Was ist ein Kompensator? Wo werden Gummi- und Metallkompensatoren eingesetzt?

Ein Kompensator ist ein Installationselement, das zwischen zwei Rohrenden eingebaut wird und axiale, laterale oder angulare Bewegungen durch Nachgeben aufnimmt. Seine Aufgabe ist es, die Wärmeausdehnung der Rohrleitung, die von Pumpen und Verdichtern ausgehenden Schwingungen sowie den Montageversatz aufzunehmen und so zu verhindern, dass benachbarte Anlagenteile und Rohranschlüsse belastet werden. Die englische Entsprechung lautet „expansion joint“, also Dehnungsfuge; im Deutschen spricht man auch von Dehnungskompensator, Schwingungsdämpfer oder flexibler Verbindung.

Erwärmt sich eine Wasserleitung, dehnt sich die Rohrlänge aus, beim Abkühlen verkürzt sie sich. Wird diese Bewegung nicht freigegeben, baut sich im Rohr eine axiale Kraft in der Größenordnung von mehreren zehn Tonnen auf, die den schwächsten Punkt verformt. Der Balg des Kompensators nimmt diese Längung Millimeter für Millimeter auf: Das Rohr wird nicht verspannt, der Flansch nicht gezogen, die Schweißnaht nicht ermüdet. Dasselbe Element dämpft auch die hochfrequenten Schwingungen der rotierenden Teile der Pumpe und verhindert, dass sich diese Schwingungen entlang der Rohrleitung ausbreiten und auf das Bauwerk übertragen.

Der Kompensator ist ein passives Element; er hat keinen Motor, kein Ventil und kein elektronisches Bauteil. Seine einzige Aufgabe ist es, kontrolliert nachzugeben. Deshalb arbeitet er bei richtiger Auswahl nahezu wartungsfrei, bei falscher Auswahl dagegen ermüdet er unbemerkt und versagt plötzlich. Kurz gesagt, die Antwort auf die Frage, wozu ein Kompensator dient, lässt sich in drei Punkten zusammenfassen: Er nimmt Wärmeausdehnung auf, unterbindet Schwingungen und Geräusche und gleicht Montageversatz aus. Für die Produktgruppe, in der sich der Kompensator befindet, und die benachbarten Armaturen können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: Installationstechnik)

Ein Gummikompensator ist eine flexible Verbindung mit einem Elastomerbalg, die in erster Linie dazu dient, Schwingungen und Geräusche zu unterbinden. Der Balgkörper wird in der Regel aus EPDM, NBR oder Neopren-Kautschuk gefertigt; eingebettete Gewebe- oder Stahlcord-Einlagen sorgen für die Druckfestigkeit. Die typische Einsatzgrenze liegt bei 10-16 bar Druck und 90-110 °C Temperatur; die kurzzeitige Spitzentemperatur variiert je nach Baureihe.

Die größte Stärke des Gummibalgs ist die Schwingungsdämpfung. Die hochfrequenten Schwingungen der rotierenden Teile einer Pumpe leitet ein starres Metallrohr nahezu verlustfrei weiter; der Gummibalg dagegen wandelt diese Energie in Wärme um und nimmt sie auf. Deshalb sitzt der Gummikompensator klassischerweise am Saug- und Druckflansch der Pumpe. Ein Gummikompensator am Pumpeneintritt unterbindet sowohl die Übertragung der Schwingungen auf die Rohrleitung als auch die Montagespannung, die auf den Pumpenflansch wirkt. Bei Geräuschbeschwerden in Umwälz- und Druckerhöhungsleitungen spielt dieses Element unmittelbar eine Rolle für die Lösung. (Details: Umwälzpumpe macht Geräusche: Ursachen und Lösungen)

Auch bei der Bewegungsaufnahme ist der Gummikompensator flexibel, allerdings nur begrenzt. Ein Gummikompensator mit einem Balg nimmt typischerweise in axialer Richtung 8-25 mm Stauchung, 4-12 mm Dehnung und einige Grad Winkelabweichung auf; Typen mit Kugelbalg bieten eine höhere laterale Bewegung. Die chemische Beständigkeit hängt von der Kautschukart ab: EPDM eignet sich für Warmwasser und Heizkreise, NBR für Medien mit Öl- und Kraftstoffanteil, Neopren ist universell einsetzbar. Wird der Werkstoff nicht passend zum geförderten Medium gewählt, bläht sich der Balg schnell auf oder reißt.

Die Grenze des Gummikompensators ist die Temperatur. In Heißwasser- und Dampfleitungen über 110 °C wird der Elastomerbalg weich, kriecht und beult unter Druck aus. Deshalb kommen Gummikompensatoren am Heizkesselaustritt, am Dampfverteiler und in Heißölleitungen nicht zum Einsatz; dort ist ein Metallbalg erforderlich.

Ein Metallkompensator ist ein flexibles Element mit einem dünnwandigen Edelstahlbalg, das in erster Linie dazu dient, die Wärmeausdehnung aufzunehmen. Der Balg wird in der Regel aus Edelstahl AISI 304 oder AISI 321 hergestellt, mehrlagig und mit Wellenprofil. Diese Bauweise bewahrt die hohe Temperatur- und Druckbeständigkeit des Metalls und lässt den Balg in axialer Richtung unzählige Male nachgeben. Die Einsatzgrenze reicht je nach Baureihe bis in den Bereich von 300-550 °C Temperatur und 10-40 bar Druck.

