BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR ÉPÜLETGÉPÉSZETI ÉS GÉPÉSZETI ELJÁRÁSTECHNIKA TANSZÉK
SCHERMANN ZSOLT TDK DOLGOZAT Egy- és kétutú szelepek összehasonlítása, alkalmazása épületgépészeti rendszerekben
Konzulens: Szabó János tudományos segédmunkatárs
Budapest, 2015
Tartalomjegyzék
1.
Bevezetés, célkitűzések ....................................................................................................... 2
2.
Hidraulikai alapfogalmak.................................................................................................... 2
3.
A vizsgálandó hidraulikai kapcsolások bemutatása ............................................................ 5
4.
Hőcserélő méretezés ........................................................................................................... 6
5.
Egy- és kétutú szelepek méretezése .................................................................................... 8
6.
Egy- és kétutú szelepek szabályozása ............................................................................... 11 6.1.
A szabályozási feladat megadása............................................................................... 11
6.2.
Szabályozó szelep üzemi jelleggörbéje ..................................................................... 13
6.3.
Hőcserélő jelleggörbe ................................................................................................ 16
6.4.
Teljes rendszer átfolyási görbéjének meghatározása................................................. 18
6.5.
A szelepnyitási tartamdiagram vizsgálata ................................................................. 21
7.
A fojtásos és keverő kapcsolások energetikai összehasonlítása ....................................... 23
8.
Összefoglalás, későbbi célkitűzések ................................................................................. 25
9.
Mellékletek ....................................................................................................................... 27
10.
Irodalomjegyzék ............................................................................................................ 32
1
1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK
Az épületgépészeti gyakorlat fontos területe az egy-, és kétutú szabályozószelepek vizsgálata, ugyanis ezek helyes méretezésétől és szabályozásától függ az adott hidraulikai rendszer megfelelő működése. Helytelen méretezés esetén a szabályozószelep nem tudja ellátni feladatát, azaz nem tudja biztosítani a megfelelő térfogatáramot az egyes fogyasztók számára. A rendszer kialakítása közben ügyelnünk kell arra, hogy a szelepen megfelelően nagy nyomás essen, ezáltal jelentős befolyása legyen a szabályozott szakaszra. Fontos ezen kívül, hogy az alkalmazási területnek megfelelő kapcsolási sémát alakítsunk ki, ugyanis ezzel biztosítható csak a rendszer működése. Célom, kettő, az épületgépészetben gyakran használt egy-, illetve kétutú szeleppel szabályozott kapcsolási mód bemutatása és összehasonlítása méretezési, szabályozási és energetikai szempontból. Mint azt a későbbiekben látni fogjuk, mindez csak a rendszerünk átfogó ismeretével, az egyes elemek pontos méretezésével lehetséges. A szelepet nem érdemes tehát csupán önmagában vizsgálni, mert a rendszerbe épített szabályozó működése erősen függ a többi rendszerelem tulajdonságaitól. Az alábbiakban bemutatom. hogy a méretezésből kiindulva hogyan lehet megkapni a teljes rendszert jellemző szabályozási jelleggörbét, illetve, hogy a kiválasztott kétféle kapcsolás energetikai szempontból hogyan viszonyul egymáshoz. Mindehhez azonban először tisztázni kell néhány hidraulikában gyakran használt alapfogalmat.
2. HIDRAULIKAI ALAPFOGALMAK
Szelepkapacitás [kv]: Az a térfogatáram, mely adott szelepállás és folyadéksűrűség mellett 1 bar nyomáskülönbség hatására átáramlik a szelepen. A gyártók ezt 5 és 35°C közötti hőmérsékletű víz közegre szokták megadni.
= Az egyenletben ∆
∙
∆ ∆
∙
az 1 bar referencianyomás,
(1)
pedig a referenciasűrűség, mely a víz
sűrűsége, azaz 1000 kg/m3. Az épületgépészeti gyakorlatban általában
=
és mivel a
nyomásokat bar mértékegységben kell beírni az egyenletbe, az összefüggés egyszerűsíthető az alábbi alakra: 2
=
ℎ
ℎ
∙
1[ ∆ [
] ]
(2)
A szelepkapacitással kapcsolatban bevezethető egy további fontos érték, mely egy teljesen nyitott szelepállás mellett adja meg az azon átáramló térfogatáramot. Ezt kvs-sel szokás jelölni. [1]
Alap átfolyási jelleggörbe: Meg tudjuk tehát adni, hogy adott szelepállásoknál, azaz adott szelepemelkedésnél (H) milyen kv értékek jellemzik a szelepet, így egy függvényt tudunk alkotni. A könnyebb ábrázolás érdekében ezt a kv=f(H) függvényt relatív koordinátákban szokták megadni. Ezt nevezzük a szelep alap átfolyási jelleggörbéjének. A 100-as index a továbbiakban a teljes nyitáshoz tartozó szelepemelkedést fogja jelenteni. [2] = Autoritás: A szabályozó kiválasztásánál alapvető szempont, hogy szelepünk a beépítés után minél inkább alap átfolyási jelleggörbéjének megfelelően működjön. Ez a valóságban sosem teljesül maradéktalanul, ugyanis a rendszerben lévő egyéb elemeken eső nyomás befolyásolja, torzítja a szabályozó szelepünk működését. Ennek a torzításnak az arányát jellemezzük a szelepautoritással (a), melynek kiszámítása a következő összefüggéssel történik: =
∆
!
