We hebben de functies voor drukvalberekening in GHEtool Cloud uitgebreid met verdeelstukken, hoofdleidingen en Tichelmann-aansluitingen, zodat u gemakkelijk 99% van uw boorgatontwerpen kunt modelleren. Lees het onderstaande artikel om uit te vinden hoe het werkt!
Wat is de drukval
De drukval is een vloeistofdynamisch concept dat gedefinieerd wordt als het drukverschil tussen punt A en punt B, veroorzaakt door wrijving - en deze wrijving is de sleutel. Wrijving kan optreden tussen de vloeistof en de buiswanden, bij kleppen, pompen enz., maar ook in de vloeistof zelf, tussen verschillende ‘druppels’ vloeistof. De drukval kan daarom worden gezien als de inspanning die nodig is om de vloeistof door het systeem te bewegen.
!Let op
Voor meer achtergrondinformatie over de theoretische grondslagen van drukval wordt de lezer verwezen naar dit artikel.
Meestal zijn er twee factoren die bijdragen aan drukverlies: de stromingsverliezen in de leidingen zelf, die in het hele systeem optreden en grote verliezen worden genoemd, en de verliezen die worden veroorzaakt door bochten, samentrekkingen en andere hulpstukken, die plaatselijk zijn en daarom kleine verliezen worden genoemd. Beide soorten verliezen zijn evenredig met de stroomsnelheid en dus met het debiet. Hieronder wordt een typische drukverliescurve weergegeven.
!Let op
Er is nogal wat discussie over welke lokale verliesfactoren moeten worden gebruikt. Binnen GHEtool Cloud worden de bochten die de laterale, horizontale leidingen verbinden met de boorgaten gemodelleerd met een lokale verliesfactor van k = 0,3 (toegepast op zowel de inlaat als de uitlaat), terwijl de verbindingen tussen de laterale leidingen en de verdeler worden gemodelleerd met k = 0,5 (wederom voor zowel de inlaat als de uitlaat). Met andere lokale verliezen - zoals die veroorzaakt door extra bochten of fittingen in het circuit - is nog geen rekening gehouden.
Drukval en GHEtool Cloud
GHEtool Cloud bevat altijd al een module voor het berekenen van de drukval in het boorgat (voor meer informatie zie ons vorige artikel over dit onderwerp). Deze module bestond uit twee hoofdonderdelen:
- Een simulatie van de drukval over een enkel boorgat, standaard berekend
- Een simulatie van de drukval in de horizontale leidingen, ervan uitgaande dat alle boorgaten afzonderlijk zijn aangesloten op de verdeler
Hoewel dit een solide eerste schatting van de hydraulische prestaties van het systeem opleverde, betekende de eenvoud ervan dat complexere configuraties, zoals Tichelmann verbindingen en hoofdheaders, niet mogelijk waren. Deze functies zijn nu opgenomen in de laatste update van GHEtool en worden hieronder kort besproken.
Tichelmann verbindingen
Voor zowel kleine als grote boorvelden kan het erg kostbaar zijn om elk boorgat afzonderlijk aan te sluiten op de manifold, waar het debiet kan worden gekalibreerd om hydraulisch evenwicht te bereiken. Een alternatieve oplossing is het gebruik van een Tichelmann-verbinding (ook bekend als omgekeerde retour), waarbij twee of meer boorgaten met elkaar verbonden zijn via dezelfde horizontale pijp die op de verdeler is aangesloten. Deze omgekeerde retourconfiguratie benadert een gelijke drukval over de verschillende boorgaten, waardoor je het aantal horizontale verbindingen tot een minimum kunt beperken, de grootte van de verdeler kunt verkleinen en het aantal debieten dat moet worden aangepast om een hydraulisch gebalanceerd systeem te krijgen, kunt beperken.
Let op
Er zijn verschillende manieren om boorgaten parallel te verbinden, maar alleen de Tichelmann-configuratie (omgekeerde retour) resulteert in een hydraulisch gebalanceerd systeem.