Die Hauptaufgabe des Metallbalgs ist es, die Wärmelängung in langen Rohrleitungen aufzunehmen. Dampf-, Heißwasser-, Heißöl- und Abgasleitungen arbeiten sowohl bei hoher Temperatur als auch mit langen geraden Steigleitungen; diese dehnen sich beim Erwärmen um mehrere Zentimeter aus. Ein axialer Metallkompensator wird zwischen zwei Fixpunkten eingebaut und nimmt die gesamte dazwischen anfallende Längung durch Zusammendrücken auf. So konzentriert sich die Last, die entlang der Steigleitung auf feste Stützen und Umlenkbögen wirken würde, in einem einzigen flexiblen Element.

Die zweite Aufgabe des Metallkompensators ist es, bei hoher Temperatur Schwingungen und Lärm zu unterbinden. Bei Temperaturen, denen Gummi nicht standhält, etwa am Generatorabgas oder am Austritt einer Dampfpumpe, nimmt der Metallbalg sowohl die thermische Bewegung als auch die dynamische Schwingung auf. Allerdings ist die Schwingungsdämpfung des Metallbalgs geringer als die von Gummi; deshalb wird bei Pumpenschwingungen im niedrigen Temperaturbereich weiterhin Gummi bevorzugt, und Metall kommt zum Zug, wenn die Temperatur Gummi ausschließt.

Metallkompensatoren werden nach der aufgenommenen Bewegung unterschieden. Der axiale Typ nimmt nur Stauchung und Längung entlang der Rohrachse auf und erfordert einen Fixpunkt. Der laterale Typ nimmt mit zwei Bälgen und einem Zwischenrohr seitlichen Versatz in großen Beträgen auf. Der angulare Typ nimmt mit gelenkigen Verbindungen die Drehbewegung auf und wird meist paarweise oder zu dritt an L- oder Z-Rohrumlenkungen eingesetzt. Für Verbindungselemente und Armaturengruppen in Hochtemperaturleitungen können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: Ventile & Armaturen)

Die Wahl zwischen Gummi- und Metallkompensator wird durch die Temperatur des Fördermediums und den eigentlichen Zweck bestimmt. Die Regel ist eindeutig: Stehen Schwingungen und Geräusche im Vordergrund und liegt die Temperatur unter 110 °C, wählt man einen Gummikompensator; steht die Wärmeausdehnung im Vordergrund oder liegt die Temperatur über 110 °C, wählt man einen Metallkompensator. Der folgende Vergleich unterscheidet die beiden Typen anhand direkt messbarer Werte.

• Betriebstemperatur – Gummi: typisch 90-110 °C, kurzzeitige Spitze je nach Baureihe; Metall: 300-550 °C, geeignet für Dampf- und Abgasleitungen
• Betriebsdruck – Gummi: Bereich 10-16 bar; Metall: von PN 16 bis über PN 40, je nach Baureihe über 40 bar
• Hauptfunktion – Gummi: Schwingungs- und Geräuschdämpfung; Metall: Aufnahme der Wärmeausdehnung
• Schwingungsdämpfung – Gummi: sehr gut, unterbindet hochfrequente Schwingungen; Metall: begrenzt, der Balg überträgt Schwingungen teilweise
• Axiale Bewegung – Gummi: bei einem Balg in der Größenordnung von 8-25 mm Stauchung; Metall: je nach Baureihe und Balganzahl 30-200 mm und mehr
• Chemische Beständigkeit – Gummi: abhängig vom Balgwerkstoff (EPDM, NBR, Neopren); Metall: der Edelstahlbalg ist gegenüber einem breiten Spektrum an Medien beständig
• Typische Position – Gummi: Saug- und Druckflansch der Pumpe, Kühl- und Druckerhöhungsleitung; Metall: Kesselaustritt, Dampfverteiler, Heißöl- und Abgassteigleitung
• Kostenpositionen – Gummi: Balg, Flansche, Schraubensatz; Metall: Balg, Fertigung von Fixpunkt und Führungslager, Arbeitsaufwand

Es gibt einen Bereich, in dem sich die Grenzen der beiden Typen überschneiden: Warmwasserleitungen um 100-110 °C. In diesem Bereich entscheidet der zweite Zweck. Ist die Leitung kurz und ihre Wärmeausdehnung gering, aber die Pumpenschwingung dominant, wählt man Gummi. Ist die Leitung lang und ihre Wärmelängung groß, die Schwingung dagegen nachrangig, wählt man Metall. Im unklaren Grenzfall wird das Einsatzdiagramm des Herstellers herangezogen; ein genauer Wert wird nicht erfunden, er variiert je nach Baureihe.

In einer Anlage können auch beide Typen gemeinsam vorkommen. In einem Heizraum wird zum Beispiel in der Heißwasser-Steigleitung am Kesselaustritt ein Metallkompensator und am Saugstutzen der Umwälzpumpe im selben Raum ein Gummikompensator eingesetzt. Beide Elemente lösen unterschiedliche Probleme und sind nicht gegeneinander austauschbar. Für Komponenten der Heizungsanlage und die Pumpengruppe können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: Heizung)

Die vom Kompensator aufgenommenen Bewegungen lassen sich in drei Grundtypen einteilen: axial, lateral und angular. Axiale Bewegung ist die Stauchung und Längung entlang der Rohrachse; laterale Bewegung ist der seitliche Versatz der beiden Rohrenden bei gleichbleibender Parallelität; angulare Bewegung ist die Drehung des Balgs um eine Achse. Jeder Kompensator nimmt eine bestimmte Kombination dieser Bewegungen auf, und diese Werte werden im Herstellerkatalog in Millimetern und Grad angegeben.

