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Los sistemas de tuberías de PB-1 para energía central

Los sistemas de tuberías de polibuteno-1 se utilizan en todo el mundo para redes de energía central que abastecen instalaciones y edificios públicos, bloques de apartamentos y complejos de oficinas con sistemas de calefacción o refrigeración procedentes de fuentes óptimas eficientes y ecológicas en ubicaciones centrales. El polibuteno-1 ofrece numerosas e importantes ventajas para los sistemas, entre los que se incluyen flexibilidad, capacidad de alta presión, ausencia de corrosión y baja pérdida de calor.
 

A ground-breaking District Energy network was created for Almere, The Netherlands using Flexalen Polybutene piping systems from Thermaflex.


Introducción

El uso de los sistemas de tuberías de PB-1 está indicado en redes de energía central gracias a su flexibilidad, eficiencia térmica y esperanza de vida útil a altas temperaturas de hasta 95 °C.

¿Qué es la energía central?

Los sistemas de energía central proporcionan agua o vapor para calefacción, así como agua refrigerada para la refrigeración de instalaciones y edificios públicos, bloques de apartamentos, complejos de oficinas y estructuras similares a partir de una fuente de una planta central.

El agua fría o caliente se distribuye en sistemas de tuberías aisladas instaladas en redes subterráneas. En muchas ciudades europeas, las grandes redes de energía central funcionan transportando calefacción o refrigeración a lo largo de muchos kilómetros con mínima pérdida de calor para los consumidores.

La ventaja clave del calor producido centralmente (mediante agua o vapor) es que pueden utilizarse y combinarse fuentes ecológicas. La mayor parte proviene de centrales termoeléctricas que utilizan el calor residual procedente de la producción de energía eléctrica. Es lo que se conoce como cogeneración. La electricidad y el calor producidos al mismo tiempo duplican el índice de eficiencia en comparación con las centrales eléctricas de un 40 % a más de un 80 %. Otras fuentes importantes son el calor procedente de las plantas de incineración de residuos, los procesos industriales y, cada vez más, las fuentes de energía verde como la biomasa, el biogás, la energía geotérmica y la solar.

Otro tipo de energía central es el suministro central de calefacción para escuelas y universidades, complejos hoteleros, aeropuertos o centros comerciales. Es lo que se denomina calefacción colectiva
 

Historia

La energía central (también conocida como calefacción y refrigeración central) lleva utilizándose para fines de calefacción colectiva en Europa casi 100 años. Hasta 1980, solo se instalaban sistemas de acero con aislamiento principalmente en tubos de hormigón. Los sistemas preaislados se introdujeron en 1974, pero seguían utilizando tuberías de acero que presentaban un problema principal: la corrosión. Esto sirvió de incentivo para los proveedores de energía de todo el mundo, que comenzaron a buscar soluciones.


Sistemas de tuberías preaisladas

Los sistemas de tuberías preaisladas de PB-1 son el componente clave de la energía central. Con ayuda de tecnología de producción avanzada, las tuberías preaisladas se fabrican a partir de materiales respetuosos con el medio ambiente y de grados completamente reciclables de la familia de materiales de la poliolefina. Entre estos materiales se incluyen la tubería interna de polibuteno-1, la espuma de poliolefina de célula cerrada flexible y el recubrimiento exterior de polietileno de alta densidad flexible.

El uso de los sistemas de tuberías de PB-1 está indicado en redes de energía central gracias a su flexibilidad, eficiencia térmica y esperanza de vida útil a altas temperaturas de hasta 95 °C.


 


El PB-1 para sistemas de energía central

El PB-1 presenta el máximo rango de presión en comparación con el PE-X y el PP, baja pérdida de calor y la mejor resistencia química de su clase, especialmente frente a agua geotérmica agresiva.

La principal elección para sistemas de energía central

  • Diámetros grandes tanto para instalaciones subterráneas como internas
  • Alta resistencia al vapor
  • Pérdida de calor inferior a 1 °C por kilómetro
  • Gran flexibilidad, suministro de diámetros pequeños/medianos y disposición en rollos
  • Los tramos largos reducen el número de conexiones
  • Posible combinación con sistemas de accesorios de soldadura
  • Peso reducido para facilitar la logística y el manejo
  • Ausencia de corrosión y problemas de acumulación de cal
  • Excelente resistencia química especialmente frente al agua geotérmica agresiva
  • Rendimiento a largo plazo hasta una temperatura máxima de servicio de 95 °C con el mayor rango de presión en comparación con el PE-X y el PP
  • Sistemas completos de tuberías preaisladas y accesorios de soldadura disponibles para todo el abanico de requisitos


     

PB-1 vs. PE-RT & PEX for District Energy Piping

A true cost comparison between piping systems should include installation time, jointing options, life span and SDR rating.

Polybutene-1 offers tangible benefits for District Energy systems compared to PE-RT and PEX

For District Energy projects, the true cost variation of piping systems across competing materials is more than a per length cost comparison for the same outside pipe diameter.

