Obliczenia hydrauliczne instalacji centralnego ogrzewania

Transkrypt

1 dr inż. Michał Strzeszewski Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa Obliczenia hydrauliczne instalacji centralnego ogrzewania Materiały do zajęć z ogrzewnictwa v (beta) r. Spis treści: 1 Wprowadzenie... Pojęcia podstawowe Obliczeniowy strumień wody Dobór pompy obiegowej Ciśnienie czynne w obiegu Określanie oporów hydraulicznych działek Opory liniowe Opory miejscowe Opór hydrauliczny obiegu Zasady równoważenia hydraulicznego Minimalny opór działki z grzejnikiem Autorytet zaworu termostatycznego Dobór średnic przewodów Prędkości przepływu Dławienie nadmiaru ciśnienia Opór hydrauliczny grzejników Opór hydrauliczny rozdzielaczy... 1 Literatura

2 1 Wprowadzenie Projektowanie sieci przewodów polega na dobraniu średnic przewodów i elementów regulacyjnych w celu: zapewnienia odpowiedniego rozdziału czynnika grzejnego do poszczególnych grzejników, zapewnienia stateczności cieplnej i hydraulicznej instalacji, optymalizacji kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Aby poszczególne grzejniki mogły osiągnąć wymaganą moc przy założonym spadku temperatury (np. 0K), niezbędne jest zapewnienie dla każdego grzejnika odpowiedniego strumienia masowego wody. Warunek ten realizuje się poprzez odpowiednie wyregulowanie instalacji w warunkach projektowych (regulacja wstępna). W ogólnym przypadku wyróżnia się: regulację wstępną, regulację eksploatacyjną. Regulacja wstępna (zwana czasami również regulacją montażową lub trwałą) ma na celu zapewnienie odpowiednich strumieni masowych wody w poszczególnych odcinkach przewodów w warunkach projektowych. Regulacja eksploatacyjna (zwana również regulacją bieżącą) to ciągłe dostosowywanie mocy ogrzewania do chwilowych potrzeb cieplnych. Regulację wstępną można przeprowadzić: w sposób obliczeniowy, w sposób pomiarowy. W Polsce przeważa sposób obliczeniowy, polegający na ustaleniu przez projektanta odpowiednich nastaw na zaworach regulacyjnych. Następnie wykonawca ustawia dobrane nastawy na poszczególnych zaworach. Natomiast w przypadku metody pomiarowej, projektant ustala wymagane przepływy, a następnie wykonawca w taki sposób operuje zaworami regulacyjnymi, aby uzyskać wymagane przepływy. W tym przypadku konieczne jest stosowanie odpowiedniej armatury, umożliwiające przeprowadzenie pomiarów przepływów. Poglądowo można powiedzieć, że celem regulacji wstępnej jest sprawiedliwy rozdział czynnika. Przy czym sprawiedliwy oznacza tu: każdemu (grzejnikowi) wg potrzeb. Tzn. większy grzejnik, który ma za zadanie dostarczać więcej ciepła, powinien otrzymać większy strumień niż grzejnik mniejszy. Jeśli regulacja wstępna nie zostanie przeprowadzona, to strumienie wody, dopływające do poszczególnych grzejników będą przypadkowe, a w konsekwencji również ich moce i spadek temperatury będą się różniły od wartości projektowych. Brak regulacji wstępnej może co prawda do pewnego stopnia być kompensowany przez regulację eksploatacyjną (np. termostaty grzejnikowe), ale obniża to znacznie jakość regulacji eksploatacyjnej. Mniej groźny jest zbyt duży strumień, który może być zdławiony przez zawór grzejnikowy. Natomiast w przypadku strumienia zbyt małego spada moc grzejnika, a zawór grzejnikowy, nawet przy pełnym otwarciu, nie jest w stanie nic pomóc. Generalnie instalacja nie wyregulowana wstępnie, nawet jeśli działa w sposób akceptowalny dla użytkownika, to jednak zazwyczaj oznacza gor-

3 szą jakość dostawy ciepła (moce grzejników nie są dostosowane do chwilowych potrzeb cieplnych) oraz może prowadzić do niepotrzebnego wzrostu kosztów ogrzewania. Pojęcia podstawowe Działka odcinek przewodu o stałej średnicy wraz z zamontowanymi na nim urządzeniami, przez który płynie jednakowa ilość wody. Czyli działki to odcinki przewodów pomiędzy trójnikami lub czwórnikami (w stali). Jeżeli w instalacji istnieją pary analogicznych działek na zasilaniu i powrocie (instalacja symetryczna), odpowiednie pary działek można traktować łącznie. Dzięki temu zmniejsza się znacznie ilość działek. W takim przypadku należy pamiętać, aby w obliczeniach uwzględnić łączną długość działek. Obieg zespół przewodów, którymi woda przepływa od źródła ciepła do grzejnika i z powrotem wraz z zamontowanymi urządzeniami. W skład obiegu wchodzą : źródło ciepła (kocioł, wymiennik ciepła), grzejnik, przewody łączące źródło ciepła z grzejnikiem. Obieg najbardziej niekorzystny obieg w którym opory hydrauliczne przed zdławieniem nadmiarów ciśnienia są największe. W instalacjach pionowych często najniekorzystniejszy jest obieg przez najniżej zainstalowany grzejnik, znajdujący się w najdalszym pionie w stosunku do źródła ciepła. 3 Obliczeniowy strumień wody Strumień wody wymagany przez poszczególne grzejniki w warunkach projektowych oblicza się w następujący sposób: Qogrz G c t t, kg/s (1) w z p Q ogrz obliczeniowa moc cieplna grzejnika nie uwzględniająca zysków ciepła, W, c w ciepło właściwe wody, w przybliżeniu 4186 J/kgK, t z obliczeniowa temperatura wody zasilającej instalację, ºC, obliczeniowa temperatura wody powracającej z instalacji, ºC. t p Powyższe równanie stosuje się również dla działek wspólnych (dostarczających wodę do większej ilości grzejników). Jako moc cieplną podstawia się wtedy sumę mocy wszystkich zaopatrywanych grzejników (tzw. obciążenie cieplne działki). 4 Dobór pompy obiegowej W celu doboru pompy należy ustalić dwie wielkości: wymaganą wydajność, oraz orientacyjną wysokość podnoszenia. 3

