Wiadomości wstępne
Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie zabrania stosowania ogrzewań parowych w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt ludzi. Przepis ten również określa, aby temperatura czynnika grzejnego w instalacjach ogrzewania dla tego typu pomieszczeń nie była wyższa niż 90 st.C. W przypadkach ogrzewań parowych w zasadzie niemożliwe jest do osiągnięcia tak niskiej temperatury czynnika grzejnego ze względu na temperaturę parowania wody. Jedynie w przypadku tzw. ogrzewań podciśnieniowych (gdy w instalacji ogrzewania parowego w celu obniżenia temperatury parowania poniżej 100 st.C wytwarzane jest podciśnienie) uzyskane może być niższa temperatura czynnika grzejnego, jednak tego typu
ogrzewania, ze względu na problemy występujące podczas ich eksploatacji, mają bardzo ograniczone zastosowanie.
W Polsce stosowanie ogrzewań parowych, ma miejsce głownie w przypadku pomieszczeń przemysłowych (np. hale fabryczne) i dostępności ciepła odpadowego w postaci niskoprężnej pary technologicznej. Przy analizie wyboru rodzaju czynnika grzejnego należy mieć na względzie, że do zalet ogrzewań parowych zaliczyć można:
– wielokrotnie mniejszy ciężar właściwy pary niż wody skutkuje dużo mniejszym ciśnieniem hydrostatycznym niż w przypadku ogrzewań wodnych, jest to bardzo istotne w przypadku ogrzewań budynków wysokich i bardzo wysokich, gdzie w przypadku zastosowania instalacji parowej brak jest konieczności strefowania instalacji ze względu
na przekroczenie dopuszczalnych ciśnień roboczych
– wysoka wartość ciepła parowania (w porównaniu z ciepłem właściwym) wody powoduje, że w jednostce masy przenoszona może być większa ilość ciepła – ponieważ para wypełnia całą pojemność grzejnika, a przekazywanie ciepła następuje w wyniku wykroplenia czynnika grzejnego, a nie jego schłodzenia, w ogrzewaniach
parowych uzyskujemy większą różnicę temperatur grzejnika i pomieszczenia, co ogranicza wielkość (powierzchnię) grzejników
– straty ciepła na przesyle pomiędzy źródłem ciepła, a odbiornikiem pokrywane są poprzez wykroplenie pary, co powoduje, że nie następuje wychładzanie czynnika grzejnego na przesyle, jak ma to miejsce w przypadku ogrzewań wodnych
– mała bezwładność cieplna instalacji parowych (brak pojemności cieplnej masy wody wypełniającej instalacje ogrzewania wodnego) ułatwia szybki ich rozruch i wyłączanie, co ma szczególne znaczenie w przypadku instalacji pracujących tylko okresowo
– źródło ciepła przetwarzając energię pierwotną zawartą w paliwie na energię cieplną i wytwarzając parę o odpowiednim ciśnieniu (temperaturze) zapewnia przesył czynnika grzejnego do odbiornika, bez konieczności montowania dodatkowych urządzeń przetłaczających czynnik grzejny; przy właściwym ukształtowaniu geometrii przewodów skroplinowych powrót kondensatu odbywa się w sposób samoczynny; możliwe jest zatem takie zaprojektowanie instalacji aby nie było konieczności zapewnienia dostawy energii elektrycznej.
Wady ogrzewań parowych
Poza zaletami instalacje parowe cechują się również jednak wadami, które ograniczają popularność tych ogrzewań. Do nich zaliczyć można przede wszystkim:
– wysoka temperatura powierzchni grzejnych (możliwość oparzeń, spiekanie kurzu, oddawanie ciepła na drodze promieniowania)
– duża korozja instalacji (krótka żywotność nawet tylko do 5-10 lat)
– brak możliwości centralnej regulacji jakościowej wydajności cieplnej instalacji
– duże straty ciepła na przesyle pary (wysoka temperatura, duże średnice)
– dużo większe średnice przewodów parowych (ale za to dużo mniejsze – niż w przypadku instalacji wodnych – przewody powrotne – kondensatowe)
– straty czynnika grzejnego w wyniku ubytków pary z przewodów kondensatowych
– wymagania dotyczące zasad prowadzenia przewodów parowych i kondensatowych
– droższa armatura (min. odwadniacze przewodów i odbiorników ciepła)
Ze względu na ciśnienie pary wytwarzanej w źródle ciepła rozróżnia się ogrzewania:
– wysokoprężne – nadciśnienie powyżej 0,7 bara
– niskoprężne – nadciśnienie poniżej 0,7 bara
– podciśnieniowe (próżniowe) ciśnienie 0 do 1 bar abs.
