Projektowanie stalowych kanałów spalinowych odznacza się stosunkowo dużym poziomem złożoności, zarówno na etapie obliczeń i detalowania konstrukcji. Jednym z kluczowych zagadnień jest oddziaływanie termiczne, na którym się właśnie skupimy.

Obciążenie temperaturą stalowych kanałów spalinowych

W projektowaniu stalowych kanałów spalinowych temperatura jest zwykle jednym
z podstawowych oddziaływań. Obciążenie temperaturą powoduje odkształcanie się elementów. Mamy doczynienia z odkształceniami osiowymi (równomierny przyrost temperatury) oraz z odkształceniami zginającymi (gradient temperatury). W sytuacji gdy w konstrukcji występuje brak możliwości swobody odkształceń termicznych, powstają naprężenia wywołane temperaturą.

Oczywiście wpływ odziaływania termicznego w kanałach spalinowych jest redukowany poprzez zastosowanie wewnętrznej izolacji, która znacznie redukuje temperaturę po wewnętrznej stronie konstrukcji. Nie mniej temperatura nadal pozostaje stosunkowo wysoka. Wpływ równomiernego przyrostu temperatury możemy wyeliminować stosując odpowiednie rozwiązania  konstrukcyjne. Do tych rozwiązań zalicza się odpowiedni dobór i rozmieszczenie łożysk podporowych oraz zaplanowanie w odpowiednich miejscach kompensatorów. Oba rozwiązania mają na celu umożliwienie swobody odkształceń termicznych, tym samym w konstrukcji nie powstają dodatkowe naprężenia osiowe.

Często z uwagi na swoje gabaryty kanały spalinowe są usztywnianie podłużnie i poprzecznie np.  belkami dwuteowymi. W zależności od gabarytów są to belki  typu IPE lub HEA/HEB. Tego typu usztywnienia powodują wzrost różnicy temperatury jaki występuje w konstrukcji pomiędzy częścią wewnętrzną a zewnętrzną kanału, narażoną na odziaływanie klimatyczne. W efekcie półki belki usztywniającej, z różnymi temperaturami (półka zewnętrzna chłodniejsza), doznają różnych odkształceń.  Jednak przy braku swobody odkształceń nie dochodzi do swobodengo wygięcia belki, powstają natomiast w żebrach znaczne naprężenia zginające. Innymi słowy w konstrukcji powstają siły wewnętrzne przeciwdziałające swobodnej deformacji. Największe wartości momentów zginających z reguły występują w strefach podporowych (zrzut ekranu poniżej), w których stosuje się belki usztywniające o większej sztywności. To właśnie różnica temperatury (gradient) jest źródłem dodatkowych efektów zginających, które mogą decydować o trwałości i bezpieczeństwie konstrukcji. Należy również pamiętać, że w układzie żebro blacha na skutek różnicy temperatury (niższa temperatura w żebrze), dochodzi do różnych odkształceń osiowych, w efekecie w konstrukcji powstają istotne naprężenia osiowe. Pominięcie aspektu różnicy temperatury w tego typu konstrukcjach może doprowadzić do stanów awaryjnych oraz kosztownych napraw po uruchomieniu instalacji.

Gradient

Przez gradient temperatury rozumiemy nierównomierny rozkład temperatury w elemencie konstrukcyjnym. W omawianym przykładzie jest to różnica temperatury pomiędzy blachą płaszcza a najbardziej oddaloną powierzchnią żebra usztywniającego.

Aby dobrze zrozumieć skutki gradientu temperatury przeanalizujmy prosty przypadek belki zamocowanej na obu końcach, w której występują różnica temperatury na wysokości przekroju poprzecznego.

Na skutek braku swobody odkształceń w belce powstają dodatkowe naprężenia zginające. W strefie półki górnej wyższa temperatura chce spowodować jej wydłużenie. Na skutek skrępowania jest to niemożliwe w efekcie powstają naprężenia ściskające. Półka dolna belki na skutek niższej temperatury dąży do skrócenia. Na skutek braku swobody odkształceń powstają w niej naprężenia rozciągające, w efekcie w przekroju poprzecznym występują naprężenia zginające. Do wyznaczenia momentu zginającego wywołanego gradientem temperatury niezbędna jest znajomość współczynnika rozszerzalności termicznej . Warto dodać, że w przypadku belki ze swobodą odkształceń doszłoby do swobodnego wygięcia belki, zatem naprężenia termiczne nie wystąpiłyby.

Wyznaczanie gradientu temperatury

Wyznaczenie gradientu temperatury nie jest prostym zadaniem. Najbardziej wiarygodną metodą byłby pomiar temperatur podczas pracy instalacji. Na etapie projektowym jest to oczywiście niemożliwe, chyba, że zostały takie dane zgromadzone z poprzednich realizacji. W przypadku braku danych z pomocą projektantom przychodzą zaawansowane analizy CFD (analizy przepływów). Analizy CFD umożliwiają określenie rozkładu temperatury samych spalin w całej objętości kanału oraz określenie rozkładu temperatury w konstrukcji kanału z uwzględnieniem izolacji termicznej. W ten sposób otrzymany wynik jest wykorzystywany jako obciążenie termiczne w modelu MES konstrukcji.

Podsumowanie

Projektując kanały spalinowe nie wystarczy znać jedynie temperaturę pracy instalacji. Kluczowe znaczenie ma sposób, w jaki temperatura rozkłada się w konstrukcji. Belki usztywniające konstrukcję powłokową kanału często pozostają istotnie chłodniejsze od samej blachy. W efekcie na skutek braku swobody odkształceń powstają w nich znaczne naprężenia zginające oraz naprężenia normlane od sił osiowych. Uwzględnienie tych naprężeń jest istotne z punktu widzenia nośności samych żeber, nośności połączeń oraz stateczności samej blachy płaszcza. 

W projektowaniu dużych kanałów spalinowych analiza gradientów temperatury powinna być traktowana jako standardowy element procesu obliczeniowego, podobnie jak analiza obciążeń wiatrem czy oddziaływań sejsmicznych.