О применении современных инженерных решений при компенсации температурных деформаций трубопроводов тепловых сетей

Трубы и их соединения.

Техника транспорта теплоты предъявляет следующие основные требования к трубам, применяемым для теплопроводов:

· достаточная механическая прочность и герметичность при имеющихся давлениях теплоносителя;

· эластичность и стойкость против термических напряжений при переменном тепловом режиме;

· постоянство механических свойств;

· стойкость против внешней и внутренней коррозии;

· малая шероховатость внутренних поверхностей;

· отсутствие эрозии внутренних поверхностей;

· малый коэффициент температурных деформаций;

· высокие теплоизолирующие свойства стенок трубы;

· простота, надежность и герметичность соединения отдельных элементов;

· простота хранения, транспортировки и монтажа.

Все известные до настоящего времени типы труб одновременно не удовлетворяют всем перечисленным требованиям. В частности, этим требованиям не вполне удовлетворят стальные трубы, применяемые для транспорта пара и горячей воды. Однако высокие механические свойства и эластичность стальных труб, а также простота, надежность и герметичность соединений (сварка) обеспечили практически стопроцентное применение этих труб в системах централизованного теплоснабжения.

Основные типы стальных труб, применяемых для тепловых сетей:

Диаметром до 400 мм включительно – бесшовные, горячекатаные;

Диаметром выше 400 мм – электросварные с продольным швом и электросварные со спиральным швом.

Трубопроводы тепловых сетей соединяются между собой при помощи электрической или газовой сварки. Для водяных тепловых сетей преимущество отдаётся сталям марок Ст2сп и Ст3сп.

Схема трубопроводов, размещение опор и компенсирующих устройств должны быть выбраны таким образом, чтобы суммарное напряжение от всех одновременно действующих нагрузок ни в одном сечении трубопровода не превосходило допускаемого. Наиболее слабым местом стальных трубопроводов, по которому следует вести проверку напряжений, являются сварные швы.

Опоры.

Опоры являются ответственными деталями теплопровода. Они воспринимают усилия от трубопроводов и передают их на несущие конструкции или грунт. При сооружении теплопроводов применяют опоры двух типов: свободные и неподвижные.

Свободные опоры воспринимают вес трубопровода и обеспечивают его свободное перемещение при температурных деформациях. Неподвижные опоры фиксируют положение трубопровода в определенных точках и воспринимают усилия, возникающие в местах фиксации под действием температурных деформаций и внутреннего давления.

При бесканальной прокладке обычно отказываются от установки свободных опор под трубопроводами во избежание неравномерных посадок и дополнительных изгибающих напряжений. В этих теплопроводах трубы укладываются на нетронутый грунт или тщательно утрамбованный слой песка. При расчете изгибающих напряжений и деформаций трубопровод, лежащий на свободных опорах, рассматривается как многопролетная балка.

По принципу работы свободные опоры делятся на скользящие, роликовые, катковые и подвесные.

При выборе типа опор следует не только руководствоваться значением расчетных усилий, но и учитывать работу опор в условиях эксплуатации. С увеличением диаметров трубопроводов резко возрастают силы трения на опорах.

Рис. А Скользящая опора:1 – тепловая изоляция; 2 – опорный полуцилиндр; 3 – стальная скоба; 4 – бетонный камень; 5 – цементно-песчаный раствор

Рис.Б Роликовая опора. Рис.В Катковая опора. Рис.Г Подвесная опора.

В некоторых случаях, когда по условиям размещения трубопроводов относительно несущих конструкций скользящие и катящиеся опоры не могут быть установлены, применяются подвесные опоры. Недостатком простых подвесных опор является деформация труб вследствие различной амплитуды подвесок, находящихся на различном расстоянии от неподвижной опоры, из-за разных углов поворота. По мере удаления от неподвижной опоры возрастают температурная деформация трубопровода и угол поворота подвесок.

Компенсация температурных деформаций.

Компенсация температурных деформаций производится специальными устройствами – компенсаторами.

По принципу действия компенсаторы разделяются на радиальные и осевые.

Радиальные компенсаторы позволяют перемещение трубопровода и в осевом, и в радиальном направлениях. При радиальной компенсации термическая деформация трубопровода воспринимается за счет изгиба эластичных вставок или отдельных участков самого трубопровода.

Рис.Компенсаторы. а) П-образный; б) Ω-образный;в) S-образный.

Преимущества – простота устройства, надежность, разгруженность неподвижных опор от усилий внутреннего давления. Недостаток – поперечное перемещение деформируемых участков. Это требует увеличения сечения непроходных каналов и затрудняет применение засыпных изоляций и бесканальной прокладки.

Осевые компенсаторы допускают перемещения трубопровода только по направлению оси. Выполняются скользящего типа – сальниковые и упругие – линзовые (сильфонные).

Линзовые компенсаторы устанавливаются на трубопроводах низкого давления – до 0,5 МПа.

Рис. Компенсатор. а) односторонний сальниковый: б) трехволновой линзовый компенсатор

1 – стакан; 2 – корпус; 3 – набивка; 4 –упорное кольцо; 5 – грундбукса.

Независимо от материала, из которого они сделаны, подвержены температурным удлинениям и сокращениям. Чтобы найти величину линейного изменения длины трубопроводов при их расширении и сужении выполняется расчет. Если им пренебречь и не установить необходимые компенсаторы, то, при открытой прокладке трассы, трубы могут провиснуть или даже станут причиной выхода из строя всей системы. Поэтому расчёт температурных удлинений трубопроводов обязателен и требует профессиональных знаний.

В данной части учебного курса « », при участии специалиста компании REHAU, расскажем:

Почему нужно учитывать температурные удлинения трубопроводов.
Как рассчитать прогиб трубопровода при температурном удлинении.
Как рассчитать и смонтировать плечо компенсатора температурных удлинений.
Как компенсировать температурные деформации полимерных трубопроводов.
Какие полимерные трубопроводы лучше всего использовать при открытой водопроводной и отопительной разводке.

