2014
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební
125ESB Energetické systémy budov Část 2. Doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. Praha 2014
Evropský sociální fond Praha a EU: Investujeme do vaší budoucnosti 1
Návrh zabezpečovacího zařízení otopných soustav
2
1
2014
Pojistné zařízení • Tepelné soustavy musí být zabezpečeny proti: – Nejvyššímu přetlaku – Nejvyšší teplotě – Nedostatku vody (Změnám objemu vody v soustavě)
Výpočet těchto parametrů je součástí návrhu zabezpečovacího zařízení otopné soustavy. Všechny části soustavy musí konstrukčně vyhovovat těmto nejvyšším požadavkům. Zabezpečovací zařízení se rozdělují dle normy na zařízení pro nízkotlaké parní kotle (do 50kPa), teplovodní otopné soustavy s nejvyšší pracovní teplotou 110 °C a ohřívače teplé vody. Terminologie: Systém a Soustava
3
Tlak • Přetlak - tlak nad atmosférickým tlakem vzduchu (obvykle 100 kPa). Srovnávací rovinou je tak tlak vzduchu. • Absolutní tlak - tlak měřený k absolutní tlakové nule, tedy včetně tlaku atmosférického. • Normální tlak - přibližně průměrná hodnota tlaku vzduchu při mořské hladině na 45° s.š. při teplotě 15 °C a tíhovém zrychlení gn = 9,80665 m.s-2.
4
2
2014
Tlak tekutiny Manometr (tlakoměr) -měřidlo tlaku tekutiny - deformační – membrány, vlnovce -porovnávací (u plynu)
Barometr - rtuťový - aneroid
www.tlakoměry-teplomery.cz
en.wikipedia.org 5
Tlak • Odvozenou jednotkou SI jsou pro tlak jednotky „Pascal“ (Pa). V technické praxi se však ve většině zahraničních zemí používá jednotka „bar“ a její užívání je dočasně povolené. • Je nutné dodržovat pravidlo, kdy u jednoho projektu jsou použity pro tlak pouze jedny shodné jednotky. Platí 100 kPa = 1 bar
Blaise Pascal (1623 Clermont – 1662 Paříž) byl francouzský matematik, fyzik, spisovatel, teolog a náboženský filosof. cs.wikipedia.org/wiki/Blaise_Pascal
Bar je vedlejší jednotkou tlaku v soustavě SI. Bar je stále užíván pro svou názornost, neboť přibližně odpovídá starší jednotce tlaku jedné atmosféry anebo hydrostatickému tlaku 10 m vodního sloupce. 1 mbar = 0,001 bar = 100 Pa = 1 hPa
6
3
2014
Tlak vzduchu • Vzhledem k velké stlačitelnosti plynů není barometrický tlak lineární funkcí výšky • Barometrická rovnice
• Boyleův-Mariottův zákon en.wikipedia.org
• Stavová rovnice - určuje vztah mezi jednotlivými stavovými veličinami charakterizujícími daný termodynamický systém n - látkové množství plynu R - molární plynová konstanta • Ideální plyn: T - absolutní teplota plynu
7
Hydrostatický tlak • Hydrostatický tlak je tlak, který vzniká v kapalině její tíhou. • Tlak v kapalině = ℎ. . • Působí-li na hladině kapaliny ještě nenulový aerostatický (atmosférický, barometrický) tlak b, je nutno ho přičíst: = ℎ. . +b (Pa)
www.tlakoměry-teplomery.cz
www.zs-fyzika.webnode.cz
8
4
2014
Pojistné zařízení • • •
Každý zdroj tepla musí být vybaven neuzavíratelně připojeným pojistným zařízením. Pojistné zařízení se připojuje k otopné soustavě v pojistném místě. Pojistné místo je horní část zdroje tepla a část výstupního potrubí ze zdroje tepla končící ve vzdálenosti nejvýše 20 DN výstupního potrubí od hrdla. V pojistném místě musí být umístěn také teploměr, tlakoměr a případné snímače teploty, tlaku nebo nedostatku vody v soustavě.
