Wymienniki ciepła - Pompy strumieniowe

Automatycznie regulowany, strumieniowy wymiennik ciepła bezpośredniego działania
i nastawna pompa strumieniowa
do zastosowań w węzłach i instalacjach cieplnych, klimatyzacyjnych i przemysłowych
oraz w kotłowniach, elektroenergetyce i OZE (Hydroelewator)

 

Obniżenie  kosztów ogrzewania budynków  można osiągnąć poprzez:

1. Zastosowanie wysokosprawnych wymienników ciepła bezpośredniego działania i regulatorów w węzłach ciepła i w każdym budynku lub sekcji budynku.
2. Hydrauliczne zrównoważenie układu grzewczego.
3. Obniżenie temperatury czynnika grzewczego i przejście z ogrzewania konwekcyjnego na ogrzewanie promiennikowo – konwekcyjne.
4. Zastosowanie wentylacji mechanicznej z odzyskiem energii z powietrza wentylowanego (rekuperatory),
5. Zmiana źródła ciepła i wykorzystanie OZE, (1 – 5 nasza oferta).
6. Obniżenie strat ciepła przez przegrody(ocieplenie budynku, wymiana okien, drzwi).
7. Zmian stawek opłat za energię cieplną i elektryczną lub gaz z (np. obniżenie mocy zamówionej po wykonaniu termomodernizacji).
8. Skróceniu sezonu grzewczego (początek i koniec sezonu grzewczego wyznacza temperatura zewnętrzna, przy której straty ciepła z pomieszczeń ogrzewanych równoważone są wewnętrznym zyskami ciepła).

Obecnie powszechnie stosowane, tradycyjne węzły ciepła w oparciu o wymienniki pośredniego działania i nowoczesne systemy hydraulicznego zrównoważenia sieci wraz z  regulatorami temperatury i automatyką pogodową działają wręcz na niekorzyść źródła ciepła i odbiorcy, szczególnie wówczas, kiedy nie są one w układzie bezwzględnie konieczne. Należy podkreślić, że ponad 80% układów grzewczych, klimatyzacyjnych i chłodniczych nie jest zrównoważona hydraulicznie co jest  przyczyną niestabilnej pracy układów energetycznych (ciepłownia, sieć, instalacje), a   w konsekwencji niedogrzania lub przegrzania budynków i strat  energii.

Zastosowanie w układach energetycznych automatycznie regulowanych strumieniowych wymienników ciepła wprowadza nową jakość i gwarantuje obniżenie kosztów inwestycji oraz radykalne zmniejszenie zużycia energii cieplnej i elektrycznej, niemożliwe do osiągnięcia przy zastosowaniu tradycyjnych  technologii.

Rys. 1. Schemat automatycznie regulowanego wymiennika strumieniowego (patent).

Urządzenia nie można porównywać do hydroelewatora, chociaż podstawowa zasada pracy jest podobna, czyli  wymiana ciepła następuje w sposób bezpośredni (zmieszanie) ale w odróżnieniu od hydroelewatora w sposób kontrolowany i przy  znacznie mniejszym poborze czynnika, a w porównaniu z   wymiennikami płytowymi lub rurowo-płaszczowymi (JAD) bez jakichkolwiek strat temperatury i ciśnienia, i również przy  znacznie mniejszym poborze czynnika z minimalnym zużyciem energii elektrycznej po stronie wtórnej i zmniejszonym zużyciem po stronie pierwotnej.

Jest to obecnie najnowocześniejsze  w świecie urządzenie  w zakresie odbioru, automatycznej regulacji i dostawy ciepła. Konstrukcja tego urządzenia jest  rewolucyjnie prosta i niezawodna. Z wyjątkiem uszczelnienia trzpienia żywotność wymiennika jest nieograniczona, a żywotność uszczelki trzpieniowej wynosi 15 -18 lat. Wymienniki są bezawaryjne i nie wymagają serwisu, łączą w sobie sześć zasadniczych funkcji i ponadto 20 unikatowych zalet, których nie można obecnie znaleźć w innych praktycznych aplikacjach.

