ZABEZPEČOVACÍ ZAŘÍZENÍ PRO USTŘEDNÍ VYTÁPĚNÍ A OHŘEV TUV TERMÍNY A DEFINICE 1.Manometrická rovina (MR) – vodorovná rovina, ke které jsou vztaženy údaje o přetlacích v otopné soustavě. Volí se 1,5 m nad podlahou hlavního místa obsluhy. Do manometrické roviny se umisťují všechny manometry. Je-li průtok v soustavě nulový, musí všechny manometry ukazovat stejnou hodnotu. Pro vodní soustavu jsou důležité tyto hodnoty tlaků: 2. konstrukční přetlak pk (kPa) – je dán minimálním konstrukčním přetlakem jednotlivých prvků soustavy, vztaženým k manometrické rovině
kPa
pk
pri = ppi + hi . ρ . g .10-3 phdov = pot
ppi (kPa) – konstrukční přetlak prvku
ph
hi (m) – převýšení prvku nad MR
ps
ρ (kg/m3) – hustota vody při počáteční teplotě (+10 o)
pd
g = 9,81 (m/s) – zemské zrychlení pddov
3. nejvyšší dovolený přetlak soustavy Phdov (kPa) – přetlak, na který je nastaveno pojistné zařízení. U pojistného ventilu se rovná otevíracímu přetlaku Pot. 0
4. nejvyšší provozní přetlak Ph (kPa) – nejvyšší hodnota provozního přetlaku 5. provozní přetlak Ps (kPa) – udržuje se při provozu soustavy (střední hodnota z tlaků Ph a Pd) 6. nejnižší provozní přetlak Pd (kPa) – nejnižší hodnota provozního přetlaku 7. nejnižší dovolený provozní přetlak Pddov (kPa) – přetlak, při kterém je soustava plně zavodněna a ve všech místech soustavy je kladný přetlak vody
Pddov ≥ 1,1 . (h . ρ . g .10-3 + Δpz) h (m) – převýšení nejvyššího bodu soustavy nad neutrálním bodem (NB) Δpz (kPa) – tlaková ztráta části soustavy mezi neutrálním a nejvyšším bodem ve směru prodění Pokud není v této části soustavy umístěno oběhové čerpadlo, Δpz = 0 kPa.
h
HB
K 1
2 NB
NR
Je-li neutrální bod NB na straně sání oběhového čerpadla (bod 2), statický přetlak v jednotlivých bodech soustavy se zvyšuje o výtlačnou výšku čerpadla. Je – li NB na straně výtlaku oběhového čerpadla (bod 1), statický přetlak se snižuje. Tlakový účinek čerpadla je rozdíl mezi tlakovým přínosem čerpadla a tlakovou ztrátou soustavy mezi
čerpadlem a daným bodem ve směru proudění. HB je nejvyšší bod soustavy. U výměníků typu A1 a A2 nemá docházet na teplonosné ploše k odparu ohřívané vody. Musí platit Pddov > p2X. Hodnota p2X je přetlak ohřívané vody na mezi odparu při teplotě t2X. Teplota je dána vztahy t2X ≥ 0,8 T1 – 0,2 t2
- je-li topným médiem pára
t2X ≥ 0,5 (T1 + t2)
- je-li topným médiem voda
T1 (oC) – teplota přívodního média t2 (oC) – výstupní teplota ohřívané vody Mezi přetlaky platí vztahy pk ≥ phdov = pot ≥ ph pd ≥ pddov 8. nejvyšší konstrukční teplota tk (oC) – nejnižší teplota konstrukčních provků převzatá z hygienických předpisů 9. dovolená teplota tdov (oC) – nejnižší teplota teplovosné látky, na kterou je nastaveno zabezpečovací zařízení 10. nejvyšší dovolená teplota th (oC) – maximální provozní teplota teplonosné látky 11. pojistný úsek (PÚ) – část otopné soustavy ve kterém je zdroj tepla. Je ohraničen uzavíracími armaturami na vstupu a výstupu teplonosného média ze zdroje. PM1
AB – pojistný úsek, PM – pojistné místo
PM2 PÚ = AB
B
12. pojistné místo (PM) – je část úseku, ke kterému patří horní část zdroje tepla a výstupní potrubí od zdroje. Max. délka potrubí je 20-ti násobek světlosti potrubí od hrdla.
