Zení systému zásobování teplou vodou budov a staveb s účinným deskovým výměníkem tepla | Článek v časopise Mladý vědec

Aleksandrova, A. F. Řízení systému zásobování horkou vodou budov a staveb s účinným deskovým výměníkem tepla / A. F. Aleksandrova. — Text: přímý // Mladý vědec. — 2017. — č. 3 (137). — S. 56-59. — URL: https://moluch.ru/archive/137/38551/ (datum přístupu: 26.02.2025).

Článek uvádí studie typických provozních režimů teplosměnného systému zásobování teplou vodou budov; Jsou uvedena doporučení pro úsporu tepelné energie.

Klíčová slova: přívod teplé vody, výměník tepla, elektrický ventil, tepelná energie

Zavedení. Nejúčinnějším přenosem tepla v systémech zásobování teplou vodou (TUV) je dnes použití deskového výměníku tepla. Zpravidla má takový výměník tepla objem 10–12 litrů. Jeho teplosměnné vlastnosti jsou schopné zajistit teplou vodu do osmdesáti bytového domu. Akumulovaná kapacita teplé vody pro osmdesáti bytový dům je však velmi malá, tedy dochází k výměně tepla, ale kapacita výměníku nestačí na aktivní spotřebu teplé vody. Je to způsobeno přechodem polohy ventilu do otevřeného stavu, který dosahuje 40 sekund. Ventil se tak nemůže překonfigurovat na nový provozní režim výměníku tepla [1].

Hlavní problém lze zaznamenat následovně: výměník tepla může poskytnout, ale vysoká setrvačnost ventilu mu neumožňuje přepnout do požadovaného režimu během 2-3 sekund. Těchto 40 sekund je tedy poměrně hodně, protože k vyprázdnění 10-12 litrů výměníku dochází během několika sekund. Jako řešení takových problémů se používá 200-300 litrový zásobník pro zvýšení akumulované teplé vody. Také použitím akumulační nádrže je možné zajistit rozvod vody mezi noční a denní hodinou, udržovat a snadno kontrolovat teplotu vody. Nevýhody akumulační nádrže jsou periodická údržba, mytí vnitřního povrchu, rozměry, náklady na pořízení a montáž [2, 3].

Relevantnost práce spočívá v tom, že největší teoretickou zajímavostí je studium charakteristických provozních režimů teplosměnného systému TUV [4, 5]. Systém TUV se vyznačuje režimem nepředvídatelných změn ve spotřebě chladiva v důsledku vzniku účinných deskových výměníků tepla, kde nabývá na významu úloha rychlosti odezvy, se kterou se dříve u takových systémů nepočítalo. Navíc, pokud není odběr, je nutné stabilizovat teplotu vratné chladicí kapaliny.

Cílem výzkumu je zlepšit kvalitu řízení systému zásobování teplou vodou zajištěním maximální rychlosti.

Předmětem studie jsou automatizované řídicí systémy pro zásobování teplou vodou budov a objektů s účinným deskovým výměníkem tepla.

Obrázek 1 ukazuje uzavřené schéma systému TUV. Hlavním ovládacím prvkem je ventil 1 s řízenou polohou vřetena. Dále je použit vysoce účinný výměník tepla 2, oběhová čerpadla 3, 4 a elektricky poháněný ventil 5 [6, 7, 8].

Rýže. 1. Strukturální schéma automatizovaného systému TUV6

U takových systémů se provádí individuální seřízení ventilu, kdy je ventil řízen pulzně-šířkovou metodou podle nezávislých zákonů proporcionálně-integrálně-diferenčního (PID) řízení. Tento prvek dává systému větší setrvačnost, konkrétně množství vody potřebné k ohřevu vnitřního okruhu systému TUV je omezeno v době úplného otevření a zavření ventilu. Při aktivní spotřebě se ventil nestihne přesunout do požadované polohy nebo se úplně otevřít pro naplnění systému vodou a chladicí kapalina vnitřního okruhu systému se nemůže ohřát na požadovanou teplotu. To má za následek, že studená voda přichází z kohoutku spotřebitele jako horká voda.

