1/72
Tepelné sítě - hydraulické výpočty varianty
volba teplonosné látky návrh světlosti potrubí tlakové ztráty tlakový diagram sítě
2/72
Tepelná síť
potrubní soustava
doprava tepla prostřednictvím teplonosné látky
ze zdroje ke spotřebičům
v potřebném množství (průtok)
v požadovaném stavu (teplota, tlak)
zdroj tepla Q ZT
ztráty Qtz
odběr tepla Q P
3/72
Druhy sítí - jednotrubkové
teplonosná látka se nevrací do zdroje
parní rozvody bez vracení kondenzátu
technologické procesy
nejnižší investiční náklady
4/72
Druhy sítí - dvojtrubkové
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
5/72
Druhy sítí - dvojtrubkové
vodní síť
parní síť
6/72
Druhy sítí
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)
7/72
Tepelná síť
uzavřená síť
teplonosná látka obíhá ve stálém množství, odevzdává teplo pro nepřímé využití teplovodní (přívodní, vratná větev), parní (parní potrubí, kondenzátní potrubí)
8/72
Tepelná síť
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)
9/72
Tepelná síť
paprskovitá síť
radiální ze zdroje tepla vychází jeden nebo více napáječů větvovité dělení k předávacím stanicím
vhodná pro větší zásobovaná území
10/72
Tepelná síť
okružní síť
okruhová modifikace paprskovité se vzájemně propojenými napáječi vhodná pro kompaktní zástavbu
11/72
Tepelná síť
mřížová síť
vzájemně spojené okruhy umístěné vedle sebe v zásobování teplem se nevyskytuje vhodná pro plynovody, vodovody, apod.
12/72
Tepelná síť
nadzemní
na vysokých sloupech
neužívá se, investičně náročné
v případě přechodu vodních toků, silnic, železnic – potrubní mosty využití stávajících staveb: mostů, lávek
13/72
Tepelná síť - nadzemní
14/72
Tepelná síť
pozemní
investičně nejlevnější
uložené v zemi
o 50 % dražší než pozemní
v městských oblastech zcela nezbytné
15/72
Tepelná síť - pozemní
16/72
Provedení
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
17/72
Městský kolektor 1 – horkovodní potrubí přívodní 2 – horkovodní potrubí zpětné 3 – parovody 4 – kondenzátní potrubí 5 – vodovod 6 – silové kabely 7 – telefonní kabely
18/72
Provedení
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
19/72
Bezkanálové provedení
20/72
Potrubí - předizolované
materiály
potrubí: ocel, měď, polypropylen (TV)
tepelná izolace: PUR pěna
chránička: plastová trubka z HD-PE, pozinkovaný plech SPIRO
max. pracovní teplota 140 °C
21/72
Potrubí dodatečně izolované
materiály
potrubí: ocel
tepelná izolace: minerální vlna
chránička: oplechování
nechráněné v kanálu
22/72
Uložení potrubí
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)
23/72
Uložení potrubí - kluzné
24/72
Uložení potrubí - závěsné
pružinové
válečkové
25/72
Uložení potrubí – posuvné, válečkové
zdroj: Koňařík – závěsová technika
26/72
Teplonosná látka
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
27/72
Voda
vlastnosti
velké měrné teplo
úplná chemická stabilita do 200 °C
obsah minerálů: vápenatých a křemičitých solí, plyn (O2, CO2)
nutná chemická úprava a odplynění
obvyklá rychlost proudění 1 až 2 m/s
oběhová čerpadla
značné statické tlaky vlivem členitosti sítě
28/72
Vodní pára
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
29/72
Volba teplonosné látky
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
30/72
Volba teplonosné látky
horkovodní sítě t > 110 °C (z elektráren, tepláren, výtopen) typické hodnoty
běžné
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
1,6 MPa
1,6 až 2,5 MPa
výkon soustavy
konstrukční tlak druh odběratelů
byty, občanská vybavenost, průmysl
provedení sítě
dvoutrubkové, třítrubkové
uložení sítě
podzemní, nadzemní
31/72
Volba teplonosné látky
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
1,2 MPa
0,8 až 2,4 MPa
konstrukční tlak druh odběratelů
průmysl, byty, občanská vybavenost
provedení sítě
dvoutrubkové, jednotrubkové
uložení sítě
podzemní, nadzemní
32/72
Volba teplonosné látky
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
33/72
Volba teplonosné látky
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
34/72
Návrhový výkon
úseky se navrhují se na přípojný tepelný výkon QP
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
35/72
Návrhový průtok – vodní sítě P k Q z M w c t w 1 t w 2 tw1 teplota vody na vstupu do tepelné sítě tw2 teplota vody na výstupu ze spotřebičů = teplota ve vratném potrubí c
měrná tepelná kapacita vody = 4187 J/(kg.K)
kz
součinitel ztrát v síti (= 1,02)
36/72
Návrhový průtok – parní sítě k Q M p z P h1 hk h1
entalpie páry na vstupu do tepelné sítě
hk
entalpie kondenzátu na výstupu ze spotřebičů určena teplotou kondenzátu tk
kz
součinitel ztrát v síti (= 1,03)
37/72
Výpočty tepelné sítě
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
38/72
Návrh světlosti
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
39/72
Návrh světlosti úseku
z rovnice kontinuity
M A w r
hmotnostní průtok [kg/s]
kruhové potrubí, světlý průřez
kde A průřez potrubí [m2]
A
w rychlost proudění [m/s]
4
d
2
r hustota kapaliny, páry pro střední teplotní podmínky [kg/m3]
průměr potrubí [m]
4 M d w r
40/72
Optimální – ekonomická rychlost
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
41/72
Optimální – ekonomická rychlost a) roční podíl investice b) obsluha a údržba c) ztráty tepla d) čerpací práce
42/72
Optimální – ekonomická rychlost
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
43/72
Hydraulický výpočet
tlaková ztráta třením
druh proudění: laminární, turbulentní
Reynoldsovo číslo Re
drsnost potrubí k (turbulentní oblast)
součinitel třecí ztráty l (D’Arcy-Weisbach)
Re
w d
tlaková ztráta místními odpory
místní odpory – kolena, odbočky, kompenzátory, kohouty, ...
