Alsatelecom.ru

Стройматериалы
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тепловое расширение трубопроводов

Тепловое расширение трубопроводов

Под действием изменения температур изменяется размер промышленных и коммунальных изделий. Это касается труб, конструкций, оборудования и сооружений. Далее будет рассмотрен вопрос компенсации сжатия и теплового расширения.

При проектировании трубопровода должны учитываться любые перемещения, которые могут возникнуть из-за внешнего воздействия на него, в т.ч. его расширения из-за температурных перепадов. Трубы могут представлять реальную опасность для деталей трубопровода и другого оборудования, т.к. испытывают напряжение при изменениях температуры рабочей среды.

Существует 3 основных метода компенсации перемещений трубопровода:

  1. Применяется эффект самокомпенсации
  2. Устанавливается компенсатор
  3. Устанавливаются металлорукава

Тот или иной способ компенсации выбирается в зависимости от наличия или отсутствия других коммуникаций, ландшафтных особенностей местности, типа системы трубопроводов и т.д.

Рассмотрим способ компенсации расширения прямолинейных участков трубопровода посредством осевых сильфонных компенсаторов.

Расчеты

На первом этапе решения вопроса компенсации температурного перемещения трубопровода вычисляют точное изменение длины системы трубопровода. Расчеты ведутся в соответствии с условиями безопасности, которые предъявляются к трубопроводу.

При расчете теплового расширения трубопровода применяется следующая формула:

В качестве коэффициента температурного расширения используется значение а, которое выражается в мм/(м о С).

За длину трубопровода принимается значение L, выражаемое в м. Обычно измеряется длина между неподвижными опорами.

Показатель ∆t обозначает разницу значений между максимальным значением температуры рабочей среды и минимальным, выражается в о С.

Расчет доступен каждому и даже не профессионал может легко сделать его.

Для того чтобы узнать коэффициент температурного расширения необходимо обратиться к таблице линейного расширения труб. Коэффициенты различаются в зависимости от используемого для производства труб материала.

Коэффициент линейного расширения, мм/м °С

Сталь черная и оцинкованная

Полипропилен (PP-R 80 PN10 и PN20)

Полипропилен (PP-R 80 PN25 алюминий)

Полипропилен (PP-R 80 PN20 стекловолокно)

Сшитый полиэтилен (PEX)

Способы компенсации зависят от стойкости того или иного материала температурному расширению. Например, трубопровод из полимерных материалов более подвержен температурному расширению, чем выполненный из стали. Поэтому способ компенсации полимерных труб будет отличаться от способа компенсации стальных.

Коэффициенты линейного расширения, приведенные в таблице, являются усредненными и поэтому их нельзя использовать при расчете для трубопроводов, изготовленных из других материалов. Допускается различие коэффициентов на 5%, т.к. результат зависит от метода расчета и условий, при которых проводились исследования.

Рассмотрим пример:

Исходные данные: диаметр прямолинейного участка трубопровода 219 мм. Он произведен из черной углеродистой стали, ее длина 100м. tmin = -20 о С и tmax = 140 о С.

Расчет выглядит следующим образом: ∆t = 140 — (-20) = 160 о С. Далее вычисляем изменение длины трубопровода, расчет следующий: ∆L = 0,0115 х 160 х 100 = 184мм.

Результат показывает, что длина трубопровода может меняться при данных значениях на 184мм. Чтобы обеспечить бесперебойную работу трубопровода, необходим осевой сильфонный компенсатор, условный диаметр которого равен 200мм, а компенсирующая способность — 200 мм (КСО 200-16-200).

Если значение теплового расширения трубопровода (∆L) будет больше, чем имеющиеся компенсирующие способности компенсаторов, то длину трубопровода уменьшают пропорционально компенсирующей способности и подбирают соответствующий сильфонный компенсатор.

3.2 Теплофизические свойства

Отношение материала к постоянному или переменному тепловому воздействию характеризуется его теплопроводностью, теплоёмкостью, термической стойкостью, огнестойкостью, огнеупорностью и др.

