Układy wody lodowej. Zastosowanie czynników o niskiej temperaturze krzepnięcia

Gęstość roztworu glikolu jest nieznacznie większa niż wody, a kinematyczny współczynnik lepkości jest w przypadku glikolu znacznie wyższy. Specyficzne właściwości fizyczne roztworu glikolu należy uwzględnić przy doborze elementów układów chłodzenia: rurociągów, pomp, zaworów regulacyjnych, zaworów bezpieczeństwa i przeponowych naczyń wzbiorczych.

Właściwości fizyczne roztworu glikolu

Stężenie roztworu glikolu jest zależne od jego temperatury krzepnięcia. W tab. 1 podano temperaturę krzepnięcia roztworu glikolu etylenowego i propylenowego. Zakres temperaturowy obejmuje większość obszaru kraju, natomiast w IV i V strefie klimatycznej powinien być stosowany roztwór glikolu etylenowego o stężeniu 40% [5]. Na rys. 1, 2, 3 i 4 pokazano właściwości fizyczne 30 i 35-proc. roztworu glikolu etylenowego i propylenowego [3] wraz z formułami aproksymującymi.

Obliczenia hydrauliczne rurociągów roztworu glikolu Wewnętrzne układy rurociągów są zwykle wykonywane z rur stalowych, miedzianych lub z tworzyw sztucznych (najczęściej PE SDR 11 lub 7,4). Na zewnątrz budynków przewody z tworzyw sztucznych nie powinny być stosowane ze względu na słabą odporność na niską temperaturę otoczenia.

Roztwór glikolu propylenowego lub etylenowego jest płynem newtonowskim. Obliczenia hydrauliczne przewodów wykonuje się na podstawie wzoru Colebrooka-White’a (w ruchu burzliwym i strefie przejściowej) lub Hagena-Poisseuille’a (w ruchu laminarnym). Wzory te są powszechnie znane [1], podobnie jak wzór Darcy-Weisbacha [1] do obliczania liniowej straty ciśnienia. Strata miejscowa jest liczona jako iloczyn sumy współczynników oporów miejscowych i ciśnienia dynamicznego.

Więcej szczegółów zainteresowani znajdą w publikacji [1] i podstawowych pozycjach bibliograficznych z dziedziny mechaniki cieczy. Obliczenia wygodnie wykonuje się w arkuszu kalkulacyjnym – w tab. 2 przedstawiono przykładowy formularz do obliczeń przewodów z tworzyw sztucznych (PE SDR 11). Przyjęte w formularzu oznaczenia są również powszechnie znane. Białe pola wypełnia użytkownik, zacienione są wyliczane przez program. Procedury obliczeniowe umieszczone zostały w obszarze roboczym arkusza. Wartości właściwości fizycznych są liczone za pomocą wzorów aproksymujących (rys. 1, 2, 3 i 4).

Dobór zaworów regulacyjnych

W układach chłodzenia pośredniego dobierane są zawory regulacji temperatury (z płynną regulacją lub typu on/off). Mogą to być zawory mieszające (regulacja jakościowa) lub rozdzielające (regulacja ilościowa). W gałęziach układu oraz, najczęściej, w obejściach chłodnic stosuje się zawory regulacji strumienia objętości (przepływu).

Niektórzy producenci zalecają zastosowanie zaworów regulacji przepływu przy każdej jednostce chłodzącej. W układach wody lodowej rzadziej stosuje się zawory regulacji różnicy ciśnienia. Zawór regulacyjny dobierany jest na podstawie przyjętej straty ciśnienia (w układach dwudrogowych na podstawie autorytetu zaworu, tj. stosunku straty ciśnienia w zaworze całkowicie otwartym do łącznej straty ciśnienia w regulowanym obwodzie):

gdzie:
Δ_pzaw – strata ciśnienia w zaworze całkowicie otwartym [bar],
ρ – gęstość cieczy [kg/m³],
V – strumień objętości cieczy [m³/h],
K_v – współczynnik przepływu zaworu.

Również te obliczenia wygodnie przeprowadza się w arkuszu kalkulacyjnym, podając współczynnik przepływu i sprawdzając stratę ciśnienia. W tab. 3 pokazano przykładowy dobór zaworów do jednostek wewnętrznych. Właściwości fizyczne cieczy są obliczane wg procedur pokazanych w tab. 2. Korzystanie z uproszczonej formuły (bez uwzględnienia gęstości płynu) prowadzi do niewielkiego błędu.

Dobór pomp

Wydajność pompy oblicza się ze wzoru:

gdzie:
V_p – wydajność pompy [m³/s],
ρ – gęstość cieczy [kg/m³],
m – strumień masy cieczy [kg/s].

W celach praktycznych wydajność pompy przeliczana jest na m³/h. Wysokość podnoszenia pompy określa wzór:

gdzie:
H_p – wysokość podnoszenia pompy [m],
Δ_p – strata ciśnienia w układzie cyrkulacyjnym (równa różnicy ciśnienia wytwarzanego przez pompę) [Pa],
ρ – gęstość cieczy [kg/m³],
g – stała grawitacji (przyspieszenie ziemskie), równa 9,80665 m/s².

