Компенсаторы тепловых сетей. В данной статье речь пойдет о выборе и расчете компенсаторов тепловых сетей.

Для чего же нужны компенсаторы. Начнем с того, что при нагревании любой материал расширяется, а, значит трубопроводы тепловых сетей, удлиняются при повышении температуры теплоносителя проходящего в них. Для безаварийной работы тепловой сети используются компенсаторы, которые компенсируют удлинение трубопроводов при их сжатии и растяжении, во избежание защемления трубопроводов и их последующей разгерметизации.

Стоит отметить, что для возможности расширения и сжатия трубопроводов проектируются не только компенсаторы, но и система опор, которые, в свою очередь, могут быть как "скользящими" так и "мертвыми". Как правило,в России регулирование тепловой нагрузки качественное - то есть, при изменении температуры окружающей среды, температура на выходе из источника теплоснабжения изменяется. За счет качественного регулирования подачи тепла - количество циклов расширения- сжатия трубопроводов увеличивается. Ресурс трубопроводов снижается, опасность защемления - возрастает. Количественное регулирование нагрузки заключается в следующем - температура на выходе из источника теплоснабжения постоянна. При необходимости изменения тепловой нагрузки - изменяется расход теплоносителя. В этом случае, металл трубопроводов тепловой сети работает в более легких условиях, циклов расширения- сжатия минимальное количество, тем самым увеличивается ресурс трубопроводов тепловой сети. Следовательно, прежде чем выбирать компенсаторы, их характеристики и количество нужно определиться с величиной расширения трубопровода.

Формула 1:

δL=L1*a*(T2-T1)где

δL - величина удлинения трубопровода,

мL1 - длина прямого участка трубопровода (расстояние между неподвижными опорами),

мa - коэффициент линейного расширения (для железа равен 0,000012), м/град.

Т1 - максимальная температура трубопровода (принимается максимальная температура теплоносителя),

Т2 - минимальная температура трубопровода (можно принять минимальная температура окружающей среды), °С

Для примера рассмотрим решение элементарной задачи по определению величины удлинения трубопровода.

Задача 1. Определить на сколько увеличится длина прямого участка трубопровода длиной 150 метров, при условии что температура теплоносителя 150 °С, а температура окружающей среды в отопительный период -40 °С.

δL=L1*a*(T2-T1)=150*0,000012*(150-(-40))=150*0,000012*190=150*0,00228=0,342 метра

Ответ: на 0,342 метра увеличится длина трубопровода.

После определения величины удлинения, следует четко понимать когда нужен а когда не нужен компенсатор. Для однозначного ответа на данный вопрос нужно иметь четкую схему трубопровода, с ее линейными размерами и нанесенными на нее опорами. Следует четко понимать, изменение направления трубопровода способно компенсировать удлинения, другими словами поворот с габаритными размерами не менее размеров компенсатора, при правильной расстановке опор, способен компенсировать тоже удлинение,что и компенсатор.

И так, после того, как мы определии величину удлинения трубопровода можно переходить к подбору компенсаторов, необходимо знать, что каждый компенсатор имеет основную характеристику - это величину компенсации. Фактически выбор количества компенсаторов сводится к выбору типа и конструктивных особенностей компенсаторов.Для выбора типа компенсатора необходимо определить диаметр трубы тепловой сети исходя из пропускной способности труби необходимой мощности потребителя тепла.

Таблица 1. Соотношение П- образных компенсаторов изготовленных из отводов.

Таблица 2. Выбор количества П- образных компенсаторов из расчета их компенсирующей способности.

Задача 2 Определение количества и размеры компенсаторов.

Для трубопровода диаметром Ду 100 с длиной прямого участка 150 метров, при условии, что температура носителя 150 °С, а температура окружающей среды в отопительный период -40 °С определить количество компенсаторов.бL=0,342 м (см. Задача 1).По Таблице 1 и Таблице 2 определяемся с размерами п образных компенсаторов (с размерами 2х2 м может компенсировать 0,134 метра удлинения трубопровода) , нам нужно компенсировать 0,342 метра, следовательно Nкомп=бL/∂х=0,342/0,134=2,55 , округляем до ближайшего целого числа в сторону увеличения и того - требуется 3 компенсатора размерами 2х4 метра.

В настоящее время все большее распространение получают линзовые компенсаторы, они значительно компактнее п - образных, однако, ряд ограничений не всегда позволяет их использование. Ресурс п- образного компенсатора значительно выше чем линзового, из-за плохого качество теплоносителя. Нижняя часть линзового компенсатора как правило "забивается" шламом, что способствует развитию стояночной коррозии металла компенсатора.