∆ "[
[ ]+∆ ! "
]
$ $
[
]
(3)
Eszerint tehát akkor fogjuk tudni jól szabályozni a rendszerünket a kiválasztott szeleppel, ha a értékét magasan tudjuk tartani. A gyakorlatban még megfelelő alsó határ 0,25-0,3. Alapvetően az autoritást névleges térfogatáram mellett, teljesen nyitott szelepre adjuk meg, azonban értelmezhető olyan esetekre is, ahol a szabályozó más nyitási állapotban van.
3
1. ábra Autoritás értékek [3]
Egy másik megfogalmazás szerint az autoritás a teljesen nyitott szelepen, névleges térfogatáram mellett történő nyomásesés és a zárt állapotú szelepen eső nyomás hányadosa, azaz: =
∆
% !&
' '()%*%
∆
% !&
! ",'é !.%é./*0$%á.$2
' á.%
! "
(4)
Ebben a felírásban a számláló egy rögzített, állandó érték, a rendszerben történő változások hatására csak a nevező változik. [1] [3]
Üzemi átfolyási jelleggörbe: Az autoritás bevezetésével lehetőségünk van értelmezni egy olyan átfolyási görbét, amely megmutatja, hogy a szabályozó szelepünk miként fog viselkedni a rendszerbe építés után. Ez a függvény már figyelembe veszi a rendszer többi elemének befolyásoló hatását is. Egy lehetséges felírás szerint az üzemi átfolyási jelleggörbe a következőképpen adható meg, ahol 3 a hőcserélő leadott teljesítményét jelenti
3 [ 4]
32$5 [ 4]
=
4
3. A VIZSGÁLANDÓ HIDRAULIKAI KAPCSOLÁSOK BEMUTATÁSA
Az épületgépészet területein széles körben használnak egy- és kétutú szabályozó szelepeket az elosztóhálózatokban. A különböző szabályozási feladatokhoz különböző kapcsolásokat alkalmazhatunk, a legáltalánosabbak a fojtószelepes, a megkerülő, a bekeverő (kettős bekeverő) és a befecskendező (kettős befecskendező) kialakítások. Természetesen a gyakorlatban ezek kombinálása is elképzelhető. A továbbiakban a fojtószelepes és a megkerülő kapcsolásokkal foglalkozunk. Előbbinél a térfogatáram szabályozását egyutú motoros szabályozószelep végzi. Ez a hidraulikai kapcsolás abban az esetben alkalmazható, ha az elosztóhálózat osztó-gyűjtő ágai nyomáskülönbséggel rendelkeznek. Jellemzője, hogy mind a primer, mind a szekunder oldalon változik a térfogatáram. Ezt a kapcsolást a szakirodalom kutatásom alapján leginkább távhőrendszereknél, kondenzációs kazánoknál illetve zónaszabályozásnál alkalmazzák. [1] [4] A megkerülő (elosztó) kapcsolást szintén abban az esetben alkalmazható, amikor az osztógyűjtő vezetékek nyomáskülönbséggel üzemel. Jellemzője, hogy a térfogatáram a primer oldalon állandó, a szekunder oldalon pedig változó. Fűtési és hűtési rendszereknél is alkalmazzák, légfűtők és hűtőregiszterek szabályozására. Fontos, hogy a bypass-ágba statikus beszabályozó szelepet építsünk, és megfelelően beszabályozzuk, mert csak így érhető el, hogy a háromjáratú szelep A és B csonkján azonos legyen a nyomásesés. Ez a feltétel biztosítja a szelep megfelelő működését, ennek hiányában a két ág átfolyási jelleggörbéi nem lesznek azonosak. [1] [4]
5 2. ábra Fojtásos és elosztó mintakapcsolás HERZ szabályozószelepekkel, illetve statikus beszabályozó szeleppel
A szabályozott szakasz egy ismert nyomásesésű fogyasztót tartalmaz, mely esetünkben egy egyszerű lemezes hőcserélőnek feleltethető meg. A méretezés során arra vagyunk kíváncsiak, hogy a rendszerünk adott jellemzői (nyomásesése, szállított névleges térfogatárama) alapján mekkora dimenziójú (kvs értékű) szabályozószelepre van szükségünk ahhoz, hogy a háttérrendszerünket a megfelelő „minőségben” szabályozhassuk. Ennek számszerűsítésére a korábban bevezetett autoritás fogalmát használjuk fel. Mint azt a későbbiekben látni fogjuk, a méretezés elsődleges szempontja, hogy a fogyasztónál (hőcserélőnél) fellépő nyomásesésnél nagyobbat kell létrehoznunk a szabályozószelep segítségével.
