FI105234B

FI105234B - Two-pipe element for district heating

Info

Publication number: FI105234B
Application number: FI945260A
Authority: FI
Inventors: Veli-Matti Kivistoe
Original assignee: Kivistoe Veli Matti
Priority date: 1993-11-17
Filing date: 1994-11-09
Publication date: 2000-06-30
Also published as: FI945260A0; FI945260L

Description

105234105234

KAUKOLÄMMÖN KAKSIPUTKIELEMENTTIDOUBLE TUBE ELEMENT FOR DISTRIBUTION HEAT

Keksinnön kohteena on tehtaalla valmistuksen yhteydessä esieristetty ja esijännitetty kaukolämmön kaksiputkielementti. Keksinnön mukaisella kaksiputkielementillä helpottuu kaukolämmön kaksiputkielementtien asennus ja lämpöhäviöt pienenevät.The invention relates to a pre-insulated and prestressed double-tube element for district heating at the factory. The dual tube element according to the invention facilitates the installation of the district heating dual tube elements and reduces heat loss.

Ennestään tunnetut esieristetyt kaukolämpöputket asennetaan nykyään normaalisti ns. nocomp-menetelmällä, joka esitellään kaukolämpöelementtien valmistajien käsikirjoissa (esim. Logstör, ja Ecopipe). Menetelmässä on kaukolämpöputken lämpöliikkeet pitkillä suorilla osuuksilla estetty täysin tai osittain suojakuoren ja täyttömaan välisellä kitkalla. Lähellä taitepisteitä elementti liikkuu kuitenkin virtausputken lämpötilojen muuttumisen seurauksena, koska tarvitaan tietty putkikoosta riippuvainen "kitkapituus", että suojakuoren ja ympäröivän täyttömateriaalin välisten kitkavoimien summa olisi suurempi kuin virtausputken lämpötilan muutoksista johtuva voima. Esieristetyissä kaukolämpöputkielementeissä on virtausputki kiinnitetty polyuretaanieristyksen välityksellä suojakuoreen siten, että virtausputkessa esiintyvät lämpöliikkeet ja sallitut voimat välittyvät eristeen ja suojakuoren välityksellä koko elementin ja ympäröivän maan välisiksi liikkeiksi ja kitkavoimiksi. Kun kahden lämpöliikkeitä vastaanottavan pisteen välinen putkiosuus on pidempi kuin kaksi kertaa kitkapituusosuuksien pituinen osuus, jää niiden väliin osuus, jolla kaukolämpöputkielementti ei pääse liikkumaan lämpötilojen muutosten vaikutuksesta, vaan lämpötilanmuutokset aiheuttavat jännitysten kohoamisen virtausputkessa.The previously known pre-insulated district heating pipes are nowadays normally installed in so-called. nocomp method, which is presented in the manuals of district heating element manufacturers (eg Logstör, and Ecopipe). In the method, the heat movement of the district heating pipe by long straight sections is completely or partially prevented by friction between the protective shell and the filling earth. However, near the breakpoints, the element will move as a result of changes in the flow tube temperatures, since a certain tube size-dependent "friction length" is required so that the sum of frictional forces between the sheath and surrounding filler is greater than the force due to flow tube temperature changes. In pre-insulated district heating pipe elements, the flow pipe is secured to the sheath by polyurethane insulation so that the thermal movements and allowable forces in the flow pipe are transmitted through the insulation and sheath to the movements and frictional forces between the entire element and the surrounding ground. When the tube portion between the two heat receiving points is longer than twice the friction portion length, there remains a portion where the district heating tube element cannot move due to temperature changes, but temperature changes cause the stresses in the flow tube to increase.

Kaukolämpöputkissa on erikoistapauksissa käytetty tehtaalla esijännitettyjä elementtejä, joissa esijännitys pidetään kahden sisäkkäin olevan teräsputken (virtausputken ja apuputken) välillä. Näissä ns. steel in steel putkissa on normaalisti pinnoitettu ulompi teräsputki, joka toimii samalla suojakuorena. Rakenne vaatii maa-asennuksessa esim. katodisen suojauksen korroosion estämiseksi. Esijännityksen ankkurointi on tehty sisemmän virtausputken ja ulomman teräsputken välille hitsatuilla teräspaloilla, jotka jäävät pysyvästi paikoilleen.In special cases, district heating pipes have been prefabricated with pre-stressed elements, which hold the pre-stress between two nested steel pipes (flow pipe and auxiliary pipe). In these so-called. steel in steel tubes have a normally coated outer steel tube that acts as a protective cover. The structure requires, for example, cathodic protection in ground installation to prevent corrosion. The pre-stress anchoring is made between welded steel pieces between the inner flow pipe and the outer steel pipe, which remain permanently in place.

