Upload
others
View
10
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
OGRZEWNICTWO I CIEPŁOWNICTWO
sem. II CIEPŁOWNICTWO WYKŁAD
Sieci ciepłownicze. Projektowanie.
Obliczenia hydrauliczne
Studia niestacjonarne II stopnia Aktualizacja: 18-12-2010 r.
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
• PN-EN 13941:2006 Projektowanie i budowa
sieci ciepłowniczych z systemu
preizolowanych rur zespolonych • PN-EN 253:2005 Sieci ciepłownicze – System preizolowanych
zespolonych rur do wodnych sieci ciepłowniczych układanych
bezpośrednio w gruncie -Zespół rurowy ze stalowej rury
przewodowej, izolacji cieplnej z poliuretanu i płaszcza osłonowego z
polietylenu
• PN-EN 448:2005 Sieci ciepłownicze – System preizolowanych
zespolonych rur do wodnych sieci ciepłowniczych układanych
bezpośrednio w gruncie -Kształtki – zespoły ze stalowej rury
przewodowej, izolacji cieplnej z poliuretanu i płaszcza osłonowego z
polietylenu
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 / 2010 2
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
• PN-EN 488:2005 Sieci ciepłownicze – System
preizolowanych zespolonych rur do wodnych sieci
ciepłowniczych układanych bezpośrednio w gruncie -
Zespół armatury do stalowych rur przewodowych, z
izolacją cieplną z poliuretanu i płaszczem osłonowym z
polietylenu
• PN-EN 489:2005 Sieci ciepłownicze – System
preizolowanych zespolonych rur do wodnych sieci
ciepłowniczych układanych bezpośrednio w gruncie -
Zespół złącza stalowych rur przewodowych z izolacją
cieplną z poliuretanu i płaszczem osłonowym z
polietylenu Ogrzewnictwo i
ciepłownictwo 2 / 2010
3
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
• Norma PN-EN 13941:2006 wymienia cztery możliwe
ryzyka będące wynikiem uszkodzenia rurociągu
ciepłowniczego:
• Wyciek gorącej wody wskutek pęknięcia lub
nieszczelności rury, który może spowodować poparzenie,
zalanie, tworzenie się tuneli itp.,
• Uszkodzenie instalacji powodujące przerwę w dostawie
ciepła,
• Uszkodzenie instalacji stwarzające ryzyko
rozprzestrzenienia się uszkodzenia w systemie,
• Utrata ciągłości dostaw.
Ogrzewnictwo i
ciepłownictwo 2 / 2010
4
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
• Projektant jest zobowiązany do określenia
ryzyka związanego z projektowaniem sieci.
• Norma określa trzy klasy projektów A, B i C
uwzględniające poziom bezpieczeństwa
oraz stopień złożoności prac
wykonawczych, które są określone jako
wymagania dotyczące metod projektowania
i konstrukcji.
Ogrzewnictwo i
ciepłownictwo 2 / 2010
5
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
Projektowany ciepłociąg należy zakwalifikować do
jednej z klas na podstawie badań wstępnych i
oceny ryzyka wystąpienia awarii.
Projekt klasy A
• Rurociągi o małych lub średnich średnicach oraz
małych naprężeniach osiowych
• Rurociągi o małym ryzyku okaleczenia ludzi lub
spowodowania szkód w środowisku
• Rurociągi o małym ryzyku strat ekonomicznych
Ogrzewnictwo i
ciepłownictwo 2 / 2010
6
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
Projekt klasy B
• Duże naprężenia osiowe, rurociągi o
małych lub średnich średnicach
Projekt klasy C
• Duże średnice i/lub wysokie ciśnienie
• Podwyższone ryzyko okaleczenia ludzi lub
spowodowania szkód w środowisku
• Konstrukcje specjalne lub skomplikowane Ogrzewnictwo i
ciepłownictwo 2 / 2010
7
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
Dokumentacja projektowa powinna zawierać
1. Ogólne parametry eksploatacyjne
• Oczekiwana trwałość, ciśnienie i
temperatura obliczeniowa, liczba cykli
temperatury roboczej i ciśnienia oraz
czas ich trwania w okresie trwalości
użytkowej rurociągu
Ogrzewnictwo i
ciepłownictwo 2 / 2010
8
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
2. Dane dotyczące rurociągu
a. Dane dotyczące trasy rurociągu • Mapa projektowa trasy
• Profil wzdłużny
• Położenie rurociągu w stosunku do innych instalacji i
budowli
• Położenie pionowych i poziomych łuków, trójników,
zwężek, pkt stałych
• Informacja o robotach w zakresie kolizji i konstrukcji
specjalnych Ogrzewnictwo i
ciepłownictwo 2 / 2010
9
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
b. Dane dotyczące wymiarów rurociągów
• Średnica zewnętrzna, nominalna grubość
ścianki, naddatki na korozję wraz z
tolerancją
• Istotne dane dotyczące kształtek, w tym
promienie krzywizn
• Dane graniczących z rurociągiem budowli
i konstrukcji wpływających na rozkład sił
działających na rurę przewodową
Ogrzewnictwo i
ciepłownictwo 2 / 2010
10
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
c. Dane dotyczące materiałów
• Specyfikacja i certyfikaty
d. Informacja o technologii budowy
rurociągu
• Naprężenia wstępne, miejsce i metoda
ich wprowadzania
• Niewielkie odchylenia kątowe i
dopuszczalne promienie krzywizn
• Ciśnienie próbne i temperatura montażu Ogrzewnictwo i
ciepłownictwo 2 / 2010
11
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
e. Rysunki budowlane
• Naniesienie lokalizacji trasy sieci
Należy zagwarantować zapewnienie jakości
na każdym etapie budowy sieci.
