1/73 Tepelné sítě - hydraulické výpočty

Transkript

1 1/73 Tepelné sítě - hydraulické výpočty varianty volba teplonosné látky návrh světlosti potrubí tlakové ztráty tlakový diagram sítě

2 Tepelná síť 2/73 potrubní soustava doprava tepla prostřednictvím teplonosné látky ze zdroje ke spotřebičům v potřebném množství (průtok) v požadovaném stavu (teplota, tlak) zdroj tepla ztráty Q & tz odběr tepla Q & ZT Q & P

3 Druhy sítí - jednotrubkové 3/73 teplonosná látka se nevrací do zdroje parní rozvody bez vracení kondenzátu technologické procesy nejnižší investiční náklady

4 Druhy sítí - dvojtrubkové 4/73 stálý oběh teplonosné látky mezi zdrojem a spotřebičem přívodní a vratné potrubí voda: pára: obě potrubí mají stejný průměr, obě tepelně izolována kondenzátní cca poloviční až 1/3 průměr, neizoluje se parní se izoluje

5 Druhy sítí - dvojtrubkové 5/73 vodní síť parní síť

6 Druhy sítí 6/73 třítrubkové pokud je dodávka tepla ve dvou teplotních úrovních / tlakových úrovních, zpravidla se nevyskytuje má-li jeden druh spotřebiče značně odlišnou spotřebu tepla, např. sezónní provoz problematické z hlediska investice (nízké využití)

7 Tepelná síť 7/73 uzavřená síť teplonosná látka obíhá ve stálém množství, odevzdává teplo pro nepřímé využití teplovodní (přívodní, vratná větev), parní (parní potrubí, kondenzátní potrubí)

8 Tepelná síť 8/73 otevřená síť počítá se s odběrem teplonosné látky z tepelné sítě odběrateli pro přímé použití. Teplonosná látka se z předávacích stanic se: vrací částečně (teplá voda / cirkulace, pára s odběrem / kondenzát) nevrací (pára)

9 Tepelná síť 9/73 paprskovitá síť radiální ze zdroje tepla vychází jeden nebo více napáječů větvovité dělení k předávacím stanicím vhodná pro větší zásobovaná území

10 Tepelná síť 10/73 okružní síť okruhová modifikace paprskovité se vzájemně propojenými napáječi vhodná pro kompaktní zástavbu

11 Tepelná síť 11/73 mřížová síť vzájemně spojené okruhy umístěné vedle sebe v zásobování teplem se nevyskytuje vhodná pro plynovody, vodovody, apod.

12 Tepelná síť 12/73 nadzemní na vysokých sloupech neužívá se, investičně náročné v případě přechodu vodních toků, silnic, železnic potrubní mosty využití stávajících staveb: mostů, lávek

13 Tepelná síť - nadzemní 13/73

14 Tepelná síť 14/73 pozemní investičně nejlevnější uložené v zemi o 50 % dražší než pozemní v městských oblastech zcela nezbytné

15 Tepelná síť - pozemní 15/73

16 Provedení 16/73 kanálové vedení v železobetonových prefabrikovaných dílcích (L, U, desky) použití vláknité izolace investičně náročné kanály: průchozí (výška 210 cm, šířka průchodu 60 cm) kolektory (kombinace s elektrickým vedením, voda, atd.) průlezné neprůlezné drenáž, odvodnění staré rozvody žlabový kanál příklopový kanál

17 Městský kolektor 17/73 1 horkovodní potrubí přívodní 2 horkovodní potrubí zpětné 3 parovody 4 kondenzátní potrubí 5 vodovod 6 silové kabely 7 telefonní kabely

18 Městský kolektor 18/73

19 Provedení 19/73 bezkanálové potrubí v ochranné trubce s vypěněnou izolací dnes nejčastější potrubí v tepelně-izolační zálivce potrubí v hydrofobním zásypu krytí 60 až 120 cm zeminy nad nejvýše položenou částí kanálu

20 Bezkanálové provedení 20/73

21 Potrubí - předizolované 21/73 materiály potrubí: ocel, měď, polypropylen (TV) tepelná izolace: PUR pěna chránička: plastová trubka z HD-PE, pozinkovaný plech SPIRO max. pracovní teplota 140 C

22 Potrubí dodatečně izolované 22/73 materiály potrubí: ocel tepelná izolace: minerální vlna chránička: oplechování nechráněné v kanálu