www.reflexcz.cz
9
Pojistné zařízení • Pojistný úsek je část otopné soustavy, ve které je zdroj tepla; je vymezen uzavíracími armaturami na vstupu a na výstupu ze zdroje tepla. • Pojistné potrubí je potrubí propojující pojistné zařízení s pojistným místem. Pojistné a expanzní potrubí musí být umístěno tak, aby se samočinně odvzdušňovalo. Pokud to není možné, je nutné instalovat automatické odvzdušňovací zařízení.
10
5
2014
Pojistné zařízení Skladba pojistného zařízení: Zdroj tepla
Kotel Výměník Ohřívák TV Redukční zařízení tlaku Směšovací zařízení
Ochrana proti překročení nejvyššího dovoleného přetlaku ano (+ podtlak) ano ano ano
Ochrana proti překročení nejvyšší dovolené teploty
-
ano
ano ano ano -
11
Ochrana proti překročení nejvyššího dovoleného přetlaku
• Ochrana - musí být navržena tak, aby byla schopna odvést příslušné množství teplonosné látky určené výkonem zdroje tepla, které může vzniknout provozem zdroje tepla bez odběru tepla nebo při dopouštění vody do otopné soustavy. • Ochrana může být řešena hydrostaticky pomocí sloupce vody v pojistném potrubí a expanzní nádobě nebo pojistným ventilem. Oba systémy mohou být kombinovány. • Zdroje tepla se rozdělují do skupin podle skupenství vody, která by procházela pojistným zařízením v případě, kdy by nebyl odběr tepla ze zdroje. Dimenzování pojistného zařízení se následně provádí podle příslušné skupiny zařízení.
12
6
2014
Skupiny zdrojů tepla • Skupina A výměníky tepla, nepřímo vytápěné ohřívače TV, redukční a směšovací zařízení. U zdroje tepla skupiny A1 může být pojistné zařízení umístěno na zpětné části pojistného úseku. • Skupina B kotle a přímo vytápěné ohřívače TV. Θ1 teplota vstupu ohřívací látky (°C), Θ2x teplota ohřívané vody na mezi odparu při nejvyšším dovoleném přetlaku (°C) Zdroj tepla
A
B
Varianta Teplotní rozsah (°C)
Vstup do pojistného zařízení
Výstup z pojistného zařízení
1
Θ1 < 100°C
voda
voda
2
100°C < Θ1 < Θ2x
voda
směs
3
100°C < Θ2x < Θ1
pára
pára
-
-
pára
pára 13
Pojistný ventil • • • • • • • • • •
ČSN 134309-2 Průmyslové armatury. Pojistné ventily. Část 2: Technické požadavky. 1994. ČSN 134309-3 Průmyslové armatury. Pojistné ventily. Část 3: Výpočet výtoků. 1994. nejběžnější pojistné zařízení nainstalován přímo na zdroji tepla nebo v soustavě co nejblíže zdroji tepla nejlépe NEUZAVIRATELNĚ při použití více pojistných ventilů musí mít nejmenší z nich kapacitu minimálně 40 % celkového pojistného výkonu minimální rozměr ventilu je DN 15 při umístění nesmí být na přívodním potrubí tlaková ztráta vyšší než 3 % nastaveného přetlaku ventilu, na výfuku pak 10 % pojistné potrubí za pojistným ventilem nesmí mít menší průměr než pojistný ventil umístění pojistného ventilu je nutné řešit s ohledem na jeho přístupnost. odvod teplonosné látky je nejvhodnější provést viditelným odvodem do kanalizace 14
7
2014
Ochrana proti překročení nejvyššího dovoleného přetlaku
www.herz.cz
www.spiraxsarco.com
15
Výpočet pojistného zařízení • Pojistné zařízení musí zajistit odvod pojistného výkonu Φp (kW) ze zdroje tepla. • Pro zařízení skupiny A1, A3 a B platí, že Φp=Φn , kde Φn je jmenovitý výkon zdroje tepla (kW). • Pojistný průtok pro vodu (m3.h-1) je
=
• Pojistný průtok pro páru (kg.h-1) je = , kde r je výparné teplo při otevíracím přetlaku pojistného ventilu.