Die axiale Bewegung ist die unmittelbare Folge der Wärmeausdehnung und die am häufigsten aufzunehmende Bewegung. Erwärmt sich ein Rohr, dehnt es sich entlang seiner Achse; der axiale Kompensator nimmt diese Längung durch Zusammendrücken auf. Der Einsatz eines axialen Kompensators hat jedoch einen Preis: Beim Zusammendrücken des Balgs erzeugt der Innendruck eine Schubkraft, und diese Kraft wirkt auf die Fixpunkte. Deshalb wird ein axialer Kompensator stets zwischen zwei kräftigen Fixpunkten eingebaut; ohne Fixpunkt wird kein axialer Kompensator verwendet.

Die laterale Bewegung ist bei zwei im rechten Winkel zueinander stehenden Rohrschenkeln oder bei Leitungen wichtig, die Bauwerksfugen kreuzen. Ein Lateralkompensator besteht aus zwei Bälgen und einem Zwischenrohr; er wird mit Zugstangen und Gelenken abgestützt, trägt dadurch die Druckschubkraft selbst und belastet den Fixpunkt nicht. Diese Eigenschaft macht den lateralen Typ dort attraktiv, wo ein Fixpunkt schwer zu errichten ist. Die angulare Bewegung wird dagegen durch den gemeinsamen Einsatz von zwei oder drei Kompensatoren mit Gelenken bevorzugt, um bei langen Leitungen große Ausdehnungen an den Umlenkpunkten aufzunehmen.

Der Gummikompensator kann diese drei Bewegungen gleichzeitig in kleinen Beträgen aufnehmen; dadurch gleicht er Montageversatz aus. Ein Metallkompensator wird dagegen in der Regel für nur einen Bewegungstyp ausgelegt und nimmt diese Bewegung in großen Beträgen auf. Deshalb wird bei der Auswahl eines Metallkompensators zuerst bestimmt, welche Bewegung dominiert, und dann der Typ gewählt, der diese Bewegung aufnimmt. Auch die Auswahl des Ausdehnungsgefäßes, in dem sich die Ausdehnung im System sammelt, ist Teil dieses Gleichgewichts. (Details: Wie wählt man ein Ausdehnungsgefäß aus? Wo kommen Gefäße mit 24, 50, 100, 200 und 500 Litern zum Einsatz?)

Die Wärmeausdehnung ist das Maß der Längung eines Rohrs bei Temperaturänderung und wird mit einer einzigen Formel berechnet: Delta L gleich Alpha mal L mal Delta T. Dabei ist Delta L die Längung in mm, Alpha der Wärmeausdehnungskoeffizient des Werkstoffs in mm/m°C, L die Rohrlänge in m und Delta T die Temperaturdifferenz in °C. Dieser Wert bestimmt unmittelbar, welcher Kompensator und wie viel mm Bewegungsvermögen erforderlich sind.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient hängt vom Werkstoff ab. Für Kohlenstoffstahl liegt Alpha bei ca. 0,012 mm/m°C, für Edelstahl bei ca. 0,016 mm/m°C und für Kupfer bei ca. 0,017 mm/m°C. Deshalb dehnt sich eine Edelstahlleitung gleicher Länge stärker aus als eine Kohlenstoffstahlleitung; bei der Auswahl des Kompensators muss der Werkstoff unbedingt berücksichtigt werden.

Rechnen wir ein Beispiel. Eine 40 Meter lange Dampfleitung aus Kohlenstoffstahl erwärmt sich von einer Montagetemperatur von 10 °C auf eine Betriebstemperatur von 170 °C. Delta T gleich 170 minus 10 gleich 160 °C. Für die Längung ergibt sich: Delta L gleich 0,012 mal 40 mal 160 gleich 76,8 mm. Für diese Längung von 76,8 mm wird ein axialer Kompensator benötigt, der sie freigibt; liegt das Stauchvermögen eines einzelnen Balgs unter diesem Wert, wählt man einen Doppelbalg oder eine Baureihe mit größerer Bewegungsaufnahme.

Das zweite Beispiel gilt für niedrige Temperatur. Eine 30 Meter lange Warmwasserleitung aus Kohlenstoffstahl erwärmt sich von 10 °C auf 80 °C. Delta T gleich 70 °C, die Längung Delta L gleich 0,012 mal 30 mal 70 gleich 25,2 mm. Da diese Leitung unter 110 °C bleibt, kommt auch ein Gummikompensator in Betracht; 25 mm axiale Bewegung liegen jedoch nahe an der Obergrenze eines Gummikompensators mit einem Balg. Reicht das Bewegungsvermögen nicht aus, wird in der Leitung ein zweiter flexibler Punkt ergänzt, um die Bewegung aufzuteilen, oder man wechselt auf den axialen Metalltyp.