Podstawowe funkcje to:

1. wymiennik ciepła  bezpośredniego działania (praca turbulentna w pełnym zakresie obciążeń, pełne zmieszanie czynnika),
2. pompa bezwirnikowa (bez zużycia energii elektrycznej),
3. zawór regulacyjny temperatury o bardzo wysokiej rozdzielczości,
4. zawór regulacyjny  ciśnienia,
5. zawór mieszający,
6. ogranicznik przepływu,

 Przegląd kosztów węzła cieplnego w różnych rozwiązaniach:

Rys. 2.  Porównanie kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych oraz zwrotu nakładów inwestycyjnych  i zużycia energii elektrycznej.

Zastosowanie nowej generacji automatycznie regulowanych strumieniowych wymienników ciepła bezpośredniego działania    węzłach ciepła i/lub w budynkach  powoduje zmniejszenie kosztów inwestycyjnych o  50% – 70% i zastępuje:

• pompy wirowe,
• eliminuje napędy elektryczny po stronie grzewczej (układ wtórny),
• zawory regulacyjne,
• zawory mieszające
• regulatory redukcji ciśnienia,
• ograniczniki przepływu,
• wymienniki ciepła i naczynia rozszerzające,
• oraz upraszcza instalację cieplną i redukuje okablowanie,
• ogranicza koszty materiałów dźwiękochłonnych,
• ogranicza koszty  podgrzania i transportu czynnika(mniejsza ilość i niższe temperatury),

Nowej generacji węzeł cieplny w oparciu o automatycznie regulowany strumieniowy wymiennik  ciepła (turbulentny węzeł ciepła)  

Rys. 3. Kompletny energooszczędny węzeł cieplny bezpośredniego działania z  nastawną strumieniową pompą wodną i z regulacją pogodową (patent)

1. Nastawna   pompa   strumieniowa
2. Zawór   odcinający  (kulowy)
3. Nastawna  kryza
4. Manometr
5. Termometr
6. Cyfrowy   regulator   pogodowy
7. Czujnik   temperatury   dopływowej
8. Czujnik   temperatury   zewnętrznej
9. Czujnik   temperatury   odpływowej (tylko na życzenie zamawiającego – ale do ruchu zbędny)

 

 

Krzywa grzewcza

Dla utrzymania komfortu cieplnego w budynku konieczne jest sterowanie temperaturą czynnika grzewczego (wody grzewczej)  w zależności od temperatury zewnętrznej (regulacja pogodowa).  Temperatura zasilania w powiązaniu z temperaturą zewnętrzną jest opisana dwoma parametrami: nachyleniem krzywej oraz jej poziomem, czyli określa temperaturę do jakiej będzie kocioł grzał wodę przy określonej temp zewnętrznej.

Krzywe grzewcze stosuje się do projektowania i regulowania pracy ciepłowni, kotłów, sieci ciepłowniczych, węzłów ciepła, instalacji cieplnych w budynkach, wymienników ciepła, doboru i regulacji pracy grzejników konwekcyjnych, promiennikowych lub ogrzewania podłogowego oraz do projektowania i regulacji mechanicznej wentylacji z odzyskiem energii

Rys. 4. Krzywa grzewcza 90/70

 

 

Wykres oznacza, że przy temperaturze  obliczeniowej (minus 20°C) na wyjściu  z kotła (zasilania) czynnik grzewczy ma temperaturę 90°C, a na powrocie 70°C. Wraz ze wzrostem temperatury zewnętrznej zmniejsza się  temperatura zasilania i powrotu czynnika.

