mit Hilfe der obigen Kraft- dungen, Raupenfahrwerke im Wesentlichen in schluss-Schlupf-Funktion bestimmt werden. Der Schaken-, Gleis- und Elastomer-/GummikettenSchlupf an den jeweiligen Aufstandspunkten fahrwerke eingeteilt. Während Elastomer- bzw. muss ferner der Entfernung vom Gleitpol propor- Gummiketten [39] zunehmend in den Bereichen tional sein. der Landwirtschaft und der Off-Road-FahrzeugZu unterscheiden ist zwischen angetriebenen technik Anwendung finden, haben sich in der und nicht angetriebenen Laufrädern. Bei den Förder- und Baumaschinentechnik, neben den Letzteren ist nur ein Schlupf quer zur Rollrich- Schakenketten, hauptsächlich die – im Rahmen tung möglich, weil in Rollrichtung das Laufrad dieses Abschnittes behandelten – Gleisketten etaals frei drehbar angesehen werden kann. In Roll- bliert. Der Begriff leitet sich aus Form und Funkrichtung ist somit der Schlupf und, nach dem tion des Kettengliedes ab, das einem Abschnitt vorstehenden Gesetz, auch die Reaktionskraft- des Gleises entspricht, auf dem die Maschinen urKomponente gleich Null. sprünglich gefahren sind [40]. Den konstruktiven Mit Hilfe der zwei weiteren Gleichgewichts- Aufbau einer Gleiskette mit Ölschmierung zeigt bedingungen Abb. 14.61. Bei der Auslegung der Fahrwerke ist von Be˙ Kräfte in Rollrichtung ˙ D0 deutung, ob die Maschinen vorwiegend im Stand ˙ Kräfte normal zur Rollrichtung ˙ D 0 arbeiten und höhere Tragfähigkeiten gefordert können unter Berücksichtigung der Fahrzeug- sind oder einen größeren Fahranteil aufweisen geometrie und der Art des Antriebes die Größe und damit Verschleißaspekte im Vordergrund steder Seitenkraft und der Reaktionskräfte bestimmt hen. Vornehmlich für Letztere hat sich, neben der Standardausführung, das Deltafahrwerk etabliert werden. (Abb. 14.62). Beim Deltafahrwerk ist das Getriebe höher 14.4.6 Raupenfahrwerke gestellt. Somit ist es keinen Vertikalstößen ausgesetzt und verschmutzt weniger. Weitere MerkmaVor- und Nachteile von Raupenfahrwerken wur- le sind ein geringerer Umschlingungswinkel am den bereits in Abschn. 14.2.2 genannt. Dort wird Antriebsrad sowie der – bei Vorwärtsfahrt – per-

14

364

T. Schmidt et al. α

α

T

T

T

Vorwärtsfahrt

α

α

Rückwärtsfahrt

d0/2

d0 /2

h

a

T

Δh

360°/z

b

Abb. 14.62 Bauformen und Zugkraftverlauf. ˛ Umschlingungswinkel der Kette am Antriebsrad. a Standardfahrwerk, b Deltafahrwerk Leitrad Gleitstück Traverse Feder Zuganker Fettpanner

Abb. 14.63 Leitradeinheit mit klassischer Spannvorrichtung

manente Kettenzug über das zusätzliche Leitrad. Rückwärtsfahrt ist bei Raupenfahrwerken generell nachteilig, da der maximale Kettenzug stets über das Leitrad und den gesamten Obertrum wirksam wird. Beim Standardfahrwerk wirkt bei Vorwärtsfahrt im Obertrum nur die Kettenvorspannung, die über die Kettenspannvorrichtung (Abb. 14.63), abhängig von den Einsatz- und Bodenverhältnissen und bezogen auf Verschleiß und Verschmutzung, einzustellen ist. Die Federeinheit schützt das Fahrwerk vor übermäßigem Kettenzug. Kinematik. Raupenfahrwerke weisen eine charakteristische Antriebskinematik auf, die – selbst bei konstanter Getriebedrehzahl – zu ungleichförmigen Fahrbewegungen führt. Dieser sogenannte Polygoneffekt resultiert aus unterschiedlichen Wirkradien (h bzw. d0 /2) am Antriebsrad (Abb. 14.64) und nimmt bei gleicher Kettenteilung T mit kleinerer Zähnezahl z zu: T d0 D sin .360ı =z/ p h D .d0 =2/2  .T =2/2

Abb. 14.64 Wechselnde Wirkradien am Antriebsrad (TKettenteilung)

[41]. Damit reduziert sich der Scharnierwinkel in den Kettengelenken. Umgekehrt lassen sich mit möglichst kleinen Antriebsrädern bei gleichem Getriebe höhere Zugkräfte realisieren. Auch der Durchmesser des Leitrades ist für die Fahreigenschaften wesentlich; dessen Laufflächendurchmesser ist wie der Teilkreis des Antriebsrades zu betrachten. Kettenzugkräfte. Wesentlich sind Fahrwiderstand K F , Steigungswiderstand K S und Wendewiderstand K W . Bei K F ist der Fahrwiderstandsbeiwert f und bei K S der Steigungswinkel ' zu berücksichtigen. Der für das Wenden erforderliche Kettenzug K W ergibt sich in erster Näherung aus Achsabstand a, Spurweite s und dem Reibbeiwert zwischen Bodenplatte und Boden (u. a. ist hier der Einfluss der Bodenplattenbreite vernachlässigt, s. [42]). Unter Berücksichtigung der Gewichtskraft F F des Fahrzeuges folgt für den Gesamtkettenzug K: K D KF C KS C KW D FF .f C sin ' C a=4s/ Es wird deutlich, dass für die Manövrierfähigkeit eine größere Spurweite von Vorteil ist, die gleichzeitig eine höhere Standsicherheit gewährleistet (s. schematische Vergleichsdarstellung Abb. 14.65). Umgekehrt ist der Wendewiderstand bei längerem Fahrwerk größer.

Anstieg. Steigt die Kette, ausgehend von der ersten bzw. letzten Laufrolle zu Leit- und Antriebsrad nicht an, wird – aufgrund der Polygonwirkung – das Scharnieren der Kette behindert. Bei Fahrzeugen mit höherem Fahranteil wer- Dies kann zu Negativscharnieren, Anheben des den daher z. T. größere Antriebsräder eingesetzt Leitrades oder lokalem Einsinken der Kette in

14 Grundlagen

365 KW

KW

KW

d KW

KW

e

b

KW

Abb. 14.65 Wendewiderstände K W bei unterschiedlicher Breite bzw. Länge des Fahrwerkes

den Boden (Abb. 14.66a) führen. Dadurch wird u. a. die Manövrierfähigkeit der Maschine beeinträchtigt. Der erforderliche Anstieg (Abb. 14.66b) am Leitrad AL(Bo) wird unter Beachtung der Rahmenund Kettenmaße H, G und F wie folgt berechnet: AL.Bo/ D H C G C F p  .d0 =2 C H /2 C .T =2/2 Ein über die Betriebszeit unterschiedlicher Rollen- und Leitradverschleiß ist zusätzlich zu berücksichtigen [43]. Bei vorwiegend im Stand und auf härteren Böden arbeitenden Maschinen wird u. U. auf einen Anstieg verzichtet, um die Aufstandsfläche zu erhöhen.

a

b

c

Abb. 14.67 Bodenplatten (Auswahl) (Linser, Troisdorf). a 1-Steg-Platte; b 2-Steg-Platte; c 3-Steg-Platte; d Platte mit Gummibeschichtung; e Platte mit Polyurethan-Beschichtung

Bei stark außermittigem Maschinenschwerpunkt weicht der reale Bodendruck vom Nominalwert ab (Abb. 14.68). Gibt es beim Einsatz von Bodenplatten mit Stegen unzulässige Abweichungen zwischen Nominal- und Realwert des Bodendruckes, sind alternative Bodenplatten zu wählen. So sorgen z. B. bei hartem Untergrund Flach- oder beschichtete Bodenplatten für eine gleichmäßigere Druckverteilung. Steht die Vortriebskraft im Vordergrund, sind die Form der Stege und das Eindringen in den Boden maßgebend. Bei hartem Grund können die Platten zur Erhöhung des Reibbeiwertes beschichtet werden. Dies schont zudem die Fahrbahn. Es wird deutlich, dass für die Bodeninteraktion die Beschaffenheit der Böden eine wichtige Rolle spielt, so dass die Bodenklassifizierung sowie bodenphysikalische Aspekte (Tragfähigkeit, Verformungsverhalten usw.) [9] bei der Auslegung durchaus zu berücksichtigen sind.

Bodeninteraktion. Der Bodendruck wird hauptsächlich über die Bodenplattenbreite b (Abb. 14.67) und die Fahrwerkslänge (z. B. LCFahrwerke – Long Crawler) beeinflusst. Bei weichen Böden ist dabei der Achsabstand a zwischen Antriebs- und Leitrad relevant, bei harten Böden und ausreichendem Anstieg der Abstand zwischen erster und letzter Laufrolle. Bezogen auf 2 Fahrschiffe berechnet sich der nominelle Bodendruck zu: Lebensdauer. Im Unterschied zu den meisten FF Maschinenbauteilen unterliegen RaupenfahrwerpBoden D 2.a  b/ ke einem extrem hohen abrasiven Verschleiß. Damit wird die Lebensdauer eines Fahrwerkes d Unterkante vorrangig vom Verschleißfortschritt der KompoRahmen nenten bestimmt [44]. Dies betrifft Antriebs- und F Leiträder, Lauf- und Tragrollen sowie Ketten. Es 0

G

A0(Bo)

a

H

b

Abb. 14.66 Anstieg beim Kettenfahrwerk. a Beispiel: Eindringen des Kettengliedes bei nicht ausreichendem Anstieg und weichen Böden. b Relevante Abstände zur Einstellung des Anstieges am Leitrad, bezogen auf den Kettenbolzen

F

F

p

F

p

p

Abb. 14.68 Bodendruckverteilung bei unterschiedlicher Lage des Maschinenschwerpunktes

14

366

T. Schmidt et al. abgesetzte Buchse

Standardbuchse

Drehbuchse

a

b

Abb. 14.69 Verschleißerscheinungen bei Gleiskettengliedern. a Wellenverschleiß der Laufflächen; b Abplatzungen (Spalling)

gilt somit, dem abrasiven Verschleiß durch eine geeignete Formgebung, Werkstoffauswahl und Wärmebehandlung entgegenzuwirken. Für unterschiedliche Einsatzbedingungen gibt es daher speziell ausgeführte Komponenten. Die Lebensdauer der Ketten ist beispielsweise vom Gelenkverschleiß (Teilungsverlängerung) abhängig. Deshalb kommen fett- und vor allem ölgeschmierte Gleisketten zum Einsatz (Abb. 14.61), bei denen der Gelenkinnenraum abgedichtet wird. Solange Dicht- und Schmierwirkung gegeben sind, sind die Gelenke weitgehend verschleißfrei. Des Weiteren ist der Laufflächenverschleiß der Kettenglieder von Bedeutung. Die Laufflächen werden vornehmlich durch Überrollungen auf der Oberseite und durch die Spurführung seitlich verschlissen. Für vielfahrende Maschinen gibt es z. B. geometrisch überhöhte Laufflächen mit zusätzlichem Verschleißvolumen. Besonders durch unterschiedliche Breiten der Gliedlauffläche entsteht zudem ein wellenförmiger Laufflächenverschleiß (Abb. 14.69a), der zu einem merklich unruhigem Fahrverhalten der gesamten Maschine führen kann. Zu vermeiden sind außerdem Kettengliedausfälle durch Abplatzungen an den Laufflächen (Abb. 14.69b). Diese Abplatzungen entstehen durch eine zu hohe Beanspruchung zwischen den Lauflächen der Glieder, Laufrollen und Leiträder, wenn in unebenem Gelände die Kontaktfläche in den Kantenbereich wandert. Dem kann durch eine spezifische Anpassung der Härtewerte des Laufflächenprofils und vor allem durch die Gestaltung einer korbbogenähnlichen Laufflächenform entgegengewirkt werden. Da die kritischen Spannungsüberhöhungen an den Laufflächenkanten auftreten und zudem Materialfließen eintritt [45], kann in diesem Fall die Auslegung der Laufflächen nicht allein auf Basis der Hertzschen

Abb. 14.70 Buchsenausführungsformen

Pressung (s. z. B. Abschn. 14.4.5) vorgenommen werden. Beim Überrollvorgang stellt sich, physikalisch bedingt, die korbbogenähnliche Laufflächenform von selbst ein, so dass es sich hierbei um eine festigkeitsoptimale Formgebung handelt. Allerdings hat sich bei handelsüblichen Gleisketten ein solches Profil, aufgrund des erhöhten Fertigungsaufwandes, bisher nicht durchgesetzt. Für Fahrwerke von schweren Maschinen (z. B. in der Gewinnungstechnik) ist eine derartig optimierte Laufflächengestaltung [46] oft aber unabdingbar. Kettenbuchsen haben eine unterschiedliche Außengeometrie (Abb. 14.70). Die Standardausführung wird für vornehmlich im Stand arbeitende Maschinen eingesetzt. Sogenannte abgesetzte Buchsen und Drehbuchsen sind für Maschinen mit höherem Fahranteil vorgesehen. Da der Buchsenaußendurchmesser durch den Kontakt mit dem Antriebsrad reduziert wird, ist das zusätzliche Verschleißvolumen bei abgesetzten Buchsen sinnvoll. Zu beachten ist, dass bei Vorwärtsfahrt die Buchse an der Zahnflanke in den Zahngrund des Antriebsrades gleitet und sich bei Rückwärtsfahrt relativ zum Antriebsrad zusätzlich dreht. Bei Rückwärtsfahrt kann damit der Verschleiß um etwa das Fünffache größer sein [47]. Besonders bei den Drehbuchsenketten, die in abgedichteter [48] und nicht abgedichteter Ausführung zum Einsatz kommen, wird die Drehbewegung zwischen der feststehenden und einer zusätzlichen, frei rotierenden Buchse gewährleistet, so dass der Buchsenverschleiß reduziert wird. Wichtig ist, dass für die Verschleißrate die Fahrgeschwindigkeit (typisch für Gleiskettenfahrwerke 3–15 km/h) kaum von Bedeutung ist, sondern vielmehr die durch die Kettenzugkraft bedingte Kontaktkraft am Antriebsrad [47]. Hinsichtlich Werkstoffauswahl und Wärmebehandlung kann bei den Buchsen davon ausgegangen werden, dass höhere Härtewerte auch einen größeren Verschleißwiderstand bedeuten. Ähnlich wie bei den Gliedlaufflächen stehen dem aller-

14 Grundlagen

a

367

b

Abb. 14.71 Laufrolle für Fahrwerke mit höherem Fahranteil. a neuwertige Laufrolle; b verschlissene Laufrolle

dings nicht zu unterschätzende Anforderungen an Zähigkeit und Bruchfestigkeit gegenüber (Einlaufstöße). Mit einer Kombination aus Oberflächenhärte, Einhärtetiefe und Kernfestigkeit können dem Maschineneinsatz angepasste Lösungen gefunden werden. Bei Lauf- und Tragrollen (Abb. 14.71) spielt der Außenverschleiß die vorrangige Rolle. Das Verschleißbild (Abb. 14.71b) zeigt die sich im Einsatz herausbildende korbbogenförmige Kontaktgeometrie zwischen Kettenglied und Laufrolle deutlich. Die Ablegereife der Rollen wird über die Einhärtetiefe der Laufflächen definiert. Bezogen auf den Innenverscheiß kann davon ausgegangen werden, dass dieser nur dann eintritt, wenn die Dichtungssysteme vorzeitig versagen. Lauf- und Tragrollen bestehen i. d. R. aus Schmiedehalbkörpern mit integriertem Ölraum, der durch Gleitringdichtungen (s. Abschn. 35.3) abgedichtet wird. Die Gleitlager (bei kleineren Größen auch Wälzlager) besitzen damit eine Lebensdauerschmierung. Die Größe des Ölraums variiert zwischen Maschinen mit weniger und mehr Fahranteil. Laufrollen für mehr stehenden Einsatz haben oft dickere Achsen, massivere Körper und kleinere Durchmesser, um die Einbauhöhe zu reduzieren und damit einen niedrigeren Schwerpunkt der Maschine zu erreichen. Die Befestigung der Laufrollen erfolgt bei vielen Anwendungen im Bereich der Förder- und Baumaschinentechnik starr am Fahrwerksrahmen. Bei schneller fahrenden Maschinen, teilweise auch bei hohen Maschinenmassen, kommen zum Teil gefederte bzw. pendelnde Laufrollensysteme zum Einsatz (s. [9]). Damit werden zugleich Fahrverhalten und Bodendruckverteilung optimiert. Die konstruktiv ähnlich aufgebauten Tragrollen zeigen ein vergleichbares Verschleißverhalten. Sie dienen der Stabilisierung des Obertrums (Tragfunktion und Schwingungsreduzie-

rung). Fahrschiffe mit sehr geringen Bauhöhen erhalten an Stelle der Tragrollen auch sogenannte Schleißleisten aus hochfestem Stahl oder Kunststoff. Hinsichtlich der verschleißbedingten Lebensdauer ist bei Fahrwerkskomponenten besonders zu beachten, dass nahezu alle Verschleißteile aufgrund des hohen abrasiven Verschleißes eine deutliche Querschnittsreduzierung erfahren, wodurch sowohl das Spannungsniveau als auch die Bruch- und Ermüdungsfestigkeit erheblich beeinflusst werden. Somit ist zusätzlich zu den konstruktiv und werkstoffseitig umgesetzten Maßnahmen die Lebensdauerbewertung des Restquerschnittes von besonderer Bedeutung. In der Praxis wird dieser Effekt in Verschleißtabellen oft nicht ausreichend berücksichtigt, so dass, insbesondere bei schweren Maschinen mit hohen dynamischen Belastungen und stark abrasivem Verschleiß, eine an den Verschleißzustand gekoppelte stufenweise Lebensdauerbewertung ratsam ist [49]. Massen- und Steifigkeitsverteilung. Bei der Auslegung von Fahrwerken sind insgesamt die auf das Fahrwerk wirkenden Lasten und die daraus resultierenden Massen- und Trägheitskräfte aus der Bodeninteraktion (Kräfte aus Fahrbewegungen, Hindernisüberfahrten usw.) sowie den Arbeitsverrichtungen der Maschine (Transport, Greifen, Drehen, Heben, Senken, Graben u.A.) zu beachten. Deren umfassende Bestimmung stellt sich in der Praxis wegen ihrer Komplexität als problematisch dar. Raupenfahrwerke bestehen i. d. R. aus 2 oder mehreren Fahrschiffen, die über einen Fahrwerksrahmen miteinander verbunden sind (Unterwagen), sowie einer entsprechenden Anbindung an die Maschinenstruktur (Oberwagen). So sind die Massen- und Trägheitskräfte nicht zuletzt von den Steifigkeiten der Schnittstellen abhängig. Ihre adäquate Berücksichtigung ist in vielen Fällen an Messungen und Erfahrungen der Hersteller gebunden. Als Ausführungsformen kommen sowohl in der Förder- als auch der Baumaschinentechnik starre (geschraubte/geschweißte) sowie bewegliche Rahmenanbindungen (z. B. Pendelachsen, Ausgleichstraversen u.Ä.) vor [9].

14

368

Antrieb. Raupenfahrwerke werden in den meisten Fällen hydrostatisch angetrieben. Speziell hierfür existieren kompakte Hydrogetriebemotoren (s. Kap. 22, Abb. 14.11). Als Basis für die antriebstechnische Auslegung kann die oben für den Gesamtkettenzug K angegebene Beziehung gelten. Heute übliche hydrostatische Fahrantriebskonzepte für Raupenfahrwerke sind in [50] dargestellt. Zudem werden in Abschn. 22.3.1, Abschn. 22.3.2 und [9] weitere Hinweise zu Aufbau und Funktion von Raupenantrieben gegeben.

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Hebezeuge und Krane

15

Jan Scholten

15.1 Tragmittel und Lastaufnahmemittel Tragmittel sind nach DIN 15 003 mit dem Hebezeug fest verbunden (z. B. Lasthaken). Die Last wird über Anschlagmittel (z. B. Anschlagseil) oder über spezielle Lastaufnahmemittel (z. B. Lasthebemagnet, Greifer) mit dem Tragmittel verbunden. Die Tragfähigkeit entspricht dabei der Summe aus Lastaufnahmemittel und der entsprechend reduzierten Nutzlast des Hebezeugs. Abb. 15.1 Formen von Lasthaken. a Einfachhaken, DIN Eine Aufstellung gebräuchlicher Trag-, Lastauf15 401; b Doppelhaken, DIN 15 402; a und b geschmienahme- und Anschlagmittel enthält DIN 15 002. det, wahlweise mit oder ohne Nocken 1 zum Anbau einer Sperre 2

15.1.1 Lasthaken Im Stückguttransport werden am häufigsten geschmiedete Einfach- und Doppelhaken (Abb. 15.1) aus alterungsbeständigen Stählen eingesetzt. DIN 15 400 gibt die Tragfähigkeit der Haken für fünf Festigkeitsklassen in Abhängigkeit von der Triebwerksgruppe 1Bm bis 5m (gemäß FEM-Einstufung) sowie die zugehörigen Spannungen im Haken- und Schaftquerschnitt an. Für leichteren Betrieb als 1Bm sind Haken der Triebwerksgruppe 1Bm zu verwenden. Maße für Einfachhaken gem. DIN 15 401 und für Doppelhaken gem. DIN 15 402. J. Scholten () Ruhr-Universität Bochum Bochum, Deutschland E-Mail: [email protected]

Lasthaken werden in Unterflaschen um die vertikale und um eine horizontale Achse drehbar gelagert (Abb. 15.2). Die Last wird durch den Haken 1 über die durch ein Vierkantprofil 8 formschlüssig gesicherte Lasthakenmutter 2 (DIN 15 413) und über ein Axialkugellager 3 in die Hakentraverse 4 (DIN 15 412-2) übertragen. Zuglaschen 5 verbinden die drehbar gelagerte Hakentraverse mit der Seilrollenachse 6. Entsprechende Schutzkästen 7 verhindern das Abspringen des schlaffen Seils aus der Seilrille. Bezüglich Unterflaschen und Zubehör sei auf DIN 15 408 bis DIN 15 414, DIN 15 417, DIN 15 418, DIN 15 421 sowie DIN 15 422 verwiesen. In der Seeschifffahrt werden Ladehaken nach DIN 82017 eingesetzt, bei denen ein Abweiser das Hängenbleiben an Lukenkanten verhindert.

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_15

371

372

J. Scholten

15.1.2

Lastaufnahmemittel für Stückgüter

nehmen Lasten durch Reib- oder Formschluss auf und sind den Transportgütern angepasst. Als typische Anwendungsbeispiele sind Stahlblock-, Stammholz-, Sack-, Ballen-, Kisten-, Steinzangen oder Blechklemmen zu nennen. Abb. 15.4a zeigt einen als Zange wirkenden Parallelgreifer, welcher auf dem Prinzip der Nürnberger Schere beruht. Bei diesem Parallelgreifer können die Scheren 1 und damit der Greifer in jeder Position über den Bedienhebel 2 verriegelt werden. Die Gelenkpunkte 3 der Scheren bewegen sich beim Anheben parallel aufeinander zu. Dies erlaubt auf einfache Weise die Anpassung des Parallelgreifers an unterschiedliche Transportaufgaben. Abb. 15.2 Zweirollige Unterflasche (Erläuterungen im Text)

Bei Transport von feuerflüssigem Gut kommen Lamellenhaken nach DIN 15 407 zum Einsatz (Abb. 15.3a). Sie bestehen aus Gründen der Sicherheit aus mehreren parallelgeschalteten und miteinander verschraubten Blechen 1 aus alterungsbeständigem Stahl (z. B. P355N nach DIN EN 10028-3 für die Festigkeitsklassen M bzw. P nach DIN 15 400). Maulschale 2 und Schlagschutz 3 verhindern die Entstehung von Kerben an den Blechkanten. Zum Aufnehmen ringförmiger Lasten, wie Blech- und Papiercoils sowie Drahtrollen dienen C-Haken (Abb. 15.3b).

Abb. 15.3 a Lamellenhaken; b C-Haken (Erläuterungen im Text)

Vakuumheber sind geeignet zum Aufnehmen von Lasten mit glatten, wenig porösen Flächen (Blech-, Glas-, Spanplatten) und werden an Elektroseilzüge oder -kettenzüge gehängt. Abb. 15.5: Eine Vakuumpumpe 1 erzeugt Unterdruck p im Raum 2, dessen Arbeitsfläche A durch Gummi 3 gegen atmosphärischen Druck p0 gedichtet ist. p entspricht dem 0,2 bis bis 0,4-fachen von p0 . Die Tragfähigkeit berechnet sich mit A.p0  p/=S, mit einer für waagerechten Transport geltenden Sicherheit S D 2. Bei senkrecht stehender Kraftangriffsfläche ist die zulässige Tragfähigkeit um ca. 50 % reduziert. Bei großen Lastflächen nehmen mehrere federnd an eine Lasttraverse montierte Saugelemente die Last auf. Ein zusätzlicher Vakuumspeicher erlaubt einen kontinuierlichen Betrieb der Vakuumpumpe und damit kürzere Taktzeiten.

Abb. 15.4 Zangengreifer (Demag Cranes & Components). a Grundmodul für Kleinlasten; b Parallelgreifer für die Aufnahme von Behältern (Erläuterungen im Text)

15 Hebezeuge und Krane

373

len werden mehrere Magnete federnd an eine Lasttraverse gehängt. Bei kleinen Lasten werden auch batteriegespeiste Magnete oder Dauermagnete eingesetzt.

15.1.3

Lastaufnahmemittel für Schüttgüter

Abb. 15.5 Vakuumheber (Fezer) (Erläuterungen im Text)

Lasthebemagnete nehmen magnetisierbare Güter, wie Brammen, Masseln, Schrott oder Späne auf. Ihre kennzeichnende Größe ist die nach VDE 0580 zu bestimmende Abreißkraft. Die Tragfähigkeit ist je nach Luftspalt zwischen Magnetboden und Gut sowie dessen Form um das Zwei- bis Mehrfache kleiner als die Abreißkraft. Die größte Tragfähigkeit (bis 90 t bei 17 t Eigengewicht und 2,3 m Durchmesser) besitzen Rundmagnete (Abb. 15.6). Die Magnetkraft wird durch eine stromdurchflossene Spule 1 erzeugt, welche in einem Stahlgussoder geschweißten Gehäuse 7 stoßgeschützt eingebaut ist. Eine spezielle Spulenanordnung, z. B. in Rechteckmagneten, ermöglicht eine gezielte Kraftlinienausrichtung in Längs- oder Querrichtung. In Sonderfällen ist die Form der Aufnahmefläche dem Transportgut (Profilstangen) angepasst. Als Speisespannung wird i. Allg. die gleichgerichtete Netzspannung von 220 oder 380 V verwendet. Bei Stromausfall kann eine zusätzliche Stützbatterie die Last halten. Zum Transport von Blechen oder langen Profilstäh-

Greifer nehmen selbsttätig Schüttgut auf (Abb. 15.7) und bestehen aus zwei drehbar miteinander verbundenen Halbschalen 1 und 2, die im geschlossenen Zustand einen Transportbehälter bilden. Die Halbschalen sind typischerweise aus verschleißtechnischen Gründen aus S355 geschweißt. Die Schneiden 3 sind aus S355 oder aus hochfesten Feinkornbaustählen und in Sonderfällen mit Reißzähnen aus Manganhartstahl versehen. Die Gelenke 4 sind mit Gleitlagern ausgerüstet, die Seilrollen i. Allg. mit Wälzlagern. Die Schließseile S und Halteseile H werden durch Schließtrommel und Haltetrommel von zwei unabhängigen Triebwerken bewegt. Abb. 15.7a: Füllen erfolgt durch Ziehen am Schließseil S bei losem Halteseil H. Abb. 15.7b: Heben des gefüllten Greifers erfolgt durch beide Seile bei annähernd gleicher Lastaufteilung. Abb. 15.7c: Durch unterschiedliche Geschwindigkeiten S und H lässt sich der Greifer während der Hub- und Senkbewegung öffnen und schließen. Der vollständig geöffnete Greifer hängt nur am Halteseil.

15

Abb. 15.6 Lasthebemagnet (Steinert). 1 Spule, 2 Vergussmasse, 3 Manganhartstahlplatte, 4 Klemmkasten, 5 Kette, 6 Kühlrippen, 7 Stahlgehäuse

Abb. 15.7 Elemente und Funktion des Greifers (Erläuterungen im Text)

374

J. Scholten

Mehrschalenseilgreifer besitzen mehrere, schmale, kreisförmig angeordnete Schalen, die sich beim Betätigen des Schließseils in der Untertraverse derart drehen, dass bei breiten Schalen ein vollständig geschlossener Behälterraum oder bei schmalen Schalen (Polypgreifer) ein teilweise offener Behälter entsteht. Mehrschalenseilgreifer werden zum Aufnehmen von gewachsenem Boden, Schlacke, Schrott, Müll, Steinen usw. eingesetzt. Sie werden auch als Motorgreifer gebaut (Abb. 15.9) und können somit an ein einfaches Stückguthubwerk gehängt werden. Ein greiferintegriertes elektrohydraulisches Aggregat, das über eine Leitungstrommel mit Strom versorgt wird, betätigt den Schließmechanismus. Abb. 15.8 Scherengreifer (PEINER SMAG) (Erläuterungen im Text)

15.2 Hubwerksausführungen Scherengreifer (Abb. 15.8) arbeiten vorzugsweise bei der Schiffsentladung von schwer aufnehmbaren Schüttgütern (Erz, Kohle). Die Nutzlasten betragen bis zu 50 t. Die löffelartigen Schalen 1 und 2 sind in einem Drehgelenk 3 gelagert und werden beim Schließen durch den darüber liegenden Flaschenzug 4 (nur für ein Schließseil S dargestellt) zusammengezogen. Die Schalen sind über Seile 5 mit der Traverse 6 verbunden. Der Greifer öffnet beim Nachlassen des Schließseils.

Hubwerke sind Maschinen zum Heben und Senken von hängenden Lasten über vorher festgelegte Entfernungen. Bei z. B. Brücken-, Portalund Wandschwenkkranen (s. Abschn. 15.3) und als Montagehilfsmittel kommen im Tragfähigkeitsbereich bis etwa 1 t überwiegend motorisch getriebene Kettenzüge zum Einsatz, mit zunehmender Tragkraft vor allem motorisch getriebene Seilzüge. Sowohl Ketten- als auch Seilzüge gehören zu den Serienhebezeugen (DIN 15 100). Sie werden in großen Stückzahlen gefertigt. Üblicherweise sind sie nach dem Baureihen-/Baukastensystem konzipiert. Im Gegensatz dazu sind Einzelhebezeuge (offene Hubwerke) Sonderkonstruktionen für den jeweiligen Anwendungsfall, mit z. B. sehr hohen Tragfähigkeiten (> 100 t) oder speziellen Eigenschaften bezüglich Sicherheit und Redundanz. Hubwerke von beispielsweise Fahrzeug-, Turmdreh- oder Schiffsentladekranen weisen stationär angeordnete, meist mehrlagig wickelnde, motorisch getriebene Seilwinden und in das TragAbb. 15.9 Motor-Mehrschalen-Müllgreifer (MRS Grei- werk integrierte Seiltriebe auf (s. Abschn. 14.4). fer GmbH). 1 Greiferschale, 2 Greiferspitze mit ausMotorisch betriebene Hubwerke werden bei wechselbaren Zähnen, 3 Hydraulikschließzylinder, 4 intestationären Anwendungen überwiegend elekgriertes Hydraulikaggregat, 5 Greifertragrahmen, 6 Wartungsöffnung für Hydraulikaggregat, 7 Kettenaufhän- trisch getrieben, bei mobilen Anwendungen hygung, 8 Anschlagpunkte für Hubseile draulisch, in explosionsgefährdeten Bereichen

Crane Automation Technology Systems GmbH & Co. KG

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15 Hebezeuge und Krane

377

pneumatisch oder mit besonderen Schutzvorkeh- von 2 bis 50 m=min, je nach Tragfähigkeit. Anrungen auch elektrisch. Zur Triebwerksausfüh- triebe sind Zylinderläufermotoren mit Polumrung s. Abschn. 14.2. schaltung bzw. Motoren mit Drehzahlregelung über Frequenzumrichter.

15.2.1

Serienhebezeuge

Durch die Serienproduktion, meist auch in Baureihen, sind sie kostengünstig und für die meisten Anwendungen geeignet. Serienhebezeuge werden auch als Kranhubwerke verwendet und sind dann in eine Katze integriert. Die FEM Produktgruppe Krane und Hebezeuge definiert die Gruppierung und Bemessung von Serienhebezeugen. FEM 9.511 bestimmt die Einstufung der Triebwerke, FEM 9.661 Baugrößen und Ausführung von Seiltrieben, FEM 9.901 Berechnungsgrundlagen. Einen Überblick über kraftbetriebene Hubwerke gibt die EN 14 492-2 [1].

Elektrokettenzug (Abb. 15.12). Ein Asynchronmotor 1 treibt über eine elektrisch überwachte Rutschkupplung 2 und ein Übersetzungsgetriebe 3 ein Kettentaschenrad 4 an. Eine lastseitig angeordnete Einscheibenbremse 5 übernimmt die Haltefunktion. Tragmittel ist eine Rundstahlkette 6. Ein Kettenspeicher 7 nimmt die Kette auf. Eine Schützsteuerung reduziert die Spannung am Steuertaster auf 24 V. Übliche Hubhöhen sind 4 bis 8 m. In Sonderfällen (Windkraftanlagen) bis 180 m. Hubgeschwindigkeiten bis 30 m=min. Tragfähigkeit: 1-strängig bis 3200 kg, 2-strängig bis 5000 kg, in Sonderfällen auch bis zu 80 t.

Elektroseilzug. Drei wesentliche Bauformen existieren, die sich durch die Anordnung ihrer Komponenten unterscheiden: Lange Bauform mit hintereinander koaxial angeordneter Seiltrommel, Getriebe und Motor mit integrierter Bremse; einfacher Aufbau aus Standardkomponenten, leicht zugänglich (Abb. 15.10). Integrierte Bauweise mit koaxialer Anordnung, bei der zumindest das Getriebe, manchmal auch der Motor in die Seiltrommel integriert ist; gewichts- und raumsparend. Kompakte Bauform oder C-Bauform (Abb. 15.11) mit neben der Seiltrommel angeordnetem Motor und Stirnradgetriebe; leicht zugänglich, kostengünstig. Elektroseilzüge haben eine Tragfähigkeit von etwa 1 bis 100 t. Die Hubgeschwindigkeit reicht

Druckluftkettenzug (Abb. 15.13). Ein schnell laufender Druckluft-Lamellenmotor 1 treibt über ein mehrstufiges Planetengetriebe 2 und ein Kettentaschenrad im Mittelteil 3 die Rundstahlkette 6 an. Verfahrbewegungen auf dem Unterflanschträger 5 über pneumatische Fahrantriebe 4 (Nenndruck 4 oder 6 bar). Hubhöhe bis 50 m. Tragfähigkeit 125 kg bei 15 m=min bis 100 t bei 0;4 m=min. Eine stufenlose Verringerung der Hubgeschwindigkeit ist durch Reduzierung des Druckluftvolumenstroms und eine Überlastsicherung über Druckdifferenzabfrage im Motor möglich. Einsatz der Hebezeuge vorzugsweise in explosionsgefährdeter Umgebung (Off-shoreIndustrie, Bergbau, Gießerei) und im Sonderfall auch unter Wasser.

15

Abb. 15.10 Elektroseilzug (Kuli Hebezeuge)

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15.2.2

Abb. 15.11 Elektroseilzug (Demag Cranes & Components)

3 5

4

1

2 6 7

Abb. 15.12 Elektrokettenzug (Demag Cranes & Components) (Erläuterungen im Text)

Abb. 15.13 Druckluftkettenzug, integriert in Einschienenhubwerk (J.D. Neuhaus) (Erläuterungen im Text)

Einzelhebezeuge

Die übliche Ausführung eines Hubwerks in offener Bauweise (Abb. 15.14) besteht aus einem Motor 1, Doppelbackenbremse oder Scheibenbremse 2 auf der Antriebsseite des Getriebes, drehelastischer Kupplung 3, Stirnradgetriebe 4, einer Seiltrommel 5 und dem Seiltrieb 6 mit Oberflasche 7 und Unterflasche 8. Der Hubweg wird von einem von der Seiltrommel abgetriebenen Getriebegrenzschalter 9 begrenzt, wobei die höchste Hubposition meist von einem Betriebsund von einem Notendschalterkontakt überwacht wird. Gegenüber Seilzügen werden bei offenen Hubwerken meist symmetrische Seiltriebe eingesetzt, um Lastwandern und Lastdrehen zu vermeiden. Eine Sonderbauform von Hubwerken sind Winden mit in die Seiltrommel integrierten Getrieben mit mehreren hintereinander geschalteten Planetengetriebestufen. Abb. 15.15: Der Abtriebsplanetenträger 1 steht fest und trägt das Trommellager 2. Die durch den angeflanschten Hydraulikmotor 3 getriebene Antriebswelle 4 treibt über ein dreistufiges Planetengetriebe die Seiltrommel 6. Verzahnungen und Lager sind im Öl laufend. Die federkraftgeschlossene und hydraulisch gelüftete Lamellenbremse 5 ist mit der Antriebswelle 4 formschlüssig verbunden. Das Senken der Last erfolgt im offenen Hydraulikkreis über ein am Hydraulikmotor angeflanschtes Senkbremsventil. Die Seiltrommel 6 ist gegos-

Abb. 15.14 Hubwerk in offener Bauweise (Demag Cranes & Components) (Erläuterungen im Text)

15 Hebezeuge und Krane

Abb. 15.15 Hubwerk mit 3-stufigem Planetengetriebe (Zollern Antriebstechnik) (Erläuterungen im Text)

sen und hat ein innenliegendes Schraubschloss 7 als Seilendbefestigung. An der Flanschlagerung 8 ist der Nockenendschalter 9 montiert. Durch die Mehrlagenwicklung und die kompakte Bauform der Winde kommt diese Bauart u. a. bei Mobilkranen und Schiffskranen zum Einsatz. Es wird eine Einzelseilzugkraft bis 2000 kN erreicht. Redundante Hubwerke. Vollredundante Hubwerke besitzen zwei gleich belastete parallel geschaltete Antriebsstränge und Seiltriebe. Wenn in einem Teilsystem ein sicherheitsrelevantes Bauteil ausfällt, übernimmt das andere die volle Last, wobei die Lasttraverse ihre horizontale Lage beibehält. Einsatz erfolgt z. B. in Gießereikranen und Reaktorkranen. Teilredundante Hubwerke haben nur einen doppelten Seiltrieb. Eine sog. Sicherheitsbremse, die auf die Trommelbordscheibe wirkt, verhindert den Lastabsturz bei Versagen eines Glieds im vorgeschalteten Antriebsstrang. Bei Seilriss übernimmt das andere Seil die volle Last.

15.3 Kranarten Krane sind Unstetigförderer, die an einem Tragmittel hängende Lasten heben, senken und in eine oder mehrere waagerechte Richtungen verfahren können. Zwischen Tragmittel und Last werden Anschlagmittel oder spezielle Lastaufnahmemittel eingesetzt (s. Abschn. 15.1). Krane können auf Schienen oder frei (Fahrzeug- und Raupenkrane) verfahren, ortsfest oder auf Schwimmkörpern angeordnet sein. Einteilung nach Bauart und Verwendung s. DIN 15 001.

379

Für die Auslegung von Kranen und relevanten Krankomponenten existieren umfassende Regelwerke. Auf europäischer Ebene ist hier die Grundnorm EN 13001 „Kransicherheit – Konstruktion allgemein“ zu nennen, die neben den allgemeinen Prinzipien und Anforderungen (Teil 1) und den Lasteinwirkungen (Teil 2) die Grenzzustände und Sicherheitsnachweise für die Stahltragwerke (Teil 3.1) (s. Abschn. 14.3), die Drahtseile in Seiltrieben (Teil 3.2) und die Rad/Schiene-Systeme (Teil 3.3) beschreibt. Für spezifische Kranarten sind darüber hinaus eigens entwickelte Produktnormen (z. B. EN 13000 „Krane – Fahrzeugkrane“) anzuwenden. Ein wesentlicher Unterschied zwischen der mittlerweile zurückgezogenen DIN 15 018 und EN 13001 bzw. ISO 20332 auf internationaler Ebene liegt in der Nachweismethodik, wobei die aktuellen Normen, die im Regelfall nach der Methode der Grenzzustände (s. Abschn. 14.3) vorgehen, ein differenzierteres Sicherheitsniveau innerhalb der Nachweisführung zulassen [2, 3]. Den Gefahren, die sich aus einem möglichen Versagen von Bauteilen, dem Nichtvorhandensein oder dem Versagen von Sicherheitseinrichtungen ergeben können, wird des Weiteren durch die Prüfung von Kranen vor der ersten Inbetriebnahme und nach wesentlichen Änderungen sowie durch wiederkehrende Prüfungen begegnet. Die Durchführung der Abnahmeprüfungen regelt DIN 15 030. Dazu autorisiert sind Sachverständige der technischen Überwachung sowie von der Berufsgenossenschaft ermächtigte Sachverständige. Die Prüfung der Trag- und Triebwerke erfolgt bei angehängter Prüflast durch Verfahren der Katze, des Krans sowie durch Heben und Senken der Prüflast einschließlich einer Bremsprobe aus Nenn-Senkgeschwindigkeit. Zur Berücksichtigung der Prüflasten im Rahmen der Auslegung von Kranen geben die einschlägigen Normen Hinweise.

15.3.1

Brücken- und Portalkrane

Brückenkrane fahren schienengeführt auf hoch liegenden Kranbahnen. Sie können mit einer oder mehreren Katzen ausgestattet sein.

15

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Abb. 15.16 Geschlossene Kranträgerquerschnitte für Untergurtlaufkatzen. a, b Gestaltungsvarianten; c für große Radlasten

Als Hebezeug kommen bedingt Handkettenzüge, in der Regel elektrisch und zum Teil auch pneumatisch oder hydraulisch betriebene Ketten- und Seilzüge zum Einsatz (s. Abschn. 15.2). Die Kran- und Katzfahrantriebe bilden i. Allg. Getriebemotoren mit eingebauten Bremsen. Die Fahrgeschwindigkeiten betragen je nach Einsatzfall für die Katze 20 m=min bis max. 40 m=min und für den Kran 40 m=min bis max. 120 m=min. Flurgesteuerte Brückenkrane verfügen neben der kabelgebundenen Bedieneinheit zunehmend über eine Funkfernbedienung. Bei Kranfahrgeschwindigkeiten über 80 m=min erfolgt die Bedienung aus einem mit dem Kran bewegten Steuerstand heraus. Um das Pendeln der angeschlagenen Last zu verringern existieren verschiedene mechanische oder regelungstechnische Lösungen. Bei Letzteren dämpft ein in die Kransteuerung eingreifender Algorithmus die Pendelbewegung der Last in Abhängigkeit von dem meist mit einem optischen Messsystem aufgezeichneten aktuellen Pendelwinkel durch Beeinflussung des Fahrantriebes [4]. Einträgerbrückenkrane geringer Tragfähigkeit besitzen meist Untergurtlaufkatzen, die auf dem Hauptträger aus geschweißten oder gewalzten I-Profilen fahren (s. Abb. 14.18b). Bei Kranen mittlerer Tragfähigkeit bis 20 t und maximalen Spannweiten von 40 m besteht der Hauptträger aus einem geschweißten Kastenträger. Hier können neben Untergurt- (s. Abb. 15.16) auch Winkellaufkatzen (Abb. 15.17) eingesetzt werden. Die Radlasten, die von der Untergurtlaufkatze auf den Hauptträger wirken, rufen eine lokale Biegebeanspruchung des Untergurtes (sog. Flanschbiegung) hervor. Nicht symmetrische Radlasten führen zu einem zusätzlichen Torsionsmoment im Kranträger, das bei der Trä-

Abb. 15.17 Winkellaufkatze (Kuli Hebezeuge) (Erläuterungen im Text)

gergestaltung und -dimensionierung zu berücksichtigen ist (s. Abschn. 14.3). Ansätze zur Berechnung der lokalen Spannungen im Untergurt, die aus den Radlasten resultieren, liefert EN 15011 [5]. Bei großen Radlasten muss die Schiene durch einen zusätzlichen I-Träger gestützt werden (Sekundärträger) (Abb. 15.16c), der in kurzen Abständen an den Hauptträger anzuschließen ist. Winkellaufkatzen (Abb. 15.17) arbeiten an der Seite eines geschlossenen Kastenträgers 1. Sie fahren auf nur einer Schiene 2. Das um die Schiene wirkende Moment M aus Last mL und Eigengewicht mE wird durch ein Kräftepaar FS D M= h an den seitlichen Führungsrollen 3 gestützt. Die Kräfte FS werden als Horizontalkräfte in den Ober- und Untergurt des Kranträgers eingeleitet. Die Radblöcke 4 übertragen die vertikalen Kräfte aus Last und Eigengewicht in die Schiene. Ein Fanghaken 5 sichert bei außerplanmäßigen Ereignissen die Spurführung. Zweiträgerbrückenkrane verfügen über zwei parallel liegende Hauptträger mit auf dem Obergurt aufgeschweißten Schienen, auf denen eine Zweischienenlaufkatze verfährt. Als Hauptträger von Zweiträgerbrückenkranen leichter Bauweise werden häufig zwei Vollwandträger (I-Träger) eingesetzt, bei denen die Katzschienen über den Stegen liegen. Schwere Zweiträgerbrückenkrane mit Tragfähigkeiten bis zu 100 t und Spannweiten bis 36 m besitzen zwei parallel angeordnete, rechteckförmige Kastenträger (Abb. 15.18a). Die Hauptträger 1 sind an beiden Enden mit den Kopfträgern 2 verschraubt oder verschweißt. In deren Enden sind die Kranlaufräder 3 oder die Fahrwerkschwingen (s. Abb. 14.7) gelagert. Die

15 Hebezeuge und Krane

381

Abb. 15.18 a Brückenkran mit zwei parallelen Kastenträgern (Kuli Hebezeuge) (weitere Erläuterungen im Text); b Kastenträgerquerschnitt mit Schottblechen und Beulsteifen

Hälfte der Räder ist i. Allg. durch die Kranfahrwerke 4 angetrieben. Die Katze 5 besitzt ein oder zwei (z. B. Gießkran) Hubwerke 6. Kran und Katze werden über Stromschienen 7 oder Schleppleitungen mit Strom versorgt. Die Bedienung erfolgt von einem Führerhaus aus oder per Funk flurgesteuert. Der Zugang zur Laufkatze erfolgt über den Kranträgerobergurt oder über einen eigenen Laufsteg 8. Elastische Kunststoffpuffer 9 oder hydraulische Puffer dämpfen den Stoß bei Fahrt gegen den Endanschlag oder einen anderen Kran. Die Katzfahrschienen 10 liegen i. Allg. über dem inneren Stegblech 11 der beiden Kastenträger (Abb. 15.18b). Die außermittige Einleitung der Radlasten in den Hauptträger führt neben der Biegebeanspruchung zu einer Torsionsbeanspruchung. Die Aufrechterhaltung des Kastenquerschnitts stellen aus Profilen zusammengesetzte oder als Bleche ausgeführte Schotten 12 sicher. Werden Radlasten im Bereich zwischen zwei Schotten eingeleitet, trägt nicht der gesamte Kastenträger. Ersatzweise können hier der Innensteg und Abschnitte des Ober- und Untergurtes im Bereich unterhalb der Katzfahrschiene als tragend angenommen werden (sog. Sekundärbiegung, s. Abschn. 14.3). In Längsrichtung an die Stegbleche angeschweißte Walzprofile im Inneren des Trägers, sog. Beulsteifen 13, verhindern das Beulen der Stegbleche im freien Bereich zwischen zwei Schotten. Die Radlasten der Katze, die als Hertz’sche Pressung übertragen werden, führen zu lokalen Spannungen in der Katzfahrschiene und der stoff-, reib- oder formschlüssigen Verbindung zwischen Schiene und Hauptträger. Für die Be-

stimmung der Spannungen kann vereinfachend von einer kegelförmigen Lastausbreitung unterhalb der Kontaktstelle von Rad und Schiene ausgegangen werden. Nähere Berechnungsansätze liefern EN 15011 [5] und EN 13001. Die Führung schienengebundener Krane und Laufkatzen wird durch Spurkränze der Laufräder oder, bei angestrengtem Betrieb, durch seitliche Führungsrollen realisiert. Beim schräglaufbedingten Anlaufen dieser Führungsmittel an der Führung werden auch die Laufräder in ihrer Aufstandsfläche verschoben, woraus wiederum Reibreaktionskräfte im Rad-Schiene-Kontakt resultieren. Schräglaufkräfte gelten gemäß EN 13 001 als nicht regelmäßige Lasten (s. Abschn. 14.3). In Einzelfällen kann die Häufigkeit ihres Auftretens die Einstufung als regelmäßige Lasten erforderlich machen. Zur Quantifizierung der Schräglaufkräfte wird ein vereinfachtes Modell herangezogen, das von einem starren Krantragwerk auf einer starren Kranbahn ausgeht. Die Anordnung der Laufradpaare in Bezug auf die in Fahrtrichtung vorderen Führungsmittel wird durch die Abstände di (Abb. 15.19) beschrieben, bei der Verwendung von Laufrädern mit Spurkränzen ist di D 0 zu setzen. Die Gewichtskraft mg des beladenen Krans greift in einer Entfernung µl von Schiene 1 an und verteilt sich gleichmäßig auf die n Laufräder auf jeder Seite der Kranbahn. Der Kran bewege sich unter einem Schräglaufwinkel ˛ in rad. Die Spurführungskraft Fy am vorderen Führungsmittel bildet bezogen auf den momentanen Gleitpol ein Momentengleichgewicht mit den Reibreaktionskräften Fx1i , Fy1i , Fx2i , Fy2i . Gemäß EN 13 001-2 gilt Fy D vf mg mit f Kraft-

15

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und Schiene. Dafür ist es vorteilhaft, den Kran nur an einer Schiene zu führen. Toleranzen für Krane und Kranbahnen s. ISO 12 488-1. Nach EN 13 001-2 sollte der Schräglaufwinkel ˛ D 0;015 rad nicht überschreiten.

Abb. 15.19 Modell zur Quantifizierung der Schräglaufkräfte nach EN 13 001

schlussbeiwert oder Reibungskoeffizient des Rades und f D 0;3.1  e 250˛ /. Der Beiwert v hängt ab von der Zahl der Radpaare, deren relativen Lage zum vorderen Führungsmittel di , von der Antriebsart (Einzelradantrieb oder drehzahlgekoppelte Räder oder frei mitlaufende Räder), von der axialen Bewegungsmöglichkeit der Räder (axial fest oder verschiebbar) und von der Lage des Kranschwerpunkts (Berechnung von  s. EN 13 001-2). Eine Minimierung der Spurführungskraft Fy und des Verschleißes der Laufflächen ist zu erreichen durch enge Toleranzen der Achsparallelität der Laufräder, durch steife Anschlusskonstruktionen der Laufräder und durch kleine Schräglaufwinkel ˛, d. h. durch enge Kranbahntoleranzen und kleines Spiel zwischen Führungselementen

Portalkrane sind Krane mit einem oder mehreren horizontalen Hauptträgern, die an mindestens einem Ende des Hauptträgers (Halbportalkrane) über eine vertikale Stütze getragen werden. Bei Vollportalkranen, die über zwei vertikale Stützen verfügen, kann eine der Stützen als Pendelstütze oder beide Stützen fest an den Hauptträger angebunden sein [6]. Portalkrane werden kabelgebunden oder per Funkfernbedienung flurgesteuert oder von einem Steuerstand aus bedient. In einigen Anwendungsgebieten wie z. B. Containerhäfen sind auch automatische Krananlagen zu finden [7]. Wichtig hierbei ist die präzise Lastführung (vgl. Brückenkrane) zur automatischen Positionierung. Verladebrücken (Abb. 15.20) sind Vollportalkrane, die im Umschlagbetrieb auf Lagerplätzen (Stahl, Holz, Betonfertigteile) und in Häfen (Schüttgut, Container) eingesetzt werden. Wegen ihrer großen Spannweite lagert der in Fachwerk- oder Kastenbauweise ausgeführte Kranträger 1 statisch bestimmt auf einer Pendelstütze 2, die nur Vertikalkräfte aufnimmt, und auf einer festen Stütze 3, die auch die Horizontalkräfte in Katzfahrrichtung ableitet. Die Stützkräfte 1

5

3 6 2

4

Abb. 15.20 Verladebrücke (KONECRANES). 1 Kranträger in Kastenbauweise, 2 Pendelstütze, 3 Feststütze, 4 Fahrwerksschwinge, 5 drehbare Untergurtlaufkatze, 6 Spreader

15 Hebezeuge und Krane

383

Abb. 15.21 Spreader einer Containerbrücke (Vulkan Hafentechnik) (Erläuterungen im Text)

werden über Fahrwerksschwingen 4 auf mehrere Räder verteilt. Eine Gleichlaufregelung begrenzt die Wegdifferenz zwischen beiden Stützen durch Abbremsen der Fahrwerke der voreilenden Seite. Brücken mit kleiner Spannweite und steifer Rahmenkonstruktion verzichten auf eine Gleichlaufregelung (z. B. Schiffsentlader Abb. 15.22). Für den Containerumschlag sind Portalkrane häufig mit Drehkatzen 5 ausgestattet, die über spezielle Lastaufnahmemittel, sog. Spreader 6 (s. Abb. 15.21a), verfügen. Die Drehbarkeit um die vertikale Achse ermöglicht das Ausrichten und Positionieren der Container bei der Übergabe. Abb. 15.21 zeigt den Spreader einer in Kastenträgerbauweise 2 ausgeführten Containerbrücke. Die Hubwerke 3 sind meist auf der Katze 1, seltener stationär im Portal angeordnet. Die Tragfähigkeit beträgt 45 bis 75 t unter den Flaschen. Die Hubgeschwindigkeit ist 45 bis 52 m=min für die Nennlast und bis 180 m=min für den leeren Spreader. Die Fahrgeschwindigkeit der Laufkatzen beträgt 150 bis 240 m=min. Im Mittel können 32 Container pro Stunde umgeschlagen werden [8]. Über die Unterflaschen 4 und 5 laufen je zwei Seile 6 von den Trommeln 7 zu den Festpunkten 8. Die Unterflaschen sind durch je zwei lösbare Bolzen 9 mit dem Lastaufnahmemittel 10 (Spreader) für die Container 11 verbunden. Die Verbindung zwischen Spreader und Container erfolgt vom Kranführer fernbetätigt über hydraulisch getriebene Drehbolzen 12 (Twist-

locks). Führungsarme 13 (Flipper) dienen zur Zentrierung des Spreaders am Container. Beim Anschlagen im Schiff werden diese hochgeklappt und der Spreader über Rollen 14, die in schiffseigenen Rahmen laufen, geführt. Feste Spreader haben unveränderliche Längenmaße. Bei schwereren Teleskopspreadern kann der Abstand zwischen den Twistlock-Bolzen in Längsrichtung hydraulisch verstellt werden, so dass wahlweise 200 (6 m), 300 (9 m), 400 (ca. 12 m) oder 450 (13,7 m) lange Container angeschlagen werden können. Die neuste Generation von Spreadern ist in der Lage, zwei 200 Standardcontainer (Twin-Lift) oder sogar zwei 400 Container (Tandem-Lift) anzuschlagen. Für den Schüttgutumschlag in Häfen kommen so genannte Greiferschiffsentlader zum Einsatz. Auf ihnen arbeiten von der Reibkraftübertragung zwischen Rad und Schiene unabhängige, seilgezogene Laufkatzen (Abb. 15.22a). Um deren Eigengewicht zu reduzieren, sind Katzfahrwerk 1, Schließwerk 2 und Haltewerk 3 in einem festen Maschinenhaus 4 untergebracht. Damit sich der Greifer 5 beim Verfahren der Laufkatze 6 auf einem horizontalen Lastweg bewegt, sind besondere Seilsysteme erforderlich. Bevorzugt werden solche mit zwei Katzen (Abb. 15.22b). Die Halteund Schließseile laufen von der Schließtrommel 2 und Haltetrommel 3 über feststehende Umlenkrollen 7 zu der Zwischenkatze 8, von dort über die Hauptkatze 6 zum Greifer 5. Von der Katzfahrtrommel 1 laufen zwei parallele Seile

15

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Abb. 15.22 Greiferschiffsentlader mit Seilzugkatze (thyssenkrupp Industrial Solutions). a Aufbau; b Seilsystem (Erläuterungen im Text)

zur Auslegerspitze, dort über Umlenkrollen 9 zur Hauptkatze 6. Zwei andere Seile laufen von der Katzfahrtrommel 1 zum hinteren Kranträgerende, dort über Rollen 10 zur Zwischenkatze 8 und nach Umlenkung wieder zurück zu einem Festpunkt 11 am Kranträgerende. Die Hauptkatze 6 fährt dadurch mit doppelter Geschwindigkeit der Zwischenkatze 8. Dabei ist die Verkürzung der Greiferseillänge zwischen beiden Katzen genauso groß wie deren Verlängerung zwischen der Zwischenkatze 8 und den festen Rollen 7, so dass der Greifer beim Verfahren der Katzen seine Höhenlage nicht ändert. Zwischenseile 12 sorgen für eine Vorspannung im Katzfahrseilsystem. Die Hubwerke und das Katzfahrwerk arbeiten mit geregelten Antrieben mit Hubgeschwindigkeiten bis zu 180 m=min und Katzfahrgeschwindigkeiten bis zu 240 m=min (Beschleunigungszeit 4 s). Die automatische Pendelunterdrückung des Greifers 5 geschieht für die Triebwerke am schonendsten, wenn die Hauptkatze in der Eigenschwingungszeit des Greifers beschleunigt und gebremst wird [9]. Kurzzeitig sind maximale Durchsätze bis zu 2500 t=h erreichbar. Katzfahrbetrieb auf dem festen Kranträger 13 ist auch bei hochgeklapptem Ausleger 14 möglich (Abb. 15.22a).

15.3.2

Drehkrane

Drehkrane sind Krane, bei denen sich das Oberteil mit dem Ausleger gegenüber dem Kranunterteil um eine vertikale Achse drehen kann. Als Schwenkkrane werden Drehkrane bezeichnet, wenn der Drehwinkel eingeschränkt ist (z. B. Wandschwenkkran). Das Unterteil von Drehkranen kann fest stehen (z. B. Säulendreh-, Turmdrehkran), auf Schienen verfahren (z. B. Eisenbahnkran), auf einem Schwimmkörper montiert (Schwimmkran) oder ein straßentaugliches Fahrgestell sein (Mobilbaukran). Für die Auslegung von Turmdrehkranen und Ausleger-Drehkranen verweist die EN 13 001 auf eigene Produktnormen. Für die Auslegung von Säulendreh- und Wandschwenkkranen sieht sie die Produktnorm für kraftgetriebene Hubwerke (s. Abschn. 15.2) vor. Die Schnittstelle zwischen Ober- und Unterteil bildet eine angetriebene Drehverbindung, das so genannte Drehwerk (s. Abschn. 14.2.3). Es überträgt Vertikalkräfte, Horizontalkräfte und Momente, die aus der außermittigen Schwerpunktlage des Oberteils und der Last, durch Trägheitskräfte beim Drehen und Fahren sowie durch Windkräfte entstehen. Am häufigsten werden heute Kugel- und Rollendrehverbindungen

15 Hebezeuge und Krane

eingesetzt. Drehwerke für schwere Krane werden über Gleichstrom- oder Schleifringläufermotore getrieben und gebremst. Die mechanische Bremse wirkt nur als Haltebremse. Bei leichten Kranen können Kurzschlussläufermotore mit zwischengeschalteter Strömungskupplung eingesetzt werden. Für den Fall, dass das durch Sturmkräfte erzeugte Moment das maximale Bremsmoment übersteigt, werden Kranober- und Unterteil zur Vermeidung von Kollisionen, z. B. mit benachbarten Kranen oder Schiffsaufbauten, in der Außerbetriebsstellung des Krans durch Bolzen verriegelt. Bei Turmdrehkranen, die sich außer Betrieb befinden, wird die Drehwerkbremse hingegen geöffnet, damit sich der Ausleger selbsttätig in den Wind stellen kann. Windlasten sind auch beim Nachweis der Standsicherheit (s. Abschn. 14.3) zu berücksichtigen, der vor allem bei Auslegerdrehkranen und allen übrigen Kranen, bei denen eine Kippgefahr besteht (z. B. Fahrzeugkrane Abschn. 15.3.3), durchzuführen ist. Unter anderem ist gemäß EN 13001 dabei zu differenzieren zwischen Windlasten F D q.3/cA bei Kranen im Betrieb und F D q.z/ cA bei Kranen außer Betrieb. In beiden Fällen beschreibt c den aerodynamischen Formbeiwert gemäß EN 13 001-2 und A die Wirkfläche. q.3/ D 0;5  .3/2 stellt den Staudruck für eine über eine Zeitspanne von drei Sekunden gemittelte Böengeschwindigkeit .3/ bei einer Dichte  D 1;25 kg=m3 der Luft dar. Der statisch äquivalente Staudruck bei Sturm q.z/ D 0;5  .z/2 hängt maßgeblich von der statisch äquivalenten

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Windgeschwindigkeit .z/ ab, die sich einerseits mit der Höhe über dem Boden verändert und andererseits regionale Gegebenheiten und die dort vorherrschenden Sturmhäufigkeiten berücksichtigt. Portaldrehkrane (Abb. 15.23) werden vorzugsweise in Häfen und Werften eingesetzt. Ihre Tragwerksteile werden in Vollwand-, Kasten-, Fachwerk- oder Mischkonstruktion gebaut. Das portalartige, i. Allg. vierbeinige Unterteil ermöglicht den Durchgangsverkehr für Bahn und Lkw. Die Kinematik der Ausleger- und Hubseilführung wird so gestaltet, dass sich die Last beim Verändern der Ausladung auf einer möglichst horizontalen Bahn bewegt [10], so dass die Verstelleinrichtung (Wippwerk) keine Hubarbeit leisten muss. Der in Abb. 15.23a dargestellte Hafen-Schienen-Kran besteht aus einem Oberteil, das auf einem schienengängigen Portalunterwagen 1 steht. Der Kran wird voll-elektrisch, diesel-elektrisch oder in Kombination beider Antriebsarten betrieben. Der Ausleger 2 ist am Turm 3 angelenkt und wird durch den Hydraulikzylinder 4 verstellt. Das Gegengewicht 5 unterstützt die Standsicherheit und reduziert das Kippmoment der Rollendrehverbindung 6. Der annähernd horizontale Lastweg wird durch die Dreifacheinscherung der Hub- und Schließseile 7 erreicht. Bei dem sog. Doppellenkerwippkran (Abb. 15.23b) laufen die Seile vom Hubwerk 1 über zwei Lenker 2 und 3 zu dem Lastaufnah-

15

a

b

c

Abb. 15.23 a Hafen-Schienen-Kran (KONECRANES Gottwald); b Doppellenkerwippkran (MAN); c Drehverbindung (Erläuterungen im Text)

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memittel. Durch die aufeinander abgestimmten Gliedlängen des Gelenkvierecks, gebildet aus Ausleger 3, Zuglenker 2, Drucklenker 4 und dem feststehenden Pylon 5, schneiden sich die Verlängerungen der Glieder 2 und 4 in jeder Lenkerstellung annähernd auf der Wirkungslinie der Last (Momentanpol). Hierdurch ergibt sich der gewünschte, annähernd horizontale Lastweg. Die Größe des beweglichen Ausgleichsgewichts 6 und die Kinematik seiner Ankopplung an den Drucklenker 4 sind so auf das Lenkersystem abgestimmt, dass in jeder Lenkerstellung ein annähernder Eigengewichtsausgleich des Lenkersystems stattfindet. Dessen Verstellung erfolgt entweder über ein Spindelgetriebe 7 (Wippwerk), über einen doppelt wirkenden Hydraulikzylinder oder bei großen Kranen über ein geschlossenes, vorgespanntes Seilzugsystem. Das Oberteil ist mit dem Unterteil 8 über eine robuste Drehverbindung mit drehender Säule (Abb. 15.23c) verbunden. Das Kranoberteil stützt sich dabei über die Säule 9 unten an einem Axialpendellager 10 und oben über am Umfang verteilte Laufräder 11 am Unterteil ab.

Turmdrehkrane (Abb. 15.24a) werden im Hoch- und Tiefbau eingesetzt (Baukrane, Ausladung × Tragfähigkeit: bis zu 5000 mt), müssen häufig auf- und abgebaut werden und sich den Bedürfnissen der Baustellen in Bezug auf Tragfähigkeit, Hubhöhe und Ausladung anpassen. Sie werden daher aus standardisierten und einfach montierbaren Baugruppen bedarfsgerecht zusammengesetzt. Gegengewicht 1, Gewicht des Hubwerks 2 und Gewicht des Gegenauslegers 3 bilden das Gegenmoment zum Gewicht des Auslegers 4, der Laufkatze 5 und der Last 6. Überlastsicherungen verhindern das Überschreiten der zulässigen Last und des zulässigen Lastmoments durch Abschalten der Hub- und Katzbewegung [10]. Die Tragwerkselemente (Abb. 15.24e) sind leichte Fachwerkkonstruktionen, meist aus Rechteckrohren, vereinzelt noch aus offenen Walzprofilen. Turmdrehkrane können fest mit einem Fundament verbunden sein (Abb. 15.24b), auf Unterwagen ortsfest oder auf Schienen verfahrbar eingesetzt werden (Abb. 15.24a). Kurvenfahrt ist möglich. Sie können weiterhin auf Kettenfahrwerke gesetzt oder mit einem Fahr-

Abb. 15.24 Obendrehender Turmdrehkran (Liebherr). a Turmdrehkran mit Laufkatzausleger auf Unterwagen; b Kranturm auf Fundamentankern; c Schnitt durch Kran-

ausleger; d Seilführung von Hubseil 11 und Katzfahrseil 16; e Turmstück mit Schraubverbindungen (weitere Erklärungen im Text)

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15 Hebezeuge und Krane

zeugkranchassis zu Mobilbaukranen kombiniert werden. Mit Klettervorrichtungen 7 ausgerüstete Turmdrehkrane können ihre Turmhöhe mit wachsender Gebäudehöhe vergrößern. Bei großen Höhen werden sie dabei am Gebäude abgespannt (Abb. 15.24a) oder sie klettern im Gebäude. Sie können einen verstellbaren Ausleger oder, heute bevorzugt (Abb. 15.24a), einen festen horizontal liegenden Ausleger 4 besitzen, auf dem eine Seilzugkatze 5 mit bis zu 110 m=min fährt. Abb. 15.24c: Die Katzfahrbahn besteht meist aus zwei Rechteckrohren 8, die mit den Diagonalen 9 und einem obenliegenden Rechteckrohr 10 zu einem dreieckförmigen Kranträger verschweißt sind. Abb. 15.24d: Das Hubseil 11 wird von der Trommel 12 über zwei feste Rollen 13 und 14 im Turm, dann entlang des Auslegers 4 durch die Laufkatze 5 und die Unterflasche 15 zum Festpunkt A an der Auslegerspitze geführt. Über ein geschlossenes Seilsystem 16 wird die Laufkatze 5 durch das Katzfahrwerk 17 bewegt. Die Hubgeschwindigkeit wird stufenlos durch frequenzgeregelte Antriebe an die Last angepasst (bis 150 m=min). Häufig wird durch fernbetätigte Getriebeumschaltung der Geschwindigkeitsbereich weiter vergrößert (bis 280 m=min). Als Antrieb für Hubund Katzfahrwerke arbeiten neben frequenzgeregelten Elektromotoren, Schleifringläufermotore in Verbindung mit einer Wirbelstrombremse, polumschaltbare Kurzschlussläufermotore oder hydrostatische Antriebe.

389

Abb. 15.25 Wandschwenkkran (ABUS). 1 Konsole

nen Kettenzügen oder -seilzügen ausgerüstet (s. Abschn. 15.2), die an manuell oder elektrisch verfahrbaren Unterflanschkatzen hängen. Wird die Konsole 1 mit Laufrädern ausgerüstet, die auf parallel zur Wand horizontal verlegten Schienen fahren, spricht man von Wandlaufkranen. Der Ausleger ist dann nicht schwenkbar. Säulendrehkrane für Lasten bis 6,3 t und Ausladungen bis 10 m werden i. Allg. mit kraftgetriebenen Seil- oder Kettenzügen ausgerüstet (s. Abschn. 15.2) und in Werkstätten oder auf kleinen Lagerplätzen eingesetzt (Abb. 15.26). Die als Rohr ausgebildete feststehende Säule 1 leitet das Lastmoment über Ankerschrauben in den Boden. Das Drehlager 2 nimmt die Vertikalkraft Fy und die Horizontalkraft Fx auf. Die Führung des Auslegers 3 beim Drehen übernehmen zwei Rollen 4, die sich am Laufring 5 abstützen. Drehen erfolgt manuell oder motorisch. In anderen Konstruktionen erfolgt die Drehung in einer

Wandschwenkkrane (Abb. 15.25) sind für Lasten bis 5 t und Ausladungen bis 10 m verfügbar. Das Lastmoment wird als Kräftepaar über eine Konsole 1 in die Wand eingeleitet. Bei der Montage ist darauf zu achten, dass die bauseitige Tragkonstruktion ausreichend tragfähig und steif ist, um die Auflagerkräfte aufzunehmen, die entsprechend den verschiedenen Schwenkpositionen ihre Wirkrichtung verändern. Schwenken des Auslegers erfolgt manuell, bei größeren Tragfähigkeiten mit Schwenkantrieben. Wand- Abb. 15.26 Säulendrehkran (ABUS) (Erläuterungen im schwenkkrane werden i. Allg. mit kraftgetriebe- Text)

15

390

J. Scholten

Kugeldrehverbindung zwischen Ausleger 3 und Gelenkwellen, Verteilergetriebe und blockierbare fester Säule 1 oder zwischen einer beweglichen Differentialgetriebe, bis zu 8 Achsen sind lenkSäule und der Bodenplatte 6. bar [10]. Im Kranbetrieb werden die in den Drehkranz 3 vom Oberwagen eingeleiteten Kräfte und Mo15.3.3 Fahrzeugkrane mente vom Fahrzeugrahmen in die Abstützung 1 abgeleitet (Abb. 15.27). Die maximale Traglast Fahrzeugkrane besitzen Gittermastausleger oder ist begrenzt durch die Standsicherheit und die hydraulisch ausfahrbare Teleskopausleger bei Festigkeit der Bauteile, wie Ausleger 2, DrehTragfähigkeiten von 35–1200 t (Krane mit Rau- kranz 3 und Fahrzeugrahmen 4. Die Baugruppenfahrwerk bis zu 3000 t). Richtlinien für die pen für die Hauptfunktionen des Kranes, wie Auslegung gibt die EN 13000. Die Auslegung Hubwerk 5, Drehwerk, Wippwerk 6 und das der Ausleger erfolgt nach der Balkentheorie (vgl. Auslegersystem 2 sind auf dem Oberwagen unAbschn. 14.3). Die Krane bestehen aus einem tergebracht. Der Oberwagenrahmen dient auch Ober- und einem Unterwagen, der mit einem der Aufnahme der Kranführerkabine 7, der OberRad- oder Raupenfahrwerk (s. Abschn. 14.4) aus- wagenhydraulik und eines zweiten Dieselmotors gerüstet ist, so dass entweder die Verkehrstaug- 8 zum Antrieb der Hydraulikpumpen bei Kranen lichkeit oder die Einsatzfähigkeit in schwierigem ab ca. 60 . . . 80 t Tragfähigkeit. Alle KranfunkGelände gewährleistet wird. tionen werden durch hydraulische Antriebe ausDie überwiegende Anzahl der heutigen Fahr- geführt [10]. zeugkrane sind Autokrane für die Straße und Der Ausleger wird (Abb. 15.28b) gebildet ebenes Gelände, sog. AT-Krane (All Terrain). Sie durch bis zu neun geschweißte Auslegerkäshaben bis zu neun Achsen, die alle hydropneu- ten aus Feinkornbaustählen mit einer Fließgrenmatisch gefedert sind, der Antrieb erfolgt über ze bis zu 1100 N=mm2 (STE1100). Bei hohen einen Dieselmotor, ein Automatikschaltgetriebe, Tragfähigkeiten werden Profile verwendet, deren ovalförmige Querschnittsform 1 Beulsteifen oder Materialdopplungen zur Erhöhung der Stabilität überflüssig macht (Abb. 15.28a,b) [11]. Neben Systemen mit mehrfach teleskopierbaren Hydraulikzylindern oder einstufigen Zylindern in Verbindung mit einem Seilzugsystem ist der aktuelle Stand der Technik durch Einzylinder-TeleAbb. 15.27 Fahrzeugkran (Liebherr) (Erläuterungen im skopiersysteme mit automatisierter SicherungsText) 3

2

1 3 4 7

a 2

5

b

Abb. 15.28 Ausleger eines Fahrzeugkrans mit automatischem Teleskopiersystem und Innenverriegelung (Liebherr). a Schnittansicht, 1 ovales Auslegerquerschnittsprofil; b Seitenansicht, 2 einstufiger Telesko-

c

6

pierzylinder, 3 Teleskopausleger-Bolzen; c Detailansicht, 4 Auslegerverbolzung mit Querjoch, 5 Mitnehmerverbolzung, 6 Zylinderführung, 7 Steuerventil für Ausleger-/Mitnehmerverbolzung

15 Hebezeuge und Krane

und Verbolzungseinheit (Abb. 15.28b,c) gegeben. Bei der Teleskopierung wird hier zunächst der innerste Schuss mit dem Hydraulikzylinder 2 hinausgeschoben und mit dem nächsten Schuss über die Auslegerverbolzung 3 und 4 verbunden. Anschließend fährt der Zylinder ein, greift über die Mitnehmerverbolzung 5 den nächst inneren Schuss und schiebt ihn zusammen mit dem ersten Schuss hinaus. Über unterschiedliche Positionen der Teleskopauslegerverbolzung können bis zu 1000 Ausfahrzustände realisiert werden. Durch die Verbolzung werden die Normalkräfte im Betrieb ausschließlich in den Stahlbau eingeleitet und wirken nicht auf das Hydrauliksystem. Zur Vergrößerung des Arbeitsbereiches können Teleskopausleger mit einer Gittermastspitze verlängert werden, so dass sich Hubhöhen bis zu 146 m und Ausladungen von 126 m realisieren lassen. Bei Kranen größter Tragfähigkeit werden reine Gittermastausleger verwendet. Erreichbare Hubhöhen liegen dann bei 193 m und Ausladungen bei 136 m. Gittermastkrane mit Raupenfahrwerk erlauben Ausladungen von 164 m und Hubhöhen bis 226 m. Zur Erhöhung der Tragfähigkeit kommen zusätzliche Abspannungen zum Einsatz (Abb. 15.29), die zur Aufnahme von Seitenkräften mit Hilfe von Hydraulikzylindern 1 auch aus der Ebene des Auslegers 2 geklappt werden können [12]. Die Seile 3 vom Kopf bis zum Abspannbock 4 werden dabei über Winden 5 vorgespannt.

391

15.3.4

Weitere Kranarten

Hängebahnen werden nach dem Baukastensystem erstellt (Abb. 15.30), i. Allg. mit flurgesteuerten Kettenzügen 1 ausgerüstet und zur Bedienung von Arbeitsplätzen in der Fertigung bei Lasten bis ca. 2000 kg eingesetzt. Die Kettenzüge können elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betrieben werden (s. Abschn. 15.2). Die Fahrbahnen aus kaltgeformten Schienen 2 werden pendelnd oder fest über Gewindestangen 3 an Decken oder an Dachkonstruktionen aufgehängt und justiert. Im Trägerinneren oder auf dem Trägeruntergurt laufen mit Kunststoffrädern 4 ausgerüstete Vierradfahrwerke 5, die manuell bewegt oder über Reibräder angetrieben werden. Der Einbau von Horizontalbögen und Weichen ist möglich. Die Energieversorgung erfolgt durch von Leitungswagen 6 geführte Leitungen 7 oder über Stromschienen. Hängekrane. Manuell bewegte oder angetriebene Hängekrane (Abb. 15.31) verwenden die gleichen Trag- und Fahrelemente sowie die gleiche Energiezuführung und Steuerung wie die Hängebahnen (nach Abb. 15.30). Die Kranbahn 4 wird in Form von pendelnd oder fest aufgehängten Hängebahnschienen realisiert, diese können in gleicher Bauart auch als Kranträger 1 dienen. Die Laufkatzen 2 können bei Bedarf von einem Kranträger auf einen anderen wechseln. Durch gelenkige Aufhängung des Kranträgers 1 in den Kranfahrwerken 3 ist das Durchfahren von Abschnitten mit unterschiedlich großen

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4

3

15 7

2

Abb. 15.29 Abspannungen am Teleskopausleger (Terex Cranes) (Erläuterungen im Text)

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Abb. 15.30 Hängebahn (STAHL CraneSystems) (Erläuterungen im Text)

392

Abb. 15.31 Einträgerhängekran (Demag Cranes & Components) (Erläuterungen im Text)

J. Scholten

Abb. 15.32 Ladekran (Palfinger). 1 Hauptarm, 2 Knickarm, 3 Schubarme, 4 Zusatzknickarm, 5 Schubarme, 6 mechanische Verlängerung, 7 Ladepritsche, 8 Hilfsrahmen und 9 Fahrzeugrahmen, 10 Zusatzabstützung, 11 Abstützung

Aufhängeabständen möglich. Je nach Spannweite und Last ist der Kranträger als Einträgeroder Zweiträgerkran ausgeführt. Bei Tragfähigkeit über 2,0 t sind Hängekrane mit I-förmigen Kranträgern und Untergurtlaufkatzen ausgerüstet.

folgesystem und einem Seilspannsystem ausgestattet. Besondere Bedeutung kommt dem Stabilitätsnachweis der Schwimmkrane zu. Bei der Auslegung müssen die zu hebenden Lasten darüber hinaus mit einem speziellen Dynamikbeiwert überhöht werden, der die Relativgeschwindigkeit Ladekrane (Abb. 15.32) sind kraftbetriebene zwischen Kranfundament und der zu hebenden Krane mit einer Säule, die in einem Kranso- Ladung berücksichtigt. ckel drehbar gelagert ist, und einem Auslegersystem, das am oberen Ende der Säule befestigt ist. Im Allgemeinen sind Ladekrane auf ein Fahrzeug (auch Anhänger) montiert und für die Literatur Be- und Entladung vorgesehen. Wenn es die Standsicherheit erfordert, müssen am Fahrzeug Spezielle Literatur Abstützungen vorgesehen sein. Richtlinien für 1. EN 14492-2: Krane – Kraftgetriebene Winden und Hubwerke – Teil 2: Kraftgetriebene Hubwerke die Auslegung gibt die Produktnorm EN 12 999 2. Kempkes, O., Scholten, J., Wagner, G.: Europäische (s. Abschn. 14.3). Krannorm DIN EN 13 001 – Wege zur KonstruktiOffshore-Krane definieren sich weniger durch ihre Konstruktionsweise als durch den Einsatzort in vorwiegend maritimer Umgebung. Die für die Auslegung solcher Krane existierende Produktnorm EN 13 852 unterscheidet „OffshoreKrane für allgemeine Verwendung“ (Teil 1) und „schwimmende Krane“ (Teil 2). Offshore Krane sind fest auf Bohrinseln installiert und in der Regel als Drehkrane ausgeführt. Schwimmende Krane sind auf einem speziell konstruierten Schwimmkörper befestigt und werden bei Montage- oder Demontagearbeiten eingesetzt. Beide Krantypen sind vorwiegend mit einem Seegangs-

3.

4.

5. 6.

on sicherer und wirtschaftlicher Krane. Hebezeug Fördermittel, 7–8, 356–358, HUSS-Medien GmbH, Verlag Technik, Berlin (2005) Golder, M.: Die praktische Anwendung der EN 13 001 am Beispiel von Brückenkrananlagen. In: G. Wagner, J. Scholten (Hrsg.) 12. Internationale Kranfachtagung, Tagungsband, Selbstverlag der Ruhr-Universität Bochum, Bochum (2004) Smolyaninov, D., Horn, P., Krause, F., Palis, F.: Ergebnisse der Untersuchungen zur Pendeldämpfung bei Drehkranen. In: H.-G. Marquardt (Hrsg.) 11. Internationale Kranfachtagung, Tagungsbeiträge, Selbstverlag der TU Dresden, Dresden (2003) EN 15011: Krane – Brücken- und Portalkrane Brötzmann, I.: Portalkrane – Einsatzgebiete, Arbeitsaufgaben und Problemlösungen. 12. Internationale Kranfachtagung, Tagungsband, Bochum (2004),

15 Hebezeuge und Krane Hrsg. G. Wagner, J. Scholten, Selbstverlag der RuhrUniversität Bochum, Bochum 7. Koch, T.: Einsatz automatisierter Krananlagen im Yard des Container-Terminals Altenwerder – Funktion und erste Betriebserfahrungen. In: G. Wagner, J. Scholten (Hrsg.) 12. Internationale Kranfachtagung, Tagungsband, Selbstverlag der Ruhr-Universität Bochum, Bochum (2004) 8. Dobner, M.: Welchen Kran braucht der Hafen? In: G. Wagner, J. Scholten (Hrsg.) 12. Internationale Kranfachtagung, Tagungsband, Selbstverlag der Ruhr-Universität Bochum, Bochum (2004) 9. Traunitz, W.: Seeschiffsentlader mit automatischer Steuerung. Siemens-Z. 48(2) (1974)

393 10. Griemert, R., Römisch, P.: Fördertechnik – Auswahl und Berechnung von Elementen und Baugruppen. Springer, Wiesbaden (2015) 11. Wagner, G., Scholten, J.: Neue Entwicklungstendenzen in der Fördertechnik. Hebezeug Fördermittel 6, 262–264, HUSS-Medien GmbH, Verlag Technik, Berlin (2003) 12. Fries, O.: Traglaststeigernde Systeme für Fahrzeugkranausleger. In: H.-G. Marquardt (Hrsg.) 11. Internationale Kranfachtagung, Tagungsband, Selbstverlag der TU Dresden, Dresden (2003)

Allgemeine Literatur Koop, J., Hesse, W.: Sicherheit bei Kranen. Springer, Heidelberg, Dordrecht, London, New York (2011)

15

16

Flurförderzeuge Rainer Bruns

Flurförderzeuge (Ffz) [1], auch als Flurfördermittel oder Flurförderer bezeichnet, sind auf dem Boden (Flur), nicht auf Schienen fahrende Fördermittel für den innerbetrieblichen Transport. Sie dienen je nach Bauart zum Befördern, Ziehen, Schieben, Heben, Stapeln oder zum Einund Auslagern von Lasten in Regale, zum Kommissionieren sowie zum Be- und Entladen von Verkehrsmitteln. Für die Kurzbezeichnungen nach VDI 3586 [2] werden den Merkmalsausprägungen der Ffz jeweils Kennbuchstaben zugeordnet. Die Benennung setzt sich zusammen aus den Bezeichnungen des Fahrantriebs, der Bedienung, der Bauform sowie der baulichen Besonderheiten wie ggf. der Leitlinienführung. So wird z. B. ein Elektro-Gabelstapler mit Fahrersitz als EFG benannt. Die Ffz werden nach der Art der Abstützung des Lastgewichtes auch in frei tragende und radunterstützte Ffz unterteilt. Die VDI 2198 [3] enthält Vorgaben für einen standardisierten Aufbau der Typenblätter für Flurförderzeuge. Dazu gehören neben technischen Daten auch Angaben zum Kraftstoff- bzw. Energieverbrauch sowie Vorgaben zu deren Messung in einem standardisierten Arbeitsspiel, dem sog. VDI-Zyklus. Sicherheitsaspekte, u. a. für die Bediener von Flurförderzeugen, werden in der DIN EN ISO 3691 [4] geregelt. R. Bruns () Helmut-Schmidt-Universität Hamburg Hamburg, Deutschland E-Mail: [email protected]

16.1 Baugruppen und Komponenten Wesentliche Baugruppen von Ffz sind das Fahrwerk, der Fahrantrieb, das Hubgerüst, die Lastaufnahmevorrichtung, der Antrieb der Hub- und Nebenfunktionen, der Fahrzeugrahmen (Chassis), die Lenkung, die Bremsen und die Bedienelemente (Mensch-Maschine-Schnittstelle).

16.1.1

Fahrwerk

Fahrwerke mit drei Rädern sind bis max. 3 t Tragkraft zu finden. Alle anderen Flurförderzeuge besitzen vier oder mehr Räder. Das 4-Rad-Fahrwerk bietet als Vorteil eine größere Standsicherheit und bessere Fahreigenschaften. Bodenunebenheiten werden durch eine pendelnd gelagerte Hinterachse oder durch gefederte Stützrollen ausgeglichen. Gelenkte Räder werden an Achsschenkeln geführt oder in Drehschemeln gelagert. Letzteres ermöglicht Lenkeinschläge von über 90°. Dies verleiht dem Ffz eine große Wendigkeit und verringert den Platzbedarf der Verkehrsflächen (Gangbreite im Lager). Je nach den Einsatzbedingungen werden Polyurethan-Elastomere (nur für Inneneinsatz), Vollgummi-, Superelastik- oder Luftreifen verwendet. Die Reifenart hat Einfluss auf die Standsicherheit [5] und die im Betrieb entstehende Schwingungsbelastung des Bedieners, der Last und des Ffz.

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_16

395

396

16.1.2 Fahrantrieb

R. Bruns

(Diesel- oder Ottomotor) zu den angetriebenen Rädern erfolgt mit hydrodynamischem Drehmomentwandler, Untersetzungs-, Wende- und Differenzialgetriebe oder hydrostatischem Getriebe mit stufenloser Verstellung des Übersetzungsverhältnisses. Bei Gegengewichtstaplern, Plattformwagen und Schleppern kommen auch elektrische Getriebe zum Einsatz (Verbrennungsmotor-Generator-Elektromotor). Neben der erforderlichen Fahrleistung ist die erforderliche Hubleistung für die Auslegung des Antriebs maßgeblich, da die Hydraulikpumpe für den Hubantrieb vom Verbrennungsmotor angetrieben wird.

Der Fahrwiderstand von Ffz auf fester Fahrbahn besteht aus dem Rollwiderstand, dem Beschleunigungswiderstand und dem Steigungswiderstand, bei motorgetriebenen Fahrzeugen ist auch der Beschleunigungswiderstand zu berücksichtigen. Der Luftwiderstand kann aufgrund der geringen Fahrgeschwindigkeit vernachlässigt werden. Die Berechnung des Fahrwiderstandes WF erfolgt wie bei Kraftfahrzeugen (s. Abschn. 53.2). Für eine Fahrgeschwindigkeit  und einen Getriebewirkungsgrad  ist die erforderliche Fahrmotorleistung: Hybrid-Antrieb. Gegengewichtsstapler, Portalstapler und Schlepper sind auch mit einem HyPF D WF  = : bridantrieb verfügbar. Diese Antriebsart mit weDie Auslegung des Fahrantriebs erfolgt nach nigstens zwei verschiedenen Motoren und zwei den geforderten Werten für die Steigfähigkeit, die verschiedenen Energiespeichern tritt hier vor alZugkraft und die maximale Fahrgeschwindigkeit lem als Kombination eines Dieselmotors mit eigemäß VDI 2198 [3], welche im Typenblatt der nem Elektromotor oder mit einem hydraulischen Antrieb auf. Gegenüber konventionellen Ffz lasFfz angegeben werden. sen sich damit ein geringerer Energieverbrauch Handbetrieb. Kleine Flurförderzeuge werden und eine bessere Ökobilanz realisieren. Darüber oft von Hand gezogen oder geschoben (hand- hinaus besteht je nach Bauart die Möglichkeit, betriebene Flurförderzeuge, s. Abschn. 16.2). Sie zeitweise emissionsfrei in geschlossenen Halsind nur für den gelegentlichen Transport über len zu fahren ohne auf lange Batterieladezeiten Rücksicht nehmen zu müssen. kurze Entfernungen geeignet. Elektromotorischer Fahrantrieb. Der elektromotorische Fahrantrieb besteht aus dem Elektromotor, einem Untersetzungsgetriebe, der Batterie und der elektronischen Steuerung. Als Fahrmotoren werden heute überwiegend Drehstrom-Asynchronmotoren, früher Gleichstrommotoren verwendet. Typische Batteriespannungen sind 24 V, 48 V und 80 V. Um die Einsatzzeit der Batterie zu erhöhen, wird beim Bremsen die Elektromaschine als Generator verwendet und die elektrische Energie in die Batterie zurückgespeist (elektrische Nutzbremsung). Neben den bisher üblichen Blei-Säure-Batterien werden auch Li-Ionen-Batterien und wasserstoffbetriebene Brennstoffzellensysteme als elektrische Energiespeicher verwendet.

16.1.3 Hubgerüst

Das Hubgerüst (Hubmast) ist eine mechanische Vorrichtung von Ffz zum vertikalen Bewegen von Lasten. Es besteht je nach Bauart aus 1 bis 4 Hubrahmen (Benennung siehe VDI 3586 [1]). Die Hubrahmen sind Schweißkonstruktionen aus zwei parallel angeordneten Walzprofilen und mindestens 2 Querträgern zur Verbindung der Profile und zur Aufnahme der Hubzylinder. Die Hubrahmen sind ineinander geschachtelt und mittels Rollen geführt, damit das Hubgerüst auch unter Last aus- und eingefahren werden kann (Abb. 16.1). Im inneren Hubrahmen ist der Hubschlitten mittels Rollen geführt. Er besteht aus zwei senkrecht angeordneten Wangen, Verbrennungsmotorischer Fahrantrieb. Die die durch die waagerecht verlaufenden GabelLeistungsübertragung vom Verbrennungsmotor träger verbunden sind. An den Wangen sind die

16 Flurförderzeuge

397

ben). Das Einfahren (senken) erfolgt passiv durch die Schwerkraft. Zur Einstellung einer lastunabhängigen Senkgeschwindigkeit werden hydraulische Stromregelventile (Senkbremsventile) verwendet. Die Hubzylinder und die Hubketten sind möglichst nahe an den Hubrahmenprofilen angeordnet, um die Sicht des Fahrers auf die Fahrbahn und die Gabelzinken zu verbessern (Freisichthubgerüst). Hubgeschwindigkeiten 0,2 bis 0;6 m=s. Die Senkgeschwindigkeit ist aus Sicherheitsgründen auf 0;5 m=s beschränkt. Maximale Hubhöhe 17 m.

16.1.4

Lastaufnahmevorrichtung

Bei Staplern können außer den üblichen geschmiedeten Gabeln je nach Anwendungsfall auch andere Lastaufnahmevorrichtungen (Anbaugeräte) Anwendung finden, wie Ballenklammer, Teppichdorn, Fassklammer, Schüttgutschaufel, Räumschild, Montagebühne etc. Hierdurch lässt sich das Ffz an die jeweiligen Anforderungen anpassen und flexibel einsetzen. Portalstapler sind mit speziellen Tragrahmen (Spreader) zur Aufnahme von Containern von oben ausgestattet.

16.1.5 Hubantrieb, Antrieb der Nebenfunktionen Abb. 16.1 Hubgerüst im ausgefahrenen Zustand (Jungheinrich AG, Hamburg). 1 Äußerer Hubrahmen, 2 mittlerer Hubrahmen, 3 innerer Hubrahmen, 4 Hubzylinder, 5 Hubketten, 6 Hubschlitten, 7 Gabelzinke

Führungsrollen befestigt. Die Gabelträger nehmen die seitlich verschiebbaren Gabelzinken auf. Der äußere Hubrahmen ist am Fahrzeugrahmen oder bei Gegengewichtstaplern auch an der Vorderachse befestigt. Oftmals kann das Hubgerüst relativ zum Ffz mithilfe von Hydraulikzylindern geneigt, geschoben oder gedreht werden. Das Hubgerüst wird durch einseitig wirkende Plungerzylinder und Hubketten ausgefahren (he-

Die Arbeitsbewegungen wie das Ausfahren, Neigen, Schieben und Drehen des Hubgerüstes, die Bewegungen des Lastaufnahmemittels sowie die Lenkung bei Ffz mit verbrennungsmotorischem Fahrantrieb werden hydraulisch erzeugt. Die Hydraulikanlage zur Betätigung der Hub-, Neige- und Schiebezylinder besteht aus einer Hochdruckzahnrad- oder einer Axialkolbenpumpe, den Steuerorganen (Ventile mit Betätigungshebeln), einem Überdruck-Sicherheitsventil, einem Senkbremsventil und dem Ölbehälter. Der Öldruck liegt zwischen 120 und 250 bar. Bei Ffz mit verbrennungsmotorischem Fahrantrieb wird die Hydraulikpumpe durch den Verbrennungsmotor angetrieben. Bei Ffz mit batterie-

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R. Bruns

elektrischem Fahrantrieb ist für den Hubantrieb ein separater Elektromotor vorhanden. Um die Einsatzzeit der Batterie zu erhöhen, wird beim Senken des Lastaufnahmemittels die hydraulische Pumpe als Motor und die Elektromaschine als Generator verwendet um die elektrische Energie in die Batterie zurückzuspeisen (elektrisches Nutzsenken).

16.2 Handbetriebene Flurförderzeuge Handbetriebene Ffz werden für den horizontalen Transport kleinerer Lasten über kurze Strecken und bei beengten Platzverhältnissen sowie zur Pufferung von Waren eingesetzt. Sie bestehen aus einem einfachen Tragwerk, einem oder mehreren Rädern, einem Tragorgan zur Aufnahme der Lasten und z. T. aus einer Hubvorrichtung. Sie sind kostengünstig in der Herstellung, einfach an spezielle Erfordernisse anpassbar und daher sehr vielseitig verwendbar.

Abb. 16.2 Handgabelhubwagen 2 t Tragfähigkeit mit hydraulisch betätigter Hubeinrichtung (Still GmbH, Hamburg). 1 Stahlrohr-Deichsel, 2 Pumpengehäuse enthält Ölbehälter, Pumpenkolben und Steuerventile, 3 Hubgabel, 4 Lenkräder, 5 Tandem-Gabelrollen

16.2.3

Handgabelhubwagen

Handgabelhubwagen (Abb. 16.2) werden zum horizontalen Transport von Paletten über kurze Strecken und für die Be- und Entladung von Lkw eingesetzt. In den U-förmigen Gabelzinken sind Lastrollen kleinen Durchmessers untergebracht. 16.2.1 Handwagen Gelenkt wird das Ffz mit einer Deichsel, über die auch die hydraulische Hubvorrichtung betäHandwagen sind einfache Gestelle mit anwen- tigt wird. Tragfähigkeit bis 2,2 t. DIN EN ISO dungsspezifischen Aufbauten zur Lastaufnahme. 3691-5 [4]. Die Räder einer Achse sind nicht lenkbar gelagert. Die übrigen Räder sind entweder als Lenkrollen ausgeführt oder an einem deichselgeführ- 16.3 Motorisch betriebene Flurförderzeuge ten Drehschemel befestigt. Handwagen werden auch als mobile Pufferlager, als Anhänger in Schleppzügen eingesetzt oder auf Schleppzügen 16.3.1 Niederhubwagen transportiert. Niederhubwagen sind Ffz für den horizontalen Transport von Paletten und die Be- und Entla16.2.2 Rollwagen dung von Lkw. Für kurze Transportwege und beengte Raumverhältnisse werden deichselgeführRollwagen (Rollpaletten, Rollcontainer) sind te Niederhubwagen (Abb. 16.3) im Mitgängerrollbare Ladehilfsmittel. Hierzu sind an Unter- betrieb eingesetzt. Die Fahrgeschwindigkeit ist seite des Ladehilfsmittels feste und schwenkbare hierbei auf Schrittgeschwindigkeit (6 km=h) beRollen kleinen Durchmessers angebracht. Roll- grenzt. Für lange Transportwege sind schnell fahwagen können leicht von Hand verschoben wer- rende Niederhubwagen mit seitlichem Sitz besser den, z. B. für die Be- und Entladung von Lkw. Sie geeignet. Für wechselnden Einsatz sind Niederkönnen jedoch auch mit den Gabelzinken anderer hubwagen mit einer Standplattform konzipiert. Ffz aufgenommen werden. Niederhubwagen besitzen vier oder fünf Räder,

16 Flurförderzeuge

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Abb. 16.3 Deichselgeführter Niederhubwagen mit 2 t Tragfähigkeit (Jungheinrich AG, Hamburg). 1 Angetriebenes und gelenktes Rad, 2 gefedertes Stützrad, 3 Lasträder, 4 Batterie, 5 Deichsel, 6 Hubgabel

16.3.2

Abb. 16.4 Niederhubwagen CiTi mit 0,5 t Tragfähigkeit für Belieferung in Innenstädten (Linde Material Handling GmbH, Aschaffenburg)

von denen zwei in den als Gabeln ausgeführten Radarmen untergebracht sind und eines gelenkt, angetrieben und gebremst wird. Tragfähigkeit 1,2 bis 3 t. Für die Belieferung im innerstädtischen Bereich sind für Traglasten bis 500 kg Niederhubwagen mit verbesserter Steigfähigkeit entwickelt worden, siehe Abb. 16.4.

Gabelhochhubwagen

Gabelhochhubwagen sind zum Ein- und Ausstapeln von Paletten in Boden- oder Regallägern mit beengten Platzverhältnissen oder geringer Umschlagsleistung geeignet. Die Vorderräder sind in festen Radarmen angeordnet, die im abgesenkten Zustand von den U-förmigen Gabelzinken (unten offene Kastengabeln) umschlossen werden. Die aufzunehmende Last wird von den Radarmen und der Gabel unterfahren. Paletten mit Bodenauflagen können daher nicht von allen vier Seiten aufgenommen werden. Um die Lasten auf größere Höhen heben zu können, besitzen Gabelhochhubwagen ein Hubgerüst, das fest mit dem Fahrzeugrahmen verbunden ist. Gabelhochhubwagen sind meistens vierrädrig. Zwei Räder sind in den Radarmen gelagert und ein Rad wird gelenkt, angetrieben sowie gebremst. Das vierte Rad ist als Lenkrolle ausgeführt. Gabelhochhubwagen werden ebenfalls als deichselgeführte Fahrzeuge für den Mitgängerbetrieb oder als Fahrzeuge mit klappbarer Standplattform bzw. seitlichem Sitz ausgeführt.

16

400

16.3.3 Spreizenstapler Spreizenstapler besitzen feste Radarme, die hinreichend weit auseinander angeordnet sind, um die Gabelzinken zwischen den Radarmen bis auf den Flur (Boden) absenken zu können. Spreizenstapler gehören zu den Radarmstaplern, die die Last innerhalb der Radbasis aufnehmen, transportieren und heben.

16.3.4 Gegengewichtstapler

R. Bruns

Greifer, Kranausleger, Manipulatoren, Schaufeln und Kippkübel für Schüttgut ermöglichen die Aufnahme sehr unterschiedlicher Lasten. Ausführung für Tragfähigkeiten von 1 bis 90 t. Gegengewichtstapler bestehen aus einem auf drei oder vier Rädern ungefedert gestützten Fahrzeugkörper und einem zumeist unmittelbar an der Vorderachse neigbar gelagerten Hubgerüst. Der Fahrzeugkörper enthält den gesamten Fahrantrieb und den Hubantrieb sowie Steuerorgane und Lenkung. Für den Betrieb in geschlossenen Hallen werden drei- oder vierrädrige Gegengewichtstapler mit elektromotorischem Fahr- und Hubantrieb verwendet. Der verbrennungsmotorische Antrieb ist insbesondere für den Einsatz im Freien vorgesehen. Gegengewichtstapler werden meistens mit Superelastikreifen, aber auch mit Vollgummi- oder Luftreifen ausgerüstet.

Gegengewichtstapler (Abb. 16.5) sind universell sehr verwendbar und sind daher die am häufigsten eingesetzten motorisch betriebenen Flurförderzeuge. Sie werden zum Ein- und Ausstapeln in Lägern, zum (seitlichen) Be- und Entladen von Lkw sowie für den horizontalen Transport über größere Entfernung verwendet. Bei allen Arbeitsvorgängen befindet sich der Lastschwerpunkt außerhalb der Radaufstandsfläche. Deshalb benötigt 16.3.5 Schubstapler dieses Ffz ein Gegengewicht aus Gusseisen (namensgebendes Merkmal). Spezielle Lastaufnah- Schubstapler sind Flurförderzeuge zum Ein- und memittel (Anbaugeräte) wie Dorne, Klammern, Ausstapeln in Regallägern. Beim Schubstapler kann das Lastaufnahmemittel in Fahrzeuglängsrichtung verschoben werden. Die vorgeschobene Position ermöglicht die Aufnahme von Paletten vom Boden, aus Regalen oder von Lkw-Ladeflächen. In der zurückgeschobenen Position ist der Stapler kürzer, wendiger und benötigt daher nur geringe Gangbreiten zwischen den Regalen. Außerdem wird die Standsicherheit durch die Verlagerung des Lastschwerpunktes zur Radaufstandsfläche erhöht. Es gibt zwei Ausführungsformen von Schubstaplern. Erstens den Schubmaststapler (Abb. 16.6), bei dem das gesamte Hubgerüst zwischen den Radarmen verschoben wird. Zweitens den Schubgabelstapler, bei dem lediglich das Lastaufnahmemittel mithilfe eines Scherenmechanismus (Pantograph) bewegt wird.

16.3.6 Mehrwegestapler Abb. 16.5 Diesel-Gegengewichtstapler in Vierradbauweise mit 2,5 t Tragkraft und hydrostatischem Antrieb (Linde Material Handling GmbH, Aschaffenburg). 1 Hubgerüst, 2 Schutzdach, 3 Gegengewicht aus Gusseisen, 4 Hinterräder an Pendelachse, 5 Antriebsräder, 6 Multifunktions-Bedienelement (Joystick) für Arbeitshydraulik

Mehrwegestapler sind Querstapler oder Schubmaststapler, deren Räder zur Fahrtrichtungsänderung in beliebigem Winkel schwenkbar sind. Hierdurch wird eine größtmögliche Wendigkeit

16 Flurförderzeuge

401

Abb. 16.6 Schubmaststapler mit 1,6 t Tragfähigkeit (Jungheinrich AG, Hamburg). 1 Angetriebenes und gelenktes Rad, 2 Lastrad, 3 Hubgerüst, 4 Schutzdach, 5 Radarm, 6 Fahrersitz quer zum Stapler

erreicht. Sie sind daher insbesondere für den Transport von Langgut geeignet. Vierwegestapler sind eine einfachere Variante des Mehrwegestaplers. Bei ihnen lassen sich alle Räder um 90° schwenken, wodurch in zwei zueinander orthogonalen Richtungen gefahren werden kann.

16.3.7 Querstapler Ffz, die speziell für den Transport von Langgut konzipiert sind. Das Hubgerüst ist in der Mitte eines Plattformfahrzeugs quer zur Fahrzeuglängsachse in einer Aussparung verschiebbar angeordnet. Bei Lastaufnahme und -abgabe steht der Hubmast bündig mit der Fahrzeugseitenwand. Für das Verfahren der Last wird das Hubgerüst, durch Hydraulikzylinder, in die Aussparung hineingezogen und die Last auf die Plattform abgesenkt (Abb. 16.7).

16.3.8 Schmalgangstapler Schmalgangstapler (Abb. 16.8) (Seitenstapler, Dreiseitenstapler oder Hochregalstapler) sind Ffz zum Ein- und Ausstapeln von Paletten in hohen Regallagern. Schmalgangstapler mit hebbarer

Fahrerkabine können auch zum Kommissionieren genutzt werden, weshalb sie auch als Kommissionierstapler bezeichnet werden. Mittels eines speziellen Lastaufnahmemittels (Schwenkschubgabel oder Teleskopgabel) können sie Lasten seitlich ein- und ausstapeln. Dadurch benötigen sie nur sehr schmale Gänge zwischen den Regalen. Außerdem erreichen sie sehr große Hubhöhen (bis 17 m). Die Last wird außerhalb der Radaufstandsfläche aufgenommen.

16.3.9 Kommissionier-Flurförderzeuge Ffz zum Kommissionieren, d. h. zum auftragsbezogenen Zusammenstellen von sortenunreinen Ladeeinheiten in Palettenregal- oder Kleinteilelägern. Horizontalkommissionierer besitzen keine Hubvorrichtung, die es dem Fahrer ermöglicht, Waren aus höher gelegenen Regalfächern zu entnehmen. Erreichbar sind nur die erste und die zweite Regalzeile. Sie sind jedoch häufig mit sehr langen Hubgabeln zur Aufnahme mehrerer Paletten hintereinander ausgestattet. Die Bedienung erfolgt über eine kurze klappbare Deichsel oder über ein kleines Lenkrad. Vertikalkommissionierer sind mit einem Hubgerüst zum Heben einer Kabine und der zu beladenden Palette ausgestat-

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402

R. Bruns

Abb. 16.7 Querstapler mit 6,5 t Tragfähigkeit. Hubhöhe 4000 mm; Dieselmotor 56 kW  2400 l=min; Fahrgeschwindigkeit horizontal bis 22 km=h (Kalmar LMV, Ljungby)

3

2

5 1 4 6

Abb. 16.8 Schmalgangstapler mit hebbarer Fahrerkabine (Kommissionierstapler) 1 t Tragkraft, Hubhöhe 6 m (Jungheinrich Moosburg GmbH, Moosburg). 1 Schwenk-

schubgabeln, 2 Zusatzhubgerüst, 3 Hubgerüst, 4 Fahrerkabine, 5 Batterie, 6 Lastrad

tet. Der Fahrer kann von der hebbaren Kabine aus setzt. An Stelle einer Plattform können Sonderalle Lagerfächer erreichen. aufbauten wie Pritsche, Kasten, Tank, Kippmulde, Schwenkkran usw. treten. Wagen besitzen im Allgemeinen ein Fahrwerk mit vier Rädern, von de16.3.10 Wagen nen zwei oder seltener alle vier gelenkt werden. Die Bedienung erfolgt meistens vom Fahrersitz. Wagen werden für regelmäßige, schnelle FördeBei elektromotorisch angetriebenen Wagen ist rung größerer Lasten auf einer Plattform einge- die Batterie unter der Plattform zwischen den

16 Flurförderzeuge

Achsen angeordnet. Die Fahrgeschwindigkeiten betragen 10 bis 25 km=h. Für Hoftransporte und Werkrundverkehr bieten verbrennungsmotorisch angetriebene Wagen wirtschaftliche Vorteile. Sie besitzen Tragfähigkeiten von 3 bis 10 t (auch bis 30 t) und erreichen Fahrgeschwindigkeiten bis 30 km=h. Der Verbrennungsmotor wird an Stelle der Batterie unter der Plattform (oder über den vorderen gelenkten Rädern) angeordnet. Die Lenkung, die Bremseinrichtungen und die Federung sind wie bei Kraftfahrzeugen ausgebildet.

16.3.11 Schlepper Schlepper dienen zum Ziehen von Anhängern oder von rollfähigen Einzellasten, wie z. B. Flugzeuge oder Rollplattformen für Container im Roll on/Roll off-Verkehr. Dreirad-Elektroschlepper (Abb. 16.9) sind kleine, wendige Flurförderzeuge mit Fahrersitz oder Standplattform für Zugkräfte bis 9 kN und mit Fahrgeschwindigkeiten von 6 bis 15 km=h. Für größere Zugkräfte bis 300 kN und höhere Fahrgeschwindigkeiten bis 20 km=h werden Vierrad-Schlepper eingesetzt. Für den Einsatz im Freien und Zugkräfte über 300 kN werden verbrennungsmotorisch angetriebene Schlepper gebaut, deren Fahrwerk, Antriebssystem und Lenkung wie bei Kraftfahrzeugen ausgebildet sind. Für den kombinier-

403

ten Indoor-/Outdoor-Einsatz werden seit langem auch Schlepper mit Hybridantrieb eingesetzt.

16.3.12 Schleppzüge Ein Schleppzug besteht aus einem Schlepper und mehreren Anhängern. Schleppzüge werden für den regelmäßigen Transport großer Mengen über lange Strecken, z. B. für den Gepäcktransport auf Flughäfen, oder zur Materialver- und -entsorgung von Montagearbeitsplätzen in der Produktion (Routenzug, Milkrun-System) verwendet. Die Anhänger eines Schleppzuges sollen ein spurtreues Fahrverhalten aufweisen sowie schnell und ohne zusätzliche technische Mittel möglichst beidseitig be- und entladen werden können (Abb. 16.10). Die Spurtreue [7] der Anhänger wird mit zwei unterschiedlichen Fahrwerkskonzepten erreicht. Beim Einachsfahrwerk liegt die Drehachse der für die Spurführung verantwortlichen Räder in der Mitte des Anhängers. Die beiden Räder der Mittelachse brauchen nicht gelenkt zu werden. Zusätzliche Nachlaufrollen stützen den Anhänger sicher ab. Die Räder des Zweiachsfahrwerks sind dagegen an den vier Ecken des Anhängers angebracht. Sie werden über die Deichsel aktiv gelenkt, wobei die Räder der Vorderachse in die Kurve hineinlenken und die Räder der Hinterachse entgegengesetzt eingelenkt werden. DIN15172 [8]: Schlepper und schleppende Flurförderzeuge, Zugkraft, -Anhängelast. VDIRichtlinie 3973 [9]: Schleppzüge mit ungebremsten Anhängern.

16.3.13 Portalstapler Portalstapler (Abb. 16.11), die auch als Van Carrier oder Straddle Carrier bezeichnet werden, sind Ffz, die speziell für den Transport von Containern auf den Containerterminals von See- und Binnenhäfen entwickelt worden sind. Neben dem Abb. 16.9 Dreirad-Elektro-Schlepper mit 6 t Schlepp- reinen Horizontaltransport werden Portalstapler leistung (1,2 kN Zugkraft am Haken), Fahrmotor 3,2 kW auch zum Stapeln der Container sowie zum Be– 24 V bzw. 48 V, Fahrgeschwindigkeit horizontal mit (ohne) Last bis 7;0 .17;0/ km=h (Linde Material Handling und Entladen von Lkw oder Eisenbahnwaggons verwendet. Je nach Ausführung können PortalGmbH, Aschaffenburg)

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404

R. Bruns

Abb. 16.10 Routenzugelemente (Still GmbH) 1) E-Rahmen Anhänger mit unglenkten Rollen 2) C-Rahmen mit aktiv gelenkten Rädern

Abb. 16.11 Portalstapler mit bis zu 60 t Tragfähigkeit zum Stapeln von Frachtcontainern nach ISO 668 und anderem Stückgut mit nach ISO standardisierten Anschlagpunkten bis zu einer Höhe von 12 m; Hub- und Fahrbewegungen elektrisch angetrieben, Energieerzeu-

gung mittels 355-kW-Dieselgeneratorsatz; Fahrgeschwindigkeit bis 30 km=h, Hubgeschwindigkeit bis 24 m=min, jeweils mit Last; hydraulische Allradlenkung, elektrisch angesteuert (TEREX MHPS GmbH, Würzburg)

stapler zwei, drei oder vier Container übereinander stapeln. Die Container werden zwischen den Rädern mit einem Tragrahmen (Spreader) von oben aufgenommen. Das Tragwerk der Portalstapler besteht aus den beiden Radträgern, vier senkrechten Stützen und der Maschinenbühne. Bei einigen Ausführungen werden die Verbindungen zwischen den Radträgern und der Maschinenbühne durch diagonal verlaufende Zugstäbe versteift. In jedem der beiden Radträger sind vier luftbereifte Räder

in Drehschemeln gelagert, die alle hydraulisch gelenkt werden. Angetrieben und gebremst werden allerdings nur vier der insgesamt acht Räder. Portalstapler neuerer Bauart verfügen über einen dieselelektrischen Antrieb. Der Dieselmotor und der Generator befinden sich oben auf der Maschinenbühne und die elektrischen Fahrmotoren sind in den Radnaben oder den Drehschemeln angeordnet. Die Fahrerkabine ist mittig oder seitlich an der Vorderseite der Maschinenbühne angebracht.

16 Flurförderzeuge

405

16.3.14 Fahrerlose Transportsysteme (FTS)

men unterschiedliche Technologien zum Einsatz (Koppelnavigation, Trägheitsnavigation, Laserradar, Ultraschall und GPS). Zur Erkennung von In FTS [10] werden Flurförderzeuge wie Wa- Hindernissen im Fahrzeug werden Laserscanner gen, Schlepper, Gabelhubwagen und Schmal- oder Kameras verwendet. gangstapler automatisch, d. h. ohne die unmittelbare Einwirkung eines Bedieners/Fahrers, beLiteratur trieben. FTS kommen in der Fertigung zur Verkettung einzelner Arbeitsstationen und als mobiSpezielle Literatur le Arbeitsplattformen zum Einsatz. Ein weiterer 1. ISO 5053-1: Terminologie und Klassifizierung. Teil Anwendungsbereich ist der Transport zwischen 1: Flurförderzeugtypen, Beuth Verlag, Berlin (2015) einem Lager und dem Wareneingang/-ausgang 2. VDI-Richtlinie 3586: Flurförderzeuge-Begriffe, Kurzzeichen, Beispiele. VDI-Verlag, Düsseldorf sowie den Kommissionier- und Verpackungssta(2012) tionen. Die batteriebetriebenen Ffz fahren aus 3. VDI-Richtlinie 2198: Typenblätter für FlurförderSicherheitsgründen nur mit Schrittgeschwindigzeuge, Beuth Verlag, Berlin (2012) 4. DIN EN ISO 3691 Teile 1 bis 6, Beuth Verlag, Berlin keit. Bei der automatischen Fahrzeugführung ist 5. Busch, N.: Querdynamisches Verhalten von Industriereifen und dessen Einfluss auf die Fahrdynamik zwischen der spurgebundenen (Leitlinienfühvon Gabelstaplern. Dissertation, Hamburg (2015) rung) und der spurungebundenen (autonomen) 6. Tübke, J.: Elektrochemische Energiespeicher in mobilen Anwendungen. In: WVMA (Hrsg.) 2. FachtaFührung zu unterscheiden. Bei Ersterer müsgung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen, sen sensierbare Leitlinien im oder auf dem BoTagungsband, Karlsruhe (2009) den fest verlegt werden. Leitlinien können von 7. Bruns, R. et al.: Simulationsgestützte Untersuchung Wechselstrom durchflossene Drähte, reflektierender Spurtreue von Routenzügen. 9. Fachkolloquium der WGTL, Dortmund (2013)de oder magnetische Streifen sowie mechanische Führungsschienen sein. Bei der autonomen 8. DIN 15172: Kraftbetriebene Flurförderzeuge: Schlepper und schleppende Flurförderzeuge, Beuth Fahrzeugführung sind die Fahrkurse als SoftVerlag, Berlin (1988) ware in einem Umgebungsmodell beschrieben. 9. VDI-Richtlinie 3973: Kraftbetriebene Flurförderzeuge: Schleppzüge mit ungebremsten Anhängern, Die Lagekoordinaten des Ffz werden laufend Beuth Verlag, Berlin (2016) gemessen und in einem Regelkreis mit den Soll10. VDI-Richtlinie 2510-1: Infrastruktur und periphewerten verglichen. Bei Fahrkursabweichungen re Einichtungen für Fahrerlose Transportsysteme werden Stellbewegungen des Lenkmotors veran(FTS), Beuth Verlag, Berlin (2009) lasst. Zur Messung der Lagekoordinaten kom-

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Weitere Unstetigförderer

17

Ludger Overmeyer

17.1 Elektrohängebahn

Die Fahrzeuge bestehen aus einem angetriebenen sowie bei höheren Traglasten aus einem zusätzlichen nicht angetriebenen Teil. Diese sind durch eine Traverse gekoppelt. Typische Traglasten bei horizontalem Streckenverlauf betragen 250 kg bis 750 kg. Der Antrieb erfolgt meist durch Drehstromasynchron- oder Gleichstrommotoren. Die Übertragung der elektrischen Versorgungsspannung erfolgt mittels Stromschienen oder Schleppkabeln. Alternativ kann der Antrieb auch manuell, durch Schwerkraft, pneumatisch oder hydraulisch erfolgen. Die maximale Fahrgeschwindigkeit beträgt bei automatisch gesteuerten Hängebahnen ca. 3;0 m=s. Zur Steuerung der Elektrohängebahnen dienen Handsteuerungen sowie Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS). Eine Einbindung in Fertigungszellen ist möglich.

Elektrohängebahnen sind schienengeführte, flurfrei angeordnete Transportsysteme mit einzeln angetriebenen Fahrzeugen [1]. Hierdurch ist ein reversierbarer Betrieb möglich. Sie dienen zur Verbindung einer oder mehrerer Quellen mit einer oder mehreren Senken sowie zum Puffern und Sortieren von Stückgütern. Elektrohängebahnen bestehen aus den Systemkomponenten Schiene, vertikale Umsetzeinrichtungen, Fahrzeuge, Lastaufnahmeeinrichtungen, Energiezufuhr und Steuerung. Durch den Einsatz von horizontalen und vertikalen Kurven bis 90° sowie Weichen sind beliebige Fahrkurse realisierbar. Vertikale Umsetzeinrichtungen verbinden Laufschienen auf verschiedenen Transportebenen; maximale Hubgeschwindigkeiten liegen bei ca. 2;5 m=s. In Abhängigkeit von der Fahrzeug- und Schienenausführung unterscheidet man zwischen Au- Literatur ßen-, Innen- und Obenläufern. Die Übertragung der Antriebskraft vom Fahrzeug auf die Fahr- Spezielle Literatur schiene erfolgt im Regelfall durch Reibschluss, 1. VDI-Richtlinie 3643: Elektro-Hängebahn-Obenläufer, Traglastbereich 500 kg Anforderungsprofil an ein bei hohen Steigungen auch durch Formschluss. kompatibles System. VDI-Verlag, Düsseldorf (1998)

L. Overmeyer () Leibniz Universität Hannover Garbsen, Deutschland E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_17

407

Aufzüge und Schachtförderanlagen

18

Karl-Heinz Wehking

18.1 Übersicht

vereinzelt umgesetzt mit Geschwindigkeiten bis etwa 2;5 m=s mit Lösungsvorschlägen für das In den Geltungsbereich der Personenfördertech- sichere Betreten und Aussteigen und die Benik fallen die Aufzüge, die Seilbahnen und schleunigung der Fahrgäste. Aufstiegshilfen, die Fahrtreppen und Fahrsteige und die Schachtförderanlagen. Bei den Aufzügen wird zwischen Seil-, Hydraulik-, Spindel-, 18.2 Aufzüge Trommel- und Zahnstangenaufzügen unterschieden. Seil- und Hydraulikaufzüge haben einen Wegen der starken Verbreitung der Aufzüge Anteil von 98 %. Unter Seilbahnen fallen die (etwa 600 000 überwachungspflichtige Anlagen Seilschwebebahnen im Pendel- und im Umlauf- 2003 in Deutschland) und der hohen wirtschaftbetrieb mit Tragseil (meist vollverschlossenes lichen Bedeutung wird auf Hydraulik- und SeilSpiralseil) und Zugseil (Rundlitzenseil). Bei Ein- aufzüge, die etwa 98 % der Aufzüge ausmaseilumlaufbahnen sind die Funktionen von Zug- chen, eingegangen. Es werden hier nur Bauteile und Tragseil im Förderseil zusammengeführt. und Baugruppen diskutiert, die aufzugsspezifisch Sessellifte können mit fix geklemmten oder kup- sind. Aufzüge sind komplexe Maschinen an der pelbaren Lastaufnahmemitteln (Geschwindigkei- Schnittstelle von Maschinenbau und Bauwesen, ten > 2 m=s) versehen sein. Bei Standseilbah- die auf unterschiedliche Technikbereiche zugreinen, die im Pendel- und Umlaufbetrieb ausge- fen und zwar stets vor dem Hintergrund des siführt werden, sind die Wägen schienengeführt. cherheitstechnisch sensiblen Personentransports. Beim Pendelbetrieb wird über eine große Fahrstrecke nur eine Spur benutzt, d. h. in der Mitte der Fahrstrecke ist eine Ausweichstelle vorge- 18.2.1 Hydraulikaufzüge sehen. Für Fahrtreppen sind Stufenbreiten (600, 800, 1000 mm) und Steigungen (30°, 35°) fest- Die üblichen Bauweisen der hydraulischen Aufgelegt mit Geschwindigkeiten bis etwa 0;7 m=s. züge sind direkter und indirekter Heber. Der diBei Fahrsteigen ist die maximale Steigung 12° rekt angetriebene hydraulische Aufzug mit dem mit der Geschwindigkeit v  0;75 m=s. Für Heber in einer Erdbohrung ist geeignet für kleiSteigungen unter 6° kann die Geschwindigkeit ne Förderhöhen. Die Bauweise ist relativ einfach, 1;0 m=s erreichen. Schnellere Fahrsteige sind wobei die Maßnahmen gegen Öleintritt in das K.-H. Wehking () Universität Stuttgart Stuttgart, Deutschland E-Mail: [email protected]

Grundwasser und Korrosion aufwändig sind. Der indirekte Antrieb kommt ohne Erdbohrung aus. Man unterscheidet die Druck- und Zugkolbenvariante. Beim Druckkolben sind die Knickbean-

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_18

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410

spruchungen entscheidend. Bei großen Förderhöhen müssen Zwischenabstützungen des Kolbens vorgesehen werden. Der Zugkolben mit einem kleineren Kolbendurchmesser erfordert aber höhere Öldrücke. Ein Gegengewicht als Ausgleich der Fahrkorbmasse ist möglich. Für hohe Lasten und Fahrkorbmassen können mehrere Zylinder vorgesehen werden. Die Förderhöhe ist üblicherweise auf etwa 25 m begrenzt. Die Geschwindigkeit liegt nur in Ausnahmefällen über 1 m=s. Die Leistung des Antriebs des Hydraulikaufzugs ohne Gewichtsausgleich muss für die Summe der Gewichtskräfte von Fahrkorb, Zuladung und Kolben berechnet werden. Ein Vergleich der Leistungen wird in Abschnitt „Drehstarre, nicht schaltbare Kupplungen“ gegeben. Die Aufwärtsfahrt erfolgt mit laufendem Antrieb, während bei der Abwärtsfahrt der Motor steht und die Regelung über Ventile erfolgt. Üblicherweise werden pulsationsarme Schraubenspindelpumpen häufig in Unterölausführung eingesetzt. Maßnahmen gegen unkontrollierte Fahrbewegungen, d. h. Übergeschwindigkeiten als Folge eines Leitungsbruch oder Absinken in der Haltestelle bei offener Tür sind beim direkten Heber das Leitungsbruchventil und bei den indirekten Hebern Fangvorrichtungen.

18.2.2 Seilaufzüge Bei den Seilaufzügen wird zwischen Trommelund Treibscheibenaufzügen unterschieden. Der Siegeszug des Treibscheibenaufzugs begann mit der zunehmenden Höhe der Hochhäuser in den USA. Der Treibscheibenantrieb ist praktisch unabhängig von der Förderhöhe, während bei den Trommelaufzügen die Dimensionen der Antriebe mit der Förderhöhe zunehmen. Bei Aufzügen mit Treibscheibenantrieb sind Fahrkorb und Gegengewicht an Führungsschienen geführt, über mehrere redundant angeordnete Seile miteinander und über Reibung mit der Treibscheibe verbunden. Üblicherweise wird durch das Gegengewicht die Masse des Fahrkorbes und die halbe maximale Zuladung aus-

K.-H. Wehking

geglichen. Die unteren Fahrbahnenden werden durch Puffer begrenzt, die Fahrkorb oder Gegengewicht beim unkontrollierten Überfahren der unteren Haltestellen bis zu einer Geschwindigkeit v vom 1,15fachen der Nenngeschwindigkeit abbremsen. Durch Rutschen der Seile über die Treibscheibe oder den sehr unwahrscheinlichen Riss aller Seile kann es zu unkontrollierten Fahrbewegungen nach unten kommen. Bei Erreichen der Übergeschwindigkeit, d. h. dem 1,15fachen der Nenngeschwindigkeit löst der Geschwindigkeitsbegrenzer die Fangvorrichtung aus, bremst den Fahrkorb mit begrenzten Verzögerungen ab und setzt ihn an den Führungsschienen still. Die unkontrollierte Fahrbewegung nach oben ist durch gesonderte Maßnahmen abzubremsen. Der Fahrkorb ist durch die Fahrkorbabschlusstür vom Schacht getrennt. Der Schacht und das Gebäude sind durch die Fahrschachttüren, an die besondere Anforderungen hinsichtlich des Feuerwiderstandes gestellt sind, getrennt.

18.2.3 Bemessung, Förderstrom, Steuerung In allgemeinen Bemessungsregeln von Personenaufzügen werden Anforderungen an die Anzahl der Aufzüge, die Grundfläche der Kabine, die Tragfähigkeit und die Nenngeschwindigkeit der Aufzüge gestellt. In den Landesbauordnungen und dort in der LBOAVO (Allgemeine Ausführungsverordnung des Wirtschaftsministeriums zur Landesbauordnung) finden sich Mindestanforderungen zu der Ausstattung eines Gebäudes mit Personenaufzügen und deren grundlegende Gestaltung. Es wird gefordert, dass für Gebäude mit mehr als 5 Geschossen Aufzüge vorhanden sein müssen. Mindestens einer dieser Aufzüge ist so zu gestalten, dass ein Rollstuhlfahrer oder eine Krankentrage aufgenommen werden können. Für die Aufnahme einer Krankentrage ist eine Grundfläche des Fahrkorbes von 1,1 m auf 2,1 m vorzusehen. Die Anzahl der Aufzüge und deren Grundfläche wird durch die Forderung der LBOAVO vorgegeben, dass für je 20 Aufzugnutzer ein Platz in dem oder den Aufzügen vorhanden sein muss. Dabei sollte beachtet werden, dass

18 Aufzüge und Schachtförderanlagen

bestimmte Tragfähigkeiten und dafür die Fahrkorbabmessungen für Aufzüge in Wohn-, Verwaltungs- und Krankenhäusern nach DIN 15 306 und DIN 15 309 (vergleiche auch ISO 4190-1) genormt sind. Eine besondere Sorgfaltspflicht muss gegenüber Personen mit Behinderung und Rollstuhlfahrern bestehen. Die Fahrkorbabmessungen (Fahrkorbbreite 1100 mm, Türbreite 800 mm) nach DIN 15 306 für Tragfähigkeiten ab 630 kg lassen ein Befahren mit einem Rollstuhl zu. Sind nach LBOAVO Aufzüge vorhanden, die für die Aufnahme von Rollstühlen vorgesehen sind, müssen diese für Behinderte ohne fremde Hilfe zweckentsprechend genutzt werden können. Dies gilt für alle nach LBO als barrierefrei definierte Anlagen. Zudem müssen diese Aufzüge von der öffentlichen Verkehrsfläche stufenlos erreichbar sein und stufenlos erreichbare Haltestellen in allen Geschossen mit Aufenthaltsräumen haben. Im Bereich der Aufzüge sind mit der DIN EN 81-20 einheitliche europäische Normen eingeführt worden. In der europäischen Normung, d. h. in der Normenreihe DIN EN 81 ist das Thema Zugänglichkeit von Aufzügen für Personen einschließlich Personen mit Behinderungen in DIN EN 81-70 berücksichtigt. In diesem Entwurf werden 3 Größen von Aufzügen mit unterschiedlichen Abmessungen und damit Typen von Zugänglichkeiten beschrieben. Typ 1 und 2 haben Fahrschachttüren von 800 mm und Typ 3 von 900 mm. Die Fahrkorbbreiten steigen an von 1000 mm (Typ 1 – 85 % der Rollstuhlbenutzer ohne Begleitperson) zu 1100 mm (Typ 2 – auch elektrisch betriebene Rollstühle) bis zu 2000 mm (Typ 3 – Wenden von Rollstühlen in der Kabine möglich und Begleitperson). Bei Bemessung von Lastenaufzügen muss bedacht werden, dass die geplante Tragfähigkeit größer zu wählen ist als der maximale, aktuelle Bedarf an zu transportierender Last. Sollte ein Befahren des Fahrkorbs mit einem Gabelstapler möglich sein, ist dies bei der Tragfähigkeit zu berücksichtigen. Die Nenngeschwindigkeiten von Lastenaufzügen sind klein und übersteigen 0;8 m=s nicht. Für gehobene Ansprüche, Gebäude mit großer Förderhöhe und Stockwerkszahl ist eine Be-

411

rechnung eines Grenzförderstroms für das Füllen eines Gebäudes und der mittleren Wartezeit zur Beurteilung der Anlage unerlässlich.

18.2.3.1 Förderstrom und Wartezeit Aufzüge müssen für die größtmögliche Belastung durch ankommende und im Gebäude zu verteilende Fahrgäste ausgelegt werden. Diese Situation tritt beim Füllen von Gebäuden auf. Ein Förderablauf beim Füllverkehr ist in Abb. 18.1 dargestellt. Die Fahrgäste steigen im Erdgeschoss ein. In der Aufwärtsfahrt steigen die Fahrgäste in den gewünschten Stockwerken nach und nach aus. Die leere Kabine fährt dann ohne Zwischenhalt in das Erdgeschoss zurück. Die dabei verstrichene Zeit wird als Umlaufzeit tu bezeichnet. Bei der Berechnung von Förderstrom und Wartezeit für den Füllverkehr wird vorausgesetzt, dass der Fahrkorb im Erdgeschoss bei jeder Fahrt mit jeweils gleicher Anzahl an Fahrgästen T D T0  

(18.1)

beladen ist. Darin ist T0 die Tragfähigkeit des Fahrkorbs und  der Füllungsgrad. Mit der Kenntnis der Umlaufzeit tu und der vorausgesetzten, aktuellen Beladung T des Fahrkorbes kann der sogenannte Grenzförderstrom Nz D z

T T0  Dz tu tu

(18.2)

berechnet werden. In Gl. (18.2) ist die Umlaufzeit tu unbekannt. Aus Abb. 18.1 ist zu erkennen, dass sich die Umlaufzeit aus der Standzeit des Fahrkorbs t0 in den Stockwerken und der Fahrzeit des

Abb. 18.1 Förderablauf und Umlaufzeit

18

412

K.-H. Wehking

Tab. 18.1 Türzeit und Ein- und Aussteigezeit [4] Türbreite mm  1000  1000

Türzeit für Schiebetüren für das Öffnen, Offenhalten und Schließen tt Mittig öffnende Tür Einseitig öffnende Tür s s 6 7 7 8

Fahrkorbs tF zusammensetzt zu tu D tF C to :

(18.3)

Die Fahrzeit des Fahrkorbs tF setzt sich aus der Durchfahrzeit tDF während der Fahrkorb mit der Nenngeschwindigkeit vN im Schacht fährt – und der Anhalteverlustzeit tVW – infolge der Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge in den Stockwerken – zusammen [1]. Für den gesamten Förderablauf ist die Durchfahrzeit tDF mit der wahrscheinlichen Umkehrhöhe HW und der Nenngeschwindigkeit vN HW tDF D : (18.4) vN Für die Gesamtanhalteverlustzeit in einem Förderablauf muss die Anzahl der wahrscheinlichen Halte xW berücksichtigt werden, [2, 3]. Sowohl die Anhalteverlustzeit als auch die Haltezahl sind Wahrscheinlichlichkeitsgrößen. Damit ist die Fahrzeit für einen Förderablauf tF D 2

HW C tVW .xW C 1/ : vN

Zeit für das Ein- und Aussteigen eines Fahrgastes tp s 2 1,5

Mit der Fahrzeit Gl. (18.5) und der Standzeit Gl. (18.6) ist die Umlaufzeit tu D 2

HW C .tVW C t1 /.xW C 1/ C tp T : (18.7) VN

Bei den Betrachtungen ist vorausgesetzt, dass stets der Fahrkorb im Erdgeschoss mit der angenommen Anzahl an Personen beladen ist. Damit ist die mittlere Wartezeit für den einzelnen Fahrgast tu : (18.8) tW D 2z Bei den vorangegangenen Ausführungen sind Grenzbedingungen, d. h. der Grenzförderstrom und die mittlere Wartezeit berechnet worden. Eine Überprüfung, ob ein Aufzug ausreichend bemessen ist, erfolgt durch einen Vergleich mit den in Tab. 18.2 zusammengefassten Anforderungen.

(18.5) 18.2.4

Steuerungen

18.2.4.1 Einzelaufzüge Aufzüge sind seit den 60er Jahren in nahezu allen Fällen Selbstfahreraufzüge, die erst durch die Weiterentwicklung und Optimierung der Aufzugssteuerungen möglich geworden sind. Aufzüge sind mit Bedienungs- und Anzeigeelementen außen an der Haltestelle und im Fahrkorbinnern ausgerüstet. Mit den Rufknöpfen können die Fahrgäste außen an der Haltestelle (Außent0 D tP T C tt .xW C 1/ : (18.6) rufe) und im Fahrkorbinnern (Innenrufe) ihre Tab. 18.2 Anforderungen an Förderstrom und Wartezeit Fahrwünsche angeben. Im Fahrkorb können mehrere Fahrwünsche abgegeben werden, die von der aus [4] Steuerung gespeichert wird. Diese Fahrwünsche Gebäude- Förderstrom N z Perso- Mittlere Wartezeit werden durch die Aufzugssteuerung abgearbeiart nen pro Minute tw S tet, wobei solange in eine Richtung gefahren und Wohn2 % der Bewohner 30 bis 50 haus an Zielstockwerken angehalten wird bis keine Büro5 bis 6 % der Beschäf- 10 bis 25 Fahrwünsche mehr vorliegen. Die Steuerungen gebäude tigten und Besucher für Aufzüge gehen bei der Bearbeitung der Au-

Die wahrscheinliche Umkehrhöhe hängt ab von dem wahrscheinlichen Umkehrstockwerk yW und der Stockwerkshöhe h, die über dem Gebäude konstant oder unterschiedlich sein kann. Die Standzeit t0 als zweiter Anteil zur Umlaufzeit setzt sich aus der Ein- und Aussteigezeit tP der T-Fahrgäste und der Türöffenzeit tt (Tab. 18.1) zusammen zu

18 Aufzüge und Schachtförderanlagen

413

ßenrufe nach unterschiedlichen Strategien vor. Steuerungen für Einzelaufzüge sind a) b) c) d)

18

Einfachsteuerung, Richtungsunabhängige Sammelsteuerung, Abwärtssammelsteuerung und Zweirichtungssammelsteuerung.

Die Steuerungen a) bis c) sind Einknopfsammel- bzw. Einknopfsteuerungen, d. h. dem Fahrgast steht für Außenrufe auf dem Stockwerk als Bedienelement ein Rufknopf zur Verfügung. Bei der Zweirichtungssammelsteuerung (d) sind auf den Stockwerken für die Abwärts- und die Aufwärtsrichtung jeweils ein Rufknopf angebracht. Die Endhaltestellen sind selbstverständlich nur mit jeweils einem der möglichen Fahrtrichtung entsprechenden Rufknopf versehen. Bei der Einfachsteuerung, die bei Lastenaufzügen eingesetzt wird, können die Außenrufe nicht gespeichert werden. Die Außenrufe werden bei der Einfachsteuerung nacheinander abgearbeitet. Der Vorteil liegt darin, dass ein vollbeladener Fahrkorb nicht durch Außenrufe angehalten wird. Bei der richtungsunabhängigen Sammelsteuerung können Innen- und Außenrufe gemeinsam gespeichert werden. Der auf- bzw. abwärts fahrende Fahrkorb hält immer dann, wenn das durch Innen- oder Außenruf angegebene Fahrziel das erste Mal erreicht wird. Bei der Abwärtssammelsteuerung werden Innen- und Außenrufe getrennt gespeichert. Die Außenrufe werden als Fahrwünsche in Abwärtsrichtung interpretiert. Innenrufe werden wie bei den bereits aufgelisteten Steuerungen abgearbeitet. Einsatzgebiet der Abwärtssammelsteuerung sind Gebäude mit geringem Zwischenstockverkehr. Bei der Zweirichtungssammelsteuerung sind auf den Stockwerken – ausgenommen die Endhaltestellen – für die Abwärts- und die Aufwärtsrichtung jeweils ein Rufknopf angebracht, damit der Fahrgast die Fahrrichtung bereits vor der Fahrt angeben kann. An den Stockwerken wird nur gehalten, wenn die aktuelle Fahrtrichtung und die vom Fahrgast im Stockwerk gewünschte Fahrtrichtung übereinstimmen.

Abb. 18.2 Außenrufzuteilung bei der Ringauswahl

18.2.4.2 Aufzuggruppen In hohen Gebäuden werden mehrere Aufzüge in einer 3er und einer 6er Aufzuggruppe in Zonen (Nah-, Mittel-, Express- und Ferngruppe) angeordnet. In den meisten Fällen sind die Aufzüge in Aufzuggruppen mit Zweirichtungssammelsteuerungen ausgestattet, wobei aber auch richtungsunabhängige Sammelsteuerungen und Abwärtssammelsteuerungen eingesetzt werden. Für Aufzuggruppen typische Steuerungen sind die Intervallsteuerung (Fahrkörbe vom Erdgeschoss aus losgeschickt) und die Ringauswahlsteuerung (Zuordnung der Fahrkörbe zu einem umlaufenden Ring, Abb. 18.2). Mit der Ringauswahlsteuerung eng verbunden ist die sogenannte Diagonalverteilung (Verteilung der Fahrkörbe in Zonen). Mit der Kontensteuerung wird jedem Außenruf jedes Aufzuges ein Konto zugeteilt entsprechend Kriterien wie Standort zu Außenruf, Beladung etc. Die Rufzuteilung erhält dann der Aufzug mit der höchsten Punktezahl. Bei der Zielwahlsteuerung wählt der Fahrgast bereits als Außenruf sein Zielstockwerk. Innenrufe können nicht mehr abgegeben werden. 18.2.4.3 Vermeidung von Verzögerungen beim Förderablauf Vermeidung von Verzögerungen beim Förderablauf durch Besetztmeldeeinrichtung (kein Halt bei Last größer als 80 % der Zuladung), aktueller Lastmessung, z. B. für Rufplausibilitätsprüfung

414

K.-H. Wehking

und bei Aufzügen mit Zweiknopfsammelsteue- Verzögerungen über 2; 5g dürfen aber nur über rung Doppelruflöschung zur Vermeidung unnöti- einen Zeitraum von 0,04 s wirken. Bis zu eiger Halte. ner Nenngeschwindigkeit von v D 1;25 m=s nach DIN EN 81-20 werden Federpuffer (energiespeichernde Puffer) mit linearer und teilweise 18.2.5 Spezifische mit nichtlinearer Federkennlinie und für größeSicherheitseinrichtungen re Geschwindigkeiten hydraulische Puffer (etwas unglücklich „energieverzehrende Puffer“) eingeFangvorrichtung und Geschwindigkeitsbe- setzt. Die Geschwindigkeitsbereiche der Puffer grenzer. Fangvorrichtungen sind bei Seilauf- und Regelungen unter Einsatz einer Verzögezügen vorgeschrieben. Die Fangvorrichtungen rungskontrollschaltung sind in DIN EN 81-20 gewerden durch einen Geschwindigkeitsbegrenzer regelt. (Pendel- oder Fliehkraftbeschleunigungsbegrenzer) betätigt, wenn das 1,15fache der Sicherheitsbremse. Bei Aufzugwinden müssen Nenngeschwindigkeit überschritten ist. Die alle an der Bremswirkung beteiligten mechaFangvorrichtung ist so zu bemessen, dass der nischen Bauteile doppelt, d. h. redundant ausmit Nutzlast beladene Fahrkorb mit einer Ver- geführt sein, und zwar so, dass beim Ausfall zögerung von 0;2g  a  1;2g, d. h. für einer Bremshälfte die andere intakte BremshälfBremskräfte 1;2 .F C Q/  B  2;4 .F C Q/ te den vollbeladenen Fahrkorb mit ausreichender der Fallbeschleunigung abgebremst und an den Bremswirkung abbremsen kann. Die Bremsen Führungsschienen festgesetzt wird. Es wer- werden regelmäßig durch stoßarme Gleichstromden Sperrfangvorrichtungen (Keilfang- und magnete gelüftet. Die Bremse wird durch minRollenfangvorrichtungen) für kleine Nenn- destens zwei in Reihe geschaltete, voneinander geschwindigkeiten bis v D 0;85 m=s und unabhängige Schütze offen gehalten. Die Bremse Bremsfangvorrichtungen für unbeschränkte muss nach dem fail-safe-Prinzip bei UnterbreNenngeschwindigkeiten unterschieden. Für die chung der Schütze wirksam werden. Deshalb Bauart der Fangvorrichtung gilt ein Beanspru- wird die Bremskraft mechanisch durch Druckfechungsfaktor, der für die Sperrfangvorrichtungen dern erzeugt. Bandbremsen sind unzulässig. wegen der kurzen Bremswege zwischen k D 3 und k D 5 liegt und für die Bremsfang- Tür und Türriegel. Bei Türen müssen die vorrichtung (wie auch für die hydraulischen Schachttüren, die Fahrkorbtüren und die TürPuffer) bei k D 2. Die Anforderungen an die kantensicherung betrachtet werden. Allgemeine Fangvorrichtungen sind für den freifallenden Stichworte sind Schiebetüren, Hubtüren, GliederFahrkorb definiert. Da der Bruch aller redundan- schiebetüren, Drehtüren, Vierfalttüren mit dem ten Tragseile äußerst unwahrscheinlich ist, ist die Fokus auf Teleskoptüren horizontal. Die FahrBremskraft zu groß und sollte zukünftig an diese korbtür ist motorisch bewegt, die Schachttür wird Gegebenheiten mit intakten Tagmitteln angepasst jeweils beim Halt mitgenommen. Die Türen sind werden. mit speziellen Verriegelungen versehen, wie z. B. dem Hakenriegel. Türen können ein- oder mehrPuffer. Als Begrenzung der Fahrbahnen von teilig, zentral oder seitlich öffnend sein. Ziel Gegengewicht und Fahrkorb werden Puffer ein- einer Schachttür ist Absturzverhinderung falls gesetzt. Die Puffer müssen so bemessen sein, Fahrkorb nicht dahinter steht, Feuerwiderstand dass der mit Nennlast beladene Fahrkorb bzw. zum verhindern der Feuerüberleitung in darüber das Gegengewicht aus einer Geschwindigkeit liegende Stockwerke. Die Schließkraft der Fahrvon höchstens dem 1,15fachen der Nennge- korbtüre und die Schließenergie ist zum Schutz schwindigkeit mit einer mittleren Verzögerung des Nutzers begrenzt. Die Türen werden über von höchstens der Fallbeschleunigung (1g) abge- Seil- oder Riementriebe angetrieben. Frequenz bremst wird. Verzögerungsspitzen sind zulässig. umgerichtete Türantriebe gehören die Zukunft.

18 Aufzüge und Schachtförderanlagen

Die Türen im Schacht und am Fahrkorb sowie andere wesentliche Elemente des Aufzugs, die an einem sicheren Betrieb der Anlage beteiligt sind, werden sicherheitstechnisch gesehen im Sicherheitskreis als logische Reihenschaltung verknüpft. Ein Losfahren ist erst dann möglich, wenn für den Nutzer keine Gefährdung z. B. durch eine fehlerhaft offene Tür besteht.

415

mit L D Fördertiefe) betrieben. In Deutschland sind Teufen bis etwa 1000 m möglich, wobei insbesondere in der Gold- und Edelsteingewinnung Schächte von bis zu 3000 m bekannt sind. Diese müssen allerdings noch durch mehrere hintereinander angeordnete Schachtförderanlagen erschlossen werden.

Literatur 18.3 Schachtförderanlagen Spezielle Literatur Die Schachtförderanlagen (Flurfördermaschinen) können mit Koepetreibscheibe, zylindrischer oder kegelförmiger Trommel ausgeführt sein. Schachtförderanlagen werden bei dem Transport von Gut (Güterfahrt) und Personen (Seilfahrt) mit angepassten Geschwindigkeiten (bis 20 m=s bzw. < 10 m=s) und Seilsicherheiten (v D 7;20;0005L bzw. v D 9;5  0;001L

1. VDI-Richtlinie 2411 (zurückgezogen): Begriffe und Erläuterungen im Förderwesen 2. Scheffler, M.: Grundlagen der Fördertechnik – Elemente und Triebwerke. Vieweg, Wiesbaden (1994) 3. Arnold, D., Furmans, K.: Materialfluss in Logistiksystemen. Springer, Berlin, Heidelberg, New York (2005) 4. Jünemann, R.: Materialflusssysteme – systemtechnische Grundlagen. Springer, Berlin, Heidelberg, New York, Barcelona, Hongkong, London, Mailand, Paris, Singapur, Tokio (2000)

18

19

Stetigförderer Andre Katterfeld, Friedrich Krause, Ludger Overmeyer, Karl-Heinz Wehking, Willibald Günthner und Michael ten Hompel

19.1 Berechnungsgrundlagen Definition der Stetigförderer, Übersicht, Einteilung und Vorteile (s. Kap. 14, Abschn. 14.1.3). Aus der stetigen Fördergutbewegung (eventuell mit wechselnder Geschwindigkeit oder im Takt) resultiert ein Gutstrom, durch dessen Stärke die Leistungsfähigkeit der unterschiedlichen Förderprinzipe und Fördermittel bestimmt wird. Für seine Berechnung ist die Kontinuitätsgleichung der Strömungslehre für inkompressible Medien A1  v1 D A2  v2 D Ai  vi D IV heranzuA. Katterfeld () Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Magdeburg, Deutschland E-Mail: [email protected] F. Krause Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Magdeburg, Deutschland E-Mail: [email protected] L. Overmeyer Leibniz Universität Hannover Garbsen, Deutschland E-Mail: [email protected] K.-H. Wehking Universität Stuttgart Stuttgart, Deutschland E-Mail: [email protected] W. Günthner Technische Universität München Garching, Deutschland E-Mail: [email protected] M. ten Hompel Technische Universität Dortmund Dortmund, Deutschland E-Mail: [email protected]

ziehen, d. h. in der Zeiteinheit muss durch jede Förderquerschnittsfläche Ai das gleiche Gutvolumen transportiert werden. Wechselnde GutstromQuerschnittsflächen Ai erfordern veränderte Fördergeschwindigkeiten vi . In der Praxis wird nicht mit dem Differentialquotient VP D dV =dt (augenblicklicher Volumenstrom) sondern mit dem mittleren Volumenstrom IV in m3 =s bzw. m3 =h gerechnet. Der im Betrieb erreichbare Nennvolumenstrom folgt aus der theoretisch möglichen Gutstrom-Querschnittsfläche Ath (konstruktiv bedingt), einem betriebsbedingten Füllungsgrad ' und der möglichen Fördergeschwindigkeit v (stetiger Gutstrom, z. B. bei einem Gurtförderer, Abb. 19.1a): IVN D '  Ath  v :

(19.1)

Mit der Schüttdichte  des Gutstroms ergibt sich der Nennmassenstrom: ImN D IVN   D '  Ath  v   :

(19.2)

Aus einem vorgegebenen Nennvolumenstrom ermittelt sich die theoretisch erforderliche Förderquerschnittsfläche Ath D

IVN : 'v

Liegt statt eines stetigen (durchgehenden) Gutstroms ein pulsierender vor (z. B. Becherwerk, Abb. 19.1b), kann dieser durch einen ideellen kontinuierlichen Ersatzstrom mit der Querschnittsfläche Aid D eid  b mit der Ausladung eid

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_19

417

418

A. Katterfeld et al.

Für die Ermittlung der Bewegungswiderstände und der Belastungen des Traggerüstes der Stetigförderer sind die längenbezogenen Massen (Metermassen) des Gutstroms m0F , des (wenn vorhanden) endlos umlaufenden Zugmittels m0Z und des eventuell zusätzlichen Tragmittels m0T (z. B. bei einem Becherwerk) wichtig. Die Metermasse eines stetigen Gutstroms ergibt sich aus: m0F D '    Ath D

IVN   ImN D v v

(19.5)

und die eines pulsierenden Stückgutstroms: m0F D

m0 lT

(19.6)

bei konstanter Stückgutmasse m0 . Daraus folgen die längenbezogenen Gewichtskräfte qF D m0F g, qZ D m0Z  g und qT D m0T  g.

19.2 Stetigförderer mit Zugmittel 19.2.1 Grundlagen der Berechnung Abb. 19.1 Zur Gutstrombestimmung von Stetigförderern. a stetiger Gutstrom (Bsp. Gurtförderer); b pulsierender Gutstrom (Bsp. Becherwerk); c Stückgutstrom (Bsp. Gurtförderer)

und der Breite b (Becherbreite) ersetzt werden. Für Aid gilt: Aid D

VB  ' IVN ImN D D lT v v

(19.3)

mit der Becherteilung lT und dem Bechervolumen VB . Damit sind die Gln. (19.1) und (19.2) verwendbar, wenn '  Ath durch Aid ersetzt wird. Stetigförderer für Stückgut weisen ebenfalls einen pulsierenden Gutstrom auf (Abb. 19.1c). Für eine konstante Stückgutteilung lT ergeben sich die Stückgutfolgezeit zu tlT D lT =v und der Stückgutstrom: ISt D

v 1 D in Stück/s. lT tlT

(19.4)

Bei gleich großer Stückgutmasse m0 beträgt der Massenstrom Im D ISt  m0 .

Das gemeinsame Merkmal einer Vielzahl von mechanischen Stetigförderern ist ein endlos umlaufendes Zugmittel (Zm), s. Abb. 19.2. Es ist ein Teil des eigentlichen Fördermittels, das außerdem noch Einrichtungen zur Aufnahme des Fördergutes (Schüttgut oder Stückgut) besitzt, das Tragmittel (Tm). Das Zm übernimmt die beim Fördervorgang auftretenden Widerstände und überträgt diese auf den Antrieb. Vom Tm werden das Fördergut aufgenommen und die Gewichtskraftkomponenten des Gutstroms sowie aller bewegten Teile des Fördermittels auf die Stützkonstruktion des Förderers übertragen. Je nachdem, ob das Tm umläuft oder feststeht, entstehen die unterschiedlichsten Reibungsverhältnisse (Abb. 19.2a,b). Führungen werden zwischen die bewegten Teile des Fördermittels und die Stützkonstruktion gefügt, wenn das Tm mit umläuft oder wenn Radialkräfte durch das Ablenken des Zm abgefangen werden müssen (Abb. 19.3). Häufig bilden Zug- und Tragmittel eine Einheit, wie z. B. der Gurt eines Gurtförderers (s. Abschn. 19.2.2).

19 Stetigförderer

419

19

Abb. 19.2 a Förderer mit umlaufendem Tragmittel (z. B. Kreisförderer); b Förderer mit feststehendem Tragmittel (z. B. Kratzerförderer). 1 Zugmittel (Zm), 2 Tragmittel (Tm), 3 Fördergut

Abb. 19.3 Rollenführung zur Aufnahme von Radialkräften des abgelenkten Zugmittels. 1 Zugmittel (Zm), 2 Führung

gut muss beschleunigt werden. Bei großen Fallhöhen entstehen Staukräfte. Bei der Gutabgabe werden nur in Sonderfällen Widerstände hervorgerufen. Widerstände durch Zusatz- oder Hilfseinrichtungen: Für den störungsfreien Betrieb sind Zusatzeinrichtungen erforderlich, z. B. Reiniger, Geradlaufeinrichtungen oder seitliche Begrenzungen des Gutstroms auf der Strecke, die Widerstände verursachen.

Im stationären Betrieb (v D const) treten eiAlle Widerstände werden vom Zm aufgenomne Reihe von Widerständen auf, die sich in drei men, summiert und schließlich auf den Antrieb Gruppen einteilen lassen: übertragen. Dieses Prinzip ist allen ZugmittelFörderern eigen, und es wird dadurch möglich, Bewegungs- und Steigungswiderstände: Auf diese Förderer trotz unterschiedlichen Aufbaus geradlinigen Strecken entstehen Bewegungs- nach einem einheitlichen Verfahren zu berechwiderstände durch die Roll- bzw. Gleitreibung nen. Die Widerstände, die in den einzelnen Wegder bewegten Teile, d. h. des Fördergutes, des abschnitten des Förderers auftreten, sind unterZug- und eventuell des Tragmittels (wenn schiedlich. So gibt es beladene und unbeladene dieses umläuft). Zusätzliche Bewegungswi- Abschnitte, horizontale und steigende usf. Für derstände werden bei der Änderung der För- das Berechungsverfahren ist es erforderlich, die derrichtung durch Radialkräfte hervorgerufen. Streckenführung hinsichtlich der Widerstände in Diese durch Reibung bedingten Widerstände Teilabschnitte einzuteilen. Die Einteilung erfolgt wirken gegen die Förderrichtung und sind des- so, dass sich in einem Abschnitt die Widerhalb positiv. Dagegen sind die an geneigten stände nur stetig ändern. Sobald eine UnstetigStrecken durch die Hangabtriebskraft hervor- keit im Widerstandsverlauf auftritt, z. B. durch gerufenen Steigungswiderstände unabhängig Änderung des Beladungszustandes, beginnt ein von der Förderrichtung stets abwärts gerich- neuer Abschnitt. Die Abschnitte werden fortlautet und daher positiv, wenn sie entgegen der fend mit in Klammern gesetzten ganzen ZahBewegung wirken (steigende Abschnitte) bzw. len gekennzeichnet. Es ist zweckmäßig, mit der negativ, wenn sie in der Bewegungsrichtung Zählung z. B. am Antrieb zu beginnen und die liegen (fallende Abschnitte). Bewegungswi- Wegführung in der Bewegungsrichtung (Förderderstände und Steigungswiderstände sind för- geschwindigkeit v) zu durchlaufen (Abb. 19.4). derwegabhängig. Die Gesamtzahl aller Abschnitte des Förderers Widerstände an Beschickungs- und Abgabe- sei (n). Daraus ergibt sich, dass der vom Antrieb stellen: Besonders durch die Gutaufgabe ent- ablaufende Strang des Zm mit dem Abschnitt (1) stehen zusätzliche Widerstände. Das Förder- beginnt und der auflaufende Strang mit dem Ab-

420

A. Katterfeld et al.

Abb. 19.4 Verfahren zur Berechnung der Widerstände und der Zm-Kräfte, Beispiel Gurtförderer, Einteilung in Wegabschnitte .1/ : : : .i / : : : .n/, beginnend am Ablauf-

punkt der Antriebstrommel in v-Richtung. 1 Gutaufgabe, 2 Gutabgabe, 3 Spanntrommel, 4 Antriebstrommel

(Abb. 19.5). Durch Integration über die Länge l.i / des Abschnitts ergibt sich die resultierende Widerstandskraft FW.i / : Es ist üblich, die Kräfte im auf- bzw. ablaufenden Strang des Zm am Antrieb besonders zu kennzeichnen. Hier werden diese mit FT auf und FT ab bezeichnet. Daraus folgt FT auf D F.n/ bzw. FT ab D F.0/ . (19.7) Für die Kraft an einer beliebigen Stelle (i) im Zm ergibt sich

schnitt (n) endet. Mit (i) wird ein beliebiger Abschnitt im Intervall .1/ : : : .i/ : : : .n/ bezeichnet. Die Widerstände in den einzelnen Abschnitten tragen den Index (i). Sinngemäß erfolgt die Bezeichnung der Zm-Kräfte. Unter FT.i / wird die Zm-Kraft am Ende des Abschnittes (i) verstanden. Es gilt in Bewegungsrichtung: FT.i / D FT.i 1/ C FW.i / ; entgegen der Bewegungsrichtung FT.i 1/ D FT.i /  FW.i / ;

(19.8)

wobei bei FW.i / die Vorzeichen zu beachten sind. Die Widerstände in den Abschnitten können als Einzelkraft oder über den Abschnitt verteilt (analog Linienbelastung) auftreten. Eine Einzelkraft ergibt eine sprungartige Änderung des ZmKraftverlaufs. Die Abschnitte sind so aufzuteilen, dass die Einzelkraft am Anfang des Abschnitts wirkt. Längenbezogene Widerstände bedingen einen stetig veränderlichen Kraftverlauf im Zm

FT.i / D FT ab C

.i / X

FW.i /

bzw.

.1/

FT auf D F.n/ D FT ab C

.n/ X

FW.i / :

.i D1/

Die Gln. zeigen, dass für die Anwendung der Berechnungsmethode an einer Stelle des Förderweges die Kraft im Zm bekannt sein muss. Dieser Wert ist aufgrund der Betriebsbedingungen des Förderers festzulegen.

Abb. 19.5 Kräfte in einem Wegabschnitt (i) des Zm, um 90° gedreht über dem Zm aufgetragen. 1 Zugmittel

19 Stetigförderer

421

Bei Förderern mit kraftschlüssigen Antrieben (z. B. Gurtförderern) ist die Hauptbedingung, dass zur Kraftübertragung eine Mindestzugkraft im ablaufenden Strang (bei einer Umfangskraft FU > 0) vorhanden sein muss, d. h. es muss die Eytelwein’sche Beziehung FT auf  e ˛ FT ab FT ab  e ˛ FT auf

für FT auf > FT ab

(19.9) Bewegungswiderstand aufgrund von Roll- und Gleitreibung:

erfüllt sein, mit dem Umschlingungswinkel ˛ in rad und dem Reibwert . Aber auch bei allen anderen Förderern, unabhängig vom Antrieb, darf eine Mindestzugkraft im Zm nicht unterschritten werden, damit der Durchhang des Zm zwischen zwei Stützstellen nicht unzulässig groß wird. Bei Kettenförderern wird durch Festlegung einer Mindestzugkraft ein ruhiger und sicherer Lauf erreicht. Diese Mindestzugkraft ist von den Parametern abhängig und muss aus Erfahrung festgelegt werden (z. B. 500 . . . 2000 N). Die Größe der Spannkraft FSp muss FT min sichern. Die Stelle .i/ D .k/, an der FT min D F.k/ auftritt, ist zu ermitteln. Die erforderliche Umfangskraft FU am Antrieb beträgt: FU D FT auf  FT ab D

FW.i / :

.i D1/

0 FwR.i / D q.i /  R.i /  l.i /  cos ı.i /

(19.12)

mit q.i / D qF C qZ C qT , dem Reib- bzw. Bewegungswiderstandsbeiwert R.i / und dem Neigungswinkel ı.i / . Die längenbezogenen Gewichtskräfte qS von bewegten Führungen, z. B. den drehenden Teilen der Stützrollen (Tragrollenstationen) bei Gurtförderern, laufen nicht mit dem Zm um, verursachen nur Bewegungswiderstände unabhängig vom Neigungswinkel und müssen deshalb gesondert behandelt werden: qS.i / D

mS  g lT

mit der Masse der drehenden Teile mS und der Teilung lT der Tragrollenstationen. Für den Be(19.10) 00 wegungswiderstand FwR.i / gilt:

Damit folgt für die Antriebsleistung X

Widerstände auf geradlinigen Strecken mit konstanter längenbezogener Belastung q Durch die Normal- und Hangabtriebskomponente der bewegten Massen von Gutstrom, Zm und Tm werden Reib- und Steigungswiderstände hervorgerufen (Abb. 19.6).

bzw.

für FT ab > FT auf

.n/ X

19.2.1.1

00 FwR.i / D qS.i /  S.i /  l.i / :

(19.13)

.n/

P D FU  v D

FW.i /  v

.i D1/

mit der Fördergeschwindigkeit v.

(19.11)

Unter der Annahme der Gleichheit der Reibwerte R.i / und S.i / (z. B. für Gurtförderer .i / D R.i / D S.i / D f , s. Abschn. 19.2.2)

Abb. 19.6 Bewegungswiderstand FWR.i/ und Steigungswiderstand FWSt.i/ im Abschnitt (i)

19

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A. Katterfeld et al.

folgt für den Bewegungswiderstand FwR.i / : 0 00 FwR.i / D FwR.i / C FwR.i /  D .i /  l.i /  q.i /  cos ı.i / C qS.i / : (19.14) Der Bewegungswiderstandsbeiwert .i / hängt von der Konstruktion des jeweiligen Förderers ab (s. Abschn. 19.2.2 bis 19.2.5) und kann im Wegabschnitt (i) je nach den Reibungsverhältnissen für den Gutstrom und das Zm unterschiedlich sein (z. B. bei Kettenförderern mit ebenfalls umlaufendem oder mit feststehendem Tm).

Steigungswiderstand: FwSt.i / D ˙q.i / l.i / sin ı.i / D ˙q.i / h.i / (19.15) Abb. 19.8 Gurtarten. a Fördergurt mit Textileinlagen, Bei in Förderrichtung steigenden Strecken gilt das positive, bei fallenden Strecken das negative Vorzeichen.

19.2.2 Gurtförderer Ein endloser Gurt, am einen Ende um eine Antriebstrommel, am andern um eine Umlenktrommel geführt und dazwischen durch Tragrollen gestützt, fördert das Gut von der Aufgabe- zur Abgabestelle (Abb. 19.7). Gurtführung im Obertrum flach oder gemuldet, im Untertrum flach, aber auch leicht gemuldet. Zum Übertragen der Umfangskraft der Antriebstrommel auf den Gurt Vorspannung erforderlich.

19.2.2.1 Gurtarten Fördergurt mit zugfesten Einlagen. Verfügbar sind Fördergurte mit Textil- oder StahlseilEinlagen (Aufbau, s. Abb. 19.8). Die Einlagen

Abb. 19.7 Schema eines Gurtförderers. 1 Gutaufgabe, 2 oberes Gurttrum, 3 Gutabgabe, 4 Antriebstrommel, 5 Ablenktrommel, 6 unteres Gurttrum, 7 Tragrollen, 8 Ablenktrommel, 9 Umlenktrommel, 10 Spanngewicht

1 Einlagenpaket aus Gewebebahnen und Gummibindeschichten, 2 untere, 3 obere Gummideckplatte, 4 Gummiseitenkante; b einlagiger, durchgewebter Fördergurt mit PVC-Kern, 1 zugtragende Polyesterkette, 2 abdeckende Baumwollkette, 3 Polyamidschuß in vier Ebenen, 4 Deckplatte (PVC oder Gummi) (Clouth AG, Köln); c Gewebefreier Stahlseilgurt, 1 Stahlseile, 2 metallbindender Innengummi, 3 Gummideckplatten; d Wellkantengurt, 1 Stahlseilgurt, 2 Wellkanten (Gummi), 3 Querstollen (Gummi). (C. Scholtz GmbH, Hamburg)

(auch Festigkeitsträger) werden durch Elastomer (Gummi oder Weich-PVC) miteinander verbunden, verfüllt und abgedeckt. Gegenüber der einfachen Ausführung werden für harte Betriebsverhältnisse Schutzeinlagen in Kante und Deckplatten eingearbeitet. Stahlseilgurte meist ohne Gewebeeinlagen, zum Schutz gegen Durchschlag auch mit Querarmierung, z. B. Polyamid-Cordfäden in den Deckplatten. Bei den Fördergurten mit Textileinlagen wird die Gewebequalität gekennzeichnet durch den Werkstoff (Kennbuchstaben) und die gewährleistete Bruchfestigkeit (Nennzugfestigkeit), z. B. in N=mm Breite und Lage in Längs- und Querrichtung im fertigen Gurt. Neben Gewebeeinlagen aus Baumwolle (B) und Zellwolle (Z) solche höherer Zugfestigkeit aus Chemiefasern: Polyamid (P, Perlon, Nylon), Polyester (E, Diolen, Trevira, Terylene), Aramid (D, Kevlar, Twaron). Zur Erzielung günstiger technologischer Eigenschaften des Gewebes für Längsfäden (Kette) und Querfäden (Schuss) verschiedene Faserwerkstoffe z. B. hochfeste, dehnungsarme Polyesterfäden

19 Stetigförderer

in der Kette und dehnungsfähigere Polyamidfäden im Schuss (EP). Für den Einsatz in verlöschenden Gurten unter Tage auch Mischzwirne, z. B. Eb/Pb. Zahl der Einlagen bis 4, Festigkeit einer Gewebelage bis 400 N=mm in Längs-, bis ca. 100 N=mm in Querrichtung. Kennzeichnung der Gurtart durch die genannten Kennbuchstaben für das verwendete Gewebe, die Nennzugfestigkeit je mm Breite und die Anzahl der Lagen, mit der diese Festigkeit erzielt wird, z. B. EP 250/2 oder EP 400/3 mit einer Einzellagenfestigkeit von jeweils 125 N=mm Breite. Bruchdehnung bei Gummigurten mit Baumwolleinlagen etwa 14 %, mit Chemiefasereinlagen 10 bis 12 %. Wichtiger ist zur Auslegung des Spannwegs die elastische Betriebsdehnung, die 1 bis 2 % bei üblicher Ausnutzung der Nennfestigkeit von 10 bis 20 % beträgt. Vor allem mit Rücksicht auf die Endlosverbindungen sowie wegen zusätzlicher, durch geometrische Verhältnisse (z. B. im Auf- und Abmuldungsbereich) aufgezwungener Beanspruchungen werden Sicherheiten gegen die Nennfestigkeit im Bereich von 5 bis 10 gewählt. Hierbei sind auch die Anfahrkräfte zu berücksichtigen. Für Fördergurte mit Textileinlagen für allgemeine Verwendungszwecke gilt DIN 22 102. Wegen der Forderung nach Schwerentflammbarkeit, Selbstverlöschen und Antistatik DIN 22 109 Fördergurte mit Textileinlagen für den Steinkohlenbergbau [3]. Sonderausführungen für steileres Fördern durch Oberflächenmusterung der Tragseite (Fischgräten-, Pyramiden-, Riffelmuster). Zusätzliches Stützen von Schütt- oder Stückgut durch Querleisten (Kastenband) oder pfeilförmig angeordnete Stollen. Spezielle Ausführung des Kastenbands ist der ungemuldete Wellkantengurt, für Steilförderung mit Querstollen geeignet für alle Neigungen bis zur Senkrechtförderung (Abb. 19.8d). Für den innerbetrieblichen Transport Textilfördergurte aus weich eingestelltem PVC (Polyvinylchlorid) mit zwei, max. drei Lagen aus leichtem Polyester- auch Baumwollgewebe, mit dünnen Deckplatten bis 1 mm, teilweise ohne Deckplatten auf Tragrollen oder Gleitflächen laufend.

423

Unter Tage Einsatz von schweren, durchgewebten Textileinlagen (Abb. 19.8b) mit Festigkeiten bis 4000 N=mm und sehr guter Durchschlagfestigkeit. Häufig als PVG(PVC/Gummi-)Gurt ausgeführt mit PVC im Gewebekern und Gummideckplatten zur Erzielung einer Kombination von technologisch wichtigen Eigenschaften. Sehr gut geeignet für Einsatz von mechanischen Haken-Verbindungssystemen zur schnellen Montage beim Verkürzen und Verlängern von bestehenden Anlagen. Für Anlagen mit großen Achsabständen oder großen Förderhöhen wurde der Fördergurt mit Stahlseileinlagen entwickelt. Er vereinigt hohe Zugfestigkeit mit geringer Dehnung und guter Muldungsfähigkeit. Ausführung nur in Gummi [3, 4, 5], (Abb. 19.8c). Kennbuchstabe St, Nennzugfestigkeit üblich in N=mm Gurtbreite. Aufbau, technologische Daten, Zugkraftstufen St 1000, St 1250, St 1600, St 2500, St 3150 DIN 22 131, für Untertage-Bergbau DIN 22 129, schwerentflammbare StahlseilFördergurte DIN 22 103. Höhere Festigkeiten als St 4500, St 6600 und St 7500 ausgeführt. Bruchdehnung etwa 2 %, Betriebsdehnung ca. 0,15 %, daher Eignung der Stahlseilgurte für lange Anlagen, heute bis 12 km, bei kurzen Spannwegen. Drahtgurte. Stahl- oder Metalldrahtgurte als: Drahtglieder-, Drahtgeflecht-, Drahtösenbänder für schweres Fördergut; Stangen- und Drahtgewebebänder für leichteste Güter. Anwendung auch für heiße und glühende Schütt- und Stückgüter, ferner als Entwässerungs- und Trocknungsbänder. Stahlband. Das aus Kohlenstoffstahl, kalt gewalzt und gehärtet (1200 N=mm2 Zugfestigkeit) hergestellte Stahlband (0,4 bis 1,6 mm stark) ist besonders für den Transport harter Mineralien oder gesinterten Materials sowie von feuchtem oder klebendem Gut geeignet. Anwendung auch in Bad- und Trockenöfen und in Arbeitstischen bei der Fließfertigung. Meist ebene Führung jedoch auch leichte Muldung möglich. Sonderausführungen aus rostbeständigem, hartgewalztem Chromnickelstahl, mit Gummi-

19

424

schicht umkleidet. Sowohl das nackte als auch das gummibelegte Stahlband erfordern angepasste Gestaltung der stützenden Tragrollen oder Gleitflächen, der Antriebs- und Umlenktrommeln und der Spannvorrichtung (Sandvik Process Systems GmbH, Fellbach).

19.2.2.2 Prüfverfahren und Überwachung von Fördergurten In Abhängigkeit vom jeweiligen Einsatzgebiet müssen Fördergurte verschiedenen Anforderungen genügen. Die dazu erforderlichen Prüfungen lassen sich in brand-technische, hygienische und elektrische gliedern [6]. Weitere genormte Prüfungen dienen der Ermittlung mechanischer Kenngrößen wie Bruchkraft, Muldungsfähigkeit oder Eindrückrollwiderstand [7]. Von besonderer Bedeutung für die Betriebssicherheit ist die dynamische Zeitfestigkeit von Fördergurtverbindungen. Neben der Bruchkraft beschreibt vor allem die unter realitätsnahen Prüfbedingungen ermittelte Zeitfestigkeit die Qualität der Gurtverbindung [5, 8]. Eine hohe Betriebssicherheit von Gurtförderern erfordert die ständige Überwachung von Betriebsparametern und die Erkennung von auftretenden Gurtschäden. Zu den wichtigsten Betriebsparametern des Gurtes zählen die Geschwindigkeit, die Vorspannung, der Geradlauf und die Position. Die Erkennung und Instandsetzung von Gurtschäden im Frühstadium verhindert schwerwiegende Schäden und einen Anlagenausfall [9]. Prüfverfahren werden gemäß DIN Normen vor dem Einsatz des Fördergurtes zur Überprüfung betriebswichtiger Parameter durchgeführt. Als Beispiel sei hier das Prüfverfahren zur dynamischen Zeitfestigkeit von Fördergurtverbindungen gemäß DIN 22110 Teil 3 genannt, nach welchem bereits mehr als 1000 Prüfungen durchgeführt wurden [45]. Dabei wird ein Prüfgurt der typischen Breite von 400 mm und einer, von der Prüfmaschine abhängigen, Länge von ca. 15 m untersucht. Auf dieser Prüfmaschine läuft der Prüfgurt um, angetrieben von einer Antriebstrommel und läuft danach nur über eine Umlenktrommel zurück. Bei diesem Verfahren wird die umlaufende Fördergurtprobe einer dyna-

A. Katterfeld et al.

mischen Dauerschwellbelastung unterzogen. Die hierbei ermittelte Referenz-Zeitfestigkeit hängt von dem Aufbau der Fördergurtverbindung, den eingesetzten Werkstoffen und der realen Ausführung der Verbindung ab. Die Überwachung von Fördergurten im Förderbetrieb erfolgt durch Sensoren im Fördergurt oder durch externe Sensoren. Bei den Sensoren im Fördergurt werden Messsensoren in den Fördergurt integriert und die gemessenen Daten an eine externe Auswertestation per Funk übermittelt. Es werden hierzu Leiterschleifen in den Fördergurt einvulkanisiert, die mit Hilfe induktiver Verfahren auf ihre Unversehrtheit im Betrieb geprüft werden. Dies kann direkt mittels Induktionsspulen oder indirekt über Transponder geschehen. Des Weiteren kann bei Stahlseilgurten die Beschaffenheit der Stahlseile mittels Feldspulen überwacht werden. Die externe Fördergurtüberwachung wird visuell beim Abschreiten der Anlage oder automatisiert mit Kamerasystemen und integrierter Bildauswertung durchgeführt. Eine weitere Möglichkeit der zerstörungsfreien Inspektion besteht in der Durchstrahlung des Fördergurtes mittels energiereicher Strahlung (z. B. Röntgenstrahlung) und der Auswertung von erzeugten Bildinformationen.

19.2.2.3 Berechnungsgrundlagen In Anlehnung an DIN 22101: Gurtförderer für Schüttgüter – Grundlagen für die Berechnung und Auslegung, siehe [2]. 19.2.2.4 Fördergutstrom, Füllquerschnitt, Fördergeschwindigkeit Fördergutstrom. Er folgt aus dem Gutquerschnitt („Füllquerschnitt“) A, der Fördergeschwindigkeit v und der Schüttdichte  als Volumenstrom IV oder Massenstrom Im zu IV D v  A Im D   IV

(19.16)

z. B. mit v in m=s, A in m2 und  in kg=m3 .

19 Stetigförderer

425

Großförderbandanlagen für Abraumbe- Tab. 19.1 Normale Gurtbreiten, Tragrollenlängen und wegung in Braunkohlentagebauen erreichen Tragrollendurchmesser in mm Fördergutströme bis zu 10 000 kg=s. Gurtbreite B Muldenrolle la Rollendurchmesser D 500 650 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000

Füllquerschnitt. Der Berechnung des Füllquerschnitts bei waagerechter Förderung können für dreiteilige Muldensätze die in Abb. 19.9 dargestellten geometrischen Verhältnisse zugrunde gelegt werden. Dabei ist ein dynamischer Böschungswinkel des Förderguts ˇ vorzugeben. Man geht von der Gurtbreite B aus und setzt für B  2000 mm

b D 0;9B  50 mm

und für B > 2000 mm

b D B  250 mm : a

200 250 315 380 465 530 600 670 750 800 900 950 1000 1100

wahlweise 63,5 63,5 89 108 133 133 133 159 159 194 194 194 219 219

19

89 89 108 133 159 159 159 194 194 219 219 219

Länge der Flachrolle  3  l

Damit ergibt sich der theoretische Füllquer- Siehe hierzu auch Gurtförderer für den Kohlenbergbau unschnitt, der auch der Berechnung des Nennförder- ter Tage: DIN 22 112: Tragrollen. – DIN 22 111: Leichtes Traggerüst. – DIN 22 114: Schweres Traggerüst. gutstroms zugrunde gelegt werden kann, zu: Ath D A1th C A2th D 0;25 ŒlM C .b  lM / cos 2 tan ˇ

Förderguteigenschaften, Betriebs- und Anlagendaten

C 0;5 ŒlM C 0;5 .b  lM / cos 

IV D 'Betr 'St vAth

 .b  lM / sin  : (19.17) Der praktisch mögliche Fördergutstrom wird beeinflusst durch Korngröße und -form, inneren Reibungswinkel, dynamischen Böschungswinkel, Übergabegeometrie, Aufschüttverhältnisse, Geradlauf des Gurts, Gleichmäßigkeit der Gutaufgabe und damit Vorhaltung einer Reserveförderkapazität. Daher Abminderung des theoretischen Füllquerschnitts um Faktor 'Betr . Bei geneigter Förderung berücksichtigt der Abminderungsfaktor 'St , dass A1th reduziert wird. Damit wird der Nennvolumenstrom abhängig von

Abb. 19.9 Geometrische Verhältnisse zur Berechnung des Füllquerschnitts bei dreiteiligen Muldenrollensätzen

(19.18)

mit 0;5  'Betr  1;0; so kann A1th D 0 sein bei Fördergut mit stark fließenden Eigenschaften. Mit dem größten Neigungswinkel der Anlage ımax ist für ımax  ˇ 0 1 s cos2 ımax  cos2 ˇ A A1th @ 'St D 1  1 : Ath 1  cos2 ˇ (19.19) Wird in Gl. (19.17) lM D 0 gesetzt, so erhält man den Füllquerschnitt für zweiteilige Muldensätze und bei lM D 0 und  D 0 denjenigen für den flachen Gurt (s. a. DIN 22 101). Normalerweise werden wegen vereinfachter Lagerhaltung für die Bildung des Muldensatzes gleich lange Tragrollen verwendet. Bei dreiteiligen Muldensätzen können dann den Gurtbreiten die in Tab. 19.1 angeführten Tragrollenlängen und Tragrollendurchmesser zugeordnet werden. Die Wahl einer kürzeren Mitteltragrolle ergibt einen bis um 15 % größeren Füllquerschnitt (z. B. Abb. 19.26).

426

Fördergeschwindigkeit. Die Bewegung großer Massen (Erdbau, Braunkohlentagebau) verlangt hohe Gurtgeschwindigkeiten bis zu 7,5 m=s. Erz und andere stark schleißende Schüttgüter werden zzt. mit bis 3,3 m=s befördert. Kesselbekohlungsanlagen und Kohleförderung unter Tage 2 bis 3 m=s; Getreideförderer 1 bis 2 m=s; stark staubende Güter (Mehl, Zement) 1 m=s; trag- und fahrbare Förderer für den Baubetrieb 1 m=s. Für Stückgutförderung und Fließfertigung von 2 m=s abwärts bis zu kleinsten Geschwindigkeiten.

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Steigungswiderstand FSt . Er ist aus gesamter Förderhöhe H (H > 0 Gurtlaufrichtung aufwärts, H < 0 Gurtlaufrichtung abwärts) und der auf die Längeneinheit bezogenen Masse aus Fördergut m0F , zu ermitteln. Leistungsbedarf. Die von der Antriebstrommel auf den Gurt zu übertragende Umfangskraft wird damit FU D FH C FN C FS C FSt :

Für Anlagen mit Achsabständen über 80 m können die Hauptwiderstände mittels eines Gesamtreibungsbeiwertes f berechnet und die Nebenwiderstände, statt der Einzelbestimmung Bewegungswiderstände. Sie bestehen bei einer nach [2], durch einen von der Anlagenlänge abGurtförderanlage im Beharrungszustand [10] aus hängigen Beiwert C (Tab. 19.2) berücksichtigt Reibungswiderständen, an Aufgabestellen auch werden. Er ist definiert durch aus Beschleunigungswiderständen, und bei geC D .FH C FN /=FH : neigten Anlagen dazu aus dem Steigungswiderstand FSt . Unter diesen Voraussetzungen wird die UmBei den Reibungswiderständen (und Trägfangskraft heitswiderständen) unterscheidet man:

19.2.2.5 Bewegungswiderstände und Leistungsbedarf

Hauptwiderstände FH (auf der Strecke). Laufwiderstand der Tragrollen (Lager- und Dichtungsreibung), Walkwiderstand von Gurt (Gurteindrückung an den Tragrollen, Schwingbiegung des Gurts) und Fördergut (Fördergutwalkung).

FU D CFH C FS C FSt    D CLfg m0R C 2m0G C m0F cos ı C FS C m0F gH : (19.20) Für kleine Anlagen-Neigungen (cos ı  1) lässt sich vereinfacht schreiben

Nebenwiderstände FN (an einzelnen Anla 0  0 0 0 genstellen). Trägheits- und Reibungswiderstän- FU D CLfg mR C 2mG C mF C FS C mF gH : de FaA zur Beschleunigung des Förderguts an Die am Umfang der Antriebstrommel erforAufgabestellen, Schurrenreibung Fsch A , falls dort Schurren vorhanden, von geringerer Bedeutung derliche Antriebsleistung ergibt sich dann zu i. Allg. Gurt-Umlenkwiderstand Fl beim Lauf PU D FU v über die Trommeln, Trommellagerwiderstand Ft (ohne Antriebstrommeln) [11]. und die Motorleistung zu Sonderwiderstände FS . Sie können auf der Strecke vorhanden sein als Sturzwiderstand F" (durch zur besseren Gurtführung schräg zur Förderrichtung gestellte äußere Tragrollen), als Widerstand an Materialführungsleisten Fsch und an einzelnen Anlagenstellen als Widerstände durch Gurtreiniger Fr , durch Abstreicher oder Abwurfwagen, durch stellenweise Materialführungsleisten Fs .

PMot D PU =ges mit Im Fördergutstrom (Massenstrom), m0F Masse des Förderguts je Längeneinheit (m0F D Im =v), m0R Masse der drehenden Teile der Tragrollen je Einheit des Achsabstandes (Ober- und Untertrum), m0G Masse des Gurts je Längeneinheit, v Gurtgeschwindigkeit, H gesamte Förderhöhe (negativ bei Abwärtslaufrichtung), ı Neigungs-

19 Stetigförderer

427

Tab. 19.2 Beiwert C in Abhängigkeit von Achsabstand L bei Füllungsgraden ' von 0,7 bis 1,1 (Auszug aus [2]) L in m C

80 1,92

100 1,78

150 1,58

200 1,45

winkel der Anlage, ges Gesamtwirkungsgrad aller Übertragungsglieder zwischen Gurt und Motorwelle ( 0;8 : : : 0;97). Die Masse je Längeneinheit wird üblich in kg=m, v in m=s, L und H in m eingesetzt. Richtwert für f bei normal ausgeführter Anlage: 0,020; bei günstigen Bedingungen Minderung bis auf 0,010; bei ungünstigen Bedingungen Erhöhung bis auf 0,040. Weitere Hinweise in [2]. Für stark abwärtsfördernde Anlagen (generatorischer Betrieb der Antriebe) soll aus Sicherheitsgründen der Reibwert sehr klein angenommen werden: f D 0;012 : : : 0;016. Zur Verfeinerung bei der Wahl des f -Werts, insbesondere auch zur Berücksichtigung der Außentemperatur [12].

300 1,31

500 1,20

900 1,10

1500 1,06

> 2000 1,05

Hierfür gelten die Beziehungen: Trägheits- und Reibungswiderstand im Beschleunigungsbereich an der Aufgabestelle zwischen Fördergut und Gurt FaA D Im .v  v0 /. Reibungswiderstand zwischen Fördergut und seitlichen Führungsleisten im Beschleunigungsbereich 2  I 2  g la FschA D  m 2 2  vCv0 b 2

mit v0 Zuführungsgeschwindigkeit des Förderguts in Förderrichtung, la Beschleunigungsstre cke mindestens la min D v 2  v02 = .2 1 g/, b lichte Weite zwischen den Führungs-(Schurren-)leisten, 1 D 0;5 : : : 0;7 Reibwert zwischen Fördergut und Gurt, 2 D 0;5 : : : 0;7 Reibwert zwischen Fördergut und Schurrenwand, z. B. mit la und b in m, Im in kg=s, v in m=s und  in kg=m3 . Gurtbiegewiderstand beim Lauf über die Trommeln und Trommellagerwiderstand nicht angetriebener Trommeln sind fast immer vernachlässigbar klein gegenüber den vorgenannten Widerständen. Im Bedarfsfall Berechnung nach [11, 13].

Sonderwiderstände FS . Beispielhaft wird der Rechenansatz für den Sturzwiderstand dargestellt: Der an einer auf Sturz unter dem Winkel " (D 1 : : : 3ı ) in Förderrichtung gestellten Tragrolle, auf die eine Normalkraft FNR wirkt, beträgt: F"R D " FNR  sin ". Damit wird der Sturzwiderstand für dreiteilige Muldensätze mit gleich langen Tragrollen auf der Anlagenlänge L im Obertrum  19.2.2.6 F" D LC" " g m0G C m0F cos ı sin "

Gurtzugkräfte und ihre Einleitung in den Gurt Siehe [14]. Die Gurtzugkraft FT1 errechnet sich und für zweiteilig gemuldete Tragrollen im Unaus der Eytelwein’schen Gleichung FT1 =FT2  tertrum e ˛ und der Beziehung FU D FT1  FT2 0 F" D L cos  " gmG  cos ı  sin " (Abb. 19.10) zu (L Länge der Anlage mit auf Sturz gestell  1 ten Tragrollen, C" Belastungsfaktor:  0;4 bei FT1 D FU 1 C ˛ (19.21) e 1 Muldungswinkel  D 30ı ,  0;5 bei Muldungswinkel  D 45ı , " Reibwert zwischen Gurt und Reibwert zwischen Gurt und AntriebsTragrolle  0;3) [10]. trommel: Werte für : Blankgedrehte Trommel Nebenwiderstände FN . Bei kürzeren Anlagen nass 0,1, trocken 0,35 bis 0,4; Trommel mit mit L < 80 m, insbesondere bei kurzen Ab- Gummireibbelag (pfeilförmig angeordnete Nuzugs- und Beschleunigungsbändern, können zwar ten) schlüpfrig feucht 0,3, trocken 0,45 (im Mittel die Hauptwiderstände berechnet werden 0,35) [15].  0 pauschal 0 0 aus FH D f Lg mR C 2mG C mF ; die NebenAus den beiden angeführten Beziehungen erwiderstände sind jedoch gesondert zu ermitteln. gibt sich auch die für die Übertragung der

19

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Abb. 19.11 Kräfteverlauf längs eines horizontalen Fördergurts zur Ermittlung der Vorspannkraft FTV im Beharrungszustand. 1 Umlenktrommel, 2 Antriebstrommel Abb. 19.10 Kräfte an der Antriebstrommel. a Eintrommelantrieb; b Zweitrommelantrieb für beengte Verhältnisse (z. B. unter Tage); c Zweitrommelantrieb am Kopf von Großförderanlagen

Umfangskraft FU erforderliche Kraft FT2 D FU =e ˛  1. Wird FT2 größer als diesem Ausdruck entspricht, etwa infolge Hangabtriebs bei steil aufwärts fördernden Anlagen oder zur Vermeidung zu großen Gurtdurchhangs, so ist FT1 als Summe aus dieser größeren Kraft FT2 und FU zu ermitteln. Doppeltrommelantrieb, wenn Übertragungsfähigkeit eines Eintrommelantriebs bei mäßiger Vorspannung FT2 nicht ausreicht oder die maximale Gurtzugkraft verringert werden soll. Theoretische Verteilung der Umfangskraft FU auf die beiden angetriebenen Trommeln (Abb. 19.10) mit FU D FU1 C FU2 : FU1 =FU2 D e ˛2 .e ˛1  1/ = .e ˛2  1/ : Praktische Aufteilung 2 : 1 (Abb. 19.22), zuweilen auch 1 : 1 unter Verzicht auf beste Ausnutzung der Übertragungsfähigkeit der Trommel I. Bei langen horizontalen und schwach geneigten Anlagen Aufteilung auch auf Kopf- und Heck der Anlage und zwar so, dass über die Hecktrommel etwa die Widerstandskräfte im Untertrum eingeleitet werden. Der Kräfteverlauf längs des Fördergurtes ist in Abb. 19.11 für waagerechte Förderung und vollständige Ausnutzung des Umschlingungswinkels ˛ schematisch dargestellt; Kräfte im Gurt sind senkrecht zu ihrer Wirkungslinie aufgetragen. Größe der Vorspannkraft FTV bestimmt

durch Ablaufkraft FT2 . Bei kürzeren Gurtförderern Aufbringen der Vorspannkraft an der Umlenktrommel. Bei längeren Anlagen Spannvorrichtung dicht am Ablaufpunkt, ergibt kleinste Vorspannkraft (FTV D FT2 ) und nimmt die beim Anfahren anfallende Gurtlängung auf. Ausgehend von Ablaufkraft FT2 D FT1  FU D FU =.e ˛  1/ kommen auf dem Weg des Untertrums dessen Bewegungswiderstände FWu dazu und nach Gurtumlenkung die Widerstände im beladenen Obertrum FWo . Insgesamt sind FWo C FWu D FU zu überwinden. FWo =FWu 5 : 1 bis 4 : 1. Kurve längs des Umschlingungsbogens ˛ der Antriebstrommel logarithmische Spirale. Abnahme der Gurtzugkraft auf Antriebstrommel von FT1 auf FT2 hat Verringerung der Gurtdehnung zur Folge, so dass Gurt gegenüber Trommelbewegung etwas zurückbleibt (Dehnschlupf). Wird der Reibungsschluss zwischen Gurt und Trommel unterbrochen (z. B. zu geringe Vorspannkraft), so tritt Gleitschlupf auf. Normalerweise wird im Beharrungszustand der Umschlingungsbogen nur teilweise zur Kraftübertragung ausgenutzt; dann tritt der Dehnschlupf nur auf dem von FT2 an sich aufbauenden Nutzungsbogen 'N auf, während der Gurt auf dem nicht ausgenutzten Bogenteil, dem Ruhebogen, ohne Schlupf läuft, (Abb. 19.12). Zur Ergänzung dieser vereinfachten Darstellung [15]. Dehnschlupf bedingt, dass bei Zweitrommelantrieb Trommel II mit etwas geringerer Umfangsgeschwindigkeit laufen müsste als Trommel I [16]. Bei Antrieb durch einen Motor daher Ausgleichgetriebe zwischen beiden Antriebstrommeln erforderlich; bei Antrieb mit getrennten Motoren Anwendung von Flüssigkeitskupp-

19 Stetigförderer

Abb. 19.12 Ausnutzung des Umschlingungswinkels ˛

lung hinter Käfigläufermotor oder angepasster Trommeldurchmesser oder stärker lastabhängige Drehzahlcharakteristik des Motors II (fester Schlupfwiderstand) bei Schleifringläufermotorantrieb. Die Ermittlung der Mindest-Nennbruchkraft des Gurtes kN;min erfolgt unter Berücksichtigung der Merkmale der Verbindungsherstellung (Sicherheitsfaktor S0 ), der Betriebsbedingungen (Sicherheitsfaktor S1 ) sowie dem Beiwert cK (Textil-Fördergurte: cK D 1; Stahlseil-Fördergurte: cK D 1; 25 bei Muldungsübergang bzw. cK D 1 bei Übergangsbogen). Zusammen mit der, auf die Gurtbreite bezogenen, maximalen Gurtzugkraft in der Gurtkante kK;max sowie der relativen Referenz-Zeitfestigkeit der Gurtverbindung kt;rel (Ermittlung nach [8]) ergibt sich:

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mit Schleifringläufer durch vielstufig wirkenden Anlasser; bei Käfigläufer-Motoren Flüssigkeitskupplung (mit Füllungsverzögerung) oder mit Frequenzumrichter. Zur Begrenzung der Amplituden von Longitudinalschwingungen im Gurt ist die Anstiegszeit des Moments ausreichend zu bemessen; Näheres in [17]. Die Vorspannkraft muss für Anfahren ebenfalls den 1,2- bis 1,5-fachen Betrag gegenüber dem Beharrungszustand haben, d. h. die Spannvorrichtung ist für den Anfahrzustand auszulegen; damit ist bei Gewichtsspannvorrichtungen diese erhöhte Vorspannkraft auch im Beharrungszustand vorhanden; gesteuerte Verringerung möglich bei elektrischer Spannwinde.

19.2.2.8 Horizontalkurven Beim Durchfahren einer Horizontalkurve mit herkömmlichen Fördergurten bewegt sich der Gurt infolge der örtlichen Gurtzugkraft quer zur Laufrichtung in Richtung Innenkurve. Durch eine in Richtung Außenkurve wirkende Gewichtskraftkomponente aus Gurt und Gut muss die in Richtung Innenkurve wirkende Gurtzugkraftkomponente kompensiert werden. Abb. 19.13 zeigt diese Kräfte innerhalb einer Horizontalkurve [18, 19, S0  S1 (19.22) 20]. kN;min D cK  kK;max  kt; rel Um Kraftkomponenten in Richtung zur Außenkurve zu erzeugen, werden die TragrollenDie Nennbruchkraft des Gurtes kN muss größer als die ermittelte Mindest-Nennbruchkraft kN;min sein. Weitere Hinweise zur Auslegung in [2]. 19.2.2.7 Anlaufverhältnisse Bei kurzen und wenig belasteten Anlagen nehmen Motor und Gurt die beim Anfahren auftretenden Mehrbelastungen mit genügender Sicherheit auf. Lange und hochbelastete Anlagen haben erheblichen Losbrech- und Trägheitswiderstand. Für das Losbrechen kann das 1,2- bis 1,5-fache des Beharrungswiderstands angesetzt werden; daher auch Beschleunigungsvorgang so einrichten, dass Beschleunigungskraft mindestens einen 0,2-fachen Überschuss über die Beharrungskraft aufweist und den 0,5-fachen nicht überschreitet. Begrenzen des Anfahrdrehmoments bei Abb. 19.13 Kräfte am Gurt innerhalb einer HorizontalVerwendung von Drehstrom-Asynchronmotoren kurve

19

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A. Katterfeld et al.

Abb. 19.14 Führungskräfte des beladenen Gurtes

stühle an der Kurveninnenseite erhöht. Durch diese konstruktive Maßnahme werden die Gewichtskraftkomponenten aus Gurt und Gut vergrößert, die der Gurtzugkraftkomponente in Richtung zur Innenkurve entgegenwirken. In Abb. 19.14 sind die Führungskräfte des beladenen Gurtes dargestellt. Zusätzlich werden seitliche Tragrollen auf Sturz gestellt, um Reibkraftkomponenten zur Führung zu nützen. Um engere Radien in Horizontalkurven zu durchfahren und unabhängig von Reibkraftkomponenten zu werden, deren Größe von Umwelteinflüssen abhängig ist, sind Konstruktionen entwickelt worden, die den optimalen seitlichen Überhöhungswinkel des Tragrollenstuhles selbstständig an den jeweiligen Betriebszustand anpassen [21].

Abb. 19.15 Tragrollenausführungen. a Kappenlagerung; b, c Festachse. (Precismeca, Sulzbach/Saar)

Dichtung: Labyrinthdichtung, Nilos Blechdichtringe sowie gesickte Blechabschlussscheibe (Abb. 19.15b,c); nur Fettrillen (Abb. 19.15a); bei Dichtungsausbildung und Fettauswahl auf geringen Laufwiderstand achten, besonders bei niedriger Umgebungstemperatur. Unwuchten vermeiden [21]. Die Tragrollen werden in Halterungen aus Blech eingelegt, dabei diejenigen für das gemuldete Gurt-Obertrum in Tragstühlen zusammengefasst. Bei backendem Fördergut Ausrüstung der Untergurt-Tragrollen mit Gummi-Stützringen, (Abb. 19.16). Untertrumstützung bei breiteren Gurten durch zweiteilige Tragrollensätze mit 10 bis 15° Neigung der Einzelrollen, 19.2.2.9 Konstruktionselemente und (Abb. 19.26). Zur Milderung der StoßbeanspruBaugruppen chung des Gurts an Aufgabestellen enggestellte Polsterrollensätze, (Abb. 19.17a–c). Bei AusTragrollen fall der Lager und Blockieren bei Polsterrollen allerdings Brandgefahr für die GummirinAusrüstung. Durchwegs mit Wälzlagern (Ril- ge. lenkugellager dauergeschmiert, selten mit NachBildung von Muldensätzen auch in Girlanschmiermöglichkeit). Zwei Bauarten: Kappenla- denform durch Aneinanderreihung von Festachsgerung (Abb. 19.15a); Festachse (Abb. 19.15b,c). Rollenmantel gerolltes, geschweißtes Blech, selten nahtlos gezogenes Rohr; Rollenboden aus tiefgezogenem Stahlblech (Abb. 19.15b), geAbb. 19.16 Untertrum-Tragrolle mit Gummi-Stützringen schmiedet (Abb. 19.15a,c), auch aus Guss.

19 Stetigförderer

Abb. 19.17 Polsterrolle und Ausführungen der Polsterringe; a mit weicher äußerer auf härterer innerer Gummischicht; b mit Speichen; c mit Hohlprofil

431

19 Abb. 19.19 Muldenrollensatz als Lenkrollenstuhl. 1 Drehzapfen, 2 Lenkrollen, 3 Anschläge

man einen zulässigen Wert und setzt ihn in die entsprechenden Gleichungen ein, so Zuordnung von Tragrollenabständen zu den längs der Förderstrecke herrschenden Gurtzugkräften möglich (Staffelung). Bei großen Tragrollenabständen Belastbarkeit der Tragrollen nachprüfen! (Lebensdauer der Rollenkugellager und Durchbiegung der Rollenachse); s. [12, 14]. Abb. 19.18 Gelenkverbindung zur Bildung von Rollengirlanden. (Precismeca, Sulzbach/Saar)

Rollen mittels Gelenken. Gelenkverbindung mit Rundstahl-Kettengliedern oder Laschenkettengliedern, (Abb. 19.18). Drei-, seltener fünfteilige Rollengirlandensätze für Aufgabestellen (ohne Polsterringe). Tragrollenabstand. Er wird bestimmt durch den zulässigen Gurtdurchhang. Unter Vereinfachung der tatsächlichen Verhältnisse kann die Gleichung der Seilparabel zugrunde gelegt werden. Im beladenen Trum: Gurtdurchhang:    h D l 2 m0G C m0F g = .8FT / ; relativer Gurtdurchhang:    h= l D l m0G C m0F g = .8FT / : (19.23) Für das unbeladene Trum ist m0F D 0 zu setzen (FT Gurtzugkraft, m0G Masse des Gurts je Längeneinheit, m0F Masse des Förderguts je Längeneinheit, l Tragrollenabstand, g Fallbeschleunigung), z. B. FT in N, l und h in m, m0 in kg=m und g in m=s2 . Relativer Durchhang  0;01, d. h., der maximal zulässige Wert des Durchhangs h soll 1 % des Tragrollenabstands l nicht überschreiten. Wählt

Verfahren zur Gurtlenkung. Sie beruhen auf der Richtwirkung einer schräg zur Förderrichtung gestellten Tragrolle. Hierzu bei mehrteiligen Muldensätzen Stellung der seitlichen Tragrollen auf Sturz (Anordnung um 1 bis 2° in Förderrichtung geschwenkt); auch besondere Lenkrollenstühle in Abständen von 30 bis 50 m. Muldenrollensatz, auf Drehzapfen gelagert und mit gegen Stuhlmitte versetzten Lenkrollen versehen (Abb. 19.19). Ursachen für Schieflauf des Gurts: schlecht ausgerichtetes Traggerüst, einseitige Bandbeladung, Mängel an Gurt-Verbindungsstellen, unregelmäßige Verschmutzung von Tragrollen und Trommeln. Antriebs-, Spann- und Umlenktrommeln, Knicktrommeln. Trommeldurchmesser je nach Gurtart und Zugkraftausnutzung wählen, (Tab. 19.3 und 19.4). Bei Verringerung der zulässigen Gurtzugkraft um 25 bis 50 % kann der nächstkleinere Trommeldurchmesser der Normzahlenreihe gewählt werden. Spann- oder Umlenktrommeln erhalten Durchmesser D1  0; 8D; Knicktrommeln D2  0; 6D. Die Trommeln werden aus Stahl in Schweißkonstruktion hergestellt, Naben auch aus Stahlguss, Antriebstrommeln auf ihre Welle aufgekeilt, aufgeschrumpft, oder mit Spannsätzen

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Tab. 19.3 Richtwerte der Antriebstrommel-Durchmesser D in mm für Fördergurte mit Gewebeeinlagen in Abhängigkeit von der Einlagenzahl z Einlagenqualität B60 Trommeldurchmesser D 100z

EP160 150z

EP200 175z

EP250 200z

EP315 225z

EP400 250z

EP500 275z

Tab. 19.4 Mindest-Durchmesser von Antriebs-, Spann- oder Umlenktrommeln und Knicktrommeln für Stahlseilgurte in mm Ausnutzung der Gurtzugkraft bei S = 8 St 1000, St 1250 St 1600, St 2000 St 2500, St 3150 St 4000, St 5400

Antriebstrommel 100 % 60 % 800 630 1000 800 1250 1000 1500 1250

Abb. 19.20 Spann- oder Umlenktrommel. a Nabe auf Achse aufgeschrumpft oder aufgekeilt: obere Hälfte, Stirnwand angeschweißt; untere Hälfte, Stirnwand angeschraubt (für niedrige Beanspruchungen); b Festachse, Lagerung als Pendelrollen- oder Zylinderrollenlager, letztere auf Achsdurchbiegung abstimmen. (Rheinbraun AG, Köln)

Spann- u. Umlenktrommel 100 % 60 % 630 630 800 630 1000 800 1250 1000

Knicktrommel – 400 500 500 630

Abb. 19.21 Antriebseinheit. 1 Motor und Kupplung, 2 Steckgetriebe, 3 Trommel (Trommelboden aus Stahlguss), 4 Spannsatz mit konischen Ringen, 5 Spannelemente mit konischen Ringen

Antriebs- und Spannstationen

auch am Aufgabeende (hohe Gurtbeanspruchung auch im Untertrum). Mittlere und große Anlagen sind meist am Kopf angetrieben. Trommelantrieb durch ein oder zwei Antriebseinheiten: Motor/ Kupplung (elastische oder Anlaufkupplung)/ Getriebe/Kupplung/Trommel (auf festem Rahmen) (Abb. 19.22) oder Motor/Kupplung/ Steckgetriebe/Trommel; Trommelwellenstumpf trägt hier die davorliegenden Antriebselemente, deren Tragrahmen mit Drehmomentenstütze abgefangen ist: Tatzlagerung, (Abb. 19.21).

Antriebsstationen. Bei kleinen ortsfesten, tragbaren oder fahrbaren Gurtförderern Antrieb durch Käfigläufermotor/Keilriemen- und Zahnradvorgelege/Trommel. Vereinigung von Motor und Vorgelege innerhalb der Trommel: Elektro-Fördergurttrommel (serienmäßig bis etwa 20 kW, Einzelfertigung bis 150 kW). Anordnung meist am Kopf der Anlage; bei fahrbaren Anlagen und Auslegern zum Vermeiden der Kopflastigkeit

Weitere Antriebsformen. Ein- oder Zweitrommelantrieb am Kopf und Eintrommelantrieb am Heck (für wenig abwärts fördernde Anlagen günstig; auch für schwere etwa waagerechte Anlagen) gegebenenfalls zusätzlicher Mittelantrieb zur Verringerung der maximalen Gurtzugkräfte; reversierbare Anlagen, angetrieben in Mitte Untertrum oder an einem der Enden oder an beiden. Einleitung von Antriebskraft in den Gurt

mit konischen Ringen befestigt; blank oder mit Belägen aus Gummi oder Polyurethan belegt (Abb. 19.20 und 19.21), Spann-, Umlenk- und Knicktrommeln laufen oft mit in ihren Naben befestigten Wälzlagern auf festen Achsen, (Abb. 19.20); Trommelböden mit gleichbleibender oder veränderlicher Stärke (Turbinenböden Abb. 19.21); keine Rippen!

19 Stetigförderer

433

19

Abb. 19.22 Zweitrommelantrieb mit drei gleichen Käfigläufermotoren und füllungsverzögerten Strömungskupplungen. Vorspannkraft durch seitlich angebrachtes Spann-

gewicht. Zum raschen Stillsetzen Doppel-Backenbremse mit Bremslüfter auf Antrieb II

der Windenzugkraft zwischen zwei Grenzwerten oder Regelung auf konstante Größe. Vorzusehender Spannweg abhängig von Achsabstand und Betriebsdehnung der Gurtart. Wird zulässige Gurtzugkraft voll ausgenutzt, so kann Abb. 19.23 Spindelspannvorrichtungen; a mit Druck- gerechnet werden mit Betriebsdehnungen von etschraube; b mit gefederter Zugschraube wa: 1,5 % bei Chemiefaser- und 0,15 % bei Stahlseil-Einlagen. auch durch angetriebene Treibgurte, die durch Reibung das aufliegende Ober- oder angepresste 19.2.2.10 Fördergutaufgabe, -übergabeUntertrum mitnehmen. und -abgabestellen Eine vollständige analytische Beschreibung der Spannstationen. Für trag- und fahrbare Vorgänge bei der Gutübergabe ist meist schwieGurtförderer, auch für ortsfeste Kleinanlagen rig. Computersimulationen auf Basis der DisSpindelspannvorrichtungen, (Abb. 19.23a); zum krete Elemente Methode stellen jedoch ein ausBegrenzen der Vorspannung auch gefedert, sichtsreiches und allgemein anwendbares Verfah(Abb. 19.23b). ren dar, um die Funktion von FördergutaufgaBei größeren Anlagen wird bewegliche be, -übergabe- und -abgabestellen zu überprüfen Spannstation erforderlich. Spanntrommel auf (Abb. 19.24; [43]). Spannwagen gelagert dicht am Kopfantrieb (Abb. 19.22) oder in senkrechten Führungen fahrend. Spannkraft durch Gewicht oder Winde. Fördergutaufgabe. Möglichst in Laufrichtung Gewichte erzeugen konstante Vorspannkraft; fest und unter Vermeidung größerer Fallhöhen. Bei eingestellter Achsabstand bedingt im Ruhezu- Schüttgütern Anbringen von Trichtern und Zustand größere Vorspannkraft, damit im Betrieb laufschurren, deren Kanten mit Gummileisten gegenüber dem laufenden Gurt abgedichtet werdie noch notwendige vorhanden ist. Einstellen der Windenzugkraft von Hand oder den. Schonende Aufgabe von Schüttgütern mit elektromotorisch nach Anzeige eines eingebau- verschiedener Körnung durch Anbringen eines ten Dynamometers. Elektrische Spannwinde ge- Rosts, auch Rollenrosts (bei kohäsivem Förderstattet auch Ausbildung selbsttätiger Einstellung gut Verstopfungsgefahr!).

434

A. Katterfeld et al. Partikelgeschwindigkeit 0

3600

2360

1020

Gurtbreite: 2800 mm

Fallhöhe ca. 4900

15 0

0

Prallplatte

>7,7 m/s 2750

2450

Abb. 19.24 DEM-Simulation des Gutstroms in einer rechtwinkligen Übergabe mit Gurtbreite 2800 mm. (RWE Power AG, Köln; [43])

Fördergutübergabe. Winklig angeordnete Übergabestellenerhalten einstellbare Prallplatten zum mittigen Beschicken des abfördernden Gurts (Abb. 19.24). Zur Vermeidung von Anbackungen bei kohäsivem, klebrigem Fördergut Ausrüstung der Prallplatten mit profilierten Gummischürzen [23]. Fördergutabwurf (-abgabe). Meist über Kopf am Anlagenende; auf der Förderstrecke durch einseitige oder pflugförmige Abstreifer oder Abwurfwagen (Gurtschleifenwagen). Der längs der Förderstrecke verfahrbare Gurtschleifenwagen gibt entweder in einen Trichter ab, von dem das Schüttgut seitlich durch ein oder zwei Rohre weitergeleitet wird, oder wirft es auf ein nachgeschaltetes Querband ab. Zum Beseitigen der nach dem Fördergutabwurf noch am Gurt haftenden Schüttgutreste Anordnung von gewichts- oder federbelasteten Abstreifern bestehend aus nachstellbaren Gummileisten; für breite Gurte und klebriges Schüttgut: Fächerabstreifer. Rotierende Abstreifer mit Gummilamellen oder Perlonborsten nur bei leichtem, wenig backendem Schüttgut. Pflugabstreifer auf dem Gurtuntertrum vor Trommeln. Zur Trommelreinigung bei blanken Trommeln Stahlabstreifer mit festen oder quer-

Abb. 19.25 Ortsfestes Festachse

Traggerüst.

Tragrollen

mit

beweglichen Vorrichtungen: glatte oder kammartige Stahlschiene, Abstreiffinger. Gummibeläge auf Trommelmänteln vermindern Anbackungen. Verschmutzung der Untergurt-Tragrollen und Schmutzansammlung unter dem Untertrum werden vermieden durch Wenden des Gurts im Untertrum hinter dem Antrieb und vor der Umkehre.

19.2.2.11 Stützkonstruktionen Die Traggerüste bestehen aus Längsholmen und Stützen aus U-Normal- oder Abkantprofilen; Quersteifigkeit durch die aus U-Profilen, dachförmig gestellten Winkeleisen oder Rohren gebildeten Träger der Muldensätze; zuweilen eingefügte Diagonalverbände verhindern Längsverschiebungen, Abdeckbleche verhindern Untergurtverschmutzung (Abb. 19.25). Bei umlegbaren und rückbaren Gurtförderanlagen werden die Traggerüste aus einzelnen Stößen gebildet, die auf Stahlschwellen gelagert sind (Abb. 19.26). Abgedeckte, leicht auf- und abbaubare Gurttraggerüste für unter Tage DIN 22 111. Stationäre Anlagen dort zuweilen mit Traggerüsten, die mit nachstellbaren Ketten oder Seilen am Grubenausbau oder dem Gestein hängend befestigt sind. Rollengirlanden können auch an längs der Förderstrecke ausgespannten, vielfach unterstützten Tragseilen angebracht werden: TragseilGurtförderer. 19.2.2.12 Steilförderung mit Gurten Zur Führung von Gurten für die Steilförderung, z. B. Wellkantengurt mit Stollen (s. a. Abb. 19.8d), werden zur Erzielung sehr kleiner Vertikalradien Umlenkscheiben und eng gestellte, durchgehende Rollen eingesetzt. Aufgabe des

19 Stetigförderer

435

19

Abb. 19.26 Rückbarer Traggerüststoß eines Langstreckengurtförderers. Rollengirlanden an festen Längsholmen (oben), an einer Stütze (unten). Fördergutstrom 17 000 t=h bei 6,5 m=s Fördergeschwindigkeit. (Rheinbraun AG, Köln)

Förderguts auf horizontaler Strecke und Einstellung von Neigungen zwischen 0 und 90° möglich (Abb. 19.27). Bei vertikaler Lage angepasst an die Eigenschaften des Festigkeitsträgers. Drehen der beiden Trume um die vertikale Achse ohne

Stützung durch Rollen ausführbar [24]. Dadurch Einstellmöglichkeit einer veränderbaren, winkligen Lage zwischen den horizontalen Strecken (Aufgabe und Abgabe).

19.2.2.13 Kombination von Gurtfördertechnik und Seilbahntechnik (RopeCon) Das Fördersystem mit dem Markennamen „RopeCon“ ist ein Stetigförderer für Stückund Schüttgut und besteht aus einem Flachgurt mit mehrlagigem Polyester-Polyamidgewebe oder Stahlseileinlagen. Seitlich angebrachte Wellkanten sorgen für einen kontrollierten Transport des Schüttgutes sowie für einen höheren Füllungsquerschnitt. Am Fördergurt sind in gleichmäßigen Abständen Querstege befestigt, an deren Enden Laufräder mit Seitenbord montiert sind (Abb. 19.28). Ober- und Untertrum werden auf je zwei Tragseilen geführt. Die Tragseile sind zwischen der Auf- und Abgabestation fix gespannt. Wie bei konventionellen Gurtförderanlagen dient der Fördergurt als Trag- und Zugmittel. Der Antrieb erfolgt am Heck oder Kopf der Anlage mittels konventionellen Antriebstrommeln. Mit diesem neuartigen Fördersystem können extrem lange Förderstrecken (mehr als 20 km) Abb. 19.27 Führung eines Wellkantengurtförderers. überbrückt werden, wobei Stützenabstände von (Metso GmbH, Hamburg) über 2 km möglich sind.

436

A. Katterfeld et al.

Abb. 19.28 Kombination von Gurtfördertechnik und Seilbahntechnik „RopeCon“ der Seilbahnfirma Doppelmayr Seilbahnen GmbH/Wolfurt/Österreich

Der Vorteil dieses Stetigförderers liegt einerseits in der besseren Überbrückbarkeit von Hindernissen und andererseits in dem, im Vergleich zu alternativen Förderkonzepten, geringen Bedarf an Antriebsleistung [25].

19.2.3 Becherwerke (Becherförderer) Becherwerke mit Bechern als Tragmittel (Tm), die an Gurten, Ketten, seltener an Seilen bzw. Zahnriemen als Zugmittel (Zm) befestigt sind, dienen vorwiegend der Steil- oder Senkrechtförderung (Formschluss zwischen Gut und Tm – Abb. 19.29). Der Becherstrang läuft über Antriebs- bzw. Umlenkkettenräder (bei Ketten als Zm) oder Antriebs- bzw. Umlenktrommel (bei Gurten als Zm) am Kopf bzw. Fuß des Förderers gekapselt in einem geschlossenen Gehäuse (gemeinsamer Kastenschacht oder Doppelschacht), bei Becherwerkladern auch offen (z. B. Schiffsentladern). Gestaltung, konstruktive Ausführung, Größe der Fördergeschwindigkeit (und damit der Leistungsfähigkeit) hängen maßgeblich von den Schüttguteigenschaften ab. Leichte und mittelschwere Güter erlauben Gurte als Zm, bei denen hohe Fördergeschwindigkeiten bis 4 m=s möglich sind, schwere Güter erfordern Ketten, die nur Geschwindigkeiten 1600 °C, eingesetzt werden. Schamottesteine bestehen zu 10 % bis 45 % aus Al2 O3 und 50 % bis 80 % aus SiO2 . Schamotte muss wegen sonst übermäßiger Schwindung mit vorgebranntem Ton gemagert werden. Der Anwendungsbereich liegt zwischen 1300 °C und 1450 °C. Tonerdereiche Steine liegen im System Al2 O3 -SiO2 bei Al2 O3 -Werten > 45 %. Erhöhte thermische und chemische Beständigkeit ist das Ziel. Bei hohen Temperaturen zerfallen die Minerale der sog. Sillimanitgruppe, Cyanit, Sil-

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_33

659

660

E. Specht und F. Becker 2100 2000

Temperatur in °C

Korund +

Schmelze

1900

Cristobalit + Schmelze

1800

Schmelze 3Al2O3 . SiO2 + Schmelze

1700 1600

Korund + 3Al2O3 . SiO 2

Cristobalit + 3Al2 O3 . SiO 2 Tridymit + 3Al2 O3 . SiO2

1500 1400 0 SiO 2

20

60

40 Mas.-%

80

100 Al2 O3

Abb. 33.1 Zweistoffsystem SiO2 -Al2 O3 [3]

limanit und Andalusit, zu Mullit und SiO2 . Weil ihr Volumen dabei zunimmt, wachsen Steine aus solchen Rohstoffen je nach Mineralart oder Kombination um 5 % bis 15 %. Feuerfeste Steine der Sillimanitgruppe bestehen ebenso wie Schamotte aus Mullit und SiO2 . Weil die Rohstoffe tonerdereicher sind, ist der Anteil an Mullit wesentlich höher und der Anteil an SiO2 wesentlich geringer als bei Schamotte. Die bisher genannten Erzeugnisse gehören zu den sauren Materialien, weil sie sich auf chemische Bestandteile beziehen, die sich von den zugehörigen Säuren ableiten lassen. Entsprechendes gilt für basische Materialien. Die chemische Beständigkeit von sauren Feuerfestmaterialien ist nur beim Brand von sauren Brenngütern gegeben, während basische Materialien in Ofenanlagen mit basischer Ausmauerung gebrannt werden müssen. Basische Steine leiten sich von Magnesiumoxid (MgO), Calziumoxid (CaO) und Chromoxid (Cr2 O3 ) sowie deren Verbindungen ab. Das thermische Dehnungsverhalten von Magnesiasteinen ist mit 20 mm=m bei 1400 °C nahezu doppelt so groß wie bei Silikasteinen, sie haben deshalb nur eine geringe Temperaturwechselbeständigkeit, obwohl die Wärmeleitfähigkeit hoch ist. Als nichtoxidische Ofenbauwerkstoffe werden vielfach SiC-Materialien eingesetzt. Dabei unterscheidet man zwischen: rekristallisiertem SiC (RSiC) drucklos gesintertem SiC (SSiC) infiltriertem SiC (SiSiC).

Das rekristallisierte SiC besteht aus SiC-Körnern, die sich durch einen sauerstofffreien Brand bei 2300 °C bis 2400 °C zu einem porösen Körper verbinden. Rekristallisiertes SiC wird, besonders in der Porzellanindustrie, als dünnwandiges, temperaturwechselbeständiges Brennhilfsmittel eingesetzt (Abb. 33.2). Das drucklos gesinterte SiC ist ein gesinterter Werkstoff, der gasdicht und deshalb oxidationsbeständig ist. Er wird für höchstbeanspruchte Teile, z. B. Brennerdüsen verwendet. Siliziuminfiltriertes SiC wird aus Mischungen von SiC-Körnungen von 1 µm bis 100 µm und Kohlenstoff in Anwesenheit von flüssigem oder gasförmigem Silizium im Vakuum oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium (1410 °C) hergestellt. Bei üblichem Überfluss an metallischem Silizium werden während des Brandes alle Poren im Werkstoff gefüllt, sodass ein gasdichtes Produkt mit 6–30 Vol.-% freiem Silizium entsteht. Auf Grund der niedrigen Schmelztemperatur des Siliziums bei 1410 °C werden diese Werkstoffe als Brennhilfsmittel und Rollen im Temperaturbereich unterhalb von 1380 °C eingesetzt. Weiterhin unterscheidet man feuerfeste Werkstoffe entsprechend ihrem physikalischen Zustand:

dichte und geformte feuerfeste Erzeugnisse ungeformte Feuerfestprodukte Feuerleichtsteine Keramische Faserprodukte.

33 Feuerfestmaterialien

661

Abb. 33.2 Brennhilfsmittel aus SiC

Bei geformten Erzeugnissen handelt es sich um Steine, die ihre Form beim Hersteller fertig gebrannt erhalten, während die ungeformten Erzeugnisse als Massen, Mörtel, Betone, Fasermatten etc. geliefert werden, deren Form durch Spritzen, Stampfen, Gießen, Montieren etc. bei der Verarbeitung entsteht. Als Kriterium der Feuerleichtsteine nach ISO 2245/1972 gilt eine Mindestporosität von 45 %. Rohdichte und thermische Beständigkeit sind in ISO 2245 klassifiziert. Als Klassifikationstemperatur wird die Temperatur angegeben, bei der nach 12 h nicht mehr als 2 % Längenänderung eintritt. Die Klassifikationstemperatur steigt im Allgemeinen mit zunehmendem Tonerdegehalt, Ausnahme: SilikaFeuerleichtsteine. Der Anstieg der Klassifikationstemperatur macht zur Aufrechterhaltung der Formbeständigkeit eine Zunahme der Rohdichte erforderlich; zugleich werden damit die Festigkeit und die Wärmeleitfähigkeit erhöht. Für Anwendungen bis etwa 1350 °C steht eine breite Palette unterschiedlicher Feuerleichtsteinsorten auf Schamottebasis zur Verfügung. Anwendungen über 1350 °C erfordern tonerdereiche Feuerleichtsteine mit Al2 O3 -Gehalten über 45 %. Sie werden nach ihrer Zusammensetzung eingeteilt: Mullitreiche Feuerleichtsteine bis 1500 °C Mullit-Korund-Feuerleichtsteine bis 1650 °C Korund-Feuerleichtsteine: 1650 bis 1800 °C. Feuerleichtsteine zeichnen sich durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit, geringe Rohdichte und – als Folge der letzteren – durch geringe Speicherwärme aus. Auf Grund der hohen spezifi-

schen Oberfläche sind Feuerleichtsteine generell empfindlich gegenüber chemischem Angriff. Reduzierende Ofenatmosphären fordern Werkstoffe mit möglichst niedrigem Gehalt an reaktionsfähigen Eisenverbindungen. Kohlenmonoxid wird bei Temperaturen von 400–500 °C auf Grund der katalytischen Wirkung von Eisenoxid zersetzt und kann durch Ablagerung von Kohlenstoff zu Gefügeschäden, dem sog. Kohlenstoffbursting, führen. Methan ergibt bei Temperaturen oberhalb von 900 °C ebenfalls Kohlenstoffablagerungen. Alkalische Dämpfe und alkalische Kondensate rufen Korrosionsschäden hervor, die allgemein als Alkalibursting bezeichnet werden. Wasserstoff in reduzierenden Atmosphären führt in Abhängigkeit von der Konzentration bei erhöhter Temperatur zur Zersetzung der Kieselsäure und ggf. anderen oxidischen Bestandteilen, jedoch nicht zur Zersetzung von Tonerde. Die mineralische Zusammensetzung von Feuerleichtsteinen ist weitgehend identisch mit der von dichten feuerfesten Steinen. Bei der Anwendung dieser Feuerfestmaterialien sollte die Einsatztemperatur ca. 100 K unterhalb der Klassifikationstemperatur liegen. Keramische Fasern werden über chemische Prozesse oder durch Schmelzen hergestellt. Fasern mit Al2 O3 -Gehalten über 60 Masse-% können nur über chemische Prozesse gewonnen werden. Die Rohstoffe für Fasern mit weniger als 60 % Al2 O3 -Gehalt werden durch elektrisches Schmelzen von Tonerde, Quarzsand, Silikonsilikat etc. gewonnen. Der Schmelzstrahl wird entweder durch schnell rotierende Scheiben oder in einem Luft- oder Dampfstrom von hoher Geschwindigkeit quer oder parallel zur Strahlrichtung zerfasert bzw. zerblasen. Die so hergestell-

33

662

E. Specht und F. Becker 0,8

Schamotte-Leichtstein

Wärmeleitfähigkeit in W/m/K

0,7 0,6

Feuerleichtstein (1,0 g/cm3) 0,5 0,4

poröses Calciumsilikat Al2 O 3-Faser

0,3 0,2 0,1 0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

Temperatur in °C Abb. 33.3 Wärmeleitfähigkeit mineralischer Materialien

ten Fasern haben durch die Schockkühlung eine Glasstruktur. Fasern mit mehr als 60%-igen Al2 O3 -Gehalten und damit wesentlich höheren Anwendungstemperaturen werden aus Lösungen gewonnen, die aus Aluminiumsalzen, SiO2 -Zusatz und organischem Trägermaterial bestehen. Diese Spinnlösungen werden mehrstufig thermisch behandelt und in einen polykristallinen Zustand überführt, wobei die organischen Bestandteile ausgebrannt werden. Mullit und Korund sind die typischen kristallinen Phasen. Die charakteristischen Eigenschaften der keramischen Faserwerkstoffe lassen sich durch

des Rückfederungsvermögens die Arbeitsfugen schließen. Während des Ofenbetriebes verändert sich die Mikrostruktur der keramischen Faser mit steigender Betriebsdauer und höherer Betriebstemperatur. Glasige Fasern rekristallisieren und bilden Mullit und Cristobalit, dabei nimmt die Sprödigkeit zu. Diese Vorgänge sind mit Schwindungen verbunden. Das Schwindungsverhalten ist das Kriterium für die Klassifikationstemperatur. Die Klassifikationstemperatur für Fasermaterialien ist definiert als die Temperatur, bei der ein Probekörper bei einseitiger Erwärmung innerhalb von 24 h um nicht mehr als 4 % linear schwindet. Deshalb ist ein Einsatz bei 150 °C bis 200 °C unniedrige Rohdichte terhalb der Klassifikationstemperatur angeraten. geringe Speicherwärme In Abb. 33.3 ist die Wärmeleitfähigkeit in Abgeringe Wärmeleitfähigkeit hängigkeit der Temperatur einiger beispielhaft ausgezeichnete Temperaturwechselbeständig- ausgewählter Materialien dargestellt. keit

beschreiben. Die Rohfaser (Bulk) verwendet man im Ofenbau zum Ausstopfen von Fugen und Hohlräumen. Durch Vernähen werden die Fasern zu Matten (Blankets) mit unterschiedlichen Rohdichten und Dicken konfektioniert. Diese Matten werden mit speziellen Halterungen in Ofeninnenräumen befestigt. Fasermodule erhält man durch Schichten, Falten oder Kleben von Matten. Module werden vorverdichtet, sodass sie nach dem Einbau auf Grund

Literatur Spezielle Literatur 1. Deutsche Gesellschaft Feuerfest- und Schornsteinbau e. V.: Feuerfestbau, Stoffe – Konstruktion – Ausführung, 2. Aufl., Vulkan, Essen (1994) 2. Kollenberg, W.: Technische Keramik, Grundlagen – Werkstoffe – Verfahrenstechnik. 2. Aufl., Vulkan, Essen (2010) 3. Heinrich, J.G.: Physikalische und chemische Grundlagen der Keramik. Teil 1. 2. Aufl. (2009)

34

Wärmeübertrager Lothar Mörl und Eckehard Specht

Wärmeübertrager sind Apparate, in denen ein Fluid erwärmt oder abgekühlt wird. In Industrieöfen ist ein Fluid ein fluidisierter granularer Feststoff wie bei Drehrohröfen oder ein transportiertes stückiges Gut. Das Heiz- oder Kühlmedium ist in der Regel ein anderes Fluid. Verdampft oder kondensiert ein Fluid dabei, ist der Wärmeübergangskoeffizient so hoch, dass die Wandtemperatur als annähernd konstant angesehen werden kann. Die Temperaturunterschiede im Querschnitt des Fluids können vernachlässigt werden. Dessen Temperatur ändert sich somit nur mit der Strömungslänge.

