NL8401602A - Ondergronds warmte-geisoleerd buizenstelsel met een bocht en een werkwijze voor het aanbrengen van een dergelijk stelsel. - Google Patents

Description

i. * VO 6349

Ondergronds warmte-geïsoleerd buizenstelsel met een bocht en een werkwijze voor het aanbrengen van een dergelijk stelsel.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het totstand-brengen van een ondergronds, warmte-geïsoleerd buizenstelsel waarbij een enkele of dubbele buis in de grond wordt gelegd met een duidelijke richtingsverandering, bijv. met een hoekgedeelte onder een wegkruising.

5 In de praktijk is het onvermijdelijk, dat lange buizen voor stadsverwarming niet recht worden gelegd, in het bijzonder nabij of in stadszones en het ligt daarbij voor de hand de ondergrondse leiding aan te brengen, gebruikmakend van standaardcomponenten in de vorm van rechte, warmte-geïsoleerde buiselementen die worden samengevoegd tot rechte 10 deellengten van een transportleiding, alsmede buisbochtelementen die plaatselijk worden gemonteerd om de gewenste richtingsveranderingen mogelijk te maken, zodat de buisleiding een geknikt patroon heeft. Theoretisch is het uitstekend mogelijk buiselementen met elke gewenste kromming te vervaardigen waarbij de gemonteerde buisleiding een min of 15 meer gebogen verloop heeft, echter in de praktijk is dit op economische overwegingen niet realistisch.

Een typisch beeld van een ondergrondse buisleiding is derhalve die waarbij een aantal rechte pijplengten zich uitstrekt tussen plaatsen met scherpe bochten en het is algemeen bekend dat dit specifieke pro-20 blemen oproept met betrekking tot thermische uitzetting in de buisleiding zelf als gevolg van temperatuurveranderingen daarvan, in het bijzonder als gevolg van het aanzienlijke temperatuurverschil tussen de omgevingstemperatuur waarbij de buisleiding wordt gemonteerd en de later veel hogere werktemperatuur van de buisleiding.

25 Het is bekend dat een ondergrondse buisleiding kan worden ver ankerd ten aanzien van lengteverandering als gevolg van temperatuur-wijzigingen door de leiding in aanraking te houden met de omgevende grond zodat een expansie-neiging wordt omgezet in een toenemende druk-spanning in de buis zonder dat deze op enigerlei wijze beweegt, echter 30 dit effect treedt niet op bij die buisstukken die grenzen aan een buis-bocht omdat aan de andere zijde van de bocht er geen rechte voortzetting is van een eveneens door wrijving verankerd buisstuk.

8401602 τ -2-

Derhalve wordt gewoonlijk een axiale compensator in de buis aangebracht nabij bochten of de bocht zelf wordt gebruikt als een axiale compensator waarbij het warmte isolerende materiaal in de bochtelementen zacht en veerkrachtig is,zodat een van de aangrenzende buislengten in de richting 5 van de bocht kan expanderen en daarbij de andere, aangrenzende buis-lengte of een aftakbuis van de bocht in de buigzone zijdelings buitenwaarts kan drukken, terwijl op een ander tijdstip een overeenkomstige samentrekking kan plaatsvinden als gevolg van afnemende buistemperatuur. Het is eveneens mogelijk onder bepaalde omstandigheden de buislengte of 10 buislengten grenzend aan de bocht stijf in de grond te verankeren als vervanging van de wrijvingsverankering die bij een recht doorgaande buis zou optreden.

Het gebruik van axiale compensatoren, grondverankeringen en bochtelementen met zacht isolatiemateriaal gaat echter gepaard met aanzienlijke 15 kosten en/of andere nadelen en het is het doel van de uitvinding een werkwijze te verschaffen voor het aanbrengen van een buizenstelsel, zodanig dat het geschetste probleem op een gunstiger wijze wordt opgelost.

