Grejanje, Toplifikacija i Snabdevanje Gasom

UNIVERZITET U NIŠU MAŠINSKI FAKULTET U NIŠU

Velimir Stefanović

GREJANJE, TOPLIFIKACIJA I SNABDEVANJE GASOM

Niš, 2011.

UNIVERZITET U NIŠU MAŠINSKI FAKULTET U NIŠU Dr Velimir Stefanović, dipl. inž. maš. GREJANJE, TOPLIFIKACIJA I SNABDEVANJE GASOM Prvo izdanje Izdavač: Mašinski fakultet u Nišu Za izdavača: Prof. dr Vlastmir Nikolić, dipl. inž. maš. Recenzenti: Prof. dr Slobodan Laković, dipl. inž. maš. Prof. dr Milorad Bojić, dipl. inž. maš. Prelom: Dragan Stevanović, dipl. inž. maš. Korice: Rodoljub Avramović, inž. Štampa: MKops Centar Niš Tiraž: 200 primeraka ISBN 978-86-6055-001-1 Odluka Nastavno-naučnog veća Mašinskog fakulteta br. 612-171-12/2006. Preštampavanje i umnožavanje nije dozvoljeno.

Mojoj porodici

III

Predgovor

Kniga Grejanje, toplifikacija i snabdevanje gasom nastala je iz želje autora da pokuša da tri značajne oblasti mašinstva kojima se bavi dugi niz godina, prikaže na jedan interesantan i pristupačan način sa jasnom željom da služi kao osnovna udžbenička literatura studentima na profilu termotehnika i termoenergetika, energetika, i energetika i procesna tehnika na Mašinskom fakultetu u Nišu, mada će sigurno biti od koristi i studentima poslediplomskih, specijalističkih i doktorskih studija, odnosno širem krugu zainteresovanih čitalaca kojima su ove interesantne oblasti mašinstva od značaja za svakodnevnu praksu. Poslednjih desetak godina na Mašinskom fakultetu u Nišu došlo je do značajnih promena u nastavnim planovima koje su pratile izmene u nastavnim programima. Materija koja se predaje u predmetima Grejanje i toplifikacija, Osnove grejne tehnike, Daljinsko grejanje, Osnove gasne tehnike i Snabdevanje toplotnom energijom i gasom sastavni je deo ove knjige. Ukupna materija koja se obrađuje izložena je u 3 celine: 1-grejanje, 2-toplifikacija i 3-snabdevanje gasom. Prva celina Grejanje obuhvata 11 poglavlja. Prvo poglavlje Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene prati istorijat tehnike grejanja, kalsifikaciju sistema grejanja i primenu pojedinih u praksi. Drugo poglavlje Termički konfor svojom interesantnom sadržinom i novim pojmovima koje uvodi ukazuje na novi pristup razmatranju različitih uticajnih parametara na uslove termičkog konfora u sredini u kojoj borave i rade ljudi. Treće poglavlje Lokalno grejanje (lokalni izvori toplote) posvećeno je različitim primerima lokalnih izvora toplote sa interesantnim primerima primenljivim u praksi. U poglavlju Sistemi centralnog grejanja detaljno se opisuju aktuelni sistemi centralnog vodenog, parnog i vazdušnog grejanja. Osnovi gradjevinske fizike je poglavlje koje ukazuje na parametre potrebne za projektovanje sistema centralnog grejanja a koji se odnose na termofizička svojstva gradjevinskih materijala, difuziju vlage u konstrukciji, hidro i termičku izolaciju i td. Poglavlje Proračun potrebne količine toplote za grejanje je posvećeno metodologiji proračuna potrebne količine toplote za grejanje prema važećem SRPS standardu uz ukazivanje na mogućnosti za unapredjenje proračuna zasnovana na važećem DIN standardu. Sedmo poglavlje Grejna tela - proračun i izbor ukazuje na najrazličitije tipove konvektivnih grejnih tela sa bogatim kataloškim ilustracijama. Posebno se analizira primena grejnih zračećih panela (podni, zidni i plafonski) i daju smernice za proračun. Osmo poglavlje Postrojenja za proizvodnju toplote – hladnoće, uz obilje ilustracija i primera uvodi nas u svet proizvodnje toplote (hladnoće) preko opisa različitih tipova kotlova, čilera, toplotnih pumpi, gorionika, gorioničkih postrijenja, elemenata kotlovskih postrojenja i td. Ovom poglavlju posvećena je naročita pažnja jer su ova postrojenja prisutna i u toplifikacionim sistemima. Deveto poglavlje Teorijske osnove hidrauličkog proračuna i primeri dimenzionisanja toplotnih mreža je od velikog značaja za pravilno dimenzionisanje kako cevnih mreža sistema centralnog grejanja tako i cevnih mreža sistema daljinskog grejanja. Zato je ono posvećeno toplotnim mrežama i obradjuje mreže svih pomenutih sistema. Poglavlje Priprema tople potrošne vode je posvećeno ovom vrlo važnom segmetu grejnih postrojenja. Poslednje poglavlje prve celine Sunčeva energija i mogućnosti primene ima za cilj da afirmiše primenu energije Sunca ukazujući na pasivne i aktivne sisteme za korišćenje ove besplatne energije.

Predgovor

IV

Druga celina Toplifikacija obuhvata 6 poglavlja. Prvo poglavlje Klasifikacija sistema centralizovanog snabdevanja toplotom (hladnoćom) CST, CSH, izvršena je podela ovih sistema i ukazano na mogućnosti i pravce njihovog daljeg razvoja. U poglavlju Toplotne mreže date su karakteristični sistemi razvodjenja toplote na daljinu. Poglavlje Konstrukcija i oprema toplotnih mreža je poglavlje u kome se detaljno opisuje armatura tolotnih mreža sa karakterističnim primerima ugradnje. U poglavlju Toplotne predajne stanice prikazani su elementi toplotnih predajnih stanica sa primerima proračuna i izbora. Poglavlje Regulisanje i merenje u sistemima za CST bavi se savremenim načinima merenja i regulisanja utroška toplotne energije u centralizovanim sistemima snabdevanja tolotom. Poslednje poglavlje druge celine Kombinovana proizvodnja toplotne i električne energije u sistemima za CST bavi se mogućnostima za kombinovanu proizvodnju toplotne i električne energije u sistemima toplifikacije. Treća celina Snabdevanje gasom organizovana je u 5 poglavlja . Prvo poglavlje Karakteristike prirodnog i tečnog naftnog gasa ukazuje se na karakteristike ovih, u savremenoj praksi, izuzetno zastupljenih goriva. Drugo poglavlje bavi se Sistemima za snabdevanje prirodnim gasom, ukazujući na podelu sistema za distribuciju prirodnog gasa. Teće poglavlje Gasovodi obradjuje materiju posvećenu proračunu i načinima izvodjenja različitih tipova gasovoda. Poglavlje Merno regulacione stanice daje smernice za proračun i izbor elemenata ovih važnih delova gasovodnih sistema. Poslednje poglavlje Primena tečnog naftnog gasa daje prikaz mogućih primena tečnog nafnog gasa u domaćinstvima, industriji i td. Dva softverska sistema PCG i TUBE sa uputstvima za upotrbu i demo primerima, od kojih je prvi namenjen projektovanju sistema centralnog grejanja a drugi projektovanju sistema toplifikacije i raznim simulacijama, a na kojima autor permanentno radi dugi niz godina, daju dodatni kvalitet ovom udžbeniku koji time postaje i nešto više od univerzitetskog udžbenika. Poštovanje i zahvalnosti dugujem recenzentima dr Slobodanu Lakoviću redovnom profesoru Mašinskog fakulteta u Nišu i dr Miloradu Bojiću redovnom profesoru Mašinskog fakulteta u Kragujevcu, kao i svim kolegama koji su svojim sugestijama, primedbama, podrškom i pomoći doprineli definitivnom oblikovanju ovog udžbenika. Posebno zadovoljstvo autoru je predstavljala saradnja sa studentima, koji su dali veliki doprinos prilikom obrade interesantnih tema u svojim diplomskim i seminarskim radovima. Zahvaljujem se svom kolegi i prijatelju Draganu Stevanoviću na trudu prilikom pripreme teksta na računaru a posebno na dugogodišnjoj saradnji pri izradi pomenuta dva softverska sistema. U pripremi slika pomogli su mi Saša Pavlović, student doktorskih studija na Mašinskom fakultetu, i Nenad Apostolović magistrant Mašinskog fakulteta u Nišu. Na kraju, želim da se zahvalim svojoj porodici za strpljenje i razumevanje za vreme koje nisam proveo sa njima a koje sam ovom knjigom poklonio svojim studentima.

U Nišu, 2011 godine Autor

V

Sadržaj

1. Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene ............................................................ 5 1.1. Svrha grejanja ..................................................................................................................... 5 1.2. Istorijat grejne tehnike......................................................................................................... 5 1.3. Istorijat toplifikacije Niša.................................................................................................... 7 1.4. Klasifikacija sistema za grejanje ....................................................................................... 10

1.4.1. Izbor sistema za grejanje...................................................................................... 11 1.5. Vazduh i mikroklima ........................................................................................................ 12

1.5.1. Sastav i svojstva vazduha..................................................................................... 12 1.5.2. Higijena vazduha ................................................................................................. 13

2. Termički komfor....................................................................................................................... 21 2.1. Uvod.................................................................................................................................. 21 2.2. Energetski bilans čoveka................................................................................................... 21

2.2.1. Metabolizam M .................................................................................................... 22 2.2.2. Spoljašnji rad W ................................................................................................... 22 2.2.3. Gubitak toplotne energije isparavanjem I ............................................................ 22 2.2.4. Gubitak toplotne energije respiracijom RES ........................................................ 23 2.2.5. Provođenje toplote kroz odeću Pcl ....................................................................... 23 2.2.6. Razmena toplote zračenjem Z .............................................................................. 24 2.2.7. Razmena toplote konvekcijom K ......................................................................... 25 2.2.8. Uslovi termalnog komfora ................................................................................... 25 2.2.9. Jednačina termičkog komfora .............................................................................. 26 2.2.10. Praktična primena jednačine termičkog komfora............................................... 27 2.2.11. Individualne razlike............................................................................................ 27

2.3. Lokalna termalna neugodnost – nekomfor........................................................................ 28 2.3.1. Uzroci lokalne termalne neugodnosti................................................................... 28 2.3.2. Toplotni stres ....................................................................................................... 30

2.4. Termalni komfor i KGH sistemi ....................................................................................... 35

3. Lokalno grejanje (lokalni izvori toplote) ................................................................................ 39 3.1. Kamini............................................................................................................................... 40 3.2. Male peći na čvrsta goriva ................................................................................................ 42 3.3. Kaljave peći....................................................................................................................... 43 3.4. Trajnožareće peći .............................................................................................................. 45 3.5. Peći na tečno gorivo .......................................................................................................... 47

Sadržaj

VI

3.6. Gasne peći ......................................................................................................................... 48 3.7. Elektro i termoakumulacione peći..................................................................................... 50 3.8. Jedna peć za ceo stan......................................................................................................... 53 3.9. Kaljava peć - kotao ........................................................................................................... 54

4. Sistemi centralnog grejanja ..................................................................................................... 59 4.1. Toplovodno grejanje ......................................................................................................... 59

4.1.1. Jednocevni sistemi ............................................................................................... 60 4.1.2. Dvocevni sistemi.................................................................................................. 63 4.1.3. Panelno grejanje................................................................................................... 67

4.2. Parno grejanje niskog pritiska ........................................................................................... 70 4.2.1. Donji razvod sa suvom i potopljenom kondenzacionom cevnom mrežom.......... 72 4.2.2. Gornji razvod sa suvom i potopljenom kondenzacionom cevnom mrežom ........ 73 4.2.3. Indirektno vraćanje kondenzata u kotao preko rezervoara................................... 74

4.3. Vazdušno grejanje............................................................................................................. 75 4.3.1. Vazdušno grejanje ventilator-konvektorima ........................................................ 75 4.3.2. Centralni kanalni razvod vazduha........................................................................ 77

5. Osnovi građevinske fizike......................................................................................................... 83 5.1. Osnovni zahtevi higijene................................................................................................... 83 5.2. Termička zaštita zgrada..................................................................................................... 83

5.2.1. Prenos toplote kroz građevinsku konstrukciju ..................................................... 83 5.2.2. Značaj toplotne zaštite ......................................................................................... 85 5.2.3. Zaštitne mere pri projektovanju zgrada................................................................ 85

5.3. Termička izolacija zidova ................................................................................................. 87 5.4. Difuzija vodene pare kroz građevinske konstrukcije ........................................................ 88

5.4.1. Proračun difuzije vodene pare.............................................................................. 88 5.4.2. Transport vodene pare u stacionarnim uslovima.................................................. 91 5.4.3. Koeficijent prolaza vodene pare difuzijom .......................................................... 92 5.4.4. Prelaz vodene pare- konvektivna difuzija ............................................................ 93 5.4.5. Provođenje vodene pare-konduktivna difuzija..................................................... 94 5.4.6. Koeficijenti provođenja vodene pare ................................................................... 95 5.4.7. Pritisci vodene pare u građevinskoj konstrukciji ................................................. 96 5.4.8. Upoređivanje toka parcijalnog pritiska i pritiska zasićenja.................................. 97

5.5. Difuzija vodene pare pri kondenzaciji u zoni i ravni zida................................................. 98 5.6. Mere zaštite od kondenzacije ............................................................................................ 99

6. Proračun potrebne količine toplote za grejanje .................................................................. 105 6.1. Koeficijent prolaza toplote - k ......................................................................................... 106 6.2. Unutrašnja projektna temperatura - tu ............................................................................. 109 6.3. Površina kroz koju prolazi toplota – F ............................................................................ 110

Sadržaj

VII

6.4. Temperature negrejanih prostorija .................................................................................. 110 6.5. Spoljna projektna temperatura - ts ................................................................................... 111 6.6. Dodatak zbog prekida u zagrevanju - Zn ......................................................................... 113 6.7. Dodatak na uticaj zračenja - Za ....................................................................................... 114 6.8. Dodatak na strane sveta - ZS ............................................................................................ 115 6.9. Zagrevanje vazduha koji prodire u prostoriju ................................................................. 115 6.10. Dodatak na uticaj vetra - ZV .......................................................................................... 116 6.11. Dodatak na uticaj infiltracije vazduha - QV ................................................................... 116 6.12. Karakteristika prostorije – R ......................................................................................... 118 6.13. Karakteristika zgrade - H .............................................................................................. 119 6.14. Dodatak na visinu prostorija - Zh................................................................................... 120 6.15. Specifična potrebna količina toplote – q ....................................................................... 120 6.16. Uputstva ........................................................................................................................ 121 6.17. Unapređenja u proračunu potrebne količine toplote ..................................................... 121

6.17.1. Merodavna spoljna temperatura....................................................................... 121 6.17.2. Korekture koeficijenata prolaza toplote ........................................................... 122 6.17.3. Građevinske površine koje se graniče sa zemljom........................................... 123 6.17.4. Potrebna količina toplote za provetravanje ...................................................... 125 6.17.5. Potrebna količina toplote za prirodno provetravanje ....................................... 126 6.17.6. Karakteristika zgrade – H ................................................................................ 129 6.17.7. Korekcioni faktor za visinu - ε......................................................................... 130 6.17.8. Karakteristika prostorije – R ............................................................................ 131 6.17.9. Potrebna količina toplote za celu zgradu.......................................................... 132

7. Grejna tela-proračun i izbor.................................................................................................. 135 7.1. Vrste grejnih tela............................................................................................................. 135

7.1.1. Radijatori ........................................................................................................... 135 7.1.2. Cevni radijatori .................................................................................................. 137 7.1.3. Pločasta grejna tela ............................................................................................ 137 7.1.4. Konvektori ......................................................................................................... 138 7.1.5. Kaloriferi............................................................................................................ 139

7.2. Dimenzionisanje grejnih tela........................................................................................... 139 7.2.1. Koeficijent prolaza toplote i toplotni učinak pri nominalnim i drugim

uslovima ........................................................................................................ 140 7.2.2. Člankasta grejna tela .......................................................................................... 141 7.2.3. Pločasta grejna tela ............................................................................................ 144 7.2.4. Cevna grejna tela................................................................................................ 144 7.2.5. Konvektori i kaloriferi ....................................................................................... 144

7.3. Smeštaj radijatora............................................................................................................ 144 7.4. Panelno grejanje.............................................................................................................. 145

Sadržaj

VIII

7.4.1. Preteče današnjeg panelnog grejanja ................................................................. 146 7.4.2. Primena panelnog grejanja................................................................................. 147

7.5. Panel kao grejno telo i njegov proračun.......................................................................... 149 7.5.1. Proračun temperatura površine poda.................................................................. 150 7.5.2. Proračun količine toplote ................................................................................... 153 7.5.3. Proračun pada pritiska u cevima ........................................................................ 154 7.5.4. Odavanje toplote plafonskih grejnih površina zračenjem .................................. 155 7.5.5. Izvođenje panelnog grejanja .............................................................................. 157

7.6. Paneli sa električnim grejačima....................................................................................... 165 7.6.1. Posebni paneli .................................................................................................... 166

8. Postrojenja za proizvodnju toplote –hladnoće .................................................................... 171 8.1. Kotlovska postrojenja...................................................................................................... 171

8.1.1. Kotlovi za razne vrste goriva ............................................................................. 171 8.1.2. Materijali kotlovske konstrukcije....................................................................... 171 8.1.3. Specifičnost kotlovskih konstrukcija ................................................................. 173 8.1.4. Toplotno opterećenje kotlovskih grejnih površina............................................. 177 8.1.5. Godišnje opterećenje grejnog sistema................................................................ 177 8.1.6. Sigurnosni uređaji .............................................................................................. 178 8.1.7. Armatura vodenih kotlova ................................................................................. 180 8.1.8. Kotlarnice........................................................................................................... 180 8.1.9. Godišnja potrošnja toplote ................................................................................. 187 8.1.10. Potrošnja goriva ............................................................................................... 190 8.1.11. Rezervoari za tečno gorivo .............................................................................. 191

8.2. Postrojenja sa toplotnom pumpom................................................................................. 193 8.2.1. Toplotna pumpa „vazduh-vazduh“ .................................................................... 195 8.2.2. Toplotna pumpa „vazduh-voda“ ........................................................................ 196 8.2.3. Toplotna pumpa voda-voda ............................................................................... 198 8.2.4. Toplotna pumpa zemlja-voda............................................................................. 198 8.2.5. Toplotna pumpa “ voda-vazduh“ ....................................................................... 199 8.2.6. Apsorpcione toplotne pumpe ............................................................................. 199

9. Teorijske osnove hidrauličkog proračuna i primeri dimenzionisanja toplotnih mreža .. 205 9.1. Zadatak hidrauličkog proračuna...................................................................................... 205

9.1.1. Osnovne hidrauličke jednačine .......................................................................... 205 9.1.2. Redosled hidrauličkog proračuna toplotnih mreža............................................. 214 9.1.3. Osnovi uravnoteženja toplotnih mreža............................................................... 214

9.2. Uravnoteženje cevnih mreža ........................................................................................... 216 9.2.1. Potreba za uravnoteženjem i prednosti koje ono pruža ...................................... 217 9.2.2. Uticaj uravnoteženja na komfor ......................................................................... 217 9.2.3. Uravnotežene instalacije i potreba za energijom................................................ 218

Sadržaj

IX

9.2.4. Princip uravnoteženja......................................................................................... 219 9.3. Razvođenje toplote.......................................................................................................... 220

9.3.1. Cevi.................................................................................................................... 220 9.3.2. Izolacija cevi ...................................................................................................... 221

9.4. Dvocevni sistemi centralnog grejanja ............................................................................. 221 9.4.1. Prirodna cirkulacija ............................................................................................ 221 9.4.2. Temperature razvodne i povratne vode.............................................................. 222

9.5. Jednocevni sistemi centralnog grejanja........................................................................... 226 9.5.1. Vertikalni cevni sistemi ..................................................................................... 226 9.5.2 Savremeni jednocevni sistemi............................................................................. 228 9.5.3. Upoređenje jednocevnih i dvocevnih sistema.................................................... 229

9.6. Definisanje pritiska i napora u sistemu centralnog grejanja........................................... 230 9.7. Statički pritisak u stanju mirovanja i pri prirodnom strujanju vode ............................... 232 9.8. Raspodela pritiska u sistemu sa prinudnom cirkulacijom .............................................. 235 9.9. Položaj ekspanzionog suda i raspodela pritiska u sistemu ............................................. 236 9.10. Pumpe u sistemu centralnog grejanja............................................................................ 238

9.10.1. Centrifugalne pumpe u pogonu........................................................................ 239 9.11. Karakteristika cevovoda i radna tačka pumpe............................................................... 240 9.12. Sprezanje pumpi............................................................................................................ 242

9.12.1. Paralelna veza dve pumpe................................................................................ 242 9.12.2. Redna veza dve pumpe .................................................................................... 243

10. Priprema tople potrošne vode.............................................................................................. 247 10.1. Sistemi zagrevanja vode................................................................................................ 247

10.1.1. Pojedinačno i grupno snabdevanje toplom vodom........................................... 247 10.1.2. Centralna postrojenja za zagrevanje potrošne vode ......................................... 254 10.1.3. Toplotne pumpe za pripremu tople vode.......................................................... 263

10.3. Proračun postrojenja za zagrevanje vode ...................................................................... 263 10.3.1. Količina i temperatura tople vode .................................................................... 263 10.3.2. Potrebna toplota - proračun sa faktorom istovremenosti.................................. 267

11. Sunčeva energija i mogućnosti primene.............................................................................. 275 11.1. Važniji podaci o suncu i njegovoj energiji .................................................................... 275 11.2. Raspodela sunčeve energije na zemlji........................................................................... 275 11.3. Energija sunčevog zračenja na gornjoj granici atmosfere ............................................. 276 11.4. Snaga sunčevog zračenja na površini zemlje ................................................................ 277 11.5. Zavisnost intenziteta insolacije jedne površine od njene orijentacije u prostoru........... 277 11.6. Meteorološki uticaji ...................................................................................................... 280 11.7. Komponente sunčevog zračenja.................................................................................... 280 11.8. Principi korišćenja sunčeve energije ............................................................................. 280

Sadržaj

X

11.9. Efekat staklene bašte ..................................................................................................... 281 11.10. Uređaji za koršćenje direktne sunčeve energije .......................................................... 282

11.10.1. Ravni solarni kolektori................................................................................... 283 11.10.2. Apsorber......................................................................................................... 284 11.10.3. Prednji pokrivač solarnog kolektora .............................................................. 286 11.10.4. Izolacija i zaptivanje solarnih kolektora......................................................... 288 11.10.5. Vazdušni solarni kolektori ............................................................................. 289 11.10.6. Optimalni nagibni ugao solarnog kolektora ................................................... 290 11.10.7. Koeficijent korisnog delovanja ili stepen iskorišćenja ravnog solarnog

kolektora........................................................................................................ 290 11.10.8. Specijalne konstrukcije ravnih kolektora sa tečnim radnim sredstvom ........ 293

11.11. Akumulisanje energije – osnovni principi i akumulatori toplote ................................ 293 11.11.1. Akumulatori toplote ....................................................................................... 293 11.11.2. Raspodela i regulacija toplote u solarnom sistemu ........................................ 297 11.11.4. Solarni bojleri................................................................................................. 299

11.12. Grejanje solarnom energijom i pasivna solarna arhitektura ....................................... 301 11.12.1. Grejanje prostorija solarnom energijom......................................................... 301 11.12.2. Trombeov zid ................................................................................................. 304 11.12.3. Prednost pasivnog nad aktivnim solarnim sistemom za zagrevanje kuća ...... 306 11.12.4. Uslovi za primenu pasivnog solarnog sistema za grejanje kuća ................... 307 11.12.5. Pasivno korišćenje sunčeve energije bez protoka vazduha ............................ 308 11.12.6. Problemi pregrevanja prostorija i njihovo otklanjanje ................................... 309 11.12.7 Solarne sušare ................................................................................................. 310

11.13. Koncentrisana sunčeva energija i njena primena ........................................................ 312 11.14. Povećanje energetske samostalnosti plastenika i staklenika ...................................... 314

11.14.1. Termoizolovanost plastenika i staklenika ...................................................... 314 11.15. Specijalne konstrukcije plastenika .............................................................................. 317

11.15.1. Plastenici sa promenljivom termoizolacijom ................................................. 317 11.15.2. Plastenici sa vodenom zavesom..................................................................... 318 11.15.3. Korišćenje otpadne toplote iz drugih procesa za grejanje plastenika i

staklenka........................................................................................................ 318 11.15.4. Korišćenje otpadne toplote iz domaćinstava za grejanje malih staklenika i

plastenika....................................................................................................... 319 11.15.5. Mere za intenzivnije grejanje staklenika i plastenika sunčevom energijom... 321 11.15.6. Posebne konstrukcije staklenika i plastenika sa intenzivnim korišćenjem

toplote sunčevog zračenja ............................................................................. 324

12. Klasifikacija sistema centralizovanog snabdevanja toplotom (hladnoćom) CST, (CSH)331 12.1. Daljinsko grejanje ......................................................................................................... 331

12.1.1. Opšte karakteristike razvoja............................................................................. 331 12.1.2. Prednosti i nedostaci CST ................................................................................ 333

Sadržaj

XI

12.2. Neki aspekti daljeg razvoja sistema CST kod nas......................................................... 335 12.3. Podela sistema daljinskog grejanja ............................................................................... 335

12.3.1. Izvori toplote u sistemu daljinskog grejanja .................................................... 336 12.4. Nosioci toplote u sistemima CST.................................................................................. 337

12.4.1. Izbor nosioca toplote i sistema snabdevanja toplotom..................................... 338 12.4.2. Sistemi sa vodom kao nosiocem toplote .......................................................... 341 12.4.3. Sistem sa vodom - zatvoreni sistemi ............................................................... 341 12.4.4. Sistem sa vodom - Otvoreni sistemi................................................................. 344 12.4.5. Sistemi sa vodenom parom kao nosiocem toplote ........................................... 344

13. Toplotne mreže...................................................................................................................... 349 13.1. Osnovne vrste mreža daljinskog grejanja...................................................................... 349 13.2. Osnovne računske zavisnosti ........................................................................................ 352 13.3. Redosled hidrauličnog proračuna.................................................................................. 355 13.4. Pijezometarski dijagram................................................................................................ 356 13.5. Metod hidrauličkog proračuna razgranatih toplotnih mreža ........................................ 358

13.5.1. Određivanje proračunskih protoka................................................................... 360 13.5.2. Rezerva magistralnih toplotnih mreža.............................................................. 361

13.6. Hidraulični režim cevnih mreža daljinskog grejanja..................................................... 364 13.6.1 Hidraulička karakteristika sistema .................................................................... 364 13.6.2 Hidraulički režim zatvorenih sistema................................................................ 365 13.6.3. Hidraulička stabilnost ...................................................................................... 369 13.6.4. Hidraulički režim otvorenih sistema ................................................................ 370 13.6.5. Hidraulički režim mreža sa pumpnim i prigušivačkim podstanicama ............ 370 13.6.6. Hidraulički udar u toplotnim mrežama ............................................................ 372

14. Konstrukcija i oprema toplotnih mreža.............................................................................. 377 14.1. Trasa i profil toplovoda................................................................................................. 377 14.2. Konstrukcija toplovoda ................................................................................................. 377

14.2.1. Kanalni toplovodi............................................................................................. 378 14.2.2. Beskanalni toplovodi........................................................................................ 381 14.2.3. Zaštita podzemnih toplovoda od potapanja i vlage .......................................... 384 14.2.4. Materijal i konstrukcija toplotne izolacije........................................................ 384 14.2.5. Cevi i spajanje cevi .......................................................................................... 386 14.2.6. Oslonci ............................................................................................................. 387 14.2.7. Kompenzacija temperaturnih dilatacija............................................................ 389

14.3. Termički proračun......................................................................................................... 395 14.3.1.Osnovne računske zavisnosti ............................................................................ 395 14.3.2. Termički otpor površine................................................................................... 396 14.3.3. Termički otpor sloja ......................................................................................... 397

Sadržaj

XII

14.3.4. Termički otpor izolacije nadzemnih toplovoda................................................ 397 14.3.5. Termički otpor tla ............................................................................................ 398 14.3.6. Toplotni gubici i koeficijent efektivnosti ......................................................... 399

15. Toplotne predajne stanice .................................................................................................... 403 15.1. Tipovi toplotnih predajnih stanica................................................................................. 403 15.2. Izmenjivači toplote........................................................................................................ 407

15.2.1. Proračun grejne površine razmenjivača - suprotan tok .................................... 409 15.2.2. Konstrukcija razmenjivača toplote................................................................... 410 15.2.3. Vrste izrade izmenjivača. ................................................................................. 410

15.3. Akumulatori toplote ...................................................................................................... 412 15.3.1. Akumulatori tople vode ................................................................................... 412 15.3.2. Akumulaciona sposobnost objekta (zgrada) .................................................... 415

16. Regulisanje i merenje u sistemima za CST......................................................................... 419 16.1. Metode regulacije.......................................................................................................... 419 16.2. Toplotne karakteristike izmenjivača toplote ................................................................. 422 16.3. Režimi regulisanja CST ................................................................................................ 425

16.3.1. Zadatak i način regulisanja............................................................................... 425 16.3.2. Sistemi regulisanja ........................................................................................... 425 16.3.3. Osnovi tehnike regulisanja............................................................................... 427 16.3.4. Uređaji za regulisanje....................................................................................... 428 16.3.5. Ventili u regulacionom kolu ............................................................................ 430

16.4. Automatizacija sistema CST ......................................................................................... 432

17. Kombinovana proizvodnja toplotne i električne energije u sistemima za CST............... 441 17.1. Koncept kogeneracije.................................................................................................... 441 17.2. Princip rada sistema kogeneracije ................................................................................. 441 17.3. Od proizvodnje samo električne energije do kogeneracije............................................ 443 17.4. Tehničke opcije za kogeneraciju - sistemi kogeneracije ............................................... 443

17.4.1. Izgradnja kogenerativnih postrojenja ............................................................... 443 17.4.2. Alternativna goriva .......................................................................................... 458 17.4.3. Trigeneraciono apsorpciono parno hlađenje .................................................... 458 17.4.4. Evolucija paketne kogeneracije........................................................................ 459 17.4.5. Kogeneracija i životna sredina ......................................................................... 459

17.5. Pregled inovativnih tehnologija u proizvodnji električne energije............................... 460 17.5.1. Postrojenja za sagorevanje u fluidizovanom sloju ........................................... 460 17.5.2. Kombinovani ciklusi sa gasifikacijom ............................................................. 462 17.5.3. Gorivne ćelije................................................................................................... 465 17.5.4. Tehnologije sa eksternom toplotnom energijom.............................................. 468

17.6. Tipične oblasti primene kogeneracije............................................................................ 470

Sadržaj

XIII

17.6.1. Direktno korišćenje otpadne toplote ................................................................ 471 17.6.2. Pokrivanje baznog električnog opterećenja...................................................... 471 17.6.3. Pokrivanje-praćenje električnog opterećenja ................................................... 472 17.6.4. Pokrivanje-praćenje toplotnog opterećenja...................................................... 472 17.6.5. Cene goriva ...................................................................................................... 472

18. Karakteristike prirodnog i tečnog naftnog gasa ................................................................ 479 18.1. Prirodni gas ................................................................................................................... 479 18.2. Termini, definicije i karakteristične veličine gasovitih goriva (SRPS H.F1.001,

SRPS M.E6.300).......................................................................................................... 479 18.3. Redukcija zapremine gasa............................................................................................. 481

18.3.1. Pritisak gasa p .................................................................................................. 483 18.3.2. Atmosferski prilisak p0..................................................................................... 483 18.4.3. Apsolutni pritisak pabs ...................................................................................... 483 18.3.4. Pritisak gasa u mirovanju psr ............................................................................ 483 18.3.5. Pritisak gasa pri proticanju p............................................................................ 484 18.4.6. Priključni pritisak p.......................................................................................... 484 18.4.7. Toplotna vrednost - gornja Hgn ........................................................................ 485 18.4.8. Toplotna vrednost – donja Hdn ......................................................................... 485 18.3.9. Relativna gustina d........................................................................................... 485 18.3.10. Wobbe indeks-gornji Wgn, donji Wdn .............................................................. 485

18.3.11. Maksimalna laminarna brzina plamena maxλ ............................................... 486 18.3.12. Teorijska količina vazduha Lmin ..................................................................... 486 18.3.13. Temperatura paljenja tp .................................................................................. 486 18.3.14. Granice eksplozivnosti - donja DGE, gornja GGE ............................................ 486

18.3.15. Relativna vlažnost gasa ϕ ............................................................................ 486 18.4. Tečni naftni gas............................................................................................................. 490

18.4.1. Naziv................................................................................................................ 490 18.4.2. Osnovne osobine.............................................................................................. 490 18.4.3. Sigurnost rukovanja TNG-om.......................................................................... 492 18.4.4. Kalorična vrednost i zapremina ....................................................................... 492

19. Sistemi za snabdevanje prirodnim gasom........................................................................... 499 19.1. Elementi sistema ........................................................................................................... 499 19.2. Magistralni gasovodi..................................................................................................... 501 19.3. Izbor trase magistralnih gasovoda................................................................................. 506

19.3.1. Preliminarni izbor trase.................................................................................... 506 19.3.2. Ključni faktori kod izbora trase........................................................................ 507

19.4. Gradski sistemi za snadbevanje gasom ......................................................................... 508 19.5. Industrijski sistemi za snadbevanje gasom.................................................................... 509

Sadržaj

XIV

20. Gasovodi ................................................................................................................................ 513 20.1. Tipovi gasovoda............................................................................................................ 513 20.2. Postavljanje podzemnih gasovoda ................................................................................ 513 20.3. Osnovni obrasci za dimenzionisanje ............................................................................. 514

20.3.1. Faktor kompresibilnosti ................................................................................... 517 20.4. Protok i pad pritiska ...................................................................................................... 518 20.5. Brzina gasa u gasovodu................................................................................................. 522

20.5.1.Optimalni pad pritiska po jedinici dužine gasovoda ......................................... 523 20.5.2.„Looping" gasovoda.......................................................................................... 523 20.5.3. „Pipeline Packing" ........................................................................................... 524

20.6. Mehanički proračun gasovoda ...................................................................................... 526 20.6.1. Dimenzionisanje fiksnih oslonaca (anker blokova) ......................................... 530 20.6.2 Različite debljine zida cevi ............................................................................... 531 20.6.3. Naponi usled spuštanja cevi ............................................................................. 533 20.6.4. Ogranci (T - komadi) ....................................................................................... 534 20.6.5. Armatura na ograncima.................................................................................... 536

20.7. Instalacije za gas u zgradama ........................................................................................ 537

21. Merno - Regulacione stanice ................................................................................................ 541 21.1. Koncepcija i smeštaj gasnih stanica .............................................................................. 541 21.2. Oprema i elementi gasnih stanica.................................................................................. 544

21.2.1. Cevi, cevni spojevi i fitinzi .............................................................................. 544 21.2.2. Zaporni organi.................................................................................................. 545 21.2.3. Filteri................................................................................................................ 548 21.2.4. Izmenjivači toplote........................................................................................... 550 21.2.5. Regulaciona linija ............................................................................................ 551 21.2.6. Merna linija...................................................................................................... 557 21.2.7. Merni instrumenti............................................................................................. 563 21.2.8 Izolacioni komadi i prirubnice .......................................................................... 566 21.2.9. Protivpovratne klapne ...................................................................................... 567 21.2.10. Odorizacija..................................................................................................... 568 21.2.11. Kontrola protoka ............................................................................................ 570 21.2.12. Termoregulacija ............................................................................................. 572

21.3. Telemetrija .................................................................................................................... 573 21.4. Zaštitne zone ................................................................................................................. 576 21.5. Ispitivanje i puštanje u rad ............................................................................................ 577 21.6. Problemi vezani za buku i mere za njeno otklanjanje ................................................... 579

22. Primena tečnog naftnog gasa ............................................................................................... 583 22.1. Proizvodnja tečnog naftnog gasa................................................................................... 583

Sadržaj

XV

22.1.1. Ekstrakcija TNG iz zemnog gasa..................................................................... 583 22.1.2. Apsorpciono postrojenje .................................................................................. 583 22.1.3. Niskotemperaturna separacija .......................................................................... 585 22.1.4. Adsorpcija ........................................................................................................ 585 22.1.5. Ekonomičnost proizvodnje TNG ..................................................................... 585 22.1.6. Proizvodnja TNG u rafinerijama nafte............................................................. 586

22.2. Transport i uskladištenje TNG ...................................................................................... 587 22.2.1 Boce .................................................................................................................. 587 22.2.2. Instalacije za pretakanjeTNG-a........................................................................ 590

22.3. Regulatori pritiska......................................................................................................... 591 22.3.1. Zadatak i podela............................................................................................... 591 22.3.2. Regulatori prvog stepena (visoki pritisak) ....................................................... 592 22.3.3. Regulatori II stepena (niski pritisak)................................................................ 593 22.3.4. Regulatori pritiska za TNG instalacije sa bocama ........................................... 595 22.3.5. Pogonski problemi regulatora .......................................................................... 595 22.3.6. Opšta primena TNG......................................................................................... 597 22.3.7. Domaćinstvo .................................................................................................... 598 22.3.8. Kuvanje............................................................................................................ 600 22.3.9. Zagrevanje vode............................................................................................... 600 22.3.10. Zagrevanje prostorija ..................................................................................... 601 22.3.11. Potrošnja gasa ................................................................................................ 604 22.3.12. Priključak za gas ............................................................................................ 604 22.3.13. Odvođenje gasova.......................................................................................... 605

Literatura.............................................................................................................................. 609

GREJANJEGREJANJE

Uvod, klasifikacija sistema

grejanja i oblast primene

Uvod, klasifikacija sistema

grejanja i oblast primene

1.1.

5

1. Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene

1.1. Svrha grejanja Svrha, odnosno zadatak grejanja je u tome da se gubitak toplote ljudskog tela reguliše zagrevanjem okoline, čime bi se uspostavila ravnoteža izmedju čovečjeg tela i njegove okoline, i obezbedilo da se čovek toplotno-fiziološki udobno oseća. Faktori koji utiču na ugodnost (osim odeće) su: temperatura vazduha, srednja temperatura zida, vlažnost vazduha, kretanje i čistoća vazduha. Grejanje ima uticaja na temperaturu vazduha i srednju temperaturu zida, tako da ova dva faktora definišu zajednički pojam osetne temperature. Ostali faktori se regulišu samo preko klima uređaja. Velika količina primarne energije (oko 40% u razvijenim zemljama) se koristi za sobno grejanje. Zbog njenog poskupljenja teži se smanjenju potrošnje energije uvodjenjem brojnih mera i metoda, od kojih se neke odnose i na područje grejne tehnike.

1.2. Istorijat grejne tehnike Prvi oblik lokalnog grejanja predstavljalo je ognjište koje se ložilo drvima i istovremeno služilo za spremanje jela, a velika mana mu je bila pojava jakog dima. Rimljani su tu manu odstranili pronalaskom drvenog uglja koji je sagorevao u metalnim ložištima bez pojave dima. U Evropi se u 10. veku prešlo sa otvorenog na zatvoreno ognjište. U početku su to bile peći (kamene i od ilovače) koje su odvodile dimne gasove kroz dimnjak, a kasnije u 14. veku pojavila se kaljeva peć.

Slika 1.2-1. Šema hipokaust grejanja


6

Gvozdena peć je nastala u 15. veku, od livenih pločastih peći, a u 17. veku kružne peći, koje su se vremenom usavršavale pa se neke i danas koriste. Znatno poboljšanje donele su gasne odnosno uljne peći. Poslednjih godina su u primeni termoakumulacione peći koje su naročito podesne za stare zgrade. Prvo centralno grejanje je bilo tzv. hipokaust-grejanje starih Rimljana (Slika 1.2-1.). Ložište je bilo ispod kuće, a ogrev drvo ili drveni ugalj, bez rešetke. Dimnim gasovima koji su odlazili u šuplji prostor ispod kuće vršilo se zagrevanje poda. Gasovi su se odvodili kroz jednu ili više cevi ili kanala u zidovima, a izlazili su sa strane kroz otvore. Dimnjaka nije bilo. Sudovi za vodu iznad ložišta su bili prvi prethodnici centralne pripreme potrošne vode. U kanalnom grejanju ispod poda nije bio podrum već kanali kroz koje su prolazili odvodni gasovi. Poboljšanje se postizalo dodatnim grejanjem svežeg vazduha i to nakon gašenja vatre, s tim što su se otvarali otvori na podu koji su inače bili zatvoreni. Na sličan način se od 12. veka primenjivalo grejanje vazduha pomoću kamena ili grejanje kamenim pećima. Slojevi kamena zagrejani vatrom od drveta odavali su svoju toplotu okolnom vazduhu u prostoriji nakon gašenja vatre (Slika 1.2-2.).

Slika 1.2-2. Šema grejanja pomoću kamena u pećima

U 18. veku pojavilo se vazdušno grejanje sa ozidanim pećima u podrumima i tada su prvi put bile odvojene putanje dimnih gasova (koji su odlazili kroz dimnjak) i vazduha (koji se zagrevao spolja na peći i ulazio kroz otvore na podu u prostoriju). Parno grejanje se pojavilo u Engleskoj 1850.godine. Vremenom se i ono razvijalo, pa se tako od 1870. godine izradjuju kotlovi od livenog gvoždja, 1880. g. liveni radijatori, 1895. g. člankasti kotlovi inženjera Štrebela. Natpritisak pare u početku je bio 1 do 2 bara, a grejna tela su bila u obliku rebrastih ili zmijastih cevi. Prvo veliko gradsko grejanje u Evropi izvedeno je 1900. g. u Drezdenu. Toplovodno grejanje prvi put je izvedeno sredinom 18. veka u Engleskoj i Francuskoj, a kasnije se razvija uporedo sa parnim grejanjem. Godine 1885. osnovana je Katedra za grejanje i provetravanje, sa Hermanom Ričelom u Berlinu. Savez nemačkih industrijalaca za centralno grejanje formira se 1898. g. Vrelovodno grejanje 1831. g. izumio je Perkins u Engleskoj. To je bio zatvoren sistem od cevi debelih zidova i visokog pritiska (do 50 bara). Ovo grejanje se pretežno upotrebljavalo u industrijske svrhe. Daljim razvojem dolazi se do novih dostignuća, pa se tako javljaju nova grejna


7

tela: konvektori, površinska grejna tela, kompaktna podna grejna tela (soklasta), zračeće ploče, podna grejna tela, podno grejanje. Dolazi do usavršavanja kotlova, naročito čeličnih. Poslednjih godina za grejanje su se znatno koristili ulje i gas kao i električno grejanje sa jeftinom noćnom strujom. Izgradjivana su daljinska grejanja u većim gradovima. Na najnoviji razvoj, pre svega, utiču rastuće cene energije, i isti ima na osnovu zakona o uštedi energije delimično za posledicu :

usavršeniju toplotnu izolaciju zgrada; sve češću upotrebu automatskog regulisanja; bolje iskorišćenje grejnih gasova u kotlovima; daljinsko snabdevanje toplotom; grejanje toplotnim pumpama i korišćenje alternativne energije kao energije Sunca,

biogasa i dr.; povratno dobijanje toplote različitim metodama; grejanje sa niskim temperaturama grejne vode - niskotemperatursko grejanje

1.3. Istorijat toplifikacije Niša Pionirski zahvati u oblasti izvođenja centralnog grejanja u Nišu datiraju iz tridesetih godina dvadesetog veka. Drugim rečima, prva postrojenja za centralno grejanje pojedinačnih objekata u Nišu su izgrađena 1930. godine i to u zgradi Doma zdravlja, Pozorištu, Trgovačkoj akademiji, Berzi rada. Ovi sistemi uglavnom su bili sa parom niskog pritiska. Nakon Drugog svetskog rata, usled težnje da se što pre obnove porušeni stambeni fondovi i izgrade novi stanovi zbog velikog priliva stanovništva, centralnom grejanju stanova nije se pridavala potrebna pažnja, i pored prisutne svesti o prednosti ovakvog načina zagrevanja. U periodu od 1945. do 1960. godine u Nišu je izgrađeno samo 12 kotlarnica. Posle 1960. godine, nakon saniranja materijalnih razaranja i početka intenzivnije stambene gradnje, nameće se potreba za dostizanje evropskih standarda stanovanja i rada. Bitan preduslov komfornog stanovanja postaje centralno grejanje objekata, pa se u periodu od 1960. do 1973. godine u Nišu izgrađene 94 kotlarnice za toplovodno grejanje. Ukupan kapacitet toplotnih izvora te 1973. godine iznosio je 22,62 MW. Njime se zagrevalo 104951 m2 stambene površine i 9327 m2 poslovnog prostora, sa 2600 m toplovoda. Saznanje da su pojedinačne i blokovske kotlarnice nerentabilna rešenja za grad koji je neprestano rastao, nameće potrebu za jedinstvenim sistemom toplifikacije (daljinskog grejanja) iz razloga što se osigurava:

- Najekonomičnije rešenje; - Bezbednost snabdevanja; - Energetsku efikasnost; - Nizak nivo emisije CO2 i zagađivača; - Nizak nivo zagađenja lokalne sredine; - Odgovarajuću toplotnu ugodnost.

Ovakav opravdani zahtev se realizuje odlukom o osnivanju specijalizovane organizacije “Gradska Toplana” 1970. godine. Te iste godine se grade i šest blokovskih kotlarnica pojedinačnih


8

kapaciteta od 1 do 6 MW. U periodu od 1975. do 1996. godine u skladu sa programom toplifikacije, počinje se izgradnja dve toplane i to “Krivi vir” i “Jug”.

Tabela 1.2-1. Toplifikacija stanova prema podacima iz 1992. godine

Priklj. na sistem toplif.

Priklj. na blok i ind.kotl.

individualno grejanje Ukupno

Broj stanova 16.507 2.327 42.618 61.452

Broj stanova (grad) 47.210 6.921 121.887 176.018

Površina stanova m2 981.005 130.284 2.470.667 3.581.956

Prosečna površina stana m2 59,43 55,58 57,97 58,30

27% 4% 69% 100%

Prva faza toplane “Krivi vir” završena je 1975. godine sa kapacitetom 35 MW. Već 1978. godine završena je i druga faza izgradnje sa još 35 MW kapaciteta, a treća faza izgradnje počinje 1986. godine, kojom je ona osposobljena za proizvodnju dodatnih 58 MW. Toplana “Jug” je takođe građena u fazama, pa je 1975. godine njen kapacitet bio 15,68MW, 1980. godine još 16,96 MW, a nakon 1986. godine još u dva navrata dograđeni su kapaciteti snage 33,92 MW. Iz datih podataka evidentno je da je od ukupnog broja stanova samo 31% priključen na centralno grejanje, a od ovog broja 87% je vezano na daljinski sistem preko dva izvora toplote. Od ostalih, oko 42,618 stanova koji se greju individualno, oko polovine koristi električnu energiju, a drugi mahom čvrsta goriva (ugalj i drvo). U 1995. godini toplotni kapaciteti pri toplani iznose 237000 kW sa 18 izvora toplote. U tabeli 1.2-2 je dat pregled stanja izvora toplote u 1995. godini na nivou opštine Niš. Iz tabele 1.2-2 se vidi da se iz ukupno 132 izvora toplote instalisanog kapaciteta 621330 kW, više od polovine ostvaruje daljinskim sistemom, i to sa dva izvora u stambeno poslovnoj oblasti i dva u industrijskoj oblasti. Ovom tabelom nije navedeno mnogo individualnih izvora zagrevanja, računajući pojedinačne stambene i poslovne objekte, koji se greju klasičnim pećima na čvrsto i tečno gorivo, kao i neke objekte koji koriste električnu energiju. U tom periodu dinamičnog razvoja grada čine se i napori u pravcu toplifikacije kako novih tako i starih delova grada. Akcenat je naročito dat centru grada gde je koncentracija kotlarnica najveća, pa počinje serija njihovog gašenja (u periodu od 1986. do 2000. godine ugašeno je 38 individualnih i 4 blokovske kotlarnice), tako da je u 2000. godini ostalo svega devet pojedinačnih kotlarnica u centru grada. Specijalizovano preduzeće “Gradska Toplana”, odlukom Skupštine opštine Niš iz 1980. godine, a shodno Zakonu o preduzećima i Zakonu o komunalnim delatnostima, transformiše se u Javno komunalno preduzeće “Gradska Toplana”. Danas na 15 toplotnih izvora “Gradske Toplane” sa 37 kotlova jedinične snage 241,9MW i aktivne snage 229,8 MW, priključeno je 1.192710 m2 stambenog i 336.564 m2 poslovnog prostora.


9

Trend rasta kapaciteta toplotnih izvora i povećanje broja korisnika (konzum) pratio je i rast kilometara toplovoda. Sa 2600 m magistralnog toplovoda davne 1973. godine, preko 12800 m 1980. godine, 35000 m 1990., do 42000 m magistralnih toplovoda danas.

Tabela 1.2-2. Stanje izvora toplote u 1995. godini

Gorivo Toplotni izvor Broj izvora toplote Čvrsto Tečno

Kapacitet kW

2 2 194.560 3 3 25.720

1. GRADSKA TOPLANA • Toplane • Blok. kotlarnice • Individ. kotlarnice 13 1 12 16.720

18 1 17 237.000

1 1 13.960 2. ZDRAVSTVENE ORGA.

• Blok. kotlarnice • Individ. kotlarnice 5 2 3 12.340

6 2 4 26.300

1 1 15.820 3. ŠKOLSTVO

• Blok. kotlarnice • Individ. kotlarnice 27 6 21 22.480

28 6 22 38.300

2 2 145.000 8 8 91.970

4. INDUSTRIJA • Toplane • Blok. kotlarnice • Individ. kotlarnice 11 2 9 27.430

21 2 19 264.400 5. STAMBENI OBJEKTI

• Individ. kotlarnice 5 3 2 3.800 5 3 2 3.800

1 1 5.820

6. POSLOVNE PROSTORIJE • Blok. kotlarnice • Individ. kotlarnice 53 9 44 45.610

54 9 45 51.430

4 4 339.560 14 14 153.290

REKAPITULACIJA • Toplane • Blok. kotlarnice • Individ. kotlarnice 114 23 91 128.380

SVEGA: 132 23 109 621.330

Danas 241,9 MW toplotnih izvora, 42 km magistralnih toplovoda i 400 toplotnih podstanica, javno komunalno preduzeće “Gradska Toplana” čini respektibilno preduzeće u ovoj oblasti. Uporedo sa razvojem toplifikacije i centralnog snabdevanja toplotnom energijom, brinulo se i o “kvalitetu vazduha” iznad grada, odnosno uticaju načina grejanja na stanje životne sredine vazduha, zemljišta i vode. Kotlarnice, kojih je do 1986. godine bilo čak 57 samo u centru grada,


10

uglavnom su koristile čvrsto gorivo čijim sagorevanjem je nastajao veliki broj materija štetnih po zdravlje građana. Njihovim radom emitovano je 146,1 kg/h SO2, što je povećalo koncentraciju SO2 u vazduhu na 0,118 mg/m3 po svakom dimnjaku (emiteru) prosečne visine 15m, na udaljenosti 100 do 200 m. Pored SO2 javljala se i znatna količina čađi. To je uslovilo (pored ostalih razloga) gašenje 38 individualnih i 4 blokovske kotlarnice u periodu 1986. do 2000. godine, čime je ukupna koncentracija SO2 i čađi smanjena za oko 70%. Gašenjem navedenih izvora toplote i priključenjem na Toplane “Krivi vir” i “Jug” povećanje koncentracije aerozagađivača, zbog povećanja konzuma je mnogostruko manje od koncentracije pri pojedinačnom radu ugašenih toplotnih izvora.

1.4. Klasifikacija sistema za grejanje Tehničko usavršavanje instalacija grejanja povezano je sa nivoom tehničkog napretka. Dalji rad na usavršavanju sistema je jedan od razloga za veliku raznovrsnost tehničkih rešenja. Klasifikacija se vrši po sledećim kriterijumima.

Mesto proizvodnje i korišćenja toplote - lokalno grejanje – toplota se dobija u uređaju koji je instaliran u prostoriji koja se greje; - centralno grejanje – toplota se dobija u kotlarnici, toplotnoj pumpi, solarnoj instalaciji

koji su smešteni u tehničkim prostorijama, a preko nosioca toplote neophodna količina toplote se dostavlja svakoj prostoriji u jednoj ili grupi zgrada;

- toplifikacioni sistemi – namenjeni su za velike grupe zgrada (rejoni, kompleksi zgrada, gradovi).

Tip nosioca toplote u sistemima - vodeni – u zatvorenim cirkulacionim krugovima transportuje se voda čije temperatura

menja; - parni – usled faznih prelaza, vodena para dobivena u kotlu u kotlu, odaje specifičnu

toplotu kondenzacije prelaza na prostoriju koja se greje; - vazdušni – zagrejan vazduh u vazdušnom aparatu se predaje prostoriji preko grejnih

tela. Vrsta goriva

- čvrsto gorivo - koks ili ugalj koji sagorevaju u kotlu ili pećima; - tečno gorivo – nafta, mazut; - gasovito gorivo – prirodni gas, propan – butan; - industrijski otpaci – drveni, tekstilni, poljoprivredni otpaci; - sunčevo zračenje; - vazduh, geotermalna voda, morska voda, čija se energija koristi preko toplotnih pumpi; - otpadna toplota tehnčkih procesa čije se iskorišćenje vrši preko razmenjivača toplote ili

toplotne pumpe; - električna energija.

Način odavanja toplote u prostoriji - Konvektivni – osnovni udeo je preko konvekcije; - zračeći – preovladavajući način razmene topote zračenjem; - toplovazdušni – koriste procese razmene mase; - kombinovani.


11

Veći deo od pomenutih grupa toplotnih instalacija se realizuju u različitim varijantama, što još nalaže podelu na sledeće podgrupe. Na primer sistemi parnog grejanja se dele na sisteme niskog (p<0,07 MPa) i visokog ( p>0,07Mpa) pritiska. Vodeni sistemi se prema temperaturi vode dele na

- nisko - srednje i - visokotemperaturni i sl.

1.4.1. Izbor sistema za grejanje Faktori koji utiču na izbor sistema, su:

- namena zgrada; - način gradnje - uslovi eksploatacije - vrsta i cena energenta koji je na raspolaganju - fiziološki zahtevi - ekološka ograničenja - zahtevi, montažnog, eksploatacionog.

Ispred toplotne instalacije se postavljaju montažni, eksploatacioni i ekonomski zahtevi. a) Temperature vazduha u prostoriji i temperatura ubacivanja treba da budu približno ravnomerene u celoj prostoriji ( uniformno temperaturno polje.) U prostorijama sa malim visinama (h< 4m) to se može postići konvektivnim i panelnim zračećim sistemima za grejanje. S porastom visine h prednost se daje toplovazdušnim i lokalnim zračećim (graničnim) sistemima. Kod visokih prostorija najpogodniji su visokotemperaturni zračeći grejači. b) Regulacija toplotne snage grejnih tela prema potrebnim potrebama i željama osoblja koja se nalazi u prostoriji. To je ispunjeno sistemom koji ima dovoljnu hidrauličnu i termičku stabilnost, toplotna snaga priključenih tela se menja u procesu centralnog regulisanja proporcionalno toplotnim potrebama. Narušavanje rada instalacije vodi do neravnomerne promene temperature u prostorijama. Neuregulisanost za uslove proračunskih režima je posledica pogrešno izabrane šeme, (lošeg proračuna), a pri promenljivim uslovima (ekspoataciona neregulisanost) zavisi od termičke stabilnosti i izabrane krive regulisanja. Izvođenje stepenastog regulisanja preporučljivo . c) Grejanje ne treba da pogoršava uslove boravaka i sastava vazduha . Grejna tela treba da budu lako dostupna i treba da imaju mogućnost lakog održavanja Nedopustivo je prisustvo štetnih gasova i para u prostoriji. Isto se odnosi na buku i šum. d) Toplotni sistemi treba da su usaglašeni sa konstruktivnim karakteristikama zgrada. Za zgrade koje se masovno grade naročitu važnost ima unifikacija građevinskih elemenata, sa kojima se usavršava montaža i pripremni radovi. Pri korišćenju grejne instalacije u odgovarajućim zgradama od prvostepenog značaja je da se izbegavaju načini rada, koji bi narušili normalnu eksploataciju u prostorijama. e) Vid sistema se bira prema nameni i karakteristikama tehnoloških procesa Pri proizvodnji lakozapaljivih i eksplozivnih predmeta lokalna grejanja su zabranjena. Za grejanje zgrada, koje su namenjene za produženi boravak ljudi, stambeni objekti, administracija, kolektivni


12

smeštaj i dr., sa srednjetemperaturskim konvektivnim grejanjem i zračećim sistemima. Pri povišenim higijenskim uslovima se koriste podno-zračeća grejanja (vodeni, električni). f) Povišeni zahtevi za kvalitetom na ispunjavanju sistema i narastanju obima radova nalažu da se koriste instalacije, koje dozvoljavaju industrijalizaciju prethodnih i montažnih radova. Prednost imaju kombinovane horizontalne instalacije. g) Energetski pokazatelji sistema za dobijanje toplote zavise od vrste goriva i efikasnosti procesa transformacije. Koristi se i ocena:

- koeficijent korisnog dejstva η=Qo.и/Qk.E

gde je: Qo.и - iskorišćena energija grejne instalacije; Qk.E - predata energija sistemu;

- koeficijent grejanja : ε=Qo.и/Qп.е,

gde je Qп.е - energija osnovnog goriva

h) Ekološka održivost pri proizvodnji toplote se menja, što može da ima teške posledice na gusto naseljene rejone. i) Prihvatljivi toplotni gubici ne smeju da budu visoki. j) I osiguranje mogućnosti za očitavanje i realnu naplatu potrošene toplotne energije.

1.5. Vazduh i mikroklima Temperatura čovečjeg tela iznosi, kao što znamo, oko 37°C. U kojim god krajevima da živi, sa kakvom god klimom, on svoju temperaturu stalno održava. Za obavljanje svih čovekovih životnih funkcija, potrebna je toplota. Pri varenju i disanju vrši se pretvaranje materije i pri tome se stvara toplota potrebna za život i rad čoveka. Tu proizvedenu toplotu čovek odaje svojoj okolini, i tako se telo čuva od preteranog odavanja toplote. Odavanje toplote vrši se automatski, tzv. termičkom regulacijom organizma. Ova regulacija je moguća u određenim granicama unutrašnjih meteoroloških uslova prostorije. Ako se ove granice pređu, potrebno je u hladno godišnje doba prostorije zagrevati, u vrelo hladiti, a ustajao vazduh zamenjivati svežim, tj. vetriti. To znači, stvarati veštačku mikroklimu. Sredina koja čoveka okružuje i kojoj on predaje svoju toplotu je vazduh. Potrebno mu je oko 15 kg vazduha dnevno. Znači, moramo se pozabaviti njegovim sastavom, svojstvima i njegovom higijenom.

1.5.1. Sastav i svojstva vazduha Vazduh je mešavina gasova, i sastoji se približno od:

kiseonika (O) 21 % azota( N) 78 % argona(Ar) 1 % ugljen-dioksida (CO2) 0,03 %


13

U vazduhu ima i malih količina helijuma, hidrogena, neona, kriptona, i ksenona. Osim ovih hemijskih sastojaka u vazduhu uvek ima vodene pare, prašine, štetnih gasova, mikroba i izvesnih teško merljivih materija koje prouzrokuju zadah. Suv vazduh je higroskopan i može primiti izvesnu količinu vlage. Maksimalna količina vlage koju vazduh može da primi zavisi od njegove temperature. Topao vazduh prima više vlage nego hladan. Stvarna količina pare koju 1m3 vazduha sadrži, označena u gramima, zove se apsolutna vlažnost. Maksimalna količina vlažnosti koju vazduh moze da primi zove se vlažnost zasićenja. Odnos između stvarne vlažnosti i one pri zasićenju zove se relativna vlažnost i izražava se u procentima. Ako se topao i vlažan vazduh hladi, smanjuje mu se kapacitet za primanje vlage, a relativna vlažnost mu se povećava sve do zasićenja (Slika 1.5-1.). Ako se vazduh hladi i preko ove granice, tada se višak vodene pare zgusne (kondenzuje) i pojavi u vidu kondenzne vode (kondenzat). U prirodi se ovaj kondenzat naziva rosom (tečno stanje) ili slanom (kad je zamrznut), a na staklima prozora pojavljuje se kao zamagljenje (znojenje) ili ledeno cveće. Prašina, koje uvek ima u vazduhu može biti anorganska (habanje puteva, pločnika, obrada sirovina, habanje alatki u fabrikama...) i organska (habanje drvenih podova, obuće, odela, raspadanje biljki...). Takođe, vazduh sadrži i čađ, koja nastaje pri nepotpunom sagorevanju goriva i koje naročito ima u većima gradovima i industrijskim krajevima.

Slika. 1.5-1. Relativna i apsolutna vlažnost vazduha

1.5.2. Higijena vazduha Da bi vazduh u zatvorenim prostorijama omogućio normalan život i rad potrebno je da odgovara zahtevima higijene. Iako čovek u velikoj meri može da se prilagodi prilikama koje oko njega vladaju, za prijatno osećanje i veći efekat rada potrebno je stvoriti optimalne uslove okoline u


14

kojoj čovek živi i radi. Od toga u velikoj meri zavisi i zdravlje ljudi koji žive i rade u zatvorenim prostorijama. Kao materija koju čovek udiše, vazduh treba da ima dovoljno kiseonika i da bude hemijski i mehanički nezagađen. Pri disanju se troši kiseonik a produkuje ugljen-dioksid. Od kiseonika se potroši 1/5, a ugljen-dioksida ima u izdahnutom vazduhu 100 puta više nego pre udisanja (tabela 1.5-1).

Tabela 1.5-1. Sastav vazduha

Udahnut svež vazduh Izdahnut vazduh

Kiseonik O 21,0% 16,5%

Uglj.dioksid CO2 0,04% 4,0%

Azot N 79,0% 79,5%

Potreba kiseonika zavisi od rada koji čovek vrši. Tek sniženje od 21% na 12% postaje opasno po organizam. Kako se kiseonik malo troši, a prostorije su retko hermetički zatvorene, opasnost od oskudice u kiseoniku ne postoji. Mada je produkcija ugljen-dioksida relativno velika, a 4% CO2 u vazduhu postaju opasni po zdravlje, ipak opasnost od nagomilavanja ne postoji, jer se vazduh menja prolaženjem kroz pukotine. Ugljen-dioksid je važan jer je indikator za meru pokvarenosti vazduha u zatvorenim prostorijama, jer se sa povećanjem njegovog sadržaja kvari vazduh raznim zadasima. Dozvoljena količina CO2 se uzima da je 0,14%. Na osnovu podataka iz tabele, može se izračunati da je potrebno 20 m3/h vazduha. Od prašine se organi za disanje refleksivno brane, ali se izvesna količina ipak zadržava na zidovima disajnih organa. Neke vrste prašine su otrovne, neke sadrže klice koje mogu biti zarazne, a neke mehanički izazivaju nadražaj. Organska prašina je podloga za mikrobe, naročito u vlažnim prostorijama bez sunčevog svetla. Ona može i da sagoreva na grejnim površinama uz razvijanje zadaha i štetnih gasova, i na sluzokoži organa za disanje izaziva lažan osećaj suvoće. Vazduh može biti zagađen i gasovima koji nastaju kao produkti sagorevanja, ili kao produkti organskog raspadanja. Ovi gasovi mogu biti i otrovni (CO), a smatraju se škodljivim i kad imaju neprijatan miris. Kao sredina koja čoveka okružuje, vazduh prvo mora omogućiti nesmetanu termičku regulaciju organizma, a to znači mora obezbediti ugodno osećanje čoveka. Odavanje toplote čovečijeg tela zavisi od funkcije koju on vrši i od uslova vazduha sredine u kojoj se nalazi. Vrši se uglavnom preko kože (88%), dok se ostali deo gubi zagrevanjem vazduha koji se udiše, izdavanjem pare iz pluća i zagrevanjem hrane i pića. Ovo odavanje se vrši zračenjem, konvekcijom, provođenjem i isparavanjem. Gubitak zračenjem zavisi od temperature okolnih predmeta, nameštaja, zidova, prozora. Pri normalnim uslovima iznosi 46%. U prostorijama koje se duže vremena ne greju osećaj hladnoće postoji iako je temperatura dovoljno visoka, jer je gubitak zračenjem prema hladnim zidovima prevelik. Gubitak konvekcijom iznosi 33% ukupne toplote i zavisi od razlike između temperature kože i vazduha i brzine kretanja vazduha. Provođenjem se gubi vrlo mali deo toplote, najviše


15

preko predmeta sa kojima je čovek u direktnom kontaktu. Gubitak isparavanjem se menja prema naporu koji čovek vrši, vlažnosti i temperaturi vazduha i može dostići 95% celokupnog gubitka toplote. Pri normalnim prilikama iznosi oko 19%.

Slika 1.5-2. Odavanje toplote čovečjeg tela u odnosu na temperaturu vazduha

Ako telo ne može da reguliše odavanje toplote na normalan način, nastaje znojenje. Isparavanjem znoja sa vlažne kože troši se toplota. Gubitak toplote isparavanjem je utoliko teži ukoliko je vazduh više zasićen vlagom i o tome treba voditi računa. Na Slici 1.4-2. prikazano je odavanje toplote tela u odnosu na temperaturu vazduha. Kriva Qs označava odavanje toplote konvekcijom, zračenjem i provođenjem Kriva Qh označava odavanje toplote isparavanjem. Q označava ukupne gubitke

hs QQQ +=

Menjanjem temperature, vlažnosti i brzine strujanja mogu se stvoriti optimalni uslovi. Raznim metodama je ispitivano koji su to uslovi pri kojima se čovek najprijatnije oseća. Pronađena je i sprava kojom se ustanovljavaju gubici toplote, vlažnosti i brzina kretanja vazduha (kata-termometar), odnosno temperatura, brzina vazduha i zračenje okolnih predmeta (glob-termometar). Tako je ustanovljeno da se čovek koji ne radi, a obično je odeven, najugodnije oseća kad je temperatura vazduha 16-20°C pri mirnom vazduhu. Ako se jedan od faktora promeni, moraju se promeniti i svi ostali da bi se zadržalo stanje ugodnosti. Na slici 1.5-3. je prikazan odnos između temperature i brzine kretanja vazduha. Vidi se da višoj temperaturi odgovara veća brzina vazduha. Kriva B-C označava najviše dozvoljene brzine struje vazduha koje nailaze na čoveka s lica pri sedenju u prostoriji. Ako struja ne dolazi spreda, brzina ne sme biti veća od 0,15 m/s.


16

Slika 1.5-3. Temperatura i brzina vazduha

Što se vlažnosti vazduha tiče, najugodnije je ako je relativna vlažnost 30-70%. Na slici 1.5-4. je prikazan odnos između temperature vazduha i njegove vlažnosti. Kriva označava granicu do koje se čovek oseća ugodno. Preko ove granice je područje sparine. U tablici 1.4-2 je prikazan optimalni odnos između spoljne i unutrašnje temperature vazduha i njegove relativne vlažnosti. U novije vreme se uvidelo da pored ovih pobrojanih faktora , osećaj ugodnosti u velikoj meri zavisi od temperature okolnih površina u prostoriji, pošto čovečje telo veliki deo toplote odaje zračenjem.

Slika 1.5-4. Temperatura i vlažnost vazduha


17

Tabela 1.5-2. Temperatura i vlažnost vazduha u prostorijama

Unutrašnji vazduh

Vlažnost % God doba

Spoljni vazduh

te °C ti °C Minimum Maksimum

Zima 20 22 35% 65%

20 22 - 65%

25 23 - 65%

30 25 - 60% Leto

32 26 - 35%

Na slici 1.5-5. je prikazan odnos između temperature vazduha i zidova u prostoriji. Vidi se da pri nižim temperaturama vazduha temperature zidova treba da budu više, odnosno vaduh treba da bude hladniji ako su temperature zidova više. Pri temperaturi vazduha 15-25°C, vlažnosti ϕ=30-70% i mirnom vazduhu čovek se oseća ugodno kada sredina između tempurature vazduha i temperature zidova iznosi oko 20°C (šrafirano označava zonu ugodnosti).

Slika 1.5-5. Temperatura vazduha i zidova

Termički komforTermički komfor

2.2.

21

2. Termički komfor

2.1. Uvod Pema ASHRAE termički uslovi ugodnosti određene osobe definisani su kao ono stanje svesti koje izražava zadovoljstvo termičkim stanjem okoline. S obzirom na to da svaki čovek ima subjektivan stav o udobnosti za različite aktivnosti, to otežava posao inženjera čiji je zadatak da omogući stvaranje uslova prihvatljivih za veći broj ljudi. Ključni parametri koji determinišu uslove termalnog komfora su svrstani u dve grupe: termički uslovi sredine i lični uticaji (parametri).

Termički uslovi sredine: temperatura vazduha relativna vlažnost vazduha relativna brzina vazduha srednja temperatura zračenja okružujućih površina

Lični uticaji: stepen aktivnosti termički otpor odeće

Energija potrebna za obavljanje funkcija ljudskog organizma razvija se u organizmu putem oksidacije hrane. Ovaj proces se zove metabolizam. Jedan deo ovako dobijene energije koristi se kao što je rečeno za obavljanje funkcija organizma, dok se drugi deo transformiše u toplotu. Ova toplota treba da je stalno u ravnoteži sa oklinom kako bi se telesna temperatura održavala konstantnom.

2.2. Energetski bilans čoveka A = M + W +Z + K + P - I – RES ........................................................................ (2.1)

gde su: A - akumulirana toplotna energija M - metabolizam W - spoljni rad Z - razmena toplote zračenjem K - razmena toplote konvekcijom P - razmena toplote provođenjem I - toplotni gubici isparavnjem

RES - gubici toplote putem respiracije

Kako je za uslove ravnoteže A=0, biće:

M + W - I - RES = Pc1........................................................................................... (2.2)

gde je Pc1 = Z + K - provođenje kroz odeću.

2. Termički komfor

22

2.2.1. Metabolizam M Energija koja se proizvede u telu (oksidacijom), metabolička energija M, delom se pretvara u mehaničku energiju W, delom ostaje kao toplota tela. Vrednost M varira u zavisnosti od aktivnosti. Jedinica ove energije je „met”, pri čemu je:

1 met =58.2 [Wf/m2]

Za zdravu mušku osobu od 20 godina, maksimalni kapacitet metaboličke energije je M=12 met, dok za osobu od 70 godina ova vrednost je oko M=7 met. Vrednosti metaboličke energije za različite aktivnosti čoveka date su u tabeli 2.2-1.

Tabela 2.2-1. Primer vrednosti metabolizma za razne vrste aktivnosti

Aktivnost: met. W/m2

Ležanje 0.8 47

Sedenje, mirno 1 56

Rad sedeći (kancelarija, kuća, laboratorija, škola) 1.2 70

Stajanje, relaksirano 1.2 70

Lagan rad, stojeći (kupovina, laboratorija, laka industrija) 1.6 93

Srednje težak rad, stojeći (prodavnica, kuća, mašina) 2 116

Težak rad 3 175

2.2.2. Spoljašnji rad W Spoljašnji rad može biti pozitivan i negativan. Ako se osoba fizički optereti ona troši energiju. Ova energija se deli na dva dela: jedan za savlađivanje otpora opterećenja (W je pozitivno), a drugi je unutrašnja energija. Odnos ovih energija je 1:4. Tako na primer, ako je potreban rad od 10 W/m2, metabolizam proizvodi 50 W/m2. Preostalih 40 W/m2 se mora odvesti u okolinu kako bi temeratura tela ostala konstantna. Rad W može biti i negativan, na primer pri kretanju osobe nizbrdo, kada se mora kočiti. Tada se deo potencijalne energije u mišićima pretvara u toplotu.

2.2.3. Gubitak toplotne energije isparavanjem I Jedan deo energije gubi se zbog difuzije vode kroz kožu Id, a drugi zbog isparavanja znoja sa površine kože Izn.

]mW[ )(1005.3 2

3ikd ppI −⋅⋅= − , ....................................................................... (2.3)

pk - parcijalni pritisak pare na temeraturi kože [Pa] pi - parcijalni parcijalni pare na okružujućeg vazduha [Pa]

Za upotrebu je podesnija temperatura tk, pa s obzirom na vezu

3373256 −⋅= kk tp .............................................................................................. (2.4)

2. Termički komfor

23

biće:

]mW[ )3373256(1005.3 2

3ikd ptI −−⋅⋅⋅= − ........................................................ (2.5)

Gubitak energije difuzijom vodene pare kroz kožu je permanentno i ne kontroliše ga termoregulacioni sistem organizma. Gubitak toplote znojenjem je jedan od najefikasnijih načina oslobađanja toplote. Veličina ove energije varira od 0 W/m2 pri mirovanju do 400 W/m2 pri teškom radu.

2.2.4. Gubitak toplotne energije respiracijom RES Toplotna energija se gubi zbog toga što je izdisani vazduh topliji od udisanog, kao i zbog razlike u sadržaju vlage. Gubitak zbog razlike u temperaturama je:

Eres=0.0014 M (34-ti) [ W/m2 ] , .......................................................................... (2.6)

Temperatura izdisanog vazduha je približno 34 °C. Ovaj gubitak je zanemarljiv. Na primer za osobu koja trči (M=400 W/m2) pri temperaturi t=10 °C, Eres je 25 W/m2. Gubitak toplote usled razlike u sadržaju vlage izdisanog i udisanog vazduha (latentni gubitak) iznosi:

25 /)5867(1072.1 mWpME iL −⋅⋅⋅= − , .............................................................. (2.7)

Za isti primer kao gore , pi=600Pa ( f=50% ) ovaj gubitak iznosi 36 W/m2. Konačno, gubitak usled respiracije je:

RES=Eres+EL

2.2.5. Provođenje toplote kroz odeću Pcl Razmena toplote kroz odeću se definiše na sledeći način:

cl

clkcl I

ttP⋅

−=

155.0)( , ................................................................................................. (2.8)

gde su tk - srednja temperatura kože [°C] tcl - temperatura površine odeće [°C] Icl - termička izolacija odeće [Clo]

Jedinica termičke izolacije odeće je „Clo” od engleske reči Cloth što znači odeća. To je bezdimenziona veličina koja predstavlja odnos otpora prolazu toplote od površine kože do spoljne površine obučenog tela (Rcl) prema otporu 0.155 m2K/W, koji odgovara „najpovoljnijoj” odeći na temperaturi 20 °C u stanju mirovanja. Znači:

1 Clo=0.155 m2K/W ili

Icl=Rcl/0.155 .......................................................................................................... (2.9)

Ispod u tabeli 2.2-2. date su vrednosti za Icl za razne kombinacije odeće.

2. Termički komfor

24

Tabela 2.2-2. Vrednosti za Icl

Kombinacija odeće Icl m2K/W

Naga osoba 0 0

Osoba u šorcu 0.1 0.016

Tipično tropsko odelo 0.3 0.047

Lagana letnja odeća 0.5 0.078

Radno odelo 0.8 0.124

Tipično zimsko odelo za zatvoren prostor 1 0.155

Teško tradicionalno evropsko poslovno odelo 1.5 0.233

2.2.6. Razmena toplote zračenjem Z Razmena toplote zračenjem se odvija između površina osobe (koža, odeća) i okružujućih površina (prozori, zidovi, grejna tela). Određuje se na sledeđi način:

44 )273()273( +−+⋅⋅⋅⋅= zclclef ttffZ σε [ W/m2 ], ................................... (2.10)

gde su: fef - faktor zračenja efektivno zračeće površine, tj. odnos efektivne površine zračenja obučenog

tela prema površini obučenog tela fcl - faktor površine odeće, tj. odnos površine obučenog prema površini golog tela ε - emisivnost spoljne površine obučenog tela, koristi se ε =0.97 σ - Stefan-Bolcmanova konstanta: 428 /1077.5 KmW−⋅=σ tcl - temperatura površine odeće [°C]

zt - srednja temperatura zračenja okružujućih poršina [°C]

Faktor fcl uvodi se zbog toga što se sve prethodne relacije odnose na m2 golog tela, a zračenje se odvija sa površine odeće. Faktor fef uzima se zbog toga što neki delovi tela ne razmenjuju toplotu sa okolinom nego između sebe (na primer ruke i telo, između nogu). Za osobu koja sedi, ovaj faktor ima vrednost 0.696, dok za osobu koja stoji, ima vrednost 0.725. Može se uzeti srednja vrednost fef=0.71. Srednja temperatura zračenja okružujućih površina zt se definiše kao uniformna temperatura okružujućih površina, koja će rezultovati u istoj razmeni toplote, kao u stvarnoj sredini. Određuje se iz relacije:

273...(4 4422

411 −⋅++⋅+⋅= −−− nnpppz TFTFTFt , ......................................... (2.11)

gde su: Tn - temperatura površine "n" [K]

Fp-n - vidni ugao između osobe i površine "n"

Posle uvrštavanja se dobija:

2. Termički komfor

25

2448 /)(1095.3 mWTTfZ zclcl −⋅⋅⋅= − , ........................................................... (2.12)

Za uobičajene vrednosti unutrašnjih temperatura (10-30 °C) ova jednačina se može napisati u linearnoj formi:

28 /)(1095.3 mWTTfZ zclcl −⋅⋅⋅= − , ...................................................... (2.13)

2.2.7. Razmena toplote konvekcijom K Zbog razlike temperatura površine osobe i okolnog vazduha javlja se prirodna konvekcija. Ukoliko vazduh prisilno nastrujava oko osobe (bilo ventilatorom, bilo zbog promaje), onda se radi o nasilnoj konvekciji. Razmena toplote konvekcijom se određuje na sledeći način:

)( iclkcl ttfK −⋅⋅= α W/m2 , ........................................................................... (2.14)

gde je:

kα - koeficijent prelaza toplote konvekcijom [W/m2K]

Eksperimentalno je utvrđeno da je za slobodnu konvekciju:

438.2 iclk tt −⋅=α [W/m2K], .......................................................................... (2.15)

a za prinudnu:

urk v⋅= 1.12α [W/m2K] , .............................................................................. (2.16)

gde je: vur - relativna brziina okolnog vazduha

Obično za slobodnu konvekciju važi vur≤ 0.1m/s.

2.2.8. Uslovi termalnog komfora Za ostvarivanje termalnog komfora neophodno je zadovoljenje jedačine komfora. Međutim to nije dovoljno i za njegovo održavanje. Termalni komfor će biti osiguran samo u uskoj oblasti parametara okružujuće površine. Ovo područje se razllikuje zavisno od osobe i vrste aktivnosti. Da bi se utvrdila zavisnost između aktivnosti i srednje temperature kože kao i aktivnosti i gubitka znoja, sprovedena su istraživanja sa osobama u uslovima termalnog komfora. Na taj način su dobijeni sledeći rezultati:

tk=35.7-0.0275(M-W) [°C]

Izn=0.42(M-W-58.2) [W/m2]

Rezultati su prikazani na dijagramima (Sl. 2.2-1. i Sl. 2.2-2.)

2. Termički komfor

26

Slika 2.2-1. Srednja temperatura sobe tk u funkciji aktivnosti za osobe u termalnom komforu

Slika 2.2-2. Gubitak toplote isparavanjem Izn u funkciji aktivnosti za osobe u termalnom komforu

Iz dijagrama se vidi da se pri pojačanoj aktivnosti temperatura kože smanjuje, a gubitak znoja povećava. Obadve reakcije povećavaju gubitak toplote iz unutrašnjosti tela prema okolini.

2.2.9. Jednačina termičkog komfora Unošenjem prethodnih relacija u jednačinu komfora dobija se:

−−⋅−−−−

−−−−⋅−−−

−

)(5887101.758.2))0,42((

))6.99((5733103.05)(5

3

i

i

pMWM

pWMWM

( ) ( ) ( )icekcezcecei ttfTTftM −+−⋅=−− − α4481096,3340014,0 ......................... (2.17)

2. Termički komfor

27

gde je:

( ) 155,0028,07,35 −−−= WMtce ..................................................................... (2.18)

⎪⎩

⎪⎨⎧

<−

>−−=

uriclur

uriceiclk

vttzav

vttzatt

1,1238,21,12

1,1238,238,2

4

44α ........................... (2.19)

⎪⎩

⎪⎨⎧

>+<+

=CloIzaICloIzaI

fclcl

clclcl 5,01,005,1

5,02,01 ........................................................... (2.20)

Jednačina komfora određuje one kombinacije aktivnosti, odeće i četiri varijable okružujuće sredine (ti, tz , vir , ϕi ), koje će osigurati termalni komfor.

2.2.10. Praktična primena jednačine termičkog komfora Jednačina komfora je kompleksna i nepodesna za ručno računanje, pa je zbog toga rešena na računaru na osnovu čega je razvijeno 28 dijagrama za praktičnu namenu. U principu se prvo biraju stepen aktivnosti, vrsta odeće a onda se iz dijagrama komfora biraju kombinacije 4 parametra okruženja, koje će osigurati termalni komfor.

2.2.11. Individualne razlike S obzirom na individualne razlike jednačina komfora ne može zadovoljiti svakog pojedinca. Međutim ona daje razultate koji zadovoljavaju najveći broj ljudi. Na osnovu istraživanja, utvrđeno je da je najbolji dostižni rezultat nezadovoljstvo između 5% grupe. Svako odstupanje od jednačine komfora povećaće ovaj procenat. Da bi se utvrdila prihvatljivost rezultata jednačine komfora ispitivani su i sledeći uticaji:

promena u uslovima za ljudski komfor od dana do dana Zaključeno je da uslovi komfora za pojedince mogu varirati neznatno iz dana u dan.

starosno doba Ispitivanjem raznih starosnih grupa u identičnim eksperimentalnim uslovima utvrđeno je da termalno okruženje koje odgovara starijim osobama nije bitno razločito od onoga koje zadovoljava mlađe.

adaptacija Rezultati istraživanja različitih grupa (ljudi iz tropskih krajeva, radnici u hladnjačama i dr.) su pokazala da se čovek ne može naviknuti na topliju ili hladniju klimu.

pol Muškarci i žene preferiraju skoro ista termička okruženja.

sezonski i dnevni ritam Nema razlike između uslova komfora leti i zimi, kao ni tokom dana.

boja i zvuk Istraživanja su pokazala da korišćenje „toplijih” boja na zidovima zimi ili „hladnijih” leti ne daju rezultate.

2. Termički komfor

28

2.3. Lokalna termalna neugodnost – nekomfor

2.3.1. Uzroci lokalne termalne neugodnosti Čovek se ne oseća ugodno, ako mu je jedan deo tela topao a drugi hladan. Zbog toga se uvodi novi zahtev za termalnim komforom, tj. da ne postoji lokalnih neugodnosti - nekomfora, na bilo kom delu tela. Lokalne neugodnosti mogu biti uzrokovane sledećim pojavama:

asimetrično polje zračenja (hladni prozori, topla grejna tela itd.) lokalno konvektivno hlađenje (promaja) kontakt sa toplim ili hladnim podom (podno grejanje) radi razlike u temperaturama vazduha po visini od stopala do glave

Asimetrično polje zračenja se opisuje parametrom poznatim pod nazivom „asimetrija temperature zračenja”, ∆tpr. Asimetrija temperature zračenja je definisana kao razlika temperatura zračenja između dve suprotne strane malih elemenata ravni. Asimetrija temperature zračenja od prozora ili drugih hladnih vertikalnih površina treba biti manja od 10°C (u odnosu na vertikalnu ravan 0,6 m iznad poda). Asimetrija temperature zračenja od toplog grejanog stropa će biti manja od 5°C (u odnosu na horizontalnu ravan 0,6 m iznad poda).

Pod promajom se podrazumeva nepoželjno lokalno hlađenje ljudskog tela radi kretanja vazduha, što može biti ozbiljan problem ne samo u objektima nego i u automobilima, vozovima i avionima. Promaja je jedan od najneugodnijih faktora okružujuće sredine na radnom mestu.

Slika 2.3-1. Preporuka za brzine vazduha prema postojećim standardima i poređenje sa rezultatima Christiansen-a

Preporučene vrednosti srednjih brzina prema ISO 7730: va<0,15m/s (srednja brzina vazduha u periodu od 3 min) za laganu aktivnost u sedećem

položaju za vreme zime (period grejanja), tj. pri radnim temperaturama od 20 do 24°C va<0,25m/s (srednja brzina vazduha u periodu od 3 min) za laganu aktivnost u sedećem

položaju leti (period hlađenja), tj. pri radnim temperaturama od 23 do 26°C

ISO; ASHRAE i NKB preporučuju sledeće vrednosti:

2. Termički komfor

29

Za laganu aktivnost u sedećem položaju razlika temperatura po visini između 1,1 m i 0,1 m iznad poda (nivo glave i članaka) treba da bude manja od 3°C.

Slika 2.3-2. Vertikalni temperaturni profil za vazduh kod raznih sistema grejanja

Slika 2.3-3. Procenat nezadovoljnih u funkciji vertikalne temperaturne razlike između glave i stopala

ISO i NKB zahtevi za temperaturom poda su identični: Za laganu aktivnost, uglavnom sedeći, temperatura površine poda će biti normalno između 19 i 26 °C, ali sistem podnog grejanja se može projektovati za 29 °C.

2. Termički komfor

30

Slika 2.3-4. Procenat nezadovoljnih u funkciji temperature poda

51

2

468

10

20

405080%

10 15 20 25 30Temperatura poda

Nez

adov

oljn

i35 40 °C

Napomena: 1. Sva predhodna razmatranja su u biti za osobe u temperaturnoj ravnoteži tj. za PSG≈0 2. U principu svaki termalni nekomfor vodi povećanom utrošku energije za njegovu

neutralizaciju, a svako povećanje temperature vodi povećanju energetske potrošnje od 5 do 15% po °C.

3. Esencijalno je projektovanje i zgrade i KGH sistema, tako da ne dođe do lokalnih nezadovoljstava termičkim komforom, što opet konsekutivno vodi povećanju energetske potrošnje.

2.3.2. Toplotni stres Pod toplotnim stresom se podrazumeva telesna tenzija uzrokovana dejstvom sredine. Ta tenzija se može ogledati u fiziološkim reakcijama, kao što je povećanje temperature kože, proizvodnja znoja, povećanje pulsa srca i povećana temperatura tela. Ova tenzija može biti takvog intenziteta da dovede do oboljenja. Uzročnici ovih telesnih tenzija mogu biti visoke temperature vazduha (za vreme leta), visoka temperatura zračenja (livnice, valjaonice, fabrike stakla, keramike, cigle....), visoki stepeni vlažnosti (rudnici, perionice) ili na radnom mestu sa pojačanim stepenom aktivnosti odnosno povećanim metabolizmom, ili tamo gde je nužna zaštitna odeća. Na ljudsko telo napomenuti toplotni stres se često vrednije tzv. indeksom toplotnog stresa, kao jedne veličine kojom se vrednuje uticaj jednog ili više parametara okruženja uključujući odeću i stepen aktivnosti.

2.3.2.1. Fiziološke reakcije u „vrelom” okruženju Poznato je da sportisti mogu razvijati i do 2000 W u intervalu od 5 do 10 min, odnosno 1500 W kroz duže vreme. Ako se ne bi osiguralo odvođenje ove energije teoretski bi vodilo povećanju temperature tela i do 60°C, a poznato je da je fatalna temperatura za ljudski organizam 42 do 43°C. Praćenje ovog napora na telu se može videti kroz povećanje temperature kože, temperature tela, pulsa i gubitka znoja, ali pri tome treba razlikovati dve situacije:

a) osobe naviknute na „vrelo” okruženje b) osobe aklimatizirane na „vrelo” okruženje

2. Termički komfor

31

Drugim rečima i pored toga što se čovekov organizam ne može navići na to da promeni poželjne uslove ugodnosti, osoba se nakon izlaganja vrelom okruženju može navići da podnosi, odnosno da toleriše, takva okruženja (Sl. 2.3-5.) i za takvu osobu se kaže da je aklimatizirana.

Slika 2.3-5. Efekat toplotne aklimatizacije

Tabela 2.3-1. Važni podaci za aklimatizaciju u "vrelom" okruženju

NEAKLIMATIZIRANE upozorenje opasnost

AKLIMATIZIRANE upozorenje opasnost

Maksimalna količina znoja

Odmor

SWmax

Rad

W/m2

(g/h)

W/m2

(g/h)

100

(260)

200

(520)

150

(390)

250

(650)

200

(520)

300

(780)

300

(780)

400

(1040)

Vlažnost kože Wmax 0,85 1,00

Dehidracija Dmax Wh/m2

(g)

1000

(2600)

1250

(3250)

1500

(3900)

2000

(5200)

Akumulirana toplota Qmax Wh/m2 50 60 50 60

Odgovarajuća promena rektalne temperature i temperat. kože

∆tre

∆tk

°C

°C

0,8

2,4

1

3

0,8

2,4

1

3

2. Termički komfor

32

Upozorenje: rad se može nastaviti pod uslovom da se preduzmu posebne mere. Na nivou opasnosti, rad treba obustaviti i utvrditi novu proceduru rad/odmor, zavisno da li je osoba aklimatizirana ili ne. Posledice izlaganja vrućem okruženju su:

a) Toplotni udar čiji su simptomi: kolaps, konvulzije, halucinacije i koma b) Toplotni kolaps nastaje kod prevelikog napora na krvni cirkulacioni sistem, što rezultuje u

teturanju, bledoći, vlažnoj koži i glavobolji c) Toplotna iscrpljenost radi dehidracije nastupa ako se izgubljena tečnost radi znojenja ne

nadoknadi. Gubitak tečnosti preko 1,5% telesne težine u toku jednog dana izazvaće smanjenje toplotne tolerancije, što vodi povećenju pulsa i telesne temperature. Prateća pojava su smanjenje fizičkih i mentalnih sposobnosti, vodeći ka pogrešnim odlukama, slaboj proceni opasnosti, smanjenoj spretnosti i povećanom vremenu reakcije

d) Toplotna iscrpljenost radi nedostatka soli nastaje kada se so izgubljena znojenjem ne nadoknađuje

e) Toplotni grčevi su oštri bolovi mišića, koji su bili izloženi velikom naporu, i najčešće se javljaju kod neaklimatiziranih radnika, koji se jako znoje i piju ogromne količine vode

f) Bolest znojnih žlezda se javlja nakon duge izloženosti (mesecima) u okruženju koje onemugaćava slobodno isparavanje znoja (vlažno okruženje), što može uzrokovati da se na pojedinim delovima kože ne luči znoj.

2.3.2.2. Indeksi toplotnog stresa Najpouzdaniji metod vrednovanja riskantnosti okoline je putem direktnog merenja: unutrašnje temperature tela, pulsa i eventualno količine isparenog znoja, te ih nakon toga uprediti sa preporukama. Obzirom da je ovo teško i u većini slučaja neprihvatljivo za rad u stvarnim uslovima, to već dugo vremena postoji interes za razvoj jedinstvenog vrednovanja svih kombinovanih uticaja, kojim bi se izrazio nivo toplotnog stresa.

2.3.2.3. Empirijski indeksi toplotnog stresa Empirijski indeksi su obično bazirani nekom koleracijom između dva ili više termalnih parametara i ljudskog reagovanja, a koleracija se određuje pomoću testiranja sa ljudima, tako da treba imati u vidu da isti u principu važi samo u testiranoj oblasti parametara okruženja.

A) Efektivna temperatura, ET Ovaj indeks je razvio Houghten sa saradnicama 1923. u USA, a njime je obuhvaćen uticaj temperature, vlažnosti i brzine vazduha. Naime, indeks ET predstavlja vrednost temperature zasićenog „mirnog” vazduha (prosečna brzina 0,12 m/s) osobe podvrgnute testiranju se premeštaju u drugu prostoriju u kojoj se osiguravaju razne kombinacije gornjih parametara (t, ϕ, v), a podešavaju se dotle dok testirani ne izjave da imaju identične termalne senzacije pri prelasku iz jedne u drugu prostoriju.

2. Termički komfor

33

Slika 2.3-6. Skala „normalne” efektivne temperature za laku odeću

Skala „normalne” efektivne temperature, za laku odeću, a važi i za indeks korigovane efektivne temperature. Za uptrebu nomograma nužno je povući liniju koja spaja temperature suvog i vlažnog termometra, a Korigovana Efektivna Temperatura KET se dobija u preseku sa odgovarajućom KET linijom. (KET - ovim ideksom uzima se u obzir i dejstvo sunčevog zračenja).

B) Predskazana 4 časovna količina znoja, P4KZ Ovaj indeks je razvijen za potrebe mornarice u Engleskoj, 1947. Indeks kombinuje efekte temperature, srednje temperature zračenja, brzine zraka i vlažnosti zajedno sa metabolizmom i odećom. Određuje se pomoću nomograma i strogo rečeno važi za grupu aklimatiziranih osoba, pri uslovima testiranja i ne može se koristiti za drugu grupu i pojedince.

C) Vlažna globtemperatura, VGT Stavljanjem termometra u crnu kuglu prečnika 6 cm, a obloženu vlažnom crnom krpom, taj termometar će dostići nakon 10 do 15 min. ravnotežno stanje i ta vrednost je VGT indeks.

D) Vlažna kugla glob – temperaturni indeks, VKGT Na bazi istaživaja utvrđena je sledeća kombinacija parametara, koji su u najboljoj relaciji sa reakcijom ljudskog organizma:

VKGT=0,7tnv+0,32tg , [°C], ................................................................................ (2.21)

gde su: tnv - prirodna temperatura vlažnog termometra tg - glob - temperatura

2. Termički komfor

34

Naknadno je utvrđeno da pri direktnom sunčevom zračenju, crna kugla nekorektno povećava uticaj zračenja, te je bilo nužno uvesti treći merni parametar za temperaturu vazduha tn, tako da je sada izraz za VKGT:

VKGT=0,7tnv+0, 2tg +0,1tn [°C] , ...................................................................... (2.22)

Treba znati da postoji značajna razlika između temperature vlažnog termometra tvn (koja se određuje merenjem pomoću temperaturnog senzora prekrivenog vlažnom krpom preko kojeg struji vazduh brzinom većom od 2 m/s, a senzor je zaštićen od uticaja zračenja) i prirodne temperature vlažnog termometra, tnv, a uvek važi tvn>tnv.

Tabela 2.3-2. Odredjivanje temperaturnog indeksa

Metabolizam, m Referentna veličina za VKGT

Klasa metabo-

lizma

U odnosu na jedinicu

površine kože (W/m2)

Ukupno za površinu čoveka od

1,8m2 (W)

Osoba aklimatizirana na toplotu

°C

Osoba neaklimatizirana

na toplotu °C

0 Mirovanje M<65 M<117 33 32

1 65<M<130 117<M<234 30 29

2 130<M<200 234<M<360 28 26

3 200<M<260 360<M<468

Neosetno vazdušno kretanje

25

Osetno vazdušno kretanje

26

Neosetno vazdušno kretanje

22

Osetno vazdušno kretanje

23

4 M>260 M>468 23 25 18 20

2.3.2.4. Analitički indeksi toplotnog stresa Ovi indeksi su normalno bazirani na analizi toplotnog bilansa ljudskog organizma i njegove izmene sa okružujućom sredinom i uvek u sebi sadrže četiri parametra sredine te aktivnosti i odeću.

A) Indeks toplotnog stresa, ITS Ovaj indeks se definiše kao odnos zahtevane količine znoja Izah prema maksimalnoj količini znoja Imax=1 l/h za tipičnog čoveka u periodu od 8 sati, dakle

ITS=(Izah/Imax)100 [ % ], .................................................................................... (2.23)

Pri tome se Imax određuje iz sledećeg izraza:

Imax=M-Z-K, ....................................................................................................... (2.24)

u kome je ispuštena energija za obavljanje mehaničkog rada i respiratorni gubitak. Korišćenjem posebnih tabela moguće ja odrediti vrednost ovog indeksa u % na bazi „tačno” definisanih relacija

2. Termički komfor

35

za svaku od komponenati u jednačini (Imax=M-Z-K ) uključujući dozvoljeno vreme boravka u datoj sredini τdoz, kao:

τdoz=2400/(Izah/Imax) [ min ], ............................................................................... (2.25)

Npr. ITS=0 znači da osoba nije izložena termičkom stresu u toku rada od 8 sati, a ITS=100, znači maksimalan napor kome se aklimatizirana osoba može izložiti.

B) Nova efektivna temperatura, ET* Ovaj indeks je baziran na jednačini toplotnog bilansa za čoveka i uzima u obzir svih šest ranije definisanih parametara komfora, a dobija se poređenjem sa termalnim stresom osobe u sedećem položaju, obučene u odeću sa 0.6 clo, izloženo vazduhu ϕ = 50% i ekvivaletnoj temperaturi jednakoj ET*.

C) Indeks zahtevane količine znoja, IKZ Ovaj indeks je uključen u ISO propise i treba ga koristiti kao dopunu ranijem WKGT, kada je nužno sprovesti detaljnu analizu. Prvo se odredi potrebno znojenje u uslovima termalne ravnoteže, Izah:

Izah= M - W - Z – K, ............................................................................................ (2.26)

Maksimalno znojenje Imax, koje okolina može prihvatiti se određuje iz:

Imax= (pzk - pu) / Re , ............................................................................................ (2.27)

gde su: Pzk - pritisak zasićenja vodene pare na temperaturi kože (5,9 KPa) Re - otpor odeće difuziji vodene pare, m2KPa/W

Zahtevana vlažnost kože SWzah:

SWzah= Izah / r , ................................................................................................... (2.28)

gde su:

r = 1 - 0.5exp[- 6.61(1 - Wzah)], .......................................................................... (2.29)

Wzah= Izah / r, ...................................................................................................... (2.30)

2.4. Termalni komfor i KGH sistemi Uslovi termalnog komfora moguće je definisati korektno na bazi kombinacije teoretskih zakonomernosti termodinamike, fenomena transporta i eksperimenata, uzimajući u obzir uticaj svih šest ključnih uticjnih faktora. Drugim rečima, ako bi se u nekom prostoru želeli ostvariti uslovi ugodnosti, pomoću nekog hipotetičkog KGH sistema , koji bi mogao da podešava uslove sredine prema stepenu aktivnosti i vrsti odeće korisnika. KGH sistem bi trebao da na određeni način dobije informacije o svim tim elementima, te putem dejstva elemenata atomatske regulacije menja npr. količinu dovedenog vazduha, njegovu temperaturu relativnu vlažnost itd., saglasno zahtevanom stanju u uslovima komfora. Takav sistem je u principu izvodljiv i ostvarljiv, ali ima svoj tehnoekonomski smisao samo u određenim specifičnim uslovima i situacijama, pa i tada ne mora da bude regulisan svaki od pomenutih parametara.