16
8
2014
Návrh velikosti pojistného ventilu •
Průřez sedla pojistného ventilu A0 (mm)se stanoví podle vztahu:
•
Pro vodu
•
Pro páru
•
Vnitřní průměr pojistných potrubí (mm) se stanoví ze vztahu:
•
Pokud nemůže dojít k vývinu páry
•
Pokud může dojít k vývinu páry
=
.
=
.
Jmenovitá světlost Nejmenší průtočný průřez A0 (mm2) Výtokový součinitel αv ()
.
PPV (kPa)
50
100
140
200
250
K (kW.mm-2)
0,5
0,67
0,79
0,97
1,12
r (kW.mm-2)
1/2" DN15 201 0,64
3/4" DN20 314 0,61
1“ DN25 452 0,60
5/4“ DN32 754 0,62
= 10 + 0,6. Φ
= 15 + 1,4. Φ 300
350
400
450
500
600
700
800
900
1,26
1,41
1,55
1,69
1,83
2,1
2,37
2,64
2,91
0,618 0,611 0,607 0,601 0,596 0,593 0,589 0,585 0,582 0,579 0,574 0,569 0,564 0,560
17
Příklad výpočtu pojistného ventilu • •
Otopná soustava má zdroj kotel o výkonu 40 kW. Průřez sedla pojistného ventilu A0 (mm)se stanoví podle vztahu:
•
Pro páru
• •
Vhodný průměr pojistného ventilu DN15. Minimální vnitřní průměr pojistných potrubí se stanoví, pokud může dojít k vývinu páry jako:
•
=
.
=
,
. ,
= 49,6 = 50
2
= 15 + 1,4. Φ = 15 + 1,4. 40 = 23,8 = 24 Jmenovitá světlost
1/2" DN15
3/4" DN20
1“ DN25
5/4“ DN32
Nejmenší průtočný průřez A0 (mm2) Výtokový součinitel αv ()
201
314
452
754
0,64
0,61
0,60
0,62
18
9
2014
Zabezpečení • Kotle na tuhá paliva teplovodních soustav s ruční obsluhou a oběhovými čerpadly musí být vybaveny zařízením, které uzavře přívod spalovacího vzduchu. V případě výpadku oběhového čerpadla musí být kotle na tuhá paliva s ruční obsluhou a ostatní určené zdroje vybaveny zařízením schopným chladit kotel po určenou dobu například odparem vody (např. u kotlů na tuhá paliva min. 30 min).
www.kamna.astranet.cz
19
Ochrana proti nedostatku vody • Zdroje tepla zejména umístěné nad otopnou soustavou musí být vybaveny pojistným zařízením proti nedostatku vody v otopné soustavě. Toto pojistné zařízení signalizuje nedostatek vody do místa obsluhy a odstaví zdroj tepla z provozu.
20
10
2014
Doplňovací automat • Automat pro topné, chladící a solární soustavy • Změkčovací filtry-úpravna vody
www.anticalc.cz
www.hydrodem.cz
www.reflexcz.cz 21
Expanzní zařízení • Expanzní zařízení je součástí zabezpečovacího zařízení vodních soustav vytápění umožňující vyrovnání změn roztažnosti vody v otopné soustavě bez její ztráty, udržení přetlaku v otopné soustavě v předepsaných mezích a případně automatické doplňování vody do otopné soustavy při jejích drobných netěsnostech. • Expanzní zařízení je do soustavy připojeno v neutrálním bodě pomocí expanzního potrubí. • Zdrojem přetlaku expanzního zařízení může být: – hydrostatický tlak (svislé potrubí s otevřenou expanzní nádobou) expanzní čerpadlo s expanzní armaturou – přetlak plynového nebo parního polštáře působící přímo na vodní hladinu soustavy nebo přes membránu.
