Расчет температурных удлинений трубопроводов в системах водопровода и отопления

Для предотвращения деформации труб водопроводных и отопительных систем, необходимо правильно рассчитать их удлинение при изменении температуры теплоносителя и окружающей среды.

Трубы в системах отопления, а также холодного и горячего водоснабжения, независимо от материала, из которого они сделаны, подвержены температурным удлинениям и сокращениям. Чтобы найти величину линейного изменения длины трубопроводов при их расширении и сужении выполняется расчет. Если им пренебречь и не установить необходимые компенсаторы, то, при открытой прокладке трассы, трубы могут провиснуть или даже станут причиной выхода из строя всей системы. Поэтому расчёт температурных удлинений трубопроводов обязателен и требует профессиональных знаний.

В данной части учебного курса «Системы водоснабжения и шумопоглощающей канализации», при участии специалиста компании REHAU, расскажем:

  • Почему нужно учитывать температурные удлинения трубопроводов.
  • Как рассчитать прогиб трубопровода при температурном удлинении.
  • Как рассчитать и смонтировать плечо компенсатора температурных удлинений.
  • Как компенсировать температурные деформации полимерных трубопроводов.
  • Какие полимерные трубопроводы лучше всего использовать при открытой водопроводной и отопительной разводке.

Необходимость расчета температурных удлинений трубопроводов из полимерных материалов

Температурные удлинения или сокращения трубопроводов происходят под влиянием изменения рабочей температуры, перемещаемой по ним воды, а также температуры окружающей среды. Соответственно, при монтаже нужно обеспечить достаточную степень свободы трубопроводов, а также рассчитать необходимые допуски на увеличение их длины. Часто начинающие застройщики не учитывают эти изменения при монтаже водопроводной и отопительной разводки. Типичные ошибки:

  • Замоноличивание труб холодного и горячего водоснабжения в стяжку пола без использования утеплителя или защитной гофры.
  • Открытая прокладка труб, например, при монтаже радиаторов системы отопления, без использования специальных компенсаторов.
Сергей Булкин Руководитель технического отдела направления «Внутренние инженерные системы» компании REHAU

Учет температурных удлинений трубопроводов из полимерных материалов, в частности, из РЕ-Ха, следует производить только при их открытой прокладке. При скрытой прокладке компенсация температурных удлинений происходит за счет изгибов трубопроводов, уложенных в защитной гофротрубе или в теплоизоляции, при изменении направления трассы. В этом случае компенсация удлинений происходит благодаря напряжениям в стяжке или в штукатурке.

Технология скрытой прокладки трубопроводов в штробах или в стяжке должна обеспечивать возможность компенсации возникающих деформаций без механических повреждений труб и соединительных элементов.

Отметим, что стяжка выдерживает напряжение без разрушений, т.к. возникающие усилия очень малы и составляют незначительный процент от имеющегося запаса её прочности. Необходимо только проследить, чтобы при заливке стяжки или оштукатуривании стен раствор не попадал внутрь гофротрубы или под теплоизоляцию. Присоединение труб к водоразборной арматуре производится через настенные угольники, которые прочно закрепляются на строительной конструкции или на специальном кронштейне. В результате — осевые перемещения труб в теплоизоляции или защитной гофротрубе, за счет температурных удлинений, не оказывают усилий на узел присоединения. При присоединении трубопроводов к распределительным коллекторам выполняется поворот под 90° на выходе из стяжки или из-под штукатурки.

Таким образом на узлы присоединения трубопроводов к коллектору будут передаваться усилия от очень коротких участков, которыми можно пренебречь.

При открытой прокладке температурные удлинения полимерных трубопроводов, в частности, трубопроводов из РЕ-Ха, будут очень заметны, т.к. эти трубопроводы имеют большой коэффициент температурного удлинения.

Физический смысл коэффициента температурного удлинения состоит в том, что он показывает, на сколько миллиметров удлинится 1 м трубы при его нагреве на 1 градус.

