Vždy v rovnováze aneb
vyvažování armaturami
Vyvažování armaturami
1
Úvod
2
Zdůvodnění vyvažování
3
Teoretické minimum ❍ Požadavky vyplývající z klimatických podmínek ❍ Regulace a regulátory ❍ Kvantitativní a kvalitativní regulace ❍ Teplonosná látka ❍ Přenos tepla teplonosnou látkou ❍ Průtokový součinitel Kv
4
Vlastnosti některých součástí ❍ Termohydraulický rozdělovač ❍ Čerpadla
5
Vyvažování začíná projektem ❍ Rovnoměrná distribuce ❍ Omezení vzájemného působení
6
Vyvažování hotového díla ❍ Příprava vyvažujícího na vyvažování ❍ Příprava soustavy na vyvažování ❍ Vyvažovací metody ❍ Diagnostika ❍ Optimální vyvážení
7
Často kladené otázky
8
Literatura
Úvod Jak postupuje poznání, tak se zvyšují též nároky na zařízení techniky prostředí. Na otopné a chladící soustavy jsou kladeny nejrůznější, vzájemně se vylučující požadavky:
• dosažení pohody v řešeném prostoru • nízké pořizovací náklady • bezpečnost a ochrana zdraví • hospodárný provoz, nízké provozní náklady • dlouhá životnost a vysoká provozní spolehlivost • malý zábor užitné plochy • přijatelné začlenění do interiéru • ekologii provozu • nízké vyzařování hluku a škodlivin vůbec • snadnou montáž • co nejmenší potřebu údržby • jednoduché ovládání s mnoha užitečnými funkcemi • vysoká pružnost, možnost rozšíření nebo změna způsobu využití • úsporné řešení bez plýtvání vyhovující zadaným podmínkám
Uvedený seznam nemá za cíl prokázat marnost počínání projektanta a tím méně omluvit případné nedostatky. Záměrem bylo ukázat, že projektant velmi významně ovlivňuje konečný výsledek díla. Záleží na jeho způsobilosti a v neposlední řadě i přesvědčovacích schopnostech, zda odběrateli bude dílo dobře sloužit. Doufáme, že v tom tato příručka bude projektantům ku pomoci.
4
Běhej k doktorovi dřív, než nemoc přiběhne za tebou. České přísloví
Když už darovat rybu, tak vykuchanou a s hrudkou másla. Korejské přísloví
Zdůvodnění vyvažování Teoretické minimum Cílem vyvažování je, lidově řečeno, dosáhnout toho, aby soustava prokazatelně splňovala požadavky na ni kladené. Důraz je na prokazatelnosti dosažených výsledků. Ta není samoúčelná. Poskytuje přehled o tom, zda vynaložené prostředky byly užity účelně a omezuje mrhání prostředky na polovičatou nápravu problémů nejasného původu. Je také zřejmé, že vyvažování není samoúčelnou činností, ale je prostředkem k dosažení vyššího cíle - provozuschopné a hospodárné soustavy.
V této kapitole nahlédneme do několika souvisejících oborů. Popis si zdaleka nebude činit nárok na úplnost. Cílem bude spíše upozornit na důležité souvislosti a podpořit důležitost některých požadavků.
Podíváme-li se na tři postupné kroky zpracování díla: projekt, zhotovení a uvedení do provozu, mohlo by se zdát, že vyvažování se týká pouze kroku posledního - uvedení do provozu. Ve skutečnosti je již první krok určující. Jak pravil Goethe: „Kdo splete první knoflík, už se pořádně nezapne.” Proto od počátku návrhu je nutno uvažovat o tom, jak bude soustava vyvážena. Nynější tlak na snižování investičních nákladů vede ke snahám vynechat vše, co není zcela bezpodmínečně nutné. Prvky zabezpečující vyvážení se mnohým zdají býti pominutelnými. Přitom vyvažování může být přínosné pro všechny zúčastněné strany: Projektant • Vyvažovací prvky zabezpečí dosažení projektované funkce. • Dokonané vyvážení je věcným dokladem správného návrhu. Montážní podnik • Vyvažovací prvky umožňují rychlé vyhledávání závad díla, dokonce v předstihu před reklamací. • Závady mohou být odstraněny dříve, než je ze stavby odvezeno potřebné vybavení. Také nároky na následné servisní úkony jsou menší. • Protokol o vyvážení je věcným dokladem, že dílo bylo provedeno v požadované kvalitě a může být bez prodlení předáno. Odběratel • Protokol o vyvážení je věcným dokladem, že dílo bylo provedeno v požadované kvalitě a je okamžitě provozuschopné. • Vyvažovací prvky umožňují zaručit dlouhodobě požadované parametry, ekonomii provozu i dostatečnou pružnost při změnách systému.
5
24 20 16 12
te [°C]
8 4 0 -4 -8 -12 -16 01.09.97
01.10.97
31.10.97
30.11.97
30.12.97
29.01.98
28.02.98
30.03.98
29.04.98
29.05.98
Obr. 1 - Průměrné venkovní denní teploty v topné sezóně 1997-8
Co bylo včera, není dnes a nebude zítra. České přísloví
běh průměrných venkovních teplot v topné sezóně 1997-8. Pro srovnání jsou do grafu vyneseny též měsíční normály teplot za dobu 1961-2000 v Praze-Karlově [VVI01]. Z grafu je patrné, že v přechodném období se mohou vyskytnout dny, kdy již topný výkon není potřeba, ba dokonce se může objevit požadavek výkonu chladicího. Jak se zvyšují požadavky na udržování vnitřní teploty, může dokonce docházet k požadavku topného výkonu na zastíněné fasádě a požadavku chladicího výkonu na fasádě osluněné.
Požadavky vyplývající z klimatických podmínek
Pokud nás zajímá, po jakou část topného období je prů-
24
100%
20
90%
16
80%
12
70%
8
60%
4
50%
0
40%
-4
30%
-8
20%
-12
10%
-16 0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
p Venkovní teplota
SpotĜeba energie
Obr. 2 - Průměrné venkovní denní teploty v topné sezóně 1997-8 6
80%
90%
0% 100%
SpotĜeba
te [°C]
Projektanti zařízení techniky prostředí mají čtyři úhlavní nepřátele: jaro, léto, podzim a zimu. V zimním období jsou zařízení prověřována, zda jsou schopna dodat maximální topný výkon. Jarní a podzimní období zvané přechodné nás zkouší, zda výkon umíme též regulovat. Letní období je zátěžovým testem chladicí soustavy. Na obrázku 1 je prů-
70
60
Poþet dnĤ
50
40
30
20
10
0 -16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
20
24
te [°C]
Obr. 3 - Četnost průměrných denních teplot, topná sezóna 1997-8
• Za 84% doby trvání topného období se spotřebuje jen 70% energie. • Zbývajících 30% energie se spotřebuje v 16% doby trvání topného období.
měrná venkovní teplota vyšší, než zadaná, použijeme jiný graf. Z předchozího jej snadno odvodíme seřazením údajů teploty podle velikosti. Výsledek je na obrázku 2. Z grafu vyplývá:
Výše uvedené zdůrazňuje význam maximálního výkonu. Mnoho projektantů i investorů, majíce panický strach z poddimenzování soustavy, dopouštějí se chyby jiné. Soustavu předimenzují. Abychom pochopili, proč se jedná o chybu, provedeme nad našimi daty ještě jednu statistickou operaci. Zjistíme četnost průměrných venkovních teplot (obr. 3).
• Po 84% topné sezóny se průměrná venkovní teplota pohybovala nad nulou. • Budeme-li předpokládat, že požadavek topného výkonu je přímo úměrný venkovní teplotě, pak to znamená, že jen 57% maximálního topného výkonu je postačující pro pokrytí 84% doby trvání topného období.
WH>&@
Obr. 4 - Průběh venkovních teplot 24. a 25. 10. 2003 7
Pokud jsme si údaje takto uspořádali, je nám zřejmé, že přechodné období je důležité délkou svého trvání. Jestliže budu dlouhodobě provozovat zdroj, který není schopen regulace na požadovaný nízký výkon, nebudu schopen dosáhnout uspokojivé ekonomie provozu. Čím více předimenzuji zdroj tepla, tím horších výsledků se dočkám. Též provedení regulace musí umožňovat plynulou změnu výkonu v širokém rozsahu.
z instalovaného výkonu. Vzhledem k rozsahu změny bude zásah regulátoru nutností. Ani sebelepší regulátor ovšem nezajistí stále přijatelnou tepelnou pohodu, pokud výkon soustavy není možno plynule regulovat nebo pokud má soustava setrvačnost větší, než je rychlost změn. Druhý případ běžně nastává u systémů podlahového vytápění. Ty mají časovou odezvu právě v řádu hodin, až dnů. Zkušenost nás učí nespoléhat jen na samoregulační schopnost podlahového vytápění, ale instalovat též klasická otopná tělesa, která zabezpečí dynamiku a pružnost regulace topného výkonu.
Poslední požadavek na regulaci vyplyne po shlédnutí průběhu venkovní teploty ve dvou náhodně vybraných dnech přechodného období (obr. 4). Údaje pocházejí z on-line teploměru v Českých Budějovicích http://www.budnews.cz.
Sečteno a podtrženo: 1. Období potřeby maximálního výkonu je sice krátké, ale z hlediska energetického velmi významné. 2. Přechodné období je poměrně dlouhé a proto kvalitní regulace výkonu je podmínkou správné a úsporné funkce soustavy. 3. Topný výkon musí být plynule regulovatelný v širokém rozsahu a s přijatelnou časovou odezvou.
Graf ukazuje, dva teplotní cykly venkovní teploty měřené v půlhodinových intervalech. Můžeme si všimnout minim venkovních teplot v ranních hodinách před východem slunce a maxim v době po poledni. Záznam rovněž ukazuje, jak velký vliv má počasí na teplotu a velikost a rychlost jejích změn. Druhého dne došlo k nárůstu o 9,2°C během 10 hodin, což může odpovídat změně přibližně o čtvrtinu
Všichni berou ohled na čas, jen čas na nikoho. Německé přísloví
Regulace a regulátory Na příkladu místnosti, v níž je stálá teplota udržována radiátorem s termostatickou hlavicí si vysvětlíme schéma nejjednoduššího regulačního obvodu. Kde: x Regulovaná veličina je veličina, jejíž hodnotu se regulátor snaží pomocí změn akční veličiny přiblížit žádané hodnotě. Teplota v místnosti je snímána teplotním čidlem, které je realizováno neroztahující se nádobkou naplněnou tep-
yR Akční veličina působí na regulovanou soustavu tak, aby změnila svůj stav. V našem příkladě je představována průtokem ovládaným změnou polohy kuželky vůči sedlu ventilu. Označení yR představuje akční veličinu jako výstup regulátoru. yS Ve skutečnosti regulátor není jediným faktorem, který ovlivňuje regulovanou veličinu soustavy. Na soustavu působí mnoho dalších vlivů, jejichž působení se do matematického modelu zavádí působením poruchové veličiny z. Soustava pak reaguje na akční veličinu yS, která je součtem akční veličiny na výstupu regulátoru yR a poruchové veličiny z. z Poruchová veličina zohledňuje působení vnějších vlivů na regulační obvod. Těmito vlivy by v našem případě například mohla být změna dispozičního tlaku vyvolávající změnu průtoku. Zde je ovlivnění akční veličiny zřejmé a dokonce snadno vyčíslitelné. Někdy je ovšem převedení vlivu na poruchovou veličinu poněkud krkolomné. Například pokud bychom v naší místnosti zapli vysoušeč vlasů, tak působení jeho topného elektrického výkonu musíme též převést na změnu (zvětšení) průtoku topné vody.
lotně roztažnou látkou. Přebytečný objem látky vytlačuje píst, jehož výchylku budeme značit X. w Řídicí veličina slouží k zavedení žádané hodnoty do regulačního obvodu. Žádanou hodnotou je například teplota 20°C. Řídicí veličinou je posunutí teplotního čidla (dosedací plochy pístu) způsobené pootočením hlavice na závitu. e Regulační odchylka je rozdílem mezi řídicí veličinou W a regulovanou veličinou X.