Hoofdleiding
Een ander belangrijk aspect in het hydraulisch ontwerp van grotere boorvelden is de hoofdleiding die het verdeelstuk verbindt met de technische ruimte. Bij kleinere boorvelden bevindt het verdeelstuk zich meestal in het gebouw zelf, waardoor dit effect te verwaarlozen is. Bij grotere boorvelden is het echter niet ongewoon dat het verdeelstuk tientallen meters van de installatieruimte ligt. Aangezien de hoofdleiding 100% van het debiet van het boorveld draagt, kan de drukval tussen het verdeelstuk en de technische ruimte in dat geval behoorlijk groot worden.
Voorbeeld 1: Klein gebouw
Als eerste voorbeeld nemen we een klein gebouw met twee dubbele DN32-boorgaten van elk 150 meter diep. Het verste boorgat bevindt zich op 10 meter van het gebouw en voor de horizontale verbindingen worden DN40-buizen gebruikt. We zullen drie verschillende manieren onderzoeken om de boorgaten aan te sluiten op de technische ruimte: directe aansluiting, Tichelmann-aansluiting en serieschakeling.
Directe verbinding
De meest eenvoudige manier om boorgaten aan te sluiten op de technische ruimte is door gebruik te maken van een verdeelstuk, waarbij beide boorgaten rechtstreeks zijn aangesloten. Om het drukverlies in deze configuratie te bepalen, moeten zowel de serie- als de Tichelmann-factor op 1 worden gezet en moet de lengte van de horizontale leiding naar de verdeler worden ingevoerd. (Aangezien de verdeler zich in het gebouw bevindt, zijn de drukverliezen in de hoofdleiding verwaarloosbaar).
De totale drukval in dit systeem is 22,74 kPa, waarvan 20,74 kPa wordt veroorzaakt door de boorgaten zelf. Dit is een ideaal scenario voor de hydraulische prestaties, maar in de praktijk is het vaak te duur. Laten we daarom de Tichelmann-configuratie bekijken, die kan worden gesimuleerd door de Tichelmann-factor in GHEtool Cloud op 1 te zetten.
Aansluiting Tichelmann
In deze configuratie zijn de boorgaten verbonden met een Tichelmann opstelling. Er komen slechts twee leidingen het gebouw binnen, waardoor er geen verdeelstuk nodig is (hoewel dit voor de duidelijkheid nog wel wordt weergegeven). Omdat de Tichelmann-opstelling de vloeistofstroom gelijkmatig over beide boorgaten verdeelt, blijft de drukval over elk boorgat 20,74 kPa. Maar omdat 100% van de stroom nu door één horizontale leiding gaat (in plaats van verdeeld over twee), nemen de verliezen in de horizontale leidingen toe van 1,98 kPa tot 6,48 kPa, waardoor de totale drukval van het systeem 27,22 kPa wordt.
Serieaansluiting
Bij een serieopstelling (gemodelleerd door de seriefactor in GHEtool Cloud op 1 te zetten) wordt het ene boorgat direct na het andere aangesloten. Dit is vaak goedkoper om te installeren dan een Tichelmann lay-out, omdat er minder lasnaden nodig zijn.
In dit geval blijven de horizontale drukverliezen gelijk omdat ze nog steeds het volledige debiet dragen. De drukval over de boorgaten neemt echter aanzienlijk toe. Elk boorgat verwerkt nu 100% van het debiet, wat resulteert in een drukverlies van 81,70 kPa over elk boorgat. Aangezien de componenten in serie cumulatieve verliezen hebben, wordt de totale drukval door de boorgaten 163,40 kPa en stijgt de totale drukval van het systeem tot 169,78 kPa - veel hoger dan de 27,22 kPa in de Tichelmann-configuratie.
