Проблемы и пути решения компенсации температурных деформаций теплопроводов в пенополиуретановой теплоизоляции при бесканальной прокладке. Компенсация температурных деформаций

190. Температурные деформации рекомендуется компенсировать за счет поворотов и изгибов трассы трубопроводов. При невозможности ограничиться самокомпенсацией (на совершенно прямых участках значительной протяженности и др.) на трубопроводах устанавливаются П-образные, линзовые, волнистые и другие компенсаторы.

В тех случаях, когда в проектной документации предусматривается продувка паром или горячей водой, рекомендуется рассчитывать на эти условия компенсирующую способность.

192. Рекомендуется применять П-образные компенсаторы для технологических трубопроводов всех категорий. Их рекомендуется изготавливать либо гнутыми из цельных труб, либо с использованием гнутых, крутоизогнутых или сварных отводов.

В случае предварительной растяжки (сжатия) компенсатора ее величину рекомендуется указывать в проектной документации.

193. Для П-образных компенсаторов гнутые отводы рекомендуется в целях безопасности изготавливать из бесшовных, а сварные - из бесшовных и сварных прямошовных труб.

194. Применять водогазопроводные трубы для изготовления П-образных компенсаторов не рекомендуется, а электросварные со спиральным швом - допускается для прямых участков компенсаторов.

195. В целях безопасности рекомендуется П-образные компенсаторы устанавливать горизонтально с соблюдением общего уклона. В обоснованных случаях (при ограниченной площади) их допускается размещать вертикально петлей вверх или вниз с соответствующим дренажным устройством в низшей точке и воздушниками.

196. П-образные компенсаторы перед монтажом рекомендуется устанавливать на трубопроводах вместе с распорными приспособлениями, которые удаляют после закрепления трубопроводов на неподвижных опорах.

197. Линзовые компенсаторы, осевые, а также линзовые компенсаторы шарнирные рекомендуется применять для технологических трубопроводов в соответствии с НТД.

198. При установке линзовых компенсаторов на горизонтальных газопроводах с конденсирующимися газами для каждой линзы рекомендуется в целях безопасности предусматривать дренаж конденсата. Патрубок для дренажной трубы рекомендуется в целях безопасности изготавливать из бесшовной трубы. При установке линзовых компенсаторов с внутренним стаканом на горизонтальных трубопроводах с каждой стороны компенсатора рекомендуется в целях безопасности устанавливать направляющие опоры на расстоянии не более 1,5 DN компенсатора.

199. При монтаже трубопроводов компенсирующие устройства рекомендуется в целях безопасности предварительно растягивать или сжимать. Величину предварительной растяжки (сжатия) компенсирующего устройства рекомендуется указывать в проектной документации и в паспорте на трубопровод. Величина растяжки может изменяться на величину поправки, учитывающей температуру при монтаже.

200. Качество компенсаторов, подлежащих установке на технологических трубопроводах, рекомендуется подтверждать паспортами или сертификатами.

201. При установке компенсатора в паспорт трубопровода рекомендуется вносить следующие данные:

Техническую характеристику, завод-изготовитель и год изготовления компенсатора;

Расстояние между неподвижными опорами, компенсацию, величину предварительного растяжения;

Температуру окружающего воздуха при монтаже компенсатора и дату установки.

202. Расчет П-образных, Г-образных и Z-образных компенсаторов рекомендуется производить в соответствии с требованиями НТД.

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.

Устройство содержит изогнутой формы корпус из отводов и прямых участков, выполненный из эластичного материала, преимущественно из резинотканевого рукава (шланга), а на концах корпуса установлены патрубки или патрубки с фланцами для соединения с трубопроводами тепловой сети, а материал эластичного корпуса армирован металлической сеткой.

Изобретение относится к системам централизованного теплоснабжения населенных мест, промышленных предприятий и котельных.

В централизованных системах теплоснабжения один источник теплоты (котельная) подает теплоту нескольким потребителям, расположенным на некотором расстоянии от источника теплоты, а передача теплоты от источника до потребителей осуществляется по специальным теплопроводам - тепловым сетям.

Тепловая сеть состоит из соединенных между собой сваркой стальных трубопроводов, тепловой изоляции, устройств для компенсации температурных удлинений, запорной и регулирующей арматуры, подвижных и неподвижных опор и др. , с.253 или , с.17.