105234 2105234 2

Esieristettyjä kitkakiinnitykseen soveltuvia Kl-elementtejä on pääasiassa käytössä kahta päätyyppiä. Sellaisia joissa yhden suojakuoren sisällä on vain yksi virtausputki (ns. yksiputkielementti, 2Mpuk), kuvio 1 oheisessa piirustuksessa sekä sellaisia joissa molemmat virtausputket ovat saman suojakuoren sisällä (ns. * kaksiputkielementti, Mpuk). Tyypillistä käytössä oleville kaksiputkielementeille on, että niissä virtausputket ovat olleet samassa lämpötilassa ja sitä vastaavassa pituudessa eristeellä (normaalisti PUR) kiinnittämisen ajan. Jotkut valmistajat käyttävät virtausputkien väliin kiinnitettäviä hitsattuja ohuita teräksisiä etäisyyspaloja ja toiset pelkästään muovisia tai vastaavia. Näiden etäisyyspalojen tarkoitus on pitää virtausputket toleranssien mukaisilla etäisyyksillä valmistuksen ajan. Tyypillistä kummallekin elementtityypille on, että ne täytyy asennuksen yhteydessä jaksottain esilämmittämällä (tai muulla tavoin) esijännittää ennen jakson kiinnittämistä suojakuoren ja ympäröivän maan välisellä kitkalla täyttämällä kaivanto että pysyttäisiin käytön aikana sallituissa lasketuissa jännityksissä.There are mainly two main types of pre-insulated Kl elements suitable for frictional fastening. Those with only one flow tube inside one sheath (so-called single tube element, 2Mpuk), Figure 1 in the drawing, and those with both flow tubes inside the same sheath (so-called * double tube element, Mpuk). Typical of the dual pipe elements in use is that the flow pipes have been at the same temperature and the same length during insulating (normally PUR). Some manufacturers use welded thin steel spacers that are welded between the flow pipes, while others use only plastic or the like. The purpose of these spacing blocks is to keep the flow pipes within the tolerances during manufacture. Typical for each element type is that they must be pre-tensioned during installation by periodically preheating (or otherwise) before fitting the section with friction between the enclosure and the surrounding ground by filling the trench to maintain the calculated stresses during use.