De uitvinding berust op het inzicht dat, terwijl de grond aan de buitenzijde van het afgebogen einde van een buislengte niet in staat zal 20 zijn de geconcentreerde expansiedruk van het buitendeel van de buislengte te weerstaan, gezien de onvoldoende verankering door grondwrijving, de grond niettemin bij expansie een zekere tegendruk zal uitoefenen. Deze tegendruk is niet voldoende om de expansiedruk direkt aan de buitenzijde van een scherpe bocht te weerstaan, echter indien de buisbocht wordt 25 aangebracht met een relatief grote bochtstraal, de expansie zal plaatsvinden tegen een aanzienlijk grotere tegendruk van de grond in, waarbij de totale tegendruk aanmerkelijk is vergroot. In de overgang van een recht buisstuk naar een slechts zeer weinig gebogen buisstuk zal de gebogen buis steeds door de bestaande grondwrijving tegen verplaatsing zijn 30 verankerd en indien de gebogen buis een in geringe mate vergrote kromming heeft zal de verplaatsingsweerstand van de grond grenzend aan de buitenzijde van de bocht corresponderen met, dan wel direkt een dergelijke verhoogde wrijving veroorzaken, waardoor de buis nog steeds niet een expansiebeweging van betekenis kan uitvoeren. Voor een nog verder ver-35 grote kromming van de gebogen buis zal een evenwichtstoestand worden bereikt, waarin de combinatie van de algemene grondwrijving en de toegenomen wrijving die door de expansiedruk van de bocht tegen de aan de buiten- 8401602 -3- zijde van de bocht daar aangrenzende grond wordt veroorzaakt juist corresponderen met de verankering die wordt veroorzaakt door uitsluitend de grondwrijving tegen een lang, recht buisstuk.

Zowel langs de weg van de rekening als door praktijkproeven is aan-5 getoond, dat deze toestand of evenwichtstoestand niet alleen betrekking heeft op buisexpansie maar ook op buissamentrekking, omdat de jpmstandig-heden in wezen gelijk zijn indien de grond in aanmerking wordt genomen aan de buitenzijde van een bocht bij een expanderend stelsel en aan de binnenzijde van de bocht in een samentrekkend stelsel. Indien derhalve 10 een büizenstelsel wordt beschouwd in een door grondwrijving verankerde toestand, waarbij de buis wordt verhit tot een temperatuur halverwege een lage montagetemperatuur en een hoge werktemperatuur, zal een op geschikte wijze gebogen buisbocht het genoemde evenwicht bewerkstelligen zowel in geval van expansie als in geval van samentrekking, d.w.z. dat zelfs langs 15 de buisbocht de buis zich zal gedragen als een recht buisstuk dat alleen al door de grondwrijving geen door temperatuurveranderingen veroorzaakte bewegingen kan maken binnen een in de praktijk bestaand temperatuur-interval waarin de temperatuurveranderingen van de buis uitsluitend zullen resulteren in corresponderende veranderingen van compressie of trek-20 spanningen in de buis.

Gebaseerd op deze overwegingen is gebleken, dat zowel berekend als experimenteel, de minimale buigstraal voor het bewerkstelligen van genoemde 'Evenwichtstoestand voor een buis met een bepaalde maat, verrassend klein is, hetgeen in de praktijk de aantrekkelijke mogelijkheid biedt een over-25 eenkomstig gebogen stuk buis te gebruiken als een gunstig alternatief voor een conventionele geconcentreerde buisbocht. In stadszones is men bij de aanleg van wijkverwarmingsbuizen gewoonlijk gebonden aan straten en trottoirs en is er natuurlijk behoefte aan een groot aantal duidelijke pijpbochten, hetgeen tot dusverre inherent was met het gebruik van conven-30 tionele, in verhouding scherpe bochten met bijbehorende compensatiepro-blemen. De uitvinding verschaft echter het inzicht dat een geprononceerde richtingverandering tot stand kan worden gebracht door een "zelf-compen-serende" bocht waarvan de straal natuurlijk aanzienlijk groter is dan de \ straal van een conventionele bocht, echter ook weer niet zo groot dat een 35 dergelijke zelf-compenserende bocht niet onder bijv. ruime wegkruisingen kan worden aangebracht.

8401602 I · -4-

De vereiste minimumstraal van een zelf-compenserende bocht volgens de uitvinding zal afhankelijk zijn van de buisdiameter,aangezien een kleine buisdiameter zal corresponderen met een buigstraal, die kleiner is dan die voor een grotere buisdiameter. Dit komt doordat het dwars-5 doorsnede-oppervlak van het materiaal in een ijzeren of stalen buis t.o.v. de buisdiameter gewoonlijk groter is voor een grotere buisdiameter waarbij de expansiekracht bij een bepaalde temperatuurverandering en voor een grotere buisdiameter aanzienlijk meer zal toenemen dan met de toenemende buisdiameter correspondeert. Deze laatste bepaalt de krachten die 10 op de grond worden overgedragen en voor een toenemende buisdiameter zal het derhalve nodig zijn de kromming van de bocht te verminderen teneinde de expansiekracht tegen elke oppervlakte-eenheid van de tegendruk leverende grond juist klein genoeg te houden om de grond in staat te stellen de druk op te nemen zonder mee te geven. In de praktijk zal de buigstraal 15 voor een gemiddelde maat buis in de orde van grootte van 20-30 m zijn, indien de pijp in normale grond wordt geplaatst, terwijl de buigstraal voor een dunne pijp van de afmeting 26,9 x 2,3/90 mm slechts bij ongeveer 5 m zal liggen; voor een dikke buis van de afmeting 1016 x 12,5/1200 mm zal de minimale buigstraal ca. 85 m zijn.

