1/68
Tepelné sítě - tepelné ztráty tepelné izolace - materiály
tepelná ztráta rozvodu doba chladnutí průběh teplot po délce
2/68
Tepelná síť
stanovení tepelných ztrát
pro návrh výkonu zdroje tepla
hodnocení efektivity, podíl tepelných ztrát
provozní teplotní podmínky ve vzdálených odběrech
dynamické stavy
zdroj tepla Q ZT
ztráty Qtz
odběr tepla Q P
3/68
Tepelné izolace v CZT
tepelné ztráty
zpravidla malý podíl vzhledem k instalovanému výkonu významný podíl na přenášeném množství tepla 5 až 7 % během provozního období
parní sítě v minulosti až 25 %
podíl se zvyšuje při odpojování odběrů
4/68
Tepelně izolační materiály
požadavky
nízká tepelná vodivost
odolnost proti mechanickému namáhání, chemickým vlivům
odolnost proti mikroorganismům
vhodnost pro použité potrubí
nenasákavost
dostatečná životnost
cena
5/68
Tepelně izolační materiály
materiály
vláknité izolace – minerální vlna: skelná, kamenná (0,04 až 0,08 W/mK)
pěnové izolace
– polyuretan (0,035 W/mK)
– pěnový beton (0,07 až 0,15 W/mK)
práškové izolace – hydrofobizované hmoty (0,08 až 0,11 W/mK)
vakuové izolace
6/68
Tepelně izolační materiály
7/68
Minerální vlna
výroba z čediče, dolomitu, sideritu, recykláty skla (skelná vlna 70 %)
roztavení v peci 1500 °C, roztavená láva na rozvlákňovací kotouče
výroba vláken odstředivou silou a proudem vzduchu
obalení pojivem (fenol, formaldehydová pryskyřice + přísady pro hydrofobizaci)
uložení do „koberců“, zplstění pro dosažení soudržnosti
vytvrzení v komoře, řezání na pásy
8/68
Minerální vlna
kamenná vlna
bod tání 960 °C, odolnost do 700 °C
0,03 až 0,05 W/mK
optimum 65 kg/m3
skelná vlna
bod tání 450 °C, odolnost do 350 °C
0,03 až 0,05 W/mK
optimum 40 až 50 kg/m3
9/68
Minerální vlna
tepelná vodivost [W/mK]
0,15
skružované lamely
0,10
65 kg/m3 100 kg/m3
0,05
na drátěném pletivu
0,00 50
100
150
200
provozní teplota [°C]
250
300
10/68
Minerální vlna
použití
vedení v kanálech potažení rabicovým pletivem cementová omítka afaltový lak
mimo kanály oplechování pozinkovým plechem
11/68
Minerální vlna – pozemní vedení
12/68
Minerální vlna – realita starých rozvodů
13/68
Tvrdá polyuretanová pěna (PUR)
výroba
mísením polyalkoholů (polyol) s izokyanáty
injektáž do trubek, vysokotlaké pěnění
nadouvadlem je cyklopentan (bezfreonová technologie)
vlastnosti
průměrná velikost buněk < 0,5 mm
tepelná vodivost (50 °C): 0,023 až 0,030 W/mK
závisí na uzavřenosti pórové struktury, množství a velikosti pórů, objemové hmotnosti max. pracovní teplota: 140 °C, krátkodobě 150 °C
14/68
Tvrdá polyuretanová pěna (PUR)
použití
