Drei Möglichkeiten, genutete Kupplungen zu verwenden, um thermische Bewegungen in Steigleitungen auszugleichen

May 13, 2023

Lernziele

Wenn die Rohrleitungen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, kommt es zu einer linearen Ausdehnung oder Kontraktion. Der Schlüssel zur effektiven Anpassung dieser thermischen Bewegung in den Steigleitungen eines Gebäudes liegt darin, eine vorhersehbare, kontrollierte Bewegung der Rohrleitungen zu ermöglichen.

Es gibt andere Methoden zur Anpassung dieser Art von Bewegung. Allerdings bieten genutete Rohrleitungskomponenten drei verschiedene Möglichkeiten, diese thermische Bewegung des Rohrs auszugleichen, sodass der Systementwickler die Methode auswählen kann, die für jede spezifische Anwendung am besten geeignet ist.

Gerillt für Steigleitung

Bei der Installation unter Berücksichtigung von Designüberlegungen sind genutete mechanische Kupplungen in der Lage, thermische Bewegungen der Rohrleitungen aufzunehmen. Das bedeutet, dass Systementwickler, um diesen zusätzlichen Vorteil zu erzielen, diese entscheidende Eigenschaft berücksichtigen müssen, wenn sie genutete Rohrverbindungssysteme spezifizieren. Mechanische Nutkupplungen gibt es in starrer und flexibler Ausführung:

Bei einer flexiblen Rohrkupplung sind die Abmessungen des Kupplungsschlüssels schmaler als die Nut im Rohr, sodass sich der Kupplungsschlüssel innerhalb der Rohrnut bewegen kann. Darüber hinaus ermöglicht die Breite des flexiblen Rohrkupplungsgehäuses eine Trennung der Rohrenden, sodass Raum für kontrollierte lineare und winkelige Bewegungen bleibt. Die flexible Rohrkupplung bleibt eine selbsthaltende Verbindung und das auf Druck reagierende Dichtungsdesign sorgt für eine sichere Abdichtung auch bei Bewegungen des Rohrleitungssystems.

Es gibt drei Standardmethoden für den Einsatz genuteter mechanischer Kupplungen, um die thermische Bewegung (Ausdehnung und Kontraktion) der Rohrleitungen in einer Gebäudesteigleitung auszugleichen:

Methode 1: Nutzen Sie die Winkelauslenkungsfähigkeit flexibler Rohrkupplungen, um die Bewegung an der Oberseite des Steigrohrs auszugleichen.

Methode 2: Nutzen Sie die lineare Bewegungsfähigkeit flexibler Rohrkupplungen, um die Bewegung an jeder Verbindung auszugleichen.

Methode 3: Nutzen Sie die Fähigkeit zur linearen Bewegung, um die Bewegung in einem gerillten Inline-Ausdehnungskompensator auszugleichen.

Die Auswahl einer bestimmten Methodik hängt von den Projektparametern sowie den Vorlieben des Designers ab.

Methode 1: Frei schwebend

Die erste Methode zum Ausgleich der Wärmeausdehnung oder -kontraktion in einem Steigrohr mit gerillten Kupplungen besteht darin, ein frei schwebendes System zu bauen, bei dem die Bewegung mit einem Basisanker und Führungen auf die Oberseite des Steigrohrs gerichtet wird. Die gerillten Rohrkupplungen, die die Steigleitungsabschnitte verbinden, sind starr, während die oben am ersten horizontalen Rohr befindlichen Kupplungen flexibel sind, wie in Abbildung 2 dargestellt. Diese starre und flexible Kupplungsanordnung nutzt die Winkelauslenkungsfähigkeiten der flexiblen Rohrkupplungen an der Spitze des Steigrohrs. Um die erforderliche horizontale Rohrlänge zu berechnen, dividieren Sie das erwartete Ausmaß der thermischen Bewegung durch die Fähigkeit der Kupplung, sich von der Mittellinie abzulenken, und berücksichtigen Sie dabei alle erforderlichen Konstruktionsfaktoren.

Zusätzlich zu den flexiblen Nutkupplungen an der Oberseite des Steigrohrs müssen auch flexible Kupplungen an den Abzweigrohren verwendet werden, um eine Biegung der Abzweigverbindungen zu ermöglichen, wenn sich das Steigrohr ausdehnt oder zusammenzieht. Zur Aufnahme der vertikalen Verschiebung sind an jeder Stichleitung mindestens zwei flexible, genutete Rohrkupplungen erforderlich. Die Rohrlänge zwischen den flexiblen Rohrkupplungen an den Abzweiganschlüssen muss ausreichend lang sein, damit die maximale Winkelauslenkung der Kupplungen niemals überschritten wird und sie die erwartete Bewegung des Steigrohrs aufnehmen können. Bei dieser Methode nimmt die Bewegung der Abzweigrohre vom ersten zum obersten Stockwerk zu.