4. HŐCSERÉLŐ MÉRETEZÉS
A szelepméretezés megkezdése előtt először meg kell határoznunk az egyik legfontosabb rendszerjellemzőt, a névleges térfogatáramot. Példánkban a lemezes hőcserélő egy HMV rendszert lát el, ahol célunk, hogy a szabályozás segítségével állandó, 45°C-os használati melegvizet állítsunk elő. A HMV oldali belépő ivóvíz állandó, 12°C hőmérsékletűnek tekinthető. Rendelkezésünkre áll egy 53 lakásos lakóépület egy nap alatt mért HMV fogyasztásának perces bontású rendezett adatsora, amely alapján látható, hogy a napi fogyasztási maximum 26 l/perc (1560 kg/h) volt [5]. Ha azonban erre, a maximális fogyasztásra méretezzük a hőcserélőt, akkor az túlméretezett lesz, ugyanis a maximális, és az ahhoz közeli fogyasztás csupán a nap 1-1,5%-ában van. Ezért egy elfogadható, 98%-os megbízhatóságú fogyasztási szintre méretezünk, ami esetünkben 16 liter/perc lesz. Ez azt jelenti, hogy a nap 98%-ában a rendszerünk képes lesz előállítani a megfelelő hőmérsékletű és mennyiségű melegvizet és csupán néhány perc lesz az az időtartam, amikor ez nem teljesül.
6
30 fogyasztás
fogyasztás (l/perc)
rendezett fogyasztás
25
20
15
10
5
0 0:00
2:00
4:00
6:00
8:00
10:00
12:00
14:00
16:00
18:00
20:00
22:00
0:00
idő 3. ábra 53 lakásos társasház HMV fogyasztás alakulása, rendezett fogyasztási görbe [5]
Ennek eredményeképpen azonban, mint azt a későbbiekben látni fogjuk, rendszerünk a kisebb fogyasztási időszakokban jobban szabályozható lesz. A szelepméretezéshez egyelőre csupán azt kell ismernünk, hogy a méretezési szekunder oldali térfogatáram (16 liter/perc) esetén, mekkora lesz a primer oldali, azaz a szelepen átfolyó térfogatáram. Ehhez először ismernünk kell a méretezési teljesítményigényt. 367
,2
=
8
í
; : <= > ∗
,2 :
∗ [°F] − A6)H 0 [°F]I 4,2 ∗ 0,96 ∗ P45 − 12R ℎ > @ABCD = = 37 4 3,6 3,6
, ahol 367
,2
– a hőcserélő méretezési teljesítménye
A6)H
0
– a felmelegítendő ivóvíz hőmérséklete
ABCD –az előállítandó HMV hőmérséklete
7
(5)
A hőcserélő primer (2-es jelű) oldalán a belépő közeg állandó, AT,U = 55°C hőmérsékletűnek
tekinthető.
A Danfoss HEXACT hőcserélő méretező program segítségével, így már meghatározhatók a szükséges ellenáramú lemezes hőcserélő paraméterei [M1]. Választásom az XB06L-1-26 típusú hőcserélőre esett, melynek primer (2-es jelű) térfogatárama méretezési esetben 21,54 l/perc.
T,2
=
5. EGY- ÉS KÉTUTÚ SZELEPEK MÉRETEZÉSE
A fojtó- és elosztó kapcsolások esetén a méretezés menete megegyezik, ezért elég egyszer elvégeznünk a számításokat. A későbbi könnyebb összehasonlíthatóság érdekében gyakorlatilag ugyanazt a kétutú szelepet választjuk a két kapcsolás kialakításához. Fojtásos esetben úgy tekintjük a háromjáratú szelepet, mintha a B jelű gyűjtőága le lenne dugózva, azaz csupán az A - AB ágat működtetjük. Ezt a megoldást egyébként néhány gyártó a valóságban is alkalmazza.
Kiindulási adatok: T,2
367 ∆
= 21,54
,2
!
" .7
= 37 4
67 ,2
= 1,29
2
6
= 0,095
Közeghőmérsékletek [°C] t1,be
12
t1,ki
45
t2,be
55
t2,ki
30
1. táblázat Hőcserélő méretezési hőmérsékletei
8
Mivel mintarendszerünkben csupán egy szivattyú, egy szabályozószelep és egy fogyasztó nyomásesésével számolunk, fennáll a következő egyenlőség. ∆
) $%%(ú
=∆
! "
+∆
67
(6)
Első lépésként a szelep szükséges nyomásesését kell meghatároznunk. Fontos figyelnünk arra, hogy olyan szabályozószelepet válasszunk, amely névleges állapotban képes kielégíteni azt a feltételt, hogy a szelepen eső nyomás legalább akkora legyen, mint a fogyasztó nyomásesése. ∆
! "
≥∆
67
(7)
Ahhoz, hogy ezt a követelményt megvizsgálhassuk, további számításokat kell végeznünk. Meg kell határoznunk azt az elméleti kv értéket, amellyel a szabályozószelepünk az adott rendszerjellemzők mellett rendelkezik. Ehhez szükség van a szelepen átáramló térfogatáramra (
T,2 )
valamint a szelepen eső nyomásra. Ez utóbbi határhelyzetben megegyezik a hőcserélőn
eső nyomással, ennél alacsonyabb a fenti egyenlőtlenség kielégítése mellett nem lehetséges. [1]
, !2
ℎ
=
X∆
T,2 :
Az így meghatározott
!
ℎ
>
",2 [
, !2
]
=
X∆
T,2 67
:
ℎ ,2 [
>
]
=
1,29
X0,095
= 4,19
ℎ
(8)
érték alapján kell szabályozószelepet választanunk, a gyártók
ennek érdekében a dimenzió mellett megadják ezt az éréket is. A kiszámított
, !2
értéknek
pontosan megfelelő szelepet azonban az esetek többségében nem találunk ezért meg kell fontolnunk, hogy a
, !2
értékünknél nagyobb, vagy kisebb kvs értékű szelepet válasszunk. A
gyártók a szelepek kvs értékeit Renard-sornak megfelelően adják meg amely azért előnyös, mert a két szóba jöhető szelep közül azt választhatjuk amelynek kvs értéke közelebb esik a kiszámolt
, !2
értéket.