23 Uložení potrubí 23/73 důvody omezení průhybu délková roztažnost způsoby volné posuv v ose (axiální), posuv kolmo na osu (radiální) (válečkové pro položené, pružinové pro zavěšené) posuvné v ose (kluzné uložení) pevné bez posuvu, pevné body (ocelové třmeny)

24 Uložení potrubí - kluzné 24/73

25 Uložení potrubí - závěsné 25/73 pružinové válečkové

26 Uložení potrubí posuvné, válečkové 26/73 zdroj: Koňařík závěsová technika

27 Teplonosná látka 27/73 požadované vlastnosti levná a snadno dostupná objemy v CZT jsou značné, úniky, opravy vysoká entalpie při daných podmínkách malá oběhová množství, menší průměry potrubí, menší potřeba dopravní energie kapaliny, páry s využitím kondenzačního tepla nevhodné plyny a přehřáté páry nekorozivní chemický stálé v rozsahu požadovaných tlaků a teplot nejedovaté možnost regulace přenášeného tepelného výkonu dostupné: voda, vodní pára

28 Voda 28/73 vlastnosti velké měrné teplo úplná chemická stabilita do 200 C obsah minerálů: vápenatých a křemičitých solí, plyn (O 2, CO 2 ) nutná chemická úprava a odplynění obvyklá rychlost proudění 1 až 2 m/s oběhová čerpadla značné statické tlaky vlivem členitosti sítě

29 Vodní pára 29/73 vlastnosti větší možnosti použití v porovnání s vodou dopravuje se vlastním tlakem velký měrný objem, velmi malé statické tlaky vlivem členitosti sítě obvyklá rychlost proudění v síti 25 až 60 m/s teplota vracejícího se kondenzátu 60 až 80 C průměr vratného kondenzátního potrubí = 1/2 až 1/3 průměru parního

30 Volba teplonosné látky 30/73 teplovodní sítě t < 110 C (z výtopen, malých tepláren) typické hodnoty běžné výkon soustavy 4 MW 2 až 8 MW délka sítě 1 km 0,5 a 3 km teplota přívod 80 C 70 až 90 C teplota vratná 45 C 40 až 60 C konstrukční tlak 0,6 MPa 0,4 až 0,6 MPa druh odběratelů provedení sítě uložení sítě byty, občanská vybavenost čtyřtrubkové, dvoutrubkové podzemní

31 Volba teplonosné látky 31/73 horkovodní sítě t > 110 C (z elektráren, tepláren, výtopen) typické hodnoty běžné výkon soustavy 150 MW 50 až 300 MW délka sítě 25 km 5 a 80 km teplota přívod 130 C 110 až 160 C teplota vratná 60 C 50 až 80 C konstrukční tlak 1,6 MPa 1,6 až 2,5 MPa druh odběratelů provedení sítě uložení sítě byty, občanská vybavenost, průmysl dvoutrubkové, třítrubkové podzemní, nadzemní

32 Volba teplonosné látky 32/73 parní sítě (z elektráren, tepláren, výtopen) typické hodnoty běžné výkon soustavy 70 MW 20 až 200 MW délka sítě 10 km 2 a 40 km teplota přívod 220 C 180 až 240 C teplota vratná 60 C, kondenzát 40 až 70 C konstrukční tlak 1,2 MPa 0,8 až 2,4 MPa druh odběratelů provedení sítě uložení sítě průmysl, byty, občanská vybavenost dvoutrubkové, jednotrubkové podzemní, nadzemní

33 Volba teplonosné látky 33/73 vliv centrálního zdroje tepla pára nevhodná pro teplárny s parními turbínami výroba el. energie tím vyšší čím nižší je výstupní tlak páry (vyšší expanze na turbíně), pouze pro malé sítě vliv tepelné sítě pára je vhodná do výškově členitých sítí, malé statické tlaky, malé nároky na dopravu teplonosné látky

34 Volba teplonosné látky 34/73 vliv spotřebičů druh a stav látky, případné oddělení výměníky parní spotřebiče: přímo napojené nebo přes redukční ventil vodní spotřebiče: přímo napojené vyhovují-li tlak a teplota vody, směšovací čerpadla

35 Návrhový výkon 35/73 úseky se navrhují se na přípojný tepelný výkon Q P přípojný výkon úseků, předávacích stanic rezerva ve výkonu předpokládaný růst sítě (10 let), připojování spotřebitelů, eliminace dodatečných nákladů zahrnutí rezervy zvětšení průměru potrubí, snížení tlakových ztrát v provozu zvýšení tepelných ztrát zvýšení investičních nákladů