4 Wymagana wydajność pompy obiegowej: 1,1 Qinst 3 V p, m s () c t t w z p Q ins obliczeniowa moc cieplna instalacji, W, c w ciepło właściwe wody, w przybliżeniu 4186 J/kgK, t z obliczeniowa temperatura wody zasilającej instalację, ºC, t p obliczeniowa temperatura wody powracającej z instalacji, ºC, gęstość wody płynącej przez pompę, tzn. gęstość dla temperatury zasilania lub powrotu w zależności od lokalizacji pompy, kg/m 3. Orientacyjna wysokość podnoszenia pompy: pzc L H p, or, m H O (3) 9,81 p zc opór źródła ciepła, np. opór wymiennika ciepła po stronie instalacyjnej, Pa, L suma długości działek w najbardziej niekorzystnym obiegu, m, gęstość wody płynącej przez pompę, kg/m 3. Następnie należy dobrać pompę, której charakterystyka pozwoli na spełnienie powyższych wymagań (rys. 1). Dobierając pompę należy w miarę możliwości zapewnić, aby punkt pracy znajdował się w zalecanym obszarze, dzięki czemu pompa będzie osiągać wysoką sprawność. W przypadku pomp, które posiadają kilka biegów, należy również wskazać bieg, na którym pompa ma pracować. H, m H p zalecany obszar pracy H p,or charakterystyka pompy V p Rys. 1. Wyznaczenie punktu pracy pompy obiegowej Q, m 3 /h Kolejnym krokiem jest ustalenie wysokości podnoszenia dobranej pompy dla wymaganej wydajności. Wysokość ta będzie następnie podstawą równoważenia hydraulicznego instalacji. Alternatywnie możliwe jest wcześniejsze zaprojektowanie instalacji, a następnie dobranie do niej odpowiedniej pompy, ale jest to zazwyczaj metoda mniej dokładna. 4

5 5 Ciśnienie czynne w obiegu Ciśnienie czynne ciśnienie powodujące przepływ wody w obiegu. W instalacjach pompowych w obiegu działa zarówno ciśnienie wytworzone przez pompę, jak i ciśnienie grawitacyjne, wywołane różnicą gęstości wody w przewodach powrotnych i zasilających. Przy czym w przypadku regulacji jakościowej instalacji, ciśnienie grawitacyjne jest zmienne w ciągu sezonu grzewczego. W związku z tym zaleca się przyjmowanie do obliczeń 75% wartości maksymalnej ciśnienia grawitacyjnego. Obliczeniowe ciśnienie wytwarzane przez pompę: p 0,9 9,81, Pa (4) po H p H p wysokość podnoszenia dobranej pompy, m, gęstość pompowanej wody, kg/m 3. Ciśnienie czynne w obiegu: p cz p po 9,81, Pa 0,75 h (5) p z p gęstość wody o temperaturze powrotu, kg/m 3, z gęstość wody o temperaturze zasilania, kg/m 3, h różnica wysokości między środkiem grzejnika i środkiem źródła ciepła, m. Współczynniki 1,1 w równaniu () oraz 0,9 we wzorze (4) uwzględniają, fakt że pompa (zwłaszcza po dłużej pracy w instalacji) może nie spełniać charakterystyki katalogowej. Niektóre źródła literaturowe [1, 9] nie zalecają stosowania tych współczynników. Jednak z uwagi na to, że katalogowe charakterystyki pomp nie są gwarantowane przez producentów, w niniejszym opracowaniu zachowano te współczynniki korygujące. 6 Określanie oporów hydraulicznych działek Opór hydrauliczny działki jest to suma oporów liniowych i miejscowych: R L Z, Pa (6) p dz R jednostkowa liniowa strata ciśnienia w przewodzie, Pa/m, L długość działki, m, Z straty ciśnienia wywołane przez opory miejscowe, Pa. 7 Opory liniowe Jednostkowe straty liniowe można określić ze wzoru: w R d w, Pa/m współczynnik oporów liniowych, zależny od średnicy i chropowatości przewodu oraz od prędkości przepływającego czynnika, 5 (7)

