Vývoj zkušebního okruhu pro měření hydraulických vlastností tepelných jednotek technických zařízení budov

Úvod

Předpokladem úspěšného návrhu soustav technických zařízení budov je znalost návrhových technických vlastností použitých komponent. Jednou z těchto návrhových vlastností je i tlaková ztráta. Bez znalosti tlakové ztráty krbové vložky, výměníku tepla, solárního kolektoru a dalších tepelných jednotek v podstatě není reálné dané zařízení navrhnout, tak aby dobře fungovalo. Projektant musí mít k dispozici mimo jiné i diagram tlakové ztráty v závislosti na průtoku. Přesné určení tlakových ztrát a dalších veličin je záležitostí certifikovaných laboratoří. Tato měření však mohou být finančně náročná, protože je nutné výrobek dopravit do zkušebny. Zvláště pak pro výrobce, který má na trhu široké spektrum výrobků. Určit tlakovou ztrátu tepelné jednotky, pro účely projektantů, přitom nemusí být natolik složité, aby to nebylo reálné v běžných podmínkách.

Problematika tlakových ztrát

Tlakové ztráty obecně dělíme na ztráty třením a ztráty místní, jinak též v literatuře uváděné jako ztráty vřazeným odporem. Tlakové ztráty třením proudící kapaliny u kruhového potrubí se určí pomocí Weisbachova vztahu [1]

kde λ je součinitel tření (-), d (mm) vnitřní průměr potrubí, L (m) délka hodnoceného potrubí, w (m‧s⁻¹) rychlost proudění. Součinitel tření λ se liší v závislosti na typu proudění.

Místní ztráty jsou způsobeny turbolentním chováním proudící kapaliny v místech kde dochází ke změně geometrie potrubí. Typickými místními odpory jsou různé tvarovky potrubí, armatury a další prvky. Tlakovou ztrátu způsobenou místními odpory lze vyjádřit vztahem

kde ξ_i (-) je ztrátový součinitel i-tého místního odporu. Hodnoty ξ_i základních typů místních odporů jsou pro účely praxe tabelizovány.

Tepelné jednotky technických zařízení budov vykazují převážně tlakovou ztrátu místní. To je dáno geometrickým tvarem (výměník, krbová vložka, a jiné), který je natolik tvarové členitý, že nelze aplikovat Weisbachův vztah (1). U tepelných jednotek, které jsou charakteristické složitou geometrií, nejsou k dispozici ztrátové součinitele, a proto není možné spočítat jejich tlakovou ztrátu dle vztahu (2).

Jsou v podstatě dvě možnosti jak určit tlakovou ztrátu tepelné jednotky. Jednou z možností je využít prostředků numerického modelování. V tomto případě je vhodné tlakovou ztrátu určit s pomocí sofistikovaných simulačních softwarů, které pracují na bázi CFD modelování [2]. Tato varianta ovšem vyžaduje patřičné matematicko-fyzikální znalosti a také drahý software. Půjdeme-li touto cestou, na konci přesto nemusíme mít záruku, že matematické modelování zajistí spolehlivé výsledky. Rovnice matematického modelu mohou matematicky konvergovat, i když fyzikálně výsledky nemusí odpovídat realitě.

Druhý způsob jak určit tlakovou ztrátu tepelného zařízení je provést vlastní měření tlakové ztráty. K tomu, aby bylo možné takovéto měření provést je však zapotřebí sestavit odpovídající měřící okruh, který bude osazen měřící technikou s požadovanou přesností a bude mít patřičné hydraulické vlastnosti.

Vývoj prototypu

V rámci inovačního voucheru byl osloven ústav TZB Fakulty stavební z VUT Brna dodavatelem krbové techniky, aby navrhl zařízení pro určení tlakových ztrát jeho výrobků. Výrobce měl v úmyslu testovat své prototypy, konkrétně určovat charakteristiky tlakových ztrát.

Na základě požadavků zadavatele byly provedeny teoretických analýzy, z nichž vyplynul návrh zařízení uvedené na obrázku 1.

Primárním účelem zkušebního okruhu je měření tlakových ztrát připojeného tepelného zařízení, v tomto případě krbové vložky. Je možné do okruhu zapojit i jiné zařízení, např. solární kolektor, výměník tepla a další. V případě měření tepelných jednotek, které běžně nepracují s vodou, např. solární kolektory, je třeba vzít v potaz viskozitu použité teplonosné látky, která bývá u těchto typu teplonosných látek proměnlivá s teplotou, což ovlivňuje tlakové ztráty. Více o této problematice pojednává odborná literatura [3].

Mimo měření tlakové ztráty okruh umožňuje také měření orientační hodnoty tepelného výkonu, který je předáván do otopné soustavy, i když tato funkce nebyla v zadání.