Необходимость расчета температурных удлинений трубопроводов из полимерных материалов

Температурные удлинения или сокращения трубопроводов происходят под влиянием изменения рабочей температуры, перемещаемой по ним воды, а также температуры окружающей среды. Соответственно, при монтаже нужно обеспечить достаточную степень свободы трубопроводов, а также рассчитать необходимые допуски на увеличение их длины. Часто начинающие застройщики не учитывают эти изменения при монтаже водопроводной и отопительной разводки. Типичные ошибки:

Замоноличивание труб холодного и горячего водоснабжения в стяжку пола без использования утеплителя или защитной гофры.
Открытая прокладка труб, например, при монтаже радиаторов системы отопления, без использования специальных компенсаторов.

Сергей Булкин Руководитель технического отдела направления «Внутренние инженерные системы» компании REHAU

Учет температурных удлинений трубопроводов из полимерных материалов, в частности, из РЕ-Ха, следует производить только при их открытой прокладке. При скрытой прокладке компенсация температурных удлинений происходит за счет изгибов трубопроводов, уложенных в защитной гофротрубе или в теплоизоляции, при изменении направления трассы. В этом случае компенсация удлинений происходит благодаря напряжениям в стяжке или в штукатурке.

Технология скрытой прокладки трубопроводов в штробах или в стяжке должна обеспечивать возможность компенсации возникающих деформаций без механических повреждений труб и соединительных элементов.

Отметим, что стяжка выдерживает напряжение без разрушений, т.к. возникающие усилия очень малы и составляют незначительный процент от имеющегося запаса её прочности. Необходимо только проследить, чтобы при заливке стяжки или оштукатуривании стен раствор не попадал внутрь гофротрубы или под теплоизоляцию. Присоединение труб к водоразборной арматуре производится через настенные угольники, которые прочно закрепляются на строительной конструкции или на специальном кронштейне. В результате - осевые перемещения труб в теплоизоляции или защитной гофротрубе, за счет температурных удлинений, не оказывают усилий на узел присоединения. При присоединении трубопроводов к распределительным коллекторам выполняется поворот под 90° на выходе из стяжки или из-под штукатурки.

Таким образом на узлы присоединения трубопроводов к коллектору будут передаваться усилия от очень коротких участков, которыми можно пренебречь.

При открытой прокладке температурные удлинения полимерных трубопроводов, в частности, трубопроводов из РЕ-Ха, будут очень заметны, т.к. эти трубопроводы имеют большой коэффициент температурного удлинения.

Физический смысл коэффициента температурного удлинения состоит в том, что он показывает, на сколько миллиметров удлинится 1 м трубы при его нагреве на 1 градус.

Эта же величина имеет и обратный смысл, т.е. если трубопровод охладить на 1 градус, то коэффициент температурного удлинения покажет, на сколько миллиметров укоротится 1 м трубопровода.

Коэффициент температурного удлинения – это физическая характеристика материала, из которого изготовлен трубопровод.

Расчет температурного удлинения трубопроводов из сшитого полиэтилена РЕ-Ха

Температурные удлинения или сокращения трубопроводов происходят из-за изменения рабочей температуры циркулирующей по ним воды, а также температуры окружающей среды. При открытой прокладке трубопровод должен свободно удлиняться или укорачиваться без перенапряжения материала труб, соединительных деталей и соединений трубопровода. Это достигается за счет компенсирующей способности элементов трубопровода. Например:

Правильной расстановкой опор (креплений).
Наличием отводов в трубопроводе в местах поворота, других гнутых элементов и установкой температурных компенсаторов.

Устройство компенсаторов необходимо только при значительных линейных удлинениях трубопроводов . Поскольку система должна быть рациональна, то сначала рассчитывается температурное удлинение трубопровода. Возьмём трубопроводы из сшитого полиэтилена РЕ-Ха. Для расчета нам потребуется:

Таб. 1. Коэффициент температурного удлинения и константа материала для водопроводных труб.

Сергей Булкин

Температурное удлинение участка трубопровода пропорционально его длине и разнице температур монтажа и максимальной рабочей температуры. Если мы, например, монтируем участок трубопровода горячей воды длиной 10 м, и температура окружающего воздуха, т.е. температура монтажа, составляет 20°С, а максимальная рабочая температура составит 70°С, то температурное удлинение можно посчитать по формуле

ΔL = L α ΔТ (t макс. раб. – t монтажа). Где:

ΔL - температурное удлинение в мм;
L - длина трубопровода в м;
α - коэффициент температурного удлинения в мм/м·К;
ΔТ - разность температур в К.

Подставляем значения в формулу:

ΔL = L α (t макс. раб. – t монтажа) = 10 0,15 (70 – 20) = 75 мм.

Т.е. 10-метровый участок при этом удлинится на 75 мм или 7.5 см. Это приведет к деформации системы и провисанию трубопровода. Данные деформации, прежде всего, нарушают внешний вид системы. Но на значительной длине могут разрушить, прежде всего, крепежные устройства или привести к поломке запорно-регулировочной арматуры или фасонной части. Человеческий глаз способен воспринимать прогиб трубопровода (ΔН), начиная от 5 мм .

Прогиб трубы в результате температурного удлинения.

Следующий шаг - расчет величины прогиба (провисания) трубопровода.

Расчет прогиба трубопровода и способы компенсации температурных деформаций полимерных трубопроводов

Зная длину участка между хомутами (L) и его длину при максимальной рабочей температуре (L 1), прогиб трубопровода определяется с помощью зависимости:

Итого, при температурном удлинении трубопровода на 75 мм на 10-метровом отрезке прогиб составит:

Сергей Булкин

Бороться с температурными деформациями полимерных трубопроводов можно разными способами :

Установкой дополнительных хомутов крепления.
Устройством Г-образного компенсатора.
Устройством П-образного компенсатора.
Применением фиксирующего желоба как компенсатора.
Устройством дополнительных неподвижных опор.
Применением металлополимерных трубопроводов, в которых слой алюминия прочно приклеен к внутреннему самонесущему слою из РЕ-Ха.