При движении теплоносителя (вода, пар и др.) по трубопроводам последние нагреваются и удлиняются. Например, при повышении температуры на 100 градусов удлинение стальных трубопроводов составляет 1,2 мм на один метр длины.

Компенсаторы используются для восприятия деформаций трубопроводов при изменении температуры теплоносителя и для разгрузки их от возникающих температурных напряжений, а также для предохранения от разрушения арматуры, установленной на трубопроводах.

Трубопроводы тепловых сетей устраивают таким образом, чтобы они могли свободно удлиняться при нагревании и укорачиваться при охлаждении без перенапряжения материала и соединений трубопровода.

Известны устройства для компенсации температурных удлинений , которые выполнены из тех же труб, что и стояки горячего водоснабжения. Указанные компенсаторы выполнены из труб, изогнутых в виде полуволн. Такие устройства имеют ограниченное применение, так как компенсирующая способность полуволн небольшая, во много раз меньше, чем у П-образных компенсаторов. Поэтому такие устройства не применяются в системах теплоснабжения.

Известны наиболее близкие по совокупности признаков устройства для компенсации температурных удлинений тепловых сетей с 189, или стр.34. Известные компенсаторы можно разделить на две группы : гибкие радиальные (П-образные) и осевые (сальниковые). Чаще применяют П-образные компенсаторы, так как они не нуждаются в обслуживании, но требуется их растяжка. К недостаткам П-образных компенсаторов можно отнести: повышенное гидравлическое сопротивление участков тепловых сетей, увеличение расхода трубопроводов, необходимость устройства ниш, а это приводит к увеличению капитальных затрат. Сальниковые компенсаторы требуют постоянного обслуживания, поэтому их можно устанавливать только в тепловых камерах, а это приводит к удорожанию строительства. Для компенсации температурных удлинений используют и повороты тепловых сетей (Г- и Z - образная компенсация, рис.10.10 и 10.11, с 183 ).

Недостатками таких компенсирующих устройств являются усложнение монтажа при наличии П-образных компенсаторов и усложнение эксплуатации при использовании сальниковых компенсаторов, а также небольшой срок службы стальных трубопроводов из-за коррозии последних. Кроме того, при температурных удлинениях трубопроводов возникают силы упругой деформации, изгибающие моменты гибких компенсаторов, в том числе поворотов тепловых сетей. Вот почему при устройстве тепловых сетей используют стальные, как наиболее прочные трубопроводы и требуется проводить расчет на прочность , с.169. Заметим, что стальные трубопроводы тепловых сетей подвержены интенсивной коррозии, как внутренней, так и наружной. Поэтому срок службы тепловых сетей, как правило, не превышает 6-8 лет.

П-образные компенсаторы состоят из 4-х отводов и трех прямых участков стальных трубопроводов, соединенных сваркой. В результате соединения указанных элементов образуется изогнутой формы корпус в виде буквы «П».

Самокомпенсация трубопроводов осуществляется по Z-образной схеме и Г-образной схеме , рис.10.10. и рис.10.11, с.183.

Z-образная схема включает два отвода и три прямых участка стальных трубопроводов, соединенных сваркой. В результате соединения указанных элементов образуется изогнутой формы корпус в виде буквы «Z».

Г-образная схема включает один отвод и два прямых участка стальных трубопроводов, соединенных сваркой. В результате соединения указанных элементов образуется изогнутой формы корпус в виде буквы «Г».

Задачей изобретения является увеличение срока службы подающих и обратных трубопроводов тепловых сетей, упрощение монтажа тепловых сетей и создание условий, при которых будут отсутствовать причины, которые приводят к возникновению напряжений в трубопроводах от температурных удлинений трубопроводов.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для компенсации температурных удлинений трубопроводов тепловой сети содержащее изогнутой формы корпус, состоящее из отводов и прямых участков трубопровода, отличается от прототипа тем, что изогнутой формы корпус из отводов и прямых участков выполнен из эластичного материала, преимущественно из резинотканевого рукава (или шланга, выполненного, например, из резины), а на концах корпуса установлены патрубки или патрубки с фланцами для соединения с трубопроводами тепловой сети. При этом эластичный материал, из которого выполнен изогнутой формы корпус (шланг) может быть армирован преимущественно металлической сеткой.