Kaukolämpöputkissa normaalisti käytettävän teräsputkilaadun (Fe 37B) alempi myötöraja on DIN 1626:n mukaan n. 215 N/mm2 70°C:n lämpötilassa (paluuputki) ja n. 211 N/mm2 l20°C:n lämpötilassa (menoputki). SFS 3274 sallii n. 185 N/mm2 puristusjännityskomponentin putkistossa. Mikäli nykyään normaalisti käytettäviä kaukolämpöputkia ei asennuksen yhteydessä esilämmittämällä jaksottain esijännitetä asennusjakson pituuden ollessa yli kahden ns. kitkapituuden (Lf) ylittyvät sekä sallitut jännitykset että teräksen myötöraja. Tämä johtaa siihen, ettei elementtejä voida kiinnittää ympäröivään täyttömaahan normaalissa asennuslämpötilassa, vaan kaukolämpöputket esijännitetään asennuksen yhteydessä jaksottain esilämmittämällä n. 70-75°C:n keskilämpötilaan ennen kaivannon täyttämistä hiekalla ja maamassoilla. Esilämmittäminen tapahtuu normaalisti kierrättämällä lämmintä (n. 70-75°C:sta) vettä putkissa. Kierrättäminen tapahtuu kytkemällä meno- ja paluuputket tilapäisesti yhteen esilämmitysjakson päässä kierron aikaansaamiseksi, jolloin kummatkin virtausputket läpiävät samaan lämpötilaan. (Esilämmittäminen voidaan tehdä myös kuumalla ilmalla, höyryllä tai sähköllä). Tällöin kaivannon täyttämisen jälkeiset putkiston n. +-50°C:n lämpötilan muutokset ovat mahdollisia ylittämättä kaukolämpöputkissa käytettävälle teräslaadulle sallittua jännitystä. Tällä asennustavalla joudutaan asennusvaiheessa 3 105234 pitämään kaivantoa pitkään auki ja kaivannon täyttö voi tapahtua vasta esilämmityksen jälkeen esilämmitysjaksoissa, joiden pituus voi olla satoja metrejä. Kaivannon aukipitäminen ja esilämmityksen suorittaminen on työlästä ja häiritsee huomattavasti ympäristöä. Normaali käyttölämpötiloissa tulee tällä tavalla asennetussa kl-linjassa olemaan toisessa putkessa vetojännitys (paluuputki) ja toisessa puristusjännitys (menoputki).According to DIN 1626, the lower yield limit for steel tubes (Fe 37B) normally used in district heating pipes is about 215 N / mm2 at 70 ° C (return pipe) and about 211 N / mm2 at 120 ° C (flow pipe). SFS 3274 allows a compression tension component of about 185 N / mm2 in the piping. If currently used district heating pipes are not preheated during the installation period, the installation period is longer than two so-called. the friction length (Lf) exceeds both the allowable stresses and the yield stress of the steel. As a result, the elements cannot be fixed to the surrounding backfill at normal installation temperature, but the district heating pipes are pre-stressed during installation by periodically preheating to an average temperature of about 70-75 ° C before filling the trench with sand and earth. Preheating is normally done by circulating warm water (about 70-75 ° C) in the pipes. Recirculation is accomplished by temporarily connecting the supply and return pipes at the end of the preheating cycle to provide a circulation whereby both flow pipes pass through at the same temperature. (Preheating can also be done with hot air, steam or electricity). In this case, changes in the temperature of the piping after filling of the trench at about + -50 ° C are possible without exceeding the allowable stress for the steel grade used in district heating pipes. This installation method requires the trench to be open for a long time during installation phase 3 105234, and the trench can only be filled after preheating in preheat cycles of hundreds of meters. Keeping the trench open and preheating is laborious and greatly disturbs the environment. At normal operating temperatures, the kl line installed in this manner will have tension (return) and compression (flow) at one pipe.

Keksinnön mukaisessa elementin valmistuksen yhteydessä esieristetyssä ja esijännitetyssä kaksiputkielementissä käytetään hyväksi kahden virtausputken suomaa mahdollisuutta esijännittää ne toisiinsa nähden. Tämä korvaa normaalisti asennusvaiheessa tehtävän esilämmittämänä jaksoittain tehtävän esijännityksen. Keksinnön mukaisen esijännitetyn kaksiputkielementin ansiosta ei kaksiputkielementeistä tehtyjä kaukolämpöputkia tarvitse asennuksen yhteydessä lämmittää ennen kaivannon täyttämistä, joten kaivanto voidaan täyttää mielivaltaisissa jaksoissa heti asennuksen jälkeen eikä lämpimän veden tai muun kierrättämisen vaatimia järjestelyjä tarvita. Tällä tavoin kaukolämpöputken asennus helpottuu huomattavasti verrattuna nykyiseen käytäntöön.In the manufacture of the element according to the invention, the pre-insulated and prestressed double-tube element takes advantage of the possibility provided by the two flow tubes to prestress them relative to each other. This normally replaces the periodic prestress that is preheated during the installation phase. Due to the pre-stressed double tube element according to the invention, the district heating pipes made of the dual tube elements do not need to be heated during installation prior to filling the trench, so the trench can be filled in arbitrary sections immediately after installation and without hot water or other recycling arrangements. In this way, the installation of the district heating pipe is considerably simplified compared to current practice.

Keksinnön mukaiselle kaukolämmön kaksiputkielementtille on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.The district heating dual tube element according to the invention is characterized in what is set forth in the characterizing part of claim 1.

Keksinnön mukaiselle kaukolämmön kaksiputkielementille on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 2 tunnusmerkkiosassa.The district heating dual pipe element according to the invention is characterized in what is set forth in the characterizing part of claim 2.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä kaksiputkielementin valmistusvaiheessa tehtaalla muodostetaan virtausputkiin (meno- ja paluuputki) ennen niiden ja suojakuoren yhteen liittämistä uretaanieristen välityksellä esijännitystila. Virtausputkista tulevalle menoputkelle aiheutetaan n. 50°C:n lämpöliikettä vastaava siirtymä ennen sen kiinnittämistä tulevaan paluuputkeen, eristeeseen ja suojakuoreen. Elementin sisäisen esijännitystilan säilyminen valmistuksen, varastoinnin ja kuljetuksen ajaksi on varmistettu virtausputkien väliin elementin päihin eristeen ulkopuolelle hitsattavilla tilapäisillä ankkurointilevyillä.In the process according to the invention, a biasing state is formed in the factory in the manufacture of the double-tube element before the connection of the two-pipe element (flow and return pipe) with urethane insulators. The flow pipe from the flow pipes is subjected to a transition corresponding to a thermal movement of about 50 ° C before being attached to the incoming return pipe, dielectric and sheath. The preservation of the internal prestressing space of the element during manufacture, storage and transportation is ensured by temporary anchoring plates welded between the flow pipes at the ends of the element outside the insulation.