Рассмотрим каждый из этих способов.

Способы компенсации температурных деформаций полимерных трубопроводов

1. Устройство дополнительных хомутов крепления.

За счет устройства дополнительных хомутов крепления предотвращается провисание или прогиб трубопроводов. Рекомендуемое максимальное расстояние между хомутами для полимерных труб из РЕ-Ха приведены в таблице 2.

2. Устройство Г-образного компенсатора.

Г-образные компенсаторы устраиваются так же, как и при прокладке стальных трубопроводов. Устраивать Г-образные компенсаторы на полимерных трубах из РЕ-Ха значительно эффективнее, т.к. эти трубы отличаются высокой эластичностью. При этом, в качестве Г-образных компенсаторов можно использовать места поворота трубопроводов под 90°. Необходимо по формуле, как было описано выше, определить температурное удлинение ΔL от прямого участка перед поворотом. Эта величина влияет на расстояние от трубопровода до строительной конструкции. Расстояние до строительной конструкции должно быть не менее величины ΔL. Кроме этого, необходимо дать трубе возможность свободно изгибаться. Для этого первый хомут крепления, после поворота, следует устанавливать на определенном расстоянии от поворота.

Устройство Г-образного компенсатора на полимерных трубах .

LBS – длина плеча компенсатора;
х – минимальное расстояние от стены;
ΔL – температурное удлинение;
FP – неподвижная опора;
L – длина трубы;
GS – скользящий хомут.

Длина плеча компенсатора, в основном, зависит от материала (константы материала С). Компенсаторы обычно устанавливаются в местах изменения направления трубопровода.

Фиксирующие желоба на компенсаторы не устанавливают, чтобы не нарушить изгиб трубы.

Длина плеча компенсатора определяется по формуле:

С – константа материала трубы;
d – наружный диаметр трубопровода в мм;
ΔL – температурное удлинение участка трубопровода.

Если температурное удлинение составило 75 мм, константа материала С = 12, а диаметр трубопровода равен 25 мм, то длина плеча компенсатора составит:

Сергей Булкин

Г-образный компенсатор – это самое экономичное устройство для компенсации температурных удлинений. Для его устройства не требуется никаких дополнительных устройств и элементов.

3. Устройство П-образного компенсатора.

П-образные компенсаторы устраиваются в тех случаях, когда нежелательна компенсация температурных удлинений на краях участка. Его устраивают, как правило, посередине отрезка трубопровода, и компенсация температурных удлинений направлена к центру отрезка. Основания П-образного компенсатора смещаются к центру равномерно с обеих сторон, поэтому каждая сторона компенсирует половину температурного удлинения ΔL/2. Плечи П-образного компенсатора являются плечами компенсации LBS.

Длина плеча компенсатора вычисляется по приведенной выше формуле, а ширина основания П-образного компенсатора должна быть не менее половины длины плеча компенсатора.

Устройство П-образного компенсатора на полимерных трубах.

4. Фиксирующий желоб как компенсатор температурных удлинений.

Фиксирующий желоб – это ложемент из оцинкованной стали трехметровой длины с отбортовкой по краям. Фиксирующие желоба выпускаются на соответствующие диаметры трубопроводов. Трубопроводы защелкиваются в фиксирующие желоба. При этом фиксирующий желоб охватывает трубу примерно на 60°.

Силы трения трубопровода о стенки желоба превышают силу температурных удлинений трубопровода.

При установке фиксирующего желоба необходимо выдержать отступ в 2 мм от полимерных надвижных гильз.

При установке фиксирующего желоба снизу трубопровода обеспечивается его механическая защита.

При использовании фиксирующего желоба минимальное расстояние между хомутами крепления при использовании трубопроводов всех диаметров может составлять 2 м.

5. Использование неподвижных опор

Если компенсацию температурных удлинений необходимо произвести на длинном участке трубопровода, на котором имеется много ответвлений, например, водопроводный стояк в 20-й этажном здании, на каждом этаже которого установлены тройники для поквартирной разводки, то компенсацию температурных удлинений можно произвести с помощью установки неподвижных опор. Для этого с обеих сторон тройника за надвижными гильзами устанавливаются обычные скользящие хомуты.

Формирование неподвижной опоры как компенсатора температурных удлинений трубопровода .

Хомуты не позволят фасонной части сдвинуться ни вверх, ни вниз. Тем самым длинный участок разбит на много коротких участков, равных высоте этажа, приблизительно 3 м. Как мы помним из формулы расчета, температурное удлинение прямо пропорционально длине участка, а мы ее сократили. При устройстве неподвижных опор на каждом этаже на стояке не потребуется устройства никаких других компенсаторов температурного удлинения трубопровода. Если есть, например, «холостой» стояк, у которого по всей длине нет боковых отводов, то можно искусственно установить на этом стояке, например, равнопроходные муфты и на них сформировать неподвижные опоры, как было описано выше. Чтобы уменьшить затраты, можно установить на стояке Г или П-образные компенсаторы или поставить сильфонный компенсатор.

Полимерные трубопроводы для устройства современной открытой водопроводной и отопительной разводки

Современные металлополимерные трубопроводы - это труба из сшитого полиэтилена, в которой слой алюминия прочно приклеен к внутреннему самонесущему слою из РЕ-Ха. У таких трубопроводов наименьший коэффициент температурного удлинения, т.к. алюминиевый слой компенсирует температурные удлинения и удерживает внутренний полимерный слой от температурных деформаций.