2. Termički komfor

36

Obzirom da je ljudski organizam u tom smislu dosta tolerantan i prilagodljiv stanju okruženja, to se u tehnici grejanja zimi zadovoljavamo da pre svega osiguramo prihvatljivu temperaturu vazduha npr. 20 °C u uslovima rada u učionici ili 24 °C u kupatilu. Ova temperatura se meri 1,5 m iznad poda u sredini prostorije. Uticaj vlažnosti se kod grejanja zimi posebno ne tretira. Drugi važan parametar komfora je srednja temperatura zračenja okružujućih površina tz negativan uticaj hladnih površina se uzima putem povećanja izračunatih toplotnih gubitaka u zavisnosti od vrednosti „srednjeg” koeficijenta prolaza toplote okružujućih površina prostorija, tzv. Krisher-ova D vrednost. U Francuskim normativima se taj uticaj uzima u obzir povećanjem proračunske temperature unutrašnjeg vazduha za 1 do 8 °C zavisno od „broja i veličine” hladnih površina. Potrebno je napomenuti da su danas evidentni rezultati istraživanja koji se odnose na stanje komfora i reakcije korisnika u objektima u kojima su izvedeni KGH sistemi. Problem je poznat po imenom „sindrom bolesnih zgrada”, pod kojima se podrazumeva senzacija zagušljivog ustajalog i neprihvatljivog vazduha, iritiranje membrana mukusa, glavobolje, nedefinisanog telesnog nezadovoljstva itd. Sindrom se javlja u velikom broju zgrada, ali sa velikom varijacijom inteziteta, negde se može požaliti samo nekoliko senzitivnih osoba da bi u drugim objektima moglo da bude 20, 40 pa čak i 60% nezadovoljnih korisnika. Problem vrednovanja ovakvog stanja se komplikuje činjenicom da obično nije uzrokovan dejstvom nekog određenog zagađivača, naprotiv u takvom vazduhu je prisutno na hiljade zagađivača, u koncetracijama manjim po nekoliko redova veličine, od onih koji se javljaju u industriji. Problem u industriji se rešava svođenjem koncetracije određenog ili određenih zagađivača na nivo ispod maksimalno dozvoljenih koncetracija (MDK vrednost) kada zdravlje korisnika nije ugroženo. Osnovna ideja da se koristi čovek za merenje i kvantificiranja zagađenosti vazduha, kao alternativa neosetvljivoj hemiskoj analizi. Za takvu kvantifikaciju nužno je naći ili definisati referentnu veličinu ili jedinicu sa kojom se onda može porediti bilo koji izraz zagađenja. Predlog za takvu jedinicu je dao Fanger nazivajući je „olf” od latinske reči „olfactus”. Jedan olf je emisija zagađivača vazduha (bioelfuenata) koji uzrokuje standardne osnove. Bilo koji drugi izvor zagađenosti se može kvantificirati potrebnim brojem standarnih osoba (olf) da izazovu isto nezadovoljstvo kao stvarni iznos zagađenja. Procenat nezadovoljnih PD osoba u zavisnosti od količine ventilisanog vazduha pri zagađenju koje emituje jedna standardna osoba je određen eksperimentalno, a može se prestaviti jednačinom:

PD=395exp (-1,83q0,25) za q>0,32 l/s.olf odnosno

PD=100% za q<0,32 l/s.olf

Isti autor uvodi i jedinicu „pol” od latinskog „pollutio”, kao jedinicu za opaženo zagađenje. To je zagađenje koje uzrokuje jedna standardna osoba (jedan olf) kada je izložena ventilaciji 1 l/s čistog vazduha dakle:

1 pol=1 olf/ (l/s)

Nakon što je uvedena ova jedinica onda je moguće kvantificirati izvore zagađenja u raznim objektima. Rezultati tih istraživanja vode dodatnom zahtevu vrednovanja „čistoće” elemenata KGH sistema i vrste materijala ugrađenog u prostor na osećaj komfora pored ranije definisanih paremetara za termalni komfor.

Lokalno grejanjeLokalno grejanje

3.3.

39

3. Lokalno grejanje (lokalni izvori toplote) Mnogo je razloga zbog kojih obične peći još dugo neće izaći iz upotrebe. Iako su, opšte uzevši, neekonomičnije od sistema centralnog grejanja, ta njihova negativna osobina ponekad se pretvara u prednost. Naime, kada treba zagrejati samo jednu prostoriju, često je ekonomičnije naložiti peć negoli uključiti celi sistem centralnog grejanja (veliko centralno ložište koje na minimalnom kapacitetu ne radi s optimalnim koeficijentom iskorišćenja, gubici sistema itd.). S druge strane, peć je uvek dobrodošla kao alternativni izvor toplote ako dođe do kvara na centralnom sistemu ili nestane goriva. Treće (iako često ne i najmanje važno), mnogi koji otkidaju od usta kako bi izgradili svoj "krov nad glavom" jednostavno nemaju dovoljno novca da ugrade i prilično skupe instalacije centralnog grejanja. U takvim slučajevima i jedna relativno jeftina peć osigurava toplotu barem u glavnoj prostoriji u kući ili stanu, a postupno, nabavkom još jedne ili dve rešava se grejanje i ostalih. Pritom jedna peć može biti na čvrsto, druga ne tečno gorivo ili gas (ako je na raspolaganju), a treća električna, pa se tako postiže fleksibilnost u pogledu izbora goriva i ekonomičnost u siromaštvu: grejemo se onoliko koliko možemo sebi dopustiti i onim gorivom koje nam je trenutno dostupno ili najjeftinije. Na kraju, i individualno shvaćanje komfora je različito: iako se uopšteno smatra da je centralno grejanje najkomfornije, nekome se može činiti udobnijim pucketanje vatrice i rekreacijsko cepanje drva ili spremanje uglja negoli zavisnost o komplikovanim i njemu nerazumljivim automatizovanim uređajima (i specijalistima za njihovo održavanje) ili suva klima radijatorskog grejanja. Najčešće, peći nas greju na oba već spomenuta načina: zračenjem kao i sunce, pa odmah, čim peć proradi osećamo toplotu, i konvekcijski, tj. vođenjem tako da se zagreva okolni vazduh time potiče njegova cirkulacija, a zrak opet zagreva ljude i predmete u prostoru. Takav kombinovani način je najprirodniji, a to je takođe pitanje udobnosti. Dakako, i centralni sistemi sadrže oba ta načina, ali su inertniji, sporiji i prvenstveno predviđeni i sračunati za zagrevanje vođenjem toplote. Toplota zračenja oseća se tek kad sistem postigne svoju punu radnu temperaturu, a onda je ona već manje značajna. Peći deluju brže, fleksibilnije. Iako se pod pojmom peć najčešće podrazumeva peć s ložištem na čvrsto gorivo, (drvo ili ugalj), treba imati na umu da danas postoje peći na sva poznata goriva: čvrsta, tečna i gas, ali i različite konstrukcije lokalnih izvora toplote kojima kao energent služi električna struja. Osim prema vrsti goriva, peći se mogu sistematizovati i prema načinu odavanja toplote, zatim prema brzini odavanja toplote i njene akumulacije, pa prema načinu gradnje itd. Nama se najlogičnijim čini izlaganje po istorijskom principu. Opisaćemo ih prema približnom redosledu kojim se razvijala tehnologija zagrevanja ljudskih prebivališta pri čemu treba odmah naglasiti da i najstarija rešenja predstavljaju stalan izazov energetičarima, pa se kombinovanjem tradicionalnih i savremenih saznanja neprekidno javljaju nove konstrukcije koje nastoje odgovoriti današnjim zahtevima. U svakom pojedinom slučaju nastojaćemo dati i sve ostale relevatne informacije. Ipak, naglasak je na rešenjima koja odgovaraju bar većini zahteva što se postavljaju pred moderno grejanje.

3. Lokalno grejanje (lokalni izvori toplote)

40

3.1. Kamini Kamin je zapravo delimično ograđeno kućno ognjište. Upravo se zbog toga uz njega emocionalno vezuje većina ljudi. Pucketanje vatre, odsjaj plamena na plafonu, toplota direktnog zračenja, sve to stvara posebnu atmosferu sigurnosti i blagostanja, zaštićenosti i budi u nama neke potisnute atavizme. Nažalost, kamin je i najneekonomičniji način grejanja. Njegov stepen iskorišćenja toplotne energije je vrlo nizak, pa čak ni ljudi koji zaista žive u blagostanju ne mogu sebi dopustiti luksuz da se greju samo kaminom, najpre zbog proždrljivosti goriva, te zbog slabog učinka pri zagrevanju prostorija. Osim toga, vrlo se često kamin ili dimnjak izvedu krivo: dimnjak ne vuče, drvo slabo gori i od grejanja ništa, a umesto romantike ostaje zadimljena prostorija. Najčešća greška je da mnogi kamini nemaju dovod svežeg vazduha u ložište. Drugi najčešći uzrok slabog sagorevanja krije se u krivo dimenzionisanom ili previše odmaknutom ložištu u odnosu na dimnjak, a treći u samom dimnjaku. Kamin se ne može priključiti na bilo koji dimnjak. Nekad, dok su kamini bili praktično najsavršeniji način grejanja, majstori su svoje trikove za dobro izvođenje kamina čuvali kao tajnu. U starim engleskim kućama građenim u prošlom veku, čak i kameni ugalj gori u kaminu bez dima i neugodnih mirisa! Uprkos nedostacima, ljudi se ni danas ne odriču kamina. Štaviše, i on je doživeo značajne inovacije pa čak i industrijsku proizvodnju, tako da možemo biti sigurniji u njegovu pouzdanost. Kamin se danas većinom gradi kao dodatni izvor toplote uz centralno grejanje, odnosno zbog ugodnije atmosfere. No, svejedno mora funkcionisati ispravno. Bilo da kupujete gotove elemente kamina ili se upuštate u gradnju, treba se držati dimenzija i proporcija.

Tabela 3.1-1. Tehnički podaci kamina

Potrebni profil dimnjaka (cm)

Tip kamina

Veličina prostori

je

(m3)

Dimenzije ložišta (cm) 3m<H<5

(m) H>5m

Osa priključka

na dimnjaku

(m)

Dimenzije osnove (cm)

Dovod svežeg vazdu

ha (cm2)

Masa

(kg)

ANTIKA TIP II ZO 90 66/50/41 25 20 2,00 87x55 240 530

ANTIKA TIP III ZO 120 84/70/45 30 25 2,20 108x62 360 780

ANTIKA TIP II VO 170 66/50/41 25 20 2,00 87x55 240 570

ANTIKA TIP III VO 270 84/70/45 30 25 2,20 108x62 360 845

SMREKA 120 70/56/55 25 20 2,10 86x65 300 380


41

Postoji i moderna varijanta kamina, s dobrim iskorišćenjem toplote. U ložište je ugrađen sistem cevi i dvostrukog gvozdenog zida, slično kao kod kotlova za centralno grejanje, pa se na takav kamin može priključiti i nekoliko radijatora pomoću kojih će se u sklopu malog sistema centralnog grejanja toplota bolje rasporediti u prostoru. Međutim, takav sistem ipak će raditi znatno manje ekonomično od sistema s pravim kotlom za centralno grejanje. Razlog tome su gubici toplote kroz dimnjak, koji su kod kamina uvek najveći kao i slaba mogućnost regulacije sagorevanja. Postoje i rešenja za povećanje stepena iskorišćenja kamina putem ugrađenog sistema za toplo vazdušno grejanje. U ovom slučaju, vazduh zagrejan u ložištu kamina, cirkuliše (razvodi se) prostorijom ili se čak vodi u susedne prostorije. Dakako, sistemi vazduha potrebnog za sagorevanje i za zagrevanje su odvojeni. Vrlo poznata konstrukcija je i kamin od livenog gvožđa tipa FRANKLIN koji je dobio ime po svom konstruktoru, čuvenom američkom naučniku, piscu i državniku Benjaminu Franklinu, koji je i pronalazač gromobrana. Rasprostranjen je svuda u svetu, a proizvodi se i kod nas. Taj je kamin vrlo jednostavne konstrukcije, a ima i vrata za zatvaranje ložišta, pa već predstavlja prelazni oblik prema pećima. Kad se prestane ložiti, vrata se zatvore čime se sprečava cirkulacija vazduha kroz ložište i brzo hlađenje. Akumulirana toplota postupno se odaje u prostoriju pa je utoliko taj tip ekonomičniji od potpuno klasičnih izvođenja. FRANKLIN se može i ozidati, (kamenom, ciglom) ili ugraditi na drugi način prema estetskim kriterijumima vlasnika. Osim što služi kao izvor toplote, kamin je i ukras prostorije, pa u spoljnjem izgledu postoji niz varijacija. To je ujedno jedino područje gde je izvođaču ostavljena puna kreativna sloboda, bez rizika da se ugrozi funkcionisanje. Osim toga, svaki obzid akumulira deo toplote, koja greje prostoriju i nakon prestanka loženja, pa je u tom smislu i koristan. Kamini se gotovo isključivo lože drvetom, koje treba nabaviti na vreme, i dobro ga uskladištiti i osušiti. Vlažno drvo najveći deo toplote troši za isparavanje vlage, a osim toga gori loše i dimi i u najbolje građenom kaminu, a onda nema nikakvog zadovoljstva takvim starinskim načinom grejanja. U narodu postoji izreka da dim uvek ide prema budali (jer pametan se makne). Parafrazirajući ovu izreku možemo reći: ko zna da ceni ugodnost grejanja drvima, treba da zna da drvo za loženje mora biti suvo.

Slika 3.1-1. Ložište kamina može se dodatno oplemeniti i kaljavim pločicama u raznim varijantama


42

3.2. Male peći na čvrsta goriva Na našem tržištu postoji velik izbor različitih peći, ali ne i stručna upoređenja njihovog kvaliteta i funkcije. Uopšteno, njihove su konstrukcije nastajale u vreme kad štednja energije nije bila primarna pa se može reći da standardne peći na čvrsta goriva nisu posebne štediše. Izuzetak u tom društvu čini stari dobri kuhinjski šporet. Iako je u prvom redu namenjen kuvanju, u mnogim je domaćinstvima i danas glavni pa čak i jedini izvor toplote. Dobro rešenim ložištem s dugim putem dimnih gasova energija goriva se maksimalno iskorišćava, kako za kuvanje, rernu, tako i za grejanje, uz mogućnost regulacije toplotnog učinka na jednostavan način. Ostale peći na čvrsta goriva odlikuju se uglavnom brzim odavanjem toplote nakon početka loženja, ali i niskom akumulacijom. Drugim rečima, koliko ložite, toliko ćete se i grejati. Dakle, i regulacija je primitivna. Te peći većinom ne zadovoljavaju navedene kriterijume dobrog grejanja, pa su uglavnom rešenja za nuždu, ili alternativni (kakav-takav) način grejanja. Najčešći je slučaj da površinska temperatura, bar delimično, prelazi granicu od 80°C. Ako dimnjak dobro ne vuče, peć se dimi i zagađuje prostoriju, a ako vuče previše (što je često slučaj u višim zgradama) troši mnogo goriva, jer najveći deo toplote odlazi u dimnjak. Ako je na isti dimnjak priključeno nekoliko peći (u visokim zgradama), opet slabo gore. Osim toga, brojna mala ložišta i dimnjaci više zagađuju spoljnu atmosferu nego manje većih iako su istog ukupnog kapaciteta, i to zbog bolje regulacije sagorevanja i zbog distribucije dimnih gasova. Naime, treba imati na umu da samo potpuno sagorevanje ne zagađuje atmosferu, a to je vrlo teško postići kod manjih peći.

Slika 3.2-1. Najobičnije peći uvek su najjeftinije rešenje, a mogu se obnoviti i vrlo ukusno uklopiti u svaki interijer.

Ipak, ćemo izdvojiti jedan relativno malo poznat tip, kod nas prisutan tek nekoliko godina koji je vrlo rasprostranjen u nekim severnim zemljama, poznat pod nazivom ENERGETIK. Peć je cilindričnog oblika, a vodoravnog izvođenja.


43

U cilindru se nalazi vrlo prostrano ložište, prikladno za različite vrste čvrstih goriva, i onih niže kalorične vrednosti. Oko cilindra su zavareni segmenti cevi kroz koje kad se ložište intenzivno greje, usled zagrevanja struji vazduh; dole ulazi hladan a gore izlazi topao vazduh. Peć na taj način stvara cirkulaciju i razvodi toplotu po prostoriji. Fleksibilna je u pogledu učinka, kako izborom goriva tako i regulacijom i prikladna za grejanje stanova, radionica, skladišta i raznih pogona.

Slika 3.2-2. Zaista ćete se iznenaditi promatrajući ovaj prizor: čudan cilindar s bezbroj rupa i cevi, upravo je peć na čvrsta goriva za vazdušno grejanje.

3.3. Kaljave peći Kaljave peći iskorišćavaju relativno visok stepen toplote proizvedene sagorevanjem drva, odnosno uglja (do najviše 80%), a dragocena im je osobina akumuliranje toplote u času intenzivnog loženja i postepeno zračenje: Prvo svojstvo postignuto je vertikalnim i horizontalnim kanalima (takozvanim cirkulacijama) kroz koje struje topli gasovi iz ložišta peći. Time je znatno produžen put kojim se kreću vrući gasovi pre odlaska u dimnjak, te oni veći deo toplote predaju samoj peći. Idealno bi bilo kad bi taj put bio vrlo velik, no to je neizvodljivo iz praktičnih razloga: peći bi morale biti nesrazmerno velike, dimnjak ne bi vukao a sagorevanje bi bilo sporo i nepotpuno pri čemu bi se stvarao otrovni ugljen monoksid.


44

Druga osobina ostvarena je velikom masom, dakle velikim toplotnim kapacitetom, peći koja se zagreje da bi zatim još satima nakon prestanka loženja zračila toplotu. Rezultat toga je ugodno saznanje da dobru kaljavu peć ne treba stalno ložiti, već je dovoljno 2 do 3 puta dnevno.

Slika 3.3-1. Način izvođenja cirkulacije

A) Vodoravna cirkulacija - topli glasovi stalno se penju prema dimnjaku cik-cak linijom. Ekonomičnost je manja nego kod ostalih načina i danas se ređe upotrebljava. Slična je spiralna cirkulacija, no s dodatnom spiralnom stazom. Put je malo duži, a sistem ekonomičniji od horizontalnog.

B) Vertikalna cirkulacija - topli gasovi u nekim se kanalima penju, a u drugima padaju. Prednost tog sistema je da se cela površina peći jednoličnije greje, što je ekonomičnije i često se upotrebljava. Značajno je takođe da je kod vertikalnog sistema moguće voditi prve (tople) kanale delom peći koji gleda prema prostoriji, a druge (hladnije) delom koji gleda prema zidu, različito usmeriti grejanje, dakle više zagrejati prostoriju a manje zid iza peći.

C) Kombinovani sistem sastavljen je od elemenata sva tri pre spomenuta načina. Ekonomičan je i često se upotrebljava.

D) Kombinovani sistem na jednoj niskoj kaljavoj peći (zatvoreni kamin). Vodoravni kanali su u sredini kamina, a vertikalni u bočnim delovima.

Upravo zbog tih svojih osobina kaljave peći predstavljaju najbolje rešenje tamo gde nema gasa. Jedini nedostatak kaljave peći je relativno dugo vreme od početka loženja do početka zračenja toplote. Kako je put dimnih gasova vrlo dug, temperatura im je na izlazu iz peći niska. Načini izvođenja tih prolaza kroz peć su različiti. No, kod svih dimnjak mora biti ispravan. Niska temperatura dimnih gasova može kod neispravnih ili ispucalih dimnjaka izazvati stvaranje kondenzata. Naši proizvođači, nude niz različitih modela kaljeva koji se mogu slagati u različitim varijantama. Jedna peć može se ugraditi u zid i iskoristiti za zagrevanje dveju prostorija, s tim da se npr. loži iz hodnika. Sve to doprinelo je ponovnoj renesansi kaljavih peći pa su proizvođači oživeli svoj proizvodni program koji smo do pre nekoliko godina gotovo zaboravili. S obzirom da se kaljave peći kupuju u delovima, veliki su izazov za kućne majstore, ali i različite samozvane stručnjake. Zbog toga često lepa kaljava peć ne funkcioniše kako treba. Osnovna uputstva za gradnju mogu se dobiti od svakog proizvođača kaljeva, možete posmatrati kako to rade majstori, ali pri gradnji ove vrste peći najveći stručni problem je strujanje dimnih gasova. Pravi stručnjak mora prema dimnjaku, na koji će peć biti priključena, znati odabrati način vođenja i


45

dužinu kanala kroz peć. Uostalom, osnovni je materijal gotovo neuništiv, pa se loše sazidana peć može srušiti i podići nanovo. Ali, čuvajte se nadristručnjaka. Najpouzdanije je zidanje kaljave peći, čije su vam reference poznate, poveriti majstoru tj. onome ko već ima iskustva i čije su mušterije zadovoljne njegovim poslom.

Slika 3.3-4. Kaljave peći - niz mogućnosti, lepi oblici, visoka efikasnost i ugodnost

3.4. Trajnožareće peći Trajnožareće peći poslednja su reč u razvoju tehnologije grejanja čvrstim gorivima. Princip njihove konstrukcije primenjuje se danas većinom i kod kotlova za centralno grejanje, ako su predviđeni za loženje čvrstim gorivom. Trajnožareća peć može se ložiti gotovo svakim črvrstim materijalom koji gori (izuzev slame, lišća i slično, ne zbog toga što to ne bi sagorevalo u ovoj peći, već zbog nepraktičnosti). U praksi, to su sve vrste uglja i drva, može se, dakako, ložiti i mešovito, uključujući i sav gorivi otpad. Stepen iskorišćenja toplotne energije goriva doseže do 80 posto. Jedna od velikih prednosti trajnožareće peći je što se ne mora često ložiti jer raspolaže velikim prostorom za gorivo, koji je dovoljno napuniti nekoliko puta dnevno, zavisno od intenziteta


46

grejanja. Druga velika prednost je vrlo dobra regulacija sagorevanja, praktično od nule do maksimuma, što doprinosi štednji goriva. Ima regulator grejanja koji se postavi na željeni stepen loženja, pa putem termostatskog elementa prema potrebi povećava ili smanjuje dovod vazduha za sagorevanje i tako sprečava da se peć razgori preko željenog intenziteta grejanja, ali i da se ugasi. Teorijski, tu peć ne bi trebalo gasiti tokom cele sezone što olakšava loženje, a ne povećava potrošnju goriva (peć je uvek topla pa nema gubitaka pri zagrevanju peći i dimnjaka). U praksi, gasi se samo zbog čišćenja. Dodamo li tome kompaktan izgled i relativno male dimenzije, bez sumnje, to je vrlo moderan uređaj. Peć je osim toga građena tako da intenzivira strujanje vazduha u prostoriji, a time i distribuciju toplote, pa se pomoću jedne peći ponekad može grejati i celi manji stan. I ljubitelji svetlucanja plamena u sumraku doći će na svoje, jer te peći redovno ispred ložišta imaju vrata s vatrostalnim staklom da se vidi plamen. Velika pažnja posvećena je zatvaranju svih otvora što i omogućuje pravu kontrolu sagorevanja, a osim toga ta peć praktično nikad ne dimi, bez obzira na kvalitet sagorevanja (osim ako u takvom momentu otvorite ložište). Ako je gorivo loše ili ste namerno prigušili loženje pre dodavanja goriva, tj. otvaranja poklopca za loženje, treba nakratko potpuno zatvoriti dovod vazduha (položaj regulatora 0) pa neće izlaziti dim dok ložite peć.

Slika 3.4-1. Primeri trajnožarećih peći

Trajnožareće peći prilagođene su veličinom za zagrevanje manjeg (dvosobnog) stana. Ako raspored prostorija omogućuje približno centralno postavljanje peći, što u prvom redu zavisi od položaja dimnjaka, onda se njome može zagrevati celi stan. Princip rada je sledeći: gorivo se obično ubacuje odozdo u prostor levkastog oblika, ispod koga je smeštena rešetka za sagarevanje, a ispod nje pepeljara. Vrata za ubacivanje goriva i celo ložište s pepeljarom hermetično su zatvorena, a vazduh potreban za sagorevanje dovodi se kontrolisano kroz otvor na pepeljari. Plamen i dimni gasovi oblivaju pri sagorevanju prostor za gorivo i tako ga suše i predgrevaju pre nego dospeju u zonu sagorevanja, a na svom putu do dimnjaka greju i relativno veliku spoljnu metalnu površinu ložišta koje je obloženo posebnim limenim omotačem ili kaljevima s otvorima pri dnu i pri vrhu, što izaziva intenzivno strujanje vazduha u međuprostoru. Hladan vazduh ulazi dole, preuzima toplotu od ložišta i zagrejan struji kroz gornje otvore u prostor. Na taj se način u okolnom prostoru stvara cirkulacija i brzo širi toplota.


47

Slika3.4-2. Princip rada trajnožareće peći

Prigušimo li dovod vazduha, gorivo će polako tinjati, a kad temperatura padne ispod željenog stepena regulacije termoelement će pojačati dovod vazduha i ono će se razgoreti. Čim se postigne prethodno stanje, dovod vazduha se opet automatski smanjuje. Na taj način se održava bilo koji željeni intenzitet sagorevanja, odnosno grejanja. Na prednjoj strani su velika vrata za čišćenje i vađenje pepela, koja su takođe hermetički zatvorena i ne otvaraju se dok peć normalno radi. Rešetka se povremeno čisti protresanjem polugom izvana. Učestalost čišćenja zavisi od kvaliteta goriva. Ako se peć intenzivno loži visokokaloričnim gorivom, nakon nekoliko sezona treba zameniti glavne delove ložišta.

3.5. Peći na tečno gorivo Razne peći na lož ulje (naftu) ili mazut služe najčešće za zagrevanje fabričkih hala, garaža i skladišta. Takve peći imaju gorionik kao kotlovi centralnog grejanja. Vazduh se dovodi ventilatorom, a gorivo raspršuje pomoću pumpe, pa je za njihov pogon uvek potrebna i električna energija. U vreme jeftine nafte, što je nažalost za nas prošlost, bio je vrlo popularan tip peći za domaćinstva na lož ulje, jednostavne konstrukcije bez elektroopreme. Peć je cilindričnog oblika, a tekno gorivo se preko posebnog regulatora dovodi iz bočno ugrađenog rezervoara na dno cilindra gde se zapali ubačenim komadićem gorućeg papira. Čim se ložište malo zagreje gorivo počinje da isparava, intenzitet sagorevanja se povećava, a snaga se reguliše dotokom goriva. Vazduh za sagorevanje dotiče slobodno kroz dvostruki omotač ložišta i kroz rupice po obodu ulazi u prostor za sagorevanje. Što je sagorevanje intenzivnije i doticanje vazduha je usled termosifonskog efekta (vazduh u omotaču ložišta zagrevajući se struji brže) veće pa se na taj način automatski reguliše smeša goriva i vazduha. Kao dodatna sigurnost da se peć ne bi previše razgorela usled kvara regulacije goriva, na usisu vazduha su žaluzine koje se automatski zatvaraju usled strujanja ako ono premaši određenu brzinu.


48

Rezervoar i ložište su, slično kao i kod trajnožareće peći, smešteni u posebnom spoljnom omotaču, pa se i toplota prenosi na sličan način, strujanjem vazduha između omotača ložišta i spoljnog omotača peći. Teorijski dobro zamišljene, popularne naftarice nisu u praksi bile bez mana. Miris sagorevanja nafte nije se osećao jedino ako je bio idealan dimnjak, a ni upaliti peć nije bilo baš uvek lako. A tek kad bi počela dimiti! Ako dimnjak samo malo lošije vuče sagorevanje je loše, peć se brzo prlja, a onda i jače dimi. Tako je najveća prednost naftarica bila jeftino gorivo, kojim se relativno jednostavnije baratalo negoli ugljem i drvima. Mogli ste ga doneti u kanistru od 5 ili 10 litara s obližnje pumpe, koliko ste trenutno imali novca ili mesta. Za lož ulje nije potrebno skladište, pa su se tako mogli grejati podstanari i studenti u skladu sa svojim mogućnostima. lako naftnih peći ima još na tržištu, njihovo zlatno doba je prošlo zbog poskupljenja goriva ali i zbog nedostataka. Danas za cenu lož ulja možete priuštiti i komfornije grejanje, a za one siromašnije koji su prisiljeni trpeti niži komfor, cena lož ulja je previsoka.

3.6. Gasne peći Ako nemate novca za izvođenje centralnog grejanja, a postoji priključak ili mogućnost priključenja na mrežu zemnog gasa, onda su gasne peći svakako najbolji izbor među lokalnim izvorima toplote. Osim što je najjeftiniji energent, gas sagoreva uz najmanje zagađivanja okoline a imajući na umu česta otvaranja novih nalazišta i razvijenu kontinentalnu mrežu distribucije može se smatrati da će se ubuduće gasom grejati jos više stanova. Svakako, osim priključka na gasnu mrežu, gas treba dovesti cevovodima do svakog potrošača, što donekle komplikuje i poskupljuje samu gasnu peć kao lokalni izvor toplote. Ali, gasne peći mnogo manje zavise od dimnjaka (iako se na izvođenje dimnjaka postavljaju posebni zahtevi u slučaju loženja gasom - stručni atest dimnjačara). Naime, mnogim gasnim pećima i ne treba dimnjak, već je dovoljno napraviti samo otvor kroz zid (tzv. fasadno izvođenje). To uslovljava postavljanje gasnih peći uz spoljne zidove, pa se mogu postaviti ispod prozora što je, kao što već znamo, najpogodnije mesto za grejno telo sa stanovišta strujanja i distribucije toplote u prostoru. Gasnim se pećima jednostavno rukuje, brzo se zagrevaju, imaju čisto sagorevanje i uz to vas kreditiraju. Utrošena energija plaća se naknadno, (a ne unapred kao kod većine drugih energenata), i periodično, obično jednom mesečno ili u dva meseca. Otpadaju svi problemi s nabavkom i čuvanjem goriva i ostale brige oko toga. S druge strane, osnovni troškovi priključenja na gasnu mrežu su prilično visoki, a i građevinski zahvati oko uvođenja instalacije u stare zgrade često su poprilični. Osim toga, treba imati na umu da gas sa vazduhom stvara eksplozivnu smešu pa kvaliteti izvođenja gasnih instalacija i ispravnosti gasnih aparata treba posvetiti najveću pažnju. Ovde nema mesta snalaženju i improvizacijama: sve mora biti izvedeno u skladu s vrlo strogim propisima. Zbog toga gasne instalacije smeju izvoditi samo ovlašteni (atestirani) majstori. Nesreće s gasom nisu česte, uglavnom zbog toga što se to pravilo poštuje, ali su vrlo razorne ako se to dogodi.


49

Slika 3.6-1. Gasne peći su efikasno rešenje za grejanje

Gasne peći proizvode se kao zračeće (isijavajuće) i kao konvekcijske. U prvom slučaju gasni gorionik zagreva šamotno telo ili element od metala, koji predaje toplotu pretežno zračenjem u okolni prostor. Takve su peći većinom manje snage i predviđene za zagrevanje pomoćnih prostorija kao što su kupatila, WC-i i sl. Konvekcijske peći građene su tako da zagrevanjem predaju toplotu okolnom vazduhu i intenziviraju njegovu cirkulaciju u prostoru, slično kao trajnožareće ili uljne peći. Redovno su opremljene regulatorom snage na bazi termoelementa i piezoupaljačem. Ne regulišu se kontinualno, pojačavanjem ili smanjivanjem plamena, već paljenjem i gašenjem, pa su u toplotnom učinku prilično skokovite. Udobnost grejanja gasnim pećima zbog toga se ne može uporediti s udobnošću centralnog radijatorskog grejanja, a ni ekonomičnost nije u istom rangu. Peć se automatski pali i gasi kad temperatura padne, odnosno naraste preko zadate vrednosti. U nastojanju da se iskoriste prednosti čistog sagorevanja gasa na tržištu su se pojavile tzv. katalitičke peći na tečni naftni gas (propan-butan), kojima nije potreban priključak na gasnu mrežu niti dimnjak. Nažalost, ta varijanta baš nije ekonomična, s obzirom na cenu, a problematika nabavke gasa u bocama pokazala se i opasnom. Takve peći intenzivno troše kiseonik iz atmosfere, pa ako je prostorija dobro zatvorena mogu izazvati trovanje, odnosno gušenje stanara. Nakon niza nesreća te su peći zabranjene. Međutim, kako nisu i uništene, valja znati da mogu poslužiti samo kao neekonomično i provizorno rešenje za nuždu, za grejanje natkrivenih, otvorenih ili dobro i stalno provetravanih većih prostorija. U zatvorenim prostorima ne pomaže ni znanje o njihovoj opasnosti. Simptom trovanja propanom je lagana pospanost, a pre nego što čovek shvati od čega mu se spava može zaspati zauvek. Na kraju, ne zbog zastrašivanja nego radi sigurnosti, slično se (srećom retko) događa i s normalnim gasnim pećima kad veza s spoljnom atmosferom (koja po pravilu mora osiguravati kako izlaz dimnih gasova tako i dovod svežeg vazduha za sagorevanje) nije propisno izvedena.


50

Slika 3.6-2. Ako i nema dimljaka u toj prostoriji moguće je i peći i gasne bojlere spojiti tako da imaju odvod produkata sagorevanja na fasadu.

Ukratko, gasne peći predstavljaju udoban, ekonomičan i siguran način zagrevanja jedino uz strogo poštovanje propisa i ako instalaciju kompletnog uređaja postavi stručnjak.

3.7. Elektro i termoakumulacione peći Uprkos tome što je struja najskuplja, elektropeći se zbog vrlo jednostavne i praktične upotrebe vrlo često koriste. Danas je električna energija na raspolaganju gotovo svuda, a osim toga predstavlja najčešći oblik energije, bar kad je reč o grejanju. Električne peći mogu se svuda postavljati priključuju se i uključuju jednostavno, ne treba im ni dimnjak niti kiseonik za sagorevanje, nema problema s loženjem i čišćenjem niti nošenja goriva. Ipak, elektropeći služe najčešće za pomoćno ili alternativno grejanje, zbog skupoće energije. Kao vrlo dobro rešenje za slučaj nužde ili za povremeno zagrevanje manjih prostorija služe različite konstrukcije elektrouljnih radijatora. Oni imaju električni grejač, napunjeni su termalnim uljem pokretljivi su (obično na točkićima) i mogu se postaviti bilo gde u stanu. Snaga grejača je između 1 i 2 kW, a uz pomoć redovno ugrađenog termostata (regulatora) mogu se unutar te snage programirati za bilo koji stepen grejanja. Kad se ulje zagreje na određenu izabranu temperaturu, termostat isključi grejač sve dok se ono ne ohladi ispod te temperature, tj. dok toplotu ne preda okolini. Vrlo su prikladni za grejanje spavaćih soba i grejanje u prelaznom razdoblju, kad se ne isplati uključivati veće uređaje, a ipak još (ili više) nije dovoljno toplo da bi se u prostoriji moglo boraviti bez grejanja.


51

Slika 3.7-1. Najčešće su verzije raznih električnih radijatora. Neki mogu biti radijatori i elektrokotao za sistem grejanja celog stana

Postoje i veća izvođenja, s jačim grejačem, koje mogu poslužiti i kao elektrokotao za sistem centralnog grejanja. Opremljen dograđenom cirkulacijskom pumpom i ekspanzionom posudom, takav se radijator obično postavlja u najveću prostoriju i cevovodima povezuje s nekoliko običnih radijatora u ostalim sobama. To je elegantno, ali nažalost skupo rešenje, koje se isplati samo u prostorijama gde se stalno ne boravi (kuće za odmor, manji lokali ili sl.), tim pre što nema mogućnosti da se racionalno koristi jeftinija tarifa električne energije, pa je mogućnost akumulacije toplote kod ovakvog sistema mala. Eventualno jedini način ekonomičnog grejanja, električnom energijom je termoakumulaciona peć za šta je pretpostavka jetfinija noćna tarifa električne energije i dvotarifno brojilo. Te peći akumuliraju toplotu noću kad se jeftinijom strujom, putem ugrađenog elektrogrejača zagreva šamotno telo velike mase (zbog čega i jesu ekstremno teške), a akumulirana toplota troši se danju, dok je struja skuplja, bez uključivanja grejača. Modernija izvođenja imaju i ventilator koji pospešuje konvekciju (izmenu toplote između šamotnog tela i vazduha u prostoriji) cirkulacijom vazduha, pa se regulacijom rada ventilatora, tj. programiranjem na zadatu temperaturu može kontrolisati širenje toplote. To znači da je s obzirom na ograničenu akumulativnost potreban prilično tačan proračun takvog grejanja, što rezultira popriličnim inicijalnim ulaganjem u potrebnu količinu peći. Ako proračun nije tačan ili su finansije za investiciju u takvo grejanje premale, rešenje je jednostavno ali opet skupo: uključiti grejač i za skuplje tarife. U tom pogledu vrlo je povoljno ako postoji jeftina tarifa i posle podne.


52

Slika 3.7-2. Samo termoakumulacione peći mogu maksimalno iskoristiti jeftiniju struju za svakodnevne potrebe grejanja

Slika 3.7-3. Električni kalorifer - efikasno rešenje za kupatila

Kad se u svim prostorijama stana reše lokalni izvori toplote, običino problem ostaje kupatilo. Za njega je najbolje rešenje neka brza grejalica. Novije verzije imaju ugrađen i termostat koji ih automatski isključuje kad se dostigne željena temperatura. Najpogodniji su kaloriferi koji u sebi imaju elektrogrejač i ventilator. I ovde termostat upravlja radom grejača i ventilatora pa se može regulisati. U kupatilima se zadrzavamo povremeno pa ih ne treba stalno grejati no dok se kupamo treba biti viša temperatura negoli u ostalim prostorijama. Zato grejanje u kupatilima mora biti fleksibilno, a to će se najlakše postići kaloriferom. Dobro je stalno održavati neku minimalnu temperaturu kako bi se sprečila kondenzacija, a kad zatreba, kaloriferom se brzo postiže i ona viša. S obzirom na mali volumen prostorije, ekonomičnost grejanja ne mora biti u prvom planu.


53

3.8. Jedna peć za ceo stan Princip grejanja nekoliko prostorija s jednim lokalnim izvorom toplote zasniva se na prirodnoj cirkulaciji vazduha. Uobičajeno je da je peć uz neki unutrašnji zid, jer je tamo i dimnjak. Zagrejani topli vazduh diže se pod plafon iste prostorije gde je peć ili kroz neki otvor, kanal i sl., u prostoriju pokraj ili iznad. Na hladnim plafonskim površinama ili spoljnom zidu, odnosno prozoru, taj se vazduh ohladi i spušta na pod, a cirkulacijom vazduha u prostoriji strujanje ga opet usmerava na peć i tako se ostvaruje kružna cirkulacija. Ovo kretanje vazduha je neosetljivo, jer su brzine strujanja vrlo male, tj. oko 0,1m/s. Da bi se to nesmetano odvijalo treba dobro zatvoriti vrata i prozore.

Slika 3.8-1. Jednim lokalnim izvorom toplote može se grejati i više prostorija


54

Ugradnjom peći u pregradni zid mogu se zagrevati dve susedne prostorije. Oko peći treba postaviti zaštitnu masku da bi se povećalo uzgonsko vertikalno strujanje, a topli vazduh se onda usmerava u obe prostorije. Želi li se neka prostorija samo povremeno grejati, u taj se strujni otvor može ugraditi klapna. Pri podu u obe prostorije treba omogućiti ulaz hladnog vazduha, jer je to osnovni uslov za kružnu cirkulaciju kroz prostoriju. Za grejanje prostorija po vertikali postoji nekoliko mogućnosti. Želite li bar malo zagrejati hodnik, kroz njega mora povratno cirkulisati hladni vazduh. Za razvod toplog vazduha u gornju prostoriju primenjuju se limeni kanali sa strujnom rešetkom. Mogu se naći razne rešetke za distribuciju vazduha na tržištu. Za dve prostorije na gornjem spratu i jednu na donjem potrebni su samo dobri vazdušni kanali i prirodna cirkulacija toplog vazduha. Postoje i druge mogućnosti osiguranja cirkulacije vazduha, pri čemu vazdušne kanale treba izvesti tako da se mogu dobro održavati (treba ih povremeno čistiti) i ako treba isključiti u prostoriji koja ima ugrađene klapne. Svakako, za grejanje se može iskoristiti i neka stara i ružna peć, ako se prednja maska lepo i estetski oblikuje, i postavi strujna rešetka što će dati osnovno obeležje enterijeru.

3.9. Kaljava peć - kotao S obzirom da sve kaljave peći treba prezidati nakon nekoliko godina usput se u ložište može ugraditi mali izmjenjivač toplote. Na taj se izmjenjivač - kotao spoje radijatori pa dobijamo kompletirani sistem centralnog grejanja s kaljevom peći. Svakako, u tom je slučaju veća i potrošnja goriva, ali takvo rešenje omogućava grejanje svih prostorija, a loži se samo u dnevnom boravku gde je kaljava peć. Taj sistem ima i niz drugih prednosti. Naprimer, u sobi u kojoj je peć nije potreban radijator, može se izgraditi sistem s prirodnom cirkulacijom pa je na taj način sistem nezavistan od električne energije, ali tada su razvodne cevi malo većih dimenzija.

Slika 3.9-1. Minikotao - izmenjivač toplote

Mnogi proizvođači kaljeva počeli su proizvoditi uloške za kotlove što omogućava izbor i naručivanje i kaljeve peći i uloška čak u nekoliko veličina i sl. Ako se takav sistem radi za ceo stan, kuću ili slično treba odgovarajuće dimenzionisati i peć, a ako je izvedena instalacija sa


55

prinudnom cirkulacijom (sa cirkulacionom pumpom) tada se topla voda za pranje i kupanje može pripremati preko sistema centralnog grejanja što je jeftinije nego električna energija.

Slika 3.9-2. Šema spajanja instalacije

Sistemi centralnog grejanjaSistemi centralnog grejanja

4.4.

59

4. Sistemi centralnog grejanja Kao što znamo, centralno grejanje se karakteriše time što za prostorije koje treba grejati postoji samo jedno mesto za loženje, često u podrumu, a toplota koja se tu razvija razvodi se u pojedine prostorije posredstvom nosioca toplote. Kao nosioci toplote koriste se voda, para ili vazduh, pa u odnosu na to razlikujemo toplovodno, parno i vazdušno (centralno) grejanje. Prednosti centralnog grejanja su:

- smanjen broj ložišta i dimnjaka; - smanjeno zagađivanje okoline; - nema prenošenja goriva i pepela u stanovima; - velika ekonomičnost iskorišćenja goriva; - potrebno malo prostora za grejna tela; - malo prostora pri opsluživanju.

Nedostaci: - potrebno merenje za tačnu raspodelu troškova većeg broja stanova; - veći troškovi, ali veća ugodnost; - gubici energije pri distribuciji toplote.

4.1. Toplovodno grejanje Toplovodno grejanje radi sa toplom vodom maksimalne temperature od 110°C kao nosiocem toplote. Postoji više kriterijuma na osnovu kojih se razvrstavaju centralna grejanja, a to su: Prema vrsti cirkulacije vode:

- gravitaciono toplovodno grejanje - pumpno toplovodno grejanje

Prema načinu dovođenja vode u sistem grejnih tela: - jednocevni sistem - dvocevni sistem

Prema vrsti goriva: - toplovodno grejanje sa čvrstim gorivom ugljem ili drvetom - tečnim gorivom - lakim (naftom) ili teškim lož-uljem (mazut) - gasom - prirodnim (zemnim) ili propan-butan gasom - električnom energijom

Prema vezi sa atmosferom: - otvoreni sistem - zatvoreni sistem

Toplovodno grejanje je našlo najširu primenu među svim sistemima grejanja, a naročito otvoreni i zatvoreni pumpni sistemi.

4. Sistemi centralnog grejanja

60

Prednosti: - jednostavnost do koje dovodi automatska regulacija, osim pri loženju čvrstim gorivom - velika pogonska sigurnost - blago i prijatno zagrevanje usled niskih površinskih temperatura grejnih tela - centralno regulisanje promenom temperature vode - dobro regulisanje pomoću termostatskih ventila - minimalna korozija i samim tim dug vek.

Nedostaci: - veća inertnost i time potrebno duže vreme za zagrevanje - veći investicioni troškovi - opasnost od zamrzavanja kada postrojenje nije u pogonu.

4.1.1. Jednocevni sistemi Predstavlja najjednostavniji i najjevtiniji način izrade za manje stambene i poslovne objekte. Generalno, dobar deo ili celokupna količina fluida struji kroz više redno povezanih grejnih tela, tako da je potreban veći pritisak pumpe.

Slika 4.1-1. Vertikalni jednocevni sistem toplovodnog grejanja sa gornjim razvodom


61

Temperatura vode snižava se sa svakim prostrujanim grejnim telom, tako da svako naredno grejno telo mora imati veću grejnu površinu zarad ostvarenja ekvivalentnog kapaciteta. Bitna osobina jednocevnih sistema je i nemogućnost dobrog regulisanja odavanja toplote sa pojedinih grejnih tela. Cevna mreža jednocevnih sistema može se postaviti na više načina.

4.1.1.1. Vertikalni cevni sistemi Na slici 4.1-1. prikazan je vertikalni jednocevni sistem toplovodnog grejanja sa gornjim razvodom. Jednocevni vertikalni sistemi sa donjim razvodom ili takozvane “P“ vertikale, počeli su se primenjivati sa početkom građenja zgrada bez tavana. Sistemom na slici 4.1-2. prikazane su najviše upotrebljavane šeme zgrada do tri sprata i u tzv. Modularnoj izgradnji stanova. Kod ovih vertikala kapaciteti radijatora svake sobe dele se obično na 2 dela-jedan (s leva) sa kvantitativnom regulacijom odavanja toplote, dok je drugi (s desna) neregulišući-protočni. Na najvišljem spratu postoji mogućnost vazdušne regulacije odavanja toplote protočnog radijatora.

Slika 4.1-2. Vertikalni jednocevni sistem toplovodnog grejanja sa donjim razvodom - takozvanim “P“ vertikalama

4.1.1.2. Horizontalni razvodni krugovi Rasprostranjenost horizontalnih sistema grejanja uslovljena je povećanjem dužina zgrada, uvođenjem montažnih panelnih konstrukcija, primenom dugačkih prozora itd. Grejna tela se horizontalno naizmenično vezuju, obrazujući horizontalne razvodne grane. Svaka grana zagreva po deo stambenog objekta na jednom spratu, tako da ih na istom spratu može biti i više. Na slici 4.1-3. prikazan je primer izvođenja horizontalnih razvodnih krugova u jednocevnim toplovodnim sistemima.


62

Slika 4.1-3. Primer izvođenja horizontalnih razvodnih krugova u jednocevnim toplovodnim sistemima

Prednosti horizontalnog cevnog sistema su: - mogućnost regulacije po spratovima - manje probijanja horizontalne konstrukcije - olakšano kasnije dograđivanje instalacije - jednostavna montaža - olakšano merenje potrošnje toplote

Prednosti vertikalnog cevnog sistema: - lakša montaža

Nedostaci oba jednocevna sistema: - isključivanje pojedinih grejnih tela utiče na ostala - potrebne veće grejne površine svakog “nizvodnog” grejnog tela.


63

4.1.2. Dvocevni sistemi Dvocevni toplovodni sistem je zasigurno najčešći sistem razvođenja toplote do potrošača. Svako grejno telo je priključeno na odvojeni napojni i povratni vod, i dobija napojnu vodu približno iste temperature. Regulacija toplotnog kapaciteta vrši se pomoću regulacionog ventila prigušivanjem protoka vode.

4.1.2.1. Donji razvod Pri donjem razvodu, na slici 4.1-4. prikazan je primer pumpnog toplovodnog grejanja sa donjim razvodom-otvoreni sistem, koji je često u primeni, napojni i povratni vodovi postavljaju se ispod tavanice podruma. Napojni fluid odatle, preko napojnih usponskih vodova struji kroz grejna tela, i zatim se preko povratnih vertikalnih vodova vraća u kotao. Na najvišljim tačkama cevne mreže (vertikala) predviđeno je centralno ili lokalno odzračivanje. Centralno odzračivanje putem razvođenja odzračne cevne mreže je često problematično zbog nepravilnog izvođenja, te se sve ređe nalazi u praksi. Vrlo česta primena ovog sistema proizilazi iz položaja samog izvora toplote, bilo kotlarnice, bilo podstanice, koji su uglavnom locirani u podrumu zgrada ili poslovnih objekata. Na slici 4.1-5. prikazan je zatvoreni sistem pumpnog toplovodnog grejanja sa donjim razvodom. Ovaj sistem je pogodniji od prethodnog u pogledu izvođenja instalacije pod pritiskom zbog mogućnosti smeštanja zatvorenog ekspanzionog suda.

Slika 4.1-4. Pumpno toplovodno grejanje sa donjim razvodom-otvoreni sistem

1

23

4


64

Slika 4.1-5. Pumpno toplovodno grejanje sa donjim razvodom-zatvoreni sistem

4.1.2.2. Gornji razvod Gornji razvod (slike 4.1-6. i 4.1-7.) se obično primenjuje u slučaju nepostojanja podrumskih prostorija, uz lokaciju kotlarnice u okviru prostorija u prizemlju ili kod krovnih kotlarnica; ali i u slučaju primene gravitacionog sistema, i kada u podrumu nema dovoljno mesta za smeštaj horizontalnih deonica cevovoda. Tom prilikom grejna voda se transportuje pomoću pumpe ili gravitaciono centralnim usponskim vodom do krova, odnosno ispod plafona najvišeg sprata; a odatle napojni vodovi se granaju i formiraju vertikale do pojedinih grejnih tela. Preko povratnih vertikalnih vodova, grejna voda se vraća u kotlarnicu ili podstanicu. Odzračivanje je najčešće centralno, ili preko odzračne posude sa šiber ventilom i odzračnom cevi na najvišim tačkama horizonatalne cevne mreže. Osnovni uslov primene gravitacionog grejanja je da uzgonska sila fluida stvorena razlikom gustina povratne vode (70°C-veće gustine) i napojne vode (90°C-manje gustine) bude jednaka ili veća od sume pada pritisaka pri strujanju kroz cevovod usled lokalnih otpora i otpora trenja.


65

Slika 4.1-6. Gravitaciono grejanje sa gornjim razvodom-zatvoreni sistem

Gravitaciono grejanje se daleko ređe izvodi od pumpnog iz razloga uvećanih troškova zbog većih dimenzija cevovoda, iako pak ima i prednost u vidu pouzdanosti i nezavisnosti od električne energije pri upotrebi čvrstog goriva u kotlarnici. Donji razvod je jeftiniji, mada je grejanje inertnije nego pri gornjem razvodu. U prvom sistemu se deo toplote (količina u zavisnosti od debljine i karakteristika izolacije) gubi u podrumu, a kod drugog, gornjeg razvoda, toplota se gubi u tavanskom (krovnom) prostoru.

4.1.2.3. Kombinovani razvod Kombinovani razvod (slika 4.1-8.) se u praksi primenjuje kod dvospratnica u slučaju nepostojanja podrumskih prostorija, uz lokaciju kotlarnice u okviru prostorija u prizemlju. Pri tome, obično se horizontalni cevni vod montira ispod plafona prizemlja, pa se odatle izvlače vertikale do pojedinih grejnih tela u prizemlju, kao i na prvom i ostalim spratovima. Na taj način, pojedina grejna tela su “potopljena” (sva ona u okviru prizemlja). Prednost ovakovog razvoda u odnosu na druge je najjeftinija investiciona vrednost instalacije, ali ne mali problem predstavlja teškoća finog regulisanja adekvatnog odavanja toplote grejnih tela po spratovima. Odzračivanje je najčešće lokalno, preko automatskih odzračnih ventila na gornjim vertikalama, ili preko odzračnih slavinica na grejnim telima (radijatorima).


66

Slika 4.1-7. Pumpno grejanje sa gornjim razvodom-zatvoreni sistem

Slika 4.1-8. Pumpno grejanje sa kombinovanim razvodom -zatvoreni sistem


67

4.1.3. Panelno grejanje Pod panelnim ili “površinskim” grejanjem podrazumeva se sistem grejanja kod koga se odavanje toplote u prostoriji vrši pomoću zagrejanih površina, obično montiranih u građevinske elemente same prostorije: tavanicu, pod odnosno zidove. Ovaj vid grejanja drugačije se naziva i grejanje zračenjem, a nosilac toplote je isključivo niskotemperaturna topla voda.

4.1.3.1. Podno grejanje Kao što sam naziv kaže, pri podnom grejanju (slika 4.1-9.) grejne cevi postavljaju se u podu i povezuju sa toplovodnim centralnim grejanjem. Temperatura grejnog fluida iznosi maksimalno 40-60°C, a u prelaznom periodu samo 25-40°C. Najčešći projektni temperaturni režim u praksi je 50/40°C ili 55/45°C. Konvekcijom i zračenjem odaje se toplota sa poda naviše u prostoriju, dok je odavanje toplote naniže sprečeno slojem toplotne izolacije (ploče od pene polistirola i dr.). Osnovni uslov koji bi trebalo ispoštovati prilikom projektovanja i izvođenja podnog grejanja je ograničenje maksimalne temperature poda zarad komfora ljudi na nekih 27-29°C (u zavisnosti od tipa prostorija), osim u tankim pojasevima oko spoljašnjih zidova, gde temperatura može dostići i 35°C. Iako postoji više načina izrade, generalno se mogu podeliti u dve grupe: mokro i suvo postavljanje, slika 4.1-10. Po pravilu grejne površine jednog stana priključuju se na jedan razdelnik grejnih kola, i pri tome se, pomoću ventila za regulisanje može postići hidrauličko izravnanje pojedinih, paralelno priključenih grejnih kola.

Slika 4.1-9. Šema podnog grejanja


68

POD BETON

IZOLACIJA

NOSEĆATAVANICA

CEVI

CEVI

NOSEĆATAVANICA

PENASTAPLOČA

FOLIJA

Al-LIM

SUVAPLOČA

NOSEĆATAVANICA

IZOLACIJACEVIAl-LIM

BETONSKAKOŠULJICA

POD

Slika 4.1-10. Primeri postavljanja cevi u okviru podne konstrukcije

a) Mokro postavljanje je postavljanje direktno u betonsku košuljicu na mokru podlogu, pri čemu se pričvršćuju za metalnu podlogu. Pri tome je potrebno obezbediti dobar prenos toplote. Ispod cevi se postavlja termička i hidro-izolacija, a debljina betona (sličnog koeficijenta širenja kao cevi) iznad cevi se ograničava na 45-70 mm.

b) Suvo postavljanje je postavljanje cevi na gotove ploče od tvrde pene sa izvesnim kanalima ili žljebovima u sebi. Iznad toga je betonska košuljica ili izvesne, na primer mermerne ploče. Debljina sloja iznad cevi je 45 mm. Montaža u ovom slučaju je brža i jednostavnija.

Kod podnog grejanja uglavnom se koriste plastične (sintetičke) cevi od polietilena (PE), polipropilena (PP), polibutilena (PB) i slično, prečnika du=12-20 mm. Cevi imaju dug vek trajanja, a međusobno odstojanje na kojem se postavljaju je obično s=120-200 mm. Cevi se inače postavljaju u obliku zmije, spirale ili kombinovano kao na slici 4.1-11.

Slika 4.1-11. Načini postavljanja cevi

4.1.3.2. Plafonsko grejanje Plafonsko grejanje može se izvoditi na nekoliko različitih načina u zavisnosti od konstrukcije plafona.

a) Cevno plafonsko grejanje (slika 4.1-12.) izvodi se najčešće od bešavnih cevi, koje se postavljaju u tavanicu, pri čemu se cevi postavljaju ili u betonu ili u plafonskom malteru.

Postavljanje grejnih cevi u betonsku konstrukciju mora da se izvrši prilikom izrade same plafonske konstrukcije. Pri tome cevi treba postaviti sa potrebnim odstojnicima na drvenu oplatu iznad čelične armature, pre nego što se izvrši punjenje betonom.

Kod postavljanja grejnih cevi u malter treba najpre postaviti plafonske ploče, pa se tek onda okače cevi na plafon. Ispod cevi se postavlja žičana mreža radi očuvanja homogenosti betona (da ne


69

popuca), pa tek onda se vrši malterisanje u nekoliko slojeva malterom od kreča i cementa, sa dodatkom tkanja od jute.

Slika 4.1-12. Načini izvođenja cevnog-plafonskog grejanja

b) Lamelno plafonsko grejanje (slika 4.1-13.) zbog smanjenja inertnosti sistema i ubrzanog zagrevanja konstrukcije, vrlo često se oko grejnih cevi postavljaju lamele od aluminijumskog lima, čiji je zadatak da brže odvode toplotu od cevi i predaju konstrukciji. Način pričvršćenja cevi za plafon i malter su različiti, ali je vrlo bitno da se malter osuši pre postepenog zagrevanja grejnih cevi.

Slika 4.1-13. Lamelni grejni plafon

CEV POSTAVLJENA U NOSAČ

POPREČNI PRESEK

NOSEĆI PROFIL

SPOJNI ELEMENTI

c) Grejanje zračećim pločama-upotrebljavaju se grejne ploče koje se slobodno kače na tavanicu, takvu kakva je. Ploče se često izrađuju od čeličnog lima, a za njih se cevi pričvršćuju obujmicama ili zavarivanjem. Gornja strana ploča je izolovana, a ovaj vid plafonskog grejanja se upotrebljava najčešće u fabrikama.

4.1.3.3. Zidno grejanje Kod ove vrste panelnog grejanja grejne cevi postavljaju se u spoljnim zidovima, posebno u parapetima prozora, slika 4.1-14. Obično predstavljaju dodatne grejne površine uz plafonsko grejanje, da bi se umanjili ventilacioni i infiltracioni gubici toplote kroz prozore. Iza grejnih cevi


70

valja postaviti izolacionu ploču debljine 6-8 cm. Dobrim rasporedom grejnih cevi u parapetu ispod prozora postiže se dobro ujednačavanje temperature u prostoriji.

Slika 4.1-14. Grejna površina u prozorskom parapetu

Prednosti panelnog grejanja u odnosu na uobičajene toplovodne sisteme su:

- ujednačenija je i ravnomernija temperatura u grejnom prostoru nego kod radijatorskog grejanja, naročito se to odnosi na podno grejanje

- nevidljiva je instalacija i ne ometa izgled enterijera - vodovi su u unutrašnjosti prostora i opasnost od zamrzavanja svedena je na minimum - zbog niže površinske temperature manje se diže prašine u grejnim prostorima - podno grejanje je u eksploataciji ekonomičnije od radijatorskog i do 30%

Nedostaci panelnog grejanja u odnosu na uobičajene toplovodne sisteme su: - veći su investicioni troškovi u odnosu na centralno radijatorsko grejanje - zbog velike inercije sistema nema primenu u prostorima sa velikim prekidima

zagrevanja - bilo kakve naknadne ispravke su otežane i veoma skupe - otežano je zagrevanje prostora u okolini hladnih zidova, što negativno utiče na lica koja

se nalaze u neposrednoj blizini - ukoliko je grejna površina zaklonjena nameštajem ili podnim pokrivačima (tepihom i

sl.), smanjena je efikasnost zagrevanja

4.2. Parno grejanje niskog pritiska Kod parnih grejanja kao nosilac toplote upotrebljava se para. Para koja se razvije u kotlovima dovodi se grejnim telima kroz cevne vodove, kondenzuje se i vraća kao kondenzat u kotlove, gde kružni tok počinje iznova. Postoji više kriterijuma na osnovu kojih se razvrstavaju sistemi parnih grejanja, a to su: Prema pritisku pare:

- parno grejanje niskog pritiska - parno grejanje visokog pritiska - vakuumsko parno grejanje


71

Prema vezi sa atmosferom: - otvoreni sistem - zatvoreni sistem

Prema cevnom sistemu: - jednocevni sistem - dvocevni sistem.

Prema položaju glavnog napojnog voda: - gornji razvod - donji razvod

Prema položaju kondenznog voda: - gornji (suvi) kondenzni povratni vod - donji (mokri) kondenzni povratni vod

Prema načinu povratka kondenzata: - povratak prirodnim putem - povratak prinudnim putem (pomoću pumpe).

Za grejanje u stambenim zgradama i ustanovama danas se retko koristi para, a mnogo češće za prostorije koje se koriste kratko vreme ili periodično, kao što su sajmišta, izložbene prostorije itd., naročito kada postoji opasnost od smrzavanja za vreme prekida grejanja kao u fabričkim kuhinjama, perionicima i fabrikama kojima je para potrebna u druge svrhe. Puštanjem u rad kotla, proizvodi se para čiji pritisak raste do potrebne vrednosti i para prodire u razvodne vodove i grejna tela. Para potiskuje vazduh prema grejnim telima u kojima zbog manje gustine, uvek lebdi iznad vazdušnog sloja ne mešajući se sa njime. U projektnim uslovima, u grejno telo treba da prodre ona količIna pare koja će se u njemu kondenzovati, tako da se izbegne da para dospe u kondenzni deo cevne mreže. Iz tog razloga, na izlazu kondenzata iz radijatora, za svaki slučaj, postavlja se odvajač kondenzata. Da bi vazduh mogao da se ukloni iz postrojenja, u delu kondenzne mreže stvara se veza sa atmosferom preko tzv. vetrene cevi , koja se ugrađuje po pravilu na priključnoj kondenznoj mreži prema kotlu. Kondenzat koji se obrazuje u grejnim telima prirodnim padom otiče kroz kondenznu mrežu, čiji su prečnici manji od razvodnog parnog dela cevovoda, s obzirom na razliku u gustini vode i pare. U cevovodu za kondenzat vlada atmosferski, a u razvodnim vodovima pritisak pare koji je iznad atmosferskog. Već je pomenuta podela prema položaju kondenzne mreže na visokopoloženu ili suvu i niskopoloženu ili mokru, što se odlikuje time da li je nivo horizontalnog kondenznog voda iznad maksimalnog nivoa vode u kotlu iznad statičke visine koja odgovara pritisku parnog postrojenja. Ova podela će biti dodatno pojašnjena u nastavku konkretnim primerima.


72

4.2.1. Donji razvod sa suvom i potopljenom kondenzacionom cevnom mrežom

Uopšteno, horizontalne parne cevi su u blagom nagibu od oko 5%, a kada se radi o većim dužinama, izvode se skokovito. Pri skokovitom vođenju horizontalnog cevovoda dolazi do skupljanja kondenzata u tačkama cevovoda u kojima se izvodi skok na viši nivo, pa se i na tom mestu osigurava njegovo odvođenje putem tzv. “U”-cevi. Pri tome je jedan krak vezan za parnu, a drugi za kondenznu cev.

Slika 4.2-1. Parno grejanje niskog pritiska sa donjim razvodom i visoko-položenom cevnom mrežom (a-horizontalni razvod, b-vertikale, c-vertikalne cevi za kondenzat, d-vetrena cev A-skok horizontalnog cevovoda)

A

Slika 4.2-2. Parno grejanje niskog pritiska sa donjim razvodom i nisko-položenom (suvom) cevnom mrežom (a-vetrena cev, b-cevovod za vazduh, c-nivo vode u kotlovima za vreme pogona, d-veza spuštenog dela kondenzne mreže sa vazdušnom, e-nivo kondenzata)


73

4.2.2. Gornji razvod sa suvom i potopljenom kondenzacionom cevnom mrežom

Slika 4.2-3. Parno grejanje niskog pritiska sa gornjim razvodom i suvom kondenznom cevnom mrežom

Slika 4.2-4. Parno grejanje niskog pritiska sa gornjim razvodom i nisko položenom potopljenom kondenznom cevnom mrežom


74

4.2.3. Indirektno vraćanje kondenzata u kotao preko rezervoara Najpouzdanija rešenja za vraćanje u kotao su ona u kojima kondenzat otiče prirodnim putem. To se događa kada kotlovi rade sa nižim pritiscima (0,1-0,2 bar), a grejna tela su visoko iznad nivoa vode u kotlovima. Ako se iz nekih razloga usvoji viši radni pritisak pare, grejna tela mogu biti u zoni pritiska i biće ispunjena vodom (tzv. “potopljena” grejna tela), pa neće dobijati paru. Ovakvi slučajevi se rešavaju tako što se kondenzat ne vodi direktno u kotlove, već prethodno u skupljač D kondenzata u vidu rezervoara. Tako se dobija kondenzna mreža koja nije u direktnoj vezi sa kotlom, pa neće biti “potopljena” i grejna tela mogu biti na istoj visini kao i kotlovi, pa i niže od njega. Uključivanje pumpe je po pravilu automatsko pomoću plovka (mehanički) ili pomoću sondi donjeg i gornjeg nivoa.

Slika 4.2-5. Vraćanje kondenzata u kotao posredstvom rezervoara

S

D

PK

Prednosti parnog grejanja niskog pritiska u odnosu na toplovodno grejanje: - mala inertnost, pa otuda brže zagrevanje - mala opasnost od zamrzavanja - mali troškovi ugradnje - jednostavno merenje količine toplote meračem protoka kondenzata.

Nedostaci: - nemogućnost centralnog regulisanja iz kotlarnice, tako da se često javlja pregrevanje i

veća potrošnja toplote, a naročito za vreme prelaznog perioda. - visoka, higijenski nepovoljna temperatura grejnih tela - veći gubici toplote - nema akumulisanja toplote u grejnim telima


75

- veća opasnost od korozije (u kondenznim vodovima) - nema uslova za ugrađivanje čeličnih, već samo livenih radijatora - često je potrebno znatno ukopavanje kotlarnice. - sva parna grejanja zahtevaju detaljno planiranje, jer bi u protivnom mogle da se pojave

smetnje kao što su: - probijanje pare - pojava šumova - nedovoljno zagrevanje pojedinih grejnih tela, pregrevanje kod drugih - nepoželjna promena nivoa vode u kotlovima itd.

4.3. Vazdušno grejanje Vazdušna grejanja ili bolje rečeno vazdušna postrojenja za grejanje, kao nosilac toplote koriste vazduh koji cirkuliše. Vazduh koji se zagrejao u generatorima toplote (grejačima vazduha), dovodi se u prostorije gde odaje toplotu, i potom zavisno od udela spoljnog vazduha, potpuno ili delimično vraća u kružni tok. Razlikuju se: Prema pogonskoj snazi za pokretanje vazduha:

- gravitaciona (pogonska) vazdušna grejanja - ventilatorska vazdušna grejanja (automati za topao vazduh)

Prema sastavu vazduha: - grejanje sa opticajnim ili recirkulacionim vazduhom - grejanje sa spoljnim vazduhom - grejanje sa mešanim vazduhom

Prema načinu zagrevanja: - uređaji za direktno zagrevanje-pri tome vazduh se direktno zagreva na grejnim

površinama izmenjivača toplote koji koristi toplota produkata sagorevanja - uređaji za provetravanje sa indirektnim zagrevanjem, pomoću vode u grejačima

vazduha

4.3.1. Vazdušno grejanje ventilator-konvektorima Ventilator-konvektori ili klima-konvektori ili grejači sobnog vazduha (eng. fan-coils), na slikama 4.3-1a. i 4.3-1b., namenjeni su klimatizaciji pojedinačnih prostorija (kancelarija, hotelskih soba, zbornica i slično). Glavna prednost u odnosu na radijatorska grejna tela je u tome što omogućavaju brzo zagrevanje, ali uz to i provetravanje prostorija. Sobni vazduh se usisava iznad poda, spoljni vazduh kroz otvor u spoljnom zidu, dok topli vazduh struji vertikalno naviše. Klapnom za prebacivanje reguliše se potrebni udeo spoljnog vazduha u smeši sa opticajnim. Kao zaštita ugrađuje se termostat za zaštitu od smrzavanja, koji u slučaju opasnosti od zamrzavanja zatvara klapnu za spoljni vazduh i isključuje ventilator.


76

Slika 4.3-1a. Ventilator-konvektor sa dijagonalnim ventilatorom za ugrađivanje ispod prozora (1. izmenjivač toplote, 2. dijagonalni ventilator, 3. motor sa spoljnim rotorom, 4. komandna ploča, 5. filter, 6. klapna za mešanje vazduha AL-spoljni vazduh, ZL-dovodni vazduh, UL-okolni vazduh)

Postoji još nekoliko podvrsti izvođenja ventilator-konvektora u zavisnosti od toga da li je ventilator sa aksijalnim, centrifugalnim ili radijalnim kolom. Osim toga, postoje i ventilator-konvektori sa brizgaljkom. Mogu se montirati kao stojeći-vertikalni ili horizontalni-plafonski. Način izvođenja instalacije, tj. povezivanje ventilator-konvektora sa grejnim fluidom (obično toplom vodom) može biti sa dvocevnom i četvorocevnim sistemom, slika 4.3-2. Ovaj sistem je bolji za regulisanje u prelaznom periodu.

Slika 4.3-1b. Pokretni ventilator-konvektor


77

Slika 4.3-2. Ventilator-konvektori u četvorocevnoj mreži za pojedinačno grejanje, hlađenje i ventilaciju prostorija

4.3.2. Centralni kanalni razvod vazduha Ovo je ubedljivo najkomforniji način centralnog vazdušnog grejanja, slika 4.3-3., pogotovu u kombinaciji sa ostvarivanjem adekvatnog provetravanja prostora odgovarajućom količinom spoljnog vazduha. Centralnim i pravilnim razvodom vazduha kako za ubacivanje u prostorije, tako i za izvlačenje vazduha iz grejanog prostora može da se postigne fino provetravanje celokupnog prostora grejnih prostorija. Postrojenja za vazdušno grejanje stanova uobičajeno se izrađuju kao postrojenja za mešani vazduh sa izmenom vazduha od 0,25 do 0,8 puta. Ukupna izmena vazduha (spoljni zajedno sa cirkulacionim vazduhom) kreće se između 2,5 i 3,5; pri čemu se teži ka manjem broju izmena (1,5 do 2,5) kod objekata sa dobrom izolacijom. Otpadni vazduh iz ovih prostorija se odvodi ili direktno ili preko rekuperatora toplote. Često se ovaj tip postrojenja dopunjuje mogućnošću hlađenja u letnjem periodu, i na taj način postiže kompletna klimatizacija stambenog ili poslovnog prostora. Sastavni delovi postrojenja su:

- uređaj za indirektno grejanje vazduha - sistem kanala za razvođenje vazduha - regulacija


78

Slika 4.3-3. Postrojenje za vazdušno grejanje manje stambene zgrade

4.3.2.1. Uređaj za indirektno vazdušno grejanje Ovaj uređaj sastoji se od kućišta sa ventilatorom, motorom, filtrom i izmenjivačem toplote (prikazano slikom 4.3-4a.), i snabdeva se toplotom iz zasebnog generatora toplote, tj. obično toplovodnog kotla. Uobičajene temperature vazduha koji se dovodi u prostorije kreću se između 35°C i maksimalno 60°C, pri čemu na samom ulazu ne treba da prekorači 50°C.

Slika 4.3-4a. Izgled poprečnog preseka najprostije ventilacione komore (1-ventilatorska jedinica, 5-jedinica za filtriranje sa grejačem)


79

Naravno, zahtev investitora u vezi željenog komfora diktira nivo složenosti ventilacione komore. Na tržištu postoji razvijen čitav spektar po nivou složenosti klima komore. Sama komora može biti i sveobuhvatnija kao na slici 4.3-4b., počev od pojedinačnih usisnih i potisnih jedinica, mešačke komore svežeg i opticajnog vazduha, sve do dodatnih elemenata za obezbeđivanje tražene vlažnosti u prostoriji (jedinice za vlaženje sa ili bez eliminatora vodenih kapi) i tražene temperature vazduha u letnjem periodu (jedinice za hlađenje sa ili bez odvlaživanja vazduha). Zadnje pomenuto hlađenje vazduha zahteva čitav dodatni sistem, ali je to čitava zasebna tema.

Slika 4.3-4b. Izgled poprečnog preseka klima komore (1l-potisna ventilatorska jedinica, 2-jedinica za dogrevanje, 3-jedinica za vlaženje, 4- jedinica za hlađenje bez eliminatora, 5-jedinica za filtriranje sa grejačem, 6-jedinica za otpadni vazduh, 1d-

usisna ventilatorska jedinica,)

4.3.2.2. Razvođenje vazduha Materijal za izradu kanala ili cevi za razvođenje vazduha je najčešće pocinkovani čelični lim, a pri razvođenju vazduha, osim kanala ispod plafona, razlikuju se sledeći načini:

a) Kanali na podrumskoj tavanici – povezivanje sa prostorijama koje se greju vrši se preko izolovanih vodova ispod podrumske tavanice sa otvorima u podu i slično, uglavnom ispod prozora. Otvori su obično uski u vidu proreza i izvedeni paralelno sa spoljnim zidom

b) Kanali u podnom betonu – vodovi za topli vazduh se ugrađuju prilikom stavljanja podnog betona. Postavljanje se vrši u obliku zatvorenih krugova po obimu zgrade ili u obliku radijalno postavljenih vodova za napajanje. Otvori za vazduh su ispod svakog prozora.

c) Kanali u estrihu, slika 4.3-5. – za ovo se koriste kanali (5x10 cm) od pocinkovanog čeličnog lima, koji se postavljaju iznad sirovog poda u estrihu čija ukupna visina iznosi 9 cm uključujući toplotnu i zvučnu izolaciju, tako da može da bude uporediva sa visinom izrade konvencionalnih podnih grejanja.

d) Izvođenju bez kanala, slika 4.3-6., pribegava se u slučaju da ne postoji podrum, već samo šuplji prostor ispod poda. Grejni uređaj jednostavno uduvava topli vazduh u taj šuplji prostor i odatle prolazi kroz proreze ispod prozora u pojedine prostorije. Izrada je veoma jednostavna, deluje kao podno grejanje i daje dobar efekat.


80

1. podne pločice ili parket 2. cementna košuljica (estrih) kao ploča za raspodelu opterećenja H=min. 40mm 3. filcana toplotna izolacija H=4mm 4.ispuna od lakog betona 50mm (npr. šupljik. beton) 5. toplotna izvučna izolacija sa pokrivnim slojem H=promenljivo 6. ploča sirovog betona H=promenljivo 7. vazdušni mini-vod H=50mm, B=100mm Visina gornje ivice zvučne izolacije do gornje ivice estriha min. 90mm

Slika 4.3-5. Sastav poda kod izvođenja kanala u estrihu

Slika 4.3-6. Vazdušno beskanalno grejanje sa peći u prizemlju

4.3.2.3. Regulacija temperature u prostorijama Postiže se često pomoću vazdušnih klapni u vodovima ili na otvorima za ulaz vazduha (rešetkama ili anemostatima). To se vrši ručnim ili električnim aktiviranjem (motorno, elektromagnetno ili elektrotermičkog pokretanje) preko termostatskog prekidača. Korelacija vazdušnog u odnosu na toplovodno i parno centralno grejanje Vazdušno grejanje u odnosu na prethodna dva elaborirana tipa grejanja ima sledeće prednosti:

- vazduh kao nosilac toplote je lako pokretljiv - moguća je dobra regulacija temperature vazduha u grejnom prostoru - obezbeđuje se brza promena temperature u prostoriji - korišćenjem vazduha može se ostvariti i odgovarajuća ventilacija u prostoriji, a takođe i

kompletna klimatizacija uz hlađenje vazduha u letnjem periodu

Nedostaci vazdušnog grejanja su: - veća investiciona ulaganja pri njegovoj izradi - znatno veći preseci vazduhovoda, a samim tim i veći potencijalni gubitak toplote pri

transportu i veći pad temperature nosioca toplote - zbog većih preseka kanala i neophodne ventilacione komore potreban je daleko veći

prostor za izvođenje postrojenja - veći utrošak izolacionog materijala za vazduhovode.

Osnovi građevinske fizikeOsnovi građevinske fizike

5.5.

83

5. Osnovi građevinske fizike

5.1. Osnovni zahtevi higijene Sa pojmom osiguranja osnovnih higijenskih uslova za boravak ljudi usko je vezan pojam termičke zaštite zgrada. Naime, pod određenim uslovima specifični zahtevi higijene diktiraju vrednost toplotne zaštite. Glavni zahtev je da u prostoru sa “normalnom klimom” ne dođe do pojave kondenzata na unutrašnjoj strani spoljnjeg zida. Da bi se to sprečilo pristupa se termičkoj zaštiti zgrada.

5.2. Termička zaštita zgrada

5.2.1. Prenos toplote kroz građevinsku konstrukciju Prilikom proračunavanja potrebne količine toplote za grejanje usvaja se da je spoljnja temperatura konstantna. Ovo stoga što u zimskom periodu varijacija spoljnje tempetarute u toku 24 časa oko srednje dnevne temperature nije velika, usled kratkog trajanja sunčevog zračenja i velike oblačnosti zimi. Zato se u uslovima grejanja, kada se unutrašnje tamperature održavaju na određenoj vrednosti transport toplote kroz zidove i krovne konstrukcije praktično odvija u stacionarnim uslovima, čime se proračuni u znatnoj meri uprošćavaju. Transport toplote kroz zid je kombinacija provođenja toplote kroz masu zida, prelaza toplote sa unutrašnjeg vazduha na zid kao i sa druge strane zida na spoljni vazduh, pri čemu se vrši i prenos toplote zračenjem. Za elemente građevinskih konstrukcija čije su debljine daleko manjih dimenzija od njihovih površina, prolaz toplote se praktično odvija u jednom pravcu, normalnom na površinu zida. U tom slučaju, pri stacionarnim uslovima, prolaz toplote se računa po poznatom obrascu:

)( eu ttkq −⋅= , .................................................................................................. (5. 1)

odnosno, s obzirom na relaciju

kRuk

1= , ............................................................................................................. (5.2)

uk

eu

Rttq −

= , ......................................................................................................... (5.3)

U gornjim izrazima korišćene su sledeće oznake:

q - specifični toplotni protok ][ 2mW

Ruk - ukupni toplotni otpor višeslojnog zida prolazu toplote, čija je vrednost zbir pojedinačnihotpora svakog sloja:


84

]m[ 11 2

1 WKR

n

i ei

i

uuk ∑ ++=

= αλδ

α, ........................................................................... (5.4)

k - koeficijent prolaza toplote ][2

WKm

∑ ++=

=

n

i si

i

u

k

1

111

αλδ

α

, ......................................................................................... (5.5)

uα - koeficijent prelaza toplota sa vazduha u prostoriji na unutrašnju spoljnu površinu zida

][ 2KmW

sα - koeficijent prelaza toplote sa spoljašnje površine zida na spoljašnji

vazduh ][ 2KmW

i

i

λδ - toplotni otpor i-tog sloja zida ][

2

WKm

λ - koeficijent provođenja toplote sloja “i”

Slika 5.2-1. Temperaturno polje u višeslojnom zidu

1/αu

tu

1/αe

tesR uj

t j

R u

tuj

q

δ [m]

Da bi se odredila temperatura u nekom sloju zida ili zidnih površina, toplotni protok do sloja čija se temperatura izračunava :

∑+

−=

=

n

i i

i

u

ju ttq

1

1λδ

α

, ................................................................................................... (5.6)

se izjednačuje sa protokom kroz celu debljinu zida, koji je definisan jednačinom (5.5), odakle je:

∑ °+−

−==

n

i i

i

uuj

euuj R

tttt1

C][ ]1[λδ

α, ........................................................................ (5.7)


85

Temperatura unutrašnje površine zida može da se izračuna prema izrazu:

C][ ]1[, °−

−=uuk

euusu R

ttttα

, .................................................................................. (5.8)

Analogno prethodnom, temperatura spoljašnje površine zida je određena prema:

∑ °+−

−==

n

i i

i

uuk

euuse R

tttt1

, C][ ]1[λδ

α, ...................................................................... (5.9)

5.2.2. Značaj toplotne zaštite Toplotna zaštita zgrada je značajna za:

zdravlje stanovnika - pomoću nje se stvaraju preduslovi za zdrave i ugodne prostorije; troškove investicije - pomoću nje se smanjuje instalacija grejanja; troškove eksploatacije-troškovi grejanja u velikoj meri zavise od termičkih kvaliteta

prostorija i konstrukcija; troškove održavanja-termičkom zaštitom se štite zgrade od provlaživanja, smrzavanja i

druge štete.

Toplotna zaštita ranije nije bila naglašavana jer su konstrukcije bile takvih dimenzija da su uz upotrebu tradicionalnih materijala samom debljinom obezbeđivale ujedno i dovoljnu zaštitu. U novije vreme prelaskom na nove materijale i znatno manje debljine konstruktivnih elemenata potreba za tačnim toplotnim dimenzionisanjem je postala neophodna.

5.2.3. Zaštitne mere pri projektovanju zgrada Toplotna zaštita zgrada obuhvata sve mere koje se preduzimaju da bi se smanjili njihovi gubici toplote. U ove mere spadaju:

1. Zaštita od gubitaka toplote odnosno hladnoće transmisijom, infiltracijom i akumulacijom.

2. Pogodna orjentacija zgrade u odnosu na strane sveta i pravce vetrova. 3. Pogodna dispozicija prostorija po osnovi i po visini. 4. Smanjenje površina s velikim gubitkom toplote odnosno hladnoće.

Zaštita od prolaza toplote ima najznačajniju ulogu jer je udeo ovog prolaza najveći (70-85%). Zaštita od transmisije toplote postiže se pogodnim izborom konstrukcija i termičkom izolacijom. Ona se može egzaktno proračunati. Gubici toplote infiltracijom (ulaskom hladnog spoljnog vazduha kroz slučajne otvore) ne mogu se proračunati, ali se mogu približno proceniti. Oni zavise od kvaliteta prozora i vrata i njihove ugradnje, drugih otvora, pukotina, zazora i slučajnih otvora ognjišta i dimnjaka s jedne strane i brzine vetra s druge strane. Oni prosečno iznose 15. . . 30% ukupnih gubitaka toplote. Gubici akumulacijom (upijanjem toplote u masi zida pri zagrevanju) zavise od svojstva materijala (provođenja toplote, prostorne mase i specifične toplote) i debljine konstrukcija. Toplota koja se


86

nagomilava u konstrukcijama pri zagrevanju jednim delom se vrati po prestanku grejanja, a izgubljeni deo zavisi od konstrukcije elemenata. Pogodna orjentacija prema stranama sveta i pravcu vetra je značajna za termičku zaštitu zgrade. Poznato je toplotno dejstvo osunčavanja s juga ;zimi je upadni ugao sunčanih zraka mali, prostorije su u znatnoj meri osunčane a to je poželjno; leti je ugao velik, osunčavanje koje je nepoželjno je neznatno pa i ono se jednostavnim merama(streha, nastrešnica) može otkoloniti. Pri tome ove mere ne sprečavaju zimsko osunčavanje. Prema tome orjentacija zgrada prema jugu je vrlo dobra skoro za sve vrste zgrada. S druge strane je orjentacija zgrada prema zapadu za većinu zgrada leti u našim krajevima nepovoljna, jer se ova strana vrlo teško može zaštititi od sunca. Nepoželjno osunčavanje zgrade može se smanjiti velikim strehama, nastrešnicama, provetrenim tavanicama, zaštitnim pločama nad ravnim krovovima, spolja smeštenim zastorima, markizama i dr. Orjentacija prema preovlađujućem vetru izaziva znatne gubitke toplote. Ovo je naročito važno za osamljene zgrade i za više spratove mnogospratnih zgrada. Ukoliko zgrada ima izduženu osnovu, pravilno je u takvom slučaju orjentisati je užom stranom prema preovlađujućem vetru. Osim ovoga treba koristiti kao zaklon više zgrade, drveće i druge lokalne okolnosti. Spoljna vrata iz istih razloga ne treba postavljati na navetrenoj strani, a vetrobrani su u svim slučajevima vrlo korisni. Pri dispoziciji prostorija u rešenju zgrade treba voditi računa o smanjenju gubitaka toplote. Kako su gubici srazmerni temperaturnoj razlici s jedne i druge strane zida prostorije oni će biti manji ako što više površina prostorije graniči sa grejanim prostorijama, tj. ako se ove smeste u unutrašnjost zgrade, a negrejane na krajeve. Kako se toplota gubi i kroz tavanice, temperaturna razlika i gubitak toplote se smanjuje kad su prostorije koje se greju jedna iznad druge. Zbog toga višespratne zgrade troše srazmerno manje goriva nego prizemne, a najviša i najniža etaža troše više nego srednje. Smanjenje površine kroz koje se gubi toplota može se postići na razne načine. Samim oblikom osnove mogu se smanjiti granične površine. Kao što je poznato, iz raznih geometrijskoh slika iste površine krug ima najmanji obim. Posle kruga najmanji obim ima kvadrat. Kvadratna osnova zgrade ima manje obimnih zidova nego izdužena osnova, pa prema tome i manje površine kroz koje prolazi toplota. Smanjenjem visine prostora takođe se može smanjiti površina zidova, te prema tome i glavni gubici toplote. To važi i za ostale konstrukcije (tavanice, prozore i vrata). Ovo smanjenje mora biti sprovedeno u razumnoj meri i pri tome se mora voditi računa i o drugim faktorima. U vezi s ovim napominjemo da su prozorske površine oko 4 puta skuplje nego zidne a osim toga se one moraju štititi od osunčanja skupim zastorima i drugim konstrukcionim merama. Kad se uzme u obzir i često smanjenje vrednosti same prostorije (zbog prozora od zida do zida nemogućnost pogodnog smeštaja nameštaja, teško rukovanje oknima i njihovo čišćenje)- može se uvideti značaj modne pojave u arhitekturi da se po svaku cenu povećavaju prozorske površine bez obzira na potrebe osvetljenja, vetrenja, grejanja i hlađenja, funkciju zgrade i komfor ljudi u njoj. Lođama se znatno povećavaju površine spoljnih zidova pa i gubici toplote. Zgrade s ravnim krovovima imaju po pravilu veće gubitke toplote nego one s kosim krovovima. Ovde treba podsetiti da su naročito neprijatni dobici toplote u krejevima sa žarkim letom, u koje spada i najveći deo naše zemlje. Zgrade na stubovima imaju znatno povećanje gubitaka toplote jer se i podna konstrukcija pojavljuje kao spoljnja.


87

Svi ovi arhitektonski oblici i konstrukcije mogu biti opravdani, ali pri projektovanju treba voditi računa i o gubicima, odnosno dobicima toplote.

5.3. Termička izolacija zidova Izolacioni slojevi povećavaju otpor provođenu toplote kroz zidove pa se smanjuje prolaz toplote kroz njihovu konstrukciju, što doprinosi manjoj potrebnoj količini toplote za grejanje. Izolaciona masa se može ugraditi sa spoljne ili sa unutrašnje strane zida, ili kao sloj u njegovoj unutrašnjosti. Ako je izolacija postavljena na spoljnoj starni zida, onda su temperature mase zida niže. Time se umanjuju dilatacije elemenata fasade, odnosno toplota naprezanja konstruktivnih elemanata, čime se sprečava pojava naprslina u zidovima. U tako postavljenoj izolaciji glavna masa zida je koncentrisana prema unutrašnjem prostoru, pa se po prekidu grejanja akumulisana toplota u njoj postepeno oslobađa i prenosi u prostoriju, te se duže održavaju zadovoljavajuće temperature unutar zgrade. Na slici 5.3-1. prikazana je konstrukcija jednog jednoslojnog zida bez izolacije sa ucrtanim rasporedom temperatura za neku određenu spoljnu i unutrašnju temperaturu. Ako se doda izolacija, otpor prolazu toplote bi se povećao pa se kroz zid transportuje manja količina toplote, što je i cilj izolacionog sloja. Temperaturno polje se menja i u takvim uslovima manje su razlike temperatura između spoljneg vazduha i spoljn površine zida, odnosno između unutrašnjeg vazduha i odgovarajuće površine zida ili, drugim rečima, unutrašnja površina zida će imati višu a spoljna nižu tempareturu u slučaju postojanja izolacije. Masa zida prema prostoriji ima više temperature, što je prednost ovakvog postavljanja izolacije koja dolazi do izražaja po prekidu grejenja. Na slikama 5.3-1. b i c prikazana su polja temperatura kada je izolacioni sloj sa unutrašnje strane zida i za slučaj kada je postavljen u njegovoj sredini.

Slika 5.3-1. Temperaturna polja u zidu bez izolacije (pune linije) i sa izolacionim slojem na

spoljnoj (a), unutrašnjoj strani zida (b), kao i u njegovoj unutrašnjosti (c)

Termička izolacija se vrši pomoću toplotnih izolatora, tj. materijala pogodnog za ugrađivanje koji ima znatnu termoizolacionu moć. Izolacioni materijal mora biti potpuno suv. Ako u njega uđe na bilo koji način vlaga, pore se umesto vazduhom ispune vodom. o tome se mora voditi računa. kao izolator koristi se i vazduh. Potrebna toplotna vrednost izolatora data je tabelama a zavisi i od klimatskih prilika i namene konstruktivnog dela.


88

5.4. Difuzija vodene pare kroz građevinske konstrukcije Od svih mogućih načina transporta vlage kroz građevinske konstrukcije (apsorpcija, kapilarni efekat, difuzija), od najvećeg uticaja je difuzija vodene pare. Ona se odvija i u materijalima koji su nehigroskopni i nesposobni za kapilarno usisavanje vlage. Molekuli vodene pare teže da se ravnomerno raspodele u prostoru u svim pravcima. Pri tome, oni se kreću iz sredine većeg parcijalnog pritiska vodene pare ka sredini nižeg pritiska (iz vlažnije ka suvljoj sredini) dok se ne uspostavi ravnoteža. Ovaj proces transporta vodene pare sa tendencijom izjednačavanja vlažnosti naziva se difuzija vodene pare. Njena posledica je prodor vlage u zidove zgrada, njeno kondenzovanje u slojevima konstrukcije, pa i na unutrašnjim stranama. To dovodi do većih gubitaka toplote, razaranja materijala, pojave neprijatnih mirisa, nehigijenskih uslova. Zbog svega toga se prilikom projektovanja zgrade mora izvršiti i provera mogućnosti kondenzacije vlage koja prodire difuzijom, i raspoloživim tehničkim sredstvima sprečiti njena pojava.

5.4.1. Proračun difuzije vodene pare Difuzija vodene pare se odvija kroz vazduh koji čini ispunu skeleta građevinskog materijala. Po jednom modelu (Kricher) difuzija se tretira kao kretanje vodene pare u mirnom vazduhu. Takođe je definisan i faktor otpora difuziji µ kao odnos protoka vodene pare kroz sloj mirnog vazduha i fluksa kroz sloj iste debljine određenog materijala (pri jednakim relevantnim uslovima). Ovime je omogućeno da se svi zakoni difuzije vodene pare kroz vazduh primene na porozne građevinske materijale. Specifični protok vodene pare koja prodire kroz neki materijal difuzijom definisan je izrazom (Fick-ov zakon) :

][ 2smkg

xCDg∂∂⋅−= , ........................................................................................... (5.10)

Gde je:

D - koeficijent difuzije vodene pare kroz određeni materijal ][2

sm

C - koncentracija vodene pare ][ 3mkg

Zbog malih pritisaka para se smatra idealnim gasom, pa je:

TRp

vC

d*

1== , .................................................................................................... (5.11)

gde je:

v - specifična zapremina vodene pare ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

kgm3

Rd* - gsna konstanta za vodenu paru ]kgK

J[

p - parcijalni pritisak vodene pare ]Pa[


89

t - temperatura vodene pare ]K[ x - pravac difuzije vodene pare ]m[

Ako se u jednačinu 5.10 uvede izraz 5.11, Fick-ov zakon dobija oblik:

]mkg[ 2* sx

pxp

TRDgd ∂

∂⋅−=

∂∂⋅−= π , ......................................................................... (5.12)

gde je:

TRD

d*=π ; ][

Pasmkg⋅⋅

- koeficijent propustljivosti vodene pare određenog materijala

Specifični protok vodene pare u procesu difuzije definisan je i Steffan-ovim zakonom:

]mkg[ 2

0

0

sxp

pppDg

∂∂⋅

−−= , ............................................................................... (5.13)

Kako je p<<pB, to je p0≈(p0 – p) pa zakon Steffan-a prelazi u Fick-ov:

xpg∂∂⋅−= π , ...................................................................................................... (5.14)

Negativan predznak označava da se difuzija uvek odvija u pravcu smanjenja gradijenta koncentracije, tj. u pravcu smanjenja pritiska. Fick-ov zakon se primenjuje u praksi za definisanje fluksa vodene pare difuzijom kroz građevinske elemente. U proračunima difuzije vodene pare koristi se i Kricherov faktor otpora difuziji µ, i on je definisan kao odnos otpora difuziji nekog određenog materijala Rm prema otporu vazdušnog sloja Rv iste debljine i pri istim relevantnim uslovima.

v

m

RR

=µ , ............................................................................................................ (5.15)

gde je:

mmR

πδ

= - otpor difuziji vodene pare kroz materijal ][2

kgsPam

vvR

πδ

= - otpor difuziji vodene pare kroz vazduh ][2

kgsPam

πm - koeficijent propustljivosti materijala kroz koji prolazi para difuzijom u toku 1s kroz

kocku ivica 1m, pri razlici pritisaka na naspramnim stranicama od 1 Pa ][ 2 Pasmmkg⋅⋅⋅

πv - koeficijent propustljivosti pare u vazduhu ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⋅⋅ Pasmkg

Za građevinske materijale faktor otpora je dat u tabeli 5.4-1.


90

Tabela 5.4-1. Faktor otpora difuziji

Građevinski materijal

Peščar, beton 8 10 Beton sa šljunkom 15 21,2 Armirani beton 30 Laki beton 4-8 Zid od opeke 6,8 9,3-10 Crep 37-43 Gas i peno beton 3,5-5,5 5,5-7,5 Gips 6,2 Vrste maltera: -krečni 9,0 12 -podužni 10,0 17,5 -cementni 16, 5 Azbest-cement ploče: -nepresovane 37 -presovane 51 Drvo: Smreka 4%tež. vlage 230 “ 6% “ 160 “ 8% “ 110 Crvena bukva 10% tež. vlage 70 “15%“ 11 “30%“ 2 “50%“ 1, 9 Šperploča 100

Termoizolacioni materijali

Ploče od plute: 5-30 1,5-14 -ekspandirana pluta 5,2-9,8 -zasmoljena pluta 2,5 Stiropor 15-50 40-100 80-210 130-370 Staklena i mineralna vuna 1,17-1,27 Poliuretan 40-60 Peno staklo ∞ Iporka 1,7 Ploče od mekog lesonita 1,5 cm 11 2,5 cm 6,8 5,0 cm 4,5 10,0 cm 3,8 PVC-pena 200-400


91

Zaptivni materijali

Moltopren 7, 0 Asfalt 85 Krovna lepenka 3500 Bitumenska emulzija 55 000-138 000 Bitumen po engl. autorima 85 000-108 000 Bitumen-papir 0,15 mm 600 Bitumen-karton 0,7 mm 1500 Bitumenska specijalna hartija “500” 10 000-25 000 Krovna hartija sa obe strene bitumizirana 2 mm 10 000 Ter i bitumenska krovna hartija sa predimpregnir. 80 000 Folije: PVC-folija 0,1-0,2 mm 30 000-65 000 Aluminijumska folija 0,05 mm 700 000 Vaporex: sa bitumenom 0,8 mm 6 400 Normalan 0,8 mm 3500

Vrste premaza

Diofan:jednostruki 0,04 mm 12 000 dvostruki 1,0 mm 200 000 Vezivne boje 200-6 000 Disperzione i emulzione boje: bez ulja 670-5200 sa uljem 210-6250

Lakovi

hlor-kaučuk lak 70 000-110 000 polivinilhlorid lak 25 000-50 000 poliuretan lak 13 000 uljani lak 20 000-27 000 uljane boje 9800-24 000 Propustljivi premazi:

/ sa mineralima, tutkalom, krečom / 180-215

5.4.2. Transport vodene pare u stacionarnim uslovima Po Fick-ovom zakonu protok vodene pare kroz neki zid možemo odrediti analogno jednodimenzionalnom transportu toplote, izrazom:

[kg] )( τ⋅−⋅⋅= euD ppFKG , ......................................................................... (5.16)

u kome je:


92

G - ukupna količina vodene pare preneta difuzijom ][kg

KD - koeficijent prolaza vodene pare ][ 2 Pasmkg⋅⋅

F - površina date pregrade ][ 2m pe, pu - parcijalni pritisci vodene pare sa obe strane pregrade, odnosno u spoljnjem i

unutrašnjem vazduhu kada je u pitanju spoljnji zid ][Pa t - vreme odvijanja difuzije ][s

Pri tome možemo definisati i specifični protok vodene pare, s obzirom na

]mkg[ 2sF

Ggτ⋅

= , ................................................................................................ (5.17)

kao:

]mkg[ )( 2s

ppKg euD −⋅= , .............................................................................. (5.18)

5.4.3. Koeficijent prolaza vodene pare difuzijom Koeficijent prolaza vodene pare KD, (analogno koeficijentu prolaza toplote) za proces difuzije vodene pare, definisan je kao:

]m

kg[ 11

12

1

sPaK n

i ei

i

u

D∑ ++

=

= βπδ

β

, ...................................................................... (5.19)

u kome je:

eu ββ , - koeficijent prelaza vodene pare sa unutrašnjeg. vazduha na unutrašnju površinu

pregrade ][ 2sPamkg

i

idiR

πδ

= - otpor provođenju toplote vodene pare difuzijom kroz sloj zida ][2

kgsPam

iδ - debljina sloja ][m

iπ - koeficijent provodljivosti datog sloja ][Pasm

kg⋅⋅

Iz izraza (5.19) vidimo da se prolaz vodene pare difuzijom (analogno prolazu toplote) sastoji iz tri pojave:

prelaza vodene pare sa unutrašnjeg vazduha na unutrašnju površinu, provođenja vodene pare kroz slojeve pregrade, prelaza vodene pare sa spoljašnje površine pregrade na spoljašnji vazduh sa druge strane

zida.


