Каждый материал при нагреве характеризуется собственным значением коэффициента линейного расширения α. Коэффициент линейного расширения равен отношению относительного удлинения Δl/l к разности температур Δt:
α = Δl/l/ Δt,
где Δt = tм - tн.
Таким образом, при разогреве удлинение конструкции составит
Δl = l α Δt.
Линзовые компенсаторы применяют для неагрессивных и малоагрессивных сред при давлении Ру до 1,6 МПа (16 кгс/см2), температуре до 350 °С и гарантированном числе повторяющихся циклов не более 3000. Компенсирующая способность линзовых компенсаторов приведена в прил.3. При охлаждении конструкции величина Δl принимает отрицательные значения.
Перепад температур на стенке может быть определен в зависимости от удельного теплового потока (q):
Dtст= .
Деформация конструкции за счет температурных расширений:
DL=L1×b×Dtст=L1×b× ,
где L1 – первоначальная длина, м; DL – удлинение, м; b - коэффициент линейного расширения.
Деформация конструкции под действием термических напряжений:
|
|
,
где E – модуль упругости, МПа.
Основываясь на приведенных выражениях, возникающие напряжения в конструкции примут значение:
s = .
Переходя на значения предела прочности, можно определить критический тепловой поток разрушения конструкции.
Пример. Определить удлинение трубчатки теплообменника из стали 08Х18Н10Т длиной 4 м при разогреве ее до рабочей температуры 300 ºС.
Решение. Коэффициент линейного расширения стали типа 08х18Н10Т, при температуре 300ºС составляет 17,6∙10-6 К-1. Следовательно, из приведенных выше формул, учитывая, что начальная температура была 20ºС, температурное удлинение трубки составит
DL=L∙a(tкон-tнач)=4∙17,6∙10-6(300-20)=19,7 мм.
Задача 18. Определить удлинение трубчатки из латуни длиной 5 м при разогреве до температуры 100 ºС.
Задача 19. Определить, необходима ли компенсация температурных расширений в конденсаторе турбины, корпус которого выполнен из стали 20, а трубчатка длиной 9 м из сплава МНЖ-5-1. Максимальный температурный напор 10 ºС.
Задача 20. Подобрать необходимое количество линзовых компенсаторов на корпусе теплообменника длиной 3 м, работающего при температуре 200 ºС, если известно, что трубчатка его набрана из стали 20.
Задача 21. Определить напряжение, возникающее в месте заделки 100 трубок Ø16х1 из стали 08Х18Н10Т длиной 3,5 м в прямотрубном теплообменнике без линзовых компенсаторов на корпусе, который изготовлен из стали 20. Рабочая температура греющей среды в трубах 100 ºС, а охлаждающей в межтрубном пространстве 20 ºС.