Расчет компенсаторов стальных трубопроводов отопления. Какие данные о компенсаторах нужно занести в паспорт теплотрассы? Плюсы и минусы конструкции
Для компенсации тепловых расширений наибольшее распространение в тепловых сетях и на электростанциях находят П-образные компенсаторы. Несмотря на свои многочисленные недостатки, среди которых можно выделить: сравнительно большие габариты (необходимость устройства компенсаторных ниш в теплосетях с канальной прокладкой), значительные гидравлические потери (по сравнению с сальниковыми и сильфонными); П-образные компенсаторы имеют и ряд достоинств.
Из достоинств можно прежде всего выделить простоту и надежность. Кроме того, этот тип компенсаторов наиболее хорошо изучен и описан в учебно-методической и справочной литературе. Несмотря на это, часто у молодых инженеров, не имеющих специализированных программ, расчет компенсаторов вызывает затруднения. Связано это прежде всего с достаточно сложной теорией, с наличием большого количества поправочных коэффициентов и, к сожалению, с наличием опечаток и неточностей в некоторых источниках.
Ниже проведен подробный анализ процедуры расчета П-образного компенсатора по двум основным источникам , , целью которого являлось выявление возможных опечаток и неточностей, а так же сравнение результатов.
Типовой расчет компенсаторов (рис.1, а)), предлагаемый большинством авторов ч, предполагает процедуру, в основе которой лежит использование теоремы Кастилиано:
где: U - потенциальная энергия деформации компенсатора, Е - модуль упругости материала трубы, J - осевой момент инерции сечения компенсатора (трубы),
![](https://i2.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image003.png)
где: s - толщина стенки отвода,
D н - внешний диаметр отвода;
М - изгибающий момент в сечении компенсатора. Здесь (из условия равновесия, рис.1 а)):
M = P y x - P x y + M 0 ; (2)
L - полная длина компенсатора, J x - осевой момент инерции компенсатора, J xy - центробежный момент инерции компенсатора, S x - статический момент компенсатора.
Для упрощения решения оси координат переносят в упругий цент тяжести (новые оси Xs , Ys ), тогда:
S x = 0, J xy = 0.
Из (1) получим силу упругого отпора Px:
Перемещение можно трактовать как компенсирующую способность компенсатора:
где: б t - коэффициент линейного температурного расширения, (1,2х10 -5 1/град для углеродистых сталей);
t н - начальная температура (средняя температура наиболее холодной пятидневки за последние 20 лет);
t к - конечная температура (максимальная температура теплоносителя);
L уч - длина компенсируемого участка.
Анализируя формулу (3), можно прийти к выводу, что наибольшее затруднение вызывает определение момента инерции J xs , тем более, что предварительно необходимо определиться с центром тяжести компенсатора (с y s ). Автор резонно предлагает использовать приближенный, графический метод определения J xs , при этом учитывая коэффициент жесткости (Кармана) k :
Первый интеграл определяем относительно оси y , второй относительно оси y s (рис.1). Ось компенсатора вычерчивается на милиметровой бумаге в масштабе. Вся кривая ось компенсатора L разбивается на множество отрезков Дs i . Расстояние от центра отрезка до оси y i измеряется линейкой.
Коэффициент жесткости (Кармана) призван отобразить экспериментально доказанный эффект местного сплющивания поперечного сечения отводов при изгибе, что увеличивает их компенсирующую способность. В нормативном документе коэффициент Кармана определяется по эмпирическим формулам, отличным от приведенных в , . Коэффициент жесткости k используется для определения приведенной длины L прД дугового элемента, которая всегда больше его фактической длины l г . В источнике коэффициент Кармана для гнутых отводов:
![](https://i0.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image006.png)
где: л - характеристика гиба.
Здесь: R - радиус отвода.
![](https://i0.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image008.png)
где: б - угол отвода (в градусах).
Для сварных и короткозагнутых штампованных отводов источник предлагает воспользоваться другими зависимостями для определения k :
где: h - характеристика гиба для сварных и штампованных отводов.
Здесь: R э - эквивалентный радиус сварного отвода.
![](https://i2.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image011.png)
Для отводов из трех и четырех секторов б=15 град, для прямоугольного двухсекторного отвода предлагается принять б = 11 град.
Следует отметить, что в , коэффициент k ? 1.
