FI79603C - Ett underjordiskt isolerat vaermeroerssystem med kroek och foerfarande foer aostadkommande av detta system. - Google Patents

Description

1 79603

Maanalainen eristetty mutkalla varustettu lämpöputkijärjestelmä ja menetelmä tällaisen järjestelmän aikaansaamiseksi - Ett underjordiskt isolerat värmerössystem med krök och förfarande för ästadkommande av detta system

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen maanalainen eristetty, kiinteätyyppinen putkijärjestelmä sekä patenttivaatimuksen 2 johdanto-osan mukainen menetelmä sen aikaansaamiseksi.

Käytännössä ei voida välttää sitä, että pitkät aluelämmönsiir-toputket on asennettava mutkitellen, erityisesti lähellä kaupunkialuetta, että maanalainen putki on aikaansaatu käyttämällä standardikomponentteja suorien, lämpöeristettyjen putkielement-tien muodossa, jotka on liitetty lämmönsiirtoputken suoriksi osajaksoiksi, ja putkimutkalementtien muodossa, jotka on asennettu paikallisesti tekemään mahdolliseksi vaaditut suunnanmuutokset, joilloin putkilinja kulkee murtoviivan tavoin. Teoreettisesti on täysin mahdollista valmistaa putkielementtejä, joilla on halutun suuruinen kaarevuus, jolloin asennettu putki voi kulkea enemmän tai vähemmän pehmeästi kaareutuen, mutta käytännössä tämä ei ole taloudellisesti realistista.

Tyypillisessä maanalaisessa putkessa on sen vuoksi joukko suoria putkia terävien "mutkapisteiden" välissä, ja on hyvin tunnettua, että tämä aikaansaa erityisongelmia lämpölaajenemisten suhteen lämpötilan muuttuessa putkessa ja erityisesti, kun otetaan huomioon ne huomattavat lämpötilaerot, jotka esiintyvät putken asennuslämpötilan ja myöhemmän huomattavasti korkeamman putken toimintalämpötilan välillä.

On jo tunnettua, että maanalainen putki voidaan yleisesti ankkuroida siten, että siinä ei tapahdu termisten olosuhteiden aiheuttamia pituuden muutoksia, kun ympäröivä maa tarttuu siihen kitkan avulla, jolloin laajenemispyrkimys muutetaan 2 79603 lisääntyväksi puristusjännitykseksi putkessa ilman sen liikettä, mutta tällaista käyttäytymistä ei esiinny sellaisilla putken osapituuksilla, jotka on sijoitettu aivan lähelle putken mutkaa, koska mutkan toisella puolella ei ole vastaavasti kitkan avulla ankkuroidun putken suoraa jatko-osaa. Sen vuoksi tavallisesti asennetaan aksiaalinen kompensaattori putkeen lähelle mutkia, tai mutkia käytetään aksiaalisina kompensaattoreina mutkaelementeissä olevan lämmöneristysmateriaalin ollessa pehmeää ja joustavaa, jolloin toinen viereisistä putkista voi laajeta kohti mutkaa aikaansaamalla toisen viereisen putken tai mutkan haaran siirtymisen sivuttain ulospäin mutkan alueella, jolloin myöhemmin vastaava supistus voi tapahtua putken lämpötilan laskiessa. Vaihtoehtoisesti joissakin tapauksissa putken osa tai osia mutkan vieressä voidaan jäykästi ankkuroida maahan kitka-ankkuroinnin asemesta, jonka suoraan jatkuva putki aikaansaisi.

Aksiaalikompensaattoreiden, maa-ankkurointien ja pehmeällä lämmöneristysmateriaalilla varustettujen mutka-elementtien käyttöön liittyy kuitenkin huomattavia kustannuksia ja/tai muita haittoja ja sen vuoksi keksinnön tehtävänä on tarjota putkijärjestelmä ja menetelmä sellaisen aikaansaamiseksi, jossa ;; käsitellyt ongelmat on ratkaistu edullisemmalla, patenttivaati muksissa 1 ja 2 esitetyllä tavalla.