součinitel místní ztráty
44/72
Moodyho diagram – součinitel třecí ztráty laminární
kritická
turbulentní přechodová turbulentní
45/72
Třecí ztráta
laminární proudění (Re < 2320)
hyperbolická závislost třecího součinitele na Re
nezávislý na drsnosti potrubí
64 l Re
[Hagen-Poiseuille]
46/72
Třecí ztráta
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
47/72
Třecí ztráta
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
k 2,5226 2 log 3 , 7065 d l Re l
1
1 106 3 4 k l 0,00551 2 10 d Re
[Colebrook-White]
[Moody, Re>4000]
48/72
Třecí ztráta
vyvinuté turbulentní proudění (3500 / r < Re)
automodelní oblast, třecí ztráta nezávisí na Re
závisí pouze na poměrné drsnosti potrubí r = k / d
l
1 k 1,1387 2 log d
2
[Nikuradze, 1933]
49/72
Drsnost potrubí
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
50/72
Drsnost potrubí
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
k = 0,1 mm
delší dobu provozované
k = 0,2 až 0,3 mm
51/72
Drsnost potrubí
hydraulicky hladké trubky k = 0, 000...
měděné – podle obecného Blasiova vztahu
0,3164 l 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
d 0,068 l 0,738 0,3 Re
do Re = 2 x 105 [ČVUT]
52/72
Tlaková ztráta
tlaková ztráta třením
L w2 p l l r d 2
tlaková ztráta místními odpory
w2 p r 2 ekvivalentní délka vřazených odporů
L
d
l
53/72
Tlaková ztráta
celková tlaková ztráta
pl
L L w 2 l L L 2 l r 0,811 M d
2
r d5
stanovení průměru potrubí podle předepsané tlakové ztráty
0,811 l L L 2 d 5 M r p pro určení l a L je nutné znát průměr d
54/72
Návrh světlosti úseku
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
55/72
Příměsi pro snížení tlakové ztráty
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
56/72
Příměsi pro snížení tlakové ztráty
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
57/72
Příměsi pro snížení tlakové ztráty
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
58/72
Snížení tlakových ztrát
13 kPa 5 kPa
59/72
Místní tlakové ztráty
vřazené odpory
kolena
zúžení, rozšíření
odbočky, spojky
kompenzátory typ U – vysoký odpor! osový – vysoké namáhání!
armatury
výměníky
60/72
Armatury ruční ventily
ventily s převodovkou DN150 až DN 250
61/72
Místní tlakové ztráty
62/72
Armatury klapka PN25
260 °C těsnost trvanlivost
řízení průtoku uzavírání
63/72
Tlakový diagram sítě
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
64/72
Průběh tlaků v síti vodní síť
parní síť
nestlačitelná tekutina
stlačitelná tekutina
hustota nezávisí na tlaku vody
s poklesem tlaku při proudění roste měrný objem
pl = konst · L
pl = konst · l (Re)· r · L
65/72
Tlakový diagram sítě H [m]
K OČ
NB
p1
p2
p3
L [km]
K OČ
1
2
3
66/72
Tlakový diagram sítě
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
67/72
Tlakový diagram sítě H [m]
utržení vodního sloupce
K OČ
NB
p1
p2
p3
L [km]
K OČ
1
2
3
68/72
Tlakový diagram sítě K OČ
H [m]
nadměrný tlak pro tělesa
NB
provoz
p1
p2
p3
max. dovolený
L [km]
K OČ
1
2
3
69/72
Tlakový diagram sítě
tlakový expander
neutrální bod (pouze 2 možnosti): na sání: neutrální tlaková hladina I, tlak pI na výtlaku: neutrální tlaková hladina II, tlak pII
tlaky vyvozené kompresorem nad hladinou tlakového expandéru
značné statické tlaky na prahu sítě při velké dopravní výšce čerpadla
70/72
Tlakový diagram sítě výtlak
sání
expander II
expander I
místní odpory vyjádřeny jako ekvivalentní délka, vyšší strmost
71/72
Tlakový diagram sítě
stálý chod doplňovacího čerpadla, tlaková regulace
neutrální bod je možné měnit mezi pI a pII
V1(Z) a V2(O): neutrální bod v pI
V1(O) a V2(Z): neutrální bod v pII
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
72/72
Tlakový diagram sítě
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
