Tepelné ztráty VÝPOČET TEPELNÉ IZOLACE A TEPELNÝCH ZTRÁT

Transkript

1 Tepelné ztráty VÝPOČET TEPELNÉ IZOLACE A TEPELNÝCH ZTRÁT Tepelné ztráty zde dosahují průmětně 5 až 7 % přeneseného množství tepla během provozního období za rok Při postupném zapojování spotřebičů nebo při jinak sníženém zatížení sítě jejich podíl dále stoupá 15% U vnitřních (sekundárních) rozvodů v budovách se při jejich projekci obyčejně uvažuje paušálně s přirážkou 10% tepelného výkonu na ztráty rozvodu. Ztráty vnitřního rozvodu nepředstavují zvýšený nárok na dodávku tepla z předávací spotřebitelské stanice pro daný objekt. Hlavní pozornost je třeba věnovat omezení tepelných ztrát v primárním rozvodů - jde o teplo skutečně bezprostředně ztracené do okolí. Tepelná izolace rozvodů optimální tloušťka tepelné izolace je dána únosnou velikostí tepelných ztrát pro daný průměr potrubí odpovídá minimu křivky součtových nákladů. V tepelných sítích se používají tyto tepelně izolační hmoty vláknité materiály porézní látky látky sypké Kvalitu tepelně izolačního materiálu určuje součinitel tepelné vodivosti λ [W/mK] hustota (objemová hmotnost) ρ [kg/m 3 ] Vláknité materiály mají tepelnou vodivost λ 0,06 až 0,1 W/mK tepelná vodivost roste s objemovou hmotností s teplotou Objemová hmotnost ρ mívá hodnoty 100 až 200 kg/m 3. Do tepelných výpočtů je užívá provozní hodnota tepelné vodivosti λ 0,095 W/mK. Mezi tento typ izolací patří skleněná vlna - snáší teploty do 350 C čedičová vlna - až do 700 C minerální vlna - do 600 C (nehodí se pro vlhké prostředí). Vláknité izolace v provedení rohoží se montují do konstrukce z páskového a kruhového železa potažené rabicovým pletivem Povrch izolace je kryt plechovou bandáží Sypké materiály expandovaný hydrofobizovaný perlit (zrnka perlitu, jejichž povrch je nasycen vodu odpuzující látkou) tepelná vodivost je 0,08 až 0,105 W/mK investiční náklady na síť uloženou v hydrofobním zásypu jsou proti klasickému kanálovému provedení značně menší vyžadují však vybetonování dna výkopu provedení drenáže dnes se nepoužívá Porézní materiály dříve se používal pěnobeton, dnes ekostyren podle vlhkosti a objemové hmotnosti bývá jeho tepelná vodivost λ = (0,07 až 0,15 ) W/mK, za nepříznivých podmínek i více je silně navlhavý, a proto je třeba ho chránit před vlhkostí. izolace z pěněného polyuretanu mají střední tepelnou vodivost λ = 0,03 W/mK snášejí teploty media do 130 C s vnější ochrannou vrstvou je lze používat v bezkanálovém provedení 1

2 Předizolované potrubí Určené pro ukládání přímo do země Součástí systém na lokalizaci netěsností Různá provedení Sdružený systém s ocelovou teplonosnou trubkou Kluzný systém s ocelovou teplonosnou trubkou Flexibilní systém s teplonosnou trubkou z oceli Flexibilní systém s teplonosnou trubkou z PEX (síťovaný polyetylén) Flexibilní systém s teplonosnou trubkou z mědi Flexibilní systém s teplonosnou trubkou z hliníku a PEX Předizolované potrubí Předizolované potrubí pro TUV Předizolované vakuované potrubí Výpočet teplených ztrát při různých způsobech uložení potrubí Výpočty se provádějí pro ustálený stav teplot Používá se výrazů odvozených dle principů sdílení tepla. Obvykle se jedná o kombinaci sdílení tepla vedením (kondukcí) prouděním (konvekcí), v některých případech se na vnějším povrchu uvažuje též sálání (radiace). Kombinovaný případ sdílení tepla u válcové trubky je souhrnně popsán součinitelem prostupu tepla k [W/mK] vztaženým k 1 m délky Měrná tepelná ztráta 1 m potrubí bude V praxi je však lepší pracovat s tepelnými odpory R [mk/w] vyjádřenými pro jednotlivé mechanismy sdílení tepla, protože tyto odpory lze algebraicky sčítat 2

