Termodynamické jevy v potrubí a jeho okolí, část 2/2

Zcela aktuální stav problematiky CZT je možno dále získat z následujících odborných článků:

V článku [5] je záležitost teplot a průtočných objemů řešena s ohledem na práci kogenerační jednotky. Článek se opírá o realizaci ve městě Chi-feng ve vnitřním Mongolsku (Čína).

Pára z odběrové turbíny 300 MWE o parametrech 0,3–1,0 MPa zde ohřívá vodu primárního rozvodu na celosvětově obvyklé parametry 130/70 °C a tato voda dále ohřívá sekundární tepelné sítě o parametrech 70/50 °C, které jsou již navrženy s ohledem na nízkoteplotní radiátory v jednotlivých zásobovaných objektech. Neobvyklým je u tohoto předkládaného řešení využití tepla získaného v kondenzátoru turbíny pro výparníky tepelných čerpadel.

V článku jsou uváděny příklady čínských měst Shen-yang, Dalian a dalších, kde tato tepelná čerpadla dodávají teplo do měst prostřednictvím běžných tepelných sítí s tím, že za tímto účelem jsou provozována za vyšších teplotních parametrů a tedy s nižší účinností – přesněji s nižším topným faktorem.

Autoři uvádějí, že vratná voda z primární sítě může být v předávacích stanicích ochlazena až na 25 °C při parametrech sekundární sítě 70/50 °C (!) a to za použití absorpčních výměníkových stanic (viz Obrázek 7).

Přínosy tohoto řešení jsou:

1. převratné zvýšení přenosové kapacity primární potrubní sítě (a snížení nároků na izolaci vratné větve – poznámka autora).
2. možnost zvýšení efektivity kogeneračních jednotek zvýšením jejich energetické účinnosti

Schéma zapojení takové sítě je patrné (viz Obrázek 8)

Ze schématu (viz Obrázek 8) je patrné, jak v okrskových stanicích dochází k vychlazení zpětné vody až na 25 °C, tedy následně k minimalizaci tepelné ztráty vratné větve potrubních rozvodů centralizovaného zásobování teplem. Vzhledem k tomu, že obvyklá výpočtová teplota zeminy 1 m pod povrchem je 8,5 °C a reálná teplota zeminy v okolí přívodního potrubí o vnitřní teplotě 130 °C je cca 20 °C, je možno zvážit i záměr vratné potrubí v takto uspořádaných tepelných sítích buď vůbec neizolovat (např. plastová či sklolaminátová potrubí potrubí) nebo v případě ocelového potrubí izolovat minimálně, spíše pouze proti vlhkosti (v oboru předizolovaných potrubí se tato základní minimální izolační tloušťka označuje „0“ a označuje tloušťku izolace 20–35 mm dle světlosti potrubí DN). Za těchto okolností je možné snížit investiční náklady na sekundární sítě až o 20 %.

Další možnou cestou ke zvýšení efektivity potrubních rozvodů je zařazení Rankinova cyklu za použití ORC a nekonvenčních tepelných čerpadel. Problematika je řešena v [6]. Tato odborná práce se snaží sumarizovat dosavadní teoretické práce i praktické pokusy s ORC cyklem za použití nízkoteplotních zdrojů a CO₂ jako pracovní (oběhové) látky, kde funkci běžných čerpadel oběhové látky přebírají jednotky označované „thermal driven pump“ zkratkou „TDP“, kde ke zvyšování tlaku pracovní látky obíhající v Rankinově cyklu slouží teplo dodávané jí v uzavřených kontejnerech. Jedná se o zařízení využívající termodynamický jev, který probíhá tak, že tekutina vyplní prostor v zavřené nádobě je ohřívána a tlak se zvýší. Tento proces je izochorický. Rychlost nárůstu tlaku s teplotou závisí na použité pracovní kapalině oběhu a počátečním stavu (teplotě a tlaku) této látky.

Zapojení za použití jednotek označených „Thermal driven pump“ je patrné (viz Obrázek 10). Zdrojem tepelné energie jsou v tomto případě geotermální vrty, solární soupravy či odpadní teplo.