W przejściowym okresie grzewczym, który występuje w  78,7% całego sezonu grzewczego, temperatury zewnętrzne są bliskie 0°C i dodatnie, wówczas wymienniki płytowe lub rurowo – płaszczowe (JAD) pracują w zakresie przepływów laminarnych z bardzo niską sprawnością. Stosując tradycyjne technologie  pomiaru i sterownia  niemożliwe jest wprowadzenie ich w zakres przepływów turbulentnych i poprzez to zwiększenie ich sprawności. W Polsce jeszcze wiele starych układów grzewczych pracuje na  bardzo wysokich parametrach zasilania i powrotu (150/70°C – kotły wysokoparametrowe zasilające miasta), ale już coraz więcej pracuje w zakresie 110/70°C i 90/70°C. Nowe budynki i ocieplone bloki są zasilane średnimi (70/55°C) i niskimi (50/35°C) parametrami czynnika grzewczego. Coraz częściej w nowym budownictwie stosuje się  ogrzewanie podłogowe,  które wymaga  bardzo niskich  parametrów zasilania (30/26°C). W układach niskotemperaturowych (niska i płaska krzywa grzewcza) jako źródło ciepła doskonale funkcjonują kolektory słoneczne z zasobnikami ciepłej wody skojarzone z pompą ciepła lub kotłem kondensacyjnym. Przy niskich parametrach czynnika grzewczego wymienniki pośredniego działania pracują w zakresie przepływów laminarnych dlatego stosowanie niskotemperaturowych wodnych systemów grzewczych (podłogowe, ścienne, sufitowe) jest nieuzasadnione ekonomicznie i energetycznie. W budynkach  dobrze ocieplonych i z energooszczędnymi oknami i z wentylacją mechaniczną z odzyskiem energii należy stosować wyłącznie  ogrzewanie elektryczne niskotemperaturowymi promiennikami podczerwieni (patrz raport).

Turbulentny i laminarny zakres pracy wymienników pośredniego działania

Każdy wymiennik ciepła pośredniego działania (płytowy, rurowy z płaszczem (JAD)) z regulatorem przepływu i automatyką pogodową, pracuje w miarę dobrze jeżeli obciążony jest powyżej 85% mocy znamionowej, wówczas występuje w nim zaburzona praca przepływu (turbulencja – przepływ burzliwy).

Jeżeli obciążenie wymiennika spada poniżej 78% mocy znamionowej, zanika w nim zaburzona praca przepływu i przechodzi on w tzw. stan laminarny pracy (przepływ spokojny, warstwowy), objawiający się nieodpowiednim ochłodzeniem nośnika ciepła. Zjawisko stanu laminarnego występuje w okresie 78,7% całego sezonu grzewczego. Z obserwacji pracy wymienników wynika, że w okresach przejściowych, kiedy temperatury zewnętrzne są powyżej 0°C, wychłodzenie nośnika spada do Δt.12°K  i w miarę narastania temperatury zewnętrznej dochodzi nawet do Δt.1°K. Ochłodzenie nośnika do pożądanego Δt.20°K lub 30°K okazuje się niemożliwe. Stan ten wpływa na wyższe zapotrzebowanie przepływu czynnika grzewczego przez wymiennik w układzie pierwotnym i wtórnym co skutkuje dłuższym okresem pracy pomp w układzie pierwotnym i wtórnym. Straty  ponosi źródło ciepła  i sieci przesyłowe (układ pierwotny) oraz użytkownik (układ wtórny).  Tych wad  nie wyeliminuje nawet najbardziej zaawansowany technologicznie  system sterowania pracą instalacji skojarzony z automatyka pogodową, ani zastosowanie   wyrafinowanych zaworów regulacyjnych   stosowanych do hydraulicznego zrównoważenia sieci.

Modernizacja i doposażenie wymienników pośredniego działania  (retrofit)

Wyżej opisane problemy w wymiennikach pośredniego działania eliminuje zastosowanie automatycznie regulowanych  wodnych pomp strumieniowych, które  powodują:

• przeciwdziałanie stanom laminarnym w wymiennikach pośredniego działania, a zatem precyzyjne ochłodzenie nośnika ciepła i mniejsze zużycie energii,
• bardzo dokładną regulację wymiennika ciepła pośredniego działania, ponad dwudziestokrotnie dokładniejszą od zaworów regulacyjnych,
• eliminację ograniczników temperatury na powrocie wysokich parame­trów i  ograniczników ciśnienia w węźle (ograniczniki temperatur zakłó­cają pracą całego układu grzewczego przy stosowaniu zaworów regulacyjnych),
• mniejsze zapotrzebowanie na czynnik grzewczy, ograniczenie strat cieplnych i energii elektrycznej  w instalacji, sieci i w ciepłowni,
• ograniczenia mocy dyspozycyjnej nawet o  60%,
• możliwość zastosowania w budynkach grzejników promiennikowo – konwekcyjnych,
• w przypadku zastąpienia hydroelewatora gwarantują redukcję zużycia energii i precyzyjną regulację temperatury i przepływów oraz stabilizują pracę instalacji i sieci  cieplnej (zrównoważenie hydrauliczne układu grzewczego),
• w przypadku zastąpienia wymienników pośredniego działania, wyeliminowanie zasilania elektrycznego pompy i systemu uzdatniania wody grzewczej z układu wtórnego (instalacja grzewcza  zasilana jest czynnikiem bezpośrednio z ciepłowni  – bezpośredni układ grzewczy).