Ogrzewnictwo i
ciepłownictwo 2 / 2010
12
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
Materiały do budowy sieci:
• Rury ze szwem wg PN EN 10217-2 lub
PN EN 10217-5
• Bez szwu PN EN 10216-2 o tolerancji
średnicy wg PN EN 253
• Armatura preizolowana powinna spełniać
wymagania PN EN 488
Ogrzewnictwo i
ciepłownictwo 2 / 2010
13
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
• Projektowanie metodą analizy uproszczonej
• Dla projektów klasy A i B – projekt i budowę
rurociągów można przeprowadzić na
podstawie dokumentacji ogólnej, pod
warunkiem, że jest ona zgodna z
wymaganiami niniejszej normy i spełnione
są wszystkie podstawowe wymagania
wynikające z warunków lokalnych
(ciśnienie, temperatura, wpływ ruchu
drogowego) Ogrzewnictwo i
ciepłownictwo 2 / 2010
14
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
• Wymagania w zakresie kontroli spoin w
zależności od klasy projektu:
Ogrzewnictwo i
ciepłownictwo 2 / 2010
15
Klasa projektu Spoiny obwodowe Spoiny niepoddane próbie
szczelności
A 5% 20%
B 10% 50%
C 20% 100%
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
Metody sprawdzania szczelności:
1. Próba szczelności powietrzem o
nadciśnieniu 0,2 bar lub podciśnieniu 0,65
bar – sprawdzenie za pomocą cieczy
kontrolnej
2. Wodą na ciśnienie 1,3 ciśnienia
obliczeniowego
3. Badania nieniszczące stali – 100% spoin
Ogrzewnictwo i
ciepłownictwo 2 / 2010
16
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
Etapy projektowania sieci ciepłowniczej
1. Ustalenie mocy cieplnej oraz rocznego
zapotrzebowania na ciepło na potrzeby
ogrzewania, c.w. i ciepła
technologicznego dla przyłączanego
obiektu
2. Wystąpienie do PE o warunki techniczne
przyłączenia do systemu ciepłowniczego
Ogrzewnictwo i
ciepłownictwo 2 / 2010
17
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
3. Obliczenie strumieni wody sieciowej dla
projektowanych odcinków sieci, dobór
średnic i wykonanie obliczeń
hydraulicznych
4. Wybór techniki montażu i wytyczenie
trasy sieci ciepłowniczej w terenie
5. Obliczenia wytrzymałościowe sieci,
sprawdzenie kompensacji, rozwiązania
kolizji sieci Ogrzewnictwo i
ciepłownictwo 2 / 2010
18
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
6. Opracowanie schematu alarmowego
7. Konstrukcje i rozwiązania specjalne, np.
przejście przez jezdnię, odwodnienia itp.
Ogrzewnictwo i
ciepłownictwo 2 / 2010
19
Zasady projektowania sieci
ciepłowniczych
Parametry robocze systemów ciepłowniczych
w Polsce
• Ciśnienie dopuszczalne Pdop=0,6 ... 1,6
MPa
• Temperatura T=90 ... 150 °C z
załamaniem w okresie lata T=70°C
• Regulacja jakościowo - ilościowa
Ogrzewnictwo i
ciepłownictwo 2 / 2010
20
21
Obliczenia hydrauliczne
• Sieci ciepłownicze wodne.
• Strata ciśnienia
• Wzór Darcy-Weisbacha
P P Z
P R l
l
l
Pl
d
vl
2
2Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
22
Obliczenia hydrauliczne
• Prędkość przepływu wody
vm
A
m
d
m
d
4127
2 2,
P lm
d
dm l
P
mP d
l
l
l
l
0 806
0 806
111
2
5
2
5
5
,
,
,
Pl
d
vl
2
2
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
23
Obliczenia hydrauliczne
Rm
d
dm
R
mR d
0 806
0 806
111
2
5
2
5
5
,
,
,
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
24
Obliczenia hydrauliczne
• Spadek ciśnienia na oporach miejscowych
Zv
Zm
d
2
2
4
2
0 806,
Zv l
d
v
ld
z
z
2 2
2 2
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
25
Obliczenia hydrauliczne
• Współczynnik oporu liniowego dla Re > 4000
obliczyć można ze wzoru Colebrooka-White’a
2}]72,3Re
51,2log{2[
k
k=0,2 do 2 mm
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
26
Obliczenia hydrauliczne
• Dobór średnic przewodów dla sieci
tranzytowych i magistralnych
1. W oparciu o Rek wyznaczony na podstawie
rachunku techniczno-ekonomicznego,
uwzględniającego nakłady inwestycyjne i
koszty eksploatacyjne.