Amennyiben ez a nagyobb kvs értékű szelepet jelenti, ellenőriznünk kell, hogy valóban a megfelelő tartományba esik-e az autoritás értéke.
9
=
∆
! "[
∆
) $%%(ú
]
≥ 0,25
(9)
Esetünkben tehát a HERZ 4037 termékkódú szabályozószelepei [M2.] közül azt kell választanunk, mely a kiszámolt elméleti kvs értéknek leginkább megfelel. Választásom ezért a DN15-ös méretű, 4 kvs értékű szabályozószelepre esett. A kiválasztás után meg kell határoznunk, hogy az új kvs értékű szelepen mekkora nyomásesés fog létrejönni, valamint, hogy megfelel-e az autoritás szempontjából (mivel azonban eredetinél kisebb kvs értékű szelepet választottunk szelepünk biztosan meg fog felelni a kívánalmaknak). ∆
A
szivattyúnak
! ",ú&
=Y ∆
ezért
T,2
,ú&
T
) $%%(ú
nyomáskülönbséget kell létrehoznia. =
∆ ∆
1,29 4
Z =
! ",ú&
) $%%(ú
=∆ =
T
= 0,1
! ",ú&
+∆
(10)
67
= 0,1 + 0,095 = 0,195
0,1 = 0,51 0,195
(11)
Az autoritás tehát valóban megfelelő értékű. Utolsó lépésként – alapesetben - figyelembe kell vennünk azt is, hogy a rendszerben maximálisan csak a szivattyú által biztosított nyomáskülönbséget használhatjuk fel. Ez azt jelenti, hogy a fogyasztón, a csőszakaszokon és a különböző szelepeken, csapokon létrejövő nyomásesések összege nem lehet nagyobb, mint a rendelkezésre álló nyomáskülönbség. ∆
)
'
≥ [∆ )\
)
(12)
A szivattyú emelőmagasságát azonban most a mintarendszerben mi határozzuk meg. Ha ennek a követelménynek is megfelelt a rendszerünk, a méretezést megfelelően elvégeztük. [1]
10
6. EGY- ÉS KÉTUTÚ SZELEPEK SZABÁLYOZÁSA
6.1.
A szabályozási feladat megadása
Szabályozás tekintetében arra vagyunk kíváncsiak, hogy adott hálózati körülmények között milyen paraméterek mellett tud a szabályozó alkalmazkodni a rendszerben történő változásokra. A következőkben mindezt a már megismert fojtószelepes és megkerülő kapcsolás segítségével fogom bemutatni. A kétféle rendszer szabályozástechnikailag gyakorlatilag megegyezik, mint azt majd látni fogjuk. Ennek feltétele, hogy a megkerülő kapcsolásban lévő statikus beszabályozó szelep megfelelően méretezett és beállított legyen. A szabályozási feladat továbbra is a már ismertetett HMV hőcserélő szabályozása lesz, mely 12°C-os hálózati ivóvízből állít elő 45°C-os használati melegvizet. A fogyasztás napi adatai alapján tartamdiagramot készíthetünk (4. ábra), amelyen látható, hogy a maximális 26 l/perc fogyasztás csupán 2 percig áll fenn, valamint, hogy csupán 32 perc az az időtartam, amikor a HMV igény 16 l/percnél magasabb. Másképp fogalmazva a nap 98%-ában a fogyasztás 16
Fogyasztás [l/perc]
l/perc alatt marad.
25
20
15
10
5
0 0:00
4:00
8:00
12:00
16:00
20:00
Időtartam
4. ábra 53 lakásos társasház rendezett egy napi HMV fogyasztása 11
A hőcserélő méretezésénél tehát nem követtünk el hibát azzal, hogy akkora méretű hőcserélőt választottunk, ami a 16 l/perc fogyasztáshoz tartozó névleges teljesítménnyel, azaz 37 kW-tal üzemel. Szintén fontos következtetéseket lehet levonni ha olyan tartamdiagramot készítünk, ahol a szükséges hőteljesítményt ábrázoljuk (4. ábra). Látható, hogy rendszerünk csak rövid ideig igényel 37 kW feletti teljesítményt. A csúcskihasználási óraszám meghatározásával képet kaphatunk arról, hogy folyamatos maximális teljesítményigény mellett mennyi idő alatt fogyasztaná el a rendszerünk ugyanazt az energiamennyiséget, mint valós esetben. Szabályozás szempontjából az lenne a legkedvezőbb eset, ha rendszerünk folyamatosan, állandó teljesítménnyel üzemelne, ekkor a csúcskihasználási óraszám 24 óra lenne. Látható, hogy a valóságban ez az idő 4 óránál is kevesebb.
Hőcserélő teljesítmény [kW]
60 50 40
Fogyasztás Csúcskihasználási óraszám
30 20 10 0 0:00
2:00
4:00
6:00
8:00
10:00
12:00
14:00
16:00
18:00
20:00
22:00
Időtartam
5. ábra 53 lakásos társasház rendezett hőfogyasztási diagramja és csúcskihasználási óraszáma
12
6.2.
