Napojení zdroje tepla přes termohydraulický rozdělovač nebo hydraulický věnec
Variantou napojení otopné soustavy přes termohydraulický rozdělovač THR (HVDT, nesprávně též anuloid) je hydraulický věnec (HV), jehož výhody, vhodnost užití v praxi a výpočtový postup návrhu jsou uvedeny.
Vedle již dnes klasického napojení otopné soustavy přes THR máme i jiné srovnatelné způsoby. Jedním z nich je použití hydraulického věnce (HV), jako zajímavé a cenově dostupné alternativy. Článek poukazuje na výhody, vhodnost užití v praxi a výpočtový postup návrhu. Je určen odborné veřejnosti z řad projektantů a studentů středních a vysokých škol.
V dnešní době je standardní využívat termohydraulický rozdělovač (dále jen THR) k optimalizaci hydraulických poměrů mezi okruhem zdroje tepla a spotřebitelskými okruhy. Ne vždy je však použití THR účelné a optimální. Principiálně není THR nic jiného, než předimenzovaný zkrat kotlového okruhu. Na rozdíl od zkratu v kotlovém okruhu však vykazuje zanedbatelnou tlakovou ztrátu. Jinou použitelnou variantou je aplikace hydraulického věnce (dále jen HV).
HV představuje spojení dvou hydraulických systémů aniž by se vzájemně významně ovlivňovaly. Praktické provedení představuje čtyři 90° oblouky (či kolena) a čtyři T kusy konstantního průměru, vzájemně spojené se stejnou roztečí (obr. 1 a 2). Obvyklé je pravoúhlé provedení, avšak je možné, podle potřeby, zvolit i jiný úhel. Vnitřní průměr se volí stejně, jako průměr připojovacího potrubí zdroje tepla.
 Obr. 1 Pohled na hydraulický věnec |
 Obr. 2 Principiální schéma funkce hydraulického věnce |
Provozní podmínky
O něco náročnější, než je vlastní konstrukce, je provoz HV. Oba hydraulické okruhy napojené na HV jsou zapojeny do "kříže". Přesto, že HV poskytuje různé možnosti použití, jeho použití je především v oblasti propojení primárního (okruh zdroje tepla) a sekundárního (okruh otopné soustavy) okruhu.
Principiálně musí platit, že množství vody do HV přivedené se rovná množství vody z HV odvedenému. Vyjádřeno rovnicí tak platí:
Vše ostatní regulují tlakové poměry v HV. Pro objasnění nechť nám poslouží tři idealizované stavy zařízení.
Mezi dvěma limitními stavy, kdy jsou průtoky stejné či kdy je jeden 100% druhý 0%, se vyskytuje mnoho provozních stavů, ležících mezi oběma uvedenými stavy.
Nejjednodušší je první případ, kdy jsou si oba hmotnostní průtoky rovny (obr. 3). Zde v HV nedochází ke směšování. Primární přívodní voda P1 proudí přímo nejkratší cestou k výstupu pro sekundární větev S1 a podobně vratná větev ze sekundární strany S2, natékající do HV, proudí přímo do výstupu, tj. vratné větve P2 strany primární.
Obr. 3 Principiální schéma funkce hydraulického věnce při rovnosti průtoků primárním i sekundárním okruhem
Obr. 4 Principiální schéma funkce hydraulického věnce při průtoku pouze primárním okruhem
Obr. 5 Principiální schéma funkce hydraulického věnce pro větší průtok v primárním okruhu než v sekundárním okruhuteploty vratné vody za některých provozních stavů
Tlaková ztráta místními odpory (4 x T kus, 4 x koleno) je pro praxi téměř zanedbatelná a pro tento případ platí:
Z hlediska regulačního se tento stav nejvíce blíží zapojení se zcela otevřenou čtyřcestnou směšovací klapkou. Voda obou okruhů volně protéká bez směšování či vytvoření obtoku (bypass).
