Zawory mieszające z powrotem do kotła c.o.

Zawory mieszające z powrotem do kotła c.o. Mieszanie przed kotłem

W niniejszym artykule ograniczono zakres tematu do zaworów mieszających, sterowanych siłownikami elektrycznymi w kotłach na paliwa płynne (gaz i olej) jako najbardziej skutecznego sposobu regulacji temperatury powrotu. Zawory mieszające trzy- i czterodrogowe stosuje się w instalacjach centralnego ogrzewania (c.o.) i przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) dla zapewnienia odpowiedniej temperatury czynnika grzewczego na powrocie do kotła. Potrzeba ich stosowania uzależniona jest od kilku istotnych warunków, m.in.: rodzaju i budowy kotła, wielkości jego mocy, pojemności zładu instalacji hydraulicznej, stosowanego paliwa. W niniejszym artykule ograniczono zakres tematu do zaworów mieszających, sterowanych siłownikami elektrycznymi w kotłach na paliwa płynne (gaz i olej) jako najbardziej skutecznego sposobu regulacji temperatury powrotu.

Zapewnienie odpowiedniej temperatury powrotu czynnika grzewczego do kotłów centralnego ogrzewania, zasilanych paliwami płynnymi, wynika z trzech powodów: potrzeby wydłużenia czasu eksploatacji kotła, uzyskania jego pracy z możliwie wysoką sprawnością energetyczną i utrzymania odpowiedniej „higieny technicznej” w kotłowni. Co bowiem dzieje się, jeśli temperatura wody grzewczej na powrocie do kotła jest zbyt niska lub zbyt wysoka?

Kocioł się poci

Przy zbyt niskiej temperaturze powrotu występuje zjawisko „pocenia się” wymiennika ciepła. W spalinach z paliw płynnych znajduje się objętościowo więcej niż 50% pary wodnej. Gdy takie spaliny stykają się z zimnym wymiennikiem poniżej temperatury ok. 40^oC, zachodzi skroplenie pary. Tworzy się woda, która miesza się z zawartymi w spalinach tlenkami siarki, azotu oraz węgla, i powstają kwasy: siarkowy, azotowy i węglowy. Mieszanina tych substancji, zwana kondensatem, jest groźna dla materiału wymiennika, powoduje jego korodowanie i skrócenie żywotności.

Ponadto kondensat, który w skrajnych przypadkach może wyciekać spod kotła i tworzyć kałuże na podłodze kotłowni, odparowuje w pomieszczeniu kotła i powoduje różnorodne zagrożenia, nawet w dobrze wentylowanych kotłowniach. Powietrze w takiej kotłowni jest szkodliwe dla człowieka, nawet przy krótkotrwałych pobytach. Jeszcze większe zagrożenie występuje dla wszystkiego, co znajduje się stale w kotłowni, w tym dla samego kotła, instalacji hydraulicznej, a zwłaszcza dla urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Kondensat bardzo skutecznie niszczy wszystko w wyniku korozji. Najdotkliwiej przekonują się o tym serwisanci, którzy w „mokrych” kotłowniach, nieświadomi przyczyn, walczą bezskutecznie z ciągle psującą się elektroniką kotła i regulatorów.

Strata sprawności

Przy zbyt wysokiej temperaturze powrotu kocioł traci na sprawności energetycznej. Więcej ciepła ucieka kominem. Dzieje się tak dlatego, że zmniejsza się różnica pomiędzy średnią temperaturą wymiennika, do którego wraca gorąca woda, a temperaturą spalin, przez co zmniejsza się wymiana ciepła ze spalin do wody grzewczej. Ponadto pogarsza się dodatkowo praca kotła, występują częściej wyłączenia i włączenia kotła, co również przyczynia się do strat ciepła i zwiększenia zużycia paliwa.

Zapewnienie właściwej temperatury czynnika roboczego na powrocie do kotła z ww. względów nie jest konieczne we wszystkich instalacjach c.o. i c.w.u. Powinno się je stosować w instalacjach z atmosferycznymi kotłami żeliwnymi i stalowymi, które przekraczają pewien doświadczalny współczynnik, wynikający z porównania wielkości zładu instalacji hydraulicznej (w dm³) do mocy kotła (w kW). Uzależniony jest on również od paliwa i związanej z nim temperatury, od której zaczyna się kondensacja pary wodnej, tzw. „punktu rosy”. W spalinach z paliw gazowych kondensacja występuje poniżej temperatury ok. 57^oC, w spalinach z lekkiego oleju opalowego poniżej ok. 47^oC.

