УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УДЛИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

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. [1], с.253 или [2], 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 [3], 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 [2] с 189, или [4] стр.34. Известные компенсаторы можно разделить на две группы [2]: 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 [2]).
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 [2], 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 [2], 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 [5] 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.
1
3
2
На фиг.5 показан участок трубопровода 15 длиной L и участок трубопровода 16 длиной L; указанные участки расположены между неподвижными опорами 17 и 18. Между трубопроводами 15 и 16 расположено предлагаемое устройство для компенсации температурных удлинений длиной L. 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.
1
3
3
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 ΔL; 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 ΔL, 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 ΔL 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.
2
Очевидно, что длина трубопровода 1 должна быть больше расстояния L 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).
4
5
На фиг.7 показан Г-образный участок трубопровода, расположенный между неподвижными опорами 21 и 22. Длина прямого участка трубопровода 23 равна L, а трубопровода 24 равна L. 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.
4
5
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 ΔL, а трубопровод 24 удлиняется на величину ΔL. 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.
6
8
7
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, а трубопровода 29 - L; длина устройства для компенсации температурных удлинений равна L 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.
6
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 ΔL; 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 ΔL; 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.
4. Авдолимов Е.М. и Шальников А.П. Водяные тепловые сети. М.: Стройиздат, 1984. - 287 с.
5. Сканави А.Н. Отопление. М.: Стройиздат, 1979. - 265 с.