На сегодняшний день применение компенсаторов П-образного типа или любого другого осуществляется в том случае, если вещество, проходящее через трубопровод, характеризуется температурой 200 градусов по Цельсию или выше, а также высоким давлением.

Общее описание компенсаторов

Металлические компенсаторы - это устройства, которые предназначены для того, чтобы скомпенсировать либо уравновесить влияние разнообразных факторов на работу трубопроводных систем. Другими словами, основное предназначение этого изделия - это обеспечить отсутствие повреждений трубы при транспортировке веществ по ней. Такие сети, обеспечивающие транспортировку рабочей среды, практически постоянно подвергаются таким негативным влияниям, как температурное расширение и давление, вибрации, а также оседание фундамента.

Именно для того, чтобы устранить эти дефекты, необходимо устанавливать гибкие элементы, которые стали называть компенсаторами. П-образный тип - это лишь один из многих видов, который применяется в этих целях.

Что представляют собой П-образные элементы

Сразу стоит отметить, что П-образный тип деталей - это наиболее простой вариант, который помогает решить проблему компенсации. Эта категория устройств имеет наиболее широкий диапазон применения по температурным показателям, а также по показателям давления. Для изготовления П-образных компенсаторов используется либо одна длинная труба, которую сгибают в нужных местах, либо прибегают к свариванию нескольких гнутых, крутоизогнутых или сварных отводов. Тут стоит отметить, что некоторые из трубопроводов необходимо периодически разбирать для очистки. Для таких случаев компенсаторы этого типа изготавливаются с присоединительными концами на фланцах.

Так как компенсатор П-образного типа является наиболее простой конструкцией, он имеет ряд определенных недостатков. К ним можно отнести большой расход труб для создания элемента, большие габариты, необходимость в монтаже дополнительных опор, а также наличие сварных соединений.

Требования компенсаторов и стоимость

Если рассматривать установку компенсаторов П-образного типа с точки зрения материальных средств, то наиболее невыгодным будет их монтаж в системах, имеющих большой диаметр. Расход труб и материальных средств на создание компенсатора будет слишком велик. Здесь можно сравнить данное оборудование с Действие и параметры этих элементов примерно одинаковые, а вот стоимость монтажа у П-образного примерно в два раза больше. Основная причина такого расхода денежных средств в том, что необходимо множество материалов для постройки, а также монтаж дополнительных опор.

Для того чтобы П-образный компенсатор смог полностью нейтрализовать давление на трубопровод, откуда бы оно ни исходило, необходимо монтировать такие приспособления в одной точке с разницей в 15-30 градусов. Данные параметры подходят лишь в том случае, если температура рабочего вещества внутри сети не будет превышать 180 градусов по Цельсию и не будет опускаться ниже 0. Только в этом случае и при таком монтаже устройство сможет компенсировать напряжение на трубопровод от подвижек грунта с любой точки.

Расчеты для установки

Расчет П-образного компенсатора заключается в том, чтобы выяснить, каких минимальных размеров устройства хватит на то, чтобы скомпенсировать давление на трубопровод. Для того чтобы проводить расчет, используют определенные программы, однако эту операцию можно выполнить даже через онлайн-приложения. Здесь главное - придерживаться определенных рекомендаций.

• Максимальное напряжение, которое рекомендуется принимать для спинки компенсатора, находится в пределах от 80 до 110 МПа.
• Также имеется такой показатель, как вылет компенсатора к наружному диаметру. Данный параметр рекомендуется принимать в пределах H/Dn=(10 - 40). При таких значениях необходимо учитывать, что 10Dn будет соответствовать трубопроводу с показателем 350DN, а 40Dn - трубопроводу с параметрами 15DN.
• Также при расчете П-образного компенсатора необходимо учитывать ширину устройства к его вылету. Оптимальными значениями считаются L/H=(1 - 1,5). Однако здесь допускается введение и других числовых параметров.
• Если при проведении расчета выходит так, что для данного трубопровода необходимо создавать слишком большой компенсатор этого типа, то рекомендуется подобрать другой вид устройства.

