Prof. Ing. Jaroslav Valášek, CSc. Návrh cirkulácie ohriatej pitnej vody a výpočet nastavenia regulačných ventilov Alwa Kombi 4.

Transcript

1 Honeywell Prof. Ing. Jaroslav Valášek, CSc Návrh cirkulácie ohriatej pitnej vody a výpočet nastavenia regulačných ventilov Alwa Kombi 4. Honeywell Bratislava

2 Spôsoby výpočtu cirkulácie teplej vody 1 Výpočet za podpory počítača Tento výpočet je exaktný a pretože sa upresňuje radom iterácii, je najpresnejší. Umožňuje navrhnúť rozvodné potrubie, cirkulačné potrubie, čerpadlo regulačné armatúry a ich nastavenie. Môže sa použiť bez obmedzenia veľkosti distribučnej sústavy TV. 2 Zjednodušené spôsoby výpočtu cirkulácie teplej vody Častá nedostupnosť dobrých výpočtových programov alebo dostatočná presnosť zjednodušených spôsobov výpočtu je dôvodom k použitiu zjednodušených spôsobov navrhovania cirkulačných systémov. 2.1 Výpočet cirkulačného prietoku na základe hodnoty lineárnej hustoty tepelného toku pre rôzne priestory a hydraulického posúdenia zohľadňujúceho straty tlaku trením Tento spôsob výpočtu dosahuje výsledky porovnateľné s výpočtom podľa nemeckých technických pravidiel W 553. Používa sa do dĺžkového rozsahu distribučnej sústavy 200 m od ohrievačov teplej vody. Výpočet cirkulačného prietoku 2

3 Prietok v cirkulačnom čerpadle sa vypočíta podľa rovnice (1): Q = n i= 1 q. l li ρ. c. T i Φ = ρ. c. T (1) Pre prietok cirkulačnej vody (l.s -1 ), [l.h -1 ], ktorý sa postupne od vypočítaného prietoku čerpadlom rozdeľuje do pokračujúcich a odbočujúcich potrubí podľa zásady logického pomeru pre odbočenie platí nasledovný vzťah: Q 2 = Q Φ 2 Φ + Φ 2 1 (2) Podľa našich právnych predpisov sa uvažuje s najvyššou hodnotou T = 5K. Ak si uvedomíme, že v čase maximálneho odberu môže v bytovej sfére klesnúť teplota až na 45 0 C, je rozpočítavanie nákladov TV len podľa bytových vodomerov nemožné. V zahraničí sa uvažuje s hodnotou T = 3K, pričom 2K je rozdiel teplôt, ktorý umožňuje spotrebovanie TV len podľa nameraných hodnôt na bytových vodomeroch. Pri praktických výpočtoch možno lineárnu hustotu tepelného toku uvažovať podľa tab. 2. Z tabuľky je zrejmé, že pri výpočte sa počíta tepelný tok osobitne pre úseky potrubia vo vykurovanom prostredí s polovičnou hrúbkou izolácie a v nevykurovanom prostredí s požadovanou hrúbkou danej izolácie. 3

4 Návrh mernej energie čerpadla Pre návrh čerpadla treba poznať straty tlaku v cirkulačnom potrubí. Treba dodržiavať zásadu, aby rýchlosť prúdenia bola v rozsahu 0,2 až 0,5 m.s -1, maximálne 1,0 m.s -1. Najmenšia svetlosť cirkulačného potrubia je 10 mm. Odporúčaný priemer cirkulačného potrubia vzhľadom na rozvodné potrubie je v tab. 1. Tabuľka 1 Odporúčané svetlosti cirkulačného potrubia Rozvod TV DN Cirkulácia TV (15) (15) (15) Merná energia čerpadla sa zvyčajne vyjadruje v strate tlaku (napr. kpa, mbar) a stanoví sa len na základe výpočtu tlakových strát trením, pričom tlakové straty vplyvom miestnych odporov sa pripočítavajú percentuálnou prirážkou, ktorá sa odporúča v rozsahu 20 až 40%. Najväčšou prekážkou aplikácie tohto spôsobu výpočtu pre oceľové pozinkované potrubia rozdielna hodnota prevádzkovej drsnosti, ktorá je podľa našej normy 8x vyššia ako podľa DIN Túto anomáliu možno vysvetliť tým, že v čase spracovania STN (pred viac ako 20 timi rokmi) sa nenavrhovali zariadenia na úpravu vody pred jej ohrevom, povrch rúr nebol hladký a stretávali sme sa aj s nekvalitným zinkovým povlakom). 4

