Strömungsverteilung und Druckverlust bei Abzweigverbindungen zwischen seitlicher und echter Sternverbindung

Wenn sich ein Rohr in zwei Teile teilt, entscheidet die Armatur, die die Teilung vornimmt, darüber, wie viel Druck verloren geht und wie gleichmäßig der Durchfluss verteilt wird. AStandard-90-Grad-T-Stücklässt die Flüssigkeit eine scharfe Kurve machen. Ein seitlicher und ein echter Stern ersetzen diese Ecke durch einen sanfteren Winkel. Die beiden werden oft verwechselt und in einigen Katalogen werden die Namen synonym verwendet, doch ihre Geometrie und ihr Verhalten sind unterschiedlich.

Dieser Leitfaden erklärt den Unterschied, zeigt die Druckverlust- und Strömungsteilungszahlen mithilfe der Crane-TP-410-Methode und bietet eine praktische Möglichkeit, zwischen diesen zu wählen. In jedem Abschnitt wird zuerst die Schlussfolgerung und dann die Begründung dargelegt. Bei den Werten handelt es sich um beispielhafte Screening-Berechnungen; Der endgültige Entwurf liegt in der Verantwortung Ihres Rohrleitungsingenieurs.

Wichtige Erkenntnisse

• Eine Seitenleitung hat einen geraden Verlauf mit einer Abzweigung in einem Winkel von etwa 45 Grad. Ein echtes Y-Stück teilt einen Einlass in zwei symmetrische Schenkel, die wie ein Y geformt sind. Die Verwendung im Handel ist unterschiedlich, überprüfen Sie daher immer die Geometrie auf der Zeichnung.
• Beide reduzieren den Verlust im Vergleich zu einem 90-Grad-T-Stück. Bei Rohren gleicher Größe, bei denen die Hälfte des Durchflusses zum Abzweig fließt, ergibt die Crane-Methode einen Abzweigverlustkoeffizienten von etwa 0,38 für ein 45-Grad-Nebenrohr gegenüber 1,16 für ein 90-Grad-T-Stück, was etwa 67 % niedriger ist.
• In einem Beispiel mit Wassergeschwindigkeit von 2 m/s in einem NPS 4-Rohr beträgt dieser Unterschied 2,31 kPa für den T-Abzweig gegenüber 0,76 kPa für den seitlichen Abzweig bei einer 50-prozentigen Teilung.
• Ein echtes Sternchen ist symmetrisch, sodass identische Zweige den Fluss gleichmäßig teilen. Eine seitliche Variante begünstigt den geraden Lauf, sodass die Teilung ungleichmäßig ist, es sei denn, die stromabwärts gelegenen Abschnitte haben erheblichen Widerstand.
• Zusammenfließende Strömungen verlieren durch eine 45-Grad-Kreuzung auch weniger als durch ein 90-Grad-T-Stück, und ein 45-Grad-Eintritt verringert die Wahrscheinlichkeit, dass ein Nebenstrom die Hauptströmung stört.
• Geben Sie den enthaltenen Winkel, die Größen, den Zeitplan und die Norm (z. B. ASME B16.9) in der Bestellung an, da die Wörter „lateral“, „Yye“ und „True Yye“ nicht von jedem Lieferanten auf die gleiche Weise verwendet werden.

Was ist der Unterschied zwischen einem lateralen und einem echten Stern?

Ein Seitenteil ist ein Anschlussstück mit einem geraden Verlauf und einem einzelnen Abzweig, der in einem Winkel, normalerweise 45 Grad, verbunden ist; Ein echtes Y-Stück ist eine symmetrische Verbindung, bei der sich ein Einlass in zwei Schenkel teilt, die gleichmäßig von der Einlassachse abgewinkelt sind und ein Y bilden.

Die Namen stammen aus unterschiedlichen Gewerken, weshalb sie Verwirrung stiften. Eine Person aus dem Klempnerhandwerk fragt möglicherweise nach einem „Sternstück“, während ein Dampfinstallateur nach einer „45-Grad-Seitenverbindung“ fragt, und beide bedeuten möglicherweise die gleiche Armatur. In Rohrleitungs- und Formstückkatalogen ist ein Seitenanschluss ein gerader Durchgang mit einer 45-Grad-Abzweigung, und ein echtes Y-Stück teilt einen Haupteinlass symmetrisch in zwei Auslässe.