NB
13. pojistné potrubí (PP) – je potrubí, které připojuje pojistné zařízení s pojistným místem.
DN C ZT
A
PM2 = 20 . DN C
14. expanzní bod (EB) – místo, kde se na soustavu napojuje expanzní zařízení 15. expanzní potrubí (EP) - je potrubí, které připojuje expanzní zařízení s expanzním bodem 16. neutrální rovina (NR) – je místo v otopné soustavě, ke kterému se vztahuje udržování přetlaku na požadovaných hodnotách za všech provozních stavů. Je dána výškou (m) od manometrické roviny (u domovních zdrojů) nebo nadmořskou výškou (u primárních soustav). 17. neutrální body (NB) – jsou místa, ve kterých protíná zařízení soustavy neutrální rovinu. Neutrální bod v kotelně nebo výměníkové stanici se považuje za hlavní. Nejčastěji to bývá expanzní bod.
Všeobecné technické požadavky Výpočet zabezpečovacího zařízení je součástí projektové dokumentace, která zůstává uložena u projektanta a je předložena ke kontrole na požádání. Parametry otopné soustavy jsou dány prvkem s nejmenšími hodnotami s přihlédnutím k výšce umístění prvku v soustavě. Pokud je zdroj tepla umístěn v nejvyšší místě otopné soustavy, je nezbytné instalovat pojištění proti nedostatku vody. Toto platí i pro ostatní zdroje, které pracují bezobslužně.
NÍZKOTLAKÉ PARNÍ OTOPNÉ SOUSTAVY DO NEJVYŠŠÍHO PROVOZNÍHO PŘETLAKU 70 KPA Nejvyší pracovní přetlak těchto soustav nesmí překročit projektovanou hodnotu o více jak 10 kPa, nikdy však hodnotu 70 kPa. To zajistí správně navržené pojistné zažízení. Nízkotlaký parní kotel musí být vybaven pojistným zařízením, a dále: - přímým vodoznakem s vyznačenou nejnižší a nejvyšší hladinou vody v kotli - tlakoměrem s vyznačením nejvyššího provozního přetlaku s trojcestnou armaturou a kondenzační smyčkou - plnící a vypouštěcí armaturou - zařízením, které při poklesu vody pod nejnižší dovolenou mez nebo při překročení nejvyššího provozního tlaku uvede do provozu světelnou popř. akustickou signalizaci (pevná paliva) nebo uzavře přívod paliva do kotle (ostatní paliva). Toto zařízení se doporučuje kombinovat s automatickým doplňováním vody. - hrdlem pro připojení vyrovnávacího potrubí těsně pod úrovní nejnižší dovolené hladiny vody, s výjimkou kotlů vybavených samostatným regulátorem hladiny a napájených potrubím nebo čerpadlem. Pojistné potrubí se může skládat z jedné nebo dvou nádob. Velikost nádoby musí být větší než vodní obsah pojistné trubky. Požadovaný přetlak je jištěn vodním sloupcem v pojistné trubce, která je připojena k parnímu prostoru kotle bez uzavíracích armatur. Potřebnou výšku vodního sloupce určíme ze vztahu:
phdov (kPa) – nejvyšší pracovní přetlak ρ (kg/m3) – měrná hmotnost vody při teplotě rovné teplotě syté páry při nejvyšším pracovním přetlaku
Pojistné přetlakové zařízení musí být umístěno v kotelně a musí být přístupné pro obsluhu.