Modernizacja hydroelewatorowych węzłów ciepła z wykorzystaniem nastawnych pomp strumieniowych.

Zastosowanie automatycznie regulowanej pompy strumieniowej  w miejsce hydroelewatora lub w miejsce zaworu regulacyjnego jest rozwiązaniem najtańszym i optymalnym pod względem technicznym, cieplnym, elektroenergetycznym i inwestycyjnym.

Podłączenie wymiennika jest proste i nie wymaga przebudowy instalacji w węźle, dlatego też może być wykonane nawet w sezonie grzewczym (czas wyłączenia instalacji do 2 godzin).

Modernizacja  węzłów ciepła oraz wprowadzenie regulacji w budynkach z wykorzystaniem nastawnych pomp strumieniowych.

Węzły wymiennikowe dużej mocy zasilają w ciepło od kilku do kilkunastu budynków. Bardzo często w poszczególnych budynkach nie ma żadnej regulacji. Zapotrzebowanie ciepła poszczególnych budynków (odbiorców ciepła) zależy od wielu czynników takich jak:

• usytuowanie budynku w terenie i względem stron świata,
• stan izolacji termicznej budynku,
• stan stolarki okiennej i drzwiowej,
• stan instalacji CO i grzejników,
• stan wentylacji i inne,

Obecnie, aby zapewnić właściwy komfort cieplny w najbardziej niekorzystnym budynku pozostałe budynki pracują na zawyżonych parametrach co wpływa na zwiększenie zużycia ciepła (brak zrównoważenia hydraulicznego).

Rozwiązanie jest proste i ekonomicznie uzasadnione, każdy budynek otrzyma niezależny układ regulacyjny z wykorzystaniem  nastawnej pompy strumieniowej i każda pompa będzie pracowała na takich parametrach jakie są niezbędne dla danego

Idealnym rozwiązaniem jest aby poszczególne budynki podzielić na strefy, np.:

• ściana północna,
• ściana południowa,
• ściany szczytowe,

Każda strefa również otrzyma niezależny układ regulacyjny pompą strumieniową, który w zależności od potrzeb i warunków pogodowych pracuje na innych parametrach. Zaletą tego rozwiązania jest to,  że  prawie osiągniemy hydrauliczne zrównoważenie układu, w efekcie eliminujemy w budynku strefy przegrzania lub niedogrzania i zużywamy najbardziej optymalną ilość ciepła z minimalnym zużycie energii elektrycznej po stronie wtórnej. Ponadto przy zastosowaniu kilku układów regulacyjnych ograniczamy ilość zaworów termostatycznych do niezbędnego minimum tj. tylko do pomieszczeń nasłonecznionych, pomijając montaż zaworów w pomieszczeniach zacienionych. Oszczędności w zużyciu energii cieplnej w budynku mogą dochodzić do 40% – 60% a  elektrycznej do 99%, dodatkowo nastąpi zmniejszenie strat energii w ciepłowni i sieci przesyłowej.

W efekcie uzyskujemy  stabilną pracę całego układu energetycznego (ciepłownia, sieć, instalacja) i ograniczenie strat energii cieplnej i elektrycznej.

Zastosowanie automatycznie regulowanych strumieniowych wymienników ciepła  umożliwi przeprowadzanie etapami wysokoefektywnej termomodernizacji np. bloków mieszkalnych. Zaczynając termomodernizację od:
1. Montażu nastawnych wymienników strumieniowych w każdym budynku (krótki okres wykonania i najniższy koszt inwestycyjny) uzyskujemy znaczne środki z powodu zaoszczędzonej energii cieplnej i elektrycznej.
2. Wymiana okien.
3. Ocieplenie budynku.
Po wykonaniu ocieplenia i wymiany okien dokonujemy korekty nastaw wymienników strumieniowych. Taka kolejność postępowania wygeneruje przychody, zapewni płynność finansową i uchroni inwestora przed pułapka kredytową.

