Die perfekte Wahl für druckbeaufschlagte Rohrleitungssysteme
PB-1 setzt sich aufgrund der Kombination seiner Eigenschaften, wie hoher Flexibilität, zusammen mit herausragender Innendruck- und Kriechbeständigkeit über einen großen Temperaturbereich hinweg, von den Konkurrenzprodukten ab.
Durch die einzigartige Morphologie und das Kristallisationsverhalten von PB-1 hat es unübertroffene Eigenschaften für druckbeaufschlagte Rohrleitungssysteme.
Alle Polyolefinmaterialien neigen bei Dauerbeanspruchung über längere Zeiträume hinweg zu Kriechen.
Dieses Kriechverhalten kann durch Erzeugung eines 3D-Netzwerks in der Polymerstruktur unterdrückt werden. Dies kann z. B. durch eine chemische Verbindung geschehen, wie bei der Herstellung von Polyethylenen (PE-X) ausgenutzt. Polybuten-1 erreicht jedoch eine stärkere Kriechbeständigkeit (siehe Tabelle unten) durch ein einzigartiges physikalisches Netzwerk, das aus der Kombination von Mikrokristallen und durch kristalline Umlagerung (Alterung) erzeugten festen Verschlaufungen der Polymerketten entsteht. Damit sind Änderungen durch zusätzliche Vernetzung, Copolymerisation oder Compoundierung nicht erforderlich.
In seiner einfachsten Form als Homopolymer ist Polybuten-1 durch sein Eigenschaftenprofil die perfekte Wahl, um die Anwendungsanforderungen von druckbeaufschlagten Warm- und Kaltwasser-Rohrleitungssystemen zu erfüllen.
Leistungsvergleich von PB-1 und alternativen Kunststoffmaterialien
Gleichwertige Normen zu ISO 12230 beschreiben den Einfluss von Zeit und Temperatur auf die zu erwartende Festigkeit der unten aufgeführten Materialienr. Die in diesen Normen dargestellten Informationen erlauben einen Vergleich der Leistunsfähigkeit dieser alternativen Kunststoffmaterialien für Rohrleitungssysteme.
Die folgende Abbildung zeigt die Bezugslinien zur Leistung (Druckfestigkeitseigenschaften) der folgenden Materialien bei 70 °C auf einer gleichwertigen Skala:
Leistungsfähigste Materialien
- PB-H | ISO 12230 (2012)
- PB-R | ISO 12230 (2012)
Materialien mit mittlerer Leistung ohne Knick
- PE-X - ISO 15875 (2003)
- PP-RCT - ISO 15874 (2013)
- PE-RT type II - ISO 12230 (2012)
Materialien mit niedriger Leistung mit Knick
- PE-RT type I - ISO 22391 (2009)
- PP-R - ISO 15874 (2013)
Nach 10 Jahren von dauerhaft einwirkender Spannung ist das leistungsfähigste Polybuten-1 (PB-H und PB-R) noch 50 % stabiler als Materialien mit mittlerer Leistung (PE-X, PP-RCT und PE-RT Typ II) und 70–90 % stabiler als Materialien mit niedriger Leistung (PE-RT Typ I und PP-R).
Bemessungsspannung
Durch die Anwendung standardisierter Kriterien, die in der ISO-Norm 10508 festgelegt sind, ist es möglich, die maximal zulässige Umfangsspannung dieser alternativen Polyolefinrohre für verschiedene standardisierte anwendungsbezogene Temperaturklassen zu berechnen. Diese Berechnung der Bemessungsspannung führt zu dem Vergleich, der in der untenstehenden Tabelle dargestellt wird, und zeigt, dass PB-1-Polymere die höchsten Umfangsspannungswerte unter allen standardisierten Anwendungsbereichen erreichen. Der Vorteil von PB-1 hinsichtlich der Druckbelastung ist zwischen 35 % und 90 % höher, je nach Anwendungsbereich und Material. Das bedeutet, dass PB-1-Rohre bei gleicher Dicke einen erheblichen Sicherheitsfaktor gegenüber diesen alternativen Kunststoffmaterialien für installierte Systeme bieten.
Nach 10 Jahren dauerhaft einwirkender Spannung ist PB-1 noch 50 % stabiler als PE-X, PP-RCT und PE-RT Typ II und 70–90 % stabiler als PE-RT Typ I und PP-R.