Při okamžité spotřebě teplé vody se kapacita tohoto výměníku výrazně sníží. Pro aktivní výměnu tepla se musí regulační ventil (obrázek 2) přepnout do požadovaného provozního režimu, jehož přechod trvá až 40 sekund. Ale ani optimálně vyladěný PID regulátor neumožňuje překročit rychlost odezvy pohonu s konstantní rychlostí instalovaného na ventilu, kdy čas nejrychlejšího ventilu může být 20–30 sekund. Proto takový výměník tepla nemůže zajistit potřebnou výměnu tepla bez akumulační nádrže. Vlastní myšlenkou je zvolit jinou strukturu systému TUV.

Rýže. 2. Regulační ventil s elektrickým pohonem: 1 — elektrický pohon regulačního ventilu; 2 – regulační ventil

Stabilní ovládání ventilu v kritické oblasti, v blízkosti zavřené polohy, je zajištěno malou strmostí kombinované charakteristiky v tomto úseku pracovního zdvihu ventilu. Na druhou stranu část charakteristiky s vyšším sklonem zajišťuje rychlou a stabilní regulaci s rostoucím průtokem.

Po zapnutí napájecího zdroje se elektrický pohon automaticky nastaví do konečné polohy dříku ventilu. Směr pohybu a poloha tyče jsou přehledně zobrazeny na indikátoru dodávaném s elektropohonem.

Obrázek 3 ukazuje technické charakteristiky regulačních sedlových ventilů pro systémy centralizovaného vytápění.

Parametry rozmístěného komplexu budov jsou stanoveny na základě experimentálních studií.

Rýže. 3. Regulační sedlové ventily pro systémy ústředního vytápění

Z analýzy získaných výsledků vyplývá, že pokles teploty chladiva T02 budov s automatizovanými IWP (j = 1, 2, 3) je spojen s poklesem průtoku chladiva na jejich vstupech. V uzavřeném hydraulickém systému však snížení průtoku u některých spotřebitelů (budovy s automatizovanými IWP) vede ke zvýšení průtoku u jiných (budovy s výtahovými jednotkami), což následně vede ke zvýšení teploty chladicí kapaliny, například ve zpětném potrubí na výstupech CO z j-té budovy (j = 4, 5). Při přepnutí do režimu snížené spotřeby tepla v noci za účelem úspory tepelné energie bylo zjištěno, že budovy s výtahovými jednotkami, které mají výrazně nižší relativní tepelnou zátěž, poskytují noční spotřebu tepelné energie srovnatelnou s automatizovanými IWP.

U distribuovaného komplexu budov je úspora tepelné energie možná pouze tehdy, existuje-li obecná možnost regulace dynamických procesů v systému zásobování teplem.