Quellen beschreiben die Schenkel eines echten Sterns auf mehr als eine Weise: Einige beschreiben zwei Schenkel, die jeweils 22,5 Grad von der Einlassachse entfernt sind (45 Grad zwischen ihnen), andere beschreiben zwei 45-Grad-Auslässe. Aus diesem Grund muss der Winkel bei der Bestellung explizit angegeben werden.

Wie vergleichen sich seitliche und echte Y-Verbindungen insgesamt?

Ein Querweg ist einfacher, in der Regel leichter zu beschaffen und funktioniert gut, wenn ein Weg eindeutig der Hauptweg ist; Ein echtes Y-Stück sorgt für eine symmetrische, gleichmäßige Verteilung für zwei gleiche Zweige, mit einem kompakteren symmetrischen Layout, aber seltenerer Verfügbarkeit.

Eine praktische Regel von Armaturenlieferanten besagt, dass sich bei einem horizontalen Einlass ein seitlicher Anschluss gut von unten abstützt, während bei einem vertikalen Einlass ein echtes Y-Stück für ausgeglichene Lasten sorgt. Verwenden Sie dies als Layout-Hinweis und vergleichen Sie es dann mit Ihrem Support-Design.

Welche Armatur hat einen geringeren Druckverlust?

Ein 45-Grad-Abzweig oder Y-Stück hat weitaus geringere Abzweigverluste als ein 90-Grad-T-Stück: Bei gleicher Aufteilung in Rohren gleicher Größe ergibt die Crane-Methode einen K-Wert von etwa 0,38 für den 45-Grad-Abzweig gegenüber 1,16 für den 90-Grad-Abzweig, was einer Reduzierung von etwa 67 % entspricht.

Der Druckverlust durch eine Armatur wird als ΔP=K × ρ × V² / 2 geschrieben, wobei K der Verlustkoeffizient, ρ die Fluiddichte und V die Geschwindigkeit im kombinierten (Einlass-)Rohr ist. Ein kleinerer K bedeutet weniger Druckverlust. In der folgenden Tabelle wird die Crane Technical Paper 410-Methode für divergierende Strömungen mit gleichgroßem Lauf und Zweig verwendet, wie sie in einer Open-Source-Engineering-Bibliothek implementiert ist. Der Laufverlustkoeffizient ist bei dieser Methode für das T-Stück und das Seitenteil gleich (er liegt je nach Aufteilung zwischen etwa -0,06 und 0,30), sodass sich der Vorteil am Abzweig zeigt.

Die Tabelle zeigt zwei Muster. Erstens hat der 45-Grad-Zweig bei jeder Teilung einen geringeren Verlust. Zweitens ist ein 90-Grad-T-Stück für die Strömung am härtesten, wenn der Großteil davon um die Ecke geht: Bei 100 % zum Abzweig beträgt K etwa 1,69 für das T-Stück, aber etwa 0,35 für die 45-Grad-Seitenlinie.

Was bedeutet das in Bezug auf den Druck?

Für Wasser (1.000 kg/m³) bei 2 m/s im kombinierten NPS 4 Schedule 40S-Rohr beträgt der Abzweigdruckverlust:

Bei einer Aufteilung von 50 % verliert der T-Zweig 2,31 kPa und der Seitenzweig 0,76 kPa. Ein Unterschied von etwa 1,55 kPa pro Knotenpunkt sieht klein aus, aber er vervielfacht sich über viele Knotenpunkte hinweg und steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit: Eine Verdoppelung der Geschwindigkeit multipliziert den Verlust mit dem Vierfachen. Bei Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit oder hoher Dichte oder in Systemen mit vielen Abzweigungen wird die Einsparung erheblich, und bei Schlamm- oder partikelbeladenen Strömungen verringert ein sanfterer Winkel auch die Erosion.

Wie verändert der Astwinkel den Verlust?