Ankkurointilevyt avataan elementin asennuksen yhteydessä jatkosauman (virtausputkien) hitsaamisen yhteydessä. Eristeen tarttuvuus ja jakson vapaassa 105234 4 vielä päässä olevat tilapäiset ankkurointipalat varmistavat esijännityksen säilymisen. Kaivantoon asennetun elementin menoputkessa on jatkuva vetojännitys ja paluuputkessa puristusjännitys. Esijännitysten suuruus riippuu luonnollisesti käytettävästä lämpötilaerosta. 50°C:n lämpötilaero vastaa n. 60 N/mm2:n veto- ja puristusjännityksen sjuuruista esijännitystä. Tällä esijännityksellä ja n. 15°C:n asennuslämpötilalla päästään SFS 3274:n (materiaali St 37B) mukaisesti laskemalla 115°C:een sallittuun menoputken käyttölämpötilaan ja vastaavasti 69°C:een paluuputkella. Virtausputkien lämmmetessä normaaleihin käyttölämpötiloihin muuttuu esijännityksen veto- ja puristusjännitys puristusjännitykseski kummassakin virtausputkessa liitteen 2 mukaisesti. Ko. lämpötilat vastaavat normaaleja kaukolämpöputkien korkeimpia käyttölämpötiloja. Ei ole oleellista missä peruslämpötiloissa virtausputkia pidetään esijännityksen aikana vaan, että virtausputkien lämpötilaero on esimerkin mukaisesti n. 50°C tai vastaava esijännitys on muutoin aikaan saatu esim. ulkoisella voimalla vetämällä.The anchoring plates are opened during the installation of the element when welding the joint seam (flow pipes). The adhesion of the insulation and the temporary anchoring pieces still in the free end of section 105234 4 ensure that the prestress is maintained. The outlet pipe of the trench element has continuous tensile stress and the return pipe has compressive stress. The magnitude of the biases naturally depends on the temperature difference used. The temperature difference of 50 ° C corresponds to the root prestress of tensile and compressive stresses of about 60 N / mm 2. At this prestress and the installation temperature of about 15 ° C, it is achieved in accordance with SFS 3274 (material St 37B) by lowering to 115 ° C the permitted outlet temperature of the outlet pipe and 69 ° C, respectively, on the return pipe. As the flow pipes warm to normal operating temperatures, the prestressing tensile and compression stresses for each of the flow pipes also change according to Annex 2. Ko. the temperatures correspond to the normal maximum operating temperatures of the district heating pipes. It is irrelevant at what basic temperatures the flow pipes are held during the prestressing, but that the temperature difference of the flow pipes is, by way of example, about 50 ° C or the corresponding prestressing is otherwise achieved by, e.g.

Keksinnön mukaisella esieristetyllä ja esijännitetyllä kaksiputkielementillä on esimerkkilaskelmassa alin asennuslämpötila huomioimatta eristeen ja suojakuoren lisävaikutusta esijännitykseen n. 15 °C. Otettaessa suojakuoren ja eristeen esijännitysvaikutus huomioon päästään vielä alempaan mahdolliseen asennuslämpötilaan ilman asennusvaiheessa tehtävää esilämmitystä. PEH-suojakuorella sen lisävaikutus on vähäinen (n. 5°C), mutta teräksisellä suojakuorella varustetun kaksiputkielementin esijännityksellä päästään vielä huomattavasti alhaisempaan sallittuun asennuslämpötilaan.In the exemplary calculation, the pre-insulated and prestressed double-tube element according to the invention has the lowest installation temperature, without taking into account the additional effect of the dielectric and the sheath on the prestress of about 15 ° C. By taking into account the prestressing effect of the sheath and the insulation, an even lower possible installation temperature is achieved without preheating during the installation phase. With the PEH shield, its additional effect is minor (approx. 5 ° C), but the pre-stress of the double tube element with the steel shield achieves an even significantly lower permissible installation temperature.

