Katedra za termotehniku Sistemi centralnog grejanja

3-1

3. PUMPNI SISTEMI CENTRALNOG GREJANJA

3.1 UVOD

Kod pumpnog grejanja, cirkulaciju vode u sistemu obezbeđuje pumpa koja prenosi mehaničku energiju na tečnost i time se ostvaruje strujanje. Stvarni raspoloživi napor kod ovih sistema je:

gravpumpe HHH += . (3.1)

Gravitacioni napor se može zanemariti kod postrojenja za grejanje niskih zgrada, jer je mali u odnosu na napor pumpe. Međutim kod visokih zgrada, vrednost gravitacionog napora mora da se obuhvati proračunom, o čemu će kasnije biti reči. Kod pumpnog grejanja nije bitno koji će se razvod primeniti – gornji ili donji – napor pumpe je taj koji ostvaruje cirkulaciju vode u sistemu. Zato se pumpe u sistemima centralnog grejanja nazivaju cirkulacionim pumpama. U tehnici grejanja koriste se gotovo isključivo centrifugalne pumpe. Donji razvod je češće u primeni iz jednostavnog razloga – prostora za vođenje horizontalne cevne mreže – kod donjeg razvoda obe horizontalne mreže su smeštene na istoj etaži (obično se vode po plafonu podrumskih prostorija), pa se ne zauzima dodatni prostor tavanskih prostorija (ako postoji tehnički prostor). Horizontalna razvodna mreža kod gornjeg razvoda može se voditi i po tavanici poslednje etaže; tada se cevi najčešće maskiraju i smeštaju u spuštenu tavanicu (iz estetskih razloga).

Pumpno grejanje je danas skoro isključivo u primeni kada su u pitanju toplovodni sistemi centralnog grejanja. Primena pumpi u sistemima omogućava projektovanje i izvođenje velikih razgranatih mreža. Takođe, u pumpnim sistemima moguće je imati ″potopljena″ grejna tela (koja se nalaze na manjoj koti u odnosu na kotao, npr. u podrumskim prostorijama ili etažama ispod podruma).

3.2 SISTEMI PUMPNOG GREJANJA SA GORNJIM I DONJIM RAZVODOM

Na slikama 3.1 i 3.2 prikazane su šeme sistema pumpnog grejanja sa donjim, odnosno gornjim razvodom.

Cirkulaciona pumpa je na šemi 3.1 postvljena u glvni razvodni vod, iza kotla, što obezbeđuje nadpritisak u većem delu instalacije. Pumpa se može postaviti i uglavni povratni vod, pa se tada veći deo instalacije nalazi u podpritisku. Izgled polja pritiska u mreži zavisi od mesta povezivanja ekspanzionog suda sa instalcijom.

Zasuni (vrsta armature) koji se nalaze na vertikalama imaju ulogu ″zatvaranja″ vertikale, odnosno prekida protoka kroz vertikalu, ukoliko se za time ukaže potreba (pucanje cevi, curenje radijatora i sl.) Danas se na vertikale obično postavljaju regulacioni ventili, koji pored navedene uloge imaju i zadatak ″balansiranja″ sistema (regulišu protok kroz vertikalu na taj način da stvarni protok odgovara nominalnoj projektnoj vrednosti).

Vazdušna mreža se vodi na isti način kao i kod gravitacionog grejanja, ali nema cevnih petlji, već se na vertikale postavljaju ventili, koji su jako malo otvoreni. Razlog za to je veći nadpritisak u sistemu pumpnog u odnosu na gravitaciono grejanje.

Katedra za termotehniku Sistemi centralnog grejanja

3-2

Radijatorski ventili su postavljeni na razvodnim priključcima grejnih tela i imaju ulogu smanjenja protoka kroz grejno telo ili potpuno zatvaranje – isključivanje grejnog tela iz sistema.

Radijatorski navijci se postavljaju na povratnim priključcima grejnih tela. Slično kao i regulacioni ventili na vertikalama, i radijatorski navijci mogu imati dvostruku ulogu: zatvaranje – odvajanje grejnog tela od mreže ukoliko se želi izvršiti bilo kakva intervencija na grejnom telu ili njegova zamena (u paru se zatvaraju sa radijatorskim ventilima) i regulisanje – kada se vrši balansiranje mreže, pa je potrebno izvršiti prigušenje na grejnom telu (povećati otpor strujanju u strujnom krugu posmatranog grejnog tela). Kod velikih sistema ovo je veoma važna funkcija.