5 Vzhľadom na uvdené odporúčame použitie tabuliek na stanovenie straty trením podľa DIN 1988 len v prípadoch, že sa použijú kvalitné pozinkované rúry a adekvátna úprava vody. Celková tlaková strata pc (kpa), na ktorú treba navrhnúť cirkulačné čerpadlo, sa vypočíta zo vzťahu p C = n 1,0 1,3 Ri. li + pra (3) i=1 kde R je dĺžková tlaková strata tab. 9, tab. 10 (kpa.m -1 ) l dĺžka úseku potrubia (m) p ra tlaková strata v regulačnej armatúre, uvažuje sa 6 kpa, (10 kpa) Veľkosť miestnych odporov je obsiahnuté v prirážke k stratám vplyvom trenia a odporúča sa: a) pre pozinkované rúry posudzované s k = 2 mm 0 % pre upravenú vodu % pre neupravenú vodu b) pre pozinkované potrubie s k = 0,25 mm s kvalitnou úpravou vody 30 %. V prípade hydraulicky hladkých rúr nie sú požiadavky našich a zahraničných noriem veľmi rozdielné a možno zvýšenie tlakových strát pre miestne odpory uvažovať v rozsahu 20 až 30 %. 5

6 Celková tlaková strata na ktorú sa navrhuje čerpadlo, možno oproti rovnici (3) presnejšie stanoviť zo vzťahu: p C = n 1,0 1,3 Ri. li + Z + pra + psa + p p (4) i=1 kde okrem známych veličín je: Z je miestna tlaková strata (kpa) p sa strata tlaku v spätnej armatúre pri čerpadle (kpa) p p strata tlaku v prístrojoch, napr. na prenos dát a pod. (kpa) Návrh regulačnej armatúry Cirkulačné systémy teplej vody by mali byť osadené regulačnými elementami prietoku. Najčastejšie to bývajú regulačné ventily alebo kompletné súpravy. Podkladom pre návrh regulačných armatúr musí byť vždy výpočet, viac alebo menej presný. V praxi sa vyskytujú tieto možnosti regulácie prietoku: a) druhom armatúry (ventil alebo zasúvadlo) bez ovládacieho kolieska, b) clonkou, c) regulačnou armatúrou s ručným nastavením škrtenia, d) termostatickou armatúrou bez možnosti ručného nastavenia škrtenia e) termostatickou armatúrou s možnosťou ručného nastavenia škrtenia f) regulačnou armatúrou s termostatom a možnosťou dezinfikovania systému vodou o teplote 80 0 C. Spôsoby regulácie uvedené pod bodmi a) a b) sa neosvedčili a nebudú ďalej analyzované. 6

7 Pre armatúry uvedené pod bodmi c), e), f) treba vykonať vždy také hydraulické posúdenie, aby boli známe prietoky a straty tlaku v jednotlivých úsekoch. Termostatické ventily len s nastavením požadovanej teploty možno navrhnúť aj pri hydraulickom posúdení s konštantnou hodnotou dĺžkovej tlakovej straty. 2.2 Návrh cirkulácie teplej vody bez výpočtu Prichádza do úvahy len v malých objektoch, napr. rodinných domoch, dvojdomoch a pod. a konkrétne, ak sú splnené podmienky: a) dĺžka všetkých úsekov rozvodného potrubia je najviac 50 m, b) vzdialenosť medzi ohrievačom a najvzdialenejším výtokom je najviac 30m. Ak sú splnené vyššie uvedené podmienky, navrhne sa: cirkulačné potrubie kúpelňu min. DN 12, pre iné hygienické priestory alebo pre kuchyňu DN 10, pre každé stúpacie potrubie regulátor tlaku, čerpadlo DN 15 s minimálnym prietokom a mernou energiou. 7

