Sprzęgła hydrauliczne

Sprzęgło hydrauliczne to przewód (najczęściej pionowy) o odpowiednio dużej średnicy, który łączy obiegi kotłowe i obiegi odbiorcze. W jego górnej części znajdują się króćce do podłączenia zasilania, a w dolnej do podłączenia powrotu. Przyjęcie odpowiedniej średnicy sprzęgła [2, 7] sprawia, że straty ciśnienia są w nim bardzo małe, bliskie zeru. Dzięki zastosowaniu sprzęgła hydraulicznego w układzie hydraulicznym kotłowni powstają dwa praktycznie niezależne obiegi grzewcze – pierwotny (kotłowy) i wtórny (instalacyjny).

Sprzęgło umożliwia hydrauliczne rozdzielenie tych obiegów i zapobiega zakłóceniom w pracy jednego obiegu, gdy zmieni się strumień objętości czynnika czy rozkład ciśnienia w drugim. Sprzęgło hydrauliczne występuje również pod nazwą: zwrotnicy hydraulicznej, wajchy hydraulicznej, rozdzielacza hydraulicznego, bezpiecznika hydraulicznego i rozdzielacza cieplno-hydraulicznego [3].

Obieg pierwotny

W obiegu pierwotnym występować może jeden lub kilka kotłów. W zależności od zmieniającego się w trakcie pracy kotłowni zapotrzebowania na strumień ciepła poszczególne kotły mogą być uruchamiane lub wyłączane z pracy, a przy palnikach dwustopniowych czy modulowanych zmienia się ich moc.

Przejrzyj Obszerny zbiór informacji nt. kotłów grzewczych »

Włączanie i wyłączanie poszczególnych kotłów powoduje uruchamianie i wstrzymywanie pracy pomp kotłowych lub zmianę ich prędkości obrotowej, co wywołuje zmiany strumienia objętości wody w przewodach zasilających i powrotnych układu kotłów. Przy kilku kotłach w obiegu pierwotnym można zastosować jedną, wspólną dla wszystkich jednostek pompę obiegu kotłowego (rys. 1a i 1b) lub każdy kocioł może mieć własną pompę kotłową (rys. 1c i 1d). Przy zastosowaniu jednej pompy kotły, w celu wyrównania oporów przepływu, powinny być połączone w układzie Tichelmanna.

Jeśli każdy kocioł ma własną pompę, a kotły są tej samej mocy, również zaleca się ich połączenie w układzie Tichelmanna. W obiegu pierwotnym znajdują się wtedy pompy o takich samych parametrach.

Pompy kotłowe mogą być umieszczone na przewodzie zasilającym (rys. 1a i 1c) lub na przewodzie powrotnym (rys. 1b i 1d). Pompa zlokalizowana na powrocie z instalacji pracuje przy niższych temperaturach, co teoretycznie przedłuża jej żywotność, jednak w najpopularniejszych obecnie instalacjach niskotemperaturowych aspekt ten nie ma dużego znaczenia.

Dowiedz się, jak Równoważyć małe instalacje c.o. »

W obiegu pierwotnym znaleźć się mogą trójdrogowe zawory regulacyjne zwiększające temperaturę wody powracającej do kotła (rys. 1c). Funkcję tę pełni już wprawdzie sprzęgło hydrauliczne, ale przy zastosowaniu kotłów klasycznych, wrażliwych na szkodliwe działanie kondensacji z wymaganą minimalną temperaturą powrotu, i instalacji o dużej pojemności wodnej zawór trójdrogowy umożliwia szybsze podgrzanie wody powrotnej podczas uruchamiania kotła. Zastosować można zarówno zawory mieszające, jak i rozdzielające.

Obieg wtórny

Obieg wtórny (instalacyjny) złożony jest z jednego lub, częściej, kilku pojedynczych obiegów instalacyjnych, w których ruch czynnika wymuszają pompy obiegowe instalacji. Do obiegu wtórnego mogą być podłączone różne układy: instalacji centralnego ogrzewania, wentylacji czy przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Strumień czynnika w każdym obiegu instalacyjnym może mieć różną wartość i inny przebieg zmienności w czasie, a często również wymagane mogą być inne parametry czynnika. W obiegach tych stosuje się najczęściej regulację jakościową dostarczanego strumienia ciepła, realizowaną poprzez zawory trójdrogowe. Jest ona niezależna od regulacji temperatury wody prowadzonej w kotłach. Dzięki zastosowaniu sprzęgła zmiany strumienia objętości po stronie instalacyjnej mają charakter płynny.