Ограничения при расчетах

Если расчеты проводит не опытный специалист, то лучше ознакомиться с некоторыми ограничениями, которые нельзя превышать при вычислениях или введении данных в программу. Для П-образного компенсатора из труб имеются следующие ограничения:

• Рабочее вещество может быть либо водой, либо паром.
• Сам по себе трубопровод должен быть выполнен только из стальной трубы.
• Максимальный температурный показатель для рабочей среды - 200 градусов по Цельсию.
• Максимальное давление, которое наблюдается в сети, не должно превышать 1,6 МПа (16 бар).
• Установка компенсатора может осуществляться лишь на горизонтальный тип трубопровода.
• Размеры П-образного компенсатора должны быть симметричными, а его плечи одинаковыми.
• Сеть трубопровода не должна испытывать дополнительных нагрузок (ветровых или любых других).

Установка устройств

Во-первых, располагать неподвижные опоры далее чем на 10DN от самого компенсатора не рекомендуется. Это обусловлено тем, что передача момента защемления опоры будет сильно снижать гибкость конструкции.

Во-вторых, настоятельно рекомендуется разбивать участки от неподвижной опоры до П-образного компенсатора одинаковой длины, на протяжении всей сети. Также здесь важно отметить, что смещение места установки приспособления от центра трубопровода к одному из его краев увеличит силу упругой деформации, а также напряжения примерно на 20-40% от тех значений, которые можно получить, если монтировать конструкцию посредине.

В-третьих, для того чтобы сильнее увеличить компенсирующую способность, используется растяжка П-образных компенсаторов. В момент установки конструкция будет испытывать изгибающуюся нагрузку, а при нагреве будет принимать ненапряженное состояние. Когда температура достигнет максимального значения, то и устройство придет снова в напряжение. На основе этого, был предложен способ растягивания. Предварительная работа заключается в том, чтобы растянуть компенсатор на величину, которая будет равна половине теплового удлинения трубопровода.

Плюсы и минусы конструкции

Если говорить в общем об этой конструкции, то можно с уверенностью сказать, что она обладает такими положительными качествами, как простота в производстве, высокая способность компенсации, отсутствие необходимости в обслуживании, усилия, которые передаются на опоры, незначительные. Однако среди явных недостатков выделяются следующие: большой расход материала и большое количество пространства, занимаемого конструкцией, высокий показатель гидравлического сопротивления.

Расчёт П-образного компенсатора заключается в определении минимальных размеров компенсатора, достаточных для компенсации температурных деформаций трубопровода. Заполнив выше приведенную форму, вы сможете рассчитать компенсирующую способность П-образного компенсатора заданных размеров.

В основе алгоритма данной online программы лежит методика расчёта П-образного компенсатора приведенная в — Справочнике проектировщика «Проектирование тепловых сетей» под редакцией А. А. Николаева.

1. Максимальное напряжение в спинке компенсатора рекомендуется принимать в диапазоне от 80 до 110 МПа.


2. Оптимальное отношение вылета компенсатора к наружному диаметру трубы рекомендуется принимать в диапазоне H/Dн = (10 — 40), при этом вылет компенсатора в 10DN соответствует трубопроводу DN350, а вылет в 40DN – трубопроводу DN15.


3. Оптимальное отношение ширины компенсатора к его вылету рекомендуется принимать в диапазоне L/H= (1 — 1,5), хотя могут быть приняты и другие значения.


4. Если для компенсации расчётных тепловых удлинений необходим компенсатор слишком больших размеров, возможна его замена двумя меньшими компенсаторами.


5. При расчёте тепловых удлинений трубопровода температуру теплоносителя следует принимать максимальной, а температуру окружающей трубопровод среды минимальной.

В расчёте приняты следующие ограничения:

• Трубопровод заполнен водой или паром
• Трубопровод выполнен из стальной трубы
• Максимальная температура рабочей среды не превышает 200 °С
• Максимальное давление в трубопроводе не превышает 1,6 МПа (16 бар)
• Компенсатор установлен на горизонтальном трубопроводе
• Компенсатор симметричен, а его плечи одинаковой длины
• Неподвижные опоры считаются абсолютно жёсткими
• Трубопровод не испытывает ветрового давления и других нагрузок
• Сопротивление сил трения подвижных опор при тепловом удлинении не учитывается
• Отводы гладкие

1. Не рекомендуется располагать неподвижные опоры на расстоянии менее 10DN от П–образного компенсатора, так как передача на него момента защемления опоры снижает гибкость.


2. Участки трубопровода от неподвижных опор до П-образного компенсатора рекомендуется принимать одинаковой длины. Если компенсатор располагают не посредине участка а смещают в сторону одной из неподвижных опор, то силы упругой деформации и напряжения увеличиваются примерно на 20-40%, по отношению к значениям полученным для компенсатора, расположенного посередине.