Нормативный документ РД 10-400-01 предусматривает следующую процедуру определения коэффициента гибкости К р * :
где К р - коэффициент гибкости без учета стесненности деформации концов изогнутого участка трубопровода; о - коэффициент, учитывающий стесненность деформации на концах изогнутого участка.
При этом если, то коэффициент гибкости принимают равным 1,0.
Величина К p определяется по формуле:
![](https://i0.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image013.png)
![](https://i1.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image014.png)
Здесь P - избыточное внутреннее давление, МПа; Et - модуль упругости материала при рабочей температуре, МПа.
![](https://i2.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image016.png)
Можно доказать, что по коэффициент гибкости К р * будет больше единицы, следовательно, при определении приведенной длины отвода по (7) необходимо брать его обратную величину.
Для сравнения определим гибкость некоторых стандартных отводов по ОСТ 34-42-699-85, при избыточном давлении Р =2,2 МПа и модуле Е t =2х 10 5 МПа. Результаты сведем в таблицу ниже (табл. №1).
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что процедура определения коэффициента гибкости по РД 10-400-01 дает более "строгий" результат (меньшую гибкость отвода), при этом дополнительно учитывает избыточное давление в трубопроводе и модуль упругости материала.
Момент инерции П-образного компенсатора (рис.1 б)) относительно новой оси y s J xs определяем следующим образом :
где: L пр - приведенная длина оси компенсатора,
![](https://i0.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image020.png)
y s - координата центра тяжести компенсатора:
Максимальный изгибающий момент М макс (действует вверху компенсатора):
![](https://i2.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image022.png)
где Н - вылет компенсатора, согласно рис.1 б):
Н=(m + 2)R .
Максимальное напряжение в сечении стенки трубы определяется по формуле:
![](https://i2.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image023.png)
где: m1 - коррекционный коэффициент (коэффициент запаса), учитывающий увеличение напряжений на гнутых участках.
Для гнутых отводов, (17)
![](https://i2.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image024.png)
Для сварных отводов. (18)
W - момент сопротивления сечения отвода:
Допускаемое напряжение (160 МПа для компенсаторов из сталей 10Г 2С, Ст 3сп; 120 МПа для сталей 10, 20, Ст 2сп).
Хочется сразу отметить, что коэффициент запаса (коррекционный) довольно высок и растет с увеличением диаметра трубопровода. Например для отвода 90° - 159x6 ОСТ 34-42-699-85 m 1 ? 2,6; для отвода 90° - 630x12 ОСТ 34-42-699-85 m 1 = 4,125.
![](https://i2.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image027.jpg)
Рис.2.
В руководящем документе расчет участка с П-образным компенсатором, см. рис.2, производится по итерационной процедуре:
![](https://i0.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image028.png)
Здесь задаются расстояния от оси компенсатора до неподвижных опор L 1 и L 2 спинка В и определяется вылет Н. В процессе итераций в обоих уравнениях следует добиваться, чтобы стало равным; из пары значений берется наибольшее = l 2 . Затем определяется искомый вылет компенсатора Н:
В уравнениях представлены геометрические компоненты, см. рис.2:
![](https://i0.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image032.png)
![](https://i2.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image033.png)
![](https://i1.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image034.png)
Компоненты сил упругого отпора, 1/м 2:
![](https://i0.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image035.png)
![](https://i2.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image037.png)
Моменты инерции относительно центральных осей x, y.
Параметр прочности A, м :
![](https://i2.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image038.png)
[у ск ] - допускаемое компенсационное напряжение,
Допускаемое компенсационное напряжение [у ск ] для трубопроводов, расположенных в горизонтальной плоскости определяется по формуле:
![](https://i0.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image040.png)
для трубопроводов, расположенных в вертикальной плоскости по формуле:
где: - номинальное допускаемое напряжение при рабочей температуре (для стали 10Г 2С - 165 МПа при 100°?t?200°, для стали 20 - 140 МПа при 100°?t?200°).
D - внутренний диаметр,
Хочется отметить, что авторам не удалось избежать опечаток и неточностей. Если использовать коэффициент гибкости К р * (9) в формулах для определения приведенной длины l пр (25), координат центральных осей и моментов инерции (26), (27), (29), (30), то получится заниженный (некорректный) результат, так, как коэффициент гибкости К р * по (9) больше единицы и должен на длину гнутых отводов умножаться. Приведенная длина гнутых отводов всегда больше их фактической длины (по (7)), только тогда они обретут дополнительную гибкость и компенсационную способность.
