Systematyka (podział) źródeł, węzłów oraz sieci cieplnych.
SYSTEMATYKA ŹRÓDEŁ:
- konwencjonalne (energia pozyskiwana przez spalanie paliw lub z nośnika
energii np. prądu elektrycznego)
- kotłownie
- ciepłownie
- elektrociepłownie
- niekonwencjonalne (wykorzystujące energię odnawialną
Podział kotłów, podstawowych elementów źródeł :
- energetyczne
- przemysłowe
- grzewcze (c.o.) ; wodne i parowe (maks. moc do 500 kW)
Podział kotłów ze względu na ich budowę:
- żeliwne i stalowe (mat. konstrukcyjny na powierzchnię wymiany ciepła)
- jednopaliwowe i wielopaliwowe (przestawialne)
- ręczne i zautomatyzowane
Podział kotłów ze względu na paliwo: gaz/ paliwo ciekłe/ paliwo stałe
Sieci cieplne
Zadaniem sieci cieplnych jest transport ciepła od źródła do miejsc jego odbioru. Obecnie są stosowane dwa sposoby przesyłania ciepła na odległość:
z dużych centralnych źródeł ciepła, z których ciepło jest przesyłane na duże odległości (od kilku do kilkunastu kilometrów)
z lokalnych sieci cieplnych, zainstalowanych np. w zakładzie produkcyjnym, osiedlu mieszkaniowym lub budynku mieszkalnym.
Sieci cieplne, w zależności od przeznaczenia, można podzielić na:
przemysłowe,
komunalne (miejskie lub osiedlowe),
mieszane (przemysłowo-komunalne).
PODZIAŁ SIECI GRZEWCZYCH
Ze względu na:
czynnik grzewczy:
parowe (raczej obiekty przemysłowe)
wodne (budynki)
parametry czynnika:
niskoparametrowe (t =115oC, p = 70 kPa)
wysokotemperaturowe (powyżej 115oC)
ilość przewodów:
jednoprzewodowe (bardzo rzadki przypadek)
dwuprzewodowe
trójprzewodowe
czteroprzewodowe
sposób połączenia źródła i odbiorników (układ geometryczny)
pajęcza - duże bezpieczeństwo zaopatrzenia ale trzeba użyć dużą ilość przewodów
promieniowa - wada: jeśli pęknie rurociąg magistralny to poważny problem
pierścieniowa
rozdzielcza (osiedlowa) istnieje węzeł grupowy, który zaopatruje kilka budynków
podział ze względu na budowę:
podziemne - kiedyś: kanałowe obecnie: bezkanałowe (w rurze ochronnej przykrytej gruntem)
napowietrzne - na niskich podporach (50 - 70 cm nad ziemią) zasłania się je zielenią, ukrywa czasem na wysokich podporach, by ominąć mosty itp.
PODZIAŁ WĘZŁÓW:
Podział pod względem sposobu regulacji parametrów czynnika wtórnego:
węzły zmieszania[bezpośrednie] (hydroelewator, pompa - na zasilaniu lub powrocie lub przewodzie mieszającym)
węzły wymiennikowe
Podział węzłów cieplnych pod względem pełnionych funkcji
węzły centralnego ogrzewania,
węzły jednostopniowe,
węzły dwustopniowe
Pod względem liczby pełnionych funkcji węzły cieplne można podzielić na:
węzły jednofunkcyjne:
centralnego ogrzewania,
ciepła technologicznego,
centralnej ciepłej wody (tylko w kotłowniach).
węzły dwufunkcyjne:
centralnego ogrzewania i ciepła technologicznego,
centralnego ogrzewania i centralnej cieplej wody,
ciepła technologicznego i centralnej cieplej wody.
węzły trójfunkcyjne (wielofunkcyjne)
- centralnego ogrzewania, ciepła technologicznego i centralnej
ciepłej wody.
Bilans potrzeb cieplnych obiektów przyłączanych do systemu ciepłowniczego. Podstawy wymiarowania sieci cieplnych wodnych i parowych. Obliczenia strat ciśnienia w sieci cieplnej.
