• English
  • Polski

Kompensator – co to takiego i do czego

Podstawową zasadą fizyki jest zdolność materiałów do rozszerzalności i kurczliwości wskutek oddziaływania zmian temperatury. Kompensator to element elastyczny, amortyzujący różnice objętościowe materiałów we wszystkich kierunkach w ramach przemieszczeń liniowych, kątowych, poprzecznych i skrętnych, pochłaniający niepożądane naprężenia, drgania i hałas.

Problem kompensacji wydłużeń i skracania się przewodów w instalacjach grzewczych i chłodniczych pod wpływem zmian temperatury jest często bagatelizowany i pomijany zarówno na etapie projektowania, jak i wykonawstwa. Lekceważenie tego zjawiska może spowodować przykre konsekwencje w postaci zniszczenia fragmentów bądź nawet całej instalacji.

Główne zastosowanie kompensatorów to połączenia rurowe. Rurociągi przewodzące ciepłe medium lub wystawiane na silne oddziaływanie źródeł ciepła, wydłużają się w różnym stopniu w zależności od zastosowanego materiału czy różnicy temperatur. Jeżeli będą istniały przeszkody uniemożliwiające wydłużanie cieplne przewodów, wówczas naprężenia mechaniczne powstające w materiale przewodów mogą przekroczyć dopuszczalne wartości, wskutek czego powstaną uszkodzenia.

Każdy materiał charakteryzuje określony współczynnik rozszerzalności cieplnej „α”. Jego wartość może się znacznie różnić w zależności od rodzaju materiału, z jakiego wykonana jest rura. W tabeli 1 poniżej podano wartości współczynnika „α” oraz przykładowe wydłużenia „ΔL” najbardziej popularnych materiałów. Miedź i stal stopowa mają zbliżoną wartość współczynnika „α”, co oznacza, że przewody o tej samej długości wydłużą się
o zbliżone wartość przy tej samej zmianie temperatury. Najmniejszą wartość wykazuje, obok diamentu, specjalny stop (64% żelaza i 36% niklu), tzw. inwar. Jest on stosowany do konstrukcji aparatury precyzyjnej (np. laserów, interferometrów), pracującej w warunkach zmiennej temperatury otoczenia. Rozszerzalność liniowa ciał może być zjawiskiem szkodliwym, powodującym np. wyginanie szyn kolejowych w czasie upałów czy mrozów. Może też być wykorzystana w praktyce, np. w termometrach bimetalicznych.
Jako ciekawostkę należy nadmienić, że wieża Eiffla zmienia swoją wysokość pod wpływem zmian temperatury otoczenia o kilkanaście centymetrów.

 

Wydłużenie termiczne rurociągu obliczyć można wg wzoru: 

                       ΔL = α * L * ΔT [mm],
 

gdzie:
α – współczynnik rozszerzalności cieplnej materiału,
L – długość rurociągu, 
ΔT – różnica temperatur.

 

Tabela 1

Materiał / substancja

α [10-6K-1]

(20÷1000C)

ΔL [mm]

dla L = 10 m 
 oraz przy ΔT = 500C

Wosk 1460,0 730,00
Asfalt 190,0 85,00
Polichlorek winylu 100,0 50,00
Kauczuk 77,0 38,50
Lód (0 oC) 49,0 24,50
Ołów 29,0 14,50
Gips 25,0 12,50
Aluminium 23,0 11,50
Cyna 22,0 11,00
Srebro 20,0 10,00
Stal stopowa 16,5 8,25
Miedź 16,6 8,30
Złoto 14,0 7,00
Stal ocynkowana 12,0 6,00
Beton 12,0 6,00
Papier 10,0 5,00
Szkło kwarcowe 4,5 2,25
Inwar 1,5 0,75
Diament 1,2 0,60

Długość rurociągu „L” jest fragmentem instalacji, który ma podlegać kompensacji, natomiast różnica temperatur „ΔT” jest różnicą pomiędzy temperaturą montażu
a maksymalną/ minimalną temperaturą pracy rurociągu. Co istotne, jeśli rurociąg będzie narażony okresowo zarówno na pracę w temperaturze niższej, jak i wyższej od temperatury montażu, to „ΔT”  powinna stanowić różnicę wartości minimalnej i maksymalnej.
Przyrost długości „ΔL” jest zawsze proporcjonalny do przyrostu temperatury  „ΔT”.  
 

Rozwiązanie kompensacji wymaga zastosowania trzech podstawowych elementów:

  • podpór przesuwnych,
  • punktów stałych,
  • kompensatorów.

