Теплофикация и тепловые сети. И тепловые

• Название: И тепловые
• Анкор: Теплофикация и тепловые сети
• Дата: 27.03.2022
• Размер: 2.4 Mb.
• Имя файла: Теплофикация и тепловые сети.docx
• Тип: Учебник; #420164
• страница: 62 из 101

Рнс. 9.31. Железобезоянаи шнтовая неподвижная опора

с тем, что площадь сечения линзы значи­тельно превосходит площадь поперечного сечения трубопровода.

Кроме усилий на неподвижные опоры часто передаются также изгибающие и кру­тящие моменты, действующие на трубопро­вод, которые определяются в каждом кон­кретном случае для заданной схемы и режи­ма работы трубопровода. Неподвижные опоры выполняются обычно из железобето­на или металлоконструкций.

На рис. 9.30 показана установка непод­вижной опоры в камере. Усилие, восприни­маемое опорой, передается на вертикаль­ные стойки, концы которых защемлены в основании и перекрытии камеры.

При расположении неподвижных опор между камерами, в непроходных каналах или при бесканальной прокладке удобны же­лезобетонные щитовые опоры (рис 9.31). Такая опора представляет собой железобе­тонную плиту. Конструкция не требует со­

лидных фундаментов, так как нагрузка от нее передается центрально.

3. 
   КОМПЕНСАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ
   

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 ст = Ei, (9.28)

где Е — модуль продольной упругости (для

стали Е 2^- 10 кПа); i — относительная деформация.

При повышении температуры трубы длиной / на Д/ удлинение должно составить Д/=а/ДГ, (9.29)

где а — коэффициент линейного удли­нения, 1/К (для углеродистой стали а= 12- 10"⁶ 1/К).

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

/ = Д///=аДЛ (9.30)

Из совместного решения (9.28) и (9.30) можно найти напряжение сжатия, возни­кающее в стальной трубе при нагреве пря­молинейного защемленного (без компенса­торов) участка трубопровода

о = а£Д/. (9.31)

Для стали о = 2,35 Дг МПа = 24Дг кгс/см².

Как видно из (9.31), 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

р = о/=£;/ (9 32)

где f — площадь поперечного сечения сте­нок трубопровода, м².

Способы компенсации температурных удлинений, применяемые в тепловых сетях, весьма разнообразны

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. 9.32 показан односторонний сальниковый компенсатор. Между стака-
Рис. 9.32. Односторонний сальниковый компен-
сатор

1 — стакан, 2 — корпус, 3 — набивка, 4 — упорное
кольцо, 5 — грундбукса

ном 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.

На рис. 9.33 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.

От этого недостатка свободны все типы упругих компенсаторов.

На рис. 9.34 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 08XI8H10T на заводах Санкт-Петербурга.



Рнс. 9.34. 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

+ (9-³³)

где — осевая реакция от температурной компенсации, вызываемая деформацией волны при термическом расширении трубо­провода, Н; .v — осевая реакция, вызывае­мая внутренним давлением, Н.

Осевая реакция от температурной ком­пенсации, Н, может быть определена по формуле

^ЛЯЛЛЛЛЛЛШЪ. S' -АЛЯЯЛЛЛЛЯЛ^ч 'Ч И "

^сж

X

Рнс. 9.35. Разгруженный сильфонный компенсатор

/_р — длина в растянутом состоянии, /_сж — длина
в сжатом состоянии

,?_к = еД//и, (9.34)

где Д/ — термическая деформация компен­сатора, м; п — число волн; е — жесткость волны, Н/м.

Жесткость волны сильфона е представ­ляет собой частное от деления осевого уси­лия на осевую деформацию волны, вызы­ваемой этим усилием, и зависит от профиля волны, ее геометрических размеров (наруж­ного и внутреннего диаметра, ширины) и толщины стенки компенсатора. Значение е определяется экспериментально.

Осевая реакция внутреннего давления

5_Д = V ;(Я²-/)р_и, (9.35)

4

где \|/ — опытный коэффициент, завися­щий от геометрических размеров и толщи­ны стенки волны (в большинстве случаев V = 0,5—0,6); D, d— наружный и внутрен­ний диаметры волны, м; р_и — избыточное давление теплоносителя, Па.

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. 9 35.

Перспективным методом компенсации температурных деформаций может служить применение самокомпенсирующихся труб, технология изготовления которых разрабо- 334

тана Институтом электросварки им. Е.О. Па­тона (Киев). При производстве спирально­сварных 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.

