OGRZEWNICTWO ca6

ĆWICZENIA AUDYTORYJNE 6
9. Ogrzewanie parowe.
9.1. 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
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.
9.2. 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.
9.2.1 Linia ciśnień
LINIA CIŚNIEŃ – jest to umowna linia poprowadzona na wysokości:
H = h + rez , m
(9.1)
gdzie: h – wysokość ciśnienia roboczego w kotle (pr), m
rez – rezerwa, m
dla ciśnienia roboczego pr ≤ 0,3 bar: rez = 0,2 m
dla ciśnienia roboczego pr > 0,3 bar: rez = 10% pr
ponad poziomem wody w kotle.
2
9.2.2. 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
rezerwa
Linia ciśnień
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
rezerwa
Linia ciśnień
ciśnienie
robocze
3
Wszystkie przewody kondensatowe poziome powinny być prowadzone ze spadkiem
minimum 0,5% w kierunku kotła.
9.2.3. 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
mechaniczny
Odwadniacz
syfonowy
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
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
9.2.4. 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
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
Przepływ pary i kondensatu
Średnica nominalna przewodu,
mm
zgodny
Przeciwny
do 15
15
6
20
18
7
25
22
8
32
23
9
40
25
10
50
30
12
powyżej 50
40
15
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
nominalna
poziome
pionowe
przewodu,
mm
(1)
15
20
25
32
40
50
65
80
100
Przewody zalane
poziome lub pionowe
l < 50 m oraz
50 m < l < 100 m
odpowietrzające
l > 100 m
Ilość ciepła jaką oddaje para w trakcie kondensacji w odbiornikach ciepła, z których pochodzi kondensat, W
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
4.650
17.450
32.560
79.085
120.950
250.045
581.500
872.250
1.453.750
6.980
25.590
48.845
116.300
180.265
372.160
872.250
1.302.560
2.151.550
32.565
81.410
145.375
314.010
436.125
755.959
1.744.500
2.616.750
9.885.500
20.935
52.335
93.040
203.525
290.750
511.720
1.221.150
1.744.500
2.791.200
9.305
29.075
46.520
98.885
133.745
250.045
581.500
872.250
1.453.750
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
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┌───┐
dkr = 0,52 √ Q2/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 1999
3. Rietschel/Rais, Ogrzewanie i klimatyzacja t. 2, Arkady, Warszawa 1973.
4. Recknagel-Sprenger-Honman-Schramek, Ogrzewanie i klimatyzacja, EWFE, Gdańsk
1994
5. PN-75/B-02412 Zabezpieczenie urządzeń wytwarzających parę niskoprężną. Wymagania
7