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
Obsah materiálu
1) Dimenzování teplovodních otopných soustav
2) Návrh zabezpečovacího zařízení otopných soustav
2
1
2014
Dimenzování teplovodních otopných soustav
3
Základní fyzikální vztahy
• Množství tepla Q (W) Q M c t Hmotnostní průtok (kg/s)
Teplotní rozdíl (K)
Měrná tepelná kapacita (J/kg.K)
Jedná se o množství energie za určité časové období. Při stacionárním posouzení kdy M je v (kg) množství tepla je v (J). Platí 1kWh=3,6x106 J
• Odvozený hmotnostní průtok M (kg/h;kg/s)
Q M c t
Voda c=4186J/kg.K=1,163Wh/kg.K
M
Q Q 0,86 1,163 t t
(kg/h)
Neplatí pro nemrznoucí směsi. 4
2
2014
Hydrostatický tlak
• Hydrostatický tlak p (Pa)
Tíhové zrychlení (m/s2)
p H g Výška sloupce vody (m)
H Hustota vody (kg/m3)
ρ1
• Vztlak pp (Pa)
p p H g ( 2 1 ) ρ2
5
Dynamický tlak • Dynamický tlak pD (Pa) -představuje energii proudící tekutiny Rychlost proudění vody (m/s)
1 p D w2 2
Hustota vody (kg/m3)
pd hd g ℎ𝑑
𝑣 6
3
2014
Tlaková ztráta • Tlaková ztráta třením pzt (Pa) Součinitel tření λ =f(Re,k/d)
Rychlost proudění (m/s)
1 pzt l w2 R l d 2
Tlakový spád (Pa/m)
Hustota vody (kg/m3)
Průměr potrubí (m)
Dynamický tlak (Pa)
• Tlakový spád R(Pa/m)
8 M 2 R 2 d5
Délka potrubí (m)
Reynoldsovo číslo-vyjadřuje způsob proudění tekutiny v potrubí. Ten je ovlivněn rychlostí proudění w a viskozitou tekutiny ν (m2/s).
Re
w d
7
Viskozita • udává poměr mezi tečným napětím a změnou rychlosti v závislosti na vzdálenosti mezi sousedními vrstvami při proudění skutečné kapaliny • viskozita je veličina charakterizující vnitřní tření • kapaliny s větší přitažlivou silou mají větší viskozitu =
Látka (18°C)
Kinematická viskozita (m2/s) x 10-6
voda
1,06
benzín
0,765
glycerín
1314
motorový olej
94
rtuť
11,6
petrolej
2,06
1,79. 10−6 1 + 0,0337. 𝑇 + 0,000221. 𝑇 2 8
4
2014
Součinitel tření • Laminární proudění Re<2320
www.allstar.fiu.edu
64 Re
• Turbulentní proudění Re>4000 k d 1 2,51 2 log 3, 71 Re
Ekvivalentní drsnost stěny potrubí (m)
• Přechodová oblast 2320
2320
4000 2320 4000 2320
Re 2320 9
10
5
2014
Moodyho diagram
11
Tlaková ztráta
• Tlaková ztráta třením pzt (Pa) Součinitel tření λ =f(Re,k/d)
Rychlost proudění (m/s)
1 pzt l w2 R l d 2 Průměr potrubí (m)
• Tlakový spád R(Pa/m)
8 M 2 R 2 d5
Délka potrubí (m) Tlakový spád (Pa/m)
Hustota vody (kg/m3) Dynamický tlak (Pa) Reynoldsovo číslo-vyjadřuje způsob proudění tekutiny v potrubí. Ten je ovlivněn rychlostí proudění w a viskozitou tekutiny ν.
Re
w d
12
6
2014
Tlaková ztráta
• Tlaková ztráta úseku délky L 2
1
h2
h=h2-h1
p2 p1
h1
d
L pzt - závisí zejména na rychlosti proudění.
