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