8 3 Dôsledky nevyváženosti rozvodnej sústavy teplej vody Návrh a realizácia distribučných sústav teplej vody musí okrem základných technických požiadaviek zabezpečiť aj jej hydraulickú stabilitu. V predloženom projekte dizertačnej práce uvádzam spôsoby výpočtu cirkulačných sústav a upozorňujem na dôsledky nevyváženosti distribučnej siete tepelj vody, ktoré sa prejavujú týmito javmi: nerovnomerná teplota vody v rôznych odberných miestach v okruhu zdroja TV: nedostatočná teplota TV v koncových častiach rozvodnej sústavy, najmä v čase min. odberu a ráno nadmerná teplota TV v častiach bližších ku zdroju TV neobjektívne rozúčtovanie nákladov na prípravu TV podľa vodomerov zhoršenie kvality a zdravotná neškodlivosť TV zhoršovanie fyzikálnych a senzorických vlastností vody (zakalenie, farba, chuť) stagnáciou v potrubí voda s teplotou pod 50 0 C je živným roztokom patogénnych baktérii (napr. Legionella pneumophila) v objektoch bližších k zdroju tepla môže dôjsť k obareniu vodou vysokej teploty celková neúčinnosť cirkulácie a energetická náročnosť prípravy a distribúcie TV bezúčelná cirkulácia vody s vysokou teplotou len v niektorých častiach sústavy na úkor ostatných vysoká spotreba elektrickej energie cirkulačnými čerpadlami vysoká spotreba tepelnej energie nadmerným zvyšovaním teploty v zdroji TV 8

9 Príklad výpočtu cirkulačného systému s použitím regulačných ventilov Alwa Kombi - 4 (V 1810) Treba navrhnúť cirkulačné potrubie, čerpadlo a regulačné armatúry pre bytový dom podľa obr. 1. Ide o budovu so štyrmi nadzemnými podlažiami s celkovým počtom bytov 24. Na stúpacom potrubí č.7 a č.8 sú na bytové stúpacie potrubia napojené v každom byte tieto zariaďovacie predmety: 2 WC, 3 umývadlá, 1 drez, 1 vaňa, 1 sprcha, 1 práčka a umývač riadu. V ostatných bytoch sú v byte po jednom WC, umývadle, dreze, vani a práčke. Dimenzie rozvodných potrubí boli vypočítané podľa STN pre oceľové pozinkované rúry. Svetlosti cirkulačného potrubia sú navrhnuté podľa tab. 1. Tento príklad bude riešený metódou popísanou v 2.1. Predpokladaný pokles teploty T = 3K. Postup výpočtu: a) na základe známej lineárnej hustoty tepelného toku sa vypočítajú tepelné toky v jednotlivých úsekoch a celkový tepelný tok. Výpočet je zostavený do tab. 2. V tejto tabuľke reprezentujú jednotlivé úseky stúpacie potrubia alebo ich oddeľujúce ležaté úseky. Vysvetlenie si zaslúži výpočet tepelného toku v krajných stúpacích potrubiach č.5 a 7. Tento sa skladá z dvoch častí: tepelný tok v pivnici a tepelný tok v šachte. Pre celý úsek sa stanoví jeden celkový tepelný tok, pretože hydraulicky sa bude posudzovať na jeden prietok. Stúpacie potrubia č.8, 9, 10 a 11 sa nachádzajú v dĺžke 1,5 m tiež v pivnici, ale vzhľadom na zjednodušenie v prospech spoľahlivosti sa uvažuje lineárna hustota tepelného toku v celom úseku 12 W.m -1. b) určí sa prietok čerpadlom podľa rovnice (1): Q č = Φ c. ρ. T 1558W = 1kg / l.1,2wh / kg. K. 3K = 433 l. h 1 9

10 c) vypočítajú sa prietoky v jednotlivých úsekoch podľa rovnice (2): Podľa tab. 2 tepelný tok v úsekoch č.6, 7 a 8: Φ 2 = = 435 W Tepelný tok v úsekoch č.2, 3, 4, 5, 9, 10 a 11: Φ = = 923 W 1 Q 1 = l. h 1 = Q 2 = l. h 1 = Prietoky vypočítané týmto spôsobom pre časť cirkulačného systému sú v tab. 3. d) Vypočítajú sa straty tlaku v jednotlivých úsekoch. Výpočet je zostavený do tabuľky 6. Ide o hydraulické posúdenie úsekov č. 1, 2, 3, 4 a 5 (podklad pre výpočet mernej energie čerpadla), ktoré bolo vykonané pre 3 alternatívy: podľa STN (k = 2,0 mm), prirážka na miestne straty 20%, pričom aj okrajové stúpacie potrubia majú doporučenú svetlosť DN 15. Tlaková strata je 7,98 kpa, oproti predchádzajúcemu výpočtu sa zväčšila svetlosť úseku 5 na DN 20, čo znížilo tlakovú stratu na 5,32 kpa podľa DIN 1988 (k = 0,25 mm), prirážka na miestne straty 30%, tlaková strata 3,55 kpa. 10