13
Tlaková ztráta • Tlaková ztráta místními odpory pzm (Pa) Rychlost proudění (m/s) n 1 pzm w2 Z 2 i 1
Místní ztráta (Pa)
Hustota vody (kg/m3) Součinitel místního odporu
• Místní ztráta Z (Pa)
Zjištěn experimentálně (např. Cihelka). Závisí na rozměrech daného prvku. Pro armatury nyní uváděna kv hodnota.
n
Z
8 M 2 i 1
2 d5 14
7
2014
Tlaková ztráta • Tlaková ztráta místními odpory pzm (Pa) n 1 pzm w2 Z 2 i 1
www.simscale.de
•
10 V kV pz
Jmenovitý průtok armaturou kv (m3/h)
m p 0,1 kv
2
(kg/h)
www.mentor.com
(m3/h) (kPa)
15
Tlaková ztráta
• Celková tlaková ztráta pcz (Pa)
pcz pzt pm R l Z Tlaková ztráta třením (Pa)
Tlaková ztráta místními odpory (Pa)
16
8
2014
Dvoutrubková OS s přirozeným oběhem • Pohyb vody v otopné soustavě (OS) zajišťuje přirozený vztlak vody způsobenými rozdílnými hustotami topného média.
p p H g ( 2 1 ) p p po
Tlaková ztráta okruhu (Pa) ρ1 H
ρ2
Účinný tlak (Pa) Běžně zanedbáváme ochlazení vody v potrubí. Jediným ochlazovacím místem je otopné těleso. Výpočet začínáme nejnepříznivějším okruhem. Stanovíme předběžný tlakový spád soustavy.
17
Dvoutrubková OS s přirozeným oběhem • Pohyb vody v otopné soustavě (OS) zajišťuje přirozený vztlak vody způsobenými rozdílnými hustotami topného média. Teplota t Hustota ρ [°C]
www.tzbinfo.cz
[kg/m³]
0
999,941
4
999,973
10
999,701
15
999,099
20
998,205
30
995,651
40
992,220
50
988,040
60
983,200
70
977,760
80
971,790
90
965,300
100
958,350 18
9
2014
Dvoutrubková OS s nuceným oběhem • Pohyb vody v otopné soustavě (OS) zajišťuje oběhové čerpadlo a přirozený vztlak vody. Tlak čerpadla (Pa)
p p pč pcz
Účinný tlak (Pa)
H
Tlaková ztráta soustavy (Pa)
Pokud pp<
Vysoké objekty -T(°C) a m(kg/h) nestálé uvažujeme 50-70% účinného tlaku.
0,5 0, 7 p p pč pcz 19
Výpočet OS • Předběžný tlakový spád Rp Dispoziční tlak (Pa)
Rp Délka okruhu, systému (m)
p 1 a l
Druh soustavy
Podíl místních odporů na celkové ztrátě (Pa/m)
a
(R l Z )
a
Venkovní rozvody
0,1 - 0,2
OS v rozsáhlých budovách
0,2 - 0,3
Běžné OS v obytných budovách
0,3 - 0,4
OS po rekonstrukcích starých budov
0,4 - 0,55
Teplonosná látka OS s přirozeným oběhem OS s nuceným oběhem
Z
w (m/s)
Průměrná w (m/s)
0,05 - 0,3
0,2
0,2 - 1
0,6 20
10
2014
Metody výpočtu OS
• Metoda optimálních rychlostí – Volba ekonomické rychlosti průměry základního úsekutlaková ztráta—návrh čerpadla – Výpočet dalších úseků dle čerpadla (w=0,3-0,9 m/s)
• Metoda ekvivalentních délek Zejména pro dálkové horkovodní sítě (poměr d/λ při vyšších teplotách konstantní) Ekvivalentní délka (m)
pcz R (l lekv )
lekv .