Tylko prawidłowy dobór i montaż wszystkich powyższych elementów gwarantuje bezpieczną pracę instalacji. 

Jako podpory przesuwne wykorzystuje się zwykle uchwyty do rur z przekładką gumową. Mają one za zadanie utrzymywać rurociąg w osi montażu, pozwalając jednocześnie na swobodne przesuwanie się rur wewnątrz. W związku z tym nie należy ich montować tuż przy złączach, gdyż może to prowadzić do zablokowania przesunięcia przewodów. Należy również zwrócić uwagę na ich usytuowanie względem kompensatorów, gdyż uniemożliwiają one ruch poprzeczny do osi rurociągu. Powinny być wykonane solidnie, tak aby nie uległy zniszczeniu, narażając tym samym na zniszczenie miejsca kompensacji. 


Rys. 1. Przykład podpory przesuwnej GFP.

Szczególną uwagę należy zwrócić na dobór i montaż punktów stałych. Są to miejsca, które dzielą niejako instalację na odcinki poddane kompensacji. Ich zadaniem jest niedopuszczenie do przemieszczenia się rur pod wpływem przyłożonych sił działających na instalację podczas pracy.


Rys. 2. Przykład końcowego punktu stałego FP.

Kompensatory zapewniają cztery rodzaje przemieszczeń (w tym dwa osiowe), zilustrowane na poniższych rysunkach (rys.3÷7).


Rys. 3. Przemieszczenie osiowe – ściskanie.


Rys. 4. Przemieszczenie osiowe – rozciąganie.


Rys. 5. Przemieszczenie kątowe.


Rys. 6. Przemieszczenie lateralne.


Rys. 7. Przemieszczenie skrętne.

 

Ze względu na rodzaj materiału głównego elementu amortyzującego (mieszka) rozróżnia się cztery podstawowe typy kompensatorów.

a) gumowe:

b) metalowe:

c) PTFE:

d) tkaninowe:

Odpowiedni typ kompensatora należy dobrać w zależności od parametrów pracy, uwzględniając w szczególności:

-    wymiar nominalny średnicy DN [mm] lub boków XN [mm] i YN [mm] 
    kompensatora prostokątnego/ kwadratowego,

-    wymiar zabudowy BL [mm],

-    rodzaj medium (jeśli to możliwe skład chemiczny, zapylenie, punkt rosy),

-   prędkość przepływu medium [m/s] i jego kierunek (pionowy, poziomy, skośny),

-   zakres ciśnienia medium [bar], występowanie pulsacji ciśnienia,

-   zakres temperatury pracy i otoczenia [°C],

-   rodzaj i zakres przemieszczeń

  • osiowe [+/- mm],
  • poprzeczne [+/- mm],
  • kątowe [+/-°],

-    rodzaj i wielkość przyłącza (kołnierzowe – jakie PN?, do wspawania – jaka
     grubość rury?),

-    materiał i rodzaj zabezpieczenia antykorozyjnego przyłącza,

-    dodatkowe wyposażenie (ograniczniki śrubowe, ograniczniki zawiasowe, kaptur
ochronny, osłona ognioodporna, tuleja ochronna  wewnętrzna lub zewnętrzna, tuleja prowadząca, pierścień zabezpieczający do pracy w próżni),

-    wymagane atesty, certyfikaty, badania i testy, dopuszczenia itp. dokumenty.

Porównanie parametrów pracy w zależności od typu kompensatora.

Parametr techniczny Gumowy Metalowy Tkaninowy PTFE
Maksymalne ciśnienie (bar) 25 200 3 16
Zakres DN (mm) 20 ÷ 7500 20 ÷ 3500 dowolny na
zamówienie
20 ÷ 500
Dopuszczalna temperatura (°C) -40 ÷ 200 -270 ÷ 900 -50 ÷ 1200

-50 ÷ 260


Przykład budowy kompensatora tkaninowego można zobaczyć w przekroju poniżej na rys. 8, a kompensatora gumowego na rys. 9.


Rys. 8. Budowa kompensatora tkaninowego kołnierzowego z wkładem termoizolacyjnym.


Rys. 9. Budowa kompensatora gumowego.

 

Przykład zabudowy różnych typów kompensatorów w instalacji przemysłowej obrazuje poniższy rysunek 10 i 11.


Rys. 10. Zabudowa kompensatora gumowego w instalacji przemysłowej. 


Rys. 11. Zabudowa kompensatora metalowego w instalacji przemysłowej.

Autor: Roman Dobosz