34.1 Konstante Wärmestromdichte Wird ein Fluid elektrische erwärmt, ist die übertragene Wärmestromdichte längs des Strömungsweges aufgeprägt und konstant. Abb. 34.1 zeigt schematisch ein elektrisch beheiztes Rohr mit zugehörigem Temperaturverlauf. Ist QP der zugeführte Wärmestrom, so beträgt die Wärmestromdichte QP QP D ; (34.1) qP D U L A L. Mörl () Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Magdeburg, Deutschland E-Mail: [email protected] E. Specht Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Magdeburg, Deutschland E-Mail: [email protected]

Q el

elektrische Beheizung Fluid

T

Tx Wand q α

Tx= 0

Tx=L T

Fluid 0

L

x

Abb. 34.1 Temperaturverläufe bei einem elektrisch beheizten Rohr

wobei L die Länge der Wärmeübertragung und U der Umfang des Rohres oder Kanals ist. Für die Zunahme der Temperatur gilt für ein infinitesimales Längenelement qP  U  dx D MP  cp  dT :

(34.2)

Mit der Eintrittstemperatur TxD0 als Anfangsbedingung T .x D 0/ D TxD0 folgt T D TxD0 C

QP

x  : MP  cp L

(34.3) (34.4)

Die Fluidtemperatur steigt also linear an. Die Austrittstemperatur TxDL beträgt QP D MP  cp  .TL  TxD0 / :

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_34

(34.5) 663

664

L. Mörl und E. Specht

Für die Wandtemperatur gilt

dem zu- oder abgeführten Wärmestrom. Mit der Zustandsgleichung für die Enthalpie und den (34.6) Newton’schen Ansatz für die Wärmeübertragung qP D ˛  .Tw  T / : folgt Diese steigt also ebenfalls linear mit der Länge an. Je geringer der Wärmeübergangskoeffizient ˛  U  dx  .Tw  T / D MP  cp  dT ; (34.8) ist, desto größer ist folglich die sich einstellende Temperaturdifferenz zwischen Wand und Fluwobei U wiederum der Umfang des Kanals ist. id. Der Wärmeübergangskoeffizient ist stets auf Mit der Eintrittsbedingung die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz des Kanals bezogen. Diese setzt eine konstan(34.9) T .x D 0/ D TxD0 te Wandtemperatur voraus. Da die Wandtemperatur bei konstanter Wärmestromdichte jedoch liefert die Lösung der obigen Dgl. ansteigt, muss eine modifizierte Nusseltfunktion ! verwendet werden: ˛A x T  Tw  0;45 D exp   : (34.10) Tw TxD0  Tw MP  cp L : Nu .qP D konst/ D Nu .Tw D konst/  T (34.7) Die dimensionslose Größe im Exponenten wird als Stantonzahl bezeichnet.

34.2 Konstante Wandtemperatur

St D

˛A : MP  cp

(34.11)

Bei einigen technischen Prozessen ist der Wärmeübergangskoeffizient oder der WärmekapaziIhre physikalische Bedeutung ist tätsstrom des einen Fluides um ein Vielfaches konvektiv übertragener Wärmestrom höher als der des anderen Fluides. Die WandSt  : temperatur des Rohres oder Kanals kann dann Enthalpiestrom des Fluids näherungsweise als konstant angesehen werden. Der insgesamt übertragene Wärmestrom beDies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Fluträgt id durch kondensierenden Dampf erwärmt wird. Die Wand hat dann näherungsweise die KondenQP D MP  cp  .TxDL  TxD0 / : (34.12) sationstemperatur. In Abb. 34.2 ist der prinzipielle TemperaturMit der Gl. (34.10) für MP  cp folgt verlauf des Fluids dargestellt. Für ein infinitesimales Längenelement dx gilt die EnergiebiQP D ˛  A  Tm P Die Enthalpieänderung ist gleich lanz dHP D dQ. mit der logarithmischen Temperaturdifferenz

T

Δ Tkl

Wandtemperatur

Tw

TL Austrittstemperatur

ΔTgr

T(x)

Tm D

mittlere Fluidtemperatur

D 0

xD0 Tw ln TTxDL Tw

Tgr  Tkl ln

Eintrittstemperatur

Tx = 0

.TxD0  Tw /  .TxDL  Tw /

L

x

Abb. 34.2 Erwärmung eines strömenden Fluids in einem Kanal mit konstanter Wandtemperatur

Tgr Tkl

;

(34.13)

wobei Tgr die große und Tkl die kleine Temperaturdifferenz entsprechend Abb. 34.2 bedeuten.

34 Wärmeübertrager

665

34.3 Wärmeübertragung Fluid–Fluid

derung des Fluids zwischen Ein- und Austritt gilt nämlich

In den meisten Fällen wird ein Fluid mit einem (34.14) QP D MP 1  cp1  .T1 xD0  T1 xDL / anderen Fluid erwärmt oder gekühlt. Beispielsweise wird ein Prozessgas durch ein heißes VerQP D MP 2  cp2  .T2 xDL  T2 xD0 / ; (34.15) brennungsgas erwärmt oder mit Umgebungsluft gekühlt. Die Apparate werden idealisiert als adia- wobei QP der übertragene Wärmestrom ist. Je höbat betrachtet. Auf Grund von guten Dämmungen her der Kapazitätsstrom ist, desto geringer ist die sind die Wärmeverluste relativ niedrig. Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt. Im Abb. 34.3 ist eine Temperatur T 1 eingezeichnet. Dieser Temperatur würden sich beide Flu34.3.1 Temperaturverläufe ide bei einam unendlich langen Wärmeübertraˇ ˇ ˇ ˇ ger annähern (Ausnahme ˇMP 1  cp1 ˇ D ˇMP 2  cp2 ˇ Die beiden Fluide können innerhalb des Appara- bei Gegenstrom). Bei Gleichstrom wäre diese tes auf verschiedenste Weise zueinander geführt Temperatur auch die Mischungstemperatur beiwerden. In Abb. 34.3 ist der Grundfall darge- der Fluide. stellt, bei dem beide Fluide gegeneinander durch Zur Berechnung der Temperaturverläufe wird den Apparat strömen. Die Temperaturverläufe wieder von einer infinitesimalen Energiebilanz hängen vom Produkt MP  cp ab, was als Kapazi- für die Strecke dx ausgegangen. Der übertragene tätsstrom bezeichnet wird. Für die Temperaturän- Wärmestrom bewirkt eine Enthalpieabnahme des Fluid 1 dQP D dHP 1 und eine Enthalpiezunahme des Fluid 2 dQP D dHP 2 . M1  cp1 Somit ergeben sich aus den Bilanzen die beiden gekoppelten Dgln. M2  cp2 M1  cp1 > M 2  cp2

T T T1x  0 T2x  0

T1 T2

M1  cp1 = M2  cp2

x T T1

T1x  0 T2x  0 T2

x M1  cp1 < M2  cp2

T T1x  0 T1 T2x  0 T

T2

0

L

x

Abb. 34.3 Prinzipielle Temperaturverläufe bei Gleichund Gegenstrom

dT1 kA MP 1  cp1  C  .T1  T2 / D 0 (34.16) dx L dT2 k  A MP 2  cp2  C  .T2  T1 / D 0 : (34.17) dx L Bei Gleichstrom sind beide Massenströme positiv, bei Gegenstrom ist der x-Achse entgegenströmende Massenstrom negativ. Zur Lösung der beiden Dgln. werden jeweils eine Temperatur als Randbedingung benötigt. Ist der Wärmedurchgangskoeffizient ortsabhängig, z. B. falls sich der Wärmeübergangskoeffizient mit der Temperatur stark verändert, müssen die beiden Dgln. numerisch gelöst werden. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn sich bei Gasen die Dichte und damit die Geschwindigkeit oder bei Flüssigkeiten die Viskosität erheblich verändern und die Verwendung von Mittelwerten zu ungenau wird. Bei Industrieofenprozessen kann im Gas noch eine Wärmequelle (Flamme) und im Gut als Fluid noch ein Wärmesenke (Phasenumwandlung) sein. Die Dgln. müssen dann um entsprechende Terme erweitert werden.

34

666

L. Mörl und E. Specht

Die Temperaturverläufe sind also linear und parallel. Je größer die Stantonzahl ist, desto geringer ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Gas und dem Solid. Ein Kapazitätsstromverhältnis von eins wird beispielsweise in der Kühlzone wobei ˛1 und ˛2 die konvektiven Wärmeüber- von Kalkschachtöfen angestrebt. gangskoeffizienten der beiden Fluide sowie w und sw die Wärmeleitfähigkeit bzw. die Dicke der Wand sind. Bei Industrieöfen steht zwar das 34.3.3 Ungleiche Kapazitätsstromverhältnisse Fluid 1 (Gas) in direktem Kontakt mit dem Fluid 2 (Solid), jedoch muss die Wärmeleitung in das Gut berücksichtigt werden, wie in Abschn. 34.5.3 Bei ungleichen Kapazitätsstromverhältnissen lassen sich die beiden Dgln. unter Zuhilfenahme erläutert wurde. Folglich gilt hier der Temperatur T 1 entkoppeln [8]. Die Glei1 1 s : D C k ˛   w Sind die beiden Fluide durch eine Wand getrennt, so gilt für den Wärmedurchgangskoeffizienten 1 sw 1 1 C C ; D k ˛1 w ˛2

Tab. 34.1 Zusammenfassung der Gleichungen für die

Bei konstantem k  A lassen sich die beiden Temperaturverläufe bei Wärmeübertragern ˇ ˇ Dgln. entkoppeln. Hierbei muss zwischen gleiˇMP 1  cp1 ˇ kA x ˇ ˇ St D ; X D ; ˝ D chen Kapazitätsströmen bei Gegenstrom und unˇMP 2  cp2 ˇ L MP 1  cp1 gleichen Wärmekapazitätsströmen unterschieden Gegenstrom (T 1 xD0 , T2 xD0 ) werden. T T 1

1

T1 xD0  T1

Bei Gegenstromwärmeübertragern mit betragsmäßig gleichen Kapazitätsströmen (MP 1  cp1 D MP 2  cp2 ) erhält man für den Fall, dass die beiden Temperaturen bei x = 0 gegeben sind T1  T1 xD0 D St  X ; T2 xD0  T1 xD0 T2  T1 xD0 D St  X C 1 (34.18) T2 xD0  T1 xD0 und T1  T1 xD0 St  X D ; T2 xDL  T1 xD0 St C 1 T2  T1 xD0 St  X C 1 D : (34.19) T2 xDL  T1 xD0 St C 1 mit der Stantonzahl kA MP 1  cp1

(34.20)

T2 xD0  ˝  T1 xD0 1˝ Gegenstrom (T1 xD0 , T2 xDL ) T1  T1 D exp Œ .1  ˝/  St  X ; T1 xD0  T1

T1 D

(T3)

(T4)

T2  T1 D exp ŒC .1  ˝/  St .1  X/ T2 xDL  T1 T2 xDL  exp ŒSt  .1  ˝/  ˝  T1 xD0 exp ŒSt  .1  ˝/  ˝ Gleichstrom (T1 xD0 , T2 xD0 ) T1  T1 D exp Œ .1 C ˝/  St  X ; T1 xD0  T1

T1 D

(T5)

(T6)

T2  T1 D exp Œ .1 C ˝/  St  X T2 xD0  T1 T2 xD0 C ˝  T1 xD0 1C˝ Gleichstrom (T1 xD0 , T2 xDL ) T1  T1 D exp Œ .1 C ˝/  St  X  T1xD0  T1

T1 D

(T7)

(T8)

T2  T1 D exp ŒC .1 C ˝/  St  .1  X/ T2 xDL  T1

und der dimensionslosen Koordinate x XD : L

(T2)

T2  T1 D exp Œ .1  ˝/  St  X T2 xD0  T1

34.3.2 Gleiche Kapazitätsströme (Gegenstrom)

St D

D exp Œ .1  ˝/  St  X ;

(T1)

(34.21)

T1 D

T2 xDL  exp ŒSt  .1 C ˝/ C ˝  T1 xD0 exp ŒSt  .1 C ˝/ C ˝

(T9)

34 Wärmeübertrager

667

chungen zur Berechnung der Temperaturverläufe für die beiden Arten von Randbedingungen sind in Tab. 34.1 zusammengefasst. Das Kapazitätsstromverhältnis wird, wie in der Praxis üblich, stets positiv angesetzt. Die Gleichungen für Gegen- und Gleichstrom unterscheiden sich folglich nur durch das positive bzw. negative Vorzeichen vor dem Kapazitätsstromverhältnis ˝. Die jeweils gegebenen Temperaturen stehen in der Klammer. Sind andere Temperaturen gegeben, so können diese aus den Gln. (34.14) und (34.15) berechnet werden.

34.4 Auslegung von Wärmeübertragern Bei der Auslegung von Wärmeübertragern ist in der Regel die zur Wärmeübertragung notwendige Fläche A und damit die Größe k  A gesucht. Gegeben sind in der Regel einerseits der Massenstrom sowie die Ein- und Austrittstemperaturen des einen Fluids und andererseits der Massenstrom und die Eintrittstemperatur des anderen Fluids. Gesucht sind davon die Austrittstemperatur dieses Fluids, die Fläche und der übertragene Wärmestrom. Für diesen gilt QP D k  A  Tm :

übertragen. Gleichstrom wird daher nur dann angewendet, wenn ein Fluid aus Qualitätsgründen ein bestimmtes Temperaturprofil besitzen muss. An die Bauarten von Wärmeübertragern können verschiedenste Anforderungen gestellt sein. Stets sollen die Investitionskosten und die Betriebskosten gering sein. Zur Minimierung der Investitionskosten müssen die Fläche und damit die Größe gering sein. Dies erfordert hohe Wärmeübergangskoeffizienten. Zur Minimierung der Betriebskosten muss der Druckverlust und damit die Gebläse- oder Pumpenleistung gering sein. Dies erfordert niedrige Strömungsgeschwindigkeiten, was hohen Wärmeübergangskoeffizienten entgegensteht. Somit muss stets ein

Rohrbündelwärmeübertrager Fluid 2

Fluid 1

Fluid 1

Fluid 2

Abgas Kaltwasser

(34.22) Kreuzstrom

Für die mittlere Temeraturdifferenz gilt Heißwasser Gl. (34.13) mit der großen und kleinen Temperaturdifferenz nach Abb. 34.3. Für den Heizgas Wärmestrom gelten weiterhin die beiden Gln. (34.14) und (34.15). Fluid 2 Damit stehen drei Gleichungen zur BerechGleich-/Gegenstromwärmeübertrager nung von drei Unbekannten zur Verfügung. Dies können, wie eingangs erläutert, die Fläche, der Wärmestrom und eine Austrittstemperatur sein. Fluid 1 Es sind jedoch auch viele andere Auslegungsfälle denkbar. Ist beispielsweise der Wärmestrom gegeben, so können die Fläche und zwei Temperaturen berechnet werden. Sind beispielsweise alle Temperaturen gegeben, so erhält man aus den Fluid 1 Gleichungen den Wärmestrom, die Fläche und eiFluid 2 nen Massenstrom. Bei Gegenstrom wird unter sonst gleichen Abb. 34.4 Beispiele von typischen WärmeübertragerBedingungen mehr Wärme als bei Gleichstrom Bauarten

34

668

wirtschaftliches Kostenoptimum gefunden werden. Folglich gibt es je nach Anwendungsfall Bauarten mit verschiedensten Strömungsführungen, um hohe Wärmeübergangskoeffizienten und geringe Druckverluste zu erhalten. Darüber hinaus können bestimmte geometrische Besonderheiten vorgegeben sein, wie beispielsweise Zulauf und Ablauf nur an einer Seite möglich, begrenzter Platzbedarf (Längen- oder Höhenbegrenzung). In Abb. 34.4 sind beispielhaft einige typische Bauformen dargestellt. Zur Erhöhung der Fläche und des Wärmeübergangskoeffizienten wird ein Fluid oft auf mehrere kleine Rohre aufgeteilt. Je kleiner der Durchmesser ist, desto höher ist entsprechend der Nusseltfunktion der Wärmeübergangskoeffizient. Das andere Fluid muss dann die Rohre überströmen. Für einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten ist folglich wiederum eine kleine Überströmlänge notwendig. Dazu müssen die Rohre quer und nicht längs überströmt werden. Das äußere Fluid wird daher bei der Durchströmung des Apparates mehrfach umgelenkt. Jede Umlenkung erhöht jedoch den Druckverlust. Oftmals werden Rohre nur quer angeströmt. Dies ist z. B. im Heizthermen der Fall, in den Wasser in Rohren von außen durch Verbrennungsgase erhitzt wird. Hier strömen die beiden Fluide im Kreuzstrom. Für die Berechnungsgleichungen (speziell mittlere Temperaturdifferenz) wird auf den VDI-Wärmeatlas sowie auf [1–3] verwiesen.

L. Mörl und E. Specht

Stoffen) sowie die Aufheizung und Verdampfung von Stoffen (Wasserdampf als Wärmeträger). Wasser, Luft, Kühlsole und aufzuheizende Substanzen sind Kälteträger. Unterschieden wird zwischen Oberflächenkondensatoren, in denen Dämpfe durch indirekten Kontakt mit einem Kühlmittel über meist aus Rohren bestehenden Kühlflächen kondensiert werden (die Bauweise ist „geschlossen“); Einspritz-(Misch-)Kondensatoren, in denen Dämpfe in direkten Kontakt mit eingespritztem Kühlwasser gebracht und niedergeschlagen werden; direkte Luftkühlung, also luftgekühlte Kondensatoren mit offener Bauweise, in denen Dämpfe durch Wärmeabfuhr an die Umgebungsluft verflüssigt werden; indirekte Luftkühlung, bei der Wasser als Kühlmedium in Oberflächen- oder Einspritzkondensatoren verwendet wird, das die Wärme über Kühltürme oder Flussläufe an die Luft überträgt. Oberflächen- und luftgekühlte Kondensatoren ermöglichen die Gewinnung reiner Kondensate und höhere Vakua als Mischkondensatoren (im Einspritzwasser gelöste Luft!); diese bieten sich besonders zur Niederschlagung von wertlosen Brüden an. Zur Aufheizung und Verdampfung ist die geschlossene Bauweise von Oberflächenkondensatoren notwendig.

Nichtkondensierbare Gase. Sie reichern sich an den Stellen niedrigsten Drucks (niedrigster Temperatur) an und bilden hier eine wachsende Wärmewiderstandsschicht. Da die Dämpfe hier durchdiffundieren müssen, um an die Kühlfläche zu gelangen, verschlechtert sich das Vakuum. 34.5 Kondensatoren Bei konstantem Gesamtdruck verringern sich der Dampfteildruck und das treibende Temperaturge34.5.1 Grundbegriffe der fälle zwischen Dampf- und KühlmitteltemperaKondensation tur. Kondensatoren sind daher bei Überdruck zu entlüften und bei Vakuumbetrieb durch AbpumBei der Abkühlung kondensierbarer Dämpfe un- pen von Inertgasen freizuhalten. ter die Sättigungstemperatur, den Taupunkt, werden die Dämpfe in den flüssigen Zustand überführt. Für Kondensatoren sind es die Erzeugung 34.5.2 Oberflächenkondensatoren eines möglichst hohen Vakuums (Dampfkraftmaschinen), die Wiedergewinnung des Konden- Als Wärmestrom muss abgeführt werden sats als wertvolle Flüssigkeit (DestillationsanQP D m P D .hD  hK / D m P W cW .t2  t1 / : lagen), die Niederschlagung von umweltbeläs(34.23) tigenden Abdämpfen (Brüden mit aggressiven

34 Wärmeübertrager

669

Daraus folgt als Kühlfläche ADm P D .hD  hK / =ktM :

(34.24)

P W Dampf- bzw. Kühlmittel-Massenm P D; m strom; hD ; hK spezifische Enthalpien von Dampf bzw. Kondensat; cW Wärmekapazität des Kühlmittels; t1 ; t2 Ein- bzw. Austrittstemperatur des Kühlmittels; k Wärmedurchgangskoeffizient; tM mittlere Temperaturdifferenz. Der Wärmedurchgangskoeffizient k wird meist von der Wärmeübertragung auf der Kühlmittelseite bestimmt, da die Wärmeübergangskoeffizienten auf der Kondensationsseite – besonders bei Wasserdampf – groß sind. k wächst mit der Kühlmittelgeschwindigkeit und kleiner werdenden Rohrdurchmessern. Für Wasserdampfkondensation mit Kühlwasserströmung auf der Rohrseite zwischen 1,5 und 2,5 m=s ist k  3000 : : : 4000 W=.m2K/. Die hiermit aus Gl. (34.24) berechnete Kühlfläche A wird konstruktiv aufgeteilt und k mit den so erhaltenen geometrischen Daten nachgerechnet. Dabei sind Schmutzschichten und der Einfluss von Inertgasen gesondert zu berücksichtigen. Überhitzter Dampf. Hier bildet sich ein Kondensatfilm auf der Wand, wenn die Wandtemperatur gleich oder kleiner als die Sattdampftemperatur ist; die Wärmeübergangskoeffizienten für Kondensation ändern sich hierbei nur unwesentlich. Die Bereiche für Dampfkühlung (trockene Wand) und Kondensatkühlung sind gesondert zu berechnen. Ziel ist die Erzeugung eines möglichst großen Druck- und Wärmegefälles für Kraftmaschinen. Wegen des großen spezifischen Volumens der Dämpfe bei Vakuum sind große Eintrittsquerschnitte notwendig, damit die Druckverluste den Gefällegewinn nicht übersteigen; wirtschaftlich erreichbare Enddrücke p1 sind bei Kolbenmaschinen 0,1 bar, bei Turbinen 0,025 bar (niedrige Kühlwassertemperaturen t1 vorausgesetzt, die örtlich und jahreszeitlich variieren). In Mitteleuropa gelten für t1 und p1 : Brunnenwasser 10 bis 15 °C sowie 0,03 bar, Flusswasser 0 bis 25 °C sowie 0,04 bar, Rückkühlwasser 15 bis 30 °C sowie 0,06 bar. Der Druck p1 ist um 0,005 bis 0,01 bar

höher als der zur Kühlwasser-Austrittstemperatur gehörende Sattdampfdruck. Kühlwassermenge m P W  70 m P D bei Dampfturbinen, m PW  40 m P D bei Kolbenmaschinen. Ist tD die Sattdampftemperatur am Kühlwasseraustritt, so gilt tD  t2 D 3 : : : 5 K. Kondensatunterkühlung t0  tK < 3 K, da anderenfalls Inertgas gelöst und dem Kreislauf wieder zugeführt wird. Die Absaugung des Inertgases ist an der kältesten Stelle (niedrigster Gesamtdruck) mit Abschirmung gegen Dampfzutritt vorzusehen. Oberflächenkondensatoren zur Gewinnung wertvollen Kondensats hinter Kolonnen und Reaktoren werden entweder mit Wasser oder mit Luft gekühlt. In stärkerem Maße werden zur Energieeinsparung auch Produkte, die vorgewärmt oder verdampft werden müssen, als Kühlmittel verwendet. Wasser als Kühlmittel fließt auf der Rohrseite (bessere Reinigungsmöglichkeit), kondensierender reiner Stoff auf der Mantelseite von Bündeln (größerer Querschnitt und kleinerer Druckverlust). Letzteres ist besonders bei Vakuumbetrieb zu beachten, der bei temperaturempfindlichen Substanzen angewendet wird. Die Entfernung der Inertgase erfolgt restlos von der kältesten Stelle (Druckminimum) mit minimalem Dampfanteil. Die günstigste Lösung ist die Absaugung in den Zentren der Bündelteile durch Rohre von der Länge des Bündels mit vielen Saugöffnungen. Leitbleche schirmen gegen Dampfzutritt ab, tote Ecken sind zu vermeiden. Zum Vermeiden der Kondensatunterkühlung halten Führungsbleche das Kondensat von den Kühlrohren fern. Kondensatableiter bzw. Saugpumpen führen das Kondensat ständig ab. Konstruktion Mäntel über 500 mm Durchmesser (Dmr.) aus Stahlblech geschweißt, Länge  2  Dmr. Rohrböden 20 bis 30 mm dick aus Stahl oder Messing (bei saurem oder salzhaltigem Wasser). Rohre 15 bis 25 mm Dmr., Rohrteilung D .1;4 : : : 1;5/  Außendmr., nach unten enger. Leitbleche auf der Mantelseite sind bei Kondensation nicht notwendig. Zur Vermeidung von Schwingungen sind Stützbleche im Abstand .50 : : : 70/  Rohrdmr. vorzusehen. Wärmedehnungen ist durch Dehnungsausgleicher oder S-

34

670

förmig vorgebogene Rohre (Wendestellen liegen im Stützblech) Rechnung zu tragen. Bei zweiflutiger Ausführung kann eine Hälfte gereinigt werden, ohne die Anlage stillzusetzen. Am Dampfeintritt ist ein Notauspuffventil vorzusehen. Durch Einspritzen feinverteilten Kühlwassers in den Dampf ergeben sich im Vergleich zu den Oberflächenkondensatoren größere Wärmedurchgangskoeffizienten. Es wurden Werte von k D 100 000 W=.m2K/ an Tröpfchen mit 0,6 mm Durchmesser und 15 m=s Geschwindigkeit bei einer Wärmestromdichte von 230000 W=m2 festgestellt. Diese Werte reduzieren sich erheblich mit abnehmender Tropfengeschwindigkeit bzw. zunehmender Verweilzeit sowie mit abnehmendem Kondensatordruck und zunehmendem Inertgasgehalt (Reduziergang 50 % bei 1 % Gasmassengehalt). Da die Phasengrenzfläche pro Volumeneinheit ebenfalls groß wird, sind die Abmessungen von Mischkondensatoren kleiner als die von Oberflächenkondensatoren. Einbauten zur Erhöhung der Kontaktfläche und der Verweilzeit sind relativ billig. P D erDer spezifische Kühlwasserbedarf m P W =m rechnet sich nach Gl. (34.24). Da t2 D tK , ist P D mit 15 bis 30 kg=kg kleiner als bei Oberm P W =m flächenkondensatoren. Für große Leistungen und niedrige Drücke ist die Gegenstromführung (trockene Absaugung der Inertgase am Kopf) wirtschaftlicher als die Gleichstromführung (nasse Absaugung). Der Kondensat- und Kühlwasserabzug erfolgt meist über eine Flüssigkeitsvorlage oder eine Wasserstrahlpumpe, bei Gleichstromführung auch über einen Strahlkondensator.

34.5.3 Luftgekühlte Kondensatoren Bei Wasserknappheit wird neben der indirekten in zunehmendem Maße die direkte Luftkühlung angewandt, die kleinere Oberflächen benötigt. Gekühlt wird zumeist durch Anblasen der berippten Außenflächen mit Lüftern, seltener durch natürliche Belüftung. Aufgrund gesetzlicher Auflagen nehmen langsam laufende, geräuscharme Lüfter mit breiten Schaufeln zu. Die Investitionskosten sind höher als für Oberflächenkonden-

L. Mörl und E. Specht

Abb. 34.5 Luftgekühlter Kondensator in A-Anordnung. 1 Rippenrohre mit unterschiedlichem Rippenabstand, 2 Dampfzuführung, 3 Kondensatabzug, 4 Ventilator

satoren. Vergleicht man jedoch Luftkühlung mit Oberflächenkondensatoren unter Einschluss des Rückkühlwerks, so sind die Investitionskosten etwa gleich groß, die Betriebskosten bei Luftkühlung aber geringer, solange die Produkttemperatur über 60 °C liegt. Anlagen für Kraftwerke werden mit einer Leistung bis zu etwa 1100 t=h Kondensation (400 MW) gebaut. Die Rohrbündel können vertikal, horizontal oder geneigt (A- oder V-förmig) und platzsparend oberhalb von Rohrbrücken oder auf Gebäuden angeordnet werden. Weit verbreitet ist die A-Anordnung (Abb. 34.5) mit oberer Dampfzuführung (Gleichstromführung von Dampf und Kondensat). Sinkende Kondensationsleistung der Rohrreihen, die im angewärmten Luftstrom liegen, werden durch engere Rippenteilung ausgeglichen (1 in Abb. 34.5). Bei Frost und Vakuumbetrieb besteht Erfriergefahr am unteren Rohrende durch Totzonenbildung (Dampfrückströmung in Rohre mit vollständiger Kondensation, Einschluss und Anreicherung von Inertgas). Hier bietet sich die untere Dampfzuführung (Gegenstrom) an, die mit einem schlechteren Wärmeübergang verbunden ist, oder eine Kombination beider Schaltungen, die sicherstellt, dass im vorgeschalteten Gleichstromkondensator in allen Rohren Teilkondensation stattfindet und eine Kondensatunterkühlung verhindert wird. Bei variierenden Betriebsbedingungen ist es sicherer, jede Rohrreihe mit getrennten Sammlern zu versehen.

34 Wärmeübertrager

Literatur Spezielle Literatur 1. Hausen, A.: Wärmeübertragung im Gegenstrom, Gleichstrom und Kreuzstrom, 2. Aufl. Springer, Berlin (1976) 2. Gregorig, R.: Wärmeaustausch und Wärmeaustauscher, 2. Aufl. Sauerländer, Aarau (1973) 3. Martin, H.: Wärmeübertrager, 8. Aufl. Thieme, Stuttgart (1995)

671 4. Kecke, H.J., Kleinschmidt, P.: Industrie-Rohrleitungsarmaturen. VDI, Düsseldorf (1994) 5. Buhrke, H., Kecke, H.J., Richter, H.: Strömungsförderer. Vieweg, Braunschweig (1989) 6. Herz, R.: Grundlagen der Rohrleitungs- und Apparatetechnik, 3. Aufl. Vulkan, Essen (2010) 7. Moeller, E.: Handbuch Konstruktionswerkstoff, Auswahl – Eigenschaften – Anwendung, 1. Aufl. Vulkan, Essen (2008) 8. Specht, E.: Wärme- und Stoffübertragung in der Thermoprozesstechnik, Vulkan Verlag (2014)

34

Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen

35

Lothar Mörl und Horst Gelbe

35.1 Berechnungsgrundlagen Höchstzulässiger Betriebsüberdruck PS eines Druckraumes bei normaler Betriebsbelastung ist an einer festgelegten Stelle zu definieren. Dies ist entweder der Anschlusspunkt von Sicherheits- und/oder Begrenzungseinrichtungen oder der höchste Punkt des Druckraumes. Berechnungsdruck P, pc muss die auftretende maximale statische und dynamische Druckhöhe einschließen und auf der größtmöglichen Druckdifferenz zwischen Behälterinnenseite und Behälteraußenseite basieren. Druckbehälter unter Außendruckbelastung sind für den maximalen Differenzdruck auszulegen [1–4]. Eine Analyse der Ermüdung ist nicht erforderlich, wenn die Anzahl der Druckzyklen n über die volle Schwingbreite (d. h. von Null bis zum zulässigen Druck P oder Pmax ) unter 500 liegt oder bei kleinerer Druckschwingbreite Pj eine größere Anzahl nj zugelassen wird. Die äquivalente Anzahl der Druckzyklen neq entsprechend der Äquivalenzformel X  Pj 3 neq D nj (35.1a) Pmax muss unter 500 liegen. L. Mörl () Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Magdeburg, Deutschland H. Gelbe Technische Universität Berlin Berlin, Deutschland

Berechnungstemperatur t darf nicht niedriger sein als die im Betrieb zu erwartende tatsächliche Wandtemperatur oder, wenn die Temperaturänderung über die Wanddicke bekannt ist, als die mittlere Wandtemperatur. Für die Festlegung der Berechnungstemperatur bei Rohrleitungen ist DIN EN 13480-3 zu beachten. Berechnungsnennspannung. Der maximal zulässige Wert für die Berechnungsnennspannung an drucktragenden Teilen (außer Schrauben) wird nach Tab. 35.1 aus den Mindestwerten der 0,2 % Dehngrenze bzw. 1,0 % Dehngrenze Rp 0;2=t bzw. Rp 0;1=t oder der Mindestzugfestigkeit Rm=t bei der entsprechenden Temperatur t ermittelt. Je nach Bedingung ist für die Berechnungsspannung f gleich die Berechnungsspannung im Betriebsfall fd oder die Berechnungsspannung im Prüflastfall ftest zu setzen [5]. Zuschläge. Man unterscheidet: c Korrosionsbzw. Erosionszuschlag (entfällt, wenn Wände von beiden Seiten ausreichend geprüft werden können, Erosion ausgeschlossen werden kann und die verwendeten Werkstoffe ausreichend gegen Einflüsse des Beschickungsmittels geschützt sind) und ıe Absolutwert der Minustoleranz, der den zugehörigen Werkstoffnormen entnommen werden kann. Für die Nennwanddicke en gilt: e n  e C c C ıe

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_35

(35.1b) 673

674

L. Mörl und H. Gelbe

Tab. 35.1 Berechnungsspannungen Auslegungsbedingungen Nichtaustenitische Stähle mit einer Mindestbruchdehnung A < 30 % a b

fd D min

Austenitische Stähle mit einer Mindestbruchdehnung 30 % < A  35 % c

fd D

Austenitische Stähle mit einer Mindestbruchdehnung A > 35 % c

fd D max

Stahlgussteile

fd D min





Rp0;2=t 1;5

Rp1;0=t 1;5

h



I

Rm=20 2;4

a b

Prüfbedingungen/außergewöhnliche Bedingungen b 

R test ftest D p0;2=t 1;05





ftest D

Rp1;0=t 1;5

Rp0;2=t 1;9

I



I min

Rm=20 3





Rp1;0=t 1;2

I

Rm=t 3

i

R

p1;0=t test



1;05

ftest D max

ftest D min

R

p1;0=t test

1;05

R

p0;2=t test

I

Rm=t test 2





1;33

a

Für Prüfgruppe 4 (s. DIN EN 13445-3) ist der Wert der Berechnungsspannung mit 0,9 zu multiplizieren. Anstelle der 0,2-%-Dehngrenze ReH kann die Streckgrenze Rp0,2 verwendet werden, wenn erstere der Werkstoffnorm nicht entnommen werden kann. c Hinsichtlich der Definition der Bruchdehnung siehe DIN EN 13445-2. b

35.2 Zylindrische Mäntel und Rohre unter innerem Überdruck Die erforderliche Wanddicke e beträgt für die Zylinderschale eines Druckbehälters mit dem Außendurchmesser De unter Berücksichtigung eines Schweißnahtfaktors z bei einem WandstärkeDurchmesserverhältnis von e=De  0;16 eD

pc  De : 2f  z C pc

(35.2a)

Der Verschwächungsbeiwert ist bei nahtlosen Mänteln z D 1, bei geschweißten Verbindungen in der Schale z D 0;7 : : : 0;85 : : : 1 abhängig von der Prüfgruppe. Die Prüfgruppen sind in DIN EN 13445-5 festgelegt. Für gerade Rohre wird die erforderliche Wanddicke in Abhängigkeit vom Verhältnis Außen- zu Innendurchmesser wie folgt berechnet: für De =Di  1;7 ist pc  De (35.2b) eD 2fd  z C pc für De =Di > 1;7 ist s ! fd  z  pc De 1 eD : 2 fd  z C pc

Transport und Montage, das Gewicht von Rohrleitung und Inhalt, klimatische Belastungen, dynamische Effekte des Fluids, Bewegung von Untergrund und Bauwerken, Schwingungen, Erdbeben, Durchbiegung zwischen Abstützungen, äußere Beschädigungsmöglichkeiten (mechanisch, Korrosion), Art der Rohrverbindungen, Verkehrslasten und behinderte Wärmedehnung beeinflusst. Wenn die Gesamtzahl der Lastzyklen aus allen Quellen bei Rohrleitungen mehr als 1000 beträgt, ist eine detaillierte Ermüdungsanalyse nach DIN EN 13480-3 erforderlich. Wärmespannungen De =Di < 1;7 Längenänderung l durch Temperaturdifferenz #  #0 zwischen Betriebs- und Montagetemperatur ist l D ˛  l0 .#  #0 / :

(35.3a)

Bei verhinderter Längenänderung entsteht die Axialspannung # D E  ˛ .#  #0 / I

(35.3b)

l0 Montagelänge, ˛ Wärmeausdehnungskoeffizient, E Elastizitätsmodul. Bei Druckkräften (35.2c) Rohrknickung beachten. Treten in der Wand durch Heizen oder Kühlen Die Rohrwanddicke wird außer dem Innen- Temperaturdifferenzen auf, so entstehen an der druck durch die Handhabungsmöglichkeit bei Innen- bzw. Außenfaser (mit den Indizes i bzw. a)

35 Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen

675

Die Wärmespannungen steigen logarithmisch jeweils gleich große Tangential- und Axialspannungen, positiv bei der niedrigeren, negativ bei an, während die Druckspannungen abnehmen. Die summierten Vergleichsspannungen bilden der höheren Temperatur: ausgeprägte Minima, die sich bei zunehmen˛ E 3De C Di den Wärmespannungen zu kleineren Wanddicken .#a  #i / ; #i D 2 1 2 .De C Di / verschieben. ˛ E De C 3Di #e D  .#a  #i / : 2 1 2 .De C Di / (35.4) 35.3 Zylindrische Mäntel unter äußerem Überdruck Hieraus lassen sich näherungsweise die maximalen, stationären Spannungen innen und außen Die Wanddicke von Bauteilen unter äußerem berechnen: Überdruck muss mindestens gleich der Wanddip .De C en / C #i ; v; i D cke vergleichbarer Bauteile unter gleich hohem 2;3  en innerem Überdruck sein. Sie muss mindestens p .De  3en / v; a D C #a : (35.5) dem nach folgendem Verfahren ermittelten Wert 2;3  en entsprechen. Hierin bedeuten en die ausgeführte Wanddicke,  die Querkontraktionszahl und # die Temperaturen. Diese Näherungsformeln sind in der Praxis ausreichend genau, solange nur die jeweils größte der beiden Vergleichsspannungen v; i bzw. v; a betrachtet wird, bzw. solange gilt: p .De C en / ; #i =  4  en p .De  3en / #e =  : (35.6) 4  en

a) Für die ausgeführte Wanddicke ea ist ein Wert zu schätzen und der Druck py , bei dem die mittlere Umfangsspannung einer Zylinderschale in der Mitte zwischen den Versteifungen die Fließgrenze erreicht, ist mit dem mittleren Radius der Zylinderschale R wie folgt zu berechnen: py D

 e  ea : R

(35.8)

b) Der theoretische elastische Beuldruck pm bei Versagen einer perfekten Zylinderschale der LänAlle Gleichungen gelten für nicht eingespann- ge L wird in Abhängigkeit von dem Elastizitätste Zylinder ohne zusätzliche Axialspannungen modul E und der mittleren elastischen Dehnung aus äußeren oder Lagerkräften. in Umfangsrichtung bei Versagen " berechnet: Überlagerte Spannungen aus Druck- und TemE  ea  " peraturdifferenzen führen gemäß Gl. (35.5) bei pm D (35.9) R entgegengerichteten Gefällen (pi > pa , #i < #a ) zu großen Spannungsspitzen an der Innen- mit 1 faser (ungünstig!), dagegen bei gleichgerichteten "D 2 2 ncyl  1 C Z2 Gefällen zu gleichmäßigeren Spannungsvertei8 lungen (prüfen, ob u. U. v; a > v; i /. ˆ ˆ ˆ Die Wärmespannungen nach Gl. (35.4) neh< 1 ea2 men mit zunehmender Wanddicke bei konstanter   C  2 ˆ 12R2 .1   2 / n2 ˆ Temperaturdifferenz #a #i zu. Bei vorgegebener ˆ : Zcyl2 C 1 Wärmemenge QP und Länge des Rohrs l0 muss, 9 wegen des zunehmenden Wärmeleitwiderstands, > > = 2 >

auch die Temperaturdifferenz mit der Wanddicke 2 2 :  ncyl  1 C Z größer werden: > > > ; QP De : (35.7) #a  #i D ln (35.10a) 2 l0  Di

35

676

L. Mörl und H. Gelbe

Tab. 35.2 Werte für pr =py für Zylinderschalen nach DIN EN 13445–3

fläche eben ist. Das ist bei Rohrbündelapparaten oder bei Deckeln von Hochdruckgefäßen bzw. pm =py pr =py pm =py pr =py -verschlüssen der Fall. Wo die Forderung der 0 0 3,75 0,87 Ebenheit entfällt, ist zu prüfen, ob die Trenn0,25 0,1245 4,0 0,879 oder Abschlussfunktion von gewölbten Bauteilen 0,50 0,2505 4,25 0,8865 übernommen werden kann. Diese erlauben eine 0,75 0,573 4,5 0,8955 günstigere Werkstoffausnutzung. 1,0 0,4995 4,75 0,9045 Als ebene, nicht gelochte Abschlüsse von 1,25 0,6045 5,0 0,9135 Großbehältern oder -apparaten finden sich auch 1,5 0,6795 5,25 0,9165 Anwendungen bis 8000 mm. Die Dicke der Bö1,75 0,72 5,5 0,9225 2,0 0,7545 5,75 0,9285 den schwankt zwischen wenigen Millimetern als 2,25 0,78 6,0 0,9345 Untergrenze (Membranboden) und rund 650 mm 2,5 0,8025 6,25 0,9405 als Obergrenze bei Dampferzeugern für Kern2,75 0,822 6,5 0,9465 kraftwerke. Neben der am häufigsten herangezo3,0 0,8355 6,75 0,9525 genen Kreisplatte werden auch rechteckige oder 3,25 0,849  7,0 0,9585 elliptische Platten, Kreisringplatten oder ebene, 3,5 0,861 am Rande gekrempte Böden eingesetzt. Ebene Wandungen können grundsätzlich unDabei sind versteift oder durch Profile oder Zuganker ver R ZD (35.10b) steift ausgeführt werden. Die Plattendicke kann L in Richtung des Radius veränderlich sein.  die Querkontraktionszahl, L die ungestützte Schalenlänge und ncyl die Anzahl der Beulwel- Wanddicke verschweißter runder ebener Bölen die beim Versagen des unversteiften Teils des den ohne Ausschnitt. Sie berechnen sich in Zylinders in Umfangsrichtung auftreten können Abhängigkeit von der Bodenform zu (ncyl ganzzahlig  2). a) Ebene Böden mit Ansatz (gekremte ebene c) Das Verhältnis pm =py ist zu berechnen, und Böden), Abb. 35.1a das Verhältnis pr =py aus Tab. 35.2 zu entnehmen. r pc (35.11a) e D C1  Deq f d) Der Wert für den berechneten unteren Versagensdruck pr ist aus pr =py und py zu berechnen. Der geforderte Auslegungsaußendruck P muss mit den Beiwerten C1 , A1 und B1  folgende Bedingung erfüllen: Di C eeq C1 D max 0;40825A1 I Di (35.10c) P < pr =S :   eeq 0;299 1 C 1;7 ; (35.11b) Di Als Sicherheitsbeiwert S ist je nach Bedingung für die Auslegung 1,5 oder für die Prüfung 1,1 zu ! setzen. eeq ; (35.11c) A1 D B1 1  B1  2 Di C eeq

35.4 Ebene Böden Ebene Platten finden stets Verwendung, wenn die Drücke oder Druckdifferenzen klein sind oder wenn die Notwendigkeit besteht, dass die Trenn-

    3f eeq 2 3 eeq 4 pc B1 D 1  C pc Di 16 Di f 2  C e e 2D 3 i eq eq   : 4 Di C eeq 3 (35.11d)

35 Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen

677

Als Berechnungsnennspannung fmin ist die geringere der beiden Berechnungsnennspannungen des Bodens f oder der Schale fs zu setzen. fmin D min ff I fs g ;

(35.11g)

bei Prüfbedingungen r e D C1  D i

Abb. 35.1 Ebene Böden. a Boden mit Ansatz; b Kehlnahtverschweißter Boden; c verschraubter Boden

35.4.1

ptest : ftest

(35.11h)

Wanddicke verschraubter runder ebener Böden ohne Ausschnitt, Abb. 35.1c

a) Böden mit innen liegender Dichtung Dabei sind eeq die äquivalente Wanddicke der Die erforderliche Dicke des Bodens innerhalb Zylinderschale nahe am Boden, r der innere der Dichtung e berechnet sich zu Übergangsradius eines Ansatzes und Deq D Di  r : b) kehlnahtverschweißte Abb. 35.1b

(35.11e) ebene

Böden,

e D max feA I eP g ; s eA D

3 .C  G/  G



W fA

(35.11i)  ;

(35.11k)

v u 3 .3 C / bei normalen Betriebsbedingungen mit dem u G3 u Beiwert C2 nach Abb. 35.2 32 u    : eP D u t  r  G pc pc C3 C 2b  m .C  G/ e D max C1  Di I 4 f f (35.11l)   r pc Hierin bedeuten C der Lochkreisdurchmesser, C2  D i : (35.11f) fmin G der wirksame (mittlere) Dichtungsdurchmes-

Abb. 35.2 Beiwert C2

35

678

L. Mörl und H. Gelbe

ser, m der Dichtungsbeiwert (nach Herstellerangaben oder DIN EN 13445-3, Anhang H), b die wirksame Dichtungsbreite, W die Schraubenkraft und  die Querkontraktionszahl des Bodenwerkstoffs. Die erforderliche Dicke des Flanschbereichs e berechnet sich zu e D max feA I eP1 g ;

benachbarter Ausschnitte. Der Abstand vom Mittelpunkt des Ausschnittes zum Außenrand des Bodens wird mit h bezeichnet. Bei Böden mit mehreren Ausschnitten ist jeder Ausschnitt als Einzelausschnitt und darüber hinaus jede mögliche Ausschnittpaarkombination zu berechnen.

(35.11m)

35.5 Gewölbte Böden s   r G pc ePl D 3 C 2b  m .C  G/ : Die Formen gewölbter Böden liegen zwischen 4 f (35.11n) dem ebenen Boden und dem Halbkugelboden als Grenzfälle. In Deutschland überwiegen torisphärische Böden, die sich aus einer Kugelkalotte b) Böden mit durchgehender Dichtung Die erforderliche Dicke des Bodens e berech- (Radius R) und einer Krempe (Radius r) zusammensetzen, Abb. 35.3. Bekannte Bauformen sind net sich zu r Klöpperboden (R D De , r D 0;1De ) und Korbpc : (35.11o) bogenboden (R D 0;8D ; r D 0;154D ). Die e D 0;41C e e f Bordhöhen sollen bei Klöpperböden 3,5e und bei Korbbogenböden 3,0e nicht unterschreiten. Bei Böden, die aus einem Krempen- und ei35.4.2 Wanddicke ebener Böden mit nem Kalottenteil zusammengeschweißt werden, Ausschnitten soll ein Mindestabstand x zwischen Verbindungsschweißnaht und Krempe eingehalten werden. Die Wanddicke ebener verschweißter Böden e Bei Klöpperböden ist x D 3;5e, bei Korbbogenberechnet sich mit den Berechnungsbeiwerten böden x D 3;0e, mindestens jedoch 100 mm. Y 1 , Y 2 zu In angelsächsischen Ländern überwiegt die  r  pc ellipsoidische Form, in der Regel mit einem Ach; e D max .Y1  e0 / I C1  Y2  Di f senverhältnis von 2 : 1. In allen Fällen gewähr(35.11p) leisten gewölbte Böden eine bessere Werkstoff( s ) j ausnutzung als ebene Böden. Gegenüber HalbkuY1 D min 2I 3 ; (35.11q) gelböden bieten sie den Vorteil geringerer Bauj d höhe und vielfach besserer Zugänglichkeit. Die s Abmessungen bewegen sich zwischen 50 und j Y2 D (35.11r) 12 000 mm als Grenzfälle. j d Die Verbindung von Böden mit anschließenund die verschraubter ebener Böden zu den Bauteilen ist möglichst als Stumpfstoß ause D Y2  e 0

(35.11s)

mit e0 als erforderliche Dicke des Bodens ohne Ausschnitt. Der Größe j ist ein aus der Lage eines Ausschnitts ermittelter Faktor, der bei Böden mit einem Ausschnitt in Gl. (35.11q) gleich dem doppelten des Abstandes h und in Gl. (35.11r) gleich Di ist. Bei Böden mit zwei Ausschnitten ist j gleich dem Abstand der Mittelpunkten zweier Abb. 35.3 Torisphärischer Boden

35 Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen

679

35

Abb. 35.4 Berechnungsbeiwert ˇ

zuführen. Querschnittsübergänge sind konisch auszubilden. Die Berechnungsregeln gelten für gewölbte Böden mit dem Kalottenradius R  De , dem Krempenradius r  0;2Di , r  0;06Di bzw. r  2e und der erforderliche Wanddicke e des gewölbten Bodens e  0;08De und e  0;001De . Erforderliche Wanddicke. Halbkugelböden sind nach Gl. (35.12a) zu berechnen. Die Wanddicke des zylindrischen Bords bis zur Tangente muss mindestens der Wanddicke der Zylinderschale nach Gl. (35.2a) entsprechen. eD

pc  De ; 4f  z C pc

(35.12a)

mit es erforderliche Wanddicke des Bodens zur Begrenzung der Membranspannung in der Mitte, ey erforderliche Wanddicke der Krempe zur Verhinderung achssymmetrischen Fließens, eb erforderliche Wanddicke der Krempe zur Verhinderung plastischen Beulens, f Berechnungsnennspannung, fb Berechnungsnennspannung in der Beulgleichung, Di Innendurchmesser des zylindrischen Bords. Für alle Werkstoffe, ausgenommen kaltumgeformte nahtlose Böden aus austenitischem rostfreiem Stahl gilt: fb D f

(35.12e)

Für kaltumgeformte nahtlose Böden aus austenitischem rostfreiem Stahl gilt:

(35.12f) fb D 1;6f mit De Außendurchmesser, pc Berechnungsdruck, f Berechnungsnennspannung, z SchweißDer Beiwert ˇ wird nach Abb. 35.4 ermittelt. nahtfaktor. Die erforderliche Wanddicke elliptischer BöDie erforderliche Wanddicke torisphärischer den e gilt für Böden mit 1;7 < K < 2;2 und Böden e ist gleich dem größten der folgenden z D 1. Sie wird äquivalent torisphärischer Böden Werte es , ey , eb . berechnet, wobei gilt: pc  R   (35.12b) es D 0;5 2f  z  0;5pc  0;08 (35.12g) r D Di K und ˇ  pc  .0;75R C 0;2Di / (35.12h) R D Di .0;44K C 0;02/ ey D ; (35.12c) f und Di " KD  0;825 #.1=1;5/ (35.12i) pc Di 2hi eb D .0;75R C 0;2Di / 111fb r hi ist die Innenhöhe des gewölbten Teils des Bo(35.12d) dens.

680

L. Mörl und H. Gelbe

35.6 Ausschnitte Schalen unter innerem Überdruck mit Ausschnitten müssen im Ausschnittbereich angemessen verstärkt werden, um die Verschwächung der Querschnittsfläche auszugleichen. Die Verstärkung kann durch eines oder eine Kombination der nachfolgenden Verfahren erfolgen: a) erhöhen der Wanddicke der Schale gegenüber der erforderlichen Mindestdicke der unverschwächten Schale, Abb. 35.6 Kugelschale oder gewölbter Boden mit Einb) aufschweißen scheibenförmiger Verstärkun- zelausschnitt gen,  c) einschweißen ringförmiger Verstärkungen, fop D min fs I fp : (35.13c) d) erhöhen der Stutzenwanddicke über den für die Membranspannung geforderten Wert. Die Abmessungen der zu verstärkenden Quer- 35.6.1 Spannungsbeanspruchte Querschnitte schnittsfläche eines Ausschnitts müssen zunächst geschätzt werden. Mit Gl. (35.13a) wird nachgewiesen, dass die Reaktionskraft des Werkstoffs, Effektive Querschnittsfläche der Schale Afs mit der berechneten Wanddicke ea; s und der die sich als Produkt aus der mittleren Memangenommenen Wanddicke der Schale ec; s , branspannung und allen spannungsbeanspruchder zur Ausschnittverstärkung anrechenbaren ten Querschnittsflächen des Werkstoffs Af ergibt, maximalen Länge einer Schale lso und der größer oder gleich der Summe des Produkts von konstruktiven Länge der Schale vom Rand Druck und druckbeanspruchten Querschnittsfläeines Ausschnitts bis zu einer Störstelle der chen Ap ist (Abb. 35.5 und Abb. 35.6). Schale ls . .Afs C Afw / .fs  0;5pc /  (35.14a) Afs D ec; s  ls0 ; C Afp fop  0;5pc (35.13a) C Afb .fob  0;5pc /  ls0 D min flso I ls g (35.14b)  pc Aps C Apb C Ap' p lso D .2ris C ec; s / ec; s : (35.14c) Dabei ist: fob D min .fs I fb / ;

(35.13b) effektive Querschnittsfläche der Verstärkungsscheibe Afp mit der mittragenden Wanddicke einer Verstärkungsscheibe ep und der Breite einer Scheibe lp Afp D ep  lp0 ;

Abb. 35.5 Zylinderschale mit Einzelausschnitt

˚  lp0 D min lso I lp ;

(35.14e)

˚  ep D min ea; p I ea; s ;

(35.14f)

ea; p  1;5ea; s :

(35.14g)

35 Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen

681

Tab. 35.3 Krümmungsradius ris Zylinder- oder Kugelschalen r is

De  ea,s 2

Halbkugelförmige oder torisphärische Elliptische Böden Böden 0;44Di R C 0;02Di 2hi

Kegelschalen De  ea,s 2 cos ˛

ris – innerer Krümmungsradius der Schale im Ausschnittmittelpunkt nach Tab. 3 ea;s – Berechnungswanddicke der Schale Di – Innendurchmesser des zylindrischen Bords De – Außendurchmesser der Schale im Ausschnittmittelpunkt hi – Innenhöhe eines elliptischen Bodens ohne Bordhöhe

effektive Querschnittsfläche des Stutzens Afp mit der mittragenden Wanddicke eines Stutzens zur Verstärkungsberechnung eb , der aus der Schale herausragenden mittragenden Länge eines Stutzens zur Verstärkungsberechnung lb0 , der in die Schale hineinragenden mittragenden Länge eines Stutzens zur Verstärkungsberechnung lbi0 und der Einstecktiefe eines Stutzen in die Schalenwand bei nicht vollständig durchgestecktem Einschweißstutzen es0 .  Afb D eb  lb0 C lbi0 C es0 ;

(35.14h)

lb0 D min flbo I lb g ;

(35.14i)

lbo D

p

.deb  eb / eb ;

(35.14k)

lbi0 D min f0;5lbo I lbi g

(35.14l)

mit lb aus der Schale herausragende Länge eines Stutzens; siehe Abb. 35.5 und Abb. 35.6.

Für Kegelschalen in Längsrichtung gilt:  As D 0;5 ls0 C a     ris C ris C ls0 C a tan ˛ : (35.15c) Hierin sind a der Abstand zwischen dem Ausschnittmittelpunkt und der Außenkante eines Stutzens, gemessen am mittleren Krümmungsradius der Schale und ˛ der halbe Öffnungswinkel der Kegelschale. Für gewölbte Böden oder Kugelschalen in jeder Schnittrichtung und für Zylinderschalen in Querrichtung mit dem mittleren Krümmungsradius der Schale im Ausschnittmittelpunkt rms gilt: 

ls0 C rms  arcsin 2rdms (35.15d) As D 0;5ris2 0;5ea; s C ris mit rms D ris C 0;5ea; s :

Drucktragende Fläche Apb eines Stutzens mit dem Innendurchmesser dib

35.6.2 Druckbeanspruchte Querschnittsflächen Ap

 Apb D 0;5dib lb0 C ea; s :

Drucktragende Fläche der Schale Aps

(35.15f)

Zusätzliche druckbeanspruchte Fläche Apj aufgrund der Schrägstellung ' eines Stutzens

Aps D As C 0;5d  ea; s C 0;5di  ep : (35.15a) Ap' D Für Zylinderschalen in Längsrichtung mit dem inneren Krümmungsradius der Schale im Ausschnittmittelpunkt ris und dem Durchmesser eines Ausschnitts d gilt für die Teilfläche As :  As D ris ls0 C 0;5d :

(35.15e)

(35.15b)

dib2 tan ' : 2

(35.15g)

Eine gegenseitige Beeinflussung zweier Ausschnitte kann vernachlässigt werden, wenn folgende Bedingung erfüllt ist: Lb  a1 C a2 C lso1 C lso2

(35.15h)

35

682

L. Mörl und H. Gelbe

mit Lb Mittelpunktabstand zwischen zwei Ausschnitten oder Stutzen, gemessen am mittleren Krümmungsradius der Schale, a1 Abstand zwischen dem Ausschnittmittelpunkt und der Außenkante eines Stutzens, gemessen am mittleren Krümmungsradius der Schale für Stutzen 1, a2 Abstand zwischen dem Ausschnittmittelpunkt und der Außenkante eines Stutzens, gemessen am mittleren Krümmungsradius der Schale für Stutzen 2, lso1 zur Ausschnittverstärkung anrechenbare maximale Länge einer Schale nach Gl. (35.14c), lso2 zur Ausschnittverstärkung anrechenbare maximale Länge einer Schale nach Gl. (35.14c). Abb. 35.7 Kräfte am Vorschweißflansch

35.7 Flanschverbindungen 35.7.1

Schrauben

Dehnschrauben sollen bei Betriebstemperaturen über 300 °C oder Betriebsdrücken über 40 bar verwendet werden. Dabei werden als Dehnschrauben nur solche Schrauben bewertet, deren Schaftdurchmesser oder deren Maße DIN 2510 entsprechen. Schrauben mit durchgehendem Gewinde gelten hinsichtlich ihrer Bewertung als Starrschrauben. Schrauben unter M 10 sollten möglichst nicht verwendet werden. Es müssen mindestens vier Schrauben pro Flanschverbindung verwendet werden [6, 7]. Flansche, die einer DIN EN-Norm für Rohrleitungsflansche entsprechen, können ohne weitere Berechnung für Druckbehälter verwendet werden, wenn sie sämtliche nachstehende Bedingungen erfüllen.

Die Dichtung ist nach Tab. 35.4 für den Flansch der betreffenden PN-Reihe oder Klasse zugelassen. Die Schrauben gehören mindestens zu der Festigkeitskategorie (Tab. 35.5), die als Mindestforderung nach Tab. 35.4 für den in der Flanschverbindung verwendeten Dichtungstyp festgelegt ist. Der Behälter ist überwiegend nichtzyklischen Belastungen ausgesetzt. Die Differenz zwischen mittlerer Temperatur von Schrauben und Flansch überschreitet unter keinen Bedingungen 50 °C. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Schrauben- und Flanschwerkstoff bei 20 °C differieren um mehr als 10 % (z. B. Flansche aus austenitischem und Schrauben aus ferritischem Stahl), die Betriebstemperatur beträgt jedoch maximal 120 °C, oder die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Schrauben- und Flanschwerkstoff bei 20 °C differieren um maximal 10 %.

Unter normalen Betriebsbedingungen liegt der Berechnungsdruck unter dem in den Tabellen der einschlägigen DIN EN-Norm angegebenen Nenndruck für Flansch und Werkstoff bei Belastungsverhältnisse. Nach Abb. 35.7 greifen am Flansch mit innen liegender Dichtung folBerechnungstemperatur. gende Kräfte an: Rohrlängskraft HD , Kraft durch Unter Prüfbedingungen oder außergewöhnli- Innendruck auf den Kreisringquerschnitt an der chen Belastungen überschreitet der Berech- Flanschdichtfläche HT , Dichtungskraft HG und nungsdruck nicht das 1,5fache des in den Schraubenkraft W, die den vorstehenden Kräften genannten Tabellen angegebenen Nenndrucks das Gleichgewicht halten muss. Die infolge eines Biegemoments in anschließenden Rohrleitungen bei der entsprechenden Temperatur.

35 Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen

683

Tab. 35.4 Dichtungen für Standardflansche nach DIN EN 13445–3 PN-Reihen a

Klasse a Dichtungstyp

2,5 bis 16 25

– 150

40

–

63

100

300

600

Weichstoff-Flachdichtung mit oder ohne Ummantelung Weichstoff-Flachdichtung mit oder ohne Ummantelung Spiral-Metalldichtung mit Füllstoff Ummantelte Wellmetalldichtung mit Füllstoff Wellmetalldichtung mit oder ohne Füllstoff Weichstoff-Flachdichtung mit oder ohne Ummantelung Spiral-Metalldichtung mit Füllstoff Ummantelte Wellmetalldichtung mit Füllstoff Wellmetalldichtung mit oder ohne Füllstoff Ummantelte Wellmetalldichtung mit Füllstoff Metall-Kammprofil- oder -Flachdichtung Weichstoff-Flachdichtung mit oder ohne Ummantelung Spiral-Metalldichtung mit Füllstoff Ummantelte Wellmetalldichtung mit Füllstoff Wellmetalldichtung mit oder ohne Füllstoff Ummantelte Wellmetalldichtung mit Füllstoff Metall-Kammprofil- oder -Flachdichtung Metall-Runddichtung Weichstoff-Flachdichtung mit oder ohne Ummantelung Spiral-Metalldichtung mit Füllstoff Ummantelte Wellmetalldichtung mit Füllstoff Wellmetalldichtung mit oder ohne Füllstoff Ummantelte Metallflachdichtung mit Füllstoff Metall-Kammprofil- oder -Flachdichtung Metall-Runddichtung

Erforderliche Schraubenfestigkeitkategorie geringe Festigkeit geringe Festigkeit mittlere Festigkeit

geringe Festigkeit mittlere Festigkeit

hohe Festigkeit geringe Festigkeit mittlere Festigkeit

hohe Festigkeit

mittlere Festigkeit

hohe Festigkeit

a Die PN- bzw. Klassenagaben in dieser Tabelle beschränken sich auf die in den EN-Normen für Stahlflansche aufgeführten Flansche bis PN 100 bzw. Klasse 600

Tab. 35.5 Schraubenfestigkeitskategorien nach DIN EN 13445–3

mit WA erforderliche Schraubenkraft für den Einbauzustand, b Wirkbreite der Dichtung, G geringe mittlere hohe Durchmesser der wirksamen Dichtungsfläche, y Festigkeit Festigkeit Festigkeit Setzdruck von Dichtung oder Verbindung nach Rp; Schraube =Rp; Flansch  1  1;4  2;5 Herstellerangaben oder DIN EN 13445–3, AnAnmerkung: Rp ist für nichtaustenitische Stähle gleich hang H. Die erforderliche Schraubenkraft im BetriebsRp0,2 und für austenitische Stähle gleich Rp0,1 . zustand Wop setzt sich aus der Innendruckkraft H auftretenden Kräfte werden üblicherweise nicht und der Kraft an der Dichtung zur Gewährleisberücksichtigt. Die Schraubenkräfte und Schrau- tung der Dichtheit der Verbindung HG zusambenquerschnitte sind für den Einbauzustand vor men. Druckaufgabe und für den Betriebszustand zu Wop D H C HG : (35.16b) ermitteln. Es kann erforderlich sein, die BerechDie Wirkbreite der Dichtung oder Verbinnung auch für mehr als einen Betriebszustand dung b wird in Abhängigkeit von der konstruktiv durchzuführen. festgelegten Breite der Dichtung w, die durch (35.16a) Dichtungsbreite und Flanschdichtfläche begrenzt WA D   b  G  y

35

684

L. Mörl und H. Gelbe

Für Prüfbedingungen und außergewöhnliche wird, angenommen. Für Flansche, außer Flansche mit Ringnut, ist die theoretische Sitzbreite Betriebsbedingungen können die Werte der zulässigen Spannung mit dem Faktor 1,5 multiplider Dichtung bo w bo D (35.16c) ziert werden. 2 Die Schraubenfestigkeitskategorien sind in Abhängigkeit von den Dichtungen und dem und für Flansche mit Ringnut Flanschwerkstoff für die PN-Reihen nach w : (35.16d) Tab. 35.4 und Tab. 35.5 festzulegen. bo D 8 Die Gesamtkernquerschnittsfläche der Schrauben im kleinsten Durchmesser AB muss Für bo  6;3 mm gilt: größer oder gleich AB; min sein. b D bo (35.16e) Der Gewindekerndurchmesser dBe einer Starrschraube bzw. der Schaftdurchmesser dBs einer mit G D mittlerer Durchmesser der Dichtungs- Dehnschraube in einer Verbindung mit n Schrauauflagefläche. ben ist r Für bo > 6;3 mm gilt: 4AB; min Cc: (35.16k) dBe bzw. dBs D p  n (35.16f) b D 2;52 bo mit G D Außendurchmesser der Dichtungsauflagefläche minus 2b. Der Gesamtwert der Innendruckkraft H und die Kraft an der Dichtung zur Gewährleistung der Dichtheit der Verbindung HG berechnen sich zu H D

 2 G P ; 4

(35.16g)

HG D 2  G  m  P

(35.16h) 35.7.2

mit P Berechnungsdruck (äußerer Überdruck), m Dichtungsbeiwert nach Herstellerangaben oder DIN EN 13445–3, Anhang H. Die erforderliche Gesamtquerschnittsfläche aller Schrauben AB; min wird wie folgt berechnet: 

AB; min

WA Wop D max I fB; A fB

Als Konstruktionszuschlag c für den Betriebszustand kann bei Starrschrauben c D 3 mm bis M 24 und c D 1 mm ab M 52 oder entsprechendem Gewindekerndurchmesser eingesetzt werden. Im Zwischenbereich ist linear zu interpolieren, bei Dehnschrauben ist c D 0 zu setzen (s. Tab. 35.7).

 :

(35.16i)

Sowohl für die Montage als auch für den Betrieb gelten im Hinblick auf die Festlegung der Berechnungsnennspannungen bei Montagetemperatur fB; A bzw. bei Betriebstemperatur fB

Flansche

Die vom Flansch aufzunehmende Schraubenkraft (s. Abb. 35.7) ist für die unterschiedlichen Belastungszustände nach Abschn. 35.7.1 zu ermitteln. Die Schwächung des Flanschs durch die Schraubenlöcher wird in der Rechnung durch einen Korrekturfaktor CF in Abhängigkeit vom Schraubenaußendurchmesser ıb , Abstand zwischen den Mittellinien benachbarter Schrauben db , Dichtungsbeiwert m und der erforderliche Flanschdicke e berücksichtigt: (s ) ıb I 1 : (35.17a) CF D max 6e 2db C mC0;5

für Kohlenstoffstähle und andere nichtausteDie berechneten Spannungen am Flansch in nitische Stähle der kleinere Wert von Rp 0;2 =3 radialer  und tangentialer Richtung  sowie r Q bei Auslegungstemperatur und Rm =4 bei Um- im Ansatz  dürfen folgende Grenzwerte f und H gebungstemperatur, fH nach Tab. 35.1 nicht überschreiten: für austenitische nichtrostende Stähle Rm =4 (35.17b) bei Auslegungstemperatur. k  H  1;5 min ff I fH g ;

35 Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen

k  r  f ;

685

0;5k .H C r /  f ;

(35.17c) mit W Auslegungsschraubenlast für den Montagezustand, fB; A Berechnungsnennspannung der (35.17d) Schrauben bei Montagetemperatur. (35.17e) b) Betriebszustand

0;5k .H C  /  f :

(35.17f)

k    f ;

Mop D HD  hD C HT  hT C HG  hG : (35.17m) Der Spannungsbeiwert k beträgt in Abhängigkeit vom Flanschinnendurchmesser B k D 1;0 für 35.7.2.1 Festflansch mit innen liegender B  1000 mm und k D 1;333 für B  2000 mm. Dichtung unter Innendruck Zwischenwerte sind wie folgt zu berechnen: (s. Abb. 35.7) Die Längsspannung im Ansatz H ist   B 2 1C : (35.17g) kD ' M 3 2000 H D (35.18a)   g12 Die Spannungen am Flansch werden aus dem mit dem Beiwert  Flanschmoment M berechnet. Für den Einbauzustand ist e 3  ˇV e  ˇF C l0 C (35.18b) D CF ˇT  l0 ˇu  l0  g02 : (35.17h) M D MA B und den Beiwerten nach Abb. 35.8, Abb. 35.9, Für den Betriebszustand ist Abb. 35.10. CF Der Beiwert ˇT berechnet sich zu: : (35.17i) M D Mop B K 2 .1 C 8;55246 log10 .K//  1 Die Gesamtmomente MA und Mop werden ˇT D : .1;0472 C 1;9448K 2 / .K  1/ wie folgt berechnet: (35.18c) a) Einbauzustand Mit dem Flanschaußendurchmesser A werden das Verhältnis K zu (35.17k) MA D W  hG ; A (35.18d) KD W D 0;5 .AB; min C AB / fB; A (35.17l) B

Abb. 35.8 Korrekturbeiwert '

35

686

L. Mörl und H. Gelbe

Abb. 35.9 Beiwert ˇF

und der Längenparameter l0 zu

Die Tangentialspannung im Flansch  beträgt p K2 C 1 ˇY  M (35.18e) l0 D B  g0   (35.18g)  D r e2 K2  1 berechnet. Die Radialspannung im Flansch r be- mit 1 trägt ˇY D K1 .1;333e  ˇF C l0 / M   : (35.18f) r D K 2 log10 .K/ 2   e  l0  0;66845 C 5;7169 : K2  1 (35.18h)

Abb. 35.10 Beiwert ˇV

35 Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen

687

35.7.2.2 Losflansch mit innen liegender Dichtung unter Innendruck Für die Losflanschverbindung (Abb. 35.11) sind die Radialspannungen im Flansch r und die Längsbeanspruchung im Ansatz H gleich Null. Die Tangentialspannung im Flansch wird wie folgt berechnet:  D

ˇY  M : e2

35

(35.19a)

Der für sämtliche Lastkomponenten einwirkende Hebelarm ist als hL anzunehmen. Es gilt Abb. 35.11 Losflansch hL D

.C  G1 / 2

(35.19b)

mit dem Schraubenlochkreisdurchmesser C und dem angenommenen Durchmesser der Belastungsreaktion zwischen Losflansch und Bund G1 . G1 D

.A2 C B2 / 2

Mop D Wop  hL MA D W  hL :

(35.19c) (35.19d) (35.19e)

Für das Flanschmoment M gelten die Gln. (35.17h) und (35.17i). Die Spannung b an der Kontaktfläche Ac wird für den Montagezustand und die Betriebsbedingungen wie folgt ermittelt: Wop ; (35.19f) b D Ac b D

W : Ac

35.7.2.3 Flansche mit innen liegender Dichtung unter Außendruck Flansche, die sowohl durch Innen- als auch durch Außendruck beansprucht werden, müssen auch für beide Zustände berechnet werden. Der Außendruck kann vernachlässigt werden, wenn der Berechnungsaußendruck Pe kleiner als der Berechnungsinnendruck P ist. Die Berechnung der Flansche unter Außendruck erfolgt analog der Berechnung unter Innendruck mit folgenden Abweichungen: a) P wird durch Pe ersetzt; P Berechnungsinnendruck, Pe Berechnungsaußendruck. b) Mop D HD .hD  hG / C HT .hT  hG / ; (35.20a) (35.20b) hD D .C  B/ =2 ;

(35.19g)

hT D .2C  B  G/ =4 ;

(35.20c)

hG D .C  G/ =2 :

(35.20d)

Wop D 0 :

(35.20e)

c)

Die Kontaktfläche Ac ergibt sich nach Gleichung (35.19h) aus dem Außendurchmesser der Kontaktfläche zwischen Losflansch und Bund A2 und dem Innendurchmesser der Kontaktfläche 35.8 zwischen Losflansch und Bund B2 .

35.8.1

Rohrleitungen Rohrdurchmesser

 ˚  Ac D min A22  G12 I G12  B22 : (35.19h) 2 Der innere Rohrdurchmesser d ergibt sich aus der Kontinuitätsgleichung mit dem Volumenstrom VP Die Spannung an der Überlappung b darf das und dem Rohrquerschnitt bei gewählter Ströq 1,5-fache des niedrigeren der zulässigen SpanP 4V = ./. nungswerte von Losflansch und Bund nicht über- mungsgeschwindigkeit  zu d D schreiten.

Bei vorgegebenem VP ist  so zu wählen, dass

688

die Rohrleitungs- und Betriebskosten niedrig sind und d den genormten Werten entspricht. Großes  bedeutet kleinen Rohrdurchmesser, kleine Armaturen, geringen Aufwand für Isolierung und Anstrich, andererseits hohe Druckverluste (größerer Aufwand für Pumpen, höhere Betriebskosten) und höheren Geräuschpegel. Wirtschaftlicher Rohrdurchmesser ergibt sich aus geringster Summe von Anlageund Betriebskosten unter Berücksichtigung des Anlage-Ausnutzungsgrads (D Betriebszeit / (Betriebszeit C Stillstandszeit)). Richtwerte für Geschwindigkeiten in [8, 9] und Tab. 35.8.

35.8.2 Strömungsverluste Bei inkompressiblen Fluiden entstehen Druckverluste, bei kompressiblen Fluiden (Gasen) Druckverluste, Volumenvergrößerungen und Beschleunigungen. Der Wärmeaustausch mit der Umgebung ist abhängig von der Isolierung. Druckverluste setzen sich zusammen aus den Verlusten in geraden Rohrstücken, in Formstücken und Armaturen (Einzelwiderstände). Ausführliche Berechnungsunterlagen s. Bd. 1, Abschn. 17.2 und [10]. Druckverluste in Stahlrohren s. Abb. 35.39 [11], in Armaturen s. Abschn. 35.9.1 und Abb. 35.40.

L. Mörl und H. Gelbe

bis T 10 Innendruckprüfung von Druckrohrleitungen für Wasser; verschiedene Werkstoffe (außer Stahl). – ISO 4200 Nahtlose und geschweißte Rohre; Übersicht über Maße. – EU-Richtlinie für Druckgeräte 97/23/EG v. 29. Mai 1997. – VdTÜV Merkblätter über verschiedene Prüfverfahren an Rohrleitungsanlagen. Maximilian-Verlag, Herford. – DVGW Arbeitsblätter für den Rohrleitungsbau im Gas- und Wasserfach. ZfGW-Verlag, Frankfurt a. M. Für genormte Bauteile von Rohrleitungssystemen, die das PN-Kenngrößensystem verwenden, gilt der Begriff PN. PN ist eine alphanumerische Kenngröße für Referenzzwecke, bezogen auf eine Kombination von mechanischen und maßlichen Eigenschaften eines Bauteils eines Rohrleitungssystems. Die Zahl hinter den Buchstaben PN ist kein messbarer Wert. Der zulässige Druck eines Rohrleitungsteils hängt von der PN-Stufe, dem Werkstoff und der Auslegung des Bauteils, der zulässigen Temperatur usw. ab. Alle Bauteile mit gleichen PN- und DN-Stufen sollen gleiche Anschlussmaße für kompatible Flanschtypen haben. Die PN-Stufen müssen ausgewählt werden aus: PN 2,5

PN 6

PN 10

PN 16

PN 25

PN 40

PN 63

PN 100

Nennweite DN ist die Kenngröße (kennzeichnendes Merkmal) für zueinander passende Teile, z. B. Rohre mit Formstücken oder mit Armaturen. 35.8.3.1 Allgemeines Wichtige Normen und Vorschriften für den Rohr- Die Nennweite DN wird ohne Einheit angegeben; leitungsbau: DIN EN 1333 Rohrleitungsteile – sie stimmt etwa mit der lichten Weite in mm überDefinition und Auswahl von PN. – DIN EN ISO ein. 6708 Rohrleitungsteile – Definition und Auswahl von DN (Nennweite). – DIN 2408 T 1 u. 35.8.3.2 Rohre aus Stahl T 2 Rohrleitungen verfahrenstechnischer AnlaAllgemeine Angaben über geschweißte Rohre aus unlegen; Planungs- und Ausführungsunterlagen. – gierten Stählen DIN 1626: Handelsgüte: für allgemeine DIN 2410 T1–T3 Übersicht über Rohrarten. – Anforderungen bei Leitungen und Behältern sowie im ApDIN EN 13480–3 Metallische industrielle Rohr- paratebau. Bis 120 °C: für Flüssigkeiten bis 25 bar, für leitungen – Teil 3: Konstruktion und Berechnung. Luft und ungefährliche Gase bis 10 bar Betriebsdruck; bis 180 °C: für Sattdampf bis 10 bar. Werkstoffe: St 33, – DIN EN 805 Wasserversorgung – Anforde- USt 37.0, St. 37.0, St. 44,0, St. 52,0. Mit Gütevorschriften: rungen an Wasserversorgungssysteme und deren für höhere Anforderungen, geeignet zum Biegen, BörBauteile außerhalb von Gebäuden. DIN 4279 T 2 deln u. Ä.; bis 120 °C: bis 64 bar, über 120 bis 300 °C auch

35.8.3 Rohrarten, Normen, Werkstoffe

35 Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen bis 64 bar Betriebsdruck, wenn Wandtemperatur in °C multipliziert mit Betriebsdruck in bar 5 7200; mit besonderem Abnahmezeugnis ohne vorgeschriebene Begrenzung. Besonders geprüfte Rohre mit Gütevorschriften: für besonders hohe Anforderungen; bis 300 °C ohne vorgeschriebene Begrenzung des Betriebsdrucks. Allgemeine Angaben über nahtlose Rohre aus unlegierten Stählen DIN 1629: Anwendungsbereiche und Werkstoffe ähnlich DIN 1626. Präzisionsstahlrohre: nahtlos (DIN 2391, für alle Drücke, 4 bis 120 mm Außendurchmesser), geschweißt (DIN 2393, für alle Drücke, 4 bis 120 mm Außendurchmesser), geschweißt und maßgewalzt (DIN 2394, bis PN 100, 6 bis 120 mm Außendurchmesser) für Verwendungszwecke mit großer Genauigkeit, besonders Oberflächenbeschaffenheit, geringe Wanddicken. Bezeichnung und Werkstoff: Rohr 30 × 2 DIN 2391 St 52 zugblank, weich, hart, weich geglüht usw. Gewinderohre, nahtlos oder geschweißt, mittelschwer (DIN 2440) und schwer (DIN 2441) aus St 33. Nahtlose Stahlrohre (DIN 2445, DIN 2448) aus verschiedenen Stählen St 33 bis St 52 (entspricht DIN 1629) mit 10,2 bis 558,5 mm Außendurchmesser. Bei gleichen Außendurchmessern geringere Wanddicken als DIN 2440, z. B. bei da D 60;3 mm nach DIN 2448 s D 2;9 mm normal (jedoch große Auswahl möglich) gegenüber s D 3;65 mm nach DIN 2440. Bis PN 100, dadurch für die verschiedensten Zwecke im Maschinen- und Apparatebau verwendbar. Geschweißte Stahlrohre (DIN 2458) aus Stählen St 33 bis ST 52-3 für alle Nenndrücke mit 10,2 bis 1016 mm Außendurchmesser und noch geringeren Wanddicken als DIN 2448, z. B. bei da D 60;3 mm s D 2;3 mm normal (jedoch ebenso große Auswahl wie DIN 2448, daher weites Anwendungsgebiet).

689

35.8.3.4 Weitere Rohrwerkstoffe Kupfer: DIN EN 12 449, DIN EN 12 451, DIN EN 12 168, für Außendurchmesser 3 mm (Wanddicke max. 1 mm) bis 419 mm (Wanddicke max. 4 mm); Werkstoff: Kupfer mit Festigkeitsangabe F 20 (B D 200 : : : 250 N=mm2 , ı5 D 40 %) bis F 37 (B D 360 N=mm2 , ı5 D 3 %), üblich F 30 (B D 290 : : : 360 N=mm2 , ı5 D 6 %). Aluminium: DIN EN 754–7, Vorzugsmaße für Rohrleitungen aus Reinst-Al, Rein-Al und Al-Knetlegierungen mit Außendurchmesser 3 mm (Wanddicke max. 1 mm) bis 273 mm (Wanddicke max. 5 mm). Polyvinylchlorid (PVC) hart für Entwässerungsanlagen, Entlüftungsleitungen, Wasser- und Gasleitungen. Allgemeine Güteanforderungen s. DIN 8061, Maße s. DIN 8062: Außendurchmesser 5 mm (Wanddicke max. 1 mm) bis 1000 mm (Wanddicke max. 29,2 mm). Richtlinien für chemische Beständigkeit s. DIN 8061 Beiblatt 1. Sonstige Kunststoffe [12]: DIN 8072 Rohre aus Polyethylen weich. – DIN 8074 Rohre aus Polyethylen hoher Dichte. – DIN 8077 Rohre aus Polypropylen. – DIN 16 868 und DIN 16 869 T 1 Rohre aus glasfaserverstärktem Polyesterharz. – DIN 16 870 und DIN 16 871 T 1 Rohre aus glasfaserverstärktem Epoxidharz.

35.8.4

Rohrverbindungen

35.8.4.1 Für Rohre aus Stahl

Flanschverbindungen (Abb. 35.12). Vorzugsweise für höhere Drücke und leicht lösbare Verbindungen. Für Stahl und Gusseisen Stahlrohre für Wasserleitungen: nahtlos und geschweißt gibt DIN 2500 eine Übersicht, Anschlussmaße (DIN 2460) aus verschiedenen Stählen: 88,9 bis 2020 mm s. DIN 2501 – T 1. Außendurchmesser. Mit geschützter Oberfläche: Außenschutz: bituminöse Stoffe mit Glasvliesband und Kalkanstrich; Innenschutz: Anstrich aus Bitumen, Leinöl, Zementmörtel oder andere Schutzfilm bildende Stoffe. Verwendung: Wasserleitungen außerhalb der Gebäude im Erdreich oder oberirdisch. Stahlrohre für Fernleitungen: für brennbare Flüssigkeiten und Gase (DIN EN 10 208–2) aus Stahl für alle Drücke, ab 100 mm Außendurchmesser.

35.8.3.3 Rohre aus Gusseisen Druckrohre aus duktilem Gusseisen (DIN EN 545, DIN EN 969) mit Schraubmuffen (Wasser bis PN 40, DN 80 bis DN 600), Stopfbuchsenmuffen (Wasser bis PN 25, DN 500 bis DN 1200), und TYTON-Muffen (Wasser bis PN 40, DN 80 bis DN 600), für Gas bis PN 1 s. a. DIN EN 969.

Normen für Flanschformen Abb. 35.12a und b: DIN 2558, DIN EN 1092-1; Abb. 35.12c: DIN EN 1092-1, -2; Abb. 35.12d: GG, GGG: DIN EN 1092-2; GS: DIN EN 1092-1, DIN 2548, DIN 2549, DIN 2550, DIN 2551; Abb. 35.12e: DIN EN 1092-1, DIN 2638, DIN 2628, DIN 2629, DIN 2627; Abb. 35.12f: DIN EN 1092-1; Abb. 35.12g: DIN 2527.

Schraubverbindungen. Stahlfittings für chemische Industrie und Schiffbau s. DIN EN 10 241. Lösbare Verschraubungen für die Verbindung mit reparaturgefährdeten Apparaten oder für möglichen Umbau mit flacher Dichtung (KlingeritDichtung) oder konischer Dichtung (direkte Metallberührung, Abb. 35.13). Hierzu auch DIN

35

690

L. Mörl und H. Gelbe

Abb. 35.12 Flanschformen. a Gewindeflansch, oval, glatt; b Gewindeflansch mit Ansatz, rund; c Flansch glatt, zum Löten oder Schweißen; d Flansch aus GGL, GS oder GGG; e Vorschweißflansch; f lose Flansche; g Blindflansch

Abb. 35.13 Rohrverschraubung. 1 Stahlrohr, 2 Überwurfmutter, 3 Dichtscheibe, 4 Innenkonus

2353. Vorteile dieser Rohrverschraubungen: Hohe Druckbelastbarkeit (bis DN 630), einfache Montierbarkeit, geringer Platzbedarf, Eignung für verschiedene Rohrqualitäten. Schweißverbindungen. Geschweißte Rohrverbindungen haben den Vorteil unveränderter Dichtheit (daher bei wichtigen Fernleitungen Schweißnaht durch Röntgenaufnahmen oder Ultraschall auf Dichtheit prüfen) und – im Gegensatz zu Flanschverbindungen – geringeren Wärmeverlust. Auch Abzweige, Richtungs- und Querschnittsänderungen aller Art werden aus Rohrteilen hergestellt. Moderne Rohranlagen haben meist nur noch an den Armaturen Flanschoder Schraubverbindungen. Bei kleinen Nennweiten (etwa unter DN 50) ist bei nicht sorgfältigem Schweißen auf Verengung des Querschnitts und damit auf Widerstandsvergrößerung zu achten. Verfahren: Gasschweißen (für unlegierte und niedriglegierte Stähle bis etwa 3 mm Wanddicke), Lichtbogenschweißen (für Wanddicke über 3 mm), Schutzgasschweißen und Unter-PulverSchweißen (für automatisierte Schweißung von Großrohrleitungen), s. DIN EN 12732 Gasversorgungssysteme – Schweißen von Rohrleitungen aus Stahl – Funktionale Anforderungen. Weitere Normen, Richtlinien und Vorschriften sind zu beachten [12]: DIN 2559 T 1 Schweißnahtvorbereitung, Richtlinien für Fugenformen. – DIN EN 1708-1 Schweißen – Verbindungselemente beim Schweißen von Stahl; Druckbeanspruchte Bauteile. – DIN EN 287-1 Prüfung von Schweißern – Schmelzschweißen. – DIN EN

Abb. 35.14 Muffenverbindungen. a Stopfbuchsenmuffe; 1 Stopfbuchsenring, 2 Dichtring, 3 Hammerschraube mit Mutter, 4 Stopfbuchsenmuffe; b Steckmuffe; c Schraubmuffe, 1 Schraubring, 2 Dichtring, 3 Schraubmuffe

729-1 Schweißtechnische Qualitätsanforderungen; Schmelzschweißen metallischer Werkstoffe; Richtlinien zur Auswahl und Verwendung. – DIN EN 25 817 Lichtbogenschweißverbindungen an Stahl.

35.8.4.2 Für Rohre aus Gusseisen Steckverbindungen (Abb. 35.14) werden für GG und GGG vorzugsweise verwendet. Strömungsrichtung vom Muffenende zum Spitzenende eines Rohrs. Vorteilhaft schnelle Montage, nachteilig genaue Rohrbaulänge erforderlich und empfindlich gegen Längskräfte. 35.8.4.3 Für Rohre aus Kupfer Flansch- und Schraubverbindungen ähnlich wie für Stahlrohre, jedoch mit anderen Druckbereichen (Festigkeit). Schweißverbindungen verbreitet.

im Apparatebau sehr

35.8.4.4 Für Rohre aus PVC und anderen Kunststoffen Flanschverbindungen s. DIN 8063, für größere Durchmesser mit losen Flanschen (meist aus Metall; Abb. 35.15).

35 Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen

691

35 Abb. 35.15 Verbindung von Kunststoffrohren

Abb. 35.16 Rohrverschraubung für PVC-Rohre. 1 Gewindebuchse, 2 Überwurfmutter aus PVC hart oder aus Temperguss (GTW) bzw. Cu-Zn-Legierung, 3 Flachringdichtung, 4 Bundbuchse, eingeklebt

Schraubverbindungen 8063.

Abb. 35.17 Einfache Dehnungsausgleicher. a Rohrschenkel; b Z-Bogen; c U-Bogen

(Abb. 35.16) s. DIN

Schweiß- und Klebverbindungen. Verfahren s. DIN 19 533. PVC meist heißluftgeschweißt mit Zulagestab, PE durch Aufschmelzen. PVC auch klebbar mit vorgeformten oder angeklebten Klebmuffen (ähnlich Lötmuffen). Klebemittel meist Lösungskleber (Tetrahydrofuran). PE ist nicht Abb. 35.18 Temperaturbeiwert zur Umrechnung der Festpunktkräfte klebbar.

35.8.5 Dehnungsausgleicher

spannung und dem Biegeradius R D 5d , Umrechnungen auf andere Temperaturen und Werkstoffe s. Abb. 35.18.

Dehnungsausgleicher dienen zur Aufnahme von thermisch bedingten Längenänderungen U-Rohrbogen: Fu D 10Il=.l 3C / in N. Ge(s. Gl. (35.3a) u. Abb. 35.41) zwischen zwei samtdehnung zwischen den Festpunkten l in cm, axiales Flächenträgheitsmoment des Rohrs I Festpunkten. Konstruktiv unterscheidet man: in cm4 und Beiwert C nach Abb. 35.19a. 35.8.5.1 Dehnungsausgleich durch Rohrverlegung (ohne Rohrschenkel: Fx D b1 I = l 2 , Fy D b2 I = l 2 in Zusatzelemente, Abb. 35.17) N. Festpunkte möglichst an Armaturen. Bei großen Temperaturunterschieden Rohre mit Vor- Z-Bogen: Fx D b3 I = l 2 , Fy D b4 I = l 2 in spannung entgegen Wärmedehnung montieren N. Für beide gilt I in cm4 , l D lx C ly in (z. B. für Druckkräfte bei warmgehender Leitung m als Gesamtlänge der Schenkel, d. h. l D Montage unter Zugbelastung). Übliche Vorspan- 2l1 C l2 in Abb. 35.17b, Beiwerte b1 bis b4 nach nung gleich 50 % der zu erwartenden Kraft [13]. Abb. 35.19b. Rohrschenkelausladung l für Stahl mit Rohraußendurchmesser D und p Rohrlängenän- 35.8.5.2 Dehnungsausgleich durch besondere Bauelemente [14] derung l p ist l D 0;0065 Dl, für Kupfer l D 0;0032 Dl, Berechnung s. [11]. Lyra-Bogen (Abb. 35.20a) sind wie U-Bögen Näherungsweise Berechnung der Festpunkt- sehr betriebssicher und wartungsfrei, jedoch sehr kräfte. Sie erfolgt mit Zahlenwertgleichungen platzaufwändig; für Leitungen im Gelände gefür St 35, die Temperatur 400 °C, mit 50 % Vor- eignet. Ausführung in glatten, gewellten oder

692

L. Mörl und H. Gelbe

Abb. 35.19 Beiwerte zur Berechnung der axialen Rohrkraft. a U-Bogen; b Z-Bogen und Rohrschenkel

gefalteten Rohren. Möglichst so anordnen, dass Bleilamellen-Asbest für Gas) sind nachzudichder Scheitelpunkt der Lyra sich selbst nicht ver- ten. schiebt, jedoch als Lospunkt befestigen. Festpunktkräfte wie beim U-Bogen.

35.8.6 Balg-Kompensatoren sind wartungsfreie Dehnungsausgleicher mit geringstmöglichem Platzbedarf. Linsenkompensatoren mit wenigen aber hohen Wellen für sehr große Durchmesser (um DN 5000), Ein- und Mehrlagenbälge (Abb. 35.20b) mit vielen niedrigen Wellen aus ein- oder mehrlagigen kaltverformten Stahlblechen mit großem Dehnungsvermögen für hohe Drücke (DN 600: PN 100, DN 250: PN 250).

Rohrhalterungen

Ihre Aufgabe ist die betriebssichere Befestigung von freiliegenden Rohrleitungen, bezogen auf das Rohr und die Umgebung (z .B. Gebäude).

Aufhängungen sollen die Leitung tragen, das Gefälle genau einrichten lassen und eine gewisse Bewegung ermöglichen. Konstruktionen reichen bis zu „Konstanthängern“, bei denen die Aufhängekraft in Abhängigkeit von der Dehnung über Gummi-Kompensatoren (Abb. 35.20d) ver- Druckfeder und Kniehebelsystem konstant gehalschiedener Ausführungen für DN 40 bis DN 400 ten wird. und Temperaturen bis 100 °C bei PN 10. Stützen haben dieselbe Funktion wie AufhänGelenk-Kompensatoren übernehmen außer gungen mit dem Unterschied der Kraftableitung Axialdehnungen auch Querverformungen. Beim nach unten, Abb. 35.21. Einbau Axialkräfte beachten! Festpunkte dienen zum eindeutigen Festlegen Gleitrohr-Kompensatoren (Abb. 35.20c) sind der Dehnungsrichtungen, sie nehmen Kräfte und vorgefertigt. Das Degenrohr wird geschlichtet, Momente auf. Die auf den Festpunkt wirkende manchmal auch hartverchromt, damit der Rei- Kraft ist meist Resultierende verschieden gerichbungswiderstand gering ist. Packungswerkstoffe: teter Kräfte. Dauerelastische Perbunandichtungen sind wartungsfrei und für fast alle Medien verwend- Führungen mit der Funktion von Lospunkbar, plastische Dichtungen (Hanftalg für Wasser, ten zur Ergänzung der Festpunkte erlauben

Abb. 35.20 Dehnungsausgleicher. a Lyra-Bogen; b Axial-Kompensator mit Innenrohr (Balg-Kompensator); c Gleitrohr-Kompensator; d Gummi-Kompensator

.

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35 Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen

695

35

Abb. 35.21 Rohrunterstützungen. a Rohrwagen; b Rollenlager; c Gleichschelle; d Walzenlager; e Pilzkopf Abb. 35.22 Grundformen der Absperrorgane. a Ventil;

Axial- und teilweise auch Drehbewegungen, b Schieber; c Hahn; d Drehklappe im Rohr; e Klappe auf Abb. 35.21 [14]. Rohrstutzen; f einklappbare Scheibe; g Ventil mit Membranabschluss; h tropfenförmiger Körper im Rohr

35.9 Absperr- und Regelorgane 35.9.1 Allgemeines 35.9.1.1 Funktion Armaturen (Rohrschalter) in Rohrleitungen dienen als: Absperrorgane, die die Strömung eines Fluids unterbinden. Sie müssen dicht absperren und so schließen, dass die Geschwindigkeit nicht schlagartig null wird, um Stoßbeanspruchungen zu vermeiden (Ausnahme: Schnellschlussschieber);

parallel zur Strömungsrichtung einen zylindrischen Ringquerschnitt als Strömungsquerschnitt frei, Abb. 35.22a. Ventilähnliche Absperrorgane, in denen wegen besonders günstiger Strömungsverhältnisse oder besonderer Aggressivität des Fluids eine Membrane zusammengedrückt wird, sind Membranventil (Abb. 35.22g) und Ringkolbenventil (Abb. 35.22h) mit rotationssymmetrischer Strömungsführung. Schieber: Der Absperrkörper (kreisförmige Platte mit parallelen oder keilförmig gestellten Flächen) gibt bei Bewegung quer zur Strömungsrichtung einen teilmondförmigen bis kreisförmigen Strömungsquerschnitt frei, Abb. 35.22b.

Regelorgane (Stellglieder), die den VolumenHähne oder Drehschieber: Der Absperrkörper strom in Abhängigkeit von einer zu regelnden (eingeschliffener Kegelstumpf oder Kugel mit Größe beeinflussen sollen; Querbohrung) wird um seine Achse quer zur Strömungsrichtung gedreht und gibt einen linsenSicherheitsorgane, die bei unzulässigem Über- bis kreisförmigen Querschnitt frei, Abb. 35.22c. druck einen Querschnitt zur Druckentlastung freigeben. Klappen: Eine zunächst senkrecht zur Strömungsrichtung stehende Scheibe wird um eine Achse in der Scheibe in eine Stellung parallel zur Rohrachse geschwenkt und gibt damit Man unterscheidet bei den Armaturen (DIN den ganzen Rohrquerschnitt frei oder bleibt im EN 736-1): Rohrquerschnitt parallel zur Rohrachse stehen, Abb. 35.22d–f. Ventile: Ein Absperrkörper (Platte, Kegel, KolSchieber und Hähne mit vollständig zu öffben, Kugel) gibt mit einer Abhebebewegung nenden Kreisquerschnitten sind für den Einsatz

35.9.1.2 Bauarten (Übersicht)

696

L. Mörl und H. Gelbe

von Molchen (durchziehbare Körper) geeignet, Stahl: C 20 für gesenkgeschmiedete Gehäudie zur Trennung von verschiedenen geförderten se, Aufsätze und Klappschrauben, schweißFluiden oder zur Reinigung dienen. bar; 50 CrV 4 für Flansche, Spindel, Schrauben und Muttern bis 520 °C, bedingt schweißbar; X 20 Cr 13 für Teile in Armaturen mit starker 35.9.1.3 Werkstoffe Der Werkstoff für das Gehäuse wird gewählt mechanischer Beanspruchung, kaum schweißentsprechend den Anforderungen des strömen- bar; X 10 CrNiTi 18.9 mit sehr guter chemiden Fluids (Erosion, Korrosion), der Betriebs- scher Beständigkeit (organische und mineralische temperatur (Warmfestigkeit) und dem Betriebs- Säuren), schweißbar; X 10 CrNiMoTi 18.10 bei druck (Festigkeit, eventuell Schwellfestigkeit). starkem Säureangriff und höheren Temperaturen, Auswahl metallischer Werkstoffe in DIN 3339. auch für Kältearmaturen bis 200 °C, schweißEtwa 80 % aller Gehäuse werden gegossen, vor- bar. wiegend aus Grauguss, aber auch aus Stahlguss und Nichteisen-Gusswerkstoffen (Messing und Rotguss in der Installationstechnik). In der chemischen und Wasseraufbereitungstechnik ist eine starke Zunahme von Gehäusen aus Kunststoff (meist gepresst) zu verzeichnen. Ein Teil der Armaturen wird aus Stahl im Gesenk geschmiedet hergestellt (Hochdruck). Einen Überblick über Vor- und Nachteile der einzelnen Bauarten zeigt Tab. 35.6. Grauguss: für Wasser, Dampf, Öl und Gas, mit Gummi- oder Emailauskleidung für aggressive Medien; GGL-20 bis PN 16 bei 120 °C, GGL-25 bis PN 16 (25) bei 300 °C; GGG-45 bis 70 für Speisewasser und Frischdampf bis PN 40 bei 450 °C. Stahlguss: GS-C 25 für Dampf, Wasser und Heißöl bis PN 320 bei 450 °C, gut schweißbar; GS-20 MoV 84 für Dampf und Heißöl bis PN 400 bei 550 °C, schweißbar; GS-X 12 CrNiTi 18.9 für säurefeste und heiße Armaturen.

Nichteisenmetalle: G–Cu 64 Zn, G–CuSn 10, G–CuSn 5 Zn 7, G–AlMg 3 und andere für Trinkwasserarmaturen, physiologisch einwandfrei, AlLegierungen seewasserfest (Schiffbau), auch in der chemischen Industrie. Kunststoffe und andere: PVC hart, Polyamide, PTFE und Silikone sowie keramische Stoffe in der chemischen Industrie, der Sanitärtechnik usw.

35.9.1.4 Hydraulische Eigenschaften Armaturen verursachen bei scharfen Umlenkungen (Ventile) große Druckverluste, was beim Einsatz als Regelorgane erwünscht ist. Widerstandsziffer R und Geschwindigkeit  werden auf den Anschlussquerschnitt AR bezogen. Der Volumenstrom VP ergibt sich aus dem Strömungsdruckverp lust p D R % 2 =2 zu VP D AR 2p=.% R /. Bei großen Reynolds-Zahlen (Re > 105 ) ändert sich R nur noch wenig ( R -Werte s. Abb. 35.40). Für vollständig geöffnete Absperrorgane kann

R D 0;2 : : : 0;3 angenommen werden [15].

Tab. 35.6 Vor- und Nachteile der einzelnen Bauarten Eigenschaft Strömungswiderstand Öffnungs-/Schließzeit Verschleißverhältnis des Sitzes Eignung für Richtungswechsel der Strömung Baulänge Bauhöhe Verwendungsbereich bis Eignung für Drosselung

Ventile mäßig mittel gut mäßig groß mittel mittlere DN höchste PN sehr gut

Schieber niedrig lang mäßig gut klein groß größte DN mittlere PN schlecht

Hähne niedrig kurz schlecht gut mittel klein mittlere DN mittlere PN mäßig gut

Klappen mäßig mittel mäßig schlecht klein klein größte DN nur kleine PN gut

35 Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen

697

Der in VDI-VDE-Richtlinie 2173 für Stellventile und in VDI-VDE-Richtlinie 2176 für Stellklappen definierte kv -Wert ist für die Regelungstechnik wichtig (s.~Teil X und [16]). Dabei sind die Ventilkennlinien bei konstantem p im Ventil zu unterscheiden von den Betriebskennlinien, die durchflussabhängig vom Verhältnis des Ven- Abb. 35.24 Sitz eines Schrägventils mit Vorhub tildruckverlustes zum Gesamtdruckverlust der Bei großen Sitzquerschnitten ist ein VorRohrleitung beeinflusst werden [17]. hubventil zur Verminderung der Öffnungskraft zweckmäßig, Abb. 35.24. Ein Hochdruck-Regel35.9.2 Ventile ventil zeigt Abb. 35.25. Es ist geschmiedet, Drosselkegel und Spindel sind aus einem Stück, die Unabhängig von ihrer Funktion werden Venti- Spindel ist im selbstdichtendem Deckel geführt, le als Gerad-, Schrägsitz- oder Eckventile aus- strömungsgünstige Gehäuseform, Spindelmutter geführt. Geradsitzventile (Abb. 35.23): günstige drehbar gelagert (Höhe des Handrads konstant). Anordnung in Rohrleitungssystemen, gute Bedienbarkeit und Wartung, gleichmäßige Belas35.9.2.1 Ventilbauformen mit tung der Ventilbauteile, aber hoher Druckverlust. unterschiedlicher Funktion Schrägsitzventile (Abb. 35.24): niedrige Widerstandsziffer R . Eckventile: Vorteile, wenn zusätzlich Funktion eines Krümmers erwünscht, Wechselventil: Für einen Fluidstrom, der wechaber höhere Druckverluste. Abmessungen von selweise in zwei Leitungen geführt werden soll. Armaturen s. DIN EN 558. Bauelemente von Rückschlagventil (Rückflussverhinderer): FlüsVentilen (Abb. 35.23): Ventilgehäuse 1 (Guss-, sigkeitsstrom nur gegen Feder- oder GewichtsSchmiede-, Schweiß- oder Presskonstruktion); kraft möglich. Druckminderventil: Vordruck wird Ventilteller 2 mit Sitzringen (plattenförmig, kege- auf einstellbaren Hinterdruck (Minderdruck) relig oder parabolisch); Sitzringe aus Gummi, GG, duziert, wobei dieser unabhängig von VorCu-Legierungen, hochlegierten Stählen, Stellit oder Nitrierstahl je nach Fluid, Druck und Temperatur; Ventilspindel 3 und Mutter 4; Stopfbuchse 5 zur Abdichtung der Spindel; Ventil- bzw. Spindelantrieb 6 (Handrad, elektromotorischer, hydraulischer, pneumatischer oder elektromagnetischer Antrieb mit Fernbedienung).

Abb. 35.23 Geradsitzventil (J. Erhard)

Abb. 35.25 Hochdruck-Regelventil, geschmiedet nach Sempell. 1 Drosselkegel, 2 Spindelführung, 3 Deckel, selbstdichtend, 4 Uhde-Bredtschneider-Dichtung mit 5 geteiltem Ring, 6 Ventilstangenanzeige, verhindert Mitdrehen der Spindel, 7 drehbare Spindelmutter

35

698

L. Mörl und H. Gelbe

35.9.3 Schieber Anwendungsbereich. Große Nennweiten, hohe Strömungsgeschwindigkeiten, kleine bis mittlere Nenndrücke, kleine Baulängen (s. DIN EN 558). Abb. 35.26 Druckminderer in Axialbauweise (Samson). 1 Muffennippel, 2 Sollwerteinstellung, 3 Feder, 4 Abdichtungsmetallbalg, 5 Kegel, 6 Arbeitsmembran, 7 Sitz, 8 Anschlussnippel

Abb. 35.27 Thermisch wirkender Kondensatableiter mit Membranregler (GESTRA AG). 1 Gehäuse, 2 Regelmembran, 3 Gehäusedeckel, 4 Rückschlagkegel, 5 Schmutzfänger, 6 Siebträger

druck- und Durchflussänderungen mit großer Genauigkeit gleich groß gehalten wird. Beispiel (Abb. 35.26): Fällt der Hinterdruck bei steigendem Durchfluss oder fallendem Vordruck oder wird der Sollwert erhöht, so bewegen sich Membrane 6 mit Sitz 7 nach rechts und geben einen größeren Querschnitt frei. Schwimmerventil: Angelenkter Schwimmkörper hebt oder senkt Ventilspindel bzw. Ventilteller. Kondensatableiter (Abb. 35.27): Ableitung der flüssigen Phase (z. B. Wasser aus Sattdampfapparaten), Schwimmerableiter, thermischer Ableiter, thermodynamischer Ableiter. Sicherheitsventil: Verhindert Steigen des Betriebsdrucks über zulässigen Druck, Ansprechdruck gleich zulässiger Betriebsüberdruck, Gewichtsbelastung (sehr genau) oder Federbelastung (Ventilkraft wird durch Druckfeder beim Anheben größer). Schnellschlussventil: Zum Abschluss von Leitungen bei Rohrbruch oder ähnlichen Schadensfällen. Direkte Schließbewegung durch Feder-, Gewichts- oder pneumatische Kraft (Ruhestromprinzip).

Bauelemente. Entsprechen bis auf Sitz und Dichtung denen des Ventils (s. Abb. 35.23). Einen einfachen Absperrschieber zeigt Abb. 35.28, mit innenliegender Spindelmutter (Gefahr des Festfressens durch Schmutz und hohe Temperaturen), O-Ringabdichtung statt Stopfbuchse. Bauformen (Abb. 35.29). Nach der Form des Kopfstückflansches unterscheidet man Rundschieber (große Baulänge, hohe Druckfestigkeit des Deckelstutzens), Ovalschieber (verkürzte Baulänge, geringe Druckfestigkeit oder größere Wanddicken) und Flachschieber (weitere Verringerung der Baulänge, oft Verstärkung des Deckelstutzens mittels Rippen, vorzugsweise bei großen Nennweiten). Überblick über Werkstoffe und Einsatzgrenzen von Schiebern s. DIN 3352 und [15]. Im Gegensatz zu Ventilen sind Schieber immer für beide Strömungsrichtungen geeignet, sie lassen sich aber nur als Absperrorgane einsetzen. Generell Durchgangsform (keine Eckform). Große Bedeutung kommt der Form der Abdichtung zu, da die Spindelkraft nicht direkt auf die Dichtflächen wirkt.

Abb. 35.28 Absperrschieber. 1 Dichtkeil, 2 Gehäuse, 3 Kopfstück, 4 Spindel, 5 Verschlussmutter, 6 Spindelmutter, 7 Abschirmring, 8 Gleitring, 9 Sechskantschraube, 10 bis 12 O-Ringe, 13 Zylinderkerbstift

35 Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen

699

Betätigung der Schieber von Hand, auch mit Übersetzungsgetriebe, elektromotorisch mit Getriebe oder mit hydraulischem bzw. pneumatischem Kraftkolben. Normen. -13.

35.9.4

Abb. 35.29 Formen der Schieberabdichtung. a Plattenschieber; b Scheibenabschlussschieber; c Keilschieber; d Doppelplattenparallelschieber; e Doppelplattenkeilschieber

Abb. 35.29a: Einfache Konstruktion; eine Platte wird im abgesperrten Zustand durch Überdruck angedrückt. Dichtwirkung gering, bei Hubbewegung wegen Gleitreibung Verschleißgefahr; Anwendung bei Ferngasleitungen. Abb. 35.29b: Gelochte Scheibe gibt bei Hubbewegung Öffnung frei. Gegebenenfalls mittels Federn gespannte Dichtungen; Anwendung bei Gas und Öl (auch mit Staub verunreinigt). Abb. 35.29c: Häufige Konstruktion; die Absperrung erfolgt durch Einschieben eines starren, keilförmigen Abschlusskörpers in den Durchgang des Gehäuses. Der Spindeldruck verstärkt die Dichtwirkung. Wird viel verwendet im Kleinund Mitteldruckbereich. Abb. 35.29d: Zwei parallel laufende Dichtplatten werden am Ende der Schließbewegung durch Kniehebel- oder Keilwirkung auf die Sitze gepresst. Dadurch erheblich kleinere Gleitbewegung und geringerer Verschleiß. Abb. 35.29e: Verbesserte Form des Keilschiebers; zwei gegeneinander bewegliche und keilförmig angeordnete Dichtplatten werden über ein halbkugelförmiges Druckstück am Ende der Schließbewegung mit großer Kraft auf die Sitzflächen gepresst. Eine robuste Bauart mit hoher Dichtkraft und geringem Verschleiß bis PN 400.

DIN 3352-1, -2, -3, -4, -5, -11, -12,

Hähne (Drehschieber)

Ihre Vorteile sind einfache und robuste Bauweise, geringer Platzbedarf, rasche Schließ- und Umschaltmöglichkeit, geringe Strömungsverluste, mögliche Ausbildung als Mehrwegehahn mit mehreren Anschlussstutzen. Nachteilig sind die großen Dichtflächen, die aufeinander gleiten, und der dadurch bedingte Verschleiß. Die Reibungskräfte sind je nach Vorspannung des Dichtkegels (Hahnküken), Bearbeitungsgüte der Dichtflächen, Schmiermittel sowie Art und Temperatur des Fluids recht hoch. Zur Gruppe der Kegelhähne gehören weiter der Packhahn, besonders in der chemischen Industrie für giftige Medien (Gehäuse unten geschlossen, Hahnküken durch Packung und Stopfbuchsbrille abgedichtet und festgehalten), der Schmierhahn für aggressive, dickflüssige und verunreinigte Medien in Kokereien sowie der petrochemischen Industrie (das Hahnküken wird hier über eine Nut und Schmierstoffkammer geschmiert), der Leichtschalthahn für zähflüssige Medien wie Latex (das Hahnküken wird hier vor dem Drehen etwas angehoben und nach dem Drehen wieder in den Sitz gedrückt), der Mehrwegehahn, z. B. Dreiwege- oder Vierwege-Hahn, zum Umschalten in verschiedene Strömungsrichtungen. Eine wesentliche technische Weiterentwicklung ist der Kugelhahn, Abb. 35.30. Der Dichtkörper ist hier eine Kugel mit einer zylindrischen Bohrung für geraden Strömungsdurchgang praktisch ohne jeden Widerstand (Widerstandsziffer

R D 0;03 bei vollständig geöffnetem Kugelhahn, das entspricht dem Widerstand eines etwa gleich langen Rohrstücks). Solche Kugelhähne werden gebaut von DN 80 bis DN 1400 für PN 10 bis PN 64.

35

700

Abb. 35.30 Kugelhahn für Großleitungen (J. Erhard)

35.9.5 Klappen

L. Mörl und H. Gelbe

wendet anstelle von Ovalschiebern in Trinkwasser- und Gasfernleitungen. Sie schließen tropfdicht ab wie Schieber. Klappen werden gebaut für größte Nennweiten (DN 5300), allgemein für PN 4 bis DN 2400 und für PN 16 bis DN 1200. Der Platzbedarf ist nicht viel größer als der Rohrquerschnitt. Antrieb der Klappe von Hand, elektromotorisch über Stirnradsegment- oder Schneckengetriebe oder mittels hydraulischem Kraftkolben und gegebenenfalls Fallgewicht zum Verstärken oder zum Ausgleich der Strömungskräfte. Im Allgemeinen wird die Klappe so angeordnet, dass die stromauf zeigende Scheibenhälfte beim Schließen nach unten geht (Verstärken der Schließkraft durch hydrostatische Wirkung). Rückschlagklappen dienen als Sicherheitsorgan; die Klappenscheibe wird von der Strömung offengehalten. Bei Stillstand oder Druckumkehr schließt sie, unterstützt vom Fallgewicht, gegebenenfalls abgebremst durch Ölbremse.

Die ähnlich Abb. 35.31 gebauten Klappen werden als Absperr-, Drossel-, seltener als Sicherheitsklappen, in der Wasserversorgung (Pumpwerke, Filteranlagen), im Kraftwerkbau (Kühlkreise), in der chemischen Industrie (Betriebswasser, auch saure und alkalische Medien) und in der Abwassertechnik (Kläranlagen, Pumpwerke) eingesetzt. In steigendem Maße werden sie ver- 35.10

Dichtungen

Dichtungen sollen das Hindurchtreten von Fluiden durch die Fugen miteinander verbundener Bauteile (normalerweise Flansche s. Abschn. 35.7.2) verhindern. Sie müssen leicht verformbar sein, um Rauigkeiten der Dichtflächen auszugleichen, und ausreichende Festigkeit haben, dem Anpressdruck und dem Innendruck standzuhalten. Auf Temperatur- und chemische Beständigkeit ist zu achten, ebenso darauf, die elektrochemische Zersetzung von Metalldichtungen oder der Berührungsflächen durch elektrochemische Anodenbildung zu vermeiden. Einen Überblick über Dichtungen, ihre Funktionen und Benennungen gibt DIN 3750.

35.10.1

Berührungsdichtungen an ruhenden Flächen

Abb. 35.32 gibt einen Überblick der wichtigsten Dichtungsarten. Sie unterscheiden sich nach a) unlösbar oder bedingt lösbar (bl) und Abb. 35.31 a Drosselklappe nach Bopp & Reuther; b linsenförmige Platte mit Dichtringen aus Gummi, Dichtung b) lösbar. Dazwischen liegen 1 Stoffschlussverbindungen mit Dichtmassen oder Klebern. aus nichtrostendem Stahl im Gehäuse

35 Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen

701

35

Abb. 35.33 Flachdichtungen und Flanschdichtflächen [19]. a Flansch mit glatter Arbeitsleiste und Flachdichtung nach DIN EN 1514-1 (PN1 6, 10, 16, 25, 40); b Flansch mit Nut und Feder nach DIN 2512 und Flachdichtung nach DIN EN 1514-1 (PN10, 16, 25, 40, 64, 100); c Flansch mit Vor- und Rücksprung nach DIN EN 1092-1 und Flachdichtung nach DIN EN 1514-1 (PN10, 16, 25, 40, 64, 100)

Abb. 35.32 Dichtungen an ruhenden Flächen [18]

Zu der Gruppe a) gehören: 2 Schweißverbindung, 3 Schweißlippendichtung (bl), 4 Presspassung (bl), 5 Walzverbindung. Zu der Gruppe b) gehören: 6 Flachdichtung (weich oder hart), 7 dichtstofflose Verbindung, 8 Mehrstoffflachdichtung, 9 Schneidendichtung (plastische Verformung), 10 fließende Dichtung, 11 Runddichtung (O-Ring aus Weichstoff oder Metall, elastische Verformung), 12 Hartstoffdichtung (ring joint, elastisch), 13 selbsttätige Weichdichtung (Pressung durch Innendruck), 14 selbsttätige Hartdichtung (Delta-Ring), 15 bis 17 Stopfbuchsartige Dichtungen. Ausführungsformen der Dichtungen mit Dichtungskennwerten nach DIN 2505 s. Tab. 35.7. Flachdichtungen sind Scheiben, Ringe oder Rahmen, die sich mit ihrer ganzen Breite der Dichtfläche anpassen. Sie bestehen entweder aus einem einheitlichen Werkstoff oder anorganischen Füllstoffen und einem Elastomer als Bindemittel, aus mehreren Werkstoffen wie kaschierte Metall(Al, Cu)-Folien oder verbunden mit Stahlblech oder ganz aus Metall (s. Abschn. 35.7.1). Flachdichtung als Flanschdichtung s. Abb. 35.33.

schnittsform nicht mit ihrer ganzen Breite aufliegen, wodurch eine höhere Flächenpressung bewirkt wird. Sie bestehen aus elastomeren Werkstoffen, Weichmetall oder kombinierten Werkstoffen und sind – je nach Werkstoff – für hohe Drücke (PN 400) und hohe Temperaturen (etwa 500 °C) geeignet (nur zum einmaligen Gebrauch). Rundschnurdichtungen (O-Ringe) sind Ringe mit Kreisquerschnitt aus elastischen Werkstoffen oder Metallen, die aufgrund geringer Vorspannung beim Einbau, unterstützt vom Betriebsdruck, abdichten (Abb. 35.32, 11 und 13). Abmessungen .d1 D 2 : : : 800 mmI d2 D 1;6 : : : 10 mm/. Anwendung: Öle, Wasser, Luft, Glykogemische bei 50 bis C 200 ı C und mittleren Drücken (zum mehrmaligen Gebrauch geeignet).

Hochdruckdichtungen. a) DN klein (Rohre): (s. Tab. 35.7) Kammprofildichtung, Ring-JointDichtung (häufiges Öffnen), Linsendichtung; b) DN groß (Apparateflansche): (s. Abb. 35.32) Delta-Ring 14, Spaltdichtung 17 oder nach Abb. 35.34a Doppelkonusdichtung selbsttätig mit 0,3 bis 1 mm Aluminiumfolie als Zwischenlage und Uhde-Bredtschneider-Dichtung Profildichtungen (Abb. 35.32, 9 und 10) sind (Abb. 35.34b), druckunterstützt, benötigt keine Scheiben oder Ringe, die wegen ihrer Quer- Schrauben und teuren Flansche.

702

L. Mörl und H. Gelbe

Abb. 35.35 Stopfbuchsendichtung (Goetze)

Abb. 35.36 Packungsraumtiefen für Lamellenpackungsringe (Goetze)

Abb. 35.34 a Doppelkonusdichtung; b Uhde-Bredtschneider-Dichtung. 1 Deckel, 2 Keildichtring, 3 Behälterkopf, 4 geteilter Ring, 5 Vorspannschrauben, 6 Halteschrauben, 7 Haltering

35.10.2 Berührungsdichtungen an gleitenden Flächen Stopfbuchsendichtungen (Packungen) Packungen sind Dichtelemente, die gegeneinander bewegte Zylinderflächen gegen Flüssigkeiten und Gase abdichten. Die Stopfbuchsendichtung (Abb. 35.35) besteht aus dem feststehenden Teil 1 des Gehäuses mit Stopfbuchsraum, dem Dichtmaterial 2 (Packung), der mit dem Gehäuse verschraubten Brille 3 (Flansch oder Gewinde; nachspannbar), der Zwischenlaterne 4 (gegebenenfalls für Schmierölverteilung) sowie der rotierend oder axial beweglichen Welle oder Spindel 5. Packungen sind verwendbar für relativ geringe Gleitgeschwindigkeiten (bis etwa 0,3 m=s), hohe Temperaturen (bis etwa 520 °C, hohe Drücke (bis etwa 300 bar) und Wellendurchmesser 10 bis 200 mm; Außendurchmesser der Packung 18 bis 245 mm (bis 800 mm für Dehnungskom-

pensatoren in Gasleitungen). Dichtungsprinzip: Verschraubung in axialer Richtung bewirkt Querverformung und Anpressen an die zylindrischen Dichtflächen. Breite von Weichstoffpackungen D p p d für kleine und D 2 d für große Spindeldurchmesser d. Lamellenpackungsringe (Abb. 35.36): Aus gewellten, schichtweise in Asbest bzw. Baumwolle eingebetteten Metalleinlagen wie Weichblei, Kupfer, Nickel oder Chromstahl. Die Ringe sind schräg geschlitzt, sie lassen sich so aufbiegen und um die Welle legen. Bei mehreren Ringen Fugen versetzen. Bei Gasen Dichtung mittels Schmieröl verbessern und damit Reibung verringern. Blei- oder Kupfer-Hohlring (Abb. 35.37a): Ungeteilt oder zweigeteilt. Blei- oder Kupfermantel mit Graphitschmierstoff gefüllt, der selbstschmierend durch kleine Radialbohrungen austritt; geschliffene Gleitflächen erforderlich, Anwendung z. B. in hydraulischen Presspumpen. Folien-Packungsringe: Baumwollkern, mit AlFolie umwickelt.

35 Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen

703

35.10.2.1 Gleitringdichtungen Axiale und radiale Gleitringdichtungen haben Stopfbuchspackungen bei rotierenden Wellen zunehmend verdrängt. Abb. 35.38 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Axial-Gleitringdichtung. Beherrschbar 5 bis 500 mm Wellendurchmesser, 105 bar bis 450 bar Druck, über 100 m=s Umfangsgeschwindigkeit, 200 bis Abb. 35.37 Packungsringe (Goetze). a Hohlring, 1 Blei ı C Temperatur. Gestaltungsvarianten, C450 oder Kupfer, 2 Graphit-Schmierstoff, 3 Radialbohrungen; Leckverluste, Gleitringverschluss, Reibungsverb Keilmanschettenring, 1 Keilring, 2 Weichstoffeinlage, 3 Manschettenring luste, Betriebssicherheit, s. [18, 20]. Keilmanschetten-Packungsringe (Abb. 35.37b): Axiale Spannkraft wird aufgrund der Keilform auf die Lauffläche übertragen. Einwandfreie Fremdschmierung erforderlich. Geeignet für sehr hohe Drücke (über 400 bar) bei Autoklaven, Press- und Höchstdruckpumpen.

Abb. 35.38 Axial-Gleitringdichtung (Burgmann). 1 Rotierender Gleitring, 2 stationärer Gegenring, 3 Druckfeder, 4 Unterlegring, 5 Dichtring, 6 Lagerring

35

704

L. Mörl und H. Gelbe

Anhang Tab. 35.7 Dichtungskennwerte für Gase und Dämpfe nach DIN 2505 [21] Dichtungsart

WeichstoffDichtungen

Dichtungs- Benennung form

Spiral-Asbestdichtung

Asbest/Stahl

Dichtungskennwerte Vorverformen Betriebszustand k0 k0  K D k1 mm N/mm mm – 2bD 0,5 bD – 25 bD 1,1 bD   5 200 – bD pb h bD 0;5C p D D bD hD – 50 bD 1,3 bD

Welldichtring

Al Cu, Ms weicher Stahl Al Cu, Ms weicher Stahl –

– – – – – – 1  bD

30 bD 35 bD 45 bD 50 bD 60 bD 70 bD –

0,6 bD 0,7 bD 1 bD 1,4 bD 1,6 bD 1,8 bD bD + 5

Metall-Spießkantdichtung –

1

–

5

Metall-Ovalprofildichtung –

2

–

6

Metall-Runddichtung

–

1,5

–

6

Ring-Joint-Dichtung

–

2

–

6

Linsendichtung nach DIN 2696 Kammprofildichtung nach DIN 2697

–

2

–

6

–

p 0;5 Z –

Flachdichtungen nach DIN EN 1514-1

Werkstoff

Gummi PTFE It

MetallWeichstoffDichtungen

Blechummantelte Dichtung Metalldichtungen

Metall-Flachdichtung

9 C 0;2  Z

35 Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen

705

Tab. 35.8 Richtwert für Geschwindigkeiten in m=s [8] Heißdampf ( D 0;025 m3 =kg) Heißdampf ( D 0;02 m3 =kg) Sattdampf, auch Leitungen in Kolbenmaschinen Gas (Fernleitungen) Gas (Hausleitungen) Luft (Normzustand) Pressluft Öl (Fernleitungen) a Brennstoffleitungen in Verbrennungskraftmaschinen Schmierölleitungen a in Verbrennungskraftmaschinen Wasser Saugleitung von Pumpen b Druckleitung von Pumpen Hausleitungen Fernleitungen für Wasserturbinen a b

35 50 15 5 1 10 2 1 etwa 20 0,5. . . 0,5. . . 1,5. . . 1,5. . . 1,5. . . 2. . .

Viskosität beachten! Kavitationsgefahr!

Abb. 35.39 Druckverluste in Stahlrohren DIN 2448 für Kaltwasser (+10 °C) [11]

. . . 45 . . . 60 . . . 25 . . . 10

35 . . . 20

. . . 40 . . . 10 ...2 1 1. . . 2. . . 2,5 3,5 4. . .

2 4

8

706

L. Mörl und H. Gelbe

Abb. 35.40 Widerstandszahl R . a von Absperrschiebern mit Reduzierstücken; b von Ventilen und Klappen nach [15]

Abb. 35.41 Längenänderung verschiedener Werkstoffe in Abhängigkeit von der Temperatur

Literatur

Spezielle Literatur 1. Titze, H., Wilke, H.-P.: Elemente des Apparatebaues, 3. Aufl. Springer, Berlin (1992) 2. Thier, B.: Apparate – Technik – Bau – Anwendung, 2. Aufl. Vulkan, Essen (1997) 3. Wegener, E.: Festigkeitsberechnung verfahrenstechnischer Apparate. Wiley-VHC Verlag GmbH, Weinheim (2002) 4. Haibach, E.: Betriebsfestigkeit, 2. Aufl. Springer, Berlin (2002) 5. Klapp, E.: Festigkeit im Apparate- und Anlagenbau. Werner, Düsseldorf (1970) 6. Riedl, A.: Beitrag zur Optimierung des Verformungsund Leckageverhaltens von Flanschdichtungen mittels Kernfunktionen. Diss. Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (2002) 7. Tietze, W.: Handbuch Dichtungspraxis, 2. Aufl. Vulkan, Essen (2000) 8. Richter, H.: Rohrhydraulik, 5. Aufl. Springer, Berlin (1971)

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707

20. Mayer, E.: Axiale Gleitringdichtungen, 7. Aufl. VDIVerlag, Düsseldorf (1982) 21. Schwaigerer, S.: Festigkeitsberechnung im Dampfkessel-, Behälter- und Rohrleitungsbau, 5. Aufl. Springer, Berlin (1997)

35

Intensivkühlung heißer Metalle mit Flüssigkeiten

36

Eckehard Specht

36.1 Phänomenologie Metalle müssen während ihres Herstellungsweges bei den meisten Prozessen intensiv gekühlt werden. Bei kontinuierlichen Gießvorgängen muss der teilweise erstarrte Strang nach dem Austritt aus der Kokille zur vollständigen Erstarrung gekühlt werden. Zur Härtung werden die Werkstücke auf hohe Temperaturen erwärmt, wie beispielsweise 900 bis 1200 °C bei Stählen und 500 bis 600 °C bei Aluminiumlegierungen. Die Erwärmungstemperaturen von Legierungen aus Kupfer und anderer Metalle liegen dazwischen. Danach müssen die Werkstücke intensiv gekühlt werden, um die geforderten Materialeigenschaften einzustellen (vgl. Bd. 1, Abschn. 29.4). Es gibt prinzipiell drei verschiedene Kühltechniken, die in Abb. 36.1 schematisch dargestellt sind. Links ist die Tauchkühlung dargestellt. Hierbei werden einzelne Teile in Bäder verschiedener Flüssigkeiten wie Öle, Wasser oder Polymere getaucht. Diese Art der Kühlung wird zur Härtung einzelner Teile wie Schrauben, Lagerringer oder Zahnräder angewendet. In der Mitte ist die Spritzkühlung schematisch dargestellt. Hierbei wird mit einem Feld von Düsen Wasser auf das Metall gespritzt. Hierbei kommen verschiedene Arten von Düsen zur Anwendung. Die Düsen zeichnen sich aus durch verschiedene Spritzwinkel bis hin zum Vollstrahl und durch die Spritzform, wie VollkeE. Specht () Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Magdeburg, Deutschland E-Mail: [email protected]

gel, Hohlkegel, Flachstrahl. In Einzelfällen wird das Wasser pneumatisch als sogenannte Zweistoffdüse zerstäubt. Die Spritzkühlung wird angewendet beim Strangguss und bei der Härtung von großflächigen Werkstücken wie Platten und Bänder. Rechts im Bild ist schließlich noch die Strahlkühlung dargestellt. Hierbei laufen auf das Metall mehrere Vollstrahlen, die sich schnell zu einem geschlossenen Wasserfilm verbinden. Diese Art der Kühlung wird hauptsächlich beim Strangguss von Nichteisen-Metallen angewendet und zur Härtung von Stahlplatten. Da die Temperaturen der Metalle weit oberhalb der Siedetemperatur der Flüssigkeiten liegen, tritt der Wärmeübergangsmechanismus der Verdampfungsvorgänge auf. Die vier verschiedenen Bereiche des Wärmeübergangs (Konvektion, Blasenverdampfung, partielle Filmverdampfung, stabile Filmverdampfung) werden von hohen zu niedrigen Temperaturen durchlaufen. Die Wärme wird also zuerst durch stabile Filmverdampfung, dann durch partielle Filmverdampfung, Blasenverdampfung und schließlich Konvektion abgeführt. In der Verfahrenstechnik, bei der Flüssigkeiten verdampft werden, wird dagegen die Siedekurve von niedrigen zu hohen Temperaturen durchlaufen. Der Übergang von der Blasenverdampfung zur Filmverdampfung ist dabei kritisch, da sich dann ein neues Gleichgewicht erst bei viel höheren Temperaturen einstellt, was eine Schädigung des Apparates hervorrufen kann, oder die Leistung fällt steil ab. Die maximale Wärmestromdichte wird daher als kritische Wärmestromdichte und die zugehörige Tempe-

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_36

709

710

E. Specht Tauchkühlung

Spritzkühlung

Strahlkühlung

• Härtung

• Strangguss • Härtung

• Stranggießen von Nichteisenmetallen • Thermomechanisches Walzen

Öl Wasser Polymer

Abb. 36.1 Prinzipielle Kühltechniken

ratur als kritische Temperatur bezeichnet. In der Kühltechnik ist dieser Punkt jedoch keinesfalls kritisch. Daher spricht man hier von maximaler Wärmestromdichte und die zugehörige Temperatur wird als DNB-Temperatur (Departure from Nucleate Boiling) bezeichnet. Der sich bei der Abkühlung ergebende Temperaturverlauf wird prinzipiell mit Abb. 36.2 erklärt. Bei den hohen Temperaturen zu Beginn der Abkühlung bildet sich über der Oberfläche ein Dampffilm aus. In diesem sogenannten Bereich der stabilen Filmverdampfung ist der Wärmeübergang relativ gering, da die Wärmeleitung durch den Dampffilm einen Wärmetransportwiderstand bewirkt. Die Abkühlkurve verläuft entsprechend flach. Sowie die Temperatur auf der Oberfläche die sogenannte Leidenfrosttemperatur unterschreitet, bricht der Dampffilm partiell zusammen, so dass Teile der Oberfläche mit Wasser benetzt werden. Der Wärmeübergang und damit der Gradient der Abkühlung nehmen folglich zu.

Abb. 36.2 Mechanismus des Wärmeübergangs

Kurze Zeit später setzt die Blasenverdampfung ein, bei der die Oberfläche vollständig benetzt wird. In diesem Bereich ist bekanntlich der Wärmeübergang durch die Blasenablösung überaus hoch und die Temperatur fällt steil ab. Nach dem die Temperatur der Oberfläche unter 100 °C gesunken ist, wird die Wärme nur noch durch reine Konvektion abgeführt. Die Abkühlkurve verläuft wieder flacher, da die Intensität des Wärmeübergangs entsprechend nachlässt (s. Bd. 1, Kap. 40). Der Wärmeübergang während der Filmverdampfung wird mit Abb. 36.3 erläutert, in dem der prinzipielle Temperaturverlauf dargestellt ist. Innerhalb des Dampffilms nimmt die Temperatur kontinuierlich ab. Die leichte Krümmung ist in der Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit begründet, die bei höheren Temperaturen größere Werte hat, so dass der Gradient an der Oberfläche einen geringen Wert besitzt. An der Grenzfläche zwischen Dampf und Flüssigkeit liegt stets die Siedetemperatur vor. In der Grenzschicht fällt dann die Temperatur auf den Wert der Flüssigkeit ab. Die Wärme wird von der

Abb. 36.3 Prinzipieller Temperaturverlauf während der Filmverdampfung

36 Intensivkühlung heißer Metalle mit Flüssigkeiten

711

Oberfläche durch Leitung und Strahlung an die Grenzfläche abgeführt. Hierfür gilt qP D

 v  .Tw  Tsi /C"eff    Tw4  Tsi4 ; (36.1) ı Abb. 36.4 Wirkung von Einflussgrößen auf die Dampf-

wobei v die mittlere Wärmeleitfähigkeit des Dampfes und ı die Dicke der Dampfschicht ist. Der Anteil der Strahlung ist gering und kann vernachlässigt werden. Der an der Grenzfläche ankommende Wärmestrom wird zum einen Teil konvektiv in die Flüssigkeit geleitet und zum anderen Teil in Verdampfungsenthalpie umgewandelt. Hierfür gilt P v  hv ; qP D ˛  .Tsi  Tf / C m

(36.2)

wobei ˛ der Wärmeübergangskoeffizient in der Flüssigkeit, T f deren Temperatur, m P der verdampfende Flüssigkeitsstrom und hv die Verdampfungsenthalpie bedeuten. Der in Verdampfungsenthalpie umgewandelte Anteil ist wiederum vergleichsweise gering und kann vernachlässigt werden [1]. Dieses unterscheidet übrigens die Kühltechnik von den Verdampfungsvorgängen in der Verfahrenstechnik, bei denen die Wärme (hier zugeführt) überwiegend in Verdampfungsenthalpie umgewandelt wird. Aus den obigen beiden Gleichungen folgt für die Dicke des Dampffilmes ıD

v Tw  Tsi :  ˛ Ts  Tf

(36.3)

Aus dieser Gleichung lässt sich die Beeinflussung der Leidenfrosttemperatur prinzipiell erklären. Der Dampffilm bricht bei glatten Oberflächen etwa im Bereich 30 bis 70 µm zusammen. Nimmt während der Kühlung die Wandtemperatur ab, wird entsprechend obiger Gleichung der Dampffilm dünner, bis dieser bei seinem kritischen Wert zusammenbricht. Warum der Dampffilm zusammenbricht, kann bisher physikalisch noch nicht erklärt werden. Daher kann auch nicht die Leidenfrosttemperatur vorhergesagt werden. Bei höherer Flüssigkeitstemperatur ergibt sich bei sonst gleichen Bedingungen ein dickerer Dampffilm. Die Wandtemperatur kann folglich auf einen tieferen Wert sinken, bevor die kritische Dicke erreicht wird und der Dampffilm zusammenbricht. Je höher also die Tempe-

dicke und damit Leidenfrosttemperatur

ratur der Flüssigkeit ist, desto niedriger werden die Leidenfrosttemperaturen, wie in Abb. 36.4 veranschaulicht ist. Die Siedetemperatur beeinflusst die Leidenfrosttemperatur ebenfalls. Je höher diese ist, desto geringer ist die Dicke des Dampffilms bei sonst gleichen Bedingungen. Bei Abnahme der Wandtemperatur wird die kritische Dicke also schon bei höheren Werten erreicht. Der Dampffilm bricht bei der Abkühlung also früher zusammen, die Leidenfrosttemperaturen liegen entsprechend höher. Flüssigkeiten mit höheren Siedetemperaturen als Wasser sind Öle. Bei Ölen bricht der Dampffilm also schon bei relativ hohen Temperaturen zusammen und der Bereich der Blasenverdampfung mit dem sehr hohen Wärmeübergang wird schneller erreicht. Diese sogenannten Härteöle kühlen also intensiver als Wasser. Allerdings können Öle nur bei der Tauchkühlung eingesetzt werden, da bei anderen Kühlverfahren der Öldampf sich entzünden würde. Die Leidenfrosttemperatur kann schließlich noch durch den Wärmeübergangskoeffizienten beeinflusst werden. Je höher dieser ist, desto geringer ist bei sonst gleichen Bedingungen die Dicke des Dampffilms. Dieser bricht also früher zusammen, die Leidenfrosttemperaturen liegen entsprechend höher. Der Bereich der Blasenverdampfung wird wiederum früher erreicht. Der Wärmeübergangskoeffizient nimmt mit der Strömungsgeschwindigkeit zu und mit der Überströmlänge ab. Kleine Körper sowie Ecken und Kanten besitzen also höher Leidenfrosttemperaturen. An Ecken und Kanten tritt somit die Benetzung der Oberfläche zuerst auf. Die abgeführte Wärmestromdichte während des Kühlvorganges ist prinzipiell in Abb. 36.5 in Abhängigkeit von der Wandtemperatur gezeigt. Diese sogenannte Siedelinie hat als charakteristische Punkte die Leidenfrosttemperatur T Le , die maximale Wärmestromdichte qPmax und die Temperatur T DNB , bei der diese auftritt. Der Bereich

36

712

Abb. 36.5 Charakteristische Punkte der Siedelinie und Annäherung

der Filmverdampfung kann für alle Kühltechniken gut mit einer Geraden angenähert werden. Die Bereiche der Blasenverdampfung und partiellen Filmverdampfung können jeweils gut durch Parabeln angenähert werden (s. Abb. 36.5). Die Wärmestromdichten bei den verschiedenen Kühltechniken und deren Beeinflussung wird in den folgenden Abschnitten näher beschrieben.

36.2 Tauchkühlung Zur Härtung metallischer Werkstücke werden diese auf hohe Temperaturen erwärmt und anschließend in ein Flüssigkeitsbad getaucht, wie eingangs bereits beschrieben wurde. Die zuvor qualitativ beschriebene Wirkung der Einflussgrößen wird im Folgenden an einigen Beispielen mit gemessenen Werten verdeutlicht. In Abb. 36.6 ist die zeitliche Abnahme der Oberflächentemperatur von Nickelkugeln in Wasserbädern gezeigt [2, 3]. Im linken Teilbild ist die Wassertemperatur

E. Specht

und im rechten Teilbild die Anströmgeschwindigkeit variiert. Je höher die Badtemperatur ist, desto mehr sinkt die Leidenfrosttemperatur. Bei einer Zunahme der Badtemperatur von beispielsweise 20 auf 60 °C verdoppelt sich die Abkühlzeit. Für gleichbleibende Härteergebnisse von Werkstücken während des Produktionsprozesses muss also für eine konstante Badtemperatur gesorgt werden. Im rechten Teilbild ist zu erkennen, wie die Leidenfrosttemperatur mit zunehmender Anströmgeschwindigkeit signifikant zu höheren Werten verschoben wird, was zu einer drastischen Verkürzung der Abkühlzeit führt. Die Aufprägung einer Badströmung ist also ein sehr wirksames Mittel zur Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit. Wie mit Gl. (36.3) veranschaulicht wurde, führt eine Erhöhung des konvektiven Wärmeübergans in das Wasserbad (Erhöhung Geschwindigkeit) zu einer Abnahme der Dicke des Dampffilms. Dieser muss somit früher zusammenbrechen. In Abb. 36.7 ist die aus den Abkühlkurven ermittelten Wärmestromdichten in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur dargestellt, und zwar für verschiedene Anströmgeschwindigkeiten, Kugelgrößen und Wassertemperaturen. Hieraus ist ersichtlich, dass diese Parameter nicht nur die Leidenfrosttemperatur beeinflussen, sondern auch die Höhe der maximalen Wärmestromdichte und deren zugehöriger Temperatur. Insbesondere sei auf den Einfluss der Körpergröße hingewiesen. Je kleiner diese ist, je höher sind Leidenfrosttemperatur und maximale Wärmestromdichte. In Abb. 36.8 ist der Einfluss der drei zuvor aufgeführten Parameter auf die Leidenfrosttemperatur dargestellt. Diese steigt in etwa linear mit

Abb. 36.6 Einfluss der Wassertemperatur und der Anströmgeschwindigkeit auf die Abkühlzeit

36 Intensivkühlung heißer Metalle mit Flüssigkeiten

713

36

Abb. 36.7 Einfluss der Wassertemperatur, der Kugelgröße und der Anströmgeschwindigkeit auf die abgeführte Wärmestromdichte

Abb. 36.8 Einfluss der Badgeschwindigkeit, Wassertemperatur und Kugelgröße auf die Leidenfrosttemperatur

der Anströmgeschwindigkeit an. Der Anstieg ist umso stärker, je niedriger die Badtemperatur und je kleiner die Kugel ist. Bei der kleinen Kugel mit der Anfangstemperatur von 800 °C setzt bei bereits geringen Anströmgeschwindigkeiten sofort nach dem Eintauchen Blasenverdampfung ein. Ein Dampffilm bildet sich also nicht mehr aus. Der Einfluss der Art der Flüssigkeit auf den Wärmeübergang und damit die Abkühlzeit wird mit Abb. 36.9 veranschaulicht. Hieraus ist ersichtlich, dass die Leidenfrosttemperatur durch die Art der Flüssigkeit gezielt eingestellt werden kann. Mit speziellen sogenannten Härteölen kann die Leidenfrosttemperatur bis auf fast 800 °C angehoben werden. Mit Polymeren kann diese dagegen bis auf 200 °C abgesenkt werden. Die Temperatur des Bades spielt nur bei Wasser und Polymere eine Rolle. Bei Ölen macht sich die Temperatur des Bades erst bemerkbar, wenn diese die Nähe der Siedetemperatur erreicht. Die Leidenfrosttemperatur hängt zusätzlich noch von der Art des Metalls, der Oberflächenrauhigkeit

Abb. 36.9 Leidenfrosttemperatur für verschiedene Flüssigkeiten in Abhängigkeit deren Temperatur

und der Qualität des verwendeten Wassers ab, worauf hier nicht eingegangen werden wird.

36.3

Spritzkühlung

36.3.1 Düsentechnik Bei der Spritzkühlung wird Wasser verdüst, so dass es in Tropfen auf die Oberfläche trifft. Mit der Art der Düse wird ein definiertes Tropfenspektrum auf der Oberfläche erzeugt. Zunächst wird bei Düsen nach der Spritzform unterscheiden. In der Kühltechnik werden meistens Vollkegel- und Flachstrahldüsen eingesetzt. Die Form richtet sich nach der Geometrie des zu kühlenden Metalls. Weiterhin wird danach unterschieden, ob das Wasser direkt und indirekt mit Hilfe von Druckluft verdüst wird. Im ersten Fall werden die Düsen als Einstoffdüsen oder hydraulische Düsen bezeichnet und im zweiten Fall als Zweistoffdüsen oder pneumatische Düsen.

714

Bei Einstoffdüsen hängt die Austrittsgeschwindigkeit nur vom Vordruck des Wassers ab entsprechend ¡ p D w 2 : (36.4) 2 Der austretende Volumenstrom hängt zusätzlich noch vom Düsendurchmesser d ab s 2  p    2 2 P V D d w D d  : (36.5) 4 4  Zur Erzeugung feiner Tropfen werden kleine Durchmesser benötigt. Die relativ kleine Auslassbohrung bei Einstoffdüsen ist anfällig für eine Verstopfung und einen Verschleiß. Ein weiterer Nachteil der Einstoffdüse ist der im Vergleich zur Zweistoffdüse kleinere Regelbereich von etwa 1:4. Abb. 36.10 zeigt als Beispiel die Verteilung der Wasserbeaufschlagungsdichte einer speziellen Düse für drei verschiedene Durchsätze. Die Wasserbeaufschlagungsdichte gibt die Wassermenge an, die pro Flächen- und Zeiteinheit auf die Oberfläche trifft. Aus dem Bild ist ersichtlich, dass diese Verteilung bei dieser Düse nur für den Durchsatz 20 l/h symmetrisch ist. Mit dem Durchsatz ändert sich zwar die Wasserbeaufschlagungsdichte, die örtliche Verteilung wird

Abb. 36.10 Beispielhafte Verteilung der Wasserbeaufschlagungsdichte für eine hydraulische (a) und pneumatische (b) Vollkegeldüse

E. Specht

jedoch ungleichmäßiger, was sich entsprechend auf den örtlichen Wärmeübergang auswirkt. Bei Einstoffdüsen reagiert oftmals auch die örtliche Verteilung der Wasserbeaufschlagungsdichte auf den Durchsatz und damit Regelbereich. Durch die Verwendung von Wasser als einziges Durchflussmedium entfallen bei Einstoffdüsen die Kosten für die Kompressoren zur Erzeugung von Druckluft. Weiter müssen für den Betrieb weniger Rohrleitungen verlegt werden. Hierdurch verringern sich sowohl die Investitions- als auch die Wartungskosten. Weiterhin sind Einstoffdüsen auf Grund deren einfacherer Konstruktion preiswerter als Zweistoffdüsen. Bei Zweistoffdüsen strömt durch die Austrittsöffnung sowohl Wasser als auch Luft, wobei der Volumenstrom der Luft ein Mehrfaches größer ist als der des Wassers. Folglich müssen die Austrittsöffnungen erheblich größer als bei Einstoffdüsen sein. Der Volumenstrom des Wassers hängt nun nicht nur vom Druck des Wassers ab, sondern auch vom Druck der Luft. Dieser Zusammenhang wird in einem düsenspezifischen Druck-MengenDiagramm angegeben. In Abb. 36.11 ist ein solches Diagramm für eine typische Zweistoffdüse gezeigt. Der Volumenstrom des Wassers steigt in etwa mit der Wurzel des Wasserdruckes an, dieser ist jedoch bei gleichem Wasserdruck umso niedriger, je höher der Luftdruck ist. Die Luftmenge nimmt mit dem Druck der Luft zu und mit dem Druck des Wassers ab. Zur Regelung der Wassermenge stehen somit der Druck des Wassers und der Druck der Luft zur Verfügung. Der Regelungsbereich des Wasserstromes kann bis 1:20 bei Zweistoffdüsen betragen.

Abb. 36.11 Druck-Mengen-Diagramm einer Zweistoffdüse

36 Intensivkühlung heißer Metalle mit Flüssigkeiten

36.3.2 Wärmeübergangsmechanismus

715

in der Flüssigkeit ab. Die Dampfdicke stellt sich entsprechend dem Wärmeübergang ein, wie zuvor mit Gl. (36.3) beschrieben. Für die abgeführte Wärmestromdichte folgt [4, 5] r p c 2 3 qP D   m P  .TSi  T0 / 4   "  0;24 #2   w2  d 1  1 C 1;18  : p  wd (36.6) Diese ist somit proportional der Wasserbeaufschlagungsdichte und der Temperaturdifferenz im Tropfen, wobei T Si die Siedetemperatur und T 0 die Anfangstemperatur sind. Weiterhin bedeuten , , c die Wärmeleitfähigkeit, Dichte und spezifische Wärmekapazität des Wassers Der Einfluss des Tropfendurchmessers d hebt sich in der Gleichung weitgehend auf. Die Tropfengeschwindigkeit w erhöht den Wärmeübergang nur geringfügig. Beides ist durch Experimente bestätigt, z. B. [6, 7]. In Abb. 36.13 ist diese Abhängigkeit von der Wasserbeaufschlagungsdichte gezeigt. In das Bild sind zusätzlich Mittelwerte von experimentellen Ergebnissen verschiedener Autoren mit eingetragen. Die Gleichung gibt also die Messergebnisse gut wieder. Die Messwerte gelten für verschiedenste pneumatische und hydraulische Düsen.

Der Wärmeübergang bei der Spraykühlung hängt hauptsächlich von der sogenannten Wasserbeaufschlagungsdichte ab. Dieses ist die Menge an Wasser, die pro Flächen- und Zeiteinheit auf die Oberfläche in Form von Tropfen trifft. Abb. 36.12 zeigt das Siedediagramm beispielhaft für Nickel, wobei die Wasserbeaufschlagungsdichte der Parameter ist. Hieraus ist ersichtlich, dass nicht nur der Wärmeübergangskoeffizient mit der Wasserbeaufschlagungsdichte erhöht wird, sondern auch die Leidenfrosttemperatur und die Temperatur der maximalen Wärmestromdichte zu höheren Werten verschoben werden. Trifft ein Tropfen auf ein heißes Metall, so stellt sich eine Kontakttemperatur ein, die nur etwas unterhalb der Oberflächentemperatur des Metalls liegt. Die Kontakttemperatur hängt nämlich vom Verhältnis der Wärmeeindringkoeffizienten vom Metall und der Flüssigkeit ab. Der Wärmeeindringkoeffizient ist das Produkt aus Wärmeleitfähigkeit, Dichte und spezifischer Wärmekapazität. Dieser ist für Metalle wesentlich höher als für Wasser, so dass die Kontakttemperatur näher an der Metalltemperatur liegt. Da diese Kontakttemperatur erheblich höher als die Siedetemperatur ist, verdampft sofort Wasser. Der Tropfen kann sich somit auf einem Dampfpolster nahezu reibungsfrei ausdehnen und wieder zusammenziehen, bevor er von dem Dampf fortgeschleudert wird. Größere Tropfen zerplat- 36.3.3 Filmverdampfung zen dabei in kleinere Tropfen. Auf der Oberfläche des Tropfens zur Metallseite hin stellt sich stets Die Wärmestromdichte der Filmverdampfung ist die Siedetemperatur ein. Der Wärmeübergang in Abb. 36.13 in Abhängigkeit von der Washängt also wiederum vom Temperaturgradienten

Abb. 36.12 Siedediagramm der Spraykühlung für Nickel [6]

Abb. 36.13 Wärmestromdichte im Bereich der Filmverdampfung [8–11]

36

716

E. Specht 900

700

800

600

1

700

500 3

400

1. Steel; 2. Nickel; 3. Aluminum; 4. Copper; 5. Brass M37; 6. AA6082;

1

TDNBin °C

TLein °C

500

2

600

400 300

4

300 5

200 100 0

5

1. Steel; 2. Nickel; 3. Brass M37; 4. Aluminum; 5. AA6082;

10 15 20 25 30 Wasserbeaufschlagungsdichte in kg/(m2.s)

2

200

Al-Ahmadi et al. (2008) Müller et al. (1983) Müller et al. (1983) Müller et al. (1983) Sabariman et al.

Al-Ahmadi et al. (2008) Müller et al. (1983) Müller et al. (1983) Müller et al. (1983) Müller et al. (1983) Sabariman et al. 3 4 5

6

100 0 0

35

5

10 15 20 25 Wasserbeaufschlagungsdichte in kg/(m2.s)

30

35

Abb. 36.14 Leidenfrosttemperatur in Abhängigkeit von der Wasserbeaufschlagungsdichte

Abb. 36.15 DNB-Temperatur in Abhängigkeit von der Wasserbeaufschlagungsdichte

serbeaufschlagungsdichte gezeigt. Die einzelnen Messwerte verschiedener Autoren [6–8] schwanken im Bereich von ˙20 %. Die meisten Autoren verwenden Nickel als Testmaterial, weil Nickel im Gegensatz zu Kupfer auch bei hohen Temperaturen auf der Oberfläche nicht oxidiert und bei der Abkühlung im Gegensatz zu Stahl keine Phasenänderungsenthalpien berücksichtigt werden müssen. Als Düsen wurden Hohlkegel und Flachstrahldüsen verwendet, die hydraulisch und pneumatisch mit geringem Luftdruck betrieben wurden. Für alle Düsen sind die Wärmestromdichten gleich. Mit der Wasserbeaufschlagungsdichte steigen die Wärmestromdichten linear an. Ein Einfluss der Oberflächentemperatur wurde nicht beobachtet. Bei Zweistoffdüsen mit hohem Zerstäubungsdruck wird der Wärmeübergang mit dem Luftüberdruck gesteigert, im beträchtlichen Maße bei kleinen Wasserbeaufschlagungsdichten. Die Abhängigkeit der Leidenfrosttemperatur von der Wasserbeaufschlagungsdichte ist in Abb. 36.14 dargestellt, und zwar für verschiedene Metalle. Die Streuung der Ergebnisse ist stets relativ hoch, was hier nicht dargestellt ist. Die Leidenfrosttemperatur steigt demnach mit der Wasserbeaufschlagungsdichte an, relativ stark bei sehr niedrigen Werten und bei sehr hohen Werten nur noch geringfügig. Hervorzuheben ist jedoch die starke Abhängigkeit von der Art des Metalls. Je niedriger der Wärmeeindringkoeffizient ist, desto höher ist die Leidenfrosttemperatur. Stahl hat also die höchsten und Aluminium die niedrigsten Werte. Der Unterschied ist mit etwa 400 K überaus hoch. Bei der Abkühlung von

Werkstücken aus Stahl dauert der Bereich der Filmverdampfung also nur kurz, bei Aluminium dagegen relativ lang. Eine exakte physikalische Begründung kann hierfür zurzeit noch nicht gegeben werden. Die Blasenverdampfung ist durch die DNBTemperatur und den maximalen Wärmeübergangskoeffizienten oder die maximale Wärmestromdichte charakterisiert. In Abb. 36.15 ist die DNB-Temperatur wiederum in Abhängigkeit von der Wasserbeaufschlagungsdichte für verschiedene Metalle dargestellt. Die Kurven sind analog zu denen der Leidenfrosttemperatur. Die Werte steigen mit der Wasserbeaufschlagungsdichte degressiv an. Je höher der Wärmeeindringkoeffizient ist, desto niedriger ist wiederum die Temperatur. Die Unterschiede sind wiederum relativ hoch. In Abb. 36.16 ist die maximale Wärmestromdichte in Abhängigkeit von der Wasserbeaufschlagungsdichte dargestellt. Die Art des Metalls übt wiederum einen starken Einfluss aus. Bei 12000

max

in kW/m2

10000 8000

1. Steel; 2. Nickel; 3. Brass M37; 4. Aluminum; 5. Copper; 6. AA6082;

Al-Ahmadi et al. (2008) Müller et al. (1983) Müller et al. (1983) Müller et al. (1983) Müller et al. (1983) Sabariman et al.

5

4 3

6000

2

6

4000 1

2000 0 0

5

10

15

20

25

30

35

Wasserbeaufschlagungsdichte in kg/(m2.s)

Abb. 36.16 Max. Wärmeübergangskoeffizient und max. Wärmestromdichte in Abhängigkeit von der Wasserbeaufschlagungsdichte

36 Intensivkühlung heißer Metalle mit Flüssigkeiten

717

36

Abb. 36.18 Einfluss des Salzgehaltes von MgSO4 in destilliertem Wasser auf die Abkühlzeit

Abb. 36.17 Wärmeübergangskoeffizient der Filmverdampfung und Leidenfrosttemperatur für verschiedene Temperaturen der Wassertropfen [10]

sehr hohen Wasserbeaufschlagungsdichten ist die maximale Wärmestromdichte bei Aluminium etwa um den Faktor fünf höher als bei Stahl. Der Verlauf des Wärmeübergangs im Bereich der Blasenverdampfung wird also erheblich von der Art des Metalls beeinflusst.

36.3.4 Einfluss der Wassertemperatur Der Einfluss der Wassertemperatur auf den Wärmeübergang wird mit Abb. 36.17 gezeigt. Sowohl die maximale Wärmestromdichte als auch die Leidenfrost- und DNB-Temperatur nehmen etwa linear mit der Wassertemperatur ab. Mit Gl. (36.6) war zu sehen, dass auch die Wärmestromdichte im Bereich der Filmverdampfung linear mit der Wassertemperatur abnimmt.

36.4 Wasserqualität Die Qualität von natürlichen Wassern unterscheidet sich durch den Gehalt an gelösten Salzen und Gasen. Die Qualität von industriell eingesetzten Wassern unterscheidet sich zusätzlich noch durch den Gehalt an Addiven, wie Gießhilfsmittel (z. B.

Borax, Graphit, Ruß), Polymere, Korrosionshemmer, etc. Der Einfluss gelöster Salze auf den Wärmeübergang wird zunächst am Beispiel von Abb. 36.18 erläutert, dass die Abkühlzeiten einer 3 mm dicken Scheibe der Aluminiumlegierung 6082 zeigt bei einer Spritzkühlung mit einer Wasserbeaufschlagungsdichte von 3 kg/m2 /s. Die Kurve 1 zeigt die Abkühlzeit für destilliertes Wasser. Die anderen Kurven gelten für die verschiedenen Konzentrationen des in diesem Wasser gelösten Salzes MgSO4 . Es ist ersichtlich, dass sich die Abkühlzeit mit der Salzkonzentration signifikant verkürzt. Andere gelöste Salze zeigen den gleichen Effekt, wobei das Salz MgSO4 den stärksten und das Salz NaCl den schwächsten Einfluss zeigt. Die Ergebnisse gelten sowohl für die Spritzkühlung (Qiang et al. [12], Huang et al. [13], Qiao et al. [14]) als auch für die Tauchkühlung (Jeschar et al. [15]). Alle gelösten Salze dissoziieren in positiv geladene Kationen und negativ geladene Anionen. Dadurch wird die elektrische Leitfähigkeit des Wassers beeinflusst. Folglich ist die Höhe der elektrischen Leitfähigkeit ein Maß für die Menge an gelösten Salzen. Daher sind die drei charakteristischen Daten der Siedelinie, max. Wärmestromdichte, DNBund Leidenfrosttemperatur in Abb. 36.19 in Abhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit dargestellt. Alle drei Größen scheinen linear mit der elektrischen Leitfähigkeit anzusteigen. Insbesondere unterscheidet sich die Leidenfrosttemperatur mit bis zu 150 K beträchtlich zwischen den Wässern. Die max. Wärmestromdichte steigt ungefähr bis zum Faktor zwei und die DNB-

718

E. Specht

Literatur

Abb. 36.19 Charakteristische Kenngrößen der Siedelinie in Abhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit [16]

Temperatur bis zu 50 K an. Die elektrische Leitfähigkeit ist somit eine entscheidende Größe um die Kühlwirkung eines Wassers zu charakterisieren. Gelöste Gase üben nur einen geringen Einfluss aus. Geringfügige Zusätze an Polymere und Tenside im ppm-Bereich verkürzen die Abkühlgeschwindigkeit [16]. Ein Einfluss des pH-Wertes und der Härte des Wassers konnte nicht festgestellt werden. Gelöste Gase üben nur einen geringen Einfluss aus. Geringfügige Zusätze an Polymeren und Tensiden im ppm-Bereich verlängern die Abkühlgeschwindigkeit [16].

1. Specht, E., Jeschar, R., Heidt, V.: An Analytical Model for Free Convection Film Boiling on Immersed Solids. Chem Eng Process 31, 137–146 (1992) 2. Maaß, R., Jeschar, R.: Einflussgrößen des Wärmeüberganges beim Abschrecken von Metallen in Wasser. Gas Wärme Int 38(1989), 142–150 (1989) 3. Jeschar, R., Specht, E., Köhler, Chr : Heat Transfer During Cooling of Heated Metal Objects With Evapourating Liquids. In: Tensi, H., Liscic, B., Luty, W. (Hrsg.) Theory and Technology of Quenching, S. 73– 92. Springer, Berlin (1992) 4. Specht, E.: Wärme- und Stoffübertragung in der Thermoprozesstechnik. Vulkan-Verlag (2014) 5. Sabariman, S.E.: Heat Transfer in Spray Quenching of Hot Metals. Heat Process 4, 45–51 (2014) 6. Puschmann, F., Specht, E.: Transient Measurement of Heat Transfer for Metal Quenching with Atomized Sprays. Exp Therm Fluid Sci 28, 607–615 (2004) 7. Schmidt, J.; Boye, H.: Influence of velocity and size of droplets on the heat transfer in spray cooling. Chemical Engineering and Technology Vol. 24, 255–260. 8. Müller, H.R., Jeschar, R.: Wärmeübergang bei der Spritzwasserkühlung von Nichteisenmetallen. Metallkunde 74, 257–264 (1983) 9. Wendelstorf, J., Spitzer, K.-H., Wendelstorf, R.: Spray water cooling heat transfer at high temperatures and liquid mass fluxes. Int J Heat Mass Transf 51(2008), 4902–4910 (2008) 10. Al-Ahmadi, H.M., Yao, S.C.: Spray cooling of high temperatures metals using high mass flux industrial nozzles. Exp Heat Transf 2008(21), 38–54 (2007) 11. Bolle, L., Moreau, J.G.: Spray Cooling of Hot Surfaces. Multiphase Science and Technology. Hemisphere (1982) 12. Qiang, C., Chandra, S., McCahan, S.: The effect of dissolving salts in water sprays used for quenching a hot surface: Part 2 – Spray cooling. J Heat Transfer 125(2003), 333–338 (2003) 13. Huang, C., Carey, V.: The effect of dissolved salt on the Leidenfrost transition. Int J Heat Mass Transf 50(2006), 269–282 (2006) 14. Qiao, Y.M., Chandra, S.: Spray Cooling Enhancement by Addition of a Surfactant. Trans Asme 120, 92–98 (1998) 15. Jeschar, R., Kraushaar, H., Griebel, H.: Influence of gases dissolved in cooling water on heat transfer during stable film boiling. Steel Res 67(1996), 227–234 (1996) 16. Specht, E.: Sabariman: Einfluss der Wasserqualität auf den Wärmeübergang bei der Kühlung heißer Metalle. Gaswärme Int 5, 77–82 (2014)

Literatur zu Teil V Thermischer Apparatebau und Industrieöfen

Bücher Pfeifer, H., Mühlbauer, A.; Beneke, F.: Praxishandbuch Thermoprozesstechnik, Band 1: Grundlagen und Verfahren, 2. Aufl. Vulkan Verlag, Essen (2010) Brunklaus, J.H., Stepanek, F.J.: Industrieöfen, 6. Aufl. (1994) Steinhardt, R., Krivandin, V.A.: Grundlagen der Industrieofentechnik. Springer Verlag (1987) Thrinks, W.: Industrial Furnaces. John Wiley and Sons (2004) LOI: Taschenbuch für Thermprocess Technik. Vulkan Verlag (1999) Boateng, A.A.: Rotary Kilns. Elsevier (2008)

Pfeifer, H.: Taschenbuch industrielle Wärmetechnik. Vulkan Verlag (2007)

Zeitschriften Prozesswärme International. Vulkan Verlag Heat Processing. Vulkan Verlag Härterei-Technische Mitteilungen. Hanser Verlag Ziegelindustrie. Bauverlag Steel Research. Verlag Stahleisen Cement International. Verlag Bau und Technik Zement Kalk Gips. Bauverlag Ceramic Forum International. Göller Verlag

719

Teil VI Kälte-, Klima- und Heizungstechnik

37

Kältetechnik Christian Hainbach

37.1 Einsatzgebiete Kältetechnische Anlagen wurden zunächst eingesetzt für Brauereien und Eisfabriken, Schlachthäuser, Fleisch- und Fisch-Gefrieranlagen, Malztennen- und Hopfenlagerkühlung, Molkereien, Marktkühlhallen, Margarinefabriken, Schokoladenherstellung, Champagnerbereitung, Gummifabriken, Leim- und Gelatinekühlung, Farbstoffherstellung, Glaubersalzkristallisation, Leichenkühlung, Transportkühlung auf Schiene, Straße und auf See, Kühlhäuser aller Art, gewerbliche Kühlräume, Paraffin- und Ölindustrie, Kunsteisbahnen, Schachtabteufen, klimatechnische Anlagen. Weitere Bedarfsfälle mit zum Teil erhöhten Anforderungen an die Regelgenauigkeit kamen hinzu in der chemischen und pharmazeutischen Industrie, der Medizin, bei der Luft- und Drucklufttrocknung, bei der Speiseeisherstellung, bei der Werkzeugkühlung und bei Kältekammern für Industrie und Forschung sowie für die Vielzahl der Kühlmöbel. Zu der Lebensmittelkühlkette zählen u. a. Kühl- und Tiefkühlräume aller Art, Schnellgefrieranlagen, Transportkühlanlagen in Schiffen, Waggons, Kraftfahrzeugen, Flugzeugen und Containern, Kühlmöbel aller Art für Haushalt, Handel und Gewerbe. C. Hainbach () Institut für Kälte-, Klima- und Energietechnik GmbH Essen, Deutschland E-Mail: [email protected]

Die Kühl- und Lagerbedingungen reichen von 40 ı C bei sehr starker Luftbewegung im Schnellgefrierraum (Frosterräume) bis zu C18 ı C bei Reifungs- und Verarbeitungsräumen. An die Regelbarkeit der Anlagen sind höchste Ansprüche zu stellen, da die zulässigen Temperatur- und Feuchteschwankungen in einigen Fällen nur sehr gering sein dürfen, so z. B. bei Bananen, Trockengemüse, Getreide, Tabak, Pflanzen, Lagerung unter kontrollierter Atmosphäre sowie bei der Bierherstellung und der Käsereifung. Eine weitere weit verbreitete Anwendung finden kältetechnische Anlagen in Fabrikationsund Fertigungsprozessen der Industrie. Viele Produkte können nur bei bestimmten Temperaturen und oft nur bei einem eng begrenzten Bereich der Luftfeuchtigkeit hergestellt werden, wie pharmazeutische Produkte, Kosmetika, Textilien, Papier u. a. Das Einhalten bestimmter Luftzustände ist ebenfalls für Filmentwicklungs- und Kopieranstalten, feinmechanische Werkstätten und bei der Messgeräte- und Elektronikproduktion – hier sogar unter den Bedingungen der Reinraumtechnik – entscheidend für ein brauchbares Arbeitsergebnis. Für das Abführen der Prozess- und Maschinenwärme genügen zwar überwiegend Temperaturen im Bereich von 15 bis 25 ı C; die häufig notwendige Trocknung bzw. eine niedrige Luftfeuchtigkeit ist jedoch nur mit tieferen Temperaturen des Kühlmediums zu erreichen. Die Bedeutung der Kältetechnik im Bereich der Haustechnik, insbesondere in der Klimatechnik für die in Kap. 38 aufgeführten Gebäude mit

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_37

723

724

ihren Arbeits- und Aufenthaltsräumen hat in den letzten Jahrzehnten deutlich zugenommen. Die Kältetechnik hat dabei sowohl die reine Abkühlung der Luft als auch die Entfeuchtung durch Taupunktunterschreitung als Aufgabe (s. Bd. 1, Abschn. 43.2.2). Für das Erzeugen von Temperaturen unter 80 ı C werden Gase durch Entspannen oder Drosseln mit Hilfe des Thomson-Joule-Effekts abgekühlt. Anlagen dieser Art dienen z. B. der Luft- und Chlorverflüssigung und der Edelgasgewinnung. Anlagen zum Erzeugen von Temperaturen etwa von 150 ı C bis nahe zum absoluten Nullpunkt zählen zum Gebiet der TieftemperaturVerfahrenstechnik. Hierbei spielen als Kältemittel Stickstoff, Wasserstoff und Helium mit dem niedrigsten Siedepunkt von 4,25 K eine besondere Rolle. Wichtige kryotechnische Anwendungen sind das Erzeugen von Hochvakuum [1] und die Supraleittechnik (Kammerlingh Onnes, 1911). Die im Jahre 1986 entdeckten Werkstoffe bzw. Werkstoffkombinationen, deren Sprungtemperatur, d. h. der Übergang von Normal- zu Supraleitung, oberhalb der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs (196 ı C bei Atmosphärendruck) liegt, werden zukünftig vielfältige Anwendungen für die Hochtemperatur-Supraleitung erschließen. Neben der industriellen Anwendung der Kältetechnik hat die Bedeutung dieser Disziplin im Bereich der Haustechnik und speziell in der Klimatechnik in den letzten Jahrzehnten deutlich zugenommen. Ein großer Bedarf an Kälteanlagen der unterschiedlichsten Leistungen entstand durch die klimatechnischen Anlagen für Aufenthalts- und Arbeitsräume sowie für Fabrikationsverfahren. Neben den sowohl wärmerückgewinnenden (auch „kälterückgewinnenden“) Einrichtungen (z. B. kreislaufverbundene Systeme, Regenerativ- und Rekuperativ-Wärmeaustauscher) haben als wirtschaftliche, energiesparende Kälteerzeugung während der kalten Jahreszeit die „freien Kühlsysteme“ mit Hilfe der Außenluft dort an Bedeutung gewonnen, wo hohe innere Kühllasten ganzjährig abzuführen sind.

C. Hainbach

37.2

Kältetechnische Verfahren

37.2.1

KaltdampfKompressionskälteanlage

Dieser Anlagentyp beruht auf den linksläufigen Kreisprozess (thermodynamisch „Kälteprozess“, s. Bd. 1, Abschn. 42.5.1). Das Blockschaltbild eines einfachen Anlagenaufbaus ist in Abb. 37.1 dargestellt. Durch den im Verdampfer b bei niedrigem Druck und tiefer Temperatur aufgenommenen Wärmestrom QP 0 wird flüssiges Kältemittel verdampft. Der entstehende Dampf wird vom Verdichter a angesaugt und verdichtet, sodass im wasser- oder luftgekühlten Verflüssiger c das Kältemittel bei höherer Temperatur wieder verflüssigt wird. Der Verflüssigungsdruck ist um so höher, je wärmer das Kühlwasser bzw. die Kühlluft sind. Vom Druckverhältnis Verflüssigungszu Verdampfungsdruck wird der Leistungsbedarf P des Verdichters beeinflusst. Das verflüssigte und gegebenenfalls unterkühlte, unter Druck p stehende Kältemittel wird durch die Drosseleinrichtung 4 auf den niedrigeren Druck p0 entspannt, wobei hier eine Teilverdampfung erfolgt. Das Zweiphasengemisch (Flüssigkeit und Dampf) wird dem Verdampfer wieder zugeführt. In dem für die Kältetechnik gebräuchlichen log p,h-Diagramm kann der Vergleichsprozess entsprechend Abb. 37.2 eingetragen werden.

Abb. 37.1 Schema einer einstufigen Verdichterkältemaschine. a Verdichter, b Verdampfer, c Verflüssiger, d Drosseleinrichtung. QP 0 Verdampfer-Wärmestrom, QP c Verflüssiger-Wärmestrom, P Verdichter-Antriebsleistung

37

Kältetechnik

725

Für Wärmepumpen ist die Verflüssigerleistung der Nutzen der Anlage und somit Bezugsgröße zur Bestimmung der Leistungszahl "WP D QP c =P :

(37.4)

Im verlustlosen Prozess ist also die Leistungszahl der Wärmepumpe stets um 1 größer als die Leistungszahl der Kälteanlage. Zur exergetischen Bewertung wird der GüteAbb. 37.2 Vergleichsprozess des Kaltdampf-Verdichter- grad einer Anlage bestimmt, er ist das Verhältnis verfahrens im p, h-Diagramm (p im logarithm. Maßstab). der Leistungszahl der realen Anlage zu der Leis4–1 Verdampfungswärme, 1–10 Saugdampfüberhitzung, tungszahl des linksläufigen Carnot-Prozesses. 10 –2 Verdichtung, 2–20 Überhitzungswärme, 20 –30 VerFür die Kälteanlage flüssigungswärme, 30 –3 Unterkühlungswärme, 3–4 Drosselung

KM D "KM ="cKM : Die Gesamtkälteleistung errechnet sich wie folgt (s. Bd. 1, Kap. 42): P R .h10  h3 / : QP 0 D QP 41 D m

(37.5)

Für die Wärmepumpe WP D "WP ="CWP :

(37.1)

(37.6)

Die Verflüssigerleistung ergibt sich zu QP c D QP 0 C P :

(37.2)

Die energetische Bewertungsgröße ist das Verhältnis Nutzen zu Aufwand und wird als Leistungszahl bezeichnet. Der Nutzen der Kältetechnik ist der aufgenommene Wärmestrom am Verdampfer (Kälteleistung), der Aufwand ist die Antriebsleistung. Die Leistungszahl "0 , bezogen auf die Gesamtkälteleistung, ergibt sich zu (s. Bd. 1, Abschn. 42.5.1): "KM D QP 0 =P :

(37.3)

Als Antriebsleistung P kann bei offenen Verdichtern die an der Verdichterwelle gemessene Leistung und bei saug- oder druckgasgekühlten Motorverdichtern in hermetischer oder halbhermetischer Ausführung die Klemmenleistung des Motors angegeben werden. Ein Vergleich der Leistungszahlen unterschiedlicher Kälteanlagen ist nur möglich, wenn die Energieart der Antriebsleistungen gleich sind. Die mechanische Antriebsleistung unterscheidet sich von der elektrischen um die Kupplungs-, Motor- und gegebenenfalls Getriebewirkungsgrade.

37.2.2

Absorptionskälteanlage

Ein Problem bei dem Einsatz von KaltdampfKompressionskältemaschinen besteht in dem großen Aufwand an Antriebsenergie, der durch die Verdichtung des Arbeitsmittels in der Gasphase erforderlich wird. Wird hingegen ein gleichgroßer Druckunterschied in der flüssigen Phase überwunden, so ist dies mit weitaus geringerem Aufwand an massenbezogener Antriebsenergie möglich. Dieser physikalische Effekt wird bei den sog. Absorptionskälteanlage, deren Anlagenschema in Abb. 37.3 dargestellt ist, gezielt genutzt. Als Antriebsenergie QP H ist Wärme in Form von niedriggespanntem Dampf oder Heißwasser oder Direktbefeuerung erforderlich. Im industriellen Bereich ist dies ein mit großem wirtschaftlichen Erfolg eingesetztes Verfahren, insbesondere für tiefe Temperaturen – auch in mehrstufiger Ausführung – mit dem Arbeitsstoffpaar Ammoniak/Wasser (NH3 =H2 O). Für klimatechnische Anlagen werden anschlussfertige Kaltwassersätze mit dem Arbeitsstoffpaar Wasser/Lithium-Bromid (H2 O=LiBr) bevorzugt.

37

726

Abb. 37.3 Schema einer H2 O=LiBr-Absorptionskältemaschine. QP ZU D QP 0 -Verdampfer-Wärmestrom, QP Ab: Absorber-Wärmestrom, QP ab D QP C -Verflüssiger-Wärmestrom, QP H -Austreiber-Wärmestrom

Das flüssige Kältemittel (Wasser) strömt vom Verflüssiger über die Drosselstelle zum Verdampfer, wo es unter Wärmeaufnahme weiter verdampft und das für die Klimatisierung umgewälzte Kaltwasser abkühlt. Im Absorberteil wird der Kältemitteldampf (Wasserdampf) von der versprühten starken Salzlösung absorbiert und die entstehende Lösungswärme durch Kühlwasser abgeführt. Die anfallende, verdünnte wässerige Lösung wird von der Solepumpe angesaugt und gelangt in den Austreiber. Der im Austreiber – auch Generator genannt – durch Erwärmen ausgetriebene Kältemitteldampf wird im Verflüssiger niedergeschlagen (verflüssigt), während die angereicherte Lösung wieder zum Absorber zurückfließt. Um die in der Nähe der Sättigungslinie bestehende Kristallisationsgefahr zu vermeiden, wird die starke Lösung mit einem kleinen Mengenstrom verdünnter Lösung vermischt, bevor sie über die Absorberkühlrohre versprüht wird. Alle Apparate arbeiten im Unterdruck. Die Verflüssigerleistung beträgt etwa 70 % der Absorberleistung; entsprechend teilt sich der Kühlwasserstrom oder – bei Hintereinanderschaltung von Absorber und Verflüssiger – die Temperaturdifferenz des Kühlwasserstroms auf. Die Darstellung des Prozesses in dem lg p; 1=T -Diagramm in Abb. 37.4 gibt hierbei die Konzentrations-, Druck- und Temperaturänderungen der Einzelschritte wieder. Die diagonalen Verbindungslinien zwischen dem hohen und dem niedrigen Druckniveau kennzeichnen dabei Zustände gleicher Ar-

C. Hainbach

Abb. 37.4 Darstellung des Absorptions-Kältekreislaufs im lg p; 1=T -Diagramm

beitsmittelkonzentrationen bezogen auf den Gesamtmassenstrom. Die Berechnung von Absorptionskältemaschinen erfolgt mit Hilfe der Enthalpie-Konzentrations-Diagramme (h, -Diagramm) der wässerigen Lösungen von Ammoniak bzw. Lithium-Bromid. Bei der messtechnischen Überprüfung von Absorptionsanlagen wird die Lösungskonzentration mit Hilfe von Dichte- und Temperaturmessungen bestimmt.

37.2.2.1 Wärmeverhältnis Die Bewertung der Absorptions-Kälteprozesse erfolgt üblicherweise nicht über die bei Kompressions-Kälteanlagen übliche Leistungszahl, sondern über das Wärmeverhältnis von Nutz- und Heizwärmestrom, welcher dem Austreiber zugeführt werden muss. Diese Vorgehensweise ist für die Bewertung von Absorptions-Prozessen besser geeignet, da hier die Hauptzufuhr an hochwertiger Energie über den Heizwärmestrom am Austreiber erfolgt. Für die Kälteanlage ist diese Bewertungsgröße: QP 0 : (37.7)

KM D QP H Für die Absorptionswärmepumpe ist das Wärmeverhältnis:

WP D

QP ab C QP Ab: : QP H

(37.8)

Der zusätzlich erforderliche Energieaufwand für den Antrieb der Lösungsmittelpumpe ist im Regelfall vergleichsweise gering, jedoch bei einer gesamtenergetischen Betrachtung des Prozesses nicht vernachlässigbar. Die Höhe der An-

37

Kältetechnik

727

triebsleistung für die Pumpe variiert mit dem Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und -senke sowie dem Stoffsystem Lösungsmittel/Kältemittel. Darüber hinaus bestimmt der Konzentrationsunterschied zwischen reicher und armer Lösung, die sogenannte Ausgasungsbreite, den spezifischen Lösungsmittelumlauf, der zur Aufnahme des verdampften Kältemittels von der Pumpe auf das hohe Druckniveau gebracht werden muss. Eine neutrale Bewertung der Absorptionsprozesse aus primärenergetischer Sicht ist gegeben, wenn der zur Bereitstellung der Lösungspumpenarbeit notwendige Wärmestrom mit in die Bewertungsgröße einfließt. Da bei der Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung in einem Wärmekraftprozess nur etwa ein Drittel der eingesetzten Wärme als Antriebsleistung nutzbar ist und die Lösungspumpen fast ausschließlich elektrisch angetrieben werden, muss bei dem Wärmeverhältnis beim Aufwand die dreifache Antriebsleistung mit berücksichtigt werden. Daher gilt:

KM D

QP 0 QP H C 3  P

(37.9)

oder

WP D

QP ab C QP Ab: : QP H C 3  P

(37.10)

der vergleichbar; es besteht der Zusammenhang —KM D ˜el  ©KM

(37.11)

(—KM D Wärmeverhältnis Absorptionskälteprozess, ˜el D Wirkungsgrad Kraftwerk, ©KM D Leistungszahl Kompressionskälteanlage) Wird das Absorptionskälteverfahren zur Heizwärmeerzeugung eingesetzt, so kann aus dem Verflüssiger ein niedrig temperierter Wärmestrom und aus dem Absorber ein höher temperierter Wärmestrom (< 50 bis 60 % des Gesamtwärmestroms, je nach Austreibertemperatur) entnommen werden. Ein für die Wärmespeicherung interessantes Verfahren ist der periodisch arbeitende Sorptionsapparat mit dem Arbeitsstoffpaar Zeolith/Wasser [2].

37.2.3

Verdunstungskühlverfahren

Die stürmische Entwicklung der elektronischen Datenverarbeitung hat den ganzjährigen Kühlbedarf erheblich gesteigert, und zwar nicht nur während der Betriebszeiten der Datenverarbeitung, sondern auch bei der Herstellung der elektronischen Bauelemente (Chip-Herstellung unter Reinraumbedingungen). Die erforderlichen Kühlwassertemperaturen von 14 bis 20 ı C sind zumindest während der kälteren Jahreszeit mit Hilfe der Verdunstungskühlung zu erreichen. Beim Verdunstungskühlprozess wird die Wärme durch einen gekoppelten Wärme- und Stoffaustausch an die Außenluft abgeführt. Hierzu dienen Einrichtungen wie offene und geschlossene Rückkühlwerke, Kühlteiche sowie mit Sekundärwasser besprühte Rippenrohr-Wärmetauscher. Theoretisch ist eine Abkühlung bis auf die sog. Kühlgrenze – die Feuchtkugeltemperatur der Außenluft – möglich. Je nach Kühllast verbleibt jedoch eine Differenz zwischen Kühlwasseraustritts- und Feuchtkugeltemperatur, die als Kühlgrenzabstand bezeichnet wird

Bei der Auslegung von Absorptionskreisläufen ist somit eine hinreichend große Ausgasungsbreite sicherzustellen, da ansonsten die Arbeitsaufnahme der mechanisch angetriebenen Lösungsmittelpumpe einen zu großen Anteil an der gesamten Energieaufnahme einnimmt und die energetische Bilanzierung entsprechend schlechter ausfällt. Dieses ist auch einer der Gründe für aktuelle Entwicklungen, welche die Substitution der mechanisch angetriebenen Lösungsmittelpumpe zum Ziel haben. Konzepte bestehen derzeit sowohl zu thermisch angetriebenen Pumpen, die nach dem Verdrängungsprinzip arbeiten, als auch zu diffusionsgestützten Druckanhebungen. (37.12) a D tWa  tfa in K Das Wärmeverhältnis der Absorptionskältemaschine und die Leistungszahl der Kompressi- (a zunehmend mit fallender Feuchtkugeltemperaons-Kälteanlage sind nicht unmittelbar miteinan- tur bei gleichbleibender Kühllast).

37

728

Abb. 37.5 Massen- und Energiebilanz von Rückkühlwerken. 1 Eintritt erwärmten Wassers, 2 Austritt des abgekühlten Wassers, 3 Zuluft, 4 Fortluft, 5 Eintritt des Zuspeisewassers (mindestens Verdunstungsanteil)

C. Hainbach

sog. „thermische Übergangseinheiten“ für Großkühltürme ermittelt werden. Bei den kleinen Rückkühlwerken, wie sie für gebäudetechnische Anlagen nur in Frage kommen, ist der Einfluss der Feuchtkugeltemperatur insbesondere wegen der geringen Kühlgrenzabstände von größerer Bedeutung und muss zusätzlich zum Lastverhalten berücksichtigt werden [4]. Die Kenntnis des Fortluftzustands ist wichtig zum Beurteilen der Belästigung durch Schwadenbildung, vor allem in Stadtgebieten.

37.3

Kältetechnische Betriebsstoffe

Für den Kühlvorgang ergeben sich folgende 37.3.1 Kältemittel Massen- und Energiebilanzen, Abb. 37.5: In Verdichterkältemaschinen für klimatechnische m PV D m P L .xLa  xLe / ; (37.13) Anlagen werden seit Jahrzehnten Fluor- und Chlorderivate der Kohlenwasserstoffe Methan P W cpW tWe C m P V cpW tWa m P L hLe C m und Ethan als Kältemittel verwendet. Es hanDm P L hLa C m P W cpW tWa ; (37.14) delt sich um Kältemittel der Sicherheitsgruppe A1 gemäß DIN EN 378, Teil 1 – Kälteanlagen, m P W cpW .tWe  tWa / nichtbrennbar, ohne oder mit geringer toxischer Dm P L ŒhLa  hLe  cpW tWa .xLa  xLe / : Wirkung. Bezeichnung nach DIN 8960. (37.15) Wegen der fortschreitenden Umweltbelastung Für Überschlagsberechnungen wird das Glied (Ozon-Abbau und Treibhausbelastung) muss die Emission von Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen m P V cpW tWa (37.16) FCKW und H-FCKW aus Kälteanlagen sorgfältig vermieden werden. In Bezug auf die mögliche vernachlässigt und es ergibt sich Umweltgefährdung können 4 Stoffgruppen bei m P W cpW .tWe  tWa / D m P L .hLa  hLe / (37.17) den Alkanen unterschieden werden: (tfa Feuchtkugeltemperatur der Außenluft, tWe Wassereintrittstemperatur, tWa Wasseraustrittstemperatur, xLe Lufteintrittsfeuchte (absolut), xLa Luftaustrittsfeuchte (absolut), hLe LufteintrittsP W tatenthalpie, hLa Luftaustrittsenthalpie, m sächlicher Wasserstrom, m P V Verdunstungswasserstrom, m P L Luftmassenstrom, cpW spezifische Wärmekapazität des Wassers). Bei Teillastbetrieb und der damit verbundenen Annäherung an die Kühlgrenze führt das Vernachlässigen des Ausdrucks Gl. (37.16) zu einer zunehmenden Ungenauigkeit, und der Wassergehalt der Austrittsluft kann nicht mehr bestimmt werden. Mit Hilfe von Rechenprogrammen nach Vorschlag gemäß [3] können Fortluftzustand und

FCKW Fluorchlorkohlenwasserstoffe, vollhalogeniert, kein Wasserstoffatom im Molekül (z. B. R 11, R 12) H-FCKW Fluorchlorkohlenwasserstoffe, teilhalogeniert, eines oder mehrere Wasserstoffatome im Molekül (z. B. R 22, R 123) FKW Fluorkohlenwasserstoffe, die außer Kohlenstoff nur Fluor im Molekül enthalten (z. B. R 14, R 116) H-FKW Fluorkohlenwasserstoffe, teilhalogeniert, neben Fluor- auch Wasserstoffatome im Molekül (z. B. R 134a, R 227). Das Ozongefährdungspotenzial der einzelnen FCKW und H-FCKW ist unterschiedlich und

37

Kältetechnik

wird durch den RODP-Wert (Relative Ozon Depletion Potenzial) gekennzeichnet. Bezugswert 1 gilt für Kältemittel R 11 als schädlichsten Stoff [5]. Das Treibhauspotenzial dieser Stoffe ist ebenfalls nicht unerheblich und wird durch den Anstieg klimarelevanter Spurengase in der Erdatmosphäre hervorgerufen. Hierbei dient als Vergleichsmaßstab der sog. Relative Greenhouse Effect (RGE-Wert), dessen Basiswert 1 für R 12 gilt [6] bzw. das Global Warming Potenzial (GWP), das wiederum auf CO2 bezogen wird. Noch laufende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten vieler Wissenschaftsdisziplinen sollen in naher Zukunft neue, zuverlässige Erkenntnisse bringen, und zwar sowohl hinsichtlich der Wirkungen dieser Spurengase in der Atmosphäre als auch über die dringend benötigten harmlosen Ersatzstoffe [7]. Der größte Ozon-Abbau wird von den FCKW verursacht, bei denen die Wasserstoffatome durch Fluor- und Chloratome ersetzt sind. Zu dieser Gruppe gehören u. a. R 11, R 12, R 500 und R 502, die eine entscheidende Bedeutung für Kälteanlagen zur Lebensmittelfrischhaltung in Haushalt, Handel und Gewerbe, in Pkw-Klimaanlagen und für Wasserkühlsätze mit Turbo-Kältemittelverdichtern haben. In bestehenden Anlagen können diese Kältemittel in der Regel nicht durch die harmloseren Austauschstoffe (sog. drop-inKältemittel) – z. B. R 134a für R 12 bzw. R 123 für R 11 – ersetzt werden. Neben dem Reinigen und Trocknen des Kältekreislaufes ist zusätzlicher Aufwand für neue Dichtungen, mehrfachen Ölwechsel und Austausch von Teilen zur Anpassung der Leistung meist nicht zu vermeiden. Kein Ozonzerstörungspotenzial weisen die FKW und H-FKW auf und eignen sich somit als Ersatzstoffe. Jedoch darf hierbei das erhebliche Treibhauspotenzial dieser Stoffe in der Bewertung nicht unberücksichtigt bleiben. Zum Beurteilen und den Vergleich des Treibhauspotenziales dient die TEWI-Kennzahl (Total Equivalent Warming Impact) bestehend aus einem direkten Anteil – berechnet aus Kältemittelmasse und GWP-Wert – und einem indirekten Anteil – berechnet aus dem Energiebedarf

729

des Kälteerzeugers während der voraussichtlichen Nutzungsdauer [8]. Die Verwendung der H-FCKW (z. B. R 22) ist grundsätzlich verboten. Der Bestandsschutz der H-FCKW in Altanlagen wird nunmehr weiterführend durch eine EU-Verordnung (EU 1005/2009, ergänzt durch die nationale ChemOzonSchichtV) abschließend geregelt. Somit bedarf es keiner weiteren Bekanntgabe durch das Umweltbundesamtes, um diese Stoffe aus dem Verkehr zu ziehen.

37.3.1.1 Ersatzstoffe Die Kältetechnik stellt an die von ihr als Kältemittel eingesetzten Stoffe eine Vielzahl an Anforderungen, so z. B.: günstige physiologische Eigenschaften, chemische und thermische Stabilität, Verträglichkeit mit den Dichtungs- und sonstigen Materialien, Mischbarkeit mit Schmiermitteln, geeignete physikalische und thermodynamische Stoffeigenschaften, Nichtbrennbarkeit, ausreichende Verfügbarkeit, vertretbarer Verkaufspreis. Diese genannten Eigenschaften sind bei den FCKW vorhanden und führten deshalb zu deren vielfältiger Verwendung. Gerade wegen ihrer Ungiftigkeit und Nichtbrennbarkeit wurden sie seit ihrer Einführung als Sicherheitskältemittel erfolgreich eingesetzt. Da an diese Stoffe (Kältemittel und Öl) die höchsten Anforderungen gestellt werden, ist es äußerst schwierig, neue adäquate Stoffe zu finden. Die weltweit groß angelegten Untersuchungsprogramme haben unter ca. 860 Substanzen nur wenige Ersatzstoffe für die Kältemittel gefunden, die alle Voraussetzungen einigermaßen erfüllten. Zwei internationale Konsortien prüfen die in Frage kommenden Alternativstoffe auf ihre ökologischen (AFEAS) und toxikologischen (PAFT) Eigenschaften. Erst nach Abschluss der Untersuchung und nach positiven Bewertungen kann ein FCKW-Substitutionsprodukt zur Markteinführung kommen.

37

730 Tab. 37.1 Alternativen zu FCKW-Kältemitteln Einstoffe

1. chlorfreie Kältemittel FKW z. B.: R 116, R 218 2. chlorfreie Kältemittel H-FKW z. B.: R 134a, R 123 3. natürliche Kältemittel (FKW-frei) z. B.: R 717 (Ammoniak), R 718 (Wasser) brennbare Kältemittel (FKW-frei) z. B.: (Propan) Gemische 4. nichtazeotrope chlorfreie Gemische 5. azeotrope chlorfreie Gemische 6. naheazeotrope chlorfreie Gemische Die Verwendung wird abschließend in der ChemikalienKlimaschutz-Verordnung geregelt.

An diese Ersatzstoffe sind neben den genannten Voraussetzungen als Kältemittel noch Forderungen an ihre Umweltverträglichkeit zu stellen. Mögliche Alternativen zu FCKW-Kältemitteln zeigt Tab. 37.1. In dieser Aufstellung sind die brennbaren Stoffe mit aufgeführt, da nach dem heutigem Kenntnisstand und nach der Wunschliste für Ersatzstoffe des Umweltbundesamtes (die dargestellten Stoffe stehen an zweiter Stelle, neben natürlichen Stoffe, wie O2 , CO2 ) deren Einsatz unumgänglich erscheint. Selbstverständlich müssen im Falle des Einsatzes die Kälteanlagen entsprechend den Sicherheitsregeln in ihrer Konstruktion modifiziert werden [9]. Die Industrie stellt eine Vielzahl von neuen Stoffen und Gemischen zur Verfügung, um neben den gesetzlichen Forderungen auch die Anforderungen der verschiedenen Einsatzgebiete in der Kältetechnik zu erfüllen. Nachfolgend werden die momentan auf dem Markt befindlichen Stoffe aufgeführt. Hierbei wird zwischen langfristig einsetzbaren chlorfreien H-FKW und langfristig einsetzbaren natürlichen Stoffe (natürliche Kältemittel) unterschieden.

C. Hainbach

baulich erhöhten Aufwand und eignen sich daher meistens nur in Neuanlagen. Nachteilig bei diesen anthropogenen Stoffen ist das erhöhte Treibhauspotenzial. Besonders die Stoffe und deren Gemische mit einem hohen Anteil an Fluoratomen begründen, bedingt durch ihre Stabilität, das Vielfache an direktem Treibhauseffekt. Wegen ihres hohen Treibhauspotentials ist die Verwendung fluorierter Treibhausgase seit Mai 2006 in der Verordnung (EG) Nr. 842/2006 des europäischen Parlaments und des Rates vom 17. Mai 2006 über bestimmte fluorierte Treibhausgase geregelt. Für ihre Anwendung in stationären Kälte- und Klimaanlagen, Brandschutzsystemen und Schaltanlagen gelten Vorschriften zur Emissionsvermeidung, z. B. die Pflicht zu regelmäßigen Dichtheitsprüfungen. Mit dieser EG-Verordnung erfüllt die EU die Anforderungen des Kyoto-Protokolls. Eine Umsetzung und Ergänzung der EUVerordnung in nationales Recht erfolgte im Jahr 2008 durch die Verordnung zum Schutz des Klimas vor Veränderungen durch den Eintrag bestimmter fluorierter Treibhausgase (Chemikalien-Klimaschutzverordnung - ChemKlimaschutzV)

37.3.1.3 Natürliche Kältemittel (Tab. 37.3) Natürliche Kältemittel, wie z. B. Propan (R290), Isobutan (R600a), Kohlendioxid (R744) oder Ammoniak (R717) zeichnen sich durch ein Ozonabbaupotenzial von 0 und ein sehr geringes bzw. kein direktes Treibhauspotenzial aus. Abgesehen von Kurzzeiteffekten verhalten sie sich umweltneutral. Ihre Anwendung wird jedoch durch Brennbarkeit, Toxizität oder hohe Dampfdrücke eingeschränkt. Bei Einhaltung der Installationsvorschriften und der entsprechenden baulichen Anordnungen bietet deren Anwendung und auch der Betrieb keine Schwierigkeiten. 37.3.1.2 Chlorfreie HFKW-Kältemittel Nachfolgend werden die Kohlenwasserstoffe und deren Gemische und das Ammoniak als Kältemittel näher beDie chlorfreien H-FKW-Kältemittel und deren schrieben. Gemische können als Alternativen angesehen werden, da diese Stoffe grundsätzlich kein Ozon- 37.3.1.4 Kohlenwasserstoffe zerstörungspotenzial aufweisen. Die in Tab. 37.2 Die Suche nach Alternativen hat die bereits früher genannten Stoffe bedingen in Altanlage einen verwendeten brennbaren Kältemittel, wie z. B.

37

Kältetechnik

731

Tab. 37.2 Chlorfreie Kältemittel und Kältemittelgemische FCKW R 12 R 502

R 22

Alternativen Klassifizierung R 134a R 404A R 507 R 407A R 407B R 407C

Zusammensetzung (bei Gemischen)

R 236fa

Hersteller-Bezeichnung – HP62, FX70 AZ 50 KLEA 60 KLEA 61 verschiedene AZ 20 SUVA 9100 ISCEON 59 –

R 227ea R 23 – R 508A R 508A

– – – 5R3 Suva95

R 410A R 114 – R 12B1 R 13 – R 503

a

R 143a/125/134a R 143a/125 R 32/125/134a R 32/125/134a R 32/125/134a R 32/125 R 32/125 R 125/134a/600a –

GWP a 1300 3750 3800 1920 2560 1610

ODP 0

0

1890 2120 8000

0

– – – R 23/116 R 23/116

3300 12100

0 0

n.b. n.b.

0

Formel C3 H8 /C4 H10 NH3 C3 H8 NH3 C3 H8 C4 H10

GWP a 3 0 3 0 3 3

ODP 0

Bezug: CO2 D 1

Tab. 37.3 Natürliche Kältemittel FCKW R12 R502 R22 R 114 – R 12B1 R 13B1 R 13 – R 503 Diverse a

Alternativen Klassifizierung R 290/600a R 717 R 290 R 717 R 290 R 600a

Name Propan/Isobutan Ammoniak Propan Ammoniak Propan Isobutan

0 0 0

keine direkte Alternative verfügbar – ggf. Gemisch R 1270/R 170 R 170 Ethan C2 H6

3

0 0

R 744

1

0

Kohlendioxid

CO2

Bezug: CO2 D 1

Propan und Butan, wieder ins Blickfeld gerückt. Diese Kältemittel hatten schon in den 30er Jahren, lange vor den FCKWs, einen bedeutenden Stellenwert. Derzeit werden viele Neuanlagen mit brennbaren Kältemitteln geplant und realisiert. Diese Entwicklung ist sowohl in der gewerblichen Anwendung als auch in privaten Haushaltgeräten (Weißware) zu beobachten. Die Haushaltstiefkühlgeräte (Kühltruhen) werden inzwischen nur mit den natürlichen Kältemitteln, wie z. B. Butan,

Isobutan hergestellt. Hierbei werden diese Stoffe nicht nur als Kältemittel eingesetzt, sondern auch für die Dämmstoffe. Im Folgenden sollen die Vor- und Nachteile, die durch den Einsatz der Kohlenwasserstoffe zu nennen sind, gegenübergestellt werden. Vorteile der Kohlenwasserstoffe keine Neuentwicklung nötig, umfangreiche Erfahrungen seit 1938,

37

732

kein Ozonabbaupotenzial und marginales Treibhauspotenzial, günstige thermodynamische Eigenschaften, vielfältige Anwendungsgebiete, besonders durch unterschiedliche Mischungsverhältnisse dieser Kohlenwasserstoffe kann eine breite Palette an möglichen Arbeitsstoffen geschaffen werden, gute Materialverträglichkeit, mischbar mit bekannten Mineralölen, als Drop-In-Kältemittel einsetzbar unter Beachtung der Sicherheitstechnik, wirtschaftliche Vorteile durch kostengünstige Herstellung. Nachteile der Kohlenwasserstoffe Brennbarkeit, Besondere sicherheitstechnische Ausrüstung erforderlich, Erhöhte Sachkenntnisse. Bei großen Industrieunternehmen werden diese Anforderungen in der Regel erfüllt, da diese Unternehmen über geschultes Personal und ausreichend überwachte sicherheitstechnische Ausrüstungen verfügen. Bei kleineren und mittleren Handwerksbetrieben stellt dieser Punkt eine Neuerung dar, da in diesen Betrieben das Personal speziell geschult werden muss, was in der Regel mit Kosten verbunden ist.

37.3.1.5 Ammoniak Das Ammoniak als natürliches Kältemittel wird schon seit über 100 Jahren in der Kältetechnik eingesetzt. Besonders die im Industriebereich installierten Anlagen und der daraus gewonnene Erfahrungsschatz macht eine Verwendung dieses Kältemittels auch in Kälteanlagen mittlerer Größe möglich. Dabei sollte nicht vergessen werden, dass ca. 70 % der gesamten in Deutschland installierten Kälteleistungen durch AmmoniakKälteanlagen abgedeckt werden und derzeit in der Welt ca. 300 000 mit Ammoniak betriebene Kompressionsanlagen existieren. Ammoniak gehört zu den in der Natur in großen Mengen vorkommenden Stoffen, da einige

C. Hainbach

Milliarden Tonnen jährlich im natürlichen Stickstoffzyklus der Erde umgesetzt werden. Dadurch ist sichergestellt, dass bei Emission von chemisch hergestellten Ammoniak in die Umgebung keine globalen Veränderungen zu befürchten sind. Als Lieferant für die industrielle Herstellung von Ammoniak dienen die Elemente Wasser und Luft. Für die Wahl eines Stoffes als Kältemittel ist nicht nur die direkte ökologische Verträglichkeit zu berücksichtigen, sondern auch seine thermodynamischen Eigenschaften. Ammoniak hat bezüglich der Verwendung in der Kältetechnik hervorragende thermodynamische Eigenschaften [10]. Besonders hervorzuheben sind die Dampfdruckkurve, der latente Wärmeinhalt beim Phasenübergang und die volumenstrombezogene Kälteleistung. Die Analyse der Dampfdruckkurve gibt Aufschluss über den Einsatzbereiche eines Kältemittels. Durch die Forderung nicht zu hoher oder zu geringer Drücke (Unterdruck) im Kältesystem kann Ammoniak ohne erhöhten konstruktiven Aufwand bei Verdampfungstemperaturen bis zu 30 ı C bzw. Verflüssigungstemperaturen bis zu ca. 60 °C eingesetzt werden. Dieses bedeutet, dass neben dem Tiefkühl- und Normalkühlbereich auch der Anwendungsbereich von Klimaanlagen durch den Einsatz von Ammoniak abgedeckt werden kann. Selbst im Wärmepumpenbereich, bei Nutztemperaturen zwischen 40 und 50 °C, sind heutzutage Anlagen kommerziell verfügbar. Als Nachteil sei hier besonders auf die toxikologischen Eigenschaften und die in Grenzen bestehende Brennbarkeit des Stoffes hingewiesen. Dieses erfordert erhöhte sicherheitstechnische Anforderungen an den Kälteanlagen. Bei Großanlagen mit Füllgewichten oberhalb 3000 kg sind weiterführende Anforderungen (Stand der Sicherheitstechnik) bezüglich Störfallverordnung notwendig. Physiologische Eigenschaften. Ammoniak ist ein giftiger Stoff und hat einen stechenden Geruch. Besonders die hohe Warnwirkung bei geringsten Konzentrationen (ab ca. 5 ppm) macht diesen Stoff insofern unproblematisch, da schon

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Kältetechnik

geringste Leckagen durch das Bedienungspersonal wahrgenommen werden können. Die höchstzulässige Konzentration, ohne die bleibende Schäden für den Menschen hervorgerufen werden, beträgt 20 ppm, d. h. 4 mal höher als die Geruchsschwelle. Dies ist gleichzeitig der MAKWert, also die maximal zulässige Konzentration am Arbeitsplatz mit einer Einwirkzeit von acht Stunden täglich. Höhere Konzentrationen rufen Atmungsschwierigkeiten hervor und je nach Dosis (ab ca. 1700 ppm) sind ernsthafte irreversible Schädigungen möglich. Konzentrationen oberhalb von 2000 ppm können zum sofortigen Tode führen. Nachteilig ist die Eigenschaft, dass Ammoniak bei Konzentrationen oberhalb von 100 ppm nicht paniksicher ist.

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bereich wird durch die Anwesenheit von Kältemittel mehr oder weniger beeinträchtigt. Somit muss der Schmierstoff im gesamten Temperaturbereich eine hohe Stabilität und die notwendige Viskosität aufweisen. Außerdem darf er mit dem Kältemittel nicht chemisch reagieren. Ein weiteres großes Problem ist die Mischbarkeit mit dem Kältemittel. Da das Öl im ganzen Kältemittelkreislauf mitgeführt wird, kann es durch Entmischungen zu Ölverlusten im Verdichter kommen. Grundsätzlich ist folgendes Verhalten von ÖlKältemittelgemischen zu unterscheiden: Vollständige Löslichkeit von Kältemittel in Öl: Ölverdünnung führt zu herabgesetzter Schmierfähigkeit, Viskosität ist außerdem abhängig von Druck und Temperatur, Gefahr droht für den Schmierstoffkreislauf des Verdichters bei schneller Druckabsenkung während des Anfahrvorgangs (Aufschäumen des Öls in der Kurbelwanne), um das Anreichern des Kältemittels im Öl zu unterbinden, ist das Öl in der Kurbelwanne bzw. im Ölreservoir während der Maschinenstillstandszeit zu beheizen.

Brennbarkeit. Ammoniak ist ein brennbares Gas und innerhalb enger Grenzen von 15 bis 28 Vol% im Gemisch mit Luft explosiv. Hierbei ist jedoch eine Zündtemperatur von 651 °C und eine Zündenergie von mind. 14 mJ nötig. Diese Charakteristika zeigen deutlich, dass das Risiko einer möglichen Entzündung sehr gering einzuschätzen ist. Versuche haben gezeigt, dass Ammoniakdämpfe in der Atmosphäre schwer zu entzünden sind. Dies berücksichtigt das technische Regelwerk durch entsprechende Erleichterungen beKältemittel, die bei bestimmten Temperatuzüglich des Explosionsschutzes. Besonders der ren und Mischungsverhältnissen eine Phasentrenin der Atmosphäre immer vorhandene Wassernung aufweisen: dampf grenzt den explosionsfähigen Bereich weiter ein. liegen die Betriebsbedingungen in diesen sog. Mischungslücken, so kann das vom Verdichter ausgeworfene Öl nur durch besondere Maß37.3.2 Kältemaschinen-Öle nahmen aus dem Verdampfer zurückgeführt werden. In Kältemaschinen können nur hochwertige Mineralöle oder die mit speziellen Eigenschaften entwickelten synthetischen Öle oder Gemische Nicht mischbare Kältemittel: Öl, das im Laufe der Betriebszeit den Ölabaus beiden verwendet werden [11]. scheider passiert, sammelt sich im Sumpf des In keinem anderen Bereich werden so hoVerdampfers und kann von dort abgelassen he Anforderungen an das Öl gestellt wie gerade werden (z. B. bei NH3 Kälteanlagen). in der Kältetechnik. Das Öl in Kältemittelkreisläufen ist hohen Belastungen ausgesetzt. Seine Hauptfunktion als Schmier-, Dicht- und KühlDie thermische Stabilität von Kältemaschimittel in einem großen Druck- und Temperatur- nen-Öl ist begrenzt, sodass je nach Verdichterart

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und Betriebsbedingungen eine Ölkühlung vorgesehen werden muss. Die Angaben der Hersteller über die zugelassenen Ölsorten sind unbedingt einzuhalten. Die Öl-Kältemittelbeständigkeit wird in Labortests und Laufzeitprüfungen nachgewiesen. Für die FCKW und H-FCKW Kältemittel wurden Mineralöle verwendet, die im gesamten Kältemittelkreislauf mischbar mit dem Kältemittel sind. Eine Gefahr der Entmischung war nicht gegeben. Bei den neuen Kältemittel (FKW, H-FKW) ist der Einsatz dieser Mineralöle nicht mehr möglich, da sie entweder mit ihnen chemisch reagieren oder sich in einigen Temperaturbereichen Mischungslücken ergeben. Für diese Kältemittel werden ausschließlich Öle auf der Basis von synthetischen Estern verwendet. Diese Öle haben jedoch sehr starke hygroskopische Eigenschaften, sodass ein sorgfältiger Umgang gefordert ist. Deshalb dürfen diese Öle nicht bzw. nur kurzfristig mit der Luft (Feuchtigkeit) in Kontakt kommen.

ßerachtlassung von Mehrphasenfluiden das Wasser zu sehen. Dieses bietet unter Berücksichtigung der thermophysikalischen Eigenschaften die günstigsten Voraussetzungen zum Wärmetransport und Verteilung. Der Anwendungsbereich ist jedoch auf Temperaturen oberhalb von 0 °C physikalisch begrenzt. Je nach Anwendungsfall und unter Berücksichtigung des oben genannten Temperaturabstandes müssen somit unterhalb von Anwendungstemperaturen kleiner ca. C4 ı C andere Stoffe beziehungsweise Gemische eingesetzt werden, die einen Wärmetransport ermöglichen. Diese Stoffe werden als Sole bezeichnet. Früher wurden als Sole Salzwassermischungen verwendet, die jedoch wegen der hohen Korrosionsprobleme einen begrenzten Anwendungsbereich aufweisen. Heutzutage sind Stoffe beziehungsweise Mischungen mit besserer Materialverträglichkeit im Einsatz. Neben den vielen Einstoffen und Mischungen aus organischen und anorganischen Stoffen besonders im Klimabereich sind viele Wassermischungen bekannt, die einen problemlosen Ein37.3.3 Kühlsolen satz erlauben. In Tab. 37.4 sind einige bedeutsame Solen, Als das thermophysikalisch gesehen günstigste Medium für den Einsatz in Kälte- beziehungs- die ausschließlich als Wassermischung verwenweise Wärmeübertragungssystemen ist unter Au- det werden, aufgelistet. Tab. 37.4 Sole aus Gemischen mit Wasser Mischung in Verbindung mit Wasser

Symbol

Ethylenglycol* Propylenglycol* Ethylalkohol Methylalkohol Glyzerin Ammoniak Kaliumkarbonat Kalziumchlorid Magnesiumchlorid Natriumchlorid Kaliumacetat

EG PG EA MA Glyc NH3 K2 CO3 CaCI2 MgCI2 NACI KAc

Massen %/Gefrierpunkt 15 ı C 30 ı C 30,5 45,4 33 48 24,5 40,9 20,0 33,6 39,5 56 10,8 17,7 27 36,6 17,9 25,4 14,0 20,5 18,8 – 24 34

40 ı C 52,8 54 53,1 41,0 63 21,1 – 28,3 – – 39

Eutektikum Temperatur/Konzentration

 100ı C=33 %  37;5ı C=40 %  50ı C=30;5 %  33ı C=21;8 %  21ı C=23;4 % < 50ı C=45 %

Die mit * gekennzeichneten Lösungen werden heute im Klimabereich verwendet, das heißt, der Einsatz erfolgt in Kälteanlagen auf der Verflüssigerseite zum Abführen oder in Verdampferkreisläufen zur Versorgung der Luftkühler.

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37.3.3.1 Thermophysikalische Eigenschaften Für die Berechnung, Planung und Auslegung eines Kälteübertragungssystems ist die richtige Wahl des kälteübertragenden Mediums und die Kenntnis dessen thermophysikalischer Eigenschaften von großer Wichtigkeit. Nachfolgend werden die wichtigsten Kenngrößen kurz erläutert.

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Spezifische Wärmekapazität. Dies ist die ausschlaggebende Größe für die maximal mögliche sensible Wärmeübertragung pro Masseneinheit. Um das notwendige Fördervolumen im Sekundärkreislauf so gering wie möglich zu halten (Pumpenenergie), sind hohe Werte anzustreben.

Thermische Leitfähigkeit. Diese Größe beeinflusst im starken Maße die eigentliche Wärmeübertragung. Mit steigender Leitfähigkeit sinkt Gefrierpunkt. Die Gefriertemperatur eines Flu- der notwendige Temperaturabstand zur Wärmeids muss unterhalb der Betriebstemperatur (Ver- übertragung. dampfungstemperatur) liegen, damit nicht durch Ausdehnungskoeffizient. Dieser Wert ist ein partielle Vereisungen im Verdampfer diese zu Maß für die Ausdehnung einer Flüssigkeit bei Zerstörungen führen können und das Medium steigenden Temperaturen. Dieser Wert ist unpumpfähig bleibt. ter anderem die Grundlage zur Bestimmung des Ausdehnungsgefäßes in einem KälteübertraSiedepunkt. Die Siedetemperatur sollte höhe- gungssystem. re Werte aufweisen als die maximale höchste Betriebstemperatur. Dabei ist besonders bei Käl- 37.3.3.2 Sonstige Eigenschaften teübertragungssystemen nicht nur die Stillstands- Zur Bestimmung eines Stoffes im Sekundärkreistemperatur in die Betrachtung mit einzubeziehen lauf sind neben der Kenntnis der thermophysikasondern auch der Einfluss der Druckabhängigkeit lischen Eigenschaften weitere Eigenschaften beauf die Siedetemperatur (Gefahr der plötzlichen sonders zu berücksichtigen. Als wesentlich sind Verdampfung bei Leckagen unter Atmosphären- hierbei besonders die zu nennen, die besondere druck). Anforderungen an das Kälteübertragungssystem erfordern: Oberflächenspannung. Bei zu geringer Oberflächenspannung des Fluids wächst das Risiko Materialverträglichkeit, der Schaumbildung im System und erhöht die Toxizität, Brennbarkeit, Gefahr einer Kavitation in der Pumpe. Wassergefährdung, sonstige Umweltbelastung, Dichte. Je höher die Dichte eines Fluids desto sonstige Gefahrenpotenziale. höher die pro Volumeneinheit übertragbare sensible Wärme (geringere Pumpenarbeit). Die Auswahl eines Stoffes bedingt somit immer ein Abwägen der Nachteile und Vorteile. In Viskosität. Die dynamische und kinematische der Klimatechnik haben sich neben reinem WasViskosität sollte bei der gegebenen Anwendungs- ser die Wassermischungen Propylenglykol und temperatur nicht zu hoch liegen, da sonst entspre- Ethylenglykol als nutzbar herausgestellt. Bei der Umstellung oder Reparatur von Altchend hohe Druckverluste im Rohrleitungsnetz entstehen. Zur Bestimmung der Wärmeübertra- anlagen muss damit gerechnet werden, dass die ger, der Pumpen und des Rohrleitungsnetzes ist rost- und kalklösende Wirkung der Glykolsole diese Kenngröße im Bereich der Strömungs- zu Verstopfungen und Undichtheiten führt und mechanik und der Wärmeübertragung von aus- vorhandener Rost die Inhibitoren bindet und ihre Wirkung aufhebt. schlaggebender Bedeutung.

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37.4 Systeme und Bauteile der kältetechnischen Anlagen

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Halbhermetischer Verdichter. Verdichter und Antriebsmotor befinden sich in einem verschraubten Gehäuse oder die Gehäuse sind dicht Grundsätzlich lassen sich vom Aufbau her die angeflanscht (keine Wellenabdichtung erfordersogenannten Direktverdampfer-Systeme und die lich). Die Motoren sind sauggasgekühlt (durch Systeme mit Sekundärkreislauf unterscheiden. Kältemittel) oder luftgekühlt. Bei Direktverdampferanlagen kommt der Wärmeaustauscher, in dem das Kältemittel ver- Hermetische Verdichter. Verdichter und Modampft, direkt mit dem zu kühlenden Luftstrom tor sind in einem nicht zu öffnenden Gehäuin Kontakt. Bei indirekten Systemen mit Sekun- se (verschweißte Ausführung) untergebracht. Sie därkreislauf werden im Verdampfer Wasser bzw. werden meist als Kapselverdichter bezeichnet andere Kälteträger (z. B. Solen) abgekühlt und und mit kleineren Leistungen, z. B. in Kühldann zu den verschiedenen Verbrauchern (z. B. schränken, kleinen gewerblichen Kühltruhen etc., Luftkühler) geführt. eingesetzt. Grundsätzlich wird der AntriebsmoKlimageräte mit Direktverdampfer-Systemen tor durch das einströmende Kältemittel gekühlt sowie anschlussfertige Kaltwassersätze mit luft- (sauggasgekühlt). oder wassergekühlten Verflüssigern werden für Bei den kleineren Kälteleistungen für Hausalle gängigen Anwendungsfälle serienmäßig her- haltskühlmöbel und Einzelraumklimageräte wergestellt. den die bisher dominierenden HubkolbenverdichIn die Klimageräte werden fast ausschließ- ter durch verbesserte bzw. neue Verdichterarten, lich Verdichter-Kältemaschinen mit hermeti- wie Rollkolben- und Scrollverdichter (Spiralverschen bzw. halbhermetischen Motorverdichtern dichter), verdrängt [12]. eingebaut. Im mittleren Leistungsbereich werden heute Die Bezugswerte für die Nennleistungen der neben Hubkolbenverdichtern auch SchraubenverRaumklimageräte sind in DIN EN 14511-2 fest- dichter eingesetzt, während die großen Leistungelegt; z. B. der Bezugswert für den Kühlbetrieb gen den Turboverdichtern vorbehalten sind. in gemäßigtem Klima: Raumluft 27 ı C=46 % rel. Feuchte und Außenluft 35 ı C=40 % rel. Feuchte. 37.4.1.1 Schutzeinrichtungen und Sicherheitsgeräte Bei der Vielzahl der Bauteile, die in einer Kälteanlage eingebaut sein können, werden nachfol- Je nach Volumenstrom des Verdichters und der gend nur die wichtigsten beschrieben. Besonders Gesamtfüllmenge an Kältemittel werden die Kälbei den regelungstechnischen Bauteilen, wie z. B. teanlagen gemäß dem technischen Regelwerk Kondensationsdruckreglern etc. wird auf weiter- (zzt. DIN EN 378) entsprechend ihrem Gefährdungspotenzial abgesichert. Hierbei stehen neführende Fachliteratur verwiesen. ben einfachen, druckbegrenzenden Schaltreglern (Druckwächter bzw. Druckbegrenzer) auch frei37.4.1 Kältemittelverdichter ausblasende Sicherheitseinrichtungen (Sicherheitsventile) und Überströmventile von der HochKältemittelverdichter werden neben ihrer Kon- druckseite auf die Niederdruckseite zur Verstruktion als Kolben-, Schrauben-, Turbo- oder fügung. Weitere Sicherheitseinrichtungen sind Scrollverdichter auch in ihrer Bauweise als of- Öl-Differenzdruckschalter, Öltemperaturwächter fene, halbhermetische und hermetische Bauart etc. unterschieden (s. Kap. 3, 12). Je nach Leistung und Bauart werden die vorstehend genannten Geräte grundsätzlich baumusOffener Verdichter. Verdichter und Antriebs- tergeprüft bzw. bauteilgeprüft benötigt. motor sind durch Keilriemen, bzw. Welle verbunZur Sicherstellung der Langlebigkeit der Anden, Verdichter hat ein drehendes Bauteil nach lagen sind weitere Schutzeinrichtungen, wie z. B. außen (Wellenabdichtung erforderlich). Lagertemperaturwächter, Wicklungsthermostate

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oder Motorvollschutz-Einrichtung (Halbleiter), Begrenzung der Einschalthäufigkeit, vorhanden. Neben den Leistungs-Regeleinrichtungen der Verdichter kann die Kälteleistung durch polumschaltbare oder drehzahlveränderbare Elektromotore, durch drehzahlgeregelte Verbrennungsmotore oder durch einfaches Ein-/Ausschalten der Antriebe dem Bedarf angepasst werden (s. Bd. 2, Kap. 26).

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der Entwicklung zu größeren Bautypen begriffen. Zellenverdichter. Er gehört zu den Drehkolbenverdichtern mit einem Rotor; mehrere Flügel bilden die Zellen. Der einfache, robuste Aufbau in Verbindung mit Verbundfaserwerkstoffen gewährleistet eine lange Lebensdauer. Der zulässige Drehzahlbereich liegt zwischen 400 und 4000 min1 , was eine Drehzahlregelung in weiten Bereichen ermöglicht. Der Rotationsverdichter besitzt eine gute Eignung für Transportkühlanlagen mit direktem Antrieb durch den Verbrennungsmotor. Der Leistungsbereich reicht etwa von 2,5 bis 17 kW Antriebsleistung [13].

37.4.1.2 Konstruktion Scrollverdichter (auch Spiral-Verdichter genannt), Abb. 37.6. Weltweit sind heute mehrere Millionen Hermetikverdichter (Kapselbauweise) mit Volumenströmen von 5 bis ca. 100 m3 /h in Betrieb. Die Vorteile dieser Konstruktion sind neben geringem Leistungsgewicht sowie Bauvolumen und keine Arbeitsventile auch größere Laufruhe, höherer Liefergrad und gleichför- Hubkolbenverdichter (Abb. 37.7). Hierbei migerer Drehmomentenverlauf als bei Hubkol- handelt es sich um eine bewährte Verdichterbenverdichtern. Der Scrollverdichter ist noch in konstruktion mit selbsttätigen Arbeitsventilen. Der Einsatz von federbelasteten Ventileinsätzen beugt der Zerstörung von Kolben, Triebwerk und Ventilplatten durch Flüssigkeitsschläge vor. Die Zylinderköpfe von Verdichtern in der Klimatechnik werden im Allgemeinen luftgekühlt ausgeführt, bei tieferen Verdampfungstemperaturen (z. B. Lebensmittelkühlkette) ist der Einsatz von wassergekühlten notwendig. Da Massenund Momentenausgleich auch bei Vielzylindermaschinen nicht immer vollständig gelingt, muss für ausreichenden Schutz vor Körperschallüber-

Abb. 37.6 Arbeitsweise des Scrollverdichters (Trane). a Prinzip: Das Verdichten erfolgt mittels zweier, einseitig offener, ineinandergreifender Spiralen. Die obere Spirale ist ortsfest, die untere Spirale beschreibt eine Umlaufbahn; b Ansaugen: Beim ersten Umlauf der beweglichen Spirale werden zwei Gasräume gebildet und das Ansauggas darin eingeschlossen; c Verdichten: Beim zweiten Umlauf wird das Volumen der Gasräume kontinuierlich reduziert und das verdichtete Gas in Richtung des Mittelpunktes der festen Spirale transportiert; d Ausschieben: Beim dritten Umlauf wird das Gas weiter verdichtet und endlich durch eine Auslass-Öffnung in der Mitte der ortsfesten Spirale ausgeschoben

Abb. 37.7 Halbhermetischer Vier-Zylinder-Motorverdichter mit Antriebsleistung bis 37 kW (Bitzer). 1 Saugabsperrventil, 2 Saugraum des Zylinderkopfes, 3 Druckraum des Zylinderkopfes, 4 Klemmkasten, 5 Stator, 6 Rotor, 7 Weg des angesaugten Kältemitteldampfes, 8 Schmierölkreislauf

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tragung gesorgt werden. Die Drehzahl beträgt im Allgemeinen 1500 min1 , in Sonderfällen auch bis 3000 min1 . Die Leistungsregelung ist durch Sauggasdrosselung, Druckgas-Bypass mit Nachspritzung oder stufenweiser Zylinderentlastung durch Abheben der Saugventilplatten möglich. Das Abheben der Ventilplatten ist gleichzeitig eine Einrichtung, die den entlasteten Anlauf des Verdichters gewährleistet. Vorwiegend wird mit Hilfe des Schmieröldrucks – seltener mittels des Verflüssigungsdrucks – das Arbeiten der Saugventilplatten der einzelnen Zylinder freigegeben. Die Leistungsregulierung über veränderbare Drehzahl ist wegen des Verhaltens der selbsttätigen Arbeitsventile wirtschaftlich nur im oberen Drehzahlbereich (50 bis 100 %) möglich. Schraubenverdichter. Sie arbeiten mit zwei Rotoren (Roots-Prinzip) mit Öleinspritzung, wodurch neben dem Abdichten gleichzeitig eine Kühlung des überhitzten Kältemitteldampfes während des Verdichtungsvorgangs und daher eine niedrigere Verdichtungsendtemperatur erreicht wird (s. Abschn. 3.4.2). Die notwendige Ölkühlung erfolgt durch einen wassergekühlten oder kältemittelgekühlten Ölkühler oder durch die Kältemitteleinspritzung in den Verdichtungsraum. Es sind keine oszillierenden Triebwerksteile und keine Arbeitsventile und damit keine Schadräume vorhanden wie bei Kolbenverdichtern, und es gibt keine Pumpgrenze wie bei Turboverdichtern. Für die Leistungsregulierung von Schraubenverdichtern, stufenlos im Bereich von 100 bis 15 %, wird ein Leistungsschieber so gesteuert, dass ein mehr oder weniger großer Teil des Ansaugraums nicht genutzt wird. Da das Verhältnis des Ansaugvolumens VS zum Volumen bei Austrittsdruck VD konstruktiv bei Schraubenverdichtern fest vorgegeben ist (Vi ), muss bei schwankenden äußeren Betriebsbedingungen ein sogenannter Vi -Schieber vorgesehen werden. Zur Vi -Änderung wird der Öffnungswinkel für den Auslassbeginn mittels Schieber verändert. Damit kann auch bei größeren Abweichungen von den Planungsvorgaben (Betriebsdrücke) das Verhalten an die tatsächlichen Betriebsbedingungen angepasst werden.