Das Ergebnis der Berechnung wird stets mit Sicherheitszuschlag gelesen. Der Katalogwert für die Bewegung des Kompensators wird über der berechneten Längung gewählt; das Bewegungsvermögen bis an die Grenze auszuschöpfen verkürzt die Lebensdauer des Balgs. Als allgemeine Vorgehensweise gilt, höchstens 70-80 Prozent des Katalogwerts für die berechnete Längung zu nutzen. Eine Vorspannung bei der Montagetemperatur, also den Kompensator im kalten Zustand leicht gezogen einzubauen, sorgt dafür, dass der Balg sein Stauch- und sein Dehnvermögen ausgewogen nutzt.

Bei der Auswahl eines Kompensators gibt es drei grundlegende Auslegungswerte: Nennweite DN, Druckstufe PN und Anschlussart. DN gibt die Nennweite des Rohrs in Millimetern an, und der Kompensator wird in derselben DN wie die Leitung gewählt; es gibt ein breites Sortiment von DN 25 bis über DN 600. PN gibt den Nenndruck des Elements in bar an; die Druckstufe PN 16 entspricht einem Nenndruck von 16 bar, PN 25 einem Nenndruck von 25 bar.

Die DN-Wahl wird der Leitungsnennweite gleichgesetzt, doch der Balginnendurchmesser bestimmt auch die Strömungsgeschwindigkeit. Wird der Kompensator kleiner als die Leitung gewählt, verengt sich der Innenquerschnitt, die Strömungsgeschwindigkeit steigt, und im Balg beginnen Turbulenzen, Geräusche und Erosion. In Heiz- und Kühlleitungen wird die Strömungsgeschwindigkeit typischerweise im Bereich von 0,5-2,0 m/s gehalten; der Kompensator wird so dimensioniert, dass er diesen Bereich nicht stört. Aus diesem Grund wird ein Kompensator nicht eine Nennweite kleiner als das Rohr eingebaut.

Die PN-Wahl erfolgt, indem zum Betriebsdruck ein Sicherheitszuschlag addiert wird. Beträgt der maximale Betriebsdruck des Systems 16 bar, liegt PN 16 an der Grenze; gegen die Möglichkeit von Wasserschlag und Druckschwankungen kann die nächsthöhere Druckstufe PN 25 bevorzugt werden. Außerdem sinkt der PN-Wert mit der Temperatur: Bei hoher Temperatur nimmt der Druck ab, den derselbe Balg tragen kann. Deshalb wird der PN-Wert stets mit seinem bei Betriebstemperatur herabgesetzten Wert gelesen, nicht mit dem nominalen Wert bei Raumtemperatur.

Die Anschlussart wird in Flansch- und Gewindeanschluss unterteilt. Der Gewindekompensator wird bei kleinen Nennweiten unter DN 50 mit Gewindeverschraubung eingesetzt und ist schnell montiert; er wird in kleinen Wohngebäuden und in Leitungen innerhalb von Wohnungen bevorzugt. Der Flanschkompensator ist ab DN 50 Standard; die beiden Flansche werden mit Schrauben angezogen, der Ein- und Ausbau ist einfach, und bei hohem Druck ist er sicher. Das Flanschlochbild muss in derselben PN-Klasse wie der Rohrflansch liegen; Flansche nach unterschiedlichen Normen führen zu Abweichungen bei den Schraubenlöchern. Für die Ventile und Armaturen in der Nachbarschaft des Kompensators können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: Ventile & Armaturen)

Für den Einbau eines Kompensators am Pumpeneintritt gibt es zwei Gründe: die von der Pumpe erzeugten Schwingungen zu unterbinden und die auf den Pumpenflansch wirkende Rohrspannung aufzunehmen. Eine laufende Pumpe überträgt hochfrequente Schwingungen auf Saug- und Druckflansch; diese breiten sich über ein starres Rohr nahezu verlustfrei aus und erfüllen die gesamte Anlage mit Lärm. Der Gummikompensator unterbindet diese Schwingungen am Flansch und verhindert, dass sie in die Rohrleitung gelangen.

Der zweite Grund ist die Montagespannung. Rohrleitung und Pumpenflansch sitzen bei der Montage möglicherweise nicht exakt fluchtend; ein Versatz von wenigen Millimetern wirkt, sobald die Schrauben angezogen werden, als dauerhafte Spannung auf das Pumpengehäuse. Diese Spannung ermüdet mit der Zeit die Pumpenlager und die Dichtung. Der Gummikompensator nimmt diesen Versatz durch Nachgeben auf; der Pumpenflansch wird spannungsfrei angeschlossen, und die Lagerlebensdauer verlängert sich. Für die Lösung von Beschwerden über Pumpenschwingungen und Geräusche siehe unseren Ratgeber. (Details: Umwälzpumpe macht Geräusche: Ursachen und Lösungen)

Der Kompensator am Pumpeneintritt ist typischerweise ein Gummikompensator, denn Pumpenleitungen arbeiten in der Regel unter 110 °C, und der eigentliche Zweck ist die Schwingungsdämpfung. Bei kleinen Pumpen unter DN 50 genügt ein Gummikompensator mit einem Balg; bei Pumpen mit großem Gehäuse und über DN 65 wird die Flanschausführung verwendet. Der Kompensator wird so nah wie möglich an der Pumpe eingebaut, unmittelbar neben dem Flansch; kommt dazwischen ein längeres Rohrstück, gehen die Schwingungen auf dieses Rohr über, und die Dämpfungswirkung sinkt.

