Návrh ohřevu vody v deskovém ohřívači se zásobníkem
V příspěvku je uveden návrh zapojení, základní tepelné výpočty a způsob řízení ohřevu vody v externím deskovém ohřívači (výměníku) a zásobníku teplé vody, který umožňuje jednoznačný popis ohřevu běžnými vztahy. Zásobník snižuje nutný výkon zdroje tepla, kterým je zde teplovodní plynový kondenzační kotel.
1. Popis zapojení
Kondenzační kotel (KK) (obr. 1) dodává teplo do deskového ohřívače (DO) okruhem ohřívací vody s oběhovým čerpadlem (C1). V deskovém ohřívači je voda ze spodní části zásobníku (ZA) ohřívána na potřebnou teplotu teplé vody (TV). Tento okruh má oběhové čerpadlo (C2). Studená pitná voda (SV) je přiváděna do spodní části zásobníku a teplá vody je odváděna z nejvyšší části zásobníku.
Na schématu zapojení nejsou z důvodů přehlednosti zakreslena povinná zabezpečovací zařízení!
Obr. 1. Schéma zapojení ohřívacího zařízení
Tepelný výkon kotle je řízen spojitě a přímo tak, aby teplota ohřívané výstupní vody t2n snímaná snímačem teploty S1 byla udržována na konstantní žádané hodnotě 50 °C. Pokud by tato teplota rostla nad stanovenou mez i při minimálním možném výkonu kotle, bude kotel vypnut včetně obou oběhových čerpadel C1 a C2. To se stane při plném nabití zásobníku, kdy ze zásobníku do ohřívače pronikne teplejší voda. Nové spuštění kotle a obou čerpadel nastane, když teplota vody na snímači teploty S2 umístěném na zásobníku klesne např. pod 40 °C.
2. Návrh ohřívacího zařízení
Předpoklady před navrhováním
Pro zjednodušení výkladu bude před navrhováním předpokládáno, že:
- při nabíjení i vybíjení zásobníku bude docházet k dokonalému vrstvení teplé vody, tj. že vznikne ostré rozhraní teplé a studené vody,
- vstup studené vody do zásobníku bude vybaven zařízením pro rovnoměrné rozdělení rychlosti stoupavého proudu, aby nedocházelo k promíšení rozhraní teplé a studené vody,
- s ohledem na blízko umístěné odběry nebude uvažováno s cirkulací teplé vody, při které by rovněž docházelo k promíšení rozhraní teplé a studené vody.
Použití deskového ohřívače
K důvodům použití deskového ohřívače, který může pracovat jako ideální protiproudý výměník tepla, patří zejména:
- vysoká teplotní účinnost, kdy vhodným dimenzováním lze zajistit značné přiblížení výpočtové teploty ohřívací výstupní vody T2n k výpočtové teplotě ohřívané vstupní vody t1n; nízká teplota vody T2n vstupující do kotle je potřebná pro maximální využití tepla z kondenzace spalin; znamená to, že teploty ohřívací vody by neměly přesáhnout teploty ohřívané vody o více než 10 K,
- velice stabilní regulace ohřívané výstupní vody t2n, a to vlivem přiblížení výpočtové teploty ohřívací výstupní vody T2n k výpočtové teplotě ohřívané vstupní vody t1n,
- konstantní rozdíl teplot obou vod po celé teplosměnné ploše ohřívače, pokud zvolíme shodné výpočtové průtoky ohřívací a ohřívané vody; průběhy teplot obou vod v závislosti na poměrné teplosměnné ploše budou dány rovnoběžnými úsečkami (obr. 2) a ochlazení, resp. ohřátí vod bude shodné, takže teplotní zatížení je po celé ploše rovnoměrné.