Kleinere Drehwinkel führen zu geringeren Verlusten: Bei Verwendung der Crane-Methode bei gleicher Aufteilung fällt K von etwa 1,16 bei 90 Grad auf 0,75 bei 60 Grad, 0,38 bei 45 Grad und 0,23 bei 22,5 Grad; Ein echter Stern hat den Vorteil, dass sich jedes Bein nur über einen Teil des vollen Winkels dreht.

Die folgende Tabelle variiert den Verzweigungswinkel auf die gleiche Weise. Es beschreibt einen einzelnen Zweig, der einen geraden Verlauf verlässt. Bei einem echten Stern handelt es sich also um einen Anhaltspunkt für den Trend und nicht um einen genauen Datensatz. Verwenden Sie für ein symmetrisches Y die Verlustdaten des Herstellers, das Handbuch zum hydraulischen Widerstand von Idelchik oder eine CFD-Studie.

Die Methode behandelt Winkel von etwa 75 Grad und mehr wie ein T-Stück, sodass der Vorteil erst dann zum Tragen kommt, wenn der Abzweigwinkel unter diesen Bereich fällt. Dennoch ist der Trend klar: Je weniger sich die Strömung drehen muss, desto weniger Energie verliert sie.

Wie unterscheidet sich die Strömungsverteilung zwischen einem lateralen und einem echten Y-Stück?

Ein echtes Y-Stück teilt den Fluss gleichmäßig zwischen zwei identischen Zweigen auf, da es symmetrisch ist, während ein seitlicher Strom einen größeren Teil durch den geraden Zweig schickt; Die Unebenheit nimmt ab, wenn der Widerstand der nachgeschalteten Schenkel zunimmt.

Die Strömung teilt sich auf, so dass der Druckabfall auf jedem Weg gleich ist. Bei einem lateralen System weisen der Laufpfad und der Abzweigpfad unterschiedliche Verbindungsverluste auf, so dass sich ein perfekt symmetrisches Downstream-System immer noch ungleichmäßig aufteilt. Die Tabelle zeigt den Anteil der zum Zweig fließenden Strömung für zwei identische stromabwärts gelegene Zweige, jeweils mit einem Widerstand K_leg, gemessen in Geschwindigkeitshöhen. Als grober Richtwert entspricht ein K_leg von 10 etwa 500 Rohrdurchmessern eines geraden Rohrs bei einem Reibungsfaktor von 0,02.

Wenn die stromabwärts gelegenen Zweige kurz und widerstandsarm sind (K_leg von 2), leitet das T-Stück nur 23 % des Flusses zum Abzweig und der seitliche 36 %, weit entfernt von einer gleichmäßigen Aufteilung. Wenn jedes Bein einen Widerstand von 20 hat (lange Läufe, Ventile oder Ausrüstung), kommen beide innerhalb weniger Prozentpunkte von 50 %, aber das seitliche Bein liegt immer noch näher. Hierbei handelt es sich um Screening-Schätzungen unter den angegebenen Annahmen. Wenn eine gleichmäßige Verteilung wichtig ist, wie dies bei parallelen Wärmetauschern, Reaktoren oder Brennern der Fall ist, verwenden Sie eine symmetrische Armatur und schließen Sie Ausgleichsvorrichtungen dort ein, wo der Prozess dies erfordert.

Was passiert, wenn Ströme verschmelzen statt sich zu teilen?

Bei der Zusammenführung von Flüssen verliert eine 45-Grad-Verbindung auch weniger als ein 90-Grad-T-Stück: Bei einer 50/50-Zusammenführung in Rohren gleicher Größe ergibt die Crane-Methode einen Abzweig-K von etwa 0,22 für die seitliche gegenüber 0,41 für das T-Stück.

Durch die Zusammenführung in einem flachen Winkel vereint sich der Nebenstrom nahezu in der gleichen Richtung mit dem Hauptstrom, wodurch die Mischturbulenzen und die Gefahr, dass der Nebenstrom in den Lauf zurückdringt, verringert werden. Davon profitieren Sammlungsköpfe, Abflüsse und Prozessrückläufe. Die Werte beziehen sich auf die kombinierte Austrittsgeschwindigkeit.

Was ist, wenn der Zweig kleiner als der Lauf ist?