6 d w średnica wewnętrzna przewodu, m, z gęstość wody przepływającej w przewodzie, kg/m 3, w prędkość wody w przewodzie, m/s. Prędkość wody można obliczyć w następujący sposób: G 4 G w, m/s (8) d w strumień masowy wody płynącej w działce, kg/s. W przypadku obliczeń ręcznych wartość R, zamiast ze wzoru (7), często jest odczytywana z wykresów lub tabel. Wykresy te i tabele opracowywane są dla konkretnych przewodów (chropowatości) oraz dla przynajmniej zbliżonej temperatury. Tzn. projektując instalację centralnego ogrzewania, nie powinno się korzystać z wykresów np. dla przewodów zimnej wody. Przykładowy wykres dla przewodów wielowarstwowych KISAN (PE-AL-PE) przedstawiono na rys.. Natomiast wykres dla przewodów stalowych zamieszczono na rys. 3. Rys.. Jednostkowy liniowy spadek ciśnienia R w rurach wielowarstwowych KISAN (PE-AL-PE) dla instalacji centralnego ogrzewania (temperatura 70ºC). [6] 6

7 Michał Strzeszewski: Obliczenia hydrauliczne instalacji centralnego ogrzewania Rys. 3. Określanie jednostkowych liniowych strat ciśnienia w przewodach stalowych 7

8 8 Opory miejscowe Opory miejscowe w instalacji centralnego ogrzewania mogą stanowić nawet ponad 50% całkowitych oporów hydraulicznych. Dzieje się tak, ponieważ instalacja c.o. składa się ze stosunkowo krótkich odcinków prostych oraz dużej ilości zmian kierunku, odgałęzień i armatury. W związku z tym opory miejscowe nie mogą być ani pominięte, ani określone wskaźnikowo (jako pewien procent oporów liniowych). Strata ciśnienia, związana z oporem miejscowym, może być określona następującymi metodami: na podstawie współczynnika oporu miejscowego, na podstawie współczynnika przepływu k v, na podstawie wykresu (charakterystyki hydraulicznej). Opory miejscowe na granicy działek zalicza się do działki o mniejszym przepływie. 8.1 Współczynnik oporu miejscowego Współczynniki oporów miejscowych wykorzystuje się przede wszystkim dla typowych oporów, takich jak łuki, odsadzki, obejścia, trójniki itp. Współczynnik może być również wykorzystany do oszacowania straty ciśnienia na elementach takich jak grzejnik czy kocioł, ale należy pamiętać, że będzie to tylko wartość orientacyjna. W tym przypadku zdecydowanie lepiej jest skorzystać z charakterystyki hydraulicznej, podanej przez producenta w postaci współczynnika k v lub wykresu. Metody te są równoważne i dają w przybliżeniu ten sam wynik. Do obliczania miejscowych strat ciśnienia w oparciu o współczynnik służy wzór: Z w, Pa (9) suma współczynników oporów miejscowych występujących w działce, w prędkość wody w przewodzie, m/s. ρ gęstość wody w przewodzie, kg/m3; Wartości współczynnika oporów miejscowych dla rur stalowych, miedzianych i tworzywowych zestawiono w tabelach 1 3. Na rysunku 4 pokazano poglądowo podstawowe typy zaworów, stosowane w ogrzewnictwie. zawór przelotowy zawór skośny zawór kątowy zawór kulowy Rys. 4. Podstawowe typy zaworów 8

9 Tabela 1. Wartości współczynników oporów miejscowych elementów instalacji centralnego ogrzewania z rur stalowych [1, 4] Lp. Nazwa Symbol Średnica nominalna przewodu Współczynnik oporu miejsc. 1 Grzejnik członowy* G ,0 0 5,0 Grzejnik płytowy* 10,5 Gp 15 6,5 0 19,0 5 46,0 3 Łuk lub kolano gięte r/d 1,5 10,0 d 15 1,5 0 1,0 5 0,5 3 0,5 4 Zawór grzejnikowy ,5 M-3173 i M ,5 5 Zawór odcinający przelotowy prosty* , , ,0 50 7,0 6 Zawór jw. skośny* , ,0 3 40,5 50,0 7 Kurek dwudrogowy stożkowy* 15 5, ,5 8 Kocioł żeliwny* K,5 9 Odsadzka 0,5 10 Obejście 1,0 11 Wydłużka* prostokątna,0 falista 3,0 dławicowa 0,5 1 Trójniki prostokątne zasilanie przelot 0,5 13 Czwórniki powrót odgałęzienie przeciwprąd przelot odgałęzienie r przeciwprąd 3,0 przelot,0 odgałęzienie 3,0 14 Nagła zmiana przekroju rozszerzenie zwężenie * Przyjmować tylko w przypadku braku dokładnej charakterystyki hydraulicznej. 9 1,5 3,0 0,5 1,0 1,0 0,5

10 Tabela. Współczynniki oporów miejscowych łączników dla instalacji wykonanych z miedzi [7] Symbol Nazwa Symbol Nazwa Łuk 90º r/d = 0,5 1,00 Odgałęzienia prostokątne d r/d = 1,0 0,35 r r/d =,0 0,0 Rozdział strumienia 1,30 r/d = 3,0 0,15 Kolano 90 1, , ,40 Połączenie strumienia 0,90 Odsadzka 0,50 Przelot przy rozdziale strumienia 0,30 Zwężenie ciągłe β = 30 0,0 β = 45 0,04 β = 60 0,07 Rozszerzenie β = 10 0,10 ciągłe β = 0 0,15 β = 30 0,0 Przelot przy połączeniu strumienia Przeciwprąd przy połączeniu strumienia 0,60 3,00 Kompensator U-kształtny 1,00 β = 40 0,0 Przeciwprąd przy rozdziale strumienia Rozgałęzienia łukowe 1,50 Kompensator osiowy*,00 Rozdział strumienia 0,90 Kompensator mieszkowy*,00 Połączenie strumienia 0,40 Wylot z rozdzielacza* 0,50 Wlot do kolektora* 1,00 Przelot przy rozdziale strumienia Przelot przy połączeniu strumienia 0,30 0,0 * Przyjmować tylko w przypadku braku dokładnej charakterystyki hydraulicznej. 10