20 Voor het bepalen van de straal van de zelf-compenserende bocht in samenhang met warmte-geïsoleerde buizen moet in aanmerking worden genomen dat de expansiekracht wordt geproduceerd door de geleidingsbuis zelf terwijl de buisdiameter, die voor de drukoverdracht tussen de buis en de grond bepalend is, de buitendiameter is van een buitenste beschermende 25 buis, die gewoonlijk rondom het warmte-isolerende materiaal om de binnenste geleiderbuis is aangebracht. Bij voorkeur is het warmte-isolerende materiaal een stijf schuimmateriaal, dat uiterst geschikt is voor overdracht van zijdelingse druk tussen de buitenste beschermende buis en de binnenste en dunnere geleidingsbuis. Er moet evenwel in aanmerking worden 30 genomen, dat de buizen vaak als dubbele buizen zijn uitgevoerd die naast elkaar liggen in de vorm van een toevoer-, resp. retourbuis en bij een dergelijke zich door een bocht uitstrekkende dubbele buis zal de resulterende expansie-of contractiekracht door beide buizen worden opgewekt, d.w.z. dat deze groter is dan de corresponderende kracht van een enkele 35 buis, omdat.de gronddruk niet op de buitendiameter van een van de twee buizen kan inwerken, tenzij de buizen boven elkaar zijn opgesteld.

8401602 -5-

In de bovengegeven voorbeelden is met deze omstandigheden rekening gehouden en het is mogelijk een uiterst eenvoudige berekeningsformule te verschaffen voor het bepalen van de vereiste minimumbuigstralen voor diverse buisafmetingen. Voor gebruikelijke staalbuizen, die zijn uitgerust met een 5 mantel van stijve isolatie kan de buigstraal R, althans bij benadering, worden gegeven door de volgende vergelijking, waarbij de buis-een dubbele buis is waarbij de enkelvoudige buizen naast elkaar liggen:

R = S.130 , waarin p.D

10 S = het staaloppervlak van de enkelvoudige geleidingsbuizen, in cm2, p = de verwachte maximale gronddruk tegen de buis, in kp/cm2, en D = de buitendiameter van de buitenste beschermingsmantelbuis voor de geleidingsbuizen, in mm.

De maximale gronddruk p geeft de tegendruk aan, die kan worden opge-15 wekt door de grond tegen een oppervlak loodrecht op de expansie-richting, zonder dat de grond meegeeft. De waarde p moet worden bepaald op grond van de overweging, dat de buis gewoonlijk een cirkelvormige cylindrische dwarsdoorsnede heeft, die geen enkel plat drukoppervlak tegen de grond heeft en het is realistisch gebleken de gronddruk tegen de buitenzijde van 20 de buis te vergelijken met een druk tegen een plat oppervlak, wat loodrecht staat op de drukrichting en een hoogte heeft van 2/3 van de diameter van de buitenbuis.

In gewone grond is de maximale of toelaatbare gronddruk gewoonlijk ongeveer 1,5 kp/cm2, hetgeen derhalve zal corresponderen met een druk van 25 ca. 1 kp/cm2 tegen het diametervlak van een ronde buis. In geval van een dubbele buis, d.w.z. twee evenwijdige buizen die naast elkaar zijn opgesteld, zou het corresponderende vergrote expansievermogen in aanmerking moeten worden genomen door in deze vergelijking gebruik te maken van een halve waarde van de maximale gronddruk op het diametervlak van de buiten-30 ste buis. In gewone grond kan de waarde van p gewoonlijk worden gesteld op 0,5 kp/cm2, waarna de vergelijking voor de buigstraal R wordt: E=f.-260 1401602

Een typische buigstraal van een gemiddelde maat buis zal liggen bij 35 20-30 m en een dergelijke bocht kan makkelijk worden aangebracht in bijv.

een wegkruising.