Již víme, jak na sebe jednotlivé prvky působí a nyní tomu všemu přidáme ještě jeden rozměr.
e=w-x V našem případě je realizována zatlačením čepu kuželky radiátorového ventilu o hodnotu rozdílu mezi vysunutím pístu čidla a posunem celého čidla. 8
Čas me zkoumat. Nejčastěji zkoumáme odezvu obvodu na skokovou změnu řídící veličiny z nuly na maximum. Časovému průběhu odezvy obvodu říkáme přechodová charakteristika. Několik možných charakteristik spojitých regulátorů je na následujícím grafu.
Všechny veličiny, o kterých jsme mluvili jsou proměnnými času. Stav regulačního obvodu v příštím okamžiku je určen nejen stavem současným, ale též všemi stavy předchozími. Abychom mohli nějak rozlišovat regulační obvody podle „chování”, musíme sjednotit podmínky, za kterých je bude200% 180% 160% 140%
Výstup
120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
ýas Optimální
Zatlumený
Zakmitávající
Nestabilní
Obr. 5 - Příklady průběhu regulované veličiny
Optimální průběh
čena. Do požadovaného tolerančního pásma se regulovaná veličina může dostat rychleji, než v případě, který jsem označil za optimální. Pokud je regulovanou veličinou teplota TUV v přípravě bez akumulace, stěžují si uživatelé na „skotské střiky”. Problém je většinou řešen omezením vstupujícího výkonu úpravou Kv regulačního ventilu. Tím se zpomalí náběh soustavy, ale také omezí její maximální výkon! Druhou cestou by byla optimalizace rychlosti odezvy regulačních prvků a čidel a minimalizace dopravního zpoždění. To se ovšem dá provést ve stádiu návrhu a realizace a nikoli na hotovém díle.
Obvod se k požadované hodnotě přibližuje „odspodu” s dobrou rychlostí. Přestože náběh není nejrychlejší z možných, je to nejrychlejší náběh, kdy regulovaná veličina v žádném okamžiku nepřekročí žádanou hodnotu. Tato podmínka velmi často musí být splněna! Příkladem budiž teplota teplé užitkové vody, kde nesmí dojít k opaření. Plastové potrubí též dobře nesnáší přílišné překročení teploty. Jestliže na podmínce omezení trváme, pak již regulátor se „stávající” soustavou nemůže více udělat. „Jiná” soustava by ovšem mohla reagovat svižněji. Jednou z cest je uvažovat o rychlosti odezvy každého jednotlivého prvku.
Nestabilní smyčka
Zatlumený průběh
V tomto případě již regulátor zcela selhal a systém neustále kmitá kolem ustálené hodnoty. Regulátor neustále provádí regulační zásahy v plném rozsahu. Pokud jsou tyto zásahy prováděny elektromechanickým pohonem (s omezenou životností) bude pohon „spotřebován” velmi záhy.
Charakteristika tohoto obvodu se od předchozího liší pomalejší odezvou. Ta je i v tomto případě bez překmitnutí, ale žádané hodnoty by se s požadovanou přesností dalo dosáhnout rychleji. Průběh zakmitávající Regulační smyčka se požadované hodnotě přiblížila velmi rychle, ovšem regulační zásah byl přehnaný a žádaná hodnota je v následujících okamžicích významně překro9
Regulace nespojitým dvoustavovým regulátorem narazí na skutečnost, že nemůže provést „libovolně malou” změnu. Při nízké autoritě a nevhodné charakteristice regulačních ventilů dochází k tomu, že již při malém pootevření je přenášen více než dostatečný výkon. Následný regulační zásah bude tedy uzavření.
Neustálým kmitáním kolem žádané hodnoty se vyznačuje nespojitý regulátor. Funkce je jednoduchá. Pokud je regulovaná veličina menší, než řídicí mínus ε, tak nastaví akční veličinu na maximum. Když je regulovaná veličina větší, než řídicí plus ε, tak nastaví akční veličinu na minimum. ε se říká hystereze a jejím účelem je zabránit příliš častým změnám. Příkladem takové soustavy může být plynový kotel s bimetalovým termostatem. Hystereze zde má ekonomický význam, neboť zabraňuje příliš častému zapalování. Často se v tento způsob regulace změní regulace spojitá, pokud
120% 110% 100% 90% 80%
Výstup
70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
ýas Regulovaná veliþina
Akþní veliþina
Obr. 6 - Nespojitý regulátor se soustavou vyššího řádu
Závěr Nyní jsou již dostupné kvalitní regulátory vybavené adaptivními algoritmy, které jsou schopny se soustavě dobře přizpůsobit. A mnozí na to hřeší a zapomínají, že lepším řešením detailů by bylo možno dosáhnout žádané hodnoty rychleji, levněji a spolehlivěji. Jestliže totiž regulátor nebude dostávat přesné informace včas, nezbude mu než regulovat „opatrně”. Jestliže sebemenší zásah způsobí prudkou změnu výstupní veličiny, bude muset častěji provádět regulační zásahy a výsledná regulace nebude tak kvalitní. Abychom tedy po regulátoru chtěli jen to, co je možné, musíme:
• Vyvážit průtoky ve směšovacích zapojeních, aby regulace probíhala v plném rozsahu. • Dbát na dostatečnou autoritu regulačních ventilů. • U vzduchotechnických jednotek minimalizovat vzdálenost mezi výměníkem a směšováním. • Věnovat pozornost provedení snímačů, zvláště teploty. Teplotní čidlo v jímce a teplovodivé vazelíně poskytuje přesnější a aktuálnější informaci o teplotě, než čidlo zastrčené do izolace.
10
Lepší moci hrst, než práva pytel. České přísloví
Kvantitativní a kvalitativní regulace teplonosné látky - regulací kvalitativní.
Výkon spotřebiče můžeme regulovat buď změnou průtoku, jedná se o regulaci kvantitativní nebo změnou teploty Kvantitativní regulace
tw1n=90°C tw2n=70°C ti=20°C n=0,33 80
120% 110% 100%
70
90% 60
70% 50
60% 50%
tw2 [°C]
Výkon Q
80%
40
40% 30%
30
20% 10% 0% 0%
20 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 110% 120% 130% 140% 150% 160% 170% 180% 190% 200%
PrĤtok M Výkon
Z grafu jsou na první pohled patrné následující skutečnosti:
tw2
Nejčastějším příkladem kvantitativní regulace jsou termostatické ventily. Také se používá u chladicích VZT jednotek. Regulací průtoku se zde mění procentuální část plochy výměníku, na které dochází ke kondenzaci vodních par.
• Ani značný nadprůtok nevede k podstatnému zvýšení výkonu. Důsledkem je, že spotřebič s nadprůtokem nezhoršuje komfort prostoru natolik, aby to vyvolalo požadavek na úpravu. • Výkon s poklesem průtoku klesá zpočátku velmi zvolna. Ještě při 64% průtoku je předáváno 90% výkonu, neboť teplonosná látka je více vychlazována. Protože soustavy bývají spíše předimenzovány, bývá i tak povážlivý stav tolerován. • Dále již výkon s průtokem strmě klesá. „Malá” změna průtoku vyvolává velkou změnu výkonu.
Občas se vyskytuje požadavek na „vyvážení soustavy” na stejnou teplotu ve zpětném potrubí. Pokud pominu časovou náročnost takového postupu a nepřesnost měření ukazuje i výše uvedená závislost, že požadavek je nerozumný. Velký rozsah průtoků vyvolává relativně malou změnu teploty zpátečky tw2, srovnatelnou s chybou měření teploty. Dobře prokazatelné jsou jen značné podprůtoky, ale možnost nápravy zkusmým nastavováním ventilů podle teploměru je prakticky nulová.
Aby byla umožněna plynulá regulace, reguluje se průtok spotřebičem ventilem s charakteristikou přibližně obrácenou. Nejčastěji se používá charakteristika rovnoprocentní.
11
Kvalitativní regulace
Teplota topné vody [°C]
90
90%
80
80%
70
70%
60
60%
50
50%
40
40%
30
30%
20
20%
10
10%
0 0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
110%
PĜimíchávané množství tw1max
100%
100
0% 120%
Výkon tw1
tw2
M tw1max
ze zpětného potrubí. Maximální teplota (a výkon) jsou dosaženy při rovnosti průtoků v primárním a sekundárním okruhu. Vyvažovací ventily toto nastavení umožňují dosáhnout. Bohužel, často bývají ventily v sekundárních okruzích VZT jednotek vynechávány.
Nejčastěji bývá realizována jako ekvitermní regulace a regulace topných VZT jednotek. Často bývá problémem dosažení maximální teploty tw1 v přívodním potrubí. Příčinou je příliš velký průtok v sekundárním okruhu, který vede k přimíchávání vychlazené vody
Nenavážíš z bláta čisté vody. F. L. Čelakovský: Mudrosloví národu slovanského ve příslovích.
Teplonosná látka čerpadel, ventilů a jejich pohonů. Filtr musí být umístěn tak, aby jej bylo možno vyčistit a aby se nečistota zadržovala uvnitř. Vždy proto musí být vybaven uzavíracími armaturami, které jej oddělí od zbytku soustavy. Pokud je filtr Y montován ve svislém úseku, tak médium musí proudit shora dolů. Firma Honeywell dodává filtry FY69 a FY71.
Nejrozšířenější teplonosnou látkou je voda. Veškeré údaje zde uvedené se vztahují na fyzikálně čistou vodu, při tlaku 101,325 kPa, jak je popisována ve fyzikálních tabulkách. Skutečná voda se od námi uvažované liší nejvýznamněji tím, že obsahuje rozpuštěné i nerozpustné příměsi. Potíže způsobené fyzikálním a chemickým působením těchto příměsí (zavzdušňování, zanášení, koroze, minerální usazeniny) jsou řádově větší, než změna fyzikálních veličin. Dlouhodobý spolehlivý provoz soustavy je nemyslitelný bez příslušných opatření. • Expanzní a pojistná zařízení jsou povinnou a nezpochybnitelně nutnou výbavou každé otopné soustavy. • Soustava by měla být napuštěna a doplňována upravenou vodou. Pitná voda je nevhodná. Obsažený kyslík hrozně korozně napadá kovové součásti. Zbytek plynů zavzdušňuje soustavu. Pro podrobnější informaci lze o úpravě vody lze doporučit např. [GAS01]. Vhodné produkty lze nalézt též v katalogu Honeywell. • Teplonosná látka by měla být plynule zbavována nežádoucích nerozpustných příměsí. Nezbytnou výbavou jsou tedy odvzdušňovací nádoby, filtry a kalníky. • Provozuschopnost automatických odvzdušňovacích nádob může být narušena některými přísadami pro úpravu vody. Je nutno pečlivě vybírat výrobce a tam, kde je to možné, umožnit odvzdušnění provést ručně. • Nevyčištěné filtry jsou velmi častou příčinou potíží. Nicméně vyčištění filtru je méně nákladné, než výměny
• Kalníky a odlučovače nečistot mají výhodu v tom, že jejich odpor se se zaplňováním nezvyšuje. Pokud se v soustavě vyskytují litinová tělesa, lze jejich použití jen doporučit. • V soustavě musí být udržován dostatečný statický tlak. I pro tuto úlohu může společnost Honeywell nabídnout kvalitní výrobky. Pro matematické modely potřebujeme znát veličiny, které popisují vlastnosti látky. Ty nejdůležitější jsou: • • • • 12
měrná tepelná kapacita c objemová hmotnost p kinematická viskozita v tepelná vodivost λ
Měrná tepelná kapacita s minimem kolem 35 °C [BRO80]. Z toho vyplývá, že se nedopustíme chyby větší, než 0,6 %, pokud budeme v našich výpočtech používat hodnotu 4200 J kg-1 K-1. 1)
Tato veličina udává množství energie nutné k ohřátí 1 kg látky o jeden Kelvin. V rozsahu teplot mezi 0 a 100 stupni Celsia nabývá hodnot mezi 4178,1 J kg-1 K-1 a 4217,8 J kg-1 K-1
Hustota ρ = ( ( ( - 1 , 3 0 1 8 6 · 1 0 -7· t + 4 , 1 2 2 9 5 * 1 0 -5) · t - 7 , 4 7 0 8 · 1 0 -3) ·t+4,96224·10-2)·t+999,912
Objemová hmotnost vody má své maximum při 4°C, kdy v tzv. trojném bodě dosahuje hodnoty 1000 kg/m3. Pro rozsah teplot 0-100°C je dostatečně přesně popsána vztahem (opraveným a upraveným) z [GAS01]:
Teplota t se zadává ve °C a výsledek je v kg/m3.