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Mit Hilfe einer Mikroprozessorregelung kann das Rückströmen eines Teils des angesaugten Massenstroms geregelt und das Volumenverhältnis Vi den tatsächlichen Betriebsbedingungen angepasst werden. Die Verlustarbeiten für Nachverdichten bzw. -expandieren sind dann gering [14]. Die hohe zulässige Drehzahl erlaubt den Direktantrieb mit 2-poligen Elektromotoren (3000 min1 bei 50 Hz und 3600 min1 bei 60 Hz). Turboverdichter, Abb. 37.8. Für die Klimakälteerzeugung genügen 1- oder 2-stufige Turboverdichter mit eingebautem Getriebe (Laufrad-Drehzahlen in der Regel zwischen 3000 und 10 000 min1 ) (s. Kap. 12). Bevorzugt wird die Regelung des Kältemittelmassenstroms abhängig von der Kaltwasser-Vorlauftemperatur durch verstellbare Einlass-Leitschaufeln vor dem Laufrad. Für stabilen Teillastbetrieb werden Hilfseinrichtungen wie HeißgasBypass oder Druckgaseinleitung unterhalb des Flüssigkeitsspiegels im Verdampfer vorgesehen. Entlastetes Anfahren der Maschine erfolgt durch Schließen der Einlass-Leitschaufeln, die außerdem zum Begrenzen der Motorstromaufnahme – in der Regel zwischen Sollwerten von 40 bis 100 % einstellbar – verwendet werden.

Abb. 37.8 Offener Turbokältemittelverdichter (Sulzer Escher Wyss). 1 Vorleitschaufeln (VLS), 2 VLS-Verstellhebel, 3 VLS-Verstellantrieb (typisch), 4 Laufrad, 5 Laufradwelle mit Ritzel, 6 Getriebeaußenkranz, 7 Planetenräder, 8 Getriebegehäuse, 9 Getriebegehäusedeckel, 10 Flansch des Standardmotors, 11 Antriebswelle des Standardmotors, 12 Gleitringdichtung

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Da nur drehende, keine oszillierenden Teile vorhanden sind, kann die Körperschallübertragung durch spezielle Gummiunterlagen unterbunden werden; im Teillastbetrieb kann bei ungünstigen Bedingungen jedoch ein erhöhter Luftschallpegel auftreten. An pulsierenden Geräuschen und mit gleicher Frequenz schwankenden Drücken und Stromaufnahmen ist das sog. „Pumpen“ – die zeitweise Umkehr des Gasflusses durch das Laufrad – zu erkennen. Es kann sowohl die obere als auch die untere Pumpgrenze überschritten werden; längerer Betrieb in diesem Zustand kann zu großen Schäden, insbesondere zu Lagerverschleiß führen (s. Kap. 12).

37.4.2 Verdampfer Verdampferkonstruktionen für Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung und Eisspeicherung. Nach der Art der Beaufschlagung der Kühlfläche mit Kältemittel wird grundsätzlich zwischen Überflutungsbetrieb und trockener Verdampfung (s. Abschn. 25.2) unterschieden. Prinzipielle Vorteile der trockenen Verdampfung sind die kleinere Kältemittelfüllung und die geringeren Probleme mit der Ölrückführung. Luftkühler. Lamellenrohrverdampfer aus Kupferrohren von 9,52 bis etwa 18 mm Durchmesser und Rein-Aluminium-Lamellen mit 0,3 mm Dicke. In korrosiver Atmosphäre: Kupferlamellen bzw. epoxydharzbeschichtete Lamellen; letztere auch in Verbindung mit Chrom-Nickel-Stahlrohren. Lamellenabstände für Direktkühler in Klimaanlagen ab 1,95 bis 4,2 mm, je nach Feuchtigkeitsausscheidung. Praktische Wärmedurchgangskoeffizienten liegen im Bereich von 12 bis 34 W=.m2  K/; je nach Feuchtigkeitsausscheidung können auch höhere Wärmedurchgangskoeffizienten erreicht werden. Bei der Auslegung der Lamellenabstände sind grundsätzlich die hygienischen Anforderungen mit zu berücksichtigen (VDI 6022).

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mit eingewalzten – seltener eingeschweißten oder eingelöteten – Kupfer- oder Stahlrohren, mit und ohne äußere und innere Rillen, Rippen oder dergleichen zum Verbessern des Wärmeübergangs, bei einer um das Mehrfache vergrößerten Kühlfläche (etwa 2,5- bis 3,5fach). Bei höheren Ansprüchen an die Korrosionsbeständigkeit werden Sondermessingrohre, Schutzschichten aus Titan etc. verwendet. Bei trockener Verdampfung: Kältemittel in den Rohren; Wasser oder Sole um die Rohre. Kältemittelseitige Aufteilung auch auf zwei, seltener auf drei oder vier Kreisläufe. Nachteil: Wasserseitig ist nur eine chemische, keine mechanische Reinigung praktikabel. Bei Überflutungsbetrieb: Kältemittel um die Rohre, Kälteträger mittels Umlenkdeckel in Einweg- bis Vierweg-Durchfluss geführt. Für kleine Leistungen sind auch Koaxialverdampfer (Doppelrohre spiralförmig gewickelt) mit beripptem oder glattem inneren Kupferrohr üblich. Für das Kältemittel Ammoniak werden entsprechende Ausführungen mit Stahlrohren hergestellt. Je nach Verschmutzung und spezifischer Belastung der Kühlflächen werden bei Wasserkühlung Wärmedurchgangskoeffizienten etwa bis 2100 W=.m2  K/ – bezogen auf die wasserberührte Rohroberfläche – erreicht. In jüngster Zeit werden verstärkt Plattenwärmeaustauscher als Verdampfer in Kältemittelkreisläufen eingesetzt [15]. Die Vorzüge der Plattenwärmeaustauscher sind hohe Leistungsdichten auf kleinem Raum. Nachteilig sind, bedingt durch die geringen Abständen zwischen den Platten, die erhöhte Verstopfungsgefahr bei verschmutzen Kälteträgern. Weiterhin muss bei Ausbildung von Totwassergebieten, bedingt durch Verstopfungen, mittels Nachverdampfung mit Einfrierschäden gerechnet werden.

Eisspeicherung. Ausgeführt als Plattenverdampfer aus Stahl, verzinkt oder kunststoffbeschichtet oder als Glattrohrschlangen-Verdampfer für Einsatz in offenen Wasserbecken. Das Kältemittel wird über spezielle Verteiler gleichmäßig eingespritzt, mit KältemittelpumFlüssigkeitskühler. Rohrbündelverdampfer mit pen oder durch Naturumlauf (Dampfdom) umgeMantel aus Stahlrohr, stirnseitigen Stahlböden wälzt.

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37.4.3 Verflüssiger

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Lochblenden und Düsen: einfachste Form der Drosselung von Kältemittelmassenströmen; Luftgekühlte Verflüssiger. Ähnlich ausgeführt angewendet z. B. bei der Motorkühlung von wie die Verdampferkonstruktion mit Rohren aus halbhermetischen Turbokältemittelverdichtern. Kupfer oder Stahl und Lamellen aus Aluminium, Kupfer, Stahl und gegebenenfalls zusätzli- 37.4.4.1 Einspritzeinrichtungen cher Beschichtung; mit Lamellenabständen ab 1,6 mm. Die Wärmedurchgangskoeffizienten liegen im Bereich von 15 bis 30 W=.m2  K/, je Thermostatische Einspritzventile: Abhängig nach Luftdurchsatz; der jedoch oft wegen des von der Temperatur des Fühlelements wird die zunehmenden Geräuschpegels besonders bei Au- Einspritzdüse des Ventils für das Durchströmen des Kältemittels mehr oder weniger geöffnet. ßenaufstellung begrenzt werden muss. Das Fühlelement (mit Kältemittel gefüllte Kapillare) erfasst die Überhitzungstemperatur der Wassergekühlte Verflüssiger. Konstruktion Saugleitung hinter dem Verdampfer. Bei steigenwie Rohrbündelverdampfer für Überflutungsbe- der Überhitzung wird das Ventil weiter geöffnet, trieb mit Wasserumlenkdeckeln bis zu Sechsweg- sodass der Massenstrom an Kältemittel steigt. Bei Durchfluss. Die unteren Kühlrohre dienen bei sonst konstanten Randbedingungen (Temperatur Einbau eines Leitblechs für den Abflussweg der Wärmequelle, etc.) sinkt die Überhitzung. zum Unterkühlen des flüssigen Kältemittels. Bei Verdampfern mit größerem kältemittelSpiralförmig gewickelte Koaxial- und Doppel- seitigen Druckabfall sind Einspritzventile mit rohr-Wärmeaustauscher und neuerdings auch zusätzlichem Anschluss einer DruckausgleichsPlattenwärmeaustauscher als Verflüssiger und leitung an die Saugleitung hinter dem Temperazum Rückgewinnen der Überhitzungswärme für turfühler erforderlich. Gleiches gilt für VerdampHeizwasserkreisläufe. Sonderausführungen mit fer mit mehreren parallelen Wegen, bei denen doppelter Trennwand und Sicherheitszwischen- zum gleichmäßigen Beaufschlagen Kältemittelraum zwischen Kältemittel- und Trinkwassernetz verteiler eingebaut werden. Ein Einspritzventil für die Brauchwassererwärmung (s. a. wasser- mit MOP (Maximum Operation Pressure) unterhaushaltsrechtliche Anforderungen, DIN 1988, bindet die Kältemitteleinspritzung oberhalb eines T 4, Trinkwasserverordnung und DIN 8901). bestimmten Verdampfungsdrucks und schützt soPraktische Wärmedurchgangskoeffizienten lie- mit den Antriebsmotor vor Überlastung. gen im Normalfall in der Größenordnung von 900 bis 1700 W=.m2  K/ bezogen auf die äußere Elektronisches Einspritzsystem: Mit der neuen Kühlfläche. Generation von mikroprozessorgesteuerten Einspritzsystemen aus Regler, elektronischem Expansionsventil und zwei Messwertaufnehmern 37.4.4 Sonstige Bauteile wird die Kältemittel-Mengenregelung – abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen VerDrosseleinrichtungen. Neben Druckerzeuger, dampferein- und -austritt – so verbessert, dass Verdampfer und Verflüssiger ist die Drosselein- ein stetiger, kühllastangepasster Verlauf des Verrichtung zwischen Hoch- und Niederdruckseite dampfungsdrucks erreicht wird. Im Vergleich zu wichtiger Bestandteil des Kältemittelkreislaufs. herkömmlichen Ventilen ergeben sich folgende Vorteile: geringere Überhitzung, geringere VerKapillar-Drosselrohre: geeignet für Serienge- dichterlaufzeiten und -schaltspiele; kürzere Abräte kleiner Leistung, mit abgestimmter Kälte- tauzeiten bei Luftkühlern; größere Regelgenaumittelfüllung, z. B. kleinere Splitanlagen für ein igkeit (˙0;7 K und kleiner), selbst bei schnellen oder zwei Verbraucher (meist eigensichere Bau- Laständerungen und Änderungen des Verflüssiweise). gungsdrucks sowie der Unterkühlungstempera-

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Kältemittelstrom aus dem Verdampfer bei Unterschreiten einer bestimmten Medientemperatur; Kühlwasserregler regelt den Wasserdurchfluss durch Verflüssiger abhängig vom Verflüssigungsdruck.

Abb. 37.9 Kältemitteleinspritzregelung mit elektronischem Regelsystem (Danfoss). 1 Magnetventil, 2 Expansionsventil mit Stellantrieb, 3 Regler elektronisch, 3.1 Temperaturfühler PT 1000 am Verdampfereingang, 3.2 Temperaturfühler PT 1000 am Verdampferausgang, 4 Kältemittelverteiler, 5 Rippenrohrluftkühler für Direktverdampfung

tur. Dieses Betriebsverhalten führt zu deutlich höheren Leistungszahlen für die Kälteerzeugung. Die in Abb. 37.9 dargestellte elektronische Einspritzung kann mit zusätzlichen Funktionen versehen werden für: externe Sollwertverstellung, MOT-Begrenzung (Maximum Opening Temperatur), zwangsweises Öffnen und Schließen, Anzeige der Überhitzungstemperatur. Die Kommunikation mit einem Rechner ist möglich. Schwimmerregler. Diese Regeleinrichtung kommt bei überfluteten Wärmeübertragern bzw. bei großen Kältemittelfüllmengen und entsprechenden Sammelbehältern (Sammler) zum Einsatz. Es ist zu unterscheiden zwischen Hochdruck- und Niederdruck-Schwimmerregler, je nach Einbauort des Schwimmers auf der Verflüssigerseite (Hochdruck) oder der Verdampferseite (Niederdruck). Während der Hochdruckschwimmer das vom Verflüssiger kommende flüssige Kältemittel zum Verdampfer hin abfließen lässt, den Durchtritt von gasförmigen Kältemittel jedoch verhindert, hält der Niederdruckschwimmer einen bestimmten Kältemittelstand im Verdampfer aufrecht.

Kältemittel-Rohrleitungen und Zubehör. Für Kältemittel werden bis ca. 54 mm Außendurchmesser (wirtschaftliche und betriebtstechnische Gründe) fast ausschließlich Kupferrohre nach DIN 8905 verwendet. Bei größeren Rohrdurchmessern sowie für Ammoniakanlagen werden Leitungen aus Stahl verlegt (s. Abschn. 35.8). Grundsätzlich unterliegen alle druckbeaufschlagten Bauteile und somit auch die Rohrleitungen für Bau und Betrieb der Druckgeräteverordnung, für den Betrieb der Rohrleitung gilt die Betriebs-Sicherheitsverordnung nur, wenn das Kältemittel brennbare, ätzende oder giftige Eigenschaften aufweist. (Die gesamte Kälteanlage als Baugruppe unterliegt grundsätzlich beiden Verordnungen.) Schweißverbindungen müssen von geprüften Schweißern hergestellt werden (s. Bd. 2, Abschn. 8.1). Kleinere Rohrdurchmesser können auch durch Hartlöten verbunden werden (s. Bd. 2, Abschn. 8.2). Lösbare Verbindungen (Flansche, Bördelverschraubungen) sind auf den unbedingt notwendigen Umfang zu beschränken (Leckverluste – Umweltschutz). Bei längeren Kältemittelleitungen, insbesondere Saugleitungen, mindert der Druckverlust die Leistung des Kältemittelverdichters. Andererseits darf die Sauggasgeschwindigkeit mit Rücksicht auf eine einwandfreie Ölrückführung nicht beliebig verringert werden (4 bis 8 m=s je nach Steigung und Kältemittel sind einzuhalten). Für die Kältedämmung der Saugleitungen darf nur schwerentflammbares oder nicht brennbares Material verwendet werden (Baurecht). Vorzugsweise wird geschlossenzelliges, flexibles, synthetisches Kautschukmaterial in schwerentflammbarer Ausführung verwendet.

Regel- und Schalteinrichtungen. Magnetabsperrventile, Druckschalter, Druck- und Temperaturregler in verschiedenen Ausführungen und für verschiedene Aufgaben, z. B.: Startregler ver- Kältedämmung. Die Dämmung von kaltgemeidet Motorüberlastung beim Anlaufen mit zu henden Rohrleitungen und Armaturen ist nötig, hohem Saugdruck; Temperaturregler drosselt den um Kälteverluste und Schwitzwasser bei Tau-

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punktunterschreitung zu vermeiden. Dies betrifft im hiesigen Klima alle Leitungen mit Medientemperaturen von 15 °C und niedriger. Wichtige Vorkehrungen: vorbeugender Korrosionsschutz durch Beschichten der Rohroberfläche. Vorbehandlung nach AGI Q 151 (Arbeitsgemeinschaft Industriebau e. V.). Rohrbefestigungen mit ausreichender Dämmeinlage, um Wärmebrücken zu verhindern (Dämmstoff Polyurethan-Hartschaum mit Rohdichte bis 250 kg. Ausreichender Verlegeabstand der Rohrleitungen nach DIN EN 378.

von nationalen Gesetzen, Verordnungen und Normen durch internationale Standards ersetzt. Die Kälteanlagen unterliegen z. B. dem Gerätesicherheitsgesetz, der Druckgeräteverordnung, der Betriebs-Sicherheitsverordnung, dem Wasserhaushaltsgesetz, weiterführenden Länderregelungen usw. Speziell für die kältetechnischen Belange sind die Unfallverhütungsvorschrift BGR 500, die DIN EN 378 Teil 1 bis 4, die TRBS einzuhalten. Ammoniak-Kälteanlagen mit einer Füllmenge größer 3 t sind zusätzlich genehmigungspflichtig nach dem BundesimmissionsschutzgeKältemitteltrockner. Der maximale Feuchtig- setz (BImSchG). keitsgehalt des angelieferten Kältemittels liegt mit etwa 0,001 Massenprozent in der Regel weit unter der Löslichkeitsgrenze von Wasser in flüs37.5 Direktverdampfer-Anlagen sigem Kältemittel. Vorbeugend werden bei vor Ort montierten Anlagen Kältemitteltrockner vorwiegend in die Im Leistungsbereich bis etwa 300 kW sind in der Flüssigkeitsleitung eingebaut, um gegebenenfalls Klimatechnik Direktverdampfer-Anlagen (Verdie im Kältemittelkreislauf nach dem Evaku- dampfer als Luftkühler, Abb. 37.10) oft die soieren verbliebene Restfeuchtigkeit an eine ge- wohl in den Anschaffungs- als auch in den Beeignete Absorptionsmasse (Aluminium-Silicium- triebskosten günstigste Lösung. Dies ist darauf Oxid-Verbindungen, z. B. Silicagel, Molekular- zurückzuführen, dass anstelle des Kaltwassernetsiebes) zu binden. In der Regel dient der Trockner zes im Durchmesser kleinere Kältemittelleitungleichzeitig als Filter. Ölabscheider. Sie werden in Kälteanlagen der Klimatechnik i. Allg. nicht benötigt; eine Ausnahme bilden die Kaltwassersätze mit Schraubenverdichtern und Anlagen mit dem Kältemittel Ammoniak. Der in die Druckgasleitung eingebaute Ölabscheider führt den größten Teil des aus dem Verdichter ausgeworfenen Öls über einen Schwimmerregler dem Ölreservoir wieder zu. Armaturen und Zubehör. Im Kältemittelkreislauf eingebaut können sein: betriebsmäßig von Hand zu betätigende Absperrventile; nicht betriebsmäßig zu betätigende Absperrventile mit Kappen; Wechselventile; Schnellschlussventile; sog. „Schrader“-Ventile zum Anschließen von Mess- und Hilfsleitungen; Rückflussverhinderer; Schaugläser; Thermometerstutzen; Kältemittelfilter; Kältemittelsammler. Bau und Inbetriebnahme. In der Europäischen Gemeinschaft werden zurzeit eine Vielzahl

Abb. 37.10 Schema des Kältemittelkreislaufs einer Direktverdampfer-Anlage, luftgekühlt. 1 Verdampfer, 1.1 Radialventilator, 2 Saugleitung, 3 Motorverdichter, saugdampfgekühlt, 3.1 Saugabsperrventil, 3.2 Druckabsperrventil, 3.3 Saugdruckwächter, 3.4 Druckwächter, 3.5 Sicherheits-Druckbegrenzer, 4 Druckleitung, 5 Verflüssiger, luftgekühlt, 5.1 Axialventilator, 6 Kältemittelsammler, 6.1 Flüssigkeits-Eckabsperrventil, 7 Flüssigkeitsleitung, 8 Filtertrockner, 9 Schauglas mit Feuchtigkeitsindikator, 10 Magnetabsperrventil, 11 thermostatisches Einspritzventil, 11.1 Temperaturfühler mit Kapillarrohr, 11.2 äußere Druckausgleichsleitung, 12 Raumtemperaturthermostat

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Kältetechnik

gen zu verlegen sind, die Wasserumwälzpumpen entfallen und keine zusätzliche Temperaturdifferenz zum Abkühlen des Kälteträgers wie bei der Wasserkühlanlage erforderlich ist und daher Direktkühlanlagen mit einer um 6 bis 7 K höheren Verdampfungstemperatur betrieben werden können. Die Aufteilung auf mehrere dezentrale Kälteanlagen wird gewählt, um die Kältemittelfüllung kleinzuhalten, Ölrückführungsprobleme zu vermeiden, kein ausgedehntes Kältemittel-Leitungsnetz für weit auseinanderliegende Kälteverbraucher zu erhalten sowie ein geringes Ausfallrisiko tragen zu müssen. Im Vergleich zu zentralen Kaltwassersätzen sind Ölrückführung und Ölausgleich sowie auch die Schallausbreitung meist schwieriger zu beherrschen. Die Anzahl der Kälteverbraucher sollte daher drei bis vier Stück pro Kältemittelkreislauf nicht überschreiten. Günstige Bedingungen für den Einsatz von Direkt-Verdampferanlagen: geforderte Zulufttemperatur kleiner 11 °C, kleine Kühllasten, vorwiegend Volllastbetrieb mit geringer Schalthäufigkeit und kurze Saugleitungen.

37.5.1

Verflüssigersätze, Splitgeräte für Klimaanlagen

Die Verflüssigersätze sind serienmäßig hergestellte Einheiten, bestehend aus dem Verflüssiger, Verdichter und sonstigen Bauteilen der Hochdruckseite, jedoch ohne Bauteile der Niederdruckseite, wie Verdampfer und Drosselstelle. Ihr Leistungsbereich erstreckt sich etwa von 1,5 bis 350 kW. Beispiel eines luftgekühlten Verflüssigersatzes kleinster Leistung: Abb. 37.11. Diese Geräte werden eingesetzt, um unterschiedliche Verdampfereinheiten (Luftkühler) in Klimaanlagen zu versorgen. Als Splitgeräte werden serienmäßig hergestellte Komplettkälteanlagen bezeichnet, die werksmäßig mit getrenntem Innen- und Außenteil ausgestattet sind. Zum Innenteil gehören Verdampfer und Ventilator (z. B. Umluftkühler) und zum Außenteil die Hochdruckseite der Kälteanla-

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Abb. 37.11 Gekapselter Kältemittelverdichter mit luftgekühltem Verflüssiger für Einphasen-Wechselstrom-Anschluss (Danfoss). 1 luftgekühlter Verflüssiger, 2 Lüftermotor, 3 Hermetik-Verdichter, 4 Saugabsperrventil, 5 Druckabsperrventil, 6 Sicherheitsdruckbegrenzer, 7 Verteilerkasten, 8 Anlaufkondensator, 9 Motorklemmkasten mit Anlassrelais

Abb. 37.12 Installation eines Splitsystems. 1 Verflüssigereinheit, 2 Raumluftkühler (Verdampfer), 3 isolierte Saugleitung, 4 Flüssigkeitsleitung, 5 Filtertrockner, 6 Schauglas mit Feuchtigkeitsanzeiger, 7 Kondensatauslass, 8 abgesicherter Trennschalter, 9 Ventilator-Motorschutzschalter, 10 Innenthermostat, 11 abgesicherter Trennschalter, witterungsgeschützt, 12 Stromzuführung

ge wie Verdichter und luftgekühlter Verflüssiger, Abb. 37.12. Je nach Größe des Splitgerätes und Anzahl der Innenteile ist die Drosselstelle bei kleineren Baugrößen dem Außenteil zugeordnet, bei größeren Anlagen erhält jeder Verbraucher ein eigenes Expansionsventil. Der Vorteil des eigenen Expansionsventils liegt in der vereinfachten Rohrführung (keine Mehrphasenströmung, keine Dämmung). Der wirtschaftlich vertretbare Anschluss von Kälteverbrauchern an Splitgeräte ist einerseits

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begrenzt durch die Länge der Saugleitung, die 35 m nicht überschreiten und andererseits durch die Höhendifferenz zwischen Verdampfer und Verflüssiger, die nicht mehr als 10 m betragen sollte. Kompaktgeräte sind für Außenwandmontage bzw. für Außenaufstellung vorgesehen, die mit luft- oder wassergekühltem Verflüssiger und Anschluss des zu kühlenden Raums über Luftkanäle oder Kompaktgeräte für Innenaufstellung, bestehend aus Kältemittelverdichter und wassergekühltem Verflüssiger sowie den im getrennten Geräteteil untergebrachten Verdampfer und Ventilator ausgestattet sind.

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baut. Die Kaltwassersätze sind komplette Kälteanlagen, wobei der Verflüssiger entweder als luftgekühlt oder wassergekühlt mittels Sekundärkreislauf ausgeführt ist. Die Auswahl der Verdichter hängt sehr stark von der Gesamtkälteleistung ab: Kolbenverdichter bis etwa 600 kW, Schraubenverdichter von etwa 300 kW bis 2,5 MW (Abb. 37.13), Turboverdichter von etwa 800 kW bis 20 MW (Abb. 37.14).

37.6.2

Absorptions-Kaltwassersatz

Weiterhin sind Absorptions-Kälteanlagen als Kompaktanlagen im Einsatz, die eine Kälteleistung von ca. 300 kW bis ca. 5 MW abdecken. 37.6.1 Kompressions-Kaltwassersätze Bis zu 1800 kW Nenn-Kälteleistung werden anschlussfertige Einheiten mit dem Arbeitsstoffpaar Für klimatechnische Anlagen mit mittleren bis Wasser/Lithiumbromid in einem Stück angeliegroßen Gesamtkälteleistungen werden vorzugs- fert. Die Hauptteile sind (Abb. 37.15): Verdampweise anschlussfertige Kaltwassersätze einge- fer, Absorber, Austreiber, Verflüssiger; Lösungskreis mit Pumpe und Temperaturwechsler; Verdampfer-Sprühpumpe, Entlüftungseinheit; Regulierventil für Dampf bzw. Heißwasser; Schaltschrank. Funktionsbeschreibung s. Abschn. 37.2.2. Die Leistungsregulierung erfolgt durch Drosselung der Dampf- oder Heißwasserzufuhr zum Austreiber in Abhängigkeit von der Kaltwasser-Vorlauftemperatur. Im Gegensatz zu Verdichterkältemaschinen verläuft die thermische Leistungsaufnahme bis zu mindestens 10 % fast proportional zur Kälteleistung. Wichtig für den störungsfreien und wirtschaftlichen Betrieb sind konstante Betriebsbedingungen und gleichmäßige Dampfdrücke und Kühlwassertemperaturen.

37.6 Kaltwassersätze

Merkmale. Das hohe Betriebsgewicht des Absorptionswasserkühlsatzes erfordert oft eine Abb. 37.13 Kaltwassersatz mit drei Schraubenverdich- Lastverteilkonstruktion bei Aufstellung auf Getern, Nennleistung 1000 kW (Dunham-Bush). 1 Schrau- schossdecken. Um Betriebsstörungen, Leistungsbenkältemittelverdichter, 2 Robü-Verdampfer, 3 Robü- verluste und Korrosionsschäden zu vermeiden, Verflüssiger, 4 Schaltschrank, 5 Grundrahmen, 6 Kaltwasser-Anschluss, 2-Weg, 7 Kühlwasser-Anschluss, 2-Weg, müssen die Dichtheit der Anlage und die Funktion der Entlüftungseinheit (Vakuumpumpen) stets Betriebsgewicht 5700 kg

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37

Abb. 37.14 Bauprinzip von Kaltwassersätzen mit Turbokältemittelverdichter (Carrier). 1 Verdichter, 2 Getriebe, 3 Motor, 4 Leitschaufel-Verstellmotor, 5 Verflüssiger,

Abb. 37.15 Bauprinzip von H2 O/LiBr-Absorptions-Kaltwassersätzen (Carrier). 1 Verdampfer, 2 Absorber, 3 Austreiber, 4 Verflüssiger, 5 Temperaturwechsler, 6 Kältemittelpumpe, 7 Solepumpe, 8 Dampfregulierventil zur Leistungsregelung, 9 Kühlwassereintritt, 10 Kühlwasseraustritt, 11 Kaltwassereintritt, 12 Kaltwasseraustritt

gewährleistet sein. Die Maschine arbeitet mit hohem Vakuum (6 °C Kaltwassertemperatur entspricht 9,34 mbar absoluter Druck). Die zulässige Leckrate darf 100 bis 800 cm3 =Tag je nach Maschinengröße nicht überschreiten. Aus Gründen des Korrosionsschutzes der inneren Teile wird der H2 O=LiBr-Lösung ein Inhibitor beigemischt, dessen Wirksamkeit in Abständen kontrolliert werden muss. Durch die Zugabe von Octylalkohol wird eine bessere Wärmeübertragung an der Rohroberfläche erreicht sowie das Schäumen im Austreiber unterbunden. Beim Abschalten der Absorptionsmaschine besteht die Gefahr, dass die sich abkühlende

6 Kühler (Verdampfer), 7 Schwimmerventil, 8 Blende, 9 Regelventil, 10 Kühlwasser, 11 Kaltwasser bzw. Sole, 12 Unterkühler

konzentrierte Lösung besonders im Bereich des Temperaturwechslers kristallisiert. Nach Absperren der Wärmezufuhr zum Austreiber muss deshalb ein ausreichendes Verdünnen der starken Lösung vorgenommen werden, bevor die Lösungsumwälzung eingestellt wird. Wegen dieser Verdünnung beim Abschalten benötigen Absorptionsmaschinen beim Anfahren erheblich längere Zeit als Verdichterkältemaschinen, bis die volle Leistung erreicht ist (z. B. etwa 15 min aus kaltem Zustand). Sicherheitseinrichtungen verhindern eine zu hohe Lösungskonzentration und damit die Gefahr der Kristallisation bei zu niedriger Kühlwassertemperatur, extremer Schwachlast und bei Überlastung. Außer den Kältemittel- und Lösungspumpen mit ihrem vergleichsweise niedrigen Anschlusswert von etwa 2 bis 10 kW pro MW Kälteleistung besitzen die Absorptionskältemaschinen keine drehenden Teile. Störende Geräusche können jedoch durch Wärmedehnungen und durch die Medienströme hervorgerufen werden.

37.7

Rückkühlwerke

Die Verflüssigerkühlung durch Stadt- oder Brunnenwasser scheidet abgesehen von kleinsten Leistungen in der Regel aus Kosten- bzw. Umweltschutzgründen aus. Beim weitaus größten Teil der Kälteanlagen ab mittlerer Leistung wird der Verflüssiger mit Wasser gekühlt, das durch

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Abb. 37.16 Serienmäßiger Kühlturm (Gohl). 1 Radiallüfter, 2 Motor, 3 Riemenschutzgitter 4 Füllkörpereinsatz, 5 Sprührohr, 6 Sprühdüse, 7 Tropfenabscheider, 8 Saugsieb, 9 Schwimmerventil, 10 einstellbare selbsttätige Abschlämmeinrichtung und Überlauf, 11 Luftleitblech, 12 korrosionsgeschütztes Gehäuse mit Entleerung, 13 Inspektionsklappe, 14 Fundamentstreifen; LE Lufteintritt, LA Luftaustritt, KE Kühlwassereintritt, KA Kühlwasseraustritt, ZW Zuspeisewasser, AW Abschlämmwasser, E Entleerung

Abb. 37.17 Geschlossenes Rückkühlwerk (Bauprinzip B. A. C.). 1 Gehäuse-Oberteil, 2 Rohrschlangen-Register, 3 Zur Reinigung abnehmbare Kammerdeckel, 4 Tropfenabscheider, 5 Sprühwasserrohr mit Düsenstöcken, 6 Sprühwasserpumpe, 7 Unterteil mit Ventilatorsektion und Wanne, 8 Radialventilator, 9 Motor mit Keilriemenantrieb; LE Lufteintritt, LA Luftaustritt, KE Kühlwassereintritt, KA Kühlwasseraustritt, ZW Zuspeisewasser, Ü Überlauf, E Entleerung

serienmäßig gefertigte, ventilatorbelüftete Rückkühlwerke zurückgekühlt wird. Es kann sich hierbei sowohl um sog. offene (Abb. 37.16) als auch um geschlossene Rückkühlwerke (Abb. 37.17) handeln, in denen Wasser und Luft im Gegenstrom bzw. im Kreuzgegenstrom geführt werden. Für größere Rückkühlleistungen werden mehrere Zellen der jeweiligen Baureihe verwendet. Natürlich belüftete Kühltürme werden für Anlagen der Klimatechnik wegen ihrer großen Abmessungen nicht eingesetzt. Eine Möglichkeit, ohne Ventilator einen ausreichenden Luftdurch-

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satz bei verhältnismäßig kleinen Bauvolumen zu erzielen, bietet der Ejektorkühlturm. Hierbei wird der Kühlwasserstrom über senkrecht stehende Düsenstöcke in das Kühlturmgehäuse eingesprüht und durch die Injektorwirkung der vielen Wasserstrahlen Luft angesaugt. In seltenen Fällen kann eine Wasserrückkühlung mit Hilfe eines Kühlteichs vorgenommen werden. Hierbei erfolgt das Versprühen des warmen Kühlwassers durch Düsen über einer Wasserfläche, sodass die natürliche Luftbewegung, unterstützt durch das Speichervermögen des Kühlteichs und den Tagesgang der Temperaturen, eine Abkühlung des Wassers bewirkt. Von wesentlichem Einfluss sind Hauptwindrichtung, örtliche Windgeschwindigkeit, Höhe der Düsen über dem Wasserspiegel zuzüglich der Spritzhöhe [16]. Die verdunstende Wassermenge ist oft größer als durch Regenwasser ergänzt werden kann, deshalb ist Zuspeisewasser einzuleiten. Der Wasserstand muss stets hoch genug sein, um das Algenwachstum in Grenzen zu halten. Da bei offenen Rückkühlwerken das Kühlwasser direkt mit der Außenluft in Berührung kommt, wird es durch eingetragene Partikel – zusätzlich zu der Eindickung infolge Verdunstung – verschmutzt. Bei geschlossenen Rückkühlwerken beschränkt sich dagegen die Verschmutzung und Eindickung auf die im Rückkühlwerk umlaufende Sprühwassermenge. Dieser Vorteil wird jedoch durch geringere Wasserabkühlung bei gleichen Betriebsbedingungen, größeren Platzbedarf, höheres Gewicht sowie höheren Preis erkauft.

37.7.1

Kühlwassertemperaturen im Jahresverlauf

Kennzeichnend für die Leistungsfähigkeit eines gegebenen Rückkühlwerks ist die unter bestimmten Betriebsbedingungen erreichbare Kühlwasser-Austrittstemperatur. Diese wird einerseits von dem Verhältnis des Kühlwasserstroms zum Luftvolumenstrom beeinflusst, andererseits von Außenluftzustand (Feuchtkugeltemperatur) und Kühlwasser-Eintrittstemperatur. Ausgehend von der Nennleistung eines offenen Rückkühlwerks bei 21 °C Feuchtku-

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Kältetechnik

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37.7.2

Wasserbehandlung

Das Zuspeisewasser für Rückkühlwerke steht oft nur in einem Zustand zur Verfügung, der das Aufbereiten dieses Wassers zwingend erfordert, um den Kühlwasserkreis langfristig störungsfrei betreiben zu können. Je nach den Werten der Wasseranalyse kommen Dosierungen von Härtestabilisatoren und Korrosionsschutzinhibitoren, Enthärtung oder Entkarbonisierung (D Teilentsalzung) in Frage, um die nach VDI-Richtlinie 3803 vorgegebenen Grenzwerte im Umlaufwasser einhalten zu können. Wesentlicher Bestandteil ist außerdem eine Abb. 37.18 Berechnete Kühlwasser-Austrittstemperaturen aus Rückkühlwerken abhängig von Feuchtkugeltem- festeingestellte oder eine automatische Absalzperatur und Kühllast: Beispiel eines Kennfelds mit einem einrichtung, sodass die zulässige Eindickung des Wasser-/Luft-Verhältnis von 2 kg=m3 . twa KühlwasserAustrittstemperatur in °C, tfA Feuchtkugeltemperatur der Kühlwassers nicht überschritten wird. Selbst bei Außenluft in °C. Bezugsbedingungen: Nennleistung bei idealer Wasserqualität gilt die 10fache Eindi32/27/21 °C, Stromverbrauch pro Jahr bei twamin D 12 °C ckung als Maximum wegen der aus der Luft im Raum Frankfurt/M., konstanter Lüfterdrehzahl und ausgewaschenen Festkörper. In wenigen Fällen Temperaturregelung durch Aussetzbetrieb ist je nach Luftqualität zusätzlich eine Osmoseanlage erforderlich. geltemperatur, 32 °C Kühlwasser-Eintritts- und 27 °C Kühlwasser-Austrittstemperatur sowie einem spezifischen Wasser/Luft-Wert von 2 kg=m3 37.8 Freie Kühlung zeigt Abb. 37.18 die berechneten Kühlwassertemperaturen bei verschiedenen Kühllasten, d. h. Für die Raumluft- und Maschinenkühlung bei konstantem Kühlwasserstrom, jedoch variabler EDV-Anlagen, bei Anlagen der ReinraumtechTemperaturdifferenz. Begrenzt wurde die Abküh- nik, bei chemischen und anderen Prozessen, für lung bei einer minimalen Kühlwassertemperatur die Druckluftkühlung und für Labor- und Forvon 12 °C; d. h. je nach Klimaregion wird der schungszwecke sind ganzjährig Kalt- und KühlLüfterantrieb durch Drehzahlregelung, Polum- wasser bereitzustellen. Kennzeichnend ist, dass schaltung oder Aussetzbetrieb während einer die Kühllast der angeschlossenen Verbraucher mehr oder weniger großen Anzahl der jährlichen ganzjährig annähernd konstant ist und in der Betriebsstunden eine verminderte Leistungs- Regel eine Vorlauftemperatur von 14 °C oder aufnahme haben. Die Leistungsaufnahme des höher ausreicht. Dies hat zur Folge, dass wähLüfterantriebs wird auch bestimmt durch den rend der kalten Jahreszeit eine energiesparende, erforderlichen externen Druckverlust in Luftgit- preiswerte Kälteversorgung mit Hilfe der Autern, Luftkanälen, Klappen und Schalldämpfern. ßenluft möglich ist, wenn die WasserkühlsysDer Temperaturverlauf bei Vollast kann in ers- teme einige Zusatzeinrichtungen für den sog. ter Annäherung für Gegenstrom-Rückkühlwerke „freien Kühlbetrieb“ erhalten. Man unterscheibezogen auf die vorstehenden Nenn-Leistungsbe- det: dingungen gelten. Die Teillastkurven können dagegen – durch unterschiedliche Füllkörper in Verbindung mit 37.8.1 Freie Kühlung durch Außenluft der Wasser/Luft-Verteilung bedingte – größere Abweichungen aufweisen; ebenso wie bei ande- Bei großen Gebäuden mit zentralen raumlufttechnischen Anlagen und einer vergleichsweise kleiren Wasser/Luft-Verhältnissen.

37

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nen Winterkühllast einer bestimmten Verbrauchergruppe kann eine vorhandene Außenluft-Behandlungseinrichtung zur „freien Kühlung“ genutzt werden. Zu diesem Zweck ist diese Verbrauchergruppe mit den Außenluftkühlern so zusammenzuschalten, dass praktisch ein kreislaufverbundenes System entsteht. Die zusätzlichen Installationen bestehen in entsprechenden Verbindungsleitungen, Umschaltventilen und der Umwälzpumpe.

37.8.2 Freie Kühlung durch Solekreislauf Systeme mit frostsicheren Solekreisläufen sind wirtschaftlich interessant vorwiegend im Leistungsbereich bis 150 kW. Eine Frostsicherheit bis 30 ı C wird mit einer 35 %igen Glykol/ Wasser-Mischung erreicht. Es werden fabrikmäßig hergestellte Ethylenglykol-Solen mit Inhibitoren zum Korrosionsschutz und zur Vorbeugung gegen Ablagerungen, gemischt mit salzarmen Wasser, eingefüllt. Man unterscheidet: Luftgekühlter Solekühlsatz mit alternativ betriebenem Außenluft-Solekühler (über DreiwegeUmschaltventil),

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37.8.3 Freie Kühlung durch Kältemittel-Pumpen-System Der prinzipielle Aufbau ist aus Abb. 37.19 zu ersehen. Dieses System arbeitet lediglich mit Kältemittel, ohne Zwischenschalten eines Solekreislaufs. Während der warmen Jahreszeit wird das Kältemittel von der Umwälzpumpe 5 aus dem Abscheider 4 angesaugt, über Verdampfer 6 und Ventil 7 wieder zurückgeführt. Vom Verdichter 1 wird der verdampfte Anteil des Kältemittels aus Abscheider 4 abgesaugt und in den Verflüssiger 2 gedrückt, wo es mit Hilfe des Kühlmediums 9 verflüssigt und über das Regelventil 3 in den Abscheider wieder eingespritzt wird. Der „freie Kühlbetrieb“ kann beginnen, wenn die Temperatur des Kühlmediums 9 (Außenluft, Sole oder Kühlwasser) niedriger ist als die verlangte Solltemperatur des Kälteträgers 10 (Raumluft, Sole oder Kaltwasser). Der Betrieb des Verdichters 1 wird eingestellt, die Kältemittelpumpe 5 fördert das Kältemittel vom Abscheider 4 über Verdampfer 6 zum Verflüssiger 2, wo der entstandene Dampfanteil wieder verflüssigt wird, sodass das Kältemittel über Ventil 8 flüssig in den Abscheider 4 zurückgelangt.

37.8.4

Freie Kühlung durch

Solegekühlte Direktkühlanlage mit zusätzliRückkühlwerk chem Raumluft-/Solekühler. (Der Solefluss wird stets dann über den Raumluftkühler und anschlie- Anstelle der Systeme mit Solekreisläufen werßend über den Verflüssiger geführt, wenn die den für größere, ganzjährige Kühllasten die vorSoletemperatur niedriger ist als die Raumzulufttemperatur); Kühlsystem mit luftgekühltem Solekühlsatz und bivalent betriebenem Solekühler. Bei diesem Kühlsystem wird die Kälteerzeugung durch Reihenschaltung sowohl vom außenluftbeaufschlagten Solekühler als auch vom Verdampfer gleichzeitig übernommen. Mit Hilfe des Differenzthermostaten wird der zusätzliche Solekühler dann zur Kälteversorgung benutzt, wenn die Temperatur der Außenluft niedriger ist als die Temperatur Abb. 37.19 Kältesystem mit Umwälzpumpe und Einrichdes Solerücklaufs. tungen für „Freien Kühlbetrieb“. Erläuterungen im Text

37

Kältetechnik

handenen Rückkühlwerke der Kaltwassersätze so mit den Kaltwassernetzen verbunden, dass während der kalten Jahreszeit eine energiesparende Kälteerzeugung allein durch den Betrieb der Rückkühlwerksventilatoren und der Wasserpumpen erreicht wird. Grundsätzlich können offene als auch geschlossene Rückkühlwerke hierfür verwendet werden. Offene Rückkühlwerke bieten günstigere Voraussetzungen, da kaum ein Einfrierrisiko besteht und außerdem die Leistungsaufnahme der Ventilatoren und Pumpen sowie die Größe des Wärmeübertragers optimal an den Bedarfsfall angepasst werden kann. Ein u. U. gewichtiger Vorteil der geschlossenen Rückkühlwerke liegt im möglichen Trocken-Kühlbetrieb, d. h. ohne Wasserverdunstung und damit ohne lästige Schwadenbildung. Es bedarf stets eingehender Überprüfung, ob eine solche Betriebsweise für den vorliegenden Anwendungsfall möglich und wirtschaftlich ist. Je nach der absoluten Höhe der Winter-Kühlleistung und ihrem Verhältnis zur Nennleistung des Rückkühlwerks kann es vorteilhaft sein, bereits frühzeitig im Jahr den „freien Kühlbetrieb“ zur Unterstützung der maschinellen Kühlung vorzuschalten (sog. „Stützbetrieb“). Dies ist jedoch nur bei mehreren autarken Wasserkühleinheiten (Kaltwassersätzen mit zugeordneten Rückkühlwerken) möglich.

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die Verwendung in Klimaanlagen energetisch nachteilig sein. In der Regel ist der Entlade-(Auftau-)Vorgang die entscheidende Bemessungsgrundlage für die Größe der Speicher bzw. der Wärmeaustauschflächen, da die abgerufene Spitzenkühlung zwar hoch, jedoch nur kurzzeitig auftritt. Für den gleichmäßigeren Ladevorgang stehen meist zehn oder mehr Nacht- bzw. Niedrig-Tarifstunden zur Verfügung. Man unterscheidet:

37.9.1

Eisspeichersysteme

Mit Abschmelzvorgang von außen nach innen, Abb. 37.20. Es handelt sich hierbei um Eisspeicheranlagen mit verzinkten Glattrohrschlangen für direkte Kühlung oder Solekühlung. Kennzeichnend ist, dass der Eisansatz auf den Rohren durch den Kälteträger „Eiswasser“ zur Rohroberfläche hin abgeschmolzen wird; also im direkten Kontakt zwischen Kälteträger und Speichermittel. Der Eisansatz soll maximal 35 mm betragen (entsprechend 0,14 Rohroberfläche pro kWh Speicherkapazität). Die Aufstellung des Speicherbeckens muss auf gleichem oder höherem Niveau erfolgen als der Wärmetauscher, außerdem sind Kältebrücken am Speicherboden wegen der Gefahr von Tauwasserbildung zu vermeiden. Anstelle der Wasserbewegung durch Lufteinblasen werden auch Rührwerke verwendet; allerdings mit größerem 37.9 Speichersysteme Grundflächenbedarf (je nach Speicherkapazität zwischen 32 und 16 m2 =MWh bei 1,5 bis 2 m Der Einsatz von Speichersystemen ist vorteil- Bauhöhe). haft für das Einsparen von Energiekosten durch Um das Entstehen von Eisbarrieren zu vermeiBetrieb der Kälteerzeugung während der Nie- den, ist bei jedem Entladevorgang ein vollständidertarifzeit, das Einsparen von Energiekosten ges Abtauen nötig. durch Vermeiden zusätzlicher Stromleistungsspitzen (bei Stromtarifen mit Leistungspreisen), Mit Abschmelzvorgang von innen nach außen, das Sichern einer Kälte-Notversorgung ohne In- Abb. 37.21. Der Eisspeicher besteht aus einem stallation eines großen Netz-Ersatzaggregats, das kältegedämmten Polyethylen-Behälter von max. Vermeiden eines Schwachlastbetriebs mit großer 2,3 m Durchmesser und bis 2,54 m Höhe, in dem Einschalthäufigkeit und die Bereitstellung hoher sich ein Rohrschlangensystem aus PolyethylenSpitzenkälteleistung trotz vergleichsweise klei- Rohren befindet. Diese Rohrschlangen sind als ner Kälteerzeugerleistung. Vor- und Rücklauf in entgegengesetzter Richtung Da Eisspeicher grundsätzlich Verdampfungs- gewickelt, sodass die durchfließende Glykolsotemperaturen unterhalb von 0 °C erfordern, kann le (etwa 4 ı C Eintritts- und 1 ı C Austritts-

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Abb. 37.20 Eisspeicherung mit Abschmelzvorgang von außen nach innen. 1 Verflüssigersatz, 1.1 Glattrohrschlange, verzinkt, 1.2 Kältemitteleinspritzventil, 1.3 Eisdickenregler, 2 Behälter mit Kältedämmung, 3 Luftverdichter,

3.1 Luftfilter, 3.2 Luftverteilrohr, 4 Pumpe (Eiswasser), 5 Plattenwärmetauscher, 6 Verbraucherpumpe (Kaltwasser), 6.1 Rücklauf von den Kälteverbrauchern, 6.2 Vorlauf zu den Kälteverbrauchern

Abb. 37.21 Eisspeicheranlage mit Abschmelzvorgang von innen nach außen. 1 Solekühlsatz, 1.1 Verdampfer, 1.2 luftgekühlter Verflüssiger, 2 Solepumpe, 3 Eisspeicher-Behälter aus Polyethylen (Fa. Calmac), 4 Dreiwege-

Umschaltventil, 5 Dreiwege-Regelventil, 6 Überströmregelventil o. a. je nach hydraulischer Schaltung, 7 Solekreis – Vorlaufverteiler, 8 Solekreis – Rücklaufverteiler

temperatur) beim Einfrieren des umgebenden Wasserbads eine gleichmäßige Temperaturverteilung bewirkt. Bei der Temperaturdifferenz von 3 K ist mit Druckverlusten im Bereich von 0,44 bis 0,9 bar je nach Speichergröße zu rechnen. Beim Abschmelzen des Eises bildet sich zwischen der jetzt als Wärmeträger wirkenden Sole und dem Speichereis Schmelzwasser, das den direkten Wärmeaustausch behindert (Abschmelzvorgang von der Rohroberfläche beginnend nach außen).

37.9.2

Vorteile: Es besteht ein geschlossener Solekreislauf, der allerdings häufig nur bis zu einem Betriebsdruck von 6 bar zugelassen ist. Es ist weder ein ungleichmäßiges Abschmelzen zu befürchten noch eine Eisdickenüberwachung notwendig. Die großen Wärmeübertragungsflächen ergeben vergleichsweise hohe Verdampfungstemperaturen. Die Speicherbehälter können übereinander und auch Unterflur im Erdreich aufgestellt werden. Der Grundflächenbedarf beträgt 12 bis 8 m2 =MWh bei einer Bauhöhe von 2,1 bis 2,5 m ohne Inspektionswege.

Kältespeicherung in eutektischer Lösung

Bei diesem Verfahren wird die Kältemenge in wässerigen Salzlösungen gespeichert, die sich in wasserdampfdichten Polyethylenkugeln befindet. Diese Kugeln von etwa 100 mm Durchmesser werden als Kugelhaufen in Stahl-, Kunststoff- oder Betonbehälter eingefüllt und durch Glykolsole bis zum Übergang von der flüssigen in die feste Phase abgekühlt. Die Kugeln enthalten eine Luftblase, um die Ausdehnung des Speichermediums aufzunehmen. Der im Behälter eingeschlossene Kugelhaufen verursacht nur einen geringen Druckverlust, da die Durchflussgeschwindigkeit in der Größenordnung von 0;02 m=s nur eine laminare Strömung ausbildet. Der im Solestrom entstehende Auftrieb der Kugeln erzeugt einen erwünschten kugelfreien Raum im unteren Teil des Behälters. Eine nennenswerte Temperaturschichtung entsteht nicht. Der Wärmedurchgang ist vom Ladezustand der Kugeln abhängig, wobei Mittelwerte für das Laden von k D 70 W=.m2K/ und für das Ent-

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laden von k D 60 W=.m2 K/ angegeben werden. Vorteile: Die Probleme mit Eisbarrieren nach unvollständigem Abtauen bzw. ansteigende Temperaturen bei fortschreitender Entladung – wie bei den vorbeschriebenen Verfahren – bestehen nicht. Ebenso ist bei entsprechender Behälterausführung keine Begrenzung hinsichtlich Baugröße und Betriebsdruck gegeben. Es ist eine Aufstellung der Behälter – unabhängig vom Standort der Kälteanlage, z. B. auch im Erdreich, ebenso möglich wie eine Aufteilung auf mehrere Spei- Abb. 37.22 Prinzip des Binäreis-Generators (nach Werkbild Integral Technologie GmbH/FLO-ICE-TEC Binärcherbehälter. eis GmbH). 1 Kältemittel-Eintritt, 2 Kältemittel-Austritt, 3 Wasser-Eintritt, 4 Binäreis-Austritt, 5 Kältemittel-Verdampfung im Ringspalt, 6 Eis/Wasser-Kammer, 7 „Wischer“ zum Erzeugen der Eiskristall-Suspensions, 8 Antriebswelle der „Wischer“

Nachteile: Solefüllung für den gesamten Kälteverbraucherkreis bzw. das Zwischenschalten eines Wärmeübertragers; fehlende Kontrollmöglichkeit für den Lade- bzw. Entladezustand; notVakuumeis als auch mit Verdichtungskälteanlawendigerweise etwas niedrigere Verdampfungsgen mit einem Eisgenerator (Abb. 37.22) erzeugt temperatur bei der Wahl eines Gefrierpunkts des werden. Voraussetzung ist die GefrierpunkterSpeichermediums unter 0 °C. niedrigung der Lösung durch Zugabe von Salz bzw. Alkohol, womit sich gleichzeitig die TemTechnische Daten: Für die klimatechnischen peratur einstellen lässt, bei der das pumpfähige, Einsatzfälle eignet sich als Speichermedium hochenergetische Flüssigeis gebildet wird [17]. Wasser mit Kristallisationszusatz mit SchmelzDer Transport des Binäreises durch Rohrleitemperatur 0 °C oder Natriumcarbonat mit Kris- tungen ist problemlos (kleinerer Druckabfall als tallisationszusatz (Na2 CO3 ) mit einer Schmelz- bei Wasser), zumal wegen der hohen Energietemperatur von 3 ı C. Für beide Stoffe kann pro dichte z. B. bei 40 % Eiskonzentration nur 1=7 Kugelhaufen mit einer Latentwärmespeicherung des Massenstromes gefördert werden muss. von 46,07 kWh gerechnet werden. Während des Speicherbetriebes wird die EisFür die Aufstellung zylindrischer Speicher- konzentration etwa von 5 bis zu 50 % erhöht; behälter ist ein Platzbedarf zwischen 17 bis 9 was bedeutet, dass maximal das halbe Volumen m2 =MWh Speicherkapazität bei 1,9 bis 3,3 m des angeschlossenen Kaltwassernetzes zur EisBauhöhe, zuzüglich der gegebenenfalls vorzuse- speicherung zur Verfügung steht [18]. henden Inspektionsflächen, notwendig. Der grundlegende Unterschied zu den bisher beschriebenen Speicherverfahren besteht darin, dass der Kälteträger selbst gleichzeitig Speicher37.9.3 Kältespeicherung in Binäreis medium für latente Energie bis zum Ort des Kältebedarfs ist. Bei größeren Verteilnetzen in Als neuartige Kältespeicherung mit einigen we- Gebäuden und bei Fernkälteanlagen kann bei sentlichen Vorteilen wurden erste Binäreisanla- entsprechend hydraulischer Schaltung auf zusätzgen ausgeführt. Als Binäreis wird eine Suspen- liche Eisspeichertanks deshalb verzichtet werden. sion von kleinsten Eiskristallen in wässriger LöEin weiterer wesentlicher Vorteil ist in der sung bezeichnet, die bei einem Wärmeaustausch Wärmeübertragung zu sehen, da zum Beispiel die schlagartig ihren Aggregatzustand von fest in Wärmeaufnahme im Luftkühler ein Abschmelflüssig wechseln. Diese Eiskristalle mit einem zen der Feststoffe und somit nur eine ReduzieDurchmesser bis etwa 0,5 mm können sowohl als rung der Feststoffkonzentration zur Folge hat.

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Dieser Wärmeaustausch findet somit bei quasi fast konstanten Temperaturverhältnissen statt und erfordert keine Temperaturerhöhung des wärmeaufnehmenden Mediums. Mit Einsatz von Binäreis aus Wassermischungen, zum Beispiel bekannt unter dem Namen FLO-ICE, Binäreis, Vakuumeis und MaximICE, wird die Schmelzenthalpie der Eiskristalle genutzt. Außer bei Vakuumeis, welches im industriellen Großkältebereich eingesetzt wird, werden die anderen Eiswassergemische mittels einer kompakten Kälteanlage erzeugt. Für kleinere Kälteleistungen und besonders im Bereich der Klimatisierung eignet sich der Einsatz von FLO-ICE.

37.10 Wärmepumpenanlagen

C. Hainbach

Übersicht zur Wärmepumpentechnologie: Abb. 37.23. Wirtschaftlich interessant ist bei Betrieb von Wärmepumpen die Nutzung von folgenden Wärmequellen: Abwärme aus der Fortluft von RLTAnlagen (Wärmerückgewinnung), Abwärme aus Abwasser von Produktions- und Waschanlagen sowie im günstigsten Fall die direkte Nutzung der abgeführten Verfüssigerwärme aus Kälteanlagen, wodurch sich eine Nutzleistung sowohl auf der kalten als auch auf der warmen Seite ergibt. Beispiele hierfür sind Kunsteisbahnen mit angeschlossenen Hallen- oder Freibädern oder gleichzeitig notwendige Kühl- und Heizleistung bei raumlufttechnischen Anlagen, bei kühlintensiven Gewerben mit gleichzeitiger Warmwasserbereitung (z. B. Fleischereien) sowie bei fertigungs- und verfahrenstechnischen Prozessen. Wirtschaftlich ist ein Einsatz von Wärmepumpen auch bei Freibädern, die nur während des Sommer-Halbjahrs betrieben werden sowie im industriellen Bereich beim Verwerten von Abwärme. Hierbei handelt es sich um Wärmepumpen, die lediglich zum Heizen dienen. Wärmepumpen sind in der Regel auch wirtschaftlich, wenn zum Vermeiden von Schwitzwasserbildung (z. B. in Wasserwerken, bei Trocknungsprozessen, in Schwimmbädern) Luft gekühlt, entfeuchtet und anschließend wieder erwärmt werden muss.

Durch den Einsatz von Wärmepumpen (s. Bd. 1, Abschn. 42.5) ist es möglich, Wärme von einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen. Dies erfordert jedoch den Einsatz von hochwertiger Energie (Exergie), wie z. B. die Antriebsenergie für einen Verdichter. Wärmepumpen sind also Kältemaschinen, die Wärmequellen mit niedriger Temperatur, z. B. Umweltwärme nutzen, um einen Nutzwärmestrom mit höherer Temperatur zu erzeugen (s. Abschn. 37.2.1 und Abschn. 37.2.2). Der Unterschied zwischen der Kälteanlagen Bauarten Je nach Art der Wärmequelle (Abund der Wärmepumpe liegt lediglich in der Art wärmestrom) und Wärmesenke (Nutzwärmeträder Nutzung der Wärmeströme: ger) ergeben sich folgende Begriffsdefinitionen: Kälteanlage, wenn der aufgenommene Wärmestrom am Verdampfer genutzt wird (Kälteerzeugung), Wärmepumpe, wenn der abgegebene Wärmestrom am Verflüssiger genutzt wird (Wärmeerzeugung).

Begriff Luft/Luft-Wärmepumpen Luft/Wasser-Wärmepumpen (Kleinwärmepumpe mit größeren Produktionszahlen) Wasser/Wasser-Wärmepumpen (dezentrales System) Wasser/Luft-Wärmepumpen Luft/Wasser/WasserWärmepumpen

Wärmequelle Außenluft, Fortluft

Wärmesenke Zuluft

Außenluft, Fortluft

Heizwasser, Warmwasser

z.B. Brunnenwasser, Oberirdische Gewässer Kreislaufwasser

Heizwasser, Warmwasser

Zuluft Anwendungen Voraussetzungen für einen wirtschaftlichen und energetisch günstigen WärAußenluft, Fortluft Heizwasser, Kaltwassersystem Warmwasser mepumpenbetrieb sind neben einem möglichst gleichmäßigen Wärmebedarf eine zeitlich und Anstelle von Wasser als Wärmeträgermedium mengenmäßig ausreichende Wärmequelle sowie eine energieoptimierte Regelung des Wärme- wird häufig auch Sole verwendet, um z. B. bei Wärmeentzug aus Erdreich oder Außenluft Wärpumpensystems.

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Kältetechnik

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37

Abb. 37.23 Systematische Übersicht zur derzeitigen Wärmepumpentechnologie. Erläuterungen: monovalent: Alleiniger Betrieb der Wärmepumpe; Bivalent parallel: Wärmepumpe für Heizungsgrundlast, konventioneller Wärmeerzeuger für Spitzenwärmebedarf; bivalent alternativ: Alleiniger Wärmepumpenbetrieb bis zu wirtschaftli-

cher Grenze, dann alleiniger Betrieb eines anderen Wärmeerzeugers; bivalent alternativ parallel: Wärmepumpenbetrieb bis zur wirtschaftlichen Grenze, paralleler Betrieb des konventionellen Wärmeerzeugers zur Deckung der Spitzenlast und alleiniger Betrieb bei tiefen Außentemperaturen

meströme auf einem Temperaturniveau unterhalb von 0 °C zu nutzen. Wärmepumpen werden überwiegend als Kaltdampfkompressionsprozess mit elektrischem Antrieb ausgeführt. Es werden jedoch für den Antrieb der Verdichter auch Diesel- und vor allem Gasmotore eingesetzt, um die zeitgleich auf hohem Temperaturniveau anfallenden Abwärme-

ströme dieser Kraftmaschinen zu Heizzwecken nutzen zu können. Absorptionswärmepumpen, vorwiegend mit dem Arbeitsstoffpaar NH3 /H2 O, werden in geringem Umfang angewendet. Kleine Absorptionswärmepumpen werden serienmäßig als gasbeheizte Kompaktgeräte – auch zweistufig – hergestellt.

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Von der Entwicklung einer regenerativen Wärmepumpe nach dem Vuilleumier-Prinzip wurden 1985 die ersten Versuchsergebnisse veröffentlicht [19]. Mit dieser Maschine aus der StirlingFamilie kann Wärme hoher Temperatur direkt in Wärme mittlerer Temperatur mit hohem Primärenergie-Nutzungsgrad umgewandelt werden. Es handelt sich um eine thermische Maschine mit einem rechtsläufigen Arbeits- und einem linksläufigen Kälteprozess in geschlossenem Kreis mit dem Arbeitsmittel Helium.

C. Hainbach

Materialien von soledurchflossenen Wärmeaustauscherflächen möglich, bezeichnet als EnergieDach, -Stapel, -Zaun u. a.; Sonnenwärme: bevorzugte Ausführung als Kollektoranlage auf Hausdächern; Abgas: insbesondere aus Verbrennungskraftmaschinen; werden meist als Rohrbündel-Wärmeübertrager in temperatur- und korrosionsbeständigen Materialien ausgeführt (Gefahr von aggressivem Kondensatanfall).

37.10.1 Wärmequellen 37.10.2

Kleinwärmepumpen

Für Wärmegewinnung aus:

Außenluft: neben den o. g. Anforderungen (Fortluft) sind auch verschiedenste Formen und

Klein-(Haus-)Wärmepumpen, geeignet für das Heizen von Einzelräumen, Einfamilienhäusern und für die Brauchwarmwasserbereitung, werden in Serien hergestellt; ihre Antriebsleistungen liegen i. Allg. unter 3 kW. Als Wärmequelle dient meist Außenluft, sodass eine Luft/Wasser-Wärmepumpe vorliegt. Wie die Kleinkälteanlagen (Klimageräte) werden auch die Wärmepumpen kompakt für Innen- oder Außenaufstellung und als Splitanlage ausgeführt. Abb. 37.24 zeigt eine Luft/Luft-Kleinwärmepumpe, wie sie häufig in wärmeren Klimaregionen in einem Fenster- oder Brüstungs-Klimagerät eingebaut wird. Wesentliches Merkmal ist die Umschaltung des Kältekreislaufs mit Hilfe eines Vierwegeventils 4. Der im Kühlbetrieb vom Raumluftstrom beaufschlagte LamellenrohrWärmetauscher 3 wird nach dem Umschalten zum luftgekühlten Verflüssiger, während der von der Außenluft durchströmte Wärmeaustauscher

Abb. 37.24 Luft/Luft-Kleinwärmepumpe für Kühl- und Heizbetrieb. a Heizbetrieb; b Kühlbetrieb. 1 Motorverdichter, 2 Außenluft-Wärmetauscher, 3 Raumluft-Wär-

metauscher, 4 Vierwege-Umschaltventil, 5 kombiniertes Drosselorgan für Heiz- und Kühlbetrieb, 6 Raumluftventilator, 7 Außenluftventilator

Fortluft: reichlich bemessene LamellenrohrWärmeübertrager mit meist mehreren Wasserauffangwannen zum schnellen Ableiten des anfallenden Tauwassers; Flusswasser, Brunnenwasser: Rohrbündeloder Plattenverdampfer für direkte Kältemitteleinspritzung, ausgeführt mit korrosionsbeständigen Materialien; besondere Reinigungsmöglichkeiten (Verokkerung, Okklusionsgefahr); Erdreich: soledurchflossene Rohrschlangen aus Kunststoff im Erdreich verlegt oder Erdspieße verschiedener Konstruktion bis 100 m Tiefe, Anforderungen nach Wasserhaushaltsrecht sind zusätzlich zu beachten;

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Kältetechnik

Abb. 37.25 Wasser/Luft-Kleinwärmepumpe für dezentrales Wärmepumpensystem dargestellt im Kühlbetrieb. 1 Motorverdichter, 2 Lamellenrohr-Wärmetauscher, 3 Doppelrohr-Wärmetauscher, 4 Vierwege-Umschaltventil, 5 Drosselorgan (Kapillare), 6 Ventilator

2 dann als Verdampfer arbeitet. Da sich auch die Flussrichtung des flüssigen Kältemittels umkehrt, wird durch eine selbsttätige Einrichtung eine den veränderten Betriebsbedingungen angepasste Einspritzkapillare 5 wirksam. Bei niedrigen Außenlufttemperaturen (etwa ab 4 bis 5 °C) kann der Betrieb automatisch zum Abtauen des Außenluft-Wärmeaustauschers unterbrochen werden. Die Abtauwärme wird entweder durch kurzzeitigen Kühlbetrieb oder bei kleineren Anlagen auch durch eine elektrische Abtauheizung erzeugt. Für das dezentrale Wärmepumpensystem werden Wasser/Luft-Kleinwärmepumpen (Abb. 37.25) eingesetzt, deren Aufbau einem Klimagerät mit wassergekühlter Kälteanlage entspricht. Auch hier wird das Umschalten von Kühl- auf Heizbetrieb und umgekehrt durch ein von der Raumlufttemperatur gesteuertes Vierwegeventil 4 vorgenommen. Während des Kühlbetriebs dient der Wärmeaustauscher 3 als Verflüssiger und erwärmt den Wasserkreis. Abtauprobleme bestehen bei dieser Anlagenart nicht.

37.10.3 Wärmepumpen größerer Leistung Im Gegensatz zu den Kleinwärmepumpen werden die größeren, zentralen Wärmepumpen mit Hubkolben-, Turbo- und Schraubenverdichtern vorwiegend als Wasser/Wasser-Wärmepumpen serienmäßig hergestellt. Neben den reinen Heizwärmepumpen, die im Aufbau den Kaltwasser-

755

sätzen entsprechen, werden solche mit doppelflutigem Verflüssiger oder zwei wasserseitig getrennten Verflüssigern angeboten, die zum gleichzeitigen Heizen und Kühlen eingesetzt werden können. Das bestehende Erdgasnetz ermöglicht vielerorts den Einsatz von Gasmotoren zum Antrieb von Wärmepumpen. Bei der Gasmotor-Wärmepumpe sind die zwei Kreisprozesse gekoppelt, der rechtsläufige Kraftprozess des Gasmotors und der linksläufige Kaltdampfkompressionsprozess. Dabei wird die Wärmeabgabe des Wärmepumpenkreislaufs mit der Wärmeabgabe des Motorenkreisprozesses gemeinsam genutzt. Die Abwärme des Antriebsprozesses wird dabei an zwei Stellen, nämlich im Kühlwasser des Motors und im Abgas freigesetzt. Damit sind drei Temperaturniveaus vorhanden, die bei Bedarf auch unterschiedlich genutzt werden können: Sensible Wärme im Abgas: 400 ı C ! 100 ı C (Dieselmotor), 600 ı C ! 100 ı C (Ottomotor) Kühlwasserwärme bei: ca: 90 ı C Kondensatorwärme bei: 40 ı C bis 50 ı C : Die Gesamtwärmeabgabe des Wärmepumpensystems im Vergleich zum Primärenergieaufwand lässt sich wie folgt angeben: ˇ D M  "WP C g  .1  M / dabei ist M der Motorwirkungsgrad, "WP die Leistungszahl der Wärmepumpe, g der Rückgewinnungsgütegrad. Abb. 37.26 zeigt ein Schema mit den Hauptteilen einer Gasmotorwärmepumpe, deren Wärmeströme im Einzelfall auf verschiedene Weise den Verbrauchern zugeführt werden können; z. B. Verflüssigungswärme mit Vorlauftemperaturen im Bereich von 25 bis 50 °C für Lufterhitzer, Fußbodenheizungen, Warmwasservorerwärmung und die Motor- und Abgaswärme mit Temperaturen von 60 bis 80 °C (gegebenenfalls bei Motoren mit sog. Heißkühlung auch höher) für statische

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C. Hainbach

Es bedeuten "0 Leistungszahl für Kühlbetrieb .QP 0 =P /, "H Leistungszahl für Heizbetrieb .QP c =P /, P Leistungsaufnahme an der Verdichterwelle, el Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung der thermischen Energie in mechanische Energie an der Verdichterwelle, abgegeben vom Elektromotor, g Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung der Gasenergie in mechanische Energie an der Verdichterwelle, abgegeben vom Gasmotor, ' Wärmerückgewinnungsgrad aus Motorwärme .'M / und Abgaswärme .'A / bezogen auf Primärenergieeinsatz. Abb. 37.26 Schema einer Wärmepumpe mit Gasmotorantrieb. 1 Verdampfer, 2 Verdichter, 3 Verflüssiger, 4 Expansionsventil, 5 Gasmotor, 6 MotorkühlwasserPumpe, 7 thermostatisches Kühlwasserregelventil, 8 Motorkühlwasser-Wärmetauscher, 9 Abgas-Wärmetauscher, 10 Schalldämpfer in Abgasleitung, 11 Wasserpumpen, 12 Ausdehnungsgefäß für Motorkühlwasser

Heizflächen und Warmwasser- oder Heißwasserbereitung. Weniger praktische Bedeutung haben die Antriebe durch Dieselmotor und Gasturbinen. Als weitere Variante, die vereinzelt gebaut wurde, ist die „KWKK-Kraft-Wärme-KälteKopplung“ zu nennen, bei der die Kraft-(Strom-), Wärme- und Kälteerzeugung gekoppelt ist. Das hierfür nötige Maschinenaggregat besteht aus Verbrennungsmotor, gegebenenfalls Getriebe, Generator/Elektromotor, automatischer Kupplung und Kältemittelverdichter, auf gemeinsamem Grundrahmen montiert.

Praktisch erreichbare Werte bei Volllastbetrieb: "H D "0 C 1 D 3 : : : 7 je nach Betriebsbedingungen, insbesondere bei kleinen Anlagen auch niedriger. Für die durchschnittliche elektrische Leistungsaufnahme der Nebenantriebe (Pumpen und Ventilatoren) sind 5 bis 12 % des Hauptantriebs zusätzlich zu berücksichtigen. Gute Mittelwerte: el D 0;36; g D 0;33, ' D 0;55. Je nach Betriebsbedingungen erreicht der Gesamtwärmestrom QP ges demnach bei Wärmepumpen mit Elektromotor das 1,03- bis 2,25fache, mit Gasmotor das 1,50- bis 2,65fache der eingesetzten Primärenergie (ohne Übertragungsverluste!). Demgegenüber stehen die vergleichbaren Wirkungsgrade von Kohle-, Öl- und Gaskesseln in Größenordnungen von 0,85 bis etwa 1 bei Brennwertkesseln.

37.10.3.1 Wärmeverhältnisse und 37.10.4 Absorptionswärmepumpen Wirkungsgrade Abhängig von der Leistungszahl "0 des KälteproTheoretisch besitzt das Absorptions- bzw. Rezesses ergeben sich für Wärmepumpen: sorptionsverfahren die größte Anpassungsfähigmit Elektromotor mit Verbrennungsmotor keit an die verschiedenen Aufgaben thermischer Kälteerzeugung bezogen auf Primärenergie: Energieumwandlung. Grundlegende Arbeiten auf QP 0 =E D "0 el D "0 g diesem Gebiet stammen von E. Altenkirch, K. Wärmeerzeugung bezogen auf Primärenergie: Nesselmann und W. Niebergall [3–5]. Qges =E D "H el D "H g C  Das Absorptionssystem verbindet auch hier D ."0 C 1/ el D ."0 C 1/ g C  zwei Kreisprozesse mit unterschiedlichem DrehWärmeerzeugung bezogen auf Verdampferwärme: sinn. QP ges =QP 0 D "H =."H  1/ D ."H C =g /=."H  1/ Wie bereits bei den KompressionswärmepumAußerdem für Verbrennungsmotor: pen bestimmen auch hier die Stoffeigenschaften Anteil der Motor- und Abgaswärme bezogen auf die Gesamtwärme von Lösungs- und Arbeitsmittel die BetriebseiQP MCA =QP ges D =."H g C / genschaften. Ein gängiges und häufig verwende-

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Kältetechnik

tes Arbeitsstoffpaar in ausgeführten Anlagen ist Ammoniak als Arbeitsmittel und Wasser als Lösungsmittel, wobei Alternativen mit dem Inertgas Helium im Lösungsmittelkreislauf bestehen. Ein weiteres nutzbares Stoffpaar besteht aus Wasser als Arbeitsmittel und Lithiumbromid als Lösungsmittel. Heutzutage sind Systeme für kleine Absorptions-Hauswärmepumpen mit Serienreife auf dem Markt. Hierbei handelt es sich um Kompaktgeräte in der Größenordnung eines Wandkessels für den Bereich der Ein- und Zweifamilienhäuser. Diese Systeme, auch als DAWP (DiffusionsAbsorptionswärmepumpe) bekannt, arbeiten mit dem Arbeitsstoffpaar NH3 =H2 O und mit dem Inertgas Helium. Für den Austreiber kommen kleine Gasgebläsebrenner zum Einsatz. In einigen Fällen wurden größere Absorptionswärmepumpen mit dem Arbeitsstoffpaar NH3 =H2 O gebaut, die gleichzeitig die Kaltwasserversorgung für Klimaanlagen sicherstellten. Als Wärmequellen dienten außerdem Erdreichund Fortluftwärme, Verflüssigungswärme von Kleinkälteanlagen und ein Glykolsolespeicher. Die Absorptionskältemaschine kann als Wärmeerzeuger (Absorptionswärmepumpe) wirtschaftliche Vorteile bieten, insbesondere bei größeren Kälteleistungen (über 300 kW), tieferen Verdampfungstemperaturen (bis 60 ı C), gekoppelter Kraft-Wärme-Kälte-Erzeugung [20], wenn nutzbare Abwärme mit Temperaturen über 100 °C zur Verfügung steht (Industrieanwendungen) [21]. Im letzteren Fall und bei direktem Beheizen mit Erdgas zählen diese Anlagen zu den umweltfreundlichsten Heizsystemen. Die bisherigen anschlussfertigen Absorptionswasserkühlsätze mit dem Arbeitsstoffpaar H2 O=LiBr wurden sowohl für Wärmepumpenbetrieb als auch für Direktbefeuerung eingerichtet, Abb. 37.27. Es werden Heizzahlen bis 2 erreicht. Ein direkter Heizbetrieb (Heizzahl 0,9) ist ebenfalls möglich (Heizleistung von 300 kW bis 4 MW). Als Brennstoffe für die Direktbefeuerung können verwendet werden: Stadtgas, Erdgas, Propan, Butan, Heizöl EL und vorgewärmtes, schweres Heizöl. Praktische Betriebsdaten eines mit Heißwasser beheizten, einstufigen Absorptionswasser-

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Abb. 37.27 Direktbefeuerter zweistufiger AbsorptionsWasserkühlsatz geeignet für Wärmepumpenbetrieb (BBY) – (Nennkälteleistung 1 MW, Betriebsgewicht 12 600 kg). 1 Absorber, Kühlwasser-Anschluss, 2 Verdampfer, Kaltwasser-Anschluss, 3 Niederdruck-Austreiber, 4 Verflüssiger, Kühlwasser-Anschluss, 5 HochdruckAustreiber, 6 Brenner-Einheit (Gas oder Öl), 7 Wärmetauscher

kühlsatzes im Wärmepumpenbetrieb mit etwa 20 % seiner Nenn-Kälteleistung: Kaltwassertemperaturen Heizwassertemperaturen Nutzwärme-Vorlauftemperaturen Nutz-/Heizwärme (Wärmeverhältnis ist Heizzahl)

7,2/6;0 ı C 115,0/110;0 ı C 49,0/46;0 ı C 1,52

Neuartige, diskontinuierlich arbeitende Wasser/Zeolith-Sorptionssysteme können Wärme nicht nur energiesparend erzeugen, sondern auch speichern.

37.10.5 Wärmepumpensysteme Heizbetrieb Wärmepumpen, die allein zum Heizen dienen ohne Nutzkälteerzeugung, setzen entweder geeignete kostengünstige Antriebsenergie (z. B. Prozessabwärme) oder günstige Wärmeverbraucher (z. B. Niedertemperaturheizungen) voraus. Andernfalls kann die Wirtschaftlichkeit des Wär-

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Abb. 37.28 Wärmepumpe mit Gasmotor für Freibadbeheizung (Temperaturangaben nur beispielhaft!). 1 Beckenwasserkreis, 1.1 Freibadbecken, 1.2 Beckenwasserpumpe, 1.3 Kiesfilter, 2 Kältemittelkreis, 2.1 Kältemittelverdichter (Schraube), 2.2 Außenluft-Kühler (RippenrohrVerdampfer), 2.3 Robü-Verflüssiger, 2.4 Einspritzventil, 2.5 Außenluftventilator, 3 Gasleitung, 3.1 Gasmotor, 3.2 Gasregelventil, 3.3 Luftfilter, 3.4 Schalldämpfer, 3.5 Ab-

mepumpeneinsatzes kaum nachgewiesen werden. Zu den Ausnahmen zählen die Freibadbeheizungen, Abb. 37.28. Das Beckenwasser 1.1 wird hauptsächlich im Robü-Verflüssiger 2.3 erwärmt; nur wenn die Motor- und Abgaswärme nicht mehr für den Duschwasserspeicher 5.1 benötigt wird, kann sie über Wärmeaustauscher 4.7 zum Erwärmen des Beckenwassers genutzt werden. Dies ist jedoch selten der Fall, da erfahrungsgemäß der Verbrauch an Duschwarmwasser in Freibädern hoch ist. In den Hochsommermonaten sind infolge der Sonneneinstrahlung auf die Wasserfläche nur wenige Betriebsstunden nötig, um das Beckenwasser auf 26 °C zu halten. Das Duschwasser kann dagegen in dieser kurzen Betriebszeit nicht ausreichend erwärmt werden, sodass eine Zusatzheizung nachwärmen muss.

C. Hainbach

gasleitung, 4 Kühlwasserkreis, 4.1 Kühlwasserpumpe, 4.2 Motorkühlwasserpumpe, 4.3 Dreiwege-Regelventil zur Motorkühlung, 4.4 Abgas-Wärmetauscher, 4.5 Warmwasserspeicher, 4.6 Dreiwege-Regelventil zum WW-Speicher, 4.7 Beckenwasser-Wärmetauscher, 4.8 DreiwegeRegelventil, 5 Dusch-Warmwassernetz, 5.1 Warmwasserspeicher

Abb. 37.29 Prinzip-Schema des Wassernetzes für dezentrale Wärmepumpen mit Wärmeausgleich. 1 Wärmetauscher der Kleinwärmepumpe als Verflüssiger, oder als Verdampfer arbeitend, 2 Zusatzheizung, 3 Umwälzpumpen, davon 1 Stck. Reserve, 4 Berieselungskühler, isoliert, mit Luftklappen, 5 Ausdehnungsgefäß, 6 Speicherbehälter, 7 Ladepumpe, 8 Umgehungsleitung bei Speicherbetrieb, 9 Regelventil

len Wärmepumpensystems mit Wärmeausgleich. Das Prinzipschema eines solchen Systems mit einer größeren Anzahl solcher Kleinwärmepumpen zeigt Abb. 37.29. Dezentrales Wärmepumpensystem. Die in Die im Kühlbetrieb arbeitenden Geräte 1 kühAbb. 37.25 dargestellte Wasser/Luft-Kleinwär- len die Raumluft und erwärmen das Kreislaufmepumpe ist ein Bestandteil des dezentra- wasser. Befinden sich zu gleicher Zeit andere

37.10.6 Systeme für gleichzeitigen Kühl- und Heizbetrieb

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Kältetechnik

Geräte 1 im Heizbetrieb (z. B. auf der GebäudeNordseite), so erwärmen diese die Raumluft und kühlen das Kreislaufwasser (Wärmeausgleich!). Wenn während der warmen Jahreszeit die Mehrzahl oder alle Geräte kühlen, so wird das Kreislaufwasser zu hoch erwärmt. Die Überschusswärme muss dann über den geschlossenen Berieselungskühler 4 an die Außenluft abgeführt werden. Umgekehrt kann die Mehrzahl oder es können alle Geräte während der Winterzeit im Heizbetrieb arbeiten und dem Kreislaufwasser zu viel Wärme entziehen. Die fehlende Wärme muss in dieser Zeit vom Heizkessel 2 bzw. aus dem Wärmespeicher 6 gedeckt werden. Wärmepumpensysteme dieser Art sind bisher mehrfach für Bürogebäude und insbesondere für Ladenpassagen sowie Einkaufzentren ausgeführt worden.

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darf von der Wärmepumpe jedoch nicht gedeckt werden kann. Es muss dann ein zusätzlicher Kaltwassersatz eingeschaltet werden. Dies bedeutet, dass beide Aggregate vorwiegend im Teillastzustand arbeiten und der Wärmepumpe mehr oder weniger Abwärme entzogen wird, die zum Erzeugen des gewünschten großen Heizwärmestroms eingesetzt werden könnte. Die erwartete Energieeinsparung und damit die Wirtschaftlichkeit der Kühl- und Heizanlage werden dadurch beeinträchtigt. Kann andererseits die Verflüssigungswärme nicht vollständig genutzt werden, so ist es zweckmäßig, die Kälteerzeugung durch die Wärmepumpe zu verringern, um die Spitzenkühlast möglichst mit den wirtschaftlichen Betriebsbedingungen des Kaltwassersatzes zu decken. Diese Betriebsweise setzt voraus, dass die Wärmepumpe wärmegeführt; d. h. abhängig von der Heißwassertemperatur leistungsgeregelt wird, zumindest aber die Leistung bei der maximalen Heißwassertemperatur begrenzt wird. Die hydraulische Schaltung nach Abb. 37.30 gewährleistet mit Hilfe der Motorklappe 4 einen Betrieb, der den genannten Nachteil vermeidet:

Zentrales Wärmepumpensystem. Im Gegensatz zu einer reinen Heizwärmepumpe benötigen Systeme zum gleichzeitigen Kühlen und Heizen eine zusätzliche Kühleinrichtung (Notkühlung) zum Abführen der bei steigenden Kühl- und fallenden Heizlasten anfallenden überschüssigen Wärme. Je nach Art der Wärmepumpe kann es sich hierbei nur um Verflüssigungswärme oder Motorklappe 4 geöffnet bei verhältnismäßig geringem Wärmebedarf, auch um Motor- bzw. Absorberwärme handeln. Auch auf das Abführen eines Teils der Abgaswär- Motorklappe 4 geschlossen bei großem Wärmebedarf. me bei Gasmotorantrieben kann u. U. nicht verzichtet werden, um das Überschreiten zulässiger Grenztemperaturen für Werkstoffe und Wärmetauscher zu verhindern. Kaltwassernetze für gleichzeitigen und energiesparende Betrieb von Kaltwassersätzen und Wärmepumpen. Zentrale Wärmepumpensysteme stehen häufig in Verbindung mit weiteren Kälteerzeugern, da in der warmen Jahreszeit die Kühllasten oft größer sind als die im Winter rückgewinnbare Abwärme durch die Wärmepumpe. Hier entstehen – bei gleichzeitiger Kälteversorgung durch Kaltwassersätze und Wärmepumpen – bei bestimmten Verhältnissen von Kühl- zu Heizlasten regeltechnische Probleme bzw. ein vermeidbarer Energiemehraufwand. Dieser Zustand ist erreicht, wenn die warme Seite der Wärmepumpe ausgelastet ist, der Kühlbe-

Abb. 37.30 Kaltwasserseitige Kombinationsschaltung für energiesparenden Kühl- und Heizbetrieb. 1.1 Kaltwasserpumpe zur WP, 1.2 Wärmepumpe, 1.3 Rückflussverhinderer, 2.1 Kaltwasserpumpe zum Wasserkühlsatz, 2.2 Wasserkühlsatz, 2.3 Rückflussverhinderer, 3 BypassÜberströmventil, 4 Motorklappe, 5 Vorlaufverteilung, 6 Rücklaufsammler

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Abb. 37.31 Wärmeabsorber-Grundtypen für Energiedach. a Blech/Rohr; b Fläche bei integrierten Kanal; c Flächen-Hohlkörper; d Rohrregister

37.10.7 Wärmepumpen in Heizsystemen Wärmepumpen in Verbindung mit Heizkesseln können zur Energieeinsparung beitragen. Der Heizkessel ist zweckmäßigerweise in einer Umgehungsleitung eingesetzt (Abb. 37.32) und wird, je nach der geforderten Heizwasservorlauftemperatur, über das Mischventil umgangen, oder auch in Reihe oder parallel zu der Wärmepumpe geschaltet. Für einen störungsfreien Betrieb der Wärmepumpe in der Heizungsanlage

Abb. 37.32 Schema einer bivalenten Wärmeerzeugung. 1 Boiler, 2 Kessel, 3 Raum, 4 Boilerthermostat (bauseits), 5 Raumschaltstation, 6 Raumfühler, 7 Fernbedienung mit

C. Hainbach

ist bei jedem Betriebspunkt eine definierte Wassermenge für den Wärmepumpenkreislauf erforderlich. Dies wird bei mittleren und größeren Anlagen oft mittels eines parallel zur Wärmepumpe geschalteten Heizwasserspeichers erreicht. Die Heizwasser-Vorlauftemperatur wird auf möglichst niedrige, aber für Wärmeverbraucher noch ausreichende Werte geregelt. Aus wirtschaftlichen Gründen ist die Heizwasser-Vorlauftemperatur jedoch begrenzt. Wärmepumpen werden deshalb vorwiegend für Bauten mit spezieller Nutzung, wie Schwimmbäder, für Niedertemperaturheizanlagen, wie Fußbodenheizungen oder zur Warmwasserbereitung, eingesetzt. Als Wärmequelle wird Luft, Sonnenstrahlung, Erdreich, Grundwasser über Wärmetauscher (Verdampfer) aber auch die gesamte Witterungsund Umgebungswärme über Absorberflächen, wie Energiedach, Energiesäule u. ä. herangezogen, Abb. 37.31.

Regler, 8 Abzweigdose (bauseits), 9 Kesselüberwachung (bauseits), 10 Wärmepumpe, 11 Außenfühler

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Kältetechnik

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Die zur Verfügung stehende Wärmequelle und Eine größere Verbreitung von Wärmepumpendie Betriebsweise (mono-/bivalent) der Wärme- anlagen für Heizzwecke findet, bedingt durch das pumpe sind für die Wirtschaftlichkeit der Anlage gegenwärtige Preisniveau für Brennstoffe, nicht entscheidend, Abb. 37.32 [22]. statt.

Anhang

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Tab. 37.5 Klimadaten nach [1] Gebiet und Ort

Seehöhe in m

Europa Kopenhagen 10 Helsinki 10 Dublin 10 London 40 Paris 50 Hamburg 30 Frankfurt a.M. 100 Wien 200 Berlin 40 Warschau 120 Leningrad 10 Moskau 140 Astrachan 10 Bukarest 80 Istanbul 70 Athen 110 Bozen 290 Rom 50 Madrid 650 Afrika Tripolis 20 Marrakesch 470 Dakar 20 Kapstadt 10 Johannesburg 1920 Dar es Salam 10 Asien Jerusalem 750 Taschkent 480 Peking 40 Hongkong 30 Tokio 20 Delhi 220 Bombay 10 Singapur 0 Djakarta-Java 10 Australien, Ozeanien Adelaide 40 Auckland 80

Mittlere Temperatur in °C im Jahr

im wärmsten im kältesten Monat Monat

7,7 4,4 9,9 9,8 10,3 8,3 9,5 9,2 8,6 7,3 3,7 3,9 9,4 10,4 14,5 17,7 11,7 15,4 13,3

16,6 Jl 16,6 Jl 15,7 Jl 17,3 Jl 18,6 Jl 16,9 Jl 18,6 Jl 19,6 Jl 18,0 Jl 18,8 Jl 17,7 Jl 18,9 Jl 25,5 Jl 22,8 Jl 23,6 Au 27,0 Jl 22,5 Jl 24,8 Jl 24,3 Jl

19,7 19,6 24,2 16,4 14,6 25,5

26,4 Au 29,6 Au 28,0 S 20,7Jr 18,5 Jr 27,7 Jr

15,9 13,5 11,7 22,0 13,8 25,1 26,3 26,3 26,0

23,0 Au 27,5 Jl 26,0 Jl 27,6 Jl 25,4 Au 33,4 Jn 29,2 Ma 27,0 Ma 26,5 O

17,2 15,2

23,4 Jr 19,6 F

0,1 F 6,9 F 5,3 Jr 3,4 Jr 2,5 Jr 0,3 Jr 0,1 Jr 1,7 Jr 0,7 Jr 3,4 Jr 9,3 Jr 11,0 Jr 7,2 Jr 3,6 Jr 5,2 Jr 8,3 Jr 0,0 Jr 6,7 Jr 4,3 Jr 11,7 Jr 10,9 Jr 20,3 F 12,2 Jl 9,0 Jn 23,1 Au 7,0 Jr 1,0 Jr 4,7 Jr 14,3 F 2,9 Jr 14,4 Jr 23,6 Jr 25,5 Jr 25,8 Jl 10,9 Jl 11,1 Au

Extreme Temperatur in °C maximal minimal

Mittlere relative Luftfeuchtigkeit in % maximal minimal

29 26 25 31 34 30 33 30 32 32 29 31 36 35 34 38 34 35 40

13 24 5 8 11 12 13 15 15 21 29 31 26 20 4 2 8 3 8

93 D 89 N 86 Jr 89 Jr 89 D 90 D 86 D 85 D 87 D 89 D 89 D 87 D 75 D 87 D 74 D 75 D 83 N 74 D 84 D

72 Ju 68 Jn 73 Ma 69 Jl 69 Ap 69 Ma 66 Ma 67 Ap 65 Jn 68 Ma 65 Jn 67 Ma 32 Au 60 Au 53 Jl 46 Au 61 Ap 53 Jl 46 Jl

40 41 34 34 30 33

4 3 15 4 3 17

67 Jl 66 Jr 87 Au 81 Jn 74 F 85 Ap

63 S 47 Jl 81 F 66 Jr 39 Au 79 Jr

36 40 37 36 37 – 35 38 33

2 20 15 6 9 – 16 18 20

74 Jr 77 Jr 76 Au 84 Ap 84 Jl 68 Au 87 Au 84 D 87 Jl

41 Ma 48 Jl 49 Ap 65 N 63 F 33 Ap 69 F 78 Jl 78 S

43 29

2 2

77 Jl 82 Jl

46 Jr 73 Jr

762

C. Hainbach

Tab. 37.5 (Fortsetzung) Gebiet und Ort

Amerika Winnipeg Washington Chikago Los Angeles Mexico Habana-Cuba Valparaiso Buenos Aires Rio de Janeiro

Seehöhe in m

230 40 250 110 2280 20 40 20 60

Mittlere Temperatur in °C im Jahr

im wärmsten im kältesten Monat Monat

0,6 12,6 9,2 15,7 15,5 24,8 14,3 16,6 22,5

18,7 Jl 24,9 Jl 22,4 Jl 20,3 Au 18,3 Ma 27,7 Jl 17,5 F 23,1 Jr 25,6 F

21,7 Jr 0,5 Jr 4,6 Jr 11,7 Jr 11,9 D 21,3 Jr 11,5 Jl 10,1 Jl 19,7 Jl

Extreme Temperatur in °C maximal minimal

33 36 35 38 30 36 28 34 36

40 16 26 1 1 12 6 0 13

Mittlere relative Luftfeuchtigkeit in % maximal minimal

90 Jr 79 S 81 Jr 76 Au 71 S 80 S 78 Ma 86 Jn 80 F

69 Ma 64 Ap 67 Jl 67 N 47 Ap 70 Ap 66 D 70 D 77 Jl

Jr Januar.  F Februar.  Ma März.  Ap April.  Jn Juni.  Jl Juli.  Au August.  S September.  O Oktober.  N November.  D Dezember.

Literatur Spezielle Literatur 1. Obert, W.: Kryopumpen. Klima Kälte Heiz. 9, 393– 399 (1989) 2. Maier-Laxhuber, P., Kaubek, F.: Von der Entdeckung zur Anwendung: Das neue, umweltfreundliche Kältestoffpaar Zeolith/Wasser. KI Klima Kälte Heiz. 1, 23–26 (1985) 3. VDI-Wärmeatlas, Abschn. Mh. 4. Aufl. VDI-Verlag, Düsseldorf (1984) 4. Böttcher, C.: „Freie Kühlung“ mit ventilatorbelüfteten Kühltürmen – eine energiesparende Kälteerzeugung bei niedrigen Außenluftzuständen. KI Klima Kälte Heiz. 5, 238–242 (1987) 5. Kruse, H.: Derzeitiger Stand der FCKW-Problematik – mögliche Ersatzstoffe und ihre Bewertung. KI Klima Kälte Heiz. 7/8 (1989) 343–346 6. Hesse, U., Kruse, H.: Das FCKW-Problem für die Kältetechnik. KI Klima Kälte Heiz. 5, 173–177 (1988) 7. DKV aktuell 05: Derzeitiger Stand der FCKW-Problematik. Stuttgart: Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein e. V., (1989) 8. Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein (DKV): Beitrag der deutschen Kälte- und Klimaund Wärmepumpentechnik Verringerung der Treibhausbelastung bis zum Jahr 2005 (TEWI-Bericht). Statusbericht Nr. 13 9. Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH, Sindelfingen: Kältemittel-Report 2, überarbeitete Auflage 9 (1993) 10. Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein: Sicherheit- und Umweltschutz bei Ammoniak-Kälteanlagen. DKV-Statusbericht, 4. Aufl, Nr. 5. (1/1993) 11. RENISO Kältemaschinenöle. Fuchs Tech. Mitt. 120, (09/1985)

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37

Kältetechnik

Weiterführende Literatur Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e. V. (ASUE): ASUE-Schriftenreihe, Bd. 1–9; Vulkan, Essen (1979/1985) Berliner, P.: Kühltürme. Springer, Berlin (1975) CCI-Redaktion (Hrsg.): Thermosoft. Müller, Karlsruhe (1985) v. Cube, H. L. (Hrsg.): Lehrbuch der Kältetechnik, Bd. 1+2, 3. Aufl. Müller, Karlsruhe (1981) Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein (Hrsg.): Kältemaschinenregeln, 7. Aufl. Müller, Karlsruhe (1981) Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein (Hrsg.): DKV-Arbeitsblätter, 1. Lieferung Müller, Karlsruhe (1991) DIN-Taschenbuch 156, Auflage Kältetechnik, Beuth, Berlin (1986) Maake/Eckert (Hrsg.): Pohlmann-Taschenbuch der Kältetechnik, 17. Aufl. Müller, Karlsruhe (1988) Haus der Technik: Fachbuchreihe Wärmepumpentechnologie, Bd. I–IX. Vulkan, Essen (1977/1985) Hönmann, W. (Hrsg.): Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, 65. Aufl. Oldenbourg, München (1990/91) IKET-GmbH (Hrsg.): Pohlmann-Taschenbuch der Kältetechnik, Grundlagen, Anwendungen, Arbeitstabellen und Vorschriften, 21., überarb. u. erw. Aufl. VDE-Verlag, Berlin (2013) Jahrbuch der Wärmerückgewinnung, 5. Ausg. Vulkan, Essen (1985/1986) Keller, G.: Jahrbuch Kälte-Wärme-Klima, 27. Jahrgang, Müller, Karlsruhe (1994) Kirn, H. (Hrsg.): Buchreihe Wärmepumpen, Bd. 1–8; Müller, Karlsruhe (1981/1987) Krug, N., Pfeiffenberger, U., Rinck, Th.: Wärmepumpenregeln. Müller, Karlsruhe (1987) Plank, R. (Hrsg.): Anwendung der Kälte in der Verfahrens- und Klimatechnik, Biologie und Medizin, Sicherheitsvorschriften. Handbuch der Kältetechnik, Bd. XII. Springer, Berlin (1967) RWE: Bau-Handbuch, 10. Ausg. Heidelberg: EnergieVerlag Schmidt, D., IKET-GmbH (Hrsg.): Lexikon Kältetechnik. 2. überarb. Aufl., DVE-Verlag, Berlin (2010) Terminologie für kältetechnische Erzeugnisse, 2. Aufl. Müller, Karlsruhe (1987) Taschenbuch Kälte Wärme Klima, VDE-Verlag, Berlin (2011)

Normen und Richtlinien DIN EN 12792:2004 Teil 1: Lüftung von Gebäuden- Symbole, Terminologie und graphische Symbole; Deutsche Fassung EN 12792:2003: 2004-01 Aktuell DIN 1946-4: Raumlufttechnik Teil 4: Raumlufttechnische Anlagen in Gebäuden und Räumen des Gesundheitswesens: 2018-09 Aktuell DIN 4109: Schallschutz im Hochbau: 2018-01 Aktuell DIN 4710-2003-1: Statistiken meteorologischer Daten zur Berechnung des Energiebedarfs von heiz- und raumlufttechnischen Anlagen in Deutschland: 2003-01

763 DIN 33403-2: Klima am Arbeitsplatz und in der Arbeitsumgebung – Teil 2: Einfluss des Klimas auf den Wärmehaushalt des Menschen: 2000-08 DIN 5035-3: Beleuchtung mit künstlichem Licht – Teil 3: Beleuchtung im Gesundheitswesen: 2006-07 Aktuell DIN 8941: Formelzeichen, Einheiten und Indizes für die Kältetechnik DIN 8960: Kältemittel; Anforderungen und Kurzzeichen: 1998-11 DIN 51351: Prüfung von Schmierstoffen; Bestimmung des Flockpunktes von Kältemaschinenölen mit dem Druckrohr-Verfahren: 2007-08 Aktuell DIN 51 503 Teil 1: Schmierstoffe; Kältemaschinenöle; Mindestanforderungen: 2011-01 Aktuell DIN EN 14511-1:2019-07: Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen für die Raumbeheizung und -kühlung und Prozess-Kühler mit elektrisch angetriebenen Verdichtern VDI-Richtlinie 2052: Raumlufttechnische Anlagen für Küchen VDI-Richtlinie 2058, Bl. 3: Beurteilung von Lärm am Arbeitsplatz unter Berücksichtigung unterschiedlicher Tätigkeiten: 2014-08 Aktuell VDI-Richtlinie 2081: Raumlufttechnik – Geräuscherzeugung und Lärmminderung: 2019-03 Aktuell VDI-Richtlinie 2082: Raumlufttechnik – Verkaufsstätten: 2010-07 Aktuell VDI-Richtlinie 2262 Bl.1: Luftbeschaffenheit am Arbeitsplatz – Minderung der Exposition durch luftfremde Stoffe – Rechtliche Grundlagen; Begriffen; grundlegende organisatorische Maßnahmen für den Arbeitsschutz und Umweltschutz: 2013-06 Aktuell VDI-Richtlinie 2310: Maximale Immissionswerte: 2010-12 Aktuell VDI Richtlinie 3802: Raumlufttechnische Anlagen für Fertigungsstätten: 2014-09 Aktuell Verordnung über Druckbehälter, Druckgasbehälter und Füllanlagen (Druckbehälterverordnung – Druckbeh V) vom 27.02.1980 E ISO 5149-1: Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen: 2014-04 Aktuell BGR 500/ Teil 2. Kapitel 2.35. Betreiben von Kälteanlagen, Wärmepumpen und Kühleinrichtungen Gesetz über die Vermeidung und Entsorgung von Abfällen (Abfallgesetz AbfG) vom 27.08.86 FKW-Merkblatt Merkblatt für den Umgang mit Fluorkohlenwasserstoffen. Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften DIN 2405: Rohrleitungen in Kälteanlagen und Kühleinrichtungen – Kennzeichnung: 2003-01 Aktuell DIN 4140: Dämmarbeiten an betriebstechnischen Anlagen in der Industrie und in der technischen Gebäudeausrüstung – Ausführung von Wärme- und Kältedämmerung: 2014-04 Aktuell DIN 8905-1: Rohre für Kälteanlagen mit hermetischen und halbhermetischen Verdichtern; Außendurchmesser bis 54 mm; Technische Lieferbedingungen; T 3:

37

764 Zusätzliche technische Lieferbedingungen für Kapillar-Drosselrohre: 1983-10 DIN 8949: Filtertrockner für Kältemittel; Prüfung: 2000-01 Aktuell DIN 8976: Leistungsprüfung von Verdichter-Kälteanlagen: 2017-03 Aktuell VDI 2055: Wärme- und Kälteschutz von betriebstechnischen Anlagen in der Industrie und in der Technischen Gebäudeausrüstung; Berechnungsgrundlagen: 2008-09 Aktuell AGI Q 151: AGI Arbeitsblatt Q 151. Dämmarbeiten. Korrosionsschutz bei Wärme- und Kältedämmungen an betriebstechnischen Anlagen. Ausgabe Januar 2003 AD 2000-Merkblatt HP 801 Nr. 14: Besondere Druckbehälter; Druckbehälter in Kälteanlagen und Wärmepumpenanlagen: 2017-06 Aktuell

C. Hainbach VDMA 24176: Inspektion von technischen Anlagen und Ausrüstungen in Gebäuden: 2007-01 Aktuell VDMA 24186: Leistungsprogramm für die Wartung von technischen Anlagen und Ausrüstungen in Gebäuden; Übersicht und Gliederung; Nummernsystem; Allgemeine Anwendungshinweise: 2019-09 Aktuell VDMA 24243-1: Kältemaschinen und –anlagen Dichtheit von Kälteanlagen und Wärmepumpen- Lecksuche/Dichtheitsprüfung: 2005-08 Aktuell DIN 8901: Kälteanlagen und Wärmepumpen; Schutz von Erdreich; Grund- und Oberflächenwasser; Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen und Prüfung: 2002-12 Aktuell

38

Klimatechnik Sylvia Schädlich

Aufgabe der Klimatechnik. Die Aufgabe der Klimatechnik im Bereich der Komfortklimatisierung ist die Erzeugung und Aufrechterhaltung eines dem Menschen zuträglichen Raumluftzustandes. Bei der Produktklimatiserung in Gewerbe und Industrie stehen dagegen die Anforderungen an die Verarbeitungsfähigkeit, Lagerung oder die Qualität eines Produktes oder einer Dienstleistung im Vordergrund. Hierzu sind folgende Aufgaben zu erfüllen:

sche Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden EU2002/91/EG Artikel 2 definiert eine „Klimaanlage“ als „eine Kombination sämtlicher Bauteile, die für eine Form der Luftbehandlung erforderlich sind, bei der die Temperatur, eventuell gemeinsam mit der Belüftung, der Feuchtigkeit und der Luftreinheit, geregelt wird oder gesenkt werden kann.“ Im Sinne dieser Richtlinie und der nationalen Umsetzung im Rahmen der EnEV wird eine „Klimaanlage“ wie folgt definiert:

Abfuhr bzw. Zufuhr von Wärme (Kühlen und Heizen) 1. Anlagen mit Lüftungsfunktion (Lüftungs Abfuhr bzw. Zufuhr von Feuchtigkeit (Wasund Klimaanlagen siehe Tab. 38.1) serdampf) (Entfeuchten und Befeuchten) 2. Anlagen zur Raumkühlung ohne Lüftungs Abfuhr von Schadstoffen. funktion (Raumkühlsysteme, Raumklimageräte, etc.) Zum Kühlen und Entfeuchten sind kältetechnische Einrichtungen (z. B. Kältemaschine), zum Die 2018 erschienene EU-Richtlinie 2018/ Heizen wärmetechnische Einrichtungen (z. B. 844/EU über die Gesamtenergieeffizienz von GeHeizkessel, Wärmepumpe) und zum Befeuchbäuden verkürzt die Definition von Klimaanlagen ten befeuchtungstechnische Einrichtungen (z. B. auf „eine Kombination vom Bauteilen, die für Sprühbefeuchter) zu verwenden. eine Form der Raumluftbehandlung erforderlich sind, durch die die Teperatur geregelt wird oder Definitionen Lüftungsanlage/Klimaanlage. gesenkt werden kann.“ Der FGK-Status-Report 14 [1] fasst die Definitionen von Klimaanlagen nach EnEV und EPBD folgendermaßen zusammen: „Die europäi-

38.1

S. Schädlich () Institut für Energie-, Kälte- und Klimatechnik Gladbeck GmbH (InEKK GmbH) Raesfeld, Deutschland Hochschule Ruhr-West Bottrop, Deutschland E-Mail: [email protected]

Anforderungen an das Raumklima

Klimaanlagen kommen in sog. Komfortbereichen zum Einsatz, wenn z. B. in Bürogebäuden, Versammlungsräumen etc. keine ausreichende natürliche Lüftung, wie z. B. Fensterlüftung, aus

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_38

765

766

S. Schädlich

Tab. 38.1 Definition von Lüftungs- und Klimaanlagen (Quelle: FGK-Status-Report 14) [1] Kategorie

THM-CO THM-C1 THM-C2 THM-C3 THM-C4

Thermodynamische Funktion Lüf- Hei- Küh- Befeuchtung zung lung tung ×    × ×   × ×  × × × ×  × × × ×

Entfeuchtung    (×) (×)

THM-CS

×

×

×

×

×

Bezeichnung

Einfache Lüftungsanlage Lüftungsanlage mit der Funktion Heizen oder Luftheizung Einfache Klimaanlage mit der Funktion Befeuchten Einfache Klimaanlage mit der Funktion Kühlen Einfache Klimaanlage mit der Funktion Kühlen und Befeuchten Klimaanlage mit allen Funktionen

Legende:  von der Anlage nicht beeinflusst; × von der Anlage geregelt und im Raum sichergestellt; (×) durch die Anlage beeinflusst, jedoch ohne Garantiewerte im Raum

Bau-, Umwelt- oder Nutzungsgründen möglich ist. In diesem Fall richtet sich der gewünschte Raumluftzustand nach den thermischen Behaglichkeitskriterien der Personen, der energiesparenden Anlagenausführung und dem Betrieb. Unerlässlich sind heute Klimaanlagen u. a. in Operations- und Intensivpflegeräumen in Krankenhäusern, in Produktionsstätten im Bereich der Halbleiterfertigung und Mikroelektronik sowie in Pharmabetrieben, wo es auf die Keim- und Partikelzahlkontrolle im Raum ankommt. Eine gewünschte Raumluftreinheit lässt sich durch drastische Erhöhung des Zuluftstroms und durch spezielle Filtertechnik erreichen. Die Raumluftkondition richtet sich bei den Anlagen von Produktionsstätten nach dem Produkt und nicht nach den Personen, die sich vor allem mit Hilfe der Bekleidung an den vorgegebenen Raumluftzustand (Temperatur, Feuchte, Luftbewegung) anpassen können. Weiterhin nimmt die Anzahl der Klimaanlagen für Datenverarbeitungsräume (Rechenzentren) ständig zu. In Serverräumen müssen extrem hohe Maschinenwärmelasten bei bestimmter Raumluftkondition abgeführt werden. Zum Abführen der hohen Wärmelasten sind daher große spezifische Luftströme erforderlich. Da Serverräume in der Regel nicht zum bestimmungsgemäßen Arbeitsplatz von Personen – abgesehen von Wartungsund Reinigungsarbeiten – gehören, spielen hier die Kriterien der thermischen Behaglichkeit keine Rolle. Die Betriebssicherheit dieser Anlagen, vor allem die störungsfreie elektronische und

kältetechnische Versorgung, ist von größter Bedeutung. Im engen Sinne wird das Raumklima durch das Zusammenwirken von Lufttemperatur, Strahlungstemperatur (die Temperatur der raumumschließenden Oberfläche), relativer Luftfeuchte, Luftgeschwindigkeit im Aufenthaltsbereich des Raums, Tätigkeit und Bekleidung gebildet. Im weiteren Sinne gehören noch die Außenlufterneuerung, der Schadstoffgehalt der Luft, der Schalldruckpegel, die Farbgebung und Beleuchtung des Raums u. a. dazu. Behaglichkeit. Die thermische Behaglichkeit des Menschen hängt ab von der Wärmebilanz seines Körpers und von der Verteilung der Wärmeabgabe über den Körper. Diese Wärmebilanz wird bestimmt von der körperlichen Tätigkeit (Aktivitätsgrad), der Bekleidung (Wärmeleitwiderstand) sowie von den Parametern des Umgebungsklimas, d. h. Umschließungsflächentemperatur, Lufttemperatur, Luftfeuchte und Luftgeschwindigkeit. Thermische Behaglichkeit ist dann gegeben, wenn sich aufgrund der Wärmebilanz im Gleichgewichtszustand solche Haut- und Kerntemperaturen einstellen, die als angenehm empfunden werden; „unbehaglich kalt“ wird bei Unterschreiten einer bestimmten Hauttemperaturschwelle und „unbehaglich warm“ bei Überschreiten dieser wahrgenommen. Außerdem kann thermische Unbehaglichkeit durch eine lokale Abkühlung von Körperteilen hervorgerufen werden, z. B. durch Zugluft.

38 Klimatechnik

Die Wärmeproduktion des Menschen ist von der Tätigkeit abhängig. Um dem Menschen zuträgliche Umgebungsbedingungen zu schaffen, müssen zunächst in einem konkreten Projekt Festlegungen der einzuhaltenden Auslegungs- und Innenraumbedingungen getroffen werden. Diese sollten in einem Pflichtenheft oder zwischen Auftraggeber und -nehmer unter Beachtung geltender Verordnungen oder Normen festgelegt werden.

767

Verordnungen und Normen Verordnungen sind per se rechtsverbindlich; häufig gibt es Veröffentlichungen zu Auslegungsfragen bzgl. der Verordnungen seitens der Ministerien, die einen hohen Verbindlichkeitsgrad besitzen. DINbzw. DIN EN-Normen oder VDI-Richtlinien stellen dagegen den allgemeinen Stand der Technik dar, sind jedoch nicht rechtsverbindlich, außer wenn sie Bestandteil von Verträgen sind. Anders verhält es sich mit DIN-Normen, die in einer Verordnung bezogen werden. So wird in der Energieeinsparverordnung die DIN V 18599 als Berechnungsvorschrift in Bezug genommen und somit ist das dort niedergelegte Rechenverfahren inklusive aller Parameter rechtlich verbindlich vorgeschrieben.

des Gebäudes zukommen lassen; d. h. über Belegungspläne an typischen Tagen, darüber, zu welchen Zeiten im Jahr das Gebäude nicht genutzt wird (z. B. Schulen usw.) sowie über die allgemeine Betriebsnutzung (z. B. Wochenende, nachts usw.). Außerdem muss der Auftraggeber dem Planer Angaben zur Lage des Gebäudes, zu den wesentlichen Umgebungsmerkmalen wie Nachbargebäude, Schatten, Spiegelung, Emissionen, Wege, Meeresnähe und zu allen Faktoren, die die Gebäudeauslegung beeinflussen können, zur Verfügung stellen. Die Projektentwicklung wird als dynamischer Prozess dargestellt, der einen wachsenden Grad an Details und Präzision berücksichtigt. Deshalb wird eine klare Dokumentation und insbesondere die Angabe der gewünschten Ergebnisse für die Übergabe und den normalen Betrieb gefordert. Der Planer muss den Auftraggeber auf die Konsequenzen im Zusammenhang mit bestimmten Anforderungen oder Festlegungen im Aufenthaltsbereich hinweisen. Diese klaren Anforderungen tragen zur Transparenz der Aufgabenverteilung im Planungsprozess bei. Leider ist dies nicht mehr Bestandteil der Normung, nichtsdestotrotz sollten diese Maßgaben im Planungsprozess Berücksichtigung finden.

Auslegung des Raumklimas In der DIN EN 13779, die inzwischen zurückgezogen und durch die Norm DIN EN 16798 Teil 3 ersetzt wurde, wurde formuliert, dass „die Auslegungsvoraussetzungen für das Raumklima auf Vereinbarungen zwischen Auftraggeber und Planer basieren. Die vereinbarten Anforderungen an das Raumklima, die Raumluftqualität, die Raumluftfeuchte und die Akustik im Raum müssen im Aufenthaltsbereich erfüllt werden. Eine Anlage muss für die besonderen Anforderungen des Projektes ausgelegt sein.“ Von den beteiligten Personen, d. h. Auftraggeber, Planer oder Unternehmer sollten alle notwendigen Angaben protokolliert werden. Es wurde auch gefordert, dass Planer und Auftraggeber Schlüsselentscheidungen im Hinblick auf die Auslegung gemeinsam treffen und dass diese dokumentiert werden. Der Auftraggeber sollte dem Planer sämtliche Informationen über den Betrieb

Gebäudekategorien In der europäischen Norm DIN EN 15251 „Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik“ werden die Parameter für das Innenraumklima – sowohl von klimatisierten als auch von nicht-klimatisierten Gebäuden- festgelegt, die sich auf die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden auswirken. Diese Norm soll zukünftig durch die DIN EN 16798 Teil 1 ersetzt werden, in der wesentliche Festlegungen jedoch übernommen werden. Die Definition der Innenraumbedingungen erfolgt im Rahmen von vier Kategorien: Kategorie I für Räume, in denen sich sehr empfindliche Personen aufhalten (bspw. kranke oder ältere Menschen, sehr kleine Kinder) mit einem hohen Maß an Erwartungen; Kategorie II für neue und sanierte Gebäude bei einem normalen Maß an Erwartungen; Kategorie III für bestehende Gebäude bei

38

768

S. Schädlich

einem mittleren Maß an Erwartungen und Kate- Wärme- oder Luftstromerzeugung gehören zum gorie IV, die jedoch nur für einen begrenzten Teil Aufenthaltsbereich und müssen besonders sorgdes Jahres Anwendung finden soll. fältig betrachtet werden. Prozentsatz der Unzufriedenen Eine gebäudetechnische Anlage kann noch so gut funktionieren – es wird immer eine gewisse Anzahl unzufriedener Personen im Gebäude geben. Dieser Prozentsatz der Unzufriedenen wird in der Literatur als „percentage of persons dissatisfied“ (PPD) angegeben und ist DIN EN 15251 in Abhängigkeit von den Gebäudekategorien aufgeführt. Hiernach werden in einem Gebäude der Kategorie I ca. 6 %, in einem Gebäude der Kategorie II ca. 10 %, in einem Gebäude der Kategorie III ca. 15 % der Personen und in einem Gebäude der Kategorie IV mehr als 15 % unzufrieden mit dem Raumklima sein. Auch die Norm ISO 7730 beschäftigt sich mit dem Thema der Zufriedenheit bzw. Unzufriedenheit. Nach ISO 7730 ist thermische Behaglichkeit definiert als das Gefühl, das Zufriedenheit mit dem Umgebungsklima ausdrückt. Unzufriedenheit kann durch Unbehagen des Körpers durch eine ungewollte Abkühlung oder Erwärmung eines bestimmten Körperteils verursacht werden. Auf Grund individueller Unterschiede ist es unmöglich, ein Umgebungsklima festzulegen, das jedermann zufrieden stellt. Es wird immer einen Prozentsatz an Unzufriedenen geben. In ISO 7730 sind viele Darstellungen in Abhängigkeit von der PPD (Prozentsatz der Unzufriedenen) aufgeführt. Aufenthaltsbereich In DIN EN 16798 Teil 3 sind die üblichen Maße des Aufenthaltsbereiches festgelegt. Die Standardwerte liegen bei 5 cm bis 1,8 m oberhalb des Fußbodens und bei einem Abstand von 1 m von Außenfenstern und Türen und 50 cm von Außen- und Innenwänden. Alle Messungen, die die Behaglichkeitskriterien betreffen, sind auf diesen Bereich zu beziehen. Durchgangsbereiche und Bereiche in der Nähe von Türen, die oft benutzt werden oder offen stehen gehören nicht zum Aufenthaltsbereich; hierfür können jedoch bei Bedarf gesonderte Vereinbarungen getroffen werden. Die Bereiche in der Nähe von Zuluftdurchlässen und die Bereiche in der Nähe von Einrichtungen mit hoher

Raumtemperatur Vorgabewerte für Raumtemperaturen finden sich in diversen Normen. In DIN EN 15251 sind in Anhang A, Tab. A.2 die Auslegungswerte der Innenraumtemperatur (operative Temperatur) zusammengestellt. Unterschieden werden 3 Kategorien von Gebäuden, wobei Kategorie I höchste und Kategorie III niedrigste Behaglichkeitsanforderungen abdeckt. Kategorie II stellt den Standardfall dar. Hiernach liegt die Temperatur für Einzelbüros der Kategorie II bei 20 °C im Heizfall und 26 °C im Kühlfall. Die operative Temperatur ist nach DIN EN 13779 wie folgt definiert: o D

a C r 2

(38.1)

o operative Temperatur a Raumlufttemperatur r mittlere Strahlungstemperatur aller Oberflächen im Hinblick auf den betrachteten Raumbereich Bei den meisten Anwendungen sind die Geschwindigkeiten gering und es bestehen nur geringe Unterschiede zwischen der Lufttemperatur und der mittleren Strahlungstemperatur im Raum. Nach DIN EN 16798 Teil 3 beträgt unter Berücksichtigung der Standardwerte für Bekleidung und Aktivitätsgrad in Bürogebäuden die optimale operative Temperatur 24,5 °C im Sommer und 21,5 °C im Winter. Falls keine anderen Vereinbarungen getroffen wurden, gilt ein Standardwert von 21 °C im Winter und 26 °C im Sommer. Der Arbeitgeber ist im Rahmen der geltenden Gesetze verpflichtet, für den Gesundheitsschutz der Arbeitnehmer zu sorgen. Allerdings gibt die Arbeitsstättenverordnung keine eindeutigen Vorgaben für die erlaubte Temperatur am Arbeitsplatz. In Abschn. 3.5 („Raumtemperatur“) der Verordnung wird folgendes ausgeführt: „In Arbeits-, Pausen-, Bereitschafts-, Sanitär-, Kantinen- und Erste-Hilfe-Räumen, in denen

38 Klimatechnik

769

Tab. 38.2 Mindestwert der Lufttemperatur in Arbeitsräumen Überwiegende Körperhaltung Sitzen Stehen, Gehen

Arbeitsschwere leicht mittel +20° C +19° C +19° C +17° C

schwer – +12° C

Tab. 38.3 Tabellen bzgl. Lufttemperatur und Arbeitsschwere nach Arbeitsstättenrichtlinie Arbeitsschwere leicht

mittel

aus betriebstechnischer Sicht keine spezifischen Anforderungen an die Raumtemperatur gestellt werden, muss während der Arbeitszeit unter Berücksichtigung der Arbeitsverfahren, der körperlichen Beanspruchung der Beschäftigten und des spezifischen Nutzungszwecks des Raumes eine gesundheitlich zuträgliche Raumtemperatur bestehen.“ Ergänzende Vorschriften zur Arbeitsstättenverordnung finden sich in der Arbeitsstättenrichtlinie ASR A3.5. Bzgl. der Lufttemperatur heißt es: „Die Lufttemperatur wird mit einem strahlungsgeschützten Thermometer in Grad Celsius [°C] gemessen, dessen Messgenauigkeit +/0,5 °C betragen soll. Die Messung erfolgt nach Erfordernis stündlich an Arbeitsplätzen für sitzende Tätigkeit in einer Höhe von 0,6 m und bei stehender Tätigkeit in einer Höhe von 1,1 m über dem Fußboden. (. . . ) In Arbeitsräumen muss die Lufttemperatur in Abhängigkeit von der Arbeitsschwere und Körperhaltung mindestens den Werten in Tab. 38.2 entsprechen, wobei diese Lufttemperatur während der gesamten Arbeitszeit zu gewährleisten ist. (. . . ) Werden die Mindestwerte nach Tab. 38.2 in Arbeitsräumen auch bei Ausschöpfung der technischen Möglichkeiten nicht erreicht, ist der Schutz gegen zu niedrige Temperaturen in folgender Rangfolge durch zusätzliche

schwer

Beispiele leichte Hand-/Armarbeit bei ruhigem Sitzen bzw. Stehen verbunden mit gelegentlichem Gehen mittelschwere Hand-/Arm- oder Beinarbeit im Sitzen, Gehen oder Stehen schwere Hand-/Arm-, Bein- und Rumpfarbeit im Gehen oder Stehen

38.1.1 Raumluftfeuchte

Die Raumluftfeuchte spielt eine entscheidende Rolle für den Wärmehaushalt des Menschen. Der Mensch produziert durch seinen Stoffwechsel Wärme, den er zu einem großen Teil über Verdunstung abgibt. Diese Höhe dieser Wärmeabgabe wird entscheidend von der Höhe der Raumluftfeuchte beeinflusst: ist die Raumluftfeuchte hoch, so kann der Mensch zu wenig Wärme abgeben; es kommt zu einem „Schwüleempfinden“. Ist die Raumluftfeuchte niedrig, so trocknen Schleimhäute aus, es kommt zu Reizungen, trockenen Augen, etc. Einige dieser Zusammenhänge finden sich in der Normung wieder, wenn auch die Normwerte durch die Anpassung an internationale Normen insbesondere in den höheren Feuchtebereichen stark gelockert wurden. Nach DIN EN 15251 nimmt die Luftfeuchte nur geringen Einfluss auf die Temperaturempfindung und die Wahrnehmung der Luftqualität in Räumen mit sitzenden Tätigkeiten, daher braucht die Raumluft üblicherweise nicht befeuchtet zu werden. Zulässige Feuchtewerte werden in Anhang B, Tab. B.6 der Norm in Abhängigkeit von arbeitsplatzbezogene technische Maßnahmen der Gebäudekategorie festgelegt. In der Stan(z. B. Wärmestrahlungsheizung, Heizmatten), dardkategorie II sind Auslegungswerte für die organisatorische Maßnahmen (z. B. Aufwärm- Entfeuchtung im Sommer von 60 % und für die Befeuchtung im Winter von 25 % zulässig. In zeiten) oder personenbezogene Maßnahmen (z. B. geeig- Gebäudekategorie III findet man jedoch für den nete Kleidung) zu gewährleisten.“ (Tab. 38.3) Sommer Auslegungswerte für die Entfeuchtung von 70 % und dies bei zulässigen Temperaturen von 26 °C; das ist normativ zwar zulässig, aber unter physiologischen Gesichtspunkten nicht mehr als behaglich zu bezeichnen.

38

770

S. Schädlich

38.1.2 Raumluftgeschwindigkeit Die Beschreibung und Bestimmung der Raumluftgeschwindigkeit ist eine aufwändige Angelegenheit und erfolgt detailliert in Abschn. 38.3.1. In den Normen erfolgt eine Beschreibung der Raumluftgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Lufttemperatur, der mittleren Geschwindigkeit und dem Turbulenzgrad. Hierbei gilt die Regel, dass bei höheren Temperaturen höhere Geschwindigkeiten zulässig sind und bei höheren Turbulenzgraden niedrigere Geschwindigkeiten.

38.1.3 Schadstoffgehalt Personen gelten aufgrund der CO2 -Emissionen als „Luftverschmutzer Nr. 1“ in Bürogebäuden. Abb. 38.1 zeigt die CO2 -Konzentrationszunahme in einem Raum ohne Lüftung bei der Anwesenheit von zwei Personen und normaler Aktivität. Es ist zu erkennen, dass bereits nach 30 Minuten der MaRaK-Wert (Maximale Raumkonzentration) von 1000 ppm und schon nach einer Stunde der Grenzwert für Büroräume von 1500 ppm überschritten ist. Jedoch sind nicht nur Personen für die Geruchsemissionen im Raum verantwortlich, auch Tätigkeiten wie z. B. Kopieren, Drucken, Kaffeekochen, etc. sowie die Ausdünstungen von Baumaterialien und Einrichtungsgegenständen und sogar die Außenluft tragen zur Verschlechterung der Raumluft bei. Emittiert werden neben biologischen Geruchsstoffen und CO2 auch Radon, 0,6 Maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK)

0,5

Vol.-% CO2

0,4

Fugendichter Raum 30 m3, 2 Personen

0,3 0,2

Grenzwert für Büroräume Maximale Raumkonzentration (MaRaK)

0,1 0

0

1

2 Stunden

3

4

Asbest, Formaldehyd und tausende weiterer chemischer Verbindungen, von denen oft wenige Moleküle ausreichen um wahrgenommen zu werden. Diese werden unter dem Begriff „VOC“ – volatile organic compounds (flüchtige organische Verbindungen) zusammengefasst. Als Erster definierte der dänische Professor und Forscher Ole Fanger die Geruchsemissionen (Abb. 38.2): Indem er dem „Normmenschen“ die Geruchsemission 1 olf zuordnete und diese adäquat auf Einrichtungsgegenstände, Materialien und Tätigkeiten übertrug, weckte er das Bewusstsein für den zunehmenden Lüftungsbedarf. Nach Fanger emittiert bspw. ein rauchender Raucher 25 olf, während ein nichtrauchender Raucher immerhin noch ca. 6 olf abgibt. Die Emission ist darüber hinaus noch abhängig vom Aktivitätsgrad. Auch verschiedene Einrichtungsgegenstände weisen Verunreinigungslasten auf, so z. B. Teppichboden Wolle bzw. PVC-Belag 0,2 olf/m2 , Teppichboden Kunstfaser 0,4 olf/m2 , Marmor dagegen nur 0,01 olf/m2 . Zum Abtransport der Schadstoffe muss der dem Raum zugeführte Luftvolumenstrom ausreichend bemessen sein. Hierauf wird in Abschn. 38.2.4 ausführlich eingegangen.

38.1.4 Weitere Einflussgrößen Die Erwähnung weiterer Einflussgrößen findet sich in DIN EN 13779, die die EN ISO 7730 bezieht und sich auf typische Anwendungen, wie zum Beispiel Bürogebäude usw. beruft. Obwohl die DIN EN 13779 durch die Norm DIN EN 16798 Teil 3 ersetzt wurde, werden an dieser Stelle trotzdem die in der DIN EN 13779 ursprünglich dargestellten Zusammenhänge vorgestellt. Als Erkenntnisquellen können auch zurückgezogenen Normen durchaus genutzt werden, insbesondere, wenn in neuen Normenfassungen bestimmte Zusammenhänge nicht mehr aufgeführt werden.

5

Abb. 38.1 CO2 -Konzentrationszunahme in einem Raum ohne Lüftung bei Anwesenheit von zwei Personen [2]

Aktivitätsgrad. Der Aktivitätsgrad beeinflusst entscheidend die Wärmeabgabe. In DIN EN 13779 sind für verschiedene Aktivitätsgrade

38 Klimatechnik

771

1 olf

1 olf ist die Luftverunreinigung, die durch eine Norm-Person (erwachsen, sitzende Büro-Tätigkeit, behagliche Raumtemperatur, Hygiene: 0,7 Bäder je Tag) hervorgerufen wird.

38 3 olf

Abb. 38.2 Betrachtung aller Schadstoffquellen als Verunreinigungslast im Sinne von Fanger [2]

die Wärmeabgaben (Tab. 38.4) aufgelistet. Dabei Einfluss aus. Die empfohlenen Nenn-Beleuchentspricht die Einheit 1met in etwa 58 W/m2 (me- tungsstärken liegen für leichte bis schwierige tabolic rate). Sehaufgaben im Bereich von 120 bis 1000 lx (Bd. 1, Tab. 49.18 und DIN EN 12665 sowie DIN Bekleidung. Die Wärmeabgabe des Menschen EN 12464-1). wird durch die Kleidung beeinflusst. Maßgebend hierfür ist deren Wärmeleitwiderstand (m2 K=W). Lokale Unbehaglichkeit. In der ISO 7730 „ErAls bezogene Größe wird auch der Wärmeleitwi- gonomie der thermischen Umgebung – Analytiderstand in clo ausgedrückt (abgeleitet von cloth- sche Bestimmung und Interpretation der thermiing value: untere Grenze unbekleidet 0, obere schen Behaglichkeit durch Berechnung des PMVGrenze Polarkleidung 5). Der Wärmeleitwider- und des PPD-Indexes und Kriterien der lokalen stand der Gesamtkleidung kann durch Addition thermischen Behaglichkeit“ werden Verfahren erder Einzelwiderstandswerte der Kleidungsstücke läutert, anhand derer das allgemeine menschliche bestimmt werden. Wärmeempfinden und der Grad der Unbehaglichkeit von Menschen vorausgesagt werden können, Geräusch. Beim zulässigen Schallpegel ist für die einem gemäßigten Umgebungsklima ausgeWohnräume nach Tag und Nacht (Schlafen) zu setzt sind. Sie beschreibt die Umgebungsbedinunterscheiden (s. Bd. 1, Kap. 48). Der Mittel- gungen, die für den allgemeinen thermischen wert, auch für allgemeine Kommunikationsräu- Komfort als akzeptabel betrachtet werden. me, liegt bei 35 dB(A). Als unterer Grenzwert Nach ISO 7730 kann thermische Unzufriegilt ein mittlerer Pegel von 25 bis 30 dB(A), als denheit durch unerwünschtes Abkühlen oder Eroberer (tags) von 30 bis 40 dB(A). Kurzzeitige wärmen eines bestimmten Körperteils entstehen; (1 % der Zeit) Spitzen können bis zu 10 dB(A) bekannt als „lokale Unbehaglichkeit“. Die häuhöher liegen (Bd. 1, Tab. 49.19 und VDI-Richtli- figste Ursache hierfür ist Zugluft, allerdings könnie 2081). nen auch zu warme oder zu kalte Fußböden oder eine zu hohe Asymmetrie der StrahlungstempeBelichtung, Beleuchtung. Die Belichtung ratur Ursache hierfür sein. Lokale Unbehaglichdurch Tageslicht und die Beleuchtung durch keit wird vor allem von Personen empfunden, Kunstlicht üben ebenfalls einen differenzierten die leichte sitzende Tätigkeiten ausführen. Die

772

S. Schädlich

Tab. 38.4 DIN EN 13779: Wärmeerzeugung durch Personen bei unterschiedlichen Aktivitäten (Lufttemperatur 24 °C) Aktivität Angelehnt Ruhig sitzend Sitzende Tätigkeit (Büro, Schule, Labor) Stehend, leichte Tätigkeit (Laden, Labor, etc.) Stehend, mittelschwere Tätigkeit (Maschinenarbeit, etc.)

Gesamte Wärme [met] [W/Person] 0,8 80 1,0 100 1,2 125 1,6 170 2,0 210

Sensible Wärme [W/Person] 55 70 75 85 105

ISO 7730 enthält u. a. Diagramm zu asymmetri- gen und der Lage zum Windangriff bestimmt schen Temperaturverteilungen und zu warmen/zu wird und zum anderen durch den aus Behaglichkalten Fußböden. keitsgründen notwendigen Luftwechsel bestimmt wird. Aus der Heizlast ergibt sich die für den einzelnen Raum und das Gebäude notwendige 38.2 Auslegung von Klimaanlagen Heizleistung und damit die Bemessung der Heizungsanlage. 38.2.1 Meteorologische Grundlagen Im Heizbetrieb muss in Anpassung an die Außenwitterung eine gleichmäßige Erwärmung aller Das Wetter wird durch das Zusammenwirken der Räume des Gebäudes erreicht werden, was bei meteorologischen Elemente Luftdruck, Tempera- zentraler Steuerung des Heizbetriebs eine hinreitur, Feuchte, Wind, Sonnenstrahlung, Bewölkung chende Übereinstimmung zwischen der berechund Niederschläge hervorgerufen. Der durch- neten und der tatsächlich benötigten Heizleistung schnittliche Verlauf der Witterung nach jahrzehn- voraussetzt. Bei zu großen Abweichungen wertelangen Beobachtungen in einem Gebiet oder den einzelne Räume überheizt oder andere nicht zu einer Jahreszeit wird als das äußere Kli- ausreichend erwärmt. Bei Einzelraumregelung, ma definiert; so ist im Durchschnitt der Januar also Steuerung der Heizleistung in jedem Raum, der kälteste und der Juli der wärmste Monat können nicht zu große Abweichungen ausgegliin Deutschland. Wesentlichen Einfluss auf den chen werden; der wirtschaftlichste Betrieb ist Raumluftzustand, also auch auf die Klimatech- bei gleichzeitiger zentraler Steuerung und Einnik, üben die Lufttemperatur, die Luftfeuchte, zelraumregelung gegeben. Aufgabe der Heizlastder Wind, die Bewölkung, Niederschläge und die berechnung (Wärmebedarfsberechnung) ist somit Sonneneinstrahlung aus (DIN 4710). die Ermittlung einer ausreichenden und untereinWeiterführende Informationen zu den Klima- ander gut abgestimmten Heizleistung pro Raum. daten finden sich u. a. auf den Internet-Seiten Das Rechenverfahren für den Wärmebedarf ist des Deutschen Wetterdienstes (www.dwd.de, sie- seit langem genormt worden, um für die Vielhe Tab. 38.5). zahl der Einflussgrößen einheitliche Annahmen zu treffen und einen Vergleich der Bemessung von Heizungsanlagen zu ermöglichen. Die natio38.2.2 Heizlast nale Norm DIN 4701 ist durch die europäische Norm DIN EN 12 831 im Jahre 2005 ersetzt worC. Hainbach den. Neben der Änderung des Rechenganges zur Ermitlung der Gesamtheizlast sind die Begriffe, Die Heizlast setzt sich zusammen aus dem Wär- Formelzeichen und Indizes geändert worden (s. meverlust des Raumes nach außen, der von der Tab. 38.6). Bauausführung und von der Größe der wärmeabZum Rechnungsgang sind die Berechnungsgebenden Flächen bestimmt wird, und aus dem grundlagen wie Raumtemperaturen, AußentemWärmeaufwand für die von außen eindringende peraturen, Wärmedurchgangskoeffizienten für Außenluft, die zum einen von den Fensterfu- Außen- und Innentüren, Fugenluftdurchlässig-

38 Klimatechnik

773

Tab. 38.5 Auf den Internetseiten des Deutschen Wetterdienstes werden z. B. 11 Elemente von 44 Stationen aus Deutschland für den Zeitraum seit 1991 bereitgestellt. Die Monatswerte werden aus maximal 31 Tageswerten eines jeden Monats berechnet Elemente für die Monatswerte Abkür- Bedeutung zung QN Qualitätsniveau TNN TNM TMM TXM TXX SOS NMM RSS RSX FMM FXX

Einheit

°C °C

Bezugszeit und/oder Berechnungsvorschrift weitere Informationen bzgl. Qualitätsniveau unter www.dwd.de Minimum der Tageswerte TN Mittel der Tageswerte TN

°C °C

Mittel der Tageswerte TM Mittel der Tageswerte TX

°C Stunden Achtel mm mm Bft m/s

Maximum der Tageswerte TX Summe der Tageswerte SO Mittel der Tageswerte NM Summe der Tageswerte RS Maximum der Tageswerte RS Mittel der Tageswerte FM Maximum der Tageswerte FX

—

Minimum der Temperatur in 2 m über dem Erdboden Mittleres Tagesminimum der Temperatur in 2 m über dem Erdboden Mittel der Temperatur in 2 m über dem Erdboden Mittleres Tagesmaximum der Temperatur in 2 m über dem Erdboden Maximum der Temperatur in 2 m über dem Erdboden Summe der Sonnenscheindauer Mittel des Bedeckungsgrades Summe der Niederschlagshöhe Maximum der täglichen Niederschlagshöhe Mittel der Windstärke Maximum der Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe (Spitzenböe)

38

(aus: www.dwd.de) Tab. 38.6 Gegenüberstellung der Formelzeichen und Indizes aus [2] früher bis 2004 Norm DIN 4701 Bezugsmaße innen Formelzeichen alt Temperatur # in°C Luftwechselrate ß in h1 Wärmedurchgangskoeffizient k in W=.m2 K/ Wärmestrom QP in Watt Wärmeverlustkoeffizient keine Hauskenngröße H alte Indizes außen a innen i unbeheizt (keine) erdreichberührt G Lüftung L Wiederaufheizung (keine)

heute ab 2005 DIN EN 12831 Bezugsmaße außen neu  in°C n in h1 U in W=.m2 K/ ˚ in Watt H in W=K e Abschirmkoeffizient ohne Einheit neue Indizes e (external) i (internal) u (unheated) g (ground) V (ventilation) RH (reheat)

terschiedlichen Nutzräume, Mindestluftwechselzahlen u. v. m. angegeben. Die Stoffwerte und Wärmeleitzahlen für häufiger vorkommende Baustoffe sowie Wärmedurchgangskoeffizienten für Verglasungen, Fenster und Fenstertüren sind in weiteren europäischen Normen, z. B. EN ISO 6946, EN 673 etc. erfasst. Das Rechenverfahren zur Bestimmung der Gesamtheizlast ˚HL, i gilt für den Beharrungszustand und ist aufgeteilt in die Berechnung des Transmissionswärmeverlustes ˚T;i , des Lüftungswärmeverlustes ˚V;i und des Aufheizzuschlages ˚RH, i ˚HL, i D ˚T;i C ˚V;i C ˚RH, i

(38.2)

Transmissionswärmeverluste. Er wird aus dem physikalischen Vorgang des Wärmedurchgangs (s. Bd. 1, Abschn. 44.2) durch die Raumumschließungsflächen ermittelt. Neu ist hierbei, dass Wärmebrücken mit zu berücksichtigen keiten sowie Lüftungsbeiwerte zu berücksichti- sind. gen.  In einem nationalen Beiblatt zur Norm ˚T;i D ..int  e /  HT;iue C HT;ig C HT;ij (38.3) sind für Deutschland einige Eingabeparameter wie Außentemperatur, Innentemperatur der un-

774

S. Schädlich

Tab. 38.7 Norminnentemperaturen aus [2] Raumtyp Wohn- und Schlafräume, Küchen, Aborte, Büroräume, Schalterhallen, Hotelzimmer, Läden, Unterrichtsräume, Theater Bäder, Duschen, Untersuchungszimmer geheizte Nebenräume, Vorräume, Flure ungeheizte Nebenräume, Treppenräume Tab. 38.8 Normaußentemperaturen für 15 Orte in Deutschland und Zuordnung zur windstarken Gegend (W) aus [2] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Norderney Hamburg Rostock Potsdam Braunschweig Erfurt Essen Kassel Chemnitz Hof, Saale Würzburg Mannheim Freiburg i. Br. München Garmisch-Partenkirchen

10 °C W 12 °C W 10 °C W 14 °C 14 °C W 14 °C 10 °C 12 °C 14 °C 18 °C W 12 °C 12 °C 12 °C 16 °C 18 °C

mit ˚T;i : int : e : HT;ie :

mit

Norminnentemperatur  int in °C 20 24 15 16

HV;i D VPi, max    cp

(38.5)

˚V;i : int : e : HV;i :

Lüftungswärmeverlust, Innentemperatur (s. Tab. 38.7), Außentemperatur (s. Tab. 38.8), Lüftungswärmeverlustkoeffizient eines Raumes, : Dichte der Luft spezifische Wärmekapazität der Luft, cp : VPi, max : maximaler Außenluftvolumenstrom. Der Außenluftvolumenstrom hängt sehr stark von den Undichtigkeiten des Gebäudes ab. Bei der heutigen dichten Bauweise ist jedoch der zugeführte Außenluftvolumenstrom zu gering, um eine aus gesundheitlichen Gründen ausreichende Lufterneuerung im Raum sicherzustellen. Somit wird bei dichten Gebäuden ein Mindestluftwechsel (durch individuelles Lüftungsverhalten) zur Berechnung zu Grunde gelegt.

Transmissionswärmeverluste Innentemperatur (s. Tab. 38.7) (38.6) VPi, min D nmin  Vi Außentemperatur (s. Tab. 38.8) direkter Wärmeverlust des Raumes an mit die Umgebung HT;iue : Wärmeverlust durch unbeheizte Räume nmin : Mindestluftwechsel (s. Tab. 38.9), an die Umgebung Raumvolumen. V i: HT;ig : Wärmeverlust an das Erdreich HT;ij : Wärmeverlust an andere unbeheizte Die Berechnung des AußenluftvolumenstroNachbarräume. mes VPi berücksichtigt neben den Undichtheiten Der detaillierte Berechnungsgang zur Ermitt- des Gebäudes außerdem – wenn vorhanden – die lung der Wärmeverluste sind der DIN EN 12831 Lüftungsanlage. Der höhere Wert beider Berechnungen muss zur Bestimmung der Lüftungswärzu entnehmen. meverluste berücksichtigt werden. Lüftungswärmeverluste. Die Lüftungswärme (38.7) VPi, max D max VPi I VPi, min verluste berechnen sich aus der Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Innentemperatur und den anzunehmenden Außenluftvolumenstrom. ˚V;i D .int  e /  HV;i

Der detaillierte Berechnungsgang zur Ermittlung der Wärmeverluste sind der DIN EN 12831 (38.4) zu entnehmen.

38 Klimatechnik

775

Tab. 38.9 Mindestluftwechsel aus [2] Raumart bewohnbarer Raum (Standardfall), Küche > 20 m3 Büroräume, Küche  20 m3 WC oder Badezimmer mit Fenster Besprechungsraum, Schulzimmer

Aufheizzuschlag. Der Aufheizzuschlag berücksichtigt bei der Bestimmung der Gesamtheizlast die zusätzliche erforderliche Wärmeleistung, wenn Räumlichkeiten nicht kontinuierlich beheizt werden. Dieser Aufheizzuschlag ist optional zu ermitteln und wurde in der früheren Berechnung nach DIN 4701 nicht einbezogen. ˚RH D Ai  fRH

(38.8)

mit ˚RH : Aufheizzuschlag, Fläche des Raumes, Ai : fRH : Korrekturfaktor. Der Korrekturfaktor hängt im starken Maße von den gewünschten Aufheizzeiten und dem Luftwechsel im Raum ab. Er wird tabelliert in der Norm für unterschiedliche Bauweisen (schwer, mittel, leicht) angegeben. Im Abb. 38.3 sind die Zusammenhänge der ausführlichen Berechnung dargestellt. Sonderfälle. Für die Ermittlung des Wärmebedarfs von selten beheizten Räumen, Räumen sehr schwerer Bauart, Hallen und Gewächshäusern sowie für den Wärmeverlust von Bauteilen mit Erdreichberührung sind in der Norm weitere Rechenverfahren angegeben.

Mindestluftwechsel nmin in h1 0,5 1,0 1,5 2,0

38.2.3 Kühllast C. Hainbach Als Kühllast eines Raums wird die witterungsbedingte oder aus der Umgebung stammende äußere und die im Raum entstehende innere Wärmebelastung bezeichnet. Die Berechnung erfolgt nach der VDI-Richtlinie 2078. Für die äußere Last ist die durch Fenster eindringende Sonnenstrahlungswärme ausschlaggebend, so dass ein guter Sonnenschutz von erheblicher Bedeutung ist. Die durch die äußeren Raumumschließungsflächen im Wärmedurchgang eindringende Wärme fällt wegen der Speicherfähigkeit und dem quasi-stationären Zustand in zeitlicher Verschiebung und verminderter Größe an. Für den meist geringen Wärmezufluss aus der Umgebung, also aus angrenzenden Räumen, kann der Beharrungszustand angenommen werden. Die innere Wärmelast besteht bei Aufenthaltsräumen allgemein aus Personen- und Beleuchtungswärme. Andere innere Lastquellen können die Wärmeabgabe von Maschinen und Geräten oder die bei Prozessen und Verfahren anfallende Wärme und Feuchtigkeit sein. Die Addition all dieser Belastungswerte ergibt die Kühllast, wobei das Maximum nach dem zeitlichen Verlauf der einzelnen Belastungswerte mit einem Gleichzeitigkeitsfaktor zu ermitteln ist. Dabei kann das Maximum der äußeren Kühllast bei Südorientierung der Fenster anstelle des Monats Juli im März oder September liegen.

38.2.3.1 Innere Kühllast

Abb. 38.3 Zusammenhänge bei der ausführlichen Berechnung aus [2]

Wärmeabgabe der Menschen. Diese ist je nach Tätigkeit verschieden. Sie teilt sich in den Anteil der trockenen und feuchten Wärmeabgabe im Zusammenhang mit der Raumlufttemperatur unterschiedlich auf.

38

776

Beleuchtungswärme. Bei dieser ist die Anschlussleistung der Leuchten einschießlich der Verlustleistung der Vorschaltgeräte bei Entladungslampen mit einem Gleichzeitigkeitsfaktor einzusetzen. Ein Teil der Leuchtenwärme wird besonders bei kurzen Betriebszeiten der Beleuchtung vom Speichervermögen des Raums, vorwiegend von der Decke aufgenommen. Bei belüfteten Leuchten, bei denen ein Teil der Wärme direkt abgeführt wird, verbleibt je nach Art der Abluftführung an der Leuchte ein unterschiedlicher Restwärmefaktor als Belastung des Raums zurück. Durch Einsatz von LED-Beleuchtung lässt sich der Anteil der Beleuchtungswärme erheblich reduzieren. Maschinen- und Gerätewärme. Die im Raum umgesetzte Energie wird allgemein als Wärme frei, sofern nicht ein Teil durch örtliche Absaugung unmittelbar entfernt wird. Die maschinelle Ausstattung an Arbeitsplätzen hat so weit zugenommen, dass die Maschinenwärme den dominierenden Anteil innerhalb der Gesamtkühllast übernommen hat. Dies bedeutet, dass die maximale Kühllast nicht unbedingt in der Zeit der maximalen Außentemperatur auftritt. Daher kann die maximale Raumlufttemperatur (Auslegungstemperatur) von z. B. 27 °C bei Anfall maximaler Innenlasten und nicht unbedingt bei maximaler Außentemperatur auftreten. Bei Ermittlung der Maschinenwärme sind die Reduktionsfaktoren nach VDI 2078, wie bei Beleuchtung zu berücksichtigen. Darüber hinaus wurden erhebliche Leistungsdifferenzen zwischen Nenn- und Istleistung bei PC- und Zubehörgeräten festgestellt. Beispiel: s. Tab. 38.10. Die Kühllastberechnung nach VDI 2078 trennt bei Personen- und Maschinenlasten die konvektive und die Strahlungswärmeabgabe. Die Raumluft wird zunächst durch die konvektive Wärmeabgabe belastet. Der Strahlungsanteil erscheint verändert und zeitverschoben im Raum.

38.2.3.2 Äußere Kühllast

S. Schädlich

dem Binnenland- und dem Küstenklima unterschieden. Als max. Außentemperatur gilt im Juli für das Binnenklima die Temperatur von 32 °C und für das Küstenklima von 29 °C, wobei der Tagesgang der Lufttemperatur für den zeitlichen Anfall der max. Belastung von Bedeutung ist. Bei der Sonnen- und Himmelsstrahlung ist sowohl der jahreszeitliche als auch der tägliche Verlauf zu berücksichtigen, DIN 4710. Festzustellen ist die Beschattung des Gebäudes aus der Umgebung. Wesentlich vermindert wird die eindringende Strahlungswärme durch Sonnenschutzvorrichtungen. Wärmedurchgang durch Glasflächen. In der VDI-Richtlinie 2078 ist die eindringende Gesamtstrahlung bei einfach verglasten Flächen als monatlicher Maximalwert angegeben. Die Reduzierung durch Sonnenschutzvorrichtungen wird mit einem Durchlassfaktor erfasst, der je nach Art und Anordnung des Sonnenschutzes verschieden ist. Die momentane Wärmeeinstrahlung durch Fenster wird ferner zum Teil durch die Speicherwirkung im Raum, an der im Wesentlichen der Fußboden und die Decke bei entsprechender baulicher Ausführung beteiligt sind, aufgefangen. Bei nicht direkt sonnenbeschienenen Glasflächen wird die diffuse Himmelstrahlung wirksam. Wärmedurchgang durch Außenwände und Dächer. Für diesen Wärmedurchgang ergibt sich wegen der mit der Tageszeit sich ändernden Außenlufttemperatur und Sonnenstrahlung nur ein quasi-stationärer Zustand. Dieser Vorgang wird durch die äquivalente Temperaturdifferenz berücksichtigt, mit der sowohl die durch Speichervorgänge bewirkte Dämpfung als auch die zeitliche Verschiebung der Wärmeeinströmung erfasst wird. In der Norm wird für eine Anzahl charakteristischer Wand- und Dachbauarbeiten die äquivalente Temperaturdifferenz in Abhängigkeit von der Flächenorientierung und der Tageszeit für die Klimadaten des Monats Juli ermittelt worden dargestellt.

Außenlufttemperatur, Strahlungswärme, Sonnenschutz. Der Rechenwert für die Heizpe- Wärmezufuhr aus Nachbarräumen. Der riode, zumeist –10 bis –15 °C, ist in DIN EN Wärmestrom wird als Wärmedurchgang berech12 831 festgelegt, für die Sommerzeit wird nach net, er ist meist vernachlässigbar klein.

38 Klimatechnik

777

Tab. 38.10 Anhaltswerte für den Wärmeanfall durch EDV-Technik am Arbeitsplatz Anlage Personal Computer (PC) mit Bildschirm Terminals Drucker (nur bei Druckbetrieb) a

Anzusetzende Leistung 130 bis 160 W 50 bis 100 W 30 bis 50 W

Charakteristische Typenschildleistunga 300 W 180 W 100 bis 800 W

Die abgegebene Leistung ist meist erheblich geringer als die Leistungsangabe auf dem Typenschild.

38.2.4 Luft-Volumenstrom

Wahl von emissionsarmen Bau- und Einrichtungsmaterialien lassen sich erhebliche EinspaSylvia Schädlich rungen beim zu fördernden Luftvolumenstrom und damit bei der Ventilatorleistung und den BeAufgrund des Schadstoffgehaltes in Räumen (sie- triebskosten erzielen. he Abschn. 38.1.4) muss diesen über die Klimaanlage ein ausreichend bemessener Außenluftstrom zugeführt werden. Die Erkenntnisse 38.3 Luftführung und Luftdurchlässe von Fanger (siehe ebenfalls Abschn. 38.1.4), dass alle Materialien zur Geruchsbelastung der Sylvia Schädlich Raumluft beitragen, haben dabei in der Normung Berücksichtigung gefunden. Gemäß DIN 38.3.1 Luftführung EN 15251 muss daher jeweils eine personenbezogene Lüftungsrate und eine Lüftungsrate für So verschiedenartig die Konzeptionen von Lüfdie Gebäudeemission bezogen auf m2 Nutzfläche tungs- und Klimaanlagen seien können, eines ist berücksichtigt werden (Beispiel in Tab. 38.11). ihnen allen gemeinsam: die in der Klimazentrale Zusätzlich erfolgt dies in Abhängigkeit vom Ge- aufbereitete Luft muss dem Raum zugeführt und bäudetyp sehr schadstoffarm – schadstoffarm – im Raum verteilt werden. Eine Raumluftbewenicht schadstoffarm. Diese Festlegung muss in gung zu erzielen, die einerseits eine gute Raumdurchspülung gewährleistet und andererseits die Absprache mit dem Bauherrn erfolgen. Es ist festzustellen, dass in dem aufgeführten menschliche Behaglichkeit nicht beeinträchtigt, Beispiel der gesamte personenbezogene Luftvo- ist eine der schwierigsten Aufgaben der Klilumenstrom 8390 m3 /h beträgt. Der gebäudebe- matechnik. Bei der Bewältigung dieser Aufgabe zogene Luftvolumenstrom variiert je nach Ge- sind gute Kenntnisse der theoretischen Randbebäudetyp zwischen 3112 m3 /h und 12 449 m3 /h, dingungen und der praktischen Ausbildung der so dass sich ebenfalls erhebliche Unterschiede im verschiedenen Strömungsformen im Raum unerGesamt-Luftvolumenstrom ergeben. Fazit: durch lässlich. Tab. 38.11 Beispiel zur Ermittlung des Luftvolumenstroms in Abhängigkeit vom Gebäudetyp Anzahl/Raumtyp/m2 40 Einzelbüros a. 10 4 Großraumbüros a. 450 6 Konferenzräume a. 20 1 Kantine a. 150 Summe

Fläche/m2 400 1800 120 150 2470

Gebäudetyp sehr schadstoffarm schadstoffarm nicht schadstoffarm

m3 /h, m2 * 1,26 2,52 4,04

* Lüftungsrate für Gebäudeemissionen

Fläche m2 2470 2470 2470

Pers. 40 120 60 100

m3 /h, Pers. 25 27 25 26,5

Ges. m3 /h 1000 3240 1500 2650 8390

m3 /h Gebäude 3112 6224 12 449

m3 /h Pers. 8390 8390 8390

m3 /h Gesamt 11 502 14 614 20 839

38

778

S. Schädlich

Abb. 38.4 Zeitlicher Verlauf der Geschwindigkeit

Strömungsbewegungen entstehen stets aufgrund von Druckdifferenzen. So führt die Erwärmung der Luft durch Wärmequellen (Personen, Geräte, etc.) durch eine Erhöhung des Partialdruckes zu einer aufwärts gerichteten Strömungsbewegung, die auch als thermischer Auftrieb bezeichnet wird. Auch eine Feuchteabgabe an die Luft führt zu einer Absenkung des Partialdrucks und damit zu einer Aufwärtsbewegung der feuchteren und damit leichteren Luft. Aber auch von außen aufgeprägte Druckdifferenzen durch eine mechanische Lüftungs- oder Klimaanlage verursachen Raumluftbewegungen, die meist durch höhere Strömungsgeschwindigkeiten und turbulente, d. h. unregelmäßig schwankende Geschwindigkeitswerte (Abb. 38.4) charakterisiert sind. Zur Bewertung solcher Geschwindigkeiten werden statistische Größen herangezogen, wie z. B. der Mittelwert w, N der aus einer Anzahl n Stichproben der Momentanwerte wi nach folgender Formel ermittelt wird: 1 X wN D wi :  n i D1 n

(38.9)

Abb. 38.5 Vollflächige turbulenzarme Verdrängungslüftungen werden in erster Linie in Reinen Räumen eingesetzt

im Turbulenzgrad Tu , der als Quotient aus beiden Größen definiert ist: Tu D

sw : wN

(38.11)

Zugerscheinungen treten in erster Linie bei zu hohen Mittelwerten der Geschwindigkeit auf, wobei jedoch starke Schwankungen der Luftgeschwindigkeit – also ein hoher Turbulenzgrad – vom Menschen als besonders unangenehm empfunden werden. Systeme der Luftführung. Bei der Charakterisierung von Luftführungsarten im Raum unterscheidet man prinzipiell drei verschiedene Arten der Lufteinbringung:

die turbulenzarme Verdrängungslüftung, die turbulente Mischlüftung, Großen Einfluss auf die thermische Behag die Quelllüftung. lichkeit nimmt weiterhin die Größe der turbulenten Schwankungsbewegungen, die man als StanVerdrängungslüftung. Die Verdrängungslüfdardabweichung bezeichnet: tung wird in speziellen Bereichen angewandt, wie v z. B. in reinen Räumen, in Operationssälen bei u n X u 1 2 t sw D .wi  w/ N (38.10) speziellen hygienischen Aufgaben oder in Indus n  1 i D1 triebetrieben, wo Reinraumbedingungen verlangt werden, Abb. 38.5. Eine gemeinsame Berücksichtigung der StanDer Raum ist als die Verlängerung des Zuluftdardabweichung und des Mittelwertes findet sich kanals zu betrachten. Die Luft strömt nach dem

38 Klimatechnik

Abb. 38.6 Isothermer Freistrahl aus einer Düse. 1 Kern, 2 Mischzone, 3 Sekundärluft

„Kolben-Prinzip“ durch den Raum und schiebt die im Raum freigewordene Verunreinigung, wie Staubpartikel, Gase oder thermische Lasten, in Richtung des Abluftsystems vor sich hin. Luftgeschwindigkeiten von ca. 0;5 m=s sind bei dem System zugelassen. Zugerscheinungen werden bei diesen Geschwindigkeiten (bis 0;5 m=s) nicht registriert, da ein homogenes Geschwindigkeitsund Temperaturfeld erzeugt wird. Turbulente Mischlüftung. Die in den Raum geführte Luft wird mit hoher Luftgeschwindigkeit und großer Temperaturdifferenz in den Raum geblasen. Die Zuluft vermischt sich mit der Raumluft (Induktion) und baut die Temperaturdifferenz und ihre dynamische Einblasenergie mehr oder weniger rasch ab. Der Abbau der Temperaturdifferenz ist der Energieaustausch, wodurch die thermischen Raumlasten abgetragen werden. Das sich einstellende Geschwindigkeitsprofil eines isothermen Freistrahls (der mit gleicher Temperatur wie die Raumtermperatur in den Raum eintritt), zeigt Abb. 38.6. Runde und rechteckige Düsen. Bei rechteckigen Luftdüsen ist die Luftverteilung ähnlich derjenigen der runden Durchlässe, bei scharfkantigen und durch Jalousien, Lochgitter oder andere Gitter verengten Durchlässen ist eine Lufteinschnürung zu berücksichtigen. Ebener Strahl. Als wichtige Strahlform ist noch der ebene Strahl, also der Lufteintritt aus Schlitzen anzusprechen, zumal die Abnahme der Geschwindigkeit wegen der fehlenden Induktion an den Seiten erheblich geringer ist als bei runden Durchlässen. Dementsprechend wird die Eindringtiefe größer.

779

Wenn ein Schlitzstrahl unmittelbar unter der Decke ausgeblasen wird, legt er sich wegen des Unterdrucks an die Decke an. Dieser Effekt wird als Coanda-Effekt bezeichnet. Ähnlich legen sich auch Strömungen aneinander an, die in einem zu geringen Abstand nebeneinander ausgeblasen werden. Der Coanda-Effekt tritt also immer auf, wenn das Ausbreitungsvermögen des Luftstrahls seitlich wegen fehlender Induktion behindert ist. Im Vergleich zum runden Strahl ist der Ausbreitwinkel ebenfalls größer, er beträgt etwa 33° anstelle von 24°. Bei Strahlen in Deckennähe spricht man von Halbstrahlen oder Wandstrahlen, da sich der Luftstrahl bei einem Schlitz unmittelbar unter der Decke nicht frei ausdehnen kann.

38.3.1.1 Nicht isothermer Luftstrahl Bei der Temperaturdifferenz zwischen Zuluft und Raumluft fällt oder steigt der Strahl zusätzlich zu der durch die Ausbreitung bedingten Höhenänderung. Hersteller von Luftauslässen haben durch Modellversuche die notwendigen Aussagen hinsichtlich der Strahlenausbreitung, der Eindringtiefe und der Strömungsgeschwindigkeit ermittelt und in Nomogramme bzw. geeignete Software überführt. Das in den klimatisierten Räumen häufig verwendete Lüftungsprinzip ist die Verdünnungs-, Misch- bzw. Induktionslüftung. Diese lässt sich je nach Art der Lufteinbringung in den Raum auf tangentiale und diffuse Lüftung unterteilen. Gliederung der Lüftung bzw. Luftführung, Abb. 38.7. Unter einem tangentialen Luftführungssystem versteht man die Luftführung, bei der sich die in den Raum eingeführte Luft an Wänden, Fenstern, Decke und Fußboden anlehnt. Hierzu sind als Beispiel die Induktionsgeräte oder einige Deckendurchlässe zu erwähnen. Als Problem dieses Luftführungssystems ist die zwingende innere Raumgestaltung (glatte Decke, Einbauleuchten, Bodenfreiheit der Möblierung usw.) anzusehen. Weiterhin ist anzunehmen, dass die Effektivität der so in den Raum eingeführten Zuluft nicht so günstig ist wie z. B. bei der diffusen Luftführung.

38

780

S. Schädlich

Abb. 38.7 Luftführungsarten

Es können Kurzschlusserscheinungen bei der tangentialen Luftführung dann auftreten, wenn die Zuluft an die Decke angelehnt wird und die Abluft ebenfalls über die Decke (Leuchten) entnommen wird. Vorteil der tangentialen Luftführung ist die stabile Luftwalze im Raum als sekundäre Luftbewegung, die durch die Induktion aufrechterhalten wird, Abb. 38.8. Die diffuse Lüftung führt die Luft unmittelbar in den Aufenthaltsbereich nach dem Strahloder Drallprinzip. Die Luft lässt sich in kleinen Volumenstromeinheiten so in den Raum führen, dass der Abbau der Temperaturdifferenzen und der Bewegungsenergie dreidimensional auf dem kürzesten Weg so vollzogen wird, dass keine Zugerscheinungen – trotz intensiver gleichmäßiger Luftbewegung – verursacht werden. Dabei muss eine ausreichende Raumluftdurchspülung gewährleistet werden. Vorteile der diffusen Luftführung sind:

Abb. 38.8 Luftwalze

Keine speziellen raumumschließende Elemente, wie z. B. geschlossene Decke, Einbauleuchten. Man kann ohne abgehängte Decke bei Rasterdecken und bei Aufbauleuchten das System anwenden. Dem Raum zugeführte Luft wird voll und auf dem direkten Weg zu dem Aufenthaltsbereich geführt. Als Nachteil des Systems muss die instabile Luftbewegung im Raum angesehen werden und die erforderlichen speziellen Luftdurchlässe. Quelllüftung. Das Prinzip der Quelllüftung sieht eine großflächige bodennahe Zufuhr von gekühlter Luft mit geringen Geschwindigkeiten vor, sodass sich ein Frischluftsee am Boden ausbildet, der aus Behaglichkeitsgründen keine allzu niedrigen Temperaturen aufweisen darf. Aufgrund der Auftriebswirkung von Wärmequellen, zu denen auch der Mensch zählt, wird diese aufbereitete kühle Luft in höhergelegene Bereiche und damit direkt in die Aufenthaltszone gefördert, sodass sich jeder Verbraucher selber mit schadstoffarmer und kühler Zuluft versorgt. Die erwärmte Luft steigt zur Decke und wird dort abgesaugt (s. Abb. 38.9). Im Gegensatz zur Verdrängungsströmung und turbulenten Mischlüftung wird hier die Raumluftbewegung im Wesentlichen durch innere Antriebe (thermischer Auftrieb, etc.) bestimmt. Der Vorteil liegt hierbei in der Verdrängung der ver-

38 Klimatechnik

781

38

Abb. 38.9 Raumströmung bei Quelllüftung

brauchten und belasteten Luft durch die nachströmende Frischluft. Die Zuluft wird mittels Luftkanälen zum Quellluftdurchlass geführt, aus dem sie dann großflächig mit niedriger Geschwindigkeit austritt. Aufgrund dessen kann die Einbringung in unmittelbarer Arbeitsplatznähe erfolgen und so direkt in der Aufenthaltszone des Menschen wirksam werden. Auch bei der Belüftung von Produktionshallen bietet sich der Einsatz der Quelllüftung insbesondere in Bereichen mit starken Wärmequellen an, deren Auftriebsströmungen für eine ausgeprägte Aufwärtsbewegung der aufbereiteten Zuluft sorgen, wie dies zum Beispiel in Presswerken, Gießereien, etc. der Fall ist. Aufgrund der personennahen Einbringung der Zuluft ist auch in diesen hoch schadstoffbelasteten Hallen die Einhaltung behaglicher Raumluftzustände gewährleistet. Dem Wunsch nach kleineren Strömungsgeschwindigkeiten und Turbulenzgraden kann durch die Quelllüftung Rechnung getragen werden, nicht jedoch dem nach erhöhter Lastabfuhr. Da sich im Raum ein für diese Lüftungsart typisches Temperatur- und Schadstoffkonzentrationsprofil einstellt, ist man in der Lage, mit kleineren Luftmengen gleiche Flächenlasten wie bei der Mischlüftung abzuführen. Jedoch ist zu beachten, dass bedingt durch Grenzen bei der Austrittsgeschwindigkeit und der Temperaturdifferenz zwischen Fuß und Kopf (< 2 K) die maximal abführbaren Flächenlasten bei nur ca. 35 W=m2 liegen. Durch den Einsatz eines induzierenden Quellluftsystems (s. Abb. 38.10) kann die maximale Flächenlast auf ca. 50 W=m2 gesteigert werden.

Abb. 38.10 Induzierender Quellluftdurchlass

38.3.2 Luftdurchlässe Als Luftdurchlässe kommen im Allgemeinen Düsen- und Schlitzdurchlässe in verschiedenen geometrischen Anordnungen zum Einsatz, durch die die als Freistrahlen bezeichneten Luftstrahlen in den Raum eintreten. Diese müssen einerseits weit genug in den Raum eindringen, um eine gute Durchspülung zu gewährleisten, andererseits dürfen keine Zugerscheinungen im Aufenthaltsbereich der Personen auftreten. Daher ist die Dimensionierung der Luftauslässe sowie die Vorausbestimmung der Strahlausbreitung und der sich einstellenden Raumluftströmung von großer Wichtigkeit, erfolgt jedoch mangels theoretischer Grundlage meist anhand von empirisch ermittelten Werten oder einer computergestützten numerischen Simulation. Die in der Praxis eingesetzten Luftdurchlässe besitzen die verschiedenartigsten Geometrien und Wirkungsweisen. Erst bei genauer Kenntnis der Strahlausbreitung aus einem bestimmten Luftdurchlass kann eine Auswahl für den in der Praxis relevanten Einsatzfall erfolgen. Luftdurchlässe werden im Allgemeinen durch den durchsetzbaren Luftvolumenstrom, die Austrittsgeschwindigkeit sowie die Wurfweite und die sich somit im Aufenthaltsbereich einstellenden Raumluftgeschwindigkeiten charakterisiert. Neben dem wichtigen Aspekt der damit verbundenen Geräuschentwicklung ist für die Endauswahl eines Durchlasses seine Form und die freie Querschnittsfläche von Bedeutung.

782

S. Schädlich

Dabei muss insbesondere berücksichtigt werden, ob der Durchlass für den Heiz- oder den Kühlfall eingesetzt wird und ob er ggf. bei Umschaltung zwischen beiden Lastfällen über verstellbare Austrittsquerschnitte oder Ausblasrichtungen verfügt. Die Luftdurchlässe können zum einen in der Wand angeordnet sein. Dann ist zu bedenken, dass z. B. bei einem Durchlass, der die gesamte Wandbreite einnimmt, also von den jeweiligen Seitenwänden begrenzt wird, oder aber in unmittelbarer Deckennähe angebracht ist, seine Geschwindigkeit entsprechend den Gesetzmäßigkeiten eines Wandstrahls langsamer abbaut als ein von allen Seiten frei induzierender Freistrahl. Werden die Luftdurchlässe in die Decke installiert, so ist darauf zu achten, dass sich die Strahlradien nicht in der Form überschneiden, dass es in diesem Bereich in der Aufenthaltszone zu Zugerscheinungen kommt. Bei zu naher Installation kommt es zum Coanda-Effekt zwischen den einzelnen Strahlen, sodass sich diese zu einem gemeinsamen Strahl zusammenlagern, der Abb. 38.11 Zu- und Abluftgitter-Bauformen. a Mit waagerechten Frontlamellen; b Bauform a ohne Mengenmit hoher Geschwindigkeit nach unten strömt. einstellung, Lamellen einzeln einstellbar; c Bauform a, mit zusätzlicher gegenläufiger Mengeneinstellung; d mit

Durchlassgitter sind meist einfache Draht- oder senkrechten Frontlamellen; e Bauform d ohne MengenLochgitter, durch die die Luft ohne besonde- einstellung, Lamellen einzeln einstellbar; f Bauform d, mit zusätzlicher gegenläufiger Mengeneinstellung re Führungen strömt. Luftumlenkungen können durch Steggitter erfolgen (Abb. 38.11). Bei Dralldurchlässen wird der Luft durch Anordnung der Austrittsquerschnitte ein Drall aufgeprägt, der zu einem hohen Turbulenzgrad der austretenden Luft führt. Somit wird verstärkt Umgebungsluft induziert und die Strahlgeschwindigkeit und die -temperaturdifferenz wesentlich schneller als bei herkömmlichen Freistrahlen abgebaut (Abb. 38.12). Düsenleisten bestehen aus reihenförmig nebeneinander angeordneten, runden Düsen. Die Ausbildung des Luftstrahls ist dabei abhängig vom Düsendurchmesser und -abstand sowie von der Austrittsgeschwindigkeit. Hierbei kann der Caonda-Effekt zwischen den einzelnen Düsen, der zu einer Strahleinschnürung führt, durchaus erwünscht sein, da er den Strahl bündelt, die

Abb. 38.12 Dralldurchlass (Krantz)

Induktion von Umgebungsluft behindert und somit zu hohen Eindringtiefen führt. Häufig sind die Ausblasrichtungen der einzelnen Düsen verstellbar, sodass diese an den jeweiligen Lastfall oder die individuellen Gegebenheiten des Raumes (Möblierung, Säulen, etc.) angepasst werden können.

38 Klimatechnik

783

Abb. 38.13 Luftschlitz (LTG-Lufttechnische Ges.). a Deckenanordnung; b Walzenkonstruktion. Ausblasöffnung der Walzen abwechselnd links-rechts angeordnet

Schlitzschienen bestehen häufig aus mehreren Segmenten, deren Ausblasrichtung variabel ist. Somit kann ein einzelner, nahezu ebener Freistrahl erzeugt werden, der von der Decke entweder senkrecht oder schräg nach unten bläst, oder aber z. B. bei Kaltluft nahezu deckenbündig ausbläst, sodass der Strahl unter Ausnutzung des Coanda-Effekts zunächst entlang der Decke strömtund sich erst dann ablöst. Schlitzschienen bieten die Möglichkeit der Verstellung der Ausblasrichtung in Abhängigkeit vom Lastfall, d. h. ob warme oder kalte Luft austritt (Abb. 38.13).

38.3.2.1 Durchlässe mit variablen Ausblasquerschnitten Bei Anlagen mit variablem Volumenstrom (VVSAnlagen) bedarf es einer besonders sorgfältigen Auswahl der Luftdurchlässe. So darf man mit Durchlässen konstanten Querschnitts den Volumenstrom normalerweise nicht unter 50 % des Auslegungswertes senken, da bei Unterschreitung einer kritischen Ausblasgeschwindigkeit der Strahl instabil wird. Bei einem Deckenstrahl gewinnt mit sinkender Austrittsgeschwindigkeit der Schwerkrafteinfluss der Kaltluft immer mehr an Bedeutung, sodass der Strahl vorzeitig von der Decke ablöst oder sich erst gar nicht an diese anlegen kann. Das führt zu Zugerscheinungen in der Aufenthaltszone. Abhilfe schaffen hier spezielle Durchlässe für VVS-Anlagen. Eine Möglichkeit, die starke Reduzierung der Wurfweite, der kritischen Strahlweglänge usw. zu verhindern, besteht darin, den Austrittsquerschnitt proportional zum Volumenstrom zu variieren.

Abb. 38.14 Abluftdurchlass mit Senkenströmung

bei die Abführung von gasförmigen Luftverunreinigungen zu einer teilweisen Anordnung im oberen Raumbereich zwingt. Die Anordnung der Abluftöffnung nimmt keinen signifikanten Einfluss auf die Raumluftbewegung, da sich die hier auftretende Senkenströmung von allen Seiten radial mit langsamer Geschwindigkeit auf die Öffnung zubewegt und somit die Raumluftströmung nur unwesentlich beeinflusst. Die Einbringung der Zuluft ist dagegen von entscheidender Bedeutung für die Ausbildung der Raumluftströmung, da sie strahlförmig gerichtet in den Raum eintritt bzw. an der Decke entlang geführt wird Abb. 38.15a,b.

38.3.2.2 Numerische Simulation von Raumluftströmungen Bei allen aufgeführten Strömungsformen ist aufgrund der in einer Strömung auftretenden Kräfte, wie Impulsstrom, thermische Kräfte und Reibungskräfte sowie die Vielzahl der räumlichen Randbedingungen eine detaillierte theoretische Vorhersage der zu erwartenden Raumströmung sehr schwierig. Jedoch ermöglichen immer leistungsfähigere Computer und die Entwicklung geeigneter Näherungsverfahren auch numerische Simulationen komplizierter Systeme wie das der Raumluftströmungen. Eine Zielvorstellung ist dabei, dass die Aussagegenauigkeit dieser Berechnungen hinsichtlich Temperatur-, Geschwindigkeitsund Konzentrationsverteilung dabei der eines Modellversuchs entsprechen soll, wobei die Vorteile in der einfachen Bestimmbarkeit weiteAbluftdurchlässe üben nur eine begrenzte Wir- rer Größen, wie z. B. Turbulenzgrad, Feuchkung aus (Abb. 38.14); ihre Anordnung richtet te, lokales Raumluftalter, Lüftungseffektivität, sich nach den Luftverschlechterungsquellen, wo- etc. liegen. Desweiteren besteht die Möglich-

38

784

S. Schädlich

Abb. 38.15 Auslegung von Düsen (Freistrahl)

keit zur Parameter-Variation bezüglich der Austrittsbedingungen der Zuluft, sodass verschiedene Varianten ohne aufwändige Umbaumaßnahmen wie beim Modellversuch berechnet werden können. Prinzipiell erfolgt die Berechnung von Raumluftströmungen über strömungsmechanische Modelle, bei denen der Raum mittels eines Berechnungsgitters aufgeteilt wird, dessen Knotenpunkte die Berechnungsstellen darstellen. Vielfach wird ein unsymmetrisches Gitter verwendet, das vermehrte Berechnungspunkte im Bereich der Abluft- und Zuluftdurchlässe sowie der Heizflächen vorsieht. Weiterhin müssen innerhalb einer Vorbereitungsphase alle Randbedingungen, d. h. Raumgeometrie und -möblierung, Luftzuund -abführung, Wärmequellen, Hindernisse, etc. strömungsmechanisch genau erfasst und mathematisch exakt beschrieben werden. Schwierigkeiten bereitet hierbei insbesondere die richtige Modellierung der Ausströmbedingungen am Luftauslass. Aus diesem Grund werden im Vorhinein häufig Detailberechnungen für die unmittelbare Auslassnähe durchgeführt, in denen Luftgeschwindigkeiten und Turbulenzgrade berechnet werden, welche dann als Randbedingungen für die numerische Berechnung der gesamten Raumluftströmung eingesetzt werden. Numerische Simulationen sind daher als ein ausgezeichnetes Hilfsmittel zu betrachten, das auf keinen Fall praktische Erfahrungen und ingenieurmäßige Betrachtungen und Beurteilungen ersetzen kann.

38.4 Komponenten von Lüftungsund Klimaanlagen Die entscheidende Voraussetzung für die Einhaltung der Behaglichkeitskriterien ist der Einsatz von hochwertigen Komponenten zur Luftbehandlung, die auf den jeweiligen Einsatzfall angepasst werden müssen. Im Folgenden werden gängige Komponenten vorgestellt, wobei der Markt eine Vielzahl von Lösungen bereithält, die aus Platzgründen nicht alle Erwähnung finden können. Abb. 38.16 zeigt den typischen Aufbau einer konventionellen Klimaanlage. Hierbei bedeuten die Bezeichnung der Komponenten und Luftströme: AL ZL AbL FL 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Außenluft; outdoor air Zuluft, supply air Abluft, extract air Fortluft, exhaust air Außenluftfilter Wärmerückgewinnungssystem, hier. Rotationswärmerückgewinner Vorwärmer (Winterbetrieb) bzw. Kühler (Sommerbetrieb) Befeuchter, hier: Umlaufsprühbefeuchter Nachwärmer Zuluftventilator Zuluftfilter Schalldämpfer Abluftfilter Abluftventilator

38 Klimatechnik

785 10

9

Δp

Δp

EXHAUST AIR FL

EXTRACT AIR AbL M

AL OUTDOOR

ZL SUPPLY AIR

+

T Δp 1

38

+

–

Δp 2

3

4

5

6

7

8

Abb. 38.16 Aufbau einer Klimaanlage [2]

38.4.1 Ventilatoren Der Ventilator zählt zu den Strömungsmaschinen, dessen strömungstechnische Grundlagen ausführlich in Kap. 6 behandelt werden. Die Aufgaben des Ventilators in der Klimaanlage sind Förderung des Luftvolumenstromes und Erzeugung der Druckerhöhung, die den Strömungswiderstand der Anlage (Komponenten) und des Kanalsystems sowie der Luftdurchlässe überwindet. Der Zuluftventilator fördert die Außenluft ins Klimagerät und die Zuluft ins Luftkanalsystem und schließlich in die Räume. Der Abluftventilator fördert die Abluft aus den Räumen und die Fortluft in die Umgebung. In einer Klimaanlage sind die Ventilatoren das Bauteil mit dem größten Energiebedarf, der bis

zu 50 % bis 70 % des Gesamtenergiebedarfs ausmachen kann. Nach Untersuchungen des europäischen Motor Challenge Program betragen die anteiligen Betriebskosten ca. 96 % der Lebenszykluskosten von Motor und Ventilator während die Investitionskosten lediglich 2,5 % und die Wartungskosten 1,5 % ausmachen.

38.4.1.1 Bauarten von Ventilatoren Radialventilatoren mit Spiralgehäuse sind die in RLT-Anlagen am häufigsten verwendete Bauart, in der Praxis bewährt und werden in einer Vielzahl von Varianten angeboten. Die Luft wird rechtwinklig umgelenkt und strömt axial in das Laufrad ein und radial aus (Abb. 38.17a). Bei einem Förderdruck von über

786

S. Schädlich

Abb. 38.18 Radialventilator mit Riemenantrieb [3] a

werden, die wesentlich ist für den Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit des Ventilators. Der Antrieb des Ventilators erfolgt über einen Motor, der direkt mit dem Ventilator verbunden sein kann oder über einen Riemenantrieb (Abb. 38.18). Bei einem Antrieb über Flachriemen beträgt der zusätzliche Energieverbrauch ca. 2 bis 3 %, der Betrieb ist wartungs- und schwingungsarm und weist eine lange Lebensdauer auf. Bei Antrieb über Keilriemen ergibt sich ein 5 bis 10%iger zusätzlicher Energieverbrauch mit höherem Riemenverschleiß, der eine erhöhte Filterverschmutzung bewirkt [3]. Bei Radialventilatoren ohne Spiralgehäub se, auch bezeichnet als „freilaufende Räder“ Abb. 38.17 a Radialventilator mit Direktantrieb [3], (Abb. 38.19) wirken die Wände des RLT-Gerätes b Laufrad mit rückwärts gekrümmten Schaufeln [3] als Luftführung und -umlenkung. Meist werden Laufräder mit wenigen, rückwärtsgekrümmten 1000 Pa wird bereits von einem Hochdruck- Schaufeln (Radiallaufräder) (Abb. 38.17b) einventilator gesprochen. Meist kommen Radialventilatoren mit rückwärts gekrümmten Schaufeln zum Einsatz (Abb. 38.17b), die auch als Hochleistungsräder bezeichnet werden. Sie besitzen einen hohen Wirkungsgrad, ein stabiles Betriebsverhalten und eine überlastungssichere Kennlinie. Laufräder mit vielen vorwärts gekrümmten Schaufeln (Trommellaufrad) weisen einen niedrigeren Wirkungsgrad auf, finden aber aus schalltechnischen Gründen häufiger Verwendung. Bei großen Luftvolumenströmen kommen meist doppelseitig saugende Ventilatoren zum Einsatz. Beim Einbau der Ventilatoren in die Geräte müssen Mindestabstände eingehalten werden und auf eine symmetrische Anströmung geachtet Abb. 38.19 Freilaufendes Rad [3]

38 Klimatechnik

787

38 Abb. 38.22 Querstromventilator Gerät [4]

sie zwischen Axial- und Radialventilatoren. Sie weisen eine kompakte Bauweise mit integriertem Motor auf und sind sehr gut geeignet für Rohroder Kanaleinbau, wo die Luft wieder axial umgelenkt werden muss.

Abb. 38.20 Diagonalventilator mit Direktantrieb [3]

Abb. 38.21 Querstromventilator Schema [4]

gesetzt; der Direktantrieb erfolgt über den angeflanschten Motor [3]. In Diagonalventilatoren (Abb. 38.20) erfolgt eine axiale Zuströmung und eine diagonale Abströmung der Luft. In der Charakteristik liegen Ringdüse

Querstromventilatoren (Tangentialventilatoren) weisen eine walzenförmige Bauweise auf; die Luft strömt radial ein und radial aus (Abb. 38.21, 38.22). Der geförderte Volumenstrom ist proportional zur Laufradlänge. Heute erfolgt die Anwendung meist in in dezentralen Klimasystemen. In Axialventilatoren (Abb. 38.23) strömt die Luft axial ein und axial wieder aus. Sie werden meist bei kleinen bis mittleren Druckdifferenzen bis ca. 1000 Pa und großen Volumenströmen eingesetzt und kommen in Klimaanlagen eher selten zum Einsatz. Zur Verbesserung des Wirkungsgades werden Leiträder vor und/oder nach dem Laufrad eingesetzt.

Außendiffusor

Innendiffusor

Laufrad Leitrad mit eingebautem Antriebsmotor

Abb. 38.23 Axialventilator [4]

788

S. Schädlich 1400 1 =Normkennlinie 2 =Einbaukennlinie

1200

Druckerhöhung Δpt (Pa)

1000 800

1 2

600 400 200

Leistungsaufnahme

0 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000

2 1

90 80 1

Wirkungsgrad η

70 60 50

2

40 30 20 10 0 0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

Volumenstrom V1 m3/h

Abb. 38.24 Kennlinien von Ventilatoren [3]

Ventilatorauslegung Die Auswahlkriterien für Ventilatoren sind neben Volumenstrom und Druckverlust ebenfalls Geräuschentwicklung, Baugröße, Regelbarkeit, Energieeffizienz, Einbausituation, Hygiene und Wartung (s. Kap. 12). Die Angabe von Leistungsdaten erfolgt üblicherweise als Kennlinien oder Kennfelder, die auf Normprüfständen nach DIN 24163 bei definierten, d. h. ungestörten saug- und druckseitigen Anschlussbedingungen ermittelt werden.

In Abb. 38.24 sind jeweils Druckerhöhung, Leistungsaufnahme und Wirkungsgrad in Abhängigkeit vom geförderten Luftvolumenstrom dargestellt. Man erkennt deutliche Unterschiede zwischen der Normkennlinie 1 mit ungestörten saug- und druckseitigen Anschlussbedingungen und der Einbaukenlinie 2, die unter realistischen Einbaubedingungen ermittelt wurde. Diese ist hin zu schlechteren Wirkungsgraden und somit einer höheren Leistungsaufnahme verschoben. Das

38 Klimatechnik

789

Förderstrom proportional zur Drehzahl

Δp

V1 n1 D P n2 V2

Ventilatorkennlinie Betriebspunkt

(38.15)

Differenzdruck proportional zum Quadrat der Drehzahl  2 n1 p1 D (38.16) p2 n2 Anlagenkennlinie ·

V

Abb. 38.25 Betriebspunkt des Ventilators [4]

bedeutet, dass bei Förderung eines gleichen Volumenstromes weniger Druckverlust überwunden werden kann bzw. bei Überwindung des gleichen Druckverlustes weniger Luftvolumenstrom gefördert wird. Die üblicherweise verwendete Kennlinie von Ventilatoren ist der Zusammenhang von Luftvolumenstrom und Druckverlust. Die Kennlinie der Anlage wird zusätzlich in das Diagramm eingezeichnet; diese besitzt einen quadratischen Verlauf (Abb. 38.25). Der Betriebspunkt des Ventilators liegt im Schnittpunkt von Ventilator- und Anlagenkennlinie. Ein Teil der Antriebsleistung des Ventilators wird in Wärme umgewandelt; d. h. der Ventilator kann als Nacherwärmer genutzt werden. Mit sinkendem Wirkungsgrad des Ventilators wird die Temperaturerhöhung – unabhängig vom Volumenstrom – größer.

Leistung proportional zur 3. Potenz der Drehzahl  3 n1 P1 D (38.17) P2 n2 Insbesondere letzterer Zusammenhang verdeutlicht die enormen Energieeinsparpotenziale durch Drehzahlreglung des Ventilators; d. h. bei einer Verringerung des Volumenstromes um 50 % und proportionaler Verringerung der Drehzahl sinkt die Leistung auf 12,5 %.

Regelung von Ventilatoren Durch die Regelung des Ventilators erfolgt die Verschiebung des Betriebspunktes im Ventilatorkennfeld. Bei der Drosselregelung (Abb. 38.26) (auch als Klappenregelung bezeichnet) wird der Volumenstrom verringert, indem eine hinter dem Ventilator angeordnete Klappe mehr oder weniger geschlossen wird. Hierdurch steigt der Systemdruck, den der Ventilator überwinden muss, daher verschiebt sich die Anlagenkennlinie hin zu höheren Drücken und der Ventilator verlässt bei konstanter Drehzahl den optimalen Betriebspunkt 1, der sich hin zum schlechteren Betriebspunkt 2 mit niedrigerem Wirkungs38.4.1.2 Antriebsleistung des Ventilators grad verschiebt. Mit der Drosselregelung ist Die erforderliche Antriebsleistung des Ventila- eine relativ geringe Energieeinsparung verbuntors lässt sich nach folgender Formel berechnen: den. Bei der Bypassregelung (Abb. 38.27) von P Ventilatoren wird ein Teil des Luftvolumenp  V P D (38.14) stroms um den Ventilator herumgelenkt, wobei  das Verhältnis zwischen Bypass- und Nettovolumenstrom durch Klappen veränderlich ist. Der p statischer Druckverlust Ventilator fördert nach wie vor den gleichen VoVP Luftvolumenstrom lumenstrom; der Betriebspunkt 1 verändert sich  Systemwirkungsgrad nicht. Somit wird keine Energieeinsparung erzielt. Weiterhin gelten die physikalischen ZusamBei der Drehzahlregelung (Abb. 38.28) von menhänge Ventilatoren verschiebt sich sowohl die Anlagen-

38

790

S. Schädlich Δp η

ηopt.

2

η 1

M

n1

R

n2

n3

Abb. 38.26 Drosselregelung von Ventilatoren [4] Δp η ηopt. 1

η

M

n1 Netto Volumenstrom

R

n2

n3

Bypass Volumenstrom

Abb. 38.27 Bypassregelung von Ventilatoren [4]

Δp η

ηopt. η 1

2

M

R n1

Abb. 38.28 Drehzahlregelung von Ventilatoren [4]

n2

n3

38 Klimatechnik

791

100 Bypass-Regelung

% 80

Leistungsverhältnis

Drossel-Regelung Schaufeln rückwärts gekrümmt Drossel-Regelung Schaufeln vorwärts gekrümmt

60

Drall-Regelung 40 Drehzahl-Regelung 20 theoretischer Verlauf 0 0

20

40

60

80

%

100

Volumenstromverhältnis

Abb. 38.29 Regelungsarten von Ventilatoren [4]

als auch die Ventilatorkennlinie. Wichtig ist hierbei, dass sich der Betriebspunkt 1 dabei von der höheren Drehzahl auf der Linie eines konstanten optimalen Wirkungsgrades entlang zum Betriebspunkt 2 hin verschiebt. Dieser weist neben einem geringeren Druckverlust auch einen geringeren Volumenstrom bei unverändertem Wirkungsgrad auf. Daher ist diese Regelungsart mit einer hohen Energieeinsparung verbunden. Folgendes Beispiel verdeutlicht das Energieeinsparpotenzial durch Einsatz einer Drehzahlregelung:

Eine Übersicht der Einsparpotenziale durch verschiedene Reglungsarten findet sich in Abb. 38.29. Axialventilatoren lassen sich durch eine Laufschaufelverstellung regeln.

38.4.1.3 Anordnung von Ventilatoren Baugleiche Ventilatoren können parallel oder hintereinander angeordnet werden. Die Parallelanordnung von Ventilatoren führt zu einer deutlichen Erhöhung des Volumenstromes bei leicht erhöhtem Druckanstieg (Abb. 38.30a). Dies wird heute bei sehr ho 3 hen Volumenströmen genutzt, da bspw. mit vier n1 Palt D gleichmäßig über die Kanalstirnwand verteilten Pneu n2 Ventilatoren ein gleichmäßigeres Strömungsbild 1 1 d.h. Drehzahl D Leistungsaufnahme erzielt werden kann und die Baulänge deutlich 2 8 (38.18) geringer ist als bei einem einzigen Ventilator. Bei Ausfall eines Ventilators funktionieren die Beispiel: Palt 7,5 kW verbleibenden drei weiter und übernehmen einen n1 2850 1/min Großteil der Volumenstromförderung. Weiterhin n2 1400 1/min vereinfacht sich der Service, da die einzelnen  3 Bauteile aufgrund des geringeren Gewichts leichn2 Pneu D Palt  (38.19) ter zu handhaben sind. n1 Die Reihenanordnung Ventilatoren führt zu ei 3 ner deutlichen Erhöhung des Druckes bei leicht 1400 D 0;88 kW (38.20) Pneu D 7;5  erhöhtem Volumenstrom (Abb. 38.30b). 2850

38

792

S. Schädlich

p statischer Druckverlust VP Luftvolumenstrom P Wirkleistung des Ventilators

Abb. 38.30 a Parallellauf von zwei gleichen Ventilatoren; b Serienlauf von zwei gleichen Ventilatoren. 1 Resultierende Ventilatorkennlinie, 2 Kennlinie von einem Ventilator, 3 Anlagecharakteristik, 4 Arbeitspunkt. pges Förderdruck, VP Luftvolumenstrom

38.4.1.4 Bewertung von Ventilatoren Als Systemwirkungsgrad eines Ventilators bezeichnet man das Verhältnis von nutzbarer Strömungsleistung zu der aus dem Netz aufgenommenen Wirkleistung des Ventilators. In bestehenden Anlagen lässt sich der Systemwirkungsgrad mittels Messungen des statischen Druckes vor und hinter dem Ventilator, des Luftvolumenstromes und der Wirkleistung des Ventilators nach folgender Formel bestimmen: D

ηfaS = System-Wirkungsgrad

SFP D

p P1 D V System

(38.22)

In Tab. 38.12 sind die verschiedenen Kategorien der SFP-Werte nach DIN EN 16798 Teil 3 aufgeführt.

38.4.1.5 EU-konforme Ventilatoren Gemäß der EU-Richtlinie „Energy related Products“ (ErP), auch bekannt als „ÖkodesignRichtlinie“ ist der Hersteller verpflichtet ErPkonforme Produkte zu liefern. Ziel dieser Richtli(38.21) nie ist die Senkung des Energieverbrauches durch

p  VP P

ηfa

Dieser beträgt je nach Ventilatorgröße zwischen 50 und 70 %; in Altanlagen sind jedoch auch Werte zwischen 10 und 30 % möglich, vor allem wenn die Motorenleistung drastisch gedrosselt wurde. Die Qualität des Ventilators bemisst sich nicht nur nach Wirkungsgrad einer Komponente, sondern aus dem Zusammenspiel der Einzelkomponenten Laufrad-Motor-Übertragungseinheit-Regelung (Abb. 38.31). Ein weiteres Bewertungskriterium ist die Bestimmung des Specific-Fan-Power(SFP)-Wertes nach DIN EN 16798 Teil 3. Hierbei wird die Wirkleistung zum geförderten Volumenstrom ins Verhältnis gesetzt; bzw. die Druckdifferenz zum Systemwirkungsgrad:

× ηMotor × ηRiemenantrieb × ηRegler

Wirkungsgrad des frei ausblasenden Ventilators

Wirkungsgrad des Motors

Wirkungsgrad des Riemenantriebes (z.B. bei Antrieb über Flach- oder Keilriemen)

Wirkungsgrad der Steuerund Kommutiereinheit

max. ca. 30–80%

max. ca. 50–95%

max. ca. 80–98%

max. ca. 80–97%

max. ca. 10–72%

Abb. 38.31 Ermittlung Systemwirkungsgrad [4]

38 Klimatechnik

793

Tab. 38.12 SFP-Werte nach DIN EN 16798 Teil 3 Category SFP 0 SFP 1 SFP 2 SFP 3 SFP 4 SFP 5 SFP 6 SFP 7

Für bestehende Anlagen besteht Bestandsschutz; im Servicefall waren bis 2015 Ersatzventilatoren erlaubt; seit 2015 dürfen nur noch ErP-konforme Ventilatoren eingesetzt werden (Tab. 38.13).

SFP W/m3 /s < 300 < 500 < 750 < 1250 < 2000 < 3000 < 4500 > 4500

38.4.2

umweltgerechte Gestaltung von Produkten. In Bezug auf Ventilatoren, die in der EU in Verkehr gebracht werden, verspricht sich die EU durch diese Maßnahme, den Energieverbrauch, der bis 2020 auf 560 TWh pro Jahr ansteigen soll (2010: 344 TWh pro Jahr), um 34 TWh zu senken. Die Richtlinie gilt für Ventilatoren von 125 W bis 500 kW Eingangsleistung und legte im Jahr 2013 und 2015 in zwei Stufen die Wirkungsgrade bzw. Effizienzgrade für Ventilatoren fest. ErP-konforme Ventilatoren erkennt man an der entsprechenden CE-Kennzeichnung. Ausnahmen bestehen nur für Ventilatoren in explosionsgefährdeten, toxischen, hochgradig korrosiven, zündfähigen oder Umgebungen mit abrasiven Stoffen, oder bei Temperaturen über 100 °C.

Lufterhitzer, -kühler

Die Aufgabe von Lufterhitzern bzw. -kühlern ist das Erwärmen bzw. Kühlen und ggf. Entfeuchten der Außenluft. Der Aufbau der Komponenten besteht aus mäanderförmig angeordneten Kupferrohren, in denen heißes oder kaltes Wasser strömt, berippt mit Aluminiumlamellen, wodurch eine Oberflächenvergrößerung erzielt wird. Die Anordnung erfolgt in Abhängigkeit von der Leistung ein- oder mehrreihig. Bei sehr kleinen Leistungen kommen gelegentlich auch Elektroerhitzer zum Einsatz. Sowohl beim Erhitzer als auch beim Kühler muss auf gute Zugänglichkeit und leichte Reinigbarkeit geachtet werden. Luftkühler als Entfeuchter Liegt im Sommer die Wassertemperatur im Kühler oberhalb der Taupunkttemperatur der Luft, so wird die Außenluft lediglich gekühlt (Abb. 38.32, 1!2). Wird

Tab. 38.13 Gesamteffizienz nach ErP-Richtlinie [5]

A, C B, D A, C B, D A, C

Ab 1. Januar 2013 Ventilator- Leistungsbereich [kW] druck 0,125 10 500 statisch 24 36 39 total 38 50 53 statisch 25 37 40 total 30 42 45 statisch 38 58 62

Ab 1. Januar 2015 Leistungsbereich [kW] 0,125 10 500 28 40 43 46 58 61 32 44 47 37 49 52 42 62 66

A, C B, D A, C B, D B, D

statisch total statisch total total

41 44 30 42 16

Ventilatorkategorie

Messkategorie (A–D)

Axialventilator Radialventilator vorwärtsgekrümmte Schaufeln Freiläufer rückwärtsgekrümmte Schaufeln Radialventilator rückwärtsgekrümmte Schaufeln Diagonalventilator Querstromventilator

A: freier Ein- und Auslass B: freier Einlass und montierte Rohrleitung am Auslass C: montierte Rohrleitung am Einlass und freier Auslass D: montierte Rohrleitung am Ein- und Auslass

38 41 27 38 8

58 61 47 58 13

62 65 51 62 13

61 64 50 62 21

65 68 54 66 21

38

794

S. Schädlich

5%

Temperatur in [°C]

45

10%

15%

Relative Feuchte 30%

20%

40%

40

50%

35

60% 70% 80% 90% 100%

.1

30 25

.2

20

3

.

15

Enthalpie in [kJ/kgtr. Luft]

40

10 20

5 0 -5 0

-10 0

Mollierh, x-Diagramm für feuchte Luft bei 1000 mbar 5

10

15

Abb. 38.33 Oberflächenkühler mit Entfeuchtung – Wanne mit Kondensatablauf [3]

20 Wasserdampfgehalt in [gWasser/kgtr. Luft]

Abb. 38.32 Zustandsänderungen im hx-Diagramm bei Kühlung ohne (1!2) und mit (1!3) Entfeuchtung [2]

aus Behaglichkeitsgründen auch eine Entfeuchtung der warmen, feuchten Außenluft gewünscht, so muss die Wassertemperatur unterhalb der Taupunkttemperatur der Luft liegen. Es erfolgt die Entfeuchtung an der kalten Kühleroberfläche. Abb. 38.32 zeigt die leicht gekrümmte Zustandsänderung im hx-Diagramm von 1!3 bei Kühlung und Entfeuchtung. Das abtropfende Kondensat muss in einer Wanne aufgefangen werden (Abb. 38.33), die ein allseitiges Gefälle und Abfluss aufweisen muss. Stehendes Kondensat verursacht Keimwachstum, Verkalkung und Korrosion. Die Reinigung muss durchgängig möglich sein; die Komponenten, insbesondere die Tropfenabscheider müssen für die Reinigung herausziehbar sein. Als Mindestabstände für die Lamellen sind für Kühler ohne Entfeuchter 2 mm festgelegt, für Kühler mit Entfeuchter 2,5 mm, für Außenluft-Vorerhitzer 4 mm und für alle anderen Wärmeübertrager 2 mm. Weiterhin sieht die Richtlinie Empfehlungen für Bautiefen vor. Die VDI 3803 Blatt 1 „RLT-Geräte“ sieht den Vorlauf unten und den Rücklauf oben zur Entlüftung sowie den Einsatz von korrosionsbeständigen Materialien sowie glatte und gratfreie Ausführung. Im Hinblick auf die Kühleranordnung

sollen Kühler mit Entfeuchtung saugseitig angeordnet werden, um den Nacherwärmungseffekt des Ventilators auszunutzen. Neben wasserdurchflossenen Kühlern, die über sogenannte „Kaltwassersätze“ kältetechnisch versorgt werden, können auch Verdampfer von Kälteanlagen als sogenannte „Direktverdampfer“ in die Klimaanlage eingebaut werden. Dies ist energetisch vorteilhafter, da die Wärmeübertragung auf den Zwischenträgerkreislauf entfällt. Andererseits besteht keine Möglichkeit zur Kältespeicherung; sie muss stets bedarfsgerecht von der Kältemaschine produziert werden.

38.4.3 Luftbefeuchter Luftbefeuchter werden zur kontrollierten Befeuchtung der Außenluft im Winter eingesetzt. Mögliche Probleme bei Wasserbefeuchtung liegen in der Korrosion und Verkalkung der Komponenten sowie in hygienischen Problemen aufgrund mangelhafter Wartung. Daher ist auf eine regelmäßige Wartung mit Probenahme und Wasseranalyse nach VDI 6022 dringend zu achten. Nach VDI 3803 Blatt 1 „RLT-Geräte“ muss die Materialauswahl für Luftbefeuchter unter Berücksichtigung von Korrosionsbeständigkeit, Hygiene und Reinigungsfähigkeit erfolgen. Insbesondere darf kein Nährboden für Mikroorganismen vorliegen. Daher muss eine Wanne mit

38 Klimatechnik

795

eingedüst. Dadurch wird die Luft befeuchtet und ggf. erwärmt; die Zustandsänderung kann aber auch isotherm erfolgen. Die Parameter des Dampferzeugers bestimmen Druck und Temperatur des Dampfes und damit dessen Enthalpie hD . Der Dampfbefeuchter ist aufgrund seiner hohen Temperaturen zwar hygienisch günstiger als der Wasserbefeuchter, jedoch energetisch ungünstiger, insbesondere bei elektrischer Erzeugung (Abb. 38.34). Zur Bestimmung der Zustandsänderung im hx-Diagramm ausgehend vom Zustandspunkt 1 der Luft (Abb. 38.35) bedient man sich einer Hilfslinie: ausgehend vom Pol des hx-Diagrammes (bei 0 °C) wird die angegebene Dampfenthalpie hD am Randmaßstab (h/x) angetragen und die Verbindungslinie zwischen Pol und Randmaßstab parallel in den Zustandspunkt 1 der Luft verschoben. Die Lage des Zustandspunktes 2 wird durch die eingebrachte Dampfmenge bestimmt.

Abb. 38.34 Dampfbefeuchter (Rox). 1 Dampfeintritt, 2 Kondensataustritt, a Kanalbreite, b Kanalhöhe

allseitigem Gefälle eingesetzt werden. Befeuchter dürfen nicht unmittelbar vor Filtern eingesetzt werden. Übliche Systeme zur Luftbefeuchtung sind Wasserbefeuchter (u. a. Sprühbefeuchter, Ultraschallbefeuchter) und Dampfbefeuchter. In Dampfbefeuchtern wird der Dampf meist elektrisch erzeugt, seltener durch Gasbrenner oder Mantelheizungen und direkt in die Luft

Temperatur in [°C]

5%

10%

15%

Relative Feuchte 30%

20%

45

40%

40

50%

Befeuchtung mit Sattdampf: p = 3 bar tS = 133,54 °C hD= 2724,7 kJ/kgD

60% 70% 80% 90% 100%

35 30 25

2

20 1

52,5

15 40

Enthalpie in [kJ/kg]

10 27,5 5 20 0 -5 0

Mollier h, x-Diagramm für feuchte Luft bei 1000 mbar

-10

0

5 4

15

10 12,5

Abb. 38.35 hx-Diagramm: Befeuchtung mit Dampf [4]

20 Wasserdampfgehalt in [gWasser/kgtr. Luft]

(Δh/Δx) = hD = 2724,7 kJ /kg

38

796

S. Schädlich

Bei der Wasserbefeuchtung wird flüssiges Wasser in Kontakt mit Luft gebracht; meist in Sprühbefeuchtern unter Hochdruck versprüht. Das Wasser verdampft und entzieht der Luft Verdampfungsenthalpie; die Luft kühlt ab und wird befeuchtet. In einem Umlaufbefeuchter erfolgt die Zustandsänderungen ausgehend vom Zustandspunkt 1 der Luft (Abb. 38.36) entlang der Linie tf D konst., die in einem hx-Diagramm näherungsweise der Linie h D konst. entspricht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird in den meisten hx-Diagrammen auf eine separaten Einzeichnung der Feuchtisothermen verzichtet und der Verlauf stattdessen entlang der Adiabaten (h D konst.) vorgenommen. Streng genommen ist dies falsch, denn durch die Befeuchtung nimmt die Luft Wasserdampf auf, hierdurch wird ihre Enthalpie erhöht. Trotzdem wird der thermodynamisch unkorrekte Begriff „Adiabater Luftwascher“ nach wie vor verwendet und die Zustandsänderung entlang der Isenthalpen

Temperatur in [°C]

5%

10%

15%

20%

eingezeichnet. Im Rahmen der Zeichengenauigkeit ist damit kein allzu großer Fehler verbunden. Die Lage des Zustandspunktes 2 wird in geregelten Befeuchtern durch die eingebrachte Wassermenge bestimmt. In ungeregelten Befeuchtern wird mit einem so großen Wasserüberschuss gefahren, dass bis auf einen Feuchtewert von nahezu 100 % befeuchtet wird. Der Befeuchterwirkungsgrad ist abhängig von der Anzahl der Düsenreihen, der Luft- und Wasserrichtung und der Länge der Düsenkammer. In Umlauf-Sprühbefeuchtern wird das Wasser durch Düsen, die an Düsenstöcken angebracht sind, fein verteilt und im Gleich- oder Gegenstrom zur Luft in diese eingedüst (Abb. 38.37). Am Ende der Befeuchterkammer ist ein Tropfenabscheider angeordnet. Wasserbefeuchter erfordern nach VDI 6022 eine regelmäßige Wartung; ebenfalls ist eine Wasseraufbereitung unerlässlich.

Relative Feuchte 30%

45

40%

40

50% 60% 70% 80% 90% 100%

35 30

Befeuchtung im Umlaufbefeuchter entlang Linie konstanter Feuchttemperatur (≈ entlang Isenthalpen h = const.)

1

25 20 15

Enthalpie in [kJ/kgtr. Luft]

2 40

10 5 20 0 -5 0

Mollier h, x-Diagramm für feuchte Luft bei 1000 mbar

-10

0

5

10 8,7 9,4

15

20 Wasserdampfgehalt in [gWasser/kgtr. Luft]

Abb. 38.36 hx-Diagramm: Befeuchtung mit Wasser im Umlaufsprühbefeuchter [4]

38 Klimatechnik

797 Restwärmebedarf Zuluft 27 °C Abluft 23 °C

T=16 °C

Außenluft -10 °C

Fortluft -4 °C

Abb. 38.38 Vorgänge bei der Wärmerückgewinnung [4]

Wärmeaufnahme wird die Außenluft zur Zuluft. Das Ziel ist, möglichst viel Wärme aus der Abluft zurückzugewinnen. Die Wärmerückgewinnung funktioniert ebenfalls im Sommer als Kälterückgewinnung. Ist die Abluft belastet z. B. mit Geruch- oder Abb. 38.37 Sprühbefeuchter-Kammer. 1 Druckdüse, Schadstoffen, so ist darauf zu achten, dass kein 2 Düsenrohr, 3 Wasserfilter, 4 Pumpenmotor, 5 Ablauf, 6 Schwimmerventil, 7 Überlauf, 8 Ablaufmuffenschie- Leckluftstrom von der Abluft in die Zuluft geraber, 9 Wasserpumpe, 10 Tropfenabscheider, 11 Saugsieb, ten kann. Neben Wärme kann auch Feuchte über12 Strömungsrichtung der Luft tragen werden. Man unterscheidet Rekuperative Systeme und Regenerative Systeme. Bei RekuIn Ultraschallbefeuchtern wird das Wasser perativen Systemen wird lediglich sensible Wärüber einen Ultraschallschwinger zerstäubt. me zurückgewonnen, während bei Regenerativen Systemen eine Wärme- und Feuchterückgewinnung (sensible und latente Wärme) stattfindet. 38.4.4 Wärmerückgewinnung Abb. 38.39 zeigt die Luftzustandsverläufe bei der Energierückgewinnung. Im Hinblick auf die Energieeffizienz sollten Einrichtungen zur Wärmerückgewinnung unbedingt 38.4.4.1 Vor- und Nachteile der Wärmerückgewinnung vorgesehen werden. § 15 der Energieeinsparverordnung EnEV fordert den Einbau von Ein- Durch Vorwärmung der Außenluft wird die berichtungen zur Wärmerückgewinnung mit einer nötigte installierte Heiz- und Kälteleistung redubestimmten Klassifizierung bei Neubau oder Sa- ziert; dies bedeutet eine Reduzierung der Investitionskosten für den Wärme- und Kälteerzeunierung von Lüftungs- und Klimaanlagen. Bei der Wärmerückgewinnung wird war- ger (bspw. Kessel, Kältemaschine, Rückkühler, me Abluft der Wärmerückgewinnung zugeführt Rohrleitungen, etc.). Weiterhin ist dies verbun(Abb. 38.38). Nach der Wärmeabgabe wird den mit der Reduzierung des Wärme- und Käldie Abluft zur Fortluft. Kalte Außenluft wird teenergieverbrauchs; d. h. der Verringerung der der Wärmerückgewinnung zugeführt und dort Betriebskosten. Die Nachteile liegen in der hödurch die Wärmeabgabe der Abluft vorgewärmt. heren erforderlichen Ventilatorleistung aufgrund Diese Vorwärmung reicht in der Regel nicht des steigenden Druckverlustes. Die neuen noraus, um die gesamte Heizaufgabe zu über- mativen Bewertungsverfahren gemäß DIN EN nehmen. Eine Nachheizung muss erfolgen um 13053:2020-05 berücksichtigen sowohl Vor- als den Restwärmebedarf zu decken. Nach der auch Nachteile.

38

798

S. Schädlich warme Abluft

kalte Außenluft

vorgewärmte Zuluft entwärmte Fortluft

Abb. 38.40 Plattenwärmeübertrager [4] Fortlu

kalte Außenlu

Kältemiel

Abb. 38.39 Luftzustandsverlauf bei Energierückgewinnung. 1 Austausch von sensibler Wärme, 2 Austausch von sensibler und latenter Wärme sowie Wasser

warme Ablu

Zulu Wärmerohr

38.4.4.2 Arten von Wärmerückgewinnungssystemen Rekuperative Systeme zur Wärmerückgewinnung besitzen feste Austauschflächen. Durch die räumliche Trennung der Fluidströme wird nur eine reine Wärmeübertragung ermöglicht. Rekuperatoren können aus Metall, Kunststoff, aber auch aus Glas bestehen. Die bekannteste Bauart ist der Plattenwärmeübertrager, der im Gleich-, Gegen- oder Kreuzstrom bzw. Kreuz-Gegenstrom betrieben werden kann. Die Funktionsweise wird aus Abb. 38.40 ersichtlich; der Außen- und Abluftstrom werden in einzelne Teil-Luftströme aufgeteilt um eine größere Austauschfläche zu erzielen. Wärmerohre (Heat Pipe) sind mit einem dochtartigen Material ausgekleidet und mit einem Kältemittel gefüllt. Durch die warme Abluft verdampft dieses, strömt auf die Zuluftseite, auf der die Wärme von der kalten Außenluft aufgenommen wird. Das Kältemittel kondensiert und wird vom dochtartigen Material aufgenommen. Durch die Kapillarwirkung wird es auf die Abluftseite transportiert, wo es wiederum verdampft. Wärmerohre werden aus Kostengründen kaum noch in Klimaanlagen eingesetzt.

Abb. 38.41 Wärmerohr [4]

Bei Regenerativen Systemen zur Wärmerückgewinnung existiert keine räumliche Trennung der Fluidströme; es finden Speichermassen Verwendung durch die eine sensible und latente Wärmeübertragung stattfindet. Letztere kann durch den Einsatz von hygroskopisch beschichteten Materialien noch verstärkt werden. Als Materialien kommen Aluminium, Kunststoff oder Keramik zum Einsatz. Bei Regenerativen Systemen ist eine Verschleppung von Anteilen aus der Abluft in die Zuluft möglich, daher sind solche Systeme in hygienisch sensiblen Bereichen nicht zugelassen. Am häufigsten eingesetzt werden wohl Rotationswärmeübertrager mit langsam rotierenden Speichermasse (5–15 U/min.). Bei Speicherplattenwärmeübertragern erfolgt eine örtliche und zeitliche Trennung der Fluidströme. Hierbei handelt es sich um Speicherpakete, die abwechselnd – durch Umschaltung von Klappensystemen – von Außen- und Abluft durchströmt werden und auf diese Weise be- und entladen werden (Abb. 38.43). Im Zyklus 1 wird das obere Speicherpaket durch die warme Abluft erwärmt und nach der Um-

38 Klimatechnik

799

schaltung im Zyklus 2 durch die kalte Außenluft entwärmt, die dann als vorgewärmte Zuluft in den Raum eintritt. Im Gegenzug wird nun das untere Speicherpaket durch die Abluft erwärmt. Können Zu- und Abluftkanal nicht zusammengeführt werden, so kommen meist Kreislaufverbundsysteme zum Einsatz. Diese bestehen aus zwei Rekuperatoren, die jeweils im Abluftund Außenluftstrom sitzen und durch einen Solekreislauf verbunden sind (Abb. 38.44). Durch diesen Zwischenträgerkreislauf und die zusätzliche benötigte Pumpenenergie ist die Effektivität Abb. 38.42 Regenerativer Wärmerückgewinner (Rotati- geringer als bei einer direkten Übertragung. Moonstauscher) (Kraftanlagen Heidelberg). 1 Rotor, 2 Stahl- derne Kreislaufverbundsysteme bieten die Mögblechgehäuse, 3 Schleuszone, 4 Rotorantrieb lichkeit einer zusätzlichen Wärme- und Kälteein-

RAUM V

V

a

RAUM V

V

b

Abb. 38.43 Speicherplattenregenerator (a) Zyklus 1 (b) Zyklus 2 [6]

38

800

S. Schädlich

38.4.4.3 Bewertung der Wärmerückgewinnung Zur Bewertung der Wärmerückgewinnung wird das Verhältnis von tatsächlich zurückgewonnener Wärme, Feuchte bzw. Enthalpie zu maximal zurückgewinnbarer Wärme, Feuchte bzw. Enthalpie gebildet: Wärmerückgewinnungsgrad, Rückwärmzahl

Wärmeübertrager Fortluft

Pumpe Abluft

Außenluft Wärmeträger (Sole) Wärmeübertrager

Zuluft

˚T D

Abb. 38.44 Kreislaufverbundsystem [4]

tWRG,aus  tAL tAbL  tAL

(38.23)

Ablu

Feuchterückgewinnungsgrad, Rückfeuchtzahl Zulu

Fortlu

˚F D

'WRG,aus  'AL 'AbL  'AL

(38.24)

Enthalpierückgewinnungsgrad

Außenlu

Abb. 38.45 Schematische Darstellung der Wärmerückgewinnung

kopplung bzw. -auskopplung (bspw. zur Trinkwassererwärmung). Hierdurch wird die Effizienz dieser Systeme wesentlich verbessert. Um Eigenschaften von Wärmerückgewinnungssystemen (allg.: Abb. 38.45) übersichtlich darstellen zu können dient Tab. 38.14.

˚H D

hWRG,aus  hAL hAbL  hAL

(38.25)

Die EnEV fordert in § 15 bei Neubau und Sanierung von Klimaanlagen den Einbau einer Einrichtung zur Wärmerückgewinnung mit einer Klassifizierung H3 nach DIN EN 13 053: 2007-09 (Tab. 38.15). Diese ist streng genommen nicht mehr gültig, da inzwischen die Norm DIN

Tab. 38.14 Eigenschaften von Wärmerückgewinnungssystemen [4] WRG-System

Platten-WRG Rotations-WRG (ohne hygroskopische Beschichtung) Rotations-WRG (mit hygroskopischer Beschichtung) Kreislaufverbund-WRG Wärmerohr

Eigenschaft Zu- und Abluft müssen zusammengeführt sein ja ja

Bewegte mechanische Teile sind vorhanden nein ja

Stoffaustausch ist möglich nein ja (gering)

Rückwärmezahl (ohne Kondensation) 50–80 % 65–80 %

ja

ja

ja (gut)

65–80 %

nein ja

ja nein

nein nein

40–50 % 50–60 %

Tab. 38.15 Klassifizierung H3 nach DIN EN 13 053: 2007-09 Klasse WRG H1 H2 H3 H4 H5

Min. Rückwärmzahl Werte × 1,15 Werte × 1,10 Werte × 1,00 Werte × 0,90 Keine Anforderung

Max. Druckverlust Werte × 0,75 Werte × 0,90 Werte × 1,00 Werte × 1,10 Keine Anforderung

38 Klimatechnik

801

Tab. 38.16 Wärmerückgewinnungsgrad/Rückwärmzahl und Druckverluste gemäß DIN EN 13053 : 2007-09 Laufzeit [h/a] < 2000  2000 bis 4000 < 4000 bis 6000 < 6000

max. Außenluftvolumenstrom im Winter [m3 /h] 2000 bis 5000 > 5000 bis 10 000 > 10 000 bis 25 000 – 0,40 0,43 – 150 Pa 175 Pa 0,40 0,43 0,47 175 Pa 200 Pa 225 Pa 0,43 0,45 0,50 200 Pa 225 Pa 250 Pa 0,45 0,50 0,55 225 Pa 250 Pa 275 Pa

> 25 000 bis 50 000 0,50 200 Pa 0,53 250 Pa 0,58 275 Pa 0,63 300 Pa

> 50 000 0,55 225 Pa 0,58 275 Pa 0,63 300 Pa 0,68 325 Pa

Werte bei Massenstromverhältnis 1 : 1 Bei besseren Rückwärmezahlen höhere zul. Druckverluste

EN 13053:2020-05 mit einer veränderten Bewertung in Kraft getreten ist. Da aber die alte Norm in der Verordnung noch bezogen wird, gilt sie hierfür noch weiterhin. Auch in der Neufassung der EnEV 2014/16 wurde dieser Bezug bewusst belassen. In Tab. 38.16 sind die eigentlichen Kennwerte – der Wärmerückgewinnungsgrad/Rückwärmzahl und der Druckverlust – in Abhängigkeit vom maximalen Außenluftvolumenstrom im Winter und der Betriebszeit der Anlage aufgeführt. In der neuen Fassung der DIN EN 13053: 2020-05 wurde eine veränderte Bewertung der Wärmerückgewinnung vorgenommen. Die Definition der Leistungszahl " berücksichtigt das Verhältnis von zurückgewonnener Wärmeleistung zur zusätzlich erforderlichen elektrischen Leistung des Ventilators um den zusätzlichen Druckverlust der Wärmerückgewinnungseinrichtung zu überwinden. QP WRG (38.26) "D Pel

 PZus

Gesamtwirkungsgrad des Antriebes [-] zusätzliche Hilfsenergien (Pumpen, etc.) [W]

Die Bewertung der Rückwärmeeffizienz erfolgt nach folgender Formel:   1 Energieeffizienz: e D t  1  " " Leistungszahl t Wärmerückgewinnungsgrad, Rückwärmzahl Beide Kennziffern müssen auf Basis der Konditionen tAbluft D C25 ı C und t21 D C5 ı C angegeben werden. Das Erneuerbare Energien- und Wärmegesetz EEWärmeG sieht die Nutzung der Wärmerückgewinnung als Ersatzmaßnahme vor und fordert die Einhaltung einer Leistungszahl " unterhalb von 10 und einer Rückwärmzahl größer als 70 %.

QP WRG zurückgewonnene Wärmeleistung 38.4.5 Luftfilter zusätzliche elektrische Leistung VentilaPel tor Luftfilter dienen zur Abscheidung von staub- und gasförmigen Verunreinigungen, wobei die Anmit zahl und die Güte der eingesetzten Filter je nach Anwendungsfall variieren kann. An sie werden VP  pWRG (38.27) insbesondere Anforderungen hinsichtlich niedriC PZus Pel D  ger Druckdifferenzen, eines möglichst konstanVP Volumenstrom [m3 /s] ten Entstaubungsgrad während des Betriebes und pWRG Differenzdruck der WRG Zu- und Abluft einer möglichst hohen Standzeit gestellt. Eben[Pa] so ist auf die leichte Zugänglichkeit aufgrund der

38

802

S. Schädlich

Abb. 38.47 Elektrofilter-Funktionsschema (Delbag)

Abb. 38.46 Taschenfilter [7]

regelmäßigen Wartung zu achten. Aufgrund der vergrößerten Oberfläche kommen hauptsächlich Taschenfilter und seltener ebene Filterzellen (die- Abb. 38.48 Patronen-Aktivkohlefilter (Ceag) se meist als Schwebstofffilter) zum Einsatz.

