ANALIZA PRACY
SPRZĘGIEŁ HYDRAULICZNYCH
ANALIZA PRACY
SPRZĘGIEŁ HYDRAULICZNYCH
Sprzęgło hydrauliczne - przepływowy rozdzielacz o dużej średnicy, spełniający
kilka funkcji. Jedną z nich jest oddzielenie hydrauliczne obiegów grzewczych od
obiegów kotłowych, drugą – realizacja układu podwyższania temperatury wody
powrotnej, trzecią – o ile średnica pozwala na grawitacyjne oddzielanie
zanieczyszczeń – filtracja czynnika grzejnego.
W małych instalacjach centralnego ogrzewania kocioł jest połączony bezpośrednio z
instalacją grzewczą. W instalacjach wielokotłowych o mocy kotłów powyżej 120 kW
obiegi kotłowe (obiegi pierwotne) powinny być hydraulicznie oddzielone od obiegów
grzewczych (obiegów wtórnych). Do tego celu coraz częściej stosowane jest sprzęgło
hydrauliczne. Strumienie masy wody w obiegu kotłowym (źródła ciepła) i grzewczym
(odbiorników ciepła) są niezależne od siebie. Sprzęgła hydrauliczne mogą być
również stosowane w instalacjach w przemyśle chemicznym, kiedy zachodzi potrzeba
pobrania z rurociągu głównego części strumienia przepływającego czynnika do innej
instalacji, z której czynnik ponownie powraca do rurociągu głównego.
Sprzęgła hydrauliczne stosuje się w układach grzewczych średniej i dużej mocy (w
praktyce już od ok. 25 kW i więcej), składających się z jednego lub więcej kotłów, a
zwłaszcza z kilku obiegów grzewczych (np. obieg ogrzewania podłogowego + obieg
ogrzewania grzejnikowego + obieg ogrzewania c.w.u.).
W tego typu obiegach zastosowanie sprzęgła hydraulicznego eliminuje konieczność
zrównoważenia przepływów pomp - sprzęgło hydrauliczne powoduje niezależne
działanie poszczególnych obiegów i niezakłóconą pracę pomp (pompy nie zakłócają
się wzajemnie). Dodatkową funkcją sprzęgła jest odmulanie układu i jego
odpowietrzanie. Sprzęgło hydrauliczne także chroni kocioł przed zbyt niską
temperaturą wody powrotnej (korozja niskotemperaturowa).
Korzyści ze stosowania sprzęgła hydraulicznego:
•
dłuższa żywotność kotła dzięki skutecznej ochronie przed niską temperaturą wody
powrotnej;
•
rozdzielenie obiegu kotłowego i grzewczego - dłuższa żywotność pompy za
sprawą wzajemnego niezakłócania pracy,
•
utrzymanie niezależnych strumieni masowych w obiegu kotła i obwodach
grzewczych,
•
zwiększenie komfortu użytkowania dzięki wykorzystaniu odmulania oraz
odpowietrzania układu,
•
wyeliminowanie konieczności równoważenia przepływów obiegów kotłowego i
grzewczego,
•
dużo szybsza reakcja automatyki kotła;
•
do 50% taniej niż zastosowanie zaworu 3- lub 4-drogowego;
•
ograniczenie liczby reklamacji związanych z nieprecyzyjnie działającym, bądź
zapowietrzającym się układem;
Sprzęgło hydrauliczne jest to pionowe naczynie z dwoma króćcami u góry i dwoma
króćcami na dole. Do jednego króćca górnego dopływa woda z kotła, a drugi
podłączony jest do instalacji centralnego ogrzewania (c.o.). Do króćców dolnych
usytuowanych około 20 cm powyżej dna dopływa z jednej strony woda z instalacji
c.o., z drugiej zaś odpływa do kotła. W pobliżu dolnego dna sprzęgła znajduje się
króciec z pokrywą rewizyjną, wyposażoną w przewód z zaworem kulowym służący
do odmulania sprzęgła oraz instalacji c.o.. Do górnego dna sprzęgła przyspawana
jest krótka przegroda zapobiegająca bezpośredniemu przepływowi wody z kotła do
instalacji c.o. W górnym dnie od strony kotła znajduje się odpowietrznik oraz po
stronie obiegu grzewczego tuleja termometryczna o długości 200-300 mm służąca
do pomiaru temperatury zasilania obiegu grzewczego. Na powierzchni zewnętrznej
sprzęgło jest izolowane cieplnie.