Dla kotłów zasilanych gazem ziemnym i płynnym współczynnik ten wynosi 15 dm³/kW, dla kotłów olejowych 10 dm³/kW. Różnica współczynnika jest też spowodowana różną kwasowością kondensatu z kotłów gazowych, a także olejowych, i stąd różną ich agresywnością korozyjną względem materiału wymiennika ciepła. Olej opałowy zawiera więcej siarki niż gaz ziemny czy płynny, przez co powstaje w spalinach więcej dwutlenku siarki (SO₂) i więcej kwasu siarkowego w kondensacie.

Przykład 1: kocioł gazowy o mocy 30 kW, zład o pojemności 360 dm³; wynik 360 : 30 = 12; mniej niż 15; zapewnienie temperatury na powrocie nie jest konieczne;

Przykład 2: kocioł olejowy o mocy 30 kW, zład o pojemności 360 dm³; wynik 360 : 30 = 12; więcej niż 10; konieczne jest zapewnienie temperatury na powrocie.

Jak wynika z powyższych przykładów, zapewnienie temperatury powrotu, zarówno w fazie rozruchu kotła, jak i podczas jego pracy grzewczej, dotyczy hydraulicznych instalacji grzewczych o dużej pojemności czynnika grzewczego. Najczęściej takie instalacje występują w budynkach wielorodzinnych, użyteczności publicznej i w budynkach przemysłowych.

Wartość temperatury powrotu jest określana przez samych producentów kotłów i, oprócz ww. uwarunkowań, zależy ona też od materiału, z jakiego zbudowany jest wymiennik (żeliwo lub stal), oraz od odporności danego materiału na korozję powodowaną kondensatem. Przyjęło się uważać, że żeliwo jest bardziej odporne na korozję i niektórzy producenci określają temperaturę powrotu dla kotłów olejowych na poziomie nawet tylko 38^oC. Górny zakres temperatury powrotu określany jest najczęściej na ok. 42^oC.

Spośród wielu sposobów realizacji zapewnienia temperatury na powrocie do kotła – na największą uwagę zasługuje ten z zaworami mieszającymi: trzy- lub czterodrogowymi, sterowanymi siłownikami elektrycznymi. Jest to zapewne najdroższe rozwiązanie na etapie inwestycji, ale najbardziej korzystne na etapie eksploatacji. W sumie jest to jednak najlepsze i najtańsze rozwiązanie (biorąc pod uwagę zyski eksploatacyjne), jak wykazują liczne przykłady w praktyce.

Z zaworem 3-drogowym

Na rys. 1 pokazany jest uproszczony schemat instalacji hydraulicznej, w której kocioł c.o. połączony jest poprzez sprzęgło hydrauliczne z grzejnikowym obiegiem c.o. Pomiędzy kotłem i sprzęgłem znajduje się instalacja zapewniająca odpowiednią temperaturę powrotu wody grzewczej do kotła, z 3-drogowym zaworem mieszającym sterowanym siłownikiem elektrycznym (M) i czujnikiem temperatury (Tp) na rurze AB. Do sterowania siłownika zaworu 3-drogowego konieczny jest odpowiedni regulator (sterownik), do którego powinna być podłączona pompa, siłownik zaworu (M) i czujnik temperatury (Tp).

Rys. 1. Schemat instalacji c.o. z obiegiem zapewnienia odpowiedniej temperatury powrotu, z zaworem mieszającym 3-drogowym (archiwum firmy Afriso).

W fazie rozruchu zimnego kotła zawór 3-drogowy znajduje się w położeniu umożliwiającym przepływ z gałęzi A do kotła, natomiast przepływ z gałęzi B jest całkowicie zamknięty. Wzrost objętości rozgrzewanego czynnika w obiegu kotła powinien być kompensowany poprzez naczynie przeponowe, zamontowane na powrocie instalacji grzewczej (brak na rysunku).

Taki stan zaworu trwa aż do uzyskania w gałęzi AB odpowiedniej temperatury powrotu, np. 40^oC. Od tego momentu siłownik zmienia położenie ruchomego elementu zaworu i umożliwia stopniowy przepływ czynnika grzewczego z gałęzi B do kotła, ograniczając jednocześnie przepływ z gałęzi A. Tym samym następuje przepływ ciepłego czynnika do sprzęgła i dalej do instalacji grzejnikowej. W zależności od temperatury czynnika grzewczego powracającego z obiegu zawór trójdrogowy będzie automatycznie ustawiał się tak, by spełnić warunek odpowiedniej, zadanej wartości temperatury powrotu czynnika do kotła.