Bei einem reduzierenden Zweig steigen die Verluste für beide Formstücke stark an, aber der 45-Grad-Abzweig bleibt deutlich unter dem 90-Grad-Abzweig; Im Beispiel hat ein Abzweig halber Größe, der den halben Durchfluss aufnimmt, einen K-Wert von etwa 1,85 für die Seitenleitung gegenüber 5,00 für das T-Stück.

Diese Werte beziehen sich auf die Geschwindigkeit im größeren kombinierten Rohr, und die hohen Zahlen stammen von der hohen Geschwindigkeit im kleinen Zweig. Verwenden Sie sie zum Vergleichen von Armaturen und nicht als Ersatz für eine vollständige hydraulische Berechnung unter Einbeziehung der brancheneigenen Reibung und Armaturen.

Wie unterscheiden sich Standards, Abmessungen und Herstellung?

Stumpfgeschweißte Anschlussstücke fallen unter ASME B16.9 und werden häufig aus Edelstahl hergestellt, zum Beispiel ASTM A403 WP304 und WP316, während echte Sternverbindungen häufig als vorgefertigte oder spezielle Formstücke mit den mit dem Lieferanten vereinbarten Abmessungen geliefert werden.

Normen: ASME B16.9 gilt für werkseitig hergestellte Formstücke mit Stumpfschweißung, einschließlich Seitenteilen; Abmessungen wie die Länge von der Mitte bis zum Ende werden pro Größe angegeben. Geschmiedete Muffen und Gewindeanschlüsse fallen unter ASME B16.11.

Materialien: Edelstahl (A403 WP304/304L, WP316/316L), Duplex und Nickellegierungen sind für korrosive oder Hochtemperaturanwendungen üblich.

Wandstärke: Passen Sie den Zeitplan des angeschlossenen Rohrs an und bestätigen Sie die Druckstufe der vorgefertigten oder reduzierenden Versionen mit dem Lieferanten.

Vorgefertigte Verbindungen: Die Gabelung (der scharfe Schnittpunkt von Abzweig und Strang) ist die Stelle mit der höchsten Belastung, daher müssen vorgefertigte Formstücke eine gute Schweißqualität, Inspektion und Verstärkung gemäß den Konstruktionsvorschriften erfordern; Geschmiedete und nahtlose Beschläge sorgen für eine gleichmäßigere Spannungsverteilung.

Größe: Seitenabschläge sind im Vergleich zu Abschlägen körperlich lang, also berücksichtigen Sie die zusätzliche Länge im Layout.

Befolgen Sie hinsichtlich der Abzweigverstärkung und der Auslegungsdruckregeln die geltenden Vorschriften, z. B. ASME B31.3 für Prozessrohre, und wenden Sie sich an den Hersteller, um Informationen zu den Druckwerten nicht standardmäßiger Fittings zu erhalten.

Wo werden Laterals und True Wyes normalerweise verwendet?

Sie werden dort eingesetzt, wo es auf geringere Verluste, weniger Erosion oder eine einfachere Reinigung ankommt: mit Schlamm und Partikeln beladene Leitungen, Abflüsse und Abfallleitungen, Sammelsammler und Prozessleitungen, bei denen eine sanftere Verzweigung Turbulenzen reduziert.

• Schlamm- und Schleifmitteleinsatz: Der sanfte Winkel verringert die Auswirkungen auf die Anschlusswand und verringert die Erosion im Vergleich zu einem 90-Grad-T-Stück.
• Abflüsse, Entlüftungsöffnungen und Abfallleitungen: Ein 45-Grad-Eingang sorgt dafür, dass sich der Fluss stromabwärts bewegt, und erleichtert die Reinigung.
• Sammelsammler: Durch die schräge Zusammenführung der Nebenströme wird die Störung des Hauptstroms verringert.
• Symmetrische Teilungen: Ein echtes Sternchen speist zwei gleiche Zweige, beispielsweise parallele Gerätelinien.
• Wenn der Platz knapp ist oder die Abzweigung kurz ist und wenig Durchfluss aufweist, kann ein Standard-T-Stück immer noch die bessere und wirtschaftlichere Wahl sein.

Wie sollten Sie zwischen einem Lateral-, einem True Wye- und einem T-Stück wählen?