U druhého limitního stavu (obr. 4) bude průtok primárním okruhem 100 % a spotřebitelským 0 %, tj. např. případ, kdy by všechny ventily u otopných těles zavřely a potřeba tepla by v tomto okamžiku byla nulová. Je to rovněž případ hydraulického napojení dvou kotlů v sérii předtím, než se připojí kotel pokrývající špičkový výkon. Nebo případ, kdy kotlový okruh pracuje v létě pro přípravu TV a otopná soustava neodebírá žádné teplo. Pro uvedený provozní stav platí:
Primární proud natéká do HV, ve stejném poměru se rozdělí, aby se na výstupu z HV opět spojil a vrátil se do primárního okruhu. Sekundární strana je bez průtoku. Dříve uvažované přirovnání ke čtyřcestné klapce by znamenalo, že je klapka zcela uzavřena. Díky rozdělení proudu dojde ke snížení průtoku na polovinu, a tak se s druhou mocninou zmenší i tlaková ztráta HV.
Jak již bylo uvedeno, je mezi limitními stavy bezpočet dalších provozních stavů. Jedním z nich je případ, kdy je průtok primárním okruhem (např. kotlovým) větší, než potřebný průtok sekundárním (obr. 5), resp. spotřebitelským okruhem (okruhem otopné soustavy).
Jako příklad zvolme průtok primárním okruhem 100 m3/h a 30 m3/h v sekundárním okruhu. Z naší volby vyplývá následující:
Pokud bude tlaková ztráta přes oba úseky (podmíněno konstrukcí) přibližně stejná, rozdělí se průtok 100 m3/h v přívodu primární strany (P1) na 50 m3/h do úseku 1 a 3. Přes vstup sekundární strany natéká 30 m3/h, takže úsekem 4 protéká 50 plus 30 m3/h. Na druhé straně proudí výtokem sekundární strany (S1) 30 m3/h, čímž na úsek 2 připadá 20 m3/h. Tento průtok (20 m3/h) se spolu s průtokem v úseku 4 (tj. 80 m3/h) spojí a dají opět 100 m3/h v primárním okruhu (P2).
Uvažujme tepelné ztráty HV za zanedbatelné a pak bude platit tS1 = tP1. Teplotu na výstupu primární strany tP2 určíme ze směšovací rovnice. Bude platit:
Za předpokladu, že závislost měrné tepelné kapacity na teplotě můžeme zanedbat, tj.
a zanedbáme rovněž tepelné ztráty HV, tj.
pak platí
Za mS1 ještě dosaďme:
a získáme vztah pro teplotu vracející se vody ke zdroji tepla na primární straně
Dále můžeme uvažovat, že v daném čase drží čerpadlo primárního okruhu konstantní průtok stejně, jako čerpadlo okruhu sekundárního, tj.
Po dosazení dostáváme pro tP2 vztah:
Je zřejmé, že jednotlivé úseky HV představují při různých provozních stavech vlastně nedokonale hydraulicky vyvážené paralelní a sériové větve. Tlakové poměry v HV budou dle nastavených průtoků a řazení čerpadel v primární a sekundární větvi proměnné, a tak i předpoklad, že se průtok mP1 rozdělí do úseků 1 a 3 rovnoměrně je idealizovaný, avšak pro znázornění postačující.
HV je použitelný jestliže rychlosti proudění vody a s nimi spojené tlakové ztráty HV nebudou příliš vysoké. Rovněž tak, že připojení na sekundární straně nebude vykazovat vysoké dynamické tlaky.
Průměry potrubí navrhujeme tak, aby stejně jako v primárním okruhu rychlost nepřesahovala 0,6 m/s. Budou-li provozní parametry v přívodním a vratném potrubí vykazovat vysoké rychlosti, je i tak potřeba navrhovat průměry HV podle rychlosti do cca 0,9 m/s. Příkladem budiž HV DN 200 (di = 206,4 mm) se jmenovitým průtokem vody 100 m3/h a rychlostí prodění vody 0,83 m/s.