 

Zalety automatycznie regulowanych strumieniowych wymienników ciepła :

Poniżej wymienione zalety ekonomiczno – technologiczne nie występują w tradycyjnych układach wymiennikowych nawet  zrównoważonych hydraulicznie.

Należy podkreślić, że ponad 80% instalacji grzewczych, klimatyzacyjnych i chłodniczych nie jest zrównoważona hydraulicznie co jest  przyczyną niestabilnej pracy układów energetycznych, niedogrzania/przegrzania budynków i  strat  energii. 

Jest to obecnie najnowocześniejsze  w świecie urządzenie  w zakresie odbioru, automatycznej regulacji i dostawy ciepła. Konstrukcja tego urządzenia jest  rewolucyjnie prosta i niezawodna. Z wyjątkiem uszczelnienia trzpienia żywotność wymienników strumieniowych jest nieograniczona, a żywotność uszczelki trzpieniowej wynosi 15 -18 lat. Wymienniki są bezawaryjne i nie wymagają serwisu, łączą w sobie sześć zasadniczych funkcji (sześć w jednym) i ponad 20 unikatowych zalet, których nie można obecnie znaleźć w innych praktycznych aplikacjach.

Podstawowe funkcje to:

1. wymiennik ciepła  bezpośredniego działania (praca turbulentna w pełnym zakresie obciążeń, pełne zmieszanie czynnika),
2. pompa bezwirnikowa (bez zużycia energii elektrycznej),
3. zawór regulacyjny temperatury o bardzo wysokiej rozdzielczości,
4. zawór regulacyjny  ciśnienia,
5. zawór mieszający,
6. ogranicznik przepływu.

Zalety

1. Eliminacja systemu uzdatniania wody kotłowej (grzewczej) w układzie wtórnym.
2. Zastępują zawory regulacyjne, hydroelewatory i drogie wymienniki pośredniego działania (płytowe, rurowo – płaszczowe (JAD)) w ciepłowniach, węzłach cieplnych i w budynkach.
3. Umożliwiają zwrot poniesionych nakładów w okresie 16 – 24 m-cy.
4. Są niezniszczalne, proste w obsłudze i energooszczędne.
5. Nie są wrażliwe na brud i są samoczyszczące.
6. Są bezawaryjne, o cichej pracy, nie wymagają ciągłej obsługi i serwisu.
7. Pozwalają na zamykanie układów grzewczych i eliminację drogich naczyń wyrównawczych otwartych lub zamkniętych.
8. Niespotykana w innych urządzeniach dokładność regulacji.
9. Są 21-krotnie dokładniejsze w regulacji od zaworu regulacyjnego
10. Precyzyjnie regulują temperaturę w budynku w zależności od temperatury zewnętrznej.
11. Precyzyjnie kontrolują temperaturę i ciśnienie w instalacji.
12. Są odporne na wahania ciśnienia, pracują przy niskim ciśnieniu dyspozycyjnym.
13. Nie wymagają wysokiego ciśnienia dyspozycyjnego do pracy: np. temp. 130/95/70°C  straty na instalacji 0,2 bar, potrzebne ciśnienie dyspozycyjne tylko 0,8 bar. Przy kompleksowym zastosowaniu istnieje możliwość obniżenia temperatury w kotłowni ze 150 °C nawet do 110 °C i niższych.
14. Adaptują układ instalacji budynku i również w przypadku stosowania zaworów termostatycznych, współpracują z zaworami termostatycznymi i polepszają ich pracę.
15. Zapewniają lepszy komfort cieplny w układach CO i klimatyzacyjnych, bez dodatkowych czujników.
16. Gwarantują ciepło w budynkach przy zaniku energii elektrycznej.
17. Zapewniają oszczędność energii cieplnej u odbiorcy do  60%.
18. Gwarantują oszczędność energii elektrycznej u odbiorcy do 99,9%  ze względu na wyeliminowanie  elektrycznych pomp obiegowych z układów wtórnych.
19. Zapewniają możliwość obniżenia mocy dyspozycyjnej do 60%.
20. Gwarantują zmniejszenie strat przesyłowych w sieci (obniżenie temperatury zasilania i powrotu czynnika oraz  mniejsze przepływy czynnika).
21. Zapewniają zmniejszenie zużycia energii elektrycznej i paliwa  oraz redukcję emisji żużli, pyłów, NOx i gazów cieplarnianych w ciepłowni.
22. Są jednocześnie regulatorem ciśnienia, ogranicznikiem przepływu, regulowaną pompą i bardzo dokładnym zaworem regulacyjnym współpracują z zaworami termostatycznymi.
23. Wykrywają błędy instalacyjne, obliczeniowe i potrafią maksymalnie wykorzystać nośnik ciepła.
24. Są stabilizatorem ciśnienia dla ciepłowni i kompensatorem wahań ciśnienia w sieci ciepłowniczej i instalacji.
25. Gwarantują osiągnięcie w każdym zakresie obciążeń równowagę hydrauliczną kotłowni, sieci i instalacji, są zintegrowanym modułem umożliwiającym  hydrauliczne zrównoważenie sieci.
26. W elektroenergetyce i ciepłowniach zastępują pompy elektryczne wirnikowe.