Seuraavassa keksintöä selitetään oheiseen piirustukseen kuvioon 2 ja liitteen 2 käyriin viittaamalla.In the following, the invention will be explained with reference to the accompanying drawings in Figure 2 and the curves in Annex 2.

Virtausputkien toisiinsa uretaani eristeellä kiinnittämisen ajan kohdassa 1 näkyvä virtausputki (tuleva menoputki) pidetään n. 50°C korkeammassa lämpötilassa tai vastaavassa vetojännityksessä kuin kohdassa 2 oleva virtausputki (tuleva paluuputki). Virtausputket kiinnitetään toisiinsa polyuretaani eristeellä ja varmistamalla esijännityksen pysyminen vailmistuksen, varastoinnin ja kuljetuksen ajaksi kohdassa 5 näkyvillä elementin päihin kiinnitettävillä tilapäisillä ankkurointipaloilla. Kohdassa 3 näkyvä eriste kiinnittyy virtausputkiin ja suojakuoreen 4. Näin koko elementin lämpötilojen tasaannuttua siihen jää 5 105234 esijännitystila virtausputkien välille. Kohdassa 5 näkyvät tilapäiset ankkurointipalat leikataan auki asennuksen yhteydessä, jälkeen. Toisiinsa hitsattujen elementtien esijännitys säilyy pur-eristeen välityksellä ja elementin päissä olevilla tilapäisillä ankkurointipaloilla, jotka avataan vasta ko. kohtien virtausputkien hitsaamisen jälkeen. Käyttöönoton yhteydessä virtausputkissa puristusjännitys lisääntyy liitteen 2 käyrien mukaisesti muuttaen esijännyksellä saatetut veto- ja puritusjännitykset kummassakin virtausputkissa suunnilleen samansuuruisiksi puristusjännityksiksi mormaali käyttölämpötiloissa.During the connection of the flow pipes to each other with urethane insulator, the flow pipe (incoming flow pipe) shown in point 1 is maintained at a temperature of about 50 ° C or higher tensile stress than the flow pipe (incoming return pipe) in point 2. The flow pipes are secured to each other with polyurethane insulation and secured to the tension during temporary storage, storage and transport by the temporary anchoring pieces attached to the element ends as shown in step 5. The insulation shown in step 3 attaches to the flow pipes and to the sheath 4. Thus, when the temperature of the entire element has stabilized, there remains a 5 105234 bias space between the flow pipes. The temporary anchor pieces shown in step 5 are cut open during installation, afterwards. The prestress of the elements welded to one another is maintained through the pur insulation and the temporary anchoring pieces at the ends of the element, which are opened only in the said case. points after welding the flow pipes. Upon commissioning, the compressive stress in the flow tubes increases in accordance with the curves in Annex 2, converting the prestressed tensile and compressive stresses in both flow tubes to approximately the same compressive stresses at moral operating temperatures.

%%

Claims

6 Patent Claims' 'v' 1. A prestressed and pre-insulated double pipe element for district heating, wherein the flow pipes (1 and 2) are housed within a sheath (4) and an insulating layer (3), characterized in that the element has a tensile stress state which, without exceeding the yield limit, will change to normal compression stress in each pipe when it rises to normal operating temperatures, replacing the prestress of preheating the conventional elements during the installation phase. 2. Pre-tensioned district heating dual tube element according to claim 1, characterized in that after installation there is no biased cold bridge between the flow pipes and no stress peak in the flow pipes, since the flow pipes are bonded only by the insulating layers (3) of claim 1 and temporarily.

1. Förspänt och förisolerat tvärörselement för fjärrvärme, i whistling strömningsrören (1 och 2) anordnade att omges av en shieldsmantel (4) och et isoleringsskikt (3), kännetecknat av ati elementets framledning harstörstörst. har försatts i et tryckspänningstillständ, lively bäda tillstand, utan att överskrida sträckgränsen, omvandlas i bäda rören account tryckspänning när förhällandena närmar sig normala användningstemperaturer, lurking ersätter den förspänniga.

2.1 samband med elementframställning förspänt tvärörselement förrvärme enligt patentkrav 1, kännetecknat av att en kallbrygga mellan strömningsrören som orsakas av förspänningen och en spänningskoncentration i strömningsrören inte bildas päet efter monte 5) enligt krav 1.