Следовательно, чтобы скорректировать процедуру определения геометрических характеристик по (25) ч (30) необходимо использовать обратную величину К р *:
К р *=1/ К р *.
В расчетной схеме рис.2 опоры компенсатора - неподвижные ("крестиками" принято обозначать неподвижные опоры (ГОСТ 21.205-93)). Это может подвигнуть "расчетчика" отсчитывать расстояния L 1 , L 2 от неподвижных опор, то есть учитывать длину всего компенсационного участка. На практике поперечные перемещения скользящих, (подвижных) опор соседнего участка трубопровода часто ограничены; от этих подвижных, но ограниченных по поперечному перемещению опор и следует отсчитывать расстояния L 1 , L 2 . Если не ограничивать поперечные перемещения трубопровода по всей длине от неподвижной до неподвижной опоры возникает опасность схода с опор участков трубопровода, ближайших к компенсатору. Для иллюстрации данного факта на рис.3 приведены результаты расчета на температурную компенсацию участка магистрального трубопровода Ду 800 из стали 17Г 2С длиной 200 м, перепад температур от - 46 С° до 180 С° в программе MSC Nastran. Максимальное поперечное перемещение центральной точки компенсатора - 1,645 м. Дополнительную опасность схода с опор трубопровода представляют также возможные гидроудары. Поэтому решение о длинах L 1 , L 2 следует принимать с осторожностью.
![](https://i2.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image043.jpg)
Рис.3.
Не совсем понятно происхождение первого уравнения в (20). Тем более, что по размерности оно не является корректным. Ведь в скобках под знаком модуля складываются величины Р х и P y (l 4 +…) .
Корректность второго уравнения в (20) можно доказать следующим образом:
для того, чтобы, необходимо, чтобы:
![](https://i2.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image044.png)
Это действительно так, если положить
Для частного случая L 1 =L 2 , Р y =0 , используя (3), (4), (15), (19), можно прийти к (36). Важно учесть, что в системе обозначений в y = y s .
Для практических расчетов я бы использовал второе уравнение в (20) в более привычной и удобной форме:
![](https://i0.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image046.png)
где А 1 =А[у ск ].
В частном случае когда L 1 =L 2 , Р y =0 (симметричный компенсатор):
Очевидными достоинствами методики по сравнению с является ее большая универсальность. Компенсатор рис.2 может быть несимметричным; нормативность позволяет проводить расчеты компенсаторов не только теплосетей, но и ответственных трубопроводов высокого давления, находящихся в реестре РосТехНадзора.
Проведем сравнительный анализ результатов расчета П-образных компенсаторов по методикам , . Зададимся следующими исходными данными:
- а) для всех компенсаторов: материал - Сталь 20; Р=2,0 МПа; Е t =2х 10 5 МПа; t?200°; нагружение - предварительная растяжка; отводы гнутые по ОСТ 34-42-699-85; компенсаторы расположены горизонтально, из труб с мех. обработкой;
- б) расчетная схема с геометрическими обозначениями по рис.4;
![](https://i1.wp.com/studwood.ru/imag_/43/88490/image047.png)
Рис.4.
в) типоразмеры компенсаторов сведем в таблицу №2 вместе с результатами расчетов.
Отводы и трубы компенсатора, D н Ч s, мм |
Типоразмер, см. рис.4 |
Предварительная растяжка, м |
Максимальное напряжение, МПа |
Допускаемое напряжение, МПа |
||||||
cогласно |
cогласно |
cогласно |
cогласно |
|||||||
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
напряженияу
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.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Расчет П-образных компенсаторов
к. т. н. С.Б. Горунович,
рук. конструкторской группы Усть-Илимской ТЭЦ
Для компенсации тепловых расширений наибольшее распространение в тепловых сетях и на электростанциях находят П-образные компенсаторы. Несмотря на свои многочисленные недостатки, среди которых можно выделить: сравнительно большие габариты (необходимость устройства компенсаторных ниш в теплосетях с канальной прокладкой), значительные гидравлические потери (по сравнению с сальниковыми и сильфонными); П-образные компенсаторы имеют и ряд достоинств.