11 Celkové tlakové straty pre návrh čerpadla, vypočítané podľa (3) môžu byť pre jednotlivé alternatívy: 7,98 + 6,0 = 13,98 kpa 5,32 + 6,0 = 11,32 kpa 3,55 + 6,0 = 9,55 kpa e) Navrhne sa čerpadlo pre prietok 433 l.h -1. Konkrétne sa použili podklady firmy Grundfos: pre stratu H = 1,13 m a prietok Q = 0,43 m 3.h -1 sa použilo čerpadlo Alpha 25-40B 180, príkon P = 29 W, ročná spotreba 203 kwh.rok -1, pre rovnaké zadané údaje možno navrhnúť aj napr. čerpadlo UP N 150, príkon P = 78 W a ročná spotreba elektriny je 535 kwh.rok -1. f) Navrhnú sa regulačné armatúry a ich nastavenie. Pre návrh regulačnej armatúry musíme poznať rozdiel tlakov pre príslušné úseky, ktoré sú vpísané do tab. 6. Napr. pre stúpacie potrubie č.11 (1.alternatíva) je p = 2,62 kpa. fa) Regulačná armatúra s ručným nastavením škrtenia; použije sa ventil Alwa Kombi 4, DN 15, na určenie hodnoty prednastavenia sa použije návrhový diagram z prospektov firmy Honeywell. V tomto prípade sa musí dodržať K v hodnota v predpísanom rozsahu. Pre tieto armatúry sa uvažuje s rozdielom tlakov 2,7 kpa, resp. 27 mbar. Pre stúpacie potrubie č.11 s prietokom 71 l.h -1 bude k v = = = 0, 432 m 3. h fb) Termostatická regulačná armatúra s možnosťou dezinfikovania distribučnej sústavy TV pri teplote 80 0 C. 11

12 Tabuľka 2 Výpočet tepelného toku cirkulačného potrubia TV Lineárna hustota Celkový Dĺžka Č. Úseku Pivnica/Šachta tepelného toku tepelný tok l (m) q l (W.m -1 ) Φ (W) 1 Pivnica Pivnica Pivnica Pivnica Pivnica 11,5 10 Šachta 10, Pivnica Pivnica 11,5 10 Šachta 10, Šachta Šachta Šachta Šachta

13 Tabuľka 3 Číslo úseku Výpočet prietoku v cirkulačnom potrubí Tepelné toky Objemové prietoky celkové priechod odbočka celkové priechod odbočka Φ 1 + Φ 2 Φ 1 Φ 2 Q 1 + Q 2 Q 1 Q 2 W l.s -1 l.h -1 l.s -1 l.h -1 l.s -1 l.h , , , , , , , , , , , , , , , , Obr. 1 Schéma vnútorného vodovodu bytového 13 domu

14 Tabuľka 4 Dĺžková tlaková strata trením pre oceľové pozinkované rúry podľa STN teplá voda, malé prietoky (k = 2,00 mm) Prietok DN 15 DN 20 DN 25 Q R v R v R v l.s -1 kpa.m -1 m.s -1 kpa.m -1 m.s -1 kpa.m -1 m.s -1 0,01 0,0044 0,056 0,0013 0,03 0,0005 0,019 0,012 0,0052 0,068 0,0015 0,036 0,0006 0,023 0,014 0,0061 0,079 0,0018 0,042 0,0007 0,026 0,016 0,0091 0,09 0,002 0,048 0,0008 0,03 0,018 0,0174 0,101 0,0023 0,054 0,0009 0,034 0,02 0,0287 0,113 0,0025 0,06 0,001 0,038 0,022 0,0434 0,124 0,0036 0,066 0,0011 0,041 0,024 0,0621 0,135 0,0055 0,072 0,0012 0,045 0,026 0,085 0,146 0,008 0,078 0,0013 0,049 0,028 0,1 0,158 0,011 0,085 0,0018 0,053 0,03 0,115 0,169 0,0146 0,091 0,0024 0,057 0,035 0,156 0,197 0,0267 0,106 0,0047 0,066 0,04 0,203 0,225 0,0363 0,121 0,008 0,075 0,045 0,257 0,253 0,0458 0,136 0,0125 0,085 0,05 0,316 0,281 0,0564 0,151 0,0156 0,094 0,055 0,382 0,31 0,068 0,166 0,0188 0,104 0,06 0,454 0,338 0,0808 0,181 0,0223 0,113 0,065 0,532 0,366 0,0947 0,196 0,0261 0,123 0,07 0,617 0,394 0,11 0,211 0,0302 0,132 0,075 0,708 0,422 0,126 0,226 0,0346 0,141 0,08 0,805 0,45 0,143 0,241 0,0393 0,151 0,09 1,017 0,507 0,18 0,272 0,0495 0,17 0,1 0,222 0,302 0,061 0,188 0,11 0,269 0,332 0,0737 0,207 0,12 0,319 0,362 0,0875 0,226 14