3 Izolované potrubí uložené nad zemí Průběh teplot ve stěně izolované trubky Celkový tepelný odpor se skládá ze složek po zanedbání R 1 a R 2 Součinitel přestupu tepla z vnějšího povrchu do okolí volnou konvekci v klidném vzduchu při volném obtékání vzduchem do w < 1 m/s při nuceném obtékání rychlostí w > 1 m/s a pro d 2 > 0,3 m Teoretické řešení tepelných ztrát je dosti obtížné Lze řešit metodou skládání teplotních polí Podmínky řešení v tělese jsou soustředěny zdroje a odběry tepla, které lze popsat lineárními diferenciálními rovnicemi okrajové podmínky sdílení tepla jsou též lineární pak jsou jednotlivá teplotní pole vytvořená zdroji a odběry vzájemně nezávislá Výsledné teplotní pole je sumou jednotlivých polí. Podstata řešení : do výpočtu se zavedou fiktivní zdroje a odběry tepla řeší se sdílení tepla mezi nimi Výpočet dle metodických pokynů FinTherm Tepelnou ztrátu dálkového vytápění přívodního a vratného potrubí lze spočítat podle vzorce: Při výpočtu tepelných ztrát je nutné brát v úvahu: hloubku uložení, vzdálenost mezi trubkami, teplotu přívodního a vratného potrubí izolační vlastnosti pěny, teplonosné trubky, plášťové trubky a zeminy kde Λ - tepelná vodivost přívodního a vratného potrubí v zemině [W m -1 K -1 ], t p - teplota přívodního potrubí [ C], t v - teplota vratného potrubí [ C], t z - teplota zeminy [ C]. 3

4 Tepelná vodivost přívodního a vratného potrubí v zemině tepelný odpor přívodního a vratného potrubí tepelný odpor zeminy převrácená hodnota součtu tepelného odporu potrubí R p odpor teplotní výměny mezi přívodním a vratným potrubím tepelného odporu zeminy R z odporu při přestupu tepla mezi přívodním a vratným potrubím R t kde d / d i vnější/vnitřní průměr nosné trubky [m] D / D i vnější/vnitřní průměr PE plášťové trubky [m] H - krycí výška zeminy od osy potrubí [m] a - vzdálenost mezi svislými osami potrubí [m] λ n - součinitel tepelné vodivosti nosné trubky (pro nízkouhlíkovou ocel je λ n = 53 W m -1 K-1 ), λ PUR - součinitel tepelné vodivosti polyuretanové izolace (při teplotě 50 C je λ PUR = 0,03 W m -1 K-1 ), λ PE - součinitel tepelné vodivosti polyetylénové plášťové trubky (λ PE = 0,43 W m -1 K-1 ), λ z - součinitel tepelné vodivosti zeminy pro suchý písek λ z = 1,5 W m -1 K-1, pro vlhkou zeminu je λ z = 2,5 W m-1 K-1 hodnota 0,0685 m 2 K W-1 = konstanta zachytující přechodový odpor zemského povrchu do vzduchu Potrubí uložené v podzemním kanálu Přesné řešení těchto případů je nemožné vzhledem k měnícím se teplotám pracovní látky potrubí, proměnlivé teplotě zeminy a vzduchu v kanálu k proměnlivému vlivu sdílení tepla konvekcí a sáláním z povrchu izolace. Za obvyklých poměrů vychází hodnota součinitele přestupu tepla konvekcí okolo 2,5 W/m 2 K. U kanálového uložení převažuje při odvodu tepla z povrchu izolace do vzduchu přestup tepla sáláním. Potrubí uložené v podzemním kanálu součinitel α s získat výpočtem ze Stefan-Boltzmannova zákona předpoklady řešení známe teplotu vzduchu v kanálu t 2 teplota povrchu kanálu je stejná, jako teplota vzduchu Součinitel vzájemné sálavosti povrchu izolace a povrchu kanálu c 1,2 Potrubí uložené v podzemním kanálu Postup při určování tepelné ztráty potrubí by mohl být tento : zvolíme teplotu vzduchu v kanálu t 2 zvolíme teplotu vzduchu povrchu izolace t 2, která může být t 2 t 2 + (5 10) K určíme α k a α s, výsledný součinitel přestupu tepla je dán jejich součtem tepelný odpor při přestupu tepla z trubky do vzduchu je přibližně měrná tepelná ztráta na 1 m délky c 1 [W/m 2 K 4 ] je součinitel sálavosti povrchu izolace c 2 [W/m 2 K 4 ] je součinitel sálavosti kanálu. 4