38.4.5.1 Standfilter

denen die ankommenden Staubteilchen elektrisch aufgeladen werden, um im StaubabscheidungsTrockenfilter. Sie bestehen ebenfalls aus Zel- teil, meist ein Plattenkondensator, abgeschieden len mit Fasern aus Glas, Kunststoff, Textilien, zu werden, Abb. 38.47. Dafür ist eine HochPapier u. ä. Sie sind zum Teil wie Glasfaser- spannungsanlage von etwa 6500 bis 13 000 V filter nicht reinigungsfähig und müssen nach erforderlich. Verschmutzung erneuert werden (Wegwerffilter). Einbauform ist die senkrechte Filterwand oder Aktivkohlefilter. Sie werden zur Einhaltung die V-Form als Schrägstromfilter. geringer Geruchs- oder Gaskonzentrationen einAls Sack- oder Taschenfilter wird bei geringen gesetzt und bestehen aus Aktivkohleplatten, bei Einbaumassen eine hohe Staubspeicherfähigkeit höheren Ansprüchen aus mit Aktivkohle gefüllerreicht. Abb. 38.46 ten Patronen, die auf Einbaurahmen gasdicht aufgeschraubt sind, Abb. 38.48. Aktivkohlefilter Schwebstofffilter. Diese bestehen meist aus müssen wie Schwebstofffilter Vorfilter haben, da Glasfasermatten, sind nicht regenerierbar und durch Grobstaubverschmutzung ihre Wirksammüssen daher ausgewechselt werden. Da sie ei- keit schnell nachlässt. nen gravimetrischen Abscheidegrad von praktisch 100 % haben, werden sie bei Testverfahren 38.4.5.2 Mehrstufige Filter mit Prüfaerosolen beaufschlagt (DIN EN 1822 Für hochwertige Filteraufgaben werden die Filter zwei- oder dreistufig hintereinander eingesetzt Teil 1). entweder in geschlossenem Einbau im ZentralenElektroluftfilter. Sie haben einen Ionisierungs- gerät oder einzeln an verschiedenen Stellen des anteil mit positiv geladenen Wolframdrähten, in Kanalnetzes, z. B. das M5-Filter (1. Stufe) vor

38 Klimatechnik

Abb. 38.49 Hosch-Filter (Schwebstofffilter für Filterwand) (Camfil). a Schwebstofffilter; b Rahmen für Filterwand

dem Lüftungs- oder Klimagerät, das F7. . . 8-Filter (2. Stufe) am Anfang des Kanalnetzes und das Schwebstofffilter (3. Stufe) vor Eintritt in den Raum. In der Reinraumtechnik wird der Partikelgehalt in den Räumen durch sehr hohe Luftwechsel im Umluftbetrieb gering gehalten, wobei im Raum eine turbulenzarme Verdrängungsströmung aufrechterhalten werden soll. Große Filterflächen müssen in der Raumbegrenzung, z. B. in Decken oder Wänden, untergebracht werden, da die Luftgeschwindigkeit im Bereich von 0,3 bis 0;5 m=s liegt. Die Filter sind HochleistungsSchwebstofffilter (Hosch-Filter), wobei für die jeweilige Anwendung nach Reinheitsklassen unterschieden wird, Abb. 38.49. In Klimaanlagen sollen nur nach DIN EN 1822 geprüfte Luftfilter eingesetzt werden, die einzeln sichtbar per Aufdruck gekennzeichnet sind. Außerdem soll nach VDI 6022 ein Einbau nicht liegend erfolgen. In der Praxis ist beides trotzdem häufig anzutreffen (Abb. 38.50, 38.51). Ziel der Filterung ist immer eine gute Zuluftqualität, aber auch der Schutz der Anlagenkomponenten vor Verschmutzung. Meist ist eine zweistufige Filtration vorgesehen. Es existieren verschiedene Luftfilterqualitäten je nach Abscheidegraden. Der Abscheidegrad definiert die Partikelrückhaltefähigkeit des Luftfilters. Je höher der Abscheidegrad ist, umso wirksamer ist der Filter und umso besser sind die nachfolgenden Komponenten geschützt. Der Gesamtabscheidegrad gibt das Verhältnis aller vom Filter abgeschiedenen Par-

803

38 Abb. 38.50 Filter falsch (liegend) eingebaut [4]

Abb. 38.51 Filter falsch (ohne Bezeichnung) eingebaut [4]

tikeln zu allen vom Filter angesaugten Partikeln an. Das neue Prüfverfahren sieht eine zweifache Untersuchung der elektrostatischen Wirkungsweise von Synthetikfiltern vor: unbehandelt und neutralisiert. Geprüft wird bei Nennluftvolumenstrom und bei 50 % des Nennluftvolumenstroms. Da im Betrieb die elektrostatische Aufladung mit der Betriebszeit nachlässt, soll das neue Prüfverfahren dem Anwender die Sicherheit bieten, dass die Filter auch im Betrieb die geforderten Wirkungsgrade erreichen. Für die Filterklasse am Zu- und Abluftausgang wird mindestens die Filterklasse M5 besser F7 empfohlen, die Klasse F6 in der Abluft vor den Einrichtungen zur Wärmerückgewinnung. Die zweite Filterstufe sollte mindestens F7, besser F9 sein, bei einstufiger Zuluft-Filterung mindestens F7. Die Mindestfilterklassen sind außerdem abhängig von der Außenluftqualität (ODA-outdoor air quality) und den Anforderungen der Raumluft (IDA – indoor air quality). Die maximal zulässigen Filterendwiderstände betragen dabei

804

bei Grobstaubfiltern 150 Pa, bei Medium-Filtern 200 Pa und bei Feinstaub-Filtern 300 Pa. Zur Abscheidung von Gerüchen und Keimen werden Absorptionsfilter bzw. Einrichtungen zur UV-Bestrahlung eingesetzt. Zur Abtötung von Keimen mit UV-Strahlen sind Dosiswerte von 7 bis 70 Ws/m2 nötig. Die UV-Strahlungsenergie wird dabei von der Nukleinsäure der Mikroorganismen absorbiert und dadurch deren Vermehrungsapparat geschädigt und so die Keime inaktiviert. Die desinfizierende Wirkung steigt mit der Strahlungsleistung und der Bestrahlungszeit. Weitere Anforderungen an Luftfilter sind der Richtlinie VDI 3803 Teil 1 „RLT-Geräte“ zu entnehmen. Hier wird u. a. gefordert, dass Filter nicht direkt nach Kühlern oder Befeuchtern eingesetzt werden, dass die gleichmäßige An- und Abströmung sichergestellt wird und die Filterfläche mindestens 10 m2 pro m2 Gerätequerschnitt betragen muss. Die geforderten Grenzwerte für die Filter-Druckverluste entsprechen denen der EN 779, ebenso die Forderung nach einer Filterdifferenzdrucküberwachung.

S. Schädlich

diese Normkennwerte erfolgt dann die Zuordnung der Effizienzklasse.

38.4.6 Schalldämpfer Physikalische Grundlagen zur Maschinenakustik finden sich in Bd. 1, Kap. 48. Schalldämpfer bestehen meist aus einem verzinkten Stahlblechrahmen mit einer Füllung aus Mineralwolle. Eine poröse Abdeckung wie z. B. ein aufkaschiertes Glasvlies soll einen Abriebschutz bieten, so dass kein Material in den Luftstrom eingetragen werden kann. Manchmal existieren zusätzlich Lochblechabdeckungen oder Schutzgitter aus Streckmetall. Bei Absorptions- oder „Kulissenschalldämpfern“ (Abb. 38.52, 38.53) sollte die Spaltbreite möglichst klein gehalten werden, da hier die Dämpfung der hohen Frequenzen erfolgt. Die Spaltbreite sollte jedoch nicht zu klein sein, da sonst zu hohe Strömungsgeschwindigkeiten Mineralfaserabdeckung

Regelmäßige Wartung ist für Luftfilter unerlässlich. Nach §11 EnEV gehört eine regelmäßige Wartung zu den Betreiberpflichten; diese ist somit vom Gesetzgeber vorgeschrieben. Die Wartungsintervalle können in Abhängigkeit von der Belastung der Außenluft oder mittels Druckverlustmessung festgelegt werden. Für die Wartungsarbeiten sollte der Filter leicht zugänglich sein.

Kulissenschalldämpfer

vollflächiger Boden

Mineralfaserabdeckung LR

Effizienzklasse. Eine Verschmutzung des LuftEinfassrahmen filters führt zu steigenden Druckverlusten, dies zu einem steigenden Strombedarf des Ventiporöses Absorbtionslators und damit zu steigenden Energiekosten material zur Luftförderung. Zur Ermittlung der EnergieLR effizienzklasse eines Luftfilters sieht die Norm die Belastung eines Feinstaubfilter F7 bis F9 KB mit 100 g Staub vor. Dann erfolgt die Messung KB Spa KL KB KL – Kulissenlänge der Druckdifferenz p und die Berechnung des lt Spa KB KB – Kulissenbreite lt Stromverbrauchs des Ventilators (in kWh) auf Spa LR – Luftrichtung lt der Grundlage eines Ventilator-Wirkungsgrades von 50 % und einer Laufzeit von 6000 h/a bei Abb. 38.52 Kulissenschalldämpfer mit poröser Abdeeinem Luftvolumenstrom von 3400 m3 /h. Über ckung [3]

38 Klimatechnik

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Abb. 38.54 Anordnung von Telefonieschalldämpfern

durch die Fundamente oder Sockel durch Einschaltung von Schwingungsdämpfern, z. B. als Gummiisolatoren. Diese Isolatoren oder auch Korkplatten, die auf das Ventilatorfundament gelegt werden, dienen gleichzeitig zur ErschütteAbb. 38.53 Kulissenschalldämpfer [3] rungsdämmung, für die auch Schwingungsdämpfer in Form von Stahlfedern eingesetzt werden. und zu hoher Druckverlust auftreten, verbunden Um eine Schallabstrahlung von Ventilatoren oder mit hohem Energiebedarf. Der Druckverlust von nachfolgenden Kanälen zu unterbinden, werden Schalldämpfern liegt ca. bei 80–100 Pa; die Luft- Entdröhnungsmittel verwendet. geschwindigkeiten im Spalt bei ca. 12 m/s. Die Kulissendicke sollte möglichst groß sein, da hier 38.4.6.2 Gerätegehäuse Die mechanischen Eigenschaften des Gerätegedie Dämpfung der tiefen Frequenzen erfolgt. Aus schalltechnischen Gründen sollen Schall- häuses müssen sowohl eine Durchbiegung des dämpfer innerhalb des RLT-Gerätes angeordnet Rahmens als auch der Wände verhindern. Weiterwerden; aus hygienischen Gründen zwischen ers- hin müssen insbesondere die Bereiche Hygiene, ter und zweiter Filterstufe und nicht unmittelbar Brandschutz, Schall- und Wärmedämmung sowie hinter Entfeuchtungskühler oder Befeuchter. Der Energieeffizienz beachtet werden. Eine möglichst gute Abdichtung ist erforderMindestanstand zu Einbauteilen soll anströmseitig die einfache maximalen Kulissenbreite betra- lich, um bei drückend angeordneten Ventilatoren gen (ausgenommen bei Filtern) und abströmseitig Verluste der aufbereiteten Luft und bei saugenden die 1,5fachen maximale Kulissenbreite. Die Ku- Ventilatoren einen Eintrag von möglicherweise lissen sollen zur Reinigung demontierbar sein, belasteter Außenluft in das Gerät zu vermeiden. Die Leckagen innerhalb des Gerätes und ohne andere Einbauteile abbauen zu müssen. Dies ist aus Platzgründen meist in der Praxis nach außen werden durch Messungen mit bestimmten Prüfunter- und -überdrücken nach DIN nicht der Fall. Bei Räumen mit sehr hohen akustischen An- EN 1886 durchgeführt. Hierbei wird ein konforderungen wie Rundfunkstudios und Konzert- stanter Druck für mindestens fünf Minuten aufsäle, werden noch Sekundärschalldämpfer im gegeben und danach die Leckluftrate angezeigt. Kanalnetz nahe am Raum, also vor den Luft- In Abhängigkeit von der Leckluftrate in Verbindurchlässen, benötigt. Das trifft auch zur Ver- dung mit der eingesetzten Filterklasse werden hinderung der Schallübertragung von Raum zu die Geräte dann in Dichtheitsklassen L1 (gerinRaum über Luftdurchlass und Kanalnetz zu (Te- ge Leckluftrate von 0,15 l/(s  m2 )), L2 (mittlere Leckluftrate von 0,44 l/(s  m2 )) und L3 (hohe lefonieschalldämpfer), Abb. 38.54. Leckluftrate von 1,32 l/(s  m2 )) bei Unterdruck 38.4.6.1 Körperschalldämmung bzw. Dichtheitsklassen L1 (geringe LeckluftraDie Fortpflanzung des Körperschalls im Ka- te von 0,22 l/(s  m2 )), L2 (mittlere Leckluftrate nalnetz wird durch die elastische Verbindung von 0,63 l/(s  m2 )) und L3 (hohe Leckluftrate von am Ventilatorstutzen verhindert, die Fortleitung 1,9 l/(s  m2 )) bei Überdruck eingestuft.

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Auch innerhalb des Gerätes dürfen bestimmte Grenzwerte nicht überschritten werden. So soll der Luftvolumenstrom durch die Komponenten – bspw. Filter – strömen und nicht an ihnen vorbei. Bei einer Gehäuse-Leckage Klasse L3 darf nach DIN EN 1886 die zulässige Gesamtleckage maximal 2 % des Nennvolumenstromes betragen. Nach DIN EN 1886 erfolgt ebenfalls eine Einteilung der Klimageräte nach der Durchtrittsgeschwindigkeit im lichten Gehäusequerschnitt von Klasse V1 mit Geschwindigkeiten unterhalb von 1,6 m/s über Klasse V5 mit Geschwindigkeiten von 2,2 bis 2,5 m/s bis zu Klasse V9 mit Geschwindigkeiten über 3,6 m/s. Das Gerätegehäuse sollte wärmegedämmt sein (Abb. 38.55), um Energieverluste zu vermeiden; insbesondere bei Außenaufstellung um Kondensation im Inneren zu vermeiden. Es ist darauf zu achten, dass die Einpassung der Wärmedämmung ohne Zwischenräume erfolgt. In DIN EN 1886 findet sich eine Klassifizierung des Wärmebrückenfaktors des Gehäuses sowie die Angabe der Messstellen zur Prüfung des Wärmebrückenfaktors. Auch hier erfolgt eine Klassifizierung des Gerätes von Klasse TB1 (gut) bis Klasse TB5 (schlecht). Bzgl. der Hygiene ist festzuhalten, dass alle Innenwandflächen möglichst glatt sein sollen um Anhaftungen zu vermeiden. Alle Bauteile müssen so konstruiert sein, dass sie zur Wartung und Reinigung gut zugänglich oder ausziehbar sind. Das bedeutet natürlich auch, dass in der Klimazentrale selber ausreichend Platz hierfür vorhanden ist und nicht andere Geräte oder Rohrleitungen den benötigten Platz versperren. Leider erlebt man in der Praxis die abenteuer-

Abb. 38.55 Gehäuse: thermischer Trennung der Innenund Außenschale [3]

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lichsten Konstruktionen und Vorkommnisse, die eine Wartung bereits von der Planung her unmöglich machen. Auch das eingesetzte Dichtungsmaterial darf keine Feuchtigkeit aufnehmen bzw. keinen Nährboden für Mikroorganismen bilden. Es muss abriebfest, emissions- und geruchsfrei und mikrobiell nicht verstoffwechselbar sein. Die DIN EN 1886 sieht bzgl. Brandschutz eine Minimierung der brennbaren Werkstoffe vor indem entweder nichtbrennbares oder schwerentflammbares Material eingesezt wird. Das Brandfallrisiko durch Staubablagerungen ist durch geeignete Filtereinrichtungen und/oder Reinigungsmaßnahmen zu begrenzen.

38.4.6.3 Klappen Klappen dienen in Klimaanlagen zur Druck- bzw. Volumenstromeinstellung und können als Regel-, Drossel- oder Absperrklappen eingesetzt werden (Abb. 38.56). Alternativ dienen sie als Abschluss einer Luftleitung, um u. a. bei Stillstand der Anlage Kaltlufteinfall zu vermeiden. Die Verstellung der Klappen kann manuell über Handversteller oder motorisch über Stellantriebe erfolgen. Jalousieklappen gibt es entweder mit Zahnrad- oder Gestängeantrieb. Die Klappenstellung muss auf der Außenseite der Klappe ersichtlich sein Bei der Montage von Jalousieklappen muss unbedingt darauf geachtet werden, dass keine Gehäuseverspannung auftritt, ansonsten droht Zahnradbruch oder Zerstörung der Seitenabdichtung, insbesondere bei T4-Klappen (luftdicht). Nach DIN EN 1751 existieren verschiedene Dichtheitsklassen für Klappen. Dichtheitsklasse 1 (schlecht) bedeutet eine maximale Leckage

Abb. 38.56 Jalousieklappen (Schako). a Konstruktion; b Prinzip gleichlaufender Lamellen; c Prinzip gegenlaufender Lamellen, H und B Bestellmaße

38 Klimatechnik

von 500 l/(s  m2 ); Dichtheitsklasse 2 bedeutet eine maximale Leckage von 100 l/(s  m2 ); Dichtheitsklasse 3 bedeutet eine maximale Leckage von 20 l/(s  m2 ) und Dichtheitsklasse 4 (gut) bedeutet eine maximale Leckage von 4 l/(s  m2 ), ermittelt bei einem Prüfdruck von 500 Pa. Für Klappen, die während des Anlagenbetriebs geschlossen sind, z. B. für Mischklappen oder Bypassklappen, ist Dichtheitsklasse 2 vorgeschrieben. Außenluftklappen müssen bei Ausfall der Energieversorgung selbsttätig schließen.

38.4.7 Luftkanalsystem Im Vergleich zum Rohrnetz handelt es sich beim Luftkanalnetz nicht um einen geschlossenen Kreislauf des Mediums, da hinter den Luftdurchlässen an der Versorgungsstelle ein einheitlicher konstanter Druck herrscht, der zumeist mit dem Außendruck übereinstimmt. Das Kanalnetz bzw. der für die Förderung der Luft aufzubringende Gesamtdruck wird dementsprechend getrennt für das Zuluft- und Abluftnetz berechnet. Ferner hat der Druckverlust in den Einzelwiderständen einen wesentlich größeren Anteil am Gesamtdruckverlust, als der Druckabfall im Kanal oder Rohr durch Reibung. Daher ist eine genaue Erfassung des Widerstandsbeiwerts aller Einbauteile und Formstücke wichtig. Bestimmend für die Ausführung des Kanalnetzes sind: Platzbedarf, Förderkosten und Geräuschentstehung im Kanalnetz, letzteres zwingt zur Einhaltung von Grenzgeschwindigkeiten der Luft [9]. Vor dem Zuluftdurchlass herrscht i. Allg. eine Luftgeschwindigkeit von 1,5 bis 4 m=s, bei speziellen Auslässen – wie Induktionsgeräten – bis ca. 20 m=s. Der Gesamtdruckverlust nimmt i. Allg. in Stromrichtung ab; der statische Druckverlust kann dabei aber der Geschwindigkeitsverminderung entsprechend zunehmen. Die Berechnung des Kanalsystems erfolgt heute rechnergestützt.

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Kanalführung erfolgt meist im Bereich der Fassade oder in Kernen im Inneren, die horizontale im Deckenbereich.

38.4.7.2 Kanalformen Luftkanäle, in der Bauordnung als Lüftungsleitungen bezeichnet, sollen glatt und reinigungsfähig, dicht an den Stößen und Verbindungsstellen und aus nicht brennbarem Material sein. Als Material wird hauptsächlich verzinktes Stahlblech verwendet, Abluftkanäle für Laboratorien oder Werkstätten, wo Korrosionsbeständigkeit gefordert wird, sind aus Kunststoff. Mit Bögen, Abzweig-, Reduzierstücken werden Querschnittsveränderungen vorgenommen. Durchlässe werden auch mit flexiblen Rohren als Metallschläuche aus Bandmaterial oder Drahtspiralen, die mit Kunststoff belegt sind angeschlossen. Die einzelnen Blechkanalstöße werden durch gefälzte Enden, Flanschen, Winkelrahmen und Schiebeleisten miteinander verbunden, bei runden Rohren auch durch Steckverbindungen mit Dichtungen.

38.4.7.3 Zubehör Zum Kanalnetz gehört neben der Aufhängung und Befestigung noch Zubehör in Form von Wetter- und Vogelschutzgittern in den Außendurchlässen, Absperrklappen meist als Jalousieklappen, bei Räumen hoher Keimfreiheit luftdichte Absperrklappen in Raumnähe. Führt ein Luftkanal durch mehrere Brandabschnitte, müssen in den Brandwänden Feuerschutzklappen geprüfter Ausführung eingesetzt werden, die bei hohen Temperaturen im Luftkanal automatisch zufallen, Abb. 38.57. Nach Möglichkeit sind im Kanalnetz dicht schließende Reinigungsöffnungen zu setzen. Die Verbindung des Kanalnetzes mit dem Lüftungsgerät bzw. der Ventilatorkammer erfolgt über elastische Verbindungsstücke (Kunststoff), um eine Körperschallübertragung des Ventilatorgeräusches zu unterbinden. Die Luftleitungen, die klimatisierte Luft führen, sollten aus energetischen Gründen eine Wärmedämmung erhalten. Die Dicke der Wärme38.4.7.1 Kanalführung dämmung lässt sich nach einer WirtschaftlichDie Führung der Luftkanäle muss wegen des keitsberechnung festlegen. Platzbedarfs in einem frühzeitigen Stadium der Bei Leitungen mit Taupunktunterschreitungen Gebäudeplanung festgelegt werden. Die vertikale (bspw. Außenluftleitungen) muss die Wärme-

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einer Vielzahl größerer Anlagen innerhalb eines Gebäudekomplexes eine Schalt- oder Leitwarte geschaffen, von der aus auch eine messtechnische Überwachung von Betriebswerten und die Meldung von Störungen durchgeführt werden kann. Die Gebäudeleittechnik (GLT) ermöglicht in Kombination mit einem computergestützten Anlagenbetrieb eine effiziente Energienutzung. Abb. 38.57 Absperrvorrichtung für Feuer und Rauch (Feuerschutzklappe) (Wildeboer). 1 Sperrstift, 2 Auslösestift, 3 Handhebel, 4 Rasterstift, 5 Rasternase, 6 Abdeckhaube, 7 Schmelzlot 70 °C, 8 Inspektionsdeckel, 9 Endschalter, 10 Schließgewicht, 11 Klappenblatt, 12 Gehäuse. H, B und L Bestellmaße

38.4.8.2 Regelung Die Regeleinrichtung nimmt einen immer größer werdenden Umfang an. Bereits bei einfachen Lüftungsanlagen wird zur automatischen Regelung übergegangen, schon um Beanstandungen dämmung mit Dampfsperre versehen werden, wie Zugerscheinungen zu vermeiden und um damit eine Kondenswasserbildung unterbunden einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb zu erreichen. Geregelt wird meist die Temperatur und wird. Feuchtigkeit, und Volumenstrom. Darüber hinaus können Luftleitungen – je nach Bedarf – eine Schalldämmung und/oder Brandschutzisolierung gemäß festgelegter Brandklasse erhalten. 38.5 Lüftungsanlage Für die Luftdichtigkeit der Luftleitungen schreibt die VDI-Richtlinie 3803 die zulässigen 38.5.1 Einrichtungen zur freien Leckagen vor. Lüftung

38.4.8 Mess- und Regelungstechnik

Die Lufterneuerung im Raum und die Richtung der Luftströmung hängen weitgehend von der Außenwitterung und von der Größe sowie örtlichen Lage der Luftdurchlässe ab. Dabei ist der Grundriss, die Höhe des Gebäudes, die Umströmung und die Druckverteilung im Gebäude mit ausschlaggebend für den Luftwechsel im Raum, Abb. 38.58 und 38.59 [10].

38.4.8.1 Schaltung und Steuerung Die Betriebsdauer von Lüftungs- und Klimaanlagen ist je nach dem Nutzungszweck der Räume sehr unterschiedlich, so beträgt sie bei Versammlungsräumen mehrere Stunden, bei Verwaltungsgebäuden, Geschäftshäusern 8 bis 10 h am Tage, bei Industrieanlagen kann Dauerbetrieb vorliegen. Das Ein- und Ausschalten der Anlage geschieht meist von einer Schaltstelle im Gebäude, unabhängig von einer zusätzlichen Schalteinrichtung im Gerät über eine zentrale Gebäudeleittechnik. Verbunden mit dieser zentralen Schaltmöglichkeit wird die Überwachung des Betriebs, bei kleineren Anlagen nur hinsichtlich der Funktion, bei mittleren und größeren Anlagen auch hinsichtlich bestimmter Betriebswerte vorgenommen. Kleinere Anlagen haben einzelne Schaltkästen, bei einem größeren Umfang an Abb. 38.58 Gebäudeumströmung [10]. 1 Freie Strömung, 2 Verdrängungszone, 3 Trennschicht, 4 WirbelgeAnlagen wird ein zentraler Schaltraum und bei biet

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Abb. 38.59 Druckverteilung an einer Halle [2]. a Bei Temperaturunterschied von 20 K; b bei Wind von 5 m=s; c bei Temperaturunterschied und Wind

Sind die Lüftungsöffnungen in gegenüberliegenden Gebäudeseiten, ergibt sich eine wirksame Querlüftung im Raum; häufiger ist die Anordnung nur auf einer Seite als Fenster. Eine Aufbereitung der einströmenden Luft kann nicht vorgenommen werden, da eine ausreichende Druckdifferenz zur Überwindung von Apparatewiderständen nicht zur Verfügung steht. Auch lassen sich weder der Luftwechsel noch die Temperatur und Geschwindigkeit der einströmenden Luft für eine ständige Lüftung besetzter Räume genügend regulieren. Bei warmer Außenwitterung kommt nur ein schwacher Luftwechsel zustande, bei kühler und kalter Außenwitterung treten Zugbelästigungen auf, bei stärkerem Wind wird der Luftwechsel zu groß. Wegen der täglichen und jahreszeitlichen Veränderung der Luftförderung schwankt der Luftwechsel im Raum in einem sehr weiten Bereich. Oft ist eine Lüftung des besetzten Raums nicht möglich, sondern nur eine Pausenlüftung. Bei stärkeren inneren Wärmequellen (Warmbetrieb) ergibt die größere Temperaturdifferenz zwischen innen und außen und der die Auftriebswirkung verstärkende Höhenunterschied zwischen Zuluft- und Fortluftdurchlass, wie in Industriehallen, Luftwechselzahlen beträchtlicher Größenordnung [11]. Voraussetzung für die freie Lüftung ist eine Umgebungsluft, die nur zumutbar verunreinigt ist und keine Stoffe enthält, die die Gesundheit beeinträchtigen. Auch sind für die Schallimmission Grenzwerte vorgeschrieben, ferner für den Gehalt an Staub, Gasen und Dämpfen. Abb. 38.60 zeigt verschiedene Systeme der freien Lüftung.

38.5.1.1 Fensterlüftung Bei der Fensterlüftung strömt die Luft i. Allg. unter dem Fenstersturz ab und über der Fensterbrüstung ein. Dementsprechend sind schmale, hohe Dreh-, Schwing-, Spalt- oder obere bzw.

38 Abb. 38.60 Freie Lüftung. Lüftungsverfahren. a Fensterlüftung; b Querlüftung; c Schachtlüftung; d Dachaufsatzlüftung

Abb. 38.61 Fensterbauarten. a Drehflügel; b Schwingflügel; c Parallelflügel; d oberer und unterer Kippflügel

untere Kippflügel als lüftungstechnisch günstige Bauweisen anzusprechen (Abb. 38.61), so auch Lüftungsgitter im Fensterrahmen [12]. Fenster können über Eck oder gegenüber angeordnet werden, oft ergibt sich über die Türfugen eine Verbindung zum Hausinneren, zum Treppenhaus oder Aufzugsschacht, was eine zumindest teilweise Querlüftung im Raum zur Folge hat und eine Vertikallüftung, die sich in Hochhäusern bei undichten Fenstern im Winter oft nachteilig auswirkt. Für Arbeits- und Verkaufsräume sind Mindestquerschnitte der Lüftungsöffnungen angegeben, die von der Raumtiefe und Raumhöhe abhängen. Auch für Nebenräume liegt eine auf die Raumfläche bezogene Größe der Lüftungsöffnung vor.

38.5.1.2 Schachtlüftung Durch die nach oben verlegte Abluftöffnung in der Schachtmündung verstärkt sich der Auftrieb, sodass ein wesentlich höherer Luftwechsel als bei Fensterlüftung zustande kommt. Das drückt sich in der bei Schachtquerlüftung größeren Raumtiefe bzw. dem kleinen Lüftungsquerschnitt aus. Schachtlüftung ist bei innenliegenden Bädern

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und Toiletten häufig (DIN EN 18017), auch an mit drei thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen: z. B. Heizung, Befeuchtung Ansaugehauben im Industriebereich. Schächte und Kühlung, mit Abluftventilator haben zum konstanten Förderluftstrom noch den Vorteil des kleineren Quer- mit vier thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen: z. B. Heizung, Befeuchtung, schnitts. Kühlung und Entfeuchtung. 38.5.1.3 Dachaufsatzlüftung Diese meist im industriellen Bereich verwende- 38.5.2.2 Abluftanlagen ten Dachlüfter dienen zugleich als Rauchabzug. Wegen der Größe der Querschnitte entstehen Entlüftungsanlagen: ventilator- und luftleinicht unerhebliche Aufbauten auf Fabrikdächern. tungsunterstützte Luftabsaugung mit freier und Vermieden werden muss ein störender Windein- unkontrollierter Luftnachströmung für innenliefluss. Bei Warmbetrieben in hohen Hallen kann gende Räume wie Toiletten, Technikräume, Neder hohe Luftwechsel eine Verstellbarkeit der benräume usw. Durchlassfläche für den Winter- und Sommerbetrieb erforderlich machen. Die Berechnung der Entrauchungsanlagen: wie Entlüftung, im Lüftungsquerschnitte erfolgt unter vereinfachten Brandfall mit verstärktem Abluft-Fortluftstrom Annahmen für den Auftrieb. für Rauchabsaugung nach dem Unterdruckprinzip. 38.5.1.4 Freie Lüftung, verstärkt durch Für Rauchfreihaltung der Fluchtwege u. a. für Ventilatoren innenliegende Treppenhäuser wird ÜberdruckAbluftventilatoren werden in Außenwänden, lüftung eingesetzt. Fenstern und Schächten eingesetzt, um eine Dauerlüftung zu erreichen, wobei die Zuluft meist aus benachbarten Räumen nachströmt. Zu beachten 38.5.2.3 Umluftanlagen ist bei Axialventilatoren die Geräuschabstrahlung Lüftungsanlagen mit thermodynamischer Luftund der vom Druckverlust im Lüftungsweg stark behandlung ohne Außenluftzufuhr für Kühlung, abhängige Förderstrom. Zuluft-Wand-Ventilato- Heizung. Befeuchtung und/oder Entfeuchtung. ren sind ohne Lufterhitzer wegen der Zuggefahr 38.5.2.4 Außenluftanlagen mit nur bedingt verwendungsfähig. Umluftfunktion Luftaufbereitung für raumlufttechnische Anlagen kann zentral oder dezentral erfolgen. 38.5.2 Mechanische Lüftungsanlagen Lüftungsanlagen können Außenluft (AL) und/ oder Umluft (UL) d. h. Mischluft (ML) beför- 38.6 Zentrale Raumlufttechnische Anlagen dern. Thermodynamische Luftbehandlungsstufen der Zuluft sind: Heizung (H), Befeuchtung (B), 38.6.1 Klassifizierung raumlufttechnischer Systeme Kühlung (K) und Entfeuchtung (E).

38.5.2.1 Lüftungs- bzw. Klimaanlagen

Die mechanische Außenluftversorgung der Nutzräume eines Gebäudes sowie die Entsorgung der mit einer thermodynamischen Luftbehand- verbrauchten Luft übernimmt grundsätzlich die lungsfunktion: z. B. Heizung, RLT-Anlage (Raumlufttechnische Anlage). Eine mit zwei thermodynamischen Luftbehand- Anlage besteht i. Allg. aus folgenden Bauteilen: lungsfunktionen: z. B. Heizung und BefeuchRaumgerät oder Zentralgerät, Kanalnetz mit tung, Luftdurchlässen im Raum und nach draußen, Lei-

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tungen für Wärme-, Kälte- und Stromversorgung, Schalt-, Steuer- und Regeleinrichtung. Nach dem Ausmaß der thermodynamischen Luftbehandlung wird in Kurzbezeichnungen nach: Lüftungs-, Luftheiz-, Luftkühl-, Luftbefeuchtungs-, Teilklima- und Klimaanlagen unterschieden, wobei die Stufe der Luftbehandlung durch Buchstaben F (Filtern), H (Heizen), C (Kühlen), M (Befeuchten), D (Entfeuchten) gekennzeichnet wird. Bei zentraler Luftaufbereitung sind Technikzentralen, luftführende Schächte für Außen-, Zu-, Ab- und Fortluftführung innerhalb des zu versorgenden Gebäudes notwendig. RLT-Geräte können im Nutzraum (Raumgeräte) oder in Technikzentralen (Zentralgeräte) zur Aufstellung kommen. Die Raumgeräte wie Schrank-, Truhen-, Ventilatorkonvektor-, Deckengeräte sind luft- und warmwasser- sowie elektroseitig zentral anzuschließen, Abb. 38.62. Vorteile sind die geringen Energiekosten und die örtliche Bedienung; Nachteile sind die schlechte Redundanz, die Durchführung der Wartungs- und Reparaturarbeiten vor Ort, niedrige Ventilatorwirkungsgrade, Raumbedarf im Nutzraum u. a. Die Nutzbereiche werden bei konventionellen RLT-Anlagen durch Zentralgeräte aus den Technikzentralen versorgt. Die seitens der Nutzung und Raumluftkondition gleichen Flächen werden sinngemäß durch ein Zentralgerät versorgt. Unterschiedliche Nutzungsbereiche innerhalb eines Gebäudes oder Gebäudekomplexes werden durch je ein Zentralgerät versorgt, Abb. 38.63. Vorteil der getrennten Versorgung ist der günstige Energieaufwand; nachteilig sind die fehlende Redundanz und der größere Raumbedarf für die luftführenden Leitungen. Zur Versorgung eines zusammenhängenden Nutzbereichs stehen diverse RLT-Systeme zur

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Abb. 38.63 Klimasystem für einen Versammlungsraum; Schema der Luft- und Energieversorgung. 1 Ventilator, 2 Wärmerückgewinner, 3 Filter, 4 Lufterhitzer, 5 Luftkühler, 6 Sprühkammer, 7 Tropfenabscheider, 8 Schalldämpfer, 9 Jalousieklappe, 10 Kaltwassersatz (Kältemaschine mit Verflüssiger und Verdampfer), 11 Pumpe, 12 Rückkühlwerk, 13 Heizkessel, 14 Induktionsgerät, 15 Luftdurchlass im Raum, 16 Warm- und Kaltwasserleitungen, 17 Luftleitungen

Verfügung. In Abhängigkeit davon, ob im Nutzbereich vor Ort eine thermische Nachbehandlung vorgesehen ist, unterscheidet man zwischen NurLuft- und Luft-Wasser-Systemen.

38.6.1.1 Systeme von Klimaanlagen Bei den Nur-Luft-Anlagen erfüllt die in den Raum eingebrachte Außenluft die Aufgabe, die dort erzeugten Schadstoffe, den Wasserdampf und die thermischen Lasten aufzunehmen, um sie mit der Abluft aus dem Raum zu transportieren. Dazu ist die Behandlung der Luft z. B. in der Zentrale einer Klimaanlage unerlässlich und sollte die Möglichkeit der Lufterwärmung, -kühlung, Be- und Entfeuchtung sowie deren Filterung beinhalten. Häufig sind jedoch die in modernen Büros anfallenden thermischen Lasten so groß, dass eine Abfuhr allein über die Luft die Zuführung großer Luftvolumenströme beinhalten würde. Dies verursacht zum einen enorme Förder- und damit Energiekosten, zum anderen Abb. 38.62 System Geräte im Raum. a Truhen- oder aber können aufgrund der hohen Ausblasgeschwindigkeiten die thermischen BehaglichkeitsSchrankgerät; b Wandgerät; c Deckengerät

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kriterien nicht mehr erfüllt werden. Dies führt dazu, dass kombinierte Luft-Wasser-Anlagen eingesetzt werden, bei denen der Luftvolumenstrom lediglich nach der hygienisch erforderlichen Rate bemessen wird, um den anfallenden Wasserdampf und Schad- oder Geruchsstoffe aus dem Raum abzuführen. Die auftretenden thermischen Lasten dagegen werden durch kaltwasser- oder kältemitteldurchflossene Wärmeaustauscher abgeführt. Somit wird die Klimaanlage trotz ständig steigender Kühllasten den gleichzeitig erhöhten Komfortansprüchen des Menschen gerecht.

38.6.2 Nur-Luft-Anlagen In einer Klimazentrale erfolgt die Aufbereitung der Außenluft, die dann über Luftkanäle mit einer Strömungsgeschwindkeit von ca. 6 bis 8 m=s den Räumen zugeführt wird. Die Temperaturdifferenzen zwischen Zuluft und Raumluft liegen bei ca. 6 bis 8 K, die vom Ventilator aufzubringende Druckdifferenz bei ca. 700 bis 1000 Pa. Entweder erhalten alle Räume Luft des gleichen Zustandes oder es werden Unterzentralen vorgesehen. Dann fehlt in der Klimazentrale der Nacherwärmer, der in diesem Fall gemeinsam mit zusätzlichen Aggregaten, wie Filter, Ventilator und Kühler in sogenannten Unterzentralen angeordnet ist. Diese versorgen einzelne Räume oder Raumgruppen mit individuell aufbereiteter, an deren Anforderungen angepasste Zuluft. Ein Teil der abgesaugten Abluft wird bei diesem System der jeweiligen Unterzentrale zur Wärmerückgewinnung zugeführt. Nachteilig an diesem System sind jedoch die hohen Investitionskosten, da zusätzliche Unterzentralen installiert werden müssen. Sind die Anforderungen der Räume sehr unterschiedlich, sodass in einem Raum extreme Kühllasten, wie z. B. in EDV-Räumen, in anderen sehr geringe Kühllasten oder eher Heizlasten auftreten z. B. in Laborräumen, so ist eine zonenweise Versorgung mit verstärkter Warm- oder Kaltluft sinnvoll. Zu diesem Zweck wird der aus der Klimazentrale austretende Luftstrom in mehrere Kanäle aufgeteilt, in denen dann jeweils lediglich Nacherwärmer und Kühler installiert

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sind. Hierbei wird jedoch die Abluft der Klimazentrale wieder zugeführt.

38.6.2.1 Hochdruck-Klimaanlagen VVS-Systeme. Ein System mit konstantem Volumenstrom (Konstant-Volumenstrom-System KVS) wird heutzutage nur noch selten eingesetzt. Da die Förderkosten und somit die Energiekosten wesentlich von der Ventilatorleistung abhängen, können durch Verringerung des Volumenstroms erhebliche Kosten eingespart werden. Dies macht folgende Abschätzung deutlich: Die Ventilatorleistung berechnet sich aus dem Volumenstrom VP , dem Druckverlust p und dem Wirkungsgrad  folgendermaßen: P D

VP  p : 

(38.28)

Wird nun z. B. der Volumenstrom halbiert VP =2, so beträgt der Druckverlust p aufgrund der quadratischen Abhängigkeit von der Geschwindigkeit nur noch 25 %, sodass sich die Ventilatorleistung bei angenommenem konstanten Wirkungsgrad auf 1=8 reduziert. Im Realfall wird der Wirkungsgrad im Teillastbereich natürlich schlechter sein als im Vollastbereich, aber diese Abschätzung zeigt das enorme Einsparpotenzial bei Variation des Volumenstroms. Aus diesem Grund werden im Zuge der Energieeinsparung verstärkt Variable-VolumenstromSysteme (VVS) eingesetzt. Die ab- oder zugeführte Wärmemenge QP ist abhängig von dem Volumenstrom VP und der Temperaturdifferenz t: QP D f .VP ; t/ : P so wird bei Verändert sich die Energielast Q, einem Konstant-Volumenstrom-System die Temperturdifferenz t durch Variation der Zulufttemperatur verändert, P VP Dkonst. t D f .Q/ während bei einem Variabler-VolumenstromSystem bei konstanter Zulufttemperatur der Volumenstrom verändert wird: P t Dkonst. : VP D f .Q/

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Bei Reduzierung der Luftmenge muss jedoch gewährleistet sein, dass die hygienisch erforderliche Mindestluftrate eingehalten wird. Dies ist insbesondere bei Betrieb einer Klimaanlage mit großem Umluftanteil – wie dies bei älteren Anlagen in der Praxis noch zu finden ist – unbedingt zu berücksichtigen. Ein weiteres auftretendes Problem ist die Auslegung der Luftdurchlässe, die speziell auf ein VVS-System abgestimmt sein müssen. Bei Reduzierung des Volumenstroms verringert sich die Austrittsgeschwindigkeit der Luft in den Raum, dem durch entsprechende Konstruktion der Durchlässe Rechnung getragen werden muss. VVS-Anlagen sind heutzutage üblich und werden unter dem Schlagwort „DCV“ – „Demand Controlled Ventilation“ (Bedarfslüftung) propagiert. Bedarfslüftung. In Gebäuden mit Raumlufttechnischen Anlagen als auch in Gebäuden mit freier Lüftung kann es zu Beeinträchtigungen des Wohlbefindens oder sogar zu gesundheitlichen Störungen kommen. Die auftretenden Beeinträchtigungen wie z. B. Reizungen der Augen-, Nasen- und Halsschleimhaut, Husten, Heiserkeit, häufige Atemwegsinfektionen, trockene Haut, Juckreiz, Kopfschmerzen, Schwindel, Übelkeit, etc. wurden in der Vergangenheit pauschalisierend mit dem Begriff „Sick-BuildingSyndrome“ (SBS) bezeichnet. Die Ursachen befindlichkeitsstörender Faktoren sind vielschichtig. Neben menschlichen Bioeffluenzen und Tabakrauch konnten in letzter Zeit zunehmend Ausdünstungen aus Baumaterialien und Möblierung als Ursache für schlechte Luftqualität identifiziert werden. Fanger hat versucht, die Belastung der Raumluft durch verschiedenartige Emissionsquellen in der Einheit olf zu quantifizieren und diese für möglichst viele Stoffe zu bestimmen. Neben dem bekannten Begriff der thermischen Behaglichkeit prägte Fanger den Begriff des olfaktorischen Komforts, der entscheidenden Einfluss auf die subjektive Beurteilung der Raumluftqualität nimmt. Die Kenntnis über diese Zusammenhänge führte zu der Vorgehensweise, zunächst die bekannten Schad- und Geruchs-stoffquellen im Raum so weit wie möglich zu reduzieren und

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die verbleibende Belastung der Raumluft durch lüftungstechnische Maßnahmen auf ein verträgliches Maß herabzusetzen. Hierzu können unter Umständen jedoch große Luftmengen erforderlich sein, zu deren Förderung und Aufbereitung in einer RLT-Anlage erhebliche Mengen an Energie benötigt werden. Daraus resultiert die Forderung, die zur Lüftung erforderliche Außenluftrate an die im Raum herrschende und vom Menschen empfundene Luftqualität anzupassen. Diese ist abhängig von einer Vielzahl von Faktoren. Anzuführen sind beispielsweise die Personenzahl und Belegungsdichte, die Schadstoffbelastung in dem zu klimatisierenden Raum als auch die Belastung der Außenluft. Diese Faktoren können in der Regel nur überschlägig anhand von Richtwerten und Richtlinien ermittelt werden und gehen als Auslegungskriterien in die Planung des Klimatisierungssystems ein. Hierdurch kann es im Vorfeld zu einer Überdimensionierung einer Raumlufttechnischen Anlage kommen, die in Verbindung mit einer falschen Lüftungsstrategie im Betriebszustand zu einem enormen Mehrverbrauch an Energie gegenüber einem sensorgeführten Lüftungssystem führt. Stellt der Mensch die Hauptverunreinigungsquelle der Raumluft dar, werden heutzutage vorzugsweise Kohlendioxidsensoren eingesetzt. Auf Grund einer Korrelation zwischen der beim menschlichen Stoffwechsel produzierten Kohlendioxidmenge und den vom Menschen zeitgleich abgegebenen Geruchsstoffen ist der Kohlendioxidgehalt ein guter Indikator für eine mit Geruchsstoffen belastete Raumluft. Diese Korrelation gilt nur für den Fall, dass die anwesenden Personen im Durchschnitt die Eigenschaften einer Standardperson aufweisen. Da in einem Gebäude neben dem Menschen weitere Emissionsquellen für Geruchs- und Schadstoffe existieren können, darf ein geringer Kohlendioxidgehalt jedoch nicht als Maß für eine gute Luftqualität verwendet werden, da Ausdünstungen von Büroeinrichtungen oder Tabakrauch von CO2 -Sensoren nicht detektiert werden. Über die Messung der Kohlendioxidkonzentrationen in der Außen-, Zuund Abluft besteht zwar zusätzlich die Möglichkeit, die in den Normen für unterschiedliche

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Nutzugsbereiche geforderten personenbezogenen Außenluftraten einzuhalten, jedoch kann auch das Einhalten definierter Außenluftraten nicht jederzeit eine gute Luftqualität in den Innenräumen garantieren. Eine Alternative für die Überwachung der Raumluftqualität bietet der Einsatz sogenannter Mischgassensoren, welche die Anwesenheit oxidierbarer Luftinhaltsstoffe erkennen können. Beim Einsatz von Mischgassensoren muss jedoch auf die Messgenauigkeit, eine ausreichende Langzeitstabilität des Messsignals sowie Querempfindlichkeiten gegenüber Temperatur, Feuchte und Luftdruck geachtet werden. Über die Sensorik lassen sich die Volumenströme in Abhängigkeit von der tatsächlich auftretenden Luftverunreinigung anpassen und somit eine gute Luftqualität bei optimaler Energieeinsparung gewährleisten.

38.6.3 Luft-Wasser-Anlagen Die zunehmende Technisierung von Büroräumen mit Computern, Druckern, Kopierern, Telefaxgeräten, etc. mit der damit verbundenen hohen Wärmebelastung hat in vielen Bereichen zu erhöhten Anforderungen an die Kühlleistung der Klimaanlage geführt. Handelt es sich hierbei um eine NurLuft-Klimaanlage, so ist diese häufig nicht mehr in der Lage, diese Wärmelasten unter Einhaltung der Behaglichkeitskriterien des Menschen bezüglich Raumlufttemperatur und -geschwindigkeit abzuführen, sodass nun verstärkt auf LuftWasser-Klimaanlagen zurückgegriffen wird. Bei diesen wird dem Raum lediglich der MindestLuftvolumenstrom zugeführt, während die thermischen Lasten mittels kaltwasserdurchflossenen Wärmeaustauschern abgeführt werden. Auch energetisch bietet dieses System Vorteile, da – um die gleiche Wärmemenge zu transportieren – die Förderung von Wasser mittels einer Pumpe energetisch wesentlich günstiger ist als die Förderung von Luft. Beachtet werden muss dabei, dass eine zusätzliche Wasserinstallation erforderlich ist. Induktionsanlagen. Moderne Induktionsgeräte sind in der Regel Vierleiter-Induktionsgeräte mit

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zwei getrennten Wärmeaustauschern zum Heizen und zum Kühlen der Sekundärluft. Die aus der Klimazentrale kommende Primärluft – der zur Lufterneuerung benötigte Außenluftanteil – wird mit hoher Geschwindigkeit durch Düsen senkrecht nach oben ausgeblasen. Durch den Induktionseffekt der Primärluftstrahlen wird aus dem Raum Sekundärluft angesaugt, die durch einen Wärmetauscher in das Gerät strömt und dabei erwärmt bzw. gekühlt wird. Die Primärluft wird mit der erwärmten oder gekühlten Sekundärluft im Gerät gemischt und strömt durch Auslassgitter in den Raum. Das Verhältnis von Primär- und Sekundärluft beträgt dabei 1 : 2 bis 1 : 4. Es ist dabei jedoch zu beachten, dass die Zuluftfeuchte nur über die Klimazentrale für den Gesamt-Volumenstrom eingestellt werden kann. Der Vorteil dieses Systems ist, dass von der Klimazentrale nur der Mindest-Luftvolumenstrom zum Raum gefördert werden muss, sodass wesentlich kleiner dimensionierte Luftkanäle sowohl für die Zuals auch für die Abluft verwendet werden können. Darüberhinaus wird der Umluftanteil raumintern umgewälzt, sodass die evtl. in einem Raum entstehenden Geruchs- oder Schadstoffe nicht in andere Räume übertragen werden können. Dabei ist es möglich, einen zusätzlichen Filter im Induktionsgerät vorzusehen, durch den sich jedoch der Druckverlust erhöht und der regelmäßig gewartet werden muss. Die Aufstellung der Induktionsgeräte erfolgt in der Fensterbrüstung, wobei die Ansaugung der Sekundärluft aus dem Raum in Bodennähe durch eine Öffnung in der Geräteverkleidung erfolgt. Die Mischluft aus Primärluft und erwärmter bzw. gekühlter Sekundärluft wird nach oben gegen die Fenster ausgeblasen, sodass im Heizfall die Fenster erwärmt werden, was dazu beiträgt, Strahlungszug zu vermeiden. Aufgrund des Coanda-Effekts legen sich die aus den Induktionsgeräten austretenden Luftstrahlen zunächst an das Fenster an und folgen dann im weiteren Verlauf der Decke, sodass eine entsprechende Eindringtiefe der gekühlten bzw. erwärmten Luft in den Raum sichergestellt wird. Der Deckenstrahl induziert auf seinem Weg ständig Luft aus dem Raum, sodass der Massenstrom des Strahls längs der Decke zunimmt.

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38 Abb. 38.64 Ausbildung einer Primär- und Sekundärluftwalze bei Induktionsanlagen

Da der Impuls des Strahls erhalten bleibt, nimmt die Strahlgeschwindigkeit gleichzeitig ab, bis der Coanda-Effekt seine Wirksamkeit verliert und der Strahl sich von der Decke ablöst. Es bildet sich somit eine Luftwalze mit einer Rückströmung über dem Boden aus, die durch die Ansaugung von Sekundärluft seitens der Induktionsgeräte unterstützt wird. Diese Tiefe dieser Luftwalze beträgt dabei ca. 2 mal die Raumhöhe. Hinter dieser ersten Luftwalze, die im Allgemeinen als Primärwalze bezeichnet wird, kommt es bei tiefen Räumen zur Ausbildung einer Sekundärwalze, die durch die Induktionseffekte der ersten Luftwalze verursacht wird. Abb. 38.64 zeigt die Raumluftströmung bei Ausbildung einer Primär- und Sekundärluftwalze. Die Installation von Induktionsanlagen verlangt jedoch vom Architekten sowie vom Raumausstatter und -nutzer eine besondere Berücksichtigung der Luftführung. So dürfen z. B. an der Decke keine hervorstehenden Lampen, Absätze oder sonstige Störstellen vorhanden sein, da dies zu einer sofortigen Ablösung des Luftstrahls von der Decke und somit in einem Raumbereich zu Zugerscheinungen führen würde, während der restliche Raum nicht mit Zuluft versorgt wird. Weiterhin muss die Möblierung eine ausreichende Bodenfreiheit gewährleisten, damit die Rückströmung in diesem Bereich nicht behindert und die Luftwalze unterbrochen wird. Besonders kritisch sind die häufig in Großraumbüros eingesetzten Stellwände zur Abtrennung der Arbeitsbereiche. Diese müssen sowohl im oberen als auch im unteren Bereich genügend Raum lassen, sodass sich die Luftwalze ungestört

ausbreiten kann. Ist dies nicht der Fall, so dürfen sie höchstens parallel zur Strömungsrichtung aufgestellt werden, jedoch niemals senkreht dazu. Um hier einer unsachgemäßen Möblierung vorzubeugen, hat es sich bewährt, alle Mitarbeiter über die Wirkungsweise des Lüftungssystems zu informieren. Ebenso dürfen die Luftaustrittsöffnungen keinesfalls als Ablageflächen für Aktenordner, Blumentöpfe, etc. verwendet werden. Viele Herstellerfirmen begegnen diesem Problem mit der Abschrägung der Induktionsgeräteverkleidung. Lüftungsanlage mit Kühldecke. Neben den Induktionsgeräten wird häufig das System der partiellen Bauteilkühlung, wie z. B. die Kühldecke oder Kühlsegel eingesetzt, die jedoch lediglich zur Abfuhr von thermischen Lasten geeignet ist. Stoffliche Lasten wie z. B. Wasserdampf oder Geruchs- und Schadstoffe können weiterhin nur durch die Zufuhr von Frischluft und die Abfuhr der verbrauchten und belasteten Luft entfernt werden, sodass zusätzlich zur Kühldecke ein Lüftungssystem – und bei Bedarf auch ein Heizungssystem – vorgesehen werden muss. Bei Kühldecken handelt es sich meist um in der Decke verlegte, in Aluminium-Profile eingepresste, kaltwasserführende Kupferrohre, die über ein Aufhängesystem mit Klipsen, Magneten, etc. möglichst gut wärmeleitend mit einer Deckenkonstruktion verbunden sind. Diese Rasteroder Paneel-Deckenelemente können in verschiedensten Aufteilungen ausgeführt werden, sodass Kühldecken in gewissen Grenzen auch als gestalterisches Element eingesetzt werden können.

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Daneben werden auch unmittelbar in die Decke eingeputzte Kapillar-Rohrsysteme angeboten, wobei berücksichtigt werden muss, dass die wärmetechnischen Eigenschaften mit der Bauform der Decke variieren. Um eine möglichst große Wärmeübertragung von den Rohren an die Deckenoberfläche zu gewährleisten, ist in jedem Fall oberhalb der Kühldecke eine Wärmedämmung vorzusehen. Problematisch können die schalltechnischen Eigenschaften werden, da eine Beschichtung der Deckenoberfläche mit einem schallabsorbierenden Material mit einer erheblichen Leistungseinbuße verbunden wäre. Abb. 38.65 zeigt die Bauformen der offenen und geschlossenen Kühldecken und deren durchschnittlichen Leistungsgrößen. Um die Wirkungsweise von Kühldecken zu verdeutlichen, muss kurz auf die Wärmeabgabe des Menschen eingegangen werden: damit der Mensch sich behaglich fühlt, muss er in Abhängigkeit von der Bekleidung und dem Aktivitätsgrad eine Wärmeleistung von ca. 100 W an die Umgebung abgeben. Dies erfolgt im Wesentlichen durch drei Hauptmechanismen: durch Verdunstung über die Körperoberfläche und die Atmung, durch Konvektion an die Raumluft und durch Strahlung an Körper mit niedrigen Oberflächentemperaturen (z. B. Fenster). Während NurLuft-Klimaanlagen die Wärme ausschließlich auf konvektivem Weg mittels gekühlter Luft abtransportieren, erfolgt bei Kühldeckensystemen der Wärmetransport zu einem erheblichen Anteil über die Strahlung an die kalte Deckenoberfläche. Dieser erreicht bei geschlossenen Kühldecken ca. 55 %, wobei die restlichen 45 % der Wärme auf konvektivem Weg abgeführt werden. Diese Zahlenwerte stellen lediglich Anhaltspunkte dar und sind abhängig von der Bauform der Decke. Es ist darauf zu achten, dass der Strahlungsanteil nicht zu groß wird, um den für den Menschen unbehaglichen Strahlungszug – eine starke asymmetrische Wärmeabgabe durch Strahlung – zu vermeiden. Da der Strahlungswärmeaustausch im Wesentlichen durch die Temperaturdifferenz zwischen Deckenoberfläche und Wärmequelle bestimmt wird, lässt sich die abgeführte Wärmeleistung durch Absenkung der Wasservorlauf- und damit auch der Oberflächentemperatur der Decke

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erhöhen. Wird dabei jedoch die Taupunkttemperatur der Raumluft unterschritten, so kondensiert der in der Raumluft enthaltene Wasserdampf, was zu erheblichen Feuchteschäden, Korrosion oder in extremen Fällen zu Tropfwasser von der Decke führen kann. Insbesondere in Räumen, in denen die Möglichkeit zur Fensteröffnung besteht, muss an warmen und schwülen Sommertagen mit einer Taupunktunterschreitung gerechnet werden, der mit einer schnellen und zuverlässigen Regelung zur Anhebung der Wasservorlauftemperatur begegnet werden kann, die in der Regel im Sommer 16 °C nicht unterschreiten sollte. Hierbei ist darauf zu achten, dass mittels Temperatur- und Feuchtefühlern nicht nur die Werte im Raum, sondern auch im Bereich oberhalb der Decke erfasst werden. In diesem Zusammenhang muss nochmals auf die Unverzichtbarkeit der zusätzlichen Lüftung hingewiesen werden, die nicht nur zum Schadstofftransport und zur Erhaltung der menschlichen Behaglichkeit, sondern auch zur Vermeidung von lokalen Feuchtigkeitsnestern und dem damit verbundenen Feuchtigkeitsausfall und Korrosionsgefahr erforderlich ist. In der Übergangszeit bei Außentemperaturen von 20 bis 22 °C besitzt die Luft eine geringere Feuchte und eine höhere Taupunkttemperatur, sodass die Wassertemperatur weiter gesenkt und damit die Leistung angepasst werden kann. Eine weitere Möglichkeit zur Leistungsregelung besteht in der Variation des Wassermassenstroms unter Berücksichtigung des Strömungszustandes: sinkt nämlich die Strömungsgeschwindigkeit unter die kritische Reynolds-Zahl auf einen laminaren Zustand, so wird eine erheblich geringere Leistung erzielt. Der Leistung von Kühldecken wird zum einen durch den konvektiven Wärmetransport vom Wasser an das Rohr und durch Wärmeleitung vom Rohr an die Deckenoberfläche, zum anderen durch die konvektive Wärmeübertragung von der Deckenoberfläche an die Raumluft bestimmt. Letzteres ist stark abhängig vom Wärmeübertragungskoeffizienten ˛, der aufgrund der beschränkten Konditionen in einem klimatisierten Raum zwischen 9 und 12 W=.m2 K/ beträgt, sodass sich die meisten Hersteller auf eine sogenannte Basiskennlinie für die Kühldeckenleis-

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Abb. 38.65 Bauformen und Leistungsgrößen von Kühldecken

tung geeinigt haben: qPD D 9  .tD  tRL /1:08

einfacht in die folgenden vier Gruppen unterteilen: (38.29)

Betonkernaktivierung, Die Haupteinflussgrößen auf die Kühldecken- Putzkühldecke, leistung sind neben dem logarithmischen Mit- Vollflächig abgehängte Unterdecken mit rücktelwert aus Wasseraus- und -eintrittstemperatur seitig aufgelegten Kühlmodulen, tW , die Deckenoberflächentemperatur tD und die Kühlsegel. Temperatur der Raumluft tRL , aus denen ein Übertragungsgrad  gebildet wird: Bei der Betonkernaktivierung werden kaltwasserführende Rohrschlangen direkt in den BetD  tRL : (38.30) ton eingegossen und hierdurch eine Aktivierung D tWD  tRL der großen Speichermasse erzielt. Dieses System Nachrüstung von Kühlflächen. Ältere Büro- ist effektiv, aber sehr träge. Zudem eignet es sich gebäude wurden in der Regel nur mit dem Wär- aufgrund der baulichen Eingriffe in der Regel meträger Luft klimatisiert. Hier konnten insbe- nicht zur Nachrüstung. sondere bei hohen thermischen und stofflichen Bei der Putzkühldecke werden die KühlmoLasten Zugerscheinungen und Strömungsgeräu- dule unmittelbar an die Rohdecke montiert und sche nicht immer ausgeschlossen werden. In anschließend direkt eingeputzt. Dieses System den vergangenen Jahren sind die inneren Lasten besitzt eine relativ hohe Kühlleistung und eine durch die rasch voranschreitende Entwicklung in große Ausnutzung der zur Verfügung stehenden der IT-Branche deutlich größer geworden. Auch Deckenfläche. Die gesamte Putzstärke beträgt nur werden in Büroräumen häufig mehr Personen und wenige Zentimeter, sodass die Raumhöhe nahedamit technisches Equipment untergebracht als zu unverändert bleibt. Die Integration von Lamzunächst geplant. Dies führt dazu, dass in ei- pen und sonstigen Deckeneinbauelementen (z. B. nigen Großraumbüros sogar ganzjährig gekühlt Luftdurchlässe) muss vorher sorgfältig geplant werden muss. Die vorhandene Raumlufttechni- werden. Zur Nachrüstung ist dieses System eher sche Anlagen stößt dann meist an die Grenzen der weniger geeignet. ursprünglichen Auslegung, sodass auch die MögBesitzt das Gebäude die entsprechende Raumlichkeit der Nachrüstbarkeit von Kühlflächen an höhe, so kann ohne weiteres das an dritter Stelle Bedeutung gewinnt. genannte Flächenkühlsystem nachgerüstet werMittlerweile gibt es eine Vielzahl verschiede- den. Da in diesem Fall eine Unterdecke mit ner Flächenkühlsysteme. Diese lassen sich ver- rückseitig aufgelegten Kühlmodulen eingezogen

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wird, entsteht ein entsprechender Deckenhohlraum. Somit können in der Regel können alle Arten von Lampen, Luftdurchlässe usw. in die Decke integriert werden. Kühlsegel sind frei unter die Decke abgehängte Elemente mit auf der Rückseite eingelegten Kühlmodulen. Sie werden allseitig mit Raumluft umströmt und besitzen aufgrund der rückseitigen Aktivierung eine sehr hohe Wärmestromdichte. Der Montageaufwand vor Ort ist äußerst gering, da durch die kompakte Bauweise die Kühlsegel vollständig vormontiert werden können. Der Verrohrungsaufwand der Versorgungsleitung ist deutlich weniger aufwändig als bei der vollflächigen Kühldeckenausführung. In die Kühlsegel können ohne weiteres Beleuchtungselemente und Luftdurchlässe integriert werden. Werden die Segel perforiert, tragen sie auch zur Verbesserung der Raumakustik bei. In bestimmten Fällen bzw. bei der Deckengestaltung als reversible Metallkassettendecke können systemabhängig die Kühlmodule auch ohne Austausch der Decke nachgerüstet werden. Hierzu muss die Zwischendecke zunächst geöffnet werden. Dann werden die kühlwasserführenden Versorgungsleitungen an die Rohdecke montiert und parallel dazu die Deckenplatten mit Kühlmodulen bestückt. Beim Wiedereinlegen der Platten werden die Kühlmodule schließlich flexibel mit geeigneten Steckschläuchen verbunden. Beinhaltet die Aufgabenstellung eine möglichst geringe Veränderung der örtlichen Gegebenheiten und soll gleichermaßen der laufende Bürobetrieb während der Nachrüstarbeiten nur minimal beeinflusst werden, stellen Kühlsegel eine sehr gute Lösung dar. Systeme zur Betonkernaktivierung eignen sich nicht unbedingt zur Nachrüstung. Inzwischen gibt es vielfältige Entwicklungen auf dem Markt, um Gebäude mit hocheffizienten Kühlflächensystemen aus- und nachzurüsten. Welches System zur Anwendung kommen sollte, muss jedoch immer im Einzelfall entscheiden werden und hängt sowohl von den baulichen Gegebenheiten sowie der Tatsache, ob die Räume während der Nutzung nachgerüstet werden oder ob die Gebäude noch ungenutzt sind. Auch das Vorhandensein einer Lüftung oder aber die

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zusätzliche Nachrüstung von Lüftungssystemen gemeinsam mit den Kühlflächensystemen wird hier letztendlich den Ausschlag geben.

38.6.3.1 Nachbehandlungsgeräte mit Luftförderung Systeme Eine Nachbehandlung der Luft kann durch Einbau von Erhitzern, Kühlern, Filtern im Kanal oder bei Zweikanalanlagen durch Mischkästen vorgenommen werden. Nachbehandlungsgeräte mit Wärmetauscher und Luftförderung werden meist sichtbar in der Fensterbrüstung in den Raum gesetzt, wobei zusätzlich zum Luftstrom von der Zentrale (Primärluft) noch Raumluft (Sekundärluft) umgewälzt wird, um die notwendige Leistung zu erreichen. Mit diesen Geräten ist die individuelle Regelung eines jeden Raums möglich. Sie werden daher meist in Vielraumgebäuden verwandt. Die zusätzliche Luftförderung geschieht entweder durch Düsen, die Raumluft injizieren (Induktionsgerät) oder durch einen in das Gerät eingebauten Ventilator (Ventilatorkonvektor) Ventilatorkonvektor Er stellt ein Umwälzgerät dar, z. B. als Truhengerät mit Filter, Wärmetauscher und Ventilator (Abb. 38.66), wobei die Außenluft zentral aufbereitet und dem Raum über ein Kanalnetz zugeführt wird. Die Sekundärluftumwälzung ist unabhängig von dem Primärluftstrom. Hinsichtlich der Anzahl und Ausführung der Wärmetauscher und des Anschlusses an den

Abb. 38.66 Ventilatorkonvektor (LTG, Lufttechnische Ges.). 1 Luftauslassgitter, 2 Ventilator, 3 Bypass, 4 Luftkühler, 5 Luftfilter, 6 Tropfschale, 7 Lufterhitzer

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Kalt- und Warmwasserkreislauf sind die gleichen wird grundsätzlich in jeder zweiten Achse ein Möglichkeiten gegeben mit den verschiedenen Gerät vorgesehen. Um weitere VentilatorkonvekRohrsystemen wie beim Induktionsgerät. toren zu jeder Zeit z. B. bei Nutzungsänderung einsetzen zu können, werden Regelanschlüsse bei den wasserführenden Leitungen und bei der Elektroinstallation vorgehalten. Die Ventilator38.7 Dezentrale Klimaanlage konvektoren übernehmen bei dieser Bauform die Der Lufttransport für den Außenluftbedarf der Außenluftansaugung auf kürzestem Weg direkt Personen, die Kühlung bzw. Heizung des Rau- durch die Fassade (und sind nicht an ein RLTmes – die Raumluftkonditionierung – ist die Gerät angeschlossen), die Luftaufbereitung und Aufgabe der Klimatisierung. Die Kühl- und Heiz- die Luftführung zum Raum (s. Abb. 38.67a). Der Außenluftstrom kann im Raum individulasten können am energiegünstigsten mit Hilfe von Luft- und Wasser aus dem Raum abgeführt ell unabhängig von Nachbarräumen zwischen 1,5 werden. Bei dezentralem Klimasystem werden und 3;0 Luftwechsel=h geregelt, abgeschaltet sobspw. Ventilatorkonvektoren in den meisten Fäl- wie nach Bedarf erwärmt und gekühlt werden. len in unmittelbarer Nähe der Fassade im Dop- In Kombination mit zusätzlicher Flächenkühpelbodenhohlraum eingesetzt. Bei Büronutzung lung und optionaler Heizung (z. B. Kühldecken

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Abb. 38.67 a Dezentrales Klimasystem eines Büroraums; b Vorteile des dezentralen Klimasystems

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Abb. 38.68 a Ventilatorkonvektor im Doppelboden (Fabrikat/Foto: LTG); b und c Wartung von Ventilatorkonvektor (Foto: LTG)

oder Bauteilaktivierung) werden die in der Normung nutzungsbereichbezogenen vorgeschlagenen Raumtemperaturen und die vorgeschriebenen personenbezogene Außenluftraten in jedem Fall eingehalten. Als zusätzlicher Komfort ist auch die Möglichkeit des Fensteröffnens vorgesehen. Die Konvektoren werden mit Kalt- und Warmwasser nach dem „Vierleiterprinzip“ versorgt, um jeder Zeit den Nutzraum individuell temperieren (heizen oder kühlen) zu können. Die Abluft strömt in Großraumbüros frei, ohne luftführende Leitungen zu den innenliegenden Funktionsräumen wie Toiletten, Serverräumen, Teeküchen, Fotokopierraum usw., wo sie direkt abgesaugt und z. B. über Dach oder über Tiefgarage fortgeblasen wird. Die Abluft der Büroräu-

me wird nach dem als Zweitnutzungsprinzip zur Belüftung und Erwärmung innenliegender Lagerund Technikräume in den UG’s benützt. Eine Möglichkeit der Wärmerückgewinnung mit einem Luft-Wasser-Luftsystem (Kreislaufverbunden) auch in Kombination mit einer Wärmepumpe ist grundsätzlich denkbar. Der Einsatz dieser Energierückgewinnungssysteme bedarf in jedem Fall eines Wirtschaftlichkeitsnachweises. Bei besonderen Auflagen seitens des Brandschutzes und des Fluchtwegkonzeptes müssen individuelle Lösungen entwickelt werden, um die freie Abluftführung realisieren zu können. Vorteile: Zum Vergleich wurde ein konventionelles Zentralsystem mit 2,5fachem Luftwechsel

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und Flächenkühlung für Büronutzung zu Grunde 38.8.1 gelegt. Wo möglich keine Abhangdecken im Nutzbereich. Keine bzw. kaum im Raum sichtbare Komponente der Raumluft-, Wärme-, Kälte- und Elektrotechnik im Bereich der Büronutzung. Investitionskostenreduktion im Bereich der RLT-, Wärme- und Kältetechnik von ca. 15 – 20 %. Energiebedarf- und Energiekostenreduktion, vor allem hinsichtlich der Elektroarbeit für die Luftförderung von ca. 70 – 80 %. Wartungskostenreduktion von ca. 10 %. Raumbedarfreduktion im Bereich der Technikzentralen von ca. 20 % und im Bereich der Schächte von ca. 25 %. Flexibilität in der Raumaufteilung auch nach der Inbetriebnahme (s. Abb. 38.67b). Das Abb. 38.68a zeigt einen Ventilatorkonvektor der Firma LTG, geeignet für Doppelbodeneinbau bei vollverglastem Gebäude. Wenn zur Deckung der Grundkühlung Betontemperierung oder Kühlfläche gewählt wird, können die Nutzräume ohne sichtbare Installation der Komponenten der Raumlufttechnik und ohne Deckenabhängung erstellt werden. Die Abb. 38.68b und c zeigen die Möglichkeit der Wartung und Reinigung des im Doppelboden eingebauten Ventilatorkonvektors. Das dezentrale System bietet extrem große Flexibilität bei Änderungen der Raumaufteilung von Büroflächen und bei Änderungen bei Mieterteilung vor allem im Bereich der dezentralen Energiebedarferfassung.

38.8

Berücksichtigung von Klimaanlagen nach Energieeinsparverordnung

Die Energieeinsparverordnung (EnEV) 2016 enthält direkt und indirekt Vorgaben für Planung und Installation von Klimaanlagen. Die EnEV 2016 beruht auf der „Richtlinie 2010/31/EU des Europäischen Parlaments und des Rates über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (Energy Performance of Buildings Directive – EPBD)“.

Referenzgebäudeverfahren für Nichtwohngebäude

Die EnEV legt § 4 Nichtwohngebäude fest, dass der Jahres-Primärenergiebedarf QP für Nichtwohngebäude nach DIN V 18599 zu berechnen ist. „(1) Zu errichtende Nichtwohngebäude sind so auszuführen, dass der Jahresprimärenergiebedarf für Heizung, Warmwasserbereitung, Lüftung, Kühlung und eingebaute Beleuchtung den Wert des Jahres-Primarenergiebedarfs eines Referenzgebäudes gleicher Geometrie, Nettogrundfläche, Ausrichtung und Nutzung einschließlich der Anordnung der Nutzungseinheiten mit der in Anlagen 2 Tab. 1 angegebenen technischen Ausführung nicht überschreitet.“ Anlage 2 Tab. 1 enthält somit neben anderen Angaben die „Referenztechnik“ für Klimaanlagen (Tab. 38.17). Anhand dieser Parameter werden bestimmte Vorgaben und Rechenwerte in das Rechenverfahren nach DIN V 18599 integriert, so dass sich in Ergänzung zu anderen Berechnungen ein Jahresprimärenergiebedarf für das Referenzgebäude ergibt. Man kann somit festhalten, dass in der jeweils gültigen Fassung der EnEV der „Stand der Technik“ für einzelne Gewerke festgeschrieben ist.

38.8.2 Wartung von Klimaanlagen Klimaanlagen, die nicht ordnungsgemäß gewartet sind, weisen einen deutlich erhöhten Energiebedarf auf. Verschmutzte Filter und/oder Wärmeübertrager bedingen deutlich erhöhte Druckverluste, die vom Ventilator zu überwinden sind. Daher wird vom Gesetzgeber festgelegt, dass der Betreiber diese Anlagen warten muss: § 11 „Aufrechterhaltung der energetischen Qualität“ stellt die gesetzliche Verpflichtung des Betreibers von Klimaanlagen dar zur Anlagenwartung und zum energieeffizienten Betrieb. Absatz (4) besagt : „Komponenten mit wesentlichem Einfluss auf den Wirkungsgrad solcher Anlagen sind vom Betreiber regelmäßig zu warten und instand zu halten.“

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Tab. 38.17 Referenztechnologie nach EnEV 2016 Anlage 2 Tab. 1 Referenz-RLT

Referenzkühlung Referenzkälteerzeugung

Ventilator: PSFP = 1,0 kW/(m3 /s) Zuluftvent. PSFP = 1,5 kW/(m3 /s) Abluftvent. PSFP = 1,0 kW/(m3 /s) Wärmerückgewinnung 0,6 Zu- und Abluftanlage geregelte Luftkonditionierung: Zuluftvent. PSFP = 1,5 kW/(m3 /s) Abluftvent. PSFP = 1,0 kW/(m3 /s) Wärmerückgewinnung 0,6 Kaltwasser Fan-Coil 14/18 °C Kaltwassertemperatur, Brüstungsgerät Kolben/Scrollverdichter mehrstufig schaltbar, R134a, luftgekühlt, Kaltwassertemperatur 6/12 °C, Kaltwasserkreis ungeregelte Pumpe Abluftanlage: Zu- und Abluftanlage:

38.8.3 Energetische Inspektion von Klimaanlagen Nach § 12 (1) liegt die Verantwortlichkeit für die Durchführung der Energetischen Inspektion beim Betreiber der Klimaanlage. Bei Mietobjekten ist zu prüfen, wer Betreiber im rechtlichen Sinn ist. Bei Übergabe des Objektes an ein Facility-Management-Unternehmen kann dieses der rechtliche Betreiber sein. Unter die Pflicht zur Energetischen Inspektion fallen die Klimaanlagen ab einer Anlagengröße über 12 kW der Nennkühlleistung. Die Inhalte der Inspektion werden in § 12 (2) aufgeführt: „Die Inspektion umfasst Maßnahmen zur Prüfung der Komponenten, die den Wirkungsgrad der Anlage beeinflussen und der Anlagendimensionierung im Verhältnis zum Kühlbedarf des Gebäudes. Sie bezieht sich insbesondere auf 1. die Überprüfung und Bewertung der Einflüsse, die für die Auslegung der Anlage verantwortlich sind, insbesondere auf Veränderung der Raumnutzung und -belegung, Nutzungszeiten, innere Wärmquellen, relevante bauphysikalische Eigenschaften, Sollwerte für Luftmenge, Temperatur, Feuchte, Betriebszeit, Toleranzen, 2. die Feststellung der Effizienz der wesentlichen Komponenten.“

Durch die Vorgaben der EnEV wird die Aufteilung der Energetischen Inspektion in zwei Teile festgelegt: Im Rahmen der Anlagentechnischen Prüfung werden Ventilatoren, Wärmerückgewinner, Befeuchter, Kältemaschine, etc. auf ihre Energieeffizienz hin untersucht. Die Systemprüfung beinhaltet die Prüfung von Gebäudeeigenschaften, -betrieb und Anlagendimensionierung und kann abhängig von Gebäudegröße und der Qualität der zur Verfügung gestellten Informationen und Unterlagen einen weitaus größeren Part als die anlagentechnische Prüfung einnehmen [7]. Ein geschlossenes Verfahren zur Energetischen Inspektion enthält die Norm DIN SPEC 15240 „Lüftung von Gebäuden – Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden – Energetische Inspektion von Klimaanlagen“. Generell ist die Inspektion erstmals nach 10 Jahren vorzunehmen; dann wiederkehrend mindestens alle zehn Jahre. Die in der EnEV festgelegten Übergangsfristen sind am 1.10.2013 abgelaufen.

38.8.4 Vorgaben für die Planung von Lüftungs- und Klimaanlagen

In § 15 „Klimaanlagen und sonstige Anlagen der Raumlufttechnik“ werden die bei Neubau oder Sanierung von Klimaanlagen zu berücksichtigenden Anforderungen an die Anlagentechnik formuliert. Zu beachten ist hierbei, dass dies – abweichend vom § 12, der sich nur auf Anlagen mit Abgeschlossen wird die Energetische Inspek- einer Kälteleistung von > 12 kW bezieht- auch für tion mit Hinweisen und Ratschlägen zur energe- reine Lüftungsanlagen > 4000 m3 /h gilt. Folgende Anforderungen sind zu erfüllen: tischen Verbesserung der Anlage.

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Die Ventilatoren dürfen den Grenzwert von SFP4 (1250–2000 W/(m3 /s)) nach DIN EN 13779 nicht überschreiten. Besitzen die Anlagen eine Be- und Entfeuchtung, so muss diese geregelt sein. Es muss sich um eine selbständig wirkende Regelung handeln, bei der getrennte Sollwerte für die Beund die Entfeuchtung eingestellt werden können und als Führungsgröße mindestens die direkt gemessene Zu- oder Abluftfeuchte dient. Sind diese Regeleinrichtungen nicht vorhanden, so besteht Nachrüstpflicht. Bei bestimmten Anlagen mit Luftleistungen oberhalb von 9 m3 /h je m2 Nutzfläche muss eine selbständig wirkende Volumenstromregelung vorhanden sein. Kälteverteilungs- und Kaltwasserleitungen sowie Armaturen müssen wärmegedämmt sein. Es müssen Einrichtung zur Wärmerückgewinnung mit einer Klassifizierung H3 installiert werden.

Kreislaufverbund-System

Ventilator Dampfbefeuchter

Rotationswärmeüberträger

Wasserbefeuchter Heizregister

Plattenwärmeüberträger Kühlregister

Abb. 38.69 modularer Aufbau von 46 Anlagenvarianten [7]

Um eine Simulationsrechnung für jeden Einzelfall zu vermeiden wurden hier 46 üblicherweise in RLT-Anlagen vorkommende sinnvolle Anlagenvarianten gebildet. Die gewählten Varianten und deren Betriebsweisen bilden ein breites Spektrum praktisch vorkommender Komponentenreihungen ab (Abb. 38.69). Tab. 38.18 zeigt eine Übersicht über die Variantenmatrix nach DIN V 18599 Teil 3. Für jede der 46 Anlagenvarianten wurde der 38.8.5 Berücksichtigung jeweilige Nutzenergiebedarf für Wärme, Kälte von Klimaanlagen und Dampf in der Einheit [Wh/(m3 /h)] vorab in in der DIN V 18599 einer Simulationsrechnung in stündlichen Schritten für einen festgelegten Basisfall ermittelt. DieDie Berechnung von Klimaanlagen im Rahmen se Berechnung basiert auf folgenden Voraussetder EnEV und auch im Rahmen der Energeti- zungen: schen Inspektion erfolgt nach den Rechenverfahren, die in der DIN V 1899 „Energetische Bewer- mittlere Klimadaten für den Standort Potsdam, tung von Gebäuden- Berechnung des Nutz-, End- normiert auf einen Zuluftvolumenstrom von und Primärenergiebedarf für Heizung, Kühlung, 1 m3 /h, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung“, Zulufttemperatur der RLT-Anlage insbesondere Teil 3 und 7 niedergelegt sind. V,mech = 18 °C, Die Berücksichtigung des Energiebedarfs von Tägliche Betriebsstundenzahl der RLT-Anlage Klimaanlagen, d. h. für die Erwärmung, AbkühtV;mech = 12 h/d, lung, Be- und Entfeuchtung der Luft und auch für Monatliche Betriebstagezahl dV,mech = dmth , den Endenergiebedarf der Luftförderung erfolgt abhängig von der Tageanzahl des jeweiligen im Teil 3 „Nutzenergiebedarf für die energetische Monats. Luftaufbereitung“ der DIN V 18599.

Tab. 38.18 Übersicht über die Variantenmatrix nach DIN V 18599 Teil 3 Feuchteanforderungen Keine großer Toleranzbereich ohne Toleranzbereich

Befeuchter-Typ Verdunstung nicht regelbar Verdunstung regelbar Dampfbefeuchter

WRG-Typ keine reine Wärmeübertragung Wärme- und Feuchteübertragung

Rückwärmzahl 45 % 60 % 75 %

38

824

S. Schädlich

Tab. 38.19 Spezifische Energiekennwerte; Auszug (gemäß DIN V 18599 Teil 3; Tabelle A6) Vari- Energiekennwerte Gesamtjahr anten- Wärme Dampf Nr. qH , 18 °C,12 h qSt , 18 °C,12 h [Wh/(m3 /h)] [Wh/(m3 /h)] 1 11 369 – 2 3340 – 3 1179 – 4 51 – 5 16 241 – – – – 20 3351 4453 21 1222 4453 22 273 4479 23 3434 2488

Literatur Spezielle Literatur

Kälte qC , 18 °C,12 h [Wh/(m3 /h)] 1951 1923 1913 1903 2751 – 2000 1990 1981 1986

Ebenfalls ermittelte „Stützwerte“ erlauben die Interpolation für folgende Größen: frei wählbare Betriebszeiten, frei wählbare Zulufttemperaturen im Bereich von 14 °C bis 22 °C, frei wählbare Rückwärmzahlen < 75 %.

1. FGK Statusreport 14, Definition von Klimaanlagen nach EnEV und EPBD, Fachverband Gebäude-Klima, Bietigheim-Bissingen, 2011 2. Schädlich, S., Stahl, M., Grundlagen und Praxis der Lüftungs- und Klimatechnik, CCI Dialog GmbH, Karlsruhe, 2005 3. www.rlt-info.de; Fachverband Gebäude-Klima, Bietigheim Bissingen, Stand 08.02.2013 4. Schädlich, S., Bauelemente von Klimaanlagen, Seminarunterlagen, 2012 5. Anforderungen der ErP-(Ökodesign)-Richtlinie an Ventilatoren, Wissensportal CCI Dialog GmbH, Stand 22.02.2013 6. Menerga GmbH Mülheim, Firmenunterlagen 7. Schädlich, S., Trogisch, A.; Energetische Inspektion von Klimaanlagen; CCI Dialog GmbH, Karlsruhe, 2011 8. Miezker, Th., Heißes Eisen EN 779; 03/2012 cci Zeitung 03/2012, S. 13–15; Verlag CCI Dialog GmbH Karlsruhe 9. Rákóczy, T.: Optimierung von Kanälen für Raumlufttechnische Anlagen, KI 6 (1977) 10. Frimberger, R.: Einführung in Aerodynamik der Bauwerke im Hinblick auf deren Einfluss auf die Funktion von Heizungs- und Lüftungsanlagen, DVGWSchriftenreihe Nr. 12, S. 7–24 (1975) 11. Hansen, N.: Die Lüftung von Werkshallen, Lüftungstechnik und Klimaanlagen, H. 151. Vulkan, Essen (1967) 12. Hausladen, G.: Wohnungslüftung. Fortschrittsber. VDI-Z. Reihe 6 Nr. 73. VDI-Verlag, Düsseldorf (1980)

Teil 3, Anhang A enthält die Tabellen für das Gesamtjahr und die Einzelmonate. Zur Berechnung des Nutzenergiebedarfs für die Aufbereitung der Zuluft, müssen jeweils die spezifischen Energiekennwerte der Einzelenergien (Wärme, Dampf, Kälte) denormiert werden, indem sie mit dem monatlichen Zuluftvolumen- Weiterführende Literatur Baumgarth, S., Hörner, B., Reeker, J. (Hrsg.): Handbuch strom multipliziert werden (Tab. 38.19).

38.8.6 Endenergie für Ventilatoren

der Klimatechnik Band 1: Grundlagen; VDE Verlag Berlin, Offenbach (2008) Hörner, B., Schmidt, M. (Hrsg.): Handbuch der Klimatechnik Band 2: Anwendungen; VDE Verlag Berlin, Offenbach (2011) Hörner, B., Schmidt, M. (Hrsg.): Handbuch der Klimatechnik Band 3: Aufgaben und Übungen; VDE Verlag Berlin, Offenbach (2012) Schädlich, S. (Hrsg.): Taschenbuch Kälte-Wärme-Klima 2012; VDE Verlag Berlin, Offenbach (2012) Recknagel, H., Sprenger, E., Schramek, E.-R. (Hrsg.): Der Recknagel 2011/2012. Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik, 75. Auflage, Oldenbourg Verlag IKET (Hrsg.): Pohlmann-Taschenbuch der Kältetechnik; VDE Verlag Berlin, Offenbach (2012)

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass im Teil 3 ebenfalls die Berechnung des Endenergiebedarfs für die Luftförderung erfolgt. D.h. hier wird die elektrische Energie ermittelt, die für den Ventilatorantrieb benötigt wird. Unterschieden wird dabei nach Steuerungs- bzw. Regelungsart des Luftvolumenstroms. In Abhängigkeit davon, ob es sich um Anlagen mit zeit- oder nutzungsabhängiger Steuerung des Volumenstroms oder um Anlagen mit kühllastabhängiger Regelung des Normen und Richtlinien Volumenstroms handelt, kommen jeweils unter- DIN EN 1822 (alle Teile): Schwebstofffilter (EPA, HEPA und ULPA) schiedliche Gleichungen zum Ansatz.

38 Klimatechnik DIN 1946-4 Raumlufttechnik – Teil 4: Raumlufttechnische Anlagen im Gebäuden und Räumen des Gesundheitswesens DIN 1946-5 Lüftungstechnische Anlagen (VDI-Lüftungsregeln); Lüftung von Schulen DIN 1946-6 Raumlufttechnik – Teil 6: Lüftung von Wohnungen – Allgemeine Anforderungen, Anforderungen zur Bemessung, Ausführung und Kennzeichnung, Übergabe/Übernahme (Abnahme) und Instandhaltung DIN 1946-7 Raumlufttechnik – Teil 7: Raumlufttechnische Anlagen in Laboratorien DIN 18017 Lüftung von Bädern und Toilettenräumen ohne Außenfenster – Teil 3: Lüftung mit Ventilatoren DIN EN 24185 Durchflussmessung von Flüssigkeiten in geschlossenen Leitungen; Wägeverfahren (ISO 4185:1980); Deutsche Fassung EN 24185:1993 DIN 24184 Typprüfung von Schwebstofffiltern DIN 8957 Teil 1–4 Raumklimageräte DIN 18032 T1 Sporthallen – Hallen und Räume für Sport und Mehrzwecknutzung Grundsätze für die Planung DIN 18379 VOB Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen – Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV) – Raumlufttechnische Anlagen DIN EN 12831:2003-08: Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast; 2003, Beiblatt 1 Heizsysteme in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast – Nationaler Anhang NA, (Berichtigung zu DIN EN 12831 Beiblatt 1:2008-07), 2010-11, Beiblatt 2: Vereinfachtes Verfahren zur Ermittlung der Gebäude-Heizlast und der Wärmeerzeugerleistung, 2012-05 DIN SPEC 13779 Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme – Nationaler Anhang zu DIN EN 13779:2007-09 DIN EN 12599 Lüftung von Gebäuden- Prüf und Messverfahren für die Übergabe eingebauter raumlufttechnischer Anlagen DIN EN 12792 Lüftung von Gebäuden- Symbole, Terminologie und graphische Symbole DIN EN 16798 Teil 3 Energetische Bewertung von Gebäuden-Lüftung von Gebäuden-Teil 3: Lüftung von Nichtwohngebäuden – Leistungsanforderungen an Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsystemen DIN EN 15251 Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik (gilt für Wohn- und Nichtwohngebäude) DIN EN 14240 Lüftung von Gebäuden – KühldeckenPrüfung und Bewertung DIN EN 15239 Lüftung von Gebäuden – Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden – Leitlinien für die Inspektion von Klimaanlagen DIN EN 15240 Lüftung von Gebäuden – Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden – Leitlinien für die Inspektion von Klimaanlagen

825 DIN EN 15251 Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik DIN EN 16211 Lüftung von Gebäuden – Luftvolumenstrommessung in Lüftungssystemen – Verfahren DIN EN 15726 2007-12-01 N-E Lüftung von Gebäuden – Luftverteilung – Messungen im Aufenthaltsbereich von klimatisierten/belüfteten Räumen zur Bewertung der thermischen und akustischen Bedingungen DIN EN ISO 7730 Ergonomie der thermischen Umgebung – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit DIN EN ISO 14644-1 Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche – Teil 1: Klassifizierung der Luftreinheit (ISO 14644-1:1999) DIN EN ISO 14644-2 Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche – Teil 2 DIN EN ISO 14644-5 Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche – Teil 5: Betrieb DIN EN ISO 14644-3 Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche – Teil 3: Prüfverfahren DIN EN ISO 14644-4 Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche – Teil 4: Planung, Ausführung und Erst-Inbetriebnahme DIN EN ISO 14644-6 Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche – Teil 6: Terminologie DIN EN ISO 14644-7 SD-Module DIN EN ISO 14644-8 Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche – Teil 8: Klassifikation luftgetragener molekularer Kontamination DIN SPEC 15240 „Lüftung von Gebäuden – Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden – Energetische Inspektion von Klimaanlagen“ (Entwurf) DIN EN ISO 14644-9 Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche – Teil 9: Klassifizierung der partikulären Oberflächenreinheit DIN EN ISO 14644-10 Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche – Teil 10: Klassifizierung der chemischen Oberflächenreinheit DIN-Fachbericht 128 Klima am Arbeitsplatz und in der Arbeitsumgebung – Grundlagen zur Klimaermittlung DIN V 1899 „Energetische Bewertung von Gebäuden – Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarf für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung VDI 2052 Raumlufttechnische Anlagen für Küchen VDI 2052 Blatt 1 Raumlufttechnische Anlagen für Küchen – Bestimmung der Rückhalteeffizienz von Aerosolabscheidern in Abluftanlagen von Küchen VDI 2078 Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume (VDI Kühllastregeln) VDI 2078 Blatt 1 Berechnung der Kühllast klimatisierter Gebäude bei Raumkühlung über gekühlte Raumumschließungsflächen VDI 2082 Raumlufttechnik – Verkaufsstätten (VDI-Lüftungsregeln)

38

826 VDI 3802 Raumlufttechnische Anlagen für Fertigungsstätten VDI 3802 Blatt 2 E Raumlufttechnische Anlagen für Fertigungsstätten – Absaugung luftfremder Stoffe an materialabtragenden Werkzeugmaschinen VDI 3803 Blatt 1 Raumlufttechnik – Zentrale Raumlufttechnische Anlagen. Bauliche und technische Anforderungen (VDI-Lüftungsregeln) VDI 3804 Raumlufttechnik – Bürogebäude (VDI-Lüftungsregeln) VDI 3805 Blatt 5 Produktdatenaustausch in der TGA – Luftdurchlässe VDI 3805 Blatt 7 Produktdatenaustausch in der TGA – Ventilatoren VDI 3805 Blatt 9 Produktdatenaustausch in der TGA – Modullüftungsgeräte VDI 6022 Blatt 1, Raumlufttechnik, Raumluftqualität, Hygieneanforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte (VDI-Lüftungsregeln), 2011-07 – Blatt 1.1, Prüfung von Raumlufttechnischen Anlagen (VDI-Lüftungsregeln), 2012-08 – Blatt 3, Beurteilung der Raumluftqualität, 2011-07 – Blatt 4, Qualifizierung von Personal für Hygienekontrollen, Hygieneinspektionen und die Beurteilung der Raumluftqualität, 2012-08 – Blatt 4.1, Nachweis der Qualifizierung in Schulungskategorie A und Schulungskategorie B, 2013-01 – Blatt 6, Luftbefeuchtung über dezentrale Geräte – Planung, Bau, Betrieb, Instandhaltung, 2012-05 VDI 6035 Raumlufttechnik – Dezentrale Lüftungsgeräte – Fassadenlüftungsgeräte (VDI- Lüftungsregeln) VDI 6038 E Raumlufttechnik – Raumluftqualität – Beurteilung der Raumluftqualität (VDI-Lüftungsregeln) VDI 2051 Raumlufttechnik in Laboratorien VDI 2052 Raumlufttechnische Anlagen für Küchen VDI 2053 Raumlufttechnische Anlagen für Garagen VDI 2071 Blatt 2 Wärmerückgewinnung in Raumlufttechnischen Anlagen; Wirtschaftlichkeitsberechnung VDI 2083 Blatt 1 Reinraumtechnik – Partikelreinheitsklassen der Luft 2013-01

S. Schädlich VDI 2083 Blatt 3 Reinraumtechnik – Messtechnik in der Reinraumluft VDI 2089 Blatt 1 Technische Gebäudeausrüstung von Schwimmbädern – Hallenbäder VDI 2089 Blatt 2 Technische Gebäudeausrüstung von Schwimmbädern – Effizienter Einsatz von Energie und Wasser in Schwimmbädern VDI 2567 Schallschutz durch Schalldämpfer VDI 3802 Raumlufttechnische Anlagen für Fertigungsstätten VDI 3814 Blatt 1 Gebäudeautomation (GA) – Systemgrundlagen VDI 3814 Blatt 2 Gebäudeautomation (GA) – Gesetze, Verordnungen, Technische Regeln VDI 3814 Blatt 3 Gebäudeautomation (GA) – Hinweise für das Gebäudemanagement – Planung, Betrieb und Instandhaltung VDI 3814 Blatt 4 Gebäudeautomation (GA) – Datenpunktlisten und Funktionen – Beispiele ASR 5 Lüftung ASR 34 1-5 Umkleideräume ASR 35 1-4 Waschräume ASR 37/1 Toilettenräume

Gesetzliche und behördliche Vorschriften EnEV 2014 Energieeinsparverordnung für Gebäude. Verordnung über den energetischen Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden EnEV 2014 Zweite Verordnung zur Änderung der Energieeinsparverordnung, vom 18. November 2013 EU-Richtlinie 2010/31/EU Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden; Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz – EEWärmeG) 2009 Verordnung (EG) Nr. 640/2009 der Kommission zur Durchführung der Richtlinie 2005/32/EG (ErP Elektromotoren)

39

Systeme und Bauteile der Heizungstechnik Christian Hainbach

39.1 Einzelheizung

0,6 Maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK)

0,5

C. Hainbach () Institut für Kälte-, Klima- und Energietechnik GmbH Essen, Deutschland E-Mail: [email protected]

0,4 Vol.-% CO2

Einzelheizgeräte haben zur Wärmeerzeugung entweder einen Feuerraum zur Verbrennung von festen Brennstoffen, Öl oder Gas (Öfen), oder elektrische Heizleiter. Wegen des veränderlichen Wärmebedarfs ist die Wärmeerzeugung bzw. die Heizleistung der Außenwitterung entsprechend zu regulieren. Je nach Konstruktion des Heizgeräts überwiegt die Wärmeabgabe durch Konvektion oder Strahlung. Der Strahlungsanteil macht eine freie Aufstellung im Raum erforderlich. Wegen der Verbrennungsabgabe ist der Anschluss an einen Schornstein oder eine Abgasleitung nötig, was meist zur Innenwandaufstellung zwingt, Abb. 39.1. Geräte, die an einen Wärmeträger angeschlossen sind und bei denen keine Wärmeerzeugung im Raum stattfindet, werden nicht zu den Einzelheizgeräten gerechnet. In größeren Räumen und Hallen treten anstelle der Öfen treten Luftheizgeräte, meist mit Öloder Gasfeuerung. Die Wärmeleistung der Großraumgeräte geht bis zu 1000 kW, wobei im Gerät eingebaute Ventilatoren die Luftumwälzung im Raum sicherstellen, Abb. 39.2. Bei Heizgeräten mit stark injizierenden Weitwurfdüsen wird die Luft bis auf 150 °C an der Düse erwärmt. Die Feuerung hat meist Gebläsebrenner, bei Gas auch atmosphärische Brenner. Anstelle eines großen Geräts werden zur besseren Wärmevertei-

Fugendichter Raum 30 m3, 2 Personen

0,3 0,2

Grenzwert für Büroräume Maximale Raumkonzentration (MaRaK)

0,1 0 0

1

2

3

4

5

Stunden

Abb. 39.1 Schema der Wärmeübertragung im Raum bei Innenwandaufstellung von Öfen. K Konvektion, Str Strahlung

lung und Regelung oft mehrere Geräte in Werkhallen längs der beiden Außenwände in Form von Wandheizgeräten angeordnet. Aus Gründen

1 olf

1 olf ist die Luftverunreinigung, die durch eine Norm-Person (erwachsen, sitzende Büro-Tätigkeit, behagliche Raumtemperatur, Hygiene: 0,7 Bäder je Tag) hervorgerufen wird.

3 olf

Abb. 39.2 Ölbefeuerte Warmlufterzeuger verschiedener Bauart. 1 Abgasrohr, 2 Brennkammer, 3 Warmluft, 4 Ölbrenner. a Mit Axialventilator und waagerechter Flammenachse; b mit Radialventilator und senkrechter Flammenachse; c mit Axialventilator (Außenläufer) und Sturzbrenner

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_39

827

828

des Umweltschutzes werden heutzutage mehrere kleine Schornsteine auf einem Werksgelände nicht mehr zugelassen (TA-Luft). Strom und Gas werden auch in Strahlern, die oben verteilt im Raum angeordnet werden, verwendet. Elektrostrahler bestehen i. Allg. aus einem Strahlschirm mit einer von Isoliermasse umgebenen Heizwendel bei einer Temperatur von ca. 400 °C. Bei Gasstrahlern werden perforierte, keramische Katalytplatten erhitzt, die bei Temperaturen von 800 bis 900 °C in Rotglut geraten. Die Abgase müssen nach draußen abgeführt werden (DIN EN 419).

39.2 Zentralheizung 39.2.1 Systeme Zentralheizungssysteme werden nach dem Wärmeträger als Warmwasser-, Heißwasser-, Niederdruckdampf-, Hochdruckdampf und Luftheizanlage bezeichnet. Allen gemeinsam ist die Zentrale als Ort der Wärmeerzeugung, das Rohrnetz oder Kanalnetz für die Wärmeverteilung und die Heizkörper und Heizflächen im Raum. Lediglich bei der Luftheizung übernimmt der Wärmeträger direkt die Raumerwärmung über Zu- und Abluftgitter im Raum. Heizkörper werden bevorzugt an der Außenwand angeordnet, große Heizflächen im Fußboden oder in der Decke untergebracht, Abb. 39.3. Das Energieeinsparungsgesetz (Heizungsanlagen-Verordnung) schreibt vor, dass Zentralheizungen mit zentralen, selbsttätig wirkenden Einrichtungen zum Verringern bzw. Abschalten der Wärmezufuhr in Abhängigkeit von einer geeigneten Führungsgröße und der Zeit auszustatten sind. Darüber hinaus sind für eine raumweise Temperaturregelung selbsttätig arbeitende Einrichtungen erforderlich. Das häufigste System ist die Warmwasserheizung mit Umwälzung des Heizwassers durch eine Pumpe, wobei die Heizleistung durch Vorgabe des Betriebswerts, z. B. der Vorlauftemperatur am Wärmeerzeuger, zentral der Außenwitterung angepasst wird. Am Heizkörper findet eine zusätzliche Regelung der Wärmeabgabe im Raum durch

C. Hainbach

Abb. 39.3 Schema der Wärmeübertragung bei Außenwand-Aufstellung von Heizkörpern. K Konvektion, Str Strahlung

thermostatische Steuerung des Heizkörperventils statt. In Nichtwohnbauten ist eine Gruppenregelung zulässig. Die Niedertemperaturheizung mit Wassertemperaturen um 50 °C gehört wegen der Verringerung der Wärmeverluste zu den Energiesparsystemen. Darüberhinaus ermöglichen die niedrigen Vorlauftemperaturen den Einsatz der Wärmeerzeugung mit hohem Wirkungsgrad (NT- bzw. Brennwertkessel, Wärmepumpen). Wasserheizungen. Es gibt offene und geschlossene Systeme. Bei der geschlossenen Anlage ist das Ausdehnungsgefäß zugleich Druckgefäß für Wassertemperaturen über 100 °C. Unter Berücksichtigung des statischen Drucks wird in den Sicherheitsvorschriften nach Anlagen mit einer maximalen Heizwassertemperatur bis und über 110 °C unterschieden; die letzteren werden als Heißwasserheizungen bezeichnet. Luftheizung. Sie entspricht im Aufbau den raumlufttechnischen Anlagen (s. Abschn. 38.6). Wärmeerzeugung. Heizkessel werden zur Wärmeerzeugung mit festen Brennstoffen – Öl oder Gas – betrieben; Strom zur zentralen Wärmeerzeugung bleibt auf Blockspeicher oder Wärmepumpen beschränkt. Bei Wohnblocks in einem Siedlungsgebiet oder bei ganzen Stadtteilen, die von einer gemeinsamen Zentrale aus mit Wärme versorgt werden, ist die Bezeichnung Block- oder Fernheizung üblich geworden. Die Zentrale wird wegen ihrer Größe als Heizwerk bezeichnet; bei der Ausnutzung von Abwärme aus Industriebetrieben oder aus Elektrizitätswerken als Heizkraftwerk (s. Abschn. 49.2).

39 Systeme und Bauteile der Heizungstechnik

829

39.2.2 Raum-Heizkörper, -Heizflächen 39.2.2.1 Heizkörper Die meist für die Wasserheizung entwickelten Heizkörper können auch für Dampfheizungen Verwendung finden. Bauformen, zum Teil genormt, sind Radiatoren (Gliederheizkörper), Platten-, Rohrheizkörper, Konvektoren und die heute weniger verwendeten Rippenrohre, Abb. 39.4 und Abb. 39.5. Am häufigsten werden die Heizkörper einseitig an das Rohrnetz mit dem Vorlauf (Warmstrang) oben und dem Rücklauf (Kaltstrang) unten, längere Heizkörper auch wechselseitig angeschlossen. Bei Einrohrheizungen oder bei im Estrich verlegtem Rohrnetz wird auch der untere, einseitige oder wechselseitige und sogar der mittige Anschluss gewählt, Abb. 39.6. Die Wärmeabgabe der Heizkörper muss auf einem anerkannten Prüfstand festgestellt werden; für die genormten Bauformen liegen allgemein gültige Leistungsangaben vor (DIN 4703, DIN 4704). Unter Normbedingungen beträgt der Temperaturabfall im Heizwasser 20 K bei einer Vorlauftemperatur von 90 °C. Bei einer wesentlich größeren Temperaturdifferenz im Heizwasser als 20 K ist anstelle des arithmetischen der logarithmische Mittelwert für die Wärmeübertragung von der Heizfläche an die Raumluft einzusetzen. Metallische Anstriche (Metallbronze) haben geringe Strahlungswärmeabgabe, was eine Leistungsminderung von 10 bis 15 % im Vergleich zum Lackanstrich mit sich bringt. In gleicher

Abb. 39.4 Platten-Heizkörper [1]

Abb. 39.5 Konvektor (Gea-Happel)

Größenordnung liegt die Verminderung der Heizkörperleistung beim unteren Anschluss, sofern der Wasserdurchfluss nicht erheblich erhöht wird. Für die Umrechnung auf andere Heizwasser- und Raumlufttemperaturen gilt das Potenzgesetz für die gesuchte Wärmeleistung (Niedertemperaturheizkörper): q D qn .t=tn /m : Hierin sind: qn Normleistung, tn D 60 K t gesuchte Übertemperatur, m D 1;25 : : : 1;6 je nach Heizkörperbauform; Radiatoren und Plattenheizkörper haben i. Allg. einen Exponenten m D 1;3; Konvektoren bis m D 1;6. Heizkörper werden aus raumgestalterischen Gründen oft verkleidet. Die Verkleidungen können leistungsmindernd in der Größenordnung von 10 bis 15 % wirken, wenn neben der Strahlungswärmeabgabe auch die Luftumwälzung am Heizkörper eingeschränkt wird. Erschwert wird ferner die Zugänglichkeit für die Reinigung. Ebenso bewirkt das Aufstellen von Heizkörpern in Nischen eine Minderung der Wärmeleistung.

Abb. 39.6 Heizkörper-Anschluss. a Gleichseitig; b wechselseitig; c reitend, zweiseitig; d mittig, Vier-Wege-Ventil; e zweiseitig, Reduzierstück; f einseitig, VierWege-Ventil. a–c Zweirohrsystem; d–f Einrohrsystem

39

830

39.2.2.2 Flächenheizung Die Wärmeübertragung übernehmen große Heizflächen, die entweder Teil der Raumflächen oder großflächig im Raum – meist an der Decke – angeordnet sind. Da der Strahlungsanteil in der Wärmeabgabe größer ist als bei Heizkörpern, wird die Flächenheizung auch als Strahlungsheizung bezeichnet. Bei Fußboden-, Deckenoder Wandheizflächen sind die Heizrohre in die Baukonstruktion integriert; aus physiologischen Gründen liegen die Oberflächentemperaturen im Bereich von 25 bis 45 °C (Niedertemperaturheizung). Bei dem Strahlplatten-(Sunstrip-)System für Fabrikhallen, also für hohe Räume, sind in Deckennähe Rohrregister mit Blechlamellen oder doppelwandige Blechplatten aufgehängt, deren mittlere Oberflächentemperatur je nach Raumhöhe bis zu 145 °C beträgt. Die Niedertemperaturheizung kommt der Forderung nach Energieeinsparung entgegen, da für den Einsatz von Wärmepumpen durch die niedrigen Heizwassertemperaturen günstige Betriebsbedingungen (Leistungsziffern) vorliegen. Wegen der im Raum nicht sichtbaren Heizfläche begünstigen raumgestalterische Aspekte die Anwendung der Flächenheizung. Fußbodenheizung. Bei dieser Art werden die Rohre in oder unter dem Estrich verlegt [3]. Je nachdem, ob eine Wärmeabgabe nur nach oben (Bungalow) oder auch nach unten (Geschossbau) erwünscht ist oder zugelassen wird, wird die Dicke der Isolierschicht unter den Rohrschlangen gewählt. Als Rohrmaterial wird Stahl, Kupfer und heute vorwiegend Kunststoff verwendet. Bei Kunststoffrohren tritt je nach Beschaffenheit in unterschiedlichem Maße Sauerstoffdiffusion auf, daher sind Vorkehrungen zum Korrosionsschutz der metallischen Anlagenteile erforderlich (z. B. Anlagentrennung durch Wärmetauscher. Die Rohre haben eine Nennweite von 1=2 bis 3=400 bei einem Rohrabstand von 15 bis 30 cm, je nach erforderlicher Heizleistung, Abb. 39.7. Wegen der Fußberührung soll die max. Fußbodentemperatur 26 °C nicht überschreiten. An wenig begangenen Stellen, z. B. an der Außenwand,

C. Hainbach

Abb. 39.7 Warmwasser-Fußbodenheizung; verschiedene Bauarten [4]. 1 Heizrohr, 2 Estrich, 3 Wärmedämmung, 4 Betondecke, 5 Wärmeverteilungsblech (Folie), 6 Längsrippe

kann sie bis zu 29 °C betragen. Die max. Heizwassertemperatur hängt von der Einbauart der Rohre ab; bei einbetonierten Rohren zwischen 45 und 50 °C, um Risse im Beton zu vermeiden. Die Heizleistung einer Fußbodenheizfläche ist also spezifisch gering, sie liegt zwischen 70 und 105 W=m2 . Dementsprechend muss eine gute Wärmedämmung der Außenflächen vorhanden sein, die heute durch die erhöhten Forderungen an den Wärmeschutz nach dem Energieeinsparungsgesetz im Gegensatz zu früher gegeben ist.

39.2.2.3 Luftheizgeräte Luftheizgeräte mit zentraler Rohr-Wärmeversorgung bestehen aus lamellenbesetzten Wärmeaustauschern und Ventilatoren zur Intensivierung der Luftumwälzung; daher erfolgt die Wärmeabgabe an den Raum fast ausschließlich durch Konvektion. Diese Geräte werden für größere Räume an der Wand oder an der Decke angeordnet (Abb. 39.8), für kleinere Räume auch in Truhenform unter den Fenstern. Zentrale Luftheizanlagen mit Kanalnetz und Luftdurchlässen im Raum werden als Kleinanlage in Einfamilienhäusern eingebaut, zum Teil mit dem Wärmeerzeuger im Raum (Kachelofen-Luftheizung) (Abb. 39.9) [5]. Die allgemeine Ausführung und Ausstattung entspricht den RLT-Anlagen (s. Abschn. 38.6). 39.2.2.4 Luftheizung Luftheizungen gehören zu den raumlufttechnischen Anlagen. Der mit Ventilatoren umgewälzte Luftstrom VPh in m3 =h errechnet sich nach dem Wärmebedarf und der Differenz zwischen Lufttemperatur am Heizgerät und im Raum VPh D

3600 QP h : 1000 % cp .tZ  tR /

(39.1)

39 Systeme und Bauteile der Heizungstechnik

831

Lüftung des Raums dienen und somit ein Teil des Luftstroms aus Außenluft besteht, ist bei der Bemessung des Lufterhitzers neben dem Wärmebedarf noch die Erwärmung der Außenluft auf Raumtemperatur zu berücksichtigen.

39.2.3 Rohrnetz für Warm- und Heißwasserleitungen In der Heizungstechnik ist die Geschwindigkeit der Flüssigkeit häufig noch nicht bekannt, Abb. 39.8 Luftheizgerät (Gea-Happel). 1 Vorlaufstut- wohl aber der Wasserstrom. Bekannt ist auch zen, 2 Trennstege (entfallen bei Dampf), 3 Wasserfüh- der zulässige Druckabfall und der Linienzug des rung im Element, 4 Kaltlufteintritt, 5 Luftansaugstutzen, Rohrstrangs mit der Art und Zahl der Einzel6 evtl. Dampfeintritt, 7 Rippenrohr-Element für Heißwasser, Warmwasser oder Dampf, 8 Wasserrücklaufstutzen widerstände. Gefragt ist der Rohrdurchmesser. oder Dampfkondensatstutzen, 9 Außenläufermotor mit Zur Berechnung wird das Rohrnetz in TeilstreLüfterrad, Aluminium, 10 Luftleitjalousie, 11 aufgewärm- cken aufgeteilt. Die Berechnungsgleichung lässt te Luft, 12 Stahlblechgehäuse sich nicht nach dem Rohrdurchmesser auflösen. Es wird daher eine vorläufige Berechnung mit Schätzwerten durchgeführt, und zwar schätzt man den Anteil der Einzelwiderstände am Druckabfall. Ist dieser Anteil a, so ergibt sich für die gerade Rohrstrecke (s. Bd. 1, Abschn. 17.2)  Rl D .1  a/p D .l=d /  2 =2 %    D  l=d 5 GP 2 =% 8= 2 :

Abb. 39.9 Kachelofen-Mehrzimmerheizung ohne Ventilator. 1 Warmluftkanal, 2 Drosselklappe, 3 Warmluft, 4 Einsatzofen, 5 Heizkammer, 6 Kachelmantel, 7 Kaltluft, 8 Heizrohre

Hierin sind: QP h Wärmebedarf in W, % Dichte der Luft in kg=m3 ; cp spezifische Wärme der Luft in kJ/(kg K); tZ  tR Temperaturdifferenz in K, Z Index für Zuluft, R Index für Raumluft. Die Zulufttemperatur wird bei Aufenthaltsräumen bis 45 °C und bei Industriebetrieben bis 70 °C gewählt. Soweit Luftheizanlagen auch zur

(39.2)

Hierin sind: R Druckgefälle, l Rohrlänge, Rl Druckabfall im geraden Rohr, d Rohrdurchmesser, a geschätzter Anteil der Einzelwiderstände,  Rohrreibungsbeiwert,  Geschwindigkeit, % Dichte der Flüssigkeit, GP Flüssigkeitsstrom. Die endgültige Rechnung als Nachrechnung wird durchgeführt, um die Schätzung des Druckabfalls der Einzelwiderstände zu korrigieren und die Änderung des Druckabfalls durch den genormten, anstelle des errechneten Durchmessers zu erfassen. Das Verfahren mit dem geschätzten Anteil der Einzelwiderstände ist bei Fernleitungen gut brauchbar, da deren Anteil nur 10 bis 20 % beträgt. Sie liefert auch für HausHeiznetze noch brauchbare Werte bis zu dem i. Allg. vorliegenden Anteil der Einzelwiderstände von etwa 33 %. Bei Rohrnetzen, die einen hohen Anteil an Einzelwiderständen haben, wie in Kessel- und Verteilungszentralen und bei Luft-

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leitungen, ist das Verfahren nicht brauchbar. In diesem Fall wird nicht der Anteil der Einzelwiderstände geschätzt, sondern die Strömungsgeschwindigkeit. Es kann dann erforderlich werden, das Rohrnetz mit zwei oder drei Geschwindigkeitswerten durchzurechnen, um eine ausreichende Übereinstimmung mit dem angestrebten Druckabfall zu erreichen. Zur einfacheren Handhabung sind die Gleichungen in Netztafeln und Tabellen dargestellt, in denen, ausgehend vom Wasserstrom oder der Geschwindigkeit und dem zur Verfügung stehenden Druckgefälle, der gesuchte Rohrdurchmesser abgelesen werden kann. Diese Art der Rohrnetzberechnung wurde eingeführt, als die Heizungsanlagen noch vorwiegend eine Wasserumwälzung im Schwerkraftbetrieb hatten und der zulässige Druckabfall durch den Gewichtsunterschied der erwärmten und abgekühlten Wassersäule gegeben war. Bei den üblichen max. Heizwassertemperaturen im Vorlauf von 90 °C und im Rücklauf von 70 °C ergibt der Unterschied der spezifischen Gewichte ein Druckgefälle von 1,25 mbar bei einem 4- bis 5geschossigen Haus, also einen zulässigen Druckabfall von 15 bis 20 mbar. Bei der heute allgemein nur noch ausgeführten Pumpenheizung ist der von der Pumpe erzeugte Druck maßgebend. Der Schwerkraftwirkung kommt eine untergeordnete Bedeutung zu, sie darf aber bei hohen Häusern, insbesondere bei größerer Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf wegen der unterschiedlichen Wirkung nicht außer acht gelassen werden. Bei niedrigen Heizwassertemperaturen, also in der Übergangszeit, ist die Wirkung vernachlässigbar, bei hohen Heizwassertemperaturen an kalten Tagen steht aber in den oberen Geschossen ein beträchtlicher zusätzlicher Druck am Heizkörperventil an [2]. Bei der heutigen Art der Rohrnetzausführung für Hausheizungen wird ein verhältnismäßig großer Druckabfall im Heizkörperventil vorgegeben, um die Heizwasserverteilung gut einregulieren zu können. Die Tendenz zu hohem Druckabfall in den Heizkörperventilen wird durch den Einbau von Thermostatventilen gefördert, da durch diese Ventile die Durchflussmenge im Heizkörper auf sehr kleine Werte gedrosselt werden kann.

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39.2.3.1 Wasserrohrnetz Wird für das Heizwasser der Vorlauf-(Zulauf-) und der Rücklauf-(Ablauf-)Rohrstrang getrennt geführt, wird es als Zweirohrsystem und im Falle nur eines gemeinsamen Rohrzugs für Vor- und Rücklauf als Einrohrsystem bezeichnet. In den heutigen Rohrnetzen wird die Wasserförderung von Pumpen übernommen; der früher übliche Umlauf des Heizwassers nur durch Schwerkraftwirkung scheidet bei Neuanlagen aus. Wegen der Wasserausdehnung beim Erwärmen gehört zum Rohrnetz ein Ausdehnungsgefäß, das bei einer offenen Anlage oben am höchsten Punkt des Rohrnetzes und bei einer geschlossenen Anlage als Druckgefäß unten oder oben angeordnet werden kann. Die geschlossene Anlage wird bevorzugt und fast ausschließlich gebaut, da der Sauerstoffzutritt in die Anlage weitgehend verhindert und damit die Korrosionsgefahr erheblich eingeschränkt wird, Abb. 39.10. Auch bei einer offenen Anlage sollte aus Korrosionsgründen eine Wasserzirkulation im Ausdehnungsgefäß unterbunden werden [6]. Es bestehen sowohl für die offene als auch für die geschlossene Anlage Vorschriften über sicherheitstechnische Einrichtungen, die nach Warmwasseranlagen bis zu einer max. Temperatur bis 110 °C (DIN 4751, Teile 1– 4) und Heißwasseranlagen über 110 °C unterteilt sind, Abb. 39.11. Aus betrieblichen und wirtschaftlichen Gründen wird bei größeren oder unterschiedlich ge-

Abb. 39.10 Einrohr-Anlage mit geschlossenem Ausdehnungsgefäß. 1 Kessel, 2 Pumpe, 3 Lufttopf, 4 Sicherheitsventil, 5 Ausdehnungsgefäß

39 Systeme und Bauteile der Heizungstechnik

Abb. 39.11 Sicherheitseinrichtungen für geschlossene Anlagen mit einer Heizwassertemperatur bis 110 °C. 1 Ausdehnungsgefäß, 2 Sicherheitsventil, 3 Sicherheitsthermostat, 4 Regelthermostat, 5 Thermometer, 6 Entlüftungsventil, 7 Manometer

nutzten Anlagen das Rohrnetz in Heizgruppen unterteilt, um eine bessere Anpassung an die jeweilige Belastung durch unterschiedliche Heizwassertemperaturen zu erreichen.

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Abb. 39.13 Vierwege-Ventil für Einrohrheizung (Oventrop)

fung der Heizwassertemperatur vom ersten bis zum letzten Heizkörper des jeweiligen Rings; bei gleicher Wärmeleistung erhalten also die Heizflächen verschiedene Größen. Je nachdem, ob das gesamte Wasser den Heizkörper durchfließt oder ein Teilstrom in einer Kurzschlussstrecke am Heizkörper vorbeifließt und sich vor dem nächsten Heizkörper wieder mischt, erhält man unterschiedliche Auslegungs- und Betriebsbedingungen. Die letztere Ausführungsart ist zu empfehlen, da die Heizkörper ohne große Beeinflussung untereinander an- und abgestellt werden können. Anstelle der üblichen Heizkörperventile treten dann Drei- oder Vierwegeventile, Abb. 39.13.

39.2.3.2 Verlegungsart Das Rohrnetz besteht aus den horizontalen Verteil- und Sammelleitungen und den senkrechten Strängen. Bei Einrohrsystemen ist nach waagerechter oder senkrechter Einrohrheizung zu unterscheiden. Die waagerechte Einrohrheizung hat an Steigestränge angeschlossene Verteilringe in jedem 39.2.4 Armaturen Geschoss, Abb. 39.12. Während bei der Zweirohranlage jeder Heizkörper die gleiche mittlere Heizwassertemperatur Zu Konstruktion und Anwendung von Ventihat, ergibt sich beim Einrohrsystem eine Abstu- len, Schiebern, Hähnen und Klappen wird auf Abschn. 35.9 verwiesen. Für Heizkörper sind besondere Ventile entwickelt worden, bei denen die Wasserverteilung im Netz durch einen festen einzustellenden Drosselquerschnitt (Voreinstellung) einreguliert werden kann, Abb. 39.14. Bei hochwertigen Ventilen geschieht dies anhand der Ventilkennli-

Abb. 39.12 Waagerechte Einrohrheizung im mehrgeschossigen Bau mit geschossweiser Regelung

Abb. 39.14 Heizkörper-Ventil (Gampper-Armaturen). 1 Handradschraube, 2 Handrad, 3 Spindelabdichtung, 4 Oberteil, 5 Tüllenmutter, 6 Tülle

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nungskörper erreicht. Düsenableiter haben ebenso wie Labyrinthableiter einen geringfügigen Dampfverlust. In der einfachsten Form können auch Wasserschleifen, deren Höhe dem Überdruck entspricht, Verwendung finden.

39.2.5 Umwälzpumpen

Abb. 39.15 Heizkörper-Ventil-Kennlinien (Gampper-Armaturen)

Die Leistung der Pumpe, d. h. die Förderhöhe und die Fördermenge, ergibt sich aus der Rohrnetzberechnung (s. Bd. 1, Abschn. 17.2). Der Einbau der Pumpe kann im Vorlauf oder im Rücklauf erfolgen. Je nach Abschluss des Ausdehnungsgefäßes (offene Anlage) oder Druckgefäßes (geschlossene Anlage) auf der Druck- oder Saugseite der Pumpe liegt der Betriebsdruck unter oder über dem der Ruhedrucklinie, Abb. 39.16. Vermieden werden muss Unterdruck zum atmosphärischen Druck an den obersten Heizkörpern, damit keine Luft am Heizkörperventil oder Entlüftungsventil eindringt und zu Luftansammlung im Heizkörper führt. Die Anordnung der Pumpe im Vorlauf wird wegen des günstigeren Druckverlaufs aber auch wegen der umfassenderen Regelmöglichkeit bei der Bildung von Heizgruppen bevorzugt. Als Pumpen werden ausschließlich Kreiselpumpen verwendet, die durch Elektromotore, meist direkt gekuppelt, angetrieben werden (s. Kap. 8). Entsprechend den geforderten Leistungsdaten wird die Pumpe nach der Pumpenkennlinie so ausgewählt, dass der Betriebspunkt – das ist der Schnittpunkt der Pumpenkennlinie – mit der Rohrnetzkennlinie in einem günstigen Wirkungsgrad- und Regulierbereich liegt. Die umlaufende Wassermenge ändert sich mit der Belastung der Anlage nur geringfügig, Abb. 39.17. Bei größeren Wassermengen wird die Umwäl-

nie Abb. 39.15. Das ist besonders notwendig bei Heizsystemen mit großer Temperaturspreizung,z. B. Vorlauftemperatur 100 °C, Rücklauftemperatur 50 °C, in hohen Häusern, wegen den nicht zu vernachlässigenden unterschiedlichen Einflüssen der Auftriebswirkung. Die Feinregulierventile müssen einen hohen Druckabfall von 50 bis 100 mbar haben, um die Schwerkraftwirkung auf die Wasserumwälzung weitgehend zu unterbinden. Bei Drosselung der Ventilquerschnitte und hohem Druckabfall ist auf die mögliche Geräuschentstehung zu achten. Zur Einzelraumregelung werden Heizkörperventile als Thermostatventile mit einem über Ausdehnungskörper direkt wirkenden Regler kombiniert. Zur Einregulierung der Wasserverteilung sind dabei Rücklaufverschraubungen mit Drosselquerschnitt am Heizkörper für die Voreinstellung, also eine Trennung von Regelventil und Regulierquerschnitt zweckmäßig. Zur gruppenweisen Drosselung werden Ventile mit profiliertem Kegel und definiertem Regelverhalten verwendet. Drosselklappen finden nur gelegentlich Verwendung. Ist bei Rückflussverhinderung kein dichter Abschluss erforderlich, werden Rückschlagklappen oder Rückschlagventile eingesetzt. Zu Kompensatoren zur Aufnahme der Rohrausdehnung wird auf Abschn. 35.8.5 verwiesen. Kondensatableiter in der häufigsten Bauform als Kondenstopf bezeichnet, sollen das Kondensat drucklos an die Kondensatleitung übergeben. Dabei muss verhindert werden, dass Dampf in die Kondensatleitung übertritt. Der zeitweilige Abb. 39.16 Druckverlauf in geschlossener HeizungsanVerschluss wird durch Schwimmer oder Ausdeh- lage. 1 Pumpe, 2 Membrane, 3 Ausdehnungsgefäß

39 Systeme und Bauteile der Heizungstechnik

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schallgedämmte Befestigung oder Aufstellung der Pumpen notwendig macht. Weiterhin muss, um Kavitationserscheinungen zu vermeiden, ausreichender Zulaufdruck im System vorhanden sein. Im Bereich der Heizungsanlagen liegt der notwendige Förderdruck bei 0,3 bar für eine Heizleistung von 50 bis 1000 kW, wobei die horizontale Ausdehnung des Rohrnetzes etwa 200 bis 1000 m beträgt. Häufig können dafür Rohrpumpen verwendet werden, deren Leistungsbereich bis zu etwa 75 m3 =h Fördermenge und 1,3 bar Förderhöhe verläuft, Abb. 39.18.

Abb. 39.17 Betriebspunkt einer Pumpen-Heizungsanlage mit zwei Drehzahlstufen (Grundfoss). 1 Rohrnetzkennlinie, 2 max. Drehzahl, nmax , 3 min. Drehzahl, nmin , 4 max. Stufe, 5 min. Stufe

zung auf mehrere Pumpen verteilt, die im Parallelbetrieb arbeiten; es wird dem Leistungsbedarf entsprechend auch nach Tag- und Nachtpumpen unterschieden. Zur Energieeinsparung werden auch Pumpen kleiner Leistung bereits mit Drehzahlregelung eingesetzt. Meist werden zur Erhöhung der Betriebssicherheit Reservepumpen vorgesehen, so auch Zwillings- oder Doppelpumpen. Zu achten ist auf die mögliche Geräuschübertragung im Gebäude, die eine gute körper-

Abb. 39.18 Bauform und unterschiedliche Förderkennlinien für eine Rohrpumpe (Wilo-Werk)

39.2.6 Wärmeerzeugung 39.2.6.1 Heizkessel Die Kessel in der Heizungstechnik sind Gussoder Stahlkessel, die in der gleichen Grundkonstruktion – bis auf einige Zusatzteile – als Wasser- und Dampfkessel verwendet werden. Der Feuerraum muss der Art des Brennstoffs und der Flammbildung entsprechend ausgebildet sein, um einen wirtschaftlichen Feuerwirkungsgrad zu erreichen (EnEV Energieeinsparverordnung). Öl und Gas werden mit vorgesetzten Gebläsebrennern aus Düsen verbrannt oder in eingebauten atmosphärischen Brennern (s. Kap. 51). Seit dem Anstieg der Energiepreise in den 70er Jahren findet eine Entwicklung der Kesselkonstruktionen mit höheren Wirkungsgraden im Teillastbetrieb statt, Abb. 39.19. Dies geschieht hauptsächlich durch Herabsetzen der Abgastemperaturen – bei Niedertemperaturkesseln bis oberhalb des Taupunkts von Wasserdampf (50 bis 60 °C bei Stadt- und Erdgas, 40 bis 50 °C bei Heizöl), bei Brennwertkesseln (überwiegend bei Gas) unter den Taupunkt –, wobei die durch Wasserdampfkondensation im Abgas frei werdende Wärme zusätzlich rückgewonnen wird. Zum Vermeiden von Korrosionen im Feuerraum sind durch Wahl des Materials, der Konstruktion oder durch innere Auskleidung Kessel – auch kleiner Leistung – für niedrige Heizwasser- und Abgastemperaturen entwickelt worden; so bei Niedertemperaturkesseln die Konstruktionen mit Trockenkammer oder mit mehrschaligen Heizflächen, Zweikreiskessel oder Kessel mit Beschich-

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Abb. 39.19 Nutzungsgrade verschiedener Heizkesselkonstruktionen. 1 alter Heizkessel nach DIN 4702 (1967) bei K D 84 %, Kesselwassertemperatur konstant ca. 80 °C, Feuerung ein-aus, 2 neuer Heizkessel nach DIN 4702 (1988) bei K D 92 %, Kesselwassertemperatur konstant ca. 80 °C, Feuerung ein-aus, 3 neuer Niedertemperaturheizkessel, K D 92%, Kesselwassertemperatur als Funktion der Außentemperatur, Feuerung ein-aus, 4 neuer Niedertemperaturheizkessel, K D 92 %, Kesselwassertemperatur als Funktion der Außentemperatur, Feuerung modulierend, 5 neuer Brennwertheizkessel K D 99 %, Kesselwassertemperatur als Funktion der Außentemperatur, Feuerung modulierend, Heizsystem der Brennwerttechnik voll angepasst

tung [7] sowie bei Brennwertkesseln Kondensationskessel (ganz oder teilweise aus Edelstahl) oder Kessel mit nachgeschaltetem Rekuperator, Gusskessel mit großer Wärmetauscherfläche und modulierendem Brenner oder Kessel mit geringem Luftüberschuß, die nach dem Pulsationsprinzip arbeiten, Abb. 39.20 [8]. Die SO2 -Emission wird weitgehend vom Brennstoff her bestimmt und deshalb werden hier die primären Maßnahmen bereits bei dem Aufbereiten des Brennstoffs vorgenommen. Die wichtigsten feuerungstechnischen Maßnahmen zum Verringern der Stickoxid-(NOx -)Bildung sind: Verbrennung mit günstiger Luftzahl, zwei- oder mehrstufiger Brennerbetrieb, Herabsetzen der Verbrennungstemperaturen durch Flammenkühlung, Verkürzen der Verweilzeiten bei hohen Temperaturen, Senken der Lufttemperatur und der Brennerraumbelastung, Abgaszirkulation. Die Grenzwerte für NOx -Emissionen liegen nach TA-Luft für Heizöl bei 250 mg=kWh und für Gas bei 200 mg=kWh. Es wurden Bren-

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Abb. 39.20 Schema des Brennwertkessels (Veritherm). 1 Brennkammer, 2 Vorlaufanschluss, 3 Rücklaufanschluss, 4 Wärmetauscher aus Stahl, 5 Temperaturzone ca. 60 °C, 6 Vorwärmer für die Brennerluft, 7 Brennerluft – vorgewärmt, 8 Wärmetauscher aus Kunststoff, 9 Temperaturzone ca. 35 °C, 10 Bodenwanne, 11 Katalysatorschublade, 12 Abflussanschluss, 13 Sauggebläse, 14 Abgasleitung, 15 Kesselsteuerung, 16 Brenner, 17 Wärmedämmung

nersysteme entwickelt, bei denen mit passenden Brennerräumen die spezifischen Emissionen unter den vorgeschriebenen Werten liegen, ohne Erhöhung der CO-Emissionen. So weisen bei Heizöl die Verdampfungs-, Öldruckzerstäuber- und Ölbrenner (Farbe der Flamme gelb) 200 mg=kWh, Ölbrenner und Druckluftbrenner (Farbe der Flamme blau) 150 mg=kWh auf. Bei konventionellen Gasbrennern ohne Gebläse liegen die spezifischen Emissionen teilweise oberhalb des Grenzwerts, Gasbrenner ohne Gebläse mit NOx -reduzierender Flammenkühlung emittieren 160 mg/kWh und Gebläsebrenner 110 mg=kWh. Die NOx -mindernden Technologien sind gegenwärtig noch in einer intensiven Entwicklung begriffen. Hier sind jeweils Maßnahmen nach dem Stand der Technik gefordert [1]. Gusskessel. Er war lange Zeit wegen seiner Korrosionsbeständigkeit und wegen des großen Anteils der Koksfeuerung vorherrschend, zumal in der Gliederbauweise eine individuelle Leistungsanpassung und gute Reparaturmöglichkeit gegeben ist. Kleinkessel haben Leistungen bis zu 60 kW, Mittelkessel bis 200 kW und Großkessel bis zu 700 kW.

39 Systeme und Bauteile der Heizungstechnik

Stahlkessel. Sie gibt es für den gesamten Leistungsbereich in zahlreichen Fabrikaten, angefangen beim Kleinkessel für eine Wohnung bis zu Einheiten mit einer Leistung von 3500 kW. Brennstoff. Die Brennstoffarten (s. Kap. 48), die in Kesselanlagen eingesetzt werden dürfen, sind durch die Immissionsschutzbestimmungen festgelegt. Aus Gründen der Wartung, Bedienung und des Umweltschutzes werden Öl- und Gaskessel den festen Brennstoffen vorgezogen. Die gestiegenen Brennstoffpreise der 70er und frühen 80er Jahre sowie die Energieknappheit führten aber zur Weiterentwicklung und zu vermehrtem Einsatz der Konzeptionen mit festen Brennstoffen. In der Folge erreichten mechanisch beschickte Feuerungsanlagen einen hohen Automatisierungsgrad und Sicherheitsstandard. Die Umstellbarkeit eines Öl- oder Gaskessels auf feste Brennstoffe wurde wieder ins Gespräch gebracht. Neue Forderungen des Umweltschutzes, die komplexe Anlagentechnik, die hohen Kosten für Wartung und Bedienung sowie die Preisverhältnisse bei den Brennstoffen schränken zzt. die weitere Entwicklung und den Einsatz von Kesseln mit festen Brennstoffen auf spezielle Bereiche (Großanlagen) ein. Kombikessel. Ein- und Mehrfamilienhäuser, etwa bis zu einer Kesselleistung von 100 kW, haben oft einen gemeinsamen Kessel (Kombikessel) für die Heizung und Warmwasserbereitung, der entweder mit einem Durchlauferhitzer oder mit einem Speicher für die Warmwassererzeugung ausgestattet ist. Zur besseren Leistungsanpassung gibt es für die Warmwasserbereitung Vorrangschaltungen und Speicherladepumpen, um einen günstigeren Wirkungsgrad zu erreichen. Elektrokessel. Sie sind fast ausschließlich Speicherkessel. Eine direkte Heizung des Kessels mit Tauch-Heizkörpern bleibt auf sehr kleine Anlagen beschränkt. Als Speichermaterial werden Wasser und andere Medien, aber auch Feststoffe verwendet, um die Niedertarifzeiten für den Strombezug auszunutzen; feste Stoffe sind Gusseisen und Magnesit in Blockspeicherkesseln.

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39.2.6.2 Fernheizung An die Stelle der Heizzentrale tritt bei einer Fernwärmeversorgung durch einen Fremdlieferer, z. B. durch Heizkraft- oder Heizwerke der Städtischen Energieversorgung, die Übergabestation und die Hausstation. Zu den allgemeinen Vorteilen der Fernheizung für den Abnehmer gehört der wesentlich geringere Platzbedarf der beiden Stationen. Für die Übergabestation wird eine Wandlänge von etwa 4 bis 5 m benötigt. Die Ausführung der Übergabe- und Hausstation richtet sich nach dem Wärmeträger und nach der Art des Fernheiznetzes.

39.2.7 Heizzentrale Unter Heizzentralen werden sowohl die Räumlichkeiten als auch die technischen Einrichtungen für die Wärmeerzeugung, Wärmeverteilung, Wasserumwälzung und Brennstofflagerung verstanden. Bei Kleinanlagen ergibt sich lediglich ein Heizraum für den Kessel mit daneben liegendem Lagerraum für feste Brennstoffe, für die Aufnahme des Ölbehälters oder der Gasanschlussstation. Mittlere und größere Anlagen mit mehreren Kesseln haben zumeist Heizgruppen, somit zusätzlich eine Verteilstation für Pumpen und Rohrverteiler, Abb. 39.21. Heizzentralen sind in Kellerräumen untergebracht, wobei die Schornsteinanordnung für die örtliche Lage maßgebend ist. Bei Gas-, weniger bei Ölfeuerung, werden auch Dachzentralen errichtet, wenn bauliche Belange oder wirtschaftliche Gesichtspunkte dafür sprechen. Große Heizzentralen erhalten ein eigenes Gebäude oder sind in einer allgemeinen Energieversorgungszentrale untergebracht, z. B. bei einer Blockheizung für einen Gebäudekomplex, bei einer Fernheizung für eine Siedlung oder eine Fabrik. Kesselräume und Lager für flüssige und gasförmige Brennstoffe unterliegen in ihrer Anordnung und Ausführung einer Reihe baulicher und sicherheitstechnischer Vorschriften und Verordnungen. Bei Kleinanlagen unter 30 kW, bei denen der Heizkessel auch in Küche, Bad oder Nebenräumen untergebracht werden kann, entfallen die Vorschriften für Heizräume.

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Abb. 39.21 Heizzentrale für Ölfeuerung mit einer Leistung von 3500 kW. 1 Kessel, 1 a Kessel, 2 Schornstein, 3 Abluft, 4 Zuluft, 5 Notausstieg, 6 Verteiler- u. Pumpenraum, 7 Schalttafel, 8 Montageöffnung, 9 Heizölbren-

ner, 10 Heizöltagsbehälter, 11 Öltanks, 12 Heizölpumpe, 13 Tisch für Heizer bzw. Heizerraum, 14 Schlammgrube bzw. Entwässerung, 15 Werkraum

Zur Vermeidung von Geräuschübertragungen (Brenner-, Flammen-, Pumpengeräusch) sind gegebenenfalls Vorkehrungen zur Schalldämmung, wie die Aufstellung der Kessel auf Schalldämmbügel, Schalldämmhauben für Brenner, Abgasschalldämpfer vor dem Schornsteinanschluss u. ä. zu treffen. Ölbehälter als Batteriebehälter nach DIN 6620 bis zu einem Gesamtinhalt von 5000 l können im Heizraum aufgestellt werden. Kunststoffbe-

hälter werden wegen des Korrosionsschutzes bevorzugt. Unterirdisch verlegte Behälter müssen entweder doppelwandig sein oder als einwandige Behälter eine Innenblase erhalten. Der Zwischenraum wird über Leckanzeiger kontrolliert. Vom Ölstand gesteuerte Grenzwertgeber unterbrechen den Füllvorgang, um eine Überfüllung und Ölverschmutzung zu unterbinden, Abb. 39.22.

39.2.8 Wärmeverbrauchsermittlung Die Wärmezählung (DIN 4713) erfolgt bei Großabnehmern über die laufende Messung und Zählung der umlaufenden Wassermenge und der zugehörigen Temperaturdifferenz zwischen Vorund Rücklauf. Kleinwärmezähler für Einzelwohnungen kommen durch den Drang zur Energieeinsparung vermehrt in Gebrauch. Voraussetzung für Abb. 39.22 Unterirdischer Lagerbehälter für Öl mit An- ihren Einsatz ist ein darauf abgestelltes, wohschlussleitungen. 1 Ölstandsanzeiger, 2 Entlüftungslei- nungseigenes Rohrnetz, Abb. 39.23. tung, 3 Füllrohr, 4 Leckanzeigegerät, 5 Grenzwertgeber, Zur Wärmeverbrauchserfassung sind noch 6 Peilstab, 7 Alarmgeber, 8 Entlüftung des Doppelmantels, 9 Kontroll-Flüssigkeit, 10 Fußventil, 11 Ölfilter, Heizkostenverteiler, die an den Heizkörpern an12 Ölzuleitung, 13 Ölrückleitung gebracht sind, zugelassen, nach deren Anzeige

39 Systeme und Bauteile der Heizungstechnik

Abb. 39.23 Wärmeverbrauchsmessung mit Kleinwärmezähler für eine Wohnung (Spanner-Pollux). WZ Wärmezähler, R Ringleitung

der Gesamtwärmeverbrauch einer Anlage aufgeschlüsselt werden kann [9]. Beim Heizkostenverteiler nach dem Verdunstungsprinzip wird der Wärmeverbrauch eines Heizkörpers an der in der Heizperiode verdunsteten Flüssigkeitsmenge eines Messröhrchens abgelesen, Abb. 39.24. Maßgebend für die Verdunstung ist die Oberflächentemperatur des Heizkörpers. Beim Heizkostenverteiler mit elektrischer Messgrößenerfassung wird die Oberflächentemperatur des Heizkörpers bzw. die Differenz zwischen Heizkörper- und Raumtemperatur mit Thermoelementen oder Halbleitern zur Ermittlung des Wärmeverbrauchs des Heizkörpers erfasst. Es lässt sich eine Addition der Anzeigen an

Abb. 39.24 Heizkosten-Verteiler auf Verdunstungsbasis (Techem). 1 Anschlag des Messröhrchens, 2 Wärmeleiter aus Silumin, 3 Glasröhrchen mit Spezialflüssigkeit, 4 Glasscheibe, 5 Federklemme, 6 Skala, 7 Isolierender Rückteil aus Pressstoff, 8 Druckfeder, 9 Klemme mit Plombenverschluss

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Abb. 39.25 Anordnung und Verbrauchszählung mit Heizkosten-Verteiler auf elektronischer Basis. 1 Innenwand, 2 Messelektronik, 3 Vergleichsfühler, 4 Zentrale, 5 Heizkörperfühler, 6 Transmissionsfühler

den einzelnen Heizkörpern über einen Gesamtzähler für jede Wohnung herbeiführen, denkbar ist aber auch eine Einzelzählung des Wärmeverbrauchs an jedem Heizkörper, Abb. 39.25 [10].

Literatur Spezielle Literatur 1. Marx, E.: Wirtschaftliche Betriebsweise von ÖlGasbrennern in größeren Leistungsbereichen unter Berücksichtigung der Entlastung der Umwelt durch Emissionen. Heiz. J. 2, 26–35 (1988) 2. Kopp, W.: Regelung des Heizwasserdurchsatzes in Gebäude-Heizungsanlagen bei Fernwärmeversorgung. Heizung - Lüftung - Haustechnik 22, 42–47 (1971) 3. Schmidt, P.: Fußbodenheizsysteme. Gesundh. Ing. 1/2, 7–11 u. 74–78 (1985) 4. Müller, F.: Der Montagestand der Solartechnik. Klima Ing. 5, 199–203 (1985) 5. Zentralverband Sanitär Heizung Klima (ZVSHK): Richtlinien für den Kachelofenbau. St. Augustin (1984) 6. Zentralverband Heizungskomponenten e. V. (ZVH): Richtlinie 12.02 für Membrandruckausdehnungsgefäße. Ennepetal-Voerde (1986) 7. Mann, W.: Niedertemperaturstahlheizkessel. Wärmetech. 5, 216–221 (1988) 8. Jannemann, T.: Entwicklungsstand der Brennwerttechnik. Heiz. Lüft. Haustech. 10, 501–506 (1985) 9. Kreuzberg, J.: Die neue Heizkostenverordnung und ihr Zusammenhang mit weiteren Folgerungen aus der Energie-Sparpolitik. Heiz. Lüft. Haustech. 7, 307– 316 (1984) 10. Goettling, D., Kuppler, F.: Heizkostenverteilung. Technische Grundlagen und praktische Anwendung. KWK43. Müller, Karlsruhe (1981)

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Weiterführende Literatur Hönmann, W. (Hrsg.): Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, 65. Aufl. Oldenbourg, München 1990/91 Kollmar, A., Liese, W.: Die Strahlungsheizung, 4. Aufl. Oldenbourg, München (1957)

Normen und Richtlinien DIN 2403: Kennzeichnung von Rohrleitungen nach dem Durchflussstoff: 2018-10 DIN 2404: Kennfarben für Heizungsrohrleitungen : 1942-12 DIN 2428: Rohrleitungszeichnungen – Vordrucke für isometrische Darstellung : 1968-12 DIN 3018: Ölstandsanzeiger : 1984-05 DIN 3258-1: Flammenüberwachung an Gasverbrauchseinrichtungen; Zündsicherungen: 1971-02 DIN 3320-1: Sicherheitsventile; Sicherheitsabsperrventile; Begriffe; Größenbemessung; Kennzeichnung: 1984-09 DIN 3334/35/36: Heizungsmischer mit Flanschanschluß; ND 6 max. 110°C; Dreiwegemischer; Vierwegemischer, Baumaße: 1968-10 DIN EN 613: Konvektions-Raumheizer für gasförmige Brennstoffe; Deutsche Fassung EN 613:2000: 2001-06 DIN 3368-2: Gasgeräte; Umlauf-Wasserheizer; KombiWasserheizer; Anforderungen; Prüfung: 1989-03 DIN EN 419-1: Hellstrahler mit einem Brenner ohne Gebläse für gewerbliche und industrielle Anwendung Teil 1: Sicherheit; Deutsche Fassung EN 419-1-2009: 2009-07 DIN EN 419-2: Hellstrahler mit Brenner ohne Gebläse für gewerbliche und industrielle Anwendung - Teil 2: Rationelle Energienutzung; Deutsche Fassung EN 419-2:2006: 2006-12 DIN 3394-1: Automatische Stellgräte Teil 1: Stellgeräte zum Sichern, Abblasen und Regeln für Drücke über 4 bar bis 16 bar: 2004-05 DIN 3440: Temperatur-Regel- und -Begrenzungseinrichtungen für Wärmeerzeugungsanlagen; Sicherheitstechnische Anforderungen und Prüfung. 1994-06 DIN 3841-1: Heizungsarmaturen; Heizkörperventile PN 10; Maße; Werkstoffe; Ausführung: 1990-05 DIN 3842: Heizungsarmaturen- Heizkörper- Verschraubungen PN 10 – Maße; Werkstoffe; Ausführung: 2017-10 Aktuell DIN 4140: Dämmarbeiten an betriebstechnischen Anlagen in der Industrie und in der technischen Gebäudeausrüstung – Ausführung von Wärme- und Kältedämmerung: 2014-04 Aktuell DIN 4703-1: Raumheizkörper –Teil 1: Maße von Gliedheizkörpern: 1999-12 DIN 4704 Teil 2–4: Prüfung von Raumheizkörpern; Prüfregeln DIN 4713 Teil 1–4: Verbrauchsabhängige Wärmekostenberechnung; Allgemeines; Begriffe; Teil 5: Betriebskostenverteilung und Abrechnung. 1980-12

C. Hainbach DIN 4731: Ölheizeinsätze mit Verdampfungsbrennern; Anforderungen; Prüfung und Kennzeichnung: 1989-07 DIN 4737 Teil 1, 2: Ölregler für Verdampfungsbrenner; Sicherheitstechnische Anforderungen u. Prüfung: 2002-08 DIN 4754: Wärmeübertragungsanlagen mit organischen Flüssigkeiten; Sicherheitstechnische Anforderungen und Prüfung: 2015-03 Aktuell DIN 4755: Ölfeuerungsanlagen – Technische Regel Ölfeuerungsinstallation (TRÖ) Prüfung: 2004-11 Aktuell DIN EN 226: Ölzerstäubungsbrenner; Anschlussmaße zw. Brenner und Wärmeerzeuger; Deutsche Fassung EN 226: (1987): 1988-06 DIN 4809-1: Kompensatoren aus elastomeren Verbundwerkstoffen (Gummikompensatoren) für Wasser-Heizungsanlagen, für eine maximale Betriebstemperatur von 100°C und einen zulässigen Betriebsüberdruck von 10 bar; Anforderungen und Prüfung: 1986-11 DIN 6625-1:Eckige Behälter aus Stahl für die oberirdische Lagerung von Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt von mehr als 55°C – Teil1: Bau- und Prüfgrundsätze: 2013-06 Aktuell DIN 8905-1: Rohre für Kälteanlagen mit hermetischen und halbhermetischen Verdichtern; Außendurchmesser bis 54 mm; Technische Lieferbedingungen, 1983-10 DIN 8960: Kältemittel – Anforderungen und Kurzzeichen 1998-11 DIN EN 14511-2: Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen für die Raumbeheizung und -kühlung und Prozess-Kühler mit elektrisch angetriebenen Verdichtern - Teil 2: Prüfbedingungen; 2019-07 DIN 18889: Speicher-Kohle/Wasser-Heizer, drucklos für 1 Atü Prüfdruck; Begriffe; Bau; Güte; Leistung; Prüfung: 1956-11 DIN 45 635-56: Geräuschmessung an Maschinen; Luftschallemission; Hüllflächen- und Kanalverfahren; Warmlüfter; Luftheizer, Ventilatorteile von Luftbehandlungsgeräten: 1986-10 DIN 55 900 Teil 1, 2: Beschichtungen für Raumheizkörper; Begriffe; Anforderungen; Prüfung; Grundbeschichtungsstoffe; Industriell hergestellte Grundbeschichtungen: 2018-11 Aktuell VDI Richtlinie 2035: Vermeidung von Schäden in Warmwasser- Heizungsanlagen-Steinbildung in Trinkwassererwärmungs- und Warmwasser-Heizungsanlagen: 2005-12 VDI-Richtlinie 2050: Anforderungen an Technikzentralen – Technische Grundlage für Planung und Ausführung: 2013-11 Aktuell VDI-Richtlinie 2055: Wärme- und Kälteschutz von betriebstechnischen Anlagen in der Industrie und in der Technischen Gebäudeausrüstung; Berechnungsgrundlagen: 2008-09 Aktuell VDI-Richtlinie 2089, Bl. 1: Heizung, Raumlufttechnik in Brauchwasserbereitung in Hallenbädern

39 Systeme und Bauteile der Heizungstechnik VDI Richtlinie 2089, Bl. 2: Technische Gebäudeausrüstung von Schwimmbädern; Effizienter Einsatz von Energi und Wasser in Schwimmbädern: 2009-08 Aktuell VDI-Richtlinie 2715: Schallschutz an heiztechnischen Anlagen: 2011-11 Aktuell VDI-Richtlinie 3811: Modernisierung heiztechnischer Anlagen: 2016-07 Aktuell Schornsteinfegergesetz vom 15.09.69 (BGBl. I, S. 1634) und 22.07.76 (BGBl. I, S. 1873) BetrSichV Verordnung über Sicherheit und Gesundheitsschutz bei der Bereitstellung von Arbeitsmitteln und deren Benutzung bei der Arbeit, über Sicherheit beim Betrieb überwachungsbedürftiger Anlagen und über die Organisation des betrieblichen Arbeitsschutzes vom 27. September 2002 (BGBl. I S. 3777), zuletzt durch Artikel 5 des Gesetzes vom 8. November 2011 (BGBl. I S. 2178) geändert Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushalts (Wasserhaushaltsgesetz - WHG) vom 31. Juli 2009 (BGBl. I S.2585), durch Artikel 12 des Gesetzes vom 11. August 2010 (BGBl. I S. 1163) geändert Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge (Bundes Immissionsschutzgesetz -BImSchG) in der Fassung der Bekanntmachung vom 26. September 2002 (BGBl. I S.3830), zuletzt durch Artikel 2 des Gesetzes vom 27. Juni 2012 (BGBl. I S. 1421) geändert. Hierzu zahlreiche Durchführungsverordnungen und Verwal-

841 tungsvorschriften u. a.: Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissionsschutzgesetz, Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft), 24. Juli 2002 (GMBl. S. 511). Erste Verordnung zur Durchführung des Bundes Immissionsschutzgesetzes, Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen vom 26. Januar 2010 (BGBl. I S. 38). Dritte Verordnung zur Durchführung des Bundesimmissionsschutzgesetzes, Verordnung über den Schwefelgehalt bestimmter flüssiger Kraft- oder Brennstoffe, vom 24. Juni 2002 (BGBl.I Nr. 41 vom 28.06.2002 S. 2243). Vierte Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über genehmigungsbedürftige Anlagen) 02.05.2013 (BGBl. I Nr. 21 S.973). Dreizehnte Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes Verordnung über Großfeuerungs-, Gasturbinen- und Verbrennungsmotoranlagen, 02.05.2013 (BGBl. I S. 1021, 1023) Energieeinsparungsgesetz der Bundesregierung vom 27.07.76 und 20.06.80. EnEV 2009 Energiesparverordnung für Gebäude: Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energiesparverordnung EnEV 2009) Heizkostenverordnung vom 23.02.81 und 05.04.84. Verordnung über die gebrauchsabhängige Abrechnung der Heiz- und Warmwasserkosten. Novellierung am 20.01.89 Taschenbuch Kälte Wärme Klima, VDE-Verlag, Berlin (2011)

39

Teil VII Biomedizinische Technik

Produkte für die Anwendung am geschwächten, erkrankten oder narkotisierten und damit wehrlosen Menschen müssen besondere Anforderungen bezüglich Sicherheit und Zuverlässigkeit erfüllen. Daher unterliegen sie strengen Regeln zur Konformitätsbewertung bzw. Zulassung, die regelmäßig wegen der Weiterentwicklung der Technik oder auf Grund von Erfahrungen während der Anwendung der Produkte aktualisiert werden. Innerhalb dieses Rahmens bietet die Biomedizintechnik aber auch ein großes, Natur- und Ingenieurwissenschaften interdisziplinär mit der Medizin zusammenführendes Tätigkeitsfeld. Dieses Kapitel fokussiert zunächst auf maschinenbauliche Aspekte der Medizintechnik, die z. B. in vielen Produkten höchst präzisen Spritzguss erfordern oder mit der Bereitstellung biokompatibler Werkstoffe für Implantate oder Instrumente äußerst hohe und spezifische Ansprüche erfüllen muss, die sich auch aus den Bedingungen der Aufbereitung ergeben. Ein anderes Beispiel soll aber auch die Anforderungen an die Konstruktion moderner Medizingeräte illustrieren. In Computertomografen werden z. B. während des Scanvorgangs rotierende Massen zwischen 700 kg und 1800 kg bei Rotationsfrequenzen von bis zu 4 Hz um die Patientenlängsachse bewegt. Dabei treten Beschleunigungen von bis zum 40fachen der Erdbeschleunigung an der Röntgenröhre auf. Eine elektrische Leistung von bis zu 100 kW muss in dieses rotierende System übertragen werden. Dazu sind pro Sekunde mehr als ein Gigabyte an Bildinformation des Detektors berührungslos zu übertragen. Um die Bildqualität zu sichern, dürfen eventuelle Schwingungsamplituden des Detektors nicht über 0,1 mm liegen. Diese wenigen Parameter verdeutlichen die technischen und die Qualitätsansprüche denen sich Anwender und Hersteller derartiger Medizinprodukte stellen müssen.

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Einführung Stephan Klein und Marc Kraft

Biomedizinische Technik (BMT) ist die Bereitstellung ingenieurwissenschaftlicher Mittel und Methoden sowie deren Anwendung auf lebende Systeme in Biologie und Medizin im medizinischen Betreuungsprozess (Prophylaxe und Metaphylaxe, Diagnose und Prognose, Therapie und Rehabilitation) und zur Lebensqualitätsverbesserung, in der Forschung und in allen Phasen des Produktlebenszyklusses (Konzeption, Entwicklung, Prüfung und Zulassung, Herstellung, Anwendung, Aufbereitung und Entsorgung biomedizintechnischer Geräte und Systeme), in verschiedenen Branchen wie Medizintechnik, Biotechnologie, Gesundheitswirtschaft, Pharmazie, Umwelttechnik sowie allgemein in den Lebenswissenschaften [1]. Biomedizinische Technik ist durch eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit von Ingenieuren, Naturwissenschaftlern und Medizinern geprägt. Den Kern der Biomedizinischen Technik bilden die Medizintechnik und das Klinikingenieurwesen, die sich auf den Einsatz von Technik im klinischen Umfeld beziehen und die Bereitstellung und Anwendung technischer Mittel und S. Klein () Technische Hochschule Lübeck Lübeck, Deutschland E-Mail: [email protected] M. Kraft Technische Universität Berlin Berlin, Deutschland E-Mail: [email protected]

Methoden in der Medizin sowie (im engeren Sinne) deren Vergegenständlichung umfassen [2]. Dieses Kapitel kann lediglich einen kleinen Ausschnitt aus dem breiten Spektrum der Biomedizinischen Technik darstellen. Wesentliche gesetzliche Rahmenbedingungen setzen die EU-Verordnung 2017/745 für Medizinprodukte und die EU-Verordnung 2017/746 für In-vitro-Diagnostika, die im April 2017 verabschiedet wurden und zum 25. Mai 2017 mit einer Übergangszeit von drei Jahren in Kraft getreten sind [3, 4]. Medizinprodukte werden in § 3 des Medizinproduktegesetzes definiert. Danach sind Medizinprodukte (zusammenfassend) Gegenstände, die zur Anwendung im oder am menschlichen Körper bestimmt sind und deren bestimmungsgemäße Hauptwirkung weder durch pharmakologisch oder immunologisch wirkende Mittel (Arzneimittel) noch durch Metabolismus (Lebensmittel) erreicht wird. Ihre primäre Zweckbestimmung erzielen Medizinprodukte also z. B. über physikalische oder ähnliche Wirkmechanismen. Werkstoffe für die Biomedizinische Technik sind von definierter Struktur, Zusammensetzung, Oberfläche sowie Funktion und für eine speziesadaptierte, biokompatible Anwendung an oder in Menschen und Tieren vorgesehen [1]. Diese nicht lebensfähigen Materialien werden als Biomaterial bezeichnet. Besonders hohe Anforderungen an die Fähigkeit eines Werkstoffs, in einer spezifischen Anwendung bei angemessener Wirtsreaktion eine bestimmte Funktion auszuüben (Biokompatibilität) stellen sich bei Implantaten. Das sind künstliche

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_40

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Materialien, die durch einen chirurgischen Eingriff ganz oder teilweise in den Körper eingeführt werden und dort mindestens 30 Tage lang verbleiben [1]. Die wirtschaftliche Entwicklung der deutschen Medizintechnikbranche verläuft ausgesprochen positiv. Medizintechnik als Teil der Biomedizinischen Technik ist heute in allen Bereichen des Gesundheitswesens und der Lebenswissenschaften etabliert. Weltweit werden ingenieurwissenschaftliche Studiengänge im interdisziplinären Querschnittsfach der Biomedizinischen Technik angeboten (deutschsprachige Studienangebote siehe https://blbt.file2.wcms.tudresden.de/ausbildung/ Stand 13.3.2017). Diese Studiengänge sind oft aus anderen Studiengängen der Elektrotechnik, der Physik und des Maschinenbaus hervorgegangen. Für die Gesundheitsversorgung der Bevölkerung ist die Branche von grundlegender und wachsender gesellschaftlicher sowie ökonomischer Bedeutung. Der Alltag moderner Krankenhäuser, Kliniken und Praxen ist durch einen hohen Grad an Technisierung geprägt. Trotzdem machen die Ausgaben für Medizintechnik nur ca. 8 % der Gesamtausgaben im deutschen Gesundheitswesen aus [5]. Insbesondere vor dem Hintergrund des demographischen Wandels wird der Bedarf an moderner Medizintechnik für Diagnose und Therapie, aber auch für die Vorund Nachsorge sowie die Rehabilitation in den kommenden Jahrzehnten weiter steigen, ergänzt durch die Technik, die im häuslichen Umfeld und zur telemedizinischen Überwachung des Menschen eingesetzt wird [6]. Die Medizintechnik gehört zu den innovativsten Branchen. Die Investitionen der medizintechnischen Unternehmen in Forschung und Entwicklung in Deutschland sind u. a. mit rund neun Prozent des Umsatzes etwa doppelt so hoch wie im Industriedurchschnitt [6]. Rund 15 % der rund 149 000 Mitarbeiter in 1375 Betriebe mit mehr als 20 Beschäftigten waren 2019 in der Produktentwicklung tätig [7]. Die Medizintechnik wächst weltweit seit Jahrzehnten. Der Umsatz der deutschen Medizintechnik stieg 2019 um 10,3 % auf 33,41 Mrd. Euro. Die Exportquote von 65,7 % liegt in der Medizintechnik im Ver-

S. Klein und M. Kraft

gleich zum Industriedurchschnitt (ca. 40 %) sehr hoch [7, 8]. Regionale Zentren der Medizintechnik in Deutschland sind die Räume Tuttlingen, Hamburg/Lübeck, Erlangen, München und Berlin. Die deutsche Medizintechnikbranche ist stark mittelständisch geprägt. Rund 95 % der rund 1375 Betriebe haben weniger als 250 Beschäftigte, knapp 900 Betriebe sogar weniger als 50 Beschäftigte [8]. Die Produktpalette reicht vom Investitionsgut bis zu Einwegartikeln. Wichtige Industrieverbände sind der Bundesverband Medizintechnologie e. V. (www.bvmed. de), der Industrieverband SPECTARIS (www. spectaris.de) und der Fachverband Elektromedizinische Technik im ZVEI – Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V. (http://www.zvei.org/verband/fachverbaende/ elektromedizinischetechnik). Die DGBMT – Deutsche Gesellschaft für Biomedizintechnik im VDE (www.dgbmt.de) ist die größte wissenschaftlich-technische Fachgesellschaft der Medizintechnik in Deutschland. Im Verein Deutsche Ingenieure haben sich ca. 3500 Mitglieder dem Fachbereich Medizintechnik zugeordnet.

Literatur Spezielle Literatur 1. Morgenstern, U., Kraft, M.: Biomedizinische Technik: Faszination, Einführung und Überblick. Biomedizinische Technik, Lehrbuchreihe, Bd. 1. De Gruyter, Berlin (2013). ISBN 978-3110251982 2. IEC 80001-1:2010; Application of risk management for IT-networks incorporating medical devices –Part 1: Roles, responsibilities and activities; Deutsche Version EN 80001-1:2011 3. Verordnung (EU) 2017/745 des europäischen Parlaments und des Rates vom 5. April 2017 über Medizinprodukte, zur Änderung der Richtlinie 2001/83/EG, der Verordnung (EG) Nr. 178/2002 und der Verordnung (EG) Nr. 1223/2009 und zur Aufhebung der Richtlinien 90/385/EWG und 93/42/EWG des Rates 4. Verordnung (EU) 2017/746 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 5. April 2017 über In-vitro-Diagnostika und zur Aufhebung der Richtlinie 98/79/EG und des Beschlusses 2010/227/EU der Kommission 5. Kraft, M.: Finanzielle Auswirkungen innovativer Medizintechnik mit Einspareffekten im Gesundheitswesen. In: Kraft, M., Schlosser, B., Behrens, S. (Hrsg.) Einsparpotenzial innovativer Medizintechnik

40 Einführung im Gesundheitswesen. GDE, Bonn (2006). ISBN 978-3930376483 6. Kraft, M., Morgenstern, U.: Trends der deutschen Medizintechnikbranche – Innovationen, Forschungs- und Förderpolitik. In: Füssel, J., Koch, E., Malberg, H., Vonau, W. (Hrsg.) Innovationen in Medizintechnik und medizinischer Mess- und Sensortechnik 4. Dresdner Medizintechnik-Symposium. TUDpress, Dresden (2012). ISBN 978-3942710961 7. SPECTARIS – Deutscher Industrieverband für optische, medizinische und mechatronische Technologien

847 e. V.: Spectaris Berlin (2020). https://www.spectaris. de/fileadmin/Infothek/Medizintechnik/Steckbrief_ Medizintechnik.pdf. Zugegriffen: 11.08.2020 8. Lindner, R., Nusser, M., Zimmermann, A., Hartig, J., Hüsing, B.: Medizintechnische Innovationen – Herausforderungen für Forschungs-, Gesundheits- und Wirtschaftspolitik, TAB-Arbeitsbericht Nr. 134 (2009). http://www.tab-beim-bundestag.de/ de/publikationen/berichte/ab134.html, Zugegriffen: 1. Juni 2011

40

Einteilung von Medizinprodukten

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Stephan Klein und Marc Kraft

Die direkte Anwendung und Wirkung medizintechnischer Systeme am lebenden Objekt kann generell mittels verschiedener Charakteristika beschrieben werden, anhand derer auch eine Einteilung von Medizinprodukten möglich ist [1]. Zu den Einteilungskriterien gehören: die Invasivität der Informationserfassung bzw. des Eingriffs: – invasiv (dringt durch Körperoberfläche oder über eine Körperöffnung ganz oder teilweise in den Körper ein), z. B. Herzschrittmacherimplantation, Messung des zentralvenösen Blutdrucks, tiefe Hirnstimulation, – nichtinvasiv, z. B. Ultraschallbildgebung, Oberflächen-EKG, nach dem Ort der Anwendung bzw. der Art des Verfahrens: – in vivo (im/am lebenden Objekt), z. B. Operationsmikroskopie, – in situ (in natürlicher Lage im Körper), z. B. Stent-Implantation, – ex vivo (außerhalb des Körpers, z. B. nach Entnahme), z. B. Spektroskopie am TumorSchnellschnitt,

S. Klein () Technische Hochschule Lübeck Lübeck, Deutschland E-Mail: [email protected] M. Kraft Technische Universität Berlin Berlin, Deutschland E-Mail: [email protected]

– in vitro (im Reagenzglas), z. B. Züchtung von Stammzellen, – in silico (am Computer): z. B. Computersimulation der Erregungsbildung und -leitung am Herzen für die Ableitung eines Therapievorschlages, nach der Dauer der Anwendung: – Vorübergehend (weniger als 60 min), z. B.: Operationsinstrumentarium, – Kurzzeitig (bis zu 30 Tagen), z. B. Beatmung für die Dauer einer Woche, – Langzeitig (mehr als 30 Tage), z. B. Herzschrittmacher, – Ununterbrochen, z. B. künstliche Herzklappe (günstigenfalls lebenslang) [1]. Darüber hinaus findet man abhängig von der medizinischen Zielstellung verschiedene Einteilungen in Untergruppen. Beispielsweise ist eine Einteilung medizintechnischer Geräte nach Anwendung ionisierender (z. B. Computertomografie) oder nicht ionisierender Strahlung (z. B. Magnetresonanztomografie) möglich oder nach der Anzahl der vom Hersteller vorgesehenen Anwendungen (Mehrwegprodukt oder Einwegprodukt). Ein Teil der genannten Charakteristika hat Auswirkungen auf das potenzielle Risiko der Anwendung von Medizinprodukten und muss im Zulassungsprozess berücksichtigt werden (vgl. Kap. 43). Eine übliche, jedoch nicht widerspruchs- und überschneidungsfreie Klassierung von Medizinprodukten verdeutlicht nachfolgend das Spektrum:

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Implantate (z. B. Herzschrittmacher, Herzklappen, Knochennägel, Ureterstents, Endoprothesen, Intraokularlinsen), Medizintechnische Geräte (z. B. Blutdruckmessgeräte, Beatmungsgeräte, Infusionspumpen, Dialysegeräte, Ultraschallgeräte, HerzLungen-Maschinen, Sterilisatoren), Instrumente und Medicalprodukte (z. B. chirurgische Instrumente, chirurgisches Nahtmaterial, Bandagen, Inkontinenzhilfen, Kanülen), Hilfsmittel (z. B. Rollstühle, Exoprothesen, Gehhilfen, Kompressionsstrümpfe, Anti-Dekubitus-Systeme, siehe auch Hilfsmittelverzeichnis), Dentalprodukte (z. B. Inlays, Knochenersatzstoffe, künstliche Zähne), Produkte zur Empfängnisregelung (z. B. Kondome),

S. Klein und M. Kraft

in-vitro-Diagnostika und Diagnostikgeräte (z. B. Blutgasanalysegeräte, Blutkörperchenzählgeräte). Der bei der Abgrenzung der Medizintechnik gegenüber anderen Technikbereichen im Vordergrund stehende Anwendungsbezug für die Heilkunde hat zur Folge, dass jedes technische System ein Medizinprodukt ist, wenn es die o. g. Definition des Medizinproduktegesetzes erfüllt.

Literatur Spezielle Literatur 1. Morgenstern, U., Kraft, M.: Biomedizinische Technik: Faszination, Einführung und Überblick. Biomedizinische Technik, Lehrbuchreihe, Bd. 1. De Gruyter, Berlin (2013). ISBN 978-3110251982

Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

42

Stephan Klein, Marc Kraft, Henrik Botterweck, Jürgen Manigel, Martin Ryschka, Harald Hanke, Peter Schouwink und Jochim Koch

42.1

Bildgebung

Gewinnung orts- und evtl. zeitverteilter morphologischer oder physiologischer Größen, deren Kenntnis der Erhaltung oder Wiederherstellung 42.1.1 Definition und Aufgabe der Gesundheit dient. Ihr Haupteinsatz ist die Erkennung und KlasMedizinische Bildgebung ist die Kombination technischer und algorithmischer Verfahren zur sifikation einer Erkrankung, daneben aber auch die medizinische Prozesskette von der Prävention (z. B. Pränataluntersuchungen) über die Therapie S. Klein () (z. B. Kontrolle und Steuerung eines Eingriffs, Technische Hochschule Lübeck Lübeck, Deutschland Neurochirurgie, Strahlentherapie) bis zur NachE-Mail: [email protected] sorge und Kontrolle. Bildgebende Verfahren – M. Kraft Modalitäten – können klassifiziert werden nach: Technische Universität Berlin Berlin, Deutschland E-Mail: [email protected] H. Botterweck Technische Hochschule Lübeck Lübeck, Deutschland E-Mail: [email protected] J. Manigel Dräger Medical GmbH Lübeck, Deutschland E-Mail: [email protected] M. Ryschka Technische Hochschule Lübeck Lübeck, Deutschland E-Mail: [email protected] H. Hanke Olympus Surgical Technologies Europe Hamburg, Deutschland E-Mail: [email protected] P. Schouwink Olympus Surgical Technologies Europe Hamburg, Deutschland E-Mail: [email protected] J. Koch Lübeck, Deutschland

1. dem abbildenden Medium: Licht, Röntgenoder Gammastrahlung, Infrarot- (Wärme-) Strahlung, Radiowellen (MRI), Ultraschall, u. U. auch Partikelstrahlung. 2. dem Charakter des Informationstransportes: Überwiegen typische Wellenphänomene wie Interferenz und Kohärenz (z. B. Röntgen-Phasenkontrast, optische Kohärenztomographie), kann die Strahlung im wesentlichen als Teilchenstrom beschrieben werden (klassisches Röntgen). Die Nutzung statischer Felder ist unüblich, da deren Feldamplitude um Quellen herum schneller abfällt bzw. in Gewebe abgeschirmt wird. 3. der Wechselwirkung mit dem Objekt: Transmission (Quelle außerhalb des Körpers), Emission (innerhalb), Anregung und Streuung (extern stimulierte Emission), Reflexion (Sonderfall der Streuung). 4. der Bildgenerierung: das Bild kann direkt auf einem Detektor entstehen, durch Scan-

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_42

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nen punktweise erfasst werden oder tomographisch berechnet werden. 5. der Fokussierung: rauscharme Daten können gewonnen werden, wenn zusammengehörige Strahlen mit Linsen oder Kollimatoren fokussiert werden. 6. der gewonnenen Information: unterschieden werden morphologische Strukturen und physiologische Parameter.

S. Klein et al.

Der Wirkungsgrad ist angenähert proportional zur Beschleunigungsspannung U und der Kernladungszahl Z,  = kUZ mit k  109 / V, typisch   1 %. Deshalb ist bei Leistungsröhren die Kühlung wesentlich: vom Brennfleck (typisch < 1 mm2 ) über die induktiv in Rotation versetzte Anode und das Röhrengehäuse (Glas oder Metall) in ein umgebendes Kühlmedium. Röntgenstrahler: Dieser umfasst neben der Röhre die Kühlung (je nach Leistung Luft, Ein sinnvolles Verfahren ist charakterisiert Wasser, Öl), Antriebe für die Rotation bei durch medizinische Relevanz, Vielseitigkeit, RoDrehanoden und Vorrichtungen zur Filterung bustheit, geringe Nebenwirkungen oder Belästiund Kollimation der Strahlung (Abb. 42.1). gungen für Patient und Arzt, wie Strahlendosis, Diese verlässt die Röhre typischerweise durch Lärm, Atemanhalten, Beengung sowie geringe ein Berryliumfenster (photoelektrische AbKosten. sorption ist proportional zu Z3 ). Da niederenergetische Photonen überwiegend absor42.1.2 Modalitäten biert werden, tragen sie kaum zum Bild, wohl aber zur aufgenommenen Energiedo42.1.2.1 Röntgentransmission sis bei. Je nach Anwendung werden desDie Durchleuchtung des Körpers mit Röntgenhalb Filter (Aluminium) in den Strahl einstrahlung markiert 1895 den Beginn der modergebracht. Zur Dosisoptimierung können dienen medizinischen Bildgebung. Die Wellennatur se auch winkelabhängig geformt sein, da der Strahlung tritt mit Ausnahmen (Phasenkonder Strahl in der Bildmitte mehr Materie zu trast) zurück: Photonen von typisch 20–180 keV durchdringen hat. Hinzu kommen u. U. Lichtdurchdringen den Körper geradlinig und werquellen zur optischen Markierung des Strahlden vor allem durch den Photoeffekt absorbiert. feldes. Ein Vorteil sind die idealen Schwächungskoef- Hochspannungsgenerator: Wichtig ist die Befizienten mit im Vergleich zur Optik geringer reitstellung stabiler Gleichspannung, die in Streuung. Ein signifikanter Anteil der emittierBruchteilen von Millisekunden regelbar ist. ten Strahlung erreicht den Detektor, andererseits Neben Transformatoren mit zwölf überlagerergeben die Unterschiede im Absorptionskoeffiten phasenverschobenen Wechselspannungen zienten verschiedener Gewebetypen ein kontrastsind Halbleitergeneratoren üblich. reiches Bild. Röntgendetektor: Neuere Nachweismethoden sind Halbleiterdetektoren (CCD oder flache Röntgenröhre: Ein Elektronenstrahl trifft nach Detektoren in Bildgröße als DünnfilmtransisBeschleunigung durch Hochspannung auf ein toren mit Photodioden), CMOS o. a. mit und Target. Für hohe Leistungen (z. B. 100 kW ohne Szintillator. Veraltend sind der Bildelektrisch) werden rotierende Drehanoden verstärker, bei dem Photoelektronen von eiverwendet. Auf einem Träger mit guter Wärner Potentialdifferenz beschleunigt auf einen mekapazität (bis 6 MJ aufnehmbare Wärme) Fluoreszenzschirm treffen, und der Röntgenund -leitfähigkeit ist das Targetmaterial aufgefilm. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit (nicht bracht. Kriterien sind eine hohe Kernladungsder Auflösung) kann letzterer mit zusätzlichen zahl Z, hoher Schmelzpunkt und geeignete Konversionsschichten zu optischer Strahlung Fluoreszenzenergien: durch den photoelektriversehen sein. Speicherfolien, auf denen Laschen Effekt werden zusätzlich zur Bremsdungsträger generiert werden, ermöglichen eistrahlung charakteristische Energien emittiert. ne direkte Auslesung mit Lasern.

42 Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

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Abb. 42.1 Röntgenstrahler. a Prinzip. 1 Drehanode, 2 Glühwendel und Wehneltzylinder (Kathode), 3 Rotor des Drehanodenantriebs mit Lagerung, 4 Stator, 5 evakuiertes Glasgehäuse, 6 Austrittsöffnung mit Filter und

Bis heute ist die Röntgendurchleuchtung für viele Fälle vor allem mit gutem Kontrast die Methode der ersten Wahl, wogegen CT oder MRT für kontrastarme oder funktionale Anwendungen auch höheren Aufwand bedeuten.

Bleiblende, 7 Gehäuse mit Ölfüllung, 8 Ausgleichsgefäß, 9 Kathoden- und Heizstromanschluss, 10 Anodenstromanschluss. b Querschnitt. (Fa. Philips, Hamburg)

tinuierlich mit der Liege durch das Gerät geschoben wird (Abb. 42.2). So werden genügend Projektionen aufgenommen, um die dreidimensionale Verteilung der Absorption zu berechnen. Letztere ist gewebetyps- und energieabhängig und wird in Hounsfield-Ein42.1.2.2 (Röntgentransmissions-)Compuheiten angegeben (HU), relativ zu der für das tertomographie Energiespektrum gemittelten Absorption von Diese wird historisch als die CT bezeichnet. Wasser. Grundidee ist die Berechnung eines SchnittbilU = 1000 * (  Wasser ) / Wasser in [HU] (U: Hounsfield-Zahl, : Schwächungskoeffides (gr. tó o&-Schnitt, ˛'"(-schreiben) K aus zient) Projektionen verschiedener Richtungen. Neben der genaueren Lokalisierbarkeit ergibt sich als Gantry: Sie rotiert 2–3 mal je Sekunde um den Patienten. Darauf montiert sind der RöntgenHauptvorteil ein größerer Kontrast bei gegebestrahler mit Hochspannungsversorgung, Filter, nem Rauschniveau. Strahlkontrolle etc. und gegenüber der Detektor, der aus mindestens einer, meist mehreren Prinzip: Bei der helikalen Aufnahme rotiert (typisch 64) Zeilen von etwa 1000 Detektordie Gantry mit Strahler und gegenüberliegenpixeln besteht. Dazu kommt die Signalvorverdem Detektor um den Patienten, der kon-

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S. Klein et al.

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0

5

0

5

15

5

15

0

5

5

4

10

10

5

3

5

10

10

75 kV

6

150 kV

1

5

Objekt

Abb. 42.3 Bildrekonstruktion. Aus den Projektionen des Objekts (Linienintegrale des Objekts, Radontransformierte) wird auf das Objekt geschlossen Abb. 42.2 Computertomograph (Querschnitt). 1 Röntgenstrahler mit Filter und Kollimator, 2 Detektoren, 3 Datenakquisation, 4 Antrieb, 5 Ölkühlung, 6 Hochspannungsgeneratoren, 7 AC/DC-Wandlung

Abweichungen vom Erwartungswert der Zählrate zu großen Bildfehlern führen. Mit der Einführung der Mehrzeilen-CT und für flache Detektoren, die an einem Röntgen-C-Arm befesstärkung und eine Einrichtung, um die Steuertigt sind (Volume-CT), wurde die Entwicklung signale zur Gantry und vor allem die Bilddaschneller, robuster Algorithmen für kegelförten von dort zur Weiterverarbeitung zu leiten. mige Strahlbündel notwendig (cone beam reDies kann mechanisch über einen Schleifring construction). Die Reduktion der Strahlendooder drahtlos über Funk erfolgen mit Datensis und die Verkleinerung der Pixel motiraten bis zu mehreren hundert MB/s bei etwa viert den Einsatz statistischer Methoden, die 1000–2000 Projektionsaufnahmen je Rotatidas wahrscheinlichste Bild unter Berücksichtion. gung der bekannten Verteilung um die mittlere CT-Detektor: Die Strahlintensität und PixelZählrate herum bestimmen (maximum-likeligröße heutiger Geräte bedingt intensitätsbahood/maximum-a-posteriori). sierte, nicht zählende Detektion mit Aufnah Typische Artefakte: rekonstruktionsbedingt mezeiten einiger hundert Mikrosekunden. Übführen defekte Pixel, Beschränkung des Prolich sind Szintillatoren verbunden mit Photojektionsfeldes, materialabhängige Aufhärtung dioden, die die älteren Xenon-Ionisationskam(niederenergetische Photonen werden stärker mern bzw. Photomultiplier abgelöst haben. absorbiert), komplette Absorption an MetalPrimäre Kriterien für die Wahl des Szintillalen u. a. zu nichttrivialen Bildfehlern. Wichtig tors sind die Sensitivität, die Eigenabsorption, ist die Optimierung der Algorithmen zu deren das Abklingverhalten im Bereich von MikroBerücksichtigung. sekunden und das Nachleuchten. Materialien sind u. a. klassisch CsI (Cäsiumiodid), Cadmiumwolframat (CdWO4 ) oder BismutgermaDie CT kann zur Untersuchung aller raumnat (BGO). Keramische Seltene-Erdenverbin- fordernden oder -ändernden Prozesse im Körper, dungen sind vorteilhaft für schnelle Abkling- auch der weniger kontrastreichen oder entzündzeiten. lichen an Knorpeln, Binde- und Nervengewebe Rekonstruktion ist die rechnerische Umkeh- eingesetzt werden. Für die Weichteilbildgebung rung der Bildaufnahme (Abb. 42.3). Für idea- ist die MRT eine aufwändige Alternative ohne lisierte Fälle existieren analytische Formeln, ionisierende Strahlung, in der Tumor- und Medie aber wegen der statistischen Natur der tastasenerkennung kann die CT gut durch nukleRöntgenstrahlung regularisiert werden müs- armedizinisch-funktionale Modalitäten wie die sen, um zu verhindern, dass beliebig kleine PET ergänzt werden.

42 Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

855

42.1.2.3 Nuklearmedizinische Prinzip der PET: Detektorelemente sind Bildgebung ringförmig um den Patienten angeordnet. Mit der Szintigraphie und tomographisch SPECT Durch Koinzidenzdetektion beider Annihilati(single photon emission CT) und PET (positron onsphotonen wird so ein Strahl, auf dem der emission tomography) wird die EmissionsverteiZerfall stattgefunden haben muss, bekannt. lung einer spezifischen Substanz (Tracers) im Der Vorteil gegenüber der SPECT ist, dass Körper bestimmt. In den ersten beiden Fällen prinzipiell jedes Photon innerhalb des von Dehandelt es sich um einzelne Gammaquanten, die tektoren abgedeckten Raumwinkels zur Mesüblicherweise ˇ  -Zerfällen folgen, bei der PET sung beiträgt, während bei letzterer nur Bruchannihiliert das Positron eines ˇ + -Zerfalls mit eiteile eines Promilles den Kollimator passieren. nem Elektron zu zwei Photonen, die sich mit Weiterentwicklung: Während die SPECT i.w. Energien von je 512 keV entlang einer Ache vontechnisch ausgereift ist, kann bei der PET mit einander fort bewegen. schnelleren Szintillatoren und entsprechender Koinzidenzelektronik aus dem Flugzeitunterschied beider Photonen auf den Zerfallsort mit Prinzip der SPECT: eine oder mehrere Gameiner Genauigkeit deutlich unter 10 cm gemakameras rotieren um den Patienten und schlossen werden. Weiterhin können Parallaerzeugen Projektionsbilder. Da es für Gamxenfehler schräg einfallender Photonen durch mastrahlung keine effiziente FokussierungsErfassung der Szintillationstiefe vermindert möglichkeit (Linsen) gibt, werden mit Kolliwerden (DOI, depth of interaction). Ein weitematoren nur Photonen bestimmter Richtung rer Trend ist die Entwicklung von Halbleitererfasst. Je nach Anwendung sind diese gedetektoren (Avalanche-Photodioden u. a.), die mäß den Kriterien hoher Ortsauflösung (viele, dann auch in PET/MR Kombinationen verfeine Bohrungen), Richtungsauflösung (große wendet werden können, wo PM wegen der Bohrungstiefe), hoher Photonenenergie verStörung des MR nicht möglich sind. sus großer Öffnungsfläche (dicke/dünne Zwischenwände) ausgewählt. Technisch kommen SPECT und PET profitieren von der Weiteru. a. kombinierte gefaltete Bleche mit sechsentwicklung der Rekonstruktionsmethoden, die eckigen Zwischenräumen oder Bleiguss in mögliche Artefakte durch Streuung, ScheinkoBetracht. Bevorzugt ist wegen der hohen Abinzidenzen, Fluoreszenz im Detektor etc. einbesorption Blei – mit dem Nachteil mögliziehen und vor allem der statistischen Natur der cher Fluoreszenzstrahlung. Alternativen sind niedrigen Zählraten Rechnung tragen. Einzellochkollimatoren, die nach dem PrinEinsatzgebiete der Nuklearmedizin sind vor zip der camera obscura arbeiten und Objekallem die Kardiologie (Funktion des Myokardite nahe der Öffnung geometrisch vergrößern ums), Onkologie, Thyreologie (Schilddrüsenun(e. g. Schilddrüsenszintigraphie). Die Detektersuchung) und Neurologie. tion selbst findet szintillatorisch – typisch ist NaI (Natriumiodid) – mit angekoppelten Photomultipliern (PM) statt. Die technische Ein- 42.1.2.4 Sonographie fachheit der Gammakamera (Angerkamera) Die Ultraschall-Bildgebung ist leicht verfügberuht darauf, dass durch (früher analogelek- bar, nebenwirkungsarm und vielfältig. Grundtronische) Wichtung der Szintillationssignale prinzip ist die Wellenreflexion an Grenzflächen benachbarter PM der Detektionsort bis auf der mechanischen Impedanz, wobei das Bild wenige mm bestimmt werden kann, so dass durch punktweises Scannen und Messen der 40–70 PM ausreichen z. B. 256 × 256 Pixel. Laufzeit für die Tiefeninformation entsteht. Die Höhere Auflösungen sind wegen der gerin- schallerzeugenden und -detektierenden Transdugen Zählraten von wenigen tausend /s nicht cer können anwendungsabhängig ausgetauscht werden – das dahinterliegende Gerät dient dann sinnvoll.

42

856

S. Klein et al.

,nur‘ noch der Signalverarbeitung und -auswer- Transducerarrays: die Strahlrichtung und tung. -charakteristik kann durch Verwendung von Arrays koordinierter Transducerelemente Transducer wandeln elektrische Spannungssibeeinflusst werden. In linearen oder gekrümmgnale durch den piezoelektrischen Effekt in ten Anordnungen kann durch die zeitliche Schallschwingungen (Sender) um und umgePhasenverschiebung der Ansteuerung die kehrt (Empfänger) (Abb. 42.4). Hinzu komRichtung der resultierenden Wellenfront definiert werden. Mit ineinanderliegenden men Dämpfer an den abgewandten Seiten, die Spannungszuführung, die geometrische Gezirkularen Elementen kann ein fokussierter stalt zur anwendungsabhängigen AbstrahlchaStrahl erzeugt werden. rakteristik und eine Impedanzwandlerschicht, Signalverarbeitung: die ursprünglichen Bilddie Reflexion am Übergang vom Piezoelegebungsmodi beruhen auf analoger Technik. ment in das i. w. wasseräquivalente Objekt Im historischen „A-Modus“ (amplitude) wird verhindert. Zur Ankopplung an das Gewebe das reflektierte Signal oszilloskopisch über die wird ein Gel zwischen Transducer und KörLaufzeit aufgetragen. Im „B-Modus“ (brightper aufgebracht. Transducer haben i. Allg. ness) ist die Signalstärke durch Helligkeit eine feste Frequenz, wobei hohe Frequenzen kodiert, so dass durch Variation der Strahlrichdie Ortsauflösung verbessern, da die Wellentung ein zweidimensionales, tiefenabhängiges längen im Bereich der erzielbaren Auflösung Bild dargestellt wird. Durch zusätzliche Ausliegen (sub-mm). Allerdings steigt auch die lenkung in die zweite transversale Richtung Absorption im Gewebe, so dass für Untersind dreidimensionale Modi möglich. Im „Msuchungen etwa im Bauchraum wenige MHz Modus“ (motion) entspricht eine Bildachse verwendet werden, für oberflächennahe Ander Zeit, so dass die Bewegung von Grenzfläwendungen (Gefäßwände u. a.) aber bis über chen, die einen Messstrahl schneiden, visuali20 MHz. siert wird (Echokardiographie). Farbdoppler: die Information über (Blut-)Flussgeschwindigkeiten wird durch die Frequenzverschiebung des reflektierten Signals an bewegten Objekten (Doppler-Effekt) gewonnen. Durch Kombination von Wellenpaketpulsen zur Tiefenmessung kann ein Dopplerbild generiert werden, in dem a die Flussgeschwindigkeit in zum Transdu4 1 3 cer axialer Richtung farblich kodiert ist. 2 Zusammen mit dieser Information über den Gefäßquerschnitt kann so auch der gesamte Fluss bestimmt werden. Spezielle Signalverarbeitungen erlauben, den Fluss ohne Kenntnis der Geschwindigkeit, aber rauschärmer zu bestimmen (Power-Doppler). b

Abb. 42.4 Ultraschallwandler. a Ansicht. b Detail (Mehrzeilen-Array). 1 Piezokeramiken getrennt durch Dämpfungsmaterial, 2 rückseitige Dämpfungsmasse, 3 Konnektierung, 4 Elektronik

Wichtige Anwendungen der Sonographie und Dopplerbildgebung sind Untersuchungen des Bauchraums, des ungeborenen Kindes und der Herzfunktion – allgemein also Körperregionen „ohne Luft und Knochen“, mit dem Vorteil

42 Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

857

des einfachen und nebenwirkungsfreien EinsatEine Antenne detektiert das Resonanzsignal zes. über ein Zeitintervall. Es ist eine Überlagerung aller Ortssignale, phasenverschoben je Ort und 42.1.2.5 Magnetresonanztomographie Messzeitpunkt entsprechend Schritten 2 und 3. Die Magnetresonanztomographie (magnetic re- Wenn die Prozedur mit verschiedenen Gradiensonance imaging, MRI) ist die jüngste der eta- tenstärken in Schritt 2 wiederholt wird, werden blierten Modalitäten. Sie basiert auf der Kern- sukzessive Werte der Fouriertransformierten des spinresonanz. Ortssignals bekannt. Eine 2D-Fouriertransformation liefert das Bild zur Schicht aus Schritt 1. Grundprinzip: Mit dem Kernspin ist ein magnetisches Moment verbunden. Wasserstoff- Klassische Sequenzen. Das Bild hängt von der kerne mit Spin 1/2 werden in einem homoDichte angeregter Protonen ab und vor allem genen Magnetfeld B0 bevorzugt parallel dazu vom Zerfall der Anregung durch Rückkehr in ausgerichtet und präzedieren mit der Larmorden Grundzustand (T1 -Relaxation) oder Verfrequenz f = B0 mit  42,6 MHz/T darlust der Phasenkohärenz (T2 ). Diese drei Efum (Abb. 42.5). Wird eine Radiowelle dieser fekte können durch Anpassung der Zeitdauern Frequenz eingestrahlt, so präzediert der Spin zwischen Anregungen und Messungen selekzusätzlich um die Magnetfeldachse der Anretiv hervorgehoben werden. Zum Ausgleich gung. Da dieses Feld weit schwächer ist (µT), lokaler Inhomogenitäten kann in der Mitte kann diese Rotation nach einem Kippen des zwischen Anregung und Messung ein zusätzSpins von 90° (im klassischen Bild) unterbrolicher Anregungsimpuls mit Spindrehung um chen werden. Nun liegen in einer Probe dort, 180° erzeugt werden, so dass sich im zweiten wo die Radiofrequenz der lokalen LarmorfreZeitintervall die im ersten aufgelaufenen Phaquenz entsprach, die Kernspins in einer Ebene senunterschiede gerade wieder aufheben (Spin senkrecht zu B0 , rotieren darin und emittieren Echo). deshalb elektromagnetische Strahlung. Für di- Technische Realisierung: Das statische Feld agnostische Anwendungen liegt B0 im Bereich von einigen Tesla muss über das Messvoluvon 1,5–7 T, die Frequenzen deshalb um 60– men homogen (µT) sein, was durch Kallibra300 MHz, was Hochfrequenztechnik in der Sitionsspulen erreicht wird. Das Hauptfeld wird gnalverarbeitung erfordert. durch eine supraleitende Spule erzeugt. Im In Bildgebung: Zusätzliche Spulen erzeugen folnern liegen die Gradientenspulen und darin gende Magnetfeldgradienten um 10 mT/m: die Anregungs- und Messantennen. Je Anwen1. Ein Gradient i. Allg. parallel zum Körper dung können weitere Antennen direkt an den während der Anregung resultiert in einer Körper gebracht werden. Magnetisierbare Madem Frequenzband der Anregung entspreterialien dürfen nicht verwendet werden. chenden Anregungsschicht. Weitere Entwicklungen: ein Vorteil ist die 2. Ein Gradient senkrecht dazu zwischen AnVielfalt möglicher Sequenzen, etwa zur regung und Signaldetektion erzeugt mit deschnellen Bildgebung im Sekundenbereich, finierter Stärke und Dauer eine Phasenverfunktionalen Bildgebung im Gehirn (bloodschiebung der Spins, da sich deren Larmoroxygen-level-dependent, BOLD), DiffusiFrequenz proportional zu dieser Achse änonsmessung von Protonen (Diffusion Tensor dert: Phasenkodierung. Imaging) parallel zu „Leitungsbahnen“ (Axo3. Ein Gradient senkrecht zu beiden vorhenen) u. v. a. Tracer wie Gadolinium(III)rigen während der Signaldetektion resulVerbindungen verstärken durch ihren Paramatiert in Emissionsfrequenzen proportional gnetismus die Relaxation in ihrer Umgebung zu dieser Achse: Frequenzkodierung. und damit den Bildkontrast.

42

858

S. Klein et al.

Abb. 42.5 Magnetresonanztomographie (Prinzip)

42.1.2.6 Weitere Verfahren Personen mit vergleichbaren Bildaufnahmen Zur medizinischen Bildgebung zählen auch OP(Querschnittsvergleiche). Mikroskope und Endoskope (vgl. Abschn. 42.7) Segmentierung bezeichnet die manuelle, halbals klassische optische Geräte. Die Kohärenzeioder vollautomatische Erfassung von Grenzgenschaften von Laserlicht werden in der OCT flächen, also etwa die Definition von Tumor(optical coherence tomography) für Tomographie volumina oder Organen. aus (e. g. an der Netzhaut) reflektiertem Licht ge- Quantifizierung ist die absolute Angabe nutzt. Die Neuentwicklung des MPI (magnetic von z. B. Tumorvolumina, nuklearmediziniparticle imaging) erlaubt die Erfassung der Verschen Aktivitäten, kardiologischen Parameteilung spezifischer Tracer-Partikel anhand ihtern, Blutflüssen u. a. Dazu sind neben reprorer nichtlinearen magnetischen Suszeptibilität in duzierbaren Bildgebungsverfahren Kallibrieäußeren Feldern. Weitere Beispiele sind Ultrarungsmethoden wichtig und eine detaillierte schalltransmission zur Knochendichtemessung, Modellierung des gesamten Bildgebungsprodie Tomographie der elektrischen Impedanz mit zesses zur Einbeziehung sämtlicher Effekte äußerlichen Stromquellen und -sensoren, Tomo(z. B. Röntgenstreuung) erforderlich. graphie während der Strahlentherapie zur Volu- Multimodalität ist die Kombination komplemenkontrolle u. v. a. mentärer, sich ergänzender Verfahren. Zur Vermeidung von Registrierungsartefakten ist eine zeit- und ortsnahe gleichzeitige Auf42.1.3 Trends und Aspekte nahme sinnvoll, bevorzugt in einem Gerät. Mit z. B. der PET/CT werden funktionale Die Bedeutung der Bildverarbeitung und InforBildinformationen (Tumorlokation, Glucosemationsextraktion wächst. Die steigende morverbrauch im Myokardium u. a.) mit anatophologische und funktionale Datenmenge erformischen CT-Bildern überlagert, wodurch die dert leistungsfähige und robuste Verfahren: Position der PET-Signale genauer definiert ist. Molekulare Bildgebung ist der Ansatz, funk Registrierung ist die punktweise Zuordnung tionale Information auf einem Empfindlichmehrerer Bilder verschiedene Modalitäten keitsniveau einzelner oder weniger Moleküle desselben Patienten zu unterschiedlichen Zeizu gewinnen. So kann mit der PET grundten (Verlaufskontrolle) oder verschiedener sätzlich ein einzelnes stoffwechselrelevantes

42 Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

859

Molekül beim Zerfall eines chemisch daran Bei der Entscheidung, welcher Monitoringgebundenen ˇ + -Markers nachgewiesen wer- umfang einer bestimmten Situation angemesden. Ziel ist die Entwicklung hochspezifischer, sen ist, wird das medizinische Personal durch evtl. auch personaler Marker. Empfehlungen der Berufsverbände und durch normative Anforderungen unterstützt. So wird für den anästhesierten, beatmeten Patienten während der Operation das folgende Mini42.2 Monitoring mal-Patientenmonitoring empfohlen [1]: EKGMonitor (Elektrokardiogramm) mit Herzfre42.2.1 Patientenmonitoring quenz-Überwachung, exspiratorisches Tidalvolumen (vgl. Abschn. 42.3), Sauerstoffsättigung, Unter Monitoring oder genauer Patientenmonito- nichtinvasiver Blutdruck und endexspiratorische ring wird in der Medizintechnik die fortwähren- Kohlendioxidkonzentration im Atemgas (vgl. de gerätetechnische Erfassung und Überwachung Tab. 42.1). physiologischer Parameter eines Patienten verstanden. Die automatische Überwachung der erfassten Parameter erlaubt es dem medizinischen 42.2.2 Maschinenmonitoring Personal, sich anderen Parametern oder Tätigkeiten zuzuwenden oder sich gar vom Patientenbett Werden vitale Organfunktionen durch Maschinen zu entfernen. Erst beim Verlassen von zuvor ein- kompensiert, kommt zum eigentlichen Patientengestellten Normalbereichen wird das Eingreifen monitoring noch ein sogenanntes Maschinenmodes medizinischen Personals durch visuelle und nitoring zur Überwachung der Maschinenfunktionen hinzu. Für das Beispiel des anästhesierten, akustische Alarme angefordert. Welche Parameter in welcher zeitlichen Dich- beatmeten Patienten wird normativ zusätzlich te erfasst und in wie engen Grenzen über- das folgende Maschinenmonitoring gefordert [2]: wacht werden, hängt von der Situation und dem Patientennahe Atemgaskonzentrationen (O2 , InGesundheitsstatus des Patienten ab. Monitoring halationsanästhetika), Exspirationsvolumen mit wird dort eingesetzt, wo Organfunktionen durch Überwachung von Diskonnektion und Apnoe, Krankheit, Diagnose, Therapie oder durch Früh- Atemwegsdruck. geburt gefährdet oder eingeschränkt sind und eventuell durch Maschinenfunktionen kompen42.2.3 Alarmgebung siert werden. Ein typisches Beispiel für das situationsbedingte Patientenmonitoring ist die Überwachung Durch die automatische Überwachung und Alarder Vitalfunktionen eines Patienten während ei- mierung soll ein für den Patienten kritischer ner Allgemeinanästhesie. Weitere Beispiele für oder gar lebensbedrohlicher Zustand frühzeitig den Monitoringeinsatz sind der Aufwachraum, erkannt und das rechtzeitige Eingreifen des medie Intensivstation, die Überwachungsstation für dizinischen Personals ermöglicht werden. Dazu Patienten nach akuten, insbesondere kardialen müssen die Warngrenzen der erfassten ParameProblemen, die Notfallstation und speziell die ter entsprechend eng eingestellt sein, um eine klinisch relevante Situation sicher zu entdecken. Neonatologie. Auch bei besonderen Diagnose- oder The- Außerdem muss die Alarmausgabe hinreichend rapieverfahren mit einem erhöhten Risiko für dominant sein, um gegenüber anderen visuellen den Patienten oder hoher Invasivität, wie bei- und akustischen Hintergrundreizen wahrnehmbar spielsweise der Herzkatheteruntersuchung oder zu sein. Die speziellen Anforderungen an die der Dialyse wird Patientenmonitoring eingesetzt. Alarmausgabe sind dabei in einer Norm festgeSelbst mobile Patienten können über drahtlose legt [3]. Im klinischen Alltag ergeben sich durch die Häufigkeit und Intensität gerade von akustiTelemetriesysteme überwacht werden.

42

860

S. Klein et al.

Tab. 42.1 Mindestanforderungen an die apparative Ausstattung eines Anästhesie-Arbeitsplatzes. (Auszug aus [1]) Verfügbarkeit Essenziell

Anästhesie-Atemsystem incl. Überwachungsgeräten, Alarmsystemen und Schutzvorrichtungen nach DIN EN 60601-2-13 Patientennahe Atemgasmessung Konzentrationen von Sauerstoff, Kohlendioxid und Inhalationsanästhetikum Pulsoximeter u. a. Digitalanzeige von SpO2 - und Herzfrequenz EKG-Monitor akustisches Signal bei Unterschreitung einstellbarer Alarmgrenzen der Herzfrequenz Blutdruckmessung Körpertemperaturmessung Defibrillator Relaxometer wenn Muskelrelaxantien eingesetzt werden Blutzuckermessung bei Kindern bis zum vollendeten 1. Lebensjahr und Diabetikern Empfohlen Anästhesie-Beatmungsgerät nach DIN EN ISO 8835 T 5 Oszillometrische Blutdruckmessung

schen Alarmen massive Probleme für das medizinische Personal und für die Patienten z. B. auf Intensivstationen [4]. Gerade beim Eintreten kritischer Situationen werden meist mehrere Alarme gleichzeitig ausgelöst. Dann kann es für das Personal schwierig werden, die unterschiedlichen Alarme zu unterscheiden und zu identifizieren. Um zu verhindern, dass weniger wichtige Alarme wichtigere überdecken, werden Alarmsysteme mit geeigneter Alarmpriorisierung normativ vorgeschrieben [3].

42.2.4

Zentrale Überwachung

Während es bei der OP-Überwachung um einen einzelnen, lokal betreuten Patienten geht, werden in der Überwachungsstation oder in der Intensivstation in der Regel mehrere Patienten gleichzeitig überwacht. Oft werden die bettseitig erfassten Parameter zu einer Zentrale geleitet, wenigstens aber die Alarme zentral oder so verteilt ausgegeben, dass das medizinische Personal sie auch in anderen Räumen wahrnehmen kann.

42.2.5

Arbeitsplatz, unmittelbar X

Im Bedarfsfall in angemessener Zeit

X

X X

X X X X X

X X

Gerätetechnik

Obwohl Patientenmonitore von einer Vielzahl von Herstellern angeboten werden, hat sich doch eine typische Gerätekonfiguration herausgebildet. Auf einem Bildschirm werden ausgewählte Parameter als Echtzeitkurven über der Zeit dargestellt (z. B. EKG, Atemdruckkurve, arterieller Blutdruck, zentralvenöser Blutdruck, Photoplethysmogramm) (Abb. 42.6). Zusätzlich gibt es auf dem Bildschirm Bereiche mit numerischen Anzeigen für z. B. die aus dem EKG abgeleitete Herzfrequenz, die Sauerstoffsättigung aus dem Photoplethysmogramm oder den nichtinvasive Blutdruck. Für überwachte Parameter können auch die Alarmgrenzen ständig oder durch Benutzerinteraktion dargestellt werden. In unmittelbarer Nähe zum Bildschirm sind Bedienelemente angeordnet. Viele Patientenmonitore sind bezüglich der erfassten Parameter und ihrer Darstellungsform konfigurierbar. So können Module für bestimmte physiologische Größen hinzugefügt und damit der Patientensituation angepasst werden. Je nach

42 Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

70 0.00 0.00 0.00

20 98 100

100

100

100

Text

100

100

100

100

Blindtext

100

100

100

100

Blindtext

0.00 0.00 0.00

0.00

70

144/78 [101]

861

Beim Transport kritischer Patienten oder in der Notfallversorgung werden tragbare Patientenmonitore eingesetzt.

42.3 42.3.1

Beatmung, Inhalationsnarkose Beatmung

Mute

Abb. 42.6 Patientenmonitor

Hersteller können über 30 Parameter erfasst werden. Mit einer wachsenden Anzahl erfasster Parameter nimmt auch die Menge von Kabel- oder Schlauchverbindungen zwischen Patient und Monitor zu, wodurch der Patientenzugang für das medizinische Personal signifikant beeinträchtigt werden kann. Zur Entschärfung dieser Situation bieten einige Hersteller patientennahe Parameterboxen an, die die Messwerterfassung für mehrere Parameter enthalten und dann über nur eine Verbindung mit der Anzeigeeinheit kommunizieren. Die meisten Patientenmonitore bieten die Möglichkeit, die erfassten Daten an eine zentrale Überwachungsstation zu liefern und mit einem eventuell vorhandenem Krankenhausinformationssystem (KIS) zu kommunizieren. Die Übertragung der Signale erfolgt entweder über dedizierte, vom Hersteller bereitgestellte Monitoring-Netzwerke oder seltener über das allgemeine Krankenhausnetzwerk, wenn dessen Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit für die Übertragung zeitkritischer Signale sichergestellt ist [3]. Die Anbindung der bettseitigen Monitore an die Netzwerke kann drahtgebunden oder drahtlos erfolgen [22]. Wenn die bettseitig gewonnenen physiologischen Parameter mit Informationen des Krankenhausinformationssystems, wie der Anamnese, der Labordiagnostik und der Historie der Therapiemaßnahmen und Medikation zusammengefügt und automatisch ausgewertet werden, spricht man von Patienten-Datenmanagement-Systemen (PDMS). Sie können einen umfassenden Patientenstatus generieren und überwachen sowie die strategische Therapieplanung unterstützen.

Beatmung dient der Unterstützung oder dem Ersatz unzureichender Spontanatmung und ist ein fester Bestandteil der Anästhesiologie. Atemwegsdrücke bewegen sich im Bereich von 20 bis 100 hPa relativ zum Umgebungsdruck und werden mit piezoelektrischen Differenzdrucksensoren sehr genau gemessen. Die Beatmungsmuster (Modi) moderner Beatmungsgeräte lassen sich einteilen in volumenkontrollierte Modi, druckkontrollierte Modi und SpontanatmungsModi. Im Folgenden werden die Grundformen der kontrollierten Beatmung beschrieben. Bei der volumenkontrollierten Beatmung (Abb. 42.7) mit konstantem Inspirationsfluss appliziert der Antrieb (Ventilator) ein eingestelltes Tidalvolumen (Atemzugvolumen). Einstellparameter sind: der Inspirationsfluss (F insp ), das Tidalvolumen (V T ), die Inspirationszeit (T i ), die Beatmungsfrequenz (f ) und der exspiratorische Beatmungsdruck (PEEP). Der inspiratorische Beatmungsdruck ist die resultierende Größe entsprechend der Lungenmechanik (Atemwegswiderstand (Resistance R) und Nachgiebigkeit (Compliance C)). Wird das eingestellte Tidalvolumen schon vor Ablauf der eingestellten Inspirationszeit erreicht, ergibt sich eine inspiratorische Pause mit dem Plateaudruck (Pplateau ). Nach Ablauf der Inspirationszeit wird der exspiratorische Beatmungsdruck PEEP eingestellt. Aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Lungendruck und dem exspiratorischen Beatmungsdruck kommt es zu einer passiven Exspiration. Bei der druckkontrollierten Beatmung (Abb. 42.7) hält der Ventilator ein eingestelltes Druckniveau konstant. Aus dem Beatmungsdruckverlauf folgt entsprechend der Lungenmechanik ein in- und exspiratorisch absinkender Fluss. Einstellparameter für druckkontrollierte Beatmungsmodi

42

862

S. Klein et al. Paw

Paw

PMax PPeak PPlateau

Pinsp

PEEP

PEEP Ti

Te

Zeit

Ti

1/f

Te

Zeit

1/f Flow

Flow Finsp

Zeit

a

Zeit

b

Abb. 42.7 Beatmungsdruck (Paw ) und -fluss bei volumenkontrollierter (a) und bei druckkontrollierter Beatmung (b) [5]

sind: der Inspirationsdruck (Pinsp ), die Inspirationszeit (T i ), die Beatmungsfrequenz (f ) und der Beatmungsdruck während der exspiratorischen Phase (PEEP).

42.3.2 Inhalationsnarkose Die Entwicklung der Anästhesie und der Anästhesietechnik ist eng mit der Entdeckung wirksamer Substanzen zur Ausschaltung des Bewusstseins und des Schmerzempfindens verknüpft. Inhalationsanästhetika liegen bei Raumtemperatur als Gas (Lachgas, Xenon) oder als Flüssigkeit (Halothane, Enflurane, Isoflurane, Sevoflurane, Desflurane) vor. Letztere sind flüchtige (volatile) Substanzen, die grundsätzlich über die Lungen appliziert werden. Mindestanforderungen an einen Anästhesiearbeitsplatz ergeben sich aus den harmonisierten internationalen Normen [6, 7] und den Anforderungen der Berufsverbände der Anästhesisten (z. B. Deutsche Gesellschaft für Anästhesie und Intensivmedizin – DGAI; www.dgai.de). Die pneumatischen Systeme werden nach ihrem Grad der Rückatmung in offene, halboffene, halbgeschlossene sowie geschlossene Systeme eingeteilt. Halbgeschlossene Systeme sind die Grundlage für die Konstruktion aller modernen Anästhesiegeräte. Man spricht auch von Kreis-

systemen oder Rückatemsystemen. Wesentliche Baugruppen sind die Gasdosierung, die Narkosemitteldosierung und das Kreissystem mit den In- und Exspirationsventilen sowie dem CO2 Absorber (Abb. 42.8). Dabei ist die Zufuhr von Frischgas zum Patienten i. d. R. geringer als das Atemminutenvolumen. Näherungsweise entspricht das vom Patienten ausgeatmete CO2 , das im Absorber gebunden wird, der Sauerstoffaufnahme. Damit wird dem System Volumen entzogen. Beträgt der eingespeiste Frischgasfluss exakt dem vom Patienten aufgenommenen Gasvolumen pro Minute, spricht man von einem geschlossenen System. Geschlossene Systeme können in Verbindung mit technischen Regelkreisen realisiert werden.

42.3.3 Gasdosierung Die genaue Dosierung des Frischgasflusses und die Einstellung des Mischungsverhältnisses der medizinischen Gase ist Aufgabe der Gasdosierung. Die elektronische Gasdosierung umfasst einen Gasmischer mit drei parallelen elektronisch ansteuerbaren Schaltventilen. Die Gaskonzentrationen im Mischgasreservoir ergeben sich aus dem Schaltzeitverhältnis der Ventile. Die Steuerung und Überwachung der Ventile erfolgt mit Druck- und Flusssensoren.

42 Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

863

Gas- und Narkosemitteldosierung

Kreissystem/Rückatemsystem Anästhesiegasfortleitung

N2O Flasche

3 Handbeatmungsbeutel

Gasdosierung N2O

4

Flowexsp.

2

CO2 Absorber

Narkosemittelverdampfer

insp. Ventil

1 Flowinsp.

5 O2 Notdosierung

Pexsp.

exsp. Ventil

Air O2

PEEP Ventil

Ventilator

Pinsp.

O2 Flush

O2 Flasche

Abb. 42.8 Anästhesiesystem mit Gasversorgung, Narkosemitteldosierung und Kreissystem 1 Inspirationsfluss, 2 Exspirationsfluss, 3 Überschussvolumen, 4 Rückatmungsvolumen, 5 Frischgasfluss. Ventilator: Antrieb, PEEP-Ventil: positiver endexspiratorischer Druck (Druck-

begrenzung). Die patientennahe Überwachung des Atemgases am Y-Stück kann auch Bestandteil des Monitoring (s. o.) sein und ist daher hier nicht dargestellt. (Fa. Drägerwerk AG & Co. KGaA, Lübeck)

42.3.4 Narkosemitteldosierung

Nähe der Raumtemperatur liegt, wird es erwärmt und über einen elektronischen Differenzdruckregler proportional zur Höhe des Frischgasflusses mit der gewünschten Konzentration dosiert. Bei der Direkteinspritzung wird von einem Einspritzdosierventil eine genau definierte Menge flüssiges Narkosemittel aus einem mit Druck beaufschlagten Narkosemitteltank in eine Verdampferkammer eingespritzt, wo es verdampft (Abb. 42.10). Über eine beheizte Leitung wird der Sattdampf weitergeleitet.

Die spezifischen physikalischen Eigenschaften der volatilen Flüssigkeiten erfordern unterschiedliche Verdampferkonstruktionen, die von passiver Verdunstung bis zur Flüssigkeitseinspritzung variieren. Narkosemittelverdampfer (Vapore) verdampfen die volatilen Anästhetika ohne Energiezufuhr. Ein Trägergasfluss wird aufgeteilt in einen Bypass- und einen Verdampferfluss, der mit Narkosemittel aufgesättigt wird. Aus dem Mischungsverhältnis von Bypass- und Verdampferfluss ergibt sich der Frischgasfluss mit der gewählten Narkosemittelkonzentration 42.3.5 Kreissystem (Abb. 42.9). Für Desflurane werden spezielle Vapore ein- Das Kreissystem beinhaltet In- und Exspiratigesetzt. Da der Siedepunkt mit 22,8 °C in der onsventil, einen CO2 -Absorber, ein Überschussventil, zwei Beatmungsschläuche mit Y-Stück und einen Handbeatmungsbeutel. Außerdem sind Trägergasfluss Frischgasfluss für die automatische Beatmung ein elektrisch Handrad angetriebener Ventilator, ein PEEP/Pmax -Ventil sowie Druck- und Flusssensoren für die Steuerung und Überwachung der Beatmung vorhanden. Während der Inspiration verschiebt der VenAbb. 42.9 Narkosemitteldosierung durch Narkosemittel- tilator das Tidalvolumen in das Atemsystem und verdampfer. Der über der freien Narkosemitteloberfläche über den Inspirationsschenkel in die Lunge. Das durch Verdunstung gesättigte Bypassstrom wird dem Trägergas dosiert zugemischt. (Fa. Drägerwerk AG & Co. PEEP/Pmax -Ventil ist geschlossen. Das in Flussrichtung vor dem Inspirationsventil kontinuierKGaA, Lübeck)

42

864

S. Klein et al. PAW

Zielwert: Narkosemitteldampf

PEEP/PMAX

Flowexsp.

exsp. Ventil

Dosierdruck Controller E

Frischgas

P

insp. Ventil Flowinsp. Ventilator

NarkosemittelDampf

Narkosemitteltank

Einspritzventil

Abb. 42.12 Kreissystem mit Kolben-Ventilator – Exspirationsphase. (Fa. Drägerwerk AG & Co. KGaA, Lübeck)

Verdampferkammer

Abb. 42.10 Narkosemitteldosierung durch elektronische Einspritzung. (P/E: Drucksensor mit elektrischem Ausgangssignal) [8]

42.3.6

CO2 -Absorber

Das ausgeatmete Kohlendioxid wird im Absorber im Kreissystem chemisch an Atemkalk gebunden. Bei der Reaktion entstehen Wasser und lich in das Kreissystem einströmende Frischgas Wärme. wird in dieser Phase im Handbeatmungsbeutel gespeichert (Abb. 42.11). 2NaOH C H2 CO3 ! Na2 CO3 C 2H2 O C Wärme Bei der Exspiration (Abb. 42.12) wird das aus Ca.OH/2 C Na2 CO3 ! CaCO3 C 2NaOH der Lunge exspirierte Gas über den Exspirationsschenkel abgeatmet. Bei geschlossenem Inspirationsventil fährt der Ventilator proportional zum Signal des Exspirationsflusssensors zurück 42.3.7 Ventilator und wird sowohl mit über den CO2 -Absorber geleitetem Exspirationsgas als auch mit Frischgas Ein Erwachsener hat typisch ein Tidalvolumen gefüllt. Die in- und exspiratorische Gaskonzen- von 500 ml bei 12 Atemhüben pro Minute. Der tration wird durch das Frischgasdosierprinzip nur Gasaustausch der Lungen während der Narkoindirekt vorgegeben. Genaue Informationen über se wird durch maschinelle Beatmung (Ventilator) die Gaskonzentrationen kann nur eine Gaskon- aufrechterhalten. Während der Ein- und Ausleitung der Narkose wird manuell mit dem Handbezentrationsmessung liefern. atmungsbeutel gearbeitet. Verschiedene Antriebssysteme für VentilatoPAW ren sind üblich. Beim Balgantrieb wird in einer PEEP/PMAX Flowexsp. Kammer das Inspirationsgas durch eine elastiexsp. Ventil sche Membran (Balg) vom Antriebsgas getrennt, das in die Kammer geleitet wird. Nachteilig ist, dass das benötigte inspiratorische Antriebsgasvoinsp. Ventil Frischlumen bei der Exspiration verloren geht. Außergas Flowinsp. dem ist das kompressible Volumen der Kammer Ventilator i. d. R. nicht exakt messbar, wodurch auch das vom Balgantrieb gelieferte Volumen nicht exakt bestimmbar ist. Beim Kolbenantrieb wird das geAbb. 42.11 Kreissystem mit Kolben-Ventilator – Inspiralieferte Volumen über den Stellweg des Kolbens tionsphase. (Fa. Drägerwerk AG & Co. KGaA, Lübeck) bestimmt. Da die genaue Position des Kolbens und damit das kompressible Volumen sehr gut

42 Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

messbar sind, kann das gelieferte Volumen auf wenige Milliliter genau bestimmt werden. Radialverdichter sind primär Druckquellen und können ohne Zusatzvorrichtungen allein mit hohen Drehzahlen und schnellen Drehzahländerungen die in einem Anästhesiekreissystem erforderlichen Beatmungsdrücke (bis zu 100 hPa) und Beatmungsdruckänderungen innerhalb von 100 ms erzeugen.

42.3.8 Gas-, Druck- und Flussmessung Steuerung und Überwachung der Beatmung werden durch Druck- und Flusssensoren sichergestellt. Für die Flussmessung werden Differenzdruck-Messverfahren, Hitzdrahtanemometrie oder Ultraschallverfahren eingesetzt (vgl. Bd. 2, Teil VI „Messtechnik und Sensorik“). Um dabei den ersten Fehlerfall erkennen zu können, werden Sensoren doppelt ausgeführt und Aktuatoren durch Sensoren überwacht. Die Messung der Gaskonzentrationen für CO2 und Anästhesiegase basiert in der Regel auf infrarotoptischen, spektrokopischen Verfahren. O2 kann mittels seiner paramagnetischen Eigenschaften oder elektrochemisch gemessen werden.

42.4 Therapie von Herzrhythmusstörungen

865

chen deutlich höheren Druck und hat deshalb eine kräftigere Muskulatur. Der Volumenstrom durch beide Herzseiten ist gleich. Die zyklische Kontraktion des Herzmuskels (Myokard) wird durch rhythmische elektrische Erregungen ausgelöst, die im Herzen selbst entstehen. Das Erregungsbildungs- und Leitungssystem des Herzens ist autonom, also unabhängig vom zentralen Nervensystem. Es besteht aus Erregungen generierenden und leitenden Zellen, die sich mit ihren Knotenpunkten auf der rechten Herzseite befinden. Der Sinusknoten im oberen rechten Vorhof besitzt schnell depolarisierende Zellen. Sie haben die höchste Eigenfrequenz und geben dem gesamten Myokard mit etwa 60 bis 80 Aktivitäten pro Minute einen Takt vor, der sich der jeweiligen Belastung des Kreislaufes anpasst. Diese Erregung läuft über die Leitungsbahnen und Muskelzellen beider Vorhöfe, die dadurch kontrahieren und das sich in ihnen befindende Blut durch die Segelklappen in die Herzkammern verdrängen. Die elektrische Erregung erreicht auch den Atrioventrikularknoten (AV-Knoten), der zwischen dem rechten Vorhof und der rechten Herzkammer sitzt (Abb. 42.13). Dieser verzögert die Erregungsweiterleitung kurz, damit genügend Zeit für die Füllung der Kammern aus den Vorhöfen zur Verfügung steht. Nur der AVKnoten kann die Erregung durch die aus Bindegewebe bestehende und elektrisch isolierende Klappenebene zwischen den Vorhöfen und den Kammern weiterleiten. Er besitzt einen geringeren Eigenrhythmus als der Sinusknoten (etwa 40

Das Herz hat die Aufgabe, das Blut im Körperkreislauf (linke Herzseite) und im Lungenkreislauf (rechte Herzseite) zu fördern. Dazu arbeitet es analog einer Verdrängerpumpe. Durch Kontraktion des Herzhohlmuskels, der die beiden Kammern und Vorhöfe auf der rechten und linken Herzseite bildet, wird das sich in ihm befindende Blutvolumen verdrängt. Die Herzklappen zwischen Vorhof und Kammer (Bluteingang) sowie Kammer und ausmündendem Blutgefäß (Blutausgang) arbeiten als Rückschlagventile und bestimmen die Strömungsrichtung. Die strömungsmechanische Funktion sowie der anatomische Aufbau der rechten und linken Herzseite sind weitgehend analog. Allerdings erzeugt die linke Herzseite den für den Körperkreislauf erforderli- Abb. 42.13 Erregungsleitungssystem des Herzens

42

866

bis 50 Aktivitäten pro Minute). Die Erregungen, die den AV-Knoten vom Sinusknoten erreichen, zwingen ihm also den schnelleren Sinusrhythmus auf. Andererseits kann der AV-Knoten bei Ausfall des Sinusknotens einen langsameren Herzschlag generieren und so das Leben erhalten. Allerdings werden die Vorhöfe dann gleichzeitig erregt und können gegen den höheren Druck in den Kammern (bei geschlossenen Klappen) keine Pumpfunktion bewirken (passive Füllung notwendig). Die Eigenrhythmen der nachgelagerten Erregungszentren schaffen also eine Redundanz bei Störungen. Der AV-Knoten gibt die Erregung in die als His-Bündel bezeichneten angrenzenden Zellen des Erregungsleitungssystems in der Herzkammer weiter. Sie besitzen einen Eigenrhythmus, der mit etwa 15 bis 30 Aktivitäten pro Minute noch geringer als derjenige des AV-Knotens ist. So wird auch ihnen der schnellere Sinusrhythmus aufgezwungen. Die Erregungsausbreitung erfolgt nach dem His-Bündel zu den Tawara-Schenkeln und dann über die Purkinje-Fasern auf den Herzmuskel in der unteren Herzspitze. Die Kontraktion der Kammermuskulatur verläuft von dort ausgehend in Richtung Klappenebene, wo sich die Taschenklappen der ausmündenden Gefäße öffnen. Verschiedene Herzerkrankungen können zu Unregelmäßigkeiten bei der Erregungsbildung und -leitung (Herzrhythmusstörungen) mit negativen Auswirkungen auf die Pumpleistung des Herzens führen. Ist die Herzschlagfrequenz zu niedrig oder unregelmäßig, spricht man von bradykarden Rhythmusstörungen. Ursache können Ausfälle von Erregungsleitungszentren (z. B. Ausfall des Sinusknotens) sein. Bei tachykarden Rhythmusstörungen ist die Herzschlagfrequenz stark erhöht. Ursache dafür können zu schnell erneut erregbare Herzmuskelzellen sein, die eine kreisende Erregung (Kurzschluss) erzeugen. Bradykarde Rhythmusstörungen werden oft mit implantierbaren Herzschrittmachern (HSM) behandelt. Dies sind Impulsgeneratoren, die elektrische Aktivitäten erfassen und bei Bedarf niederenergetische, nicht fühlbare Spannungsimpulse im Herzen applizieren, um so das Herz künstlich zu erregen. Herzschrittschacher werden unter der Haut im Brustraum implantiert. Bis zu drei

S. Klein et al.

Elektroden verbinden den Schrittmacher je nach Bedarf mit dem rechten Vorhof (z. B. bei Ausfall des Sinusknotens), der rechten Kammer (z. B. bei Störungen der Erregungsleitung im AV-Knoten), einer Koronarvene auf der linken Herzseite (für die Kardiale Resynchronisationstherapie z. B. bei Linksschenkelblock, damit die Herzkammern besser aufeinander abgestimmt kontrahieren). Die Elektroden dienen je nach Art der Erkrankung der Stimulation (Spannung ca. 2,4– 3 V mit Impulsdauer von 0,4 ms) und Wahrnehmung (Empfindlichkeit 1–2,5 mV). Der Schrittmacherimpuls kann unterdrückt (inhibiert) werden, wenn bei unregelmäßigen Rhythmusstörungen eine Herzeigenaktion stattfindet. Bei Schrittmachern mit zwei oder drei Elektroden ist eine getriggerte Impulsabgabe möglich. So kann z. B. eine Elektrode im Vorhof den Sinusrhythmus detektieren und der Schrittmacher verzögert seinen Reiz über eine Kammerelektrode in die Herzspitze abgeben. So wird bei einem Ausfall des AVKnotens der Herzschrittmacher dessen Funktion übernehmen. Moderne Schrittmachertypen sind ca. 40–50 mm lang und breit bei einer Dicke von ungefähr 7 mm. Das Gewicht eines Schrittmachers beträgt zwischen 20 und 27 g. Sein Gehäuse besteht aus Titan. Es werden Lithium-Jod-Batterien verwendet, die mit einer nutzbaren Kapazität von über 1 Ah eine Lebenszeit von etwa 10 Jahren erreichen. Das Auslesen der Schrittmacheraktivitäten und des aufgezeichneten EKG sowie die Umstellung des Betriebsmodus erfolgen telemetrisch durch die Haut. Tachykarde Herzrhythmusstörungen mit stark erhöhter Schlagfrequenz können u. a. mit Defibrillatoren therapiert werden. Diese Impulsgeneratoren geben hochenergetische Spannungsimpulse (Energie bis 360 J bei äußerer Anwendung am Brustkorb, bis 30 J bei Anwendung am Herzmuskel) an die erregbaren Herzmuskelzellen ab, um das Erregungsbildungs- und -leitungssystem in einen Grundzustand zu versetzen. Mit der anschließenden Erregungsbildung im Sinusknoten

42 Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

Implantierter Herzschrittmacher

Elektrode in der Koronarsinusvene Elektrode im rechten Vorhof

867

halbdurchlässige (semipermeable) Membranen, oberflächenaktive Stoffe (Sorptionsverfahren) und die Trennung unterstützende physikalische Effekte (Diffusion, statischer Druck, Beschleunigung bzw. Zentrifugation etc.) genutzt.