Aus der maximal zulässigen Umfangsspannung lässt sich eine minimal zulässige Wanddicke berechnen. Aus der Berechnung ergibt sich, dass Rohrleitungen aus Polybuten-1 im Vergleich zu anderen Materialien und abhängig von den anwendungsbezogenen Standardbeschränkungen mit einer erheblich geringeren Wanddicke produziert werden können. Eine geringere Wanddicke bedeutet gleichzeitig einen größeren inneren Querschnitt für einen vorgegebenen Außendurchmesser des Rohrs, was zu einem verringerten Gesamtdruckverlust und zu niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten führt, um ein festgelegtes Wasservolumen zu liefern.
*PE-RT denotes Raised Temperature Resistance polyethylene
Höhere Langzeit- Kriechbeständigkeit
Im Gegensatz zu anderen Thermoplasten, die in Rohrleitungsanwendungen verwendet werden, ist eine Steigerung der Leistungsfähigkeit über Compoundierung, Vernetzung oder Copolymerisation für Rohrleitungssysteme aus PB-1 nicht notwendig, um die für ihren Gebrauch geltenden strengen Leistungsvorgaben zu erfüllen.
Im Vergleich zu anderen Polyolefinmaterialien besitzt Polybuten-1 ein höheres Widerstandsniveau unter dauerhafter Spannung, die über einen langen Zeitraum einwirkt. Dies wird als Kriechverhalten bezeichnet. Die Grafik stellt die höhere Leistung von PB-1 beim Überschreiten von 100 Stunden dar.
Zusätzlich zu den ausgezeichneten mechanischen und thermischen Eigenschaften bietet PB-1 ein hohes Maß an chemischer Beständigkeit und Widerstand gegen Entflammbarkeit, das den Vorgaben der meisten Anwendungen entspricht.
PB-1 kann über standardmäßige Spritzgieß- oder Extrusionsprozesse in einer breiten Produktpalette verarbeitet werden. Sowohl als Homopolymer als auch als Copolymer macht die Ausgewogenheit der Eigenschaften PB-1 zum technisch bevorzugten Material für die Produktion von Rohrleitungssystemen mit heißem und kaltem Druckwasser.
Gewicht des Rohrs und hydrostatischer Wirkungsgrad
Calculated for application class 2, 10 bar design pressure, based on published data.
Neben den überlegenen Eigenschaften von Polybuten-1 im Vergleich zu anderen Materialien besitzt es eine ausgezeichnete Schalldämmung. Die Kombination aus dünner Bauweise der Rohrwand, niedrigem Elastizitätsmodul und niedriger relativer Dichte in Rohren aus Polybuten-1 (ρ = 0,92 g/cm3) führt zu hoher Absorption von „Druckschlag“ und anderen Geräuschen, die mit Heizung und Kühlung in Rohrleitungssystemen verknüpft sind. Tests haben gezeigt, dass Geräusche in Rohren in der Royal Albert Hall in London nach der Installation von Rohrleitungen aus PB-1 um 90 % verringert wurden
Dünnere Rohrwände, hohe Elastizität und eine niedrige relative Dichte in Rohren aus PB-1 führen zu hoher Absorption von Betriebsgeräuschen.
Druckschlag
Eine Säule mit bewegtem Wasser innerhalb einer Rohrleitung enthält gespeicherte kinetische Energie, die aus der Masse und der Geschwindigkeit entsteht. Da Wasser grundsätzlich inkompressibel ist, kann diese Energie nicht absorbiert werden, wenn ein Ventil plötzlich geschlossen wird.
Je höher die SDR-Klasse, desto niedriger der Druckschlag bei einer bestimmten Durchflussrate. PB-1 hat die höchste SDR-Klasse im Vergleich zu PP-H, PP-B, PE-RT und PEX.
Das Ergebnis ist ein hoher unmittelbarer Druckanstieg, der normalerweise als „Druckschlag“ bezeichnet wird.
Mit zunehmender Bevölkerungsdichte und gestiegenen Ansprüchen an den Komfort sind Lärmpegel und akustische Eigenschaften von Rohrleitungssystemen ein wichtiges Thema. Rohrleitungssysteme, die Strömungsgeräusche und Druckschläge minimieren, wenn Rohrleitungen durch Decken und Wände führen, sind ein Schlüsselelement, um die Lärmbelästigung der Anwohner zu verringern.