d
21
Metody výpočtu OS • Metoda ekonomického tlakového spádu – Omezíme maximální rychlost – Výpočet provedeme dle zvoleného R (Pa/m) Potrubní síť
w (m/s)
REK (Pa/m)
obytné budovy - přípojky k tělesům, stoupací potrubí
0,3 - 0,7
60 - 110
obytné budovy - horizontální rozvody v technických prostorech
0,8 - 1,5
110 - 200
obytné budovy - venkovní rozvody CZT
2,0 - 3,0
200 - 400
průmyslové objekty - přípojky k tělesům, stoupací potrubí
0,8 - 2,0
110 - 250
průmyslové objekty venkovní rozvody CZT
2,0 - 3,0
200 - 400 22
11
2014
Rámec výpočtu otopné soustavy Vyhláška č. 193/2007 Sb. kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při rozvodu tepelné energie a vnitřním rozvodu tepelné energie a chladu Teplota teplé vody ≤ 90 °C (případně 115 °C) Teplota zpátečky ≤ 70 °C Vstupní teplota vody do tělesa: Nucený oběh ≤ 75 °C Přirozený oběh ≤ 90 °C
Podlahové vytápění: max. délka okruhu 180 m, max. tlaková ztráta 2 kPa
23
Rámec výpočtu otopné soustavy
Přirozený oběh
metoda daného tlaku účinný tlak + přídavný vztlak etážová soustava ?
• Nucený oběh – metoda ekonomického tlakového spádu • 60 až 200 Pa.m-1
– metoda optimálních rychlostí • 0,05 až 1,0 m.s-1 (!!! Hluk)
– metoda daného tlaku • čerpadlo + přídavný vztlak, 10-70 kPa
24
12
2014
Etážová OS s přirozeným oběhem • Otopná tělesa leží přibližně v rovině kotle. • Účinný tlak vyvozen ochlazováním vody v potrubí. Neizolované potrubí
p p H g ( 2 1 ) ρ1
ρ2
H 0 na OT
ρ3
Návrh dle předběžných rozměrů. Kontrola tlaků nejdelšího a nejkratšího okruhu. 25
Etážová OS s přirozeným oběhem 1. Ochlazení na otop. tělesech 1
2. Určení ochlazovacích míst
2
ρ1
ρ2
3. Hmotnostní průtok v úsecích (tab.)
ρ3
4. Předběžné dimenze (tab.) 5500W
4
č.ú.
1 2 3 4
4000W
20°C
18°C
3
5. Výpočet teplot v úsecích 6. Výpočet účinných tlaků 7. Kontrola tlakových ztrát
m
L
d
w
R
R.L
kg/h
m
mm
m /s
Pa/m
Pa
418.0 191 191 418
5 10 8 5
50 32 32 50
0.06 0.06 0.07 0.06
1 1.8 1.8 1
5 18 14 5
Σξ
1.5 6 3 2
Z
Σ(R.L+Z)
Pa
Pa
3 11 7 4
8 29 22 9 67 26
13
2014
2300W
1800W
1
Výpočet dvoutrubkové OS
2 3
OS 85/65°C Výpočet okruhu tělesa 1.
3´
2
2´
2300W
1400W
4
3
1´
č.ú.