Elektrode im rechten Ventrikel

Abb. 42.14 Implantationsort und Elektrodenpositionierung eines Herzschrittmachers

kann danach wieder ein regulärer Herzrhythmus entstehen. Heute sind auch implantierbare Defibrillatoren verfügbar, die das Herz ständig überwachen und jederzeit defibrillieren können. Sie sehen Herzschrittmachern ähnlich, sind aber aufgrund der Kondensatoren, die als Zwischenspeicher für die Impulsenergie erforderlich sind, etwas größer.

42.5

Blutreinigung (Dialyse)

Im Jahr 2017 litten 448 054 vollstationäre Patientinnen und Patienten in deutschen Krankenhäusern an Krankheiten der Niere [9]. Rund 70 000 Menschen müssen sich in Deutschland der chronischen Nierenersatztherapie in Form einer Blutreinigung (Dialyse) unterziehen. Die beiden in einer Nierenersatztherapie technisch ersetzbaren Hauptaufgaben der Niere sind die Ausscheidung von sowohl Stoffwechselendprodukten als auch Giften und Medikamenten sowie die Regulation des Wasser- und Elektrolythaushaltes. Zahlreiche weitere Funktionen der Niere (z. B. die der Blutdruckregulation) können nicht ersetzt werden. Neben einer Nierentransplantation sind technische Therapiemöglichkeiten einer Niereninsuffizienz die extrakorporale Blutreinigung (dem Körperkreislauf wird Blut entnommen und in einem extrakorporal gelegenen Kreislauf der Blutreinigung zugeführt) und die intrakorporale künstliche Blutreinigung (Peritonealdialyse: das Bauchfell bildet mit seinen Kapillaren eine Austauschmembran). Für den Stoffaustausch (bzw. den Entzug zu entfernender Blutbestandteile) werden:

Die wichtigsten Stoffaustauschvorgänge an Membranen sind die Diffusion (Stofftransport durch eine für den gelösten Stoff durchlässige Membran infolge eines Konzentrationsgradienten), die Ultrafiltration (Stoff- und Lösungsmitteltransport durch eine für den gelösten Stoff durchlässige Membran infolge eines Druckgradienten) und die Osmose (Lösungsmitteltransport durch eine für den gelösten Stoff undurchlässige Membran infolge eines Konzentrationsgradienten). Die Osmose wird ausschließlich in der intrakorporalen künstlichen Blutreinigung (Peritonealdialyse) für den Entzug von Wasser genutzt. Das wichtigste Bauelement einer Dialysemaschine zur extrakorporalen Blutreinigung ist der Dialysator, in dem der gewünschte Stoffaustausch erfolgt. Ein Dialysator besteht aus einer semipermeablen Membran und einem Gehäuse. Die Membrananordnung und -beschaffenheit muss sicherstellen, dass Blut und Dialysierflüssigkeit zuverlässig voneinander getrennt sind und durch eine geeignete Strömungsführung die gesamte Membranoberfläche sowohl vom Blut als auch von der Dialysierflüssigkeit umströmt wird. In den Verfahren zur extrakorporalen Blutreinigung werden Porenmembranen (z. B. asymmetrische Polysulfonmembranen) eingesetzt. Die Poren sind gerade so groß (ca. 3,3 nm), dass die aus dem Blut zu entfernenden Stoffe aufgrund ihrer Molekülgröße die Membran passieren können. Die Permeabilität einer Membran ist u. a. abhängig von der Molekülgröße und -form der zu dialysierenden Substanz, der Porengröße und Porengestalt der Membran, der Porenzahl pro Flächeneinheit, der Membrandicke und

42

868

S. Klein et al.

einer ggf. vorhandenen Oberflächenaktivität sigkeit wird jeweils mit einer Messung der elekder Membran (Adsorption von Molekülen). trischen Leitfähigkeit überprüft. Die Dialysierflüssigkeit enthält alle Elektrolyte, die nicht aus Heute hat sich aufgrund guter Blut- und Dia- dem Blut entfernt werden sollen in der physiololysatflusseigenschaften, guter Massentransportei- gischen Konzentration. So sorgt das Konzentragenschaften im Stoffaustausch und geringer Pro- tionsgefälle harnpflichtiger Substanzen für deren duktionskosten die Bauart des Kapillardialysa- Diffusion durch die Poren der Membran von der tors gegenüber früher verwendeten Platten oder Blut- zur Dialysatseite. Spulendialysatoren durchgesetzt. In ihm wird das Nach der Mischung wird die DialysierflüssigBlut in kleinen Hohlfasern (Kapillaren) geführt, keit auf Körpertemperatur erwärmt. Das dabei welche von Dialysierflüssigkeit umspült werden frei werdende Gas kann durch Niederschlag auf (Abb. 42.15). der Dialysemembran zu einer Verringerung der Ein Kapillardialysator besitzt rund 10 000 an Stoffaustauschleistung führen. Eine Entgasungsden Enden mit Polyurethan vergossene Kapilla- pumpe erzeugt deshalb einen Unterdruck, der ren mit einem Innendurchmesser zwischen 180 zum Entmischen des zuvor gelösten Gases und und 230 µm. Die installierte Membranfläche be- der Dialysierflüssigkeit dient. Es folgt die Bilanzträgt 0,8–2,0 m2 . An der Membran ist ein Blut- kammer. Sie stellt sicher, dass die zum Dialysator fluss bis zu 300 ml/min und ein Dialysatfluss bis strömende frische Dialysierflüssigkeit genau die zu 800 ml/min (in der Regel 500 ml/min) ohne gleiche Menge verbrauchter Flüssigkeit vom Diagrößeren Druckverlust möglich. Die Membran lysator ersetzt. Vor dem Eintritt in den Dialysator muss einer Druckdifferenz von 500 mmHg zum erfolgt noch eine Kontrolle der Temperatur und Entzug von Wasser aus dem Blut standhalten. des Volumenstroms. Ein Bypass-Ventil kann verEin Hämodialysesystem besteht aus einem hindern, dass fehlkonzentrierte oder falsch temextrakorporalen Blutkreislauf und einem dialy- perierte Dialysierflüssigkeit in den Dialysator gesatführenden System (Abb. 42.16). Bei der Bi- langt und den Patienten gefährdet. carbonatdialyse werden durch zwei getrennte Der Stoffaustausch findet im Dialysator statt, Mischeinheiten das Bikarbonat-Konzentrat und der blutseitig mit 100–300 ml/min, dialysatseidas pufferfreie Dialysierflüssigkeits-Konzentrat tig in der Regel mit 500 ml/min durchströmt im vorgegebenen Verhältnis mit Reinwasser ge- wird. Blut- und Dialysatstrom sind entgegen mischt. Die Zusammensetzung der Dialysierflüs- gerichtet. Hinter dem Dialysator befindet sich ein Blutleckdetektor. Er überwacht das bei einer möglichen Membranruptur in das Dialysat Bluteingang gelangende Hämoglobin. Die nachfolgende Ultrafiltrationspumpe entzieht dem Blut im Dialysator die notwendige Flüssigkeitsmenge (entsprechend der ernährungsbedingten Aufnahme) Dialysatausgang durch Ultrafiltration. Sie fördert das Dialysat an Hohlfaserkapillaren Gegenstrom der Bilanzkammer vorbei. So definiert sie allein den transmembranen Volumenstrom mit einem Dialysatorgehäuse zusätzlichen der Diffusion überlagerten konvektiven Stofftransport harnpflichtiger Substanzen Dialysateingang zwischen Blut- und Dialysatseite. Die Ultrafiltration hängt vom transmembranen Druckverhältnis (typisch: 500 mmHg) ab, welches durch Druckaufnehmer am Ein- und Ausgang des Dialysators sowohl auf der Blut- als auch auf der DialysatseiBlutausgang te bestimmt werden kann. Abb. 42.15 Aufbau eines Kapillardialysators

869

Blutführendes System

42 Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

Abfluss

Abb. 42.16 Komponenten der dialysat- und blutführenden Systeme einer Dialysemaschine

Dialysatführendes System

42

870

Der extrakorporale Blutkreislauf des blutführenden Systems enthält mindestens eine Blutpumpe (Rollenpumpe), die das Blut aus dem Zugangsgefäß fördert. Vor der Blutpumpe befinden sich ein Drucksensor, der den Blutzulauf überwacht, und eine Spritzenpumpe, die Heparin in das Blut fördert und damit seine Gerinnungsfähigkeit verringert. Hinter dem Dialysator befindet sich ein Luftdetektor mit einer Messeinrichtung (in der Regel ein Ultraschalldetektor), die den Blutspiegel in einem Blasenfänger (Luftdetektor) überwacht. Hier wird auch der venöse Rücklaufdruck gemessen. Hinter dem Blasenfänger ist eine Klemme angebracht, die im Fall eines Alarms des Luftdetektors den blutführenden Schlauch bei gleichzeitigem Stopp der Blutpumpe abklemmt.

42.6 Pumpen für Infusionen und Herzunterstützung Pumpen werden in der Medizin zu verschiedenen Zwecken eingesetzt. Wichtige Anwendungsgebiete liegen in der Infusionstechnik, der Blutreinigung (Abschn. 42.5) und der Herzunterstützung (ggf. kombiniert mit einer Lungenunterstützung). Es werden implantierbare Systeme von solchen unterschieden, die (überwiegend) außerhalb des Körpers (extrakorporal) zur Anwendung kommen und über Kanülen oder Katheter mit Blutgefäßen, Organen bzw. Hohlräumen des menschlichen Körpers verbunden werden. Hauptaufgabe der Infusionstherapie ist die Erhaltung oder Wiederherstellung der Eigenregulation des Organismus (Homöostase). Es kann u. a. eine parenterale Ernährung, eine Blutreinigung, eine Applikation von Arzneimitteln oder eine Regulation des Wasser- und Elektrolythaushaltes erfolgen. Unterschieden werden Schwerkraftinfusionssysteme und Druckinfusionssysteme. Die in ca. 80 % der Fälle [10] eingesetzten Schwerkraftinfusionssysteme nutzen den hydrostatischen Druck der Wassersäule eines über dem Patienten angebrachten Infusionsbehälters bei einer intravenösen Infusion mit geringem Gegendruck. Druckinfusionssysteme nutzen pneumatisch gespeicherte Energie oder elektrische Pumpen, die in Abhängigkeit vom Zweck der Infusion

S. Klein et al.

(Indikationsstellung) erforderlich werden, wenn spezifische Anforderungen an den Volumenstrom (Infusionsrate, Konstanz), die applizierten Volumina (Dosiergenauigkeit, sehr kleines oder großes Volumen), die Dauer der Infusion oder die Zusammensetzung der Infusionslösung gestellt werden. Weiterhin sind Pumpen in der Lage, höhere Drücke bis zu 1000 hPa aufzubauen, wie sie z. B. für Infusionen in Arterien (selten) oder in Gewebe, bei Verwendung kleiner Kanülen oder hochviskoser Infusionslösungen erforderlich sind. Externe Infusionspumpen werden nach Art des Förderantriebs in pneumatische und elektrische Systeme unterscheiden. Elektrische Antriebe werden in volumengesteuerten oder tropfengeregelten Peristaltikpumpen (Rollenpumpen bzw. Fingerpumpen) und Kolbenpumpen (Spritzenpumpen) genutzt. Rotationspumpen finden in der Herzunterstützung (s. u.), jedoch nicht für Infusionszwecke Anwendung. Infusionspumpen müssen hohe hygienische Anforderungen erfüllen. So haben sich Systeme durchgesetzt, in denen ausschließlich preiswerte Kunststoffschläuche oder -spritzen in Kontakt mit der Infusionslösung kommen und die keine Ventile benötigen. Die sterilen Kunststoffkomponenten werden nach einmaliger Anwendung verworfen, während die Pumpenmechanik erhalten bleibt. Die drei wichtigsten Bauformen sind: Rollenpumpen. Mehrere Rollen, die auf einem drehenden Rad angebracht sind, drücken nacheinander einen flexiblen Schlauch gegen eine Innenkontur, so dass im Schlauch ein Volumen des Fördermediums zwischen zwei geklemmten Abschnitten eingeschlossen und mit der kreisförmigen Bewegung der Rollen gefördert wird (Abb. 42.17). Fingerpumpen. Nebeneinander angeordnete Druckstege (Fingerelemente), die über eine rotierende Nockenwelle translatorisch bewegt werden, drücken in Förderrichtung nacheinander einen flexiblen Schlauch gegen eine elastische Ge-

42 Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

871

und Spastiktherapie eingesetzt und im Bauchraum implantiert (Abb. 42.20). Ein Katheter führt zum Wirkort des Medikamentes, das ohne unerwünschte Wirkungen oder Verdünnung im Blut z. B. unmittelbar dem Spinalraum im Rückenmark zugeführt wird. Die Befüllung erfolgt durch Punktion mit nicht-stanzenden Nadeln durch ein Silikon-Septum [11, 12]. Zwei Bauformen sind am Markt eingeführt, elektrische Rollenpumpen (s. o.) und gasgetriebene Pumpen (Abb. 42.21). Die AntriebsenerAbb. 42.17 Förderprinzip einer Rollenpumpe gie der elektrischen Pumpen wird einer Batterie entnommen. Diese Pumpen sind einstellbar und 3 2 können extrakorporal gesteuert werden, erfordern 1 4 jedoch eine Explantation zum Batteriewechsel und sind erheblich teurer als gasgetriebene Pumpen. Diese bestehen aus einem mit einem ZweiPhasen-Gemisch als Treibmittel (i. d. R. n-Butan mit konstantem Dampfdruck von ca. 3,4 bar ab5 solut bei konstanter Körpertemperatur) gefüllten 6 Titangehäuse. Der Druck fördert das sich in einer flexiblen Kammer befindende Medikament Abb. 42.18 Förderprinzip einer Fingerpumpe. 1 Nocken- durch eine Drosselstrecke, die nach dem Gesetz welle, 2 Drucksteg, 3 Motor, 4 Getriebe, 5 Fördervon Hagen-Poiseuille den Fluss bestimmt, in den schlauch, 6 elastisches Gegenlager Katheter zum Wirkort. Bei Volumenströmen zwigenlage, so dass im Schlauch ein Volumen des Fördermediums gefördert wird (Abb. 42.18). Spritzenpumpen. Das sich im Zylinder der gefüllten Spritze befindende Volumen wird durch Druck auf den Stempel entleert (Abb. 42.19). Antriebssysteme sind Zahnstangen oder Gewindespindeln. Implantierbare Infusionspumpen. Diese Pumpen werden überwiegend in der Schmerz5 4 3

2 1

Abb. 42.19 Förderprinzip einer Spritzenpumpe. 1 Motor, 2 Getriebe, 3 Gewindespindel, 4 Linearführung mit Stempel, 5 Spritze

Abb. 42.20 Implantierbare Infusionspumpe im Bauchraum mit Rückenmarkskatheter. (Fa. Tricumed, Kiel)

42

872

S. Klein et al. 5 1

4

6 2

3

7

Abb. 42.21 Implantierbare Infusionspumpe. 1 Titangehäuse, 2 flexible Medikamentenkammer, 3 Treibmittel (zwei Phasen), 4 Drosselstrecke, 5 Füllseptum, 6 Bolusseptum, 7 Katheteranschluss. (Fa. Tricumed, Kiel)

schen 0,25 ml/24 h und 3,0 ml/24 h erlauben die Pumpen Nachfüllintervalle von ca. 30 Tagen. Die Volumenänderung innerhalb des Treibmittelraumes wird durch Verdampfen bzw. Kondensation des Treibmittels kompensiert, solange zwei Phasen vorliegen. Beim Nachfüllen der Pumpe mit einer speziellen Nadel durch das Füllseptum wird die Medikamentenkammer expandiert und ein Teil des Treibmittels kondensiert, sodass mit der Körperwärme als Energiequelle ein erneuter Entladungszyklus beginnt. Ein Bolusseptum erlaubt den direkten Zugang zum Katheter. Die Vorteile beider Systeme werden in der Neuentwicklung einer gasbetriebenen, extrakorporal einstellbaren Infusionspumpe vereint.

42.6.1 Herzunterstützungssysteme Während in Herz-Lungen-Maschinen bei der Ruhigstellung des Herzens (und der Lunge) bei einem chirurgischen Eingriff vor allem Rollenpumpen verwendet werden, stehen für die kurzfristige mechanische Kreislaufunterstützung (Stunden, Tage) minimal-invasive Rotationspumpen und intraaortale Ballonpumpen zur Verfügung. Bei Ballonpumpen wird ein in die Aorta eingebrachter Ballon nach Schließen der Aortenklappe mit Helium gefüllt und verdrängt das Blut in die peripheren Arterien (intraaortale Gegenpulsation). Bei der mittelfristigen (Monate) und langfristigen (Jahre) mechanischen Kreislaufunterstützung von Patienten mit chronischer Herzinsuffizienz kommen implantierbare Rotationspumpen und verschiedene pulsatil arbeitende Verdrängerpumpen zum Einsatz. Oft genügt es, die Blutförderung in den Körperkreislauf zu unterstützen (Left Ventricular Assist Device LVAD), indem die Pumpe parallel zur linken

Herzkammer Blut aus der linken Herzspitze in die Aorta fördert. Biventrikuläre Herzunterstützungssysteme unterstützen zusätzlich den Lungenkreislauf. Es werden nach der Anordnung der Komponenten extrakorporale, perkutane Systeme (in der Regel kurzzeitig eingesetzt), teilimplantierbare Systeme (intrakorporale Pumpe, extrakorporale Steuerung) und implantierbare Systeme (mit transkutaner Energieeinkopplung) unterschieden. Herzunterstützungssysteme haben direkten Blut- und Gewebekontakt und müssen deshalb eine hohe Biokompatibilität besitzen. Dazu gehört u. a.: eine minimale Blutschädigung (Hämolyse), eine geringe Neigung, die Bildung von Blutgerinseln anzuregen (Thrombogenität), eine hohe Biokompatibilität der Oberflächen im Gewebekontakt (z. B. zur Förderung des An- und Einwachsens angrenzender Blutgefäße), eine minimale Infektionsgefahr bei hautdurchdringenden Bestandteilen (Energieversorgungskabel, Blutkanülen) sowie die Vermeidung unphysiologischer Unterdrücke im einleitenden Gefäß (möglichst passive Füllung). Verdrängerpumpen mit pneumatischem Antrieb sind als Membranpumpen aufgebaut und besitzen Ein- und Auslassventile, welche die Strömungsrichtung festlegen (Abb. 42.22). Die Ventile können als Segel oder Klappenventil aufgebaut sein und ähneln Herzklappenprothesen. Die Vorteile von Rotationspumpen liegen in ihrem einfachen konstruktiven Aufbau, dem geVentil Gehäuse

Anschlussring

Blutkammer Luftkammer

Gehäuseboden Treibmembran

Blutkontaktmembran

Abb. 42.22 Mechanische Verdrängerpumpe mit Darstellung des gefüllten (links) und des entleerten Zustandes (rechts) (nur eines von zwei erforderlichen Ventilen dargestellt)

42 Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

Vorleitflächen

Elektromagnetische Spulen Nachleitflächen Positionssensoren

N

N

S

S

Stator

Permanentmagnete

Laufrad Rotor

Abb. 42.23 Implantierbare Rotationspumpe zur Unterstützung der linken Herzkammer

ringeren Platzbedarf (implantierbar), dem hohen Wirkungsgrad und deshalb geringen Energiebedarf, der einfachen Regelung sowie der hohen technischen Zuverlässigkeit und Lebensdauer (Verzicht auf flexible Membranen und Ventile). Sie nutzen hohe Drehzahlen (ca. 12 000 min1 ) und verfügen über eine Magnetlagerung des Laufrades (Abb. 42.23).

42.7 Minimal-invasive Technologien 42.7.1

Endoskopische Techniken

Unter minimal-invasiven Technologien werden Geräte und Instrumente verstanden, die Eingriffe durch möglichst kleine künstliche oder natürliche Körperöffnungen ermöglichen und dadurch die postoperativen Belastungen der Patienten ge-

873

ring halten. Nach ersten Einsätzen in der Mitte des 19. Jahrhunderts erfolgte in den 1980er-Jahre eine rasante Entwicklung, in deren Folge heute zahlreiche Eingriffe minimal-invasiv durchgeführt werden können (Tab. 42.2). In Deutschland wurden 2018 ca. 3,52 Mio. diagnostische Endoskopien durchgeführt [9]. Zu den minimal-invasiven Technologien zählen z. B. auch Teilbereiche der interventionellen Radiologie (s. u.), wie die Arbeit mit Herzkathetern oder spezifische Operationstechniken in der Orthopädie. Für einen minimal-invasiven Eingriff sind mindestens ein Endoskop für die Bildgebung und ein Instrument erforderlich, häufig Zusatzeinrichtungen wie z. B. ein Insufflator, um durch Einleiten von CO2 mit einem Druck von ca. 12 mmHg in den Bauchraum einen Arbeitsbereich zu schaffen (Abb. 42.24). Die Funktion des Endoskops, Bilder des Körperinneren zu erzeugen, und die des Instruments, eine Therapie zu ermöglichen, wird häufig auch als „see and treat“ bezeichnet. Beide Funktionen sind bei therapeutischen Eingriffen untrennbar miteinander verbunden und können in einem Instrument vereinigt sein (z. B. in einem Resektoskop). Durch minimal-invasive Techniken können die Operationszeiten und -kosten steigen, die Gesamtkosten einer Behandlung sinken jedoch in zahlreichen Eingriffen wegen der schnelleren Erholung der Patienten, der geringeren Eingriffstiefe und der geringeren Traumatisierung. Übliche Durchmesser für Endoskope und Instrumente lie-

Tab. 42.2 Einsatzgebiete und Bezeichnungen von Endoskopen Einsatzgebiet Urologie

Gynäkologie Chirurgie Gastrointestinal

Zielorgane - Prostata - Blase - Harnleiter - Niere - Gebärmutter - Eierstock - Organe im Bauchraum

- Lunge - Magen - Darm HNO (Hals, Nasen, Ohren) - Nase - Nebenhöhlen - Rachenraum Orthopädie - Gelenke

Krankheitsbilder (Bsp.) - Benigne Prostatahyperplasie - Blasentumor - Stein - Tumore - Polypen - Zysten - Gallenblasenentzündung - Darmkrebs - Tumore - Reflux - Adenom - Entzündung - chronische Vereiterung - Stimmbandveränderung - Verschleiß

Endoskope - Resektoskop - Zystoskop - Ureteroskop - Nephroskop - Hysteroskop - Laparoskop - Kolposkop - Laparoskop - Bronchoskop - Gastroskop - Kolposkop - Rhinoskop - Sinuskop - Laryngoskop - Arthroskop

42

874

S. Klein et al.

Licht der Lichtquelle wird über ein Lichtleitkabel, das aus einem Bündel Lichtleitfasern besteht, die das Licht per Totalreflektion weitgehend verlustfrei leiten, zum Endoskop geführt. Innerhalb des Endoskops führen Lichtleitfasern das Licht an die Spitze. An der Spitze des Endoskops befindet sich ein Objektiv, das ein verkleinertes Bild des Körperinneren erzeugt. Durch das Beobachtungssystem wird ein Bild des ausgeleuchteten Hohlraums von der Spitze des Endoskops (distales Ende) nach außerhalb des Körpers (proximales Ende) Abb. 42.24 Minimal-invasiver Eingriff im Bauchraum übertragen. Je nach Anwendungsgebiet werden (Fa. Olympus, Hamburg) flexible und starre Endoskope genutzt. Bilder von der Spitze zum proximalen Ende des Endoskops gen zwischen 1,9 und 10 mm für Endoskope werden mit drei Prinzipien übertragen: optisch sowie 3 und 10 mm für Handinstrumente. durch Glasfaserbündel oder Linsensysteme sowie elektrisch als Videosignale. Dies führt zu drei Bauformen von Endoskopen.

42.7.2

Endoskope

Endoskope werden sowohl zu diagnostischen als auch therapeutischen Zwecken eingesetzt. Für therapeutische Zwecke werden zusätzlich sogenannte Handinstrumente in das Körperinnere eingeführt [13, 14]. Ein Endoskopiesystem besitzt zwei optische Funktionsgruppen, das Abbildungs- und das Beleuchtungssystem (Abb. 42.25). Die Beleuchtung besteht aus der Lichtquelle, einem Lichtleitkabel und den Lichtleitfasern im Endoskop. Als Lichtquellen dienen in der Endoskopie hauptsächlich Xenon-Leuchten, seltener Halogen-Lichtquellen. In den letzten Jahren werden zunehmend LED-Lichtquellen genutzt. Das

42.7.2.1 Faserendoskope (flexibel und starr) Das Bild des Objektivs wird über ein geordnetes Faserbündel mit bis zu 50 000 Fasern geleitet. Damit das Bild übertragen werden kann, muss die Anordnung der Fasern an beiden Endflächen des Faserbündels gleich sein (Abb. 42.26). Am proximalen Ende des Endoskops befindet sich ein Okular, das ein vergrößertes Bild des vom Faserbündel übertragenen Bildes erzeugt. In der Regel wird das Endoskop dann mit einem Kamerakopf verbunden. Dabei wird das Bild des Okulars auf einem Bildsensor z. B. mit HD-Auflösung (2 Mio Pixel) abgebildet und auf einem Monitor dargestellt.

42.7.2.2 Videoendoskope (flexibel und starr) Lichtleitkabel Bei diesen Endoskopen wird ein Bildsensor an Kameraadapter der distalen Spitze des Endoskops positioniert, Kamera auf den das Objektiv das Körperinnere direkt abTeleskop bildet (Abb. 42.27). Es werden nur elektrische Signale zum proximalen Ende des Endoskops Monitor übertragen. Das Bildsignal wird auch hier auf Abbildungssystem einem Monitor dargestellt. Für die Bewegung Beleuchtungssystem optischer Komponenten (Filter, Linsen) in der Abb. 42.25 Wesentliche Funktionseinheiten eines Endo- Endoskopspitze werden Mikroaktuatoren eingesetzt [15]. skops. (Fa. Olympus, Hamburg) Lichtquelle

42 Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

Distales Ende

Objektiv

875

Proximales Ende

Geordnetes Faserbündel

Okular

FF Distales Ende

F Proximales Ende

Abb. 42.26 Faserendoskop (flexibel). (Fa. Olympus, Hamburg)

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1

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Abb. 42.27 Distales Ende eines Videoendoskops. 1 Bildsensor, 2 Objektiv, 3 Abschlussglas (z. B. Saphir), 4 hermetischer Raum. (Fa. Olympus, Hamburg)

42.7.2.3 Linsenendoskope (starr) In einem Linsenendoskop wird das Bild des Objektivs durch eine Vielzahl von Linsen vom distalen zum proximalen Ende transportiert. Die Vielzahl an Linsen kann in Unterbaugruppen, sogenannte Umkehrsätze, aufgeteilt werden. Jeder Umkehrsatz erzeugt ein 1 : 1-Abbild des vom Objektiv erzeugten Bildes (Abb. 42.28). Durch die Verwendung von Stablinsen (Hopkinsoptik) kann das Licht weitgehend verlustfrei durch einen kleinen Durchmesser geleitet werden. Das vom letzten Umkehrsatz erzeugte Bild wird vom Okular vergrößert. Wie bei den flexiblen Endoskopen mit Faserbündel wird das Bild in der Regel auf einem Kamerakopf abgebildet und auf einem Monitor dargestellt.

verfügen dafür über Arbeitskanäle, die es erlauben, Instrumente und Katheter mit Durchmessern von 1 bis 2,4 mm bis vor die Optik zu bringen, um dort unter Sicht zu operieren. Starre Endoskope können ebenfalls mit Arbeitskanälen versehen sein, häufig werden zusätzliche Instrumente durch weitere Körperöffnungen (Trokare) eingebracht. Der therapeutische Eingriff kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Mechanische Instrumente werden genutzt, um Gewebe z. B. zu greifen, zu dissektieren, zu schneiden oder zu vernähen (Abb. 42.29). Vielfach werden auch Spülund Sauginstrumente eingesetzt, um das Operationsfeld oder das Endoskop kontinuierlich oder bedarfsabhängig zu reinigen. Neben den mechanischen Instrumenten werden verschiedene physikalische Effekte oder Energieformen in der Therapie mit speziellen Instrumenten genutzt, u. a. Hochfrequenzstrom (HF-Instrumente), Ultraschall, Laserlicht sowie Wärme oder Kälte. Spezifische Vor- und Nachteile führen zu unterschiedlichen Anwendungsarten, deren Entwicklung häufig sehr aufwändig ist. Die Komplexität einiger Instrumente erlaubt nur einen einmaligen Gebrauch, da eine Aufbereitung (vgl. Kap. 44) zur Sicherung der Sterilität teilweise nicht möglich ist.

42.7.2.4 Instrumente Neben der durch das Endoskop realisierten Bildgebung auf das Operationsfeld sind Instrumente für die Therapie erforderlich. Flexible Endoskope 42.7.2.5 Entwicklungstrends Jüngere Entwicklungen gehen dahin, die Invasivität weiter zu reduzieren, z. B. durch kleinere In1 2 4 3 strumente oder durch eine geringere Anzahl von Schnitten oder die Anwendung von Multiporttrokaren, die mehrere Instrumente durch eine KörAbb. 42.28 Abbildungssystem eines Linsenendoskops peröffnung führen (Single-Port-Surgery). Auch mit Zwischenabbildungen. 1 Objektiv, 2 Übertragungssystem (Stablinsen), 3 Okular, 4 Einkopplung Beleuchtung wird untersucht, ausschließlich natürliche Körperöffnungen zu nutzen (NOTES, Natural Orifice (Lichtleitfaser). (Fa. Olympus, Hamburg)

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S. Klein et al.

a

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Abb. 42.29 Mechanische Instrumente für die minimalinvasive Chirurgie. a Präparationszange mit mehrachsigem Hebelmechanismus, b Nadelhalter mit einfachem

Hebelmechanismus und Hartmetalleinlagen, c Handgriff mit mechanischer Rastfunktion für laparoskopische Instrumente (Fa. Olympus, Hamburg)

Transluminal Endoscopic Surgery). Ein Beispiel ist die Entfernung der Gallenblase durch einen kleinen Schnitt im Magen. Der Zugang erfolgt dabei von außen über den Mund und die Speiseröhre und ist nach der Operation nicht mehr sichtbar.

mit der Platzierung einer drahtgeflechtartigen Gefäßprothese (Koronarer Stent, Bare Metal Stent) durchgesetzt. Einen Erfolg bei der Vermeidung erneuter Verschlüsse (Restenose) von Koronargefäßen nach deren Aufweitung brachte die Beschichtung von Gefäßprothesen mit Medikamenten (Drug-Eluting-Stent), welche das für den erneuten Verschluss ursächliche, überschießende Wachstum des mechanisch gereizten Gewebes unterdrücken. Im Jahr 2018 wurden in Deutschland 682 564 koronarinterventionelle Eingriffe durchgeführt [9], in ca. 90 % dieser Fälle wurden Stents implantiert, von denen ca. 68 % mit Medikamenten beschichtet waren [16]. Andere neue kardiologische Behandlungsverfahren streben eine Limitierung der Dauer des Fremdkörperreizes der Gefäßprothese auf die ersten Wochen und Monate nach der interventionellen Therapie durch Verwendung resorbierbarer Werkstoffe an (resorbierbare Polymere und Metalle). Anforderungen an die Werkstoffe der Grundstruktur koronarer Stents (Abb. 42.30) sind eine hohe Bruchdehnung, eine ausreichend niedrige Dehngrenze (für die Expansion mit einem Ballon), ein ausreichend hoher Elastizitätsmodul (geringe Rückfederung nach der Aufweitung), eine geringe Kriechneigung, eine hohe Dauerfestigkeit (zyklische Arterienwandbewegung), hohe Korrosionsbeständigkeit (sofern diese nicht für

42.7.3 Interventionelle Kardiologie Die Kathetertechniken der interventionellen Kardiologie zur Behandlung der koronaren Herzkrankheit verursachen eine geringere Patientenbelastung als Bypassoperationen und sind bei medikamentös nicht therapierbaren Verengungen der Herzkranzgefäße indiziert, wenn eine operative Verbesserung der Blutversorgung nicht erforderlich ist. Dazu ist nur eine Punktion der Leistenarterie notwendig. Über eine abdichtende Schleuse und einen in der Aorta liegenden Führungskatheter sind die Herzkranzgefäße für koronare Katheter direkt erreichbar. Eine Option in der Behandlung von Verengungen dieser Gefäße ist die mechanische Aufweitung des verengten Gefäßabschnittes (Stenose) mit einem Ballonkatheter (Perkutane Transluminale Coronare Angioplastie PTCA). Inzwischen hat sich die Kombination der Ballondilatation von Koronarstenosen

42 Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

42.8

877

Orthopädische Implantate

Orthopädische Implantate werden zur Behandlung angeborener oder erworbener Störungen und Anomalien des Stütz- und Bewegungsapparates eingesetzt. Die wichtigsten Anwendungsgebiete orthopädischer Implantate sind a

b

Abb. 42.30 Koronarstentsystem. a 2D-Abwicklung b 3D-Modell. (Fa. Biotronik AG, Bülach/CH)

die Resorption genutzt wird), eine gute Röntgenabsorption (Sichtbarkeit in der Angiografie) und nicht magnetische Eigenschaften für die Anwendung der Magnetresonanztomografie. Wie alle Implantate müssen koronare Stents biokompatibel und sterilisierbar sein. Es werden heute überwiegend metallische Werkstoffe für die Grundstruktur koronarer Stents (in Kombination mit verschiedenen medikamentenbeladenen Beschichtungen) eingesetzt. Dies sind hauptsächlich Chrom-Nickel-Stähle (kubisch flächenzentrierter austenitischer Stahl nach AISI 316 L) und kaltumformbare Kobaltbasislegierungen (CoCrNiMo). Eine Bedeutung außerhalb kardiologischer Anwendungen besitzen Formgedächtnislegierungen auf Nickel-Titan-Basis (Nitinol, je 50 % Nickel und Titan, Einsatz bei selbstexpandierenden Stents).

der Ersatz von Gelenken (u. a. Hüfte, Knie, Schulter sowie Ellenbogen), der Ersatz von Bandscheiben und Wirbelkörpern bzw. die Stabilisierung der Wirbelsäule, die Unterstützung der Knochenheilung (Osteosynthese) und die Fixation von Muskeln, Sehnen und Bändern. Exemplarisch werden Gelenkimplantate als wichtigste Gruppe orthopädischer Implantate vorgestellt. Die beiden großen Gelenke der unteren Extremität werden am häufigsten durch Implantate ersetzt. 2018 wurden 239 204 Endoprothesen am Hüftgelenk und 190 427 am Kniegelenk implantiert [9]. Der endoprothetische Ersatz ist aber auch im Bereich der großen Gelenke der oberen Extremität sowie für Finger- und Zehengelenke möglich. Im Bereich der Wirbelsäulenchirurgie werden ebenfalls verschiedene orthopädische Implantate (u. a. als Bandscheibenersatz) verwendet. Zunehmend finden minimal-invasive Operationsverfahren bei der Implantation Anwendung, bei denen mit einem relativ kleinen Hautschnitt unter Schonung der gelenkumgreifenden Muskulatur und der anderen Weichteile sowie Nerven operiert wird. Navigationssysteme und patientenindividuelle Resektionsschablonen, die unter Nutzung von Bilddaten angefertigt werden, dienen einer Erhöhung der Positioniergenauigkeit von Gelenkimplantaten. Das Ziel der Gelenkendoprothesen-Implantation ist die Wiederherstellung eines zuvor schmerzhaft geschädigten und bewegungseingeschränkten Gelenks unter besonderer Beachtung der biomechanischen Verhältnisse. Die Hauptanforderungen an eine Gelenkendoprothese sind eine dauerhaft stabile, lasttragende Verankerung im Stützapparat, eine ausreichend gute Nachbildung

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der Gelenkkinematik und eine Biokompatibilität, die die Verträglichkeit ggf. freigesetzter Ionen oder Abriebpartikel einschließt. In der Gelenkendoprothetik wird zwischen der zementfreien und der zementierten Verankerung der Prothesenkomponenten unterschieden. Die zementfreie Verankerung wird überwiegend bei jüngeren Patienten oder bei Patienten mit guter Knochenbeschaffenheit genutzt. Bei einer zementfreien Hüftprothese kann der Halt im Röhrenknochen durch die Passfähigkeit der äußeren Implantatform des verankerten Schaftbereiches in der Knochenaushöhlung (Kavität, Hohlraum) im Press-Fit-Verfahren (Form- und Kraftschluss zwischen Implantat und Knochen) erreicht werden. Der Knochen wächst (ggf. unterstützt durch bioaktive Beschichtungen) in poröse oder raue Implantatoberflächen ein. So wird die Implantatverankerung durch Formschluss verbessert. Nachteilig an dieser Verankerungsform ist, dass der Patient das Implantat nach der Operation einige Wochen lang nur teilbelasten darf. Gelenkendoprothesen für ältere Patienten oder Patienten mit schlechter Knochenbeschaffenheit werden aufgrund der verringerten Regenerationsfähigkeit des Knochens und einer weniger belastbaren Knochenstruktur eher zementiert verankert. Knochenzement ist ein Polymethylmethacrylat (PMMA)-Material, das während der Operation aus Monomeren hergestellt wird und danach innerhalb von 10 min. verarbeitet werden kann. Die Polymerisation findet in situ als exotherme Reaktion statt. Ziel ist es, einen geschlossenen Zementmantel zwischen der Implantatoberfläche und dem Knochen bzw. dem Schaft des Implantats und dem umgebenden Röhrenknochen zu erhalten. Diese stoffschlüssige Form der Verankerung hat eine höhere Primärstabilität als die zementfreie Verankerung. Die Patienten sind schneller mobilisierbar, die volle Belastbarkeit kann schon einen Tag nach der Operation erreicht werden. Einschränkungen bestehen in der geringen Festigkeit des PMMA-Materials und in der Notwendigkeit, bei Revisionsoperationen den Knochenzement zu entfernen. Eine Hüftendoprothese ersetzt das natürliche Hüftgelenk und ist wie dieses als Kugelgelenk aufgebaut. Sie besteht aus mehreren Komponen-

S. Klein et al.

ten (Abb. 42.31): einem Schaft, der im oberen Teil des Oberschenkelröhrenknochens verankert wird und mit einer Konusverbindung den Kugelkopf trägt, der in der passenden Gelenkpfanne gleitet. Die Gelenkpfanne besteht aus einem Inlay und einer äußeren, im Beckenknochen verankerten Schale. Die zementfreien Implantate werden oft aus einer Titanschmiedelegierung gefertigt, die das Anwachsen des Knochens unterstützt, während die zementierbaren Prothesenkomponenten aus einer Kobalt-Chrom-Schmiedelegierung hergestellt sind. Der modulare Aufbau des prothetischen Systems erlaubt die Kombination unterschiedlicher Reibpartner (Gelenkkopf und Pfanne) sowie die Verwendung der jeweils auf die Patientenanatomie abgestimmten Größen der Verankerungskomponenten (Schaft, Pfannenaußenschale) in der gewünschten Verankerungsform (zementiert, zementfrei). Für die Gleitpaarung zwischen Hüftkopf und -pfanne werden unterschiedliche Kombinationen eingesetzt. Üblich sind Keramik-Kopf mit Keramik- oder Polyethylen-Pfannen-Inlay sowie Metall-Kopf mit Polyethylen- oder Metall-Pfannen-Inlay. Die Auswahl der patientenindividuell geeigneten Kombination wird in Abhängigkeit vom erwarteten Abrieb, der Biokompatibilität, der Bruchgefahr und der Kosten getroffen. Es sind verschiedene Schaft- und Pfannenschalenkonstruktionen verfügbar. Bei den Knieendoprothesen (Abb. 42.32) sind vier verschiedene konstruktive Varianten zu unterscheiden, die in Abhängigkeit von der Größe der geschädigten und zu ersetzenden Gelenkbereiche eingesetzt werden. Bei einem einseitigen (unikondylären) Oberflächenersatz wird nur eine Seite des Gelenkes ersetzt (öfter die innere als die äußere), die andere Gelenkseite und der das Gelenk sichernde Bandapparat bleiben erhalten. Bei einem kompletten Oberflächenersatz werden der gesamte Gelenkknorpel und ggf. auch die Kreuzbänder ersetzt, die Seitenbänder bleiben erhalten. Bei einer extremen seitlichen Gelenkinstabilität, Fehlstellung oder im Revisionsfall wird ein teilgekoppelter Gelenkersatz notwendig, wobei ein Seitenband erhalten bleiben sollte. Bei einem vollständigen, achsgeführten Gelenk-

42 Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

a

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b

Abb. 42.31 Hüftgelenkendoprothesen. a zementfreie Prothese mit Keramikkopf und Polyethylen-Pfanneninlay. b Hybrid-Ausführung mit zementiertem Hüftschaft, zementfreier Pfanne mit Keramik-Inlay und Keramik-Kopf.

c c zementfreier kurzer Hüftschaft mit zementfreier Pfanne mit Kermaik-Inlay und Keramik-Kopf. (Fa. Biomet GmbH, Berlin)

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Abb. 42.32 Knieendoprothesen. a Einseitiger (unikondylärer) Oberflächenersatz, b kompletter Oberflächenersatz, c vollständiger, achsgeführter Gelenkersatz. 1 Unterschen-

c kelknochen (Tibia), 2 Oberschenkelknochen (Femur), 3 Oberschenkelimplantat, 4 Verankerungsschaft, 5 Metallplateau, 6 Polyethylen-Gleitfläche

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ersatz sind auch beide Seitenbänder zu ersetzen. Eine Scharnierachse verbindet hier die Implantatkomponenten im Ober- und Unterschenkel. Im Kniegelenk kommen aufgrund der notwendigen Dämpfung, Elastizität und Bruchsicherheit überwiegend Metall-Polyethylen-Gleitpaarungen zum Einsatz. Wie bei Hüftgelenken sind zementierte und zementfreie Verankerungen möglich.

42.9 Gliedmaßenprothetik (Exoprothetik der Extremitäten) Exoprothesen sind außen angebrachte Körperersatzstücke, zu denen u. a. Gliedmaßenprothesen für die obere und untere Extremität gehören. In der Gesundheitsstatistik Deutschlands sind für 2018 122 Amputationen und Exartikulationen im Bereich der oberen Extremität, 4147 der Hand, 11 316 der unteren Extremität und 36 836 des Fußes erfasst [9]. Gliedmaßenprothesen können Amputierten sowohl einen funktionellen als auch den ästhetischen (kosmetischen) Ersatz für die verlorenen Gliedmaße bieten. Wichtigste Anforderung an eine funktionelle Beinprothese ist die Erhaltung der für den Patienten erforderlichen statischen und dynamischen Sicherheit beim Gehen und Stehen. Mobile Patienten erwarten die Nachbildung eines natürlichen Bewegungsablaufes. Weiterhin sollte eine Beinprothese (bei Amputationen im und oberhalb des Kniegelenks) das Sitzen möglichst wenig behindern. Kosmetische Prothesen hingegen stellen nur das äußere Erscheinungsbild wieder her. Beinprothesen können nach unterschiedlichen Kriterien klassifiziert werden. Das wichtigste über die notwendigen Komponenten und die Komplexität des Systems entscheidende Kriterium ist das Amputationsniveau. So werden Beinprothesen für Fuß-, Unterschenkel-, Knie-, Oberschenkel- und Hüft- bzw. Beckenamputierte unterschieden (Abb. 42.33). Beinprothesen für Amputationen oberhalb des Fußes sind modular aufgebaut (Rohrskelett- oder endoskelettale Bauweise). Die lösbar miteinander verbundenen mechanischen Bauteile sind so dimensioniert, dass sie innerhalb einer kosmetischen Schaumstoffverkleidung untergebracht und

S. Klein et al.

ohne großen Aufwand ausgetauscht werden können. Korrekturen der Ausrichtung der Komponenten untereinander (statischer Aufbau der Prothese) sind reproduzierbar möglich und können sowohl während der Montage und Anprobe als auch nach der Fertigstellung der Prothese durchgeführt werden. Eine modulare bzw. endoskelettale Beinprothese kann abhängig vom Amputationsniveau aus den nachfolgend beschriebenen Komponenten bestehen: Prothesenschaft oder Beckenkorb bzw. Stumpfankopplung, Hüftgelenk (bei Becken- oder Hüftamputation), Kniegelenk (bei Becken-, Hüft-, Oberschenkel- und Knieamputation), Prothesenfuß (bei Becken-, Hüft-, Oberschenkel- und Knie-, Unterschenkel- und Fußamputation), weitere Strukturkomponenten (z. B. Adapter, Torsions- und Stoßdämpfer), kosmetische Verkleidungen (auf Wunsch des Patienten). Für die Auswahl der innerhalb einer Beinprothese kombinierten funktionellen Komponenten sind die physiologischen Patientendaten (z. B. Alter, Geschlecht, Gewicht, Begleiterkrankungen, geistiger und körperlicher Allgemeinzustand) sowie die pathophysiologischen Bedingungen des Amputationsstumpfes entscheidend. Von ihnen hängt der erreichbare Mobilitätsgrad des Betroffenen ab, welcher vor einer prothetischen Versorgung abzuschätzen ist. Der Prothesenschaft eines Amputierten muss das Stumpfvolumen aufnehmen und statische wie dynamische Kräfte und Momente beim Gehen und Stehen übertragen. Er beinhaltet die Kontaktflächen zur Haut und stellt die Ankopplung der Prothese an den Patienten sicher. Das prothetische Hüftgelenk ist die gelenkige Verbindung des Beckenkorbes mit den darunter befindlichen prothetischen Bauteilen, die zusammen eine Gliederkette bilden. Die Drehbewegung des Hüftgelenks findet in der Sagittalebene statt, muss aber nicht auf diese Ebene beschränkt

42 Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

5

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1

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Abb. 42.33 Beinprothesen für verschiedene Amputationsniveaus (Darstellung ohne optional mögliche Kosmetikverkleidung aus hautfarbenem Schaumstoff). Prothesen

für Fuß- (1), Unterschenkel- (2), Knie- (3), Oberschenkel(4) und Hüft- bzw. Beckenamputierte (5). (Fa. Otto Bock HealthCare GmbH, Duderstadt)

sein. Das Hüftgelenk gewährleistet gemeinsam mit dem Kniegelenk und dem Prothesenfuß die Standphasensicherheit, ggf. die Schwungphasensteuerung der Beinprothese und ermöglicht das Sitzen. Das prothetische Kniegelenk ersetzt die wichtigsten Funktionen des natürlichen Kniegelenks einschließlich des angrenzenden Band- und Muskelapparats. Es gewährleistet immer eine Sicherung des Gelenks im Stehen und in der Standphase des Gangzyklusses. Zusatzfunktionen ermöglichen u. a. eine harmonische Beugung/Streckung in der Sagittalebene während der Schwungphase des Gangzyklusses (ggf. mit einer Gelenksverkürzung), eine Stoßdämpfung beim Fersenauftritt, die beugewinkelabhängige Verlagerung des Gelenkdrehpunktes, eine kontinuierliche Vorwärtsbewegung des Körperschwerpunktes während der Standphase (Kniebeugung unter Last) und das alternierende Gehen auf Treppen. Die Klassifizierung von Prothesenkniegelenken erfolgt heute überwiegend anhand der Elemente bzw. konstruktiven Merkmale, die zur Gewährleistung der Standphasensicherung und Schwungphasensteuerung und ggf. des Sitzens oder besonderer Funktionen (z. B. Knien mit ma-

ximalem Beugewinkel, Bewegen ohne Gelenkwiderstand beim Radfahren, Treppengehen) in die Systeme integriert sind. So werden u. a. Kniegelenke mit

42

mono- oder polyzentrischem Aufbau (Abb. 42.34a und b), Sperre, Federn zur Unterstützung der Streckung in der Schwungphase, Reibungsbremsen für die Standphasensicherung oder Schwungphasensteuerung, elastisch einfedernden Elementen in der Standphase, pneumatischer Schwungphasensteuerung, hydraulischer Standphasensicherung oder Schwungphasensteuerung oder elektronischer Steuerung (Abb. 42.34c) unterschieden. Prothetische Füße stellen gemeinsam mit dem Schuh den Bodenkontakt des Beinamputierten her. Ihre Funktionalität wird durch die Art der Einleitung von Kräften und Momenten, die Abrolleigenschaften in der Sagittalebene, die Anpassungsfähigkeit an Bodenunebenheiten, die Fähigkeit zum Zwischenspeichern und Abgeben

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S. Klein et al. Lage der Gelenkachsen

a

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Abb. 42.34 Kniegelenke. a monozentrischer Aufbau und mechanische Stand- und Schwungphasenhydraulik. b polyzentrischer Aufbau und pneumatische Schwungphasensteuerung. c elektronisch gesteuerte Stand- und Schwungphasenhydraulik. (Fa. Otto Bock HealthCare GmbH, Duderstadt)

potenzieller Energie und die Dämpfungseigenschaften u. a. beim Fersenauftritt bestimmt. Funktionelle Prothesen zur Versorgung von Amputationen im Bereich des Ober- und Unterarms (Arm-/Handprothesen) haben die Aufgabe, zahlreiche Bewegungsmuster nachzubilden. Schulter- und Ellbogengelenk erfüllen hauptsächlich den Zweck, die Hand an ein Zielobjekt in der jeweils günstigsten Positionierung heranzuführen. Die prothetische Hand ist das Greiforgan. Gliedmaßenprothesen der oberen Extremität werden in aktive und passive Systeme unterteilt.

a Abb. 42.35 Prothesen der oberen Extremität. a Eigenkraftprothese mit Zugbandagen und Greifhaken. b Myoelektrische Fremdkraftprothese mit elektronischer Rege-

Kosmetische Armprothesen gehören zu den passiven Prothesen, mit denen ausschließlich das äußere Erscheinungsbild wiederhergestellt wird. Unter den aktiven Armprothesen werden mit Eigenkraft bzw. Fremdkraft betriebene Systeme unterschieden. Die Bewegung einer Arm- bzw. Handprothese mit Eigenkraft erfolgt über Zugbandagen, die Schulterbewegungen über Gurte und Seilzüge in Greif- und Unterarmbewegungen oder in ein Sperren des Ellenbogengelenks der Prothese umformen (Abb. 42.35a). Als zweite wichtige Gruppe der aktiven Systeme haben sich fremdkraftgetriebene Prothesen durchgesetzt. Sie sind in Hybridprothesen auch mit einer Eigenkraftnutzung, z. B. für die Bewegung und Sperrung des Ellenbogengelenkes, kombinierbar und werden in aller Regel elektromechanisch angetrieben. Die am Stumpf vorhandene Muskulatur generiert das Steuersignal. Dazu messen spezielle auf die Haut des Stumpfes aufgelegte Elektroden die bei der Muskelkontraktion entstehenden bioelektrischen Spannungen im µV-Bereich. Die notwendige Unempfindlichkeit dieser Systeme gegenüber elektromagnetischen Störungen wird u. a. über hohe Gleichtaktunterdrückungsverhältnisse der verwendeten Verstärker erreicht. Ansteuerbar sind Bewegungen bzw. die Sperrung von Prothesen-Ellenbogengelenken, die Rotati-

b lung des Ellenbogengelenks und der Prothesenhand. (Fa. Otto Bock HealthCare GmbH, Duderstadt)

42 Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

on von Prothesenhänden und deren Greifbewegung. Obwohl die Einführung dieser myoelektrischen Prothesen ein großer Fortschritt in der Orthopädietechnik war, ist der Versorgte noch gezwungen, die Bewegung seiner Prothese visuell zu überwachen. Ihm fehlt die taktile Rückmeldung der natürlichen Hand. Um den Armamputierten auch in solchen Situationen von Überwachungsfunktionen zu entlasten, sind auch Handprothesen mit Greifkraftregelung verfügbar. Patienten mit Amputationen im Bereich des Oberarms benötigen neben einer Prothesenhand auch eine Unterarmprothese mit Ellenbogengelenk und einen Stumpfschaft für den Oberarm. Der Verlust einer Vielzahl von Körperfunktionen führt bei diesem Amputationsniveau zu höheren Anforderungen an die Prothese.

42.10

Wärmetherapiegeräte für Früh- und Neugeborene

Neugeborene haben ein deutlich höheres Oberflächen-Massenverhältnis als Erwachsene, wodurch sie gegenüber Erwachsenen einen erheblich höheren transdermalen Wärmeverlust erleiden [17]. Der eigene Metabolismus, der im Körper Wärme erzeugt, entwickelt sich erst langsam nach der Geburt innerhalb der ersten Lebenswochen zu höheren Werten. Daher ist bei Früh- und Neugeborenen, die nach der Geburt einer medizinischen Intensivpflege bedürfen, eine zusätzliche äußere Wärmezufuhr erforderlich. Erschwerend kommt hinzu, dass die Haut nach der Geburt noch nicht vollständig entwickelt ist, insbesondere bei Frühgeborenen. Es fehlen noch die Hornhaut und die Fettschicht, so dass durch die für Feuchtigkeit noch stark durchlässige Haut in den ersten Lebenstagen sehr viel Flüssigkeit und wegen der auftretenden Verdunstungskälte ebenfalls Wärme verloren geht (Abb. 42.36; [18]). Deshalb ist in den ersten Lebenstagen eine hohe Luftfeuchte erforderlich. In den 1950er-Jahren wurde die lebensunterstützende Wirkung der Wärmetherapie nachgewiesen. Höhere Lufttemperaturen verringerten die Sterberate von ca. 45 auf 22 % [19]. Bei Er-

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Abb. 42.36 Transepidermale Wasserverluste von Frühund Neugeborenen in Abhängigkeit von der Schwangerschaftsdauer und dem Lebensalter in Tagen [18]

höhung der Umgebungsfeuchte von 30 bis 60 % auf 80 bis 90 % rel. Feuchte verringerte sich die Sterberate von 35 auf 22 % [20]. Obwohl die Frühgeborenen heute geringere Geburtsgewichte und Gestationsalter aufweisen, kann aber angenommen werden, dass sich diese physiologischen Einflüsse auch auf sie übertragen lassen, abgesehen davon, dass die zitierten Untersuchungen heute aus ethischen Gründen nicht mehr durchführbar wären. Verschiedene Wärmetherapiekonzepte verhindern, dass die Früh- und unreifen Neugeborenen auskühlen und ermöglichen, ihre Körpertemperatur in einem normothermen Bereich stabil zu halten. Seit über 60 Jahren haben sich dazu sowohl Inkubatoren als auch Wärmestrahler etabliert. Bei reiferen Neugeborenen werden auch einfache beheizte Wärmebetten verwendet, zum Teil in Kombination mit einer Strahlungsheizung. Durch Wärmezufuhr mittels eines Wärmestrahlers (Infrarotstrahlung im Bereich von 760 bis 1400 nm) kann jedes Frühgeborene effizient warmgehalten werden [18]. Allerdings besteht dabei die Gefahr der Überhitzung der Haut; deshalb sind diese Geräte mit einer Hauttemperaturregelung ausgestattet. Wärmestrahler sind beim Pflegepersonal deshalb beliebt, weil sie einen guten manuellen Zugang zu dem intensivbedürftigen Patienten ermöglichen. Dabei können jedoch erhöhte Wärmeverluste durch Evaporation auftreten, die zu einem zusätzlichen Flüssigkeitsverlust des Patienten führen können. Erschwerend kommt hinzu,

42

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dass die zum Teil hohe Wärmestrahlung auf der Liegefläche zu forcierten konvektiven Wärmeverlusten führt. Alternativ zu Wärmestrahlern haben sich in der Pflege Inkubatoren durchgesetzt [21]. Technisch gesehen sind sie kleine Klimakammern, die elektrisch beheizt sind und über eine Lufttemperatur- und Luftfeuchte-Regelung verfügen, aber auch mit einer Hauttemperaturregelung betrieben werden können, die die Lufttemperatur soweit anpasst, dass die Hauttemperatur einen vorgegebenen Sollwert erreicht. Damit wird der individuelle Wärmebedarf des Neugeborenen berücksichtigt. Die Heizung befindet sich unterhalb der Liegefläche. Die Luft wird mit Hilfe eines Ventilators im Kreislauf umgewälzt (Abb. 42.37). Im Innern des Inkubators wird die Feuchtigkeit durch einen Gleichdruck-Verdampfer erzeugt und mit einem Feuchtigkeitssensor gemessen. Sie wird z. B. in Abhängigkeit von der Reife der Haut mit zunehmendem Lebensalter auf niedrigere Werte geregelt. Im Inkubator kann eine relativ hohe Lufttemperatur von bis zu 39 °C und ein komfortables Klima mit niedrigen Luftge-

Abb. 42.37 Querschnitt durch einen Konvektionsinkubator bei geöffneter Frontklappe. Der Warmluftvorhang sichert ein stabiles Mikroklima im Innenraum auch bei geöffneten Zugangsöffnungen (Schwenkfenster, Seitenklappen) und schützt das Neugeborene vor Auskühlung und Austrocknung. 1 Neugeborenes, 2 Lüfter, 3 Wärmetauscher und Strömungsgleichrichter, 4 Frontklappe (geöffnet), 5 Warmluftvorhang

S. Klein et al.

schwindigkeiten realisiert werden. Dadurch ist die Gefahr von Hautverbrennungen gegenüber Wärmestrahlern praktisch ausgeschlossen. Außerdem kann bei Bedarf zusätzlich Sauerstoff zugeführt werden, um die inspiratorische Konzentration für das Neugeborene zu erhöhen. Die Regelung erfolgt mit Hilfe redundanter Sauerstoffsensoren. Die Belüftungsgeräusche liegen bei neueren Geräten unterhalb 40 dBA. Um einerseits nicht auf die Vorzüge des komfortablen Klimas im Inkubator und andererseits auf die gute Zugänglichkeit des Wärmestrahlers verzichten zu müssen, wurden in den letzten Jahren sogenannte Hybride oder Kombinationsgeräte entwickelt (Abb. 42.38). Bei diesen Geräten wird das Neugeborene normalerweise in dem geschlossenen Inkubator gepflegt. Bei aufwändigen Pflegemaßnahmen kann die Haube des Inkubators angehoben werden und die Strahlungsheizung übernimmt die erforderliche Wärmezufuhr. Bei allen Wärmetherapiegeräten für Frühgeborene ist besonders die Gefahr der Hautverbrennung zu beachten. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Gefährdung des Auges. Zu große Sauerstoffzufuhr kann zu einer Schädigung der Augennetzhaut (Retina) mit folgender Er-

Abb. 42.38 Kombinationsgerät aus Inkubator und Wärmestrahler. (Fa. Drägerwerk AG & Co. KGaA, Lübeck)

42 Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

blindung führen, zu niedrige Sauerstoffzufuhr zu einer Schädigung des Gehirns.

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885

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Entwicklung und Marktzugang von Medizinprodukten

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Stephan Klein, Marc Kraft und Folker Spitzenberger

Der gesamte Produktlebenszyklus eines Medizinprodukts von der Entwicklungsinitiierung bis zur Abkündigung vom Markt wird wegen der spezifischen regulatorischen Anforderungen in verschiedene Phasen strukturiert und muss sehr weitgehend dokumentiert werden. Die weltweite Zulassung von Medizinprodukten ist jedoch nicht einheitlich geregelt. Innerhalb der EU erfordert das Inverkehrbringen auf dem Unionsmarkt – hierunter wird die erstmalige Bereitstellung eines Produkts, mit Ausnahme von Produkten für Leistungsstudien verstanden [1, Artikel 2] – vom Hersteller die erfolgreiche Durchführung eines sog. Konformitätsbewertungsverfahrens. Der Hersteller weist dadurch die Konformität seines Produktes mit den einschlägigen Regularien nach, eine explizite Zulassung durch eine Behörde findet in der EU nicht statt. Im Jahr 2017 trat eine umfangreiche Überarbeitung des europäischen Regelwerkes für Medizinprodukte in Kraft. Die Übergangszeit für die S. Klein () Technische Hochschule Lübeck Lübeck, Deutschland E-Mail: [email protected] M. Kraft Technische Universität Berlin Berlin, Deutschland E-Mail: [email protected] F. Spitzenberger Technische Hochschule Lübeck Lübeck, Deutschland E-Mail: [email protected]

vollständige Anwendung der neuen „medical device regulation – MDR“ [1] beträgt vier Jahre1 , für die vollständige Anwendung der „in vitro diagnostic medical device regulation – IVDR“ [7] fünf Jahre. Änderungen gegenüber den bisherigen Regularien (s. u.) betreffen im Bereich Medizinprodukte die Erweiterung des Geltungsbereichs um z. B. Nanomaterialien, die Erweiterung und Spezifizierung der Klassifizierungsregeln um z. B. Software, die Anforderungen an die Durchführung von Konformitätsbewertungsverfahren, vor allem bei Neubewertungen von Klasse IIIProdukten und implantierbaren Produkten, die Erhöhung der Transparenz und Rückverfolgbarkeit durch eine neue Produktkennzeichnung (UDI – Unique Device Identification) sowie die Spezifizierung und Erhöhung harmonisierter Anforderungen an Benannte Stellen und Marktüberwachungsbehörden. Bezüglich der In-vitro-Diagnostika wurden ein neues Klassifizierungssystem eingeführt (Klassen A, B, C und D) und neue Klassifizierungsregeln festgelegt. Außerdem sollen sog. EU-Referenzlaboratorien zur Konsultation bei Konformitätsbewertungsverfahren von Hochrisikoprodukten etabliert werden. Wo im Fall von Produkt- und Herstellungsmängeln schwerwiegende Risiken für die Ge1

Die ursprünglich vorgesehene Übergangszeit von drei Jahren für die MDR wurde aufgrund der COVID-19-Pandemie durch eine Änderungsverordnung kurzfristig auf insgesamt vier Jahre verlängert, sodass die volle Gültigkeit für die MDR voraussichtlich zum Mai 2021 erlangt wird.

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_43

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sundheit und Sicherheit entstehen könnten, müssen zusätzlich unabhängige Prüf- und Zertifizierungsstellen, sog. Konformitätsbewertungsstellen, in die Konformitätsbewertung einbezogen werden. Konformitätsbewertungsverfahren führen zu Konformitätserklärungen, die von allen EU-Mitgliedstaaten anerkannt werden. Die vom Hersteller auf jedem Produkt angebrachte CE-Kennzeichnung verdeutlicht schließlich die Übereinstimmung oder Konformität mit europäischen gesetzlichen Anforderungen und ist die Voraussetzung für die Verkehrsfähigkeit (CE: „conformité européenne“, fr.). Medizinprodukte werden klassifiziert, um entsprechend möglicher Risiken bei ihrer Anwendung spezielle Anforderungen an Sicherheit und Leistung der Produkte festlegen bzw. deren Erfüllung prüfen zu können. Dazu werden Grundlegende Anforderungen an Medizinprodukte u. a. im Anhang I der Verordnung [1] definiert. Diese Klassifizierung erfolgte bisher für Produkte, die keine aktiven implantierbaren medizinischen Geräte und keine In-vitro-Diagnostika darstellen, nach Anhang IX der Richtlinie 93/42/EWG [8]. Gemäß seiner Zweckbestimmung wurde ein Medizinprodukt nach dieser Richtlinie mit Hilfe von 18 Klassifizierungsregeln mit steigendem Risiko einer der vier Risikoklassen I, IIa, IIb oder III zugeordnet. Bei der Novellierung des europäischen Medizinprodukterechts 2017 (s. o.) wurde u. a. die Zahl der Klassifizierungsregeln für Medizinprodukte auf 22 erhöht [1]. Das grundsätzliche Konzept der Einteilung in die vier Risikoklassen wurde jedoch beibehalten. Die EU-Verordnungen gelten unmittelbar und müssen, anders als die vorher geltenden Richtlinien, nicht in nationales Recht umgesetzt werden. Von der Klassifizierung hängen auch die Wege ab, die für das Konformitätsbewertungsverfahren gewählt werden können. Medizinprodukte werden – vereinfacht – nach folgenden Kriterien eingeordnet:

S. Klein et al.

Anwendungsdauer: vorübergehende, kurzzeitige oder langzeitige Anwendung des Produkts Energiequelle: nicht-aktives Produkt (Betrieb mit durch den menschlichen Körper oder durch die Schwerkraft erzeugter Energie) oder aktives Produkt (Betrieb mit einer anderen Energiequelle) Zahlreiche Spezifika im Produktlebenszyklus eines Medizinprodukts resultieren aus den hohen Sicherheits- und Leistungsanforderungen. Abb. 43.1 zeigt die wesentlichen Phasen im Lebenszyklus eines Medizinproduktes von der Idee bis zur Überwachung nach der Markteinführung. Ergänzend zu den Grundlagen der Produktentwicklung (vgl. Teil I) schreibt die harmonisierte Norm DIN EN ISO 13485 [2] wesentliche Forderungen zum Produktentwicklungsprozess von Medizinprodukten vor. Danach müssen u. a. die Design- und Entwicklungsphasen festgelegt werden und für jede dieser Phasen die angemessene Bewertung, Verifizierung und Validierung der Ergebnisse sichergestellt sein. Unter Verifizierung wird der Nachweis verstanden, dass die Design- und Entwicklungsergebnisse die Vorgaben erfüllen, unter Validierung der Nachweis, dass das resultierende Produkt in der Lage ist, die Anforderungen für die festgelegte Anwendung oder den beabsichtigten Gebrauch zu erfüllen. Außerdem müssen die Verantwortungen und Befugnisse für das Design im Qualitätsmanagementsystem des Unternehmens definiert sowie die Entwicklung und das Planungsergebnis kontinuierlich dokumentiert werden. Dazu dient die sog. technische Dokumentation (Produkthauptakte), die nach Vorgaben genau spezifiziert wird und u. a. folgende Informationen enthalten muss [1, Anhang II]: Produktbeschreibung und Spezifikationen, einschließlich der Varianten und Zubehörteile:

Beschreibung der Zweckbestimmung(en) des Produkts, Invasivität: nicht, teilweise oder ganz durch Beschreibung des Produkts, einschließlich der die Körperoberfläche oder über eine KörperVarianten, öffnung in den Körper eindringendes Produkt Konstruktions- und Fertigungszeichnungen Nutzung: diagnostisch oder therapeutisch gesowie Pläne von Bauteilen, Baugruppen, nutztes Produkt Schaltungen usw.,

43 Entwicklung und Marktzugang von Medizinprodukten

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43 Abb. 43.1 Regulatorische Begleitung der Entwicklung, des Inverkehrbringens und der Nutzung eines Medizinproduktes. DRG (engl.): Diagnosis Related Groups, deutsch:

diagnosebezogene Fallgruppen, NUB: Neue Untersuchungs- und Behandlungsmethoden. (Bundesverband Medizintechnologie, Berlin)

Beschreibungen und Erklärungen der Zeich- Beschreibung ggf. vorgesehener Sterilisatinungen und Pläne sowie der Funktionsweise onsverfahren des Produkts, Verifizierung und Validierung des Produkts: Ergebnisse von Berechnungen, Prüfungen etc. Informationen zu Auslegung und Herstellung: Ergebnisse der Prüfungen zur Verifizierung, Validierung sowie ggf. die präklinische Be Informationen, die es ermöglichen, die Auslewertung und klinische Daten gungsphasen, die das Produkt durchlaufen hat, Vom Hersteller zu liefernde Informationen: zu verstehen Darlegung der Nutzen-Risiko-Analyse und Kennzeichnung und Gebrauchsanweisung, schriftliche Konformitätserklärung des Herdes Risikomanagements stellers. Grundlegende Sicherheits- und Leistungsanforderungen: Häufig folgt die Entwicklung von Medizinpro Beschreibung der Lösungen zur Einhaltung dukten dem V-Modell, das in der Mechatronik der Grundlegenden Anforderungen der Euro- und der Informatik verbreitet ist [3] und die geforderte Validierung und Verifizierung in die päischen Verordnung, Liste der angewandten Richtlinien und Nor- einzelnen Zyklen integriert. Nach dem Entwicklungsbeginn erfolgt die Verifizierung der Zielplamen,

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nung (Ergebnis) mit der Projektdefinition (Vorgabe). Dieser Prozess setzt sich in den weiteren Schleifen mit kontinuierlich steigendem Konkretisierungsgrad des Produktes fort. Das V-Modell ist inhaltlich gesteuert und beschreibt lediglich den Ablauf, die Aufgaben und die Ergebnisse der einzelnen Entwicklungsphasen. Die Koordination dieser Phasen mit der Termin- und Ressourcenplanung ist eine wesentliche Aufgabe des Projektmanagements. Bei Medizinprodukten ist außerdem die Gebrauchstauglichkeit zu berücksichtigen. Darunter wird die Eigenschaft der Benutzer-ProduktSchnittstelle verstanden, den effektiven, effizienten und zufriedenstellenden Gebrauch in der festgelegten Gebrauchsumgebung zu gewährleisten und dadurch Anwendungsfehlern vorzubeugen. Die Norm EN 62366 beschreibt den erforderlichen gebrauchstauglichkeitsorientierten Entwicklungsprozess [4]. Die mit der Anwendung des Medizinprodukts verbundenen Risiken werden nach der Norm DIN EN ISO 14971 [5] beurteilt. Unter einem Risiko wird die Kombination der Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Schadens und des Schweregrades dieses Schadens verstanden. Der Risikomanagementprozess beginnt nach der Festlegung der Zweckbestimmung und begleitet das Medizinprodukt bis zur Abkündigung vom Markt und der Außerbetriebnahme der letzten Exemplare. Ziel ist, die Sicherheit des Medizinproduktes, d. h. die Freiheit von unvertretbaren Risiken, zu gewährleisten. Nach dem Inverkehrbringen ist der Hersteller verpflichtet, das Produkt und dessen Verhalten im Markt zu beobachten. Das beim Hersteller einzurichtende System zur Überwachung der Produkte nach dem Inverkehrbringen wurde für Medizinprodukte [1] bzw. In-vitro-Diagnostika [7] mit zahlreichen neuen Anforderungen versehen, die vor allem das proaktive Monitoring der Produkte betreffen und durch die sog. „Technische Dokumentation über die Überwachung nach dem Inverkehrbringen“ nach den beiden Anhängen III der Verordnungen MDR bzw. IVDR reflektiert werden. Die Marktbeobachtung führt außerdem im Rahmen der sog. Vigilanz zur Meldung von Risiken und Vorkommnissen, insbesondere Ne-

S. Klein et al.

benwirkungen, bei der jeweiligen nationalen Behörde und geht mit der Verpflichtung des Herstellers einher, auf meldepflichtige Vorkommnisse zu reagieren. Der Nachweis der Übereinstimmung mit den Grundlegenden Anforderungen wird laut MDR durch eine klinische Bewertung erbracht. Durch diese wird einerseits nachgewiesen, dass das Produkt sowohl die merkmals- und leistungsrelevanten Anforderungen als auch die Sicherheitsanforderungen bei normalen Einsatzbedingungen erfüllt. Die klinische Bewertung schließt die Beurteilung von unerwünschten Wirkungen ein und stützt sich auf die Ergebnisse klinischer Prüfungen oder auf Daten aus der wissenschaftlichen Literatur, die die vorgesehene Anwendung des Medizinproduktes und die dabei zum Einsatz kommenden Techniken behandeln. Eine klinische Prüfung ist eine wissenschaftliche Untersuchung an Patienten oder gesunden Probanden (Studienteilnehmer) unter kontrollierten Bedingungen, um die Sicherheit und Leistungsfähigkeit eines bestimmten Medizinprodukts unter normalen Anwendungsbedingungen zu überprüfen. Die Anforderungen an den Prozess ähneln denen des Arzneimittelrechts und sind bisher national im Medizinproduktegesetz (MPG) sowie in der Verordnung über klinische Prüfungen von Medizinprodukten (MPKPV) geregelt, voraussichtlich ab Mai 2021 vor allem europäisch durch die MDR und national ergänzt durch das Medizinprodukterecht-Durchführungsgesetz (MPDG). Als harmonisierte Norm für den Bereich der klinischen Prüfungen an Medizinprodukten (ausgenommen In-vitro-Diagnostika) ist die Norm EN ISO 14155 relevant [6]. Insgesamt bleibt das europäische Konzept der Konformitätsbewertung von Medizinprodukten mit seinen wesentlichen Verfahren, Elementen und Akteuren (Hersteller, Benannte Stellen, Behörden) zwar bestehen, wird aber durch die neuen Verordnungen mit deutlich weitergehenden Anforderungen an die Verfahren und Akteure umfangreicher, detaillierter und voraussichtlich auch kostenintensiver. Im internationalen Vergleich orientiert sich die EU zunehmend an den Konsensus-Empfehlungen des „International Medical Devices Regulators Forum – IMDRF“

43 Entwicklung und Marktzugang von Medizinprodukten

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[9], was der zunehmenden Globalisierung und 4. EN 62366-1:2017: Medizinprodukte – Anwendung der Gebrauchstauglichkeit auf Medizinprodukte internationalen Harmonisierung des Medizinpro5. DIN EN ISO 14971:2020-07: Medizinprodukte – Anduktesektors entspricht.

Literatur Spezielle Literatur 1. Verordnung (EU) 2017/745 des europäischen Parlaments und des Rates vom 5. April 2017 über Medizinprodukte, zur Änderung der Richtlinie 2001/83/EG, der Verordnung (EG) Nr. 178/2002 und der Verordnung (EG) Nr. 1223/2009 und zur Aufhebung der Richtlinien 90/385/EWG und 93/42/EWG des Rates 2. EN ISO 13485:2016 Medizinprodukte – Qualitätsmanagementsysteme – Anforderungen für regulatorische Zwecke 3. VDI 2206:2004: Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme

6.

7.

8. 9.

wendung des Risikomanagements auf Medizinprodukte (ISO 14971:2019); Deutsche Fassung EN ISO 14971:2019 DIN EN ISO 14155:2012-01. Klinische Prüfung von Medizinprodukten an Menschen – Gute klinische Praxis (ISO 14155:2011 + Cor. 1:2011); Deutsche Fassung EN ISO 14155:2011 + AC:2011 Verordnung (EU) 2017/746 des europäischen Parlaments und des Rates vom 5. April 2017 über In-vitro-Diagnostika und zur Aufhebung der Richtlinie 98/79/EG und des Beschlusses 2010/227/EU der Kommission Richtlinie 93/42/EWG des Rates vom 14. Juni 1993 über Medizinprodukte http://www.imdrf.org, Zugegriffen: 16. Aug. 2020

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Aufbereitung Marc Kraft

Wiederverwendbare Medizinprodukte, die bestimmungsgemäß keimarm oder steril zur Anwendung kommen, müssen vor der erneuten Anwendung aufbereitet werden. Diese Aufbereitung umfasst die Reinigung, die Desinfektion und die Sterilisation einschließlich der damit zusammenhängenden Arbeitsschritte sowie die Prüfung und Wiederherstellung der technisch-funktionellen Sicherheit [1]. Umsetzungshinweise zur Aufbereitung von Medizinprodukten finden sich in der gemeinsamen Empfehlung der Kommission für Krankenhaushygiene und Infektionsprävention beim Robert Koch-Institut und des Bundesinstituts für Arzneimittel und Medizinprodukte [2]. Die Aufbereitung von Medizinprodukten ist unter Berücksichtigung der Angaben des Herstellers mit geeigneten validierten Verfahren so durchzuführen, dass der Erfolg dieser Verfahren nachvollziehbar gewährleistet ist (§ 8 der Verordnung über das Errichten, Betreiben und Anwenden von Medizinprodukten (MPBetreibV)). Wie aufwändig die Aufbereitung ist, hängt wesentlich von der Bauart und dem Einsatzzweck des Medizinproduktes ab. Bei unkritischen Medizinprodukten wird eine Reinigung und Desinfektion oft als ausreichend erachtet. Kritische Medizinprodukte durchlaufen hingegen einen Aufberei-

tungsprozess in der zentralen Sterilgut-Versorgung eines Krankenhauses oder eines externen Dienstleisters. Ziel dieser Prozesse ist bei einigen Medizinprodukten die Sterilität (Freiheit von lebensfähigen Mikroorganismen), welche z. B. in einer Dampfsterilisation (Autoklavieren [3]) oder einem anderen Sterilisationsverfahren (z. B. chemische Sterilisation mit Ethylenoxid oder physikalische Sterilisation mit Gamma-Strahlung) erreicht werden kann.

Literatur Spezielle Literatur 1. Verordnung (EU) 2017/745 des europäischen Parlaments und des Rates vom 5. April 2017 über Medizinprodukte, Artikel 2 2. Kommission für Krankenhaushygiene und Infektionsprävention (KRINKO), Robert Koch-Institut (RKI), Bundesinstitutes für Arzneimittel und Medizinprodukte (BfArM): Anforderungen an die Hygiene bei der Aufbereitung von Medizinprodukten. Bundesgesundheitsblatt 55, 1244–1310 (2012) 3. DIN EN ISO 17665-1:2006-11, Sterilisation von Produkten für die Gesundheitsfürsorge – Feuchte Hitze – Teil 1: Anforderungen an die Entwicklung, Validierung und Lenkung der Anwendung eines Sterilisationsverfahrens für Medizinprodukte

M. Kraft () Technische Universität Berlin Berlin, Deutschland E-Mail: [email protected] © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_44

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Telemedizin Marc Kraft

Die rasante Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnologien ist auch in der Medizin ein Technologietreiber und wird im Trend der Computerisierung und Vernetzung der Medizintechnik deutlich [1]. Der Stellenwert der medizinischen Informationserfassung, -verarbeitung, -sicherung und -präsentation sowie des Informationsaustausches in komplexen medizintechnischen Systemlösungen steigt ständig. Die Telemedizin ist eine spezifische Nutzungsform der Informations- und Kommunikationstechnologien in der Medizin und wird dem Bereich eHealth (electronic Health) zugeordnet. Sie dient der Überbrückung einer räumlichen Distanz zwecks diagnostischer oder therapeutischer Interaktion zwischen Ärzten oder zwischen Patienten und Ärzten [2]. Die Telemedizin ist ein junges Teilgebiet der medizinischen Informatik und der Medizintechnik. Sie hat sich zunächst im Bereich der Teleradiologie entwickelt, die eine Fernübertragung radiologischen Bildmaterials unterschiedlicher Modalitäten (Bilddatenerfassungssysteme, vgl. Abschn. 42.1) erlaubt. Voraussetzung für die Teleradiologie waren digitale Systeme zur Bilddatenerfassung, -speicherung und -übertragung. Zunächst stellten die zu verarbeitenden Datenmengen eine Herausforderung dar, die dank technischer Weiterentwicklung der Datenspeicher und der optischen Datenübertragung schnell M. Kraft () Technische Universität Berlin Berlin, Deutschland E-Mail: [email protected]

überwunden werden konnte. So ist es heute in vielen kleineren Kliniken üblich, keinen eigenen Radiologen mit der Bilddatenauswertung zu beschäftigen. Zwar werden die Bilddaten noch vor Ort aufgenommen, die Befundung erfolgt jedoch als Service eines anderen, darauf spezialisierten Krankenhauses. Dessen Teleradiologen nutzen auch digitale Medien, um die diagnostischen Ergebnisse mit Therapieempfehlungen an die behandelnden Ärzte vor Ort zurück zu melden. In der Telepathologie geht es um die Nutzung von Informations- und Kommunikationstechnologien zur Fernübertragung von Daten einer Gewebeprobe, die mit Hilfe mikroskopischer, biochemischer oder molukelarbiologischer Techniken gewonnen werden. Ziel kann die konsilarische Befundung sein (mögliche Einbeziehung externer ärztlicher Kompetenz) oder die Befundung von Gewebeproben, die während der OP in einem sogenannten Schnellschnitt gewonnen sowie präpariert werden und die möglichst sofort (ohne Transportzeiten) diagnostiziert werden müssen (z. B. um Tumore zu erkennen) [2]. Das Telemonitoring ist eine spezifische Form des Patientenmonitorings (vgl. Abschn. 42.2) und ermöglicht eine Fernüberwachung von Patienten im Gesundheitswesen. Es werden in der Regel Vitalparameter erfasst und ausgewertet. Neben deren Kontrolle ist auch eine Rückmeldung an den Patienten möglich. Überwachte Parameter können z. B. Körpertemperatur, Gewicht, Gerinnungswerte, Blutdruck, Blutzuckerwerte, Herz- oder Atemfrequenz, EKG oder die

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_45

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Aktivität des Patienten sein. Sie eignen sich zur permanenten oder kurz getakteten diagnostischen Kontrolle von Patienten mit unterschiedlichsten Krankheitsbildern. Zahlreiche Systeme sind bisher beispielsweise für den Einsatz in der Kardiologie entwickelt worden, u. a. für Patienten mit einer Herzinsuffizienz. Allerdings stoßen derartige Systeminnovationen auch an Grenzen, die eine zügige Entwicklung dieser kostensparenden Diagnosetechniken erschweren. Wird beispielsweise bei der kontinuierlichen Überwachung der Vitalparameter eines chronisch kranken Patienten in einem Telemonitoringzentrum ein Behandlungsbedarf festgestellt, ist zuerst der Hausarzt zu informieren. Ihm obliegt die Therapieentscheidung. Kann der Hausarzt jedoch aus den verschiedensten Gründen nicht sofort reagieren, ist die stationäre Einrichtung auf Grund ihres Informationsstandes in der Lage, Maßnahmen, wie zum Beispiel die sofortige Aufnahme, zu ergreifen. Die Rollen- und Aufgabenverteilung in der Versorgung der betroffenen Patienten muss also teilweise neu gefunden werden. Weitere Schwierigkeiten existieren im Bereich der Vergütung über die gesetzliche Krankenversicherung.

M. Kraft

Die Nachfrage nach telemedizinischen Leistungen wird noch immer durch unklare Finanzierungsbedingungen gebremst und erschwert. Eine standardisierte Kostenübernahme, vergleichbar zur Verordnung von Medikamenten existiert für das Telemonitoring noch nicht, ist jedoch aufgrund des demografischen Wandels insbesondere im ländlichen Raum dringend erforderlich. Telekonferenzen sind ein weiteres Teilgebiet der Telemedizin, unterscheiden sich jedoch nur wenig von gleichartigen Nutzungsformen der Informations- und Kommunikationstechnologien in anderen Branchen.

Literatur Spezielle Literatur 1. Morgenstern, U., Kraft, M.: Biomedizinische Technik: Faszination, Einführung und Überblick. Biomedizinische Technik, Lehrbuchreihe, Bd. 1. De Gruyter, Berlin (2013). ISBN 978-3110251982 2. Dickhaus, H., Knaup-Georgi, P.: Biomedizinische Technik – Medizinische Informatik Bd. 6. De Gruyter, Berlin (2015)

Physiologische Regelkreise

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Philipp Rostalski

Physiologisch geschlossene Regelkreise bilden eine spezielle Klasse von Medizinprodukten (PCLC Physiological Closed-Loop Controlled Medical Devices), bei denen der menschliche Körper einen wesentlichen Teil des Systems darstellt [1]. PCLCs unterstützen oder ersetzen dabei in der Regel Aufgaben des menschlichen Körpers zur Aufrechterhaltung des inneren Milieus (z. B. pH-Wert, Körperkerntemperatur, Hormongehalt etc.) welches ein Überleben der Zellen im menschlichen Körper sicherstellt. In einem gesunden menschlichen Körper hält der Prozess der Homöostase diese Körperfunktionen aufrecht. Trotz schwankender Versorgung sowie sich verändernder äußerer und innerer Rahmenbedingungen sorgen zahlreiche sich gegenseitig beeinflussende Regelkreise im menschlichen Körper dafür, dass die wesentlichen physiologischen Größen in engen Grenzen gehalten werden. Die Struktur dieser homöostatischen Regelkreise ähnelt dem Aufbau eines klassischen Regelkreises. Die zu regelnde Größe wird über einen Rezeptor erfasst und entweder „leitungsgebunden“ über Nervenbahnen oder „kabellos“ über Hormone an den Regler übertragen. Der dort ermittelte Stelleingriff kann anschließend von einem Stellglied umgesetzt werden. Dieses besteht je nach Regelkreis z. B. aus einem Muskel (Atmung) oder einem hormonproduzierenden P. Rostalski () Universität zu Lübeck Lübeck, Deutschland E-Mail: [email protected]

Organ wie der Schilddrüse, der Bauchspeicheldrüse oder der Nebenniere [2]. Sind Teile dieser Regelkreise gestört, übernehmen häufig redundante Regelmechanismen im menschlichen Körper diese Aufgaben. Als Beispiel sei hier z. B. die Regelung des Blutdrucks über das autonome Nervensystem oder mittels des Renin-Angiotensin-Aldosteron-System. Ist eine körpereigene Kompensation nicht möglich oder soll die entsprechende physiologische Größe aus medizinischen Gründen beeinflusst werden, sind in der Regel therapeutische Eingriffe von außen erforderlich. Klassisch wird dieser therapeutische Eingriff manuell vorgenommen, zunehmend aber auch durch Assistenzsysteme unterstützt oder vollständig übernommen. Arbeiten diese Systeme in einer geschlossenen Wirkungskette spricht man von einem physiologisch geschlossenen Regelkreis. Der innere Aufbau eines physiologisch geschlossenen Regelkreises ist in Abb. 46.1 dargestellt und folgt der bereits in Abschnitt Bd. 2, Abschn. 36.1 eingeführten Struktur. Die zu regelnde physiologische Größe wird dabei als Regelgröße bezeichnet und über einen physiologischen Sensor messtechnisch erfasst. Durch Vergleich mit einem Referenzwert wird die Regelabweichung (Regelfehler) ermittelt. Der physiologische Regler berechnet daraus einen Wert bzw. einen Verlauf für die Stellgröße, die über einen Aktuator auf die Regelstrecke einwirkt. Die Besonderheit eines physiologisch geschlossenen Regelkreises liegt darin, dass der Mensch Teil der Regelstrecke ist und dessen Physiologie

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_46

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P. Rostalski

Medizingerät Bildung der Führungsgröße

r

Physiologisches System

e

u

Stelleinrichtung

Regler – Regeleinrichtung ym

Physiologische Regelstrecke

y

Messeinrichtung

Abb. 46.1 Wirkungsplan einer Physiologischen Regelstrecke

das Verhalten des Regelkreises damit direkt beeinflusst. Daraus ergeben sich im Gegensatz zu anderen technischen Systemen zahlreiche zusätzliche Herausforderungen: Nichtlinearität der Systemdynamik Variabilität und Schwankung des Systemverhaltens Unzuverlässigkeit und fehlende Verfügbarkeit von Sensorik Daher unterliegt die Entwicklung physiologisch geschlossener Regelsysteme, neben den üblichen Anforderungen an Medizinprodukte, zahlreichen zusätzlichen Anforderungen an Funktion und Sicherheit, welche in der Norm IEC-606011-10 zusammengefasst sind [3]. Einige Beispiele von PCLCs: Glukose stellt den wichtigsten Nährstoff für die Zellen des menschlichen Körpers dar, vor allem im Gehirn, aber auch für Muskel- und Fettzellen. Die Regelung des Blutzuckerspiegels ist daher eine wichtige Aufgabe der Homöostase. In einem gesunden menschlichen Organismus wird der Blutzuckerspiegel über die beiden Hormone Insulin und Glukagon geregelt, welche in den Langerhans’schen Inseln der Bauchspeicheldrüse produziert werden. Dabei wird die Glukoseaufnahmefähigkeit von Muskel- und Leberzellen durch das Andocken von Insulinmolekülen erhöht. Das sorgt für eine Reduktion des Blutzuckerspiegels, während Glukagon die Umwandlung von in der Leber gespeichertem Glukagon in Glukose bewirkt. Diabetes mellitus Typ I ist nach vorherrschender wissenschaftlicher Einschätzung eine schubweise verlaufende Autoimmunerkrankung, bei

der die insulinproduzierenden Beta-Zellen der Bauchspeicheldrüde durch das Immunsystem des Körpers zerstört werden [4]. Als Folge kann die Bauchspeicheldrüse kein oder nur noch sehr wenig Insulin erzeugen, wodurch der Prozess der Regelung gestört ist. Die klassische Therapie der Typ I Diabetes erfordert daher ein aufwändiges Insulinmanagement der erkrankten Person, welche eine genaue Planung der Kalorienzufuhr und eine künstliche Insulingabe erforderlich macht. Episoden mit zu niedrigem und zu hohem Blutzuckerspiegel lassen sich häufig dennoch nicht vollständig vermeiden. Automatisierte Insulinpumpen, die – außen am Körper getragen – den Blutzuckerspiegel kontinuierlich oder intermittierend überwachen und bei Bedarf Insulin injizieren, stellen ein typisches Beispiel für einen physiologisch geschlossenen Regelkreis dar. Aufgrund der hohen Prävalenz der Diabetes ist insbesondere im Bereich der Blutzuckerregelung derzeit eine sehr dynamische Entwicklung zu beobachten. Erste Produkte für den klinischen und ambulanten Einsatz sind seit 2016 kommerziell verfügbar, zahlreiche weitere Therapiegeräte werden derzeit in klinischen Studien getestet [5]. Die Regelung der Sauerstoffsättigung ist ein weiteres Beispiel eines physiologisch geschlossenen Regelkreises im Bereich der maschinellen Beatmung. Dabei wird die periphere Sauerstoffsättigung z. B. am Finger oder Ohrläppchen mittels Pulsoxymetrie erfasst und mit einem Sollwert verglichen. Ein Regler berechnet anschließend die benötigte Konzentration inspiratorischen Sauerstoffs, die durch ein Beatmungsgerät appliziert wird (vgl. Abschn. 42.3). Die Regelstrecke wird dabei – neben dem Beatmungsge-

46 Physiologische Regelkreise

rät – vor allem durch die Lunge, den Blutkreislauf und den menschlichen Stoffwechsel gebildet. Diese Art der Regelung findet insbesondere bei Frühgeborenen Anwendung und dient dort zur Vermeidung von Hypoxämie und Hyperoxämie [6]. Die automatisierte Narkoseführung mittels volatiler oder intravenöser Medikamente stellt ebenfalls einen PCLC dar. Dabei sind bisher kommerziell vor allem Systeme im Einsatz, bei denen die endexspiratorische Konzentration eines Narkosegases im geschlossenen Regelkreis geregelt wird [7]. Daneben befinden sich seit Jahren Systeme in der Erprobung, bei denen verschiedenen Aspekte der Narkose wie Schmerzempfindung (Analgesie) oder Hypnose direkt geregelt werden sollen. Der großflächige kommerzielle Einsatz dieser Systeme blieb jedoch bisher aus, vor allem auf Grund mangelnder Zuverlässigkeit der Sensorik. Der automatisierte Eingriff in den menschlichen Körper ermöglicht neue personalisierte, konsistente und zuverlässige Therapieansätze, wirft aber auch eine Reihe neuer rechtlicher, normativer und ethischer Fragen auf, die bisher nicht abschließend geklärt sind.

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Literatur Spezielle Literatur 1. Leonhard, St., Walter, M. (Hrsg.): Medizintechnische Systeme. Springer, Berlin (2016) 2. Silbernagl, St.: Taschenatlas Physiologie, 8. Aufl. Thieme, Stuttgart (2012) 3. IEC-60601-1-10 Medizinische elektrische Geräte – Teil 1-10: Allgemeine Festlegungen für die Sicherheit einschließlich der wesentlichen Leistungsmerkmale – Ergänzungsnorm: Anforderungen an die Entwicklung von physiologischen geschlossenen Regelkreisen (IEC 60601-1-10:2007 +A1:2013) 4. Danne, T., Kordonouri, O., Lange, K.: Physiologie und Pathophysiologie des Typ-1-Diabetes. In: Diabetes bei Kindern und Jugendlichen, 7. Aufl. Springer, Berlin (2015) 5. Kovatchev, B., Tamborlane, W., Cefalu, W., Cobelli, C.: The artificial pankreas in 2016: a digital treatment ecosystem for diabetes. Diabetes Care 39, 7 (2016) 6. Hummler, H., Fuchs, H., Schmid, M.: Automatische Anpassung der inspiratorischen Sauerstofffraktion zur Vermeidung von Hypoxämie und Hyperoxämie bei Neugeborenen – Übersicht klinischer Studien. Klin. Padiatr. 226(4), 204 (2014) 7. Dumont, G., Ansermino, J.: Closed-loop control of anesthesia: a primer for anesthesiologists. Anesth. Analg. 117(5), 1130 (2013)

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Literatur zu Teil VII Biomedizinische Technik

Weiterführende Literatur Baum, J.: Die Inhalationsnarkose mit niedrigem Frischgas, 3. Aufl. Thieme, Stuttgart (1997) Buzug, Th.: Einführung in die Computertomographie – Mathematisch-physikalische Grundlagen der Bildrekonstruktion. Springer, Berlin (2004) Buzug, Th.: Computed tomography – from photon statistics to modern cone-beam CT. Springer, Berlin (2008) Dössel, O.: Bildgebende Verfahrenin der Medizin: Von der Technik zur medizinischen Anwendung. Springer, Berlin (1999) Dössel, O., Buzug, Th. (Hrsg.): Medizinische Bildgebung. Lehrbuchreihe Biomedizinische Technik, Bd. 7. De Gruyter, Berlin (2013) Kramme, R.: Medizintechnik. Verfahren – Systeme – Informationsverarbeitung, 5. Aufl. Springer, Berlin (2017) Leitgeb, N.: Sicherheit von Medizingeräten. Springer, Berlin (2009)

Leonhard, St., Walter, M. (Hrsg.): Medizintechnische Systeme. Springer, Berlin (2016) Morgenstern, U., Kraft, M.: Biomedizinische Technik: Faszination, Einführung und Überblick. Biomedizinische Technik, Lehrbuchreihe, Bd. 1. De Gruyter, Berlin (2013). ISBN 978-3110251982 Rathgeber, J.: Grundlagen der maschinellen Beatmung, 2. Aufl. Thieme, Stuttgart (2010) Rossaint, R., Werner, Chr , Zwißler, B.: Die Anästhesiologie, 3. Aufl. Springer, Berlin (2011) Wintermantel, E., Ha, S.: Medizintechnik, 5. Aufl. Springer, Berlin (2009) Webster, J.: Medical instrumentation, 4. Aufl. Wiley & Sons, Hoboken (2009) Zenios, S., Makower, J., Yock, P.: Biodesign: the process of innovating medical technologies, 2. Aufl. Cambridge University Press, Cambridge (2015)

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Teil VIII Energietechnik und -wirtschaft

Eine zuverlässige Energieversorgung ist im alltäglichen Leben genauso wichtig wie selbstverständlich und unerlässlich. Daher verwundert es nicht, dass bei einem weltweit steigenden Energiebedarf und gleichzeitigem Ziel die CO2 -Emissionen zu reduzieren, neue Anforderungen an die Energietechnik und insbesondere die Kraftwerke gestellt werden. Verstärkt wird diese Problematik in Deutschland zusätzlich durch den geplanten Kernenergieausstieg bis 2022 und den Ausstieg aus der Kohleverstromung bis 2038 und das Ziel bis 2050 die CO2 -Emissionen gegenüber 1990 auf 20 % und weniger zu senken. Die Konsequenz ist ein Ausbau erneuerbarer Energien, eine Erhöhung der Energieeffizienz von Kraftwerken sowie deren struktureller veränderter Nutzung in sich ändernden Lastbereichen. Während früher die regenerativen Energien nur einen kleinen Anteil an der Stromerzeugung ausmachten, müssen konventionelle Kraftwerke heute bereits häufiger hoch- und runterfahren, um auf die kontinuierlich steigende Residuallast zu reagieren. Dies bringt nicht nur Probleme in der Rentabilität der Kohle- oder Gaskraftwerke, sondern auch beispielsweise in der Materialbeständigkeit, da die Kraftwerke zu Zeiten ihres Baus auf konstantere Lastbereiche ausgelegt waren. Benötigt werden zunehmend neue Speicher für Elektrizität und Kraftwerke, welche nur im Notfall die Versorgungssicherheit aufrechterhalten. Des Weiteren stellen verschärfte Emissionsvorgaben neue Herausforderungen. Nicht zu vernachlässigen sind jedoch auch die technischen Fortschritte, die durch die deutsche Energiewende forciert werden. Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen erreichen immer höhere technische Standards, Speichermöglichkeiten werden auch für elektrische Energie im Zusammenhang mit der Einführung von Elektroautos diskutiert, erforscht und weiterentwickelt. Damit Deutschland die gesetzten Ziele zum Umbau der Elektrizitätsversorgung erreichen kann, müssen noch einige Hürden überwunden werden. Der Strom, der im Norden von Windkraftanlagen erzeugt wird, muss beispielsweise über weite Strecken in Richtung Süden transportiert werden. Hierzu sind neue Stromtrassen und Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsnetze nötig, die sich in der Vorbereitung befinden. Diese müssen von der Bevölkerung akzeptiert werden.

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Das nachfolgende Kapitel „Energietechnik und -wirtschaft“ soll einen Umriss über die technischen Anlagen und Prozesse, aber auch über die politischen und wirtschaftlichen Hintergründe in der Energietechnik liefern. Neben Kraftwerksprozessen, Verbrennungsvorgängen und Rauchgasreinigungsmaßnahmen werden auch die Stromerzeugung durch erneuerbare Energien sowie wirtschaftliche und politische Hintergründe erläutert, um einen allgemeinen Überblick zu liefern. Ein herzlicher Dank geht an die Mitautoren für die Unterstützung bei der Erarbeitung und die Autoren des Kapitel L in den vorhergehenden DUBBELAuflagen für ihre gute Vorarbeit. Ein weiterer herzlicher Dank geht an Frau M.Sc. Laura Graziano für ihre Mithilfe bei der Aktualisierung des Teil VIII.

47

Grundsätze der Energieversorgung Hermann-Josef Wagner, Hendrik Hasenclever und Kathrin Hoffmann

Um eine nachhaltige Energiewirtschaft zu schaffen, sollten Energiepolitik und Wirtschaft darauf ausgerichtet sein, Verbrennungsprozesse einzuschränken, Solar- und Windenergie verstärkt einzusetzen und die erforderliche Energie so rationell wie möglich zu nutzen. Tab. 47.1 zeigt den Primärenergieverbrauch in Deutschland aus dem Jahr 2018. In den Industrieländern ist der Energieverbrauch seit 1980 zwar rückläufig, jedoch in den restlichen Ländern steigt er weiter an. Der Einsatz der verschiedenen Primärenergien zeigt Abb. 47.1. Dabei ist anzumerken, dass neben den SI-Einheiten weltweit im Energiebereich noch länder- oder sektorspezifische Einheiten verwendet werden. Als Beispiel ist in Abb. 47.1 der Weltenergieverbrauch in der in Deutschland gebrauchten Einheit t SKE angegeben. Die EU verpflichtete sich freiwillig, ihre CO2 Emissionen bis zum Jahr 2000 auf dem Niveau von 1990 zu stabilisieren. Dieses Ziel hat sie zum gegenwärtigen Zeitpunkt erreicht. Im Rahmen des Kyoto-Protokolls von 1997 einigten sich die 15 Länder, aus denen die EU

damals bestand, darauf, bis 2012 ihre gesamten Treibhausgasemissionen um 8 % unter das Niveau von 1990 zu reduzieren. Dieses Gesamtziel wurde für jeden Mitgliedstaat – je nach dessen Fähigkeit, die Emissionen einzudämmen – in ein konkretes, rechtsverbindliches Ziel umgesetzt (s. Tab. 47.2). Bis Ende 2005 unterschritten die Emissionen der EU-15 das Niveau von 1990 um 1,5 %, während die Gesamtemissionen aller heutigen 27 Mitgliedstaaten 7,9 % niedriger lagen. Laut Angaben der Bundesregierung wurden die Vorgaben des Kyoto-Protokolls der 15 EU-MitgliedsTab. 47.1 Primärenergieverbrauch in Deutschland 2019. (Quelle: BMWi Energiedaten 06/2020) Energieträger

Mineralöl Steinkohle Braunkohle Erdgas, Erdölgas Kernenergie Wasser- und Windkrafta Andere Erneuerbareb Außenhandelssaldo Strom Sonstigec Gesamtverbrauch

H.-J. Wagner () Ruhr-Universität Bochum Bochum, Deutschland E-Mail: [email protected] H. Hasenclever Vonovia SE Bochum, Deutschland E-Mail: [email protected] K. Hoffmann Ruhr-Universität Bochum Bochum, Deutschland E-Mail: [email protected]

Primärenergie- Anteile am verbrauch in PJ Primärenergieverbrauch in % 4511 35,3 1095 8,6 1161 9,1 3193 25,0 819 6,4 697 5,5 1202

9,4

118

0,9

221 12 782

1,7 100

a

inkl. Photovoltaik u. a. Brennholz, Brenntorf, Klärgas, Müll c sonstige Energieträger u. a. Grubengas, nichterneuerbarer Müll b

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_47

905

906

H.-J. Wagner et al.

Weltprimärenergieverbrauch 1860-2019

Energieverbrauch in Mrd. t SKE

25

20

Sonsge Kernenergie

15

Wasserkra Erdgas Erdöl

10

Feste Brenstoffe

5

0

Abb. 47.1 Weltweiter Primärenergieverbrauch. (Quelle: verschiedene Statistiken; letzte Jahre: BP-Statistik Stand 2020)

Tab. 47.2 Bis 2012 zu erreichende Kyoto-Ziele der EU Verteilung des im Kyoto-Protokoll vereinbarten gemeinsamen Reduktionsziels von 8 % auf die einzelnen EU-15-Staaten in % Österreich 13 Belgien 7.5 Dänemark 21 Finnland 0 Frankreich 0 Deutschland 21 Griechenland 25 Irland 13 Italien 6.5 Luxemburg 28 Niederlande 6 Portugal 27 Spanien 15 Schweden 4 Großbritannien 12.5

staaten bis 2012 mit einer Reduzierung der Treibhausgasemissionen um 12,2 % deutlich übertroffen. Deutschland schaffte statt der vereinbarten 21 % eine Reduzierung um 23,6 % (gegenüber dem Jahr 1990).

Im Dezember 2008 verabschiedeten die EUMitgliedstaaten die Verpflichtung, die gesamten Treibhausgasemissionen der EU bis 2020 im Vergleich zu den Werten von 1990 um 20 % zu senken und den Anteil der erneuerbaren Energie am Energieverbrauch in der gesamten EU auf 20 % zu steigern. Laut Bundesregierung ist weltweit der Ausstoß an Treibhausgasemissionen zunehmend. Allein zwischen 1990 und 2010 stiegen die Treibhausgasemissionen weltweit um 29 %. Mit mehr als 28 % war China 2015 der größte Verursacher von Treibhausgasemissionen, die USA stehen mit 16 % an zweiter Stelle. Mit dem Reaktorunfall 2011 in Fukushima (Japan) erklärte die Bundesregierung den kompletten Ausstieg aus der Kernenergie für Deutschland bis 2022. Das Energiekonzept der Bundesregierung definiert diverse Ziele, um die Energiewende in Deutschland bis 2050 umzusetzen. Die Treibhausgasemissionen sollen auf 20 % im Vergleich zum Jahr 1990 gesenkt werden. Der Anteil regenerativer Energien soll auf 60 % Endenergie bzw. 55 % Primärenergie gesteigert werden. Allgemein ist die Vorgabe, den Primär-

47 Grundsätze der Energieversorgung

energieverbrauch gegenüber 2008 auf 50 % zu senken und dies mit weniger Öl und Erdgas sowie einem nur sehr geringem Anteil an Kohle zu ermöglichen. Der Stromverbrauch soll im Vergleich zum Jahr 2008 auf 75 % gesenkt werden und der Endenergieverbrauch im Sektor Verkehr auf 60 % (gegenüber 2005). Der technologische Fortschritt durch rationellere Verwendung und bessere Energienutzung einschließlich der Energierückgewinnung im Anwendungsbereich ist gekennzeichnet durch den Energienutzungsgrad. Neben den recht unterschiedlichen Energiegewinnungs- und Transporttechniken für die einzelnen Primärenergien, liegt der Schwerpunkt der modernen Energiewirtschaft im Bereich der Erzeugung und Verteilung von Elektrizität, Gas und Fernwärme. Sie werden als „leitungsgebundene Energien“ bezeichnet. Durch den wachsenden Anteil regenerativer Energien, gerade in Deutschland, rücken Speicherung und Lastverlagerung immer mehr in den Fokus der Energiepolitik. Bisher fehlen ausreichende Speicherkapazitäten, um zukünftig den weiter wachsenden Anteil regenerativer Energien zu speichern und so wetterunabhängig nutzbar zu machen.

47.1

Planung und Investitionen

Planung der Energieversorgung Alle technischen und wirtschaftlichen Maßnahmen, die für die Umwandlung von Primärenergie in Sekundärenergie, d. h. Anwendung beim Endverbraucher, erforderlich werden, sind außerordentlich kapitalintensiv. Der größte Teil der erforderlichen Investitionsgüter weist Nutzungsdauern von 25 bis 50 Jahre auf, sodass Entscheidungen mit langfristigen Auswirkungen verbunden sind. Dies ist bedingt neben der umfangreichen, komplizierten Anlagentechnik durch die zusätzlichen Anforderungen zur Minderung der Emissionen in die Atmosphäre und Beeinflussung der Gewässer, akustische Belastung der Umgebung und optische Beeinträchtigung. Gerade in Bezug auf Umweltbelastungen sind umfangreiche Messungen und Analysen durchzuführen, um Umweltschä-

907

den einschätzen zu können. Vor allem bei der Umsetzung von Großprojekten stehen Umweltauswirkungen häufig im Fokus und werden von Umweltschützern kritisiert. Hierdurch entstehen zum Teil Verzögerungen in der Anlagenplanung. Für die Entwicklung und den Ausbau der Energietechnik sind energiewirtschaftliche Prognosen für einen Zeitraum von mindestens zehn Jahren erforderlich. Sie sind infolge der privaten und staatlichen Maßnahmen in ihrer Wirkung auf das Wirtschaftswachstum mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Die Entwicklung der Weltwirtschaft, die Währungsproblematik (Preisentwicklung der einzelnen Primärenergien) und Umweltaspekte beeinflussen die technologische Entwicklung und die Anwendung einzelner Energien. Daher sind Planungen von entscheidender Bedeutung für die Betriebswirtschaft des Energieversorgungsunternehmens. Investitionsentscheidungen Die Sicherung der verfügbaren Energieträger, deren mögliche Lager- oder Speicherkapazität, die wirtschaftliche Gestaltung der Energieumwandlungsanlage, die rationelle Energienutzung bei Koppelproduktion, das Einräumen des Wegerechts für Energietransportleitungen oder Versorgungsmodalitäten sowie Umweltbeeinflussung bestimmen die Investitionsentscheidungen. Diesen liegen Planungsrechnungen zugrunde. Die Art und Weise, wie investiert wird, ist für die künftige Kostenlage entscheidend. Mit der Entscheidung zur Investition wird der Spielraum für größere Dispositionen weitgehend eingeengt. Die Investitionsplanung ist nur ein Teilgebiet, das in ein Gesamtsystem der Finanz- und Erfolgsplanung (Gewinn- und Verlustrechnung und Kostenträgerrechnung) zu integrieren ist. In 2018 haben die Übertragungs- und Verteilnetzbetreiber laut Monitoringbericht der Bundesnetzagentur und des Bundeskartellamts über 9,8 Mrd. EUR in Netzinfrastruktur investiert. Die Aufgabe der Planungsrechnung ist es, die voraussichtliche Wirtschaftlichkeit von Investitionen zu errechnen. Sie arbeitet mit erwarteten Einnahmen (Erlöse) und Ausgaben (Kosten) in ihrer Verteilung über den jeweiligen Betrachtungszeitraum. Um die zu verschiedenen Zeiten

47

908

anfallenden Einnahmen und Ausgaben miteinander vergleichen zu können, müssen sie finanzmathematisch durch Abzinsung bzw. Aufzinsung auf einen gleichen Bezugszeitpunkt bezogen werden. Bei den aufzuwendenden Kosten für die Energieumwandlung und ihr leitungsgebundener Transport bis zum Verbraucher ist zu unterscheiden zwischen leistungs- und arbeitsabhängigen Kosten.

H.-J. Wagner et al.

zu anderen Primär- und Sekundärenergien sind folgende Merkmale bestimmend: die Leitungsgebundenheit die beschränkte Speicherfähigkeit (in Batterien oder anderen Energiespeicherformen z. B. Pumpspeicherung, Dampfspeicherung, Luftspeicherung, Schwungradspeicherung) die allgemeine Versorgungspflicht (Anschlussverpflichtung) die außergewöhnliche Kapitalintensität

Leistungsabhängige Kosten sind der KapitalAls Maßstab für die Bedeutung der Elektrizidienst, die Steuern, Versicherungen und andere tätswirtschaft innerhalb der Volkswirtschaft kann leistungsabhängige Betriebsaufwendungen. die Anzahl an Beschäftigten gesehen werden: Arbeitsabhängige Kosten enthalten den Auf- laut statistischem Bundesamt arbeiteten 2019 wand für die Umwandlungsenergie (z. B. Brenn- über 128 153 Menschen in der Stromversorgung. stoffkosten der Primärenergien) und den arbeits- Wegen der wirtschaftlichen Bedeutung und der abhängigen Anteil für Bedienung, Unterhalt, durch die Anlagentechnik verbundenen großen Investitionen sind Prognosen über den zukünftiHilfsmittel und Entsorgung. Beide Kosten werden von dem Umwand- gen Strombedarf erforderlich. Dabei sind Unsilungswirkungsgrad beeinflusst. Eine Optimie- cherheiten u. a. von der wirtschaftlichen Entwickrung setzt eine Abschätzung der Veränderungen lung und den Lebensstandards abhängig. Lange Zeit galt, dass der Strommehrbedarf bei der Kostenelemente wie z. B. Brennstoff- und Lohnkosten während der Nutzungsdauer oder für jährlich etwa 1 % lag. Dies trifft seit 2007 so nicht mehr zu. Während Deutschland 2007 noch brutden Abschreibungszeitraum voraus. to etwa 621,5 TWh verbrauchte, waren es 2019 Barwertmethode weniger als 580 TWh, wobei zwischenzeitlich, Hiermit kann bei Projekten die wirtschaftlichste Variante aber auch Anstiege zu verzeichnen waren. Insgefunden werden. Es existieren noch andere Möglichkeiten, die Kosten von Großprojekten zu bilanzieren, die gesamt kann von einer abnehmenden Tendenz Barwertmethode wird jedoch häufig angewandt und soll im Bruttostromverbrauch gesprochen werden. Er daher hier beispielhaft vorgestellt werden. ist stark temperatur- und besonders konjunkDer Barwert b beträgt für die n Jahre lang auftretenturabhängig. Als besonderes Beispiel lässt sich den Kosten K0 beim Zinsfuß p und dem Zinsfaktor q: q n 1 b D ˇK0 mit dem Rentenbarwertfaktor ˇ D qn .q1/ und hier die Corona-Pandemie nennen: aufgrund der dem Aufzinsungsfaktor q n D .1 C p=100/n . Der Annui- schwachen Wirtschaftslage sank der Stromvertätsfaktor ist 1=ˇ. Einschränkend ist zu bemerken, dass brauch in Deutschland im ersten Halbjahr 2020 Erlöse und Kosten gegen Ende der Nutzungsdauer hierbei um 5,7 % im Vergleich zum Vorjahr (Pressemelgeringer bewertet werden als solche, die bei Baubeginn dung BDEW, 30. Juli 2020). anfallen; auch die Höhe der angenommenen Verzinsung, Die einzelnen Primärenergieträger sind sehr wie die Differenz zwischen Soll- und Habenzinsen, ist auf unterschiedlich an der Erzeugung von Elektridie Wichtung von Einfluss. zität beteiligt. Der Anteil gasgefeuerter Anlagen wird durch Bau von Kombiblöcken und 47.2 Elektrizitätswirtschaft regionalen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen steigen, Abb. 47.2 zeigt die Erzeugung mit den Die Elektrizitätswirtschaft befasst sich mit der einzelnen Primärenergieträgern. Eine LeistungsErzeugung und Verteilung der elektrischen Ener- übersicht ergäbe ein falsches Bild, da die gie. Die Elektrizität ist eine Sekundärenergie, die Windkraft- und Photovoltaikleistung zwar mit sich vielfältig verwenden lässt. Im Unterschied 104 GW (2018, Bundesnetzagentur) eine hohe

47 Grundsätze der Energieversorgung Erdgas 13%

909

Mineralölprodukte und Sonstige 1%

Steinkohle 13%

Erneuerbare Energien 39%

Wind 17%

Biomasse 7%

Kernenergie 12%

Wasser 3% Photovoltaik 7% Siedlungsabfälle 5% Braunkohle 22%

Abb. 47.2 Brutto-Stromerzeugung in Deutschland 2018 nach Energieträgern (Quelle: AG Energiedaten, Stand 6. März 2019) Tab. 47.3 Bruttostromerzeugungskapazitäten in Deutschland 2017. (Quelle: BMWi Energiedaten 2020) Energieträger Kapazität in GW Steinkohlen inkl. Mischfeuerungen 29,9 Braunkohle 23,0 Heizöl 3,1 Gase 27,7 Kernenergie 11,4 Wasser 10,3 Wind 45,7 Photovoltaik 42,3 Geothermie 0,038 Biomasse 8,7 Sonstige 7,9 Ingesamt 219,3

installierte Leistung aufweist, diese jedoch ungesichert ist. Das heißt, dass Windvorhersagen nur kurzfristig und eher ungenau gemacht werden können, sodass der Stromertrag durch Windkraftanlagen nur schwer vorherzusagen ist. Außerdem ist der Strom aus Windkraftanlagen kaum steuerbar, sodass dieser nicht für die Grundlast geeignet ist. Die Leistung konventioneller Kraftwerke betrug weiterhin knapp 100 GW in der öffentlichen Versorgung (s. Tab. 47.3). Infolge der schwankenden Einsatzfähigkeiten bei Volllaststundenzeiten von 2300 h=a (Land, guter Standort) und 4400 h=a (See, Wind) und 900 h=a (Photovoltaik) ist die Leistung der erneuerbaren Energien nur beschränkt verfügbar.

Außerdem speist sie ungesichert ins Niederspannungsnetz ein. Sie wird für den Regelleistungsbedarf von Bedeutung. Die Struktur der öffentlichen Elektrizitätsversorgung in der Bundesrepublik Deutschland ist pluralistisch und dezentral im Vergleich zu vielen zentralen Strukturen im Ausland. Die EVU sind recht unterschiedlich hinsichtlich der rechtlichen Organisationsform als auch nach der wirtschaftlichen Aufgabenstellung und Bedeutung. Einen Schwerpunkt der Elektrizitätswirtschaft bildet die Erzeugung elektrischer Energie in Kraftwerken (s. Kap. 49). Der weitere Schwerpunkt umfasst die vielfältigen Netzanlagen mit ihrer Vielzahl von Umspannwerken auf den verschiedenen Spannungsebenen (s. Abschn. 50.1.3 und Bd. 2, Abschn. 27.1). Die neue EU Elektrizitätsrichtlinie hat aus Wettbewerbsgründen eine Trennung von Erzeugung und Verteilung vorgeschrieben. Die Bundesrepublik Deutschland wird mit Elektrizität sowohl durch öffentliche und industrielle Unternehmen, als auch durch die bahneigenen Werke versorgt. Um die elektrische Energie von den Kraftwerken zu den Verbrauchern zu bringen, haben die EVU ein dichtes Leitungsnetz aufgebaut. Der Rückgang der Niederspannungs- und Mittelspannungsfreileitungen ist auf fortschreitende Verkabelungen zurückzuführen.

47

910

Das Höchstspannungsnetz (über 125 kV, rund 37 000 km; Quelle: BDEW) mit seinen Leitungen und Umspannanlagen dient dem weiträumigen Transport zwischen den Kraftwerken und den Verbraucherschwerpunkten. Auf dieser Spannungsebene wird vorwiegend der Energieaustausch auch mit dem Ausland abgewickelt (s. Abschn. 50.1.3). Während früher Kraftwerke in der Nähe von Großstädten o. ä. gebaut wurden, um die Transportwege klein zu halten, muss der Strom, der durch Wind und Photovoltaik erzeugt wird, mittlerweile sehr viel größere Wegstrecken zurücklegen, da der Ort der Erzeugung kaum oder gar nicht beeinflusst werden kann. Vorwiegend kleinere (100 bis 300 MW) und ältere thermische Kraftwerksblöcke, Gasturbinen, Laufwasser- und Pumpspeicher-Kraftwerke sind in die 110- bzw. 220-kV-Netze eingebunden. Die Netto-Engpassleistung der deutschen Kraftwerke betrug 2017 insges. 100 892 MW mit einer NettoErzeugung von 406,3 TWh (Statistisches Bundesamt). Das unterlagerte Hochspannungsnetz (72,5 bis 125 kV; ca. 86 000 km) übernimmt die regionale Verteilung. In den großen Städten wird diese Spannungsebene verstärkt ausgebaut und auch einige Großbetriebe haben einen derartigen Versorgungsanschluss. Hier spielt derzeit die Einbindung der Windkraftanlagen eine dominierende Rolle. Beim Vergleich des Erscheinungsbilds deutscher Netze mit dem ausländischer Netze fällt auf, dass die Verteilungsnetze mit 220=380 V und 10, 20 bzw. 30 kV in geschlossenen Ortschaften, selbst in kleinen Orten, weitgehend verkabelt sind und die Hochspannungsleitungen mit zwei, heute aber meistens mit vier oder noch mehr Stromkreisen ausgerüstet werden. Entsprechend der Zusammensetzung der Kosten aus leistungs- und arbeitsabhängigen Kosten sehen die Preisregelungen i. Allg. zwei Preisbestandteile vor:

H.-J. Wagner et al.

Blindleistung getrennt abgenommen und beide Positionen gesondert abgerechnet einen Preis für die abgenommene elektrische Arbeit (Arbeitspreis je kWh)

Die EVU sind in der Rechnungslegung zu getrennter Kontenführung für die Bereiche Erzeugung, Übertragung und Netzführung (Hochspannung) und Verteilung (Mittel- und Niederspannung) verpflichtet. Abb. 47.3 zeigt im Beispiel eine derzeitige Zusammensetzung des Strompreises. Der regional größte Stromversorger unterliegt der allgemeinen Anschluss- und Versorgungspflicht. Seit 1999 ist der Strommarkt in Deutschland liberalisiert. Das heißt Wettbewerb beim Endkunden und Auftrennung der ehemals integrierten Energieversorgungsunternehmen in eigenständige unabhängige Unternehmen der Sparten Erzeugung, Stromtransportnetz (380-kV-Netz), Verteilnetz und Stromvertrieb, so genanntes Unbundling, der Unternehmen. Da die Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) und Verteilnetzbetreiber (VNB) das einzige, konkurrenzlose Stromnetz zum Kunden betreiben, müssen diese in besonderem Maß unabhängig sein. Sie werden von der Bundesnetzagentur kontrolliert. Das gesamte deutsche 380-kV-Netz wird derzeit von den 4 großen EVU und auch zukünftig ebenfalls von 4 Unternehmen betrieben. Vattenfall Transportation ist jetzt 50Hertz Transmission GmbH, E.ON Netz ist jetzt TenneT TSO GmbH, RWE Transportnetz Strom GmbH ist jetzt Amprion GmbH und der vierte EVU EnBW TransnetBW GmbH. Die Übertragungsnetzbetreiber sind innerhalb des Dachverbandes BDEW organisiert. Der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW), www.bdew.de, ist deren Interessenverband, in dem etwa 1900 Unternehmen organisiert sind. Die Stromerzeuger, die Betreiber der gro einen festen Betrag als Grundpreis bei den all- ßen Kraftwerke, bieten ihren erzeugten Strom gemeinen Tarifen und als Leistungspreis ent- den Stromvertrieben und Stromhändlern auf dem sprechend der in Anspruch genommenen Leis- Markt an. Der Strom wird über bilaterale Vertung bei Sonderverträgen, bei größeren Ab- träge oder über die Leipziger Strombörse EEX, nehmern (z. B. Industrie) werden Wirk- und www.eex.de, gehandelt.

47 Grundsätze der Energieversorgung

911

Tab. 47.4 Einspeisevergütung für Photovoltaik gemäß EEG, Stand: August 2020 Inbetriebnahme

Anlagen auf Wohngebäuden und Lärmschutzwänden Bis 10 kWp Bis 40 kWp Bis 750 kWp

Erlösobergrenze ct/kWh – Marktprämienmodell ab 100 kWp verpflichtend ab 1. Oktober 2020 9,04 8,80 6,99 Vergütungssätze ct/kWh – Feste Einspeisevergütung bis einschl. 100 kWp ab 1. Oktober 2020 8,64 8,40 6,59

Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) Seit dem Jahr 2000 regelt das „Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (Erneuerbare-EnergienGesetz (EEG))“ die vorrangige Einspeisung aus erneuerbaren Energien erzeugter Strom in das Stromnetz und die Vergütung dieses Stroms. Mit der Novelle 2014 traten neue Vergütungssätze und Regelungen in Kraft. Gerade in Bezug auf Photovoltaik sind große Änderungen zu verzeichnen. Neu ist zum Beispiel, dass für den eigenverbrauchten Strom 40 % der EEG-Umlage entrichtet werden müssen. Diese Änderung tritt schrittweise in Kraft. Die vollen 40 % der EEG-Umlage müssen erst ab 2017 entrichtet werden, zuvor gelten Übergangswerte in Höhe von 30 und später 35 %. Die EEG-Umlage muss jedoch nicht bei Kleinstanlagen bis maximal zehn Kilowatt entrichtet werden. Die meisten Anlagen in Einfamilienhäusern fallen unter diese Regelung und sind somit nach wie vor von der EEGUmlage befreit. Des Weiteren gilt bei Anlagen, die über 100 kWp liegen, dass der Betreiber einen Direktvermarkter einschalten oder den Strom selbst verkaufen muss. Der Betreiber erhält eine Marktprämie, um die Differenz zur bisherigen Vergütung auszugleichen. Wird ein Direktvermarkter eingeschaltet erhält der Betreiber zusätzlich noch einen Aufschlag von 0,4 ct pro kWh. Die bei der Novellierung 2012 eingeführte Degression der Vergütungssätze je nach Anzahl neuinstallierter PV-Anlagen bleibt auch mit der Novelle von 2014 bestehen, jedoch wird die Änderung der Förderrate etwas angepasst, so dass der Photovoltaik-Markt nach einer Flaute schneller wieder belebt werden kann. Die zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme geltende Vergütung bleibt für

Sonstige Anlagen bis 750 MWp

6,34 5,94

Anlagen ohne Marktprämienmodell aber nach wie vor für 20 Jahre garantiert. Größere Anlagen müssen ausgeschrieben werden und die Einspeisevergütung wird nur entsprechend den Angebotskonditionen ausgezahlt. Die Bundesnetzagentur stellt die monatlichen Vergütungssätze auf ihrer Homepage öffentlich zur Verfügung (www.bundesnetzagentur.de). Tab. 47.4 zeigt die Einspeisevergütung gemäß EEG für Juni 2016. Im Sommer 2016 wurde eine weitere Novelle des EEG beschlossen, die mit Beginn des Jahres 2017 in Kraft trat. Besonders hervorzuheben sind zwei Änderungen im Bezug auf Ausschreibungsverfahren: für Photovoltaikanlagen, die unter 750 kW (Biomasseanlagen unter 150 kW) Leistung liegen, wird keine Ausschreibung mehr verlangt, was gerade bei Anlagen zur Eigenversorgung hilfreich ist. Außerdem werden Bürgerwindprojekte bei Ausschreibungen bevorzugt behandelt, so soll verhindert werden, dass zu viele Großinvestoren bei Windprojekten den Zuschlag bekommen. Neben den marktwirtschaftlichen Anpassungen erfolgte mit der EEG Novelle 2012 erstmalig eine technische Vorgabe für die Einbindung von Photovoltaikanlagen in das Einspeisemanagement und zur Unterstützung der Versorgungssicherheit. In Anlagen bis 100 kWp , die ab 01.01.2012 installiert worden sind, müssen technische Einrichtungen eingebaut sein, um die Leistungsabgabe reduzieren zu können. Bei Kleinerzeugern bis 30 kWp kann alternativ die Einspeiseleistung auf 70 % der installierten Leistung reduziert werden. Darüber hinaus erfordert der starke Zubau der Photovoltaik die Berücksichtigung des Anlagenverhaltens bei Fre-

47

912

H.-J. Wagner et al.

Abb. 47.3 Zusammensetzung des Strompreises für Haushaltskunden mit einem Jahresverbrauch zwischen 2500 und 5000 kWh zum 1. April 2018 (Quelle: Bundesnetzagentur, Bundeskartellamt)

quenzschwankungen. Bereits installierte Anlagen schalten bei einer Überfrequenz von 50,2 Hz ab. Durch die gleichzeitige Leistungsreduzierung kann dies im Falle einer hohen PV-Einspeisung zu einem deutlichen Frequenzeinbruch führen, der nicht durch regelbare Erzeugungskapazitäten (thermische Kraftwerke) kompensiert werden kann. Daher schreibt das EEG hier eine technische Nachrüstung der PV-Wechselrichter vor, die eine stufenweise Leistungsabgabe ermöglicht. Die Einspeisevergütung wird vom regionalen, den Strom aufnehmenden Verteilnetzbetreiber dem Erzeuger vergütet. Über Weiterverrechnung über die vier Transportnetzbetreiber und Bilanzierung der bundesweiten Vergütung beim Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) wird die Belastung für jeden Stromkunden ermittelt.

der Netznutzung auf alle Stromkunden umgelegt (s. Abschn. 49.2.5).

Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) Seit dem Jahr 2002 regelt das „Gesetz für die Erhaltung, Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kupplung“ (KWKG) die Zusatzvergütungen für den gekoppelt erzeugten Strom. Die Kosten für die KWK-Förderung werden mit

Energiebeschaffung, Vertrieb, sonstige Kosten und Marge: 5,30 ct/kWh Netzentgelte: 8,00 ct/kWh Mehrwertsteuer: 4,86 ct/kWh Konzessionsabgabe: 1,59 ct/kWh (vgl. Tab. 47.5)

Strompreiszusammensetzung Für Haushaltskunden und Gewerbekunden setzt sich der Strompreis in der Regel aus einem Grundpreis und einem Arbeitspreis zusammen, bei Großabnehmer wird oftmals auch die Blindleistung berechnet. Bis zu einem Jahresverbrauch von 10 000 kWh handelt es sich beim Grundpreis um einen Festbetrag, darüber ist es ein Leistungspreis, entsprechend der maximal in Anspruch genommenen Leistung. Der Arbeitspreis (ct/kWh) beinhaltet im Jahr 2020 folgende Positionen, die Angaben beziehen sich auf einen Strompreis in Höhe von 30,05 ct/kWh (entspricht etwa einem Haushalt mit einem jährlichen Verbrauch von rund 3500 kWh; vgl. Abb. 47.3):

47 Grundsätze der Energieversorgung Tab. 47.5 Konzessionsabgabe 400 m) 37 Anlagen in Betrieb (Heizwerke, Kraftwerke und Heizkraftwerke). Die installierte Wärmeleistung beträgt insgesamt 336,51 MW und die installierte elektrische Leistung 37,13 MW. Es befinden sich 3 weitere Anlagen in der Bauphase, 5 weitere sind Forschungsprojekte und ca. 30 werden derzeit geplant. Die oberflächennahe Wärmenutzung des Erdreichs (Bohrtiefe < 400 m) erfolgt mittels Kollektoren in einer Tiefe von 80–160 m oder Erdwärmesonden in einer Tiefe von ca. 100 m. Mit Hilfe einer Kompressionswärmepumpe wird das Wärmeträgermedium verdichtet und die Temperatur erhöht sich, so dass die geothermische Wärme zur Raumbeheizung genutzt werden kann. Derzeit sind über 400 000 oberflächennahe Geothermieanlagen mit einer Leistung von ca. 4400 MW in Deutschland installiert (2019), hierbei handelt es sich hauptsächlich um Anlagen mit Wärmepumpen.

H.-J. Wagner et al.

Industrieländern wichtig in Bezug auf Umweltschutz. Eine weitere Verflüssigung des Gases als Treibstoff wäre wegen des erforderlichen Kompressionsaufwands unwirtschaftlich. Angelegte Mülldeponien werden zu ihrer Entgasung mittels Motoren zur Strom- und Fernwärmeerzeugung genutzt (Deponiegasanlagen). Die größte Biogaserzeugung stammt aus einer Deponie von New York, die täglich rd. 0,5 Mio. m3 Methan liefert. In Deutschland sind laut Fachverband Biogas e. V. 2019 9527 Biogasanlagen im Betrieb. Bis Ende 2020 wurde ein Zubau von 68 Anlagen prognostiziert. Demnach waren 2019 5000 MW elektrische Leistung installiert, die ca. 33,33 TWh zur Brutto-Stromerzeugung Deutschlands beitragen (Abb. 48.12). Eine der größten Biogasanlagen ist der BioEnergie Park Güstrow und liegt in MecklenburgVorpommern. Mit einer installierten thermischen Leistung von 50 MW werden in vier Fermentern pro Jahr ca. 46 Mio m3 Biomethan erzeugt. Dies entspricht ca. 160 Mio. kWh an elektrischer und 180 Mio. kWh an thermischer Energie im Jahr. Die bei der Herstellung des Biogas anfallenden Gärreste (ca. 460 000 t) werden im Düngerwerk aufgearbeitet und zu Flüssigdünger und Presskuchen verarbeitet, die wiederum von den Landwirten zum Ackerbau genutzt werden (NAWARO BioEnergie AG). Für die Einspeisung ins Erdgasnetz muss das Biogas, das einen Methangehalt zwischen 50 und 75 % hat, vorbehandelt und auf Erdgasqualität konditioniert werden. Schweden versucht derzeit seine Ölimportabhängigkeit (z. Zt. 30 %) vorwiegend im Kraftfahrzeugbereich durch Erzeugung und Einsatz von Bioethanol (Kraftstoff E85 – 85 % Ethanol u. 15 % Benzin) zu reduzieren. In Deutschland ist seit 2011 der Kraftstoff Super E10 (10 % Ethanol) zwecks Umweltschutz und Reduzierung der Ölabhängigkeit, gestützt durch eine EU Vorgabe, eingeführt worden.

48.6.5 Biogas 48.6.6

Biomasse

Organische Abfälle werden in Faulgruben gesammelt und mikrobiell in Faulgase, vorwiegend Unter Biomasse für die Energieversorgung verMethan und immissionsfreien Dünger, umgewan- steht man Holz, naturbelassen als Scheitholz, aufdelt. Das Biogasverfahren ist in dicht besiedelten gearbeitet als Pellets, unbelastet, unbehandelt und

48 Primärenergien

937 6.000 4953 5000 5030

10.000

4550 4018 4237 3097 3352 3637 3905

8.000

4.000

6.000 4.000

5.000

3.000 8.746 9.014 9.209 9.331 9.444 9.527 9.359 7.837 8.292 8.649

2.000

2.000 1.000

0

installierte elektr. Leistung

Anzahl der Biogasanlagen

12.000

0

Anzahl der Biogasanlagen installierte elektrische Leistung inkl. Überbauung Abb. 48.12 Entwicklung der Anzahl Biogasanlagen und der gesamten installierten elektrischen Leistung in MW. (Quelle: Fachverband Biogas e. V., Stand 07/2020)

sortiert als Rest- und Abfallholz, andere schnell wachsende Pflanzen und verbrennbare Reststoffe der Agrarwirtschaft. Holz und andere pflanzliche Energieträger sind gespeicherte Sonnenenergie. Da diese während ihres Wachstums so viel CO2 aus der Atmosphäre abgebaut haben, wie sie anschließend bei der Verbrennung wieder freisetzen, kann die Nutzung von Biomasse als CO2 neutral betrachtet werden. Damit gehören sie zu den regenerativen Energien. Holzpellets sind kleine zylindrische Presslinge aus naturbelassenen Holzspänen, wie sie im holzverarbeitenden Gewerbe anfallen. Holzeigene Bindestoffe machen das Pellet formstabil und beständig. Fremdstoffe (z. B. Leim, Kunststoffe) dürfen bei der Herstellung der BrennstoffPellets nicht zugegeben werden. Ausgeschlossen sind ebenso Hölzer, die mit Fremdstoffen belastet sind. Holzpellets sind seit 1996 in Deutschland als Brennstoff für Kleinfeuerungsanlagen zugelassen. Sie sind gemäß DIN EN ISO 17225 „Biogene Festbrennstoffe – Brennstoffspezifikationen und -klassen“ genormt. In DIN EN ISO 172252 „Klassifizierung von Holzpellets“ werden die Anforderungen an Holzpellets weiter spezifiziert.

Hierzu zählen unter anderem Vorgaben zu Materialzusammensetzung, Heizwert, mechanischer Festigkeit, Aschegehalt und Größe. Grundsätzlich wird unterschieden, ob es sich um eine große oder kleine Feuerungsanlage handelt, daher werden hier die Angaben zwischen industrieller oder häuslich/gewerblicher Nutzung unterschieden. Die häuslich/gewerblich genutzten Holzpellets haben einen Durchmesser von 6–8 mm und eine Länge von 3,15 bis 40 mm. Der Heizwert muss bei mindestens 4,6 kWh/kg liegen, dies entspricht in etwa dem Heizwert von einem halben Liter Heizöl (DEPI, DEPV). Holzpellets sind besonders schütt- und rieselfähig, sie werden mit dem Tankwagen geliefert und in einen Lagerraum oder Lagertank im Haus eingeblasen, aus dem sie bei Bedarf automatisch in die Feuerung transportiert werden. Die Schüttdichte der Pellets mit mehr als 600 kg/m3 ist höher als bei anderen Holzbrennstoffen. Der Energieaufwand für die Herstellung der Pellets aus Restholz liegt bei ca. 2,7 % ihres Energiegehalts. Der Preis für Holzpellets betrug je nach Region und Abnahmemenge zwischen 212 und 225 C/t (Juli 2020, DEPV).

48

938

H.-J. Wagner et al.

Anhang Tab. 48.7 Heizwerte der Energieträger und Faktoren für die Umrechnung von natürlichen Einheiten in Energieeinheiten (Quelle: AG Energiebilanzen, Stand: März 2020) Energieträger Steinkohle a Steinkohlenbriketts b Steinkohlenkoks b Braunkohle a Braunkohlenbriketts b Andere Braunkohlenprodukte Erdöl (roh) a Ottokraftstoffe b Rohbenzin b Flugturbinenkraftstoff b Dieselkraftstoff b Heizöl, leicht b Heizöl, schwer b Petrolkoks b Flüssiggas b Raffineriegas b Andere Mineralölprodukte b Kokereigas, Stadtgas b Gichtgas, Kovertgas b Erdgas, Erdölgas c Grubengas a Strom a

b

Natürliche Einheit kg kg kg kg kg kg kg kg kg kg kg kg kg kg kg kg kg m3 m3 kWh m3 kWh

Heizwert (kJ) 27 368 31 398 28 739 9050 19 610 21 779 42 505 42 281 44 000 42 800 42 648 42 816 40 343 32 000 43 074 45 492 39 501 15 994 4187 3600 17 769 3600

Heizwert (kcal) 6537 7499 6864 2162 4684 5 202 10 152 10 099 10 509 10 223 10 186 10 226 9636 7643 10 288 10 866 9435 3820 1000 860 4239 860

SKE-Faktor 0,934 1,071 0,981 0,309 0,669 0,743 1,450 1,443 1,501 1,460 1,455 1,461 1,377 1,092 1,470 1,552 1,348 0,546 0,143 0,123 0,606 0,123

Durchschnittswert für den Primärenergieverbrauch; im Übrigen gelten unterschiedliche Heizwerte. Durchschnittswert für die Produktion und Einfuhr; im Übrigen gelten unterschiedliche Heizwerte. c Sofern statistische Daten auf dem oberen Heizwert (Brennwert) beruhen, werden sie für die Energiebilanz mit dem Faktor 0,9024 in den unteren Heizwert umgerechnet. b

48 Primärenergien

939

Tab. 48.8 Fossile Brennstoffe Brennstoff Asche Wasser (Mittel) (Mittel) Holz, frisch trocken Torf, frisch lufttrocken Braunkohle: rheinländische mitteldeutsche oberbayerische Pechkohle brikettierte Steinkohle: Gasflammkohle Gaskohle Fettkohle Esskohle Magerkohle Anthrazit Zeckenkoks Spiritus Benzol Benzin Dieselöl Heizöl Erdgas/Methan Stadtgas Wassergas Generatorgas Gichtgas

% 0,3 0,5 0,9 4,7

% 50 18 85 28

3,5 5,9 18

59 53 12

Heizwert Rohbrennstoff kJ=kg kcal=kg 8374 2000 15 072 3600 1047 250 14 654 3500 Hu Hu 7997 1910 9211 2200 19 845 4740

7

13

19 678

4700

20 934

5000

5,3

5 5 5 3 4,5 3 2,5 – – – – –

27 214 29 308 30 982 31 820 31 401 30 982 30 145 23 865 40 235 42 496 41 659 42 915

6500 7000 7400 7600 7500 7400 7200 5700 9610 10 150 9950 10 250

29 308 30 982 32 238 32 657 32 657 31 820 30 564 26 754 41 952 46 683 44 799 45 008

7000 7400 7700 7800 7800 7600 7300 6390 10 020 11 150 10 700 10 750

7,5 7,7 7,9 7,9 8,0 8,2 9,1 6,3 10,2 11,5 11,1 11

– – – – –

kJ=m3 35 588 17 585 10 760 5652 3977

kcal=m3 8500 4200 2570 1350 950

kJ=m3 39 775 19 259 11 765 5945 4061

kcal=m3 9500 4600 2810 1420 970

V Luft =V Gas 10 3,7 2,2 1,3 0,76

6 6 6,5 8 7,5 6 8 – – – – – – – – – –

Reinsubstanz kJ=kg kcal=kg 18 841 4500 18 841 4500 22 609 5400 22 609 5400 Ho Ho 9923 2370 11 137 2660 21 143 5050

Minimale Verbrennungsluftmenge m3 =kg 4,2 4,2 4,2 4,2 2,7 2,9 6,0

Tab. 48.9 Aktuelle Daten zur Berechnung der Klimawirksamkeit fossiler Energieträger CO2 -Emissionen bei Verbrennung

Methan-Emissionen bei Erdgasnutzung: Methan-Emissionen bei Steinkohlennutzung: Methan-Emissionen bei Braunkohlennutzung:

Erdgas: Steinkohle: Braunkohle: Schweröl: Leichtöl: 1,6 . . . 2,6 % des Verbrauchs 9 . . . 19 m3 CH4 =t Steinkohle 0,015 m3 CH4 =t Braunkohle

0,2 kg CO2 =kWh = 61 % 0,33 kg CO2 =kWh = 100 % 0,4 kg CO2 =kWh = 121 % 0,28 kg CO2 =kWh = 85 % 0,26 kg CO2 =kWh = 79 %

48

6 6 5,5 5,5 5,5 5,2 5,0 5,0 4,5 3,8 3,0

44 33 23 17,5 14,5 10,0 6,5 4,5 3,0 3,2 2,0

– 1,5 1,0 1,5 1,0 1,3 1,5 1,5 1,5 1,0 1,0

– 0,5 2,5 1,5 1,0 1,5 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

Für Nusskohle; für anderen Ballastgehalt Umrechnung mit Hilfe von Gl. (3).

50 59 68 74 78 82 86 88 90 91 93

Mittlere Elementaranalyse in Gew.-%, auf waf bezogen c h o n s 12 . . . 25 25 . . . 40 40 . . . 65 20 . . . 30 Förder- u. Stückkohle 2% : : : 3% Nusskohle 3% : : : 5% Feinkohle (gew.) 7% : : : 10%

Wasser

a

0,792 0,58b 0,879 0,72. . . 0,80 0,835 0,84 0,88 0,92 0,97 0,95. . . 0,97 1,02. . . 1,1 0,93

Methanol (CH3 OH) Flüssiggas (C3 H8 , C4 H10 ) Benzol (C6 H6 ) Benzin Dieselöl Heizöl EL Heizöl L Heizöl M Heizöl S Steinkohlenleicht Teeröl schwer Braunkohlen-Teeröl

Im Sauerstoffstrom. b In flüssigem Zustand.

Dichte bei 15°C in g=cm3

Brennstoff

Zusammensetzung in Gew.-% c h o+n 37,5 12,5 50 82 18 – 92,3 7,7 – 85 15 – 85,9 13,3 – 85,9 13,0 0,4 85,5 12,5 0,8 85,3 11,6 0,6 84,9 11,1 1,5 87 9 4 89,8 6,5 2,9 84,0 11,0 4,3 s – – – – 0,5 0,7 1,2 2,5 2,5 – 0,8 0,7

15,2 13,4 8,4 16,8 28,0a 29,4a 32,0a 32,4a 31,5a 31,5a 31,0a

Mittlerer RohHeizwert MJ=kg

22,3 50,0 42,0 46,7 45,9 45,5 44,8 43,3 42,7 39,0 39,0 42,7

Brennwert H o in MJ=kg

0,2 . . . 0,8 1... 3 2 . . . 24 7 . . . 18 Stückkohle 3% : : : 6% Nusskohle 4% : : : 7% Feinkohle (gew.) 6% : : : 9%

Asche

Gew.-% der Rohbrennstoffe

Tab. 48.11 Eigenschaften flüssiger natürlicher und künstlicher Brenn- und Treibstoffe [1]

a

Steinkohlen

70 60 . . . 70 55 . . . 62 48 . . . 55 40 . . . 45 35 . . . 40 28 . . . 35 19 . . . 28 14 . . . 19 10 . . . 14 3 . . . 10

Holz (lftr.) Torf (lftr.) Braunkohle

Weichbraunkohle Hartbraunkohle Sinterkohle Gasflammkohle Gaskohle Fettkohle Esskohle Magerkohle Anthrazit

Flüchtige Bestandteile in Gew.-% auf waf bezogen

Brennstoffart

Tab. 48.10 Eigenschaften natürlicher fester Brennstoffe [1]

porös weich, krümelig, porös pulverig, krümelig körnig locker schwach gebacken gut gebacken fest, dicht gesintert gesintert bis sandig pulverig

des Kokses

19,6 46,0 40,2 42,5 43,0 42,7 42,0 40,7 40,2 37,7 37,7 40,2

260

220 320

230. . . 240

400 450 580 230. . . 260

Heizwert H u in Zündtemperatura in °C MJ=kg

faserig elastisch plastisch, matt hart, glänzend wenig backend schwach backend backend blähend stark backend leicht blähend nicht blähend nicht blähend

der Kohle

Eigenschaften

3 4,6 12 5,65 6,45 6,6 6,85 7,35 7,7 9,7 13,8 7,65

c=h

lang lang, matt lang, matt lang, hell lang, matt sehr lang lang, hell kurz, kräftig kurz kurz sehr kurz

der Flamme

940 H.-J. Wagner et al.

941 Tab. 48.13 Energiemaße für Öl und Erdgas 1 m3 = 870–920 kg (mittelschwer) 1 m3 = 920–1000 kg (schwer) 1 barrel [b] = 0,143 t 1 t SKE = 0,731 TOE (Öleinheit = TOE) Heizöl 1 m3 = 0,87 t 1 t = 1160 bis 1230 l (l = Liter) Erdgas 1 m3 = 9,7692 kWh bezogen auf H o (Brennwert) 1 m3 = 8,816 kWh bezogen auf H u (unterer Heizwert)

35,8 40,2 37,0 39,7 44,5 41,0

11,8 12,3 11,9

39,0 32,6 33,1 41,8 31,7 38,0

12,1 11,9 13,4a 12,5 11,5 12,2a

Rohöl

43,9 36,1 36,6 46,0 35,4 42,0

Brennwert H o Heizwert H u CO2. max in Vol.-% in MJ=m3 in MJ=m3

48 Primärenergien

0,3 0,5 1,2 – 1,5 – – 1,2 0,4 (CO2 + SO2 )max . b Schwere Kohlenwasserstoffe. c H2 S. d H2 = 1,3 Vol.-%. a

0,1 8,3 3,0

2,8 0,6 99,6 85,8 94,8 0,72 0,855 0,762 16,1 19,1 17,0

19,8 17,8 22,8 21,8 18,6 20,2

USA (Panhandle) Deutschland (Weser-Ems) Frankreich (Lacq) Algerien (Hassi R’Mel) Niederlande (Groningen) UdSSR (Orenb.) Offshore: Italien (Ravenna) Norwegen (Ekofisk) Großbritannien (Leman Bank)

0,885 0,800 1,034 0,978 0,833 0,905

Zusammensetzung in Vol.-% CH4 C2 H6 C3 H8 81,8 5,6 3,4 87,0 1,7 0,2 69,5 3,2 1,4 76,0 8,0 3,3 81,3 2,8 0,4 82,1 3,7 1,5 Dichte in kg/m3 Molmasse in kg/kmol Herkunft

Tab. 48.12 Eigenschaften von Erdgasen (Anhaltswerte für Rohgase) [1]

schw. KWb 2,2 0,1 1,0 4,4 0,2 3,6

CO2 0,1 1,0 9,6 1,9 0,7 0,5

N2 6,9 10,0 15,3c 6,4 14,4 7,3d

Literatur 1. Doering, E., et al.: Grundlagen der technischen Thermodynamik, 7. Aufl. Springer, Heidelberg (2012) 2. Gumz, W.: Kurzes Handbuch der Brennstoff- und Feuerungstechnik, 3. Aufl. Springer, Berlin (1962) 3. Lenz,W.: Dampferzeugungsanlagen. Dubbel 16. Aufl., L1., Springer, Berlin (1987) 4. Riediger, B.: Brennstoffe, Kraftstoffe, Schmierstoffe. Springer, Berlin (1949) 5. Endell, K., Zauleck, D.: Beziehungen zwischen chemischer Zusammensetzung und Zähigkeit flüssiger Kohlenschlacken in Schmelzkammerfeuerungen. Bergbau Energiewirtschaft 3, 42–50, 70–73 (1950) 6. Gumz, W., Kirsch, H., Mackowsky, M.-T.: Schlackenkunde. Springer, Berlin (1958) 7. DIN-Taschenbuch 57: Mineralöl- und Brennstoffnormen, Grundnormen. Beuth, Berlin (1976) 8. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hermann-Josef Wagner, Umdruck Energiewirtschaft WS 16_17, Schaubilder und Tabellen zur Lehrveranstaltung, September 2016 9. AG Energiebilanzen: Energieverbrauch 2015 mit leichtem Zuwachs, pressedienst, Nr. 01 (2016). https://ag-energiebilanzen.de/index.php?article_id= 22archiv=18year=2016, Zugriff am: 14.12.2017 10. BAFA EnergieINFO Rohöl R01/2020 11. Nitschke-Kowsky, P., Schenk, J., Schley, P., Altfeld, K.: Gasbeschaffenheiten in Deutschland. https://www.di-verlag.de/media/content/GWI/GWI_ 06_2012/gwi_06_2012_FB_Altfeld.pdf?xaf26a= 100ffbcca198e6f72d93c1dbab99e957, Zugriff am: 03.09.2016 12. Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR): Energiestudie 2016. Reserven, Ressourcen und Verfügbarkeit von Energierohstoffen. Fachbereich B1.3, Geologie der Energierohstoffe, Polargeologie. BGR, Hannover (2016) 13. www.energie.ch/brennstoffkreislauf, Zugriff am: 12.12.2017 14. Panos, Konstantin: Praxisbuch Energiewirtschaft. Energieumwandlung, -transport und -beschaffung im liberalisierten Markt. 3., aktualisierte Auflage. Springer-Verlag Berlin Heidelberg (2013). ISBN 978-3-642-37265-0

48

942 15. Gesetz zur Suche und Auswahl eines Standortes für ein Endlager für hochradioaktive Abfälle (Standortauswahlgesetz – StandAG vom 5. Mai 2017, BGBl. I 2017 Nr. 26 S. 1074) 16. Gesellschaft für Zwischenlagerung mbH (BGZ), http://bgz.de/die-abfaelle, Zugriff am: 12.12.2017 17. Bundesgesellschaft für Endlagerung mbH (BGE), www.bge.de/de/konrad/kurzinformationen, Zugriff am: 12.12.2017 18. Bundesgesellschaft für Endlagerung mbH, Pressemitteilung Nr. 01/18 – Fertigstellung des Endlagers Konrad verzögert sich, Salzgitter, 08.03.2018, https://www.bge.de/de/pressemitteilungen/2018/ 03/pm-0118-fertigstellung-des-endlagers-konradverzoegert-sich/, Zugriff am: 09.08.2020 19. Zehntes Gesetz zur Änderung des Atomgesetzes vom 17. März 2009, Bundesgesetzblatt Jahrgang 2009 Teil I Nr. 15, 24. März 2009

H.-J. Wagner et al. 20. Bundesgesellschaft für Endlagerung mbH (BGE), www.bge.de/de/asse/kurzinformationen, Zugriff am 12.12.2017 21. Kommission Lagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe: Abschlussbericht, Verantwortung für die Zukunft – Ein faires und transparentes Verfahren für die Auswahl eines nationalen Endlagerstandortes, Juli 2016 22. Posiva Oy Olkiluoto: General Time Schedule for Final Disposal, http://www.posiva.fi/en/final_ disposal/general_time_schedule_for_final_ disposal#.XzGhm69xe8E, Zugriff am 09.08.2020 23. Bundesamt für kerntechnische Entsorgungssicherheit (BFE), www.bfe.bund.de/DE/soa/ sicherungsvorschriften/sicherungsvorschriften_ node.html, Zugriff am 12.12.2017 24. Wagner, H.-J., Mathur, J.: Introduction to wind energy systems, 2. Aufl. Springer, Berlin (2013)

Wandlung von Primärenergie in Nutzenergie

49

Hermann-Josef Wagner, Christian Bratfisch, Hendrik Hasenclever und Kathrin Hoffmann

Zur Gewinnung der Nutzenergie, die entweder als Strom, Wärme oder mechanische Energie abgesetzt wird, sind traditionell Verbrennungsprozesse unter Einsatz von Primärenergie wie Kohle, Öl, Gas und Kernenergie erforderlich. Dabei ist die vielseitigste verwendbare Nutzenergie der Strom. Der Umwandlungswirkungsgrad, welcher derzeit bei der ungekoppelten Stromerzeugung mit bis zu 50 % zu veranschlagen ist, ist direkt mit dem CO2 -Ausstoß verbunden. Daher sind die zukünftigen Verbesserungen in der Kraftwerkstechnik für eine Erhöhung auf über 50 % anzustreben, was durch die Kombination eines Gas- mit einem Dampfkraftwerkes (GuDKraftwerk) oder der gekoppelten Nutzung mit der entstehenden thermischen Wärme erreicht werden kann, der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Der Verbesserung des Wirkungsgrades wirkt der notwendige, erhöhte Aufwand für die RauchgasH.-J. Wagner () Ruhr-Universität Bochum Bochum, Deutschland E-Mail: [email protected] C. Bratfisch Ruhr-Universität Bochum Bochum, Deutschland E-Mail: [email protected] H. Hasenclever Vonovia SE Bochum, Deutschland E-Mail: [email protected] K. Hoffmann Ruhr-Universität Bochum Bochum, Deutschland E-Mail: [email protected]

reinigung bis hin zur CO2 -Reduzierung entgegen. In den letzten Jahren hat die Bedeutung der erneuerbaren Energien am deutschen Energiemix durch die Energiewende deutlich zugenommen.

49.1

Fossile Brennstoffe

49.1.1

Wärmekraftwerke

49.1.1.1 Anlagentechnik der Kraftwerke Neben energiewirtschaftlichen Einflussfaktoren haben betriebswirtschaftliche Kriterien den Strukturwandel im Erzeugungspark mitbestimmt. Hier stand die Senkung der spezifischen Anlagenkosten im Vordergrund. Sie führte zu einer ständigen Erhöhung der Einheitenleistung und zu einem recht frühen Übergang vom Sammelschienen- zum Blockkraftwerk. Die Steigerung der Dampfparameter und genügend Betriebserfahrungen haben den Übergang auf Leistungen von 600 MW und größer in den 70er-Jahren relativ schnell bewerkstelligt (s. Kap. 11). Die neuen Kraftwerksblöcke auf der Basis ostdeutscher Braunkohle waren die Anlagen in Lippendorf (Sachsen) die 2000 in Betrieb ging mit 933 MW (Wirkungsgrad 42,8 %), Boxberg 907 MW (Brutto-Wirkungsgrad 48,5 %). Der neue BOA (Block mit optimierter Anlagentechnik) des RWE in Niederaußem ist mit 1027 MW brutto, bei einem Wirkungsgrad von 45,2 % in 2003 ans Netz gegangen.

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_49

943

944

In den USA entschied man sich gleichzeitig mit der Vergrößerung der Maschineneinheiten auch für höhere Frischdampfzustände. Bemerkenswert ist, dass der schnelle Anstieg der Einheitenleistung mit der höheren Drehzahl bei 60 Hz bereits 1957 zu Zweiwellenkonstruktionen führte. Jedoch ist auch in den USA auf die Einwellenanordnung zurückgegriffen worden, wenn sich technische Lösungen dafür anboten. Geringerer Maschinenpreis, geringerer Platzbedarf und geringerer Aufwand an Rohrleitungen sind die wesentlichen Gründe. Die Steigerung der Einheitenleistung hatte in der Bundesrepublik Deutschland keine negativen Einflüsse auf die Verfügbarkeit. Die Entwicklung des Dampfprozesses ist durch die Erhöhung der Anzahl der regenerativen Vorwärmstufen von 2 bis 8 gekennzeichnet; hierbei wuchs die Einheitenleistung von kleiner 100 bis auf 900 MW. Der Einsatz von preisgünstigem Heizöl und Erdgas führte zu kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozessen. Durch die Steigerung der Einheitenleistung konnte der spezifische Flächenbedarf pro Kilowatt ständig reduziert werden. Wachsende Umweltschutzmaßnahmen, wie z. B. die Rauchgasentschwefelung oder die Rauchgasentstickung (DeNOx), führen zu einem Anstieg des Flächenbedarfs durch den Zubau notwendiger Anlagen. Dieser Umweltanteil bedingt auch zusätzliche Aufwendungen. Bis 1970 waren nur wenige Prozent der Gesamtinvestitionen für Umweltschutzmaßnahmen zur Reduzierung von Lärm- und Staubbelastung aufzuwenden. Seit Mitte der 70er-Jahre sind ständig wachsende „Umweltaufwendungen“ erforderlich, die derzeit rund 25 % der Gesamtinvestitionen ausmachen (s. Abschn. 49.5). Bei den Gasturbinen setzte die Entwicklung zu größeren Einheiten über 20 MW im Wesentlichen erst Anfang der 70er-Jahre ein, heutzutage sind Leistungen über 200 MW einsetzbar (s. Kap. 13). Gasturbinen werden als Spitzenlast- oder Reserveanlagen installiert. Ihre Startzeit von Null auf Volllast ist mit 15 min zu veranschlagen. Dauer der Spitzenlast, schnelle Lastwechsel, Starthäufigkeit und Startgeschwindigkeit verringern in großem Maße die Lebens-

H.-J. Wagner et al.

dauer. Gasturbinen im offenen Prozess sollten möglichst mit Nennlast und im Dauerbetrieb mit einer solchen Temperatur gefahren werden, bei der Korrosionen an den heißen Teilen vermieden wird. Die meisten Bauarten müssen wegen des direkt gekuppelten Verdichters mit fester Drehzahl laufen; der Luftstrom ist in einigen Fällen und geringem Maße durch Verstellen der vorderen Verdichterleitschaufeln regelbar, geringe Laständerungen sind also durch Änderung des Rauchgasdurchsatzes und nicht durch Rauchgastemperaturänderungen möglich. Neben der Forderung nach höheren Leistungen wurden Konzeptionen von Standard-Serienprodukten angestrebt. Die Turbineneintrittstemperatur stieg dabei seit 1950 von rund 650 °C bis auf ca. 1400 °C [1]. Neben der Erhöhung der Gaseintrittstemperatur, die u. a. durch die Kühlung der Schaufelblätter ermöglicht wurde, hat die Steigerung des Verdichterdruckverhältnisses auf rund 19 dazu beigetragen, dass der Wirkungsgrad beim reinen Gasturbinenprozess auf ca. 40 % gesteigert werden konnte [2].

49.1.1.2 Dampfprozesse Neben den primär energiewirtschaftlich bedingten Ursachen dieses Strukturwandels hat aber auch die Verbesserung des Wasser-Dampfkreislaufs einen wesentlichen Anteil an der gesamten Weiterentwicklung der Kraftwerkstechnik. Mitte der 50er-Jahre wurde der Dampfprozess mit einfacher Zwischenüberhitzung erstmals installiert. Dieser Prozess ist, wenn man von Detailentwicklungen wie z. B. der Erhöhung der Vorwärmstufen absieht, bis heute der Standardprozess geblieben (Beispiel Abb. 49.1). Derzeitige Wirkungsgradsteigerungen von 40 auf 46 % werden von den CO2 -Abgaben beeinflusst. Eine 700 °C Demonstrationsanlage (Comtes 700) wurde erfolgreich getestet, ist aber bedingt durch die Nickel-Basis Bauelemente sehr kostenintensiv [3]. Im Gegensatz zu anderen Ländern wie den USA, Frankreich und England verwendete die Bundesrepublik Deutschland für Steinkohlekraftwerke die wirtschaftlichen Vorteile der Zwischenüberhitzung und der hohen bzw. überkritischen Dampfzustände mit 180 bis 270 bar und

49 Wandlung von Primärenergie in Nutzenergie

945

a

b

49 Abb. 49.1 Steinkohle-Kraftwerksblock (Kraftwerk Scholven Block F) 750-MW Nettowirkungsgrad ca. 40 %. a Wärmeschaltbild; b Elektrisches Schaltbild

etwa 530 °C im ferritischen Bereich. Diese Temperatur wurde auch für die Zwischenüberhitzung (ZÜ) gewählt. Mit dem ZÜ-Druck von etwa 40 bis 50 bar wurde in der Regel die oberste Re-

generativanzapfung gekoppelt, sodass die Speisewasservorwärmung bei etwa 245 bis 260 °C lag. Mit einer sechs- bis achtstufigen Vorwärmung – je nach den Kühlwasserverhältnissen –

946

H.-J. Wagner et al.

Tab. 49.1 Kraftwerk, Hauptauslegungsdaten

Block elektrische Nennleistung, brutto elektrische Nennleistung, netto Dampferzeuger Feuerungswärmeleistung Frischdampfanlage Frischdampfdruck Frischdampftemperatur Dampftemperatur am Zwischenüberhitzeraustritt Speisewasserendtemperatur Vorwärmestufenzahl Turbosatz Kühlwassertemperatur (bezogen auf Feuchtlufttemperatur tF D 8 ı C) Kühlwassermenge Kondensatordruck Temperatur Fernwärme Möglichkeit zur Auskopplung Vorlauf-/Rücklauftemperatur Netto-Gesamtwirkungsgrad bei 508,6 MW (Kond) a

Staudinger Block 5a

Niederaußem K (Braunkohle)

MW MW  MWth kg=s bar °C °C °C

553 509 0,945 1183 417 262 545 562 270 8

1027 980

°C kg=s mbar °C

18 11500 38=52

MW °C 

bis zu 300 145=60 0,43

2306 739 290 580 600 295 10

29,1 35,8

0,45

Nach VGB Kraftwerkstechnik 73 (1993) H. 11

wurde dann der Prozess optimal gestaltet. Bei brennstoffrevierfernen Kraftwerken lohnt sich eine Speisewasservorwärmung bis auf 300 °C. Mit unterkritischem Dampf lassen sich Wirkungsgrade von 38–40,5 % und mit überkritischen Dampfzustand bis ca. 46 % bei SteinkohleDampfkraftwerken erzielen [4]. Der gebaute Steinkohleblock mit 553 MW elektrischer Bruttoleistung (KW Staudinger) wird vielfach als frühere Referenzanlage angesehen und Niederaußem Block K (BoA-Konzept) als eine davon optimierte Anlage (Tab. 49.1). Ein mit fossilen Brennstoffen betriebener Kraftwerksblock erfordert folgende Komponenten (Schaltbilder Abb. 49.1): Brennstofftransport und Lagerung, Aufbereitung zur Verbrennung, Verbrennung im Feuerraum des Kessels, Wärmeentbindung an Wasser, Dampf und Luft (WasserDampfkreislauf), Abgasreinigung und Ableitung über den Kamin, Umwandlung der Wärmeenergie mittels Turbogeneratoren in elektrische Energie, elektrische Leistungsabfuhr, Umspannung und Sicherung des elektrischen Eigenbedarfs (s. Bd. 2, Kap. 27), Regelung und Überwachung.

Im Forschungsprojekt Comtes 700 (Scholven F) wurden alle bei 700 °C kritischen Komponenten wie Verdampfer, Überhitzer, Armaturen und Turbinenregelventile bis zu 30 000 h getestet. Dabei werden Nickelbasiswerkstoffe eingesetzt. Ziel ist es in Zukunft elektrische Wirkungsgrade von über 50 % zu erzielen, um weitere CO2 -Emission zu mindern [5]. Bereits eine verbesserte HD-Turbine durch eine Stufe mehr (16 statt 15) und bessere Abdichtung ergab eine Leistungssteigerung von 10,5 MW (HD-Turbinenwirkungsgrad   92 %), die allein den Gesamtwirkungsgrad um 1 % erhöht. Fossiler Brennstoff Er beeinflusst den Kraftwerksbau in Bezug auf: Brennstofftransport, -lagerung und -aufbereitung, auf Dampferzeugerbauart und -wirkungsgrad, Speisewasservorwärmung, alle Rauchgas und Luft führenden Anlageteile sowie Kraftwerkslage; je größer der Ballastanteil der Kohle, desto näher das Kraftwerk an der Grube, je niedriger der Brennstoffheizwert, desto größer die zu transportieren-

33,3 36,4 36,5 45 44 35 10 800 9900

8000 8200 10 275

57,8 6270

34

Erdgas EL Erdgas EL 80. . . 200

407

150 100 250 1027 750 1600

Gasturbinenanlage (GT)

Gasturbinen- und Dampfturbine (GuD)

Mittellast-Dampfanlage Dampfanlage mit Wirbelschichtfeuerung Wirbelschichtfeuerung (EDF) Grundlast-ZÜ Dampfanlage Rückkühlung mit Entschwefelung Kernkraftwerk

Steinkohle (Import) Steinkohle Steinkohle Braunkohle Steinkohle (Import) Uran

tT D 1260 ı C tAbg. D 594 ı C tT D 920 ı C  950 ı C tAbg. D 483 ı C DT: 42,9 bar=420 °C 120 bar=525 °C 190 bar=530 °C 163 bar=565 °C 290 bar=580 °C 250 bar=600 °C 250 bar=560 °C

Brennstoffart Blockleistung MWbrutto

Tab. 49.2 Typische Prozessparameter thermischer Kraftwerke

Prozessparameter bar=°C

Spezifischer Wärmeverbrauch kJ=kWhnetto (Bestpunkt) 10 600

Wirkungsgrad  (%)

49 Wandlung von Primärenergie in Nutzenergie

947

Abb. 49.2 Verluste VK und Wirkungsgrade K eines Dampferzeugers in Abhängigkeit vom Brennstoff. a Braunkohle; b Steinkohle (trockene Entaschung); c Heizöl. 1 Abgasverluste, 2 Feuerungsverluste, 3 Verluste durch Leitung und Strahlung. Hu unterer Heizwert (s. Bd. 1, Abschn. 42.3)

den und aufzubereitenden Mengen, das Asche-, Luft- und Rauchgasvolumen, das Kesselvolumen sowie der umbaute Raum des Kesselhauses (s. Abschn. 51.1). Mit sinkendem Heizwert vergrößert sich die Entstaubungsanlage und der brennstoffabhängige Anteil des Eigenbedarfs. Schwefel- und Wassergehalt des Brennstoffs beeinflussen Säureund Wassertaupunkt der Rauchgase, erzwingen höhere Abgastemperatur und senken den Kesselwirkungsgrad. Wegen der großen Rauchgasmenge wasserreicher Brennstoffe ist der Temperaturabbau auf dem Rauchgasweg geringer als bei wasserarmen Brennstoffen. Bei vertretbaren Heizflächengrößen ergeben sich entweder höhere Abgastemperaturen oder niedrigere Speisewassereintrittstemperaturen, Abb. 49.2 und 49.3. Die Herstellungskosten gliedern sich etwa folgendermaßen auf: maschinentechnischer Teil 60 bis 70 %, bautechnischer Teil 20 bis 25 %, elektrotechnischer Teil 10 bis 15 % der Bausumme. Der brennstoffabhängige Teil beträgt 40 bis 50 % des maschinentechnischen Teils und kann unterteilt werden in 35 bis 45 % für Dampferzeuger einschließlich Feuerung, Entstaubung, Entaschung und Montage sowie 1 bis 5 % für Bekohlung.

49

948

H.-J. Wagner et al.

rung des Wärmeverbrauchs. Zwischenüberhitzung verringert Dampfnässe in Endstufen, Erosionen dieser Turbinenschaufeln durch Wassertropfen und verbessert den inneren Turbinenwirkungsgrad. Bei gleicher Leistung und gleichem Frischdampfdruck sind Frischdampf- und Speisewasserstrom sowie Eigenbedarf der Speisepumpe kleiner. Verringerter Abdampfstrom erhöht ebenfalls, wie regenerative Speisewasservorwärmung, die Grenzleistung des Turbosatzes und senkt Kondensations- und Kühlaufwand. Beide Abb. 49.3 Eigenbedarf E der brennstoffabhängigen Maßnahmen, bei siebenstufiger SpeisewasservorHilfseinrichtungen ohne Rauchgasreinigung, die derzeit mit 2 bis 3 % zu veranschlagen sind, in Prozent der Ge- wärmung und einmaliger Zwischenüberhitzung, neratorleistung. a Braunkohle; b Steinkohle; c Heizöl. ergeben bei üblichen Auslegungsdaten (190 bar, 1 Kohlenmühlen, 2 Saugzug, 3 Frischlüfter, 4 Bekohlung, 540 °C und 540 °C Überhitzungstemperatur) eine Zuteiler, 5 Sonstiges Senkung des Wärme- und damit Brennstoffaufwands um etwa 11,5 %. Regenerative Speisewasservorwärmung Sie Wie weit sich die Wirkungsgrade thermischer heißt auch Carnotisierung des Clausius-Rankine- Kraftwerke dem theoretischen Grenzwert (CarProzesses und verringert die Abdampffluten der not-Faktor) annähert zeigt Abb. 49.4. Turbine, erhöht bei gleicher Klemmleistung den Heißdampf- und damit Speisewasserstrom sowie Kühlwasser Es wird zur Abkühlung des Abdie Speisepumpenleistung und vermindert den dampfes innerhalb des Kühlkreislaufes verwenKühlwasserstrom und den Aufwand für Kühl- det, wobei die Menge und Temperatur des Kühlsystem oder Rückkühlung. Die Wärmeersparnis mittels einen erheblichen Einfluss auf den Wärsteigt mit der Anzahl der Vorwärmstufen (bis meverbrauch und die Auslegung der Anlage auszu 10), nimmt jedoch nicht proportional mit die- übt, Abb. 49.5. sen zu (Bd. 1, Abschn. 42.2). Kühlwassertemperatur und -menge Sie beZwischenüberhitzung Sie beeinflusst die rege- einflussen den Kondensatordruck. Dadurch könnerative Speisewasservorwärmung. Beide Maß- nen Unterschiede im Wärmeverbrauch bis zu nahmen zusammen ergeben eine Verbesse- 8 % auftreten. Da eine Verringerung des spezi-

Abb. 49.4 Carnot-Faktor und Kraftwerkswirkungsgrade als Funktion der maximalen Temperatur der Arbeitsmittel. Der Prozentgütegrad ist PG D Kraftwerk =Carnot : [6]

49 Wandlung von Primärenergie in Nutzenergie

949

groben Verunreinigungen, mit Sauerstoff angereichert, etwa 6 bis 12 °C wärmer über Auslaufbauwerk dem Gewässer so zugeführt, dass seine Auslassströmung die Schiffahrt nicht behindert (Querströmung 300 km=hW Qlim 5 160 kNI

Vlim ist hierbei die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs im Betrieb. Anwendungsbereich: Maximale statische Radlast: 112,5 kN. Wie in Abschn. 54.2 aufgeführt, gelten diese Kraftgrenzen auch für Neigezüge. Durch Einhaltung dieser Grenzen wird erreicht, dass die auf das Gleis wirkenden Kräfte hinreichend klein sind.

54.8

Zuverlässigkeitsprüfung

Bahnverkehr muss sehr zuverlässig sein, nicht nur der Kundenattraktivität wegen, sondern auch um die Betriebskosten klein zu halten. Hochgeschwindigkeitszüge weisen eine jährliche Laufleistung bis zu 750.000 km=a je Fahrzeug gemittelt über die ganze Flotte, also mit Stillstandszeiten für Instandhaltung auf, bei Verfügbarkeitswerten bis zu 97 % [42]. Ein wesentliches Element für die Optimierung und Überprüfung der Zuverlässigkeit der Fahrzeuge ist der Klima-Wind-Kanalin Wien [43], der zwei Kammern aufweist (Abb. 54.78). Insbesondere die Einflüsse von Wasser, Eis und Schnee in Kombination mit dem Fahrtwind entziehen sich heute noch der Simulationstechnik, sodass eine Optimierung nur unter messtechnischer Beobachtung im Klimakanal erfolgen kann. Zudem können Funktions- und Energieverbrauchsoptimierungen für Klimaanlagen und Heizung durchgeführt werden, wie auch Wärmeübergangswerte bestimmt werden. Auch die bei Ein- und Ausfahrt in lange Tunnels auftretenden abrupten Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen [44] können durch schnellen Wechsel der Fahrzeuge zwischen den einzelnen Kammern nachgebildet werden. Besonders kritisch ist der Wechsel aus kalter trockener Luft, z. B. 20 °C in warme, gesättigte Luft, z. B. +20 °C und 98 % Luftfeuchtigkeit, wie sie z. B. das ganze Jahr über im 20 km langen Simplontunnel zwischen Schweiz und Italien herrschen. Im Tunnel kondensieren dann große Mengen Wasser an den kalten Fahrzeugoberflächen und bei nicht sorgfältiger Ausgestaltung zu Kurzschlüssen und Totalausfall der Fahrzeuge führen.

54 Schienenfahrzeuge

1131 Düse Stirnsonnenfeld

Gebläse

Seitensonnenfeld Rückführkanal

54 a

Umlenkecke Wärmeaustauscher

Teststrecke

Umlenkecke

Soak Room

kann gehoben werden

Düse

a

Dynamometer

Umlenkecke

Stirnsonnenfeld

Wärmeaustauscher

Ventilator

seitliches Sonnenfeld

Rollenprüfstand

Rückführkanal

Teststrecke

Umlenkecke kann gehoben werden

Abb. 54.78 Klima-Wind-Kanal in Wien, maximaler Temperaturbereich 45 °C bis +60 °C, Temperaturgradient 10 K=h, relative Luftfeuchte 10 bis 98 %, Strahlungsleistung des Sonnenfeldes bis 1000 W=m2 , Regen-, Schnee- und Vereisungsanlagen, Fahrzeugversorgungsspannungen Gleichstrom 200 bis 3600 V, Wechselstrom 16,7 und 40–60 Hz. a Kleiner Kanal für ein Fahrzeug

bis 33,8 m Länge, max. Windgeschwindigkeit 120 km=h. b Großer Kanal für Fahrzeuggruppen bis 100 m Länge, max. Windgeschwindigkeit 300 km=h, Rollenprüfstand 1 Achse mit 850 kW Antriebs- und Bremsleistung, kurzzeitig 1,5 MW. (RTA Rail Tec Arsenal Fahrzeugversuchsanlage)

Literatur

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M. Hecht et al.

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54

55

Luftfahrzeuge Rudolf Voit-Nitschmann und Thomas Keilig

55.1

Allgemeines

Sich frei und willkürlich durch den Luftraum zu bewegen, das ist seit jeher ein Menschheitstraum. Das Wort Flugzeug ist erst etwas mehr als ein Jahrhundert alt. Otto Lilienthal nannte als Erster seine Gleitflugapparate Flugzeug. 1891 führte er den ersten gesteuerten Menschenflug von einem aufgeschütteten Fliegeberg in Lichtenfelde bei Berlin durch.

55.1.1

Luftverkehr

55.1.1.1 Allgemeine Luftfahrt Nach der Definition der International Civil Aviation Organisation (ICAO) umfasst die Allgemeine Luftfahrt (General Aviation) alle Zweige, die nicht zum Linienverkehr, zum planmäßigen Gelegenheitsverkehr (Charter) oder zur Militärluftfahrt gehören [1]. Mit einem statistischen Mittel der letzten Jahre von fast 90 % des Flugzeugbestandes hat die Allgemeine Luftfahrt weltweit zahlenmäßig den größten Anteil an der zivilen Luftfahrt. R. Voit-Nitschmann () Emeritus, Universität Stuttgart Stuttgart, Deutschland E-Mail: [email protected] T. Keilig Universität Stuttgart Stuttgart, Deutschland

Dazugehörende Bereiche sind der Reiseflugverkehr mit Privatflugzeugen, der Geschäftsreiseverkehr, Einsätze in Land- und Forstwirtschaft, die Sportluftfahrt, Versorgungs- und Rettungsflüge sowie die Regierungsflüge. Weltweit gibt es rund 400 000 Flugzeuge der Allgemeinen Luftfahrt und über 1,2 Millionen Piloten mit zivilen Motorfluglizenzen. Ihnen stehen etwa 36 000 Flugplätze zur Verfügung.

55.1.1.2 Verkehrsluftfahrt Zu Beginn der Verkehrsluftfahrt steht nicht das Flugzeug sondern das Luftschiff. 1909 wird die DELAG, die Deutsche Luftschiffahrts-Aktiengesellschaft, als erste Luftverkehrsgesellschaft der Welt, gegründet. Die DELAG betrieb bis Kriegsbeginn 1914 sieben Luftschiffe. Den zivilen Flugverkehr mit Flugzeugen begannen zunächst die Postverwaltungen. Im Juni 1912 genehmigte die Kaiserliche Postverwaltung erstmalig Postflüge zwischen Darmstadt und Frankfurt. 1920 gab es einen transkontinentalen Luftpostdienst. Am 6. Januar 1926 wurde die Deutsche Luft Hansa gegründet. Heute beeinflussen die Luftverkehrsunternehmen mit ihren Forderungen die Auslegung der Transportflugzeuge. Der Wettbewerb unter den Herstellern sorgt für den Fortschritt. Das Strahlflugzeug (Jet) beherrscht die Kurz-, Mittel- und Langstrecke. Auf kurzen und mittleren Strecken mit geringerem Verkehrsaufkommen werden Maschinen mit Propellerturbinen (Turboprop) geflogen.

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6_55

1135

1136

R. Voit-Nitschmann und T. Keilig

55.1.1.3 Militärluftfahrt Der Gedanke, einen Gegner aus der Luft zu bekämpfen, reicht in die Zeit um 2000 v. Chr. zurück. Der chinesische General Han Hsin verwendete bemannte Drachen, um die Entfernung zu feindlichen Festungen zu bestimmen. 1910 wurde in Döberitz bei Berlin eine militärische Fliegerschule eingerichtet. Auch heute gelten Militärflugzeuge immer noch als Schrittmacher moderner Technologien (Elektronik, Sensorik, gewichtssparende Faserverbundwerkstoffe).

55.1.2

55.1.2.1

Anforderungen an den Luftverkehr und an Luftfahrzeuge

Anforderungen an den Luftverkehr Mit dem Schritt in die Nutzungsphase des Flugzeugs begann die Ausweitung der Flugtechnik zum Gesamtsystem. Dazu gehört z. B. auch die Einrichtung einer Infrastruktur von Flugplätzen. Flughäfen/Flugplätze sind Anlagen, die durch entsprechende Einrichtungen für Starts und Landungen sowie für die Abfertigung, die Wartung und das Abstellen von Luftfahrzeugen geeignet sind. Flughäfen unterscheiden sich von den einfacher ausgestatteten Landeplätzen (z. B. der Allgemeinen Luftfahrt) besonders durch ausreichend lange und entsprechend befestigte Startund Landebahnen für Strahl- und Großraumflugzeuge sowie durch flugsicherungstechnische Einrichtungen (z. B. Instrumenten-Landesystem ILS), die Start und Landung selbst bei schlechten Wetterbedingungen ermöglichen. Die Anbindung von Flughäfen an das Bodenverkehrsnetz (Autobahn, Eisenbahn, S- und U-Bahnen sowie citynahe Busverbindungen und der Individual-Verkehr) wird heute als unabdingbare Voraussetzung für einen reibungslosen Verkehrsverbund und -umschlag angesehen. Die wichtigsten Einrichtungen eines Verkehrsflughafens sind befestigte Start- und Landebahnen (Pisten) mit Rollwegen (Abrollwegen) und Vorfeldanlagen, entsprechende Befeuerungseinrichtungen (Beleuchtung), Tanklager und Be-

tankungseinrichtungen (Tankwagen oder Unterflurbetankung), Abfertigungsgebäude für Fluggäste (Terminal), Gepäck, Fracht (Cargo-Terminal), Posteinrichtungen (Luftpost), Hallen (Hangars) für Wartungs-, Reparatur- und Überholungsarbeiten an Flugzeugen, Feuerwachen mit Speziallösch- und Rettungsfahrzeugen, Kontrollturm (Tower) und Vorfeldkontrolle, Flugwetterwarte, Einrichtungen für die gesamte Flugzeugversorgung wie Bordverpflegung (Catering) aber auch Entsorgung (Toilettenwagen) bis hin zum Winterdienst mit Enteisungsgeräten. Die größten Flughäfen besitzen zudem eigene Flughafenkliniken oder flugärztliche Dienste, Besucherterrassen und Standplätze für Busse und Taxen, Parkplätze und Parkhäuser. Ein moderner Verkehrsflughafen besitzt auch Einrichtungen für Zollfahrzeuge, für Sicherheitskontrollen, für die Flughafenpolizei und den Bundesgrenzschutz.

55.1.2.2

Anforderungen an Luftfahrzeuge Die Systemtechnik in der Flugtechnik begann mit der Einführung des Antriebs im Fluggerät. Heute nach 100 Jahren Entwicklung besteht immer noch ein ständiger, technisch begründeter Anreiz, alle Untersysteme und deren Zusammenspiel im Gesamtsystem Flugzeug zu verbessern. Auf folgenden Gebieten liegt in der Zukunft noch ein großes Entwicklungspotential: Aerodynamik (Widerstandsverminderung, Anpassung der Profilumströmung durch mechanisch/geometrische Adaption der Profilform), Strukturgewicht (breite Einführung von Faserverbundwerkstoffen, Verbesserung der Leichtmetalllegierungen), Antriebe (neue Materialien, z. B. Keramiken; neue Energieträger, z. B. Wasserstoff), Umweltprobleme (Fluglärmverminderung, Schadstoffreduzierung), Flugzeugausrüstung (Geräte zur vollständigen genauen Überwachung des Flugzustandes), Navigation (Einrichtungen und Geräte am Boden, in Satelliten und an Bord wirken vollautomatisch zusammen, überwachen den Flugkurs = Autopilot),

55 Luftfahrzeuge

1137

Zuverlässigkeit (Ausweitung der Zuverlässigkeits-Techniken und Theorien, z. B. trend monitoring oder condition monitoring bei Triebwerken).

Zu dieser Kategorie gehören Ballone (Gasfüllung oder Füllung mit Heißluft), als Freiballone gefahren oder als Fesselballone genützt, sowie die Luftschiffe, in nichtstarrer, halbstarrer und starrer Bauausführung. Moderne Luftschiffe sind heute Neben der Hauptgruppe Zelle werden in teilweise schwerer als Luft, z. B. Zeppelin NT, einem Fluggerät folgende Subsysteme benö- und führen somit einen dynamischen Flug aus. tigt: Hydraulische, elektrische und pneumatische Energieversorgung, Kraftstoffsysteme, Klima- Geräte schwerer als Luft. Diese erfahren bei und Enteisungsanlagen, primäres und sekun- der Bewegung durch die Atmosphäre einen dydäres Flugsteuerungssystem, Flugführungssys- namischen Auftrieb. Der Auftrieb folgt den theotem, Flugregler und Autopilot, Trägheits- und retischen Ansätzen des Bernoulli-Gesetzes. Er Flugnavigationsgeräte, Cockpitinstrumentierung, entsteht an schräg angeblasenen, großen, zumeist Küchen, Toiletten, Entertainment-Einrichtungen flachen Körpern (s. Bd. 1, Abschn. 17.6.5). Die Gesamtmasse des Gerätes ist dabei schwerer als u. a. Das Zusammenwirken dieser Untersysteme die verdrängte Luftmasse. zum Gesamtsystem muss in der Entwurfsphase eines Fluggerätes bestimmt und optimiert wer- Flugzeuge. So werden allgemein Luftfahrzeuden. Des Weiteren muss die Auswirkung auf die ge genannt, die schwerer als Luft sind und die Lebensdauer und die Betriebskosten abgeschätzt einen dynamischen Auftrieb an profilierten unter werden. Dazu müssen in allen durchzuführenden einem Anstellwinkel angeströmten Tragflächen Phasen wie Planung, Entwicklung, Erprobung, erfahren. Man spricht auch von Starrflüglern. Integration und Betrieb universelle Bewertungskriterien und -methoden angewandt oder neu ent- Drehflügelflugzeuge. Dies sind Luftfahrzeuge, wickelt werden. Nur durch diese ganzheitliche die schwerer als Luft sind und rotierende AufBetrachtung kann ein Produkt in der Luftfahrt im triebsflächen besitzen. Dazu gehören die Hubinternationalen Wettbewerb bestehen. Diese Be- schrauber (Auftrieb und Vortrieb durch motorantrachtungsweise führt letztlich zu wenigen Flug- getriebenen Rotor), die Flugschrauber (Auftrieb zeugfamilien (Airbus, Boeing), die sich am Markt durch motorangetriebenen Rotor und Vortrieb behaupten können. Der sich ergebende Konzen- durch zusätzliche Luftschraube) und die Tragtrationseffekt resultiert auch daraus, dass heute schrauber (Vortrieb durch Luftschraube, Auftrieb z. B. ein modernes, ziviles, am Markt plazierbares durch antriebslosen Rotor). Passagierflugzeug von einer Nation alleine gar nicht mehr entwickelt werden kann. Europa und Sonderformen von Luftfahrzeugen. Dazu gehören Geräte, die schwerer als Luft sind und zuUSA stehen im Wettbewerb [2]. meist ballistische Flugbahnen beschreiben, wobei sie einen gewissen dynamischen Auftrieb erfah55.1.3 Einordnung und ren. Dazu gehören alle Arten von Flugkörpern, Konstruktionsgruppen Trägerraketen und Raumgleiter (space shuttle).

von Luftfahrzeugen 55.1.3.1 Unterscheidung von Luftfahrzeugen

55.1.3.2 Bauarten Eine Einordnung der Flugzeuge kann auch über folgende Merkmale erfolgen (Abb. 55.1):

Geräte leichter als Luft. Diese erfahren einen Zahl der Tragflächen (Eindecker, Eineinhalbstatischen Auftrieb. Der Auftrieb unterliegt dem decker, Doppeldecker, Mehrdecker), Archimedischen Prinzip: Die Gesamtmasse des Anordnung der Tragflächen (Tiefdecker, MitGerätes ist leichter als die verdrängte Luftmasse. teldecker, Schulterdecker, Hochdecker),

55

1138

R. Voit-Nitschmann und T. Keilig

Abb. 55.1 Einordnung der Flugzeuge nach Bauarten

Bauform der Tragflächen (freitragend, verstrebt, einstielig, mehrstielig und verspannt), Start-/Landungsart (Landflugzeug: Fahrgestell, Kufe; Wasserflugzeug: Schwimmer, Bootsrumpf, Amphibium), Anzahl und Art der Triebwerke (einmotorig, zweimotorig, dreimotorig, vier- und mehrmotorig), Anordnung der Luftschraube (Zugschraube, Druckschraube, Zug- und Druckschraube), Leitwerksbauformen (Kreuz-, T-, V-Leitwerk, Abb. 55.11).

Leitwerk (empennage): Seitenleitwerk und Höhenleitwerk, Steuerwerk (controls): Übertragung der Steuereingaben vom Cockpit bis zu den Steuerflächen, inkl. beweglicher Klappen und Ruderflächen, Fahrwerk (landing gear): zum Rollen am Boden, evtl. Kufen, Skier oder Schwimmer, Triebwerk (power plant): Kolbenmotor mit Propeller, Turboprop oder Jet oder nach Fertigungsaspekten (hier am Beispiel Flügel)

55.1.3.3 Konstruktions- und Fertigungsgruppen Die Untergliederung in einzelne Baugruppen Einzelteile (Obergurt, Untergurt, Stringer, kann erfolgen nach Funktion (sogenannte KonWinkel, Knotenbleche usw., vgl. Abb. 55.32), struktionsgruppen) Bauteile (Holme, Stege, Rippen, Beschläge usw.), Rumpf (fuselage): Aufnahme von Besatzung, Baugruppen (Holmkasten, Pylone, Ruder, Passagieren und Nutzlast, Klappen usw.), Tragwerk (wing): Tragflügel, auftriebserzeu- Großgruppen (Flügel, Rumpfsegmente, Seigende Klappen, Höhenleitwerk, tenleitwerk, Höhenleitwerk usw.).

55 Luftfahrzeuge

55.1.4

Einordnung von Luftfahrzeugen nach Vorschriften

Die hohen Sicherheitsanforderungen bringen es mit sich, dass man in praktisch allen Teilbereichen der Luftfahrt internationalen und nationalen Bindungen, Vorschriften und Vereinbarungen begegnet. Dies führte schon in den Anfängen der Luftfahrt zu anspruchsvollen Vorschriften. Zwei wichtige internationale Organisationen beeinflussen den Bau und den Betrieb von Luftfahrzeugen: Auf der Ebene der Regierungen die ICAO (International Civil Aviation Organisation), gegründet 1947, Sitz in Montreal, Kanada. Die CINA (Commission International de Navigation Aerienne), gegründet 1919, war die Vorgängerinstitution der ICAO. Für die Mitgliedschaft in der ICAO muss ein Staat sich am Luftverkehr beteiligen und in die UNO wählbar sein. Die ICAO erarbeitet internationale Richtlinien und Empfehlungen, z. B. in den Bereichen: Lufttüchtigkeit von Luftfahrzeugen, Eintragung und Kennzeichnung von Luftfahrzeugen, Merkmale von Flughäfen und Landeplätzen. Die Ausgestaltung und die Überprüfung der Einhaltung der ICAO-Empfehlungen bildet die Arbeitsgrundlage der nationalen Luftfahrtbehörden. Auf der Ebene der Luftverkehrsgesellschaften (Halter) die IATA (International Air Traffic Association), gegründet 1919 in Den Haag, Neugründung 1945 in Havanna als International Air Transport Association, mit Sitz in Montreal, Kanada. Die von der ICAO erarbeiteten Richtlinien und Empfehlungen werden als international anerkannte FAR-(Federal Aviation Regulation-)Texte von der US-amerikanischen Luftfahrtbehörde FAA (Federal Aviation Administration) herausgegeben. In Europa übernahm die JAA (Joint Aviation Authority) der ECAC (European Civil Aviation Conference) mit ihren JARVorschriften (Joint Airworthiness Requirement) diese Aufgabe. Seit Oktober 2003 wird für die Mitgliedstaaten der Europäischen Gemeinschaft die rechtsverbindliche Luftfahrtverwaltung durch die europäische Luftfahrbehörde EASA (European Aviation Safety Agency) in Köln wahrgenommen. Außer den EU-Mitgliedsstaaten sind

1139

Liechtenstein, Island, Norwegen und die Schweiz kooperative Mitglieder. Dies ist der große Unterschied zur JAA, welche ein „Interessenverband“ ohne Rechtsgewalt ist: Die von der JAA ausgearbeiteten Vorschläge für einheitliche Standards hatten keinerlei Rechtscharakter. Die Regierungen der einzelnen JAA-Mitgliedsstaaten (zuletzt 37, darunter z. B. auch Albanien, Island, Rumänien, Türkei und Zypern) mussten jede JAR zuerst in nationales Recht umwandeln. Dabei gab es neben zeitlichen Verzögerungen auch nationale Unterschiede bzw. Übersetzungsvarianten. Alle JAR-Texte wurden im letzten Änderungsstand des englischen Originals nun wortgleich in EASA CS Vorschriften (CS Certification Specification) gewandelt. Ferner hat die EASA auch die Aufgaben der Zulassung von Luftfahrttechnischen Betrieben (LTB) und Luftfahrzeugen (Type Certification) sowie die Erstellung und Verbreitung von Airworthiness Directives (AD, dt.: Luftfahrttechnische Anweisung LTA) einheitlich für alle EU-Staaten übernommen. In Deutschland hatte diese Aufgaben vorher das Luftfahrt-Bundesamt (LBA) in Braunschweig inne. Die oberste deutsche Behörde zur Wahrnehmung der Aufgaben in der Luftfahrt ist das Bundesministerium für Verkehr.

55.1.4.1

Zulassungspflichtige Luftfahrtgeräte, Musterzulassung In Deutschland regelt das Luftverkehrsgesetz (LuftVG [3]) mit den zugehörigen Verordnungen den Luftverkehr. Einzelne Verordnungen sind z. B.: Luftverkehrs-Zulassungs-Ordnung (LuftVZO), Luftverkehrs-Ordnung (LuftVO), Bauordnung für Luftfahrtgerät (LuftBauO), Verordnung zur Prüfung von Luftfahrtgerät (LuftGerPV), Verordnung über Luftfahrtpersonal (LuftPersV), Betriebsordnung für Luftfahrtgerät (LuftBO). Gemäß LuftVG ist ein Luftfahrzeug ein Gerät, das sich in der Atmosphäre bewegt.

55

1140

R. Voit-Nitschmann und T. Keilig

Luftfahrtgeräte, die der Musterzulassung bedürfen, sind: Flugzeuge, Drehflügelflugzeuge, Luftschiffe, Motorsegler, Segelflugzeuge, bemannte Ballone, Luftsportgeräte, Flugmodelle mit mehr als 25 kg Masse, Rettungsfallschirme, Rettungsgeräte für Luftsportgerät, Flugmotoren, Propeller, Funkgeräte (eingebaut in zulassungspflichtigen Luftfahrzeugen) und sonstige Luftfahrtgeräte (prüfungspflichtig nach Prüfordnung). Die Musterzulassung erfordert eine abgeschlossene Musterprüfung. Die Musterprüfung erfolgt auf der Basis von Bauvorschriften und wird von der EASA erteilt. Die Musterzulassung der Luftsportgeräte wird von einem Beauftragten des Bundesministeriums für Verkehr erteilt.

Die amerikanischen Lufttüchtigkeitsforderungen für Verkehrsflugzeuge sind in der FAR Part 25, die für Drehflügler in FAR Part 27 zu finden. Den Verkehrs-Drehflüglern ist z. B. der Part 29 vorbehalten. Part 33 behandelt die Flugmotoren, Part 35 beschäftigt sich mit dem Propeller, die Lärmproblematik wird innerhalb Part 36 behandelt. Innerhalb der EASA-Mitgliedsstaaten gelten die EASA CS (Certification Specifications), z. B. kommt in Europa die EASA CS 25 für large aeroplanes anstelle der FAR Part 25 zur Anwendung und die CS-E betrifft FAR Part 33 für engines. Anstelle von FAR Part 35 tritt die CS-P für die Propeller. Die EASA CS 22 wird auf Segelflugzeuge und Motorsegler angewandt. In den USA kommen generell die FAR-Bestimmungen zum Einsatz (Tab. 55.1). 55.1.4.2 Bauvorschriften Innerhalb der Bauvorschriften für zivile LuftFür zulassungspflichtige Luftfahrtgeräte ist durch fahrzeuge, wie z. B. FAR Part 23 (bzw. EASA Musterprüfung festzustellen, ob die anzuwenden- CS 23) sind die Lufttüchtigkeitsforderungen für den Bauvorschriften erfüllt werden. Normal-, Nutz- und Kunstflugzeuge (Kategorien: Tab. 55.1 Bauvorschriften. Übersicht über die wichtigsten Bauvorschriften im Flugzeugbau Kategorie Ultraleichtflugzeuge (UL)

Kleine zivile Flugzeuge

Bezeichnung Lufttüchtigkeitsforderungen für UL LTF-UL Federal Aviation Regulation FAR 103 Ultralight EASA Requirements CS-VLA Very Light Aeroplanes EASA Requirements CS 23, Normal Utility, Aerobatic and Commuter Category Aeroplanes

Federal Aviation Regulation FAR 23, Normal, Utility, Aerobatic and Commuter Category Aeroplanes

Segelflugzeuge und Motorsegler

EASA Requirements CS 22 Sailpanes and Motorgliders

Bemerkungen, Beschränkungen Abflugmasse max. 472,5 kg (zweisitzig) VS0  65 km/h Abflugmasse max. 400 kg (zweisitzig)

Ursprung BRD

Gültigkeit BRD

USA

USA

Abflugmasse max. 750 kg, zweisitzig, einmotorig, VFR-Tag, vS0  45 kt (83 km/h) einmotorige Propellerflugzeuge Abflugmasse max. 5670 kg, max. 9 Passagiere mehrmotorige Propellerflugzeuge: max. 8618 kg, max. 19 Passagiere Abflugmasse max. 12 500 lbs (5670 kg), max. 9 Passagiere mehrmotorig: max. 19 000 lbs (8618 kg), max. 19 Passagiere Segelflugzeuge: Abflugmasse max. 750 kg, Motorsegler: max. 850 kg, zweisitzig mmax / b2 = 3 kg/m2 (b: Spannweite)

EU

EU

EU

EU

USA

USA

EU

EU, USA

55 Luftfahrzeuge

1141

Tab. 55.1 (Fortsetzung) Kategorie Zivile Transportflugzeuge

Bezeichnung EASA Requirements CS 25 Large Aeroplanes

Federal Aviation Regulation FAR 25 Transport Category Airplanes Militärflugzeuge

Hubschrauber

Military Specifications MIL-A-8860 Series Aircraft Strength and Rigidity, General Specification Design Requirements for Service Aircraft Air 2004 D Résistance des Avions Federal Aviation Regulation FAR 27 Normal Category Rotorcraft Federal Aviation Regulation FAR 29 Transport Category Rotorcraft

Triebwerke Federal Aviation Regulation FAR 33 Engines Propeller Federal Aviation Regulation FAR 35 Propeller

Bemerkungen, Beschränkungen Abflugmasse > 5670 kg, > 9 Passagiere mehrmotorig: > 8618 kg, > 19 Passagiere Abflugmasse > 5670 kg, > 9 Passagiere mehrmotorig: > 8618 kg, > 19 Passagiere

Abflugmasse max. 6000 lbs (2722 kg)

Ursprung EU

Gültigkeit EU

USA

USA

55 USA

USA

UK

UK

Frankreich USA

Frankreich USA

USA

USA, EU

USA

USA, EU

Kategorie A: Abflugmasse > 20 000 lbs (9072 kg)  10 Passagiere Kategorie B > 2000 lbs < 9 Passagiere  20 000 lbs  10 Passagiere

N = Normal, U = Utility und A = Aerobatic) entwerke, aber auch Einzelkomponenten wie halten. In Subpart B findet man Forderungen zum elektrische Schalter. Betriebsverhalten, in C Aussagen zur Festigkeit, Die Military Standards (MIL-STD) enthalten in D Angaben zur Gestaltung und BauausfühVorschriften, Richtlinien und Verfahrensberung, in E Informationen zum Triebwerkseinbau schreibungen, z. B. für das Sichtfeld von Flugund in F zur Ausrüstung. zeugbesatzungen, für Testmethoden usw. Für Militärflugzeuge gelten spezielle Vor- Das Military Handbook (MIL-HDBK) entschriften und Verfahrensbeschreibungen: hält u. a. Konstruktionsrichtlinien und Angaben über Festigkeitseigenschaften metalli Military Specifications (MIL-SPEC), Vorscher Werkstoffe, GFK-Bauteile, Sandwichschriften für die Kraftstoffanlage, die TriebBauteile u. a.

1142

R. Voit-Nitschmann und T. Keilig

Tab. 55.2 Deutsche Eintragungszeichen Für Flugzeuge E einmotorig bis 2 t G mehrmotorig bis 2 t F einmotorig über 2 t bis 5,7 t I mehrmotorig über 2 t bis 5,7 t C über 5,7 t bis 14 t B über 14 t bis 20 t A über 20 t Für anderes Luftfahrtgerät H Drehflügler K Motorsegler L Luftschiffe M Luftsportgeräte, motorgetrieben (z. B. Ultraleichtflugzeuge) N Luftsportgeräte, nichtmotorgetrieben (z. B. Drachen) O bemannte Ballone 0–9 Segelflugzeuge (z. B. Kennung: D-0859)

55.1.4.3 Einordnung nach Gewicht und Eintragungszeichen Deutsche Flugzeuge, Drehflügler, Luftschiffe, Motorsegler, Segelflugzeuge, Luftsportgeräte und Ballone führen als Staatszugehörigkeitszeichen die Bundesflagge und den Buchstaben D. Neben dem Nationalitätszeichen D folgen als Eintragungszeichen vier weitere Buchstaben zur eindeutigen Kennzeichnung. Tab. 55.2 zeigt, welche Buchstaben in Deutschland als erste Buchstaben des Eintragungszeichens verwendet werden.

55.2

Definitionen

Leichte Reiseflugzeuge Geschäftsreiseflugzeuge

Commuter-Flugzeuge Regionalverkehrsflugzeuge Verkehrsflugzeuge

ronautics) und ICAN (International Comittee on Aerial Navigation). Diese Arbeiten flossen in die Veröffentlichung einer neuen internationalen Standardatmosphäre durch die ICAO 1954 ein. (Allgemeine Grundlagen zur Berechnung der Atmosphärendaten für Höhen bis 20 km. Eine Erweiterung der Daten auf größere Höhen erfolgte in späteren Jahren, weitere Informationen s. a. [4].) Das mathematische Modell betrachtet die Luft der Atmosphäre als ideales Gas. Folglich sind die Zustandsgrößen (Druck p, Dichte  und Temperatur T) durch das ideale Gasgesetz (thermische Zustandsgleichung idealer Gase, s. a. Bd. 1, Abschn. 40.1.1) verknüpft:

In diesem Abschnitt werden Begriffe definiert p D%RT : und Vereinbarungen getroffen. Detailliertere Erklärungen finden sich in den folgenden AbschnitDabei ist R die spezifische Gaskonstante (R D ten zu Flugphysik (Abschn. 55.3) und Struktur (Abschn. 55.4). 287;05 J=.kg  K/). Unter der Annahme einer statischen Atmosphäre muss die hydrostatische Gleichung erfüllt werden (s. a. Bd. 1, Kap. 16):

55.2.1

Die internationale Standardatmosphäre (ISA)

Die hier verwendeten Daten und Formeln zur Berechnung der Eigenschaften der Atmosphäre für Flugleistungsrechnungen gehen zurück auf Arbeiten in den 1920er Jahren, durchgeführt von der NACA (National Advisory Comittee on Ae-

p D %  g  H : Für die Bestimmung der wichtigsten physikalischen Größen der ISA gelten die in Tab. 55.3 zusammengestellten Gleichungen und Konstanten. Für die Troposphäre – der Teil der Atmosphäre, in dem das Wettergeschehen stattfindet,

55 Luftfahrzeuge

1143

Tab. 55.3 Internationale Standardatmosphäre, Formeln und Konstanten Größe Druck

Dichte

Temperatur Größe Druck Dichte Temperatur

Gleichung

Parameter Troposphäre

 n  p dT H  H0 n1 .H / D 1 C  p0 dH T0   n % dT H  H0 n1 .H / D 1 C  %0 dH T0 gT .H / D T0 C Gleichung

dT D dH 0;0065ŒK=mP0 D 101325ŒPaT0 D 288;15 ŒK%0 D 1;225 Œkg=m3 n D 1;235 Œ R D 287;05 ŒJ=.kg  K/ H0 D 0 Œm

dT .H  H0 / dH



 g p .H / D exp .H  H0 / p0 R  T0   g % .H / D exp .H  H0 / %0 R  T0

Parameter Stratosphäre dT D dH 0 ŒK=mP0 D 22 632 ŒPaT0 D 216;65 ŒK%0 D 0;364 Œkg=m3 n D 1 Œ R D 287;05 ŒJ=.kg  K/

H0 D 10 000 Œm

T .H / D T0

Tab. 55.4 Internationale Standardatmosphäre, sche Größen   H Œm p ŒhPa  kg=m3 T ŒK a Œm=s 0 1013,25 1,225 288,15 340,29 1000 898,76 1,112 281,65 336,43 2000 794,97 1,007 275,15 332,53 3000 701,11 0,909 268,65 328,58 4000 616,43 0,819 262,15 324,58 5000 540,24 0,736 255,65 320,53 6000 471,85 0,660 249,15 316,43 7000 410,65 0,590 242,65 312,27 8000 356,04 0,525 236,15 308,06 9000 307,46 0,466 229,65 303,79 10 000 264,40 0,413 223,15 299,46 11 000 226,36 0,364 216,65 295,07 12 000 193,30 0,311 216,65 295,07 13 000 165,10 0,266 216,65 295,07 14 000 141,02 0,227 216,65 295,07 15 000 120,45 0,194 216,65 295,07 16 000 102,88 0,165 216,65 295,07 17 000 87,87 0,141 216,65 295,07 18 000 75,05 0,121 216,65 295,07 19 000 64,10 0,103 216,65 295,07 20 000 54,75 0,088 216,65 295,07

physikaliH Œft 0 3281 6562 9843 13 123 16 404 19 685 22 966 26 247 29 528 32 808 36 089 39 370 42 651 45 932 49 213 52 493 55 774 59 055 62 336 65 617

unterhalb einer Höhe von 11 km – gilt ein negativer Temperaturgradient, während für den Bereich über der Tropopause (H = 11 km, Stratosphäre) von einem konstanten Temperaturverlauf über der Höhe ausgegangen wird. Die Zahlenwerte der physikalischen Größen und der Verläufe der relativen Größen sind in Tab. 55.4 und Abb. 55.2 zusammengefasst.

Abb. 55.2 Internationale Standardatmosphäre, relative Größen über der Höhe

Schallgeschwindigkeit. Die Schallgeschwindigkeit a ist definiert als die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle in der umgebenden, vom aerodynamischen Feld des Luftfahrzeuges nicht beeinflussten Luft. Die Schallgeschwindigkeit wird wie folgt als Funktion der Temperatur bestimmt aD

p

RT :

55

1144

R. Voit-Nitschmann und T. Keilig

Tab. 55.5 Geodätisches (erdlotfestes) Achsenkreuz Benennung

Zeichen xg yg

Lotachse

zg

Achsen

positive Richtung in der Horizon- beliebig talebene in der Horizon- folgt aus xg talebene und zg gleichlaufend nach unten mit Gravitationsvektor

Tab. 55.6 Flugzeug- bzw. Körperfestes Achsenkreuz Benennung

Zeichen

Längsachse

x

Querachse

y

Hochachse

z

positive Richtung in der Bezugs- beliebig ebene nach vorne gleichlaufend nach Steumit Spannwei- erbord (in te, rechtwinklig Flugrichzur Längsachse tung rechts) in der Bezugs- nach unten ebene

Tab. 55.7 Aerodynamisches (flugwindfestes) Achsenkreuz Benennung

Zeichen Achsen

Flugwindachse

xa

Querkraftachse

ya

Auftriebsachse

za

Achsen

Tab. 55.8 Aerodynamische Winkel (Anströmwinkel) Benennung Anstellwinkel (angle of attack)

Dabei ist D 1;4 der Isentropenexponent, R D 287;05 ŒJ=.kg  K/ die spezifische Gaskonstante der Luft und T die Temperatur in Kelvin.

55.2.2

Achsenkreuze

Um Bewegungen des Luftfahrzeuges in der Atmosphäre, die als ruhend oder in translatorischer Bewegung mit nach Betrag und Richtung konstanter Geschwindigkeit gegenüber der Erde angenommen wird, zu beschreiben, werden in der Flugmechanik die folgenden Achsenkreuze festgelegt (s. Tab. 55.5, 55.6 und 55.7). Als flugzeugfeste Bezugsebene wird die vertikale Symmetrieebene des Luftfahrzeugs definiert. Für weiterführende Definitionen siehe auch [5].

55.2.3

positive Richtung in Richtung in Richtung des Flugge- des Fluggeschwindig- schwindigkeitsvektors keitsvektors rechtwinklig nach Steuzur Flugerbord windachse (rechts) senkrecht nach unten zur Flugwindachse in der zx-Ebene

Schiebewinkel (angle of sideslip)

Zeichen Definition ˛ Winkel zwischen der Längsachse und der Projektion des Fluggeschwindigkeitsvektors auf die zx-Ebene des körperfesten Achsenkreuzes. Positiv, wenn die zKomponente des Fluggeschwindigkeitsvektors bezüglich der Hochachse positiv ist. Bereich:   < ˛ 5   ˇ Winkel, den der Fluggeschwindigkeitsvektor mit der Bezugsebene des Luftfahrzeugs bildet. Er ist positiv, wenn die yKomponente des Fluggeschwindigkeitsvektors bezüglich der Querachse positiv ist. Bereich:  =2 5 ˇ 5  =2

Winkel

Die schräge Anströmung des Luftfahrzeugs wird durch die aerodynamischen Winkel ˛, ˇ zwischen flugwindfestem und körperfestem Achsenkreuz beschrieben (s. Tab. 55.8 und Abb. 55.3). Die Lage des Luftfahrzeugs im Raum wird durch die Lagewinkel  , , ˚ wiedergegeben (s. Abb. 55.3 Winkel zwischen aerodynamischem und körperfestem Achsenkreuz (Anströmwinkel) Tab. 55.9 und Abb. 55.4).

55 Luftfahrzeuge

1145

Tab. 55.9 Lagewinkel Benennung Azimut bzw. Gierwinkel (azimuth angle)

Längsneigungsbzw. Nickwinkel (inclination angle)

Hänge- bzw. Rollwinkel (bank angle)

Zeichen Definition Winkel der Drehung um die zg -Achse (positiv im Uhrzeigersinn), die die xg -Achse in die Projektion der Längsachse auf die Horizontalebene durch den Ursprung überführt.  Winkel der Drehung in einer vertikalen Ebene im Anschluss an die Drehung  , die die gedrehte xg -Achse in die Längsachse überführt. Er ist positiv, wenn der positive Abschnitt der Längsachse oberhalb der Horizontalebene durch den Ursprung liegt. Bereich:  =2 5  5  =2 ˚ Winkel der Drehung um die Längsachse (positiv im Uhrzeigersinn), die die yg -Achse aus der nach der Drehung um  erreichten Lage in ihre endgültige Lage y überführt.

Außerdem sind folgende Gewichtsdefinitionen gebräuchlich: Maximales Abfluggewicht. Das maximale Abfluggewicht (maximum take-off weight) ist das strukturbegrenzte Höchstgewicht, mit dem das Flugzeug gestartet werden darf. Es hat sich die Abkürzung MTOW eingebürgert, die aus dem englischen Begriff abgeleitet wurde.

55 Maximales Landegewicht. Maximales Gewicht mit dem das Luftfahrzeug gelandet werden darf. Es wird die Abkürzung MLW (maximum landing weight) verwendet. Begrenzend ist auch hier die Struktur des Luftfahrzeuges. Ein höheres tatsächliches Landegewicht kann zu einer Schädigung der Struktur (z. B. Fahrwerk) führen, was im Falle einer Notlandung kurz nach dem Start bei Großflugzeugen das Ablassen des Kraftstoffes im Fluge notwendig macht. Maximales Leertankgewicht. Maximales Flugzeuggewicht ohne Kraftstoff in den Tragflügeln (maximum zero fuel weight), abgekürzt MZFW. Limitierend ist hierbei das maximale Biegemoment an der Tragflügelwurzel, da der Kraftstoff im Tragflügel entlastend wirkt (vgl. Abschn. 55.4.6). Außer durch diese Strukturlimits kann das maximal zulässige Gewicht eines Luftfahrzeuges auch durch die Flugleistungen begrenzt werden. Für sonstige Gewichtsbezeichnungen siehe Tab. 55.10.

55.2.5 Abb. 55.4 Übergang vom erdlotfesten Achsenkreuz mit körperfestem Ursprung zum körperfesten Achsenkreuz (Lagewinkel)

Fluggeschwindigkeiten

Definitionen. Die Fluggeschwindigkeit ist definiert als der Vektor der Geschwindigkeit des Ursprunges des körperfesten Achsenkreuzes (üblicherweise im Schwerpunkt angeordnet), gegen55.2.4 Gewichte über der von dem aerodynamischen Feld des Luftfahrzeuges nicht beeinflussten Luft. Unter dem Begriff der Flugmasse versteht man Demgegenüber definiert man die Geschwinganz allgemein die momentane Masse des Luft- digkeit über Grund (Ground speed). Dabei hanfahrzeuges. Das Fluggewicht erhält man mit delt es sich um die Geschwindigkeit, die das Luftfahrzeug dem Erdboden gegenüber besitzt. G Dmg: Die Differenz von tatsächlicher Fluggeschwin-

1146 Tab. 55.10 Flugzeuggewichte Gewicht des Flugzeuges inkl. Triebwerke und Ausrüstung (Elektrik, hydraul. Einrichtungen, Navigations-Anlagen, etc.) Leergewicht, Empty Weight Dry + nicht nutzbarer Kraftstoff, Motoröl, Hydraulik-, Enteisungs- und sonstige Flüssigkeiten Leergewicht (nass), Empty Weight + bewegliche Einsatzausrüstung (Dokumente, Notausrüstung, etc.) Grundgewicht, Basic Empty Weight + Crew mit Gepäck, Pantry (Catering), Wasservorräte Betriebsleergewicht, Dry Operating Weight + Kraftstoff beim Abflug, + Nutzlast, Payload Take off Fuel Betriebsgewicht, Operat- Leertankgewicht, Zero ing Weight Fuel Weight + Nutzlast, Payload + Kraftstoff beim Abflug, Take off Fuel Startgewicht, Take Off Weight  Kraftstoff der im Flug verbraucht wird, burn off trip fuel Landegewicht, Landing Weight

digkeit und Geschwindigkeit über Grund ist der Einfluss der Bewegung der Luftmasse (Wind). In Luftfahrzeugen wird als Maß für die Geschwindigkeit der Staudruck herangezogen. Da sich die Luftdichte und die Lufttemperatur mit zunehmender Flughöhe ändern und in den Druckleitungssystemen von Luftfahrzeugen Druckverluste auftreten, besteht eine Diskrepanz zwischen der tatsächlichen und der dem Piloten angezeigten Fluggeschwindigkeit. Zur Erfassung des Übergangs von der angezeigten auf die tatsächliche Fluggeschwindigkeit sind fünf verschiedene Geschwindigkeiten nach Tab. 55.11 definiert. Tab. 55.12 zeigt, wie die einzelnen Geschwindigkeiten über die jeweils erforderlichen Korrekturen zusammenhängen. Der Instrumentenfehler entsteht durch mechanische Unzulänglichkeiten im barometrischen Teil des Fahrtmessers. Man erstellt für jedes Gerät ein Eichprotokoll und kann so für jede Geschwindigkeit den Instrumentenfehler bestimmen. Die Druckverzögerung entsteht dadurch, dass sich Druckänderungen mit einer endlichen Geschwindigkeit ausbreiten. Die Größe des Fehlers kann rechnerisch bestimmt werden, die entspre-

R. Voit-Nitschmann und T. Keilig Tab. 55.11 Bezeichnung der Fluggeschwindigkeiten Zeichen Englische Benennung v IAS Indicated Airspeed v BAS Basic Airspeed v CAS Calibrated Airspeed v EAS Equivalent Airspeed v TAS True Airspeed

Deutsche Benennung Angezeigte Geschwindigkeit Ausgangsgeschwindigkeit Eichgeschwindigkeit Äquivalente Geschwindigkeit Wahre Geschwindigkeit

Tab. 55.12 Zusammenhang zwischen den Fluggeschwindigkeiten vIAS # vBAS #

vCAS # vEAS # vTAS

Berichtigung des Instrumentenfehlers Berichtigung– der Druckverzögerung– des Gesamtdruckfehlers– des statischen Druckfehlers Berichtigung des Kompressibilitätsfehlers Berichtigung des Dichtefehlers

chende Formel kann aus [6] entnommen werden. Da es sich in der Umgebung des Luftfahrzeuges nicht mehr um eine ungestörte Strömung handelt, kommt es bei der Abnahme des Gesamtdruckes bei Verwendung eines Pitot- oder Prandtlrohres zum Gesamtdruckfehler. Die Fahrtmesseranlage muss kalibriert werden. Da es außerdem praktisch keine Stelle am umströmten Körper gibt, an der bei allen Anströmwinkeln und Konfigurationen der gemessene statische Druck dem statischen Druck der ungestörten Strömung entspricht, kommt es zum statischen Druckfehler. Moderne Fahrtmesser korrigieren die Kompressibilität der Luft zwar nach den Beziehungen von St. Venant/Wantzel bzw. Lord Rayleigh (s. [6]), allerdings gilt diese Korrektur nur für Meereshöhe. Die Korrekturen für abnehmende Luftdichten können der Literatur entnommen werden [6]. Die Dichteänderung über der Höhe verursacht bei gleicher Geschwindigkeit in unterschiedlichen Höhen einen unterschiedlichen Staudruck.

55 Luftfahrzeuge

1147

Tab. 55.13 Bemessungsgeschwindigkeiten der EASA CS 22 Zeichen

Benennung

vSF

Überziehgeschwindigkeit mit Flügelklappen voll ausgefahren und bei Höchstmasse Überziehgeschwindigkeit in Landekonfiguration Überziehgeschwindigkeit in einer festgelegten Konfiguration Bemessungs-Manöver-Geschwindigkeit Bemessungsgeschwindigkeit für größte Böenstärke

vS0 vS1 vA vB vD

vF

Definition q vSF D %CA2G max vS0 D vS1 D

q q

FS

2G %CA max0 S 2G %CA max1 S

p vA D vS1 n1 U W n1 D 5;3 bzw. AW n1 D 7 darf nicht kleiner sein als vA

Bemessungshöchstgeschwindigkeit

q darf nicht kleiner sein als:vD D 18 3 CWGmin S Œkm=h für

Bemessungsgeschwindigkeit bei ausgefahrenen Flügelklappen

Lufttüchtigkeitsgruppe U.vD D 3;5  GS C 200 Œkm=h für Lufttüchtigkeitsgruppe A. für Landestellung darf vF nicht kleiner sein als der größte Wert aus i. 1;4 vS1 ii. 2;0 vSF (vSF ist die Überziehgeschwindigkeit mit voll ausgefahrenen Flügelklappen und Höchstmasse). Für jede positive Überlandstellung darf VF nicht kleiner sein als der größte Wert aus i. 2;7 vS1 ii. 1;05 vA

Bemessungsgeschwindigkeiten. Für die Zulassung von Luftfahrzeugen werden in den Bauvorschriften (Tab. 55.1) sogenannte Bemessungsfluggeschwindigkeiten festgelegt, mit deren Hilfe die Lasten für verschiedene Flugfälle ermittelt werden. Alle Bemessungsfluggeschwindigkeiten sind äquivalente Geschwindigkeiten (EAS). Folgende Geschwindigkeiten sind laut Bauvorschrift, hier am Beispiel der JAR/EASA CS 22 [7] für Segelflugzeuge, definiert (Tab. 55.13). Die Geschwindigkeiten für andere Bauvorschriften sind in ähnlicher Weise definiert und können in der zugehörigen Bauvorschrift (z. B. [8]) nachgelesen werden (s. a. Abschn. 55.4.2).

55.2.6

Geometrische Beschreibung des Luftfahrzeuges

55.2.6.1 Äußere Struktur Luftfahrzeuge bestehen in der Regel aus Rumpf, Tragflügel und Leitwerk. Dazu kommen noch die Antriebseinheit und das Landewerk. Unkonventionelle Entwürfe wie Tandemflügler, Nurflügler und Canard-Flugzeuge weichen von diesem Grundaufbau ab. Aber auch hier lassen sich diese Grundelemente in irgendeiner Form wiederfinden (Abb. 55.5).

Gesamtabmessungen des Flugzeugs am Boden. Aus Abb. 55.6 können die Bezeichnungen und Formelzeichen für die Definition der AbmesMachzahl. Unter der Machzahl Ma versteht sungen eines Flugzeugs entnommen werden. man das Verhältnis der Fluggeschwindigkeit zur Schallgeschwindigkeit 55.2.6.2 Bezeichnungen am Tragflügelprofil v Ma D : Unter einem Tragflügelprofil versteht man a die geometrische Form eines Flügelschnittes. Wesentliche aerodynamische Größen, bei- Die dafür verwendeten Bezeichnungen sind in spielsweise Auftrieb und Widerstand, werden Abb. 55.7 dargestellt. Die systematische Erfasvon der Kompressibilität der Luft beeinflusst und sung und Bezeichnung der unterschiedlichen sind daher von der Mach-Zahl abhängig (etwa ab Tragflügelprofile ist abhängig vom Profilentwickler. Als Beispiel für die systematische Ma & 0;6).

55

1148

Abb. 55.5 Grundaufbau eines Flugzeuges. 1 Flügelkasten (wingbox), 2 Seitenflosse (vertical stabilizer), 3 Seitenruder (rudder), 4 Höhenflosse (horizontal stabilizer), 5 Höhenruder (elevator), 6 Heckkonus (after body), 7 Landeklappen (flaps), 8 Vorflügel (slats), 9 Querruder (aileron), 10 Störklappen (spoiler), 11 Triebwerk (engine),

R. Voit-Nitschmann und T. Keilig

12 Hauptfahrwerk (main gear), 13 Bugfahrwerk (nose gear), 14 Wetterradarverkleidung (Radom), 15 Führerstand (cockpit), 16 Vorderrumpf (forward fuselage), 17 Hinterrumpf (after fuselage), 18 Rumpfmittelstück (middle section), 19 Flügelmittelstück (center wing box)

Abb. 55.7 Bezeichnungen am Tragflügelprofil

Abb. 55.6 Gesamtabmessungen am Flugzeug. Gesamtlänge am Boden l0 , Rumpflänge lR , Rumpfdurchmesser dR , Spannweite am Boden b0 , Gesamthöhe am Boden h0

Benennung unterschiedlicher Tragflügelprofile siehe [9] (NACA-Profilsystematik).

55.2.6.3 Bezeichnungen am Tragflügel Die Geometrie eines Tragflügels wird bestimmt durch die geometrische Form des Flügelgrundrisses (Abb. 55.8) sowie durch den Pfeilwin-

kel (sweep), die V-Stellung (dihedral, anhedral), die Schränkung (wing twist) und die Flügeltiefe (chord) (Abb. 55.9). Pfeilung. Zum Erreichen von höheren Fluggeschwindigkeiten im Unterschallbereich (etwa Ma & 0;6) wird eine Flügelpfeilung unumgänglich, da sich so die kritische Machzahl der Profilumströmung und somit die Reisegeschwindigkeit erhöhen lässt. Die Pfeilung dient aber auch der Kursstabilität, da der voreilende Tragflügel einen größeren Widerstand erzeugt als der zurückbleibende.

55 Luftfahrzeuge

1149

55

Abb. 55.8 Tragflügelgrundrisse

außen. Dazu reduziert man entweder den Einstellwinkel entlang der Spannweite nach außen (geometrische Schränkung) oder man verändert die Profilgeometrie (aerodynamische Schränkung). Meist kommt eine Kombination aus beiden Maßnahmen zum Einsatz. Durch die Schränkung kann das Langsamflug- und Überziehverhalten des Flugzeugs, der induzierte Widerstand sowie die Lastverteilung beeinflusst werden.

55.2.6.4 Abmessungen in der Flugmechanik Für Definitionen im Rahmen der Flugmechanik werden für die Abmessungen und Hebelarme Bezeichnungen gemäß Tab. 55.14 und Abb. 55.10 verwendet. Bezugsflügeltiefe. Die Bezugsflügeltiefe benötigt man für viele flugmechanische Betrachtungen. Referenz [5] definiert den Begriff der BeAbb. 55.9 Pfeilwinkel und V-Stellung zugsflügeltiefe als die Tiefe eines rechteckigen Ersatzflügels mit gleicher Flügelfläche und gleiV-Form. Neben der Gewährleistung der erfor- chem Momentenverhalten wie der Originalflügel. derlichen Bodenfreiheit von Triebwerken (bzw. Sie kann berechnet werden mit Propellern) und Flügelspitzen hat die V-Form des ZCs Flügels noch einen großen Einfluss auf die Quer1 stabilität (siehe Abschn. 55.2.9). l.y/2 dy : l D S s

Flügelschränkung. Unter Schränkung versteht l ist die örtliche Flügeltiefe, die sich entlang man die geometrische Reduzierung des örtlichen Anstellwinkels des Tragflügels von innen nach der Spannweite verändern kann.