11 Tabela 3. Współczynniki oporów miejscowych elementów instalacji centralnego ogrzewania z rur wielowarstwowych (PE- AL-PE) systemu KISAN [6] Lp. Symbol Nazwa oporu miejscowego Współczynnik oporu miejsc. 1 Grzejnik członowy przy średnicy gałązki* d G w = 1, 1,5 d w = 15,5 3,0 d w = 0,5 9,0 Grzejnik stalowy płytowy Gp przy średnicy gałązki* d w = 1,,5 d w = 15,5 6,5 d w = 0,5 19,0 3 Zawór grzejnikowy fig M-3173 i M-3175 d n = ,5 d n = 0 6,0 4 Zawór odcinający prosty* d n = ,0 d n = 0 5 1,0 5 Zawór odcinający skośny* d n = ,5 d n = 0 5 3,0 6 Zawór kulowy* 0,15 7 Zawór zwrotny* 4,0 8 K Kocioł żeliwny*,5 9 K Kocioł stalowy*,0 10 Kolano KISAN,0 11 Kolano gięte r / d 5** d w = 1, d 0,5 d w = 15,5 0,3 d w = 0,5 0,3 r 1 Trójniki zasilanie 13 Czwórniki powrót przelot 0,3 odgałęzienie 1,3 przeciwprąd 1,5 przelot 0,9 odgałęzienie 0,9 przeciwprąd 3,0 przelot,0 odgałęzienie 3,0 14 Odsadzka 0,5 15 Obejście 1,0 16 Wydłużka gładka sprężysta*,0 17 Nagła zmiana przekroju rozszerzenie 1,0 zwężenie 0,5 * Przyjmować tylko w przypadku braku dokładnej charakterystyki hydraulicznej. ** Najmniejszy promień gięcia rur KISAN r = 5d. 11

12 Przykład 1 Określić opory miejscowe w działce z grzejnikiem wg rys. 5, bez uwzględniania zaworu grzejnikowego (zawór liczony osobno). Opór grzejnika uwzględnić w sposób orientacyjny na podstawie współczynnika oporu miejscowego. Instalacja z rur stalowych w układzie pionowym. Prędkość wody w działce 0,070 m/s. Średnia temperatura wody: 70ºC. Rozwiązanie 10 Pokój +0 C 700/0 W dn 10 T-1 Gęstość wody dla temperatury 70ºC wynosi 977,8 kg/m 3. Rys. 5. Rysunek do przykładu 1. Obliczenie sumy współczynników oporów miejscowych występujących w działce: Opór Współczynnik oporu miejscowego trójnik odgałęzienie zasilanie 1,5 trójnik odgałęzienie powrót 1,0 odsadzka 0,5 obejście 1,0 grzejnik członowy 3,0 RAZEM 7,5 Z w 0,07 7,5 977,8 18 Pa W niniejszym przykładzie opór hydrauliczny grzejnika został ustalony orientacyjnie na podstawie współczynnika oporu miejscowego. Dokładne określanie oporu grzejnika na podstawie charakterystyki producenta zostało omówione w punkcie 16. Opór hydrauliczny grzejników (str. 19). 8. Współczynnik przepływu Alternatywnie straty ciśnienia, wywołane oporem miejscowym można określić na podstawie współczynnika przepływu k v. Współczynnik przepływu k v przepływ wody (o temperaturze 5 C 40 C) przez zawór, wyrażony w metrach sześciennych na godzinę, przy spadku ciśnienia statycznego na zaworze równym 1 bar. Znając współczynnik przepływu k v, straty ciśnienia oblicza się w następujący sposób: Q p , Pa (10) k v 1

13 Q k v strumień objętościowy, m 3 /h, współczynnik przepływu, m 3 /h. Korzystając z powyższego równania należy zwrócić uwagę na jednostki. Ponieważ współczynnik przepływu k v wyrażony jest w m 3 /h, to również strumień należy podstawiać w tych jednostkach. Mnożnik przelicza otrzymany wynik z barów, które występują w definicji współczynnika przepływu k v, na paskale. Im większą wartość przyjmuje współczynnik przepływu k v, tym mniejszy jest opór. Jest to zależność odwrotna niż w przypadku współczynnika oporu miejscowego. Mimo że współczynnik przepływu k v został oryginalnie zdefiniowany dla zaworów, można go zastosować dla dowolnego oporu miejscowego, np. dla grzejnika. 9 Opór hydrauliczny obiegu Opór hydrauliczny obiegu jest równy sumie oporów działek wchodzących w jego skład: n i1 R L Z p, Pa n p (11) obj i i i i1 n ilość działek w obiegu, R i jednostkowa liniowa strata ciśnienia w i-tej działce, Pa/m, L i długość i-tej działki, m, Z i straty ciśnienia wywołane przez opory miejscowe w i-tej działce, Pa, Δp dzi straty ciśnienia w i-tej działce, Pa. 10 Zasady równoważenia hydraulicznego dzi Podstawową zasadą równoważenia hydraulicznego obiegu jest wyrównanie strat ciśnienia (przy obliczeniowych strumieniach wody) z działającym w tym obiegu ciśnieniem czynnym. p (1) cz p obj Δp cz ciśnienie czynne w obiegu, Pa, Δp obj starty ciśnienia w obiegu przy obliczeniowych strumieniach wody, Pa. Dopuszcza się błąd w zrównoważeniu obiegu do 10%: oznaczenia jw. pcz pobj 10% (13) p cz W przypadku braku projektowego wyrównania tych wielkości, w czasie eksploatacji równość ta zgodnie z prawami fizyki i tak zostanie osiągnięta, jednak kosztem zmian wielkości strumieni masowych wody w działkach w stosunku do wymaganych wartości. Poza tym należy zapewnić co najmniej minimalny opór działki z grzejnikiem (w przypadku zaworów ręcznych) lub odpowiedni autorytet zaworu (w przypadku zaworów termostatycznych). 13