Коэффициент температурного удлинения металлополимерных трубопроводов – всего 0,026 мм/м·К, что в 5.76 раза меньше, чем у обычных трубопроводов из сшитого полиэтилена.

Температурное удлинение участка металлополимерного трубопровода длиной 10 м при температуре окружающего воздуха (т.е. температуре монтажа 20 °С и максимальной рабочей температуре 70 °С) составит всего:

ΔL = L α (t макс. раб. – t монтажа) = 10 0,026 (70 – 20) = 13 мм.

Для сравнения: ранее мы рассчитали температурное удлинение обычного РЕ-Ха трубопровода длиной 10 м, которое составило 75 мм.

Поэтому металлополимерные трубопроводы позиционируются как трубопроводы для открытой прокладки. Но вариант с металлополимерными трубами окажется дороже, т.к. эти трубы стоят больше, чем обычные трубы из сшитого полиэтилена РЕ-Ха.

Заключение

Нельзя игнорировать температурные удлинения трубопроводов из сшитого полиэтилена РЕ-Ха при открытой прокладке водопроводной разводки и монтаже отопительной системы. Для компенсации удлинений следует применять один из вышеперечисленных в статье методов, строго соблюдая рекомендации производителя.

Теплопроводы системы отопления монтируют в «коробке» строящегося здания при различной температуре наружного воздуха. В весенне-осенний период эта температура близка к +5°С. В зимний период для удобства выполнения отделочных и монтажных работ в строящемся здании стремятся также поддерживать временными средствами положительную температуру.

Так как эксплуатация различных отопительных труб проводится при температуре теплоносителя от 30 до 150°C, стальные трубы удлиняются по сравнению с монтажной их длиной в большей или меньшей степени.

Температурное удлинение нагреваемой трубы - приращение ее длины Δl - определяется по формуле:

Δl=α*{t т -t н)l,

где α - коэффициент линейного расширения материала трубы (для мягкой стали в рассматриваемом интервале температуры близок к 1,2 10 -5);

t т - температура теплопровода, близкая к температуре теплоносителя, °C (при расчетах учитывается наивысшая температура);

tн - температура окружающего воздуха в период производства монтажных работ, °C;

l - длина отопительной трубы, м.

Δl=1,2*10 -2 *(t т -5)l, мм,

удобном для ориентировочных расчетов.

Можно установить, что при низкотемпературной воде 1 м подающей стальной трубы предельно удлиняется приблизительно на 1 мм, обратной трубы - на 0,8 мм, а при высокотемпературной воде и паре удлинение каждого метра трубы достигает 1,75 мм.

Очевидно, что это необходимо учитывать при конструировании системы отопления, особенно при высокотемпературном теплоносителе, и принимать меры для уменьшения усилий, возникающих при температурном удлинении подводок, стояков и магистралей.

Компенсация удлинения подводок к отопительным приборам предусматривается в горизонтальных однотрубных системах путем изгибов подводок (добавления уток) для того, чтобы напряжение на изгиб в отводах труб не превышало 78,5 МПа (800 кгс/см 2); между каждыми пятью-шестью приборами вставляют П-образные компенсаторы, которые рационально размещать в местах пересечения разводящей трубой внутренних стен и перегородок помещений.

В системах отопления с вертикальными стояками подводки к приборам в большинстве случаев выполняются без изгибов, однако в высоких зданиях возможен специальный изгиб подводок к одному или нескольким приборам для обеспечения беспрепятственного перемещения труб стояка при температурном удлинении.

При длинных гладкотрубных приборах, а также при установке нескольких приборов другого типа «на сцепке» необходимы такие же специальные изгибы подводок к ним для компенсации их температурного удлинения.
Игнорирование этого явления приводит при эксплуатации системы если не к излому труб и арматуры, то к возникновению течи в резьбовых соединениях.

Компенсация удлинения вертикальных стояков систем отопления малоэтажных зданий обеспечивается путем их изгиба в местах присоединения к подающим магистралям. В более высоких (4-7-этажных) зданиях вертикальные однотрубные стояки изгибают в местах присоединения не только к подающей, но и к обратной магистрали.

Изгибы труб для компенсации удлинения вертикальных стояков систем отопления зданий

а – одно - трехэтажных; б – четырех - семиэтажных; в - восьмиэтажных и более высоких.

В зданиях, имеющих более семи этажей, таких изгибов стояков недостаточно и для компенсации удлинения средней части вертикальных стояков применяют либо специальные П-образные компенсаторы, либо дополнительные изгибы труб, удаляя отопительные приборы от оси стояка. В этом случае трубы стояков между компенсаторами в отдельных точках закрепляют, устанавливая неподвижные опоры (так называемые «мертвые») для обеспечения перемещения труб в заданном направлении при изменении их температуры.

В местах пересечения междуэтажных перекрытий трубы заключают в гильзы для облегчения их перемещения при удлинении или при ремонте. При замоноличивании в панели стен трубы соединяют в разрывах между панелями с изгибами для компенсации усилий, возникающих при осадке зданий.

В вертикальной однотрубной системе для компенсации удлинения используют изгибы труб каждого этаже-стояка.

Для компенсации удлинения вертикальных главных стояков систем отопления многоэтажных зданий применяют П-образные компенсаторы, ширина и вылет которых определяются расчетом. Следует иметь в виду, что неподвижные опоры между компенсаторами в этом случае воспринимают не только силу упругости компенсатора, но и действие массы трубы с водой и изоляцией.

Компенсация удлинения магистралей выполняется прежде всего естественными их изгибами, обусловленными планировкой конкретного здания, и только прямые магистрали значительной длины, особенно при высокотемпературном теплоносителе, снабжаются П-образными компенсаторами.

Компенсационные устройства в тепловых сетях служат для устранения (или значительного уменьшения) усилий, возникающих при тепловых удлинениях труб. В результате снижаются напряжения в стенках труб и силы, действующие на оборудование и опорные конструкции.

