1/72 Tepelné sítě - hydraulické výpočty

Transkript

1 1/72 Tepelné sítě - hydraulické výpočty varianty volba teplonosné látky návrh světlosti potrubí tlakové ztráty tlakový diagram sítě

2 Tepelná síť 2/72 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 3/72 teplonosná látka se nevrací do zdroje parní rozvody bez vracení kondenzátu technologické procesy nejnižší investiční náklady

4 Druhy sítí - dvojtrubkové 4/72 stálý oběh teplonosné látky mezi zdrojem a spotřebičem přívodní a vratné potrubí voda: obě potrubí mají stejný průměr, obě tepelně izolována pára: kondenzátní cca poloviční až 1/3 průměr, neizoluje se parní se izoluje

5 Druhy sítí - dvojtrubkové 5/72 vodní síť parní síť

6 Druhy sítí 6/72 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 7/72 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 8/72 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 9/72 paprskovitá síť radiální ze zdroje tepla vychází jeden nebo více napáječů větvovité dělení k předávacím stanicím vhodná pro větší zásobovaná území

10 Tepelná síť 10/72 okružní síť okruhová modifikace paprskovité se vzájemně propojenými napáječi vhodná pro kompaktní zástavbu

11 Tepelná síť 11/72 mřížová síť vzájemně spojené okruhy umístěné vedle sebe v zásobování teplem se nevyskytuje vhodná pro plynovody, vodovody, apod.

12 Tepelná síť 12/72 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 13/72

14 Tepelná síť 14/72 pozemní investičně nejlevnější uložené v zemi o 50 % dražší než pozemní v městských oblastech zcela nezbytné

15 Tepelná síť - pozemní 15/72

16 Provedení 16/72 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 17/72 1 horkovodní potrubí přívodní 2 horkovodní potrubí zpětné 3 parovody 4 kondenzátní potrubí 5 vodovod 6 silové kabely 7 telefonní kabely

18 Provedení 18/72 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

19 Bezkanálové provedení 19/72

20 Potrubí - předizolované 20/72 materiály potrubí: ocel, měď, polypropylen (TV) tepelná izolace: PUR pěna chránička: plastová trubka z HD-PE, pozinkovaný plech SPIRO max. pracovní teplota 140 C

21 Potrubí dodatečně izolované 21/72 materiály potrubí: ocel tepelná izolace: minerální vlna chránička: oplechování nechráněné v kanálu

22 Uložení potrubí 22/72 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)

23 Uložení potrubí - kluzné 23/72

24 Uložení potrubí - závěsné 24/72 pružinové válečkové

25 Uložení potrubí posuvné, válečkové 25/72 zdroj: Koňařík závěsová technika

26 Teplonosná látka 26/72 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

27 Voda 27/72 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

28 Vodní pára 28/72 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

29 Volba teplonosné látky 29/72 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 byty, občanská vybavenost provedení sítě čtyřtrubkové, dvoutrubkové uložení sítě podzemní

30 Volba teplonosné látky 30/72 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 byty, občanská vybavenost, průmysl provedení sítě dvoutrubkové, třítrubkové uložení sítě podzemní, nadzemní

31 Volba teplonosné látky 31/72 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 průmysl, byty, občanská vybavenost provedení sítě dvoutrubkové, jednotrubkové uložení sítě podzemní, nadzemní

32 Volba teplonosné látky 32/72 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

33 Volba teplonosné látky 33/72 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

34 Návrhový výkon 34/72 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

35 Návrhový průtok vodní sítě 35/72 M w c k t z Q t P 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)

36 Návrhový průtok parní sítě 36/72 M p k h z 1 Q h P 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)

37 Výpočty tepelné sítě 37/72 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

38 Návrh světlosti 38/72 A) z rovnice kontinuity pro daný hmotnostní průtok na základě zvolené rychlosti w a předpokládané hustoty r 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

39 Návrh světlosti úseku 39/72 z rovnice kontinuity hmotnostní průtok [kg/s] M Aw r kde A průřez potrubí [m 2 ] w rychlost proudění [m/s] kruhové potrubí, světlý průřez A 4 d r hustota kapaliny, páry pro střední teplotní podmínky [kg/m 3 ] 2 průměr potrubí [m] d 4M w r

40 Optimální ekonomická rychlost 40/72 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

41 Optimální ekonomická rychlost 41/72 a) roční podíl investice b) obsluha a údržba c) ztráty tepla d) čerpací práce

42 Optimální ekonomická rychlost 42/72 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

43 Hydraulický výpočet 43/72 tlaková ztráta třením druh proudění: laminární, turbulentní Reynoldsovo číslo Re drsnost potrubí k (turbulentní oblast) Re w d součinitel třecí ztráty l (D Arcy-Weisbach) tlaková ztráta místními odpory místní odpory kolena, odbočky, kompenzátory, kohouty,... součinitel místní ztráty

