125ESB Energetické systémy budov Část 2.

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební 125ESB Energetické systémy budov Část 2. Doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. Praha 2014 Evropský sociální fond Praha a EU: Investujeme do vaší budoucnosti 1 Návrh zabezpečovacího zařízení otopných soustav 2 1

2 Pojistné zařízení Tepelné soustavy musí být zabezpečeny proti: Nejvyššímu přetlaku Nejvyšší teplotě Nedostatku vody (Změnám objemu vody v soustavě) Výpočet těchto parametrů je součástí návrhu zabezpečovacího zařízení otopné soustavy. Všechny části soustavy musí konstrukčně vyhovovat těmto nejvyšším požadavkům. Zabezpečovací zařízení se rozdělují dle normy na zařízení pro nízkotlaké parní kotle (do 50kPa), teplovodní otopné soustavy s nejvyšší pracovní teplotou 110 C a ohřívače teplé vody. Terminologie: Systém a Soustava 3 Tlak Přetlak -tlak nad atmosférickým tlakem vzduchu (obvykle 100 kpa). Srovnávací rovinou je tak tlak vzduchu. Absolutní tlak -tlak měřený kabsolutní tlakové nule, tedy včetně tlaku atmosférického. Normální tlak -přibližně průměrná hodnota tlaku vzduchu při mořské hladině na 45 s.š. při teplotě 15 C a tíhovém zrychlení gn = 9,80665 m.s

3 Tlak tekutiny Manometr (tlakoměr) -měřidlo tlaku tekutiny -deformační membrány, vlnovce -porovnávací (u plynu) Barometr -rtuťový -aneroid en.wikipedia.org 5 Odvozenou jednotkou SI jsou pro tlak jednotky Pascal (Pa). Vtechnické praxi se však ve většině zahraničních zemí používá jednotka bar a její užívání je dočasně povolené. Je nutné dodržovat pravidlo, kdy u jednoho projektu jsou použity pro tlak pouze jedny shodné jednotky. Blaise Pascal (1623 Clermont 1662 Paříž) byl francouzský matematik, fyzik, spisovatel, teolog a náboženský filosof. cs.wikipedia.org/wiki/blaise_pascal Tlak Platí 100kPa=1bar Bar je vedlejší jednotkou tlaku v soustavě SI. Bar je stále užíván pro svou názornost, neboť přibližně odpovídá starší jednotce tlaku jedné atmosféry anebo hydrostatickému tlaku 10 m vodního sloupce. 1 mbar = 0,001 bar = 100 Pa = 1 hpa 6 3

4 Vzhledem k velké stlačitelnosti plynů není barometrický tlak lineární funkcí výšky Barometrická rovnice Tlak vzduchu Boyleův-Mariottův zákon en.wikipedia.org Stavová rovnice - určuje vztah mezi jednotlivými stavovými veličinami charakterizujícími daný termodynamický systém Ideální plyn: n - látkové množství plynu R -molární plynová konstanta T - absolutní teplota plynu 7 Hydrostatický tlak Hydrostatický tlak je tlak, který vzniká v kapalině její tíhou. Tlak v kapalině = h.. Působí-li na hladině kapaliny ještě nenulový aerostatický (atmosférický, barometrický) tlak b, je nutno ho přičíst: = h.. +b (Pa)

5 Pojistné zařízení Každý zdroj tepla musí být vybaven neuzavíratelně připojeným pojistným zařízením. Pojistné zařízení se připojuje kotopné soustavě vpojistném místě. Pojistné místo je horní část zdroje tepla a část výstupního potrubí ze zdroje tepla končící ve vzdálenosti nejvýše 20 DN výstupního potrubí od hrdla. Vpojistném místě musí být umístěn také teploměr, tlakoměr a případné snímače teploty, tlaku nebo nedostatku vody v soustavě. 9 Pojistné zařízení Pojistný úsek je část otopné soustavy, ve které je zdroj tepla; je vymezen uzavíracími armaturami na vstupu a na výstupu ze zdroje tepla. Pojistné potrubí je potrubí propojující pojistné zařízení s pojistným místem. Pojistné a expanzní potrubí musí být umístěno tak, aby se samočinně odvzdušňovalo. Pokud to není možné, je nutné instalovat automatické odvzdušňovací zařízení. 10 5

6 Pojistné zařízení Skladba pojistného zařízení: Zdroj tepla Ochrana proti překročení nejvyššího dovoleného přetlaku Ochrana proti překročení nejvyšší dovolené teploty Kotel ano (+ podtlak) ano Výměník ano ano Ohřívák TV ano ano Redukční zařízení ano - tlaku Směšovací zařízení - ano 11 Ochrana proti překročení nejvyššího dovoleného přetlaku Ochrana -musí být navržena tak, aby byla schopna odvést příslušné množství teplonosné látky určené výkonem zdroje tepla, které může vzniknout provozem zdroje tepla bez odběru tepla nebo při dopouštění vody do otopné soustavy. Ochrana může být řešena hydrostaticky pomocí sloupce vody v pojistném potrubí a expanzní nádobě nebo pojistným ventilem. Oba systémy mohou být kombinovány. Zdroje tepla se rozdělují do skupin podle skupenství vody, která by procházela pojistným zařízením v případě, kdy by nebyl odběr tepla ze zdroje. Dimenzování pojistného zařízení se následně provádí podle příslušné skupiny zařízení. 12 6

7 Skupiny zdrojů tepla Skupina A výměníky tepla, nepřímo vytápěné ohřívače TV, redukční a směšovací zařízení. U zdroje tepla skupiny A1 může být pojistné zařízení umístěno na zpětné části pojistného úseku. Skupina B kotle a přímo vytápěné ohřívače TV. Θ 1 teplota vstupu ohřívací látky ( C), Θ 2x teplota ohřívané vody na mezi odparu při nejvyšším dovoleném přetlaku ( C) Zdroj tepla Varianta Teplotní rozsah ( C) Vstup do pojistného zařízení Výstup zpojistného zařízení A 1 Θ 1 < 100 C voda voda C < Θ 1 < Θ 2x voda směs C < Θ 2x < Θ 1 pára pára B - - pára pára 13 Pojistný ventil ČSN Průmyslové armatury. Pojistné ventily. Část 2: Technické požadavky ČSN Průmyslové armatury. Pojistné ventily. Část 3: Výpočet výtoků nejběžnější pojistné zařízení nainstalován přímo na zdroji tepla nebo v soustavě co nejblíže zdroji tepla nejlépe NEUZAVIRATELNĚ při použití více pojistných ventilů musí mít nejmenší z nich kapacitu minimálně 40 % celkového pojistného výkonu minimální rozměr ventilu je DN 15 při umístění nesmí být na přívodním potrubí tlaková ztráta vyšší než 3 % nastaveného přetlaku ventilu, na výfuku pak 10 % pojistné potrubí za pojistným ventilem nesmí mít menší průměr než pojistný ventil umístění pojistného ventilu je nutné řešit s ohledem na jeho přístupnost. odvod teplonosné látky je nejvhodnější provést viditelným odvodem do kanalizace 14 7

8 Ochrana proti překročení nejvyššího dovoleného přetlaku Výpočet pojistného zařízení Pojistné zařízení musí zajistit odvod pojistného výkonu Φp (kw) ze zdroje tepla. Pro zařízení skupiny A1, A3 a B platí, že Φp=Φn, kde Φn je jmenovitý výkon zdroje tepla (kw). Pojistný průtok pro vodu (m 3.h -1 ) je = Pojistný průtok pro páru (kg.h -1 ) je =, kde r je výparné teplo při otevíracím přetlaku pojistného ventilu. 16 8

9 Průřez sedla pojistného ventilu A 0 (mm)se stanoví podle vztahu: Pro vodu =. Pro páru =. Návrh velikosti pojistného ventilu. Jmenovitá světlost 1/2" DN15 3/4" DN20 1 DN25 5/4 DN32 Nejmenší průtočný průřez A 0 (mm 2 ) Výtokový součinitel α v () 0,64 0,61 0,60 0,62 Vnitřní průměr pojistných potrubí (mm) se stanoví ze vztahu: Pokud nemůže dojít k vývinu páry =10 +0,6. Φ Pokud může dojít k vývinu páry =15 +1,4. Φ P PV (kpa) K(kW.mm -2 ) 0,5 0,67 0,79 0,97 1,12 1,26 1,41 1,55 1,69 1,83 2,1 2,37 2,64 2,91 r (kw.mm -2 ) 0,618 0,611 0,607 0,601 0,596 0,593 0,589 0,585 0,582 0,579 0,574 0,569 0,564 0, Příklad výpočtu pojistného ventilu Otopná soustava má zdroj kotel o výkonu 40 kw. Průřez sedla pojistného ventilu A 0 (mm)se stanoví podle vztahu: Pro páru =. =,., =49,6 =50 2 Vhodný průměr pojistného ventilu DN15. Minimální vnitřní průměr pojistných potrubí se stanoví, pokud může dojít k vývinu páry jako: =15 +1,4. Φ =15 +1,4. 40 =23,8 =24 Jmenovitá světlost 1/2" DN15 3/4" DN20 1 DN25 5/4 DN32 Nejmenší průtočný průřez A (mm 2 ) Výtokový součinitel α v () 0,64 0,61 0,60 0,

10 Zabezpečení Kotle na tuhá paliva teplovodních soustav s ruční obsluhou a oběhovými čerpadly musí být vybaveny zařízením, které uzavře přívod spalovacího vzduchu. Vpřípadě výpadku oběhového čerpadla musí být kotle na tuhá paliva s ruční obsluhou a ostatní určené zdroje vybaveny zařízením schopným chladit kotel po určenou dobu například odparem vody (např. u kotlů na tuhá paliva min. 30 min) Ochrana proti nedostatku vody Zdroje tepla zejména umístěné nad otopnou soustavou musí být vybaveny pojistným zařízením proti nedostatku vody v otopné soustavě. Toto pojistné zařízení signalizuje nedostatek vody do místa obsluhy a odstaví zdroj tepla z provozu

11 Doplňovací automat Automat pro topné, chladící a solární soustavy Změkčovací filtry-úpravna vody Expanzní zařízení Expanzní zařízení je součástí zabezpečovacího zařízení vodních soustav vytápění umožňující vyrovnání změn roztažnosti vody v otopné soustavě bez její ztráty, udržení přetlaku v otopné soustavě v předepsaných mezích a případně automatické doplňování vody do otopné soustavy při jejích drobných netěsnostech. Expanzní zařízení je do soustavy připojeno v neutrálním bodě pomocí expanzního potrubí. Zdrojem přetlaku expanzního zařízení může být: hydrostatický tlak (svislé potrubí s otevřenou expanzní nádobou) expanzní čerpadlo s expanzní armaturou přetlak plynového nebo parního polštáře působící přímo na vodní hladinu soustavy nebo přes membránu. Nejběžnějším způsobem je zvláště voblasti malých výkonů využití uzavřené expanzní nádoby s membránou

12 Příklad expanzní nádoby 23 Zapojení EN do soustavy Expanzní nádobu (tlakovou) je nutné napojit vždy poblíž sání čerpadla

13 Doporučené zapojení EN Použit kulový kohout se zajištěním v otevřené poloze na odděleni expanzní nádoby od soustavy - minimálně jednou za rok kontrola EN. Membránu (vak) expanzní nádoby nevystavovat teplotám nad 70 C. 25 Stanovení objemu vody Expanzní zařízení je součástí zabezpečovacího zařízení vodních soustav vytápění umožňující vyrovnání změn roztažnosti vody v otopné soustavě bez její ztráty, udržení přetlaku v otopné soustavě v předepsaných mezích a případně automatické doplňování vody do otopné soustavy při jejích drobných Vytápěcí soustava Objem vody na kw výkonu soustavy (l/kw) Nucený oběh, plynový kotel, konvektory 4 Nucený oběh, plynový kotel, trubková tělesa 6 Nucený oběh, plynový kotel, desková tělesa 10 Nucený oběh, kotel na tuhá paliva, článková tělesa 12 Přirozený oběh, kotel na tuhá paliva, článková tělesa 16 Podlahové topení

14 Výpočet membránových expanzních nádob ČSN EN Tepelné soustavy v budovách -Navrhování teplovodních tepelných soustav jednotky bar ČSN Tepelné soustavy v budovách - Zabezpečovací zařízení jednotky Pa MR-manometrická rovina, běžně hmr=1,5 m nad podlahou, PV pojistný ventil, P tlakoměr, OT otopné těleso, EN expanzní nádoba, NB neutrální bod otopné soustavy, Č čerpadlo, K kotel, hsthydrostatická výška (m). 27 Výpočet membránových expanzních nádob Expanzní objem Ve se stanoví na základě zvětšení objemu vody v soustavě při jeho ohřátí z 10 C na střední návrhovou teplotu vody v otopné soustavě θm ( C). Expanzní objem V e (l) dle ČSN EN =. Koeficient objemu vody e (%) přímo vyjadřuje zvětšení vody při dané teplotě. Expanzní objem V e (l) dle ČSN =. Koeficient Δν (l.kg -1 ) je součinitel zvětšení objemu vody, který závisí na hustotě vody při dané teplotě. =1 Nejvyšší návrhová expanzní teplota ( C) Změna objemu vody e (%) 60 1, , , ,

15 Výpočet membránových expanzních nádob Celkový objem expanzní nádoby V exp,min (l) +100, = +. Tlaková expanzní nádoba má mít rezervu pro případ vyrovnání malých ztrát vody vsoustavě. V WR (l) je rezerva vodního objemu. Pro expanzní nádoby menší než 15 l má být rezerva minimálně 20 % tohoto objemu, pro nádoby s objemem vyšším než 15 l minimálně 0,5% zcelkového vodního objemu tepelné soustavy, minimálně ale 3 l. (podle ČSN činí 30 % expanzního objemu, tedy = 0,3. ) Vypočtený objem expanzní nádoby V exp,min je objem nejmenší. Vpřípadě použití příliš malé expanzní nádoby je ještě před dosažením nejvyšší provozní teploty vody dosažen přetlak ppv a dochází kotevření pojistného ventilu v soustavě. Nutné je tak časté dopouštění vody do soustavy. (běžná řada 8, 12, 18, 25, 35, 50, 80, 140, 200, 300, 400, 500, 600, 800, 1000 litrů) maximální dovolený pracovní přetlak (běžná řada 300, 600, 1000, 1600, 2500 kpa). 29 Výpočet membránových expanzních nádob = + h Ppv a Pe Tlakový rozdíl u pojistných ventilů přímočinných a pojistných ventilů s přídavným zařízením je 10 %, 15 kpa pak platí u otevíracích přetlaků nižších a rovných 150 kpa nejvyšší dovolený tlak, při kterém membránová expanzní nádoba pojme objem vody (Ve+VWR) + = + + č + = h.. p0 je výchozí návrhový přetlak v soustavě (kpa). Minimální hodnota je 70 kpa, doporučeno 100 kpa

16 Výpočet membránových expanzních nádob Solární soustava Zabezpečení soustavy V solárním okruhu použít výhradně expanzní nádobu s maximálním provozním tlakem 10 barů a membranou odolavajici koncentracim nemrznoucich latek do 50 %. Schéma solární soustavy -firemní materiál 32 16

17 Expanzní automat pro udržování tlaku, automatické doplňování a odplyňování udržuje tlak v soustavě pomocí přepouštěcího ventilu a čerpadla při chladnutí v soustavě klesá tlak, čerpadlo zapne a přečerpá potřebné množství vody znádoby do soustavy. Při zvýšení teploty se vsoustavě tlak zvýší, otevře se přepouštěcí ventil a voda se přepouští do nádoby. Uskladněná voda v beztlaké nádobě je od vzduchu oddělena kvalitní butylovou membránou Ohřívače teplé vody Ohřívače vody musí být osazeny zařízením pro provozní i havarijní omezení teploty. Pro případ selhání těchto zařízení jsou samostatně uzavíratelné ohřívače teplé vody vybaveny pojistným ventilem. Průměr pojistného ventilu u průtokového ohřívače se provádějí běžným výpočtem, u zásobníkového ohřívače průměr pojistného ventilu závisí na objemu ohřívače vody dle tabulky. DN pojistného Objem ohřívače (l) ventilu 15 Do Do Do Do Do Sestava armatur před ohřívačem teplé vody. U uzávěr, Z zkušební kohout, K zpětný ventil nebo zpětná klapka, PV pojistný ventil, M tlakoměr

18 Expanzní nádoba na TV (TUV) vyrovnávají objemovou roztažnost soustav pitné a užitkové vody nebo se používají pro snížení rázů od čerpacích stanic nebo jiných zařízení většinou se používá vyměnitelná membrána. pro pitnou vodu musí mít membrána hygienický atest. části přicházející do styku s vodou jsou vyrobené z nekorozivních materiálů (nerez, mosaz, bronz) nebo jsou ošetřeny proti korozi nástřiky, povlaky. součástí expanzní nádoby by měla být i uzavírací armatura, která navíc zabezpečí výměnu vody v nádobě. (Nádoba je průtoková!) 35 Výpočtové programy Portál TZBinfo Online výpočtový nástroj (2003)

19 Systém firmy Protech Výpočtové programy 37 Výpočtové programy Firemní programy např. firmy Reflex

20 Konec 39 20