 Zastosowanie automatycznie regulowanych wymienników strumieniowych

Automatycznie regulowane wymienniki strumieniowe  mogą znaleźć zastosowanie w:

• układach bezpośrednich (indywidualne i zbiorcze węzły ciepła) w miejsce dotychczasowych hydroelewatorów,
• układach bezpośredniego zasilania jako wymiennik ciepła bezpośredniego działania i precyzyjny układ regulacyjny lub jako regulator przepływu i temperatury po stronie wtórnej  w budynku lub w części budynku,
• w węzłach wymiennikowych jednofunkcyjnych lub dwufunkcyjnych CO i CWU,
• w węzłach wymiennikowych płytowych i rurowych (JAD) grupowych dużej mocy po stronie wtórnej, jako precyzyjny układ regulacyjny poszczególnych budynków lub sekcji,
• w węzłach technologicznych jako regulator strumieniowy o wysokiej rozdzielczości,
• w układach klimatyzacyjnych jako regulator strumieniowy o wysokiej rozdzielczości,
• w ciepłowniach, elektrociepłowniach i elektrowniach jako zamiennik elektrycznych pomp wirnikowych,
• w kotłowniach domowych jako układ regulacyjny,
• w kotłowniach przemysłowych i zakładach przetwórstwa rolno – spożywczego,
•  w szklarniach, w kotłowniach na biomasę, odpady i biogazowniach,
• w układach solarnych,

Zastosowanie automatycznie regulowanych wodnych pomp/wymienników strumieniowych   radykalnie obniża zużycie energii i surowców  energetycznych  i presję człowieka na środowisko naturalne.

Straty energii

Należy przypomnieć, że:

• Wzrost średniej temperatury budynku  wielorodzinnego (biurowca, szkoły, itp.).  o 1° C powyżej zadanych 20° C  spowoduje zwiększenie kosztów ogrzewania  ok. 10%.
• Nie zużyty 1 kW mocy silnika pompy  to oszczędności ok. 1 tys. zł rocznie.
• Obniżenie o 10° K średniej temperatury czynnika grzewczego płynącego w rurach po woduje spadek strat ciepła na przesyle o 1,5%.
• Obniżenie temperatury pomieszczenia o  1°K powoduje oszczędność energii rzędu 6%.
• Zmniejszenie  obrotów silnika pompy o połowę to aż 8-krotny spadek zużycia energii elektrycznej (n₁/n₂ ) = (P₁/P₂ )³.
• Obniżenie temperatury  spalin w kotle o 20°K, powoduje spadek strat ciepła rzędu 1,2%.- straty kominowe.
• Obniżenie temperatury na kotle o 10°K powoduje zmniejszenie strat o 0,25% – promieniowaniem cieplne kotła.
• Straty energii cieplnej   w sieci przesyłowej sięgają do10% – 15% i są tym wyższe im wyższa temperatura czynnik i niższa temperatura otoczenia.
• Straty energii elektrycznej w sieci przesyłowej dochodzą do10% – 15% i są najwyższe w okresie upalnych dni.

Ulepszanie jest obowiązkiem

wszelkie prawa zastrzeżone