Использование предлагаемого устройства приводит к уменьшению расхода трубопроводов, уменьшению размеров ниш для установки компенсаторов, не требуется проводить растяжку компенсаторов, то есть в итоге уменьшаются капитальные затраты. Кроме того, в подающем и обратном трубопроводах тепловых сетей не будут возникать напряжения от температурных удлинений; следовательно, для устройства тепловых сетей могут использоваться трубопроводы, выполненные из менее прочного материала, чем сталь, в том числе могут использоваться трубы, стойкие против коррозии (чугун, стекло, пластик, асбестоцемент и др.), а это приводит к снижению капитальных и эксплуатационных затрат. Выполнение подающих и обратных трубопроводов из материала, стойкого против коррозии (чугун, стекло и др.) повышает долговечность тепловых сетей в 5-10 раз, а это приводит к уменьшению эксплуатационных затрат; действительно, если срок службы трубопроводов увеличивается, значит, заменять трубопроводы тепловых сетей приходится реже, а это значит, что реже придется отрывать траншею, снимать плиты перекрытия каналов для прокладки тепловых сетей, демонтировать трубопроводы, которые отслужили свой срок эксплуатации, укладывать новые трубопроводы, покрывать их новой тепловой изоляцией, укладывать плиты перекрытия на место, засыпать траншею грунтом и выполнять другие работы.

Устройство поворотов тепловых сетей для осуществления «Г» и «Z»-образной компенсации трубопроводов приводит к уменьшению затрат металла и упрощению компенсации температурных удлинений. При этом резинотканевый рукав, используемый для компенсации температурных удлинений, может быть выполнен из резины или шланга; при этом шланг может быть армирован (для прочности) например, стальной проволокой.

В технике широко применяются резинотканевые рукава (шланги). Например, гибкие трубы (виброизолирующие вставки) применяются для предотвращения передачи вибрации от циркуляционного насоса на систему отопления с.107, рис.V9. При помощи шлангов осуществляется присоединение умывальников и моек к трубопроводам горячего и холодного водоснабжения. Однако, в этом случае резинотканевые рукава (шланги) проявляют новые свойства, так как выполняют роль компенсирующих устройств, то есть компенсаторов.

На фиг.1 представлено устройство для компенсации температурных удлинений трубопроводов тепловых сетей, а на фиг.2 разрез 1-1 фиг.1

Устройство состоит из трубопровода 1 длиной L, выполненного из эластичного материала; таким трубопроводом может служить резиновый рукав, гибкая труба, шланг, шланг армированный металлической сеткой, трубопровод, выполненный из резины и т.п. В каждый конец 2 и 3 трубопровода 1 вставлен патрубок 4 и 5, к которым жестко, например, с помощью сварки, присоединены фланцы 6 и 7, в которых имеются отверстия 8 и 9, диаметром равные внутреннему диаметру патрубков 4 и 5. Для обеспечения прочности и герметичности соединения трубопровода 1 и патрубков 4 и 5 установлены хомуты 10 и 11. Каждый хомут стягивается болтом 12 и гайкой 13. Во фланцах 6 и 7 имеются отверстия 14 для болтов 31, фиг.5 которыми фланцы 6 и 7 соединяется с контрфланцами 19 и 20, прикрепленными к трубопроводам 15 и 16 тепловой сети (см. фиг.5 и 6). Контрфланцы на фиг.1 и 2 не показаны. Для обеспечения прочности и герметичности соединения трубопровода 1 и патрубков 4 и 5 вместо хомутов 10 и 11 можно использовать и другое соединение, например, с помощью обжима.

В данном устройстве патрубки 4 и 5 и фланцы 6 и 7 могут быть изготовлены из стали и соединены при помощи, например, сварки. Однако, более целесообразно патрубки 4 и 5 и фланцы 6 и 7 выполнять как единое, неразъемное изделие, например, методом литья или методом литья под давлением из материала, стойкого против коррозии, например, из чугуна. В этом случае долговечность предложенного устройства будет значительно больше.

На фиг.3 и 4 показан другой вариант предложенного устройства. Отличие состоит в том, что к патрубкам 4 и 5 фланцы 6 и 7 не присоединяется, а соединение патрубков 4 и 5 с трубопроводами тепловой сети осуществляется с помощью сварки, то есть предусматривается неразъемное соединение. При наличии фланцев 6 и 7 (см. фиг.1) соединение предлагаемого устройства с трубопроводом тепловой сети осуществляется с помощью разъемного соединения, более удобного при монтаже трубопроводов.