Beispiel: Ein 200-Fuß-Steigrohr aus 6-Zoll-Steg. Kohlenstoffstahlrohr (Ausdehnungswert: 0,75 Zoll pro 100 Fuß pro 100 °F ΔT). Das Steigrohr wird bei 60 °F installiert, was auch die niedrigste Temperatur ist, und hat eine maximale Betriebstemperatur von 180 °F.

0,172 Zoll pro Fuß Rohr. Durchbiegung der Kupplung von der Mittellinie bei rollgenuteten Rohren, einschließlich Design-Reduktionsfaktor

1,8 Zoll. Wärmebewegung des Rohrs basierend auf 120 °F ΔT

10,5 Fuß Mindestlänge des horizontalen Rohrs an der Oberseite des Steigrohrs.

Methode 2: Bewegung wird an jeder flexiblen, gerillten Kupplung aufgenommen

Die zweite Methode, genutete mechanische Kupplungen zur Aufnahme thermischer Bewegungen in einem Steigrohr zu verwenden, besteht darin, alle flexiblen Rohrkupplungen zu verwenden, um die Rohrabschnitte des Steigrohrs zu verbinden. Mithilfe der linearen Bewegungsfähigkeit der flexiblen, gerillten Kupplungen wird eine Ausdehnung oder Kontraktion innerhalb jeder Kupplung ausgeglichen.

Während der Installation müssen die Rohrendabstände innerhalb der genuteten Kupplungen proportional zu den Bewegungsanforderungen eingestellt werden (vollständiger Spalt nur für die Expansion, vollständig stumpf nur für die Kontraktion), um die erwartete Steigleitungsbewegung aufzunehmen. Die Steigleitung sollte oben und unten verankert und das Rohr geführt werden, um eine Durchbiegung an den Verbindungsstellen („Schlängeln“ der Leitung) zu verhindern und die Bewegung in die genuteten, flexiblen Rohrkupplungen zu leiten.

Um die Anzahl der flexiblen Rohrkupplungen zu berechnen, die zur Aufnahme der erwarteten Ausdehnung oder Kontraktion erforderlich sind, dividieren Sie die erwartete Längenänderung der Rohrleitung durch die lineare Bewegungsfähigkeit (einschließlich etwaiger Konstruktionsfaktoren) des Typs und der Größe der zu installierenden Kupplung.

Obwohl die Anforderungen an die Führung erhöht sind, minimiert diese Methode die Astbewegung im Vergleich zur freischwebenden Methode.

Beispiel: Ein 200-Fuß-Steigrohr aus 6-Zoll-Steg. Kohlenstoffstahlrohr. Das Steigrohr wird bei 60 °F (also der niedrigsten Temperatur) installiert und hat eine maximale Betriebstemperatur von 180 °F.

0,097 Zoll. Fähigkeit der Kupplung zur linearen Bewegung an rollgenuteten Rohren, einschließlich Reduktionsfaktor

1,8 Zoll. Wärmebewegung des Rohrs basierend auf 120 °F ΔT

19 Erforderliche Anzahl an Kupplungen.

In diesem Beispiel würde die Verwendung eines gerillten Reduzier-T-Stücks für Abzweigverbindungen auf jeder Etage die erforderliche Anzahl flexibler Kupplungen bereitstellen. Wenn die berechnete erforderliche Anzahl an Kupplungen größer ist als die Anzahl der für die Installation der Steigleitung erforderlichen Kupplungen, müssen zusätzliche flexible Kupplungen gleichmäßig entlang der Steigleitung verteilt werden.

Methode 3: Dehnungskompensator aus gerillten mechanischen Kupplungen

Die dritte Methode zur Verwendung von gerillten Kupplungen zur Anpassung an thermische Ausdehnung und Kontraktion besteht in der Verwendung eines gerillten Inline-Ausdehnungskompensators, der aus flexiblen mechanischen Kupplungen besteht. Bei dieser Methode werden alle starren Kupplungen an den Steigrohrverbindungen verwendet, wobei die Bewegung in den genuteten Dehnungskompensator geleitet wird.

Rillenkompensatoren oder Kompensatoren nehmen Axialbewegungen von bis zu mehreren Zoll auf. Sie bestehen aus einer Reihe flexibler Rohrkupplungen und speziell gerillten Rohrnippeln, um je nach Anzahl der Kupplungen im Gerät unterschiedlichen Bewegungsanforderungen gerecht zu werden. Ein gerillter Ausdehnungskompensator muss entsprechend den Anforderungen des Konstrukteurs dimensioniert und voreingestellt werden, um die erwartete Bewegung aufzunehmen: vollständig ausgedehnt, vollständig komprimiert oder in einer Position, die proportional zur Installationstemperatur und den extremen Systemtemperaturen ist.