Es gibt auch Fälle, in denen der Kompensator allein nicht ausreicht. Schwingungen können über Aufhängungen auch auf das Bauwerk übergehen; deshalb sind zusätzlich zum Gummikompensator am Pumpeneintritt elastomere Zwischenlager an den Rohraufhängungen und ein Schwingungsdämpfer unter der Pumpe erforderlich. Außerdem ist am Pumpeneintritt in der Regel auch ein Schmutzfänger vorhanden, damit kein Schmutz in den Balg und in die Pumpe gelangt. Zu Aufgabe und Einbauort des Schmutzfängers siehe unseren Ratgeber. (Details: Was ist ein Schmutzfänger? Wo und warum wird ein Y-Schmutzfänger eingesetzt?)

In Hochtemperatur- und Dampfleitungen wird ein Kompensator mit Metallbalg verwendet, denn der Gummibalg verliert über 110 °C seine Festigkeit. Dampf-, Heißwasser- und Heißölleitungen können bei 130 °C beginnen und über 300 °C steigen; bei dieser Temperatur trägt nur ein Edelstahlbalg den Druck und behält zugleich seine Flexibilität. Der Metallkompensator nimmt in diesen Leitungen sowohl die Wärmeausdehnung als auch die Schwingungen bei hoher Temperatur auf.

In Dampfleitungen ist die Wärmeausdehnung sehr groß, weil die Temperaturdifferenz hoch ist. In einer Leitung, die von der Montagetemperatur auf die Sattdampftemperatur steigt, erreicht Delta T 150-200 °C; jede 40 Meter lange Kohlenstoffstahlleitung kann sich um 70-100 mm längen. Um diese Längung freizugeben, wird in der Dampfleitung als Kompensator ein axialer Metalltyp zwischen zwei Fixpunkten eingesetzt, der die gesamte dazwischen anfallende Bewegung durch Zusammendrücken aufnimmt. Ohne Fixpunkt und Führungslager wird in der Dampfleitung kein axialer Kompensator verwendet.

Auch am Generator- und Motorabgas ist ein Metallkompensator zwingend erforderlich. Die Abgastemperatur erreicht 400-550 °C, und das Motorgehäuse schwingt ununterbrochen. Der Metallkompensator nimmt hier sowohl die Wärmelängung des Abgasrohrs als auch die Schwingung des Motors auf; er verhindert, dass die Motorschwingung auf den Schalldämpfer und die Gebäudestruktur übergeht. In dieser Anwendung wird meist ein mehrlagiger Balg mit äußerem Geflechtschutz verwendet.

Auch der Balgwerkstoff wird in Hochtemperaturleitungen nach der Temperatur gewählt. Unter 300 °C genügt AISI 304; bei höherer Temperatur und in chlorhaltigen Umgebungen werden AISI 321 oder höherwertige Legierungen bevorzugt. Ob der Kompensator in Hochtemperaturleitungen zusätzlich gedämmt wird, richtet sich nach der Herstelleranweisung; bei manchen Baureihen soll der Balg zur Kühlung frei bleiben. Zur Anordnung der Ausrüstung in Feuerlösch- und Hochdruck-Pumpenleitungen siehe unseren Ratgeber. (Details: Wie funktioniert ein Feuerlöschpumpensystem? Was sind Hauptpumpe, Reservepumpe und Jockeypumpe?)

Fixpunkt und Führungslager sind Rohrhalterungen, die für die korrekte Funktion eines axialen Kompensators zwingend erforderlich sind. Ein axialer Kompensator erzeugt eine Schubkraft aus dem Druck im Balg; diese Kraft versucht, das Rohr auseinanderzudrücken. Der Fixpunkt ist die kräftige, starr eingespannte Halterung, die diese Kraft aufnimmt; das Führungslager ist dagegen die gleitende Halterung, die das Rohr in der Achse hält und ein seitliches Ausweichen verhindert.

Die Schubkraft ist kein Wert, den man unterschätzen darf. Die Kraft ist das Produkt aus der wirksamen Querschnittsfläche des Balgs und dem Anlagendruck. Beträgt die wirksame Fläche bei einer DN-200-Leitung ca. 0,035 m² und der Druck 10 bar, also 1.000.000 Pa, liegt die Schubkraft bei ca. 35.000 N, also in der Größenordnung von ca. 3,5 Tonnen. Fehlt ein Fixpunkt, der diese Kraft tragen kann, öffnet der axiale Kompensator den Balg, drückt die Rohrleitung weg und belastet die benachbarten Anlagenteile.

Auch Anzahl und Abstand der Führungslager sind durch Regeln festgelegt. Auf beiden Seiten des axialen Kompensators muss in Balgnähe je ein Führungslager vorhanden sein; das erste Lager wird in der Regel im Abstand des Vierfachen der DN, das zweite im Abstand des Vierzehnfachen angeordnet. Die Führungslager halten das Rohr in der Achse; fehlen sie, knickt das Rohr unter Druck aus, die Kompensatorbewegung weicht aus der Achse ab, und der Balg wird einseitig belastet.