1 1/ 2 2/ 3 3/
1 m
L
d
w
R
R.L
kg/h
m
mm
m /s
Pa/m
Pa
335.0 335.0 176 176 99 99
1.4 0.7 3 3 5.5 5.5
20 20 15 15 10 10
0.26 0.26 0.26 0.26 0.24 0.24
55 55 75 76 95 95
77 39 225 228 523 523
Σξ
1 1 3 1 3 5.5
Z
Σ(R.L+Z)
Pa
Pa
34 34 101 34 86 158
111 72 326 262 609 681 2061 27
Výpočet jednotrubkové otopné soustavy
• Výpočet – Teplotní – určuje teploty v jednotlivých otopných tělesech při výpočtových podmínkách – Hydraulický – určuje nastavení armatur, dimenze potrubí a parametry čerpadla
28
14
2014
Výpočet jednotrubkové otopné soustavy Vstupní údaje • Rozdělení na okruhy, způsob oběhu, zapojení (směšovací, jezdecké) • Tepelný výkon okruhu Qo [W] • Teplotní spád okruhu
to [K]
(10-15 K)
• Součinitel zatékání do tělesa [-]
(0,3-0,5)
29
Výpočet jednotrubkové otopné soustavy • Výpočet okruhu
Hmotnostní průtok okruhem (kg/s)
Součinitel zatékání
Hmotnostní průtok tělesem (kg/s)
MT M o t1
ti Δt
tm t2
Teplotní rozdíl na tělese (°C)
tT
QT c MT
Mo
Qo c to
t Výkon tělesa - přepočet ze standardních podmínek (kW) QT QN t N t Qi Q Střední teplota libovolného tmT t1 o 0,5 T tělesa (°C) Qo c MT
m
30
15
2014
Výpočet jednotrubkové otopné soustavy
1. Hmotnostní průtok okruhem Mo
Qo c t o
Mo
2. Návrh profilu potrubí (podle R nebo v)
lekv
3. Ztráty místními odpory vyjádříme pomocí ekvivalentní délky lekv
d
4. Výpočtová délka okruhu L
L l lekv
5. Tlaková ztráta okruhu pc,
po L R n pu
n - počet těles, pu, -tlaková ztráta uzlu tělesa
31
Výpočet jednotrubkové otopné soustavy t1T T t1 (1 T ) t2
OS 85/65°C, Q0=5000W 1200W/ 20°C
1800W/ 20°C
79
71.2
85
73
85
80.2
2000W/ 18°C 63
62.2
80.2
73
53
73
65
QT
ti
αT
MT
ΔtT
t1T
tmT
W
°C
---
kg/h
°C
°C
°C
1
1200
20
0.4
86
12
85
79
2
1800
20
0.4
86
18
80.2
71.2
3
2000
18
0.4
86
20
73
63 32
16
2014
Návrh čerpadla • Hmotnostní průtok + dopravní tlak • Návrh čerpadla dle výkonu g V H p V P
Jmenovitý výkon čerpadla (W)
Dopravní tlak (Pa)
Dopravní množství (m3/s) Účinnost čerpadla (W)
Skutečný výkon čerpadla zvolit o 10-20% větší než vypočtený.
1m v.s.=10kPa Pozor na tlakové ztráty termostatických ventilů a jejich hlučnost (do 20kPa).
33
Návrh čerpadla
• Návrh čerpadla
34
17
2014
Nastavení regulačních armatur pro ustálený stav • Výpočet tlakové ztráty pro navržené dimenze potrubí – třením – místními odpory • Tlakové ztráty okruhu porovnáme s dispozičním tlakem (přirozený oběh x nucený oběh) Přebytek tlaku regulujeme nastavením regulačních armatur
Nedostatek tlaku buď zvýšením tlaku nebo snížením tlakových ztrát
35
Nastavení regulačních armatur pro ustálený stav • Regulační ventily u těles – ve většině případů
• Regulační ventily v okruhu – při rozsáhlých soustavách, kde je nutné vyvážit více objektů nebo částí
• Clonky v potrubí – nedoporučuje se (zarůstání, koroze)
36
18
2014
Nastavení regulačních armatur pro ustálený stav • kv, kvs hodnota
10 V kV pz
•
průtok V v m3.h-1 regulační armaturou při jednotkovém rozdílu tlaku pz=100kPa
• slouží k volbě přednastavení regulační armatury – z daného průtoku V a požadované tlakové ztráty p určím potřebnou kv hodnotu armatury
37
Nastavení regulačních armatur pro ustálený stav
Příklad: Hledáme nastavení ventilu u tělesa s výkonem 1580W a přetlakem 0,1 bar = 10 kPa