Obr. 2. Průběhy teplot vod
Z uvedeného vyplývá, že teploty vod (°C), které protékají deskovým ohřívačem mohou být následující: ohřívací vstupní T1n = 60 °C, ohřívací výstupní T2n = 30 °C, ohřívaná vstupní t1n = 20 °C a ohřívaná výstupní t2n = 50 °C, přičemž pojmy vstupní a výstupní jsou chápány do a z ohřívače.
Průběhy teplot vod např. při polovičním výkonu deskového ohřívače jsou dány opět rovnoběžnými úsečkami (obr. 2), které jsou čárkované. Ochlazení, resp. ohřátí vod bude shodné a poloviční, stejně tak rozdíl teplot obou vod.
Při nízkoteplotním ohřevu vody, při kterém je teplota ohřívací vstupní vody T1n ≤ 65 °C, nedochází ke ztvrdnutí nánosů na ohřívané straně teplosměnné plochy, takže nánosy lze snadno odstraňovat zpětným proudem nebo chemicky.
Pokud by k ohřevu vody nebyl použit kondenzační kotel, ale kotel nízkoteplotní, byla by teplota ohřívací výstupní vody T2n = 30 °C, která vstupuje do kotle, nízká a způsobovala by nízkoteplotní korozi vlivem kondenzace vlhkosti ze spalin. Proto musí být tato teplota alespoň ≥ 60 °C. Potom by měly být výpočtové teploty vod tyto: ohřívací vstupní T1n = 70 °C, ohřívací výstupní T2n = 60 °C, ohřívaná vstupní t1n = 40 °C a ohřívaná výstupní t2n = 50 °C. Vyšší teplotu ohřívané vstupní vody t1n = 40 °C oproti teplotě v dolní části zásobníku 20 °C je nutno zajistit přepouštěním části TV do sání čerpadla C2 (obr. 3).
Obr. 3. Schéma zapojení ohřívacího zařízení s přepouštěním
Způsob návrhu
Výchozím podkladem pro návrh zařízení je daný průběh odběru teplé vody ze zásobníku (obr. 4), což stejně jako průběh dodávky teplé vody do zásobníku, jsou závislosti změny objemů vod na čase. Z uvedených průběhů se snadno stanoví jmenovitý tepelný výkon ohřívače a následně kotle a také potřebná velikost zásobníku.
Obr. 4. Průběh dodávky teplé vody do zásobníku
a odběru teplé vody ze zásobníku
Průběh odběru TV je dán během periody τp = 1,0 h dodávky a odběru lomenou čárou 0DB. Úsečka 0D začíná v počátku a končí v bodě D, který má souřadnice času τ = 0,5 h a objemu VD = 0,1 m3. Úsečka DA navazuje na bod D a končí v bodě B, který má souřadnice času τ = 1,0 h a objemu VB = 0,7 m3. Průběh dodávky TV je dán úsečkou 0AB.
Průběhy odběru a dodávky TV je vhodné přepočítat na průběhy odběru a dodávky tepla obsaženého v teplé vodě a vyjádřit je ve stejném grafu (obr. 4). Přepočet bude uveden dále. Z průběhu dodávky tepla obsaženého v teplé vodě lze stanovit minimální jmenovitý výkon kotle Qn (kW) a deskového výměníku. Je dán poměrem úseček CB / 0C = 24,4 / 1,0 = 24,4 kW. Velikost zásobníku Vz (m3) vychází z maximálního rozdílu průběhů odběru a dodávky TV, což je délka úsečky AD = 0,35 - 0,1 = 0,25 m3.
3. Výpočtové vztahy
Výpočtové vztahy pro deskový ohřívač
Chování deskového ohřívače popisují následující 4 vztahy. Jmenovitý tepelný výkon deskového ohřívače na straně ohřívací vody (kW) je dán vztahem
c je měrná tepelná kapacita vody = 1,163 (kWh.m-3.K-1)
V1n - jmenovitý objemový průtok ohřívací vody (m3.h-1).
Podobně je dán jmenovitý tepelný výkon deskového ohřívače na straně ohřívané vody (kW) vztahem
V2n je jmenovitý objemový průtok ohřívané vody (m3.h-1).