Теплопроводность λ ()– способность материала передавать теплоту сквозь свою толщу от одной своей поверхности к другой в случае, если температура этих поверхностей разная. Теплопроводность материала характеризуется количеством теплоты (Дж), которое способен передать материал через 1 м² поверхности при толщине 1 м и разности температур на поверхностях 1 ºС в течение 1 с.

Читайте так же:
Металлический лист с рисунком под кирпич

Теплопроводность твёрдого вещества зависит от его химического состава и молекулярного строения, но во всех случаях она во много раз превышает теплопроводность воздуха – 0,024 . Поэтому чем больше в материале пор, т.е. чем больше в нём воздуха, тем ниже будет его теплопроводность.

Таблица 3.1. Теплопроводность некоторых

Строительных материалов

Теплопроводность,

Кирпич керамический сплошной

Вода (для сравнения)

Так как средняя плотность материала, так же как и теплопроводность, обратно пропорциональна пористости, то она может служить косвенной характеристикой теплопроводности материала и использоваться в качестве марки материала по теплопроводности.

Для некоторых групп материалов установлена определённая связь между теплопроводностью и относительной плотностью d (формула В.П. Некрасова):

λ = 1,16-0,16.(3.2.1)

Теплоёмкость С () – свойство материала аккумулировать теплоту при нагревании. Показателем теплоёмкости служитудельная теплоёмкость, равная количеству теплоты, необходимой для нагревания единицы массы материала на 1ºС. Строительные материалы имеют теплоёмкость меньше, чем вода, которая обладает наибольшей теплоёмкостью 4,2 .

Температуропроводность а (м²/с) свойство материала, характеризующее скорость распространение температуры под действием теплового потока в нестационарных температурных условиях, например, при пожаре. Температуропроводность прямо пропорциональна теплопроводности λ и обратно пропорциональна теплоёмкости материала C и его плотности ρm:

а = .(3.2.2)

Тепловое расширение – свойство материала расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении – характеризуется температурными коэффициентами объёмного и линейного расширения.

Коэффициент линейного температурного расширения (КТЛР) характеризует удлинение материала при нагревании его на 1ºС. Коэффициенты линейного температурного расширения у разных материалов значительно отличаются (см. табл. 3.2).

Термическая стойкость – способность материала выдерживать чередование (циклы) резких тепловых изменений. Это свойство в значительной степени зависит от однородности материала и коэффициента теплового расширения составляющих его веществ. Чем меньше КЛТР и выше однородность материала, тем выше его термическая стойкость.

Таблица 3.2. Коэффициент линейного температурного

Коэффициент теплового расширения

Коэффициент теплового расширения
β = 1 V ( d V d T ) p >left(
>right)_

>

РазмерностьΘ −1
Единицы измерения
СИК −1
СГСК −1

Коэффицие́нт теплово́го расшире́ния — физическая величина, характеризующая относительное изменение объёма или линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 К при постоянном давлении. Имеет размерность обратной температуры. Различают коэффициенты объёмного и линейного расширения.

Содержание

  • 1 Коэффициент объёмного теплового расширения
  • 2 Коэффициент линейного теплового расширения
    • 2.1 Для сталей
  • 3 Отрицательный коэффициент теплового расширения
  • 4 Измерение коэффициента теплового расширения
  • 5 Примечания
  • 6 См. также
  • 7 Ссылки

Коэффициент объёмного теплового расширения

β = 1 V ( ∂ V ∂ T ) p >left(>right)_

> , К −1 (°C −1 ) — относительное изменение объёма тела, происходящее в результате изменения его температуры на 1 К при постоянном давлении.

Вода, в зависимости от температуры, имеет различный коэффициент объёмного расширения:

  • 0,53⋅10 −4 К −1 (при температуре 5—10 °C);
  • 1,50⋅10 −4 К −1 (при температуре 10—20 °C);
  • 3,02⋅10 −4 К −1 (при температуре 20—40 °C);
  • 4,58⋅10 −4 К −1 (при температуре 40—60 °C);
  • 5,87⋅10 −4 К −1 (при температуре 60—80 °C).