Удлинение труб в результате теплового расширения металла оп ределяют по формуле,.

где — коэффициент линейного расширения, 1/°С; l — длина трубы, м; t — рабочая температура стенки, 0 С; t м — температура монтажа, 0 С.

Для трубопроводов тепловой сети значение t принимают равным рабочей (максимальной) температуре теплоносителя; t м — расчетной для отопления температуре наружного воздуха. При средней величине = 12 · 10 -6 1/°С для углеродистой стали удлинение 1 м трубы на. каждые 100°С изменения температур составит l = 1,2 мм/м.

Для компенсации удлинения труб применяют специальные устройства — компенсаторы, а также используют гибкость труб на поворотах трассы тепловых сетей (естественную компенсацию).

По принципу работы компенсаторы подразделяют на осевые и радиальные. Осевые компенсаторы устанавливают на прямолинейных участках теплопровода, так как они предназначены для компенсации усилий, возникающих только в результате осевых удлинений. Радиальные компенсаторы устанавливают на теплосети любой конфигурации, так как они компенсируют как осевые, так и радиальные усилия. Естественная компенсация не требует установки специальных устройств, поэтому ее необходимо использовать в первую очередь.

В тепловых сетях находят применение осевые компенсаторы двух типов: сальниковые и линзовые. В сальниковых компенсаторах (рис. 6.11) температурные деформации труб приводят к перемещению стакана 1 внутри корпуса 5, между которыми для герметизации помещается сальниковая набивка 3. Зажимается набивка между упорным кольцом 4 и грундбуксой 2 при помощи болтов 6.

Рис. 6.11. Сальниковые компенсаторы

а — односторонний; б — двусторонний: 1 — стакан; 2 — грундбукса; 3 — сальниковая набивка; 4 — упорное кольцо; 5 — корпус; 6 — затяжные болты

В качестве сальниковой набивки применяют асбестовый прографиченный шнур или термостойкую резину. В процессе работы набивка изнашивается и теряет упругость, поэтому требуются периодическая ее подтяжка (зажатие) и замена. Для возможности проведения указанных ремонтов сальниковые компенсаторы размещают в камерах.

Соединение компенсаторов с трубопроводами осуществляется сваркой. При монтаже необходимо оставлять зазор между буртом стакана и упорным кольцом корпуса, исключающий возможность возникновения растягивающих усилий в трубопроводах в случае понижения температуры ниже температуры монтажа, а также тщательно выверять осевую линию во избежание перекосов и заедания стакана в корпусе.

Основными достоинствами сальниковых компенсаторов являются малые габариты (компактность) и низкие гидравлические сопротивления, вследствие чего они нашли широкое применение в тепловых сетях, Особенно при подземной прокладке. В этом случае их устанавливают при d y = 100 мм и более, при надземной прокладке — при d y = 300 мм и более.

В линзовых компенсаторах (рис. 6.12). при температурных удлинениях труб происходит сжатие специальных упругих линз (волн). При этом обеспечивается полная герметичность в системе и не требуется обслуживания компенсаторов.

Изготовляют линзы из листовой стали или штампованных полулинз с толщиной стенки от 2,5 до 4 мм газовой сваркой. Для уменьшения гидравлических сопротивлений внутри компенсатора вдоль волн вставляется гладкая труба (рубашка).

Линзовые компенсаторы имеют относительно небольшую компен сирующую способность и большую осевую реакцию. В связи с этим для компенсации температурных деформаций трубопроводов тепло вых сетей устанавливают большое число волн или производят пред варительную их растяжку. Применяют их обычно до давлений при мерно 0,5 МПа, так как при больших давлениях возможно вспучи вание волн, а повышение жесткости волн путем увеличения толщины стенок приводит к снижению их компенсирующей способности и возрастанию осевой реакции.

Естественная компенсация температурных деформаций происходит в результате изгиба трубопроводов. Гнутые участки (повороты) повышают гибкость трубопровода и увеличивают его компенсирующую способность.

При естественной компенсации на поворотах трассы температурные деформации трубопроводов приводят к поперечным смещениям участков (рис. 6.13). Величина смещения зависит от расположения неподвижных опор: чем больше длина участка, тем больше его удлинение. Это требует увеличения ширины каналов и затрудняет работу подвижных опор, а также не дает возможности применять современную бесканальную прокладку на поворотах трассы. Максимальные напряжения изгиба возникают у неподвижной опоры короткого участка, так как он смещается на большую величину.

К радиальным компенсаторам, применяемым в тепловых сетях, относятся гибкие и волнистые шарнирного типа. В гибких компенсаторах температурные деформации трубопроводов устраняются при помош.и изгибов и кручения специально согнутых или сваренных участков труб различной конфигурации: П- и S-образных, лирообразных, омегообразных и др. Наибольшее распространение на практике вследствие простоты изготовления получили П-образные компенсаторы (рис. 6.14,а).

Их компенсирующая способность определяется суммой деформаций -по оси каждого из участков трубопроводов . При этом максимальные изгибающие напряжения возникают в наиболее удаленном от оси трубопровода отрезке — спинке компенсатора. Последняя, изгибаясь, смещается на величину у, на которую необходимо увеличивать и габариты компенсаторной ниши.

Для увеличения компенсирующей способности компенсатора или уменьшения величины смещения его устанавливают с предварительной (монтажной) растяжкой (рис. 6.14,б). При этом спинка компенсатора в нерабочем состоянии изогнута внутрь и испытывает изгибающие напряжения. При удлинении труб компенсатор приходит сначала в ненапряженное состояние, а затем уже спинка изгибается наружу и в ней возникают изгибающие напряжения обратного знака.