předizolované potrubí pro podzemní bezkanálové rozvody s opláštěním z vysokohustotního polyetylénu předizolované potrubí pro nadzemní rozvody s opláštěním z ocelového pozinkovaného SPIRO potrubí rozvody vypěňované na místě
15/68
Tvrdá polyuretanová pěna (PUR)
16/68
Tvrdá polyuretanová pěna (PUR)
17/68
Tvrdá polyuretanová pěna (PUR)
18/68
Tvrdá polyuretanová pěna (PUR)
polyuretanové licí systémy
vysokotlaké zařízení se směšovací pistolí litím tvrdé pěny přímo mezi plechový obal a izolovanou trubku pozinkovaný, hliníkový nebo nerezový plech distanční PUR segmenty – výška určuje tloušťku izolace
19/68
Tvrdá polyuretanová pěna (PUR)
20/68
Práškové izolace
keramzit, perlit, hydrofobizované zásypy
použití
podzemní kanálové / bezkanálové rozvody
rozvody tepla, rozvody chladu
bezúdržbový systém
netoxické, ekologické
21/68
Prášková izolace
vytvoření a vysypání kanálu
odstranění distančních rozpěr
22/68
Prášková izolace
izolace po 14 letech
vytvoření husté uzavřené vrstvy mezi potrubím a zeminou
eliminace prostupu vody, vlhkosti, vzduchu k trubce ochrana proti korozi
23/68
Vakuové izolace - aerogely
výroba
mokrý gel na bázi alkoholů (alcogel) a tuhého SiO2, složený z tuhé části a kapalné superkritické vysušení (vysoké tlaky a teploty v autoklávu) – kapalina se odstraní bez zhroucení vznikající porézní struktury použití katalyzátorů, které ovlivňují strukturu
24/68
Vakuové izolace - aerogely
vlastnosti
vysoká porozita (85 až 99 %)
rozměr pórů v řádu nm
hustota 1 až 3 kg/m3
teplotní odolnost 500 °C
2 až 50 nm
tepelná vodivost
nevakuovaný 0,015 až 0,017 W/mK
vakuovaný 0,004 až 0,008 W/mK
25/68
-1 -1 l [W.m .K ]
Vakuové izolace - aerogely 0,017 jednostupňový aerogel dvoustupňový aerogel 0,015
0,013
0,011
0,009
0,007 1
10
100
1000
10000
100000 p [Pa]
26/68
-1 -1 l [W.m .K ]
Vakuové izolace - aerogely
0,016
jednostupňový aerogel čistý jednostupňový aerogel s přídavkem uhlíku
0,014
0,012
0,01
0,008
0,006
0,004 1
10
100
1000
10000
100000 p [Pa]
27/68
Tepelná vodivost izolací
závislost na provozní teplotě t
l l0 1 k1 t k 2 t 2
kde
l0
tepelná vodivost při 0 °C
28/68
Tepelná vodivost izolací minerální vlna
29/68
Tepelná vodivost izolací závislost na hustotě – minerální vlna -1 -1 l [W.m .K ]
0,050 0,048 0,046
snížení konvekce
0,044 0,042 0,040
přenos tepla v pevné fázi vláken
0,038 0,036 0,034 0,032 0,030 10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
r v [kg.m -3]
140
30/68
Tepelná vodivost izolací závislost na hustotě – PUR pěna -1 -1 l [W.m .K ]
0,030 0,029 0,028 0,027 0,026 0,025 0,024 0,023 0,022 30
40