Charakterystyka sprzęgła hydraulicznego
K1, K2 - króćce dolotowe wody
K3, K4 - króćce odlotowe wody
K5 - króciec odpowietrznika
K6 - manometr termometru
K7 - króćce spustowy
Sprzęgło hydrauliczne typu SPH
produkcji WZRM Sp. z o. o.
Obliczenia w ymiarów sprzęgieł hydraulicznych
Podstawą do obliczenia wymiarów sprzęgła jest ustalenie strumienia objętościowego
wody ze wzoru na moc cieplną kotła (źródła ciepła)
K
K
K
Q
V
c t
ρ
=
∆
gdzie
– moc kotła w W, ∆
t
K
–
przyrost temperatury wody w kotle w K,
ρ –
średnia
gęstość wody w kg/m
3
,
c –
średnie ciepło właściwe w J/(kgK).
Przyjmując następnie prędkość przepływu wody
w
z przedziału: 0,1-0,2 m/s oblicza się
przekrój poprzeczny komory sprzęgła
K
Q
K
V
F
w
=
Przy obliczeniu przekroju poprzecznego sprzęgła założono, że cały strumień wody,
który przepływa przez kocioł przepływa również przez sprzęgło hydrauliczne. Jak
wynika z przeprowadzonych badań wewnątrz sprzęgła wzdłuż jego wysokości
przepływa tylko strumień objętościowy .
W rzeczywistości prędkość przepływu wody przez sprzęgło jest mniejsza i w
przypadku równych strumieni objętościowych w obiegu kotłowym i grzewczym jest
równa zeru. Odległość między króćcami górnymi i dolnymi dobiera się z przedziału
h
= (3 ÷ 4)
D
, gdzie
D
oznacza średnicę wewnętrzną sprzęgła o przekroju kołowym
lub długość boku kwadratu w sprzęgle o kwadratowym przekroju poprzecznym.
W górnej części sprzęgła znajduje się przegroda ułatwiająca mieszanie nadmiaru
wody
(rys. 1) z obiegu grzewczego z wodą zasilającą z kotła o strumieniu
masy . Sytuacja taka występuje przy częściowym obciążeniu kotła, gdy strumień
wody przepływającej przez kocioł jest mniejszy w porównaniu ze strumieniem
wody w obiegu grzewczym
. Średnice króćców oblicza się zakładając, że
przepływa przez nie strumień wody
obliczony ze wzoru (2) dla nominalnej mocy
kotła i przyjmując prędkość przepływu wody równą 0,6 m/s.
(
)
K
O
V
V
−
(
)
O
K
m
m
−
K
m
K
m
O
m
K
m
Bilans cieplny sprzęgła hydraulicznego
Schemat obliczeniowy sprzęgła przedstawiono na rys.1a.
a)
b)
Rys. 1. Schemat obliczeniowy sprzęgła hydraulicznego (a)
i wymiennika przeponowego (b)
Zakładając, że strumień masy wody w obiegu kotłowym wynosi , a w obiegu
grzewczym bilans cieplny sprzęgła można zapisać następująco:
K
m
O
m
K
w K
O w O
K
w K
O w O
str
m c t
m c t
m c t
m c t
Q
′
′
′′
′′
+
=
+
+
Z bilansu można wyznaczyć jedną niewiadomą. Zakładając na przykład, że znane są
temperatury , , oraz strumienie masy i można obliczyć
temperaturę na zasilaniu obiegu grzewczego:
K
t′
K
t′′
O
t′
K
m
O
m
O
t′′
(
)
K
K
K
str
O
O
O
O w
m
t
t
Q
t
t
m
m c
′
′′
−
′′
′
= +
−
Badania sprzęgła hydraulicznego
Przeprowadzono badania sprzęgła hydraulicznego wykonanego z blachy St3S o
kwadratowym przekroju poprzecznym komory o wymiarach wewnętrznych 76x76 mm i
wysokości 494 mm. Króćce dolotowe i wylotowe o jednakowej średnicy wewnętrznej
równej
d
w
=
34,6 mm usytuowane są naprzeciwko siebie w odległości 60 mm od dna
dolnego i górnego. Przegrody wewnątrz komór o wysokości 90 mm i grubości 3 mm
usytuowane są w środkowej części komory na całej jej szerokości. Przyspawane są do
den i bocznych ścian komory. Mają one na celu zapewnienie lepszego mieszania się
strumieni wody przed wypływem ze sprzęgła oraz utrudnienie bezpośredniego
przepływu wody z króćca wlotowego do wylotowego. Po obydwu stronach przegrody
w dolnym dnie podłączone są dwa przewody o średnicy 1/2” służące do odmulania
obiegu kotłowego i grzewczego oraz do opróżniania sprzęgła. Zewnętrzna
powierzchnia sprzęgieł jest izolowana cieplnie za pomocą pianki poliuretanowej o
grubości 20 mm. Przy założonej maksymalnej prędkości przepływu wody wzdłuż
wysokości sprzęgła równej 0,2 m/s strumień objętościowy wody wynosi 4,15 m3/h.