93

5.4.4. Prelaz vodene pare- konvektivna difuzija Pri difuziji vodene pare kroz zid, uvodimo konvektivnu difuziju (analogno sa prelazom toplote). Ona se javlja kao prelaz mase vodene pare iz vazduha na površinu zida odnosno sa površine zida na vazduh. Osnovni uzrok konvektivne difuzije je razlika koncentracija vodene pare u vazduhu i u graničnom sloju zida. Predstavlja se jednačinom:

]mkg[ )( 2,

'

sCCg suuuu −⋅= β , ............................................................................ (5.20)

u kojoj je:

'uβ - koef. prelaza mase ][

sm

suu CC ,, - koncentracija vodene pare u vazduhu daleko od zida i u granič. sloju zida ][ 3mkg

Ako iskoristimo jednačinu stanja idealnog gasa TR

pCd*= iz (5.20) se dobija:

]mkg[ )()( 2,,*

'

spppp

TRg suuusuu

d

uu −⋅=−⋅= ββ , .............................................. (5.21)

gde je:

uβ - koeficijent prelaza vodene pare sa unutrašnjeg. vazduha na unutrašnju površinu

zida ][ 2sPamkg

suu pp ,, - parcijalni pritisak vodene pare u unutrašnjem vazduhu na udaljenju od zida i ugraničnom sloju zida [Pa]

Analogno možemo definisati i prelaz vodene pare sa spoljašnje površine pregrade na spoljašnji vazduh:

)()()( ,,*

'

,'

eseeesed

eeseee pppp

TRCCg −⋅=−⋅=−⋅= βββ ,............................... (5.22)

gde je:

eβ - koeficijent prelaza vodene pare sa spoljašnje . površine na spoljni vazduh ][ 2sPamkg

Za izračunavanje koeficijenta prelaza vodene pare možemo koristiti Nusselt-Lewis-ovu teoriju o relaciji prenosa toplote i vlage definisanu izrazom:

31'

)( ev LD ⋅

=λ

βα , ............................................................................................... (5.23)

u kome je:


94

α - koef. prelaza toplote pri postojanju prelaza mase ][ 2KmW

'β - koef. difuzije vodene pare u vazduhu ][mKW

vD - koef. difuzije vodene pare u vazduhu ][2

sm

ve D

aL = Lewisov broj, .................................................................................. (5.24)

pCa

⋅=ρλ - koef. toplotne provodljivosti ][

2

sm

Izraz za izračunavanje β možemo dobiti kao:

TDR ,

'ββ = , ......................................................................................................... (5.25)

pa se dobija:

]m

kg[ )( 231

,,

,

,,*

,, sPaDCp

DTR vueue

ue

ue

v

ued

ueue ⋅⋅

⋅⋅=ρ

λλ

αβ , ......................................... (5.26)

gde su λe,u; ρe,u i Cpe,u – koeficijent toplotne provodljivosti, gustina i specifična toplota vazduha na apsolutnim temperaturama Te i Tu, R∗ gasna konstanta za vodenu paru.

5.4.5. Provođenje vodene pare-konduktivna difuzija Osim od razlike parcijalnih pritisaka vodene pare, sa jedne i sa druge strane zida, fluks vodene pare kroz pregradu zavisi i od otpornosti materijala na propuštanje vlage (analogno sa zavisnošću topl. fluksa od topl. provodljivosti materijala). Provođenje vlage kroz višeslojni materijal ja definisano jednačinom:

)( ,,,,

esusi i

i

idi

esus ppR

ppg −⋅∑=

∑

−=

δπ , .............................................................. (5.27)

u kojoj je:

uses pp ,, , - parcijalni pritisci vodene pare u vazduhu sa obe strane zida [Pa]

i

idiR

πδ

= - otpor difuziji vodene pare kroz sloj i ][2

kgPasm ⋅⋅

iπ - koeficijent provodljivosti datog sloja ][Pasm

kg⋅⋅

.


95

5.4.6. Koeficijenti provođenja vodene pare Koeficijent provođenja vodene pare nekog materijala (odgovara koeficijentu provođenja kod prenosa toplote), definisan je u prethodnoj jednačini kao:

TRD

d

mm *=π , ........................................................................................................ (5.28)

gde je:

mD - koef. difuzije vodene pare kroz materijal ][2

sm

Rd* - gasna konstanta za vodenu paru ][

KkgJ⋅

T - tempertura difuzije [K].

Odnos otpora provođenja vodene pare nekog materijala prema provođenju vazduha je poznata veličina preko odnosa faktora otpora difuziji µ.

v

m

RR

=µ , ............................................................................................................ (5.29)

a kako je

mmR

πδ

= ............................................................................................................ (5.30)

vvR

πδ

= .............................................................................................................. (5.31)

Nakon ovoga sledi:

m

v

DD

=µ , ............................................................................................................ (5.32)

pa izraz (5.28) postaje:

TRD

d

vm

⋅⋅= *µ

π , ................................................................................................ (5.33)

U gornjim izrazima indeksi “m” označavaju materijal kroz koji se vrši difuzija vodene pare, “d” se odnosi na vodenu paru a “v” na vazduh. Kao merodavna temperatura usvaja se vrednost temperature sa obe strane zida:

2ue

mTTT +

= , ..................................................................................................... (5.34)

Da bi se odredio koeficijent provođenja pare prema jednačini (5.33) koristi se više obrazaca od kojih se najčešće primenjuje Schrimer-ov :

]m[ )273

(26.2 2811

sT

PD m

Bv ⋅= , ............................................................................. (5.35)

u kome je pB – barometarski pritisak vazduha [Pa].


96

5.4.7. Pritisci vodene pare u građevinskoj konstrukciji Otpor materijala prolazu vlage je merodavan za uspostavljanje veličina parcijalnih pritisaka vodene pare u materijalu, a difuzija vodene pare kroz neki građevinski element upravo od njega zavisi. U uspostavljenom polju pritisaka u zidu, vodena para prodire od tačaka sa višim prema tačkama sa nižim parcijalnim pritiscima vodene pare. Pri tome dolazi do kondenzacije u slojevima u kojima je parcijalni pritisak vodene pare veći od pritiska zasićenja na temperaturi koja je u istom sloju uspostavljena. Zato se za spoljne zidove, prethodno izračunavaju vrednosti temperatura i oba pritiska. Ti proračuni se baziraju na konstantnim temperaturama odnosno pritiscima sa obe strane građevinskog elementa, pa sledi da je ukupni prolaz vodene pare kroz celu konstrukciju jednak protoku kroz svaki od njenih slojeva:

jueu gg ,, = . ......................................................................................................... (5.36)

gde je gu-e protok vlage kroz celu debljinu zida a gu-j kroz bilo koji sloj. Koristeći prethodne izraze dodijamo sledeću relaciju:

∑+

−=

∑ ++

−

==

n

i i

i

u

jun

i ei

i

u

eu pppp

11

111πδ

ββπδ

β

, ........................................................................ (5.37)

odakle se dobija:

∑+⋅∑ ++

−−=

=

=+

n

i i

i

un

i ei

i

u

euu

jj

pppp1

11

]1[11 πδ

ββπ

δβ

, ................................................... (5.38)

U ovim izrazima parcijalni pritisci vodene pare u unutrašnjem i spoljnjem vazduhu se izračunavaju iz njihovih relativnih vlažnosti i pritiska zasićenja vodene pare na odgovarajućim temperaturama:

[Pa] )("uueu tpp ⋅= ϕ , ........................................................................................ (5.39)

[Pa] )("eeee tpp ⋅= ϕ , ......................................................................................... (5.40)

Za određivanje relativnih vlažnosti i pritisaka zasićenja možemo koristiti dijagram za vlažan vazduh, koji daje zavisnost temperature, entalpije h, relativne i apsolutne vlažnosti ϕ i x i pritisaka vodene pare u vazduhu; to je tzv. Molijerov dijagram. Pritisci zasićenja mogu se očitavati direktno sa dijagrama ili koristiti podaci iz tabela (zavisno od temperature vazduha). Grafičko predstavljanje parcijalnog pritiska se vrši slično temperaturskom polju, prema udaljenju uočenog sloja, obično sa spoljnje strane zida. To se može učiniti i zavisno od otpora difuziji, i u oba slučaja promena pritiska je linearna funkcija. Međutim, kada su otpori difuziji vodene pare veliki, pritisak zasićenja nije linearno zavisna funkcija debljine sloja već je parabolična funkcija (slika 5.4-1.) Zato se preporučuje grafičko prikazivanje promene pritisaka u konstrukciji u zavisnosti od otpora difuziji, pomoću dijagrama Glassa (slika 5.4-2.). U takvom predstavljanju je i promena pritiska zasićenja vodene pare kroz sloj određenog materijala prava linija, što uprošćuje analizu, dozvoljavajući da se račun sprovodi samo za granične površine između slojeva.


97

Slika 5.4-1. Dijagram pritiska zasićenja vodene pare višeslojne građevinske konstrukcije

Slika 5.4-2. Glasser-ov dijagram pritiska zasićenja vodene pare u građevinskoj. konstrukciji.

Rd1 Rd2Rd31/ße

p "u

1/ßu

p "e

p"[Pa]

p "u, s

p "u, s R [m s Pa/kg]di2

Treba napomenuti da Glasser-ovi dijagrami postaju nepogodni za prikazivanje difuzije vodene pare, ako u sastavu građevinske konstrukcije imamo parnu barijeru, koja ima otpore difuziji vodene pare daleko veće od drugih slojeva.

5.4.8. Upoređivanje toka parcijalnog pritiska i pritiska zasićenja Kada se u dijagramu za neku građevinsku konstrukciju ucrtaju tokovi parcijalnog pritiska i pritiska zasićenja vodene pare (slika 5.4-1.) i konstatuje da se linije njihove promene nigde ne seku, onda u uslovima za koje je vršena provera, neće doći do kondenzacije vlage jer je u svim slojevima parcijalni pritisak ispod pritiska zasićenja. Ako bi bilo obrnuto, onda može nastupiti kondenzovanje vodene pare u jednoj ravni, tzv. ravni kondenzacije ili čitavoj zoni kondenzacije (slike 5.4-3. i 5.4-4.)


98

Slika 5.4-3. Polje pritiska vodene pare građevinske konstrukcije bez kondenzacije vodene pare

PritisakzasićenjaPritisakzasićenja

Parcijalniprit. vodenepare

1. sloj 2. sloj 3. sloj

Priti

sak

u Pa

Rd1 Rd2Rd3

RdeRd0

Rd uk

p "0

p0

p "epe

Slika 5.4-4. Polje pritiska vodene pare u slučaju kondenzacije u ravni

1. sloj 2. sloj 3. sloj

Priti

sak

u Pa

Rd1 Rd2Rd31/ß0

Rd uk

p "0

p0

p "e

pe

1/ße

Kp "k

5.5. Difuzija vodene pare pri kondenzaciji u zoni i ravni zida Kada linija pritiska zasićenja preseca liniju parcijalnog pritiska vodene pare, kao u tačkama K1 i K2 na slici 5.6-1., onda postoji kondenzacija u zidu između ravni kojima pripadaju pomenute tačke. Zbog pojave kondenzacije, protok vodene pare koji se na jednoj strani prenosi na zid a na drugoj iz njega na vazduh, nije međusobno jednak. Količina vlage koje je kondenzovana u zidu izračunava se kao njihova razlika. Na jednu stranu zida dospeva vodena para u količini:


99

]mkg[ 1 2

1

"1

1

"1

spp

Rppg n

i i

i

u

Ku

dk

Kuul

∑+

−=

−=

= πδ

β

, .............................................................. (5.41)

Sa druge strane zid napušta:

]mkg[

1 2

1

""2

2

'2

spp

Rppg n

i ei

i

eK

dk

eKizl

∑ +

−=

−=

= βπδ

, .............................................................. (5.42)

gde je: pk1” - pritisak zasićenja vodene pare na ravni koja deli unutrašnji suvi deo zida od zone

kondenzacije [Pa] Rdk1 - otpor difuziji vodene pare slojeva zida između unutrašnjeg vazduha i ravni pojave

kondenzacije K1 [ ]kg

Pasm2 ⋅⋅

pk2” - pritisak zasićenja vodene pare na ravni koja deli zonu kondenzacije od spoljašnjeg, suvog dela zida [Pa]

Rdk2 - otpor difuziji vodene pare slojevagrađevinske konstrukcije između krajnje ravni

kondenzacije K2 i spoljne strane zida [ ]kg

Pasm2 ⋅⋅

Količina kondenzovane vodene pare koja ostaje unutar zida data je izrazom:

]mkg[ 2s

ggg izlulkon −== , .................................................................................. (5.43)

Ukupna količina kondenzovane vodene pare u toku jednog dana je:

dgg konzkon ⋅⋅= 24 , ......................................................................................... (5.44)

gde je d - ukupno trajanje pojave difuzije vodene pare u danima, za posmatrano vremensko razdoblje. U slučaju kondenzacije u ravni zida, proračun kondenzovane vodene pare se vrši na isti način s tim što se umesto sloja-zone kondenzacije ovde javlja samo jedna ravan. Merodavni pritisak zasićenja je sa “obe strane” ravni isti, onaj koji se odnosi na tu ravan, pa u jednačinama (5.41) i (5.42) treba izvršiti korekciju:

KKK ppp == "2

"1 , .............................................................................................. (5.45)

5.6. Mere zaštite od kondenzacije Sa povećanjem sadržaja vlage u građevinskom materijalu, smanjuje se njegov otpor provođenju toplote, a postoji mogućnost, kao što smo već naglasili, da mehanizmom difuzije vodena para prodre do unutrašnje strane zida i da dođe do pojave kondenzata, što stvara nezdrave i nehigijenske uslove za boravak ljudi.


100

Iz analize standardnih četvoroslojnih građevinskih konstrukcija sa izolacionim slojem različite debljine, proizilazi neophodnost proračuna gustine difuzionog toka vodene pare za zimski režim grejanja. Tada se u spoljnom zidu javlja mogućnost pojave ravni ili zone kondenzacije. Sa povećanjem debljine izolacionog sloja smanjuju se gubici toplote u okolinu, ali se zona kondenzacije unutar konstrukcije proširuje. Zato je neophodno korišćenje nekog drugog sredstva za uklanjanje vlage. Da bi se nepoželjan efekat prisustva vlage u građevinskoj konstrukciji sprečio, primenjuje se ugradnja parne barijere, koja predstavlja zaptivni materijal velikog otpora difuziji vodene pare, znatno većeg od onih koje poseduju ostali građevinski materijali. Tako na primer aluminijumska folija ima faktor difuzionog otpora µ = 700 000, a koeficijent propustljivosti vodene pare πal =2, 579 10 –16 [ ]kg/msPa .

Uvođenjem ovakvog sloja u konstrukciju, parcijalni pritisci vodene pare se povećavaju ispred, a smanjuju iza barijere u pravcu smanjenja temperature i pritiska zasićenja, sa ciljem da u svakom sloju konstrukcije parcijalni pritisak vodene pare bude niži od pritiska zasićenja.

Slika 5.6-1. Polje pritiska vodene pare u građevinskoj konstrukciji sa i bez parne barijere

Parna barijera ne predstavlja toplotni otpor, jer materijal koji se nanosi kao barijera ima veliki koeficijent provođenja toplote i debljinu od nekoliko milimetara, tako da je otpor provođenju toplote zanemarljiv. Usled toga praktično ne dolazi do temperaturskog pada kroz parnu barijeru pa kriva pritisaka zasićenja zadržava oblik kao u slučaju bez parne barijere, te se tako i crta. Uticaj barijere prikazan je na slici 5.6-1. na primeru jedne konstrukcije zida od četiri sloja: krečni malter na jednoj strani zida, opeka, termoizolacija i krečni malter na drugoj strani zida. Polje pritisaka je takvo da se izmeđju ravni K1 i K2 javljaju uslovi za pojavu kondenzacije vodene pare. Ugradnjom parne barijere (sloj 3) polje pritisaka u zidu se menja i dolazi do zasićenja. U delu zida


101

iza barijere parcijalni pritisci vodene pare postaju znatno niži, tako da su izbegnuti uslovi za kondenzaciju. Sa termotehničkog gledišta, parnu barijeru je najpovoljnije postaviti sa unutrašnje strane konstrukcije, ali bi tu bila izložena mehaničkim oštećenjima. Iz tog razloga, ona se postavlja sa toplije strane termoizolacije. Ako bi se postavila parna barijera sa hladnije strane zida, javila bi se nepovoljna raspodela parcijalnih pritisaka vodene pare, što dovodi do pojave kondenzacije u zoni koja se nalazi unutar termoizolacionog sloja i koja je šira nego kada nema parne barijere. Kada bi se postavile dve parne barijere, ukupni difuzioni tok umanjuje se za 48%, ali bi se javila nepovoljna raspodela parcijalnih pritisaka vodene pare, i nastupila bi kondenzacija unutar same izolacije, što se ne sme dopustiti. Postavljanje apsolutne parne barijere (materijal potpuno nepropustan za vodenu paru) takođe je nepovoljno u većini slučajeva.

Proračun potrebne količine

toplote za grejanje

Proračun potrebne količine

toplote za grejanje

6.6.

105

6. Proračun potrebne količine toplote za grejanje

Količina toplote potrebna za grejanje jedne zgrade QH predstavlja karakteristiku zgrade i služi kao osnov za proračun postrojenja za grejanje. Sastoji se iz transmisionih gubitaka QT i ventilacione QV količine toplote:

VTH QQQ += , .................................................................................................... (6.1)

Transmisioni gubici toplote Qo nastaju u određenoj prostoriji prolazom (transmisijom) toplote kroz površine koje omeđuju i razdvajaju prostoriju od prostora koji ima drugu vrednost temperature. Prostorija se nalazi u stacionarnom stanju odnosno sve merodavne veličine su ustaljene. Za proračun gubitaka toplote koristimo obrasce za jednodimenzionalan prolaz toplote, za svaku površinu posebno:

( )iuii ttFkQ −⋅∑=0 , ........................................................................................... (6.2)

Gde je:

0Q - količina toplote koju prostorija transmisiom gubi kroz određenu površinu (zidovi, prozori,vrata, pod, tavanica) (W)

ik - koeficijent prolaza toplote kroz površinu “i” (W/m2K) iF - površina (zida, prozor, vrata, tavanice) kroz koju prolazi toplota (m2)

ut - unutrašnja projektna temperatura (°C) it - spoljna projektna temperatura (ti=ts) ako posmatrana površina razdvaja prostoriju od spoljne

sredine ili temperatura susedne prostorije ako površina F razdvaja dve prostorije (°C)

Prema Nemačkom normativu DIN 4701 iz 1959 godine, transmisioni gubici toplote se obavezno koriguju dodacima, kako bi se uzeli u obzir povećani zahtevi za toplotom i izvršile druge dopune koje zavise od specifičnosti grejanog prostora. Zato se potrebna količina toplote za nadoknađivanje transmisionih gubitaka QT razlikuje od gubitaka izračunatih po obrascu (6.3):

( )SDT ZZQQ ++= 10 (W), ................................................................................ (6.3)

gde je :

DZ - dodatak za zagrevanje prostorija posle prekida u grejanju uZ , kao i za neutralisanje uticaja hladnih spoljnih zidova ( aZ ): aud ZZZ += .

SZ - dodatak-korektura za uticaj orijentacije prostorije prema stranama sveta.

Prema aktuelnom DIN standardu Zu je izostavljeno.


106

6.1. Koeficijent prolaza toplote - k Koeficijent prolaza toplote treba da je poznat za svaki građevinski element kroz koji postoji razmena toplote. Računa se preko opšteg izraza:

∑ +++=

si

i

u

k

αλλδ

α111

1 (W/m2K), ................................................................... (6.4)

uα - koeficijent prelaza toplote sa unutrašnje strane posmatrane površine (W/m2K) iδ - debljina jednog sloja zida “i” (m) iλ - koeficijent provođenja toplote za posmatrani sloj zida “i” (W/m2K/m)

1/λ - ako se jedan od slojeva u zidu sastoji od vazduha, onda nema samo provođenja toplote kaokod čistog sloja, pošto se u vazdušnom sloju toplota prenosi kako provođenjem, tako i konvekcijom, zračenjem. U obrascu 1/λ predstavlja otpor prolazu toplote i kroz vazdušni sloj (m2K/W)

sα - koeficijent prelaza toplote sa spoljne strane posmatrane površine (W/m2K)

Tabela 6.1-1. Koeficijent prelaza toplote (W/m2K)

Za zidove i unutrašnje prozore, kao i za podove i tavanice pri prelazu toplote odozdo nagore 8

Za podove i tavanice pri prelazu toplote odozgo nadole 6 Unutrašnji koeficijent prelaza toplote uα

Za spoljne zidove 12

Koeficijent prelaza toplote pri srednjoj brzini vetra 25 Spoljni koeficijent prelaza toplote sα Za slučaj dodatnih visećih fasada, kao i za ravan krov 11

Prilikom korišćenja tabela treba voditi računa da kod horizontalnih površina koeficijent prolaza toplote zavisi od smera toplotnog toka, kao i da za zid od istih materijala nije jednak koeficijent prolaza toplote ako je taj zid spoljni ili unutrašnji, zbog različitih koeficijenata prelaza toplote. Kad se koeficijent prolaza toplote izračunava onda se to čini prema obrascu broj (6.4).

Tabela 6.1-2. Koeficijent prolaza toplote k za krovove (W/m2K)

Materijal krova k (W/m2K)

Crep ili talasasti lim na letvama, bez zaptivanja 11,6

Crep na letvama sa zaptivenim spojnicama 5,8

Staklo jednostavno, 3-5 mm, zaptivani spoj 5,8 Armirano-betonski krovovi pokriveni ter papirom, bez izolacije, debljina betona 5 cm 4,3

Armirano-betonski krovovi sa izolacijom od 35 mm 1,2

Terase sa izolacijom od 35 mm 1,1


107

Tabela 6.1-3. Koeficijent prolaza toplote k za prozore i vrata (W/ m2K)

Vrata k

Spoljna vrata - drvena 3,5 Spoljna vrata - čelična 5,8 Balkonska vrata, drevena sa staklom, jednostruka 4,7 Balkonska vrata, drvena sa taklom, dvostruka 2,3 Unutrašnja vrata 2,3

Spoljni prozori

Drveni jednostruk prozor, jednostruko zastakljen 5,2 Drveni jednostruk prozor, dvostruko zastakljen, odstojanje između stakla 6,0 mm 3,3 Drveni jednostruk prozor, dvostruko zastakljen, odstojanje između stakla 12 mm 2,9 Drveni spojeni prozor 2,6 Drveni dvostruki prozor 2,3 Čelični jednostruk prozor, jednostruko zastakljen 5,8 Čelični jednostruk prozor, dvostruko zastakljen, odstojanje između stakla 6,0 mm 4,0 Čelični jednostruk prozor, dvostruko zastakljen, odstojanje između stakla 12 mm 3,6 Čelični spojeni prozor 3,5 Čelični dvostruki prozor 3,3 Nadsvetlo, jednostruko u čeličnom ramu 5,8 Nadsvetlo, dvostruko u čeličnom ramu 3,5 Veliki izlozi, prozori u betonskom okviru 5,8 Prozor od šupljih staklenih blokova 2,9

Unutrašnji prozori

Prema sporednoj prostoriji, jednostruk prozor 3,5 Prema sporednoj prostoriji, dvostruk prozor 2,3

Specijalno zastakljivanje

Termopan staklo, jedan puta vazdušni sloj 3,3 Termopan staklo, dva puta vazdušni sloj 2,1 Termopan staklo, tri puta vazdušni sloj 1,5 Cudo staklo (prema debljini stakla) 3,1-3,8 Termoluks, jednostruk 4,0 Termoluks, dvostruk 1,9 Stakleni blok, šupalj 3,1 Stakleni blok, pun 5,2


108

Prozor u staklenicima ( xxxxxstakla FF / )

1,0 5,8 1,5 4,8 2,0 4,2 2,5 3,8 3,0 3,5

Tabela 6.1-4. Koeficijent prolaza toplote k za podove i tavanice (W/m2K)

Crtež konstrukcije Vrsta konstrukcije k (W/m2K)

Armirano - betonska konstrukcija

1. Armirano betonska masivna ploča sa vlaknaticom 20 mm i parketom u asfaltu 1,20 1,20

2. Sitnorebrasta konstrukcija sa vlaknaticom 12 mm, linoleum na betonskoj podlozi, trščani lep 1,28

3. Monta sa vlaknaticom 12 mm, na betonskoj podlozi

1,40

4. Ravni krov, sitnorebrasta konstrukcija, ploča od drv. vun. 7 cm, betonska ploča na preseku, trščani lep 0,87

Drvena konstrukcija

5. Drvene grede sa upuštenim podom, parket na slepom podu, nasip od šljake

1,16

Pod na zemlji

6. Betonska ploča, ploča od drv. vune 8 cm, teraco na betonskoj podlozi 1,34


109

6.2. Unutrašnja projektna temperatura - tu Temperature koje treba održavati u pojedinim prostorijama zavise od namene prostorije i treba ih usvajati prema daljim preporukama, ukoliko naručilac ne zahteva druge vrednosti.

Tabela 6.3-1. Unutrašnje projektne temperature

Stambene zgrade °C

Dnevna soba, spavaća soba, predsoblje, degažman, kuhinja 20 WC - poseban 15 Kupatilo (posebno is a WC-om) 22 Sušionica veša bez provetravanja 20 Sušionica veša sa provetravanjem 16 Hidroforsko postrojenje 10 Priručna radionica 18 Stepenište, toplotna podstanica i ostava ne greju se

Poslovne prostorije °C Kabineti, biroi, kancelarije, biblioteke, ateljei, lokali 20 Konferencijske sale, sale za rad sa klijentima, trpezarije, sobe za vozače, hodnici, čekaonice, stepeništa, umivaonice 18

Arhiva - biroi 20 Arhiva – magacini 12 Magacini u sklopu lokala 10 Holovi i garderobe 16 Prostorije za ATC i telegraf, pojačivačke stanice, radio uređaje 20 Prostorije za personal koji radi sa ručnim telefonskim centralama 20 Garaže 5

Zdravstvene ustanove (bolnice, ambulante, klinke) °C Čekaonice, kancelarije, sobe lekara, laboratorije 20 Ordinacije, bolesničke sobe, boksovi i poluboksovi za decu, trpeyarije i dnevni boravak bolesnika, unutrašnja stepeništa i hodnici, garderobe, umivaonici, sobe za uzimanje uzoraka, prostorije za specijalističke preglede, sale za redgensku dijagnostiku, prostorije za gipslovanje, kabineti za snimanje, zračenje, terapiju i masažu, sale za terapiju blatom

22

Operacione sale za hitne slučajeve, sale za dijagnostiku i intervencije, pripremne prostorije, sobe za buđenje, komandne sale pogonskih uređaja 24

Operaciona i akušerska sala, sale za nedonoščad, kupatila, sale za hidroterapiju 25 Prostorije za sterilizaciju, obdukcione sale, gimnastički kabineti, WC, hol radionice 18 Magacini čistog rublja i sanitetskog materijala, tehnička postrojenja, perionice 15 Skladišta krvi 7 Magacini prljavog rublja 5 Kuhinja 16


110

6.3. Površina kroz koju prolazi toplota – F Površina kroz koju se vrši razmena toplote, izračunava se na osnovu unutrašnjih mera dužine i širine prostorije. Za visinu zida se uzima odstojanje od poda do sledećeg poda tj. u visinu zida se uzima i debljina međuspratne konstrukcije. Pri proračunu potrebne količine toplote, za pojedine površine koriste se sledeće oznake :

PJ - prozor jednostruki PK - prozor na krilo PD - prozor dvostruki PDZ - prozor dvostruko zastakljen SJ - svetlarnik jednostruki SD - svetlarnik dvostruki VU - vrata unutrašnja VS - vrata spoljna VB - vrata balkonska ZU - zid unutrašnji ZS - zid spoljni T - tavanica P - pod

6.4. Temperature negrejanih prostorija

Tabela 6.4-1. Temperature negrejanih prostorija i tla (°C)

Pri spoljnoj temperaturi u °C -9 -12 -15 -18 -21 -24

Krov sa k<2.3 0 -3 -6 -9 -12 -12

Krov sa k=2.3÷5.8 -3 -6 -9 -12 -15 -15 Potkrovlje

Krov sa k>5.8 -6 -9 -12 -15 -18 -18

Grejanim prostorijama Oceniti s obzirom na temperaturu grejanih prostorija

Spoljnim vazduhom bez spoljnih vrata

+9 +6 +6 +3 +3 0 Susedne prostorije koje su pretežno okružene Spoljnim

vazduhom sa spoljnim vratima

+3 0 0 -3 -3 -6

Ispod poda prostorije +6 +3

Tlo Uz spoljni zid 0 -3

Sa centralnim grejanjem +15 Susedne

zgrade Sa pećima +10

Kotlarnice +15÷20


111

Za izračunavanje potrebne količine toplote potrebno je poznavati temperature u prostorijama koje nisu predviđene za grejanje (suteren, ostava, tavan i sl.). Ove temperature se mogu izračunati na osnovu toplotnog bilansa određene negrejane prostorije. Temperatura se izračunava po obrascu:

∑ ∑ ⋅+⋅

∑ ∑ ⋅⋅+⋅⋅=

u ssu

u sssuu

x FkFk

tFktFkt

)()(

)()(

gde je :

∑ ⋅s

sFk )( - suma proizvoda kF za površine koje negrejanu prostoriju odvajaju od spoljnjeg vazduha

∑ ⋅u

uFk )( - suma proizvoda kF za površine koje negrejanu prostoriju odvajaju od unutrašnjihprostorija

ut - temperatura u susednoj prostoriji

st - spoljna projektna temperatura

xt - temperatura negrejane prostorije

6.5. Spoljna projektna temperatura - ts Za spoljnu projektnu temperaturu se ne uzima najniža temperatura koja se javila u određenom mestu, jer ona traje vrlo kratko i retko se javlja, pa bi projektovano postrojenje bilo neekonomično, jer bi retko radilo punim kapacitetom. Zato se kao spoljna projektna temperatura usvaja vrednost znatno viša od apsolutne minimalne temperature. Raniji Nemački normativ 4701 je spoljnu projektnu temperaturu definisao kao srednju vrednost apsolutnih minimuma iz što dužeg niza godina, da bi danas u važećem normativu iz 1983.godine uveo nov način njenog određivanja. Kao projektna usvaja se srednja dvodnevna temperatura, koja je u poslednjih 20 godina dostignuta ili bila ispod nje 10 puta. Usvojeno je da se za naše klimatske uslove spoljna projektna temperatura određuje zavisno od srednje temperature najhladnijeg meseca u periodu od 10 godina (tm) i apsolutnog minimuma (tmin) iz istog perioda, koji bi trebao da je najaktuelniji. Odnos ućešća ove dve temperature dat je sledećim izrazom:

min6,04,0 ttt ms +=


112

Tabela 6.5-1. Spoljne projektne temperature (za neka mesta u Srbiji)

SRBIJA Grad °C Grad °C

Ada -18 Ćuprija -20

Aleksandrovac -20 Čačak -20

Aleksinac -16 Čoka -18

Alibunar -18 Despotovac -18

Apatin -18 Dimitrovgrad -18

Aranđelovac -18 Divčibare -18

Arilje -18 Dragaš -18

Bačka Palanka -18 Đakovica -15

Bačka Toplola -20 Golubac -18

Bačko Petrovo Selo -18 Gornji Milanovac -19

Bajina Bašta -18 Inđija -18

Bajmok -20 Ivanjica -20

Banja Koviljača -18 Jaša Tomić -20

Batočina -18 Jošanička Banja -20

Bečej -20 Kačanik -20

Bela Crkva -19 Kikinda -20

Beograd -15 Knjaževac -18

Boljevac -18 Kokin Brod -20

Bor -15 Kostolac -18

Bosilegrad -20 Koviljača -17

Bujanovac -18 Kovin -18

Crvenka -18


113

6.6. Dodatak zbog prekida u zagrevanju - Zn U termičkom pogledu važna karakteristika prostorije je srednja vrednost koeficijenta prolaza toplote koja se izračunava preko obrasca:

)(0

suD ttF

Qk−⋅

= (W/m2K), ............................................................................. (6.5)

gde je:

0Q - gubitak toplote prostorije transmisijom (W) F - ukupna unutrašnja površina prostorije: zbir svih spoljnih zidova sa prozorima, svi

unutrašnji zidovi sa vratima, pod i plafon, bez obzira da li kroz neku od ovih površinanema razmene toplote (drugim rečima, celokupni omotač prostorije). I u ovom slučajuse kao visina zidova uzima odstojanje od poda do poda (m2)

su tt − - razlika između unutrašnje i spoljne projektne temperature (°C)

U zavisnosti od vrednosti Dk uzima se dodatak za prekid loženja, kako bi posle prekida u zagrevanju bilo moguće intenzivnijim dovođenjem toplote, preko povećanih grejnih tela, brže zagrejati prostoriju na željenu temperaturu. Pored neprekidnog rada postrojenja, koje ne zahteva nikakve dodatke, razlikuju se sledeći slučajevi:

1. neprekidan rad sa kratkotrajnim ograničavanjem zagrevanja noću 2. prekid u zagrevanju od 9-12 časova dnevno 3. prekid u zagrevanju od 12-16 časova dnevno

Na slici 6.6-1. je prikazana zavisnost dodatka uZ od dužine trajanja prekida loženja i vrednost

Dk . Sa slike se vidi da se za manje vrednosti Dk daju veći dodaci, jer je zadržavanje toplote u prostoriji kraće ukoliko je razlika su tt − veća, odnosno kada Dk ima manju vrednost.

Slika 6.6-1. Zavisnost dodataka na prekid grejanja i na hladne površine od kD

PREKID 1

PREKID 2

PREKID 3

kD

ZA

ZU

0%

10%

20%

30%

0 1.0 2.0


114

6.7. Dodatak na uticaj zračenja - Za Osećaj ugodnosti ljudi koji borave u nekoj prostoriji ne zavisi isključivo od temperature koja vlada u prostoriji, već i od srednje temperature graničnih površina. Zbog toga se može desiti da se čovek ne oseća prijatno u prostorijama sa velikim prozorima i spoljnim zidovima koji nisu dovoljno termički zaštićeni, iako je prostorija zagrejana na potrebnu temperaturu zbog većeg odavanja toplote tela zračenjem. Zato su prostorije na uglovima zgrada nepovoljnije od prostorija sa jednim spoljnim zidom. Srednja temperatura graničnih površina prostorije zavisi od koeficijenta prolaza toplote k, pa se njena vrednost ogleda u vrednosti Dk . Zato i dodaci aZ zavise od vrednosti Dk .

Pošto oba dodatka, uZ i aZ zavise od vrednosti Dk , oni se i pored toga što imaju potpuno različita fizička značenja, spajaju u računu u jedan dodatak DZ .

Slika 6.7-1. Zajednički dodatak ZD zavisno od kD

PREKID 1

PREKID 2

PREKID 3

kD

ZD

0%

10%

20%

30%

0 1.0 2.0

Aktuelni Nemački normativ za proračun potrebne količine toplote (DIN 4701), iz 1983 godine, ne uzima u obzir prekid grejanja, pa otpada Zu. Smatra se da je danas regulaciona tehnika u grejanju svuda automatska i da je moguće programirati uključenje rada grejnog postrojenja u određeno vreme, pre trenutka kada u prostoru treba da budu postignute projektne temperature.

Tabela 6.7-1. Dodatak ZD

Za kD (W/m2K) <0.35 0.35÷08 0.8÷1.75 <1.75

1. Neprekidan rad sa ograničenjem zagrevanja noću 0,07 0,07 0,07 0,07

2. Prekid rada 9÷12 časova dnevno 0,20 0,15 0,15 0,15

3. Prekid rada 12÷16 časova dnevno 0,30 0,25 0,20 0,15


115

Tabela 6.7-2. Dodatak ZD u zavisnosti od kD

kD (W/m2K) ZD

0÷0.26 0.02

0.27÷0.43 0.04

0.44÷0.60 0.06

0.61÷0.76 0.08

0.77÷0.91 0.10

0.92÷1.05 0.12

1.06÷1.19 0.14

1.20÷1.32 0.16

Kada se postrojenje za grejanje predviđa sa potpunom automatskom regulacijom, za takve slučajeve treba umesto sa dodatkom :

auD ZZZ += , ...................................................................................................... (6.6)

računati samo sa dodatkom aZ . Međutim u našim uslovima grejanja dodatak DZ još uvek treba da se uzima u obzir.

6.8. Dodatak na strane sveta - ZS Ovaj dodatak je uveden zbog uticaja različitih intenziteta sunčevog zračenja na zidove prostorije, koji su orijentisani prema pojedinim stranama sveta. Vrednosti dodatka ZS date su u tabeli 6.8-1. Za položaj jedne prostorije merodavna je orijentacija spoljnjeg zida, kod prostorija sa jednim spoljnim zidom. Za prostorije sa dva spoljna zida važna je orijentacija ugla prostorije, a ako ima tri ili četiri spoljna zida, uzima se maksimalni dodatak.

Tabela 6.8-1. Dodatak ZS

Strana sveta J JZ Z SZ S SI I JI

Dodatak -0,05 -0,05 0 +0,05 +0,05 +0,05 0 -0,05

6.9. Zagrevanje vazduha koji prodire u prostoriju Pod uticajem udara vetra, u prostoriju prodire vazduh usled nezaptivenosti vrata i prozora. Da bi se neutralisao uticaj hladnog vazduha koji prodire u prostoriju, treba predvideti količinu toplote koja je potrebna da ovaj vazduh zagreje na temperaturu prostorije. Norme iz 1959. godine upućuju na određivanje zapremine vazduha koja prodire u prostoriju i izračunavanje količine toplote VQ koja je potrebna za zagrevanje vazduha sa spoljne na unutrašnju


116

temperaturu. Takav način proračuna nije zadovljio praktične zahteve i potrebnu tačnost proračuna i bio je izložen kritici , tako da je u poslednjem izdanju DIN normi uneta nova metoda proračuna. Za sve glavne projekte treba koristiti način DIN 4701 iz 1959 godine, koji je prihvaćen i u novom SRPS M. E6. 010. Najaktuelniji način proračuna predstavljen je poslednjim izdanjem DIN-a iz 1983. godine.

6.10. Dodatak na uticaj vetra - ZV Za određivanje dodatka treba znati u kakvom je predelu zgrada i pri tome razlikovati normalni i vetroviti predeo. Osim toga, utvrđuje se da li je zgrada zaklonjena ili izložena vetru, odnosno koje su prostorije u jednoj zgradi zaklonjene, a koje izložene njegovom udaru. Zaklonjen položaj ima prostorija koju štiti zaklon koji nadvisuje prostoriju bar za 2/3 odstojanja između zaklona i prostorije. Zaklonjene prostorije najčešće se nalaze u zgradama u gradovima. Svaka prostorija sa spoljnim zidom dobija bar dodatak za zaklonjen položaj . Ako je zgrada otvorena na sve četiri strane, onda samo prostorije orjentisane prema severu, severoistoku i istoku dobijaju dodatak kao prostorije sa otvorenim položajem. Vrlo visoke zgrade spadaju u zgrade izložene vetru.

Tabela 6.10-1. Dodatak ZV

Vrsta prostorije I II III IV

Zaklonjen položaj 0,13 0,09 0,12 0,07 Normalni predeli

Otvoren položaj 0,27 0,19 0,24 0,14

Zaklonjen položaj 0,22 0,15 0,20 0,12 Vetroviti predeli

Otvoren položaj 0,40 0,28 0,35 0,20

gde je: I - prostorija sa jednim spoljnim zidom II - prostorija na uglu, sa jednim spoljnim otvorima u jednom zidu III - prostorija na uglu, sa spoljnim otvorima u oba zida IV - prostorija sa spoljnim otvorima u naspramnim zidovima

6.11. Dodatak na uticaj infiltracije vazduha - QV Nemački normativ iz 1959. godine daleko preciznije određuje potrebnu količinu toplote za zagrevanje vazduha koji prodire infiltracijom. Polazi se od količine vazduha koja dospeva u prostoriju zbog razlike pritisaka između spoljne okoline i prostorije. Ona zavisi kako od veličine procepa prozora i vrata, tako i od razlike pritisaka sa obe strane prostorije. Prema tome, na količinu vazduha koji dospeva u prostoriju ima uticaja veličina procepa na strani koja je pod udarom vetra, veličina procepa na zaklonjenoj strani, kao i zaptivenost ovih procepa. To su osobenosti prostorije koje se uzimaju u obzir preko karakteristike prostorije R, čije se vrednosti nalaze u opsegu 0,7 do 0,9. Drugi uticaj na količinu vazduha koji prodire u prostoriju je jačina vetra, koja zavisi od


117

položaja zgrade (zaklonjen ili otvoren položaj ) i vrste (pojedinačna gradnja ili u bloku). Ovaj uticaj se uzima u obzir preko karakteristike zgrade H. Izračunavanje potrebne dodatne količine toplote za zagrevanje vazduha koji prodire pod dejstvom vetra, vrši se prema obrascu:

( ) ESuSV ZttHRlaQ ⋅−⋅⋅⋅∑ ⋅= )( , .................................................................... (6.7)

gde je: a - propustljivost procepa u (m3/mhPa2/3) označava količinu vazduha na čas koja prodire

kroz procep dužine 1m, pri razlici pritisaka od 1 Pa, l - dužina procepa (m) R - karakteristika prostorije H - karakteristika zgrade (WhPa2/3/m3K) EZ - dodatak za prozore koji se nalaze na uglu dva spoljna zida EZ =1,2. U svim drugim

slučajevima ZE=1. ∑ ⋅ Sla )( - predstavlja zbir proizvoda dužine svih procepa, koji se uzimaju u obzir i njihovih

propustljivosti. U slučaju da se prozori nalaze u naspramnim zidovima, uzimaju seprozori sa većom propustljivošću. Ukoliko su prozori u dva susedna zida, onda se obaprozora obuhvataju proračunom; spoljna vrata se računaju kao i prozori.

Tabela 6.11-1. Propustljivost procepa a (m3/mhPa2/3)

Vrsta prozora Tip prozora a

jednostruki 0.7

spojeni dvostruki 0.6 Drveni i od veštačkih materijala jednostruki sa garantovanom zaptivenošću 0.4

jednostruki 0.3

spojeni dvostruki 0.3 Čelični i metalni jednostruki sa garantovanom zaptivenošću 0.3

nezaptivena 8.7 Unutrašnja vrata

zaptivena 3.3


118

Tabela 6.11-2. Odnos dužine procepa prema površini procepa (vrata)

Vrsta prozora (vrata) Visina prozora (vrata) [m] w = 1/F

0,5 7,2

0,63 6,2

0,75 5,3

0,88 4,9

1,00 4,5

1,25 4,1

1,50 3,7

2,00 3,3

Prozori nezavisno od broja krila

2,50 3,0

dvokrilna 2,50 3,3 Vrata i prozori u vratima jednokrilna 2,10 2,6

6.12. Karakteristika prostorije – R Karakteristika R zavisi od propustljivosti prozora i vrata, za vazduh koji prodire u prostoriju (izraženo sa ∑ ⋅ Sla )( ) i propustljivosti prozora i vrata kroz čije procepe vazduh struji iz prostorije (izražen sa ∑ ⋅ ula )( ). R se izračunava preko obrasca:

1)()(

1

+∑ ⋅∑ ⋅

=

u

S

lalaR , ............................................................................................... (6.8)

Za većinu stambenih zgrada uobičajenog načina gradnje prozora, karakteristika R se u pojedinim prostorijama bitno ne razlikuje, pa se ona mora uvek računati. Međutim, s obzirom na tačnost proračuna potrebne količine toplote, karakteristika R se u većini slučajeva određuje u grubim granicama, pa se kod čitavog niza sličnih zgrada računa sa istim brojnim vrednostima R. Ove vrednosti se u normalnim slučajevima kreću između 1 i 0,8 ili u granicama od 0,8 do 0,6, pa se u tabeli 6.12-1 daju srednje vrednosti 0,7 i 0,9. Prilikom korišćenja tabele 6.12-1, R se ne određuje preko dužine procepa, već indirektno pomoću odnosa površina elemenata kroz čije procepe vazduh struji u prostoriju (FS) i elemenata kroz koje vazduh struji iz prostorije (FU). Najčešće vazduh napušta prostoriju kroz procepe unutrašnjih vrata, a to je slučaj kod svih prostorija sa jednim spoljnim zidom ili kod prostorija na uglu zgrade.


119

Tabela 6.12-1. Karakteristika prostorije – R

Prozori Unutrašnja vrata Fs/Fn R

nezaptivena <3 Drveni prozori i prozori od veštačkih materijala zaptivena <1.5

nezaptivena <6 Čelični i metalni prozori

zaptivena <2.5

0.9

nezaptivena 3÷9 Drveni prozori i prozori od veštačkih materijala zaptivena 1.5÷3

nezaptivena 6÷20 Čelični i metalni prozori

zaptivena 2.5÷6

0.7

Za prostorije koje imaju vrlo velike dužine procepa prozora i eventualno spoljnih vrata, prema dužini procepa unutrašnjih vrata (ateljei, sale za sastanke, slušaonice itd.) R se mora izračunavati po obrascu (6.8). Za prostorije bez unutrašnjih zidova (sale, hale i dr.) uzima se da je propustljivost ∑ ⋅ Sla )( beskonačno velika, odnosno da je R=1,0.

6.13. Karakteristika zgrade - H Izloženost prema vetru, vetrovitost predela u kome je zgrada, kao i tip gradnje, obuhvaćeni su karakteristikom zgrade H. Vrednosti karakteristike H daju se za dve jačine vetra, odnosno za normalno i vetrovito područje, kao i za zgradu u zaklonjenom, slobodnom ili izrazito slobodnom položaju. Zaklonjeni položaj imaju zgrade u centrima gradova koje susedne objekte izrazito ne nadvisuju. Slobodan položaj se usvaja za zgrade u naseljima i zgrade raspoređene po širem prostranstvu, kao i za sve visoke objekte u gradovima koji su primetno viši od okolnih građevina. Pojedinačne zgrade na obalama širokih reka, jezera i mora, posebno ako je obala bez vegetacije, kao i objekti na visoravnima, prestavljaju objekte izrazito slobodnog položaja. Vrednosti karakteristike zgrade H određene su prema brzini vetra od 4 m/s za normalna područja i zaklonjen položaj, kao i za vetrovito područje i zaštićen položaj. Za objekte u normalnom području i sa izrazito slobodnim položajem, kao i za vetrovita područja i slobodan položaj, računato je sa brzinom vetra od 8 m/s. Zgrade u vetrovitom predelu sa izrazito slobodnim položajem, imaju karakteristike izračunate za brzinu vetra od 10 m/s.


120

Tabela 6.13-1. Karakteristika zgrade H (WhPa2/3/m3K)

H Predeo Položaj zgrade

Blokovska gradnja Pojedinačne zgrade

Zaklonjen 1.28 1.81 Otvoren 2.18 3.09 Normalni predeli Izrazito otvoren 3.19 4.47 Zaklonjen 2.18 3.09 Otvoren 3.19 4.47 Vetroviti predeli Izrazito otvoren 4.36 6.01

U pojedinačnim slučajevima, da bi se definisao položaj zgrade, treba prethodno odrediti smer vetra. Prilikom određivanja vrednosti karakteristika H treba razlikovati zgrade u pojedinačnoj i grupnoj (blokovskoj) gradnji. Pri tome u grupni tip gradnje spadaju i zgrade sa mnogo stanova.

6.14. Dodatak na visinu prostorija - Zh Ukoliko su prostorije više od 4 m, zbog povećanih toplotnih gubitaka u gornjem delu prostorije, kao i zbog veće infiltracije vazduha, dodaje se sledeći dodatak: Zh = 0,025 - po svakom metru visine iznad 4 m, Zhmax = 0,2 - maksimalni dodatak na visinu.

6.15. Specifična potrebna količina toplote – q Ova vrednost dobija se kao količnik potrebne količine toplote i zapremine prostorije:

VQq = , ................................................................................................................. (6.9)

Specifična potrebna količina toplote služi za kontrolu i ocenu toplotnih gubitaka. Normalno njena vrednost danas iznosi 25 – 40 W/m3. U daljem tekstu date su prosečne vrednosti za specifičnu toplotu prostorija koje imaju dvostruke prozore i unutrašnju temperaturu preko 20°C.

- prostorije na uglu 70 – 80 W/m3 - nezaklonjene prostorije 45 – 60 W/m3 - zaklonjene prostorije 35 – 45 W/m3 - stepeništa 17 – 30 W/m3 - zgrade do oko 2000 m3 35 – 60 W/m3 - zgrade do oko 20000m3 17 – 35 W/m3 - sale, hale 17 – 25 W/m3

Za prostorije grejane na 12°C gornje vrednosti treba umanjiti za 20%. Za prostorije sa jednostrukim prozorima vrednosti specifične toplote uvećavaju se za oko za 30%.


121

6.16. Uputstva Pre prelaska na sam proračun, potrebno je na crtežima osnove i svih spratova zgrade za koju se projektuje grejanje, učiniti sledeće:

- upisati strane sveta, - obeležiti prostorije rednim brojevima i upisati u svaku prostoriju njenu temperaturu, bez

obzira da li se prostorija greje ili ne, - uzeti od arhitekte podatke za vrste prozora, vrata i ostale elemente u zgradi kroz koje

prolazi toplota, i odrediti prostoriju za kotlarnicu.

Prilikom obeležavanja prostorija i upisivanja temperatura uobičajeno je da se to čini sa razlomkom: brojilac predstavlja broj prostorije, a imenilac njenu temperaturu. Kod višespratnih zgrada, radi brže orijentacije, može se prostorija obeležiti trocifrenim brojem, u kome prva cifra označava sprat, a ostale broj prostorije. Na primjer 017 bi bila prostorija u prizemlju, koja je označena brojem 17, a 604 prostorija broj 4 na 6 spratu.

6.17. Unapređenja u proračunu potrebne količine toplote Danas važeći normativ u Nemačkoj donet je 1983. godine sa nizom izmenjenih detalja i novih podataka prema prethodnom izdanju. U cilju dobijanja što realnijih vrednosti proračun je postao složeniji, a podaci koji se koriste prilagođeni su praksi ali i specifičnostima i uslovima klime u Nemačkoj. Zbog toga se ovaj postupak može prihvatiti po svojoj metodologiji, ali se za njegovu primenu u našim uslovima moraju dobro proveriti date proračunske vrednosti. U ovom poglavlju se objašnjavaju izvršene izmene, a pravi put za primenu bi bio da se u jednom periodu računa prema starim i novim normativima i izvrše upoređenja. U našoj zemlji proračun se sprovodi prema nemačkim normativima.

6.17.1. Merodavna spoljna temperatura Proračun standardne potrebne toplote izračunava se na osnovu najniže dvodnevne srednje vrednosti spoljne temperature koja je u vremenskom periodu od 20 godina deset puta dostignuta ili podbačena. Tako se konvencionalno određena proračunska vrednost označava kao standardna spoljna temperatura. Ukoliko standardni klimatski uslovi traju kraće, predviđeno je sniženje unutrašnje temperature za 1K. Pretpostavljena računska vrednost standardne spoljne temperature zavisiće od akumulacione sposobnosti zgrade. To se obezbeđuje preko korekture spoljne temperature St∆ .

SSS ttt ∆+= ' , .................................................................................................... (6.10)

gde je: tS - merodavna spoljna projektna temperatura

tS’ - standardna spoljna temperatura St∆ - korekcija


122

Korektura standardne spoljne temperature određuje se u zavisnosti od konstrukcije zgrade. Za malu građevinsku masu M/∑F <600 kg/m2 ∆ tS = 0 Za veliku masu 600<M/∑F <1400 ∆ tS = 2°C Za vrlo veliku masu M/∑F >1400 ∆ tS = 4°C

gde je: M - akumulaciona masa prostorije

∑ F - suma svih spoljnih površina prostorije (prozori i spoljni zidovi).

Korektura spoljne temperature određuje se jednoznačno za celu zgradu. Akumulaciona masa svedena na spoljne površine izračunava se samo za najnepovoljniju prostoriju sa maksimalno dva spoljna zida (najniža vrednost).

( ) ( )∑ +++∑ ++⋅= uodSodč mmmmmmM 5,25,05,05,25,0 ~ , ....................... (6.11)

gde je: mč - masa dela zidova od čelika md - masa građevinskih delova od drveta mo - masa ostalih građevinskih delova

u - unutašnje površine s - spoljne površine

Strogo određivanje tipa konstrukcije, prema izabranim grupama, ne mora biti prikazano u proračunu potrebne toplote, s obzirom da se dovoljno sigurno može odrediti na osnovu iskustva iz prakse.

6.17.2. Korekture koeficijenata prolaza toplote Osim ispravne spoljne projektne temperature, aktuelna procedura proračuna predviđa i korekturu stvarne vrednosti koeficijenta prolaza toplote. Na taj način se dobija merodavna vrednost za proračun, nazvana “standardni” koeficijent prolaza toplote:

kS=k+∆ ka+ ∆ kS, ............................................................................................... (6.12)

U gornjem izrazu ∆ ka se odnosi na povećanje koeficijenta prolaza toplote kako bi se dobila dodatna količina toplote u cilju ublažavanja niskih temperatura hladnih spoljnih zidova, što je od uticaja na uslove ugodnosti u prostoriji. Ovom korekturom zamjenjuje se dodatak “na izjednačavanje hladnih površina” iz ranijih normativa DIN 4701.

Tabela 6.17-1. Korektura koeficijenata prolaza toplote spoljnih zidova

Koeficijenti prelaza toplote spoljnih zidova (W/m2K) 0÷1,5 1,6÷2,5 2,6÷3,1 3,2÷3,5

Korekture za spoljne površine ∆k1 (W/m2K) 0 0,1 0,2 0,3


123

Vrednost srednje temperature zračenja površina prostorije zavisi i od sunčevog zračenja kroz prozore, zato se u proračunu potrebne količine toplote uvodi i korektura ∆ kS koja uzima u obzir i ovaj uticaj, umesto ranijeg dodatka na stranu sveta. Ona obuhvata isključivo dejstvo difuznog zračenja Sunca koje se javlja u toku zimskih dana. Zavisi samo od vrste prozorskih stakala s obzirom na njegovu propustljivost sunčevog zračenja, uvek je negativna i ista je za sve orijentacije prozora:

∆ kS = -0,35 τ (W/m2K), ................................................................................. (6.13)

Za najčešću propustljivost τ =0,85 korektura iznosi

∆ kS = - 0,3 (W/m2K), .................................................................................... (6.14)

6.17.3. Građevinske površine koje se graniče sa zemljom Poseban slučaj u izračunavanju gubitaka toplote predstavlja prolaz toplote kroz građevinske površine koje su u direktnom dodiru sa zemljom, a to su pod suterena i zidovi koji su u celini ili delimično ukopani u zemlju. I kroz pod, i kroz zidove, toplota QS iz suterenske prostorije se prenosi kroz zemlju na podzemnu vodu QPV i na spoljni vazduh QSV iznad površine zemljišta kojim je zgrada okružena:

QS=QPV+QSV, (6.15)

Pri tome, kad je reč o prenosu toplote na spoljni vazduh, zbog velike inercije zemlje, ne računamo sa standardnom već sa srednjom spoljnom temperaturom iz dužeg zimskog perioda, koja je mnogo viša. Na koeficijent provođenja toplote kroz zemlju do spoljnjeg vazduha od uticaja je veličina površine poda zgrade i njen odnos strana, kao i udaljenost podzemne vode. Gubitak toplote ka podzemnoj vodi računa se kao prenos u jednom pravcu, normalno na površinu koja leži na zemlji. Merodavna razlika temperature se definiše prema prostoriji čiji se gubici izračunavaju i srednjoj temperaturi podzemne vode, a koeficijent prolaza toplote se određuje uzimajući u obzir prelaz toplote na površinu i provođenje kroz slojeve do vode. Izračunavanje gubitaka toplote prema podzemnoj vodi se vrši prema izrazu:

( )FVuFVFV ttkFQ −⋅⋅= , .................................................................................. (6.16)

a prema vazduhu koristeći obrazac:

( )smuSVSV ttkFQ −⋅⋅= , .................................................................................... (6.17)

u gornjim izrazima je: F - površina poda suterena ili zidova u dodiru sa zemljom

FVk - koeficijent prolaza toplote kroz zemlju do podzemne vode

SVk - koeficijent prolaza toplote kroz zemlju do spoljnjeg vazduha

ut - temperatura suterenske prostorije

smt - temperatura spoljnjeg vazduha koja predstavlja srednju vrednost iz dužeg vremenskogperioda

FVt - temperatura podzemne vode


124

Koeficijenti prolaza toplote se računaju prema:

SZSbuSV

RRRRk

+++= λ'1 , ............................................................................... (6.18)

ZVbuPV

RRRk

++= λ''1 , ..................................................................................... (6.19)

ZTR Z λλ = , ......................................................................................................... (6.20)

gde važe sledeće oznake: kSV - koeficijent prolaza toplote od prostorije ka spoljnjem vazduhu FVk - koeficijent prolaza toplote od prostorije ka podzemnoj vodi

bRλ - otpor provođenju toplote građevinskog elementa

ZRλ - ekviv. otpor provođenju toplote kroz sloj zemlje ka spoljnjem vazduhu

ZVR - otpor provođenju toplote kroz sloj zemlje ka podzemnoj vodi

uα - koeficijent prelaza toplote sa unutrašnje strane

Sα - koeficijent prelaza toplote na spoljni vazduh

Zλ - koeficijent provodljivosti toplote zemlje T - dubina podzemne vode

Prema preporuci iz nemačkog normativa, mogu se koristiti sledeće brojne vrijednosti

SVt = tS+15 °C

FVt = +10 °C

Zλ =1,2 W/mK

gde je tS spoljna projektna temperatura. Određivanje ekvivalentnog otpora provođenju toplote kroz zemlju ZSRλ prema spoljnjem vazduhu vrši se uvek prema celokupnoj površini zgrade koja leži na zemlji. Ako je spojeno više zgrada kao merodavna površina poda se uzima zbirna podna površina svih zgrada. Merodavna dubina do podzemne vode, bez obzira da li se računaju gubici kroz pod ili zid koji je u dodiru sa zemljom, je odstojanje od poda do vode. Ukoliko su podne površine termički izolovane a vertikalni zidovi nisu, onda se za zidove uzima u obračun 50% od veličine otpora ZSR .

U slučaju da su samo neke suterenske prostorije grejane, onda pri određivanju otpora provođenju toplote kroz zemlju prema spoljnjem vazduhu merodavne su samo dimenzije l i b te grejane prostorije, a ne celog podruma ili spojenih zgrada. Nemački normativ daje posebno objašnjenje kada osnova spojenih podrumskih prostorija nije pravougaona. U tom slučaju treba formirati pravougaonik iste površine kao što je osnova pravougaonika, s tim da jedna strana odgovara najvećoj dužini osnove. Obrazac za izračunavanje ekvivalentnog otpora se daje u obliku:

( )[ ] 5,036,044,0 /24,0 −− ⋅⋅⋅= bITAR pdZVλ , .......................................................... (6.21)

u kome je samo nova ozn aka površine poda Apd.


125

Slika 6.17-1. Ekvivalentni otpor provođenju toplote sa tla na spoljni vazduh ZSRλ

6.17.4. Potrebna količina toplote za provetravanje Količina toplote koja treba da pokrije gubitke usled ventilacije u poslednjem standardu DIN 4701 poklonjena je posebna pažnja i priloženo je mnogo detalja i novih podataka. Sa obzirom da treba proveriti merodavnost podataka u domaćim uslovima gradnje i klimatskim prilikama ovaj deo proračuna prema DIN 4701 još nije prihvaćen u našoj praksi. Potrebna toplota za zagrevanje vazduha koji u prostoriju ulazi zbog provetravanja se deli prema:

vuprI QQQ += , ................................................................................................. (6.22)

gde je:

prQ - potrebna količina toplote za provetravanje pri prirodnoj ventilaciji

vuQ - količina toplote za količ. vazduha koja se dovodi ventil. uređajima

Kada ne postoje posebni ventilacioni uređaji onda je:

inI QQ Im= , ........................................................................................................ (6.23)

gde QImin - predstavlja količinu toplote potrebnu za zagrevanje minimalne zapremine vazduha koja

se mora obezbediti u prostoriji.


126

6.17.5. Potrebna količina toplote za prirodno provetravanje U zgrade uvek prodire spoljni vazduh za koji treba predvideti količinu toplote potrebnu da zagreje vazduh na temperaturu prostorije. Kada je poznata količina vazduha onda se potrebna toplota izračunava prema:

( )su ttcVQ −⋅⋅⋅= ρ , ......................................................................................... (6.24)

gde je : V - količina vazduha c - specifična toplota vazduha ρ - gustina vazduha tu - unutrašnja temperatura ts - spoljnja temperatura

U gornjem izrazu nepoznata je količina vazduha koja prodire u prostorije zgrade kroz procepe građevinskih elemenata i koja se sa dovoljnom tačnošću može izračunati preko:

( ) ( ) 3/2plaV ∆⋅∑ ⋅= , ......................................................................................... (6.25)

gde je: a - koeficijent propustljivosti prozora (vrata) (m3/mhPa2/3) l - dužina procepa (m) p∆ - razlika pritisaka sa spoljnje i unutrašnje strane (Pa)

Kombinujući jednačine (6.24). i (6.25). sledi:

( ) ( ) ( ) ( )SuSu ttcplattcVQ −⋅⋅⋅∆⋅∑ ⋅=−⋅⋅⋅= ρρ 3/2 , .................................. (6.26)

Razlika pritisaka može nastati usled sile vetra i uzgona. Za niske zgrade (visine do 10 m) uzgonske sile se zanemaruju. Zbog naleta vetra na napadnutoj fasadi nastaju nadpritisci, a na nenapadnutoj potpritisci, koji zavise od brzine vetra, oblika zgrade i uslova duvanja. Prema tome, spoljni vazduh, bez uticaja uzgona ulazi samo kroz napadnute strane i izaziva potrebu za toplotom za provetravanje, dok kroz ostale strane izlazi kao zagrejani unutrašnji vazduh. Sa visinom iznad tla povećavaju se i brzina vetra i odgovarajući pritisci vetra. Usled razlike gustina između hladnog spoljašnjeg i toplog unutrašnjeg vazduha, u vertikalnim šahtovima visokih zgrada (prostorima za liftove, stepeništu) nastaju razlike pritisaka u odnosu na spoljni vazduh, koje su proporcionalne visini šahtova i razlici gustina vazduha. Bez uticaja vetra, pri približno ravnomernom rasporedu nezaptivenosti po visini zimi u donjem delu zgrade vlada u odnosu na spoljne uslove podpritisak, a u gornjem delu nadpritisak. Prema tome, kroz sve fasade hladan spoljni vazduh ulazi u donjem delu, a u gornjem delu izlazi kao zagrejani unutrašnji vazduh. Potrebna toplota za zagrevanje hladnog vazduha se javlja samo u donjem delu zgrade, i to na svim fasadama u slučaju kada nema uticaja vetra. Od brzine vetra zavisi da li će na napadnoj strani neke visoke zgrade vazduh u gornjem delu ulaziti usled spoljnjeg nadpritiska vetra, ili će tu izlaziti usled unutrašnjeg termičkog nadpritiska. Tako se uopšte ne može reći da li iz unutrašnjeg dela neke visoke zgrade, na stranama koje vetar ne napada, vazduh izlazi zbog spoljnjeg potpritiska usled vetra, ili preovlađuje unutrašnji termički


127

potpritisak, pa usled toga i tu, a ne samo na fasadama napadnutim vetrom, ulazi spoljni vazduh. Zbog toga se pravi razlika između zgrada šahtnog (bez unutrašnje podele) i spratnog tipa (sa međuspratnim površinama koje ne propuštaju vazduh). Zgrade šahtnog tipa izložene su istovremenom dejstvu vetra i uzgona. Glavni parametar za produvavanje je ipak samo odnos propustljivosti ( )∑ ⋅ la napadnutih prema propustljivosti ( )∑ ⋅ la nenapadnutih fasada.

Preko ovog odnosa se lako određuje da li zgrada po svojoj osnovi pripada grupi I i II, odnosno pojedinačnim zgradama ili zgradama u nizu.

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

h)

l/t<5

l/t>5

(pojedinačna kuća) (kuća u nizu)TIP KUĆE I TIP KUĆE II

šahtni tip aparatni tip

propustljiva površinanepropustljiva površina

Slika 6.17-2. Podela zgrada s obzirom na infiltraciju

Kriterijumi su:

Za oblik osnove grupa I (pojedinačne zgrade) ( )( ) 3

1=

∑ ⋅∑ ⋅

U

S

lala

, ...................................... (6.27)

Za oblik osnove grupe II (zgrade u nizu ) ( )( ) 1=

∑ ⋅∑ ⋅

U

S

lala

, ......................................... (6.28)

Prostorije u donjem delu zgrada šahtnog tipa uvek su u najnepovoljnijem slučaju i imaju najveće potrebe za zagrevanjem infiltrovanog vazduha. Zgrade spratnog tipa izložene su samo uticajima vetra. One zbog toga imaju u gornjem delu uvek veću potrebu za toplotom za provetravanje od zgrade šahtnog tipa i tu im se pojavljuje najnepovoljniji slučaj. Sam proračun koristi sledeću jednakost:


128

( ) HHpc hh ⋅==∆⋅ ερ 3/2 , ............................................................................... (6.29)

gde je: Hh - karakteristika zgrade na visini h H - standardna karakteristika zgrade na uticaj vetra na visini od 10 m hε - korekcioni faktor za uticaje vetra i uzgona na visini h

( ) ( )[ ]∑ −⋅⋅⋅⋅⋅= SUSssprs ttRHlaQ ε , .............................................................. (6.30)

Za zgrade spratnog tipa merodavna je jednačina :

( ) ( )SUSsspre ttRHlaQ −⋅⋅⋅∑ ⋅⋅= ε , ............................................................... (6.31)

U gornjim izrazima važe oznake iz prethodnih izraza kao i : ε - korekcioni koeficijent za visinu R - karakteristika prostorije š - šahtni tip zgrade s - spoljna vetrom napadnuta fasada u - nenapadnuta strana zgrade

Potrebna količina toplote za prirodno provetravanje se usvaja iz rezultata dobijenih za šahtni i spratni tip zgrade uzimajući za dalji proračun veću vrednost. Propustljivost vazduha se javlja u procepima prozora koji se otvaraju, vratima, kao i u procepima između prozorskih okvira i konstrukcije zida odnosno između pojedinih elemenata spoljnjeg zida, naročito na prefabrikovanim građevinskim elementima. Vrednost ( )Sla∑ ⋅ za jednačinu (6.27). i (6.28). i ukupne propustljivosti na fasadama pod udarom vetra i fasadama kroz čije procepe izlazi iz zgrade, bez proračuna utvrditi koja od dve merodavne jednačine daje veću vrednost potrebne toplote. Ako to nije slučaj mora se sprovesti proračun i usvojiti nepovoljniji rezultat.

- za prostorije na uglu zgrade, za obe spoljne površine koje zaklapaju ugao sa najvećom propustljivošću

- za prostorije sa suprotno postavljenim spoljnim zidovima, u spratnim zgradama za stranu sa najvećom propustljivošću; za šahtne zgrade uzima se za napadnu stranu najveća propustljivost, a za nenapadnute strane neka druga vrednost.


129

6.17.6. Karakteristika zgrade – H Prema aktuelnom nemačkom standardu, naziv je izmenjen u “standardna” karakteristika zgrade, a vrednosti se znatno razlikuju od prethodnih.

Tabela 6.17-2. Propustljivost procepa građevinskih elemenata prema SRPS – u

Propustljivost procepa

Broj Naziv Karakteristike kvaliteta Koef. prop. procepa [ ]3/23 / mhPam

1. Grupe naprezanja B,C.D 0.3 -

2. Otvarajući

Grupe naprezanja A 0.6 -

3.

Prozor

Neotvarajući Normalan 0.1 -

4. Veoma zaptivena 1 -

5. Normalna sa pragom ili donjom zaptivenom letvom

2 -

6.

Okretna i kulisna

Normalna 20 -

7.

Vrata spoljna

Karuselno Normalna 30 -

Zaptivena sa pragom 8. Vrata unutrašnja

Normalna, bez praga 3 -

9 - Tesno zaptivena

0.1 - 9. Elementi spoljnjeg zida

Prolazni procepi izmedju prefarbikovanih elemenata Bez garantovane

propustljivosti 1 -

10. Mehanizam pristupačan spolja Normalna - 0.2

- 4

Roletne i spoljnje žaluzine Mehanizam prist.

iznutra Normalna - -

Veoma zaptivena 4 - 11.

Stalni ventilator (zatvoren) Normalna 7 -


130

Tabela 6.17-3. Karakteristika zgrade H prema aktuelnom DIN 4701

H u WhPa2/3/m3K Područje Položaj

Pojedinačne kuće Kuće u nizu Brzina vetra

u m/s

Normalan 0.72 0.52 2 Sa slabim vetrovima

Slobodan 1.82 1.31 4 Sa jakim vetrovima Normalan 1.82 1.31 4

Standard uzima u obzir povećanje brzine vetra sa visinom i termička pritisna dejstva. Kod zgrada u nizu na raspolaganju je, pod istim uslovima napada vetra, samo jedna površina za izlaz vazduha. Uspostavlja se odgovarajući, viši, unutrašnji pritisak, pa je zapremina vazduha koji prolazi, manja. Zgradama tipa I (pojedinaćne kuće) smatraju se one iz kojih vazduh može da izlazi sa dve ili više spoljnih površina. Primer za tip I: zasebna kuća otvorena sa svih strana (slika 6.17-2.), ili kuća otvorena sa tri strane (kuće na uglu niza), odnosno delovi zgrade (slike 6.17-2b. i 6.17-2c.). Zgrade tipa osnove II (kuće u nizu) smatraju se one koje su pregradnim zidom podeljene, tako da vazduh može uglavnom da izlazi samo kroz jednu spoljnu površinu. Primeri za tip II:

- izgrađene kuće u nizu oslonjene na susedne zgrade (slika 6.17-2d.) - izgrađeni stanovi u stanbenim blokovima (slika 6.17-2e.) - zasebne kuće sa svih strana otvorene sa odnosom strana većim od 5 (slika 6.17-2f.) - sa svih strana ili sa tri strane slobodne kuće, s tim što kroz dve površine nema značajnih

propuštanja (slike 6.17-2g. i 6.17-2h.).

6.17.7. Korekcioni faktor za visinu - ε Uzima u obzir povećanje brzine vetra sa visinom i termička pritisna dejstva. Oni zavise od visine posmatrane prostorije iznad zemlje, tipa zgrade prema slici 6.17-2. (šahtni ili spratni tip zgrade), kao i tipa osnove (tip pojedinačne kuće I, tip kuće u nizu II) i ukupne propustljivosti na fasadama pod udarom vetra i fasadama kroz čije procepe izlazi iz zgrade, bez proračuna utvrditi koja od dve merodavne jednačine daje veću vrednost potrebne toplote. Ako to nije bio slučaj potrebno je sprovesti ponovni proračun. Za zgrade visine do 10 m ne uzimaju se u obzir uticaji uzgona. Takođe se u ovom opsegu visine pretpostavlja konstantna brzina vetra. Zbog toga za zgrade do 10 m visine važi:

1== ESSS εε 0=SUε

Pregled korekturnih koeficijenata dat je u tabeli 6.17-4. Za izbor vrednosti treba napomenuti da kao visinu zgrade treba koristiti zbir visina svih spratova iznad nivoa zemljišta. Visina od 10 m se može koristiti za sve zgrade sa najviše četiri grejana sprata iznad tla.

Tabela 6.17-4. Korekturni koeficijent esε za visinu za pojedinačne zgrade i zgrade u nizu

Visina iznad terena u m 5 10 15 20 25 30 35 40 50 60 70 80 90 100

1.0 1.0 1.0 1.2 1.4 1.5 1.6 1.9 2.0 2.2 2.4 2.5 2.7 2.8


131

6.17.8. Karakteristika prostorije – R Karakteristika prostorije R je definisana kao redukcioni faktor koji uzima u obzir smanjenje produvavanja kroz zgradu usled unutrašnjih otpora (unutrašnji zidovi sa vratima). Ona zavisi kao i karakteristika zgrade, od odnosa propustljivosti vetrom napadnutih spoljnih površina ( )Sla∑ ⋅ posmatrane prostorije, prema propustljivosti unutrašnjih vrata i , eventualno prozora, na strani zgrade koja nije napadnuta vetrom ∑ ⋅ ula )( kroz koje vazduh može da izlazi. Ukoliko je propustljivost izlaznih procepa u odnosu na propustljivost ulaznih procepa manja, utoliko je i karakteristika prostorije manja. Zbog velikog variranja propustljivosti, dovoljno je da se karakteristika prostorije grubo odredi. Za najčešći slučaj, kada vazduh izlazi samo kroz unutrašnja vrata, date su karakteristike prostorije R u zavisnosti od broja i kvaliteta unutrašnjih vrata, i veličine ( )Sla∑ ⋅ , koje su potrebne za proračun (R=0,7 odnosno R=0,9) Za prostorije bez unutrašnjih vrata između vetrom napadnute i nenapadnute strane (npr. sale, velike kancelarije) R=1,0. Vidi se da je izbor dat preciznije prema broju unutrašnjih vrata i propustljivosti fasade. Vrednosti ( )∑ ⋅ la = ( )Sla∑ ⋅ , gde je sa s označena napadnuta strana vetrom, a za šahtni tip zgrade važi:

za sue > 0 ( ) ( ) ( )uS lalala ∑ ⋅+∑ ⋅=∑ ⋅ , ...................................................... (6.32)

za sue = 0 ( ) ( )∑ ⋅=∑ ⋅ Slala , ........................................................................ (6.33)

Tabela 6.17-5. Karakteristika prostorije R

Unutrašnja vrata Kvalitet Broj

Propustljivost fasada ( ) ( )hPamla /3∑ ⋅

Karakteristike prostorije R

≤ 30 0.9 1 > 30 0.7 ≤ 60 0.9

2 > 60 0.7 ≤ 90 0.9

Normalna bez praga

3 > 90 0.7 ≤ 10 0.9

1 > 10 0.7 ≤ 20 0.9

2 > 20 0.7 ≤ 30 0.9

Dihtujuća sa pragom

3 > 30 0.7


132

6.17.9. Potrebna količina toplote za celu zgradu Sabiranjem transmisionih gubitaka toplote za svaku grejanu prostoriju jedne zgrade, dobija se ukupni gubitak toplote građevinskog objekta za ovaj deo potrebne količine toplote. Međutim, za deo koji se odnosi na vazduh koji prodire usled infiltracije, to nije slučaj. Naime, prodor vazduha je računat za svaku prostoriju, za uslove da je napad vetra na odgovarajuću fasadu kojoj pripada tretirana prostorija. Gledano za celi objekat, takvi uslovi se ne mogu istovremeno javiti u svim prostorijama svih fasada već samo u delu zgrade. Zbog toga se merodavna potrebna količina toplote za zgradu u celini računa prema:

∑⋅+∑=i

iLi

iTZ QQQ ,, ξ , .................................................................................... (6.34)

gde važe oznake: QZ - merodavna količina toplote zgrade

QT,i - transmisioni gubici prostorije “i” QL,i - potrebna količina toplote usled infiltracije za prostoriju “i” ξ - faktor istovremenosti uticaja infiltracije

Tabela 6.17-6. Istovremeni udeo uticaja infiltracije

ζ

Visina zgrade H Izloženost vetru

<10m >10m

Područje slabih vetrova, normalan položaj 0.5 0.5

Svi ostali slučajevi 0.5 0.7

rejna tela - proračun i izborGrejna tela - proračun i izbor

7.7.

135

7. Grejna tela-proračun i izbor Grejna tela predstavljaju element postrojenja preko koga se zagreva određena prostorija. To je u stvari razmenjivač toplote imeđu zagrevnog fluida kojim se toplota prenosi od toplotnog izvora kroz cevovode do grejnog tela i prostorije koja se zagreva. Odata toplota od strane grejnog tela treba da odgovara trenutnim gubicima toplote prostorije, a njegov maksimalni kapacitet gubicima u projektnim uslovima. Od grejnih tela se očekuje niz zahteva kao što su ravnomerna raspodela temperature u prostoriji, da se lako čiste kako se po njima ne bi taložila prašina koja bi bila poneta strujom vazduha kroz prostoriju. Treba da imaju veliku površinu za prenos toplote ali da su kompaktna i da zauzimaju mali prostor. Izgled treba da im se uklapa sa enterijerom, da su male težine ali i da su otporna na visoku temperaturu, visoke pritiske i koroziju. Bitna karakteristika im je i cena i složenost ugradnje. Kod ovih tela dominantan način prenosa je toplota konvkecije (direktan prenos), ali i indirektan – zračenjem. Konvekcija se ostvaruje u dodiru vazduha sa površinom grejnog tela koja je više temperature pa se vazduh zagreva, dobija manju gustinu, struji naviše a u dodir sa grejnom povšinom dolazi nova nezagrejana masa svežeg vazduha i tako se obavlja cirkulacija i nadomešćuju gubici prostorije. Zračenje je razmena toplote između grejnog tela i površina koje ga okružuju i koje su niže temperature, zagrevaju se apsorbcijom, prevode toplotu u masu površine ali deo prenose konvekcijom na sobni vazduh. Koji je dominantni oblik prenosa toplote sa grejnog tela zavisi od konstrukcije tela, temperature njegove površine kao i termičkih uslova u samoj prostoriji.

7.1. Vrste grejnih tela

7.1.1. Radijatori Radijatori su najrasprostranjenija grejna tela koji su pogrešno dobili ime s obzirom na činjenicu da u najvećem delu toplotu predaju konvekcijom (70-85%), a ne radijacijom (zračenjem 15-30%). Oni su člankasta grejna tela od čeličnog lima ili livenog gvožđa. Prvi su lakši, jeftiniji, ali i manje otporni na koroziju i visoke pritiske. Spajanjem pojedinačnih članaka dobija se željena veličina grejnog tela, a oblik je takav zbog težnje da se poveća površina pa samim tim i razmena toplote sa vazduhom na što manjem prostoru. Članci se mogu sastojati iz jedne ili više vertikalnih šupljina (stubova) pa se razlikuju jedno ili višestubni. Karakteristične veličine radijatora su: visina, širina i dužina članka i razmak između priključaka. S povećanjem širine članka povećava se površina samog radijatora, jedna u odnosu na drugu, pa se smanjuje efekat radijacije. U seriji članaka jednog radijatora prvi i poslednji se razlikuju zbog priključivanja na cevnu mrežu i zatvaranja otvora čepovima u kojima mogu biti i ventili za odvođenje vazduha.

7. Grejna tela-proračun i izbor

136

Slika 7.1-1. Člankasti radijator

Čelični radijatori su upola lakši od livenih i formiraju se zavarivanjem (električnim ili autogenim) članaka u grupama od 2-4, koji se onda spajaju niplovima i koriste se u vodenim sistemima grejanja. Ovi radijatori su otporniji na mraz i praktično su bez ikakve inercije.

Slika 7.1-2. Preseci stuba radijatora

60 50

a) liveni,b) od presovanog čelika

a) b)

Radijatori od livenog gvožđa su u upotrebi i kod vodenog i kod parnog grejanja jer su otporniji na koroziju, a članci im se izrađuju pojedinačno i spajaju niplovima koji imaju izrezanu levu i desnu lozu.


137

7.1.2. Cevni radijatori To je najjednostavniji oblik radijatora, cev savijena u obliku serpentine, i pogodni su jer se cev može oblikovati tako da ne smeta u prostoriji. To su cevne zmije. Toplotni fluid u ovim radijatorima cirkuliše kontinualno.

Slika 7.1-3. Cevni registar

Druga vrsta cevnih radijatora je cevni registar koji se sastoji iz više pravih cevi zavarenih u sabirne dovodne i odvodne komore, postavljene normalno na same cevi. Ulazna i izlazna komora su odvojene zbog moguće dilatacije uzrokovane temperaturnom razlikom fluida na ulazu i izlazu. Ova vrsta radijatora je pogodnija za veće temperature i pritiske. Radi povećanja konvekcije na cevima su ponekad zavarena rebra ali se time smanjuje zračenje. Ovi radijatori su neestetskog izgleda pa se koriste za radionice, sporedne prostorije itd. Koriste se i u prostorijama sa malim toplotnim gubicima umesto radijatora sa nekoliko ili čak jednim člankom, a prečnici cevi koji se koriste za ovakva grejna tela su do 100mm.

7.1.3. Pločasta grejna tela Pločasta grejna tela, su za razliku od člankastih jedinstvena celina koja se odlikuje glatkom prednjom površinom i vrlo malom dubinom. Odavanje toplote sa glatke površine je uglavnom zračenjem, a sa zadnje koja je okrenuta ka zidu konvekcijom. Proizvode se od čeličnog lima koji je nešto deblji zbog stabilnostii izdržavanja većih pritisaka. Za veće kapacitete grade se iz dve ili tri paralelne ploče sa međusobnim odstojanjima radi formiranja kanala za strujanje vazduha koji se zagreva konvekcijom. U tom cilju se i zavaruje lim na strani prema zidu ili između dve ploče u obliku koji obrazuje vertikalne kanale. Visina ovih grejnih tela je od 100 do 300mm mada može biti i 600 čak i 800 za veće kapacitete. Dužina im je nekoliko metara. Uglavnom se postavljaju uz zidove jer zbog vrlo male dubine (nekoliko cm) ne zauzimaju mnogo prostora. Postavljaju se na odstojanju 50mm od zida.


138

Slika 7.1-4a. Pločasta grejna tela

7.1.4. Konvektori Konvektori predstavljaju grejna tela koja se sastoje od cevi na koje su nanizane lamele, tako da je dobijen razmenjivač toplote sa velikom dodirnom površinom preko koje struji vazduh. Razmenjivač se nalazi u kućištu u kome je otvor za ulaz vazduha pri podu a izlaz zagrejanog vazduha u najvišem delu kućišta. Usmeravanje vazduha vrši se limenim deflektorima. Visina kućišta direktno utiče na silu uzgona koja ostvaruje cirkulaciju vazduha. Konvektori su smešteni u posebna udubljenja -šahtove i odavanje toplote je pretežno konvekcijom kako su i dobili ime. Neznatan deo toplote predaje se i zračenjem preko oplate ili pregrade. Postavljaju se u zidnim otvorima ili nišama što niže. Celokupan efekat zagrevanja zavisi od površine grejača, vrste fluida odnosno njegove temperaturske razlike površine grejača i okolne temperature, konstrukcije i oblika od čega zavisi i efekat konvekcije. Jačina se podešava, osim regulišućeg ventila, i zatvaranjem otvora za prolaz vazduha koje se postiže naročtim žaluzinama. Ovaj način je pogodan za prostorije koje se ne moraju zagrevati, a zadržavajući topao radijator, ne postoji opasnost njegovog zamrzavanja kao kad se on isključi. Konvektori se primenjuju i kod vodenog i kod parnog grejanja, za visoke pritiske i temperature. Specifički su jeftiniji od radijatora zbog jednostavnije izrade i manje težine, a nedostaci su im teško održavanje čistoće zbog prašine koja se taloži i pored stalne cirkulacije vazduha. Zbog toga im treba predvideti bar lako skidanje oklopa radi čišćenja. Nisu dovoljno higijenski pa su podesni samo za visoke prostorije, radionice i prostorije koje se ne moraju stalno zagrevati.


139

Slika 7.1-4b. Konvektor

7.1.5. Kaloriferi Pri projektovanju sistema grejanja industrijskih objekata, velikih hala i prostora često se koriste grejna tela poznata pod opštim imenom “kaloriferi”. To su u stvari grejna tela-izmenjivači toplote-sa orebrenim cevima, kombinovana u jedinstvenom izvođenju sa ventilatorom i pripadajućim elektromotorom. Na taj način je moguće usmeriti vazdušnu struju u željenom pravcu i osigurati njen domet neposredno u zonu boravka konzumenata. Ova grejna tela mogu da rade sa svežim, opticajnim ili mešanim vazduhom, u skladu sa namenom i vrstom projektovanog sistema grejanja.

Slika 7.1-5. Kalorifer

7.2. Dimenzionisanje grejnih tela Grejno telo treba dimenzionisati tako da odgovarajućem prostoru preda potrebnu količinu toplote Q u projektnim uslovima:

Q=kF(tm-ti) (W) .................................................................................................. (7.1)


140

Gde su: k - koeficijent prolaza toplote sa grejnog fluida na okolni vazduh (W/m2K) F - površina grejnog tela (m2) tm - srednja temperatura grejnog fluida (°C) ti - unutrašnja temperatura prostorije (°C)

Koeficijent prolaza toplote grejnih tela približno je jednak koeficijentu prelaza toplote sa grejnog tela na okolni vazduh:

kzK ααα +≈= ................................................................................................. (7.2)

S obzirom da su otpori prelazu toplote sa grejnog medijuma na unutrašnjoj površini i kroz metal zanemarljivo mali. Koeficijent prolaza toplote grejnog tela zavisi od njihove visine i temperaturne razlike im ttt −=∆ , a u manjoj meri od oblika članka i njegovog smeštaja u prostoru. Ovaj koeficijent se u stvari utvrđuje eksperimentalno i za člankasta grejna tela daje se vrednost za deset članaka. Srednja temperaturna razlika određuje se bilo kao aritmetička

( )[ ] ipRa tttt −+=∆ 2/ .......................................................................................... (7.3)

ili kao logaritamska

[ ] )/()(ln/)( ipiRpRl ttttttt −−−=∆ .................................................................. (7.4)

kada je ( )/()( ipiR tttt −− <0,7 gde su Rt , pt - temperature razvodnog i povratnog voda u grejnom

telu (°C). U nominalnim (projektnim ) uslovima važe sledeće vrednosti: Za vodeno grejanje Rt = 90°C; pt = 70°C.

Za sobnu temperaturu it = 20°C dobija se:

KtKt ln

an 4.59,60 =∆=∆ , za toplu vodu.

Za poznate vrednosti nt∆ i k potrebna veličina grejnog tela iznosi:

F=Q/(k ∆ t) (m2) ................................................................................................. (7.5)

7.2.1. Koeficijent prolaza toplote i toplotni učinak pri nominalnim i drugim uslovima

Kao što je već naznačeno koeficijent prolaza toplote k se određuje eksperimentalno, a pripadajuće vrednosti koeficijenta prolaza i toplotnog učinka, pri Ktn 60=∆ , obeležavaju se sa nk i nq . Grejno telo se može posmatrati kao grejna ploča na kojoj se razmera toplote sa okolinom vrši prirodnom konvekcijom, dakle:

Nu=C(GrPr) n ..................................................................................................... (7.6)


141

Za produkt Grasshof-ovog i Prandtl-ovog broja (GrPr)>2x107 tj. pri turbulentnom strujanju, važi c=0,135 i n=0,33. Za prosečne uslove se može sa dovoljnom tačnošću predpostaviti Pr =const tako da kriterijalna jednačina postaje:

(α l/ λ )=C( β gl 3 )/ 2ϑt∆ n ............................................................................... (7.7)

Gde su α - koeficijent prelaza toplote sa grejnog tela ( α =k) l - karakteristična dimenzija (visina tela)

λ - koeficijent provođenja toplote vazduha β - koeficijent zapreminskog širenje vazduha ϑ - kinematska viskoznost vazduha.

Konačno za neke prosečne uslove važi : ntck ∆=≈ 1)(α ...................................................................................................... (7.8)

Predpostavljajući da analogni odnosi važe i u uslovima razmene mimo normalnih, sledi: n

nn ttkk )/( ∆∆= ................................................................................................. (7.9)

gde je k - koeficijent prolaza toplote u bilo kojim eksploatacionim uslovima

∆ t - pripadajuća temperaturna razlika

Analogno važi i za specifičnu količinu toplote q=k t∆ ili

Q=q n ( ntnt +∆∆ 1)/ ............................................................................................. (7.10)

Eksponent n se može utvrditi eksperimentalno i u zavisnosti od vrste grejnog tela se kreće od 0,25-0,40.

7.2.2. Člankasta grejna tela Kod dimenzionisanja člankastih grejnih tela treba koristiti podatke koje daje proizvođač uz napomenu da oni važe za radijator sa 10 članaka. Ovo je bitno iz razloga što se sa povećanjem broja članaka smanjuje učinak grejnog tela. Daju se i dijagrami zavisnosti učinka svakog članka pojedinačno od ukupnog broja članaka kroz relaciju:

nnn Qnq /=ϕ ..................................................................................................... (7.11)

gde je: n - broj članaka nQ - ukupan toplotni učinak grejnog tela u projektnim uslovima

nq - toplotni učinak jednog članka u projektnim uslovima


142

1

2

3

4

1.00

1.05

1.10

1.15

1.20

1.25

1.35

1.30

1.40

1.45

1.50

1.55

1.60

1.00

0.98

0.96

0.94

0.92

0.90

n

Broj clanaka n

Smanjenje ucinka grejnih tela za broj clanaka veci od standardnog n=10

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Broj clanaka n

1 - Dietz2 - Thomas3 - Schmidt4 - Codiergaus

1 5 10

n

Slika 7.2-1. Dijagram zavisnosti učinka svakog članka pojedinačno od ukupnog broja članaka

Slika 7.2-2. Koeficijent prolaza toplote u zavisnosti od visine članaka i materijala grejnog tela

Takođe treba imati u vidu da toplotni učinak grejnog tela zavisi i od načina strujanja fluida kroz grejno telo, kao i od protoka fluida u odnosu na nominalni protok. Koeficijent i učinak zavisi i od visine i načina smeštaja grejnog tela pa se svi ovi uticaji radi lakšeg proračuna uzimaju kroz tri korekciona faktora 1z , 2z , 3z pa konačno imamo:


143

q s =q 321 zzz ....................................................................................................... (7.12)

gde je:

sq - stvarni učinak grejnog tela q - eksperimentalni podatak za toplotni učinak jednog članka grejnog tela od 10 članaka

Tabela 7.2-1. Način vezivanja grejnog tela na razvodni vod

Relativni protok vode kroz grejno telo 3n n m

m k tmm k t

⋅ ∆= =

⋅ ∆

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 2 3 5 >5 Način vezivanja grejnog tela na razvodni vod

Korekcioni faktor Z1

1 0.83 0.89 0.93 0.97 1.0 1.02 1.03 1.05 1.06

2 0.69 0.765 0.82 0.86 0.90 0.93 0.95 0.98 1.0

3 0.64 0.72 0.77 0.815 0.85 0.88 0.90 0.93 0.95

Broj članaka

2 3 4 5 6 7-11 12-14 15-18 19-29 30-39 40-60

Korekcioni faktor Z2

1.04 1.04 1.03 1.02 1.01 1.00 0.99 0.98 0.975 0.97 0.96

Tabela 7.2-2. Način smeštaja grejnog tela

Način smeštaja grejnog tela Korekcioni faktor Z3

0.95-0.98

0.90-0.95

0.87

1.10


144

7.2.3. Pločasta grejna tela Koeficijent prolaza kod pločastog grejnog tela zavisi od visine istog (h) i daje se kroz relaciju:

mhhqqkk )/(// 212121 == ................................................................................ (7.13)

pri čemu je eksperimentalno utvrđeno da se vrednost eksponenta m kreće u granicama 0.85-0.95.

7.2.4. Cevna grejna tela Odavanje toplote golih cevi daje se relacijom:

tlkQ c ∆= ........................................................................................................... (7.14)

gde je :

[ ])/1())/ln()2/1(()/1(/ vvuvuuc ddddk αλαπ ++= ......................................... (7.15)

l - dužina cevi (m) vu dd , - unutrašnji i spoljni prečnik cevi λ - koeficijent provođenja toplote kroz materijal cevi (W/mK) vu αα , - koeficijent prelaza toplote sa grejnog fluida na zid cevi i sa cevi na okolinu (W/m2K)

7.2.5. Konvektori i kaloriferi Kod konvektora je relevantan koeficijent prelaza sa rebara na okolinu i daje se u zavisnosti od temperaturne razlike a količina toplote koju odaje konvektor iznosi:

)( imrr ttFQ −= α .............................................................................................. (7.16)

gde je rF -površina rebara

7.3. Smeštaj radijatora Smeštaj radijatora treba da omogući lako čišćenje, slobodno strujanje vazduha i zračenje. Postavljaju se na konzole ili nožice stim da su konzole bolje rešenje jer ne zavise od poda. Radi obezbeđenja pravilne cirkulacije vazduha odstojanje donje strane radijatora od poda treba da bude najmanje 80mm a od zida 50mm. Najbolje je kad se radijator postavi ispod prozora i to na najmanje odstojanje gornjeg dela radijatora i parapetuma od 80mm. Ovako se dobija veća ujednačenost temperature u svim delovima prostorije naročito kod viših plafona. Ako se radijator iz nekog razloga mora dići visoko onda ispred njega treba postaviti pregradu da se toplota ne bi zadržavala samo u gornjem delu prostorije. Veći broj radijatora daje bolju ujednačenost temperature, ali je to skupo rešenje pa se za veće prostorije treba naći kompromis. Tu još intervenišu i mogućnost smeštaja i proračun. Takođe se ne sme preterivati sa brojem članaka i njihovom visinom o čemu je već bilo reči jer im se smanjuje efikasnost.


145

Slika 7.3-1. Način postavljanja radijatora

Pošto radijatori toplotu daju konvekcijom onda je neophodno da im se to i omogući, ili čak i poboljša ugradnjom ventilatora i pravljenjem otvora u zidu. Ako treba razmestiti radijatore u uzanu a visoku prostoriju npr. stepenište, onda se oni grupišu po jačini u donjim delovima sa progresivnim smanjenjem na gore. To se radi tako što se prostorija deli na tri jednaka dela po visini, pa u donju trećinu dođe 50% ukupne jačine radijatora, u srednju se smešta prema proračunu a u zadnju ostatak. Kad je spoljni zid na koji se smešta radijator isuviše hladan postavlja se izolacija. Projekat grejanja i nabavka elemenata se mora tesno koordinirati sa projektom i izvođenjem građevine jer može doći do nepopravljivih grešaka.

7.4. Panelno grejanje Pod panelnim grejanjem podrazumeva se takav sistem grejanja kod koga se odavanje toplote u prostoriji vrši pomoću zagrejanih površina, obično integrisanih u građevinske elemente same prostorije: tavanicu, pod, odn. zidove. Zbog toga se često ova vrsta grejanja naziva još i ''površinskim grejanjem'' ili: ''grejanje integrisanim grejnim površinama''. Prema drugoj definiciji ova vrsta grejanja naziva se ''Grejanje zračenjem''. Tako se, na primer, panelno grejanje u literaturi na engleskom jeziku nalazi isključivo pod nazivom: ''radiant heating'', na nemačkom: ''Strahlungsheizung'', itd. Logično bi bilo pretpostaviti da prihvatanje ove definicije podrazumeva da je reč o takvom grejanju kod kojeg se predaja toplote obavlja pretežno zračenjem. Međutim činjenica je da se kod svih vrsta panelnog grejanja prenos toplote obavlja kombinovano i konvekcijom i zračenjem sa većim ili manjim učešćem jednog odnosno drugog. Ni prva definicija nije besprekorna. Naime postoje neke posebne vrste grejanja koje po svojoj konstrukciji ili načinu funkcionisanja spadaju u panele, ali se ne mogu pokriti prvom definicijom. Takve su na primer zračeće ploče ili paneli za topljenje snega.


146

7.4.1. Preteče današnjeg panelnog grejanja Prvo u istoriji poznato centralno grejanje bilo je panelno-preciznije: podno grejanje. Koristli su ga stari Rimljani, a poznato je pod nazivom ''hipokaust'' (hyipo=ispod, kaustos=zapaljen). Ispod poda, koji je predstavljao grejnu površinu, nalazio se prostor visine oko 1m, koji je služio za strujanje produkata sagorevanja. Ložište je bilo otvoreno prema spoljnoj okolini. Vreli gasovi su strujali ispod poda i oko stubova na koje se oslanjao pod, krećući se prema vertikalnim otvorima u uglovima grejane prostorije (sl. 7.4-1.). Stubovi u prostoriji ispod poda su se zagrevali i akumulisali deo toplote vrelih gasova, tako da se prostorija mogla zagrevati i na taj način što bi se posle gašenja vatre puštao spoljašnji vazduh kroz prethodno zagrejani prostor ispod poda. Postojala je varjanta da se tako zagrejani vazduh usmerava direktno u grejani prostor. Na taj način dobijala se neka kombinacija podnog i vazdušnog grejanja. Ovakav način grejanja je imao vrlo malu, skoro nikakvu mogućnost regulacije i pri oštrim hladnoćama je verovatno bilo nezadovoljavajuće. Sledeći korak u razvoju panelnog (opet podnog) grejanja desio se u 19. veku, kao jedna varijanta novopronađenog parnog grejanja. Po toj varjanti u podu prostorije, koju treba grejati, ostavljeni su zatvoreni kanali u koje su slobodno položene čelične cevi, a kroz koje je prolazila para.

Slika 7.4-1. 1. ložiste 2. dovod svežeg vazduha 3. dimni gasovi 4. dovod toplog vazduha

Može se smatrati da panelno grejanje u današnjem smislu ima svoj početak 1907. godine kada je u Engleskoj patentirana instalacija sa cevima ugrađenim u građevinske elemente (podove, zidove, plafone), uz korišćenje umerenih temperatura tople vode. Do šire primene panelnog grejanja savremenog tipa dolazi tek početkom tridesetih godina. Kod nas su prve instalacije panelnog grejanja-plafonskog-izvedene u Beogradu 1938. god. u dečijoj klinici na Vračaru, a godinu dana kasnije u aneksu hotela ''Mažestik''.


