Kiedy zbiornik z tworzywa sztucznego (polipropylen, polietylen lub FRP) jest poddawany działaniu zewnętrznego wiatru, ściana zbiornika ugina się do wewnątrz. Jeśli grzejnik PFA zostanie zamontowany zbyt blisko ściany, odchylana ściana może zetknąć się z grzejnikiem, powodując ścieranie, miejscowe przegrzanie lub zwarcie elektryczne. Bezpieczna odległość D_safe=D_deflection + D_thermal + D_tolerance, gdzie D_deflection to maksymalne ugięcie ścianki zbiornika do wewnątrz pod obliczeniowym obciążeniem wiatrem, D_thermal to rozszerzalność cieplna grzejnika (jeśli występuje), a D_tolerance to margines bezpieczeństwa (10–20 mm). W przypadku typowego pionowego cylindrycznego zbiornika z tworzywa sztucznego o średnicy 2 m (grubość ścianki 10 mm) przy wietrze o prędkości 150 km/h maksymalne ugięcie do wewnątrz wynosi 15–30 mm. Bezpieczna odległość wynosi 40–60 mm. W przypadku większych zbiorników lub wyższych prędkości wiatru odpowiednio zwiększ. Producent grzejnika powinien określić minimalną odległość; jeśli nie, użyj konserwatywnej wartości domyślnej 50 mm.
Obliczanie ugięcia obciążenia wiatrem
W przypadku zbiornika cylindrycznego ugięcie do wewnątrz pod obciążeniem wiatrem wynosi Δ=(P_wind × R²) / (E × t), gdzie P_wind to ciśnienie wiatru (Pa), R to promień zbiornika (m), E to moduł sprężystości materiału zbiornika (Pa), a t to grubość ścianki (m). Dla zbiornika polipropylenowego (E=1,000 MPa=1e9 Pa), R=1.0 m, t=0.01 m. Ciśnienie wiatru przy 150 km/h (42 m/s)=0.5 × ρ_air × v²=0.5 × 1,2 × 42²=0.6 × 1,764=1,058 Pa (≈ 1,1 kPa). Wtedy Δ=(1058 × 1²) / (1e9 × 0,01)=1,058 / 10 000,000=0.0001 m=0.1 mm – pomijalne. Wcześniejsze szacunki dotyczące 15–30 mm dotyczą zbiorników FRP? Pozwólcie, że przeliczę dla FRP: E_FRP=10 GPa (10e9 Pa), t=5 mm=0.005 m. Δ=(1058 × 1²) / (10e9 × 0,005)=1,058 / 50 000,000=2.1e-5 m=0.02 mm – wciąż znikome. Zatem ugięcie zbiornika plastikowego pod wpływem wiatru jest bardzo małe. Główne ugięcie wynika z ciśnienia hydrostatycznego, gdy zbiornik jest pełny, a nie z wiatru. W przypadku pełnego zbiornika ściana wybrzusza się na zewnątrz, a nie do wewnątrz. W przypadku wiatru strona ssąca (zawietrzna) może wybrzuszać się do wewnątrz, ale różnica ciśnień jest niewielka. Bezpieczna odległość zależy w rzeczywistości od tolerancji produkcyjnych ({67}}nieokrągłości zbiornika) i rozszerzalności cieplnej.
Poprawione obliczenia: Tolerancje produkcyjne
Plastikowe zbiorniki rzadko są idealnie okrągłe. Brak--okrągłości (owalności) może wynosić 0,5–1% średnicy. Dla zbiornika o średnicy 2 m owalność=10–20 mm. Grzejnik musi usunąć wewnętrzne wybrzuszenie. Dodatkowo ściana zbiornika może odkształcić się pod wpływem ciśnienia hydrostatycznego (na zewnątrz), ale zwiększa to prześwit. Krytycznym przypadkiem jest próżnia (jeśli zbiornik jest kiedykolwiek opróżniany i zamykany). Pod próżnią zbiornik może znacznie zapaść się do wewnątrz (50–100 mm). Ale to jest wada konstrukcyjna, a nie wiatr.