Wählen Sie einen seitlichen Weg, wenn ein Weg der Hauptweg ist und Verluste oder Erosion eine Rolle spielen, einen echten Y-Weg, wenn zwei gleiche Zweige den Fluss gleichmäßig teilen müssen, und einen Standard-T-Stück, wenn der Platz begrenzt ist und der zusätzliche Verlust akzeptabel ist.

Was sollten Sie bei der Bestellung eines Lateral- oder True Wye-Systems angeben?

Geben Sie den Formstücktyp und den Winkel in einfachen Worten an, geben Sie die Größen der Strecke und Abzweigung, des Zeitplans oder der Wand, des Standards, des Materials und der Endverbindungen an und fügen Sie eine Zeichnung bei, damit keine Unklarheiten zwischen Stern, seitlich und echtem Stern bestehen.

• Typ und Geometrie: „45 Grad seitlich“ oder „wahres Y-Stück, eingeschlossener X-Grad-Winkel“, mit einer Skizze, die zeigt, welches Bein die Strecke ist.
• Größen: Laufgröße und Zweiggröße, wobei zu beachten ist, ob sich die Armatur verkleinert.
• Wandstärke oder Zeitplan für jedes Ende.
• Standard und Material: zum Beispiel ASME B16.9 und ASTM A403 WP316L, mit erforderlichen Zertifikaten.
• Endanschlüsse: Stumpfschweißung, Muffenschweißung oder Gewinde sowie die entsprechende Norm.
• Besondere Anforderungen: geschmiedet vs. gefertigt, Inspektion und zerstörungsfreie Prüfung, Sauberkeit und Druckstufe für nicht standardmäßige Designs.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen einem lateralen und einem echten Y-Stück?

Ein Lateral ist ein gerader Verlauf mit einer Abzweigung in einem Winkel von etwa 45 Grad. Ein echtes Sternchen teilt einen Einlass in zwei symmetrische Zweige. Die handelsübliche Verwendung ist unterschiedlich und einige Lieferanten behandeln „Stern“ und „Seite“ als dasselbe Anschlussstück. Geben Sie daher die Geometrie an.

Was hat einen geringeren Druckabfall, ein Stern- oder ein T-Stück?

Ein Stern oder seitlich. Bei gleicher Aufteilung in Rohren gleicher Größe ergibt die Crane-Methode einen Abzweigverlustkoeffizienten von etwa 0,38 für ein 45-Grad-Abzweigstück im Vergleich zu etwa 1,16 für ein 90-Grad-T-Stück.

Ermöglicht ein echtes Y-Stück eine gleichmäßige Strömungsaufteilung?

Ja, für zwei identische Downstream-Stränge, da die Armatur symmetrisch ist. Eine Querstrecke begünstigt den geraden Verlauf, daher ist ihre Aufteilung ungleichmäßig, es sei denn, die stromabwärts gelegenen Abschnitte weisen einen hohen Widerstand auf.

Welche Norm deckt seitliche Beschläge ab?

ASME B16.9 deckt Stumpfschweißanschlüsse ab und ASME B16.11 deckt geschmiedete Muffenschweiß- und Gewindeanschlüsse ab. Echte Sternchen werden oft als spezielle oder angefertigte Anschlüsse geliefert.

Ist ein Lateral-T-Stück dasselbe wie ein Lateral-T-Stück?

Nicht ganz. Ein seitliches T-Stück ist eine seitliche Verbindung mit einem 45-Grad-Winkel am Abzweig, sodass der Abzweig senkrecht zum Verlauf endet.

Sind Sternanschlüsse besser für Gülle geeignet?

Oft ja. Der 45-Grad-Winkel reduziert Stöße und Turbulenzen im Vergleich zu einem 90-Grad-T-Stück, was die Erosion verringert und die Reinigung erleichtert, obwohl Material und Geschwindigkeit weiterhin die Erosionslebensdauer bestimmen.

Wie berechne ich den Druckverlust durch eine Abzweigarmatur?

Verwenden Sie ΔP=K × ρ × V² / 2, wobei K von einer Methode wie Crane TP-410 oder Idelchik stammt und V die Geschwindigkeit im kombinierten Rohr ist. K hängt von der Strömungsaufteilung, den Rohrgrößen und dem Abzweigwinkel ab.