50
60
70
80
90 r v [kg.m -3]
100
31/68
Provozní tepelná vodivost izolací
zhoršení vlastností v provozu
provozní podmínky: degradace vlastností, provozní teplota (!), vlhkost nedodržení rozměrů a technologických předpisů pro zhotovení izolační vrstvy
vliv stlačení izolace
vliv tepelných mostů – kovové rozpěrky, podpěry, závěsy
zvýšení deklarované hodnoty tepelné vodivosti (uváděné výrobcem)
lr 1,15 1,50 l ČSN EN ISO 23993
32/68
Tepelná ztráta potrubí
kruhové potrubí – jedna vrstva, nadzemní rozvody, okolí vzduch
T1 T2 L Q R1 R2 R3
Q
1
T1 T2 L 1
d2 1 ln 1d1 2l d1 2d 2
33/68
Tepelná ztráta potrubí
kruhové potrubí – jedna vrstva, nadzemní rozvody, okolí vzduch součinitel prostupu tepla U [W/(m.K)]
U
1 de 1 ln w d i 2l d i e d e 1
1
34/68
Přestup tepla na vnějším plášti
součinitel přestupu tepla sáláním
závisí na emisivitě povrchu
závisí na teplotě povrchu
s
Tp4 To4 Tp To
teplota oblohy
To
0,0552 Te1,5
To f (Te ,Tdp , pd ,K o )
= 5,67 x 10-8 W/(m2K4) Povrch
Hliník, čistý válcovaný
0,05
Hliník, zoxidovaný
0,13
Pozinkovaný plech, čistý
0,26
Pozinkovaný plech, zaprášený
0,44
Austenitická ocel
0,15
Hliníkozinkový plech
0,18
Nekovové povrchy
0,94
35/68
Přestup tepla na vnějším plášti
součinitel přestupu tepla konvekcí
rychlosti proudění volné obtékání w < 1 m/s
k 10 W/(m2 .K)
volné obtékání w > 1 m/s
w 0,7 k 11,63 0,3 de
laminární obtékání w.D ≤ 8,55x10-3 m2/s
8,1 103 w k 3,15 de de
turbulentní obtékání w.D > 8,55x10-3 m2/s
w 0,9 k 8,9 0,1 de
36/68
Přestup tepla na vnějším plášti
celkový součinitel přestupu tepla
sálání + konvekce
e s k
celkový odpor vůči přestupu tepla Re
1
e de
37/68
Tepelná ztráta potrubí
kruhové potrubí – více vrstev, nadzemní rozvody, okolí vzduch
Q
T1 T2 L 1
1d1
n
1
1 2l j
ln
d j 1 dj
1
n 1d n 1
de
dp di
součinitel prostupu tepla U [W/(m.K)]
U
1 1
w d i
1 2lp
ln
dp di
1 2liz
ln
d d iz 1 1 ln e d p 2lo d iz e d e
lze v podstatě aproximovat jednou vrstvou
diz
38/68
Tepelná ztráta potrubí
kruhové potrubí – o vnějším průměru d v čtvercovém nebo obdélníkovém kanále
Q
1
Ti Te L
a 1 ln 1,08 2l d 4a e
d
a
a
Q
Ti Te L
( A B) 1 ln 1,08 2l 2d 4( A B ) e 1
d A
B
39/68
Tepelná ztráta potrubí
kruhové potrubí – o vnějším průměru d neizolovaná trubka uložená v zemině při podzemním vedení v polomasivu
Q
e
Ti Te L 4 lz ln H 2lz d e 1
lz
H d
40/68
Tepelná ztráta potrubí
kruhové potrubí – o vnějším průměru d izolovaná trubka uložená v zemině při podzemním vedení v polomasivu
Q
e
Ti Te L 1
d iz 1 4 ln ln 2liz d 2lz d iz
lz H e
lz
diz
liz
d
H
41/68
Tepelná ztráta potrubí