1150

R. Voit-Nitschmann und T. Keilig

Tab. 55.14 Geometrische Definitionen in der Flugmechanik Formelzeichen BE SP NPF NPFR NPHLW NPFLZ xS [m] xNFR [m]

r NHLW,NFR [m]

la [m] li [m]

Benennung Bezugsebene Schwerpunkt des Gesamtflugzeugs Neutralpunkt des Flügels (Abb. 55.15) Neutralpunkt der Flügel-RumpfKombination Neutralpunkt des Höhenleitwerks Neutralpunkt des Gesamtflugzeugs Schwerpunktsabstand zur Bezugsebene BE Neutralpunktsabstand der Flügel-Rumpf-Kombination zur Bezugsebene BE Abstand des Höhenleitwerk-Neutralpunkts zum Neutralpunkt der Flügel-Rumpf-Kombination Flügeltiefe außen Flügeltiefe innen

Formelzeichen b [m] s [m]   SF m2

Benennung Spannweite Halbspannweite Flügelfläche

lµ [m]

Bezugsflügeltiefe

bHLW [m] sHLW [m]   SHLW m2

Spannweite des Höhenleitwerks Halbspannweite des Höhenleitwerks Höhenleitwerksfläche

r HLW [m]

Abstand des Schwerpunkts SP zum Neutralpunkt des Höhenleitwerks (Höhenleitwerkshebelarm) Abstand des Schwerpunkts SP zum Neutralpunkt des Seitenleitwerks (Seitenleitwerkshebelarm) Seitenleitwerksfläche Rumpflänge

r SLW [m]   SSLW m2 lR [m]

Streckung. Die Streckung eines Tragflügels ist beim Rechteckflügel das Verhältnis von Spannweite b zu Flügeltiefe: )D

b : l

Es gilt allgemein für den beliebigen Flügelgrundriss: b2 )D : S Die Streckung hat Einfluss auf die aerodynamische Güte eines Tragflügels. Verwendung findet sie beispielsweise bei der Berechnung des induzierten Widerstandes (s. Abschn. 55.3.2). Zuspitzung. Unter Zuspitzung des Flügels versteht man das Verhältnis von Flügeltiefe an der Flügelspitze la zu Flügeltiefe an der Flügelwurzel li (Abb. 55.9) la D : li

Abb. 55.10 Abmessungen in der Flugmechanik

55.2.6.5 Leitwerksbauformen Das Leitwerk befindet sich bei konventionell ausgelegten Flugzeugen am hinteren Ende des Rumpfes. Seine Aufgabe ist die Stabilisierung und die Steuerung des Flugzeugs in seiner Lage im Raum. Es besteht aus dem vertikalen

55 Luftfahrzeuge

1151

55

Abb. 55.11 Leitwerksbauformen

Seitenleitwerk (SLW) und dem horizontalen Höhenleitwerk (HLW). Im Normalfall besteht das Seiten- wie auch das Höhenleitwerk aus einem feststehenden Teil, der Flosse, und einem beweglichen Teil, dem Ruder. Je nach spezieller Anforderung an ein Luftfahrzeug kann es sinnvoll sein, das Leitwerk nicht in der Standardanordnung anzubringen, sondern andere Anordnungen zu wählen. Abb. 55.11 gibt einen Überblick über einige spezielle Leitwerksanordnungen. Das T-Leitwerk wird beispielsweise im Segelflugzeugbau verwendet, um im Falle einer Außenlandung in Gelände mit hohem Bewuchs Beschädigungen zu vermeiden, oder im Fall von motorisierten Flugzeugen, um die Anbringung von Triebwerken am Heck zu ermöglichen. Mit Hilfe des V-Leitwerkes, bei dem Höhensteuer und Seitensteuer in nur zwei Steuerflächen kombiniert werden, versucht man durch Einsparung einer Steuerfläche Gewicht und Widerstand zu reduzieren. Sonderformen sind Nurflügler ohne Leitwerk und Canard-Flugzeuge mit dem Höhenleitwerk vor dem Hauptflügel. Die von den Leitwerksflächen erzeugten Momente um den Schwerpunkt sind proportional zum Produkt aus Leitwerksfläche und Leitwerkshebelarm. Dieses Produkt wird als Leitwerksvolumen bezeichnet und kann auf die Tragflügelabmessungen bezogen werden (Leitwerksvolumenbeiwerte). Typische Zahlenwerte für den HLW-Volumenbeiwert sind CHLW D 0;5 bis 1

und für den SLW-Volumenbeiwert CSLW 0;04 bis 0;08.

D

SHLW  rHLW S  l SSLW  rSLW D S b

CHLW D CSLW

55.2.7

Kräfte und Winkel im Flug

Während des Fluges werden die in Abschn. 55.2.2 aufgeführten Koordinatensysteme gegeneinander verdreht. Der Auftrieb A steht senkrecht auf der Anströmrichtung, der Widerstand W ist entgegengesetzt parallel zur Anströmrichtung. Der Winkel  bezeichnet die Richtung des Schubvektors zur Längsachse des Luftfahrzeuges. Zur Verdeutlichung der Verhältnisse sind in Abb. 55.12 noch einmal die Koordinatensysteme und die entsprechenden Winkel eingezeichnet. Lastvielfache. Bei Abfangmanövern und/oder stationären Kurvenflügen muss der Tragflügel eines Luftfahrzeuges einen höheren Auftrieb erzeugen wie die Gewichtskraft, um so die auftretenden Zentrifugalkräfte auszugleichen. Dabei wird das Luftfahrzeug in Scheinlotrichtung mit einem Vielfachen der Erdbeschleunigung belastet. Man definiert dieses sogenannte Lastvielfache n als das Verhältnis von Auftrieb

1152

R. Voit-Nitschmann und T. Keilig

Abb. 55.12 Winkel und Kräfte im Flug

zu Gewichtskraft: nD

A : G

Lastvielfache können auch beim Durchflug von Böen (Änderung des Geschwindigkeitsfeldes der das Luftfahrzeugs umgebenden Luftmasse) entstehen (s. a. Abschn. 55.4.2). Beiwerte. Für eine bessere Anschaulichkeit werden Kräfte und Momente am Luftfahrzeug üblicherweise in dimensionsloser Schreibweise angegeben. Als Bezugsgrößen werden der Staudruck q D 0;5%  v2 , die Bezugsflügelfläche SF und die Bezugsflügeltiefe l verwendet. Auftriebsbeiwert: CA D

A 0;5 %  v2  SF

Widerstandsbeiwert: CW D

W 0;5 %  v2  SF

Momentenbeiwert: CM D

55.2.8

M 0;5 %  v2  SF  l

Flugsteuerung

Zur Steuerung eines Flugzeugs stehen dem Piloten im Cockpit verschiedene Steuereingabeein-

richtungen (Tab. 55.15) zur Verfügung. Mit den Händen bedient er einen Steuerknüppel bzw. ein Steuerhorn. Durch Bewegung des Steuerknüppels/Steuerhorns nach vorne oder hinten betätigt er das Höhenruder (HR). Durch Ausschlag des Steuerknüppels/Steuerhorns zur Seite schlägt er die Querruder (QR) aus. Mit den Füßen bedient er die Steuerpedale, über die sich das Seitenruder (SR) bewegen lässt. Die durch die Steuereingaben von Querruder und Seitenruder hervorgerufenen Roll- und Giermomente sind allerdings miteinander gekoppelt. Im Falle einer Querrudereingabe giert das Flugzeug zusätzlich zur Rollbewegung in die gegensinnige Richtung und man spricht vom negativen Roll-Wende-Moment. Der Grund dafür ist die Zunahme des Widerstandes an dem Flügelsegment, das einen erhöhten Auftrieb erfährt. Schlägt man nur das Seitenruder aus, so beginnt das Flugzeug durch die Beschleunigung des voreilenden Tragflügels sinnrichtig zu rollen – positives Wende-Roll-Moment. Im Regelfall werden die Steuereingaben des Piloten über Steuerstangen, Steuerseile oder über eine Hydraulikanlage auf die Ruder übertragen. Oft findet man auch eine Kombination aus direkter Kraftübertragung und Hydraulikanlage. Allerdings finden Hydraulikanlagen zur Kraftübertragung nur bei schnellfliegenden Flugzeugen Anwendung, da dort die Steuerkräfte sonst zu hoch werden. In modernsten Hochleistungsflugzeugen wurden in den 1980er Jahren sogenannte Fly-by-

55 Luftfahrzeuge

1153

Tab. 55.15 Steuereingaben und Bewegungen des Flugzeuges Steuerung um die Querachse

Längsachse

Hochachse

Steuereingaben im Cockpit Knüppel ziehen

Bewegung der Steuerflächen Bewegungsform

Reaktion des Flugzeuges

HR schlägt nach oben aus

Knüppel drücken

HR schlägt nach unten aus

Anstellwinkelerhöhung Steigflug/Fahrtabnahme Anstellwinkelreduzierung Sinkflug/Fahrtzunahme Primär: Rollen nach links Sekundär: Nase dreht nach rechts Primär: Rollen nach rechts Sekundär: Nase dreht nach links SLW erzeugt Kraft nach rechts ! Flugzeugnase dreht nach links SLW erzeugt Kraft nach links ! Flugzeugnase dreht nach rechts

Knüppel nach links

linkes QR schlägt nach oben Rollen aus rechtes QR schlägt nach unten aus Knüppel nach rechts linkes QR schlägt nach unten aus rechtes QR schlägt nach oben aus linkes Pedal nach SR schlägt nach links aus Gieren vorne rechtes Pedal nach vorne

SR schlägt nach rechts aus

Wire-Flugsteuerungsanlagen eingeführt. Der Pilot gibt hier seine Steuereingaben an einen Computer (Flight Control Computer), dieser Computer bereitet die Steuereingabe auf oder begrenzt sie und gibt einen elektronischen Steuerimpuls an die Hydraulikanlage. Mit dem Airbus A320 wurde dieses Steuerprinzip im Zivilflugzeugbau in der Großserie eingeführt. Die nächsten Entwicklungsschritte werden die Einführung von Lichtleitern (Fly by light) sein, die gegen Störungen durch elektromagnetische Felder immun sind, sowie der Ersatz der Hydraulikanlagen durch Elektroaktuatoren.

55.2.9

Nicken

Flugstabilitäten

Unter Flugstabilität versteht man die Fähigkeit eines Flugzeugs, im Falle einer Störung der Flugbewegung selbsttätig, ohne korrigierende Steuereingaben des Piloten, wieder in die Ausgangslage des ungestörten Flugzustandes zurückzukehren. Störungen des Flugzustandes können äußere Einflüsse wie z. B. Böen oder kurze ungewollte Steuereingaben des Piloten sein. Man unterscheidet stabiles Flugverhalten, indifferentes Flugverhalten und instabiles Flugverhalten. Im letzten Fall würde sich das Flugzeug bei einer Störung immer weiter von der Ausgangslage entfernen und den ursprünglichen Flugzustand nicht wieder erreichen. Man unterscheidet:

Statische Stabilität. Bei einer Störung der Gleichgewichtslage wird eine Reaktion hervorgerufen, die der Störung entgegenwirkt. Die statische Stabilität ist Voraussetzung für die: Dynamische Stabilität. Die aus der Störung resultierende Bewegungsform (Schwingung um die Gleichgewichtslage) muss gedämpft sein. Diese sich nach einer Störung ergebende Bewegungsform um die Querachse nennt man Phygoide. Die Frage nach stabilem Flugverhalten stellt sich um alle drei Flugzeugachsen. Man spricht im Falle der Bewegung um die Querachse von Längs- oder Nickstabilität, bei der Bewegung um die Hochachse von Kursstabilität und bei Bewegungen um die Längsachse von Querstabilität. Die Längsstabilität wird maßgeblich vom Höhenleitwerk beeinflusst. Mit dem Seitenleitwerk und der Pfeilform des Tragflügels beeinflusst man hauptsächlich die Kursstabilität, während sich die V-Stellung des Flügels und die Bauart als Hochdecker positiv auf die Querstabilität auswirken. Beispiel Querstabilität: Die V-Form des Flügels Abb. 55.9 sorgt mit einem rückdrehenden Moment um die Längsachse dafür, dass sich das Flugzeug bei einem Flug mit hängender Fläche von selbst wieder aufrichtet. Erfahrungen haben gezeigt, dass 1° V-Winkel eine ähnliche stabilisierende Wirkung hat wie 3° Pfeilung. Eine negative V-Form (anhedral) wird dann notwendig, wenn bei einem Hochdecker mit gepfeilten

55

1154

R. Voit-Nitschmann und T. Keilig

Am Flügelschnitt, am Tragflügel und auch am Gesamtflugzeug existiert ein Momentenbezugspunkt, an dem das Moment bei gleicher Anströmgeschwindigkeit unabhängig vom Anstellwinkel ist. Dieser Punkt heißt Neutralpunkt. Es gilt also dCM D0: CM D const. ; d˛ Verwendet man diesen Punkt als Bezugspunkt, so werden Momentenbetrachtungen unabhängig vom Anstellwinkel. Folglich müssen bei diesem Ersatzmodell der Auftrieb und Auftriebsänderungen im Neutralpunkt angreifen. Statische Stabilität ist gegeben, wenn der Schwerpunkt vor dem Neutralpunkt des Gesamtflugzeuges liegt (Abb. 55.10).

Abb. 55.13 Längsstabilität

55.3

Flügeln ansonsten eine zu hohe Querstabilität vorhanden ist (z. B. Avro RJ85, Lookheed C-5 Galaxy, vgl. Abb. 55.1). Beispiel Längsstabilität: Der Momentenbeiwert des Flugzeugmoments um den Schwerpunkt lässt sich bei Änderungen des Auftriebsbeiwertes folgendermaßen definieren:

55.3.1

CM D CM0 C

@CM CA : @CA

Man sieht, dass Stabilität gerade dann gegeben ist, wenn .@CM =@CA / < 0 ist. Nimmt aufgrund einer Störung der Anstellwinkel zu, so stellt sich ein höherer Auftriebsbeiwert ein, und das Nickmoment wird kleiner (kopflastig), was zur Absenkung der Flugzeugnase führt. Abb. 55.13 zeigt die resultierenden Bewegungsformen bei unterschiedlichen Flugstabilitäten. Neutralpunkt. An Tragflügeln ist der Angriffspunkt von Auftrieb und Widerstand (Druckpunkt) abhängig vom Anstellwinkel. Nimmt der Anstellwinkel zu, so wandert der Druckpunkt nach vorn und damit verändern sich auch die Hebelarme für Momentenbetrachtungen. Für die Aufstellung von Momentengleichgewichten am Flugzeug ist es also von Nachteil, den Druckpunkt zu verwenden.

Grundlagen der Flugphysik Einführung

Eine zentrale Rolle in der Flugphysik spielt die Flugzeugpolare. Sie stellt die Verknüpfung der beiden im Flugzeugentwurf wichtigen Größen Auftrieb (lift) und Widerstand (drag) dar. Als Flugzeugpolare bezeichnet man dabei die dimensionslose Darstellung des Auftriebs bzw. Auftriebsbeiwertes CA über dem dimensionslosen Widerstand bzw. Widerstandsbeiwert CW . Das aus dieser Darstellungsweise ableitbare Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand (CA =CW ) bzw. dessen Kehrwert (CW =CA ), auch als Gleitzahl bezeichnet, kann als dimensionslose Darstellung der aerodynamischen Leistungsfähigkeit (Güte) des Luftfahrzeuges angesehen werden. Im Kapitel Flugleistungen werden unter Berücksichtigung des jeweiligen Antriebssystems die Flugmissionssegmente wie Start, Steigflug, Reiseflug und Landung betrachtet.

55.3.1.1 Auftrieb und Widerstand [9–13] Die resultierende Luftkraft am Luftfahrzeug lässt sich zerlegen in einen Anteil senkrecht zur Anströmrichtung, den Auftrieb A, und in einen Anteil in Anströmrichtung, den Widerstand W (Abb. 55.12). Für eine bessere Anschaulichkeit werden Kräfte und Momente am Luftfahrzeug

55 Luftfahrzeuge

1155

55

Abb. 55.14 Übersichtsbild. Schematische Darstellung der am Flugzeug angreifenden Kräfte und Momente

üblicherweise in dimensionsloser Schreibweise angegeben. Als Bezugsgrößen werden der Staudruck q D 0;5 %  v2 , die Bezugsflügelfläche S und die Bezugsflügeltiefe l verwendet (s. a. Abschn. 55.2.7). Auftrieb [14]. Der Hauptanteil des Auftriebes wird durch den Flügel erzeugt. Das Höhenleitwerk dient der Erhaltung des Längsmomentengleichgewichtes (Momentengleichgewicht um die Querachse) und der beabsichtigten Erzeugung von Momentenänderungen (Längssteuerung, Flugmanöver). Der Begriff Stabilitätsmaß beschreibt in diesem Zusammenhang den auf die Ersatzflügeltiefe normierten Abstand zwischen Flugzeugschwerpunkt und Flugzeugneutralpunkt. Ein positives Stabilitätsmaß (Flugzeugschwerpunkt liegt vor dem Flugzeugneutralpunkt) bedeutet ein statisch stabiles Flug-

zeug. Was bedeutet, dass es nach einer Störung der Längsbewegung wieder von alleine in seine Ausgangsfluglage zurückkehren wird (s. a. Abschn. 55.2.9). Im stationären Reiseflug ist bei einem konventionellen Flugzeug in der Regel am Höhenleitwerk im Verhältnis zum Flügelauftrieb ein geringer Abtrieb nötig, abhängig von der Flugzeugauslegung und der Schwerpunktslage. Dies ist natürlich unerwünscht, da es den nötigen Flügelauftrieb vergrößert. Durch Rückverlagerung des Flugzeugschwerpunktes (Fliegen bei geringem Stabilitätsmaß) kann auch im Reiseflug ein geringfügiger Auftrieb am Höhenleitwerk erzielt werden (Abb. 55.14). Bei modernen Verkehrsflugzeugen wird dies durch einen Kraftstofftank (Trimmtank) in der Höhenflosse verwirklicht. Der Verlauf des Auftriebes entlang der Spannweite ist qualitativ in Abb. 55.14 dargestellt.

1156

R. Voit-Nitschmann und T. Keilig

Tab. 55.16 Physikalische Einteilung der verschiedenen Widerstandsarten a

b

Druckwiderstand: a.1 Formwiderstand a.2 Widerstand bei reibungsfreier Strömung: – induzierter Widerstand – Wellenwiderstand (Überschall) Reibungswiderstand

Die Aerodynamik fordert idealerweise eine elliptische Auftriebsverteilung, da dies ein Minimum des auftriebsabhängigen Widerstandes (induzierter Widerstand, Wirbelwiderstand, s. Bd. 1, Abschn. 17.6.5) bewirkt. Bei unverwundenem Tragflügel ist dafür ein elliptischer Grundriss erforderlich. Diese Forderung wird in der Praxis durch Einfach- oder Mehrfachtrapezflügel und entsprechende Flügelverwindung annähernd erfüllt. Die Berechnung der Auftriebsverteilung erfolgt im Leichtflugzeugbau mit vereinfachten Verfahren gemäß der einfachen Traglinientheorie nach Prandtl [15]. Mit der erweiterten Traglinientheorie nach Weissinger [16] ist es möglich, auch gepfeilte Flügel (Abb. 55.9) zu berechnen. In der Industrie kommen heute vorwiegend aufwändigere numerische Verfahren zum Einsatz (computational fluid dynamics = CFD). Aus den so berechneten aerodynamischen Lasten lassen sich dann Querkraft-, Biegemomenten- und Torsionsmomentenverläufe bestimmen und somit auch die für die Dimensionierung benötigten Schnittkräfte und -momente bereitstellen.

denen Teilen der Flugzeugzelle, wie z. B. Flügel, Rumpf, Leitwerk und Ruder (abhängig von den Ruderausschlägen), verknüpft. Im allgemeinsten Fall ist der Widerstand eines Flugzeugs als Funktion von Auftrieb, Machzahl und Klappenwinkel darstellbar: CW D f .CA ; Ma; K / : Für die Abschätzung einer Flugzeugpolaren ist es angemessen, einen analytischen Ansatz zur Charakterisierung des Flugzeugwiderstands zu treffen. Dieser Ansatz wird besonders im Entwurf von Flugzeugen eingesetzt, wenn nur wenige detaillierte Widerstandsuntersuchungen und Messungen vorliegen. Geht man von einer machzahlunabhängigen Polaren aus, so vereinfacht sich die Funktion des Widerstandes zu: CW D f .CA / : Man teilt den Widerstand in zwei wesentliche Anteile auf: Widerstandskomponenten, die unabhängig vom Auftrieb sind (Nullwiderstand oder schädlicher Widerstand), und auftriebsabhängige Widerstandsanteile. Den Gesamtwiderstand eines Flugzeugs erhält man, wenn die Einzelwiderstände der Bauteile getrennt nach Nullwiderstand und auftriebsabhängigem Widerstand addiert und die durch die gegenseitige Beeinflussung entstehenden Interferenzwiderstände berücksichtigt werden. Die Gliederung in einen auftriebsabhängigen und auftriebsunabhängigen Teil spiegelt sich auch in der Bestimmung der Widerstandspolaren wider. Dort treten ebenfalls diese beiden Anteile auf. Diese Unterteilung führt zu einer Näherung der Flugzeugpolaren in Form einer Parabel [18]:

Widerstand. In der üblichen aerodynamischen Betrachtungsweise wird eine Unterteilung der Widerstände entsprechend ihrer physikalischen Entstehungsmechanismen durchgeführt. Dabei unterscheidet man z. B. den Reibungswiderstand und den Druckwiderstand (vgl. Tab. 55.16, s. a. Bd. 1, Abschn. 17.6.4).  Bei der Bestimmung des Widerstandes im CW D f CA ; CA2 D K0 C K1 CA C K2 CA2 : Flugzeugentwurf teilt man diesen aus praktischen Auf die Bestimmung und Bedeutung der KonGründen anders auf. Es wird hier eine komponentenbezogene Aufteilung benutzt. Die Wider- stanten und die Genauigkeit dieser Näherung standskomponenten [17] sind dabei mit verschie- wird in Abschn. 55.3.2 eingegangen.

55 Luftfahrzeuge

1157

55 Abb. 55.16 Symmetrische Polare Abb. 55.15 Machzahlabhängige Polare

55.3.2

Flugzeugpolare

In einem breiten Einsatzbereich des Luftfahrzeuges ist der Auftrieb bzw. CA linear abhängig vom Anstellwinkel ˛. In der Nähe des Maximalauftriebs und bei kleinen CA -Werten ist der Verlauf jedoch nicht mehr linear. CA0 D dCA =d˛ ist der Auftriebsgradient. Für diesen gilt im linearen Bereich (Tragflügel, Unterschall, Flügelstreckung > 3, siehe z. B. [10]): CA0 D

2   ) : )C2

Der Widerstand des Luftfahrzeuges ist vom Auftrieb abhängig. Die Auftragung des Auftriebsbeiwertes CA über dem Widerstandsbeiwert CW wird als Widerstandspolare oder Flugzeugpolare bezeichnet. Bereits Lilienthal benutzte diese Darstellung (deshalb auch Lilienthalpolare genannt). Die aerodynamische Güte und somit die Leistungsfähigkeit eines Luftfahrzeuges lässt sich in jedem Flugzustand durch das Verhältnis Widerstand zu Auftrieb (W=A bzw. CW =CA ) aufzeigen. CW =CA wird als Gleitzahl " bezeichnet, da beim antriebslosen Flug die Gleitzahl dem Gleitwinkel entspricht. Im Geschwindigkeitsbereich bis Ma  0;6 wird die Polare konstant (machzahlunabhängig) angenommen. Bei höheren Machzahlen treten Kompressibilitätseffekte auf, die eine Abhängigkeit der Polaren von der Machzahl bewirken (Widerstandsvergrößerung bei größeren Machzahlen, Abb. 55.15).

Der Kurvenverlauf der Widerstandspolaren kann in grober Näherung errechnet werden. Bessere Ergebnisse liefern natürlich Windkanalmessungen mit einem Flugzeuggesamtmodell. Die exakte Polare kann letztendlich erst im Flugversuch ermittelt werden. Zur einfacheren und übersichtlicheren Behandlung der Flugleistungsgleichungen wird die Polare durch eine Parabel angenähert. Dabei ist zu beachten, dass die Näherung bei geringen CA -Werten und in der Nähe von CA max ungenaue Werte liefert. Die einfachste Näherung ist in Abb. 55.16 dargestellt und wird häufig als symmetrische Polare bezeichnet: CW D CW0 C k  CA2 ; wobei k D 1=. )e/ mit Streckung ) und Oswaldfaktor e ist. CW0 stellt den auftriebsunabhängigen Anteil des Widerstandsbeiwertes dar und ist im Unterschall hauptsächlich reibungsbedingt. Der auftriebsabhängige Anteil k  CA2 wird auch induzierter Widerstand genannt. Dieser ist umgekehrt proportional zur Tragflügelstreckung. Der sogenannte Oswaldfaktor e 5 1 berücksichtigt die Abweichung vom Optimum bei elliptischer Auftriebsverteilung. Zusätzlich berücksichtigt er alle weiteren auftriebsabhängigen Widerstände (z. B. Trimmwiderstand), s. Tab. 55.17. Eine weitere Näherung der Polaren stellt Abb. 55.17 dar. CW D CW min C k  .CA  CA0 /2 :

1158

R. Voit-Nitschmann und T. Keilig

Tab. 55.17 Anhaltswerte für Flugzeugwiderstände (schädlicher Widerstandsbeiwert und auftriebsabhängiger Anteil) zur Berechnung einer symmetrischen Flugzeugpolaren Typ Segelflugzeuge Motorflugzeuge (einmot.) Transportflugzeuge

CW0 0,010. . . 0,020 0,020. . . 0,045

e 0,90 0,70–0,85

0,013. . . 0,018

0,70–0,80

ter der Annahme, dass eine Beschleunigung des Luftfahrzeuges durch die ständige Abnahme der Flugzeugmasse m (Kraftstoffverbrauch) vernachlässigt werden kann, lassen sich die Grundgleichungen für die symmetrische Flugbahn angeben (Abb. 55.12): Widerstandsgleichung: F  cos.˛ C  /  W  m  g  sin D m  vP ; Auftriebsgleichung: A C F  sin.˛ C  /  m  g  cos D m  v  P : Für stationäre Flugzustände mit konstanter Flugzeugmasse und unter Berücksichtigung, dass ˛ und  meist sehr klein sind, lassen sich die Gleichungen weiter vereinfachen zu: F  W  m  g  sin D 0 ; A  m  g  cos D 0 :

Die im Folgenden angegebenen Gleichungen und Herleitungen beziehen sich alle auf die in Abb. 55.17 Unsymmetrische Polare Abschn. 55.3.2 vorgestellte symmetrische Polare. Für Flugzeuge, für die CW min ¤ CW0 gilt, Die abgeleiteten Formeln für die unsymmetrische liefert diese Näherung vor allem bei geringen Polare sind in der Tab. 55.22 am Ende des KapiCA -Werten genauere Ergebnisse. Die mathema- tels zusammengefasst. tische Behandlung wird dadurch jedoch aufwändiger. 55.3.3.2 Gleitflug Der Gleitflugzustand wird im Folgenden relativ ausführlich behandelt, da charakteristische 55.3.3 Flugleistungen Flugzustände sehr anschaulich dargestellt werden können und auch wichtige Zustände des motor55.3.3.1 Flugzustandsgleichungen getriebenen Fluges auf der Basis des Gleitfluges Für die Betrachtung der Flugleistungen kann das erläutert werden können. Flugzeug als starrer Körper dargestellt werden, Segelflugzeuge und motorisierte Flugzeuge der sich im Luftraum unter der Einwirkung äu- mit abgeschaltetem Antrieb führen den Gleitflug ßerer Kräfte und Momente bewegt. aus. Es gilt dann mit F D 0: Für die meisten Flugzustände kann angenomW  m  g  sin D 0 ; men werden, dass sich das Flugzeug in einer vertikalen Bezugsebene bewegt und der GeschwinA  m  g  cos D 0 : digkeitsvektor in der Symmetrieebene des FlugDaraus lässt sich ableiten: zeugs liegt [19]. Die Lage des Flugzeugs wird in Bezug auf das CW W D  tan   : D "D erdfeste Koordinatensystem (xg , yg , zg ) angegeA CA ben. Weiterhin kommen das flugzeugfeste (x, y, z) Das Verhältnis W=A wird in der deutschspraund das aerodynamische Koordinatensystem (xa , ya , za ) zur Anwendung (s. a. Abschn. 55.2.2). Un- chigen Literatur auch als Gleitzahl " bezeichnet.

55 Luftfahrzeuge

1159

ist bei Gegenwind schneller und bei Rückenwind langsamer zu fliegen. Der Punkt des besten Gleitens lässt sich natürlich auch auf der Widerstandspolaren angeben, indem die Tangente vom Ursprung an die Polare gelegt wird. Damit ist auch der Auftriebsbeiwert gegeben, mit dem bei bestem Gleiten geflogen werden muss. Wie später gezeigt wird, entspricht der Flug bei "min auch gleichzeitig dem Flugzustand bei minimalem Widerstand (Abb. 55.21). Unter Verwendung des Parabelansatzes (Abb. 55.16) für die Widerstandspolare lässt Abb. 55.18 Geschwindigkeitspolare unter Berücksichti- sich "min auch mathematisch ableiten. Mit der gung des Windeinflusses. Darstellung der Punkte des Bedingung

 besten Gleitens und geringsten Sinkens d CCWA D0 dCA In der englischsprachigen Literatur wird jedoch meist mit dem Kehrwert der Gleitzahl ergibt sich für Auftriebs- und Widerstandsbei1=" D CA =CW (Gleitverhältnis) gearbeitet. wert: r Moderne Hochleistungssegelflugzeuge erreichen CW0 ; CA " min D Gleitzahlen von bis zu " D 1=60, d. h. mit k einem Meter Höhenverlust gleitet das SegelflugCW " min D 2 CW0 : zeug 60 m weit [20]. Für kleine lässt sich sofort die SinkgeUnd damit wird die beste Gleitzahl zu: schwindigkeit angeben p CW " min D 2 k  CW0 : "min D wDv": CA " min Für die Bahngeschwindigkeit und SinkgeFür die Fluggeschwindigkeit bei "min folgt daschwindigkeit im Gleitflug gilt allgemein für mit: v u 2G kleine Bahnwinkel : 1 u : q v" min D t %  S CW0 s s 2 k 2G 2G CW 1 ; wD vD   3 : %  S CA %  S CA Die Sinkgeschwindigkeit ist dann: Die Darstellung der Sinkgeschwindigkeit w über der Fluggeschwindigkeit v wird als Geschwindigkeitspolare bezeichnet (Abb. 55.18). Bestes Gleiten. Der Berührpunkt der Tangente vom Ursprung aus an die Geschwindigkeitspolare ergibt das beste Verhältnis von w=v und somit die beste Gleitzahl "min . Der Flug bei "min ergibt die größte Reichweite. Bei Gegen- bzw. Rückenwind muss die Tangente unter Berücksichtigung der jeweiligen Windkomponenten an die Polare gezogen werden. Dementsprechend

s w" min D 2

p 2G k 3  CW0 : %S

Minimale Sinkgeschwindigkeit. Die geringste Sinkgeschwindigkeit ergibt sich für 2 2 /max . Der Ausdruck .CA3 =CW / wird oft .CA3 =CW als Steigzahl bezeichnet. Mit dem symmetrischen Ansatz für die Polare erhält man aus der Bedingung:

3 C d C A2 W D0: dCA

55

1160

R. Voit-Nitschmann und T. Keilig

Die Beiwerte für das geringste Sinken sind gegeben mit r

3CW0 ; k D 4 CW0 :

CA w min D CW w min

Dabei muss mit folgender Fluggeschwindigkeit geflogen werden vw min

v u 2G 1 u Dt : q %S 3CW0

Abb. 55.19 Kräfte und Lastvielfache im Kreisflug

k

Die minimale Sinkgeschwindigkeit wird dann s wmin

4 D  3

2G p  3CW0  k 3 : %S

Für den Kurvenradius findet man unter Berücksichtigung der Zentrifugalkraft RD

v2 : g  tan 

Die Geschwindigkeiten im Kurvenflug erhält man, indem in den Bestimmungsgleichungen CA Die Fluggeschwindigkeit für das geringste Sinken beträgt etwa ¾ der Geschwindigkeit für durch CA  cos  ersetzt wird. bestes Gleiten. Es muss also deutlich langsamer geflogen werden als im Fall des besten Gleitens. 55.3.3.3 Flug mit Antriebsleistung [21, 22] Maximale Geschwindigkeit im Gleitflug. Die maximale Geschwindigkeit im Gleitflug erhält man für einen Sturzflug mit A D 0 (symmetrische Polare). Dann gilt W D G und folglich CW D CW min . Daraus ergibt sich die näherungsweise maximale Geschwindigkeit zu s 2G 1 :  %  S CW min

Antriebssysteme. Für Luftfahrzeuge stehen folgende Antriebssysteme zur Verfügung Propellerantrieb mit Kolbenmotor, Propellerantrieb mit Turbine (Propellerturbine oder Turboprop), Turboluftstrahltriebwerk (TL, engl.: Jet).

Für Sonderanwendungen werden noch Staustrahl- und Raketenantriebe eingesetzt. Die Auswahl des Antriebsystems hängt weFür die einfache Polarennäherung gilt dabei: sentlich von der Mission und der MissionsgeCW min D CW0 . schwindigkeit ab. Bei Propellerantriebssystemen (PA) ist die Kreisflug. Im Kreisflug gilt das Auftriebs- Leistung über der Geschwindigkeit annähernd konstant und für den Kraftstoffverbrauch maßgegleichgewicht entsprechend Abb. 55.19: bend. Der Schub nimmt mit der Geschwindigkeit ab. A  cos  D G  cos  G : Bei TL-Antriebssystemen ist der Schub in weiten Bereichen des Einsatzes konstant und für Das im Kurvenflug auftretende Lastvielfache den Kraftstoffverbrauch maßgebend. Die Leishängt somit allein von der Schräglage ab tung steigt mit der Geschwindigkeit an. Aufgrund dieses Sachverhaltes verdient bei 1 : nD Flugleistungsbetrachtungen für Propellerflugzeucos  vmax D

55 Luftfahrzeuge

1161

ge die Leistung und für TL-Flugzeuge der Schub besondere Beachtung. Beispielsweise ist für die Erzielung einer maximalen Reichweite das optimale Verhältnis von Schub zu Geschwindigkeit bei TL-Flugzeugen maßgebend. Propellerturbinen-Antriebsysteme können wie Kolbenmotorantriebe behandelt werden, wenn für die Leistung eine äquivalente Leistung unter Berücksichtigung des Turbinenrestschubs definiert wird. Päqui D PW C

FR  v A

55 Abb. 55.20 Spezifischer Treibstoffverbrauch für verschiedene Antriebssysteme in Abhängigkeit von der Machzahl

mit dem Restschub FR und der Wellenleistung PW . Tab. 55.18 Spezifischer Treibstoffverbrauch für die unDie verfügbare Leistung ist dann terschiedlichen Antriebssysteme Pverf D Päqui  A D PW  A C FR  v : Für den Vergleich der Antriebssysteme definiert man den spezifischen Kraftstoffverbrauch. Propellerantriebssysteme (PA): CPA D

m P TR : P

Propellerantrieb Reihenmotoren (Viertakt) Boxermotoren (Viertakt) Sternmotoren (Viertakt) Propellerturbine

CPA Œkg=.kW  h/ 0,27–0,34 0,27–0,30 0,27–0,38 0,30–0,39

TL-Triebwerk niedriges Bypass-Verhältnis hohes Bypass-Verhältnis

C [1=h] 0,80 0,50

Die in der Literatur verwendeten Einheiten Tab. 55.19 Treibstoffdichten für Kerosin und Flugbenzin   sind Œkg=.h  kW/ oder Œkg=.h  PS/ Treibstoff  kg=dm3 bei 15 °C Turboluftstrahl-Antriebssysteme (TL): Avgas (Flugbenzin) 0,72 CTL

m P TR  g D : F

Der spezifische Treibstoffverbrauch hat die Einheit Œ.kg  m/=.N  s3 / D Œ1=s, üblicherweise wird jedoch [1=h] verwendet. Auch für Propellerantriebe lässt sich zur besseren Vergleichbarkeit ein ebenfalls auf den Schub bezogener äquivalenter spezifischer Kraftstoffverbrauch definieren CPA äqui D

m P TR  g  v : P  A

Jet A-1 (Kerosin)

0,775–0,825

der Machzahl. Daraus lässt sich bereits weitgehend die Auswahl des Antriebsystems für die einzelnen Flugzeugkategorien ableiten. Weitere Anhaltswerte für den Verbrauch verschiedener Triebwerke im Reiseflug sind in Tab. 55.18 zusammengestellt. Die Treibstoffdichten der üblichen Kraftstoffe sind in Tab. 55.19 aufgeführt.

55.3.3.4 Stationärer Reiseflug Aus der Flugzustandsgleichung (WiderstandsEs gilt hierbei P  A D F  v, wobei A den gleichung) lässt sich für kleine ˛ und  der Antriebswirkungsgrad bezeichnet. erforderliche Schub angeben mit Abb. 55.20 zeigt den spezifischen Kraftstoffverbrauch verschiedener Antriebssysteme über F DW :

1162

R. Voit-Nitschmann und T. Keilig

Abb. 55.21 Schub und Leistung über der Fluggeschwindigkeit

Der Antriebswirkungsgrad A ist geschwindigkeitsabhängig. Nur für Verstell-Luftschrauben % gilt A  const. für den Reiseflugbereich. Perf D F  v D  v3  CW  S : 2 Für das TL-getriebene Flugzeug ist Bei einem Propellerantriebssystem mit der ges 2F gebenen Wellenleistung PW für einen bestimmvD : ten Drosselgrad (Drosselgrad 0;75D75 O % der S  CW  % maximalen Leistung) und der Annahme des GeIn beiden Beziehungen ist CW von v abhängig. samtantriebswirkungsgrades A gilt: Deshalb löst man die Formeln zweckmäßigerweiPerf D PW  A : se iterativ. Den Verlauf des erforderlichen Schubes bzw. Der Antriebswirkungsgrad A beinhaltet den der erforderlichen Leistung zeigt Abb. 55.21. Propeller- und den Einbauwirkungsgrad. Für ein Für das beste Verhältnis von Geschwindigkeit TL-Flugzeug ist für einen vorgegebenen Dros- und Leistung erhält man die maximale Reichweiselgrad der Schub gegeben. Somit lässt sich für te für das Propellerflugzeug. Entsprechend wird einen vorgegebenen Schub bzw. für eine vorge- für das beste Verhältnis von Geschwindigkeit gebene Wellenleistung die erzielbare Geschwin- und Schub für das TL-Flugzeug die maximale digkeit im Horizontalflug angeben. Für das pro- Reichweite erzielt (s. Abb. 55.21, Tangente an pellergetriebene Flugzeug ist die Leistungs- bzw. Schubkurve). Mit minimas ler Leistung bzw. minimalem Schub wird jeweils 2P   A beim Propeller- bzw. TL-Flugzeug die maximale : vD 3 S  CW  % Flugdauer erzielt. Die erforderliche Leistung ist gegeben mit

55 Luftfahrzeuge

1163

Treibstoffverbrauchs an den direkten Betriebskosten beträgt ca. 20 %. Deshalb hat die Optimierung der Reichweite große Bedeutung für den Flugzeugentwurf. Die Masse bzw. das Gewicht des Luftfahrzeugs nimmt aufgrund des Kraftstoffverbrauchs 55.3.3.5 Stationärer Horizontalflug mit ständig ab. Die hier vorgestellten Ansätze bilden minimaler Leistung (PA) Es gilt .PH erf /min D .W  v/min für die erforderli- eine erste Näherung zur Abschätzung der Reiseflugleistungen. Für eine tiefergehende Einfühche Horizontalflugleistung rung in die Problematik der Flugleistungsbestims s mung und deren Überwachung im Linienbetrieb 2G 1 sei auf [23] verwiesen. PH erf D :  2 %S CA3 =CW Für den Treibstoffverbrauch in der Zeit dt erhält man Offensichtlich wird PH erf minimal für den 2 /max . Dies war gleichzeitig die Flug bei .CA3 =CW P TR  dt : dm D dmTR und dmTR D m Bedingung für die geringste Sinkgeschwindigkeit im Gleitflug. Mit CA D CA w min und CW D Für ein Reichweitensegment dR gilt CW w min lässt sich PH min angeben: dm dmTR v oder dR D v  : dR D v  s u m P TR m P TR G 3C  S 4u 2 W0 PH min D t 3   : 3 b % .   e/3 Mit dem spezifischen Kraftstoffverbrauch Mit Hilfe der angenäherten Polaren kann dies auch mathematisch abgeleitet werden (s. Abschnitt Reichweite und Flugdauer, sowie Tab. 55.22).

m P TR  g 55.3.3.6 Stationärer Horizontalflug mit CTL D F minimalem Schub (TL) Aus den Flugzustandsgleichungen leitet man für lässt sich schreiben den stationären Horizontalflug mit D 0 ab:   mA v R D  ln F W CW mE CTL  CCWA D" D D G A CA mit v Reisefluggeschwindigkeit, mA Masse am und somit für den erforderlichen Schub Anfang des Reiseflugs, mE Masse am Ende des Reiseflugs bzw. des Reiseflugsegments. F DG": Dies ist die bekannte Reichweitenformel, die Breguet bereits 1910 aufgestellt hat. Diese in Offensichtlich wird also bei einem Horizon- der Breguet-Gleichung getroffenen Annahmen talflug mit bestem Gleiten "min minimaler Schub erfordern jedoch einen Flug mit konstantem Auferforderlich. triebsbeiwert. Bei abnehmendem Treibstoff und konstanter Geschwindigkeit bedeutet dies ein p FH min D 2G  k  CW0 : ständiges Steigen (Reisesteigflug = cruise climb), da die Luftdichte und damit die Flughöhe ange55.3.3.7 Reichweite passt werden muss. Dieses kontinuierliche SteiDie meisten modernen Transportflugzeuge sind gen während des Reiseflugs wird normalerweidahingehend optimiert, eine möglichst große se von der Flugsicherung nicht gestattet. Denn Nutzlast mit hoher Geschwindigkeit über eine nur durch Zuweisung von konstanten Flughöhen große Reichweite zu transportieren bei möglichst und Geschwindigkeiten lässt sich der Flugvergeringem Treibstoffverbrauch. Der Anteil des kehr vernünftig staffeln. Man kann die Breguet-

55

1164

Gleichung mit geringem Genauigkeitsverlust verwenden, wenn man den Reiseflug in mehrere Segmente konstanter Flughöhe unterteilt und die passende Gleitzahl entsprechend der geänderten Masse einsetzt.

R. Voit-Nitschmann und T. Keilig

55.3.3.8 Flugdauer Für Spezialaufgaben wie z. B. Beobachtungsflüge ist eine möglichst lange Flugdauer erforderlich. Derartige Flugzeuge werden bezüglich der Flugdauer optimiert. Die Flugzeit ergibt sich für ein Wegsegment ds zu

Maximale Reichweite für Propellerflugzeuge. ds Diese Beziehung kann sowohl für Jet- als auch dt D : v für Propellerflugzeuge genutzt werden. Für Propellerflugzeuge muss dann allerdings CPA äqui einFür das Wegsegment kann das Reichweitengesetzt werden. segment dR gesetzt werden Damit gilt für das Propellerflugzeug Z 1 1   dt D  dR ; t D dR mA v  A 1 v v   ln RD : CPA äqui " mE bei v D Rconst. Für Propellerflugzeuge mit Verstell-LuftMit dR aus dem vorangegangenen Abschraube kann A  const. angenommen schnitt ergibt sich die Einsatzdauer E werden.   mA R 1 Somit wird für den Flug mit "min die größtED D  ln : v CTL  " mE mögliche Reichweite erzielt. Maximale Reichweite für TL-Flugzeuge. Es Maximale Flugdauer für Propellerflugzeuge. Mit gilt: gv CPA äqui D CPA  s A p   mA 2G CA 1   ln und RD  : s %  S CTL CW mE 2G vD %  S  CA Die Reichweite wird maximal für p folgt CA d s r   D0: mA A %S CA3 dCA CW ED   ln  : CPA 2G Cw2 mE Mit der einfachen Polarennäherung (symmetrische Polare) erhält man für die Beiwerte: Offensichtlich wird die Flugdauer maximal für r CW0 4 d CA3 und CW R max D CW0 : CA R max D D0: 2 3k 3 dCA CW Entsprechend ergibt sich die zugehörige FlugDies ist gleichzeitig die Bedingung für migeschwindigkeit: nimale Sinkgeschwindigkeit und minimale erv forderliche Leistung für den Horizontalflug. In u 2G 1 u vR max D t : q Bodennähe wird bei PA-Flugzeugen die längste %S CW0 Flugdauer erzielt, da die erforderliche Leistung 3k dort am geringsten ist (abhängig von der Dichte). Der spezifische Kraftstoffverbrauch ist in groMit der einfachen Näherung für die Polare und ßer Höhe am geringsten. Bei relativ hohen Mach- mit r 3 CW0 zahlen, bei denen moderne TL-Flugzeuge in gro; CA E max PA D CA P min PA D ßer Höhe operieren, muss also der Machzahleink CW E max PA D CW P min PA D 4 CW0 fluss berücksichtigt werden.

55 Luftfahrzeuge

1165

erhält man für die Fluggeschwindigkeit bei der längsten Flugdauer vE max PA

v u 2G 1 u Dt : q %S 3 CkW0

Maximale Flugdauer für TL-Flugzeuge. Für TL-Flugzeuge lässt sich sofort angeben, dass für "min die längste Flugdauer erzielt wird. Der Flug in großer Höhe ist dabei wegen des geringeren spez. Kraftstoffverbrauches günstiger. Für die Fluggeschwindigkeit des TL-Flugzeugs er- Abb. 55.22 Steiggeschwindigkeitspolare. Bestes und hält man analog mit der einfachen Näherung der steilstes Steigen Polaren: v und der umgeformten Gleitzahl-Beziehung u 2G 1 u : vE max TL D t q %S CW0 CW k W D G  cos  CA

55.3.3.9 Stationärer Steigflug wird die Steiggeschwindigkeit zu Aus den Flugzustandsgleichungen erhält man die s Gleichung für die Steiggeschwindigkeit: 2G  cos3 P  A 1 wPA D   3 2 ; F W G %S CA =CW w D v  sin D v  G wobei der Wurzelausdruck der Sinkgeschwindigoder durch Ersetzen des Schubes mit F D .PW  keit beim antriebslosen Flug entspricht. Die beste A /=v Steiggeschwindigkeit erhält man für PW  A  W  v wD :

3 G C d C A2 Dabei wird der Ausdruck F  W mit überW D0 schüssigem Schub bzw. PW  A  W  v mit ÜberdCA schussleistung bezeichnet. Mit diesem Überschussanteil kann gestiegen und/oder beschleu- unter der Annahme einer konstanten Leistung. Dies entspricht der Bedingung für geringste Sinknigt werden. Um möglichst schnell Höhe zu gewinnen, geschwindigkeit im Reiseflug und gleichzeitig steigt man mit wmax . Die zugehörige Flugge- dem Flug mit minimaler Horizontalflugleistung. schwindigkeit wird in den Flughandbüchern mit Die maximale Steiggeschwindigkeit errechnet vy bezeichnet. Um am Flugplatzende Hindernis- sich aus (symmetrische Polare) se zu übersteigen wird mit w max gestiegen. Die v P  A u 1 zugehörige Geschwindigkeit wird in den Flugu 2G  cos3 : t q wmax PA D handbüchern mit vx bezeichnet (Abb. 55.22). G %S 3 CW0 k

Beste Steiggeschwindigkeit für PA-Flugzeuge. Bester Steigwinkel für Propellerflugzeuge. Es Mit der Geschwindigkeitsgleichung gilt für den Steigwinkel s 2G  cos PW  A W F W vD D  : sin D %  CA  S G vG G

55

1166

R. Voit-Nitschmann und T. Keilig

Die Bestimmung der dazugehörigen Geschwindigkeit des steilsten Steigens ist nur noch iterativ bzw. anhand der Steiggeschwindigkeitspolaren durch Anlegen der Tangente möglich (Abb. 55.22). Unter Verwendung der Näherungspolaren ergeben sich aufgrund der Abweichungen bei hohen CA -Werten meist unrealistisch große Steigwinkel. Deshalb sollte eine möglichst genau berechnete oder durch Windkanalversuche bestimmte Polare verwendet werden. Beste Ergebnisse werden natürlich durch Flugversuche erzielt. Die Geschwindigkeit für den besten Steigwinkel ist geringer als die für die beste Steiggeschwindigkeit

Tab. 55.20 Rollreibungsbeiwerte für unterschiedliche Bodenbeläge zur Berechnung der Startstrecke Bodenbelag trockener Asphalt/Beton nasser Asphalt/Beton vereister Asphalt/Beton harter Grasboden fester Grasboden weicher Grasboden nasses Gras

Rollreibungsbeiwert µ 0,03–0,05 0,05 0,02 0,05 0,04 0,07 0,08

Startphasen. Der Startvorgang wird in drei Abschnitte unterteilt: Startlauf am Boden, Übergangsbogen und Steigflug.

Startlauf (Abb. 55.23). Während des Rollens am Boden wirken auf das Flugzeug Schub, Widerstand, Auftrieb und die Rollreibung der Räder. Beste Steiggeschwindigkeit für TL-Flugzeuge. Für die Beschleunigung des Flugzeugs gilt Es gilt:  F W g  dv : wDv DaD F  W   .G  A/ : G dt G Mit der symmetrischen Polarennäherung erTypische Rollreibungsbeiwerte siehe hält man Tab. 55.20. s p Mit ds D dv  t ergibt sich für die Rollstrecke F C F 2  12k  G 2  CW0 folgender Zusammenhang : wmax TL D 3%  S  CW0 1;1 Z vS v Die Fluggeschwindigkeit vy , für die beim Jet dv : sR D a die beste Steiggeschwindigkeit erzielt wird, liegt 0 bei relativ hohen Geschwindigkeiten. Als Näherung kann angegeben werden Da der Schub während des Startvorgangs nicht konstant ist, wird in der oben stehenden Gleivy  2 vP min : chung ein mittlerer Wert von 70 % des Schubs bei maximaler Geschwindigkeit dieses Segments Bester Steigwinkel für TL-Flugzeuge. Aus eingesetzt. den Flugzustandsgleichungen folgt Bei höheren Anforderungen an die Genauigkeit kann das Rollsegment in mehrere Abschnitte F W F sin D D ": unterteilt werden. Die Rollstrecke schließt ebenG G falls den Weg des Rotierens mit ein. Die Zeit, die Bei konstantem Schub erhält man daraus bei zwischen dem Erreichen der Abhebegeschwin"min den besten Steigwinkel. digkeit und dem Fliegen des Flugzeugs verstreicht, kann mit etwa 3 s (Verkehrsflugzeuge) 55.3.3.10 Start und Landung angesetzt werden. Bei Flugzeugen der AllgemeiStart- und Landestrecken sind wesentliche Leis- nen Luftfahrt ist 1 s ein typischer Wert. tungsmerkmale von Flugzeugen. Die entsprechenden Bauvorschriften definieren Mindestan- Übergangsbogen. Während des Übergangsboforderungen für die Start- und Landestrecken. gens beschleunigt das Flugzeug von der Abhevx  0;85 : : : 0;9 vy :

55 Luftfahrzeuge

1167

55

Abb. 55.23 Startstrecke

begeschwindgkeit (vAbh D 1;1 vS ) bis zur Steigfluggeschwindigkeit (vst  1;2 vS ). Der mittlere Auftriebsbeiwert ist ca. 0;9 CA max (mit Klappen in Startstellung). Für das mittlere Lastvielfache im Übergangsbogen und dessen Radius gilt

muss das Flugzeug eine Sequenz von verschiedenen Geschwindigkeiten durchlaufen, bevor die Entscheidung zum endgültigen Start gefällt werden kann. Diese Sequenz wird unter der Annahme festgelegt, dass bei einem mehrmotorigen Flugzeug jederzeit während des Starts ein Trieb.1;15 vs /2 werk ausfallen kann. Eine wichtige GeschwinnN D 1;2 D 1;0 C Rg digkeit ist in diesem Zusammenhang die sogenannte Entscheidungsgeschwindigkeit (decision .1;15 vs /2 : ) RD speed v1 ). Bei dieser Geschwindigkeit ist die 0;2 g Strecke (balanced field length) für das AbbremZusammen mit dem angestrebten Steigwinkel sen des Flugzeugs genau gleich groß wie die beergibt sich die Länge des Übergangsbogens zu nötigte Strecke für die Fortsetzung des Starts mit   einem ausgefallenen Triebwerk. Ist das Flugzeug F F W bereits schneller als v1 und ein Triebwerk fällt sin St D ŠR " G G aus, wird der Start fortgesetzt. Bei einem Trieb) sÜ D R  sin St : werksausfall unter v1 wird der Start abgebrochen. Für weitere Informationen siehe FAR25.109 und Steigflug. Die Strecke für das Übersteigen eines LuftBO. Hindernisses ist sSt D

hH  hÜ tan St

Landephasen. Wie der Startvorgang, so wird auch die Landung in drei Abschnitte unterteilt (Abb. 55.24).

mit hH Hindernishöhe und hÜ Höhe des ÜberEndanflug. Die komplette Landestrecke gangsbogens. schließt ein 15 m hohes Hindernis ein, das überZulassungsstartstrecke. Aufgrund von Sicher- flogen werden muss. Die Anfluggeschwindigkeit heitsvorschriften ist der Startvorgang komple- beträgt vAnfl D 1;3 vS . Der steilste Anflugwinxer als vorhergehend dargestellt. Beispielsweise kel ergibt sich für Triebwerke im Leerlauf und

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R. Voit-Nitschmann und T. Keilig

Abb. 55.24 Landestrecke

maximalen Widerstand (Fahrwerk ausgefahren, Tab. 55.21 Reibungsbeiwerte des gebremsten Flugzeuges Klappen voll ausgefahren). Bei Verkehrsflug- auf unterschiedlichen Bodenbelägen zur Berechnung der Landerollstrecke zeugen wird dieser Anflug in der Regel mit Rollreibungsbeiwert µ Anfl D 3ı durchgeführt. Die vom 15 m-Hinder- Bodenbelag gebremst nis bis zum Abfangbogen zurückgelegte Strecke trockener Asphalt/Beton 0,30–0,50 berechnet sich aus: nasser Asphalt/Beton 0,15–0,30 sAnfl D

hH  hÜ : tan Anfl

Ausschweben. Die Aufsetzgeschwindigkeit beträgt vAufs D 1;15 vS . Das Flugzeug verzögert im Abfangbogen von der Anfluggeschwindigkeit auf die Aufsetzgeschwindigkeit. Die mittlere Geschwindigkeit während des Ausschwebens wird mit vAbf  1;23 vS angesetzt. Die Länge des Abfangbogens ergibt sich wieder zusammen mit dessen Radius. Als mittleres Lastvielfaches wird wie beim Startbogen wiederum mit nN  1;2 gearbeitet:  hÜ D R  1  cos Anfl ; q  2 sAbf D R2  R  hÜ : Rollen. Nach dem Aufsetzen wird der Pilot nach einigen Sekunden die Bremsen einsetzen. Hier gelten die in Tab. 55.21 angegebenen Reibungsbeiwerte zur Bestimmung der Rollstrecke. Falls das Jet-Flugzeug mit Umkehrschub ausge-

vereister Asphalt/Beton harter Grasboden fester Grasboden weicher Grasboden nasses Gras

0,06–0,10 0,40 0,30 0,20 0,20

rüstet ist, wird der Umkehrschub ca. 40–50 % des maximalen positiven Schubs betragen. Der Umkehrschub kann in der Regel bei kleinen Geschwindigkeiten nicht mehr eingesetzt werden (Einschränkung wegen Ansaugung von Abgasen). Der Umkehrschub von Propellern kann während des gesamten Rollvorgangs benutzt werden (ca. 40 % des maximalen Schubs für Kolbenflugzeuge und 60 % für Turboprops). Das Nutzlast-Reichweiten-Diagramm. Die Transportleistungen eines Flugzeugs werden gegenüber dem Kunden mit Hilfe des NutzlastReichweiten-Diagramms dargestellt. Außerdem repräsentiert es auch im Entwicklungsprozess einige wesentliche Parameter.

55 Luftfahrzeuge

1169

Tab. 55.22 Zusammenstellung der Flugleistungen Flugleistungen Flugzeugpolare unsymmetrische Polare (Machzahl unabhängig) die symmetrische Polare ergibt sich für CA0 D 0 Bestimmung der Geschwindigkeiten für kleine gilt cos  1

CA D

Gleitflug – bestes Gleiten  Bedingung: dCdA CCWA D 0 d dCA

CA3 2 CW

q

A

CW0 k

 p CW D 2 CW0  CA0 k  CW0 q CA D 3CkW0 (symmetrische Polare)   q  2 2 CW D 4 CW0 C k  CA0  CA0 k 2 3CkW0 C CA0

Gleitflug – geringstes

Sinken Bedingung:

Bestimmungsgleichung bzw. Beiwerte CW D CW min C k  .CA  CA0 /2 CW D CW0 C k  CA2  2k  CA  CA0 2 mit CW min D CW0  k  CA0 q 2Gcos vD r %S CA 2 2Gcos 3 CW wD %S C 3

D0

Gleitflug – maximale Geschwindigkeit Bedingung: W D G Näherung!

v

Kurvenflug (Abb. 55.19) Bedingung: A  cos  D G  cos  G G D CA  %2  v2  S  cos 

vD

q

q

2G %S CW min

2G %S CA cos 

RD

v2 gtan 

wD

1 cos 

nD

3 2

s

2G %S 

3 CA 2 CW

1 cos 

Horizontalflug – minimaler Widerstand  Bedingung: dCdA CCWA D 0

Beiwerte siehe: Flug bei bestem Gleiten

Horizontalflug – minimale Leistung 

Beiwerte siehe: Flug bei geringstem Sinken

Bedingung:

d dCA

CA3 2 CW

D0

Streckenflug (PA) – größte Reichweite  Bedingung: dCdA CCWA D 0

Beiwerte siehe: Flug bei bestem Gleiten

Streckenflug (PA) – größte Flugdauer 

Beiwerte siehe: Flug bei geringstem Sinken q C2 W0 CA D C3k C 9A0 C k C3A0

Bedingung:

d dCA

CA3 2 CW

D0

Streckenflug (TL) – größte

p  Reichweite Bedingung: dCdA CCWA D 0

q CW0 CW D 43 CW0 C 2k .k  3/ C 3k 23 k 8k 3 .k  3/  C A0 9 9

Streckenflug (TL) Flugdauer

– größte  Bedingung: dCdA CCWA D 0

Beiwerte siehe: Flug bei bestem Gleiten

Steigflug (PA) – bestes Steigen



Beiwerte siehe: Flug bei geringstem Sinken

Bedingung:

d w dCA

D

d dCA

CA3 2 CW

D0

Geschwindigkeit  bestes Steigen D vy Steigflug (PA) – steilstes Steigen Bedingung: dCdA D .sin / D 0 Geschwindigkeit  steilstes Steigen D vx Steigflug (TL) – bestes Steigen

 Bedingung:

d w dCA

D

d dCA

CA3 2 CW

D0

Steigflug (TL) – steilstes Steigen Bedingung: dCdA D .sin / D 0

2 CA0 CA0 9

C

Iterative Lösung der Gleichung oder Tangente an Steiggeschwindigkeitspolare A sin D F W D PvG  WG G Beiwerte siehe: Flug bei geringstem Sinken Iterative Lösung der Gleichung oder Tangente an Steiggeschwindigkeitspolare sin D F W G

55

1170

R. Voit-Nitschmann und T. Keilig

Abb. 55.25 Nutzlast-Reichweiten-Diagramm

Für die Zuladung gilt: GZuladung D GAbflug  GLeer : Für das Leergewicht wird hier das operationelle Leergewicht GLeer angesetzt (OWE operating weight empty, s. Abschn. 55.1.3). Die Zuladung selbst setzt sich aus dem Treibstoffgewicht (Fuel) und dem Nutzlastgewicht (Payload) zusammen GZuladung D GTreibstoff C GNutzlast :

die Forderungen nach wachsender Sicherheit und wettbewerbsfähiger Ökonomie und Ökologie vorangetrieben wird. Bei den statisch unbestimmten Flugzeugkonstruktionen der frühen Jahre bedeutete ein lokales Versagen nicht gleichzeitig den Bruch der gesamten Struktur. Dadurch wurde eine gewisse Versagenssicherheit erreicht, die in den 1950er Jahren zur Fail-Safe-Philosophie führte. Mit dem nach dem 2. Weltkrieg beginnenden Jet-Zeitalter trat die Problematik der Materialermüdung (Fatigue) zunehmend in den Vordergrund. Durch die größeren Reiseflughöhen und die deshalb notwendigen Druckkabinen kommt es zu stark wechselnden Membranspannungen infolge des Innendrucks in der Rumpfröhre. Zusammen mit den extremen Temperaturschwankungen, der Spannungsrisskorrosion und der rasant ansteigenden Zahl an Starts und Landungen pro Flugzeug ereigneten sich neuartige, durch Materialermüdung verursachte Unfälle (z. B. 1953/54 de Havilland Comet, [24]). Heutzutage werden Flugzeuge ausgelegt auf:

Im Nutzlast-Reichweiten-Diagramm (Abb. 55.25) sind die bei gegebener Zuladung erzielbaren Reichweiten zusammengestellt. Ausgezeichnete Punkte im Nutzlast-Reichweiten-Diagramm statische Festigkeit (Dehngrenze), sind: Rissentstehung und Risswachstum während des zu erwartenden Flugzeuglebens (Ermü Punkt A: kein Treibstoff, Reichweite 0, nicht dung, Fatigue), sinnvoll, statische Restfestigkeit einer eventuell beschä Punkt B: Entwurfsreichweite mit Entwurfsdigten Struktur, nutzlast (max. Nutzlast), Ermüdungs-Restfestigkeit einer eventuell be B ) C: Reduzierte Nutzlast ermöglicht gröschädigten Struktur (vorgeschriebene Inspekßere Reichweite durch erhöhte Treibstoffzulations-Intervalle), dung, thermische Spannungen, Korrosion, Kontakt Punkt C: maximales Treibstoffvolumen, korrosion und Spannungskorrosion. Reichweite bei maximalem Treibstoff, C ) D: Reichweitenerhöhung durch NutzlastSafe-Life-Philosophie (sicheres Erleben, s. reduzierung (Überführungsreichweite). Bd. 2, Abschn. 1.4.2). Die Flugzeugzelle wird auf die während eines Flugzeuglebens zu erwartenden statischen Lastfälle und das dynamische 55.4 Zelle, Struktur Ermüdungsspektrum hin ausgelegt. Das Auftreten von Ermüdungsrissen wird verhindert, wes55.4.1 Konstruktionsphilosophien halb eine Konstruktion nach diesem Grundsatz und -prinzipien im Allgemeinen schwerer ausfällt. Dennoch gibt es Flugzeugkomponenten, die auch heute noch Die Auslegung und Konstruktion von Luftfahr- nach dieser Philosophie ausgelegt werden, z. B. zeugen ist ein evolutionärer Prozess, der durch die Fahrwerke.

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Fail-Safe (beherrschbares Versagen, s. Bd. 2, Abschn. 1.4.2). Es wird davon ausgegangen, dass Risse auftreten können und damit einzelne Teile unter Umständen sogar ausfallen können. Zur Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit werden redundante Lastpfade konstruiert. Die nach einem eventuellen Versagen einer Einzelkomponente verbleibende Struktur muss ausreichende Restfestigkeit gegen Vibrationen, Flattern oder sonstige unkontrollierten Ereignisse bieten sowie eine sichere Beendigung des Flugs innerhalb des Auslegungsfensters ermöglichen. Um dem Risswachstum entgegenzuwirken, werden ferner auf kritischen Beplankungsfeldern gezielt Rissstopperfunktionen durch entsprechende Doppler oder Blechstöße vorgesehen. Durch das immer größer werdende Wissen darüber, wie und wo Ermüdungsrisse auftreten, sind noch heute Flugzeuge und Hubschrauber im Einsatz, die ihre ursprünglich zugelassene Flugstundenzahl in der Zwischenzeit um ein Vielfaches überschritten haben (z. B. Douglas DC-3, Bell UH-1 Huey).

55.4.2

Lasten, Lastannahmen

Damage-Tolerance-Philosophie (ertragbarer Schaden). Zusätzlich zu der Fail-Safe-Philosophie werden nun in der Struktur vorhandene Risse sowie deren Wachstum mit berücksichtigt. Voraussetzung hierfür ist, dass das Risswachstum analysiert und zeitlich verfolgt wird. Es wird davon ausgegangen, dass speziell definierte „nicht entdeckbare“ Schäden und Risse anwachsen können, innerhalb eines Wartungsintervalls jedoch nicht zu einem kritischen Versagen der Struktur führen. Entdeckbare Schäden und Risse werden repariert, falls zu erwarten ist, dass sie bis zur nächsten Wartung eine kritische Größe erreichen. Somit muss schon bei der Konstruktion der Flugzeugzelle das während der späteren Nutzungsphase durchzuführende Inspektions- und Wartungskonzept (Maintenance) mit einbezogen werden. Dieser enge Kontakt zwischen Flugzeugherstellern und Wartungsunternehmen wird zum Beispiel dadurch verdeutlicht, dass allein in die Entwicklung des Airbus A340 rund 30 000 Ingenieurstunden der Lufthansa-Technik AG eingeflossen sind.

Innerhalb der für die entsprechende Flugzeugkategorie maßgebenden Bauvorschrift (Tab. 55.1) werden neben den allgemeinen Anforderungen insbesondere auch die Forderungen an die Festigkeit und Steifigkeit der Luftfahrzeugstruktur im jeweiligen Subpart C festgelegt. Diese Lastannahmen bilden die Grundlage für die Dimensionierung der gesamten Flugzeugstruktur sowie einzelner Strukturkomponenten. Auch das Sicherheitsvielfache (im Allgemeinen j D 1;5) sowie davon abweichende zusätzliche Sicherheitsfaktoren für Gussteile, Beschläge, Lager und Gelenke sind dort definiert. Im Übrigen galt für den allgemeinen Sicherheitsfaktor bis zum Jahre 1945 nach der damaligen Bauvorschrift für Verkehrsflugzeuge j D 1;8. Eine Reduzierung des Sicherheitsfaktors wurde damals angestrebt um Strukturgewicht einsparen zu können. Dass die Zuverlässigkeit unter der Herabsetzung nicht gelitten hat, ist zum einen einer verringerten Streuung von Werkstoffeigenschaften und Fertigungstoleranzen zu verdanken, vor allem jedoch den immer weiter

Die für den Betrieb der Luftfahrzeuge anzunehmenden Lasten haben sich über die Dauer der Luftfahrzeugentwicklung historisch entwickelt. Im September 1900, drei Jahre vor dem ersten Motorflug, schrieb Wilbur Wright in einem Brief an seinen Vater: „I am constructing my machine to sustain about five times my weight and I am testing every piece. I think there is no possible chance of its breaking while in the air.“ Dieses Statement enthält alle wesentlichen Elemente des Festigkeitsnachweises für eine Flugzeugstruktur: Die Struktur muss in der Lage sein definierte Lastfälle zu ertragen. Der Nachweis wird durch Berechnung erbracht und durch Strukturversuche unterstützt. Die erzielte Strukturfestigkeit muss derartig sein, dass ein katastrophales Versagen während des Betriebes ausgeschlossen ist.

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Abb. 55.26 v-n-Diagramm für Abfangmanöver-Lastfälle nach [7]. 1 Wölbklappen voll ausgefahren, 2 Wölbklappen in Neutralstellung, 3 negative Wölbklappenstellung

verbesserten Berechnungsmethoden und Lastannahmen [24]. Auch der für die Dimensionierung zugrunde gelegte Einsatzbereich der entsprechenden Flugzeugkategorie wird dort durch das v-n-Diagramm festgelegt. Das v-n-Diagramm wird konstruiert, indem man die maximal zulässigen Grenzlastvielfachen (s. Abschn. 55.2.7) über den Bemessungsgeschwindigkeiten (EAS, vgl. Abschn. 55.2.5) aufträgt (Abb. 55.26). Typische positive Manöverlastvielfache betragen für Transportflugzeuge ca. n D 2;5, für Leichtflugzeuge n D 3;8 (Normalkategorie), n D 4;4 (Utility-Kategorie) bzw. n D 6 (Aerobatic Kategorie) sowie für Segelflugzeuge n D 5;3 (Normalkategorie) bzw. n D 7 (Aerobatic Kategorie). Nicht nur Flugmanöver erzeugen Lastvielfache: auch der Einflug in Böenfelder, also aufsteigende oder absinkende Luftmassen, erzeugen Beschleunigungen, denen das Luftfahrzeug widerstehen muss. Diese entstehen durch eine Erhöhung oder Verringerung des Anströmwinkels am Tragflügel und damit einer Auftriebserhöhung oder -verringerung. Vernachlässigt man den Einfluss des Höhenleitwerkes und betrachtet man einen konventionellen Flugzeugentwurf, so berechnet sich das Böenlastvielfache bei Einflug in eine harte, abrupte Böe nach [7] wie folgt

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Abb. 55.27 v-n-Diagramm für Böen-Lastfälle nach [7]. 1 Wölbklappen voll ausgefahren, 2 Wölbklappen in Neutralstellung, 3 negative Wölbklappenstellung

Gewicht pro Flügelfläche und CA0 der Auftriebsgradient des Flügels bei Erhöhung des Anströmwinkels. Der Böenabminderungsfaktor berücksichtigt instationäre Vorgänge beim Einflug in die Böe. Damit erhält man eine Geradengleichung mit der Fluggeschwindigkeit als Veränderliche. Zeichnet man diese Geradenschar, die bei Variation der Böengeschwindigkeit entsteht, in das v-n-Diagramm ein, so entsteht Abb. 55.27. Die Böenlastvielfachen können vor allem bei geringer Flächenbelastung über den Abfanglastvielfachen liegen. Die somit ermittelten Lasten werden in einer Lastfalltabelle dargestellt. Für jede einzelne Komponente des Luftfahrzeuges existiert ein sogenannter dimensionierender Lastfall, für den die Grenze der Belastbarkeit erreicht wird entweder hinsichtlich Festigkeit, Steifigkeit, Stabilität (Knicken, Beulen) oder auch hinsichtlich der Flattergrenze. Unter Flattern versteht man das aeroelastische Verhalten einer Flugzeugstruktur bei gewissen Eigenfrequenzen [25]: Da Flügel, Rümpfe und Leitwerke eine Strukturweichheit besitzen können sie sich unter dem Wechselspiel von Luftund Massenkräften biegen und verdrehen. Flattern tritt immer dann ein, wenn dem Schwingungsvorgang aerodynamisch mehr Energie zugeführt wird, als durch die Strukturdämpfung kg  %  v  u verlorengeht. Somit ist die Flattergrenze kein  CA0 : nD1˙ Festigkeitskriterium für die Struktur, sondern oft 2.G=SF / die aeroelastische Begrenzung der maximalen Dabei ist kg ein Böenabminderungsfaktor, v Fluggeschwindigkeit vD . die Fluggeschwindigkeit (EAS), u die BöengeDer Nachweis der Strukturfestigkeit gegenschwindigkeit, G=SF die Flächenbelastung als über den zugrunde gelegten Lasten erfolgt durch

55 Luftfahrzeuge

Rechnung, welche durch statische und dynamische Strukturversuche unterstützt wird. Bei Transportflugzeugen müssen die theoretischen Lastannahmen durch Flugversuche verifiziert werden.

55.4.3

Leichtbau

In den Pioniertagen des Flugzeugbaus wurden die Querkräfte, Biegemomente und Torsionsbelastungen von Flügel und Rumpf durch Fachwerkstrukturen aufgenommen. Für die Aussteifung der Fachwerksdiagonalen wurden dabei oft Spanndrähte verwendet und die aerodynamischen Oberflächen durch Stoffbespannungen erzielt. Ein Gewichtsminimum lässt sich allerdings nur dann erzielen, wenn alle Strukturelemente auf ihre Versagensgrenze hin ausdimensioniert und dabei Mehrfachfunktionalitäten voll ausgenutzt werden. So wird heutzutage beispielsweise die Flügelbeplankung, die ursprünglich nur für die aerodynamische Formgebung vorgesehen war, unter den stetig anwachsenden Leichtbauforderungen auch zur Aufnahme des Torsionsmoments aus der Flügelverdrehung und zum Teil auch erheblicher Lasten der Flügelbiegung herangezogen. Ein anschauliches Beispiel für den Leichtbau bei Luftfahrzeugen ist die Faustregel, dass bei einem modernen Transportflugzeug die Nutzlast ca. 20 % des MTOW beträgt und das Leergewicht des Flugzeugs sowie der Treibstoff je einen Anteil von ca. 40 % zum MTOW beisteuern. Bei einem Langstreckenflugzeug verringert sich dabei der prozentuale Nutzlastanteil zugunsten einer höheren Treibstoffkapazität, für einen Kurzstrecken-Airliner verhält es sich entsprechend umgekehrt. Als Anschauungsbeispiel einige Daten des Airbus A340-200: Leergewicht im Airline-Einsatz 123 t; MTOW 257 t; max. Treibstoff 138 638 Liter (ca. 114 t); max. Nutzlast (Passagiere und Luftfracht) 46 t; max. Reichweite 8400 NM bzw. 15 500 km. Je nach Flugmission kann nun mit maximaler Zuladung nur eine reduzierte Reichweite erflogen werden oder umgekehrt mit reduzierter Zuladung die maximale Reichweite (vgl.

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Abb. 55.25). Die nominelle Reichweite des Airbus A340-200 beträgt 7350 NM (13 600 km) inklusive der vorgeschriebenen Treibstoffreserve für einen Flug zu einem 200 NM entfernten Ausweichflughafen.

55.4.3.1 Schalenbauweise Die Schalenkonstruktionen des Flugzeugbaus in Blechbauweise werden durch Längsprofile (Stringer) und Querprofile (Spanten bzw. Rippen) versteift. Dabei übernehmen die Hautfelder der Blechbeplankung auch tragende Funktionen. Diese Strukturen sind statisch unbestimmt und wurden erst durch die Idealisierung des Schubfeldschemas berechenbar, durch das die Berechnungsmethoden der Baustatik auf längs- und querversteifte Schalen wie Flügel und Rümpfe übertragen werden konnten. Der wesentliche praktische Unterschied gegenüber Fachwerken besteht darin, dass die Zahl der Längsversteifungen (Stringer) sehr viel größer ist. Drill-/Biegedrillknicken, Steg-/Flanschbeulen. Die Verwendung von offenen Querschnittsformen für Stringer zur Versteifung der Hautfelder und zur Fertigung von Rippen, Holmstegen und Spanten führte zu neuen Versagensformen. Während man bis dahin nur das Eulerknicken des auf Druck belasteten Stabes kannte, sind nun weitere Versagensformen zu beobachten: Die dünnwandigen, offenen Profile sind verhältnismäßig torsionsweich und versagen daher unter Druckbelastung nicht auf Biegung sondern durch Wegdrehen des Querschnittes (Drillknicken) oder bei unsymmetrischen Querschnitten durch Wegdrehen und gleichzeitiges Knicken (Biegedrillknicken, s. Bd. 1, Abschn. 25.1.6). Dieses Biegedrillknicken wird durch eine beim Ausknicken der Neutralachse auftretende Querkomponente der Längskraft hervorgerufen, die nicht durch den Schubmittelpunkt des Profils geht und somit Torsion hervorruft. Bei den im Flugzeugbau verwendeten dünnwandigen Aluminiumprofilen können neben dem reinen Kippen als Biegeträger (s. Bd. 1, Abschn. 25.2) auch weitere Formen eines Stabilitätsversagens wie das Beulen der Profilwände in Gestalt von Steg- oder Flanschbeulen auftreten (Abb. 55.28).

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beginnt das Blechfeld unter Ausbildung von Diagonalfalten zu beulen (s. Bd. 1, Abschn. 25.3.1).

Abb. 55.28 Beulformen an einem zweiflanschigen Blechprofil bei Längsdruck sowie für Steg und Flansche als Einzelstreifen bei gegenseitiger Drehstützung (nach [26])

Schubfeldschema. Längs- und querversteifte Schalen entsprechen grundsätzlich dem Aufbau einer Fachwerkkonstruktion, wobei an Stelle der Diagonalstäbe nun Vollwände eingefügt sind. Statt der räumlichen Fachwerke, die in statisch bestimmten Fachwerkscheiben zerlegt werden, hat man jetzt versteifte Blechscheiben von vielfacher statischer Unbestimmtheit zu untersuchen. Zur Berechnung dieser komplexen Schalenbauteile wird ein vereinfachtes System aus Längs- und Querstäben und dazwischen liegenden Schubfeldern angenommen. Die Stäbe sollen rechtwinkelig und miteinander gelenkig verbunden sein, also nur Normalkräfte übertragen. Die Hautfelder übertragen den pro Feld als konstant angenommenen Schubfluss. Die Berechnung ebener Schubfelder kann mit geringem Aufwand auf schwach gekrümmte Schalenelemente erweitert werden. Beulen. In den Blechfeldern der versteiften Flugzeugstrukturen trat in den 1930er Jahren mit dem Beulen infolge von Druck- und Schubbelastungen ein neues Phänomen des Stabilitätsversagens auf: Wird in einem Schubfeld die kritische Schubspannung überschritten, was insbesondere bei sehr dünnen Blechen frühzeitig auftritt, so

Zugfeldträger. In umfangreichen experimentellen und theoretischen Untersuchungen wurde erkannt, dass die Tragfähigkeit der Struktur mit dem ersten Auftreten von Beulen noch nicht vollständig erschöpft ist: Durch das Beulen verliert das Blechfeld in der Druckdiagonalen seine Tragfähigkeit, behält sie in der Zugdiagonalen jedoch bei. Durch Lastumlagerungen in vertikale oder diagonale Pfosten mit ausreichend geringem Abstand oder durch Stegversteifungen in Längsrichtung kann die Struktur eine weitere Laststeigerung ertragen [27]. Bis zum endgültigen Versagen der Hautfelder auf Zug oder der Pfosten durch Knicken kann von einem Zugfeldträger eine gewisse Überschreitung der kritischen Beullast ertragen werden. Bei Aluminium sind hierbei Überschreitungsgrade von bis zu 10 möglich. Die Ausbildung derartiger Zugfelder kann natürlich nur dort zugelassen werden, wo die Faltenbildung nicht zu einer Beeinträchtigung der Aerodynamik führt oder die Ermüdung keine kritische Rolle spielt. Zur Verwirklichung einer versteiften Rumpf- oder Flügelschale können verschiedene Konstruktions- bzw. Fertigungsphilosophien (s. Bd. 1, Abschn. 32.13) herangezogen werden: Differentialbauweise. Die einfachste Möglichkeit ist die punktuelle Verbindung der Blechhaut mit den Versteifungselementen. Die Verbindung erfolgt in erster Linie durch Nieten, seltener durch Kleben oder Schweißen. Die Längsversteifungen (Stringer) sind meistens durchgehend mit der Beplankung verbunden, während die Querversteifungen (Rippen bzw. Spante) an den Kreuzungspunkten ausgespart sind. Die Differentialbauweise entspricht somit dem klassischen Blechbau, wobei die Leichtbauaussparungen in Rippen und Spanten mit Bördeln versehen sind und die notwendigen Wandstärkenänderungen in den Hautfeldern (bei Ausschnitten, Fügungen, Krafteinleitungen) durch Doppler-Bleche erreicht werden (Abb. 55.29a). Das Zusammensetzen vieler einfach zu fertigender Einzelteile, welche für sich alleine sehr gut berechen- und dimensionierbar sind, birgt

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a

b

c

Abb. 55.29 Verschiedene Schalenbauweisen am Beispiel eines Tragflügelkastens (Biegetorsionsträger), Prinzipskizzen nach [26]. a Differentialbauweise, b Integralbauweise, c Sandwichbauweise

jedoch Nachteile aufgrund der Fügungen: Zum einen werden enge Toleranzen für die Nietbohrungen gefordert, sodass die zu fügenden Teile gemeinsam verbohrt werden müssen, und zum anderen ergeben sich durch die sehr häufigen Eingriffe ins Material Kerbwirkungen und somit Spannungsüberhöhungen. Integralbauweise. Durch Bauteile, die aus einem Stück gefertigt werden, wird die getrennte Fertigung vieler Einzelteile sowie die zeitund kostenaufwändige Fügung einschließlich ihrer festigkeitsmindernden und fertigungstechnischen Nachteile vermieden. Die Auflösung einer Leichtbauschale in ihre Längs- und Querversteifungen sowie Hautfelder mit den spezifischen Aufgaben und Eigenschaften entfällt dabei keinesfalls, allerdings bilden sie eine organische Einheit (Abb. 55.29b). Integralbauteile können nicht nur als Guss- oder Gesenkpressteile ausgeführt werden, sondern auch durch chemisches Ätzen (Reduzierung der Wandstärke in Hautfeldern) oder durch mechanisches Zerspanen hergestellt werden. Durch verbesserte Aluminiumlegierungen und Wärmebehandlungsverfahren wurde es möglich, mehrere Zentimeter dicke homogene Platten mit gleichbleibend guten Eigenschaften herzustellen. Mit den zur Verfügung stehenden großen CNC-

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Fräsmaschinen werden nun großflächige Flügelbeplankungsfelder inklusive Stringern, Ausschnitten und Wandstärkenschwankungen gefertigt. Dabei werden Zerspanungsgrade von über 90 % des eingesetzen Materials erreicht. Die derzeit zum Einsatz kommenden 5-Achs-CNC-Fräsmaschinen erlauben die Herstellung von ganzen Flügelbeplankungen (Boeing B777 upper wing skin). Durch anschließendes Kugelstrahlen oder Stauchen der Stege werden die ebenen Felder (panels) der gekrümmten Profil-/Rumpfkontur angepasst. Sandwichbauweise (s. Bd. 1, Abschn. 32.13). Die sogenannten Stützkernverbunde werden aus Faserverbundwerkstoffen (FVW) hergestellt und kommen vor allem bei schwach gekrümmten und flächig belasteten Bauteilen zum Einsatz. Sie stellen extreme Leichtbaukonstruktionen dar und bestehen aus einem relativ dicken Kern geringer Dichte und den beiden Deckschichten, welche bei Beanspruchung die Zug- und Druckkräfte aufnehmen. Der schubbelastete Kern dient dazu, die beiden Deckschichten auf konstantem Abstand zu fixieren und besteht meist aus Hartschäumen (30 bis 70 kg=m3 ), Aramid- oder Papierwaben. So lässt sich das Trägheits- und das Widerstandsmoment der Schale bei nur unwesentlich höherem Strukturgewicht beträchtlich erhöhen. Beispielbauteile sind etwa aerodynamische Verkleidungen, Fußböden und Innenverkleidungen, aber auch viele Tragflügel von Segel- und Leichtflugzeugen sind komplett in der Sandwichbauweise ausgeführt (Abb. 55.29c). In jüngster Zeit werden auch kernlose Sandwichbauteile aus Abstandsgeweben oder dreidimensional gewebten Faserstrukturen für ihren Einsatz im Flugzeugbau hin untersucht [28].

55.4.4

Werkstoffe und Bauweisen

Von den Anfängen der Fliegerei bis heute haben sich vier grundlegende Bauweisen von Flugzeugen entwickelt: Holzbauweise. Als Werkstoffe fanden zuerst Holzleisten, Sperrholz (d. h. Schichtholz mit

55

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wechselnder Orientierung), Bambusrohre, Weidenruten, Draht (Klaviersaiten) und Baumwollstoff Verwendung. Alle wichtigen Baugruppen wie Tragflächen, Rumpf und Leitwerk werden aus Holz hergestellt, mit Sperrholz beplankt oder mit Stoff bespannt. Das Holz wird dabei entsprechend der Belastung faserorientiert eingesetzt: Für Holme verläuft die Faserrichtung längs, für Torsionsnasen unter ˙ 45°. Die Holzverarbeitung im Flugzeugbau erreichte zur Herstellung von Knickholmen, Holzrohren und -propellern durch Biegen, Schäften, Verleimen usw. eine heute kaum mehr vorstellbare handwerkliche Qualität [29]. Herstellung und Reparatur gestalten sich einfach. Geringe Wetterfestigkeit und Splittergefährdung bei Unfällen sind jedoch große Nachteile. Der Werkstoff Holz erlebte im 2. Weltkrieg eine Renaissance wegen der eingeschränkten Verfügbarkeit von Aluminiumlegierungen und fand im Segelflugzeugbau bis in die 1960er Jahre hinein Verwendung. Gemischtbauweise. Tragflächen und Leitwerk sind zumeist in Holz ausgeführt. Der Rumpf wird aus einem verschweißten Stahlrohrgerüst gebildet, das mit Stoff bespannt wird. Die Sicherheit der Besatzung bei Unfällen ist hierbei höher zu bewerten als bei der reinen Holzbauweise. Die Gemischtbauweise wird noch bei Klein- und Leichtflugzeugen angewendet. Metallbauweise. Ab 1930 Entwicklung ziviler Transportflugzeuge aus Aluminium. Um dieses im Vergleich zu Stahl leichte aber weiche Metall in Flugzeugstrukturen einsetzen zu können, mussten zuerst hochfeste Aluminiumlegierungen entwickelt werden [30]. Mit der Einführung der Blechbauweise traten neue Probleme bei der Bemessung und Berechnung der Struktur auf, zumal gleichzeitig die Fluggeschwindigkeiten zunahmen. Wegen der größeren Beanspruchung sowie der verlangten höheren Lebensdauer und Sicherheit, ist die Metallbauweise die heutige Standardbauweise aller Flugzeuge. Die komplette Zelle besteht dabei aus Leichtmetalllegierungen. Neben Aluminium kommen Magnesium (s. Bd. 1, Abschn. 31.2.3) und Titan (s. Bd. 1, Abschn. 31.

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Abb. 55.30 Anteil der Faserverbundwerkstoffe am Strukturgewicht (nach [32])

2.4) zum Einsatz, aber auch Lithium als besonderes Legierungselement. Faserverbundbauweise (s. Bd. 1, Abschn. 32.13 und Abb. 55.30). Die Faserverbundbauweise wird häufig auch nur als Kunststoffbauweise bezeichnet, obwohl zum Erreichen der geforderten Festigkeiten und Steifigkeiten immer Faserverstärkungen (Fibre reinforcement) in Form von Glasfasern, Kohlenstoffasern und/oder Aramidfasern zum Einsatz kommen [28]. Als Matrix (Bettungsmasse) werden Epoxidharze, seltener Phenolharze, verwendet. Im Jahre 1957 flog das erste GFK-Segelflugzeug (fs 24 Phönix) und ab 1972 eroberte mit der SB 10 auch die steifere CFK-Bauweise den Segelflugzeugbau [31]. Nur Segelflugzeuge und Leichtflugzeuge werden heute komplett in der Faserverbundbauweise gefertigt. Im Verkehrsflugzeugbau setzen sich tragende Komponenten in dieser Bauweise langsam durch. Leitwerke, Ruder und Klappen, aber auch schon komplette Tragflächen werden in Faserverbundbauweise gefertigt. In Zukunft sollen auch Rümpfe so hergestellt werden. Großbauteile werden in Negativ-Halbschalen mit Hilfe der Autoklavtechnik gefertigt und verklebt, teilweise auch vernietet. Für Kleinserien und im Segelflugzeugbau hat sich die Nasslaminiertechnik in Negativformen durchgesetzt. Amateurflugzeuge werden z. T. auch in Positivbauweise gefertigt. Ein weites Feld findet die Faserverbundbauweise für nichttragende Sekundärbauteile: Innenausstattungen, aerodynamische Verkleidungen, Fahrwerksklappen usw. aus faser-

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Tab. 55.23 Die Systematik der im Werkstoff-Handbuch der Deutschen Luftfahrt enthaltenen Werkstoffe Teil 1: Metallische Werkstoffe Band 1: Stahl und Nichteisenmetalle 0.0000–0.9999 1.0000–1.9999 2.0000–2.9999 Band 2: Leichtmetalle 3.0000–3.4999 3.5000–3.6299 3.7000–3.7999 4.3851–4.3854 Teil 2: Nichtmetallische Werkstoffe Band 1: 5.0000–5.3999 5.4100–5.4199 5.4200–5.4299 5.5000–5.5899 Band 2: 5.5900–5.5999 5.7000–5.7999 6.1000–6.1099 6.2000–6.2099 6.3000–6.5099 8.2300–8.2699 8.3500–8.3699 8.4300–8.4699

Roheisen und Ferrolegierungen Stähle und hochwarmfeste Legierungen Nichteisenmetalle (ausgenommen Leichtmetalle) Aluminium und Aluminiumlegierungen Magnesium und -legierungen Titan und Titanlegierungen Sinterbronze

Kunststoffe und faserverstärkte Kunststoffe strukturelle Klebstoffe Haftgrundmittel für strukturelle Klebstoffe Gummi, Gummi-Verbundstoffe (Elastomere) Dichtmassen und Haftgrundmittel Anstrichstoffe Vollholz, Schichtholz, Sperrholz Bespannstoffe Gurtbänder und Textilien Aramidfasern (Gewebe, Rovings, Prepregs) Kohlenstoffasern (Gewebe, Rovings, Prepregs) Glasfasern (Gewebe, Rovings, Prepregs)

verstärkten Kunststoffen sind nicht mehr wegzu- die Nummer des zugehörigen WL-Blattes ist. Zur denkende Leichtbauteile. weiteren Spezifikation wird der Werkstoffnummer noch eine ein- oder zweiziffrige Zustands55.4.4.1 Werkstoffkennwerte bzw. Anhängezahl hinzugefügt. Das WerkstoffDie in der Luft- und Raumfahrt an die Werkstoffe Handbuch der Deutschen Luftfahrt besteht aus gestellten Anforderungen setzen ein umfangrei- zwei Teilen (Tab. 55.23). ches Wissen um ihre Eigenschaften und ihr VerIn der Luftfahrt werden von jeher möghalten in Wärme, Kälte und anderen Umweltein- lichst leichte Werkstoffe eingesetzt. Die Beflüssen voraus. Für tragende Bauteile in Luftfahr- wertung der Werkstoffkennwerte erfolgt daher zeugen dürfen nur Werkstoffe verwendet werden, über den gewichtsspezifischen E-Modul E=% und die mit ihren Werkstoffkennwerten im Werkstoff- die gewichtspezifische Bruchfestigkeit (ReißlänHandbuch der Deutschen Luftfahrt [33] aufge- ge) Rm =%, jeweils in Kilometern (vgl. Bd. 1, führt sind. Der Einsatz anderer Materialien macht Abschn. 32.13). Durch Werkstoffe mit höherer Festigkeit und eine vorherige Genehmigung durch die Zulassungsbehörde (EASA) erforderlich. Für die Bau- steiferer Strukturbauweisen wurde es möglich, teilzulassung werden dann auch umfangreiche freitragende Flügel (cantilever wing) ohne Streexperimentelle Festigkeitsnachweise unter Be- ben und Abspannungen zu bauen, obwohl ihr Strukturgewicht etwa 40 % über dem eines abtriebsbedingungen gefordert. Für jeden in das Werkstoff-Handbuch der gestrebten Flügels (braced wing) liegt. Jedoch Deutschen Luftfahrt aufgenommenen Werkstoff wurde so eine bessere aerodynamische Güte der gibt es ein Werkstoff-Leistungsblatt (WL-Blatt). Tragwerke erreicht, da die Flügelstreben (struts) Dabei wird jeder Werkstoff durch eine fünfstelli- insbesondere bei höheren Fluggeschwindigkeiten ge Zahl nach [34, 35] bezeichnet, die gleichzeitig einen immensen Widerstand erzeugen.

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Gleichzeitig ermöglichten die festeren und steiferen Werkstoffe auch die Realisierung widerstandsarmer Profile mit immer geringeren Profildicken. Die Profildicken heutiger Verkehrsflugzeuge liegen bei 14 bis 16 %. Beim Segelflugzeug DG-600 in CFK-Bauweise beispielsweise kommt das bisher dünnste Segelflugprofil mit nur 11,7 % relativer Flügeldicke zum Einsatz (Spannweite 17 m, Flügelfläche 11,6 m2 , Streckung 25, Wurzeltiefe 930 mm, Gewicht pro Flügel ca. 70 kg). Durch die versagenstolerante Konstruktionsphilosophie (Damage Tolerance) verlagerten sich die Kriterien für die Werkstoffauswahl und Werkstoffentwicklung weg von immer höheren Festigkeiten hin zu bruchmechanischen Kriterien wie Risszähigkeit, Rissfortschritt und kritischer Risslänge, wobei auch die Probleme der Korrosion und Spannungskorrosion Beachtung finden.

55.4.5 Rumpf Der Rumpf eines Flugzeugs stellt das Volumen zur Verfügung für die Aufnahme der Besatzung (Crew) und der Nutzlast (Payload), bestehend aus Passagieren (Pax), dem Gepäck (Baggage) und der Luftfracht (Cargo). Sein Äußeres muss widerstandsarm, im Idealfall stromlinienförmig, gestaltet sein. An der Struktur des Rumpfes werden die Hauptanbauteile wie Höhen- und Seitenleitwerk, die Fahrwerke und häufig auch die Triebwerke befestigt. Da die beiden Tragflügel über ein Flügelmittelstück (Abb. 55.5) oder eine Holmbrücke miteinander verbunden sind, bilden sie eine durch den Rumpf hindurchgehende Einheit. Um das nutzbare Volumen im Rumpf nicht unnötig einzuengen, sind Mitteldecker daher eher selten, sondern vielmehr hängt der Rumpf unter dem Tragflügel (Schulter-/Hochdecker) oder sitzt auf ihm (Tiefdecker).

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Rumpf zugunsten eines konstanten Rumpfquerschnitts aufgegeben. Daher liefert der Rumpf mit 30 bis 50 % auch den größten Anteil am Gesamtwiderstand des Flugzeugs. Aus Leichtbaugründen – und bei Flugzeugen mit Druckkabinen auch aus Festigkeitsgründen – ist ein kreisförmiger oder ovaler Rumpfquerschnitt optimal. Bei Propeller-Flugzeugen ohne Druckkabine wird vor dem Hintergrund der Fertigungskosten und wegen des besseren Sitzkomforts der außen sitzenden Passagiere auf einen rechteckigen Querschnitt zurückgegriffen (z. B. Dornier Do228, Shorts 330/360). Wenn man den Rumpf alleine betrachtet, sollte aus aerodynamischen Gründen das Verhältnis von Rumpflänge zu Rumpfdurchmesser etwa lR =dR D 6 betragen (Abb. 55.6). Der Gesamtwiderstand von Rumpf und Leitwerk zusammen wird jedoch bei einem Verhältnis von 8 bis 9 minimal, da ein längerer Rumpf dem Leitwerk einen größeren Hebelarm bietet und somit aus flugmechanischen Gründen kleinere Leitwerksflächen möglich werden. Die Basisversion eines neuen Flugzeugtyps wird nach diesen Empfehlungen widerstandsarm ausgelegt und kann zur Befriedigung der Kundenwünsche später auch noch bis etwa lR =dR D 5 verkürzt oder bis ca. lR =dR D 14 gestreckt werden.

Cockpit-Bereich und Heckkonus. Während die Gestalt des Cockpitbereiches von Funktionalität und Sicherheitsaspekten diktiert wird, bietet das Rumpfheck Potential zur Reduzierung des Widerstandes. Hierbei gilt es, die gegensätzlichen Forderungen von Druckanstieg (d. h. möglichst langes Heck), umspülter Oberfläche und Strukturgewicht (d. h. möglichst kurzes Heck) gleichzeitig zu berücksichtigen. Der Heckwinkel auf der Rumpfunterseite muss so gestaltet sein, dass das Flugzeug beim Start den zum Abheben erforderlichen Anstell55.4.5.1 Anforderungen an den Rumpf winkel erreicht, ohne mit dem Heck die Startbahn Aus Gründen der Funktionalität und aus Fer- zu berühren (tail strike). tigungsaspekten (einfach gekrümmte Beplankungsbleche, gleiche Spant-Geometrien) wird Druckkabine. Bei hochfliegenden Flugzeugen bei heutigen Passagier- und Transportflugzeugen muss der Bereich für die Passagiere und die die Forderung nach einem stromlinienförmigen Nutzlast sowie das Cockpit als Druckkabine aus-

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geführt werden, welche eine abgeschlossene Einheit bildet. Diese hat aus Festigkeitsgründen im Idealfall eine zylindrische Form und wird hinter dem Nutzlastbereich und vor dem Cockpit jeweils durch einen kalottenförmigen Druckspant (Druckschott) abgeschlossen. Innerhalb der Druckkabine wird nicht der am Boden herrschende Druck beibehalten, sondern mit zunehmender Flughöhe der Druck wegen der sonst ungerechtfertigt hohen Membranspannungen in den Hautfeldern (Leichtbau) ebenfalls reduziert. Bei einem Reiseflug in 12 000 Meter (193 hPa) wird ein Kabinendruck von etwa 750 hPa (2500 Meter) eingestellt, woraus sich je nach Umgebungsbedingungen ein Differenzdruck von 600 bis 700 hPa ergibt. Passagierbereich. Je nach Klasse (First/Business/Economy) sind Mindestmaße für Sitzabstand, Sitzbreite und Gangbreite vorgeschrieben, ebenso wie die Anzahl der Gänge (Aisles), der Toiletten und der Notausgänge. Für Flugzeuge mit mehr als 44 Passagieren wird eine Evakuierung des vollbesetzten Flugzeugs innerhalb von 90 Sekunden vorgeschrieben. Dies hat zur Folge, dass bei einem Wide-Body-Rumpf deutlich mehr Notausgänge erforderlich sind als für ein NarrowBody-Flugzeug. Luftfracht (Cargo). Der Luftfrachtbereich befindet sich bei modernen Verkehrsflugzeugen unter dem Passagierdeck. Neben dem Volumen der Frachträume ist deren Form (Querschnitt) von entscheidender Bedeutung, da es standardisierte Luftfracht-Container für schnelles Be- und Entladen gibt.

55.4.5.2 Rumpfstruktur Die Rumpfstruktur muss ausgelegt werden für die Aufnahme der aus der Druckkabine resultierenden Belastungen, für die sichere Einleitung der Lasten von Tragwerk, Leitwerken, Triebwerken und Fahrwerken sowie zusätzlich für die von der Zuladung hervorgerufenen Massenkräfte. Fachwerkrümpfe. In den Anfangsjahren des Luftfahrzeugbaus entstanden Fachwerkrümpfe aus Holz bzw. Stahlrohr mit Stoffbespannung,

55

Abb. 55.31 Anschlüsse von Ringspanten an einer längsgestringerten Zylinderschale über Schubwinkel (nach [27])

dann geodätische Fachwerke mit nichttragenden Beplankungen aus Sperrholz. Zwischen dem Motor und dem Cockpit ist aus Sicherheitsgründen ein nicht brennbares bzw. in einem möglichen Brand nicht schmelzendes Brandschott – meist aus Stahl – vorgeschrieben. Schalenrumpf. Rümpfe moderner Transportflugzeuge werden ausschließlich in LeichtmetallSchalen-Bauweise ausgeführt. Die dünnwandige Zylinderschale wäre ohne Aussteifungen instabil gegen Druck- und Schubbelastung. Deshalb wird die Blechhaut in Längsrichtung durch Stringer und Holme sowie in Querrichtung durch Spante ausgesteift. Die Grundphilosophie bei der Gestaltung der versteiften Rumpfröhre besteht darin, den Längsverbund (Haut und Stringer/Holme) und den Querverbund (Spante) möglichst ungestört auszuführen. Deshalb werden die Stringer/Holme durchgehend auf die Rumpfhaut aufgebracht. Die Spante werden nach innen versetzt, mit möglichst ungestörtem Querschnitt ausgeführt und mittels Schubwinkel an der Haut und den Stringern befestigt (Abb. 55.31). In seltenen Fällen (meist bei Leichtflugzeugen ohne Druckkabine) sind die Spante für die Stringer und zur Durchführung von Versorgungsleitungen ausgespart.

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Rumpfhaut. Die Rumpfhaut trägt die aus der Druckdifferenz herrührenden Membranspannungen. Außerdem werden Schubkräfte aus der Torsionsbelastung sowie der Querkrafteinleitung über die Spante aufgenommen. Gemeinsam mit den Stringern und Längsholmen wird ein Anteil der Längskräfte aus der Rumpfdurchbiegung (Leitwerklasten und Trägheitslasten) aufgenommen. Die übliche Blechstärke für die Rumpfbeplankung eines Verkehrsflugzeuges liegt – örtliche Verstärkungen ausgenommen – zwischen 0,8 und 3,2 mm [36], die Mindestblechstärke lässt sich, s. Gl. (32.3) abschätzen. Längsprofile/Holme. Die Stringer übernehmen den Hauptanteil der Längskräfte, welche durch die Rumpfdurchbiegung hervorgerufen werden. Sie sind durchlaufend ausgeführt, um den von ihnen aufgenommenen Längskraftfluss nicht zu unterbrechen. Außerdem dienen die Stringer der Längsversteifung der beulgefährdeten Schale. Der typische Stringerabstand beträgt 15 bis 25 cm. Aus Korrosionsgründen kommen meist offene Profile zur Anwendung. Spante. Die Spante erfüllen hauptsächlich die Aufgabe der Querversteifung der Rumpfröhre (Formhaltigkeit der Rumpfquerschnitte) und verhindern somit ein generelles Stabilitätsversagen. Weiterhin dienen einige stabiler ausgeführte Spante der Einleitung von Querkräften resultierend aus Tragflügel-, Leitwerks- und Kabinenbodenbelastungen in die Rumpfschale. Für moderne Transport- und Passagierflugzeuge beträgt der typische Spantabstand etwa 500 mm (20 inch). Die Ringspante selbst weisen eine durchschnittliche Profilhöhe von 90 bis 150 mm auf. Die Ringspante sind dabei nicht direkt mit der Rumpfbeplankung verbunden, sondern über sogenannte Schubwinkel (Clips). Schubwinkel. Über diese Schubwinkel wird die durch den Innendruck der Rumpfröhre herrührende Normalbelastung der Beplankungsfelder auf die Spante übertragen. Andererseits wird der Querkraftschub in den Spanten als reiner Schub auf die Haut verteilt. Daher ist die Befestigung

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der Clips am Spant mit einer horizontalen Nietreihe für Schubkräfte und einer vertikalen für die Zugkrafteinleitung erforderlich. Gleichzeitig erfüllen die Schubwinkel noch die Funktion der Aussteifung des Spantprofils gegen Beulen und durch eine zusätzliche Anbindung der Schubwinkel an die Stringer werden diese auch noch gegen Auskippen gestützt. Die für Aerodynamiker und Statiker ideale Rumpfröhre wird allerdings aus konstruktiven Gründen an vielen Stellen unterbrochen durch: Türen, Ladeluken, Fenster, Notausgänge, Fahrwerksklappen, Wartungsklappen usw. Diese Bereiche müssen gesondert verstärkt und ausgesteift werden.

55.4.6

Tragflügel

Der Tragflügel wird in erster Linie durch die den Auftrieb erzeugende, aerodynamische Flächenlast auf Biegung und Torsion beansprucht. Ferner wird die Tragflügelstruktur durch ihr Eigengewicht sowie die Massenkräfte des Treibstoffs und der Triebwerke belastet. Diese wirken der Luftkraftresultierenden entgegen und entlasten die Biegebeanspruchung des Flügels im Flug. Somit ist der ungünstigste Lastfall für den Tragflügel bei einem Verkehrsflugzeug, das praktisch den gesamten Treibstoff im Flügel mit sich führt, oft das MZFW mit nahezu leergeflogenen Tanks. Auch dem Blitzschutz und der Ableitung von elektrostatischen Aufladungen ist am Flügel besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Die Torsionsbelastung des Flügels hat verschiedene Ursachen. Da die angreifenden Kräfte vom Flugzustand abhängig sind und die Anordnung des Holmes durch die Profilform festgelegt ist, lässt sich eine Torsionsbelastung auch nicht vermeiden. Beim nicht gepfeilten Flügel entstehen Torsionsmomente durch aerodynamische Kräfte und Massenkräfte. Die meisten Flügelprofile haben aufgrund ihrer Wölbung einen negativen Momentenbeiwert. Dadurch wird ein Moment erzeugt, das von der Fluggeschwindigkeit abhängig ist. Da die aerodynamische Luftkraft des Auftriebs näherungsweise immer an der gleichen Stelle bei

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55

Abb. 55.32 Belastungen an einem Tragflügel sowie verschiedene Benennungen und Rippenbauweisen in der Prinzipdarstellung. Einblicke: A Stringerversteifung im Holmkasten, B Fachwerkrippe, C Blechrippe als Schwappschott. 1 Vorderholm, 1a Obergurt, 1b Holmsteg, 1c Untergurt, 2 Hinterholm, 2a Ober-

gurt, 2b Holmsteg, 2c Untergurt, 3 Querkraftbeschläge, 4 Rippen, 5 Wurzelrippe, 6 Stringer, 7 Pfosten, 8 Beplankungsfeld, 9 Endleiste, WF Widerstandskraft des Tragflügels, AF Auftriebskraft des Tragflügels, MF Torsionsmoment des Flügels

ca. 25 % Profiltiefe angreift, ist das dadurch erzeugte Moment nur von der Flugmasse und dem Lastvielfachen abhängig. Bei Veränderungen der Profilgeometrie (Ausfahren von Klappen) verändert sich darüber hinaus auch der Angriffspunkt der Luftkräfte relativ zur elastischen Achse bzw. zur Schubmittelpunktsachse der Flügelstruktur, die sich bei eingefahrenen Klappen je nach Konstruktion zwischen 30 und 45 % Flügeltiefe befindet. Zusätzlich zu diesen aerodynamischen Belastungen kommen noch Massenkräfte. Abhängig vom Angriffspunkt dieser Kräfte führen auch sie zu einer Torsionsbelastung. Da bei gepfeilten Flügeln (Abb. 55.9) der Holm nicht parallel zur y-Achse des flugzeugfesten Koordinatensystems ist, ergibt sich beim

Übergang auf ein anderes Koordinatensystem ein Torsionsmoment aus dem Biegemoment des Flügels (Abb. 55.32). Grundsätzlich hat ein gepfeilter Flügel aber eine höhere Strukturmasse als ein entsprechender Flügel mit rechteckigem Grundriss oder ein ungepfeilter Trapezflügel. Allerdings lässt sich bei gepfeilten Flügeln durch eine Flügelschränkung das Wurzelbiegemoment deutlich verringern, wodurch der Tragflügel auch wieder leichter gebaut werden kann.

55.4.6.1 Flügelstruktur Die Tragflügelstruktur kann unterteilt werden in eine tragende Primärstruktur und die daran angebauten beweglichen Steuerflächen (Querruder, Hochauftriebssysteme und Landehilfen usw.).

1182

Primärstruktur. Der Entwurf der Struktur und der Lastpfade im Inneren einer Tragfläche ist eng mit dem eingesetzten Werkstoff und der Fertigungsmethode verbunden. Während sich im Blechbau der einfach oder mehrfach geschlossene Kasten als Biegetorsionsträger durchgesetzt hat, verteilt man bei den Faserverbundflügeln von Segel- und Leichtflugzeugen die Biegung und Torsion wieder auf Holm und Schale [37, 38]. Bei Tragflügeln, die in der klassischen HolmRippen-Bauweise gebaut sind, ist die Flügelstruktur mit einer nichttragenden Beplankung/Bespannung versehen. Der Strukturaufbau aus Holmen und Rippen wird auch bei Schalenflügeln in Blechbauweise beibehalten. Lediglich bei Faserverbund-Sandwichschalen kann auf Rippen weitestgehend verzichtet werden. Wie an der Rumpfröhre so wird auch am Flügel die ideale Struktur einer durchgehenden Beplankung häufig unterbrochen durch Fahrwerksklappen, Mannlochdeckel, Wartungsklappen usw. Diese Bereiche müssen in der Strukturauslegung gesondert betrachtet werden ebenso wie die Aufhängungen der Triebwerke und Fahrwerke, die Angriffspunkte der Aktuatoren für die aerodynamischen Hochauftriebssysteme sowie deren Lagerpunkte.

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daher, dass dem fest mit den Gurten verbundenen Steg im gurtnahen Bereich des Druckgurts eine Stauchung und im Bereich des Zuggurts eine Dehnung aufgezwungen wird. Durch die Biegeverformung des Holmes wird der Steg zusätzlich noch auf Druck senkrecht zu den Gurten (Holmabtriebskraft) beansprucht [37]. Holme in Blechbauweise sind häufig als Zugfeldträger ausgeführt. Dabei wird zwischen den Gurten, welche aus Strangpressprofilen gefertigt oder als gefräste Integralbauteile eingesetzt werden, eine Schubwand mit vertikalen, auf Druck belasteten Pfosten eingesetzt. In einem nach dem Fail-Safe-Prinzip ausgelegten Tragflügel darf nun das Versagen eines dieser Pfosten oder Zugfelder noch nicht zum Gesamtversagen der Struktur führen.

Rippen. Die Rippen verlaufen entweder senkrecht zum Holm oder in Anströmrichtung von der Flügelnase bis zur Endleiste. Sie stützen die Beplankung (bzw. Bespannung) und stellen so die aerodynamische Profilierung des Tragflügels sicher. Als Hilfsrippen werden Rippen bezeichnet, die entweder nur vor oder nur hinter dem Holm sitzen. Sie dienen zur Aussteifung der Flügelnase (Torsionsnase) oder im hinteren Bereich als Lagerrippen zur Befestigung der Querruder- oder Holme. Die Holme verlaufen entlang der Klappenscharniere (Abb. 55.33). Spannweitenrichtung des Flügels und nehmen das Biegemoment, hervorgerufen durch den Auf- Torsionskasten. Zur Aufnahme der Flügeltorsitrieb, auf. Sie sind im Bereich der Flügelwurzel on ist es zusätzlich notwendig, einen geschlossedie am meisten belasteten Bauteile des Flügels. nen Kasten mit möglichst großer umschlossener Die Holme selbst sind als Leichtbau-Biegeträ- Fläche (Torsionssteifigkeit) innerhalb der Tragflüger ausgelegt. Um mit möglichst geringem Mate- gelstruktur vorzusehen. Dies wird entweder durch rialeinsatz die gewünschte Steifigkeit und Festig- einen Holmkasten bestehend aus einem vorderen keit zu erreichen, werden sie häufig als I-Träger und hinteren Holm oder durch ein Strukturkonoder als Kastenträger ausgeführt. Bei Struktur- zept in Schalenbauweise realisiert (Abb. 55.34). konzepten mit nur einem Holm sollte dieser zur Den Anforderungen von Torsion und Biegung geAusnutzung des Trägheitsmoments an der Stelle nügt ein Holmkasten zwischen etwa 15 % und der größten Profildicke sitzen. Die mit Normal- 65 % der Flügeltiefe. Damit steht einerseits vor kräften belasteten oberen und unteren Bereiche und hinter dem Holmkasten noch genügend Raum werden als Holmgurte (spar cap) bezeichnet. Die zur Integration der Hochauftriebssysteme, andesenkrecht stehenden Wandungen, die sogenann- rerseits aber auch ein hinreichend großes Tankvoten Holmstege (spar web), werden nicht nur auf lumen (Integraltank) zur Verfügung. Schub beansprucht, sondern auch durch Normalkräfte senkrecht und parallel zur Gurtrichtung. Integraltank. Durch die Forderung nach imParallel zu den Gurten rühren die Normalkräfte mer größeren Reichweiten und größerer Nutzlast

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a

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dass alle Fügungen und Nietbohrungen, die eine Leckage ermöglichen könnten, schon während der Montage mit Dicht-Paste (Seal) abgedichtet werden. Um zu verhindern, dass der Treibstoff bei Flugmanövern in Spannweitenrichtung zu schwappen beginnt, sind in festgelegten Abständen die Rippen zwischen Vorder- und Hinterholm als Schwappschott ausgeführt (Abb. 55.32). Auch ist die Struktur eines solchen Integraltanks auf einen beim Betanken auftretenden Innendruck von bis zu 3 bar hin auszulegen.

Steuerflächen. Für die zum Tragwerk gehörenden beweglichen aerodynamischen Steuerflächen gelten die selben Leichtbauforderungen wie für b das Gesamtflugzeug. Sie sind meistens ebenfalls Abb. 55.33 Anschluss von Rippen in einem längsgestrin- aus Rippen, Holm und einer tragenden Schale gerten Holmkasten über Schubwinkel, nach [27]. a Diffeaufgebaut. rentialbauweise, b Integralbauweise

Querruder. Sie nutzen durch ihre Position außen an den Flügeln den maximalen Hebelarm der Flügelspannweite und schlagen entgegengesetzt aus. Konstruktiv kann dem negativen RollWende-Moment durch differenzierte Ruderausschläge oder durch gleichzeitiges Ausfahren der Spoiler entgegengewirkt werden. Um einer Ruderumkehr vorzubeugen, was vor allem bei Pfeilflügeln von Bedeutung ist, muss die primäre Tragflügelstruktur besonders torsionssteif ausgeführt sein. Ruderumkehr kann dann auftreten, wenn das nach unten ausschlagende Querruder infolge der dann größeren Profilwölbung den gesamten Flügel im Außenbereich verdreht, anstatt nur den Auftrieb zu erhöhen. In diesem Fall kommt es anstelle der gewünschten Auftriebserhöhung durch den Ruderausschlag zu einer Verkleinerung des Anstellwinkels und Abb. 55.34 Strukturkonzepte für Biegetorsionsträger: verschiedene Holmsysteme, Kastensysteme, einfach oder damit zu einer Reduzierung des Auftriebs im Querruderbereich. mehrfach geschlossene Schalen (nach [27]) muss auch immer mehr Treibstoff mitgeführt werden. Um gleichzeitig auch noch Strukturgewicht einsparen zu können, werden keine eigenen Kraftstofftanks konstruiert, sondern man nutzt die abgeschlossenen Hohlräume in der Flügelstruktur (Holmkasten) direkt als Tank (Integraltank). Hierzu wird es allerdings erforderlich,

Hochauftriebssysteme. Die Notwendigkeit zur Konstruktion von auftriebserhöhenden Klappen ergibt sich aus den konträren Forderungen nach einer möglichst hohen Reisefluggeschwindigkeit und einer möglichst geringen Start-/Landegeschwindigkeit, welche beide mit ein und demselben Flügel erreicht werden müssen.

55

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Abb. 55.36 Mögliche Bauarten von Landehilfen (Prinzipdarstellungen)

Landehilfen (Air brakes). Diese Klappen wirken nicht nur auftriebserhöhend zur Reduzierung der Mindestfahrt sondern auch widerstandserhöhend zur Steuerung des Gleitpfades, d. h. des Anflugwinkels, bzw. zur Reduzierung der Fluggeschwindigkeit (Bremsklappen) [11]. Bei Verkehrsflugzeugen werden die Spoiler zur Vernichtung des Auftriebs vollständig ausgefahren, sobald das Fahrwerk den Boden berührt (Abb. 55.36). Abb. 55.35 Mögliche Bauarten von Hochauftriebshilfen, häufig auch kombiniert ausgeführt (Prinzipdarstellungen)

55.4.7 Dabei findet der Reiseflug mit eingefahrenen Klappen (clean wing) statt, während für den Start und den Steigflug sowie für den Landeanflug und die Landung an der Flügelnase und/oder an der Flügelhinterkante verschiedene Klappensysteme stufenweise ausgefahren werden können. Das Prinzip dieser auftriebserhöhenden Klappen beruht auf einer Erhöhung der Profilwölbung und einer Vergrößerung der Flügelfläche [11]. Gleichzeitig wird durch die Spalte (slots) der ausgefahrenen Klappen (flaps) die Grenzschicht (boundary layer) beeinflusst: von der Flügelunterseite fließt eine energiereiche Luftströmung auf die Profiloberseite und bildet dort eine neue Grenzschicht aus (Abb. 55.35).

Wartung und Instandhaltung

Neben dem Routine-Check vor jedem Start (PreFlight-Check) durch die Besatzung bzw. das Bodenpersonal sind zusätzliche tägliche und wöchentliche System-Überprüfungen (Ramp Check und Service Check) laut Flug- und Betriebshandbuch vorgeschrieben. Für die Durchführung von Reparaturen gibt es – soweit vom Hersteller nicht näher spezifiziert – umfangreiche Anweisungen [39]. Das eigentliche Wartungskonzept besteht aus umfangreichen Inspektions- und Prüfprogrammen, die mit einem Werftaufenthalt des Flugzeugs verbunden sind. Die vorgeschriebenen Intervalle sind definiert über die Zahl der absolvierten Flugstunden oder Starts, werden jedoch

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Tab. 55.24 Intervalle und Umfang der Wartungsprogramme für einige Verkehrsflugzeuge B 737 A-Check 350 h

B 747 650 h (6–7 Wochen)

A 300 350 h

A 320 350 h

B-Check 5 ½ Monate

1800 h

1000 h

—

C-Check 15 Monate

18 Monate

18 Monate

15 Monate

D-Check 22 000 h 25 000 Starts 108 Monate

31 000 h 72 Monate

25 000 h 12 500 Starts 108 Monate

102 Monate

Werftliegezeit Arbeitsumfang über Nacht – Kabinen-Inspektion– System-Checks ( 20–130 Mannstunden) ein Tag – Inspektion der Struktur– intensive System-Checks ( 200–1000 Mannstunden) wenige Tage – detaillierte Inspektion der Struktur(Entfernen aller Verkleidungen)– High-Level SystemChecks ( 600–1400 Mannstunden)  6 Wochen – Zerlegen aller Komponenten,– Struktur- und System-Überholung– Durchführung aller vom Herstellerempfohlenen Nachrüstungen– Neulackierung ( 50 000 Mannstunden)

spätestens nach Ablaufen einer zeitlichen Frist Literatur fällig (Tab. 55.24). Große Maintenance-Betriebe der Luftverkehrsgesellschaften sind von den Luftfahrtbe- Spezielle Literatur 1. Abkommen über die internationale Zivilluftfahrt hörden nicht nur als Instandhaltungsbetrieb zu(ICAO-Abkommen, Chicago Convention) vom 7. gelassen, sondern zum Teil auch als luftfahrtDezember 1944. Bundesgesetzblatt 1956 II, S. 411, aktuelle Fassung vom 1. Oktober 1998 technische Entwicklungsbetriebe. Das heißt, dass sie autorisiert sind, tiefgreifende Änderungen an 2. Arendts, F.J., Dörner, H.: Struktur und Werkstoffe (Zelle). In: Ein Jahrhundert Flugzeuge. VDI-Verlag, Flugzeugen vorzunehmen und InstandhaltungsDüsseldorf (1990) systeme zu modifizieren. So haben Maintenance- 3. Luftverkehrsgesetz LuftVG. Bundesgesetzblatt I, S. 550 (1999) Betriebe unzählige intelligente Prüf- und Reparaturverfahren zur zeit- und kostensparenden 4. ESDU, Performance Volume 2, ITEM 68046, Atmospheric Data for Performance Calculation (1995) Instandhaltung der Flugzeuge erarbeitet und qua- 5. DIN 9300: Begriffe, Größen und Formelzeichen in lifiziert. Ein Beispiel ist das von der Lufthansader Flugmechanik, Teil 1–7 Technik AG entwickelte Verfahren für die Re- 6. Thomas, D., Freytag, J.: Flugtechnische Tabellen und Formeln. Selbstverlag, Fürstenfeldbruck (1995) paratur von Bauteilen aus Faserverbundwerkstof7. JAR22 Joint Airworthiness Requirements Part 22: fen. Auch hat sich gezeigt, dass die Wartung Erste Durchführungsverordnung zur Bauordnung von Verkehrsflugzeugen nicht nur im Hinblick für Luftfahrtgerät (Lufttüchtigkeitsforderungen für Segelflugzeuge und Motorsegler). Bundesanzeiger auf den sehr hohen Sicherheitsstandard zwingend (2002) vorgeschrieben sein muss, sondern den Luftver8. Airworthiness Standards: Transport Category Airkehrsgesellschaften durch ständige Optimierung craft FAR Part 25 (1999) der Systeme auch ein Potential zu Treibstoffein- 9. Abbott, I., von Doenhoff, A.: Theory of wing sections. Dover Publications, New York (1959) sparung bietet.

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1186 10. Schlichting, H, Truckenbrodt, E.: Aerodynamik des Flugzeuges. Springer, Berlin (1967) 11. Dubs, F.: Aerodynamik der reinen Unterschallströmung. Birkhäuser, Basel (1990) 12. Eppler, R.: Airfoil design and data. Springer, Berlin (1990) 13. Althaus, D.: Niedriggeschwindigkeitsprofile. Vieweg, Braunschweig (1996) 14. Hoerner, S., Borst, H.: Fluid-dynamic lift. Selbstverlag, Brick Town (1975) 15. Prandtl, L.: Führer durch die Strömungslehre. Vieweg, Braunschweig (1965) 16. Weissinger, J.: Über die Erweiterung der Prandtl’schen Theorie der tragenden Linie. Math. Nachr. 2 (1949) 17. Hoerner, S.: Fluid-dynamic drag. Selbstverlag, Brick Town (1965) 18. ESDU: Engineering science data unit. London (1995) 19. Brüning, G., Hafer, X., Sachs, G.: Flugleistungen. Springer, Berlin (1986) 20. Thomas, F.: Grundlagen für den Entwurf von Segelflugzeugen. Motorbuch-Verlag, Stuttgart (1979) 21. Hale, F.J.: Introduction to aircraft performance, selection, and design. Wiley, New York (1984) 22. Roskam, J.: Airplane Design, Part VII. Roskam Aviation and Engineering Corp., Ottawa (1989) 23. Wagenmakers, J.: Aircraft performance engineering. Prentice-Hall, New York (1991) 24. Braun, W.: Die Luftkräfte am Flugzeug. Schmidt, Braunschweig (1957) 25. Stender, W., Kießling, F.: Aeroelastic Flutter Prevention in Gliders and Small Aircraft. DLR-Mitteilung 91-03. Institut für Aeroelastik, Göttingen. DLR Berichtswesen, Köln (1991) 26. Wiedemann, J.: Leichtbau, Bd. 1: Elemente. Springer, Berlin (1986) 27. Wiedemann, J.: Leichtbau, Bd. 2: Konstruktion. Springer, Berlin (1989) 28. Flemming, M., Roth, S.: Faserverbundbauweisen. Springer, Berlin (2003) 29. Jacobs, H., Lück, H.: Werkstattpraxis für den Bau von Gleit- und Segelflugzeugen. Otto Maier, Ravensburg (1955); neu aufgelegt: Schäfer, Hannover (1989) 30. Peery, D.J.: Aircraft Structures. McGraw-Hill, New York (1950) 31. Brinkmann, G., Zacher, H.: Die Evolution der Segelflugzeuge. Bernard & Graefe, Bonn (1992) 32. Long, G.: Future directions in aeronautical composites. 21st ICAS-Congress, Melbourne (1998) 33. DIN Deutsches Institut für Normung e. V. – Normenstelle Luftfahrt: Werkstoff-Handbuch der deutschen Luftfahrt. Beuth, Berlin Teil 1 (1982) und Teil 2 (1981) 34. DIN 17 007-4: Werkstoffnummern, Systematik der Hauptgruppen 2 und 3, Nichteisenmetalle. Beuth, Berlin (1963) 35. DIN EN 10 027-2: Bezeichnungssysteme für Stähle, Teil 2: Nummernsystem. Beuth, Berlin (1992)

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Fachausdrücke

Deutsch-Englisch Abdichten des Arbeitsraumes Sealing of the working chamber Abfallbrennstoffe Fuel from waste material Abgasemission Exhaust emissions Abgasturbolader Exhaust-gas turbocharger Abgasverhalten Exhaust fume behavior Ablauf technischer Fermentationen Course of technical fermentation Abschaltbare Thyristoren Gate turn off thyristors Abschätzverfahren zur Bestimmung des Schallleistungspegels Valuation method of determine the noise power level Abscheiden von Feststoffpartikeln aus Flüssigkeiten Separation of solid particles out of fluids Abscheiden von Partikeln aus Gasen Separation of particles out of gases Abscherbeanspruchung Transverse shear stresses Absolute und relative Strömung Absolute and relative flow Absorbieren, Rektifizieren, Flüssig-flüssig-Extrahieren Absorption, rectification, liquidliquid-extraction Absorptionskälteanlage Absorption refrigeration plant Absorptions-Kaltwassersatz Absorbtion of cold water Absorptionswärmepumpen Absorption heat pumps Absperr- und Regelorgane Shut-off and control valves Abstrahieren zum Erkennen der Funktionen Abstracting to identify the functions

Abtragen Erosion Achsenkreuze Axis systems Achsgetriebe Axis gearing Achsschubausgleich Axial thrust balancing Ackeret-Keller-Prozess Ackeret-keller-process Adaptive Regelung Adaptive control Adiabate, geschlossene Systeme Adiabatic, closed systems Adsorbieren, Trocknen, Fest-flüssig-Extrahieren Adsorption, drying, solid-liquid-extraction Aerodynamik Aero dynamics Agglomerationstechnik Agglomeration technology Agglomerieren Agglomeration Ähnlichkeitsbeziehungen Similarity laws Ähnlichkeitsbeziehungen und Beanspruchung Similarity conditions and loading Ähnlichkeitsgesetze (Modellgesetze) Similarity laws Ähnlichkeitskennfelder Turbomachinery characteristics Ähnlichkeitsmechanik Similarity mechanics Aktive Maßnahmen zur Lärm- und Schwingungsminderung Actice steps toward noise and vibration reduction Aktive Sicherheitstechnik/Bremse, Bremsbauarten Active safety/brakes, types of brakes Aktoren Actuators Aktuatoren Actuators Akustische Messtechnik Acoustic measurement Algen Algae Algorithmen Algorithms Allgemeine Anforderungen General requirements Allgemeine Arbeitsmethodik General working method

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 B. Bender und D. Göhlich (Hrsg.), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59715-6

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Allgemeine Auswahlkriterien General Selection criteria Allgemeine Bewegung des starren Körpers General motion of a rigid body Allgemeine ebene Bewegung starrer Körper General plane motion of a rigid body Allgemeine Formulierung General formulation Allgemeine Grundgleichungen Fundamentals Allgemeine Grundlagen General fundamentals Allgemeine Grundlagen der Kolbenmaschinen Basic principles of reciprocating engines Allgemeine Korrosion General Corrosion Allgemeine räumliche Bewegung General motion in space Allgemeine Tabellen General Tables Allgemeine Verzahnungsgrößen General relationships for all tooth profiles Allgemeiner Lösungsprozess General problemsolving Allgemeiner Zusammenhang zwischen thermischen und kalorischen Zustandsgrößen General relations between thermal and caloric properties of state Allgemeines General Allgemeines Feuerungszubehör General furnace accessories Allgemeines über Massenträgheitsmomente Moment of inertia Allgemeines und Bauweise General and configurations Allgemeingültigkeit der Berechnungsgleichungen Generalization of calculations Alternative Antriebsformen Alternative Power train systems Aluminium und seine Legierungen Aluminium and aluminium alloys Analog-Digital-Umsetzer Analog-digital converter Analoge elektrische Messtechnik Analog electrical measurement Analoge Messwerterfassung Analog data logging Analyse der Einheiten (Dimensionsanalyse) und ˘ -Theorem Dimensional analysis and ˘ -theorem Analytische Verfahren Methods of coordinate geometry Anbackungen Start of baking process

Fachausdrücke

Anergie Anergy Anfahren Start-up period Anfahren und Betrieb Start up and operation Anforderungen an Bauformen Requirements, types of design Angaben zum System System parameters Anisotropie Anisotropy Anlagencharakteristik Plant performance characteristics Anorganisch-chemische Analytik Inorganic chemical analysis Anregungskräfte Initial forces, start-up forces Anschluss an Motor und Arbeitsmaschine Connection to engine and working machine Anstrengungsverhältnis nach Bach Bach’s correction factor Antrieb Driver Antrieb und Bremsen Driver and brakes Antriebe Drives Antriebe der Fördermaschinen Drive systems for materials handling equipment Antriebe mit Drehstromsteller Drives with three-phase current controllers Antriebs- und Steuerungssystem Motion and control System Antriebsmotoren und Steuerungen Drive systems and controllers Antriebsschlupfregelung ASR Drive slip control Antriebsstrang Drive train Anwenden von Exponentengleichungen Use of exponent-equations Anwendung Application Anwendung und Vorgang Application and procedures Anwendung, Ausführungsbeispiele Applications, Examples Anwendungen und Bauarten Applications and types Anwendungsgebiete und Auswahl von Industrierobotern Applications and selection of industrial robots Arbeit Work Arbeitgebundene Pressmaschine Press, working process related Arbeits- und Energiesatz Energy equation Arbeitsaufnahmefähigkeit, Nutzungsgrad, Dämpfungsvermögen, Dämpfungsfaktor

Fachausdrücke

Energy storage, energy storage efficiency factor, damping capacity, damping factor Arbeitsfluid Working fluid Arbeitsplanung Production planning Arbeitssicherheit Safety Arbeitssteuerung Production planning and control Arbeitsverfahren bei Verbrennungsmotoren Type of engine, type of combustion process Arbeitsverfahren und Arbeitsprozesse Engine types and working cycles Arbeitsvorbereitung Job planning Arbeitsweise Functioning Arbeitswissenschaftliche Grundlagen Basic ergonomics Arbeitszyklus Working cycle Arbeitszyklus, Liefergrade und Druckverluste Work cycle, volumetric efficiencies and pressure losses Armaturen Valves and fittings Asynchron-Kleinmotoren Asynchronos small motor Asynchronlinearmotoren Asynchronos linear motor Asynchronmaschinen Asynchronous machines Aufbau Body Aufbau, Eigenschaften, Anwendung Design, characteristic and use Aufbauorganisation von Steuerungen Organisation of control systems Aufgabe Task, Definition Aufgabe und Einordnung Task and Classification Aufgabe, Einteilung und Anwendungen Function, classification and application Aufgaben Applications Aufgaben der Montage und Demontage Tasks of assembly and disassembly Aufgaben des Qualitätsmanagements Scope of quality management Aufgaben, Eigenschaften, Kenngrößen Applications, characteristics, properties Aufladung von Motoren Supercharging Auflagerreaktionen an Körpern Support reactions Aufwölbung und Bewegungen im Schmelzgut Bulging of the surface and melt circulation in induction furnaces

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Aufzüge Elevators Aufzüge und Schachtförderanlagen Elevators and hoisting plants Ausarbeiten Detail design Ausführung und Auslegung von Hydrogetrieben Configuration and Layout of hydrostatic transmissions Ausführungen Types Ausführungen von Halbleiterventilen Types of semi-conductor valves Ausgeführte Dampferzeuger Types of steam generator Ausgeführte Motorkonstruktionen Design of typical internal combustion (IC) engines Ausgeführte Pumpen Pump constructions Ausgleich der Kräfte und Momente Compensation of forces and moments Ausgleichsvorgänge Transient phenomena Auslegung Basic design principles Auslegung einer reibschlüssigen Schaltkupplung Layout design of friction clutches Auslegung einfacher Planetengetriebe Design of simple planetary trains Auslegung und Dauerfestigkeitsberechnung von Schraubenverbindungen Static and fatigue strength of bolted connections Auslegung und Hauptabmessungen Basic design and dimensions Auslegung von Hydrokreisen Design of hydraulic circuits Auslegung von Industrieturbinen Design of industrial turbines Auslegung von Klimadaten Interpretation of climate data Auslegung von Wärmeübertragern Layout design of heat exchangers Auslegungsgesichtspunkte, Schwingungsverhalten Layout design principles, vibration characteristics Ausschnitte Cutouts Äußere Kühllast External cooling load Ausstattungen Equipment Auswahl einer Kupplungsgröße Size selection of friction clutches Auswahlgesichtspunkte Type selection Auswertung von Messungen Analysis of measurements Automatisierte Montage Automated assembly

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Automatisierung in der Materialflusstechnik Automation in materials handling Automatisierung von Handhabungsfunktionen Automation of material handling functions Automobil und Umwelt Automobile and environment Axiale Repetierstufe einer Turbine Axial repeating stage of multistage turbine Axiale Repetierstufe eines vielstufigen Verdichters Axial repeating stage of multistage compressor Axiale Sicherungselemente Axial locking devices Axiale Temperatur- und Massenstromprofile Axial temperature and mass flow profile Axiale Temperaturverläufe Axial temperature profile Axialtransport Axial transport Axialverdichter Axial compressors Bagger Excavators Bakterien Bacteria Bandsäge- und Bandfeilmaschinen Bandsawing and filing machines Bandsäge- und Bandfeilmaschinen Hubsägeund Hubfeilmaschinen Schleifmaschinen Band sawing and band filing machines, hack sawing and hack filing machines, grinding machines Bandschleifmaschinen Belt grinding machines Basisdisziplinen Basic disciplines Basismethoden Fundamental methods Batterien Batteries Bauarten Types Bauarten der Wälzlager Rolling bearing types Bauarten und Anwendungsgebiete Types and applications Bauarten und Prozesse Construction types and processes Bauarten und Zubehör Types and accessories Bauarten von Kernreaktoren Types of nuclear reactors Bauarten von Wärmeübertragern Types of heat exchangers Bauarten, Anwendungen Types, applications Bauarten, Beispiele Types, examples Bauarten, Eigenschaften, Anwendung Characteristics and use

Fachausdrücke

Bauausführungen Types of construction Bauelemente Pneumatic components Bauelemente hydrostatischer Getriebe Components of hydrostatic transmissions Bauformen und Achshöhen Types of construction and shaft heights Bauformen und Baugruppen Types and components Baugruppen Assemblies Baugruppen und konstruktive Gestaltung Components and design Baugruppen zur Ein- und Auslasssteuerung Inlet and outlet gear components Baukasten Modular system Baumaschinen Construction machinery Baureihen- und Baukastenentwicklung Fundamentals of development of series and modular design Bauteile Components Bauteile des Reaktors und Reaktorgebäude Components of reactors und reactor building Bauteilverbindungen Connections Bauzusammenhang Construction interrelationship Beanspruchung bei Berührung zweier Körper (Hertzsche Formeln) Hertzian contact stresses (Formulas of Hertz) Beanspruchung der Schaufeln durch Fliehkräfte Centrifugal stresses in blades Beanspruchung der Schaufeln durch stationäre Strömungskräfte Steady flow forces acting on blades Beanspruchung stabförmiger Bauteile Stresses in bars and beams Beanspruchung und Festigkeit der wichtigsten Bauteile Stresses and strength of main components Beanspruchungen Stresses Beanspruchungen und Werkstoffe Loading and materials Beanspruchungs- und Versagensarten Loading and failure types Beanspruchungskollektiv Operating variables Bearbeitungszentren Machining Centers Becherwerke (Becherförderer) Bucket elevators (bucket conveyors) Bedeutung von Kraftfahrzeugen Importance of motor vehicles

Fachausdrücke

Begriff Definition Begriffsbestimmung Definition of the term Begriffsbestimmungen und Übersicht Terminology definitions and overview Behagliches Raumklima in Aufenthalts- und Arbeitsräumen Comfortable climate in living and working rooms Beheizung Heating system Beispiel einer Radialverdichterauslegung nach vereinfachtem Verfahren Example: approximate centrifugal compressor sizing Beispiele für mechanische Ersatzsysteme: Feder-Masse-Dämpfer-Modelle Examples for mechanical models: Spring-mass-dampermodels Beispiele für mechanische Ersatzsysteme: Finite-Elemente-Modelle Examples for mechanical models: Finite-Elemente models Beispiele mechatronischer Systeme Examples of mechatronic systems Belastbarkeit und Lebensdauer der Wälzlager Load rating and fatigue life of rolling bearings Belastungs- und Beanspruchungsfälle Loading and stress conditions Belegungs- und Bedienstrategien Load and operating strategies Beliebig gewölbte Fläche Arbitrarily curved surfaces Bemessung, Förderstrom, Steuerung Rating, flow rate, control Benennungen Terminology, classification Berechnung Design calculations Berechnung des stationären Betriebsverhaltens Calculation of static performance Berechnung hydrodynamischer Gleitlager Calculation of hydrodynamic bearings Berechnung hydrostatischer Gleitlager Calculation of hydrostatic bearings Berechnung und Auswahl Calculation and selection Berechnung und Optimierung Calculation and optimization Berechnung von Rohrströmungen Calculation of pipe flows Berechnungs- und Bemessungsgrundlagen der Heiz- und Raumlufttechnik Calculation and sizing principles of heating and air handling engineering

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Berechnungs- und Bewertungskonzepte Design calculation and integrity assessment Berechnungsgrundlagen Basic design calculations Berechnungsverfahren Design calculations Bereiche der Produktion Fields of production Bernoullischen Gleichung für den instationären Fall Bernoulli’s equation for unsteady flow problems Bernoullischen Gleichung für den stationären Fall Bernoulli’s equation for steady flow problems Berührungsdichtungen an gleitenden Flächen Dynamic contact seals Berührungsdichtungen an ruhenden Flächen Static contact seals Berührungsschutz Protection against electric shock Beschaufelung Blading Beschaufelung, Ein- und Austrittsgehäuse Blading, inlet and exhaust casing Beschichten Surface coating Acceleration Beschleunigungsmesstechnik measurement Beschreibung des Zustands eines Systems. Thermodynamische Prozesse Description of the state of a system. Thermodynamic processes Beschreibung von Chargenöfen Description of batch furnaces Besondere Eigenschaften Special characteristics Besondere Eigenschaften bei Leitern Special properties of conductors Beton Concrete Betonmischanlagen Mixing installations for concrete Betonpumpen Concrete pumps Betrieb von Lagersystemen Operation of storage systems Betriebliche Kostenrechnung Operational costing Betriebsarten Duty cycles Betriebsbedingungen (vorgegeben) Operating conditions Betriebsfestigkeit Operational stability Betriebskennlinien Operating characteristics Betriebssysteme Operating systems

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Betriebsverhalten Operating characteristics Betriebsverhalten der verlustfreien Verdrängerpumpe Action of ideal positive displacement pumps Betriebsverhalten und Kenngrößen Operating conditions and performance characteristics Betriebsverhalten und Regelmöglichkeiten Operational behaviour and control Betriebsweise Operational mode Bettfräsmaschinen Bed-type milling machines Betttiefenprofil Depth profile Beulen von Platten Buckling of plates Beulen von Schalen Buckling of shells Beulspannungen im unelastischen (plastischen) Bereich Inelastic (plastic) buckling Beulung Buckling of plates and shells Beurteilen von Lösungen Evaluations of solutions Bewegung eines Punkts The motion of a particle Bewegung starrer Körper Motion of rigid bodies Bewegungsgleichungen von Navier-Stokes Navier Stokes’ equations Bewegungsgleichungen, Systemmatrizen Equations of motion, system matrices Bewegungssteuerungen Motion controls Bewegungswiderstand und Referenzdrehzahlen der Wälzlager Friction and reference speeds of rolling bearings Bewertungskriterien Evaluation Criteria Bezeichnungen für Wälzlager Designation of standard rolling bearings Bezugswerte, Pegelarithmetik Reference values, level arithmetic Biegebeanspruchung Bending Biegedrillknicken Torsional buckling Biegen Bending Biegeschlaffe Rotationsschalen und Membrantheorie für Innendruck Shells under internal pressure, membrane stress theory Biegeschwingungen einer mehrstufigen Kreiselpumpe Vibrations of a multistage centrifugal pump Biegespannungen in geraden Balken Bending stresses in straight beams Biegespannungen in stark gekrümmten Trägern Bending stresses in highly curved beams Biegesteife Schalen Bending rigid shells

Fachausdrücke

Biegeversuch Bending test Biegung des Rechteckbalkens Bending of rectangular beams Biegung mit Längskraft sowie Schub und Torsion Combined bending, axial load, shear and torsion Biegung und Längskraft Bending and axial load Biegung und Schub Bending and shear Biegung und Torsion Bending and torsion Bindemechanismen, Agglomeratfestigkeit Binding mechanisms, agglomerate strength Biogas Biogas Bio-Industrie-Design: Herausforderungen und Visionen Organic industrial design: challenges and visions Biomasse Biomass Bioreaktoren Bioreactors Bioverfahrenstechnik Biochemical Engineering Bipolartransistoren Bipolar transistors Blechbearbeitungszentren Centers for sheet metal working Blei Lead Blindleistungskompensation Reactive power compensation Bohrbewegung Rolling with spin Bohren Drilling and boring Bohrmaschinen Drilling and boring machines Bolzenverbindungen Clevis joints and pivots Bremsanlagen für Nkw Brakes for trucks Bremsen Brakes Bremsenbauarten Types of brakes Bremsregelung Control of brakes Brenner Burners Brennerbauarten Burner types Brennkammer Combustion chamber (burner) Brennstoffe Fuels Brennstoffkreislauf Fuel cycle Brennstoffzelle Fuel cell Brennstoffzellen Fuel Cells Bruchmechanikkonzepte Fracture mechanics concepts Bruchmechanische Prüfungen Fracture mechanics tests Bruchmechanische Werkstoffkennwerte bei statischer Beanspruchung Characteristic fracture mechanics properties for static loading

Fachausdrücke

Bruchmechanische Werkstoffkennwerte bei zyklischer Beanspruchung Characteristic fracture mechanics properties for cyclic loading Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis unter statischer Beanspruchung Fracture mechanics proof of strength for static loading Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis unter zyklischer Beanspruchung Fracture mechanics proof of strength for cyclic loading Bruchphysik; Zerkleinerungstechnische Stoffeigenschaften Fracture physics; comminution properties of solid materials Brücken- und Portalkrane Bridge and gantry cranes Brutprozess Breeding process Bunkern Storage in silos Bypass-Regelung Bypass regulation CAA-Systeme CAA systems CAD/CAM-Einsatz Use of CAD/CAM CAD-Systeme CAD systems CAE-Systeme CAE systems CAI-Systeme CAI systems CAM-Systeme CAM systems CAPP-Systeme CAPP systems CAP-Systeme CAP systems CAQ-Systeme CAQ-systems Carnot-Prozess Carnot cycle CAR-Systeme CAR systems CAS-Systeme CAS systems CAT-Systeme CAT systems Charakterisierung Characterization Checkliste zur Erfassung der wichtigsten tribologisch relevanten Größen Checklist for tribological characteristics Chemische Korrosion und Hochtemperaturkorrosion Chemical corrosion and high temperature corrosion Chemische Thermodynamik Chemical thermodynamics Chemische und physikalische Analysemethoden Chemical and physical analysis methods Chemische Verfahrenstechnik Chemical Process Engineering Chemisches Abtragen Chemical machining Client-/Serverarchitekturen Client-/Server architecture

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Dachaufsatzlüftung Ventilation by roof ventilators Dämpfe Vapours Dampferzeuger Steam generators Dampferzeuger für Kernreaktoren Nuclear reactor boilers Dampferzeugersysteme Steam generator systems Dampfkraftanlage Steam power plant Dampfspeicherung Steam storage Dampfturbinen Steam turbines Dämpfung Shockabsorption Darstellung der Schweißnähte Graphical symbols for welds Darstellung von Schwingungen im Frequenzbereich Presentation of vibrations in the frequency domain Darstellung von Schwingungen im Zeit- und Frequenzbereich Presentation of vibrations in the time and frequency domain Darstellung von Schwingungen im Zeitbereich Presentation of vibrations in the time domain Das Prinzip der Irreversibilität The principle of irreversibility Datenschnittstellen Data interfaces Datenstrukturen und Datentypen Data structures and data types Dauer-Bremsanlagen Permanent brakes Dauerformverfahren Permanent molding process Dauerversuche Longtime tests Definition Definitions Definition und allgemeine Anforderungen Definitions and general requirements Definition und Einteilung der Kolbenmaschinen Definition and classification Definition und Kriterien Definition and criteria Definition von Kraftfahrzeugen Definition of motor cycles Definition von Wirkungsgraden Definition of efficiencies Definitionen Definitions Dehnungsausgleicher Expansion compensators Dehnungsmesstechnik Strain measurement Demontage Disassembly Demontageprozess Disassembling process Dériazturbinen Dériaz turbines

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Dezentrale Klimaanlage Decentralized air conditioning system Dezentralisierung durch den Einsatz industrieller Kommunikationssysteme Decentralisation using industrial communication tools Dezimalgeometrische Normzahlreihen Geometric series of preferred numbers (Renard series) D-Glied Derivative element Diagnosetechnik Diagnosis devices Dichtungen Bearing seals Dielektrische Erwärmung Dielectric heating Dieselmotor Diesel engine Differentialgleichung und Übertragungsfunktion Differential equation and transfer function Digitale elektrische Messtechnik Digital electrical measurements Digitale Messsignaldarstellung Digital signal representation Digitale Messwerterfassung Digital data logging Digitalrechnertechnologie Digital computing Digitalvoltmeter, Digitalmultimeter Digital voltmeters, multimeters Dimensionierung von Bunkern Design of silos Dimensionierung von Silos Dimensioning of silos Dimensionierung, Anhaltswerte Dimensioning, First assumtion data Dioden Diodes Diodenkennlinien und Daten Diode characteristics and data Direkte Beheizung Direct heating Direkte Benzin-Einspritzung Gasoline direct injection Direkte und indirekte Geräuschentstehung Direct and indirect noise development Direkter Wärmeübergang Direct heat transfer Direktes Problem Direct problem Direktumrichter Direct converters Direktverdampfer-Anlagen Direct expansion plants Direktverdampfer-Anlagen für EDV-Klimageräte Computer-air-conditioners with direct expansion units DMU-Systeme DMU systems Drahtziehen Wire drawing

Fachausdrücke

Drehautomaten Automatic lathes Drehen Turning Drehfelder in Drehstrommaschinen Rotating fields in three-phase machines Drehführungen Swivel guides Drehführungen, Lagerungen Rotary guides, bearings Drehkraftdiagramm von Mehrzylindermaschinen Graph of torque fluctuations in multicylinder reciprocating machines Drehkrane Slewing cranes Drehmaschinen Lathes Drehmomente, Leistungen, Wirkungsgrade Torques, powers, efficiencies Drehmomentgeschaltete Kupplungen Torquesensitive clutches (slip clutches) Drehnachgiebige, nicht schaltbare Kupplungen Permanent rotary-flexible couplings Drehrohrmantel Rotary cube casing Drehrohröfen Rotary kiln Drehschwinger mit zwei Drehmassen Torsional vibrator with two masses Drehschwingungen Torsional vibrations Drehstabfedern (gerade, drehbeanspruchte Federn) Torsion bar springs Drehstarre Ausgleichskupplungen Torsionally stiff self-aligning couplings Drehstarre, nicht schaltbare Kupplungen Permanent torsionally stiff couplings Drehstoß Rotary impact Drehstrom Three-phase-current Drehstromantriebe Three-phase drives Drehstromtransformatoren Three phase transformers Drehwerke Slewing mechanis Drehzahlgeschaltete Kupplungen Speed-sensitive clutches (centrifugal clutches) Drehzahlregelung Speed control Drehzahlverstellung Speed control Druckbeanspruchte Querschnittsflächen Ap Pressurized cross sectional area Ap Drücke Pressures Drucker Printers Druckmesstechnik Pressure measurement Druckventile Pressure control valves Druckverlust Pressure drop Druckverlustberechnung Pressure drop design Druckverluste Pressure losses

Fachausdrücke

Druckversuch Compression test Druckzustände Pressure conditions Dünnwandige Hohlquerschnitte (Bredtsche Formeln) Thin-walled tubes (Bredt-Batho theory) Durchbiegung von Trägern Deflection of beams Durchbiegung, kritische Drehzahlen von Rotoren Deflection, critical speeds of rotors Durchdrücken Extrusion Durchführung der Montage und Demontage Realization of assembly and disassembly Durchgängige Erstellung von Dokumenten Consistent preparation of documents Durchlauföfen Continuous kilns Durchsatz Throughput Duroplaste Thermosets Düsen- und Diffusorströmung Jet and diffusion flow Dynamische Ähnlichkeit Dynamic similarity Dynamische Beanspruchung umlaufender Bauteile durch Fliehkräfte Centrifugal stresses in rotating components Dynamische Kräfte Dynamic forces Dynamische Übertragungseigenschaften von Messgliedern Dynamic transient behaviour of measuring components Dynamisches Betriebsverhalten Dynamic performance Dynamisches Grundgesetz von Newton (2. Newtonsches Axiom) Newton’s law of motion Dynamisches Modell Dynamic model Dynamisches Verhalten linearer zeitinvarianter Übertragungsglieder Dynamic response of linear time-invariant transfer elements Ebene Bewegung Plane motion Ebene Böden Flat end closures Ebene Fachwerke Plane frames Ebene Flächen Plane surfaces Ebene Getriebe, Arten Types of planar mechanisms Ebene Kräftegruppe Systems of coplanar forces Ebener Spannungszustand Plane stresses Effektive Organisationsformen Effective types of organisation Eigenfrequenzen ungedämpfter Systeme Natural frequency of undamped systems Eigenschaften Characteristics

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Eigenschaften Properties Eigenschaften des Gesamtfahrzeugs Characteristics of the complete vehicle Eigenschaften und Verwendung der Werkstoffe Properties and Application of Materials Ein- und Auslasssteuerung Inlet and outlet gear Eindimensionale Strömung Nicht-Newtonscher Flüssigkeiten One-dimensional flow of non-Newtonian fluids Eindimensionale Strömungen idealer Flüssigkeiten One-dimensional flow of ideal fluids Eindimensionale Strömungen zäher Newtonscher Flüssigkeiten (Rohrhydraulik) Onedimensional flow of viscous Newtonian fluids Einfache und geschichtete Blattfedern (gerade oder schwachgekrümmte, biegebeanspruchte Federn) Leaf springs and laminated leaf springs Einfluss der Stromverdrängung Current displacement Einfluss von Temperatur, pH-Wert, Inhibitoren und Aktivatoren Influence of temperature, pH, inhibiting and activating compounds Einflussgröße Influencing variables Einflüsse auf die Werkstoffeigenschaften Influences on material properties Einführung Introduction Eingangsproblem Input problem Einheitensystem und Gliederung der Messgrößen der Technik System and classification of measuring quantities Einige Grundbegriffe Fundamentals Einleitung Introduction Einleitung und Definitionen Introduction and definitions Einordnung der Fördertechnik Classification of materials handling Einordnung des Urformens in die Fertigungsverfahren Placement of primary shaping in the manufacturing processes Einordnung und Konstruktionsgruppen von Luftfahrzeugen Classification and structural components of aircrafts Einordnung von Luftfahrzeugen nach Vorschriften Classification of aircraft according to regulations Einphasenmotoren Single-phase motors Einphasenströmung Single phase fluid flow

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Einphasentransformatoren Single phase transformers Einrichtungen zur freien Lüftung Installations for natural ventilation Einrichtungen zur Gemischbildung und Zündung bei Dieselmotoren Compression-ignition engine auxiliary equipment Einrichtungen zur Geschwindigkeitserfassung bei NC-Maschinen Equipment for speed logging at NC-machines Einrichtungen zur Positionsmessung bei NCMaschinen Equipment for position measurement at NC-machines Einsatzgebiete Operational area Einsatzgebiete Fields of application Einscheiben-Läppmaschinen Single wheel lapping machines Einspritz-(Misch-)Kondensatoren Injection (direct contact) condensers Einspritzdüse Injection nozzle Einspritzsysteme Fuel injection system Einstellregeln für Regelkreise Rules for control loop optimization Einteilung der Stromrichter Definition of converters Einteilung nach Geschwindigkeits- und Druckänderung Classification according to their effect on velocity and pressure Einteilung und Begriffe Classification and definitions Einteilung und Einsatzbereiche Classification and rating ranges Einteilung und Verwendung Classification and configurations Einteilung von Fertigungsystemen Classification of manufacturing systems Einteilung von Handhabungseinrichtungen Systematic of handling systems Eintrittsleitschaufelregelung Adjustable inlet guide vane regulation Einwellenverdichter Single shaft compressor Einzelhebezeuge Custom hoists Einzelheizgeräte für größere Räume und Hallen Individual heaters for larger rooms and halls Einzelheizgeräte für Wohnräume Individual heaters for living rooms Einzelheizung Individual heating

Fachausdrücke

Einzieh- und Wippwerke Compensating mechanism Eisenwerkstoffe Iron Base Materials Eisspeichersysteme Ice storage systems Elastische, nicht schaltbare Kupplungen Permanent elastic couplings Elastizitätstheorie Theory of elasticity Elastomere Elastomers Elektrische Antriebstechnik Electric drives Elektrische Bremsung Electric braking Elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen Electric energy from renewable sources Elektrische Infrastruktur Electric infrastructure Elektrische Maschinen Rotating electrical machines Elektrische Speicher Electric storages Elektrische Steuerungen Electrical control Elektrische Stromkreise Electric circuits Elektrische Verbundnetze Combined electricity nets Elektrische/Elektronische Ausrüstung/Diagnose Electrical/Electronical Equipment/Diagnosis Elektrizitätswirtschaft Economic of electric energy Elektrobeheizung Electric heating Elektrochemische Korrosion Electrochemically corrosion Elektrochemisches Abtragen Electro chemical machining (ECM) Elektrohängebahn Electric suspension track Elektrolyte Electrolytic charge transfer Elektromagnetische Ausnutzung Electromagnetic utilization Elektromagnetische Verträglichkeit Electromagnetic compatibility Elektronenstrahlverfahren Electron beam processing Elektronisch kommutierte Motoren Electronically commutated motors Elektronische Bauelemente Electronic components Elektronische Datenerfassung und -übertragung durch RFID Electronic data collection and transmission by RFID Elektronische Datenverarbeitung Electronic data processing

Fachausdrücke

Elektronische Schaltungen, Aufbau Assembly of electronic circuits Elektrostatisches Feld Electrostatic field Elektrotechnik Electrical Engineering Elektrowärme Electric heating Elemente der Kolbenmaschine Components of crank mechanism Elemente der Werkzeugmaschinen Machine tool components Elliptische Platten Elliptical plates Emissionen Emissions Endlagerung radioaktiver Abfälle Permanent disposal of nuclear waste Endtemperatur, spezifische polytrope Arbeit Discharge temperature, polytropic head Energetische Grundbegriffe: Arbeit, Leistung, Wirkungsgrad Basic terms of energy: work, power, efficiency Energie-, Stoff- und Signalumsatz Energy, material and signal transformation Energiebilanz und Wirkungsgrad Energy balance, efficiency Energiespeicher Energy storage methods Energiespeicherung Energy storage Energietechnik und Wirtschaft Energy systems and economy Energietransport Energy transport Energieübertragung durch Flüssigkeiten Hydraulic power transmission Energieübertragung durch Gase Pneumatic power transmission Energieverteilung Electric power distribution Energiewandlung Energy conversion Energiewandlung mittels Kreisprozessen Energy conversion by cyclic processes Entsorgung der Kraftwerksnebenprodukte Deposition of by-products in the power process Entstehung von Maschinengeräuschen Generation of machinery noise Entstehung von Maschinenschwingungen, Erregerkräfte F(t) Origin of machine vibrations, excitation forces Entwerfen Embodiment design Entwicklungsmethodik Development methodology Entwicklungsprozesse und -methoden Development processes and methods

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Entwicklungstendenzen Development trends Entwurfsberechnung Calculation Entwurfsproblem Design problem Erdbaumaschinen Earth moving machinery Erdgastransporte Natural gas transport Ergänzungen zur Höheren Mathematik Complements to advanced mathematics Ergänzungen zur Mathematik für Ingenieure Complements for engineering mathematics Ergebnisdarstellung und Dokumentation Representation and documentation of results Ermittlung der Heizfläche Calculation of heating surface area Erosionskorrosion Corrosion erosion ERP-Systeme ERP systems Ersatzschaltbild und Kreisdiagramm Equivalent circuit diagram and circle diagram Erstellung von Dokumenten Technical product documentation Erster Hauptsatz First law Erträgliches Raumklima in Arbeitsräumen und Industriebetrieben Optimum indoor climate in working spaces and factories Erwärmung und Kühlung Heating and cooling Erweiterte Schubspannungshypothese Mohr’s criterion Erzeugung elektrischer Energie Generation of electric energy Erzeugung von Diffusionsschichten Production of diffusion layers Erzwungene Schwingungen Forced vibrations Erzwungene Schwingungen mit zwei und mehr Freiheitsgraden Forced vibrations with two and multi-DOFs Evolventenverzahnung Involute teeth Excellence-Modelle Excellence models Exergie einer Wärme Exergy and heat Exergie eines geschlossenen Systems Exergy of a closed system Exergie eines offenen Systems Exergy of an open system Exergie und Anergie Exergy and anergy Exergieverluste Exergy losses Experimentelle Spannungsanalyse Experimental stress analysis Extreme Betriebsverhältnisse Extreme operational ranges Exzentrischer Stoß Eccentric impact

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Fachwerke Pin-jointed frames Fahrantrieb Propulsion system Fahrdynamik Driving dynamics Fahrdynamikregelsysteme Control system for driving dynamics Fahrerassistenzsysteme Advanced driver assistant systems Fahrerlose Transportsysteme (FTS) Automatically guided vehicles (AGV) Fahrgastwechselzeiten Duration of passenger exchange Fahrgastzelle Occupant cell Fahrkomfort Driving comfort Fahrwerk Under-carriage Fahrwerke Carriages Fahrwerkskonstruktionen Running gear Fahrwiderstand Train driving resistance Fahrwiderstand und Antrieb Driving resistance and powertrain Fahrzeugabgase Vehicle emissions Fahrzeuganlagen Vehicle airconditioning Fahrzeugarten Vehicle principles Fahrzeugarten, Aufbau Body types, vehicle types, design Fahrzeugbegrenzungsprofil Vehicle gauge Fahrzeugelektrik, -elektronik Vehicle electric and electronic Fahrzeugkrane Mobile cranes Fahrzeugsicherheit Vehicle safety Fahrzeugtechnik Transportation technology Faser-Kunststoff-Verbunde Fibre reinforced plastics, composite materials Faserseile Fibre ropes Featuretechnologie Feature modeling Fed-Batch-Kultivierung Fed-batch cultivation Feder- und Dämpfungsverhalten Elastic and damping characteristics Federkennlinie, Federsteifigkeit, Federnachgiebigkeit Load-deformation diagrams, spring rate (stiffness), deformation rate (flexibility) Federn Springs Federn aus Faser-Kunststoff-Verbunden Fibre composite springs Federnde Verbindungen (Federn) Elastic connections (springs) Federung und Dämpfung Suspension and dampening

Fachausdrücke

Feinbohrmaschinen Precision drilling machines Feldbusse Field busses Feldeffekttransistoren Field effect transistors Feldgrößen und -gleichungen Field quantities and equations Fenster Windows Fensterlüftung Ventilation by windows Fernwärmetransporte Remote heat transport Fernwärmewirtschaft Economics of remote heating Fertigungs- und Fabrikbetrieb Production and works management Fertigungsmittel Manufacturing systems Fertigungssysteme Manufacturing systems Fertigungsverfahren Manufacturing processes Fertigungsverfahren der Feinwerk- und Mikrotechnik Manufacturing in precision engineering and microtechnology Feste Brennstoffe Solid fuels Feste Stoffe Solid materials Festigkeit von Schweißverbindungen Strength calculations for welded joints Festigkeitsberechnung Strength calculations Festigkeitshypothesen Strength theories Festigkeitshypothesen und Vergleichsspannungen Failure criteria, equivalent stresses Festigkeitslehre Strength of materials Festigkeitsnachweis Structural integrity assessment Festigkeitsnachweis bei Schwingbeanspruchung mit konstanter Amplitude Proof of strength for constant cyclic loading Festigkeitsnachweis bei Schwingbeanspruchung mit variabler Amplitude (Betriebsfestigkeitsnachweis) Proof of structural durability Festigkeitsnachweis bei statischer Beanspruchung Proof of strength for static loading Festigkeitsnachweis unter Zeitstand- und Kriechermüdungsbeanspruchung Loading capacity under creep conditions and creepfatigue conditions Festigkeitsnachweis von Bauteilen Proof of strength for components Festigkeitsverhalten der Werkstoffe Strength of materials Fest-Loslager-Anordnung Arrangements with a locating and a non-locating bearing

Fachausdrücke

Festschmierstoffe Solid lubricants Feststoff/Fluidströmung Solids/fluid flow Feststoffschmierung Solid lubricants Fettschmierung Grease lubrication Feuerfestmaterialien Refractories Feuerungen Furnaces Feuerungen für feste Brennstoffe Solid fuel furnaces Feuerungen für flüssige Brennstoffe Liquid fuel furnaces Feuerungen für gasförmige Brennstoffe Gasfueled furnaces Filamentöses Wachstum Filamentous growth Filmströmung Film flow Filter Filters Finite Berechnungsverfahren Finite analysis methods Finite Differenzen Methode Finite difference method Finite Elemente Methode Finite element method Flächenpressung und Lochleibung Contact stresses and bearing pressure Flächentragwerke Plates and shells Flächenverbrauch Use of space Flachriemengetriebe Flat belt drives Flankenlinien und Formen der Verzahnung Tooth traces and tooth profiles Flansche Flanges Flanschverbindungen Flange joints Flexible Drehbearbeitungszentren Flexible turning centers Flexible Fertigungssysteme Flexible manufacturing systems Fließkriterien Flow criteria Fließkurve Flow curve Fließprozess Flow process Fließspannung Flow stress Fließverhalten von Schüttgütern Flow properties of bulk solids Flügelzellenpumpen Vanetype pumps Fluggeschwindigkeiten Airspeeds Flugleistungen Aircraft performance Flugstabilitäten Flight stability Flugsteuerung Flight controls Flugzeugpolare Aircraft polar Fluid Fluid

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Fluidische Antriebe Hydraulic and pneumatic power transmission Fluidische Steuerungen Fluidics Fluorhaltige Kunststoffe Plastics with fluorine Flurförderzeuge Industrial trucks Flüssigkeitsringverdichter Liquid ring compressors Flüssigkeitsstand Liquid level Foliengießen Casting of foils Förderer mit Schnecken Screw conveyors Fördergüter und Fördermaschinen Material to be conveyed; materials handling equipment Fördergüter und Fördermaschinen, Kenngrößen des Fördervorgangs Conveyed materials and materials handling, parameters of the conveying process Förderhöhen, Geschwindigkeiten und Drücke Heads, speeds and pressures Förderleistung, Antriebsleistung, Gesamtwirkungsgrad Power output, power input, overall efficiency Fördertechnik Materials handling and conveying Formänderungsarbeit Strain energy Formänderungsarbeit bei Biegung und Energiemethoden zur Berechnung von Einzeldurchbiegungen Bending strain energy, energy methods for deflection analysis Formänderungsgrößen Characteristics of material flow Formänderungsvermögen Formability Formen der Organisation Organisational types Formen, Anwendungen Types, applications Formgebung bei Kunststoffen Forming of plastics Formgebung bei metallischen und keramischen Werkstoffen durch Sintern (Pulvermetallurgie) Forming of metals and ceramics by powder metallurgy Formgebung bei metallischen Werkstoffen durch Gießen Shaping of metals by casting Formpressen Press moulding Formschlüssige Antriebe Positive locked drives Formschlüssige Schaltkupplungen Positive (interlocking) clutches (dog clutches) Formschlussverbindungen Positive connections

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Formverfahren und -ausrüstungen Forming process and equipment Föttinger-Getriebe Hydrodynamic drives and torque convertors Föttinger-Kupplungen Fluid couplings Föttinger-Wandler Torque convertors Fourierspektrum, Spektrogramm, Geräuschanalyse Fourier spectrum, spectrogram, noise analysis Francisturbinen Francis turbines Fräsen Milling Fräsmaschinen Milling machines Fräsmaschinen mit Parallelkinematiken Milling machines with parallel kinematics Fräsmaschinen mit Parallelkinematiken Sonderfräsmaschinen Milling machines with parallel kinematics, special milling machines Freie gedämpfte Schwingungen Free damped vibrations Freie Kühlung Free cooling Freie Kühlung durch Außenluft Free cooling with external air Freie Kühlung durch Kältemittel-PumpenSystem Free cooling with refrigerant pump system Freie Kühlung durch Rückkühlwerk Free cooling with recooling plant Freie Kühlung durch Solekreislauf Free cooling with brine cycle Freie Lüftung, verstärkt durch Ventilatoren Fan assisted natural ventilation Freie Schwingungen (Eigenschwingungen) Free vibrations Freie Schwingungen mit zwei und mehr Freiheitsgraden Free vibrations with two and multi-DOFs Freie ungedämpfte Schwingungen Free undamped vibrations Freier Strahl Free jet Fremdgeschaltete Kupplungen Clutches Frequenzbewertung, A-, C- und Z-Bewertung Frequency weighting, A-, C- and Z-weighting Frequenzgang und Ortskurve Frequency response and frequency response locus Frequenzgangfunktionen mechanischer Systeme, Amplituden- und Phasengang Frequency response functions of mechanical systems, amplitude- and phase characteristic

Fachausdrücke

Frontdrehmaschinen Front turning machines Fügen von Kunststoffen Joining Führerräume Driver’s cab Führungen Linear and rotary guides and bearings Führungs- und Störungsverhalten des Regelkreises Reference and disturbance reaction of the control loop Führungsverhalten des Regelkreises Reference reaction of the control loop Funkenerosion und elektrochemisches Abtragen Spark erosion and electrochemical erosion Funkenerosion, Elysieren, Metallätzen Electric discharge machining, electrochemical machining, metaletching Funktion der Hydrogetriebe Operation of hydrostatic transmissions Funktion und Subsysteme Function and subsystems Funktion von Tribosystemen Function of tribosystems Funktionsbausteine Functional components Funktionsbedingungen für Kernreaktoren Function conditions for nuclear reactors Funktionsblöcke des Regelkreises Functional blocks of the monovariable control loop Funktionsgliederung Function structure Funktionsweise des Industrie-Stoßdämpfers Principle of operation Funktionszusammenhang Functional interrelationship Fused Deposition Modelling (FDM) Fused Deposition Modeling (FDM) Gabelhochhubwagen Pallet-stacking truck Galvanische Korrosion Galvanic corrosion Gas- und Dampf-Anlagen Combined-cycle power plants Gas-/Flüssigkeitsströmung Gas/liquid flow Gas-Dampf-Gemische. Feuchte Luft Mixtures of gas and vapour. Humid air Gasdaten Gas data Gasfedern Gas springs Gasförmige Brennstoffe oder Brenngase Gaseous fuels Gasgekühlte thermische Reaktoren Gas cooled thermal reactors

Fachausdrücke

Gaskonstante und das Gesetz von Avogadro Gas constant and the law of Avogadro Gasstrahlung Gas radiation Gasturbine für Verkehrsfahrzeuge Gas-turbine propulsion systems Gasturbine im Kraftwerk Gas turbines in power plants Gasturbinen Gas turbines Gaswirtschaft Economics of gas energy Gebläse Fans Gebräuchliche Werkstoffpaarungen Typical combinations of materials Gedämpfte erzwungene Schwingungen Forced damped vibrations Gegengewichtstapler Counterbalanced lift truck Gehäuse Casings Gelenkwellen Drive shafts Gemeinsame Grundlagen Common fundamentals Gemischbildung und Verbrennung im Dieselmotor Mixture formation and combustion in compression-ignition engines Gemischbildung und Verbrennung im Ottomotor Mixture formation and combustion in spark ignition engines Gemischbildung, Anforderungen an Requirements of gas mixture Gemische Mixtures Gemische idealer Gase Ideal gas mixtures Genauigkeit, Kenngrößen, Kalibrierung Characteristics, accuracy, calibration Generelle Anforderungen General requirements Generelle Zielsetzung und Bedingungen General objectives and constraints Geometrisch ähnliche Baureihe Geometrically similar series Geometrische Beschreibung des Luftfahrzeuges Geometry of an aircraft Geometrische Beziehungen Geometrical relations Geometrische Messgrößen Geometric quantities Geometrische Modellierung Geometric modeling Geothermische Energie Geothermal energy Gerader zentraler Stoß Normal impact Geradzahn-Kegelräder Straight bevel gears

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Geräusch Noise Geräuschentstehung Noise development Geregelte Feder-/Dämpfersysteme im Fahrwerk Controlled spring/damper systems for chassis Gesamtanlage Complete plant Gesamtmechanismus Whole mechanism Gesamtwiderstand Total driving resistance Geschlossene Gasturbinenanlage Closed gas turbine Geschlossene Systeme, Anwendung Application to closed systems Geschlossener Kreislauf Closed circuit Geschlossenes 2D-Laufrad Shrouded 2 D-impeller Geschlossenes 3D-Laufrad Shrouded 3 D-impeller Geschwindigkeiten, Beanspruchungskennwerte Velocities, loading parameters Geschwindigkeits- und Drehzahlmesstechnik Velocity and speed measurement Gestaltänderungsenergiehypothese Maximum shear strain energy criterion Gestalteinfluss auf Schwingfestigkeitseigenschaften Design and fatigue strength properties Gestalteinfluss auf statische Festigkeitseigenschaften Design and static strength properties Gestalten und Bemaßen der Zahnräder Detail design and measures of gears Gestalten und Fertigungsgenauigkeit von Kunststoff-Formteilen Design and tolerances of formed parts Gestaltung Fundamentals of embodiment design Gestaltung der Gestellbauteile Embodiment design of structural components (frames) Gestaltung, Werkstoffe, Lagerung, Genauigkeit, Schmierung, Montage Embodiment design, materials, bearings, accuracy, lubrication, assembly Gestaltungshinweise Design hints Gestaltungsprinzipien Principles of embodiment design Gestaltungsrichtlinien Guidelines for embodiment design Gestelle Frames Getriebe Transmission units

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Getriebe mit Verstelleinheiten Transmission with variable displacement units Getriebeanalyse Analysis of mechanisms Getriebetechnik Mechanism-engineering, kinematics Gewichte Weight Gewinde- und Zahnradmesstechnik Thread and gear measurement Gewindearten Types of thread Gewindebohren Tapping Gewindedrehen Single point thread turning Gewindedrücken Thread pressing Gewindeerodieren Electrical Discharge Machining of threads Gewindefertigung Thread production Gewindefräsen Thread milling Gewindefurchen Thread forming Gewindeschleifen Thread grinding Gewindeschneiden Thread cutting with dies Gewindestrehlen Thread chasing Gewindewalzen Thread rolling Gewölbte Böden Domed end closures Gewölbte Flächen Curved surfaces Gitterauslegung Cascade design Glas Glass Gleichdruckturbinen Impulse turbines Gleiche Kapazitätsströme (Gegenstrom) Equal capacitive currents (countercurrent) Gleichgewicht und Gleichgewichtsbedingungen Conditions of equilibrium Gleichgewicht, Arten Types of equilibrium Gleichseitige Dreieckplatte Triangular plate Gleichstromantriebe Direct-current machine drives Gleichstromantriebe mit netzgeführten Stromrichtern Drives with line-commutated converters Gleichstrom-Kleinmotoren Direct current small-power motor Gleichstromkreise Direct-current (d. c.) circuits Gleichstromlinearmotoren Direct current linear motor Gleichstrommaschinen Direct-current machines Gleichstromsteller Chopper controllers Gleit- und Rollbewegung Sliding and rolling motion Gleitlagerungen Plain bearings

Fachausdrücke

Gliederbandförderer Apron conveyor Gliederung Survey Gliederung der Messgrößen Classification of measuring quantities Granulieren Granulation Grenzformänderungsdiagramm Forming limit diagram (FLD) Grenzschichttheorie Boundary layer theory Großdrehmaschinen Heavy duty lathes Größen des Regelkreises Variables of the control loop Großwasserraumkessel Shell type steam generators Grubenkühlanlagen Airconditioning and climate control for mining Grundaufgaben der Maschinendynamik Basic problems in machine dynamics Grundbegriffe Basic concepts Grundbegriffe der Kondensation Principles of condensation Grundbegriffe der Reaktortheorie Basic concepts of reactor theory Grundbegriffe der Spurführungstechnik Basics of guiding technology Grundgesetze Basic laws Grundlagen Basic considerations Grundlagen der Berechnung Basic principles of calculation Grundlagen der betrieblichen Kostenrechnung Fundamentals of operational costing Grundlagen der Flugphysik Fundamentals of flight physics Grundlagen der fluidischen Energieübertragung Fundamentals of fluid power transmission Grundlagen der Konstruktionstechnik Fundamentals of engineering design Grundlagen der Tragwerksberechnung Basic principles of calculating structures Grundlagen der Umformtechnik Fundamentals of metal forming Grundlagen der Verfahrenstechnik Fundamentals of process engineering Grundlagen technischer Systeme und des methodischen Vorgehens Fundamentals of technical systems and systematic approach Grundlagen und Bauelemente Fundamentals and components

Fachausdrücke

Grundlagen und Begriffe Fundamentals and terms Grundlagen und Vergleichsprozesse Fundamentals and ideal cycles Grundlegende Konzepte für den Festigkeitsnachweis Fundamental concepts for structural integrity assessment Grundnormen Basic standards Grundregeln Basic rules of embodiment design Grundsätze der Energieversorgung Principles of energy supply Grundstrukturen des Wirkungsplans Basic structures of the action diagram Gummifederelemente Basic types of rubber spring Gummifedern Rubber springs and anti-vibration mountings Gurtförderer Conveyors Gusseisenwerkstoffe Cast Iron materials Güte der Regelung Control loop performance Haftung und Gleitreibung Static and sliding friction Haftung und Reibung Friction Hähne (Drehschieber) Cocks Halbähnliche Baureihen Semi-similar series Halboffener Kreislauf Semi-closed circuits Halbunendlicher Körper Semi-infinite body Hämmer Hammers Handbetriebene Flurförderzeuge Hand trucks Handgabelhubwagen Hand lift trucks Hardwarearchitekturen Hardware architecture Hardwarekomponenten Hardware Härteprüfverfahren Hardness test methods Hartlöten und Schweißlöten (Fugenlöten) Hard soldering and brazing Hebezeuge und Krane Lifting equipment and cranes Hefen Yeasts Heizlast Heating load Heiztechnische Verfahren Heating processes Heizung und Klimatisierung Heating and air conditioning Heizwert und Brennwert Net calorific value and gros calorific value Heizzentrale Heating centres Herstellen planarer Strukturen Production of plane surface structures

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Herstellen von Schichten Coating processes Herstellung von Formteilen (Gussteilen) Manufacturing of cast parts Herstellung von Halbzeugen Manufacturing of half-finished parts Hilfsmaschinen Auxiliary equipment Hinweise für Anwendung und Betrieb Application and operation Hinweise zur Konstruktion von Kegelrädern Design hints for bevel gears Historische Entwicklung Historical development Hitzesterilisation Sterilization with heat Hobel- und Stoßmaschinen Planing, shaping and slotting machines Hobelmaschinen Planing machines Hochbaumaschinen Building construction machinery Hochgeschwindigkeitsfräsmaschinen Highspeed milling machines Hochspannungsschaltgeräte High voltage switchgear Hochtemperaturkorrosion mit mechanischer Beanspruchung High temperature corrosion with mechanical load Hochtemperaturkorrosion ohne mechanische Beanspruchung High temperature corrosion without mechanical load Hochtemperaturlöten High-temperature brazing Holz Wood Honen Honing Honmaschinen Honing machines Hubantrieb, Antrieb der Nebenfunktionen Lift drive, auxiliary function driv Hubantrieb, Antrieb der Nebenfunktionen Handbetriebene Flurförderzeuge Lift drive, auxiliary function drive, manually operated industrial trucks Hubbalkenofen Walking beam furnace Hubgerüst Lift mast Hubkolbenmaschinen Piston engines Hubkolbenverdichter Piston compressors Hubsäge- und Hubfeilmaschinen Machines for power hack sawing and filing Hubwerke Hoisting mechamism Hubwerksausführungen Hoist design

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Hybride Verfahren für Gemischbildung und Verbrennung Hybride process for mixture formation and combustion Hydraulikaufzüge Hydraulic elevators Hydraulikflüssigkeiten Hydraulic fluids Hydraulikzubehör Hydraulic equipment Hydraulische Förderer Hydraulic conveyors Hydro- und Aerodynamik (Strömungslehre, Dynamik der Fluide) Hydrodynamics and aerodynamics (dynamics of fluids) Hydrogetriebe, Aufbau und Funktion der Arrangement and function of hydrostatic transmissions Hydrokreise Hydraulic Circuits Hydromotoren in Hubverdränger-(Kolben-) bauart Pistontype motors Hydromotoren in Umlaufverdrängerbauart Gear- and vanetype motors Hydrostatik (Statik der Flüssigkeiten) Hydrostatics Hydrostatische Anfahrhilfen Hydrodynamic bearings with hydrostatic jacking systems Hydrostatische Axialgleitlager Hydrostatic thrust bearings Hydrostatische Radialgleitlager Hydrostatic journal bearings Hydroventile Valves Hygienische Grundlagen Hygienic fundamentals, physiological principles I-Anteil, I-Regler Integral controller Ideale Flüssigkeit Perfect liquid Ideale Gase Ideal gases Ideale isotherme Reaktoren Ideal isothermal reactors Idealisierte Kreisprozesse Theoretical gas-turbine cycles Identifikation durch Personen und Geräte Identification through persons and devices Identifikationsproblem Identification Problem Identifikationssysteme Identification systems IGB-Transistoren Insulated gate bipolar transistors I-Glied Integral element Impulsmomenten- (Flächen-) und Drehimpulssatz Angular momentum equation Impulssatz Equation of momentum Indirekte Beheizung Indirect heating

Fachausdrücke

Indirekte Luftkühlung und Rückkühlanlagen Indirect air cooling and cooling towers Induktionsgesetz Faraday’s law Induktive Erwärmung Induction heating Induktivitäten Inductances Industrieöfen Industrial furnaces Industrieroboter Industrial robot Industrie-Stoßdämpfer Shock absorber Industrieturbinen Industrial turbines Informationsdarstellung Information layout Informationstechnologie Information technology Inkompressible Fluide Incompressible fluids Innengeräusch Interior noise Innenraumgestaltung Interior lay out Innere Energie und Systemenergie Internal energy and systemenergy Innere Kühllast Internal cooling load Instabiler Betriebsbereich bei Verdichtern Unstable operation of compressors Instationäre Prozesse Unsteady state processes Instationäre Strömung Nonsteady flow Instationäre Strömung zäher Newtonscher Flüssigkeiten Non-steady flow of viscous Newtonian fluids Instationäres Betriebsverhalten Transient operating characteristics Integrationstechnologien Integration technologies Interkristalline Korrosion Intergranular corrosion Internationale Praktische Temperaturskala International practical temperature scale Internationale Standardatmosphäre (ISA) International standard atmosphere Internationales Einheitensystem International system of units Internet Internet Interpolation, Integration Interpolation, Integration Kabel und Leitungen Cables and lines Kalandrieren Calendering Kalkulation Cost accounting Kalorimetrie Calorimetry Kalorische Zustandsgrößen Caloric properties Kaltdampf-Kompressionskälteanlage Compression refrigeration plant

Fachausdrücke

Kaltdampfkompressions-Wärmepumpen größerer Leistung Compression heat pumps with high performance Kälte-, Klima- und Heizungstechnik Refrigeration and air-conditioning technology and heating engineering Kälteanlagen und Wärmepumpen Refrigeration plants and heat pumps Kältemaschinen-Öle Refrigeration oil Kältemittel Refrigerant Kältemittel, Kältemaschinen-Öle und Kühlsolen Refrigerants, refrigeration oils and brines Kältemittelkreisläufe Refrigerant circuits Kältemittelverdichter Refrigerant-compressor Kältespeicherung in Binäreis Cooling storage Kältespeicherung in eutektischer Lösung Cooling storage in eutectic solution Kältetechnik Refrigeration technology Kältetechnische Verfahren Refrigeration processes Kaltwassersatz mit Kolbenverdichter Reciprocating water chillers Kaltwassersatz mit Schraubenverdichter Screw compressor water chillers Kaltwassersatz mit Turboverdichter Centrifugal water chillers Kaltwassersätze Packaged water chiller Kaltwasserverteilsysteme für RLT-Anlagen Chilled water systems for air-conditioning plants Kanalnetz Duct systems Kapazitäten Capacitances Kapazitätsdioden Varactors Kaplanturbinen Kaplan turbines Karosserie Bodywork Karren, Handwagen und Rollwagen Barrows, Hand trolleys, Dollies Kaskadenregelung Cascade control Katalytische Wirkung der Enzyme Catalytic effects of enzymes Kathodischer Schutz Cathodic protection Kavitation Cavitation Kavitationskorrosion Cavitation corrosion Kegelräder Bevel gears Kegelräder mit Schräg- oder Bogenverzahnung Helical and spiral bevel gears Kegelrad-Geometrie Bevel gear geometry

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Keilförmige Scheibe unter Einzelkräften Wedge-shaped plate under point load Keilriemen V-belts Keilverbindungen Cottered joints Kenngrößen Characteristics Kenngrößen der Leitungen Characteristics of lines Kenngrößen der Schraubenbewegung Characteristics of screw motion Kenngrößen des Fördervorgangs Parameters of the conveying process Kenngrößen des Ladungswechsels Charging parameters Kenngrößen von Messgliedern Characteristics of measuring components Kenngrößen von Pressmaschinen Characteristics of presses and hammers Kenngrößen-Bereiche für Turbinenstufen Performance parameter range of turbine stages Kenngrößen-Bereiche für Verdichterstufen Performance parameter range of compressor stages Kennlinien Characteristic curves Kennliniendarstellungen Performance characteristics Kennungswandler Torque converter Kennzahlen Characteristics Kennzeichen Characteristics Kennzeichen und Eigenschaften der Wälzlager Characteristics of rolling bearings Keramische Werkstoffe Ceramics Kerbgrundkonzepte Local stress or strain approach Kerbschlagbiegeversuch Notched bar impact bending test Kernbrennstoffe Nuclear fuels Kernfusion Nuclear fusion Kernkraftwerke Nuclear power stations Kernreaktoren Nuclear reactors Ketten und Kettentriebe Chains and chain drives Kettengetriebe Chain drives Kinematik Kinematics Kinematik des Kurbeltriebs Kinematics of crank mechanism Kinematik, Leistung, Wirkungsgrad Kinematics, power, efficiency

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Kinematische Analyse ebener Getriebe Kinematic analysis of planar mechanisms Kinematische Analyse räumlicher Getriebe Kinematic analysis of spatial mechanisms Kinematische Grundlagen, Bezeichnungen Kinematic fundamentals, terminology Kinematische und schwingungstechnische Messgrößen Kinematic and vibration quantities Kinematisches Modell Kinematic model Kinematisches und dynamisches Modell Kinematic and dynamic model Kinetik Dynamics Kinetik chemischer Reaktionen Kinetics of chemical reactions Kinetik der Relativbewegung Dynamics of relative motion Kinetik des Massenpunkts und des translatorisch bewegten Körpers Particle dynamics, straight line motion of rigid bodies Kinetik des Massenpunktsystems Dynamics of systems of particles Kinetik des mikrobiellen Wachstums Kinetic of microbial growth Kinetik enzymatischer Reaktionen Kinetic of enzyme reactions Kinetik starrer Körper Dynamics of rigid bodies Kinetik und Kinematik Dynamics and kinematics Kinetostatische Analyse ebener Getriebe Kinetostatic analysis of planar mechanisms Kippen Lateral buckling of beams Kippschalensorter Tilt tray sorter Kirchhoffsches Gesetz Kirchhoff’s Law Klappen Flap valves Klären der Aufgabenstellung Defining the requirements Klassieren in Gasen Classifying in gases Klassifizierung raumlufttechnischer Systeme Airconditioning systems Kleben Adhesive bonding Klebstoffe Adhesives Klemmverbindungen Clamp joints Klimaanlage Air conditioning Klimamesstechnik Climatic measurement Klimaprüfschränke und -kammern Climate controlled boxes and rooms for testing

Fachausdrücke

Knicken im elastischen (Euler-)Bereich Elastic (Euler) buckling Knicken im unelastischen (Tetmajer-)Bereich Inelastic buckling (Tetmajer’s method) Knicken von Ringen, Rahmen und Stabsystemen Buckling of rings, frames and systems of bars Knickung Buckling of bars Kohlendioxidabscheidung Carbon capture Kohlenstaubfeuerung Pulverized fuel furnaces Kolbenmaschinen Reciprocating engines Kolbenpumpen Piston pumps Kombi-Kraftwerke Combi power stations Komfortbewertung Comfort evaluation Kommissionierung Picking Kompensatoren und Messbrücken Compensators and bridges Komponenten des Roboters Components of robot Komponenten des Roboters Kinematisches und dynamisches Modell Components of the robot kinematics and dynamic model Komponenten des thermischen Apparatebaus Components of thermal apparatus Komponenten mechatronischer Systeme Components of mechatronic systems Komponenten von Lüftungs- und Klimaanlagen Components of ventilation and air-conditioning systems Kompressionskälteanlage Compression refrigeration plant Kompressions-Kaltwassersätze Compressiontype water chillers Kompressionswärmepumpe Compression heat pump Kompressoren Compressors Kondensation bei Dämpfen Condensation of vapors Kondensation und Rückkühlung Condensers and cooling systems Kondensatoren Condensers Kondensatoren in Dampfkraftanlagen Condensers in steam power plants Kondensatoren in der chemischen Industrie Condensers in the chemical industry Konsolfräsmaschinen Knee-type milling machines

Fachausdrücke

Konstante Wandtemperatur Constant wall temperature Konstante Wärmestromdichte Constant heat flux density Konstruktion und Schmierspaltausbildung Influence of the design on the form of the lubricated gap between bearing and shaft Konstruktion von Eingriffslinie und Gegenflanke Geometric construction for path of contact and conjugate tooth profile Konstruktion von Motoren Internal combustion (IC) engine design Konstruktionen Designs Konstruktionsarten Types of engineering design Konstruktionselemente Components Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen Components of apparatus and pipe lines Konstruktionsphilosophien und -prinzipien Design Philosophies and Principles Konstruktionsprozess The design process Konstruktive Ausführung von Lagerungen. Bearing arrangements Konstruktive Gesichtspunkte Basic design layout Konstruktive Gestaltung Design of plain bearings Konstruktive Hinweise Hints for design Konstruktive Merkmale Constructive characteristics Konvektion Convection Konzipieren Conceptual design Kooperative Produktentwicklung Cooperative product development Koordinatenbohrmaschinen Jig boring machines Körper im Raum Body in space Körper in der Ebene Plane problems Körperschallfunktion Structure-borne noise function Korrosion und Korrosionsschutz von Metallen Corrosion and Corrosion Protection of Metals Korrosion nichtmetallischer Werkstoffe Corrosion of nonmetallic material Korrosion und Korrosionsschutz Corrosion and corrosion protection

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Korrosion unter Verschleißbeanspruchung Corrosion under wear stress Korrosion von anorganischen nichtmetallischen Werkstoffen Corrosion of inorganic nonmetallic materials Korrosionsartige Schädigung von organischen Werkstoffen Corrosion-like damage of organic materials Korrosionserscheinungen („Korrosionsarten“) Manifestation of corrosion Korrosionsprüfung Corrosion tests Korrosionsschutz Corrosion protection Korrosionsschutz durch Inhibitoren Corrosion protection by inhibitors Korrosionsschutzgerechte Fertigung Corrosion prevention by manufacturing Korrosionsschutzgerechte Konstruktion Corrosion prevention by design Korrosionsverschleiß Wear initiated corrosion Kostenartenrechnung Types of cost Kostenstellenrechnung und Betriebsabrechnungsbögen Cost location accounting Kraft-(Reib-)schlüssige Schaltkupplungen Friction clutches Kräfte am Flachriemengetriebe Forces in flat belt transmissions Kräfte am Kurbeltrieb Forces in crank mechanism Kräfte im Raum Forces in space Kräfte in der Ebene Coplanar forces Kräfte und Arbeiten Forces and energies Kräfte und Verformungen beim Anziehen von Schraubenverbindungen Forces and deformations in joints due to preload Kräfte und Winkel im Flug Forces and angles in flight Kräftesystem im Raum System of forces in space Kräftesystem in der Ebene Systems of coplanar forces Kraftfahrzeuge Vehicle vehicles Kraftfahrzeugtechnik Automotive engineering Kraftmesstechnik Force measurement Krafträder Motorcycles Kraftschlüssige Antriebe Actuated drives Kraftstoffverbrauch Fuel consumption Kraft-Wärme-Kopplung Combined power and heat generation (co-generation)

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Kraftwerkstechnik Power plant technology Kraftwerksturbinen Power Plant Turbines Kraftwirkungen im elektromagnetischen Feld Forces in electromagnetic field Kranarten Crane types Kratzerförderer Scraper conveyors Kreiselpumpe an den Leistungsbedarf, Anpassung Matching of centrifugal pump and system characteristics Kreiselpumpen Centrifugal Pumps Kreisförderer Circular conveyors Kreisplatten Circular plates Kreisscheibe Circular discs Kreisstruktur Closed loop structure Kritische Drehzahl und Biegeschwingung der einfach besetzten Welle Critical speed of shafts, whirling Kugel Spheres Kugelläppmaschinen Spherical lapping machines Kühllast Cooling load Kühlsolen Cooling brines Kühlung Cooling Kühlwasser- und Kondensatpumpen Condensate and circulating water pumps Kultivierungsbedingungen Conditions of cell cultivation Künstliche Brenngase Synthetic fuels Künstliche feste Brennstoffe Synthetic solid fuels Künstliche flüssige Brennstoffe Synthetic liquid fuels Kunststoffe Plastics Kunststoffe, Aufbau und Verhalten von Structure and characteristics of plastics Kunststoffschäume Plastic foams (Cellular plastics) Kupfer und seine Legierungen Copper and copper alloys Kupplung und Kennungswandler Clutching and torque converter Kupplungen und Bremsen Couplings, clutches and brakes Kurbeltrieb Crank mechanism Kurbeltrieb, Massenkräfte und -momente, Schwungradberechnung Crank mechanism, forces and moments of inertia, flywheel calculation

Fachausdrücke

Kurvengetriebe Cam mechanisms Kurzhubhonmaschinen Short stroke honing machines Kurzschlussschutz Short-circuit protection Kurzschlussströme Short-circuit currents Kurzschlussverhalten Short-circuit characteristics Ladungswechsel Cylinder charging Ladungswechsel des Viertaktmotors Charging of four-stroke engines Ladungswechsel des Zweitaktmotors Scavenging of two-stroke engines Lageeinstellung Position adjustment Lager Bearings Lager- und Systemtechnik Warehouse technology and material handling system technology Lagereinrichtung und Lagerbedienung Storage equipment and operation Lagerkräfte Bearing loads Lagerkühlung Bearing cooling Lagerluft Rolling bearing clearance Lagern Store Lagerschmierung Lubricant supply Lagersitze, axiale und radiale Festlegung der Lagerringe Bearing seats, axial and radial positioning Lagerung und Antrieb Bearing and drive Lagerung und Schmierung Bearing and lubrication Lagerungsarten, Freimachungsprinzip Types of support, the „free body“ Lagerwerkstoffe Bearing materials Lagrangesche Gleichungen Lagrange’s equations Laminated Object Manufacturing (LOM) Laminated Object Manufacturing (LOM) Längenmesstechnik Length measurement Langhubhonmaschinen Long stroke honing machines Längskraft und Torsion Axial load and torsion Läppmaschinen Lapping machines Laserstrahl-Schweiß- und Löteinrichtungen Laser welding and soldering equipment Laserstrahlverfahren Laser beam processing Lasertrennen Laser cutting Lastaufnahmemittel für Schüttgüter Load carrying equipment for bulk materials

Fachausdrücke

Lastaufnahmemittel für Stückgüter Load carrying equipment for individual items Lastaufnahmevorrichtung Load-carrying device Lasten und Lastkombinationen Loads and load combinations Lasten, Lastannahmen Loads, Load Assumptions Lasthaken Lifting hook Läufer-Dreheinrichtung Turning gear Laufgüte der Getriebe Running quality of mechanisms Laufrad Impeller Laufrad und Schiene (Schienenfahrwerke) Impeller and rail (rail-mounted carriage) Laufradfestigkeit Impeller stress analysis Laufradfestigkeit und Strukturdynamik Impeller strength and structural dynamics Laufwasser- und Speicherkraftwerke Run-ofriver and storage power stations Laufwasser- und Speicherkraftwerke Water wheels and pumped-storage plants Lebenslaufkostenrechung Life Cycle Costing Lebenszykluskosten LCC Lifecyclecosts Leerlauf und Kurzschluss No-load and short circuit Legierungstechnische Maßnahmen Alloying effects Leichtbau Lightweight structures Leichtwasserreaktoren (LWR) Light water reactors Leistung, Drehmoment und Verbrauch Power, torque and fuel consumption Leistungsdioden Power diodes Leistungselektrik Power electronics Leistungsmerkmale der Ventile Power characteristics of valves Leit- und Laufgitter Stationary and rotating cascades Leiter, Halbleiter, Isolatoren Conductors, semiconductors, insulators Leitungen Ducts and piping Leitungsnachbildung Line model Lenkung Steering Licht und Beleuchtung Light and lighting Licht- und Farbmesstechnik Photometry, colorimetry Lichtbogenerwärmung Electric arc-heating

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Lichtbogenofen Arc furnaces Lichtbogenschweißen Arc-welding Liefergrade Volumetric efficiencies Lineare Grundglieder Linear basic elements Lineare Kennlinie Linear characteristic curve Lineare Regler, Arten Types of linear controllers Lineare Übertragungsglieder Linear transfer elements Linearer Regelkreis Linear control loop Linearführungen Linear guides Linearmotoren Linear motors Linearwälzlager Linear motion rolling bearings Lokalkorrosion und Passivität Localized corrosion and passivity Löten Soldering and brazing Lückengrad Voidage Luftbedarf Air supply Luftbefeuchter Humidifiers Luftdurchlässe Air passages Luftentfeuchter Dehumidifiers Lufterhitzer, -kühler Heating and cooling coils Luftfahrzeuge Aircrafts Luftfeuchte Outdoor air humidity Luftführung Air duct Luftheizung Air heating Luftkühlung Air cooling Luftschallabstrahlung Airborne noise emission Luftspeicher-Kraftwerk Air-storage gas-turbine power plant Luftspeicherwerke Compressed air storage plant Lufttemperatur Outdoor air temperature Lüftung Ventilation Luftverkehr Air traffic Luftverteilung Air flow control and mixing Luftvorwärmer (Luvo) Air preheater Luft-Wasser-Anlagen Air-water conditioning systems Magnesiumlegierungen Magnesium alloys Magnetische Datenübertragung Magnetic data transmission Magnetische Materialien Magnetic materials Management der Produktion Production management Maschine Machine Maschinen zum Scheren Shearing machines

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Maschinen zum Scheren und Schneiden Shearing and blanking machines Maschinen zum Schneiden Blanking machines Maschinenakustik Acoustics in mechanical engineering Maschinenakustische Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode/BoundaryElemente-Methode Machine acoustic calculations by Finite-Element-Method/BoundaryElement-Method Maschinenakustische Berechnungen mit der Statistischen Energieanalyse (SEA) Machine acoustic calculations by Statistical Energy Analysis (SEA) Maschinenakustische Grundgleichung Machine acoustic base equation Maschinenarten Machine types Maschinendynamik Dynamics of machines Maschinenkenngrößen Overall machine performance parameters Maschinenschwingungen Machine vibrations Maschinenstundensatzrechnung Calculation of machine hourly rate Massenkräfte und Momente Forces and moments of inertia Materialeinsatz Use of material Materialflusssteuerungen Material flow controls Materialographische Untersuchungen Materiallographic analyses Materialtransport Materials handling Mathematik Mathematics Mechanik Mechanics Mechanische Beanspruchungen Mechanical action Mechanische Datenübertragung Mechanical data transmission Mechanische Elemente der Antriebe Mechanical brakes Mechanische Ersatzsysteme, Bewegungsgleichungen Mechanical models, equations of motion Mechanische Konstruktionselemente Mechanical machine components Mechanische Lüftungsanlagen Mechanical ventilation facilities Mechanische Speicher und Steuerungen Mechanical memories and control systems

Fachausdrücke

Mechanische Verfahrenstechnik Mechanical process engineering Mechanische Verluste Mechanical losses Mechanische Vorschub-Übertragungselemente Mechanical feed drive components Mechanisches Ersatzsystem Mechanical model Mechanisches Verhalten Mechanical behaviour Mechanisch-hydraulische Verluste Hydraulicmechanical losses Mechanisiertes Hartlöten Mechanized hard soldering Mechanismen der Korrosion Mechanisms of corrosion Mechatronik Mechatronics Mehrdimensionale Strömung idealer Flüssigkeiten Multidimensional flow of ideal fluids Mehrdimensionale Strömung zäher Flüssigkeiten Multidimensional flow of viscous fluids Mehrgitterverfahren Multigrid method Mehrgleitflächenlager Multi-lobed and tilting pad journal bearings Mehrmaschinensysteme Multi-machine Systems Mehrphasenströmungen Multiphase fluid flow Mehrschleifige Regelung Multi-loop control Mehrspindelbohrmaschinen Multi-spindle drilling machines Mehrstufige Verdichtung Multistage compression Mehrwegestapler Four-way reach truck Mehrwellen-Getriebeverdichter Integrally geared compressor Membrantrennverfahren Membrane separation processes Membranverdichter Diaphragm compressors Mess- und Regelungstechnik Measurement and control Messgrößen und Messverfahren Measuring quantities and methods Messkette Measuring chain Messort und Messwertabnahme Measuring spot and data sensoring Messsignalverarbeitung Measurement signal processing Messtechnik Metrology Messtechnik und Sensorik Measurement technique and sensors

Fachausdrücke

Messverstärker Amplifiers Messwandler Instrument transformers Messwerke Moving coil instruments Messwertanzeige Indicating instruments Messwertausgabe Output of measured quantities Messwertregistrierung Registrating instruments Messwertspeicherung Storage Metallfedern Metal springs Metallographische Untersuchungen Metallographic investigation methods Metallurgische Einflüsse Metallurgical effects Meteorologische Grundlagen Meteorological fundamentals Methoden Methods Methodisches Vorgehen Systematic approach Michaelis-Menten-Kinetik Michaelis-MentenKinetic Mikrobiologisch beeinflusste Korrosion Microbiological influenced corrosion Mikroorganismen mit technischer Bedeutung Microorganisms of technical importance Mineralische Bestandteile Mineral components Mineralöltransporte Oil transport Mischen von Feststoffen Mixing of solid materials Mittlere Verweilzeit Mean retention time Modale Analyse Modal analysis Modale Parameter: Eigenfrequenzen, modale Dämpfungen, Eigenvektoren Modal parameters: Natural frequencies, modal damping, eigenvectors Modellbildung und Entwurf Modeling and design method Modelle Models Möglichkeiten zur Geräuschminderung Possibilities for noise reduction Möglichkeiten zur Verminderung von Maschinengeräuschen Methods of reducing machinery noise Mollier-Diagramm der feuchten Luft Mollierdiagram of humid air Montage und Demontage Assembly and disassembly Montageplanung Assembly planning Montageprozess Assembly process Montagesysteme Assembly systems Motorbauteile Engine components

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Motoren Motors Motoren-Kraftstoffe Internal combustion (IC) engine fuels Motorisch betriebene Flurförderzeuge Powerdriven lift trucks Motorkraftwerke Internal combustion (IC) engines Mustererkennung und Bildverarbeitung Pattern recognition and image processing Nachbehandlungen Secondary treatments Nachformfräsmaschinen Copy milling machines Näherungsverfahren zur Knicklastberechnung Approximate methods for estimating critical loads Naturumlaufkessel für fossile Brennstoffe Natural circulation fossil fuelled boilers Neigetechnik Body-tilting technique Nenn-, Struktur- und Kerbspannungskonzept Nominal, structural and notch tension concept Nennspannungskonzept Nominal stress approach Netzgeführte Gleich- und Wechselrichter Line-commutated rectifiers and inverters Netzgeführte Stromrichter Line-commutated converters Netzrückwirkungen Line interaction Netzwerkberechnung Network analysis Netzwerke Networks Nichteisenmetalle Nonferrous metals Nichtlineare Schwingungen Non-linear vibrations Nichtlinearitäten Nonlinear transfer elements Nichtmetallische anorganische Werkstoffe Nonmetallic inorganic materials Nichtstationäre Wärmeleitung Transient heat conduction Nickel und seine Legierungen Nickel and nickel alloys Niederhubwagen Pallet truck Niederspannungsschaltgeräte Low voltage switchgear Nietverbindungen Riveted joints Normalspannungshypothese Maximum principal stress criterion Normen- und Zeichnungswesen Fundamentals of standardisation and engineering drawing Normenwerk Standardisation

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Nullter Hauptsatz und empirische Temperatur Zeroth law and empirical temperature Numerisch-analytische Lösung Numerical-analytical solutions Numerische Berechnungsverfahren Numerical methods Numerische Grundfunktionen Numerical basic functions Numerische Methoden Numerical methods Numerische Steuerungen Numerical control (NC) Numerische Verfahren zur Simulation von Luft- und Körperschall Numerical processes to simulate airborne and structureborne noise Nur-Luft-Anlagen Air-only systems Nutzliefergrad und Gesamtwirkungsgrad Delivery rate and overall efficiency Oberflächenanalytik Surface analysis Oberflächeneinflüsse Surface effects Oberflächenerwärmung High-frequency induction surface heating Oberflächenkondensatoren Surface condensers Oberflächenkultivierung Surface fermentations Oberflächenmesstechnik Surface measurement Objektorientierte Programmierung Object oriented programming Ofenköpfe Furnace heads Offene Gasturbinenanlage Open gas turbine cycle Offene und geschlossene Regelkreise Open and Closed loop Offenes Laufrad Semi-open impeller Offener Kreislauf Open circuit Offline-Programmiersysteme Off-line programming systems Ölschmierung Oil lubrication Operationsverstärker Operational amplifiers Optimierung von Regelkreisen Control loop optimization Optimierungsprobleme Optimization problems Optische Datenerfassung und -übertragung Optical data collection and transmission Optische Messgrößen Optical quantities Optoelektronische Empfänger Opto-electronic receivers Optoelektronische Komponenten Optoelectronic components

Fachausdrücke

Optoelektronische Sender Opto-electronic emitters Optokoppler Optocouplers Organisation der Produktion Structure of production Organisationsformen der Montage Organizational forms of assembly Organisch-chemische Analytik Organic chemical analysis Ossbergerturbinen Ossberger (Banki) turbines Oszillierende Verdrängerpumpen Oscillating positive displacement pumps Oszilloskope Oscilloscopes Ottomotor Otto engine P-Anteil, P-Regler Proportional controller Parameterermittlung Parameter definition Parametererregte Schwingungen Parameterexcited vibrations Parametrik Parametric modeling Parametrik und Zwangsbedingungen Parametrics and holonomic constraint Pass- und Scheibenfeder-Verbindungen Parallel keys and woodruff keys Passive Komponenten Passive components Passive Sicherheit Passive safety PD-Regler Proportional plus derivative controller Peltonturbinen Pelton turbines Pflanzliche und tierische Zellen (Gewebe) Plant and animal tissues Pflichtenheft Checklist P-Glied Proportional element Physikalische Grundlagen Law of physics PID-Regler Proportional plus integral plus derivative controller Pilze Funghi PI-Regler Proportional plus integral controller Planiermaschinen Dozers and graders Planschleifmaschinen Surface grinding machines Planung und Investitionen Planning and investments Planung von Messungen Planning of measurements Plastisches Grenzlastkonzept Plastic limit load concept Plastizitätstheorie Theory of plasticity Platten Plates

Fachausdrücke

Plattenbandförderer Slat conveyors Pneumatische Antriebe Pneumatic drives Pneumatische Förderer Pneumatic conveyors Polarimetrie Polarimetry Polygonwellenverbindungen Joints with polygonprofile Polytroper und isentroper Wirkungsgrad Polytropic and isentropic efficiency Portalstapler, Portalhubwagen Straddle carrier, Van carrier Positionswerterfassung, Arten Types of position data registration Potentialströmungen Potential flows PPS-Systeme PPC systems Pressmaschinen Press Pressverbände Interference fits Primärenergien Primary energies Prinzip der virtuellen Arbeiten Principle of virtual work Prinzip und Bauformen Principle and types Prinzip von d’Alembert und geführte Bewegungen D’Alembert’s principle Prinzip von Hamilton Hamilton’s principle Probenentnahme Sampling Produktdatenmanagement Product data management Produktentstehungsprozess Product creation process Profilschleifmaschinen Profil grinding machines Profilverluste Profile losses Programmiermethoden Programming methods Programmiersprachen Programming languages Programmierverfahren Programming procedures Programmsteuerung und Funktionssteuerung Program control and function control Propeller Propellers Proportionalventile Proportional valves Prozessdatenverarbeitung und Bussysteme Process data processing and bussystems Prozesse und Funktionsweisen Processes and functional principles Prozesskostenrechnung/-kalkulation Activitybased accounting/-calculation Prüfverfahren Test methods P-Strecke 0. Ordnung (P–T0 ) Proportional controlled system

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P-Strecke 1. Ordnung (P–T1 ) Proportional controlled system with first order delay P-Strecke 2. und höherer Ordnung (P–Tn ) Proportional controlled system with second or higher order delay P-Strecke mit Totzeit (P–Tt ) Proportional controlled system with dead time Pulsationsdämpfung Pulsation dumping Pumpspeicherwerke Pump storage stations Qualitätsmanagement (QM) Quality management Quasistationäres elektromagnetisches Feld Quasistationary electromagnetic field Querbewegung Translational motion Querdynamik und Fahrverhalten Lateral dynamics and driving behavior Quereinblasung Vertical injection Quergurtsorter Cross belt sorter Querstapler Side-loading truck Quertransport Cross transfer Radaufhängung und Radführung Wheel suspension Radbauarten Wheel types Räder Wheels Radiale Laufradbauarten Centrifugal impeller types Radiale Turbinenstufe Radial turbine stage Radialgleitlager im instationären Betrieb Dynamically loaded plain journal bearings Radialverdichter Centrifugal compressors Radsatz Wheel set Rad-Schiene-Kontakt Wheel-rail-contact Randelemente Boundary elements Rauchgasentschwefelung Flue-gas desulphurisation Rauchgasentstaubung Flue-gas dust separating Rauchgasentstickung Flue-gas NOx reduction Raum-Heizkörper, -Heizflächen Radiators, convectors and panel heating Raumklima Indoor climate Räumlicher und ebener Spannungszustand Three-dimensional and plane stresses Raumluftfeuchte (interior) air humidity Raumluftgeschwindigkeit (interior) air velocity Räummaschinen Broaching machines Raumtemperatur Room temperature Reaktionsgleichungen Equations of reactions

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Reaktorkern mit Reflektor Reactor core with reflector Reale Gase und Dämpfe Real gases and vapours Reale Gasturbinenprozesse Real gas-turbine cycles Reale Maschine Real engine Reale Reaktoren Real reactors Reale Strömung durch Gitter True flow through cascades Reales Fluid Real fluid Rechnergestützter Regler Computer based controller Rechnernetze Computer networks Rechteckplatten Rectangular plates Refraktometrie Refractometry Regelstrecken Controlled systems Regelstrecken mit Ausgleich (P-Strecken) Controlled systems with self-regulation Regelstrecken ohne Ausgleich (I-Strecken) Controlled systems without self-regulation Regelung Regulating device Regelung in der Antriebstechnik Drive control Regelung mit Störgrößenaufschaltung Feedforward control loop Regelung und Betriebsverhalten Regulating device and operating characteristics Regelung und Steuerung Control Regelung von Drehstromantrieben Control of three-phase drives Regelung von Turbinen Control of turbines Regelung von Verdichtern Control of compressors Regelungsarten Regulation methods Regelungstechnik Automatic control Regenerative Energien Regenerative energies Regenerativer Wärmeübergang Regenerative heat transfer Regler Controllers Reibkorrosion (Schwingverschleiß) Fretting corrosion Reibradgetriebe Traction drives Reibschlussverbindungen Connections with force transmission by friction Reibung Friction Reibungszahl, Wirkungsgrad Coefficient of friction, efficiency Reibungszustände Friction regimes Reifen und Felgen Tires and Rims

Fachausdrücke

Reihenstruktur Chain structure Revolverbohrmaschinen Turret drilling machines Richtungsgeschaltete Kupplungen (Freiläufe) Directional (one-way) clutches, overrun clutches Riemenlauf und Vorspannung Coming action of flat belts, tensioning Rissphänomene Cracking phenomena Rohbau Body work Rohrleitungen Pipework Rohrnetz Piping system Rohrverbindungen Pipe fittings Rollen- und Kugelbahnen Roller conveyors Rollwiderstand Rolling friction Roots-Gebläse Roots blowers Rostfeuerungen Stokers and grates Rotation (Drehbewegung, Drehung) Rotation Rotation eines starren Körpers um eine feste Achse Rigid body rotation about a fixed axis Rotationssymmetrischer Spannungszustand Axisymmetric stresses Rotationsverdichter Vane compressors Rückkühlsysteme Recooling systems Rückkühlwerke Cooling towers Rumpf Fuselage Rundfräsmaschinen Machines for circular milling Rundschleifmaschinen Cylindrical grinding machines Rutschen und Fallrohre Chutes and down pipes Sachnummernsysteme Numbering systems Säge- und Feilmaschinen Sawing and filing machines Saugdrosselregelung Suction throttling Saugrohr-Benzin-Einspritzung Port fuel injection Säulenbohrmaschinen Free-standing pillar machines Schacht-, Kupol- und Hochöfen Shaft, cupola and blast furnace Schachtförderanlagen Hoisting plants Schachtlüftung Ventilation by wells Schadstoffgehalt Pollutant content Schalen Shells Schall, Frequenz, Hörbereich, Schalldruck, Schalldruckpegel, Lautstärke Sound, fre-

Fachausdrücke

quency, acoustic range, sound pressure, sound pressure level, sound pressure level Schalldämpfer Sound absorber Schallintensität, Schallintensitätspegel Sound intensity, sound intensity level Schallleistung, Schallleistungspegel Sound power, sound power level Schaltanlagen Switching stations Schaltgeräte Switchgear Schaltung Circuit Schaltung und Regelung Switching and control Schaufelanordnung für Pumpen und Verdichter Blade arrangement in pumps and compressors Schaufelanordnung für Pumpen und Verdichter Schaufelanordnung für Turbinen Blade arrangement for pumps and compressors blade arrangement for turbines Schaufelanordnung für Turbinen Blade arrangement in turbines Schaufelgitter Blade rows (cascades) Schaufelgitter, Stufe, Maschine, Anlage Blade row, stage, machine and plant Schaufellader Shovel loaders Schaufeln im Gitter, Anordnung Arrangement of blades in a cascade Schaufelschwingungen Vibration of blades Schäumen Expanding Schaumzerstörung Foam destruction Scheiben Discs Scheren und Schneiden Shearing and blanking Schichtpressen Film pressing Schieber Gate valves Schiebeschuhsorter Sliding shoe sorter Schiefer zentraler Stoß Oblique impact Schienenfahrzeuge Rail vehicles Schifffahrt Marine application Schiffspropeller Ship propellers Schleifmaschinen Grinding machines Schlepper Industrial tractor Schlupf Ratio of slip Schmalgangstapler Stacking truck Schmelz- und Sublimationsdruckkurve Melting and sublimation curve Schmieden Forging Schmierfette Lubricating greases Schmieröle Lubricating oils

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Schmierstoff und Schmierungsart Lubricant and kind of lubrication Schmierstoffe Lubricants Schmierung Lubrication Schmierung und Kühlung Lubrication and cooling Schneckengetriebe Worm gears Schneidstoffe Cutting materials Schnelle Brutreaktoren (SNR) Fast breeder reactors Schnittlasten am geraden Träger in der Ebene Forces and moments in straight beams Schnittlasten an gekrümmten ebenen Trägern Forces and moments in plane curved beams Schnittlasten an räumlichen Trägern Forces and moments at beams of space Schnittlasten: Normalkraft, Querkraft, Biegemoment Axial force, shear force, bending moment Schnittstellen Interfaces Schornstein Stack Schottky-Dioden Schottky-Diodes Schraube (Bewegungsschraube) Screw (driving screw) Schrauben Bolts Schrauben- und Mutterarten Types of bolt and nut Schraubenverbindungen Bolted connections Schraubenverdichter Screw compressors Schraubflächenschleifmaschinen Screw thread grinding machines Schreiber Recorders Schrittmotoren Stepping motors Schub und Torsion Shear and torsion Schubplattformförderer Push sorter Schubspannungen und Schubmittelpunkt am geraden Träger Shear stresses and shear centre in straight beams Schubspannungshypothese Maximum shear stress (Tresca) criterion Schubstapler Reach truck Schuppenförderer Shingling conveyor Schüttgutlager Bulk material storage Schüttgut-Systemtechnik Bulk material handling technology Schutzarten Degrees of protection Schutzschalter Protection switches

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Schweiß- und Lötmaschinen Welding and soldering (brazing) machines Schweißverfahren Welding processes Schwenkbohrmaschinen Radial drilling machines Schwerpunkt (Massenmittelpunkt) Center of gravity Schwerpunktsatz Motion of the centroid Schwerwasserreaktoren Heavy water reactors Schwimmende oder Stütz-Traglagerung und angestellte Lagerung Axially floating bearing arrangements and clearance adjusted bearing pairs Schwinger mit nichtlinearer Federkennlinie oder Rückstellkraft Systems with non-linear spring characteristics Schwingfestigkeit Fatigue strength Schwingförderer Vibrating conveyors Schwingkreise und Filter Oscillating circuits and filters Schwingungen Vibrations Schwingungen der Kontinua Vibration of continuous systems Schwingungen mit periodischen Koeffizienten (rheolineare Schwingungen) Vibration of systems with periodically varying parameters (Parametrically excited vibrations) Schwingungsrisskorrosion Corrosion fatigue Segregation Segregation Seil mit Einzellast Cable with point load Seil unter Eigengewicht (Kettenlinie) The catenary Seil unter konstanter Streckenlast Cable with uniform load over the span Seilaufzüge Cable elevator Seile und Ketten Cables and chains Seile und Seiltriebe Ropes and rope drives Selbsterregte Schwingungen Self-excited vibrations Selbstgeführte Stromrichter Self-commutated converters Selbstgeführte Wechselrichter und Umrichter Self-commutated inverters and converters Selbsthemmung und Teilhemmung Selflocking and partial locking Selbsttätig schaltende Kupplungen Automatic clutches

Fachausdrücke

Selbsttätige Ventile, Konstruktion Design of self acting valves Selektiver Netzschutz Selective network protection Selektives Lasersintern (SLS) Selective laser sintering (SLS) Sensoren Sensors Sensoren und Aktoren Sensors and actuators Sensorik Sensor technology Serienhebezeuge Standard hoists Servoventile Servo valve Sicherheit Safety Sicherheitsbestimmungen Safety requirements Sicherheitstechnik Safety devices Sicherheitstechnik von Kernreaktoren Reactor safety Sicherung von Schraubenverbindungen Thread locking devices Signalarten Types of signals Signalbildung Signal forming Signaleingabe und -ausgabe Input and output of signals Signalverarbeitung Signal processing Simulationsmethoden Simulation methods Softwareentwicklung Software engineering Solarenergie Solar energy Sonderbauarten Special-purpose design Sonderbohrmaschinen Special purpose drilling machines Sonderdrehmaschinen Special purpose lathes Sonderfälle Special cases Sonderfräsmaschinen Special purpose milling machines Sondergetriebe Special gears Sonderklima- und Kühlanlagen Special air conditioning and cooling plants Sonderschneidverfahren Special blanking processes Sonderverfahren Special technologies Sonnenenergie, Anlagen zur Nutzung Sun power stations Sonnenstrahlung Solar radiation Sortiersystem – Sortieranlage – Sorter Sorting system – sorting plant – sorter Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden Cutting with geometrically well-defined tool edges

Fachausdrücke

Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide Cutting with geometrically nondefined tool angles Spanende Werkzeugmaschinen Metal cutting machine tools Spannungen Stresses Spannungen und Verformungen Stresses and strains Spannungsbeanspruchte Querschnitte Strained cross sectional area Spannungsinduktion Voltage induction Spannungsrisskorrosion Stress corrosion cracking Spannungswandler Voltage transformers Speicherkraftwerke Storage power stations Speicherprogrammierbare Steuerungen Programmable logic controller (PLC) Speichersysteme Storage systems Speisewasseraufbereitung Feed water treatment Speisewasservorwärmer (Eco) Feed water heaters (economizers) Sperrventile Shuttle Valves Spezifische Sicherheitseinrichtungen Specific safety devices Spezifischer Energieverbrauch Specific power consumption Spindelpressen Screw presses Spiralfedern (ebene gewundene, biegebeanspruchte Federn) und Schenkelfedern (biegebeanspruchte Schraubenfedern) Spiral springs and helical torsion springs Spreizenstapler Straddle truck Spritzgießverfahren Injection moulding Spritzpressen Injection pressing Sprungantwort und Übergangsfunktion Step response and unit step response Stäbe mit beliebigem Querschnitt Bars of arbitrary cross section Stäbe mit Kerben Bars with notches Stäbe mit konstantem Querschnitt und konstanter Längskraft Uniform bars under constant axial load Stäbe mit Kreisquerschnitt und konstantem Durchmesser Bars of circular cross section and constant diameter Stäbe mit Kreisquerschnitt und veränderlichem Durchmesser Bars of circular cross section and variable diameter

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Stäbe mit veränderlichem Querschnitt Bars of variable cross section Stäbe mit veränderlicher Längskraft Bars with variable axial loads Stäbe unter Temperatureinfluss Bars with variation of temperature Stabilität des Regelkreises Control loop stability Stabilitätsprobleme Stability problems Stähle Steels Stahlerzeugung Steelmaking Standardaufgabe der linearen Algebra Standard problem of linear algebra Standardaufgaben der linearen Algebra Standard problems of linear algebra Ständerbohrmaschinen Column-type drilling machines Standsicherheit Stability Starre Kupplungen Rigid couplings Start- und Zündhilfen Starting aids Statik starrer Körper Statics of rigid bodies Stationär belastete Axialgleitlager Plain thrust bearings under steady state conditions Stationär belastete Radialgleitlager Plain journal bearings under steady-state conditions Stationäre laminare Strömung in Rohren mit Kreisquerschnitt Steady laminar flow in pipes of circular cross-section Stationäre Prozesse Steady state processes Stationäre Strömung durch offene Gerinne Steady flow in open channels Stationäre turbulente Strömung in Rohren mit Kreisquerschnitt Steady turbulent flow in pipes of circular cross-section Stationäre Wärmeleitung Steady state heat conduction Stationärer Betrieb Steady-state operation Statisch unbestimmte Systeme Statically indeterminate systems Statische Ähnlichkeit Static similarity Statische bzw. dynamische Tragfähigkeit und Lebensdauerberechnung Static and dynamic capacity and computation of fatigue life Statische Festigkeit Static strength Statischer Wirkungsgrad Static efficiency Statisches Verhalten Steady-state response Stauchen Upsetting

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Stauchen rechteckiger Körper Upsetting of square parts Stauchen zylindrischer Körper Upsetting of cylindrical parts Stell- und Störverhalten der Strecke Manipulation and disturbance reaction of the controlled system Stereolithografie (SL) Stereolithography (SL) Steriler Betrieb Sterile operation Sterilfiltration Sterile filtration Sterilisation Sterilization Stetigförderer Continuous conveyors Steuerdatenverarbeitung Control data processing Steuerkennlinien Control characteristics Steuerorgane für den Ladungswechsel Valve gear Steuerung automatischer Lagersysteme Control of automatic storage systems Steuerungen Control systems Steuerungssystem eines Industrieroboters Industrial robot control systems Steuerungssystem eines Industrieroboters Programmierung Control system of a industrial robot programming Steuerungssysteme, Aufbau Design of control systems Stiftverbindungen Pinned and taper-pinned joints Stirnräder – Verzahnungsgeometrie Spur and helical gears – gear tooth geometry Stirnschraubräder Crossed helical gears Stöchiometrie Stoichiometry Stoffe im elektrischen Feld Materials in electric field Stoffe im Magnetfeld Materials in magnetic field Stoffmessgrößen Quantities of substances and matter Stoffthermodynamik Thermodynamics of substances Stofftrennung Material separation Störungsverhalten des Regelkreises Disturbance reaction of the control loop Stoß Impact Stoß- und Nahtarten Types of weld and joint Stoßmaschinen Shaping and slotting machines Stoßofen Pusher furnace

Fachausdrücke

Strahlung in Industrieöfen Radiation in industrial furnaces Strahlungsmesstechnik Radiation measurement Strangpressen (Extrudieren) Extrusion Straßenfahrzeuge Road vehicles Streckziehen Stretch-forming Strom-, Spannungs- und Widerstandsmesstechnik Measurement of current, voltage and resistance Stromrichterkaskaden Static Kraemer system Stromrichtermotor Load-commutated inverter motor Stromteilgetriebe Throttle controlled drives Strömung Flow Strömung idealer Gase Flow of ideal gases Strömungsförderer Fluid conveyor Strömungsform Flow pattern Strömungsgesetze Laws of fluid dynamics Strömungsmaschinen Fluid flow machines (Turbomachinery) Strömungstechnik Fluid dynamics Strömungstechnische Messgrößen Fluid flow quantities Strömungsverluste Flow losses Strömungsverluste durch spezielle Rohrleitungselemente und Einbauten Loss factors for pipe fittings and bends Strömungswiderstand von Körpern Drag of solid bodies Strömungswiderstände Flow resistance Stromventile Flow control valves Stromverdrängung, Eindringtiefe Skin effect, depth of penetration Stromversorgung Electric power supply Stromwandler Current transformers Struktur tribologischer Systeme Structure of tribological systems Struktur und Größen des Regelkreises Structure and variables of the control loop Struktur von Verarbeitungsmaschinen Structure of Processing Machines Strukturen der Messtechnik Structures of metrology Strukturfestlegung Structure definition Strukturintensität und Körperschallfluss Structure intensity and structure-borne noise flow Strukturmodellierung Structure representation