1000
995
990
Hustota [kg/m3]
985
980
975
970
965
960
955 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Teplota [°C] Hustota vody
Rozdíl objemové hmotnosti v přívodním a zpětném potrubí je zdrojem samotížného vztlaku. Je to tlak, který vzniká ve svislých úsecích potrubí a který podporuje proudění, pokud médium v přívodním úseku stoupá vzhůru. Pokud teplejší médium klesá, působí proti směru proudění. U horních rozvodů musí být proto v přípojném bodě stoupačky dostatečný dispoziční tlak, který přinutí médium proudit i proti tomuto vztlaku. Ten může v extrémním případě 90/15°C činit až 330 Pa/m.
ním média způsobí zvětšení hodnoty samotížného vztlaku. V některých případech to může být nežádoucí, např. pokud byl průtok omezen termostatickou hlavicí. Dalším nepříjemnou vlastností samotížného vztlaku je, že se mění. Mění se vždy, když dochází ke změně teploty teplonosné látky, hlavně v souvislosti s regulací výkonu. Následující graf ukazuje, jak se bude měnit samotížný vztlak v důsledku ekvitermní regulace soustavy 90/70/-12°C.
Samotížné soustavy vykazují jistou „samoregulační” schopnost. Nedostatek průtoku média spojený s větším vychlaze-
13
140
80
120
70
100
60
80
50
60
40
40
30
20
20
Samotížný vztlak [Pa/m]
Teplota topné vody [°C]
90
0 -12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Venkovní teplota [°C] tw1
tw2
pvz
Ekvitermní regulace
Chronickou závadou ekvitermně regulovaných samotížných systémů je:
Tyto závady jsou natolik významné, že stávající samotížné soustavy byly převáděny na soustavy s nuceným oběhem zvyšováním výkonu a počtu oběhových čerpadel.
1. Nedotápění horních těles v přechodném období, kdy samotížný vztlak není dostatečný. 2.Nedotápění dolních těles v době maximální potřeby výkonu, neboť samotížný vztlak jim „odsává” médium ve prospěch horních těles. Jsou zaznamenány případy, kdy docházelo u spodních těles i ke změně směru proudění.
Kinematická viskozita Základní jednotkou je m2/s. Některé převodní vztahy: jednotka
m2/s
1 St (Stok)
10-4
Vztah z [GAS01]: ν = (((((4,1413·10-13t-2,9494·10-10)t+8,4644·10-8)t-1,2683·10-5) t+1,0879·10-3)t-5,6134·10-2)t+1,783 Teplota t se zadává ve °C a výsledek je v mm2/s. Převod na m2/s provedeme vydělením 1 000 000. Pro rozsah teplot 0-100°C je maximální relativní chyba -1,5% až +1%. Pro rozsah teplot 101-201°C je maximální relativní chyba -3,1% až +3,3%.
1 cSt (centistok) = mm2/s
10-6
1 maSt (myriastok)
1
ft2/s
92,90304.10-3
ft2/h
25,8064.10-6
14
Tepelná vodivost Podle [KLE86] vykazuje teplotní vodivost vody následující závislost:
Tepelná vodivost [W.m-1.K-1]
0,70
0,65
0,60
0,55 0
50
100
150
200
250
300
Teplota t [°C] Tepelná vodivost
t °C 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 250 300
λ W.m-1.K-1 0,555 0,598 0,627 0,651 0,669 0,682 0,685 0,684 0,680 0,673 0,665 0,624 0,564
V mezním případě může u potrubí velkých průměrů docházet k tzv. dvojitému proudění, kdy médium v jedné trubce proudí zároveň oběma směry. V horní polovině se zdržuje teplé médium a zpět proudí médium ochlazené. Díky rozdílné objemové hmotnosti a špatné tepelné vodivosti nedojde k jejich smísení a dochází k nežádoucímu přenosu ohřátého média.Tento efekt někdy způsobuje, že přestože regulační ventil přeruší okruh, do spotřebiče i nadále přichází topný výkon. Regulační armatura je pak z netěsnosti obviňována neprávem.
Tyto hodnoty vodivosti jsou srovnatelné s vodivostí některých druhů zdiva! Proto vodu nepovažujeme za dobrý vodič tepla a tuto vlastnost musíme vzít v úvahu vždy, kdy nemůže docházet ke sdílení tepla prouděním, ale jen vedením. S výhodou tuto vlastnost využívají termohydraulické rozdělovače a vrstvené zásobníky. Na obtíž je v boilerech, kde nedochází k dostatečnému ohřevu média pod úrovní topného hadu.
Poznámky: 1) Pro přesnější výpočty by stejně bylo vhodnější počítat s entalpií.
15
Přenos tepla teplonosnou látkou Výkon přenášený teplonosnou látkou je popsán vztahem:
Příklad Teplota v přívodním potrubí podlahového vytápění tw1=35°C, teplota ve zpětném potrubí tw2=25°C. Jaký průtok je třeba pro dosažení výkonu 3,6 kW?
Q předávaný výkon cp měrná tepelná kapacita teplonosné látky (pro vodu v námi uvažovaném rozsahu 4200 J.kg-1.K-1) M hmotnostní tok teplonosné látky ∆t teplotní rozdíl (spád) Pokud se omezíme pouze na vodu ve vytápění, od hmotnostního průtoku přejdeme k objemovému V a použijeme praxi bližší jednotky kW a m3h-1, dostáváme oblíbený, ale méně obecný vztah:
Směšovací rovnice Příklad Pro podlahové vytápění z přechozího příkladu určete průtok topné vody ze zdroje tepla s výstupní teplotou 75°C, aby topná voda podlahového vytápění měla teplotu 35°C.
Ze zákona zachování energie a výše uvedeného vztahu se dá odvodit vztah pro směšování teplonosné látky o různých teplotách. Dále uvedený vztah platí za dvou předpokladů: 1. Nedochází k fázové změně. Protože v našich úvahách je teplonosnou látkou kapalina, je tato podmínka splněna. 2. Měrná tepelná kapacita teplonosné látky bude v uvažovaném rozsahu teplot konstantou. Tato podmínka ideálně naplněna nikdy není, ale protože cp se v námi řešených, jednoduchých případech mění jen málo, budeme ji za splněnou považovat.
Provedeme kontrolu (M=ρ·V; zjednodušujeme ρ=konst. => ρ se vykrátí):
Hledaný vztah má podobu váženého průměru, kde vahou je hmotnostní tok:
Vyvažovacím ventilem V1 bude nastaven průtok 0,06 m3/h. Pokud se bude měnit primární průtok v rozsahu 0..0,06 m3/h, teplota v podlahovém vytápění bude plynule regulována a nebude moci překročit 35°C.
16
Průtokový součinitel Kv Pro řešení použijeme následující údaje: • Hustotu vody budeme uvažovat p=1000 kg/m3. • V katalogovém listu je požadavek, aby tlakový rozdíl při měření elektronickým měřicím počítačem byl větší, nebo roven 1 kPa. • Kv Kombi-3-Plus s červenou krytkou DN 10 je roven 1,5 m3/h.
Hydraulický odpor regulační armatury je v našich zemích nejčastěji popsán průtokovým součinitelem Kv. Číselně je roven objemovému průtoku vody v m3/h při tlakovém rozdílu ∆p=1 bar=100 kPa. Musí být splněny i další podmínky. V případech, kterými se zabývá tato příručka, vyhovuje následující vztah:
Kde: Pomocí ventilů Kombi-3-Plus je možno dostatečné přesně měřit jen průtoky větší než 0,15 m3/h. Kv paralelně Kv paralelně propojených ventilů se sčítají.
Kv Průtokový součinitel v m3/h Q Průtok v m3/h ρ Hustota proudící látky v kg/m3 ∆p Tlakový rozdíl v kPa Jiné vyjádření téže rovnice nám ukazuje důležitou vlastnost.
Kv sériově Následující vzorec je možno použít k výpočtu Kv sériově zřetězených ventilů. Jeho výhodou je, že je pro n ventilů.
Tlaková ztráta ventilu roste s druhou mocninou průtoku. Proto např. při polovičním průtoku (třeba při zaškrcení jiným ventilem) má ventil čtvrtinovou ztrátu. Pokud není tlakový rozdíl stabilizován, ovlivňuje přírůstek tlaku doposud připojené spotřebiče zvýšením dispozičního tlaku a zvětšením průtoku. První se může projevit hlučností, druhé se projeví zbytečným navýšením výkonu.
Kv zavřeného ventilu je rovno 0. Dělit nulou nesmíme a tak předchozí rovnice neumí řešit stav, kdy je jeden z ventilů uzavřen. Následující rovnici je možno použít i v případě výpočtu, kdy se jeden ventil zcela zavírá.
Naopak pro dosažení např. dvojnásobného průtoku musíme tlak zvednout na čtyřnásobek. Z toho m. j. vyplývá, že průtok, Q2, jenž vyvolají dvě čerpadla zapojená sériově se má v nejlepším případě k průtoku Q1 vyvolaným jedním čerpadlem:
Vyčíslení druhého Kv, jestliže známe hodnotu Kv sériové kombinace a Kv jednoho ventilu.
Nárůst o 41% je chabou odměnou za dvojznásobné zvýšení investičních a provozních nákladů. Příklad Určete minimální průtok dobře měřitelný na ventilu Kombi3-Plus s červenou krytkou.
Regulační charakteristika Regulační ventil (hlavně ve smyslu ventil s pohonem) může své Kv v závislosti na zdvihu regulační kuželky měnit podle různých funkcí. Pro zobecnění si zavedeme poměrný průtokový součinitel φ který představuje poměr mezi Kv odpovídajícímu poměrnému zdvihu h a maximální hodnotou Kv, jež se označuje Kvs. Poměrný průtokový součinitel bude nabývat hodnot cca od 0 do 1 pro poměrný zdvih od 0 do 1. Průtokový součinitel nezačíná od nuly, ale od hodnoty, která vyjadřuje nejmenší nastavitelnou hodnotu regulace. Pro nejčastěji využívaný regulační rozsah 1:50 se používá minimální hodnota:
Pro obecný sklon rovnoprocentní charakteristiky n je vztah:
Dosadíme-li za n=4, hovoříme o 4-procentní charakteristice a její rovnice je:
17
Lineární regulační charakteristika pro regulační rozsah 1:50 má rovnici:
Rovnoprocentní charakteristika se v tepelné technice používá velmi často, neboť koriguje nelinearitu tepelných spotřebičů a umožňuje dosáhnout velmi příznivé (blízké lineární) závislosti výkonu na zdvihu.
Takto vypadají obě křivky vyneseny v grafu. 100% 90% 80%
PomČrný prĤtok
70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Zdvih Charakteristika lineární
Charakteristika rovnoprocentní
Porovnání charakteristik regulačních ventilů
Autorita armatury? Pro lineární regulační ventil je odpověď na následujícím grafu.
Jak bude probíhat regulace, jestliže regulační ventil nebude výhradně tím prvkem, který určuje průtok? Co když odpor spotřebiče bude velký ve srovnání s odporem regulační 100% 90% 80%
PomČrný prĤtok
70% 60%
A=1 0,5
50%
0,2 0,1
40% 30% 20% 10% 0% 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Zdvih Vliv autority ventilu na regulační charakteristiku 18
0,8
0,9
1,0
Autorita ventilu je podíl tlaku na otevřeném ventilu ku tlaku na ventilu zavřeném. Autorita se vždy posuzuje vůči okruhu, ve kterém se mění průtok.
jeho uzavření se na něm objeví celý tlak působící v okruhu. Z grafu je patrné, že charakteristika je viditelně deformována, přesto se dá předpokládat, že funkce bude dobrá. Hodnota 0,5 je nejmenší hodnotou, na jakou je vhodné navrhovat autoritu ventilu. Nižší autorita je možná jen ve zdůvodněných případech. • Při nižších autoritách již neúměrně narůstá strmost regulace v oblasti nízkých průtoků. Důsledkem bude méně přesná kvalita regulace v přechodném období, tj. po většinu topné sezóny.