147

7.4.2. Primena panelnog grejanja

7.4.2.1. Opšti deo Panelno grejanje spada u vrstu centralnog grejanja kod koga ulogu radijatora vrše velike grejne površine. Sa ovih površina toplota se uglavnom odaje zračenjem. Prema svojoj konstrukciji grejne površine panelnih grejanja mogu biti u vidu velikih pločastih radijatora, koji su pričvršćenji u zidove sa malim rastojanjem od njih, ili su to sami zidovi, plafoni ili podovi u kojima su ugrađeni sistemi grejača. Prema tome panelno grejanje moze biti zidno, plafonsko ili podno. Ali i pojedine od ove tri vrste mogu se i međusobno kombinovati a tako isto sa radijatorskim ili vazdušnim grejanjem. Kako se zračenjem, koje je pretežno kod ove vrste grejanja, ne zagreva okolni vazduh direktno, nego preko predmeta na koje je ono upravljeno, onda svi okolni predmeti i granične površine koje ne služe kao grejne površine imaju veću temperaturu nego okolni vazduh, izuzimajući hladne spoljne zidove i prozore. Usled ovoga je i odavanje toplote čovečjeg organizma manje nego u prostorijama koje se zagrevaju običnim radijatorima. Imajući u vidu još i da prostranost grejnih površina ovih sistema grejanja omogućava njihove niže temperature može se zaključiti da je panelno grejanje izrazito ugodnije i bolje u higijenskom pogledu. Ako je u jednoj zagrejanoj prostoriji temperatura vazduha t1 a temperatura okolnih površina t2, onda je kod radijatorskog grejanja t1>t2 a kod panelnog t2>t1, što je u pogledu ugodnosti povoljnije za čovečiji organizam. Ukoliko ne bi postojala mogućnost obnove vazduha u prostoriji, onda bi kod panelnog grejanja došlo skoro do izjednačenja t1 i t2.

Temperatura površine plafona u kome su ugrađeni grejači, dostiže do 35 stepeni. Ovde se mora dobro paziti da ne bi zračenje bilo orijentisano na osobe koje se ne kreću, jer bi to izazvalo neprijatni osećaj. Ako su plafoni veće visine od normalne (preko 3.2m), onda površinska temperatura plafonskih panela može srazmerno biti viša. Zidni paneli mogu imati znatno višu temperaturu, jer im zračenje nije orijentisano prema glavi čoveka, niti je čovek u direktnom dodiru sa zidom. Suprotno ovome temperatura poda, kada je u pitanju podno grejanje, najniža je od temperature grejnih površina druga dva panela (do 25 stepeni a u nekim slucajevima do 30) pa se ova vrsta grejanja smatra kao jedno od najprijatnijih za čoveka. Ovome ide u prilog i činjenica da čovek neodeven, stojeći u prostoriji u kojoj vlada temperatura njegovog tela, gubi preko tabana istu količinu toplote kao i preko celokupne ostale površine svog tela (ispitivanje vrsio prof. J.Amar). Merenja, koja su vršena u normalnim prostorijama na 2.5 m od prozora u kojima je instalirano podno grejanje, pokazala su da se temperature merene na 40 cm visine od poda i ispod plafona razlikuju najvise za 0.5 stepena. Ova ista merenja u prostorijama grejanim običnim radijatorima pokazuju razliku od 2.5 do 8 stepena u zavisnosti od spoljne temperature (za +10 do –15). Takođe i ujednačenost temperature prostorija grejanih panelnim grejanjem, a naročito podnim, vrlo je dobro. Praktično temperaturska razlika se pokazuje jedino na malom rastojanju (od 10 do 20 cm od prozora izrazito hladnih zidova).


148

Kao merilo ugodnosti sredine u kojoj čovek boravi pomenut je i stepen odavanja toplote a naročito glave. Dobra ujednačenost temperature u prostorijama uslovljava da je ovo odavanje toplote veoma umereno. To se bolje postiže ukoliko su grejne površine veće i dobro raspoređenje. Kada se panelni radijatori ne prostiru preko celih površina plafona ili poda ili njegovog velikog dela, onda njihov pravilan raspored ima znatan uticaj na ujednačenost temperature. Smanjenje odavanja toplote panelnih radijatora konvekcijom takođe doprinosi ujednačenju temperature. Konvekcija kod panelnih grejača najviše dolazi do izražaja u zidnom grejanju a najmanje u plafonskom, kod koga se zagrejani vazduh priljubljen uz plafon najmanje kreće. Grejači kod panelnih grejanja mogu biti savijene cevi u vidu serpentina ili registra u kojima cirkulise toplotni fluid, ili ako ima uslova koristi se električni grejači. Cevni grejači se u letnjem dobu mogu koristiti i za hlađenje prostorija. U ovom slučaju bolje je primeniti plafonsko grejanje posto se rashlađen vazduh spušta naniže. Kad se raspolaže u vodovodnoj mreži dovoljno hladnom vodom, onda se ona moze direktno koristiti za ove svrhe, u protivnom primenjuju se uređaji za hlađenje. Usled potrebne niske temperature kod panelnog grejanja treba da je i temperatura fluida-vode niža, što zahteva i osetljivije regulisanje sagorevanja. Zbog ovoga je uvek korisno ugraditi sirene za signalizaciju max. temperature u odvodu a jedan vod za mešanje kako bi se temperatura vode u odvodu mogla brzo smanjiti i da se može nezavisno održavati od temperature kotla. Podno i plafonsko grejanje omogućavaju racionalnije zagrevanje ako je obezbeđena efikasna toplotna izolacija spoljnih zidova a takođe kroz podove i plafone gde ne postoji toplotna uravnoteženost sa susednim spratovima.

7.4.2.2. Prednosti i mane panelnog grejanja Već je rečeno da je kod najčešće primenjivani panelnih grejanja plafonsko ili podno raspodela temperature vazduha po visini prostorije veoma povoljna-bliska idealnoj, što je značajna prednost u odnosu na neke druge vrste grejanja. U pogledu uslova ugodnosti kod panelnog grejanja odavanje toplote zračenjem od strane prisutnih osoba je manje, kako zbog zračenja samog panela, tako i zbog veće prosečne temperature okolnih površina. Zbog toga je moguće sniziti temperaturu vazduha u prostoriji odnosno povećati odavanje toplote od ljudi konvekcijom. Niža temperatura vazduha u prostoriji smatra se povoljnijom u higijenskom pogledu, a u svakom slučaju gubici toplote su nešto manji, pa možemo govoriti o izvesnoj uštedi energije. Zahvaljujući niskim temperaturama grejnih površina, na njima nema intezivne konvekcije, pa nema ni intenzivnijeg pokretanja ni kruženja prašine po prostoriji. To znači da je ova vrsta grejanja u higijenskom pogledu veoma povoljna: vazduh za disanje je čistiji, održavanje čistoće je lakše. Kako panelno grejanje radi sa relativno niskim temperaturama, to je i temperatura grejane vode niža nego kod drugih vrsta grejanja i najčešće iznosi 40 do 50°C. To pruža mogućnosti korišćenja alternativnih izvora energije, kao što su toplotne pumpe, solarna, pa i geotermalna energija. Prostorije grejane panelnim grejanjem nemaju vidna grejna tela, što pruža znatnu slobodu uređenja enterijera. Pošto su vodovi u unutrašnjosti konstrukcije manja je opasnost od mraza. Osim toga ako su paneli raspoređeni po celom plafonu, odnosno podu, moguće je u zgradama, kancelarijskog ili slicnog tipa, pomerati zidne pregrade, bez potrebe da se interveniše na instalacijama grejanja.


149

Kroz cevi ugrađene u plafone, podove, pa i zidove može se u letnjem periodu propustiti rashlađena voda i time omogućiti letnje hlađenje prostorije. Razumljivo da se u takvim slučajevima mora paziti da temperatura površine plafona, poda ili zida nigde ne siđe ispod tačke rose za uslove koji vladaju u prostoriji. Najzad, u izvesnim konstruktivnim koncepcijama paneli mogu poslužiti još i kao zvučna izolacija. Glavna zamerka koja se može dati panelnom grejanju je dosta velika toplotna energija, koja smanjuje mogućnost regulisanja. Preciznije rečeno, sa panelnim grejanjem nije moguće adekvatno pratiti promene spoljašnjih i unutrašnjih uslova, ukoliko su te promene brže. U nedostatke panelnog grejanja ubrajamo i činjenicu da se ova instalacija mora često izvoditi sinhronizovano sa građevinskim radovima, što u nekim slučajevima može da poskupi izvođenje. Inače su troškovi izvođenja viši nego za druge instalacije (recimo radijatorskog od 50 do 100%) grejanja. Bilo kakve naknadne izmene i prepravke su veoma otežane. Popravke u slučaju kvara su dugotrajne i vrlo skupe. Neke nove tehnologije, kao što je primena polietilenskih i polipropilenskih cevi u podnom grejanju, vode ka smanjenju ukupnih troškova izvođenja. Takođe dobrim usklađivanjem mašinskih i arhitektonsko-građevinskih projekata mogu se postići znatna pojeftinjenja. Na kraju, imajući u vidu gornje osobine ovih vrsta grejanja, ovde se naročito naglašava da je potrebno izvršiti sve proračune i prethodne radnje vrlo striktno i u tesnoj saradnji sa projektantom objekta jer kasnije izmene ili eventualno ispravljanje greške mogu se sprovesti samo uz naknadne troškove.

7.5. Panel kao grejno telo i njegov proračun Na sl.7.5-1. prikazan je presek jednog tipičnog podnog panela sa ubetoniranim podnim cevima. U betonsku ploču ukupne debljine 11 bdc ++ ugrađene su cevi spoljašnjeg prečnika d, na međusobnom rastojanju l. Ova ploča sa ugrađenim cevima predstavlja u najužem smislu reči grejno telo instalacije panelnog grejanja. Sa gornje strane betonske ploče podnog panela nalaze se pokrivači: keramičke pločice, ili parket, ili itison, ili linoleum, itd, debljine 32 ,cc , itd. Ispod grejne ploče podnog panela obavezno se nalazi hidroizolacija, a toplotna izolacija prema potrebi (tj. Ako se donja prostorija ne greje) i sve to leži na betonskoj konstrukciji. Ukupna debljina svih slojeva ispod cevi kod podnog panela iznosi b, a sastoji se od slojeva 21 b,b , itd. Temperatura spoljašnje površine ubetonirane cevi iznosi Ht , što se istovremeno smatra i za srednju temperaturu grejnog sredstva (vode u cevima).

l

b 1

b=b

+b +

1

2

Ba tt

c 1c

+c +

2

3

ptCa

Htd

l l

b 1b 2

b 3c 1

c 2cd

b

Pod

Tavanica

Grejne cevi

Slika 7.5-1. Presek jednog tipičnog podnog panela


150

Na sl.7.5-1. prikazan je presek kroz jedan plafonski panel sa ubetoniranim cevima. Sa donje strane obično se nalazi sloj maltera debljine 2c . Iznad grejne ploče plafonskog panela može da se nađe sloj toplotne izolacije ako se gornja prostorija ne greje (npr. ako je gore tavan). Ukupna debljina svih slojeva iznad cevi kod plafonskog panela je b, a može se uočiti da su i ostala obeležavanja analogna onima za podni panel. Na taj način možemo da koristimo iste matematičke izraze za proračun i jednih i drugih panela. Da bi se odredila količina toplote koju odaje jedan panel mora se znati temperatura površine panela. Ona zavisi od toplotnih i konstruktivnih osobina samog panela (računajući celu međuspratnu konstrukciju), temperature grejne vode i uslova prelaza toplote na površinama poda odnosno plafona. Jasno je da zbog same konstrukcije panela (ubetonirane cevi kao lokalni izvori toplote u relativno tankoj betonskoj ploči ) temperatura površine ne može biti uniformna po celom panelu. Na sl. 7.5-2. prikazan je karakterističan raspored temperature površine panela. Razumljivo je da se u praktične proračune ne može uvoditi ovako komplikovana raspodela temperature površine panela, pa se pribegava tzv. srednjoj temperaturi površine tt za površinu tavanice i pt za

površinu poda.

Slika 7.5-2. Karakterističan raspored temperature površine panela

Praktično određivanje čak i srednje temperature površine panela ostaje i dalje složeno, zbog složenosti samog panela. Naime, uz sva logična pojednostavljenja, to i dalje ostaje dvodimenzionalni problem prostiranja toplote sa singularnim prstenastim izvorima toplote.

7.5.1. Proračun temperatura površine poda Odavanje toplote sa poda u prostoriji je posledica postojanja temperarurske razlike izmedju površine poda i vazduha u prostoriji. Ako se pretpostavi da je srednja temperatura površine poda Tp i srednja temperatura vazduha u prostoriji Ti može se sa velikom tačnošću izračunati količina toplote koju odaje metar kvadratni površine poda za opseg parametara koji se najčešće sreće kod podnog grejanja.


151

Konvekcijom se prenese:

q = αk ⋅ (Tp - Ti) [W/m2].................................................................................... (7.17)

Za horizontalne ravne površine i odavanje toplote na gore bez prinudnog strujanja i bez zračenja koeficijent prelaza toplote konvekcijom je:

αk = 3,25 ⋅ (Tp - Ti)0,25 [W/m2K] ...................................................................... (7.18)

Zračenjem se prenese količina toplote koja može da se izrazi kao:

q = αs ⋅ (Tp - Ti) [W/m2] ...................................................................................... (7.19)

gde bi αs bio koeficijent prelaza toplote zračenjem:

CTTTT

ip

ips ⋅

−

−=

44 )100/()100/(α [W/m2K].......................................................... (7.20)

Obzirom da je koeficijent zračenja za skoro sve vrste podnih grejanja i zidnih obloga (beton, mermer, keramiku, opeku, gips, cementni estrih, malter, drvo, papir) u uskim granicama:

C = 5,3 — 5,5 [W/m2K4]................................................................................. (7.21)

može se smatrati konstantom C = 5,4 [W/m2K4] Provodjenje toplote kroz vazduh može se zanemariti obzirom da je:

q = λ / d ⋅ (Tp - Ti) [W/m2] ................................................................................. (7.22)

Za vazduh je λ = 0,025 [W/mK] tako da faktor λ/d već pri vrlo malim rastojanjima od poda ima toliko malu vrednost da u odnosu na konvekciju i zračenje gubi praktičan značaj. Kod panelnog grejanja apsolutne temperature poda i okoline su približno iste pa se može uvesti ukupni koeficijent prelaza toplote sa poda na vazduh:

αuk = αk + αs ....................................................................................................... (7.23)

čime se dobija:

q = αuk ⋅ (Tp - Ti) [W/m2] .................................................................................. (7.24)

Na osnovu ovoga je izradjen dijagram na slici 7.5-3. koji daje medjuzavisnost ova tri parametra. Iz njega se može videti kolika mora biti površina poda da bi se u prostoriju unela potrebna količina toplote, ili pak, koliko će moći da obezbedi pod čija je temperatura površine ograničena na neku vrednost. Sve je dato za različite temperature vazduha u prostoriji. Srednja temperatura površine poda je podatak koji može da koristi kod određivanja maksimalne količine toplote koju obezbeđuje jedinica površine grejnog panela. Iz sanitarnih i fizioloških razloga ne bi valjalo prekoračiti sledeće vrednosti:

26°C - za radne i prostorije u kojima se provodi dugo vremena u stojećem položaju, 28°C - za stambene i kancelarijske prostorije, 30°C - za izložbene i slične hale, 32°C - za kupatila i bazene, 35°C - za prolazne prostorije u kojima se ne boravi i za ivične zone.


152

Slika 7.5-3. Dijagram zavisnosti količine toplote od temperature površine poda


153

7.5.2. Proračun količine toplote Da bi površina poda imala željenu temperaturu mora postojati toplotni fluks (specifični toplotni protok) od fluida koji protiče kroz cevi postavljene u podu, kroz zid cevi, kroz estih kojim su cevi zalivene i sve podne obloge koje su postavljene na estrih. Osnovna jednačina toplotnog fluklsa je:

tgradq λ−=r

..................................................................................................... (7.25)

Za stacionarno prostiranje toplote, što je ovde slučaj, kada se postave granični uslovi i ako se zanemari termički otpor cevi, može se izračunati toplotni otpor jedne cevi u poluograničenom beskonačnom masivu, pri čemu se smatra da je temperatura masiva na beskonačnom udaljenju od cevi ista kao i na površini masiva i iznosi Tp. Jedan dužni metar jedne cevi imao bi termički otpor:

))2(ln(2

11 s

hShr

sR ⋅⋅⋅

⋅= πππλ

[m2K/mW]........................................... (7.26)

Kako je koeficijent prolaza toplote 11 /1 Rk = može se izračunati količina toplote koju odaje 1 m jedne cevi na osnovu ( )pvs TTkq −⋅= 11 . Obzirom da nas kao uzrok zanima srednja temperatura

vode u cevi (Tvs), a kao posledica toplotnog fluksa temperatura vazduha u prostoriji (Ti), celishodnije i tačnije je kod određivanja termičkog otpora uzeti odmah u obzir i prelaz toplote sa površine poda na vazduh, pa bi ukupni termički otpor jednog metra dužine jedne cevi, ako je h > 4r bio:

)))/

2(ln(11(21

1 sh

Shr

sr

R s

i

αλπ

πλαπ+

⋅⋅⋅

⋅+⋅

= ....................... (7.27)

gde su: r - poluprečnik cevi (na primer: 0,008 m)

αi - koeficijent prelaza toplote sa vode na cev ( 2400 W/m2K) αs - koeficijent prelaza toplote sa površine poda na vazduh u prostoriji (11,6 W/m2K ) λ - koeficijen provođenja toplote za estrih ( 1,25 W/mK ) s - rastojanje cevi u podu (0,08; 0,15; 0,20; 0,25; 0,30 m) h - dubina postavljanja cevi u podu (0,05 m)

Ako se uzme u obzir i otpor prolazu toplote kroz zid cevi:

)/ln(2

12 is

crrR ⋅

⋅=

λπ....................................................................................... (7.28)

gde su:

λc - koeficijent provođenja toplote kroz cev (0,41 W/mK) rs - spoljašni poluprečnik cevi ri - unutrašnji poluprečnik cevi

Možemo izračunati ukupnu količinu toplote koju odaje n cevi postavljenih na 1 m2 poda:

)(21

,iVS TT

RRnq −⋅+

= , gde je za npr. n = 6,67 (1/m ) ..................................... (7.29)


154

Sva ta toplota ne odlazi nagore u prostoriju. Deo koji se kroz ivičnu izolacionu traku po obimu prostorije preda zidu može se zanemariti zbog male dodirne površine u odnosu na celu površinu poda. Kod onog dela toplote koji kroz hidro-termo-izolacionu ploču odlazi nadole razlikujemo:

a) Iznad grejane prostorije u kojoj je ista ili skoro ista temperatura Ti b) Iznad negrejane prostorije Tn c) Na tlu temperature Tt

U praksi je naj nepovoljniji slučaj c) kada se prostorija nalazi na tlu, pa će se on uzeti za proračun:

q'' = Kc (Tvs - Tt) .................................................................................................. (7.30) Kc = 1 / (Re + Rf + Rs5 + Rb)............................................................................... (7.31)

gde su termički otpori: Re - estriha ispod cevi Rf - folije

Rs5 - stiropora debljine 5 cm Rb - betonske ploče na tlu

Sada se može izračunati količina toplote koja udje u prostoriju kroz jedinicu površine poda"

q = q' - q'' [W/m2]. ............................................................................................. (7.32)

7.5.3. Proračun pada pritiska u cevima Protok vode kroz pojedine krugove podnog grejanja je taj koji treba da obezbedi snabdevanje potrebnom količinom toplote. Ulazna temperatura vode u svaki krug je ista i iznosi Tvw. Ako želimo da održimo istom i povratnu temperaturu Tvr, a preko toga i srednju temperaturu vode Tvs = (Tvw + Tvr)/2, sa kojom smo izvodili prethodna razmatranja, maseni protok kroz krug mora da bude tačno:

m& = Q/(ρ · Cv · ∆Tv) [l/s] .................................................................................. (7.33) gde su:

Q - potrebna količina toplote za odgovarajući krug [kW] Cv - specifična toplota vode [4,18 kJ/kgK] ρ - gustina vode [1 kg/dm3]

∆Tv = Tvw - Tvr [K] .............................................................................................. (7.34)

7.5.3.1.. Metoda ekvivalentnih dužina Ova metoda je poznata u tehnici grejanja samo se malo koristi. Princip ove metode je, da dužinama ravnih cevi dodamo dužine koje su ekvivalentne gubicima u lukovima, ventilima, račvama itd., kao na primer: luk 90° - lek = 0,2 [m] luk 180° - lek = 0,4 [m] luk 360° - lek = 0,8 [m] ventil - lek =15,0 [m]

priključak na razdelnik - lek =37,5 [m]


155

Po ovoj metodi pad pritiska po zatvoenoj strujnoj konturi iznosi

ekLRpp ⋅=− 12 ................................................................................................. (7.35)

Pri čemu je Lek = l + Σ lek

l - stvarna dužina cevi jednog strujnog kruga [m] Σ lek - suma ekvivalentnih dužina pojedinačnih lokalnih otpora [m]

Za gubitak pritiska R po jedinici dužine u literaturi se nalaze dijagrami u zavisnosti od protoka vode.

7.5.3.2. Metoda pojedinačnih otpora Metoda pojedinačnih otpora je poznatija. Kao polazna tačka uzima se poznata jednačina za pad pritiska:

2222

12ρξρλ

⋅⋅Σ+⋅⋅⋅=− WWd

Lpp ................................................. (7.36)

u kojoj su pored otpora u ravnoj cevi uzeti u obzir i lokalni otpori u krivinama, račvama, ventilima itd. Ova jednačina za praktičnu primenu nije baš najprikladnija pa se koristi aproksimativni oblik za proračun pada pritiska:

ZLRpp +⋅=− 12 ............................................................................................. (7.37)

gde je : 763,10073,0 mR &⋅= [Pa/m] .................................................................................. (7.38)

2000097,0 mZ &⋅= [Pa] ...................................................................................... (7.39)

Jednačine su upotrebljive za proračunavanje po obe metode. Po drugoj metodi R pomnožimo sa stvarnom dužinom.

7.5.4. Odavanje toplote plafonskih grejnih površina zračenjem Međusobni uticaj zračenja različitih površina u prostorijama zagrevanim plafonskim grejanjem dosta je kompleksan usled različitih temperatura, uticaj spoljnih zidova i prozora, tako da se to održava raznoliko u pojedinim prostorijama. Radi uprošćenja uvodi se jedna srednja okolna temperatura ut i predpostavlja se da je grejna površina plafona opkoljena površinama koje imaju ovu ujednačenu srednju temperaturu. Uprošćeni izraz za specifičnu količinu odate toplote zračenjem dobija ovaj oblik:

( )uPLzz ttq −= α [Wm2],, .................................................................................. (7.40)

Gde je:

zα - koeficijent prolaza toplote zračenjem

ut - temperatura sredine (UPT= 20 )


156

Tabela 7. 5-1. Odnos iz prethodne jednačine u zavisnosti temperature PL Ut t−

tPL °C 25 30 35 40 45

tPL- tu °C 5 10 15 20 25

αz W/(m2K) 5,33 5,48 5,62 5,76 5,91

qz W/m2 26,75 54,66 84,32 115,14 147,70

Tabela 7.5-1 predstavlja odnose iz prethodne jednačine u zavisnosti temperature plafona uPL tt −− .

Odavanje toplote konvekcijom kod plafonskog grejanja je neznatno i uzima se da je koeficijent prelaza kα = 0,23 – 0.93 [ 12 −− KWm ]

Usvojivši, bez velike greške, da je temperatura vazduha ravna temperaturi okolnih predmeta tj. uv tt = , onda je koeficijent prelaza toplote od plafona:

kzPL ααα += , .................................................................................................. (7.41)

I odatle masena količina toplote koju odaje plafon

( )uPLPLPL ttq −= α [ 2−Wm ], ........................................................................... (7.42)

Tabela 7. 5-2. Ukupni koeficijent prelaza toplote za panelna grejanja

α [W/(m2K)]

Vrsta grejanja Srednja temperature grejne površine

[°C] Zidno Plafonsko Podno 25 8,6 6,6 9,7 30 9,7 7, 10,7 35 10,1 7,3 11,5 40 10,7 7,7 12,1 45 11,1 7,9 12,7 50 11,4 8,1 13,3 60 12,2 8,6 14,0 70 12,9 9,1 14,8 80 13,5 9,5 15,4 90 14,0 10,0 16,2 100 14,5 10,5 17,2 150 17,6 - -

Ukupni koeficijent prelaza toplote a za panelna grejanja može se uzeti iz tabele T- 7.5-2:


157

7.5.5. Izvođenje panelnog grejanja Pošto je panel simbol mašinskih i građevinskih elemenata, to je njegovo izvođenje bidisciplinirano. Koordinacija između dve struke, mašinske i građevinske, počinje pri izradi projekta, a završava se na gradilištu objekta. Projektom mora biti definisana građevinska konstrukcija u koju će biti ugrađen panel. Na objektu se u principu prvo uradi građevinska podloga za panel, zatim dolaze mašinci koji postavljaju cevne zmije sa priključcima i na kraju građevinci daju konačan oblik panelu. Postoje i slučajevi kada se i građevinski i mašinski radovi obavljaju sinhronizovano, u jednom potezu.

7.5.5.1. Izvođenje plafonskih panela Razlikuju se četiri načina izrade plafonskog grejana: cevno plafonsko grejanje, lamelno-cevno-plafonsko grejanje, grejanje zračećim pločama i plafonsko grejanje šupljeg prostora. Jedan od načina postavljanja plafonskog panela prikazan je na slici 7.5-4. Međuspratna betonska rebrasta konstrukcija (1) je urađena prethodno i na njoj su obezbeđene rešetke za vešanje konstrukcije koja nosi cevnu zmiju.

Slika 7.5-4. Način postavljanja plafonskog panela

Na noseću konstrukciju (5), koja je najčešće od profilnog gvozđa, dok je još na podu, montira se cevna zmija (4) prema mašinskom projektu. Tom prilikom se i izvrše potrebne provere. Zatim se cela konstrukcija, zajedno sa cevima podigne (uz prethodno postavljanje izolacije (2) na mesto) i pričvrsti za međuspratnu konstrukciju, pomoću vešaljki. Posle toga odozdo se nabacuje malter u više slojeva. Malter je od kreča i cementa sa dodatkom jutanog tkiva. Pre poslednjeg sloja maltera postavlja se rabic mreža (6). Ukupna debljina maltera (3) zajedno sa cevima obično iznosi 70 mm. Prilikom nabacivanja maltera od posebnog je značaja da malter prione dobro uz cevi sa svih strana. Drugi način postavljanja plafonskih panela prikazan je na sl. 7.5-5. je međuspratna konstrukcija (sa ugrađenim šupljim blokovima) izvodi sinhronizovano sa plafonskim panelom. Na horizontalnu donju oplatu plafona postavlja se neophodna mreža od betonskog gvozđa, na koju se montira cevna zmija, pa se sve to zalije betonom. Posle toga pstavljaju se šuplji blokovi, dovršava armatura od betonskog gvozđa i betonira preostala međuspratna konstrukcija. Toplotna izolacija, hidroizolacija, slojevi poda i malterisanje plafona rade se naknadno. Ovaj način obezbeđuje idealnu integraciju plafonskog panela u međuspratnu konstrukciju, ali zahteva dobru organizaciju rada na gradilištu, pošto se radovi na cevnoj zmiji, na postavljaju armature od betonskog gvozđa i betoniranje moraju izvoditi sinhronizovano.


158

Slika 7.5 -5a Plafonski panel integrisan u međuspratnu konstrukciju 1, 2, 3 - slojevi poda; 4 - Hidroizolacija; 5, 7, 8 - Beton; 6 - Toplotna izolacija; 9 - Cevna zmija; 10 - Malter sa rabic mrežom; 11 Vešaljke od profilnog gvožđa

Slika 7.5 -5b Lamelasti plafonski panel 1 - Grejna cev; 2 - Aluminijumska lamela; 3 - Rabic mreža; 4 - Malter;

5 - Noseća konstrukcija od profilnog gvožđa; 6 - Reflektujuća aluminijumska folija; 7 - Međuspratna konstrukcja

Lamelasti plafonski panel je varijanta plafonskog grejanja koja ima za cilj da u izvesnoj meri smanji toplotnu inerciju ove vrste grejanja. Princip je da se na grejne cevi pričvrste lamele, obično od aluminijumskog lima, koje brzo odvode toplotu od cevi. Modeli ovih lamelastih plafonskin lamela uglavnom su definisani patentima pojedinih proizvođača, a između sebe se razlikuju u načinu pričvršćivanja lamele za cev i za plafon, u veličini i obliku lamele, u načinu vezivanja sa malterom. Na sl.7.5-5b. prikazano je jedno rešenje lamelastog plafonskog panela. Oblik same lamele moze da bude različit. Na sl. 7.5-6. prikazano je nekoliko karakterističnih oblika lamela. Lamele mogu da budu ravne i talasaste.


159

Slika 7.5-6. Izgled nekih patentiranih lamela

Postoje i rešenja bez maltera sa donje strane, sl.7.5-7. Ne može se sa sigurnošću reći u kojoj meri je ovakvim rešenjem smanjena toplotna inercija plafonskog panela, ali je nesporno da je raspodela temperature plafona ravnomernija.

Slika 7.5 -7. Lamelasti plafonski panel bez maltera 1.-Grejna cev ;2.-Izolacija; 3.-Aluminijumska lamela.

Grejne cevi (4) okačene su na međuspratnu konstrukciju (1), koja sa donje strane ima toplotnu izolaciju (2) presvučenu reflektujućom aluminijumskom folijom (3). Ploče (5) kojima se sa donje strane zatvara prostor duplog plafona mogu biti od gipsa, plastike ili metala, najčešće aluminijuma. Ta ploča predstavlja grejni plafon, a toplota se na nju sa grejnih cevi prenosi skoro isključivo zračenjem. Montaža ovakvog sistema je jednostavnija nego panela sa ubetoniranim cevima, a eventualne rekonstrukcije su lako izvodljive. Toplotna inercija je znatno smanjena, a mogućno je korišćenje grejne vode temperature 90/70°C , ili pare niskog pritiska.

7.5.5.2. Izvođene podnih panela Ugradnja podnih panela jednostavnija je od plafonskih, pošto se paneli postavljaju sa gornje strane međuspratne konstrukcije. Na betonsku ploču postavlja se toplotna izolacija, a preko nje polivinilska folija koja ima za cilj da zaštiti izolaciju od prodiranja vlage prilikom nanošenja prvog sloja betona. Zatim se nanosi prvi sloj betona debljine b1 (vidi sliku 7.5-9.). Kada beton tek toliko očvrsne da se po njemu može hodati, polaže se cevna zmija, ispituje i povezuje sa razvodnom i povratnom cevnom mrezom. Najzad se cevna zmija zaliva betonom sve do projektovane debljine grejne ploče, vodeći računa da cevi budu dobro obuhvaćene sa svih strana.


160

Slika 7.5-8. Izvodjenje plafonskih panela

Neki put se u sloj betona b1 (sl.7.5-9.) ugrađuje armaturna mreža od betonskog gvozđa i to pri vrhu tog sloja, uz samu grejnu zmiju. Ovakvo rešenje je neophodno ako se grejna zmija pravi od cevi od polipropilena ili polietilena, jer se te cevi moraju fiksirati vezivanjem za armaturnu mrežu, kako se ne bi prilikom betoniranja pomerale. Postupak je takav da se preko polivinilske folije stavlja armaturna mreža na koju se polažu i vezuju cevne zmije. Na sl. 7.5-9. vide se cevne zmije položene preko armaturne mreže pre betoniranja. Cevne zmije se najčešće za armaturnu mrežu vezuju žicom, ali su neki proizvođači osmislili prigodan pribor: nosači od plastike koji se natiču na armaturnu mrežu, a kojima se jednostavno fiksiraju cevi u željenom položaju, zatim kalibrisane podmetače za postavljanje armature na potrebnoj visini, čime se montaža panela od plastičnih cevi pojednostavljuje i ubrzava.

Slika 7.5-9. Izvodjenje podnih panela

7.5.5.3. Cevi i cevovodi Prilikom izbora cevi za panele mora se zadovoljiti uslov da one treba da budu izvanredno trajne. Ne sme se dozvoliti da ubetonirana cev, čak i posle niza godina, usled oštećenja procuri. Štete koje takvim slučajevima mogu da nastanu su velike, a njihovo otklanjanje je komplikovano i skupo.


161

Prvi paneli rađeni su od čeličnih crnih cevi, ređe od bakarnih. Paneli izrađeni od čeličnih cevi, ukoliko su izvedeni korektno po proceduri, mogu da budu dugovečni. Bitno je da beton sa spoljne strane dobro nalegne na cev kako se ne bi formirale šupljine uz spoljni zid cevi. Na mestima takvih šupljina vremenom dolazi do korozije na spoljnoj strani cevi, što u krajnjem slučaju dovodi do pojave procurivanja. Korozija sa unutrašnje strane cevi je isključena, ukoliko su cevi neprekidno ispunjene vodom. Temperaturska dilatacija čelicnih cevi u dobroj meri je saobrazna dilataciji betona. Međutim, zbog različite toplotne provodljivosti čelika i betona mora se voditi računa da promene temperature grejne vode ne budu nagle-što uostalom važi za sve panele sa ubetoniranim cevima, bez obzira na materijal cevi. Posebno se zahteva da prvo uzgrevanje novougrađenog panela bude postupno. Grejne zmije od čeličnih cevi su dovoljno krute, tako da ne postoji opasnost da u toku montaže dođe do izmene konfiguracije, što sa bakarnim i plastičnim cevima nije slučaj. Ova osobina čeličnih cevi čini ih vrlo pogodnim za izradu plafonskih panela. Čelične cevi nije mogućno kvalifikovano savijati na samom gradilistu. Iz tog razloga cevne zmije se na gradilistu prave od pravih cevi i fabricki izrađenih cevnih lukova određenog radijusa. To zahteva veliki broj zavarivanja, a zavarivači moraju imati odgovarajuću kvalifikaciju jer se ne sme dozvoliti da se usled lošeg zavarivanja svetli presek cevi osetno smanji. Zbog toga je cena montaže panela od čeličnih cevi relativno visoka i traje dugo. Bakarne cevi su skuplje od čeličnih, a praktično nisu podložne koroziji pa se obično primenjuju na luksuznijim zdanjima, gde se traži neograničena trajnost. Međutim, ukupna cena panela izrađenih od bakarnih cevi može da konkuriše onima izrađenim od čeličnih, i to zbog toga sto je montaža panela od bakarnih cevi jednostavnija, brža i jeftinija. Bakarne cevi se mogu bez teškoća savijati na samom gradilištu prema potrebi i jednostavnim alatom. Dalje, bakarne cevi se mogu isporučiti namotane na kalemove duzine od 50 i više metara, tako da je broj nastavljanja cevi u jednoj grejnoj zmiji vrlo mali. Osim toga bakarne cevi se nastavljaju lemljenjem, a za tu operaciju postoje prigodni jednostavni alati, kao i polupripremljen materijal za lemljenje, tako taj posao može da obavi i radnik sa manjim kvalifikacijama koje su potrebne jednom zavarivaču. Kako je linearno temperatursko izduženje bakarnih cevi pod istim uslovima oko 1,5 puta veće od čeličnih, treba izbegavati velike dužine pravih cevi u panelnoj zmiji.

Slika 7.5-10. Primer postavljanja cevi na pod

Pre nepune dve decenije pojavile su se na tržistu plastične cevi izrađene na bazi polietilena, odnosno polipropilena koje se jednostavno i brzo pakuju u panele, imaju prihvatljive termičke osobine, proverenu dugotrajnost i jeftine su. Zbog njihove elastičnosti vezuju se pri montazi za neki čvrst roštilj kao što je prikazano na sl. 7.5-11. Zbog osobina ovih materijala da im se posle nekog dugog vremena delimično menja struktura molekula, treba da se vidi da li te promene utiču


162

na izdržljivost i trajnost panela izrađenih od tih cevi. Zasad se od polietilenskih (polipropilenskih) cevi rade samo podni paneli jer nijedan od proizvođača ponudio neku prihvatljivu konstrukciju za plafonske panele.

Slika 7.5-11. Način vezivanja cevi

Cevi se u jednom panelu mogu u principu slagati na dva načina: u vidu serpentina (sl.7.5-10a.) ili u vidu puža (sl.7.5-10b.) Pošto temperatura grejne vode pri proticanju kroz grejnu zmiju opada, ako je panel slagan u vidu serpentina, pojaviće se izvesna razlika u temperaturi grejne površine na jednom i drugom kraju panela. Ova razlika se može iskoristiti, uz dodatna konstruktivna rešenja (sl.7.5-11b. i sl.7.5-11c.) da se pojača grejanje recimo uz spoljašnji zid ili prozor.

Slika 7.5-12. Postavljanje cevi u vidu puža

Ukoliko su cevi složene u vidu puža, nema osetne razlike u temperaturi grejne površine na jednom i drugom kraju panela, jer su uvek jedna pored druge hladnija i toplija cev, pa je temperatura površine panela manje-više ujednačena. Sa ovakvim pakovanjem može se obezbediti da panel odaje lokalno veću količinu toplote (sl. 7.5-12.).


163

Slika 7.5-13. Povezivanje panela sa razvodnom i povratnom cevi

Povezivanje panela sa razvodnom i povratnom mrežom mora da zadovolji potebe urednog odvođenja vazduha iz vode. Ako je u pitanju podni ili plafonski panel, cevna zmija treba da bude izvedena korektno u horizontalnoj ravni, a priključci moraju da omoguće kretanje vazduha prema najvišoj talki prikljulne mreže. Kada se radi o panelu na najvišoj etaži, povratni priključak se mora izvesti anologno prikazanom (sl.7.5-13.), s tim što se na najvišoj tački nalazi sud za sakupljanje vazduha. Priključak na dovodnu cev, zajedno sa regulacionim ventilom, obično je smešten u posebnom ormariću postavljenom na pogodnom mestu u zidu. Povezivanje podnih panela sa mrežom je manje kritično, pošto se priključci i na dovodnu i na odvodnu cev po pravilu nalaze visinski iznad grejne zmije. Obično se oba priključka smeštaju u zajednički ormarić smešten na pogodnom mestu u zidu. U praksi često se u jedan ormarić smeštaju priključci za više susednih grejnih zmija, vezanih na zajednički razdelnik, odnosno sabirnik (sl.7.5-14.).

Slika 7.5-14. Razdelnik i sabirnik


164

Na sl. 7.5-15. prikazani su razdelnik i sabirnik u krupnijem planu. Na razdelniku (gornji elemenat) nalazi se po jedan regulacioni ventil za svaku zmiju, glavni regulacioni ventil i automatski ventil za ispustanje vazduha. Na sabirniku (donji elemenat) se za svaku zmiju nalazi po jedan regulacioni navijak i takođe automatski ventil za ispuštanje vazduha. Tu su takođe i slavina za punjenje i pražnjenje, termometri (na dovodnoj i odvodnoj cevi), a trebalo bi da na priključku svake grejne zmije bude i merač protoka, koji bi omogućio pravilnu raspodelu grejne vode na sve panele.

Slika 7.5-15. Razdelnik i sabirnik

Ako se u jednoj zgradi pored panelnog grejanja nalazi i radijatorsko ili neko drugo grejanje, razvodne mreže i jednog i drugog grejanja moraju na adekvatan način biti razdvojene. Na slikama 7.5-16. dati su primeri međusobnog povezivanja panelnog (1) i radijatorskog (2) grejanja. Oba grejanja snadbevaju se toplotom iz istog izvora (3), koji može biti kotao ili podstanica daljinskog grejanja. Podrazumeva se da taj izvor ima regulisanu temperaturu vode na bazi sistema 90/70°C .

Slika 7.5-16. Primeri međusobnog povezivanja panelnog (1) i radijatorskog (2) grejanja


165

Na primeru sa sl.7.5-16. mreže imaju odvojene pumpe (4 i 5) , stim što se za radijatorsku mrežu koristi neposredno grejna voda iz toplotnog izvora, dok se za panelno grejanje grejna voda dobija mešanjem u trokrakom ventilu (6) vode iz toplotnog izvora i povratne vode iz panela. Potrebnu temperaturu vode kontroliše temperaturski senzor (7) koji upravlja motornim trokrakim ventilom (6). Na primeru sa sl. 7.5-17. mreže radijatorskog i panelnog grejanja potpuno su razdvojene. Cirkulaciona pumpa (5) pokreće grejnu vodu iz toplotnog izvora (3) kroz radijatorsku mrežu i kroz primarni deo razmenjivača toplote (8). Mreža panelnog grejanja dobija grejnu vodu iz sekundarnog dela razmenjivača toplote uz učešće posebne cirkulacione pumpe (4). Temperaturski senzor (7) kontroliše temperaturu grejne vode i upravlja prolaznim motornim ventilom (6) na primarnom krugu razmenjivača.

Slika 7.5-17. Mreže radijatorskog i panelnog grejanja potpuno su razdvojene

Prvi primer (sl.7.5-16.) je jednostavniji i jeftiniji (ima manje ugrađene opreme), međutim u ovakvom rešenju postoji opasnost da usled eventualnog kvara na sistemu regulacije u panele nepredviđeno dospe grejna voda nedozvoljeno visoke temperature, što bi moglo da izazove neočekivana naprezanja u betonskom delu panela, pa i oštećenja. Sa drugim rešenjem (sl.7.5-17.) tako nešto ne može da se dogodi.

7.6. Paneli sa električnim grejačima U praktičnoj primeni je još jedna vrsta panelnog grejanja, kod koga se, umesto ubetoniranih cevi sa grejnom vodom, u plafonu, podu ili zidu nalaze ubetonirani električno-otporni grejači. Reč je o električnim grejačima posebno prilagođenim za ugradnju u beton. Na slici 7.6-1. prikazan je jedan takav električni grejač pripravljen za ugradnju u panel. Glavna osobina ovih električnih panela je jednostavna ugradnja i niska ukupna cena, a i jednostavno rukovanje. Osnovna mana im je nemogućnost kontinualnog regulisanja.


166

Slika 7.6-1. Električni grejač

Električni grejači za panelno grejanje, koji se danas mogu naći na tržištu vrlo su kvalitetni i dugotrajni. Međutim, činjenica je da svaki električni grejač nosi sa sobom potencijalnu mogućnost pregorevanja, koji se može desiti i posle više godina nesmetanog rada.

7.6.1. Posebni paneli Postoje grejni uređaji koji donekle odstupaju od klasične definicije panela (grejna tela integrisana u građevinske površine), ali se ipak mogu svrstati u panele. Ovde će biti pomenuta dva takva uređaja: viseći zračeći grejači i paneli za topljenje snega.

Slika 7.6-2. Viseći zračeći grejač


167

7.6.1.1. Viseći zračeći grejači Na sl.7.6-2. prikazano je jedno rešenje visećeg zračećeg grejača u izgledu odozdo i u preseku. Limeni plašt (1) tesno je povezan sa grejnim cevima (2) zavarivanjem ili nekim drugim odgovarajućim načinom i predstavlja zračeće grejno telo. Izolacija (3) sprečava osetnije odavanje toplote naviše, a bočne oborene stranice (4) sputavaju intenzivniju konvekciju sa donje strane. Grejači se obično rade u više metara dugačkih traka. Primenjuju se za grejanje velikih i visokih prostorija, kao što su fabričke hale, sportske dvorane i sl. Grejači se obično postavljaju ispod samog plafona, a temperatura grejne vode je 90/70°C, pa i više. Ugodnost se postiže zračenjem toplote na mesta gde se ljudi kreću, dok je temperatura vazduha relativno niska. Na sl.7.6-3. prikazan je karakterističan raspored visećih zračećih grejača u jednoj proizvodnoj hali.

Slika 7.6-3. Karakterističan raspored visećih zračećih grejača

7.6.1.2. Paneli za topljenje snega Konstrukcija panela za topljenje snega je kopija podnog panela postavljenog na tlu. Sl 7.6-4 daje presek kroz jedan tipičan panel za topljenje snega postavljen u javnu saobraćajnicu. Grejne cevi (1) ugrađene su u sloj mršavog betona (3), iznad koga se nalazi betonska konstrukcija kolovoza. Sa donje strane nalazi se sloj šljunka ili lomljenog kamena (4), koji, pored ostalog, predstavlja neku toplotnu izolaciju prema tlu (5).


168

Slika 7.6-4. Prikaz panela za topljenje snega

Glavni zadatak panela za topljenje snega je da obezbedi prelazak snežnih pahuljica u tečno stanje, tako da se spreči formiranje snežnog pokrivača. Za naše meteorološke uslove temperatura površine panela iznosi 2 do 3°C. Najvažniji meteorološki podaci za dimenzionisanje panela za topljenje snega su: temperature vazduha pri kojima dolazi do snežnih padavina i intenzitet padanja snega. Ovaj drugi podatak se obično u meteorološkoj službi vodi u zavisnosti od dužine posmatranog perioda. Tako postoji maksimalni desetogodišnji intezitet, zatim maksimalni intenzitet koji se pojavljuje jednom u pedeset godina, itd. Ovi paneli imaju primenu na fudbalskim terenima.

Postrojenja za proizvodnju

toplote - hladnoće

Postrojenja za proizvodnju

toplote - hladnoće

8.8.

171

8. Postrojenja za proizvodnju toplote – hladnoće

8.1. Kotlovska postrojenja Kotlovi su uređaji u kojima se hemijska energija goriva pretvara u toplotnu, a onda se razvijena toplota predaje radnom fluidu koji je prenosi do mesta njenog korišćenja. Radni fluid može biti voda, vodena para i ređe vazduh. Kod kotlova koji se koriste kod grejanja i klimatizacije zahteva se sigurnost u radu, jednostavnost u radu, male dimenzije i visok stepen korisnosti. Za smanjenjem troškova proizvodnje uzrokovale su da današnje kotlovske konstrukcije imaju sledeće karakteristike:

- povećanje stepena korisnosti iskorišćavanjem toplote izlaznih gasova i radom sa prenosiocima toplote sa promenljivim temperaturama

- proizvodnja specijalnih kotlova za određenu vrstu goriva čime se postiže visoka efektivnost - prilagođenost smeštanju na krovovima zgrada što diktira skučeni i skupi korisni prostor u

zgradama velikih gradova - usavršavanje kotlova za korišćenje tečnog i gasovitog goriva zbog niske cene i

jednostavnosti u korišćenju - sagorevanje goriva u fluidizovanom sloju koje omogućava potpunije sagorevanje, a time se

povećava iskorišćenje i smanjuje zagađenje okoline

8.1.1. Kotlovi za razne vrste goriva Konstrukcija svakog kotla određena je vrstom goriva kojoj je namenjen,pa se razlikuju kotlovi za čvrsto, tečno i gasovito gorivo. Na konstrukciju utiče i hemijski sastav goriva. Tako je za lignite i mrki ugalj, koji su bogati isparljivim materijama, neophodno prisustvo sekundarnog vazduha zbog potpunijeg sagorevanja, dok se sagorevanje koksa, antracita i kamennog uglja kompletno obavlja u užarenom sloju goriva. Kod tečnog I gasovitog goriva lakše se ostvaruje potpunije sagorevanje goriva, lakša automatska regulacija i programirano upravljanje. Kotao se za kraće vreme dovodi u rad pod punim opterećenjem, mogući su česti prekidi pogona i znatno je manje zagađenje okoline. Kod kućnih instalacija primenjuju se i kotlovi na električnu energiju. Ako izuzmemo njenu cenu svi ostali pokazatelji idu u prilog ovim kotlovima: jednostavnost rukovanja i održavanja, precizno evidentiranje potrošnje, nema zagađenja okoline, laka montaža, male dimenzije. Ovakvi kotlovi se izrađuju sa akumulacijom toplone energije proizvedene u periodu manje potrošnje što se benificira nižom tarifom.

8.1.2. Materijali kotlovske konstrukcije Prema vrsti materijala kotlovi mogu biti liveni i čelični. Liveni kotlovi izrađuju se od sivog liva i koriste za kapacitete do 600 kW. Formiraju se spajanjem članaka do dostizanja traženog toplotnog kapaciteta. Članak predstavlja šupalj element koji je tako


172

oblikovan da se spajanjem formira jedinstveni prostor koji se ispunjava vodom, a spoljni delovi članaka oblikuju prostor za sagorevanje goriva, za skupljanje pepela (ugalj) i eventualno bunker za punjenje gorivom. Svi članci su isti sem prednjeg i zadnjeg. U prvom se nalaze vrata za punjenje gorivom, kao i otvor za izvlačenje pepela i dovođenje vazduha, a na zadnjem se nalazi priključak za dimni kanal. Za kotlove većih kapaciteta koriste se članci iz dva dela (polučlanci). Člankasti kotlovi se mogu koristiti i za tečna i gasovita goriva, sa tom razlikom što se umesto prednjih vrata nalazi otvor za gorionik koji ubrizgava gorivo, a članci su oblikovani tako da obrazuju ložište kao jedinstvenu površinu obloženu šamotom sa donje strane, pošto kod ovih goriva nema pepela.

Slika 8.1-1. Člankasti liveni kotao

Člankasti kotlovi se rade u velikim serijama. Mogu se povećavati u slučaju proširenja grejnog postrojenja, lako se transportuju i sklapaju, otporni su na koroziju i sigurni su u pogonu. Elementi su veće mase s obzirom da su od liva, pa se sporije zagrevaju ali i sporije hlade pri prestanku loženja.

Slika 8.1-2. Čelični kotao za tečno gorivo


173

Čelični kotlovi su se u početku izrađivali samo za veće kapacitete, ali kasnijim promenama u konstrukciji prilagođeni su za korišćenje i kod kućnih instalacija. Čelični kotlovi su neosetljivi na nedostatak vode i dopunjavanja, imaju veliko specifično toplotno opterećenje, lakši su od livenih, izdržljivi su na visokim temperaturama i pritiscima. U slučaju prskanja moguće su opravke zavarivanjem, a pružaju i veće mogućnosti oblikovanja prostora za sagorevanje. Ali su osetljivi na koroziju, ne može im se povećavati kapacitet dogradnjom novih elemenata, komplikovaniji su za transport i ugradnju. Kapaciteti kotlovskih jedinica mogu biti i 15MW. U cilju eliminisanja pojave korozije koriste se plemeniti i emajlirani čelici. To omogućuje povećanje stepena korisnosti (racionalizaciju korišćenja energije) što je primarni zahtev energetike. Izrađuju se i kotlovi sa više prostora za sagorevanje podešeni tako da se u istoj jedinici mogu upotrebljavati različite vrste goriva bez prepravke i prilagođavanja same konstrukcije. Kotlovi sa više komora za sagorevanje mogu imati posebne ili zajedničke grejne površine. Kotlovi sa posebnim površinama dostižu veći stepen korisnosti jer se praktično radi o dvema površinama, svaka podešena određenoj vrsti goriva.

Slika 8.1-3. Kotao sa dve komore

8.1.3. Specifičnost kotlovskih konstrukcija Kao fluidi koji primaju toplotu i prenose je dalje do mesta potrošnje koriste se topla voda (<110C), vrela voda (>110C) i vodena para niskog (<0.5bar nadpritiska) i visokog (>0.5bar nadpritiska) pritiska. Tako se i kotlovi dele na toplovodne, vrelovodne i parne visokog i niskog pritiska. Svi ovi kotlovi mogu biti čelični i liveni.


174

Ceo unutrašnji prostor kotlova na toplu vodu ispunjen je vodom koja se zagreva do temperature nešto niže od tačke ključanja, a moguće prskanje kotla usled dilatacije, koja je posledica zagrevanja, se rešava spajanjem kotla sa ekspanzionim sudom koji tu dilataciju prima. Vrelovodni kotlovi su povezani sa zatvorenim ekspanzionim sudom radi održavanja znatno većih pritiska od atmosferskog, a dilatacija vode se amortizuje na više načina. To može biti uz pomoć sopstvene pare koja se u ekspanzionom sudu nalazi iznad vode. Češće se iznad vode u sudu nalazi neki inertan gas čiji se pritisak održava kompresorom ili se gas nalazi u boci pod pritiskom. Gas i voda su razdvojeni elastičnom membranom. Kotlovi za paru niskog pritiska su prilagođene konstrukcije vodenih kotlova. Vodom se pune do određene visine a iznad je prostor za formiranje pare. Pri prekidu rada deo postrojenja se ispunjava vazduhom pa se zato u današnjoj kotlogradnji izdvaja parni prostor u poseban dobošasti sud, jer naizmenična smena pare i vazduha može dovesti do korozije skupe i osetljive površine kotla. Para visokog pritiska se proizvodi kao sveža para u parnim kotlovima bilo koje postojeće konstrukcije uz osiguranje za izdržavanje viših pritisaka.

=150

SR SV

Slika 8.1-4. Održavanje pritiska u kotlu

Kotlovi se takođe dele i po radnom pritisku. Za kućne instalacije se koriste kotlovi isključivo niskog a za daljinske sisteme kotlovi visokog pritiska. Razlika u pritiscima postoji i u prostorima za sagorevanje zbog načina cirkulacije vazduha i produkata sagorevanja. Kod kotlova manjih kapaciteta ostvaruje se prirodna promaja a dovod vazduha u komoru za sagorevanje ostvaren je blagim podpritiskom. Ovako se smanjuje stepen korisnosti kotla jer temperatura izlaznih gasova mora biti visoka. Ovi kotlovi su u vidu vertikalnih konstrukcija. Kod većih kapaciteta se promaja ostvaruje prinudno nadpritiskom uz pomoć ventilatora. Tako se postiže veći stepen korisnosti a utrošak struje za ventilator iznosi 1-2% cene goriva. Brzina strujanja produkata sagorevanja je i do pet puta veća u odnosu na prirodnu promaju pa je veći i


175

prenos toplote konvekcijom, a manje dimenzije preseka kanala kroz koje struje gasovi i ukupan gabarit jedinice. Sagorevanje tečnog i čvrstog goriva je uvek u mlazu mešavine goriva sa vazduhom koji se ubacuju u ložišni deo kotla dok kod čvrstih goriva razlikujemo kotlove sa gornjim i donjim sagorevanjem. Kotlovi sa donjim sagorevanjem prilagođeni su gorivu bogatom isparljivim materijama (lignit, mrki ugalj) i prave se za srednje i veće toplotne kapacitete. Sagorevanje je u donjim slojevima goriva sa obe strane ložišta, pri čemu se gasovi vode kroz kanale koji su postavljeni iznad ovih ložišta. Kod ovih kotlova prednost je to što se održava uvek stalna visina užarenog sloja uglja čime se omogućava postizanje ravnomernog kapaciteta i vrlo male oscilacije stepena korisnosti. Kod gornjeg sagorevanja vazduh struji kroz rešetku pa produkti sagorevanja prolaze kroz celu užarenu masu goriva prema gornjem sloju koji je u plamenu. Toplota se na kotlovske površine prenosi oko ložišta zračenjem a iznad goriva su grejne površine koje primaju toplotu i zračenjem i konvekcijom. Kotlovi sa gornjim sagorevanjem su manjih kapaciteta koji znatno varira zavisno od inteziteta užarenosti, što povlači i nestabilnost stepena korisnosti. Kao gorivo kod ovih kotlova koriste se koks, antracit ili kameni ugalj.

Slika 8.1-5. Raspodela pritiska duž puta strujanja vazduha i gasova sagorevanja

U cilju boljeg rada kotla skoro svaka konstrukcija ima svoje specifičnosti. Tako postoje konstrukcije sa skretanjem plamena što omogućuje bolje iskorišćenje toplote dimnih gasova, a to se postiže vođenjem produkata sagorevanja preko dodatnih grejnih površina profilisanih tako da se ostvaruje turbulentno strujanje vrelih gasova i intenzivniji prenos toplote. Usavršavanjem ove konstrukcije nastalo je rešenje kojim se postiže veći stepen korisnosti pomoću većeg broja “promaja”. Rešenje je takvo da su kanali za strujanje gasova postavljeni oko komore za sagorevanje a brzina strujanja je veća nego kod ostalih tipova kotlova. Takvi kotlovi se izgrađuju u kućištu dobro izolovanom mineralnom vunom. Vrlo specifičan primer je i automatski kotao na čvrsto gorivo. Osobenost kotla se ogleda u rešenju punjenja gorivom, a po efikasnosti ovaj kotao je uporediv sa kotlovima na gas i lož ulje. Gorivo se ovde postepeno dozira na rešetku, a kod većih kapaciteta to se postiže posebnim transportnim mehanizmom. Gorivo je prethodno drobljeno, što omogućava lakše punjenje ložišta, ravnomerniju raspodelu na rešetki kao i stabilan rad i pri niskim toplotnim opterećenjima.


176

Kotlovi na gasovito gorivo bez ventilatora su takođe specifično rešenje. Kod njih je na donjoj strani otvor za ulaz vazduha koji je neophodan za sagorevanje. Ovaj gorionik karakteriše bešumni rad uz postizanje vertikalne promaje sa viškom vazduha od 30%. U ovaj kotao su ugrađeni članci koji na svojim grejnim površinama imaju nalivene čvorove. Zahvaljujući njima stvara se turbulencija i pored slabe promaje i omogućava visok specifični prenos toplote. Koso postavljeni elementi omogućuju da voda dobro ispire grejnu površinu.

Slika 8.1-6. Kotao sa prirodnom promajom

Električni kotlovi mogu biti sa elektrootpornim zagrevanjem vode ili pomoću elektroda. Električni kotlovi su kompaktni, poseduju mogućnost stepenastog regulisanja kapaciteta a mogu se koristiti direktnim priključenjem u grejni sistem ili povezivanjem sa akumulatorom toplote radi korišćenja struje iz perioda niže tarife pri čemu se kao akumulaciona masa koristi voda.

Slika 8.1-7. Električni kotao (mini kotlarnica)


177

U električnim kotlovima sa ugrađenim elektrodama voda ima ulogu otpornika i zagreva se direktnim puštanjem električne struje. Otpor zavisi od količine soli u vodi kao i od temperature vode. Voda koja se nalazi u kotlu mora se razmenjivačima toplote odvojiti od vode koja cirkuliše kroz grejna tela.

8.1.4. Toplotno opterećenje kotlovskih grejnih površina Pod toplotnim opterećenjem kotla, podrazumeva se efektivno predata toplota radnom fluidu koji stoji na raspolaganju za transport prema potrošačima. Ona se daje kao srednja vrednost svedena na jedinicu zagrevne površine kotla. Najveće opterećenje imaju površine u komori za sagorevanje i to zahvaljujući efektu zračenja plamena. Po napuštanju ložišta dimni gasovi, čija temperatura opada, prenose toplotu isključivo konvekcijom pa toplotno opterećenje opada prema izlasku iz kotla. Zbog boljeg efekta prenosa toplote teži se da se konstruktivno omogući turbulencija dimnih gasova.

8.1.5. Godišnje opterećenje grejnog sistema Kapacitet jednog kotla određuje se spoljnim projektnim uslovima, znači za vrlo niske ekstremne temperature koje se javljaju samo u nekoliko dana ili čak u samo nekoliko časova što praktično znači da kotao u najvećem delu grejnog perioda radi pod opterećenjem od oko 60% svog kapaciteta. Kod modernijih konstrukcija se ova razlika koristi za zagrevanje sanitarne tople vode. Da kotao ne bi bio neekononičan u radu, veličina njegovog toplotnog kapaciteta se usvaja ispod proračunatog, pa će se u periodu najnižih temperatura kotao koristiti sa preopterećenjem. Kad su u pitanju veća postrojenja ekonomičan rad kotlarnice se postiže ugradnjom više kotlova a opterećenje se raspoređuje prateći klimatske uslove podneblja.

Slika 8.1-8. Godišnje opterećenje grupe od 3 kotla 1 - 20% opterećenja (≈35 dana); 2 - 40% opterećenja (50 dana); 3 - 60% opterećenja (110 dana); 4 - 80% opterećenja (25 dana); 5 - 100% opterećenja (10 dana)

Ako kotlarnica ima dva kotla onda jedan obično pokriva 60% maksimalnih potreba a drugi 40% i uključuje se samo u periodima najnižih temperatura. Ako kotlarnica ima tri kotla, može da se


178

usvoji da svaka jedinica zadovoljava trećinu maksimalnog kapaciteta sistema. Osnovno opterećenje prihvata jedan kotao dok se druga dva uključuju prema trenutnim toplotnim potrebama.

8.1.6. Sigurnosni uređaji Sigurnosni uređaji zavise od radnog fluida u kotlu. Ako je to voda onda su ti uređaji ekspanzioni sudovi, a ako je para to su sigurnosni ventili ili odušne cevi. Vodeni kotlovi se osiguravaju od povećanja pritiska usled zagrevanja vode. Ekspanzioni sud ima ulogu da primi povećanje zapremine vode koja ispunjava čitav sistem. Zapremina vode na +4°C je najmanja a na 100°C je povećanje volumena za 4,3%. Veličina ekspanzionog suda određu je se prema ukupnoj zapremini vode u celom postrojenju:

V=0,045 Vvode

gde je Vvode zapremina vode u postrojenju.

Ovakav način proračuna je dobar ali traži poznavanje zapremine vode u svim elementima sistema što je dug posao pa je proračun suda podešen toplotnom kapacitetu kotla Q(W) i vrsti grejanja:

Radijatorsko grejanje: V=1.2-1.5Q10-3 Podno grejanje: V=1.5-2Q10-3 Grejanje konvektorima: V=0.5-0.5Q10-3

Slika 8.1-9a. Otvoreni ekspanzioni sud 1 - sud; 2 - izolacija; 3 - izlaz vazduha; 4 - preliv; 5 - Sigurnosna povratna cev; 6 - prigušenje; 7 - cirkulaciona cev; 8 - sigurnosna razvodna cev

Ekspanzioni sudovi manjih zapremina su cilindričnog oblika i postavljaju se horizontalno, dok se veći ugrađuju vertikalno. Zbog zaštite od korozije, koja nastaje zbog stalne varijacije nivoa vode, skoro uvek su pocinkovani. Sudovi se priključuju sa dve sigurnosne cevi, razvodne i povratne, a snadbeven je i prelivnom i “odzračnom” cevi koja služi za odvođenje vazduha koje su najčešće na istom priključku. Ove cevi omogućavaju da se ne ispuni ceo sud vodom kao i da se u sudu održi atmosferski pritisak. Mora da postoji kratka veza između razvodnog i povratnog voda radi obezbeđivanja stalne cirkulacije vode kroz cevi da ne bi došlo do njenog smrzavanja kao i poklopac za reviziju. Između suda i kotla nesme da postoji nikakav zaporni organ da bi vodeni organ kotla bio uvek u vezi sa sudom.


179

Kod vrelovodnih kotlova koriste se zatvoreni ekspanzioni sudovi. Kod ovih sudova je ugrađena membrana koja razdvaja vodeni deo od dela u kojem se protivpritisak održava nekim inertnim gasom. Ovi sudovi se postavljaju neposredno uz kotao pa imaju kratke sigurnosne vodove, olakšana im je ugradnja, jednostavnija im je kontrola pa se danas primenjuju i kod toplovodnih kotlova. Zbog povišenih temperatura mora se voditi računa o izboru membrane kako ne bi došlo do oštećenja. Sud ima i sigurnosni ventil za slučaj prekoračenja pritiska a položaj membrane je uvek horizontalan zbog ravnomernog opterećenja i njenog dužeg trajanja. Gas koji održava ravnotežu pritisku radnog fluida je najčeše azot. Kod manjih instalacija (toplovodne) gas je pod stalnim pritiskom, dok kod većih i vrelovodnih pritisak se održava i reguliše pomoću kompresora u zavisnosti od temperature vode.

Slika 8.1-9b. Zatvoreni ekspanzioni sudovi

Ovi sudovi se ne koriste kod kotlova na čvrsto gorivo jer u slučaju problema nemoguće je trenutno obustaviti rad. Ovi sudovi su delimično ispunjeni vodom a zapremina suda mora da prihvati povećanje volumena od nekih minimalnih (pmin) do maksimalnog (pmax). Zapremina suda Vs se računa:

minmax

max

pppVVs −

= .............................................................................................. (8.1)

V je ukupna količina vode u celom sistemu.

8.1.6.1 Sigurnosni vodovi i povezivanje suda Sigurnosni vodovi kojima je obezbeđena veza između suda i kotla moraju biti urađeni tako da nikakva smetnja ne može prekinuti tu vezu. Kod instalacija sa gornjim razvodom razvodni vod je istovremeno i glavna usponska vertikala sistema. Ovaj vod izlazi iz najviše tačke kotla, dok se povratni vezuje u njegovom najnižem delu. Dimenzije cevi moraju biti takve da ne dođe do povećanja pritiska radnog fluida iznad dozvoljenog. Najmanji prečnik cevi je 25mm a dimenzionisanje se vrši prema kapacitetu kotla Q(W):

Razvodni vod: Dr=15+1.51000

Q ...................................................................... (8.2)


180

Povratni vod: Dp=15+0.931000

Q .................................................................... (8.3)

Ako se jedan par vodova koristi za više kotlova, onda je relevantan njihov ukupni kapacitet. U slučaju otvorenih sistema grejanja cirkulaciona pumpa se može ugraditi ispred ili iza kotla, pri čemu se raspodela pritiska ne menja. Da bi pumpa duže trajala povoljnije je ugraditi u povratni vod zbog niže temperature. Položaj ekspanzionog suda od presudnog je značaja za raspodelu pritiska u celom sistemu pa se o tome mora voditi računa.

8.1.7. Armatura vodenih kotlova Pored sigurnosnih uređaja kotlovi su snadbeveni i armaturom koja omogućava pripremu kotla za pogon i praćenje njegovog rada a u nju spadaju: slavine za punjenje i pražnjenje, hidrometar, termometar, a kod kotlova na ugalj i regulator sagorevanja. Slavina za ispuštanje vode je u najnižem delu kotla a kod dvodelnih kotlova nalaze se i po dve. Ukoliko neke cevi imaju niži položaj od kotlovske slavine pražnjenje tog dela mreže mora se posebno obezbediti. Punjenje kotla i celog sistema vrši se slavinom koja je u blizini kotla i koja se ne sme otvarati kada je u pogonu da ne bi došlo do kontakta hladne vode sa grejnim površinama i prskanja istih zbog toplotnog naprezanja. Kontrola punjenja vrši se hidrometrom, a zagrevanje se prati termometrom koji se ugrađuje u razvodni cevovod. Nije zgoreg predvideti i termometar u povratnom vodu kako bi se pratila temperaturna razlika napojne i povratne vode. Kod kotlova na čvrsto gorivo primenjuju se regulatori promaje koji direktno utiču na intenzitet sagorevanja u ložištu promenom količine vazduha pritvaranjem ili otvaranjem vrata na otvoru ložišta. Regulator je u stvari termostatska cev potopljena u vodu koja ispunjava kotao. Pri porastu temperature izdiže se desni krak njene poluge pri čemu se spušta levi, o koji je zakačen lanac vezan za vrata ložišta. Lanac se spušta, vrata zatvaraju, a količina vazduha za sagorevanje smanjuje. Promaja se reguliše i povećavanjem otvora na dimnom kanalu.

8.1.8. Kotlarnice Kotlarnica predstavlja posebnu prostoriju u koju se smešta jedan ili više kotlova koji služe za centralno zagrevanje grejnog sistema. Njena veličina treba da omogući nesmetanu montažu kotlova, lako rukovanje, popravke i druge intervencije. Tako su propisana minimalna rastojanja od susednih zidova, sve u zavisnosti od širine i dužine kotla. Kad su više kotlova veličina kotlarnice treba da omogući nesmetano opsluživanje svake jedinice. Kotlovi se postavljaju prema svetlu tako da im prednja strana bude dobro vidljiva a instrumenti uočljivi. Oni se postavljaju na fundamente, odvojene od zidova, koji su većih dimenzija od osnove kotla, izdignuti su od poda i služe kao čvrsta osnova za kotao, prigušuju oscilacije i štite od prodora tople vode pri pražnjenju kotla.

8.1.8.1. Podrumske kotlarnice Kotlarnica ne sme da bude u direktnoj vezi sa prostorijom gde borave ljudi a njen položaj treba da obezbedi nesmetano dopremanje goriva. Prema dimnjaku položaj kotla treba da obezbedi što kraću dimnjaču, a sam dimnjak treba da ima što manje promena pravca kao i pravilan položaj na krovu.


181

Ovo su primarni uslovi u određivanju položaja kotlarnice i imaju prednost u odnosu na druge uslove kao što su dužina cevne mreže ili položaj ekspanzionog suda. Po mogućstvu kotlarnica se postavlja tako da kotao ima središnji položaj u odnosu na horizontalni razvod cevne mreže. Visina kotlarnice treba da je tolika da od gornje ivice kotla do tavanice ima 1,5-2m slobodnog prostora. Položaj kotlarnice je definisan posebnim propisima.

Slika 8.1-10. Podrumska kotlarnica

Provetravanjem kotlarnice obezbeđuje se potrebna količina svežeg vazduha za ljude koji tu rade a za kotlove sa prirodnom promajom i vazduh za sagorevanje. Otvor treba podesiti tako da je nemoguće njegovo zatvaranje. Za kotlove većih kapaciteta svež vazduh se dovodi iza kotla gde se predgreva zbog boljih termičkih uslova u kotlarnici. Otvor za dovod se smešta bliže podu i najmanja površina mu je 0,3m2, a otvor za odvod što bliže tavanici i najmanja površina mu je 0,2m2. Za kotlarnice sa gasovitim gorivom otvori moraju da budu na spoljnjem zidu. Eliminisanje vode iz kotlarnice pri pražnjenju sistema se postiže priključenjem odvoda na kanalizacionu mrežu ili se ugrađuje posebna jama čija je zapremina po pravilu veća ili jednaka radnoj zapremini kotla.

8.1.8.2. Krovne kotlarnice Krovne kotlarnice dobijaju primat u gradskim jezgrima zbog cene prostora i koriste se samo kod tečnih i gasovitih goriva. Kod kotlova na tečna goriva posebno se mora voditi računa o curenju goriva pa se predviđaju posebne posude ispod kotla, gorionika i cevnih vodova u kojima se skuplja eventualno isteklo gorivo. Rezervoar za gorivo se nalazi u podrumu zgrade ili van nje pa se ono pumpama dovodi do gorionika ili do dnevnog rezervoara u samoj kotlarnici. Cevi kojima se vodi gorivo su povezane sa sabirnom posudom koja je obezbeđena tako da se u slučaju prskanja cevovoda prekine dovod goriva. Ukoliko se koriste kotlovi na gasovito gorivo sa prirodnom promajom koji su osetljivi na dejstvo vetra koje je jako na krovovima treba zaštititi kotlarnicu od preteranog prodora spoljnjeg vazduha.


182

Prednosti ovih kotlarnica su: nepostojanje dimnjaka, temperature izlaznih gasova su niže jer ne postoji potreba za uzgonskim efektom za strujanje produkata sagorevanja. Nedostaci su: otežana montaža i održavanje postrojenja u kotlarnici, znatno veći sigurnosni zahtevi naročito kod tečnih goriva, potreba za dodatnim vodovima za transport goriva, potreba za dobrom izolacijom od buke.

Slika 8.1-11. Krovna kotlarnica

12 3 4

5

6

78

9

1011

12

1314 15

1617

1819

20

8.1.8.3. Zvučna izolacija kotlova Kod kotlova na tečno i gasovito gorivo glavni izvor šumova predstavlja samo ložište, zbog intenzivne turbulencije gorive smeše i promene pritiska u gorivu prilikom sagorevanja. Ukoliko gorionik ima i ventilator, njegov rad predstavlja poseban izvor buke koja zavisi od sastava gorive smeše i veličine i položaja raspršivača. Cirkulacione pumpe mogu da prave buku ako rade u kavitacionom režimu ili usled oštećenja ležaja. Prilikom startovanja kotla buka je posledica naglog priraštaja pritiska i temperature. Zvuk se prenosi u vidu strukturnog i zvučnog talasa. Strukturni talas ima isti fizički smisao kao i vibracije samo je druge frekvencije. On se prenosi fundamentom, preko poda, zidova, kroz dimnjak, cevne vodove i grejnog tela. Strukturni talas se prigušuje ugradnjom “plivajućeg” betonskog fundamenta, sa prigušnim pločama ili elastičnim oslanjanjem kotla i cevovoda. Zvučni talas nastaje emitovanjem strukturnog zvuka na graničnim površinama. On se prigušuje apsorpcionim prigušivačima u kojima se zvučna energija pretvara u toplotnu usled trenja. Sastoji se od čeličnog kućišta u kome se nalazi porozni materijal, najčešće staklena vuna. Materijali treba da su nezapaljivi.


183

8.1.8.4. Smeštaj goriva Dimenzije prostora za smeštaj čvrstog goriva treba da budu što veći, a izdaci se nadoknađuju time što se preko leta mogu nabaviti godišnje količine suvog i znatno jeftinijeg uglja. Veličina zgrade i namena podrumskog prostora određuju veličinu prostora za smeštaj uglja. Obično je najmanji kapacitet tromesečna zaliha. Naslaga u skladištu za ugalj je visine 1.5-2m i lageruje se u više izdvojenih odeljaka. Kod malih kotlova ugalj se ubacuje sa prednje strane pa se i nalazi na istoj visini kao i kotlarnica, dok se kod većih ubacuje odozgo pa je ugalj u visini gornje ivice kotla. Tečno gorivo se smešta u rezervoare čija minimalna zapremina treba da obezbedi mesečnu zalihu. Oni mogu biti čelični i sintetički pri žemu su sintetički lakši, bolji ali i skuplji. Često se ukopavaju u zemlju pri čemu se čelični ugrađuju u betonsko korito. Podzemni sintetički se proizvode od poliester smole sa armaturom od stklenih vlakana. Svi podzemni rezervoari se moraju povremeno ispitivati na zaptivenost. Nadzemni čelični rezervoari imaju zapreminu do 2000l i postavljaju se u baterije od nekoliko komada. Čelični rezervoari velikih zapremina se izrađuju zavarivanjem na licu mesta i pravougaonog su oblika. Sintetički rezervoari mogu imati i 10000l zapremine a grade se ojačanjem čeličnim profilima. Čelični rezervoari su podložni koroziji koja je posledica dejstva vode iz kondenzata, koji je inače teži od goriva pa se skuplja na dno rezervoara gde je korozija i najkritičnija. Zaštita se vrši premazivanjem na dnu rezervoara i dodavanjem aditiva koji skupljaju vodu ili katodnom zaštitom. Provera zaptivenosti se vrši pomoću duplog zida sa kontrolnom tečnošću koja u slučaju prodora goriva daje zvučni signal. Mazut se koristi u velikim sistemima centralnog grejanja, veoma je gust na uobičajenim temperaturama i nepovoljan za transport pa se zagreva čime postaje tečljiviji. Rezervoari za mazut se prave sa toplotnom izolacijom a na dnu im je grejač u obliku podne zmije. Na samom mestu uzimanja goriva nalazi se dodatni predgrejač koji zagreva gorivo do 100-200 o C čime se omogućuje njegovo raspršivanje. Da bi se postigla željena viskoznost pogodna za transport za duže cevovode osim izolacije greju se i sami vodovi. Svaki rezervoar ima otvor za punjenje gorivom, cev za odvođenje produkata isparavanja i “disanje” rezervoara u slučaju visokih temperatura kada dolazi do isparavanja goriva, cevi za transport goriva do gorionika i merni štap koji meri zalihe ulja, s tim što usisni vod treba da je najmanje 5cm iznad dna rezervoara zbog taloženja vode. Ugrađuju se i sigurnosni uređaji koji štite od prepunjavanja rezervoara. Za transport tečnog goriva kod manjih instalacija koriste se jednocevni sistemi jer se kod ovih instalacija ne vrši vraćanje goriva na usis pumpe za gorivo, već se regulacija količine goriva vrši promenom režima rada pumpe. Veći sistemi imaju dvocevni sistem kod kojih je jedan vod razvodni i vezuje rezervoar sa gorionikom, a drugi je povratni i vraća višak goriva u rezervoar. Ovo je zbog toga što je u razvodu uvek veća količina goriva od neophodne, kojom se održava stalni pritisak u gorioniku, a pošto se grejni učinak menja, to se pojavljuje višak koji povratnim vodom cirkuliše natrag ka rezervoaru. Prilagođavanje količine goriva vrši se promenom preseka mlaznice gorionika, čime se održava stalni kvalitet raspršivanja. Sam transport goriva se ostvaruje pumpom koja je za viskozna ulja zupčastog tipa. Ona je visokog pritiska, usisava gorivo iz rezervoara pri čemu visina usisavanja može biti 8-10m, ali se u praksi ne prelazi 4.5m. Za velike visine i dužine cevovoda koristi se jedna među-pumpa. Brzina strujanja

ulja je 0,2-0,4sm . U ovim cevovodima se ugrađuje filter za gorivo, najčešće u zajedničkom kućištu

sa pumpom, koji obezbeđuje gorionik a naročito mlaznicu od začepljenja.


184

Svaka kotlarnica na gasovito gorivo treba da ima regulator pritiska koji održava konstantan pritisak gasa, sigurnosni uerđaj za zatvaranje koji dopušta protok gasa samo pri besprekornom funkcionisanju sistema kao i ventil za ispuštanje gasa u slučaju kvara na postrojenju. Ugrađuje se i kontrolnik pritiska gasa koji isključuje gorionik u slučaju smanjenog protoka gasa koji može biti uzrokovan njegovim isticanjem. Obavezan je i ventil za prekidanje dotoka gasa u slučaju opasnosti van postrojenja.

8.1.8.5. Gorionici

8.1.8.5.1. Gorionici za tečna goriva Sagorevanje tečnog goriva je složen, heterogen proces koji se sastoji iz više faza koje se međusobno preklapaju. Da bi sagorevanje bilo što efikasnije potrebno je gorivo raspršiti na što sitnije kapljice i omogućiti njegovo intenzivno mešanje sa vazduhom. Raspršivanje i mešanje goriva sa vazduhom se može postići njegovim isparavanjem, rotacijom i ubacivanjem pod pritiskom. Kod procesa isparavanja toplota se dovodi gorivu i na taj način stvara smešu za sagorevanje.

Slika 8.1-12. Gorionik sa raspršivanjem goriva vazduhom

U gorionicima sa raspršivanjem, ulje se pod pritiskom dovodi do mlaznice sa malim otvorima i rasprskava se na najfinije kapljice poput magle. Ovi gorionici su praktično i jedini koji se koriste u sistemima centralnog grejanja, ali se dobri rezultati dobijaju i kad se dovodi vazduh pod većim pritiskom a ulje pod niskim. Vazduh potreban za sagorevanje deli se na primarni, koji raspršuje gorivo, i sekundarni, koji je neophodan za sagorevanje. Kod rotacionih gorionika gorivo se dovodi u konusnu rotirajuću posudu čiji je vrh okrenut ka ložištu. Pod dejstvom centrifugalnih sila gorivo se taloži po bočnim ivicama i biva odbačeno u ložište.


185

8.1.8.5.2. Gorionici za gasovita goriva Ovi gorionici mogu biti atmosferski ili sa nadpritiskom a sam proces sagorevanja je homogen. Stvaranje gorive smeše je ili u samom gorioniku ili u ložištu. Kod atmosferskih gorionika vazduh se injektorski uvodi u gorionik, dok nadpritisni gorionici imaju dovod vazduha ventilatorom a potrebna količina vazduha se tačno dozira.

8.1.8.6. Dimnjak Dimnjak ima zadatak da produkte sagorevanja sprovede u atmosferu, a kod kotlova sa prirodnom promajom i da uzgonskim efektom dovede dovoljnu količinu vazduha za sagorevanje u ložište. Strujanje produkata sagorevanja kroz dimnjak nastaje usled promaje koja se stvara zbog razlike specifične gustine toplih gasova i hladnog vazduha. Promaja raste povećanjem visine dimnjaka i razlike temperatura produkata sagorevanja i okolnog vazduha. Količina produkata koju promaja može da izvuče zavisi od otpora na celoj dužini strujanja, a osim dužine dimnjaka na nju utiču i njegov presek, hrapavost unutrašnje površine kao i broj i oštrina promena pravca strujanja. Kotlovi sa prirodnom promajom imaju otpore i u samom kotlu dok kod kotlova sa nadpritiskom te otpore savlađuje gorionik tako da im dimnjaci imaju manji presek. Visina dimnjaka zavisi od visine zgrade a njegov presek određuje se grubo prema obrascu:

F=h

aQ (cm2) ...................................................................................................... (8.4)

Gde je: Q - kapacitet kotlova priključenih na dimnjak (W) h - visina dimnjaka

a=0,17 za tečno gorivo, a=0,026 za koks, a=0,034 za mrke ugljeve.

Presek dimnjače se uzima 10-20% veći od preseka dimnjaka. Dužina dimnjače pri prirodnom odvođenju gasova ne sme biti duža od 1/3 visine dimnjaka. Za precizno određivanje visine dimnjaka treba poznavati konstrukcione detalje dimnjaka, pad pritiska i odgovarajuće karakteristike kotla, brzinu strujanja gasova i njihovu prosečnu temperaturu.

8.1.8.7. Proračun kapaciteta kotla Kao osnov za dimenzionisanje kotla služi ukupna količina toplote koju odaju sva grejna tela. Ova količina toplote se povećava za toplotne gubitke kotla i cevne mreže. Kod postrojenja za grejanje zgrada, povećanje se dodaje procentualno od količine toplote koju odaju grejna tela, a u zavisnosti od načina vođenja i vrste toplotne zaštite cevne mreže. Kapacitet kotla se određuje po obrascu:

Qk=Q(1+a+b) (W) ............................................................................................. (8.5)

Qk - kapacitet kotla (W) Q - količina toplote koju odaju grejna tela a - dodatak za toplotne gubitke kotla i vodova (%) b - dodatak na brže zagrevanje vode i mase postrojenja (%)

Preporučene vrednosti za dodatke su: a = 0,10 - za postrojenja čiji su vodovi slabo zaštićeni, usponski vodovi na spoljnim zidovima, horizontalna mreža izolovana i postavljena na hladnom tavanu;


186

a = 0,15 - za postrojenja čiji su vodovi položeni, široko razgranati, usponski vodovi u žljebovima spoljnih zidova, horizontalna mreža izolovana i postavljena na hladnom tavanu; Dodatak b treba dodavati samo u slučaju kad postoji svakodnevni prekid u loženju i pri najvećim hladnoćama iznosi:

b = 0,20 - za grejanje vodom b = 0,10 - za grejanje parom

8.1.8.8. Izbor kotla Izbor kotla se vrši na osnovu kapaciteta koje proizvođač daje za svaku tip i veličinu kotla. Treba imati u vidu da je proizvođač naveo podatke prema ispitivanjima u laboratorijskim uslovima i da je pri tome korišćeno gorivo visokog kvaliteta naročito kad su u pitanju čvrsta goriva. U slučaju kad se nemaju podaci o kapacitetu, kao i kad projektant navedene kapacitete hoće da proveri, kotao se bira prema potrebnoj grejnoj površini, a po obrascu:

A=K

Qk ................................................................................................................. (8.6)

Gde je: A - grejna površina kotla

Qk - potrebni toplotni kapacitet kotla (W)

K - normalno opterećenje kotla ( 2mW )

Normalno opterećenje kotla K zavisi od vrste goriva, konstrukcije kotla i zagrevnog fluida kao nosioca toplote za sistem za grejanje.

Tabela 8.1-1.

Mali kotlovi * Srednji kotlovi** Veliki kotlovi *** VRSTA GORIVA

voda para voda para voda para

Mrki ugljevi veće toplotnc moci 9300 8100 9300 8100 9300 8100

Mrki ugljevi manje toplotne moći

7000 5800 7000 5800 7000 5800

Gradski gas 11600 10500 9300 8100 9300 8100

Tecno gorivo 11600 10500 9300 8100 9300 8100

*) Kotlovi površine do oko 5 m2 **) Kotlovi površine do oko 20 m2

**) Kotlovi površine do oko 20 - 75 m2


187

8.1.8.9. Kotlarnica za tečno gorivo Kotlarnice sa kotlovima koji koriste tečno gorivo zahtevaju manje prostora s obzirom da ispred kotla nije potreban prostor za džaranje i čišćenje. Nema ni prostorija za smeštaj goriva jer se čuva u specijalnim rezervoarima, koji su obično van zgrade i ukopani u zemlju. S obzirom na specifične uređaje kod kotlarnica sa lakim tečnim gorivom treba, osim kotla, dimenzionisati rezervoar i cevovod za tečno gorivo (ulje) od rezervoara do gorionika, i odrediti tip i kapacitet gorionika. Gorionik se dimenzioniše prema maksimalnoj časovnoj potrošnji goriva. Slično je i sa cevovodima, kod kojih se obično računa sa brzinom ulja od 0.3m/s. Cevi su bakarne ili čelične sa prečnicima 3/8”-1”. Dimenzionisanje rezervoara za gorivo vrši se prema prosečnoj godišnjoj potrošnji goriva.

8.1.9. Godišnja potrošnja toplote Potrebna količina toplote za grejanje objekta je računski podatak merodavan za dimenzionisanje postrojenja. Ona se razlikuje od stvarno potrebne količine toplote koja je merodavna za izračunavanje eksploatacionih troškova a određuje se merenjem utrošene energije. Prosečna potrošnja toplotne energije može se dosta tačno predvideti, i nju projektant obavezno treba da proračuna, bez obzira da li se radi o postrojenju sa sopstvenom kotlarnicom ili sistemom priključenim na mrežu daljinskog grejanja. Jer to je podatak na osnovu koga se izračunava potrebna količina goriva i određuje veličina prostora za smeštaj goriva, a od nje zavise i prosečni eksploatacioni troškovi od čije visine često zavisi i definitivna odluka investitora o ugradnji centralnog grejanja. Zbog toga za svako mesto postoje merodavne veličine za izračunavanje prosečne godišnje potrošnje toplotne energije, i to one koje zavise isključivo od klimatskih prilika.

8.1.9.1. Računska i stvarno potrebna količina toplote Računska količina toplote sastoji se od gubitaka usled prolaza toplote kroz sve građevinske elemente koji ograničavaju grejane prostorije. Ona se izračunava prema toplotno-fizičkim svojstvima objekata i spoljnoj projektnoj temperaturi. Zatim se gubici uvećavaju kako smo već izneli i tako korigovani predstavljaju računsku potrebnu količinu toplote koja se koristi kao osnovni podatak pri projektovanju postrojenja. Kako spoljna temperatura varira i u toku jednog dana kao i tokom godine, spoljna i projektna temperatura se razlikuju, a i korekcija dodacima nije dovoljna zbog toga što ne deluju jednovremeno i u svim prostorijama. To bi dakle značilo da je postrojenje dimenzionisano za izuzetno nepovoljne uslove koji bi mogli da deluju na grupu prostorija, a nikako na celu zgradu, te da je računska količina toplote za grejanje objekta uvek veća od stvarno potrebne. Međutim oni obuhvataju i rezervu za sva odstupanja objekta u odnosu na priloženi projekat. Prilikom izračunavanja stvarno potrebne količine toplote i delimični uticaj nepovoljnih uslova (vetar, duži prekid grejanja i dr) se uzima u obzir preko korekcionih faktora, koji predstavljaju opšte podatke i koji su prisutni u stručnoj literaturi. Međutim uticaj spoljnih temperatura je specifičan za svako mesto i ocenjuje se preko tzv. stepen dana, koji se izračunavaju na osnovu statističke analize temperaturnih promena u datom mestu.


188

8.1.9.2. Stepen dani Ako se sa q označi količina toplote koja je neophodna za grejanje jednog objekta pri razlici unutrašnje ( ut ) i spoljne ( ut ) ravnoj jedan stepen:

1=− su tt .............................................................................................................. (8.7)

onda se stvarna količina toplote (Qn) po pojedinim danima može izraziti sledećim jednačinama: - za prvi dan ( ) 2411 ⋅−⋅= su ttqQ

- za drugi dan ( ) 2422 ⋅−⋅= su ttqQ

- za n-ti dan ( ) 24⋅−⋅= snun ttqQ

Sabirajući potreban broj dnevnih količna toplote, kao date gornjim izrazima, izračunava se stvarna količina toplote Q, za ceo grejni period od Z dana:

∑ −⋅⋅==

Z

nsnug ttqQ

1)(24 (Wh/god) ...................................................................... (8.8)

Ili s obzirom da je unutrašnja temperatura ut konstantna veličina tokom rada grejnog postrojenja:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∑−⋅⋅⋅==

Z

nsnug ttZqQ

124 (Wh/god) ............................................................... (8.9)

Ovo se može korigovati na taj način što se suma srednjih dnevnih temperatura zamenjuje srednjom temperaturom grejnog perioda ( gt ):

gZ

nsn Ztt =∑

=1 ........................................................................................................ (8.10)

pa se dobija:

( )gug ttZqQ −⋅⋅= 24 (Wh/god) ...................................................................... (8.11)

U navedenim izrazima korišćena je jedinična vrednost časovne potrebne količine toplote, odnosno ona količina toplote koja se dobija pri razlici od jednog stepena između spoljne i unutrašnje temperature. Ova veličina (q) se može lako odrediti prema izrazu:

q =spu tt

Qh−

(W/K) ............................................................................................... (8.12)

gde je Qh računska količina toplote proračunata za projektnu temperatursku razliku tu-tsp. Kad se još uvedu i korekcioni elementi dobija se sledeći izraz:

eytttt

ZQQspu

guhg ⋅

−

−⋅⋅= 24 .............................................................................. (8.13)

Faktor e obuhvata slučajeve kada postrojenje ne radi svih 24 časa i kada postoje i drugi prekidi u grejanju (subota, nedelja, praznici) a factor y je koeficijent jednovremenosti delovanja posebno nepovoljnih uticaja, koji se proračunom uzimaju u obzir a nikad ne deluju istovremeno u svim prostorijama. U jednačini je pod sumom izraz koji se odnosi na spoljne temperature i broj dana


189

grejnog perioda koji je funkcija baš tih temperatura. Pošto ti elementi zavise isključivo od klime pomenutim izrazom se definiše “stepen-dan” koji je uveden za ocenjivanje klimatskih uticaja datog mesta na stvarno potrebnu količinu toplote za grejanje:

∑ −==

Z

nsnu ttSD

1)( ............................................................................................... (8.14)

Stepen-dani se mogu izraziti i pomoću srednje temperature perioda grejanja od Z dana prema:

)( gu ttZSD −⋅= ............................................................................................... (8.15)

I konačan izraz za izračunavanje potrebne količine toplote glasi:

spu

hg tt

eySDQQ−

⋅⋅⋅⋅=

24 (Wh/god) ................................................................... (8.16)

8.1.9.3. Praktično određivanje stepen-dana Pošto u izrazu datom za sračunavanje stepen dana treba prethodno poznavati srednju temperaturu grejnog perioda koja se izračunava pomoću srednjih temperatura svih dana koji pripadaju grejnom periodu to se za praktični proračun koristi izraz:

( )∑ −+−==

Z

nsnggggu ttttZSD

1)( ........................................................................... (8.17)

Gde je Z-broj dana grejnog perioda; tu-unutrašnja prosečna temperatura grejnog objekta; tgg - temperatura koja ograničava početak i kraj grejanja; tsn - srednja temperatura svakog pojedinog dana grejnog perioda. Pošto temperatura u jednom objektu nije svuda ista, to se kao unutrašnja temperatura merodavna za izračunavanje stepen dana uzima srednja vrednost temperatura svih grejanih prostorija:

n

nn

VVVtVtVtVTi

++++++

=......

21

2211 ................................................................................... (8.18)

gde su Vi zapremine prostorija, a ti odgovarajuće temperature. Često se za ovu temperaturu koristi vrednost od 19°C za administrativne i stambene zgrade. Granična temperatura grejnog perioda koja je potrebna za izračunavanje stepen-dana je podatak koji može da se razlikuje od slučaja do slučaja a prvenstveno zavisi od namene objekta. U dosadašnjoj praksi posebno za gradske toplane važio je kriterijum da se počinje i završava sa grejanjem onda kada je prvi odnosno poslednji put u sezoni zime i prelaznim mesecima srednja temperatura tri uzastopna dana iznosila 12°C ili bila niža od nje. Ovaj kriterijum je bio u direktnoj vezi sa primenom kotlarnica sa čvrstim gorivom, kod kojih nije jednostavno puštanje postrojenja u pogon kao i njegovog prekidanja dok je kod kotlarnica na tečno i gasovito gorivo pogon automatizovan. Kod ovih kotlarnica početak i završetak grejnog perioda se pomera prema višim spoljnim temperaturama čime se povećava dužina trajanja grejnog perioda ali i ugodnost ljudi. Za Srbiju su stepen-dani računati za graničnu temperaturu od 12°C. Kao prosečna temperatura grejanih prostorija usvojena je 19°C pa dobijamo novi izraz za stepen-dan:

( ) ∑ −+−==

Z

nsntZSD

1)12(1219 ........................................................................... (8.19)


190

8.1.10. Potrošnja goriva Godišnja potrošnja je početni podatak za određivanje prosečne godišnje cene grejanja, za dimenzionisanje rezervoara za tečno gorivo, ili potrebne veličine prostora za smeštaj čvrstog goriva. Obrazac koji se koristi sadrži godišnju količinu potrebne toplote:

B=η⋅−⋅⋅⋅⋅

=usu Htt

QSDyeB)(

6.243 (kg/god) .................................................................. (8.20)

bteeE = pri čemu je te - koeficijent temperaturnog ograničenja be - koeficijent eksploatacionog ograničenja.

Tabela 8.1-2. Koeficijent temperaturnog ograničenja

Vrsta zgrade et

Bolnice i zrade slične namene 1.00

Stambene zrade sa grejanjem svih prostorija 0.05

Stambene zgrade sa izrazitim noćnim ograničenjem u grejanju: administrativne zgrade, robne kuce i drugi slični objeki velikih akumulacionih sposobnosti u područjima umerene klime, škole sa večernjim kursevima

0,90

Administrativne zgrade itd. pri manjoj akumulacionoj sposobnosti i u područiu ostre klime, škole sa dve smene 0.85

Škole sa jednom smenom naslave i akumulacionom sposobnošću 0,80

Škole sa jednom smenom nastavc i malom akumulacionom sposobnošću 0,75

Prvi obuhvata dnevne prekide loženja usled kojih je srednja dnevna temperatura grejnih prostorija niža od unutrašnjih projektnih temperatura. Koeficijent be uzima u obzir slučajeve kod kojih unutrašnji uslovi grejanja nisu svakog dana isti jer se grejanje obustavlja ili primetno smanjuje ponekad (subota, nedelja, praznik, raspust). Koeficijent temperaturskog ograničenja se izračunava prema obrascu:

smu

smumt tt

tte−−

= ..................................................................................................... (8.21)

gde su: tum - označena srednja unutrašnja temperatura zgrade u toku 24 časa dok je tu - unutrašnja projektna temperatura, a tsm - srednja spoljna temperatura u toku grejnog perioda, a vrednost tum zavisi od dnevnog grejnog perioda i mogućnosti hlađenja zgrade u toku noći. Ako se ne raspolaže potrebnim podacima mogu se koristiti vrednosti iz tablica. Koeficijent eksploatacionog ograničenja je predviđen samo za objekte u kojima se ponekad obustavlja ili smanjuje grejanje, što zavisi od namene objekta. U tim objektima se smanjuje ili broj dana grejanja ili efekat grejanja što se odražava na godišnju potrošnju goriva. Vrednost za be se usvaja iz tablice.


191

Koeficijent y odnosi se na činjenicu da je potrebna količina toplote računata prema transmisionim gubicima koji su povećani za dodatke na prekid loženja, uticaj vetra i dr. Pošto se ovi uzroci ne javljaju uvek i istovremeno pa je vrednost stvarno potrebne količine toplote ispod računske, čak iako bi spoljne temperature bile bliske projektnoj vrednosti. Koeficijent y iznosi:

- za normalno vetrovite predele i zaklonjen položaj y=0,63 - za normalno vetrovite predele i otvoren položaj y=0,60 - vetroviti predeli i zaklonjen položaj y=0,58 - vetroviti predeli i otvoren položaj y=0,55.

Ostale oznake u obrascu za potrošnju goriva su: SD - broj stepen dana

tu - unutrašnja temperarura prostora koji se greje (°C) ts - spoljna projektna temperatura(°C) Q - potrebna količina toplote za grejanje (W)

Hu - donja toplotna moć goriva (kJ/kg) η - stepen iskorišćenja postrojenja koji se sastoji od stepena korisnosti kotla ( kη ), stepena

korisnosti cevne mreže ( cη ) i stepena korisnosti regulacionog sistema ( rη ), sa uzajamnom vezom kηη = cη rη .

Tabela 8.1-3. Koeficijent eksploatacionog ograničenja

Vrsta zgrade

Stalno grejani objekti (stambene zgade, bolnice i sl.) 1,0

Zgrade sa ogranicenim grejanjem subotom, nedeljom i praznicima (kancelarije, administrativne zgrade, banke, robne kuće i sl.)