H/2
Obsah horní nádrže musí být alespoň dvojnásobkem obsahu pojistné trubky. Nádoby mohou být hranaté nebo válcové. Výfuková trubka je Pojistné přetlakové zařízení a jednou nádobou v horní nádobě vyústěna tak, že její ukončení je nad nejvyšší hladinou vytlačené vody. Druhý konec D výfukové trubky je sveden do výšky max. 100 mm nad podlahu kotelny.
20 mm
D
H/2
H
D
d
Vratná trubka slouží k vracení vytlačené vody do dolní části pojistného potrubí nebo spodné nádoby. K vratnému potrubí je připojeno plnící potrubí s nálevkou a uzacírací armaturou ve výšce o 20 mm nižší než je spodní hrana pojistného potrubí v místě připojení na kotel. Spád pojistného potrubí je směrem ke kotli. Vnitřní průměr pojistného a výfukového potrubí je shodný a volí se podle výkonu kotle (viz. tab). Průměr vratného potrubí je menší.
Na nejnižším místě pojistného přetlakového zařízení je instalována zaslepovací zátka pro vypouštění a čištění zařízení. Celková délka připojovacího potrubí mezi kotlem a přetlakovým zařízením nesmí být větší než 10 m.
Dimenzování potrubí nízkotlakého parního pojistného přetlakového zařízení Jmenovitý tepelný výkon nízkotlakého parního kotle (kW)
Jmenovité průměry d vratné a Jmenovité průměry D parního přetlakového, signální trubky výfukového a připojovacího potrubí (mm) (mm)
115
50
20
290
65
20
580
80
25
1 000
100
25
1 860
125
32
2 900
150
40
Doporučené tvary a velikosti nádob přetlakového parního zařízení s jednou nádobou TYP I.
TYP II.
TYP II.
400 45
400 45
d
40
D
500
300
D
e
d 1/2 1/2 500
500
1/2
250
1/2 1/2
500 250
1/2 1/2
250
d
e
1/2
e
300
300
D
D
500
D
500
D
e
e
e
200 45
Doporučené rozměry nádob přetlakového parního zařízení Nejmenší dov olen ý přet lak phdov (kP a)
Rozměr e v mm a typ nádoby pro jmenovitý výkon kotle v kW
Svislá délk aH
115
290
580
1 000
1 800
2 900
e
typ
e
typ
e
typ
e
typ
e
typ
e
typ
(mm)
5
800
70
I
80
I
95
II
105
II
120
II
135
III
7,5
1 150
70
I
80
I
95
II
105
II
120
II
135
III
10
1 500
70
I
80
I
95
II
105
II
120
II
135
III
20
2 500
70
I
80
I
95
II
105
II
120
II
135
III
30
3 500
70
I
80
I
95
II
105
II
120
II
135
III
40
4 500
70
I
80
I
95
II
105
III
120
II
135
X
45
5 000
70
I
80
II
95
II
105
III
120
II
135
X
50
5 600
70
I
80
II
95
II
105
III
120
X
135
X
60
6 700
70
I
80
II
95
III
105
III
120
X
135
X
X – atypické provedení nádrží
ZABEZPEČOVACÍ ZAŘÍZENÍ TEPLOVODNÍCH OTOPNÝCH SOUSTAV Každá otopná soustava musí mít expanzní zařízení a každý zdroj tepla musí být opatřen neuzavíratelně připojeným pojistným zařízením. Expanzní a pojistné zařízení musí být chráněno proti zamrznutí. Expanzní a pojistné potrubí je vyspádováno tak, aby se samočinně odvzdušňovalo, nebo je osazen automatický odvzdušňovací ventil. Pojistná zařízení Pojistné zařízení musí být připojeno na zdroj v pojistném místě. Zde je osazen i teploměr a tlakoměr. V pojistném místě nesmí být uzavírací armatura ani zúžení potrubí. Na pojistném potrubí jednoho zdroje smí být jen arnatury jako zpětný ventil, zpětná klapka nebo střídací armatura stejné světlosti jako pojistné potrubí. Zpětní armatury se opatří obchozem se šoupátkem nebo kohoutem o menší světlosti. Jedno pojistné zažízení může sloužit pro několik zdrojů. Ochrana proti překročení nejvyššího dovoleného tlaku Ochrana může být provedena buď hydrostaticky (sloupec vody v pojistném potrubí u otevřené expanzní nádoby) nebo pojistným ventilem. Oba způsoby lze kombinovat (při nebezpečí zamrznutí otevřené expanzní nádoby). Zdroje se pro určení příslušného zařízení dělí do skupin podle typu látky, která by ze zdroje odcházela přes pojistné zařízení. Skupina A – výměníky, ohřívače TUV, redukční a směšovací zařízení, Skupina B – kotle. Zdroj tepla