• Jestliže je na RV stále stejný tlak, tak má RV autoritu jedna. V praxi se dá dosáhnout například membránovým regulátorem diferenčního tlaku. Jedná se o ideální charakteristiku - viz graf. • Pokud je tlaková ztráta okruhu spotřebiče a jeho RV při plném otevření stejná, tak má RV autoritu 0,5, protože při
Dimenzování regulačních ventilů Ventily se dimenzují podle požadavku na autoritu. Při dimenzování se nesmí zapomenout, že u regulačních ventilů (nikoli vyvažovacích, ty jsou přesnější) je povolená výrobní tolerance ±10%. Dále je nutno brát ohled na to, že RV ventily se většinou vyrábějí v řadě 1 - 1,6 - 2,5 - 4 - 6,3 - 10. Vždy je tedy nutno kontrolovat tlakovou ztrátu zvoleného ventilu, neboť může být volena jen ve velmi hrubých stupních.
Dimenze armatury se volí tak, aby byl co nejlépe využit regulační rozsah armatury. Proto se vyhýbáme nízkým nastavením, která svědčí o tom, že armatura byla předimenzována. Měřicí armatury s pevným Kv musíme vybírat tak, aby při jmenovitém průtoku byl na armatuře dostatečný úbytek tlaku pro přesné měření.
Dimenzování vyvažovacích ventilů Měřicí armatury s pevným Kv (Kombi-3-Plus s červenou krytkou) musíme vybírat tak, aby při jmenovitém průtoku byl na armatuře dostatečný úbytek tlaku pro přesné měření. Minimálně 1 kPa, ale raději více. Vzhledem ke kvadratickému charakteru závislosti, nebudeme na ventilu navrženém na 1 kPa schopni měřit již poloviční průtok, neboť při něm bude na ventilu ztráta pouhých 250 Pa, což je hodnota, jejíž měření je buď velmi pracné, nebo zatíženo značnou chybou.
lační rozsah armatury. Proto se vyhýbáme nízkým nastavením, která svědčí o tom, že armatura byla předimenzována. Nejlepší je, pokud nastavení vychází na střed rozsahu. Též kontrolujeme tlakovou ztrátu při plném otevření, aby ventil šel otevřít natolik, aby na něm při požadovaném průtoku byla tlaková ztráta kolem 1 kPa. Menší úbytek zmenšuje rozsah nastavení pro měření, větší úbytek může zabránit korigovat méně závažnou chybu větším otevřením. Někdy, například u primárního okruhu směšování pro plastové potrubí je vhodné zvolit ventil nejmenší vyhovující, aby byla snížena pravděpodobnost, že nesprávnou manipulací bude plastové potrubí přehřáto.
Dimenze armatury Kombi-2-Plus, Kombi-F-II, Kombi-3-Plus s modrou krytkou se volí tak, aby byl co nejlépe využit regu-
19
Vlastnosti některých součástí ...já vám své jméno neřeknu, alespoň prozatím ne. Především by to trvalo moc dlouho; moje jméno pořád roste a žiju už náramně dlouho. Takže moje jméno je jako příběh. Opravdová jména vám řeknou celý příběh věci, ke které patří; tak je to v mém jazyku, ve staré entštině, jak by jste ji
nazvali. Je to krásná řeč, ale moc dlouho v ní trvá, než se něco řekne, protože my v ní říkáme jen to, co stojí za to, aby se říkalo a poslouchalo dlouze. J. R. R. Tolkien: Pán prstenů.
Termohydraulický rozdělovač
Dimenze vstupního a výstupního potrubí d je navržena tak, aby rychlost teplonosné látky nepřekročila 0,9 m/s. Pak rychlost v nádobě o průměru 3d nepřekročí 0,1 m/s.
Pro tuto významnou součást se používá několik označení:
Takto navržený termohydraulický rozdělovač dobře plní požadované funkce:
• hydraulický vyrovnávač dynamických tlaků • stabilizátor kvality otopné soustavy • přerušovač tlaku jako doslovný překlad anglického pressure break vytvořený analogicky k přerušovači tahu • anuloid
• Zabraňuje vzájemnému tlakovému ovlivňování okruhu zdroje tepla a okruhu spotřebičů. • Teplotní rozvrstvení teplonosné látky zajišťuje, že v přívodním potrubí soustavy bude teplonosná látka o maximální dosažitelné teplotě. K míchání dochází jedině v nezbytně nutné míře podle kalorimetrické rovnice. • Snížení rychlosti teplonosné látky usnadňuje oddělení vzduchových bublinek a jejich soustředění v horní části vybavené odvzdušňovacím ventilem OV, nejlépe automatickým. • Ve spodní části se mohou usazovat kaly následně vypouštěné vypouštěcím kohoutem VK.
Poslední název je přeškrtnut, neboť je hrubě nesprávný. Anuloid je rotační plocha vzniklá rotací kružnice a vypadá takto:
Někteří výrobci, toto základní provedení vylepšují o dodatečné prvky zlepšující vlastnosti zařízení. Jedná se o různé přepážky a překážky zamezující dvojitému proudění, jímku pro teploměr t a vylepšení pro oddělení kalů, například magnetické separátory.
Opravdový termohydraulický rozdělovač navržený podle pravidla 3d (např. [PET94]) vypadá takto:
20
Síla bez rozumu se vlastní vahou hroutí. Horatius
Čerpadla 3. Většinou se jedná o zbytečnou investici, neboť stávající čerpadla svým výkonem postačují a problém je v nerovnoměrné distribuci nebo technické závadě na spotřebiči. 4.Instalací čerpadla nezískáme žádné další informace o problému, takže pokud neuspějeme, jsme tam, kde jsme byli, došlo jen ke zbytečné investici.
Člověk by mohl nabýt dojmu, že nejpoužívanější metodou vyvažování v minulosti bylo přidávání pomocných čerpadel. Tato metoda má základní nevýhody: 1. I v případě, pokud dojde ke zlepšení na kritickém spotřebiči, nemáme záruku, že kritickým spotřebičem se nestane jiný. 2. Čerpadlo neustále spotřebovává elektrický proud. Většinou bývá v provozu po celou topnou sezónu, 24 hodin denně.
Podívejme se na charakteristiky sériového a paralelního zapojení smyšlených čerpadel. Do grafu jsou zakresleny také charakteristiky tří soustav 1 až 3.
2 1,8 1,6
Výtlaþná výška
1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
140%
160%
180%
200%
PrĤtok Jedno þerpadlo
2 sériovČ
2 paralelnČ
Soustava 1
Soustava 2
Soustava 3
Charakteristiky sériového a paralelního zapojení čerpadel.
V tabulce jsou dosažené průtoky při jednotlivých zapojeních. Soustava Jedno Sériově Paralelně Sériově Paralelně
šího odporu zapojení paralelní. Přírůstek průtoku v tomto zapojení bude pouhých 20%. Soustava 3 je vhodná pro paralelní zapojení a instalace druhého čerpadla přináší navýšení průtoku o 77%.
1 2 3 27% 63% 95% 37% 76% 98% 28% 76% 169% Přírůstek vůči jednomu čerpadlu 136% 120% 102% 103% 120% 177%
Dimenzování čerpadel Při dimenzování je třeba dbát na to, že čerpadla mají definován minimální a maximální průtok. Pokud je překročen maximální průtok, je přetěžován motor a dochází buď k vypadávání jeho ochran, nebo dokonce k jeho poškození. Pozor! Někteří výrobci umožňují u jednoho typu instalaci dvou motorů o rozdílném výkonu.
Soustava 1 vykazuje „velký” odpor. Druhé čerpadlo zapojené v sérii nezvýší průtok na dvojnásobek, ale jen na 136% průtoku s jedním čerpadlem. (Tlaková ztráta roste přibližně s druhou mocninou průtoku, proto dvojnásobný tlak znamená 141% průtoku.)
Ochrana čerpadla vyvažovacím ventilem
Soustava 2 je mezním případem. Pro soustavy s odporem vyšším je výhodnější volit sériové zapojení, v případě men-
Instalace vyvažovacího ventilu umožňuje nastavit a ověřovat požadovaný průtok a omezit jej tak, aby nebyl motor čer21
padla přetěžován. Tento ventil je partnerským ventilem větve a pro vyvážení soustavy je nezbytný. Partnerský ventil po vyvažování odregulovává přebytečný tlak. Pokud má čerpadlo možnost změny otáček, je možno jejich změnou a změnou nastavení partnerského ventilu dosáhnout úspory čerpací práce (Snaha partnerský ventil „uspořit” vede k tomu, že soustava jde vyvážit teoreticky, ale praktická pracnost je znemožňuje).
• Komfortní nastavování provozního režimu prostřednictvím DO. • DO umožňuje zajištění nastavených hodnot proti neoprávněné manipulaci. • Dálkové ovládání zobrazuje pracovní bod čerpadla v rámci jeho charakteristik. Díky tomu máme přesný přehled, o možnostech čerpadla a soustavy. • Dálkové ovládání poskytuje i orientační údaj o průtoku. Přesnost tohoto údaje není bohužel taková, aby čerpadlo mohlo nahradit partnerský ventil, ale v mnoha případech je informace užitečná. • Jsou dostupné další diagnostické údaje jako teplota média, elektrický příkon, doba běhu, záznamy o chybách.
Elektronicky řízená čerpadla Kromě schopnosti uspořit značné množství čerpací práce, poskytují elektronicky řízená čerpadla některé výhody i v procesu vyvažování. Pomocí dálkového ovládání (DO) je možno zjistit mnoho užitečných informací a nastavit nejvhodnější provozní režim.
Po dobu vyvažování je vhodné čerpadlo nastavit na režim s konstantním tlakem nebo konstantními otáčkami a zrušit noční úsporné programy.
• Dostatečně jemná regulace otáček umožňuje minimalizovat tlakovou ztrátu partnerského ventilu. 100%
Výtlaþná výška
80%
60%
40%
20%
0% 0%
20%
40%
60%
80%
100%
PrĤtoþné množství n max
dP-v
dP-c
Soustava
Charakteristiky čerpadla a pracovní bod
Po ukončení vyvažování nastavíme vhodný režim. Pokud nastavujeme proporcionální řízení, musíme najít vhodnou křivku kontrolou průtoku na partnerském ventilu nebo otáček čerpadla. Nastavení konstantního a proporcionálního tlaku se shodují jen na křivce maximálních otáček. Proto
nastavujeme vždy vyšší hodnotu proporcionálního tlaku, než tlaku konstantního. Maximální pracovní bod je ovšem stejný, obě křivky se v něm protínají.
22
Je lepší rozsvítit byť jen malou svíčku, než proklínat temnotu. Konfucius
Vyvažování začíná projektem
Návrh zdrojů a spotřebičů Příliš zjednodušující zásada říká: „Za větší dimenzi ještě nikoho nezavřeli.” Nám nezbývá než dodat: „Bohužel”.
Projektant musí:
Předimenzovat zařízení je stejnou chybou, jako je poddimenzovat. Jediný rozdíl je v tom, že projevy poddimenzování jsou okamžité, zatímco potíže z předimenzování jsou ve svých projevech vleklé.
1. správně navrhnout zdroje a spotřebiče 2. vybírá takové technické řešení, které zabezpečí, aby se požadavky rovnoměrně rozdělovaly mezi jednotlivá zařízení 3. přijímá opatření k tomu, aby se zařízení při změnách požadavků za provozu škodlivě neovlivňovala
Z navržených výkonů spotřebičů a zdrojů vyplývají potřebné průtoky. Tyto průtoky, které odpovídají maximálnímu provoznímu výkonu budou vstupním údajem pro následující fázi.
Když opice hodují v korunách a vrší své eskapády - padají veverky z dolních větví hlady. Indonézské přísloví
Nyní máme jednu větev hlavní a tři podružné. Vyvažování bude probíhat takto:
Rovnoměrná distribuce
1. Nejdříve vyvážím vůči sobě spotřebiče v podružných větvích. 2. Vyvážím vůči sobě jednotlivé podružné větve. 3. Nastavím průtok hlavní větví.
Rovnoměrné rozdělení média mezi jednotlivé spotřebiče zajistíme tak, že každý spotřebič bude mít vlastní vyvažovací ventil. Navíc je zde jěště jeden ventil, který je všem společný, budeme mu říkat partnerský.