Zajímavé údaje ze sledování skutečných teplot v čase a vyhodnocování důsledků změn těchto teplot v teplárenské síti města Kyonggi-do v Jižní Koreji je možno získat v [7], kde pro konkrétní případ byly vyhodnoceny provozní teploty 2 hlavních potrubních tras a osmi přípojek objektů, viz Obrázek 11.

V uvedených úsecích bylo provedeno trvalé měření zacílené na zjišťování okamžitých teplot a jejich změny v čase, kdy tato měření jsou podkladem pro další zkoumání pevnostních následků plynoucích z měřených provozních cyklů potrubí. Pro účely této práce je zde podstatné velmi přesné měření za jasně daných podmínek (provedeno celkem 5 milionů odečtů na deseti místech), ze kterého je možné vycházet při stanovení váženého průměru teplot. Dalším faktorem, který se v jiných odborných pracích objevuje jen okrajově, je právě ono pečlivé zhodnocení účinků cyklů na medionosné trubky. Z hodnot uvedených v článku (viz Obrázek 12), je možné poměrně přesně kvantifikovat, nakolik se počet cyklů, kterými bylo potrubí zatíženo, blíží k hodnotě nejvyšší, výpočtem dovolené. Z článku lze vydedukovat, že stabilita provozních teplot v čase, a to i v běžných potrubních trasách a za teplot v teplárenství zcela obvyklých (110 °C) do značné míry ovlivňuje celkovou životnost jednotlivých částí potrubí. Pevnostní teorie potrubních tras se v posledních 40 letech postupně odklánějí od pouhého hodnocení maximálního provozního napětí poměřovaného vůči napětí dovolenému a směřují k hledání dovoleného zatížení v závislosti na počtu plných, či částečných provozních cyklů. Důvodem jsou zkušenosti z hodnocení stavebních konstrukcí, které v zřejmé souvislosti s vysokým množstvím částečných provozních cyklů havarovaly po 20–30 letech provozu, aniž by kdy v průběhu doby své životnosti dosáhly hodnoty blížící se původně stanovenému dovolenému napětí.

Článek [7] je zaměřen i na optimalizaci průřezů potrubí centralizovaného zásobování teplem, která je dle obecných zkušeností v praxi možná realizací různých hydraulických průřezů (většinou uváděných smluvní hodnotou DN), obtížněji pak různou tloušťkou stěn jednotlivých trubních dílů a tvarovek se stejnými DN. Zde jsou natolik pravděpodobné možnosti záměn jednotlivých trubek v množstvích stovek kusů používaných jak během výstavby potrubní sítě, tak i během větších oprav, že optimalizace tohoto druhu se v konečném efektu stává, v případě záměny dvou trubek se stejnou hodnotou DN, ale jinou tloušťkou stěny nebo jinou kvalitou materiálu, výrazným rizikovým faktorem pro možnost porušení mechanické pevnosti a stability v kterékoliv části stavebního díla. Je ale zřejmé, že výše uvedená optimalizace jednotlivých DN má výrazný vliv na skutečné tepelné ztráty celé teplárenské soustavy a je při výstavbě nových sítí zcela žádoucí.

I z této práce je možno jednoznačně usoudit na nezanedbatelné efekty potrubních tras s konstantní teplotou teplonosné látky v čase s ohledem na provozní spolehlivost celé soustavy.

Celkovou koncepcí centralizovaného zásobování teplem se zabývá článek [10], který vychází ze statistických údajů 83 měst v Belgii, Německu, Francii a v Holandsku, kde centralizované zásobování teplem tvoří průměrně 21 % z celkově dodaného tepla (r. 2006).

Základním rozhodnutím při plánování energetické koncepce města je volba centrální, či decentralizované výroba tepla, kdy, zejména pro centralizovanou výrobu, je třeba provést důkladnou analýzu souvisejících skutečností v daném území. Podstatnou je především hustota spotřeby tepla dodávaného prostřednictvím CZT do dané lokality (GJ/m²/rok), která je, a v poslední dekádě velmi podstatně, proměnná v čase. Její závislost především na aktuální hustotě osídlení je zřejmá. Dalším faktorem ovlivňujícím tuto tepelnou hustotu jsou opatření prováděná v rámci EU pro zvýšení energetické efektivity budov. Obecně lze očekávat snížení tepelné hustoty v naprosté většině evropských měst (i při zachování počtu obyvatel) a z toho vyplývající možné snížení efektivity centrálního zásobování teplem.