Keksintö perustuu havaintoon siitä, että vaikka maa putken taivutetun pään ulkopuolella ei kykene vastustamaan putken aikaansaamaa keskitettyä laajennusjännitystä, koska maan kitka ei aikaansaa riittävää ankkurointia, maa siitä huolimatta tarjoaa tietyn vastapaineen laajenemista vastaan. Tämä vasta-paine ei ole riittävä vastustamaan laajenemisjännitystä aivan terävän mutkan ulkopuolella, mutta jos putken mutka järjestetään suhteellisen suurisäteiseksi, laajennus tapahtuu vasten huomattavasti suurempaa maan vastapainealaa, jolloin kokonaisvastapaine on huomattavasti suurempi. Muutoskohdassa 3 79603 suorasta putkesta hyvin vähän käyrist ettyyn putkeen, käyrä putki ankkuroituu siirtymistä vastaan jo pelkästään olemassa olevan maaki-tkan avulla, ja kun käyrän putken kaarevuus on hieman suurempi mutkan lähellä sen ulkopuolella olevan maan siirtymisvastus vastaa tai suoraan aikaansaa lisääntyneen kitkan, jonka avulla putki ei vieläkään pysty suorittamaan mitään laajenemisliiketta. Lisäämällä käyrän putken kaarevuutta edelleen saavutetaan tasapainotila, jossa yleisen maakitkan ja lisääntyneen kitkan, jonka aikaansaa mutkan laajennuspaine vasten mutkan lähellä sen ulkopuolella olevaa maata, yhdistelmä juuri vastaa pelkästään maakitkan suoraan putkeen aikaansaamaa ankkurointia.

Sekä laskelmat että käytännön kokeet ovat osoittaneet, että tämä tasapainotila ei koske ainoastaan putken laajenemista vaan myös putken supistumista, koska olosuhteet ovat periaatteessa samat tarkasteltaessa maata mutkan ulkopuolella laajenevassa järjestelmässä ja mutkan sisäpuolella supistuvassa järjestelmässä. Näin ollen tarkasteltaessa putkijärjestelmää, joka on maakitkan ankkuroimana siten, että putki on lämmitetty lämpötilaan, joka on puolessa välissä alhaisen asennuslämpö-tilan ja korkean toimintalämpotilan välissä, aikaansaa tällöin sopivasti kaareva putkimutka mainitun tasapainotilanteen sekä laajenemisen että supistumisen suhteen, ts. myös pitkin putken mutkaa putki käyttäytyy aivan samalla tavoin kuin suora putki, jota maan kitka jo estää liikkumasta käytännön lämpötila-alueella esiintyvien lämpölaajenemisten vuoksi, jolla lämpötila-alueella putken lämpötilan muutokset aikaansaavat ainoastaan vastaavat muutokset putken puristus-tai vetojännityksissä.

Näihin tarkasteluihin perustuen on sekä laskelmien että kokeiden perusteella havaittu, että minimitaivutussäde, joka on riittävä mainitun tasapainotilan aikaansaamiseksi tietyn kokoiselle putkelle, on hämmästyttävän pieni, sellainen, että se käytännössä herättää mielenkiinnon käyttää vastaavasti a 79603 taivutettua putkea edullisina vaihtoehtoina tavanomaisille keskitetyille putkimutki1le . Kaupunkialueilla aluelämmitys-putket on tavallisesti asennettava katujen ja käytävien alle, jolloin joudutaan tekemään useita huomattavia mutkia putkiin ja tähän saakka se on tehty käyttämällä tavanomaisia suhteellisen jyrkkiä mutkia niihin liittyvine kompensointi-ongelmineen. Keksintö tarjoaa kuitenkin sen havainnon, että huomattava suunnanmuutos voidaan aikaansaada "itsekom-pensoivalla" mutkalla, jonka säde luonnollisesti on huomattavasti suurempi kuin tavanomaisen mutkan säde, mutta ei niin suuri, että se estäisi asentamasta itsekompensoivaa mutkaa esimerkiksi laajojen katujen risteysalueiden alle.

Keksinnön mukaisen itsekompensoivan mutkan vaadittava minimi-säde riippuu putken halkaisijasta, koska pieni putken halkaisija edellyttää ka arevuussäde11ä, joka on pienempi kuin suuren halkaisijan omaavalla putkella. Tämä johtuu siitä, että materiaalin poikki1 eikkausala rauta- tai teräsputkessa on halkaisijan suhteen tavallisesti suurempi suuremmilla putken halkaisijoilla, jolloin laajentumisvoima tietyllä lämpötilamuutoksella ja tietyllä putken halkaisijan lisäyksellä kasvaa huomattavasti enemmän kuin vastaava putken halkaisijan lisäys. Viimeksi mainittu määrää maahan siirtyvät voimat ja sen vuoksi putken halkaisijan lisäyksestä seuraa välttämättä mutkan kaarevuuden pieneneminen, jotta laajennusvoima kutakin maan vastaan puristavan osan pintayksikköä kohti olisi juuri riittävän pieni mahdollistamaan sen, että maa vastaanottaa paineen myötäämättä. Käytännössä käärevuussäteen tulee keskikokoiselle putkelle olla suuruusluokkaa 20 -30 m, kun putki on asennettu tavanomaiseen maahan, kun taas kaarevuussäteen ohuelle putkelle dimensioiltaan - 26,9 x 2,3/90 mm tulee olla ainoastaan noin 5 m; paksulle putkelle dimensioltaan 1116 x 12,3/1200 mm minimikaarevuus-säteen tulee olla noin 85 m.