Temperatura wody mierzona była za pomocą termoelementów płaszczowych
NiCr-Ni o średnicy zewnętrznej płaszcza równej 1,5 mm. Temperatura wody
dopływającej i odpływającej ze sprzęgła mierzona była w osi króćców w odległości 80
mm od ścian sprzęgła. Schemat rozmieszczenia termoelementów do pomiaru
temperatury wody wzdłuż wysokości sprzęgła przedstawiono na rys. 2. Termoelementy
wsunięte były do środka sprzęgła na głębokość 26 mm.
Rys. 2. Schemat rozmieszczenia
termoelementów do pomiaru
temperatury wody w badanym
sprzęgle hydraulicznym
Zdj. Widok badanych sprzęgieł hydraulicznych
ZW
1Zo26
1Zo23
1Zo27
Fs3
PO2
1Zo24
1Zo19
1Zo21
1Zo22
1Zo20
1Zo13
1Zo14
1Zo15
1Zo16
1Zo17
1Zo18
1Zo25
Zgr1
1Zo3
1Zo4
1Zo5
1Zo6
1Zo7
3Zo1
3Zo2
RPG
RZG
RZG
RPG
1Zo12
1Zo11
1Zo10
1Zo9
1Zo8
2Zo2
2Zo4
2Zo1
1Zo3
2Zo3
1Zo6
1Zo5
1Zo8
1Zo7
1Zo4
1Zo2
Fs1
KKoG
POK
WR
GP1
GP2
GP3
Zb
1Zo1
TI
TI
PI
PI
FI
TI T
PI
FI
TI
PI
TI
TI
TI
Zs1
Zs2
Zs4
Zs3
TI T
TI T
TI T
TI T
TI T
TI T
TIT
TIT
TIT
TI T
TI T
TI T
TI T
TIT
TIT
TIT
TI T
TI T
TI T
TI T
TI T
TI T
TI T
TI T
TI T
FIT
TC
TC
TC
Zg1
Zgr3
Zg3
PO1
Fs2
T
IT
T
IT
F
IT
T
IT
KAero
Went
WL
NWK
Rys. Schemat stanowiska badawczego
Rys. 3. Wyniki pomiarów temperatury wody w sprzęgle hydraulicznym; strumień
objętościowy wody w obiegu kotłowym
V
K
= 1,58 m
3
/h obniżono do kotłowym
V
K
= 0,66 m
3
/h przy stałym strumieniu objętościowym wody w obiegu c.o.
V
CO
= 0,96 m
3
/h
Z przeprowadzonych badań wynika, że działanie sprzęgła (rys. 4) zależy głównie od
wartości strumieni wody w obiegu kotłowym i grzewczym. Warto podkreślić, że przez
sprzęgło wzdłuż jego wysokości przepływa strumień wody równy różnicy strumieni
wody w obiegu kotłowym i w obiegu grzewczym. Sprzęgło hydrauliczne różni się więc
zasadniczo od przeciwprądowego przeponowego wymiennika ciepła, przez który
przepływają pełne strumienie wody w przeciwnych kierunkach.