Коэффициент линейного теплового расширения

α L = 1 L ( ∂ L ∂ T ) p ≈ Δ L L Δ T =>left(>right)_

approx >> , К −1 (°C −1 ) — относительное изменение линейных размеров тела, происходящее в результате изменения его температуры на 1 К при постоянном давлении.

В общем случае, коэффициент линейного теплового расширения может быть различен при измерении вдоль разных направлений. Например, у анизотропных кристаллов, древесины коэффициенты линейного расширения по трём взаимно перпендикулярным осям: α x ; α y ; α z ;alpha _;alpha _> . Для изотропных тел α x = α y = α z =alpha _=alpha _> и α V = 3 α L =3alpha _> .

Для железа коэффициент линейного расширения равен 11,3×10 −6 K −1 [1] .

Для сталей

Таблица значений коэффициента линейного расширения α, 10 −6 K −1 [2]

Марка стали20—100 °C20—200 °C20—300 °C20—400 °C20—500 °C20—600 °C20—700 °C20—800 °C20—900 °C20—1000 °C
08кп12,513,414,014,514,915,115,314,712,713,8
0812,513,414,014,514,915,115,314,712,713,8
10кп12,413,213,914,514,915,115,314,714,812,6
1011,612,613,014,6
15кп12,413,213,914,514,815,115,314,113,213,3
1512,413,213,914,414,815,115,314,113,213,3
20кп12,313,113,814,314,815,120
2011,112,112,713,413,914,514,8
2512,213,013,714,414,715,015,212,712,413,4
3012,112,913,614,214,715,015,2
3511,111,913,013,414,014,415,0
4012,412,614,513,313,914,615,3
4511,912,713,413,714,314,915,2
5011,212,012,913,313,713,914,513,4
5511,011,812,613,414,014,514,812,513,514,4
6011,111,913,514,6
15К12,012,813,613,814,0
20К12,012,813,613,814,2
2212,612,913,313,9
А1211,912,513,614,2
16ГС11,112,112,913,513,914,1
20Х11,311,612,513,213,7
30Х12,413,013,413,814,214,614,812,012,813,8
35Х11,312,012,913,714,214,6
38ХА11,012,012,212,913,5
40Х11,812,213,213,714,114,614,812,0
45Х12,813,013,7
50Х12,813,013,7

Отрицательный коэффициент теплового расширения

Некоторые материалы при повышении температуры демонстрируют не расширение, а наоборот, сжатие, то есть имеют отрицательный коэффициент теплового расширения. Для некоторых веществ это проявляется на довольно узком температурном интервале, как, например, у воды на интервале температур 0…+3,984 °С, для других веществ и материалов, например фторид скандия(III), вольфрамат циркония (ZrW2O8) [3] , некоторых углепластиков интервал весьма широк. Подобное поведение демонстрирует также обычная резина. При сверхнизких температурах аналогичным образом ведут себя кварц, кремний и ряд других материалов. Также существуют инварные сплавы (ферро-никелевые), имеющие в некотором диапазоне температур коэффициент теплового расширения, близкий к нулю.

Измерение коэффициента теплового расширения

Приборы для измерения коэффициента теплового расширения жидкостей, газов и твёрдых тел называют дилатометрами.

Какая теплопроводность кирпича?

Физические характеристики строительного материала определяют сферу его применения. Теплопроводность кирпича является важным параметром, который принимается в расчет при сооружении фундамента, перекрытий, внешних стен.

Коэффициент теплопроводности кирпичей

В экономике страны строительная отрасль выделяется как наиболее энергоемкая:

  • 10% энергии потребляют гражданские объекты;
  • 35-45% расходуют сооружения промышленного назначения;
  • 50-55% энергопотребления относится к жилым зданиям.

При проектировании зданий важное значение для строительных конструкций имеют теплоизоляция и тепловая защита. От этого во многом зависят человеческие условия труда и жизни, энергоэффективность строящихся объектов.