Szabályozó szelep üzemi jelleggörbéje
Ahhoz, hogy szabályozás szempontjából vizsgálni tudjuk a rendszerünket, melybe egy HERZ 4037 szabályozószelep van beépítve, el kell készítenünk az üzemi átfolyási jelleggörbét. Ehhez első lépésként a gyártó által megadott alap jelleggörbét tudjuk felhasználni.
6. ábra HERZ 4037 alap átfolyási jelleggörbe [8]
5. ábra HERZ 4037 szabályozószelep [9]
A diagram függőleges tengelyén a kv/kvs arány szerepel, százalékos formában, a vízszintes tengely pedig a szelepnyitás százalékos arányát mutatja (H/H100). A gyártó leírása szerint a szelep alapvetően lineáris jelleggörbével rendelkezik, ezt azonban egy szelepmozgató segítségével egyenszázalékossá lehet alakítani. Vizsgáljuk a lineáris jelleggörbét! Ismert a teljes nyitáshoz tartozó kvs érték, ebből a jelleggörbe segítségével meghatározható a teljes zárás melletti kv érték. Látható, hogy teljes zárás mellett is van egy minimális térfogatáram, ami áthaladhat a szelepen. A két meglévő érték alapján könnyen meghatározható a két pontot összekötő egyenes egyenlete, azaz az alap átfolyási görbe. Erre azért van szükségünk, mert az üzemi jelleggörbe meghatározásához ismernünk kell az egyes szelepemelkedés állapotokhoz tartozó kv értékeket. Az autoritás, a kvs és kv értékek segítségével már elkészíthető az üzemi jelleggörbe az alábbi összefüggés alapján. [2]
13
T,
T
=
1+
1
∙ ]
T
^ −1
(13)
, ahol T– T,
2`
adott szelepállás mellett átfolyó térfogatáram _ 6 a – teljesen nyitott szelepen átfolyó térfogatáram_
2` 6
a
Az autoritás értéke az 5. fejezetben leírtaknak alapján 0,51 értékű. A kiszámított értékeket a melléklet M3. pontja tartalmazza, az értékekből képzett üzemi átfolyási görbéket pedig az alábbi ábrák szemléltetik, mind egyutú, mind pedig kétutú esetben.
V2/V2,100
100% 90% 80% 70% 60% 50%
a=0,51
40% a=1 30% 20% 10% 0% 0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
H/H100 [%]
6. ábra Egyutú szabályozó szelep üzemi átfolyási görbéje
14
V2/V2,100 [%]
100% 90% 80% 70%
A út
60%
A út a=1
50%
B út B út a=a
40% 30% 20% 10% 0% 0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
H/H100
7. ábra Kétutú szabályozó szelep üzemi átfolyási görbéje
Az ábrákon jól látható, hogy a zárás folyamán a szelepek az alap jelleggörbéjükhöz (a=1 esetén) képest végig nagyobb (a kezdő és végpontokban megegyező) mennyiségű közeget engednek át, azonban szabályozhatóság szempontjából a torzítás nem okoz komoly problémát. Az eltérést az egytől különböző autoritás okozza, ugyanis a szelepen kívül egy jelentős nyomásesésű hőcserélő is van a rendszerben, ami torzítja a karakterisztikát. Látható továbbá, hogy a háromjáratú szelep esetében csak a=1 autoritásra, tehát az alap átfolyási jelleggörbére teljesül a térfogatáram állandósága. Ahogy az autoritás mindkét ágon torzítja a jelleggörbét, úgy változik a szivattyú által keringtetett térfogatáram is. Ahhoz azonban, hogy a teljes rendszert vizsgálni tudjuk, nem elég ismernünk a szelep üzemi jelleggörbéjét. Ismernünk kell a kapcsolatot a hőcserélő két oldala között, vagyis, hogy az egyes HMV oldali térfogatáramok kielégítéséhez (állandó 45°C-os kilépő HMV hőmérséklet esetén) mekkora szelepemelkedést, térfogatáramot kell biztosítanunk a szabályozószelepen. Ehhez ismernünk kell a kiválasztott lemezes hőcserélőnk jelleggörbéjét.
15
6.3.
Hőcserélő jelleggörbe
A következőkben megvizsgáljuk a lemezes hőcserélőnk jelleggörbéjét, meghatározzuk az adott leadandó teljesítményhez szükséges primer oldali térfogatáramokat a különböző üzemállapotokra. A méretezés során kiszámoltuk, hogy méretezési fogyasztott térfogatáram mellett mekkora az a szükséges hőmennyiség, amivel el tudjuk látni a fogyasztóinkat. Ebből megkaptuk a kiválasztandó hőcserélőnk adatait (M1.), azonban ezek csak méretezési térfogatáram mellett igazak. A számításokat a tiszta ellenáramú hőcserélőkre jellemző hatásosság összefüggéssel végezzük, mely az alábbi alakban írható fel. 1 − c defg∙P dhR b= 1 − i ∙ c defgP dhR jkl =
, ahol i= F
)
ml F)
(14)
(15)
nopq
nrstu v
_wa = v
F'$0( _ a = w
)
0
_ a∙8
'$0(
0
)
_
x
0w
a , a kisebb hőkapacitásáramú közeg
_ a ∙ 8'$0( _
x
0w
a , a nagyobb hőkapacitásáramú közeg
Keressük tehát a primer oldalon keringő '$0( -nak
T
tömegáramot, mely méretezési állapotban
felel meg. Adott hőcserélőre, állandó primer oldali t2,be=55°C és állandó
szekunder oldali hőmérsékletek (t1,be=12°C és t1,HMV =45°C) mellett a Bosnjakovič hatásosság állandó és a következőképpen számolható. b=
A ,U − A ,BCD 12 − 45 = = 0,77 A ,U − AT,U 12 − 55
16
(16)
Így adott hőcserélő felület és állandónak feltételezhető U hőátbocsátási tényező mellett csupán egy ismeretlen marad az egyenletben, a keresett
T.