44 Moodyho diagram součinitel třecí ztráty 44/72 laminární kritická turbulentní přechodová turbulentní

45 Třecí ztráta 45/72 laminární proudění (Re < 2320) hyperbolická závislost třecího součinitele na Re nezávislý na drsnosti potrubí l 64 Re [Hagen-Poiseuille]

46 Třecí ztráta 46/72 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 laminární oblast a vztahem pro turbulentní oblast volba větší hodnoty (na straně bezpečnosti) nelze doporučit interpolaci z vypočtených součinitelů tření na hranicích oblasti

47 Třecí ztráta 47/72 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, log l Re l k 3,7065d [Colebrook-White] l 0, k d 6 10 Re 1 3 [Moody, Re>4000]

48 Třecí ztráta 48/72 vyvinuté turbulentní proudění (3500 / r < Re) automodelní oblast, třecí ztráta nezávisí na Re závisí pouze na poměrné drsnosti potrubí r = k / d 1 l 2 [Nikuradze, 1933] k 1,1387 2log d

49 Drsnost potrubí 49/72 střední drsnost e 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

50 Drsnost potrubí 50/72 ocelové trubky (v literatuře) tažené (nové) k = 0,01 až 0,05 mm válcované (nové) k = 0,04 až 0,10 mm svařované (nové) k = 0,05 až 0,10 mm s mírně orezavělým povrchem k = 0,15 až 0,20 mm orezavělé se slabým nánosem k = 0,15 až 0,50 mm se silnějšími inkrustacemi k = až 1,5 mm a více nové potrubí delší dobu provozované k = 0,1 mm k = 0,2 až 0,3 mm

51 Drsnost potrubí 51/72 hydraulicky hladké trubky k = 0, měděné podle obecného Blasiova vztahu l 0,3164 0,25 Re plastové (polyetlenové, novodurové trubky) opticky hladké, ale nechovají se tak, v přechodové oblasti vyšší ztráty než podle Blasiova vztahu působení rozdílného povrchového napětí oproti ocelovým l d 0,738 Re 0,068 0,3 do Re = 2 x 10 5 [ČVUT]

52 Tlaková ztráta 52/72 tlaková ztráta třením p l L l d 2 w 2 r tlaková ztráta místními odpory p w 2 2 r ekvivalentní délka vřazených odporů L d l

53 53/72 Tlaková ztráta celková tlaková ztráta ,811 2 M d L L w d L L p r l r l l stanovení průměru potrubí podle předepsané tlakové ztráty 5 2 0,811 M p L L d r l pro určení l a L je nutné znát průměr d

54 Návrh světlosti úseku 54/72 součinitel tření se v 1. kroku odhadne, l = 0,02 podíl vřazených odporů se odhadne dálková potrubí s osovými kompenzátory L = (0,10 až 0,15) L členité rozvody a napáječe s U-kompenzátory L = (0,2 až 1,0) L vypočtený průměr d se zaokrouhlí, vybere se nejbližší vyšší kontrola tlakové ztráty, podrobnější výpočet

55 Příměsi pro snížení tlakové ztráty 55/72 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

56 Příměsi pro snížení tlakové ztráty 56/72 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

57 Příměsi pro snížení tlakové ztráty 57/72 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

58 Snížení tlakových ztrát 58/72 13 kpa 5 kpa

59 Místní tlakové ztráty 59/72 vřazené odpory kolena zúžení, rozšíření odbočky, spojky kompenzátory typ U vysoký odpor! osový vysoké namáhání! armatury výměníky

60 Armatury 60/72 ruční ventily ventily s převodovkou DN150 až DN 250

61 Místní tlakové ztráty 61/72

62 Armatury 62/72 klapka PN C těsnost trvanlivost řízení průtoku uzavírání

63 Tlakový diagram sítě 63/72 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

64 Průběh tlaků v síti 64/72 vodní síť parní síť nestlačitelná tekutina hustota nezávisí na tlaku vody p l = konst L stlačitelná tekutina s poklesem tlaku při proudění roste měrný objem p l = konst l (Re) r L

65 Tlakový diagram sítě 65/72 H [m] K OČ NB p 1 p 2 p 3 L [km] OČ K 1 2 3

66 Tlakový diagram sítě 66/72 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

67 Tlakový diagram sítě 67/72 H [m] utržení vodního sloupce K OČ NB p 1 p 2 p 3 L [km] OČ K 1 2 3

68 Tlakový diagram sítě 68/72 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

69 Tlakový diagram sítě 69/72 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

70 Tlakový diagram sítě 70/72 výtlak expander II sání expander I místní odpory vyjádřeny jako ekvivalentní délka, vyšší strmost

71 Tlakový diagram sítě 71/72 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

72 Tlakový diagram sítě 72/72 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