3. Для увеличения компенсирующей способности применяют предварительное растягивание компенсатора. При монтаже компенсатор испытывает изгибающую нагрузку, нагреваясь принимает ненапряжённое состояние, а при максимальной температуре приходит в напряжение. Предварительное растягивание компенсатора на величину равную половине теплового удлинения трубопровода, позволяет увеличить его компенсирующую способность вдвое.

Область применения

П-образные компенсаторы применяют для компенсации температурных удлинений труб на протяжённых прямых участках, если возможности самокомпенсации трубопровода за счёт поворотов тепловой сети — нет. Отсутствие компенсаторов на жёстко закреплённых трубопроводах с переменной температурой рабочей среды, приведёт к росту напряжений способных деформировать и разрушить трубопровод.

Гибкие компенсаторы применяют

1. При надземной прокладке для всех диаметров труб независимо от параметров теплоносителя.
2. При прокладке в каналах туннелях и общих коллекторах на трубопроводах от DN25 до DN200 при давлении теплоносителя до 16бар.
3. При бесканальной прокладке для труб диаметром от DN25 до DN100.
4. Если максимальная температура рабочей среды превышает 50°C

Достоинства

• Высокая компенсирующая способность
• Не требует обслуживания
• Прост в изготовлении
• Незначительные усилия передаваемые на неподвижные опоры

Недостатки

• Большой расход труб
• Большая занимаемая площадь
• Высокое гидравлическое сопротивление

В тепловых сетях широко применяются сальниковые, П - образные и сильфонные (волнистые) компенсаторы. Компенсаторы должны иметь достаточную компенсирующую способность для восприятия температурного удлинения участка трубопровода между неподвижными опорами, при этом максимальные напряжения в радиальных компенсаторах не должны превышать допускаемых (обычно 110 МПа).

Тепловое удлинение расчетного участка трубопровода
, мм, определяют по формуле

(81)

где
- средний коэффициент линейного расширения стали,

(для типовых расчетов можно принять
),

- расчетный перепад температур, определяемый по формуле

(82)

где - расчетная температура теплоносителя, о С;

- расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления, о С;

L - расстояние между неподвижными опорами, м (см. приложение №17).

Компенсирующую способность сальниковых компенсаторов уменьшают на величину запаса - 50 мм.

Реакция сальникового компенсатора - сила трения в сальниковой набивкеопределяется по формуле

где - рабочее давление теплоносителя, МПа;

- длина слоя набивки по оси сальникового компенсатора, мм;

- наружный диаметр патрубка сальникового компенсатора, м;

- коэффициент трения набивки о металл, принимается равным 0,15.

При подборе компенсаторов их компенсирующая способность и технические параметры могут быть определены по приложению.

Осевая реакция сильфонных компенсаторов складывается из двух слагаемых:

(84)

где - осевая реакция, вызываемая деформацией волн, определяемая по формуле

(85)

здесь l - температурное удлинение участка трубопровода, м;

 - жесткость волны, Н/м, принимаемая по паспорту компенсатора;

n - количество волн (линз).

- осевая реакция от внутреннего давления, определяемая по формуле

(86)

здесь - коэффициент, зависящий от геометрических размеров и толщины стенки волны, равный в среднем 0.5 - 0.6;

D и d – соответственно наружный и внутренний диаметры волн, м;

- избыточное давление теплоносителя, Па.

При расчете самокомпенсации основной задачей является определение максимального напряженияу основания короткого плеча угла поворота трассы, которое определяют для углов поворотов 90 о поформуле

(87)

для углов более 90 о, т.е. 90+, по формуле

(88)

где l - удлинение короткого плеча, м;

l - длина короткого плеча, м;

Е - модуль продольной упругости, равный в среднем для стали 2· 10 5 МПа;

d - наружный диаметр трубы, м;

- отношение длины длинного плеча к длине короткого.

При расчетах углов на самокомпенсацию величина максимального напряжения не должна превышать [] = 80 МПа.

При расстановке неподвижных опор на углах поворотов, используемых для самокомпенсации, необходимо учитывать, что сумма длин плеч угла между опорами не должна быть более 60% от предельного расстояния для прямолинейных участков. Следует учитывать также, что максимальный угол поворота, используемый для самокомпенсации, не должен превышать 130 о.