Перед установкой на место устройству для компенсации температурных удлинений трубопроводов тепловых сетей придают форму изогнутого корпуса. Для примера на фиг.5 показана П-образная форма корпуса. Такую форму придают предложенному устройству путем изгиба трубопровода 1, см. фиг.1. Когда необходимо осуществить компенсацию температурных удлинений за счет поворотов, то предложенному устройству придают Г-образную или Z-образную форму. Заметим, что Z-образная форма состоит из двух Г-образных форм.

На фиг.5 показан участок трубопровода 15 длиной L 1 и участок трубопровода 16 длиной L 3 ; указанные участки расположены между неподвижными опорами 17 и 18. Между трубопроводами 15 и 16 расположено предлагаемое устройство для компенсации температурных удлинений длиной L 2 . Расположение всех элементов на фиг.5 показано при отсутствии теплоносителя в трубопроводах 15 и 16 и в предлагаемом устройстве.

К трубопроводу 15 (см. фиг.5) жестко (при помощи сварки) присоединен контрфланец 19, а к трубопроводу 16 аналогичным образом присоединен контрфланец 20.

После установки на место предложенного устройства оно при помощи болтов 32 и гаек, фланцев 6 и 7 и контрфланцев 19 и 20 присоединяется к трубопроводам 15 и 16; между фланцами устанавливают прокладки. На фиг.5 хомуты 10 и 11 и болты 12 условно не показаны.

На фиг.5 показано предлагаемое устройство для компенсации температурных удлинений путем придания трубопроводу 1 (см. фиг.1) П-образной формы, то есть в данном случае предложенное устройство - изогнутой формы корпус - состоит из 4-х отводов и 3-х прямых участков.

Устройство работает следующим образом. Когда в предлагаемое устройство и трубопроводы 15 и 16 подается теплоноситель, например, горячая вода, то трубопроводы 15 и 16 нагреваются и удлиняются (см. фиг.6). Трубопровод 15 удлиняется на величину L 1 ; длина трубопровода 15 будет равна . При удлинении трубопровода 15 он перемещается вправо, и одновременно вправо перемещаются фланцы 19, патрубок 4 и часть трубопровода 1, которые соединены друг с другом (хомуты 10 и 11 на фиг.5 и 6 условно не показаны). В то же самое время трубопровод 16 удлиняется на величину L 3 , длина трубопровода 16 будет равна . При этом фланцы 7 и 20, патрубок 5 и часть трубопровода 1, соединенная с патрубком 5 переместится влево на величину L 3 Расстояние между фланцами 6 и 7 уменьшилось и стало равным . При этом трубопровод 1, соединяющий патрубки 4 и 5 (и трубопроводы 15 и 16) изгибается и за счет этого не препятствует перемещению трубопроводов 15 и 16, следовательно, в трубопроводах 15 и 16 не возникает напряжения от удлинения трубопроводов.

Очевидно, что длина трубопровода 1 должна быть больше расстояния L 2 между фланцами 6 и 7, чтобы иметь возможность изгибаться. При этом никаких напряжений в трубопроводах 1, 15 и 16 от температурных удлинений трубопроводов 15, 16 и 1 не возникает.

Предлагаемое устройство для компенсации температурных удлинений целесообразно устанавливать на середине прямых участков между неподвижными опорами.

Предлагаемое устройство, показанное на фиг.3 и 4, работает аналогичным образом; отличие состоит только в том, что в устройстве отсутствуют фланцы 6 и 7 (фиг.5), а соединение обеих патрубков 4 и 5 с трубопроводами 15 и 16 осуществляется с помощью сварки, то есть в этом случае применяют неразъемное соединение (показано на фиг.7).

На фиг.7 показан Г-образный участок трубопровода, расположенный между неподвижными опорами 21 и 22. Длина прямого участка трубопровода 23 равна L 4 , а трубопровода 24 равна L 5 . Трубопровод 1 (см. фиг.1), изогнут по радиусу R. Представленное устройство несколько отличается от устройства, представленного на фиг.1, а именно: на фиг.7 отсутствуют патрубки 4 и 5 с фланцами 6 и 7. Функцию патрубка выполняют трубопроводы 23 и 24, то есть трубы вставлены в концы 2 и 3 трубопровода 1 (фиг.1), хомуты 10 и 11 обеспечивают прочность и плотность соединения трубопроводов 1 с трубопроводами 23 и 24. Такое конструктивное выполнение несколько упрощает изготовление предложенного устройства, но усложняет монтаж тепловых сетей, поэтому имеет ограниченное применение. Расположение всех элементов, изображенных на фиг.7, показано при отсутствии теплоносителя в трубопроводах 23, 24 и 1.

