Компенсаторы температурных деформаций

Ввиду значительного перепада температур теплоносителя в период отопительного сезона и в летний период трубопроводы тепловых сетей удлиняются или укорачиваются. Вследствие этого теплопроводы могут перемещаться и при плохом закреплении сойти с опор.

Во избежание этого трубопроводы закрепляются в отдельных точках, разделяющих их на независимые по температурным деформациям участки, неподвижными опорами, между которыми трубопроводы могут свободно перемещаться по подвижным опорам.

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 оп­ределяют по формуле

(8.5)

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

Для трубопроводов тепловой сети значение t принимают равным рабочей (максимальной) температуре теплоносителя; t_М — расчетной для отопления температуре наружного воздуха. При средней величи­не α=12·10^-6 1/°С для углеродистой стали удлинение 1 м трубы на каждые 100°С изменения температур составит = 1,2 мм/м, или при = 150°С и = —26°С (для Москвы) = 2,1 мм/м.

Если не предусмотреть компенсации удлинения труб, то в прямо­линейном защемленном с обеих сторон участке трубопровода возник­нут напряжения сжатия, определяемые по закону Гука:

(8.6)

где Е — модуль продольной упругости, равный в среднем для стали 2·105 МПа (2×10⁶ кгс/см²); Δl/l — относительное удлинение.

При температурах = 150°С и = — 26°С и указанных зна­чениях α и Е напряжение составит σ = 414,1 МПа (4224 кгс/см²), что значительно превышает допустимое напряжение [σ] = 100...150 МПа (1000...1500 кгс/см²).

Как видно из (8.6), напряжение сжатия, возникающие в защемлённом прямолинейном участке трубопровода, не зависит от диаметра, толщины стенки или длины трубопровода, а зависит только от материала (модуля упругости и коэффициента линейного удлинения) и перепада температур.

Сила, которая действовала бы на защемляющие конструкции (ес­ли бы труба не изогнулась и не разрушилась), определяется по формуле

(8.7)

где f_ст — площадь поперечного сечения стенки трубы.

Для трубы диаметром d_н/d_вн = 326/310 мм площадь стенки f_ст = 80 см² = 0,008 м², а сила Р = 414,1·0,008 ≈ 3,25 МН.

Для компенсации тепловых удлинений в первую очередь необходимо стремиться использовать самокомпенсацию трубопроводов в виде Г и Z- образных компенсаторов, так как они не требуют ни применения специальных конструкций, ни наблюдений за их работой. Самокомпенсация может применяться при любых диаметрах трубопроводов и любых способах их прокладки (за исключением некоторых видов бесканальной прокладки), но она требует изменения трассы сети и на прямых участках неприменима.

Гнутые участки (повороты) труб при самокомпенсации повышают гибкость трубопроводов и увеличивают их компенсирующую способность (рис. 8.16).

Рис. 8.16. Схема работы Г-образного участка теплопровода:

а – при одинаковых длинах плеч; б – при разных длинах плеч.

Там, где применение самокомпенсации невозможно (на прямолинейный участках трубопроводов), применяют различные типы компенсаторов, среди которых преимущественное распространение нашли сальниковые и П – образные компенсаторы.

На рис. 8.15 показан односторонний сальниковый компенсатор.

Рис. 8.15. Односторонний сальниковый компен­сатор

1 — стакан; 2 — корпус; 3 — набивка; 4 — упорное кольцо;

5 — грундбукса

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.

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.

Для возможности проведения ука­занных ремонтов сальниковые компенсаторы размещают в камерах.

Сальниковые компенсаторы изготовляют односторонними и двухсторонними. Двусторонние применяют обыч­но для уменьшения числа камер, так как в середине их устанавли­вается неподвижная опора, разделяющая участки труб, удлинения которых компенсируются каждой из сторон компенсатора.

Основными достоинствами сальниковых компенсаторов являются малые габариты (компактность) и низкое гидравлическое сопротив­ление, вследствие чего они нашли широкое применение в тепловых сетях, особенно при подземной прокладке. В этом случае их уста­навливают при d_у=100 мм и более, при надземной прокладке — при d_у =300 мм и более.

К радиальным компенсаторам, применяемым в тепловых сетях, относятся гибкие и волнистые шарнирного типа. В гибких компенса­торах температурные деформации трубопроводов устраняются при помощи 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. 8.17, а). П- образные компенсаторы образуются изгибом трубопровода в виде буквы П. Они применяются на прямых участках труб в виде специальных конструкций для всех диаметров трубопроводов любой прокладки и любых видов и параметров теплоносителя. При параметрах теплоносителя и их применение обязательно (сальниковые при этом не допускаются). Их компенсирующая способность определяется суммой деформаций по оси каждого из участков трубопроводов Δl = Δl/2+ Δl/2. 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. 8.17, 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.

Компенсирующая способность также увеличивается с увеличением плеча и вылета компенсатора, и наружный компенсатор всегда имеет большую компенсирующую способность, чем внутренний. Поэтому вылет компенсаторов необходимо стремиться делать в ту сторону, которая находится в худших условиях компенсации, - большее удлинение или диаметр трубопровода (для водяных сетей – вправо по ходу теплоносителя).

П - образные компенсаторы всегда размещаются в специальных нишах со сборным железобетонным перекрытием. (прил…).

Рис. 8.17. Схема работы П – образного компенсатора:

а – без предварительно растяжки; б – с предварительной растяжкой

Инженерная методика расчёта П-образных компенсаторов разработана в ВГПИ «Теплоэнергопроект» (ТЭП), на основании которой разработаны таблицы и номограммы, построенные для стандартных диаметров труб (рис. 8.18 и 8.19).

Задание № 5 Определить габаритные размеры и силу упругой деформации П – образного компенсатора трубопровода тепловой сети . Пролет между неподвижными опорами ,м; максимальная температура теплоносителя , ; расчетная температура наружного воздуха , .

Рис. 8.18. Номограмма для расчета П – образных компенсаторов

Рис. 8.19. Номограмма для расчета П – образных компенсаторов

Исходные данные для выполнения задания принять по табл. 8.1.

Таблица 8.1

Численные данные к заданию 5