36 Návrhový průtok vodní sítě 36/73 M& w = c k z Q& P ( t t ) w1 w 2 t w1 t w2 c teplota vody na vstupu do tepelné sítě teplota vody na výstupu ze spotřebičů = teplota ve vratném potrubí měrná tepelná kapacita vody = 4187 J/(kg.K) k z součinitel ztrát v síti (= 1,02)

37 Návrhový průtok parní sítě 37/73 M& p = k h z 1 Q& P h k h 1 h k entalpie páry na vstupu do tepelné sítě entalpie kondenzátu na výstupu ze spotřebičů určena teplotou kondenzátu t k k z součinitel ztrát v síti (= 1,03)

38 Výpočty tepelné sítě 38/73 potřeba tepla, výkonu určení zdroje tepla, parametry teplonosné látky konfigurace tepelné sítě, trasy, umístění předávacích stanic výškový profil trasy, spádování rozmístění pevných bodů, kompenzátorů návrh průměrů potrubí hydraulický výpočet výpočet tlakových ztrát tlakový diagram průběh statických tlaků po délce sítě výpočet tepelných ztrát a návrh tloušťky tepelné izolace pevnostní výpočet

39 Návrh světlosti 39/73 A) z rovnice kontinuity pro daný hmotnostní průtok na základě zvolené rychlosti w a předpokládané hustoty ρ nevypovídá nic o tlakových poměrech v síti, orientační návrh volba rychlosti podle směrných hodnot, zkušenosti B) z přípustné tlakové ztráty hydraulický výpočet kromě průtoku o světlosti rozhoduje geometrie sítě: délka potrubí, tvar potrubí, drsnost potrubí, vřazené odpory stanovení ve 2 krocích, předběžný návrh, kontrola

40 Návrh světlosti úseku 40/73 z rovnice kontinuity hmotnostní průtok [kg/s] M & = A w ρ kde A průřez potrubí [m 2 ] w rychlost proudění [m/s] kruhové potrubí, světlý průřez A = π 4 d ρ hustota kapaliny, páry pro střední teplotní podmínky [kg/m 3 ] 2 průměr potrubí [m] d = 4 M& π w ρ

41 Optimální ekonomická rychlost 41/73 průměrná hodnota pro celou síť celkové roční náklady na potrubí roční podíl pořizovacích nákladů (investice / životnost), včetně stavebních úprav, tepelné izolace roční podíl výdajů za generální opravy, % z ceny potrubí roční výdaje za obsluhu a údržbu, % z ceny potrubí roční výdaje za energii potřebnou k dopravě potrubím roční výdaje za tepelné ztráty potrubí do okolí

42 Optimální ekonomická rychlost 42/73 a) roční podíl investice b) obsluha a údržba c) ztráty tepla d) čerpací práce

43 Optimální ekonomická rychlost 43/73 vodní sítě ekonomická rychlost w = 0,5 až 2 m/s parní sítě ekonomická rychlost 10 až 40 (60) m/s menší rychlosti se navrhují v koncových úsecích, odbočkách, apod. větší rychlosti se navrhují v napájecích potrubích, páteřních úsecích rozvodu

44 Hydraulický výpočet 44/73 tlaková ztráta třením druh proudění: laminární, turbulentní Reynoldsovo číslo Re drsnost potrubí k (turbulentní oblast) Re = w d ν součinitel třecí ztráty λ (D Arcy-Weisbach) tlaková ztráta místními odpory místní odpory kolena, odbočky, kompenzátory, kohouty,... součinitel místní ztráty ξ

45 Moodyho diagram součinitel třecí ztráty 45/73 laminární kritická turbulentní přechodová turbulentní

46 Třecí ztráta 46/73 laminární proudění (Re < 2320) hyperbolická závislost třecího součinitele na Re nezávislý na drsnosti potrubí λ = 64 Re [Hagen-Poiseuille]

47 Třecí ztráta 47/73 kritická oblast (2320 < Re < 5000) nestabilní oblast, oblast nejistoty, pulsující proudění hranice oblasti není zřetelná, pro Re > 5000 již ustálené proudění výpočet třecí ztráty vztahem pro turbulentní oblast - větší hodnota (na straně bezpečnosti) nelze doporučit interpolaci z vypočtených součinitelů tření na hranicích oblasti doporučeno vyhnout se návrhem kritické oblasti