Przy doborze pompy za pomocą programu doboru (autorstwa producenta pomp) należy zwrócić uwagę na tłoczony czynnik. Przyjęcie pompy o parametrach jak w wypadku wody spowoduje niedobór mocy silnika (większa gęstość i większe wewnętrzne straty ciśnienia w pompie). Większość producentów dostarcza programy doboru pomp z możliwością wyboru przetłaczanego czynnika. Nieuzasadnione jest przyjmowanie „zapasu” wydajności i wysokości podnoszenia przy dokładnym obliczeniu układów hydraulicznych.

W układach z przepływowym zbiornikiem buforowym pompa powinna pokonać łączne straty ciśnienia w obwodzie wraz z obiegiem parownika. W układach rozdzielonych zbiornikiem buforowym w formie sprzęgła hydraulicznego dobiera się osobne pompy do obiegu parownika agregatu wody lodowej i do obiegu instalacji.

Dobór zaworów bezpieczeństwa

Przyczyną wzrostu ciśnienia w układach chłodzenia może być jedynie zwiększenie się objętości cieczy spowodowane wzrostem temperatury. Dokładna procedura doboru zaworu bezpieczeństwa powinna określać przepustowość zaworu jako strumienia masy odpowiadającego zwiększeniu objętości w czasie. Z uwagi na niewielką prędkość zmiany parametrów cieczy w układach chłodzenia zaleca się [2] stosowanie wzoru z nieobowiązującej już normy PN-B-02414:

gdzie:
M – przepustowość zaworu bezpieczeństwa [kg/s],
V – pojemność instalacji [m³].

Średnicę króćca dolotowego zaworu bezpieczeństwa można obliczyć ze wzoru:

gdzie:
d_o – średnica króćca dolotowego zaworu bezpieczeństwa [mm],
M – przepustowość zaworu bezpieczeństwa [kg/s],
α_c – współczynnik wypływu zaworu bezpieczeństwa [–],
0,9 – współczynnik poprawkowy [–],
p_max – najwyższe ciśnienie w instalacji [bar],
ρ – gęstość cieczy [kg/m³].

Na pojemność instalacji składają się przewody, zbiornik buforowy oraz urządzenia do wytwarzania chłodu. W celu obliczenia zaworu bezpieczeństwa wystarczy znać łączną pojemność układu.

Dobór przeponowego naczynia wzbiorczego

W przypadku układów z roztworem glikolu część instalacji znajduje się wewnątrz, a część na zewnątrz budynku. W każdej części występuje inna różnica temperatury i zmiana objętości czynnika. W części zewnętrznej należy przyjąć zakres temperatury od minimalnej w sezonie grzewczym do maksymalnej w okresie lata. W praktyce można (w uproszczeniu) przyjąć zakres od –20 do 35°C.

W części wewnętrznej temperatura może mieć zakres 7–28°C. Najniższa temperatura odnosi się do czynnika chłodniczego, a najwyższa może wystąpić w niechłodzonej przestrzeni instalacyjnej, np. stropu podwieszonego. Pojemność użytkową naczynia wzbiorczego można wyznaczyć z wzoru:

gdzie:
Vu – pojemność użytkowa naczynia wzbiorczego [dm³],
V – pojemność instalacji [dm³], ?v
v – względny przyrost objętości właściwej cieczy w zakresie zmiany temperatury [–].

Również w tym wypadku obliczenia wygodnie wykonuje się w arkuszu kalkulacyjnym (tab. 4). Pojemność całkowitą naczynia wzbiorczego oblicza się ze wzoru:

gdzie:
V_c – pojemność całkowita naczynia wzbiorczego [dm³],
V_u – pojemność użytkowa naczynia wzbiorczego [dm³],
p_max – najwyższe ciśnienie w instalacji (absolutne) [bar],
p_min – najniższe ciśnienie w instalacji (absolutne) [bar].

Podsumowanie

Przedstawione procedury obliczeniowe i narzędzia pozwalają na obliczenia układów chłodzenia zawierających roztwór glikolu (propylenowego lub etylenowego). Procedury te mogą stanowić dogodne narzędzie wspomagające obliczenia układów chłodzenia pośredniego w budynkach.

Literatura

1. Żarski K., Mechanika płynów. Wybrane zagadnienia w ujęciu komputerowym, Ośrodek Informacji „Technika Instalacyjna w Budownictwie”, Warszawa 2007.

2. Żarski K., Obiegi wodne i parowe w kotłowniach, Ośrodek Informacji „Technika Instalacyjna w Budownictwie”, Warszawa 2000.3. CAS200 – program doboru wymienników Alfa Laval.

3. Programy do obliczeń układów chłodzenia pośredniego, opracowanie autora.

4. PN-EN ISO 12831:2006 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!