Bei lateralen und angularen Kompensatoren ändert sich das Bild. Da diese Typen mit Zugstangen und Gelenken ausgestattet sind, tragen sie die Schubkraft selbst und benötigen keinen großen Fixpunkt; dadurch werden sie dort bevorzugt, wo ein Fixpunkt unmöglich zu errichten ist. Die falsche Wahl des Typs, etwa der Einsatz eines axialen Kompensators in einer Leitung ohne Fixpunkt, ist jedoch der Montagefehler, den wir vor Ort am häufigsten sehen. Für die korrekte Anordnung der Halterungen können Sie sich an unser Ingenieurteam von Pomeka Mekanik wenden. (Details: unsere Kontaktseite)

Die Montage des Kompensators ist die kritischste Phase, die über die Lebensdauer des Elements entscheidet; selbst ein richtig ausgewählter Kompensator versagt in kurzer Zeit, wenn er falsch montiert wird. Die erste Regel lautet, dass der Kompensator nicht gewaltsam in axialer Richtung gezogen oder zusammengedrückt eingebaut wird; der Balg wird nur um die in der Herstelleranweisung angegebene Vorspannung gedehnt. Die zweite Regel ist, dass beide Flansche parallel und koaxial sitzen; ein versetzt angeschlossener Kompensator arbeitet vom ersten Tag an unter Seitenlast.

Transport- und Montagesicherungen sind wichtig. Die meisten Metallkompensatoren werden mit gelb oder rot lackierten Transportstangen geliefert, die den Balg beim Transport und bei der Montage schützen. Diese Stangen werden entfernt, sobald der Kompensator zwischen zwei Fixpunkten eingebaut und die Schrauben angezogen sind; werden sie nicht entfernt, kann der Balg überhaupt nicht arbeiten, und die Wärmeausdehnung verformt das Rohr. Das Vergessen, die Transportstange zu entfernen, ist der häufigste Einzelfehler bei der Montage.

Auch Strömungsrichtung und Leitrohr werden geprüft. In Leitungen mit hoher Geschwindigkeit und in Dampfleitungen befindet sich im Kompensator ein Leitrohr, das die Strömung lenkt; dieses Leitrohr ist mit einem Pfeil versehen, der die Strömungsrichtung anzeigt, und wird so eingebaut, dass der Pfeil in Strömungsrichtung zeigt. Ein verkehrt eingebautes Leitrohr erzeugt Turbulenzen und Balgschwingungen. Außerdem wird der Balg, wenn in der Nähe des Kompensators geschweißt wird, mit einer Abdeckung vor Schweißspritzern geschützt; ein spritzender Schweißtropfen kann in der dünnen Balgwand ein Loch erzeugen.

Auch die erste Inbetriebnahme nach der Montage folgt festen Regeln. Das System wird langsam unter Druck gesetzt, und bei der ersten Erwärmung wird beobachtet, dass sich die Rohrleitung frei über den Kompensator bewegt und die Fixpunkte an ihrem Platz bleiben. Bei einer Inbetriebnahme eines Heizraums in Kadıköy hatten wir festgestellt, dass bei der ersten Erwärmung der Rohrumlenkbogen zog und eine Flanschdichtung leckte, weil die Transportstangen des Metallkompensators an der Dampfsteigleitung nicht entfernt worden waren; nachdem die Stangen entfernt und das System erneut unter Druck gesetzt worden war, war das Problem vollständig behoben. Für Abscheider- und Separatorelemente siehe unseren Ratgeber. (Details: Was ist ein Abscheider? Unterschiede zwischen Luftabscheider, Schlammabscheider und hydraulischer Weiche)

Ein Kompensator muss ausgetauscht werden, wenn am Balg bleibende Verformung, Undichtigkeit oder Anzeichen übermäßiger Ermüdung zu erkennen sind. Beim Gummikompensator sind die häufigsten Anzeichen Risse im Balgkörper, Aufblähen, Ausbeulen und netzartige Haarrisse auf der Oberfläche; diese Anzeichen zeigen, dass der Gummi das Ende seiner Lebensdauer erreicht oder die Temperaturgrenze überschritten hat. Beim Metallkompensator sind Anzeichen Unregelmäßigkeiten in den Balgwellen, Risse oder Rostpunkte.

Die Lebensdauer des Gummikompensators ist begrenzt; das Elastomer verhärtet unter Temperatur und Druck mit der Zeit und verliert seine Elastizität. Je nach Betriebsbedingung beträgt das typische Austauschintervall 5-10 Jahre; ein Gummibalg, der dauerhaft bei Spitzentemperatur arbeitet, bleibt darunter. Ein Metallbalg hält dagegen, wenn er richtig dimensioniert und richtig montiert wird, seine Zyklenlebensdauer lang durch, also Zehntausende Wärmezyklen; ein Frühausfall geht fast immer auf einen Montagefehler oder eine falsche Typwahl zurück.

Ein verpasster Austauschzeitpunkt wird teuer. Ein platzender Gummibalg bedeutet am Pumpensaugstutzen plötzlichen Wasserverlust und Trockenlauf der Pumpe; ein versagender Metallbalg ist in einer Dampf- oder Heißwasserleitung eine ernsthafte Sicherheitsgefahr. Deshalb werden Kompensatoren bei der jährlichen Wartung visuell geprüft; man sucht nach Verformung am Balg, Leckage am Flansch und Lockerung am Fixpunkt. Für die gemeinsame Betrachtung mit Sicherheitsventil und Druckabsicherung siehe unseren Ratgeber. (Details: Was ist ein Sicherheitsventil? Wo werden Sicherheitsventile mit 3 bar, 6 bar und 10 bar eingesetzt?)