Когда в трубопроводы 1, 23 и 24 подается теплоноситель, то трубопроводы 23 и 24 нагреваются и удлиняются (см. фиг.8). Трубопровод 23 удлиняется на величину L 4 , а трубопровод 24 удлиняется на величину L 5 . При этом торец 25 трубопровода 23 перемещается вверх, а торец 26 трубопровода 24 перемещается влево (см. фиг.8). При этом трубопровод 1, (выполнен из эластичного материала), соединяющий торцы 25 и 26 трубопроводов 23 и 24, за счет своего изгиба не препятствует перемещению трубопровода 23 вверх, а трубопровода 24 влево. При этом никаких напряжений от температурных удлинений в трубопроводах 1, 23 и 24 не возникает.

На фиг.9 показан вариант предложенного устройства, когда оно используется для Z-образной компенсации температурных удлинений. Z-образный участок трубопровода расположен между неподвижными опорами 26 и 27. длина трубопровода 28 равна L 6 , а трубопровода 29 - L 8 ; длина устройства для компенсации температурных удлинений равна L 7 Трубопровод 1 изогнут в форме буквы Z. В каждый конец 2 и 3 трубопровода 1 вставлены патрубки 4 и 5 с фланцами 6 и 7. Трубопровод 28, патрубок 4, фланцы 6 и 30 прочно и герметично соединены, например, при помощи болтов и хомутов (см. фиг.1). Аналогично соединены трубопровод 29, патрубок 5, фланцы 7 и 31. Расположение всех элементов на фиг.9 показано при отсутствии теплоносителя в трубопроводах (фиг.9). Принцип работы предложенного устройства аналогичен ранее рассмотренному устройству, см. фиг.1-8.

Когда в трубопроводы 28, 1 и 29 подается теплоноситель (см. фиг.10), трубопроводы 28, 1 и 29 нагреваются и удлиняются. Трубопровод 28 удлиняется вправо на величину L 6 ; одновременно вправо перемещаются фланцы 6 и 30, патрубок 4 и торец 2 трубопровода 1 (то есть перемещается часть трубопровода 1, присоединенная к патрубку 4, так как эти элементы соединены друг с другом и трубопроводом 28. Аналогично, трубопровод 29 удлиняется влево на величину L 8 ; одновременно влево перемещаются фланцы 7 и 31, патрубок 5 и торец 3 трубопровода 1 (то есть перемещается часть трубопровода 1, присоединенная к патрубку 5, так как эти элементы соединены друг с другом и трубопроводом 29. При этом трубопровод 1 за счет своего изгиба не препятствует перемещению трубопроводов 28 и 29. При этом никаких напряжений от температурных удлинений в трубопроводах 28, 29 и 1 не возникает.

Во всех рассматриваемых вариантах конструктивного выполнения предложенного устройства длина трубопровода L (см. фиг.1) зависит от диаметра трубопроводов тепловой сети, материала, из которого выполнен трубопровод 1 и других факторов и определяется расчетом.

Трубопровод 1 (см. фиг.1) может быть выполнен из гофрированного резинотканевого рукава (шланга), однако гофры увеличивают гидравлическое сопротивление тепловой сети, засоряются твердыми частицами, которые могут присутствовать в теплоносителе, а при наличии твердых частиц компенсирующая способность такого рукава уменьшается, поэтому такой рукав имеет ограниченное применение; применяется, когда в теплоносителе отсутствуют твердые частицы.

На основании вышеизложенного можно заключить, что предложенное устройство долговечно, проще в монтаже и более экономично по сравнению с известным устройством.

Источники информации

1. Инженерные сети. Оборудование зданий и сооружений: Учебник/ Е.Н.Бухаркин и др.; Под ред. Ю.П.Соснина. - М.: Высшая школа 2001. - 415 с.

2. Справочник проектировщика. Проектирование тепловых сетей. Под ред. Инж. А.А.Николаева. М.: Стройиздат, 1965. - 360 с.

3. Описание изобретения к патенту RU 2147104 CL F24D 17/00.