Особенность компенсации тепловых де­формаций бесканальных теплопроводов. Изоляционная конструкция бесканальных теп­лопроводов находится в непосредственном кон­такте с окружающим грунтом и под его давлени­ем. Поэтому при изменении температуры сталь­ного трубопровода возникает сила трения меж­ду деформируемым теплопроводом и окружаю­щим грунтом.

В конструкциях бесканальных теплопрово­дов, в которых имеет место хорошая адгезия те­пловой изоляции к поверхности трубы (тепло­проводы с монолитными оболочками из пенопо­лиуретана, армопенобетона, поропласта и др.), трение возникает на наружной поверхности мо­нолитной оболочки. В бесканальных теплопро­водах без адгезии изоляции к поверхности трубы (теплопроводы с монолитной изоляцией из биту- моперлита, с изоляцией из засыпных порошков) трение возникает на наружной поверхности стального трубопровода.

Силы трения вызывают в стенках стального трубопровода деформацию и напряжение сжатия (при разогреве) или растяжения (при остывании).

При этом, естественно, суммарное напряже­ние в стенке стального трубопровода должно быть не выше допустимого значения <р[о] Из этого условия определяется предельная дли­на участка бесканального теплопровода между неподвижной опорой и сальниковым компенса­тором. Метод определения предельной длины /_пр см. в [ИЗ].

При изменении температуры теплоносителя в бесканальных теплопроводах компенсация температурной деформации происходит одно­временно не на всей длине теплопровода, а толь­ко на участке длиной /»(отсчитанной от компен­сатора в сторону неподвижной опоры), на кото­ром возникающая в трубопроводе реакция (сила)

сжатия или растяжения достигает значения, дос­таточного для преодоления силы трения на по­верхности этого участка трубопровода. Из усло­вия равновесия указанных сил длина компенси­руемого участка трубопровода, м, при данном тепловом режиме

_{lt =} aEtuf ₌ а£А'«_р/<)8 _(g

где Д/ — разность температур стенки трубопро­вода в данный момент и при монтаже, °C; f—

площадь поперечного сечения трубопровода, м²; ^ср ^{= +} — средний диаметр трубы, м;

5 — толщина стенки трубы, м; с/_т — диаметр по­верхности трения, м; ц — нормальное удельное давление па поверхности трения, Г1а; р — коэф­фициент трения.

При этом температурном режиме участок трубопровода на расстоянии от компенсатора />/. находится в защемленном состоянии. Компенсации его температурной деформации не происходит.

Разность между температурой стенки тру­бопровода и температурой монтажа /_м (Д;. = tt - /_м), при которой компенсируется тер­мическая деформация трубопровода на всей его длине Z, находится на основе (9.36) по формуле

На рис. 9.36, а показан вид температурной деформации бесканальпых трубопроводов при начальном разогреве после монтажа, а на рис. 9.36, б — изменение температурных напря­жений в одном из промежуточных сечений бес- каналыюго теплопровода при изменении темпе­ратуры теплоносителя.

Как показывают проведенные исследования, при повторных циклах нагрева и охлаждения бесканального теплопровода деформации и на­пряжения изменяются но кривым, аналогичным петле гистерезиса (рис. 9.36, а).

При завершении полного цикла нагрева и охлаждения бесканальный теплопровод остает­ся растянутым, при этом в сечении трубопрово­да у неподвижной опоры возникает максималь­ное напряжение растяжения. Колее подробно см. в [113].

Температура t



Рнс. 9.36. Температурные деформации н напряже-
ния в бесканальпых теплопроводах
а — удлинение при начальном нагреве; 1 — действи-
тельное; 2 — при свободном перемещении; б — изме-
нение напряжений при нагреве и охлаждении

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, разгружен- ность неподвижных опор от усилий внут­реннего давления. Недостаток естествен­ной компенсации — поперечное перемеще­ние деформируемых участков трубопрово­да, требующее увеличения ширины непро­ходных каналов и затрудняющее примене-



ние 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. 9.37 показана изогнутая труба с радиусом кривизны R. Выделим двумя се­чениями ab 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.

Под действием силы Т поперечное сече­ние трубы сплющивается, превращаясь из круглого в эллиптическое, отчего понижа­ется ее жесткость. Коэффициент жесткости 336