V souvislosti s těmito jevy článek uvádí srovnání velkých měst západní Evropy v Belgii, Německu, Francii, Švédsku a Holandsku s ohledem hustotu osídlení a specifickou spotřebu tepla. Tato spotřeba je v tabulkách přiložených k článku [10] uvedena – obvyklé hodnoty dosahují (0,42–0,56) GJ/m²/rok.

Na základě údajů o hustotě spotřeby lze, dle autorů mj., např. určit empirickým způsobem průměrnou dimenzi použitého potrubí

kde Q_S je odhadovaný požadavek na spotřebu tepla (PJ/rok) – možno využít odhad dle [10] a L celková délka tepelné sítě. V článku lze najít (viz Obrázek 13) graf stanovení předběžné průměrné dimenze potrubí na základě již zlinearizovaného údaje Q_S.

Z vypočtené průměrné dimenze potrubí je pak možno na základě ověřených technických údajů vypočítat předpokládatelnou průměrnou tepelnou ztrátu na metr tepelných rozvodů a po ekonomickém zhodnocení rozhodnout o výstavbě potrubních tras, nebo zvolit způsob zásobování tepla jako decentralizovaný, příp. kombinovaný.

Samotným přesným určením tepelných ztrát potrubí uloženého za pomoci různých technických řešení v zemi se zabývá článek [11], který posuzuje tepelné ztráty potrubí uloženého v zemině s tím, že hodnotí na základě dostupných výpočtových teorií i přesnosti některých vztahů. Poměrně podrobně je řešena přechodová vrstva mezi zeminou a okolním prostředím na povrchu země, a standardní výpočtový vzorec tepelného odporu sdružené trubní konstrukce R_i (mK/W) je v článku [11] rozšířen o tepelný odpor právě této přechodové vrstvy

kde R_hi je dodatečný tepelný odpor v případě umístění potrubí do betonového kanálu s izolační vrstvou vzduchu a D_2–4 jsou geometrické rozměry izolačních vrstev potrubí, viz Obrázek 14.

Pro kvantifikaci tepelného odporu zeminy v okolí potrubí nebo potrubního kanálu používá [11] vztahy

kde

Vzhledem k dalším pracím autora publikace [11], ve kterých upozorňuje na minimální význam tepelného odporu zásypové zeminy ve vztahu k celkové tepelné ztrátě moderního předizolovaného potrubí, je zajímavé porovnat vypočtené hodnoty tepelných ztrát právě podle těchto vzorců s celkovým tepelným odporem sdružené izolované potrubní konstrukce získaným experimentálně.

V úvahu je třeba samozřejmě vzít i aktuálně platnou normu ČSN EN 13 941 (vyd. 1. prosince 2010), která v příloze D (informativní) řeší tepelné ztráty dvojice potrubí v zásypu spolu s určením tepelného odporu mezi přívodním a vratným potrubím. Tato norma se také věnuje tepelně izolačním vlastnostem zeminy v závislosti na jejím druhu a vlhkosti.

Názor, který, a to oproti závěrům uvedeným v [11], prokazuje významný vliv zásypového materiálu (písku či zeminy) z hlediska výsledné tepelné ztráty, je uveden v [16], kde na základě sledování tepelně-technických vlastností zásypového materiálu byly konstatovány tepelné vodivosti zásypového materiálu v rozsahu od 0,7 do 1,2 W/mK. Výsledky vlastních autorových měření budou prezentovány v navazujících článcích.

Závěr

Na základě zpracovaných údajů lze konstatovat, že bibliografie v oboru problematiky provozních režimů potrubních sítí je, a lze uvést, že i v závislosti na oblasti původu jednotlivých výzkumných institucí, velmi různorodá. Ve výpočtovém aparátu potřebném pro určení tepelných ztrát jednotlivých potrubí však k významným rozdílům nedochází a je možno postupovat s kritickým přístupem převzetím výsledků a doporučení skandinávských a amerických autorů (částečně zachycených v platných evropských a amerických technických normách). Stejně tak je možno pro stanovení hydraulických ztrát v potrubních sítích samozřejmě využít literaturu ruskou, německou a praktické učebnice z českých odborných zdrojů.