Эта же величина имеет и обратный смысл, т.е. если трубопровод охладить на 1 градус, то коэффициент температурного удлинения покажет, на сколько миллиметров укоротится 1 м трубопровода.

Коэффициент температурного удлинения – это физическая характеристика материала, из которого изготовлен трубопровод.

Расчет температурного удлинения трубопроводов из сшитого полиэтилена РЕ-Ха

Температурные удлинения или сокращения трубопроводов происходят из-за изменения рабочей температуры циркулирующей по ним воды, а также температуры окружающей среды. При открытой прокладке трубопровод должен свободно удлиняться или укорачиваться без перенапряжения материала труб, соединительных деталей и соединений трубопровода. Это достигается за счет компенсирующей способности элементов трубопровода. Например:

  • Правильной расстановкой опор (креплений).
  • Наличием отводов в трубопроводе в местах поворота, других гнутых элементов и установкой температурных компенсаторов.

Устройство компенсаторов необходимо только при значительных линейных удлинениях трубопроводов. Поскольку система должна быть рациональна, то сначала рассчитывается температурное удлинение трубопровода. Возьмём трубопроводы из сшитого полиэтилена РЕ-Ха. Для расчета нам потребуется:

Таб. 1. Коэффициент температурного удлинения и константа материала для водопроводных труб.

Тип трубы Диаметр трубы Коэффициент
температурного удлинения
α мм/м·К
Константа
материала С
Универсальная труба из сшитого полиэтилена РЕ-Ха 16-63 мм
Без фиксирующего желоба
0.15 12
Водопроводная труба из сшитого полиэтилена РЕ-Ха 16-63 мм
Без фиксирующего желоба
0.15 12
Сергей Булкин

Температурное удлинение участка трубопровода пропорционально его длине и разнице температур монтажа и максимальной рабочей температуры. Если мы, например, монтируем участок трубопровода горячей воды длиной 10 м, и температура окружающего воздуха, т.е. температура монтажа, составляет 20°С, а максимальная рабочая температура составит 70°С, то температурное удлинение можно посчитать по формуле

ΔL = L • α • ΔТ (t макс. раб. – t монтажа). Где:

  • ΔL - температурное удлинение в мм;
  • L - длина трубопровода в м;
  • α - коэффициент температурного удлинения в мм/м·К;
  • ΔТ - разность температур в К.

Подставляем значения в формулу:

ΔL = L • α • (t макс. раб. – t монтажа) = 10 • 0,15 • (70 – 20) = 75 мм.

Т.е. 10-метровый участок при этом удлинится на 75 мм или 7.5 см. Это приведет к деформации системы и провисанию трубопровода. Данные деформации, прежде всего, нарушают внешний вид системы. Но на значительной длине могут разрушить, прежде всего, крепежные устройства или привести к поломке запорно-регулировочной арматуры или фасонной части. Человеческий глаз способен воспринимать прогиб трубопровода (ΔН), начиная от 5 мм.

  Прогиб трубы в результате температурного удлинения.

Следующий шаг — расчет величины прогиба (провисания) трубопровода.

Расчет прогиба трубопровода и способы компенсации температурных деформаций полимерных трубопроводов

Зная длину участка между хомутами (L) и его длину при максимальной рабочей температуре (L1), прогиб трубопровода определяется с помощью зависимости:

Итого, при температурном удлинении трубопровода на 75 мм на 10-метровом отрезке прогиб составит:

Сергей Булкин

Бороться с температурными деформациями полимерных трубопроводов можно разными способами:

  • Установкой дополнительных хомутов крепления.
  • Устройством Г-образного компенсатора.
  • Устройством П-образного компенсатора.
  • Применением фиксирующего желоба как компенсатора.
  • Устройством дополнительных неподвижных опор.
  • Применением металлополимерных трубопроводов, в которых слой алюминия прочно приклеен к внутреннему самонесущему слою из РЕ-Ха.