Из достоинств можно прежде всего выделить простоту и надежность. Кроме того, этот тип компенсаторов наиболее хорошо изучен и описан в учебно-методической и справочной литературе. Несмотря на это, часто у молодых инженеров, не имеющих специализированных программ, расчет компенсаторов вызывает затруднения. Связано это прежде всего с достаточно сложной теорией, с наличием большого количества поправочных коэффициентов и, к сожалению, с наличием опечаток и неточностей в некоторых источниках.
Ниже проведен подробный анализ процедуры расчета П-образного компенсатора по двум основным источникам , , целью которого являлось выявление возможных опечаток и неточностей, а так же сравнение результатов.
Типовой расчет компенсаторов (рис.1, а)), предлагаемый большинством авторов ч, предполагает процедуру, в основе которой лежит использование теоремы Кастилиано:
где: U - потенциальная энергия деформации компенсатора, Е - модуль упругости материала трубы, J - осевой момент инерции сечения компенсатора (трубы),
где: s - толщина стенки отвода,
D н - внешний диаметр отвода;
М - изгибающий момент в сечении компенсатора. Здесь (из условия равновесия, рис.1 а)):
M = P y x - P x y + M 0 ; (2)
L - полная длина компенсатора, J x - осевой момент инерции компенсатора, J xy - центробежный момент инерции компенсатора, S x - статический момент компенсатора.
Для упрощения решения оси координат переносят в упругий цент тяжести (новые оси Xs , Ys ), тогда:
S x = 0, J xy = 0.
Из (1) получим силу упругого отпора P x :
Перемещение можно трактовать как компенсирующую способность компенсатора:
где: б t - коэффициент линейного температурного расширения, (1,2х10 -5 1/град для углеродистых сталей);
t н - начальная температура (средняя температура наиболее холодной пятидневки за последние 20 лет);
t к - конечная температура (максимальная температура теплоносителя);
L уч - длина компенсируемого участка.
Анализируя формулу (3), можно прийти к выводу, что наибольшее затруднение вызывает определение момента инерции J xs , тем более, что предварительно необходимо определиться с центром тяжести компенсатора (с y s ). Автор резонно предлагает использовать приближенный, графический метод определения J xs , при этом учитывая коэффициент жесткости (Кармана) k :
Первый интеграл определяем относительно оси y , второй относительно оси y s (рис.1). Ось компенсатора вычерчивается на милиметровой бумаге в масштабе. Вся кривая ось компенсатора L разбивается на множество отрезков Дs i . Расстояние от центра отрезка до оси y i измеряется линейкой.
Коэффициент жесткости (Кармана) призван отобразить экспериментально доказанный эффект местного сплющивания поперечного сечения отводов при изгибе, что увеличивает их компенсирующую способность. В нормативном документе коэффициент Кармана определяется по эмпирическим формулам, отличным от приведенных в , . Коэффициент жесткости k используется для определения приведенной длины L прД дугового элемента, которая всегда больше его фактической длины l г . В источнике коэффициент Кармана для гнутых отводов:
где: л - характеристика гиба.
Здесь: R - радиус отвода.
где: б - угол отвода (в градусах).
Для сварных и короткозагнутых штампованных отводов источник предлагает воспользоваться другими зависимостями для определения k :
где: h - характеристика гиба для сварных и штампованных отводов.
Здесь: R э - эквивалентный радиус сварного отвода.
Для отводов из трех и четырех секторов б=15 град, для прямоугольного двухсекторного отвода предлагается принять б = 11 град.
Следует отметить, что в , коэффициент k ? 1.
Нормативный документ РД 10-400-01 предусматривает следующую процедуру определения коэффициента гибкости К р * :
где К р - коэффициент гибкости без учета стесненности деформации концов изогнутого участка трубопровода; о - коэффициент, учитывающий стесненность деформации на концах изогнутого участка.
При этом если, то коэффициент гибкости принимают равным 1,0.
Величина К p определяется по формуле:
Здесь P - избыточное внутреннее давление, МПа; E t - модуль упругости материала при рабочей температуре, МПа.
Можно доказать, что по коэффициент гибкости К р * будет больше единицы, следовательно, при определении приведенной длины отвода по (7) необходимо брать его обратную величину.