Podstawowym zadaniem systemu ciepłowniczego jest dostarczenie wymaganej mocy
cieplnej, dostosowanej do aktualnych warunków. Ustalenie maksymalnego zapotrzebowania na moc opiera się na wyznaczeniu maksymalnych potrzeb, wynikających z tzw. obliczeniowych lub projektowych warunków - na które system ciepłowniczy powinien odpowiedzieć. Moc cieplna, którą dostarczyć powinna sieć, w zależności od rodzaju odbiorców występujących w obszarze zaopatrywanym w ciepło oraz typu ich potrzeb cieplnych, powinna pokrywać zapotrzebowanie na:
moc cieplną do ogrzewania pomieszczeń oraz podgrzewania wentylującego je powietrza, w systemie wentylacji naturalnej
moc cieplną dla instalacji wentylacji mechanicznej
moc cieplną dla podgrzewania ciepłej wody użytkowej
moc cieplną dla pokrycia innych potrzeb technologiczno - produkcyjnych
Ogólny bilans mocy dostarczanej przestawia się wzorem:
[MW] (1)
gdzie:
Qo- moc cieplna na potrzeby ogrzewania i wentylacji naturalnej [MW]
Qw- moc cieplna na potrzeby systemów wentylacji mechanicznej [MW]
Qcwu- moc cieplna na potrzeby podgrzania ciepłej wody użytkowej [MW]
QT- moc cieplna na potrzeby technologiczno - produkcyjne [MW]
Sieci wodne
Czynnik grzewczy woda - strumień masowy czynnika grzewczego konieczny do „przeniesienia” jednostkowej mocy cieplnej tj. 1000 kW (1 MW):
dla Dt = 70 K odpowiednio mj=3,4 [kg/s]
Dla sieci parowych :
gdzie :
r = i” - i' = 2500 [kJ/kg], entalpia parowania wody
Para jest bardzo dobrym nośnikiem ciepła, którego relatywnie nieduży strumień jest zdolny przekazać dużą moc cieplną, w wyniku oddania ciepła skraplania.
Czynnik w przewodzie zasilającym jest parą lekko przegrzaną, o gęstości r” [kg/m3], zbliżonej do gęstości nasyconej pary wodnej - zatem strumień objętościowy pary w przewodzie zasilającym powinien być równy:
Zaś w przewodzie powrotnym będziemy mieć do czynienia ze skroplinami o gęstości r' - zbliżonej do gęstości cieczy nasyconej (r' będzie zbliżone do gęstości wody tj. ok. 1000 [kg/m3]). Zatem strumień objętościowy skroplonego czynnika będzie kilkaset razy mniejszy niż pary:
Z powodu znacznej różnicy wielkości strumienia objętościowego Vj przewody parowy i cieczowy w parowej sieci cieplnej mają wyraźnie różne wielkości średnic i odpowiadające im wielkości przekroju przepływu. Przewód parowy ma zdecydowanie większą średnicę , bo strumień objętościowy pary jest duży i nawet przy znacznych prędkościach (20-30m/s) konieczny jest duży przekrój. Natomiast mniejsze rozmiary przewodu skroplinowego wynikają ze znacznie mniejszego strumienia objętościowego czynnika, który osiąga w nim prędkości zakresu od 1-3 m/s.
Dobór średnicy rurociągu sieci według prędkości
Sieci parowe.
Strumień masowy pary :
gdzie :
- zapotrzebowanie na moc cieplną danej działki [ kW ]
- entalpia parowania czynnika ( wody ) [ kJ/kg ] :
Strumień objętościowy pary :
gdzie :
- strumień masowy pary [ kg/s ]
- gęstość pary o stanie nasycenia [ kg/m
] :
Parametry pary w sieci zmieniają się. W wyniku przepływu pary, następuje spadek ciśnienia( 2÷5 K/ 100m przewodu parowego ) oraz wymiana ( straty ) ciepła z otoczeniem, wynikiem czego występuje m.in. skroplenie się pary.