ES

KO

GT

Slika 3.1 Šema sistema pumpnog grejanja sa donjim razvodom i otvorenim ekspanzionim sudom

Balansiranje (uregulisavanje) mreže je neophodan postupak nakon završetka radova na instalaciji grejanja – pogotovu kada se radi o velikim razgranatim mrežama. Cilj balansiranja mreže je da svako grejno telo dobije potreban protok (nominalni protok za koji je predviđeno – obično 50kg/h) i na taj način odaje željenu količinu toplote. Konkretan problem koji se javlja pri projektovanju sistema jeste u tome što je raspoloživi napor kod pumpnog grejanja jednak za sva grejna tela, ali su dužine deonica koje sačinjavaju strujne krugove različite. Ovaj problem se

Katedra za termotehniku Sistemi centralnog grejanja

3-3

rešava na taj način što se prečnici cevne mreže biraju i usvajaju tako da pad pritiska odgovara raspoloživom naporu (a time je određena i brzina strujanja vade kroz deonicu – padovi pritiska usled trenja i lokalnih otpora su srazmerni kvadratu brzine). Međutim, kod pumpnog grejanja nije uvek moguće postići jednakost između raspoloživog napora i pada pritiska, pogotovo kod razgranatih mreža, gde se dužine strujnih krugova mogu bitno razlikovati - i po nekoliko desetina puta. Iz tog razloga se izjednačavanje utrošenog napora sa raspoloživim vrši prigušivanjem, čime se veštački povećava vrednost lokalnog otpora.

Prigušenje se može ostvariti na sledećim mestima:

1. Na ventilima koji se nalaze na vertikalama;

2. Na radijatorskim ventilima, tj. ventilima na grejnim telima, koji su najčešće duplo regulišući ventili (prethodno podešavanje – prigušenje zbod balansiranja cevne mreže i fino podešavanje, kojim se korisniku pruža mogućnost da smanji protok ako želi nižu temperaturu u prostoriji);

3. Na radijatorskim navijcima.

Slika 3.2 Šema sistema pumpnog grejanja sa gornjim razvodom i zatvorenim ekspanzionim sudom

Katedra za termotehniku Sistemi centralnog grejanja

3-4

3.2.1 SAMOREGULACIJA U GREJNIM TELIMA

Olakšavajuća okolnost pri balansiranju mreže je činjenica da postoji samoregulacija u grejnim telima. Odavanje toplote grejnog tela je funkcija protoka i temperaturske razlike temperature razvodne i povratne vode. Iako je prema jednačini kojom se izražava toplotni bilans sa ″vodene″ strane odavanje radijatora direktno proporcijalno protoku vode kroz njega, duplo veća vrednost protoka neće rezultirati duplo većim odavanjem toplote:

)( povrazWWRAD ttcmQ −⋅⋅=•

(3.2)

•

Wm - maseni protok vode kroz radijator,

Wc - specifični toplotni kapacitet vode (srednji - zadati opseg temperatura),

traz - temperatura razvodne vode i

tpov - temperatura povratne vode.

Naime, ako pogledamo toplotni bilans sa vazdušne strane:

mRAD tAkQ ∆⋅⋅= , (3.3)

vazpovraz

m ttt

t −+

=∆2

(3.4)

k - koeficijent prolaza toplote kroz radijator, koji zavisi od tipa grejnog tela, visine i širine grejnog tela (karakteristične dimenzije),

A - površina grejnog tela i

mt∆ - srednja temperaturska razlika između grejnog i grejanog fluida

U oba slučaja, odavanje toplote grejnog tela zavisi od temperatura razvodne i povratne vode. Posmatrajmo slučaj nominalnih uslova: tr/tp = 90/70 oC i tu = 20 oC:

m

upovraz

N

mm

N

ttt

qtqq⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛−

+

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ∆=

602

60 , (3.5)

gde su:

qN - nominalno odavanje toplote po članku (W/č),

mt∆ - srednja temperaturska razlika između grejnog i grejanog fluida (oC) i

m - termička karakteristika grejnog tela.

Kada se protok vode kroz grejno telo •

Wm povećava a temperatura razvodne vode traz se ne menja, doći će do povišenja temperature povratne vode tpov. Veći protok dovodi do povećanja brzine strujanja, što ima za posledicu da voda za kraće vreme ne stigne da se ohladi u grejnom telu na nominalnu vrednost tpov. Ipak, odvanje toplote će biti veće, ali ne i proprcionalno povećanju protoka.

Katedra za termotehniku Sistemi centralnog grejanja

3-5

S druge strane, povećano odavanje toplote će dovesti do toga da raste i temperatura vazduha u prostoriji tu, što će dovesti do pada srednje temperaturske razlike mt∆ . Dalje, zbog smanjenja mt∆ doći će do smanjenog odavanja toplote grejnog tela. To znači da se vremenom odavanje toplote q ustaljuje i konvergira ka nekoj vrednosti većoj od qN, ali svakako ne dvostruko većoj ukoliko je protok dvostruko povećan. Ovaj efekat se naziva samoregulacijom. Međutim, pri projektovanju postrojenja za centralno grejanje nikako se ne sme oslanjati na samoregulaciju, već se sistem mora projektovati tako da daje izbalansiranu cevnu mrežu – prilikom dimenzionisanja cevi deonica i uregulisavanjem, tj. definisanjem prigušenja na ventilima.