Itsekompensoivan mutkan säteen määrittämiseksi lämpöeris- 5 79603 tettyjen putkien yhteydessä on huomattava, että laajennusvoima syntyy itse virtausputkesta, kun taas putken halkaisija, joka ratkaisee paineen siirtymisen putken ja maan välillä on ulomman suojaputken ulkohalkaisija, joka suojaputki normaalisti on järjestetty ympäröimään sisemmän virtausputken ympärillä olevaa lämmöneristysmateriaalia. Sopivimmin lämmön-eristysmateriaali on jäykkää vaahtomateriaalia, joka soveltuu hyvin siirtämään sivuttaisen paineen ulomman suojaputken ja sisemmän ja ohuemman virtausputken välillä. Lisäksi on huomattava, että putket usein esiintyvät kaksoisputkina, jotka on sijoitettu rinnakkain toisiinsa nähden meno- ja paluuputkiksi; tällaisten kaksoisputkien yhteydessä niiden ulottuessa mutkan ylitse syntyvä laajennus- tai supistusvoima aiheutuu molemmista näistä putkista, ts. se on suurempi kuin vastaava yksittäisen putken voima, kun taas maan paine ei voi vaikuttaa kuin pelkästään toisen putken ulkohalkaisijaan elleivät putket ole asennettuina päällekkäin. Yllä olevissa esimerkeissä nämä olosuhteet on otettu huomioon ja on mahdollista esittää aivan yksinkertainen laskukaava vaaditun minimikaarevuussäteen määrittämiseksi erilaisille putkidi-mensioille. Tavanomaisille teräsputkille, jotka on varustettu ympäröivällä jäykällä eristyksellä, käärevuussäde R voidaan ainakin likimain ilmaista seuraavalla kaavalla, kun putki on kaksoisputki, jossa yksittäiset putket on sijoitettu rinnakkain toisiinsa nähden:

r - S.130 . oQ

° ~ p.D > J ossa 2 S = yksittäisen virtausputken teräspinta-ala, cm , o p = ennakoitu maanpaineen maksimiarvo putkea vastaan, kp/cm , ja D = virtausputkien ulomman suojaavan vaippaputken ulkohal-kaisija, mm.

Maanpaineen maksimiarvo p ilmaisee vastapaineen, jonka maa kehittää vasten pintaa, joka on kohtisuorassa laajennus- 6 79603 suuntaa vastaan ilman, että maa antaa periksi. Arvo p tulee määrätä sillä perusteella, että putki tavallisesti on poikkileikkaukseltaan sylinterimäinen, eikä siinä ole mitään tasomaista painepintaa maata vasten, ja on havaittu realistiseksi merkitä yhtä suuriksi maan paine uloimman putken sivua vasten ja paine vasten tasopintaa, joka on kohtisuorassa painesuuntaa vastaan ja jonka korkeus on 2/3 ulkoputken halkaisijasta.

Tavanomaisessa maassa suurin tai sallittu maan paine on 2 tavallisesti noin 1,5 kp/cm , mikä näin ollen vastaa painetta 2 noin 1 kp/cm vasten pyöreän putken halkaisijatasoa. Kaksois-putken tapauksessa, ts. kun kaksi rinnakkaista putkea on järjestetty vieretysten, vastaavasti lisääntynyt laajennus-potentiaali tulee ottaa huomioon käyttämällä mainitussa kaavassa maan paineen maksimiarvon puolikasta ulomman putken ha Ikäisijatasoon. Tavanomaisessa maassa arvolle p voidaan tavallisesti asettaa arvo 0,5 kp/cm , minkä jälkeen kaarevuus-säteen kaava saa muodon R = - ' 260

D

Tyypillinen keskikokoisen putken kaarevuussäde on noin 20 - 30 m, ja tällainen kaarevuus on helposti järjestettävissä esimerkiksi katujen risteyksissä.