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
27
Obliczenia hydrauliczne
R, [daPa/m] d, [mm] Rek
Emin
E [zł/m2] E
Koszty
eksploatacyjne
Koszty
inwestycyjne
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
28
Obliczenia hydrauliczne
• Dobór średnic przewodów dla sieci
tranzytowych i magistralnych
2. Opór jednostkowy w zakresie R=40 – 80 Pa/m
3. Prędkość przepływu w=2,0 – 3,0 m/s
• Dobór średnic dla sieci rozdzielczych
1. Opór jednostkowy R=80 – 160 Pa/m
2. Prędkość przepływu w=1,0 – 2,0 m/s
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
29
Obliczenia hydrauliczne
• Dobór średnic dla przyłączy
1. Opór jednostkowy R=< 300 Pa/m
2. Prędkość przepływu w=1,0 – 1,5 m/s
3. Minimalna średnica DN 40
4. Orientacyjny opór jednostkowy Ro [Pa/m]
l
PaR
PPPP
o
dpz
)1(
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
30
Obliczenia hydrauliczne
• Przy doborze średnic należy zwrócić
uwagę na stateczność hydrauliczną
źc
o
P
Pk
k >=0,5
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
31
Obliczenia hydrauliczne
OBLICZENIA HYDRAULICZNE WODNYCH SIECI CIEPŁOWNICZYCH
ZAŁOŻENIA:
1.CIŚNIENIE ZASILANIA W KOMORZE CIEPŁOWNICZEJ Pz= 670 kPa 68 mH2O
2.CIŚNIENIE W POWROCIE W KOMORZE CIEPŁOWNICZEJ Pp= 320 kPa 33 mH2O
3.TEMPERATURA ZASILANIA Tz= 130 °C
4.TEMPERATURA POWROTU Tp= 75 °C
5.ŚREDNIA TEMPERATURA WODY SIECIOWEJ Ts= 102,5 °C
6.GĘSTOŚĆ WODY SIECIOWEJ ro= 956,2 kg/m3
7.UDZIAŁ OPORÓW MIEJSCOWYCH a= 0,1
8.WYSOKOŚĆ PODNOSZENIA POMP W ŹRÓDLE CIEPŁA Pc= 1000 kPaOgrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
32
Obliczenia hydrauliczne N
r o
dc.
Prz
ep
ływ
Prz
ep
ływ
Śre
dn
ica
gru
b ś
c
Prę
dko
ść
Op
ór
jed
.
Dłu
go
ść L
Dł. z
ast.L
z
Dł. s
pr.
Ls
Sp
ad
ek c
iś.
Ca
łk. sp
ad
ek c
iś
Ca
łk. sp
ad
ek c
iś
Uw
ag
i
Sta
teczn
ość h
.
Mo
c c
iep
lna
kg/s m3/h mm mm m./s Pa/m. m. m. m. kPa kPa mH2O kW
K1-1 8,279 31,17 108,0 4 1,10 170,3 176 18 194 32,96 32,96 3,36 2000
1-w10 4,967 18,7 88,9 3,2 0,97 168,3 200 20 220 37,02 69,98 7,14 1200
0,53
CIŚNIENIE DYSPOZYCYJNE W WĘŹLE W10 Dp= 280 28,56
ODGAŁĘZIENIE
1-W11 3,312 12,47 76,1 2,9 0,89 173,3 120 12 132 22,87 22,87 2,33 800
K1-1 32,96 55,83 5,69
0,54
CIŚNIENIE DYSPOZYCYJNE W WĘŹLE W11 Dp= 294,2 30,01
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
33
Obliczenia hydrauliczne
WYKRES CIŚNIEŃ PIEZOMETRYCZNYCH DLA ODCINKA
K1-W10
670,0 653,5 635,0
320,0355,0336,5
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 176 200
DŁUGOŚĆ, M
CIŚ
NIE
NIE
, k
Pa
Pz
Pp
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
34
Obliczenia hydrauliczne
Dobór średnicy sieci
wg nomogramu
Średnica
przewodu [mm]
Przepływ wody
[kg/s, kg/h]
Prędkość
[m/s]
Opór jedn.
