ĆWICZENIA AUDYTORYJNE 6

Transkrypt

1 ĆWICZENIA AUDYTORYJNE 6 9. Ogrzewanie parowe Charakterystyka ogrzewań parowych Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1] zabrania stosowania ogrzewań parowych w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt ludzi. Przepis ten również określa, aby temperatura czynnika grzejnego w instalacjach ogrzewania dla tego typu pomieszczeń nie była wyższa niż 90 st.c. W przypadkach ogrzewań parowych w zasadzie niemożliwe jest do osiągnięcia tak niskiej temperatury czynnika grzejnego ze względu na temperaturę parowania wody. Jedynie w przypadku tzw. ogrzewań podciśnieniowych (gdy w instalacji ogrzewania parowego w celu obniżenia temperatury parowania poniżej 100 st.c wytwarzane jest podciśnienie) uzyskane może być niższa temperatura czynnika grzejnego, jednak tego typu ogrzewania, ze względu na problemy występujące podczas ich eksploatacji, mają bardzo ograniczone zastosowanie. W Polsce treść rozporządzenia [1] bardzo ogranicza możliwość stosowania ogrzewań parowych, nie mniej jednak dla pozostałych typów ogrzewanych pomieszczeń, szczególnie gdy dostępny jest czynnik w postaci pary niskoprężnej (która może np. stanowić produkt odpadowy procesów technologicznych) zastosowanie tego typu instalacji grzewczej jest możliwe. Przy analizie wyboru rodzaju czynnika grzejnego należy mieć na względzie, że do zalet ogrzewań parowych zaliczyć można: - wielokrotnie mniejszy ciężar właściwy pary niż wody skutkuje dużo mniejszym ciśnieniem hydrostatycznym niż w przypadku ogrzewań wodnych, jest to bardzo istotne w przypadku ogrzewań budynków wysokich i bardzo wysokich, gdzie w przypadku zastosowania instalacji parowej brak jest konieczności strefowania instalacji ze względu na przekroczenie dopuszczalnych ciśnień roboczych - wysoka wartość ciepła parowania (w porównaniu z ciepłem właściwym) wody powoduje, że w jednostce masy przenoszona może być większa ilość ciepła - ponieważ para wypełnia całą pojemność grzejnika, a przekazywanie ciepła następuje w wyniku wykroplenia czynnika grzejnego, a nie jego schłodzenia, w ogrzewaniach parowych uzyskujemy większą różnicę temperatur grzejnika i pomieszczenia, co ogranicza wielkość (powierzchnię) grzejników - straty ciepła na przesyle pomiędzy źródłem ciepła, a odbiornikiem pokrywane są poprzez wykroplenie pary, co powoduje, że nie następuje wychładzanie czynnika grzejnego na przesyle, jak ma to miejsce w przypadku ogrzewań wodnych - mała bezwładność cieplna instalacji parowych (brak pojemności cieplnej masy wody wypełniającej instalacje ogrzewania wodnego) ułatwia szybki ich rozruch i wyłączanie, co ma szczególne znaczenie w przypadku instalacji pracujących tylko okresowo - źródło ciepła przetwarzając energię pierwotną zawartą w paliwie na energię cieplną i wytwarzając parę o odpowiednim ciśnieniu (temperaturze) zapewnia przesył czynnika grzejnego do odbiornika, bez konieczności montowania dodatkowych urządzeń przetłaczających czynnik grzejny; przy właściwym ukształtowaniu geometrii przewodów skroplinowych powrót kondensatu odbywa się w sposób samoczynny; możliwe jest zatem takie zaprojektowanie instalacji aby nie było konieczności zapewnienia dostawy energii elektrycznej 1