Specifiers look at: ease of installation impacting onsite costs; jointing options, long-term system performance and projected life span; and Standard Dimension Ratio (SDR) comparing pipe materials for durability against pressure.

When compared to PE-RT and PEX systems, PB-1 offers significant benefits across a broad range of performance categories all contributing to make PB-1 piping systems the optimum choice for high performance District Energy installations.
 

Standard Dimension Ratio (SDR)

What is SDR?

SDR rates pipe durability against pressure and correlates a pipe's outside diameter and wall thickness.

The SDR or the Standard Dimension Ratio refers to the geometry of a pipe. SDR is a method of rating a pipe's durability against pressure and it describes the correlation between the pipe dimension and the thickness of the pipe wall. SDR 11, for example means that the outside diameter of the pipe is eleven times the thickness of the wall.

  • High SDR ratio
    The pipe wall is thin compared to the pipe diameter
  • Low SDR ratio
    The pipe wall is thick compared to the pipe diameter

Example calculation:
SDR for a pipe with an outside diameter of 100mm and wall thickness of 5mm can be calculated as:
100mm / 5mm = SDR 20
 

Why does SDR matter for District Energy systems?

Due to the higher SDR ratio of PB-1 compared to either PE-RT or PEX, PB-1 piping systems deliver the following benefits because of its lower wall section requirements for the same pressure rating and outside pipe diameter:

  • Less material for the same pressure capability
  • Less weight per meter of pipe
  • Lower outside pipe diameter for the same performance
  • Larger inside area for the same outside diameter providing:
    - Higher flow rate at the same pressure
    - Lower pressure loss, requiring less energy to run a system or pumps with lower capacity

SDR Classes and Pipe Dimensions

SDR classes quoted in National Standards for District Energy piping systems


National Standards (RU & NL)
The source for District Heating piping dimensions comparing materials PB-1, PE-RT and PEX

The current Russian standard for District Heating (GOST 56730 – 2015) and the Dutch guideline (BRL 5609 - and the draft of renewed BRL 5609) both include a comparison of 3 materials for District Heating piping systems: PB-1, PE-RT and PEX.

Both the Russian standard and the Dutch guideline have the same requirements in relation to the pipe dimensions and SDR classes of the 3 service pipe materials operating at pressures of 6 bar, 8 bar and 10 bar.

Per the Russian standard and the Dutch guideline the table (at right) is an excerpt of the relevant table showing the SDR classes for the listed materials at different pressure ratings. As indicated, for each operating pressure PB-1 is listed in the highest SDR class when compared to either PEX or PE-RT. The section below explains what this means, why standards refer to pipe dimensions and SDR classes and what are the benefits for pipe system specifiers.


Pipe Dimensions and SDR Classes
PB-1 pressure capability delivers benefits versus PE-RT and PEX

The higher SDR class of PB-1 delivers the following benefits:
• Thinner wall section
• Less material (less weight)
• Larger inside diameter and area

To illustrate the performance of PB-1, PE-RT and PEX in relation to the given operating pressure of 8 bar at the small pipe diameter of 50mm ø, the table and diagram below provide a comparison of the internal pipe dimensions required.
 

Example 1:  Small pipe – 50mm diameter @ 8 bar

PB-1 is stronger than both PE-RT and PEX and with an operating pressure of 8 bar and an outside pipe diameter of 50mm ø the required wall thicknesses are:

Per above, at the same water pressure, the larger inside diameter of PB-1 50mm outside ø pipe delivers a substantially higher flow rate than the other two materials. Taken the other way, at a given flow rate PB-1 pipes yield a lower pressure loss requiring less energy to run systems and/or pumps with a lower capacity.

As shown in the graphs above and for the purposes of comparison, PE-RT may be considered the benchmark at 100%. When comparing the inside cross-section area of a 50mm ø pipe (left graph) PB-1 clearly outperforms PE-RT with an additional 27% of volume. Also, in comparing the amount of material per meter for a 50mm ø pipe rated for 8 bar (right graph), PB-1 pipe uses 29% less material than PE-RT.

Once again for the purposes of comparison, PE-RT may be considered the benchmark at 100%. Per the above graph (left), using the same operating water pressure, a 50mm outside diameter pipe (8 bar) made from PB-1 delivers a substantially higher flow rate of +35% when compared to the identically rated PE-RT pipe of the same outside diameter.

Measured using the other comparison point (right): at a given flow rate (output) PB-1 pipes yield a 44% lower pressure loss versus PE-RT pipes. This means that PB-1 pipes require less energy to run a system - or - can accommodate pumps with a lower capacity for the same output.
 

Example 2:  Large pipe – 160mm diameter @ 10 bar




Due to a higher SDR rating (and therefore a thinner wall section) a PB-1 pipe of 140mm ø delivers the same performance as a PE-RT pipe of 160mm ø, but with a smaller outside diameter and larger inside pipe cross-section area.