Fünf Faktoren bestimmen den Grad des Druckschlags:
- Geschwindigkeit
- Elastizitätsmodul des Rohrmaterials
- Innendurchmesser des Rohrs
- Wanddicke des Rohrs
- Schließzeit des Ventils
Ein sich wiederholender Druckschlag kann Rohrleitungssysteme beschädigen. Neben dem Geräusch kann es durch einen Druckschlag zu einem Rohrbruch kommen, wenn der Druck hoch genug ist..
Der maximale theoretische Wert der Druckstoß-Ps beträgt:
v0 · a · ρ = ps
v0 = Geschwindigkeit des Mediums [m/s]
a = Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckwelle [m/s]
ρ = Dichte des Mediums [kg/m³]
ps = Druckstoß – Wasserschlag [N/m²]
Die maximalen Druckstöße, die durch den Druckschlag verursacht werden, können mithilfe der folgenden Gleichung berechnet werden, die aus dem „Handbook of Thermoplastic Piping System Design“ von Thomas Sixsmith und Reinhard Hanselka, Marcel Dekker Inc., S. 65–69, stammt.
Ps = V((3960 E t)/(E t + 3 x 105 DI))½
hierbei gilt:
Ps = Druckstoß (psi)
V = Wassergeschwindigkeit (ft/sec)
DI = Innendurchmesser des Rohrs (mm)
E = Elastizitätsmodul des Rohrmaterials (psi)
t = Rohrwanddicke (mm)
Der niedrige Elastizitätsmodul von Polybuten-1 erhöht zusammen mit der verringerten Wanddicke einen niedrigen Druckstoß für einen vorgegebenen Außendurchmesser des Rohrs und für die Druckauslegung. In der untenstehenden Tabelle wird der Druckstoß für Rohre aus verschiedenen Kunststoffmaterialien mit einem Außendurchmesser von 38,1 mm (1 1/2"), die für den gleichen Druckbetrieb entwickelt wurden, verglichen.
Im Vergleich zu PP-H, PP-B, PE-RT und PEX verfügt PB-1 über die höchste SDR-Klasse und bietet die besten akustischen Eigenschaften, einschließlich des niedrigsten Druckschlags.
Polybuten-1 bietet im Vergleich zu PE-RT und PEX spürbare Vorteile für Rohrleitungssysteme
Bei Bauprojekte ist die tatsächliche Kostenabweichung von Rohrleitungssystemen über konkurrierende Materialien hinweg mehr als ein Kostenvergleich pro Länge für denselben Außenrohrdurchmesser.
Ein echter Kostenvergleich zwischen Rohrleitungssystemen sollte die Installationszeit, Verbindungsoptionen, Lebensdauer und SDR-Bewertung umfassen.
Darauf achten Spezifizierer: einfache Installation, die sich auf die Kosten vor Ort auswirkt; Verbindungsoptionen, langfristige Systemleistung und voraussichtliche Lebensdauer; sowie Standardbemaßungsverhältnis (Standard Dimension Ratio, SDR) von Rohrmaterialien, um die Haltbarkeit mit dem Druck zu vergleichen.
Im Vergleich zu PEX- und PE-RT-Systemen bietet PB-1 erhebliche Vorteile in einer Vielzahl von Leistungskategorien, die dazu beitragen, dass PB-1-Rohrsysteme die optimale Wahl für Hochleistungs-Rohrleitungssystemen sind.
Standardbemaßungsverhältnis (SDR)
Was ist SDR?
SDR oder das Standardbemaßungsverhältnis bezieht sich auf die Geometrie eines Rohrs. SDR ist eine Methode zur Bestimmung der Widerstandsfähigkeit eines Rohrs gegenüber Druck. Es beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Rohrmaß und der Dicke der Rohrwand. SDR 11 bedeutet beispielsweise, dass der Außendurchmesser des Rohrs das Elffache der Wandstärke beträgt.