[ kg/m
]
[ K ], gdzie dla pary nasyconej
gdzie :
- temperatura i ciśnienie pary na wejściu do sieci [ K ]
- temperatura i ciśnienie pary na wyjściu z sieci [ K ]
- jednostkowa strata ciśnienia w sieci [ Pa/m ]
- długość sieci [ m ]
Przewód skroplinowy liczymy według podobnych zasad jak przewód dla sieci wodnych :
gdzie :
- strumień masowy pary [ kg/s ]
- gęstość skroplin [ kg/m
]
[ m/s ]
Straty ciśnienia
gdzie: R - jednostkowa strata ciśnienia wywołana oporami tarcia Pa/m
l - długość przewodu sieci
W obliczeniach orientacyjnych można uwzględniać udział oporów miejscowych w całkowitej stracie ciśnienia dla :
a = 0,1 dla odległości powyżej 50m.
a = 0,7 dla węzłów cieplnych tuż przy budynkach
a = 0,2 dla niedużych odległości między budynkami ( do 50m )
Konstrukcja wykresu ciśnień piezometrycznych dla wodnych sieci ciepłowniczych. Warunki nałożone na ciśnienia w sieci w przypadku bezpośredniego i pośredniego przyłączenia obiektów ogrzewanych. Stabilizacja ciśnienia. Układy stabilizacji ciśnienia i uzupełniania czynnika. Elementy regulacyjne i zabezpieczające źródeł ciepłowniczych.
Rodzaje zasilania budynków.
Obiekty w sieci mogą być zasilane w systemie pośrednim, a więc przez wymiennik ciepła, który oddziela dwa obiegi hydrauliczne ( wysokich i niskich parametrów ) tak, że w wymiennikach ciepła przekazywana jest wyłącznie moc cieplna od czynnika sieciowego do instalacji ogrzewania w budynku. W takim przypadku są to dwa niezależne układy hydraulicznie o nie związanym ze sobą rozkładzie ciśnień czynnika grzewczego.
Innym sposobem podłączenia budynku jest system bezpośredni. Wówczas rozkład ciśnienia w budynku wynika z parametrów czynnika w przewodzie zasilającym i powrotnym. Poziom ciśnienia nie może być zbyt wysoki z uwagi na dopuszczalne ciśnienie dla instalacji. Nie może być zbyt niski z uwagi na możliwość odparowywania czynnika w górnych częściach instalacji. Różnica ciśnienia w przewodzie zasilającym i powrotnym musi pokonać sumę strat ciśnienia w węźle i w instalacji. Gdyby w sieci było zbyt niskie ciśnienie w przewodzie powrotnym, to nie cała instalacja w budynku byłaby wypełniona czynnikiem :
Ppowrotu > Phydrostatyczne + 30 kPa
W węźle bezpośrednim bez zmiany parametrów czynnik dostaje się bezpośrednio do instalacji wewnętrznej c.o., tj. jego parametry( temperatura i ciśnienie) nie zmieniają się- są takie same jak w sieci . Równoczesne spełnienie tych wielu warunków stawianych poziomowi ciśnień w systemie bezpośredniego przyłączenia może wymagać użycia dodatkowej przepompowni, zainstalowanej na trasie sieci . Pozwala ona zaradzić zbyt niskiemu ciśnieniu w przewodzie powrotnym jak również zbyt dużej jego wartości w przewodzie zasilającym.
Można też zastosować dwie dodatkowe przepompownie: na przewodzie zasilającym i powrotnym równocześnie.
W sieci musi być utrzymywane pewne wymagane ciśnienie zapobiegające odparowaniu czynnika grzewczego. Takie ciśnienie zwane ciśnieniem stabilizacji powinno być zachowane niezależnie od tego czy pompy obiegowe działają czy też nie. Dla sieci wodnych ciśnienia są znacznie wyższe niż dla instalacji ogrzewania z uwagi na ich rozległość oraz działanie ciśnienia hydrostatycznego w terenie zróżnicowanym wysokościowo.
Ciśnienie robocze wodnej (lub skroplinowej) sieci jest to maksymalne ciśnienie w przewodzie tłocznym za pompą obiegową zwiększone (lub zmniejszone) o hydrostatyczną różnicę ciśnienia, wynikającą z wysokości położenia najniższego punktu sieci i osią pompy.
Według największego ciśnienia roboczego dobiera się nominalne ciśnienie dla sieci ciepłowniczej (dla rur, armatury, złączek itp.)
Gdy robocze do 0,4 MPa to nominalne 0,4 MPa
gdy robocze od 0,4 -0,6 MPa to nominalne 0,6 MPa
gdy robocze do 0,6 - 1,0 MPa to nominalne 1,0 MPa
gdy robocze do 1,0 - 1,6 MPa to nominalne 1,6 MPa\
Ciśnienie próbne, któremu poddaje się wykonany odcinek sieci w czasie badań szczelności jest równe 1,25 ciśnienia roboczego, gdy ciśnienie robocze jest większe od 0,5 MPa.