[Pa/m] Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
35
Analiza przepływów w sieciach
ciepłowniczych
• Opór hydrauliczny prostych odcinków rur
pl
dV
5 2
28
p S V 2
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
36
Analiza przepływów w sieciach
ciepłowniczych
• Rodzaje układów hydraulicznych
– Układ szeregowy
V V
V1,P1 V2,P2
1 2 Pc
p p pc 1 2Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
37
Analiza przepływów w sieciach
ciepłowniczych
P
V V
S1
S2 S=S1+S2
Graficzne odwzorowanie układu szeregowego
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
38
Analiza przepływów w sieciach
ciepłowniczych
• Matematyczny opis układu szeregowego.
• Opór odcinka 1
• Opór odcinka 2
2
11 VSp
2
22 VSp
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
39
Analiza przepływów w sieciach
ciepłowniczych
• Całkowity spadek ciśnienia wynosi
22
21
2
2
2
121c VSVSSVSVSppp )(
21 SSS
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
40
Analiza przepływów w sieciach
ciepłowniczych
• Układ równoległy
1. Spadki ciśnienia w połączonych ze sobą
równolegle odcinkach są takie same
2.Strumień wody wpływający i wypływający z
układu równoległego jest równy sumie
poszczególnych strumieni
p p1 2
V V Vc 1 2Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
41
Analiza przepływów w sieciach
ciepłowniczych
1
11
S
pV
2
22
S
pV
p p pc 1 2
21
21
111
SSS
S
p
S
p
S
p ccc
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
42
Analiza przepływów w sieciach
ciepłowniczych
iVV
n
1i
ipp
n
1i
iSS
n
1i
iVVipp
2n
1i iS
1
1S
n
1i
iAA
Rodzaj
połączenia
Strumień
Spadek
ciśnienia
Oporność
zastępcza
Przepustow
ość
zastępcza
szeregowe
równoległe
n
1i2
iA
1
1A
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
43
Analiza przepływów w sieciach
ciepłowniczych
• Dołączenie nowego odbiorcy do sieci ciepłowniczej
Założenia:
1.Stałe ciśnienie dyspozycyjne w źródle ciepła
– 2. Przepływy turbulentne w obszarze prawa kwadratów
– 3. Analiza prowadzona będzie w sposób jakościowy w
dwóch wariantach:
A - sieć bez urządzeń regulacyjnych
B - wszyscy odbiorcy wyposażeni w regulatory stałego
wydatku
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
44
Analiza przepływów w sieciach
ciepłowniczych
Sieć
Odbiorca
Dołączenie
odbiorcy
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
45
Analiza przepływów w sieciach
ciepłowniczych
Sieć
—
Odbiorca
—
—
Dołączenie
odbiorcy
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
46
Analiza przepływów w sieciach
ciepłowniczych
Wyłączenie odbiorcy
Sieć
Odbiorca
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
47
Analiza przepływów w sieciach
ciepłowniczych
Sieć
—
Odbiorca
—
—
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
48
Analiza przepływów w sieciach
ciepłowniczych Dławienie przepływu zaworem na sieci ciepłowniczej
Sieć
Odbiorca
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
49
Analiza przepływów w sieciach
ciepłowniczych
Sieć
Odbiorca
Dławienie
na przewodzie
powrotnym
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
50
Sieci pierścieniowe - obliczanie
Założona granica podziału
Schemat sieci ciepłowniczej.
Praca pomp obiegowych w dwóch źródłach ciepła na wspólną sieć.
H
1=
130 m
H2O
H2=100 mH2O
s1 s2 s3 s4
O1 O2 O3
V1=Vo1+0,5*Vo2V2=0,5*Vo2 V3=0,5*Vo2 V4=Vo3+0,5*Vo2
Dla każdego węzła
0Vn
1i
i
K
1j
i 0P
K
1j
i 0P
K
1j
i 0P
K
1j
i 0P+
-
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
51
Wykres ciśnień piezometrycznych dla sieci
pierścieniowych
Współpraca pomp obiegowych o różnej wysokości podnoszenia
0
20
40
60
80
100
120
140
1 2 3 4 5
Pz
Pp
Analiza sieci
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
Sieci ciepłownicze.
Projektowanie.
Obliczenia wytrzymałościowe.
1. Projektowanie sieci układanych w kanałach i
napowietrznie.