Zasada działania instalacji parowej
W instalacji ogrzewania parowego przepływ czynnika grzejnego pomiędzy źródłem ciepła, a grzejnikami wywołane jest różnicą ciśnień panujących w źródle ciepła i w odbiorniku. W odbiorniku ciepła następuje wykroplenie pary, a tworzący się w odbiorniku kondensat zostaje odprowadzony z powrotem do źródła ciepła lub do zbiornika kondensatu. W instalacji przewodów kondensatowych panuje ciśnienie atmosferyczne, a przepływ
skroplin odbywa się w sposób grawitacyjny. Celem obliczeń hydraulicznych ogrzewania parowego jest określenie oporów przepływu pomiędzy źródłem ciepła, a najniekorzystniej położonym grzejnikiem przy obliczeniowym obciążeniu cieplnym instalacji i określenie wymaganego ciśnienia panującego w źródle ciepła. Przewody kondensatowe dobiera się w zależności od strumienia przepływającego kondensatu.
Budowa instalacji
Układy połączeń ogrzewań parowych niskoprężnych
W przypadku gdy przewody kondensatowe odprowadzające skroplony czynnik grzejny z powrotem do źródła ciepła są bezpośrednio podłączone do kotła (brak zbiornika kondensatu i pompy ładującej) rozróżnić można 4 podstawowe układy prowadzenia przewodów instalacji, dwa z nich ze względu na sposób prowadzenia przewodów parowych, a
dwa ze względu na sposób prowadzenia przewodów kondensatowych.
Linia ciśnień
LINIA CIŚNIEŃ – jest to umowna linia poprowadzona na wysokości:
H = h + rez , m
gdzie: h – wysokość ciśnienia roboczego w kotle (pr), m
rez – rezerwa, m
dla ciśnienia roboczego pr ≤ 0,3 bar: rez = 0,2 m
dla ciśnienia roboczego pr > 0,3 bar: rez = 10% pr
ponad poziomem wody w kotle.
Przewody kondensatowe
Gdy zbiorcze przewody kondensatowe są prowadzone ponad linią ciśnień określane są jako PRZEWODY NIEZALANE. W przeciwnym przypadku są to tzw. PRZEWODY ZALANE. W przypadku niezalanych przewodów, kondensat wypełnia tylko dolną część przekroju przewodu, pozostała wypełniona jest powietrzem i ewentualnie parą odparowującą z gorącego kondensatu lub przepuszczaną przez odwadniacze. Na przewodzie niezalanym, w
celu zapewnienia grawitacyjnego spływu kondensatu, napowietrzania i odpowietrzania montowane są przewody napowietrzające (łączące z atmosferą) lub zawory napowietrzająco-odpowietrzające.
W przypadku przewodów zalanych, do wysokości ciśnienia roboczego w kotle (licząc od poziomu wody w kotle) czyli tzw. LINII ZALANIA, przewody są wypełnione w całym przekroju wodą z drobnymi pęcherzykami pary i gazów. Przy tym sposobie prowadzenia przewodów możliwe jest stosowanie mniejszych średnic przewodów kondensatowych. W przypadku przewodów kondensatowych zalanych niezbędne jest jednak wykonanie dodatkowych PRZEWODÓW ODPOWIETRZAJĄCYCH poprowadzonych co najmniej 300mm powyżej linii ciśnień. Problemem przy takim rozwiązaniu instalacji jest również możliwość występowania kolizji przewodów kondensatowych z otworami drzwiowymi, co wymaga zastosowania odpowiednich rozwiązań prowadzenia przewodów.
Wszystkie przewody kondensatowe poziome powinny być prowadzone ze spadkiem minimum 0,5% w kierunku kotła.