Расчет компенсаторов

Неподвижное закрепление трубопроводов производят для предупреждения самопроизвольного его смещения при удлинениях. Но при отсутствии устройств, воспринимающих удлинения трубопроводов между неподвижными закреплениями, возникают большие напряжения, способные деформировать и разрушать трубы. Компенсация удлинений труб производится различными устройствами, принцип действия которых можно разделить на две группы: 1) радиальные или гибкие устройства, воспринимающие удлинения теплопроводов изгибом (плоских) или кручением (пространственных) криволинейных участков труб или изгибом специальных эластичных вставок различной формы; 2) осевые устройства скользящего и упругого типов, в которых удлинения воспринимаются телескопическим перемещением труб или сжатием пружинящих вставок.

Гибкие компенсирующие устройства самые распространенные. Наиболее простая компенсация достигается естественной гибкостью поворотов самого трубопровода, изогнутого под углом не более 150°.

Для естественной компенсации могут быть использованы подъемы и опуски труб, но естественная компенсация не всегда может быть предусмотрена. К устройству искусственных компенсаторов следует обращаться лишь после использования всех возможностей естественной компенсации.

На прямолинейных участках компенсация удлинений труб решается специальными гибкими компенсаторами различной конфигурации. Лирообразные компенсаторы, особенно со складками, из всех гибких компенсаторов обладают наибольшей эластичностью, но вследствие усиленной коррозии металла в складках и повышенного гидравлического сопротивления применяются редко. Более распространены П-образные компенсаторы со сварными и гладкими коленами; П-образные компенсаторы со складками, как и лирообразные, по указанным выше причинам применяются реже.

Достоинством гибких компенсаторов является то, что они не нуждаются в обслуживании и для их укладки в нишах не требуется сооружение камер. Кроме того, гибкие компенсаторы передают на неподвижные опоры только реакции распоров. К недостаткам гибких компенсаторов относятся: повышенное гидравлическое сопротивление, увеличенный расход труб, большие габариты, затрудняющие их применение в городских прокладках при насыщенности трассы городскими подземными коммуникациями.

Линзовые компенсаторы относятся к осевым компенсаторам упругого типа. Компенсатор собирается на сварке из полулинз, изготовленных штамповкой из тонколистовых высокопрочных сталей. Компенсирующая способность одной полулинзы составляет 5--6 мм. В конструкции компенсатора допускается объединять 3--4 линзы, большее число нежелательно из-за потери упругости и выпучивания линз. Каждая линза допускает угловое перемещение труб до 2--3°, поэтому линзовые компенсаторы можно использовать при прокладке сетей на подвесных опорах, создающих большие перекосы труб.

Осевая компенсация скользящего типа создается сальниковыми компенсаторами. К настоящему времени устаревшие чугунные литые конструкции на фланцевых соединениях повсеместно вытеснены легкой, прочной и простой в изготовлении стальной сварной конструкцией, показанной на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2. Бесфланцевый односторонний сварной сальниковый компенсатор: 1- нажимной фланец; 2 - грундбукса; 3 - сальниковая набивка; 4- контрбукса; 5 - стакан; 6 - корпус; 7 - переход диаметров

Компенсация температурных удлинителей трубопроводов назначается при средней температуре теплоносителя более +50°С. Тепловые перемещения теплопроводов обусловлены линейным удлинением труб при нагревании.

Для безаварийной работы тепловых сетей необходимо, чтобы компенсирующие устройства были рассчитаны на максимальные удлинения трубопроводов. Исходя из этого при расчете удлинений температура теплоносителя принимается максимальной, а температура окружающей среды -- минимальной и равной: 1) расчетной температуре наружного воздуха при проектировании отопления -- для надземной прокладки сетей на открытом воздухе; 2) расчетной температуре воздуха в канале -- для канальной прокладки сетей; 3) температуре грунта на глубине заложения бесканальных теплопроводов при расчетной температуре наружного воздуха для проектирования отопления.

Проведем расчет П-образного компенсатора, который расположен между двумя неподвижными опорами, на участке 2 тепловой сети с длиной 62,5 м и диаметрами трубы: 194х5 мм.

Рисунок 5.3 схема П-образного компенсатора

Определим тепловое удлинение трубопровода по формуле:

где б - коэффициент линейного удлинения стальных труб принимается в зависимости от температуры, в среднем б =1,2?10 -5 м/?С; t - температура теплоносителя, ?С; t 0 = -28 ?С - температура окружающей среды.

С учетом предварительно растяжки по полному удлинению на 50%:

Графическим методом зная тепловое удлинение, диаметр трубы определяем по номограмме длину плеча П-образного компенсатора, которая равняется 2,4 м.