2. Projektowanie sieci preizolowanych.
53
Sieci cieplne układane w kanałach i
napowietrznie
• Siły działające na rurociąg sieci
ciepłowniczej
1. Siła od ciśnienia wewnątrz rurociągu
FD
ppw
r
2
4 N
Dw- [m], pr- [Pa]
pr
pr
pr pr
PS PS
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
54
Sieci cieplne układane w kanałach i
napowietrznie
2. Siła tarcia na podporach ruchomych
F q L 9 8, N
q – masa rurociągu z nośnikiem ciepła i izolacją, [kg/m] L – długość rurociągu, [m] – współczynnik tarcia
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
55
Sieci cieplne układane w kanałach i
napowietrznie
• 3. Siła tarcia w wydłużkach dławicowych
F p Dr t d 9 8, b Ns
- współczynnik zależny od średnicy rurociągu : <=500 =2,0; dla >500 mm =1,75 pr - ciśnienie robocze , Pa Dt - średnica zewnętrzna tulei wydłużki, m d - współczynnik tarcia szczeliwa po stali, bs - obliczeniowa długość szczeliwa wypełniającego dławik
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
56
Sieci cieplne układane w kanałach i
napowietrznie
4. Siła od wydłużki sprężystej U-kształtowej
Fl E J
Jk
d
xo
N
ld - dopuszczalne wydłużenie odcinka kompensowanego przy osiągnięciu dopuszczalnych naprężeń na zginanie, m E - moduł sprężystości przy rozciąganiu, Pa J - moment bezwładności przekroju rury, m4 Jxo - moment bezwładności względem linii osiowej rury w odniesieniu do osi X0, m
3
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
57
Sieci cieplne układane w kanałach i
napowietrznie
• Dopuszczalne wydłużenie odcinka
kompensowanego ld oblicza się ze wzoru:
lJ
H y m E dd
d xo
o
( ) m
d - dopuszczalne naprężenia zginające, Pa H - ramię wydłużki przy dopuszczalnym wydłużeniu, m y0 - odległość środka ciężkości wydłużki, m m - współczynnik uwzględniający zwiększenie naprężeń
zginających na skutek zmiany poprzecznego przekroju rury przy zginaniu, który zbliża się do kształtu owalnego.
D - średnica rury, m
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
58
Sieci cieplne układane w kanałach i
napowietrznie
• Podpory ruchome. Odległości.
L
0,2L
Mmax
0,5 Mmax
Siły pionowe od
masy rurociągu
Siły poziome
parcie wiatru
12
2
maxlq
M
Maksymalny moment gnący
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
59
• Moment gnący w środku przęsła
24
2lqM
Sumaryczne obciążenie jednostkowe
izncrpion
pozpion
qqqq
qqq
22
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
60
• Parcie wiatru
zizp
apoz Dw
ckq
2
2
Dla h 10 m k=m
Dla h > 10 m nhmk )1,0(
Teren otwarty m=1 n=0,32
Las, miasto o zabudowie do 30 m m=0,65 n=0,44
Miasto o zabudowie powyżej 30 m m=0,3 n=0,66
Ca1,4
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
61
• Maksymalne naprężenia w ściance rury
W
lq
W
M
12
2max
max
W – wskaźnik wytrzymałości przekroju ścianki rury, m3
Maksymalna odległość między podporami
q
Wl
dop
12max
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
62
• Współczynnik korygujący dla odległości
maksymalnej
1,0 0,87 1,0 0,87
0,67
0,87
1,0
maxlkl
maxlkl
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
63
• Obciążenie podpór ruchomych
• Siła tarcia pozioma
l1 l2
Ppion
2
21 llqP pionpion
pionpoz PP
Obciążenia poziome mogą działać w kierunku osiowym i bocznym. Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
64
Wartości współczynnika tarcia dla podpór ruchomych
Rodzaj podpory osiowe boczne
Ślizgowe 0,3 0,3
Rolkowe 0,1 0,3
Kulowe 0,1 0,1
Wieszakowe 0,1 0,1
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
65
Sieci cieplne z rur preizolowanych
• ZASADY PROJEKTOWANIA SIECI CIEPŁOWNICZYCH Z RUR
PREIZOLOWANYCH
Rura
stalowa Izolacja z pianki
poliuretanowej
System
alarmowy
Płaszcz
osłonowy z
HDPE
Norma PN EN 253
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
66
• System rur preizolowanych jest systemem zespolonym, w którym wydłużenia rury stalowej w wyniku wydłużeń termicznych, przenoszone są poprzez piankę na zewnętrzny płaszcz osłonowy PE, powodując przemieszczanie się całej rury preizolowanej w otaczającym gruncie.
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
67
Podstawy projektowania
Q
Rura ogrzewana
Swobodne wydłużenie
Naprężenia 0
L
L L
Q
L Rura ogrzewana
Brak swobodnego
wydłużenia L=0
Naprężenia 0
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
68
Podstawy projektowania
L
Rura preizolowana w gruncie
Siła tarcia
Siła od wydłużeń
termicznych
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
69
Podstawy projektowania
• Wydłużenia podziemnej preizolowanej sieci cieplnej są mniejsze niż wydłużenia termiczne w tradycyjnych sieciach kanałowych czy napowietrznych, mających możliwość swobodnych wydłużeń.
• Skutkiem ograniczenia przez grunt swobodnego wydłużania się, w rurze stalowej powstają naprężenia osiowe.
• Możliwość absorpcji naprężeń osiowych jest podstawą funkcjonowania systemu zespolonego.