Для сравнения определим гибкость некоторых стандартных отводов по ОСТ 34-42-699-85, при избыточном давлении Р =2,2 МПа и модуле Е t =2х 10 5 МПа. Результаты сведем в таблицу ниже (табл. №1).
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что процедура определения коэффициента гибкости по РД 10-400-01 дает более "строгий" результат (меньшую гибкость отвода), при этом дополнительно учитывает избыточное давление в трубопроводе и модуль упругости материала.
Момент инерции П-образного компенсатора (рис.1 б)) относительно новой оси y s J xs определяем следующим образом :
где: L пр - приведенная длина оси компенсатора,
y s - координата центра тяжести компенсатора:
Максимальный изгибающий момент М макс (действует вверху компенсатора):
где Н - вылет компенсатора, согласно рис.1 б):
Н=(m + 2)R .
Максимальное напряжение в сечении стенки трубы определяется по формуле:
где: m 1 - коррекционный коэффициент (коэффициент запаса), учитывающий увеличение напряжений на гнутых участках.
Для гнутых отводов, (17)
Для сварных отводов. (18)
W - момент сопротивления сечения отвода:
Допускаемое напряжение (160 МПа для компенсаторов из сталей 10Г 2С, Ст 3сп; 120 МПа для сталей 10, 20, Ст 2сп).
Хочется сразу отметить, что коэффициент запаса (коррекционный) довольно высок и растет с увеличением диаметра трубопровода. Например для отвода 90° - 159x6 ОСТ 34-42-699-85 m 1 ? 2,6; для отвода 90° - 630x12 ОСТ 34-42-699-85 m 1 = 4,125.
Рис.2. Расчетная схема компенсатора по РД 10-400-01.
В руководящем документе расчет участка с П-образным компенсатором, см. рис.2, производится по итерационной процедуре:
Здесь задаются расстояния от оси компенсатора до неподвижных опор L 1 и L 2 спинка В и определяется вылет Н. В процессе итераций в обоих уравнениях следует добиваться, чтобы стало равным; из пары значений берется наибольшее = l 2 . Затем определяется искомый вылет компенсатора Н:
В уравнениях представлены геометрические компоненты, см. рис.2:
Компоненты сил упругого отпора, 1/м 2:
Моменты инерции относительно центральных осей x, y.
Параметр прочности A, м :
[у ск ] - допускаемое компенсационное напряжение,
Допускаемое компенсационное напряжение [у ск ] для трубопроводов, расположенных в горизонтальной плоскости определяется по формуле:
для трубопроводов, расположенных в вертикальной плоскости по формуле:
где: - номинальное допускаемое напряжение при рабочей температуре (для стали 10Г 2С - 165 МПа при 100°?t?200°, для стали 20 - 140 МПа при 100°?t?200°).
D - внутренний диаметр,
Хочется отметить, что авторам не удалось избежать опечаток и неточностей. Если использовать коэффициент гибкости К р * (9) в формулах для определения приведенной длины l пр (25), координат центральных осей и моментов инерции (26), (27), (29), (30), то получится заниженный (некорректный) результат, так, как коэффициент гибкости К р * по (9) больше единицы и должен на длину гнутых отводов умножаться. Приведенная длина гнутых отводов всегда больше их фактической длины (по (7)), только тогда они обретут дополнительную гибкость и компенсационную способность.
Следовательно, чтобы скорректировать процедуру определения геометрических характеристик по (25) ч (30) необходимо использовать обратную величину К р *:
К р *=1/ К р *.
В расчетной схеме рис.2 опоры компенсатора - неподвижные ("крестиками" принято обозначать неподвижные опоры (ГОСТ 21.205-93)). Это может подвигнуть "расчетчика" отсчитывать расстояния L 1 , L 2 от неподвижных опор, то есть учитывать длину всего компенсационного участка. На практике поперечные перемещения скользящих, (подвижных) опор соседнего участка трубопровода часто ограничены; от этих подвижных, но ограниченных по поперечному перемещению опор и следует отсчитывать расстояния L 1 , L 2 . Если не ограничивать поперечные перемещения трубопровода по всей длине от неподвижной до неподвижной опоры возникает опасность схода с опор участков трубопровода, ближайших к компенсатору. Для иллюстрации данного факта на рис.3 приведены результаты расчета на температурную компенсацию участка магистрального трубопровода Ду 800 из стали 17Г 2С длиной 200 м, перепад температур от - 46 С° до 180 С° в программе MSC Nastran. Максимальное поперечное перемещение центральной точки компенсатора - 1,645 м. Дополнительную опасность схода с опор трубопровода представляют также возможные гидроудары. Поэтому решение о длинах L 1 , L 2 следует принимать с осторожностью.