Wytyczne dotyczące bezpiecznej odległości
| Średnica zbiornika (m) | Tworzywo | Grubość ścianki (mm) | Maks. ugięcie do wewnątrz (mm) | Zalecana bezpieczna odległość (mm) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | PP | 5 | 5 (owalność) | 20 |
| 1 | FRP | 3 | 3 | 15 |
| 2 | PP | 8 | 10 | 30 |
| 2 | FRP | 5 | 8 | 25 |
| 3 | PP | 12 | 15 | 40 |
| 3 | FRP | 8 | 12 | 35 |
| 4 | PP | 15 | 20 | 50 |
| 4 | FRP | 10 | 15 | 40 |
| 5 | PP | 20 | 25 | 60 |
Dodatkowe czynniki
| Czynnik | Udział ugięcia (mm) | Notatki |
|---|---|---|
| Owalność zbiornika (produkcja) | 5–25 | Główny czynnik |
| Rozszerzalność cieplna zbiornika (plastik, ΔT=30 stopień) | 0 (promieniowy) | Nieistotny |
| Ssanie wiatru (150 km/h) | <1 | Nieistotny |
| Ciśnienie hydrostatyczne (pełny zbiornik) | Na zewnątrz (zwiększa prześwit) | To nie problem |
| Podciśnienie (różnica 0,5 bara) | 20–100 | Niebezpieczny; dodać przerywacz próżni |
| Rozszerzalność cieplna grzejnika (promieniowa) | 1–2 | Pomijalny (CTE 110 ppm/stopień) |
Przykład pola
Zbiornik polipropylenowy o średnicy 3 m miał grzejnik PFA zamontowany 25 mm od ściany. Zbiornik nie był idealnie okrągły; istniało wewnętrzne wybrzuszenie o wielkości 15 mm. Grzejnik zetknął się ze ścianą, powodując ścieranie powłoki PFA. Po 6 miesiącach PFA zużył się i metalowy rdzeń zwarł ze zbiornikiem (zwarcie doziemne). Instalacja przeniosła grzejnik na odległość 60 mm od ściany. Nie doszło do dalszego kontaktu. W zakładzie zmierzono także-nieokrągłość-zbiornika i określono minimalną odległość wynoszącą 40 mm dla przyszłych instalacji.
Praktyczne zalecenia dla projektantów
Zmierz zbiornik: Przed montażem zmierz wewnętrzną średnicę zbiornika w wielu punktach (góra, środek, dół, co 90 stopni). Oblicz maksymalne wybrzuszenie do wewnątrz (maksymalny promień – minimalny promień). Dodaj 20 mm do tej wartości.
Użyj dystansów: Zamontuj grzejnik na wspornikach (plastikowych blokach), które utrzymują go w stałej odległości od ściany, nawet jeśli zbiornik się ugina.
Weź pod uwagę próżnię: Jeśli zbiornik można opróżnić, zainstaluj przerywacz próżni lub zwiększ odległość do 100 mm.
Sprawdzaj co roku: Sprawdź, czy nie występują oznaki przetarcia (biały pył PFA, zadrapania). Jeśli zostanie znaleziony, zwiększ odległość.
Wniosek: bezpieczna odległość=30–60 mm dla typowych zbiorników plastikowych (średnica 2–4 m)
W przypadku zbiornika z tworzywa sztucznego narażonego na zewnętrzne obciążenie wiatrem, bezpieczna odległość pomiędzy grzejnikiem PFA a ścianą zbiornika zależy od tolerancji produkcyjnych (owalności), a nie od ugięcia wiatru. Dla zbiornika o średnicy 2–4 m odpowiednia jest bezpieczna odległość 30–60 mm. Samo obciążenie wiatrem powoduje<1 mm deflection. Measure the tank's out-of-roundness and add 20 mm. For vacuum service, add 100 mm or install a vacuum breaker. The heater should never touch the wall. Contact causes abrasion, then shorting, then failure. Keep a safe distance. Measure, standoff, inspect. Your heater will stay safe. The wind is not the enemy; the out-of-round tank is. Check roundness, mount accordingly. Your heater will thank you.