Celkový průtok se pak rozdělí v určeném poměru do podružných větví a dále do jednotlivých spotřebičů v rámci podružných větví. Trik se „změnou” větve v koncový spotřebič se může uplatnit několikrát na různých úrovních: těleso - stoupačka - strana objektu - objekt - větev meziobjektového rozvodu - kotelna. Při vyvažování se vždy postupuje od „listů ke kmeni”. Tím, že se soustava takto rozčlení na více hierarchicky uspořádaných větví, získávám několik výhod: 1. Je snazší vyvážit několik menších soustav, než jednu rozsáhlou. 2. Případné změny pak zasahují menší část soustavy. Představme si například, že v našem obrázku jsou podružné větve objekty připojené na jednu výměníkovou stanici. Spotřebiče odpovídají stoupačkám. Naše schéma odpovídá koncovému stavu, kdy jsou instalovány všechny vyvažovací ventily. Ve skutečnosti jsou k dnešnímu datu osazeny a vyváženy jen první a poslední objekt, na prostředním objektu je osazen pouze partnerský ventil podružné větve. Hlavní větev je tedy také úplně vybavena a byla vyvážena. Pokud nyní bude dovybaven i prostřední objekt, tak vyvažován bude jen on a hlavní větev. Na nastavení vyvažovacích ventilů stoupaček prvního a posledního objektu není třeba nic měnit.
Pomocí partnerského ventilu můžeme regulovat průtok celou větví. Dá se odvodit, že pokud ventily větví jsou nastaveny na nějaký poměr průtoků, budou tento poměr zachovávat i při změnách celkového průtoku. Toho využijeme, když přejdeme na vyšší úroveň a větve použijeme jako spotřebiče.
Na nějaký čas ještě odložme otázku, jak prakticky dosáhnout správného rozdělení průtoků a načněme další problém. Doposud jsme pracovali s průtoky odpovídajícími maximálnímu požadovanému výkonu. Takový stav je sice nutno zabezpečit, ale svým trvaním se jedná o jev spíše výjimečný. Mnohé spotřebiče regulují svůj výkon změnou průtoku média a jejich odpor se proto mění. V důsledku toho se mění také tlakové poměry v celé soustavě. 23
• Dochází ke zvyšování dispozičního tlaku a s odmocninou tohoto tlaku ke zvýšení průtoku ostatními větvemi nad rámec jejich požadavků. • Tlak může narůst natolik, že termostatické ventily začnou hlučet.
• Pokud M1max < M2max, tak dochází ke směšování na nižší teplotu. Přenesený výkon je menší než možný. Nejvyšší výkon se předá za podmínky M1max = M2max. (Je dosažena nejvyšší střední teplota, neboť v přívodním potrubí je stejná, maximální teplota). Zvýšení výkonu v tomto případě dosáhneme snížením průtoku v sekundárním okruhu.
Projektant tedy musí řešit otázku, jak zamezit nežádoucímu vzájemnému působení.
V obou případech vyvažovací ventily V1 a V2 umožní zjištění skutečného stavu a umožní dosáhnout stavu optimálního.
Dvě hlavy na jednom krku se nikdy necítí akorát. Francouzské přísloví
Hydraulický zkrat některé mysli uvádí do stavu neklidu a nejistoty. Často můžeme pozorovat, jak místo toho, aby byly správně zaregulovány průtoky v obou okruzích vyvažovacím ventilem, tak se použije řešení levnější a jak se jim zdá - jistější. Do úseku, který má mít minimální tlakovou ztrátu se zařadí zpětná klapka (ještě poddimenzovaná) nebo regulační ventil (který obsluha zcela uzavře). Výsledkem bývá negativní dopad dvojího druhu:
Omezení vzájemného působení 1. Hydraulický zkrat 2. Stabilizace diferenčního tlaku přepouštěním 3. Membránový regulátor diferenčního tlaku 4. Membránový regulátor průtoku
1. Špatná regulační charakteristika směšování. 2. Uzavření zkratu mezi rozdělovačem a sběračem mívá za následek velký záporný tlak mezi rozdělovačem a sběračem, který znemožňuje dosažení požadovaného průtoku ve větvi s čerpadlem s nejmenší výtlačnou výškou. Větve se navzájem nepříznivě ovlivňují.
Hydraulický zkrat
Bývá realizován jako • termohydraulický rozdělovač (THR) • propoj mezi rozdělovačem a sběračem • součást směšovacích zapojení Provedeme analýzu zapojení se zpětnou klapkou místo vyvažovacího ventilu V2. 1. Nemůžeme zjistit hodnotu M2. Ovlivnit ji můžeme jen změnou otáček čerpadla, případně „regulací” klapkami a kulovými ventily. Pokud by se vyskytly problémy, budou nám chybět potřebné informace. 2. Pokud M1max>M2max, tak plynulá kvalitativní regulace probíhá opět pouze v rozsahu 0..M1max. Od M2 do M1max je zpětná klapka uzavřena a regulace se částečně mění na kvantitativní, která ovšem není schopna zajistit významný nárůst výkonu. Charakteristika je tak prakticky stejná, jako v případě se zkratem. Nedochází k protékání nadbytečného média M1-M2>0 do zpětného potrubí. Při nadbytku naproti tomu dochází k tlakovému ovlivňování sekundárního okruhu primárním okruhem, což může být nežádoucí. 3. Pokud M1max<M2max, je zpětná klapka stále otevřena a dochází ke směšování na nižší teplotu. M2 nemůžeme měřit, ani efektivně regulovat. Dosažení plného výkonu může být spojeno se značnými problémy.
Správná funkce závisí na poměru průtoků M1 primárního okruhu a M2 sekundárního okruhu. Protože oba průtoky jsou libovolně proměnné, zavedeme si pomocné veličiny M1max a M2max, označující maximální dosažitelné průtoky. Pokud není cílem směšování na nižší teplotu média, dosahujeme optimální funkci při: M1 max = M2 max Tuto podmínku naplníme nastavením vyvažovacích ventilů V1 a V2. Zabráníme tak chybovým stavům: • Pokud M1max>M2max, tak se topné médium bez užitku vrací do zpětného potrubí, zbytečně jej ohřívá a zvyšuje tepelné ztráty rozvodů. Možná také někde chybí. Při směšování pro kvalitativní regulaci se zužuje regulační rozsah, neboť pokud se M1 mění v rozsahu 0..M1max, tak ke změnám výstupní teploty média dochází pouze v rozsahu 0..M2max. Od M2 max do M1 max již regulujeme jen teplotu ve vratném potrubí. 24
Je zřejmé, že zpětná klapka může z principu potlačit pouze jeden projev nerovnováhy průtoků - změnu směru proudění a zabránit tak přepouštění přívodní topné vody do zpátečky. Tlak, který působí v nežádoucím směru ovšem působí nadále a může ovlivňovat další části soustavy. Instalace vyvažovacích ventilů umožní dosáhnout zlepšení, neboť bude žádoucí stav vymezen a kvalita regulace bude lepší, probíhajíc v plném rozsahu a dostatečně přesně. Více viz [HON01].
ny. Kontrolujeme tlak na patě větve a snižujeme nastavení tlaku, až dojde k jeho snížení, což je znamením, že přepouštěcí ventil otevírá. Pootočíme nastavovacím prvkem jenom o tolik, aby se původní stav obnovil. K určení nastavení můžeme také využít měření tlakové ztráty nebo průtoku vyvažovacím ventilem. V nabídce firmy Honeywell jsou přepouštěcí ventily: • DU 145 pro rozsah 10 až 60 kPa • DU 146 pro rozsah 5 až 50 kPa s vestavěným průhledovým indikátorem diferenčního tlaku. • DU 146M pro rozsah 5 až 50 kPa s vestavěným průhledovým indikátorem diferenčního tlaku a zvýšeným jmenovitým tlakem pro nasazení v systémech centralizovaného zásobování teplem.
Závěr: Správně provedené a umístěné hydraulické zkraty jsou důležitým prvkem zajišťujícím a umožňujícím správný provoz soustavy. Umožňují zamezit nežádoucímu vzájemnému ovlivňování.
Stabilizace diferenčního tlaku přepouštěním
Membránový regulátor diferenčního tlaku
Vychází z logické úvahy, že poměry v síti se nebudou měnit, pokud na všech odběrech bude stále stejný průtok. To zabezpečí přepouštěcí ventil, který se při zvýšení tlaku (vyvolaném poklesem průtoku spotřebičem) začne otevírat a „chybějící” průtok propustí. Často se tento způsob využívá ke stabilizaci tlaku na patě stoupačky.
Tento typ automatického regulátoru udržuje stálý rozdíl tlaku na spotřebiči při proměnném průtoku. Dociluje se toho ovládáním kuželky regulačního ventilu podle membrány na níž z jedné strany působí tlak před spotřebičem a z druhé strany tlak za spotřebičem. Silové působení na kuželku je potom úměrné rozdílu obou tlaků. Udržovaný tlak se nastavuje pružinou více či méně stlačovanou nastavovacím mechanismem se závitem.
Tento způsob má své výhody i nevýhody. • Spolehlivé a nehlučné. • Přijatelná cena. • Přepouštěné médium zvyšuje teplotu ve zpětném potrubí. Tato vlastnost je pro teplárenské společnosti mnohdy nepřijatelná. Pro zamezení nízkoteplotní koroze kotle je naopak žádoucí. • Menší přesnost udržovaného tlaku nebývá na překážku.
Důležité vlastnosti: • Nepřepouští žádné médium do zpětného potrubí, jsou přijatelné pro teplárenské společnosti. • Jsou dostupné pro široký rozsah průtoků. • Velmi dobrá přesnost stabilizace tlaku v širokém rozsahu průtoků. • Při malém průtoku tlak na zátěži roste a výrazně se zhoršuje kvalita regulace. Proto je nutno klást důraz na správné dimenzování, aby armatura nebyla předimenzována. • Regulační ventil je zařazen v sérii se spotřebičem - dochází ke zvýšení tlakové ztráty okruhu. Toto někdy vede k chybné snaze použít větší dimenzi. • Většina typů může být montována jen a pouze do zpětného potrubí.
Ventil správné velikosti se vybírá podle maximálního průtoku. V průtokovém diagramu při nulovém průtoku vybereme křivku odpovídající požadovanému tlaku a zkontrolujeme tlak při jmenovitém průtoku. Pokud je nepřijatelně vysoký můžeme použít větší dimenzi. Před přepouštěcím ventilem musí být instalován vyvažovací ventil, který umožní omezení průtoku. Přepouštěcí ventil se instaluje na začátku větve (blíže ke zdroji). Vypouštěcí kohouty umožní měření tlaku na patě větve.
Tento typ regulátorů se široce používá pro stabilizaci tlaku pro zamezení hlučnosti termostatických ventilů. Regulátory diferenčního tlaku se osazují na patě stoupačky, nebo objektu. Kritériem k rozhodnutí, na které úrovni bude regulace prováděna, je to, pro kterou část rozvodu postačuje tlak „hlukově bezpečný”. Za mezní hodnotu považujeme přibližně tlak 15 kPA. Byly ovšem zaznamenány případy hlučnosti při tlacích kolem 8 kPa, stejně jako bezproblémová funkce při 25 kPa a více.
Postup při vyvažování: 1. Přepouštěcí ventily se nejdříve nastaví na maximální tlak, aby skrz ně neprotékalo žádné médium. 2. Provede se vyvážení - nastavení průtoků. 3. Přepouštěcí ventily se jeden po druhém se nastaví tak, aby při požadovaném průtoku a tlaku byly právě uzavře25
tlaku a membránové regulátory diferenčního tlaku budou instalovány. 2. Provede se nastavení tlaků na patách větví. 3. Tam, kde jsou vyvažovací ventily, nastaví se průtoky spotřebičů ve větvích. 4. Pokud ve větvi nejsou žádné vyvažovací ventily, například větev je stoupačka jen s termostatickými ventily, dá se měření za skutečného provozního stavu provést jen červeném Kombi-3-Plus za použití výše zmiňovaného přípravku. Možnost měření průtoku po demontáži membránového regulátoru je zachována.