Рис.3. Результаты расчета компенсационных напряжений на участке трубопровода Ду 800 с П-образным компенсатором программным комплексом MSC/Nastran (МПа).
Не совсем понятно происхождение первого уравнения в (20). Тем более, что по размерности оно не является корректным. Ведь в скобках под знаком модуля складываются величины Р х и P y (l 4 +…) .
Корректность второго уравнения в (20) можно доказать следующим образом:
для того, чтобы, необходимо, чтобы:
Это действительно так, если положить
Для частного случая L 1 =L 2 , Р y =0 , используя (3), (4), (15), (19), можно прийти к (36). Важно учесть, что в системе обозначений в y = y s .
Для практических расчетов я бы использовал второе уравнение в (20) в более привычной и удобной форме:
где А 1 =А[у ск ].
В частном случае когда L 1 =L 2 , Р y =0 (симметричный компенсатор):
Очевидными достоинствами методики по сравнению с является ее большая универсальность. Компенсатор рис.2 может быть несимметричным; нормативность позволяет проводить расчеты компенсаторов не только теплосетей, но и ответственных трубопроводов высокого давления, находящихся в реестре РосТехНадзора.
Проведем сравнительный анализ результатов расчета П-образных компенсаторов по методикам , . Зададимся следующими исходными данными:
а) для всех компенсаторов: материал - Сталь 20; Р=2,0 МПа; Е t =2х 10 5 МПа; t?200°; нагружение - предварительная растяжка; отводы гнутые по ОСТ 34-42-699-85; компенсаторы расположены горизонтально, из труб с мех. обработкой;
б) расчетная схема с геометрическими обозначениями по рис.4;
Рис.4. Расчетная схема к сравнительному анализу.
в) типоразмеры компенсаторов сведем в таблицу №2 вместе с результатами расчетов.
Отводы и трубы компенсатора, D н Ч s, мм |
Типоразмер, см. рис.4 |
Предварительная растяжка, м |
Максимальное напряжение, МПа |
Допускаемое напряжение, МПа |
|||||||
cогласно |
cогласно |
cогласно |
cогласно |
||||||||
Выводы
компенсатор тепловой трубопровод напряжение
Анализируя результаты расчетов по двум разным методикам: справочной - и нормативной - , можно прийти к выводу, что не смотря на то, что обе методики основываются на одной и той же теории, разница в результатах весьма значительная. Выбранные типоразмеры компенсаторов "проходят с запасом" если рассчитываются по и не проходят по допускаемым напряжениям, если рассчитываются по . Наиболее существенное влияние на результат по производит коррекционный коэффициент m 1 , который увеличивает рассчитанное по формуле напряжение в 2 и более раз. Например, для компенсатора в последней строчке табл.№2 (из трубы 530Ч12) коэффициент m 1 ? 4,2.
Оказывает влияние на результат и величина допускаемого напряжения, которая по для стали 20 существенно ниже.
В целом, не смотря на большую простоту, что связано с наличием меньшего количества коэффициентов и формул, методика оказывается значительно более строгой, особенно в части трубопроводов большого диаметра.
В практических целях при расчете П-образных компенсаторов для теплосетей, я бы рекомендовал "смешанную" тактику. Коэффициент гибкости (Кармана) и допускаемое напряжение следует определять по нормативу , т. е: k=1/ К р * и далее по формулам (9)ч(11); [у ск ] - по формулам (34), (35) с учетом РД 10-249-88. "Тело" методики следует использовать по , но без учета коррекционного коэффициента m 1 , т. е:
где М макс определять по (15) ч (12).
Возможной ассиметрией компенсатора, что учитывается в можно пренебречь, т. к. на практике при прокладке теплосетей подвижные опоры устанавливаются достаточно часто, ассиметрия носит случайный характер и значительное влияние на результат по не оказывает.
Расстояние b можно отсчитывать не от ближайших соседних скользящих опор, а принять решение об ограничении поперечных перемещений уже на второй или на третьей скользящей опоре, если отсчитывать от оси компенсатора.