15 Tabuľka 5 Dĺžková tlaková strata trením pre oceľové pozinkované rúry podľa DIN 1988 teplá voda (k = 0,25 mm) Prietok DN 10 DN 15 DN 20 DN 25 Q R v R v R v R v l.s -1 kpa.m -1 m.s -1 kpa.m -1 m.s -1 kpa.m -1 m.s -1 kpa.m -1 m.s -1 0,01 0,02 0,1 0,01 0,05 0 0,03 0,02 0,07 0,2 0,02 0,1 0 0,05 0,03 0,13 0,2 0,04 0,15 0,01 0,08 0,04 0,23 0,3 0,07 0,2 0,02 0,11 0,05 0,34 0,4 0,1 0,25 0,02 0,14 0,06 0,47 0,5 0,14 0,3 0,03 0,16 0,07 0,63 0,6 0,18 0,35 0,04 0,19 0,08 0,81 0,7 0,23 0,4 0,05 0,22 0,09 1,01 0,7 0,29 0,45 0,06 0,25 0,1 1,23 0,8 0,35 0,5 0,08 0,3 0,03 0,2 0,15 2,66 1,2 0,75 0,7 0,16 0,4 0,06 0,2 0,2 1,29 1 0,28 0,5 0,09 0,3 0,3 2,8 1,5 0,6 0,8 0,19 0,5 0,4 1,03 1,1 0,32 0,7 0,5 1,58 1,4 0,48 0,9 0,6 0,68 1,0 0,7 0,92 1,2 0,8 1,19 1,4 0,9 1,49 1,5 1,0 1,83 1,7 15

16 Tabuľka 6 Hydraulické posúdenie cirkulácie teplej vody Dĺžka Prietok Svetlosť (DN) Rýchlosť Tlaková strata l Q rozvod cirkul. v R R.L n x R.L p m l.h -1 l.s -1 mm mm m.s -1 kpa.m -1 kpa kpa kpa Číslo úseku Výpočet podľa STN (k = 2,00 mm) , ,226 0,087 1,74 2, , ,241 0,143 0,715 0, , ,211 0,11 1,1 1, , ,151 0,056 0,56 0, , ,121 0,036 0,18 0,22 STA - DR , ,14 0,07 1,54 1,85 3,82 2,17 ot , ,08 0,007 0,08 0,1 5,57 1,65 ot , ,056 0,004 0,05 0,06 4,97 1,64 ot , ,08 0,007 0,09 0,11 3,6 1,85 ot , ,113 0,029 0,35 0,42 2,62 2,16 ot , ,169 0,115 2,53 3,04 5a ,091 0,0146 0,32 0,38 Výpočet podľa DIN 1988 (k = 0,25 mm) Nastavenie regulačnej armatúry , ,2 0,05 1 1, , ,22 0,05 0,25 0, , ,19 0,04 0,4 0, , ,14 0,02 0,2 0, , ,11 0,02 0,1 0,13 STADA 10/ , ,12 0,03 0,66 0,86 1,26 2,93 ot , ,075 0,015 0,18 0,23 1,89 2,30 ot , ,05 0,01 0,12 0,14 1,78 2,25 ot , ,075 0,015 0,18 0,23 1,17 2,56 ot , ,1 0,02 0,24 0,31 0,83 2,93 ot , ,15 0,04 0,88 1,14 16