Warunki stawiane rozkładowi ciśnienia w sieci cieplnej.
Wymaganą wartość ciśnienia w układzie ciepłowniczym wyznacza się po ustaleniu:
niezbędnych wartości ciśnienia, w poszczególnych punktach sieci
niezbędnego ciśnienia w źródle, podczas pracy pomp obiegowych
wartości ciśnienia stabilizacji, które musi być stale utrzymywane
(nawet po wyłączeniu pomp obiegowych) ze względu na zapobieganie odparowaniu czynnika grzewczego
zmian ciśnienia w sieci w różnych warunkach eksploatacyjnych
położenia tzw. punktu obojętnego.
Ciśnienie w sieci ciepłowniczej występujące w punkcie obojętnym, tzn. takim w którym nie ulega ono zmianie niezależnie od stanu pomp obiegowych (praca, wyłączenie) może być utrzymywane za pomocą otwartych i zamkniętych naczyń wzbiorczych (jak w instalacji c.o.) lub pomp uzupełniająco-stabilizujacych (najpowszechniej stosowane).
Ciśnienie w punkcie obojętnym odpowiada ciśnieniu w miejscu włączenia naczynia wzbiorczego do sieci :
- w układzie otwartym - wynika z różnicy poziomu wody w naczyniu wzbiorczym i miejsca włączenia do systemu
- w układzie zamkniętym - z ciśnienia gazu obojętnego w ponad wodą w naczyniu wzbiorczym i ciśnienia hydrostatycznego jak w układzie otwartym
Sposoby utrzymania ciśnienia stabilizacji :
przy użyciu naczynia wzbiorczego z poduszką gazu obojętnego lub parową, włączonego przed lub za pompami obiegowymi
przy użyciu układu z pompami uzupełniającymi
przy wykorzystaniu pomp stabilizujących
przy użyciu układu z pompami stabilizująco-uzupełniającymi
Kompensacja wydłużeń cieplnych w sieciach kanałowych i napowietrznych oraz w sieciach preizolowanych (bezkanałowych).
Armatura:
Łuki
Odgałęzienia
Zwężki
Izolacje
Przewody obejściowe
Zawory sekcyjne (co 1 km)
Kompensacja wydłużeń (kanałowe i napowietrzne sieci)
Dla preizolowanych co pewien odcinek jest punkt stały
Wydłużenia
Gdzie:
Naprężenia
Kompensacja - można wykorzystać naturalne elementy Siecie (np. „Z” albo „L”) albo kompensatory lub wydłużki np. mieszkowe
Aby wydłużenie było osiowe to stosuje się podpory kierunkowe
Kompensator dławnicowy - rura w rurze (już nie stosowany)
Odległość maksymalna między podporami stałymi
Gdzie: dz - średnica zewnętrzna
q - jednostkowa masa przewodu
Siły działające na podporę stałą - tarcie i wiatr
Siły działające na podporę ruchomą - tarcie ślizgowe (podpory ślizgowe albo rolkowe)
Budowa jednofunkcyjnych węzłów c.w. Obliczenia zapotrzebowania na moc cieplną do przygotowania ciepłej wody w węzłach bez-zasobnikowych i zasobnikowych . Definicja godzinowego współczynnika nierównomierności rozbioru ciepłej wody. Dobór zasobników o pełnej i niepełnej akumulacyjności dla budynków mieszkalnych. Współczynnik redukcji zapotrzebowania na moc cieplną w wyniku użycia zasobników.
