7.2. Компенсация температурных расширений

При эксплуатации любого оборудования с существующими в нем перепадами температур будут происходить температурные расширения его элементов или, в случае их закрепления, будут возникать механические напряжения в местах крепления и в самих элементах. Поэтому при конструировании эти напряжения должны быть учтены, иначе они могут привести к снижению надежности и разрушению оборудования.

Обычно для оборудования существует два режима эксплуатации:

- стационарный – характерен установившимся перепадом температур, давлений, т.е. это расчетный режим;

- нестационарный – возникает в случае расхолаживания или разогрева оборудования, а также при аварийных ситуациях.

Используемые материалы и теплоносители характеризуются коэффициентом температурного расширения: жидкости - коэффициентом объемного расширения (табл. 7.1); твердые тела – коэффициентом линейного расширения; газы – коэффициентом объемного расширения, который близок к значению  = 1/ 273=3,6610^-3К^-1.

Таблица 7.1

Некоторые значения температурных коэффициентов объемного и линейного расширения

Теплоносители	Коэффициент объемного расширения	Коэффициент линейного расширения
Газы: Аммиак Аргон Воздух Гелий СО2
	3,7710-3 К-1
	3,6810-3 К-1
	3,6610-3 К-1
	3,6610-3 К-1
	3,7310-3 К-1
Жидкости:
Вода С2Н5ОН Ртуть Керосин Бензин Эфир	0,1810-3 К-1
	1,110-3 К-1
	0,1810-3 К-1
	0,9610-3 К-1
	1,010-3 К-1
	1,6210-3 К-1
Твердые тела:
Фарфор Сталь. 20 Золото Алюминий Нерж. ст. Латунь Бетон		3,010-6 К-1
		11,710-6 К-1
		19,510-6 К-1
		23,810-6 К-1
		16,010-6 К-1
		18,410-6 К-1
		12,010-6 К-1

Приращение длины твердого элемента конструкции определяется по формуле

.

Приращение объема жидких и газообразных веществ определяется

.

Например для стержня из стали 20, L₀=1м, при нагреве его от 20 до 100С, L=0,93мм. Если этот стержень жестко закреплен с торцов, то в нем возникает механическое напряжение сжатия , Мпа:

,

где Е – модуль Юнга, МПа.

Для различных материалов он имеет следующие значения МПа:

- сплавы алюминия - Е = 0,069-0,071;

- сталь - Е = 0,19-0,22;

- медь техническая - Е = 0,11-0,13.

Для рассмотренного выше примера, если  187 МПа, то сила при диаметре стержня 10мм составит 1,4Н или 0,14 кг. Для 1000 стержней возникающее сопротивление становится соизмеримым с прочностью стали.

В теплообменном оборудовании при эксплуатации существуют значительные перепады температур между греющей, обогреваемой и окружающей средами. Так, например, греющая среда, протекающая внутри трубного пучка, имеет обычно температуру на 10-20 и более градусов больше, чем омывающая трубки охлаждающая среда. При этом по корпусу теплообменного аппарата, контактирующего снаружи с окружающей средой, даже при наличии тепловой изоляции также существует перепад температур. Таким образом, относительное удлинение корпуса и трубчатки не всегда равны. Известны случаи, когда в прямотрубных теплообменниках трубки за счет термических напряжений выдавливались из трубных досок.