Analiza rozkładu temperatury w ścianie żelbetowego zbiornika, uwzględniająca dwuwymiarowy przepływ ciepła

Artykuł prezentuje wybrane aspekty projektowania żelbetowych zbiorników na ciecze z uwagi na obciążenia termiczne, pojawiające się w trakcie ich eksploatacji. Obciążenia termiczne wynikają z występowania dużych różnic temperatur między cieczą wypełniającą zbiornik a jego otoczeniem. W szczególności problem ten ujawnia się w przypadku ścian zbiornika, wyniesionych ponad poziom terenu. Wartości obliczeniowych temperatur podane w normie EC1-1-5 ustalone zostały na ekstremalnie niskim poziomie dla warunków zimowych (w przeprowadzonych obliczeniach przyjmowano -30ºC), natomiast dla okresu letniego na poziomie ekstremalnie wysokim (w obliczeniach przyjmowano +38ºC oraz +56ºC, na ścianach zbiornika wyeksponowanych na działanie słońca). W obliczeniach zaprezentowanych w artykule poddano analizie 4 warianty rozwiązania ściany zewnętrznej zbiornika – bez izolacji termicznej oraz z ułożoną na zewnątrz izolacją ze styropianu o grubości 5, 10 i 15 cm. Obliczenia rozkładów temperatur w ścianie zbiornika wykonano przy użyciu oprogramowania CFD, używanego do symulacji stacjonarnych i niestacjonarnych procesów cieplnych. Porównanie danych otrzymanych z symulacji dwuwymiarowych z wynikami obliczeń zakładających jednowymiarowy przepływ ciepła, wskazuje na występowanie wyraźnie wyższych gradientów temperatur. Problem ten jest szczególnie istotny w ścianach z termoizolacją, gdzie różnice temperatury są nawet pięciokrotnie większe w rozpatrywanych przekrojach, niż w modelu jednowymiarowym. Przekłada się to w dalszej kolejności na naprężenia występujące w obrębie ściany zbiornika, a wywołane zmianami temperatury.

The article presents the selected aspects of designing reinforced concrete tanks for liquids considering the high thermal loads occurring during tanks’ exploitation. Thermal loads often are a consequence of occurrence of high differences in temperature between the liquid, which fills the tank, and the tank’s surroundings. This problem is strongly visible in case of the tank’s walls erected high above ground level. The calculation values of temperatures presented by EC1-1-5 norm have been established on extremely low levels of winter conditions (during the calculations, the assumed temperature was -30ºC), and extremely high levels of summer conditions (during the calculations, the assumed temperature was +38ºC and +56 ºC on the tank’s walls exposed to sunlight). The calculations presented in the article included 4 variants of solutions for the tank’s external walls – devoid of thermal isolation and with isolation of 5, 10 and 15 cm thick polystyrene layers laid out externally. Calculations of temperature distribution in the tank wall were made with application of CFD software which is used to simulate stationary and non-stationary heat processes. The comparison of data obtained from the two-dimensional simulation with results assuming one-dimensional heat flow indicates the appearance of clearly higher temperature gradients. The problem is particularly important in walls with thermal insulation, where temperature differences are even five times higher in the section in question than in the one-dimensional model. It further results in stresses appearing within the tank walls, which are caused by temperature changes.

Słowa kluczowe