14 Zasady równoważenia hydraulicznego instalacji c.o. 1. Wartości oporu hydraulicznego i ciśnienia czynnego powinny być do siebie zbliżone. Błąd nie powinien przekraczać 10%.. W przypadku ręcznych zaworów grzejnikowych, opór działki z grzejnikiem powinien być większy lub równy minimalnemu oporowi działki z grzejnikiem. 3. Autorytet zewnętrzny zaworu termostatycznego powinien wynosić przynajmniej 30%. W tym miejscu warto zauważyć, że zgodnie z paragrafem 134 punktem 4 i 5 Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 1 kwietnia 00 r. [11] w większości przypadków (z pewnymi wyjątkami) wymagane jest obecnie stosowanie termostatów grzejnikowych (patrz ramka poniżej). Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 1 kwietnia 00 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. z dnia 15 czerwca 00 r. z późniejszymi zmianami) [11] Grzejniki oraz inne urządzenia odbierające ciepło z instalacji ogrzewczej powinny być zaopatrzone w regulatory dopływu ciepła. Wymaganie to nie dotyczy instalacji ogrzewczej w budynkach zakwaterowania w zakładach karnych i aresztach śledczych. 5. W budynku zasilanym z sieci ciepłowniczej oraz w budynku z własnym (indywidualnym) źródłem ciepła na olej opałowy, paliwo gazowe lub energię elektryczną, regulatory dopływu ciepła do grzejników powinny działać automatycznie, w zależności od zmian temperatury wewnętrznej w pomieszczeniach, w których są zainstalowane. Wymaganie to nie dotyczy budynków jednorodzinnych, mieszkalnych w zabudowie zagrodowej i rekreacji indywidualnej, a także poszczególnych mieszkań oraz lokali użytkowych wyposażonych we własne instalacje ogrzewcze. 11 Minimalny opór działki z grzejnikiem Aby nie dopuścić do rozregulowania hydraulicznego instalacji w obrębie pionu, objawiającego się niedogrzewaniem i przegrzewaniem skrajnych kondygnacji, w przypadku stosowania ręcznych zaworów grzejnikowych, należy zapewnić odpowiednie opory działek z grzejnikami. Minimalny opór działki z grzejnikiem określa równanie: p g min 9,81 h, Pa (14) p z g p gęstość wody o temperaturze powrotu, kg/m 3, z gęstość wody o temperaturze zasilania, kg/m 3, h g różnica wysokości pomiędzy środkami skrajnych grzejników w instalacji, m. 1 Autorytet zaworu termostatycznego W przypadku stosowania zaworów termostatycznych, warunek minimalnego oporu działki z grzejnikiem zostaje zastąpiony wymaganiem, aby autorytet zewnętrzny zaworu termostatycznego wynosił przynajmniej 30%: A 0,3 (15) v Autorytet zewnętrzny zaworu stosunek straty ciśnienia na zaworze do całkowitego oporu hydraulicznego w obiegu lub tej jego części, w której różnica ciśnienia jest stabilizowana. 14

15 A p v v (16) pobj, st A v autorytet zewnętrzny zaworu, Δp v opór hydrauliczny zaworu termostatycznego przy pełnym otwarciu, Pa, Δp obj,st opór hydrauliczny obiegu lub jego części stabilizowanej przez stabilizator różnicy ciśnienia, Pa. 13 Dobór średnic przewodów Dobór średnic należy rozpoczynać od najbardziej niekorzystnego obiegu. Do wstępnego doboru średnic można (choć nie jest to obowiązkowe) określić orientacyjną jednostkową stratę ciśnienia. Dla najniekorzystniejszego (pierwszego) obiegu wynosi ona: w przypadku zaworów ręcznych: 0,5 0,67 p cz pzc pg min Ror 1, Pa/m (17) L w przypadku zaworów termostatycznych: 0,5 0,67 0,7 pcz pzc Ror 1, Pa/m (18) L Mnożnik 0,5 0,67 w powyższych wzorach uwzględnia zakładany udział liniowych strat ciśnienia w stosunku do całkowitych strat ciśnienia. W przypadku zaworów ręcznych wzór przewiduje konieczność zapewnienia minimalnego oporu działki z grzejnikiem. Natomiast dla zaworów termostatycznych, współczynnik 0,7 powoduje zarezerwowanie 30% ciśnienia czynnego dla zaworu termostatycznego w celu zapewnienia odpowiedniego autorytetu. Dla kolejnych obiegów: w przypadku zaworów ręcznych: p cz pzc pg min R L Z. wsp. R dz or, Pa/m (19) L w przypadku zaworów termostatycznych: n ,7 pcz pzc R L Z. wsp. R dz or, Pa/m (0) L n p cz ciśnienie czynne w obiegu, Pa, p zc opór źródła ciepła, np. opór wymiennika ciepła po stronie instalacyjnej, Pa, p g min minimalny opór działki z grzejnikiem, Pa, L suma długości działek w najbardziej niekorzystnym obiegu, m; L n suma długości nowych działek w obiegu, m; (RL+Z) dz.wsp. suma oporów hydraulicznych działek wspólnych (dla których już zostały dobrane średnice), Pa. 15