A.BUDOWA WEZLOW JEDNOFUNKCYJNYCH:
Węzły jednofunkcyjne przygotowania centralnej ciepłej wody
Węzły wymiennikowe przygotowania centralnej ciepłej wody rzadko występują jako obiekty samodzielne, przeważnie połączone są z węzłem centralnego ogrzewania, bezpośrednim lub pośrednim. Jako odrębne, mają zastosowanie głównie w kotłowniach niskoparametrowych
Węzły jednofunkcyjne CO lub Ciepła Technologicznego:
B. Obliczenia zapotrzebowania na moc cieplną do przygotowania ciepłej wody w węzłach bez-zasobnikowych i zasobnikowych.
Ogólny wzór na moc cieplna potrzebna do podgrzania c.w.u. ma postać [5]:
[W] (5)
gdzie:
q - obliczeniowe, godzinowe zużycie c.w.u, odpowiednie dla sposobu podgrzewania wody i akumulacyjności urządzeń
cw- ciepło właściwe wody [J/kgK]
ρ- gęstość wody [kg/m3]
Przepływy obliczeniowe (zużycie c.w.u.) mają postać [5]:
[m3/d] (6)
[m3/h] (7)
[m3/h] (8)
gdzie:
qdśr- średnie, dobowe zapotrzebowanie na c.w.u. [m3/d]
qhśr- średnie, godzinowe zapotrzebowanie na c.w.u. [m3/h]
qhmax- maksymalne godzinowe zapotrzebowania na c.w.u. [m3/h]
qc- jednostkowe, dobowe zapotrzebowanie na c.w.u. [m3/dmk], równe 0,11 - 0,13 m3/dmk
U- liczba użytkowników ciepłej wody
C. Definicja i obliczenia godzinowego współczynnika nierównomierności rozbioru ciepłej wody.
Nh- współczynnik godzinowej nierównomierności rozbioru wody, obliczany jako:
Nh = 9,32U-0,244
Zapotrzebowanie na moc
Ogólny bilans mocy dostarczanej przestawia się wzorem:
[MW] (1)
gdzie:
Qo- moc cieplna na potrzeby ogrzewania i wentylacji naturalnej [MW]
Qw- moc cieplna na potrzeby systemów wentylacji mechanicznej [MW]
Qcwu- moc cieplna na potrzeby podgrzania ciepłej wody użytkowej [MW]
QT- moc cieplna na potrzeby technologiczno - produkcyjne [MW]
Ogólna zależność na moc dostarczana na cele grzewcze ma postać.
[W] (2)
gdzie:
V- kubatura budynku, liczona po wymiarach zewnętrznych [m3]
q- charakterystyka mała budynku [W/m3K].
twew- obliczeniowa temperatura wewnętrzna [oC]
tzew- temperatura zewnętrzna [oC]
Średnie godzinowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę budynku Vhsr
[m3/d]
- liczba godzin użytkowania w ciągu doby, przyjmowana: często zakłada się: 18 h/d,
[m3/h]
Współczynnik nierównomierności Kh=
D.Wymiarowanie zasobników o pełnej i niepełnej akumulacyjności:
- sprawność magazynowania energii zasobnika
(Można dobrać taki zasobnik że stale będzie średni pobór energii, jest to zasobnik o pełnej akumulacyjności)
O pełnej akumulacyjności
O niepełnej akumulacyjności
Współczynnik akumulacyjności
E. Współczynnik redukcji zapotrzebowania na moc cieplną wymienników w wyniku użycia zasobników.
Gdy
- brak zasobnika
- zasobnik o pełnej akumulacyjności
Dwufunkcyjne węzły c.o. + c.w. Rozwiązania układów hydraulicznych, podstawy obliczeń cieplno-przepływowych. Wymagania dotyczące wyposażenia i zabezpieczenia węzłów cieplnych .
Wymienniki o poszczególnych funkcjach tworzą w złożonych typach węzłów tzw. sekcje lub złącza.
Sekcje (złącza) centralnego ogrzewania i centralnej ciepłej wody wyposażone są w armaturę i urządzenia regulacji automatycznej, stosownie do przyjętego typu węzła. Inne wyposażenie będzie w węźle jednostopniowym przygotowania c.w., inne w dwustopniowym.
W węźle o połączonych funkcjach centralnego ogrzewania i centralnej ciepłej wody istnieją dwa sposoby włączenia wymienników c.w.: szeregowy i równoległy.
Połączenie szeregowe oznacza, że czynnik (całość lub część strumienia masy czynnika) płynie kolejno (szeregowo) przez odpowiednie sekcje: centralnego ogrzewania i ciepłej wody. Odgałęzienie czynnika dla potrzeb technologicznych występuje zwykłe przed odgałęzieniem do wymiennika c.w. na zasileniu i za włączeniem przewodu, którym czynnik powraca z wymiennika I stopnia, na powrocie. W zależności od warunków, szczególnie od proporcji zapotrzebowania mocy cieplnej dla różnych celów, węzeł ciepła technologicznego zaopatruje się w odrębny zawór stabilizacji różnicy ciśnień i licznik ciepła, możliwe jest jednak zastosowanie w węźle wspólnych urządzeń regulacyjnych i pomiarowych dla wszystkich potrzeb.