kruhové potrubí – neizolované potrubí v zemině, podzemní vedení v polomasivu
e
lz
H
t1 d1
s
t2
lz hH e t1 t1 te
d2
t 2 t 2 t e
2 4h 4h h ln ln ln 1 4 d d s 1 2 1
R1 2l
z
ln
4h t 2 h ln 1 4 d 2 t1 s
2
2
R2 analogicky indexy 1 2
42/68
Tepelná ztráta potrubí
kruhové potrubí – neizolované potrubí v zemině, podzemní vedení v polomasivu
e
lz
H
t1 d1
t1 t e q1 R1
s
t2
lz hH e
d2
t1 t1 te t 2 t 2 t e
t 2 te q2 R2
měrný tok dvoutrubkového vedení
q q1 q 2
43/68
Tepelná ztráta potrubí
kruhové potrubí – izolované potrubí v zemině, podzemní vedení v polomasivu
e
hH
lz
H
t1 d1
diz1
s
t2
d2
lz e
t1 t1 te
diz2
t 2 t 2 t e
2 lz d iz 2 4h lz d iz 1 4h h ln 1 4 ln ln ln ln l d d l d d s iz 2 2 iz 2 iz 2 2 iz 1 1
R1 2l
z
lz d iz 2 4h t 2 h ln ln ln 1 4 liz 2 d 2 d iz 1 t1 s
2
2
44/68
Tepelná ztráta potrubí
kruhové potrubí – izolované potrubí v zemině, podzemní vedení v polomasivu
e
lz
H
t1 d1
t1 t e q1 R1
diz1
s
t2
lz hH e
d2
diz2
t1 t1 te t 2 t 2 t e
t 2 te q2 R2
měrný tok dvoutrubkového vedení
q q1 q 2
45/68
Tepelná ztráta potrubí
kruhové potrubí – izolované potrubí v zemině, podzemní vedení v polomasivu
fintherm
46/68
Tepelná ztráta potrubí
kruhové potrubí – izolované potrubí v zemině, podzemní vedení v polomasivu
fintherm
47/68
Tepelná ztráta potrubí
fintherm
48/68
Součinitel prostupu tepla
dvojité potrubí (okolí vzduch) – nadzemní rozvody
2 trubky ve společné izolaci
2
r2 2 r2 D 4 4 2 4 2 D r1 D r1 r1 1 ln ln 4 4 2 2 2 2 D r r D 2 1 2r r D r 1 2 42 1 4 2 D r1 D 3
T1 T2 Q 4liz To 2
49/68
Požadavky vyhlášky 193 / 2007 Sb.
50/68
Požadavky vyhlášky 193 / 2007 Sb.
51/68
Hospodárná tloušťka izolace
roční cenové (investiční) náklady
přepočtené jako roční (dělené předpokládanou životností izolace)
rostou s tloušťkou izolace
větší izolace = větší výkop, vyšší náklady na dopravu, manipulaci
roční provozní náklady
cena tepla
klesají s tloušťkou izolace
součtové náklady
52/68
Hospodárná tloušťka izolace 350
příklad:
300
DN80
roční náklady [Kč]
250 200
teplota vody 80 °C
součtové náklady
celoroční provoz, 365 dní
150 100
provozní náklady
50 0 0,050
průměrná roční teplota 9 °C cena tepla 250 Kč/GJ
cenové náklady 0,100
0,150
tloušťka izolace [m]
0,200
cena izolace 10000 Kč/m3
53/68
Hospodárná tloušťka izolace 700
příklad:
600
DN80
roční náklady [Kč]
500
teplota vody 80 °C
400
součtové náklady
celoroční provoz, 365 dní
300 200
provozní náklady
cena tepla 500 Kč/GJ
cenové náklady
100 0 0,050
průměrná roční teplota 9 °C
0,100
0,150
cena izolace 4000 Kč/m3 0,200
tloušťka izolace [m]
do ceny izolace je nutné zahrnout i stavební, dopravní náklady atd.