Ezt Excel és a hozzá kapcsolódó
Solver bővítmény segítségével meghatározhatjuk a különböző üzemállapotokra. A számítások
eredményei az [M4.] mellékletben láthatóak, amelyből kiderül, hogy egy bizonyos P 0,18
0
=
R HMV oldali tömegáram alatt a hőkapacitásáram viszonyok megfordulnak, és az
eddigiekkel ellentétben a szelep oldali (2-es jelű) kör lesz a kisebb hőkapacitásáramú. Ezt a hőfoklefutási diagramok segítségével szemléltethetjük is.
8. ábra A hőcserélő hőfoklefutása különböző üzemállapotokban
Látható, hogy a tömegáram csökkenésével a görbe menete megváltozott, a szelep oldali kilépő hőmérséklet erősen lecsökkent a méretezési 30°C-hoz képest. Meghatároztuk tehát a hőcserélő szállított térfogatáramait, így már felrajzolhatjuk a hőcserélő jelleggörbéjét a következő alakban. 3
3
Y
17
T,
T
Z
, ahol T,
– a 16 l/perces HMV oldali méretezési térfogatáramhoz tartozó szelep oldali
térfogatáram 3
- a 16 l/perces HMV oldali méretezési térfogatáramhoz tartozó hőcserélő teljesítmény
Q/Q100
100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0%
20%
40%
60%
80%
100%
V2,100/V100
9. ábra A hőcserélő jelleggörbéje
A diagram alapján látható, hogy a jelleggörbe nem az optimálisnak tekinthető lineáris jelleget mutatja, de azt megközelíti. Fontos megjegyezni, hogy a hőcserélő teljesítményének maximuma a 16 l/perces méretezési térfogatáramhoz tartozik. Amikor ennél nagyobb a HMV oldali igény, akkor a hőcserélő nem tudja leadni a megfelelő teljesítményt, tehát nem tudja felmelegíteni a HMV oldalon kilépő közeget a szükséges 45°C-ra. A későbbiekben azonban, a teljes rendszer jelleggörbéjének vizsgálatakor látni fogjuk, hogy milyen következménye van annak, ha a maximális fogyasztásra méretezzük a hőcserélőnket.
6.4.
Teljes rendszer átfolyási görbéjének meghatározása
A fenti számítások alapján ismerjük mind a szabályozószelepünk, mind pedig a hőcserélőnk jelleggörbéjét. Ez azt jelenti, hogy kapcsolatot tudunk teremteni a hőcserélő két oldala között, 18
azaz meghatározhatjuk, hogy a különböző hőigényekhez mekkora szelepállásokat kell beállítanunk z
a
D}
D},{||
z{||
szabályozószelepen.
már
elkészítettük
a
hőcserélő
jelleggörbéjét, az alábbiakban pedig felrajzoljuk az egy- és kétutú szelep
teljes rendszert figyelembe vevő
V2/V2,100
Ehhez
D}
D},{||
=
]
B
B{||
^ karakterisztikáját.
1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
H/H100
10. ábra Az egyutú szabályozó szelep teljes rendszert figyelembe vevő karakterisztikája
Látható, hogy a megfelelő méretezésnek köszönhetően a megengedhető mértékben torzult el, valamint hogy 100%-os nyitás esetén érjük el a hőcserélő méretezési térfogatáramát. Ez azonban nem egyenlő a szelepen átáramló közeg névleges térfogatáramával, ez azért lehetséges, mert a hőcserélőnk méretezése során nem lehet pontosan az igényeknek megfelelő eszközt választani. Esetünkben a hőcserélő névleges térfogatárama 1,29 m3/h, míg a méretezéskor 1,25 m3/h értékkel számoltunk, ez azt jelenti, hogy 3%-kal túlméretezett a hőcserélőnk. Tehát, már 94%-os nyitás esetén elérjük a szelep méretezési térfogatáramát, e fölött, már a tervezett tartományon kívül esik a térfogatáram. Itt is fontos megjegyezni, hogy ez a maximális térfogatáram nem tudja biztosítani a HMV oldalon szükséges 45°C-os melegvizet 16 l/perc fogyasztás felett. Azt is észrevehetjük, hogy a jelleggörbe grafikonja teljes zárás mellett az origóba ér, ugyanis a HMV oldali igények értékeinek felhasználásával 19
készült, eszerint pedig 0 kW teljesítményigény esetén 0 m3/h térfogatáramra van szükségünk. Valójában azonban mindig lesz egy bizonyos mértékű szivárgás (mint azt a szelep alap jelleggörbéje is mutatja).