Ventil vybíráme ten, který má nejnižší vyšší hodnotu maximálního průtoku. Do hydraulického výpočtu nesmíme zapomenout zařadit jeho tlakovou ztrátu. Firma Honeywell dodává následující typy: 1. Ventil Kombi-2-Plus s membránovým regulátorem diferenčního tlaku. • Montáž membránového regulátoru významně mění užití ventilu i závislost Kv na nastavení. • Protože na kuželku působí membránový regulátor ztrácí ventil s namontovaným regulátorem schopnost měření průtoku. • Ventil s namontovaným membránovým regulátorem musí být nastaven na hodnotu nejvýše 1,5 pro DN 1525 nebo 1,0 pro DN 32-40. • Je nutno zabezpečit propojení regulátoru kapilárou s přívodním potrubím buď ventilem Kombi-3-Plus s černou krytkou a připojovacím adaptérem nebo vytvořením odbočky s kulovým kohoutem. Připojení kapiláry je vhodné směrovat do boku, aby s kapilára nezavzdušňovala, ani neplnila usazeninami. (Kapilárou neprotéká trvale médium, jenom se „posouvá” malé množství média při změnách tlaku.) 2. Dvojice ventilů Kombi-3-Plus s membránovým regulátorem diferenčního tlaku namontovaném na ventilu s modrou krytkou. Na ventilu s červenou krytkou je připojovací adaptér pro kapiláru. • Montáž membránového regulátoru mění závislost Kv „modrého” ventilu na nastavení. • Měření průtoku na ventilu s červenou krytkou je v principu možné, ale vyžadovalo by zvláštní přípravek, který není zatím k dispozici. • Ventil s namontovaným membránovým regulátorem musí být nastaven na hodnotu nejvýše 1,5 pro DN 1525 nebo 1,0 pro DN 32-40. • Ventil s modrou krytkou s namontovaným membránovým regulátorem musí být nastaven na hodnotu nejvýše 1,5 pro DN 15-25 nebo 1,0 pro DN 32-40. • Montáž membránového regulátoru se dá provést i dodatečně, za plného provozu. 3. Ventil s uzavírací a vypouštěcí funkcí V5016 Kombi-PC. • Je nutno zabezpečit propojení regulátoru kapilárou s přívodním potrubím buď ventilem Kombi-3-Plus s černou nebo červenou krytkou a připojovacím adaptérem • Měření průtoku na ventilu s červenou krytkou je v principu možné se zvláštním přípravkem. 4. Regulátory diferenčního tlaku V2500 a regulátory s pevným nastavením V2520 a V2560. • Axiální konstrukce zabírá velmi málo prostoru. • Jmenovitý tlak PN 25 • Nízký hluk • Je nutno zabezpečit propojení regulátoru kapilárou s přívodním potrubím vytvořením např. odbočky s kulovým kohoutem. • Není vybaven uzavírací funkcí. Za armaturou (ve směru toku média) je nutno umístit uzavírací armaturu. • Nedá se měřit průtok armaturou. Za tímto účelem je vhodné instalovat do přívodního potrubí alespoň červený Kombi-3-Plus.
Postup při vyvažování s V2500 a vyvažovacím ventilem: 1. Kapilára regulátoru diferenčního tlaku (RDT) se nezapojuje. RDT je proto zcela otevřen.
2. Provede se vyvážení - nastavení průtoků. 3. RDT se jeden po druhém se nastaví tak, aby při požadovaném průtoku a tlaku právě začínaly zavírat. Kontrolujeme tlak na patě větve a snižujeme nastavení tlaku, až dojde k jeho snížení, což je znamením, že regulátor diferenčního tlaku (RDT) začíná regulovat. Pootočíme nastavovací maticí jenom o tolik, aby se původní stav obnovil. K určení nastavení můžeme také využít měření tlakové ztráty nebo průtoku vyvažovacím ventilem.
Membránový regulátor průtoku V principu se jedná o membránový regulátor diferenčního tlaku udržující konstantní diferenční tlak na regulačním ventilu nebo clonce. Protože jsou tlak i odpor vestavěného regulačního ventilu konstantní, je udržován konstantní průtok. Vestavěný regulační odpor mívá stupnici přímo v průtoku. Protože je „zátěž” součástí armatury, může být montována do přívodního i zpětného potrubí. Použití • Omezení průtoku na sjednané množství - špičkový výkon. • Stabilizace jednotrubkových soustav a jiných spotřebičů s konstantním průtokem. Dimenzování se provádí podle požadovaného průtoku. Honeywell nabízí tyto výrobky: 1. Regulátor průtoku V5015 Kombi-FC umožňuje uzavírání a vypouštění. 2. Regulátor průtoku V2520 pro PN25 a maximální diferenční tlak až 1600 kPa
Postup při vyvažování s Kombi-2-Plus a Kombi-3-Plus: Nastavování se provádí dle stupnic. Pro kontrolu skutečné hodnoty průtoku by bylo vhodné instalovat Kombi-3-Plus s červenou krytkou.
1. Ventily s modrou krytkou jsou nastaveny na hodnoty požadované pro membránový regulátor diferenčního 26
Nevěřte všemu, co se Vám k věření předkládá. Zkoumejte vše a přesvědčujte se o všem sami! J. A. Komenský
toku měly stejnou tlakovou ztrátu, řekněme 5 kPa, dosáhnu na všech měřitelného průtoku a tak získám alespoň trochu vyhovující počáteční stav. Výhodou řešení je, že alespoň částečně se opírá o požadované průtoky a že se dá realizovat v polních podmínkách, bez počítače. Nevýhodou je, že je náročné na schopnosti vyvažujícího a na čas. • Nabyvše ještě více odvahy, přijmeme již velmi odvážný předpoklad, že přijatelným výchozím stavem je stav, kdy jsou všechny armatury nastaveny stejně. U armatur Kombi 2+ a Kombi-F volíme polovinu z maximálního počtu otáček, u armatur Kombi 3+ volíme maximální otevření. Výhodou je jednoduchost realizace, nevýhodou větší pravděpodobnost problémů. 7. Všechny armatury regulující průtok (regulační ventily, radiátorové ventily a regulační šroubení) budou otevřeny naplno, pokud projekt nepředepisuje jinak. 8. Většinou budou uzavřeny ostatní větve na rozdělovači, s výjimkou té, kterou začínáme vyvažování. Toto opatření má za cíl zajistit maximální dostupný tlak a tím i průtok. Důležité zvláště pokud jsou armatury nastaveny podle „odvážných” předpokladů. 9. Automaticky regulující armatury nastavte na maximální průtok, který by měl odpovídat jejich normálnímu pracovnímu bodu. Výjimku tvoří přepouštěcí ventily připojené paralelně k zátěži, které budou uzavřeny (nastaveny na maximální přepouštěcí tlak). Z radiátorových ventilů sejměte termostatické hlavice. Ověřte otevření uzavíracích šroubení a nastavení předregulace radiátorových ventilů. Trojcestné ventily přestavte do potřebné polohy. 10.Ověřte funkčnost čerpadel, zda jsou správně orientována, točí se správným směrem a správnými otáčkami.
Vyvažování hotového díla Ač průtah vyvolává nevoli, vede k moudrosti. Publilius Syrus
Příprava vyvažujícího na vyvažování 1. Prostudujte si dokumentaci soustavy. • Zkontrolujte dodržení pravidel návrhu. • Vyberte vhodné vyvažovací metody pro jednotlivé větve. • Promyslete si postup prací. • Připravte si systém značení, pokud vhodný nebyl zvolen už ve stádiu přípravy projektové dokumentace. • Často se vyplatí vytvořit si pomocné výkresy a tabulky, které přehledně a ve zhuštěné formě obsahují potřebné údaje. 2. Připravte si datové formuláře a potřebné vybavení. • Ověřte, že potřebné měřící, komunikační aj. přístroje mají čerstvé baterie neb nabité akumulátory, kompletní a funkční příslušenství. • Připravte si potřebné pomůcky: např. klíče, imbusy (3!), šroubováky, kličky, inspekční zrcátko, svítilna, dálkové ovládání čerpadla, štafle, siky kleště, psací potřeby, přiměřený oděv a obuv. • Připravte si dokumentaci soustavy, výpočtové tabulky, formuláře, návody a katalogové listy použitých prvků. • Dohodněte přístup do potřebných prostor. 3. Ověřte, zda reálné provedení soustavy odpovídá dokumentaci a zda je soustava připravena k měření. • Zkontrolujte typ, provedení a umístění vyvažovacích armatur, (Kombi 3+ červený-přívod, modrý-zpátečka, médium pod kuželku), přípojné vedení regulátorů tlakové diference. Osazení měřicích vývodů u ventilů Kombi-F. • Zkontrolujte typ, a umístění orientaci regulačních armatur, trojcestných a přepouštěcích ventilů, • Ověřte, zda obsluha provedla řádné odvzdušnění soustavy a vyčistila filtry. 4. Ověřte statický tlak v soustavě, aby nedocházelo k zavzdušňování a kavitaci. Odvzdušnění musí být provedeno důkladně se střídavým vypínáním a zapínáním čerpadel. Zvláštní pozornost věnovat nejvyšším místům rozvodu. 5. Zkontrolujte nastavení všech uzavíracích armatur do provozní polohy. Musí být plně otevřeny nebo zavřeny podle požadavků normálního provozního stavu, který většinou odpovídá požadavku maximálního výkonu. 6. Prověřte, zda všechny vyvažovací armatury jsou přednastaveny na projektové hodnoty. Jestliže tento údaj „takzvaný” projektant není schopen předat, jsou možná tři řešení seřazená od nejpřesnějšího k nejodvážnějšímu: • Vyvažující provede hydraulický výpočet sám. Toto řešení má výhodu v tom, že vyvažující má po provedeném výpočtu o soustavě dokonalou představu, která mu umožňuje efektivní postup při vyvažování. Nevýhodou je, že se jedná o práci, kterou měl udělat někdo jiný a proto s ní není počítáno ani s časem, ani s penězi. Toto řešení také často ztroskotá na naprosté nemožnosti zjistit potřebné údaje. • Postup vychází z „odvážného” předpokladu, že pokud všechny ventily nastavím tak, aby při požadovaném prů-
Kdo dbá, ten má. F. L. Čelakovský: Mudrosloví národu slovanského ve příslovích.