Při zvažování použití moderních technologií směřujících k úsporám tepelné energie a čerpací práce ve vazbě na potrubní systémy je nutno především analyzovat a vzít v úvahu i výzkum probíhající na čínských a korejských pracovištích, kde je tato problematika řešena s radikálnějšími přístupy než např. v Evropě, a to za využití vstupních hodnot získaných z již instalovaných zcela moderních potrubních sítí.

Z tohoto pohledu lze zvážit základní cesty vedoucí k posouzení a optimalizaci potrubních sítí: Tou první je snaha maximálně využít stávajících výrobních a distribučních kapacit CZT a např. postupným snižováním teplot při zachování průtokových rychlostí a tlaků dosáhnout celkové zefektivnění rozvodů tepla/chladu. Tou druhou je naopak maximální využití stávajícími teplárenskými zdroji získatelného teplotního spádu, jeho co nejefektivnější přeprava ke koncovým uživatelům (a to i za cenu vysokých investic do nových izolačních materiálů) a nakonec plné zpracování těchto teplotních spádů pro zásobování odběratelů. Třetí, střední, i když v současných podmínkách velmi neobvyklou cestou, se pak může jevit provozování potrubních sítí za trvalého optimálního průtoku sítí a za trvalé teploty s koncovou úpravou parametrů teplonosné látky až u spotřebitele. Z hlediska výpočtového aparátu je vhodnou pomůckou literatura [9] a zejména pak [11], avšak s nutností kritického přístupu k hodnocení vlivu tepelně izolačních vlastností zásypové zeminy na celkovou tepelnou ztrátu potrubní konstrukce, např. dle [12].

Konec 2. části článku 1

Seznam použitých symbolů a zkratek

Tabulka 1 – Seznam použitých symbolů

označení v textu	význam	jednotka
T	absolutní teplota	K
t	teplota	°C
ρ	hustota látky	kg/m3
l	délka	m
D	vnější průměr	m
d	vnitřní průměr	m
λ	tepelná vodivost	W/mK
R	tepelný odpor válcové stěny	mK/W
Q	tepelný tok	W
q	měrný tepelný tok vztažený k jednotce délky či plochy	W [W/m2]
C	osová rozteč	m
A	plocha kolmá ke směru tepelného toku	m2
S	tvarový faktor	–
R	poloměr	m
α	součinitel přestupu tepla	W/m2K
Qs	hustota spotřeby tepla ve vztahu k ploše území [ve vztahu k délce potrubních tras]	J/m2 [J/m]
a	tepelná difuzivita (teplotní vodivost)	m2/s
h	osová hloubka	m
da	Průměrná hodnota hydraulické světlosti potrubí	m

Tabulka 2 – Seznam použitých zkratek

zkratka	plný význam
DN	„Diameter nominal“ – smluvní hodnota hydraulického průřezu trubky
CZT	Centralizované zásobování teplem
SCZT	Soustava centralizovaného zásobování teplem
KMR	Sdružená potrubní předizolovaná konstrukce tvořená medionosnou trubkou, izolací a povrchovou krycí trubkou se vzájemnými pevnými mechanickými vazbami
TV	Teplá voda, ohřátá pitná voda