V2/V2,100 140% 120% 100% 80%
A út
60%
B út
40%
Összeg
20% 0% 0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
H/H100
11. ábra A kétutú szabályozó szelep teljes rendszert figyelembe vevő karakterisztikája
Mint azt korábban is láthattuk, most is megfigyelhető, hogy a háromjáratú szelep össztérfogatárama közel sem lesz állandó, még helyes bypass beszabályozás esetén sem. A hőcserélő jelleggörbéje mellé meghatároztuk tehát a szelep teljes rendszerre vett karakterisztikáját is, így egyszerűen leírhatjuk a két görbe segítségével a szabályozott rendszer karakterisztikáját a következő alakban.
3
3
20
100%
Q/Q100 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
H/H100
12. ábra A szabályozott rendszer karakterisztikája
Összességében tehát látható, hogy csak akkor határozhatjuk meg pontosan a szabályozandó rendszerünk
teljes
karakterisztikáját,
ha
ismerjük
az
egyes
építőelemek
saját
karakterisztikáját. A rendszert tehát komplex módon kell vizsgálni, ismerni kell a szabályozott jellemző tulajdonságait, az alkalmazás jellemzőit és megfelelően méretezni kell a különböző alrendszereket, csak így hozhatunk létre pontos szabályozási karakterisztikát.
6.5.
A szelepnyitási tartamdiagram vizsgálata
A szabályozás szempontjából érdekes kérdés, hogy 1 teljes napot vizsgálva mennyi időt tölt a szabályozószelep egy-egy szelepállásban. Mivel a szelep 25%-os nyitás alatt egyre kevésbé tudja ellátni a szerepét, fontos, hogy minél több időt töltsön ennél magasabb nyitási szinten. Ezt megfelelő rendszerméretezéssel lehet megoldani. Az alábbiakban bemutatom, a 16 l/perces fogyasztásra és a 26 l/perces fogyasztásra méretezett hőcserélő esetére a szelepnyitási tartamdiagramokat.
21
100% 90%
Szelepnyitás [%]
80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
Időtartam
13. ábra Szelepnyitási tartamdiagram 16 l/percre méretezett hőcserélő esetén
100% 90% 80%
Szelepnyitás [%]
70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
Időtartam
14. ábra Szelepnyitási tartamdiagram 26 l/percre méretezett hőcserélő esetén
22
Alapvetően elég azt az időtartamot vizsgálni, amin nullától különböző a fogyasztás, ez összesen 16 óra 21 perc (981 perc). A 13. ábrán jól látszik, hogy a szelep ebből az időtartamból 34 percig 100%-os nyitásban van, ekkor nem tud kellő mennyiségű hőenergiát biztosítani, de igyekszik minél nagyobb térfogatáramot átengedni. A szelep a kritikus 25%-os határt 240 perc alatt éri el, tehát 240 - 34= 206 percen át tud megfelelően szabályozni. Ezzel szemben a 14. ábrán a 26 l/percre méretezett rendszer, bár a teljes nyitástól kezdve megfelelő hőenergiát tud biztosítani, alig 81 perc alatt elér a kritikus 25%-os nyitási érték alá. Összességében tehát a kisebb térfogatáramra méretezett hőcserélő csaknem háromszor annyi ideig tud megfelelően szabályozni.
7. A FOJTÁSOS ÉS KEVERŐ KAPCSOLÁSOK ENERGETIKAI ÖSSZEHASONLÍTÁSA
Az energetikai vizsgálat során arra vagyunk kíváncsiak, hogy a kétféle kapcsolás üzemeltetése során a szivattyú teljesítményfelvétele hogy változik. Az optimális üzemeltetés érdekében mindkét kapcsoláshoz a neki leginkább megfelelő szivattyút választjuk. Mivel mindkét rendszer nyomáskülönbséggel rendelkező osztó-gyűjtő segítségével üzemképes, a szivattyút állandó nyomástartás üzemmódban működtetjük. A szivattyú kiválasztásához a Wilo-Select 4 online méretező felületét használtam, és választásom a fojtásos kapcsolás esetén a Stratos PICO 15/1-4 típusú szivattyúra, míg megkerülő kapcsolás esetén a Stratos PICO 15/1-6 típusúra esett (M5., M6.). A méretező program segítségével a szivattyú által keringtetett térfogatáramokra a teljesítményértékeket, az ebből készített diagramot pedig az alábbiakban szemléltetem.
23
P [W]
25
20
15
10
Fojtásos kapcsolás Keverő kapcsolás
5
0 0
5
10
15
20
25
30
35
Qhcs [kW]
15. ábra A szivattyúk teljesítményfelvétele
Látható, hogy a nagyobb keringtetett térfogatáramok miatt a keverő kapcsolás az üzemelés során végig lényegesen több teljesítményt vesz fel a hálózatról, tehát több energiát fogyaszt, mint a fojtásos. Ez tartamdiagram segítségével még látványosabb eredményt mutat, ez esetben a görbe alatti terület jellemzi a felhasznált energiát.