5 Potrubí uložené v podzemním kanálu Nyní lze původní volbu teplot t 2 a t 2 kontrolovat, např teplo, které projde na povrch izolace = teplo přešlé z povrchu izolace do vzduchu Vezmeme-li jednu zvolenou hodnotu jako pevnou, např. t 2, lze z rovnice vyjádřit t 2 a porovnat s volbou. Po opravě teplot se vyjádří opravená měrná tepelná ztráta. Ke kontrole je vhodné použít dále úvahy, že teplo sdělené do kanálu je odváděno kanálem jako celkem do země a dále do ovzduší Stárnutí izolace Zhoršení vlastností izolace v provozu vlivem provozních podmínek: degradace vlastností, provozní teplota, vlhkost nedodržení rozměrů a technologických předpisů pro zhotovení izolační vrstvy stlačení izolace tepelných mostů kovové rozpěrky, podpěry, závěsy Zvýšení deklarované hodnoty tepelné vodivosti uváděné výrobcem λ skut = (1,15 až 1,50) λ Pevnostní výpočet tepelné sítě PEVNOSTNÍ VÝPOČTY V TEPELNÝCH SÍTÍCH provádí se za účelem dimenzování tloušťky stěny potrubí s ohledem na působení primárního namáhání od vnitřního přetlaku za účelem zjištění sekundárního namáhaní např. od průhybu nebo v důsledku tepelných dilatací - je důležité z hlediska návrhu uložení dimenzování kompenzáturů. Namáhání materiálu trubek je způsobeno namáhání účinkem vnitřního přetlaku tepelná roztažnost materiálu trubek vlastní tíha potrubí, jeho náplně a tepelné izolace namáhání od zátěže osamělými břemeny, armaturami apod. u venkovních potrubí případné namáhání aerodynamickými účinky větru, eventuelně spojité zatíženi od vrstvy sněhu dynamické tlakové nebo teplotní jevy. Dimenzování tloušťky stěny potrubí namáhaného vnitřním přetlakem postup je normalizován je třeba respektovat vliv vyšší teploty stěny na zhoršení pevnostních vlastností materiálu jmenovitá tloušťka stěny potrubí s namáhaného vnitřním přetlakem nesmí být menší než stanoví vzorec Tepelná roztažnost je příčinou tepelných dilatací a nepříznivých namáhání v tepelných sítích je základní fyzikální konstantou látky, získáváme ji experimentálně Délkový součinitel tepelné roztažnosti je obecně definován v elementárním tvaru takto : p [MPa] výpočtový přetlak, D [mm] vnější průměr trubky, σ D [MPa] dovolené napětí při výpočtové teplotě stěny trubky, ϕ [-] výpočtový součinitel pevnosti respektující zeslabení stěny otvory a podélnými svary c [-] celkový přídavek k výpočtové tloušťce stěny, který se skládá z přídavku na výrobní nepřesnosti, technologické zpracování a korozi. kde l [m] je délka sledovaného úseku měřená při teplotě t, jež se mění o elementární hodnotu dt. Součinitel tepelné roztažnosti při konečném rozdílu teplot t bude : kde l 1 je původní délka úseku měřená při původní teplotě t 1 Takto zjištěný součinitel tepelné roztažnosti je středním součinitelem v příslušném intervalu teplot t 2 - t 1. 5