Jmenovitý tepelný výkon deskového ohřívače tokem tepla teplosměnnou plochou (kW) je dán vztahem
Un je jmenovitý součinitel prostupu tepla teplosměnnou plochou (kW.m-2.K-1)
S - velikost teplosměnné plochy (m2)
Tns - jmenovitá střední teplota ohřívací vody = 0,5. (T1n + T2n) (°C)
tns - jmenovitá střední teplota ohřívané vody = 0,5. (t2n + t1n) (°C).
Jmenovitý součinitel prostupu tepla teplosměnnou plochou je dán obecným vztahem, který je funkcí zejména obou jmenovitých průtoků a zjišťuje se u daného typu ohřívače z měření tepelného výkonu a následně se převádí do matematického tvaru
Uvedené 4 vztahy obsahují celkem 9 těchto veličin:
- 4 jmenovité teploty vod T1n, T2n, t1n a t2n,
- 2 jmenovité průtoky vod V1n a V2n,
- jmenovitý tepelný výkon deskového ohřívače Qn,
- jmenovitý součinitel prostupu tepla Un,
- velikost teplosměnné plochy S.
Znamená to, že při dimenzování velikosti teplosměnné plochy deskového ohřívače se musí hodnoty 5 veličin zvolit, resp. zadat, a hodnoty 4 veličin vypočítat z uvedených vztahů. Nejčastěji se zadávají 4 jmenovité teploty vod T1n, T2n, t1n, t2n a jmenovitý tepelný výkon Qn. Vypočítávají se 2 jmenovité průtoky V1n, V2n, jmenovitý součinitel prostupu tepla Un a nakonec velikost teplosměnné plochy S. Většina výrobců deskových výměníků projektantům provádí jejich dimenzování nebo poskytuje výpočtový program pro dimenzování.
Poznámka
Při rovnosti a stálosti jmenovitých průtoků V1n = V2n bude mít jmenovitý součinitel prostupu tepla Un prakticky konstantní hodnotu a tepelný výkon deskového ohřívače bude dán pouze rozdílem středních teplot vod (vztah 3), resp. rozdílem teplot vod v libovolném místě teplosměnné plochy. Vztahy (1 a 2) lze sloučit, takže pro rovnost průtoků V1n = V2n bude logicky platit, že
Tím je potvrzeno, že průběh teplot vod v závislosti na poměrné teplosměnné ploše je dán rovnoběžnými úsečkami (obr. 2). Vztah (5) také platí pro libovolný tepelný výkon, takže T1 - T2 = t2 - t1.
Výpočtové vztahy pro zásobník
Převod průběhů dodávek a odběru TV na zásobníku na průběhy dodávek a odběru tepla obsaženého v TV (obr. 4) se provádí dle známého vztahu pro teplo (kWh)
V je objem vody (m3).
Objem zásobníku stanovený podle předcházející zásady by měl být vždy zvětšen o objem vody, který je vymezen hladinou procházející hrdlem výstupu studené vody ze zásobníku (dále spodní hrdlo zásobníku) a nejnižší částí zásobníku (obr. 1), protože tento objem nelze zapojit do akumulace TV. Umístění snímače teploty S2 na zásobníku, kterým se startuje nabíjení zásobníku, by mělo být v takové výšce od spodního hrdla zásobníku, aby pro takto vymezený objem (m3) platil vztah
τr je minimální doba běhu kotle; doporučuje se 0,1 (h).
Zajištěním minimální doby běhu kotle se omezí časté zapínání a vypínání kotle, tzv. taktování.
This paper contains a proposal involving basic thermal calculations and how to manage water heating with a heating plate in hot water tanks. Heating plates are chosen because water heating can be clearly described from without the tanks with conventional heating relations, and designers can easily calculate all parameters. Tanks are used because they can reduce the heat output of the generators. We are speaking in this case about gas condensing water heating boilers.