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
70
Podstawy projektowania
Żródło: Podręcznik ciepłownictwa – system rur preizolowanych EDHPMA 1998
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
71
Podstawy projektowania
Żródło: Podręcznik ciepłownictwa – system rur preizolowanych EDHPMA 1998
UPS
RPS
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
72
Podstawy projektowania
• Podstawy projektowania opracowano
przy założeniach:
1. Max ciśnienie robocze 1,6 Mpa
2. Max temperatura ciągła nośnika ciepła 130
°C
3. Regulacja jakościowa
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
74
• Naprężenia w ściance rury spowodowane
ciśnieniem wewnętrznym
Naprężenia osiowe
ef
za
g
dp
4
Naprężenia obwodowe
ef
zt
g
dp
2
[MPa]
[MPa]
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
75
• Naprężenia w ściance rury wywołane
wydłużeniem termicznym
– Naprężenia osiowe
Ettha [MPa]
- współczynnik wydłużalności termicznej dla stali =12 106 1/K
t -maksymalna różnica temperatur w odniesieniu do temperatury
montażu
- moduł Younga E=2,06 105 (dla stali niskowęglowych) Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
76
• Naprężenia zredukowane
• Do obliczeń przyjmujemy naprężenia zredukowane
odpowiadające max bezwzględnej wartości z
pośród następujących naprężeń:
)()( 22
zz
athat
athatzr
[MPa]
z – współczynnik dla spawów wykonywanych w terenie
|}||;||;||;max{| zrathaathat Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
77
• Wartości zalecane dla współczynnika
spawania z w zależności od ilości spawów
poddawanych sprawdzeniu
10%-100% z=1
<10% z=0,9
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
78
• Kryterium bezpieczeństwa
• Dla rurociągów preizolowanych naprężenia
dopuszczalne przyjmuje się:
zrdop
MPa 150dop
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
79
• Kompensacja wydłużeń termicznych
• Naprężenia w rurociągu (wg prawa Hooke’a)
E
E -moduł sprężystości liniowej materiału rury E=2 105 MPa
- wydłużenie względne przewodu
l
l
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
80
• Wydłużenie przewodu o długości l przy
podgrzaniu o t
ltl
tStąd
ttE 52,2 MPa
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
81
• Siła od wydłużenia termicznego
AtAP 52,2
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
82
• Siła tarcia i długości instalacyjne
2
1 ozpłL
KDHgF
- współczynnik tarcia 0,2-0,6 – gęstość gruntu [kg/m3] H – zagłębienie [m] Dzpł- średnica zew. płaszcza [m] Ko- współczynnik parcia gruntu
[N/m] Siła tarcia na
jednostkę długości
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
83
• Przyjmując dla zagłębienia H=1m
0,4, 1500 kg/m3, Ko=0,5 i g=9,81 m/s2
zpłL DF 0045,0 [N/m]
Dla zagłębienia H
10045,0
HDF zpłL [N/m]
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
84
• Maksymalna dopuszczalna długość
instalacyjna
• Lmax – długość rurociągu przemieszczająca
się pod wpływem ogrzewania (chłodzenia)
i poddana tarciu gruntu
L
dop
F
AL
max
[m]
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
85
l [m]
max=2,52tmax
dop=2,52t60°C 150 MPa
300 Mpa
tmax=120°C
Lmax=L60 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
86
• Wydłużenie rurociągu zakopanego w ziemi
wyraża się zależnością
l l l lt tr p
Można
pominąć
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
Projektowanie sieci ciepłowniczych
preizolowanych
W celu poprawy konkurencyjności sektora ciepłowniczego
poprzez obniżenie nakładów inwestycyjnych na budowę sieci
ciepłowniczych, konieczne staje się dokładniejsze poznanie
granic wytrzymałościowych sieci oraz współczynników
bezpieczeństwa (M) dla stosowanych materiałów.
Należy zwrócić większą uwagę na zagadnienia wpływające na
funkcjonowanie sieci. W złożonych przypadkach gwarancją
prawidłowego zaprojektowania układu sieci powinno być
sprawdzenie obliczeń za pomocą programów komputerowych.
Aktualizacja: 2011-01-08 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 87
Techniki układania rur. Podział
Aktualizacja: 2011-01-08 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 88
Układanie sieci ciepłowniczej preizolowanej
Na zimno Z podgrzewem wstępnym
Metoda samokompensacji
Metoda montażu zimnego
Metoda montażu zimnego z
ograniczeniem temp do 85°C
Bez kompensatorów
Z kompensatorami
Techniki układania rur.