Węzeł ciepła technologicznego może być bezpośredni lub wymiennikowy.
Węzeł jednostopniowy szeregowy
Ciepła woda podgrzewana jest w jednym wymienniku, przez który przepływa najczęściej część strumienia masy czynnika kierowanego następnie do instalacji centralnego ogrzewania. Schłodzenie wody po przepłynięciu przez wymiennik ciepłej wody należy uwzględnić przy doborze wymiennika centralnego ogrzewania. Powierzchnia wymienników c.o. i strumień wody sieciowej będą większe niż w przypadku dopływu wody z sieci o nieobniżonych parametrach. Węzły o połączeniach szeregowych w przewodzie zasilającym stwarzają istotne trudności w zapewnieniu właściwych strumieni mas czynników w poszczególnych obiegach. Wypadkowa charakterystyka hydrauliczna układu jest zależna od stopnia otwarcia zaworów regulacyjnych, przy czym otwarcie zaworu regulacyjnego ciepłej wody prowadzi na ogół do wzrostu kąta nachylenia charakterystyki, a więc w kierunku odwrotnym niż wynikający z optymalnego algorytmu regulacji.
Węzeł jednostopniowy równoległy
Ciepła woda podgrzewana jest w jednym wymienniku, przez który przepływa część strumienia masy czynnika dopływającego do węzła. Następuje rozdzielenie strumieni tak, że do każdego z wymienników dopływa woda o tej samej temperaturze. Na rysunku 17 pokazano sposób połączeń równoległego, jednostopniowego węzła centralnego ogrzewania i centralnej ciepłej wody. W każdym z obiegów powinny się znaleźć niezbędne elementy wyposażenia, takie jak armatura, aparatura kontrolno-pomiarowa i urządzenia automatycznej regulacji. Dla zapewnienia wymaganych strumieni masy czynnika grzejnego niezbędne jest wyrównanie strat ciśnienia w poszczególnych obiegach. Ten typ węzła, w przeciwieństwie do szeregowego umożliwia wyrównanie strat ciśnienia dla przepływów obliczeniowych.
Węzeł dwustopniowy szeregowo-równoległy
Czynnik powracający z instalacji centralnego ogrzewania ma w przeciętnych, najmniej korzystnych warunkach temperaturę ok. 40-45 °C. W celu wykorzystania tego ciepła, proces przygotowania centralnej ciepłej wody rozdziela się na dwa stopnie (strefy), z których pierwsza włączona jest za wymiennikiem centralnego ogrzewania (I stopień przygotowania ciepłej wody). Temperatura wody powracającej z instalacji c.o., z wyjątkiem okresu temperatur powietrza zewnętrznego zbliżonych do temperatury obliczeniowej, nie pozwala na całkowite pokrycie potrzeb przygotowania c.w.u. Czas trwania temperatur ekstremalnie niskich nie jest statystycznie zbyt długi, toteż w większości czasu trwania sezonu grzewczego niezbędne będzie dodatkowe podgrzanie wody opuszczającej wymiennik I stopnia do wymaganej temperatury 50-55 °C. Podgrzanie to realizuje się w wymienniku połączonym równolegle względem wymiennika centralnego ogrzewania, podobnie jak w węźle jednostopniowym równoległym. Wodę powracającą z tego wymiennika (II stopnia) można również skierować do wymiennika I stopnia. W przypadku wymienników płaszczowo- rurowych starszych generacji istniała możliwość skierowania do wymiennika I stopnia całego strumienia masy wody sieciowej, w przypadku nowych konstrukcji wymienników strumień masy kierowany do I stopnia jest zależny od typu zastosowanych urządzeń i od realizacji funkcji tzw. priorytetu ciepłej wody. Część strumienia masy płynie najczęściej obejściem wymiennika I stopnia. Węzeł taki nosi nazwę węzła szeregowo-równoległego. Jest to najczęściej występujący w miejskich systemach ciepłowniczych typ węzła