Příprava soustavy na vyvažování 1. Vyvažujícímu bude předána dokumentace soustavy. Dokumentace musí odpovídat skutečnému stavu a musí obsahovat alespoň tyto minimální údaje: • Schéma zapojení se specifikací použitých součástí. • Statický tlak v soustavě, použité médium, teploty v přívodním a zpětném potrubí (teplotní spád). • Typy, dimenze a výchozí nastavení vyvažovacích armatur, velikosti požadovaných průtoků a tlaků. 2. Soustava bude připravena na vyvažování. Většina kroků je stejná jako u řádného uvádění soustavy do provozu (prováděné údržby) a nelze je tedy považovat výlučně za vynucené vyvažováním. • Soustava bude prověřena, zda zhotovení odpovídá předané dokumentaci, zda byly nainstalovány prvky dle specifikace v místech dle dokumentace a zda jsou vyvažovací armatury vybaveny měřicími vývody (pokud jsou na trhu také armatury bez těchto vývodů). • Při zhotovení musí být dbáno na dostatečný prostor pro přístup k armatuře, možnost odečítání nastavení a nastavování a dostatečný prostor pro připojení měřicího přístroje k armatuře. • Soustava bude napuštěna vhodným médiem a bude v ní udržován patřičný provozní přetlak. • Budou zprovozněna oběhová čerpadla, ověřen správný smysl otáčení (špatný směr otáčení byl zaznamenán i u jednofázového čerpadla!) a nastavena na projektem předepsané hodnoty. (S výjimkou uvedenou dále.) 27
• Soustava bude řádně odvzdušněna. Je zcela nezbytné, aby toto bylo provedeno obzvláště důkladně, nejlépe s vypínáním a zapínáním čerpadel. (Střídání shromažďování bublinek a „vyhánění" ze špatně vyspádovaných úseků.) Zvláštní pozornost musí být věnována nejvyšším místům rozvodu a tělesům. Řádné odvzdušnění není jednorázový akt, ale proces, který musí nějakou dobu probíhat, dokud není zřejmé, že je úspěšný. I pak by musí být odvzdušnění kontrolováno a v případě potřeby zopakováno. Zdůrazňuji, že nedostatečně provedené odvzdušnění významně zhoršuje kvalitu měření a může je i zcela znehodnotit. Je to jedna z nečastějších příčin stížností na špatnou funkci soustavy. • Budou vyčištěny všechny filtry. I toto opatření je vhodné opakovat, dokud nezůstávají filtry opravdu čisté. Při uvádění do provozu jsou z potrubí vyplavovány zbytky maziv a konzervačních přípravků a ty mají tendenci vytvářet na sítku nepříliš dobře pozorovatelnou vrstvu, která ovšem významně zmenšuje účinný průřez. Sítka je proto vhodné pečlivě čistit kartáčem. Při rekonstrukcích zase dochází k vyplavování usazených nečistot. I v tomto případě může malé množství pilin významně zhoršit provozní podmínky. • Vyvažovací armatury a radiátorové ventily budou nastaveny na hodnoty předepsané projektem. Nastavení bude provedeno až po vypláchnutí soustavy a zbavení volných nečistot. Velká část problémů svázaných s instalací termostatických ventilů je způsobena předčasným nastavením předregulace a osazením termostatických hlavic. • Bude ověřena možnost ovládat ventily ovládané servopohony. Pro účely vyvažování je nutná možnost přestavení do krajních poloh buď ručně, nebo pokynem z velínu. • Všechny ostatní armatury budou nastaveny do provozní polohy. Bude provedena provozní zkouška, která umožní předem vyloučit triviální závady jako uzavřené nebo neprůchozí větve, uzavřená šroubení na tělesech, záměny přívodního a zpětného potrubí a otočené třícestné ventily. Všechny tyto závady bývají odhaleny vyvažováním, ale většinou znamenají nutnost opakovat měření, což vede k prodražení a ke zpoždění v dokončení díla, neboť diagnostika závad je proces časově mnohem náročnější, než vyvažování. 3. Před vyvažováním je nutno některé práce nedokončovat. • Na tělesech nebudou osazeny termostatické hlavice. Pokud již osazeny byly, je nutno je sejmout. • Dynamické vyvažovací armatury nebudou před započetím vyvažování uváděny do provozu nebo budou vyřazeny z činnosti. (Uvádění těchto armatur do provozu je předmětem pokročilejších fází vyvažování.) • Přepouštěcí ventily budou nastaveny na maximální tlak. • Regulátory průtoku budou nastaveny na maximální průtok. • Regulátory diferenčního tlaku budou vyřazeny z činnosti odpojením (uzavřením) impulzního potrubí. Pokud je impulzní potrubí připojeno přes uzávěr, stačí neotevírat tento uzávěr. Pokud již byl otevřen, je třeba uzavřít jej a zbavit impulzní potrubí tlaku. • Tepelná izolace armatur musí být provedena tak, aby byl minimálně po dobu vyvažování zajištěn přístup k měřicím vývodům. Pokud je to v rozporu s možnostmi parotěsného provedení izolace chladu, je nutno konečné provedení této izolace odložit na dobu po
dokončení vyvažování a počítat s časovou rezervou na její provedení. • Na elektronicky řízených čerpadlech nebudou po dobu vyvažování nastaveny úsporné programy. Budou provozována buď s konstantním tlakem, nebo s konstantními otáčkami. • Systém měření a regulace nesmí po dobu vyvažování ovlivňovat měření. Regulační ventily musí být po dobu měření v definované poloze. (Většinou se vyvažuje v obou krajních polohách.) Z tohoto důvodu nelze vyvažování provádět v době komplexních zkoušek systému MaR. • Požadavek na nastavení regulačních prvků do krajních poloh vede k nemožnosti regulovat po dobu vyvažování na požadovanou hodnotu. Může proto docházet k přetápění, či naopak k podchlazení. Vhodnými organizačními opatřeními a technickými postupy je možno negativní dopady minimalizovat. • Neumisťovat pod měřicí body materiály, jež mohou být poškozeny uniklým médiem. Jedná se o pár kapek, jež unikají při připojování a odpojování měřicího přístroje. Ohroženy jsou papír, světlé jednobarevné nasákavé materiály, elektrická zařízení. Pokud nemohou být přemístěny, je nutno zajistit jejich překrytí igelitem. 4. Po dobu vyvažování bude k dispozici osoba schopná zajistit následující funkce: • Zajistit plynulý přístup do všech prostor, kde bude prováděno vyvažování a umožnit přístup až k armatuře samé. • Bude se v místě orientovat, bude mít přehled, kde jsou zařízení fyzicky umístěna a jak je k nim zajištěn přístup. • Bude disponovat technickým vybavením pro zajištění přístupu: štafle nebo žebříky, bílé rukavice na podhledy, kličky, háky, svítilna. • Bude schopen kontaktovat osoby s nimiž bude nutno spolupracovat a zajistit v součinnosti s nimi řešení problémů (např. objednavatel, stavbyvedoucí, klíčník, MaR, velín, montéři topení, elektro, projektant). • Zajistí suchý nezamrzající prostor pro bezpečné uložení vybavení a dokumentace mezi jednotlivými měřeními pokud možno se zásuvkou 230 V pro nabíjení vybavení.
28
Nevěřte všemu, co se Vám k věření předkládá. Zkoumejte vše a přesvědčujte se o všem sami!. J. A. Komenský
7. Dokud nejsou nastaveny všechny ventily vracíme se k bodu 5.
Vyvažovací metody
8. Nyní jsou vzájemně vyváženy všechny ventily ve větvi. Dále již budeme jen partnerským ventilem nastavovat průtok větví.
S libovolným měřicím přístrojem schopným měřit průtok mohou být použity následující metody [PET94] pro vyvažování dvoutrubkových soustav:
Metoda kompenzační Tato metoda je vylepšením metody proporční a je velmi výhodná, pokud známe předem, který ventil je referenční. Výhodou je, že každý ventil nastavujeme jen jednou, rovnou na správnou hodnotu. Nevýhodou je, že musíme být schopni realizovat nastavování průtoku referenčním ventilem pomocí změn nastavení partnerského ventilu. Ty mohou být prostorově dost odlehlé a tak je někdy nutno až tří pracovníků a dvou měřicích přístrojů. Jeden pracovník u referenčního ventilu měří průtok a dává pojítkem pokyny ke změnám nastavení partnerského ventilu. Třetí osoba provádí nastavování jednotlivých spotřebičů s druhým měřicím přístrojem.
• iterační • proporční • kompenzační Metoda iterační Tato metoda se dá provádět v jedné osobě s jedním přístrojem. 1. Všechny vyvažovací ventily otevřeme na maximum nebo na nastavení, kdy je na nich dostatečný tlak pro přesné měření při jmenovitém průtoku. (Pokud je jejich nastavení předepsáno projektem může být lepší tento bod přeskočit a přejít přímo k bodu 4.)
1. Referenční ventil nastavíme tak, aby při požadovaném průtoku měl minimální, ale přesně měřitelný tlakový úbytek. Často se používá hodnota 3 kPa.
2. Nastavíme průtok vyvažovanou větví na cca 110%, tak, aby nedošlo k přetížení oběhového čerpadla.
2. Nyní partnerským ventilem nastavíme požadovaný průtok referenčním ventilem.
3. Procházíme od míst, kde se dá očekávat nadprůtok (velké spotřebiče blízko paty větve) směrem ke koncovým větvím a upravujeme průtoky. Vyvažovací ventily spotřebičů s podprůtokem necháváme otevřené. Průtok spotřebiči s nadprůtokem omezíme na cca 90%.
3. Partnerským ventilem udržujeme konstantní průtok referenčním ventilem a tím kompenzujeme změny vyvolané nastavováním dalších ventilů.
4. Průtok větví nastavíme mezi 100 a 105%
Postupně nastavujeme další ventily. Pokud se na ventilu nedaří průtok dosáhnout, tak buď se jedná o technickou závadu, nebo jsme špatně určili referenční ventil. (Pro určení referenčního ventilu je také možno použít proporční metodu.)
5. Větve s nadprůtokem zaregulujeme na projektovou hodnotu. Opakujeme bod 4, dokud nedosáhneme požadované přesnosti.
Společné body
Metoda proporční
Je vhodné včas zvážit, zda podprůtoky nemají příčinu například v ucpaných filtrech.
Tato metoda se dá provádět v jedné osobě s jedním přístrojem. Navíc vyžaduje alespoň tužku, papír a kalkulačku. Body 1 a 2 jsou shodné s metodou iterační.
Aby byl zabezpečen dostatečný průtok a tlak pro měřenou větev, bývají někdy sousední větve po dobu měření zavírány.
3. Měříme na všech ventilech a poznamenáváme si podíl průtoku naměřeného a projektovaného λ=Qměř/Qpož.
Souproudý rozvod je možno vyvažovat pouze trpělivým obcházením. Souproudý rozvod neřeší všechny problémy „sám” a pro vyvažování je zcela nevhodný. Pro nové soustavy jej nelze doporučit.
4. Zjistíme spotřebič s nejhorším poměrem λ a ten budeme dále zvát referenční. (Pozor! Referenčním se může spotřebič stát nejen v důsledku kumulace různých odchylek, ale také technickou závadou. Je-li poměr ve srovnání s ostatními odběry výrazně nižší, než by odpovídalo předpokladům, je na místě spíše hledat závadu. Viz diagnostika.) 5. Nastavíme průtok dalším spotřebičem tak, aby měl stejný podíl λ jako spotřebič referenční. 6. Nastavením dalšího spotřebiče byl částečně ovlivněn poměr λ na referenčním ventilu. Musíme jej změřit a při další práci použijeme novou hodnotu λ. Pokud došlo k významné změně, opravíme nastavení ventilu, který změnu vyvolal, aby oba ventily byly nastaveny na stejný poměr ?. 29
Spatříš-li zajíce, jak rozhrabává psí hrob, máš před sebou leopardí mládě. Indické přísloví
narůstá. Pokud tlak narůstá až když je ventil téměř uzavřen, je v okruhu ventilu velký odpor. 5. Pokud je tlak na vyvažovacím ventilu velký a při změně nastavení se mění jen nepatrně, může být ucpaný vyvažovací ventil. V tomto případě Vám měřicí počítač bude indikovat dostatečný průtok, ale nebude to pravda, neboť nečistota nedefinovaným způsobem sníží hodnotu Kv. (Měřicí počítač neměří přímo průtok, ale počítá jej z Kv hodnoty odpovídající nastavení a změřeného rozdílového tlaku na ventilu.)
Diagnostika Osazení vyvažovacích armatur a použití měřicího počítače je velkou pomocí při vyhledávání závad v soustavě. Několik příkladů z praxe.
Identifikace vadné větve
Závada ve směšovacím okruhu
Předpokládejme, že dosáhneme rovnoměrného rozdělení průtoků mezi větve, jak je zaznamenáno v následující tabulce.
Měřicí vývody vyvažovacího ventilu mohou pomoci k získání potřebných informací. V následujícím případě jsme dokonce schopni určit všechny tlaky v okruhu.
V1 V2 V3 V4 V5 Qpož [m3/h] 3,50 3,70 4,50 2,50 6,50 Qskut [m3/h] 3,10 3,32 3,83 2,17 5,83 Poměr 88,48% 89,79% 85,19% 86,64% 89,76% dp [kPa] 32,50 28,20 25,50 1,10 24,00 Ventily větví V1-V3 a V5 jsou velmi zaškrceny, mnohem více, než uvádí projekt. Ventil V4 je maximálně otevřen. Průtok přesto není dosažen. Závěr Větev V4 vykazuje větší odpor, než odpovídá projektu. V uvedeném případě bychom těsně dosáhli patnáctiprocentního tolerančního pásma, ale bylo by vhodnější zjistit příčinu, neboť:
Nalezení závady ve větvi
1. Jsme schopni určit tlak vyvozovaný čerpadlem. Měřit budeme mezi vypouštěcím kohoutem na přívodním potrubí a měřicím vývodem vyvažovacího ventilu blíže ke zkratu. 2. Na vypouštěcích kohoutech změříme tlakovou ztrátu větve. 3. Mezi vypouštěcím kohoutem na zpětném potrubí a měřicím vývodem vyvažovacího ventilu blíže k filtru naměříme tlakovou ztrátu filtru. 4. Na vyvažovacím ventilu naměříme tlakovou ztrátu ventilu a jsme schopni určit i průtok.
Musím nalézt místo, kde je tlaková ztráta příliš velká.
Sběr doplňujících údajů
1. Problémy mají tendenci se zhoršovat. Je-li něco „přicpaného”, tak dříve nebo později připlave něco, co větev ucpe zcela. 2. Odhalením závady bychom mohli snížit výtlačnou výšku čerpadla a tím uspořit čerpací práci.