Zalety sprzęgieł

Dzięki zastosowaniu sprzęgła hydraulicznego:

• każdy obieg jest zamknięty przez sprzęgło i stanowi oddzielny element instalacji z własną pompą,

• pompy w obiegach kotłowych mogą pracować z optymalną wydajnością niezależnie od warunków panujących po stronie instalacyjnej,

• pompy poszczególnych obiegów grzewczych mogą pracować z pełną wydajnością lub nawet się wyłączyć, nie powodując dławienia obiegów kotłowych,

• możliwe jest włączanie do pracy dowolnych obiegów bez naruszania równowagi hydraulicznej pracującego układu,

• zapewniona jest niezależność działania obiegów kotłowych i instalacyjnych bez konieczności równoważenia przepływów,

• w trakcie projektowania łatwiejsze są obliczenia hydrauliczne oraz dobór pomp obiegowych,

• ilość dostarczanego ciepła samoczynnie dopasowuje się do potrzeb odbiorców.

Sprzęgło hydrauliczne można dodatkowo wykorzystać do odmulania i odpowietrzania instalacji.

Zastosowanie

Stosowanie sprzęgła hydraulicznego jest bardzo często zalecane, a nawet wymagane przez producentów kotłów, jednak szczególnie zaleca się je stosować:

• w układach średniej i dużej mocy, składających się z jednego lub wielu kotłów oraz jednego lub wielu obiegów grzewczych,

• w instalacjach c.o. o dużych pojemnościach zładów grzewczych (takich, których pojemność jednostkowa przekracza 15 dm³/kW nominalnej mocy kotłów),

• gdy może wystąpić duża nierównomierność między wielkościami strumieni wody w obiegach pierwotnych i wtórnych,

• przy dużej liczbie różnorodnych obiegów grzewczych,

• przy inwestycjach realizowanych etapami.

Budowa sprzęgła

Aby sprzęgło działało prawidłowo, musi być odpowiednio zwymiarowane – przy przepływie wzdłuż sprzęgła nie może występować zbyt duży spadek ciśnienia czynnika. Średnica sprzęgła D, powinna być dwu–trzykrotnie większa od średnicy króćców przyłączeniowych D1 (rys. 2):

Otrzymuje się wtedy wymaganą prędkość w sprzęgle, rzędu 0,1–0,2 m/s. Przyjmuje się, że wszystkie króćce przyłączeniowe sprzęgła rozdzielacza (D1) mają jednakową średnicę. Najczęściej podawana w literaturze wysokość sprzęgła H, czyli odległość między króćcami zasilającymi i powrotnymi, powinna wynosić [2]:

Przy kotłowniach o wyższych mocach, w celu ograniczenia wysokości sprzęgła, wystarczająca jest wysokość sprzęgła nie mniejsza niż [2]:

Odpowiednia wysokość urządzenia uniemożliwia bezpośrednie mieszanie się strumieni zasilających i powrotnych przepływającego czynnika. Dolne króćce powrotne powinny być umieszczone na wysokości równej co najmniej D od osi najniższego przewodu do dna sprzęgła [3] – w celu umożliwienia odmulania instalacji.

Sprzęgło hydrauliczne to najczęściej cylindryczny zbiornik stalowy (rys. 2), ale bywają też sprzęgła prostopadłościenne. Na płaszczu zainstalowane są najczęściej cztery króćce. Króćce wlotowy i wylotowy służą do podłączenia obiegu kotłowego, natomiast wylotowy i wlotowy obsługują obieg grzewczy. Bywają też sprzęgła z bezpośrednim podłączeniem obiegów grzewczych i wtedy po stronie wtórnej znajduje się tyle króćców zasilających i powrotnych, ile jest obiegów instalacyjnych. Taki układ może być zastosowany do ograniczonej liczby obiegów (maksymalnie 3) ze względu na zbyt dużą wysokość urządzenia przy większej liczbie króćców.

Rozwiązania konstrukcyjne

Stosuje się różne rozwiązania konstrukcyjne sprzęgieł hydraulicznych. Kilka z nich pokazano na rys. 3, 4, 5. Jeden z producentów oferuje pionowe sprzęgło hydrauliczne z rozbudowanym systemem odmulania i odpowietrzania (rys. 6).