0,90

Škole 0,75

8.1.11. Rezervoari za tečno gorivo Ranije smo rekli da veličina rezervoara za tečno gorivo najbolje da bude za čitav grejni period ali su ti rezervoari velikih zapremina, iziskuju veliki prostor i visoka im je cena pa se zato obično prave rezervoari manjih dimenzija koji se pune 2-3 puta u toku sezone. Veličina se određuje prema potrošnji goriva u toku celog grejnog perioda prema:

V=ρ

BdZ (m3).................................................................................................... (8.22)

Bd - prosečna dnevna potrošnja goriva (kg/dan) Z - broj dana za koji se obezbeđuje rezerva goriva ρ - gustina goriva (kg/m3)


192

Tabela 8.1-4 Rezervoari za tečno gorivo

Zapremina (m3) 1 3 5 7 10 (13) 16 20 25 30 40 50 60 80 100

Spoljni prečnik d1(m)

1,00 1,25 1,60 1,60 1,60 1,60 1,60 2,00 2,00 2,00 2,50 2,50 2,50 2,90 2,90

Ukupna dužina l(m)

1,51 2,74 2,82 3,74 5,35 8,57 8,57 6,96 8,54 10,12 10,8 10,8 12,8 12,75 15,95

Visina danca h(m)

0,18 0,22 0,26 0,26 0,26 0,26 0,26 0,26 0,32 0,32 0,40 0,40 0,40 0,45 0,45

Debljina lima s1(m) 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 7 7 7 8 8

Prečnik otvora 2R(mm)

500 500 500 500 500 500 500 600 600 600 600 600 600 600 600

Masa sa izolacijom (kg)

265 525 885 1200 1500 1800 1800 2300 2750 3300 6100 5100 6100 9000 11000

Slika 8.1-13. Rezervoar za tečno gorivo


193

8.2. Postrojenja sa toplotnom pumpom Najveći broj zgrada za jednu i dve porodice podesan je za grejanje pomoću toplotne pumpe. Nedostatak je pri tome što grejni kapacitet toplotne pumpe postaje utoliko manji ukoliko je hladnije. Dakle, stepen iskorišćenja postaje sve manji sa opadanjem spoljašnje temperature, a električna priključna vrednost sve veća, pa toplotna pumpa postaje skuplja. U najvećem broju slučajeva ograničava se kapacitet toplotne pumpe do te mere da se zahtev za toplotom može pokriti samo do spoljne temperature do oko 0°C. Pri nižim temperaturama potreban je dodatni izvor grejanja, npr. gas, ulje, tečni gas, akumulator noćne struje i dr. Postrojenja takve vrste, tj. koja greju sa dva izvora energije nazivaju se bivalentna ili dvojna grejanja. Temperatura pri kojoj je grejni kapacitet isti kao što je zahtev za toplotom, naziva se tačka ravnoteže.

Ponirući bunar

Usisni bunar Toplotna pumpaCevi u zemlji

Sunce

Vazduh

Grejno telo

Slika 8.2-1. Izvori toplote pri grejanju stambene zgrade toplotnom pumpom

Broj dana sa temperaturom ispod nule je oko 50, a zahtev za toplotom za to vreme iznosi u proseku 35% od ukupnog godišnjeg zahteva za toplotom. Toplotna pumpa može da se pusti u pogon ispod tačke ravnoteže, ili paralelno sa dopunskim grejanjem, ili se potpuno isključi, tako da konvencionalno grejanje pokriva ukupni zahtev za toplotom. Za pogon postoje sledeće mogućnosti: Monovalentno grejanje - grejanje bez dopunske energije; veoma skupo, jer toplotna pumpa mora da se dimenzioniše za puni grejni kapacitet hQ , što je nerentabilno: električni kapacitet≈ 0.5 hQ ( hQ =maksimalni zahtev za toplotom u kW). Eventualno je visoka cena za pripravnost elektrodistribucije. Osim toga, u toku dana se više puta isključuje. Bivalentno (dvojno)u alternativnom pogonu. Toplotna pumpa radi samo do tačke preklapanja. Električni kapacitet je≈ 0.2 hQ . Dopunski proizvođač toplote je sa 100% kapacitetom, potrošnja toplote ipak, prema položaju i klimi, samo 20 -40% (sl. 8.2-2.).


194

Slika 8.2-2. Dvojno pokrivanje zahteva za toplotom preko toplotne pumpe u alternativnom pogonu

Dopunsko grejanje 8%

Toplotna pumpa 92%

Grejna granica

0 100 200 275

Dani u godini

Slika 8.2-3. Dvojno pokrivanje zahteva za toplotom pomoću toplotne pumpe u paralelnom pogonu

Grejna granica

Karlsruhe

Berlin

MinhenDopunsko grejanje

20 - 40%

Grejni dani

Tem

pera

tura

u

Dani u godini

-15

10

-5

0

5

-10

15

20

0 50 100 150 200 250 275

Dvojno u paralelnom pogonu. Na temperaturi ispod tačke preklapanja, toplotna pumpa i dopunsko grejanje rade istovremeno. Maksimalni kapacitet proizvođača toplote je 0.5 hQ , a potrošnja toplote ipak samo≈ 8-10%. Električni kapacitet≈ 0.25 hQ .

Investicioni troškovi ovakvih grejnih postrojenja, su naravno veći nego kod konvencionalnih postrojenja ali omogućuju znatnu uštedu primarne energije od oko

5-10% kada je izvor toplote vazduh 10-15% kada su izvori toplote voda i zemlja.

Ukupne godišnje troškove treba od slučaja do slučaja ustanoviti ekonomskim obračunom, pri čemu posebno treba obratiti pažnju na uslove isporuke struje (radna cena, cena pripravnosti). Nakon


195

ugrađivanja postrojenja, obavezno se preporučuje zaključivanje ugovora o održavanju, pri čemu treba voditi računa da se radi o dva proizvođača toplote:grejnom kotlu i toplotnoj pumpi.

8.2.1. Toplotna pumpa „vazduh-vazduh“ Za ova postrojenja toplota se uzima iz okolnog vazduha i koristi na višem nivou za zagrevanje zgrada. Poseban nedostatak ovih postrojenja je što se grejni kapacitet toplotne pumpe umanjuje za toliko koliko je napolju hladnije, pošto koeficijent iskorišćenja zavisi od temperaturne razlike između izvora toplote i grejnog sredstva. Pogon je zato često po dvojnom postupku sa dopunskim grejanjem na temperaturama ispod oko +3°C. Grejanje sa vazduhom kao izvorom toplote je nepovoljno sa gledišta energije i ekonomičnosti (velika potrošnja struje).

Slika 8.2-4. Toplotna pumpa "vazduh-vazduh"

Spoljni deo za vazduh ima kompresor i isparivač, a unutrašnji deo ima kondenzator. Ovakav uređaj prikazuje slika 8.2-4. Spoljni deo za vazduh ovde je postavljen pored kuće, a može da bude instaliran npr. i na krovu.Treba obratiti pažnju na šumove. Iz tehničkih razloga u vezi sa regulisanjem, topli vazduh mora da bude povezan sa toplotno-akumulacionim sistemom, npr. podnim grejanjem, jer se inače mogu pojaviti znatne promene u tempereaturi zbog regulisanja kompresora na «isključeno-uključeno». Prema izradi se razlikuju kompaktni uređaji kod kojih su spoljni i unutrašnji deo za vazduh zajedno ugrađeni u zajedno kućište i split-uređaji, kod kojih su oba dela odvojena a inače crevima i brzim spajanjem mogu biti povezana. Ponašanje toplotne pumpe u radu proizilazi sa slike 8.2-5.


196

Slika 8.2-5. Ponašanje toplotne pumpe vazduh - vazduh u radu a) temperature za vazduh, kondenzatore i isparivače

b) tačka ravnoteže c) koeficijent iskorišćenja

Toplotna pumpa može u intermitirajućem pogonu da pokrije zahtev za toplotom na spoljnoj temperaturi do 5°C. Toplotnoj pumpi koja je stalno u radu potreban je dodatni grejni kapacitet. Srednji stepen iskorišćenja je približno ε =2.5. Isparivač ima srazmerno veliki zahtev za vazduhom. Pri padu entalpije spoljnjeg vazduha od 4-6 kJ/kg (4-5K) dobija se veći protok od 700 do 500 kg/h po kW grejnog kapaciteta. Pored toga ima i šumova. Zaleđivanje isparivača je veliki nedostatak. Zavisno od toga kolika će biti pojava leda, mora se pri niskim temperaturama dnevno nekoliko puta otapati pomoću elektičnih grejnih tela, potrošnom vodom, obrtanjem kružnog toka ili na bilo koji drugi način.Stvaranje leda može biti već na spoljnim temperaturama od +5°C. Osim toga regulisanjem kompresora na «uključeno-isključeno» dolazi do promene temperature u prostoriji. Godišnja potrošnja električne energije za jednu zgradu u alternativnom pogonu iznosi približno 400-500kWh struje po kWh maksimalnog zahteva za toplotom i 800-900kWh dopunske energije ulja ili gasa(npr.80-90l ložnog ulja). Znatna usavršavanja su moguća pomoću regulisanja kapaciteta, stim što će na većoj spoljnjoj temperaturi kapacitet da bude umanjen, pri čemu stepen iskorišćenja raste. Ovo se može postići npr. upotrebom dva ili tri kompresora, mada je to veoma skupo.

8.2.2. Toplotna pumpa „vazduh-voda“ Ovde je izvor toplote takođe vazduh, dok se za grejanje koristi topla voda, naročito u vidu površinskog grejanja sa svojim niskim temperaturama grejne vode od 40-50°C. Razlika temperatura grejne vode trebalo bi da bude što manja, a zapremina što veća, sa eventualnom upotrebom dopunskog rezervoara tople vode (pufer). Za podno grejanje dovoljne su temperature od 30-40°C. I ovde je nedostatak velika količina vazduha. Za temperature ispod približno 3°C, prednost je prosta kombinacija sa gasnim ili električnim grejačem za vodu.Slika 8.2-6. prikazuje šemu podnog


197

grejanja kod koga je toplotna pumpa postavljena van zgrade. Kondenzator se u ovom slučaju mora zaštititi od mraza.

Slika 8.2-6. Spoljno postavljanje toplotne pumpe vazduh - voda

Podno grejanje

Toplotna pumpa

Grejni kotao

Grejni kotao se automatski uključuje pri niskim temperaturama. Zbog inercije grejanja takođe je moguće da se koristi kompresor za vreme slabog opterećenja i niske tarife. Koeficijent iskorišćenja ε je oko 2,5 do 3. Izgled je dat na slici 8.2-6. Ovakva se postrojenja često izvode zbog korišćenja spoljnjeg vazduha kao izvora toplote, a koji uvek postoji. Primer toplotne pumpe postavljene u podrumu objekta vidi se na slici 8.2-8.

Slika 8.2-7. Izgled toplotne pumpe vazduh - voda


198

Slika 8.2-8. Toplotna pumpa vazduh - voda za unutrašnje postavljanje

8.2.3. Toplotna pumpa voda-voda Ovde je izvor toplote npr.podzemna voda iz bunara sa konstantnom temperaturom od 8-12°C, a za grejanje zgrade koristi se površinsko grejanje. Voda koja je ohlađenja za 4-5K odvodi se u ponirući bunar koji treba postaviti u blizini otprilike na 15-20m. Po h/m1 3 vode dobija se grejni kapacitet od ≈ 5-6kW. Temperatura isparavanja ostaje ovde skoro konstantna, oko 0°C, dok kondenzaciona temperatura opada uz porast spoljne temperatura. Koeficijent iskorišćenja time postaje znatno povoljniji, približno ε =3-3.5. Kvalitet vode treba da ispita stručnjak. Obavezno je odobrenje. Prednost je u tome što je moguć monovalentni pogon. Ovakvi uređaji proizvode se kao kompletne jedinice sa rashladnim kružnim tokom, pumpom, ekspanzionim sudom, uređajima za regulisanje itd., pa čak i sa dopunskim grejanjem i pripremom potrošne vode.Pošto ne postoji svuda podzemna voda oblast primene je ograničena.

8.2.4. Toplotna pumpa zemlja-voda

Slika 8.2-9. Šema toplotne pumpe zemlja – voda

Toplotna pumpa

Zmijasta cevu zemlji

Podnogrejanje


199

Slika 8.2-10. Približan tok temperature zemlje na 1.5 m dubine i temperature

VazduhZemlja bezoduzimanja toplote

Zemlja saoduzimanjem toplote

MesecTe

mpe

ratu

ra u

°C6 8 10 12 2 4 6

20

15

10

5

0

-5

-10

Slično važi i za toplotne pumpe zemlja-voda (slika 8.2-9.), pri čemu se toplota uzima iz zemlje pomoću plastičnih cevi koje su punjene slanom vodom. U zemlju se postavlja više kružnih tokova sa paralelnim uključivanjem.Razmak između cevi je 0.5m, dubina postavljanja 1-1.5m, a temperatura slane vode do -10°C. Zemlja ima temperaturu koja se retko kad menja i to od 8 do 12°C na dubini od 1.5m. Cevi oduzimaju toplotu iz zemlje.Odavanje toplote zavisi od sposobnosti zemlje za sprovođenje toplote; zimi je približno 20 do 30 W/ 2m površine zemlje. Koeficijent iskorišćenja je približno 3. Približan tok temperature zemlje i vazduha vidi se na slici 8.2-10., pri čemu su moguća znatna odstupanja, u zavisnosti od klime i osobina zemlje. Upotreba ovog sistema je limitirana, jer često ne postoji osnovna površina, koja treba da iznosi dva do tri puta više površine koju treba zagrejati. Osim toga, veliki su troškovu uvođenja, inače je povoljno zbog jednostavnog rukovanja i pogonske sigurnosti. U najnovije vreme koriste se i duple cevi kao skupljači toplote, koje su postavljene vertikalno u zemlju.Kapacitet se kreće u zavisnosti od sonde u zemlji od oko 3,5kW.Potrebno je proticanje podzemne vode!

8.2.5. Toplotna pumpa “ voda-vazduh“ I ovde se toplota uzima iz podzemne vode ili reke, dok se zgrada greje vazduhom zagrejanim u kondenzatoru.

8.2.6. Apsorpcione toplotne pumpe Kao kompresione rashladne mašine, i apsorpcione rashladne mašine se mogu koristiti kao toplotne pumpe. Ove mašine koriste mešavinu dve materije koja se sastoji od stvarnog rashladnog sredstva i apsorpcionog sredstva (rastvorenog sredstva). Danas uobičajni sistemi koriste vodu/amonijak ili litijumbromid/voda. Poslednje je ipak manje povoljno zbog opasnosti od zamrzavanja vode i opasnosti od kristalizacije. Šematski prikaz načina dejstvovanja toplotnih pumpi dat je na slici 8.2-11. i slici 8.2-12. Generator se zagreva zemnim gasom, tečnim gasom ili uljem, dakle,


200

direktnim sagorevanjem primarne energije, pri čemu će rastvorno sredstvo dobiti temperature od 120-130°C. Isparivač uzima toplotu iz okoline, npr. iz vazduha, rečne vode ili iz zemlje. Korisna toplota, sa temperaturom od približno 40-50°C dovodi se iz apsorbera kondenzatoru, pri čemu nosioci toplote mogu da budu i voda kao i vazduh. Koeficijent proizvodnosti Aε (ili odnos toplote

Aζ ), tj. odnos korisne toplote NQ prema grejnoj toploti HQ je

H

N

H

CAA Q

QQ

QQ=

+=ε ......................................................................................... (8.23)

gde je

AQ - u apsorberu odvedena toplota

CQ - u kondenzatoru odvedena toplota

Slika 8.2-11. Apsorpciona pumpa voda/vazduh

ParaGenerator Kondenzator

Topao vazduh

Isparivac

Hladna vodaVazduh

Apsorber

Gas

Bla

g ra

stvo

r

Bla

gra

stvo

r

Slika 8.2-12. Apsorpciona pumpa vazduh/voda Voda

Spoljnivazduh

Korisnatoplota

Teoretski koeficijent proizvodnosti prema Karnoovom ciklusu je približno 1.8 - 2, dok su vrednosti koje se mogu stvarno postići Aε tačno 1.3 - 1.4, prema temperaturnoj razlici između isparivača i generatora kao i prema veličini postrojenja. Sa ovim mašinama može iz primarne


201

toplote da se dobije 130 -140% korisne toplote, dok iz uobičajenih grejnih kotlova na ulje ili gas dobija samo 70 - 75%. U svakom slučaju, i rashladni kapacitet može da se koristi kao korisni kapacitet, npr. za hlađenje vazduha u prostoriji. Približni odnos toplote pri tome je Aζ =0.5. Grejni kapacitet se najbolje reguliše pomoću obilaznog ventila u kružnom toku rastvornog sredstva, pri čemu se jedan deo rastvornog sredstva vodi pored generatora. Prednost u odnosu na kompresione toplotne pumpe je u tome što osim pumpe za rastvorno sredstvo ne postoje pokretni delovi i što se pri efektivnim temperaturama preko 50°C znatno smanjuje koeficijent proizvodnosti (slika 8.2-13.). Zato zimi i nije potreban bivalentni pogon (toplotna pumpa+grejni kotao) i to sa vrelom vodom kao izvorom toplote. Pored toga ima malo šumova, dug vek trajanja i male troškove održavanja.Nedostatak je veliko ulaganje u aparate i visoki pritisci u sisitemu voda/amonijak (oko 20 bar), pa i otrovnost amonijaka. Bolja smeša radnog sredstva još se istražuje. Pri upoređenju kompresionih i apsorpcionih sistema treba obratiti pažnju da se kao osnov za pokretanje moraju uzeti energije istih kvaliteta. Električna energija mora, «stepenom korisnog dejstva elektrane»

rKη da se svede na primarnu energiju.

Slika 8.2-13. Koeficijent proizvodnosti kompresionih i apsorpcionih toplotnih pumpi

Koe

ficije

nt p

roiz

vodn

osti

Kompresioni sistem

t = 5 C

Temperatura korišćenja

1,6

1,4

1,2

1,0

0,8

20 40 60 80 100

P

Energijski posmatrano (u odnosu na primarnu energiju) koeficijent proizvodnosti električne toplotne pumpe je

)35.0....30.0(** KKRKp εηεε ≈= .................................................................... (8.24)

Teorijske osnove

hidrauličkog proračuna

i primeri dimenzionisanja

toplotnih mreža

Teorijske osnove

hidrauličkog proračuna

i primeri dimenzionisanja

toplotnih mreža

9.9.

205

9. Teorijske osnove hidrauličkog proračuna i primeri dimenzionisanja toplotnih mreža

9.1. Zadatak hidrauličkog proračuna Jedan od vrlo važnih faktora u vezi sa normalnim funkcionisanjem sistema grejanja je pravilan proračun toplotne mreže. U fazi projektovanja, u sastav hidrauličkog proračuna ulazi:

određivanje prečnika cevovoda određivanje padova pritiska (napora) određivanje pritiska (napora) u različitim tačkama mreže povezivanje svih tačaka sistema pri statičkom i dinamičkom režimu u cilju obezbeđivanja

dopuštenih pritisaka i potrebnih pritisaka (napora) u mreži i sistemima potrošača. Rezultati hidrauličkog proračuna daju polazni materijal za rešavanje sledećih zadataka:

Određivanje visine ulaganja, količine materijala i osnovnog obima radova za izgradnju toplotne mreže

Određivanje karakteristika cirkulacionih i napojnih pumpi, broja pumpi i njihovog položaja, Objašnjenje uslova rada toplotne mreže i sistema potrošača i izbor šeme priključenja

potrošača na toplotnu mrežu, izbor automatske regulacije za toplotnu mrežu i priključke potrošača, razrada režima eksploatacije.

Za sprovođenje hidrauličkog proračuna treba da budu poznati šema i profil toplotne mreže, prikazan položaj toplotnih predajnih stanica i potrošača i projektna opterećenja.

9.1.1. Osnovne hidrauličke jednačine Za kretanje nestišljive tečnosti kroz cevovod jednačina koja izražava specifični energetski bilans te tečnosti u odnosu na jedinicu mase jeste Bernulijeva jednačina. Njen izgled, bez učešća entalpije tečnosti je:

Slika 9.1-1. Kretanje tečnosti kroz cevovod


206

ρρρpgZwpgZwp ∆

+++=++ 22

222

1

211

22............................................................... (9.1)

Z1, Z2 - geometrijske visine ose cevovoda u presecima 1 i 2 u odnosu na horizontalnu repernu

ravan, [m] w1 i w2 - brzine kretanja tečnosti u presecima 1 i 2; [m/s]

p1, p2 - pritisci tečnosti [Pa], izmereni na nivou ose cevovoda u presecima. p∆ - pad pritiska na deonici 1-1; [Pa] ρ - gustina tečnosti [kg/m3] g - ubrzanje zemlje g=9,81 [m/s2]

Strujna energija fluida u opštem slučaju zbir je od 3 vida energije; (KJ/kg): - potencijalne energije položaja (Zg) - specifična energija visine - pritisne energije (p/ρ) - specifična potencijalna energija tečnosti - kinetičke energije (w2/2) - specifična kinetička energija

∆p/ρ - je gubitak potencijalne energije fluida usled trenja i lokalnih otpora pri kretanju kroz cevovod . Paralelno sa specifičnom energijom u hidrauličkom proračunu toplotnih mreža, široko se koristi drugi parametar - napor. Ako Bernulijevu jednačinu podelimo sa g:

Hg

wZpg

wZHo ++=++=22

22

γ......................................................................... (9.2)

p - pritisak u cevovodu p/γ=H - pijezometarski napor, [m]

γ - specifična težina tečnosti [N/m2] , γ=ρg

Pri hidrauličkom proračunu toplotnih mreža, obično se zanemaruje brzinski napor u cevovodu, tj. član w2/2g, zbog toga što je to mala veličina u odnosu na ostale članove jednačine tako da se može napisati:

( )mHHZH ∆++=+Ζ 2211 ................................................................................ (9.3)

ili

111 HZHo += 122 HHHo += HHH oo ∆+= 21 ............................ (9.4)

( )mHiH oo 21 - ukupni napori u odgovarajućim presecima cevovoda.

Kao što se vidi, ukupan napor jednak je zbiru pijezametrijskog napora i visinskog položaja ose cevi u odnosu na proračunsku ravan. Pod pijezometrijskim naporom podrazumevamo pritisak u cevovodu izražen u linearnim jedinicama (obično u metrima) stuba tečnosti koji se kreće kroz cevovod. Sledi da je:

[ ]mZHH −= 0 pri gHp ⋅⋅= ρ


207

Pad pritiska p∆ i gubitak napora vezani su odnosom

[ ]Pagp ⋅⋅∆Η=∆ ρ .............................................................................................. (9.5)

Pad pritiska u cevovodu može biti predstavljen kao zbir dva sabirka: linijskog pada i pada usled lokalnih otpora

ml ppp ∆+∆=∆ .................................................................................................... (9.6)

lp∆ - predstavlja pad pritiska na pravolinijskim deonicama cevovoda usled trenja

mp∆ - pad pritiska usled lokalnih otpora tj. pad pritiska u armaturi (ventilima, zasunima, slavinama itd.) i drugim elementima postrojenja koja nisu ravnomerno razmeštena podužini cevovoda (lukovi, odvodi, prigušnice itd.)

Linijski pad pritiska. U cevovodima kroz koje se transportuje tečnost ili gas:

lRp ll ⋅=∆ ............................................................................................................ (9.7)

lR - specifični pad pritiska tj. pad pritiska po jedinici dužine cevovod [Pa/m] l - dužina cevovoda [m];

Polazna zavisnost za određivanje jediničnog linijskog pada u cevovodu je Darsijeva jednačina:

[ ] [ ]PawdlPPaw

dR ll ρλρλ

22

22⋅⋅=∆⇒⋅⋅= ..................................................... (9.8)

λ - koeficijent hidrauličkog trenja d - unutrašnji prečnik cevovoda, [ ]m

Koeficijent otpora trenja λ zavisi od karaktera zida cevi (gladak ili hrapav) i režima kretanja tečnosti (laminarni i turbulentni), odnosno, kao što je poznato iz mehanike fluida, koeficijent λ zavisi od Rejnoldsovog broja eR i relativne hrapavosti cevi

ηρ

ν⋅⋅

=⋅

=dwdwRe ........................................................................................... (9.9)

ν - kinematska viskoznost η - dinamička viskoznost

Lokalni pad pritiska. Ako na deonici cevovoda postoji niz lokalnih otpora, (mesnih otpora) ukupni pad pritiska u svim lokalnim otporima odredjuje se po obrascu:

[ ]Pawpm ρζ2

2Σ=∆ ........................................................................................... (9.10)

Σζ - zbir koeficijenata lokalnih otpora postavljenih na deonici ζ - bezdimenziona veličina koja zavisi od vrste otpora

Ako zamislimo pravolinijski cevovod prečnika d, čiji je linijski pad pritiska jednak padu pritiska u lokalnim otporima, dužina takve deonice cevovoda naziva se ekvivalentna dužina lokalnih otpora i može se naći iz:

elm lRp ⋅=∆ ....................................................................................................... (9.11)


208

eldww

⋅⋅⋅=⋅⋅Σρλρζ

22

22................................................................................. (9.12)

pa je ekvivalentna dužina lokalnih otpora, [m]:

[ ]mdle λζ ⋅Σ= .................................................................................................... (9.13)

Zbirni pad pritiska. Zbir padova pritisaka, linijskog i usled lokalnih otpora, daje izraz za računanje ukupnog gubitka pritiska u deonici cevovoda:

ml ppp ∆+∆=∆ .................................................................................................. (9.14)

ρζλρζρλ222

222 wdlwl

dwp ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ Σ+=Σ+⋅=∆ ................................................ (9.15)

Kao što smo već napomenuli koeficijent hidrauličnog trenja λ zavisi od karaktera zida cevi (gladak ili hrapav) i režima kretanja tečnosti (laminarni i turbulentni). Pri laminarnom strujanju putanje čestice fluida - strujnice - paralelne su zidu kanala (cevi) kroz koji fluid protiče, dok su one pri turbulentnom strujanju sasvim proizvoljnog oblika. Za ocenu prirode strujanja fluida poznat je (iz dinamike fluida) kriterijum sličnosti - Reynoldsov broj (bezdimenzionalna veličina). Kao što je poznato za Re=2320 strujanje je turbulentno, odnosno pri Re=2320 laminarno strujanje skokovito prelazi u turbulentno. Hrapava površina može se predstaviti kao niz elementarnih uzvišenja. Kao prvi karakteristični parametar hrapavosti usvajamo srednju visinu uzvišenja, nazvanu apsolutna hrapavost δ . U većini čeličnih cevovoda u radu ona iznosi, u zavisnosti od tehnologije izrade cevi i uslova eksploatacije od 0,05-2[mm]. Kao drugi karakteristični parametar usvaja se odnos apsolutne hrapavosti ( )δ i unutrašnjeg prečnika cevi (D), koji se naziva relativna hrapavost.

Dk δ= ................................................................................................................. (9.16)

Napomenimo još i ekvivalentnu relativnu hrapavost realnog cevovoda, gde podrazumevamo veštačku ravnomernu hrapavost cilindričnog zida čiji je koeficijent hidrauličkog trenja u oblasti Re>Repr isti kao i u datom realnom cevovodu. (Repr- vrednost za koju je λ minimalno). Na osnovu prethodnog možemo napisati:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

Dδλλ Re, .................................................................................................... (9.17)

Na Kolbrukovom (Colebrook) dijagramu data je ova zavisnost:


209

Slika 9.1-2. Kolbrukov (Colebrook) dijagram

U literaturi postoji i veliki broj formula koje definišu ovu zavisnost.

Tabela 9.1-1. Koeficijent hidrauličkog trenja

R.Br. Zavisnost λ=λ(Re,k) Oblast primene Autor

1. Re/64=λ Re<Rek=2320 - 2. 333.0Re0025.0=λ 2320<Re<4000 Zajčenko

3. 2)5.1Relg8.1( −−=λ 4000<Re<3*106 Konakov

4. 25.0Re3164.0 −=λ 4000<Re<105 Blazijus

5. ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅−=

λλ Re51.2

71.3lg21 k

Kolbruk-Vajt

6. 25.0)Re10046.1(1.0 += kλ

Aljštulj

7. 25.0)Re68(11.0 +⋅=

dδλ

kk560Re23⟨⟨

Aljštulj

8. 2)1lg274.1( −+=k

λ

Prandtl-Nikuradze

9. 25.011.0 k⋅=λ

Re>560/k Šifrinson

10.

cba −+= Reλ a=0.094k0.225+0.53k b=88k0.44 c=1.62k0.134

Re<104 10-5<k<0.04 Vud


210

Kao što vidimo čitavo strujno područje možemo podeliti na pet oblasti: - Laminarno strujanje (obrazac 1 u tabeli 9.1-1) - Prelazni režim strujanja (obrazac 2) - Turbulentno strujanje u hidraulički glatkim cevima (3 i 4 ) - Prelazna turbulentna oblast (5,6,7,9) - Izrazito turbulentno strujanje (8,9,10).

Raspored brzina kod trubulentnog strujanja fluida po preseku cevi ukazuje na nagli pad brzine čestice fluida u blizini zida cevi. Taj deo strujnog toka koji se nalazi neposredno uz sami zid cevi naziva se laminarni granični sloj pošto ima parabolični raspored brzina kao i kod potpuno laminarnog toka. Debljina laminarnog graničnog sloja kod turbulentnog strujanja obrnuto je srazmerna kvadratnom korenu iz Re broja.

Slika 9.1-3. Uticaj hrapavosti zida na režim strujanja

U zavisnosti od vrednosti Re broja debljina sloja biće veća ili manja, a može biti i neznatna. Pri izrazito malim Re brojevima, debljina laminarnog graničnog sloja je relativno velika. Ukoliko je sloj dovoljno debeo da pokriva sve neravnine zida, kaže se da je cev hidraulički glatka, jer neravnine ne zadiru u turbulentno jezgro i ne izazivaju stvaranje vrtloga, tj. dopunski gubitak strujne energije. U tom slučaju koeficijent λ je f-ja samo Re broja. Jasno je da zavisnost λ =f (Re) važi i kod potpuno laminarnog strujanja tečnosti u cevi Porastom vrednosti Re broja, debljina graničnog sloja opada i u potpunosti ne prekriva neravnine zida cevi. Tada cev postaje hidraulički hrapava. Neravnine zida zadiru u turbulentno jezgro, remete ga, izazivajući dopunsko vrtloženje. U ovom slučaju keoficijent λ zavisi prvenstveno od


211

relativne hrapavosti k zida ali i od Re broja, jer postoji uticaj graničnog sloja i pored toga što je izrazito tanak. Na kraju, kod velikih vrednosti Re broja, debljina laminarnog graničnog sloja je zanemarljivo mala. Tada neravnine cevnih zidova punom svojom visinom zadiru u turbulentno jezgro. Gubitak strujne energije nastaje skoro isključivo zbog vrloženja tečnosti izazvanog hrapavošću zida cevi i proporcionalan je kvadratu srednje brzine strujanja. U tom se slučaju kaže da je cev hidraulički potpuno hrapava. Koeficijent λ pri izrazito razvijenom turbulentnom toku zavisi isključivo od relativne hrapavosti cevi . Pri izboru odgovarajućeg izraza treba voditi računa o uslovima koji moraju biti ispunjeni da bi se izraz mogao korektno primeniti. Pri rešavanju praktičnih problema iz transporta fluida cevima koriste se i neki drugi izrazi za određivanje pada pritiska kroz cev. U tabelama 9.1-2 i 9.1-3 date su neke iskustvene vrednosti za tehničke cevi koje se najčešće koriste u tehničkoj praksi, kao i neki od empirijskih izraza za vodovodne i toplotne mreže. U opštem slučaju pad pritiska i protok fluida u deonicama pomenutih mreža može biti predstavljen zavisnošću oblika

( ) ( ) ββ λλ vsdvd qlRqlRp ⋅⋅=⋅=∆ , .................................................................... (9.18)

vq - zapreminski protok (m3/h)

Kod turbulentnog strujanja u prelaznom području, gde je koeficijent trenja ( )( )df δλ Re,= vrednost eksponenta je 275,1 ÷=β .

Tabela 9.1-2: Prosečne vrednosti apsolutne hrapavosti cevi

Vrsta cevi, materjal, stanje δ (mm)

Čelične bešavne cevi nove 0.02 do 0.10 pocinkovane 0.07 do 0.16 bitumizirane 0.01 do 0.04 korišćene 0.20 do 0.46 Čelične šavne cevi nove 0.04 do 0.10 bitumizirane 0.01 do 0.05 dugo upotrebljavane 0.50 jače zarđale 1.00 do 1.50 veoma zarđale 2.00 do 4.00 Cevi od livenog gvožđa nove 0.25 do 1.00 bitumizirane 0.10 do 0.15 korišćene, malo zarđale 1.00 do 1.50 sa naslagama 1.50 do 4.00


212

Strujanje tečnosti u hidraulički potpuno hrapavim cevima opisuje se ovim izrazom sa visokom tačnošću za vrednosti eksponenta 2=β .

Zato što je gubitak strujne energije u hidraulički hrapavim cevima proporcionalan kvadratu srednje brzine strujanja, to se ovakvo strujanje naziva "strujanjem u kvadratnoj oblasti".

Tabela 9.1-3. Pregled empirijskih izraza za određivanje specifičnog hidrauličkog otpora

Izrazi za izračunavanje linijskog pada pritiska u deonici

Koeficijent nelinearnosti

Specifični hidraulički otpor, Rds

Formula Ševeljeva za nove čelične i livene vodovodne cevi: 1. za brzinu w>1,2 m/s

vv qqd

p ⋅⋅⋅⋅=∆ −3,5

2 1101736,0 2,0 3,5

2101736,0d

l⋅⋅ −

2. za brzinu w < 1,2 (m/s)

vvv

qqq

dd

p ⋅⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ ⋅+⋅

⋅=∆

− 3,02

3,5

2 688,0110148,0

2,0

3,02

3,5

12 688,0110148,0⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ ⋅+

⋅⋅ ⋅−

vqd

dl

Aproksimacija Andrijaševa formule Ševeljeva, za čelične i livene vodovodne cevi: 1. za brzinu w < 3m/s

9,11,5

2 110179,0 vv qsignqd

p ⋅⋅⋅=∆ −

1,9 1,5210179,0

dl−⋅

Formula Ševeljeva za cevi od plastične mase:

774,1vv774.4

2 qsignqd

l101052,0p ⋅⋅⋅=∆ − 1,774 774,4

2

dl101052,0 ⋅⋅ −

Formula Šifrinsona za toplotnu mrežu

225,5

25,021094,8 vv

a qsignqd

lhp ⋅⋅⋅

⋅⋅=∆ − ρ 2,0 25,5

25,021094,8

dδρ ⋅

⋅⋅ −

Minimalna brzina strujanja fluida pri kojoj počinje da važi kvadratni zakon otpora, određuje se izrazom:

δvwgr ⋅= 568 ...................................................................................................... (9.19)

Za inženjerske potrebe, sa visokim stepenom tačnosti mogu se koristiti i sledeći aproksimativni izrazi:

( )twgr ⋅−⋅⋅= − 0236,0498,0exp1058,5 8

δ........................................................... (9.20)


213

915,0810246,11 −− ⋅⋅= twgr δ za t=40 do 200 ‰C

Zavisnost granične brzine od temperature grejnog fluida, tj. pri različitim vrednostima srednje visine hrapavosti zida cevi prikazana je u dijagramu na slici 9.1-4. Analizom podataka iz ovog dijagrama i iz tabele 9.1-4., koja daje preporuke za izbor vrednosti projektnih brzina fluida u cevovodima, zaključuje se da praktično svi projektni režimi rada mreža sistema toplifikacije odgovaraju uslovima strujanja u hidraulički potpuno hrapavim cevima. Pad pritiska u deonicama cevovoda proporcionalan je kvadratu protoka nosioca teoplotne energije, dakle:

( ) 21 vds qlRp ⋅⋅=∆ λ ............................................................................................ (9.21)

Tabela 9.1-4. Preporuke za izbor vrednosti projektnih brzina u cevovodima

Nazivni otvor cevovoda Projektna brzina strujanja

DN 65 ÷ DN 80 0,9 ÷ 1,4 m/s DN 100 ÷ DN 150 1,2 ÷ 2,0 m/s DN 150 ÷ DN 250 1,4 ÷ 2,6 m/s DN 200 ÷ DN 1000 2,0 ÷ 3,0 m/s

LEGENDA:

1. δ = 0.1 10-3(m) 4. δ = 0.4 10-3(m) 2. δ = 0.2 10-3(m) 5. δ = 0.5 10-3(m) 3. δ = 0.3 10-3(m) 6. δ = 1.0 10-3(m)

Slika 9.1-4. Zavisnost granične brzine u cevovodu od temperature fluida i

apsolutne hrapavosti cevi


214

Specifični hidraulični otpor Rds, predstavlja veličinu pada pritiska na pravolinijskom delu cevovoda dužine 1m pri protoku vode od 1 m/s. U opštem slučaju izraz za izračunavanje specifičnog hidrauličkog otpora glasi:

1

1β−

⋅= dfRds ...................................................................................................... (9.22)

Vrednost koeficijenta f, zavisna je od relativne hrapavosti cevi i gustine fluida. Na osnovu eksperimentalnih ispitivanja, B.L.Šifrinson je, predložio vrednost koeficijenta 181,01 =β za toplotne mreže.

9.1.2. Redosled hidrauličkog proračuna toplotnih mreža S obzirom da se u praksi tretira problematika toplotnih mreža sa toplom vodom kao nosiocem toplote, to se ovde opisuje redosled proračuna samo pomenutih mreža. Proračun se radi u dve etape tj. deli se na prethodni i naknadni ili proveru. Prethodnim proračunom se najpre određuju lokalni otpori ili se zadaje njihov udeo, zatim se zadaje jedinični linijski pad pritiska i srednja gustina nosioca toplote zavisno od temperature. Na osnovu pretpostavke da cevovod radi u oblasti kvadratne zavisnosti, određuje se prečnik cevovoda. U okviru naknadnog proračuna vrši se zaokruživanje prethodno proračunatog prečnika na najbliži standardni (na osnovu tabele proizvođača cevi). Zatim se određuje Rejnoldsov broj ( )eR i upoređuje sa graničnim eR brojem (ista procedura važi i za brzine strujanja o čemu je napred bilo reči). Na osnovu ovoga utvrđuje se proračunska oblast u kojoj radi cevovod. Na osnovu utvrđene oblasti vrši se izbor nekog od kriterijuma za određivanje koeficijenta hidrauličkog trenja λ na osnovu ponuđenih izraza u tabeli. Napominje se da određivanje oblasti u kojoj radi cevovod treba vršiti samo pri proračunu deonica sa malim opterećenjem (priključci potrošača sa malim protokom nosioca toplote). Magistralni vodovi, skoro po pravilu, rade u kvadratnoj oblasti, pa pri njihovom proračunu ne treba vršiti proveru proračunske oblasti. Radi što jednostavnijeg proračuna, u inženjerskoj praksi su dosta rasprostranjeni nomogrami za određivanje pomenutih veličina.

9.1.3. Osnovi uravnoteženja toplotnih mreža Kod mnogih sistema grejanja javlja se problem neuravnoteženja mreže što za sobom povlači mnoge probleme vezane za raspodelu toplote i pouzdan rad celog sistema. Problem hidrauličkog uravnoteženja mreže može se rešiti jedino promenom hidrauličkog otpora sa jasno obeleženim stanjem za koje su razrađeni određeni dijagrami koji se baziraju na poznatim zakonima hidraulike. U inženjerskoj praksi metode proračuna toplotnih mreža u različitim oblastima tehnike su davno poznate i primenjuju se u praksi, međutim, uglavnom se dešava da se "otimaju" kontroli i retko je izvedena instalacija pod uticajem onih koji je koriste. Danas se u praksi primenjuje veliki broj različitih regulacionih kola za dinamičko prilagođavanje rada uređaja u mrežama, od kojih zavisi kakva će biti regulacija tj. raspodela toplote. U osnovi svih metoda hidrauličkog proračuna toplotnih mreža, kao što je napred izneto, leži međusobna veza između statičkog pada pritiska u mreži, delu mreže ili elementu mreže, i protoka koji postoji


215

u njoj. Pad pritiska u složenim sistemima i razgranatim mrežama predstavlja aritmetički zbir pojedinih padova pritiska svih deonica i elemenata redno vezanih u pravcu kretanja fluida. Pad pritiska je ona veličina čijom se kompenzacijom obezbeđuje traženi maseni protok m& (kg/h) u određenom delu mreže tj. brzina strujanja w. Pri strujanju u mrežama kod već izgrađenih sistema, jedine promene koje se mogu izvršiti u uspostavljenom strujanju u smislu raspodele protoka, bile bi izmene "unete" razlike pritiska u sistem, ili otpora sistema i njegovih delova. Pošto je otpor sistema utvrđen i fiksiran izgradnjom mreže, to znači da jedine intervencije u preraspodeli protoka mogu da nastupe po osnovu promenljivih otpora u mreži. S toga je važno sagledavanje promenljivih otpora u jednoj mreži, odnosno grupisanje ventila, zasuna i druge armature prema nameni. U principu, armatura se deli:

- na onu koja je predviđena isključivo za zatvaranje i otvaranje pojedinih delova mreže (zaporna armatura).

- na onu koja se u mreži mora nalaziti u jednom od dva položaja i - na onu koja je predviđena za ručnu (automatsku) regulaciju i koja mora imati jasno određen

način promene svog otpora i mogućnost ograničenja i fiksiranja u tačno određenom položaju.

U teoriji o radu regulacionih izvršnih organa, najširu primenu su našli ventili za koje je , pored pojma koeficijenta lokalnog otpora, uveden i pojam protočnog koeficijenta, tzv. VsK . Pad pritiska na ventilu prikazan je sledećom zavisnošću:

ρβ

⋅⋅⋅⋅

=∆ 2240,25

1v

pv q

Fp ............................................................................ (9.23)

pβ - predstavlja "značicu protoka" i ima vrednost ξ

β 1=p

Ako jednačinu rešimo po q i uzmemo da je za vodu ρ =1 kg/dm3 dobijamo

vpv pFq ∆⋅⋅⋅= β04,5 ..................................................................................... (9.24)

Ako se kroz armaturu propušta toliki protok da pad pritiska vode u njoj iznosi 1 bar, onda je

pv Fq β⋅⋅= 04,5 (m3/h) ..................................................................................... (9.25)

Protočni koeficijent, po definiciji, predstavlja protok vode kroz armaturu u otvorenom položaju, pri padu pritiska od 1 bar. Veza VsK i otpora armature daje se izrazom:

CKVs

136000= za 22FC ε= ............................................................... (9.26)

Svi elementi promenljivog otpora imaju karakteristiku VsK koja zavisi od hoda tela za zatvaranje armature. U regulacionoj tehnici ona se naziva karakteristikom protoka i kod ventila ona zavisi od profila pečurke i u većini zemalja je standardizovana, pa su danas u najširoj upotrebi takozvana linearna i logaritamska karakteristika.


216

Propisi zahtevaju da se projektnom dokumentacijom, pored kompletnog proračuna mreže, predvide i potrebna prigušenja koja se izvode na pozicionoj armaturi svakog ogranka i grane. Razgranate mreže imaju na svojim nacrtima potrebno prigušenje koje se dobija kada se prema proračunu pritiska, a za raspoloživi pritisak iz čvora, utvrdi višak pritiska, koji je potrebno prigušiti pa da pad pritiska bude isti za zadati protok obe grane. Ovo nikako ne mora da znači da će se na izvedenoj mreži sa postavljenim probnim prigušivanjem, prema projektu, i ostvariti raspodela protoka kakva je predviđena, zato što i u samom procesu gradnje dolazi do odstupanja. Zato za potrebe regulacije na većim prečnicima treba koristiti neke od načina za merenje protoka, npr. kombinaciju merne blende i običnog zapornog ventila. Ovakvom kombinacijom se može, doduše vrlo teško, izvršiti predregulacija na mreži ali se položaj ventila ne može ni utvrditi niti ponovo kontrolisati bez merenja. Takođe se ne mogu podešavati uzajamni odnosi više organa. Promenljivi otpori koji nemaju prenos veličine otpora na spoljnu konstrukciju mogu se isključivo koristiti kao organi za zatvaranje i otvaranje, pošto su u svim drugim položajima neodređeni. Pošto sve složene mreže za zadatu konfiguraciju moraju razdeliti protok saglasno zahtevu instalacije, to se može izvršiti predpodešavanjem otpora svih grana a što je prvi zadatak pozicione armature kojom se za stacionarno stanje protoka podešavaju otpori svih grana i dovode u određeni odnos. Svaki član pozicione armature (ventil, zasun, slavina, klapna) treba, pored zakona promene otpora, na sebi da ima priključke za diferencijalni manometar, kojim bi se merio pad pritiska na njemu. Poželjno je da armatura, pored toga, ima i elemente za ograničenje hoda na pravcu zatvaranja i otvaranja kojima se hod ograničava ili fiksira. Na kraju, treba imati u vidu da promena otpora ne menja uspostavljene odnose drugih otpora iza sebe, što znači i protoka, već samo odnose ispred sebe. Prema tome, postoji određeni prioritet otpora, po kome su svi ventili iza nekog ventila manjeg prioriteta od njega, a svi ventili ispred njega većeg prioriteta od njega. Najveći prioritet na mreži imaju ventili ili drugi članovi armature neposredno iza pumpe ili na glavnom vodu itd. Saglasno prioritetu, armaturom se vrši raspodela protoka u mreži.

9.2. Uravnoteženje cevnih mreža Cilj uravnoteženja cevne mreže je da se na osnovu projektovanog rešenja i izvedene instalacije protok u svim krugovima podesi na projektovanu vrednost. Svrha uravnoteženja hidrauličkog sistema je da se osigura stabilna i tačna regulacija u zatvorenim cirkulacionim krugovima u kojima voda protiče prinudnim putem. Protok vode može biti u nekim strujnim krugovima preveliki, a u nekima mali u odnosu na projektovane. Uravnoteženje podrazumeva podešavanje pada pritiska kako bi se osigurao protok predviđen projektom u čitavom postrojenju a pri projektovanom toplotnom opterećenju. Neodgovarajući protok u sistemu dovodi do tri karakteristične pojave u instalaciji:

1. pojava vrlo velike temperaturne razlike između pojedinih prostorija u istoj zgradi; 2, raspoloživa energija za grejanje ili hlađenje, pri visokim opterećenjima je nedovoljna; 3. utrošak energije može biti i do 42 % veći od uravnotežene instalacije; 4. temperatura u prostoriji je nestabilna i pri srednjim i malim opterećenjima; 5. nepovoljni termički uslovi sredine.


217

Ove pojave nastaju kada su u pitanju pravilno dimenzionisane instalacije, ali kod kojih nije ostvareno odgovarajuće uravnoteženje protoka, i ovaj problem se ne može rešiti automatskom regulacijom. Izvršni organi automatske regulacije često rade neodgovarajuće baš zato što uravnoteženje protoka nije izvedeno na odgovarajući način. Uravnoteženje hidrauličkog sistema podrazumeva sledeće:

1. Strujni krugovi u primarnom delu postrojenja - energetski izvor, moraju biti uravnoteženi tako da daju projektne protoke kroz kroz proizvodne jedinice (kotlovi ili čileri ), i da primarna produkciona strana postrojenja bude usaglašena sa sekundarnom, distribucionom stranom, pri svim toplotnim opterećenjima.

2. Strujni krugovi sekundarne - distribucione strane, moraju biti uravnoteženi tako da daju najmanje projektovane protoke na potrošačima.

3. Lokalni - tercijalni strujni krugovi moraju biti uravnoteženi tako da osiguraju dobre radne uslove za regulacione ventile i da omoguće da primarni i sekundarni protoci budu međusobno usaglašeni.

Ukoliko postrojenje nije uravnoteženo prema ovim uslovima, regulatori neće biti u stanju da funkcionišu kako je zamišljeno. Uravnoteženje je postupak postizanja potpune integracije automatike i hidraulike u jednom postrojenju.

9.2.1. Potreba za uravnoteženjem i prednosti koje ono pruža Bez uravnoteženja, javlja se širok opseg vrednosti sobnih temperatura u objektu, a sa druge strane, temperatura se ne može držati na željenom nivou. Takođe, bez uravnoteženja imamo gubitak energije prouzrokovan sledećim:

a) postrojenje nije hidraulički homogeno, zbog čega je nemoguće centralno regulisanje; b) regulacioni ventili u lokalnim regulacionim krugovima ne mogu da regulišu mala i srednja

toplotna opterećenja, ili da reaguju na unutrašnje dobitke toplote.

Šta se postiže uravnoteženjem? Osnovno što se dobija je da je protok kroz kotlove i čilere tačno onakav kako je definisan projektom. Manja ili veća vrednost ovog protoka rezultira da ovi uređaji ne mogu dati potrebnu temperaturu razvodne vode. S druge strane, postiže se tačna distribucija protoka vode u instalaciji. Uravnoteženjem distribucionog sistema ostvaruje se tečna raspodela vode, tako da ni zgrade, ni terminali, ni proizvodne jedinice (kotlovi i čileri) nisu u boljem položaju jedni u odnosu na druge. Pored toga, u pogledu protoka postiže se usaglašenost primarnih i sekundarnih krugova. Uravnoteženje produkcionih jedinica zajedno sa uravnoteženjem distribucionog sistema omogućava da budu usaglašeni proizvodnja energije i njena raspodela potrošačima, tj. da se projektovana snaga može dostaviti distribucionim sistemima bez obzira na toplotno opterećenje.

9.2.2. Uticaj uravnoteženja na komfor Najveći dobitak uravnoteženjem je ostvarivanje željene unutrašnje klime u svim radnim uslovima, i, kao rezultat, bolji radni uslovi u prostoriji, veća tržišna vrednost objekta, itd.


218

9.2.3. Uravnotežene instalacije i potreba za energijom Smanjenje potrošnje energije putem uravnoteženja postiže se:

smanjenjem potrebne energije za rad pumpi, stvaranje uslova za rad regulacionih organa.

Slika 9.2-1. Kriva A predstavlja sistem grejanja pre uravnoteženja cevne mreže, a B nakon uravnoteženja. Raspon sobnih temperatura je smanjen i prosečna sobna temperatura je snižena

Na apscisi se nalazi raspon sobnih temperatura, dok je na ordinati procenat prostorija u zgradi sa odgovarajućom temperaturom. Uravnoteženje sistema sužava krive i pomera ih ulevo kod grejanja, odnosno desno za slučaj klimatizacije. Regulacioni organ može ispravno vršiti svoju funkciju samo ako je sistem uravnotežen, tj. da su kod svih potrošača obezbeđeni projektovani protoci.

Slika 9.2-2. Zgrade u Parizu

Na primeru rešenja za tri identične zgrade u Parizu, vidi se da je samo pri ugradnji optimizovanih regulatora došlo do uštede energije za 8%, ali su se i dalje javljale pritužbe na unutrašnji komfor. U drugoj zgradi je izvršeno samo uravnoteženje, i došlo se do uštede energije od 20%, ali je i dalje bilo pritužbi na unutrašnji komfor. U trećoj zgradi urađeno je uravnoteženje, plus je dodat jedan optimizovani regulator za celu zgradu, i došlo je do uštede od 36%, i više nije bilo pritužbi na unutrašnju klimu.


219

9.2.4. Princip uravnoteženja Prilikom izbora cirkulacione pumpe za neko hidrauličko postrojenje, mora se imati u vidu da ona mora biti izabrana tako da diferencijalni pritisak kroz najnepovoljniji strujni krug bude dovoljno veliki, da bi se postigao projektovani protok na terminalima u tom krugu. problem je što je tada diferencijalni pritisak u ostalim strujnim krugovima veći od projektovanog. Da bi smo dobili projektovani protok, rešenje je da se višak diferencijalnog pritiska priguši do potrebne vrednosti, pomoću ventila za uravnoteženje protoka. Na slici 9.2.3. je prikazana raspodela pritisaka u jednoj instalaciji.

Slika 9.2-3. Način raspodele potrebne razlike pritisaka

Neka je, na primer, pad pritiska u najnepovoljnijem strujnom krugu 50 kPa, a pad pritiska kod svih terminala 30 kPa. Odgovarajuća cirkulaciona pumpa treba da ima napor od 80 kPa. Potrebno prigušenje kod najbližeg strujnog kruga je 50 kPa, a na ostalim ventilima, zavisno od udaljenosti kotla između 50 i 0 kPa. Teoretski nema potrebe za uravnoteženjem najnepovoljnijeg strujnog kruga, s obzirom da je u odnosu na njega određen merodavni pad pritiska, ali je praktično potreban, da bi ostvario pad pritiska od bar 2 do 3 kPa. Jednostavno je izračunati koliki je deo raspoloživog diferencijalnog pritiska potrebno prigušiti na ventilu za uravnoteženje kod novih postrojenja. Ovo je moguće uraditi u fazi projektovanja novih postrojenja. Kada su u pitanju postojeća postrojenja, kod njih ne postoje izračunate vrednosti za predregulaciju ventila za uravnoteženje, mora se primeniti kompenzacijski metod.

a) Opšte preporuke 1. Podeliti sistem na glavne i usponske vodove, grane i jedinice. 2. Postaviti odgovarajuće dimenzionisane ventile za uravnoteženje protoka u povratni

cevovod na svim glavnim usponskim vodovima i teminalima 3. Odrediti odgovarajući pad pritiska na regulacionim ventilima terminala. Za radijatore koji

skoro nemaju pad pritiska, usvojiti da je dp=5-8 kPa na radijatorskom ventilu. 4. Dimenzionisati cevnu mrežu prema standardnom postupku.


220

5. Izbor cirkulacione pumpe bazirati na ukupno potrebnom protoku i neophodnom naporu, bez nepotrebnog predimenzionisanja, s obzirom da će postrojenja biti uravnotežena.

6. Specificirati da postrojenje mora uravnotežavati stručnjak za tu vrstu posla. Tražiti izveštaj o rezultatima uravnoteženja i zahtevati da taj izveštaj overi nadzorni organ.

b) Kako dimenzionisati ventil za uravnoteženje U hidrauličkom krugu, ventil za uravnoteženje stvara dopunski pad pritiska, da bi ograničio protok vode na željenu vrednost. Pasivni elementi u hidrauličnom krugu stvaraju pad pritiska:

201.0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

VKGdp ρ ............................................................................................. (9.27)

gde su: dp - pad pritiska na tom elementu u [kPa], ρ - gustina fluida G - protok fluida u [l/h].

Koeficijent Kv je protočna karakteristika ventila koja prvenstveno zavisi od površine sedišta ventila. Standardna vrednost veličine Kvs dobija se kada je ventil potpuno otvoren i odgovara maksimalnom protoku vode pri padu pritiska na ventilu od 1 bar. Preporučuje se da se ventil za uravnoteženje dimenzioniše tako da se dobije vrednost predregulacije u opsegu 75-90% od njegove vrednosti Kvs. To znači da dimenzije ventila ne moraju da se poklapaju sa cevimama u koje se ugrađuje. Ukoliko vrednost predregulacije ventila nije poznata, veličinu treba izabrati tako da se dobije pad pritiska na njemu od najmanje 3 kPa za projektovani protok vode kada je ventil potpuno otvoren.

9.3. Razvođenje toplote Razvođenje toplote vrši se preko fluida toplonoše od izvora toplote, npr kotla do toplotnih potrošača putem razvodne mreže. Razvodnu mrežu čine odgovarajuće normirane cevi zajedno sa ostalim spojnim i regulacionim uređajima. Prema razvodnom fluidu, ove sisteme delimo na vodene, parne i vazdušne. Vodeni sistemi mogu biti toplovodni (do 110°C) i vrelovodni.

9.3.1. Cevi Cevi za razvod toplote su normirane i nalaze se u odgovarajućim katalozima. Karakteristični parametri za cevi su spoljni i unutrašnji prečnik, težina po dužnom metru i materijal. Za centralno grejanje u upotrebi su crne čelične cevi sa tankim i debelim zidom, sa i bez šava. Cevi se spajaju mufovima ili zavarivanjem. U slučaju spajanja mufovima, na oba kraja cevi je narezan Vitvortov navoj. Na mestima gde je potrebno privremeno spajanje, cevi se spajaju prirubnicama ili holenderima. Tankozide cevi se spajaju zavarivanjem ili pomoću zavarene prirubnice. Račvanje se izvodi T – komadima. prilikom promene pravca, cevi se ili savijaju ili spajaju kolenima. Stalni spojevi se obezbeđuju zavarivanjem. Vešanje cevi vrši se različitim nosačima ili vođicama ubetoniranim u zidu, pri čemu se mora voditi računa o dilataciji, pa je potrebno omogućiti klizanje cevi u njima. dilatacija cevi pri temp.


221

0-100°C približno iznosi 1.2 mm po dužnom metru. Da ne bi došlo do prskanja cevi usled dilatacije, u pojedinim vođicama se ubacuju različiti kompenzatori. Kompenzatori se izvode na 3 načina, i to:

- u obliku lire ili slova U - klizni kompenzatori - aksijalni u vidu harmonike ( membrane )

Prilikom vođenja cevi pod uglom, nije potrebno vršiti kompenzaciju, jer sam ugao vrši tu funkciju. Najjednostavnija i najsigurnija je kompenzacija u vidu lire, ali zahteva dosta prostora. Klizni kompenzator zauzima mnogo manje prostora, ali je skup i zahteva zaptivku. Kompenzatori u vidu harmonike imaju nedostatke kao i prethodni, jer harmonika vremenom prska i mora se menjati.

9.3.2. Izolacija cevi Radi sprečavanja suvišnih gubitaka toplote u cevovodima, cevi se izoluju. Najčešći izolacioni materijali u upotrebi su: kiselgur, magnezijum, azbest, pluta,, staklena ili mineralna vuna, stiropori. Prilikom određivanja debljine izolacije, treba voditi računa o tehničkim i ekonomskim uslovima. Potrebno je izračunati godišnju cenu izgubljene toplote pri različitim debljinama izolacije, i uneti u dijagram, odakle određujemo položaj gde prestaje racionalnost povećanja debljine izolacije.

9.4. Dvocevni sistemi centralnog grejanja Kod dvocevnih sistema imamo da je svako telo spojeno sa cevnom mrežom sa dva priključka, dovodnim vodom, kroz koji struji voda u grejno telo, i povratni, iz kojeg voda izlazi iz grejnog tela i struji ka izvoru toplote. Kao zagrevni fluid, koristi se voda. Razlikujemo vrelovodno grejanje, kod koga je temperatura vode iznad 100°C, i toplovodno, kod koga je temperatura ispod 100°C. Kod toplovodnog grejanja temperatura vode je ispod temperature isparavanja pri atmosferskom pritisku, te stoga oni mogu biti otvoreni prema atmosferi. Cirkulacija vode može se postići usled razlike gustina napojne i povratne vode, tzv. gravitaciono grejanje, i uz pomoć pumpe, pumpno grejanje

9.4.1. Prirodna cirkulacija Šema grejnog sistema, gde se zagrevanje vode vrši u tacki K, a hladjenje u tački R.

Slika 9.4-1. Šema grejanog sistema sa zagrevanjem i hlađenjem vode koncentrisanim u tačkama K i R


222

Zagrejana voda struji kroz razvodni deo cevovoda KAAR, do grejnog tela R, i preko RBCK se vraća nazad u kotao. Temperature razvodne i povratne vode su tr i tp, a gustine ρr i ρp. U tački a uspostavlja se statički pritisak jednak atmosferskom koji deluje na nivo vode u ekspanzionom sudu E i visine stuba iznad tačke A. Ukoliko uočimo proizvoljnu tačku B, pritisak u njoj iznosi:

rbrab

rbab

ghhgppghhpp

ρρρ

−+=−+=

2

1 )(..................................................................................... (9.28)

U tački B postoji razlika pritisaka:

)()(21

rpb

rbrarbabb

ghphhhgpghhpppp

ρρρρρ

−=+−−−+=−=

.................................... (9.29)

Ovaj izraz važi za slučaj da je u cevovodu ukočena cirkulacija. Dobijeno je da postoje dva različita pritiska u istoj tački.

9.4.2. Temperature razvodne i povratne vode Prilikom izbora temperatura razvodne i povratne vode, potrebno je uzeti u obzir sledeće posledice ovih temperatura:

1. razlika ∆t=tr-tp utiče na površinu grejnog tela, a time i na njegovu cenu. 2. temperatura razvodne vode iznad 100°C čini sistem visokog pritiska, što zahteva zatvoren

sistem. 3. Više temperature tp i tr čine i da je srednja temperatura grejnog tela visoka, što za posledicu

ima da čovek umesto da odaje, prima toplotu i tako stvara osećaj neugodnosti. Sa druge strane, veća je razlika između temperature grejnog tela i okoline, a samim tim je i povećan efekat prenosa toplote, pa je i veličina grejnog tela manja.

4. Pri temperaturama višim od 80°C dolazi do ugljenisanja čestica prašine, koje čovek može da udahne, pri čemu se nadražuje sluzokoža disajnih organa.

5. Veliko Qt znači smanjeni protok vode kroz cevovod i grejna tela, pa se dobijaju cevovodi manjih prečnika i jeftinija cevna mreža.

6. Kod grejnih tela raspoloživi napor je veći pri većim razlikama razvodne i povratne temperature vode, što znači nižu srednju temperaturu grejnog tela.

Uzimajući u obzir sve gornje faktore, došlo se do korišćenja temperatura 90/70°C u projektnim uslovima. U ovom slučaju srednja temperatura vode u grejnom telu je 80°C, što nije dobro za uslove ugodnosti, ali se ona postiže samo pri spoljnim projektnim uslovima, koji su vrlo retki. Praktično, srednje temperature vode u grejnim telima je u proseku dosta niža, jer su spoljne projektne temperature u grejnom periodu dosta iznad projektnih vrednosti.

9.4.2.1. Uputstva za proračun Kod vodenog gravitacionog grejanja cirkulacija vode se javlja usled razlike gustina vodenih stubova u povratnim i razvodnim cevima.


223

Slika 9.4-2. Cirkulacioni krug vodenog gravitacionog grejanja

Za grejno telo na slici 9.4-2., raspoloživi pritisak za cirkulaciju iznosi:

)( rphgH ρρ −= (Pa) ....................................................................................... (9.30) gde je:

H - raspoloživi pritisak ( napor ), (Pa) ili (N/m2) h - visinska razlika između sredine radijatora i sredine kotla (m)

ρp-ρr - razlika gustina povratne i razvodne vode (kg/m3)

Napor se troši za savlađivanje otpora koji nastaju prilikom strujanja vode kroz cevovod na pravim deonicama, kao i na savlađivanje mesnih otpora koji se javljaju pri prolazu vode kroz krive delove cevi, ventile, slavine, grejna tela, mestima račvanja, spajanja, itd. Ukupan napor se može predstaviti kao:

∑+∑ ZRl ......................................................................................................... (9.31) gde je ∑Z - deo napora za savlađivanje svih mesnih otpora

R - jedinični napor za savlađivanje otpora pri prolazu vode kroz prav deo cevi dužine 1m,jedinični pad pritiska (Pa/m)

l - dužina cevi (m) ∑ Rl - deo napora koji se troši za savlađivanje otpora u pravim delovima mreže (Pa) ili (N/m2).

Da bi smo znali napor potreban za savlađivanje pojedinih otpora, neophodno je da znamo približan prečnik cevi. Proračunom treba najbržim putem doći do veličina prečnika cevi, pa tek onda sprovesti precizan i konačan proračun cevne mreže. Samim tim, proračun delimo na prethodni i naknadni. U prethodnom proračunu, računa se samo sa naporom za trenje u pravim delovima cevovoda, uzimajući u obzir da se 33% raspoloživog napora troši na pojedinačne otpore.

(Pa/m) 67.033.0

33.0

∑=

∑+==∑

lHR

lRHHHZ

............................................................................................ (9.32)

pri čemu smo uzeli da je jedinični pad pritiska R konstantan za celu cevnu mrežu.


224

9.4.2.2. Tabele za proračun cevne mreže Tabele za proračun cevne mreže su date u literaturi (prilog CD), za čelične i bakarne cevi. One sadrže podatke o toplotnom i masenom protoku vode za razliku razvoda vode od 20 K i 1 K, brzine strujanja i jedinični pad pritisaka R (Pa/m). Maseni protok može se izračunati kao:

ppr

prp

cttQm

ttcmQ

)(

)(

−=

−=

&

&

................................................................................................ (9.33)

Protok vode kroz cev za specifičnu temperaturu vode 90/70°C i specifičnu toplotu vode Cp=4.186 (kJ/kgK) računa prema:

86.020Qm =& (kg/h)............................................................................................. (9.34)

gde je Q u (W). Kako su kod gravitacionog grejanja manje vrednosti jediničnog pada pritiska R, to se kod proračuna ovog grejanja više koriste tabele sa nižim R.

9.4.2.3 Crteži i šeme za proračun Prvo se ucrtaju horizontalna razvodna i povratna mreža, označi se svaki njen deo, tzv. deonica koja predstavlja cev jednog datog prečnika kroz koji prolazi konstantan protok grejnog fluida. Zatim je potrebno nacrtati šemu usponskih vodova, koja se crta u razmeri samo po visini, a obuhvata i grejna tela kao i kotao. Na šemi usponskih vodova obeležavaju se deonice, odgovarajući protoci toplote, grejna tela, visinske razlike između sredine kotla i sredine svakog pojedinog radijatora za svaki sprat. Takođe je u šemi i veza kotla sa ekspanzionim sudom, kao i prikaz mreže za odvođenje vazduha. Prethodni proračun sastji se od izračunavanja jediničnog pada pritiska za strujno kolo svakog grejnog tela. Sa tako dobijenim vrednostima za R, određuju se prethodni prečnici, i za tim sprovodi naknadni deo proračuna, u kome se određuju koeficijenti mesnih otpora.

9.4.2.4. Postrojenja sa donjim razvodom Prethodni proračun počinje sa izračunavanjem jediničnog pada pritiska za strujno kolo najnepovoljnijeg grejnog tela, koje je horizontalno najudaljenije od kotla, a koje je visinski najniže u postrojenju. Zatim, sa izračunatim R i za ostala grejna tela na istoj vertikali, prelazi se na druge usponske vodove, i počinje se opet sa najnepovoljnijim grejnim telom na toj vertikali. U tabeli 9.4-1 dati su koeficijenti lokalnih otpora, kao i otpor zavisno od strujanja grejnog fluida.


225

Tabela 9.4-1. Tabela za određivanje lokalnih otpora

r/d 1 2 3 4

ζ 0,5 0,35 0,3 0,3

Nazivni prečnik [mm]

10 15 20 25 >32

ζ 2 2 1,5 1,5 1

Izvijeni komad ζ=0,5

Naziv dela ζ zasun

sa suženjem >0,3 bez suženja 0,2

Ventil sa pravim sedištem 2,5 sa kosim sedištem 2 ugaoni 1,5

Ventil na grejnim telima prolazni 4 ugaoni 2

nepovratni ventil 4 kotao 2,5 radijator 2,5 razdelnik – izlaz 0,5 sabirnik – ulaz 1 slavina (otvorena) 0,15

Wo/W 0,4 0,6 0,8 1 1,3 1,5 2

ζo 6,5 3 1,8 1,3 1 0,8 0,5


226

9.5. Jednocevni sistemi centralnog grejanja Kod jednocevnih sistema, razvodna i povratna mreža su zapravo jedan cevovod. U ovakvim sistemima svaka vertikala, bez obzira na broj priključenih grejnih tela ima isti protok i jednak prečnik. Voda iz jednog grejnog tela dospeva u drugo, sa nižom temperaturom, i tako do poslednjeg grejnog tela iz koga izlazi sa temperaturom povratne vode celog sistema. To znači da je pad temperature u svakom grejnom telu manji nego u slučaju dvocevnih sistema, da je hlađenje vode u svakoj vertikali ekvivalentno padu temperature u dvocevnim sistemima, i da srednja temperatura vode opada u pravcu strujanja sistema, što rezultuje povećanim grejnim telima. U slučaju manjih stambenih zgrada, grejni krug ne mora početi sa vertikale, već može direktno sa razdelnika u kotlarnici, i završiti takođe u kotlarnici. Jednocevni sistemi su uglavnom sa prinudnom cirkulacijom.

9.5.1. Vertikalni cevni sistemi Vertikalni sistemi sa gornjim razvodom imaju postavljen horizontalni deo cevovoda za razvod tople vode iznad najvišeg grejnog tela. kod donjeg razvoda cevi prolaze ispod najnižeg grejnog tela. U oba slučaja, cevi za povratak hlađene vode u kotao postavljaju se ispod najnižeg tela.

Slika 9.5-1. Jednocevni sistem toplovodnog grejanja sa gornjim razvodom

Kod sistema sa gornjim razvodom voda iz kotla struji kroz glavni usponski vod, a iz njega u razvodni horizontalni cevovod, raspodeljujući se na pojedine vertikale. Razvodna voda struji odozgo nadole iz jednog grejnog tela u drugo. kada su u istoj tački vezana dva radijatora, cevovod se grana tako da deo vode odlazi u radijatore, a drugi deo kratkom vezom nastavlja da struji kroz vertikalu. Ohlađena voda iz vertikale se skuplja u horizontalnoj povratnoj cevnoj mreži, prema kotlu.


227

Slika 9.5-2. Jednocevni sistem sa pomerenim kratkim vezama

Na slici 9.5-2. je data šema jednocevnog pumpnog protočno-regulišućeg sistema sa gornjim razvodom, pomerenim kratkim vezama i trokrakim ventilima, koji omogućavaju podešavanje odavanja toplote svakog radijatora. Međutim, svako podešavanje trokrakih ventila direktno utiče na odavanje toplote sledećeg radijatora.

Slika 9.5-3. Jednocevni sistem sa “P” vertikalama

Jednocevni vertikalni sistemi sa donjim razvodom, tzv. “II” vertikale, počele su da se pojavljuju kod zgrada bez tavana. Sa desne strane je prikazan sistem kod koga se radijator na svakom spratu


228

deli na dva dela: jedan, levi, sa regulišućim protokom, i drugi neregulišući – protočni. Na najvišem spratu postoji mogućnost vazdušnog regulisanja odavanja toplote protočnog radijatora.

9.5.2 Savremeni jednocevni sistemi

9.5.2.1 Horizontalni razvodni krugovi U nekim slučajevima otežano je razmeštanje vertikala, pa se grejna tela ne grupišu duž vertikale, već se rastežu duž sprata. Radijatori se horizontalno naizmenično vezuju obrazujući horizontalne cirkulacione grane. U ovakvom sistemu relativno se skraćuju kako dužina horizontalnog, tako i dužina vertikalnog dela grana koje povezuju vertikale. Ovi sistemi su danas unapređeni specijalnim konstrukcijama ventila, koji u sebi sadrže razvodni i povratni priključak, kao i kratku obilaznu vezu. Savremeni jednocevni sistemi se sastoje od horizontalnih krugova koji počinju na razvodnom, a završavaju se na povratnom usponskom vodu, koji su jedan uz drugi. Kroz objekte sa horizontalnim cevnim krugovima provlači se nekoliko vertikala uglavnom kroz vertikalne građevinske kanale. Na vertikale po spratovima su priključene razvodne kutije malih dimenzija, koje sadrže razdelnike i sabirnike za pojedine cirkulacione krugove. Na cirkulacione krugove postavljaju se grejna tela koja se specijalnim ventilima vezuju za cevi. Svako grejno telo je opremljeno ventilom za automatsko ispuštanje vazduha koji je postavljen na najvišoj tački grejnog tela.

Slika 9.5-4. Horizontalni cevni krugovi u stambenim objektima

Kod sistema centralnog grejanja, a posebno kod jednocevnih sistema, bakarne cevi su našle veliku primenu u postrojenjima centralnog grejanja.


229

Slika 9.5-5. Način priključenja horizontalnih cirkulacionih krugova na usponske vodove

Bakar ima veliku otpornost na koroziju, što znači duži vek trajanja i lakše održavanje, nema ni taloga kao posledice korozije pa nije potrebno povremeno ispiranje cevovoda. Hrapavost bakarnih cevi je 30 puta manja nego čeličnih, pa je i koeficijent trenja pri strujanju manji. Brzina strujanja je viša, pa je i potrebni prečnik cevi manji od čeličnih. I ugrađena masa cevi se smanjuje, jer su bakarne cevi tankozidne za jednake protoke. Zbog velike elastičnosti nisu osetljive na razna sleganja i velika koncentrisana opterećenja.

9.5.3. Upoređenje jednocevnih i dvocevnih sistema Razlike su pre svega u ukupnoj dužini cevi koja je manja, i površini grejnih tela koja je kod jednocevnih veća. Dobre strane ovih sistema su:

- manji broj vertikala, posebno kod horizontalnih razvoda jednocevnih sistema - smanjenje probijanja građevinske konstrukcije zgrade - prikladan je za montažu i izgradnju - prostija i brža montaža - svaka stambena jedinica ima vlastiti i nezavisni krug grejanja, što olakšava popravke,

kontrolu održavanja i merenje potrošnje - lako se naknadno ugrađuje u gotove objekte


230

Kao mana ovih sistema, uglavnom se javlja: - nešto komplikovanije projektovanje zbog proračuna temperature vode kod mešanja tokova

koji prolaze kroz grejno telo i obilazni vod - povećanje površine grejnih tela u prostorijama na kraju vertikala

Uputstva za proračun Proračun se vrši na isti način kao i kod dvocevnih, sa tom razlikom što svaka vertikala predstavlja jedinstveno strujno kolo, jer su grejna tela u rednoj vezi, pa je svaka vertikala istovremeno i povratni i razvodni cevovod svih grejnih tela iste vertikale.

9.6. Definisanje pritiska i napora u sistemu centralnog grejanja

Prema Bernulijevoj jednačini, ukupni pritisak tečnosti koja cirkuliše kroz cevovod sastoji se od: puk = pdin + pst , dinamičkog pdin i statičkog pst, a njih definišemo na sledeći način:

2

2ρω=dinp ; pghpst += ρ , pa je

puk = 2

2ρω + pgh +ρ ......................................................................................... (9.35)

ω - brzina strujanja fluida (m/s) ρ - specifična gustina fluida (kg/m3) h - visina posmatrane tačke prema mernoj ravni (m) g - ubrzanje zemljine teže (m/s2) p - pritisak fluida u sistemu (Pa)

Statički pritisak je onaj pritisak koji oseća zid cevi pri strujanju tečnosti paralelno sa njim, dinamički ili zaustavni pritisak jednak je onom pritisku koji se javlja ispred središta neke prepreke. Strujanje kroz cev u opštem slučaju je višedimenzijsko jer imamo promene fizičkih veličina po visini porečnog preseka. U daljem razmatranju koristićemo relacije jednodimenzijskog strujanja kroz strujno vlakno. U tehnici grejanja radni fluid se kreće kroz zatvoreni cevni sistem u kome se vrši razmena toplotne energije sa okolinom. Pri strujanju kroz realni cevni sistem menja se pdin usled promene preseka, pravca strujanja, protoka i trenja fluida o zid cevi. Menja se i pst usled promene gustine radnog fluida, koja je funkcija temperature ρ(t). Primenom jednačine za ukupan pritisak na dva proizvoljna preseka, dobijamo:

pst1 + pdin1 = pst2 + pdin2 + ∆p ............................................................................ (9.36)

pa je,

p1 + ρgh1 + ρw21/2 = p2 + ρgh2 + ρw2

2/2 + ∆p ............................................... (9.37)


231

gde ∆p predstavlja gubitak usled strujanja tečnosti.

∆p= ΣRL + ΣZ, ................................................................................................. (9.38)

gde je ΣRL - deo pada pritiska usled trenja radnog fluida u pravolinijskom delu ΣZ - deo pada pritiska usled lokalnih otpora

Razmotrićemo promenu pst (pritiska usled gravitacione sile) u grejnom sistemu sa grejanjem i hlađenjem vode. Pretpostavimo da je promena temperature i gustine vode linearna po visini kotla i grejnog tela, a takođe da nemamo hlađenje vode u razvodnom i povratnom vodu. Uočimo neku proizvoljnu tačku B na povratnom vodu uprošćene šeme grejnog sistema i odredimo pritisak u njoj u smeru strujanja tečnosti i u suprotnom smeru. Pretpostavimo da je za trenutak zaustavljena cirkulacija tečnosti u sistemu koja se uspostavlja kao posledica različitih gustina u razvodnom i povratnom vodu. Razvodni vod predstavlja cevnu liniju koja spaja kotao (vrši zagrevanje tečnosti na temperaturu tr i gustinu ρr) i grejno telo (razmenjivač toplote voda – vazduh). Povratni vod predstavlja cevnu liniju koja spaja grejno telo sa kotlom, a hlađenje tečnosti u ovim vodovima zanemarujemo (međutim realni gubitak postoji prilikom prolaska vodova kroz negrejane prostorije posebno kod sistema sa gornjim razvodom).

A

DR

B

K

ha

hk

h

hb

tr , r ρ

tp , p ρ

hc

hr

hd

Slika 9.6-1. Šema sistema centralnog grejanja

( ) pbdpr

rrcaB hhgghghpp ρρρ

ρ −+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +++=

21 ........................................... (9.39)

pbpr

kraaB ghghghpp ρρρ

ρ −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +++=

22 ................................................... (9.40)


232

Razlika pritisaka u tački B je:

∆pB = pB1 - pB2 = gh(ρr-ρp) , .............................................................................. (9.41)

gde h predstavlja visinsku razliku između sredine kotla i grejnog tela. Na osnovu dobijenog izraza lako je zaključiti da se kod vodenog gravitacionog grejanja cirkulacija vode kroz sistem obavlja na osnovu razlike gustina (razlike pritisaka tj. raspoloživog napora H ) vode u razvodnom i povratnom vodu. Pa na osnovu predhodnog izraza može se napisati da je : H = gh(ρr-ρp) - raspoloživi napor (pritisak) u sistemu

Napor predstalja onaj pritisak u sistemu koji je potreban tečnosti da savlada otpore koji se javljaju pri strujanju kroz cevovod (otpri trenja, lokalni otpori). Ustaljeno strujanje u cevnoj mreži dobijamo kada se uspostavi ona brzina strujanja tečnosti kojoj je potreban ceo raspoloživi napor (gubitak usled strujanja). Ukupan napor predstavljamo kao:

H = ΣRL + ΣZ = gh(ρr-ρp) ................................................................................ (9.42)

9.7. Statički pritisak u stanju mirovanja i pri prirodnom strujanju vode

Kod postrojenja centralnog grejanja sa vodom u svakoj tački se formira određeni pritisak saglasan visini vodenog stuba iznad te tačke, stalnog je inteziteta sve dok se ne uspostavi cirkulacija u sistemu tj. predstavlja statički pritisak u stanju mirovanja. Ekspanzioni sud (ES) je sastavni element svakog grejnog sistema , prihvata višak vode u sistemu koji se javlja usled njenog zagrevanja a po konstrukciji može biti otvoren i zatvoren. Njegov položaj definiše raspored pritiska u sistemu i bitno utiče na cirkulaciju vode u istom. Otvoreni ES postavlja se iznad najviše tačke postrojenja i predstavlja vezu sa atmosferom pa se hidrostatički pritisak određuje u odnosu na nivo vode u njemu. Ako imamo gravitacioni (bez dejstva pumpe) grejni sistem sa vodom, i ako je temperatura vode u sistemu konstantna (ρ(t)=const) tj. nema cirkulacije, vrednost statičkog pritiska prikazan je na slici 9.7-1. U donjem nivou cevnog sistema hidrostatički pritisak je h2ρg, u gornjem h1ρg a u tačkama proizvoljne ravni vertikalnih vodova haρg. Najmanji pritisak je u gornjim horizontalnim vodovima koji inače određuje visina ES a najveći u donjim vodovima. Lako je primetiti da je pritisak u horizontalnim vodovima »horizontalan« a u vertikalnim se menja srazmerno visini vodenog stuba. Ako u cevni sistem sa slike 9.7-1. u tački A uključimo kotao (izvor toplote), a u tački C grejno telo (ponor), onda dobijamo razvodni deo cevovoda sa parametrima vode (tr i ρr) i povratni deo (tr>tp; ρr<ρp). Na osnovu razlika gustina vode u razvodnom (AB) i povratnom (CD) vodu dolazi do formiranja različitih pritisaka u njima i uspostavljanja cirkulacije vode kroz sistem.


233

h1

ha

h2

h g1ρ

h g2ρ

ES

aa

Slika 9.7-1. Gravitacioni grejni sistem sa vodom

Hidrostatički pritisak se određuje uz pretpostavku da voda u sistemu i pored različitih temperatura i gustina u razvodnim i povratnim vodovima voda. Na ovaj način može se prikazati raspored hidrostatičkog pritiska u sistemu sl. 9.7-2.

h1

h2

Q

Q∆pg

ρpρr

ρrg(h + h )1 2ρpgh2ρrgh1

A

B C

Dh

Slika 9.7-2. Raspored hidrostatičkog pritiska u sistemu


234

Pritisak u povratnom vodu je: pp(h) = ρrgh1 + ρpg(h2 –h), gde je h visina proizvoljne tačke povratne vertikale Najveći pritisak je u delu cevovoda DA i jednak je:

h = 0 → pmax = ρrgh1 + ρpgh2 = g(ρrh1+ρph2) .................................................... (9.43)

Hidrostatčki pritisak u razvodnom delu cevovoda AC iznosi: pr(h) = gρrh1 + ρrg(h2- h), gde je h visina proizvolje tačke razvodne vertikale Na osnovu razlike pritisaka u vertikalnim vodovima cevne mreže u sistemu se uspostavlja cirkulacija vode, koji je jednak: ∆p = pp(h) - pr(h) = gh2(ρp - ρr), gde je h2 visinsko rastojanje tačke zagrevanja (sredina visine kotla) i hlađenja (sredina visine grejnog tela) vode (tačke A i C). Iz izraza za ∆p sledi da pritisak koji izaziva cirkulaciju vode ne zavisi od ukupne visine vodenog stuba u sistemu , već isključivo od vertikalnog odstojanja tačke zagrevanja i hlađenja. Kod sistema sa formiranom cirkulacijom uspostavlja se brzina strujanja pri kojoj je raspoloživi pritisak ∆p uvek jednak ukupnom otporu strujanja ∆po.

∆p = ∆po.............................................................................................................. (9.44)

pretpostavimo da se otpori pravolinijskog strujanja i lokalni otpori ravnomerno menjaju duž cevovoda. Raspodela pritiska dinamičkog režima strujanja pri prirodnoj cirkulaciji je prikazana na slici 9.7-3.

h1

∆pg

∆pg

ρpρr

A

B C

D

0

Slika 9.7-3. Raspodela pritiska dinamičkog režima strujanja pri prirodnoj cirkulaciji

Hidrostatički pritisak u tački spajanja ES sa cevnom mrežom iznosi gρrh1 koji ostaje konstantan pri uspostavljanju strujanja i zato se tačka 0 naziva tačkom stalnog pritiska ili neutralnom tačkom sistema. Ispred spoja ES sa cevovodom, hidrostatički pritisak se povećao u odnosu na statički režim, a u delu iza te tačke smanjio. U tački B dinamički pritisak je veći od hidrostatičkog za veličinu koja će biti »potrošena« usled otpora strujanju do tačke spoja sa ES, (tačka 0).


235

9.8. Raspodela pritiska u sistemu sa prinudnom cirkulacijom

Kod postrojenja sa prinudnom cirkulacijom, pomoću pumpe se stvara potrebni dodatni diferencijalni pritisak za savlađivanje cevnih otpora, koji se u cevnoj mreži pojavljuje delimično kao natpritisak a delimično kao potpritisak u odnosu na statički pritisak. Ovaj pritisak koji se menja u kružnom toku predstavlja pogonski pritisak. Sa slike 9.8-1. može se zaključiti da pumpa nema uticaj na hidrostatički pritisak u tački spoja ES sa cevnom mrežom (tačka 0) u kojoj je pritisak pumpe uvek jednak nuli tj. do priključka ES vlada natpritisak a zatim potpritisak. Na slici 9.8-1. ucrtan je hidrostatički pritisak kružnog cevnog sistema, tačke A i C predstavljaju izvor i ponor toplote tako da se pojavljuje razlika pritisaka ∆pg, a voda u sistemu miruje. Uključivanjem pumpe u sistem, pored gravitacinog ∆pg dobijamo i pritisak pumpe ∆pp, dolazi do uspostavljanja cirkulacije vode u sistemu jer je obezbeđen dovoljan pritisak da se savladaju otpori pri strujanju . Ukupan raspoloživi pritisak u sistemu je:

∆puk = ∆pp +∆pg ................................................................................................ (9.45)

Napor pumpe predstavlja zbir potpritiska ∆pus koji vlada na usisu pumpe i natpritiska ∆ppo na potisu , a računati su u odnosu na hidrostatički pritisak na mestu vezivanja pumpe.

∆pp = ∆pus + ∆ppo ............................................................................................... (9.46)

h1

hi

h2

ES

∆pg

∆pus∆pp

∆ppo

A

B C

DP

Slika 9.8-1. Postrojenje sa prinudnom cirkulacijom


236

Ukupan raspoloživi pritsak uvek je jednak gubicima usled strujanja:

∆puk = ∆pgub ....................................................................................................... (9.47)

Potrebni napor pumpe je

H = ∆pp = ∆puk - ∆pgravit = ∆pgub - ∆pgravit ........................................................... (9.48)

9.9. Položaj ekspanzionog suda i raspodela pritiska u sistemu

Ukoliko je ES vezan za gornji nivo razvodnog voda kao na slici 9.9-1., a tačka vezivanja predstavlja neutralnu tačku sistema tj. prelaz nadpritiska u podpritisak (u odnosu na statički pritisak ρgh) i usled otpora strujanja ukupan pritisak u tački B će biti ravan atmosferskom. Posle tačke B pritisak se dalje smanjuje do minimalne vrednosti u tački C posle koje dolazi do rasta usled povećanja stuba tečnosti, i u tački D imamo ponovno izjednačenje sa atmosferskim.

pB = pat + ρgh – ∆pO-B = pat , (9.49)

(pat atmosferski pritisak) Najveći podpritisak imamo u tački C , horizontalno najudaljenijoj:

pC = pat + ρgh - ∆pO-C = pat – ∆pB-C .................................................................... (9.50)

Ovakav raspored pritiska u sistemu (zona u kojoj je pritisak ispod atmosferskog) je vrlo nepovoljan jer može dovesti do isparavanja vode u sistemu (kod vrelovodnih sistema), usisavanje vazduha (usled loše zaptivenosti cevne armature), što može prouzrokovati gasne čepove u instalaciji i prestanak cirkulacije. Da se ovo ne bi dešavalo u usisnom delu cevne mreže (u odnosu na položaj pumpe) u bilo kojoj tački »i«, hidrostatički pritisak mora uvek biti veći od atmosferskog.

ρghi > ∆pO-i ....................................................................................................... (9.51)

hD

ES

A B0

D

∆p0D

∆pBC

hi

∆pA0

i

C

Slika 9.9-1. Vezivanje ekspanzionog suda za gornji nivo razvodnog voda


237

Da bi ova nejednakost bila zadovoljena može se uticati na povećanje levog člana, tj. postavljanje ES na veću visinu i na taj način obezbediti veći hidrostatički pritisak. Međutim ovo rešenje nije uvek moguće zbog građevinske konstrukcije objekta. Ali može se uticati na desni član nejednakosti, smanjivanjem pada pritiska usled otpora strujanju (∆pO-i ) pomeranjem ES u tačku C. Na ovaj način pomerili smo neutralnu tačku u tačku C i obezdedili pritisak ρg(h+hi), u vertikali, i obezbedili pozitivan hidrostatički pritisak u sistemu. Pomeranje ES u najvišu tačku vertikale ne predstavlja dobro rešenje ako je u pitanju cevovod kod koga je prisutno grananje glavne usponske vertikale jer može doći do zaustavljanja cirkulacije vode u sistemu. Sistem dat na slici 9.9-2. se račva u tački A na dve strane. Tačka konstantnog pritiska je u tački spoja ES sa cevnim vodom (tačka O1). Pod dejstvom pumpe nadpritisak je najveći u tački A horizontalnog gornjeg cevovoda , a pod dejstvom otpora strujanja se smanjuje. Ukupan pritisak u tački B: pB = pA - ∆pAB, gde je ∆pAB pad pritiska u deonici A-B. U tački O2 na vertikali II pritisak je jednak pritisku u tački O1 je to još jedna tačka sa stalnim pritiskom tj . tačka u kojoj se pritisak pumpe ne oseća.

pO2 = pB – ∆pBO2 = pO1 (∆pA01 = ∆pA02 =∆p03) ...................................................... (9.52)

pO2 = ρg(h1 + h2) ............................................................................................... (9.53)

Usled položaja ES na levoj strani javljaju se tačke stalnog pritiska na vertikalama desne strane a može se javiti i u horizontalnom cevovodu ( npr. tačka O4).

Slika 9.9-2. Neutralne tačke u razgranatoj cevnoj mreži

h101

AB C D

I II III IV0

02

03

04

h2

∆pB01

Što nam govori da je pritisak u tački D manji od ρgh1 Desni deo mreže (vertikala IV) može imati problem sa cirkulacijom ukoliko se desi da je pad pritiska u deonici A-D usled otpora strujanju veći od raspoloživog nadpritiska u tački A.

∆pAO1 ≥ ∆pAD ................................................................................................... (9.54)


238

Slika 9.9-3. Raspodela pritiska u cevnoj mreži kada je veza sa ekspanzionim sudom u najnižem delu cevovoda ispred pumpe

ES

A

B C

DP

0

Ukoliko dođe do izmene uslova u eksploataciji, zatvaranjem ventila V1 cirkulacija vode kroz levi deo sistema prestaje a sve tačke konstantnog pritiska sa leve strane premeštaju se u jednu tačku A. Pri ovim uslovima rada sistema pritisak u tački D je:

pD = ρgh1 - ∆pAD ................................................................................................ (9.55)

Na osnovu ove jednakosti zaključuje se da je položaj ES u gornjoj horizontalnoj cevnoj mreži vrlo nepovoljan, jer se može dogoditi da pritisak pD bude manji od neophodnog pa čak niži od atmosferskog. Da bi se obezbedila sigurna cirkulacija u sistemu ES se povezuje sa donjom povratnom cevi, pa se neutralna tačka nalazi u donjem horizontalnom delu cevovoda. Sa slike 9.9-3. se vidi da je zona usisavanja svedena na mali deo cevovoda (OP), u kome je hidrostatički pritisak u mirovanju veliki a pad pritiska u njemu ne može dovesti do sniženja ispod atmosferskog. Linija pogonskog pritiska leži znatno iznad linije pritiska u mirovanju.

9.10. Pumpe u sistemu centralnog grejanja Kod postrojenja sa prinudnom cirkulacijom uključuje se pumpa, koja prenosi energiju na tečnost koja kroz nju prolazi čime se ostvaruje njeno strujanje. Pumpe mogu biti jednostrujne i dvostrujne, zavisno od toga da li crpe vodu sa jedne ili dve strane, da prema broju obrtnih kola delimo ih na jednostepene ili višestepene. Pumpa potiskuje tečnost okretanjem obrtnog kola koje dobija energiju preko vratila pumpe. Razmena energije se dešava jedino u kolu dok transformacija energije se dešava na drugim mestima ali ne i razmena. Priraštaj energije pritiska potiče od delovanja centrifugalne sile, a u manjoj meri od energije dobijene usporavanjem tečnosti koja prolazi kroz kolo relativnom brzinom pa ovu vrstu pumpi nazivamo centrifugalnim. Napor pumpe predstavlja količinu energije koju jedinična masa tečnosti primi pri prolasku kroz pumpu .


239

Veličinu protoka i napora koji treba da ostvari pumpa utiču na oblik obrtnog kola. Radijalna kola imaju veliki uticaj centrifugalnih sila u proizvodnji pritiska pa ostvaruju velike napore ali nisu za velike protoke zbog uskih kanala u radnom kolu. Kod aksijalnih (propelernih) je obrnut slučaj, proizvode mali napor a ostvaruju veliki protok. Centrifugalne pumpe se nalaze u sredini po pitanju protoka i ostvarenog napora.

9.10.1. Centrifugalne pumpe u pogonu Krive koje predstavljaju odnose između napora, snage, stepena korisnosti i protoka, nazivaju se karakterističnim krivama. Karakteristika pumpe je kriva koja odražava zavisnost napora od protoka za određeni broj obrtaja. Karakteristika neke pumpe prikazana je na slici 9.10-1., na apscisi su vrednosti protoka a na ordinati odgovarajući napor. Na istom dijagramu može se ucrtati kriva snage P i stepena korisnosti η. Za tu tačku A na karakterističnoj krivoj pumpe je najveći stepen korisnosti pa ona definiše uslove primene. Kod povećanja protoka opada napor i obrnuto, pri čemu se stepen korisnosti u obe varijante umanjuje, dok pogonska snaga uvek raste sa povećanjem protoka.

H

H1

η

η

P

Q1

Q

QH

A

Slika 9.10-1. Karakteristične krive centrifugalnih pumpi

Ako se promeni broj obrtaja pumpe, dobijaju se drugi tokovi zavisnosti protoka i napora, jer se protok i napor menjaju ne samo prigušivanjem, već i promenom broja obrtaja. Promenom obrtaja može se smanjiti protok u nekom cevovodu a da se pritom zadrži najveći mogući stepen korisnosti. Ovo je moguće ako novi protok i broj obrtaja zadovolje uslov:

nn

QQ 11 = ; 2

211

nn

HH

= gde su H1, Q1, n1 veličine za koje je pumpa konstruisana.

Promena snage pri promeni broja obrtaja važi relacija: 3

11 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

nnPP ....................................................................................................... (9.56)


240

9.11. Karakteristika cevovoda i radna tačka pumpe Napor pumpe koja se ugrađuje u cevovod predstavlja zbir napora potrebnog za podizanje tečnosti na neku visinu hg i za savlađivanje otpora koji se javljaju pri strujanju tečnosti kroz cevovod hc.

H= hg+hc ............................................................................................................. (9.57)

Gubici u cevovodu potiču od otpora strujanju u pravolinijskom delu cevovoda (trenje o zidove cevi) i lokalnih gubitaka koji se javljaju pri promeni pravca strujanja i u ugrađenim elementima cevovoda (ventili, reduciri, ...). Gubici se izražavaju srazmerno kvadratu brzine strujanja tečnosti w:

hc = hpravolinijski + hlokalni (9.58)

hc = ( )2

...2

...2

2

11

2

21

2 ρςςλρςςρλ wdlw

dlw

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +++=+++ .............................. (9.59)

gde su: λ - koeficijent trenja l - dužina cevovoda d - prečnik cevovoda ζ - koeficijent mesnog otpora ω - brzina strujanja tečnosti ρ - gustina tečnosti

H

H1

H2

H3

Q1 QQ2 Q3

mQ1

2

mQ2

2

mQ3

2

Slika 9.11-1. Karakteristika cevovoda za različite protoke, otpore i prečnike

U zatvorenom kružnom cevovodu geodetska visina nema značaja jer rad koji se utroši na podizanje tečnosti na neku visinu, vraća se pri povratku delovanjem gravitacione sile tj. rad izvršen po zatvorenoj putanji ravan je nuli.

H = hc , pa korišćenjem predhodne relacije i jednačine protoka wdQ4

2π= dobijamo:


241

πρςλ 2

28dQ

dlhc ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ Σ+= pa uvođenjem konstante m dobijamo:

hc = mQ2 - karakteristika cevovoda Proizvod konstante m i protoka Q zove se karakteristika cevovoda i predstavlja parabolu, a pri promeni elemenata ili trase cevovoda menja se karakteristika cevovoda. Ako se cevovod sastoji iz više deonica različitih prečnika, karateristika cevovoda se formira za neki ekvivalentni prečnik celog sistema, koji daje istu promenu napora kao i stvarni cevovod. U dijagrmu u kome su ucrtane karakteristike pumpe i cevovoda , njihov presek određuje radnu tačku sistema (tačka A), slika 9.11-2.

H

H1

H2

Q1 QQ2

∆hc

B

A

Slika 9.11-2. Promena radne tačke pri promeni protoka

Radnu tačku A definiše protok Q1 i napor H1. Pri smanjenju protoka sa Q1 na Q2 prigušnim ventilom, karakteristika cevovoda se menja i nova radna tačka je tačka B. Sa slike se vidi da se napor povećao za ∆hc. Treba uvek težiti da se radna tačka sistema nalazi u oblasti najvećeg stepena korisnosti a to je oblast projektnog napora i protoka pumpe. Neke pumpe imaju karateristiku u vidu parabole (slika 9.11-3.) čiji se maksimum (tačka C) pomeren u smeru povećanja protoka, pa u domenu A-C imaju nestabilan rad. Kada se protok Q (radna tačka E) prigušuje, menja se karakteristika cevovoda, napor raste i radna tačka postaje D. Daljim prigušenjem radna tačka se seli u tačku C koja ima maksimalni napor sistema H2. Ako se protok i dalje smanjuje ulazimo u zonu A-C gde se napor smanjuje i manji je od potrebnog tako da se radna tačka pomera u A i prestaje cirkulacija u sistemu a pumpa radi na prazno. Pošto je strujanje prestalo, otpori nestaju a kako pumpa proizvodi napor Ha dolazi do naglog usisavanja tečnosti i pomeranja radne tačke ka tački D. Ako je traženi protok Q3 imamo ponovo priušivanje i povratak radne tačke u A. Pogon pumpe sa stalnim isključivanjem i uključivanjem naziva se »labilan pogon«.


242

Slika 9.11-3. Nestabilan rad pumpe

H

QE QQDQCQB

A

B C

D

E

HE

HDHC

HA

9.12. Sprezanje pumpi Iz čisto praktičnih razloga, u cevnu mrežu centralnih grejnih sistema ugrađuje se više pumpi, što je u vezi sa promenama grejnog kapaciteta, nezavisnim uključivanjem pojedinih zona u pogon, itd. Pumpe se mogu povezati sa cevnom mrežom redno i paralelno .

9.12.1. Paralelna veza dve pumpe Na slici 9.12-1. je prikazana karateristika dve iste pumpe, kriva »a« kada su pojedinačno uključene u pogon.