2 Poza zaletami instalacje parowe cechują się również jednak wadami, które ograniczają popularność tych ogrzewań. Do nich zaliczyć można przede wszystkim: - wysoka temperatura powierzchni grzejnych (możliwość oparzeń, spiekanie kurzu, oddawanie ciepła na drodze promieniowania) - duża korozja instalacji (krótka żywotność nawet tylko do 5-10 lat) - brak możliwości centralnej regulacji jakościowej wydajności cieplnej instalacji - duże straty ciepła na przesyle pary (wysoka temperatura, duże średnice) - dużo większe średnice przewodów parowych (ale za to dużo mniejsze niż w przypadku instalacji wodnych przewody powrotne kondensatowe) - straty czynnika grzejnego w wyniku ubytków pary z przewodów kondensatowych - wymagania dotyczące zasad prowadzenia przewodów parowych i kondensatowych - droższa armatura (min. odwadniacze przewodów i odbiorników ciepła) Ze względu na ciśnienie pary wytwarzanej w źródle ciepła rozróżnia się ogrzewania: - wysokoprężne - nadciśnienie powyżej 0,7 bara - niskoprężne - nadciśnienie poniżej 0,7 bara - podciśnieniowe (próżniowe) ciśnienie 0 do 1 bar abs. W instalacji ogrzewania parowego przepływ czynnika grzejnego pomiędzy źródłem ciepła, a grzejnikami wywołane jest różnicą ciśnień panujących w źródle ciepła i w odbiorniku. W odbiorniku ciepła następuje wykroplenie pary, a tworzący się w odbiorniku kondensat zostaje odprowadzony z powrotem do źródła ciepła lub do zbiornika kondensatu. W instalacji przewodów kondensatowych panuje ciśnienie atmosferyczne, a przepływ skroplin odbywa się w sposób grawitacyjny. Celem obliczeń hydraulicznych ogrzewania parowego jest określenie oporów przepływu pomiędzy źródłem ciepła, a najniekorzystniej położonym grzejnikiem przy obliczeniowym obciążeniu cieplnym instalacji i określenie wymaganego ciśnienia panującego w źródle ciepła. Przewody kondensatowe dobiera się w zależności od strumienia przepływającego kondensatu Układy połączeń ogrzewań parowych niskoprężnych W przypadku gdy przewody kondensatowe odprowadzające skroplony czynnik grzejny z powrotem do źródła ciepła są bezpośrednio podłączone do kotła (brak zbiornika kondensatu i pompy ładującej) rozróżnić można 4 podstawowe układy prowadzenia przewodów instalacji, dwa z nich ze względu na sposób prowadzenia przewodów parowych, a dwa ze względu na sposób prowadzenia przewodów kondensatowych Linia ciśnień LINIA CIŚNIEŃ jest to umowna linia poprowadzona na wysokości: H = h + rez, m (9.1) gdzie: h wysokość ciśnienia roboczego w kotle (p r ), m rez rezerwa, m dla ciśnienia roboczego p r 0,3 bar: rez = 0,2 m dla ciśnienia roboczego p r > 0,3 bar: rez = 10% p r ponad poziomem wody w kotle. 2

3 Przewody kondensatowe Gdy zbiorcze przewody kondensatowe są prowadzone ponad linią ciśnień określane są jako PRZEWODY NIEZALANE. W przeciwnym przypadku są to tzw. PRZEWODY ZALANE. W przypadku niezalanych przewodów, kondensat wypełnia tylko dolną część przekroju przewodu, pozostała wypełniona jest powietrzem i ewentualnie parą odparowującą z gorącego kondensatu lub przepuszczaną przez odwadniacze. Na przewodzie niezalanym, w celu zapewnienia grawitacyjnego spływu kondensatu, napowietrzania i odpowietrzania montowane są przewody napowietrzające (łączące z atmosferą) lub zawory napowietrzającoodpowietrzające. 300 mm Linia ciśnień rezerwa ciśnienie robocze Odwadniacz syfonowy W przypadku przewodów zalanych, do wysokości ciśnienia roboczego w kotle (licząc od poziomu wody w kotle) czyli tzw. LINII ZALANIA, przewody są wypełnione w całym przekroju wodą z drobnymi pęcherzykami pary i gazów. Przy tym sposobie prowadzenia przewodów możliwe jest stosowanie mniejszych średnic przewodów kondensatowych. W przypadku przewodów kondensatowych zalanych niezbędne jest jednak wykonanie dodatkowych PRZEWODÓW ODPOWIETRZAJĄCYCH poprowadzonych co najmniej 300mm powyżej linii ciśnień. Problemem przy takim rozwiązaniu instalacji jest również możliwość występowania kolizji przewodów kondensatowych z otworami drzwiowymi, co wymaga zastosowania odpowiednich rozwiązań prowadzenia przewodów. Przewód odpowietrzający 300 mm Linia ciśnień rezerwa ciśnienie robocze 3