Przewody parowe, zasady montażu
Przewody parowe powinny być prowadzone powyżej linii ciśnień, jeżeli jest to możliwe – ze spadkiem w kierunku przepływu pary (0,3-0,5%). Ze względu na wykraplający się w przewodach kondensat należy zapewnić właściwe
odwodnienie przewodów. W przypadku przewodów parowych nieizolowanych odległości pomiędzy kolejnymi odwadniaczmi powinny być mniejsze niż 15-30m (wielkość strat ciepła jest proporcjonalna do średnicy rurociągu, można przyjmować, że odległość pomiędzy odwadniaczami w metrach równa jest średnicy przewodu odwadnianego wyrażonej w mm) . Ze względu na konieczność zachowania efektywności energetycznej instalacji grzewczych przewody parowe rozprowadzające są zazwyczaj izolowane, jedynie gdy przewody rozdzielcze prowadzone są w ogrzewanych pomieszczeniach można rozważyć wykorzystanie ich jako dodatkowego źródła ciepła i zaniechać ich izolacji. Gdy przewody są zaizolowane cieplnie, odległość pomiędzy odwadniaczami wynosić powinna nie więcej niż 20-50m. (równa dwukrotnej średnicy przewodu odwadnianego wyrażonej w mm).
Krótkie odcinki przewodów mogą być układane ze spadkiem przeciwnym do przepływu, wówczas jednak powinien on wynosić co najmniej 3%. W takich przypadkach maksymalnie dopuszczalna prędkość przepływu pary jest dużo mniejsza (ok. 2-3 razy), a odległość pomiędzy kolejnymi odwadniaczami przewodu parowego powinna ulec zmniejszaniu. Aby wysokość pomieszczeń lub kanałów, którymi prowadzone są przewody parowe nie była zbyt wysokie, stosowane jest prowadzenie przewodów w tzw. piłę. Odwodnienie montowane jest w najniższych punktach sieci przewodów parowych.
W przypadku instalacji z przewodami kondensatowymi zalanymi podłączenie odwodnienia przewodu parowego (bez odwadniacza) może zostać wykonane jako bezpośrednie połączenie z przewodem odprowadzającym kondensat do kotła. Zamknięcie pomiędzy przestrzenią parową, a atmosferą stanowić w tym przypadku będzie wypełniający przewody kondensat.
Instalacja parowa wykonana może być z ROZDZIAŁEM GÓRNYM (przewody rozprowadzające czynnik grzejny powyżej grzejników) lub z ROZDZIAŁEM DOLNYM. W przypadku rozdziału górnego brak jest problemu związanego z koniecznością lokalizacji tych przewodów pomiędzy płaszczyzną wyznaczaną przez linię ciśnień, a płaszczyzną stropu piwnic. W przypadku rozdziału górnego odwodnienie przewodów parowych podłączane jest
poprzez odwadniacz do przewodów kondensatowych pionów. Należy unikać odwadniania przewodów poziomych poprzez piony zasilające grzejniki. Odejście pionu od przewodu rozprowadzającego powinno być wykonane w górnej części przewodu rozprowadzającego. Jedynie w przypadku pionów o małym obciążeniu cieplnym dopuszcza się podłączenie pionu
„od dołu”.
Grzejniki i odbiorniki ciepła
Projektując podłączenie grzejników instalacji parowej należy pamiętać aby:
– kondensat z przewodów parowych nie spływał do grzejnika
– kondensat nie powinien się gromadzić przed zaworem grzejnikowym w przypadku jego
zamknięcia (lub przed zaworami odcinającymi montowanymi na przewodach)
– przewód kondensatowy powinien być poprowadzony ze spadkiem w kierunku kotła
Aby to zapewnić, gałązka doprowadzająca parę do grzejnika powinna być prowadzona ze spadkiem 0,5% przeciwnym do kierunku przepływu pary, a gałązka odprowadzająca kondensat ze spadkiem 0,5% w kierunku kotła. Czasami jednak, aby uniknąć dodatkowych kosztów, mało obciążone piony w instalacji z rozdziałem górnym są odwadniane poprzez najniżej położony grzejnik. Wówczas taka gałązka doprowadzająca parę do grzejnika
prowadzona jest ze spadkiem 10% w jego kierunku. Aby para z grzejników nie przedostawała się do instalacji kondensatowej, należy grzejniki wyposażać w odwadniacze. Jedynie w przypadku znanych i ustabilizowanych warunków odbioru ciepła, gdy jesteśmy w stanie tak wyregulować dopływ pary, aby ilość powstającego kondensatu w pełni zamykała odpływ z grzejnika możliwa jest rezygnacja z odwadniacza. W praktyce warunek taki jest bardzo
trudny do uzyskania i dlatego rozwiązanie tego typu raczej nie jest stosowane.