1. Prokopyev, A. P. Identifikace nelineárního řídicího systému s PID regulátorem / A. P. Prokopyev, V. I. Ivanchura, R. T. Emelianov [Elektronický zdroj] // Sborník z X International Conference “Identification of Systems and Control Problems” (SICPRO’15), leden 26-leden 29, Moskva. IPU RAS. M.: Ústav řídicích věd pojmenovaný po V. A. Trapeznikov RAS, 2015. 2015 s. (str. 1484–387). Elektronická textová data. (397 souborů, 121 MB). — Moskva: IPU RAS, — 68,5. Režim přístupu: http://www.sicpro.org/sicpro2015/code/r15_15.htm.
2. Arakelyan, A.K. Komunikační síť jako dynamický řídicí objekt v systémech regulovatelného elektrického pohonu turbomechanismu / A.K. Arakelyan, V.K. Tytyuk // Meziuniverzitní sbírka vědeckých prací „Výzkum automatizovaných elektrických pohonných systémů“. – Čeboksary. — 1991. — S. 64–75.
3. Tsygankova, A. V. Výzkum automatického řídicího systému s proporcionálně-integrálně-diferenciální regulací. / A. V. Tsyganková, R. T. Emelianov, E. S. Spirin, K. V. Kirillov. — Krasnojarsk: Věstnik KrasSAU. — 2013.– č. 10. — S. 243–247.
4. Tsygankova, A. V. Průtokový rozvod potrubního topného systému s nezávislým připojením oběhového čerpadla / A. V. Tsygankova, R. T. Emelianov, Yu. L. Lipovka, N. A. Barabanshchikova. — Krasnojarsk: Věstnik KrasSAU. — 2014. — č. 12. — S. 200–204.
5. Tsygankova, A. V. Stabilizace teplotního režimu vzdělávacích institucí / A. V. Tsygankova, A. M. Stashin // Sborník z III. Všeruské konference. Formování lidského kapitálu zdroji vzdělávacího systému. – Krasnojarsk. — 2016. — S. 149–151.
6. Khavanov, P.A. Autonomní systém vytápění – alternativa nebo krok zpět? // Větrání, vytápění, klimatizace, zásobování teplem a tepelná fyzika budov (AVOK). 2004. č. 1. S. 34–37.
7. Mirowski, A. Materiály pro projektování kotelen a moderních systémů vytápění / A. Mirowski, G. Lange, I. Jeleń. — Polsko: Vissmann, 2005. 293 s.
8. Soldatenkov, A. S. Výzkum procesů redistribuce energetických nosičů při částečné automatizaci distribuovaného komplexu budov / A. S. Soldatenkov, A. N. Potapenko // Mezinárodní vědecký a technický časopis „Světelné inženýrství a elektrická energie“. 2009. č. 2 (18). S. 4–8.
9. Potapenko, A. N. Automatizované řízení procesu centralizovaného zásobování teplem distribuovaného komplexu budov s přihlédnutím k modelování těchto procesů / A. N. Potapenko, E. A. Potapenko, A. S. Soldatenkov, A. O. Jakovlev // Novinky vysokých škol. Energetické problémy. 2007. č. 7/8. S. 120–134.

Základní pojmy (vygenerováno automaticky): tepelná energie, teplá voda, zásobník, regulační ventil, elektrický pohon, aktivní odběr, vnitřní okruh systému, zásobování teplou vodou, systém výměny tepla, charakteristický provozní režim.

Pájený výměník tepla je spolu se spalovací komorou, regulačním zařízením a výfukovým systémem důležitým pracovním modulem plynového kotle. Jedná se o soubor desek a dutých trubek, které se pohybují, kterými se ohřívá voda a přivádí se do topných a teplovodních potrubí. Materiál a provedení výměníku plynového kotle určují funkční vlastnosti a ovlivňují životnost topného tělesa.

Jak funguje výměník plynového kotle a k čemu je určen?

Tepelný výměník je nádoba, kde se tepelná energie uvolněná při spalování plynu v plynovém hořáku přenáší na nosič tepla. Konfigurace výměníku tepla může být různá a závisí na tom, jak je plynový kotel navržen. Podle způsobu přenosu tepelné energie ze zdroje tepla na kapalné chladivo se dělí na výměníky primárního a sekundárního (dvojitého) typu a také na bithermické.

• primární výměník tepla.

Určeno pro instalaci do jednookruhového kotle, kde se ohřívá chladicí kapalina pro topný systém. Energie spalování paliva se zde přenáší přímo na nosič.

Voda v primárním výměníku se zahřívá na vysoké teploty, což způsobuje usazování vodního kamene na jeho stěnách, takže zařízení vyžaduje pravidelné čištění a prevenci. Filtrační systém na čištění vody pomáhá prodloužit životnost zařízení.

Instaluje se do dvouokruhových kotlů určených jak pro vytápění, tak pro zásobování teplou vodou. Zde dochází k ohřevu chladicí kapaliny kapalinou, která byla ohřátá dříve.

V konstrukci tohoto typu je kromě primárního modulu (kde se ohřívá chladicí kapalina zodpovědná za vytápění) deskový výměník tepla (kde se ohřívá voda pro domácí potřeby).

Potřebný pro dvouokruhové kotle a skládá se ze dvou systémů (topení a teplé užitkové vody), které se vzájemně kombinují a pracují synchronně. Ve vnějším se ohřívá voda pro vytápění a ve vnitřním – pro zásobování teplou vodou.