54/68
Hospodárná tloušťka izolace ocelová trubka
izolační třída 1
izolační třída 2
izolační třída 3
DN
d
D
siz
D
siz
D
siz
20
26,9
90
29
110
39
125
46
25
33,7
90
25
110
35
125
43
32
42,4
110
31
125
38
140
46
40
48,3
110
28
125
35
140
43
50
60,3
125
29
140
37
160
48
65
76,1
140
29
160
39
180
49
80
88,9
160
33
180
43
200
52
100
114,3
200
40
225
52
250
64
125
139,7
225
39
250
51
280
66
150
168,3
250
37
280
51
315
68
200
219,1
315
43
355
62
400
84
250
273
400
57
450
82
500
106
300
323,9
450
56
500
80
560
109
350
355,6
500
64
560
93
630
127
400
406,4
560
68
630
102
670
121
450
457
560
43
630
77
710
115
500
508
630
51
710
90
800
133
600
610
710
39
800
83
900
132
55/68
Povrchová teplota
dodržení nejvyšší povrchové teploty
není měřítkem kvality izolace – závisí nejen na tepelné vodivosti, ale také provozních podmínkách:
teplota provozní látky
teplota okolního vzduchu
pohyb vzduchu
stav povrchu izolace – emisivita
meteorologické podmínky (sluneční záření)
vliv dalších přilehlých sálajících těles
56/68
Povrchová teplota
pro zadané podmínky lze stanovit
z tepelného toku
součinitele přestupu tepla na vnějším plášti
t i t e L t p t e L Q Re R Re Q tp te L
[W]
57/68
Povrchová teplota
termografické stanovení
indikace tepelných mostů, problematických částí
pozor na přehnaná očekávání, řada vlivů na termogram
58/68
Průběh teploty po délce potrubí
bilance elementu
element o délce dL ve kterém se kapalina ochladí o dt
1 dQ t t e dL M c dt R integrací od 1 do 2
t 2 t e t1 t e
L e McR
průběh je velmi plochý, zvláště s rostoucím zaizolováním nahrazení přímkovým průběhem
59/68
Průběh teploty po délce potrubí
přímkový pokles na základě úvahy
výkon ztracený mezi bodem 1 a 2
tepelná ztráta potrubí se podél délky nemění = zjednodušení
t1 t e L Q M c t1 t 2 R L t 2 t1 t1 t e M c R
[W]
60/68
Průběh teploty po délce potrubí potrubí 80 mm, neizolované, průtok 5 kg/s, 1 m/s
teplota v potrubí [°C]
100
80
exponenciální přímkový průběh
60
40 0
500
1000
délka potrubí [m]
1500
2000
61/68
Průběh teploty po délce potrubí potrubí 80 mm, izolované U = 0,48 mK/W, průtok 5 kg/s, 1 m/s 100
teplota v potrubí [°C]
exponenciální přímkový průběh
80
60
40 0
500
1000
délka potrubí [m]
1500
2000
62/68
Doba chladnutí rozvodu
bilance elementu úseku
teplota elementu t
za čas d klesne teplota o dt
pro časově stálý tepelný odpor trubky bude ztracené množství tepla
1 dQ t t e L d M c dt R integrací v mezích od 0 do a ve mezích od tp do t
t t e t p t e e
L McR
tp počáteční teplota
63/68
Doba chladnutí rozvodu
tepelná kapacita potrubí
kapacita teplonosné látky (voda)
kapacita ocelového potrubí
kapacita tepelné izolace
Mc M w cw M pc p M iz c iz
64/68
Doba chladnutí rozvodu
doba zchladnutí na teplotu t
McR t p t e ln L t te
doba zchladnutí o 1 K
McR lnt p t e L
65/68
Množství tepla na opětovné zahřátí
z teploty okolí te na ustálenou provozní teplotu tp
nadzemní vedení
Q M pc p M iz c iz t p te
podzemní vedení (pouze empirické vztahy, složitější, viz skripta)
lz H e 2 Q 12 D r z c z t p t z D
1,25
66/68
Izolace armatur
navrhuje se
jako snímatelná
tloušťka stejná jako u potrubí stejného jmenovitého průměru
nepožaduje se u armatur, kde by to ohrožovalo jejich funkci nebo ztěžovalo manipulaci
67/68
Izolace armatur a celků
68/68
Tepelné ztráty neizolovaných prvků
neizolované prvky
armatury
kompenzátory
tepelné mosty uložení
zahrnutí tepelných ztrát
opravným součinitelem
bezkanálové uložení
1,10 až 1,15
vedení v kanálech
1,15 až 1,25
nadzemní nebo pozemní vedení
1,20 až 1,30