H

H =HA B

QCQA QQB

B

A B

CHC

a

b QA

QB

Slika 9.12-1. Paralelna veza dve pumpe istih karakteristika


243

Ako se obe pumpe uključe, zajednička karakteristika je predstavljena krivom »b«. Kada radi jedna od pumpi radna tačka je »C« , kada rade obe pumpe radna tačka se pomera u tačku »B«. U

paralelnom radu , protok je QB a svaka pumpa daje napor HA=HB i protok QA=21 QB koji je manji

od protoka QC sa kojim bi radila samo jedna pumpa (radna tačka bi bila u tački »C«). Međutim nije uvek moguće više pumpi različitih karakteristika spregnuti sa svakim cevovodom tj. veza je moguća ako karakteristika cevovoda seče zajedničku karakteristiku paralelno povezanih pumpi. Na slici 9.12-2. su prikazane karakteristike a i b dveju različitih pumpi, koje imaju zajedničku karakteristiku predstavljenu krivom c, uključujući i krivu a do tačke O. Za cevovod karakteristike d radna tačka obe pumpe u zajedničkom pogonu je u c. Svaka od pumpi radi sa naporom Hc, a ostvaruju različite protoke, jedna QA’ a druga QB’. ukoliko su pumpe pojedinačno uključene, jedna radi sa protokom QA i naporom HA, druga sa QB i HB. Pri tome protok u zajedničkom radu je manji od zbira protoka za slučaj da su pumpe pojedinačno uključene:

Slika 9.12-2. Paralelna veza dve pumpe različitih karakteristika

HC

H

HA

HB

C

A

B

B’A’

O

a

db

QA’ QA QB’ QB QC

c

Q

QA’

QB’

QC

Ukoliko bi karakteristika cevovoda bila definisana krivom c, radna tačka pogona sa obe pumpe je ista kao radna tačka kad radi samo pumpa karakteristike a. To pokazuje da veza pumpi karakeristika a i b nije ostvarljiva. Jer, pumpa karakteristike b ne bi davala nikakav pozitivan efekat zbog toga što je njen maksimalni napor ispod potrebnog, pa umesto da tečnost bude potiskivana, dolazi do toka u suprotnom smeru (pravi se by-pass).

9.12.2. Redna veza dve pumpe U rednoj vezi dve pumpe, kroz svaku pumpu prolazi jednaka količina tečnosti, pa je uslov za ovakvo povezivanje da je svaka od pumpi predviđena za istu vrednost protoka. Pri tome, ukupan napor je jednak zbiru pojedinačnih napora svake od pumpi u rednoj vezi, pa se zajednička karakteristika pumpi dobija kao zbir ordinata karakteristika pojedinih pumpi. Pri povezivanju dveju pumpi istih karakteristika »a« , dobija se zajednička karateristika »b« (slika 9.12-3.). Za cevovod karakteristike »c«, radna tačka sistema je u preseku označenom na šemi sa »A«, obe pumpe rade sa protokom QA, i sa ukupnim naporom HA (pri čemu svaka ostvaruje napor HB).


244

HA = 2 HB (9.60)

Ukoliko se jedna pumpa isključi , druga će raditi sa protokom QC i naporom HC, tj. radna tačka je »C«.

Slika 9.12-3. Redna veza dve pumpe istih karakteristika

H

QA Q

A

BC

HCHB

HA

QC

a a

QAQAa

b

c

Ukoliko se povezuju pumpe različitih karakteristika »a« i »b« (slika 9.12-4.) onda pumpa manjeg opsega protoka definiše područje u kome je redna veza moguća. Radna veza za cevovod karakteristike »d« je neostvariva, odnosno u takvoj vezi bi postojao samo efekat pumpe karakteristike »b«. Za cevovod karakteristike »c« veza je moguća i radna tačka je »A«. U tom slučaju svaka pumpa ostvaruje svoj deo napora H1 odnosno H2, pri čemu je:

HA = H1 + H2 ....................................................................................................... (9.61)

Ako bi pumpe bile pojedinačno uključene radila bi jedna sa protokom QC i naporom HC, druga sa QB i HB.

Slika 9.12-4. Redna veza dve pumpe različitih karakteristika

H

QA Q

A

B

C

HB

HA

QC QB

a

b

d

c

H1

H2

a b

QA

P prema tople potrošne vodePriprema tople potrošne vode

10.10.

247

10. Priprema tople potrošne vode Topla voda je voda koja se zagreva do maksimalnih 90°C. U savremenom životu je potreba za njom veoma izražena. Ona se upotrebljava u:

- savremenim domaćinstvima za pripremu jela i pića, za čišćenje, pranje i kupanje; - ugostiteljskim objektima; - bolnicama; - zanatskim i industrijskim pogonima (farbare, klanice, perionice, rudnici itd.).

Osnovni zahtevi za snabdevanje potrošnom vodom su: - mora da stoji na raspolaganju stalno; - mora da postoji mogućnost podešavanja njene temperature na mestu korišćenja; - mora da zadovolji sve sanitarno-higijenske norme; - postrojenja za njenu pripremu moraju da budu pouzdana i jednostavna za rukovanje; - pogon mora da bude jeftin i da postoji mogućnost uštede energije i zaštite životne

sredine.

Postrojenja za pripremu tople vode mogu se klasifikovati na mnogo načina, a najčešće se vrši podela prema:

- vrsti izvora toplote (grejači na ugalj, uljni grejači, gasni grejači, električni grejači, parni, vodni i solarni grejači potrošne vode itd.);

- vrsti izmenjivača toplote (za direktno i posredno zagrevanje potrošne vode); - broju mesta za uzimanje tople vode (pojedinačno, grupno i centralno snabdevanje); - pritisku vode u proizvođaču tople vode (otvorena i zatvorena postrojenja); - sistemu zagrevanja potrošne vode (sa rezervoarima i protočni sistem); - veličini postrojenja.

10.1. Sistemi zagrevanja vode Kao što je napred rečeno razlikujemo sledeće sisteme pripreme tople vode prema načinu snabdevanja:

- pojedinačno snabdevanje- svako točeće mesto tople vode ima sopstveni grejač; - grupno snabdevanje- veći broj točećih mesta se grupiše tako da imaju jedan grejač; - centralno snabdevanje- za sva točeća mesta u jednom objektu postoji jedan ili više

grejača.

10.1.1. Pojedinačno i grupno snabdevanje toplom vodom

10.1.1.1. Grejači vode na ugalj Ovi grejači se koriste u sistemima pojedinačnog snabdevanja i mogu biti niskog ili visokog pritiska.

10. Priprema tople potrošne vode

248

A) Grejač vode niskog pritiska Grejač vode niskog pritiska na ugalj sastoji se od donjeg dela od livenog gvožđa ili čelika koji sadrži ložište i na kome je izrađen cilindrični akumulacioni sud sa toplom vodom. Prenošenje toplote sa grejnih gasova na toplu vodu vrši se preko plamene cevi od bakra. Sud sa vodom je bez pritiska. Pri otvaranju ventila za zatvaranje hladne vode topla voda se istiskuje iz rezervoara koji se zato naziva istisni rezervoar. Za zagrevanje vode na oko 40°C potrebno je oko 45 min. Zapremina vode je 90-120 lit, a može ići i do 200 lit. B) Grejač vode visokog pritiska Grejači vode visokog pritiska su pod pritiskom vodovoda. Može imati i više točećih mesta pa se osim u domaćinstvima mogu koristiti i u industriji.

10.1.1.2. Uljni grejači vode Njihova izrada i funkcija je ista kao i kod grejača na ugalj, ali je donji deo sa uljnim gorionikom i to gorionikom sa isparavanjem.

10.1.1.3. Električni grejači vode Postoje razne konstrukcije ovih grejača, a najviše su u upotrebi električni rezervoari za potrošnu vodu i električni protočni grejači. Električni rezervoari su izolovani sudovi sa ugrađenim električnim grejnim telom. Postoje otvoreni i zatvoreni rezervoari. A) Otvoreni rezervoari Otvoreni rezervoari mogu da snabdevaju samo jedno potrošno mesto. U slučaju da je potrebna veća količina tople vode koriste se rezervoari sa većom zapreminom. Kod njih je moguća i upotreba struje niže tarife, a zagrevanje se vrši preko zaronjenih grejača. Sudovi se izrađuju od bakra, čelika ili od sintetičkih materijala. Izbor uređaja se vrši prema tabeli 10.1-1.

Tabela 10.1-1. Potrošne količine kod električnih akumulacionih grejača vode za decentralizovano snabdevanje toplom vodom sa raznim temperaturama potrošne vode i temperaturom hladne vode od 10°C

Prosečna količina potrošnje u lit sa temperaturama potrošne vode u °C Zapremina

(lit)

Podešavanje temperature u

rezervoaru (°C) 35 38 40 55

60 10 9 8 5 5 80 14 13 12 8 60 20 17 16 10

10 80 28 25 23 15 60 30 26 25 15

15 80 42 37 35 23 60 160 140 130 80

80 80 200 210 200 110


249

Postavljaju se blizu mesta potrošnje, gde god su potrebne relativno male količine tople vode. Sastoje se od staklenog suda sa ugrađenom armaturom sa pokretnom slavinom. Voda se može zagrejati do tačke ključanja. Sudovi male zapremine od 5lit dati su na slikama 10.1-1. i 10.1-2.

Slika 10.1-1. Protočni bojler

Slika 10.1-2. Rezervoar ispod umivaonika

Za umivaonike, sudopere i druge potrošače koriste se najčešće uređaji zapremine 10-12 lit i dati su na slici 10.1-2.:

Slika 10.1-3. Električni prelivni rezervoar


250

Pod otvorenim rezervoarima podrazumevamo sudove u kojima je voda u direktnom kontaktu sa vazduhom tj. pritisak iz mreže nema uticaja na zapreminu suda. Kada se otvori ventil za upotrebu tople vode, hladna voda struji kroz dovodnu cev u bojler i potiskuje toplu vodu na ulazu u sud. Voda se širi tako da pri dostizanju određene temperature višak vode odlazi preko preliva na slavini mešačke baterije. Regulisanje temperature vrši se regulatorom sa kapilarnom cevi, koji isključuje strujno kolo u zavisnosti od zadate temperature. Temperatura se podešava u opsegu od 10-80°C. Takođe postoji i zaštita od rada na suvo kada se aktiviraju termostati i isključuje grejno telo preko bimetala. U slučaju da se uređaj ne koristi dugo, mora postojati dobra toplotna izolacija kako bi se sprečilo podhlađivanje vode, a da bi se sprečilo zaleđivanje vode u uređaju on mora biti u strujnoj mreži. Od svih uređaja ove vrste najširu primenu našli su kuhinjski automati za spremanje toplih napitaka (u restoranima, kuhinjama itd.). B) Zatvoreni rezervoari

Slika 10.1-4. Električni zatvoreni rezervoar sa sigurnosnim ventilom

Zatvoreni rezervoari su pod pritiskom vodova i najčešće se koriste za snabdevanje više točećih mesta. Temperatura potrošne vode se vrlo često održava na konstantnom nivou od oko 60°C. Moraju imati i odgovarajuću armaturu za zaštitu od oštećenja od pritiska. Jedan ovakav uređaj sa odgovarajućom armaturom dat je na slici 10.1.4. Radi pojeftinjenja rezervoari se često napajaju jeftinom noćnom tarifom za šta je potrebno posebno brojilo. Kad se potroši voda u rezervoaru u njemu više nema tople vode. Da bi ovo izbegli, koriste se dva električna grejna tela, po jedno za dan i noć. Za velika postrojenja mogu da se koriste i rezervoari sa zapreminom od 1000 lit. Za četvoročlano domaćinstvo dovoljan je i rezervoar od 300lit. Kućišta su od pocinkovanog čeličnog lima ili plemenitog čelika kao i od bakra. Kao grejna tela koriste se električni cevni grejači. Stepen korisnosti uređaja je oko 98%, a efektivni stepen korisnosti oko 75%. Izgled jednog ovakvog uređaja i načina vezivanja više njih dat je na slici 10.1-5.:

10.1.1.4. Električni protočni grejači Električni protočni grejači vode zagrevaju vodu odmah. Jeftini su, ali im je potrebna velika priključna snaga. Za proizvodnju 1 l/min potrošne vode 10/40°C potrebna je snaga od:

kWtVcP 1.260

)1040(12.41.=

−⋅⋅⋅=∆⋅⋅⋅= ρ ................................................. (10.1)


251

Slika 10.1-5. Redna veza rezervoara

Zagrevanje vode se vrši preko otpornih žica ili cevnih grejača. Priključne snage su 12-24kW. Voda koju grejemo struji preko grejača velikom brzinom. Uključivanje i isključivanje struje vrši se hidraulično preko prekidača za vodu. Pri tome se diferencijalni pritisak koji nastaje pri protoku kroz Venturi-mlaznicu, koristi za uključivanje preko membrane u zavisnosti od protoka vode. Temperatura vode koja ističe je određena protokom i grejnim kapacitetom. Pad pritiska od oko 1 bar je dosta veliki i na najvišim spratovima zgrade može da izazove probleme.

10.1.1.5. Gasni grejači potrošne vode Gasni grejači koji vodu greju uz pomoć gasa, zbog svojih osobina su veoma rasprostranjeni u domaćinstvima, zanatskim radnjama i industriji. Izrađuju se u najrazličitijim oblicima i mogu da se priključuju na dimnjak ili na spoljni zid. Gasni gorionici bez ventilatora mogu se projektovati za sve vrste goriva. Svi gasni grejači sa otvorenim komorama za sagorevanje moraju da budu priključeni na dimnjak da bi se odvodili produkti sagorevanja. U prostorijama u kojima se postavljaju potrebno je obezbediti veličinu prostora od 4m3 po kW grejnog kapaciteta. U vodu za produkte sagorevanja mora da postoji obezbeđenje strujanja koje pri smetnjama u strujanju obezbeđuju dobro sagorevanje. Sigurnosna armatura služi za sprečavanje oštećenja uređaja u slučaju nestanka gasa ili vode, a takođe i da spreči gubitke usled nesagorelog goriva. Kod gasnih grejača sa zatvorenim komorama za sagorevanje produkti sagorevanja mogu preko spoljnjeg zida da se izbacuju napolje. Veličina prostorije nema uticaja. Maksimalni kapacitet je ograničen na 25kW. Koriste se samo kad se produkti sagorevanja ne mogu voditi preko krova zgrade. A) Protočni gasni grejači vode Protočni gasni grejači vode, zagrejanu vodu mogu odavati kontinualno na taj način što se voda koja cirkuliše kroz cevi zagreva pomoću grejnih gasova, kao što je dato na slikama 10.1-6. i 10.1-7. Uređaji se izrađuju sa kapacitetom 5-16 l/min, pri čemu je pretpostavljeno da se voda zagreva od 10 na 35°C. Za puštanje u rad se upotrebljava piezo-upaljač koji varnicom pali inicijalni plamen, koji preko termostata drži ventil za paljenje gasa u otvorenom položaju. Pri točenju, voda koja struji kroz Venturijevu mlaznicu u gornjem delu komore sa membranom prekidača za vodu stvara vakuum, usled čega se membrana pokreće nagore i otvara se ventil za gas. Da bi se održala temperatura vode na izlazu, savremeniji uređaji ove grupe imaju regulatore kapaciteta. Preko davača temperature na izlazu, menja se protok gasa kontinualno sa protokom vode. Preko termostata se zadaje željena temperatura. Kod gasnih grejača sa zatvorenom komorom za sagorevanje (slika 10.1-7.) nema potrebe za dimnjakom. Ulaz svežeg vazduha i izlaz produkata sagorevanja je na spoljnjem zidu. Gorionik nije


252

dostupan iz prostorije, a paljenje se vrši preko magnetne iskre. Na temperaturama ispod 0°C potrebno je pražnjenje uređaja kako bi se izbeglo zamrzavanje vode u njemu.

Slika 10.1-6. Atmosferski protočni gasni grejač (sa otvorenom komorom)

Slika 10.1-7. Fasadni protočni gasni grejač

Grejno telo u ovim grejačima je uvek pod pritiskom vode, pri čemu je moguć veći broj priključaka ventila za točenje. Kada se otvori bilo koji ventil, grejač se automatski uključuje preko prekidača za vodu. Mana ovih uređaja što se pri punom opterećenju moraju savladati relativno veliki padovi pritiska.


253

10.1.1.6. Akumulacioni gasni grejači Akumulacioni gasni grejači vode ili gasni grejači vode sa rezervoarom (slika 10.1-8.) preko atmosferskog gasnog gorionika zagrevaju izvesnu količinu vode do određene temperature i preko regulatora temperature drže je na konstantnom nivou. Dopuštena je samo ograničena potrošnja vode. Prave se kao rezervoari otvorenog i zatvorenog tipa u veličinama od 5-300 lit, ali i kao cirkulacioni rezervoari. Puštanje u rad je preko piezo-upaljača.

Slika 10.1-8. Akumulacioni gasni grejač

Glavni delovi su: atmosferski gorionik sa uređajem za regulisanje i termoelektričnim sigurnosnim paljenjem, komora za sagorevanje, prostor za vodu sa jednim ili više grejnih cevi sa turbulatorima i dimna cev za obezbeđenje strujanja. Regulator temperature se nalazi iznad i blokira dovod gasa nakon postizanja zadate vrednosti. Pored njega postoji i graničnik temperature. U slučaju velikih kapaciteta povezuju se paralelno ili se povezuju sa vertikalnim rezervoarom (slika 10.1-9.).

Slika 10.1-9. Akumulacioni gasni grejač sa vertikalnim rezervoarom


254

Da bi smanjili gubitke zbog prekida rada, može se ugraditi zatvarajuća klapna sa termičkim ili električnim pogonom iza obezbeđenja strujanja. Najčešće se izvode kao zatvoreni sudovi, tj. izloženi su pritisku koji vlada u mreži. Emajlirani su sa obe strane i dobro izolovani. Za velike kapacitete imaju i priključak za cirkulacioni vod. Stepen korisnosti im je oko 80%.

10.1.2. Centralna postrojenja za zagrevanje potrošne vode Centralna postrojenja za zagrevanje potrošne vode izvode se kao zatvorena ili otvorena postrojenja, neposredno povezana sa vodom pitke vode. Zavisno od načina zagrevanja vode, dele se na tri velike grupe:

1. postrojenja potrošne vode po sistemu akumulacije (topla voda se akumuliše): - rezervoar odvojen od kotla; - rezervoar u kotlu (kotao sa rezervoarom).

2. postrojenja potrošne vode po sistemu proticanja (grejna voda se akumuliše): - protočna baterija u rezervoaru potrošne vode; - protočna baterija van rezervoara potrošne vode; - protočna baterija u kotlu (kotao sa rezervoarom).

3. kombinovana postrojenja potrošne vode sa akumulacijom i proticanjem.

10.1.2.1. Postrojenja za zagrevanje vode po sistemu akumulacije Ova postrojenja su karakteritična po tome što se pomoću vode iz kotla zagreva manja ili veća količina vode u spremniku i tako potrošaču stoji na raspolaganju. Hladna voda na najnižoj tački ulazi u spremnik potrošne vode, zagreva se u njemu, uzima se na najvišem mestu i dovodi potrošačima. Kod današnjih postrojenja (zatvorenih) grejač potrošne vode je zatvoren, dobro toplotno izolovani sud koji se neposredno priključuje na dovod hladne vode. To su, postrojenja pod pritiskom, koja mogu zavisno od lokalnih prilika da rade sa pritiscima do 10 bar. Potrošna voda se zagreva indirektno pomoću cevnog registra ili dvostrukog zida. Prednosti akumulacionih sistema su:

- vršna opterećenja izjednačuju se preko rezervoara (akumulatora); - za kratko vreme isporučuje se velika količina vode; - temperatura tople vode može se regulisati; - veliki kapacitet potrošne vode moguć je takođe i kod malih kotlova.

Nedostaci akumulacionih sistema su: - opasnost od korozije u rezervoaru, kao i stvaranje kamenca; - skuplji od protočnih grejača; - manji koeficijenti prolaza toplote; - veći gabarit.


255

Slika 10.1-10. Zatvoreno postrojenje sa kotlom za grejanje i rezervoarom za zagrevanje vode

Slika 10.1-11. Postrojenje za zagrevanje sa cirkulacionim gasnim grejačem i rezervoarom sa duplim zidom

Slika 10.1-12. Razne mogućnosti postavljanja rezervoara potrošne vode pri indirektnom zagrevanju


256

Slika 10.1-13. Konstrukcija grejnih kotlova sa rezervoarom iznad kotla

Slika 10.1-14. Niskotemperaturni kotao sa rezervoarom tople vode i prioritetnim uključivanjem

10.1.2.2. Postrojenja za snabdevanje toplom vodom po protočnom sistemu Ova postrojenja karakteristična su po tome što se u sudu za protočnu vodu ne akumuliše hladna voda, već topla voda zagrejana u kotlu, dok se potrošna voda koju treba zagrevati tek neposredno pre upotrebe zagreva u protočnoj bateriji. Sama protočna baterija izrađuje se i postavlja u raznim oblicima. Ona može da se ugradi u posebni rezervoar. Protočna baterija u rezervoaru se izrađuje u raznim oblicima koji se razlikuju po obliku cevi koje su od bakra, prema načinu postavljanja vodećih limova, radi bolje cirkulacije vode u rezervoaru i u drugim detaljima. Sam rezervoar treba priključiti kao grejno telo na razvodni vod kotla, umesto spolja postavljenih toplovodniih baterija ili zmija od skora se primenjuju pločasti izmenjivači toplote, mada se u njima grejna voda ne može akumulisati. Pri korišćenju kotlova sa dovoljno velikim prostorom za vodu, protočna baterija može da se postavi i u vodenom prostoru kotla. Uključivanje kotla zimi je tako podešeno da se pri uzimanju većih količina vode, pun kapacitet kotla prenosi na protočnu vodu (prioritetno uključivanje potrošne vode). Tehnički se to vrši tako što diferencijalni presostat u vodu hladne i potrošne vode reaguje prilikom uzimanja, zatvara ventil za mešanje, za grejanje i uključuje gasni ili uljni gorionik.


257

Slika 10.1-15. Zatvoreno postrojenje za zagrevanje potrošne vode sa protočnom baterijom

Protočne baterije obično su podešene samo za relativno malu ravnomernu potrošnju tople vode, a nisu pogodne kada se javlja udarni pogon, kao u hotelima, fabrikama, školama itd. Temperatura potrošne vode je zavisna od količine koja se troši, najviša je na početku potrošnje a zatim brzo opada.

Slika 10.1-16. Načini postavljanja protočne baterije u rezervoaru tople vode

Nedostatak svih protočnih baterija su komplikacije koje se javljaju pri odstranjivanju kotlovskog kamenca. Nisu pogodne za tvrdu vodu. Radi zaštite od stvaranja kotlovskog kamenca preporučuje se doziranje fosfata.


258

Prednosti protočnih sistema su: - nema ustajale tople vode; - visoki koeficijenti prolaza toplote kod sistema bez akumulacije; - potreban mali prostor; - higijenski povoljnije (u odnosu na legionele).

Nedostaci protočnih sistema su: - stvaranje vodenog kameca u protočnoj bateriji; - dosta promenljiva temperatura pri uzimanju; - zavisnost količine vode od kapaciteta kotla.

Zbog navedenih nedostataka ovaj sistem je sve ređe u upotrebi.

10.1.2.3. Ograničenje temperature tople vode Ograničenje radne temperature u centralnom postrojenju za snabdevanje toplom vodom ima sve veći značaj, jer se ograničenjem temperature postiže ušteda eneregije, a pored toga u celom postrojenju stvaraju povoljni uslovi u odnosu na koroziju i kamenac. Prema standardima potrebno je da se temperatura tople vode u cevnoj mreži ograniči pomoću automatskih uređaja na 60°C maksimalno. Ovo ne važi za toplovodna postrojenja, za koja je prinudno potrebna viša temperatura ili za koje je potreban vod manje dužine od 5m. Postoje dva načina za ograničenje temperature:

- unutrašnje ograničenje temperature tople vode i - spoljašnje ograničenje temperature tople vode.

A) Unutrašnje ograničenje temperature tople vode Regulisanim dovođenjem toplote u grejač vode obezbeđuje se da radna temperatura tople vode ne prekorači 60-65°C. Unutrašnje ograničenje temperature grejača ne može kod svih grejača konstruktivno da se reši. Ograničenje nije moguće kod grejača sa direktnim, niti kod protočnih grejača sa indirektnim zagrevanjem. Kod nekih pri smanjenoj potrošnji tople vode nastaju temperature više od 60-65°C. Razlog za to je što se grejač zagreva najčešće grejnom vodom od 80-90°C.

Slika 10.1-17. Raspodela temperature po visini rezervoara pri punjenju


259

Isto važi za grejače vode sa rezervoarima koji su čvrsto ugrađeni u kotao - to je bilа uobičajena vrsta izrade čeličnih kotlova - i to za vreme zimskog pogona kad topla voda postiže temperaturu toplije grejne vode (vode iz sistema za grejanje). Uslov za ograničenje grejača vode je - ukoliko se ne radi o niskotemperaturnom kotlu sa t< 60°C - je konstruktivno razdvajanje generatora toplote od grejača vode. Unutrašnje ograničenje temperature grejača vode moguće je za samo one kombinacije rezervoara tople vode kod kojih unutar rezervoara nije došlo do stvaranja slojeva. To su grejači vode sa rezervoarom sa grejnim površinama postavljeni horizontalno u toploj vodi. Regulator temperature koji je postavljen u rezervoaru tople vode, i koji je prilagođen položaju grejne površine unutar rezervoara, prema potrebi uključuje i isključuje pumpu za napajanje rezervoara. Pri mirovanju pumpe nepovratni ventil onemogućava prenos toplote pri gravitacionom pogonu. Prednosti ovakvog ograničenja su:

- ograničena je temperatura u celom sistemu; - manji su gubici; - smanjena je korozija i nastajanje kamenca; - manji troškovi održavanja; - manja opasnost od opekotina.

Nedostaci ovog ograničenja su: - učinak je smanjen; - veća zapremina rezervoara; - veći investicioni troškovi u odnosu na sisteme bez upravljanja.

U rezervoarima sa grejačima čija je površina prilagođena zapremini rezervoara ne nastaje slojevitost pri zagrevanju, za razliku od rezervoara sa dvostrukim zidovima tako da je moguće tačno regulisanje i ograničenje temperature. B) Spoljnje ograničenje temperature tople vode Ono se primenjuje za ograničenje temperature grejne vode na 60-65°C kod protočnih sistema i sistema sa rezervoarima. Postiže se naknadnim uključenjem na grejač vode. Zbog toga ovaj način može da štiti samo priključenu toplovodnu mrežu od korozije i kamenca. Ono uslovljava otpornost grejača na koroziju. Potreban je mešač tople vode koji se instališe neposredno na izlazu iz rezervoara i služi za automatsko mešanje tople vode iz grejača sa hladnom vodom ili sa vodom iz povratnog cirkulacionog voda sa maksimalnom temperaturom od 60 - 65°C. Na mešaču je najčešće ugrađen regulator bez pomoćne energije (termostat). Prednosti ovog ograničenja temperature su:

- koristi se maksimalno moguć kapacitet rezervoara- zapremina rezervoara može da bude manja;

- investicioni troškovi su mali; - smanjena je opasnost od povreda vrelom vodom.

Nedostaci ovog ograničenja su: - smanjeni su gubici samo pri cirkulaciji; - u odnosu na uštedu energije, koroziju i stvaranje kamenca postiže se samo delimični efekat.


260

Slika 10.1-18. Šema sistema za spoljnje ograničenje temperature tople vode

C) Zagrevanje potrošne vode u slučaju centralnog grejanja sa jednim kotlom U velikom broju slučajeva preporučuje se da se postrojenje za zagrevanje potrošne vode priključi na toplovodni kotao centralnog grejanja. Na taj način se potrošna voda vrlo jeftino zagreva, jer se kotao i koristi za grejanje. U prelaznim periodima grejna voda kod kotlova bez ventila za mešanje najčešće nije dovoljno topla, pa se za ovaj slučaj koriste dve mogućnosti:

1. Kotao koji nije stalno u pogonu treba opremiti ventilom za mešanje M. Kotao pri tom radi u niskotemperaturnom pogonu ili sa konstantnom temperaturom vode. Ukoliko temperatura tople vode opada, mešački ventil se zatvara, a napojna pumpa počinje da radi. U tom vremenu sobno grejanje ne dobija toplotu. Uključivanje gorionika zavisi od potrebe za toplom vodom. Termostat u rezervoaru tople vode prioritetno uključuje ili isključuje ventil za mešanje (slika 10.1-19.).

Slika 10.1-19. Grejanje i zagrevanje potrošne vode zimi preko zajedničkog kotla


261

2. Za niskotemperaturne kotlove temperatura kotla iznad granične vrednosti jednaka je temperaturi razvodnog voda za grejanje. Ukoliko je potrebna potrošna voda, prioritetni termostat će da isključi grejnu pumpu, a uključiće napojnu pumpu. Istovremeno se uključuje gorionik. Pri mirovanju pumpe za grejanje sa nepovratnim ventilom, tj. za vreme punjenja rezervoara u grejnom kolu nema cirkulacije.

D) Zagrevanje potrošne vode primenom letnjeg i zimskog kotla Kod velikih postrojenja pogodno je da se za zagrevanje potrošne vode leti koristi posebni kotao, dok se zimi zagrevanje potrošne vode vrši priključenjem na kotao za centralno grejanje. Optimalna podela kapaciteta kotlova zavisi od geografskog položaja, potrošnje tople vode, gubitaka usled pogonske pripravnosti itd. U toplovodnom grejanju kotlovi mogu da budu opremljeni posebnim sigurnosnim razvodnim vodom i sigurnosnim povratnim vodom, ili sa više njih ukoliko se koristi više kotlova kao i trokrakim ventilima ukoliko se koristi samo jedan otvoreni ekspanzioni sud što je i dato na slici 10.1.20. Na taj način može da bude ispunjen zahtev prema propisima kada postrojenje ima više kotlova kapaciteta većih i od 70 kW.

Slika 10.1-20. Grejanje i zagrevanje potrošne vode zimskim i letnjim kotlom

10.1.2.6. Cirkulacioni vod, prateće grejanje Kada voda u cevnoj mreži stoji neko vreme, ohladi se, pa kroz ventil pri centralnom zagrevanju potrošne vode najpre izlaze velike količine hladne vode pre nego što poteče topla voda. Ovaj problem ne postoji kod decentralizovanog grejanja vode. Pri centralnom zagrevanju vode, voda koja stoji zagreva se pomoću električnog pratećeg grejanja za cevnu mrežu ili se stajanje vode izbegava postavljanjem cirkulacionog voda kao na slici 10.1-21. Cirkulacija može da se vrši prirodno ili preko cirkulacione pumpe. Prirodna cirkulacija se danas retko koristi. Zbog toga je pogon isključivo pumpni. Pumpa bi po pravilu trebalo da radi stalno da ne bi došlo do razvijanja legionela. Prema standardima o grejnim postrojenjima, uređaj za cirkulaciju treba da radi u funkciji od vremena tako da vreme prekida može da odredi korisnik - uklopni sat. Isključivanje pumpe može da se preporuči samo onda kada koncentracija legionela na mestima potrošnje ne ugrožava osobe (topla voda za proizvodni proces). Pored toga, potrebno je da su cevi toplotno izolovane. Priključak cirkulacionog voda po pravilu treba da bude u gornjoj trećini rezervoara. Cirkulacione, kao i toplovodne vodove treba izolovati.


262

Slika 10.1-21. Toplovodna razvodna mreža sa kotlom sa bojlerom i cirkulacionim vodom

Cirkulacioni vod i pumpa nisu neophodni kada se voda u mreži zagreva na oko 55°C pomoću električnog grejača nazvanog i pratećim grejanjem. Bakarni vodovi za 220V greju sintetički provodnik, čiji se otpor automatski povećava sa porastom temperature. Zbog nepostojanja pumpe postiže se ušteda energije, a toplotni gubici su svedeni na ½ jer ne postoji povratni vod za cirkulaciju, ali su zato investicioni troškovi veći. Upoređivanje sistema pokazuje da kod srednjih i velikih postrojenja prateće grejanje u odnosu na cirkulaciju nije superiorno. Grejna traka se postavlja ispod izolacije cevi i pričvršćuje se za cev lepljivom trakom. Zbog toga je dužina grejne trake jednaka dužini cevi. Za T-komad potrebno je oko 1m, a za armaturu oko 0,5m trake.

10.1.2.7. Cevna mreža Mreža potrošne vode služi za razvođenje potrošne vode do mesta raznih potrošača. Uobičajen je donji razvod, pri čemu se glavni vod sa ograncima i zapornim ventilima vertikale nalazi na tavanici podruma. Nedostatak je što se podrum zagreva kod starih prostorija bez toplotne izolacije. Za gornji razvod glavni vodovi se nalaze na tavanu. Na najvišem mestu nalaze se sudovi za odzračivanje. Veći su toplotni gubici. Armatura: termometar, manometar, nepovratni i sigurnosni ventil, uređaj za odzračivanje, ventil redukcije pritiska pri visokom pritisku hladne vode, uređaji za pražnjenje, ventili, ventili za mešanje, zaštita uređaja. Materijal cevi: uglavnom bakar kao i PVC, polibuten, polietilen, plemeniti čelik. Posebnu vrstu čine predizolovane cevi. Svi vodovi tople vode treba da su izolovani. Nerazdvojive veze postižu se zavarivanjem i tvrdim lemljenjem. Razdvojive veze se izvode pomoću navojaka sa dugim navojem, spajanjem pomoću vijaka; za bakar postoje i specijalni fitinzi za kapilarno meko lemljenje, kao i stezne spojnice raznih vrsta. Za cevi od PVC se koristi lepilo, zavarivanje i stezni elementi; za cevi od plementitog čelika i predizolovane cevi koriste se presovani dihtunzi. Za skladištenje, zavešenje i pričvršćivanje važe ista pravila kao i za grejne vodove; isto tako i za širenje cevi.


263

10.1.3. Toplotne pumpe za pripremu tople vode Toplotne pumpe mogu da se koriste i za zagrevanje potrošne vode. Za njihovo ugrađivanje veći su investicioni troškovi nego za električne uređaje, ali je manja potrošnja struje. Agregat sa toplotnom pumpom za zagrevanje vode sastoji se od uobičajenih elemenata rashladnog kola: kompesor, kondenzator, prigušni elementi, isparivač, uređaji za upravljanje i regulisanje. Rashladno sredstvo je najčešće freon.

Slika 10.1-22. Funkcionisanje toplotne pumpe za potrošnu vodu

Toplotna pumpa koja može da bude iznad ili ispod rezervoara prima toplotu okoline preko isparivača i pri povišenoj temperaturi predaje je preko kondenzatora vodi u rezervoaru. Zagrevanje vode pri tome vrši se direktno ili radi razdvajanja rashladnog sredstva i cirkulacionog kola tople vode, indirektno preko posrednika- međumedijuma. Kondenzator je jednostavne konstrukcije, sačinjen od zmijaste ili koaksijalne cevi direktno potopljenje u potrošnu vodu (slika 10.1-22.).

10.3. Proračun postrojenja za zagrevanje vode

10.3.1. Količina i temperatura tople vode Količine potrošne vode koje su potrebne za različite svrhe, posebno su promenljive. Za stanove potrebna količina ne zavisi samo od veličine stana i broja osoba, već i od životnog standarda, starosti osoba, ugrađivanja brojila potrošne vode, profesija stanara, godišnjeg doba i drugih uslova. Osim toga, podleže velikim vremenskim promenama. Subotom i petkom zbog uobičajenog korišćenja kupatila, koristi se oko 30% od ukupne nedeljne količine potrošne vode. Potrošnja u hotelima zavisi od broja kada/tuševa, kao i od kategorije. Luksuzni hoteli potroše znatno više potrošne vode od hotela niže kategorije. Vršna potrošnja je ujutru i uveče. U fabrikama, sportskim halama itd., po završetku radnog vremena za kratko vreme, oko 10-30min, potrebne su velike količine potrošne vode, kada se istovremeno koriste svi umivaonici ili tuševi. Za veliku vršnu potrošnju, potrebnu količinu vode treba obezbediti preko rezervoara. Za tehnološke potrebe za zanatstvo i industriju potrošna voda služi osim za higijenske svrhe i za tehničke svrhe.


264

Temperatura hladne vode u proseku se pretpostavlja sa 10°C, mada posebno može da bude promenljiva u granicama 5-15°C. Temperature potrošne vode obično se pretpostavljaju prema:

- za umivaonike, tuševe i kupatila 35-45°C; - za kuhinje 55-65°C; - za industrijske svrhe do 100°C.

Temperature pri potrošnji (točeća mesta) uvek su za nekoliko stepeni više od temperature potrošne vode, jer se voda ohladi u umivaonicama ili kadama. Temperaturu od 60°C za potrošnu vodu po mogućstvu ne bi trebalo prekoračiti, radi smanjenja štete od korozije i gubitka enegrije.

Slika 10.3-1. Potrošnja tople vode u zavisnosti od broja kada

Slika 10.3-2. Potrošnja tople vode u umivaonicima i tuševima


265

Tabela 10.3-1. Potrebna količina i temperatura vode za razne zgrade

Zgrada Potrebno Temperatura

Bolnice 100...300 l/dan, krevet 60 ºC Kasarne 30...50 l/dan, osoba 45 ºC Ustanove 10...40 l/dan, osoba 45 ºC Medicinske kupke 200...400 l/dan, pacijenata 45 ºC Robne kuće 10...40 l/dan, osoba Škole (za 250 dana/g) 45 ºC bez tuševa 5...15 l/dan, učenika 45 ºC sa tuševima 30...50 l/dan, učenika 45 ºC Sportski tereni sa tuševima 50...70 l/dan, sportista 45 ºC Pekare 105...150 l/dan, radnika 45 ºC 10...15 l/dan za čišćenje 45 ºC za proizvodnju 40...50 l/100 kg brašna 70 ºC Frizeri (uklj. mšterije) 150...200 l/dan, osoba 45 ºC Pivare uklj.proizvodnju 250...300 l/100 l piva 60 ºC Perionice 250...300 l/100 kg rublja 75 ºC Mlekare 1...1,5 l/l mleka 75 ºC Ili 4000...5000 l/dan Mesarnice bez proizvodnje 150...200 l/dan, osoba 45 ºC sa proizvodnjom 400...500 l/dan

Tabela 10.3-2. Potrošnja tople vode u restoranima i hotelima

Litar na dan po osobi Efektivna toplota

na dan po osobi Potrošno mesto

60°C 45°C Wh

Restorani po meniju 4...8 6...12 250...500 po gostu 8...20 12...30 500...1200 Hoteli sobe sa kupatilom 100...150 140...220 6000...9000 sobe sa tušem 50...100 70...120 300...6000 sobe sa umivaonikom 10...15 15...20 600...900 Odmarališta, pansioni 25...50 35...70 1500...3000


266

Tabela 10.3-3. Potrebna količina vode u stanovima

Potrošno mesto Količina pri jednom uzimanju [l]

Temperatura tsr [°C]

Trajanje u [min]

Ispusni ventili 5 40 ND 10, poluotvoren 10 40 1

potpuno otvoren 10 40 1 ND 15, poluotvoren 18 40 1

potpuno otvoren 25 40 1 ND 20 poluotvoren 45 40 1

potpuno otvoren 1 Sudopere

jednodelne 30 55 5 dvodelne 50 55 5

Umivaonici samo za pranje ruku 5 35 1,5 umivaonik 10 35 2 umivaonik, jednodelni 15 40 3 umivaonik, dvodelni 25 40 3

Kada za kupanje male (veličine 100) 100 40 15 srednje (veličine 160) 150 40 15 velike (veličine 180) 250 40 20

Tuširanje 50 40 6 Kada za sedenje 50 40 4 Bide 25 40 8 Ukupna potrošnja (60°C)

manji zahtevi 10..20 l/dan,osobi veši zahtevi 20..40 l/dan, osobi najveći zahtevi 40..80 l/dan, osobi


267

Tabela10.3-4. Potrošnja tople vode u zatvorenim plivačkim bazenima

Potrošnja tople vodepo 1 korišćenju

Trajanjepunjenja

Temp. po- troš. vode

Potrošnja toplote u Potrošačko mesto

l l/h min tw °C kWh

Kupanje u kadi bez tuša 200...300 500 10 40 18 sa tušem 250...350 600 10 40 21 medicinsko 300...400 300...400 10 40 10...14

Tuš, bez ćelije 50 500 6 40 18 Tuš, sa ćelijom 80 320 6 40 11 Tuš u školama i kasarnama 50 300...400 5 35 9...12 Tuš, kiša 10 600 1 40 21 Kada za sedenje 50 100 5 35 3 Nožna kupka 30 120 6 30 3 Terapijski bazeni

sa tuširanjem nogu 30 600 3 35 18

Tuševi u punom mlazu za terapiju

200 800...1000 5 35 23...29

10.3.2. Potrebna toplota - proračun sa faktorom istovremenosti Pri proračunu potrebne toplote u toku 1h od odlučujućeg značaja je, da se zna koliki broj potrošnih mesta se istovremeno koristi, tj. koji je fakor istovremenosti. Ako, npr. u jednoj stambenoj zgradi postoji 30 kupatila, naravno da se svih 30 ne koriste u isto vreme, već samo jedan deo. U stanovima maksimalna potreba za toplotom uglavnom je određena na osnovu broja kada/tuševa, dok se ostale potrebe u potrošnoj vodi za kuhinjske svrhe, mogu zanemariti. Osim toga treba uzeti u obzir način zagrevanja potrošne vode (akumulacioni ili protočni sistem).


268

Tabela 10.3-5. Centralna postrojenja za zagrevanje vode po akumulacionom sistemu

∆t = razlika između gornje i donje temperature vode u rezervoaru; ovde delimično mešanje, dakle ∆t = 60-25 = 35 K; zA = vreme zagrevanja, zB = vreme rada = 2 h

Veličina rezervoara VS u l (m3) za zA u h

0,5 1 2,5

Broj stanova Faktor istovremenosti Kapacitet kotla

QK u kW

pri zA u h (to-tu) u K

n φ 0,5 1 2,5 30 50 30 50 30 50 1 1,15 14 12 8 200 150 350 200 600 350 2 0,86 21 17 12 300 200 500 300 900 500 4 0,65 31 26 17 450 300 750 450 1200 750 6 0,56 40 34 22 600 400 1000 600 1600 950 8 0,5 48 40 27 700 450 1150 700 2000 1200

10 0,47 56 47 31 800 500 1350 800 2200 1400 12 0,47 68 57 38 1000 600 1650 1000 2700 1600 15 0,44 79 66 44 1150 700 1900 1150 3200 1900 18 0,42 91 78 50 1300 800 2300 1350 3600 2200 20 0,4 96 80 53 1400 850 2400 1400 3800 2300 25 0,38 114 95 63 1600 1000 2700 1700 4500 2700 30 0,36 130 108 72 1900 1200 3100 1900 5200 3100 36 0,35 151 127 84 2200 1300 3600 2200 6000 3600 50 0,32 192 161 106 2800 1700 4600 2800 7600 4600 60 0,31 223 187 124 3200 2000 5400 3200 8900 5300 80 0,29 278 233 155 4000 2400 6700 4000 11,1 6700

100 0,28 336 281 186 4800 2900 8100 4800 13,3 8000 120 0,27 389 326 215 5600 3400 9400 5600 15,4 9300 150 0,26 468 392 260 6700 4100 11,3 6700 18,6 11,2 200 0,25 600 502 333 8600 5200 14,4 8600 23,9 14,3

to = srednja gornja temperatura rezervoara tu = srednja donja temperatura rezervoara


269

Tabela 10.3-6. Centralna postrojenja za zagrevanje vode po protočnom sistemu

zA = vreme zagrev., vreme pogona (vršna potreba) zB = 2 h, ∆t = 35 K, υ0 = 60°C

Kapacitet kotla u kW

za zA u h

Veličina rezervoara VS u l

za zA u h

Broj stanova

n

Faktor istovremenosti

φ

Maksimalno potrebna

topl. u kW

Q 0,5 1 2 3 0,5 1 2 3

1 1,15 8 7 6 4 3 90 150 200 220 2 0,86 12 10 8 6 5 130 200 300 370 4 0,65 18 15 12 9 7 190 300 450 520 6 0,56 24 19 16 12 10 230 400 600 740 8 0,5 28 24 19 14 12 300 470 690 890

10 0,47 33 27 22 17 13 330 540 835 960 12 0,47 39 32 26 20 16 395 640 985 1180 15 0,44 46 37 31 23 18 455 765 1130 1330 18 0,42 53 42 35 27 21 520 860 1130 1550 20 0,4 56 45 37 28 22 555 910 1380 1620 25 0,38 67 54 45 34 27 665 1110 1670 2000 30 0,36 76 61 51 38 30 750 1250 1870 2220 40 0,33 93 74 62 46 37 910 1525 2260 2730 50 0,32 112 90 75 56 45 1110 1850 2750 3320 60 0,31 130 104 87 65 52 1280 2140 3200 3840 80 0,29 162 130 108 81 65 1600 2660 3990 4800

100 0,28 195 157 130 98 78 1930 3200 4820 5760 120 0,27 230 185 155 115 92 2280 3815 5660 6790 150 0,26 275 220 185 138 110 2700 4550 6790 8120 200 0,25 350 280 235 175 140 3450 5780 8610 10330

Za proračun potrebne toplote u stanovima sa kupatilima pretpostavlja se da je dnevna potrošnja tople vode ograničena na zB=2h, u vremenu od 2000-2200. Pri zagrevanju zA proizvede se toliko toplote, tako da je na početku pogona rezervoar potpuno pun.

10.3.2.1. Akumulacioni sistem Maksimalno potrebna količina tople vode V za n stanova sa kupatilima i kadama od 200 l iznosi:

ϕnV 200=& (l/h) ................................................................................................. (10.2)

Za vreme pogona od zB= 2h dnevna potreba za toplom vodom je:

ϕnVVuk 4002 == & (l/dan)................................................................................. (10.3)

Maksimalno potrebna toplota pri temperaturi tople vode 40°C i c =1.16 10-3 kWh/kgK je:


270

( ) ϕρϕ ncnQ 71040200 =−=& (kW) .................................................................. (10.4)

U stanovima gde su samo tuševi pri potrošnji vode od 50 lit po jednom tuširanju i dva tuširanja na sat biće:

( ) ϕρϕ ncnQ 5.31040100 =−=& (kW) ............................................................... (10.5)

10.3.2.2. Protočni sistem Usled većeg opterećenja pri protočnom sistemu potrebna toplota je veća. Odgovarajuće jednačine glase:

za kupanje u kadi: ϕnQ 15=& (kW)

za tuširanje: ϕnQ 6=& (kW)

Za industrijske pogone sa velikom potrošnjom tople vode za tehničke svrhe i velikim uređajima za pranje i tuširanje preporučuje se izrada toplotnog dijagrama koji prikazuje potrošnju toplote u zavisnosti od vremena.

10.3.2.3. Vodovi za hladnu i toplu vodu Prečnike cevi vodovodne mreže treba odrediti prema vršnom protoku i raspoloživom padu pritiska za trenje u cevima. Pri tome treba imati u vidu maksimalno dozvoljene brzine strujanja. A) Protoci Cevovodi za hladnu i toplu vodu se dimenzionišu na isti način. Za svako mesto točenja vode postoji minimalni hidraulični pritisak i određeni protok vode, tzv. proračunski protok VR. Ukupni zapreminski protok nije jednak zbiru proračunskih protoka VR jer se sva točeća mesta ne koriste istovremeno. Proračunska vrednost za maksimalni protok je vršni protok VS. Za njegovo određivanje u stambenim objektima važi jednačina:

Tabela 10.3-7. Proračunski protoci RV& i minimalni hidraulički pritisak armatura i aparata

Potrošačko mesto Priključak VR u l/s Pmin ... u bar

Ispusni ventil bez vazduha ND15 0,30 0,5 sa vazduhom ND15 0,15 1,0

Mašina za pranje posuđa ND15 0,15 1,0 Mašina za pranje rublja ND15 0,25 1,0 Baterije za mešanje

kada za kupanje ND15 0,15 1,0 umivaonik ND15 0,07 1,0

Ispirač pod pritiskom ND20/25 1,00 1,2 El. Protočni grejač vode 24 kW - 0,10 2,4 Gasni protočni grejač vode 8...28 kW - 0,13 1,0


271

( ) 14,0682,0 45,0−∑= RS VV && (l/s) za 2007,0 −=RV& l/s ...................................... (10.6)

U velikom broju slučajeva, posebno u industriji, ne treba računati prema metodu koji važi za stambene objekte, već prema količini vode koja ističe u konkretnom slučaju. U fabrikama, školama, sportskim objektima itd.; često se koriste sva potrošačka mesta istovremeno npr. tuševi, umivaonici, tako da ovde treba uzeti u obzir stvarnu protočnu količinu. B) Uprošćeni proračun U najvećem broju slučajeva, naročito kod stambenih zgrada, proračun se uprošćava. Pri tome su dozvoljene sledeće vrednosti za pad pritiska:

- brojilo za vodu ∆pWZ = 400-700 mbar; - filter ∆pFi = 300mbar.

Osim toga udeo pada pritiska usked lokalnih otpora može da se pretpostavi sa 50% ukupnog pada pritiska.

Slika 10.3-3. Šema usponskih vodova vodovodne instalacije

10.3.2.4. Cirkulacioni vod Za cirkulaciju se, po pravilu, ugrađuje pumpa i za manja postrojenja. Potrebna debljina toplotne izolacije za cirkulacione vodove ne može da obezbedi prirodnu cirkulaciju u traženoj meri. Cirkulacioni vodovi isto kao i toplovodni moraju da budu prema propisima toplotno izolovani. A) Cirkulacione pumpe Cirkulacione pumpe su specijalne konstrukcije od nerđajućeg materijala kod kojih su delovi koji vode vodu potpuno odvojeni od motora i ležajeva, da bi se sprečila oštećenja od kotlovskog kamenca. Radi smanjenja gubitaka usled hlađenja, pumpom može da upravlja i uklopni sat, tako da se cirkulacija vrši u određeno vreme (kao na slici 10.3-4.). Ovo je poželjno za više od dva stana prema propisima. Ponekad se uključivanje pumpe vrši pomoću termostata na poslednjem potrošaču. Ovo rešenje je nehigijensko.


272

Slika 10.3-4. Šema povezivanja postrojenja tople vode sa vremenskim i termičkim upravljanjem

B) Grejni vodovi Grejni vod od kotla do grejača potrošne vode proračunava se isto kao kod grejnih tela u centralnom grejanju.

Sunčeva energija

i mogućnost pripreme

Sunčeva energija

i mogućnost pripreme

11.11.

275

11. Sunčeva energija i mogućnosti primene

11.1. Važniji podaci o suncu i njegovoj energiji Sunce je nama najbliža zvezda i udaljeno je od Zemlje oko 150 miliona kilometara. Predstavlja ogromnu usijanu gasovitu kuglu prečnika 1 392 000 km. Spoljni sloj Sunca sastoji se od oko 75% vodonika, 23% helijuma i 2% ostalih usijanih gasova pod velikim pritiskom. Masa Sunca iznosi oko 2 ·1030 kg, zapremina 1,41 9 ·1027 m3 , tako da je njegova srednja gustina 1400 kg m-3, što znači da je srednja gustina Sunca 1,4 puta veća u odnosu na gustinu vode, a 0,25 u odnosu na srednju gustinu Zemlje. Sunce se obrće oko svoje ose tako da njegova siderična rotacija na ekvatoru iznosi 25, a na polu 33 dana, što pokazuje da ono nije u čvrstom stanju. Ovo se može utvrditi praćenjem kretanja Sunčevih pega na njegovom ekvatoru i polovima. Sunce se nalazi u četvrtom agregatnom stanju nazvano plazmom, koje se sastoji od kompletnih atoma, jona i elektrona elemenata koji se nalaze u Suncu na visokoj temperaturi i velikom pritisku. Temperatura Sunca na površini iznosi oko 5800 K, a u njegovoj unutrašnjosti raste prema centru i dostiže do 15 miliona stepeni. Ovako visoka temperatura pokazuje da Sunčevo jezgro predstavlja u stvari termonuklearni reaktor ogromnih dimenzija u kome se razvijaju nuklearni procesi fuzije. Svake sekunde se u jezgru Sunca oko 600 miliona tona vodonoka pretvara u 596 miliona tona helijuma. Razlika u masi od m = 4 miliona tona se po poznatoj Ajnštajnovoj jednačini E=m·c2 , gde je c = 3·108 ms-1 brzina svetlosti, pretvara u energiju. Jednostavan račun pokazuje da ova energija iznosi:

E = m · c = 4 ·106 ·103 kg · (3 ·108 m s-1)2 = 36 · 1025 kg m s-2 · m =

= 360 · 10 24 Nm = 360 · 1024 J

Ovoj energiji odgovara snaga od 360·1024 W = 360·1018 MW (tri stotine šezdeset triliona megavata), koja se svake sekunde oslobađa na Suncu. Prema Stefanu (Stefan) i Bolcmanu (Boltzmann) 1 cm2 Sunčeve površine izrači svake sekunde u kosmos oko 6,3 kJ energije. Utvrđeno je takođe da energetske rezerve Sunca iznose 1,8·1041 MJ, a njegovo godišnje odavanje enerrgije 1,2·1028 MJ. Odatle izlazi da energetske zalihe Sunca iznose 1,5·1013 godina = 15·1012 godina (15 biliona godina).

11.2. Raspodela sunčeve energije na zemlji Celokupna energija na Zemlji, izuzev nuklearne i geotermalne, potiče od Sunca. Sunčeva energija koju prima naša Zemlja i njena atmosfera toliko je ogromna da u toku samo petnaest dana iznosi onoliko kolike su zajedničke rezerve energije uglja i nafte u svetu. Pošto je ova energija omogućila postanak života na Zemlji i njegovo održavanje, korisno je da se razmotri raspodela Sunčeve energije na Zemljinoj površini i u njenoj atmosferi. Od ukupne energije koja dospeva na Zemlju i na njenu atmosferu oko 30% se reflektuje od atmosfere i Zemljine površine ponovo u kosmos. Odnos između vidljive svetlosti i difuzno reflektovane, naziva se albedo.


276

Pošto se Sunčeva svetlost reflektuje od raznih objekata okoline, pored direktnog i difuznog zračenja Sunca pri određivanju mikroklime jedne sredine potrebno je da se uzme u obzir i albedo Zemlje. Reflektovanje Sunčevih zraka na različitim površinama Zemlje je različito i stoga albedo Zemje ima promenljive vrednosti. Gotovo polovina od ukupnog Sunčevog zračenja nakon zagrevanja atmosfere i gornje površine Zemlje, nevidljivim infra crvenim zračenjem kao toplota vraća se u kosmos. Ostatak Sunčevog zračenja (oko 22%) troši na obrazovanje oblaka isparavanjem vode na površini Zemlje iz kojih vodeni talozi padaju na Zemljinu površinu pri čemu oslobođena toplota izrači u kosmos. Tako se isparavanjem voda mora, jezera i reka obrazuje kružni tok vode. Vazdušna i morska strujanja, vetrovi i talasi su takođe posledica Sunčevog zračenja i njihova energija, kao indirektna Sunčeva energija, može se praktično iskoristiti. Jedan mali deo (oko 0,1%) ogromne Sunčeve energije koja dospeva na Zemlju iskorišćen je u postanku i održavanju fotosinteze biljaka, a time i za nastanak fosilnog goriva, ugalj, nafte i zemnog gasa. Prema tome energija fosila je u stvari indirektna Sunčeva energija nastala akumulacijom Sunčeve energije tokom stotina miliona godina.

11.3. Energija sunčevog zračenja na gornjoj granici atmosfere Zemlja se kreće oko Sunca srednjom brzinom od 30 km s-1 i prima energiju Sunca putem elektromagnetnih talasa čiji spektar odgovara spektru zračenja apsolutnog crnog tela zagrejanog do 5800 K. Pri određivanju energije koju Zemlja prima od Sunca treba razlikovati energiju koja dospeva na gornju granicu Zemljine atmosfere i energiju koju prima Zemljina površina. Zbog velike udaljenosti Zemlje od Sunca i malih dimenzija Zemlje u odnosu na dimenzije Sunčevog sistema i kosmosa, gornja granica Zemljine atmosfere prima samo polovinu milijarditog dela ukupne energije koju izrači Sunce u jednoj sekundi što iznosi:

JJ 159

2410180

21

1010360

⋅=⋅⋅ ............................................................................... (11.1)

Ova energija odgovara snazi od 180·1015 W= 180·1012 kW koja je toliko ogromna, da se teško može shvatiti bez upoređenja sa poznatim energijama na Zemlji. Prema statistikama, ukupna energija u jednoj sekundi koju daju sve elektrane na Zemlji kada rade u punom pogonu, iznosi oko 1,5·109 kJ (jednu i po milijardu kilodžula) što odgovara snazi od 1,5·109 kW (jednu i po milijardu kilovata). Prema tome, snaga koju Zemlja prima od Sunca na gornjoj granici svoje atmosfere, oko 120.000 puta je veća od snage koju daju sve elektrane današnjeg veka kada se nalaze u punom pogonu! Kada bi se koristio samo 120.000-ti deo ove Sunčeve energije čovečanstvo bi bilo obezbeđeno energijom koju danas daju sve elektrane u svetu.

Solarna konstanta

Kao što se vidi za teorijska i praktična istraživanja primene solarne energije, važno je da se odredi snaga Sunčevog zračenja na gornjoj granici Zemljine atmosfere. Snaga Sunčevog zračenja koja dospeva na 1 m2 površine izvan Zemljine atmosfere upravno na pravac Sunčevih zraka, naziva se solarnom konstantom .


277

Vrednost solarne konstante određivana je na razne načine od početka ovog veka, a naročito poslednjih 50 godina. Koristeći balone, avione i satelite u najnovije vreme, istraživači su utvrdili da vrednost solarne konstante iznosi:

Sk = 1373± 20 Wm-2 ....................................................................................... (11.2)

Korektura ± 20 je izvršena zbog toga što se Zemlja pri svom kretanju oko Sunca ne nalazi uvek na istom odstojanju od Sunca: u zimskom periodu je na manjem, a u letnjem na većem odstojanju od Sunca. U praksi se za solarnu konstantu uzima vrednost Sk = 1353 Wm-2 = 1,353 kWm-2, približno 1,4 kWm-2.

11.4. Snaga sunčevog zračenja na površini zemlje Na površinu Zemlje dospeva manja snaga Sunčevog zračenja zbog refleksije i apsorpcije Sunčevih zraka u Zemljinoj atmosferi. Stoga ova snaga zavisi od dužine puta koji Sunčevi zraci pređu kroz atmosferu i kvaliteta atmosfere. Utvrđeno je da 1 m2 horizontalne površine na Zemlji prima maksimalno oko 1 kW Sunčeve snage leti u podne kada je put Sunčevih zraka kroz atmosferu najkraći. Prema tome, u atmosferi se intenzitet snage Sunčevog zračenja smanji za oko 400 W. Da se bolje shvati ova snaga navešćemo nekoliko primera. Snaga od 1 kWm-2 ustvari znači da na 1 m2 zemljine površine pod navedenim uslovima dospe energija od jednog kilovatčasa (1 kWh). Potrebno je da se odredi povišenje temperature ∆ t za 20 l vode kada se upotrebi 1 kWh-1 energije. Iz poznate jednačine za količinu toplote Q = c m ∆ t, gde je Q = 1 kWh = 3,6 · 106 J, masena količina toplote vode c = 4187 Jkg-1K-1 , masa vode m = 1 kg, izlazi:

KkgKJkg

JcmQt 43

204187106,3

11

6=

⋅⋅

==∆ −− ........................................................... (11.3)

To znači da je dobijena količina Sunčeve energije dovoljna da količini vode od 20 l povisi temperaturu za 43 K, odnosno, 43°C. Ako se navedena količina vode uzme iz vodovoda (15°C), njena se temperatura povisi do 58°C, kada je najpodesnija za upotrebu. Na isti način može se odrediti povišenje temperature i drugim materijalima zagrevanjem energijom od 1 kWh. Napominjemo još da korišćenjem energije od 1 kWh električna sijalica snage 100 W svetli 10 časova, frižider od 125 W koristi se 8 časova, crno – beli televizor od 200 W radi 5 časova, pegla (1 kW) može se koristiti 1 čas, mašina za pranje rublja (4 kW) može da pere 15 minuta, itd. Međutim, treba imati u vidu da je snaga od 1 kW koja se najčešće koristi u praksi, samo teorijska i približno važi za naše krajeve. Intenzitet Sunčeve energije je promenljiva veličina i zavisi od mnogih faktora, kao što su pravac prostiranja Sunčevih zraka, godišnje doba, trajanje Sunčeve radijacije (obdanica), ugla Sunca (doba dana), orijentacije površine na koju padaju Sunčevi zraci i meteoroloških uslova.

11.5. Zavisnost intenziteta insolacije jedne površine od njene orijentacije u prostoru

Do sada smo razmatrali intenzitet snage Sunčevog zračenja na horizontalnoj površini Zemlje. Međutim, u praksi površine koje primaju Sunčeve zrake nisu horizontalne, već zauzimaju različite položaje u prostoru. Već je poznato da neka površina na zemlji prima maksimalnu snagu Sunčevog


278

zračenja kada Sunčevi zraci najkraćim putem kroz atmosferu dospevaju na posmatranu površinu, odnosno padaju na nju normalno. Tako se javlja veoma važan, ali komplikovan problem određivanja ugla maksimalne insolacije neke površine u prostoru, pri čemu se ugao Sunca prema horizontalnoj ravni stalno menja u toku dana, a površina može da zauzima različite položaje u prostoru. Na slici 11.5-1. prikazan je dijagram iz kojeg se mogu odrediti azimut i visina Sunca u svakom trenutku za jedno određeno mesto i vreme trajanja osunčanosti nekog objekta u toku dana.

Slika 11.5-1. Dijagram za određivanje azimuta i visine sunca

Kako se dijagram koristi: 1. Iz dijagama se mogu odrediti azimut i visina Sunca u svakom trenutku tokom godine. Na

primer, marta meseca u 9 časova, azimut iznosi 125°, a visina Sunca 30°. 2. Ako se fasada nekog objekta postavi prema svojoj orijentaciji u centar krugova, može se

očitati doba dana u kome je fasada osunčana, odnosno može se dobiti podatak kada je u senci. Ako je fasada okrenuta prema jugozapadu, kroz centar se povlači prava koja se poklapa sa poluprečnicima koji označavaju azimute 135° i 315°. U martu fasada dobije osunčenje u 9,30 časova, koje traje sve do zalaska Sunca u 18 časova.

3. Na dijagramu se može pratiti dužina trajanja dana tokom godine i vreme izlaska i zalaska sunca. U junu su dani najduži; dantraje od 4,30 do oko 19,30 časova, dok je trajanje dana u decembru nešto duže od 8 časova.

Ovde će se izložiti teorijsko određivanje srednje vrednosti insolacije površine u zavisnosti od nagiba Sunčevih zraka koji padaju na ovu površinu. Ako se sa E0 označi Sunčeva energija koju u jedoj sekundi primi površina AB (sl. 11.5-2.) na koju Sunčevi zraci padaju normalno, onda će jednaka površina AC = AB primiti manju količinu Sunčeve energije kada Sunčevi zraci padaju na nju pod nekim uglom α manjim od 90°.


279

Slika 11.5-2. Teorijsko određivanje srednje vrednosti insolacije površine

Ovo je razumljivo, jer prema slici 11.5-2. insolacija površine AC odgovara insolaciji površine AD. Iz slike izlazi relacija:

AD = AC sinα= AC cos (90°-α)= AB cos (90°-α) .............................................. (11.4)

Kada su Sunčeva energija koju primi površina AD, odnosno površina AC u jednoj sekundi označi sa E, a za površinu AB sa E0, onda se iz poslednje jednačine dobija:

E = E0 cos (90° - α) ............................................................................................ (11.5)

Ako se površina AC = AB označi sa S, onda je E0= S E1, gde je E1=1,373 kWm-2≈ 1,4 kWm-2 solarna konstanta. Zamenom vrednosti E0 u predhodnu jednačinu, izlazi E = S [ ]2m · 1,373 kWm-2 cos (90° -α), ili približno:

E = 1,4 · S cos (90° - α) [ ]kW ........................................................................... (11.6)

Iz ove jednačine može se dobiti količina energije u sekundi, odnosno snaga, koju od Sunca prima površina S u prostoru nagnuta prema horizontalnoj ravni pod uglom α. Izračunavanjem površine S u m2 i određivanjem ugla α može se odrediti snaga u kW koju od Sunca prima površina S, odnosno njena instalacija.

Slika 11.5-3. Refleksija sunčevog zraka

Iz slike 11.5-3. se vidi da između nagibnog ugla β površine S predstavljene dužinom AC prema horizontalnoj ravni, nagibnog ugla γ Sunčevih zraka prema horizontu i ugla α pod kojim Sunčevi zraci padaju na površinu AB, postoji veza:

°=++ 180γβα .................................................................................................... (11.7)


280

Na osnovu ove jednačine za određeni nagibni ugao β površine AC prema horizontu i poznate nagibne uglove γ Sunčevih zraka prema horizontalnoj ravni, može se odrediti ugao α pod kojim Sunčevi zraci padaju na posmatranu površinu. Za dobijanje što veće energije Sunca na određenoj površini Zemlje potrebno je da ugao α bude što bliži pravom.

11.6. Meteorološki uticaji Čistoća atmosfere ima znatnog uticaja na rasipanje (disperziju) direktnog Sunčevog zračenja. Čak i za vreme vedrih dana, na putu kroz atmosferu, direktni Sunčevi zraci se rasipaju na molekulima vazduha i mikroskopskim česticama koje lebde u atmosferi (aerosoli), od čega potiče plavetnilo neba. Oblaci, vodene kapljice, vodena para i magla u atmosferi predstavljaju veliku prepreku za prodor direktnih Sunčevih zraka na površinu Zemlje. O svemu tome treba voditi računa pri određivanju mikroklime za mesta na kome se predviđa praktično korišćenje Sunčeve energije.

11.7. Komponente sunčevog zračenja Treba imati u vidu da na Zemljinu površinu dospevaju dve komponente Sunčevog zračenja i to jedna koja dolazi direktno od Sunca i naziva se direktno Sunčevo zračenje i druga, koja nastaje rasipanjem direktnog Sunčevog zračenja u atmosferi podznatog pod imenom indirektnog ili difuznog Sunčevog zračenja. Zbog većeg broja oblačnih i maglovitih dana u zimskom periodu veći deo Sunčevog zračenja dospeva na Zemlju u obliku difuznog zračenja. Međutim, difuzno Sunčevo zračenje postoji uvek u atmosferi, čak i u najvedrijim danima, što je razumljivo kada se uzme u obzir rasipanje Sunčevih zraka na molekulima vazduha i aerosolima. Ovo difuzno zračenje dostiže nekad i do 10 % direktnog Sunčevog zračenja. Da bi se stekao utisak o odnosu difuznog i direktnog Sunčevog zračenja na jednom određenom mestu, navešće se rezultati nekih merenja. Na određenom mestu 450 severne geografske širine u letnjem periodu 15. juna kada je obdanica najduža, izvršena su merenja direktnog i difuznog Sunčevog zračenja. Merenja su vršena po tri uzastopna dana za tri različite meteorološke situacije u ovom mestu. Utvrđeno je da je sunčanog dana sa najčistijom atmosferom na Zemljinu površinu dospelo 8,4 kWh direktne Sunčeve energije i 0,75 kWh difuzne Sunčeve energije. Kao što se vidi i ovog sunčanog dana sa čistom atmosferom dospeva oko 9% difuzne Sunčeve energije. U danima kada je nebo bilo prekriveno oblacima bez direktnog zračenja Sunčeve energije, na čistu površinu Zemlje dospelo je 1,85 kWh difuzne Sunčeve energije, što iznosi 22% od direktne Sunčeve energije prispele za vreme sunčanih dana. Merenja su vršena i u tri uzastopna oblačna dana sa sijanjem Sunca od 9 – 12 časova. Na istu površinu zemlje tada je dospelo 2,5 kWh po danu što iznosi 30 % direktne Sunčeve energije prispele sunčanog dana.

11.8. Principi korišćenja sunčeve energije Poznato je da neko telo može da odbija (reflektuje), propušta i upija (apsorbuje) Sunčeve zrake. Na primer, ogledalo gotovo potpuno odbija svetlosne zrake, prozorsko staklo ih propušta, a crno telo ih upija. U stvari ne postoje tela koja potpuno odbijaju, propuštaju i upijaju svetlosne zrake. Tela


281

koja propuštaju svetlosne zrake nazivaju se transparentna, a koja upijaju, crnim telima. Za primenu Sunčeve energije potrebno je poznavatiove osobine tela. Kada Sunčevi zraci padaju u pravcu normale na crno telo od materijala dobrih apsorpcionih osobina (dobar apsorber), na primer, crno obojeni lim od bakra ili aluminijuma, lim se zagreva tako da može postići temperaturu od 60 do 80°C. To znači da je jedan deo svetlosne energije lim apsorbovao pri čemu je kinetička energija fotona svetlosti transformisana u toplotnu energiju čestica lima. Iz ranijeg izlaganja je poznato da ovako zagrejani lim svetlosnim zracima talasnih dužina od 0,3-3 µm (sl. 11.8-1.), zrači toplotne infracrvene zrake većih talasnih dužina 3 – 7 µm i time gubi veći deo apsorbovane energije.

Slika 11.8-1. Zračenje zagrejanog apsorbera

U cilju korišćenja dobijene toplotne energije, potrebno je da se spreći ovaj gubitak. To se može postići pokrivanjem apsorbera pokrivačem od materijala koji dobro propušta svetlost kratke talasne dužine, odnosno vidljivu svetlost, a sprečava prolaz nevidljivog infracrvenog zračenja talasnih dužina iznad 3µm koje zrači apsorber. Ove uslove ispunjava u prvom redu staklo, a zatim i neki specijalni plastični materijali. Staklena ploča debljine 3mm ima izvrstan koeficijent transmisije jer propušta oko 90% kratkotalasnog zračenja. Međutim, za dugotalasno infracrveno područje iznad 3µm, ona je nepropustljiva pa se kaže da je na taj način obrazovana “zamka” za infracrveno zračenje. Ova osobina stakla nazvana efekat staklene bašte dobro je poznata baštovanima i igra značajnu ulogu u primeni Sunčeve energije.

11.9. Efekat staklene bašte Na termički izolovanom dnu kutije K (sl. 11.8-1.) postavljen je lim obojen tamnom bojom. Na gornjoj strani kutija je pokrivena prozorskim staklom debljine 2 – 3 mm. Od 100% vidljivog kratkotalasnog zračenja koje dospeva na limenu ploču koja nije pokrivena staklom (sl. 11.9-1.), kroz staklo prolazi oko 90% ovog zračenja talasnih dužina 0,3 – 3 µm i pada na limenu ploču.


282

Slika 11.9-1. Apsorber bez transparentnog pokrivača

Limena ploča se zagreva i počinje da emituje infracrveno zračenje talasnih dužina iznad 3 µm. Ove zrake prozorsko staklo ne propušta već ih apsorbuje i tako se zagreva. Zagrejano prozorsko staklo jedan deo toplote zrači nazad prema limenoj ploči (apsorber), a drugi deo u atmosferu. Na taj način se limena ploča zagreje do 90°C. Sloj na površini apsorbera ponaša se kao apsolutno crno telo, pošto prima celokupno Sunčevo zračenje. Tako u prostoru između prozorskog stakla i limene ploče nastaje efekt staklene bašte.

Slika 11.9-2. Apsorber sa dvostrukim transparentnim pokrivačem

Deo toplote koji prozorsko staklo zrači u atmosferu može se zadržat i praktično iskoristiti postavljanjem još jednog prozorskog stakla (sl. 11.9-2.), jer se time povećava stepen korisnog dejstva efekta staklene bašte. Iako je propuštanje svetlosti, odnosno koeficijent transmisije sada manji i znosi za oba prozorska stakla 75%, ipak se zbog povečanog korisnog dejstva efekta staklene bašte, livena ploča sada zagreva od 90 – 120°C. Kao što će se videti postavljane trećeg prozorskog stakla za praksu nema svrhe.

11.10. Uređaji za koršćenje direktne sunčeve energije Direktna Sunčeva eneigija može da se koristi u praksi njenom transformacijom u toplotnu, električnu i hemijsku energiju. Ovde će se razmotriti transformacija Suničeve energije u toplotnu, pošto je to najjednostavniji način za praktično korišćenje Sunčeve energije. Uređaj kojim se ostvaruje transformacija Sunčeve energije u toplotnu naziva se skupljač Sunčeve energije ili kolektor solarne energije. Prema konstrukciji i načinu funkcionisanja razlikuju se dve osnovne vrste solarnih kolektora: ravni i fokusirajući. Ravni kolektori skupljaju globalno Sunčevo zračenje i transformišu ga u toplotu do


283

100°C, dok fokusirajući pomoću optičkih sistema koncentrišu Sunčevo zračenje čime se postiže temperatura i do 3000°C. Koncentrisanje Sunčeve energije vrši se sistemom ravnih ogledala, sfernim, paraboličnim i cilindričnim ogledalima, kao i pomoću sabirnih optičkih sočiva. Razumljivo je da ovi uređaji za koncentrisanje Sunčeve energije uslovljavaju stalno usmeravanje prema Suncu. Za dobijanje tople higijenske vode i zagrevanje prostorija koristi se toplota niskih temperatura do 100°C. Ovo se postiže ravnim solarnim kolektorima zasnovanim na principima razmotrenim u prethodnom izlaganju.

11.10.1. Ravni solarni kolektori Ravni solarni kolektori su najjednostavniji uređaji pormoću kojih se globalno Sunčevo zračenje može uhvatitl, apsorbovati i pretvoriti u toplotu. Ravni solarni kolektor (sl. 11.10-1.) se sastoji iz tri osnovna dela: upojača ili apsorbera, toplotne izolacije i zastaklenja.

Slika 11.10-1. Shema poprečnog preseka ravnog solarnog kolektora sa jednostrukim zastaklenjem: 1 – apsorber, 2 – toplotna izolacija, 3 – prozorsko staklo, 4 – kutija, 5 – zaptivanje, 6 – dovod hladne vode, 7 – odvod tople vode

Apsorber je ravna ploča od materijala koji dobro apsarbuje Sunčeva zračenje, premazana matcrnom bojom u kojoj protiče transportni medijum i odvodi toplotu dobijenu Sunčevim zračenjem. Toplotna izolacija sprečava gubljenje toplote iz kolektora na njegovim bočnim stranama, a naročito sa donje strane. Zastakljenje može biti jednostruko i dvostruko, a retko trostruko i ima ulogu obrazovanja u kolektoru već poznatog efekta staklene bašte, kao i zaštite od spoljnih meteroroloških promena. Brojevi na shemi (sl. 11.10-1.) označavaju iste elemente kao na slici 11.10-2. samo što broj 3 sada označava dva prozorska stakla. Otvori na apsorberu ili u njemu shematski prikazuju cevi koje su u neposrednom kontaktu sa apsorberom i služe za odvođenje Sunčevim zračenjem zagrejanog transportnog medijuma do potrošača ili akumulatora toplote. Ove cevi su takođe obojene matcrnom bojom i tako postavljene da fluid kroz njih protiče što duže i da tako bude što više izložen Sunčevom zračenju.


284

Slika 11.10-2. Shema poprečnog preseka ravnog solarnog kolektora sa dvostrukom zastaklenjem

Shematski su prikazane gornje površine kolektora sa najjednostavnijim i najčešćim načinom postavljanja na apsorber. Zmijasto savijena metalna ili plastična cev (sl. 11.10-3.) učvršćena je uz ploču apsorbera A, a tako da na jednom kraju (1) ulazi hladna voda, a na dugom (2) izlazi topla posle zagrevanja Sunčevim zračenjem. Na slici 11.10-3. shematski je prikazan slučaj kada su cevi paralelno učvršćene za ploču apsorbera A i nalemljene na dovodnu (1) i odvodnu cev (2). U daljem izlaganju razmotriće se značaj, funkcija i razne varijante konstrukcija pojedinih važnijih delova solarnog kolektora.

Slika 11.10-3. Postavljenje cevi na ploču apsorbera

11.10.2. Apsorber Najvažniji i najosetljiviji deo solarnog kolektora je apsorber jer od njega uglavnom zavisi efikasnost kolektora. Treba imati u vidu da je apsorber istovremeno i izmenjivač toplote jer toplotnu energiju primljenu od Sunca predaje transportnom fluidu koji je odvodi do potrošača ili u akumulator toplote za kasniju upotrebu. Postoje različite vrste apsorbera s obzirom na materijal od kojeg su napravljeni, način bojenja njegove površine, efikasnost u predaji toplote transportnom radnom fluidu i način ugradnje u solarni sistem. Apsorberi se prave od bakra, alumiinjuma, čelika, mangana i specijalnih vrsta plastičnih materijala. Postoje mogućnosti i razne kombinacije ovih materijala, na primer, ploča od bakra sa aluminijumskim cevima ili obratno. Veoma je postojan i efikasan bakarni apsorber sa bakarnim cevima. Za aluminijumske apsorbere postoji opasnost od korozije naročito u primorskim


285

krajevima zbog prisustva soli u vazduhu. Čelični apsorber može da zarđa ako se iz njega za izvesno vreme odstrani voda. Pri izboru materijala za apsorber o svemu navedenom treba voditi računa. Razumljivo je da izbor materijala zavisi i od mogućnosti njegovog nalaženja na tržištu, kao i od cene. Površina apsorbera koja se izlaže Sunčevom zračenju premazuje se matcrnom bojom tako da se smanjuje gubitak toplote usled refleksije i difuzije svetlosti, a povećava apsorpcija ove površine. Sloj treba da bude i što tanji, pošto je boja toplotni izolator i loš provodnik toplote. Na taj način se postiže da apsorber apsorbuje preko 90% Sunčevog zračenja. Pošto solarni kolektor treba da traje više godina, mat-crna boja mora da bude postojana i otporna na temperature do 160°C. Apsorberi sa ovako obojenom površinom su neselektivni. Kada se gornja površina apsorbera oboji specijalnom bojom koja dobro apsorbuje kratkotalasno zračenje vidljivog Sunčevog spektra, a slabo emituje dugotalasno toplotno infracrveno zračenje, onda se dobija apsorber sa selektivnom površinom. Solarni kolektor sa ovakvim apsorberom ima male toplotne gubitke koji nastaju zračenjem apsorbera, jer on više apsorbuje toplotne energije nego što je emituje. Ovo se može objasniti time što je debljina sloja ove boje veoma mala i iznosi ispod 3 cm, tako da propušta infracrvene zrake, ali ih zagrejan slabo emituje. Od 100% Sunčevog zračenja koje primi, selektivna površina apsorbera apsorbuje oko 95% toplotnog infracrvenog zračenja, a izrači samo oko 5%. Stoga se u poslednje vreme za solarne kolektore sve više koriste apsorberi sa selektivnom površinom. Međutim, selektivne površine su za sada veoma skupe, a njihova postojanost još nije dovoljno ispitana.

Slika 11.10-4. Razni profili metalnih cevi

U cilju efikasnije predaje primljene toplote radnom fluidu, apsorber treba da ima što bolju provodljivost toplote i da bude u što neposrednijem kontaktu sa fluidom. O tome se mora voditi računa pri izboru materjala i konstrukciji absorbera. Na slici 11.10-4a. prikazani su razni profili metalnih cevi ugrađenih u ravnu ploču apsorbera zavarivanjem ili utvrđenih u profilisanim ležištima ploče. Kao što se vidi postoji tendencija da dodirna površina između cevi koje transportuju fiuid i ploče apsorbera bude što veća. Na slici 11.10-4b. prikazani su neki profili crnih cevi, zavarenih folija i profilisanih ploča od plastičnog materijala.

Slika 11.10-5. Profil apsorbera


286

Na slici 11.10-5. posebno je prikazan profil apsorbera izrađen po tzv. rolbond postupku. Ovaj postupak najčešće se primenjuje na aluminijumski lim. Dve ravne ploče od aluminijuma postave se jedna iznad druge i učvrste tako da se nakon profilisanja mogu ponovo razdvojiti. Na određenim mestima se uduva vazduh pod velikim pritiskom i tako se dobija profil lima sa cevima prikazan na sllci 11.10-5. Ovakvi profili apsorbera mogu se dobiti brzo i serijski ali treba imati u vidu da aluminijum lako rđa. I pored nastojanja da se konstruktivnim usavršavanjem postigne što bolji kontakt imeđu ploče apsorbera i radnog fluida, ipak se gubi toplotna energija predata radnom fluidu na mestima zavarivanja dodirnih površina i u prostoru među cevima. Stoga se u poslednje vreme sve više koristi tzv. vodno-filmski postupak pomoću plastičnih apsorbera bez cevi.

Slika 11.10-6. Prikaz ravnog solarnog kolektora

Između dve ravne limene ploče dimenzija 120 x 80 cm, debljine 0,8 mm, postavi se 5 gvozdenih ploča dimenzija 4 x 60 cm, debljme oko 3 mm (sl. 11.10-6.). Obe ploče se zavare na zajedničkom rubu i tačkastim zavarivanjem spoje se umetnutim gvozdenim šipkama. Na krajevima tako dobijenog ,,sendviča" zavare se dovodna i odvodna cev za radni fluid. Gornja površina se oboji neselektivno mat-crnom bojom ili selektivnim premazom, donja se postavlja na toplotno izolovanu podlogu. Na taj način se dobija veoma dobar koeficijent korisnog dejstva apsorbera. Međutim, pošto su obe ploče čvrsto spojene površna izložen Suncu se jače zagreva i može da dođe do savijanja zbog različite dilatacije pojedinih limenih ploča. Pošto je dilatacija veća za veće površine, ovim su ograničene dimenzije ,,vodno-filmskih" apsorbera. Na shemi strelicom je pokazan tok fluida u ovom apsorberu. Pored navedenih osobina, apsorber treba da bude što jsdnostavniji za mogućnosti ručne izrade kao i za serijsku proizvodnju. Iz izloženog se vldi da za pojedinačnu i ručnu izradu najveću teškoću predstavlja povezivanje cevi sa pločom apsorbera profilisanjem i zavarivanjen. Stoga je za pravljenje solarnih kolektora pojedinačno ili serijski najpodesniji i najjeftinije da se koa apsorber iskoristi čelični pljosnati radijator koji se serijski proizvodi u našoj zemlji.

11.10.3. Prednji pokrivač solarnog kolektora Posle apsorbera važan deo solarnog kolektora je prednji pokrivač koji propušta Sunčevo zračenje do površine apsorbera. On ima dva osnovna zadatka: da u solarnom kolektoru uspostavi efekat staklene bašte i da zaštiti apsorber od neposrednog dodira sa atmosferskim vazduhom.


287

U neposrednoj blizini veoma zagrejanog apsorbera (sl. 11.10-7.) A, uvek se javlja konvektivno kretanje vazduha. Usled stalnog kretanja vazduha nastaje mešanje njegovih toplijih i hladnijih slojeva, zbog čega nastaje veliki gubitak toplote koju je apsorber primio. Postavljanjem staklenog pokrivača S (sl. 11.10-8.) u kolektoru iznad apsorbera ovaj gubitak se znatno smanjuje jer se time ograničava konvektivno kretanje vazduha. Stoga rastojanje izmeiđu prednjeg pokrivača kolektora i apsorbera treba da bude samo 20-30 mm. Na taj način se konvektivno kretanje vazduha između pokrivača i apsorbera znatno reducira i time smanji gubitak toplote apsorbera.

Slika 11.10-7. Konvektivno kretanje vazduha u blizini apsorbera

Slika 11.10-8. Postavljanje staklenog pokrivača u kolektoru

Pri izboru stakla za prednji pokrivač solarnog kolektora, treba obratiti pažnju i na kvalitet stakla. Utvrđeno je da od dve staklene ploče iste debljine povoljniji koeficijent tranasmisije svetlosti ima staklo čije su ivice svetle nego ono sa ivicama zelenkaste boje. Pošto je Sunčevo zračenje kratkotalasno, više zračenja prolazi kroz slaklo manje debljine. Na primer, od 100% = 1 upadnog zračenja kroz staklenu ploču debljine 3 mm prolazi 85%, odnosno 0,85, a kroz stiklenu ploču od istog malerijala debljine 6 mm. prolazi 81% odnosno 0,81. Treba imati u vidu kroz dvostruko zastakljen solarni kolektor staklena pločama od kojih svaka ima debljnu od po 3 mm ne prolazi 0,81 zračenja kao za ploču od 6mm, već 0,85·0,85=0,72. Poret ova dva osnovna zadatka, prednji pokiivač solarnog kolektora treba da zaštiti aposorber od zagađivanja, atmosferskih padavina i vlage. To znači da on treba da ima mehaničku i toplotnu otpornost, kao i hemijsku postojanost. Ove uslove najbolje zadovoljavaju staklene ploče i plastične folije izrađene od mešavine siaklenih vlakana i raznih vrsta polietilena. 0 izboru stakla bilo je govora, a od plastičnih folija treba birati onu koja pored ostalih potrebnih uslova u pogledu transmisije sretlosii ima postojanu boju u toku dužeg vremena. Iz dosadašnjeg izlaganja se vidi da je kod izrade solarnih kolektora potrebno odrediti broj pokrivača, njihove debljine i rastojanja izneđu pokrivača i apsorbera. U izlaganju o uslovima i principima je izložen značaj svih ovih veličina za stepen dejstva u korišćenju Sunčve energije. Ovde će se dati još neka praktčna iskustva zasnovana na teorisjikim izlaganjima o broju pokriviča solarnih kolektora. Broj pokrivača se bira u zavisnosti od mikroklime mesta u kome treba da se postavi solarni kolektor pri čemu je odlučujući faktor temperaturskih razlika imeđu apsorbera i okoline. Iz ranijeg


288

teorijskog razmatranja izlazi da veći broj pokrivača smanjuje toplotne gubitke i omoguđuje rad apsorbera na visokoj temperaturi u zimskim uslovima. Međutim, istovremeno je smanjena njihova ukupna propustljivost za upadno Sunčevo zračenje. Pri konstrukciji treba uskladiti ove efekte u cilju da se dobijc što veći koeficijent korisnog dejstva solarnog kolektora u datim uslovima. Sem toga, na odluku pri izboru broja pokrivača utiče jednostavnost konstruukcije, težina i cena solarnog kolektora. Stoga se u praksi najčešće koriste jedan i dva prednja pokrivača (jednostruko i dvostruko zastakljenje) solarog kolektora, a veoma retko i tri.

11.10.4. Izolacija i zaptivanje solarnih kolektora Kutija ili kućište solarnog kolektora može da bude od metala ili plastičnih materijala. Pored metala koji se koriste za apsorber, za kutiju sa može koristiti i pocinkovani lim.

Slika 11.10-9. Presek solarnog prijemnika

Kutija mora biti takva da u njoj budu obezbeđeni potpuna izolacija i zaptivanje svih delova solarnog kolektora, a naročito apsorbera i pokrivača. Dno kutije ispod apsorbera i bočne strane kutije mora da budu potpuno toplotno izolovani. Kao toplotno-izolacioni materijal koristi se najčeišće staklena vuna. Sloj staklene vune debljine 5-10 mm dovoljan je za termičku izolaciju dna i bočnih strana kutije salarnog kolektora. Staklena vuna nije skupa što takođe daje prednost njenoj primeni za toplotnu izolaciju. Umesto staklene vune za izolaciju se često koriste i sintetički penasti materijali kao što sa stiropor, poliuretan i dr. Ovi materjali su otporni na vlažnost, ali se tope već kod 100°C. Lako se seku u ploče nisu skupi i mogu se dobiti u trgovinama. U praksi je najbolje osobine izolacije protiv gubitaka toplote i vlažnosti pokazala kombinacija sloja staklene vune i sloja poliuretana, pri čemu se sloj slaklene vune (6) stavi iznad sloja poliuretana (8) (sl 11.10-9). Sloj sraklene vune tada štiti sloj potiuretana od toplote, a poliuretan sioj staklene vune od vlažnosti. U cilju povećanja koeficijenta korisnog dejstva solarnog kolektora, oba sloja izolatora se obaviju aluminijumskom folijom (5). Između tako dobijenog izolatora i apsorbera (3) ostavi se sloj vazduha dabljine oko 10 mm (4). Zagrejana aluminijumska folija zrači toplotne infracrvene zrake i vraća ih prema apsorberu. Na taj način toplotni gubitak apsoibera može da se ograniči na samo 3%. Pored izolacije potrebno je i dobro zaptivanje svih elemenata solarnog kolektora ugrađenih u kutiju, a naročito prednjih pokrivača. Ovo se postiže korišćenjem različtih lepkova među kojima se naročito ističe barsil.


289

11.10.5. Vazdušni solarni kolektori U pogledu radnog fluida solarni kolektori se dele na vodne i vazdušne kolektore. Do sada su razmatrani solarni kolektori kod kojih se koristi tečni fluid, najčešće vodi sa antifrizom protrv zamrzavanja. Ovo su tzv. vodni kolektori. Ređe se grade kolektori koji za tečni fluid korste ulje. Vasdušni solarni kolektori kao radni fluid koriste vazduh i rade na istom principu kao i solarni kolektori sa tečnim fluidom. Njihov zadatak je da uhvate, prikupe i sprovedu što je moguće veću količinu Sunčevog zračenja koristeći pored ostalog i efekt staklene bašte. Imaju iste glavne delove kao i solarni kolektor sa tečnim fluidom: apsorber, pokrivač izolatori skisloj. Apsorber vazdušnog solarnog kolektora je jednostavan i ne stvara konstruktivne teškoće kao kod vodnog kolektora. To može da bude svaka ravna i profilisana površina od materjala otpornog na toplotu do temperature od 160°C. Jer se do te temperature može zagrejati apsorber iziožen Sunčevom zračenju bez odvođenja toplote. Najčešće se upotrebijavaju tanko rebrasti i različito profilisani limovi od aluminijuma, bakra i čelika.

Slika. 11.10-10. Sheme nekoliko tipova solarnih vazdušmih kolektora

Pored efekta staklene bašte u konstrukciji vazdušnih solarnih kolektora koristi se još i efekat suprotnog (povratnog) strujanja vazduha i efekt rebrastih površina apsorbera. Toplotni efekat suprotnog strujanja vazduha poznat je u termodinamici, a koristi se i kod strujanja tečnih fluida. Efekat rebrastih površina sastoji se u tome da se ravna površina apsorbera izloži Sunčevom zračenju, a njegova rebrasta površina na suprotnu stranu. Na taj način manja površina prima Sunčevo zračenje, a veća emituje čime se postiže da pri relativno nižoj temperaturi apsorbera njegov koeficijent korisnog dejstva postane veći. S obzirom na jednostavnost u konstrukciji apsorbera solarnih vazdušnih kolektora bez komplikacije sa cevima, korozijom i vlaženjem kod vodnih kolektora, njihova pojedinačna i serijska izrada ne zadaju velike teškoće. Ovde su prikazane sheme (sl. 11.10-10.) nekoliko tipova solarnih vazdušnih kolektora.


290

11.10.6. Optimalni nagibni ugao solarnog kolektora Iz ranijeg izlaganja poznata je zavisnost intenziteta Sunčevog zračenja koje dospeva na neku površinu na Zemlji i ugla koji čine svetlosni zraci sa ovom površinom, što znači i za prijemnu površinu ravnog solarnog kolektora. Solarni kolektori su najčešće učvršćeni na krovovima kuća, terasama ili na čeličnim nosačima na zemlji. Ređe su pokretni tako da prate prividno kretanje Sunca na nebu. Solarni kolektori mogu se učvrstiti na čelične nosače tako da se njihov nagibni ugao menja u početku godišnjih doba, na primer, u početku letnjeg i zimskog perioda. Sunce, koje zračenjem predaje energiju solarnom kolektoru, prividno vrši dvostruko kretanje i to dnevno i godišnje. Prividno dnevno kretanje Sunca od istoka prema zapadu preko juga nastaje usled obrtanja Zemlje oko sopstvene ose od zapada ka istoku. Dnevni luk putanje prividnog kretanja Sunca iznosi 180°. Prividno godišnje kretanje Sunca nastaje usled kretanja Zemlje oko Sunca, zbog čega se Sunce na nebu prividno pomera 4 puta po 23°27' između severnog i južnog povratnika, pri čemu 2 puta menja smer svog prividnog kretanja.

Slika 11.110-11. Nagibni ugao solarnog kolektora

Razumijivo je da u ovakvoj situaciji nije mguće da na kolektor okrenut prema jugu Sunčevi zraci u toku dana i cele godine padaju na prijenmu površmu kolektora pod pravim uglom, kada solarno zračenje ima najveći efekat. Stoga je potrebno da se pri postavljanju solarnog kolektora za njegov nagibni ugao prema Zemlji izabere kompromisno rešenje tako da u toku godme ili pojedinih godišnjih doba, Sunčevi zraci padaju što je moguće normalnije na prijemnu providnu površinu kolekrora. Naročito je važno da se ovo postigne u intervalu od oko 6 časova u podne svakog dana kada je efekat Sučevog zračenja najveći. U krajevima sa čestim maglama potrebno je da se kolektori usmere prema jugu i malo zaokrenu prema zapadu da bi se popodnevnim Sunčevim, zračenjam nadoknadilo jutarnje izgubljeno usled magle. Treba imati u vidu da ravni solarni kolekrori funkcionišu i kada je nebo pokriveno tankim oblacima, jer tada dolazi do izražaja difuzno Sunčevo zračenje, čiji intenzitet može da dostigne i do 25% direktnog Sunčevog zračenja. Na (sl. 11.10-11.) prikazani su nagibni uglovi solarnog kolektora prema Zemlji (horizontu) za dobijanje najvećeg stepena iskorišćenja u toku cele godine (a), u letnjem periodu (b) i zimi (c) za predela na 45° severne geografske širine.

11.10.7. Koeficijent korisnog delovanja ili stepen iskorišćenja ravnog solarnog kolektora

Pretvaranje Sunčevog zračenja koje dospeva na ravni solarni kolektor u korisnu toplotu radnog fluida u kolektoru je komplikovan proces, jer zavisi od više faktora. Ranije je utvrđeno da je najvažnije da solarni kolektor ima što je moguće veći koeficijent apsorpcije α za kratkotalasno


291

Sunčevo zračenje, a što je moguće manji koeficijent emisije ε veće talasne dužine u području od 2 do 15 µm. Takođe je važno da koeficijent prolaza svetiosnih zraka τ kroz providni pokiivač sobnog kalektora bude što veći. Na primer, povoljne su vrednosti α = 0,90, τ = 0,85 i ε = 0,1. Koeficijent korisnog delovanja ili stepan iskorišćenja ravnog solarnog kolektora može se prikazati relacijom:

s

k

QQ

=η ............................................................................................................... (11.8)

gde je Qk korisna snaga ravnog solarnog kolektora, a Qs snaga Sunčevog zračenja. Korisna snaga kolektora jednaka je razlici primljene snage Qp=ατ Qs i gubitaka Qg:

gsk QQQ −⋅⋅= τα ............................................................................................ (11.9)

Ako se pojedini od glavnijih gubitaka označe sa Q1, Q2, i Q3 onda se može napisati:

321 QQQQg ++= ........................................................................................... (11.10)

gde je:

1Q - zračenje toplote providnog prednjeg pokrivača (najčešće stakla) u okolinu

2Q - konvektivno odavanje toplote providnog pokrivača

3Q - gubitak usled toplotne provodljivosti.

Kada se pojedini gubici izraze približno pomoću razlike temperature u solarnom kolekloru ts i temperature okoline t0, onda se dobija:

( ) tktkttQQQQ cscsg ∆⋅++=∆⋅+∆⋅+∆⋅=++= αααα321 ................... (11.11)

gde je:

0ttt s −=∆ ........................................................................................................ (11.12)

αS - koeficijent zračenja toplote prednjeg pokrivača u okolinu αC - koeficijent konvektivnog odvanja toplote prednjeg pokrivča

k - koeficijent gubitaka usled toplotne provodljivosti.

Ako se koeficijent ukupnih gubitaka toplote označi sa ku, dakle, ku = αS+αC+k onda se za gubitak dobija:

tkQ ug ∆⋅= ...................................................................................................... (11.13)

Zamenom vrednosti iz jednačma (11.9) i (11.10) u jednačinu (11.8), izlazi:

s

us

QtkQ ∆⋅−⋅⋅

=ταη ;

su Q

tk ∆−⋅= ταη ................................................... (11.14)

Za poznate vrednosti α, τ, ku iz jednačine (11.14) može se odrediti koeficijent korisnog delovanja ravnog solarnog kolektora η pomoću odnosa ∆t/QS, razlike temperature ∆t i snage Sunčevog zračenja QS.


292

Kada se u jednačini (11.14) η smatra kao funkcija promenljive ∆t/QS, onda ova funkcija predstavlja pravu liniju čiji je odsečak na ordinati OA= ατ, a uglovni koeficijent- ku. Prenošenjem vrednosti ∆t/QS, (m2KW-1) na apcisnu osu, a odgovarajuće vrednosti η na ordinatnu osu pravouglog koordinatnog sistema, za ku = 3, 4, 5 dobija se snop pravih sa zajedničkom tačkom A (sl. 11.10-12.) i to AD za ku = 3, AC za ku = 4 i AB za ku = 5.

Slika 11.10-12. Određivanje koeficijenta korisnog dejstva ravnog solarnog kolektora

Korisno je da se odredi i koeficijent korisnog delovanja ravnih solarnih vodnih kolektora različitih prednjih providnih pokrivača η u zavisnosti od temperature solarnog kolektora tS i okoline t0. U tom slučaju se na apcisnu osu nanosi temperaturska razlika ∆t=tS-t0, a na ordinatnu osu koeficijent korisnog delovanja η u procentima slika 11.10-13.

Slika 11.10-13. Određivanje koeficijenta korisnog dejstva vodenih solarnih kolektora

Prava (1) dijagrama na (sl. 11.10-13.) daje koeficijent korisnog delovanja u zavisnosti od razlike temperature ∆t, odnosno, količnika ∆t/QS, za ravni vodni solarni kolektor sa jednim staklom i apsorberom sa običnom crnom bojom. Prava (2) daje isto za kolektor sa jednim staklom i selektivnom bojom, prava (3) sa dva stakla i običnom bojom i prava (4) za solarni vodnik kolektor sa dva stakla i selektivnom bojom. Na primer, za ∆t=40°K odnosno ∆t/QS=0,05m2KW-1,


293

koeficijent korisnog dejstva ravnog solarnog vodnog kolektora sa jednim staklom i običnom bojom iznosi 40%, sa jednim staklom i selektivnom bojom. Iz navedenog primera i dijagrama uopšte se zapaža da jednostavniji ravni solarni kolektori imaju dosta veliki pad koeficijenta korisnog delovanja, odnosno stepena iskorišćenja.