Poprzez ustawienie regulatora instalacji grzewczej można zadysponować, aby pompa za sprzęgłem była załączana równocześnie z pompą przed sprzęgłem lub by czekała na start do chwili, kiedy temperatura sprzęgła, w którym znajduje się czujnik temperatury (Ts), osiągnie odpowiednią wartość.

Dość często mylnie uważa się, że do zapewnienia temperatury powrotu wystarczy samo sprzęgło hydrauliczne. Nie jest ono jednak odpowiednim, w pełni kontrolowanym elementem regulacyjnym i nie spełnia tej roli prawidłowo.

Z zaworem 4-drogowym

Na rys. 2a i 2b przedstawiono rozwiązanie zapewnienia temperatury powrotu przy użyciu 4-drogowego zaworu mieszającego. Możliwe są dwa rozwiązania: bez podwyższenia temperatury powrotu podczas rozruchu (rozgrzewania się) kotła, rys. 2a, gdzie czynnik grzewczy odbywa całą drogę w instalacji hydraulicznej, zanim wróci z powrotem do kotła, i z możliwością rozgrzewania samego kotła podczas rozruchu, rys. 2b, gdzie czynnik grzewczy cyrkuluje tylko w obiegu kotła  aż do uzyskania odpowiedniej temperatury powrotu. Schemat pokazany na rys. 2b zawiera dodatkową pompę w obiegu kotła. To rozwiązanie jest korzystniejsze z punktu widzenia trwałości wymiennika kotła.

Rys. 2. Schemat instalacji c.o. z zaworem mieszającym 4-drogowym: a) bez możliwości zapewnienia podwyższonej temperatury powrotu podczas rozruchu, b) z możliwością podwyższenia temperatury powrotu podczas rozruchu – dodatkowa pompa przed zaworem 4-drogowym (archiwum firmy Honeywell).

Instalacja hydrauliczna z 4-drogowym zaworem podwyższania temperatury powrotu powinna zawierać naczynie przeponowe w obiegu kotła, które ma za zadanie kompensować zmianę objętości czynnika grzewczego zarówno podczas jego rozgrzewania, jak i stygnięcia. Jest bowiem możliwe, przy każdym rozruchu, całkowite odcięcie przez zawór 4-drogowy obiegu kotła od obiegów grzewczych i tym samym też od naczynia przeponowego, które powinno znajdować się za zaworem.

Kompensację zmiany objętości czynnika grzewczego może również pełnić połączenie hydrauliczne obiegu kotła i obiegu grzewczego, pokazane na rys. 2a i 2b. Połączenie powinno być wykonane z rury o małej średnicy, rzędu 3/8 cala, winno zawierać zawór regulacyjny i posiadać kształt syfonu o głębokości 150-200 mm, który uniemożliwi przepływ czynnika z obiegu kotła do obiegu grzewczego, podczas rozruchu kotła.

Algorytm doboru

Dobór zaworów mieszających odbywa się według algorytmu pokazanego na rys. 3 i ma na celu określenie wielkości zaworu. Punktem wyjścia jest maksymalna moc kotła, następnie przyjęta w obliczeniach różnica temperatur na zasilaniu i powrocie podczas pracy kotła (∆T) oraz dopuszczalny spadek ciśnienia na zaworze (∆P). Żmudny proces obliczeń matematycznych został zastąpiony przez odpowiedni zestaw wykresów, które umożliwiają łatwy, szybki i dokładny dobór zaworów. Wykresy są zamieszczane przez producentów zaworów w odnośnych materiałach technicznych: w instrukcjach instalacji lub materiałach projektowych, możliwych do uzyskania na stronach internetowych producentów i dystrybutorów.

Rys. 3. Algorytm doboru zaworów mieszających. Moc – moc kotła, ∆T – różnica temperatur na zasilaniu i powrocie, ∆P – spadek ciśnienia na zaworze, DN – średnica zaworu mieszającego.

dr inż. Jan Siedlaczek

http://www.instalator.pl/2015/05/zawory-mieszajace-z-powrotem-do-kota-co-mieszanie-przed-kotlem/

Pobierz artykuł w PDF