ψ -6-

De buitenste mantelbuis bestaat gewoonlijk uit plastic en het daar-ingelegen isolatieschuim is een stijfschuim, dat zowel aan de geleider-buis als aan de mantelbuis hecht, zodat longitudinale krachten tussen deze buizen kunnen worden overgedragen. In bepaalde buizenstelsels is 5 ook de mantelbuis van ijzer of staal vervaardigd; daarbij zal de mantelbuis bijdragen aan de langsverankering van de gehele buis, corresponde- *v: rend met een vergrote grondwrijving en om deze reden kunnen dergelijke buizen worden gelegd met een buigstraal, die kleiner is: dan voor buizen met een kunststofmantelbuis.

10 In het ideale geval bestaat de bocht uit een gelijkmatig gebogen stuk buis met de betreffende buigstraal en het is technisch mogelijk lange buizen met een dergelijke gebogen configuratie te vervaardigen, in het bijzonder indien het gaat om relatief dunne - buizen. Bij de produk-tie van tevoren vervaardigde geïsoleerde buiselementen met conductor-15 buizen van staal tot ca. 10" is het mogelijk de geprefabriceerde rechte buizen tot de vereiste kromming te buigen en de gebogen buiselementen kunnen dan worden afgekort, aangepast aan diverse gewenste buighoeken, in hoofdzaak tussen 90° en 45°. Een grote pijpbocht kan moeilijk hanteerbaar en vervoerbaar zijn en er kan derhalve worden gekozen voor het ge-20 bruik van relatief korte bochtsegmenten, die ter plekke met elkaar worden gekoppeld. Het is onder alle omstandigheden gunstig de buigstraal voor de afzonderlijke buisafmetingen tevoren te weten, wanneer de buizen in normale grond moeten worden gelegd.

In de praktijk moeten de bochten niet noodzakelijk een volledig 25 gelijkmatige kromming vertonen, wanneer de maximale werktemperaturen liggen binnen de grenzen van de temperatuur voor normaal wijkverwarmings-water, d.w.z. ca. 80-120°C, omdat de buigspanningen dan zelfs aanvaardbaar laag kunnen worden gehouden in het geval van kleine afwijkingen van de ideale bochtvorm. Dit is in het bijzonder belangrijk, omdat bochten 30 kunnen worden vervaardigd van rechte pijpstukken en derhalve een gebroken configuratie vertonen. Het aanbrengen van een groot aantal koppelingen tussen korte buisstukken is onaantrekkelijk en het is derhalve een gelukkig toeval dat bochten met kleine straal en daarbij ook met korte lengten op eenvoudige wijze kunnen worden vervaardigd door buiging van in 35 verhouding lange buisstukken, aangezien de buizen een geringe maat hebben terwijl dikke buizen, die niet gebogen kunnen worden, met een grote buigstraal moeten worden gelegd en ook met een corresponderend grote lengte, 8401602 -7- k ► zodat zij ter plaatse kunnen worden aangebracht door het met elkaar verbinden van rechte pijpelementen van aanzienlijke lengte. Ook voor gemiddelde pijpmaten, zoals bijv. 273 x 5/400 mm kan de bocht worden vervaardigd uit rechte pijpsegmenten met een lengte van ca. 6 m, welke segmenten 5 met elkaar worden verbonden met een richtingverandering van ca. 13° per verbinding. Voor nog zwaardere buizen kunnen de segmentlengten nog groter zijn en al snel zal de lengte van de segmenten de lengte benaderen van standaardbuiselementen, zoals deze in de handel verkrijgbaar zijn als maximale lengten voor het vormen van rechte buistrajecten. Voor zware.

10 pijpen is het aanbrengen van zelfcompenserende bochten derhalve in hoofdzaak een kwestie van geschikte verbindingen tussen standaardbuiselementen die volgens een gebogen traject worden geplaatst.

In sterk verspreide wijkverwarmingsstelsels geeft de uitvinding een besparing op een groot aantal speciale bochtelementen, axiale compensa-15 toren en grondverankeringen.

Ter verduidelijking van de uitvinding zullen, onder verwijzing naar de tekening, een aantal uitvoeringsvoorbeelden van het ondergrondse warmte-geisoleerde buizenstelsel worden beschreven.

Fig. 1 is een schematisch aanzicht van een wegkruising met een 20 buizenstelsel volgens de uitvinding en

Fig. 2 is een dwarsdoorsnede aanzicht van een dubbele buis.