16 Wartości orientacyjne współczynnika R należy traktować tylko jako wskazówkę. W praktyce opory w poszczególnych działkach mogą się różnić nawet znacznie od wartości orientacyjnych. Zazwyczaj wartości współczynnika R maleją, idąc od źródła ciepła w kierunku grzejnika. 14 Prędkości przepływu Dobór średnic przewodów w pompowych instalacjach c.o. jest zagadnieniem dość złożonym. O ile w instalacjach grawitacyjnych dobór średnic jest ściśle uwarunkowany dostępnym ciśnieniem grawitacyjny, to w instalacjach pompowych teoretycznie prawie zawsze można dobrać większą pompę, która będzie w stanie przetłoczyć wymagane strumienie wody nawet przez przewody o stosunkowo małych średnicach. Generalnie zmniejszenie średnic ma następujące zalety: zmniejszenie kosztów inwestycyjnych, łatwiejsze umieszczenie (względnie ukrycie) przewodów. Natomiast jednocześnie zmniejszenie średnic oznacza: zwiększenie oporów przepływu i w konsekwencji zwiększenie kosztów pompowania, zwiększenie prędkości wody i wzrost ryzyka występowania szumów. Wytyczne COBRTI INSTAL w sprawie zasad projektowania instalacji c.o. we wcześniejszych wydaniach [] zalecały dobór średnic w oparciu o warunek, że prędkość przepływu wody nie powinna być większa niż średnica nominalna, wyrażona w decymetrach: w d dm (1) w prędkość wody, m/s, d dm średnica nominalna rury, dm. Maksymalne prędkości wg powyższego warunku zestawiono w tabeli 4. Tabela 4. Maksymalne dopuszczalne prędkości wody w przewodach stalowych dla ogrzewań wodnych wg wcześniejszych wytycznych COBRTI INSTAL [] d n, mm d n, cal ⅜" ½" ¾" 1" 1 ¼" 1 ½" " w max 0,10 0,15 0,0 0,5 0,3 0,40 0,50 Jednak w wydaniu wytycznych COBRTI INSTAL z roku 001 [3] zastąpiono tę zasadę warunkiem, aby jednostkowy linowy opór hydrauliczny nie przekraczał 100 Pa/m. Natomiast poradnik Ogrzewnictwo dla praktyków [1] podaje wyższe wartości dopuszczalnych prędkości (tabela 5). Tabela 5. Maksymalne dopuszczalne prędkości wody w przewodach stalowych dla ogrzewań wodnych wg [1] d n, mm d n, cal ⅜" ½" ¾" 1" 1 ¼" 1 ½" " w max 0,30 0,50 0,65 0,80 1,00 1,0 1,50 16

17 Podobne wymagania podają producenci rur tworzywowych. W tabeli 6 przykładowo zamieszczono zalecane prędkości dla rur KISAN. Przewody Tabela 6. Zalecane prędkości w rurach KISAN [6] prędkość poziome przewody rozdzielcze 0,5 0,6 piony 0, 0,4 gałązki grzejnikowe w instalacjach dwururowych do 0,3 m/s Dla porównania w tabeli 7 przedstawiono niemieckie wytyczne, dotyczące prędkości przepływu wody [5]. Tabela 7. Zalecane prędkości i opory hydrauliczne wg wytycznych niemieckich [5] Przewody prędkość jednostkowy linowy opór hydrauliczny R w budynkach mieszkalnych: przewody rozprowadzające w piwnicy 0,8 1, pozostałe przewody 0,5 0, w budynkach komercyjnych 1,0, w sieciach ciepłowniczych,0 3, Powyższych wytycznych nie należy traktować zbyt kategorycznie. W uzasadnionych przypadkach, możliwe są pewne odstępstwa od nich. Jako generalną zasadę przyjmuje się, że prędkość wody w przewodach c.o. w budynkach mieszkalnych nie powinna przekraczać 1,0 m/s. Zarówno średnice, jak i prędkości oraz jednostkowe opory liniowe powinny się zmniejszać, idąc od źródła ciepła w kierunku grzejników. 15 Dławienie nadmiaru ciśnienia Do dławienia nadmiaru ciśnienia w obiegu stosuje się armaturę do regulacji wstępnej (zawory grzejnikowe i zawory odcinające z regulacją wstępną). Wcześniej nadmiary ciśnienia w obiegach były dławione poprzez kryzy dławiące Kryzy dławiące Średnicę kryzy dławiącej można określić w następujący sposób: m/s Pa G p zdł d kr G 19 4, mm () p zd³ strumień masowy wody płynącej przez kryzę, kg/s, nadmiar ciśnienia do zdławienia, Pa. 17