48 Třecí ztráta 48/73 přechodové turbulentní proudění (5000 < Re < 3500 / r) závislost třecí ztráty na poměrné drsnosti potrubí r = d / k a Re iterační vztah podle Colebrooka, explicitně podle Moodyho 1 2,5226 = 2 log + λ Re λ k 3,7065 d [Colebrook-White] λ = 0, k d Re 1 3 [Moody, Re>4000]

49 Třecí ztráta 49/73 vyvinuté turbulentní proudění (3500 / r < Re) automodelní oblast, třecí ztráta nezávisí na Re závisí pouze na poměrné drsnosti potrubí r = k / d 1 λ = 2 [Nikuradze, 1933] k 1, log d

50 Drsnost potrubí 50/73 střední drsnost ε střední výška nerovností vnitřního povrchu stěny trubky její zjištění je obtížné, v běžných podmínkách nemožné, výrobce nesděluje, závisí na příliš mnoha faktorech, různá u stejných trubek ekvivalentní drsnost k určována nepřímo měření tlakové ztráty a porovnáním s etalonem etalon podle Nikuradzeho: stupnice zrn monodisperzního písku etalonem je hladká trubka s nalepenými zrny o velikosti k

51 Drsnost potrubí 51/73 ocelové trubky (v literatuře) tažené (nové) válcované (nové) svařované (nové) s mírně orezavělým povrchem orezavělé se slabým nánosem se silnějšími inkrustacemi k = 0,01 až 0,05 mm k = 0,04 až 0,10 mm k = 0,05 až 0,10 mm k = 0,15 až 0,20 mm k = 0,15 až 0,50 mm k = až 1,5 mm a více nové potrubí delší dobu provozované k = 0,1 mm k = 0,2 až 0,3 mm

52 Drsnost potrubí 52/73 hydraulicky hladké trubky k = 0, měděné podle obecného Blasiova vztahu λ = 0,3164 0,25 Re plastové (polyetylenové, novodurové trubky) opticky hladké, ale nechovají se tak, v přechodové oblasti vyšší ztráty než podle Blasiova vztahu působení rozdílného povrchového napětí oproti ocelovým λ = d 0,738 Re 0,068 0,3 do Re = 2 x 10 5 [ČVUT]

53 Tlaková ztráta 53/73 tlaková ztráta třením p = λ L λ d 2 w 2 ρ tlaková ztráta místními odpory p ξ = 2 w ξ 2 ρ ekvivalentní délka vřazených odporů L ξ = d ξ λ

54 54/73 Tlaková ztráta celková tlaková ztráta ( ) ( ) ,811 2 M d L L w d L L p & + = + = ρ λ ρ λ ξ ξ λ stanovení průměru potrubí podle předepsané tlakové ztráty ( ) 5 2 0,811 M p L L d & + = ρ λ ξ pro určení λ a L ξ je nutné znát průměr d

55 Návrh světlosti úseku 55/73 součinitel tření se v 1. kroku odhadne, λ = 0,02 podíl vřazených odporů se odhadne dálková potrubí s osovými kompenzátory L ξ = (0,10 až 0,15) L členité rozvody a napáječe s U-kompenzátory L ξ = (0,2 až 1,0) L vypočtený průměr d se zaokrouhlí, vybere se nejbližší vyšší kontrola tlakové ztráty, podrobnější výpočet

56 Příměsi pro snížení tlakové ztráty 56/73 polymery, tenzidy, vlákna přidáním látek se změní vlastnosti kapalin kapalina s příměsí se nechová jako Newtonská kapalina musí být rozpustné ve vodě, nepatrná koncentrace pro proudění s vysokými Re dlouhé úseky potrubí dálkové rozvody, malý podíl místních odporů potenciál až 70% snížení tlakové ztráty součinitel tření = f (koncentrace, d) tendence zachycování na povrchu snížení přestupu tepla ve stejném poměru jako snížení tření

57 Příměsi pro snížení tlakové ztráty 57/73 polymery viskoelastické chování kapaliny = nižší tření než u Newtonské kapaliny dlouhé molekuly narušují mezní vrstvu, turbulentní víry náchylné na nevratnou degradaci schopnosti snižovat třecí ztráty při provozu s čerpadly zpřetrhání molekul polymeru ve vřazených odporech, čerpadlech = ztráta vlastností směsi mechanická a tepelná degradace - dominantní při vysokých teplotách nevhodné pro cirkulační a složité soustavy