Q 3600 1580 3600 0,070 m3 h 1 c t 4196 20 970 V 0,070 kv 0,22 m3 h 1 p 0,10
V
38
19
2014
Hydraulická stabilita • Proč ? • Ve výpočtu uvažujeme ustálený stav x proměnná realita způsobená především: – proměnlivými hodnotami přídavného vztlaku vlivem měnící se teploty otopné vody – proměnlivými tlakovými poměry v OS vlivem funkce termostatických ventilů
• Řešení: – pasivní vyregulování přesným výpočtem – aplikace automatických regulačních prvků
39
Hydraulická stabilita
• Pasivní regulace výpočtem – pravidla pro navrhování jednotlivých částí OS – např. u soustav s přirozeným oběhem: • nejvíce tlaku spotřebovat na tělesech • tlaková ztráta ve stoupačce = účinnému tlaku vzniklému ve stoupačce • tlaková ztráta v ležatých rozvodech = účinnému tlaku vzniklému v ležatých rozvodech – náročné početně, problém realizace
40
20
2014
Hydraulická stabilita
• Aplikace automatických regulačních prvků – přepouštěcí ventily • otvírá se podle odchylky diferenčního tlaku, umisťuje se do obtoku čerpadla nebo mezi přívodní a vratné potrubí OS
– regulátory diferenčního tlaku • škrtící (!) ventil v potrubí řízený diferenčním tlakem
– čerpadla s řízenými otáčkami • konstantní tlak čerpadla při proměnném průtoku
41
Výpočetní programy
• Komerční - zpravidla kvalitní profesionální řešení, stabilní verze programu, podpora v případě chyby programu, odborná školení, otevřená databáze výrobků. • Firemní – databáze výrobků omezeny, velké rozdíly v kvalitě a podpoře uživatelů, obtížné řešení chyb. Kvalita závislá na verzi. • Ostatní – zcela individuálně hodnotitelné. Studentské programy, pomůcky projektantů. Pouze textový výstup X Textový i grafický výstup Kvalita programu předběžně posouditelná dle úrovně manuálu a uvedení příkladů řešení, verze programu, informacích o školení. 42
21
2014
Výpočetní programy • Protech [ www.protech.cz] výpočtová linka se souborem programů pro výpočty v oblasti TZB. Tepelný výkon, dimenzování soustavy, větrání kotelny. Komerční program. • IMI international [www.imi-international.net] Soubor programů IMItop. Databáze výrobků firmy. Zdarma. (Dále program pro náhrady armatur a přepočty kv hodnot) • Uponor [www.uponor.cz] Programy pro výpočet vytápění včetně podlahového. Zdarma s firemní databází, komerčně plná verze. • TechCon [www.techcon.cz] Projekční a výpočtový CAD systém s firemními databázemi. 43
Výpočetní programy • Rychlost editace • Výpis materiálu • Detailní vlastnosti výrobků • Grafické rozhraní
44
22
2014
Výpočetní programy • Ukázka výpočetního výstupu
45
Výpočet jednotrubkové otopné soustavy • Ukázka grafického výstupu
46
23
2014
Návrh zabezpečovacího zařízení otopných soustav
47
Pojistné zařízení • Tepelné soustavy musí být zabezpečeny proti: – Nejvyššímu přetlaku – Nejvyšší teplotě – 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
48
24
2014
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.
49
Tlak tekutiny Manometr (tlakoměr) -měřidlo tlaku tekutiny - deformační – membrány, vlnovce -porovnávací (u plynu)
www.tlakoměry-teplomery.cz
Barometr - rtuťový - aneroid
en.wikipedia.org 50
25
2014
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.