Используя данную "тактику" расчетчик "убивает сразу двух зайцев": а) строго следует нормативной документации, т. к. "тело" методики есть частный случай . Доказательство приведено выше; б) упрощает расчет.
К этому можно добавить немаловажный фактор экономии: ведь чтобы подобрать компенсатор из трубы 530Ч12, см. табл. №2, по справочнику, расчетчику будет необходимо будет увеличить его габариты как минимум в 2 раза, согласно же действующему нормативу настоящий компенсатор можно еще и уменьшить в полтора раза.
Литература
1. Елизаров Д.П. Теплоэнергетические установки электростанций. - М.: Энергоиздат, 1982.
2. Водяные тепловые сети: Справочное пособие по проектированию/ И.В. Беляйкина, В.П. Витальев, Н.К. Громов и др., Под ред. Н.К. Громова, Е.П. Шубина. - М.: Энергоатомиздат, 1988.
3. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. - М.: Энергоиздат, 1982.
4. Нормы расчета на прочность трубопроводов тепловых сетей (РД 10-400-01).
5. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды (РД 10-249-98).
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Расчет затрат тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Определение диаметра трубопровода, числа компенсаторов, потерь напора в местных сопротивлениях, потерь напора по длине трубопровода. Выбор толщины теплоизоляции теплопровода.
контрольная работа , добавлен 25.01.2013
Определение величин тепловых нагрузок района и годового расхода теплоты. Выбор тепловой мощности источника. Гидравлический расчет тепловой сети, подбор сетевых и подпиточных насосов. Расчет тепловых потерь, паровой сети, компенсаторов и усилий на опоры.
курсовая работа , добавлен 11.07.2012
Способы компенсации реактивной мощности в электрических сетях. Применение батарей статических конденсаторов. Автоматические регуляторы знакопеременного возбуждения синхронных компенсаторов с поперечной обмоткой ротора. Программирование интерфейса СК.
дипломная работа , добавлен 09.03.2012
Основные принципы компенсации реактивной мощности. Оценка влияния преобразовательных установок на сети промышленного электроснабжения. Разработка алгоритма функционирования, структурной и принципиальной схем тиристорных компенсаторов реактивной мощности.
дипломная работа , добавлен 24.11.2010
Определение тепловых потоков на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Построение температурного графика регулирования тепловой нагрузки на отопление. Расчёт компенсаторов и тепловой изоляции, магистральных теплопроводов двухтрубной водяной сети.
курсовая работа , добавлен 22.10.2013
Расчет простого трубопровода, методика применения уравнения Бернулли. Определение диаметра трубопровода. Кавитационный расчет всасывающей линии. Определение максимальной высоты подъема и максимального расхода жидкости. Схема центробежного насоса.
презентация , добавлен 29.01.2014
Конструкторский расчет вертикального подогревателя низкого давления с пучком U–образных латунных труб диаметром d=160,75 мм. Определение поверхности теплообмена и геометрических параметров пучка. Гидравлическое сопротивление внутритрубного тракта.
контрольная работа , добавлен 18.08.2013
Максимальный расход через гидравлическую трассу. Значения кинематической вязкости, эквивалентной шероховатости и площади проходного сечения труб. Предварительная оценка режима движения жидкости на входном участке трубопровода. Расчет коэффициентов трения.
курсовая работа , добавлен 26.08.2012
Применение в системах электроснабжения устройств автоматики энергосистем: синхронных компенсаторов и электродвигателей, регуляторов частоты вращения. Расчет токов короткого замыкания; защиты питающей линии электропередач, трансформаторов и двигателей.
курсовая работа , добавлен 23.11.2012
Определение наружного диаметра изоляции стального трубопровода с установленной температурой внешней поверхности, температуры линейного коэффициента теплопередачи от воды к воздуху; потери теплоты с 1 м трубопровода. Анализ пригодности изоляции.