Aplikace
Jak lze v praxi použít HV ukazuje schéma na obr. 6, kde HV hydraulicky propojuje dva kotle řazené sériově.
Kondenzační kotel (KK) pokrývá základní potřebu tepla a nízkoteplotní kotel (NK) spíná pouze pro krytí špičkové potřeby tepla. Při této variantě provozování slouží HV k hydraulickému propojení obou zdrojů tepla stejně, jako směšovací prvek, zajišťující ochranu NK zvyšováním teploty vratné vody za některých provozních stavů.
Obr. 6 Sériové zapojení kondenzačního a nízkoteplotního
kotle přes hydraulický věnec
Průtok vody kondenzačním kotlem je proměnný. Jediné čerpadlo v kotlovém okruhu zajišťuje konstantní požadovaný průtok NK. To se spíná pouze při potřebě provozování NK. Pro provozní stav, kdy NK nepracuje to znamená, že tlakové ztráty KK a kotlového okruhu pokrývají oběhová čerpadla otopné soustavy. Za jmenovitých podmínek protéká oběma kotli 100% průtok. HV je tak dimenzován na jmenovitý (100%) průtok zařízením. Dvě vzájemně protilehlá připojení HV spojují otopnou soustavu a KK. Dvě zbývající připojení HV slouží pro napojení přívodní a vratné větve NK.
Za běžných provozních podmínek pokrývá požadovaný výkon pouze KK. Voda z KK se v HV dělí na dva stejné proudy a poté opět jako celý proud pokračuje do otopné soustavy, jako by HV ani nebyl v okruhu zařazen.
Jinak to vypadá za jmenovitého výkonu, kdy voda protéká NK a je sepnuto i jeho čerpadlo. Předehřátá voda v KK proudí do NK a poté přívodní větví HV do otopné soustavy. Výhodou sériového zapojení kotlů přes HV je zamezení průtoku vody přes nepracující NK. To umožní eliminovat tepelné ztráty průtokem teplé vody přes nepracující NK.
Jinou možnost představuje hydraulické propojení paralelně napojených dvou kotlů s otopnou soustavou (obr. 7). Prakticky jde o křížové propojení přívodní a vratné větve kotlového a spotřebitelského okruhu. Paralelní řazení kotlů má tu výhodu, že v období odstavení či klidové fáze jednoho z nich lze druhý kotel bez potíží provozovat.
Obr. 7 Pohled na hydraulický věnec při paralelním zapojení kotlů
(Instandhaltungswerk der Deutsche Bahn AG - Frankfurt am Main)
HV je zde přirovnatelný k funkčnímu principu čtyřcestné směšovací klapky, pouze pracuje zcela automaticky a bez technických výpadků. Při částečném vytížení může dojít, stejně jako u THR, ke zvyšování teploty vratné vody natékající do kotle. U KK to snižuje stupeň využití. Řešením pak může být napojení KK přímo na vratnou větev spotřebitelských okruhů.
Závěr
Vedle již dnes klasického napojení otopné soustavy přes THR máme i jiné srovnatelné způsoby. Jedním z nich je použití HV, jako zajímavé a cenově dostupné alternativy. Obecně můžeme říci, že HV lze použít všude tam, kde bychom použili THR. HV však vyžaduje o něco méně místa, poskytuje větší variabilitu umístění (např. pod strop) a izoluje se stejně, jako připojovací potrubí v kotelně.
Literatura:
[1] Größlinghoff, C.-H., Junker, E.: Weichenstellung. Heizung Lüftung/Klima Haustechnik, Bd. 57, 6/2006. s. 48-51. ISSN 1436-5103.
[2] Buderus Heiztechnik: Handbuch für Heizungstechnik. Berlin: Beuth Verlag GmbH, 1994. 1188 s. ISBN 3-410-13214-7.
[3] Bašta, J.: Hydraulika a řízení otopných soustav. Praha: Ediční středisko ČVUT, 2003. - 252 s., 209 obr., ISBN 80-01-02808-9.
[4] Technické podklady firmy Buderus Heiztechnik.