24
Teljesítményfelvétel [W]
25
20
15 Fojtásos 10
Keverő kapcsolás
5
0 0:00
3:00
6:00
9:00
12:00
15:00
18:00
21:00
0:00
Időtartam
16. ábra Napi teljesítményfelvétel alakulása
A napi energiafelvétel fojtásos esetben 126 Wh/nap, keverő kapcsolás esetén pedig ennek több, mint 3,5-szerese, 464 Wh/nap. Azt feltételezve, hogy ez egy átlagos nap energiafelvétele, egy évre számolva ez előbbi esetben 46 kWh, utóbbi esetben pedig 169 kWh fogyasztást jelent. 35,33 Ft/kWh áramdíjat feltételezve [6] a szivattyúzás évi költsége fojtásos esetben 1620 Ft, keveréses esetben pedig 5980 Ft.
8. ÖSSZEFOGLALÁS, KÉSŐBBI CÉLKITŰZÉSEK
Az elvégzett vizsgálatok alapján képet kaphattunk arról, hogy csak a rendszer komplex ismeretével határozhatjuk meg annak pontos működését, jellemzőit. Elmondható, hogy az egyutú szeleppel ellátott egyszerű fojtásos kapcsolás és a kétutú szeleppel szabályozózz megkerülő kapcsolás méretezése és szabályozása között (azonos körülményeket feltételezve) nincs lényegi különbség, azonban energetikai szempontból jelentős eltéréseket tapasztaltunk. Láthattuk, hogy az egyes rendszerelemeknek (pl. hőcserélő) igen nagy befolyásuk van a 25
szabályozószelepek működésére, így a szabályozási jelleggörbe meghatározása csak egy átfogó rendszervizsgálattal lehetséges. Későbbi célom, hogy saját mérések elvégzésével alátámasszam a fent leírtakat és megkeressem az eltéréseket. Ezen kívül érdekes lenne megvizsgálni más kapcsolások működését, valamint egy adott szabályozó segítségével a HMV hőmérséklet beállításának időbeli lefutását.
26
9. MELLÉKLETEK M1. A választott hőcserélő adatlapja
27
•
M2. HERZ 4037 adatlap (részlet)
•
M3. Szelep jelleggörbe adatok H/H100
kv/kvs
kv [m3/h]
[%]
V2/V100 [%]
100,00%
100,00
4,00
100,00%
90,00%
90,20
3,608108
94,60%
80,00%
80,41
3,216216
88,37%
70,00%
70,61
2,824324
81,22%
60,00%
60,81
2,432432
73,05%
50,00%
51,01
2,04054
63,79%
40,00%
41,22
1,648648
53,41%
30,00%
31,42
1,256756
41,95%
20,00%
21,62
0,864864
29,54%
10,00%
11,82
0,472972
16,40%
0,00%
2,03
0,08108
2,83%
28
•
M4. A hőcserélő primer és szekunder oldali áramai
HMV oldal V1 [m3/h] m1 [kg/s]
Szelep oldal V2 [m3/h]
C1
C2
m2
[J/K]
[J/K]
[kg/s]
0,96
0,27
1115
1456
0,35
1,25
0,9
0,25
1045
1264
0,30
1,09
0,84
0,23
975
1102
0,26
0,95
0,78
0,22
906
964
0,23
0,83
0,72
0,20
836
842
0,20
0,73
0,66
0,18
766
734
0,18
0,63
0,6
0,17
697
640
0,15
0,55
0,54
0,15
627
553
0,13
0,48
0,48
0,13
557
475
0,11
0,41
0,42
0,12
488
404
0,10
0,35
0,36
0,10
418
337
0,08
0,29
0,3
0,08
348
275
0,07
0,24
0,24
0,07
279
217
0,05
0,19
0,18
0,05
209
161
0,04
0,14
0,12
0,03
139
107
0,03
0,09
0,06
0,02
70
54
0,01
0,05
0
0,00
0
0
0,00
0,00
29
•
M5. Wilo Stratos PICO 15/1-4 paraméterei
30
•
M6. Wilo Stratos PICO 15/1-6 paraméterei
31
10.
IRODALOMJEGYZÉK
[1] Dr. Csoknyai István és Doholuczki Tibor, Több, mint hidraulika, Budapest: Herz Armatúra Hungária Kft., 2013. [2] Dr. Erdősi István, Épületgépészeti laboratóriumi gyakorlatok, Budapest: Tankönyvkiadó, 1986. [3] Vörös Szilárd, „Egyutú, motoros szabályozószelepek méretezése I.-III.,” Magyar Installateur, 2014. [4] Rudolf Jauschowetz, Hidraulika, a melegvízfűtés szíve, Bécs: Herz Armatúra Hungária Kft., 2004. [5] Szánthó Zoltán, „epget.bme.hu, Hőszállítás előadás,” 2015. [Online]. Available: http://epget.bme.hu/hu/oktatas/bsc-kepzes/energetikai-mernokialapszak/epuletenergetika/hoszallitas. [Hozzáférés dátuma: 02 11 2015]. [6] „E.on HU,” 2015. [Online]. Available: http://www.eon.hu/Aram_informaciok_arak. [7] HERZ Gyártmánylista, HERZ Armatúra Hungária Kft., 2015/2016. [8] H. Armaturen, 2011. [Online]. Available: http://herzmediaserver.com/data/_www/srb/1403715/1403715.pdf. [9] „HERZ Armaturen,” 2012.. [Online]. Available: http://herzmediaserver.com/data/_www/srb/brosure/259_regelventile.pdf. [Hozzáférés dátuma: 02. 11. 2015.]. [10] Dr. Kiss Róbert, Irányítástechnika az épületgépészetben.
32