Woda pokonuje w tym sprzęgle drogę między zasilaniem a powrotem w kształcie litery S, napotykając od razu na wlocie do urządzenia płytę oporową zmieniającą kierunek przepływu. Powoduje to lepsze usuwanie powietrza z wody, odpowietrzana jest również woda powracająca z  instalacji do kotła. Proces odmulania wspomagany jest przez dodatkowe wkłady magnetyczne umieszczone między przegrodami. Wysokość tego sprzęgła jest mniejsza niż tradycyjnych urządzeń, a wolny przekrój perforowanych płyt jest trzykrotnie większy od pola przekroju króćca przyłączeniowego. W górnej części sprzęgieł panuje najwyższa temperatura oraz mniejsza niż w przewodzie prędkość czynnika grzewczego i dzięki temu dogodne warunki do separacji z niego powietrza.

Najpierw powietrze wydziela się w postaci mikropęcherzyków, które na powierzchni elementów wspomagających odpowietrzanie łączą się w większe pęcherze unoszące się do góry, skąd następnie są usuwane przez odpowietrznik umieszczony na króćcu. Do wspomagania odpowietrzania producenci wykorzystują m.in. perforowane przegrody [9] albo pierścienie Palla umieszczone w specjalnym koszu w górnej części sprzęgła.

Opory przepływu czynnika przez kosz z pierścieniami są małe, natomiast powierzchnia kontaktu z przepływającym strumieniem duża. Małe prędkości przepływu przez sprzęgło stwarzają również dogodne warunki do wytrącenia i zatrzymania osadu z czynnika grzewczego. Do odmulania wykorzystywane są rozwiązania stosowane przy odpowietrzaniu, z tym że przegrody i pierścienie znajdują się w dolnej części sprzęgła.

Przeczytaj artykuł Dobór pomp w instalacjach c.o. i c.w.u. »

Zatrzymane zanieczyszczenia usuwane są z obiegu poprzez zawór spustowy lub szybkozamykający zawór odmulający umieszczony na króćcu, otwierany okresowo ręcznie lub automatycznie. W niektórych sprzęgłach w zbiorniku dodatkowo instalowane są perforowane przegrody (rys. 3b), których zadaniem jest odpowiednie ukierunkowanie przepływu wody w urządzeniu. Zespół przegród zamontowany w górnej części sprzęgła zapobiega bezpośredniemu przepływowi wody z kotła do instalacji grzewczej i jednocześnie wspomaga odpowietrzanie wody. Sumaryczna powierzchnia otworów każdej przegrody powinna odpowiadać powierzchni przekroju króćca o średnicy D1. Dzięki zastosowaniu tych przegród zmniejszyć można rozstaw króćców i wymiary urządzenia.

W górnej części większości sprzęgieł można również dokonać pomiaru temperatury wody płynącej do instalacji. W tym celu za przegrodą perforowaną po stronie obiegów grzewczych znajduje się króciec na tuleję termometru. Tuleja ta powinna być zanurzona na głębokości 20–30 cm.

Współpraca kotłów ze sprzęgłem hydraulicznym

Analizując pracę układu ze sprzęgłem, można wyróżnić trzy przypadki pracy sprzęgła – przedstawiono je na rys. 7.

Przypadek A

Czynnik grzewczy nie płynie między górnym króćcem zasilającym i dolnym powrotnym sprzęgła. Jest to stan, w którym ilość czynnika grzewczego po stronie pierwotnej odpowiada ilości czynnika odbieranego przez układ grzewczy. Temperatura czynnika w rozdzielaczu nie ulega zmianie. Ilość dostarczonego ciepła jest równa ilości ciepła odebranego. Teoretycznie stan ten mógłby wystąpić w warunkach obliczeniowych, przy obliczeniowej temperaturze zewnętrznej.

Przypadek B

Między górnym króćcem zasilającym i dolnym powrotnym sprzęgła czynnik płynie z góry do dołu. Jest to stan, w którym strumień objętości wody w obiegach kotłowych jest większy niż strumień objętości wody w obiegach grzewczych. Przepływ ten wpływa na zwiększenie temperatury wody powracającej do kotłów. Daje to sygnał urządzeniom sterującym pracą kotła do zmniejszenia mocy lub wyłączenia kotła. Przypadek taki ma miejsce na przykład, gdy następuje przymykanie zaworów regulacyjnych na instalacji grzewczej spowodowane mniejszym zapotrzebowaniem na ciepło. Stan taki pożądany jest w przypadku tradycyjnych kotłów.