Zkušební okruh může být provozován v podstatě dvěma způsoby. Je možné realizovat průtok kapaliny mezi tepelnou jednotkou a třícestným ventilem. Nebo je možné provozovat průtok kapaliny přes akumulační nádobu, např. v případě měření tepelného výkonu, kdy je třeba odebírat teplo.

Jádrem okruhu je ústředna, která zaznamenává údaje ze dvou tlakoměrů, průtokoměru a dvou teploměrů. Použité tlakoměry mají pracovní rozsah 0 až 600 Pa, přesnost je ±0,5 % rozsahu. Zkušební okruh je dále vybaven nezbytnými armaturami a zabezpečovacím zařízením. Zabezpečení okruhu sestává ze dvou expanzních nádob a pojistného ventilu. Jedna expanzní nádoba jistí okruh bez akumulační nádoby, druhá expanzní nádoba zajišťuje okruh s akumulací.

Aby bylo možné sestavit diagram tlakové ztráty připojeného zařízení, je nutné měnit průtok okruhem. K tomuto účelu slouží vyvažovací ventil a oběhové třístupňové čerpadlo. V případě regulace teploty v okruhu je možná regulace třícestným ventilem, kdy se část kapaliny přepouští přes zásobník, který může v závislosti na teplotě okruh ochlazovat nebo ohřívat.

Tlaková ztráta tepelné jednotky je určena na základě rozdílů tlaku, které se měří u vstupu a výstupu jednotky. V okruhu se měří pomocí ústředny i teploty. Aktuální tepelný výkon lze určit dle této rovnice

kde m je hmotnostní průtok (kg‧s⁻¹), c je měrná tepelná kapacita (J‧kg⁻¹‧K⁻¹), Δt je teplotní rozdíl mezi přívodem a vratem (K).

Zkušební měření

Po návrhu a montáži okruhu v prostorách objednatele bylo provedeno zkušební měření první krbové vložky, obrázek 2 a 3. Napojení tepelného zařízení je provedeno přes ocelové flexi potrubí z důvodu jednoduší manipulace s krbovou vložkou. Na obrázku 3 je vidět, že teploty jsou měřeny příložným čidlem, je však možné měřit i pomocí čidel v nátrubcích.

Při měření jsou zapisovány do ústředny hodnoty teplot a tlakové ztráty v pravidelných časových intervalech. Po uplynutí zvoleného časového úseku se provede změna průtoku vyvažovacím ventilem, respektive oběhovým čerpadlem. Takto se postupuje až do konce pracovního pásma vyvažovacího ventilu a oběhového čerpadla. Výsledkem jsou pracovní body, které jsou vyneseny v grafu 1. Pro praktické aplikace je vhodné tyto body proložit odpovídající matematickou funkcí, v tomto případě lineární funkcí.

Závěr

Pořizovací náklady na zhotovení byly relativně vysoké, v řádech několika desítek tisíc korun. Avšak vysoká cena je mimo jiné také důsledkem požadavku zapojení okruhu do stávající otopné soustavy skrze akumulační zásobník. Zapojení zkušebního okruhu do stávající otopné soustavy zvyšuje užitnou hodnotu okruhu, protože umožňuje přitápění objektu. Nejdražší položkou je zásobník vody a měřící ústředna a dále čidla.

Zadavatel získal zařízení, na kterém může testovat své výrobky přímo ve své výrobně, což povede ke snížení nákladů na výrobu.

Zkušební okruh byl zaregistrován jako užitný vzor pod názvem „Zkušební okruh pro měření hydraulických vlastností tepelných jednotek technických zařízení budov“.

Poděkování

Článek vznikl v rámci projektu Inovační voucher Jihomoravského kraje, Výzva 2010 ve spolupráci s firmou Hoxter a.s. Zvláště bychom chtěli poděkovat Ing. Petru Veselskému z firmy Hoxter a.s., za příkladnou spolupráci při vývoji okruhu.

Literatura

• [1] Kolektiv autorů: Topenářská příručka. GAS s.r.o., Praha 2001. 2393 s. ISBN 80-86176-82-7 (sv.1), ISBN 80-86176-83-5 (sv.2), ISBN 80-86176-81-9 (soubor).
• [2] VERSTEEG, H.K.-MALALASEKERA, W.: An introduction to Computional Fluid Dynamics. Essex, Longan Scientific&Technical 1995, ISBN 0-582-21884-5.
• [3 ]HORÁK, P.: Problematika hydraulického dimenzování solárních soustav, příspěvek na konferenci Konference vytápění – Třeboň 2011. Společnost pro techniku prostředí, Novotného lávka 5, Praha 1, 2011, ISBN 978-80-02-02291-6.