A
Varianta
Teplotní interval (oC)
Vstup do pojistného zařízení
Výstup z pojistného zařízení
1
T1 < 100
voda
voda
2
100 < T1 < t2X
voda
směs
3
100 < t2X < T1
pára
pára
pára
pára
B T1 – vstupní teplota primárního média
t2X – teplota sekundárního média na mezi odparu při nejvyšším dovoleném přetlaku phdov. Pokud není pojistný ventil umístěn v úrovni manometrické roviny, musí být otevírací přetlak upraven o tlakový rozdíl daný rozdílem výšek mezi umístěním ventilu a rovinou.
Výpočet pojistného zařízení Výpočet je založen na předpokladu, že pojistné zařízení spolehlivě odvede ze zdroje tepla pojistný výkon.
(
Pojistný výkon Qp (kW) pro výměníky tepla
)
(
)
Pro ostatní zdroje Qn (kW) – jmenovitý výkon zdroje tepla T1 (oC) - vstupní teplota primárního média T2 (oC) - výstupní teplota primárního média t1 (oC) - vstupní teplota sekundárního média t2 (oC) - výstupní teplota sekundárního média
Pojistný průtok mp (kg/h)
mp = Qp
- pro vodu
- pro páru r (Wh/kg) – výparné teplo při nejvyšším dovoleném přetlaku pojistného ventilu Průřez sedla pojistného ventilu Sp (mm2) - pro vstupující vodu
(
- pro vstupující páru
(
) )
αv (-) – výtokový součinitel pojistného ventilu (podle výrobní dokumentace navrhovaného pojistného ventilu) K (kW/mm2) – konstanta závislá na stavu syté vodní páry při přetlaku pot Parametry syté páry viz. tabulka dále.
√
Ideální průměr sedla pojistného ventilu Průměr sedla skutečného pojistného ventilu
d0 = a . d i
Výtokový součinitel αv
0,08
0,1
0,14
0,2
0,28
0,4
0,56
0,8
Součinitel zvětšení sedla a
3,54
3,16
2,67
2,24
1,89
1,58
1,34
1,12
Vnitřní průměr pojistných potrubí dv, dp (mm) - potrubí odvádí vodu
dv = 10 + 0,6 . Qp0,5
- potrubí odvádí páru nebo směs
dp = 15 + 1,4 . Qp0,5
Tlaková ztráta pojistného potrubí před pojistným ventilem nesmí být větší než 0,03 p ot a celková ztráta pojistného potrubí nesmí být větší než 0,10 pot. Expanzní zařízení Podle zdroje přetlaku se dělí na: - otevřené expanzní nádoby (svislé potrubí s nádobou) - tlakové expanzní nádoby menbránové (přetlak plynového polštáře na vodní hladinu přes membránu) - tlakové expanzní nádoby (přetlak plynového nebo parního polštáře přímo na vodní hladinu – nedoporučují se)
Ve = 1,3 . Vo . Δv
Expanzní objem Ve (m3)
Vo (m3) – objem vody v otopné soustavě Δv (-) – součinitel zvětšení objemu vody Δt (K)
45
60
80
85
90
100
Δv
0,0141
0,0224
0,0355
0,0392
0,0431
0,0511
Předběžný objem expanzní uzavřené nádoby s membránou Vcp (m3) ( (
) )
phd (kPa) – předběžný nejvyšší provozní přetlak soustavy pd (kPa) – nejnižší provozní přetlak Skutečný objem expanzní nádoby Vc se určí jako nejblíže vyšší vypočtené hodnotě a následně se vypočítá skutečný nejvyšší provozní přetlak ph (kPa) (
) (
)
U tlakových expanzních nádob s membránou a s děrovaným opěrným dnem, kde je určen vodní objem Vv, musí platit Vc ≤ Vv.