Beim Austausch wird der neue Kompensator stets nach den tatsächlichen Betriebsbedingungen des alten gewählt, nicht nach dessen Abmessung. Hat der alte Kompensator wegen falscher Auswahl frühzeitig versagt, erzeugt der Einbau eines identischen Exemplars das Problem erneut. Der Austausch ist zugleich eine Gelegenheit, auch Fixpunkte und Führungslager zu überprüfen. Auf unserer Seite „Marken“ finden Sie Marken und Sortimentsalternativen. (Details: unsere Markenseite)

Der Innendurchmesser des Kompensators ist ein kritischer Wert, der die Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung und damit die Turbulenzbelastung des Balgs bestimmt. Wird der Kompensator in derselben Nennweite wie die Leitungs-DN gewählt, bleibt der Strömungsquerschnitt unverändert und im Balg eine gleichmäßige Strömung erhalten. Wird die Nennweite zu klein gewählt, steigt die Strömungsgeschwindigkeit, in den Balgwellen bilden sich Wirbel, und diese Wirbel erzeugen sowohl Geräusche als auch Erosion an der Balgwand.

Die Strömungsgeschwindigkeit wird mit einer einfachen Formel berechnet: v gleich Q geteilt durch A. Dabei ist v die Geschwindigkeit in m/s, Q der Volumenstrom in m³/s und A die innere Querschnittsfläche des Balgs in m². Beispiel: Bei einer DN-100-Leitung beträgt der Innendurchmesser ca. 100 mm, die Querschnittsfläche Pi mal 0,100 zum Quadrat geteilt durch 4 gleich 0,00785 m². Bei einem Volumenstrom von 30 m³/h ergibt die Umrechnung auf Sekunden 30 geteilt durch 3600 gleich 0,00833 m³/s, und die Geschwindigkeit beträgt v gleich 0,00833 geteilt durch 0,00785 gleich 1,06 m/s. Dieser Wert liegt innerhalb des in Heiz- und Kühlleitungen angestrebten Bereichs von 0,5-2,0 m/s und gilt als leise.

Denselben Volumenstrom durch einen Kompensator zu führen, der eine Nennweite kleiner ist, löst Geräusche aus. Leiten Sie 30 m³/h Volumenstrom durch einen Kompensator, der sich auf DN 80 verengt, beträgt der Innendurchmesser 80 mm, die Fläche 0,00503 m², und die Geschwindigkeit steigt auf 1,66 m/s. Mit steigender Geschwindigkeit nehmen sowohl das Turbulenzgeräusch als auch die Balgermüdung zu. Deshalb wird der Kompensator nicht als Gelegenheit gesehen, die Rohrleitung um eine Nennweite zu verkleinern; er wird stets in derselben Nennweite wie die Leitungs-DN gewählt.

In Leitungen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit kommt das Leitrohr ins Spiel. In Leitungen, in denen die Strömungsgeschwindigkeit über 3-4 m/s steigt, und in Dampfleitungen wird ein Leitrohr eingesetzt, das den Balg vor Strömungswirbeln schützt; dieses Rohr richtet die Strömung aus und verhindert, dass der Balg unmittelbar der Turbulenz ausgesetzt ist. Da bei Kompensatoren mit Leitrohr die Strömungsrichtung kritisch ist, wird die Einbaulage durch einen Pfeil angegeben. Zur Rolle von Volumenstrom und Strömungsgeschwindigkeit bei der Pumpenauswahl siehe unseren Ratgeber. (Details: Umwälzpumpe macht Geräusche: Ursachen und Lösungen)

Kompensatoren werden an bestimmten Stellen der Anlage eingebaut, an denen sich Wärmeausdehnung, Schwingungen oder Montageversatz sammeln. Diese Stellen sind nicht zufällig; an jeder entsteht eine bestimmte Kraft oder muss ein Anlagenteil geschützt werden. Die richtige Positionierung ist ebenso wichtig wie die Wahl des Kompensatortyps, denn ein an der falschen Stelle eingebauter Kompensator kann seine Aufgabe nicht erfüllen.

Der erste Punkt ist der Saug- und Druckflansch der Pumpe. Hier geht es darum, Schwingungen zu dämpfen und die Montagespannung aufzunehmen; es wird ein Gummikompensator verwendet, der unmittelbar an der Pumpe eingebaut wird. Der zweite Punkt ist der Austritt von Heizkessel und Wärmeübertrager. Die Wassertemperatur ist hier hoch; die Wärmeausdehnung dominiert, und liegt die Temperatur über 110 °C, ist ein Metallkompensator erforderlich. Der dritte Punkt ist die Mitte langer gerader Rohrsteigleitungen; hier wird ein axialer Metallkompensator zwischen zwei Fixpunkten eingebaut und nimmt die Längung der Steigleitung auf.

Der vierte Punkt sind Leitungen, die Bauwerksdehnungsfugen kreuzen. Kreuzt eine Rohrleitung die Fuge zwischen Gebäudeblöcken, erzeugt die Bewegung der Blöcke gegeneinander seitlichen Versatz in der Leitung; hier wird ein Lateralkompensator eingebaut. Der fünfte Punkt ist das Generator- und Motorabgas; da hohe Temperatur und Schwingung zusammentreffen, wird ein Metallkompensator mit äußerem Geflechtschutz verwendet. Der sechste Punkt sind die Anschlüsse von Kältesatz und Chiller; da die Verdichterschwingung dominiert, wird ein Gummikompensator bevorzugt.