At a 10 Bar operating pressure pipe of 160mm outside diameter:

  • PE-RT @ SDR 6
    160mm ø pipe has an internal cross section area of 8,958mm2

  • PEX @ SDR 7.4
    160mm ø pipe has an internal cross section area of 10,605mm2

  • PB-1 @ SDR 9
    With a smaller outside diameter of 140mm ø PB-1 has an internal cross section area of 9,263mm2

In addition, as shown in the graph (right), the weight of 160mm outside diameter PB-1 pipe rated for 10 bar is almost half of the weight for the same outside diameter and rating pipe made from PE-RT.
 

Jointing Techniques for District Heating Pipes
PB-1 is a versatile material for all available jointing techniques


The Bottom Line
Specifying PB-1 piping systems for District Energy offers:

  • Substantial material saving opportunities, while at the same time increasing the capacity of the system
    – thinner walls
    – increase of the available inside cross section area
  • A higher degree of design freedom for District Energy grids
    – opportunity for using smaller outside pipe and fitting diameters
  • A clear opportunity for reduced integral installation cost and operating cost
    – smaller pipe support frames
    – use of less insulation material
    – smaller pumps running at reduced energy consumption
    – lighter overall weight for easier handling and lower shipping costs
  • The capability to utilize all available jointing techniques
  • Best in class acoustics including the lowest level of water hammer
  • The ability to be fully recycled

PB-1 vs. PE-RT & PEX

 



Subject Webinar
The benefits of PB-1 for pressure pipe systems

  • Business Review Webinars
  • Sponsored by: LyondellBasell
  • Presentation date: 7 March, 2019
  • Presented by:
    – Patrick van Beek, Marketing Manager PB-1
    – Werner Rothhöft, Application Development & Technical Service Engineer
  • Key Learning Objectives | What does a higher SDR class mean in practice?
    – Get to know Polybutene-1 for use in pressurized hot and cold water pipe systems
    – Learn about the extraordinary characteristics of this most technically advanced thermoplastic material
    – What are the benefits of using PB-1 in pipe systems against alternative thermoplastic materials?
    – Opportunities to reduce the operational costs over the lifetime of a pipe system

Webinar: What does a higher SDR class mean in practice?


 


Ensayo en universidad

Resultados de la universidad: "tras 8 años en servicio, las muestras de tuberías de PB-1 demostraron ser más resistentes que las nuevas tuberías de PB-1 gracias al proceso de recocido y temple de aquel periodo."

Ensayo en universidad para encontrar la tubería interior óptima

Una empresa de energía con sede en Austria fue una de las pioneras en investigar soluciones alternativas y encargó al Instituto Tecnológico del Plástico de la Universidad de Leoben la realización de un programa de pruebas para descubrir las mejores soluciones para las redes de energía central.
 

Resultados de la universidad

Los resultados de la tubería interior fueron contundentes: el polibuteno-1 demostró ser el mejor material plástico para altas temperaturas (máx. 95 °C).

Este resultado animó a la empresa de energía austriaca a crear una empresa conjunta con otra compañía de fabricación de tuberías para producir y comercializar sistemas de tuberías preaisladas con tuberías interiores de polibuteno-1.
 


Casos prácticos

Red de energía central austriaca

A raíz de esos estudios, se han instalado desde entonces 42 redes con 210 km de tuberías en toda Austria. Antes de 1987, se habían instalado 70 km de tuberías. Estas redes recibieron el nombre de "redes secundarias" y se alimentaban a partir de líneas primarias por medio de estaciones transformadoras con intercambiadores de calor para reducir las temperaturas a un máximo de 90 °C y una presión de 5 bares.

Los resultados mostraron sorprendentemente que las tuberías en uso eran más resistentes que las nuevas tuberías de polibuteno-1: el proceso de recocido y templado de las tuberías durante su servicio en los ocho primeros años afectó de manera positiva a las tuberías.
 

Centro geotérmico de Viena

El agua geotérmica especialmente agresiva de Viena ocasionaba grandes problemas de corrosión en las tuberías metálicas. Como resultado, se llevó a cabo un ciclo de prueba de dos años con varias tuberías de acero inoxidable, PVC-C, epoxi y polibuteno-1 en 1972, cuando el nuevo centro geotérmico de Viena se estaba planificando aún.

El polibuteno-1 resultó ser el mejor material y se instaló posteriormente en todas las líneas geotérmicas desde la fuente hasta el centro geotérmico, con una línea principal doble de 225 mm de diámetro exterior y 1,4 km, y unos 2 km de tuberías internas con entre 20 y 225 mm de diámetro exterior. Estas tuberías funcionaron de manera ininterrumpida durante más de 30 años (hasta que se ampliaron las instalaciones) a 54 °C y 10 bares sin averías.
 


Ejemplos in situ




 

 

A menudo se hace referencia al polibuteno-1 como polibuteno, PB, PB-1 o polibutileno.

El polibuteno-1 no es vendido por los miembros de la PBPSA para su uso en aplicaciones de tuberías en Norteamérica, y dichas partes exigen a sus clientes o distribuidores que no vendan productos fabricados con PB-1 para aplicaciones de tuberías en Norteamérica.