Rys. 4. Schemat mieszania się strumieni wody w sprzęgle hydraulicznym w zależności
od strumieni objętościowych w obiegu kotłowym i centralnego ogrzewania
=
Modelow anie procesów przepływ ow o-cieplnych
za pomocą programu Fluent
Rys. 5. Rozkład temperatury w przekroju poprzecznym sprzęgła,
gdy objętościowy strumień przepływu wody w obiegu źródła ciepła
V
K
= 1,5 m
3
/h jest większy od objętościowego strumienia przepływu
wody w obiegu odbiorników ciepła V
O
= 0,5 m
3
/h
Rys. 6. Rozkład temperatury w przekroju poprzecznym sprzęgła,
gdy objętościowy strumień przepływu wody w obiegu źródła ciepła
V
K
= 0,4 m
3
/h jest mniejszy od objętościowego strumienia przepływu
wody w obiegu odbiorników ciepła V
O
= 0,9 m
3
/h
Wnioski
Dzięki zastosowaniu w instalacjach centralnego ogrzewania sprzęgieł hydraulicznych
uzyskuje się niezależność hydrauliczną obiegów kotłowych (źródeł ciepła) od obiegów
grzewczych (odbiorników ciepła).
Z przeprowadzonych badań eksperymentalnych wynika, że jeżeli objętościowy
strumień przepływu w obiegu kotłowym jest większy niż w obiegu grzewczym
wówczas nadmiar wody gorącej z wylotu kotła przepływa przez sprzęgło mieszając się
następnie z wodą powrotną z instalacji grzewczej. Temperatura wody zasilającej kocioł
jest wyższa od temperatury wody powrotnej z instalacji grzewczej. Temperatura wody
na zasilaniu obiegu grzewczego jest równa temperaturze wody wylotowej z kotła.
Temperatura wody wzdłuż wysokości sprzęgła jest równa temperaturze wody
wylotowej z kotła.
Przy takiej pracy układu, uzyskuje się podwyższanie temperatury wody zasilającej
kocioł unikając w ten sposób schładzania spalin wylotowych poniżej punktu rosy i
zabezpieczając kocioł przed korozją niskotemperaturową.
Jeżeli objętościowy strumień przepływu wody w obiegu grzewczym jest większy niż w
obiegu kotłowym, wówczas część wody powrotnej z instalacji grzewczej przepływa
przez sprzęgło hydrauliczne bezpośrednio do przewodu zasilającego obieg grzewczy
mieszając się z wodą wylotową z kotła. Pozostała część wody powrotnej z instalacji
grzewczej zasila bezpośrednio kocioł. Prowadzi to do żądanego obniżania
temperatury na zasilaniu instalacji grzewczej. Temperatury wody powrotnej z
instalacji grzewczej i zasilającej kocioł są identyczne.
Literatura i źródła informacji
Modernizacja instalacji grzewczych z zastosowaniem sprzęgieł hydraulicznych
/
Dawid TALER
//
Zeszyty Naukowe / Politechnika Opolska ; nr 255. Elektryka ;
ISSN 1429-1533
. —
2000 z. 49 s. 413–419
. —
Bibliogr. s. 419
. —
GRE 2000 :
VII Forum Energetyków “Pod Szyndzielnią” / Politechnika Opolska. — Opole :
Oficyna Wydawnicza Politechniki Opolskiej, 2000
Sprzęgła hydrauliczne w instalacjach grzewczych, Cz. 1
— [Hydraulic couplings in
heating installations, Pt. 1] / Dawid TALER // Ciepłownictwo Ogrzewnictwo
Wentylacja ; ISSN 0137-3676. — 2000 R. 31 nr 4 s. 11–15
Sprzęgła hydrauliczne w instalacjach grzewczych, Cz. 2
— [Hydraulic couplings in
heating installations, Pt. 2] / Dawid TALER // Ciepłownictwo Ogrzewnictwo
Wentylacja ; ISSN 0137-3676. — 2000 R. 31 nr 5 s. 5–8, 46. — Bibliogr. s. 8, 46
Żarski K.,
Obiegi wodne i parowe w kotłowniach
, wyd. Ośrodek Informacji
"Technika Instalacyjna w Budownictwie", Warszawa 2000, ISBN 83-909273-5-7
http://www.termen.com.pl/termen-sprzegla-hydrauliczne.php
http://pl.immergas.com/media/4._sprzegla_hydrauliczne.pdf