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.
cs.wikipedia.org/wiki/Blaise_Pascal
1 mbar = 0,001 bar = 100 Pa = 1 hPa
51
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
52
26
2014
Hydrostatický tlak • Hydrostatický tlak je tlak, který vzniká v kapalině její tíhou. • Tlak v kapalině 𝑝 = ℎ. 𝜌. 𝑔 • Působí-li na hladině kapaliny ještě nenulový aerostatický (atmosférický, barometrický) tlak b, je nutno ho přičíst: 𝑝 = ℎ. 𝜌. 𝑔+b (Pa)
www.tlakoměry-teplomery.cz
www.zs-fyzika.webnode.cz 53
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
54
27
2014
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.
55
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 -
56
28
2014
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.
57
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 58
29
2014
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 59
Pojistný ventil • V případě výkonu zdroje vyššího než 300kW je nutné, pokud nemá zdroj instalován dodatečný omezovač teploty a přetlaku, na výfukové potrubí instalovat odlučovač vody a páry. Výfukové potrubí páry je vhodné odvádět do ovzduší. • Při překročení mezního přetlaku v soustavě nebo při přerušení dodávky pomocné, nejčastěji elektrické energie, musí omezovač přetlaku uzavřít dodávku paliva nebo tepla. Tlakový omezovač musí být nastaven tak, aby byl uveden v činnost dříve než pojistný ventil. Omezovače přetlaku nejsou nutné, pokud zdrojem tepla soustavy je výměník tepla. www.spirax.cz 60
30
2014
Ochrana proti překročení nejvyššího dovoleného přetlaku
www.herz.cz
61
www.spiraxsarco.com
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 𝑉𝑝 =
Φ𝑝 1000 Φ𝑝
• Pojistný průtok pro páru (kg.h-1) je 𝑀𝑝 = , kde r je 𝑟 výparné teplo při otevíracím přetlaku pojistného ventilu.
62
31
2014
Návrh velikosti pojistného ventilu •
Průřez sedla pojistného ventilu A0 (mm)se stanoví podle vztahu:
•
Pro vodu
𝐴0 = 𝐴0 =
2.Φ𝑝 𝛼𝑣 . 𝑝𝑃𝑉
Jmenovitá světlost
Φ𝑝
1/2" DN15 201 0,64
3/4" DN20 314 0,61
•
Pro páru
•
Vnitřní průměr pojistných potrubí (mm) se stanoví ze vztahu:
•
Pokud nemůže dojít k vývinu páry
•
Pokud může dojít k vývinu páry 𝑑𝑝 = 15 + 1,4. Φ𝑝
Nejmenší průtočný průřez A0 (mm2) Výtokový součinitel αv ()
𝛼𝑣 .𝐾
1“ DN25 452 0,60
𝑑𝑣 = 10 + 0,6. Φ𝑝
PPV (kPa)
50
100
140
200
250
300
350
400
450
500
600
700
800
900
K (kW.mm-2)
0,5
0,67
0,79
0,97
1,12
1,26
1,41
1,55
1,69
1,83
2,1
2,37
2,64
2,91
r (kW.mm-2)
5/4“ DN32 754 0,62
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
63
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:
•
𝑑𝑝 = 15 + 1,4. Φ𝑝 = 15 + 1,4. 40 = 23,8 = 24 𝑚𝑚
𝐴0 =
Φ𝑝 𝛼𝑣 .𝐾
=
40 0,64.1,26
= 49,6 = 50 𝑚𝑚2
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
64
32
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
65
Zabezpečení
• V případě že dojde k využití funkce zabezpečení proti nejvyšší dovolené teplotě nebo nejvyššímu dovolenému přetlaku, je možné obnovení provozu až po zásahu obsluhy.