18 15. Zawory z nastawą wstępną W przypadku doboru zaworów z nastawą wstępną istnieją dwa sposoby: sposób podstawowy, sposób uproszczony. Sposób podstawowy 1. Najpierw oblicza się straty ciśnienia w obiegu. Opór zaworu z regulacją wstępną uwzględnia się dla maksymalnej nastawy (nastawy N ).. Jeśli spełniony jest warunek na wyrównanie ciśnień wzór (13), to obieg uważa się za zrównoważony. 3. Jeśli nie, oblicza się nadmiar ciśnienia w obiegu i dobiera się tak nastawę na zaworze, aby zawór dodatkowo zdławił obliczony nadmiar ciśnienia. p, Pa dobrana nastawa N nadmiar ciśnienia opór zaworu dla nastawy N obliczeniowy przepływ G, kg/s Rys. 6. Zasada doboru nastawy wstępnej. Sposób podstawowy Sposób uproszczony 1. Najpierw oblicza się straty ciśnienia w obiegu. Nie uwzględnia się oporu zaworu z regulacją wstępną. (W przypadku grzejników zaworowych nie uwzględnia się również oporu grzejnika, ponieważ charakterystykę hydrauliczną dla tego typu grzejników określa się dla kompletu grzejnika z zaworem patrz punkt 16. Grzejniki zaworowe, str. 0).. Dobiera się nastawę na zaworze, tak aby jego całkowity opór był w przybliżeniu równy nadmiarowi ciśnienia w obiegu (obliczonemu bez uwzględnienia zaworu). p, Pa dobrana nastawa N nadmiar ciśnienia obliczeniowy przepływ G, kg/s Rys. 7. Zasada doboru nastawy wstępnej. Sposób uproszczony 18

19 Sposób uproszczony umożliwia szybszy dobór nastaw w większości przypadków (jeśli nie są dobierane zawory podpionowe lub strefowe). Jednak może się zdarzyć, że przy dobranych średnicach nadmiar ciśnienia w obiegu będzie mniejszy od najmniejszego oporu zaworu termostatycznego (dla nastawy N ). W tej sytuacji trzeba wrócić do doboru średnic. 16 Opór hydrauliczny grzejników 16.1 Grzejniki bez wkładek zaworowych Orientacyjną wartość oporu hydraulicznego grzejnika można ustalić w oparciu o współczynnik oporu miejscowego (patrz przykład 1, str. 1). Jednak lepiej jest skorzystać z charakterystyki hydraulicznej, podanej przez producenta dla konkretnego grzejnika. Określanie oporu hydraulicznego grzejników zostanie omówione na przykładzie grzejników płytowych PUR- MO [10]. Dla grzejników jednopłytowych producent podaje następujące wzory na spadek ciśnienia w grzejniku: Typ grzejnika jednopłytowy wielopłytowy Tabela 8. Opór hydrauliczny grzejników płytowych PURMO [10] p, Pa k v, m 3 /h p 0,0160 q,5 p 0,0105 q 3,1 p opór przepływu wody przez grzejnik, Pa, q strumień masy wody płynącej przez grzejnik, kg/h. Przykład Określić opór hydrauliczny grzejnika jednopłytowego PURMO, jeżeli strumień masowy wody wynosi 0,0143 kg/s, a jej temperatura 70ºC. Rozwiązanie I sposób Przeliczamy strumień masowy na kg/h: q 0, ,48 kg/h Opór hydrauliczny grzejnika obliczamy z wykorzystaniem wzoru, podanego przez producenta: p 0, ,48 II sposób 4 Pa Obliczamy strumień objętościowy: 3600 G , Q 0,056 m /h 977,8 z Korzystamy z wartości k v, podanej przez producenta: Q p k v 0, ,5 44 Pa 19

20 Opory przepływu [Pa] Michał Strzeszewski: Obliczenia hydrauliczne instalacji centralnego ogrzewania Wartości obliczone dwoma metodami są zbliżone, ale nie identyczne. Różnica wynosi ok. 5%. 16. Grzejniki zaworowe Grzejniki dolno zasilane mają zazwyczaj wbudowany zawór termostatyczny. Są to tzw. grzejniki zaworowe. Charakterystykę hydrauliczną dla tego typu grzejników określa się dla kompletu grzejnika z zaworem. Nomogram do doboru nastaw na wkładkach zaworowych przedstawiono na rys. 8, natomiast wartości współczynnika przepływu k v podano w tabeli Strumień masy wody q [kg/h] Rys. 8. Nomogram do doboru nastawy wstępnej dla grzejników PURMO dolno zasilanych z wkładką termostatyczną typ firmy Oventrop [10] Tabela 9. Wartości współczynnika przepływu k v dla grzejników PURMO dolno zasilanych z wkładką termostatyczną typ firmy Oventrop [10] Nastawa k v, m 3 /h 0,047 0,16 0,69 0,417 0,600 0,700 Przykład 3 Dobrać nastawę na wkładce zaworowej Oventrop w grzejniku PURMO, jeżeli wymagany strumień masowy wynosi 50 kg/h, a wymagany spadek ciśnienia na grzejniku z zaworem wynosi Pa. Temperatura wody: 70ºC. Rozwiązanie I sposób (na podstawie wykresu) Korzystając w wykresu, dostarczonego przez producenta, odczytujemy wymaganą nastawę wstępną 3 (patrz rys. 8). II sposób (na podstawie współczynnika przepływu k v ) Przeliczamy wymaganą stratę ciśnienia na bary: Δp = / = 0,06 bar Gęstość wody dla temperatury 70ºC wynosi 977,8 kg/m 3. 0