0.1 v 0.15 v
Doporučené provedení otevřené expanzní nádoby
v
0.6 v
MAX
Propojením pojistného potrubí s nádobou pod její minimální hladinou můžeme obsah nádoby chránit proti zamrznutí. Průtok se seřídí instalovanou armaturou. Pro velikost se použije vztah Ve
PP
0.1 v
0.2 v
MIN
EP
Průměr expanzního potrubí dp (mm)
dp = 15 + 1,4 . Qp0,5
Přepadové potrubí z otevřené expanzní nádoby je svedeno do místa, kde může být kontrolováno (nejlépe do kotelny nebo strojovny ÚT). Průměr je roven průměru pojistného potrubí, pokud zařízení slouží i jako pojistné, nebo expanznímu potrubí, pokud je zařízení navrženo jen jako expanzní. Expanzní zařízení může být napojeno v každém místě otopné soustavy. Vodorovná vzdálenost mezi svislými osami otevřené expanzní nádoby a zdrojem tepla má být co nejkratší, vodorovná délka pojistného potrubí má být maximálně 10 x převýšení nad zdrojem.
Ochrana proti nedostatku vody Vodní kotle o výkonu nad 50 kW a kotle, které jsou umístěny nad otopnou soustavou, musí být osazeny zařízením proti nedostatku vody. Automatické zařízení signalizuje pokles vodní hladiny do místa obsluhy a uzavírá přívod paliva do kotle. Obnovení provozu je možné pouze ručně.
Parametry syté vodní páry p (kPa)
t2X (oC)
K (kW/mm2)
r (Wh/kg)
ρ (kg/m3)
50
111,3
0,5
618
0,85
100
120,2
0,67
611
1,13
120
123,3
0,73
609
1,23
140
126,1
0,79
607
1,34
160
128,8
0,85
605
1,44
180
131,4
0,91
603
1,55
200
133,5
0,97
601
1,65
250
138,9
1,12
596
1,91
300
143,6
1,26
593
2,16
350
147,9
1,41
589
2,42
400
151,8
1,55
585
2,67
450
156,5
1,69
582
2,92
500
158,8
1,83
579
3,17
550
162,1
1,97
576
3,42
600
165,5
2,10
574
3,67
700
171,4
2,37
569
4,16
800
175,4
2,64
564
4,65
900
179,9
2,91
560
5,14
Příklad 1 Teplovodní otopná soustava 70/50 oC, objem vody 2,3 m3, výška nad MR 24 m. Zdroj tepla je plynová kotelna o jmenovitém výkonu 2 x 200 kW. Mezi NB a HB je osazeno oběhové čerpadlo. MR je ve výšce 1,5 m nad podlahou kotelny. Předmětem návrhu je pojistné a expanzní zařízení. konstrukční přetlak
Prvek objehové čerpadlo kotel 400 kPa otopné tělesa
výška k MR
600 kPa -1,5 m 400 kPa
Konstrukční přetlaky jednotlivých prvků:
2,0 m -2,0 m pri = ppi + hi . ρ . g .10-3
pri = 600 + 2,0 . 1000 . 9,81 . 10-3 = 620 kPa pri = 400 – 1,5 . 1000 . 9,81 . 10-3 = 385 kPa pri = 400 - 2,0 . 1000 . 9,81 . 10-3 = 380 kPa Minimální hodnota určí maximální dovolený přetlak Phdov = 380 kPa. Otevírací přetlak je dán maximálním dovoleným přetlakem tedy Pot = Phdov = 380 kPa. Vzhledem k tomu, že pojistné ventily pracují s přesností ± 10%, výrobci doporučují snížit vypočítaný otevírací přetlak o 10%. Z toho určíme otevírací přetlak jako Pot = 380 . 0,9 = 342 kPa. Nejvyšší provozní přetlak zvolíme 300 kPa. Nejnižší dovolený přetlak