- Hohes SDR-Verhältnis
Die Rohrwand ist im Vergleich zum Rohrdurchmesser dünn - Niedriges SDR-Verhältnis
Die Rohrwand ist im Vergleich zum Rohrdurchmesser dick
Beispielrechnung:
Das SDR für ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 100 mm und einer Wandstärke von 5 mm kann wie folgt berechnet werden:100mm / 5mm = SDR 20
Warum ist SDR für Rohrleitungssysteme für Fernwärme von Bedeutung
Aufgrund des höheren SDR-Verhältnisses von PB-1 im Vergleich zu PE-RT oder PEX bieten PB-1-Rohrleitungssysteme wegen ihrer Anforderungen an den unteren Wandabschnitt für die gleiche Druckleistung und den gleichen Außendurchmesser folgende Vorteile:
- Weniger Material für die gleiche Druckkapazität
- Geringeres Gewicht pro Meter Rohr
- Niedrigerer Rohraußendurchmesser für die gleiche Leistung
- Größere Innenfläche für den gleichen Außendurchmesser mit folgenden Vorteilen:
- Höhere Durchflussrate bei gleichem Druck
- Geringerer Druckverlust, geringerer Energiebedarf für den Betrieb eines Systems oder von Pumpen mit geringerer Kapazität
SDR-Klassen und Rohrabmessungen
SDR-Klassen, die in den nationalen Normen für Fernwärme-Rohrleitungssysteme angegeben sind
Nationale Normen (RU und NL)
Die Quelle für Rohrabmessungen der Fernwärme beim Vergleich von Materialien PB-1, PE-RT und PEX
Die aktuelle russische Norm für die Fernwärme (GOST 56730 – 2015) und die niederländische Richtlinie (BRL 5609 – und der Entwurf des überarbeiteten BRL 5609) beinhalten jeweils einen Vergleich von drei Materialien für Fernwärme-Rohrleitungssysteme: PB-1, PE-RT und PEX.
Sowohl die russische Norm als auch die niederländische Richtlinie haben hinsichtlich der Rohrabmessungen und der SDR-Klassen der drei Versorgungsrohrmaterialien, die bei Druckhöhen von 6 bar, 8 bar und 10 bar arbeiten, dieselben Anforderungen.
Nach der russischen Norm und der niederländischen Richtlinie ist die Tabelle (rechts) ein Auszug aus der entsprechenden Tabelle, die die SDR-Klassen für die aufgelisteten Materialien bei unterschiedlichen Druckwerten zeigt. Wie angegeben, ist für jeden Betriebsdruck PB-1 im Vergleich zu PEX oder PE-RT die höchste SDR-Klasse aufgeführt. Im folgenden Abschnitt wird erläutert, was dies bedeutet, warum Normen sich auf Rohrabmessungen und SDR-Klassen beziehen und welche Vorteile das für Rohrsystemspezifizierer hat.
Rohrabmessungen und SDR-Klassen
Die Druckkapazität von PB-1 bietet Vorteile gegenüber PE-RT und PEX
Um die Leistung von PB-1, PE-RT und PEX im Verhältnis zum gegebenen Betriebsdruck von 8 bar bei kleinem Rohrdurchmesser von 50 mm zu veranschaulichen, bieten die Tabelle und das Diagramm im Folgenden einen Vergleich der erforderlichen Innenrohrabmessungen.
Die höhere SDR-Klasse PB-1 bietet die folgenden Vorteile:
• Dünnerer Wandabschnitt
• Weniger Material (weniger Gewicht)
• Größerer Innendurchmesser und größere Fläche
Beispiel 1: Kleines Rohr – 50 mm Durchmesser bei 8 bar
PB-1 ist stärker als PE-RT und PEX, und mit einem Betriebsdruck von 8 bar und einem Rohraußendurchmesser von 50 mm sind folgende Wandstärken erforderlich:
Wie oben gezeigt, liefert der größere Innendurchmesser des Rohrs mit einem PB-1-Außendurchmesser von 50 mm bei gleichem Wasserdruck eine wesentlich höhere Durchflussrate als die anderen beiden Materialien. Anders ausgedrückt: Bei einer gegebenen Durchflussrate führen PB-1-Rohre zu einem geringeren Druckverlust, der weniger Energie für den Betrieb von Systemen und/oder Pumpen mit geringerer Kapazität erfordert.
Wie in den obigen Grafiken und zu Vergleichszwecken gezeigt, kann PE-RT als Benchmark bei 100 % angesehen werden. Beim Vergleich der inneren Querschnittsfläche eines Rohrs mit einem Durchmesser von 50 mm (linkes Diagramm) übertrifft PB-1 PE-RT mit einem zusätzlichen Volumen von 27 % deutlich. Beim Vergleich der Materialmenge pro Meter für ein Rohr mit einem Durchmesser von 50 mm, das für 8 bar ausgelegt ist (rechtes Diagramm), wird für das PB-1-Rohr 29 % weniger Material verbraucht als mit PE-RT.