Układanie na zimno
Aktualizacja: 2011-01-08 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 89
Technika Korzyści Wady
Sieci niskoparametrowe
Tz 85 °C
Niewielkie naprężenia
Wykop zasypujemy po ułożeniu
Ograniczona temperatura
zasilania
Samokompensacji Naprężenia nie przekraczające
naprężeń dop. 150 Mpa
Wykop zasypujemy po ułożeniu
Ograniczenia dla odcinków
prostych
Konieczność stosowania
kompensacji L, Z, U
Montażu zimnego Ograniczona liczba wymaganych
elementów kompensacyjnych
Wykop zasypujemy po ułożeniu
Naprężenia na granicy
plastyczności materiału
Możliwość wyboczenia
rurociągu
Specjalne wymagania np.
odnośnie odgałęzień
Techniki układania rur.
Z podgrzewem wstępnym
Aktualizacja: 2011-01-08 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 90
Technika Korzyści Wady
Podgrzew wstępny Naprężenia nie przekraczające
naprężeń dopuszczalnych
Małe wydłużenia osiowe
Krótsze ramiona kompensacyjne
Wykop musi pozostać
niezasypany do zakończenia
podgrzewu
Konieczność stosowania
źródeł ciepła do podgrzania
rurociągu
Podgrzew wstępny z
zastosowaniem
kompensatorów
Ograniczenie ramion
kompensacyjnych
Wykop może być zasypany za
wyjątkiem miejsc z
kompensatorami
Wykop w miejscach zabudowy
kompensatorów musi
pozostać niezasypany do
zakończenia podgrzewu
Techniki układania rur. Układanie na zimno.
Układanie na zimno z ograniczeniem temperatury
Tz85 °C
Aktualizacja: 2011-01-08 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 91
x
dop
L
Lmax Lx
AGFW FW 401
Techniki układania rur. Układanie na zimno.
Dla rury stalowej ze stali St 37.0 i temperatury
Tz=85°C współczynnik bezpieczeństwa M=1,1
Aktualizacja: 2011-01-08 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 92
Temperatura 85 °C
Moduł sprężystości E 207,9 MPa
Współczynnik 1,24 10-5 1/K
Granica plastyczności Re 216,5 MPa
Współczynnik bezp. M 1,1
Naprężenia dop. dop 195 MPa
Techniki układania rur. Układanie na zimno.
Naprężenia dopuszczalne obliczone przy współ.
bezp. M= 1,1
Naprężenia od wydłużeń termicznych dla
T=75°C
Aktualizacja: 2011-01-08 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 93
Techniki układania rur. Układanie na zimno.
Aktualizacja: 2011-01-08 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 94
Techniki układania rur. Układanie na zimno.
Aktualizacja: 2011-01-08 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 95
L > Lmax
Odcinek zahamowany przez tarcie
th < dop
195 MPa
Strefa poślizgu Strefa poślizgu
UPS UPS
Techniki układania rur. Układanie na zimno.
Montaż na zimno.
Brak ograniczeń na długość odcinków prostych
Naprężenia są bliskie granicy plastyczności i
osiągają wartość =300 MPa dla temperatury
Tz=130 °C dla stali St 37.0
Max średnica dla rur ze stali St37.0 – dn300
Dla większych średnic i wyższych temperatur
(131…155°C) stosować rury o lepszej jakości ze stali
St52.0 Aktualizacja: 2011-01-08 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 96
Techniki układania rur. Układanie na zimno.
Montaż na zimno.
Zasady jakie należy przestrzegać przy układaniu rur
metodą montażu zimnego:
1. Wymagane jest stosowanie elementów
kompensacyjnych i bezwzględnie poduszek
kompensacyjnch, ze względu na 3..4 krotnie
większe wydłużenia termiczne
2. Wymagane są naprężenia wstępne w rurociągu
(naciąg mechaniczny lub termiczny)
Aktualizacja: 2011-01-08 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 97
Techniki układania rur. Układanie na zimno.
Montaż na zimno.
3. Wymagane jest stosowanie specjalnych trójników
(T) wg DIN 2615 lub kołnierzy wzmacniających w
miejscach odgałęzienia
4. Wymagane jest specjalne wymiarowanie redukcji
rurociągów
5. Wymagane jest przeliczenie każdego przyłącza do
sieci inne dla strefy zahamowania i inne dla strefy
poślizgu- możliwe są sytuacje, że odgałęzienie nie
będzie mogło być wykonane Aktualizacja: 2011-01-08 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 98
Techniki układania rur. Układanie na zimno.
Montaż na zimno.
6. Wymagana jest stała kontrola jakości podłoża, na
którym układana jest sieć
7. Zagłębienie rurociągów musi być określone w
dokumentacji projektowej, a każda zmiana wymaga
sprawdzenia
8. Nie stosuje się rzeczywistych punktów stałych ze
względu na bardzo duże siły
Aktualizacja: 2011-01-08 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 99
Techniki układania rur. Układanie na zimno.
Montaż na zimno.