Pddov ≥ 1,1 . (h . ρ . g .10-3 + Δpz)
Pddov = 1,1 . (24 . 1000 . 9,81 . 10-3 + 0) = 259 kPa Nejnižší provozní přetlak
Pd ≥ Pddov → Pd = 260 kPa
Pojistný výkon kotle
Qp = Qn = 200 kW
Konstanta páry při otevíracím přetlaku K = 1,26 (z tabulky) Průřez sedla pojistného ventilu s hodnotou αv = 0,4 (
)
(
)
√
Ploše odpovídá ideální průměr sedla Skutečný průměr sedla pojistného ventilu
√
do = a .di = 1,58 .22,48 = 35,52 mm
Navrhne se pojistný ventil DN 40 pro každý kotel. Vnitřní průměr pojistného potrubí dp = 15 + 1,4 . Qp0,5 = 15 + 1,4 . 2000,5 = 34,8 mm Je navrženo potrubí DN 40 Ve = 1,3 . Vo . Δv = 1,3 . 2,3 . 0,0224 = 0,067 m3
Expanzní objem
(
Předběžný objem expanzní nádoby
(
) )
( (
) )
Volíme nádobu o obsahu 750 l určíme skutečný nejvyšší provozní přetlak (
) (
(
)
)
(
)
Příklad 2 Teplovodní otopná soustava 55/45 oC, objem vody 0,3 m3, výška nad MR 6 m. Zdrojem tepla je plynový kotel o jmenovitém výkonu 25 kW. Jeho konstrukční přetlak je 180 kPa. Je to nejnižší hodnota a určuje i přetlak celé soustavy. Mezi NB a HB je osazeno oběhové čerpadlo. Předmětem návrhu je velikost expanzní nádoby membránové. Nejvyšší dovolený přetlak Phdov = 180 kPa. Otevírací přetlak je dán maximálním dovoleným přetlakem tedy Pot = Phdov = 180 kPa. Vzhledem k tomu, že pojistné ventily pracují s přesností ± 10%, výrobci doporučují snížit vypočítaný otevírací přetlak o 10%. Z toho určíme otevírací přetlak jako Pot = 180 . 0,9 = 162 kPa. Nejvyšší provozní přetlak zvolíme 160 kPa. Nejnižší dovolený přetlak
Pddov ≥ 1,1 . (h . ρ . g .10-3 + Δpz)
Pddov = 1,1 . (6 . 1000 . 9,81 . 10-3 + 0) = 64,7 kPa Nejnižší provozní přetlak
Pd ≥ Pddov → Pd = 65 kPa
Pojistný výkon kotle
Qp = Qn = 25 kW
Konstanta páry při otevíracím přetlaku K = 0,91 (z tabulky) Průřez sedla pojistného ventilu s hodnotou αv = 0,565 (
)
(
Ploše odpovídá průměr sedla
)
√
Skutečný průměr sedla pojistného ventilu Navrženo DN 15.
√ do = a .di = 1,34 .7,9 = 10,58 mm
Vnitřní průměr pojistného potrubí dp = 15 + 1,4 . Qp0,5 = 15 + 1,4 . 250,5 = 22 mm Je navrženo potrubí DN 25 Ve = 1,3 . Vo . Δv = 1,3 . 0,3. 0,0141 = 0,0055 m3
Expanzní objem
Předběžný objem expanzní nádoby ( (
)
(
)
(
) )
Volíme nádobu o obsahu 18 litrů, určíme skutečný nejvyšší provozní přetlak (
) (
)
(
) (
)
< 160 kPa