Возведение сооружений различного назначения нуждается в правильной оценке влажностного, воздушного и теплового режимов.

Это позволяют разработать специальные методики определения теплофизических параметров стройматериалов и готовых конструкций. Эти методики будут разными для отличающихся материалов изделий.

Теплотехнические показатели по техническим и нормативным документам характеризуются коэффициентом теплопроводности (λ). Для кирпича параметр является показателем того, как изделие передает тепло.

Чем выше значение, тем меньше теплоизолирующая способность. При выборе утеплителя для дома значение λ должно быть как можно меньше.

Коэффициент определяют экспериментальным путем. Это физический показатель, который зависит от давления воздуха, температуры, влажности среды и вещества изделия, плотности и структуры последнего.

Существует формула для определения теплопроводности. В соответствии с ней коэффициент λ прямо пропорционален толщине слоя (в метрах) и обратно пропорционален сопротивлению теплопередаче слоя.

Величина, которую получают при расчетах, используются в проектировании, чтобы сопоставить значение проводимости тепла разных материалов.

Для ограждающих конструкций сопротивление теплопередаче (R0) определяется для зданий и сооружений в соответствии с ГОСТ 26254-84. Для термически однородной зоны оно зависит от:

  1. Сопротивлений передачи тепла наружной и внутренней поверхностей.
  2. Температуры воздуха снаружи и внутри помещения, взятой как среднее значение измерений за расчетный период.
  3. От средней фактической плотности потока тепла за период измерений.

Теплопроводность кладки

По ГОСТ 26254 определяют λ для кирпичных и блочных кладок. Для этого действуют следующим образом:

  1. За время наблюдений определяют показания (средние арифметические) для всех термопар и типломеров.
  2. Для поверхностей кладок, которые находятся внутри и снаружи зданий и сооружений, вычисляется средневзвешенная температура по результатам испытаний. Принимается в расчет площадь растворных швов горизонтального и вертикального участков, а также площадь тычкового и ложкового участков.
  3. Определяют для кладки термическое сопротивление.
  4. Коэффициент теплопроводности кладки вычисляется по значению термического сопротивления.

Расчет

Теплопроводность кладки прямо пропорциональна ее толщине и обратно пропорциональна термическому сопротивлению.

После проведения испытаний и установления точных значений сопротивления теплопередачи нетрудно рассчитать величину теплопроводности стены, состоящий из несколько слоев.

Для этого нужно определить λ для каждого слоя отдельно и суммировать полученные значения.

Уменьшение коэффициента теплоотдачи стены

Существует несколько способов, которые позволяют снизить тепловые потери.

Технологии укладки

Воздушные зазоры делаются в кирпичной кладке для уменьшения накопления влаги в стенах и снижения коэффициента теплоотдачи.

Прослойку воздуха в стенах правильно обеспечивают следующим образом:

Постоянная циркуляция по каналам воздуха внутри кладки возможна, если она на последнем ряду не закрывается перекрытием из любых стройматериалов или стяжкой из раствора.

Для частного строительства важно, чтобы, не понеся больших расходов, добиться от кирпичной стены существенного снижения коэффициента λ.

Утепление здания

Дополнительная теплоизоляция строительных объектов способствует повышению их энергоэффективности. Утеплитель может располагаться изнутри и снаружи зданий.

Материал теплоизолятора крепится к стенам дюбелями и клеем, скобами и шурупами с использованием обрешетки и без. Полимерные штукатурные и пеновые смеси могут наноситься с применением армирующей сетки.

Для наружного утепления производятся сборные изделия: термоблоки, вентилируемые фасады, закрепляющиеся к стенам с помощью специальных конструкций.

Недостатки теплоизоляции штукатуркой снаружи:

  1. При частой смене температуры воздуха на границе сред, образуемых элементами утеплителя и стеной, создается зона повышенной влажности. Это важно учитывать для недостаточно толстых слоев штукатурки, сделанной по металлической, стеклотканевой или полимерной сетке.
  2. На 3-4 году эксплуатации отделка фасада начинает разрушаться. Раствор выдерживает в среднем около 50 циклов смены тепло-холод.
  3. На здоровье проживающих в доме может плохо влиять поражение конструкций грибком и плесенью.