Často se stává, že vyvažovací ventil nebo potřebné měřicí body chybí. Pak mohou pomoci následující postupy. • Průtok bývá přesně měřitelný pomocí průtokoměru měřiče spotřeby tepla. Novější elektronické kalorimetry jsou schopny zobrazit průtok, teplotu v přívodním a zpětném potrubí, teplotní rozdíl a okamžitý výkon. Jejich odezva je bohužel v řádu minut, takže jejich využití pro nastavování je tímto velmi znepříjemněno. Na starších provedeních průtokoměru se dá průtok určit sledováním počitadla a měřením času pomocí stopek. • Velmi hrubě se dá průtok posuzovat podle údajů elektronicky řízených čerpadel. • Někdy poskytnou cenný údaj ručkové tlakoměry. Často je ovšem (vzhledem k vysokému statickému tlaku v místě jejich umístění) tlakový rozdíl, který nás zajímá, spíše pouze prokazatelný, než měřitelný. • Měřicí vývody mohou být získány také připojením na kulové kohouty odvzdušňovací nádoby nebo demontáží manometrů.
1. Změřím na vypouštěcích ventilech na patě větve dispoziční tlak. Tím vyloučím špatně provedené odbočky. 2. Ověřím průtoky všech spotřebičů. Tím vyloučím, že zvýšený odpor je způsoben uzavřením, či ucpáním některých spotřebičů. 3. Změřím dispoziční tlak na vypouštěcích ventilech na spotřebičích. Porovnáním s projektem danými hodnotami ověřím, že spotřebič se chová očekávaným způsobem. 4. Změřím tlaky na uzavřených vyvažovacích ventilech (Kombi-2-Plus a Kombi-F-II). Ověřím tak velikost tlaku, při nulovém průtoku. Při uzavírání sleduji, jak tlak 30
Dobré je nepřítelem lepšího.
Otázka nemůže být hloupá. Hloupá může být jenom odpověď.
Optimální vyvážení
Často kladené otázky
Vyvážení můžeme považovat za dobré, pokud jsou splněny tři podmínky.
Proč mám vyhazovat peníze za termostatické ventily? Nevyplatí se mi to, neuspořené teplo klidně zaplatím.
1. Průtok všech spotřebičů je blízký průtoku projektovanému. 2. Všechny spotřebiče mají podobný poměr mezi průtokem skutečným a požadovaným. (Automaticky splněno pokud Ms=Mp.) 3. Na vyvažovacích ventilech není zbytečně vysoký tlak. Pak je možno uspořit značnou čerpací práci.
Tlak na úspory energie „za každou cenu” je projevem rostoucí odpovědnosti společnosti vůči budoucím generacím. Cena energie není reálná, neboť neumožňuje reprodukci statku. Používáme převážně neobnovitelné zdroje energie. S trochou nadsázky by se dalo říci, že současné ceny energií mají spíše charakter odměny pro zloděje, který okrádá budoucí generace. Vytěžené uhlí, ropu, plyn ani uran si nepůjčujeme. Jednou provždy je maříme a otravujeme s nimi vzduch, vodu i zemi.
Na příkladě si ukážeme případ, kdy první dvě podmínky jsou splněny a třetí ne. Ukážeme si též, jak v tomto případě postupovat. Pokračujme na soustavě z diagnostiky. Podařilo se odstranit závadu na větvi V4 a proporční metodou byl její průtok upraven na hodnotu srovnatelnou s průtoky ostatních větví. V1 V2 Qpož [m3/h] 3,50 3,70 Qskut [m3/h] 3,10 3,32 Poměr 88,48% 89,79% dp [kPa] 32,50 28,20
Od instalace termostatických ventilů těleso hřeje jen nahoře a dole je studené. Kde se dovolám pomoci?
V3 V4 V5 4,50 2,50 6,50 3,83 2,24 5,83 85,19% 89,53% 89,76% 25,50 24,8 24,00
Smyslem termostatizace je úspora energie. Pokud je proto v místnosti dosažena požadovaná teplota a výkon tělesa je proto omezen, je to důkaz správné funkce. Smyslem vytápění zajisté není zbůhdarma hřející otopné těleso, ale dosažení tepelné pohody.
Snadno nahlédneme, že pokud by se podařilo „více otevřít” vyvažovací ventily, dosáhli bychom nyní nejspíše požadovaného průtoku. Buď bychom mohli provést vyvážení znovu a obcházet jeden ventil za druhým. Můžeme ovšem s výhodou využít právě toho, že body 1 a 2 jsou splněny.
Pokud si ovšem uživatelé pod pojmem dosažení tepelné pohody představují možnost chodit po bytě jen v trenýrkách, pak je osazení termostatických ventilů opravdu rozladí. Ani v tomto případě se ovšem nejedná o závadu v pravém slova smyslu. Vnitřní teplota v obytných místnostech se uvažuje 20°C a není žádoucí a většinou ani možné ji zvyšovat. Zvýšení teploty o 1 K vede k nárůstu spotřeby výkonu o cca 3% a bývá na úkor výkonu v jiné části soustavy. Veškerý smysl nasazení regulace by tak byl popřen.
Nejmenší tlak je na ventilu spotřebiče V5 a je to proto ventil referenční. Zvolíme na něm tlakovou ztrátu 3 kPa. 24 - 3 = 21. Tlak na všech ventilech snížím o 21 kPa a napíši si je do tabulky jako dp'. Z Qpož a dp vypočtu Kv.
Qpož [m3/h] dp [kPa] dp' [kPa] Kv' [m3/h]
V1 3,50 32,50 11,50 10,32
V2 3,70 28,20 7,20 13,79
V3 4,50 25,50 4,50 21,21
V4 2,50 24,80 3,80 12,82
V5 6,50 24,00 3,00 37,53
Třetí možností je, že soustava opravdu není schopna dodat potřebný výkon. Dále uvádím nejčastější závady: • Soustava nebyla řádně propláchnuta a ventily jsou ucpány. Ihned po montáži ventilu byla nastavena předregulace a nasazena hlavice. Důsledkem je zanesení radiátorového ventilu nečistotami. • Zanesené filtry. • Soustava nebyla řádně odvzdušněna. • Zadřené nebo jinak nefunkční čerpadlo.
Pomocí výpočtového programu, nebo katalogového listu určím ke Kv nastavení vyvažovacího ventilu, které provedu. Partnerským ventilem nastavím požadovaný průtok. Ověříme průtoky a pak můžeme říci, že jsme dosáhli optimálního nastavení.
Pokud soustava nebyla dostatečně propláchnuta bez nastavené předregulace a se sejmutými hlavicemi, je nutno toto učinit dodatečně. Musí se sejmout hlavice, zrušit přednastavení, nechat médium cirkulovat, dokud se nečistoty neusadí ve filtrech a kalnících a až poté nastavit regulaci a nasadit hlavice. Jestliže nečistota nemůže projít ani zcela otevřeným ventilem, je možno pomocí speciálního přípravku ventilovou vložku vyjmout a vyčistit i bez vypouštění soustavy. 31
Kam tedy mám dát ten ventil?
Literatura
Ventily jsou umisťovány tak, aby bylo možno nastavit všechny potřebné průtoky a jejich poměry. Zvolené schéma musí umožňovat vyvážení a to nejen teoreticky, ale i prakticky a efektivně. Je též velmi vhodné umisťovat ventily dle hlediska logického členění soustavy, např. oddělit strany levou a pravou apod.
[BRO80] Brož, J. - Roskovec, V. - Valouch, M.: Fyzikální a matematické tabulky. SNTL Praha 1980 [GAS01] kol.: Topenářská příručka. GAS s. r. o. 2001
Jak velký tlak mohu ztrácet na ventilu?
[CIH75] Cihelka, J. - kol.: Vytápění a větrání. Druhé přepracované a doplněné vydání. SNTL Praha 1975. (Další vydání v roce 1985)
Řešením této otázky bohužel nemůže být nějaké číslo nebo předpis. Tlaková ztráta ventilu je omezena ze dvou stran. Minimální tlaková ztráta na regulačním ventilu je omezena požadavkem autority ventilu a přesností měření na měřicích ventilech. Pro radiátorový ventil je vhodné zvolit minimální tlakovou ztrátu tak, aby dynamický tlak od oběhového čerpadla byl svým účinkem významnější, než samotížný vztlak. Maximální tlaková ztráta je omezena potížemi, které způsobuje neustále mařená energie. Většinou se projevuje hlukem, ale může dojít i k poškození ventilu způsobenému kavitací. Hranice, kdy dochází k zvýšené hlučnosti není bohužel dostatečně definována. Z fyzikálního hlediska zde působí příliš mnoho činitelů nedostatečně popsaných, počínajíc množstvím plynů v teplonosné látce po činitele tuhosti a rezonance. Jediná možná odpověď tak zní: co nejmenší. Uspoří se tak čerpací práce i problémy.
[KLE86] Klepš, Z. - Nožička, J. - kol.: Technické tabulky. SNTL Praha 1986 [PET94] Petitjean, R.: Total hydronic balancing. TAH AB. Valve Division, Ljung, Sweden 1984 [VVI01] Ptáková, D.: Teplotní poměry a energetická náročnost otopných období v letech 1951-2000 v ČR. Společnost pro techniku prostředí, příloha časopisu VVI, říjen 2003
Podklady Honeywell
Jak velkou mám zvolit dimenzi?
Podrobné projekční podklady k výrobkům naleznete on-line na http://www.honeywell.cz a off-line verze je na firemním CD, které můžete získat na školeních a prezentacích pořádaných firmou Honeywell.
Dimenze armatury se volí tak, aby byl co nejlépe využit regulační rozsah armatury. Proto se vyhýbáme nízkým nastavením, která svědčí o tom, že armatura byla předimenzována. Měřicí armatury s pevným Kv musíme vybírat tak, aby při jmenovitém průtoku byl na armatuře dostatečný úbytek tlaku pro přesné měření.
[HON01] Rotační závitové a přírubové směšovací ventily. Pokyny pro projektování a montáž.
Právní dokumenty Zákony • Zákon o hospodaření energií 406/2000 Sb. ze dne 25. října 2000 • Zákon o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích a o změně některých zákonů (Energetický zákon) 458/2000 Sb. ze dne 28. listopadu 2000 Vyhlášky k zákonu o hospodaření energií • Vyhlášky ministerstva průmyslu a obchodu č. 150153/2001 Sb., č. 212-214/2001 Sb., Nařízení vlády č. 195/2001 Sb. Vyhlášky k energetickému zákonu • Vyhláška ministerstva pro místní rozvoj č. 372/2001 Sb. • Vyhláška Energetického regulačního úřadu č. 373/2001 Sb. Normy ČSN 06 0201 • Výpočet tepelných ztrát. 32
Poznámky:
33
Poznámky:
34
Poznámky:
35
Dále vám můžeme nabídnout:
Ekvitermní regulátory teploty
Hometronic systém automatizace domácnosti
Prostorové termostaty a programovatelné regulátory teploty
Termostatické hlavice a pohony pro tělesa termostatických ventilů
Regulační a uzavírací šroubení pro otopná tělesa ventil - kompakt
Vyvažovací ventily a regulátory diferenčního tlaku
Přírubové vyvažovací ventily
Vodní dvou a třícestné ventily
Tělesa termostatických ventilů Směšovací a rozdělovací ventily
Směšovací a rozdělovací třícestné ventily
Termostatické ventily pro chladicí systémy
Regulační a uzavírací šroubení
Regulační ventily pro oběh teplé užitkové vody
Vodní armatury
Úpravny vody
Technické změny vyhrazeny. © Honeywell 2004 Pro firmu Honeywell zpracoval Ekonomik-Projekt, Ing. Richard Valoušek a Ing. Pavel Rybka. Za pečlivé přečtení rukopisu děkují Ing. Zbyňkovi Kašíkovi.
Technické zastoupení: OBZAHO, Ivana Hovorková, Gorkého 1577, Pardubice 530 02, tel.: 466 304 133, fax: 466 636 784, mail:
[email protected]
Honeywell spol. s r.o. Na Strži 1676/63 140 00 PRAHA 4 Tel.: 242 442 257 Fax: 242 442 282 E-mail:
[email protected] http://www.honeywell.cz vyvazovani armaturami 2003