4 Wszystkie przewody kondensatowe poziome powinny być prowadzone ze spadkiem minimum 0,5% w kierunku kotła Przewody parowe Przewody parowe powinny być prowadzone powyżej linii ciśnień, jeżeli jest to możliwe - ze spadkiem w kierunku przepływu pary (0,3-0,5%). Ze względu na wykraplający się w przewodach kondensat należy zapewnić właściwe odwodnienie przewodów. W przypadku przewodów parowych nieizolowanych odległości pomiędzy kolejnymi odwadniaczmi powinny być mniejsze niż 15-30m (wielkość strat ciepła jest proporcjonalna do średnicy rurociągu, można przyjmować, że odległość pomiędzy odwadniaczami w metrach równa jest średnicy przewodu odwadnianego wyrażonej w mm) [2]. Ze względu na konieczność zachowania efektywności energetycznej instalacji grzewczych przewody parowe rozprowadzające są zazwyczaj izolowane, jedynie gdy przewody rozdzielcze prowadzone są w ogrzewanych pomieszczeniach można rozważyć wykorzystanie ich jako dodatkowego źródła ciepła i zaniechać ich izolacji. Gdy przewody są zaizolowane cieplnie, odległość pomiędzy odwadniaczami wynosić powinna nie więcej niż 20-50m. (równa dwukrotnej średnicy przewodu odwadnianego wyrażonej w mm). Krótkie odcinki przewodów mogą być układane ze spadkiem przeciwnym do przepływu, wówczas jednak powinien on wynosić co najmniej 3%. W takich przypadkach maksymalnie dopuszczalna prędkość przepływu pary jest dużo mniejsza (ok. 2-3 razy), a odległość pomiędzy kolejnymi odwadniaczami przewodu parowego powinna ulec zmniejszaniu. Aby wysokość pomieszczeń lub kanałów, którymi prowadzone są przewody parowe nie była zbyt wysokie, stosowane jest prowadzenie przewodów w tzw. piłę. Odwodnienie montowane jest w najniższych punktach sieci przewodów parowych strop Linia ciśnień Odwadniacz syfonowy Odwadniacz mechaniczny posadzka W przypadku instalacji z przewodami kondensatowymi zalanymi podłączenie odwodnienia przewodu parowego (bez odwadniacza) może zostać wykonane jako bezpośrednie połączenie z przewodem odprowadzającym kondensat do kotła. Zamknięcie pomiędzy przestrzenią parową, a atmosferą stanowić w tym przypadku będzie wypełniający przewody kondensat. 4

5 Instalacja parowa wykonana może być z ROZDZIAŁEM GÓRNYM (przewody rozprowadzające czynnik grzejny powyżej grzejników) lub z ROZDZIAŁEM DOLNYM. W przypadku rozdziału górnego brak jest problemu związanego z koniecznością lokalizacji tych przewodów pomiędzy płaszczyzną wyznaczaną przez linię ciśnień, a płaszczyzną stropu piwnic. W przypadku rozdziału górnego odwodnienie przewodów parowych podłączane jest poprzez odwadniacz do przewodów kondensatowych pionów. Należy unikać odwadniania przewodów poziomych poprzez piony zasilające grzejniki. Odejście pionu od przewodu rozprowadzającego powinno być wykonane w górnej części przewodu rozprowadzającego. Jedynie w przypadku pionów o małym obciążeniu cieplnym dopuszcza się podłączenie pionu od dołu. Rozwiązanie którego należy unikać prawidłowe Rys. Sposób podłączenia pionu do przewodu rozprowadzającego w instalacji z rozdziałem górnym Grzejniki i odbiorniki ciepła Projektując podłączenie grzejników instalacji parowej należy pamiętać aby: - kondensat z przewodów parowych nie spływał do grzejnika - kondensat nie powinien się gromadzić przed zaworem grzejnikowym w przypadku jego zamknięcia (lub przed zaworami odcinającymi montowanymi na przewodach) - przewód kondensatowy powinien być poprowadzony ze spadkiem w kierunku kotła Aby to zapewnić, gałązka doprowadzająca parę do grzejnika powinna być prowadzona ze spadkiem 0,5% przeciwnym do kierunku przepływu pary, a gałązka odprowadzająca kondensat ze spadkiem 0,5% w kierunku kotła. Czasami jednak, aby uniknąć dodatkowych kosztów, mało obciążone piony w instalacji z rozdziałem górnym są odwadniane poprzez najniżej położony grzejnik. Wówczas taka gałązka doprowadzająca parę do grzejnika prowadzona jest ze spadkiem 10% w jego kierunku. Aby para z grzejników nie przedostawała się do instalacji kondensatowej, należy grzejniki wyposażać w odwadniacze. Jedynie w przypadku znanych i ustabilizowanych warunków odbioru ciepła, gdy jesteśmy w stanie tak wyregulować dopływ pary, aby ilość powstającego kondensatu w pełni zamykała odpływ z grzejnika możliwa jest rezygnacja z odwadniacza. W praktyce warunek taki jest bardzo trudny do uzyskania i dlatego rozwiązanie tego typu raczej nie jest stosowane. długa gałązka (kompensacja) 5