11.10.8. Specijalne konstrukcije ravnih kolektora sa tečnim radnim sredstvom

Kao rezultat opsežnih i posebnih pravaca u istraživanju mogućnosti optimalnog prijema Sunčeve energije, a još više različitih standardnih tehnologija i sirovinske sposobnosti pojedinih proizvođača, pojavio se čitav niz kolektora koji se međusobno često puta razlikuju samo po konstrukciji, a mane po njihovoj efikasnosti ili ceni. Na slici 11.10-14. dato je jedno rešenje kolektora kod kojeg je apsorber izrađen iz, najčešće bakarnih cevi provučenih kroz snop posebno profilisanih lamela od aluminijuma, koji apsorbuju toplotu i predaju je tečnosti koja protiče kroz njih.

Slika 11.10-14. Jedno rešenje apsorbera solarnog prijemnika

11.11. Akumulisanje energije – osnovni principi i akumulatori toplote

11.11.1. Akumulatori toplote Prijem Sučeve energije je najveći u letnjem periodu, kada je ptreba za toplotom najmanja. Zimi, kada je potreba za toplotom najveća, zbog niskog položaja Sunca i kratkog vremena njegovog sijanja, prijem Sunčevog zračenja je najmanji. Ovaj raskorak između intenziteta Sunčevog zračenja i potrebe toplotne energije na Zemlji, otežava primenu Sunčeve energije. Sem toga, noć i meterološki uslovi imaju za posledicu neravnomernu podelu Sunčevog zračenja u toku godine, meseci i dana. Raskorak između prijema i potrebe Sunčeve energije može se ukloniti uštedom primljene Sunčeve energije, dogrevanjem pomoću drugih energetskih izvora ili kombinovanjem uštede i dogrevanja. Ušteda ili skladište primljene toplote vrši se pomoću skladišta ili akumulatora toplote. Akumulator toplote je uređaj pomoću kojeg se radnom fluidu vodnih ili vazdušnih solarnih kolektora oduzima toplota i akumulira uz najmanje gubitke tako da bude na raspolaganju u vreme


294

potrošnje. Kao što se vidi pored solarnog kolektora, akumulator toplote predstavlja najvažniji element solarnog sistema. Treba razlikovati niskoteperaturne akumulatore toplote za akumuliranje toplote do 100°C i visokotemperaturne za preko 100°C kod primene koncentrisanog Sunčevog zračenja. Vrste i dimenzije akumulatora toplote zavise od njegove namene , solarnog sistema kome se priključuju, raspoloživog prostora, meteroloških uslova i dr. Akumulator za čuva nje toplote u toku nekolio dana, nedelja ili meseci zahteva veće dimenzije od onog koji čuva toplotu od dana za noć. Sem toga, akumulatori za dugotrajno čuvanje toplote su komplikovaniji i skuplji. Analogno, za čuvanje toplote čaja nekoliko minuta dovoljan je jednostavan i jeftin čajnik, dok je za čuvanje nekoliko sati potrebna komplikovanija i skuplja termos boca. S obzirom na primenjene fizičke i hemijske pojave, razlikuju se uglavnom dve vrste akumulatora toplote: osetljivi i latentni. Kod osetljivih može se međutim dovedena toplota, zanemarivši gubitke, preuzeti u istoj količini i koristiti u određenom trenutku. U latentnim akumulatorima se fizičko-hemijskim promenama akumulisana toplota oslobađa i koristi. Za ovo se najčešće koriste fazni prelazi materjala iz jednog stanja u drugo kao što je topljenje i očvršćavnje pogodnih materjala. Kao medijum osetljivih akumulatora toplote koriste se voda, kamen, šljunak, pesak, beton, šamot, cigla i zemlja. Voda kao medijum akumulatora toplote koristi se najčešće kod solarnih sistema sa vodnim solarnim kolektorima. Ove akumulatore toplote čine u stvari rezervoari ili bazeni sa vodom uključeni u sistem solarnog grejanja (sl. 11.11-1.).

Slika 11.11-1. Akumulator toplote sa vodom 1 – solarni kolektor, 2 – primarni kružni tok, 3 – izmenjivač toplote,

4 – rezervoar sa vodom, 5 – ulaz hladne vode u, 6 – izmenjivač toplote, 7 – slavina za toplu vodu, 8 – ulaz tople toplote u radijator, 9 – radijator, 10 – povratak tople vode, 11 – hidro izolacija

Primarni kružni tok snabdeven je materjalom protiv smrzavanja (antifriz) za vreme hladnih dana i noći. Toplotnu energiju Sunčevog zračenja solarni kolektor preko izmenjivača toplote (3) predaje vodi u akumulatoru toplote. Razumljivo je da se mora uspostaviti odnos između dimenzija


295

akumulatora i solarnih kolektora. U velikom akumulatoru voda se sporo zagreva i ostaje mlaka. Stoga je celishodno da se povežu u sistem 2-3 akumulatora raznih dimenzija koji se mogu posebno uključivati u solarni sistem u zavisnosti od potreba i ntenziteta Sunčevog zračenja. Za brzo dobijanje tople vode do 90°C uključuje se najmanji akumulator, zatim srednji i na kraju najveći. Hladna voda u sistemu za grejanje zagreva se preko izmenjivača toplote (6) u sekundarnom kružnom toku i pomoću slavine (7) se koristi kao topla higijenska voda. Topla voda iz rezevoara ulazi u radijator (9) za zagrevanje prostorija. Voda ima najveću masenu količinu toplote što znači da ima najveću sposobnost primanja toplote po jedinici mase za svaki stepen Kelvina. Pri povišenju temperature za 1 K, 1 kilogram vode akumuliše 4,187 kJ, odnosno 1,163Wh. Prema tome povišenjem temperature masi od 1000 kg vode čija je zapremina 1m3 z a 1 K, ova masa vode akumuliše 4187 kJ, odnosno 1,163 kWh toplote. Ako se vodi u rezevoaru dimenzije 8 m3 povisi temperatura od 15 do 60°C, akumulisana toplota iznosiće:

( ) kWhKKm

kWhmQ 4191560163,18 33 =−⋅⋅= ............................................................ (219)

Akumulisana toplota je dovoljna da se zagreva stambena prostorija korisne površine 100 m2 u našim krajevima na 45° severne geografske širine u toku 3 zimska dana bez sunca. Razumljivo je da prostorija mora biti dobro toplotno izolovana. Najjednostavniji i najjeftiniji akumulatori toplote imaju za medijum čvrste materjale kroz koje struji topao vazduh solarnih kolektora (sl. 11.11-2.). Najčešće se koristi kamen tucanik u približno jednakim komadima dimenzija oko 5 cm.

Slika 11.11-2. Akumulator toplote sa čvrstim materijalom 1 – vazdušni solarni kolektor, 2 – ulaz toplog vazduha u akumulator, 3 – gomila kamenja, 4 – kapak za ispuštanje viška toplog vazduha,

5 – kapak za regulisanje dovoda vazduha u stambeni prostor, 6 – otvor za ulaz toplog vazduha,

7 – otvor za povratak vazduha u akumulator posle zagrevanja prostorije, 8 – ulaz povratnog vazduha kroz rešetku,

9 – ponovni ulazak povratnog vazduha u vazdušni solarni kolektor, 10 – zidovi sa dobrom toplotnom izolacijom i potpunim zaptivanjem


296

Sa slike se vidi jednostavna primena akumulatora toplote ispunjenog kamenjem za zagrevanje prostorija. Ovaj akumulator može da se ispuni sa nekoliko desetina tona kamena i tako akumulira toplotu dovoljnu za podmirenje grejanja prostorija u toku nekoliko dana bez sunca. Zbog svojih velikih dimenzija ovi akumulatori toplote se stavljaju u podrume ili garaže tako da mogu da posluže za podno i bočno grejanje prostorija. Na sličan način funkcionišu i toplotni akumulatori ispunjeni šljunkom, peskom, betonom, šamotom, pečenom ciglom i suvom zemljom. Akumulisanje toplote vrši se vodnim ili vazdušnim akumulatorom. U prvom slučaju topla voda iz solarnog kolektora protiče cevima ugrađenim u materjalima kojim je ispunjen akumulator.U drugom slučaju topli vazduh iz vazdušnog kolektora struji kroz cevi ili kroz međuprostore materjala kojim je ispunjen akumulator. Razumljivo da zid ili pod prostorije kroz čije šupljine struji topao vazduh ili sa ugrađenim cevima kroz koje teče topla voda, predstavlja u stvari akumulator toplote. Treba imati u vidu da je kamen pri istoj masi oko 5 puta (tačnije 4,64 puta) slabiji medijum za akumulisanje toplote. S obzirom da je relativna gustina kamena u odnosu na vodu oko 2,5 izlazi da pri istoj zapremini kamen ima oko dva puta manju sposobnost akumulisanja toplote. To znači da u 1 m3 kamenog akumulatora može da se akumulira oko 0,5 kWhK-1 toplote, tako da pri istij akumulaciji toplote akumulator sa kamenom treba da ima dva puta veće dimenzije. Energijom od 1 kWh koju Sunce emituje na površinu Zemlje, može se zapremini od 80l=0,08 m3, odnosno masi od 80 kg vode, povisiti temperatura za 10°C. Ista ova energija za isti broj stepeni može da povisi temperaturu kamenu zapremine 0,160 m3, odnosno mase oko 400kg. Latentni akumulatori toplote predstavljjaju najpodesnije i najefikasnije akumulatore toplote. Kao što je rečeno zasnovani su na faznom prelazu, odnosno topljenju i očvršćavanju materjala. Materjali se tope na određenoj temperaturi (tački topljenja) i dok se ne otopi i njegov poslednji delić, temperatura ostaje kostantna. Pošto se dodavanjem toplote za vreme topljenja materjala temperatura ne menja, ova toplota se naziva skrivenom ili latentnom toplotom topljenja. Na isti način i na istoj konstantnoj temperaturi se odvija i obratni proces – očvršćavanje odnosno kristalizovanje. Temperatura kristalizovanja jednaka je temperaturi topljenja i ostaje konstantna za vreme kristalizovanja. Pri kristalizovanju oslobađa se latentna toplota kristalizovanja koja je prema zakonu održanja energije jednaka akumulisanoj toploti topljenja. Na ovoj fizičko-hemijskoj pojavi faznih prelaza materijala zasniva se latentni akumulator toplote. Pri tom je potrebno koristiti materijale sa što nižom tačkom topljenja. Jedan od najpoznatijih materijala za ove svrhe je glauberova so ili natrijumsulfat (Na2SO4), koji sa 10 molekula vode obrazuje natrijum-sulfat-dekahidrat (Na2SO4 10 H2O) sa tačkom topljenja 32°C. Za vreme topljenja ova temperatura ostaje konstantna i stoga ovakav akumulator toplote predstavlja termostabilizator. Pri topljenju glauberova so akumulira toplotu od 209350 Jkg-1K-1 na 32°C. Očvršćavanjem istopljene glauberove soli na istoj temperaturi oslobađa se akumulirana latentna toplota u istoj količini i ona se može koristiti za grejanje. U 1 m3 glauberove soli može akumulirati 3,6 puta više toplotne energije nego u istu zapreminu vode. Pri povišenju temperature glauberovoj soli, na primer, od 21 do 32°C, može se akumulirati oko 8 puta više toplote nego pri istom povišenju temperature istoj količini vode. Iz izloženog se vidi da latentni akumulatori toplote zauzimaju mnogo manji prostor od osetljivih. Međutim, ostaje da se reši pitanje njihovog trajanja i cene. Usavršavanjem ovih akumulatora toplote od velikog je značaja za primenu solarne energije danas i u budućnosti.


297

Cilj je da se pronađu materjali koji se tope na sobnoj temperaturi oko 20°C tako da zidovi mogu da posluže kao latentni akumulatori. U prodaji se već nalaze latentni akumulatori sa materjalom čija je tačka topljenja 28°C. Švajcarska štampa je objavila 1978. godine da je pronađen materijal koji se zatvoren u plastičnim kuglicama ili šipkama dodaje betonu čime njegove termičke osobine potpuno menjaju. Na taj način se može postići da se pri istim zapreminama u ovakvom betonu može akumulirati 15 puta više toplote nego u vodi ili 30 puta više nego u kamenu. Treba imati u vidu da izbor akumulatora pored solarnog sistema zavisi i od raspoloživog prostora, materijala i cene. Jednostavni i jeftini osetljivi akumulatori toplote zahtevaju veliki prostor, odnosno velike rezervoare, dok skupi latentni akumulatori zahtevaju manji prostor. Već sadašnji razvoj latentnih akumulatora toplote pokazuje da njima pripada budućnost. U tabeli 11.11-1. date karakteristične vrednosti najglavnijih materjala za akumulaciju toplote.

Tabela 11.11-1. Karakteristične vrednosti materijala za akumulaciju toplote

Veličina Voda Kamen Suva zemlja

Glauberova so

Masena količina toplote [ Jkg-1oC-1] 4187 838 838 2000

Toplota faznog prelaza [Jkg-1] - - - 209350

Gustina [kgm-3] 1000 2300 1260 1600

Masa za akumuliranje 1 GJ tona toplote pri povišenju temperature za 20°C 12 60 65 4

Odgovarajuća zapremina [m3] 12 26 50 2

11.11.2. Raspodela i regulacija toplote u solarnom sistemu Pored solarog kolektora i akumulatora toplote, neohodni delovi solarnog sistema za dobijanje tople vode i zagrevanje prostorija su cirkulaciona pumpa ili ventilator za pogon radnog fluida, uređaj za automatsko uključivanje i isključivanje solarnog sistema i grejač za dopunu grejanja kada doprinos Sunčeve energije nije dovoljan. Kružni tok između solarnog kolektora i akumulatora toplote, a takođe i raspodela toplote u kući ili stanu, mora se regulisati automatski. Voda iz kolektora može se sprovesti u solarni sistem samo tada kada je temperatura gornje površine kolektora viša od temperature u njemu. To znači da se kružni tok iz kolektora mora prekinuti pri nailasku oblaka i noću. Prilikom prekida kružnog toka mora se sprečiti pregrejavanje na pojedinim mestima u solarnom sistemu. Solarni sistem može biti uključen samo tada kada je temperatura akumulatora toplote niža od temperature solarnog kolektora. Čim se temperatura akumulatora izjednači sa temperaturom kolektora, doprinos solarne energije počinje da postaje negativan i solarni sistem se mora isključiti. Razumljivo je da automatika za uključivanje i isključivanje solarnog sistema u rad mora izvesti stručno i precizno. Iz navedenog se već može zaključiti da se mora uspostaviti automatska povezanost u radu između solarnog kolektora i akumulatora toplote, solarnog kolektora i izmenjivača toplote za potrošača, kao i akumulatora i izmenjivača toplote za potrošača. Regulacija mora biti takva da se po potrebi


298

omogući posebno automatsko uključivnje u rad svakog od ovih delova solarnog sistema. Najjednostavniji i najčešći u upotrebi je niskotemperaturni vodni akumulator koji radi na niskim pritiscima. Stoga će se automatska regulacija u solarnom sistemu shematski prikazati na instalacijama za korišćenje Sunčeve energije pomoću vodnih solarnih kolektora i niskotemperaturnih akumulatora toplote sa vodom koji radi na niskim pritiscima (sl. 11.11-3.).

Slika 11.11-3. Automatska regulacija u solarnom sistemu

Toplotna Sunčeva energija prikupljena solarnim kolektorom S prenosi se na radni fluid u zatvorenom sistemu cirkulacije S – P1 – I koji delovanjem cirkulacione pumpe P1 preko izmenjivača toplote i prenosi toplotu prema potrošaču P0. Na taj način se potrošač snabdeva toplom vodom direktno iz solarnog akumulatora preko izmenjivača toplote. Kada se u sistemu S – P1 – I postigne maksimalna radna temperatura, veoma osetljiv termometar T1 (senzor) na izmenjivaču toplote preko električnog regulatora R deluje na termostatske ventile V1 i V2 i tako omogućuje da se delovanjem cirkulacione pumpe P1 višak toplote iz baterije solarnih kolektora S preko sistema S – P1 – A predaje akumulatoru A. Termostatski senzori T2 i T3 na ulazu iz kolektora odnosno na akumulatoru automatski obezbeđuju uključenje pumpe P1 i rad sistema S – P1 – A samo uslučaju kada je temperatura radnog medijuma u kolektorima viša od temperature radnog medijuma u akumulatoru. Čim se temperature radnog fluida u kolektorima i akumulaturu izjednače, električni regulator R isključuje pumpu P1 i tako se prekida sistem S – P1 – A. U slučaju kada su temperaturski intenziteti solarnih kolektora, akumulatora i izmenjivača toplote nedovoljni, u cilju nesmetanog i neprekidnog rada potrošača toplote, uključuje se dopunsko najčešće električno grejanje G. Tada se sistemom regulacije isključuje sistem S – A – I s tim da se u rad u tom sistemu može nezavisno odvijati kada je temperatura u bateriji solarnih kolektora viša od temperature akumulatora toplote. Treba imati u vidu da se niskotemperaturnim akumulatorom toplote koji radi na niskim pritiscima odlikuje lakšom konstrukcijom i malom debljinom zida. Voda iz ovakvog akumulatora se ne menja čime se sprečava mogućnost pojave veće količine kamenca. Takođe nije potrebno održavanje čistoće u ovakvom akumulatoru.


299

Naročitu pažnju treba pokloniti nastojanju da se spreče gubici u sistemu za raspodelu toplotne energuje ma koliko oni bili mali i bez obzira na mesto u solarnom sistemu gde se pojavljuju. Naime, i najmanji gubitak radnog fluida na pojedinim mestima solarnog sistema, na primer, jedva primetno curenje vode, u toku dužeg vremena može da dostigne značajne razmere i tako smanji efikasnost solarnog sistema.

11.11.4. Solarni bojleri Uređaj za dobijanje tople higijenske vode pomoću Sunčeve energije, nazivaju se solarni bojleri. Oni mogu biti sa prirodnom ili prinudnom cirkulacijom radnog fluida. S obzirom na konstrukciju bojleri sa prirodnom cirkulacijom fluida su direktni (protočni,otvoreni) ili indirektni (cirkulacioni,zatvoreni) solarni sistemi. Direktni solarni bojer sa prirodnom cirkulacijom fluida (sl. 11.11-4.) je najjednostavniji po konstrukciji jer nema iznmenjivač toplote niti poseban akumulator, pa je stoga i najeftiniji.

Slika 11.11-4. Solarni bojler sa prirodnom cirkulacijom fluida - direktan sistem 1 – ravni solarni vodeni kolektor, 2 – rezervoar kroz koji cirkuliše voda, 3 – cev za dovod hladne vode, 4 – cevza odvod tople vode potrošaču, 5 – izolacija, 6 – slavina za ručnu regulaciju cirkulacije fluida između apsorbera i rezervoara, 7 – slavina za ručnu regulaciju cirkulacije fluida između apsorbera i rezervoara, 8 – slavina za pražnjenje fluida

Sastoji se iz dva glavna dela ravnog solarnog vodnog kolektora i dobro izolovanog rezervoara kroz koji cirkuliše voda. Voda u ovom rezervoaru može da ostane topla 2-3 dana. Na slici 11.11-4. data je shema crnog bojlera sa njegovim glavnim i ostalim delovima. Rad ovog solarnog kolektora odvija se spontano prirodnom cirkulacijom radnog fluida poznatom u termodinamici pod nazivom termosifonski. Zagrevanjem vode u solarnom kolektoru nastaje razlika u temperaturi vode, a time i u njenoj gustni između kolektora i ostalih delova bojlera. Topla voda manje gustine penje se naviše, a hladnija i guišća pada na dno rezervoara sve do ponovnog ulaza u kolektor. Time se uspostavlja cirikulacija fliulda koja se održava u bojleru sve dok je temperatura kolektora viša od temperature ostalih delova bojlera, tj. dok ima sunca. Sistem se spontano isključuje čim se izjednači temperatura vode u kolektoru i ostalim delovima bojlera. U slučaju kada temperatura vode u rezervoaru postane veća od temperature u kolektoru, oblačnih dana i noću, kolektor počinje da funkcionše kao hladnjak što se sprečava prekidom veze između kolektora i rezervoara i slavinama (6) i (7).


300

Radni fliuid kod ovog bojlera može da bude higijenska ili tehnloška voda, ulje i nafta. Pošto je radna temperatura kolektora najčešće od 40 do 60°C, dolazi do taloženja kamenca, čime se smanjuje efikasnost apsorbera u prenosu toplote na vodu i može da dođe do začepljenja apsorberskih kanala za protok fluida. Postoji opasnost od zamrzavanja vode u kolektoru i nastupanja havarije, zbog čega se bojler mora prazniti u takvim slučajevima. Treba imati u vidu da zamrzavanje vode može da bude i na nekoliko stepeni iznad 0°C, zbog sopstvenog zračenja crne ploče apsorbera. Indirektni solarni bojler sa prirodnom cirkulacijom fluida (sl. 11.11-5.) je nešto komplikovaniji i skuplji zbog uvođenja izmenjivača toplote, ali je sigurniji i ima svestraniju primenu. Primarni kružni tok vode koji čine kolektor i izmenjivač toplote, omogućuju da se izbegnu zamrzavanja usled mraza i nastanaka kamenca.

Slika 11.11-5. Solarni bojler sa prirodnom cirikulacijom fluida posredstvom izmenjivača 1 – ravni solarni kolektor, 2 – cevi transmisije fluida između kolektora i izmenjivača toplote, 3 – cevi transmisije fluida između kolektora i izmenjivača toplote, 4 – izmenjivač toplote, 5 – ekspanzioni sud, 6 – rezervoar za skladištenje tople vode, 7 – termička izolacija, 8 – cev za dovod hladne vode, 9 – cev za odvod tople vode potrošača

Opasnost od zamrzavanja vode na niskim temperaturama izbegava se mešanjem vode kao radnog fluida u primarnom kružnom toku sa sredstvom protiv zamrzavanja, na primer, antifrizom. U ovom slučaju treba obezbediti da voda sa antifrizom iz izmenjivača ne dospe na neki način u higijensku vodu rezevoara namenjenu potrošaču, jer u protivnom može doći do trovanja ljudi. Razumljivo je da se u ovom kao u prethodnom slučaju zamrzavanje vode može izbeći pražnjenjem primarnog kruga vode pri niskim temperaturama od nekoliko stepeni iznad 0°C. Pražnjenjem se može vršiti i automatski ugradnjom termostatskih ventila koji se na niskim temperaturama automatski otvaraju i lako omogućuju pražnjenje vode iz primarnog kruga bojlera. Međutim, česta pražnjenja i punjenja novom vodom povećava izdvajannja kamenca u sistemu, zbog čega se efikasnost bojlera smanjuje. Ovo se može izbeći i ugrađivanjem posebnog rezervoara za skupljanje vode iz primarnog kruga i njeno ponovno vraćanje.


301

Topla voda iz solarnog kolektora dospeva u izmenjivač toplote sa koga se prenosi na vodu u rezervoaru, koja dospeva iz vodovoda. Zagrejana voda podiže se naviše i kroz odvodnu cev dospeva do potrošača. Za izmenjivač toplote ugrađen u primarni krug treba izabrati takve dimenzije, da se obezbedi brza izmena toplote izmeđunjega i vode u rezervoaru. Pri malim dimenzijama nema dovoljno vremena da izmenjivač toplote prenese svoju toplotu na vodu u rezervoaru, tako da se u solrni kolektor vraća još dosta topla voda. Koeficijent korisnog delovanja bojlera tada opada zbog inercije kružnog toka fluida i pregrejanost kolektora. Izmenjivač toplote može se izgraditi u obliku cilindra sa dvostrukim zidovima tako da radni fluid protiče između zidova čiji je razmak oko 5 mm. Međutim, imenjivač toplote od spiralnih cevi je bolji jer usporava termosifonski proces i omogućuje duže trajanje prenosa toplote od izmenjivača ka rezervoaru. Treba napomenuti da je korišćenje izmenjivača toplote u termosifonskom sistemu za grejanje poznato od 1935. godine. Na primer, u krajevima 45° severne geografske širine potreban je izmenjivač toplote površine oko 2 m2 da bi se u rezervoaru zagrejalo 200 litara vode do 60°C. Ovaj izmenjivač toplote se sastoji od 10 m duge spiralno savijene bakarne cevi unutešnjeg prečnika 30 mm, koliko iznose i prečnici ostalih cevi u sistemu. Jednakost unutrašnjih prečnika svih cevi u primarnom kolu bojlera, sprečava pad pritiska u sistemu i nastavak vrtložnih strujanja, što bi smanjilo efikasnost bojlera.

11.12. Grejanje solarnom energijom i pasivna solarna arhitektura

11.12.1. Grejanje prostorija solarnom energijom Za grejanje prostorija u zgradama Sunčevom energijom koriste se aktivni i pasivni solarni sistemi. Kada se pored grejanja prostorija želi istovremeno rešiti i problem dobijanja toplote potrošne vode pomoću solarne energije, onda se koriste kombinacije oda ova sistema, odnosno, mešoviti solarni sistem. Aktivni solarni sistem za grejanje zgrada zasnivaju se na principu voda-voda, voda-vazduh i vazduh-vazduh. Princip voda-voda je isti kao kod dobijanja toplote potrošne vode pomoću solarne energije, samo se ovde topla voda iz solarnoh odnosno akumulatora toplote, sprovodi u radijatore ili cevi podnog grejanja, za grejanje prostorija prema principu voda-vazduh. Princip vazduh-vazduh se zasniva na primeni vazdušnih solarnih kolektora pri čemu se kroz solarni kolektor propušta vazduh. Aktivni solarni sistem se primenjuje i za zagrevanje vode u otvorenim i zatvorenim bazenima zakupanje i plivanje. Pasivni solarni sistem za grejanje prostorija u zgradama zasniva se na korišćenju same zgrade kao solarnog kolektora bez posebnih uređaja. Ovaj pasivni način korišćenja Sunčeve energije za grejanje prostorija u zgradama je najracionalnije solarno grejanje prostorija u zgradama i stoga u poslednje vreme najviše privlači pažnju ljudi u svetu. Ponovo su aktuelne Sokratove ideje o solarnoj kući, zbog čijeg je napuštanja tokom vekova došlo do iscrpljenja fosilnih izvora energije i kritičkog zagađivanja životne sredine. Na slici 11.12-1. shematski je prikazan aktivni solarni sistem za podno grejanje prostorija u zgradi i dobijanje tople potrošne vode. Sistem je bez ugrađene toplotne pumpe i bez posebnog akumulatora toplote za duže vreme, ali ima ugrađene istalacije za dogrevanje električnom strujom.


302

Slika 11.12-1. Aktivni solarni sistem za podno grejanje

Prema datoj shemi delovi aktivnog solarnog sistema u ovom slučaju su: 1. baterija solarnih vodnih kolektora 2. rezervoar sa izmenjivačem toplote (bojler) za toplu potrošnu vodu 3. glavni rezrvoar kao kratkovremenski akumulator tople vode sa izmenjivačem toplote 4. izmenjivač toplote u kolektorskom kružnom toku 5. cirkulaciona pumpa primarne vode u kolektorskom kružnom toku 6. termostatski ventil 7. ekspanzioni sud 8. diferencijalni termometar 9. dovod hladne vode urezervoar za toplu potrošnu vodu

10. odvod tople potrošne vode 11. izmenjivač toplote u kružnom toku podnog grejanja 12. ekspanzioni sud 13. rezervoar tople vode za podno grejanje sa dodatnim električnim grejačem 14. električni grejač 15. cirkulaciona pumpa sekundarne voda u kružnom toku podnog grejanja 16. zmijaste cevi podnog grejanja 17. dovod vode u rezevoar sa podnim grejanjem 18. slavina za pražnjenje cevi u sistem podnog grejanja.

Diferencijalni termometar uključuje pumpu kada je temperatura na izlazu iz solarnog kolektora viša od temperature vode u rezervoarima. Kada se usled nepovoljnih prilika za korišćenja solarne energije u podnom grejanju ne postigne potrebna temperatura u prostoriji, uključuje se električni grejač za dogorevanje vode do potrebne temperature. Cevi podnog grejanja vezane su za rezervoare iz kojih crpe toplu vodu zagrejanu Sunčevom energijom pomoću baterije solarnih kolektora ili dopunskim grejanjem preko izmenjivača toplote.


303

Umesto podnog grejanja u ovom slučaju se može koristiti i uobičajeno grejanje radijatorima. Topla voda iz rezervoara preko izmenjivača toplote dovodi se u radijatore postavljene u prostoriji ispod prozora. Treba napomenuti samo da je za podno grejanje potrebno zagrejati vodu do 35°C, a za radijatorsko do 60°C. Jedan od glavnh uslova grejanja prostorija Sunčevom energijom je da zgrada mora potpuno termički izolovati kako bi se dobijena toplota sačuvala u unutrašnjosti prostorija. Dobro zaptivanje dvostruko zastakljenih prozora i vrata smanjuje gubitke toplote i omogućuje da se stečena toplota što više zadrži u prostorijama. Toplotni gubici koji naročito veliki noću, mogu se smanjiti upoterbom zastora na prozorima u vidu roletni ili debljih zavesa. Provetravanje se vrši češće, ali veoma kratko, koliko je potrebno da se vazduh u prostoriji obnovi. Obnavljanje vazduha u dobro termički izolovanoj kući može se vršiti i pomoću posebnog otvora. U tom slučaju mogu se smanjiti gubici koji nastaju usled obnavljanja vazduha postavljanjem izmenjivača toplote u otvor na mestu susreta vazduha koji izlazi iz prostorije i svežeg vazduha koji u nju ulazi. Na taj način svež vazduh ulazi u prostoriju već zagrejan i tako se smanjuju gubici toplote. Zagrevanje prostorija solarnim instalacijana prikazanim na shemi moguće je samo kad ima dovoljno sunca. Ovakav aktivan solarni sistem može se postaviti u svakoj postojećoj manjoj kući, naročito u selima i predgrađima i tako uštedeti 20-30% potrebne toplotne enrgije za grejanje ovih kuća. Međutim, smatra se da je solarna kuća u kojoj se Sunčevom energijom podmiruje više od 50% potrebne energije za grejanje njenih prostorija. Stoga aktivni solarni sistem stvarne solarne kuće ima ugrađenu toplotnu pumpu i povezan je sa posebnim duževremenskim akumulatorom toplote. Kao što je već poznato toplotna pumpa i akumulator toplote omogućuju rad solarnog sistema i pod nepovoljnim uslovima. U pravoj solarnoj kući može se podmiriti i do 60% potrebne energije za grejanje. Umesto solarnih baterija sa vodnim kolektorima, mogu se koristiti vazdušni kolektor, a time i princip vazduh-vazduh. Pomoću ventilatora se topli vazduh sprovodi iz baterije vazdušnih kolektora (sl. 11.12-2.) kroz skladište kamenja i odatle prostorije za grejanje.

Slika 11.12-2. Prikaz jednog aktivnog solarnog sistema


304

Pošto su duževremenski akumulatori toplote razmatrani posebno u prethodnom izlaganju, ovde će se pokazati samo način njihovog uključivanja u kružni kolektorski tok zgrade za čije se zagrevanje koristi solarna energija. Solarnu bateriju čine ravni solarni vodni kolektori (1) postavljeni na krov kuće. Duževremenski akumulatori toplote se sastoji od cilindričnog rezervoara sa vodom (2) opkoljenog gomilom kamenja (3). Topla voda primarnog kolektorskog kružnog toka u koji je ugrađena cirkulaciona pumpa (4), zagreva vodu u akumulatoru toplote. U cilju sprečavanja zamrzavanja vode, u primarnom krugu se nalazi antifriz. Zagrejana voda u rezervoaru akumulatora toplote prenosi toplotu na kamenje i preko njega zagreva okolini vazduh, koji se ventilatorom (5) ubacuje u prostorije zgrade. Rashlađeni vazduh pada naniže i vraća se u akumulator toplote. U prostoru (7) nalaze se ostali elementi solarnih instalacija (sl. 11.12-2.), potrebnih za dobijanje tople potrošne vode i podno ili radijatorsko grejanje prostorija, koji se povezuju sa duževremenskim akumulatorom toplote. Svi ovi elementi solarnih instalacija smešteni su u podrumu zgrade, susednoj garaži ili posebno izgrađenoj prostoriji koja se često naziva podstanica ("mašinska kućica"). Razumljivo je da je podrum najpodesnije mesto za smeštaj podstanice zbog veličine raspoloživog prostora i najpovoljnije mogućnosti povezivanja pojedinih elemenata aktivnog solarnog sistema za grejanje prostorija u zgradama.

11.12.2. Trombeov zid Neki nedostaci direktnog zahvata sunčeve energije mogu se otkloniti na način koji 1973.god. prvi predložio i primenio francuski naučnik Feliks Tromb (Felix Trombe), konstruktor poznate sunčeve peći na Pirinejima. On je južnoj strani svoje kuće sagradio masivan zid, koji je obojio u crnom bojom i zastaklio, pretvarajući ga na taj način u prijemnik. Zid je istovremeno i toplotno skladište, kao i grejno telo u prostoriji koja je iza njega.

11.12.2.1. Zid kao skladište Kad Sunce zagreje ovaj, kako se sad naziva Trombeov zid, toplota se posebno prenosi ka njegovoj unutrašnjoj strani, koja postaje sve toplija. Na taj načinse maksimalna amplituda toplotnog talasa promena ka unutrašnjoj površini zida dostiže je sa zakašnjenjem od nekoliko časova, u zavisnosti od debljine zida. Ovo je vrlo pogodno jer znači da će prostorija biti naj povoljnija oko 18 - 19 časova, što odgovara uobičajenom stilu življenja u dnevnoj prostoriji. Pored ovog direktnog grejanja zida, na njegovom donjem i gornjem kraju mogu se ostaviri otvori, tako da dolazi do prirodnog strujanja vazduha preko zagrejane apsorbujuće površine. Zagrejani vazduh se, prošavši kroz gornji otvor u prostoriju, spušta niz suprotni zid i rashlađen, kroz donji otvor ponovo ulazi u Trombeov zid (sl. 11.12-3.). Da se zid ne bi rashlađivao noću, korisno je u njega ugraditi termalni zastor, koji se spušta čim nema priliva nenrgije. Taj zastor ima veliku ulogu leti, i to toku dana, kada sprečava zagrevanje zida. A noću on se podiže, kako bi se zid rashladio zračenjem. Ukoliko zid nije snabdeven zastorom, kakav je bio slučaj u originalnom Trombeovom zidu, rashlađivanje se postiže danju prirodnom cirkulacijom vazduha, koji kroz otvor na severnoj strani ulazi u Trombeov zid, penje se uz toplu apsorbujuću površinu i ilazi napoljekroz poseban otvor.


305

Slika 11.12-3. Trombeov zid

11.12.2.2. Zatvoreno kolo Najnovije studije Trombovog zida i pokušaji da se ovim putem Sunčeva energija što bolje iskoristi doveli su do promena u koncepciji njegovog funkcionisanja. Pokazalo se da se boli rezultati dobijaju ako se ostvari strujanje vazduha kroz zatvoreno kolo, iz Trombeovog zida kroz kanale na tavanici i suprotnom zidu i, zatim, kroz sloj kamena ispod prostorije, da bi se odatle vazduh vratio u Trombeov zid. Ovo se može ostvariti bilo prirodnom ili forsiranom cirkulacijom.

Slika 11.12-4. Trombeov zid u varijanti sa vodom

Trombeov zid se može izvesti i u varijanti sa vodom (sl. 11.12-4.), tj. na mesto čvrstog zida postavlja se vodeni zid, odnosno metalni rezervoar napunjen vodom. Kao što smo već objasnili, u vodi se brže prenosi toplota sa jedne strane na drugu, te nećemo imati vremensko zakašnjenje u prenošenju toplote. To ima i nepovoljnu stranu zbog toga što se zid ne sme previše zagrevati, te je količina uskladištene toplote ograničena.


306

Debljina Trombeovog zida, bilo da je on od čvrstog materjala ili vodenog, mora se izračunati tako da se zadovolje uslovi maksimalnog zahvatanja energije i njenog najpovoljnijeg korišćenja. Obično, debljina iznosu između 30 i 40 cm.

11.12.3. Prednost pasivnog nad aktivnim solarnim sistemom za zagrevanje kuća

Već poznata Sokratova solarna kuća iz V veka pre naše ere pokazuje da su ljudi hiljadama godina razmišljali kako da se pasivnom solarnom arhitekturom zaštite od hladnoće i toplote. Vekovima su ljudi nastojali da svoje kuće izgrade tako da se za njihovo zagrevanje što više iskoristi direktna Sunčeva energija, a provetravanje prirodnim putem prilagođavanjem oblika i položaja kuće pravcima vetrova. Pored toga, raznim dodatnim elementima kući nastojalli su da se oblaže i otklone uticaji kolebljivosti spoljašnje temperature, naročito u prelazu iz letnjeg u zimski period, na unutrašnju temperaturu kuće. Radi utvrđivanja prednosti pasivnog solarnog sistema u odnosu na aktivan pri korišćenju Sunčeve energije za energije za zagrevanje prostorija, potrebno je da se razmotri tok solarne energije kod jednog aktivnog sistema. Na slici 11.12-5. shematski je prikazan tok solarne energije kod solarnog sistema sa ravnim dvostruko zastakljenim vodenim kolektorom u zimskom periodu kada je zagrevanje prostorija najpotrebnije. Kao što se vidi gubici solarne energije u samom kolektoru i transmisiji radnog fluida od kolektora do potrošača značajni su tako da od 100 % Sunčeve energije koju primi solarni kolektor, samo 25 % dospeva do potrošača. Usavršavanje solarnih kolektora i dobrom izolacijom ovaj procenat korisne energije može se povećati i do 30 %. Pretvaranje Sunčevog zračenja u toplotnu energiju u ovom slučaju zavisi ne samo od meteoroliških uslova, već takođe od radnih uslova solarno sistema i kvaliteta solarnih kolektora.

Slika 11.12-5. Tok solarne energije

Koeficijent korisnog delovanja solarnog kolektora iznosi η=45 %, tako da odnos priraštaja temperatur ∆t i efekta Sunčevog zračenja QS za većinom maglovite i oblačne dane u zimskom periodu kada se pretežno koristi difuzno sunčevo zračenje, iznosi:

∆t/QS=∆t/400 Wm-2=0,04W-1m2K, odakle je ∆t=16 K=16°C


307

Za manji jbroj sunčanih dana odnos je:

∆t/QS=∆t/600 Wm-2=0,05W-1m2K, odakle je ∆t=30 K=30°C

Ako se uzme u obzir da srednja temperatura vode koja iz vodovoda dospeva u solarni kolektor iznosi u zimskom preiodu oko 15°C, izlazi da će posle zagrevanja Sunčevom energijom u kolektoru temperatura vode iznositi u oblačnom i maglovitom zimskom periodu oko 31°C, a u sunčanim danima 45°C. Prema poznatim zakonima termodinamike toplota se prenosi samo sa tela više na telo niže temperature. Stoga je za podno grejanje vodom potrebna temperatura vode od najmanje 30°C, a za radijatorsko oko 40°C, da bi se u prostoriji postigla temperatura od oko 22°C. Iz dobijenih rezultata se vidi da je temperatura vode postignuta grejanjem Sunčevom energijom pomoću ravnih vodenih solarnih kolektora za vreme oblačnih i maglovitih dana jedva dovoljna za podno grejanje. Sem toga vidi se da kada se efikasnost Sunčevog zračenja zbvog oblačnosti i magle smanji na polovinu, ravni vodni solarni kolektori postaju gotovo neupotrebljivi. U zimskom periodu mogu se koristiti za vreme sunčanih dana kada se pomoću njih postiže temperatura vode i do 45°C. Vazdušni solarni kolektori u ovom slučaju takođe nisu upotrebljivi zbog njihovog manjeg koeficdijenta korisnog delovanja. Velika prednost pasivnog nad aktivnim solarnim sistemom je u tome što primenom pasivnog solarnog sistema za zagrevanje, kuća neposredno zahvata Sunčevo zračenje kroz staklene površine. Ovo zahvatanje Sunčeve energije bez solarnih kolektora kao posrednika odnosi se kako na direktno tako i na kifuzno Sunčevo zračenje pa je prinos Sunčeve energije obezbveđen celog dana, čak i kada je nebo pokriveno tankim oblacima kroz koje su Sunce samo nazire. Ova energije se prenosi na unutrašnje prostorije i objekte u njoj čije temperatura treba da bude 18-22°C. Efekat gubitaka toplotne energije kroz prozore, vrata, pod i preko zidova mogu da budu odo 100 W m-2, što se danju nadoknađuje snagom Sunca koja danju gotovo nikad nije manja od 100 W m-2.

11.12.4. Uslovi za primenu pasivnog solarnog sistema za grejanje kuća

Da bi se na jednu kuću primenio pasivni solarni sistem za njeno zagrevanje, potrebno je da ona zadovolji izvesne uslove kako bi što više došao do izražaja pasivni solarni sistem. Za lokaciju zagrade po mogućnosti treaba izabrati juznu padinu tako da njeno osunčavanje tokom dana bude napovoljnije i da istovremeno bude zaštićena od hladnih sevrnih vetrova. Dužna dimenzija zgrade treba da zauzme pravac stok-zapad, kako bi što veća njena površina bila izložena suncu. U krajevima gde često ima magle, kuću treba malo zaokrenuti od juga prema zapadu, kako bi se bolje iskoristilo kpopodnevno sunce po prestanku magle. Da bi kuća što bolje zahvatila Sunčevo zračenje, njena južna strana treba da ima što veći otvor zastakljen providnom staklenom pločom. To mogu da budu zastakljeni zid, prozor, vrata, veranda. Podesnom orijentacijom, nagibima, toplotno zaštitnim međuzonama kao što su dvostruki ulaci,m lođe, zaštićene terase i dr., zaštiti zgradu od hladnih vetrova. Oko kuće zasaditi drveće kao zaštitnu zonu ali tako da se na južnoj strani zagrade zasadi i listopadno drveće kako bi zgrada bila zimi izložena suncu, a leti u senci. Prostorije za boravak treba izgraditi na južnoj strani, a kuhinju, kupatilo, ostavu, kotlarnicu i garažu na severnoj tako da služe kao zaštitne zone.


308

Toplotna akumulacija zidova i drugih elemenata kuuće treba da bude što veća. Obvezbediti maksimalnu termičku zaštitu primenom propisane toplotne izolacije temelja, poda, zidova, tavanice, krova, vrata, prozora i dr. Za spoljašnje severne i istočne zidove treba da bude k < 0,3 Wm-2K, a za prozore k <1Wm-2K.

11.12.5. Pasivno korišćenje sunčeve energije bez protoka vazduha Pasivno korišćenje Sunčeve energije za grajanje prostorija u kućama i drugim objektima najčešće se obezbeđuje prilagođavanjem delova površina južnih fasada kuće i drugih objekata da obavljaju funkciju apsordera Sunćeve energije. Ovo se postiže na taj način što se pomenute površine zidova oboje crnom bojom i na određenom rastojanju od zida zatvaraju staklenom ili providnom plastičnom pločom tako da ove površine odvoje od spoljašnje sredine termo i hidro izolacijom. Sunčesvi zraci ulaze u prostoriju kroz providnu ploču kao kroz prozor i stoga se ovaj način pasivnog solarnog grejanja često naziva grajanje diredtnim zahvatanjem Sunčevog zračenja. Staklena površina i zid obljekta obrazuju u stvari vazdušni solarni kolektor. Iz ovog kolektora se toplota sa spoljašnje apsorberske površine fasade kroz zid prenosi na vazduh u prostoriji koja se greje, pri čemu ne dolazi do protoka toplog vazduha iz kolektorskog prostora u prostor koje se greje. Ako je prostor između staklene ploče i zeda manji, onda od služi kao termo i hidro izolacija apsorberske površine zida. Međutim, u praksi je znatno češći veći vazdušni međuprostor koji pored termo i hidro izolacije može da posluži i kao staklena bašta (sl. 11.12-6.) za držanje cveća tokom zime.

Slika 11.12-6. Mini staklena bašta

Pod, zidovi i stvari u prostoru apsorbuju Sunčeve zrake koji na njih direktno padaju tako da zagrajani pod zidovi i predmeti u prostoriji emituju toplotu i energiju (sl. 11.12-7.).

Slika 11.12-7. Pod kao apsorber toplote


309

Usled rasejavanja svetlosni zraci indirektno dospevaju na zidove itavanicu koji takođe zagrjani zrače toplotnu energiju. Zračenje toplote sa svih strana u prostoriji, veoma prijatno deluju na ljude koji su u njoj nalaze. To znači da pasivnu solarnu kuću čini sve ono što se nalazi iza zastakljene površine. Temperatura u prostoriji zavisi od meteoroloških uslova okoline, veličine južne zastakljene površine, mase, vrste materijala i boje zidova i predmeta koji apsorbuju Sunčeve zrake. Temperatura raste u toku dana naročito u prostoriji na južnojh strani zgrade, dostiže maksimum po podne, a zatim opada sve do narednog jutra.

11.12.6. Problemi pregrevanja prostorija i njihovo otklanjanje Problemi pregravanja prostorija pojavljuje se na samo u letnjem periodu kada je potrebno hlađenje prostorija, već i u zimskom pesriodu za vreme sunčanih dana kada je spoljašnja temperatura dovoljo visoka. Prostorija sa zastakljenim površinama na južnoj strani se danju preterano zagreju, a noću ohlade tako da su izložene velikim temperaturskim kolebanjima. Tako se javlja problem akumulisanja toplote u zimskom periodu i sprečavanja ulaza Sunčevogzračenja u toku leta, kako bi se sprečilo pregrevanje prdostorija. Otvaranje prozora u zimskom periodu nije rešenje, jer se time gubi primljena toplota. sem toga, kada je spoljašnja temperatura relativno niska, na primer 10°C, otvaranjem prozora hlade se zidovi prostorija pa se mora trošiti toplotna energija za njihovo zagrevanje do 18 ili 22°C. Smanjenje pregravanja prostorija u zimskom periodu postiže se izgaradnjom zidova veže mase radi akumulisanja suvišne toplotne energije. Za ovo je podesnija voda jer u njoj brže dolazi do melšanja hladnijeih i toplih delova. Na primer, Amerikanac Stiv Ber je iza južne zastakljenefasade u kući postavi metalnu burad sa vodom i tako obezbedio veoma jeftin i efikasan sistem za zahvatanje i akumulisanje Sunčeve energije. Otklanjanje pregrejavanja prostorija u zimskom periodu može se postići i smanjivanjem zastakljenih površina sa južne strane. Međutim, prostorija tada zahvata manji deo Sunčeve energije, pa stoga u ovom postupku treba uzeti u obzir meteorološka uslove okoline. Razumljivo je da od meterološkoh uslova zavisi i da li će zastakljene južne strane biti jednostruko, dvostruko ili čak trostruko. Deblje zavese kao termalni zastor koji se navlači na zastakljene površine odmah posle zalaska sunca, igraju takođe značajnu ulogu u zimskom periodu. One mogu da sačuvaju i do 50 % u zahvaćene Sunčeve energije u toku dana. Pregrevanje prostorija u letnjem periodu sprečava se izgradnjom stalnih ili senzorskih nadsrešnica iznad zastakljenih površina koje sprečavaju prodor Sunčevih zraka u prostoriju. Kao što je rečeno ovo se postiže i zasađivanjem listopadnog drveća na južnoj stani zgrade. Na slici 11.12-8. prikazani su primeri aktivnog, pasivnog i mešovitog sistema u solarnoj arhitekturi.


310

Slika 11.12-8. Primeri aktivnog, pasivnog i mešovitog sistema u solarnoj arhitekturi

11.12.7 Solarne sušare Vekovima su ljudi sušili sveže voće, povrće i meso da bi obebezbedili hranu za zimski period. Za tu svrhu ljudi su koristili Sunčevu energiju kao najprikladniju i najeftiniju. Danas se za očuvanje hrane koriste frižideri i zamrzivači, ali u krajevima gde nema električne struje još uvek se koristi Sunčeva energija. U novije vreme veće sušare umesto Sunčeve energije koriste skupe i deficitarnu energiju fosilnih goriva, iako se ova energija može potpuno ili delimično zameniti solarnom energijom. Ovo naručito važi za male sušare koje se mogu koristiti u domaćinstvima za sušenje voća, u agro industriji za sušenje žitarica i duvana, u građevinarstvu za sušenje cigle. Jednostavna solarna sušara za sušenje žitarica prikazana je shematski na slici 11.12-9. Sunčevi zraci (1) padaju na staklenu ili plastičnu providnu površinu (2), kojom je pokrivena jedna strana drvenog sanduka (4). Između providnog pokrivača i dna sanduka je među prostor (3) u kojima se ventilatorom (5) uduvava svež vazduh.Dno drvene kutije je obojeno crno tako da se u prostoru (3) stvara efekat staklene bašte.Zagrejani vazduh kroz širu gumenu ili plastičnu cev (6) ulazi u prostoriju (7) i suši žitarice.U našim krajevima nagib sanduka prema horizontu u vreme sušenja žitarica treba da bude 600.


311

Slika 11.12-9. Prikaz solarne sušare

Praktično je utvrđeno da kukuruz koji se suši na ovaj način ostaje svež do naredne setve, dok ostali deo kukuruza zbog vlage se kvari i postaje gotovo neupotrebljiv. Veoma su jednostavne male solarne sušare za upotrebu u domaćinstvima naručito u selima.Pomoću ovih sušara mogu se sušiti šljive, jabuke, smokve, masline i drugo voće, kao i razno povrće. ovakva solarna sušara prikazana je na slici 11.12-10.

Slika 11.12-10. Solarna sušara za sušenje povrća

Drvena ili plastična kutija (1) u unutrašnjosti pokrivena je crnom metalnom folijom a, spolja dobro izolovana i pokrivena koso postavljenom providnom plastičnom folijom ili staklenom pločom (2).Sunčevi zraci (3) prolaze kroz providnu površinu i ulaze u unutrašnjost kutije. Sitno iseckani materijal za sušenje postavlja se na pocinkovanu žičanu mrežu (4) ispod koje se nalazi jedna crna metalna ploča (5). Kada se u kutiji uspostavi efekat staklene bašte, kroz otvore(7) na dnu kutije ulazi svež vazduh koji se greje u dodiru sa crnom pločom pri prolazu kroz njene otvore. Na taj način materijal se brže suši istovremeno direktnim sunčevim zračenjem, infracrvenim zracima crne metalne folije i vazduhom zagrejanim efektom staklene bašte. Vodena para oslobđena iz voća i povrća, prirodnom termičkom cirkulacijom diže se i kroz otvor (8) odlazi u atmosveru. U kutiji može da se razvije temperatura od 60-160°C i pri niskim spoljašnim temperaturama, pa se mora obratiti pažnja na providni pokrivač.Za tu svrhu može se koristiti specijalno staklo, dvostruko ili trostruko, što poskupljuje solarnu sušaru čak i pri niskim spoljašnim temperaturama, sušenje voća i povrća pomoću ovakve solarne sušare može da se ostvari za 3-5 časova.


312

11.13. Koncentrisana sunčeva energija i njena primena Za dobijanje toplote nižih temperatura od 100°C pomoću Sunčeve energije koriste se ravni solarni kolektori za transformaciju nekoncentrisane Sunčeve energije manje gustine u toplotu. Toplotna energija viših i visokih temperatura do 1000 i više stepeni celzijusa može se dobiti koncentrisanjem Sunčevih zrakova tako da se na mestu korišćenja gustina zračenja poveća. Ovo se postiže na više načina pomoću raznih optičkih sredstava. Sredstva se mogu podeliti na dve grupe: ogledala i sočiva. Ogledala mogu da budu ravna ( ploče ) ili da imaju zakrivljene površine. Ogledala sa zakrivljenim površinama su sferna, eliptična, parabolična i cilindrično – parabolična. Podesnim postavljanjem ravnih ogledala mogu se koncentrisati Sunčevi zraci na jedan prijemnik i tako dobiti toplotna energija visoke temperature (sl. 11.13-1.).

Slika 11.13-1. Prikaz koncentrisanja sunčevih zraka

a) Sistem ravnih ogledala (1) i (2) koncentrišu Sunčeve zrake na tamnu ploču (3) i zagrevaju je do visoke temperature;

b) Sistem ogledala (1) i (2) koncentrišu Sunčeve zrake na cilindričnu površinu (3) i zagrevaju ovu površinu i njenu unutrašnjost do visoke temperature;

c) Više - ili polipločasti (frenelov) sistem ogledala (1) koncentriše Sunčevu svetlost na cev (2)

Slika 11.13-2 .Različiti tipovi koncentrišućih prijemnika


313

Na slici 11.13-2. prikazani su sledeći tipovi koncentrišućih prijemnika: a) Sferno izdubljeno ili konkavno ogledalo SO je deo površine sfere (kalota) čija unutrašnja

strana odbija svetlosne zrake. Duž CT između centra krivine ogledala C i njegovog temena T je poluprečnik krivine ogledala. Duž AB koja spaja krajeve krajnjih poluprečnika krivine je prečnik ogledala, a ugao između krajnjih poluprečnika krivine ogledala je otvor ili apertura sfernog ogledala. Na sredini između centra krivine i temena ogledala nalazi se žiža ili fokus F. Prava TFC je glavna optička osa ogledala. Svetlosni zraci, koji padaju na ogledalo paralelno glavnoj optičkoj osi seku se u žiži. Zbog velike daljine, Sunčevi zraci padaju paralelno na ovo ogledalo i koncentrišu se u žiži gde se stvara toplota visoke temperature koja se može praktično koristiti;

b) Eliptično ili elipsoidalno ogledalo EO je deo površine elipsoida čija unutrašnja strana odbija svetlost. Svetlosni zraci koji prolaze iz jedne žiže F, posle odbijanja od ogledala prolaze kroz drugu žižu F1;

c) Parabolično ogledalo PO je deo površine paraboloida čija unutrašnja strana odbija svetlost. Kada Sunčevi zraci padnu na ovo ogledalo, posle odbijanja koncentrišu se u žiži F i daju toplotu visoke temperaturekoja se može praktično koristiti.

Preimućstvo paraboličnih ogledala u odnosu na sferne je u tome što imaju manju sfernu aberaciju. Naime, kod sfernih ogledala, paralelni svetlosni zraci ne seku se svi u žiži pa se umesto tačke pojavljuje mali lik kružnog oblika. Ova optička pojava naziva se sferna aberacija i ona je eliminisana kod paraboličnih ogledala.

d) Cilindrično – parabolično ogledalo je polucilindrična površina paraboličnog preseka čija unutrašnja strana odbija svetlost. Paralelni Sunčevi zraci posle odbijanja koncentrišu se duž ose AB, tako da ovo ogledalo umesto tačkaste ima pravolinijsku žižu u kojo se stvara toplota visoke temperature koja se može iskoristiti postavljanjem cevi duž ose ogledala.

Na slici 11.13-3. shematski je prikazan princip upotrebe solarnih koncentratora za pripremu hrane kuvanjem ili prženjem.

Slika 11.13-3. Princip upotrebe solarnih kolektora za pripremu hrane 1 - parabolično ili sferno ogledalo, 2 – Sunčevi zraci, 3 – roštilj

Ovakvim sfernim ogledalom prečnika 1,36 m, poluprečnika krivine 2m, žižne daljine 1m postignuta je temperatura od 150°C u žiži. Za vreme od 2 časa temperature mase vode od 40 kg povišena je od 18 do 45°C. Izrada celovitih ogledalasa zakrivljenom površinom tehnologijom ravnih ogledala dosta je komplikovana i skupa. Stoga se za konstrukciju ovih ogledala koristi jednostavnija tehnologija koja se sastoji u tome da se na sferne, parabolične i cilindrično – parabolične površine napravljene


314

od metala ili plastičnog materijala, postave polipločasta ogledala. Umesto ogledala na ove površine mogu se postaviti specijalne aluminijumske folije sa dobrim stepenom refleksije svetlosti. Razumljivo je da ova jednostavna ogledala kao koncentratori imaju veću sfernu aberaciju i veće rasipanje svetlosti, tako da je i nešto niža radna temperatura. Pored malih koncentratora Sunčeve energije koji se primenjuju u domaćinstvu za pripremu jela, konstruisani su i veći koji se primenjuju u industriji za topljenje i bušenje metala. U žiži ovih koncentratora može se dobiti toplota temperature od nekoliko hiljada stepeni Celzijusa. Na primer, paraboličnim ogledalom prečnika 0,5 m i prijemnom površinom od 0,25 m2 postiže se teperatura i do 1200°C tako da se u žiži mogu bušiti čelični limovi debljine do 1 mm. Treba se podsetiti da je ovu osobinu koncentratora Sunčeve energije poznavao još slavni grčki fizičar i matematičar – Arhimed. On je u III veku pre naše ere pomoću izdubljenog sfernog ogledala čija je žižna daljina zbog male zakrivljenosti iznosila više stotina metara spalio rimske brodove pri opsadi Sirakuze.

11.14. Povećanje energetske samostalnosti plastenika i staklenika

Za intenzivniji rast biljaka u zaštićenom prostoru jedan od značajnijih faktora je svakako faktor grejanja prostora. To je u eksploataciji jedan od značajnijih ekonomskih faktora koji odredjuje cenu uzgajanoj kulturi a samim tim i dovodi u pitanje rentabilnost njihove proizvodnje. Jedno od suštinskih pitanja je kako obezbediti neophodan toplotni konzum biljkama, a da se pri tome ne uslovi neopravdano povećanje investicija u opremu i objekte. Mere za sniženje energetskih troškova kod plastenika i staklenika se grubo mogu podeliti na:

- mere kojima se povećava termoizolovanost objekta, - mere korišćenja otpadne tcplote iz drugih procesa, i - mere za intenzivnije korišćenje alternativnih izvora energije (Sunčeve energije, energije

biomase, geotermalne energije i dr.).

11.14.1. Termoizolovanost plastenika i staklenika Bolja toplotna izolacija kod ovakvih objekata može se izvesti na više načina. Jedan od klasičnih načina termoizolacije ostvaruje se konstruktivnim putem, tako što se kod standardnog staklenika ili plastenika predvide višeslojni transparenti kao što je dvostruko zastakljenje, dvostruka plastična folija ili dr. U primeni se danas nalaze i dvoslojne obloge od polikarbonata. Takve obloge postavljene na konstrukciju staklenika, umesto stakla omogućuju smanjenje toplotnih gubitaka i do 40 % u poredjenju sa staklenikom obloženim prozorskim staklom od 3 mm. Nije zanemarljiva i činjenica da ova ekstrudirana folija sa dvoslojnom strukturom ultravioletne stabilizovanog polikarbonata ima dobru udarnu žilavost, malu težinu, veliku krutost, a i dobru ultravioletnu stabilnost. Iako je propuštanje svetlosti kod ovakvih transparenata za oko 10 odsto manja nego kod stakla, moguće je konstrukcijom staklenika svesti taj procenat na 7, zahvaljujući smanjenom broju prečki i ostalih strukturalnih elemenata zastakljivanja. Transparentnost (propuštanje svetlosti) u oblasti glavnih talasnih dužina je velika što odgovara rastu biljaka, dok je u infracrvenom delu dugih talasa spektra propustljivost slaba, omogućujući tako bolji "staklenički efekat".


315

Gubitak toplote kroz severne zidove i krovnu konstrukciju staklenika je i danju a posebno noću veoma intenzivan. S toga se smanjenje ovih gubitaka može obezbediti upotrebom jeftinog refleksionog i izolacionog materijala, kao i koncepcijom gradnje maksimalno prilagodjenoj ambijentu i podneblju. S obzirom da najveći toplotni gubici kod staklenika nastaju upravo na krovnoj konstrukciji korisna je i brzo isplativa nepokretna ili pokretna krovna pokrivka od tanjeg termoizolacionog materijala prevučenog reflektujućom aluminijumskom ili sličnom folijom sa unutrašnje strane. Ovakvom termoizolacijom značajno se smanjuje gubitak toplote od direktnog prodora sunčevih zraka danju, kao toplotni gubici usled zračenja i prolaza toplote noću. Direktan gubitak toplotne energije koji nastaje zbog prodora sunčevih zraka kroz ceo objekat po jedinici površine može kod jednostrukih staklenih površina biti u granicama do 75 odsto, što predstavlja veliko energetsko rasipništvo. Posebno kada su u pitanju staklenici manjih površina. U tom smislu zastor od alu-folije na severnom zidu staklenika sprečava prodor sunčevih zraka izvan objekta, a podiže temperaturu tla u njegovoj blizini. S obzirom da takav objekat treba svojom dužom stranom biti okrenut ka jugu, onda su južna, istočna i zapadna površina ostale prozirne obezbedjujući neophodnu, maksimalnu osvetljenost unutrašnjosti. Pri tome je samo neznatno smanjeno dejstvo difuznog zračenja energije sa njegove severne strane. Na slici 11.14-1. prikazan je jedan mali staklenik kod kojeg su severna krovna konstrukcija i severni zid prekriveni izolacijom sa reflektujućom folijom. Znatni toplotni efekti mogu se ostvariti i ako su ove površine pokrivene samo reflektujućom folijom. Ovde je takodje izvršeno zastakljenje dvostrukim staklenim površinama. Kod ovakve vrste staklenika početne investicije su nešto veće, ali se zato u eksploataciji pokazuje kao manji potrošač energije sa pouzdanijim grejanjem posadjenih kultura.

Slika 11.14-1. Mali staklenik sa termo izolacijom i reflektujućom folijom na severnoj strani

1-optimalan ugao za maksimalan propust svetla zimi, 2-termo-izolacija sa reflektujućom folijom, 3 i 4 - dvostruko zastakljenje,

5 i 13-noseća konstrukcija od aluminijuma, 6-ventilator, 7 i 8 – prozorska ventilacija, 9-toplotna akumulacija, 10-stope za učvršćenje staklenika za tlo, 11-oluk, 12-stalaža.


316

Medjutim, može se učiniti još jedan korak u pravcu povećanja energetske samostalnosti staklenika, odnosno plastenika. To je termoizolacija istočne i zapadne fasade. Koliku energetsku vrednost ima prikazan staklenik, može se videti na dijagramima (Sl. 11.14-2. i 11.14-3.).

Slika 11.14-2. Temperatura u stakleniku i van njega kod jednog primera u eksploataciji

Ponekad je moguće, posebno kada su u pitanju mali staklenici, pogodnom lokacijom pojeftiniti njegovu konstrukciju. Druga prednost iz takve lokacije može doprineti većim energetskim uštedama kod drugog objekta (npr. kuće, staje, sušare i si.) ukoliko se integrišu u jednu celinu.

Slika 11.14-3. Toplotni gubici i dobici kod jednog primera staklenika


317

Posebnu atraktivnost takvim konstrukcijama i lokacijama staklenika daje mogućnost brzog i jednostavnog nadzora zasadjene kulture zimi, kao i ulepšavanje sadržaja porodične kuće. Imati ovakav vrt uz samu kuću sigurno predstav]ja posebnu draž. U brdovitim krajevima moguće je staklenike locirati tako što se ukopavaju u padinu (sl. 11.14-4.). Ovako ukopani staklenici imaju izuzetnu toplotnu izolaciju, pa samim tim ne zahtevaju mnogo toplotne energije, kao što je potrebno za klasične konstrukcije.

Slika 11.14-4. Ukopavanje staklenika u zemljište

11.15. Specijalne konstrukcije plastenika

11.15.1. Plastenici sa promenljivom termoizolacijom S obzirem da plastenici danas, zbog niske cene konstrukcije imaju široku primenu (za uzgoj ranog povrća i drugih poljoprivrednih kultura) konstruktori su im posvetili dosta pažnje. Cilj je smanjenje utroška toplote neophodne za potrebnu visoku produktivnost. Jedna od mera smanjenja utroška toplote je, svakako povećanje termoizolovanosti prostora plastenika na slične, dosada opisane načine. Nešto složeniji način toplotnog izolovanja je prikazan na slici 11.15-1. Kod plastenika ovakve konstrukcije, postoji promenljiva termo-izolacija u zavisnosti od doba dana ili godišnjeg doba. Izmedju dva plastična plašta ovog plastenika može se ubaciti putem duvaljki, sloj kuglica od stiropora, prečnika oko 5 mm, gradeći na taj način dobar termo-izolacioni sloj. Kuglice se mogu ubaciti u ceo plašt-pokrov plastenika, ili samo u njegovu južnu ili severnu površinu. Noću i pri izuzetno lošim vremenskim uslovima kada je spoljna temperatura niska, ceo pokrov se puni stiroporom. U kasno prolećnim ili rano jesenjim danima, kada se danju - posebno oko podneva, može znatno podići temperatura u plasteniku moguće je ju`nu površinu koja je izložena direktnom prodoru sunčevih zraka izolovati. Ha taj način se može unutrašnja temperatura u plasteniku održati na potrebnom nivou. Difuzna svetlost u tom slučaju prodire u plastenik sa njegove severne strane.


318

Slika 11.15-1. Plastenik sa promenljivom termo-izolacijom od kuglica stiropora

11.15.2. Plastenici sa vodenom zavesom "Hidrosol" plastenici, kako su stručnjaci popularno nazvali ove plastenike sa vodenom zavesom rade na principu čuvanja toplotne energije sunca i zemljine kore. Naime, izmedju dve plastične pokrivke plastenika brizga se kroz prskalice voda u finim mlazevima, tako da se sliva niz gornju površinu unutrašnjeg plašta stvarajući na taj način termo izolacioni sloj. Prema istraživanjima stručajaka ovakvi plastenici bez ikakvog grejanja obezbedjuju najmanju unutrašnju temperaturu od četiri stepena, čak i kada spoljna temperatura dostiže i minus 25 stepeni Celzijusa. Uloga vodene zavese je dvojaka. Osim termoizolacije, voda je i nosilac toplote, te se njome može pri intenzivnom osunčavanju toplota odvesti u skladište toplote smeštenom u materijalu zemljišta. Pri niskim spoljnim temperaturama ovako akumulirana toplota vraća se plasteniku.

11.15.3. Korišćenje otpadne toplote iz drugih procesa za grejanje plastenika i staklenka

Jedan od značajnijih puteva podizanja rentabilnosti proizvodnje poljoprivrednih kultura u zaštićenom prostoru je svakako u mogućnosti korišćenja otpadne toplote iz drugih procesa. Najveći deo utrošene energije se u domaćinstvima, agroindustrijskim i industrijskim procesima nepovratno gubi u obliku toplote. Delimičnim zauzdanjem ovih gubitaka boljim tehnologijama i organizacijom korišćenja može se znatan deo izgubljene energije uštedeti, odnosno korisno upotrebiti.


319

11.15.4. Korišćenje otpadne toplote iz domaćinstava za grejanje malih staklenika i plastenika

Pre nego što se prikažu tehničke mogućnosti za grejanje malih plastenika i staklenika otpadnom toplotom iz domaćinstava, potrebno je utvrditi gde se u domaćinstvu javlja takva otpadna toplota. To je pre svega otpadna toplota u dimnim gasovima iz peći za grejanje kuće, toplota u otpadnoj sanitarnoj vodi, iz ventilacionog vazduha, kao i toplotni gubitak kroz zidove i tavanicu kuće. Gledano po apsolutnoj vredhosti gubitak toplote nastao provodjenjem toplote kroz spoljne zidove je najveći energetski gubitak kuće u zimskom periodu, ali se samo delimično može koristiti za potrebe grejanja malih staklenika i plastenika. Ovaj gubitak iznosi u proseku oko 78 % ukupnih energetskih troškova jedne kuće. Kroz fasade (zidove) se izgubi oko 15 do 24 odsto ukupno toplote, što znači da se kroz jedan zid na kući može izgubiti i do 8 odsto ukupno uložene energije za grejanje u zavisnosti od strane sveta prema kojoj je orijentisan zid. Za prosečno domaćinstvo koje troši oko 17,5 kwh energije na čas za potrebe grejanja, gubitak toplote kroz jedan zid može iznositi i do 1,4 kwh, što se znatnim delom može koristiti za dogrevanje staklenika. Znači, sve varijante konstrukcija malih staklenika uz fasade kuća obezbedjuju ekonomičniju proizvodnju poljoprivrednih kultura, s obzirom da zadržavaju deo toplotnih gubitaka kuće. S obzirem da gubitak toplote kroz krov kuće, odnosno tavanicu iznosi i do 15 odsto ukupno uložene energije za grejanje kuće interesantno je razmotriti mogućnost iskorišćenja i ovih gubitaka. Naime, moguće je u posebnim tepsijama sa sesijom rasporedjenih po tavanskoj površini odgajati neku od poljoprivrednih kultura čiji koren ne zahteva veće količine zemlje. Pri tome se naravno mora voditi računa o količini zemlje i veličini ovakve bašte - rasadnika, kako ne bi došlo do preopterećenja plafonske ploče. Takodje se na južnoj strani mora obezbediti prozirna staklena ili plastična ploča (crep), kako bi sunčevi zraci nesmetano obasjavali baštu. Na slici 11.15-2. prikazana je ova mogućnost korišćenja tavanskog prostora za uzgoj pojedinih poljoprivrednih kultura. Kroz dimnjak, sa dimnim gasovima izgubi se i do 32 posto toplote utrošene za grejanje kuće. Ovaj toplotni gubitak se može znatnim delom smanjiti ukoliko bi se ova toplota koristila za grejanje baštica u zaštićenom prostoru.

Slika 11.15-2. Mogućnost korišćenja tavana za uzgoj rasada.

Jedna od mogućnosti delimičnog oduzimanja toplote dimnim gasovima je prikazana na slici 11.15-3., na primeru grejanja rasadnika u tavanskom prostoru.


320

Slika 11.15-3. Grejanje bašte u tavanskom prostoru otpadnom toplotom iz dimnih gasova

Kod ovakve štednje energije, potrebno je na dimnjaku izraditi odgovarajuće otvore u koje se postavljaju krajevi cevi za peći. Da bi se dim kretao kroz ove priključene dimne cevi potrebno je ugraditi jedan zasun u glavnom dimnjaku. Toplota dimnih gasova se na ovaj način predaje dimnim cevima. A sa dimnih cevi toplota se predaje okolnom tavanskom prostoru. Postoji i drugi način korišćenja otpadne toplote dimnih gasova iz peći, kako je prikazano na slici 11.15-4.

Slika 11.15-4. Korišćenje otpadne toplote dimnih gasova peći putem izmenjivača toplote.

Ovakav način iskorišćenja otpadne toplote iz dimnih gasova je pogodniji kada je potrebno topli vasduh transportovati do staklenika ili plastenika u blizini kuće. Nešto složeniji način oduzimanja toplote dimnim gasovima je putem izmenjivačkog snopa smeštenog direktne u zid dimnjaka, a uz unutrašnju površini dimovoda. Kroz ovakve iznenjivače


321

toplote mogu u zavisnosti od koncepcije staklenika, odnosno plastenika, cirkulisati vazduh ili voda kao radni medijum za grejanje. Cirkulacija se obavlja prinudnim putes pomoću pumpe ili duvaljke. Pošto oko 12 odsto ukupno utrošene energije u jednom domaćinstvu otpada na grejanje vode moguće je veoma uspešno upotrebiti toplotu iz otpadne vode za grejanje malih staklenika i plastenika (sl. 11.15-4.). Naime upotrebljena topla voda za pranje i kupanje (iz lavaboa i kade - tušir kabine), za pranje sudja (i sudopere), za pranje veša (iz veš-mašine) i drugog, se može koristiti kao dodatni toplotni izvor za grejanje povrtarskih kultura u zaštićenom prostoru. Topla otpadna voda iz izmenjivača toplote zagreva vodu za grejanje staklenika i otiče rashladjena u kanalizaciju. Radna tečnost za grejanje plastenika ili staklenika iz izmenjivača otpadne toplote se dejstvom pumpe potiskuje u kotao, gde se po potrebi može vršiti dogrevanje. Znači kod ovog slučaja mali prostor staklenika može se dvojako grejati otpadnom toplotom iz kuće i to toplotnim gubicima sa zida kuće na koji se staklenik naslanja i preko grejnog tela kroz koji protiče fluid zagrejan toplotom iz otpadne vode ili dimnih gasova. Razumljivo je da se ovakvi objekti greju i direktnim dejstvom sunčevog zračenja

Slika 11.15-5. Shema korišćenja toplote otpadne vode za dogrevanje

malih plastenika i staklenika

Dodatni izvor energije potrebno je predvideti zbog opasnosti smrzavanja zasadjenih kultura pri veoma niskim spoljnim temperaturama a u uslovima nedovoljnog grejanja prethodnim sistemima. Značajnu uštedu energije za uzgoj kultura u ovakvim objektima može obezbediti odgovarajuće tretiranje zemljišta stajnjakom.

11.15.5. Mere za intenzivnije grejanje staklenika i plastenika sunčevom energijom

Osim već izloženih mera za štednju konvencionalne energije kod plastenika i staklenika značajnu mogućnost ekonomičnijoj proizvodnji pruža intenzivnije korišćenje sunčeve energije. Način da se


322

ova besplatna energija što bolje iskoristi je njeno "zarobljavanje", odnosno smanjenje njenog odliva iz staklenika, odnosno, plastenika. Jedna od mera za bolje iskorišćenje sunčeve energije je, osim bolje termičke izolovanosti i aktiviranje dela površine staklenika, odnosne plastenika za vršenje funkcije kolektora sunčevog zračenja. Slika 11.15-6. prikazuje jedan takav staklenik, kod kojeg je gornja površina južne krovne ploče formirana u obliku kolektora sunčevog zračenja sa vazduhom kao nosiocem toplote. Ovde je obezbedjeno intenzivnije kcrišćenje sunčeve energije u cilju grejanja uzgajanih kultura. Često puta, posebno kada spoljne temperature nisu veoma niske pri mirnom vremenu i dobroj sunčanosti može doći do pregrevanja vazduha u stakleniku što, automatski zahteva vetrenje, odnosno "bacanje" toplote. Jedan od načina da se spreči ovaj gubitak jeste u akumulaciji - skladištenju viška toplote u posebnim skladištima toplote. Tako uskladištena toplota može se koristiti u vremenu kada dodje do značajnijeg pada temperature (noću, niske spoljne temperature i oblačnost i sl.).

Slika 11.15-6. Izgled staklenika sa vazdušnim solarnim kolektorima.

Drugi način da se dnevni višak toplote iskoristi leži u mogućnosti odvodjenja nastalog viška drugom potrošaču kao što su naprimer staje, zatvoreni radni prostori, stambeni objekti i sl. Jedan primer predaje viška toplote stambenom objektu na kojem je aplikovan staklenik je prikazan na slici 11.15-7.

Slika 11.15-7. Shema sistema vazdušnog solamog grejanja staklenika i stambenog prostora.

Na ovaj način je i rešeno pitanje alternativnog dogrevanja staklenika toplotom iz kućne kotlarnice kako ne bi u posebno kritičnim trenucima pri niskim temperaturama došlo do smrzavanja zasadjenih poljoprivrednih kultura. Pri gradnji staklenika sa aktivnim poljem za kolektiranje sunčeve energije mora se voditi računa o tome da kolektori ne budu postavljeni tako da većim delom dana zaklanjaju sunce, tako neophodnom za uspešan rast biljaka. Kod takvog lociranja kolektorskog polja, evidentna je znatna zaposednutost zemljišta koje bi se inače moglo obraditi ili na kojem bi se mogao izgraditi neki objekat.


323

Daleko ekonomičnija varijanta je lociranje kolektorskog polja na krovištu nekog objekta čime se ne bi ugrozila obradiva, površina. Dogrevanje prostora staklenika i plastenika toplotom iz sunčevih kolektora smeštenih van njihove konstrukcije predstavlja nešto skuplji sistem obzirom na potrebu postojanja znatne dodatne opreme i automatike. Nešto jednostavniji i ekonomičniji sistem grejanja prostora staklenika Sunčevom energijom jeste putem vazdušnih solarnih kolektora prikazanih na slici 11.15-9. Topli vazduh iz kolektora sunčevog zračenje l se transportuje putem duvaljke 7 preko konvektora 4 u staklenik 5, gde vrši zagrevsnje prostora. U slučaju da kolektori prime veću količinu toplote nego što je potrebno za održavanje temperature u stakleniku dejstvom diferencijalnog termostata 8 topli vazduh se usmerava u skladište toplote 2. Pri nedovoljnoj količini toplog vazduha iz kolektora l, a pri dovoljno zagrejanom skladištu toplote 2, automatski se staklenik zagreva toplotom iz skladišta akumulatora toplote. U slučaju kada ni u skladištu toplote nema dovoljno toplotne energije za grejanje staklenika, uključuje se automatski termogen 3 sa konvencionalnim gorivom. Još jednostavniji sistem grejanja staklenika i plastenika sunčevom energijom može se vršiti putem crnih kolektorskih polietilenskih plastičnih folija razapetih uz ove objekte. Prednost im je veoma niska cena koštanja, dok je nedostatak kratak vek ovakvih kolektora i nizak toplotni efekat

Slika 11.15-8. Izgled i shema funkcionisanja vazdusnog solarnog grejanja staklenika

Slika 11.15-9. Izgled i shema funkcionisanja vazdusnog solarnog grejanja staklenika


324

11.15.6. Posebne konstrukcije staklenika i plastenika sa intenzivnim korišćenjem toplote sunčevog zračenja

Osim navedenih mogućnosti intezivnijeg korišćenja toplote sunčevog zračenja dobro je upoznati se i sa drugim konstruktivnim koncepcijama interesantnim sa šireg gledišta primene. Na slici 11.15-10., dat je izgled jednog staklenika kod kojeg su primenjene osnovne mere za poboljšanu izolaciju i prijem sunčeve energije. Isto tako predvidjeno je i intenzivnije korišcenje sunčeve energije u periodu kada nije potrebno grejanje staklenika, a za potrebe drugih potrošača toplote.

Slika 11.15-10. Izgled staklenika sa pokretnim kolektorskim zastorom.

Takvom koncepcijom gradnje, osim navedenih prednosti, takodje se mogu znatno olakšati kasno-prolećni, letnji i rano-jesenji eksploatacioni uslovi, kada je toplotne sunčevo dejstvo veoma izraženo, a sistem ventilacije cesto puta nedovoljan. To se obezbedjuje zasenjivanjem staklenika u podnevnim časovima - leti, kada je termičko opterećenje najveće. Neophodno direktno dejstvo sunčevih zraka, potrebno za nesmetan rast biljki, obezbedjeno je u letnjem periodu tokom prepodneva i popodneva, dok intenzitet sunčevih zraka još nije velik (sl. 11.15-11.).


325

Slika 11.15-11. Zasenčenje staklenika putem pokretnog kolektorskog zastora

Staklenik, odnosno plastenik sa pokretnim krovištem (sl. 11.15-12.) koncipiran je tako da celom površinom pokretnog krovišta reflektuje sunčeve zrake na zemljište unutar objekta podižući mu temperaturu. Noću se krovište zatvara kako bi se smanjili gubici toplote u stakleniku. Zbog toga pokretna ploča, osim reflektujuće folije ima i termo izolacioni sloj.

Slika 11.15-12. Staklenik, sa pokretnim krovištem obloženim reflektujućim i termo izolacionim materijalom.

Staklenik, prikazan na slici 11.15-13. smešten je izmedju dva objekta, što takodje predstavlja jednu atraktivnu mogućnost izgradnje ovakvih vrsta objekata.

Slika 11.15-13. Staklenik smeštea izmedju dva objekta.


326

Mada je, u startu jeftinija instalacija za korisćenje sunčeve energije odmah po njenom prijemu, ipak zbog veće energetske koristi i štednje konvencionalne energije, dugoročno gledano, prednost kod ovakvih objekata imaju sistemi sa mogucnosću akumuliranja toplote. Značajan vremenski period tokom godišnje eksploatacije staklenika, temperatura vazduha u njemu ima dovoljan nivo danju prilikom sijanja Sunca, te u tim danima ne zahteva dodatno grejanje, a samim tim ni kolektore Sunčevog zračenja. Suština je, da se u ovakvim slučajevima dnevna toplota sunčevog zračenja uskladišti do vremena kada nema dovoljne insolacije (oblačno vreme, veče, noć, rano jutro), a da se pri tome ne pothladi prostor gajilišta ili smanje fotosintezni efekti. Za slučaj akumulacije toplote isvan prostora staklenika, (nadzemnog ili ukopanog tipa) vrši se u posebnom skladišni sa čvrstom ispunom, koje takodje mo`e biti smešteno iznad ili u samo tlo. Toplota se od staklenika do akumulatora prenosi vazdušnom masom uz pomoć duvaljki ili ventilatora. U uslovima nižih temperatura prostora staklenika uskladištena toplota se obrnutim procesom vraća stakleniku. Jednostavnija mogućnost akumulacije viška toplote obezbedjuje se izgradnjom akumulatora u samom stakleniku. Ova akumulacija toplote vrši se u masivnom zidu smeštenom uz severni zid staklenika. Zid apsorbuje tokon dana toplotu delom od direktnog osunčavanja, delom iz samog prostora staklenika, tako da u noćnim uslovima zrači toplotu nazad u staklenik, održavajući temperaturni nivo kojim se sprečava smrzavanje zasadjenih kultura. Intenzivniji prenos toplote ka akumulatoru i iz njega može se vršiti prinudnim kretanjem vazduha.

TOPLIFIKACIJATOPLIFIKACIJA

Klasifikacija sistema

entralizovanog snabdevanja

toplotom (hladnoćom)

CST, (CSH)

Klasifikacija sistema

centralizovanog snabdevanja

toplotom (hladnoćom)

CST, (CSH)

12.12.

331

12. Klasifikacija sistema centralizovanog snabdevanja toplotom (hladnoćom) CST, (CSH)

Grejanje u opštem smislu možemo podeliti na više sistema i to na : Individualno grejanje, gde se ložište nalazi u prostoriji koja se greje. Centralno grejanje, sistem kod koga se sve prostorije jedne zgrade greju samo jednim ložištem - grejnim kotlom, često u podrumu zgrade, dok se u pojedinačnim prostorijama mogu postaviti grejne površine različitih vrsta. Daljinsko grejanje, sistem o kome ćemo više govoriti u ovom delu, koristi samo jednu toplanu za jednu ili više grupa zgrada, za ceo stambeni blok ili čak deo grada. Osim toga postoje još specijalni sistemi, naročito za korišćenje energije okoline, kao što su :

- grejanje toplotnim pumpama i - grejanje sunčevom energijom i drugim vrstama alternativne energije.

12.1. Daljinsko grejanje

12.1.1. Opšte karakteristike razvoja Ogromne količine energije koje se danas troše za proizvodnju toplote u svim granama privrede kao i u društvenim zgradama i domaćinstvima, s jedne strane, a rezerve u svetu svih vrsta goriva kojime se raspolaže, s druge strane, zahtevaju da se kod svih potrošača sprovede što racionalnija potrošnja. Neekonomičnost lokalnih i raštrkanih uređaja za proizvodnju toplote, u raznim svojim oblicima, navodila je na razmišljanje o traženju drugih, racionalnih, načina iskorišćavanja proizvedene toplote od proizvodjača do potrošača. U nizu mnogobrojnih usavršavanja sistema grejanja, radi povećanja ukupnog stepena korisnog dejstva, je i koncentrisanje proizvodjenja toplote za veći broj potrošača čime se postiže mnogo bolji efekat. Došlo se do primene centralizovanog snabdevanja toplotom za više zgrada i objekata, uličnih blokova i čitavih gradskih područja. Ovakav način proizvodnje i prenošenja toplote u cilju grejanja naziva se daljinsko grejanje. Međutim, prenošenje toplote na daljinu ne vrši se samo u cilju zagrevanja objekata već i za pripremu potrošne tople vode i za tehnološke procese. Tako se može proizvoditi i prenositi topla voda za potrošnju u domaćinstvima, kupatilima, zatim para i vruća voda za perionice, kuhinje, tehnološke procese itd. U izvesnom smislu naziv daljinsko grejanje je prevazidjen pa je bolje da se za proizvodnju i prenos toplote na daljinu koristi izraz kao što je centralizovano snabdevanje toplotom ili izraz toplifikacija. Snabdevanje toplotnom energijom potrošača i njeno racionalno korišćenje predstavlja danas, a i u buduće, sve složeniji problem s obzirom na preostale potencijale konvencionalnih goriva i sve strožije ekološke zahteve. Zbog toga je razvoj sistema CST, koji je započeo početkom 20 veka, sve intenzivniji, posebno nakon "energetske krize", jer su to moderni energetski sistemi koji omogućavaju, pri zadovoljenju određenih uslova, racionalno i ekološki povoljno snabdevanje toplotnom energijom.


332

Slika 12.1-1. Prikaz daljinskog grejanja izvedenog predizolovanim cevima

Proces centralizovanog snabdevanja toplotom sastoji se iz tri postupne operacije: a) Priprema nosilaca toplote; b) Transport nosilaca toplote c) Korišćenje nosilaca toplote

Komplet postrojenja namenjenih za pripremu, transport i korišćenje nosilaca toplote predstavlja sistem centralizovanog snabdevanja toplotom. Sistemi CST urbanih sredina i industrijskih zona su vrlo složeni energetski sitemi sa maksimalnim toplotnim opterećenjem i preko 3500 [MW]. Stvoren je niz koncepcija savremenih sistema toplifikacije sa više različitih tipova toplotnih izvora i vrlo često sa mnoštvom predajnih stanica, međusobno povezanih toplotnom mrežom. Praksa izgradnje toplotnih izvora velikih snaga daje posebnu važnost strategiji dugoročnog planiranja i razvoja strukture sistema za centralizovano snabdevanje toplotnom energijom kako manjih tako i većih urbanih celina. Racionalno upravljanje proizvodnjom i distribucijom toplotne energije zahteva takva tehnička rešenja, koja omogućavaju optimalno povezivanje postojećih toplifikacijskih podsistema gradskih naselja i industrijskih zona. Postoje 3 karakteristična nivoa razvoja strukture sistema: minimalni, srednji i maksimalni. Minimalni nivo strukture imaju sistemi toplifikacije gradskih naselja i industrijskih zona, u kojima su izvori toplotne energije blokovske, regionalne i industrijske kotlarnice.


333

Srednji nivo strukture odgovara sistemima toplifikacije većih urbanih i industrijskih zona, koji se snabdevaju energijom iz komunalnih toplana ili industrijskih energana. Pored toplotne energije, u ovim izvorima, u kombinovanom procesu proizvodi se i električna energija. Sistemi toplifikacije minimalnog nivoa mogu se povezati sa odgovarajućim sistemima srednjeg nivoa. Treći, maksimalni nivo strukture imaju veliki centralizovani sistemi za snabdevanje toplotnom energijom sa izvorima velike snage (termoelektrane, nuklearne energane). Kod ovakvog modela važno je optimalno rešiti neka tehnoekonomska pitanja od zajedničkog interesa u pogledu toplotnog i elektroenergetskog sistema. Naime, povećanje toplotne snage uzrokuje odgovarajuće smanjenje električne snage u elektroenergetskom sistemu i obrnuto. Takodje i u pogledu metodologije odredjivanja cena toplotne i električne energije, raspodeli investicionih troškova i dr. postoje veoma različita mišljenja. Sistemi sa maksimalnim nivoom strukture mogu se povezati sa sistemima srednjeg i minimalnog nivoa.

12.1.2. Prednosti i nedostaci CST Daljinsko snabdevanje toplotom iz centralnih izvora ima niz prednosti, od kojih su najznačajniji:

• racionalnija potrošnja primarne i krajnje (sekundarne) energije; • veća mogućost praćenja i regulisanja opterećenja, u zavisnosti od spoljnih klimatskih

uslova, ukupnog energetskog sistema urbanih sredina, gradova, regiona pa i čitave zemlje. • ugradnja jedinica generatora toplote znatno većeg kapaciteta (posnato je da cena postrojenja

po proizvedenoj jedinici energije opada sa porastom instalisane snage jedinice generatora toplote).

• ložišta generatora toplote projektuju se za određenju vrstu goriva, odnosno, prilagođena su u potpunosti gorivu koje će se koristiti, čime se povećava energetski stepen korisnosti; mogućno je i korišćenje niskokvalitetnih goriva, čije je sagorevanje otežano kod malih kotlarnica;

• ukupni stepen korisnosti kod većih jedinica znatno je veći nego kod manjih jedinica. • mogućnost većeg stepena automatizacije postrojenja, a time racionalnije vođenje procesa

postrojenja (relativna cena uređaja za automatsko vođenje i kontrolu procesa, svedena na jedinicu instalisane snage, niža je kod većih postrojenja)

• efikasnost i sigurnost rada (kod većih postrojenja znatno je veća, jer se može voditi boljom, visokokvalifikovanom i stručnijom posadom)

• ostvaruju se uštede u prostoru zgrada koji bi, inače, bio potreban za smeštaj manjih kotlarnica i skladištenje goriva;

• broj pomoćnih uređaja opada sa porastom snage • izvori energije mogu se locirati u onoj zoni grada (najčešće u industrijskoj) gde će najmanje

uticati na gradski saobraćaj i na zagađenost od goriva i pepela. • centralizacijom izvora energije smanjuje se broj izvora emisije aerozagađivanja; velika

postrojenja olakšavaju primenu poznatih mera za sanaciju aerozagadjenja i primenu odgovarajućih postrojenja prema vrsti goriva koje se koristi.

• veliki izvori energije imaju povoljnije mogućnosti za snabdevanje gorivom. • mogućnost korišćenja kombinovanih energetskih izvora za proizvodnju električne struje i

toplote, koji daju najpovoljniji stepen transformacije primarne u krajnju energiju.


334

Međutim, postoje i ograničavajući faktori u smislu primene sistema daljinskog grejanja. Svakako je najvažniji taj što daljinsko grejanje u poređenju sa individualnim i lokalnim grejanjem traži znatno veća početna investiciona ulaganja. Ograničavajući faktori mogu biti :

- malo specifično opterećenje gradskih struktura i raspored velikih potrošača koji daju manje efekte u odnosu na druge načine grejanja;

- udaljenost izvora toplote (kod priključenja na mogućne izvore toplote: termoelektrane, nuklearne elektrane i sl.)

- organizacioni i stručni problemi u vezi sa izgradnjom velikih sistema. Od navedenih prednosti daljinskog snabdevanja toplotom stambenih celina i industrijskih zona iz jednog ili više centralizovanih izvora energije (zavisno od veličine energetskog opterećenja, urbanističkog razvoja celina, položaja konzumnog područja), tri su dominantne:

1. Racionalnije, odnosno ekonomičnije korišćenje primarne i krajnje energije u odnosu na klasični način snabdevanja toplotom;

2. Prelazak na domaće izvore primarne energije, a time smanjivanje zavisnosti od skupe uvozne energije;

3. Velika prednost u rešavanju ekoloških uslova čovekove sredine, uz kvalitetnije uslove standarda i komfora stanovništva.

Prednosti daljinskog snabdevanja toplotnom energijom navode nas na izbor odgovarajućih postrojenja, koja zadovoljavaju kriterijume klimatskih, energetsko ekonomskih i urbanističkih uslova s obzirom na gustinu i vrstu toplotnog opterećenja područja za koje se planira, projektuje i gradi daljinski sistem snabdevanja toplotom. Za uvođenje daljinskog snabdevanja toplotom, pored zadovoljenja klimatskih, energetskih i opštih uslova, moramo sagledati i kriterijume kao što su:

1. povoljna gustina toplotnog opterećenja, odnosno minimalna gustina opterećenja za koju je ekonomski opravdano izrađivati sistem daljinskog grejanja,

2. povoljno specifično opterećenje po dužini razvodne mreže daljinskog snabdevanja toplotnom energijom, tj. odnos između instalisane snage potrošača i dužine mreže daljinskog grejanja, odnosno, godišnje isporučene toplotne energije po jedinici dužine mreže daljinskog grejanja .

Ovaj kriterijum je bitan kod opredeljanja sa koje daljine je, sa energetsko-ekonomskih aspekata, opravdano dopremiti toplotu do konzumnog područja.

3. povoljan koeficijent daljinskog grejanja (klimatski kriterijum) 4. povoljno godišnje iskorišćavanje instalisane snage izvora izračunato u časovima za godinu

dana, 5. specifična potrošnja primarne energije svedena na jedinicu proizvedene energije i jedinicu

instalisane snage. 6. specifična godišnja proizvodnja energije po jedinici instalisane toplotne snage izvora i po

jedinici instalisane toplotne snage potrošača, 7. potreban broj uslovnih radnika za održavanje i pogon ukupnog sistema daljinskog grejanja 8. vek trajanja instalacije i opreme sistema i stepen sigurnosti vođenja pogona 9. cena proizvedene jedinice energije na pragu potrošača

10. godišnja cena grejanja jednog kvadratnog metra grejnog prostora.


335

Pored ovih izrazito energetsko ekonomskih kriterijuma, moramo voditi računa o ekološkim uslovima i uslovima higijene i konfora. Ovi faktori već sada, a u bliskoj budućnosti pogotovo, imaju mnogo uticaja ako se uzme u obzir da je zagađenost čovekove sredine na kritičnoj tački.

12.2. Neki aspekti daljeg razvoja sistema CST kod nas Kao što smo već rekli, uvođenje CST predstavlja veoma racionalno rešenje i to pre svega zbog uštede konvencionalnih goriva, a zatim i zbog očuvanja kvaliteta životne sredine i povećanja konfora stanovanja u gradovima. Još veći značaj ima uključenje, u te sisteme, izvora za kombinovanu proizvodnju električne i toplotne energije jer se time postiže veći energetski, ekonomski i ekološki efekat. Mogućnosti i potrebe većeg korišćenja domaćih energetskih potencijala za CST zahtevaju primenu novih tehnologija, koje omogućavaju ekonomično korišćenje čvrstih goriva i u gradskim uslovima bez većih štetnih posledica po životnu sredinu. To je posebno važno za našu zemlju jer je poznato da je naš osnovni energetski resurs ugalj (preko 82% ukupnih rezervi primarne energije) koji se praktično ne koristi u sistemima CST iz ekoloških razloga. Posebna teškoća je nepovoljna struktura naših ugljeva, gde je nekvalitetni lignit zastupljen sa preko 88%. Dosadašnja, a verovatno i buduća primena lignita je vazana za proizvodnju električne energije u termoelektranama u blizini površinskih kopova. Povoljno je što se rezerve lignita najvećim delom nalaze na malom broju lokaliteta, što omogućava izgradnju modernih površinskih kopova. Moćna mehanizacija omogućava njegovu ekonomičnu proizvodnju, a to omogućava relativno nisku cenu proizvedene električne a samim tim i toplotne energije koja se daljinski transportuje iz vangradskih termoelektrana-toplana. Razvoj novih tehnologija za kombinovanu proizvodnju električne i toplotne energije, putem sagorevanja uglja u fluidizovanom sloju ili delimične gasifikacije, i korišćenjem gasnih i parnih turbina u kombi procesu omogućiće veću primenu uglja u CST. U narednom periodu u našoj zemlji je neminovna izgradnja novih i revitalizacija postojećih termoelektrana. TE-TO će se graditi tamo gde je to ekonomski opravdano u skladu sa potrebama elektroenergetskog sistema i njemu bliskog sistema za CST. Za dalji razvoj sistema CST potrebno je razrešiti i probleme oko optimalne usklađenosti sa razvojem gasnih sistema i gasifikacije široke potrošnje, kao i stimulacije potrošača za racionalno korišćenje i merenje potrošnje toplotne energije.

12.3. Podela sistema daljinskog grejanja Sisteme daljinskog grejanja moguće je podeliti prema različitim elementima:

1. izvoru toplote, 2. vrsti nosioca toplote, 3. načinu pripreme sanitarne tople vode, 4. broju cevovoda mreže i 5. načinu povezivanja potrošača na mrežu daljinskog grejanja.


336

12.3.1. Izvori toplote u sistemu daljinskog grejanja Proizvodnja toplote za pokrivanje toplotnog konzuma urbanih celina i industrije, kod sistema daljinskog grejanja, može biti konvencionalnim i nekonvencionalnim izvorima energije. Kod konvencionalnih izvora energije, toplota se dobija transformacijom klasičnih primarnih izvora energije - uglja, nafte, gasa i nuklearnog goriva Najznačajniji konvencionalni izvori energije su: 1. Centralne rejonske ili blokovske kotlarnice u kojima se toplota proizvodi isključivo za grejanje i prenosi najpogodnijim toplotnim fluidom koji odgovara potrošačima. Ovde možemo da svrstamo fabričko grejanje, gde grejno postrojenje, pored priključnih zgrada, snabdeva toplotom pogone u kojima se odvijaju tehnološki procesi. 2. Toplane (TO) - mogu pokrivati ukupnu potrošnju toplote, kako grejanja i provetravanja tako i pripreme potrošne tople vode, a mogu pokrivati tehnološki toplotni konzum. U prvom slučaju moraju postići visok stepen korisnosti i dobre osobine kod rada sa smanjenim opterećenjem. Oblast primene je 200 do 300 MW, a kao gorivo može da se koristi bilo koje fosilno gorivo. Mogu biti građene i kao vršne TO za pokrivanje vršnog opterećenja.

Slika 12.3-1. Tehnološka šema jedne TO sa energetskim bilansom

Za veće oblasti i veće snage izgradjuju se toplane - elektrane (toplane-termoenergane) u kojima je dobijanje toplotne energije kombinovano sa proizvodnjom električne energije. Ovaj način je mnogo bolji jer je stepen iskorišćenja mnogo veći. U zavisnosti od toga da li je primarna proizvodnja električne ili toplotne energije razlikujemo: 3. Termoelektrane - toplane (TE-TO). Primarna je proizvodnje električne energije. Toplotna energija dobijena iz ovih postrojenja može se iskoristiti za snabdevanje velikih stambenih celina i industrijskih zona. Instalisana snaga potrošača toplotne energije može se kretati od 500 MW do nekoliko hiljada. Suština TE-TO sastoji se u tome da se toplota koju sadrži izrađena para iskoristi za grejanje. Ukupni stepen koristnosti ηw ide do 74%. 4. Toplane-termoelektrane (TO-TE); (industrijske energane) Primarna je proizvodnja toplotne energije za pokrivanje, pre svega, tehnoloških procesa a zatim za snabdevanje toplotnom energijom za grejanje i provetravanje. Dobijanje električne energije nije primarno. Stepen iskorišćenja u TO-TE bloku je ηw=80% .


337

Slika 12.3-2. Šematski prikaz jednog kombinovanog TO-TE bloka

Još dva konvencionalna izvora možemo spomenuti a to su: 5. Termoelektrane (TE), 6. Nuklearne elektrane (NE) i nuklearne toplane (NTO)_.