Hlavní

Primární výměník tepla je dutá trubka velkého průměru, zahnutá v jedné rovině do tvaru cívky. Aby se zvýšila pracovní plocha, a tím i výkon, jsou na ni umístěny desky různých velikostí.

Primární výměník tepla je vystaven vysokému zatížení. Z vnějšku na jeho stěny působí zplodiny hoření, saze, anhydridy kyselin, zevnitř pak agresivní soli rozpuštěné v chladicí kapalině. Proto se pro výrobu primárního výměníku používají kovy, které nepodléhají korozi (měď, nerezová ocel), těsnění výměníku zajišťují těsnění. Díly jsou nahoře potaženy ochrannou směsí. Zařízení pravidelně odvápněte. Speciální filtrační systém pomáhá chránit stěny výměníku tepla před cizími usazeninami. Všechna tato opatření pomáhají zvýšit účinnost a prodloužit životnost zařízení.

Primární výměníky tepla mají jednoduché technické provedení a zřídka se porouchají. Jejich negativní vlastností je nízká funkčnost.

Sekundární

Pro ohřev vody ve dvouokruhovém plynovém kotli, který zajišťuje vytápění i ohřev teplé vody, je zapotřebí sekundární výměník tepla. Jedná se o spolehlivou konstrukci sestávající ze systému dutých desek, ve kterých cirkuluje voda.

Víceprůchodové modely deskových výměníků tepla jsou efektivnější. Zahrnují opakovaný průchod kapaliny v různých směrech, což pomáhá lépe ji zahřát. Dobrými materiály pro sekundární výměník tepla by byla nerezová ocel, měď a hliník.

Princip činnosti zařízení určeného pro zásobování horkou vodou je jednoduchý: teplo se přenáší z kapalného nosiče tepla do kapaliny. Rychlost výměny tepla je vyšší, což zpomaluje vznik usazenin na stěnách přístroje.
Životnost je dlouhá a údržbu lze provádět méně často. Sekundární výměníky tepla jsou dražší, ale svůj úkol zvládají efektivněji.

Bitermní

V bitermickém nebo kombinovaném výměníku tepla se kombinují dva systémy výměny tepla – od plynu k chladicí kapalině a od chladicí kapaliny k vodě potřebné pro zásobování teplou vodou. Zařízení se skládá z dutých trubek zasunutých do sebe, kterými cirkuluje voda Pro údržbu se používají speciální boostery.

Působení obou teplosměnných systémů probíhá synchronně: zatímco voda ve vnějším topném potrubí se ohřívá zvenčí, voda pro teplou užitkovou vodu se ohřívá ve vnitřním potrubí. Bitermický systém má jednoduchý design. Plynový kotel vybavený systémem tohoto typu se zřídka porouchá, je levný a kompaktní.

Mezi negativní vlastnosti bitermického systému patří nízký výkon. Části, které jsou v kontaktu s vodou, jsou náchylné k usazování solí, což vyžaduje instalaci filtrů. Oprava je náročná a někdy nemožná. Velké množství spojů a spojů vytváří riziko vnitřních netěsností a je omezený objem ohřívané vody.

Materiály, jejich klady a zápory

Pro výrobu výměníků tepla se používají odolné materiály, které mají vysoký koeficient tepelné vodivosti, nejsou náchylné ke korozi a jsou odolné vůči tlaku kapaliny. Existuje celá řada kovů, které tyto podmínky splňují: ocel, litina, hliník, měď, hliník. Každý materiál má výhody a nevýhody. Ve většině případů lze v případě potřeby vyměnit kovové desky výměníku tepla, což výrazně zvyšuje jeho životnost.

ocel

Ocel je nejoblíbenější kov používaný v plynových zařízeních. Zaujme nízkou cenou, odolností, snadným zpracováním a dlouhou životností. Díky dobré tažnosti materiálu se povrchy ocelových výměníků nedeformují a nevytvářejí trhliny ani při vysokém tepelném namáhání a výrazném tlaku kapaliny.