www.viadrus.cz
66
33
2014
Ochrana proti překročení nejvyšší dovolené teploty •
•
•
Navržena tak, aby při překročení teploty byla automaticky odstavena dodávka energie do zdroje tepla. Pro zdroje skupiny A platí tento požadavek i při přerušení dodávky elektrické energie. Nastavení teploty musí být viditelné a chráněné proti snadnému přestavení. V případě výměníků tepelných soustav a u redukčních nebo směšovacích stanic musí být instalováno automatické omezovací zařízení, které uzavře přívod tepla v případě překročení nejvyšší pracovní teploty. Zařízení uzavře přívod tepla také při výpadku dodávky elektrické energie.
www.elny.cz
www.thermis.cz
67
Ochrana proti překročení nejvyšší dovolené teploty •
•
V případě kotlů na kapalná a plynná paliva a elektrokotlů musí automatické omezovací zařízení vypnout přívod paliva a elektrické energie při dosažení nejvyšší pracovní teploty. Pokud zdroj tepla není vybaven bezpečnostním omezovačem teploty, instaluje se tento omezovač do výstupního potrubí co nejblíže zdroji tepla. Zvýšení teploty má tak být maximálně 10 °C.
www.metra-su.cz
www.metra-su.cz
68
34
2014
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.
69
Automatické doplňování vody do soustavy • automatické zařízení na doplňování vody do soustavy • při poklesu tlaku v topné soustavě kontrolovaně doplní, zpravidla ze soustavy pitné vody • místo instalace musí být zabezpečené proti zaplavení a mrazu a dobře větratelné • max. tlak 10 bar www.reflexcz.cz
70
35
2014
Doplňovací automat • Automat pro topné, chladící a solární soustavy • Změkčovací filtry-úpravna vody
www.anticalc.cz
www.hydrodem.cz
www.reflexcz.cz 71
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. 72
36
2014
Příklad expanzní nádoby
www.reflexcz.cz 73
Příklad expanzní nádoby
www.tzb-info.cz www.thermona.cz 74
37
2014
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
75
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.
76
38
2014
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 77
Výpočet membránových expanzních nádob • •
ČSN EN 12828 Tepelné soustavy v budovách - Navrhování teplovodních tepelných soustav. 2005. – jednotky bar ČSN 060830 Tepelné soustavy v budovách - Zabezpečovací zařízení. 2010. – 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). 78
39
2014
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 𝑉𝑒 = 𝑒.
𝑉𝑆𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚
100 Koeficient objemu vody e (%) přímo vyjadřuje zvětšení vody při dané teplotě.
𝑉𝑒 = 𝑉. ∆𝜐 Koeficient Δν (l.kg-1) je součinitel zvětšení objemu vody, který závisí na hustotě vody při dané teplotě. • Expanzní objem Ve (l) dle ČSN 060830
Nejvyšší návrhová expanzní teplota (°C)
Změna objemu vody e (%)
60 70 80 90
1,71 2,22 2,81 3,47
79
Výpočet membránových expanzních nádob • Celkový objem expanzní nádoby Vexp,min (l) 𝑝𝑒 + 100 𝑉𝑒𝑥𝑝,𝑚𝑖𝑛 = 𝑉𝑒 + 𝑉𝑊𝑅 . 𝑝𝑒 − 𝑝0 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 𝑉𝑊𝑅 = 0,3. 𝑉𝑒 ) 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). 80
40
2014
Výpočet membránových expanzních nádob 𝑝𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑟 = 𝑝𝑘 +
ℎ𝑖 . 𝜌. 𝑔 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)
𝑝0 ≥ 𝑝𝑆𝑇 + 𝑝𝐷 𝑝0 = 𝑝𝑆𝑇 + 𝑝𝐷 + ∆𝑝č + ∆𝑝𝑅 𝑝𝑆𝑇 = ℎ𝑆𝑇 . 𝜌. 𝑔 p0 je výchozí návrhový přetlak v soustavě (kPa). Minimální hodnota je 70 kPa, doporučeno ≥100 kPa. 81
Výpočet membránových expanzních nádob
www.tzb-info.cz www.reflexcz.cz
82
41
2014
Příklad výpočtu velikosti expanzní nádoby Otopná soustava s objemem 1000 litrů vody, výška soustavy mezi neutrálním bodem a nejvyšším bodem soustavy je 12 m, nejvyšší teplota v soustavě je uvažována 90 °C. • Pojistný ventil má nastaven otevírací přetlak 300 kPa. • Expanzní přetlak v soustavě proto volíme 280 kPa • Změna objemu vody e je dle tabulky 3,47 %. • Statický tlak v soustavě 𝑝𝑆𝑇 = ℎ𝑆𝑇 . 𝜌. 𝑔 = 12.1000.9,81 = 118 𝑘𝑃𝑎 • Minimální provozní přetlak p0 proto volíme 150 kPa • Expanzní objem vody 𝑉𝑒 = 𝑒.