Разные системы теплоизоляции способны нарушить паропроницаемость конструкции. Это часто вызывает образование между слоями фасада, штукатуркой и утеплителями конденсата. Он снижает срок службы изоляции и отделки, приводит к разложению пенополистиролов с выделением ядовитых веществ.

Что обозначает показатель

Холодная область материала постоянно получает тепло из более теплых частей. Их этот процесс движения тепла осуществляется через электромагнитные взаимодействие на уровне квазичастиц, электронов и атомов.

Физический смысл показателя теплопроводности — какое за единичный интервал времени через единицу площади сечения проходит количество теплоты.

В зависимости от коэффициента теплопроводности ГОСТ 530-2012 разделяет эффективность складки на следующее виды:

  • малоэффективная (обыкновенная) — от 0,46 и выше;
  • условно-эффективная — 0,36-0,46;
  • эффективная — 0,24-0,36;
  • повышенная — 0,2-0,24;
  • высокая — меньше 0,2.

Исходя из состава для кладочных смесей величину теплопроводности в инженерных расчетах выбирает от 0,47 и выше.

Нужный температурный режим лучше поддерживается при использовании стройматериалов с высокой теплоемкостью. Этот параметр характеризует, сколько нужно количества тепла, чтобы за единицу времени нагреть объект до заданной температуры. Единицами измерения показателя являются Дж/0С, Дж/К.

Свойства различных типов

Разные строительные материалы отличаются способностью проводить тепло, которая зависит от следующих параметров:

Красный керамический

Мелкозернистая глина является при производстве керамического кирпича основным компонентом. В готовую продукцию также входят вода, песок и улучшающие начальное качество сырья присадки.

Изделия меньше растрескиваются, когда в их состав входит более эластичный раствор, качество которого модифицируют с помощью пластификаторов.

Для керамического кирпича хорошая морозостойкость является основным достоинством. Он способен выдерживать 250-300 циклов замораживания и оттаивания.

Красный кирпич из керамики российского производства имеет толщину 6,5 см и 25 см в длину. Для двойного толщина составляет 13,8 см, 8,8 см — для полуторного.

У пустотелых и полнотелых изделий будет разная величина объемного веса. Построенная из кирпича конструкции будут характеризоваться теплопроводностью тем ниже, чем более пористый материал был использован при строительстве. Для полнотелого кирпича показатель пустотности не может составлять более 30%.

Чтобы внутри изделия образовались пустоты, используется «шихта» — торф, крошки угля, опилки, солома мелко порубленная. Ее добавляют в массу глины. Пустоты образуются, когда добавки выгорают при спекании глины в печах с 1000°С температурой.

По показателю плотности кирпич делится на 7 категорий — от 2,4 до 0,7. Каждый класс изделия обладает собственной теплопроводностью.

0,6-0,7 — коэффициент теплопроводности для изделий с цельной структурой. Для пустотелых — 0,5-0,25 Вт/м*0С.

Несущие стены не делают из пустотелых материалов, поэтому чаще всего они нуждаются в дополнительном утеплении.

Клинкерный

Этот тип кирпича получают из смеси силикатов и минералов, воды, тугоплавкой измельченной глины, которую обрабатывают после формовки при высокой температуре (до 13000). Для этого используют тоннельные печи.

При соблюдении технологии производства получается продукт без мелкодисперсионных пор с высокой прочностью, натуральных оттенков. Параметры готовых изделий определяются ГОСТ 530-2012.

Клинкерный кирпич чаще всего получается с точной геометрией. Для повышения теплоизоляционных качеств и облегчения веса конечной конструкции он выполняется пустотелым.

