Температурные деформации теплопроводов. Методы их компенсации.

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 которых может быть рассчитано по закону Гука: , где E – модуль продольной упругости (для стали

При повышении температуры трубы длиной l на удлинение должно составить где - коэффициент линейного удлинения, 1/K (для углеродистой стали ). Если участок трубы защемлен и при нагревании не удлиняется, то его относительное сжатие . Напряжение сжатия, возникающее в стальной трубе при нагреве прямолинейного защемленного участка трубопровода . Для стали . 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 , где f – площадь поперечного сечения стенок трубопровода, м².

Методы их компенсации

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, 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.

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

Секция трехволнового сильфонного компенсатора. Для уменьшения гидравлического сопротивления внутри сильфонной секции вварена гладкая труба. Сильфонные секции выполняются обычно из легированных сталей или сплавов. 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.

Радиальная компенсация.

При радиальной компенсации термическая деформация трубопровода воспринимается изгибами специальных эластичных вставок или естественными поворотами (изгибами) трассы отдельных участков самого трубопровода. Этот метод, широко используемый в практике, называется естественной компенсацией. Преимущества: простота устройства, надежность, отсутствие необходимости в надзоре и уходе, разгруженность неподвижных опор от усилий внутреннего давления. Недостаток - поперечное перемещение деформируемых участков трубопровода, требующее увеличения ширины непроходных каналов и затрудняющее применение засыпных изоляций и бесканальных конструкций.

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, отчего снижается ее жесткость.

В пространственных трубопроводах кроме деформаций растяжения и изгиба, имеющих место в плоских трубопроводах, возникают дефориации кручения.

При нагревании трубопровода в плече AB возникает деформация кручения, вызываемая термическим удлинением плеча CD. Аналогичная деформация кручения возникает и в плече CD, вызванная термическим удлинением плеча AB. Максимальное напряжение кручения возникает в концевых сечениях трубопроводов (сечения у отвода B и С), на которые передаются крутящие моменты. Это напряжения определяется по формуле: , где G – модуль сдвига; - относительное кручение