Odavanje toplote grejnih tela (odavanje toplote jednog članka radijatora), ako se uzme i promena protoka kroz grejno telo, ima sledeći oblik:

p

wN

wm

mN

m

mtqq⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ∆= ⋅

⋅

60 , (3.6)

gde je p eksponent koji zavisi od hidrauličkih uslova strujanja vode kroz radijator.

3.2.2 REGULACIJA ODAVANJA TOPLOTE KOD TOPLOVODNIH SISTEMA

Iako se sistemi centralnog grejanja projektuju za spoljnu projektnu temperaturu, u praksi se dešava da sistemi retko rade u projektnim uslovima, odnosno, temperature spoljnog vazduha jako retko dostižu vrednost tsp. Kada ne bi bilo regulacije rada sistema grejanja, u svim uslovima koji se razlikuju od projektnih dolazilo bi do pregrevanja prostrorija i bespotrebnog utroška veće količine goriva. Zbog toga je uvek neophodno predvideti i odgovarajući sistem automatske regulacije.

Najčešće primenjivani način regulacije odavanja toplte grejnih tela u sistemu je preko promene temperature razvodne vode. Obično se promena temperature razvodne vode vodi u zavisnosti od promene spoljne temperature i brzine vetra. Na slici 3.3 prikazan je klizni dijagram koji pokazuje način promene tr u funkciji spoljne temperature.

0

20

40

60

80

100

120

140

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14

spoljna temperatura ( oC)

tem

pera

tura

vod

e ( o C

)

tr, prim (vetar) tr, prim (bez vetra)tr, sec (vetar) tr,sec (bez vetra)

Slika 3.3 Klizni dijagram

Katedra za termotehniku Sistemi centralnog grejanja

3-6

3.2.3 RASPOLOŽIVI NAPOR KOD PUMPNOG GREJANJA

Po zakonima fizike, raspoloživi napor u pumpnim sistemima grejanje definisan je jednačinom (3.1).

Dakle, ako se raspoloživi gravitacioni napor uzme u obzir (iako je njegova vrednost značajno manja od napora pumpe) doći će do sledeće situacije:

- Pri temperaturama spoljnog vazduha koje su bliske tsp – sistem će raditi dobro;

- Pri temperaturama spoljnog vazduha koje su više od tsp - Hgrav će imati vrednost koja je niža od one koja je usvojena u projektu, pa će i ukupni raspoloživi napor biti manji. U ovom slučaju naročito su ugrožena grejna tela na višim etažama, jer imaju veću vrednost gravitacionog napora. I grejna tela na nižim etažama imaju manji gravitacioni napor, jer su temperature vode u sistemu niže nego u projektnim uslovima. Posledica je da će protok biti manji od projektnog, a naročito kroz grejna tela na većoj visini.

Ako se raspoloživi gravitacioni napor ne uzme u obzir (zanemari) dolazi do sledeće situacije:

- Pri temperaturama spoljnog vazduha koje su bliske tsp – u projektnim uslovima sva grejna tela će imati veći raspoloživi napor od projektnog, naročito ona grejna tela na višim etažama. Posledica je da grejna tela na višim etažama imaju protok veći od projektnog, a često se dešava da neka grejna tela imaju manji protok;

- Pri temperaturama spoljnog vazduha koje su više od tsp – javiće se slična situacija kao u projeknim uslovima, samo će manje biti izražena.

Rešenje koje se primenjuje u praksi je sledeće:

gravpumpe HHH21

+= . (3.7)

Na ovaj način izračunat raspoloživi napor dovodi do toga da u uslovima kada je ts ∼ 0oC sistem radi u projektnim uslovima. Kada je ts = tsp stvarni napor je veći od projeknog, pa su grejna tela na višim spratovima u povoljnijoj situaciji. Kada su temperature spoljnog vazduha visoke, tada je raspoloživi napor manji od projektnog, pa su grejna tela na višim spratovima sada u nepovoljnijoj situaciji – protok vode kroz njih je manji. Dakle, uticaj gravitacije je više izražen kod grejnih tela na višim etažama, pa su i oscilacije u protoku kroz ta grejna tela više izražene.

Preporuka koju treba poštovati prilikom projektovanja je da raspoloživi gravitacioni napor bude što manji u poređenju sa naporom pumpe.