Если в крайних положениях,т. е. при предварительной растяжке и в рабочем состоянии достигаются предельно допустимые напряжения, то компенсирующая способность компенсатора увеличивается вдвое по сравнению с компенсатором без предварительной растяжки. В случае же компенсации одинаковых температурных деформаций в компенсаторе с предварительной растяжкой не будет происходить смещение спинки наружу и, следовательно, уменьшатся габариты компенсаторной ниши. Работа гибких компенсаторов других конфигураций - происходит примерно таким же образом.

Расчет естественной компенсации и гибких компенсаторов заключается в определении усилии и максимальных напряжений, возникающих в опасных сечениях, в выборе длин участков трубопроводов, закрепленных в неподвижных опорах, и геометрических размеров компенсаторов, а также в нахождении величины смещений при компенсации температурных деформаций.

Методика расчета основывается на законах теории упругости, связывающих деформации с напряжениями и геометрическими размерами труб, углов изгиба и компенсаторов. При этом напряжения в опасном сечении определяются с учетом суммарного действия усилий от температурных деформаций трубопроводов, внутреннего давления теплоносителя, весовой нагрузки и др. Суммарные напряжения не должны превышать допустимой величины.

На практике расчет максимальных изгибающих напряжений в гнутых компенсаторах и участках естественной компенсации производят по специальным номограммам и графикам. В качестве примера на рис. 6.15 приведена номограмма для расчета П-образного компенсатора.

Расчет П-образного компенсатора по номограмме производят в зависимости от величины температурного удлинения трубопровода t и принятого соотношения между длиной спинки компенсатора В и его вылетом Н (показано стрелками).

Номограммы строятся для различных стандартных диаметров трубопроводов d y , способа изготовления и радиусов углов изгиба. При этом указываются также принятые значения допустимых изгибающих напряжений , коэффициента линейного расширения и установочные условия.

Волнистые компенсаторы шарнирного типа (рис. 6.16) представляют собой линзовые компенсаторы, стянутые стяжками с шарнирным устройством 1 с помощью опорных колец 2, надаренных на трубы. При установке их на трассе, имеющей ломаную линию, они обеспечивают компенсацию значительных тепловых удлинений, работая на изгиб вокруг своих шарниров. Изготовляются такие компенсаторы для труб с d y = 150-400 мм на давление Р у 1,6 и 2,5 МПа и температуру до 450 °С. Компенсирующая способность шарнирных компенсаторов зависит от максимально допустимого угла поворота компенсаторов и схемы их установки на трассе.

Рис. 6.16. Простейшая конструкция компенсатора шарнирного типа; 1 - шарниры; 2 — опорное кольцо

Рис. 6.15. Номограмма для расчета П-образного компенсатора трубопровода flfy = 70 см.

Компенсация температурных деформаций стальных трубопроводов имеет исключительно важное значение в технике транспорта теплоты.

Если в трубопроводе отсутствует компенсация температурных деформаций, то при сильном нагревании в стенке трубопровода могут возникнуть большие разрушающие напряжения. Значение этих напряжений может быть рассчитано по закону Гука

, (7.1)

где Е – модуль продольной упругости (для стали Е = 2 10 5 МПа); i – относительная деформация.

При повышении температуры трубы длиной l на Dt удлинение должно составить

где a – коэффициент линейного удлинения, 1/К (для углеродистой стали a= 12-10 -6 1/К).

Если участок трубы защемлен и при нагревании не удлиняется, то его относительное сжатие

Из совместного решения (7.1) и (7.3) можно найти напряжение сжатия, возникающее в стальной трубе при нагреве прямолинейного защемленного (без компенсаторов) участка трубопровода

Для стали s= 2,35 Dt МПа.

Как видно из (7.4), напряжение сжатия, возникающее в защемленном прямолинейном участке трубопровода, не зависит от диаметра, толщины стенки и длины трубопровода, а зависит только от материала (модуля упругости и коэффициента линейного удлинения) и перепада температур.

Усилие сжатия, возникающее при нагревании прямолинейного трубопровода без компенсации, определяется по формуле

, (7.5)

где f – площадь поперечного сечения стенок трубопровода, м 2 .

По своему характеру все компенсаторы могут быть разбиты на две группы: осевые и радиальные.

Осевые компенсаторы применяются для компенсации температурных удлинений прямолинейных участков трубопровода.

Радиальная компенсация может быть использована при любой конфигурации трубопровода. Радиальная компенсация широко применяется на теплопроводах, прокладываемых на территориях промышленных предприятий, а при небольших диаметрах теплопроводов (до 200 мм) – также и в городских тепловых сетях. На теплопроводах большого диаметра, прокладываемых под городскими проездами, устанавливаются главным образом осевые компенсаторы.

Осевая компенсация. На практике находят применение осевые компенсаторы двух типов: сальниковые и упругие.

На рис. 7.27 показан односторонний сальниковый компенсатор. Между стаканом 1 и корпусом 2 компенсатора располагается сальниковое уплотнение 3. Сальниковая набивка, обеспечивающая плотность, зажимается между упорным кольцом 4 и грундбуксой 5. Обычно набивка выполняется из асбестовых колец квадратного сечения, пропитанных графитом. Компенсатор вваривается в трубопровод, поэтому установка его на линии не приводит к увеличению количества фланцевых соединений.

Рис. 7.27. Односторонний сальниковый компенсатор:
1 – стакан; 2 – корпус; 3 – набивка; 4 – упорное кольцо; 5 – грундбукса

На рис. 7.28 приведен разрез двухстороннего сальникового компенсатора. Недостатком сальниковых компенсаторов всех типов является сальник, требующий систематического и тщательного ухода в эксплуатации. Набивка в сальниковом компенсаторе изнашивается, теряет со временем упругость и начинает пропускать теплоноситель. Подтяжка сальника в этих случаях не дает положительных результатов, поэтому через определенные периоды времени сальники приходится перебивать.

Рис. 7.28. Двухсторонний сальниковый компенсатор

От этого недостатка свободны все типы упругих компенсаторов.

