Komputerowe wspomaganie obliczeń układów kompensacji rurociągów preizolowanych
W artykule zaprezentowano proste narzędzie do wymiarowania układów kompensacji wydłużenia cieplnego rurociągów preizolowanych ułożonych w gruncie w I technice układania (zwykły montaż). Arkusz kalkulacyjny pozwala na szybkie obliczenia układów geometrycznych, w szczególności układów kompensacji, w przypadku zagłębienia rurociągu innego niż podano w tablicach pomocy do projektowania.
Zobacz także
gazdlaciebie.pl Na co zwrócić uwagę, wybierając zbiornik na gaz płynny?
Planując budowę domu, jedną z kluczowych decyzji, jaką muszą podjąć jego przyszli właściciele, jest wybór metody ogrzewania. Pomimo że zimy nie są już ta mroźne jak jeszcze 20-30 lat temu, przez pół roku...
Planując budowę domu, jedną z kluczowych decyzji, jaką muszą podjąć jego przyszli właściciele, jest wybór metody ogrzewania. Pomimo że zimy nie są już ta mroźne jak jeszcze 20-30 lat temu, przez pół roku temperatury na zewnątrz wymuszają konieczność ogrzewania domu. Nie mogąc liczyć na podłączenie do miejskiej sieci centralnego ogrzewania, pozostają tak naprawdę 3-4 alternatywy.
Gaspol S.A. Sieć gazowa LPG – wygodne i czyste ogrzewanie gazem płynnym
Budujesz domy jednorodzinne, domy w zabudowie szeregowej lub bloki w niskiej zabudowie, a może planujesz wymianę starego ogrzewania? Obecnie nie masz możliwości podłączenia gazu z sieci lub skorzystania...
Budujesz domy jednorodzinne, domy w zabudowie szeregowej lub bloki w niskiej zabudowie, a może planujesz wymianę starego ogrzewania? Obecnie nie masz możliwości podłączenia gazu z sieci lub skorzystania z miejskiej ciepłowni? Jest na to rada – zastosuj ogrzewanie gazem płynnym. Sieć gazowa LPG pozwala ogrzać nawet całe osiedle, a dodatkowo służy do przygotowania ciepłej wody użytkowej i zasila kuchenki gazowe.
Super Euro FPGS w ofercie przyłączy gazowych Grupy Armatura
Elastyczny przewód stalowy Super Euro FPGS to nowoczesne rozwiązanie w dziedzinie przyłączy gazowych proponowane przez Grupę Armatura. Materiały, z których został wykonany, a także jego specyficzna struktura...
Elastyczny przewód stalowy Super Euro FPGS to nowoczesne rozwiązanie w dziedzinie przyłączy gazowych proponowane przez Grupę Armatura. Materiały, z których został wykonany, a także jego specyficzna struktura zapewniają najwyższą jakość, bezpieczne użytkowanie i wygodę w utrzymaniu.
Wymiarowanie schematów geometrycznych ciepłowniczych rurociągów preizolowanych jest zagadnieniem skomplikowanym. Model obliczeniowy, zwłaszcza w przypadku rurociągów o dużej średnicy, jest złożony. Obok prostego zestawu parametrów wejściowych (średnica rurociągu i płaszcza, zagłębienie osi rurociągu, gęstość gruntu, współczynnik tarcia płaszcza rury o grunt) ujmuje dodatkowo następujące zagadnienia [1, 2]:
- sprężysto-plastyczny charakter gruntu (ośrodka),
- sprężysto-plastyczny charakter naprężeń wewnętrznych w materiale rurociągu (poza granicą plastyczności),
- zakrzywienie elementów (np. łuki),
- nieregularny, nieciągły kształt elementów systemu (np. odgałęzienia),
- wpływ ciśnienia wewnętrznego nośnika ciepła na naprężenia wewnętrzne,
- wpływ nierównomiernego nacisku gruntu na powierzchnię zewnętrznego płaszcza rurociągu.
Rurociągi o średnicy nominalnej powyżej 200 mm [1] powinny być obliczane wytrzymałościowo przy uwzględnieniu wszystkich wymienionych czynników. Rurociągi o mniejszej średnicy w praktyce projektowej mogą być wymiarowane metodą uproszczoną, wynikającą najczęściej z zasad podanych w poradnikach technicznych projektowania [4]. Także wstępna koncepcja trasy sieci o większej średnicy może być sporządzona w oparciu o uproszczoną metodykę, podaną w katalogach producentów. Koncepcję należy zweryfikować przez wyznaczenie naprężeń w materiale przy założonym układzie geometrycznym sieci.
Podstawowe zasady
Zasady uproszczonego wymiarowania układów geometrycznych sieci preizolowanych zostaną omówione na podstawie rozwiązań jednego z producentów, tj. Logstor Rør. Wytwórca rur jest członkiem Europejskiego Stowarzyszenia Producentów Rur dla Ciepłownictwa (European District Heating Pipe Manufacturers). Katalog Logstor Rør [4] podaje 5 technik (metod) montażu rurociągów preizolowanych: metoda I – kompensacja pełna, przy nieprzekroczeniu naprężeń dopuszczalnych (150 MPa) w odcinkach prostych,
- metoda II – podgrzew wstępny,
- metoda III – podgrzew wstępny z kompensatorami rozruchowymi,
- metoda IV – układanie z wykorzystaniem kompensatorów (relevier),
- metoda V – zimny montaż.