21 Obliczamy strumień objętościowy: G 50 3 Q 0,0511m /h 977,8 Obliczamy wymaganą wartość współczynnika przepływu k v : k v Q p 0 3,0511 0,09 m /h 0,06 Z tabeli 9 dobieramy nastawę o wartości współczynnika k v równej lub większej od wymaganej. W tym przypadku jest to nastawa 3 (k v = 0,69 m 3 /h). 17 Opór hydrauliczny rozdzielaczy W przypadku ogrzewania konwekcyjnego mogą być stosowane proste rozdzielacze bez zaworów odcinających poszczególne odejścia. Natomiast w ogrzewaniu podłogowym zaleca się stosowanie specjalnych rozdzielaczy z dodatkowymi elementami takimi jak: zawory odcinające, zawory termostatyczne, wskaźniki przepływu. Przykłady rozwiązań rozdzielaczy dla ogrzewania podłogowego przedstawiono na rys Zawory termostatyczne sterowane są przez termostaty pokojowe za pośrednictwem siłowników elektrycznych lub przez głowice termostatyczne z wyniesionym czujnikiem temperatury. Rozdzielacze powinny być wyposażone w automatyczne odpowietrzniki i zawory spustowe. Charakterystykę hydrauliczną rozdzielacza z zaworami do regulacji wstępnej przedstawiono w tabeli 10 i na rys. 1. Natomiast charakterystykę rozdzielacza zasilającego z zaworami odcinającymi pokazano na rys. 13. Rys. 9. Rozdzielacze z wbudowanymi zaworami odcinającymi na zasileniu i z zaworami do regulacji wstępnej na powrocie (typ RPO) [6] Rys. 10. Rozdzielacze z wbudowanymi zaworami termostatycznymi na zasileniu i z zaworami do regulacji wstępnej na powrocie (typ RPT lub RPTO) [6] Rys. 11. Rozdzielacze z wbudowanymi zaworami termostatycznymi na powrocie i wskaźnikami przepływu na zasileniu (typ RPTO-WPz) [6] 1

22 Tabela 10. Opór hydrauliczny rozdzielacza powrotnego z zaworami do regulacji wstępnej firmy KISAN [6] Nastawa (obroty) p Pa k v m 3 /h 0,5 1,0 1,5,0,5 3,0 p 0, q 0,399 p 0, q 0,757 p 0, q 1,063 p 0,0543 q 1,368 p 0,03978 q 1,600 p 0, q 1,8 p opór przepływu wody przez rozdzielacz, Pa, q strumień masy wody płynącej przez rozdzielacz, kg/h. Rys. 1. Charakterystyka hydrauliczna rozdzielacza powrotnego z zaworami do regulacji wstępnej firmy KISAN [6]

23 Rys. 13. Charakterystyka hydrauliczna rozdzielacza zasilającego z zaworami odcinającymi [6] Przykład 4 Określić opór hydrauliczny dla przepływu wody przez rozdzielacz, którego charakterystykę hydrauliczną przestawia rys. 13. Strumień masowy czynnika wynosi 0,04 kg/s, a jego temperatura 70ºC. Rozwiązanie I sposób Przeliczamy strumień masowy na kg/h: q 0, ,4 kg/h Opór hydrauliczny obliczamy z wykorzystaniem wzoru, podanego przez producenta: p 0, ,4 II sposób 38 Pa Obliczamy strumień objętościowy: 3600 G ,04 3 Q 0,0884 m /h 977,8 z Korzystamy z wartości k v, podanej przez producenta: Q p k v 0, , Pa 3

24 III sposób Odczytujemy z wykresu stratę ciśnienia ok. 385 Pa. ok Rys. 14. Odczytanie oporu hydraulicznego rozdzielacza z wykresu Literatura 1. Koczyk H. et al.: Ogrzewnictwo dla praktyków, Systherm Serwis s.c., Poznań 00.. Kołodziejczyk W., Płuciennik M.: Wytyczne projektowania instalacji centralnego ogrzewania. COBRTI INSTAL, Warszawa Kołodziejczyk W., Płuciennik M.: Wytyczne projektowania instalacji centralnego ogrzewania, COBRTI INSTAL, Warszawa, Krygier K., Klinke T., Sewerynik J.: Ogrzewnictwo, wentylacja, klimatyzacja, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa Mayer U.: Skript über Wärmeversorgungsanlagen, Fachhochschule Oldenburg/Ostfriesland/Willhelmshaven Mroczek W., Wojas J.: Instrukcja projektowania i montażu instalacji sanitarnych z rur wielowarstwowych (PE-AL-PE) systemu KISAN. Warszawa 006. ( 7. Pieńkowski K., Krawczyk D., Tumel W.: Ogrzewnictwo. Wydawnictwo Politechniki Białostockiej. Białystok Rabjasz R.: Podstawy obliczeń hydraulicznych wodnych centralnych ogrzewań. Materiały do wykładów. Politechnika Warszawska Szczechowiak E. et al.: Energooszczędne układy zaopatrzenia budynków w ciepło. Budowa i eksploatacja. Envirotech Enviroimpex Enviromatic, Poznań Katalog techniczny grzejniki płytowe, dekoracyjne i łazienkowe, PURMO Polska 007. Rettig Heating Sp. z o.o. ( 11. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 1 kwietnia 00 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. (Dz. U. z dnia 15 czerwca 00 r. z późniejszymi zmianami). 4