На рис. 7.29 показана секция трехволнового сильфонного компенсатора. Для уменьшения гидравлического сопротивления внутри сильфонной секции вварена гладкая труба. Сильфонные секции выполняются обычно из легированных сталей или сплавов.
В нашей стране сильфонные компенсаторы изготовляются из стали 08Х18Н10Т.

Рис. 7.29. Трехволновой сильфонный компенсатор

Компенсирующая способность сильфонных компенсаторов определяется обычно по результатам испытаний или принимается по данным заводов-изготовителей. Для компенсации больших термических деформаций соединяют последовательно несколько сильфонных секций.

Осевая реакция сильфонных компенсаторов представляет собой сумму двух слагаемых

, (7.6)

где s к – осевая реакция от температурной компенсации, вызываемая деформацией волны при термическом расширении трубопровода, Н; s д – осевая реакция, вызываемая внутренним давлением, Н.

Для повышения устойчивости против деформации сильфонов под действием внутреннего давления компенсаторы выполняются разгруженными от внутреннего давления путем соответствующей компоновки сильфонных секций в корпусе компенсатора, выполняемого из трубы большего диаметра. Такая конструкция компенсатора показана на рис. 7.30.

Рис. 7.30. Разгруженный сильфонный компенсатор:
l р – длина в растянутом состоянии; l сж – длина в сжатом состоянии

Перспективным методом компенсации температурных деформаций может служить применение самокомпенсирующихся труб. При производстве спирально-сварных труб из полосы листового металла на нем роликом выдавливается продольная канавка глубиной примерно 35 мм. После сварки такого листа канавка превращается в спиральный гофр, способный компенсировать температурную деформацию трубопровода. Опытная проверка таких труб показала положительные результаты.

Радиальная компенсация. При радиальной компенсации термическая деформация трубопровода воспринимается изгибами специальных эластичных вставок или естественными поворотами (изгибами) трассы отдельных участков самого трубопровода.

Последний метод компенсации термических деформаций, широко используемый в практике, называется естественной компенсацией. Преимущества этого вида компенсации над другими видами: простота устройства, надежность, отсутствие необходимости в надзоре и уходе, разгруженность неподвижных опор от усилий внутреннего давления. Недостаток естественной компенсации – поперечное перемещение деформируемых участков трубопровода, требующее увеличения ширины непроходных каналов и затрудняющее применение засыпных изоляций и бесканальных конструкций.

Расчет естественной компенсации заключается в нахождении усилий и напряжений, возникающих в трубопроводе под действием упругой деформации, выборе длин взаимодействующих плеч трубопровода и определении поперечного смещения его участков при компенсации. Методика расчета базируется на основных законах теории упругости, связывающих деформации с действующими усилиями.

Участки трубопровода, воспринимающие температурные деформации при естественной компенсации, состоят из отводов (колен) и прямых участков. Гнутые отводы повышают гибкость трубопровода и увеличивают его компенсирующую способность. Влияние гнутых колен на компенсирующую способность особенно заметно в трубопроводах большого диаметра.

Изгиб кривых участков труб сопровождается сплющиванием поперечного сечения, которое превращается из круглого в эллиптическое.

На рис. 7.31 показана изогнутая труба с радиусом кривизны R. Выделим двумя сечениями аb и cd элемент трубы. При изгибе в стенке трубы с выпуклой стороны возникают растягивающие, а с вогнутой – сжимающие усилия. Как растягивающие, так и сжимающие усилия дают равнодействующие Т, нормальные к нейтральной оси.

Рис. 7.31. Сплющивание трубы при изгибе

Компенсирующая способность компенсаторов может быть увеличена вдвое при предварительной растяжке их во время монтажа на величину, равную половине теплового удлинения трубопровода. На основе вышеизложенной методики получены уравнения для расчета максимального изгибающего напряжения и компенсирующей способности симметричных компенсаторов различного типа.

Тепловой расчет

В задачу теплового расчета входит решение следующих вопросов:

· определение тепловых потерь теплопровода;

· расчет температурного поля вокруг теплопровода, т. е. определение температур изоляции, воздуха в канале, стен канала, грунта.

· расчет падения температуры теплоносителя вдоль теплопровода;

· выбор толщины тепловой изоляции теплопровода.

Количество теплоты, проходящей в единицу времени через цепь последовательно соединенных термических сопротивлений, вычисляется по формуле

где q – удельные тепловые потери теплопровода; t – температура теплоносителя, °С; t o – температура окружающей среды, °С; R – суммарное термическое сопротивление цепи теплоноситель – окружающая среда (термическое сопротивление изоляции теплопровода).

При тепловом расчете тепловых сетей приходится обычно определять тепловые потоки через слои и поверхности цилиндрической формы.

Удельные тепловые потери q и термические сопротивления R относят обычно к единице длины теплопровода и измеряют их соответственно в Вт/м и (м К)/Вт.

В изолированном трубопроводе, окруженном наружным воздухом, теплота должна пройти через четыре последовательно соединенных сопротивления: внутреннюю поверхность рабочей трубы, стенку трубы, слой изоляции и наружную поверхность изоляции. Так как суммарное сопротивление равно арифметической сумме последовательно соединенных сопротивлений, то

R = R в + R тр + R и + R н , (7.8)

где R в , R тр , R и и R н – термические сопротивления внутренней поверхности рабочей трубы, стенки трубы, слоя изоляции и наружной поверхности изоляции.

В изолированных теплопроводах основное значение имеет термическое сопротивление слоя тепловой изоляции.

В тепловом расчете встречаются два вида термических сопротивлений:

· сопротивление поверхности;

· сопротивление слоя.

Термическое сопротивление поверхности. Термическое сопротивление цилиндрической поверхности составляет

где pd – площадь поверхности 1 м длины теплопровода, м; a – коэффициент теплоотдачи от поверхности.