Bei der Positionswahl gilt als gemeinsame Regel, den Kompensator nahe an dem Anlagenteil anzuordnen, das er schützen soll. Ein Schwingungsdämpfer, der weit von der Schwingungsquelle entfernt eingebaut wird, kann nicht verhindern, dass die Schwingung auf das dazwischen liegende Rohr übergeht; auch ein Dehnungskompensator, der weit vom Punkt der Ausdehnungsansammlung entfernt eingebaut wird, kann diese Ausdehnung nicht aufnehmen. Zur Stellung von Abscheidern und Ausdehnungselementen in der Anlage siehe unseren Ratgeber. (Details: Was ist ein Abscheider? Unterschiede zwischen Luftabscheider, Schlammabscheider und hydraulischer Weiche)

Der Kompensator ist ein Element, das die vom Wasserschlag erzeugte momentane Druckwelle teilweise abmildert, aber allein nicht beseitigt. Wasserschlag ist der Drucksprung, der durch das plötzliche Anhalten einer bewegten Wassermasse entsteht und in der Rohrleitung als Schlag zu hören ist. Der Gummibalg nimmt durch Nachgeben einen Teil dieser Welle auf; die eigentliche Lösung gegen den Schlag besteht jedoch darin, die Schließzeit der Armatur zu verlängern und die Strömungsgeschwindigkeit zu senken.

Die Größe des Drucksprungs wird mit der Joukowsky-Beziehung abgeschätzt: Delta P gleich Rho mal a mal Delta v. Dabei ist Rho die Wasserdichte von ca. 1000 kg/m³, a die Druckwellengeschwindigkeit im Stahlrohr von ca. 1200 m/s und Delta v die Geschwindigkeit der angehaltenen Strömung in m/s. Das plötzliche Anhalten von Wasser, das mit 1,5 m/s strömt, erzeugt ca. 1000 mal 1200 mal 1,5 gleich 1.800.000 Pa, also ca. 18 bar zusätzlichen Druck. Dieser plötzliche Druck kann den Nenndruck des Balgs mit einem einzigen Schlag überschreiten.

Deshalb wird bei der Auswahl des Kompensators die PN-Klasse gegen die Möglichkeit von Wasserschlag eine Stufe höher gewählt. In einer Leitung, die dauerhaft Wasserschlag ausgesetzt ist, ermüdet ein Gummibalg durch die vielfach wiederholten Schläge, und seine Lebensdauer verkürzt sich. Der richtige Ansatz besteht darin, den Kompensator nicht als Druckstoßdämpfer, sondern als Schwingungs- und Dehnungselement einzusetzen und den Wasserschlag mit einem separaten Druckstoßdämpfer, einer langsam schließenden Armatur und der richtigen Strömungsgeschwindigkeit zu lösen.

Ein Metallbalg ist widerstandsfähiger gegen Wasserschlag als Gummi, aber auch er ist nicht unbegrenzt belastbar. In Hochdruck-Dampf- und Heißwasserleitungen können wiederholte Schläge an den Wellenspitzen des Metallbalgs Ermüdungsrisse auslösen. Aus diesem Grund wird in Leitungen mit Druckstößen sowohl die PN-Klasse erhöht als auch der Balgtyp aus einer Baureihe mit hoher Zyklenlebensdauer gewählt. Zur Rolle des Sicherheitsventils bei Drucksicherung und Schlagmanagement siehe unseren Ratgeber. (Details: Was ist ein Sicherheitsventil? Wo werden Sicherheitsventile mit 3 bar, 6 bar und 10 bar eingesetzt?)

Kompensator, flexible Verbindung und Ausdehnungsgefäß sind drei Elemente, die oft verwechselt werden, aber unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Der Kompensator nimmt mit seinem Balg die Wärmelängung und die Schwingungen in der Rohrleitung auf. Die flexible Verbindung ist ein Begriff für einen Schwingungsdämpfer, der häufig gleichbedeutend mit dem Gummikompensator verwendet wird; es handelt sich um das kurze Gummibalg-Stück, das eingesetzt wird, um die Schwingung am Pumpenflansch zu unterbinden. Das Ausdehnungsgefäß dagegen nimmt nicht die Längung des Rohrs auf, sondern das beim Erwärmen zunehmende Volumen des Wassers im geschlossenen Kreislauf; es ist ein Druckbehälter.

Der Unterschied liegt in der aufgenommenen Größe. Der Kompensator nimmt die Längenänderung von meterlangen Rohrleitungen in der Größenordnung von Millimetern auf; seine Einheit ist mm Bewegung und Grad. Das Ausdehnungsgefäß nimmt dagegen die Änderung des Wasservolumens in der Größenordnung von Litern auf; seine Einheit ist Liter Kapazität und bar Vordruck. In einem geschlossenen Heizkreis werden beide Elemente benötigt: Der Kompensator schützt das Rohr, das Ausdehnungsgefäß hält den Druck konstant. Beide sind nicht gegeneinander austauschbar.

Die gemeinsame, korrekte Installation dieser drei Elemente in einer Anlage verringert sowohl Geräusche als auch mechanische Ermüdung. Am Pumpeneintritt die flexible Verbindung, in der langen Steigleitung der Metallkompensator und im Kreis ein richtig dimensioniertes Ausdehnungsgefäß arbeiten zusammen. Wie Kapazität und Vordruck des Ausdehnungsgefäßes berechnet werden, finden Sie in unserem Ratgeber. (Details: Wie wählt man ein Ausdehnungsgefäß aus? Wo kommen Gefäße mit 24, 50, 100, 200 und 500 Litern zum Einsatz?)