Рассмотрим каждый из этих способов.

Способы компенсации температурных деформаций полимерных трубопроводов

1. Устройство дополнительных хомутов крепления.

За счет устройства дополнительных хомутов крепления предотвращается провисание или прогиб трубопроводов. Рекомендуемое максимальное расстояние между хомутами для полимерных труб из РЕ-Ха приведены в таблице 2.

 Рекомендуемое максимальное расстояние между хомутами крепления при прокладке труб из сшитого полиэтилена РЕ-Ха для различных диаметров.

2. Устройство Г-образного компенсатора.

Г-образные компенсаторы устраиваются так же, как и при прокладке стальных трубопроводов. Устраивать Г-образные компенсаторы на полимерных трубах из РЕ-Ха значительно эффективнее, т.к. эти трубы отличаются высокой эластичностью. При этом, в качестве Г-образных компенсаторов можно использовать места поворота трубопроводов под 90°. Необходимо по формуле, как было описано выше, определить температурное удлинение ΔL от прямого участка перед поворотом. Эта величина влияет на расстояние от трубопровода до строительной конструкции. Расстояние до строительной конструкции должно быть не менее величины ΔL. Кроме этого, необходимо дать трубе возможность свободно изгибаться. Для этого первый хомут крепления, после поворота, следует устанавливать на определенном расстоянии от поворота.

Это расстояние называется длиной плеча компенсатора и обозначается LBS.
  Устройство Г-образного компенсатора на полимерных трубах.

Где:

  • LBS – длина плеча компенсатора;
  • х – минимальное расстояние от стены;
  • ΔL – температурное удлинение;
  • FP – неподвижная опора;
  • L – длина трубы;
  • GS – скользящий хомут.

Длина плеча компенсатора, в основном, зависит от материала (константы материала С). Компенсаторы обычно устанавливаются в местах изменения направления трубопровода.

Фиксирующие желоба на компенсаторы не устанавливают, чтобы не нарушить изгиб трубы.

Длина плеча компенсатора определяется по формуле:

где:

  • С – константа материала трубы;
  • d – наружный диаметр трубопровода в мм;
  • ΔL – температурное удлинение участка трубопровода.

Если температурное удлинение составило 75 мм, константа материала С = 12, а диаметр трубопровода равен 25 мм, то длина плеча компенсатора составит:

Это означает, что первый скользящий хомут крепления следует установить, отступив от места поворота 519 мм.
Сергей Булкин

Г-образный компенсатор – это самое экономичное устройство для компенсации температурных удлинений. Для его устройства не требуется никаких дополнительных устройств и элементов.

3. Устройство П-образного компенсатора.

П-образные компенсаторы устраиваются в тех случаях, когда нежелательна компенсация температурных удлинений на краях участка. Его устраивают, как правило, посередине отрезка трубопровода, и компенсация температурных удлинений направлена к центру отрезка. Основания П-образного компенсатора смещаются к центру равномерно с обеих сторон, поэтому каждая сторона компенсирует половину температурного удлинения ΔL/2. Плечи П-образного компенсатора являются плечами компенсации LBS.

Длина плеча компенсатора вычисляется по приведенной выше формуле, а ширина основания П-образного компенсатора должна быть не менее половины длины плеча компенсатора.

Устройство П-образного компенсатора на полимерных трубах.

4. Фиксирующий желоб как компенсатор температурных удлинений.

Фиксирующий желоб – это ложемент из оцинкованной стали трехметровой длины с отбортовкой по краям. Фиксирующие желоба выпускаются на соответствующие диаметры трубопроводов. Трубопроводы защелкиваются в фиксирующие желоба. При этом фиксирующий желоб охватывает трубу примерно на 60°.