Fachausdrücke

Stückgut-Systemtechnik Piece good handling technology Stufen Stage design Stufenkenngrößen Dimensionless stage parameters Submerskultivierung Submerse fermentations Substratlimitiertes Wachstum Substrate limitation of growth Suche nach Lösungsprinzipien Search for solution principles Superplastisches Umformen von Blechen Superplastic forming of sheet Synchronlinearmotoren Synchronous linear motor Synchronmaschinen Synchronous machines Systematik Systematic Systematik der Verteilförderer Systematics of distribution conveyors Systeme der rechnerunterstützten Produktentstehung Application systems for product creation Systeme für den Insassenschutz Systems for occupant protection Systeme für ganzjährigen Kühlbetrieb Chilled water systems for year-round operation Systeme für gleichzeitigen Kühl- und Heizbetrieb Systems for simultaneous cooling- and heating-operation Systeme mit einem Freiheitsgrad Systems with one degree of freedom (DOF) Systeme mit mehreren Freiheitsgraden (Koppelschwingungen) Multi-degree-of-freedom systems (coupled vibrations) Systeme mit veränderlicher Masse Systems with variable mass Systeme mit Wärmezufuhr Systems with heat addition Systeme starrer Körper Systems of rigid bodies Systeme und Bauteile der Heizungstechnik Heating systems and components Systeme, Systemgrenzen, Umgebung Systems, boundaries of systems, surroundings Systemzusammenhang System interrelationship T1 -Glied First order delay element T2 =n-Glied Second or higher order delay element Tt -Glied Dead time element TDM-/PDM-Systeme TDM/PDM systems

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Technische Ausführung der Regler Controlling system equipment Technische Systeme Fundamentals of technical systems Technologie Technology Technologische Einflüsse Technological effects Teillastbetrieb Part-load operation Tellerfedern (scheibenförmige, biegebeanspruchte Federn) Conical disk (Belleville) springs Temperaturausgleich in einfachen Körpern Temperature equalization in simple bodies Temperaturen Temperatures Temperaturen. Gleichgewichte Temperatures. Equilibria Temperaturskalen Temperature scales Temperaturverläufe Temperature profile Thermische Ähnlichkeit Thermal similarity Thermische Beanspruchung Thermal stresses Thermische Behandlungsprozesse Thermal treatments Thermische Messgrößen Thermal quantities Thermische Verfahrenstechnik Thermal process engineering Thermische Zustandsgrößen von Gasen und Dämpfen Thermal properties of gases and vapours Thermischer Apparatebau und Industrieöfen Thermal apparatus engineering and industrial furnaces Thermischer Überstromschutz Thermic overload protection Thermisches Abtragen Removal by thermal operations Thermisches Abtragen mit Funken (Funkenerosives Abtragen) Electro discharge machining (EDM) Thermisches Gleichgewicht Thermal equilibrium Thermodynamik Thermodynamics Thermodynamische Gesetze Thermodynamic laws Thyristoren Thyristors Thyristorkennlinien und Daten Thyristor characteristics and data Tiefbohrmaschinen Deep hole drilling machines Tiefziehen Deep drawing

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Tischbohrmaschinen Bench drilling machines Titanlegierungen Titanium alloys Torquemotoren Torque motors Torsionsbeanspruchung Torsion Totaler Wirkungsgrad Total efficiency Tragfähigkeit Load capacity Tragflügel Wing Tragflügel und Schaufeln Aerofoils and blades Tragmittel und Lastaufnahmemittel Load carrying equipment Tragwerke Steel structures Tragwerksgestaltung Design of steel structures Transferstraßen und automatische Fertigungslinien Transfer lines and automated production lines Transformationen der Michaelis-MentenGleichung Transformation of MichaelisMenten-equation Transformatoren und Wandler Transformers Transistoren Transistors Translation (Parallelverschiebung, Schiebung) Translation Transportbetonmischer Truck mixers Transporteinheiten (TE) und Transporthilfsmittel (THM) Transport units (TU) and transport aids (TA) Transportfahrzeuge Dumpers Trennen Cutting Tribologie Tribology Tribologische Kenngrößen Tribological characteristics Tribotechnische Werkstoffe Tribotechnic materials Trockenluftpumpen Air ejectors Trogkettenförderer Troughed chain conveyors Tunnelwagenofen Tunnel furnace Turbine Turbine Turboverdichter Turbocompressors Türen Doors Turmdrehkrane Tower cranes Typen und Bauarten Types and Sizes Typgenehmigung Type approval Überblick, Aufgaben Introduction, function Überdruckturbinen Reaction turbines Überhitzer und Zwischenüberhitzer Superheater und Reheater

Fachausdrücke

Überlagerung von Korrosion und mechanischer Beanspruchung Corrosion under additional mechanical stress Überlagerung von Vorspannkraft und Betriebslast Superposition of preload and working loads Übersetzung, Zähnezahlverhältnis, Momentenverhältnis Transmission ratio, gear ratio, torque ratio Übersicht Overview Überzüge auf Metallen Coatings on metals Ultraschallverfahren Ultrasonic processing Umformen Forming Umgebungseinflüsse Environmental effects Umkehrstromrichter Reversing converters Umlaufgetriebe Epicyclic gear systems Umlauf-S-Förderer Rotating S-conveyor Umrichterantriebe mit selbstgeführtem Wechselrichter A. c. drives with self-commutated inverters Umwälzpumpen Circulating pumps Umweltmessgrößen Environmental quantities Umweltschutztechnologien Environmental control technology Umweltverhalten Environmental pollution Unendlich ausgedehnte Scheibe mit Bohrung Infinite plate with a hole Ungedämpfte erzwungene Schwingungen Forced undamped vibrations Ungleiche Kapazitätsstromverhältnisse Unequal capacitive currents Universaldrehmaschinen Universal lathes Universalmotoren Universal motor Universal-Werkzeugfräsmaschinen Universal milling machines Unstetigförderer Non-continuous conveyors Urformen Primary shaping Urformwerkzeuge Tools for primary forming Ventilator Fan Ventilauslegung Valve lay out Ventile und Klappen Valves Ventileinbau Valve location Verarbeitungsanlagen Processing Plants Verarbeitungssystem Processing System Verbrauch und CO2 -Emission Consumption and CO2 emission Verbrennung Combustion

Fachausdrücke

Verbrennung im Motor Internal combustion Verbrennung und Brennereinteilung Combustion and burner classification Verbrennungskraftanlagen Internal combustion engines Verbrennungsmotoren Internal combustion engines Verbrennungstemperatur Combustion temperature Verbrennungsvorgang Combustion Verdampfen und Kristallisieren Evaporation and crystallization Verdampfer Evaporator Verdichter Compressor Verdichtung feuchter Gase Compression of humid gases Verdichtung idealer und realer Gase Compression of ideal and real gases Verdrängerpumpen Positive displacement pumps Verdunstungskühlverfahren Evaporativ cooling process Verfahren der Mikrotechnik Manufacturing of microstructures Verfahrenstechnik Chemical engineering Verflüssiger Condenser Verflüssigersätze, Splitgeräte für Klimaanlagen Condensing units, air conditioners with split systems Verformungen Strains Vergaser Carburetor Verglasung, Scheibenwischer Glazing, windshield wiper Vergleichsprozesse für einstufige Verdichtung Ideal cycles for single stage compression Verluste an den Schaufelenden Losses at the blade tips Verluste und Wirkungsgrad Losses and efficiency Verlustteilung Division of energy losses Verminderung der Körperschallfunktion Reduction of the structure-borne noise function Verminderung der Kraftanregung Reduction of the force excitation Verminderung der Luftschallabstrahlung Reduction of the airborne noise emission Verminderung des Kraftpegels (Maßnahmen an der Krafterregung) Reduce of force level

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Verminderung von Körperschallmaß und Abstrahlmaß (Maßnahmen am Maschinengehäuse) Reduce of structure-borne-noise-factor and radiation coefficient Versagen durch komplexe Beanspruchungen Modes of failure under complex conditions Versagen durch mechanische Beanspruchung Failure under mechanical stress conditions Verschiedene Energieformen Different forms of energy Verschleiß Wear Verstärker mit Rückführung Amplifier with feedback element Verstellung und Regelung Regulating device Versuchsauswertung Evaluation of tests Verteilen und Speicherung von Nutzenergie Distribution und storage of energy Verteilermasten Distributor booms Vertikaldynamik Vertical dynamic Verzahnen Gear cutting Verzahnen von Kegelrädern Bevel gear cutting Verzahnen von Schneckenrädern Cutting of worm gears Verzahnen von Stirnrädern Cutting of cylindrical gears Verzahnungsabweichungen und -toleranzen, Flankenspiel Tooth errors and tolerances, backlash Verzahnungsgesetz Rule of the common normal Verzahnungsschleifmaschinen Gear grinding machines Viergelenkgetriebe Four-bar linkages Virtuelle Produktentstehung Virtual product creation Viskosimetrie Viscosimetry Volumen, Durchfluss, Strömungsgeschwindigkeit Volume, flow rate, fluid velocity Volumenstrom, Eintrittspunkt, Austrittspunkt Capacity, inlet point, outlet point Volumenstrom, Laufraddurchmesser, Drehzahl Volume flow, impeller diameter, speed Volumetrische Verluste Volumetric losses Vorbereitende und nachbehandelnde Arbeitsvorgänge Preparing and finishing steps Vorgang Procedure Vorgespannte Welle-Nabe-Verbindungen Prestressed shaft-hub connections Vorzeichenregeln Sign conventions

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VR-/AR-Systeme VR /AR systems Waagerecht-Bohr- und -Fräsmaschinen Horizontal boring and milling machines Wachstumshemmung Inhibition of growth Wagen Platform truck Wahl der Bauweise Selection of machine type Wälzgetriebe mit stufenlos einstellbarer Übersetzung Continuously variable traction drives Wälzlager Rolling bearings Wälzlagerdichtungen Rolling bearing seals Wälzlagerkäfige Bearing cages Wälzlagerschmierung Lubrication of rolling bearings Wälzlagerwerkstoffe Rolling bearing structural materials Wanddicke ebener Böden mit Ausschnitten Wall thickness Wanddicke verschraubter runder ebener Böden ohne Ausschnitt Wall thickness of round even plain heads with inserted nuts Wandlung regenerativer Energien Transformation of regenerative energies Wandlung von Primärenergie in Nutzenergie Transformation of primary energy into useful energy Wandlungsfähige Fertigungssysteme Versatile manufacturing systems Wärme Heat Wärme- und Stoffübertragung Heat and material transmission Wärme- und strömungstechnische Auslegung Thermodynamic and fluid dynamic design Wärmeaustausch durch Strahlung Heat exchange by radiation Wärmebedarf, Heizlast Heating load Wärmebehandlung Heat Treatment Wärmedehnung Thermal expansion Wärmeerzeugung Heat generation Wärmekraftanlagen Thermal power plants Wärmekraftwerke Heating power stations Wärmepumpen Heat pumps Wärmequellen Source of heat Wärmerückgewinnung Heat recovery Wärmerückgewinnung durch Luftvorwärmung Heat recovery through air preheating Wärmetauscher Heat exchangers Wärmetechnische Auslegung von Regeneratoren Thermodynamic design of regenerators

Fachausdrücke

Wärmetechnische Auslegung von Rekuperatoren Thermodynamic design of recuperators Wärmetechnische Berechnung Thermodynamic calculations Wärmeübergang Heat transfer Wärmeübergang beim Kondensieren und beim Sieden Heat transfer in condensation and in boiling Wärmeübergang durch Konvektion Heat transfer by convection Wärmeübergang ins Solid Heat transfer into solid Wärmeübergang ohne Phasenumwandlung Heat transfer without change of phase Wärmeübergang und Wärmedurchgang Heat transfer and heat transmission Wärmeübertrager Heat exchanger Wärmeübertragung Heat transfer Wärmeübertragung durch Strahlung Radiative heat transfer Wärmeübertragung Fluid–Fluid Fluid-fluid heat exchange Wärmeverbrauchsermittlung Determination of heat consumption Wartung und Instandhaltung Maintenance Wasserbehandlung Water treatment Wasserenergie Water power Wasserkraftanlagen Water power plant Wasserkraftwerke Hydroelectric power plants Wasserkreisläufe Water circuits Wasserstoffinduzierte Rissbildung Hydrogen induced cracking Wasserturbinen Water turbines Wasserwirtschaft Water management Wechselstrom- und Drehstromsteller Alternating- and three-phase-current controllers Wechselstromgrößen Alternating current quantities Wechselstromtechnik Alternating current (a. c.) engineering Wegeventile Directional control valves Weggebundene Pressmaschinen Mechanical presses Wegmesstechnik Motion measurement Weichlöten Soldering Wellendichtungen Shaft seals Werkstoff Material

Fachausdrücke

Werkstoff- und Bauteileigenschaften Properties of materials and structures Werkstoffauswahl Materials selection Werkstoffkennwerte für die Bauteildimensionierung Materials design values for dimensioning of components Werkstoffphysikalische Grundlagen der Festigkeit und Zähigkeit metallischer Werkstoffe Basics of physics for strength and toughness of metallic materials Werkstoffprüfung Materials testing Werkstoffreinheit Purity of material Werkstofftechnik Materials technology Werkstückeigenschaften Workpiece properties Werkzeuge Tools Werkzeuge und Methoden Tools and methods Werkzeugmaschinen zum Umformen Presses and hammers for metal forming Widerstände Resistors Widerstandserwärmung Resistance heating Widerstandsschweißmaschinen Resistance welding machines Wind Wind Windenergie Wind energy Windkraftanlagen Wind power stations Winkel Angles Wirbelschicht Fluidized bed Wirbelschichtfeuerung Fluidized bed combustion (FBC) Wirklicher Arbeitsprozess Real cycle Wirkungsgrade Efficiencies Wirkungsgrade, Exergieverluste Efficiencies, exergy losses Wirkungsweise Mode of operation Wirkungsweise und Ersatzschaltbilder Working principle and equivalent circuit diagram Wirkungsweise, Definitionen Mode of operation, definitions Wirkzusammenhang Working interrelationship Wissensbasierte Modellierung Knowledge based modeling Wölbkrafttorsion Torsion with warping constraints Zahlendarstellungen und arithmetische Operationen Number representation and arithmetic operations

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Zahn- und Keilwellenverbindungen Splined joints Zahnform Tooth profile Zahnkräfte, Lagerkräfte Tooth loads, bearing loads Zahnradgetriebe Gearing Zahnradpumpen und Zahnring-(Gerotor-) pumpen Geartype pumps Zahnringmaschine Zahnradpumpen und Zahnring-(Gerotor-)pumpen Gear ring machine, gear pump and gear ring (gerotor) pumps Zahnschäden und Abhilfen Types of tooth damage and remedies Z-Dioden Z-Diodes Zeichnungen und Stücklisten Engineering drawings and parts lists Zeigerdiagramm Phasor diagram Zelle, Struktur Airframe, Structural Design Zellerhaltung Maintenance of cells Zentrale Raumlufttechnische Anlagen Central air conditioning plant Zentralheizung Central heating Zerkleinern Size Reduction Zerkleinerungsmaschinen Size Reduction Equipment Zerstörungsfreie Bauteil- und Maschinendiagnostik Non-destructive diagnosis and machinery condition monitoring Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung Non-destructive testing Zink und seine Legierungen Zinc and zinc alloys Zinn Tin Zug- und Druckbeanspruchung Tension and compression stress Zugkraftdiagramm Traction forces diagram Zugmittelgetriebe Belt and chain drives Zug-Stoßeinrichtungen Buffing and draw coupler Zugversuch Tension test Zündausrüstung Ignition equipment Zusammenarbeit von Maschine und Anlage Matching of machine and plant Zusammengesetzte Beanspruchung Combined stresses Zusammengesetzte Planetengetriebe Compound planetary trains

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Zusammensetzen und Zerlegen von Kräften mit gemeinsamem Angriffspunkt Combination and resolution of concurrent forces Zusammensetzen und Zerlegen von Kräften mit verschiedenen Angriffspunkten Combination and resolution of non-concurrent forces Zusammensetzen von Gittern zu Stufen Combination of cascades to stages Zusammensetzung Composition, combination Zustandsänderung Change of state Zustandsänderungen feuchter Luft Changes of state of humid air Zustandsänderungen von Gasen und Dämpfen Changes of state of gases and vapours Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff Iron Carbon Constitutional Diagram Zuverlässigkeitsprüfung Reliability test Zwanglaufkessel für fossile Brennstoffe Forced circulation fossil fueled boilers Zweipunkt-Regelung Two-position control Zweiter Hauptsatz Second law Zylinder Cylinders Zylinderanordnung und -zahl Formation and number of cylinders Zylinderschnecken-Geometrie Cylindrical worm gear geometry Zylindrische Mäntel und Rohre unter innerem Überdruck Cylinders and tubes under internal pressure Zylindrische Mäntel unter äußerem Überdruck Cylinders under external pressure Zylindrische Schraubendruckfedern und Schraubenzugfedern Helical compression springs, helical tension springs

Englisch-Deutsch A. c. drives with self-commutated inverters Umrichterantriebe mit selbstgeführtem Wechselrichter Absolute and relative flow Absolute und relative Strömung Absorbtion of cold water Absorptions-Kaltwassersatz Absorption heat pumps Absorptionswärmepumpen

Fachausdrücke

Absorption refrigeration plant Absorptionskälteanlage Absorption, rectification, liquid-liquid-extraction Absorbieren, Rektifizieren, Flüssig-flüssig-Extrahieren Abstracting to identify the functions Abstrahieren zum Erkennen der Funktionen Acceleration measurement Beschleunigungsmesstechnik Ackeret-keller-process Ackeret-Keller-Prozess Acoustic measurement Akustische Messtechnik Acoustics in mechanical engineering Maschinenakustik Actice steps toward noise and vibration reduction Aktive Maßnahmen zur Lärm- und Schwingungsminderung Action of ideal positive displacement pumps Betriebsverhalten der verlustfreien Verdrängerpumpe Active safety/brakes, types of brakes Aktive Sicherheitstechnik/Bremse, Bremsbauarten Activity-based accounting/-calculation Prozesskostenrechnung/-kalkulation Actuated drives Kraftschlüssige Antriebe Actuators Aktoren Actuators Aktuatoren Adaptive control Adaptive Regelung Adhesive bonding Kleben Adhesives Klebstoffe Adiabatic, closed systems Adiabate, geschlossene Systeme Adjustable inlet guide vane regulation Eintrittsleitschaufelregelung Adsorption, drying, solid-liquid-extraction Adsorbieren, Trocknen, Fest-flüssig-Extrahieren Advanced driver assistant systems Fahrerassistenzsysteme Aero dynamics Aerodynamik Aerofoils and blades Tragflügel und Schaufeln Agglomeration Agglomerieren Agglomeration technology Agglomerationstechnik Air conditioning Klimaanlage Air cooling Luftkühlung Air duct Luftführung Air ejectors Trockenluftpumpen Air flow control and mixing Luftverteilung

Fachausdrücke

Air heating Luftheizung (interior) air humidity Raumluftfeuchte Air passages Luftdurchlässe Air preheater Luftvorwärmer (Luvo) Air supply Luftbedarf Air traffic Luftverkehr (interior) air velocity Raumluftgeschwindigkeit Airborne noise emission Luftschallabstrahlung Airconditioning and climate control for mining Grubenkühlanlagen Airconditioning systems Klassifizierung raumlufttechnischer Systeme Aircraft performance Flugleistungen Aircraft polar Flugzeugpolare Aircrafts Luftfahrzeuge Airframe, Structural Design Zelle, Struktur Air-only systems Nur-Luft-Anlagen Airspeeds Fluggeschwindigkeiten Air-storage gas-turbine power plant Luftspeicher-Kraftwerk Air-water conditioning systems Luft-WasserAnlagen Algae Algen Algorithms Algorithmen Alloying effects Legierungstechnische Maßnahmen Alternating- and three-phase-current controllers Wechselstrom- und Drehstromsteller Alternating current (a. c.) engineering Wechselstromtechnik Alternating current quantities Wechselstromgrößen Alternative Power train systems Alternative Antriebsformen Aluminium and aluminium alloys Aluminium und seine Legierungen Amplifier with feedback element Verstärker mit Rückführung Amplifiers Messverstärker Analog data logging Analoge Messwerterfassung Analog electrical measurement Analoge elektrische Messtechnik Analog-digital converter Analog-Digital-Umsetzer Analysis of measurements Auswertung von Messungen Analysis of mechanisms Getriebeanalyse

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Anergy Anergie Angles Winkel Anisotropy Anisotropie Application Anwendung Application and operation Hinweise für Anwendung und Betrieb Application and procedures Anwendung und Vorgang Application systems for product creation Systeme der rechnerunterstützten Produktentstehung Application to closed systems Geschlossene Systeme, Anwendung Applications Aufgaben Applications and selection of industrial robots Anwendungsgebiete und Auswahl von Industrierobotern Applications and types Anwendungen und Bauarten Applications, characteristics, properties Aufgaben, Eigenschaften, Kenngrößen Applications, Examples Anwendung, Ausführungsbeispiele Approximate methods for estimating critical loads Näherungsverfahren zur Knicklastberechnung Apron conveyor Gliederbandförderer Arbitrarily curved surfaces Beliebig gewölbte Fläche Arc furnaces Lichtbogenofen Arc-welding Lichtbogenschweißen Arrangement and function of hydrostatic transmissions Hydrogetriebe, Aufbau und Funktion der Arrangement of blades in a cascade Schaufeln im Gitter, Anordnung Arrangements with a locating and a non-locating bearing Fest-Loslager-Anordnung Assemblies Baugruppen Assembly and disassembly Montage und Demontage Assembly of electronic circuits Elektronische Schaltungen, Aufbau Assembly planning Montageplanung Assembly process Montageprozess Assembly systems Montagesysteme Asynchronos linear motor Asynchronlinearmotoren

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Asynchronos small motor Asynchron-Kleinmotoren Asynchronous machines Asynchronmaschinen Automated assembly Automatisierte Montage Automatic clutches Selbsttätig schaltende Kupplungen Automatic control Regelungstechnik Automatic lathes Drehautomaten Automatically guided vehicles (AGV) Fahrerlose Transportsysteme (FTS) Automation in materials handling Automatisierung in der Materialflusstechnik Automation of material handling functions Automatisierung von Handhabungsfunktionen Automobile and environment Automobil und Umwelt Automotive engineering Kraftfahrzeugtechnik Auxiliary equipment Hilfsmaschinen Axial compressors Axialverdichter Axial force, shear force, bending moment Schnittlasten: Normalkraft, Querkraft, Biegemoment Axial load and torsion Längskraft und Torsion Axial locking devices Axiale Sicherungselemente Axial repeating stage of multistage compressor Axiale Repetierstufe eines vielstufigen Verdichters Axial repeating stage of multistage turbine Axiale Repetierstufe einer Turbine Axial temperature and mass flow profile Axiale Temperatur- und Massenstromprofile Axial temperature profile Axiale Temperaturverläufe Axial thrust balancing Achsschubausgleich Axial transport Axialtransport Axially floating bearing arrangements and clearance adjusted bearing pairs Schwimmende oder Stütz-Traglagerung und angestellte Lagerung Axis gearing Achsgetriebe Axis systems Achsenkreuze Axisymmetric stresses Rotationssymmetrischer Spannungszustand Bach’s correction factor Anstrengungsverhältnis nach Bach Bacteria Bakterien

Fachausdrücke

Band sawing and band filing machines, hack sawing and hack filing machines, grinding machines Bandsäge- und Bandfeilmaschinen Hubsäge- und Hubfeilmaschinen Schleifmaschinen Bandsawing and filing machines Bandsägeund Bandfeilmaschinen Barrows, Hand trolleys, Dollies Karren, Handwagen und Rollwagen Bars of arbitrary cross section Stäbe mit beliebigem Querschnitt Bars of circular cross section and constant diameter Stäbe mit Kreisquerschnitt und konstantem Durchmesser Bars of circular cross section and variable diameter Stäbe mit Kreisquerschnitt und veränderlichem Durchmesser Bars of variable cross section Stäbe mit veränderlichem Querschnitt Bars with notches Stäbe mit Kerben Bars with variable axial loads Stäbe mit veränderlicher Längskraft Bars with variation of temperature Stäbe unter Temperatureinfluss Basic concepts Grundbegriffe Basic concepts of reactor theory Grundbegriffe der Reaktortheorie Basic considerations Grundlagen Basic design and dimensions Auslegung und Hauptabmessungen Basic design calculations Berechnungsgrundlagen Basic design layout Konstruktive Gesichtspunkte Basic design principles Auslegung Basic disciplines Basisdisziplinen Basic ergonomics Arbeitswissenschaftliche Grundlagen Basic laws Grundgesetze Basic principles of calculating structures Grundlagen der Tragwerksberechnung Basic principles of calculation Grundlagen der Berechnung Basic principles of reciprocating engines Allgemeine Grundlagen der Kolbenmaschinen Basic problems in machine dynamics Grundaufgaben der Maschinendynamik Basic rules of embodiment design Grundregeln

Fachausdrücke

Basic standards Grundnormen Basic structures of the action diagram Grundstrukturen des Wirkungsplans Basic terms of energy, work, power, efficiency Energetische Grundbegriffe – Arbeit, Leistung, Wirkungsgrad Basic types of rubber spring Gummifederelemente Basics of guiding technology Grundbegriffe der Spurführungstechnik Basics of physics for strength and toughness of metallic materials Werkstoffphysikalische Grundlagen der Festigkeit und Zähigkeit metallischer Werkstoffe Batteries Batterien Bearing and drive Lagerung und Antrieb Bearing and lubrication Lagerung und Schmierung Bearing arrangements Konstruktive Ausführung von Lagerungen. Bearing cages Wälzlagerkäfige Bearing cooling Lagerkühlung Bearing loads Lagerkräfte Bearing materials Lagerwerkstoffe Bearing seals Dichtungen Bearing seats, axial and radial positioning Lagersitze, axiale und radiale Festlegung der Lagerringe Bearings Lager Bed-type milling machines Bettfräsmaschinen Belt and chain drives Zugmittelgetriebe Belt grinding machines Bandschleifmaschinen Bench drilling machines Tischbohrmaschinen Bending Biegebeanspruchung Bending Biegen Bending and axial load Biegung und Längskraft Bending and shear Biegung und Schub Bending and torsion Biegung und Torsion Bending of rectangular beams Biegung des Rechteckbalkens Bending rigid shells Biegesteife Schalen Bending strain energy, energy methods for deflection analysis Formänderungsarbeit bei Biegung und Energiemethoden zur Berechnung von Einzeldurchbiegungen Bending stresses in highly curved beams Biegespannungen in stark gekrümmten Trägern

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Bending stresses in straight beams Biegespannungen in geraden Balken Bending test Biegeversuch Bernoulli’s equation for steady flow problems Bernoullischen Gleichung für den stationären Fall Bernoulli’s equation for unsteady flow problems Bernoullischen Gleichung für den instationären Fall Bevel gear cutting Verzahnen von Kegelrädern Bevel gear geometry Kegelrad-Geometrie Bevel gears Kegelräder Binding mechanisms, agglomerate strength Bindemechanismen, Agglomeratfestigkeit Biochemical Engineering Bioverfahrenstechnik Biogas Biogas Biomass Biomasse Bioreactors Bioreaktoren Bipolar transistors Bipolartransistoren Blade arrangement for pumps and compressors blade arrangement for turbines Schaufelanordnung für Pumpen und Verdichter Schaufelanordnung für Turbinen Blade arrangement in pumps and compressors Schaufelanordnung für Pumpen und Verdichter Blade arrangement in turbines Schaufelanordnung für Turbinen Blade row, stage, machine and plant Schaufelgitter, Stufe, Maschine, Anlage Blade rows (cascades) Schaufelgitter Blading Beschaufelung Blading, inlet and exhaust casing Beschaufelung, Ein- und Austrittsgehäuse Blanking machines Maschinen zum Schneiden Body Aufbau Body in space Körper im Raum Body types, vehicle types, design Fahrzeugarten, Aufbau Body work Rohbau Body-tilting technique Neigetechnik Bodywork Karosserie Bolted connections Schraubenverbindungen Bolts Schrauben Boundary elements Randelemente Boundary layer theory Grenzschichttheorie Brakes Bremsen Brakes for trucks Bremsanlagen für Nkw

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Breeding process Brutprozess Bridge and gantry cranes Brücken- und Portalkrane Broaching machines Räummaschinen Bucket elevators (bucket conveyors) Becherwerke (Becherförderer) Buckling of bars Knickung Buckling of plates Beulen von Platten Buckling of plates and shells Beulung Buckling of rings, frames and systems of bars Knicken von Ringen, Rahmen und Stabsystemen Buckling of shells Beulen von Schalen Buffing and draw coupler Zug-Stoßeinrichtungen Building construction machinery Hochbaumaschinen Bulging of the surface and melt circulation in induction furnaces Aufwölbung und Bewegungen im Schmelzgut Bulk material handling technology SchüttgutSystemtechnik Bulk material storage Schüttgutlager Burner types Brennerbauarten Burners Brenner Bypass regulation Bypass-Regelung CAA systems CAA-Systeme Cable elevator Seilaufzüge Cable with point load Seil mit Einzellast Cable with uniform load over the span Seil unter konstanter Streckenlast Cables and chains Seile und Ketten Cables and lines Kabel und Leitungen CAD systems CAD-Systeme CAE systems CAE-Systeme CAI systems CAI-Systeme Calculation Entwurfsberechnung Calculation and optimization Berechnung und Optimierung Calculation and selection Berechnung und Auswahl Calculation and sizing principles of heating and air handling engineering Berechnungsund Bemessungsgrundlagen der Heiz- und Raumlufttechnik Calculation of heating surface area Ermittlung der Heizfläche

Fachausdrücke

Calculation of hydrodynamic bearings Berechnung hydrodynamischer Gleitlager Calculation of hydrostatic bearings Berechnung hydrostatischer Gleitlager Calculation of machine hourly rate Maschinenstundensatzrechnung Calculation of pipe flows Berechnung von Rohrströmungen Calculation of static performance Berechnung des stationären Betriebsverhaltens Calendering Kalandrieren Caloric properties Kalorische Zustandsgrößen Calorimetry Kalorimetrie Cam mechanisms Kurvengetriebe CAM systems CAM-Systeme CAP systems CAP-Systeme Capacitances Kapazitäten Capacity, inlet point, outlet point Volumenstrom, Eintrittspunkt, Austrittspunkt CAPP systems CAPP-Systeme CAQ-systems CAQ-Systeme CAR systems CAR-Systeme Carbon capture Kohlendioxidabscheidung Carburetor Vergaser Carnot cycle Carnot-Prozess Carriages Fahrwerke CAS systems CAS-Systeme Cascade control Kaskadenregelung Cascade design Gitterauslegung Casings Gehäuse Cast Iron materials Gusseisenwerkstoffe Casting of foils Foliengießen CAT systems CAT-Systeme Catalytic effects of enzymes Katalytische Wirkung der Enzyme Cathodic protection Kathodischer Schutz Cavitation Kavitation Cavitation corrosion Kavitationskorrosion Center of gravity Schwerpunkt (Massenmittelpunkt) Centers for sheet metal working Blechbearbeitungszentren Central air conditioning plant Zentrale Raumlufttechnische Anlagen Central heating Zentralheizung Centrifugal compressors Radialverdichter Centrifugal impeller types Radiale Laufradbauarten

Fachausdrücke

Centrifugal Pumps Kreiselpumpen Centrifugal stresses in blades Beanspruchung der Schaufeln durch Fliehkräfte Centrifugal stresses in rotating components Dynamische Beanspruchung umlaufender Bauteile durch Fliehkräfte Centrifugal water chillers Kaltwassersatz mit Turboverdichter Ceramics Keramische Werkstoffe Chain drives Kettengetriebe Chain structure Reihenstruktur Chains and chain drives Ketten und Kettentriebe Change of state Zustandsänderung Changes of state of gases and vapours Zustandsänderungen von Gasen und Dämpfen Changes of state of humid air Zustandsänderungen feuchter Luft Characteristic curves Kennlinien Characteristic fracture mechanics properties for cyclic loading Bruchmechanische Werkstoffkennwerte bei zyklischer Beanspruchung Characteristic fracture mechanics properties for static loading Bruchmechanische Werkstoffkennwerte bei statischer Beanspruchung Characteristics Eigenschaften Characteristics Kenngrößen Characteristics Kennzahlen Characteristics Kennzeichen Characteristics and use Bauarten, Eigenschaften, Anwendung Characteristics of lines Kenngrößen der Leitungen Characteristics of material flow Formänderungsgrößen Characteristics of measuring components Kenngrößen von Messgliedern Characteristics of presses and hammers Kenngrößen von Pressmaschinen Characteristics of rolling bearings Kennzeichen und Eigenschaften der Wälzlager Characteristics of screw motion Kenngrößen der Schraubenbewegung Characteristics of the complete vehicle Eigenschaften des Gesamtfahrzeugs Characteristics, accuracy, calibration Genauigkeit, Kenngrößen, Kalibrierung Characterization Charakterisierung

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Charging of four-stroke engines Ladungswechsel des Viertaktmotors Charging parameters Kenngrößen des Ladungswechsels Checklist Pflichtenheft Checklist for tribological characteristics Checkliste zur Erfassung der wichtigsten tribologisch relevanten Größen Chemical and physical analysis methods Chemische und physikalische Analysemethoden Chemical corrosion and high temperature corrosion Chemische Korrosion und Hochtemperaturkorrosion Chemical engineering Verfahrenstechnik Chemical machining Chemisches Abtragen Chemical Process Engineering Chemische Verfahrenstechnik Chemical thermodynamics Chemische Thermodynamik Chilled water systems for air-conditioning plants Kaltwasserverteilsysteme für RLTAnlagen Chilled water systems for year-round operation Systeme für ganzjährigen Kühlbetrieb Chopper controllers Gleichstromsteller Chutes and down pipes Rutschen und Fallrohre Circuit Schaltung Circular conveyors Kreisförderer Circular discs Kreisscheibe Circular plates Kreisplatten Circulating pumps Umwälzpumpen Clamp joints Klemmverbindungen Classification according to their effect on velocity and pressure Einteilung nach Geschwindigkeits- und Druckänderung Classification and configurations Einteilung und Verwendung Classification and definitions Einteilung und Begriffe Classification and rating ranges Einteilung und Einsatzbereiche Classification and structural components of aircrafts Einordnung und Konstruktionsgruppen von Luftfahrzeugen Classification of aircraft according to regulations Einordnung von Luftfahrzeugen nach Vorschriften

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Classification of manufacturing systems Einteilung von Fertigungsystemen Classification of materials handling Einordnung der Fördertechnik Classification of measuring quantities Gliederung der Messgrößen Classifying in gases Klassieren in Gasen Clevis joints and pivots Bolzenverbindungen Client-/Server architecture Client-/Serverarchitekturen Climate controlled boxes and rooms for testing Klimaprüfschränke und -kammern Climatic measurement Klimamesstechnik Closed circuit Geschlossener Kreislauf Closed gas turbine Geschlossene Gasturbinenanlage Closed loop structure Kreisstruktur Clutches Fremdgeschaltete Kupplungen Clutching and torque converter Kupplung und Kennungswandler Coating processes Herstellen von Schichten Coatings on metals Überzüge auf Metallen Cocks Hähne (Drehschieber) Coefficient of friction, efficiency Reibungszahl, Wirkungsgrad Column-type drilling machines Ständerbohrmaschinen Combi power stations Kombi-Kraftwerke Combination Zusammensetzung Combination and resolution of concurrent forces Zusammensetzen und Zerlegen von Kräften mit gemeinsamem Angriffspunkt Combination and resolution of non-concurrent forces Zusammensetzen und Zerlegen von Kräften mit verschiedenen Angriffspunkten Combination of cascades to stages Zusammensetzen von Gittern zu Stufen Combined bending, axial load, shear and torsion Biegung mit Längskraft sowie Schub und Torsion Combined electricity nets Elektrische Verbundnetze Combined power and heat generation (cogeneration) Kraft-Wärme-Kopplung Combined stresses Zusammengesetzte Beanspruchung

Fachausdrücke

Combined-cycle power plants Gas- und DampfAnlagen Combustion Verbrennung Combustion Verbrennungsvorgang Combustion and burner classification Verbrennung und Brennereinteilung Combustion chamber (burner) Brennkammer Combustion temperature Verbrennungstemperatur Comfort evaluation Komfortbewertung Comfortable climate in living and working rooms Behagliches Raumklima in Aufenthalts- und Arbeitsräumen Coming action of flat belts, tensioning Riemenlauf und Vorspannung Common fundamentals Gemeinsame Grundlagen Compensating mechanism Einzieh- und Wippwerke Compensation of forces and moments Ausgleich der Kräfte und Momente Compensators and bridges Kompensatoren und Messbrücken Complements for engineering mathematics Ergänzungen zur Mathematik für Ingenieure Complements to advanced mathematics Ergänzungen zur Höheren Mathematik Complete plant Gesamtanlage Components Bauteile Components Konstruktionselemente Components and design Baugruppen und konstruktive Gestaltung Components of apparatus and pipe lines Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen Components of crank mechanism Elemente der Kolbenmaschine Components of hydrostatic transmissions Bauelemente hydrostatischer Getriebe Components of mechatronic systems Komponenten mechatronischer Systeme Components of reactors und reactor building Bauteile des Reaktors und Reaktorgebäude Components of robot Komponenten des Roboters Components of the robot kinematics and dynamic model Komponenten des Roboters Kinematisches und dynamisches Modell

Fachausdrücke

Components of thermal apparatus Komponenten des thermischen Apparatebaus Components of ventilation and air-conditioning systems Komponenten von Lüftungsund Klimaanlagen Composition Zusammensetzung Compound planetary trains Zusammengesetzte Planetengetriebe Compressed air storage plant Luftspeicherwerke Compression heat pump Kompressionswärmepumpe Compression heat pumps with high performance Kaltdampfkompressions-Wärmepumpen größerer Leistung Compression of humid gases Verdichtung feuchter Gase Compression of ideal and real gases Verdichtung idealer und realer Gase Compression refrigeration plant KaltdampfKompressionskälteanlage Compression refrigeration plant Kompressionskälteanlage Compression test Druckversuch Compression-ignition engine auxiliary equipment Einrichtungen zur Gemischbildung und Zündung bei Dieselmotoren Compression-type water chillers Kompressions-Kaltwassersätze Compressor Verdichter Compressors Kompressoren Computer based controller Rechnergestützter Regler Computer networks Rechnernetze Computer-air-conditioners with direct expansion units Direktverdampfer-Anlagen für EDV-Klimageräte Conceptual design Konzipieren Concrete Beton Concrete pumps Betonpumpen Condensate and circulating water pumps Kühlwasser- und Kondensatpumpen Condensation of vapors Kondensation bei Dämpfen Condenser Verflüssiger Condensers Kondensatoren Condensers and cooling systems Kondensation und Rückkühlung

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Condensers in steam power plants Kondensatoren in Dampfkraftanlagen Condensers in the chemical industry Kondensatoren in der chemischen Industrie Condensing units, air conditioners with split systems Verflüssigersätze, Splitgeräte für Klimaanlagen Conditions of cell cultivation Kultivierungsbedingungen Conditions of equilibrium Gleichgewicht und Gleichgewichtsbedingungen Conductors, semiconductors, insulators Leiter, Halbleiter, Isolatoren Configuration and Layout of hydrostatic transmissions Ausführung und Auslegung von Hydrogetrieben Conical disk (Belleville) springs Tellerfedern (scheibenförmige, biegebeanspruchte Federn) Connection to engine and working machine Anschluss an Motor und Arbeitsmaschine Connections Bauteilverbindungen Connections with force transmission by friction Reibschlussverbindungen Consistent preparation of documents Durchgängige Erstellung von Dokumenten Constant heat flux density Konstante Wärmestromdichte Constant wall temperature Konstante Wandtemperatur Construction interrelationship Bauzusammenhang Construction machinery Baumaschinen Construction types and processes Bauarten und Prozesse Constructive characteristics Konstruktive Merkmale Consumption and CO2 emission Verbrauch und CO2 -Emission Contact stresses and bearing pressure Flächenpressung und Lochleibung Continuous conveyors Stetigförderer Continuous kilns Durchlauföfen Continuously variable traction drives Wälzgetriebe mit stufenlos einstellbarer Übersetzung Control Regelung und Steuerung Control characteristics Steuerkennlinien Control data processing Steuerdatenverarbeitung

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Control loop optimization Optimierung von Regelkreisen Control loop performance Güte der Regelung Control loop stability Stabilität des Regelkreises Control of automatic storage systems Steuerung automatischer Lagersysteme Control of brakes Bremsregelung Control of compressors Regelung von Verdichtern Control of three-phase drives Regelung von Drehstromantrieben Control of turbines Regelung von Turbinen Control system for driving dynamics Fahrdynamikregelsysteme Control system of a industrial robot programming Steuerungssystem eines Industrieroboters Programmierung Control systems Steuerungen Controlled spring/damper systems for chassis Geregelte Feder-/Dämpfersysteme im Fahrwerk Controlled systems Regelstrecken Controlled systems with self-regulation Regelstrecken mit Ausgleich (P-Strecken) Controlled systems without self-regulation Regelstrecken ohne Ausgleich (I-Strecken) Controllers Regler Controlling system equipment Technische Ausführung der Regler Convection Konvektion Conveyed materials and materials handling, parameters of the conveying process Fördergüter und Fördermaschinen, Kenngrößen des Fördervorgangs Conveyors Gurtförderer Cooling Kühlung Cooling brines Kühlsolen Cooling load Kühllast Cooling storage Kältespeicherung in Binäreis Cooling storage in eutectic solution Kältespeicherung in eutektischer Lösung Cooling towers Rückkühlwerke Cooperative product development Kooperative Produktentwicklung Coplanar forces Kräfte in der Ebene Copper and copper alloys Kupfer und seine Legierungen

Fachausdrücke

Copy milling machines Nachformfräsmaschinen Corrosion and corrosion protection Korrosion und Korrosionsschutz Corrosion and Corrosion Protection of Metals Korrosion und Korrosionsschutz von Metallen Corrosion erosion Erosionskorrosion Corrosion fatigue Schwingungsrisskorrosion Corrosion of inorganic nonmetallic materials Korrosion von anorganischen nichtmetallischen Werkstoffen Corrosion of nonmetallic material Korrosion nichtmetallischer Werkstoffe Corrosion prevention by design Korrosionsschutzgerechte Konstruktion Corrosion prevention by manufacturing Korrosionsschutzgerechte Fertigung Corrosion protection Korrosionsschutz Corrosion protection by inhibitors Korrosionsschutz durch Inhibitoren Corrosion tests Korrosionsprüfung Corrosion under additional mechanical stress Überlagerung von Korrosion und mechanischer Beanspruchung Corrosion under wear stress Korrosion unter Verschleißbeanspruchung Corrosion-like damage of organic materials Korrosionsartige Schädigung von organischen Werkstoffen Cost accounting Kalkulation Cost location accounting Kostenstellenrechnung und Betriebsabrechnungsbögen Cottered joints Keilverbindungen Counterbalanced lift truck Gegengewichtstapler Couplings, clutches and brakes Kupplungen und Bremsen Course of technical fermentation Ablauf technischer Fermentationen Cracking phenomena Rissphänomene Crane types Kranarten Crank mechanism Kurbeltrieb Crank mechanism, forces and moments of inertia, flywheel calculation Kurbeltrieb, Massenkräfte und -momente, Schwungradberechnung

Fachausdrücke

Critical speed of shafts, whirling Kritische Drehzahl und Biegeschwingung der einfach besetzten Welle Cross belt sorter Quergurtsorter Cross transfer Quertransport Crossed helical gears Stirnschraubräder Current displacement Einfluss der Stromverdrängung Current transformers Stromwandler Curved surfaces Gewölbte Flächen Custom hoists Einzelhebezeuge Cutouts Ausschnitte Cutting Trennen Cutting materials Schneidstoffe Cutting of cylindrical gears Verzahnen von Stirnrädern Cutting of worm gears Verzahnen von Schneckenrädern Cutting with geometrically non-defined tool angles Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide Cutting with geometrically well-defined tool edges Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden Cylinder charging Ladungswechsel Cylinders Zylinder Cylinders and tubes under internal pressure Zylindrische Mäntel und Rohre unter innerem Überdruck Cylinders under external pressure Zylindrische Mäntel unter äußerem Überdruck Cylindrical grinding machines Rundschleifmaschinen Cylindrical worm gear geometry Zylinderschnecken-Geometrie D’Alembert’s principle Prinzip von d’Alembert und geführte Bewegungen Data interfaces Datenschnittstellen Data structures and data types Datenstrukturen und Datentypen Dead time element Tt -Glied Decentralisation using industrial communication tools Dezentralisierung durch den Einsatz industrieller Kommunikationssysteme Decentralized air conditioning system Dezentrale Klimaanlage Deep drawing Tiefziehen Deep hole drilling machines Tiefbohrmaschinen

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Defining the requirements Klären der Aufgabenstellung Definition Begriff Definition and classification Definition und Einteilung der Kolbenmaschinen Definition and criteria Definition und Kriterien Definition of converters Einteilung der Stromrichter Definition of efficiencies Definition von Wirkungsgraden Definition of motor cycles Definition von Kraftfahrzeugen Definition of the term Begriffsbestimmung Definitions Begriffe Definitions Definition Definitions Definitionen Definitions and general requirements Definition und allgemeine Anforderungen Deflection of beams Durchbiegung von Trägern Deflection, critical speeds of rotors Durchbiegung, kritische Drehzahlen von Rotoren Degrees of protection Schutzarten Dehumidifiers Luftentfeuchter Delivery rate and overall efficiency Nutzliefergrad und Gesamtwirkungsgrad Deposition of by-products in the power process Entsorgung der Kraftwerksnebenprodukte Depth profile Betttiefenprofil Dériaz turbines Dériazturbinen Derivative element D-Glied Description of batch furnaces Beschreibung von Chargenöfen Description of the state of a system. Thermodynamic processes Beschreibung des Zustands eines Systems. Thermodynamische Prozesse Design and fatigue strength properties Gestalteinfluss auf Schwingfestigkeitseigenschaften Design and static strength properties Gestalteinfluss auf statische Festigkeitseigenschaften Design and tolerances of formed parts Gestalten und Fertigungsgenauigkeit von Kunststoff-Formteilen Design calculation and integrity assessment Berechnungs- und Bewertungskonzepte Design calculations Berechnung Design calculations Berechnungsverfahren

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Design hints Gestaltungshinweise Design hints for bevel gears Hinweise zur Konstruktion von Kegelrädern Design of control systems Steuerungssysteme, Aufbau Design of hydraulic circuits Auslegung von Hydrokreisen Design of industrial turbines Auslegung von Industrieturbinen Design of plain bearings Konstruktive Gestaltung Design of self acting valves Selbsttätige Ventile, Konstruktion Design of silos Dimensionierung von Bunkern Design of simple planetary trains Auslegung einfacher Planetengetriebe Design of steel structures Tragwerksgestaltung Design of typical internal combustion (IC) engines Ausgeführte Motorkonstruktionen Design Philosophies and Principles Konstruktionsphilosophien und -prinzipien Design problem Entwurfsproblem Design, characteristic and use Aufbau, Eigenschaften, Anwendung Designation of standard rolling bearings Bezeichnungen für Wälzlager Designs Konstruktionen Detail design Ausarbeiten Detail design and measures of gears Gestalten und Bemaßen der Zahnräder Determination of heat consumption Wärmeverbrauchsermittlung Development methodology Entwicklungsmethodik Development processes and methods Entwicklungsprozesse und -methoden Development trends Entwicklungstendenzen Diagnosis devices Diagnosetechnik Diaphragm compressors Membranverdichter Dielectric heating Dielektrische Erwärmung Diesel engine Dieselmotor Different forms of energy Verschiedene Energieformen Differential equation and transfer function Differentialgleichung und Übertragungsfunktion Digital computing Digitalrechnertechnologie Digital data logging Digitale Messwerterfassung

Fachausdrücke

Digital electrical measurements Digitale elektrische Messtechnik Digital signal representation Digitale Messsignaldarstellung Digital voltmeters, multimeters Digitalvoltmeter, Digitalmultimeter Dimensional analysis and ˘ -theorem Analyse der Einheiten (Dimensionsanalyse) und ˘ -Theorem Dimensioning of silos Dimensionierung von Silos Dimensioning, First assumtion data Dimensionierung, Anhaltswerte Dimensionless stage parameters Stufenkenngrößen Diode characteristics and data Diodenkennlinien und Daten Diodes Dioden Direct and indirect noise development Direkte und indirekte Geräuschentstehung Direct converters Direktumrichter Direct current linear motor Gleichstromlinearmotoren Direct current small-power motor Gleichstrom-Kleinmotoren Direct expansion plants Direktverdampfer-Anlagen Direct heat transfer Direkter Wärmeübergang Direct heating Direkte Beheizung Direct problem Direktes Problem Direct-current (d. c.) circuits Gleichstromkreise Direct-current machine drives Gleichstromantriebe Direct-current machines Gleichstrommaschinen Directional (one-way) clutches, overrun clutches Richtungsgeschaltete Kupplungen (Freiläufe) Directional control valves Wegeventile Disassembling process Demontageprozess Disassembly Demontage Discharge temperature, polytropic head Endtemperatur, spezifische polytrope Arbeit Discs Scheiben Distribution und storage of energy Verteilen und Speicherung von Nutzenergie Distributor booms Verteilermasten

Fachausdrücke

Disturbance reaction of the control loop Störungsverhalten des Regelkreises Division of energy losses Verlustteilung DMU systems DMU-Systeme Domed end closures Gewölbte Böden Doors Türen Dozers and graders Planiermaschinen Drag of solid bodies Strömungswiderstand von Körpern Drilling and boring Bohren Drilling and boring machines Bohrmaschinen Drive control Regelung in der Antriebstechnik Drive shafts Gelenkwellen Drive slip control Antriebsschlupfregelung ASR Drive systems and controllers Antriebsmotoren und Steuerungen Drive systems for materials handling equipment Antriebe der Fördermaschinen Drive train Antriebsstrang Driver Antrieb Driver and brakes Antrieb und Bremsen Driver’s cab Führerräume Drives Antriebe Drives with line-commutated converters Gleichstromantriebe mit netzgeführten Stromrichtern Drives with three-phase current controllers Antriebe mit Drehstromsteller Driving comfort Fahrkomfort Driving dynamics Fahrdynamik Driving resistance and powertrain Fahrwiderstand und Antrieb Duct systems Kanalnetz Ducts and piping Leitungen Dumpers Transportfahrzeuge Duration of passenger exchange Fahrgastwechselzeiten Duty cycles Betriebsarten Dynamic contact seals Berührungsdichtungen an gleitenden Flächen Dynamic forces Dynamische Kräfte Dynamic model Dynamisches Modell Dynamic performance Dynamisches Betriebsverhalten Dynamic response of linear time-invariant transfer elements Dynamisches Verhalten linearer zeitinvarianter Übertragungsglieder Dynamic similarity Dynamische Ähnlichkeit

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Dynamic transient behaviour of measuring components Dynamische Übertragungseigenschaften von Messgliedern Dynamically loaded plain journal bearings Radialgleitlager im instationären Betrieb Dynamics Kinetik Dynamics and kinematics Kinetik und Kinematik Dynamics of machines Maschinendynamik Dynamics of relative motion Kinetik der Relativbewegung Dynamics of rigid bodies Kinetik starrer Körper Dynamics of systems of particles Kinetik des Massenpunktsystems Earth moving machinery Erdbaumaschinen Eccentric impact Exzentrischer Stoß Economic of electric energy Elektrizitätswirtschaft Economics of gas energy Gaswirtschaft Economics of remote heating Fernwärmewirtschaft Effective types of organisation Effektive Organisationsformen Efficiencies Wirkungsgrade Efficiencies, exergy losses Wirkungsgrade, Exergieverluste Elastic (Euler) buckling Knicken im elastischen (Euler-)Bereich Elastic and damping characteristics Feder- und Dämpfungsverhalten Elastic connections (springs) Federnde Verbindungen (Federn) Elastomers Elastomere Electric arc-heating Lichtbogenerwärmung Electric braking Elektrische Bremsung Electric circuits Elektrische Stromkreise Electric discharge machining, electrochemical machining, metaletching Funkenerosion, Elysieren, Metallätzen Electric drives Elektrische Antriebstechnik Electric energy from renewable sources Elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen Electric heating Elektrobeheizung Electric heating Elektrowärme Electric infrastructure Elektrische Infrastruktur Electric power distribution Energieverteilung Electric power supply Stromversorgung Electric storages Elektrische Speicher

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Electric suspension track Elektrohängebahn Electrical control Elektrische Steuerungen Electrical Discharge Machining of threads Gewindeerodieren Electrical Engineering Elektrotechnik Electrical/Electronical Equipment/Diagnosis Elektrische/Elektronische Ausrüstung/Diagnose Electro chemical machining (ECM) Elektrochemisches Abtragen Electro discharge machining (EDM) Thermisches Abtragen mit Funken (Funkenerosives Abtragen) Electrochemically corrosion Elektrochemische Korrosion Electrolytic charge transfer Elektrolyte Electromagnetic compatibility Elektromagnetische Verträglichkeit Electromagnetic utilization Elektromagnetische Ausnutzung Electron beam processing Elektronenstrahlverfahren Electronic components Elektronische Bauelemente Electronic data collection and transmission by RFID Elektronische Datenerfassung und -übertragung durch RFID Electronic data processing Elektronische Datenverarbeitung Electronically commutated motors Elektronisch kommutierte Motoren Electrostatic field Elektrostatisches Feld Elevators Aufzüge Elevators and hoisting plants Aufzüge und Schachtförderanlagen Elliptical plates Elliptische Platten Embodiment design Entwerfen Embodiment design of structural components (frames) Gestaltung der Gestellbauteile Embodiment design, materials, bearings, accuracy, lubrication, assembly Gestaltung, Werkstoffe, Lagerung, Genauigkeit, Schmierung, Montage Emissions Emissionen Energy balance, efficiency Energiebilanz und Wirkungsgrad Energy conversion Energiewandlung

Fachausdrücke

Energy conversion by cyclic processes Energiewandlung mittels Kreisprozessen Energy equation Arbeits- und Energiesatz Energy storage Energiespeicherung Energy storage methods Energiespeicher Energy storage, energy storage efficiency factor, damping capacity, damping factor Arbeitsaufnahmefähigkeit, Nutzungsgrad, Dämpfungsvermögen, Dämpfungsfaktor Energy systems and economy Energietechnik und Wirtschaft Energy transport Energietransport Energy, material and signal transformation Energie-, Stoff- und Signalumsatz Engine components Motorbauteile Engine types and working cycles Arbeitsverfahren und Arbeitsprozesse Engineering drawings and parts lists Zeichnungen und Stücklisten Environmental control technology Umweltschutztechnologien Environmental effects Umgebungseinflüsse Environmental pollution Umweltverhalten Environmental quantities Umweltmessgrößen Epicyclic gear systems Umlaufgetriebe Equal capacitive currents (countercurrent) Gleiche Kapazitätsströme (Gegenstrom) Equation of momentum Impulssatz Equations of motion, system matrices Bewegungsgleichungen, Systemmatrizen Equations of reactions Reaktionsgleichungen Equipment Ausstattungen Equipment for position measurement at NCmachines Einrichtungen zur Positionsmessung bei NC-Maschinen Equipment for speed logging at NC-machines Einrichtungen zur Geschwindigkeitserfassung bei NC-Maschinen Equivalent circuit diagram and circle diagram Ersatzschaltbild und Kreisdiagramm Erosion Abtragen ERP systems ERP-Systeme Evaluation Criteria Bewertungskriterien Evaluation of tests Versuchsauswertung Evaluations of solutions Beurteilen von Lösungen Evaporation and crystallization Verdampfen und Kristallisieren

Fachausdrücke

Evaporativ cooling process Verdunstungskühlverfahren Evaporator Verdampfer Example: approximate centrifugal compressor sizing Beispiel einer Radialverdichterauslegung nach vereinfachtem Verfahren Examples for mechanical models: Finite-Elemente models Beispiele für mechanische Ersatzsysteme: Finite-Elemente-Modelle Examples for mechanical models: Springmass-damper-models Beispiele für mechanische Ersatzsysteme: Feder-Masse-DämpferModelle Examples of mechatronic systems Beispiele mechatronischer Systeme Excavators Bagger Excellence models Excellence-Modelle Exergy and anergy Exergie und Anergie Exergy and heat Exergie einer Wärme Exergy losses Exergieverluste Exergy of a closed system Exergie eines geschlossenen Systems Exergy of an open system Exergie eines offenen Systems Exhaust emissions Abgasemission Exhaust fume behavior Abgasverhalten Exhaust-gas turbocharger Abgasturbolader Expanding Schäumen Expansion compensators Dehnungsausgleicher Experimental stress analysis Experimentelle Spannungsanalyse External cooling load Äußere Kühllast Extreme operational ranges Extreme Betriebsverhältnisse Extrusion Durchdrücken Extrusion Strangpressen (Extrudieren) Failure criteria, equivalent stresses Festigkeitshypothesen und Vergleichsspannungen Failure under mechanical stress conditions Versagen durch mechanische Beanspruchung Fan Ventilator Fan assisted natural ventilation Freie Lüftung, verstärkt durch Ventilatoren Fans Gebläse Fans Ventilatoren Faraday’s law Induktionsgesetz Fast breeder reactors Schnelle Brutreaktoren (SNR)

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Fatigue strength Schwingfestigkeit Feature modeling Featuretechnologie Fed-batch cultivation Fed-Batch-Kultivierung Feed water heaters (economizers) Speisewasservorwärmer (Eco) Feed water treatment Speisewasseraufbereitung Feedforward control loop Regelung mit Störgrößenaufschaltung Fibre composite springs Federn aus FaserKunststoff-Verbunden Fibre reinforced plastics, composite materials Faser-Kunststoff-Verbunde Fibre ropes Faserseile Field busses Feldbusse Field effect transistors Feldeffekttransistoren Field quantities and equations Feldgrößen und -gleichungen Fields of application Einsatzgebiete Fields of production Bereiche der Produktion Filamentous growth Filamentöses Wachstum Film flow Filmströmung Film pressing Schichtpressen Filters Filter Finite analysis methods Finite Berechnungsverfahren Finite difference method Finite Differenzen Methode Finite element method Finite Elemente Methode First law Erster Hauptsatz First order delay element T1 -Glied Flange joints Flanschverbindungen Flanges Flansche Flap valves Klappen Flat belt drives Flachriemengetriebe Flat end closures Ebene Böden Flexible manufacturing systems Flexible Fertigungssysteme Flexible turning centers Flexible Drehbearbeitungszentren Flight controls Flugsteuerung Flight stability Flugstabilitäten Flow Strömung Flow control valves Stromventile Flow criteria Fliesskriterien Flow curve Fliesskurve Flow losses Strömungsverluste Flow of ideal gases Strömung idealer Gase

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Flow pattern Strömungsform Flow process Fließprozess Flow properties of bulk solids Fliessverhalten von Schüttgütern Flow resistance Strömungswiderstände Flow stress Fliessspannung Flue-gas desulphurisation Rauchgasentschwefelung Flue-gas dust separating Rauchgasentstaubung Flue-gas NOx reduction Rauchgasentstickung Fluid Fluid Fluid conveyor Strömungsförderer Fluid couplings Föttinger-Kupplungen Fluid dynamics Strömungstechnik Fluid flow machines (Turbomachinery) Strömungsmaschinen Fluid flow quantities Strömungstechnische Messgrößen Fluid-fluid heat exchange Wärmeübertragung Fluid–Fluid Fluidics Fluidische Steuerungen Fluidized bed Wirbelschicht Fluidized bed combustion (FBC) Wirbelschichtfeuerung Foam destruction Schaumzerstörung Force measurement Kraftmesstechnik Forced circulation fossil fueled boilers Zwanglaufkessel für fossile Brennstoffe Forced damped vibrations Gedämpfte erzwungene Schwingungen Forced undamped vibrations Ungedämpfte erzwungene Schwingungen Forced vibrations Erzwungene Schwingungen Forced vibrations with two and multi-DOFs Erzwungene Schwingungen mit zwei und mehr Freiheitsgraden Forces and angles in flight Kräfte und Winkel im Flug Forces and deformations in joints due to preload Kräfte und Verformungen beim Anziehen von Schraubenverbindungen Forces and energies Kräfte und Arbeiten Forces and moments at beams of space Schnittlasten an räumlichen Trägern Forces and moments in plane curved beams Schnittlasten an gekrümmten ebenen Trägern Forces and moments in straight beams Schnittlasten am geraden Träger in der Ebene

Fachausdrücke

Forces and moments of inertia Massenkräfte und Momente Forces in crank mechanism Kräfte am Kurbeltrieb Forces in electromagnetic field Kraftwirkungen im elektromagnetischen Feld Forces in flat belt transmissions Kräfte am Flachriemengetriebe Forces in space Kräfte im Raum Forging Schmieden Formability Formänderungsvermögen Formation and number of cylinders Zylinderanordnung und -zahl Forming Umformen Forming limit diagram (FLD) Grenzformänderungsdiagramm Forming of metals and ceramics by powder metallurgy Formgebung bei metallischen und keramischen Werkstoffen durch Sintern (Pulvermetallurgie) Forming of plastics Formgebung bei Kunststoffen Forming process and equipment Formverfahren und -ausrüstungen Four-bar linkages Viergelenkgetriebe Fourier spectrum, spectrogram, noise analysis Fourierspektrum, Spektrogramm, Geräuschanalyse Four-way reach truck Mehrwegestapler Fracture mechanics concepts Bruchmechanikkonzepte Fracture mechanics proof of strength for cyclic loading Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis unter zyklischer Beanspruchung Fracture mechanics proof of strength for static loading Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis unter statischer Beanspruchung Fracture mechanics tests Bruchmechanische Prüfungen Fracture physics; comminution properties of solid materials Bruchphysik; Zerkleinerungstechnische Stoffeigenschaften Frames Gestelle Francis turbines Francisturbinen Free cooling Freie Kühlung Free cooling with brine cycle Freie Kühlung durch Solekreislauf

Fachausdrücke

Free cooling with external air Freie Kühlung durch Außenluft Free cooling with recooling plant Freie Kühlung durch Rückkühlwerk Free cooling with refrigerant pump system Freie Kühlung durch Kältemittel-PumpenSystem Free damped vibrations Freie gedämpfte Schwingungen Free jet Freier Strahl Free undamped vibrations Freie ungedämpfte Schwingungen Free vibrations Freie Schwingungen (Eigenschwingungen) Free vibrations with two and multi-DOFs Freie Schwingungen mit zwei und mehr Freiheitsgraden Free-standing pillar machines Säulenbohrmaschinen Frequency response and frequency response locus Frequenzgang und Ortskurve Frequency response functions of mechanical systems, amplitude- and phase characteristic Frequenzgangfunktionen mechanischer Systeme, Amplituden- und Phasengang Frequency weighting, A-, C- and Z-weighting Frequenzbewertung, A-, C- und Z-Bewertung Fretting corrosion Reibkorrosion (Schwingverschleiß) Friction Haftung und Reibung Friction Reibung Friction and reference speeds of rolling bearings Bewegungswiderstand und Referenzdrehzahlen der Wälzlager Friction clutches Kraft-(Reib-)schlüssige Schaltkupplungen Friction regimes Reibungszustände Front turning machines Frontdrehmaschinen Fuel cell Brennstoffzelle Fuel Cells Brennstoffzellen Fuel consumption Kraftstoffverbrauch Fuel cycle Brennstoffkreislauf Fuel from waste material Abfallbrennstoffe Fuel injection system Einspritzsysteme Fuels Brennstoffe Function and subsystems Funktion und Subsysteme

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Function conditions for nuclear reactors Funktionsbedingungen für Kernreaktoren Function of tribosystems Funktion von Tribosystemen Function structure Funktionsgliederung Function, classification and application Aufgabe, Einteilung und Anwendungen Functional blocks of the monovariable control loop Funktionsblöcke des Regelkreises Functional components Funktionsbausteine Functional interrelationship Funktionszusammenhang Functioning Arbeitsweise Fundamental concepts for structural integrity assessment Grundlegende Konzepte für den Festigkeitsnachweis Fundamental methods Basismethoden Fundamentals Allgemeine Grundgleichungen Fundamentals Einige Grundbegriffe Fundamentals and components Grundlagen und Bauelemente Fundamentals and ideal cycles Grundlagen und Vergleichsprozesse Fundamentals and terms Grundlagen und Begriffe Fundamentals of development of series and modular design Baureihen- und Baukastenentwicklung Fundamentals of embodiment design Gestaltung Fundamentals of engineering design Grundlagen der Konstruktionstechnik Fundamentals of flight physics Grundlagen der Flugphysik Fundamentals of fluid power transmission Grundlagen der fluidischen Energieübertragung Fundamentals of metal forming Grundlagen der Umformtechnik Fundamentals of operational costing Grundlagen der betrieblichen Kostenrechnung Fundamentals of process engineering Grundlagen der Verfahrenstechnik Fundamentals of standardisation and engineering drawing Normen- und Zeichnungswesen Fundamentals of technical systems Technische Systeme

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Fundamentals of technical systems and systematic approach Grundlagen technischer Systeme und des methodischen Vorgehens Funghi Pilze Furnace heads Ofenköpfe Furnaces Feuerungen Fused Deposition Modeling (FDM) Fused Deposition Modelling (FDM) Fuselage Rumpf Galvanic corrosion Galvanische Korrosion Gas constant and the law of Avogadro Gaskonstante und das Gesetz von Avogadro Gas cooled thermal reactors Gasgekühlte thermische Reaktoren Gas data Gasdaten Gas radiation Gasstrahlung Gas springs Gasfedern Gas turbines Gasturbinen Gas turbines in power plants Gasturbine im Kraftwerk Gas/liquid flow Gas-/Flüssigkeitsströmung Gaseous fuels Gasförmige Brennstoffe oder Brenngase Gas-fueled furnaces Feuerungen für gasförmige Brennstoffe Gasoline direct injection Direkte Benzin-Einspritzung Gas-turbine propulsion systems Gasturbine für Verkehrsfahrzeuge Gate turn off thyristors Abschaltbare Thyristoren Gate valves Schieber Gear- and vanetype motors Hydromotoren in Umlaufverdrängerbauart Gear cutting Verzahnen Gear grinding machines Verzahnungsschleifmaschinen Gear ring machine, gear pump and gear ring (gerotor) pumps Zahnringmaschine Zahnradpumpen und Zahnring-(Gerotor-)pumpen Gearing Zahnradgetriebe Geartype pumps Zahnradpumpen und Zahnring-(Gerotor-)pumpen General Allgemeines General and configurations Allgemeines und Bauweise General Corrosion Allgemeine Korrosion General formulation Allgemeine Formulierung

Fachausdrücke

General fundamentals Allgemeine Grundlagen General furnace accessories Allgemeines Feuerungszubehör General motion in space Allgemeine räumliche Bewegung General motion of a rigid body Allgemeine Bewegung des starren Körpers General objectives and constraints Generelle Zielsetzung und Bedingungen General plane motion of a rigid body Allgemeine ebene Bewegung starrer Körper General problem-solving Allgemeiner Lösungsprozess General relations between thermal and caloric properties of state Allgemeiner Zusammenhang zwischen thermischen und kalorischen Zustandsgrößen General relationships for all tooth profiles Allgemeine Verzahnungsgrößen General requirements Allgemeine Anforderungen General requirements Generelle Anforderungen General Selection criteria Allgemeine Auswahlkriterien General Tables Allgemeine Tabellen General working method Allgemeine Arbeitsmethodik Generalization of calculations Allgemeingültigkeit der Berechnungsgleichungen Generation of electric energy Erzeugung elektrischer Energie Generation of machinery noise Entstehung von Maschinengeräuschen Geometric construction for path of contact and conjugate tooth profile Konstruktion von Eingriffslinie und Gegenflanke Geometric modeling Geometrische Modellierung Geometric quantities Geometrische Messgrößen Geometric series of preferred numbers (Renard series) Dezimalgeometrische Normzahlreihen Geometrical relations Geometrische Beziehungen Geometrically similar series Geometrisch ähnliche Baureihe

Fachausdrücke

Geometry of an aircraft Geometrische Beschreibung des Luftfahrzeuges Geothermal energy Geothermische Energie Glass Glas Glazing, windshield wiper Verglasung, Scheibenwischer Granulation Granulieren Graph of torque fluctuations in multicylinder reciprocating machines Drehkraftdiagramm von Mehrzylindermaschinen Graphical symbols for welds Darstellung der Schweißnähte Grease lubrication Fettschmierung Grinding machines Schleifmaschinen Guidelines for embodiment design Gestaltungsrichtlinien Hamilton’s principle Prinzip von Hamilton Hammers Hämmer Hand lift trucks Handgabelhubwagen Hand trucks Handbetriebene Flurförderzeuge Hard soldering and brazing Hartlöten und Schweißlöten (Fugenlöten) Hardness test methods Härteprüfverfahren Hardware Hardwarekomponenten Hardware architecture Hardwarearchitekturen Heads, speeds and pressures Förderhöhen, Geschwindigkeiten und Drücke Heat Wärme Heat and material transmission Wärme- und Stoffübertragung Heat exchange by radiation Wärmeaustausch durch Strahlung Heat exchanger Wärmeübertrager Heat exchangers Wärmetauscher Heat generation Wärmeerzeugung Heat pumps Wärmepumpen Heat recovery Wärmerückgewinnung Heat recovery through air preheating Wärmerückgewinnung durch Luftvorwärmung Heat transfer Wärmeübergang Heat transfer Wärmeübertragung Heat transfer and heat transmission Wärmeübergang und Wärmedurchgang Heat transfer by convection Wärmeübergang durch Konvektion Heat transfer in condensation and in boiling Wärmeübergang beim Kondensieren und beim Sieden

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Heat transfer into solid Wärmeübergang ins Solid Heat transfer without change of phase Wärmeübergang ohne Phasenumwandlung Heat Treatment Wärmebehandlung Heating and air conditioning Heizung und Klimatisierung Heating and cooling Erwärmung und Kühlung Heating and cooling coils Lufterhitzer, -kühler Heating centres Heizzentrale Heating load Wärmebedarf, Heizlast Heating power stations Wärmekraftwerke Heating processes Heiztechnische Verfahren Heating system Beheizung Heating systems and components Systeme und Bauteile der Heizungstechnik Heavy duty lathes Großdrehmaschinen Heavy water reactors Schwerwasserreaktoren Helical and spiral bevel gears Kegelräder mit Schräg- oder Bogenverzahnung Helical compression springs, helical tension springs Zylindrische Schraubendruckfedern und Schraubenzugfedern Hertzian contact stresses (Formulas of Hertz) Beanspruchung bei Berührung zweier Körper (Hertzsche Formeln) High temperature corrosion with mechanical load Hochtemperaturkorrosion mit mechanischer Beanspruchung High temperature corrosion without mechanical load Hochtemperaturkorrosion ohne mechanische Beanspruchung High voltage switchgear Hochspannungsschaltgeräte High-frequency induction surface heating Oberflächenerwärmung High-speed milling machines Hochgeschwindigkeitsfräsmaschinen High-temperature brazing Hochtemperaturlöten Hints for design Konstruktive Hinweise Historical development Historische Entwicklung Hoist design Hubwerksausführungen Hoisting mechamism Hubwerke Hoisting plants Schachtförderanlagen Honing Honen Honing machines Honmaschinen

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Horizontal boring and milling machines Waagerecht-Bohr- und -Fräsmaschinen Humidifiers Luftbefeuchter Hybride process for mixture formation and combustion Hybride Verfahren für Gemischbildung und Verbrennung Hydraulic and pneumatic power transmission Fluidische Antriebe Hydraulic Circuits Hydrokreise Hydraulic conveyors Hydraulische Förderer Hydraulic elevators Hydraulikaufzüge Hydraulic equipment Hydraulikzubehör Hydraulic fluids Hydraulikflüssigkeiten Hydraulic power transmission Energieübertragung durch Flüssigkeiten Hydraulic-mechanical losses Mechanisch-hydraulische Verluste Hydrodynamic bearings with hydrostatic jacking systems Hydrostatische Anfahrhilfen Hydrodynamic drives and torque convertors Föttinger-Getriebe Hydrodynamics and aerodynamics (dynamics of fluids) Hydro- und Aerodynamik (Strömungslehre, Dynamik der Fluide) Hydroelectric power plants Wasserkraftwerke Hydrogen induced cracking Wasserstoffinduzierte Rissbildung Hydrostatic journal bearings Hydrostatische Radialgleitlager Hydrostatic thrust bearings Hydrostatische Axialgleitlager Hydrostatics Hydrostatik (Statik der Flüssigkeiten) Hygienic fundamentals, physiological principles Hygienische Grundlagen Ice storage systems Eisspeichersysteme Ideal cycles for single stage compression Vergleichsprozesse für einstufige Verdichtung Ideal gas mixtures Gemische idealer Gase Ideal gases Ideale Gase Ideal isothermal reactors Ideale isotherme Reaktoren Identification Problem Identifikationsproblem Identification systems Identifikationssysteme Identification through persons and devices Identifikation durch Personen und Geräte Ignition equipment Zündausrüstung

Fachausdrücke

Impact Stoß Impeller Laufrad Impeller and rail (rail-mounted carriage) Laufrad und Schiene (Schienenfahrwerke) Impeller strength and structural dynamics Laufradfestigkeit und Strukturdynamik Impeller stress analysis Laufradfestigkeit Importance of motor vehicles Bedeutung von Kraftfahrzeugen Impulse turbines Gleichdruckturbinen Incompressible fluids Inkompressible Fluide Indicating instruments Messwertanzeige Indirect air cooling and cooling towers Indirekte Luftkühlung und Rückkühlanlagen Indirect heating Indirekte Beheizung Individual heaters for larger rooms and halls Einzelheizgeräte für größere Räume und Hallen Individual heaters for living rooms Einzelheizgeräte für Wohnräume Individual heating Einzelheizung Indoor climate Raumklima Inductances Induktivitäten Induction heating Induktive Erwärmung Industrial furnaces Industrieöfen Industrial robot Industrieroboter Industrial robot control systems Steuerungssystem eines Industrieroboters Industrial tractor Schlepper Industrial trucks Flurförderzeuge Industrial turbines Industrieturbinen Inelastic (plastic) buckling Beulspannungen im unelastischen (plastischen) Bereich Inelastic buckling (Tetmajer’s method) Knicken im unelastischen (Tetmajer-)Bereich Infinite plate with a hole Unendlich ausgedehnte Scheibe mit Bohrung Influence of temperature, pH, inhibiting and activating compounds Einfluss von Temperatur, pH-Wert, Inhibitoren und Aktivatoren Influence of the design on the form of the lubricated gap between bearing and shaft Konstruktion und Schmierspaltausbildung Influences on material properties Einflüsse auf die Werkstoffeigenschaften Influencing variables Einflussgröße Information layout Informationsdarstellung

Fachausdrücke

Information technology Informationstechnologie Inhibition of growth Wachstumshemmung Initial forces, start-up forces Anregungskräfte Injection (direct contact) condensers Einspritz-(Misch-)Kondensatoren Injection moulding Spritzgießverfahren Injection nozzle Einspritzdüse Injection pressing Spritzpressen Inlet and outlet gear Ein- und Auslasssteuerung Inlet and outlet gear components Baugruppen zur Ein- und Auslasssteuerung Inorganic chemical analysis Anorganisch-chemische Analytik Input and output of signals Signaleingabe und -ausgabe Input problem Eingangsproblem Installations for natural ventilation Einrichtungen zur freien Lüftung Instrument transformers Messwandler Insulated gate bipolar transistors IGB-Transistoren Integral controller I-Anteil, I-Regler Integral element I-Glied Integrally geared compressor Mehrwellen-Getriebeverdichter Integration technologies Integrationstechnologien Interfaces Schnittstellen Interference fits Pressverbände Intergranular corrosion Interkristalline Korrosion Interior lay out Innenraumgestaltung Interior noise Innengeräusch Internal combustion Verbrennung im Motor Internal combustion (IC) engine design Konstruktion von Motoren Internal combustion (IC) engine fuels Motoren-Kraftstoffe Internal combustion (IC) engines Motorkraftwerke Internal combustion engines Verbrennungskraftanlagen Internal combustion engines Verbrennungsmotoren Internal cooling load Innere Kühllast Internal energy and systemenergy Innere Energie und Systemenergie

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International practical temperature scale Internationale Praktische Temperaturskala International standard atmosphere Internationale Standardatmosphäre (ISA) International system of units Internationales Einheitensystem Internet Internet Interpolation, Integration Interpolation, Integration Interpretation of climate data Auslegung von Klimadaten Introduction Einführung Introduction Einleitung Introduction and definitions Einleitung und Definitionen Introduction, function Überblick, Aufgaben Involute teeth Evolventenverzahnung Iron Base Materials Eisenwerkstoffe Iron Carbon Constitutional Diagram Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff Jet and diffusion flow Düsen- und Diffusorströmung Jig boring machines Koordinatenbohrmaschinen Job planning Arbeitsvorbereitung Joining Fügen von Kunststoffen Joints with polygonprofile Polygonwellenverbindungen Kaplan turbines Kaplanturbinen Kinematic analysis of planar mechanisms Kinematische Analyse ebener Getriebe Kinematic analysis of spatial mechanisms Kinematische Analyse räumlicher Getriebe Kinematic and dynamic model Kinematisches und dynamisches Modell Kinematic and vibration quantities Kinematische und schwingungstechnische Messgrößen Kinematic fundamentals, terminology Kinematische Grundlagen, Bezeichnungen Kinematic model Kinematisches Modell Kinematics Kinematik Kinematics of crank mechanism Kinematik des Kurbeltriebs Kinematics, power, efficiency Kinematik, Leistung, Wirkungsgrad Kinetic of enzyme reactions Kinetik enzymatischer Reaktionen

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Kinetic of microbial growth Kinetik des mikrobiellen Wachstums Kinetics of chemical reactions Kinetik chemischer Reaktionen Kinetostatic analysis of planar mechanisms Kinetostatische Analyse ebener Getriebe Kirchhoff’s Law Kirchhoffsches Gesetz Knee-type milling machines Konsolfräsmaschinen Knowledge based modeling Wissensbasierte Modellierung Lagrange’s equations Lagrangesche Gleichungen Laminated Object Manufacturing (LOM) Laminated Object Manufacturing (LOM) Lapping machines Läppmaschinen Laser beam processing Laserstrahlverfahren Laser cutting Lasertrennen Laser welding and soldering equipment Laserstrahl-Schweiß- und Löteinrichtungen Lateral buckling of beams Kippen Lateral dynamics and driving behavior Querdynamik und Fahrverhalten Lathes Drehmaschinen Law of physics Physikalische Grundlagen Laws of fluid dynamics Strömungsgesetze Layout design of friction clutches Auslegung einer reibschlüssigen Schaltkupplung Layout design of heat exchangers Auslegung von Wärmeübertragern Layout design principles, vibration characteristics Auslegungsgesichtspunkte, Schwingungsverhalten Lead Blei Leaf springs and laminated leaf springs Einfache und geschichtete Blattfedern (gerade oder schwachgekrümmte, biegebeanspruchte Federn) Length measurement Längenmesstechnik Life Cycle Costing Lebenslaufkostenrechung Lifecyclecosts Lebenszykluskosten LCC Lift drive, auxiliary function driv Hubantrieb, Antrieb der Nebenfunktionen Lift drive, auxiliary function drive, manually operated industrial trucks Hubantrieb, Antrieb der Nebenfunktionen Handbetriebene Flurförderzeuge Lift mast Hubgerüst

Fachausdrücke

Lifting equipment and cranes Hebezeuge und Krane Lifting hook Lasthaken Light and lighting Licht und Beleuchtung Light water reactors Leichtwasserreaktoren (LWR) Lightweight structures Leichtbau Line interaction Netzrückwirkungen Line model Leitungsnachbildung Linear and rotary guides and bearings Führungen Linear basic elements Lineare Grundglieder Linear characteristic curve Lineare Kennlinie Linear control loop Linearer Regelkreis Linear guides Linearführungen Linear motion rolling bearings Linearwälzlager Linear motors Linearmotoren Linear transfer elements Lineare Übertragungsglieder Line-commutated converters Netzgeführte Stromrichter Line-commutated rectifiers and inverters Netzgeführte Gleich- und Wechselrichter Liquid fuel furnaces Feuerungen für flüssige Brennstoffe Liquid level Flüssigkeitsstand Liquid ring compressors Flüssigkeitsringverdichter Load and operating strategies Belegungs- und Bedienstrategien Load capacity Tragfähigkeit Load carrying equipment Tragmittel und Lastaufnahmemittel Load carrying equipment for bulk materials Lastaufnahmemittel für Schüttgüter Load carrying equipment for individual items Lastaufnahmemittel für Stückgüter Load rating and fatigue life of rolling bearings Belastbarkeit und Lebensdauer der Wälzlager Load-carrying device Lastaufnahmevorrichtung Load-commutated inverter motor Stromrichtermotor Load-deformation diagrams, spring rate (stiffness), deformation rate (flexibility) Federkennlinie, Federsteifigkeit, Federnachgiebigkeit

Fachausdrücke

Loading and failure types Beanspruchungs- und Versagensarten Loading and materials Beanspruchungen und Werkstoffe Loading and stress conditions Belastungs- und Beanspruchungsfälle Loading capacity under creep conditions and creep-fatigue conditions Festigkeitsnachweis unter Zeitstand- und Kriechermüdungsbeanspruchung Loads and load combinations Lasten und Lastkombinationen Loads, Load Assumptions Lasten, Lastannahmen Local stress or strain approach Kerbgrundkonzepte Localized corrosion and passivity Lokalkorrosion und Passivität Long stroke honing machines Langhubhonmaschinen Longtime tests Dauerversuche Loss factors for pipe fittings and bends Strömungsverluste durch spezielle Rohrleitungselemente und Einbauten Losses and efficiency Verluste und Wirkungsgrad Losses at the blade tips Verluste an den Schaufelenden Low voltage switchgear Niederspannungsschaltgeräte Lubricant and kind of lubrication Schmierstoff und Schmierungsart Lubricant supply Lagerschmierung Lubricants Schmierstoffe Lubricating greases Schmierfette Lubricating oils Schmieröle Lubrication Schmierung Lubrication and cooling Schmierung und Kühlung Lubrication of rolling bearings Wälzlagerschmierung Machine acoustic base equation Maschinenakustische Grundgleichung Machine acoustic calculations by Finite-Element-Method/Boundary-Element-Method Maschinenakustische Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode/Boundary-Elemente-Methode

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Machine acoustic calculations by Statistical Energy Analysis (SEA) Maschinenakustische Berechnungen mit der Statistischen Energieanalyse (SEA) Machine dynamics Maschinendynamik Machine tool components Elemente der Werkzeugmaschinen Machine types Maschinenarten Machine vibrations Maschinenschwingungen Machines for circular milling Rundfräsmaschinen Machines for power hack sawing and filing Hubsäge- und Hubfeilmaschinen Machining Centers Bearbeitungszentren Magnesium alloys Magnesiumlegierungen Magnetic data transmission Magnetische Datenübertragung Magnetic materials Magnetische Materialien Maintenance Wartung und Instandhaltung Maintenance of cells Zellerhaltung Manifestation of corrosion Korrosionserscheinungen („Korrosionsarten“) Manipulation and disturbance reaction of the controlled system Stell- und Störverhalten der Strecke Manufacturing in precision engineering and microtechnology Fertigungsverfahren der Feinwerk- und Mikrotechnik Manufacturing of cast parts Herstellung von Formteilen (Gussteilen) Manufacturing of half-finished parts Herstellung von Halbzeugen Manufacturing of microstructures Verfahren der Mikrotechnik Manufacturing processes Fertigungsverfahren Manufacturing systems Fertigungsmittel Manufacturing systems Fertigungssysteme Marine application Schifffahrt Matching of centrifugal pump and system characteristics Kreiselpumpe an den Leistungsbedarf, Anpassung Matching of machine and plant Zusammenarbeit von Maschine und Anlage Material Werkstoff Material flow controls Materialflusssteuerungen Material separation Stofftrennung Material to be conveyed; materials handling equipment Fördergüter und Fördermaschinen

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Materiallographic analyses Materialographische Untersuchungen Materials design values for dimensioning of components Werkstoffkennwerte für die Bauteildimensionierung Materials handling Materialtransport Materials handling and conveying Fördertechnik Materials in electric field Stoffe im elektrischen Feld Materials in magnetic field Stoffe im Magnetfeld Materials selection Werkstoffauswahl Materials technology Werkstofftechnik Materials testing Werkstoffprüfung Mathematics Mathematik Maximum principal stress criterion Normalspannungshypothese Maximum shear strain energy criterion Gestaltänderungsenergiehypothese Maximum shear stress (Tresca) criterion Schubspannungshypothese Mean retention time Mittlere Verweilzeit Measurement and control Mess- und Regelungstechnik Measurement of current, voltage and resistance Strom-, Spannungs- und Widerstandsmesstechnik Measurement signal processing Messsignalverarbeitung Measurement technique and sensors Messtechnik und Sensorik Measuring chain Messkette Measuring quantities and methods Messgrößen und Messverfahren Measuring spot and data sensoring Messort und Messwertabnahme Mechanical action Mechanische Beanspruchungen Mechanical behaviour Mechanisches Verhalten Mechanical brakes Mechanische Elemente der Antriebe Mechanical data transmission Mechanische Datenübertragung Mechanical feed drive components Mechanische Vorschub-Übertragungselemente Mechanical losses Mechanische Verluste

Fachausdrücke

Mechanical machine components Mechanische Konstruktionselemente Mechanical memories and control systems Mechanische Speicher und Steuerungen Mechanical model Mechanisches Ersatzsystem Mechanical models, equations of motion Mechanische Ersatzsysteme, Bewegungsgleichungen Mechanical presses Weggebundene Pressmaschinen Mechanical process engineering Mechanische Verfahrenstechnik Mechanical ventilation facilities Mechanische Lüftungsanlagen Mechanics Mechanik Mechanism-engineering, kinematics Getriebetechnik Mechanisms of corrosion Mechanismen der Korrosion Mechanized hard soldering Mechanisiertes Hartlöten Mechatronics Mechatronik Melting and sublimation curve Schmelz- und Sublimationsdruckkurve Membrane separation processes Membrantrennverfahren Metal cutting machine tools Spanende Werkzeugmaschinen Metal springs Metallfedern Metallographic investigation methods Metallographische Untersuchungen Metallurgical effects Metallurgische Einflüsse Meteorological fundamentals Meteorologische Grundlagen Methods Methoden Methods of coordinate geometry Analytische Verfahren Methods of reducing machinery noise Möglichkeiten zur Verminderung von Maschinengeräuschen Metrology Messtechnik Michaelis-Menten-Kinetic Michaelis-MentenKinetik Microbiological influenced corrosion Mikrobiologisch beeinflusste Korrosion Microorganisms of technical importance Mikroorganismen mit technischer Bedeutung Milling Fräsen

Fachausdrücke

Milling machines Fräsmaschinen Milling machines with parallel kinematics Fräsmaschinen mit Parallelkinematiken Milling machines with parallel kinematics, special milling machines Fräsmaschinen mit Parallelkinematiken Sonderfräsmaschinen Mineral components Mineralische Bestandteile Mixing installations for concrete Betonmischanlagen Mixing of solid materials Mischen von Feststoffen Mixture formation and combustion in compression-ignition engines Gemischbildung und Verbrennung im Dieselmotor Mixture formation and combustion in spark ignition engines Gemischbildung und Verbrennung im Ottomotor Mixtures Gemische Mixtures of gas and vapour. Humid air GasDampf-Gemische. Feuchte Luft Mobile cranes Fahrzeugkrane Modal analysis Modale Analyse Modal parameters: Natural frequencies, modal damping, eigenvectors Modale Parameter: Eigenfrequenzen, modale Dämpfungen, Eigenvektoren Mode of operation Wirkungsweise Mode of operation, definitions Wirkungsweise, Definitionen Modeling and design method Modellbildung und Entwurf Models Modelle Modes of failure under complex conditions Versagen durch komplexe Beanspruchungen Modular system Baukasten Mohr’s criterion Erweiterte Schubspannungshypothese Mollier-diagram of humid air Mollier-Diagramm der feuchten Luft Moment of inertia Allgemeines über Massenträgheitsmomente Motion and control System Antriebs- und Steuerungssystem Motion controls Bewegungssteuerungen Motion measurement Wegmesstechnik Motion of rigid bodies Bewegung starrer Körper Motion of the centroid Schwerpunktsatz Motorcycles Krafträder

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Motors Motoren Moving coil instruments Messwerke Multi-degree-of-freedom systems (coupled vibrations) Systeme mit mehreren Freiheitsgraden (Koppelschwingungen) Multidimensional flow of ideal fluids Mehrdimensionale Strömung idealer Flüssigkeiten Multidimensional flow of viscous fluids Mehrdimensionale Strömung zäher Flüssigkeiten Multigrid method Mehrgitterverfahren Multi-lobed and tilting pad journal bearings Mehrgleitflächenlager Multi-loop control Mehrschleifige Regelung Multi-machine Systems Mehrmaschinensysteme Multiphase fluid flow Mehrphasenströmungen Multi-spindle drilling machines Mehrspindelbohrmaschinen Multistage compression Mehrstufige Verdichtung Natural circulation fossil fuelled boilers Naturumlaufkessel für fossile Brennstoffe Natural frequency of undamped systems Eigenfrequenzen ungedämpfter Systeme Natural gas transport Erdgastransporte Navier Stokes’ equations Bewegungsgleichungen von Navier-Stokes Net calorific value and gros calorific value Heizwert und Brennwert Network analysis Netzwerkberechnung Networks Netzwerke Newton’s law of motion Dynamisches Grundgesetz von Newton (2. Newtonsches Axiom) Nickel and nickel alloys Nickel und seine Legierungen Noise Geräusch Noise development Geräuschentstehung No-load and short circuit Leerlauf und Kurzschluss Nominal stress approach Nennspannungskonzept Nominal, structural and notch tension concept Nenn-, Struktur- und Kerbspannungskonzept Non-destructive diagnosis and machinery condition monitoring Zerstörungsfreie Bauteilund Maschinendiagnostik Non-destructive testing Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung

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Nonferrous metals Nichteisenmetalle Nonlinear transfer elements Nichtlinearitäten Non-linear vibrations Nichtlineare Schwingungen Nonmetallic inorganic materials Nichtmetallische anorganische Werkstoffe Nonsteady flow Instationäre Strömung Non-continuous conveyors Unstetigförderer Non-steady flow of viscous Newtonian fluids Instationäre Strömung zäher Newtonscher Flüssigkeiten Normal impact Gerader zentraler Stoß Notched bar impact bending test Kerbschlagbiegeversuch Nuclear fuels Kernbrennstoffe Nuclear fusion Kernfusion Nuclear power stations Kernkraftwerke Nuclear reactor boilers Dampferzeuger für Kernreaktoren Nuclear reactors Kernreaktoren Number representation and arithmetic operations Zahlendarstellungen und arithmetische Operationen Numbering systems Sachnummernsysteme Numerical basic functions Numerische Grundfunktionen Numerical control (NC) Numerische Steuerungen Numerical methods Numerische Berechnungsverfahren Numerical methods Numerische Methoden Numerical processes to simulate airborne and structure-borne noise Numerische Verfahren zur Simulation von Luft- und Körperschall Numerical-analytical solutions Numerisch-analytische Lösung Object oriented programming Objektorientierte Programmierung Oblique impact Schiefer zentraler Stoß Occupant cell Fahrgastzelle Off-line programming systems Offline-Programmiersysteme Oil lubrication Ölschmierung Oil transport Mineralöltransporte One-dimensional flow of ideal fluids Eindimensionale Strömungen idealer Flüssigkeiten

Fachausdrücke

One-dimensional flow of non-Newtonian fluids Eindimensionale Strömung Nicht-Newtonscher Flüssigkeiten One-dimensional flow of viscous Newtonian fluids Eindimensionale Strömungen zäher Newtonscher Flüssigkeiten (Rohrhydraulik) Open and Closed loop Offene und geschlossene Regelkreise Open circuit Offener Kreislauf Open gas turbine cycle Offene Gasturbinenanlage Operating characteristics Betriebskennlinien Operating characteristics Betriebsverhalten Operating conditions Betriebsbedingungen (vorgegeben) Operating conditions and performance characteristics Betriebsverhalten und Kenngrößen Operating systems Betriebssysteme Operating variables Beanspruchungskollektiv Operation of hydrostatic transmissions Funktion der Hydrogetriebe Operation of storage systems Betrieb von Lagersystemen Operational amplifiers Operationsverstärker Operational area Einsatzgebiete Operational behaviour and control Betriebsverhalten und Regelmöglichkeiten Operational costing Betriebliche Kostenrechnung Operational mode Betriebsweise Operational stability Betriebsfestigkeit Optical data collection and transmission Optische Datenerfassung und -übertragung Optical quantities Optische Messgrößen Optimization problems Optimierungsprobleme Optimum indoor climate in working spaces and factories Erträgliches Raumklima in Arbeitsräumen und Industriebetrieben Optocouplers Optokoppler Optoelectronic components Optoelektronische Komponenten Opto-electronic emitters Optoelektronische Sender Opto-electronic receivers Optoelektronische Empfänger Organic chemical analysis Organisch-chemische Analytik

Fachausdrücke

Organic industrial design: challenges and visions Bio-Industrie-Design: Herausforderungen und Visionen Organisation of control systems Aufbauorganisation von Steuerungen Organisational types Formen der Organisation Organizational forms of assembly Organisationsformen der Montage Origin of machine vibrations, excitation forces Entstehung von Maschinenschwingungen, Erregerkräfte F(t) Oscillating circuits and filters Schwingkreise und Filter Oscillating positive displacement pumps Oszillierende Verdrängerpumpen Oscilloscopes Oszilloskope Ossberger (Banki) turbines Ossbergerturbinen Otto engine Ottomotor Outdoor air humidity Luftfeuchte Outdoor air temperature Lufttemperatur Output of measured quantities Messwertausgabe Machine Maschine Overall machine performance parameters Maschinenkenngrößen Overview Übersicht Packaged water chiller Kaltwassersätze Pallet truck Niederhubwagen Pallet-stacking truck Gabelhochhubwagen Parallel keys and woodruff keys Pass- und Scheibenfeder-Verbindungen Parameter definition Parameterermittlung Parameter-excited vibrations Parametererregte Schwingungen Parameters of the conveying process Kenngrößen des Fördervorgangs Parametric modeling Parametrik Parametrics and holonomic constraint Parametrik und Zwangsbedingungen Particle dynamics, straight line motion of rigid bodies Kinetik des Massenpunkts und des translatorisch bewegten Körpers Part-load operation Teillastbetrieb Passive components Passive Komponenten Passive safety Passive Sicherheit Pattern recognition and image processing Mustererkennung und Bildverarbeitung Pelton turbines Peltonturbinen

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Perfect liquid Ideale Flüssigkeit Performance characteristics Kennliniendarstellungen Performance parameter range of compressor stages Kenngrößen-Bereiche für Verdichterstufen Performance parameter range of turbine stages Kenngrößen-Bereiche für Turbinenstufen Permanent brakes Dauer-Bremsanlagen Permanent disposal of nuclear waste Endlagerung radioaktiver Abfälle Permanent elastic couplings Elastische, nicht schaltbare Kupplungen Permanent molding process Dauerformverfahren Permanent rotary-flexible couplings Drehnachgiebige, nicht schaltbare Kupplungen Permanent torsionally stiff couplings Drehstarre, nicht schaltbare Kupplungen Phasor diagram Zeigerdiagramm Photometry, colorimetry Licht- und Farbmesstechnik Picking Kommissionierung Piece good handling technology Stückgut-Systemtechnik Pin-jointed frames Fachwerke Pinned and taper-pinned joints Stiftverbindungen Pipe fittings Rohrverbindungen Pipework Rohrleitungen Piping system Rohrnetz Piston compressors Hubkolbenverdichter Piston engines Hubkolbenmaschinen Piston pumps Kolbenpumpen Pistontype motors Hydromotoren in Hubverdränger-(Kolben-)bauart Placement of primary shaping in the manufacturing processes Einordnung des Urformens in die Fertigungsverfahren Plain bearings Gleitlagerungen Plain journal bearings under steady-state conditions Stationär belastete Radialgleitlager Plain thrust bearings under steady state conditions Stationär belastete Axialgleitlager Plane frames Ebene Fachwerke Plane motion Ebene Bewegung Plane problems Körper in der Ebene Plane stresses Ebener Spannungszustand

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Plane surfaces Ebene Flächen Planing machines Hobelmaschinen Planing, shaping and slotting machines Hobelund Stoßmaschinen Planning and investments Planung und Investitionen Planning of measurements Planung von Messungen Plant and animal tissues Pflanzliche und tierische Zellen (Gewebe) Plant performance characteristics Anlagencharakteristik Plastic foams (Cellular plastics) Kunststoffschäume Plastic limit load concept Plastisches Grenzlastkonzept Plastics Kunststoffe Plastics with fluorine Fluorhaltige Kunststoffe Plates Platten Plates and shells Flächentragwerke Platform truck Wagen Pneumatic components Bauelemente Pneumatic conveyors Pneumatische Förderer Pneumatic drives Pneumatische Antriebe Pneumatic power transmission Energieübertragung durch Gase Polarimetry Polarimetrie Pollutant content Schadstoffgehalt Polytropic and isentropic efficiency Polytroper und isentroper Wirkungsgrad Port fuel injection Saugrohr-Benzin-Einspritzung Position adjustment Lageeinstellung Positive (interlocking) clutches (dog clutches) Formschlüssige Schaltkupplungen Positive connections Formschlussverbindungen Positive displacement pumps Verdrängerpumpen Positive locked drives Formschlüssige Antriebe Possibilities for noise reduction Möglichkeiten zur Geräuschminderung Potential flows Potentialströmungen Power characteristics of valves Leistungsmerkmale der Ventile Power diodes Leistungsdioden Power electronics Leistungselektrik

Fachausdrücke

Power output, power input, overall efficiency Förderleistung, Antriebsleistung, Gesamtwirkungsgrad Power plant technology Kraftwerkstechnik Power Plant Turbines Kraftwerksturbinen Power, torque and fuel consumption Leistung, Drehmoment und Verbrauch Power-driven lift trucks Motorisch betriebene Flurförderzeuge PPC systems PPS-Systeme Precision drilling machines Feinbohrmaschinen Preparing and finishing steps Vorbereitende und nachbehandelnde Arbeitsvorgänge Presentation of vibrations in the frequency domain Darstellung von Schwingungen im Frequenzbereich Presentation of vibrations in the time and frequency domain Darstellung von Schwingungen im Zeit- und Frequenzbereich Presentation of vibrations in the time domain Darstellung von Schwingungen im Zeitbereich Press moulding Formpressen Press Pressmaschinen Press, working process related Arbeitgebundene Pressmaschine Presses and hammers for metal forming Werkzeugmaschinen zum Umformen Pressure conditions Druckzustände Pressure control valves Druckventile Pressure drop Druckverlust Pressure drop design Druckverlustberechnung Pressure losses Druckverluste Pressure measurement Druckmesstechnik Pressures Drücke Pressurized cross sectional area Ap Druckbeanspruchte Querschnittsflächen Ap Prestressed shaft-hub connections Vorgespannte Welle-Nabe-Verbindungen Primary energies Primärenergien Principle and types Prinzip und Bauformen Principle of operation Funktionsweise des Industrie-Stoßdämpfers Principle of virtual work Prinzip der virtuellen Arbeiten Principles of condensation Grundbegriffe der Kondensation

Fachausdrücke

Principles of embodiment design Gestaltungsprinzipien Principles of energy supply Grundsätze der Energieversorgung Printers Drucker Procedure Vorgang Process data processing and bussystems Prozessdatenverarbeitung und Bussysteme Processes and functional principles Prozesse und Funktionsweisen Processing Plants Verarbeitungsanlagen Processing System Verarbeitungssystem Product creation process Produktentstehungsprozess Product data management Produktdatenmanagement Production and works management Fertigungs- und Fabrikbetrieb Production management Management der Produktion Production of diffusion layers Erzeugung von Diffusionsschichten Production of plane surface structures Herstellen planarer Strukturen Production planning Arbeitsplanung Production planning and control Arbeitssteuerung Profil grinding machines Profilschleifmaschinen Profile losses Profilverluste Program control and function control Programmsteuerung und Funktionssteuerung Programmable logic controller (PLC) Speicherprogrammierbare Steuerungen Programming languages Programmiersprachen Programming methods Programmiermethoden Programming procedures Programmierverfahren Proof of strength for components Festigkeitsnachweis von Bauteilen Proof of strength for constant cyclic loading Festigkeitsnachweis bei Schwingbeanspruchung mit konstanter Amplitude Proof of strength for static loading Festigkeitsnachweis bei statischer Beanspruchung Proof of structural durability Festigkeitsnachweis bei Schwingbeanspruchung mit variabler Amplitude (Betriebsfestigkeitsnachweis)

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Propellers Propeller Properties Eigenschaften Properties and Application of Materials Eigenschaften und Verwendung der Werkstoffe Properties of materials and structures Werkstoff- und Bauteileigenschaften Proportional controlled system P-Strecke 0. Ordnung (P–T0 ) Proportional controlled system with dead time P-Strecke mit Totzeit (P–Tt ) Proportional controlled system with first order delay P-Strecke 1. Ordnung (P–T1 ) Proportional controlled system with second or higher order delay P-Strecke 2. und höherer Ordnung (P–Tn ) Proportional controller P-Anteil, P-Regler Proportional element P-Glied Proportional plus derivative controller PDRegler Proportional plus integral controller PI-Regler Proportional plus integral plus derivative controller PID-Regler Proportional valves Proportionalventile Propulsion system Fahrantrieb Protection against electric shock Berührungsschutz Protection switches Schutzschalter Pulsation dumping Pulsationsdämpfung Pulverized fuel furnaces Kohlenstaubfeuerung Pump constructions Ausgeführte Pumpen Pump storage stations Pumpspeicherwerke Purity of material Werkstoffreinheit Push sorter Schubplattformförderer Pusher furnace Stoßofen Quality management (QM) Qualitätsmanagement Quantities of substances and matter Stoffmessgrößen Quasistationary electromagnetic field Quasistationäres elektromagnetisches Feld Radial drilling machines Schwenkbohrmaschinen Radial turbine stage Radiale Turbinenstufe Radiation in industrial furnaces Strahlung in Industrieöfen Radiation measurement Strahlungsmesstechnik Radiative heat transfer Wärmeübertragung durch Strahlung

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Radiators, convectors and panel heating Raum-Heizkörper, -Heizflächen Rail vehicles Schienenfahrzeuge Rating, flow rate, control Bemessung, Förderstrom, Steuerung Ratio of slip Schlupf Reach truck Schubstapler Reaction turbines Überdruckturbinen Reactive power compensation Blindleistungskompensation Reactor core with reflector Reaktorkern mit Reflektor Reactor safety Sicherheitstechnik von Kernreaktoren Real cycle Wirklicher Arbeitsprozess Real engine Reale Maschine Real fluid Reales Fluid Real gases and vapours Reale Gase und Dämpfe Real gas-turbine cycles Reale Gasturbinenprozesse Real reactors Reale Reaktoren Realization of assembly and disassembly Durchführung der Montage und Demontage Reciprocating engines Kolbenmaschinen Reciprocating water chillers Kaltwassersatz mit Kolbenverdichter Recooling systems Rückkühlsysteme Recorders Schreiber Rectangular plates Rechteckplatten Reduce of force level Verminderung des Kraftpegels (Maßnahmen an der Krafterregung) Reduce of structure-borne-noise-factor and radiation coefficient Verminderung von Körperschallmaß und Abstrahlmaß (Maßnahmen am Maschinengehäuse) Reduction of the airborne noise emission Verminderung der Luftschallabstrahlung Reduction of the force excitation Verminderung der Kraftanregung Reduction of the structure-borne noise function Verminderung der Körperschallfunktion Reference and disturbance reaction of the control loop Führungs- und Störungsverhalten des Regelkreises Reference reaction of the control loop Führungsverhalten des Regelkreises Reference values, level arithmetic Bezugswerte, Pegelarithmetik

Fachausdrücke

Refractometry Refraktometrie Refractories Feuerfestmaterialien Refrigerant Kältemittel Refrigerant circuits Kältemittelkreisläufe Refrigerant-compressor Kältemittelverdichter Refrigerants, refrigeration oils and brines Kältemittel, Kältemaschinen-Öle und Kühlsolen Refrigeration and air-conditioning technology and heating engineering Kälte-, Klima- und Heizungstechnik Refrigeration oil Kältemaschinen-Öle Refrigeration plants and heat pumps Kälteanlagen und Wärmepumpen Refrigeration processes Kältetechnische Verfahren Refrigeration technology Kältetechnik Regenerative energies Regenerative Energien Regenerative heat transfer Regenerativer Wärmeübergang Registrating instruments Messwertregistrierung Regulating device Regelung Regulating device Verstellung und Regelung Regulating device and operating characteristics Regelung und Betriebsverhalten Regulation methods Regelungsarten Reliability test Zuverlässigkeitsprüfung Remote heat transport Fernwärmetransporte Removal by thermal operations Thermisches Abtragen Representation and documentation of results Ergebnisdarstellung und Dokumentation Requirements of gas mixture Gemischbildung, Anforderungen an Requirements, types of design Anforderungen an Bauformen Resistance heating Widerstandserwärmung Resistance welding machine Widerstandsschweißmaschine Resistors Widerstände Reversing converters Umkehrstromrichter Rigid body rotation about a fixed axis Rotation eines starren Körpers um eine feste Achse Rigid couplings Starre Kupplungen Riveted joints Nietverbindungen Road vehicles Straßenfahrzeuge Roller conveyors Rollen- und Kugelbahnen Rolling bearing clearance Lagerluft

Fachausdrücke

Rolling bearing seals Wälzlagerdichtungen Rolling bearing structural materials Wälzlagerwerkstoffe Rolling bearing types Bauarten der Wälzlager Rolling bearings Wälzlager Rolling friction Rollwiderstand Rolling with spin Bohrbewegung Room temperature Raumtemperatur Roots blowers Roots-Gebläse Ropes and rope drives Seile und Seiltriebe Rotary cube casing Drehrohrmantel Rotary guides, bearings Drehführungen, Lagerungen Rotary impact Drehstoß Rotary kiln Drehrohröfen Rotating electrical machines Elektrische Maschinen Rotating fields in three-phase machines Drehfelder in Drehstrommaschinen Rotating S-conveyor Umlauf-S-Förderer Rotation Rotation (Drehbewegung, Drehung) Rubber springs and anti-vibration mountings Gummifedern Rule of the common normal Verzahnungsgesetz Rules for control loop optimization Einstellregeln für Regelkreise Running gear Fahrwerkskonstruktionen Running quality of mechanisms Laufgüte der Getriebe Run-of-river and storage power stations Laufwasser- und Speicherkraftwerke Safety Arbeitssicherheit Safety Sicherheit Safety devices Sicherheitstechnik Safety requirements Sicherheitsbestimmungen Sampling Probenentnahme Sawing and filing machines Säge- und Feilmaschinen Scavenging of two-stroke engines Ladungswechsel des Zweitaktmotors Schottky-Diodes Schottky-Dioden Scope of quality management Aufgaben des Qualitätsmanagements Scraper conveyors Kratzerförderer Screw (driving screw) Schraube (Bewegungsschraube) Screw compressor water chillers Kaltwassersatz mit Schraubenverdichter

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Screw compressors Schraubenverdichter Screw conveyors Förderer mit Schnecken Screw presses Spindelpressen Screw thread grinding machines Schraubflächenschleifmaschinen Sealing of the working chamber Abdichten des Arbeitsraumes Search for solution principles Suche nach Lösungsprinzipien Second law Zweiter Hauptsatz Second or higher order delay element T2 =n-Glied Secondary treatments Nachbehandlungen Segregation Segregation Selection of machine type Wahl der Bauweise Selective laser sintering (SLS) Selektives Lasersintern (SLS) Selective network protection Selektiver Netzschutz Self-commutated converters Selbstgeführte Stromrichter Self-commutated inverters and converters Selbstgeführte Wechselrichter und Umrichter Self-excited vibrations Selbsterregte Schwingungen Selflocking and partial locking Selbsthemmung und Teilhemmung Semi-closed circuits Halboffener Kreislauf Semi-infinite body Halbunendlicher Körper Semi-open impeller Offenes Laufrad Semi-similar series Halbähnliche Baureihen Sensor technology Sensorik Sensors Sensoren Sensors and actuators Sensoren und Aktoren Separation of particles out of gases Abscheiden von Partikeln aus Gasen Separation of solid particles out of fluids Abscheiden von Feststoffpartikeln aus Flüssigkeiten Servo valve Servoventile Shaft seals Wellendichtungen Shaft, cupola and blast furnace Schacht-, Kupol- und Hochöfen Shaping and slotting machines Stoßmaschinen Shaping of metals by casting Formgebung bei metallischen Werkstoffen durch Gießen Shear and torsion Schub und Torsion

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Shear stresses and shear centre in straight beams Schubspannungen und Schubmittelpunkt am geraden Träger Shearing and blanking Scheren und Schneiden Shearing and blanking machines Maschinen zum Scheren und Schneiden Shearing machines Maschinen zum Scheren Shell type steam generators Großwasserraumkessel Shells Schalen Shells under internal pressure, membrane stress theory Biegeschlaffe Rotationsschalen und Membrantheorie für Innendruck Shingling conveyor Schuppenförderer Ship propellers Schiffspropeller Shock absorber Industrie-Stoßdämpfer Shockabsorption Dämpfung Short stroke honing machines Kurzhubhonmaschinen Short-circuit characteristics Kurzschlussverhalten Short-circuit currents Kurzschlussströme Short-circuit protection Kurzschlussschutz Shovel loaders Schaufellader Shrouded 2 D-impeller Geschlossenes 2DLaufrad Shrouded 3 D-impeller Geschlossenes 3DLaufrad Shut-off and control valves Absperr- und Regelorgane Shuttle Valves Sperrventile Side-loading truck Querstapler Sign conventions Vorzeichenregeln Signal forming Signalbildung Signal processing Signalverarbeitung Similarity conditions and loading Ähnlichkeitsbeziehungen und Beanspruchung Similarity laws Ähnlichkeitsbeziehungen Similarity laws Ähnlichkeitsgesetze (Modellgesetze) Similarity mechanics Ähnlichkeitsmechanik Simulation methods Simulationsmethoden Single phase fluid flow Einphasenströmung Single phase transformers Einphasentransformatoren Single point thread turning Gewindedrehen Single shaft compressor Einwellenverdichter

Fachausdrücke

Single wheel lapping machines EinscheibenLäppmaschinen Single-phase motors Einphasenmotoren Size Reduction Zerkleinern Size Reduction Equipment Zerkleinerungsmaschinen Size selection of friction clutches Auswahl einer Kupplungsgröße Skin effect, depth of penetration Stromverdrängung, Eindringtiefe Slat conveyors Plattenbandförderer Slewing cranes Drehkrane Slewing mechanis Drehwerke Sliding and rolling motion Gleit- und Rollbewegung Sliding shoe sorter Schiebeschuhsorter Software engineering Softwareentwicklung Solar energy Solarenergie Solar radiation Sonnenstrahlung Soldering Weichlöten Soldering and brazing Löten Solid fuel furnaces Feuerungen für feste Brennstoffe Solid fuels Feste Brennstoffe Solid lubricants Festschmierstoffe Solid lubricants Feststoffschmierung Solid materials Feste Stoffe Solids/fluid flow Feststoff/Fluidströmung Sorting system – sorting plant – sorter Sortiersystem – Sortieranlage – Sorter Sound absorber Schalldämpfer Sound intensity, sound intensity level Schallintensität, Schallintensitätspegel Sound power, sound power level Schallleistung, Schallleistungspegel Sound, frequency, acoustic range, sound pressure, sound pressure level, sound pressure level Schall, Frequenz, Hörbereich, Schalldruck, Schalldruckpegel, Lautstärke Source of heat Wärmequellen Spark erosion and electrochemical erosion Funkenerosion und elektrochemisches Abtragen Special air conditioning and cooling plants Sonderklima- und Kühlanlagen Special blanking processes Sonderschneidverfahren

Fachausdrücke

Special cases Sonderfälle Special characteristics Besondere Eigenschaften Special gears Sondergetriebe Special properties of conductors Besondere Eigenschaften bei Leitern Special purpose drilling machines Sonderbohrmaschinen Special purpose lathes Sonderdrehmaschinen Special purpose milling machines Sonderfräsmaschinen Special technologies Sonderverfahren Special-purpose design Sonderbauarten Specific power consumption Spezifischer Energieverbrauch Specific safety devices Spezifische Sicherheitseinrichtungen Speed control Drehzahlregelung Speed control Drehzahlverstellung Speed-sensitive clutches (centrifugal clutches) Drehzahlgeschaltete Kupplungen Spheres Kugel Spherical lapping machines Kugelläppmaschinen Spiral springs and helical torsion springs Spiralfedern (ebene gewundene, biegebeanspruchte Federn) und Schenkelfedern (biegebeanspruchte Schraubenfedern) Splined joints Zahn- und Keilwellenverbindungen Springs Federn Spur and helical gears – gear tooth geometry Stirnräder – Verzahnungsgeometrie Stability Standsicherheit Stability problems Stabilitätsprobleme Stack Schornstein Stacking truck Schmalgangstapler Stage design Stufen Standard hoists Serienhebezeuge Standard problem of linear algebra Standardaufgabe der linearen Algebra Standard problems of linear algebra Standardaufgaben der linearen Algebra Standardisation Normenwerk Start-up period Anfahren Start of baking process Anbackungen Start up and operation Anfahren und Betrieb Starting aids Start- und Zündhilfen

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Static and dynamic capacity and computation of fatigue life Statische bzw. dynamische Tragfähigkeit und Lebensdauerberechnung Static and fatigue strength of bolted connections Auslegung und Dauerfestigkeitsberechnung von Schraubenverbindungen Static and sliding friction Haftung und Gleitreibung Static contact seals Berührungsdichtungen an ruhenden Flächen Static efficiency Statischer Wirkungsgrad Static Kraemer system Stromrichterkaskaden Static similarity Statische Ähnlichkeit Static strength Statische Festigkeit Statically indeterminate systems Statisch unbestimmte Systeme Statics of rigid bodies Statik starrer Körper Stationary and rotating cascades Leit- und Laufgitter Steady flow forces acting on blades Beanspruchung der Schaufeln durch stationäre Strömungskräfte Steady flow in open channels Stationäre Strömung durch offene Gerinne Steady laminar flow in pipes of circular crosssection Stationäre laminare Strömung in Rohren mit Kreisquerschnitt Steady state heat conduction Stationäre Wärmeleitung Steady state processes Stationäre Prozesse Steady turbulent flow in pipes of circular cross-section Stationäre turbulente Strömung in Rohren mit Kreisquerschnitt Steady-state operation Stationärer Betrieb Steady-state response Statisches Verhalten Steam generator systems Dampferzeugersysteme Steam generators Dampferzeuger Steam power plant Dampfkraftanlage Steam storage Dampfspeicherung Steam turbines Dampfturbinen Steel structures Tragwerke Steelmaking Stahlerzeugung Steels Stähle Steering Lenkung Step response and unit step response Sprungantwort und Übergangsfunktion Stepping motors Schrittmotoren

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Stereolithography (SL) Stereolithografie (SL) Sterile filtration Sterilfiltration Sterile operation Steriler Betrieb Sterilization Sterilisation Sterilization with heat Hitzesterilisation Stoichiometry Stöchiometrie Stokers and grates Rostfeuerungen Storage Messwertspeicherung Storage equipment and operation Lagereinrichtung und Lagerbedienung Storage in silos Bunkern Storage power stations Speicherkraftwerke Storage systems Speichersysteme Store Lagern Straddle carrier, Van carrier Portalstapler, Portalhubwagen Straddle truck Spreizenstapler Straight bevel gears Geradzahn-Kegelräder Strain energy Formänderungsarbeit Strain measurement Dehnungsmesstechnik Strained cross sectional area Spannungsbeanspruchte Querschnitte Strains Verformungen Strength calculations Festigkeitsberechnung Strength calculations for welded joints Festigkeit von Schweißverbindungen Strength of materials Festigkeitslehre Strength of materials Festigkeitsverhalten der Werkstoffe Strength theories Festigkeitshypothesen Stress corrosion cracking Spannungsrisskorrosion Stresses Beanspruchungen Stresses Spannungen Stresses and strains Spannungen und Verformungen Stresses and strength of main components Beanspruchung und Festigkeit der wichtigsten Bauteile Stresses in bars and beams Beanspruchung stabförmiger Bauteile Stretch-forming Streckziehen Structural integrity assessment Festigkeitsnachweis Structure and characteristics of plastics Kunststoffe, Aufbau und Verhalten von Structure and variables of the control loop Struktur und Größen des Regelkreises

Fachausdrücke

Structure definition Strukturfestlegung Structure intensity and structure-borne noise flow Strukturintensität und Körperschallfluss Structure of Processing Machines Struktur von Verarbeitungsmaschinen Structure of production Organisation der Produktion Structure of tribological systems Struktur tribologischer Systeme Structure representation Strukturmodellierung Structure-borne noise function Körperschallfunktion Structures of metrology Strukturen der Messtechnik Submerse fermentations Submerskultivierung Substrate limitation of growth Substratlimitiertes Wachstum Suction throttling Saugdrosselregelung Sun power stations Sonnenenergie, Anlagen zur Nutzung Supercharging Aufladung von Motoren Superheater und Reheater Überhitzer und Zwischenüberhitzer Superplastic forming of sheet Superplastisches Umformen von Blechen Superposition of preload and working loads Überlagerung von Vorspannkraft und Betriebslast Support reactions Auflagerreaktionen an Körpern Surface analysis Oberflächenanalytik Surface coating Beschichten Surface condensers Oberflächenkondensatoren Surface effects Oberflächeneinflüsse Surface fermentations Oberflächenkultivierung Surface grinding machines Planschleifmaschinen Surface measurement Oberflächenmesstechnik Survey Gliederung Suspension and dampening Federung und Dämpfung Switchgear Schaltgeräte Switching and control Schaltung und Regelung Switching stations Schaltanlagen Swivel guides Drehführungen Synchronous linear motor Synchronlinearmotoren Synchronous machines Synchronmaschinen

Fachausdrücke

Synthetic fuels Künstliche Brenngase Synthetic liquid fuels Künstliche flüssige Brennstoffe Synthetic solid fuels Künstliche feste Brennstoffe System and classification of measuring quantities Einheitensystem und Gliederung der Messgrößen der Technik System interrelationship Systemzusammenhang System of forces in space Kräftesystem im Raum System parameters Angaben zum System Systematic Systematik Systematic approach Methodisches Vorgehen Systematic of handling systems Einteilung von Handhabungseinrichtungen Systematics of distribution conveyors Systematik der Verteilförderer Systems and components of heating systems Systeme und Bauteile der Heizungstechnik Systems for occupant protection Systeme für den Insassenschutz Systems for simultaneous cooling- and heating-operation Systeme für gleichzeitigen Kühl- und Heizbetrieb Systems of coplanar forces Ebene Kräftegruppe Systems of coplanar forces Kräftesystem in der Ebene Systems of rigid bodies Systeme starrer Körper Systems with heat addition Systeme mit Wärmezufuhr Systems with non-linear spring characteristics Schwinger mit nichtlinearer Federkennlinie oder Rückstellkraft Systems with one degree of freedom (DOF) Systeme mit einem Freiheitsgrad Systems with variable mass Systeme mit veränderlicher Masse Systems, boundaries of systems, surroundings Systeme, Systemgrenzen, Umgebung Tapping Gewindebohren Task and Classification Aufgabe und Einordnung Task, Definition Aufgabe Tasks of assembly and disassembly Aufgaben der Montage und Demontage TDM/PDM systems TDM-/PDM-Systeme

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Technical product documentation Erstellung von Dokumenten Technological effects Technologische Einflüsse Technology Technologie Temperature equalization in simple bodies Temperaturausgleich in einfachen Körpern Temperature profile Temperaturverläufe Temperature scales Temperaturskalen Temperatures Temperaturen Temperatures. Equilibria Temperaturen. Gleichgewichte Tension and compression stress Zug- und Druckbeanspruchung Tension test Zugversuch Terminology definitions and overview Begriffsbestimmungen und Übersicht Terminology, classification Benennungen Test methods Prüfverfahren The catenary Seil unter Eigengewicht (Kettenlinie) The design process Konstruktionsprozess The motion of a particle Bewegung eines Punkts The principle of irreversibility Das Prinzip der Irreversibilität Theoretical gas-turbine cycles Idealisierte Kreisprozesse Theory of elasticity Elastizitätstheorie Theory of plasticity Plastizitätstheorie Thermal apparatus engineering and industrial furnaces Thermischer Apparatebau und Industrieöfen Thermal equilibrium Thermisches Gleichgewicht Thermal expansion Wärmedehnung Thermal power plants Wärmekraftanlagen Thermal process engineering Thermische Verfahrenstechnik Thermal properties of gases and vapours Thermische Zustandsgrößen von Gasen und Dämpfen Thermal quantities Thermische Messgrößen Thermal similarity Thermische Ähnlichkeit Thermal stresses Thermische Beanspruchung Thermal treatments Thermische Behandlungsprozesse Thermic overload protection Thermischer Überstromschutz

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Thermodynamic and fluid dynamic design Wärme- und strömungstechnische Auslegung Thermodynamic calculations Wärmetechnische Berechnung Thermodynamic design of recuperators Wärmetechnische Auslegung von Rekuperatoren Thermodynamic design of regenerators Wärmetechnische Auslegung von Regeneratoren Thermodynamic laws Thermodynamische Gesetze Thermodynamics Thermodynamik Thermodynamics of substances Stoffthermodynamik Thermosets Duroplaste Thin-walled tubes (Bredt-Batho theory) Dünnwandige Hohlquerschnitte (Bredtsche Formeln) Thread and gear measurement Gewinde- und Zahnradmesstechnik Thread chasing Gewindestrehlen Thread cutting with dies Gewindeschneiden Thread forming Gewindefurchen Thread grinding Gewindeschleifen Thread locking devices Sicherung von Schraubenverbindungen Thread milling Gewindefräsen Thread pressing Gewindedrücken Thread production Gewindefertigung Thread rolling Gewindewalzen Three phase transformers Drehstromtransformatoren Three-dimensional and plane stresses Räumlicher und ebener Spannungszustand Three-phase drives Drehstromantriebe Three-phase-current Drehstrom Throttle controlled drives Stromteilgetriebe Throughput Durchsatz Thyristor characteristics and data Thyristorkennlinien und Daten Thyristors Thyristoren Tilt tray sorter Kippschalensorter Tin Zinn Tires and Rims Reifen und Felgen Titanium alloys Titanlegierungen Tools Werkzeuge Tools and methods Werkzeuge und Methoden Tools for primary forming Urformwerkzeuge

Fachausdrücke

Tooth errors and tolerances, backlash Verzahnungsabweichungen und -toleranzen, Flankenspiel Tooth loads, bearing loads Zahnkräfte, Lagerkräfte Tooth profile Zahnform Tooth traces and tooth profiles Flankenlinien und Formen der Verzahnung Torque converter Kennungswandler Torque convertors Föttinger-Wandler Torque motors Torquemotoren Torques, powers, efficiencies Drehmomente, Leistungen, Wirkungsgrade Torque-sensitive clutches (slip clutches) Drehmomentgeschaltete Kupplungen Torsion Torsionsbeanspruchung Torsion bar springs Drehstabfedern (gerade, drehbeanspruchte Federn) Torsion with warping constraints Wölbkrafttorsion Torsional buckling Biegedrillknicken Torsional vibrations Drehschwingungen Torsional vibrator with two masses Drehschwinger mit zwei Drehmassen Torsionally stiff self-aligning couplings Drehstarre Ausgleichskupplungen Total driving resistance Gesamtwiderstand Total efficiency Totaler Wirkungsgrad Tower cranes Turmdrehkrane Traction drives Reibradgetriebe Traction forces diagram Zugkraftdiagramm Train driving resistance Fahrwiderstand Transfer lines and automated production lines Transferstraßen und automatische Fertigungslinien Transformation of Michaelis-Menten-equation Transformationen der Michaelis-MentenGleichung Transformation of primary energy into useful energy Wandlung von Primärenergie in Nutzenergie Transformation of regenerative energies Wandlung regenerativer Energien Transformers Transformatoren und Wandler Transient heat conduction Nichtstationäre Wärmeleitung Transient operating characteristics Instationäres Betriebsverhalten

Fachausdrücke

Transient phenomena Ausgleichsvorgänge Transistors Transistoren Translation Translation (Parallelverschiebung, Schiebung) Translational motion Querbewegung Transmission ratio, gear ratio, torque ratio Übersetzung, Zähnezahlverhältnis, Momentenverhältnis Transmission units Getriebe Transmission with variable displacement units Getriebe mit Verstelleinheiten Transport units (TU) and transport aids (TA) Transporteinheiten (TE) und Transporthilfsmittel (THM) Transportation technology Fahrzeugtechnik Transverse shear stresses Abscherbeanspruchung Triangular plate Gleichseitige Dreieckplatte Tribological characteristics Tribologische Kenngrößen Tribology Tribologie Tribotechnic materials Tribotechnische Werkstoffe Troughed chain conveyors Trogkettenförderer Truck mixers Transportbetonmischer True flow through cascades Reale Strömung durch Gitter Tunnel furnace Tunnelwagenofen Turbine Turbine Turbocompressors Turboverdichter Turbomachinery characteristics Ähnlichkeitskennfelder Turning Drehen Turning gear Läufer-Dreheinrichtung Turret drilling machines Revolverbohrmaschinen Two-position control Zweipunkt-Regelung Type of engine, type of combustion process Arbeitsverfahren bei Verbrennungsmotoren Type selection Auswahlgesichtspunkte Types Ausführungen Types Bauarten Types and accessories Bauarten und Zubehör Types and applications Bauarten und Anwendungsgebiete Types and components Bauformen und Baugruppen Types and Sizes Typen und Bauarten

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Types of bolt and nut Schrauben- und Mutterarten Types of brakes Bremsenbauarten Types of construction Bauausführungen Types of construction and shaft heights Bauformen und Achshöhen Types of cost Kostenartenrechnung Types of cranes Kranarten Types of engineering design Konstruktionsarten Types of equilibrium Gleichgewicht, Arten Types of heat exchangers Bauarten von Wärmeübertragern Types of linear controllers Lineare Regler, Arten Types of nuclear reactors Bauarten von Kernreaktoren Types of planar mechanisms Ebene Getriebe, Arten Types of position data registration Positionswerterfassung, Arten Types of semi-conductor valves Ausführungen von Halbleiterventilen Types of signals Signalarten Types of steam generator Ausgeführte Dampferzeuger Types of support, the „free body“ Lagerungsarten, Freimachungsprinzip Types of thread Gewindearten Types of tooth damage and remedies Zahnschäden und Abhilfen Types of weld and joint Stoß- und Nahtarten Types, applications Bauarten, Anwendungen Types, applications Formen, Anwendungen Types, examples Bauarten, Beispiele Typical combinations of materials Gebräuchliche Werkstoffpaarungen Ultrasonic processing Ultraschallverfahren Under-carriage Fahrwerk Unequal capacitive currents Ungleiche Kapazitätsstromverhältnisse Uniform bars under constant axial load Stäbe mit konstantem Querschnitt und konstanter Längskraft Universal lathes Universaldrehmaschinen Universal milling machines Universal-Werkzeugfräsmaschinen Universal motor Universalmotoren

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Unstable operation of compressors Instabiler Betriebsbereich bei Verdichtern Unsteady state processes Instationäre Prozesse Upsetting Stauchen Upsetting of cylindrical parts Stauchen zylindrischer Körper Upsetting of square parts Stauchen rechteckiger Körper Use of CAD/CAM CAD/CAM-Einsatz Use of exponent-equations Anwenden von Exponentengleichungen Use of material Materialeinsatz Use of space Flächenverbrauch Valuation method of determine the noise power level Abschätzverfahren zur Bestimmung des Schallleistungspegels Valve gear Steuerorgane für den Ladungswechsel Valve lay out Ventilauslegung Valve location Ventileinbau Valves Hydroventile Valves Ventile und Klappen Valves and fittings Armaturen Vane compressors Rotationsverdichter Vanetype pumps Flügelzellenpumpen Vapours Dämpfe Varactors Kapazitätsdioden Variables of the control loop Größen des Regelkreises V-belts Keilriemen Vehicle airconditioning Fahrzeuganlagen Vehicle electric and electronic Fahrzeugelektrik, -elektronik Vehicle emissions Fahrzeugabgase Vehicle gauge Fahrzeugbegrenzungsprofil Vehicle principles Fahrzeugarten Vehicle safety Fahrzeugsicherheit Vehicle vehicles Kraftfahrzeuge Velocities, loading parameters Geschwindigkeiten, Beanspruchungskennwerte Velocity and speed measurement Geschwindigkeits- und Drehzahlmesstechnik Ventilation Lüftung Ventilation by roof ventilators Dachaufsatzlüftung Ventilation by wells Schachtlüftung Ventilation by windows Fensterlüftung

Fachausdrücke

Versatile manufacturing systems Wandlungsfähige Fertigungssysteme Vertical dynamic Vertikaldynamik Vertical injection Quereinblasung Vibrating conveyors Schwingförderer Vibration of blades Schaufelschwingungen Vibration of continuous systems Schwingungen der Kontinua Vibration of systems with periodically varying parameters (Parametrically excited vibrations) Schwingungen mit periodischen Koeffizienten (rheolineare Schwingungen) Vibrations Schwingungen Vibrations of a multistage centrifugal pump Biegeschwingungen einer mehrstufigen Kreiselpumpe Virtual product creation Virtuelle Produktentstehung Viscosimetry Viskosimetrie Voidage Lückengrad Voltage induction Spannungsinduktion Voltage transformers Spannungswandler Volume flow, impeller diameter, speed Volumenstrom, Laufraddurchmesser, Drehzahl Volume, flow rate, fluid velocity Volumen, Durchfluss, Strömungsgeschwindigkeit Volumetric efficiencies Liefergrade Volumetric losses Volumetrische Verluste VR /AR systems VR-/AR-Systeme Walking beam furnace Hubbalkenofen Wall thickness Wanddicke ebener Böden mit Ausschnitten Wall thickness of round even plain heads with inserted nuts Wanddicke verschraubter runder ebener Böden ohne Ausschnitt Warehouse technology and material handling system technology Lager- und Systemtechnik Water circuits Wasserkreisläufe Water management Wasserwirtschaft Water power Wasserenergie Water power plant Wasserkraftanlagen Water treatment Wasserbehandlung Water turbines Wasserturbinen Water wheels and pumped-storage plants Laufwasser- und Speicherkraftwerke Wear Verschleiß Wear initiated corrosion Korrosionsverschleiß

Fachausdrücke

Wedge-shaped plate under point load Keilförmige Scheibe unter Einzelkräften Weight Gewichte Welding and soldering (brazing) machines Schweiß- und Lötmaschinen Welding processes Schweißverfahren Wheel set Radsatz Wheel suspension Radaufhängung und Radführung Wheel types Radbauarten Wheel-rail-contact Rad-Schiene-Kontakt Wheels Räder Whole mechanism Gesamtmechanismus Wind Wind Wind energy Windenergie Wind power stations Windkraftanlagen Wing Tragflügel Wire drawing Drahtziehen

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Wood Holz Work Arbeit Work cycle, volumetric efficiencies and pressure losses Arbeitszyklus, Liefergrade und Druckverluste Working cycle Arbeitszyklus Working fluid Arbeitsfluid Working interrelationship Wirkzusammenhang Working principle and equivalent circuit diagram Wirkungsweise und Ersatzschaltbilder Workpiece properties Werkstückeigenschaften Worm gears Schneckengetriebe Yeasts Hefen Z-Diodes Z-Dioden Zeroth law and empirical temperature Nullter Hauptsatz und empirische Temperatur Zinc and zinc alloys Zink und seine Legierungen

Stichwortverzeichnis

A Abbe’sches Komparatorprinzip, Bd. 2 696 Abbe-Refraktometer, Bd. 2 721 Abbiegelicht, 1071 Abblendlicht, 1071 Abdichten des Arbeitsraumes, 17 Abfluggewicht, 1145 Abgas, 1039, 1058, 1083 Abgasanalysen, Bd. 2 726 Abgasemission, 111, 1082 Abgasnachbehandlungssystem, 1058 Abgasrückführung, 116 Abgasturbolader, 306 Abklingfaktor, Bd. 1 831, Bd. 1 833 Abkühlung einer ebenen Platte, Bd. 1 812 feuchter Luft, Bd. 1 796 Ablaufstelle, Bd. 1 255 Ablösebremsung, 1120 Abluftanlagen, 810 Abluftdurchlässe, 783 Abluftkanäle, 807 Abmaß, Bd. 2 52 Grundabmaß, Bd. 2 53 oberes, Bd. 2 53 unteres, Bd. 2 53 Abreißen der Strömung, Bd. 1 341 Abriebverschleiß, Bd. 2 405 Abrollgeräusch, 1047 ABS, 1048, 1055, Bd. 2 802 Abschätzverfahren (Akustik), Bd. 1 886 abscheiden aus Flüssigkeiten, 523 Auspressen, 524 Eindicken, 524 Filtrieren, 524 Sedimentieren, 523 Zentrifugen, 524 abscheiden aus Gasen, 523 elektrische Abscheider, 523 Filter, 523 Nassabscheider, 523 Abscherbeanspruchung, Bd. 1 366 Absicherung, Bd. 2 1077 Absorber, 529 Absorbieren, 529

Absorption, 531, 532, 534 Absorptionsgrad, Bd. 2 720 Absorptionskälteanlage, 725 Absorptionszahl, Bd. 1 819 Absperr- und Regelorgane, Bd. 1 324 Absperrvorrichtung, 808 Abstandssensor, Bd. 2 801, Bd. 2 802 Abstrahlgrad, Bd. 1 884 Abstrahlmaß, Bd. 1 885 Abtastfrequenz, Bd. 2 800 Abtragen, Bd. 2 879, Bd. 2 907 chemisches Abtragen, Bd. 2 912 elektrochemisches Abtragen, Bd. 2 912 funkenerosives Abtragen, Bd. 2 908 Abtragen durch Strahl, Bd. 2 187 ABV, 1056 Abwärme, 1060 Abwasserschlamm, Bd. 1 327 Abwurfgeschwindigkeit, Bd. 1 261 Abwurfwinkel, Bd. 1 261 Achse, 1049, 1067 Achskinematik, 1046 Achslast, 1038 Achslastverteilung, 1046 Achsschenkellenkung, 1051 Achsschubausgleich, 234 Anordnung von Laufrädern, 235 Axialkraft, 234, 235 Axiallager, 235 Doppelkolben, 235 Entlastungsbohrungen, 234, 235 Entlastungskolben, 235 Entlastungsscheibe, 234, 235 Rückenschaufeln, 234, 235 Ackeret-Keller-Prozess, Bd. 1 784, Bd. 1 785 Ackermann-Lenkwinkel, 1079 Acrylatkautschuke ACM, Bd. 1 639 Acrylnitril-Butadien-Kautschuke NBR, Bd. 1 638 Acrylnitril-Butadien-Styrol-Polymerisate ABS, Bd. 1 631 active noise control (ANC), Bd. 1 891 Active Rollover Protection, 1057 active structural acoustic control (ASAC), Bd. 1 891 active vibration control (AVC), Bd. 1 891 Ad- und Desorption, 538 1265

1266 adaptive Systeme, Bd. 1 891 adaptiver Neutralisator, Bd. 1 891 adaptiver Tilger, Bd. 1 891 Adaptronik, Bd. 1 891 Adiabate, reversible, Bd. 1 777, Bd. 1 778 Adiabatenexponent, Bd. 1 755 adiabatische Kalorimeter, Bd. 2 719 Admittanz, Bd. 2 532 Adsorbens, 536 Makroporen, 536 Mikroporen, 536 Adsorbieren, 536 Adsorption, 529, 536, 537 Adsorptionswärme, 537 Adsorptiv, 536 Flüssigphasenadsorption, 536 Gasphasenadsorption, 536 Kondensationswärme, 537 Aeroakustik, 1042 Aerodynamik, 1042, 1045, 1081, 1156 äußere Verbrennung, 69 agglomerieren, 520 Agglomeratfestigkeit, 521 Aufbaugranulation, 522 Bindemechanismen, 521 Pressgranulation, 522 Ähnlichkeitsgesetz von Fourier, Bd. 1 347 Ähnlichkeitsgesetz von Froude, Bd. 1 346 Ähnlichkeitsgesetz von Newton-Bertrand, Bd. 1 345 Ähnlichkeitsgesetz von Nußelt, Bd. 1 347 Ähnlichkeitsgesetz von Péclet, Bd. 1 347 Ähnlichkeitsgesetz von Prandtl, Bd. 1 347 Ähnlichkeitsgesetz von Reynolds, Bd. 1 346 Ähnlichkeitsgesetz von Weber, Bd. 1 346 Ähnlichkeitsgesetze, Bd. 1 344 Airbag, 1069, 1084 air-hammer, Bd. 2 1091 Air-Impact-Verfahren, Bd. 2 826 Airy’sche Spannungsfunktion, Bd. 1 418 Akkumulator, 1061, Bd. 2 644 AKL, 467 aktive Sicherheit, 1039 aktive Strukturintensität, Bd. 1 895 aktive Systeme diskret, Bd. 1 891 flächig, Bd. 1 893 aktives Lager, Bd. 1 892 Aktivierungsanalyse, Bd. 2 723 Aktivität, Bd. 2 722 Aktivkohlefilter, 802 Aktivlenkung, 1072 Aktor, Bd. 1 892, Bd. 1 893, Bd. 2 694, Bd. 2 797 Energiesteller, Bd. 2 797 Energiewandlung, Bd. 2 798 akustische Messtechnik, Bd. 2 723 akustische Transferfunktion, Pegel der, Bd. 1 885 akustische Wirkungsgrade, Bd. 1 914 akustischer Kurzschluss, Bd. 1 887 akustisches Transferverhalten, Bd. 1 886

Stichwortverzeichnis Algen, 567 Alkoholwarner, 1072 allgemeine Bewegung des starren Körpers, Bd. 1 265 allgemeine ebene Bewegung starrer Körper, Bd. 1 287 allgemeine räumliche Bewegung, Bd. 1 289 Allgemeintoleranzen, Bd. 2 56 Allradantrieb, 1038 Allwetterreifen, 1048 alternative Kraftstoffe, 91 Aluminiumlegierungen, 1176 Aminoplaste MF-, UF-, UF/MF-, MF-, MP-PMC, Bd. 1 634 Ammoniak, Bd. 1 771 Amperemeter, Bd. 2 734 Amplitude, Bd. 1 295 Amplitudengang, Bd. 1 834 Amplituden- und Phasengang, Bd. 1 833 Amplituden-Frequenzgang, Bd. 1 834 Amputationsniveau, 880 analoge elektrische Messtechnik, Bd. 2 734 Analog-Digital-Umsetzer, Bd. 2 739 Analyse der Einheiten (Dimensionsanalyse) und ˘ -Theorem, Bd. 1 347 analytische Verfahren, Bd. 1 866 Kurbelfolgen, Bd. 1 867 Massenkräfte, Bd. 1 869, Bd. 1 870 Reihenmaschinen, Bd. 1 866 Reihenmotor, Bd. 1 869 V-Maschinen, Bd. 1 867 V-Reihenmaschinen, Bd. 1 868 Zylinderanordnungen, Bd. 1 870 Anästhesietechnik, 862 Anbaugeräte, 397 Anergie, Bd. 1 747, Bd. 1 749 Anfangsbedingungen, Bd. 1 295 Anforderungen, Bd. 2 1086 angreifende Belastungen, Bd. 2 176 Anhänger, 1038, 1081 Anlagen zur Nutzung der Sonnenenergie, 960 Photovoltaik, 960 Solarthermie, 962 solarthermische Kraftwerke, 963 Solarzellen, 961 Wärmepumpen, 965 Zellkennlinien, 962 Anordnungsfaktor, Bd. 1 816 anorganisch-chemische Analytik, Bd. 2 726 Anregungsdetektoren, Bd. 2 723 Anregungskraft, Bd. 1 886, Bd. 1 888 Ansaugdrosselung, 93 Anschlagmittel, 371 Anschnitt- und Speisersystem, Bd. 2 821 Anstellwinkel, Bd. 1 341 Anstrengungsverhältnis nach Bach, Bd. 1 362 Antialiasing-Filter, Bd. 2 740 Antiblockiersystem, Bd. 2 802 Antoine-Gleichung, Bd. 1 753 Konstanten, Bd. 1 760 Antrieb, 1037, 1041, 1116, Bd. 2 1054

Stichwortverzeichnis Antriebs- und Steuerungssystem, Bd. 2 73 Antriebsmaschine, Bd. 2 503 Elektromotor, Bd. 2 503 Verbrennungskraftmaschine, Bd. 2 503 Antriebsschlupfregelung, 1056 Antriebsstrang, 1038, 1061 Antriebsstruktur dezentrale, Bd. 2 73 zentrale, Bd. 2 73 Antriebssystem, Bd. 2 66, Bd. 2 73 Antriebstechnik, elektronische, Bd. 2 671 Antriebsverstärker, Bd. 2 1061 Antwortgrößen, Bd. 1 831 Anwendung der Bernoulli’schen Gleichung für den instationären Fall, Bd. 1 318 Anwendungen der Bernoulli’schen Gleichung für den stationären Fall, Bd. 1 317 Anwendungsgebiet, 877 Anziehdrehmoment, Bd. 2 218 Anziehverfahren, Bd. 2 219 Anzucht der Impfkultur, 574 Anzugsmoment, Bd. 2 566 Apparatebau, Konstruktionselemente, 673 Apparatewirkungsgrad, 607 Äquivalentdosis, Bd. 2 722 Äquivalente Geschwindigkeit, 1146 Arbeit, Bd. 1 273, Bd. 1 737 elektrische, Bd. 1 739 magnetische, Bd. 1 739 maximal gewinnbare, Bd. 1 747 maximale technische, Bd. 1 748 technische, Bd. 1 738 Arbeit des wirklichen Motors, 73 Arbeits- und Energiesatz, Bd. 1 276, Bd. 1 279 Arbeitsaufnahmefähigkeit, Bd. 2 246 Arbeitsdiagramm, Bd. 2 72, Bd. 2 73 Arbeits-Drehzahl, Bd. 2 1064 Arbeitsdruckbereich in der Hydraulik Hochdruck, Bd. 2 511 Mitteldruck, Bd. 2 511 Niederdruck, Bd. 2 511 arbeitsgebundene Presse, Bd. 2 1133 Arbeitsmaschinen, 6 Arbeitsorgan, Bd. 2 69 Arbeitsprozess, 70 Arbeitsprozesse vollkommener Maschinen, 4 Arbeitsraum, 4, Bd. 2 1050, Bd. 2 1078 Arbeitsspielfrequenz, 70 Arbeitsverfahren, 70 Arbeitsvolumen, 4 Arbeitszyklus, 46 Realprozeßrechnung, 46 Rückexpansionsexponent, 46 Armaturen Bauarten, 695 Druckverluste, 696 Hähne, 699 Hähne oder Drehschieber, 695 Klappen, 695, 700

1267 Schieber, 695, 698 Stellventile, 697 Stellventilkennlinien, 697 Ventile, 695, 697 Werkstoffe, 696 Widerstandszahl, 706 Armprothese, 882 aktive, 882 kosmetische, 882 ASA-Polymerisate ASA, schlagzähe, Bd. 1 631 ASCII-Code, Bd. 2 740 Aspirationspsychrometer, Bd. 1 795 ASR, 1055 Asynchronmaschinen Kurzschlussläufer, Bd. 2 565 Schleifringläufern, Bd. 2 565 Asynchron-Kleinmotoren, Bd. 2 575 Atomabsorptionsspektrometrie, Bd. 2 727 Atomic-Force-Mikroskope (AFM), Bd. 2 802 Ätzprozesse, Bd. 2 957 Aufbauschneiden, Bd. 2 881 Aufbauschwingung, 1050 Aufbereitung von Medizinprodukten, 893 Aufgaben der Montage und Demontage, Bd. 2 989 Aufheizungsgrad, 48 Aufladung von Motoren, 87 Abgasturboaufladung, 87 Abgasturboladerwirkungsgrad, 88 Aufladeverfahren, 87 Comprex-Verfahren, 87 Pumpgrenze, 89 Schwingsaugrohraufladung, 87 Stauaufladung, 88 Stoßaufladung, 87 Turbo-Compound, 91 Auflagerreaktionen, Bd. 1 241, Bd. 1 368 Auflaufstelle, Bd. 1 255 Aufmerksamkeitsassistent, 1072 Aufpunktkoordinate x, Bd. 1 452 Auftragschweißen, Bd. 2 155, Bd. 2 972 Auftreffgeschwindigkeit, Bd. 1 293 Auftrieb, 1151, 1154, 1155, Bd. 1 313 Auftriebsbeiwert, 1152 augenblicklicher Wirkungsgrad, Bd. 1 275 Auger-Elektronenspektroskopie, Bd. 2 728 Ausbiegung beim Knicken, Bd. 1 438 Ausdehnungskoeffizient thermischer, Bd. 1 816 Ausdehnungsthermometer, Bd. 2 717 Ausflussfunktion, Bd. 1 779 Ausgangsgröße, Bd. 2 756 Ausgangswiderstand, Bd. 2 668 ausgebogene Gleichgewichtslage, Bd. 1 437 ausgeführte Motorkonstruktionen, 130 Ausgleichskupplungen, Bd. 2 268 Auslenkwinkel, Bd. 2 270 Drehschwingungsverhalten, Bd. 2 268 Federlamellenkupplung, Bd. 2 271 Federlaschenkupplung, Bd. 2 270

1268 Federscheibenkupplung, Bd. 2 271 Federstegkupplung, Bd. 2 269 Gleichlaufgelenk, Bd. 2 270 Gleichlauf-Kugelgelenk, Bd. 2 270 Klauenkupplung, Bd. 2 268 Kreuzgelenk, Bd. 2 269 Kreuzgelenkwelle, Bd. 2 270 Kreuzschlitz-Kupplung, Bd. 2 269 Membrankupplung, Bd. 2 270 Metallbalgkupplung, Bd. 2 269 Parallelkurbelkupplung, Bd. 2 268 Polypodengelenk, Bd. 2 270 Ringspann-Ausgleichskupplung, Bd. 2 268 Tripodegelenk, Bd. 2 270 Wellenversatz, Bd. 2 270 Ausleger, 384 Abspannungen, 391 Gittermastausleger, 390 Gittermastspitze, 391 Teleskopausleger, 390 Teleskopauslegerverbolzung, 391 Teleskopiersysteme, 390 Auslegung, 31, 50 asymmetrische Profile, 52 Ein- und Auslasssteuerung, 55 Einzelringventil, 55 Flüssigkeitsringverdichter, 53 Hubkolbenverdichter, 50 konzentrische Ventile, 56 Öleinspritzkühlung, 52 Ringplattenventile, 55 Roots-Gebläse, 54 Rotationsverdichter, 53 Schraubenverdichter, 51 Trockenläufer, 52 Überverdichtung, 52 Unterverdichtung, 52 Ventilauslegung, 57 Ventile, 55 Wegsteuerung, 55 Auslegung von Industrieturbinen, 265 Auslegung von Radialverdichtern, 285 Auslösekennlinien, Bd. 2 642 Ausmauerung, 660 Ausnutzungsfaktor, Bd. 2 560 Ausreißerkontrolle, Bd. 2 689 Ausschlagmethoden, Bd. 2 683, Bd. 2 694 Außenhaut, 1042 Außenluftanlagen mit Umluftfunktio, 810 äußere Belastungen, Bd. 1 368 äußere Kräfte, Bd. 1 231 äußere Kühllast, 776 äußere virtuelle Arbeit, Bd. 1 392 äußere Wärmequelle, Bd. 2 1054 äußerlich, Bd. 1 401 Aussetzregelung, 59 Ausstattung, 1041 Austauschvariable, Bd. 1 744 Austauschvorgänge, Bd. 1 743

Stichwortverzeichnis Auswahlkriterien, Bd. 2 286 Einflächenkupplungen, Bd. 2 286 Einscheibenkupplungen, Bd. 2 286 Konuskupplung (Kegelkupplung), Bd. 2 286 Lamellenkupplungen, Bd. 2 286 Auswertung von Messungen, Bd. 2 688 Autogas, 1058 Autogentechnik, Bd. 2 185 Automatische Kleinteilelager, 467 automatisierte Montage, Bd. 2 993 autonome Führung, 405 A-Bewertung, Bd. 1 883 Avalanche-Effekt, Bd. 2 667 Avogadro, Gesetz von, Bd. 1 751 Avogadro-Konstante, Bd. 1 751 axialen Hauptträgheitsmomente, Bd. 1 286 I y axiales Flächenmoment 2. Grades, Bd. 1 371 axiales Flächenmoment 2. Ordnung, Bd. 1 312 axiales Massenträgheitsmoment, Bd. 1 283 Axialgleitlager, Bd. 2 338 hydrostatische, Bd. 2 347 Kippsegmentlager, Bd. 2 340 Segmentlager mit fest eingearbeiteten Keil- und Rastflächen, Bd. 2 340 Axialkolbenmaschine, Bd. 2 485, Bd. 2 488, Bd. 2 491 Axialkolbenmotor, Bd. 2 492 Axialkolbenpumpe, Bd. 2 491 Schrägachsenmotor, Bd. 2 492 Schrägachsenpumpe, Bd. 2 490 Schrägscheibenmotor, Bd. 2 492 Schrägscheibenpumpe, Bd. 2 490 Schwenkwinkel, Bd. 2 492 Ungleichförmigkeitsgrad, Bd. 2 490 Axialluft, Bd. 2 308 Axialrillenkugellager, Bd. 2 1095 Axial-Schrägkugellager, Bd. 2 1071, Bd. 2 1095 axialsymmetrisches Element, Bd. 1 448 Axialtransport, 618 Axialverdichter, 269 Axial-Zylinderrollenlager, Bd. 2 1095

B Bagger, 502 Drehdurchführung, 503 Drehverbindung, 503 Grabgefäß, 503 Hydraulikbagger, 502 Knickausleger, 503 Minibagger, 502 Mobilbagger, 502, 503 Monoblockausleger, 503 Pendelarm, 503 Raupenbagger, 503 Schleppschaufel, 502 Seilbagger, 502 Verstellausleger, 503 Bahnkurve, Bd. 1 257 Bahnlärm, 1090

Stichwortverzeichnis Bakterien, 565 Balgantrieb, 864 Balgkupplung, Bd. 2 1077 Balkenbiegungstheorie, Bd. 1 371 Balkenelement, Bd. 1 448 Ballenklammer, 397 Ballonkatheter, 876 Ballonpumpe, 872 Bandbremse, Bd. 1 254 Banddurchlauföfen, 606 Bandstruktur, Bd. 1 197 Barcode, 487 barotrope Flüssigkeit, Bd. 1 331 Basisstrom, Bd. 2 668 Batterie, 102, 1037, 1060, 1062, 1073, Bd. 2 644 Bleiakkumulatoren, Bd. 2 644 Blei-Gel-Akkumulatoren, Bd. 2 645 Nickel-Cadmiumbatterien, Bd. 2 645 Battery Electric Vehicle, 1061 Bauausführungen, Bd. 2 1200 Energiequellen für Rechteckwechselstrom, Bd. 2 1201 Impulsstromquellen, Bd. 2 1201 Primär getaktete Gleichstromquelle, Bd. 2 1200 Sekundär getaktete Gleichstromquelle, Bd. 2 1200 Bauformen, 62, 124 Baugruppen, 33, 62 Höchstdruck-Kolbenverdichter, 63, 65 Hubkolbenverdichter, 62 Kolbenstangen, 64 Kolbenstangendichtung, 63 Kreuzkopf, 64 Laufringprinzip, 66 Membranverdichter, 64, 65 öleinspritzgekühlter Schraubenverdichter, 64, 65 Öleinspritzkühlung, 67 Rotationsverdichter, 66 Schraubenverdichter, 64 trockenlaufender Rotationsverdichter, 67 trockenlaufender Schraubenverdichter, 64, 66 Baukasten (modularer), Bd. 2 39 Baumaschinen, 497 Bauraumleistung, 111 Baureihe, Bd. 2 39 Bauschinger-Effekt, Bd. 1 457 Bauteildicke, Bd. 2 166 Bauteilverbindungen, Bd. 2 155 Bauvorschriften, 1140 BCD-Code, Bd. 2 740 Beanspruchung, 122, 333 Beanspruchungsgrenzen, 333 Beanspruchungsgruppen, 338 Beanspruchungskollektiv, 338 Beanspruchungsmodelle, 333 bei Leistungssteigerung, 123 Bemessungsgrößen, 333 Flanschbiegung, 334 geometrische Ähnlichkeit, 123 mechanische Ähnlichkeit, 123

1269 mechanische Beanspruchung, 122 Mittelspannungsniveau, 338 Sekundärbiegung, 334 thermische Beanspruchung, 123 vorhandene Bauteilbeanspruchung, 332 zulässige Bauteilbeanspruchung, 332 Beanspruchung bei Berührung zweier Körper (Hertz’sche Formeln), Bd. 1 421 Beanspruchungsart Dehnwechselbeanspruchung, Bd. 1 476 Entspannungsbeanspruchung, Bd. 1 476 Spannungswechselbeanspruchung, Bd. 1 476 Zeitstandbeanspruchung, Bd. 1 476 Bearbeitungszentrum, Bd. 2 1049, Bd. 2 1170 Bauformen, Bd. 2 1171 Komplettbearbeitung, Bd. 2 1173 Werkstückwechselsysteme, Bd. 2 1176 Werkzeugsysteme, Bd. 2 1171 Beatmung, 861 druckkontrollierte, 861 volumenkontrollierte, 861 Becquerel, Bd. 2 722 Bedarfslüftung, 813 Bedienelement, 1068, 1076 Befestigungsschrauben, Bd. 2 213 begleitendes Dreibein, Bd. 1 257 Beharrungsbremsung, 1120 Beheizung, 640 behinderte Verwölbung, Bd. 1 398 Beinprothese, funktionelle, 880 Beiwerte, 1152 Belastungsfunktion, Bd. 1 452 Belastungskennlinien, Bd. 2 566 Beleuchtung, 771 Beleuchtungsstärke, Bd. 2 676, Bd. 2 720 beliebig gewölbte Fläche gegen Ebene, Bd. 1 422 Beltramische Gleichung, Bd. 1 416 Bemessungsgeschwindigkeiten, 1147 benetzter Umfang, Bd. 1 322 Benzin, 1058 Berechnung, Bd. 2 176, Bd. 2 1084 Berechnung der Flächenmomente, Bd. 1 373 Berechnung der Massenträgheitsmomente, Bd. 1 287 Berechnung von Rohrströmungen, Bd. 1 327 Berechnungs- und Bewertungskonzepte, Bd. 1 463 Berechnungsgrundlagen, 23 Antriebsleistung, 23 Blasenspeicher, 25, 26 Blenden, 25, 27 Förderhöhe der Anlage H A , 23 Förderhöhe einer Pumpe, 23 Förderhöhen, Geschwindigkeiten und Drücke, 23 Förderleistung Pu , 23 Gesamtwirkungsgrad, 23 instationäre Strömung, 24 Kavitation, 25 Pulsationsdämpfer, 27 Pulsationsdämpfung, 25 Resonator, 26, 27

1270 Windkessel, 25–27 Berganfahrhilfe, 1057 Bernoulli’sche Gleichung für den Stromfaden, Bd. 1 316 Bernoulli’sche Gleichung mit Verlustglied, Bd. 1 318 Bernoulli’sche Höhen, Bd. 1 316 Bernoulli’sche Hypothese, Bd. 1 370 Berücksichtigung der Federmasse, Bd. 1 296 Berührungsspannung, Bd. 2 642 Beschichten, Bd. 2 971 Auftragschweißen, Bd. 2 972 CVD-Verfahren, Bd. 2 972 Ionenplattieren, Bd. 2 972 PVD-Verfahren, Bd. 2 971 Sputtern, Bd. 2 972 Beschichtungen, Bd. 2 897 Beschleunigung, Bd. 1 258 Beschleunigungsmesstechnik, Bd. 2 706 Beschleunigungsvektor, Bd. 1 258 Beschleunigungswiderstand, 1078 Bessel’sche Differentialgln., Bd. 1 307 Bessel’sche Funktion nullter Ordnung, Bd. 1 444 Bessel’sche Funktionen erster Art, Bd. 1 306 Bessel’sche Funktionen, modifizierte, Bd. 1 307 Betonkernaktivierung, 817 Betonmischanlagen, 497 Betonmischer, 498 Betonpumpen, 499 Förderleitungen, 500 Rotorbetonpumpen, 500 Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe, 499 betriebliche Optimierung, 473 Betriebsarten, Bd. 2 561 Betriebsbremse, 1053 Betriebsbremsung, 1120 Betriebsfestigkeit, 1050, 1084 Betriebsfestigkeitsnachweis, Bd. 1 465 Betriebskraft, Bd. 1 885 Betriebslast, 1042, Bd. 2 221 Betriebsmittel, 478 aktive, 478 passive, 478 Betriebsstrategie, 1061 Betriebsverhalten, 59, 62, Bd. 2 504 dynamisches, Bd. 2 505 stationäres, Bd. 2 504 Bett, Bd. 2 1078 Bettfräsmaschine, Bd. 2 1078 Beulen, 1174 Beulen von Platten, Bd. 1 443 Beulen von Schalen, Bd. 1 445 Beulspannungen, Bd. 1 444 Beulspannungen im unelastischen (plastischen) Bereich, Bd. 1 446 Beulung, Bd. 1 359, Bd. 1 442 BEV, 1061 bewegtes Gitter mit unendlicher Schaufelzahl, Bd. 1 341 Bewegung eines Punkts, Bd. 1 257 Bewegung starrer Körper, Bd. 1 264 Bewegungen, Bd. 1 829

Stichwortverzeichnis Bewegungsgleichungen, Bd. 1 289, Bd. 1 830 Bewegungsgleichungen von Navier-Stokes, Bd. 1 334 Bewegungsschraube, Bd. 1 254, Bd. 2 213 Bewegungsvorgang Bestehorn, Bd. 2 616 biharmonisch, Bd. 2 616 energieoptimal, Bd. 2 616 sinoide, Bd. 2 616 zeitoptimal, Bd. 2 616 Bewegungswiderstand, 421 Bewertung, Bd. 1 882 Bewertungskurven, Bd. 1 882 bezogene Biegesteifigkeit, Bd. 1 887 bezogenes Spannungsgefälle, Bd. 1 366 Bezugsflügeltiefe, 1149 Bezugssystem Euler, Bd. 1 729 Lagrange, Bd. 1 729 Bezugswert, bevorzugt, Bd. 1 883 BHKW, 952 biaxiales Flächenmoment I yz , Bd. 1 371 Biegebeanspruchung, Bd. 1 368 Biegedrillknicken, 1173, Bd. 1 437, Bd. 1 441 Biegeeigenfrequenz, Bd. 1 181, Bd. 1 300 Biegefedern, Bd. 2 251 Biegelinie, Bd. 1 303 Biegemoment, Bd. 1 368 Biegemomentenlinie, Bd. 1 303 Biegemomentenvektoren, Bd. 1 375 biegeschlaffe Rotationsschalen und Membrantheorie für Innendruck, Bd. 1 430 biegeschlaffe Schalen, Bd. 1 430 Biegeschwingungen und kritische Drehzahlen mehrfach besetzter Wellen, Bd. 1 303 Biegeschwingungen von Platten, Bd. 1 306 Biegeschwingungen von Stäben, Bd. 1 304 Biegespannungen in geraden Balken, Bd. 1 370 Biegespannungen in stark gekrümmten Trägern, Bd. 1 380 biegesteife Schalen, Bd. 1 431 Biegesteifigkeit, Bd. 1 382, Bd. 1 887 Biegeumformung, Bd. 2 869 Biegewelle, Bd. 1 887 Biegewellenausbreitungsgeschwindigkeit, Bd. 1 887 Biegewellengeschwindigkeit, Bd. 1 887 Biegewellenlänge, Bd. 1 887 Biegung mit Längskraft sowie Schub und Torsion, Bd. 1 401 Biegung und Längskraft, Bd. 1 399 Biegung und Schub, Bd. 1 400 Biegung und Torsion, Bd. 1 400 Bilanz Produkt, 592 Substrat, 592 Zellmasse, 592 Bildaufnahmesensoren, Bd. 2 701 Bildgebung, 851 Bildschirm, berührungsempfindlicher, 1068 Bildungsgesetz, Bd. 1 245

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Stichwortverzeichnis Bildverarbeitung, Bd. 2 701 Bimetallthermometer, Bd. 2 718 Binärcodierung, Bd. 2 739 Binäreis, 751 Binärsignale, Bd. 2 739 Bingham-Medium, Bd. 1 327 Binormale, Bd. 1 263 Binormalenrichtung, Bd. 1 257 Biodiesel, 1058 Biokompatibilität, 845, 872 Biomaterial, 845 Biopolymere, Bd. 1 627, Bd. 1 633 Bioreaktor, 574, 580 Biot-Zahl, Bd. 1 812, Bd. 1 813 Bioverfahrenstechnik, 565 Bipotentialgleichung, Bd. 1 417, Bd. 1 418 Black-Box-Modellierung, Bd. 2 767 Blasen, Bd. 2 826 Blasensäule, 582 Blasensieden, Bd. 1 817 Blattfeder, 1050, Bd. 2 248 geschichtete, Bd. 2 249 Rechteckfeder, Bd. 2 248 bleibende Dehnung, Bd. 1 360 Blei-Säure-Batterie, 1074 Blends, Bd. 1 627 Blindleistung, Bd. 2 532 Blindleistungsbedarf, Bd. 2 592 Blindleistungskompensation, Bd. 2 598 Blindniete, Bd. 2 212 Blindnietformen, Bd. 2 212 Blindstromrichter, Bd. 2 598 Blockgießen, Bd. 2 814 Blockschaltbild, Bd. 1 831 Blockschaltbild der maschinenakustischen Grundgleichung, Bd. 1 885 Blockzylinderkopf, 129 Bode-Diagramm, Bd. 2 768 Bodenkolonnen, 531–533 Böden, 532 disperse Phase, 531 fluten, 531 kohärente Phase, 531 Trennstufen, 531 Volumenstromdichte, 531 Böenlastvielfache, 1172 Bohren, Bd. 2 887, Bd. 2 1050 Bohrmaschinen, Bd. 2 1157 Bohrwerke, Bd. 2 1159 Säulenbohrmaschinen, Bd. 2 1158 Schwenkbohrmaschinen, Bd. 2 1159 Ständerbohrmaschinen, Bd. 2 1159 Tiefbohrmaschine, Bd. 2 1160 Tischbohrmaschinen, Bd. 2 1158 Bohrungsdurchmesser, 123, 124 Bohrungskühlung, 123 Bolzendesachsierung, 11 Bolzenverbindung, Gelenk, Bd. 2 206 Boost-Betrieb, 1063

1273 Boundary-Elemente-Methode (BEM), Bd. 1 452, Bd. 1 895 Bourdonfeder, Bd. 2 713 Branche, 846 Brechungszahl, Bd. 2 721 Bredt’sche Formeln, Bd. 1 398 1. Bredt’sche Formel, Bd. 1 398 2. Bredt’sche Formel, Bd. 1 398 Breguet, 1163 Breitenkreisrichtung, Bd. 1 430 Breitkeilriemen, Bd. 2 368 Bremsanlage, 1053 Bremsassistent, 1055 Bremsbelag, 1053, 1057 Bremsbereitschaft, 1057 Bremsdruck, 1055, 1056 Bremse, 1053, 1120, Bd. 2 267, Bd. 2 286 Backenbremsen, Bd. 2 286 Bandbremse, Bd. 2 287 Haltebremsen, Bd. 2 286 Kupplungs-Brems-Kombination, Bd. 2 286 Leistungsbremsen, Bd. 2 286, Bd. 2 287 Magnetpulverbremse, Bd. 2 287 Regelbremsen, Bd. 2 286 Scheibenbremse, Bd. 2 287 Sperren (Richtungskupplung), Bd. 2 286 Bremsenergie, 1062 Bremsenergierückgewinnung, 1063, 1081, 1083 Bremsflüssigkeit, 1054 Bremsflüssigkeitsbehälter, 1054 Bremskraftverstärker, 1054 Bremskraftverstärkung, 1055 Bremskraftverteilung, 1056 Bremslicht, 1071 Bremspedal, 1054, 1055 Bremsrubbeln, 1054 Bremssattel, 1053 Bremsscheibe, 1049, 1054, 1057 Bremsschlupf, 1056 Bremsverhalten, 1045 Bremsweg, 1045 Brennbohren, Bd. 2 186 Brennflämmen, Bd. 2 185 Brennfugen, Bd. 2 185 Brennhärtung, Bd. 2 1089 Brennkammer, 295, Bd. 1 788 Brennräume von Ottomotoren, 94 Brennschneiden, Bd. 2 185 Brennstoffarten, 837 Brennstoffe, Bd. 1 801, Bd. 1 804 feste, Bd. 1 804 Brennstofflagerung, 837 Brennstoffzelle, 1059, Bd. 1 789 Elektrolyten, 952 Typen, 952 Brennverlauf, 77 Brennwert, Bd. 1 802 Bruchgrenze, Bd. 1 358 Bruchzähigkeit, Bd. 1 511

1274 Brückenschaltung, Bd. 2 526 Bulk-Mikromechanik, Bd. 2 958 Bürste, Bd. 2 1059 Bus, 1038, 1056 Bussystem, 1075, Bd. 2 742, Bd. 2 799, Bd. 2 800 CAN-Bus, Bd. 2 800 INTERBUS-S, Bd. 2 800 PROFIBUS, Bd. 2 800 Butanol, 1058 Butylkautschuke IIR, Bd. 1 639 Bypassregelung, 60

C Campbell-Diagramm, Bd. 1 882 CAMPUS-Datenbank, Bd. 1 640 CAN-Bus, 1074 Carnot-Faktor, Bd. 1 749 Carnot-Prozess, Bd. 1 783 Cascading, 616 Cateracting, 616 Celluloseabkömmlinge CA, CP und CAB, Bd. 1 631 Cetanzahl, 92 CFK, 1044 C-Gestell, Bd. 2 1080 Chassis, 1042 chemische Thermodynamik, 541 chemisches Abtragen, Bd. 2 912 chemisches Gleichgewicht, 544 Chemostat, 591 Choleskyzerlegung, Bd. 1 197 Chromatografie, 529 Clausius-Clapeyron, Bd. 1 756 Clausius-Rankine-Prozess, Bd. 1 787 Clausiussche Ungleichung, Bd. 1 745 Clinchen, Bd. 2 192 CMOS-Inverter, Bd. 2 670 CMOS-Schaltungstechnik, Bd. 2 670 CNG, 1059 COC, Bd. 1 633 Compressed Natural Gas, 1059 Computertomographie, 853 continuous dressing, Bd. 2 904 Coriolisbeschleunigung aC , Bd. 1 269 Coriolis-Massedurchflussmesser, Bd. 2 716 Cornering Brake Control, 1056 Couette-Strömung, Bd. 1 334 Couette-Viskosimeter, Bd. 2 717 Coulomb’sche Gleitreibungsgesetz, Bd. 1 252 Coulomb’sches Gesetz, Bd. 2 523 Coulometrie, Bd. 2 726 Crash, 1042 Crashbarriere, 1084 C-Bewertung, Bd. 1 883 CVD-Verfahren, Bd. 2 972 CVT-Getriebe, 1067, Bd. 2 371 Cyclo, Bd. 2 1075

Stichwortverzeichnis D Dachaufsatzlüftung, 810 Dachfunktionen, Bd. 1 454 d’Alembert’sche Hilfskraft, Bd. 1 276 d’Alembert’sches Prinzip, Bd. 1 288, Bd. 1 433 Dalton, Bd. 1 793 Damage-Tolerance-Philosophie, 1171 Dampfbeladung, Bd. 1 794, Bd. 1 798 Dampfdruck Gleichgewichtswasserstoff, Bd. 1 736 Helium, Bd. 1 736 Dampfdruckkurve, Bd. 1 753, Bd. 1 756, Bd. 1 758 Dämpfe, Bd. 1 753, Bd. 1 755 Dämpfer, 1045 aktiver, 1058 Dampfgehalt, Bd. 1 754 feuchter Luft, Bd. 1 795 Dampfkraftanlagen, Bd. 1 786 Dampfprozesse, 944, 950 CO2 -Abgaben, 944 Dampfzustände, 944 Frischwasserkühlung, 949 Kesselwirkungsgrad, 947 Kraftwerksblock, 945 Kühlwassertemperatur und -menge, 948 Nasskühltürme, 949 Säuretaupunkt, 947 Speisewasservorwärmung, 945, 948 Trockenkühltürme, 949 Zwischenüberhitzung, 945, 948 Dampftafeln, Bd. 1 756 Dampfturbinen Anzapf- und Entnahmeturbinen, 258 Arbeitsverfahren, 251 Axialturbinen, 251 Bauarten, 252 Beschaufelung, 262 Gegendruckturbinen, 251, 257 Hochdruckteile, 254 Kondensationsturbinen, 251, 258 Konstruktionselemente, 261 Lager, 264 Mitteldruckteile, 254 Niederdruckteile, 254 Radialturbinen, 251 Sattdampfturbinen, 251 Überdruckturbinen, 251 Ventile und Klappen, 261 Wellendichtungen, 264 Zweidruckturbinen, 260 Dämpfung, 1049, 1050, Bd. 1 830, Bd. 2 536 modale, Bd. 1 830, Bd. 1 832, Bd. 1 833 von Drehschwingungen im Antriebsstrang, 1064 Dämpfung durch konstante Reibungskraft, Bd. 1 297 Dämpfungsfaktor, Bd. 2 246 Dämpfungskonstante k, Bd. 1 298 Dämpfungskraft, Bd. 2 1052 Dämpfungsmatrix, Bd. 1 830 Dämpfungsvermögen, Bd. 2 246

Stichwortverzeichnis Darlington-Schaltung, Bd. 2 669 Darstellung der Schweißnähte, Bd. 2 173 Güte der Schweißverbindungen, Bd. 2 174 Schweißposition, Bd. 2 174 Datenaufbereitung, Bd. 2 1084 Datenbus, 1075 Datenlogger, Bd. 2 749 Dauerbremse, 1053 Dauerbruch, Bd. 1 362 Dauerfestigkeitsnachweis, Bd. 1 465, Bd. 2 182 Dauerfestigkeitsschaubilder, Bd. 1 505 Dauerformverfahren, Bd. 2 834 dB, Bd. 1 880 dB(A), Bd. 1 882 dBA, Bd. 1 882 DC/DC-Wandler, 1073, 1074 de Laval’sche Scheibe, Bd. 1 435 Debye-Temperatur, Bd. 1 758, Bd. 1 776 Defibrillator, 866 Dehnungen, Bd. 1 357, Bd. 1 358, Bd. 1 448 Dehnungsausgleicher, 692, Bd. 1 323 Berechnung, 691 Festpunktkräfte, 691 Kompensatoren, 692 Dehnungsmessstreifen, Bd. 2 709 Dehnungsmesstechnik, Bd. 2 708 Dehnwechselbeanspruchung, Bd. 1 476 Demontage, Bd. 2 990 Demontageprozess, Bd. 2 991 Dériazturbine, 220 Design, 1042 Designvariable, Bd. 1 223 Desorption, 529, 537, 538 destillieren, 529 Deviationsmomente, Bd. 1 283 dezentralem Klimasystem, 819 Dezibel, Bd. 1 880 Diagnosetechnik, 1119 v-n-Diagramm, 1172 Dialysator, 867 Dialyse, 529, 539, 867 Permeationskoeffizient, 539 diatherm, Bd. 1 733 Dichte, Bd. 1 311, Bd. 1 775, Bd. 2 475, Bd. 2 708 Dichtungen, 702 an ruhenden Flächen, 700 Ausführungsformen, 701 Berührungsdichtungen, 700 Flachdichtungen, 701 Gleitringdichtungen, 703 Hochdruckdichtungen, 701 Kennwerte, 704 Profildichtungen, 701 Rundschnurdichtungen, 701 Dickstoffpumpen, 36 dickwandige Hohlkugel unter Innen- und Außendruck, Bd. 1 432 dickwandiger Kreiszylinder unter Innen- und Außendruck, Bd. 1 432

1275 Dielektrizitätskonstante, Bd. 2 522, Bd. 2 665 Diesel, 1058 Dieselmotor, 1058, 1061, Bd. 1 789 Dieselmotor für schwere Nutzfahrzeuge, 134 Differentialbauweise, 1104, 1174 Differentialgetriebe, 1067 Differentialschutz, Bd. 2 642 Differentialsperre, 1067 elektronische, 1056 Differentialtransformator-Wegaufnehmer, Bd. 2 704 Differentiation der Einheitsvektoren, Bd. 1 262 Differenzpegel, Bd. 1 883 diffuse Luftführung, 779 Diffusionsschweißen, Bd. 2 156 Diffusor, Bd. 1 781 Diffusorströmung, Bd. 1 780 Digital Light Processing, Bd. 2 981 digitale Antriebstechnik, Bd. 2 1061 digitale Bildverarbeitung, Bd. 2 702 digitale elektrische Messtechnik, Bd. 2 739 digitale Messsignaldarstellung, Bd. 2 739 digitale Zahlendarstellung, Bd. 2 739 Digitalmultimeter, Bd. 2 746 Digitaltechnik, Bd. 2 1061 Digitalvoltmeter, Bd. 2 740, Bd. 2 746 dilatante Flüssigkeiten, Bd. 1 327 Diode, Bd. 2 666 Diodenkennlinie, Bd. 2 666 Leistungsdiode, Bd. 2 667 Schottky-Diode, Bd. 2 667 Z-Diode, Bd. 2 667 Dipolströmung, Bd. 1 332 Dirac-Funktion, Bd. 1 455 Direktantrieb, Bd. 2 616 direkte Benzin-Einspritzung, 100 Lambda=1-Konzept, 100 Magerkonzept mit Ladungsschichtung, 100 Mitsubishi-Verfahren, 101 VW-FSI-(Fuel Stratified Injection-)Motor, 101 direkte Einspritzung DE, 96 direkte Geräuschentstehung, Bd. 1 884 direkte Selbstregelung, Bd. 2 615 direkte Strukturierungsmethode, Bd. 2 962 direktes Problem, Bd. 1 835 Direktheizung, 990 Direktumrichter, Bd. 2 593 Direktverdampfer-Systeme, 736 Diskontinuierliches Profilschleifen, Bd. 2 947 Dispersion, Bd. 1 888 Dissipationsarbeit, Bd. 1 738 Dissipationsenergie, Bd. 1 749 Distanzschutz, Bd. 2 642 Di-Methyl-Ether, 1058 Doppelaufladung, 130 Doppelkupplungsgetriebe, 1066 Doppelschichtkondensator, 1061 Doppelspiel, 468 doppelte Biegung, Bd. 1 376 doppeltspeisender Asynchrongenerator, Bd. 2 610

1276 doppeltwirkende Presse, Bd. 2 1133 doppeltwirkender Zylinder, Bd. 2 1070 Doppler-Effekt, Bd. 2 696 Dornen, 400 Dosierpumpen, 35 Downsizing-Konzept, 131 Drain, Bd. 2 670 Drallachse, Bd. 1 291 Dralldurchlässen, 782 Drallprinzip, 780 Drallsatz, Bd. 1 281 Drallvektor, Bd. 1 291 Drallwinkel, Bd. 2 888 Drehbewegung, Bd. 1 264 Dreheisenmesswerk, Bd. 2 746 Drehen, Bd. 2 882, Bd. 2 1050 Drehfedersteifigkeit, Bd. 1 850 Drehfelder, Bd. 2 564 Drehführungen, Bd. 2 1093 Drehgestell, 1098 Drehherdofen, 605 Drehimpulse, Bd. 1 278 drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschinen, 3 Drehkolbenmaschinen, 3 Drehkolbenpumpen, 32 Drehkraftdiagramm, Bd. 1 863 Arbeitsvermögen, Bd. 1 865 Drehmoment, Bd. 1 863 Drehmomentendiagramme, Bd. 1 864 Gesamtmoment, Bd. 1 863 mittleres Moment, Bd. 1 865 Trägheitsmoment, Bd. 1 865 Ungleichförmigkeitsgrade, Bd. 1 865 Drehmagnetmesswerk, Bd. 2 746 Drehmaschine, Bd. 2 1078, Bd. 2 1147 Drehautomaten, Bd. 2 1151 Drehbearbeitungszentren, Bd. 2 1155 Frontdrehmaschinen, Bd. 2 1151 Sonderdrehmaschinen, Bd. 2 1155 Universaldrehmaschinen, Bd. 2 1149 Vertikaldrehmaschinen, Bd. 2 1154 Drehmoment, 121, Bd. 1 739 Drehmomentkupplung, Bd. 2 1077 Drehmomentmesstechnik, Bd. 2 708 drehnachgiebige, nicht schaltbare Kupplungen, Bd. 2 276 hydrodynamische Kupplung, Bd. 2 276 Induktionskupplung, Bd. 2 277 Drehrohröfen, 611 Drehrohr- und Drehtrommelöfen, 605 Drehschwinger, Bd. 1 850 Drehschwingung, Bd. 1 297, Bd. 2 603 Drehschwingungen der mehrfach besetzten Welle, Bd. 1 303 Drehschwingungsdämpfer, 1066 Drehspulmesswerke, Bd. 2 745 Drehstabfedern, Bd. 2 253 drehstarre Ausgleichskupplungen Zahnkupplung, Bd. 2 270

Stichwortverzeichnis Drehstoß, Bd. 1 293, Bd. 1 294 Drehstrom, Bd. 2 533 Drehstrommotor, Bd. 2 1054 Drehstromsteller, Bd. 2 589, Bd. 2 609 Drehstromtransformatoren, Bd. 2 550 Dreischenkeltransformator, Bd. 2 550 Einphasentransformator, Bd. 2 551 Schaltgruppen, Bd. 2 551 Drehstrom-Normmotoren, Bd. 2 563 Drehträgheit der Torsionsfeder, Bd. 1 297 Drehung, Bd. 1 264 Drehung um einen Punkt, Bd. 1 266 Dreh- und Biegeschwingungen, Bd. 1 829 Dreh-Drück-Steller, 1068 Drehwerk, 323, 384 Drehzahlbild, Bd. 2 1065 Drehzahldrückung, 120 Drehzahlen, kritische, Bd. 1 855 Drehzahlmesstechnik, Bd. 2 705 Drehzahlregelung, 59, Bd. 2 606, Bd. 2 1055 Drehzahlüberdeckung, Bd. 2 1066 Drehzahlverstellung, Bd. 2 601 dreiachsiger (räumlicher) Spannungszustand, Bd. 1 355 dreiachsiger Zug, Bd. 1 361 Dreibereichsverfahren, Bd. 2 720 Dreidrahtmethode, Bd. 2 698 Dreieckelement, Bd. 1 448 Dreieckschaltung, Bd. 2 533 Dreiecksfeder, Bd. 2 250 Dreigelenkrahmen, Bd. 1 244 Dreiphasenreaktionen, 552 Dreiphasen-Gleichstrom- und MittelfrequenzinverterSchweißeinrichtungen, Bd. 2 1202 Dreiseitenstapler, 401 Drei-Wege-Stromregelventil, Bd. 2 499 Drei-Wege-Stromregler, Bd. 2 499 Drill-/Biegedrillknicken, 1173 Drillknicken, 1173 Drillung, Bd. 1 395 drillungsfreie Querkraftbiegung, Bd. 1 379 Drive-by-Wire, 1052 Drossel, Bd. 2 532 Drosselgeräte, Bd. 1 324 Drosselgrad, 47 Drosselklappe, 834, 1056 Drosselung, adiabate, Bd. 1 741 Drosselventile, Bd. 2 499 Druck, Bd. 1 744 Druck auf ebene Wände, Bd. 1 312 Druck auf gekrümmte Wände, Bd. 1 312 Druckbegrenzungsventil, Bd. 2 510 Druckdifferenz, Bd. 2 479 Drucker, Bd. 2 748 druckgesteuerte Ventile, 33 Druckgießen, Bd. 2 837 Druckinfusionssystem, 870 Druckkabine, 1178 Druckluft, Bd. 2 481, Bd. 2 515 Druckluftöler, Bd. 2 516

Stichwortverzeichnis Druckregler, Bd. 2 516 Druckluftkettenzug, 377 Druckluftspeicher, Bd. 2 646 Druckmesstechnik, Bd. 2 712 Druckmittelpunkt M, Bd. 1 312 Druckpunkt, 1154 Drucksonden, Bd. 2 715 Druckumlaufschmierung, 19 Druckventil, Bd. 2 496 direkt gesteuertes Druckbegrenzungsventil, Bd. 2 496 Druckregelventil, Bd. 2 496 Druckschaltventil, Bd. 2 496 Senkbremsventil, Bd. 2 501 vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil, Bd. 2 496 Druckverfahren, Bd. 2 967 Druckverhältnis des Joule-Prozesses, Bd. 1 786 optimales, Bd. 1 786 Druckverlust, 49, 558, Bd. 1 319, Bd. 2 481 Druckverlust und Verlusthöhe, Bd. 1 319 Druckverteilung in der Flüssigkeit, Bd. 1 311 Druckwaagen, Bd. 2 712 Druckwiderstand, Bd. 1 337 Druckwinkel, Bd. 2 1071 Dulong-Petitsche Regel, Bd. 1 758 Dummy, 1084 Dunkelstrom, Bd. 2 676 Dünnschichtchromatographie, Bd. 2 727 dünnwandige Hohlquerschnitte, Bd. 1 398 Durchbiegung bei schiefer Biegung, Bd. 1 389 Durchbiegung schwach gekrümmter Träger, Bd. 1 390 Durchbiegung von Trägern, Bd. 1 382 Durchbruchskurve, 537 Durchbruchszeit, 537 Adsorptionswärme, 537 Durchfluss, Bd. 2 715 Durchflussrate, 591 Durchflusszahlen für Normblenden, Bd. 2 729 Durchflusszahlen für Normdüsen, Bd. 2 730 Durchflutungsgesetz, Bd. 2 522 Durchlassgitter, 782 Durchlauf-Axialschubverfahren, Bd. 2 936 Durchsatz, 319, 531 fluten, 531 Gegenstrom, 531 Gleichstrom, 531 Durchschlagfestigkeit, Bd. 2 545 Durchschlagproblem, Bd. 1 445 Durchsetzfügen, Bd. 2 192 Duroplaste, Bd. 1 627, Bd. 1 634 BMC, Bd. 1 634 Harz-Faser-Verbundwerkstoffe, Bd. 1 634 SMC, Bd. 1 634 Düse, Bd. 1 781 Düsenhalter/Injektor, 108 Düsenleisten, 782 Düsenströmung, Bd. 1 780 Dyname, Bd. 1 235

1277 Dynamik, Bd. 2 1052, Bd. 2 1084 Dynamikfaktor, 334, Bd. 2 259 dynamische Ähnlichkeit, Bd. 1 345 dynamische Beanspruchung, Bd. 1 361 dynamische Beanspruchung umlaufender Bauteile durch Fliehkräfte, Bd. 1 433 dynamische Fremderregung, Bd. 1 298 dynamische Kennlinie, Bd. 2 1200 dynamische Nachgiebigkeit, Bd. 2 1053 dynamische Stabilität, 1153 dynamische Steifigkeit, Bd. 2 1082 dynamische Zähigkeit, Bd. 1 315, Bd. 1 318 dynamischer Schüttwinkel, 616 dynamisches Grundgesetz von Newton, Bd. 1 275 dynamisches Leistungsvermögen, Bd. 2 617

E Eadie-Hofstee, 586 Earle-Viskosimeter, Bd. 2 717 ebene Bewegung, Bd. 1 260 ebene Bewegung in Polarkoordinaten, Bd. 1 262 ebene Flächen, Bd. 1 367 ebene Kreisbewegung, Bd. 1 262 ebene Starrkörpersysteme, Bd. 1 288 ebener Spannungszustand, Bd. 1 418 ebener Strahl, 779 Echtzeitfähigkeit, 1049, Bd. 2 799 Echtzeitsystemen, Bd. 2 799 Eckenwinkel, Bd. 2 883 EDX, Bd. 2 728 effektiver isentroper Kupplungswirkungsgrad, 44 Effektivwert, Bd. 1 880, Bd. 2 531, Bd. 2 734 Eigen- bzw. Kreisfrequenz, Bd. 1 295 Eigenfrequenz, Bd. 1 830, Bd. 1 833 globale, 1042 ungedämpfter Systeme, Bd. 1 303 Eigenfunktion, Bd. 1 303 Eigengewicht, Bd. 1 365 Eigenkraft, 882 eigenkraftgetriebene Prothese, 882 Eigenkreisfrequenz, Bd. 1 831 Eigenlenkgradient, 1080 Eigenlenkverhalten, 1052, 1080 Eigenschwingungen, Bd. 1 831, Bd. 1 853 Eigenschwingungsform, Bd. 2 1052 Eigenschwingungsgrößen, Bd. 1 831 Eigenspannung, Bd. 2 881, Bd. 2 901 Eigenvektor, Bd. 1 198, Bd. 1 830–Bd. 1 833 Eigenwert, Bd. 1 198, Bd. 1 437 Eigenwertanalyse, Bd. 1 832 Eigenwertgleichung, Bd. 1 437 Eigenwertproblem, Bd. 1 197 Eilganggetriebe, Bd. 2 1069 einachsige Vergleichsspannung, Bd. 1 361 einachsiger Spannungszustand, Bd. 1 354 Einbauwiderstände, Bd. 1 319 eindimensionale Strömung Nicht-Newton’scher Flüssigkeiten, Bd. 1 327

1278 eindimensionale Strömungen idealer Flüssigkeiten, Bd. 1 316 eindimensionale Strömungen zäher Newton’scher Flüssigkeiten (Rohrhydraulik), Bd. 1 318 einfach symmetrische Querschnitte, Bd. 1 441 einfache Biegung, Bd. 1 370 einfachwirkende Presse, Bd. 2 1133 einfachwirkender Zylinder, Bd. 2 1070 Einfeldträger, Bd. 1 369 Einflankenwälzprüfung, Bd. 2 699 Einfluss der Schubverformungen auf die Biegelinie, Bd. 1 389 Einfluss des Ladungswechsels, 80 Einflussfunktion, Bd. 1 452 Eingangsimpedanz, Bd. 1 884, Bd. 1 890 Eingangsproblem, Bd. 1 836 Eingangswiderstand, Bd. 2 668 eingeprägte Kräfte, Bd. 1 231 eingespannte Kreisplatte, Bd. 1 307 Eingriffslinie, Bd. 2 391 Eingriffsstrecke, Bd. 2 393 Eingriffswinkel, Bd. 2 393 Einheiten, Bd. 1 343, Bd. 1 904 Abkürzungen, Bd. 1 904 Basis, Bd. 1 903 Elektrizität, Bd. 1 908 Lichtstrahlung, Bd. 1 909 Magnetismus, Bd. 1 908 Mechanik, Bd. 1 907 Namen, Bd. 1 904 Raum und Zeit, Bd. 1 907 SI-System, Bd. 1 903 Umrechnung, Bd. 1 904, Bd. 1 905 Vorsätze, Bd. 1 904 Wärme, Bd. 1 908 Einheitensystem, Bd. 2 693 Einheitsbohrung, Bd. 2 54 Einheitsvektoren er , Bd. 1 262 Einheitsvektoren e' , Bd. 1 262 Einheitsverschiebungen, Bd. 1 447 Einheitswelle, Bd. 2 55 Einmalaufwand, 1044 Einparkautomat, 1072 Einparkhilfe, 1072 Einphasenströmung, 553 laminare, 553 turbulente, 553 Einpresstiefe, 1048 einschnittig, Bd. 1 366 Einschwingvorgang, Bd. 1 299 Einspritzsystem Dieselmotor, 104 Common-Rail-Einspritzsystem (CRS), 107 direkte Benzin-Einspritzung, 100 Düsenhalter, 108 Einspritzdüse, 107 Einspritzpumpen, 105 Einzeleinspritzpumpe, 105 Hubschieber-Reiheneinspritzpumpe, 106 Pumpe-Düse-Einheit, 106

Stichwortverzeichnis Reiheneinspritzpumpe, 105 Vielstoffmotor, 97 Zapfendüsen, 108 Einspritzverlauf, 104 Einstechverfahren, Bd. 2 936 Einstellwinkel, Bd. 2 883 Einwellenverdichter horizontale Teilfuge, 275 Maximale Stufenzahl, 276 Schaltung der Laufräder, 276 Stufengeometrie, 278 vertikale Teilfuge, 275 Einzelfehlerprüfung, Bd. 2 698 Einzelkräfte, Bd. 1 368 Einzelmomente, Bd. 1 368 Einzelspiel, 468 Einzelteile, Bd. 2 813 Einzelventile, 56 Einzelzylinderkopf, 129 Eisnebel, Bd. 1 795 Eispunkt, Bd. 1 734 Eisspeichersysteme, 749 Eisspeicherung, 739 elastisch verfestigendes Material, Bd. 1 457 elastische Formänderungskräfte, Bd. 1 273 elastische Linie des geraden Trägers, Bd. 1 382 elastische Rückstell-Kräfte, Bd. 1 300 elastische, nicht schaltbare Kupplungen Anfahrstöße, Bd. 2 271 Auslegungsgesichtspunkte, Bd. 2 273 Dämpfung, Bd. 2 272 Drehmomentschwankungen, Bd. 2 271 Drehmomentstöße, Bd. 2 271 dynamische Eigenschaften, Bd. 2 271 Elastizität, Bd. 2 271 Elastomerkupplung, Bd. 2 275 Fluchtungsfehler, Bd. 2 271 Hysterese, Bd. 2 272 Klauenkupplung, Bd. 2 275 metallelastische Kupplungen, Bd. 2 275 Nenndrehmoment, Bd. 2 273 Resonanzfrequenzen im Antriebsstrang, Bd. 2 271 Rollen-Kupplung, Bd. 2 275 Rückstellkräfte, Bd. 2 274 Scheibenkupplung, Bd. 2 275 Schlangenfederkupplung, Bd. 2 275 Schwingungsverhalten, Bd. 2 273 Stoßanregung, Bd. 2 271 verhältnismäßige Dämpfung, Bd. 2 272 Wechseldrehmoment, Bd. 2 274 Wulstkupplung, Bd. 2 275 Elastizitätsmodul, Bd. 1 311, Bd. 1 359, Bd. 1 506 Kunststoffe, Bd. 1 640 Elastomere, Bd. 1 627, Bd. 1 638 thermoplastisch verarbeitbare, Bd. 1 639 Elastoviskose Stoffe, Bd. 1 327 elektrische Antriebstechnik, Bd. 2 599 elektrische Bremse, 1120 elektrische Bremsung, Bd. 2 603

Stichwortverzeichnis Gegenstrombremsen, Bd. 2 603 Nutzbremsen, Bd. 2 603 Widerstandsbremsen, Bd. 2 603 elektrische Fahrzeugantriebe Radnabenantrieb, Bd. 2 621 radnaher Antrieb, Bd. 2 621 Tandemantrieb, Bd. 2 621 Zentralantrieb, Bd. 2 621 elektrische Funktionen, Bd. 2 1202 elektrische Gasentladung, Bd. 2 186 elektrische Maschinen, Bd. 2 557 Achshöhen, Bd. 2 559 Bauformen, Bd. 2 559 Schutzarten, Bd. 2 559 elektrische Messtechnik, Bd. 2 734 elektrische Verbundnetze, 983 Blockausfälle, 984 Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, 984 Höchstspannungsnetze, 983 Stromaustausch, 983 westeuropäisches Verbundnetz, 984 elektrische Verfahren, Bd. 2 711 Elektrizität, Einheiten, Bd. 1 908 Elektrizitätswirtschaft, 908 elektrochemische Verfahren, Bd. 2 726 elektrochemisches Abtragen, Bd. 2 912 Elektrode, 866 elektrodynamisches Messwerk, Bd. 2 746 Elektrohängebahn, 407 elektrohydraulischer Motor, Bd. 2 1061 Elektrokettenzug, 377 Elektroluftfilter, 802 Elektrolyse, Bd. 2 543 Elektrolytkondensator, Bd. 2 665 Elektromagnete, Bd. 2 798 elektromagnetische Verträglichkeit, Bd. 2 604 Elektromotor, 1059, 1061, 1063 Elektromotorantrieb Elektromotor, 228 frequenzgesteuerter Drehstromantrieb, 228 Spaltrohrmotor, 228 Unterwassermotor, 228 Elektronantrieb, 1037 Elektronenspektroskopie für die chemische Analyse, Bd. 2 728 Elektronenstrahl, Bd. 2 187 Elektronenstrahlmikroanalyse, Bd. 2 728 Elektronenstrahl-Oszilloskope, Bd. 2 747 Elektronik, Bd. 2 795 elektronische Königswellen, Bd. 2 1054 elektronische Zündanlage, 103 elektronischer Regler, 122 elektronisches Einspritzsystem, 740 elektronisches Fahrdynamik-Regelsystem, 1056 Elektroseilzug, 377 elektrostatisches Feld, Bd. 2 522 Elektrostrahler, 828 Elektrowärme Lichtbogenerwärmung, Bd. 2 657

1279 Widerstandserwärmung, Bd. 2 657 3D-Element, Bd. 1 448 Elementfunktionen, Bd. 1 454 Elevatoröfen, 606 elliptischer Hohlzylinder unter Innendruck, Bd. 1 431 Emission, Bd. 2 722 Emissionszahl, Bd. 1 819, Bd. 1 823 Empfänger, optoelektronischer, Bd. 2 675 Empfindlichkeit, spektrale, Bd. 2 675 endoskelettale Bauweise, 880 Endoskop, 874 Endtrocknungsgeschwindigkeit, 538 energetische Grundbegriffe, Bd. 1 273 Energie dissipierte, Bd. 1 745, Bd. 1 749 gespeicherte, Bd. 1 738 innere, Bd. 1 738 kinetische, Bd. 1 738 potentielle, Bd. 1 738 Energiebilanz, 76, 549, 928 Energiedosis, Bd. 2 722 Energieformen, Bd. 1 737 Energiemanagement, 1074 Energiespeicherung, 985 Batteriespeicheranlagen, 988 Dampfspeicherung, 988 elektrische Heizung, 989 elektrische Speicher, 988 Energiedichte, 986 Gleichdruckspeicher, 988 Leistungsdichte, 986 Luftspeicherwerke, 987 Nutzungsgrad, 986 Pumpspeicherwerke, 986 Energietechnik, CO2 -Emissionen, 950 Energietransport, 981 Energieübertragung durch Fluide Fließgeschwindigkeit, Bd. 2 479 Energieumsatz, 5 Energieumsetzungsverluste, 71 Energieverlust beim Stoß, Bd. 1 293 Energieverluste, Bd. 1 276 Energiewandlungsprinzipien, Bd. 2 798 Engesser-v. Kármán-Kurve, Bd. 1 438 Entfernungsbestimmung, Bd. 2 696 Enthalpie, Bd. 1 740 feuchter Luft, Bd. 1 795 gesättigte feuchte Luft, Bd. 1 798 Entropie, Bd. 1 744 Entspannungsbeanspruchung, Bd. 1 476 Entwicklungsmethodik, 1126 Entwurfsproblem, Bd. 1 839 Enzyme, 584 anabolische, 585 heterotrop regulatorische, 588 homotrop regulatorische, 588 katalytisch aktive Zentrum, 585 regulatorische Zentrum, 585 Enzymkinetik, 585

1280 Epoxidharze, 1176, Bd. 1 637 Erdbaumaschinen, 502 Erdgas, 1058 Erdöl, 1058 Ergebnisauswertung, Bd. 2 1084 Ericsson-Prozess, 291, Bd. 1 784 Erosionskorrosion, 256 Erregerkraft, Bd. 1 830, Bd. 2 1052 Erregerkreisfrequenz, Bd. 1 833 Erregerstrom, 1062 Erregung, elektrische, 865 Erregungsbildungssystem, 865 Ersatzbrennverlauf, 77 Ersatzflächenmoment, Bd. 1 440 Ersatzschaltbilder, Bd. 2 547, Bd. 2 565 Ersatzspiegelhöhe, Bd. 1 312 Erstarrungspunkt, Bd. 1 736 Aluminium, Bd. 1 736 Gold, Bd. 1 736 Indium, Bd. 1 736 Kupfer, Bd. 1 736 Silber, Bd. 1 735, Bd. 1 736 Zink, Bd. 1 736 Zinn, Bd. 1 736 Erwärmung, Bd. 2 561 erweiterte Ähnlichkeit, Bd. 1 344 Erzeugung elektrischer Energie, 943 erzwungene Schwingungen, Bd. 1 308, Bd. 1 843, Bd. 1 853, Bd. 1 857 erzwungene Schwingungen mit zwei und mehr Freiheitsgraden, Bd. 1 302 ESP, 1052, 1055 Ethanol, 1058 Ethylen-Propylen-Kautschuke EPM, EPDM, Bd. 1 639 Euler-Hyperbel, Bd. 1 438 Euler’sche Beschleunigungssatz, Bd. 1 266 Euler’sche Geschwindigkeitsformel, Bd. 1 266 Euler’sche Gleichung für den Stromfaden, Bd. 1 316 Euler’sche Knicklast, Bd. 1 437 Europäische Artikelnumerierung, Bd. 2 702 eutektischer Lösung, 750 Evolventenverzahnung, Bd. 2 394 Exergie, Bd. 1 747, Bd. 1 748 Exergieverluste, Bd. 1 749 Exoprothese, 880 Exoprothetik, 880 Expansion, Bd. 1 319 Expansionsmaschine, 5 experimentelle Spannungsanalyse, Bd. 2 711 extrahieren, 529 Extraktion, 532 Extraktoren, 529 Extremalspannungen, Bd. 1 371 Extrudieren und Blasformen, Bd. 1 647 Exzenterpresse, Bd. 2 1080, Bd. 2 1137 Exzenterschneckenpumpen, 32, 37 exzentrisch, Bd. 1 292 exzentrischer Stoß, Bd. 1 294

Stichwortverzeichnis F Fachwerke, Bd. 1 245 FACTs, Bd. 2 637 Fading, 1054 Fahrantrieb, 396 Fahrdynamikregelsystem, 1054, 1080 elektronisches, 1056 Fahrenheit-Skala, Bd. 1 734 Fahrerassistenzsystem, 1071 Fahrerlaubnis, 1041 fahrerlose Transportsysteme, 405 Fahrernotbremse, 1120 Fahrgastnotbremse, 1120 Fahrgastwechselzeiten, 1091 Fahrgestell, 1042 Fahrkomfort, 1129 Fahrlicht, 1071 Fahrlichtsteuerung, 1072 Fahr- und Drehwerkantriebe, 331 Fahrverhalten, 1045 Fahrwerk, 320, 1041 Fahrwerkabstimmung, 1046 Fahrwerksregelsystem, 1049 Fahrwiderstand, 1077, 1116, Bd. 1 255 Fahrzeugantrieb, 120 Fahrzeugführung, 1080 Fahrzeuggeschwindigkeit, Bd. 1 268 Fahrzeugstabilisierung, 1080 Fahrzeugumgrenzungsprofil, 1092 Fahrzyklus, 1082 Fail-Safe, 1171 K v -Faktoren, Bd. 2 1060 Fallhöhe, Bd. 1 293 Fanggrad, 79 Farbmesstechnik, Bd. 2 719, Bd. 2 720 Farbmetrisches Grundgesetz, Bd. 2 720 Farbvalenz, Bd. 2 720 Faser-Kunststoff-Verbunde, Bd. 2 262 Fasermaterialien, 662 faseroptische Sensoren, Bd. 2 710 Faserspritzverfahren, Bd. 1 647 Faserverbundbauweise, 1176 Faserverbundwerkstoffe, 1175 Faserverstärkungen, 1176 Fassklammer, 397 fast Fourier transform (FFT), Bd. 1 882 Fatigue, 1170 FE-Berechnung, Bd. 2 1084 Feder, 1045 Federkennlinie, Bd. 1 295, Bd. 2 247 Federkörper-Kraftmesstechnik, Bd. 2 707 Federkraft, Bd. 1 273, Bd. 2 1052 Federmanometer, Bd. 2 712 Feder-Masse-System, Bd. 1 295 Federn, Bd. 2 245 Kenngrößen, Bd. 2 245 Federn aus Faser-Kunststoff-Verbunden, Bd. 2 262 Federnachgiebigkeit, Bd. 2 246 Federrate c, Bd. 1 295, Bd. 1 296

Stichwortverzeichnis Federspeicherbremse, 1120 Federsteifigkeit, Bd. 2 246 Federung, 1049, 1050 Fehler, Bd. 2 688 Fehlerstrom-(FI-)Schutzschaltung, Bd. 2 643 120°-Fehlsynchronisation, Bd. 1 848 Feinbearbeitung, Bd. 2 944 Feingießverfahren, Bd. 2 830 Feinschneiden, Bd. 2 921 Feinschneidpresse, Bd. 2 1128 Feinwerktechnik, Bd. 2 795 Feinzeiger, Bd. 2 697 Feldeffekttransistoren, Bd. 2 670 feldorientierte Regelung, Bd. 2 612, Bd. 2 1055 Feldorientierung, Bd. 2 612 Feldschwächbereich, Bd. 2 1055 Felge, 1046–1048 Felgenbett, 1047 Felgenhorn, 1047, 1048 FEM, 1084 Fenster, 1106 Fensterlüftung, 809 Fermenter, 574 Fernheizung, 837 Fernlicht, 1071 Fernschutzwirkung, Bd. 2 191 Fernwärmetransporte, 985 Fernwärmewirtschaft Heizkraftwerke, 915 Heizwasser, 915 Heizwerke, 915 Kraft-Wärme-Kopplung, 915 Wärmemarkt, 915 Ferrit-Schalenkern, Bd. 2 666 Fertigen, Bd. 2 809 Fertigungsverfahren, Bd. 2 810 Fertigungsverfahren der Mikrotechnik, Bd. 2 955 Fertigwälzfräsen, Bd. 2 940 Festbetten, 536 Desorption, 536 Druckwechselverfahren, 536 Temperaturwechselverfahren, 536 Festbettreaktoren, 551 feste Brennstoffe, 917 feste Stoffe, Bd. 1 757 feste und fluide Partikel, 554 nicht-kugelige, 554 Sinkgeschwindigkeit, 554 Steiggeschwindigkeit, 554 Fest-flüssig-Extrahieren, 536 festbetten, 536 Gegenstromapparate, 536 Gleichstromapparate, 536 Wanderbetten, 536 Fest-flüssig-Extraktion, 539 Festigkeit von Schweißverbindungen, Bd. 2 175 Festigkeitshypothesen, Bd. 1 361 Festigkeitskennwerte von Kunststoffen, Bd. 1 640 Festigkeitslehre, Bd. 1 353

1281 Festigkeitsnachweis, statischer, Bd. 1 465 Festigkeitsverhalten der Werkstoffe, Bd. 1 358 Festpunkt, thermometrischer, Bd. 1 736 Festpunktmethode, Bd. 2 685 Festwiderstände, Bd. 2 664 Grenzwerte, Bd. 2 665 Konstanz des Widerstandswerts, Bd. 2 664 Präzisionswiderstände, Bd. 2 664 FETs, Bd. 2 670 feuchte Luft, Bd. 1 794 Zustandsänderungen, Bd. 1 796, Bd. 1 797 Feuchtegrad, Bd. 1 794 Feuerfestmaterialien, 659 Feuerfestprodukte, 660 Feuerleichtsteine, 660 Feuerungen für gasförmige Brennstoffe Abfallbeseitigungsgesetz, 977 Entschwefelungsgrad, 974 Entsorgung der Kraftwerksnebenprodukte, 977 Nassverfahren, 975 Rauchgasentstickung, 976 SCR-Verfahren, 976 Trockenverfahren, 974 Umweltschutztechnologien, 974 feuerungstechnischer Wirkungsgrad, 607 FFT (fast Fourier tranform), Bd. 1 882 FFV, 1059 FIFO, 469 Filmkondensation, Bd. 1 817 Filter, 525, Bd. 2 502, Bd. 2 537 Filterfeinheit, Bd. 2 500 Filtrationsrate, Bd. 2 502 Reinheitsklasse, Bd. 2 502 Fingerpumpe, 870 Finite Differenzen Methode, Bd. 1 455 Finite-Elemente-Methode (FEM), Bd. 1 447, Bd. 1 895, Bd. 2 1084 Finite-Elemente-Modell, Bd. 1 852 Fixpunkt, Bd. 1 734, Bd. 1 735 Flachbackenverfahren, Bd. 2 936 Flachbett, Bd. 2 1078 Flächendehnung, Bd. 1 757 Flächengeschwindigkeit, Bd. 1 278 Flächenmomente 2. Grades, Bd. 1 371 Flächennutzungsgrad, 474 Flächenpressung, Bd. 1 367 Flächensatz, Bd. 1 278 Flächenschwerpunkt, Bd. 1 250 Flächenwiderstand, Bd. 2 663 Flachflammenbrenner, 641 Flachführungen, Bd. 2 1087 Flachgewinde, Bd. 2 215 Bewegungsschrauben, Bd. 2 215 Flachkeil, Bd. 2 209 Flachkeilverbindung, Bd. 2 208 Flachriemen, Bd. 2 1067 Flachriemengetriebe, Bd. 2 360 Kräfte, Bd. 2 360 Flammenfrontgeschwindigkeit, 93

1282 Flammschutzmitteln, Bd. 1 627 Flammstrahlen, Bd. 2 186 Flanschverbindungen, 689 Flanschformen, 690 Flaschenzug, Bd. 1 255 Flattern, 1172 Flexible-Fuel-Fahrzeug, 1059 Flexicoilfedern, 1099 FlexRay, 1075 Flicker, Bd. 2 604 Fliehkraft, Bd. 1 300, Bd. 1 433, Bd. 1 844 Fliehkraftentleerung, 437 Fließbedingungen, Bd. 1 459 Fließbeiwert, Bd. 1 327 Fließgesetz, Bd. 2 854 Fließgrenze, Bd. 1 328, Bd. 1 358 Fließindex, 598 Fließkriterien, Bd. 2 853 Fließkurve, Bd. 2 854 Fließortkurve, Bd. 2 854 Fließpressen, Bd. 2 856 Fließprozess, Bd. 1 740 offener Systeme, Bd. 1 740 Fließspannung, Bd. 1 359, Bd. 2 852 Fließverhalten von Schüttgütern, 527 FLOX-Brenner, 640 Flugdauer, 1164 Flügelgrundriss, 1148 Flügelschränkung, 1149 Flügelzellenmaschine, Bd. 2 485, Bd. 2 488 Flügelzellenmotor, Bd. 2 491 Flügelzellenpumpe, Bd. 2 489 Fluggeschwindigkeiten, 1145 Fluggewicht, 1145 Flugmechanik, 1144, 1149 Flugphysik, 1154 Flugstabilitäten, 1153 Flugsteuerungsanlagen, 1153 Flugzeug, 1135 Flugzeugpolare, 1156, 1157 Flugzustandsgleichungen, 1158 Fluiditätsfaktor, Bd. 1 327 Fluidkräfte, 11 Fluorkautschuke FKM, Bd. 1 639 Flurförderer, 395 Flurfördermittel, 395 flüssige Brennstoffe, 921, 940 Abfallbrennstoffe, 923 Altöl, 923 Aromate, 921 Asphalte, 921 Flammpunkt, 923 fraktionierte Destillation, 922 Gefahrenklassen, 923 Heizölsorten, 923 Heiz- und Brennwert, 923 Naphtene, 921 natürliche flüssige Brennstoffe, 921 Olefine, 921

Stichwortverzeichnis Paraffine oder Aliphate, 921 Raffinieren, 922 Schwelöl, 922 Siedebereich, 923 Siedebereiche, 922 Steinkohlen-Teeröl, 922 Stockpunkt, 924 Viskosität, 924 Zellstoffablauge, 923 Zündtemperatur, 923 flüssige Kraftstoffe, 91 Flüssigkeiten, Bd. 1 311, Bd. 1 330 Flüssigkeitschromatographie, Bd. 2 727 flüssigkeitskristalline Polymere, Bd. 1 632 Flüssigkeitsmanometer, Bd. 2 712 Flüssigkeitsreibung, Bd. 1 252 Flüssigkeitsringverdichter, 53 Flüssigkeitsschall, Bd. 1 879, Bd. 2 723 Flüssigkeitsstandmessungen, Bd. 2 714 Flüssigpressen, Bd. 2 842 Flüssig-flüssig-Extraktion, 532, 533 Flutpunktdiagramm, 531 Folgereaktionen, 547 Fördergüter, 316 Fördermaschinen, 316 Fördermedien, 22 Fördermittel, 315 Förderstrom, 51 Fördertechnik, 315 Begriffsbestimmungen, 315 Formänderung, Bd. 2 852 Formänderungsarbeit, Bd. 1 391 Formänderungs-Zeit-Funktion, Bd. 1 476 Formbeiwert , Bd. 1 381 Formdehngrenzenverfahren, Bd. 1 360 Formdehngrenzspannung, Bd. 1 361 Formdehngrenzwert, Bd. 1 360 Formel von Hagen-Poiseuille, Bd. 1 319 Formeln von Boussinesq, Bd. 1 417 Formgießen, Bd. 2 814 formloser Stoff, Bd. 2 813 formschlüssige Antriebe, 327 formschlüssige Schaltkupplungen, Bd. 2 280 elektromagnetisch betätigte Zahnkupplung, Bd. 2 280 Klauenkupplung, Bd. 2 280 schaltbare Zahnkupplungen, Bd. 2 280 Formschlussverbindung, Bd. 2 205, Bd. 2 208, Bd. 2 209 Kerbverzahnung, Bd. 2 208 Formstoffaufbereitung, Bd. 2 817 Formverfahren, Bd. 2 938 Formwiderstand, Bd. 1 337 Formzahl, elastische, Bd. 1 466 Formziffer, Bd. 1 382 Fortpflanzungsgesetz für Messunsicherheiten, Bd. 2 690 Fotodioden, Bd. 2 676 Fotovoltaik, Bd. 2 543 Fotowiderstand, Bd. 2 676 Föttinger-Getriebe, 249

Stichwortverzeichnis Auslegung, 247 Drehmoment, 247 Drehmomentenzahl, 247 hydraulische Leistung, 247 hydrodynamische Bremse, 248 Leistung, 247 Leistungszahl, 247 Leitrad, 245 Pumpenlaufrad, 245 Reaktionsglied, 245 Retarder, 246, 248 Turbinenlaufrad, 245 Wandlerwirkungsgrad, 247 Föttinger-Kupplungen, 245, 247 Anfahrpunkt, 247, 248 Bauarten, 245 Dauerbetriebspunkt, 248 Füllungsgrad, 247, 249 Kennlinien, 249 Konstantfüllungskupplung, 247 Kupplungskennlinie, 248 Kupplungswirkungsgrad, 248 Nebenraum, 245 Schöpfrohr, 245, 248 Stauraum, 247 Stell- und Schaltkupplungen, 245 Stellkupplung, 248 Synchronpunkt, 248 Zahnradpumpe, 248 Föttinger-Wandler, 249 Ausrückturbine, 246 Bauarten, 246 Drehmomentwandlung, 246 Drehzahlanpassung, 246 einphasiger Wandler, 246 Freilauf, 246, 249 Leitrad, 249 Leitschaufelverstellung, 246 mehrphasiger Wandler, 246 Prinzip, 249 Pumpenrad, 249 Schaltwandler, 246 Stell- und Schaltwandler, 246 Stellwandler, 250 Trilokprinzip, 249 Turbinenrad, 249 Überbrückungskupplung, 249 Zentrifugalturbine, 246 Zentripetalturbine, 246 zweiphasiger Wandler, 249 Fourieranalyse, Bd. 1 882 Fouriersches Gesetz, Bd. 1 807 Fourierspektrum, Bd. 1 882 Fourier-Amplituden-Spektrum, Bd. 1 841 Fourier-Analyse, Bd. 1 841 Fourier-Transformation, Bd. 1 833 Fourier-Zahl, Bd. 1 810 Francisturbinen, 218 Aufbau, 219

1283 Kavitation, 219 Leitrad, 218 Leitschaufelverstellung, 218 Fräsen, Bd. 2 890, Bd. 2 1049, Bd. 2 1050 Fräsmaschinen, Bd. 2 1163 Bettfräsmaschinen, Bd. 2 1164 Fräsmaschinen mit Parallelkinematik, Bd. 2 1168 Hochgeschwindigkeitsfräsmaschinen, Bd. 2 1167 Hochleistungsfräsmaschinen, Bd. 2 1167 Konsolfräsmaschinen, Bd. 2 1163 Portalfräsmaschinen, Bd. 2 1165 Sonderfräsmaschinen, Bd. 2 1168 Universal-Werkzeugfräsmaschinen, Bd. 2 1166 Waagrecht-Bohr-Fräsmaschinen, Bd. 2 1166 freie gedämpfte Schwingungen, Bd. 1 297 freie Kühlung, 747 freie Lüftung, 808 freie Schwingungen, Bd. 1 843 freie Schwingungen mit zwei und mehr Freiheitsgraden, Bd. 1 301 freie ungedämpfte Schwingungen, Bd. 1 295 freier Strahl, Bd. 1 326 Freileitungen, Bd. 2 638 Freisichthubgerüst, 397 Freistrahlturbine, Bd. 1 329 Freiwerdezeit, Bd. 2 673 Freiwinkel, Bd. 2 880, Bd. 2 883, Bd. 2 900 Fremdkraft, 882 Frequenz, Bd. 1 879, Bd. 2 531 Frequenzbereich, Bd. 1 881 Frequenzbewertungen, Bd. 1 882 Frequenzgang, Bd. 2 768 Frequenzgangfunktionen, Bd. 1 833 Frequenzkennlinien, Bd. 2 606 Frequenzspektrum, Bd. 1 882 Frischdampftemperatur, 252 Frontantrieb, 1038 Frontbett, Bd. 2 1078 Frontscheibe, 1062 Froudezahl, 616 Fügen, 1043, Bd. 2 1049 Fugenhobeln, Bd. 2 185 Führerräume, 1106 Führung, Bd. 2 1051, Bd. 2 1086 Führungsgeschwindigkeit, Bd. 1 268 Führungsgröße, Bd. 2 779 Full Hybrid, 1063 Füller, 1045 Füllstoffe, Bd. 1 629 Füllungsgrad, 47, 616 Füllungsverhältnis, 72 Füllungsverluste, 28 Fundamentalgleichung, Gibbssche, Bd. 1 744 Funkenerosion, Bd. 2 967 funkenerosives Abtragen, Bd. 2 908 Funkstörungen, Bd. 2 604 Funktionsbausteine, Bd. 2 738 Funktions- bzw. Zustandsüberwachung laufender Maschinenanlagen, Bd. 2 695

1284 Furanharz-Verfahren, Bd. 2 829 Fuß, 881 Fußpunkterregungen, Bd. 1 831 Fuzzy-Regelung, Bd. 2 792

G Gabelhochhubwagen, 399 Gabelträger, 397 Gabelzinken, 397 Gamma-Strahlen, Bd. 2 722 Gangpolkegel, Bd. 1 266 Gangwahl, 1056 Gantry, Bd. 2 1080 Gas, 828 Gas- und Dampf-Anlagen, 297 Gas- und Dampf-Kombiprozesse, 297 Gas-/Flüssigkeitsströmung, 562 Druckverlust, 562 Filmströmung, 563 Rieselfilmströmung, 563 Strömungsform, 562 Gaschromatographie, Bd. 2 726, Bd. 2 727 Gas-Dampf-Gemische, Bd. 1 794 Gas-Dampfkraftwerke, 254 Abhitzekessel, 254 Einwellenanordnungen, 254 Gasdurchsatz, 580 Gase, Bd. 1 311 ideale, Bd. 1 751, Bd. 1 755 reale, Bd. 1 752 Gasentladungslampe, 1070 Gasexplosionsformverfahren, Bd. 2 826 Gasfedern, Bd. 2 263 Gas-Flüssig-Reaktionen, 551 Gasinjektionstechnik, Bd. 1 646 Gaskonstante, 41, Bd. 1 751 Gemisch, Bd. 1 793 universelle, Bd. 1 752, Bd. 1 755 Gasmotor, 97 Gaspedal, 1055 Gaspedalstellung, 1056 Gasschmierung, Bd. 2 1091 Gasstrahlung, Bd. 1 819 Gasthermometer, Bd. 1 734 Gasturbine, 1061 Abgasemission, 309 Abhitzekessel, 297 Ähnlichkeitskennfelder, 307 Ausbrenngrad, 292 Baugruppen, 293 Beanspruchungen und Werkstoffe, 307 Betriebsverhalten, 307 Brennkammer, 295 Brennstoffe, 307 Druckverluste, 292 Einteilung und Verwendung, 289 Filmkühlung, 294 Heizleistung, 292

Stichwortverzeichnis idealisierte Kreisprozesse, 290 Konvektionskühlung, 294 Kupplungswirkungsgrad, 293 Leistung und Wirkungsgrad, 293 polytrope Kompression und Expansion, 292 reale Gasturbinenprozesse, 292 Schaufelkühlung, 294 Teillastbetrieb, 309 thermodynamische Grundlagen, 290 Transpirationskühlung, 294 Turbine, 294 Turbinenähnlichkeitskennfeld, 308 Verdichter, 293 Verdichterähnlichkeitskennfeld, 308 Gasturbine für Verkehrsfahrzeuge Schifffahrt, 306 Straßenfahrzeuge, 306 Gasturbine im Kraftwerk, 297 Gasturbinen für Verkehrsfahrzeuge, 298 Gasturbinen im Verkehr Flugtriebwerke, 298, 299, 302, 303 Gasturbinenanlage, Bd. 1 784 geschlossene, Bd. 1 785 offene, Bd. 1 788 Gasturbinenprozess, 289 einfache Prozesse, 289 geschlossener Prozess, 289 halboffener Prozess, 289 mit geschlossenem Kreislauf, Bd. 1 785 offener Prozess, 289 Prozess mit Abgaswärmetauscher, 290 Prozess mit Zwischenkühlung bzw. Zwischenerhitzung, 290 Gas-Flüssigphase-Reaktoren, 580 Gaswirtschaft, 913 Brennwert, 913, 940 CO2 -Emission, 914 Dispatching, 913 Erdgasförderung, 913 Ferngasleitungsnetz, 913 Gasspeicher, 914 Tageswerte, 914 trockenes Erdgas, 913 verflüssigtes Erdgas, 913 Zwischenverdichterstationen, 915 Gate, Bd. 2 672 Gate-Turn-Off-Thyristor, Bd. 2 674 gebaute Kolben, 127 Gebietsverfahren, Bd. 1 447 gebundenes Getriebe, Bd. 2 1065 gedämpfte erzwungene Schwingungen, Bd. 1 299 Gefahrbremsung, 1120 Gefäßprothese, 876 geführter Kreisel, Bd. 1 291 Gegendruckbremse, 1121 Gegengewicht, 400 Gegengewichtstapler, 400 Gegenschlaghammer, Bd. 2 1143 Gehäuse, Bd. 2 669

Stichwortverzeichnis Geiger-Müller-Zählrohr, Bd. 2 723 gekrümmte ebene Träger, Bd. 1 370 Gelenkbus, 1038 Gelenkfreiheitsgrad, Bd. 2 455 Bewegungsgrad, Bd. 2 455 Grübler’sche Laufbedingung, Bd. 2 455 identische Freiheiten, Bd. 2 455 gelenkig gelagerte Platte, Bd. 1 307 Gelpermeationschromatographie, Bd. 2 727 Gemischbildung, 92, 94, 98 Gemische, Bd. 1 793 Gemische idealer Gase, Bd. 1 793 Gemischheizwert, 71 gemittelte Schubspannung, Bd. 1 390 gemittelter Spannungszustand, Bd. 1 390 generalisierte Koordinaten, Bd. 1 281 generalisierte Kräfte, Bd. 1 281 Generator, 1062, 1073 Generatorbetrieb, 120, Bd. 2 676 Generatorregelung, intelligente, 1062 geometrisch verträglich, Bd. 1 394 geometrische Messgrößen, Bd. 2 695 gerader Stoß, Bd. 1 292 gerader zentraler Stoß, Bd. 1 293 geradlinige Mantellinien, Bd. 1 395 Geradschubkurbeln, Bd. 2 1068 Geräusch, 1039, 1083, Bd. 1 879, Bd. 2 563 Schalldruckpegel, Bd. 2 563 Schalleistungspegel, Bd. 2 563 Geräuschemission, 119 Geräuschentstehung, Bd. 1 884 direkt, Bd. 1 884 indirekt, Bd. 1 884 Geräuschentstehungsmechanismus, Bd. 1 884 Geräuschminderung, Bd. 1 879, Bd. 1 884, Bd. 1 888 aktive Maßnahmen, Bd. 1 888 passive Maßnahmen, Bd. 1 888 primäre Maßnahmen, Bd. 1 888 sekundäre Maßnahmen, Bd. 1 888 semi-aktive Maßnahmen, Bd. 1 893 Germaniumdiode, Bd. 2 666 Geruchsstoffquellen, 813 Gesamtarbeit, Bd. 1 274 Gesamtheizlast, 772 Gesamtstrahlungspyrometer, Bd. 2 718 Gesamtströmungswiderstand des Körpers, Bd. 1 336 Gesamtwiderstand, Bd. 1 337 geschlossener Kreislauf, Bd. 2 1069 geschlossener Kreisringträger unter Außenbelastung, Bd. 1 440 geschlossener Rahmen, Bd. 1 441 geschränkter Kurbeltrieb, 10 geschweißte Kastenträger, 331 Beulsteifen, 332 dünnwandige Querschnitte, 334 Gurtbleche, 332 Hauptträger, 380 lokale Unterflanschbiegung, 331 Schottbleche, 332