Hlavní nevýhodou ocelového výměníku je jeho náchylnost ke korozi. Navíc je těžký a dost objemný. Při provozu ocelových zařízení se zvyšují náklady na plyn. Zahřívání jeho stěn a vnitřních dutin, které mají velký objem, vyžaduje další spotřebu paliva.
Tepelné výměníky z nerezové oceli jsou odolné, ale mají nízký přenos tepla. Tím se snižuje účinnost plynového kotle.

Litina

Litinové výměníky tepla jsou pevné, trvanlivé a odolné vůči anhydridům kyselin, protože materiál je méně náchylný ke korozi než ocel. Tím se výrazně zvyšuje životnost litinových spotřebičů (v průměru až 50 let).

Jednou z nevýhod litinových výměníků je sklon k netěsnostem, protože materiál je značně křehký. Vysoký tepelný tlak na stěny vede k praskání. Litinové zařízení vyžaduje pečlivou údržbu, protože usazování vodního kamene může vést k nerovnoměrnému zahřívání stěn.

Frekvence vyplachování dutiny je následující:

• Pokud jako chladicí kapalina slouží tekoucí voda, mytí se provádí jednou ročně.
• V případě, že se jako chladicí kapalina používá nemrznoucí směs, výměník tepla se myje každé dva roky.
• Zařízení, které používá vyčištěnou vodu, stačí umýt jednou za čtyři roky.
• Hojně se používají i speciální čisticí kapaliny.

Měď

Měď je lehký, tažný, ušlechtilý kov. Je ideální pro výrobu zařízení, ve kterých dochází k výměně tepla. Zařízení vyrobené z mědi je odolné, má vysoký koeficient pevnosti a nepodléhá korozi. Díky skvělé tepelné vodivosti materiálu má měděný výměník maximální účinnost a jeho údržba je snadná a nezatěžující.

Výměníky tepla vyrobené z mědi mají také své nevýhody. Jsou velmi drahé a při zahřátí na vysoké teploty mají tendenci se tavit a vyhořet. Vysoká chemická aktivita kovu vyžaduje použití neutrálních materiálů (trubky vyrobené z polypropylenu nebo polyethylenu) v topném systému.

Hliník

Hliníkové výměníky tepla mají poměrně významné výhody. Jsou kompaktní a spolehlivé. Hliník je díky své vysoké tažnosti vhodný pro vytváření složitých zařízení. Má dobrou tepelnou vodivost, což zajišťuje vysokou úroveň účinnosti. Slitina hliníku a křemíku je chemicky stabilní, což umožňuje její použití ve výměnících tepla kondenzačních kotlů, aby odolala agresivnímu kondenzátu.

Spolu se spoustou výhod existují i ​​nevýhody. Hliníkové výměníky tepla jsou náchylné k usazování vodního kamene, což je zvláště nebezpečné v přítomnosti vody s vysokou tvrdostí.

Malé pevné vměstky rozpuštěné v tekoucí vodě mohou poškodit ochrannou vrstvu stěn výměníku tepla a působit na ně jako abrazivo. V tomto případě je vyžadována instalace filtračního systému tvrdého typu. Kromě toho je důležité hliníkové výměníky tepla včas vyčistit a propláchnout. Předejdete tak poškození zařízení a únikům.

Výměník tepla je důležitou součástí, bez které není možný normální provoz plynového zařízení. Na trhu s domácími spotřebiči jsou zařízení různých značek, například Alfa Laval. Při výběru vezměte v úvahu doporučené rozsahy provozních tlaků, vlastnosti výrobní technologie a použitý materiál. Konečná cena topného zařízení bude záviset na značce, provedení a základních technických vlastnostech výměníku.

Na telefonním čísle 8 (800) 551 4190 si můžete spočítat výkon zařízení, zjistit cenu, objednat výměník tepla s požadovanými technickými parametry nebo objednat servis výměníků, instalaci vytápění, instalaci ITP s pomocí našich poradců nebo zanechte žádost o konzultaci a my vám zavoláme zpět ve vhodnou dobu pro váš čas.