In Fig. 1 is met getrokken lijnen een wijkverwarmingsbuis 2 afgeheeld, die onder een straathoek doorgaat via een zelf-stabiliserende bocht volgens de uitvinding. Eveneens is in getrokken lijnen een andere, 25 corresponderende buis 4 weergegeven, die dezelfde zone doorgaat op conventionele wijze met gebruik van een speciaal bochtelement. 6 en speciale (niet afgebeelde) hulpelementen zoals axiale compensatoren.

Twee buiselementen 8 in de zwakke bocht vein de buis 2 zijn van het geprefabriceerde gebogen type met een buigstraal R ^, terwij1 drie andere 30 buiselementen 10 zijn weergegeven bestaande uit geprefabriceerde rechte elementen, die met een geringe richtingsverandering zijn samengevoegd tot een bocht met een duidelijke buigstraal R^. Normaal zal natuurlijk een bepaalde bocht slechts een van de elementen 8 of 10 bevatten.

Een pijl E vertegenwoordigt een expansiekracht, terwijl een pijl F 35 de grondwrijving weergeeft en een pijl P geeft de tegendruk aan van de grond tegen eigenlijke expansie.

8401602 -8-

P

Gewoonlijk wordt een warmte-overdrachtbuis gevormd door een dubbele buis zoals in Fig. 2 aangegeven, waarbij de enkelvoudige buizen bestaan uit een binnenste conductorbuis 12 van ijzer of staal, een buitenste be-schermingsmantelbuis 14 van kunststof en een tussenliggend isolatie- 5 materiaal 15. De diameter D en de gronddrukpijlen P zijn in Fig. 2 aangegeven.

Opgemerkt wordt, dat de algemene vergelijking voor de buigstraal is: s z R = ' ^ , waarin P . D ' 10 S, P en D in het voorgaande zijn besproken, terwijl Z = E . α . At, waarin Z de elasticiteitscoëfficiënt van de geleiderbuis is, α de expansie-coëfficiënt ervan en At de verwachte maximale variatie van de buistempe-ratuur.

15 In de in het voorgaande gegeven voorbeelden is At gesteld op 50°C, corresponderend met een totale variatie van ca. 100°C van een medium temperatuur, waarbij het buizenstelsel door wrijving in de grond is verankerd met behulp van de techniek zoals beschreven in het Amerikaanse Octrooi no. 3,932,922.

8401602

Claims (6)

1. Ondergronds warmte-geïsoleerd buizenstelsel voorzien van tenminste twee rechte buislengten, die onderling zijn verbonden via een hoekvormige bocht, bijv. onder een kruising van wegen, met het kenmerk, dat de kromming van de bocht klein genoeg is om de bocht zelf-stabiliserend te maken in 5 en door de grond tegen expansie- en contractiekrachten, die het gevolg zijn van inwendige temperatuurvariaties in de buis.

2. Werkwijze voor het leggen van een ondergronds warmte-geïsoleerd buizenstelsel, waarbij een enkele of dubbele buis in de grond wordt gemonteerd met een geprononceerde richtingverandering tussen twee rechte 10 buis trajecten, met het kenmerk, dat de richtingverandering tot stand wordt gebracht door het monteren van een of meer gebogen buiselementen of een aantal rechte buiselementen, die zodanig met elkaar worden verbonden, dat een ongeveer gelijkmatig gekromde bocht wordt gevormd, waarbij de kromming van het bochttraject zodanig wordt gekozen, dat deze gelijk is aan of iets 15 kleiner is dan de maximale kromming, waarbij de bocht in en door de grond zelf-stabiliserend wordt tegen expansie- en contractiekrachten, als gevolg van interne temperatuurvariaties in de buis.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat voor een stalen geleidingsbuis met een kunststof-mantelbuis de bocht wordt aangebracht met 20 een buigstraal, die ongeveer wordt weergegeven door de vergelijking g R = — . 130 m, waarin S = het dwarsdoorsnede-oppervlak van het staal in de geleidingsbuis is in cm2, en waarin D = de buitendiameter van de mantelbuis in mm.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat voor een dubbele buis, waarbij de buizen haast elkaar liggen, de bocht wordt aangebracht met een buigstraal 2R.

5. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de bocht voor buisafmetingen tot ca. 10" wordt. gevormd door het monteren en met elkaar 30 verbinden van tevoren gefabriceerde gebogen buiselementen.

6. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de bocht wordt gevormd door het met elkaar verbinden van rechte buiselementen met een lengte van tenminste 5 m en met een richtingverandering bij elke verbinding van ten hoogste 15°. 8401602