Kun muovisäiliö (polypropeeni, polyeteeni tai FRP) altistetaan ulkoiselle tuulikuormitukselle, säiliön seinämä taipuu sisäänpäin. Jos PFA-lämmitin asennetaan liian lähelle seinää, taipuva seinä voi koskettaa lämmitintä aiheuttaen hankausta, paikallista ylikuumenemista tai sähköoikosulkua. Turvaetäisyys D_turvallinen=D_poikkeama + D_lämpö + D_toleranssi, jossa D_poikkeama on säiliön seinämän suurin sisäänpäin suuntautuva taipuma suunnitellun tuulikuorman alaisena, D_lämpö on lämmittimen lämpölaajeneminen (jos sellainen on) ja D_toleranssi on turvamarginaali (10–20 mm). Tyypillisellä halkaisijaltaan 2 m pystysuoralla sylinterimäisellä muovisäiliöllä (seinämän paksuus 10 mm) 150 km/h tuulessa suurin sisäänpäin taipuma on 15–30 mm. Turvaetäisyys on 40-60 mm. Suuremmilla säiliöillä tai suuremmilla tuulennopeuksilla lisää vastaavasti. Lämmittimen valmistajan tulee määrittää vähimmäisetäisyys; jos ei, käytä 50 mm konservatiivisena oletuksena.
Tuulikuorman taipuman laskenta
Sylinterimäisen säiliön taipuma sisäänpäin tuulen kuormituksessa on Δ=(P_wind × R²) / (E × t), missä P_tuuli on tuulen paine (Pa), R on säiliön säde (m), E on säiliön materiaalin kimmokerroin (Pa) ja t on seinämän paksuus (m). Polypropeenisäiliölle (E=1,000 MPa=1e9 Pa), R=1.0 m, t=0.01 m. Tuulen paine nopeudella 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). Sitten Δ=(1 058 × 1²) / (1e9 × 0,01)=1, 058 / 10 000, 000=0.0001 m=0.1 mm – merkityksetön. Aiempi arvio 15–30 mm koskee FRP-tankkeja? Lasketaan uudelleen FRP:lle: E_FRP=10 GPa (10e9 Pa), t=5 mm=0.005 m. Δ=(1 058 × 1²) / (10e9 × 0,005)=1, 058 / 50 000,000=2.1e-5 m=0.02 mm – silti merkityksetön. Joten muovisäiliön tuulenpoikkeama on hyvin pieni. Pääpoikkeama tulee hydrostaattisesta paineesta säiliön ollessa täynnä, ei tuulesta. Täydessä tankissa seinä pullistuu ulospäin, ei sisäänpäin. Tuulelle imupuoli (leaward) voi pullistua sisäänpäin, mutta paine-ero on pieni. Turvaetäisyyttä säätelevät itse asiassa valmistustoleranssit (tankin pyöreys{67}) ja lämpölaajeneminen.
Tarkistettu laskelma: Valmistustoleranssit
Muovisäiliöt ovat harvoin täysin pyöreitä. Epä-pyöreys- (ovaliteetti) voi olla 0,5–1 % halkaisijasta. Halkaisijaltaan 2 m:n säiliössä soikea=10–20 mm. Lämmittimen on poistettava sisäänpäin oleva pullistuma. Lisäksi säiliön seinämä voi deformoitua hydrostaattisen paineen vaikutuksesta (ulospäin), mutta se lisää välystä. Kriittinen tapaus on tyhjiö (jos säiliö koskaan tyhjennetään ja suljetaan). Tyhjiössä säiliö voi painua sisäänpäin huomattavasti (50–100 mm). Mutta se on suunnitteluvirhe, ei tuuli.
Turvaetäisyyden ohje
| Säiliön halkaisija (m) | Materiaali | Seinän paksuus (mm) | Suurin sisäänpäin taipuma (mm) | Suositeltu turvaetäisyys (mm) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | PP | 5 | 5 (ovaali) | 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 |
Lisätekijät
| Tekijä | Taipumaosuus (mm) | Huomautuksia |
|---|---|---|
| Säiliön soikea (valmistus) | 5–25 | Tärkeä tekijä |
| Säiliön lämpölaajeneminen (muovi, ΔT=30 aste) | 0 (säteittäinen) | Mitätön |
| Tuulen imu (150 km/h) | <1 | Mitätön |
| Hydrostaattinen paine (täysi säiliö) | Ulospäin (lisää välystä) | Ei huolta |
| Tyhjiö (0,5 baarin ero) | 20–100 | Vaarallinen; lisää alipainekatkaisin |
| Lämmittimen lämpölaajeneminen (radiaalinen) | 1–2 | Mitätön (CTE 110 ppm/aste) |
Esimerkki kentästä
Halkaisijaltaan 3 m:n polypropeenisäiliössä oli PFA-lämmitin asennettuna 25 mm seinästä. Säiliö ei ollut täysin pyöreä; sisäänpäin oli 15 mm pullistuma. Lämmitin kosketti seinää aiheuttaen PFA-vaipan hankausta. Kuuden kuukauden kuluttua PFA kului läpi ja metalliydin oikosuluttiin säiliöön (maavika). Laitos siirsi kiukaan 60 mm:n päähän seinästä. Sen enempää yhteyttä ei tullut. Tehdas mittasi myös säiliön-epäpyöreyden ja määritti 40 mm:n vähimmäisetäisyyden tulevia asennuksia varten.
Käytännön suositus suunnittelijoille
Mittaa säiliö: Ennen asennusta, mittaa säiliön sisähalkaisija useista kohdista (ylhäältä, keskeltä, alhaalta, 90 astetta toisistaan). Laske suurin sisäänpäin pullistuma (max säde – min säde). Lisää tähän arvoon 20 mm.
Käytä vastakohtia: Asenna lämmitin jalustalle (muovilohkoille), jotka pitävät sitä kiinteällä etäisyydellä seinästä, vaikka säiliö taipuisi.
Harkitse tyhjiötä: Jos säiliö voidaan tyhjentää, asenna alipainekatkaisin tai nosta etäisyys 100 mm:iin.
Tarkasta vuosittain: Tarkista hankauksen merkkejä (valkoinen PFA-pöly, naarmut). Jos löydät, lisää etäisyyttä.
Johtopäätös: Turvaetäisyys=30–60 mm tyypillisille muovisäiliöille (halkaisija 2–4 m)
Ulkopuoliselle tuulikuormitukselle altistuvan muovisäiliön turvaetäisyyttä PFA-lämmittimen ja säiliön seinämän välillä säätelevät valmistustoleranssit (ovaliteetti), ei tuulen taipuminen. Halkaisijaltaan 2–4 m säiliölle riittää 30–60 mm turvaetäisyys. Tuulikuormitus itsessään aiheuttaa<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.