6 9.3. Tok postępowania przy obliczaniu instalacji c.o. parowego Kryterium doboru średnic przewodów parowych jest maksymalna dopuszczalna prędkość przepływu. Rozróżnia się przy tym dwa przypadki, pierwszy, gdy wykroplony kondensat przepływa w tym samym kierunku co para (spadek przewodów zgodny z kierunkiem przepływu), drugi, gdy przepływ pary jest przeciwny do kierunku przepływu kondensatu (spadek przewodu przeciwny do kierunku przepływu). Reguły te dotyczą również przewodów pionowych. Maksymalne prędkości przepływu pary w instalacji centralnego ogrzewania niskoprężnego [2], m/s Średnica nominalna przewodu, Przepływ pary i kondensatu mm zgodny Przeciwny do powyżej Średnice przewodów kondensatowych zalanych przyjmuje się w zależności od długości l (odległość od kotła do najniżej i najdalej położonego grzejnika. Średnice przewodów odpowietrzających przewody kondensatowe zalane przyjmuje się (niezależnie od długości instalacji) wg kol. 4 tabeli, Średnice przewodów kondensatowych [2]: Średnica Przewody nie zalane Przewody zalane nominalna poziome pionowe poziome lub pionowe przewodu, mm l < 50 m oraz odpowietrzające 50 m < l < 100 m l > 100 m Ilość ciepła jaką oddaje para w trakcie kondensacji w odbiornikach ciepła, z których pochodzi kondensat, W (1) (2) (3) (4) (5) (6) Kolejność postępowania przy projektowaniu instalacji: 1. Obliczenie strat ciepła pomieszczeń, dobór i rozmieszczenie grzejników, dobór i rozmieszczenie źródła ciepła 2. Rozmieszczenie pionów na rzutach kondygnacji, rozmieszczenie pionów na rzucie piwnicy (analogicznie do rozmieszczenia na rzutach kondygnacji), rozprowadzenie przewodów w piwnicy oraz podłączenie instalacji do źródła ciepła (kotła). 3. Wykonanie rysunku rozwinięcia instalacji c.o. 4. Obliczenia hydrauliczne i dobór średnic przewodów parowych 4.1 Określenie wymaganego ciśnienia pary w odbiornikach pary (grzejnikach) Jeżeli nie dysponujemy danymi producenta można przyjąć [2]: grzejniki konwekcyjne: 200 dpa, nagrzewnice wentylacyjne i wymienniki ciepła: 300 dpa 6

7 4.2 Podział instalacji na działki obliczeniowe (odcinki instalacji o stałym strumieniu masy, stałej średnicy i zgodności kierunku przepływu pary z przepływem wykroplonego kondensatu) 4.3 Określenie strumieni przepływu pary w działkach obliczeniowych m = 3600 Q / r, kg/h (9.5) gdzie: Q obciążenie cieplne działki obliczeniowej, kw r ciepło parowania wody dla danego ciśnienia, kj/kg 4.4 Określenie oporów liniowych i miejscowych poszczególnych działek i zsumowanie ich dla obiegu grzejnika najniekorzystniej usytuowanego. 4.5 Określenie wymaganego ciśnienia roboczego w kotle (co najmniej równego sumie oporów przepływu i ciśnienia w odbiorniku ciepła dla obiegu najniekorzystniejszego) 4.6 Dobór zabezpieczeń kotła (jednosyfonowy przyrząd bezpieczeństwa) 4.7 Obliczenia i dobór średnic obiegów pozostałych grzejników. Nadmiar ciśnienia (liczony jako ciśnienie robocze w kotle pomniejszone o opory przepływu dla obiegu grzejnika) nie powinien przekroczyć 25% ciśnienia dyspozycyjnego [2]. Dlatego też warto pamiętać, aby dla magistrali obliczeniowej (obieg najniekorzystniej usytuowanego grzejnika) kierując się maksymalnymi prędkościami przepływu stosować pewien zapas, który pozwoli na zrównoważenie hydrauliczne pozostałych obiegów bez konieczności przekraczania prędkości przepływu w pozostałych obiegach lub kryzowania obiegów W przypadku nadwyżki ciśnienia powyżej wskazanej dopuszczalnej wielkości można dobrać kryzę o niezbędnej średnicy korzystając np. ze wzoru [2]: 4 d kr = 0,52 Q 2 /Δp, mm (7.13) gdzie: Q moc cieplna przenoszona przez parę niskoprężną przepływającą przez przewód na którym montowana jest kryza, W Δp spadek ciśnienia na kryzie, dpa Średnica kryzy nie powinna być mniejsza niż 4 mm. opracował dr. inż Bogdan Nowak, Wrocław, 1-4 maja 2003 Literatura: 1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002r w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75 poz. 690) 2. K. Pieńkowski, D. Krawczyk, W. Tumel, Ogrzewnictwo t. 2, Rozprawy naukowe nr 65, Politechnika Białostocka, Białystok Rietschel/Rais, Ogrzewanie i klimatyzacja t. 2, Arkady, Warszawa Recknagel-Sprenger-Honman-Schramek, Ogrzewanie i klimatyzacja, EWFE, Gdańsk PN-75/B Zabezpieczenie urządzeń wytwarzających parę niskoprężną. Wymagania 7