Metodika výpočtu

Vyregulovanie rozvodov teplej pitnej vody s núteným obehom

Základnou úlohou rozvodov teplej pitnej vody je dopraviť ku každému odbernému miestu teplú vodu s požadovanou konštantnou teplotou. Systém teplej pitnej vody je však otvorený systém s nepravidelným odberom teplej pitnej vody. V prípade, že nedochádza k jej odberu, voda v rozvodoch postupne chladne. Na eliminovanie tohto stavu sa navrhuje cirkulačné potrubie, ktoré by malo byť vedené súbežne s potrubím teplej pitnej vody. Aby sme dosiahli stav, pri ktorom bude v cirkulačných potrubiach udržiavaná rovnaká teploty vody pre každú stúpačku teplej pitnej vody aj pri rozdielnych tlakových stratách potrubia a požadovaných objemových prietokoch, je potrebné pristúpiť k hydraulickému vyregulovaniu cirkulačného potrubia.

Spôsob hydraulického vyregulovania cirkulačného potrubia si predstavíme na príklade.
Základnou podmienkou výpočtu je fakt, že cirkulačné potrubie budeme dimenzovať na prevádzkový stav bez odberu, tzn. ako uzatvorenú sústavu. Výpočtový objemový prietok v cirkulačnom potrubí je závislí od straty tepla povrchom rozvodného systému a od rozdielu teplôt na začiatku a konci každého úseku. Teplotu vodu na výstupe zo zásobníka teplej pitnej vody poznáme a požadovaná najnižšia teplota na najnepriaznivejšom odbernom mieste sústavy by mala byť o 3-5 K nižšia.

1. Pristúpime najskôr k určeniu tepelnej straty v každom úseku sústavy. Tepelnú stratu potrubia na meter určíme zo vzťahu:

q₁ = k_o . Δ_t2                                         (W/m)                  (1)

Δt₂ = ts_tr – tv_zd                                    (C°)                    (2)
 

            (tz_ač – t_kon)
t_str = –––––––––––––                         (C°)                    (3)
                   2

q₁         tepelná strata potrubia                                       (W/m)
k_o        súčiniteľ prestupu tepla valcovou stenou         (W/m.K)
t_vzd       teplota vzduchu v okolí potrubia                         (C°)
t_zač       teplota vody na začiatku úseku                           (C°)
t_kon       teplota vody na konci úseku                               (C°)

Pre izolované potrubie môžeme ko zjednodušene určiť zo vzťahu:
                             ¶
ko = –––––––––––––––––––––––––––                                         (W/m.K)                         (4)
                 1                       Do                   1
          –––––––– . ln –––––––– + ––––––––
             2 . λ1                      D               α . Do                              

λ₁        súčiniteľ tepelnej vodivosti tepelnej izolácie                            (W/m.K)
Do        vonkajší priemer potrubia s izoláciou                                        (m)
D         vonkajší priemer potrubia bez izoláciou                                     (m)
α          súčiniteľ prestupu tepla na vonkajšom povrchu potrubia      (W/m2.K)

Pri podrobnom výpočte je potrebné tepelné straty na meter zisťovať pre každý úsek. Pre zjednodušenie výpočtu môžeme uvažovať s tepelnou stratou na meter pre ležaté rozvody vedené v suteréne 10 W/m a pre zvislé rozvody vedené v šachtách 7 W/m.

2. Na základe tepelnej straty potrubia na meter a dĺžky jednotlivých úsekov určíme ich tepelnú stratu:

Q = l x  q1                                                                    (W)
Q         tepelná strata úseku                                       (W)
l          dĺžka úseku                                                      (m)
q₁, q₂   tepelná strata na meter pre daný úsek       (W/m)

3. Pri výpočte cirkulačného prietoku začíname ako s prvým úsekom  s úsekom za zásobníkom teplej pitnej vody, tzn. s celkovým objemovým prietokom v sústave. Celkový objemový prietok sústavou určíme na základe vzťahu:

              ∑l x q
Vp = –––––––––––––                                  (l/s)                            (5)
           ϱ x c x Δt

Vp           celkový objemový prietok                                                   (l/s)
∑l x q      celková tepelná strata sústavy                                            (W)
ϱ              hustota vody (988 kg/m3)                                               (kg/m3)
c              merná tepelná kapacita vody (4,2 kJ/kg.K)                    (kJ/kg.K)                  
Δt            teplotný spád v sústave (5 K)                                               (K)

Teplota vody na výstupe zo zásobníka teplej pitnej vody bude 50°C a teplota vody na najnepriaznivejšom mieste sústavy bude 45°C.