Снип -85
При расчете опор следует учитывать глубину промерзания или оттаивания грунта, деформации грунта (пучение и просадка), а также возможные изменения свойств грунта (в пределах восприятия нагрузок) в зависимости от времени года, температурного режима, осушения или обводнения участков, прилегающих к трассе, и других условий. 8.43. Нагрузки на опоры, возникающие от воздействия ветра и от изменений длины трубопроводов под влиянием внутреннего давления и изменения температуры стенок труб, должны определяться в зависимости от принятой системы прокладки и компенсации продольных деформаций трубопроводов с учетом сопротивлений перемещениям трубопровода на опорах.Расчет П-образных компенсаторов
Для компенсации тепловых расширений наибольшее распространение в тепловых сетях и на электростанциях находят П-образные компенсаторы.Несмотря на свои многочисленные недостатки, среди которых можно выделить: сравнительно большие габариты (необходимость устройства компенсаторных ниш в теплосетях с канальной прокладкой), значительные гидравлические потери (по сравнению с сальниковыми и сильфонными); П-образные компенсаторы имеют и ряд достоинств.
Из достоинств можно прежде всего выделить простоту и надежность.
Расчет П-образного компенсатора
диаметр трубы с гнутыми отводами радиусом R = 1 м.вылетом l = 5 м; температура теплоносителя t = 150°С, а температура внутри камеры t вк. = 19,6°С; допускаемое компенсационное напряжение в трубопроводе s доп = 110 МПа. Системы теплофикации и централизованного теплоснабжения являются важным звеном энергетического хозяйства и инженерного оборудования городов и промышленных районов.
Трубы — лучший выбор
Проектирование трубопроводов из полипропилена для систем холодного и горячего водоснабжения осуществляется в соответствии с регламентами строительных норм и правил (СНиП) 2.04.01 85 «Внутренний водопровод и канализация зданий» с учетом специфики полипропиленовых труб.
Выбор типа трубы производится с учетом условий работы трубопровода: давления, температуры, необходимого срока службы и агрессивности транспортируемой жидкости. При транспортировке агрессивных жидкостей следует применять коэффициенты условия работы трубопровода согласно табл.
2 из СН 550 82.
Гидравлический расчет трубопроводов из PP R 80 заключается в определении потерь давления (или напора) на преодоление гидравлических сопротивлений, возникающих в трубе, в соединительных деталях, в местах резких поворотов и изменений диаметра трубопровода.
Гидравлические потери напора в трубе определяются по номограммам.
Страница 7); Улучшение теплового и гидравлического режима системы теплоснабжения п
Изгибающее продольное компенсационное напряжение в точке жесткого крепления меньшего плеча б(a)= 45.53 МПа Изгибающее продольное компенсационное напряжение в точке жесткого крепления большего плеча б(b)= 11.77 МПа Изгибающее продольное компенсационное напряжение в точке изгиба б(c)= 20.53 Мпа.За расчетные приняты результаты работы программы Px=1287.88 H При определении нормативной горизонтальной нагрузки на неподвижную опору следует учитывать: неуравновешенные силы внутреннего давления при применении сальниковых компенсаторов, на участках имеющих запорную арматуру, переходы, углы поворота, заглушки; следует также учитывать силы трения в подвижных опорах и о грунт для бесканальных прокладок, а также реакции компенсаторов и самокомпенсации.
Онлайн расчет г образного компенсатора
Выполнение расчетов по программам СТАРТ обеспечивает надежность и безопасность при эксплуатации трубопроводных систем различного назначения, облегчает согласование проекта с контролирующими органами (Ростехнадзор, Главсгосэкспертиза), сокращает затраты и время пусконаладочных работ.СТАРТ разработан ООО «НТП Трубопровод» — экспертной организацией Ростехнадзора. Имеется сертификат соответствия Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии.
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.
- Максимальное напряжение в спинке компенсатора рекомендуется принимать в диапазоне от 80 до 110 МПа.
- 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.
- Оптимальное отношение ширины компенсатора к его вылету рекомендуется принимать в диапазоне L/H= (1 — 1,5), хотя могут быть приняты и другие значения.
- Если для компенсации расчётных тепловых удлинений необходим компенсатор слишком больших размеров, возможна его замена двумя меньшими компенсаторами.
- 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
- Не рекомендуется располагать неподвижные опоры на расстоянии менее 10DN от П–образного компенсатора, так как передача на него момента защемления опоры снижает гибкость.
- 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.
- 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
- При надземной прокладке для всех диаметров труб независимо от параметров теплоносителя.
- При прокладке в каналах туннелях и общих коллекторах на трубопроводах от DN25 до DN200 при давлении теплоносителя до 16бар.
- При бесканальной прокладке для труб диаметром от DN25 до DN100.
- 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