9. Należy stosować mufy o podwyższonej
wytrzymałości
10. Niedopuszczalne jest ukosowanie rurociągów,
dopuszczalne odchylenia nie powinny przekraczać
0,25°
11. Należy zwracać uwagę na równoległe układanie
sieci preizolwanych z inną infrastrukturą (także
drzewami), aby nie nastąpiło wyboczenie rurociągu
wskutek destabilizacji gruntu Aktualizacja: 2011-01-08 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 100
Techniki układania rur. Układanie na zimno.
Montaż na zimno.
12. Układanie równoległe innych sieci musi być
realizowane z najwyższą starannością, aby nie
doprowadzić do destabilizacji gruntu i wyboczenia
bądź pęknięcia rurociągu (szczególnie podczas jego
odkopywania w miejscach największych naprężeń).
Aktualizacja: 2011-01-08 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 101
102
Techniki układania rur. Układanie na zimno.
Metoda samokompensacji.
• Metoda samokompensacji L60
Rurociąg zimny t=tm 0 MPa
L60 l60=lt-lF
Podgrzanie rurociągu o t=60 °C
od temp. montażu tm=10°C do t=70°C
=2,52t=-150 MPa =-150 MPa
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
103
Techniki układania rur. Układanie na zimno.
Metoda samokompensacji.
• Dalsze podgrzanie o t =60°C do temp.
t=130°C
L60 lpier=lt=120-tF=3l60
Podgrzanie rurociągu o dalsze t=60 °C
od temp. t=70°C do t=130°C
Redukcja wydłużenia od siły tarcia
nie występuje, jest stała i zależy tylko
od długości L.
=-150 MPa
l60-120=lt=60 Wydłużenia swobodne, zależne
tylko od t
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
104
Techniki układania rur. Układanie na zimno.
Metoda samokompensacji.
• Chłodzenie rurociągu od t=130°C do
t=70°C L60
=-150 MPa t=130°C
=+75 MPa t=70°C
L60
3t60
l=lt-lF
L60
=+150 MPa t=10°C
lwtórne=lt=120-2lF
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
105
Techniki układania rur. Układanie na zimno.
Metoda samokompensacji.
• Kolejne cykle grzania i chłodzenia
=+150 MPa
=-150 MPa
1. Rurociąg zimny t=tm=10°C
+150 MPa l=0
2. Rurociąg podgrzany o t=60°C
0 MPa l=l60
3. Rurociąg podgrzany o t=60°C
-150 MPa l70-130=l60
Całkowite wydłużenie rurociągu podczas kolejnych cykli
602 llwtórne Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
106
Techniki układania rur. Podgrzew wstępny
bez kompensatorów.
• Podgrzew wstepny
– Dla odcinków sieci o długości L>2L60
• Polega na podgrzaniu nie zasypanego rurociągu do temperatury
1. Rurociąg nie zasypany t=tm=10°C 0 MPa
2. Po podgrzaniu do t=70°C 0 MPa (brak sił tarcia, swobodne wydłużenie rurociągu)
2/)( mrp ttt
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
107
Techniki układania rur. Podgrzew wstępny
bez kompensatorów.
3. Po zasypaniu rurociągu i ochłodzeniu
cofa się on na odcinku L60, na pozostałej
długości rurociąg jest zamknięty przez
tarcie (nie przemieszcza się), a
naprężenia zmieniają się wraz z
temperaturą. l60
l60
+150MPa
t=10°C
-150MPa
t=130°C Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
Techniki układania rur. Podgrzew wstępny
bez kompensatorów.
• Podgrzanie rurociągu może być
zrealizowanie za pomocą:
1. Wody sieciowej po dołączeniu odcinka
układanego do sieci (długi czas
nagrzewania)
2. Parą wodną – o podciśnieniu 0,4 bar
wywołanym pompą próżniową –
temperatura wrzenia wody 75 °C (krótkie
czasy nagrzewania)
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
108
Techniki układania rur. Podgrzew wstępny
bez kompensatorów.
3. Prądem elektrycznym – tylko rurociągi o
jednakowych średnicach
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
109
110
Techniki układania rur. Podgrzew wstępny z
kompensatorami.
• Układ kompensacji z kompensatorami
mieszkowymi – kompensacja E
• Montaż zimny
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
111
Techniki układania rur.
• Rodzaje kompensacji typu „L”, „Z” i „U”
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
112
Techniki układania rur.
• Wyznaczenie punktów stałych na sieci
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
113
Techniki układania rur.
• Zastosowanie poduszek kompensacyjnych
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
114
Techniki układania rur.
• Zastosowanie poduszek kompensacyjnych
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
115
Techniki układania rur.
• Rozwiązania sieci-załamanie pod kątem
45-60°
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
116
Techniki układania rur.
• Załamania trasy sieci ciepłowniczej
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
Techniki układania rur.
• Gięcie rurociągów
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
117
118
Techniki układania rur.
• Odgałęzienia – strefy kompensacji
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010
119
Techniki układania rur.
• Sposoby projektowania odgałęzień
Ogrzewnictwo i ciepłownictwo 2 /
2010