Ulkopuolinen vaippaputki muodostuu tavallisesti muovista ja sisempi eristysvaahto on jäykkää vaahtoa, joka tarttuu sekä virtausputkeen että vaippaputkeen, joten se pystyy siirtämään pitkittäisiä voimia putkien välillä. Joissakin putki järjestelmissä myös vaippaputki on rautaa tai terästä; tässä vaippaputki avustaa koko putken pitkittäisankkurointia aikaansaaden lisääntyneen maakitkan ja tästä syystä tällaiset putket voidaan järjestää kaarevuussäteeltään pienemmiksi kuin putket, joissa on muovinen vaippaputki.

7 79603

Ideaalitapauksessa mutkan tulee muodostua tasaisesti kaarevasta putkesta, jolla on kyseinen kaarevuussäde, ja teknisesti on mahdollista valmistaa pitkiä putkia halutuin kaarevuus-sätein, erityisesti, kun kyseessä on suhteellisen ohuet putket. Esivalmistettujen eristettyjen putkielementtien valmistuksessa teräksisten virtausputkien ollessa jopa noin 250 mm, on mahdollista taivuttaa valmiit suorat putket haluttuun kaarevuuteen, ja taivutetut putkielementit voidaan sen jälkeen leikata halutussa kulmassa, kulman ollessa ensisijaisesti 90° tai 45°. Suuri putkimutka saattaa olla hankalasti käsiteltävissä ja laivattavissa ja sen vuoksi voidaan vaihtoehtoisesti työskennellä suhteellisen lyhyiden mutkasegmenttien avulla, jotka liitetään toisiinsa rakennuspaikalla. Kaikissa tapauksissa on edullista, että kaarevuussäde tunnetaan etukäteen yksittäisen putken tietyille dimensioille, kun putket asennetaan tavanomaiseen maahan.

Käytännössä mutkien ei kuitenkaan tarvitse välttämättä olla täysin tasaisia kaarevuudeltaan, kun maksimi toiminta-lämpötilat ovat tavanomaisella aluelämmitysveden lämpötila-alueella, ts. noin 80 - 120°C, koska taivutusjännitykset voidaan tällöin pitää riittävän alhaisina myös siinä tapauksessa, että mutkan ihanteellisesta muodosta esiintyy pieniä poikkeamia. Tämä on erityisen tärkeää siinä suhteessa, että mutkat voidaan valmistaa suorista putkikappaleista siten, että niillä on "katkonainen" muoto. Lukuisten liitosten tekeminen lyhyiden putkenpätkien välillä ei ole kovin miellyttävää ja sen vuoksi on onnellinen sattuma, että pienisäteiset mutkat ja siten lyhyet kappaleet voidaan valmistaa yksinkertaisella tavalla taivuttamalla suhteellisen pitkät putkenkappaleet, koska putket ovat pienikokoisia, kun taas paksut putket, joita ei voida taivuttaa, tulee asentaa suurella käärevuussäteellä ja vastaavasti suurina pituuksina siten, että ne voidaan valmistaa paikan päällä liittämällä suorat suhteellisen pitkät putkielementit. Jo keskikokoisten putkien, kuten 273 x 5/400 mm taivutus voidaan suorittaa 8 79603 suorista putkisegmenteistä pituudeltaan noin 6 m, jolloin nämä segmentit liitetään siten, että suunnan muutos per liitos on noin 13°. Vielä raskaammissa putkissa segmenttipi-tuudet. voivat olla vielä suurempia ja pian segmenttien pituus lähestyy tai saavuttaa kaupallisesti käytettävien standardiputkielementtien maksimipituuden, jota käytetään asennettaessa suoria putki1 injoja. Suurikokoisille putkille sen vuoksi itsekompensoivat mutkat ovat pelkästään kysymys siitä, että sopivat liitokset järjestetään standardiputki-elementtien väliin.

Laajoissa aiue1ämpöjärjestelmissä keksintö säästää suuren määrän erikoismutkaelementtejä, aksiaalisia kompensaattoreita ja maa-ankkurointeja.

Oheisissa piirustuksissa:

Kuvio 1 esittää kaaviollista kuvantoa katujen risteyksestä, jossa on oheisen keksinnön mukainen putkijärjestelmä.

Kuvio 2 esittää poikkileikkausta kaksoisputkesta.

Kuviossa 1 on yhtenäisillä viivoilla esitetty aluelämmitysputki 2 sen kulkiessa kadun risteyksessä keksinnön mukaisen itse-stabiloivan mutkan kautta. Katkoviivoilla on esitetty toinen vastaava putki 4, joka kulkee samalla alueella tavanomaisella tavalla ja siinä käytetään erikoismutkaelementtiä 6 ja erikoislisäelementtejä (ei esitetty), kuten aksiaalisia kompensaattoreita.