Przedmiotem artykułu będzie zaprezentowanie pomocy do projektowania układów geometrycznych w metodzie I. Pomoce obejmują: odcinki proste (wyznaczanie maksymalnej długości montażowej), łagodne załamania (rury gięte elastycznie i trwale – wyznaczanie promieni gięcia), kompensację typu „L”, „Z” i „U”, kompensacja odgałęzień bocznych.
Pomoce pozwalają na wymiarowanie rurociągów zasilających i powrotnych, przy innej, maksymalnej różnicy temperatury. W praktyce projektowej zakłada się jednak pełną symetrię przewodu zasilającego i powrotnego, przy odpowiednio mniejszym poziomie naprężeń w rurociągu powrotnym. Obliczane są niezbędne wielkości w przypadku 3 serii przewodów, różniących się grubością izolacji cieplnej przy tej samej średnicy rurociągu stalowego.
Teoria, zwłaszcza wyprowadzenia wzorów zostały szczegółowo omówione w [1, 3, 4], stąd w artykule zostaną jedynie podane wzory z odpowiednimi oznaczeniami [4]. W materiałach do projektowania [4] są zamieszczone tablice i nomogramy podające niezbędne parametry, jednak korzystanie z prostego programu komputerowego (arkusz kalkulacyjny Excel®) jest szybsze.
Promień gięcia elastycznego przyjmuje się jako:
promień gięcia trwałego (na budowie):
gdzie:
dz – zewnętrzna średnica rury stalowej.
W tabeli 1. i 2. pokazano sposób obliczenia promienia gięcia.
oznaczenia: dn - średnica nominalna rury stalowej [mm], dz - średnica zewnętrzna rury stalowej [mm], α - kąt gięcia dwunastometrowego odcinka rury [o]
Maksymalną długość prostego odcinka rurociągu, tzw. długość montażową, bez uwzględnienia naprężeń od ciśnienia w rurociągu i nierównomiernego nacisku gruntu na obwodzie płaszcza zewnętrznego, wyznacza się ze wzoru:
gdzie:
Lmax – długość montażowa (odległość od umownego lub rzeczywistego punktu stałego do swobodnego końca rurociągu (załamanie w metodzie uproszczonej jest traktowane jako koniec swobodny) [m],
αadop – dopuszczalne naprężenia osiowe w rurze stalowej [N/mm2] przyjmowane jako 150 N/mm2 w przypadku stali St37,
A – pow. przekroju rury stalowej [mm2],
F – jednostkowa siła tarcia [N/m] obliczona ze wzoru:
gdzie:
Ko – współczynnik tarcia spoczynkowego, przyjmowany jako 0,5 [4],
D – zewnętrzna średnica płaszcza rury [m], o średnicy nominalnej 150 mm.
h – zagłębienie osi rurociągu [m],
γ – ciężar właściwy gruntu [N/m3],
μ – współczynnik tarcia płaszcza rury o grunt.
Schematy kompensacji „L”, „Z” i „U” pokazano w przykładzie obliczeniowym. W każdym przypadku, na podstawie obliczonego wydłużenia odcinka („L”) lub odcinków („Z” i „U”), wyznacza się niezbędną długość ramienia Bmin.
Wydłużenie swobodnego końca odcinka przewodu położonego w gruncie oblicza się jako wydłużenie swobodne (pod wpływem różnicy temperatury minimalnej i maksymalnej) pomniejszone o wielkość tzw. hamowania, spowodowanego oddziaływaniem siły tarcia pomiędzy zewnętrzną powierzchnią płaszcza rurociągu i gruntem. Określa je wzór:
gdzie:
Δl – wydłużenie odcinka rurociągu [m],
α – współczynnik rozszerzalności liniowej stali, równy 1,2×10–5 1/K,
L – długość odcinka rurociągu od punktu stałego do swobodnego końca [m],
E – moduł sprężystości stali, równy 2,1×105 N/m2,
tmax – najwyższa temp. nośnika ciepła [°C],
tmin – najniższa temp. nośnika ciepła [°C].
pozostałe oznaczenia, jak we wzorze (3).
Przemieszczenie punktu znajdującego się pomiędzy punktem stałym i swobodnym końcem odcinka przewodu (np. odgałęzienia – schemat w przykładzie obliczeniowym) oblicza się ze wzoru:
gdzie:
ΔlT – przemieszczenie rozpatrywanego punktu, np. odgałęzienia [m],
LT – odległość rozpatrywanego punktu, np. odgałęzienia, od punktu stałego [m],
pozostałe oznaczenia, jak we wzorze (3) i (5).
Minimalną długość ramienia kompensacji Bmin określono na podstawie nomogramów [4], aproksymując linie (w skali logarytmicznej) funkcją o postaci ogólnej:
gdzie:
C – stała (odpowiadająca średnicy nominalnej rurociągu ciepłowniczego),
Δl – wydłużenie odcinka rurociągu (w kompensacji „L”) lub suma wydłużenia odcinków rurociągu (w kompensacji „Z” I „U”) [m],
m – wykładnik potęgi.
Otrzymano bardzo dobrą zgodność z wartościami odczytanymi z nomogramu, praktycznie w granicach błędu interpolacji odczytu w skali logarytmicznej. Wykładnik „m” jest zawarty w przedziale 0,45÷0,65.
Literatura
- Iwko J., Podręcznik ciepłownictwa – system rur preizolowanych – aspekty związane z projektowaniem preizolowanych sieci ciepłowniczych w warunkach polskich, INSTAL 3/1998.
- Randløv P., Podręcznik ciepłownictwa – system rur preizolowanych, CIBET Warszawa 1998.
- Żarski K., Projektowanie preizolowanych sieci cieplnych w technologii ABB Zamech, Bydgoszcz 1994.
- Logstor Rør, Poradnik.