Auch hier kann PE-PRT zu Vergleichszwecken als Benchmark bei 100 % angesehen werden. Wie aus der obigen Abbildung (links) hervorgeht, liefert ein PB-1-Rohr mit 50 mm Außendurchmesser (8 bar) unter Verwendung des gleichen Betriebswasserdrucks eine wesentlich höhere Durchflussrate von +35 % im Vergleich zum identisch ausgelegten PE-RT-Rohr mit dem gleichen Außendurchmesser.
Gemessen mit dem anderen Vergleichspunkt (rechts): Bei einer gegebenen Durchflussrate (Ausgang) bieten PB-1-Rohre einen um 44 % geringeren Druckverlust im Vergleich zu PE-RT-Rohren. Das bedeutet, dass PB-1-Rohre weniger Energie benötigen, um ein System zu betreiben – oder – Pumpen mit einer geringeren Kapazität bei gleicher Leistung aufnehmen können.
Beispiel 2: Kleines Rohr – 160 mm Durchmesser bei 10 bar
Aufgrund einer höheren SDR-Einstufung (und damit eines dünneren Wandabschnitts) bietet ein PB-1-Rohr mit einem Durchmesser von 140 mm dieselbe Leistung wie ein PE-RT-Rohr mit einem Durchmesser von 160 mm, jedoch mit einem kleineren Außendurchmesser und einer größeren Rohrquerschnittsfläche.
Bei einem Betriebsdruck von 10 bar mit einem Rohr mit 160 mm Außendurchmesser:
- PE-RT @ SDR 6
Das Rohr mit einem Durchmesser von 160 mm hat eine innere Querschnittsfläche von 8.958 mm² - PEX @ SDR 7.4
Das Rohr mit einem Durchmesser von 160 mm hat eine innere Querschnittsfläche von 10.605 mm² - PB-1 @ SDR 9
Das Rohr mit einem kleineren Außendurchmesser von 140 mm hat eine innere Querschnittsfläche von 9.263 mm²
Außerdem beträgt das Gewicht des für 10 bar ausgelegten PB-1-Rohrs mit 160 mm Außendurchmesser, wie im Diagramm (rechts) dargestellt, fast die Hälfte des Gewichts für den gleichen Außendurchmesser und das gleiche Bemessungsrohr aus PE-RT.
Fügetechniken für Fernwärme-Rohrleitungen
PB-1 ist ein vielseitiges Material für alle verfügbaren Fügetechniken
Das Endergebnis
Die Spezifikation der PB-1-Rohrleitungssysteme für Fernwärme bietet:
- Erhebliche Möglichkeiten zur Materialeinsparung bei gleichzeitiger Erhöhung der Systemkapazität
– dünnere Wände
– Vergrößerung der verfügbaren Querschnittsfläche innen - Ein höheres Maß an Designfreiheit für Fernwärmenetze
– Möglichkeit zur Verwendung kleinerer Außen- und Anschlussrohrdurchmesser - Eine klare Möglichkeit zur Senkung der integralen Installations- und Betriebskosten
– kleinere Rohrträgerrahmen
– Verwendung von weniger Isoliermaterial
– kleinere Pumpen laufen mit reduziertem Energieverbrauch - Die Fähigkeit zur Anwendung aller verfügbaren Fügetechniken
- Beste Akustik in dieser Klasse, einschließlich der niedrigsten Stufe eines Druckschlags
- Die Möglichkeit des vollständigen Recyclings
PB-1 gegenüber PE-RT und PEX
Die Vorteile von PB-1 für Druckrohrsysteme
Business Review Webinare
- Gesponsert von: Lyondell Basell
- Datum der Präsentation: 7. März 2019
- Präsentation:
– Patrick van Beek, Marketing Manager PB-1
– Werner Rothhöft, Application Development & Technical Service Engineer - Wichtige Lernziele | Was bedeutet eine höhere SDR-Klasse in der Praxis?
– Kennenlernen von Polybuten-1 für den Einsatz in druckbeaufschlagten Warm- und Kaltwasserrohrsystemen
– Erfahren Sie mehr über die außergewöhnlichen Eigenschaften dieses technisch fortschrittlichsten thermoplastischen Materials
– Welche Vorteile hat die Verwendung von PB-1 in Rohrleitungssystemen gegenüber alternativen thermoplastischen Werkstoffen?
– Möglichkeiten zur Senkung der Betriebskosten während der Lebensdauer eines Rohrleitungssystems
Webinar: Was bedeutet eine höhere SDR-Klasse in der Praxis?