𝑉𝑆𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 100
= 3,47.
1000 100
= 34,7 𝑙
• Objem vodní rezervy 𝑉𝑊𝑅 = 𝑟. 𝑉𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 = 0,005.1000 = 5𝑙
83
Příklad výpočtu velikosti expanzní nádoby •
Celkový objem expanzní nádoby 𝑉𝑒𝑥𝑝,𝑚𝑖𝑛 = 𝑉𝑒 + 𝑉𝑊𝑅 . 280+100 . 280−150
𝑝𝑒 +100 𝑝𝑒 −𝑝0
=
•
34,7 + 5 = 116 (objem nejblíže vyšší expanzní nádoby je dle výrobní řady výrobce 140 l) Plnící přetlak soustavy
•
𝑝𝑎,𝑚𝑖𝑛 ≥
•
𝑝𝑎,𝑚𝑎𝑥 ≤
• •
Počáteční přetlak soustavy tak volíme 170 kPa. Min. vnitřní průměr expanzního potrubí (nemůže dojít k vývinu páry) 𝑑𝑣 = 10 + 0,6. Φ𝑝 = 10 + 0,6. 40 = 13,8 𝑚𝑚 , nejblíže vyšší DN potrubí je DN15
𝑉𝑒𝑥𝑝,𝑚𝑖𝑛 . 𝑝0 +100 𝑉𝑒𝑥𝑝,𝑚𝑖𝑛 −𝑉𝑊𝑅
− 100 =
𝑝𝑒 +100 𝑉𝑒 . 𝑝𝑒 +100 𝑉𝑒𝑥𝑝,𝑚𝑖𝑛 . 𝑝0 +100
1+
140. 150+100 140−5
− 100 =
− 100 = 159 𝑘𝑃𝑎
280+100 34,7. 280+100 140. 150+100
1+
− 100 = 176 𝑘𝑃𝑎
84
42
2014
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 85
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
86
43
2014
Expanzní automat • Řízená desorpční metoda - princip lahve sodovky, při jejímž otevření dochází k úniku plynů. Použitím expanzního automatu není nezbytné provádět odvzdušnění nejvýše položených částí otopné soustavy • Ekologický přínos představuje fyzikální úprava vody, bez použití chemikálií (pouze úprava pH). Oběhová voda se zcela zbavuje kyslíku a dalších plynů, které kromě zavzdušnění způsobují koroze materiálů, eroze čerpadel a poškození kotlů či výměníků.
87
Expanzní automat
www.audry.cz
88
44
2014
Příklady umístění expanzních nádob
www.buderus.cz 89
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. 90
45
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 91
Vzduchový ventilek s kloboučkem
Nádoba s povrchovou úpravou polyuretanem
Butylová membrána (Polypropylenová vložka)
Připojení na potrubí
92
46
2014
Výpočtové programy • Portál TZBinfo • Online výpočtový nástroj (2003)
www.tzbinfo.cz
93
Výpočtové programy • Systém firmy Protech
www.protech.cz 94
47
2014
Výpočtové programy • Firemní programy např. firmy Reflex
www.reflexcz.cz
95
Konec
96
48