Für den ordnungsgemäßen Betrieb des Rillen-Dehnungskompensators muss die Steigleitung ordnungsgemäß verankert und geführt werden. Der gerillte Ausdehnungskompensator wird zwischen gegenüberliegenden Ankern installiert, der die Bewegung in das Gerät lenkt und verhindert, dass sich die Verbindung auf ihre maximale Ausdehnungslänge öffnet, wenn das System durch die Druckschubkraft unter Druck gesetzt wird.

Das Rohr muss auf beiden Seiten des genuteten Dehnungskompensators geführt werden, um eine Durchbiegung des Gerätes zu verhindern. Eine Durchbiegung verringert die verfügbare axiale Bewegung und kann je nach Art des verwendeten Geräts zu Schäden führen. Wenn die Systembedingungen dies zulassen, können die Führungen auf einer Seite des Dehnungskompensators eliminiert werden, indem die Einheit neben einem Anker angebracht wird.

Abhängig von der Höhe des Steigrohrs, dem Ausmaß der thermischen Bewegung der Rohrleitungen und der zulässigen Durchbiegung der Abzweigleitungen sind möglicherweise mehrere Ausdehnungskompensatoren für die Steigleitung erforderlich. In diesem Fall wären für die Steigleitung Hauptanker unten und oberhalb des obersten Dehnungskompensators erforderlich. Die Verwendung von Zwischenankern würde auf der Grundlage der verwendeten Tragemethode für die Steigleitung bestimmt.

Gerillte Ausdehnungskompensatoren erfordern keine Wartung. Sie bestehen typischerweise aus dem gleichen Rohrmaterial und der gleichen Wandstärke wie das Steigrohr selbst. Dies führt zu einer zuverlässigeren und langlebigeren Dehnungsfuge und vermeidet so die langfristigen Inspektions- und Wartungsprobleme, die bei anderen Dehnungsfugenkonstruktionen erforderlich sind.

Beispiel: Ein 200-Fuß-Steigrohr aus 6-Zoll-Steg. Kohlenstoffstahlrohr. Das Steigrohr wird bei 60 °F (also der niedrigsten Temperatur) installiert und hat eine maximale Betriebstemperatur von 180 °F.

1,8 Zoll. Wärmebewegung des Rohrs basierend auf 120 °F ΔT

3 Zoll. Maximale lineare Bewegung, die durch einen gerillten Ausdehnungskompensator aufgenommen wird

1 Anzahl der benötigten Dehnungskompensatoren.

Unabhängig von der gewählten Methode bietet die Spezifikation genuteter mechanischer Kupplungen für die Steigrohre eines Gebäudes mehrere zusätzliche Vorteile.

Die Tradition schreibt vor, dass zum Verbinden des Rohrs und zum Ausgleichen der thermischen Bewegung separate Methoden erforderlich sind. Dies ist jedoch nicht der Fall. Gerillte mechanische Kupplungen verbinden das Rohr und nehmen thermische Bewegungen im Rahmen der Konstruktionsmöglichkeiten der Kupplung auf.

Nutkupplungen lassen sich außerdem viel schneller installieren als andere Verbindungsmethoden, was dazu beitragen kann, dass schnell durchgeführte Projekte pünktlich oder sogar früher als geplant abgeschlossen werden. Standard-Nutenkupplungen können bis zu fünfmal schneller installiert werden als Schweißverbindungen, während „einbaufertige“ Kupplungen diese Zeitersparnis verdoppeln können.

Durch gerillte mechanische Kupplungen entfallen platzraubende geschweißte Dehnungsschleifen, die in den engen Räumen eines Steigrohrschachts im Allgemeinen nicht realistisch sind. Gerillte mechanische Kupplungen ermöglichen die Aufnahme von Rohrleitungsbewegungen in kleineren Räumen mit geringeren Gesamtsystembelastungen.

Das Fazit ist, dass Ingenieure eine zuverlässige Methode benötigen, um thermische Bewegungen in den Steigleitungen eines Gebäudes auszugleichen. Der erfolgreiche und langjährige Einsatz von genuteten Rohren in Gebäudetechnik-Rohrleitungssystemen auf der ganzen Welt unterstützt die Machbarkeit der Methode in diesen Anwendungen. Ingenieure und Gebäudeeigentümer können sich darauf verlassen, dass genutete mechanische Rohre eine effiziente und sichere Art der Rohrverbindung darstellen und gleichzeitig Wärmeausdehnung und -kontraktion ausgleichen.

Dave Hudson ist leitender Ingenieur bei Victaulic, einem Hersteller von mechanischen Rohrverbindungs- und Brandschutzsystemen. Hudson ist ein praktizierender Maschinenbauingenieur mit mehr als 34 Jahren Erfahrung.

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