В процессе эксплуатации трубопроводы изменяют свою температуру в связи с изменением температуры окружающей среды и перекачиваемых жидкостей. Колебание температуры стенки трубопровода приводит к изменению его длины.

Закон изменения длины трубопровода выражается уравнением

Δ=α · l (t y - t o ),

где Δ - удлинение или укорочение трубопровода; а - коэффициент линейного расширения металла труб (для стальных труб α = 0,000012 1/°С); l - длина трубопровода; t y - температура укладки трубопровода; t 0 - температура окружающей среды.

Если концы трубопровода жестко закреплены, то от температурных воздействий в нем возникают термические напряжения растяжения или сжатия, величина которых определяется по закону Гука

где Е - модуль упругости материала трубы (для стали) E = 2,1·10 6 кг/см 2 =2,1·10 5 МПа).

Эти напряжения вызывают в точках закрепления трубопровода усилия, направленные вдоль оси трубопровода, не зависящие от длины, и равные

где σ - напряжение сжатия и растяжения, возникшее в трубе от изменения температуры; F - площадь живого сечения материа­ла трубы.

Величина N может быть очень большой и привести к раз­рушению трубопровода, арматуры, опор, а также нанести повре­ждения оборудованию (насосам, фильтрам и т.п.) и резервуарам.

Изменения длины подземных трубопроводов зависят не только от колебаний температуры, но и от силы трения трубы о грунт, которая препятствует изменениям длины.

Если усилия от термических напряжений не зависят от длины трубопровода, то сила трения трубы о грунт прямо про­порциональна длине трубопровода. Существует такая длина, на которой силы трения могут уравновеситься с термической силой, и трубопровод не будет иметь изменения длины. На участках меньшей длины трубопровод будет передвигаться в грунте.

Предельная длина такого участка 1 max , на котором возмож­но перемещение трубопровода в грунте, определяется по уравне­нию

где δ - толщина стенки трубы, см; k - давление грунта на по­верхность трубы, кг/см 2 ; μ - коэффициент трения трубы о грунт.

5.2. Компенсаторы

Разгрузка трубопроводов от термических напряжений осу­ществляется установкой компенсаторов. Компенсаторы - уст­ройства, позволяющие трубопроводам свободно удлиняться или сокращаться при изменении температуры без повреждения со­единений. Применяются линзовые, сальниковые, гнутые компен­саторы.

При выборе трассы трубопроводов необходимо стремиться к тому, чтобы температурные удлинения одних участков могли бы восприниматься деформациями других, т.е. стремиться к са­мокомпенсации трубопровода, используя для этого все его повороты и изгибы.

Линзовые компенсаторы (рис. 5.5) применяются для ком­пенсации удлинений трубопроводов с рабочим давлением до 0,6 МПа при диаметре от 150 до 1 200 мм.

Рис. 5.5. Компенсаторы линзовые с двумя фланцами

Компенсаторы изготавливают из конических тарелок (штампованных), каждая пара сваренных между собой тарелок образует волну. Количество волн в компенсаторе делают не более 12 во избежание продольного изгиба. Компенсирующая способ­ность линзовых компенсаторов составляет до 350 мм.

Линзовые компенсаторы характеризуются герметичностью,малыми габаритами, простотой изготовления и эксплуатации, но применение их ограничено непри­годностью для больших давлений. Сальниковые компенсато­ры (рис. 5.6) являются осевыми компенсаторами и применяются для давлений до 1,6 МПа. Компен­саторы состоят из чугунного или стального корпуса и входящего в него стакана. Уплотнение между стаканом и корпусом создается сальником. Компенсирующая спо­собность сальниковых компенсации ров составляет от 150 до 500 мм.

Сальниковые компенсатора устанавливаются на трубопроводе с точной укладкой, так как возможные перекосы могут привести к заеданию стакана и разрушения компенсатора. Сальниковые компенсаторы ненадежны в отношение герметичности, требуют постоянного надзора за уплотнением сальников и в связи с этим имеют ограниченное применение. Эти компенсаторы устанавливаются на трубопроводах диаметром от 100 мм и выше для негорючих жидкостей и на паропроводах.

Гнутые компенсаторы имеют П-образную (рис. 5.7), лирообразную, S-образную и другие формы и изго­тавливаются на месте монтажа из тех труб, из которых собирается тру­бопровод. Эти компенсаторы пригод­ны для любых давлений, уравновеше­ны и герметичны. Недостатками их являются значительные габариты.

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.