Kompensacja wydłużeń cieplnych w instalacjach

W każdej instalacji, w której temperatura pracy jest różna od temperatury montażu lub też podczas eksploatacji następują wahania temperatur mamy do czynienia z wydłużeniami termicznymi. Jest to zjawisko na tyle istotne, że jego zlekceważenie może doprowadzić w skrajnym przypadku do uszkodzenia przewodów.

Każdy przedmiot pod wpływem zmiany temperatury zmienia swoje wymiary. W większości przypadków ciała stałe rozszerzają się i kurczą izotropowo tzn. w jednakowym stopniu we wszystkich kierunkach. Istnieje jednak grupa ciał, które w różnych kierunkach rozszerzają się odmiennie o ciałach takich mówimy że są anizotropowe. Wydłużalność temperaturowa materiałów nie jest wielkością liniową, jednak dla celów uproszczenia obliczeń, w pewnym zakresie temperatur wielkość tę aproksymuje się do postaci liniowej poprzez wprowadzenie współczynnika rozszerzalności liniowej. Współczynnik ten oznaczany symbolem α określa o jaką wartość nastąpi przyrost jednostki długości materiału przy zmianie temperatury o 1 K. Przyjęło się, że dla potrzeb techniki instalatorskiej wartość tego współczynnika podaje się w mm/m·K, jest więc to przyrost w mm o jaki zwiększy się metrowy odcinek przewodu przy zmianie temperatury o 1 K. Wielkość wydłużenia cieplnego przewodu obliczyć możemy z wzoru:

Δ L = α · Δ T · L

gdzie:

• Δ L - wydłużenie przewodu,
• α - współczynnik rozszerzalności liniowej,
• Δ T - różnica temperatur,
• L - długość odcinka przewodu poddana wydłuzeniu.

Materiał Oznaczenie Rozszerzalność termiczna mm/m·K

polietylen sieciowany PeX 0,18
polipropylen PP-R 0,15
polibutylen PB 0,13
chlorowany polichlorek winylu PVC-C 0,062
polipropylen PP-R stabi 0,030
polietylen PeX-Al-PeX 0,025
miedź Cu 0,017
stal - 0,012

W tablicy zamieszczono współczynniki rozszerzalności temperaturowej α dla najczęściej spotykanych materiałów instalacyjnych. Różnicę temperatur ΔT należy przyjmować jako różnicę pomiędzy temperaturą, w której przeprowadzono montaż przewodów i maksymalną temperaturą roboczą czynnika w instalacji. Jako długość przewodu L należy przyjąć odcinek pomiędzy punktem stałym (nieprzesuwnym) umieszczonym na przewodzie i elementem kompensującym wydłużenie.Jak łatwo policzyć wydłużenia termiczne mogą przyjmować znaczne wartości, szczególnie jeśli jako materiał do budowy instalacji wykorzystamy tworzywa sztuczne. Przy niezapewnieniu odpowiednich możliwości rozszerzenia przewodów, w materiale rur będą rosły naprężenia wewnętrzne obniżając trwałość instalacji. W skrajnych przypadkach po przekroczeniu naprężeń dopuszczalnych nastąpić może trwałe odkształcenie przewodów a nawet rozszczelnienie instalacji. Znane są również przypadki, w których rury z tworzywa sztucznego układane w bruzdach ściennych zostały w wyniku nieskompensowanych wydłużeń wyrwane ze ściany.

Sposoby kompensacji wydłużeń cieplnych

Istnieje kilka sposobów kompensacji wydłużeń cieplnych przewodów. Podzielić je można na dwie grupy:

• metody naturalne,
• poprzez zastosowanie wydłużek (kompensatorów).

Metody naturalne opierają się na wykorzystaniu do kompensacji sposobu układania instalacji. Najczęściej do tego celu wykorzystuje się załamania przebiegu przewodów np. w narożnikach pomieszczeń. Wielkość swobodnego ramienia pozwalającego na przemieszczenie końcówki rury uzależniona jest od średnicy i materiału przewodu.

Dla prawidłowego skompensowania wydłużeń przy wykorzystaniu zmiany trasy przewodu należy zachować wymiary pokazane na rysunku. Do obliczenia odległości R można skorzystać z poniższego wzoru, do którego należy podstawić współczynniki materiałowe ujęte w tablicy. Są to typowe współczynniki, zaleca się jednak o ile możliwości na to pozwalają korzystanie z danych udostępnianych przez producentów konkretnych systemów instalacyjnych.

gdzie:

• ΔL -wydłużenie przewodu,
• K - współczynnik materiałowy,
• d - zewnętrzna średnica przewodu.

Materiał Oznaczenie Współczynnik materiałowy

polietylen sieciowany PeX 30
polipropylen PP-R 15
polibutylen PB 10
chlorowany polichlorek winylu PVC-C 38
polietylen PeX-Al-PeX 28
miedź Cu 32
stal - 205

Inną metodą kompensacji naturalnej jest wykorzystanie zjawiska samokompensacji przewodów układanych bez ich bezpośredniego mocowania. Przewody takie układa się w najczęściej peszlu który zalewa się w warstwie posadzki. Niestety metodę tą można wykorzystać jedynie dla rur o dużej elastyczności. Jeśli warunki nie pozwalają na wykorzystanie kompensacji naturalnej, lub też wydłużenia są zbyt duże stosuje się wydłużki. Najczęściej są to wydłużki U-kształtne, mieszkowe, rzadziej dławicowe. W przypadku wyboru kompensacji U-kształtnej można stosować gotowe wyroby lub też wykonać kompensator na budowie z typowych kolan systemowych. Decydując się na własne wykonanie należy zachować wielkość ramienia tak jak dla kompensacji naturalnej. Dla zwiększenia możliwości kompensacyjnych celowe jest zastosowanie naciągu wstępnego kompensatora. Poprzez naciąg wstępny ramienia elastycznego może być, zmniejszona jego długość. Zaleca się wykonanie naciągu wstępnego o długości Δ L/2. Dla powyższej wartości naciągu wzór na długość ramienia przyjmie postać:

Jeżeli nie ma możliwości wbudowania kompensatora u-kształtowego np. podczas wykonywania instalacji w szachtach, stosuje się kompensatory mieszkowe lub dławicowe. Przy ich montażu bardzo ważne jest dokładne przestrzeganie instrukcji producenta odnośnie rozmieszczenia podpór stałych i przesuwnych. Najczęściej kompensatory te nie pozwalają na pracę z odchyłkami osiowymi rurociągów, dlatego bardzo ważne jest osiowe ich ustawienie. Na pionach wymogiem dla wydłużek tego typu jest montowanie ich poniżej punktu stałego, tak aby ciężar przewodów nie obciążał kompensatora i tym samym nie powodował ugięcia montażowego. opracowanie: Redakcja