Kaksi putkielementtiä 8 putken 2 loivassa mutkassa ovat esivalmistettuja kaarevia putkia, joiden käärevuussäde on R^, kun taas kolme muuta putkielementtiä 10 on esitetty muodostuen esivalmistetuista suorista elementeistä, jotka on liitetty toisiinsa siten, että muodostuu pieni suunnan muutos mutkassa, jonka säteestä on käytetty merkintää t^.

9 79603

Tavallisesti määrätty mutka käsittää ainoastaan yhden ele-menttityypeistä 8 ja 10.

Nuoli E edustaa laajennusvoimaa, kun taas nuoli F edustaa maakitkaa ja nuoli P vastapainetta maasta vasten laajennusta.

Tavallisesti lämmönsiirtoputki on muodostettu kaksoisputkesta, kuten kuviossa 2 on esitetty yksittäisten putkien muodostuessa rautaisesta tai teräksisestä sisemmästä virtausputkesta 12, ulommasta muovisesta suojaavasta vaippaputkesta 14 ja välillä olevasta eristysmateriaalista 16. Halkaisija D ja maanpainenuolet P on merkitty kuvioon.

Mainittakoon, että yleinen kaava käärevuussäteelle on n S . Z R - -f jossa

P . D

S, P ja D ovat samoja kuin aiemmin on mainittu, kun taas Z = E . a . At, jossa E on virtausputken kimmomoduli, a sen lampolaajenemiskerroin ja At putken lämpötilan odotettu maksimimuutos.

Yllä mainituissa esimerkeissä At:lle on asetettu arvo 50°C, vastaten kokonaismuutosta noin 100°C keskilämpötilasta, jolla putki järjestelmä on kitkakiinnitetty maahan US-patentissa 3,932,922 esitetyn tekniikan mukaisesti.

Claims (6)

10 79603

1. Maanalainen eristetty, kiinteätyyppinen putkijärjestelmä, toisin sanoen järjestelmä, jossa on uiko- ja sisäputki, jotka on jäykästi liitetty toisiinsa jäykän eristysvaahdon avulla, ja joka järjestelmä käsittää vähintään kaksi suoraa putkea, jotka on yhdistetty kulmittaisella matkalla, esim. kadun risteyksen alapuolella, tunnettu siitä, että mutkan kaarevuus on riittävän pieni aikaansaamaan sen, että mutka on itsestabiloiva maassa ja maan avulla laajennus- ja supistus-voimien suhteen, jotka voimat aiheutuvat putken sisäisistä lämpö ti 1amuutok s i s ta.

2. Menetelmä maanalaisen lämpöeristetyn, kiinteätyyppisen putkijärjestelmän aikaansaamiseksi, jossa yksöis- ja kaksois-putki (2) on asennettu maahan siten, että siinä on selvä suunnan muutos kahden suoran putken välillä, tunnettu siitä, että suunnan muutos on aikaansaatu asentamalla yksi tai useampia kaarevia putkielementtejä (8) tai joukko suoria putkielementtejä (10), jotka on liitetty siten, että ne muodostavat likimain tasaisesti kaareutuvan mutkan, mutkan kaarevuuden ollessa valittu siten, että se on yhtä suuri tai hieman suurempi kuin maksimikaarevuus, jolla mutka on itsestabiloituva maassa ja maan avulla laajennus- ja supistusvoimia vastaan, jotka voimat ovat seurausta sisäisen lämpötilan muutoksista putkessa.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että teräksiselle virtausputkelle (12), jossa on muovinen vaippaputki (14), mutkan kaarevuussäde (R) on likiman 1 R = - . 130 metriä, jossa D S = virtausputken teräspoikkileikkausala, cm2, ja D = vaippaputken ulkohalkaisija, mm. n 79603

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaksoisputkelle, jossa putket on sijoitettu vierestysten, mutkan kaarevuussäde on 2R.

5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mutka putkikoolle noin 250 mm saakka saadaan aikaan asentamalla ja liittämällä esivalmistettuja kaarevia putkielementtejä (8).

6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mutka aikaansaadaan liittämällä suoria putki-elementtejä (10), joiden pituus on vähintään 5 m, ja suunnan muutoksen ollessa korkeintaan 15° kussakin liitoksessa. 12 79603 Patentkrau