• Nejběžnějším způsobem je zvláště v oblasti malých výkonů využití uzavřené expanzní nádoby s membránou. 22
11
2014
Příklad expanzní nádoby
www.reflexcz.cz 23
Zapojení EN do soustavy • Expanzní nádobu (tlakovou) je nutné napojit vždy poblíž sání čerpadla
www.tzb-info.cz/219-kam-umistit-expanzni-nadobu-a-cerpadlo-v-systemu-ustredniho-vytapeni
24
12
2014
Doporučené zapojení EN • Použit kulový kohout se zajištěním v otevřené poloze na odděleni expanzní nádoby od soustavy minimálně jednou za rok kontrola EN. • Membránu (vak) expanzní nádoby nevystavovat teplotám nad 70 °C.
25
Stanovení objemu vody ∗ Expanzní zařízení je součástí zabezpečovacího zařízení vodních soustav vytápění umožňující vyrovnání změn roztažnosti vody v otopné soustavě bez její ztráty, udržení přetlaku v otopné soustavě v předepsaných mezích a případně automatické doplňování vody do otopné soustavy při jejích drobných Vytápěcí soustava
Objem vody na kW výkonu soustavy (l/kW)
Nucený oběh, plynový kotel, konvektory Nucený oběh, plynový kotel, trubková tělesa Nucený oběh, plynový kotel, desková tělesa Nucený oběh, kotel na tuhá paliva, článková tělesa
4 6 10 12
Přirozený oběh, kotel na tuhá paliva, článková tělesa
16
Podlahové topení
20 26
13
2014
Výpočet membránových expanzních nádob • •
ČSN EN 12828 Tepelné soustavy v budovách - Navrhování teplovodních tepelných soustav. 2014. – jednotky bar ČSN 060830 Tepelné soustavy v budovách - Zabezpečovací zařízení. 2014. – jednotky Pa
MR-manometrická rovina, běžně hMR=1,5 m nad podlahou, PV pojistný ventil, P tlakoměr, OT otopné těleso, EN expanzní nádoba, NB neutrální bod otopné soustavy, Č čerpadlo, K kotel, hST hydrostatická výška (m). 27
Výpočet membránových expanzních nádob • Expanzní objem Ve se stanoví na základě zvětšení objemu vody v soustavě při jeho ohřátí z 10 °C na střední návrhovou teplotu vody v otopné soustavě θm (°C). • Expanzní objem Ve (l) dle ČSN EN 12828
= .
Koeficient objemu vody e (%) přímo vyjadřuje zvětšení vody při dané teplotě.
• Expanzní objem Ve (l) dle ČSN 060830 Koeficient Δν dané teplotě.
•
(l.kg-1)
=1−
= .∆
je součinitel zvětšení objemu vody, který závisí na hustotě vody při Nejvyšší návrhová expanzní teplota (°C)
Změna objemu vody e (%)
60 70 80 90
1,71 2,22 2,81 3,47
28
14
2014
Výpočet membránových expanzních nádob • Celkový objem expanzní nádoby Vexp,min (l) + 100 = + . , −
Tlaková expanzní nádoba má mít rezervu pro případ vyrovnání malých ztrát vody v soustavě. VWR (l) je rezerva vodního objemu. Pro expanzní nádoby menší než 15 l má být rezerva minimálně 20 % tohoto objemu, pro nádoby s objemem vyšším než 15 l minimálně 0,5 % z celkového vodního objemu tepelné soustavy, minimálně ale 3 l. (podle ČSN 060830 činí 30 % expanzního objemu, tedy = 0,3. ) Vypočtený objem expanzní nádoby Vexp,min je objem nejmenší. V případě použití příliš malé expanzní nádoby je ještě před dosažením nejvyšší provozní teploty vody dosažen přetlak pPV a dochází k otevření pojistného ventilu v soustavě. Nutné je tak časté dopouštění vody do soustavy.