1285 Sekundärbiegung, 332 Sekundärträger, 380 Stegbleche, 332 Geschwindigkeit, 1145 Geschwindigkeitserregung, Bd. 1 884 Geschwindigkeitsgefälle, Bd. 1 315 Geschwindigkeitsmessung, Bd. 2 705 geschwindigkeitsproportionale Dämpfung, Bd. 1 297 Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm, Bd. 1 258 Gesenkschmieden, Bd. 2 857 Gesetz von Hencky, Bd. 1 460 Gesetz von Prandtl-Reuß, Bd. 1 460 Gesetz von Stokes, Bd. 1 319 Gespann, 1038 Gespannstabilisierung, 1056 Gestaltabweichung, Bd. 2 700 Gestaltänderung, Bd. 1 361 Gestaltänderungsenergiehypothese, Bd. 1 361 Gestaltfestigkeit, Bd. 1 366 Gestell, Bd. 2 1051, Bd. 2 1078 Gestellteile, Bd. 2 1051 gestörte Verbrennung, 93 Gesundheitsversorgung, 846 Getriebe, 1063, 1064, Bd. 2 453, Bd. 2 1051, Bd. 2 1064 Drehgelenk, Bd. 2 454 Drehschubgelenk, Bd. 2 454 ebene, Bd. 2 453 Elementenpaar, Bd. 2 454 formschlüssige Gelenke, Bd. 2 454 Gelenk, Bd. 2 454 Gelenkfreiheiten, Bd. 2 454 Gestell, Bd. 2 453 höhere Elementenpaare, Bd. 2 454 kinematische Kette, Bd. 2 453 kraftschlüssige Gelenke, Bd. 2 454 Kugelgelenk, Bd. 2 454 Kurvengelenk, Bd. 2 454 Mechanismus, Bd. 2 453 niedere Elementenpaare, Bd. 2 454 Plattengelenk, Bd. 2 454 räumliche, Bd. 2 453 Schraubgelenk, Bd. 2 454 Schubgelenk, Bd. 2 454 sphärische, Bd. 2 453 Getriebeanalyse, Bd. 2 458 Drehschubstrecke, Bd. 2 459 Einbaulage, Bd. 2 459, Bd. 2 461 Geschlossenheitsbedingungen, Bd. 2 460 kinematische Analyse, Bd. 2 458 kinematische Versetzung, Bd. 2 458 Kollineationsachse, Bd. 2 459 Kollineationswinkel, Bd. 2 459 Kurbelschleife, Bd. 2 459 Modul-Methode, Bd. 2 461 Momentanpol, Bd. 2 459 Schleifen-Iterationsmethode, Bd. 2 460 Schubkurbel, Bd. 2 458, Bd. 2 459 statische Versetzungen, Bd. 2 462 Übertragungsfunktion 2. Ordnung, Bd. 2 459

1286 Übertragungsfunktion nullter Ordnung, Bd. 2 458 Übertragungsfunktionen 1. und 2.Ordnung, Bd. 2 459 Übertragungswinkel, Bd. 2 460 Vorschaltgetriebe, Bd. 2 460 Getriebe-Freiheitsgrad, Bd. 2 454 Getriebegehäuse, Bd. 1 887 Getriebe-Laufgrad, Bd. 2 454 Getriebeplan, Bd. 2 1066 Getriebesynthese, Bd. 2 465 Alt’sche Totlagenkonstruktion, Bd. 2 466 äußere Totlage, Bd. 2 465 Koppelkurve, Bd. 2 466 Punktlagenreduktionen, Bd. 2 467 Viergelenkgetriebe, Bd. 2 465 Getriebesystematik, Bd. 2 453 Getriebetechnik, Bd. 2 453 Getriebeübersetzung, Bd. 2 505, Bd. 2 616 Primärverstellung, Bd. 2 505 Sekundärregelung, Bd. 2 506 Sekundärverstellung, Bd. 2 506 Verbundverstellung, Bd. 2 506 Getriebeverdichter, 278 Gewinde, metrisches, Bd. 2 214 Gewindearten, Bd. 2 213 Gewindebohren, Bd. 2 932 Gewindedrehen, Bd. 2 930 Gewindedrücken, Bd. 2 937 Gewindeerodieren, Bd. 2 935 Gewindefertigung, Bd. 2 929 Gewindeformen, Bd. 2 937 Gewindefräsen, Bd. 2 933 Gewindefurchen, Bd. 2 937 Gewindemesstechnik, Bd. 2 698 Gewinderollen, Bd. 2 936 Gewindeschleifen, Bd. 2 934 Gewindeschneiden, Bd. 2 931 Gewindestrehlen, Bd. 2 931 Gewindewalzen, Bd. 2 936 gewöhnliche Euler’sche Differentialgleichung, Bd. 1 425 gewölbter Boden unter Innendruck, Bd. 1 431 GGR, 605 Gieren, 1046 Giermomentenregelung, 1056 Gierrate, 1056 GIS, 1071, 1072 Gitter mit endlicher Schaufelzahl, Bd. 1 341 Gitterrohrrahmen, 1042, 1044 Gitterverband, Bd. 1 341 Glas, 1068 Glasfasern, 1176 Glaswannen, 605 Gleichdruckprozess, 71 gleichförmige Bewegung, Bd. 1 258 Gleichgewicht, thermisches, Bd. 1 743 Gleichgewichtssystem, Bd. 1 277 Gleichgewichtstemperaturen, Bd. 1 735 Gleichgewichtszustand, Bd. 1 743 gleichmäßig belastete Platte, Bd. 1 426, Bd. 1 427

Stichwortverzeichnis gleichmäßig belastete, unendlich ausgedehnte Platte auf Einzelstützen, Bd. 1 427 gleichmäßig beschleunigte Bewegung, Bd. 1 258 gleichmäßig mit p belastet, Bd. 1 428 gleichmäßige Erwärmung, Bd. 1 429 gleichmäßige Spannungsverteilung, Bd. 1 359 Gleichmodulstrategie, Bd. 2 38 Gleichraumprozess, 71 Gleichrichtwert, Bd. 2 734 gleichseitige Dreieckplatte, Bd. 1 428 Gleichstrom, Bd. 2 524 Gleichstromantrieb, Bd. 2 607 Betragsoptimum, Bd. 2 608 Drehzahlregelung, Bd. 2 607 symmetrisches Optimum, Bd. 2 609 unterlagerte Stromregelung, Bd. 2 608 Gleichstrommaschinen, Bd. 2 573 Fremderregung, Bd. 2 573 Nebenschlusserregung, Bd. 2 573 Nebenschlussverhalten, Bd. 2 573 Reihenschlusserregung, Bd. 2 574 Gleichstrommotor, Bd. 2 1059 Gleichstromspülung, 86 Gleichstromsteller, Bd. 2 593 Gleichstrom- und Schrittmotoren mit Spindelantrieb, Bd. 2 798 Gleichstrom-Kleinmotoren, Bd. 2 578 Gleichzeitige Berücksichtigung von Gewichts- und elastischen Kräften, Bd. 1 345 Gleit-(Schub-)modul, Bd. 1 359 Gleitbruch, Bd. 1 361 Gleitfeder, Bd. 2 209 Gleitflug, 1158 Gleitführung, Bd. 2 1087 Gleitgeschwindigkeit, Bd. 1 367 Gleitlager, Bd. 2 295 Gleitlagerungen, Bd. 2 331 Berechnung, Bd. 2 345 Dichtungen, Bd. 2 348 Lagerbauformen, Bd. 2 352 Lagerkühlung, Bd. 2 350 Lagerschmierung, Bd. 2 349 Lagerwerkstoffe, Bd. 2 351 Reibungszustände, Bd. 2 332 Gleitpaarung, 878 Gleitreibung, 1046, Bd. 1 251 Gleitringdichtungen, 703 Gleitschicht, 611 Gleitungen, Bd. 1 357, Bd. 1 358, Bd. 1 448 Gleitverhältnis, 1159 Gleitzahl, 1159 Gleitziehen, Bd. 2 862 Gliedmaßenprothese, 880 Glühlampe, 1070 Goniometer, Bd. 2 712 GPS, 1071, 1072 Grashof-Zahl, Bd. 1 813, Bd. 1 816 Grauflecken, Bd. 2 404 Graugusskrümmer, Bd. 1 322

Stichwortverzeichnis Green’sche Funktion, Bd. 1 452 Greifer, 372, 400 Mehrschalenseilgreifer, 374 Motorgreifer, 374 Parallelgreifer, 372 Polypgreifer, 374 Scherengreifer, 374 Greiferregelung, 60 Greifkraftregelung, 883 Grenzformänderungsdiagramm, Bd. 2 865 Grenzfrequenz, Bd. 1 887 Grenzkurve, Bd. 1 754 Grenzmaße, Bd. 2 52 Grenzpunkteplan, 1077 Grenzschicht, 1184, Bd. 1 336 Grenzschichttheorie, Bd. 1 335 Grenzschlankheit, Bd. 1 438 Grenztemperaturen, Bd. 2 561 Grenzwerte, 111 Grenzwerte der Übertemperaturen, Bd. 2 561 Grenzzustände, 332 Beulen, 338 Bolzenverbindungen, 337 Bruch, 335 elastische Instabilität, 337 Ermüdung, 337 Fließen, 335, 337 Fließgrenze, 335 Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit, 334 Grenzzustände der Tragfähigkeit, 334 Knicken, 338 Korrosion, 337 Schraubenverbindungen, 337 Schweißverbindungen, 337 Starrkörperinstabilität, 337 Temperatur, 337 Versagenszustände, 332 Größen dimensionslos, Bd. 1 810 modale, Bd. 1 853 Größen der Elektrotechnik, Bd. 2 544 Großkipper, 1061 Grübchenbildung, Bd. 2 404 Grundfrequenz, Bd. 1 882 Grundfunktion, Bd. 2 1049 Grundgesamtheit, Bd. 2 689 Grundgleichung der Maschinenakustik, Bd. 1 884 Grundgleichung des Raketenantriebs, Bd. 1 282 Grundlagen und Vergleichsprozesse, 40 Druckverhältnis, 43 einstufige Verdichtung, 42 isentrope Verdichtung, 42, 43 isothermen Verdichtung, 42 Realgasfaktor, 41 Verdichtungsendtemperatur, 43 Verdichtungstemperatur T 2 , 42 Vergleichsprozesse, 42 Volumenstrom, 40 grundlegende Zusammenhänge, 303

1287 Grundnormen, Bd. 2 50 Grundsystem, Bd. 1 402 Grundtoleranz, Bd. 2 53 GTO-Thyristor, Bd. 2 586 Gummi, Bd. 1 638 Gummifederelemente, Bd. 2 259 Gummifedern, Bd. 2 258 Gummi-Metall-Federn, Bd. 2 261 Bauformen, Bd. 2 261 Berechnungsgrundlagen, Bd. 2 261 Gummipuffer, Bd. 2 261 Hülsenfeder, Bd. 2 261 Scheibenfeder, Bd. 2 261 Gurtaufroller, 1069 Gürtelreifen, 1047 Gurtförderer, 422 Antriebsstationen, 432 Fördergeschwindigkeit, 426 Fördergutstrom, 424 Füllquerschnitt, 425 Gurtarten, 422 Gurtlenkung, 431 Gurtzugkräfte, 427 Horizontalkurven, 429 Leistungsbedarf, 426 RopeCon, 435 Spannstationen, 433 Steilförderung, 434 Tragrollen, 430 Trommeln, 431 Gurtkraftbegrenzer, 1069 Gurtstraffer, 1069 Gusseinsatzkoeffizient, Bd. 2 816 Gusseisen, 1054 Gusswerkstoff, Bd. 2 1081 Gütegrad, 6, 75

H Hafenöfen, 605 Haftkraft, Bd. 1 254 Haftreibung, 1046 Haftung, Bd. 1 250 Haftzahl, Bd. 1 251 Hähne Kegelhähne, 699 Kugelhähne, 700 halbhermetischer Verdichter, 736 Halbhohlniete, Bd. 2 192 Halbleiter, Bd. 2 541 Halbraum, Bd. 1 417 Halbwertszeit, Bd. 2 722 Haldex-Kupplung, 1067 Halleffekt, Bd. 2 542 Haltebremsung, 1120 Haltestrom, Bd. 2 673 Hämodialysesystem, 868 Handbremse, 1120 Handhaben, Bd. 2 1049

1288 Handling, 1045 Handprothese, 882 Hanes-Woolf, 586 Hängebahnöfen, 606 Hardware-in-the-Loop, 1049 Harmonic Drive, Bd. 2 1075 harmonische Bewegung, Bd. 1 295 harmonische Schwingung, Bd. 1 296 HARMST, Bd. 2 960 Haubenöfen, 606 Hauptabmessungen, 31 Drehkolbenpumpen, 32 Exzenterschneckenpumpe, 32 Hubkolbenpumpen, 31 Membranpumpen, 31 oszillierende Verdrängerpumpen, 31 rotierende Verdrängerpumpen, 32 Hauptachsen, Bd. 1 286 Hauptachsen und Hauptflächenmomente 2. Grades, Bd. 1 373 Hauptanforderung, 877 Hauptausführung, Bd. 1 343 Hauptdehnungen, Bd. 1 357 Hauptdehnungsrichtungen, Bd. 1 358 Hauptkrümmungsebenen, Bd. 1 422 Hauptkrümmungsradien, Bd. 1 422 Hauptmotor, Bd. 2 1051 Hauptnormalspannung, Bd. 1 354 Hauptnormalspannungstrajektorien, Bd. 1 354 Hauptsatz erster, Bd. 1 737 nullter, Bd. 1 733 zweiter, Bd. 1 743 Hauptschubspannung, Bd. 1 354 Hauptschubspannungstrajektorien, Bd. 1 354 Hauptströmung, Bd. 1 318 Hauptuntersuchung, 1041 Hauptzugspannung, Bd. 1 361 Head-up-Display, 1068 Heben, 1045 Hedströmzahl He, Bd. 1 328 Hefen, 567 Heißleiter-Temperatursensoren, Bd. 2 718 Heizkörper, 829 Heizleiter, 644 Heizleitermaterialien, 644 Heizung, 1061 Heizwert, Bd. 1 802, Bd. 1 804, Bd. 1 805 von Heizölen, Bd. 1 803 Heizwicklungen, 644 Heizzahl, Bd. 1 792 Helmholtzsche Wirbelsätze, Bd. 1 330 Hemmung kompetitive, 587 nichtkompetitive, 587 Substratüberschusshemmung, 587 Substratüberschuss-, 593 unkompetitive, 587 Herdwagenofen, 606

Stichwortverzeichnis hermetische Verdichter, 736 Hermitesche Polynome, Bd. 1 454 Herschel-Bulkley-Beziehung, 598 Hertz, Bd. 1 879 Hertz’sche Frequenz, Bd. 1 295, Bd. 1 303 Herz, 865 Herzerkrankung, 866 Herzschrittmacher, 866 Herz-Lungen-Maschine, 872 High-Speed-Motor, Bd. 2 583 Hilfskraftbremsanlage, 1054 Hilfsrahmen, 1050 Hinterachse, 1053, 1061 Hinterradlenkung, 1052 Hinterspritztechnik, Bd. 1 646 Hitzdrahtanemometer, Bd. 2 715 Hitzesterilisation, 577 Absterbekinetik, 577 Sterilisation in feuchter Hitze, 578 Sterilisation in trockener Hitze, 579 Hobeln, Bd. 2 895 Hobel- und Stoßmaschinen, Bd. 2 1173 Hobelmaschinen, Bd. 2 1174 Nutenstoßmaschinen, Bd. 2 1175 Nutenziehmaschinen, Bd. 2 1175 Stoßmaschinen, Bd. 2 1174 Hochauftriebssysteme, 1183 Hochbaumaschinen, 497 Hochdruckpressen, Bd. 2 826 Hochdrucktank, 1058 Hochdruck-Klimaanlagen, 812 Hochgeschwindigkeitsbrenner, 640 Hochgeschwindigkeitszerspanung, Bd. 2 803 Hochleistungskondensator, 1061 Hochleistungs-Schneckenförderer, 445 Hochöfen, 605 Hochpräzisionsmaschinen, Bd. 2 1219 Antriebe, Bd. 2 1222 Führungen, Bd. 2 1221 Maschinengestell, Bd. 2 1220 Spannsysteme, Bd. 2 1221 Spindeln, Bd. 2 1221 Steuerung, Bd. 2 1222 Hochregalstapler, 401 Höchstdruck-Kolbenverdichter, 63 Höchstgeschwindigkeit, 1077 Höhenleitwerk, 1151 Höhenruder, 1152 Hohlkeil, Bd. 2 200 Hohlläufer, Bd. 2 1057 Hohlmantelspannhülse, Bd. 2 199 Hohlniete, Bd. 2 212 Hohlraumanteil, Bd. 1 816 Hohlraumversiegelung, 1045 Holm, 1183 holonome Systeme, Bd. 1 281 Holz, 1175, 1176 Honen, Bd. 2 904 Honmaschinen, Bd. 2 1187

Stichwortverzeichnis Kurzhubhonmaschinen, Bd. 2 1188 Langhubhonmaschinen, Bd. 2 1187 Sondermaschinen, Bd. 2 1190 Hooke’sches Gesetz, Bd. 1 358 Hooke’sches Material, Bd. 1 358 Hooke’sches Modellgesetz, Bd. 1 344 Hörbereich, Bd. 1 879 Hörgrenze obere, Bd. 1 879 untere, Bd. 1 879 Horizontalflug, 1163 Horizontalkommissionierer, 401 Hörschwelle, Bd. 1 880 Hubantrieb, 397 Hubarbeit, Bd. 1 779 Hubbalkenöfen, 606 Hubgerüst, 396 Hubkolbenmaschinen, 8 Hubkolbenmotor, 124 mit innerer Verbrennung, 1058 Hubkolbenpumpen, 31 Hubkolbenverdichter, 50, 62, 737 Hubmast, 396 Hubrahmen, 396 Hubraum, 4 Hubraumleistung, 110 Hubregion, 611 Hubschaufeln, 611 Hubschlitten, 396 Hub-Bohrungsverhältnis, 124 Hubwerkantriebe, 329 Hubwerke, 319, 374 redundante Hubwerke, 379 teilredundante Hubwerke, 379 Hüftendoprothese, 878 Hüftgelenk, 880 Hüftprothese, zementfreie, 878 Hump, 1047, 1048 Hybrid mit Leistungsverzweigung, 1062 mit zwei unabhängigen Antriebssystemen, 1061 paralleler, 1061 serieller, 1061 hybrid integriert, Bd. 2 797 Hybridantrieb, 396, 1061 seriell/parallel/leistungsverzweigt/MikroHybrid/Mild-Hybrid/Voll-Hybrid, Bd. 2 620 Hybridkinematik, Bd. 2 1080 Hybridmotor, 97, Bd. 2 577 Gasmotor, 97 Magermotor, 97 Schichtlademotor, 97 Vielstoffmotor, 97 Hybridprothese, 882 Hydraulikantriebe, Bd. 2 798 Hydraulikflüssigkeit, Bd. 2 501 biologisch schnell abbaubare Hydraulikflüssigkeiten, Bd. 2 501 HLP-Öl, Bd. 2 501

1289 HL-Öl, Bd. 2 501 Kompressionsmodul, Bd. 2 501 Lasttragevermögen, Bd. 2 501 Luftabgabevermögens, Bd. 2 501 Mineralöl, Bd. 2 501 Pflanzenöl, Bd. 2 501 Polyglykol, Bd. 2 501 Rapsöl, Bd. 2 501 schwer entflammbare Hydraulikflüssigkeit, Bd. 2 501 synthetisches Esteröl, Bd. 2 501 Viskosität, Bd. 2 501 Wasser, Bd. 2 501 Wassergefährdungsklasse, Bd. 2 501 Wasser-Öl-Emulsion, Bd. 2 501 Hydraulikmotor, 1061 hydraulisch glatte Rohre, Bd. 1 320 hydraulisch raue Rohre, Bd. 1 320 hydraulische Bremse, 1120 hydraulische Förderung, 559 Druckverlust, 559 Fördergeschwindigkeit, 560 hydraulischer Durchmesser, Bd. 1 322 hydraulischer Linearmotor, Bd. 2 1063 hydraulischer Ventilspielausgleich, 81 hydrodynamische Bremse, 1121 Bauarten, 246 Bremsenkennfeld, 248 Bremskennlinie, 249 Füllungsgrade, 249 Füllungssteuerung, 249 Konstantfüllung, 247 Konstantfüllungsbremsen, 247 Retarder, 246, 248 Retardergehäuse, 249 Stellbremsen, 247 Stellschaufeln, 247 hydrodynamische Gleitführungen, Bd. 2 1088 hydrodynamisches Paradoxon, Bd. 1 333 Hydrogetriebe, Bd. 2 504 Hydrokreislauf, Bd. 2 503 geschlossener, Bd. 2 503 halboffener, Bd. 2 503 offener, Bd. 2 503 hydromechanisches Tiefziehen, Bd. 2 873 Hydromotor, Bd. 2 1061 Hydrospeicher, Bd. 2 502 hydrostatische Anfahrhilfen, Bd. 2 345 hydrostatische Getriebe, Bd. 2 1068 hydrostatische Gleitführung, Bd. 2 1090 hydrostatische Gleitlagerungen, Bd. 2 1094 hydrostatische Schnecke, Bd. 2 1074 Hydroventil, Bd. 2 494, Bd. 2 499 2/2-Wege-Einbauventil, Bd. 2 495 Druckventil, Bd. 2 496 Durchflusswiderstand, Bd. 2 495 Impulsventil, Bd. 2 495 Proportionalventil, Bd. 2 500 Schaltventil, Bd. 2 494

1290 Schieberventil, Bd. 2 495 Servoventil, Bd. 2 500 Sitzventil, Bd. 2 494 Sperrventil, Bd. 2 496 Stromventil, Bd. 2 499 Überdeckung, Bd. 2 495 Umkehrspanne, Bd. 2 500 Vorsteuerventil, Bd. 2 494 Wegeventil, Bd. 2 494 hyperbolische Spannungsverteilung für  , Bd. 1 381 hyperbolisches Gesetz, Bd. 1 381 Hyphal Growth Unit, 596 Hyphen, 566 Länge, 596 Spitzen, 596 Verzweigung, 595 Hypoidradpaar, Bd. 2 389 Hysteresis-Schleife, Bd. 1 457

I ideale und nichtideale Flüssigkeit, Bd. 1 315 ideal-elastisch-plastische Spannungs-Dehnungs-Linie, Bd. 1 361 Identifikationsproblem, Bd. 1 836 Identifikationssysteme, 486 IGBT Transistor, Bd. 2 586 Immission, Bd. 2 722 Immobilisierung, 582, 594 Impedanz, Bd. 2 531 Implantat, 845, 877 Impulsantwort, Bd. 1 831 Impulsmoment, Bd. 1 277 Impulsmomenten- (Flächen-) und Drehimpulssatz, Bd. 1 277 Impulssatz, Bd. 1 276, Bd. 1 279 Impuls-Antwortfunktion, Bd. 1 842 indifferentes Gleichgewicht, Bd. 1 239 indirekte Einspritzung IDE, 95 indirekte Geräuschentstehung, Bd. 1 884 Indizierung, 74 Inducer, 230 Induktionsanlagen, 814 Induktionserwärmung, Bd. 2 661 Schwingkreiswechselrichter, Bd. 2 661 Induktionsgesetz, Bd. 2 522, Bd. 2 527, Bd. 2 548 induzierte Spannung, Bd. 2 548 Induktionshärtung, Bd. 2 1089 Induktionszähler, Bd. 2 746 induktive Abstandssensoren, Bd. 2 803 induktive Durchflussmesser, Bd. 2 716 induktive Erwärmung, Bd. 2 659 dielektrische Erwärmung, Bd. 2 661 Oberflächenerwärmung, Bd. 2 660 induktive Wegaufnehmer, Bd. 2 704 Induktivität, Bd. 2 528, Bd. 2 666 Induktivitäts-Messbrücke, Bd. 2 736 Industrieroboter, Bd. 2 1205 Industrieturbinen, 257

Stichwortverzeichnis induzierter Widerstand, Bd. 1 340 Inertgas, 668, 669 Inertialmassenerreger, Bd. 1 892 Informationssystem, geografisches, 1071, 1072 Infraschall, Bd. 1 879 Infusionspumpe, externe, 870 Infusionstherapie, 870 Inhalationsnarkose, 862 inkompressibel, Bd. 1 311 inkompressible Fluide, Bd. 1 757 inkompressible Medien, Bd. 1 317 Innendurchmesser, Bd. 2 906 Innendurchmesser-Trennschleifen, Bd. 2 906 Innenhochdruck-Umformung, Bd. 2 875 innere Arbeit, 73 innere Kräfte, Bd. 1 231 innere Kühllast, 775 innere Verbrennung, 69 innere virtuelle Arbeit, Bd. 1 392 innere Wärmequelle, Bd. 2 1054 innerer Wirkungsgrad, 75 innermaschinelle Verfahren, Bd. 2 72 Inokulum, 574 instabile Gleichgewichtslage, Bd. 1 437 instabiler Betriebspunkt, 121 instabiles Verhalten, Bd. 1 308 instationäre Strömung, 24 zäher Newton’scher Flüssigkeiten, Bd. 1 326 instationärer Ausfluss, Bd. 1 318 Instrument, 875 Instrumentenkombi, 1068 Insulated Gate Bipolar Transistor, Bd. 2 671 Integralbauweise, 1175 Integralgleichungen, Bd. 1 447 Integraltank, 1182 Interaktionsformeln, Bd. 1 464 Interferenzmikroskop, Bd. 2 700 Interferometer, Bd. 2 697 internationale Temperaturskala, Bd. 1 736 Intrusion, 1042 Invariante des Spannungstensors, Bd. 1 356 Invasivität, 849 Investitionsentscheidungen, 907 Ionenplattieren, Bd. 2 972 Ionenstrahlverfahren, Bd. 2 965 Ionisationsdetektoren, Bd. 2 723 ionisierende Strahlung, Bd. 2 722 Ionomere, Bd. 1 633 irreversibel, Bd. 1 738 Irreversibilität, Prinzip der, Bd. 1 743 irreversible Reaktionen, 547 Isentrope, Bd. 1 777 isentroper Leistungsbedarf, 44 Isobare, Bd. 1 778 Isochore, Bd. 1 778 Isolatoren, Bd. 2 541 Isotherme, Bd. 1 778 Isothermenlinie, Bd. 2 1054 isothermer Kupplungswirkungsgrad, 44

Stichwortverzeichnis Isothermverdichter, 271 isotrope Körper, Bd. 1 415 Istmaß, Bd. 2 52 I-Umrichter, Bd. 2 595, Bd. 2 612

J JFET, Bd. 2 670 Joule-Prozess, 290, Bd. 1 785 Joule-Prozess mit Abgaswärmetauscher, 291

K Kabel, Bd. 2 638 Kabelbaum, 1075 Kalibrierlaboratorium, Bd. 2 688 Kalorimetrie, Bd. 2 719 Kaltdampfmaschine, Bd. 1 790 Kaltdampf-Kompressionskälteanlage, 724 Kältedämmung, 741 Kälteerzeugung, Bd. 1 790 Kälteleistung, Bd. 1 791 Kältemaschinen, Bd. 1 790 Kältemittel, 728, 1069, Bd. 1 790, Bd. 1 791 Kältemitteltrockner, 742 Kälteprozess, Bd. 1 783 kältetechnische Verfahren, 724 Kälteverdichterventile, 56 Kaltfressen, Bd. 2 405 Kaltstart, 1060, 1062 Kalzination, 625 Kamm’scher Kreis, 1046 Kanalfahrzeuge, 469 Kanalformen, 807 Kapazität, Bd. 2 527, Bd. 2 665 Kapazitätsdioden, Bd. 2 667 Kapazitätsströme, 666 Kapazitäts-Messbrücke, Bd. 2 736 kapazitive Wegaufnehmer, Bd. 2 704 kapazitiver Abstandssensor, Bd. 2 801 Kapillardialysator, 868 Kapillare, Bd. 1 311 Kapillarität und Oberflächenspannung, Bd. 1 311 Kapillar-Rohrsysteme, 816 Kapillarviskosimeter, Bd. 2 717 Kaplanturbinen, 219 Aufbau, 219 Durchgangsdrehzahl, 219 Hydraulikservomotor, 219 Laufkraftwerke, 219 Laufradschaufel, 219 Leitradschaufel, 219 Regelung, 219 Schaufelstellung, 219 Kardiologie, interventionelle, 876 Karkasse, 1047 Karosserie, 1038, 1041, 1050, 1068 selbsttragende, 1043 Karusselllager, 471

1291 Kaskadenregelung, Bd. 2 606, Bd. 2 790 Kaskadenschicht, 617 katabolische Enzyme, 585 Katalysator, 116, 1059 Drei-Wege-Katalysator, 116 katalytische NOx-Reduktion, 117 NOx-Speicher-Katalysatoren, 118 Oxidations-Katalysatoren, 116 SCR-Verfahren, 117 katalytisch aktives Zentrum, 585 katalytische Brennkammer, 296 Kathode, Bd. 2 672 Katze, 379 Hauptkatze, 383 Untergurtlaufkatzen, 380 Winkellaufkatzen, 380 Zweischienenlaufkatze, 380 Zwischenkatze, 383 Kautschuk, Bd. 1 638 Kavitation, 25, 228 Kavitationserosion, 228 Kavitationskorrosion, 228 Kondensationsvorgänge, 228 Mikrowasserstrahlen, 228 Kegelpressverband, Bd. 2 200 Kegelrad, Bd. 1 271, Bd. 2 952 Kegelradpaar, Bd. 2 389 Kegelrollenlager, Bd. 2 1095 Kegelspannringe, Bd. 2 200 Kegelstifte, Bd. 2 205 Kehlnahtdicke, Bd. 2 172 keilförmige Scheibe unter Einzelkräften, Bd. 1 429 Keilriemen, Bd. 2 367, Bd. 2 1067 Bauarten, Bd. 2 368 Keilverbindung, Bd. 2 207 Keilwelle, Bd. 2 209 Keilwinkel, Bd. 2 883, Bd. 2 900 Kelvin-Skala, Bd. 1 734 Kennfelddarstellung, 110 Kenngrößen, 110 Kennkreisfrequenz, Bd. 2 535 Kennliniensteuerung, Bd. 2 611 Kennungswandler, 1061 Kennzahlen, Bd. 1 344 keramische Faserprodukte, 660 Kerben, 334 Kerbfälle, 338 Schweißnähte, 334 Kerbgrundkonzepte, Bd. 1 466 Kerbschlagbiegearbeit, 337 Mindestzähigkeit, 337 Kerbspannungen, Bd. 1 398 Kerbverzahnung, Bd. 2 208, Bd. 2 209 Kerbwirkung, Bd. 1 366 Kerbwirkungszahl, Bd. 1 465 Kerbzahnprofil, Bd. 2 209 Kernbrennstoffe, 927 Abbrand, 928, 931 Brennelemente, 931

1292 Brutprozess, 929 Druckwasserreaktoren, 928 Endlagerung radioaktiver Abfälle, 931 Feed, 928 gasgekühlte Reaktoren, 929 Kernfusion, 929 Kernreaktor, 927, 931 Kernspaltung, 927 Kernspaltungsvorgänge, 929 Kernverschmelzung, 929 Kühlung, 929 Leichtwasserreaktoren, 928 Moderation, 929 Moderator, 929 Reaktorkern, 929 schnelle Neutronen, 927 schneller Brüter, 929 Siedewasserreaktoren, 928 Spaltprodukten, 927 thermische Neutronen, 927 Uran, 927 Uranvorräte, 929 Kernformstoffaufbereitung, Bd. 2 817 Kernfusion, 929 Kernherstellung, Bd. 2 817 Kernmaterial, ferromagnetisches, Bd. 2 666 Kernphysik, Grundbegriffe, Bd. 1 910 Kernreaktoren biologischer Schild, 967 Brennelemente, 970, 971 Druckbehälter, 967 Druckwasserreaktor (DWR), 970 gasgekühlte thermische Reaktoren, 973 größter anzunehmender Unfall (GAU), 969 Leichtwasserreaktoren (LWR), 970 Reaktorgebäude, 968 Reaktorkern, 967 Reflektor, 967 schnelle Brutreaktoren (SNR), 973 Schwerwasserreaktoren, 972 Sicherheitstechnik, 968 thermischer Schild, 967 Ketten, Bd. 1 247 Kettengetriebe, Bd. 2 371, Bd. 2 1068 Buchsenkette, Bd. 2 371 Rollenkette, Bd. 2 371 stufenlos verstellbar, Bd. 2 371 Zahnkette, Bd. 2 371 kinematische Analyse räumlicher Getriebe, Bd. 2 463 dynamisches Laufkriterium, Bd. 2 464, Bd. 2 465 Gelenkführungsglied, Bd. 2 464 Geschlossenheitsbedingung, Bd. 2 464 Laufgüte, Bd. 2 464 Leistungsfluss, Bd. 2 464 Momentanpol, Bd. 2 465 räumliches Getriebe, Bd. 2 463 Übertragungswinkel, Bd. 2 464 kinematische Messgrößen, Bd. 2 703 kinematische Zähigkeit, Bd. 1 318

Stichwortverzeichnis kinematischer Fremderregung, Bd. 1 298 Kinetik des Massenpunkts und des translatorisch bewegten Körpers, Bd. 1 275 Kinetik des Massenpunktsystems, Bd. 1 278 Kinetik enzymatischer Reaktionen, 584 Kinetik starrer Körper, Bd. 1 282 kinetische Energien, Bd. 1 276 kinetische Lagerdrücke, Bd. 1 283 kinetostatische Analyse ebener Getriebe, Bd. 2 462 Drehgelenk, Bd. 2 462 Kurvengelenk, Bd. 2 462 Schubgelenk, Bd. 2 462 Kippen, Bd. 1 442 Kipphebel, 80 Kippkübel, 400 Kippmoment, Bd. 2 566 Kippschalensorter, 452 Kippung, Bd. 1 359 Kirchhoff’sche Randscherkraft (Ersatzquerkraft), Bd. 1 453 Kirchhoff’sches Gesetz, Bd. 1 819 Kirchhoff’sche Sätze, Bd. 2 525 Klammern, 400 Klang, Bd. 1 879 Klappen Absperrklappen, 700 Drosselklappen, 700 Rückschlagklappen, 700 Klassieren in Gasen, 525 Kleben, 1043, Bd. 2 193 Klebstoffe, Bd. 2 194 Tragfähigkeit, Bd. 2 195 Kleinbus, 1038 Kleinmotoren, Bd. 2 575 kleinste (Euler’sche) Knicklast, Bd. 1 437 kleinster kritischer Beuldruck, Bd. 1 445 Kleinturbinen, 260 Klemmenkurzschluss, zweiphasiger, Bd. 1 848 Klemmverbindung, Bd. 2 200, Bd. 2 203, Bd. 2 204 Entwurfsberechnung, Bd. 2 204 mit geteilter Nabe, Bd. 2 196 Klettervorrichtungen, 389 Klimaanlage, 1061, 1063, 1068, 1069, 1104 Klimamesstechnik, Bd. 2 726 Klima-Wind-Kanal, 1130 Klinikingenieurwesen, 845 Klirrfaktor, Bd. 2 531 Klopffestigkeit, 91 Knicken, Bd. 1 365 Knicken im elastischen (Euler-)Bereich, Bd. 1 437 Knicken im unelastischen (Tetmajer-)Bereich, Bd. 1 438 Knicken von Ringen, Rahmen und Stabsystemen, Bd. 1 440 Knicklenkung, 505, 508, 509 Grader, 508 Hundegang, 508 Radlader, 504 Knickpunktsfeuchte, 538 Knicksicherheit, Bd. 1 438

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Stichwortverzeichnis Knickspannung, Bd. 1 438 Knickspannungsdiagramm, Bd. 1 438 Knickung, Bd. 1 359, Bd. 1 437 Knieendoprothese, 878 Kniegelenk, 881 Kniehebelpresse, Bd. 2 1138 Knochenzement, 878 Knotenkräfte, Bd. 1 449 Knotenschnittverfahren, Bd. 1 245 Knotenverschiebungen, Bd. 1 447 Koeffizientenvergleich, Bd. 1 302 Kohlendioxidsensoren, 813 Kohlenmonoxid, 113 Kohlenstoffasern, 1176 Kohlenwasserstoffe, 91, 113 Koinzidenz-Grenzfrequenz, Bd. 1 887 Kokillengießverfahren, Bd. 2 834 Kokillenguss, Bd. 2 1089 Kolben, 15, 126 Kolben und Kolbenbolzen, 17 Kolbenantrieb, 864 Kolbenbeschleunigung, 10 Kolbenflächenleistung, 111 Kolbengeschwindigkeit, 9 Kolbenkraft, 12, Bd. 2 1070 Kolbenmanometer, Bd. 2 712 Kolbenmaschine, 3 Elemente, 14 Kolbenmotor, 1160 Kolbenringe, 18 Kolbenschieberventil, Bd. 2 509 Kolbensekundärbewegung, 11 Kolbenstange, 51 Kolbenweg, 9 Kollektor, Bd. 2 1059 Kollektorstrom, Bd. 2 668 Kollergang, Bd. 1 291 Kollisionskraftberechnung, Bd. 2 1077 Kolonne, 529, 532, 533 Aktivitätskoeffizient, 532 Bilanzlinien, 532 Böden, 529 Bodenabstand, 534 Bodenkolonne, 533 Durchsätze, 530 Fugazitätskoeffizienten, 532 Gegenstrom, 530 Gleichgewichtslinie, 532 Grenzfläche, 530 Kolonnenhöhe, 533 Packungen, 529 Partialdruck- oder Konzentrationsgefälle, 530 Phasengrenzfläche, 533 Sättigungsdampfdruck, 532 Stoffaustauschfläche, 533 Verstärkungsverhältnis, 533 Volumenstromdichte, 534 Kombikessel, 837 Kombi-Kraftwerke, 950

1295 Kesselfeuerung, 951 Wärmeschaltbild, 951 Wirkungsgradermittlung, 951 Wirkungsgradsteigerung, 950 Komfort, 1050 Kommissionier-Flurförderzeuge, 401 Kommissionierung, 474 Bereitstellung, 475 Entnahme, 475 kommutatorloser Gleichstrommotor, Bd. 2 578 Kommutierung, Bd. 2 588 Kompensationsmethoden, Bd. 2 683 Kompensatoren, Bd. 2 735 Komponente, 880, Bd. 2 36 kompressibel, Bd. 1 311 kompressible Fluide, Bd. 1 319 Kompressionskälteanlage, Bd. 1 790 Kompressionskältemaschine, Bd. 1 790 Kompressionsmodul K, Bd. 2 259 Kompressionsperiode, Bd. 1 292 Kompressionsvolumen, 4 Kompressionswärmepumpe, Bd. 1 791 Kompressor-/Speichereinheit Druckregler, Bd. 2 516 Filter, Bd. 2 516 Wartungseinheit, Bd. 2 516 Kompressoreinheit, Bd. 2 481 Ablaufsteuerung, Bd. 2 481 Druckregler, Bd. 2 481 Filter, Bd. 2 481 Leckverluststrom, Bd. 2 480 Wartungseinheit, Bd. 2 481 Kompressoren Anwendungsgebiete, 39 Bauart, 39, 40 Bauarten von Verdichtern, 39 Hauptanwendung, 40 Roots-Gebläse, 39 Wälzkolbenvakuumpumpe, 39 Kondensatableiter, 698 Kondensation an waagrechten Einzelrohren, Bd. 1 817 Kondensator, 668, Bd. 2 527, Bd. 2 532, Bd. 2 665 Drehkondensator, Bd. 2 665 Einspritz-Kondensatoren, 668 einstellbarer Kondensator, Bd. 2 665 Festkondensator, Bd. 2 665 Inertgase, 669 Konstruktion, 669 luftgekühlte, 670 nichtkondensierbare Gase, 668 Oberflächenkondensatoren, 668 parasitäre Kapazitäten, Bd. 2 665 Temperatureinfluss, Bd. 2 665 überhitzter Dampf, 669 Verluste, Bd. 2 665 Wärmedurchgangskoeffizient, 669 Kondensatormotor, Bd. 2 576 Kondensatorverfahren, Bd. 2 701 Konditionieren, Bd. 2 903

1296 Konfokalmikroskop, Bd. 2 701 konforme Abbildung des Kreises, Bd. 1 333 kongruente Bahnen, Bd. 1 264 Konservierung, 573 Konsistenzklassen von Schmierfetten, Bd. 1 688 Konsistenz-Faktor, 598 Konsole, Bd. 2 1078 Konsolständer, Bd. 2 1078 Konstantdrucknetz, Bd. 2 506 Konstanten, physikalische, Bd. 1 909 konstanter Durchmesser, Bd. 1 395 Konstant-Druck-Vergaser, 99 Konstant-Querschnitt-Vergaser, 98 Konstruktionsphilosophien, 1170 konstruktive Gestaltung, 33, Bd. 2 349 Baugruppen zur Ein- und Auslasssteuerung, 33 Dickstoffpumpen, 36 Dosierpumpen, 35, 36 druckgesteuerte Ventile, 33 Exzenterschneckenpumpe, 36, 37 Hubkolbenpumpen, 35 Kegelventile, 33 Kolbenpumpen, 35 Kugelventile, 33 Membrankolbenpumpen, 35 Membranpumpen, 35, 36 Prozessmembranpumpe, 36, 37 Rohrweichenpumpe, 37, 38 Tellerventile, 33 Ventilbauarten, 33 Verstellung und Regelung, 34 Wegsteuerung, 33, 34 Kontakttemperatur, Bd. 1 812 Konterschneiden, Bd. 2 923 kontinuierliches Wälzschleifen, Bd. 2 948 Kontinuitätsgleichung, Bd. 1 317 Konvektion, freie, Bd. 1 816 konvektiv, Bd. 1 330 konventioneller Ventiltrieb, 80 konventionelles Steuerdiagramm, 83 konzentrierte Krümmungen, Bd. 1 455 konzentrische Ventile, 56 Koordinatentransformation, Bd. 2 612 Kopfplatten, Bd. 2 1083 Kopfspiel, Bd. 2 393 körnige Suspensionen, Bd. 1 327 Körper diatherman, Bd. 1 818 halbunendliche, Bd. 1 811 schwarzer, Bd. 1 818 Körper im Raum, Bd. 1 243 Körperschall, 1042, Bd. 1 829, Bd. 1 879, Bd. 2 723 Körperschalldämmung, 805 Körperschallfunktion, Bd. 1 885, Bd. 1 889 Körperschallfunktion, Pegel der, Bd. 1 885 Körperschallgrad, Bd. 1 885 Körperschallmaß, Bd. 1 885 Körperschalltransferfunktion, Bd. 1 884 Korrosion, 1044

Stichwortverzeichnis Kraft auf Düse, Bd. 1 329 Kraft auf Rohrkrümmer, Bd. 1 329 Kraft bei plötzlicher Rohrerweiterung, Bd. 1 329 Kraft, generalisierte, Bd. 1 738 Kraftamplitude, Bd. 1 833 Kraftanregung, Bd. 1 888 Kraftdichte, Bd. 2 529, Bd. 2 582 Kräfte, Bd. 1 231, Bd. 1 829 Kräfte am Kurbeltrieb, 11 Kräfte am Triebwerk, 12 Kräfte und Momente Ausgleich, Bd. 1 876 oszillierende Massen, Bd. 1 876 rotierende Massen, Bd. 1 876 kräftefreier Kreisel, Bd. 1 290 Krafteinleitung, Bd. 2 222 exzentrische Verspannung und Belastung, Bd. 2 223 Kräftepaar, Bd. 1 231 Krafterregung, Bd. 1 884 Kraftfahrzeugtechnik, 1037 Kraftflussplan, Bd. 2 1066 kraftgebundene Presse, Bd. 2 1133 Kraftgrößenmethode, Bd. 1 447 Kraftgrößenverfahren, Bd. 1 401 Kraftmaschinen, 5 Kraftmessdosen, Bd. 2 709 Kraftmesstechnik, Bd. 2 707 Kraftomnibus, 1038 kraftschlussabhängige Bremse, 1120 Kraftschlussausnutzung, 1052 Kraftschlussbeanspruchung, 1056 Kraftschlussbeiwert, 1046 kraftschlüssige Antriebe, 327 Kraftschlusspotential, 1050 kraftschlussunabhängige Bremse, 1120 Kraftschluss-Schlupf-Funktion, 1097 Kraftschraube, Bd. 1 235 Kraftstoff, 1058, Bd. 1 804 Kraftstoffanlage, 1058 Kraftstoffsystem, bivalente Auslegung, 1059 Kraftstofftank, 1042, 1183 Kraftstoffverbrauch, 1039, 1048, 1082, 1161 kraft-(reib-)schlüssige Schaltkupplungen Einflächenkupplung, Bd. 2 281 elektromagnetisch betätigte Kupplungen, Bd. 2 282 hydraulisch betätigte Kupplungen, Bd. 2 281 Kupplungs-Brems-Kombinationen, Bd. 2 281 Lamellenkupplung, Bd. 2 281 Magnetpulverkupplung, Bd. 2 281 mechanische Betätigungseinrichtungen, Bd. 2 282 Mehrflächen-(Lamellen-)kupplung, Bd. 2 281 Nasslauf, Bd. 2 281 pneumatische Betätigung, Bd. 2 282 Reibungswärme, Bd. 2 281 Reibwerkstoffe, Bd. 2 282 Trockenlauf, Bd. 2 281 Verschleiß, Bd. 2 281 Zweiflächen-(Einscheiben-)kupplung, Bd. 2 281 Zylinder- und Kegelkupplung, Bd. 2 281

Stichwortverzeichnis Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), 943, Bd. 1 792 Leistungsgrößen, 953 Schema der, Bd. 1 792 Kraftvektor, Bd. 1 273 Kraftwerksturbinen, 252 Kraftwirkungen strömender inkompressibler Flüssigkeiten, Bd. 1 328 Kraftzerlegung im Raum, Bd. 1 236 Kranausleger, 400 Krane, 379 AT-Krane, 390 Doppellenkerwippkran, 385 Drehkrane, 384 Einträgerbrückenkrane, 380 Fahrzeugkrane, 379, 390 Greiferschiffsentlader, 383 Hängebahnen, 391 Hängekrane, 391 Ladekrane, 392 Offshore-Krane, 392 Portaldrehkrane, 385 Portalkrane, 382 Säulendrehkrane, 389 Schwenkkrane, 384 schwimmende Krane, 392 Turmdrehkrane, 386 Verladebrücken, 382 Wandlaufkrane, 389 Wandschwenkkrane, 389 Zweiträgerbrückenkrane, 380 Krankenhausinformationssystem, 861 Kreiselbewegung, Bd. 1 290 Kreiselkompass, Bd. 1 291 Kreiselpumpe Abdrehen, 233 Anlagenkennlinie, 230–233 Antrieb, 228 Ausdrehen, 233 axiale Rohrschachtpumpe, 237 Axialrad, 225 Bauarten, 225 Bestpunkt, 230 Betriebspunkt, 231 Betriebsverhalten, 228 Blockpumpe, 227 Bypass, 232 Chromnickelstähle, 228 Dampfturbine, 228 Dauerbetriebspunkt, 230, 231 Dieselmotorpumpe, 228 Drehzahländerung, 232 Drehzahlregelung, 233 Dreikanalrad, 226 Drosselkurve, 230–233 Drosselung, 232 Einkanalrad, 226 Einschaufelrad, 226 einstellbare Schaufeln, 233 Elektromotor, 228

1297 Erosionsbeständigkeit, 227 Festigkeit, 227 Fluid, 227 Förderhöhenkurven, 230 Fördermedien, 225 Freistromrad, 238 frequenzgesteuerter Drehstromantrieb, 228 Gegendrall, 233 Gehäuse, 227 geschlossene Laufräder, 225 Gleichdrall, 233 Gliederbauweise, 235 Gliederform, 227 Halbaxialrad, 225 Kanalrad, 237 Kavitation, 231, 234 Kavitationsbeständigkeit, 227, 228 Kennlinien, 230 Kesselwasser-Umwälzpumpe, 235, 238 Korrosionsbeständigkeit, 227 Kraftwerkstechnik, 235 Laufrad, 225 Laufschaufelverstellung, 233 Leistungsbedarf, 233 Leistungskurven, 231 mehrströmige Bauart, 226 mehrstufige Bauart, 226 Modellgesetze, 232 Nassaufstellung, 227 Nennbetriebspunkt, 230 nichtstabil, 230 NPSH-Kurven, 231 NPSH-Wert der Anlage, 229, 231 Nullförderhöhe, 230 offene Laufräder, 225 Parallelschaltung, 226, 231 Peripheralpumpe, 227 Radialrad, 225 Reaktorkühlmittelpumpe, 235, 238 Reihenschaltung, 226, 231 Ringraumgehäusepumpe, 227 Rohrgehäusepumpe, 227 Rohrschachtpumpe, 227 Sattel, 230 Schaufelverstellung, 231 Seitenkanalpumpe, 227 Selbstregelung durch Kavitation, 234 Spaltrohrmotorpumpe, 236, 238 spezifische Drehzahl, 226 Spiralgehäuse, 227 Spiralgehäusepumpe, 227 Stufenförderhöhen, 226 Teillast, 231 Teillastgebiet, 230 Teilung, 227 Topfbauweise, 235 Topfgehäuse, 227 Trockenaufstellung, 227 Überlast, 231

1298 Umfangsgeschwindigkeit, 226 Umwälzpumpe, 236 Unterwassermotor, 228 Verändern der Schaufelaustrittskanten, 233 Verbrennungsmotorantrieb, 228 Verfahrenstechnik, 235 vierströmig, 226 Vorleitschaufelverstellung, 233 Wasserwirtschaft, 235 Welle, 227 Werkstoff, 227 Wirkungsgradkurven, 231 Zuschärfen, 233 Zweikanalrad, 226 zweiströmig, 226 zweiströmige Spiralgehäusepumpe, 235 Kreisflug, 1160 kreiskolbenartige Umlaufkolbenmaschinen, 3 Kreiskolbenmaschinen, 3 Kreiskrümmer, Bd. 1 322 Kreislaufunterstützung, mechanische, 872 Kreismembran, Bd. 1 306 Kreisplatten, Bd. 1 427, Bd. 1 444 Kreisscheibe, Bd. 1 428 Kreiszylinderschale, Bd. 1 445 Kreiszylinderschale unter konstantem Innendruck, Bd. 1 430 Kreuzbett, Bd. 2 1078 Kreuzkopf, 51, 127 Kreuzkopf-Triebwerke, 8 Kreuzkopfverdichter, 51 Kreuzspulmesswerke, Bd. 2 746 Kreuztisch, Bd. 2 1078 Kriechen, Bd. 1 458 Kristallisieren, 529 kritische Drehzahl und Biegeschwingung der einfach besetzten Welle, Bd. 1 300 kritische Spannung, Bd. 1 437 kritischen Wert, Bd. 1 318 Krümmung, Bd. 1 382 Krümmungsformel einer Kurve, Bd. 1 382 Krümmungsmittelpunkt, Bd. 1 258, Bd. 1 381 Krümmungsradius der Bahnkurve, Bd. 1 258 Kugel, Bd. 1 421 Kugelgewindetrieb, Bd. 2 1070 kugelige Wölbung, Bd. 1 431 Kugelmutter-Hydrolenkung, 1052 Kugelphotometer, Bd. 2 720 Kugelschale unter konstantem Außendruck, Bd. 1 445 Kugelschale unter konstantem Innendruck, Bd. 1 430 Kugelstrahler nullter Ordnung, Bd. 1 885 Kugelstrahlereckfrequenz, Bd. 1 886 Kugeltische, 449 Kugelverbindungen, 384 Kühlaufbau, 1038 Kühlgrenztemperatur, Bd. 1 798 Kühllast, 775 Kühlmittel, Bd. 2 561 Kühlmodulen, 817

Stichwortverzeichnis Kühlschmiermittel, Bd. 2 901, Bd. 2 1078 Kühlsegel, 817 Kühlsolen, 734 Kühlung, 20 Kühlung des Hydraulikmediums, Bd. 2 503 Kühlung des Kolbens, 126 Kulissenstein, Bd. 1 271 Kultivierung, 573 Kultivierungsbedingungen, 569 Nährstoffansprüche, 569 physikochemische Wachstumsansprüche, 569 Kultivierungsparameter, 584 Kultivierungstypen, 599 nach Gaden, 599 künstliche Brenngase, 926 Brenn- und Heizwert, 926 Druckvergasungsgas, 926 Generatorgas, 926 Raffineriegase, 926 Schwelgase, 926 kunststoffbeschichtete Führungen, Bd. 2 1088 Kunststoffe, 1045 Aufbau und Verhalten, Bd. 1 628 Bewitterungsversuche, Bd. 1 644 Blasformen, Bd. 1 647 chemische Eigenschaften, Bd. 1 643 Eigenschaften, Bd. 1 629, Bd. 1 668 elektrische Eigenschaften, Bd. 1 642 Extrudieren, Bd. 1 647 Farbbeurteilung, Bd. 1 644 faserverstärkte Formteile, Bd. 1 647 Fertigungsgenauigkeit, Bd. 1 651 fluorhaltige, Bd. 1 633 Fügen, Bd. 1 650 Gestalten, Bd. 1 651 Gestaltungsrichtlinien, Bd. 1 651 Heizelementschweißen, Bd. 1 650 Hochfrequenzschweißen, Bd. 1 650 Kennwertermittlung, Bd. 1 640 kleben, Bd. 1 650 Konditionieren, Bd. 1 652 Laserschneiden, Bd. 1 652 Laserschweißen, Bd. 1 650 mechanische Eigenschaften, Bd. 1 640 Nachbehandlungen, Bd. 1 652 Normung und Kennzeichnung, Bd. 1 627 Oberflächenbehandlungen, Bd. 1 652 Pressen, Bd. 1 646 Prüfung, Bd. 1 640 Prüfung von Fertigteilen, Bd. 1 644 Reibschweißen, Bd. 1 650 Röntgenprüfungen, Bd. 1 644 Schäumen, Bd. 1 648 Schweißen, Bd. 1 649 Schwindungsverhalten, Bd. 1 643 spangebende Bearbeitung, Bd. 1 652 Spritzgießen, Bd. 1 645 Tempern, Bd. 1 652 thermische Eigenschaften, Bd. 1 642

Stichwortverzeichnis Ultraschallprüfung, Bd. 1 644 Ultraschallschweißen, Bd. 1 650 Umformen, Bd. 1 649 Urformen, Bd. 1 645 Verarbeiten, Bd. 1 645 verarbeitungstechnische Eigenschaften, Bd. 1 643 Warmgasschweißen, Bd. 1 649 Wasserstrahlscheiden, Bd. 1 652 Zustandsbereiche, Bd. 1 628 Kunststoffschäume, Bd. 1 637 expandierbares Polystyrol PS-E, Bd. 1 637 Reaktionsschäume RSG, RIM, Bd. 1 637 Thermoplastschäume TSG, Bd. 1 637 Kupferlegierungen, Bd. 2 170 Kupolöfen, 605, 625 Kupplung, 1063, 1064, 1116, Bd. 2 267, Bd. 2 1076 drehmomentgeschaltete, Bd. 2 288 drehmomentgeschaltete, Brechbolzenkupplung, Bd. 2 288 drehmomentgeschaltete, Brechringkupplung, Bd. 2 288 drehmomentgeschaltete, Druckölverbindung, Bd. 2 288 drehmomentgeschaltete, Rutschkupplung, Bd. 2 288 drehmomentgeschaltete, Sperrkörperkupplungen, Bd. 2 288 drehmomentgeschaltete, Zugbolzenkupplung, Bd. 2 288 drehstarre, nicht schaltbare, Bd. 2 268 drehzahlgeschaltete, Bd. 2 288 elastische, Bd. 2 267 elastische, nicht schaltbare, Bd. 2 271 Fliehkraftkupplung, Bd. 2 289 fremdgeschaltete, Bd. 2 277 fremdgeschaltete, formschlüssige Schaltkupplungen, Bd. 2 280 fremdgeschaltete, kraftschlüssige Schaltkupplungen, Bd. 2 280 fremdgeschaltete, öffnende Kupplungen, Bd. 2 280 fremdgeschaltete, schließende Kupplungen, Bd. 2 280 richtungsgeschaltete, Bd. 2 289 richtungsgeschaltete, Klauen- oder Zahnfreilauf, Bd. 2 290 richtungsgeschaltete, Klemmfreiläuf, Bd. 2 289 richtungsgeschaltete, Klemmkörperfreilauf, Bd. 2 289 richtungsgeschaltete, Klemmrollenfreilauf, Bd. 2 289 selbsttätig schaltende, Bd. 2 287 starre, Bd. 2 268 Kurbelgetriebe, Bd. 2 1068 Kurbelpresse, Bd. 2 1080 Kurbelschleife, Bd. 1 271, Bd. 2 1068 Kurbelschwingen, Bd. 2 1068 Kurbeltrieb, 9, 14, Bd. 1 266, Bd. 1 863 Kurbelwelle, 14, 128 Kurven gleicher Lautstärke, Bd. 1 880 Kurvengetriebe, Bd. 2 457, Bd. 2 467

1299 Bewegungsgesetz, Bd. 2 467 Bewegungsplan, Bd. 2 467 Doppelschieber, Bd. 2 456 Doppelschleife, Bd. 2 456 Dreipolsatz, Bd. 2 457 Eingriffsglied, Bd. 2 457 Ersatzgetriebe, Bd. 2 458 Gleitkurvengetriebe, Bd. 2 457, Bd. 2 458 Hauptabmessungen, Bd. 2 457, Bd. 2 468 identische Freiheit, Bd. 2 457 Kurvengelenk, Bd. 2 457, Bd. 2 458 Kurvengelenkkette, Bd. 2 457 Kurvenglied, Bd. 2 457 Maschinenzyklogramm, Bd. 2 467 Momentanpol, Bd. 2 458 Oldham-Kupplung, Bd. 2 456 Polgerade, Bd. 2 457 Schubschleife, Bd. 2 456 Schwinggelenk, Bd. 2 458 Steg, Bd. 2 457, Bd. 2 467 Übertragungsfunktionen 1. und 2. Ordnung, Bd. 2 467 Übertragungswinkel, Bd. 2 468 Umlaufgelenk, Bd. 2 457 Wälzkurvengetriebe, Bd. 2 457, Bd. 2 458 Watt’sche Kette, Bd. 2 456 Kurvenlicht, 1071 Kurvenschere, Bd. 2 1125 Kurzgewindefräsen, Bd. 2 934 Kurzschlussbetrieb, Bd. 2 676 Kurzschlussfälle, Bd. 2 640 dreipoliger Kurzschluss, Bd. 2 640 zweipoliger Kurzschluss, Bd. 2 640 Kurzschlussläufer, Bd. 2 1054 Kurzschlussleistung, Bd. 2 635 Kurzunterbrechung, Bd. 2 642

L labiles Gleichgewicht, Bd. 1 239 Lack, 1045 Ladegerät, Bd. 2 554 Ladehilfsmittel, 459, 466 Ladeluft Druck, 88 Ladeluftkühlung, 89 Ladelufttemperatur, 89 Ladezustand, 1062 Ladungsdurchsatz, 84 Ladungsverstärker, Bd. 2 738 Ladungswechsel, 79, 83 Ladungswechsel des Viertaktmotors, 83 Ladungswechsel des Zweitaktmotors, 85 Spülluftdurchsatz, 86 Spüllufterzeugung, 86, 87 Spülluftmenge, 84 Spülmodell, 85 Spülverfahren, 85 Ladungswechselrechnung, 84

1300 Ladungswechselverluste, 7 Lager, 128, 480, Bd. 2 1051 aktiv, Bd. 1 892 Annahme, 480 Auslagerung, 481 Einlagerung, 480 Kommissionierung, 480 Versandbereich, 480 Lageranordnung, Bd. 2 1096 Lagerbestand, 473 Lagereinheiten, 466 Lagerfüllungsgrad, 473 Lagerkapazität, 473 Lagerkennzahlen, 473 Lagerlebensdauer, Bd. 2 316 Ausfallwahrscheinlichkeit, Bd. 2 316 dynamische Tragzahl, Bd. 2 316 dynamischer Härtefaktor, Bd. 2 317 Ermüdungslebensdauer, Bd. 2 316 erweiterte Lebensdauer, Bd. 2 317 Gebrauchsdauer, Bd. 2 316 modifizierte Lebensdauer, Bd. 2 316 nominelle Lebensdauer, Bd. 2 316 statischer Härtefaktor, Bd. 2 317 Temperaturfaktor, Bd. 2 317 Überlebenswahrscheinlichkeit, Bd. 2 317 Versagensmechanismen, Bd. 2 316 Lagern, 527 Lagerung, Bd. 2 1051 Lagrange’sche Funktion, Bd. 1 281 Lagrange’sche Gleichungen, Bd. 1 281 Lagrange’sche Kraft, Bd. 1 281 Lambertsches Cosinusgesetz, Bd. 1 819 Lamellenkette, Bd. 2 1068 Lamellenkupplung, steuerbare, 1067 laminarer Strömung, Bd. 1 318 Laminarflügel, Bd. 1 341 Landegewicht, 1145 Landestrecke, 1168 Landung, 1166 Längenausdehnung, thermische, Bd. 1 774 Längendehnung, Bd. 1 757 Längenmesstechnik, Bd. 2 696 Langgewindefräsen, Bd. 2 934 Langgut, 401 Langsamläufer, Bd. 2 1058 Längskraft und Torsion, Bd. 1 401 Längslenker, 1051 Längsrippen, Bd. 2 1082 Längsschwingungen von Stäben, Bd. 1 305 Längsteilanlage, Bd. 2 1126 Längs-Schraubschleifen, Bd. 2 935 Langtisch, Bd. 2 1080 Laplace-Transformation, Bd. 2 538, Bd. 2 760 Läppen, Bd. 2 906 Läppmaschinen, Bd. 2 1191 Einscheiben-Läppmaschinen, Bd. 2 1192 Rundläppmaschinen, Bd. 2 1193 Zweischeiben-Läppmaschinen, Bd. 2 1192

Stichwortverzeichnis Lärm, Bd. 1 879, Bd. 2 724 Lärmminderung, Bd. 1 879, Bd. 1 888 Lärmminderung, aktive Maßnahmen, Bd. 1 888, Bd. 1 891 Lärmminderung, passive Maßnahmen, Bd. 1 888 Lärmminderung, primäre Maßnahmen, Bd. 1 888 Lärmminderung, sekundäre Maßnahmen, Bd. 1 888 Lärmminderung, semi-aktive Maßnahmen, Bd. 1 893 Laserbearbeitungsmaschinen, Bd. 2 1226 Laserbrennschneiden, Bd. 2 187 Laserdiode, Bd. 2 677 Laserdrucker, Bd. 2 748 Laserschmelzschneiden, Bd. 2 187 Laserschweißen, 1043 Laserstrahl-Schweiß- und Löteinrichtungen, Bd. 2 1202 Laserstrahlverfahren, Bd. 2 962 Lasertrennen, Bd. 2 910 Laser-Doppler-Vibrometrie, Bd. 2 705 Laser-Sintern, Bd. 2 978 Lastannahmen, 1171 Lastaufnahmemittel, 371 Lastaufnahmevorrichtung, 397 Lastebene, Bd. 1 370 Lasten, 332 außergewöhnliche Lasten, 334 Einzellasten, 334 Grenzlasten, 334 Lastermittlung, 333 Lastfälle, 335 Lastkombinationen, 333, 334 Lastmodelle, 332 lokale Lasteinleitung, 334 nicht regelmäßige Lasten, 334 Prüflast, 379 Sonderlasten, 334 Zusatzlasten, 334 Lastfälle, Bd. 1 836 Lastflussberechnungen, Bd. 2 636 Lasthaken, 371 C-Haken, 372 Doppelhaken, 371 Einfachhaken, 371 Lamellenhaken, 372 Lasthebemagnet, 373 Lastschaltgetriebe, Bd. 2 1064 Lastschwankung, 1050 Lasttrum, Bd. 2 360 Lastvielfache, 1151, 1172 Lastwechsel, 1062 Lastzug, 1038 Latsch, 1046, 1047, 1049 Laufbuchse, 129 integrierte Buchse, 129 nasse Buchse, 130 trockene Buchse, 130 Laufwasserkraftwerke, 222 Aggregatwirkungsgrad, 222 Lautstärkepegel, Bd. 1 880 Lavaldruck, Bd. 1 781

Stichwortverzeichnis Laval-Druckverhältnis, Bd. 1 780 Lebenszykluskosten, 1039, 1091 Leckverluststrom, Bd. 2 480 LED, 1070, Bd. 2 676 Leerlauf, 1064 Leerlaufregelung, 61 Leertankgewicht, 1145 Leertrum, Bd. 2 360 Spannrolle, Bd. 2 364 Leichtbau, 1173 Leichtbaugüte, 1044 Leichtbaukonzepte, Bd. 2 192 Leichtmetalllegierungen, 1176 Leichtmetallwerkstoff, Bd. 2 1081 Leistung, 7, 109, Bd. 1 273 Leistung von Kühldecken, 816 Leistungsangaben, 109 Leistungseintrag, 580 Leistungselektrik, 1117 Leistungselektronik, Bd. 2 585 Leistungsfähigkeit eines Antriebs, Bd. 2 602 Leistungsflussdiagramm, Bd. 2 566 Leistungshalbleiter, abschaltbarer, Bd. 2 671 Leistungsqualität, Bd. 2 636 Leistungstransistor, Bd. 2 669 Leistungszahl, 725 einer Kältemaschine, Bd. 1 791 Leiterrahmen, 1042 Leitungssystem, 865 Leitwerk, 1150, 1151 Leitwerksbauformen, 1138 Lenker, 1049 Lenkrad, 1068, 1076 Lenkradwinkel, 1056 Lenkradwinkelgeschwindigkeit, 1056 Lenkstockhebel, 1052 Lenkübersetzung, 1051 Lenkung, 1045, 1051 aktive, 1056, 1058 Lenkunterstützung, elektromechanische, 1052 Lenkverhalten, 1045 Lenkwinkel, 1071, 1079 Leuchtdichte, Bd. 2 720 LHM, 466 Licht, 1061, 1068 markierendes, 1071, 1072 Lichtbogen-Druckluft-Fugen, Bd. 2 186 Lichtbogenöfen, Bd. 2 657 Lichtbogen-Sauerstoffschneiden, Bd. 2 186 Lichtbogenschweißen, Bd. 2 659 Lichtbogenschweißmaschinen, Bd. 2 1199 Lichtmaschine, 1073 Lichtmesstechnik, Bd. 2 719 lichtmikroskopische Verfahren, Bd. 2 699 Lichtschnittmikroskop, Bd. 2 700 Lichtschranke, Bd. 2 675 Lichtstärke, Bd. 2 719 Lichtstrahlung, Einheiten, Bd. 1 909 Lichtstrom, Bd. 2 719

1301 Lichttechnik, Grundgrößen, Bd. 1 911 Lichtwellenleiter, Bd. 2 675 LIDAR, 1055, 1072 Liefergrad, 46, 47, 79 Aufheizungsgrad, 47, 48 äußeres Druckverhältnis, 49 Dichtheitsgrad, 47, 48 Drosselgrad, 47, 48 Druckverluste, 49 Einflusszahl, 47 Füllungsgrad, 47, 48 indizierter Liefergrad, 47 inneres Druckverhältnis, 49 Nutzliefergrad, 47 Überverdichtung, 49 Unterverdichtung, 49 LIFO, 469 Lilienthal, 1135, 1157 Lilienthalpolare, 1157 Linearbetrieb, Bd. 2 669 Linear-Direktantrieb, Bd. 2 1059 Linearitätsabweichung, Bd. 2 685 Linearmotor, Bd. 2 580, Bd. 2 1059 Linearreibschweißen, Bd. 2 164 Lineweaver-Burk, 586 linienförmiges Fügen, Bd. 2 193 Linienschwerpunkt, Bd. 1 250 linkes Schnittufer, Bd. 1 368 Lithium-Ionen-Batterie, 1061, Bd. 2 645 Lithografie, Bd. 2 956 Lkw, 1056 Load-Sensing-Schaltung, Bd. 2 510 Loch- oder Schieberregelung, 61 Lochleibung, Bd. 1 367 Logistik, 316 Lokomotive, 1113 Löschkondensator, Bd. 2 674 Löschthyristor, Bd. 2 674 Lösungen für kleine Reynolds’sche Zahlen (laminare Strömung), Bd. 1 334 Löteinrichtungen, Bd. 2 1202 Löten Bindung, Bd. 2 187 Festigkeit der Hochtemperaturlötungen, Bd. 2 190 Festigkeit der Lötverbindung, Bd. 2 188 Hartlöten, Bd. 2 188 Hartlöten, Flussmittel, Bd. 2 188 Hartlöten, Lötzusätze, Bd. 2 188 Hochtemperaturlöten, Bd. 2 190 Laserlöten, Bd. 2 190 Lichtbogenlöten, Bd. 2 190 Lötbrüchigkeit, Bd. 2 187 Spaltbreite, Bd. 2 187 Weichlote, Bd. 2 188 Weichlöten, Bd. 2 187 Weichlöten, Festigkeit der Lötverbindung, Bd. 2 190 Weichlöten, Flussmittel, Bd. 2 188 Zeitstandscherfestigkeit von Lötverbindungen, Bd. 2 188

1302 Love’sche Verschiebungsfunktion ˚, Bd. 1 417 LPG, 1058, 1059 Lückengrad, 626 Luft spezifische Wärmekapazität, Bd. 1 760 trockene, Bd. 1 794 Luftaufwand, 79 Luftdruckbremse, 1054 Luftdurchlässe, 781 Luftfahrzeuge, 1135 Luftfeder, 1050, 1101 Luftführung, 777, 815 Luftführungsarten, 780 luftgekühlte Motoren, 130 luftgekühlte Verflüssiger, 740 Luftheizgeräte, 827 Luftheizung, 828, 830 Luftimpuls-Formverfahren, Bd. 2 825 Luftkühler, 739 Luftreifen, 400 Luftreinheit, 949 Luftschall, 1042, Bd. 1 879, Bd. 2 723 Luftschallabstrahlung, Bd. 1 890 Luftschallwellenlänge, Bd. 1 887 Luftspalt, Bd. 2 666 Luftspaltmoment, Bd. 1 847 Luftspeicher-Kraftwerk, 298 Luftspeicherwerke, 987 Luftüberschuss, Bd. 1 802 Luftüberschusszahl, Bd. 1 802 Lüftung, 816 Lüftungsanlage mit Kühldecke, 815 Lüftungswärmeverluste, 774 Luftverhältnis, 71 Luftverkehr, 1135 luftverteilter Kraftstoff, 96 Luftvorwärmung, Bd. 1 788 Luftwalze, 780, 815 Luft-Wasser-Anlagen, 814 Luftwiderstand, 1078, 1081 Luftwiderstand von Kraftfahrzeugen, Bd. 1 337 Lumineszenzdiode, Bd. 2 676

M machinery condition monitoring, Bd. 2 695 Machzahl, 1147 Magerbetrieb, 115 Magermotor, 97 Magnesiasteine, 659 magnetische Wegaufnehmer, Bd. 2 704 magnetischer Widerstand, Bd. 2 528 Magnetisierungskennlinie, Bd. 2 529 Magnetismus, Einheiten, Bd. 1 908 Magnetlager, Bd. 2 803 Magnetostriktion, Bd. 2 543 Magnetresonanztomographie, 857 Magnetschienenbremse, 1120 Magnetzünder, 102

Stichwortverzeichnis Makrostützwirkung, Bd. 1 467 Manipulatoren, 400 Manöverlastvielfache, 1172 Marinekopf, 128 Maschinenakustik, Bd. 1 879 maschinenakustische Grundgleichung, Bd. 1 884 Maschinenbauform, Bd. 2 1049 Maschinendiagnostik, Bd. 2 694 Maschinengestelle, Bd. 2 76 Doppelwandgestell, Bd. 2 77 Einwandgestell, Bd. 2 77 Kastengestell, Bd. 2 76 Portal- oder Brückengestell, Bd. 2 76 Rahmengestell, Bd. 2 78 Maschinengrundsystem, Bd. 2 1049 Maschinenhochlauf, Bd. 1 861 Maschinenkonstruktion, Bd. 2 1060 Maschinenschwingungen, Bd. 1 829 Maschinenwelle, Bd. 1 854 Maskenformverfahren, Bd. 2 827 maskengebundene Fertigungsverfahren, Bd. 2 956 Maskensintern, Bd. 2 980 Massenkräfte, 11, Bd. 1 863 Massenkräfte und Momente, Bd. 1 866 Massenmatrix, Bd. 1 830 Massenmittelpunkt, Bd. 1 249 Massenmomente, Bd. 1 863 Massenpunktsystem, Bd. 1 283 Massenspektrometrie, Bd. 2 727 Massenstrom, 418 Massen- und Gaskräfte, Bd. 1 845 Masse-Feder-Dämpfungssysteme, Bd. 2 706 Maßstäbe, Bd. 2 57 Maßstabsfaktor, Bd. 1 343 Maßstabsfaktor für Gewichtskräfte, Bd. 1 344 Maßstabsfaktor für gleiche Dehnungen, Bd. 1 344 Maßtoleranz, Bd. 2 52 Maßverkörperungen, Bd. 2 696 Materialabscheidung, Bd. 2 957 Materialabtragung, Bd. 2 957 Materialausnutzungskoeffizient, Bd. 2 815 Materialdämpfung, Bd. 2 1053, Bd. 2 1081 Materialermüdung, 1170 Materialfluss, 315 Materialgesetze von Maxwell und Kelvin, Bd. 1 458 mathematische Fadenpendel, Bd. 1 297 Mathieu’sche Funktionen, Bd. 1 308 Matrixdrucker, Bd. 2 748 maximale Randschubspannung, Bd. 1 378 maximale Schubspannung, Bd. 1 378 Maximalstrom, Bd. 2 1059 Maximum, Bd. 1 240 Maxwell-Medium, Bd. 1 327 Maxwell’sche Gleichungen, Bd. 2 522 McPherson-Achse, 1049 Mechanik, Einheiten, Bd. 1 907 mechanische Aufladung, 87 mechanische Beanspruchungen, Bd. 2 707 mechanische Funktionen, Bd. 2 1201

Stichwortverzeichnis mechanische Spannungen, Bd. 2 707 mechanischer Wirkungsgrad, 6, 44, 75 mechanisches Ersatzsystem, Bd. 1 830 mechanisiertes Hartlöten, Bd. 2 1202 Mechatronik, Bd. 2 599 Modellbildung und Entwurf, Bd. 2 795 Medizinprodukt, 845 Medizintechnik, 845 Medizintechnikbranche, deutsche, 846 mehrdimensionale Strömung zäher Flüssigkeiten, Bd. 1 334 Mehrfachpumpe, Bd. 2 509 Mehrgleitflächenlager, Bd. 2 344 mehrgliedrige Gelenkgetriebe, Bd. 2 456 Stephenson’sche Kette, Bd. 2 456 Watt’sche Kette, Bd. 2 456 Mehrkomponentenspritzgießen, Bd. 1 646 Mehrkoordinatenmessgeräte, Bd. 2 697 Mehrlenkerachse, 1049 Mehrlochdüsen, 108 Mehrmaschinensysteme, Bd. 2 1193 flexible Fertigungssysteme, Bd. 2 1194 flexible Fertigungszellen, Bd. 2 1194 Transferstraßen, Bd. 2 1195 Mehrphasenreaktor, 582 Mehrphasenströmung, 531 Trennschwierigkeit, 531 Mehrschicht-Flachriemen, Bd. 2 361 Beanspruchungen, Bd. 2 361 mehrschnittig, Bd. 1 366 Mehrschraubenverbindungen, Bd. 2 226 Abstreiffestigkeit, Bd. 2 227 Dauerschwingbeanspruchung, Bd. 2 227 Einschraubenverbindung, Bd. 2 225 Kraftverhältnisse, Bd. 2 226 Richtlinien für die Gestaltung, Bd. 2 226 Schraubenbelastungen, Bd. 2 226 Vordimensionierung, Bd. 2 225 mehrstufige Verdichtung, 44 Stufendruckverhältnis, 44 Mehr-Körper-Simulation, 1046 Mehrwegestapler, 400 Membran, 539 Gelschicht, 540 Konzentrationspolarisation, 540 Membranverschmutzung, 540 permeierende Massenstromdichte, 539 Membrankupplung, Bd. 2 1077 Membranpumpen, 31 Membranreaktor, 583 Membranspannungszustand, Bd. 1 430 Membrantrennverfahren, 539 Diffusion, 539 Lösungs-Diffusionsmembran, 539 Sorption, 539 Membranverdichter, 64 Mensch-Maschine-Schnittstelle, 1068 Meridianspannungen, Bd. 1 431 Messabweichung, Bd. 2 685, Bd. 2 688

1303 Messbericht, Bd. 2 690 Messbrücken, Bd. 2 735 Messen, Bd. 2 683 Messergebnis, Bd. 2 688 Messflächenmaß, Bd. 1 881 Messgenauigkeit (Akustik), Bd. 1 884 Messgeräte, Bd. 2 683 Messglied-Empfindlichkeit, Bd. 2 684 Messglied-Koeffizient, Bd. 2 684 Messgröße, Bd. 2 683, Bd. 2 687 Messgrößen der Technik, Bd. 2 693 Messgrößen im Bioreaktor, 583 Messgrößenaufnahme, Bd. 2 684 Messgrößenumformer, Bd. 2 796 Messgrößenumformung, Bd. 2 694 Messkette, Bd. 2 683, Bd. 2 687 Messmethoden, Bd. 2 683 Messmikroskope, Bd. 2 697 Messpotentiometer, Bd. 2 703 Messprinzipien, Bd. 2 683 Messprotokoll, Bd. 2 690 Messrauschen, Bd. 2 783 Messschaltung für DMS, Bd. 2 709 Messschieber, Bd. 2 697, Bd. 2 699 Messschraube, Bd. 2 697 Messsignalverarbeitung, Bd. 2 684 Messtaster, Bd. 2 699 messtechnische Rückführung, Bd. 2 688 Messunsicherheit, Bd. 2 688 Messunsicherheitsbudget, Bd. 2 690 Messverfahren, Bd. 2 683 Messverstärker, Bd. 2 736 Messwandler, Bd. 2 550 Spannungswandler, Bd. 2 550 Stromwandler, Bd. 2 550 Messwerke, Bd. 2 745 Messwertanzeige, Bd. 2 745 Messwertausgabe, Bd. 2 684 Messwertregistrierung, Bd. 2 747 Messwertspeicherung, Bd. 2 748 Metallfedern, Bd. 2 247 Metallhydrid, 1059 metazentrische Höhe, Bd. 1 313 Metazentrum M, Bd. 1 313 Methanol, 1058 Methanzahl, 91 Michaelis-Menten-Kinetik, 585 Michelson-Interferometer, Bd. 2 697 Micro Hybrid, 1062, 1074 Mikrocontroller, Bd. 2 742, Bd. 2 800 Mikrofunkenerosionsmaschinen, Bd. 2 1224 Mikroorganismen, 565 Mikrorechner, Bd. 2 741 Mikrosonde, Bd. 2 728 Mikrostrukturierungsverfahren, Bd. 2 971 Mikrostützwirkung, Bd. 1 466 Mikrosystemtechnik, Bd. 2 955 Mild Hybrid, 1062 Mindestluftbedarf, Bd. 1 801

1304 Mindestsauerstoffbedarf, Bd. 1 802 Mindest-Luftvolumenstrom, 814 Minimalmengenschmierung, Bd. 2 1095 Minimum, Bd. 1 240 mischen, 526 Mischer mit bewegten Mischwerkzeugen, 526 pneumatische Mischer, 526 rotierende Mischer, 526 von gesättigten Luftmengen, Bd. 1 797 zweier Luftmengen, Bd. 1 797 Mischentleerung, 437 Mischgassensoren, 814 Mischreibung, Bd. 1 252 Mischstrom, Bd. 2 531 Mischungsspülung, 85 MISES-Hypothese, Bd. 1 466 Missbrauchslastfall, 1042 Mitteldruck, 75 Mittelfrequenztransformator, Bd. 2 552 Mittelpufferkupplung, 1112 mittelschnelllaufender Dieselmotor, 134 Mittelspannungen, Bd. 1 467 Mittelungspegel, Bd. 1 883 Mittelwert, Bd. 1 840, Bd. 2 689 mittlere Kolbengeschwindigkeit, 9 mittlere Stoßkraft, Bd. 1 292 mittlerer Wirkungsgrad, Bd. 1 275 modale Analyse, Bd. 1 833 modale Parameter, Bd. 1 830 Modal-Matrix, Bd. 1 853 Modell, mentales, 1055 Modellbildung, Bd. 2 1084 Modellierung, Bd. 2 763, Bd. 2 1084 Modellreduktion, Bd. 1 859 Modellreferenzverfahren, Bd. 2 606 Modellversuche, Bd. 1 343 Modul, Bd. 2 36 Modul m, Bd. 2 392 modulare Produktfamilie, Bd. 2 39 modulare Produktstruktur, Bd. 2 37 Modularisierung, Bd. 2 37 Modularität, Bd. 2 36 Modulbaukasten, Bd. 2 39 Modultreiber, Bd. 2 37 Mohr’scher Spannungskreis, Bd. 1 354 Moire-Verfahren, Bd. 2 712 Molekularkräfte, Bd. 1 311 Mollier-Diagramm, Bd. 1 756 der feuchten Luft, Bd. 1 795 Molmassen, Bd. 1 761 Molwärme mittlere, Bd. 1 755, Bd. 1 761 von idealen Gasen, Bd. 1 761 Moment, Bd. 1 231 Momentanachse OM , Bd. 1 266 Momentanverbrauchsanzeige, 1072 Momentenbeiwert, 1152 Monoblock-Kolben, 127 Monocoque, 1043, 1044

Stichwortverzeichnis monolithisch integriert, Bd. 2 797 Monomere, Bd. 1 627 Monopolstrahler, Bd. 1 885 Montage und Demontage, Bd. 2 987 Beseitigung, Bd. 2 988 Demontieren, Bd. 2 988 Fügen, Bd. 2 987 Handhaben, Bd. 2 987 Justieren, Bd. 2 987 Kontrollieren, Bd. 2 987 Montieren, Bd. 2 987 Sonderoperationen, Bd. 2 988 Trennen, Bd. 2 988 Verwendung, Bd. 2 988 Verwertung, Bd. 2 988 Montagebühne, 397 Montagekraft, Bd. 2 219 Nachgiebigkeit, Bd. 2 220 Verspannungsdreieck, Bd. 2 220 Montageplanung, Bd. 2 992 Montageprozess, Bd. 2 990 Montagesysteme, Bd. 2 992 Mooringdruckregler, Bd. 2 507 Morphologie, 595 MOSFET, Bd. 2 670 Motor, Bd. 2 515 Motorbelastung, 120 Motoren-Kraftstoffe, 91 Motorgehäuse, 128 motorinterne Maßnahmen, 119 Motorkennung, 109, 120 Motorkraft, 953 Blockheizkraftwerke (BHKW), 953 Schalldämpfung, 953 Motorkraftwerke Abgase, 954 Kühlwasser, 953 Motorrad, 1037 Motorschleppmomentregelung, 1056 Motorschutzschalter, Bd. 2 640 Motorsteuerung, 1059 Motor-Hauptgleichung, 80 Multiprozessorsysteme, Bd. 2 800 Multitasking, Bd. 2 799 Muscheldiagramm, 110 Mustererkennung, Bd. 2 701 Mutterarten, Bd. 2 215 Muttern, Bd. 2 216 Unterlegscheiben, Bd. 2 217 Mutternwerkstoffe, Bd. 2 217 M. A. N.-M-Verfahren, 97 M. A. N.-Umkehrspülung, 86 myoelektrische Prothese, 883 Myzel, 595

N Nablaoperator r, Bd. 1 330 Nachbehandeln, Bd. 2 817

Stichwortverzeichnis Nachbehandlungsgeräte, 818 Nachgiebigkeitsfrequenzgang, Bd. 2 1053 Nachtsichtgerät, 1072 Nachweise, 332 allgemeiner Spannungsnachweis, 337 Betriebsfestigkeitsnachweise, 335 Festigkeitsnachweise, 332 Lagesicherheitsnachweis, 338 Nachweismethodik, 379 Standsicherheitsnachweis, 338 Nadellager, Bd. 2 1071 Näherungsverfahren zur Knicklastberechnung, Bd. 1 439 Nahtdicke, Bd. 2 177 Nanopositioniertisch, Bd. 2 802 Narkosemitteldosierung, 863 Nasenkeil, Bd. 2 209 Nassgriff, 1047 Natrium-Nickel-Chloridbatterien, Bd. 2 645 Naturkautschuke NR, Bd. 1 638 natürliche Brenngase, 925 natürliche feste Brennstoffe, 917, 940 Abfallbrennstoffe, 918 Asche, 920 Braunkohle, 918 Brennwert, 919 Brikettieren, 918 Heizwert, 919 Inkohlungsgrad, 917 Müll, 918 pflanzliche Abfälle, 919 Schlackenviskosität, 920 Schmelzverhalten, 920 Schwelen, 918 Steinkohle, 918 Torf, 918 Verkoken, 918 Zündtemperaturen, 920 natürliche Koordinaten, Bd. 1 257 natürliche Leistung, Bd. 2 637 Navier’sche Gleichung, Bd. 1 416 Navigation, 1080 Navigationssystem, 877, 1068, 1072 NC-Programmierung, Bd. 2 1115 Nebel, Bd. 1 795 Nebelgebiet, Bd. 1 795 Nebenbedingung, Bd. 1 223 Nebenfunktionen, 397 Nebenschluss-Motor, Bd. 2 1059 Nebenverbraucher, 1058 NEFZ-Zyklus, 1059, 1061 negative Massenbeschleunigung, Bd. 1 276, Bd. 1 433 Neigetechnik, 1102 Nennmaß, Bd. 2 52 Nenn-Mittelspannungen, Bd. 1 467 Nennspannung, Bd. 1 366 Nennspannungen in den Schweißnähten, Bd. 2 177 Nennspannungsamplituden, Bd. 1 468 Nennspannungskonzept, 333, Bd. 1 464, Bd. 2 181 mit zulässigen Spannungen, Bd. 2 176

1305 Net Positive Suction Head, 228 netzgeführter Stromrichter, Bd. 2 590 Brückenschaltung, Bd. 2 590 Mittelpunktschaltung, Bd. 2 590 Netzrückwirkungen, Bd. 2 592 Netzwerk, Bd. 2 525, Bd. 2 538 Netzwerkberechnung, Bd. 2 540 Neumann’sche Funktion, Bd. 1 307 Neumann’sche Funktion nullter Ordnung, Bd. 1 444 neutrale Faser, Bd. 1 376 Neutralisator, adaptiv, Bd. 1 891 Neutralpunkt, 1154 Newton’sche Fluide, 598 Newton’sche Flüssigkeit, Bd. 1 315 Newton’sche Flüssigkeiten, Bd. 2 717 Newton’scher Schubspannungsansatz, Bd. 1 311 Newton’sches Axiom, Bd. 1 368 2. Newton’sches Axiom, Bd. 1 275 nichtelektrische Messgrößen, Bd. 2 694 Nichtgleichgewichtszustände, Bd. 1 743 nichtlineare Schwingungen, Bd. 1 307 nichtlineares Fließgesetz, Bd. 1 315 Nicht-Newton’sche Fluide, 598 Nicht-Newton’sche Flüssigkeiten, Bd. 1 315, Bd. 2 717 nichtoxidkeramische Materialien., 659 nichtsymmetrische Querschnitte, Bd. 1 375 Nickel und Nickellegierungen, Bd. 2 170 Nickel-Metallhydrid-Batterie, 1061, Bd. 2 645 Nicken, 1045 Niederdruckkokillengießen, Bd. 2 835 Niederhubwagen, 398 Niedertemperaturheizkessel, 836 Nierenersatztherapie, 867 Nietformen, Bd. 2 211 Nietverbindungen, Bd. 2 211 Nockenwelle Antrieb der Nockenwelle, 81 hydraulischer Ventilspielausgleich, 81 obenliegende, 81 untenliegende, 80 Ventilbewegung, 81 Ventilquerschnitt, 82 Normalbeschleunigung, Bd. 1 258 normale Verbrennung, 92 Normalenrichtung, Bd. 1 257 Normalkraft, 8, Bd. 1 368 Normalkurven gleicher Lautstärkepegel, Bd. 1 880 Normalprojektion, Bd. 2 57 Normalschachtöfen, 605 Normalspannung, Bd. 1 353 Normalspannungshypothese, Bd. 1 361 Normaußentemperaturen, 774 Normblenden, Bd. 2 715 Normdüsen, Bd. 2 715 Normen ausländische, Bd. 1 922 Bezugsquellen, Bd. 1 922 Normfarbtafel, Bd. 2 721 Norminnentemperaturen, 774

1306 Notbremsassistent, 1072 Notlauf, 1047 Notlaufeigenschaften, 1048 Notrad, 1048 Notruf, automatischer, 1072 NPSH-Wert, 228 Blasenlänge, 229 Förderhöhenabfall, 229 geodätische Saughöhe, 229 geodätische Zulaufhöhe, 229 Materialverschleiß, 229 Schalldruckpegel, 229 Vergleichmäßigung der Zuströmung, 230 Wirkungsgradabfall, 229 nukleare Kraftwerke, 255 Druckwasserreaktoren, 255 halbtourige Turbinen, 256 Siedewasserreaktoren, 255 Nullhubdruckregler, Bd. 2 506 Nullpunktabweichung, Bd. 2 685 Nullung, Bd. 2 643 Nullwiderstand, 1156 numerische Simulation, 783 Nur-Luft-Anlagen, 812 Nußelt-Zahl, Bd. 1 813 Nutzarbeit, 3, 74, Bd. 1 275 Nutzbremsung, 396 Nutzenergie, 6, 943 Dampfprozess, 944 Einwellenanordnung, 944 Gasturbinen, 944 Gas- und Dampfturbinenprozesse, 944 Kraftwerksblöcke, 943 Wärmekraftwerke, 943 Zweiwellenkonstruktionen, 944 Nutzlast-Reichweiten-Diagramm, 1168, 1170 Nutzleistung, 109, Bd. 1 330 Kreisprozess, Bd. 1 787 Nutzliefergrad, 47 Nutzsenken, 398 Nutzungsgrad, 836, Bd. 2 246 Nutzwirkungsgrad, 76

O Oberdruckhammer, Bd. 2 1143 Oberfläche, 1045 technische, Bd. 2 50 Oberflächenanalytik, Bd. 2 728 Oberflächenkondensatoren, 668 Oberflächenkultivierung, 580 Oberflächenmesstechnik, Bd. 2 699 Oberflächenschichtverfahren, Bd. 2 711 Oberflächen-Mikromechanik, Bd. 2 959 Oberflächenzündung, 94 Oberflasche, 378 Oberschwingungen, Bd. 2 531 Grundschwingungsgehalt, Bd. 2 531 Oberwagen, 390

Stichwortverzeichnis Ofenkopf, 616 Ofenlöten mit Weich- und Hartloten, Bd. 2 1203 Ofentypen, 604 offener Kreislauf, Bd. 2 1069 offener Verdichter, 736 O-Gestell, Bd. 2 1081 Ohm’sches Gesetz, Bd. 2 524 Oktanzahl, 91 Ölabstreifringe, 19 ölbefeuerte Warmlufterzeuger, 827 Öleinspritzschmierung, Bd. 2 1095 Ölkreislauf, Bd. 2 1069 Ölpressverband, Bd. 2 200 Operationsverfahren, minimal-invasives, 877 Operationsverstärker, Bd. 2 675, Bd. 2 736 Optimierung, Bd. 2 1084 Optimierungsproblem, Bd. 1 223 optische Messgrößen, Bd. 2 719 optoelektronische Komponenten, Bd. 2 675 optoelektronische Wegaufnehmer, Bd. 2 704 Optokoppler, Bd. 2 675, Bd. 2 677 Organisationsformen der Montage, Bd. 2 992 organisch-chemische Analytik, Bd. 2 727 Orientierung, Bd. 2 987 Ort der Anwendung, 849 Orthogonalitätseigenschaften, Bd. 1 833 Ortskoordinate, Bd. 1 257 Ortskurve, Bd. 2 535, Bd. 2 768, Bd. 2 1053 Ortsvektor, Bd. 1 265 Ossbergerturbinen, 218 Ostwald-de Waele-Modell, 598 oszillierende Massenkräfte, 11 oszillierende Verdrängerpumpen, 31 Oszilloskope, Bd. 2 747 Ottomotor, 98, 1058, 1061, Bd. 1 788 Ozongefährdungspotenzial, 728

P Package, 1045, 1061, 1070, 1076 Packungskolonne, 531–534 Arbeitsdiagramm, 531, 532 Bilanzlinie, 531 Gleichgewichtslinie, 531, 533 Stoffbilanzen, 532 Stoffübergangskoeffizienten, 533, 534 Trennstufen, 531, 533 volumenbezogene Phasengrenzfläche, 534 Wärmeübertragungsvorgänge, 532 Zahl der Übergangseinheiten, 531, 533 Padé, Bd. 1 204 Palette, 445 Palmgren/Miner, 337 Parabelfeder, Bd. 2 248 Parallelanströmung eines Kreiszylinders, Bd. 1 333 parallele A/D-Umsetzer, Bd. 2 740 parallele Achsen, Bd. 1 371 Parallelepiped, Bd. 1 357 Parallelkinematik, Bd. 2 1080

Stichwortverzeichnis Parallelreaktionen, 547 Parallelrechnersysteme, Bd. 2 800 Parallelschaltung, Bd. 1 296 Parallelströmung, Bd. 1 332 Parallelverschiebung, Bd. 1 264 Parameter, modale, Bd. 1 830, Bd. 1 831 Parameterermittlung, Bd. 1 849 parametererregte Schwingungen, Bd. 1 843 Parkbremse, 1120 Partikel, 115 Partikelfilter, 118 Partikelmesstechnik, 517 partikuläre Lösung, Bd. 1 295 Pass- und Scheibenfeder-Verbindungen, Bd. 2 208 Passfeder, Bd. 2 208, Bd. 2 209 passive Sicherheit, 1039 Passivkraft, Bd. 2 884 Passungen, Bd. 2 52, Bd. 2 54 Passungssysteme, Bd. 2 54 Pasten, Bd. 1 315 Patch, Bd. 1 893 Patchaktor, Bd. 1 893 Paternosterregal, 470 Patientenmonitoring, 859 Péclet-Zahl, Bd. 1 813 Pedalerie, 1045, 1068, 1076 Pegel der akustischen Transferfunktion, Bd. 1 885 Pegel der Körperschallfunktion, Bd. 1 885 Pegeldifferenz, Bd. 1 883 Pegelsumme, Bd. 1 883 Pellet, 595 Wachstum, 597 Peltier-Effekt, Bd. 2 542 Peltonturbine, 217 Druckstoß, 218 Freistrahldüse, 217 innengesteuerte Düsen, 217 Leistungsregulierung, 217 Strahlablenker, 218 Strahlkreisdurchmesser, 217 PEM-Brennstoffzelle, 1060 Pendelbecherwerke, 439 Pendelmomente, Bd. 2 600 Pendelschwingung, Bd. 1 297 Pendelunterdrückung, 384 Periodendauer, Bd. 1 879 peripherer Antrieb, Bd. 2 74 Peristaltikpumpe, 870 Permanentmagnet, Bd. 2 529 Oberflächenmagnet/vergrabener Magnet, Bd. 2 570 Permeabilität, Bd. 2 524, Bd. 2 666 Pervaporation, 529 Pfeilung, 1148 Pfeilwinkel, 1148 Pflanzenöl, 1058 pflanzliche Zellen, 568 Phasendurchsätze, 531 Phasenumwandlung, Bd. 1 814 Phasen-Frequenzgang, Bd. 1 834

1307 Phasenverschiebung, Bd. 1 295 Phenolharze, 1176, Bd. 1 634 photochemische Verfahren, Bd. 2 726 Photometer, Bd. 2 720 photometrische Größen, Bd. 2 719 Photovoltaik (PV), Bd. 2 647 pH-Wert, Bd. 2 726 physikalische Ähnlichkeit, Bd. 1 343 physikalische Konstanten, Bd. 1 909 physikalische Pendel, Bd. 1 280, Bd. 1 295 PID-Regler, Bd. 2 781 Piezoaktor, Bd. 2 798, Bd. 2 801 piezoelektrisch, Bd. 1 892, Bd. 1 893 piezoelektrische Kraftmesstechnik, Bd. 2 708 Piezoelektrizität, Bd. 2 542 piezoelektrische Wandler, Bd. 2 542 Piezokeramik, Bd. 1 892, Bd. 1 893 Pilze, 566 Pitotrohr, Bd. 2 715 Pitotrohr für Flüssigkeiten, Bd. 1 317 PI-Regler, 121 Pkw-Dieselmotor, 133 Pkw-Ottomotor, 130 Plancksches Strahlungsgesetz, Bd. 1 735 Planetengetriebe, 1066, Bd. 2 1074 Planetenrad, Bd. 1 269 Planiermaschinen, 507 Brustschild, 507 Grader, 508 Heckaufreißer, 507 Planierraupe, 507 Raddozer, 507 Schwenkschild, 507 Straßenhobel, 508 Tiltzylinder, 507 Planung von Messungen, Bd. 2 687 Plasma-Schmelzschneiden, Bd. 2 186 Plastifizierungsradius, Bd. 1 461 plastische Deformation, Bd. 1 362 plastischer Ausdehnungsbereich, Bd. 1 458 plastischer Bereich, Bd. 1 457 plastischer Stoß, Bd. 1 292 Platin, 1059 Platinenschneidanlage, Bd. 2 1127 Platin-Widerstandsthermometer, Bd. 2 718 Platte, Bd. 1 425 Platte mit Einzellast, Bd. 1 427 Plattenbandförderer, 452 Plattenbauweise, Bd. 2 1081 Plattendicke, Bd. 1 425 Plattenelement, Bd. 1 448 Plattenmodule, 539 Plattensteifigkeit, Bd. 1 425 Plattform, Bd. 2 39 Plattformfahrzeug, 401 Plattformstrategie, Bd. 2 39 Pleuelstange, 15, 16, 127 Pleuelversatz bei V-Motoren, 16 Plungerkolben, 16

1308 pneumatische Bremse, 1120 pneumatische Förderung, 555 Feststoffgeschwindigkeiten, 556 pneumatische Getriebe, Bd. 2 1070 Pneumohydraulik, Bd. 2 481 Poisson’sche Gleichung, Bd. 1 398 Poissonzahl, Bd. 1 359 polares Flächenmoment I p , Bd. 1 371 polares Trägheitsmoment, Bd. 1 285 polares Widerstandsmoment, Bd. 1 395 Polarimetrie, Bd. 2 721 Polarographie, Bd. 2 726 Polradspannung, Bd. 2 572 Polyacetalharze POM, Bd. 1 629 Polyacrylate PMMA, Bd. 1 630 Polyamide PA, Bd. 1 629 Polyaryletherketone, Bd. 1 632 Polycarbonat PC, Bd. 1 630 Polychloroprenkautschuke CR, Bd. 1 638 Polyester TP, thermoplastische, Bd. 1 630 Polyesterharze UP, ungesättigte, Bd. 1 634 Polyethylen PE, Bd. 1 632 Polyethylen-Harze, Bd. 1 327 Polygonprofil, Bd. 2 209 Polygonwellenverbindungen, Bd. 2 210 Polyimide PI, Bd. 1 632 Polymere, Bd. 1 627 Polymerlegierungen, Bd. 1 627 Polymer-Elektrolyt-Membran, 1059 Polynommatrix, Bd. 1 199 Polyphenylensulfid PPS, Bd. 1 632 Polyphenylether PPE, modifizierte, Bd. 1 630 Polyphtalamide, Bd. 1 632 Polypropylen PP, Bd. 1 633 Polystyrol PS, Bd. 1 631 Polysulfone PSU/PES, Bd. 1 631 Polytetrafluorethylen PTFE, Bd. 1 633 Polytrope, Bd. 1 778 Polyurethanelastomere PUR, Bd. 1 639 Polyvinylchlorid PVC, Bd. 1 633 Porenmembran, 867 Portal, Bd. 2 1078, Bd. 2 1080 Position, Bd. 2 987 Postprocessing, Bd. 2 1084 Potential, Bd. 1 240, Bd. 1 273 Potentialgleichung, Bd. 1 398 Potentialströmung, Bd. 1 330, Bd. 1 399 Potentialwirbel, Bd. 1 332 Power- und Free-Förderer, 440 Prandtl’sches Seifenhautgleichnis, Bd. 1 399 Prandtlstaurohr, Bd. 2 715 Prandtl-Zahl, Bd. 1 813, Bd. 1 816 Präzessionskegel, Bd. 1 291 Präzision, Bd. 2 688 Preprocessing, Bd. 2 1084 Pressen, Bd. 2 822 Presshärten, Bd. 2 876 Presspassungen, Bd. 1 366 Pressschweißen, Bd. 2 159

Stichwortverzeichnis Pressschweißverbindungen, Bd. 2 185 Pressstumpf- und Abbrennstumpfschweißen, Bd. 2 185 Pressverband, Bd. 2 196, Bd. 2 199–Bd. 2 202 Dauerfestigkeit, Bd. 2 201 elastisch, Bd. 2 199 elastisch-plastisch, Bd. 2 201 Entwurfsberechnung, Bd. 2 199 Feingestaltung, Bd. 2 203 Grobgestaltung, Bd. 2 202 Kerbwirkungszahlen, Bd. 2 201, Bd. 2 202 Klemmverbindungen, Bd. 2 199 Primärenergien Barwertmethode, 908 Heiz- und Brennwert, 917 leistungsabhängige Kosten, 908 leitungsgebundene Energien, 907 maximaler CO2 -Gehalt, 917 Sekundärenergie, 907 Steinkohleneinheiten (SKE), 917 Umwandlungswirkungsgrad, 908 Zündtemperatur, 917 Primärmontage, Bd. 2 991 Primärstruktur, 1182 Primärteil, Bd. 2 1060 Prinzip virtueller Arbeiten, Bd. 1 239, Bd. 1 392 Prinzip virtueller Kräfte, Bd. 1 392 Prinzip virtueller Verrückungen, Bd. 1 239, Bd. 1 394 Prinzip von d’Alembert und geführte Bewegungen, Bd. 1 276 Prinzip von Hamilton, Bd. 1 282 Prismenführungen, Bd. 2 1088 Produktansatz von Bernoulli, Bd. 1 304 Produktarchitektur, Bd. 2 36 Produktaufarbeitung, 574 Produktbildung, 574 Produktbildungskinetik, 599 Luedeking und Piret, 599 Produktentstehungsprozess, 1046 Produktfamilie, Bd. 2 35 Produktion, kundenspezifische, 1039 Produktlinie, Bd. 2 35 Produktprogramm, Bd. 2 35 Produktstruktur, Bd. 2 36 Produktstrukturierung, Bd. 2 35 Produktvariante, Bd. 2 35 Profildicke, Bd. 1 341 Profile, 331 halbovale Profile, 332 Hohlprofile, 331 I-Profile, 331 I-Träger, 331 Kastenprofile, 331 ovale Profile, 332 Schweißprofile, 331 T-Profile, 332 Walzprofile, 331 Profilfräsen, Bd. 2 943 Profilkurve, Bd. 1 435

Stichwortverzeichnis Profilschleifen, Bd. 2 947 Profilverschiebung, Bd. 2 396, Bd. 2 398 Profilwiderstand, Bd. 1 341 Profilwölbung, 1184 Programmierung CLDATA, Bd. 2 1115 DIN 66 025, Bd. 2 1115 EXAPT, Bd. 2 1115 ISO 14 649, Bd. 2 1116 Propellercharakteristik, 120 Propellerprofile, 241 Propellerschubkraft, Bd. 1 330 Propellerturbine, 1160 Proportionalitätsgrenze, Bd. 1 358 Proportionalventil Proportional-Druckventil, Bd. 2 500 Proportional-Wegeventile, Bd. 2 500 Prothese fremdkraftgetriebene, 882 kosmetische, 880 Prothesenschaft, 880 Prozess, Bd. 1 730 instationärer, Bd. 1 741 mit Reibung, Bd. 1 743 reversibler, Bd. 1 743 stationärer, Bd. 1 740 Prozessdatenverarbeitung, Bd. 2 799 Prozesskraft, Bd. 1 831, Bd. 2 1078 Prozessmembranpumpen, 36 Prozessrechner, Bd. 2 799 digitale Signalprozessoren, Bd. 2 800 Echtzeitprogramm, Bd. 2 799 Mikrocontroller, Bd. 2 800 Multiprozessorsysteme, Bd. 2 800 Multitasking, Bd. 2 799 Parallelrechnersysteme, Bd. 2 800 Transputer, Bd. 2 800 Prüfen, Bd. 2 683 Puffer, 381, 1111 elastische Kunststoffpuffer, 381 hydraulischePuffer, 381 Pulsationsdämpfung, 25 pulsierende Axiallast, Bd. 1 308 Pulsverfahren, Bd. 2 595 Raumzeigermodulation, Bd. 2 596 Unterschwingungsverfahren, Bd. 2 595 pulverbasierte Verfahren, Bd. 2 977 Pumpe, 870, Bd. 1 342 Pumpe – Leitung – Düse, 105 Pumpenbauart, 21 Pumpenförderstrom, Bd. 2 480 Pumpenleistung, Bd. 1 787 Pumpspeicherkraftwerke, 215 Pumpspeicherwerk, 217, 223 Drei-Maschinen-Satz, 223 Energiebilanz, 223 Nachtstrom, 217 Spitzenstrom, 217 Vier-Maschinen-Satz, 223

1309 Zwei-Maschinen-Satz, 223 Punktschweißen, 1043 Putzkühldecke, 817 P-Regler, 121 PVD-Verfahren, Bd. 2 971 Pyrometer, Bd. 2 718

Q Quad, 1037 Quadricycle, 1037 Quantisierungsfehler, Bd. 2 739 Quellluftdurchlass, 781 Querbalken, Bd. 2 1078 Querbeschleunigung, 1056 Querdehnung, Bd. 1 359, Bd. 1 377 Quergurtsorter, 451 Querkontraktionszahl, Bd. 1 506 Querkraft, Bd. 1 368 Querkraftbiegung, Bd. 1 376 Querkraftfläche, Bd. 1 369 Querrippen, Bd. 2 1083 Querruder, 1152, 1183 Querschotten, Bd. 2 1083 Querstapler, 400, 401 Querstift, Bd. 2 209 Querstromspülung, 86 Querteilanlage, Bd. 2 1126 Quer-Schraubschleifen, Bd. 2 935

R R134a, Bd. 1 773 R152a, Bd. 1 773 Rachenlehren, Bd. 2 699 Rad, 1046 RADAR, 1055, 1072 Radar, Bd. 2 696 Radarme, 400 Radarmstapler, 400 Radaufhängung, 1049 Radaufstandsfläche, 400 Radbauarten, 1094 Radschallabsorber, 1095 Raddrehzahl, 1056 Radführung, 1045 Radialbelastung, Bd. 1 370 radiale gleichmäßige Streckenlast, Bd. 1 428 radiale Laufradbauarten, 272 geschlossenes 2D-Laufrad, 272 geschlossenes 3D-Laufrad, 273 Laufradfestigkeit, 275 Laufradherstellung, 274 Laufradverwendung, 273 offenes Laufrad, 273 radiale Streckenlast innen und außen, Bd. 1 429 radiale Verdichterbauarten, 275 Einwellenverdichter, 275 Mehrwellen-Getriebeverdichter, 278

1310 Radialgleitlager, instationär belastete, Bd. 2 338 Radialkolbenmaschine, Bd. 2 485 Radialkolbenmotor, Bd. 2 493 Radialkolbenpumpe, Bd. 2 492 Radnabenmotor, Bd. 2 493 Radialluft, Bd. 2 308 Radialreifen, 1047 Radialverdichter, 270, 865 Stufenzahlen, 270 Radialverschiebung w, Bd. 1 390 Radio Frequency Identification, 491 Radiophotolumineszenzdetektoren, Bd. 2 723 Radlader Knicklenkung, 504 Nickschwingungen, 505 Radlager, 1045, 1049 Radlast, 1046 Radlastschwankung, 1058 Radlastverhältnis, 1113 Radnabenmotor, Bd. 2 493 Radstand, 1046 Radträger, 1045, 1049 Rad-Schiene-Kräfte, 1129 Raketenmasse, Bd. 1 282 Raketenschubkraft, Bd. 1 330 Ramanspektrometrie, Bd. 2 727 Randbedingungen, Bd. 1 389 Randelemente, Bd. 1 452 Rankine-Skala, Bd. 1 734 Rapsöl-Methyl-Ester, 1058 Rasterelektronenmikroskop, Bd. 2 699 Rastersondenmikroskop, Bd. 2 700 Raster- und Grauwertkorrelationsverfahren, Bd. 2 711 Rastpolkegel, Bd. 1 266 Rattern, Bd. 2 1053 Rauchgrenze, 110 Rauheitsprofilkurven, Bd. 2 700 Rauhigkeit der Rohrwand, Bd. 1 319 Raum und Zeit Einheiten, Bd. 1 907 Räumen, Bd. 2 895 raumfeste Achse, Bd. 1 264 räumliche Bewegung, Bd. 1 263 räumliche Fachwerke, Bd. 1 247 räumlicher und ebener Spannungszustand, Bd. 1 459 raumlufttechnische Anlagen, 810 Räummaschinen, Bd. 2 1176 Innen- und Außenräummaschinen, Bd. 2 1176 Senkrecht-, Waagerecht- und HubtischRäummaschinen, Bd. 2 1176 Raumnutzungsgrad, 474 Räumschild, 397 Raumsystem Karussellbauweise, Bd. 2 76 Linienbauweise, Bd. 2 76 Tischbauweise, Bd. 2 76 Trommelbauweise, Bd. 2 76 Wandbauweise, Bd. 2 76 Raumzeigermethode, Bd. 2 564 Rayleigh-Quotient, Bd. 1 223, Bd. 1 303

Stichwortverzeichnis RBG, 467 Reaktionsenthalpie, 543 Bildungsenthalpie, 543 Reaktionsgeschwindigkeit, 545 Reaktionsharzbeton, Bd. 2 1081 Reaktionskinetik, 541 Reaktionskräfte, Bd. 1 231, Bd. 1 353 reaktive Strukturintensität, Bd. 1 896 reale Gase, Bd. 1 755 realer Arbeitsprozess, 76 Realgasfaktor, 41, Bd. 1 752 von Wasserdampf, Bd. 1 752 rechnerunterstützte Messsignalverarbeitung, Bd. 2 741 Rechteckgewinde, Bd. 1 254 Rechteckmembran, Bd. 1 305 Rechteckplatte, Bd. 1 426, Bd. 1 443, Bd. 1 886 rechtes Schnittufer, Bd. 1 368 Rechtsschraube, Bd. 1 231, Bd. 1 264, Bd. 1 375 Recycling, 1039 Reduktion, Bd. 1 235 reduzierte Knicklänge, Bd. 1 437 reduzierte Masse, Bd. 1 286 Referenzmaterialien, Bd. 2 726 Referenzspannungen, Bd. 2 667 Reflexionsgesetz, Bd. 1 293 Reflexionsgrad, Bd. 2 720 Reformer-Gas, 1059 Refraktometrie, Bd. 2 721 Regalbediengerät, 467 Regallägern, 399 Regel- und Stellsysteme, Bd. 2 506 automotive Steuerung, Bd. 2 507 Nullhubdruckregler, Bd. 2 506 pumpendrehzahlgesteuertes Verstellsystem, Bd. 2 506 Sekundärregelung, Bd. 2 506 Regelgröße, Bd. 2 779 Regelgrößen im Bioreaktor, 583 Regelgütekriterium, Bd. 2 607 Regelkreis, Bd. 2 779 Einstellregeln, Bd. 2 787 Führungsverhalten, Bd. 2 784 Rauschverhalten, Bd. 2 783 Signalskalierung, Bd. 2 788 Stabilität, Bd. 2 785 Störgrößenaufschaltung, Bd. 2 789 Störungsverhalten, Bd. 2 783 Übertragungsverhalten, Bd. 2 780 Regelorgane, 695 Regelstrecke, Bd. 2 774 Regeltransformator, Bd. 2 552 Regelung, 59, 121, 808, Bd. 1 891, Bd. 2 759 Aussetzregelung, 59 Bypassregelung, 60 Drehzahlregelung, 59 Leerlaufregelung mit Saugventilabhebung, 61 Regelung durch Saugventil-Abhebung, 60 Saugdrosselregelung, 60 Schieberregelung, 61

Stichwortverzeichnis Staudruckregelung, 61 Zuschaltraumregelung, 60 Regelungsarten, 281 Bypass-Regelung, 283 Drehzahlregelung, 282 Eintrittsleitschaufelregelung, 283 Saugdrosselregelung, 282 Regelungstechnik, Bd. 2 755 Regelventil, 834 regenerative Energien, 932 Biogas, 936 Biomasse, 936 geothermische Energie, 935 Mülldeponien, 936 Wasserenergie, 932 Windenergie, 933 Regenerativeffekt, Bd. 2 1053 regenerativer Wärmeübergangskoeffizient, 635 Regeneratorbrenner, 641 Regenerierung, 537 Regensensor, 1057, 1068 Regler, 121, 1080 reguläre Präzession, Bd. 1 291 Regulierbremsung, 1120 Reibarbeit, 74 Reibbelag, 1053 Reibgetriebe, Bd. 2 1068 Reibschlussverbindungen, Bd. 2 196, Bd. 2 200 Reibschweißen, Bd. 2 164 Rotationsreibschweißen, Bd. 2 164 Rührreibschweißen, Bd. 2 164 Reibung, Bd. 1 250 Reibung am Keil, Bd. 1 253 Reibungskegels, Bd. 1 251 Reibungskraft, Bd. 1 274 Reibungskupplungen, Bd. 2 267 Reibungsverhalten, Bd. 2 1089 Reibungswiderstand, Bd. 1 336 Reibungswiderstand an rotierenden Scheiben, Bd. 1 337 Reibwinkel, Bd. 1 254 Reichweite, 1163 Reifen, 1046, 1053 Reifendruck, 1048 Reifendrucküberwachung, 1057 Reifendrucküberwachungssystem, 1048 Reifenrollradius, dynamischer, 1048 Reifenumfangskraft, 1053 Reihenschaltung, Bd. 1 296 reine Räume, 778 reines Biegeknicken, Bd. 1 441 Reinigen, Bd. 2 879 Reinigung des Hydraulikmediums, Bd. 2 503 Reinraumbedingungen, 778 Reiseflug, 1161 Rekonstruktion, 854 Rektifikation, 531, 532, 534 Vielstoffgemische, 532 Rektifikator, 529 rektifizieren, 529

1311 Rekuperation von Bremsenergie, 1062, 1074 Rekuperatorbrenner, 641 Relativbeschleunigung ar , Bd. 1 268 Relativbewegung, Bd. 1 268 Relativgeschwindigkeit, Bd. 1 268 Relaxation, Bd. 1 458 Reluktanzmotor, synchrongeschaltet, Bd. 2 570 Resektionsschablone, 877 Reserverad, 1048 Resonanzbild, Bd. 1 300 Resonanzeffekte, Bd. 1 832 Resonanzerscheinungen, Bd. 1 829 Resonanzfall, Bd. 1 834 Resonanzstellen, Bd. 1 300 Resonanzverhalten, Bd. 1 299 Restfeuchte, 538 Restitutionsperiode R, Bd. 1 292 Restklemmkraft, Bd. 2 222 Restspannung, Bd. 1 459 Resultierende der Schubspannung, Bd. 1 379 resultierende Druckkraft, Bd. 1 312 resultierende Verschiebung, Bd. 1 389 reversibel, Bd. 1 738 reversible Reaktion, 547 Reynolds-Zahl, Bd. 1 318, Bd. 1 813 RFID, siehe Radio Frequency Identification Rheologie, 598 rheopexen Flüssigkeiten, Bd. 1 327 Rhythmusstörung bradykarde, 866 tachykarde, 866 Richtigkeit, Bd. 2 688 Richtung, 11 Ride, 1045 Riemenbauarten, Bd. 2 365 Entwurfsberechnung, Bd. 2 365 Riemengetriebe Bemessungsleistung, Bd. 2 363 gekreuztes, Bd. 2 362 geschränktes, Bd. 2 362 offenes, Bd. 2 361 Riemenlauf, Bd. 2 363 Riementrieb, 1069, 1073, 1074, Bd. 1 254, Bd. 2 1067 Riemenvorspannung, Bd. 2 363 Riemenwerkstoffe, Bd. 2 365 Ringfedern, Bd. 2 248 Ringfederspannsatz, Bd. 2 196 Ringschachtöfen, 605 Ringspule, Bd. 2 666 Ringträger, 126 Ringwirbel, Bd. 1 331 Rissfortschrittsverhalten, Bd. 1 516 Risswachstum, 1170 Ritter’sches Schnittverfahren, Bd. 1 245 Ritzel-Zahnstange-Trieb, Bd. 2 1073 RLT-Systeme, 811 RME, 1058 Roboter Betriebsarten, Bd. 2 1213

1312 Dynamisches Modell, Bd. 2 1209 Kalibrierung, Bd. 2 1210 Kaskadenregelung, Bd. 2 1211 Kinematisches Modell, Bd. 2 1208 Kraftregelung, Bd. 2 1213 Leistungskenngrößen, Bd. 2 1210 Mechatronischer Aufbau, Bd. 2 1208 Nachgiebigkeitsregelung, Bd. 2 1213 Offline-Verfahren, Bd. 2 1215 Online-Verfahren, Bd. 2 1214 Play-Back, Bd. 2 1214 Programmierung, Bd. 2 1214 Regelungsverfahren, Bd. 2 1211 Teach-In, Bd. 2 1214 Vorsteuerung, Bd. 2 1212 Robotersteuerung, Bd. 2 1211 Rohrbogen unter Innendruck, Bd. 1 431 Rohrbündel, Bd. 1 816 Rohre, 688 Arten, 688 aus Kunststoff, 689 aus NE, 689 Druckverluste, 705 Gusseisen, 689 Normen, 688 Stahl, 688 Verbindungen, 689 Werkstoffe, 688 Rohreinläufe, Bd. 1 323 Rohrkrümmern, Bd. 1 815 Rohrleitungen, 673, 687 Armaturen, 695 Geschwindigkeiten, 705 Halterungen, 692 Strömungsverluste, 688 wirtschaftlicher Rohrdurchmesser, 688 Rohrleitungselemente, Bd. 1 322 Rohrnetz, 831 Rohrnetzberechnung, 832 Rohrreibungszahl, Bd. 1 319 Rohrreihe, Bd. 1 816 Rohrverbindungen Kunststoffrohre, 691 Muffenverbindungen, 690 Schweißverbindungen, 690 Steckverbindungen, 690 Verschraubung, 690 Werkstoffe, 691 Rohrverzweigungen und -vereinigungen, Bd. 1 322 Röllchenbahn, 449 Rollenbahn angetrieben, 448 Rollendrehverbindungen, 384 Rollenkette, Bd. 2 1068 Rollenlager, Bd. 2 1071 Rollenöfen, 605 Rollenpumpe, 870 Rollfügen, Bd. 2 193 Rolling, 616 Rollkegel, Bd. 1 266

Stichwortverzeichnis Roll-Wende-Moment, 1152 Rollwiderstand, 1047, 1048, 1078, Bd. 1 255 Röntgendetektor, 852 röntgenographische Spannungsmessung, Bd. 2 712 Röntgenröhre, 852 Roots-Gebläse, 39, 54 Rotation, Bd. 1 264, Bd. 1 265 Rotation eines starren Körpers um eine feste Achse, Bd. 1 283 Rotationsenergie, Bd. 1 739 Rotationsfreiheitsgrade, Bd. 1 266 Rotationskolbenmaschinen, 3 Rotationspumpe, 870, 872 Rotationsschalen, Bd. 1 430 Rotationssymmetrie, Bd. 1 425 rotationssymmetrischer Spannungszustand, Bd. 1 416 Rotationstauscher, 799 Rotationsverdichter, 53, 66 Rotationsviskosimeter, Bd. 2 717 rotierende Massenkräfte, 11 Rotor, Bd. 2 1055 rotorfrei, Bd. 1 330 Rotorschwingungen, Bd. 1 829 Ruck, Bd. 2 616 Rückfederung, Bd. 2 870 Ruckgleiten, Bd. 2 1089 Rückhaltesystem, 1069, 1083 Rückschlagklappen, 834 Rückwärtssperrspannung, Bd. 2 672 Rückwärtssperrstrom, Bd. 2 672 ruhendes Gitter mit unendlicher Schaufelzahl, Bd. 1 341 Rührkesselreaktor, 547, 580 Rumpfstruktur, 1179 Rundheit, Bd. 2 802 Rundlauffehler, Bd. 2 802 Rundstabgitter, Bd. 1 324 Rußbildung, 95 Rutschen, 454 Rütteln, Bd. 2 822

S Sachmerkmale, Bd. 2 59 Sachnummernsysteme, Bd. 2 58 Identnummer, Bd. 2 58 Klassifikationsnummer, Bd. 2 58 Verbundnummer, Bd. 2 59 Safe-Life-Philosophie, 1170 Sägen, Bd. 2 896 Säge- und Feilmaschinen, Bd. 2 1178 Bandsäge- und Bandfeilmaschinen, Bd. 2 1179 Bügel-/Hubsäge- und Hubfeilmaschinen, Bd. 2 1178 Kreissägemaschinen, Bd. 2 1179 Sammelfehlerprüfung, Bd. 2 699 Sandwichbauweise, 1175 Sattelauflieger, 1038, 1081 Sattelkraftfahrzeug, 1038 Sättigungsdruck, Bd. 1 753 Sättigungstemperatur, Bd. 1 753

Stichwortverzeichnis Sättigungszustand, Bd. 1 753 Satz von Betti, Bd. 1 453 Satz von Castigliano, Bd. 1 391 Satz von den zugeordneten Schubspannungen, Bd. 1 376 Satz von der Gleichheit der zugeordneten Schubspannungen, Bd. 1 354 Satz von Kutta-Joukowski, Bd. 1 333 Satz von Maxwell, Bd. 1 402 Satz von Steiner, Bd. 1 286, Bd. 1 371 Satzräderverzahnung, Bd. 2 391 Saugkörbe, Bd. 1 324 Saugrohr-Benzin-Einspritzung, 99 diskontinuierliche Einspritzung, 99 Einzelsaugrohreinspritzung, 99 kontinuierliche Einspritzung, 99 Zentraleinspritzung, 99 Scanning-Probe-Mikroskope (SPM), Bd. 2 802 Scanning-Tunneling-Mikroskop (STM), Bd. 2 801 Schaben, Bd. 2 945 Schabschleifen, Bd. 2 948 Schachtlüftung, 809 Schachtöfen, 605, 625 Schadstoffkennwerte, Bd. 1 916 Schadstoffreduzierung, 115 Schadstofftransport, 816 Schalen, Bd. 1 430 Schalenbauweise, 1173 Schalendicke, Bd. 1 430 Schalenelement, Bd. 1 448 Schalenfläche, Bd. 1 430 Schalenkupplung, Bd. 2 268 Schall, Bd. 1 879 Flüssigkeitsschall, Bd. 1 879 Hörschwelle, Bd. 1 880 Körperschall, Bd. 1 879 Luftschall, Bd. 1 879 Schalldruck, Bd. 1 879 Schmerzschwelle, Bd. 1 880 Schallabstrahlung, Bd. 1 890 Schallausbreitungsgeschwindigkeit, Bd. 1 880 Schalldruck, Bd. 1 879, Bd. 2 723 Schalldruckpegel, Bd. 1 880 Schallemission, Bd. 1 881 Schallenergiegrößen, Bd. 2 723 Schallfeldgrößen, Bd. 2 723 Schallgeschwindigkeit, 1143, Bd. 1 780, Bd. 1 880 Schallimpedanz, Bd. 1 881 spezifische, Bd. 1 881 Schallintensität, Bd. 1 881, Bd. 2 724 Schallintensitätspegel, Bd. 1 881 Schallkennimpedanz, spezifische, Bd. 1 881 Schallleistung, Bd. 1 881, Bd. 1 920, Bd. 2 723 Schallleistungspegel, Bd. 1 881 Schallpegel, Bd. 2 724 Schallschnelle, Bd. 1 880, Bd. 2 723 Schallsensoren, Bd. 2 724 Schalltechnik, Größen, Bd. 1 912 Schaltanlagen, Bd. 2 638 Schaltanzeige, 1072

1313 Schaltbetrieb, Bd. 2 669 Schaltgeräte, Bd. 2 638 Schaltkupplungen kraft-(reib-)schlüssige, Bd. 2 280 reibschlüssige, Bd. 2 282 reibschlüssige, Ansprechverzug, Bd. 2 283 reibschlüssige, Anstiegszeit, Bd. 2 283 reibschlüssige, Auslegung, Bd. 2 284 reibschlüssige, Beschleunigungsmoment, Bd. 2 283 reibschlüssige, Drehmomentstöße, Bd. 2 284 reibschlüssige, dynamische Schaltarbeit, Bd. 2 283 reibschlüssige, einmalige Schaltung, Bd. 2 284 reibschlüssige, Kühlung und Wärmeabfuhr, Bd. 2 284 reibschlüssige, Lastmoment, Bd. 2 283 reibschlüssige, Leerlaufmoment, Bd. 2 283 reibschlüssige, mehrmaliges Schalten, Bd. 2 284 reibschlüssige, Reibflächenpressung, Bd. 2 284 reibschlüssige, Schalthäufigkeit, Bd. 2 284 reibschlüssige, Schaltmoment, Bd. 2 283 reibschlüssige, Schaltvorgang, Bd. 2 282 reibschlüssige, statische Schaltarbeit, Bd. 2 283 reibschlüssige, Synchronmoment, Bd. 2 283 reibschlüssige, Wärmekapazität, Bd. 2 284 Schaltsaugrohre, 87 Schaltung und Steuerung, 808 Schaltungen von Federn, Bd. 1 296 Schamottesteine, 659 Schattenbildverfahren, Bd. 2 698 Schattenfläche, Bd. 1 337 Schätzwerte, Bd. 2 688 Schaufellader, 504 Baggerlader, 506 Kompaktlader, 506 Parallelogramm-Kinematik, 504 Radlader, 504 Raupenlader, 506 Z-Kinematik, 504 Schaufeln, 400, Bd. 1 341 Schaufeln und Profile im Gitterverband, Bd. 1 341 Schäumverfahren Reaktionsschaumguss, Bd. 1 648 Thermoplastschaumguss, Bd. 1 648 Schaumzerstörung, 583 Scheibe, 1068, Bd. 1 266, Bd. 1 428 Scheiben gleicher Festigkeit, Bd. 1 435 Scheiben veränderlicher Dicke, Bd. 1 435 Scheibenbremse, 1053, 1054 Scheibenelement, Bd. 1 448 Scheibenfeder, Bd. 2 208, Bd. 2 209 Scheibenkolben, 15 Scheibenkupplung, Bd. 2 268 Scheibenläufer, Bd. 2 1057 Scheibenrührer, 581 Scheibenwischer, 1068 Scheinleistung, Bd. 2 532 Schenkelfedern, Bd. 2 250 Scherbeanspruchung, Bd. 1 366 Scheren, Bd. 2 913

1314 Scherrate, 598 Scherschneiden, Bd. 2 914 Scherwinkel, Bd. 2 880 Scherzone, Bd. 2 880 Schichtlademotor, 97 Schichtriemen, Bd. 2 365 Schieber, 83 Bauformen, 698, 699 Drehschieber, 699 Schieberadgetriebe, Bd. 2 1064 Schieberventil, Bd. 2 495 Drehschieberventil, Bd. 2 494 Längsschieberventil, Bd. 2 495 Schiebeschuhsorter, 452 Schiebung, Bd. 1 264 schiefe Biegung, Bd. 1 375 schiefer Stoß, Bd. 1 292 schiefer Wurf, Bd. 1 261 schiefer zentraler Stoß, Bd. 1 293 Schiene, 1093 Schienenfahrzeuge, Fahrzeugbegrenzungsprofil, 1090 Schiffspoller bei laufendem Seil, Bd. 1 254 Schiffspropeller, 241 Aktivruder, 242 Azimuthing Podded Drive, 242 Bugsierfahrzeug, 243 Flügelverstellung, 241 hydraulischer Servomotor, 241 Kort-Düse, 242 Querstrahlruder, 242 Schub, 243 Schubsteuerung, 243 schwenkbarer Düsenpropeller, 242 Strahlantriebe, 242 Verstellpropeller, 241 Voith-Schneider-Propeller, 242, 243 Zykloidenpropeller, 242 Schlankheit, Bd. 1 438 Schlaufenreaktor, 582 Schleifen Schleifen mit rotierendem Werkzeug, Bd. 2 902 Schleifmaschinen, Bd. 2 1180 Bandschleifmaschinen, Bd. 2 1185 Koordinatenschleifmaschinen, Bd. 2 1183 Kugelschleifmaschinen, Bd. 2 1184 Planschleifmaschinen, Bd. 2 1180 Profilschleifmaschinen, Bd. 2 1181 Rundschleifmaschinen, Bd. 2 1182 Schleifzentren, Bd. 2 1185 Schraubenschleif-/Gewindeschleifmaschinen, Bd. 2 1184 Sonderschleifmaschinen, Bd. 2 1185 Unrund- und Exzenterschleifmaschinen, Bd. 2 1183 Verzahnungsschleifmaschinen, Bd. 2 1183 Werkzeugschleifmaschinen, Bd. 2 1184 Schleifringläufer, Bd. 2 1055 Schleifscheibe, Bd. 2 903 Schlepper, 403 Schlepphebel, 81

Stichwortverzeichnis Schleppkreisförderer, 440 Schleudergießen, Bd. 2 841 Schlitzschienen, 783 Schlitzsteuerung, 83 Schlupf, 1046, 1079, Bd. 2 565, Bd. 2 803 Schmalführung, Bd. 2 1088 Schmalgangstapler, 401 Schmalkeilriemen, Bd. 2 368 Schmelzdruckkurve, Bd. 1 758 Schmelzenthalpie, Bd. 1 758, Bd. 1 775 Schmelzkerntechnik, Bd. 1 646 Schmelzöfen, 608 Schmelzpunkt Gallium, Bd. 1 736 Schmelztemperatur, Bd. 1 775 Schmerzschwelle, Bd. 1 880 Schmieden, Bd. 2 856 Schmiegungsebene, Bd. 1 257 Schmiermittelreibung, Bd. 1 335 Schmierölkreislauf, 19 Schmierung, 19, Bd. 2 296, Bd. 2 1090 Fettgebrauchsdauern, Bd. 2 296 Schnecke, Bd. 2 949 Schneckenförderer, 444 Schneckenräder, Bd. 2 935 Schneckenradsatz, Bd. 2 389 Schneckenrohrförderer, 446 Schneidbedingungen, Bd. 2 185 Schneiden, Bd. 2 913 Schneidspalt, Bd. 2 915, Bd. 2 925 Schneidstoffe, Bd. 2 897 Schnellbahnsystem TRANSRAPID, Bd. 2 581 Schnellbremsung, 1120 Schnelle, Bd. 1 880 Schnellepegel, Bd. 1 880 schnelllaufender Hochleistungsdieselmotor, 134 Schnittbewegung, Bd. 2 1050 Schnittgeschwindigkeit, Bd. 2 883, Bd. 2 895, Bd. 2 1051 optimale Schnittgeschwindigkeit, Bd. 2 886 Schnittgrat, Bd. 2 918 Schnittgrößen, Bd. 2 176 Schnittkraft, Bd. 2 884, Bd. 2 892 Schnittlasten, Bd. 1 368 Schnittlasten am geraden Träger in der Ebene, Bd. 1 368 Schnittlasten an abgewinkelten und gekrümmten ebenen Trägern, Bd. 1 370 Schnittlasten an räumlichen Trägern, Bd. 1 370 Schnittschlagdämpfung, Bd. 2 1128 Schnittstelleneigenschaften, Bd. 2 688 Schnürle-Umkehrspülung, 86 Schrägbett, Bd. 2 1078 Schrägkugellager, Bd. 2 1095 Schräglauf, 1047 Schräglaufkräfte, 381 Führungsmittel, 381 Gleichlaufregelung, 383 Gleitpol, 381 Schräglaufwinkel, 382

Stichwortverzeichnis Spurführungskraft, 381 Schräglaufwinkel, 1046, 1051, 1079 Schrägstirnräder, Bd. 2 392 Schränkung, 11, 1148 Schraube, Bd. 1 254 Dauerhaltbarkeit, Bd. 2 229 Schrauben, Bd. 2 229 Schraubenarten, Bd. 2 215 Gewindestifte, Bd. 2 216 Schraubenbewegung, Bd. 2 213 Schraubendruckfedern, Bd. 2 254, Bd. 2 258 Dauerfestigkeitsschaubild, Bd. 2 258 progressive, Bd. 2 256 Schraubenfeder, 1050 Schraubenkupplung, 1111 Schraubenlinien, Bd. 1 395 Schraubensicherungen formschlüssige, Bd. 2 230 reibschlüssige, Bd. 2 231 sperrende, Bd. 2 231 Schraubenverbindungen, Bd. 2 216, Bd. 2 229 Auslegung, Bd. 2 225 Betriebsbelastungen, Bd. 2 225 Dauerfestigkeitsberechnung, Bd. 2 225 Durchsteckschraube, Bd. 2 216 Kopfschraube, Bd. 2 216 Sicherung, Bd. 2 229 Sicherungselemente, Bd. 2 230 Stiftschraube, Bd. 2 216 Schraubenverdichter, 49, 51, 64, 738 Schraubenwerkstoffe, Bd. 2 217 Schraubenzugfedern, Bd. 2 258 Schraubenzusatzkraft, Bd. 2 221 Schraubradpaar, Bd. 2 389 Schreiber, Bd. 2 747 Schreitwerke, 320 Schrittmotor, Bd. 2 577, Bd. 2 1058 Schrumpfscheiben-Verbindung, Bd. 2 200 Schub der Rakete, Bd. 1 282 Schub und Torsion, Bd. 1 401 Schubbelastungsgrad, Bd. 1 330 Schubdurchsenkung, Bd. 1 390 Schubfeldschema, 1174 Schubfluss, Bd. 1 379, Bd. 1 398 Schubflusskräfte, Bd. 1 379 Schubgabelstapler, 400 Schubkraft, Bd. 2 580 Schubkurbelpresse, Bd. 2 1136 Schubmaststapler, 400 Schubmittelpunkt, Bd. 1 370, Bd. 1 379 Schubmodul G, Bd. 2 259 Schubplattformförderer, 452 Schubspannung, 598, Bd. 1 353 Schubspannungen in Verbindungsmitteln bei zusammengesetzten Trägern, Bd. 1 379 Schubspannungen und Schubmittelpunkt am geraden Träger, Bd. 1 376 Schubspannungshypothese, Bd. 1 361 Schubspannungsverteilungen, Bd. 1 377

1315 Schubstange, 15, Bd. 1 267 Schubstapler, 400 schubstarre Biegebalken, Bd. 1 394 Schubwinkel, 1180 Schuppenförderer, 453 Schüttgüter, 316 Schüttgutschaufel, 397 Schüttwinkel, 616 Schutzerdung, Bd. 2 643 Schutzgasschweißen, 1043 Schutzisolierung, Bd. 2 642 Schutzkleinspannung, Bd. 2 642 Schutztrennung, Bd. 2 642 schwache Dämpfung, Bd. 1 298 Schwachstellenanalyse, Bd. 2 1052 Schwalbenschwanzführungen, Bd. 2 1088 Schwebegeschwindigkeit von Teilchen, Bd. 1 337 Schwebstofffilter, 802 Schwebung, Bd. 1 299 Schwefelgehalt, 92 Schweißbarkeit, Bd. 2 156 Aluminiumdruckguss, Bd. 2 169 Aluminiumknetwerkstoffe, Bd. 2 169 Gusseisen, Bd. 2 169 Kupfer, Bd. 2 170 Nichteisenmetalle, Bd. 2 169 Temperguss, Bd. 2 169 Schweißeignung von Stahl, Bd. 2 165 werkstoffbedingte Bruchgefahren, Bd. 2 166 werkstoffbedingte Einflüsse, Bd. 2 165 Schweißen, Bd. 2 155 Schweißenergiequellen, Bd. 2 1200, Bd. 2 1201 Schweißsicherheit, Bd. 2 166 Aufhärtung, Bd. 2 167 Eigenspannungszustand, Bd. 2 167 Fertigungsbedingte, Bd. 2 167 Richten von Konstruktionsteilen, Bd. 2 167 Schrumpfung der Schweißnähte, Bd. 2 167 Schweißfolge, Bd. 2 168 Schweißpositionen, Bd. 2 168 Sprödbruchgefahr, Bd. 2 167 Schweißverfahren, Bd. 2 155 Gasschmelzschweißen (Autogenschweißen), Bd. 2 159 Lichtbogenschmelzschweißen, Bd. 2 159 Pressschweißen, Bd. 2 159 Schutzgasschweißen, Bd. 2 159 Strahlschweißen, Bd. 2 159 Verbindungsmöglichkeiten, Bd. 2 155 Verfahren, Bd. 2 156 Wärmequellen, Bd. 2 156 Widerstandspressschweißen, Bd. 2 159 Widerstandsschmelzschweißen, Bd. 2 159 schwellende Beanspruchung, Bd. 1 367 Schwenkschiebetür, 1106 Schwenkschubgabel, 401 Schwerachse, Bd. 1 381 schwerer Kreisel, Bd. 1 291 Schwerkräfte, Bd. 1 273

1316 Schwerkraftentleerung, 437 Schwerkraftförderer, 316 Schwerkraftinfusionssystem, 870 Schwerpunkt, Bd. 1 249, Bd. 1 371 Schwerpunktsatz, Bd. 1 278 Schwimmerregler, 741 Schwimmstabilität, Bd. 1 313 schwingende Beanspruchung, Bd. 1 362, Bd. 2 181 Strukturspannungskonzept, Bd. 2 183 schwingende Belastung, Bd. 2 175 Schwinger, Bd. 1 282 Schwinger mit nichtlinearer Federkennlinie oder Rückstellkraft, Bd. 1 307 Schwingfestigkeitsklassen, Bd. 2 182 Schwingförderer, 446 Maschinenkennziffer, 447 Schüttelrutsche, 446 Schwingrinne, 446 Wurfkennziffer, 446 Schwingfreudigkeit, Bd. 1 886 Schwingkreise, Bd. 2 535 Schwingung, Bd. 1 829, Bd. 1 879, Bd. 2 563, Bd. 2 893 erzwungene, Bd. 1 843, Bd. 1 853, Bd. 1 857, Bd. 1 861 freie, Bd. 1 843 parametererregte, Bd. 1 843 periodische, Bd. 1 841 selbsterregte, Bd. 1 843 Schwingungen der Kontinua, Bd. 1 303 Schwingungen im Frequenzbereich, Bd. 1 840 Schwingungen im Zeitbereich, Bd. 1 839 Schwingungen mit periodischen Koeffizienten (rheolineare Schwingungen), Bd. 1 308 Schwingungen von Membranen, Bd. 1 305 Schwingungen von Saiten, Bd. 1 305 Schwingungsdauer, Bd. 1 295 Schwingungsenergie, Bd. 1 739 Schwingungsisolation, Bd. 1 859 Schwingungsmesstechnik, Bd. 2 703 Schwingungsminderung, aktive Maßnahmen, Bd. 1 888, Bd. 1 891 Schwingungsminderung, passive Maßnahmen, Bd. 1 888 Schwingungsminderung, semi-aktive Maßnahmen, Bd. 1 893 Schwingungstilger, Bd. 1 302 Schwingungsvorgang, 1172 Schwungrad, 1061, 1063 Schwungradberechnung, Bd. 1 863 Schwungradspeicher, Bd. 2 645 Scrollverdichter, 737 Seat Belt Reminder, 1069 Secondary Crash Mitigation, 1057 Seebeck-Effekt, Bd. 2 542 Segmentkrümmer, Bd. 1 322 Segmentverfahren, Bd. 2 936 Seil, Bd. 1 247 Seil mit Einzellast, Bd. 1 249 Seil unter Eigengewicht, Bd. 1 248 Seil unter konstanter Streckenlast, Bd. 1 248

Stichwortverzeichnis Seiliger-Prozess, 71 Seilreibung, Bd. 1 254 seismische Aufnehmer, Bd. 2 706 Seitenleitwerk, 1151 Seitenruder, 1152 Seitenstapler, 401 Sekundärenergie, 908 Anschluss- und Versorgungspflicht, 910 Höchstspannungsnetz, 910 Sekundärionen-Massenspektrometrie, Bd. 2 728 Sekundärmontage, Bd. 2 991 Sekundärstrahlung, 651 Sekundärteil, Bd. 2 1060 selbsterregte Schwingungen, Bd. 1 843 selbstgeführte Wechselrichter, Bd. 2 594 Selbsthemmung, Bd. 1 253, Bd. 1 254 selbsttätige Ventile, 55 selektiver Netzschutz, Bd. 2 641 Sender, optoelektronischer, Bd. 2 676 Senkbremsventil, Bd. 2 503 Senkrechtdrehmaschine, Bd. 2 1078 Sensoren, Bd. 2 694, Bd. 2 796 SERCOS-Interface, Bd. 2 1061 serielle A/D-Umsetzer, Bd. 2 740 Serienhebezeuge, 377 Einzelhebezeuge, 378 Service, 1075 Servoantrieb, Bd. 2 616 Servolenkung, 1052, 1063 Servomotor, Bd. 2 1056 EC-Motor/PM-Synchronmotor/Asynchronmotor, Bd. 2 618 Servopresse, Bd. 2 1138 Servopumpe, 1052 Shannon’sches Abtasttheorem, Bd. 2 740 Sicherheit aktive, 1039 passive, 1039 Sicherheit und zulässige Spannung bei ruhender Beanspruchung, Bd. 1 359 Sicherheitsbeiwerte, 333 globale Sicherheitsbeiwerte, 333 Teilsicherheitsbeiwerte, 333 Sicherheitsfaktoren, 1171 Sicherheitsgurt, 1068, 1069, 1084 Sicherheitskonzepte, 333 Methode der Grenzzustände, 333 Methode der zulässigen Spannungen, 333 Sicherheitsniveau, 379 Sicherheitskupplung, Bd. 2 1077 Sicherheitstechnik, 1120 Sicherheitsvielfache, 1171 Sicherungselemente, Bd. 2 211 Achshalter, Bd. 2 211 axiale, Bd. 2 210 klebende, Bd. 2 231 Klemmringe, Bd. 2 211 Sicherungsringe, Bd. 2 211 Splinte, Bd. 2 211

Stichwortverzeichnis Stellringe, Bd. 2 211 Sick-Building-Syndrome (SBS), 813 Siedepunkt, Bd. 1 736 Siedetemperatur, Bd. 1 775 Sievert, Bd. 2 723 Signalarten, Bd. 2 733 Signalfunktionen, Bd. 2 733 Signalprozessoren, Bd. 2 800 Signalübertragungseigenschaften, Bd. 2 686 Silikasteine, 659 Silikone, Bd. 1 327 Silikonkautschuke VMQ, Bd. 1 639 Siliziumdiode, Bd. 2 667 Silo Brückenbildung, 527 Dimensionierung, 527 Kernfluss, 528 Massenfluss, 528 Schachtbildung, 527 Silobauweise, 468 Simulation, Bd. 2 1084 Simulationsmodell, Bd. 1 859 Sinkgeschwindigkeit, 1159 Sinnbilder für Messgeräte, Bd. 2 743 Sinusantwort, Bd. 2 686 Sitz, 1068, 1084 Slumping, 616 smart sensors, Bd. 2 797 Smith-Diagramm, Bd. 1 505 Soft Stop, 1057 Solarenergie, 934, Bd. 2 646 Solargeneratoren, Bd. 2 543 Solarzellen, Bd. 2 542 Fotostrom, Bd. 2 542 Sommerreifen, 1048 Sonagramm, Bd. 1 882 -Sonde, 116 Sondergetriebe, Bd. 2 468 Räderkurbelgetriebe, Bd. 2 468 Schrittgetriebe, Bd. 2 468 Sondervorschubgetriebe, Bd. 2 1075 Sonnenrad, Bd. 1 269 Sonnenschutzvorrichtungen, 776 Sonographie, 855 Sortieranlage, 450 Sortierleistungen, 450 Sortiersystem, 450 Source, Bd. 2 670 Spaceframe, 1042, 1044 Spaltdichtung, 17, 39 Spaltpolmotoren, Bd. 2 576 Spandicke, Bd. 2 880 Spanen Bohren, Bd. 2 887 Drehen, Bd. 2 882 Fräsen, Bd. 2 890 Hobeln, Bd. 2 895 Honen, Bd. 2 904 Innendurchmesser-Trennschleifen, Bd. 2 906

1317 Läppen, Bd. 2 906 Räumen, Bd. 2 895 Sägen, Bd. 2 896 Schneidstoffe, Bd. 2 897 Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide, Bd. 2 879 Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide, Bd. 2 879, Bd. 2 899 Stoßen, Bd. 2 895 Spannkraft je Längeneinheit, Bd. 1 305 Spannsatz, Bd. 2 200 Spannstifte, Bd. 2 205 Spannungen, 333, Bd. 1 449 Spannungsamplituden, 338 Spannungsspiele, 337 Spannungen und Verformungen, Bd. 1 353 Spannungsamplituden, Bd. 1 468 Spannungsarmglühen, Bd. 2 167 Spannungs-Dehnungs-Linie, Bd. 1 358 Spannungsformzahl, Bd. 1 466 Spannungsfunktion  (y, z), Bd. 1 398 Spannungsgefälle, Bd. 1 467 Spannungshügel, Bd. 1 398 Spannungskompensation, Bd. 2 735 Spannungsmessung, Bd. 2 734 Spannungsnulllinie, Bd. 1 371 Spannungsoptik, Bd. 2 711 Spannungsspitzen, Bd. 1 398 Spannungssteilheit, Bd. 2 673 Spannungstensor, Bd. 1 353 Spannungs-Frequenzregelung, Bd. 2 611 Spannungs-Zeit-Funktion, Bd. 1 476 Spannungsvektor, Bd. 1 353 Spannungsverlaufsparameter, 338 Spannungsverstärker, Bd. 2 737 Spannungswechselbeanspruchung, Bd. 1 476 Spanraumzahl, Bd. 2 883 Spanstauchung, Bd. 2 880 Spante, 1180 Spanungsdicke, Bd. 2 885, Bd. 2 891, Bd. 2 892 Spanwinkel, Bd. 2 880, Bd. 2 883, Bd. 2 888, Bd. 2 900 Spartransformator, Bd. 2 549 Speckle-Interferometrie, Bd. 2 712 Speicher, hydrostatischer, 1061 Speicherkraftwerke, Bd. 2 643 Kavernenkraftwerk, 223 Speichern, Bd. 2 1049 Speicheroszilloskope, Bd. 2 747 Speicherprogrammierbare Steuerungen, Bd. 2 1111 IEC 61131-3, Bd. 2 1113 Zustandsgraphen, Bd. 2 1114 Speicherprogrammierbare Steuerungen Petrinetze, Bd. 2 1114 Speisepumpe, Bd. 2 503 Speisepumpen-Antriebsturbinen, 257 Speisewasservorwärmung, 253 Speisung, Bd. 2 1057 Spektralphotometrie, Bd. 2 726 Spektralverfahren, Bd. 2 721

1318 Spektrogramm, Bd. 1 882 Spektrometrie, Bd. 2 727 Spektrum, Bd. 1 882 Sperrbereich, Bd. 2 666 Sperrluftschleier, 633 Sperrmassen, Bd. 1 890 Sperrsättigungsstrom, Bd. 2 666 Sperrschichtkapazität, Bd. 2 667 Sperrschichttemperatur, Bd. 2 668 Sperrspannung, Bd. 2 667 spezifische Arbeit, 7, 75 spezifische effektive Arbeit, 75 spezifische indizierte Arbeit, 75 spezifische Reibarbeit, 75 spezifische Schnittkraft, Bd. 2 881, Bd. 2 885 spezifische Widerstände, Bd. 2 545 spezifischer Energieverbrauch, 607 sphärische Bewegung, Bd. 1 266 Spiegel, idealer, Bd. 1 818 spielfreie Vorschubantriebe mit Lageregelung, Bd. 2 1053 Spielfreiheit, Bd. 2 1071 Spielzeit, 473 Spindel-Lager-System, Bd. 2 1051, Bd. 2 1093 Spindellagerung, Bd. 2 1071 Spindelpresse, Bd. 2 1143 Spinnlösungen, Bd. 1 327 Spiralfedern, Bd. 2 250 Spitzenwert, Bd. 2 734 -Split, 1052, 1056 Spreader, 383, 397 Flipper, 383 Twistlocks, 383 Spreizenstapler, 400 Spritzenpumpe, 871 Spritzprägen, Bd. 1 646 Spritz- und Streckblasen, Bd. 1 647 Sprödbruch, Bd. 2 166, Bd. 2 167 spröde Werkstoffe, Bd. 1 359 Sprungantwort, Bd. 2 574, Bd. 2 686, Bd. 2 767 Sprungüberdeckung, Bd. 2 393 Spule mit einstellbarer Induktivität, Bd. 2 666 mit fester Induktivität, Bd. 2 666 Spulenzündanlage, 102 Spülgrad, 80 Spülventil, Bd. 2 504 Spurführungstechnik, 1092 Spurhaltewarnsystem, 1072 Spurkegel, Bd. 1 266 Spurstange, 1052 spurungebundene Führung, 405 Spurweite, 1046 Sputtern, Bd. 2 972 Stäbe bei Änderung des Querschnitts bzw. der Längskraft, Bd. 1 440 Stäbe mit beliebigem Querschnitt, Bd. 1 398 Stäbe mit beliebigem Querschnitt unter Längskraft, Bd. 1 441

Stichwortverzeichnis Stäbe mit Kerben, Bd. 1 366 Stäbe mit konstantem Querschnitt und konstanter Längskraft, Bd. 1 365 Stäbe mit Kreisquerschnitt, Bd. 1 395 Stäbe mit Kreisquerschnitt (Wellen), Bd. 1 441 Stäbe mit Kreisquerschnitt und veränderlichem Durchmesser, Bd. 1 398 Stäbe mit veränderlichem Querschnitt, Bd. 1 365 Stäbe mit veränderlicher Längskraft, Bd. 1 365 Stäbe unter Temperatureinfluss, Bd. 1 366 Stabelement, Bd. 1 448 stabförmige Körper, Bd. 1 368 stabile Lage, Bd. 1 437 stabiler Betriebspunkt, 121 Stabilisator, 1046 Stabilisierungsspannung, Bd. 2 667 Stabilität schwimmender Körper, Bd. 1 313 Stabilitätsversagen, 1173 Stabläufer, Bd. 2 1057 Stahlblech, 1043, Bd. 2 1081 Stahlfeder, 1050 Stampfformverfahren, Bd. 2 820 Standardantrieb, 1038 Standardatmosphäre, 1142 Standardmessunsicherheit, Bd. 2 688 Ständer, Bd. 2 1078 Standfilter, 802 Standsicherheit, 395, Bd. 1 240 Standzeitkriterium, Bd. 2 886 Stanton-Zahl, Bd. 1 813 Stanznieten, Bd. 2 192 Stapelaktor, Bd. 1 892 starke Kompressibilität, Bd. 1 311 starker Dämpfung, Bd. 1 298 Starrachse, 1050 starre Körper, Bd. 1 231 Starrkörpersystem, Bd. 1 295 Start, 1166 Startstrecke, 1167 Start- und Zündhilfen, 108 mechanische Zündhilfe, 108 Starteinrichtungen, 108 thermische Zündhilfe, 108 Start-Stopp-Automatik, 1062 Statik, Bd. 1 231, Bd. 2 1052, Bd. 2 1084 Statik starrer Körper, Bd. 1 231 stationäre laminare Strömung in Rohren mit Kreisquerschnitt, Bd. 1 319 stationäre Strömung durch offene Gerinne, Bd. 1 326 stationäre turbulente Strömung in Rohren mit Kreisquerschnitt, Bd. 1 319 stationäre und nichtstationäre Strömung, Bd. 1 315 stationärer Ausfluss aus Behältern, Bd. 1 325 stationärer Steigflug, 1165 statisch, Bd. 1 401 statisch Unbestimmte, Bd. 1 401 statisch unbestimmte Systeme, Bd. 1 401 statisch verträglich, Bd. 1 394 statische Ähnlichkeit, Bd. 1 344

Stichwortverzeichnis statische Auslenkung, Bd. 1 295 statische Bestimmtheit, Bd. 1 368 statische Kennlinie, Bd. 2 1199 statische Nachgiebigkeit, Bd. 2 1053 statische Ruhelage, Bd. 1 295 statische Stabilität, 1153 statische Steifigkeit, Bd. 2 1052, Bd. 2 1082 statisches Moment, Bd. 1 377 Statistische Energieanalyse (SEA), Bd. 1 895 statistische Versuchsplanung, Bd. 2 688 Stator, Bd. 2 1055 Staudruck, Bd. 1 317 Staudruckregelung, 60, 62 Staufferfett, Bd. 1 327 Staupunkt, Bd. 1 317 Staurollenförderer, 448 Steckverbindung, Bd. 2 205 Stefan-Boltzmann-Gesetz, Bd. 1 818 Steifigkeit, Bd. 1 367, Bd. 2 1052 Steifigkeitsmatrix, Bd. 1 447, Bd. 1 830 Steigfähigkeit, 1077 Steighöhe, Bd. 1 293 Steigung, Bd. 1 376 Steigung der Schraubenlinie, Bd. 1 263 Steigungswiderstand, 422 Steigzeit, Bd. 1 261 Steilheit, Bd. 2 668 Steinmetzschaltung, Bd. 2 576 Stelle des „hot spot“, Bd. 2 183 Stellgröße, Bd. 2 756 Stellungswinkel, Bd. 1 373 Stent, 876 Stereolithografie, Bd. 2 982 steriler Betrieb, 584 Sterilfiltration, 579 Sterilisation, 577 Sternpunkterdung, Bd. 2 635 Sternschaltung, Bd. 2 533 Sternscheiben, Bd. 2 196, Bd. 2 200 Stetigförderer, 316 Steuerblock, Bd. 2 494 2-Wege-Einbauventil, Bd. 2 494 Steuerdiagramm, 85 Steuerelektrode, Bd. 2 668, Bd. 2 672 Steuerkennlinien, Bd. 2 590 Belastungskennlinien, Bd. 2 591 halbgesteuerte Schaltungen, Bd. 2 590 Umkehrstromrichter, Bd. 2 592 vollgesteuerte Schaltungen, Bd. 2 590 Wechselrichterbetrieb, Bd. 2 591 Steuerorgane, 80, 83 Steuerung, Bd. 2 1049 Feldbusse, Bd. 2 1105 Kommunikationsbusse, Bd. 2 1105 offene Steuerungssysteme, Bd. 2 1107 Personal Computer, Bd. 2 1105 Steuerungsarchitekturen, Bd. 2 1107 Systemplattform, Bd. 2 1108 Steuerzeiten, 83

1319 Stichprobe, Bd. 2 688 Stickoxide, 113 Stick-Slip-Effekt, Bd. 2 1089 Stiftverbindungen, Bd. 2 205, Bd. 2 207 Stifte, Bd. 2 205 stilles Sieden, Bd. 1 817 Stirnräder, Bd. 2 390 Eingriffslinie, Bd. 2 391 Eingriffsstrecke, Bd. 2 393 Eingriffswinkel, Bd. 2 393 Evolventenverzahnung, Bd. 2 394 Flankenlinien, Bd. 2 391 Gleit- und Rollbewegung, Bd. 2 394 Kopfspiel, Bd. 2 393 Modul m, Bd. 2 392 Profilüberdeckung, Bd. 2 393 Profilverschiebung, Bd. 2 396, Bd. 2 398 profilverschobene Verzahnung, Bd. 2 396 Satzräderverzahnung, Bd. 2 391 Schrägstirnräder, Bd. 2 392 Sprung, Bd. 2 393 Sprungüberdeckung, Bd. 2 393 Teilkreisdurchmesser, Bd. 2 392 Teilung, Bd. 2 392 Verzahnungsgeometrie, Bd. 2 390 Zähnezahlverhältnis, Bd. 2 390 Stirnzahnkupplung, Bd. 2 268 Stöchiometrie, 541 Stoffaustausch, 867 Stoffaustauschvorgang, 867 Stoffbilanz, 548 Stoffmessgrößen, Bd. 2 726 Stoffthermodynamik, Bd. 1 751 Stofftrennung, 531, 536 Gegenstromkolonnen, 531 Stoffübergangskoeffizienten, 580 Stoffwerte von Feststoffen, Bd. 1 822 von Flüssigkeiten, Bd. 1 822 von Gasen, Bd. 1 822 Stöhrgröße, Bd. 2 780 Stokes’sche Widerstandsformel für die Kugel, Bd. 1 335 Stopfbuchsen (Packungen), 702 Stoppbremsung, 1120 Stop-and-Go-Automat, 1072 Störgröße, Bd. 2 756 Störmomente, elektrische, Bd. 1 847 Stoß, Bd. 1 292, Bd. 1 831 Stoß- und Nahtarten, Bd. 2 170 Ausfugen der Wurzel, Bd. 2 171 Eckstoß, Bd. 2 173 Fugenvorbereitung, Bd. 2 171 Kreuzstoß, Bd. 2 172 Mehrfachstoß, Bd. 2 173 Parallelstoß, Bd. 2 172 Schrägstoß, Bd. 2 173 Stumpfstoß, Bd. 2 171 T-Stoß, Bd. 2 172 Überlappstoß, Bd. 2 171

1320 Stoß, zentrisch, Bd. 1 292 stoßartige Beanspruchung, Bd. 1 361 Stoßdämpfer, 1051, 1078 Stoßdauer, Bd. 1 292, Bd. 1 293 Stoßen, Bd. 2 895 Stoßfänger, 1076 Stoßhypothese, Bd. 1 292 Stoßkraft, Bd. 1 293 Stoßkurzschluss, Bd. 2 572 Stoßnormale, Bd. 1 292 Stoßöfen, 606 Stoßziffer, Bd. 1 293 Strahlausbreitung, Bd. 1 326 Strahler graue, Bd. 1 819 schwarze, Bd. 1 819 Strahlheizrohr, 643 Strahlkern, Bd. 1 326 Strahlquerschnitt, Bd. 1 326 Strahlstoßkraft gegen Wände, Bd. 1 328 Strahlung, Bd. 1 818 thermische, Bd. 1 818 Strahlungsaustauschzahl, Bd. 1 819 Strahlungskoeffizient, Bd. 1 818 Strahlungsmesstechnik, Bd. 2 722 Strahlungsschutzgröße, Bd. 2 722 Strangpressen, Bd. 2 859 Streckenlasten, Bd. 1 368 Streckgrenze, Bd. 1 358 Streckung, 1150 Streckziehen, Bd. 2 868 Streukoeffizient, Bd. 2 547 Streulichtverfahren, Bd. 2 701 Strichcodes, Bd. 2 702 QRC, Bd. 2 702 Strichmaßstäbe, Bd. 2 697 stroboskopische Messung, Bd. 2 706 Strombegrenzung, Bd. 2 1059 Strombelag, Bd. 2 560 Strombelastbarkeit, Bd. 2 654 Stromkompensation, Bd. 2 735 Stromkreise, Bd. 2 525 Stromlinie, Stromröhre, Stromfaden, Bd. 1 315 Stromlinien, Bd. 1 399 Stromlinienverlauf, Bd. 1 399 Strommessung, Bd. 2 734 Stromoberschwingungen, Bd. 2 592 Stromortskurve, Bd. 2 566, Bd. 2 571 Stromrichterkaskade, Bd. 2 610 Stromrichtermotor, Bd. 2 610 Stromrichterventile, Bd. 2 585 Stromstärke, 319 Stromsteilheit, Bd. 2 673 Strömung idealer Gase, Bd. 1 779 Strömung in Leitungen mit nicht vollkreisförmigen Querschnitten, Bd. 1 322 Strömungsgeschwindigkeit, Bd. 2 715 Strömungsgleichnis, Bd. 1 399 Strömungsrichtung, Bd. 1 315

Stichwortverzeichnis Strömungsrohr, 547 strömungstechnische Messgrößen, Bd. 2 714 Strömungsverluste durch spezielle Rohrleitungselemente und Einbauten, Bd. 1 322 Strömungswiderstand von Körpern, Bd. 1 336 Stromventil Drei-Wege-Stromregelventil, Bd. 2 499 Drosselventil, Bd. 2 499 Zwei-Wege-Stromregelventil, Bd. 2 499 Stromverdrängung, Bd. 2 568, Bd. 2 659 Stromverdrängungsläufer, Bd. 2 1054 Stromverstärker, Bd. 2 737 Stromverstärkung, Bd. 2 668 Strukturanalyse, Bd. 2 1084 Strukturdämpfung, 1172 Strukturfestlegung, Bd. 1 848 Strukturintensität aktiv, Bd. 1 895 reaktiv, Bd. 1 896 Strukturoptimierung, Bd. 2 1084 strukturviskose Flüssigkeit, Bd. 1 327 Strutt’sche Karte (schraffierte Lösungsgebiete sind stabil), Bd. 1 308 Stückgüter, 316 Stückgutstroms, 418 Stückliste Baukasten, Bd. 2 58 Mengenübersicht, Bd. 2 57 Struktur, Bd. 2 58 Studiengang, 846 Stufendruckverhältnis, 44 Stufenkolben, 15 stufenlose Fahrzeugantriebe (CVT), Bd. 2 380 Stützkernverbunde, 1175 Stützkonstruktion, 123 Stützkraft, Bd. 1 427 Stützziffer, Bd. 1 361 Styling, 1077 Styrol-Acrylnitril-Copolymerisat SAN, Bd. 1 631 Styrol-Butadien SB, Bd. 1 631 Styrol-Butadien-Kautschuke SBR, Bd. 1 638 Sublimationsdruckkurve, Bd. 1 757, Bd. 1 758 Submerskultivierung, 580 Substratlimitierungskonstante, 589 Substratvorbereitung, 573 Subtransientreaktanz, Bd. 2 641 Summenpegel, Bd. 1 883 Super Single, 1047 Superelastikreifen, 400 Superplastisches Umformen, Bd. 2 874 Superpositionsmethode, Bd. 1 389 Superpositionsverfahren, Bd. 1 401 supraleitende Energiespeicher (SMES), Bd. 2 645 Supraleitung, Bd. 2 541 Hochfeldsupraleiter, Bd. 2 541 Hochtemperatur-Supraleiter, Bd. 2 541 Sprungtemperatur, Bd. 2 541 Suspensionen, Bd. 1 315 symmetrische Komponenten, Bd. 2 533

Stichwortverzeichnis symmetrische Polare, 1157 symmetrische Querschnitte, Bd. 1 371 symmetrischer Kreisel, Bd. 1 291 Synchronmaschine, Bd. 2 568 Betriebsbereich, Bd. 2 572 Stabilitätsgrenze, Bd. 2 572 Synchronmotor, Bd. 2 1055 permanentmagnetisch, erregtelektrisch, erregtreluktanter, Vollpolläufer, Schenkelpolläufer, Bd. 2 569 Synchronriemen, Bd. 2 369 System, Bd. 1 729, Bd. 2 756 abgeschlossen, Bd. 1 729 aktives, Bd. 1 843, Bd. 1 860 blutführendes, 870 dialysatführendes, 868 geschlossen, Bd. 1 729 geschlossenes, 862 offen, Bd. 1 729 System mit einem Freiheitsgrad, Bd. 1 295 System mit mehreren Freiheitsgraden (Koppelschwingungen), Bd. 1 301 System mit veränderlicher Masse, Bd. 1 282 System starrer Körper, Bd. 1 244 Systemantworten harmonische, Bd. 1 834 periodische, Bd. 1 834 Systemantwortfunktionen, Bd. 1 833 systematische Messabweichung, Bd. 2 685, Bd. 2 688 Systemgrenze, Bd. 1 729 Systemmatrizen, Bd. 1 830 Systemsteifigkeitsmatrix, Bd. 1 449

T Tablare, 467 Tafelschere, Bd. 2 1125 Tailored Blank, 1043 Taktzahl, 7 Talgofahrwerk, 1100 Tandemhauptzylinder, 1054 Tangenteneinheitsvektor, Bd. 1 258 Tangentenmodul, Bd. 1 439 Tangentenrichtung, Bd. 1 257 Tangentialbeschleunigung, Bd. 1 258 tangentiales Luftführungssystem, 779 Tangentialkraft-Weg-Diagramm, Bd. 1 273 Tangentialspannung, Bd. 1 353 Tangentialverschiebung, Bd. 1 390 Tangentkeile, Bd. 2 209 Tank, Bd. 2 503 Tankvolumen, Bd. 2 503 Tassenstößel, 81 Tastschnittverfahren, Bd. 2 700 Tatzlagerantrieb, 1117 Tauchkolben, 15 Tauchkolben-Triebwerke, 8 Taupunkt des Wassers, Bd. 1 796 Taupunktunterschreitung, 816

1321 Taylor-Gerade, Bd. 2 886 Taylor’scher Grundsatz, Bd. 2 698 Technische Akustik, Bd. 1 879 Teig, Bd. 1 327 Teildruck, Bd. 1 798 teilelastischer Stoß, Bd. 1 292 Teilkreisdurchmesser, Bd. 2 392 teilplastisch, Bd. 1 359 Teilstrahlungspyrometer, Bd. 2 718 Teilung, Bd. 2 392 Telekommunikation, 1068 Teleskopgabel, 401 Tellerfedern, Bd. 2 251 Temperatur, Bd. 1 733 empirische, Bd. 1 733 internationale praktische, Bd. 1 736 thermodynamische, Bd. 1 744 Temperaturabhängigkeit Heißleiter, Bd. 2 664 Kaltleiter, Bd. 2 664 Widerstand, Bd. 2 664 Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit, Bd. 1 686 Temperaturausdehnungskoeffizient, Bd. 1 366 Temperaturleitfähigkeit, Bd. 1 810 Temperaturmesstechnik, Bd. 2 717 Temperaturskala, Bd. 1 734 internationale praktische, Bd. 1 735 thermodynamische, Bd. 1 734 Temperaturspannungen in Platten, Bd. 1 428 Temperaturwechselbeständigkeit, 662 Teppichdorn, 397 Terrassenbruch, Bd. 2 166 Tetraederschnittfläche, Bd. 1 355 Theodolit, Bd. 2 696 theoretische Wirkungsgrad, Bd. 1 330 Theorie von de Saint-Vénant, Bd. 1 398 Thermik, Bd. 2 1053, Bd. 2 1084 thermische Ähnlichkeit, Bd. 1 347 thermische Behaglichkeit, 766 thermische Kompensation, Bd. 2 1054 thermische Messgrößen, Bd. 2 717 thermische Verfahrenstechnik, 529 Flüssig-flüssig-Gegenstromkolonnen, 529 thermischer Auftrieb, 780 thermischer Überstromschutz, Bd. 2 640 thermischer Wirkungsgrad, 72 thermisches Abtragen, Bd. 2 185 thermisches Gleichgewicht, Bd. 1 733 Thermodynamik, Bd. 1 727 Aufgaben der, Bd. 1 727 Thermoelemente, Bd. 2 718 Thermographie, Bd. 2 719 Thermolumineszenzdetektoren, Bd. 2 723 Thermometer, Bd. 1 734 Thermoplaste, Bd. 1 627, Bd. 1 629 fluorhaltige, Bd. 1 634 thermostatische Einspritzventile, 740 thermosymmetrisch, Bd. 2 1054

1322 THG, 1058 thixotrope Flüssigkeiten, Bd. 1 315 thixotrope und rheopexe Flüssigkeiten, Bd. 1 327 Thyristor, Bd. 2 585, Bd. 2 672 abschaltbarer, Bd. 2 674 Kennlinie, Bd. 2 672 Tiefbett, 1048 Tieföfen, 606 Tiefziehen, 1043, Bd. 2 863 tierische Zellen, 568 Tilger, Bd. 1 860 Tilger, adaptiv, Bd. 1 891 Tilgung, Bd. 1 859 Tisch, Bd. 2 1078 Titration, Bd. 2 726 Toleranzbandmethode, Bd. 2 685 Toleranzen, Bd. 2 52 Toleranzfeld, Bd. 2 53 Ton (Akustik), Bd. 1 879 tonerdereiche Steine, 659 tordierte Gleichgewichtslage, Bd. 1 441 Toroidgetriebe, Bd. 2 380 Torque Vectoring, 1067 Torquemotor, Bd. 2 581, Bd. 2 1058 Torsen-Getriebe, 1067 Torsionsbeanspruchung, Bd. 1 395 Torsionsflächenmoment, Bd. 1 297, Bd. 1 398 Torsionskasten, 1182 Torsionsschwingungen, Bd. 1 851 Torsionsschwingungen von Stäben, Bd. 1 305 Torsionsträgheitsmoment, Bd. 1 850 Torsionswiderstandsmoment, Bd. 1 398 Totwinkelüberwachung, 1072 Totzeitsystem, Bd. 1 199 Traganteilkurve, Bd. 2 700 Träger mit I-Querschnitt, Bd. 1 442 Träger mit Rechteckquerschnitt, Bd. 1 442 Träger mit Streckenlasten, Bd. 1 369 Tragfähigkeit, 371 Tragfähigkeit von Schweißverbindungen, Bd. 2 175 Tragflügel, 1180 Tragflügel und Schaufeln, Bd. 1 339 Tragflügelprofil, 1147 Trägheitsellipse, Bd. 1 373 Trägheitsellipsoid, Bd. 1 286 Trägheitskraft, Bd. 1 276, Bd. 1 433, Bd. 2 1052 Trägheitsmoment, 1046 Trägheitsmomente bezüglich gedrehter Achsen, Bd. 1 286 Trägheitsradius, Bd. 1 286, Bd. 1 371, Bd. 1 438 Traglast-Kurve nach Jäger, Bd. 1 438 Traglastverfahren, Bd. 1 360 Tragmittel, 371, 418 Tragmoment, Bd. 1 360 Tragstruktur, Bd. 1 858 Tragwerke, 331 Fachwerkbauweise, 382 Gestaltung, 331 Kastenbauweise, 382

Stichwortverzeichnis Pendelstütze, 382 Querschnitte, 331 Transferadmittanz, Bd. 1 884 Transformationen der Michaelis-Menten-Gleichung, 586 Transformator, Bd. 2 547 Transientenrecorder, Bd. 2 749 Transistor, Bd. 2 585, Bd. 2 668 bipolarer, Bd. 2 668 IGB, Bd. 2 671 unipolarer, Bd. 2 668 Transistorkennlinie, Bd. 2 668 Transistorzündanlage, 103 Translation, Bd. 1 264, Bd. 1 265 Translationsenergie, Bd. 1 738 Transmissionsgrad, Bd. 2 720 Transmissionswärmeverluste, 773 Transponder, 492 transponierte Matrix, Bd. 1 449 Transportbetonmischer, 499 Transporteinheit, 459 Transportfahrzeuge, 508 Dreiseitenkipper, 508 Hinterkipper, 508 Knicklenkung, 509 Muldenkipper, 508 Transporthilfsmittel, 459 Transportieren, Bd. 2 1049 Transportkette, 315 Transportlimitierung, 591 Transportmittel, 606 Transputer, Bd. 2 800 transzendente Eigenwertgleichungen, Bd. 1 304 Trapezfeder, Bd. 2 248 Trapezgewindespindeln, Bd. 2 1070 Travelling-Salesman-Problem, 473 Treibhausgas, 1058 Treibhauspotenzial, 729 Trennen, 522, Bd. 2 879, Bd. 2 1049 Eindicker, 524 Elektrofilter, 523 Filter, 523 Fliehkraftabscheider, 523 Lasertrennen, Bd. 2 910 Nassabscheider, 523 Windsichten, 525 Zentrifugen, 524 Trennschleifen, Bd. 2 906 Tresca, Bd. 1 459 Tresca-Gesetz, Bd. 1 459 tribologische Betrachtung, Bd. 2 1089 Triebstockverzahnungen, Bd. 2 398 Triebwerksbauarten, 8 Triebwerkskomponenten, 303–306 Triebwerkslager, 19 Trilok-Wandler, 1066 Trimmer, Bd. 2 665 Tripelpunkt, Bd. 1 736, Bd. 1 753 Argon, Bd. 1 736 des Wassers, Bd. 1 734

Stichwortverzeichnis Gleichgewichtswasserstoff, Bd. 1 736 Neon, Bd. 1 736 Quecksilber, Bd. 1 736 Sauerstoff, Bd. 1 736 Wasser, Bd. 1 736 Trockenbearbeitung, Bd. 2 1078 Trockenbremsen, 1057 Trockenreibung, Bd. 1 252 Trocknen, 529, 536, 537 Trocknungsabschnitt erster und zweiter, 539 Trocknungsgeschwindigkeit, 538 Trocknungsgut, 537 erster Trocknungsabschnitt, 537 Feuchtebeladung, 537 Kontakttrockner, 537 Konvektionstrockner, 537 Strahlungstrockner, 537 Trocknungsgeschwindigkeit, 537 Trocknungsverlaufskurven, 537 Verdampfungsenthalpie, 537 Wärmeübertragung, 537 Trocknungsspiegelmodell, 538 Trocknungszeit, 538, 539 Trommelbremse, 1053, 1054 Tropfenkondensation, Bd. 1 817 Tropfenprofil, Bd. 1 339 TSP, 473 Tunnelöfen, 605 Tunnelofenprozesse, 638 Tunnelstrom, Bd. 2 801 Tunnelwagenöfen, 605 Turbine, Bd. 1 342, Bd. 2 515 Turbinenwirkungsgrad, Bd. 1 787 Turbogeneratoren, Bd. 2 568 Turbogruppe, Bd. 1 851 Turboluftstrahltriebwerk, 1160 Turbomolekularpumpen, Bd. 2 803 Turboverdichter, 738 turbulente Mischlüftung, 779 turbulenter Strömung, Bd. 1 318 Turbulenzgrad, 778 Typgenehmigung, 1085

U Übergabestellen, 434 Übergangsfunktion, Bd. 2 767 Übergangssieden, Bd. 1 817 Übergangsvorgänge, Bd. 2 538 überhitzter Wasserdampf, Bd. 1 765 überkritischer Bereich, Bd. 1 300 Überlagerungslenkung, 1052 Überlastsicherungen, 386 überlineare Kennlinie, Bd. 1 307 Überschall, Bd. 1 780 Übersetzungsverhältnis, Bd. 2 547 Übertragungsadmittanz, Bd. 1 884 Übertragungselement, Bd. 2 1051, Bd. 2 1070 Übertragungsfunktion, Bd. 2 760

1323 Übertragungsverhalten, Bd. 2 1071 Übertragungswinkel, Bd. 2 454 Ulbricht’sche Kugel, Bd. 2 720 Ultrafiltration, 529, 539 Ultrapräzisionsmaschinen, Bd. 2 1222 Ultraschall, Bd. 1 879 Ultraschall-Strömungsmesser, Bd. 2 716 Umfangsgeschwindigkeit, Bd. 1 264 Umfangskraft, 1046 Umfangsspannungen, Bd. 1 431 Umformen, Bd. 2 1049 Thermoformen, Bd. 1 649 Warmformen, Bd. 1 649 Umformen, Kunststoffe, Bd. 1 649 Umformgrad, Bd. 2 852 Umformtechnische Fügeverfahren, Bd. 2 191 Umkehrantriebe, Bd. 2 605 Umkehrosmose, 529, 539 osmotischer Druck, 539 Permeatflussdichte, 539 transmembrane Druckdifferenz, 539 Umkehrspülung, 86 umlaufende Scheiben, Bd. 1 434 umlaufender dickwandiger Hohlzylinder, Bd. 1 435 umlaufender dünnwandiger Ring oder Hohlzylinder, Bd. 1 433 umlaufender Stab, Bd. 1 433 Umlaufgetriebe, Bd. 1 269 Umlauf-S-Förderer, 454 Umluftanlagen, 810 Umrichter, Bd. 2 594 Umschlagshäufigkeit, 473 umschnürter Hohlzylinder, Bd. 1 431 Umwälzpumpen, 834 Umweltmessgrößen, Bd. 2 722 unbehinderte Verwölbung, Bd. 1 398 unbestimmte Systeme, Bd. 1 401 unelastischer Bereich, Bd. 1 457 unelastischer Stoß, Bd. 1 292 unendlich ausgedehnte Scheibe mit Bohrung, Bd. 1 429 ungedämpfte erzwungene Schwingungen, Bd. 1 298 Ungleichförmigkeitsgrad, 13 ungleichmäßig beschleunigte (und verzögerte) Bewegung, Bd. 1 259 ungleichmäßige Spannungsverteilung, Bd. 1 359 Unified Modeling Language (UML), Bd. 2 114 Universalmotor, Bd. 2 579 Unstetigförderer, 316 unsymmetrische Polare, 1158 unsymmetrische Umströmung eines Kreiszylinders, Bd. 1 333 Unterflaschen, 371 Unterhaltungselektronik, 1068 unterkritischer Bereich, Bd. 1 300 unterlineare Kennlinie, Bd. 1 307 Unterwagen, 390 Unterzentralen, 812 UN-ECE, 1037 Unwucht, Bd. 1 857

1324 Unwuchtkräfte, Bd. 1 298, Bd. 1 831, Bd. 1 844 Urformen, Bd. 1 647, Bd. 2 813 Kalandrieren, Bd. 1 647 Kunststoffe, Bd. 1 645 Pressen und Spritzpressen, Bd. 1 646 SMC, Bd. 1 646 Spritzgießen, Bd. 1 645 Werkzeuginnendruck, Bd. 1 646 Urformwerkzeuge, Bd. 2 818 U-Umrichter, Bd. 2 595, Bd. 2 612 Blockumrichter, Bd. 2 612 Pulsumrichter, Bd. 2 612

V v. Kármán-Gerade, Bd. 1 438 v. Mises-Hypothese, Bd. 1 361, Bd. 1 468 Vakuumbremsen, 1121 Vakuum-Druckgießen, Bd. 2 840 Vakuumheber, 372 Vakuumpumpen, 39 variable Ausblasquerschnitte, 783 variable Steuerzeiten, 83 variabler Ventiltrieb, 82 elektrohydraulischer Ventiltrieb, 83 elektromechanischer Ventiltrieb, 82 mechanischer vollvariabler Ventiltrieb, 82 Variable-Volumenstrom-Systeme (VVS), 812 Vehicle-to-Grid, 1061 Vektor der Knotenkräfte, Bd. 1 449 Vektoriterationsverfahren, Bd. 1 198 Vektorprodukt, Bd. 1 264 Ventil, 80, Bd. 2 516 Bauelemente, 697 Bauformen, 697 Druckminderer, 698 Hochdruck-Regelventil, 697 Ventilatoren, 269 Ventilatorkonvektor, 818 Ventilatorleistung, 812 Ventilauslegung, 57 Ventilbewegung, 81 Ventilquerschnitt, 82 Ventilüberschneidung, 83 Venturidüsen, Bd. 2 731 Venturirohr, Bd. 1 317, Bd. 2 715 verallgemeinerte Hooke’sche Gesetze, Bd. 1 415 Verarbeitungsanlagen, Bd. 2 65, Bd. 2 78 Verarbeitungsgut, Bd. 2 67, Bd. 2 69 flüssiges Gut, Bd. 2 68 Gase oder Aerosole, Bd. 2 68 hochviskoses pastöses Gut, Bd. 2 68 Schüttgut, Bd. 2 67 Strang- und Fadenformgut, Bd. 2 67 Stückgut, Bd. 2 67 Verarbeitungsmaschinen, Bd. 2 65 Verarbeitungssystem, Bd. 2 66 Verbindung, Bd. 1 366 Verbindungsschweißen, Bd. 2 155

Stichwortverzeichnis Verbrauch, 110 spezifischer Brennstoffverbrauch, 110 Verbrennung, 95 im Dieselmotor, 94 im Ottomotor, 92 in Hybridmotoren, 97 isobar-adiabate, Bd. 1 803 vollständige, Bd. 1 801 Verbrennungskraftanlagen, Bd. 1 787 Verbrennungsmotor, 5 Einteilung, 69 mit äußerer Verbrennung, 69 mit innerer Verbrennung, 69 Verbrennungsmotorantrieb, 228 Verbrennungstemperatur, Bd. 1 803 theoretische, Bd. 1 803 wirkliche, Bd. 1 803 Verbundlenkerachse, 1049 Verdampfen, 535 Verdampfer, 534 Verdampfungsenthalpie, 535 Verdampfung, Bd. 1 817 Verdampfungsenthalpie, Bd. 1 755, Bd. 1 756, Bd. 1 775 Verdampfungsentropie, Bd. 1 756 Verdichter, 39, Bd. 2 515 Verdichterstationen, 982 Verdichtung feuchter Gase, 45 Adsorptionstrockner, 46 Kondensat, 46 Nachkühler, 45 Zwischenkühler, 45 Verdichtung idealer Gase, 41 Verdichtung realer Gase, 41 Verdichtungsformverfahren, Bd. 2 819 Verdichtungsstoß, Bd. 1 781 Verdichtungstemperatur, 42 Verdichtungsverhältnis ", 124 Verdichtungswirkungsgrad, Bd. 1 791 Verdrängerkompressor, 5, 39 Verdrängermaschine, Bd. 2 481 Anlaufverhalten, Bd. 2 487, Bd. 2 491 Flügelzellenmaschine, Bd. 2 488 Konstantmaschine, Bd. 2 485 Langsamläufermotor, Bd. 2 485 Leistungsgewicht, Bd. 2 487 Mehrfachpumpe, Bd. 2 488 Pulsation, Bd. 2 490 Radialkolbenmaschine, Bd. 2 491, Bd. 2 493 Schnellläufermotor, Bd. 2 492 Schrägachsenmaschine, Bd. 2 490, Bd. 2 491 Schrägscheibenmaschine, Bd. 2 490, Bd. 2 491 Schraubenpumpe, Bd. 2 486, Bd. 2 491 Verstellmaschine, Bd. 2 485 Zahnradmaschine, Bd. 2 485 Zahnringmaschine, Bd. 2 488 Zylinder, Bd. 2 494 Verdrängerpumpe, 5, 872 Anwendungsgebiete, 21 Bauarten, 21, 22

Stichwortverzeichnis Einsatzgebiete, 22 Einsatzgrenzen, 22 mit pneumatischem Antrieb, 872 Verdrängungslüftung, 778 Verdrängungsspülung, 85 Verdrehungswinkel, Bd. 1 395 Verfahren mit verlorenen Formen, Bd. 2 818 Verfahren zur Zahnradherstellung, Bd. 2 938 Verfestigungsformverfahren, Bd. 2 827 Verformungsdifferenzen, Bd. 1 401 verformungsgeometrische Aussagen, Bd. 1 394 Verformungsgrößen, Bd. 1 402 Vergaser, 98 Vergleichsfunktion w.x/, Bd. 1 440 Vergleichsnennspannungen, Bd. 1 464 Vergleichsprozess, 42, 70 Vergleichsprozess mit idealem Arbeitsgas, 71 Vergleichsprozess mit realem Arbeitsgas, 72 Vergleichsspannungen, Bd. 1 361, Bd. 1 466 Verkehr, kombinierter, 1038 Verkehrszeichenerkennung, 1072 verlorenen Kräfte, Bd. 1 288 Verlustarbeit, Bd. 1 275 Verlustfaktor, 30, Bd. 2 545 verlustfreie Verdrängerpumpe, 27 Verlustleistung, Bd. 2 561, Bd. 2 668 Verlustmoment, 29 Verlustteilung, 27 Betriebsverhalten, 27 Elastizitätsgrad, 28, 31 Füllungsgrad, 28 Gesamtwirkungsgrad, 28, 30, 31 Gütegrad, 28, 31 mechanisch-hydraulische Verluste, 29 mechanisch-hydraulischer Wirkungsgrad, 28, 30, 31 Membranpumpen, 31 mittlerer Nutzliefergrad, 30 Nutzliefergrad, 28, 30 volumetrische Verluste, 28 volumetrischer Wirkungsgrad, 28, 30, 31 Wirkungsgrad, 28, 30 Verlustwinkel, Bd. 2 665 Verrippung, Bd. 2 1082 Verrückung, Bd. 1 392 Versammlungsraum, 811 Verschiebearbeit, Bd. 1 740 Verschiebungen, Bd. 1 447, Bd. 1 830 Verschiebungsfunktion, Bd. 1 447 Verschiebungsmethode, Bd. 1 447 Verschiebungsvektor, Bd. 1 448 Verschleiß, Bd. 2 881, Bd. 2 1051 Versetzungsmoment, Bd. 1 232 Version, Bd. 2 36 Verspannungschaubilder, Bd. 2 221 Verspannungsdreieck, Bd. 2 220 Verspannungsschaubild, Bd. 2 222 Restklemmkraft, Bd. 2 222 Schraubenkraft, Bd. 2 222 Versprödung des Materials, Bd. 1 457

1325 Verstärkung, Bd. 2 684 Verstärkungsstoffe, Bd. 1 629 Verstellgetriebe, Bd. 2 363, Bd. 2 379 Stellgetriebe, Bd. 2 379 Verstell-(Alldrehzahl-)regler, 121 Verteilen und Speicherung von Nutzenergie, 981 Energietransport, 981 Erdgastransporte, 982 Erdgas-Transportleitungen, 983 Ferngasnetze, 983 Kompressibilität, 982 Mineralöltransporte, 981 Primärenergietransporte, 981 Pumpstationen, 981 Wobbezahl, 982 Verteilereinspritzpumpen, 106 Axialkolben-Verteilereinspritzpumpe, 106 Radialkolben-Verteilereinspritzpumpe, 106 Verteilermasten, 500 Verteilförderer, 451 Verteilung und Speicherung von Nutzenergie Pipelines, 981 Vertikalkommissionierer, 401 Vertrauensbereiche, Bd. 2 689 Verwölbung, Bd. 1 395 Verwölbungen der Querschnitte, Bd. 1 370 Verwölbungsfunktion , Bd. 1 398 Verzahnungsgesetz für Stirnräder, Bd. 2 390 Verzahnungsherstellung, Bd. 2 403 Verzahnungshonen, Bd. 2 948 Verzerrungstensor, Bd. 1 357 Verzerrungszustand, Bd. 1 357 verzögerte Bewegung, Bd. 1 258 Verzweigungsproblem, Bd. 1 445 V-Form, 1149 Vibe-Brennverlauf, 77 Videobildverarbeitung, 1072 Vielstoffmotoren, 97 Vielzellenverdichter, 53 viergliedrige Drehgelenkgetriebe, Bd. 2 455 Doppelschwinge, Bd. 2 455 Grashof-Bedingung, Bd. 2 455 Kurbelschwinge, Bd. 2 455 Parallelkurbelgetriebe, Bd. 2 455 Totalschwingen, Bd. 2 455 viergliedrige Schubgelenkgetriebe, Bd. 2 455 Diagonal-Schubgelenke, Bd. 2 455 kinematische Umkehrung, Bd. 2 455 Schleifenbewegungen, Bd. 2 455 Vierleiter-Induktionsgeräte, 814 Vierpole, Bd. 2 536 Viertaktmotor, 79 Viertaktverfahren, 70 Vierwegestapler, 401 Viren, 568 Virialgleichung, Bd. 1 752 Virialkoeffizient, Bd. 1 752 virtuelle Hilfskraft, Bd. 1 392 virtuelle Krümmungen, Bd. 1 394

1326 virtuelle Verschiebung ıw, Bd. 1 394 Viskoelastizitätstheorie, Bd. 1 458 Viskosimetrie, Bd. 2 716 Viskosität, Bd. 1 318 apparente, 598 Viskositätsbestimmung, Bd. 1 335 Vollbremsung, 1120 volle Abstrahlung, Bd. 1 887 vollelastischer Stoß, Bd. 1 292 vollelektronische Zündanlage, 103 Vollformgießverfahren, Bd. 2 832 Vollgummireifen, 400 vollkommene mechanische Ähnlichkeit, Bd. 1 343 Vollniete, Bd. 2 192, Bd. 2 212 vollplastisch, Bd. 1 359 vollplastische Stützziffer, Bd. 1 360 vollplastischer Querschnitt, Bd. 1 459 vollplastischer Zustand, Bd. 1 360, Bd. 1 366 Vollscheibe konstanter Dicke, Bd. 1 434 Voltametrie, Bd. 2 726 Voltmeter, Bd. 2 734 Volumenänderung, Bd. 1 361 Volumenarbeit, Bd. 1 738, Bd. 1 739 Volumendehnung, Bd. 1 358 Volumendehnungskoeffizient, Bd. 1 757 Volumennutzungsgrad, Bd. 2 247 Volumenschwerpunkt, Bd. 1 250 Volumenstrom, 40, 417, Bd. 2 479 Pumpenförderstrom, Bd. 2 480 Volumenzähler, Bd. 2 715 Vorderachse, 1051, 1061 Vorgänge nichtperiodische, Bd. 1 841 Vorgangsgruppe, Bd. 2 68 Dosieren, Bd. 2 68 Fördern, Bd. 2 68 Formen, Bd. 2 68 Fügen, Bd. 2 68 Ordnen, Bd. 2 68 Speichern, Bd. 2 68 Trennen, Bd. 2 68 Vorgelege, Bd. 2 1065 vorhandene Sicherheit, Bd. 1 359 Vorkammer-Verfahren, 96 Vormischbrenner, 296 Vorranggraph, Bd. 2 990 Vorsatzläufer, 230 Vorschaltmasse, Bd. 1 890 Vorschriften für die Zulassung, 1039 Vorschubachse, Bd. 2 1060 Vorschubantrieb, Bd. 2 1061 Vorschubbewegung, Bd. 2 1050 Vorschubgetriebe, Bd. 2 1074 Vorschubkraft, Bd. 2 884 Vorschubmotor, Bd. 2 1051 Vorschubübertragung, Bd. 2 1070 Vorspannkraft, Bd. 2 221 Vorspannung, Bd. 2 363, Bd. 2 1071 Vorspannungsklasse, Bd. 2 1092

Stichwortverzeichnis Vorwärmen, Bd. 2 167 Vorwärtssperrspannung, Bd. 2 672 Vorwärtssperrstrom, Bd. 2 672 vorwiegend ruhende Belastung, Bd. 2 175 V-Stellung, 1148, 1153 VVS-Systeme, 812

W Wachstum, 571 Ausbeutekoeffizient, Zellertragskoeffizient, 589 Batch-Kultivierung, 571, 589 Diauxie, 572 exponentielles Wachstum, 572, 588 Fed Batch-Kultivierung, 594 filamentöses Wachstum, 595 Hemmung, 590 kontinuierliche Kultivierung, 572, 591 lineares Wachstum, 591 makroskopisches Pelletwachstum, 597 mehrfach substratlimitiert, 589 mikroskopisches Hyphenwachstum, 595 substratlimiert, 588 unlimitiert, 588 Zellerhaltung, 594 Wachstumsbedingungen, 569 Nährstoffansprüche, 569 physikochemische Wachstumsansprüche, 570 Wachstumskinetik, 588 Fujimoto, 590 logistisch, 590 Monod, 589 Moser, 590 Pirt, 594 Wachstumsrate, spezifische, 588 Wägemesszellen, Bd. 2 709 Wagen, 402 Wägetechnik, Bd. 2 708 Walzen, Bd. 2 860 Wälzfräsen, Bd. 2 940 Wälzführung, Bd. 2 1087, Bd. 2 1092 Wälzgetriebe, Bd. 2 377 Bohr/Wälzverhältnis, Bd. 2 382 Bohrbewegung, Bd. 2 377 drehmomentensteif, Bd. 2 378 elastischer Formänderungsschlumpf, Bd. 2 383 Halbtoroidgetriebe, Bd. 2 380 Kegelringgetriebe, Bd. 2 380 Leistungsdaten, Bd. 2 383 Leistungsverluste, Bd. 2 384 Nutzreibwert, Bd. 2 377 Planeten-Stellkoppelgetriebe, Bd. 2 385 Reibradgetriebe mit festem Übersetzungsverhältnis, Bd. 2 385 Reibradwerkstoffe, Bd. 2 385 Stellverhältnis, Bd. 2 378 Stribeck’sche Wälzpressung, Bd. 2 377 Verstell-Reibradgetriebe, Bd. 2 385 Volltoroidgetriebe, Bd. 2 380

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Stichwortverzeichnis Wälzkörper, Bd. 2 1092 Wälzlager, Bd. 2 295, Bd. 2 1094 abgedichtete, Bd. 2 310 aktive Dichtelemente, Bd. 2 312 angestellte Lagerung, Bd. 2 306 Anstellen, Bd. 2 300 äquivalente dynamische Belastung, Bd. 2 315 äquivalente Lagerbelastungen, Bd. 2 315 äquivalente statische Belastung, Bd. 2 315 Ausfallwahrscheinlichkeit, Bd. 2 295 Außenring, Bd. 2 295 äußere Axialkraft, Bd. 2 300 Axialfaktoren, Bd. 2 316 Axialkegelrollenlager, Bd. 2 298 Axiallager, Bd. 2 297 Axialluft, Bd. 2 296 Axialnadellager, Bd. 2 298 Axialpendelrollenlager, Bd. 2 298 Axialrillenkugellager, Bd. 2 298 Axialschrägkugellager, Bd. 2 300 Axialzylinderrollenlager, Bd. 2 298 Basiszeichen, Bd. 2 302 berührende Dichtungen, Bd. 2 312 berührungsfreie Dichtungen, Bd. 2 312 Beschichtungen, Bd. 2 302 Betriebslagerluft, Bd. 2 308, Bd. 2 312 Bezugsviskosität, Bd. 2 309 Blechkäfige, Bd. 2 302 bleibende Formänderung, Bd. 2 302 Bohrschlupf, Bd. 2 297 Bolzenkäfige, Bd. 2 302 Borde, Bd. 2 296 bordgeführte Käfige, Bd. 2 302 Bordscheiben, Bd. 2 298 Breitenreihen, Bd. 2 305 Dauerwälzfestigkeit, Bd. 2 312 Deckscheiben, Bd. 2 313 Dichtscheiben, Bd. 2 313 Drucklinie, Bd. 2 297 Druckmittelpunkt, Bd. 2 297 Druckwinkel, Bd. 2 297 Dünnringlager, Bd. 2 295 durchhärtbare Wälzlagerstühle, Bd. 2 302 Durchmesserreihen, Bd. 2 305 dynamische Tragzahl, Bd. 2 315 dynamischer Härtefaktor, Bd. 2 315 Einbaulagerluft, Bd. 2 308, Bd. 2 315 einreihige Schrägkugellager, Bd. 2 299 einsatzhärtbare Wälzlagerstühle, Bd. 2 302 elastohydrodynamischer Schmierfilm, Bd. 2 295 elastohydrodynamischer Schmierung, Bd. 2 309 Ermüdungslebensdauer, Bd. 2 314 Ermüdungsprozess, Bd. 2 314 erweiterte Lebensdauer, Bd. 2 300 Federanstellung, Bd. 2 307 Fensterkäfige, Bd. 2 302 Fertigungslagerluft, Bd. 2 300 Festlager, Bd. 2 298, Bd. 2 305 Fest-Loslagerung, Bd. 2 305

1329 Festschmierstoffe, Bd. 2 308, Bd. 2 312 Festsitz, Bd. 2 307 Fette, Bd. 2 308 Fettgebrauchsdauer, Bd. 2 308 Fettmengenregler, Bd. 2 310 Fettschmierung, Bd. 2 295, Bd. 2 310 Fettwechsel, Bd. 2 310 Fettwechselfristen, Bd. 2 310 Filzringe, Bd. 2 313 Flachführungen, Bd. 2 301 Gebrauchsdauer, Bd. 2 301, Bd. 2 313 gedeckelte, Bd. 2 310 gepaarte Lager, Bd. 2 300 Gesamtminderungsfaktor, Bd. 2 300 Gleitringdichtungen, Bd. 2 313 Grübchenbildung, Bd. 2 314 Herstellagerluft, Bd. 2 314 Herstelllagerluft, Bd. 2 308 Hertz’sche Theorie, Bd. 2 314 Hybridlager, Bd. 2 302 hydrodynamischer Flüssigkeitsfilm, Bd. 2 309 Hystereseverluste, Bd. 2 318 Innenring, Bd. 2 295 innere Axialkraftkomponente, Bd. 2 299 Käfig, Bd. 2 295 Käfigstege, Bd. 2 302 Kegelrollenlager, Bd. 2 297, Bd. 2 299 korrosionsbeständige Stähle, Bd. 2 302 Kreuzkegelrollenlager, Bd. 2 299, Bd. 2 300 Kreuzzylinderrollenlager, Bd. 2 299, Bd. 2 300 Kugelführungen, Bd. 2 301 Kugellager, Bd. 2 296 Kugelumlaufbüchsen, Bd. 2 301 Kunststoffkäfige, Bd. 2 302 Kunststofflager, Bd. 2 302 Labyrinthdichtungen, Bd. 2 312 Lagerlebensdauer, Bd. 2 312 lastabhängiger Reibungsanteil, Bd. 2 319 Lastverteilung, Bd. 2 314 Laufbahnen, Bd. 2 295 Linienberührung, Bd. 2 296 lose Passungen, Bd. 2 307 Loslager, Bd. 2 305 Loslagerverschiebung, Bd. 2 306 Massivkäfige, Bd. 2 302 Maßreihe, Bd. 2 305 Minderungsfaktoren, Bd. 2 310 Mindestbelastung, Bd. 2 318 Mineralöle, Bd. 2 312 Minimalmengenschmierung, Bd. 2 310 mittlere äquivalente dynamische Belastung, Bd. 2 318 mittlere Drehzahl, Bd. 2 318 modifizierte Linienberührung, Bd. 2 296 Nachschmieren, Bd. 2 310 Nachschmierfristen, Bd. 2 310 Nachsetzzeichen, Bd. 2 302 Nadellager, Bd. 2 295, Bd. 2 297 naturharte Stähle, Bd. 2 302

1330 Neubefettung, Bd. 2 310 Nilosringe, Bd. 2 313 O-Anordnung, Bd. 2 300 Ölbadschmierung, Bd. 2 312 Öle, Bd. 2 308 Öleinspritzschmierung, Bd. 2 312 Öl-Luft-Schmierung, Bd. 2 312 Ölnebelschmierung, Bd. 2 312 Ölschmierung, Bd. 2 311 Öltauchschmierung, Bd. 2 312 Ölumlaufschmierung, Bd. 2 312 Passungsrostbildung, Bd. 2 305 Pendelkugellager, Bd. 2 298, Bd. 2 299 Pendelrollenlager, Bd. 2 297, Bd. 2 298 Pendelrollenlagern, Bd. 2 296 Punktberührung, Bd. 2 296 Punktlast, Bd. 2 306 Radialfaktoren, Bd. 2 316 Radiallager, Bd. 2 297 Radialluft, Bd. 2 316 Radialschrägkugellager, Bd. 2 300 Radialwellendichtringe, Bd. 2 313 Reaktionsschicht, Bd. 2 309 Referenzoberfläche, Bd. 2 319 Referenztemperatur, Bd. 2 319 Referenzumgebungstemperatur, Bd. 2 319 Referenzwärmeflussdichte, Bd. 2 319 Rillenkugellager, Bd. 2 296 Rollenlager, Bd. 2 296 Rollenumlaufschuhe, Bd. 2 301 Schälen, Bd. 2 314 Scherverluste, Bd. 2 318 Schmiegung, Bd. 2 300 Schmierfrist, Bd. 2 310 Schmierung, Bd. 2 310 Schrägkugellager, Bd. 2 299 Schräglager, Bd. 2 297 Schränken, Bd. 2 296 Schulterkugellager, Bd. 2 299 Schutzlippen, Bd. 2 313 schwimmende Lagerung, Bd. 2 306 Shakedown-Limit, Bd. 2 316 Silikonöle, Bd. 2 312 Spannführung, Bd. 2 297 starre Anstellung, Bd. 2 307 statische Tragzahl, Bd. 2 315 statischer Härtefaktor, Bd. 2 297 Stützlager, Bd. 2 298, Bd. 2 300 Stütz-Traglagerung, Bd. 2 306 synthetische Öle, Bd. 2 312 Tandem-Anordnung, Bd. 2 300 Temperaturfaktor, Bd. 2 300 thermische Referenzdrehzahl, Bd. 2 300 thermischeReferenzdrehzahl, Bd. 2 319 Toleranzklassen, Bd. 2 308 Tonnenlager, Bd. 2 296, Bd. 2 298 Toroidallager, Bd. 2 297, Bd. 2 298 Tropfölschmierung, Bd. 2 312 Übergangssitze, Bd. 2 307

Stichwortverzeichnis Überlebenswahrscheinlichkeit, Bd. 2 306 Umfangslast, Bd. 2 306 verminderte Schmierfrist, Bd. 2 298 Versagensmechanismen, Bd. 2 298 Vierpunktlager, Bd. 2 298 Viskositätsverhältnis, Bd. 2 309 vollrollige Zylinderrollenlager, Bd. 2 297 Vorsetzzeichen, Bd. 2 302 Wälzen, Bd. 2 295 Wälzkörper, Bd. 2 295 wälzkörpergeführt, Bd. 2 302 wälzkörpergeführte Käfige, Bd. 2 298 warmfeste Stähle, Bd. 2 302 Winkelringe, Bd. 2 298 X-Anordnung, Bd. 2 300 Y-Lager, Bd. 2 298 zerlegbar, Bd. 2 300 Z-Lamellen, Bd. 2 313 zweireihige Kegelrollenlager, Bd. 2 300 zweireihige Schrägkugellager, Bd. 2 300 Zylinderrollenlager, Bd. 2 296, Bd. 2 297 Wälzschälen, Bd. 2 942 Wälzstoßen, Bd. 2 941 Wandler, Bd. 2 796 hydrodynamischer, 1066 Wandlung regenerativer Energien, 958 Leistungsregelung, 960 Rotoren, 960 Windkraftanlagen, 958 Windkraftnutzung, 958 wandverteilter Kraftstoff, 97 Wandwärmeverlust, 77 Wärmeübergangskoeffizient, 77 Wankelmotor, 125 Wanken, 1045, 1046 Wärme, Bd. 1 739 Einheiten, Bd. 1 908 Wärmeabgabe der Menschen, 775 Wärmeausdehnung von Werkstoffen, 706 Wärmebedarfsberechnung, 772 Wärmebehandlungsprozesse, 631 Wärmebilanz, 20 Wärmedämmung, 807 Wärmedehnung, Bd. 1 757 Wärmedurchgang, Bd. 1 809 durch eine ebene Wand, Bd. 1 808 durch eine mehrschichtige Wand, Bd. 1 809 durch Rohre, Bd. 1 810 Wärmedurchgangskoeffizient, Bd. 1 809 Wärmeeindringkoeffizient, Bd. 1 811 Wärmeerzeugung, 827 Wärmekapazität eines Dampfes, Bd. 1 756 mittlere molare, Bd. 1 761 molare, Bd. 1 755 spezifische, Bd. 1 756, Bd. 1 775 Wärmekraftanlage, Bd. 1 783 Wärmekraftmaschine, Bd. 1 783 Wärmeleitfähigkeit, Bd. 1 807, Bd. 1 810

Stichwortverzeichnis Wärmeleitgleichung Fouriersche, Bd. 1 810 Wärmeleitung durch eine ebene Wand, Bd. 1 807 durch eine Rohrwand, Bd. 1 808 mehrdimensionale, Bd. 1 810 stationäre, Bd. 1 807, Bd. 1 808 Wärmeleitwiderstand, 771, Bd. 1 807, Bd. 1 808 Wärmeproduktion, 767 Wärmepumpen, 760, 828 Wärmepumpen-Heizsysteme, Bd. 1 792 Wärmepumpenprozess, Bd. 1 783 Wärmerückgewinnung, 608, 820 Wärmespannung, Bd. 1 366 Wärmestrahlung, Bd. 1 818 Wärmestrom, Bd. 1 807 Wärmestromdichte, Bd. 1 807 Wärmestrommessungen, Bd. 2 719 wärmetechnische Werte, Bd. 1 775 Wärmeübergang, Bd. 1 808, Bd. 1 814 bei erzwungener Konvektion, Bd. 1 814 bei freier Konvektion, Bd. 1 814 bei Strömung durch Rohre, Bd. 1 814 beim Kondensieren, Bd. 1 817 beim Sieden, Bd. 1 817 durch Konvektion, Bd. 1 813 laminare Strömung durch Rohre, Bd. 1 814 quer angeströmte Rohrreihe, Bd. 1 815 quer angeströmtes Einzelrohr, Bd. 1 815 Rohrbündel, Bd. 1 816 turbulente Strömung durch Rohre, Bd. 1 815 Wärmeübergangskoeffizient, Bd. 1 809 Wärmeübergangswiderstand, Bd. 1 809 Wärmeübertrager, 663 Wärmeübertragung, Bd. 1 807 durch Konvektion, Bd. 1 807 durch Leitung, Bd. 1 807 durch Strahlung, Bd. 1 807, Bd. 1 818 Wärmeverbrauchsmessung, 839 Wärmeverhältnis, 726 Wärmewert, 103 Wärmewiderstand, Bd. 1 809, Bd. 2 668 gesamter, Bd. 1 810 Wärmezufuhr, 71 Warmfressen, Bd. 2 405 Warmumformung, Bd. 2 876 Wartung, 1184 wartungsfreie Gleitlager, Bd. 2 348 Wasser Tripelpunkt, Bd. 1 758 Wasserdampfbeladung, Bd. 1 794 Wasserdampftafel Sättigungszustand, Bd. 1 762 wassergekühlte Verflüssiger, 740 Wasserheizungen, 828 Wasserinjektionstechnik, Bd. 1 646 Wasserkraftwerke, 216 Entnahmeanlage, 217 Hochdruckkraftwerk, 216

1331 Investitionskosten, 217 Kavernenkraftwerk, 217 Mitteldruckkraftwerke, 216 Niederdruckkraftwerke, 216 Pumpspeicheranlage, 217 Speicheranlage, 216 statische Fallhöhe, 216 Wasserschloss, 217 Wasserlinienquerschnitt, Bd. 1 313 Wasserstoff, 1058 kryogene Speicherung, 1058 Wasserstoffspeicherung kryogene, 1058 Wasserturbinen, 215 Arbeitsweise, 215 Dériazturbine, 216 Durchgangsdrehzahl, 221 Einheitsdiagramm, 221 Einheitsvolumenstrom, 221 Einsatzbereiche, 216 Fallhöhen, 215 Francisturbine, 216 Gleichdruckturbinen, 215, 217 Kaplanturbine, 216 Kennfelder, 221 Kennlinien, 220 Laufraddurchmesser, 215 Laufschaufelstellung, 220 Leistungsbereich, 215 Leitschaufelstellung, 220 maximales Drehmoment, 222 Nennfallhöhe, 216 Nennvolumenstrom, 216 Ossbergerturbine, 216 Peltonturbine, 216 spezifische Drehzahl, 216 Überdruckturbine, 215, 218 Unterwasserstand, 222 Werkstoff, 220 wechselnde Beanspruchung, Bd. 1 367 Wechselstrom, Bd. 2 531 Wechselstrommessbrücken, Bd. 2 735 Wechselstromsteller, Bd. 2 589 Wechselstromverbraucher, Bd. 2 746 Wegeventil, Bd. 2 494 weggebundene Presse, Bd. 2 1132 Wegmesstechnik, Bd. 2 703 Wegsteuerung, 34 Weg-Zeit-Diagramm, Bd. 1 258 Weg-Zeit-Funktion, Bd. 1 296 Weichlöteinrichtungen in der Elektronik, Bd. 2 1203 Weißlichtinterferometer, Bd. 2 701 weitere Ähnlichkeitsgesetze für Strömungsprobleme, Bd. 1 347 Welle-Nabe-Verbindungen, vorgespannt, Bd. 2 210 Wellenspannhülse, Bd. 2 196, Bd. 2 200 Wellenwiderstand, Bd. 2 637 Wende-Roll-Moment, 1152 Werkstatt-Mikroskope, Bd. 2 698

1332 Werkstoff, 845, 876 Werkstoff-Handbuch, 1177 Werkstoffkenngrößen, Bd. 1 358 Werkstoffkennwerte, 1177 Werkstoff-Leistungsblatt, 1177 Werkstoffpaarung, Bd. 2 1088 Werkstoffprüfung von Kunststoffen, Bd. 1 640 Werkstück, Bd. 2 1049 Werkstückflusssystem, Bd. 2 1049 Werkzeug, Bd. 2 1049 Werkzeugmaschine, Bd. 2 1049, Bd. 2 1082 Werkzeugträger, Bd. 2 1049 Wetter- und Vogelschutzgittern, 807 Wheatstone, Bd. 2 735 Wheatstonebrücke, Bd. 2 526 White-Box-Modellierung, Bd. 2 763 Wickelmodule, 539 Wickelverfahren, Bd. 1 647 Widerstand, 1151, 1154, 1156, Bd. 2 525, Bd. 2 663 einstellbar, Bd. 2 665 spezifischer, Bd. 2 525, Bd. 2 663 Temperaturkoeffizient, Bd. 2 525 Widerstand an Seilrollen, Bd. 1 255 Widerstandsanordnung, Bd. 2 509 Widerstandsbeiwert, 1152, Bd. 1 319, Bd. 1 815 Widerstandshilfsphasenmotor, Bd. 2 576 Widerstandskraft, Bd. 1 255, Bd. 1 340 Widerstandsmessung, Bd. 2 734 Widerstandsmomente (axiale), Bd. 1 371 Widerstandspolare, 1157 Widerstandspunkt- und Widerstandsnahtschweißen, Bd. 2 185 Widerstandsschmelzschweißen, Bd. 2 159 Widerstandsschweißmaschinen, Bd. 2 1201 Widerstandssteuerung, Bd. 2 509 Widerstandsthermometer, Bd. 2 718 Widerstandswerkstoffe, Bd. 2 664 Widerstandswert, Bd. 2 663 Wildhaber-Novikov-(W-N-)Verzahnung, Bd. 2 398 Winddruck auf Bauwerke, Bd. 1 337 Windenergie, Bd. 2 648 Windenergiekonverter, Bd. 2 648 drehzahlvariabler Betrieb, Bd. 2 648 Leistungsbeiwert, Bd. 2 648 Schnelllaufzahl, Bd. 2 648 Windkessel, 27 Windungszahl, Bd. 2 666 Winkelbeschleunigung, Bd. 1 262 Winkelgeschwindigkeit !, Bd. 1 262, Bd. 1 433, Bd. 2 705 Winterreifen, 1048 Wippwerk, 385 Wirbelbewegung, Bd. 1 318 Wirbelkammer-Verfahren, 95 Wirbellinien, Bd. 1 330 Wirbellinienströmung, Bd. 1 332 Wirbelröhre, Bd. 1 330 Wirbelschicht, 560 Druckverlust, 561

Stichwortverzeichnis Lockerungsgeschwindigkeit, 560 Strömungszustände, 561 Wirbelstrombremse, 1120 Wirbelstromläufer, Bd. 2 1054 Wirbelstromverluste, Bd. 2 666 Wirkdruckverfahren, Bd. 2 715 Wirkleistung, Bd. 2 532 wirkliche Verschiebungen, Bd. 1 392 wirkliche Zustandsgrößen, Bd. 1 394 wirklicher Arbeitsprozess, 73 wirklicher Spannungszustand, Bd. 1 390 Wirkpaarung, Bd. 2 69 Wirkrichtungswinkel, Bd. 2 879 wirksame Knicklänge, Bd. 1 437 wirksame Spannung, Bd. 1 366 Wirkstelle, Bd. 2 69 Wirkungsgrad, 6, 44, 73, 75, Bd. 1 254, Bd. 1 273, Bd. 1 275, Bd. 2 561 der Speisewasserpumpe, Bd. 1 787 der vollkommenen Kraftmaschine, 6 des Ackeret-Keller-Prozesses, Bd. 1 785 des Carnot-Prozesses, Bd. 1 784 des Clausius-Rankine-Prozesses, Bd. 1 787 des Dieselmotors, Bd. 1 789 des Joule-Prozesses, Bd. 1 786 des Ottomotors, Bd. 1 789 Gesamtwirkungsgrad, Bd. 2 481 hydraulischer, Bd. 2 481 hydraulisch-mechanischer, Bd. 2 481 isentroper, 44, Bd. 1 791 isotherme Kupplung, 44 isothermer, 44 Kupplungswirkungsgrad, 44 mechanischer, 44 thermischer, Bd. 1 784–Bd. 1 787, Bd. 1 789 Wirkungsgradkette, 6 Wirkungsplan, Bd. 2 759, Bd. 2 773 Wöhlerlinie, 338 Bauteilwöhlerlinie, 338 Relativschädigung, 338 Wölbwiderstand, Bd. 1 441 Wulst, 1047 Wurfbahn, Bd. 1 261 Wurfdauer, Bd. 1 261 Wurfhöhe, Bd. 1 261 Wurfkennziffer, 446 Wurfweite, Bd. 1 261

Z zähe Werkstoffe, Bd. 1 359 Zahlensystem, Bd. 1 906 Zahn- und Keilwellenverbindungen, Bd. 2 209 Zähnezahlverhältnis, Bd. 2 390 Zahnflankenmodifikationen, Bd. 2 946 Zahnflankenspiel, Bd. 2 1074 Zahnkette, Bd. 2 1068 Zahnpasta, Bd. 1 327 Zahnradgetriebe, Bd. 2 389, Bd. 2 1064

Stichwortverzeichnis Abriebverschleiß, Bd. 2 405 Flankenspiel, Bd. 2 399 Grauflecken, Bd. 2 404 Grübchenbildung, Bd. 2 404 Haupttragfähigkeitsgrenzen, Bd. 2 404 Kaltfressen, Bd. 2 405 Räderpaarungen, Bd. 2 389 Schmierstoffzähigkeit, Bd. 2 401 Schmierung und Kühlung, Bd. 2 401 Tragfähigkeit, Bd. 2 404 Verzahnungsabweichungen, Bd. 2 399 Verzahnungsherstellung, Bd. 2 403 Verzahnungstoleranzen, Bd. 2 399 Wärmebehandlung, Bd. 2 403 Warmfressen, Bd. 2 405 Werkstoffe, Bd. 2 403 Zahnradpaarungen, Bd. 2 389 Zahnschäden, Bd. 2 404 Zahnradmaschine, Bd. 2 485 Außenzahnradmotor, Bd. 2 491 Außenzahnradpumpe, Bd. 2 488 Innenzahnradpumpe, Bd. 2 488 Zahnradmesstechnik, Bd. 2 698 Zahnriemen, Bd. 2 369, Bd. 2 1067 Zahnriementrieb, Bd. 2 1074 Zahnringmaschine, Bd. 2 488 Zahnringmotor, Bd. 2 491 Zahnringpumpe, Bd. 2 488 Zahnschäden, Bd. 2 404 Zahnstangenlenkung, 1052 Zapfendüsen, 108 Zeichnungsarten, Bd. 2 56 Zeigerdiagramm, Bd. 2 549 Zeitbereich, Bd. 1 881 Zeitfestigkeit, Bd. 1 457 Zeitfestigkeitberechnungen, Bd. 1 468 Zeitgesetze, 547 Zeitspanvolumen, Bd. 2 892 Zeitstandbeanspruchung, Bd. 1 476 Zeitstandzugfestigkeit von Hartlötverbindungen, Bd. 2 190 Zellenbauweise, Bd. 2 1081 Zellenverdichter, 737 Zellkulturreaktor, 583 Zellrückhaltung, Zellrückführung, 593 zementiert, 878 Zener-Effekt, Bd. 2 667 Zentralgeräte, 811 Zentralkraft, Bd. 1 278 Zentralpunkt, Bd. 1 455 zentrifugales oder gemischtes Flächenmoment 2. Ordnung, Bd. 1 312 Zentrifugalmoment, Bd. 1 283, Bd. 1 284, Bd. 1 371 Zentripetalbeschleunigung, Bd. 1 258 Zerkleinern, 518 Bruchphysik, 518 zerkleinerungstechnische Stoffeigenschaften, 518 Zerkleinerungsmaschine, 519 Brecher, 519

1333 Mühlen mit losen Mahlkörpern, 519 Prallmühlen, 520 Rührwerkskugelmühlen, 520 Strahlprallmühlen, 520 Wälzmühlen, 519 Zerlegen, Bd. 2 879 zerstörungsfreie Materialprüfung, Bd. 2 694 Zerteilen, Bd. 2 879 Zieheinrichtung, Bd. 2 1134 Zink-Luftbatterien, Bd. 2 645 Zirkulation, Bd. 1 331, Bd. 1 399 Zirkulation einer Strömung, Bd. 1 330 zonenweise Versorgung, 812 Zonung, 472 zufällige Messabweichung, Bd. 2 688 Zug- oder Druckfedern, Bd. 2 247 Zug- und Druckbeanspruchung, Bd. 1 365 Zuganker, 129 Zugbelästigungen, 809 zugeführter Arbeit, Bd. 1 275 Zugerscheinungen, 778, 782 Zugfahrzeug, 1056, 1081 Zugfeldträger, 1174 Zugkraft, 1064, 1078 Zugmaschine, 1038 Zugmittel, 418 Zugmittelgetriebe, Bd. 2 359 formschlüssige, Bd. 2 359 reibschlüssige, Bd. 2 359 Zug-Stoßeinrichtungen, 1109 zulässige Spannung, Bd. 1 359 Zulassungsstartstrecke, 1167 Zündanlagen, 102 Zündelektrode, Bd. 2 672 Zündgrenzen, 93 Zündkerze, 103 Zündstrom, Bd. 2 673 Zündtemperatur, Bd. 1 801 Zündung, 93, 1056 Zündungsklopfen, 93 Zündverzug, 95 Zündzeitpunkt, 1056 Zuordnung von Überstromschutzorganen, Bd. 2 654 zusammengesetzte Beanspruchung, Bd. 1 399 Zusatzwerkstoff, Bd. 2 169 Zuschaltraumregelung, 60 Zuspitzung, 1150 Zustand, Bd. 1 730 Zustandsänderung, Bd. 1 730 adiabate, Bd. 1 741 idealer Gase, Bd. 1 778 irreversible, Bd. 1 738 isobare, Bd. 1 777 isochore, Bd. 1 777 isotherme, Bd. 1 777 polytrope, Bd. 1 777 ruhender Gase und Dämpfe, Bd. 1 777 strömender Gase und Dämpfe, Bd. 1 779 von Gasen und Dämpfen, Bd. 1 777

1334 Zustandsfläche, Bd. 1 754 Zustandsgleichung, Bd. 1 730 fester Stoffe, Bd. 1 757 idealer Gase, Bd. 1 751 thermische, Bd. 1 751 von Benedict-Webb-Rubin, Bd. 1 752 Zustandsgröße, Bd. 1 751, Bd. 2 756 Ammoniak, Bd. 1 771 eines Gemisches, Bd. 1 793 extensive, Bd. 1 730, Bd. 1 744 intensive, Bd. 1 730 kalorische, Bd. 1 751, Bd. 1 758, Bd. 1 793 Kohlendioxid, Bd. 1 772 spezifische, Bd. 1 730 Tetrafluorethan (R134a), Bd. 1 773 thermische, Bd. 1 751 von Gasen und Dämpfen, kalorische, Bd. 1 755 Wasser, Bd. 1 765 Zustandsraumdarstellung, Bd. 2 765 Zustellbewegung, Bd. 2 1050 Zuverlässigkeit, 1137 Zuverlässigkeitsprüfung, 1130 Z-Bewertung, Bd. 1 883 Zwanglauf, Bd. 1 271, Bd. 2 455 Zwangsbremsung, 1120 Zwangskräfte, Bd. 1 394 Zwei, Bd. 2 510 zweiachsiger (ebener) Spannungszustand, Bd. 1 354 Zweiflankenwälzprüfung, Bd. 2 699 Zweipunkt-Regelung, Bd. 2 790 Zweirohranlage, 833 zweischnittig, Bd. 1 366 Zweispurfahrzeug, 1051 Zweitaktmotor, 79 Zweitakt-Großmotor, 135

Stichwortverzeichnis Zweitaktverfahren, 70 Zwei-Wege-Einbauventil, Bd. 2 509 Zwei-Wege-Stromregelventil, Bd. 2 499 Zwillingsbereifung, 1047 Zwischenkreisumrichter, Bd. 2 611 Zwischenüberhitzung, 252 Zykloidenverzahnung, Bd. 2 398 Zylinder, Bd. 1 422, Bd. 2 493 Differentialzylinder, Bd. 2 493, Bd. 2 510 Eilgang, Bd. 2 510 Endlagendämpfung, Bd. 2 493 Gleichgangzylinder, Bd. 2 493 Membranzylinder, Bd. 2 515 Schlagzylinder, Bd. 2 516 Tauchkolbenzylinder, Bd. 2 493 Zylinder gegen Ebene, Bd. 1 422 Zylinderanordnung, 18 Zylinderkoordinaten, Bd. 1 263 Zylinderkopf, 129 Zylinderrollenlager, Bd. 2 1095 Zylinderschale mit Halbkugelböden unter konstantem Innendruck, Bd. 1 430 Zylinderschmierung, 19 Zylinderstifte, Bd. 2 205 Zylinderverbindungen Richtlinien für die Gestaltung, Bd. 2 224 Zylinderzahl, 18, 124 zylindrische Führungen, Bd. 2 1088 zylindrische Mäntel äußerer Überdruck, 675 innerer Überdruck, 674 Wärmespannungen, 674 zylindrische Schalenstreifen, Bd. 1 445 zylindrischen Schraubenlinie, Bd. 1 263