Literatura

• [1] JANNA, William S. Engineering heat transfer 3rd edition. Broken Sound Parkway NW: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2009. 1 sv. 12 kapitol s. ISBN 978-1-4200-7202-0.
• [2] VLACH, Josef, a kol. Zásobování teplem a teplárenství. Vydání 1. Praha: SNTL, 1989. 552 s. 04-207-89
• [3] HAICHAO, Wang; WENLING, Jiaoand CHUANZHI, Zhu. Design and Operation Regulation of Combined Heating System with Gas-Fired Boilers as Peak-Load Heat Sources in Secondary Heating Network, Intelligent Computation Technology and Automation (ICICTA), 2011 International Conference 2011.
• [4] KOLAŘÍK, Jakub. Tepelná pohoda a pracovní výkonnost v budovách s kolísáním operativní teploty. TZB Haus Technik: Technická zařízení budov. 2010, III., 3, s. 17–19. ISSN 1803-4802.
• [5] Yan Li, Lin Fu, Shigang Zhang, Yi Jiang and Zhao Xiling, A new type of district heating method with co-generation based on absorption heat exchange (co-ah cycle)., Department of Building Science, Tsinghua University, PR China, Energy Conversion and Management, Volume 52, Issue 2, February 2011, Pages 1200–1207
• [6] LAKEW, Amlaku Abie; BOLLAND, Olavand LADAM, Yves. Theoretical Thermodynamic Analysis of Rankine Power Cycle with Thermal Driven Pump. Applied Energy, 9, 2011, vol. 88, no. 9. pp. 3005-3011. Přístupné z
  http://www.sciencedirect.com/science/article/B6V1T-52KVR4R-3/2/4feb0b2d78185e086a8748133739713e. ISSN 0306-2619.
• [7] CHANG, Yoon-Suk, et al. Fatigue Data Acquisition, Evaluation and Optimization of District Heating Pipes. Applied Thermal Engineering, 10, 2007, vol. 27, no. 14–15. pp. 2524–2535. Přístupné z
  http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431107000725. ISSN 1359-4311.
• [8] The 11^th International Symposium on District Heating and Cooling, August 31 to September 2, 2008, Reykjavik, ICELAND, Sborník příspěvků.
• [9] BOHM Benny, KRISTJANSSON Halldor, Single, twin and triple buried heating pipes: on potential savings in heat losses and costs. INTERNATIONAL JOURNAL OF ENERGY RESEARCH. Int. J. Energy Res. 2005; 29:1301–1312 Published online 18 July 2005 in Wiley InterScience, dostupný z www.interscience.wiley.com. DOI: 10.1002/er.1118.
• [10] PERSSON, Urban; WERNER, Sven. Heat distribution and the future competitiveness of district heating. Applied Energy [online]. 4. June 2010, 88, [cit. 2011-04-11]. Článek dostupný z www.elsevier.com/locate/apenergy.
• [11] BOHM, Benny. On transient heat losses from buried district heating pipes. INTERNATIONAL JOURNAL OF ENERGY RESEARCH [online]. 2000, 24, [cit. 2011-04-22]. Článek dostupný z
  http://80.onlinelibrary.wiley.com.dialog.cvut.cz/doi/10.1002/1099-114X(200012)24:15%3C1311::AID-ER648%3E3.0.CO;2-Q/abstract.
• [12] RANDLOV, Peter. EUROPEAN DISTRICT HEATING PIPE MANUFACTURERS ASSOCIATION. The District Heating Handbook. 1. vyd. Fredericia Danmark: European District Heating Pipe Manufacturers Association, 1997. 2. ISBN 87-90488-03-2. str. 176.
• [13] BROŽ, Karel. VYDAVATELSTVÍ ČVUT. Zásobování Teplem. 1. vyd. Praha: Ediční středisko ČVUT, 1997. ISBN 80-01-01587-4.
• [14] TARNAWSKI, Vlodek R. a Wey H. LEONG. A Series-Parallel Model for Estimating the Thermal. Int J Thermophys. 2012, roč. 2012, č. 33, s. 1191-1218. DOI: 10.1007/s10765-012-1282-1. Dostupné z: http://80.download.springer.com.dialog.cvut.cz/static/pdf/158/art%253A10.1007%252Fs10765-012-1282-1.pdf?auth66=1391680471_9a9214f2ea6d15d40c67dff38825f93d&ext=.pdf
• [15] IMA- Dresden, Result list of thermal conductivity measurement and density determination, 11. 12. 2013, archiv Oddělení kvality společnosti Uponor Infra Fintherm a.s., Za Tratí 197, Praha 9.
• [16] PERPAR, Matjaz, et al. Soil Thermal Conductivity Prediction for District Heating Pre-Insulated Pipeline in Operation. Energy. 2012, vol. 44, no. 1, s. 197–210. Dostupné z: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544212004884 ISSN 0360-5442.