Для определения термического сопротивления поверхности теплопровода необходимо знать две величины: диаметр теплопровода и коэффициент теплоотдачи поверхности. Диаметр теплопровода при тепловом расчете является заданным. Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности теплопровода к окружающему воздуху представляет собой сумму двух слагаемых – коэффициента теплоотдачи излучением a л и коэффициента теплоотдачи конвекцией a к :

Коэффициент теплоотдачи излучением a л может быть подсчитан по формуле Стефана-Больцмана:

, (7.10)

где С – коэффициент излучения; t – температура излучающей поверхности, °С.

Коэффициент излучения абсолютно черного тела, т.е. поверхности, которая поглощает все падающие на нее лучи и ничего не отражает, С = 5,7 Вт/(м К) = 4,9 ккал/(ч м 2 К 4).

Коэффициент излучения «серых» тел, к которым относятся поверхности неизолированных трубопроводов, изоляционных конструкций, имеет значение 4,4 – 5,0 Вт/(м 2 К 4). Коэффициент теплоотдачи от горизонтальной трубы к воздуху при естественной конвекции, Вт/(м К), можно определить по формуле Нуссельта

, (7.11)

где d – наружный диаметр теплопровода, м; t , t о – температуры поверхности и окружающей среды, °С.

При вынужденной конвекции воздуха или ветра коэффициент теплоотдачи

, (7.12)

где w – скорость воздуха, м/с.

Формула (7.12) действительна при w > 1 м/с и d > 0,3 м.

Для вычисления коэффициента теплоотдачи по (7.10) и (7.11) необходимо знать температуру поверхности. Так как при определении тепловых потерь температура поверхности теплопровода обычно заранее неизвестна, задача решается методом последовательных приближений. Предварительно задаются коэффициентом теплоотдачи наружной поверхности теплопровода a , находят удельные потери q и температуру поверхности t , проверяют правильность принятого значения a .

При определении тепловых потерь изолированных теплопроводов проверочного расчета можно не проводить, так как термическое сопротивление поверхности изоляции невелико по сравнению с термическим сопротивлением ее слоя. Так, 100%-ная ошибка при выборе коэффициента теплоотдачи поверхности приводит обычно к ошибке в определении теплопотерь 3 – 5%.

Для предварительного определения коэффициента теплоотдачи поверхности изолированного теплопровода, Вт/(м К), когда температура поверхности неизвестна, может быть рекомендована формула

, (7.13)

где w – скорость движения воздуха, м/с.

Коэффициенты теплоотдачи от теплоносителя к внутренней поверхности трубопровода весьма высоки, что определяет столь малые значения термического сопротивления внутренней поверхности трубопровода, которыми при практических расчетах можно пренебречь.

Термическое сопротивление слоя. Выражение для термического сопротивления однородного цилиндрического слоя легко выводится из уравнения Фурье, которое имеет вид

где l – теплопроводность слоя; d 1 , d 2 – внутренний и наружный диаметры слоя.

Для теплового расчета существенное значение имеют только слои с большим термическим сопротивлением. Такими слоями являются тепловая изоляция, стенка канала, массив грунта. По этим соображениям при тепловом расчете изолированных теплопроводов обычно не учитывается термическое сопротивление металлической стенки рабочей трубы.

Термическое сопротивление изоляционных конструкций надземных теплопроводов. В надземных теплопроводах между теплоносителем и наружным воздухом включены последовательно следующие термические сопротивления: внутренняя поверхность рабочей трубы, ее стенка, один или несколько слоев тепловой изоляции, наружная поверхность теплопровода.

Первыми двумя тепловыми сопротивлениями в практических расчетах обычно пренебрегают.

Иногда тепловую изоляцию выполняют многослойной, исходя из различных допустимых температур для применяемых изоляционных материалов или из экономических соображений с целью частичной замены дорогих материалов изоляции более дешевыми.

Термическое сопротивление многослойной изоляции равно арифметической сумме термических сопротивлений последовательно наложенных слоев.

Термическое сопротивление цилиндрической изоляции увеличивается с увеличением отношения ее наружного диаметра к внутреннему. Поэтому в многослойной изоляции первые слои целесообразно укладывать из материала, имеющего более низкую теплопроводность, что приводит к наиболее эффективному использованию изоляционных материалов.

Температурное поле надземного теплопровода. Расчет температурного поля теплопровода проводится на основании уравнения теплового баланса. При этом исходят из условия, что при установившемся тепловом состоянии количество теплоты, протекающей от теплоносителя к концентрической цилиндрической поверхности, проходящей через любую точку поля, равно количеству теплоты, уходящей от этой концентрической поверхности к наружной среде.

Температура поверхности теплоизоляции из уравнения теплового баланса будет равна

. (7.15)

Термическое сопротивление грунта. В подземных теплопроводах в качестве одного из последовательно включенных термических сопротивлений участвует сопротивление грунта.

При подсчете тепловых потерь за температуру окружающей среды t о принимают, как правило, естественную температуру грунта на глубине заложения оси теплопровода.

Только при малых глубинах заложения оси теплопровода (h/d < 2) за температуру окружающей среды принимают естественную температуру поверхности грунта.

Термическое сопротивление грунта может быть определено по формуле Форхгеймера (рис. 7.32)

, (7.16)

где l – теплопроводность грунта; h – глубина заложения оси теплопровода; d – диаметр теплопровода.

При укладке подземных теплопроводов в каналах, имеющих форму, отличную от цилиндрической, в (7.16) вместо диаметра подставляют эквивалентный диаметр

где F – площадь сечения канала, м; П – периметр канала, м.

Теплопроводность грунта зависит главным образом от его влажности и температуры.

При температурах грунта 10 – 40 °С теплопроводность грунта средней влажности лежит в пределах 1,2 – 2,5 Вт/(м К).