!Let op
De drukval in het horizontale systeem kan enigszins verschillen tussen de Tichelmann- en serieconfiguraties. Dit komt doordat beide hydraulische opstellingen de effectieve warmteweerstand van het boorgat beïnvloeden, die op zijn beurt weer van invloed is op de vloeistofeigenschappen. Kleine veranderingen in viscositeit kunnen daarom leiden tot kleine verschillen in drukval. Voor meer informatie over temperatuurafhankelijke vloeistofeigenschappen kunt u terecht op dit artikel.!Let op
Het is ook mogelijk om zowel Tichelmann- als serieschakelingen te combineren door zowel de Tichelmannfactor als de seriefactor in te stellen op waarden groter dan 1. Als er bijvoorbeeld drie groepen van twee in serie geschakelde boorgaten zijn en deze groepen worden vervolgens in een Tichelmann-configuratie geplaatst, dan moeten de Tichelmann- en seriefactoren respectievelijk op 3 en 2 worden ingesteld.
Voorbeeld 2: Auditorium
Laten we nu een meer gedetailleerd voorbeeld bekijken met 20 boorgaten (opnieuw dubbel DN32 en 150 m diep), aangesloten op een verdeelstuk op 20 m afstand van de fabriekskamer. De laterale leidingen die de boorgaten verbinden met de verdeler zijn DN40, met de langste afstand 36m. We zullen eerst twee gevallen onderzoeken waarbij de boorgaten rechtstreeks zijn aangesloten op het verdeelstuk, waarbij alleen de diameter van de hoofdleiding varieert van DN63 tot DN90. Tot slot analyseren we een geval waarin de boorgaten in Tichelmann-configuratie zijn gegroepeerd voordat ze op de verzamelleiding worden aangesloten.
!Let op
Een Design licentie van GHEtool Cloud is nodig om de drukval in de hoofdleiding te simuleren.
Direct met een DN63-hoofdleiding
In het eerste geval bedraagt de totale drukval 104,63 kPa, als volgt verdeeld: 21,87 kPa in de boorgaten, 4,31 kPa in de laterale verbindingen en een aanzienlijke 78,45 kPa in de hoofdleiding. Hoewel de hoofdleiding slechts 20 m lang is - relatief kort vergeleken met de boorgaten van 150 m - is het drukverlies aanzienlijk vanwege het hoge debiet in dit deel.
Direct met een DN90-hoofdleiding
Door de laterale aansluitingen ongewijzigd te laten en de diameter van de hoofdleiding te vergroten tot DN90, daalt de drukval in de hoofdleiding van 78,45 kPa naar slechts 14,46 kPa. Hierdoor daalt de totale drukval tot 40,64 kPa, minder dan de helft van het vorige geval. Dit toont duidelijk het belang aan van de juiste dimensionering van de hoofdleiding in het boorveldontwerp.
Tichelmann met een DN90 hoofdleiding
Aangezien het rechtstreeks aansluiten van 20 boorgaten op een verdeelstuk duur kan worden, is een alternatieve aanpak om de boorgaten in paren te groeperen met behulp van een Tichelmann-configuratie (omgekeerde retour), zoals hieronder getoond.
In vergelijking met het vorige scenario blijft de drukval in de hoofdleiding ongewijzigd omdat het totale debiet hetzelfde is. De drukval in het laterale systeem neemt echter toe van 4,31 kPa tot 23 kPa door het hogere debiet in elke laterale leiding.
!Let op
Voor grotere boorvelden, waar de zijdelingse afstand tussen boorgaten en de verzamelleiding ook aanzienlijk kan zijn, wordt de keuze van de leidingdiameter voor de zijdelingse verbindingen een belangrijke factor in de hydraulische prestaties van het systeem.
Conclusie
Dit artikel beschrijft de nieuwe en meer geavanceerde methoden voor het simuleren van de hydraulica van een geothermisch boorveld. Vanaf nu is het mogelijk om rekening te houden met Tichelmann-verbindingen en hoofdleidingen die de manifold verbinden met de installatieruimte. Deze toevoegingen breiden de toepasbaarheid van de drukvalberekeningen van GHEtool Cloud uit tot 99% van typische projecten, waardoor de nauwkeurigheid en efficiëntie van uw systeemontwerpen aanzienlijk worden verbeterd.
Referenties
- Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.