Przy rozruchu układu lub podczas nadmiernego schłodzenia czynnika grzewczego może mieć miejsce szczególny wariant tego przypadku współpracy kotła ze sprzęgłem – a mianowicie przepływ całego strumienia czynnika z obiegu kotłowego z góry na dół. Stan taki osiągany jest przy wyłączonych pompach obiegów wtórnych (instalacyjnych), a całkowity strumień wody pompowany przez pompy kotłowe płynie przez sprzęgło bezpośrednio z zasilania do powrotu obiegu pierwotnego. Trwa to aż do osiągnięcia w układzie kotłowym gotowości energetycznej umożliwiającej dostarczanie ciepła do obiegów instalacyjnych.

Przypadek C

Między dolnym powrotnym króćcem i górnym zasilającym sprzęgła czynnik płynie z dołu do góry. Jest to stan, w którym strumień wody w obiegach grzewczych jest większy niż strumień wody w obiegach kotłowych. Występuje wtedy tzw. przepływ wsteczny, który wpływa na obniżanie się temperatury wody zasilającej obiegi grzewcze. Występuje on przykładowo w momencie rozruchu instalacji c.o., np. po przerwie nocnej.

Taki przepływ może generować zbędny sygnał, że należy zwiększyć moc pracującego kotła lub włączyć następny kocioł. Szczególnym wariantem tego przypadku będzie całkowity przepływ wody z dołu do góry. Stan ten zachodzi przy wyłączonych pompach obiegu kotłowego, czyli przy niepracujących kotłach.

Dobór sprzęgła

Dobierając sprzęgło hydrauliczne, można posłużyć się gotowymi tabelami lub wykresami sporządzonymi przez producentów tych urządzeń [7, 9]. Należy zawsze pamiętać, że przy maksymalnym obciążeniu maksymalna średnia prędkość przepływu przez pionowy element sprzęgła nie może przekroczyć 0,2 m/s. Zazwyczaj przyjmuje się ją na poziomie 0,1–0,2 m/s dla przepływu nominalnego w obiegu kotłowym.

Jedynie w dużych instalacjach, w specjalnych warunkach, wartość ta może nieco wzrosnąć. Jeśli natomiast sprzęgło ma pełnić również funkcję odmulacza, należy oscylować wokół niższych prędkości. Gdy nie dysponujemy gotowymi tabelami, średnicę sprzęgła możemy określić z zależności:

gdzie:
D – średnica sprzęgła hydraulicznego [mm],
V – przepływ przez sprzęgło hydrauliczne (zgodnie z rys. 7) [m³/h],
w – dopuszczalna prędkość przepływu przez sprzęgło hydrauliczne: 0,1–0,2 [m/s].

Należy również pamiętać, że aby zachować zalecany przy zwykłych kotłach przepływ wody przez sprzęgło, całkowita wydajność pomp kotłowych musi być od 10 do 50% [2, 1] lub przynajmniej od 10 do 30% [4] większa niż całkowita sumaryczna wydajność pomp w obiegach instalacyjnych:

gdzie:
V_kotl – obliczeniowa sumaryczna wydajność pomp obiegu kotłowego,
V_inst – obliczeniowa sumaryczna wydajność pomp obiegów instalacyjnych.

Przyjęcie większej wartości stosunku strumieni wody w obiegu kotłowym i grzewczym (1,4–1,5) gwarantuje utrzymanie minimalnej temperatury wody powracającej do kotła bez żadnych dodatkowych układów mieszania. W czasie rozruchu kotła wystarczy tylko ograniczenie strumieni wody powrotnej z obiegów wtórnych za pomocą znajdujących się w nich zaworów trójdrogowych.

Określając parametry wydajności pomp układu kotłowego, przy kilku kotłach można przyjąć, że różnica temperatury wody zasilającej i powrotnej wynosi Δt = 15 K [1] (przy Δt = 20 K w obiegach grzewczych). W ten sposób osiągnąć można wymagany stosunek strumieni wody w obiegu kotłowym i grzewczym. Przy określaniu wysokości podnoszenia pomp należy wziąć pod uwagę straty ciśnienia przy przepływie przez kocioł, armaturę, sprzęgło i przewody łączące kocioł ze sprzęgłem.

Literatura

1. Jablonowski H., Termostatyczne zawory grzejnikowe, Wydawnictwo Instalator Polski, Warszawa 1995.

2. Mizielińska K., Układy hydrauliczne w źródłach ciepła z kilkoma kotłami, „Polski Instalator” nr 5/96.

3. Mizielińska K., Zastosowanie specjalnych „rozdzielaczy hydraulicznych”, „COW” nr 1/95.

4. Materiały informacyjne firmy Brotje.

5. www.ewfe.com.pl.

6. www.flamco.pl.

7. www.meibes.pl.

8. www.sinuspolska.com.pl.

9. www.termen.com.pl.