58 Příměsi pro snížení tlakové ztráty 58/73 tenzidy, surfaktanty snižují povrchové napětí kapaliny tvorba micel, molekulových shluků, které působí podobně na viskoelastické chování kapaliny a snížení třecí ztráty jako v případě polymerů dočasná degradace, vlastnosti se po průchodu čerpadlem obnovují řádově v sekundách velice vhodné pro cirkulační soustavy, dálkové vytápění a chlazení s čerpadly

59 Snížení tlakových ztrát 59/73 13 kpa 5 kpa

60 Místní tlakové ztráty 60/73 vřazené odpory kolena zúžení, rozšíření odbočky, spojky kompenzátory typ U vysoký odpor! osový vysoké namáhání! armatury výměníky

61 Armatury 61/73 ruční ventily ventily s převodovkou DN150 až DN 250

62 Místní tlakové ztráty 62/73

63 Armatury 63/73 klapka PN C těsnost trvanlivost řízení průtoku uzavírání

64 Tlakový diagram sítě 64/73 průběh statických tlaků pro hydraulicky hlavní větev, mezi zdrojem a nevzdálenějším spotřebitelem (největší tlakový rozdíl) pro vodní tepelné sítě posouzení možných provozních stavů (přímé napojení spotřebitelů, tlakově závislé připojení) sestavení zakreslení výškového profilu hlavní větve stanovení tlakových ztrát na hlavní větvi součet tlakových ztrát větve a zdroje tepla udává minimální požadovanou dopravní výšku oběhového čerpadla

65 Průběh tlaků v síti 65/73 vodní síť parní síť nestlačitelná tekutina hustota nezávisí na tlaku vody p λ = konst L stlačitelná tekutina s poklesem tlaku při proudění roste měrný objem p λ = konst λ (Re ) ρ L

66 Tlakový diagram sítě 66/73 H [m] K OČ NB p 1 p 2 p 3 L [km] OČ K 1 2 3

67 Tlakový diagram sítě 67/73 neutrální tlak = tlaková hladina neutrálního bodu: tlak, který se za jakéhokoli provozního stavu nezmění (ani při vypnutí oběhového čerpadla) zakreslení průběhu statického tlaku do diagramu výškového profilu sítě posunutí celého tlakového diagramu, pro splnění bezpečnostních podmínek: 1) za žádného provozního stavu v žádném místě sítě nesmí dojít k poklesu tlaku vody pod tlak sytosti (odpovídá teplotě) 2) tlakově závislé připojení obrys objektu zakresleného do výškového profilu nesmí protnout čáru statického tlaku ve vratném potrubí podtlak, přetržení sloupce kapaliny, zastavení oběhu, odpařování 3) soustava (tělesa) nesmí být namáhána nadměrný přetlakem, ani statickým (při vypnutí čerpadel) 4) zdroj nesmí být namáhán nadměrným přetlakem

68 Tlakový diagram sítě 68/73 H [m] utržení vodního sloupce K OČ NB p 1 p 2 p 3 L [km] OČ K 1 2 3

69 Tlakový diagram sítě 69/73 K H [m] nadměrný tlak pro tělesa OČ NB p 1 p 2 p 3 provoz max. dovolený L [km] OČ K 1 2 3

70 Tlakový diagram sítě 70/73 tlakový expander neutrální bod (pouze 2 možnosti): na sání: neutrální tlaková hladina I, tlak p I na výtlaku: neutrální tlaková hladina II, tlak p II tlaky vyvozené kompresorem nad hladinou tlakového expandéru značné statické tlaky na prahu sítě při velké dopravní výšce čerpadla

71 Tlakový diagram sítě 71/73 výtlak expander II sání expander I místní odpory vyjádřeny jako ekvivalentní délka, vyšší strmost

72 Tlakový diagram sítě 72/73 stálý chod doplňovacího čerpadla, tlaková regulace neutrální bod je možné měnit mezi p I a p II V1(Z) a V2(O): neutrální bod v pi V1(O) a V2(Z): neutrální bod v p II částečné uzavření V1 a V2 cirkulace v okruhu čerpadla neutrální tlak v ose čerpadla 0 lze měnit přivíráním ventilů udržování tlaku doplňovacím čerpadlem doplňovací a vypouštěcí manostat

73 Tlakový diagram sítě 73/73 zohlednit změna drsnosti trubek z počáteční hodnoty na ustálenou vliv na tvar diagramu, dva výpočty postupná výstavba tepelné sítě, provoz na částečný výkon armatury a potrubí navrhovat na nejvyšší možný tlak v síti, tj. nejblíže vyšší jmenovitý tlak