Силы трения трубопровода о стенки желоба превышают силу температурных удлинений трубопровода.
При установке фиксирующего желоба необходимо выдержать отступ в 2 мм от полимерных надвижных гильз.
Сергей Булкин

Коэффициент температурного удлинения трубы (α) из сшитого полиэтилена в фиксирующем желобе диаметром от 16 до 40 мм равен 0,04 мм/м·К, что в 3,75 раза меньше, чем у обычных труб из РЕ-Ха.

Фиксирующий желоб легко режется ножовкой или отрезается болгаркой. При этом резать следует по полукруглой части, чтобы не загнуть края. С отрезанной кромки следует удалить заусенцы. На стык фиксирующих желобов надевается короткий обрезок фиксирующего желоба.

При установке фиксирующего желоба снизу трубопровода обеспечивается его механическая защита.  
При использовании фиксирующего желоба минимальное расстояние между хомутами крепления при использовании трубопроводов всех диаметров может составлять 2 м.

5. Использование неподвижных опор

Если компенсацию температурных удлинений необходимо произвести на длинном участке трубопровода, на котором имеется много ответвлений, например, водопроводный стояк в 20-й этажном здании, на каждом этаже которого установлены тройники для поквартирной разводки, то компенсацию температурных удлинений можно произвести с помощью установки неподвижных опор. Для этого с обеих сторон тройника за надвижными гильзами устанавливаются обычные скользящие хомуты.

Формирование неподвижной опоры как компенсатора температурных удлинений трубопровода.

Хомуты не позволят фасонной части сдвинуться ни вверх, ни вниз. Тем самым длинный участок разбит на много коротких участков, равных высоте этажа, приблизительно 3 м. Как мы помним из формулы расчета, температурное удлинение прямо пропорционально длине участка, а мы ее сократили. При устройстве неподвижных опор на каждом этаже на стояке не потребуется устройства никаких других компенсаторов температурного удлинения трубопровода. Если есть, например, «холостой» стояк, у которого по всей длине нет боковых отводов, то можно искусственно установить на этом стояке, например, равнопроходные муфты и на них сформировать неподвижные опоры, как было описано выше. Чтобы уменьшить затраты, можно установить на стояке Г или П-образные компенсаторы или поставить сильфонный компенсатор.

Полимерные трубопроводы для устройства современной открытой водопроводной и отопительной разводки

Современные металлополимерные трубопроводы — это труба из сшитого полиэтилена, в которой слой алюминия прочно приклеен к внутреннему самонесущему слою из РЕ-Ха. У таких трубопроводов наименьший коэффициент температурного удлинения, т.к. алюминиевый слой компенсирует температурные удлинения и удерживает внутренний полимерный слой от температурных деформаций.

Коэффициент температурного удлинения металлополимерных трубопроводов – всего 0,026 мм/м·К, что в 5.76 раза меньше, чем у обычных трубопроводов из сшитого полиэтилена.

Температурное удлинение участка металлополимерного трубопровода длиной 10 м при температуре окружающего воздуха (т.е. температуре монтажа 20 °С и максимальной рабочей температуре 70 °С) составит всего:

ΔL = L • α • (t макс. раб. – t монтажа) = 10 • 0,026 • (70 – 20) = 13 мм.

Для сравнения: ранее мы рассчитали температурное удлинение обычного РЕ-Ха трубопровода длиной 10 м, которое составило 75 мм.

Поэтому металлополимерные трубопроводы позиционируются как трубопроводы для открытой прокладки. Но вариант с металлополимерными трубами окажется дороже, т.к. эти трубы стоят больше, чем обычные трубы из сшитого полиэтилена РЕ-Ха.

Заключение

Нельзя игнорировать температурные удлинения трубопроводов из сшитого полиэтилена РЕ-Ха при открытой прокладке водопроводной разводки и монтаже отопительной системы. Для компенсации удлинений следует применять один из вышеперечисленных в статье методов, строго соблюдая рекомендации производителя.

Подписывайтесь на наш Telegram каналЭксклюзивные посты каждую неделю