6 Měrné prodloužení některých materiálů Tepelná roztažnost Relativní změna délky = měrné prodloužení e závisí na teplotě grafická závislost e - t (pro určitý materiál) = tzv. křivka tepelné roztažnosti sklon této křivky v každém bodě udává příslušnou hodnotu součinitele roztažnosti α při dané teplotě Pro běžné druhy uhlíkové oceli (např ) se uvádí závislost: Hodnota středního součinitele délkové roztažnosti v rozmezí teplo 0 až t bude Pro tepelné sítě do 250 C bereme s jistou bezpečností konstantní hodnotu součinitele v celém rozsahu teplot α = [K -1 ]. Součástí každé tepelné sítě jsou kompenzátory, které díky své elesticitě dokáží zachytit a vykompenzovat délkové změny potrubí vyvolané tepelnou roztažností materiálu KOMPENZÁTORY všechny uměle vmontované rovinné útvary potrubí, které zvětšují jeho elastickou délku ohybové kompenzátory - dilatace se kompenzuje díky jejich deformaci a zvyšování energie napjatosti od ohybu kompenzátory osové. Každý kompenzátor je charakterizován kompenzační schopností l x [m] - udává maximální přípustnou deformaci kompenzátoru, odporem kompenzátoru F k [N] = síla, která působí v ose potrubí a vyvolává v něm tlakové namáhání svými rozměry a jmenovitými provozními parametry. Ohybové kompenzátory dále se rozlišují podle tvaru typ U, lyrové - zvýšená pružnost (asi o 10 %) oproti kompenzátoru U o stejných hlavních rozměrech nevyvažuje zvýšené výrobní náklady S - je náročný na prostor a stavební úpravy;. Pro použití v tepelných sítích je tedy z tohoto typu kompenzátorů nejvhodnější tvar U. lze sem také zahrnout útvary přirozené kompenzace v rovinných systémech - L, Z, P atd, přestože tyto úseky tepelných sítí nelze zařadit pod pojem kompenzátory. Ohybové kompenzátory Ohybové kompenzátory tvaru U Vyrábějí se ohýbáním za tepla z rovné trubky kompenzátor musí mít po obou stranách osové vedení - nebezpečí vybočení 6

7 Výhoda Osové kompenzátory jsou méně náročné na prostor i projekční výpočty; Nevýhody jsou výrobně složitější (vlnovcové kompenzátory) nelze použít pro vyšší jmenovité tlaky. Výhoda Osové kompenzátory jsou méně náročné na prostor i projekční výpočty; Nevýhody jsou výrobně složitější (vlnovcové kompenzátory) nelze použít pro vyšší jmenovité tlaky. Typy vlnovcové kompenzátory kompenzátory s pryžovou dilatační vložkou kompenzátory ucpávkové Typy vlnovcové kompenzátory kompenzátory s pryžovou dilatační vložkou kompenzátory ucpávkové Vlnovcové kompenzátory Těsnícím i pružícím elementem je u nich vlnovec. Podle způsobu výroby je vlnovec válcovaný svařovaný z membrán, Podle počtu vrstev je vlnovec jednovrstvý pro vyšší tlaky vícevrstvý, Podle materiálu je vlnovec z tombaku (pro nejnižší jmenovité světlosti a pracovní teploty do 110 C) z austenitické oceli 18 % Cr, 8 % Ni nerezavějící oceli třídy 17. Vlnovcové kompenzátory Vlnovcový kloubový kompenzátor Ucpávkové kompenzátory 7

8 Montáž kompenzátoru s předpětím kompenzátor navrhneme pouze na poloviční hodnotu dilatace potrubí 1/2 l x, přičemž kompenzační schopnost zvětšíme na l x předpětím za studena o hodnotu -1/2 l x kompenzátor bude zcela odlehčen při provozní teplotě t s = 1/2 t p max to je výhodné zejména u kvalitativně regulované tepelné sítě, protože po většinu doby provozu budou v kompenzátoru malá napětí. Montáž kompenzátoru s předpětím Jednočinný (jednorázový) kompenzátor = k dosažení a udržení trvalého předpětí potrubí použití u předehřátého potrubí, před montáží se nastaví na vypočítanou dilataci, kterou musí absorbovat při předehřívání, po dosažení plného stlačení se jednorázový kompenzátor zavaří. 8