(běžná řada 8, 12, 18, 25, 35, 50, 80, 140, 200, 300, 400, 500, 600, 800, 1000 litrů) maximální dovolený pracovní přetlak (běžná řada 300, 600, 1000, 1600, 2500 kPa). 29
Výpočet membránových expanzních nádob =
+
ℎ. . 1000
Ppv a Pe Tlakový rozdíl u pojistných ventilů přímočinných a pojistných ventilů s přídavným zařízením je 10 %, 15 kPa pak platí u otevíracích přetlaků nižších a rovných 150 kPa
nejvyšší dovolený tlak, při kterém membránová expanzní nádoba pojme objem vody (Ve+VWR)
=
≥
+
+
+∆
č
+∆
=ℎ . .
p0 je výchozí návrhový přetlak v soustavě (kPa). Minimální hodnota je 70 kPa, doporučeno ≥100 kPa. 30
15
2014
Výpočet membránových expanzních nádob
www.tzb-info.cz www.reflexcz.cz
31
Solární soustava • Zabezpečení soustavy • V solárním okruhu použít výhradně expanzní nádobu s maximálním provozním tlakem 10 barů a membranou odolavajici koncentracim nemrznoucich latek do 50 %. Schéma solární soustavy - firemní materiál 32
16
2014
Expanzní automat • pro udržování tlaku, automatické doplňování a odplyňování • udržuje tlak v soustavě pomocí přepouštěcího ventilu a čerpadla • při chladnutí v soustavě klesá tlak, čerpadlo zapne a přečerpá potřebné množství vody z nádoby do soustavy. Při zvýšení teploty se v soustavě tlak zvýší, otevře se přepouštěcí ventil a voda se přepouští do nádoby. Uskladněná voda v beztlaké nádobě je od vzduchu oddělena kvalitní butylovou membránou.
www.reflexcz.cz
www.audry.cz
33
Ohřívače teplé vody • Ohřívače vody musí být osazeny zařízením pro provozní i havarijní omezení teploty. Pro případ selhání těchto zařízení jsou samostatně uzavíratelné ohřívače teplé vody vybaveny pojistným ventilem. Průměr pojistného ventilu u průtokového ohřívače se provádějí běžným výpočtem, u zásobníkového ohřívače průměr pojistného ventilu závisí na objemu ohřívače vody dle tabulky.
DN pojistného ventilu 15 20 25 32 40
Objem ohřívače (l) Do 250 Do 1000 Do 4000 Do 8000 Do 10000
Sestava armatur před ohřívačem teplé vody. U uzávěr, Z zkušební kohout, K zpětný ventil nebo zpětná klapka, PV pojistný ventil, M tlakoměr. 34
17
2014
Expanzní nádoba na TV (TUV) • • • • •
vyrovnávají objemovou roztažnost soustav pitné a užitkové vody nebo se používají pro snížení rázů od čerpacích stanic nebo jiných zařízení většinou se používá vyměnitelná membrána. pro pitnou vodu musí mít membrána hygienický atest. části přicházející do styku s vodou jsou vyrobené z nekorozivních materiálů (nerez, mosaz, bronz) nebo jsou ošetřeny proti korozi nástřiky, povlaky. součástí expanzní nádoby by měla být i uzavírací armatura, která navíc zabezpečí výměnu vody v nádobě. (Nádoba je průtoková!)
www.tzbinfo.cz 35
Výpočtové programy • Portál TZBinfo • Online výpočtový nástroj (2003)
www.tzbinfo.cz
36
18
2014
Výpočtové programy • Systém firmy Protech
www.protech.cz
37
Výpočtové programy • Firemní programy např. firmy Reflex
www.reflexcz.cz
38
19
2014
Konec
39
20