  1. Морозостойкость более 100 циклов.
  2. Минимальная марка прочности М250.
  3. 1500 кг/см3 — наименьший показатель плотности.
  4. Высокая огнестойкость, устойчивость к биологическим угрозам, воздействию ультрафиолета.
  5. 6% — максимальное водопоглощение.
  6. Коэффициент теплопроводности — 1,15Вт/м*0С.

Характеристика шамотного

Этот вид кирпича делают из специальной глины — желтого шамота. Получаемые изделия являются жаростойким материалом, который в сложных условиях высоких температур даже под высоким давлением способен сопротивляться деформациям. Длительный контакт с открытым огнем спокойно им переносится.

Оксид алюминия является главным веществом, которое входит в огнеупорную смесь. Он обеспечивает кирпичу устойчивость к агрессивным средам и высокую прочность при механических воздействиях.

Материал делят на 8 групп по показателям пустотности. Максимальное значение — 85%, минимальное — 3%. Чем меньше удельный вес изделия, тем ниже прочностные характеристики.

Изготовленный в соответствии с государственными стандартами стройматериал обладают следующими показателями:

Силикатный

Материал получают под давлением 12 атм. и температуре 200°С автоклавным методом. В его состав входят, кроме модифицирующих добавок, извести, кварцевый песок в соотношении 1 к 9.

Стойкие к щелочи пигменты, которые добавляют в сырье на этапе прессования, помогают сделать цветные варианты изделий.

ГОСТ379-95, 379-2015 определяют требования к силикатному кирпичу. 15-31% составляет показатель пустотности. Вес изделий — от 3,2 до 5,8 кг.

  • 1450 кг/м3 — для пустотелого кирпича марки М150;
  • 1700-2100 кг/м3 — для полнотелого М150-200.

Теплопроводность пустотелых силикатных изделий составляет 0,56-0,81 Вт/м*0С, и 0,65-0,88 — для полнотелых.

Какая теплопроводность изделий

Для анализа теплопроводности изделий из кирпича принимается во внимание закон Фурье. Разница температур оказывает влияние на показатели, которые определяет тепловой поток.

Применяемые для отделки фасадов силикатные кирпичи имеют тепловые параметры ниже керамических. Поэтому изделия из силикатных материалов более теплые при одинаковых размерах конструкций.

Изделия из красного пустотелого керамического кирпича имеют коэффициент теплопроводности 0,56.

На показатели готовых зданий сооружений и влияет качество кладки. Важно, чтобы применяемые кладочные растворы были нежирными. Плотность слоя должна быть не больше 1800кг/м3 и минимальной толщины.

Теплотехнические расчеты и требуемая несущая способность определяют то, какая толщина несущей стены будет в здании. Чтобы удовлетворять современным требованиям при реконструкции домов, построенных в советское время, толщину их стен нужно сделать около 1 м. Это не может быть рентабельным, поэтому используют различные системы утепления.

Если утепляющая часть стены и сочетается с каменной, конструкция получается слоистой, то такую укладку называют эффективной. Ее часто применяют в малоэтажном строительстве, для увеличения полезной площади помещений и снижения затрат на материалы.

Что влияет на показатели

Теплопроводность стройматериала — способность сквозь свою толщину передавать тепло и стационарные внутренние процессы, происходящие внутри него при этом. Тесный контакт является обязательным условием для передачи теплоты от 1 объекта к другому, поэтому в чистом виде теплопроводность имеют только твердые тела.

На показатель λ оказывает влияние:

  • влажность;
  • температура;
  • пористость;
  • формы и структура пор;
  • фазовый состав влаги;
  • плотность.

Сильно снижает теплопроводность наличие замкнутых и мелких пор. Снижают эффективную теплоизоляцию конвективные потоки воздуха, которые возникают в сообщающихся между собой крупных порах. Ориентация, размер и форма пор важны для теплопередачи.

Входящие в состав материала вещества своей химической природой определяют способность удерживать тепловую энергию. Величина λ тем меньше, чем слабее связаны между собой образующие кристаллическую решетку вещества атомные группы или тяжелые атомы.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector