Oscilace tlaku v zařízeních dálkového vytápění

Transkript

1 MAKING MODERN LIVING POSSIBLE Technická dokumentace Oscilace tlaku v zařízeních dálkového vytápění Bjarne Stræde, Ing., Danfoss A/S districtenergy.danfoss.com

2 TECHNICKÁ DOKUMENTACE Oscilace tlaku v zařízeních dálkového vytápění Jako společnost Danfoss už celá desetiletí prodáváme na trhu regulátor tlaku dálkového vytápění, ale je to právě nedávno, kdy pozorujeme zvyšující se počet poptávek týkajících se problematiky oscilace tlaku v síti dálkového vytápění. To platí pro samotnou síť, distribuční síť, jednotlivá přívodní potrubí a menší samostatné přípojky dálkového vytápění. Autor (autoři) Bjarne Stræde, Engineer, Danfoss A/S Danfoss District Energy, Nordborg, Denmark, bjarne_straede@danfoss.com Společnost Danfoss realizuje v této oblasti rozsáhlou analýzu, zčásti k určení příčin problémů a zčásti k zjištění, jaké existují možnosti jejich odstranění. Obvykle lze oscilaci tlaku rozdělit do dvou hlavních kategorií: Reakční oscilace Samovolná oscilace Reakční oscilace vzniká tam, kde regulátor DP (diferenčního tlaku) reaguje na poruchy a zesiluje je, ale kde se nevyskytuje žádný náznak, že se samotný regulátor stává nestabilním. Samovolná oscilace je jev, který se projevuje, když regulátor DP, na kterém je systém závislý, začne vykazovat pravidelné oscilace bez působení vnějších faktorů. Pro lepší porozumění těmto dvěma formám oscilace se nejdříve podíváme na tři faktory systému. Oscilace tlaku je podmíněna přítomností těchto faktorů. Tyto tři faktory systému jsou následující: Pružnost systému v regulační smyčce Rychlost regulace regulátoru tlaku Rozměry přívodního potrubí spotřebitele Pružnost systému v regulační smyčce Pružnost systému musí být chápána jako vztah mezi objemem systému (obsahem vody) a absolutním tlakem systému (statickým tlakem). Pružnost systému závisí na množství vzduchu v zařízeních nebo na pružnosti komponentů. V porovnání s ocelovými trubkami nebo radiátory, které jsou více nebo méně pružné, mohou být zahrnuty plastové trubky nezalité do betonu. Pro jednotlivá zařízení je relativně snadné získat hodnotu velikosti pružnosti systému: hlavní kohouty se zavřou a pak se měří množství vody, které musí být vypuštěno k snížení tlaku například o 1 bar. Několik typických hodnot získaných na základě zkušenosti se správně vypuštěnými systémy: Typ systému Nová zařízení jedné typové řady (DK/S) Stará zařízení jedné typové řady (DK) Pružnost systému* ml/bar ml/bar *) Zařízení pro vytápění a teplou užitkovou vodu. Bohužel tyto hodnoty nejsou úplně správné s ohledem na oscilaci tlaku v zařízeních dálkového vytápění, protože se vztahují na kompletní zařízení (vytápění a teplou užitkovou vodu). Za skutečných podmínek s oscilací tlaku se jedná pouze o pružnost systému v té části zařízení, která je ovlivněna regulátorem tlaku, tj. úsek mezi regulátorem tlaku a ventily, které regulují teplo (ovládací ventily / termostaty radiátorů). Nicméně v této samotné části zařízení ( radiátor ) je obtížné pružnost měřit, protože je obvykle nemožné tuto část oddělit pomocí uzavíracích ventilů, které jsou součástí systému. Abychom si byli jisti, že nedochází k žádným problémům s oscilací, nesmí pružnost systému v regulační smyčce překročit 2-15 ml/bar v závislosti na rychlosti reakce regulátoru a rozměrech přívodního potrubí spotřebitele. Pružnost systému se projevuje, když se mění spotřeba v systému nebo ze sítě. Změna zatížení mění ztráty tlaku v síti, které zase ovlivňují absolutní tlak (statický tlak) v systému. Když se absolutní tlak mění, objem systému vytápění se musí přizpůsobit novému tlaku. Když se tlak zvyšuje, znamená to, že do systému musí přitékat více vody, než z něho odtékat. A když tlak klesá, ze systému musí odtékat více vody, než do něho přitékat. Tento pohyb vody mezi přívodní a zpětnou trubkou vytváří a podporuje oscilaci tlaku. 2 Danfoss District Energy

3 Když se absolutní tlak mění, objem systému vytápění se musí přizpůsobit novému tlaku. Když se tlak zvyšuje, znamená to, že do systému musí přitékat více vody, než z něho odtékat. A když tlak klesá, ze systému musí odtékat více vody, než do něho přitékat. Tento pohyb vody mezi přívodní a zpětnou trubkou vytváří a podporuje oscilaci tlaku. Rychlost regulace regulátoru tlaku Úkolem regulátoru tlaku je udržovat požadovaný diferenční tlak mezi dvěma body v systému vytápění, ke kterým jsou připojeny impulsní trubičky. Regulátor (obr. 1) reguluje diferenční tlak následujícím způsobem: Tlak zpětného potrubí (-) působí společně se silou nastavovací pružiny na zápornou stranu membrány regulátoru a tudíž posunuje kužel směrem k otevřené poloze ventilu, zatímco tlak přívodního potrubí (+) působí na kladnou stranu stejné membrány, takže kužel se posunuje směrem k zavřené poloze ventilu. Kužel reguluje množství vody a tímto způsobem regulátor udržuje diferenční tlak určený nastavovací pružinou. Regulátor tlaku určuje, zda je do systému čerpáno větší nebo menší množství vody (když je regulátor nainstalován v přívodním potrubí) nebo zda je v systému obsaženo větší nebo menší množství vody (když je regulátor nainstalován ve zpětném potrubí) tak, aby v systému vytápění bylo přítomno vždy takové množství vody, které je nutné k zajištění nastaveného diferenčního tlaku. Když regulátor tlaku reguluje průtok tímto způsobem, jsou změny rychlosti toku způsobovány následnými tlakovými pulsy v přívodních potrubích ve formě kladných a záporných tlakových rázů. Jak simulace, tak zkoušky ukazují, že specifickým parametrem tlakových rázů je rychlost, při které regulátor tlaku působí (Rh). Rychlost regulace je rychlost, kterou regulátor mění svou hodnotu kv pro určité kolísání diferenčního tlaku ve vztahu k požadovanému diferenčnímu tlaku. Jinými slovy, rychlost regulace regulátoru je vyjádření toho, jak rychle se regulátor otevírá, aby umožnil průtok nebo jak OBRÁZEK 1 rychle se zavírá, aby uzavřel průtok při změnách diferenčního tlaku. Rychlost regulace (Rh) je určena vzorcem: kde: Rh = rychlost regulace v (m 3 /h)/s Am = plocha membrány regulátoru v m 2 Dkv/Ds = charakteristika ovládacího ventilu (m 3 /h)m Qi = průtok skrze impulsní trubičky pro skutečnou odchylku diferenčního tlaku měřeného v m 3 /s Z parametrů, které určují rychlost regulace, lze vidět, že nejjednodušším způsobem tlumení regulátoru tlaku je snížení průtoku v impulsních trubičkách zvýšením průtočného odporu, zatímco jediným způsobem přizpůsobení ostatních parametrů je změna konstrukce regulátoru tlaku. Rozměry přívodního potrubí spotřebitele Dalšími specifickými podmínkami souvisejícími s oscilací tlaku jsou průtok a rozměry přívodního potrubí. Čím větší je průměr přívodního potrubí ve vztahu k množství vody, které musí dopravit, tím nižší je průtok v potrubí. V zařízeních dálkového vytápění závisí rozměry přívodního potrubí spotřebitele na několika kritériích; mezi nejdůležitějšími je ztráta tepla, pokles tlaku, cena a životnost. Zvolené rozměry proto obvykle budou určeny jako kompromis mezi těmito parametry. To často znamená, že rozměry zvolené pro přívodní potrubí spotřebitele jsou tak malé, že v praxi se průtok může stát dostatečně vysokým, aby vytvářel tlakové rázy. Tlakové rázy jsou důsledkem změn průtoku v síti. V přívodním potrubí spotřebitele dochází také ke kolísání průtoku v důsledku pružnosti systému v regulační smyčce a rychlosti regulace regulátoru tlaku, ale toto nastává později kvůli zpoždění v systému. Když průtok kolísá v důsledku odběru, dochází buď k zrychlení, nebo zpomalení toku. Zrychlení se vyskytuje v důsledku zvýšeného odběru; zpomalení v důsledku sníženého odběru. Za předpokladu, že stlačení vody je zanedbatelné a za předpokladu ignorování pružnosti potrubí, lze velikost tlakových rázů (Dp) vypočítat pomocí níže uvedeného vzorce, kde znaménko udává směr tlakového rázu. kde: (AQ/At) = kolísání průtoku v (m 3 /s)s (zrychlení/zpomalení) L = délka potrubí v m A = průřez potrubí v m 2 ρ = hustota vody v kg/m 3 Danfoss District Energy 3

4 Jak simulace, tak zkoušky ukazují, že pokud rychlost, kterou regulátor průtoku mění průtok, společně s průřezem přívodního potrubí a délkou potrubí, má za následek větší tlakový ráz než je určený, hrozí nebezpečí samovolné oscilace. Nicméně tato situace nastane pouze v případě, že je regulační smyčka pružná, protože k zahájení tohoto procesu a jeho udržení je nutný určitý efekt pružného polštáře. Pokud je pružnost regulační smyčky velmi nízká, oscilace tlaku není ničím podporována, a proto odezní. Jak lze vidět ze vzorce, velikost tlakového rázu závisí na změně průtoku (DQ/Dt), která je zase určena tím, jak rychle regulátor tlaku mění svou hodnotu kv. K jak velkému tlakovému rázu vede daná rychlost otevírání a zavírání zcela závisí na délce odbočky spotřebitele a na její ploše příčného řezu. To znamená, že velikost tlakového rázu je přímo úměrná délce potrubí a nepřímo úměrná ploše příčného řezu. To znamená, že zvýšení vnitřního průměru potrubí o 41 % sníží velikost tlakového rázu na polovinu. Kromě toho, pokud jsou rozměry přívodního potrubí spotřebitele tak velké, že potrubí je schopno vždy dostatečně rychle přenést změnu průtoku vytvořenou regulátorem tlaku, nemůže k oscilaci tlaku dojít. V případě jednotlivých systémů lze použít níže uvedený graf (obr. 2) k určení, zda se zařízení nachází v kritické oblasti, co se týče tlakových rázů. Pokud je přívodní potrubí spotřebitele schopno zvládnout větší změny průtoku než jsou změny, které umožňuje hodnota Rh regulátoru tlaku, je samovolná oscilace téměř vyloučena. Nicméně, co nelze vyloučit, je výskyt rezonanční oscilace. Tímto problémem se zabývá oddíl Samovolná oscilace. Reakční oscilace Reakční oscilace se obvykle vyskytuje v zařízeních s relativně vysokou pružností systému. I když v systému dochází k reakční oscilaci, nelze říci, že je nestabilní, ale tento stav velmi silně zesiluje malou změnu tlaku v, viz obr. 3. Důvodem je, že změny tlaku vytvářejí změny průtoku v důsledku vysoké pružnosti systému. Významná [Rh] 1 0,1 0,01 Rychlost reakce pro ocelové potrubí AVP k vs 4,0 AVP k vs 2,5 AVDL IVD k vs 4,0 0, [m] OBRÁZEK 2: Délka odbočky spotřebitele, přívodní a zpětné potrubí změna průtoku vytváří silnou reakci v tlaku, který může někdy způsobovat oscilaci celkové regulace čerpadla dálkového vytápění. To zase zesiluje a podporuje problém oscilace. Pro reakční oscilaci jsou charakteristické následující podmínky: DN65 Φ 68,5 DN50 Φ 53,0 DN40 Φ 41,8 DN32 Φ 35,9 DN25 Φ 27,2 DN20 Φ 21,6 DN15 Φ 16,1 Vyskytuje se běžně v přímých okruzích radiátorů (bez směšovací smyčky), které mají obvykle vysokou pružnost systému. Vyskytuje se běžně při spouštění systémů nových bloků a dálkového vytápění s přidruženou zásobovací sítí. Objevuje se a mizí samovolně. Nepravidelné doby oscilace. Náhlé změny tlaku a nerovnoměrný tlak systému. Velikost změn tlaku se velmi liší od jednoho výskytu oscilace k dalšímu. V síti dálkového vytápění se vyskytuje oscilace tlaku v přívodním a zpětném potrubí. Tlakové rázy jsou nejsilnější v úseku potrubí, ve kterém je nainstalován regulátor tlaku. Oscilace se může šířit k různým regulačním prvkům čerpadel a k ventilům udržování tlaku. (Obvykle musí být tlak přítomen po dobu minimálně 30 minut, aby došlo k výskytu tohoto jevu.) Klepání ventilů radiátorů, protože tlakové rázy vytváří stavy inverzního tlaku v okruzích radiátorů (záporný diferenční tlak během určitého úseku doby oscilace vytvořený tlakovými rázy). Zde je příčinou nadměrná pružnost, což znamená, že regulátor tlaku je při vyrovnávání tlakového rozdílu příliš pomalý. Snížení reakční oscilace Ztlumení regulátoru tlaku obvykle není proti reakční oscilaci zvlášť účinné, protože prudkost potřebného ztlumení může mít za následek klepání ve ventilech radiátorů (kvůli zápornému diferenčnímu tlaku, obr. 4, kdy voda teče zpět), pokud tlak krátkodobě poklesne pod tlak. V případě nových zařízení/přípojek musí být celý systém řádně odvzdušněn k zajištění, že stlačitelnost je co možná nejmenší a že hlavní zdroj oscilace přesahuje stlačitelnost v regulační smyčce. (Počáteční problémy kvůli přítomnosti vzduchu zmizí relativně rychle po provedení přípojky.) 4 Danfoss District Energy

5 [bar] 5 4,8 4,6 4,4 4,2 4,0 3,8 3,6 3,4 3, [sekundy] OBRÁZEK 3 Pokud v důsledku vysoce pružného systému výše uvedené nepomůže, v zásadě existují pouze dva způsoby řešení tohoto problému: Buď musí být změněno zařízení tak, aby se pružnost regulační smyčky velmi snížila nebo musí být regulátor tlaku umístěn v nejméně stlačitelné části systému. To je obvykle úsek potrubí, ve kterém je umístěn ovládací ventil. (V přímo připojených systémech radiátorů bez směšovací smyčky jsou za ovládací ventily považovány termostaty radiátorů.) Pokud to znamená, že musí být regulátor tlaku nainstalován do přívodního potrubí, musí být provedena kontrola, že statický tlak v systému je dostatečně vysoký, aby zabránil separaci vzduchu, tj. při nízkém tlaku nemůže voda obsahovat stejné množství vzduchu jako při vysokém tlaku. Navíc, teplá voda při stejném tlaku nemůže obsahovat stejné množství vzduchu jako studená voda. Samovolná oscilace Samovolná oscilace se vyskytuje v jednotlivých systémech v důsledku současného výskytu tří faktorů: pružnost systému v regulační smyčce, rychlost regulace regulátoru tlaku a rozměry přívodního potrubí spotřebitele. Samovolná oscilace vytváří nestabilní regulaci v širokém provozním rozsahu a v tomto stavu může náhodná změna tlaku vytvářet oscilaci systému. Viz obr. 5a. Samovolná oscilace je podmíněna následujícími podmínkami: Regulátor tlaku je schopen měnit průtok rychleji než je rychlost, při které lze měnit průtok v přívodním potrubí. Pružnost systému (v části systému obsahující smyčku regulace tlaku) musí být dostatečně velká k vytvoření nové oscilace tlaku. Samovolná oscilace bude odstraněna, pokud se změní jedna z těchto podmínek. Pro samovolnou oscilaci jsou charakteristické následující podmínky: Silná oscilace tlaku v přívodním a zpětném potrubí během provozu, která zmizí po uzavření průtoku v systému. Pulzování hluku nebo rachocení průtoku střídající se s tichem (...hluk...ticho... hluk...ticho). Frekvence oscilací mezi 0,2 Hz a 3 Hz. Snížení samovolné oscilace Samovolnou oscilaci lze odstranit změnou jednoho nebo více ze tří faktorů, které ovlivňují regulaci. Obrázek 5b znázorňuje, jak samovolná oscilace v nepřímém domovním zařízení může být, v nouzové situaci, ztlumena a odstraněna pomocí impulsní trubičky dlouhé 1,5 m a o vnitřním průměru 1 mm (číslo kódu 003H2330). Když je regulátor tlaku umístěn v přívodním potrubí, musí být provedena kontrola k zajištění, že statický tlak v systému je dostatečně vysoký, aby zabránil separaci vzduchu. Viz obr. 6. Samovolnou oscilaci lze ztlumit také změnou rychlosti regulace regulátoru tlaku. To lze provést postupem popsaným v oddílu Rychlost regulace regulátoru tlaku. tj. instalací impulsní trubičky s vysokým průtočným odporem. Dalším velmi výhodným řešením je instalace speciálního vysoce kvalitního tlumicího ventilu (číslo kódu 003H0276 pro impulsní trubičku 6 mm a číslo kódu 003G1401 pro impulsní trubičku 10 mm). Tuto metodu ale nelze vždy doporučit. Zvláště nesmí být použita v zařízeních s přímou výměnou teplé užitkové vody kombinovanou s přímo připojeným okruhem radiátorů bez směšovací smyčky. Důvodem je, že tento typ tlumení může způsobit klepání v termostatech radiátorů v důsledku záporného diferenčního tlaku, který se vytváří při používání teplé vody. Danfoss District Energy 5

6 p p pa pa a pa Krátkodobé zvýšení tlaku v přívodním potrubí t Krátkodobý pokles tlaku v přívodním potrubí t OBRÁZEK 4 [bar] [bar] 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1, ,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 OBRÁZEK [sekundy] [sekundy] Rezonanční oscilace Tento typ oscilace vzniká ze samovolné oscilace a vyskytuje se tam, kde je zahrnuto několik regulátorů tlaku, přívodní potrubí spotřebitele a zásobovací síť. Rezonanční oscilace se obvykle vyskytuje v obytných komplexech, kde je velká koncentrace regulátorů tlaku a kde potrubí mezi jednotlivými systémy jsou relativně krátké (např. seskupené nebo terasové domy). Stručně řečeno, rezonanční oscilace blízce souvisí se samovolnou oscilací. Ale v tomto případě všechny regulátory tlaku působí jako jeden velký regulátor tlaku, protože tlakové rázy z jednotlivých systémů přicházejí do distribuční sítě současně (systémy mají stejnou časovou konstantu). To způsobuje problémy sítě, co se týče dostatečně rychlého zrychlení nebo zpomalení průtoku. V případech, kde se vyskytuje rezonanční oscilace, je většina systémů individuálně stabilních a vyvážených, ale bohužel příliš velká koncentrace systémů s ohledem na rozměry/rozsah zásobovací sítě znamená, že všechny systémy jako celek mohou pracovat nestabilně. Viz obr. 7. Rezonanční oscilace je často rozpoznatelná podle následujících podmínek: Silné oscilace tlaku v přívodním a zpětném potrubí během provozu. Tyto nezmizí, ale přinejlepším mohou být sníženy uzavřením průtoku v jednotlivých systémech. Pulzování hluku nebo hluk průtoku střídající se s tichem (...hluk...ticho... hluk...ticho). Frekvence oscilace mezi 0,5 Hz a 0,1 Hz. 6 Danfoss District Energy

7 Snížení rezonanční oscilace Rezonanční oscilaci lze snížit ztlumením regulátorů tlaku v části systémů, ale musíte vzít na vědomí, že její úplné odstranění bude vyžadovat ztlumení velkého počtu systémů v dotčené oblasti. Tuto metodu ale nelze vždy doporučit. Zvláště nesmí být použita v zařízeních s přímou výměnou teplé užitkové vody kombinovanou s přímo připojenými okruhy radiátorů bez směšovací smyčky. Budoucí aplikace Do budoucna musí být navrženy nové aplikace, které zohlední problémy vyplývající ze vzájemného vztahu pružnosti systému v regulační smyčce, rychlosti regulace regulátoru tlaku a rozměrů odbočky spotřebitele. Cílem musí být dosažení co možná nejnižší pružnosti v regulační smyčce regulátoru tlaku tak, aby bylo eliminováno riziko výše popsaných typů oscilací. Při výběru provedení aplikace musí být pamatováno na problém týkající se separace vzduchu, protože vytváří tradiční problémy špatného chlazení, úplné ztráty tepla, problémy hluku, atd. V praxi bylo zaznamenáno, že celá síť dálkového vytápění se stává stabilnější, když jsou do návrhu zařízení uživatele zahrnuty zkušenosti popsané v tomto článku. To platí zvláště pro zařízení v nových oblastech, kde je připojeno pouze několik uživatelů a kde jsou rozměry potrubí obvykle co možná nejvíce omezeny hlavně z finančních důvodů a také protože popsané problémy zůstávaly neznámé až do současnosti. Problémový systém Odstranění problému, alternativa 1a Změna systému na směšovací smyčku [bar] 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 Odstranění problému, alternativa 1b Instalace ovládacího ventilu (termostatu radiátoru) do zpětného potrubí 0, [sekundy] Odstranění problému, alternativa 2 Instalace regulátoru tlaku do přívodního potrubí (riziko separace vzduchu) OBRÁZEK 6 OBRÁZEK 7 Danfoss District Energy 7

8 Další články Charakteristika ventilů se servopohonem v pomocných stanicích dálkového vytápění, vypracoval Atli Benonysson a Herman Boysen Optimální regulace výměníků tepla, vypracoval Atli Benonysson a Herman Boysen Samočinné ladění a ochrana motoru jako součást postupu přednastavení v systémech vytápění, vypracoval Herman Boysen Regulátory diferenčního tlaku jako nástroj pro optimalizaci systémů vytápění, vypracoval Herman Boysen Domácí pomocné stanice dálkového vytápění a volba regulačních ventilů, vypracoval Herman Boysen kv: Jaký? Proč? Jak? Odkud? vypracoval Herman Boysen Regulovaný ventil bez pomocné energie pro systémy vytápění a chlazení, vypracoval Martin Hochmuth Dynamická simulace domácích stanic dálkového vytápění, vypracoval Jan Eric Thorsen Další informace Další informace o výrobcích a aplikacích společnosti Danfoss District Energy jsou uvedeny na domovské stránce: Danfoss A/S DK-6430 Nordborg Denmark Tel.: Fax: districtenergy@danfoss.com Společnost Danfoss nepřebírá žádnou odpovědnost za případné chyby v katalozích, prospektech a jiných tištěných materiálech. Společnost Danfoss si vyhrazuje právo úpravy svých výrobků bez oznámení. To platí také pro již objednané výrobky za předpokladu, že tyto úpravy mohou být provedeny bez následných změn v již odsouhlasených specifikacích. Veškeré obchodní značky v tomto dokumentu jsou majetkem příslušných společností. Danfoss a logo společnosti Danfoss jsou obchodní značky Danfoss A/5. Veškerá práva vyhrazena. VF.55.A1.48 Produced by Danfoss A/S, DH-SM/PL 11/2011