Pre náš príklad je objemový prietok prvým úsekom cirkulačného potrubia:
               1245
Vp =  –––––––––––– = 0,06 l/s
             988x4,2x5

V ďalšom kroku je potrebné určiť pokles teploty v prvom odbočovacom mieste, tzn. na päte prvej stúpačky, ktorý vzniká v potrubí na základe jeho tepelnej straty. Pre určenie poklesu teploty vychádzame zo základného vzťahu:

            ∑l x q                                                        ∑l x q
Vp = ––––––––––––    (l/s)        →       Δt = ––––––––––––––
          ϱ x c x Δt                                                  V_p x_ϱ x c

pričom dosadíme do vzťahu za hodnotu - ∑l x q – tepelnú stratu daného úseku, v našom príklade je to hodnota 400 W.

Pre náš príklad je pokles teploty v prvom odbočovacom bode rovný hodnote:
                     400
Δt = –––––––––––––––––  = 1,61 K
            0,06 x 988 x 4,2           

Na základe rozdielu teplôt na päte stúpačky a najnepriaznivejšom odbernom mieste príslušnej stúpačky a na základe jej tepelnej straty určíme výpočtový objemový prietok prvou stúpačkou:
                     175
Vp =  ––––––––––––––––––   = 0,013 l/s
                988x4,2x3,39

Výpočtový objemový prietok, ktorý prechádza ďalej sústavou určíme ako rozdiel výpočtového objemového prietoku, ktorý do odbočky vstupuje a výpočtového objemového prietoku, ktorý vchádza do prvej stúpačky.

Pre náš príklad je priebežný objemový prietok rovný hodnote:

V_p1-2 = 0,06 - 0,013 = 0,047 l/s

Týmto spôsobom postupujeme pri stanovený objemových prietokov v ďalších úsekoch sústavy.

4. Pri určovaní svetlosti potrubia cirkulačného rozvodu vychádzame z výpočtových objemových prietokov v jednotlivých úsekoch, pričom platí zásada, že rýchlosť prúdenia v potrubí by mala smerom k zásobníku teplej pitnej vody plynule rásť. Maximálna rýchlosť prúdenia vody v blízkosti cirkulačného čerpadla by mala byť 1,0 m/s. 

5. Ďalším krokom výpočtu je určenie tlakovej straty jednotlivých úsekov na základe vzťahu:

Δ_pc = ∑(lxR +Z)tv + ∑(lxR +Z)cik + Δp_arm.                              (l/s)                             (6)

∑(lxR +Z)tv – tlaková strata v rozvodoch teplej vody vrátane miestnych odporov
∑(lxR +Z)cik – tlaková strata v cirkulačnom rozvode vrátane miestnych odporov
Δp_arm – tlaková strata armatúr osadených v danom úseku – filtre, spätné klapky, výmenník tepla a pod.

Pre náš príklad sú tlakové straty jednotlivých úsekov nasledovné – zobrazené na obrázku

6. Následne určíme úsek s najvyššou tlakovou stratou, pričom začíname výtlačnou prírubou cirkulačného čerpadla a končíme jeho sacou prírubou.
Pre náš príklad je to úsek so stúpačkou č.3. Do tejto stúpačky osadíme regulačný ventil STROMAX GM-BS a určíme jeho tlakovú stratu pri danom objemovom prietoku (0,029 l/s) a prednastavení 5 (2,9 kPa). Do zvyšných dvoch stúpačiek osadíme regulačné ventily STROMAX GM-BS a ich prednastavením pri danom prietoku doškrtíme potrebnú tlakovú diferenciu.