Isto tako, proizvodnju toplote za pokrivanje toplotnog konsuma možemo dobiti i iz nekonvencionalnih izvora energije od kojih su najznačajniji:

1. Izvori toplote sa geotermalnom energijom (TE) 2. Izvori toplote sa solarnom energijom (STE) 3. Toplotne pumpe (TP) 4. Ostali nekonvencionalni izvori toplote ("otpadna" toplota iz tehnloloških procesa u

industriji, poljoprivredni otpaci, biogas i dr.)

12.4. Nosioci toplote u sistemima CST Kao nosioci toplote kod daljinskog grejanja do sada su uglavnom korišćeni topla odnosno vrela voda i vodena para. U poslednje vreme se, radi smanjenja transportnih troškova nosioca toplote, razmišlja o uvođenju drugih nosilaca toplote (korišćenje latentne toplote dvokomponentne smeše-soli amonijaka; prenos hladnim fluidom pomoću hemijski vezane energije). Postrojenja daljinskog grejanja možemo podeliti prema nosiocu toplote na:

• toplovodna grejanja sa temperaturama vode do 110°C (u Nemačkoj do 120°) • vrelovodna grejanja sa temperaturama > 110°C • parna grejanja


338

12.4.1. Izbor nosioca toplote i sistema snabdevanja toplotom Izbor nosioca toplote i sistema snabadevanja toplotom određuje se tehničkim i ekonomskim razmatranjima i zavisi uglavnom od karaktera izvora toplote i vrste toplotnog opterećenja. Preporučuje se maksimalno uprošćenje sistema snabdevanja toplotom. Što je sistem prostiji to je jeftiniji i pouzdaniji u eksploataciji. Najprostija rešenja daju primenu jednog jedinog nosioca toplote za sve vrste toplotnih opterećenja. Ako se toplotno opterećenje naselja sastoji samo od grejanja, ventilacije i tople potrošne vode, pri toplifikaciji se primenjuje obično dvocevni sistem sa vodom. U slučajevima kada osim grejanja, ventilacije i potrošne tople vode u naselju postoji i malo tehnološko opterećenje, koje zahteva toplotu višeg potencijala, pri toplifikaciji je racionalna primena trocevnih sistema sa vodom. Jedan od polaznih vodova sistema se koristi za pokrivanje opterećenja povišenog potencijala, voda više temperature. Kod većih industrijskih zona, kod kojih su toplotna opterećenja, za potrebe tehnologije (viši potencijal nosioca toplote) i potrebe grejanja i ventilacije, velika; za potrebe tehnologije kao nosilac toplote koristi se para odgovarajućeg pritiska, a za pokrivanje sezonskog opterećenja (grejanje i provetravanje) vrela voda. U slučajevima kada je osnovno toplotno opterećenje naselja tehnološko opterećenje povišenog potencijala a sezonsko opterećenje je malo, kao nosilac toplote se primenjuje obično para. (U nekim zemljama: SAD i Belgija para se najčešće koristi kao nosilac toplote za sve potrošače). Pri izboru sistema snabdevanja toplotom i parametara nosioca toplote računaju se svi tehnički i ekonomski pokazatelji za sve elemente sistema: izvore, mreže, potrošače. Energetski je voda pogodnija od pare. Osnovne prednosti tople vode kao nosioca toplote u poređenju sa parom su:

1. veća specifična kombinovana proizvodnja električne energije na bazi potrebne toplote (kod TO-TE);

2. očuvanje kondenzata na izvoru što je posebno važno za energane višeg pritiska; 3. mogućnost centralnog regulisanja istorodnog toplotnog opterećenja; 4. viši koeficijent korisnog dejstva sistema snabdevanja toplotom usled nepostojanja gubitka

kondenzata i pare kod potrošača, koji postoje kod sistema sa parom; 5. povećana akumulaciona sposobnost sistema sa vodom; 6. veća sigurnost u radu; 7. moguća je kvalitativna regulacija na mestu potrošnje 8. sistemi sa vodom su fleksibilniji u pogonu i jednostavnije je puštanje u rad 9. lakše polaganje cevne mreže po neravnom terenu

Osnovni nedostaci tople vode kao nosioca toplote: 1. relativno veći izdaci za mrežu; 2. velika potrošnja elektrikčne energije za pumpanje u poređenju sa potrošnjom električne

energije za prebacivanje kondenzata u sistimima sa parom; 3. izuzetna osetljivost na kvarove u sistemu, jer gubitak nosioca toplote iz parnih mreža, usled

značajnih specifičnih zapremina pare, je mnogo manji (20÷40 puta) nego u sistemu sa vodom.Pri malim oštećenjima parne mreže mogu nastaviti sa radom, dok sistemi sa vodom moraju da stanu;


339

4. veća gustina nosioca toplote i čvrste hidraulične veze između tačaka sistema; 5. merenje utrošene toplote nesigurno ili veoma skupo; 6. priključci se mogu koristiti samo za vodeno grejanje.

Primena tople vode i pored svojih prednosti ograničava se, usled ovih nedostataka, na manje razgranate mreže za grejanje stambenih zgrada, za javne zgrade kao i za industrijska preduzeća, kojima nije potrebno snabdevanje nekom drugom varijantom toplotnog fluida. U pogledu uslova za zadovoljenje toplotnog režima potrošača, određenog srednjom temperaturom nosioca toplote u izmenjivačima toplote, voda i vodena para se mogu smatrati jednako kvalitetnim nosiocem toplote. Voda kao nosilac toplote najčešće se upotrebljava za srednje temperature do 110°C, a para za srednje temperature 110°C do 150°C i više. Kod potrošača koji traže isključivo paru za potrebe tehnološkog procesa, nije moguće paru zameniti vodom. Pregrejana voda i vodena para imaju dosta osobina koje ih svrstavaju u ravnopravne fluide za prenošenje toplote na daljinu i pored izvesnih svojih specifičnosti u pogledu prednosti i nedostataka. Zbog ovoga potrebno je unapred izvršiti detaljnu analizu pre odluke o definitivnom usvajanju toplotnog fluida primarne mreže. Nedostaci pregrejane vode bili bi uglavnom sledeći:

1. veća cena za prenošenje toplotne energije zbog obimnijih pumpnih postrojenja; 2. teže izvođenje popravki, proširenja i prepravki, 3. teškoće oko merenja utrošene toplote, 4. za primenu pregrejane vode u samim toplanama potrebni su dopunski izmenjivači.

Treba napomenuti da se naročita pažnja treba obratiti kod projektovanja i izvođenja vrelovodnog postrojenja jer povećanjem temperture i pritiska vode povećava se i opasnost od oštećenja i nesrećnih slučajeva. Prednosti pare kao toplotnog fluida u poređenju sa vodom su:

- veće mogućnosti za vršenje priključaka potrošača (parne kujne, perionice idt.) - jednostavno i sigurno merenje utrošene toplote od strane korisnika merenjem

kondenzata, - manja potrošnja energije za pogon pumpi, - manje teškoće pri izvođenju naknadnih priključaka i popravki.

Međutim i para ima svoje nedostatke od kojih treba napomenuti: - veće teškoće pri trasiranju parne mreže, - teškoće kod odvodnjavanja parne mreže i povratka kondenzata, - veća opasnost od korozije kondenznih cevi, - toplotni gubici u mreži su nezavisni od režima rada.

Transportovanje pare kao toplotnog fluida i vraćanje kondenzata u toplanu zajedno sa svim potrebnim uređajima (kondenzni lonci, pumpe za kondenzat i dr.) stvara posebne probleme i teškoće. U Americi se sprovodi izvesna praksa da se kondenzat baca u kanalizaciju, pošto je prethodno iskorišćen delimično za pripremu tople potrošne vode. Ovaj postupak je skopčan sa gubitkom čiste


340

vode potrebne za napajanje kotlova pa je neophodno imati dopunske uređaje za prečišćavanje vode, čemu treba dodati i gubitak toplote sa odbačenom vodom. Dosadašnja iskustva postignuta u primeni izvođenja postrojenja za centralno snabdevanje toplotom gradskih naselja i industrijskih centara, daju izvesnu prednost pregrejanoj vodi kao primarnom toplotnom fluidu. Neki zaključci u tom pogledu mogli bi se rezimirati u sledećem:

1. Kada glavne magistrale ne prelaze dužine od 1 do 2 km ( što zavisi od početnog pritiska u kotlarnici) para dolazi u obzir ispred pregrejane vode. Za veće dužine glavnih magistrala primena vode je ekonomičnija.

2. Za komunalne gradske sisteme bolje je usvajati pregrejanu vodu bez obzira na dužine magistrala.

3. Za specijalne slučajeve, uslovljene zahtevima tehnoloških procesa izvesnih grana industrije, para ima prednost kao primarni toplotni fluid. Toplane je u ovim slučajevima bolje locirati u blizini centralnih potrošača.

4. Temperatura dovodne vode bira se u zavisnosti namene postrojenja. Ako se toplota koristi i za tehnološke procese onda izbor temperature diktiraju potrebe potrošača. Kada su toplane predviđene isključivo za grajanje onda treba temperaturu vode birati u zavisnosti veličine postrojenja tako da se postigne najbolji ekonomski efekat. Kao optimalne temperature pregrejane vode kao primarnog toplotnog fluida smatraju se ispod 150°C.

5. Temperature pregrejane vode izmedju 150° i 180° kao proračunske temperature primarnog fluida treba koristiti samo u specijalnim slučajevima. Za maksimalnu proračunsku temperaturu smatra se 180°C.

6. Proračunska temperatura povratne vode treba da je što niža da bi se postigla što veća razlika izmedju temperature dovodne i odvodne (povratne) vode. Time se smanjuje protok a samim tim smanjuje se prečnim toplotne mreže (jeftinija mreža), smanjuju se troškovi pumpanja jer se smanjuje potrošnja energije za pokretanje pumpi.

U donošenju ovih zaključaka imalo se u vidu da dimenzije toplovodne mreže zavise, pored razlike temperature dovodne i odvodne vode, i od pritiska i brzine strujanja kada je voda toplotni fluid. Pri visokim proračunskim temperaturama vode (150 do 180)°C svi organi i delovi toplovoda su izloženi ne samo visokoj temperaturi već i pritisku iznad 5 bara da bi se izbeglo isparavanje vode, pa je ovo jedan od glavnih razloga ograničenju proračunske temperature vode kao primarnog toplotnog fluida. Cena toplote takođe raste sa porastom toplote fluida. Način priključenja sekundarne mreže takođe utiče na izbor najviše proračunske temperature vode. Direktni priključci sekundarne mreže na primarnu mrežu daljinskog toplovoda uglavnom se primenjuju kada je temperatura vode do 100°C, ređe se ide do 130°C. Veće temperature pregrejane vode ne dozvoljavaju direktno priključenje zbog standardnih radijatora, koji ne mogu izdržati veće pritiske. U ovim slučajevima se koriste izmenjivači toplote kojima se redukuje pritisak i temperatura za sekundarnu mrežu. Iz svega pomenutog možemo zaključiti da veliki značaj ima pravilan izbor nosioca toplote kao i pravilan izbor njegovih parametara. Pri snabdevanju toplotom iz kotlarnica racionalno je, po pravilu, izabrati visoke parametre nosioca toplote, dopuštene po uslovima tehnike transporta toplote u mreži i njenog korišćenja kod potrošača.


341

12.4.2. Sistemi sa vodom kao nosiocem toplote Primenjuju se dva tipa sistema snabdevanja toplotom sa vodom kao nosiocem toplote: zatvoreni i otvoreni. U zatvorenim sistemima, voda koja cirkuliše u toplotnoj mreži se koristi samo kao nosilac toplote, ali se ne oduzima iz mreže. U otvorenim sistemima, vodu koja cirkuliše u mreži delimično ili potpuno potrošač koristi kao potrošnu toplu vodu. U zavisnosti od broja linija koje se koriste za snabdevanje toplotom određene grupe potrošača, sistemi sa vodom se dele na jednocevne, dvocevne, trocevne i višecevne. Minimalni broj cevi za otvoreni sistem je jedan, a za zatvoreni dva. Najprostiji i najbolji za transport na veća rastojanja je jednocevni sistem snabdevanja toplotom. On se može primeniti onda kada obezbeđuje jednakost protoka vode potrebne za pokrivanje opterećenja grejanja i ventilacije i opterećenja za toplu potrošnu vodu potrošača određenog grada ili rejona. Jednocevne mreže kod kojih se fluid po iskorišćenju baca, dosta su retki zbog svoje neekonomičnosti u eksploataciji. Za snabdevanje gradova toplotom u većini slučajeva se primenjuju dvocevni sistemi, sa vodom kao nosiocem toplote, kod kojih se toplotna mreža sastoji od dve cevi, polazne i povratne. Kroz polazne cevi vrela voda se dovodi od toplane do potrošača a kroz povratnu se ohlađena voda vraća u toplanu. Češća primena dvocevnih sistema u gradovima objašnjava se time što ti sistemi, u poređenju sa višecevnim, zahtevaju manja početna ulaganja i što su jeftiniji u eksploataciji. Dvocevni sistemi se koriste i u slučajevima kada je svim potrošačima jednog rejona potrebna toplota istog potencijala. Takvi uslovi obično postoje u gradovima gde celokupno toplotno opterećenje (grejanje, ventilacija i priprema potrošnje vode) može biti zadovoljeno toplotom niskog potencijala. U industrijskim rejonima, gde postoji toplotno opterećenje višeg potencijala za potrebe tehnologije, mogu se primeniti trocevni sistemi, u kojima se dve cevi koriste kao polazne, a treća kao povratna. Na svaku polaznu cev priključuju se potrošači jednakog potencijala i režima toplotnog opterećenja. U industrijskim zonama se obično na jednu polaznu cev priključuju postrojenja za grejanje i ventilaciju (sezonsko opterećenje), a na drugu - tehnološka postrojenja i postrojenja za pripremu potrošne tople vode.

12.4.3. Sistem sa vodom - zatvoreni sistemi Broj paralelnih linija u zatvorenim sistemima treba da bude najmanje dve, jer posle predaje toplote u postrojenjima potrošača nosilac toplote treba da se vrati u toplanu. Znači, polaznim potisnim vodom toplotne mreže, vrela voda dolazi do potrošča, a povratnim vodom se ohladjena voda vraća u toplanu. U zavisnosti od karaktera potrošača i režima rada toplotne mreže biraju se šeme priključenja potrošača na toplotnu mrežu. U praksi nalaze primenu dve principijalno različite šeme priključenja potrošača na toplotnu mrežu zavisna i nezavisna odnosno direktna i indirektna. Po prvoj šemi priključenja voda iz toplotne mreže neposredno ulazi u grejna tela potrošača, a po drugoj - prolazi kroz izmenjivač toplote u kojem zagreva sekundarni nosilac toplote koji se koristi u grejnim telima potrošača.


342

Pri priključenju po zavisnoj šemi, pritisak u potrošačima zavisi od pritiska u toplotnoj mreži. Pri priključenju po nezavisnoj šemi, pritisak u lokalnom sistemu ne zavisi od pritiska u toplotnoj mreži.

Slika 12.4-1. Šeme priključenja potrošača na toplotnu mrežu a) direktan (zavistan) način povezivanja b) indirektan (nezavistan) način povezivanja

Oprema za priključenje potrošača po zavisnoj šemi priključenja prostija je i jeftinija od opreme za priključenje po nezavisnoj šemi, a može biti postignut i veći pad temperature vode u potrošačevom postrojenju. Povećanje pada temperature vode smanjuje protok nosioca toplote kroz mrežu, što dovodi do smanjenja prečnika mreže, cene toplotne mreže i eksploatacionih troškova. Osnovni nedostatak priključenja po zavisnoj šemi je čvrsta hidraulička veza toplotne mreže sa grejnim priborom potrošača, koji po pravilu imaju sniženu mehaničku čvrstoću, što ograničava oblast dopuštenih režima rada CST - sistema centralizovanog snabdevanja toplotom. Zbog toga, po uslovima pouzdanosti rada CST velikih gradova, nezavisna šema priključenja ima prednost, a kada pritisak u toplotnoj mreži u statičkim uslovima prelazi dopušteni nivo pritiska u priborima potrošača, primena nezavisne šeme priključenja je obavezna. Kada se radi o zavisnom povezivanju sistema grejanja stambenih i društvenih zgrada na toplotnu mrežu, u većini slučajeva je to sa uređajem za mešanje. To se objašnjava time što je po propisima za stambene zgrade, domove, škole, poliklinike, muzeje i slične zgrade, granična (maksimalna) temperatura naosioca toplote 95°C, a maksimalna temperatura vode u polaznom vodu se kreće, u većini slučajeva, preko 110°C, negde čak od 170° do 190°C (u velikim sistemima).


343

Uređaj za mešanje, postavljen na priključku potrošača, meša ohlađenu vodu iz povratnog voda sa vrelom vodom iz polaznog voda, tako da se dobija voda niže temperature od temperature u polaznom vodu. Kao uređaji za mešanje na priključcima potrošača primenjuju se strujne pumpe-elevatori i centrifugalne pumpe za mešanje (sl. 12.4-2c.)

Slika 12.4-2. Priključivanje raznih potrošača na daljinski toplovod

a) priključenje sistema za grejanje b) priključenje sistema za pripremu tople vode

c) priključak preko injektora

Kod nezavisne šeme priključenja zatvorenog sistema voda iz polaznog voda toplotne mreže dolazi u grejač tipa voda-voda (izmenjivač toplote) u kome ona kroz zid zagreva sekundarnu vodu koja cirkuliše u postrojenju za grejanje potrošača. Ohlađena voda iz toplotne mreže vraća se cevovodom u povratni vod. Cirkulacija vode u lokalnom postrojenju za grejanje ostvaruje se pumpom (sl. 12.4-2a.) U zatvorenim sistemima snabdevanja toplotom, postrojenja za pripremu tople potrošne vode priključuju se na toplotnu mrežu preko površinskog razmenjivača toplote voda-voda, tj. po nezavisnoj šemi. Voda iz vodovoda koja ulazi u postrojenje za pripremu potrošnje tople vode nema direktni kontakt sa vodom iz mreže. Hidraulična izolovanost vode iz vodovoda od vode iz mreže obezbeđuje stabilan kvalitet tople potrošne vode (sl. 12.4-2b.) Glavni nedostaci zatvorenih sistema su:

- složenija postrojenja i eksploatacija kućnih stanica zbog ugradnje izmenjivača toplote za pripremu tople potrošne vode,

- izdvajanje kamenca u izmenjivačima toplote i cevima kućnih stanica u slučaju veće karbonante čvrstoće,

- korozija kućnog postrojenja sanitarne potrošnje vode zbog korišćenja nedegazirane vodovodske vode.


344

12.4.4. Sistem sa vodom - Otvoreni sistemi U otvorenim sistemima vodu, koja cirkuliše u mreži, delimično ili potpuno potrošač koristi kao potrošnu toplu vodu. Osnovni tip otvorenih sistema za snabdevanje toplotom je dvocevni sistem. Postrojenja za grejanje priključuju se na toplotnu mrežu po istim šemama kao i za zatvorene sisteme snabdevanja toplotom. Šeme priključenja postrojenja za pripremu tople potrošne vode principijelno se razlikuju od šema kod zatvorenog sistema. Snabdevanje toplom potrošnom vodom se vrši vodom neposredno iz toplotne mreže. Voda iz polaznog voda toplotne mreže ulazi u mešač kao i voda iz povratne linije mreže. Regulator temperature održava u mešaču konstantnu temperaturu mešavine (obično oko 60°C). Iz mešača voda ulazi u lokalni sistem snabdevanja toplom potrošnom vodom. Osnovna osobina otvorenih sistema snabdevanja toplotom - neposredno oduzimanje vode iz toplotne mreže za potrošnu toplu vodu, dozvoljava korišćenje većih količina otpadne tople vode sa temperaturom (15÷30)°C koje postoje u termoelektranama i u mnogim industrijskim preduzećima. Iskorišćenje otpadne tople vode u otvorenim sistemima omogućuje uštedu goriva i smanjuje cenu snabdevanja potrošnom toplom vodom. U otvorenim sistemima uprošćava se priljučak potrošača i postrojenja za pripremu potrošne tople vode, jer se ne zahteva primena grejača vode tipa voda-voda. Lokalna postrojenja za pripremu tople potrošne vode, u otvorenim sistemima snabdevanja toplotom, nisu podložna kamencu i koroziji, jer dodatna voda na putu do mreže prolazi kroz prethodnu obradu-hemijsku pripremu i degazaciju. U tom cilju je potrebno predvideti u toplani velika postrojenja za pripremu tople vode. Pored navedenih osobina otvorenih sistema, koje možemo smatrati prednostima, postoje i nedostaci otvorenih sistema kao što su:

1. složenija i skuplja priprema vode u toplani, 2. nestabilnost vode koja se troši po mirisu, boji i sanitarnim merilima, pri zavisnoj šemi

spajanja postrojenja za grejanje na toplotnu mrežu, kao i velika kiselost vode, 3. složenija i obimnija sanitarna kontrola sistema snabdevanja toplotom, 4. složenija eksploatacija zbog nestabinosti hidrauličnog režima toplotne mreže, povezane sa

promenljivim protokom vode u povratnom vodu. Maksimalni protok (ujedno i proračunski) mrežne vode je u potisnom cevovodu, kod maksimalnog opterećenja SPV i minimalne temperature u potisnom vodu, tj. kada se opterećenje SPV najvećim delom ili isključivo pokriva iz potisnog voda.

5. složenija kontrola zaptivenosti sistema snabdevanja toplotom

12.4.5. Sistemi sa vodenom parom kao nosiocem toplote Sistemi sa vodenom parom se izrađuju kao:

a) sistemi sa povratkom kondenzata b) sistemi bez povratka kondenzata

U praksi industrijske toplifikacije široko se primenjuje jednocevni sistem sa vodenom parom i povratkom kondenzata. Kondenzat se u kotlarnicu vraća vodom za kondenzat pomoću pumpi.


345

Šeme priključenja potrošača na parnu mrežu zavise od karaktera potrošača. Ako para može da se dovede direktno u postrojenje potrošača, tada se priključenje izvodi po zavisnoj šemi. Ako para ne može da se dovede neposredno u postrojenje potrošača, tada se priključenje izvodi po nezavisnoj šemi: preko izmenjivača toplote. Skupljanje kondenzata potrošača i njegovo vraćanje u izvor toplote ima veliki značaj kako za pouzdanost rada kotlovskih postrojenja savremenih termoelektrana, tako i za uštedu goriva i opštu ekonomičnost sistema snabdevanja toplotom u celini. Povratak kondenzata je posebno važan za termoelektrane sa visokim i natkritičnim početnim parametrima (13 MPa i više). Postavljanje uređaja za pripremu vode u takvim postrojenjima je vrlo skupo i zbog toga je njihov kapacitet po pravilu ograničen. Naročito važnu ulogu u sistemu sakupljanja i povratka kondenzata imaju odvajači kondenzata koji se postavljaju po pravilu iza svih površinskih parnih grejača, kao i na parovodima zasićene pare na mogućim mestima sakupljanja kondenzata. Gubitak kondenzata izaziva neophodnost povećanja kapaciteta pripreme vode i dopunsku potrošnju hemijskih reagenata, a dovodi i do dopunskih gubitaka toplote. Odustajanjem od povratka kondenzata pojednostavljuje se i pojeftinjuje toplotna mreža, potrošačevo postrojenje (zbog zamene površinskog zagrevanja - mešanjem), a štedi se i u elektroenergiji za prebacivanje kondenzata. Ako se gubitak kondenzata kompenzira povećanjem kapaciteta pripreme vode, raste početna investicija energane i povećavaju se gubici kotlarnice zbog povećanja odsoljavanja kotlova. Sprovedena istraživanja pokazuju da je u termoelektramama niskog i srednjeg pritiska pri zadovoljavajućem kvalitetu sirove vode (sadržaj soli ispod 250 mg/e) ekonomski celishodno koristiti kondenzat kod potrošača kao toplu potrošnu vodu.

Toplotne mrežeToplotne mreže

13.13.

349

13. Toplotne mreže

13.1. Osnovne vrste mreža daljinskog grejanja Već smo napomenuli da su osnovni podsistemi sistema za proizvodnju i distribuciju toplotne energije:

1. toplotni izvori 2. toplotne mreže 3. toplotne predajne stanice.

Posebno važnu ulogu, sa stanovišta daljeg razvoja centralizovanih sistema, njihove pouzdanosti i efikasnosti, imaju toplotne mreže. Razmatraćemo sistem daljinskog grejanja sa vodom (toplom ili vrelom) kao primarnim nosiocem toplote. Šema toplotne mreže određuje se položajem izvora toplote u odnosu na rejon koji se snabdeva toplotom, karakterom toplotnog opterećenja potrošača u rejonu i nosiocem toplote. Jedan od važnijih problema koji treba rešiti prilikom izgradnje naselja i modernizacije gradova jeste izbor sistema i lokacije toplana. Ovo pitanje diktiraju najpre tehničko-ekonomski uslovi a zatim higijenski, saobraćajni i dr. Tehničko-ekonomski uslovi zahtevaju da se toplane podižu u centrima potrošnih rejona i da njihov broj bude što manji bez obzira na koju će vrstu pasti izbor. Naprotiv, higijenski, saobraćajni i estetski uslovi zahtevaju u većini slučajeva da se toplane izgrađuju u industrijskim predgrađima velikih gradova. Ukoliko se radi o velikim gradskim područjima i industrijskim centrima ili modernizaciji zaostalih gradova, ovo pitanje se postavlja u još oštrijem obliku. Pri ovome osnovni problem koji treba rešiti je maksimalni i optimalni radijus toplotne mreže tj. maksimalna i optimalna udaljenost do koje se može ići sa slanjem toplotnog fluida. U sistemima prenošenja toplote na daljinu akcioni radijus zavisi prvenstveno od vrste toplotnog fluida, koji opet sa svoje strane zavisi od strukture potrošačkog područja i još niza drugih okolnosti. Osnovni principi kojima se treba rukovoditi pri izboru šeme toplotne mreže su funkcionalnost i ekonomičnost. Pri izboru konfiguracije toplotnih mreža, treba po pravilu težiti dobijanju najprostijih rešenja i najkraćih dužina toplovoda. Izbor šeme toplotnih mreža sa vodom kao nosiocem toplote je složen zadatak jer je njihovo opterećenje manje skoncentrisano. One opslužuju veliki broj potrošača koji se često meri hiljadama u oblastima čije površine mogu biti na desetine kvadratnih kilometara. Toplotne mreže sa vodom kao nosiocem toplote su kraćeg veka, u poređenju sa parnim, uglavnom zbog većih oštećenja izazvanih korozijom sa spoljne strane čeličnih cevovoda podzemnih mreža. Ove toplotne mreže su osetljive na kvarove, zbog veće gustine nosioca toplote. Mreža toplovoda kojom se fluid prenosi do podstanice potrošača je primarna mreža a koja služi za razvod toplonoše kod samog potrošača naziva se sekundarna mreža. Granično mesto između ovih dveju mreža je podstanica.

13. Toplotne mreže

350

Na osnovu mreža nosioce toplote delimo na primarni i sekundarni toplotni fluid. Primarni toplotni fluid se zbog svoje uloge naziva još i daljinski toplotni fluid. U razgranatim toplotnim mrežama radijusa iznad 5 km, mogu postojati i podstanice u pojedinim potrošačkim blokovima ili područjima. U tom slučaju primarna mreža bi bila podeljena na osnovnu ili magistralnu i razvodnu ili rejonsku. U magistralnu spadaju toplovodi koji spajaju izvore toplote sa rejonima potrošača toplote, kao i međusobno. Nosilac toplote dolazi iz magistralnih u razvodne mreže i kroz njih se predaje, kroz centralne ili lokalne podstanice, potrošačima. Neposredno priključenje potrošača na magistralne mreže se ne dopušta, osim u slučaju priključenja velikih industrijskih potrošača. Magistralne mreže se dele na sekcije i zahvaljujući tome smanjuju se gubici vode iz toplotne mreže pri havariji, jer se mesto havarije lokalizuje sekcionim ventilima. To olakšava i ubrzava puštanje u rad mreže posle havarije. Geometriju razvodne mreže najvećim delom određuju: konfiguracija zemljišta, infrastrukturne karakteristike konzumnog područja, lokacija izvora toplotne energije, karakteristike toplotnih potrošača i toplotnog opterećenja. Još jednom valja spomenuti da su osnovni principi za izbor toplotne mreže: ekonomski i tehnički specifični pokazatelji, investicioni troškovi, eksploatacioni troškovi, funkcionalan i pouzdan rad sistema. U zavisnosti od lokacije izvora toplote (vršnog i osnovnog), imamo tri osnovne mreže daljinskog sistema grejanja:

1. radijalne mreže - zrakaste, 2. prstenaste 3. kombinovane

a) zrakasta mreža b) prstenasta mreža

Slika 13.1-1. Šeme mreža sistema daljinskog grejanja

13. Toplotne mreže

351

Koja će mreža biti primenjena, ili koja kombinacija, zavisi uglavnom od: - investicionih i eksploatacionih troškova, - stepena sigurnosti pogona - lokacije izvora (ako sistem ima više izvora) - rasporeda potrošača toplote i faza gradnje

Radijalne mreže se vrlo često sreću u manjim mestima, zahtevaju nešto manje investiciona ulaganja i jednostavnija su za eksploataciju. Kada su prečnici magistrale na izlazu iz toplotnih izvora 700 mm i manji, obično se primenjuje radijalna (zrakasta) šema toplotne mreže sa postupnim smanjenjem prečnika sa udaljavanjem od centrale i sniženjem priključnog opterećenja. Međutim pri havariji na magistrali radijalne mreže, prekida se snabdevanje toplotom potrošača koji se nalaze iza mesta havarije. Potrebno je naglasiti da je u Rusiji i Nemačkoj dosta zastupljena praksa izgradnje radijalnih mreža i kod većih sistema CST, ali se susedni magistralni vodovi hidraulički povezuju interventnim vodom. Poprečne veze koriste se samo za obezbeđenje funkcionisanja toplifikacionog sistema u pojedinim havarijskim situacijama pa u tom cilju moraju imati odgovarajuću propusnu moć. U nekim kritičnim slučajevima postavljaju se i rezervne prepumpne stanice. U prvoj fazi izgradnje sistema toplifikacije obično se izvodi mreža radijalnog tipa, koja se u kasnijim etapama razvoja proširuje i eventualno rekonstruiše, pa može poprimiti prstenasti ili još složeniji oblik. Prstenaste mreže odnosno kombinovanog tipa su skuplje ali imaju povoljniju hidrodinamičku raspodelu nosioca toplote, manje eksploatacione troškove, lakše se prilagođavaju dinamici rasta toplotnog opterećenja i omogućavaju racionalniji rad izvora energije ukoliko je njihov broj u sistemu veći. U snabdevanju toplotom velikih gradova iz nekoliko izvora toplote, svrsishodno je predvideti uzajamno blokiranje TE-TO putem spajanja njihovih magistrala, vezama blokade. U tom slučaju se može ostvariti prstenasta toplotna mreža sa nekoliko izvora toplote. U takav sistem mogu biti uključene velike rejonske ili industrijske kotlarnice. Spajanje magistralnih toplotnih mreža nekoliko toplotnih izvora uporedo sa obezbeđivanjem rezerve, dozvoljava smanjenje ukupne rezerve u kotlovima TE-TO i povećanje stepena korisnosti najekonomičnije opreme u sistemu na račun rasporeda opterećenja između toplotnih izvora. U neophodnim slučajevima, radi povećanja propusne moći veza blokade, postavljaju se pumpne podstanice. Radijus dejstva toplotne mreže je za snabdevanje toplotnom energijom, kod velikih sistema kreće se od 10 do 50 km, a ukupna dužina svih magistralnih vodova sa ograncima može biti preko 200 km. Prečnici magistralnih vodova dostižu vrednost 1200÷1400mm pa sa takvim cevovodima može se transportovati do 1300 MW toplotne energije. Povećanjem razmera i složenosti centralizovanih toplifikacionih sistema, došlo je do promene odnosa između troškova izgradnje i eksploatacije pojedinih sistema. Po pravilu, toplotna mreža projektuje se za određen režim eksploatacije, koji će biti ostvaren tek posle izvesnog vremena rada sistema, odnosno kada se projektni toplotni konzum u potpunosti formira. Da bi se izbegli visoki eksploatacioni troškovi u prvim godinama postojanja postrojenja za proizvodnju i distribuciju toplotne energije, osnovni parametri sistema, menjaju se sa dinamikom porasta potrošnje toplotne energije.

13. Toplotne mreže

352

13.2. Osnovne računske zavisnosti Osnovna jednačina koja se ovde primenjuje je Bernulijeva jednačina:

ρδ

ρρppwgZpwgZ +++=++ 22

2

211

2

1 22............................................................. (13.1)

gde su: Z1 i Z2 [m] - geometrijske visine ose cevovoda u presecima 1 i 2 u odnosu na referentnu ravan

w1 i w2 [m/s] - brzine kretanja tečnosti u presecima 1i 2 p1 i p2 [Pa] - pritisci u presecima 1i 2 mereni u osi cevovoda

δp [Pa] - pad pritiska na deonici 1-2 ρ [kg/m3] - gustina tečnosti

Često korišćen parametar u hidrauličkom proračunu je napor, definisan jednačinom:

Hg

wZgp

gwZHo ++=++=

22

22

ρ..................................................................... (13.2)

Ho je ukupan napor, dok je H=p/ρg [m] pijezometarski napor (sl. 13.4-1.). Koeficijent hidrauličkog trenja zavisi od karaktera zida cevi (hrapav ili gladak) i režima strujanja tečnosti (laminarno ili turbulentno). Različita istraživanja dala su različite rezultate. Obzirom da glatke cevi imaju mali značaj u tehnici transporta toplote (primenjuju se uglavnom samo u izmenjivačima toplote), dalja razmatranja odnose se na hrapave cevi. Evo nekih rezultata istraživanja:

Puazejlj: λ = 64/Re za Re < 2300 Blazijus: λ = 0,3164/Re

0,25 za 2300 <= Re <= 104 Nikuradze: λ = 0,0032 + 0,221/ Re

0,237 za Re >= 105 Altšul: λ = 1/(1,821g Re - 1,64)2 za Re >= 104

Obrazac koji je dao Puazejlj ( za laminarno strujanje jer je Re<2300 ) važi i za glatke i za hrapave cevi. Osnovnu primenu u transportu toplote imaju hrapave čelične cevi. Hrapava površina može se predstaviti nizom elementernih uzvišenja visine k sl.13.2-1. Kao prvi karakterističan parametar hrapavosti usvaja se visina uzvišenja hrapavosti koja se naziva apsolutna hrapavost. Zavisno od kvaliteta izrade njena vrednost se kreće od 0,05-2mm. Drugi karakterističan parametar je odnos apsolutne hrapavosti i poluprečnika cevovoda k/r, koji se naziva relativna hrapavost.

Slika 13.2-1. Presek hrapave cevi

Istraživanja su pokazala da pri malim vrednostima Re koeficijent λ ima najveću vrednost. Sa povećanjem Re koeficijent λ opada do neke minimalne vrednosti pri kojoj je Re= Repr. Pri daljem povećanju Re koeficijent λ ostaje isti. Zbog toga se sa dovoljnom tačnošću za praktične proračune

13. Toplotne mreže

353

može uzimati da u prelaznoj oblasti (2300< Re< Repr) koeficijent hidrauličkog trenja zavisi od ekvivalentne relativne hrapavosti ke/r i Rejnoldsovog broja, a pri Re> Repr, koeficijent hidrauličkog trenja zavisi samo od ekvivalentne relativne hrapavosti ke/r. Pod ekvivalentnom relativnom hrapavošću realnog cevovoda podrazumeva se veštačka ravnomerna hrapavost cilindričnog zida čiji je koeficijent hidrauličkog trnja u oblasti Re> Repr isti kao i u datom realnom cevovodu. Eksperimentalnim putem dobijena zavisnost koeficijenta hidrauličkog trenja čeličnih cevi od Re i relativne hrapavosti dobro se opisuje jednačinom koju je predložio Altšul:

λ = 0,11(ke/d+68/ Re)0,25 ...................................................................................... (13.3)

Pri ke=0 Altšulov obrazac prelazi u Blazijusov, dok pri Re= ∞ prelazi u Šifrinsonov:

λ=0,11(ke/d)0,25 .................................................................................................... (13.4)

Kako sa povećanjem Re broja vrednost drugog sabirnika u zagradi (u jed. 13.3) opada, to pri većim vrednostima Re razlika izmedju vrednosti λ dobijenim prema Šifrinsonu i Altšulu postaje zanemarljiva. Usvajajući da je dopuštena razlika 3%, iz uslova λa/λš-1=0,03 dobija se:

Repr=568d/ke ........................................................................................................ (13.5)

Odavde sledi da pri Re<568d/ke koeficijent hidrauličkog otpora λ treba određivati prema jed. (13.4), dok pri Re>=568d/ke treba koristiti jed. (13.5). Što je relativna hrapavost manja, to je veća vrednost Repr. Pri Re>=Repr praktično je kvadratna zavisnost između pada pritiska u cevovodu i protoka (jed. 13.4). Obrazac za linijski pad pritiska u oblasti kvadratne zavisnosti može se dovesti na pogodniji oblik za praktične proračune. Jedinični pad pritiska je:

Rl = ARG2/d5,25 ..................................................................................................... (13.6)

Prečnik cevovoda:

d = AdG0,38/Rl0,19.................................................................................................. (13.7)

Propusna moć cevovoda je:

G = AGRl0,25 d2,625 ................................................................................................ (13.8)

Pri transportu tečnosti, tj. pri ρ=const., navedeni obrasci se mogu napisati u sledećem obliku:

Rl = AvRG2/(ρd5,25) ............................................................................................... (13.9)

d = AvdG0,38/(Rl ρ)0,19 ......................................................................................... (13.10)

G = AvG(Rlρ)0,25 d2,625 ........................................................................................ (13.11)

G [kg/s] - maseni protok

Vrednosti A i Av date su tablici 13.2-1.

13. Toplotne mreže

354

Tablela 13.2-1. Vrednosti koeficijenata A

Aps. ekvivalentna hrapavost ke [m] Koeficijent Dimenzija Izraz

0,0002 0,0005 0,001

AR m0,25 0,0894 ke0,25 10,6 10-3 13,3 10-2 15,92 10-3

AvR m3,25/kg 0,0894 ke

0,25 10,92 10-6 13,62 10-6 16,3 10-6

AR m0,0476 0,63 ke0,0475 0,414 0,435 0,448

Avd m0,62/kg0,19 0,63 ke

0,25/ρ0,19 111,5 10-3 117 10-3 121 10-3

AG m-0,125 3,35/ ke0,125 9,65 8,62 7,89

AvG kg0,5/m1,825 3,350,5/ ke

0,125 302 269 246

A m-0,19 5,1/ ke0,19 25,2 21,4 18,6

Av m0,53/kg0,24 5,1/(ke0,19ρ0,24) 4,54 3,82 3,34

A m-0,25 9,1/ ke0,25 76,4 60,7 51,1

Lokalni pad pritiska (δpm) je posledica postojanja lokalnih otpora (krivina, slavina…). Izračunava se po obrascu:

∑ ∑== 4

22812.0

2 dgwpm ρ

ξρξδ ..................................................................... (13.12)

gde je: ∑ξ - zbir koeficijenata lokalnih otpora postavljenih na deonici.

Ako zamislimo pravolinijski cevovod prečnika d, čiji je linijski pad pritiska jednak padu pritiska u lokalnim otpotima, dužina takve deonice naziva se ekvivalentna dužina lokalnih otpora i određuje se prema:

elm lRp ⋅=δ ...................................................................................................... (13.13)

eldw

⋅⋅∑ ⋅=ρωλρξ

22

22

odakle je ekvivalentna dužina lokalnih otpora:

le=Σξd/λ ............................................................................................................. (13.14)

Zamenom u jed. (10) dobija se:

le=Al Σξd1,25 ....................................................................................................... (13.15)

Otpori zavojnih, zavarenih i prirubničkih spojeva cevovoda pri pravilnom izvođenju su beznačajni, pa se zato oni razmatraju zajedno sa linijskim otporima. Odnos pada pritiska u lokalnim otporima i linijskog pada pritiska naziva se učešće lokalnih otpora:

α = δpm /δpl= le/l ................................................................................................ (13.16)

13. Toplotne mreže

355

Prema (13.13), (13.14) i (13.15) može se naći udeo lokalnih otpora:

240

480

240)()1(

lp

Gl

A ρδ

ξαα

α⋅

⋅∑=+

................................................................... (13.17)

gde je Aα=5,1/ke0,19

Radi lakseg sračunavanja prethodna jednačina može se napisati kao:

lp

Gl

Aρδ

ξα

αα

⋅⋅∑=

+4 )1(........................................................................ (13.18)

Pošto se α menja u granicama od 0 do 1, može se sa greskom od 6% usvojiti

lp

Gl

Aρδ

ξα α

⋅⋅∑= 15.1 ............................................................................. (13.19)

Pri transportu tečnosti (ρ=const.):

lp

Gl

Av

δξα α ⋅∑= 15.1 .................................................................................. (13.20)

gde je δp rasloloživi pad pritiska. Zbirni pad pritiska određuje se po obrascu:

δp = δpl + δpm=δpl (1+δpm/δp)=Rll(1+α)= Rl(l+le) ......................................... (13.21)

Odavde se nalazi Rl:

Rl=δp/[l(1+ α)] .................................................................................................. (13.22)

U tableli 13.2-1. date su vrednosti koeficijenata A, koje ulaze u prethodne jednačine. Vrednosti Av odnose se na vodu čija je gustina ρ=975 kg/m3 pri t=75°C

13.3. Redosled hidrauličnog proračuna Pri hidrauličkom proračunu obično su dati protok nosioca toplote i zbirni pad pritiska na deonici. Potrebno je odrediti prečnik cevovoda. Proračun se sastoji iz dva dela: prethodni i završni. Prethodni proračun:

1. Zadaje se udeo lokalnih otpora α, ili se određuje prema obrascu (13.20-13.22); 2. Određuje se jedinični pad pritiska; 3. Određuje se srednja gustina nosioca toplote na deonici prema:

ρsr= (ρpoč+ ρkr)/2

13. Toplotne mreže

356

Ovde su ρpoč, ρkr gustina na početku i na kraju deonice respektivno. Ako je nosilac toplote tečnost, onda se može uzimati ρpoč= ρkr =ρsr

4. Prečnik cevovoda određuje se iz pretpostavke njegovog rada u oblasti kvadratne zavisnosti.

Završni proračun: 1. Usvaja se veličina prethodno proračunatog prečnika najbliža standardoj 2. Određuje se Rejnoldsov broj Re i upoređuje sa graničnim Repr. Odeđuje se oblast u kojoj

radi cevovod. Kada cevovod radi u oblasti kvadratne zavisnosti, linijski jedinični pad pritiska određuje se po obrascima (13.13) i (13.14) , ekvivalentnu dužinu lokalnih otpora prema (13.15), a zbirni pad pritiska prema (13.21). Ako cevovod radi u prelaznoj oblasti, tada se prema (13.17) određuje koeficijent hidrauličkog trenja, prema (13.22) jedinični linijski pad pritiska, a zatim prema (13.23) ekvivalentnu dužinu lokalnih otpora i prema (13.14) zbirni pad pritiska u deonici. Određivanje oblasti u kojoj radi cevovod treba vršiti samo pri proracunu deonica sa malim opterećenjem (prikljuci potrošača sa malim protokom nosioca toplote). Pri proračunu magistralnih vodova i osnovnih priključaka moguće je ne vršiti provru proračunske oblasti, smatrajući da te mreže rade u oblasti kvadratne zavisnosti.

3. Pri proračun parovoda, dobijena vrednost ρsr se upoređuje sa prethodno usvojenom. Pri većoj razlici zadaju se bliže vrednosti tih veličina i ponovo vrši provera. Hidraulički proračun se uprošćava korišćenjem nomograma.

13.4. Pijezometarski dijagram Pijezometarski dijagram je šema u kojoj su unešeni reljef trase, visina priključenih zgrada i napor u mreži. Pomoću ovog dijagrama se lako određuje napor (pritisak) i raspoloživi napor u bilo kojo tački mreže i potrošača. Na slici 13.4-1. prikazan je pijezoetarski dijagram dvocevnog sistema sa vodom kao nosiocem toplote i principijelna šema postrojenja. Za horizontalnu ravan uzeta je ravan I-I, sa horizontalnom kotom 0; P1 - P4 - dijagram napora polaznog voda mreže; 01 - 04 - dijagram napora povratnog voda mreže; H01 - puni napor na povratnom kolektoru izvora toplote; Hn - napor koji razvija mrežna cirkulaciona pumpa I; Hst - puni napor koji razvija pumpa dodatne (napojne) vode, ili, sto je isto, puni statički napor u toplotnoj mreži; Hk - puni napor u tački K na potisnom cevovodu mrežne cirkulacione pumpe I; δHt - gubitak napora vode iz mreže u toplifikacionom postrojenju III; Hp1 - puni napor na polaznom kolektoru izvora toplote; Hp1= Hk + δHt. Raspoloživi napor u kolektoru TE-TO je H1= Hp1- H01. Napor u bilo kojoj tački toplotne mreže, na primer u tački 3, označava se na sledeći način: Hp3 - puni napor u tački 3 polaznog voda mreže, H03 - puni napor u tački 3 povratnog voda mreže. Ako je geodetska visina ose cevovoda iznad računske ravni u toj tački mreže Z3, tada pijezometarsi napor u tački 3 polaznog voda iznosi Hp3- Z3, a pijezometarski napor u povratnom vodu Hp3- Z3. Raspooživi napor u tački 3 toplotne mreže jednak je razlici pijezometarskih napora u polaznom i povratnom vodu, ili , što je isto, razlici punih napora H3= Hp3- H03.

13. Toplotne mreže

357

Slika 13.4-1. Šema (a) i pijezometarski dijagram (b) dvocevne toplotne mreže

Raspoloživi napor u tački priključenja potrošača D je: H4= Hp4- H04, gde su Hp4 i H04 - puni napori u polaznom i povratnom vodu u tački 4. Gubitak napora u polaznom vodu toplotne mreže na delu između kolektora toplotnog izvora i potrošača D je δHp

1-4 =Hp1- Hp4. Gubitak napora u povratnom vodu na toj deonici je δH0

1-4 =H01- H04. Pri radu mrežne cirkulacione pumpe I (sl. 13.4-1a.), napor Hst, koji razvija pumpa dodatne napojne vode II, prigušuje se regulatorom pritiska IV do H01. Pri zaustavljanju mrežne cirkulacione pumpe I, uspostavlja se statički pritisak Hst koji razvija pumpa dodatne napojne vode. Pri proračunu parovoda pad pritiska se uzima da je jednak razlici pritisaka u krajnjim tačkama deonice. Osnovni zahtevi koje treba da ispuni režim pritisaka toplotnih mreža iz uslova pouzdanosti rada sistema su:

1. Dopušteni pritisci u postrojenju izvora toplote, u potrošačima i toplotnoj mreži ne smeju se prevazilaziti.

2. Obezbeđenje nadpritiska u svim elementima sistema radi sprečavnja kavitacije pumpi i zaštite sistema od usisavanja vazduha. Neispunjenje ovog zahteva dovodi do korozije postrojenja i poremećaja u cirkulaciji vode.

3. Obezbeđenje od isparavanja vode pri hidrodinamičkom režimu sistema snabdevanja toplotom, tj. Pri cirkulaciji vode u sistemu.

U svim tačkama sistema mora se održavati pritisak koji je iznad pritiska zasićenja, pri temperaturi vode u sistemu. Razrada pijezometarskog dijagrama počinje sa hidrostatičkim režimom kada cirkulacija ne postoji, a sistem je napunjen vodom temperature 100°C. Na osnovu hidrostatičkog režima iz uslova neprelaženja dozvoljenog pritiska u svim elementima postrojenja, uključujući i potrošače, proverava se mogućnost uspostavljanja zajedničke statičke zone za ceo sistem snabdevanja toplotom, tj. mogućnost održavanja istog statičkog napora u celom sistemu. Takođe se otkrivaju i uzroci koji to ne dopuštaju. Uspostavljanje opšte statičke zone za ceo sistem uprošćava eksploataciju i povećava pouzdanost sistema, pa se takvo rešenje preporučuje. Najprostije se to

13. Toplotne mreže

358

postiže pri nezavisnoj šemi priključivanja svih grejnih postrojenja na toplotnu mrežu, jer se na taj način najslabiji mehanički elementi sistema - liveni radijatori ili grejni betonski paneli - hidraulički izoluju od sistema snabdevanja toplotom. U zavisnoj šemi priključenja grejnih postrojenja na toplotnu mrežu uspostavljanje jedinstvene statičke zone često onemogućuje visoki puni statički napor koji se određuje iz uslova obezbeđenja u najvišim tačkama najviših postrojenja za grejanje nadpritiska većeg od 0,05 MPa (5mVS). To izaziva nedopustivo visoke pritiske u postrojenjima za grejanje zgrada koje se nalaze na niskim geodetskim nivoima. Ova nepovoljnost se odstranjuje na taj način što se po nezavisnoj šemi priključuju postrojenja za grejanje zgrada u kojima se ostvaruje povišeni statički napor, ili zgrada u kojima se ostvaruje nedopušteno visoki pijezometarski statički napor. Drugo moguće rešenje je podela sistema snabdevanja toplotom na posebne statičke zone u kojima se, u svakoj posebno, pomoću automatskih ventila i napojnih pumpi, održava zadata vrednost punog statičkog napora pri prestanku cirkulacije vode. Pri hidrodinamičkom režimu sistema, pijezometarski napor takođe mora da ispuni navedene uslove. Pri izradi dijagrama hidrodinamičkih napora u njega se unosi nivo maksimalnih i minimalnih pijezometarskih napora za polazni i povratni vod sistema. Radni pijezometarski napori u bilo kom režimu rada sistema ne smeju da izlaze iz tih granica. Maksimalno dozvoljen hidrodinamički pijezometarski napor obično se određuje:

- za polazni vod - iz uslova sprečavanja isparavanja vode; - za povratni vod - iz uslova sprečavanja vakuuma u sistemu i sprečavanja kavitacije na

usisnim stranama pumpi.

Poželjno je da se zavisnom šemom priključenja linija dejstvujućih, punih, hidrodinamičkih napora polazne vode ne seče liniju statičkih napora. Tada u tačkama priključenja postrojenja za grejanje na toplotnu mrežu ne treba postavljati pumpne podstanice, što uprošćava šemu snabdevanja toplotom i povećava pouzdanost rada sistema. Linija dejstvujućih, punih, hidrodinamičkih napora povratnog magistralnog voda po pravilu seče liniju statičkih napora. Poželjno je i to da raspoloživi napor, tj. razlika hidrodinamičkih napora u polaznom i povratnom vodu u tačkama priključenja toplotnih predajnih stanica bude jednak ili nešto veći od ukupnog gubitka napora u potrošaču i toplotnoj mreži između priključaka i glavne toplotne podstanice (GTP) ili mesne ili lokalne toplotne podstanice (MTP). U suprotnom, potrebno je na priključke postavljati pumpe, što komplikuje eksploataciju i smanjuje pouzdanost sistema.

13.5. Metod hidrauličkog proračuna razgranatih toplotnih mreža

Kao polazni podaci za proračun obično se zadaju šema toplotne mreže, parametri nosioca toplote kod potrošača, protok nosioca toplote i dužina deonice. Tražena veličina je prečnik mreže. Proračun se obično izvodi u dve etape: prethodni i završni proračun. Primer proračuna koji sledi odnosi se na sliku 13.5-1.

Slika 13.5-1. Šema razgranate toplotne mreže

13. Toplotne mreže

359

Prethodni proračun Bira se računska magistrala, tj. pavac od toplane do jednog od potrošača, koju karakteriše najmanji jedinični pad pritiska. U parnim mrežama jedinični pad pritiska je:

R=δp/l [Pa/m]................................................................................................... (13.23) gde su: δp [Pa] - pad pritiska u magistrali

l [m] - dužina magistrale

U mrežama sa vodom jedinični pad pritiska je:

glHR ρδ

⋅= [Pa/m] ........................................................................................ (13.24)

gde su: δH [m] - razlika ukupnih napora u krajnjim tačkama magistrale

Ako je pad pritiska između toplane i bilo kog potrošača jedan te isti, onda je proračunska magistrala linija koja povezuje toplanu sa najudaljenijim potrošačem. Prethodno se zadaju padovi pritiska (pijezometarskim dijagramom) računske magistrale. Ako nema bilo kakvih ograničenja iz uslova profila, visine zgrada ili zbog drugih razloga, tada se smatra da je raspored pada pritiska (pijezometarski dijagram) računske magistrale pravolinijski. Proračun počinje sa prvom deonicom računske magistrale. Zadaje se ili određuje po (13.14) - (13.16) udeo lokalnih otpora α te deonice. Određuje se jedinični pad pritiska na toj deonici, usvaja uslovno učešće lokalnih gubitaka pritiska na celoj računskoj magistrali, jednako učešću lokalnih gubitaka na datoj deonici. Ako je na slici 13.5-1. računska magistrala 0-1-2-3-4-6, onda je jedinčni pad pritiska na početnoj deonici 0-1 računske magistrale:

( ) ( )αδ

αδ

+⋅=

+⋅=

−

−

−

−− 11 60

60

10

1010 l

pl

pR ili

( ) ( )αρδ

αρδ

+⋅⋅

=+⋅⋅

=−

−

−

−− 11 60

60

10

1010 l

gHl

gHR ................................................................... (13.25)

gde su: δp0-6, δp0-1 - ukupni pad pritiska u računskoj magistrali i na početnoj deonici δH0-6, δH0-1 - gubitak napora u računskoj magistrali i u početnoj deonici

l0-6, l0-1 - dužina računske magistrale i početne deonice

Određuje se prethodni prečnik početne deonice računske magistrale d0-1 iz uslova kvadratnog zakona otpora prema (13.18) ili (13.21). Pri proračunu parovoda, vrednost specifične gustine pare na početku i na kraju računate deonice cevovoda odeđuje se za pregrejanu paru po pritisku i temperaturi, a za vlažnu paru po pritisku i stepenu suvoće. Pritisak pare u toplani (kotlarnici) u tački O je poznat. Pritisak pare u tački 1 određuje se po obrascu p1=p0 - δp0-1. Provera

1. Po standardu ili tabeli raspoloživih dimenzija cevi, bira se najbliži prečnik cevovoda prve deonice magistrale d’0-1.

2. Po (13.24) ili (13.25) određuje se jedinični linijski pad pritiska R’0-1. 3. Po (13.14) ili (13.15) određuje se ekvivalentna dužina lokalnih otpora na deonici 0 - 1.

13. Toplotne mreže

360

4. Određuje se ukupni pad pritiska (napor) na deonici 0 - 1:

δp’0-1=R’0-1l0-1(1 + α’), ili

δH’0-1=R’0-1l0-1(1 + α’)ρg .................................................................................. (13.26)

gde je: α’=le/l0-1 5. Određuje se pritisak pare ili raspoloživi napor vode u krajnjoj tački računate deonice:

p’1=p0 - δp’0-1 ili H’1=H0 - δH’0-1 .................................................................... (13.27)

Analognim redosledom vrši se proračun svih ostalih deonica računske magistrale. Proračun svake sledeće deonice počinje određivanjem jediničnog linijskog pada pritiska. Tako proračun deonice 1-2 počinje određivanjem vrednosti:

( ) ( )αδ

αδ

+⋅=

+⋅=

−

−

−

−− 11 61

61

21

2121 l

pl

pR ili

( ) ( )αρδ

αρδ

+⋅⋅

=+⋅⋅

=−

−

−

−− 11 61

61

21

2121 l

gHl

gHR .................................................................... (13.28)

gde su:

δp’0-1 = p’1 - p6 i δH1-6 = H’1 - H6

Ogranci se računaju kao tranzitne deonice sa zadatim padom pritiska (naporom). Pri proračunu složenih ogranaka, na primer 2 - 8 - 9, prvo se odredi računski pravac sa minimalnim jediničnim padom pritiska, a zatim vrše sve ostale operacije po već navedenom redosledu. Pad pritiska u parnoj mreži se zadaje za hidraulički proračun po raspoloživom pritisku u kotlarnici i potrebnom pritisku kod potrošača. Pri projektovanju cevovoda za kondenzat, koji usput prima kondenzat koji se odvodi iz parovoda, neophodno je da pritisak u cevovodu kondenzata bude za 0,05 MPa manji od pritiska u parovodu.

13.5.1. Određivanje proračunskih protoka Osnovna polazna vrednost za hidraulički proračun mreže je proračunski protok vode. Pri određivanju proračunskog protoka vode dobro je uračunati ne samo opterećenja koja će se priključiti na toplotnu mrežu u bliskoj budućnosti, nego i perspektivna opterećenja. To je naročito važno pri određivanju protoka vode za proračun magistrala i osnovnih ogranaka. U savremenom razvoju izgradnje gradova, u starim gradovima dolazi do zamene starih stanova grejanih pećima, novim stanovima sa savremenom sanitarno-tehničkom opremom. Pri projektovanju toplotnih mreža treba predvideti mogućnost priključenja tih zgrada na toplotne mreže bez premeštanja osnovnih komunikacija. Pri određivanju proračunskih protoka vode u gradskim toplotnim mrežama, dobro je uzimati u obzir opterećenje od pripreme potrošne tople vode za sve stambene zgrade, nezavisno od toga da li je unutar zgrade projektovan razvod potrošne tople vode, jer će se u procesu poboljšanja uslova stanovanja sve stambene zgrade opremiti sistemima za potrošnu toplu vodu. Kada osim konstantnog protoka vode u toplotnoj mreži postoji i promenljivi protok vode za pripremu tople potrošne vode koji zavisi od dijagrama opterećenja potrošne tople vode, zbirni proračunski protok vode u toplotnoj meži za pripremu potrošne tople vode nije aritmetički zbir

13. Toplotne mreže

361

maksimalnih protoka za pripremu potrošne tople vode kod potrošača, zbog nepoklapanja maksimalnih potrošnji. Proračunski protok vode za pripremu potrošne tople vode Gp u pojedinim elementima mreže može se odrediti uvođenjem koeficijenta popravka aritmetičkog zbira protoka, u obliku koeficijenta jednovremenosti maksimuma φ. Vrednosti ovog koeficijenta su:

0,7 - 0,75 za magistrale 0,8 - 0,9 za ogranke 1 za priključke potrošača

U otvorenim sistemima snabdevanja toplotom projektni protoci toplote dobijaju se u nizu slučajeva različiti za polazne i povratne vodove ( priključci potrošača sa nezavisnim regulisanjem sa regulatorima protoka ispred sistema za grejanje). Međutm, polazni i povratni vodovi obično se polažu sa istim prečnikom. Projektni protok u tom slučaju treba birati iz uslova da zbirni gubitak napora pri projektnom protoku u polaznom vodu (G0+Gv+Gg) i povratnom vodu (G0+Gv) bude jednak zbirnom gubitku pri jednakom protoku G u polaznom vodu. Taj projektni protok vode, po kome treba birati prečnike toplotne mreže pri korišćenju otvorenog sistema, određuje se po obrascu:

22 5.0 ggovov GGGGG ++= ............................................................................. (13.29)

gde su: Gov=Go+Gv - zbirni projektni protok vode u mreži za potrebe grejanja i ventilacije

Gg - projektni protok vode u polaznom vodu za potrebe potrošne tople vode.

Po važećim normama, projektni časovni protok dodatne, omekšane i degazirane vode, za kompenzaciju gubitaka u zatvorenim sistemima snabdevanja toplotom iznosi 0,5% zapremine vode u cevovodima toplotne meže i na njih priključenih lokalnih sistema potrošača. Zapremina vode određuje se prema projektovanim ili stvarnim podacima. Projektni protok dodatne vode u otvorenim sistemima prevazilazi projektni protok dodatne vode u zatvorenim sistemima za maksimalni časovni protok vode za pripremu potrošne vode plus protok dodatne vode za kompenzaciju gubitaka iz lokalnih postrojenja za pripremu potrošne vode.

13.5.2. Rezerva magistralnih toplotnih mreža U savremenim sistemima toplifikacije velikih gradova, toplota se od svake toplane-termoelektrane (TO-TE ili TEC) šalje obično u rejone potrošača sa nekoliko paralelnih magistrala. Te magistrale se obično sekcionipu, tj. dele se na sekcije dužine 2 - 4 km pomoću sekcionih zapornih organa. Na određenim rastojanjima sekcije paralelnih magistrala međusobno se spajaju vezama blokade (kratkim vezama) kao čto je to prikazano na slici 13.5-2. U slučaju havarije na bilo kojoj sekciji magistrale ta sekcija se isključuje iz rada i na njoj se vrši remont. Voda koja u normalnim uslovima prolazi kroz datu sekciju propušta se pomoću veza blokade kroz odgovarajuću sekciju paralelne magistrale, posle čega se, po sledećoj vezi blokade ponovo vraća u datu magistralu.

13. Toplotne mreže

362

Slika 13.5-2. Principijelna šema blokiranja dve magistrale sa četiri sekcije (a) i njihov

pijezometarski dijagram (b)

Na slici 13.5-2a. je prikazana jednolinijski principijelna šema blokiranja 2 i 4 sekcione magistrale A i B. Po takvoj šemi se blokiraju zasebno polazne magistrale paralelnih mreža i povratne magistrale paralelnih mreža. Ako, na primer u sekcije IIA polaznog voda A dođe do havarije, ta sekcija se isključuje i uvodi u remont. U tom slučaju struja vode koja prolazi kroz sekciju IA se propušta po kratkoj vezi blokade A u sekciji IIB, a iz nje se ta struja vode vraća u sekciju IIIA kroz drugu kratku vezu blokade. Pri havarijskom režimu kroz rezervnu sekciju u ovom primeru kroz sekciju IIB, prolazi povećan protok što izaziva odgovarajuć povećanje gubitka napora na tom delu. Da bi pri mogućem havarijskom režimu na jednoj od sekcija magistrale protoci vode kod potrošača ostali nepromenjeni ili sa beznačajnom promenom, magistralne mreže moraju da imaju određeni rezervni kapacitet. U tom cilju, prečnici takvih magistrala treba da se određuju po nekoj nižoj vrednosti jediničnog linijskog pada pritiska Rr

l u poređenju sa Rl za meže bez rezerve:

Rrl= Kr

l Rl .......................................................................................................... (13.30)

gde je: Kr

l - koeficijent rezerve jediničnog pada pritiska

Iz uslova obezbeđivanja projektnog protoka vode pri havarijskom režimu kod svih potrošača toplote, koeficijent rezerve za dvocevnu toplotnu mrežu sa konstantnim jediničnim linijskim padom pritiska duž glavne magistrale i jednakom dužinom svih sekcija se određuje po obrascu:

2+=

nnK r

R ....................................................................................................... (13.31)

gde je: n - broj sekcija na trasi magistrale

Pri izvođenju 13.30 nije uračunata mogućnost istovremene havarije na polaznom i povratnom vodu zbog male verovatnoće takve situacije. Pad pritiska u dve veze blokade (na početku i na kraju deonice), uključenih u rad pri havariji, smatra se jednako padu pritiska u jednoj sekciji magistrale pri normalnom režimu. Rezerva može biti zadata pri projektovanju i uzeta u obzir pomoću koeficijenata rezerve koji se odnosi na druge projektne parametre, na primer na protok nosioca toplote ili na prečnik deonice magistrale u obliku:

Gr=KrGG ......................................................................................................... (13.32a)

13. Toplotne mreže

363

ili

dr=Krdd............................................................................................................ (13.32b)

gde su: Gr i dr - projektni protok i prečnik deonice magistrale, izabrani sa uračunatom rezervom

G i d - isti parametri mreže bez uračunate rezerve Kr

G - koeficijent rezerve projektnog protoka vode Kr

d - koeficjent rezerve projektnog prečnika magistrale

nnK r

G2+

= ................................................................................................. (13.33a)

1902⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=n

nK rd ......................................................................................... (13.33b)

Kapaciteti i napori mežnih cirkulacionih pumpi u izvorima toplote, kao i snaga njihovih elektromotora, treba da se biraju u razmatranim uslovima po havarijskom režimu. Na slici 13.5-3. prikazana je zavisnost koeficijenata rezerve od broja sekcija magistrale toplotne mreže. Kao što se vidi na slici, koeficijent rezerve prečnika magistrale Kr

d, koji neposredno utiče na veličinu ulaganja, znatno se smanjuje sa povećanjem broja sekcija magistrala od 1 do 5 - 6. Pri daljem povećanju broja sekcija, vrednost Kr

d se malo menja. Istovremeno, povećanje broja sekcija povećava dopunska ulaganja za izgradnju sekcionih komora i duplih veza. Zbog toga broj sekcija veći od 5 - 6 po pravilu nije ekonomski opravdan.

Slika 13.5-3. Zavisnost koeficijenta rezerve od broja sekcija magistralne mreže

13. Toplotne mreže

364

13.6. Hidraulični režim cevnih mreža daljinskog grejanja

13.6.1 Hidraulička karakteristika sistema Sistemi daljinskog grejanja sa vodom kao nosiocem topote, pedstavljaju složene hidrauličke sisteme, u kojima se rad zasebnih celina nalazi u uzajamnoj zavisnosti. Za pravilno upravljanje sistemima i njihovo regulisanje, neophodno je znati hidrauličke karakteristike postrojenja, cirkulacionih pumpi, cevne mreže. Hidraulički režim sisitema oređuje se tačkom preseka hidrauličkih karakteristika pumpe i cevne mreže. Na slici 13.6-1. kriva 1 je karakteristika pumpe; kriva 2 - karakteristika mreže, dok tačka A određuje hidraulički režim sistema. Napor koji pumpa razvija H jednak je gubitku pritiska u zatvorenom sistemu, dokje zapeminski kapacitet pumpe V jednak zapreminskom protoku vode u sistemu. Hdrauličkom karakteristikom pumpe naziva se zavisnost napora H ili pada pritiska ∆p, koji pumpa savlađuje, od zapreminskog kapaciteta pumpe. Karakteristike pumpi obično određuje i daje proizvođač pumpi ili se mogu dobiti pema podacima dobijenim ispitivanjem.

Slika 13.6-1. Hidraulička karakteristika pumpe i toplotne mreže

Pri konstantnom broju obrtaja radnog kola, radni deo karakteristike centrifugalne pumpe može se približno izraziti jednačinom:

H=H0 - S0V2....................................................................................................... (13.34)

gde su: H0 - Uslovni napor pumpe pri protoku V=0

S0 [ms2/m6] - uslovni unutrašnji otpor pumpe

Promenom broja obrtaja centrifugalne pumpe menja se i njena karakteristika. Zapreminski protok (kapacitet), napor i potrebna snaga pumpe vezani su sa njenim brojem obrtaja na sledeći način:

n1/n2=V1/V2= 32121 // NNHH = ................................................................. (13.35)

gde su: V1, H1, N1 - kapacitet, napor i snaga pri broju obrtaja n1 V2, H2, N2 - isti parametri pri n2

13. Toplotne mreže

365

Pri konstantnom broju obrtaja snaga koju zahteva pumpa je:

N=NN[x+V/VN(1 - x)] ........................................................................................ (13.36)

gde su: V1, H1, N1 - kapacitet, napor i snaga pri broju obrtaja n1

VN, NN - kapacitet i snaga pumpe pri nominalnom režimu (pri maksimalno stepenukorisnosti)

N - snaga pumpe pri kapacitetu V x=Nh/NN - koeficijent praznog hoda pumpe

Nh - snaga pumpe pri praznom hodu (V=0).

Koeficijent praznog hoda centrifugalnih pumpi nalazi se u granicama 0,2 ≤ x ≤ 0,5. Snaga koju zahteva pumpa pri nominalnom režimu, određuje se po obrascu:

NN=VN∆pN/ηpa ................................................................................................... (13.37)

gde su: pN [Pa] - razlika pritisaka koju ostvaruje pumpa pri nominalnom režimu

VN [m3/s] - kapacitet pumpe ηpa - koeficijent korisnog dejstva pumpnog agregata (proizvod koeficijenta korisnosti

pumpe ηp i elektromotora ηm )

Pri normalnom radu je ηpa =0,7 - 0,8.

13.6.2 Hidraulički režim zatvorenih sistema Jedan od važnih uslova normalnog rada sistema daljinskog grejanja je obezbeđivanje u mreži, ispred grupnih (GTP) i lokalnih-mesnih (MTP) toplotnih stanica raspoloživih napora, dovoljnih za predavanje postrojenjima potrošača količina vode koje odgovaraju njihovom toplotnom opterećenju. Zadatak proračuna hidrauličkog režima mreže sastoji se u određivanju protoka vode kod potrošača i na pojedinim delovima mreže, kao i pritiska (napora) i raspoloživih padova pritisaka (napora) u čvornim tačkama mreže kod grupnih toplotnih stanica i potrošača, pri zadatom ežimu rada. Kao zadate veličine obično se javljaju: šema toplotne mreže, otpori svih delova mreže, pritisci na polaznom i povratnom sabirniku toplane i pritisak u neutralnoj tački meže. Ako u potrošačkim predajnim stanicama postoje automatski regulatori, poznati su takođe i protoci kod potrošača, ako se ti protoci održavaju na zadatom nivou. U tom slučaju, po poznatim protocima vode kod potrošača nalaze se protoci na svim delovima toplotne mreže, a zatim gubici pritiska na svim delovima mreže i izrađuje se pijezometarski dijagram po kome se određuju pritisci u čvornim tačkama toplotne mreže i na ulazima kod potrošača. Ako u potrošačkim predajnim stanicama ne postoje automatski regulatori protoka vode, protoci vode kod potrošača nisu poznati i njihovo određivanje je jedan od osnovnih zadataka proračuna hidrauličkog režima toplotne mreže. Za rešavanje tog zadatka neophodno je znati otpore svih delova toplotne mreže kao i otpore svih potrošačkih priključaka. Sada će biti razmotren slučaj kada na priključcima potrošača nema automatskih regulatora. Na slici 13.6-2. data je šema toplotne mreže jednolinijskim i dvolinijskim načinom prikazivanja. Način označavanja neka bude sledeći. Numeracija delova mreže i potrošeča počinje od toplane.

13. Toplotne mreže

366

Delovi magistrale se numerišu rimskim brojevima, a ogranci pema potrošačima i potrošači - arapskim. Zbirni protok vode je V bez indeksa. Protok vode kroz potrošačev sistem - slovom V sa indeksom koji označava broj potrošača. Na primer Vm - protok vode kroz potrošačev sistem m. Relativni protok vode kroz potrošačev sistem, tj. odnos protoka kroz potrošačev sistem prema zbirnom protoku vode u mreži, neka bude označen kao V sa indeksom. Na primer, relativni protok vode kod potrošača m je:

VVV mm /= ...................................................................................................... (13.38)

Slika 13.6-2. Šema toplotne mreže prikazana jednolinijski (a) i dvolinijski (b)

Protok vode kod potrošača 1 može se naći iz jednačine:

S1V12=S1-5V2....................................................................................................... (13.39)

gde su: S1 - otpor potrošačeve instalacije 1, uključujući i ogranak

S1-5 - otpor toplotne mreže sa svim ograncima i potrošačevim sistemima od potrošača 1 dopotrošača 5 uključujući i njega.

Iz (13.38) dobija se:

1

511_

SS

VVV −== ............................................................................................... (13.40)

Protok vode kroz potrošačevo postrojenje 2 je:

S2V22=S2-5(V-V1)2 (13.41)

gde su: S2 - otpor potrošačevog postrojenja 2, uključujući i ogranak;

S2-5 - otpor toplotne mreže sa svim ograncima i potrosačevim sistemima od potrosača 2 dopotrošača 5 uključujući i njega.

Razlika protoka V - V1 može se odrediti iz sledeće jednačine:

SII-5(V - V1)2 = S1-5V2 .......................................................................................... (13.42)

gde je SII-5= SII + S2-5 ; SII - otpor dela magistrale II .

13. Toplotne mreže

367

Odavde je :

(V - V1)2 = V25

51

−

−

IISS

(13.43)

Iz (13.39) i (13.41) dobija se:

2_V =

25

5251 11 SS

SS

II −

−− .................................................................................... (13.44)

Analogno tome nalazimo protok vode kroz potrošačevo postrojenje 3:

3_V =

25

53

5

5251 11 SS

SSSS

IIIII −

−

−

−− .......................................................................... (13.45)

gde su: S3 - 5 - otpor toplotne mreže sa svim ograncima od potrošača 3 do poslednjeg potrošača 5,

uključujući i njega SIII - 5 = SIII +S3 - 5 SIII - otpor dela magistrale III.

Ako je na toplotnu mrežu priključeno n potrošača (sl. 13.6-3.), tada je relativni protok vode kroz bilo koje potrošacevo postrojenje m :

mV_

= mnM

nm

nC

nc

nB

nbnaSS

SSS

SSS 1

1 −

−

−

−

−

−− ⋅⋅⋅ ......................................................... (13.46)

Po obrascu 13.46 može se naći protok vode kroz bilo koji potrošačev sistem, ako su poznati zbirni protok vode i otpori delova mreže.

Slika 13.6-3. Šema toplotne mreže

Iz (13.46) sledi: 1. Relativni protok vode kroz potrošačevo postrojenje zavisi samo od otpora mreže i

potrpšačevih postrojenja, a ne zavisi od apsolutnog protoka vode u mreži .

2. Ako je na mrežu priključeno n potrošača ,tada odnos protoka vode kroz potrošačeva postrojenja d i m, gde je d<m, zavisi samo od otpora sistema, počev od čvora d do kraja mreže i ne zavisi od otpora mreže do čvora d (sl. 13.6-3.).

m

d

Mn

mn

LnKn

kn

Em

em

d

m

SS

SS

SS

SS

SS

VV ln= ......................................................................... (13.47)

Pri promeni otpora na bilo kom delu toplotne mreže, menja se i protok vode proporcionalno kod svih potrošača koji se nalaze izmedju tog dela i krajnje tačke mreže. U tom delu mreže,gde se protok vode menja proporcionalno dovoljno je odrediti stepen promene protoka φ samo kod jednog potrošača.

13. Toplotne mreže

368

Ako se na toplotnoj mreži nalaze pumpne podstanice, tada pri proračunu hidrauličkog režima, količnik od deljenja napora pumpe sa kvadratom protoka, uračunavamo kao negativan otpor:

Snp = - Hnp /Vnp2 .................................................................................................. (13.48)

gde su Hnp i Vnp - napor pumpne podstanice, n i protok vode kroz nju, m3/s. Zbirni protok vode u toplotnoj mreži (sl. 13.6-3.) je:

V= AnSH ..................................................................................................... (13.49)

gde su: VS3 - 5 - otpor toplotne mreže sa svim ograncima od potrošača 3 do poslednjeg potrošača

5, uključujući i njega

H [m ] - napor na sabirnicima toplane SAn [ms2/m6] - zbirni otpor toplotne mreže

SAn= SA +San

Sa poznatim protocima vode na delovima mreže i poznatim otporima tih delova mreže izrađuje se pijezometarski dijagram, po kome se određuju napori (pritisci) u čvornim tačkama mreže i na priključcima potrošača. Karakter očekivanog poremećaja regulacije, pri bilo kojim priključivanjima na toplotnu mrežu, lako se određuje na osnovu opšte zavisnosti protoka vode od pojedinih elemenata toplotne mreže [(13.46) i (13.47)]. Proračun je neophodan samo za pojavu brojnih poremećaja regulacije. Tako, na primer, ako se od toplotne mreže (sl.13.6-4a.) odvoji bilo koji potrošač x tada će se zbirni otpor mreze uvećati kao što se vidi iz (13.48), a zbirni protok u mreži smanjiti.Usled smanjenja protoka vode u toplotnoj mreži se smanjuje gubitak napora u magistraslama toplotne mreže, na delu između toplane i tačke priključenja potrožača i pijezometarski dijagram tog dela magistrale biće strmiji .

Slika 13.6-4. Promena pijezometarskog dijagrama dvocevne toplotne mreže sa vodom kao nosiocem toplote; (a) - lokalno regulisanje, (b) - centralno regulisanje

Kao što proizilazi iz (13.47), kod svih potrožača postavljenih između tačke x i krajnje tačke mreže, doći će do proporcionalnog poremećaja regulacije, tj. stepen promene protoka vode biće jednak kod svih potrošača (φ=i÷n)

φ =Vp/Vd ............................................................................................................ (13.50)

13. Toplotne mreže

369

gde su: Vp - protok vode kod potrošača posle odvajanja jednog potrošača u tački x toplotne mreže, Vd - protok vode kod potrožača do odvajanja jednog potrošača u tački x.

Kod svih potrošača između toplane i tačke x doći će do neproporcionalnog poremećaja regulisanja, tj. stepen promene protoka vode biće različit kod različitih potršača. Minimalnu vrednost φ = 1 imaće potrošač u neposrednoj blizini toplane. Maksimalnu vrednost φ > 1 imaće svi potrošači iza tačke x po hodu trase od toplane. Ako se u toplani menja raspoloživi napor, a otpor mreže S ostaje nepromenjen tada, kao što se vidi iz (13.49), zbirni protok vode, a takođe i protoci vode kod svih potrošača, menjaju se proporcionalno kvadratnom korenu raspoloživog napora u toplani.

13.6.3. Hidraulička stabilnost Uticaj promenljivog protoka vode u toplotnoj mreži na hidraulički režim neautomatizovanih lokalnih sistema može biti značajno smanjen povišenjem hidrauličke stabilnosti sistema. Pod hidrauličkom stabilnošću podrazumeva se spsobnost sistema da održava zadati hidraulični režim.Što je sistem stabilniji, to je manji uticaj hidrauličkog režima celog sistema na pojedina potrošačeva postrojenja. Pri napajanju raznorodnih tolotnih potrošača, nemoguće je bez automatske regulacije priključaka potrošača dobiti visoku hidrauličku stabilnost sistema. Međutim pravilnim regulisajem može se značajno povećati hidraulička stabilnost. Kvantitativna procena hidrauličke stabilnosti priključka potrošača vrši se po koeficijentu hidrauličke stabilnosti koji je jednak odnosu projektnog protoka vode iz mreže kroz potrošačevo postrojenje, prema mogućem protoku kroz to postrojenje, u uslovima rada datog sistema centralizovanog snabdevanja toplotom. Koeficijent hidrauličke stabilnosti potrošačevog postrojenja snabdevenog automatskim regulatorima protoka, praktično je jednak jedinici, jer je stvarni protok vode u svim režimima jednak ili blizak projektovanom. Ako u centralnoj toplotnoj podstanici ili na priključcima potrošača ne postoji automatska regulacija, koeficijent hidrauličke stabilnosti potrošačevih postrojenja znatno se razlikuje od jedinice. Maksimalni poremećaj regulacije javlja se pri najvećoj razlici stvarnog raspoloživog napora u toplotnoj mreži, ispred priključaka potrošača, od projektovane vrednosti. Pri odvajanju jednog broja potrošača od toplotne mreže smanjuje se protok vode u mreži, gubitak napora, a raste raspoloživi napor kod potrošača koji rade. U oblasti kada su gubici napora beznačajni u poređenju sa raspoloživim naporom na sabirnicima toplane, raspoloživi napor na priključcima potrošača praktično se izjednačava sa raspoloživim naporom u toplani i stepen promene protoka u potrošačevim sistemima dostiže svoju najveću vrednost. Uzimajući u obzir kvadratnu zavisnost između protoka vode i gubitka napora, moguće je napisati sledeći izraz za koeficijent hidrauličke stabilnosti potrošača, bez automatske regulacije na priključku:

pot

MMpot

pot

T

potr

HHHH

HHH

VVY

∆∆

+=

∆+∆

∆=

∆==

1

1

max................................. (13.51)

gde su:

13. Toplotne mreže

370

Hpot - raspoloživi napor na priključku potrošača pri projektnom protoku vode

∆HM - gubitak u toplotnoj mreži pri projektnom protoku vode ∆HT = Hpot + ∆HM - raspoloživi napor u toplani

Jednačina (13.51) pokazuje da je hidraulička stabilnost potrošača veća, što je manjji gubitak napora u toplotnoj mreži i što je veći gubitak napora u priključku potrošača. Za povećanje hidrauličke stabilnosti sistema treba sve gubitke napora, koji postoje u mreži, apsorbovati pomoću otpora (mlaznica elevatora,prigušnica) ili regulacionim ventilima na priključcima potrošača ili u grejnim telima potrošača.

13.6.4. Hidraulički režim otvorenih sistema Osnovna osobenost hidrauličkog režima otvorenih sistema snabdevanja toplotom sastoji se u tome što je pri oduzimanju vode iz mreže protok vode u povratnom vodu manji od protoka vode u polaznom vodu. Razlika protoka praktično je jednaka količini oduzete vode. Na slici 13.6-5. prikazan je pijezometarski dijagram otvorenog sistema snabdevanja toplotom u koma su priključci potrošača snabdeveni automatikom i rade po principu vezane regulacije. U razmatranom sistemu, pijezometarski dijagram polaznog voda toplotne mreže ostaje nepromenjen, pri bolo kom oduzimanju vode, jer se protok vode u polaznom vodu održava konstantnim pomoću regulatora protoka, postavljenih na priključcima potrošača. Položaj pijezometarskog dijagrama povratnog voda zavisi od količine oduzete vode. Sa povećanjem te količine, smanjuje se protok vode u povratnom vodu i pijezometarski dijagram postaje položeniji. Kada je količina oduzete vode jednaka protoku u povratnom vodu , protok vode u povratnom vodu je jednak nuli i pijezomearski dijagram povratnog voda poprima oblik horizontalne linije. Pri jednakim prečnicima polaznog i povratnog voda, i bez oduzimanja vode, pijezometarski dijagrami tih vodova su simetrično postavljeni.

Slika 13.6-5. Piezometrijski dijagram otvorenog sistema snabdevanja toplotom sa automatskim regulisanjem na priključcima sa potrošačem

13.6.5. Hidraulički režim mreža sa pumpnim i prigušivačkim podstanicama

U savremenim, krupnim toplotnim mrežama, često se postavljaju podstanice. Postavljanje podstanica uslovljeno je obično nepogodnim profilom oblasti, velikom dužinom transporta toplote, visokom proračunskom temperaturom vode u polaznom vodu (koja prevazilazi dopušteni nivo za potrošačeva postrojenja), neophodnošću značajnog povećanja propusne sposobnosti već postojećih

13. Toplotne mreže

371

toplotnih mreža u radu, a bez njihove rekonstrukcije itd. Šema podstanice i njen položaj u mreži određuje se za konkretne uslove. Podstanice nisu uvek jedina mogućnost rešenja problema.U mnogim slučajevima isti tehnički efekat može se dobiti i drugim putem, na primer ugradnjom odgovarajućih uređaja na svim potrošačevim postrojenjima. U tom slučaju podstanica se zamenjuje mnogobrojnim individualnim uređajima. Preimućstvo podstanice u poređenju sa individualnim uređajima sastoji se, po pravilu, u centralizovanom upravljaju i uprošćenoj eksploataciji. Sva osnovna oprema u podstanicama snabdeva se automatskim regulatorima, a ako ne postoji stalna dežurna ekipa, i uređajima za daljinsku kontrolu i upravljanje. Osnovna oprema podstanica sastoji se u najvećem broju slučajeva od pumpi, prigušnih uređaja i uređaja za regulaciju, upravljanje i kontrolu. Razmotrimo neke šeme toplotnih mreža sa podstanicama. Na slici 13.6-6. prikazana je šema mreže sa podstanicom na polaznom vodu. Podstanica 2 je predviđena za povišenje napora kod potrošača grupe II koji su priključeni na krajnjim tačkama mreže.

Slika 13.6-6. Šema mreže sa pumpnom podstanicom na polaznom vodu: 1 - cirkulaciona pumpa u toplani; 2 - pumpna podstanica; 3 - povratni ventil

Na slici 13.6-7., prikazana je šema toplotne mreže sa pumpnim podstanicama za mešanje, na ograncima od glavne magistrale mreže.Neophodnost postavljanja takvih pumpnih podstanica se javlja u slučajevima kada protoci vode u potrošačevim podstrojenjima treba da budu veći od protoka vode koja im se daje iz toplotne mreže.

Slika 13.6-7. Šema (a) i pijezometarski dijagram (b) toplotne mreže sa pumpnim podstanicama za mešanje: HA - napor na sabirnicima toplane;

HB - napor u tački B; I - polazni vod; II - povratni vod

Pumpe za mešanje rade paralelno sa pumpama u toplani i zbog toga uključenje pumpi za mešanje dovodi do povećanja hidrauličkog otpora protoku vode , koja dolazi iz toplotne mreže. To izaziva smanjenje protoka vode iz toplotne mreže i povećanje raspoloživih napora u tačkama priključenja pumpnih podstanica. Što su veći napori koje razvijaju pumpe podstanica za mešanje, to je veća količina vode ϕ koja se tim pumpama predaje u potrošačeva postrojenja i odgovarajuće je manja količina vode 1-ϕ koja dolazi u ta postrojenja iz toplotne mreže.

13. Toplotne mreže

372

Na slici 13.6-7b. prikazan je pijezometarski dijagram razmatrane mreže za dva režima rada: bez pumpnih podstanica za mešanje 1 i sa pumpnim podstanicama za mešanje 2. Na slici 13.6-8. je prikazana šema dvocevne toplotne mreže sa podstanicom za prigušenje i pijezometarski dijagram te mreže. U vezi sa velikom visinskom razlikom gornjeg i donjeg dela rejona, koja u ovom slučaju iznosi oko 40 m, pri priključenju grejnih postrojenja na toplotnu mrežu po zavisnoj šemi, neophodno je uspostaviti razne hidrostatičke napore Hn i Hv za potrošače na različitim geografskim visinama. Taj zadatak se rešava pomoću regulatora pritiska “do sebe”, postavljenih u podstanicu za prigušivanje, na povratnom vodu toplotne mreže, i povratnog ventila 1 na polaznom vodu toplotne mreže. Pri hidrostatičkom režimu sistema snabdevanja toplotom, tj. kada je cirkulaciona pumpa (2) isključena, gubitak vode iz gornje zone nadoknađuje se vodom iz niže zone pomoću pumpe dodatne vode (4) i regulatora napajanja dodatnom vodom (5) koji su postavljeni u podstanici. U hidro dinamičkom režimu, povratni ventil (1) je otvoren, a regulator (3) održava putem prigušivanja zadani napor Hv na kraju povratnog voda gornje zone rejona.

Slika 13.6-8. Principijelna šema dvocevne toplotne mreže sa vodom kao nosiocem toplote, sa dvema statičkim zonama (a) i pijezometarski dijagram (b): 1 - povratni ventil; 2 - pumpe u toplani; 3 - regulator pritiska ”do sebe”; 4 - pumpe dodatne vode grejne zone; 5 - regulator napajanja gornje zone dodatnom vodom

13.6.6. Hidraulički udar u toplotnim mrežama Hidraličkim udarom naziva se talasni proces koji se dešava u tečnosti pri nagloj promeni njene brzine. U cevovodima se taj proces izvršava trenutnim lokalnim povišenjima i sniženjima pritiska koja mogu značajno premašivati oblasti koje se javljaju pri stabilnom režimu. Opasnost pojave udara raste pri uključenju u sistem vodogrejnih kotlova. U tom slučaju nagla promena protoka vode kroz kotao može dovesti do naglog porasta temperature vode u kotlu, a zatim do isparavanja te vode u mreži i kondenzacija obrazovanih parnih mehurova u struji vode niže temperature, što je praćeno hidrauličkim udarom. Hidraulički udar može takođe da se javi pri brzom zatvaranju regulacionih ventila u pumpnim podstanicama, ili podstanicama za prigušivanje, što prouzrokuje naglu promenu brzine vode u mreži. Talasi hidrauličkog udara prostiru se po sistemu brzinom zvuka u vodi, reda veličine 1000m/s, i mogu se više puta ponavljati, dok se

13. Toplotne mreže

373

energija udara ne utroši na rad sile trenja i deformaciju cevovoda, ili se ne utroši u specijalnim uređajima (vazdušna zvona, rezervoari i drugi uređaji). Na slici 13.6-9. prikazana je šema dvocevne mreže sa vodom kao nosiocem toplote:

I - cirkulaciona pumpa II - povratni ventil na potisnoj strani pumpe, III - regulacioni ventil na polaznom vodu magistrale.

Voda se posle regulacionog ventila III raspoređuje mnogobrojnim postrojenjima potrošača koji su na šemi uslovno prikazani u obliku jednog potrošača P.

Slika 13.6-9. Šema (a) i pijezometarski dijagram (b) dvocevne toplotne mreže sa vodom kao nosiocem toplote

Uslovno je uzeto da je napor pumpe I ne zavisi od protoka, a da se puni napori na usisnom i potisnom sabirniku pumpe u tačkama 6 i 1 održavaju konstantnim pri svim hidrauličkim režimima mreže pomoću ekspanzionih rezervoara IV i V, priključenih na povratni i polazni sabirnik zoplotne mreže u toplani. Na slici 13.6-9b. je prikazan pijezometarski dijagram te toplotne mreze za dva polozaja regulacionog ventila III :

1 - 6 pri potpuno otvorenom ventilu 1’ - 6’ - pri potpuno zatvorenom ventilu III.

Na slici (13.6-10.) prikazan je karakter promena napora u vremenu, sa obe strane regulacionog ventila III, u tačkama 2 i 3, za dva režima njegovog zatvranja u dve tačke: sporom - isprekidana linija i brzom - puna linija. Do zatvaranja ventila III napori u tačkama 2 i 3 međusobno su jednake (H2 =H3). Posle potpunog zatvaranja ventila III i uspostavljanja novog režima napor u tački dva je H2

’=H1. H1 je napor na polaznom sabirniku toplane. Napor u tački 3 je H3’ =H6, gde je H6 napor u

povratnom sabirniku toplane (sl. 13.6-10.). Pri laganom zatvaranju ventila III, Voda u prvom momentu produžava napolje u istom pravcu prethodnom brzinom, što dovodi do povećanja napora

13. Toplotne mreže

374

u cevovodu ispred ventila na vrednost Hu, koja se naziva napor hidrauličkog udara.Veličina pu = Hu ρg naziva se pritisak hidrauličkog udara. Povećanje pritiska ispred ventila III izaziva sabijanje pritiska i istezanje zidova cevovoda. Talas povećanja pritiska, obrazovan ispred ventila, pri hidrauličkom udaru kreće se brzinom zvuka a, od ventila III prema tački I, tj. u smeru suprotnom kretanju vode i usporava struju vode koja se kreće. U momentu sukoba menja se znak i vrednost brzine vode (od +w do brzine udarnog talasa do -a).

Slika 13.6-10. Karakter promene napora u vremenu pri hidrauličkom udaru (isprekidana linija prikazuje sporo zatvaranje, puna brzo zatvaranje ventila III); a - promena napora u tački 2; b - promena napora u tački 3

Konstrukcija i oprema

toplotnih mreža

Konstrukcija i oprema

toplotnih mreža

14.14.

377

14. Konstrukcija i oprema toplotnih mreža

14.1. Trasa i profil toplovoda Toplotna mreža je sistem međusobno povezanih deonica cevovoda kojima se toplota preko nosilaca toplote transportuje od izvora toplote do potrošača. Trasa toplovoda bira se na toplotnoj karti rejona uz pomoć geodetskih snimaka, plana postojećih i planiranih nadzemnih i podzemnih instalacija, podataka o karakteristikama tla i visini podzemnih voda. Treba težiti polaganju magistralne trase kroz rejon najgušćeg toplotnog opterećenja, sa najmanjom dužinom toplovoda, i minimalnim obimom radova na izgradnji mreže. Tip toplovoda, nadzemni ili podzemni, se bira vodeći računa o lokalnim i tehničko-ekonomskim uslovima.

Slika 14.1-1. Nadzemni toplovodi sa gvozdenim i čeličnim stubovima

Pri visokom nivou podzemnih voda, većoj gustini postojećih podzemnih instalacija na trasi projektovanog toplovoda, većem broju jaruga ili prolaza železničkih pruga sa više koloseka, u većini slučajeva se daje prednost nadzemnim toplovodima. Cevi se u tom slučaju postavljaju na nosačima ili stubovima. Ovako postavljene cevi izložene su većim toplotnim gubicima pa zahtevaju bolju izolaciju. U stambenim rejonima gradova, u skladu sa zahtevima arhitekture, se primenjuje, po pravilu, podzemno polaganje toplotne mreže; samo izuzetno, u posebno teškim uslovima tla, u stambenim rejonima se primenjuje nadzemno polaganje cevi.

14.2. Konstrukcija toplovoda Toplovod se sastoji od 3 osnovna elementa:

- Cevovoda - Izolacije - Noseće konstrukcije

Cevovod, kroz koji se transportuje predajnik toplote od izvora do potrošača, sastavljen je od čeličnih cevi. Cevi se medjusobno spajaju isključivo zavarivanjem, koje mora biti izvršeno od strane stručnjaka. Prirubnice se ostavljaju na krajevima samo gde treba ubaciti pojedine ventile i druge zatvorne uređaje.


378

Izolacija, predviđena je za zaštitu spoljne površine čeličnog cevovoda od korozije i od toplotnih gubitaka. Noseća konstrukcija, prima težinu iz toplovoda i druge sile koje se javljaju pri njegovom radu, rasterećuje čelični cevovod i njegovu izolaciju od opterećenja okoline (težine tla, pokretnog i nadzemnog transporta, vetra itd.) Savremeni toplovodi treba da odgovaraju sledećim osnovnim zahtevima:

1. pouzdana čvrstoća i hermetičnost cevovoda i armature koja je postavljena na njima pri očekivanim pritiscima i temperaturama predajnika toplote u eksploatacionim uslovima.

2. visoki i postojani toplotni i električni otpor u eksploatacionim uslovima, niska propustljivost vazduha i nisko upijanje vode od strane izolacije.

3. mogućnost izrade svih osnovnih elemenata toplovoda u fabrici, do granica koje postavljaju mogućnosti transporta, sklapanje toplovoda na trasi od gotovih elemenata.

4. mogućnost mehanizacije svih teških građevinskih radova i montaže 5. mogućnost lakog remonta, tj. mogućnost brzog otkrivanja uzroka kvarova ili povreda,

njihovo otklanjanje i otklanjanje njihovih posledica putem vršenja remonta u zadato vreme.

14.2.1. Kanalni toplovodi Dubina polaganja toplovoda od poklopca kanala do površine zemlje iznosi obično 0,5-1,0m. Radi olakšanja pražnjenja i drenaže toplovodi se polažu pod nagibom. Minimalni nagib toplovoda iznosi 0,002, smer nagiba nije važan. Po trasi toplotnih mreža izrađuje se podužni profil na koji se nanose planirane i postojeće kote nivoa tla, kote podzemnih voda, postojeće i planirane podzemne komunikacije i druge instalacije koje se seku sa toplovodom. U kanalnim toplovodima izolacija je odvojena i rasterećena od spoljnih opterećenja tla zidovima kanala. U beskanalnim toplovodima izolacija trpi opterećenje tla.

Slika 14.2-1. Zajednički prohodni kanal 1.gas 2. elektrika 3.vodovod 4.telefon 5.cevi daljinskog grejanja


379

Kanali mogu biti: prohodni, poluprohodni i neprohodni (sl. 14.2-1.). Većina kanala za toplovode gradi se od armirano betonskih elemenata koji se polažu u već pripremljene rovove. Od svih podzemnih toplovoda najpouzdaniji su, ali i najskuplji po ulaganjima, toplovodi u prohodnim kanalima. Osnovna prednost ovakvih kanala je lak pristup cevima. Prohodni kanali dozvoljavaju lako postavljanje cevi i izolacija, zamenu cevi, kontrolu, remont i otklanjanje havarija na cevima bez rušenja pokrivnih ploča i kolovoza. Izolacija toplovoda u prohodnim i poluprohodnim kanalima izvodi se na relativno prost način. U slučajevima kada je broj paralelno postavljenih cevi mali (2-4) a neophodan je stalan pristup cevima, na primer, prolazi ispod magistralnih saobraćajnica sa asfaltom, toplovodi se postavljaju u poluprohodne kanale. Gabariti tih kanala su takvi da se njima može proći u polusagnutom stanju. Lošiji su od prohodnih u smislu opsluživanja. U poluprohodnim kanalima se može vršiti pregled cevovoda i mali remont toplotne izolacije. Većina toplovoda polaže se u neprohodne kanale ili beskanalno. Neprohodni cevni kanali (profilni kanali) se po pravilu sastoje od korita i poklopca ili dna i haube (sl. 14.2-2.).

Slika 14.2-2. Neprohodni kanali

Ovo su kanali sa vazdušnim prostorom. Osnovna prednost toplovoda sa vazdušnim prostorom u odnosu na beskanalni, sastoji se u ostvarivanju povoljnijih uslova za sušenje toplotne izolacije, a suva toplotna izolacija ne samo da smanjuje toplotne gubitke, već smanjuje i opasnost od hemijske i elektrohemijske korozije sa spoljne strane podzemnog toplovoda. U kanalima sa vazdušnim zazorom izolacija se može izvoditi u obliku obloga cevovoda ili monolitno. Primer izvodjenja izolacije u vidu obloga dat je na slici 14.2-3.. Izolacija u vidu obloga se sastoji od tri elementa:

- antikorozivnog zaštitnog sloja u obliku nekoliko fabričkih premaza čeličnih cevi emajlom koji ima dovoljnu mehaničku čvrstoću i poseduje visoku električnu otpornost i otpornost na temperaturu,

- izolacionog sloja izvedenog od materijala sa malim koeficijentom prolaza toplote npr. mineralna vuna ili staklena vuna u vidu mekih jastuka ili tvrdih blokova koji se postavljaju iznad antikorozivnog sloja,

- zaštitne mehaničke obloge u obliku metalne mrežice koja igra ulogu noseće konstrukcije. Noseća konstrukcija izolacije (metalna mrežica ili žica za uvezivanje) prekriva se oblogom od nekorodirajućih materijala ili azbest-cementom.


380

Slika14.2-3. Toplovod u neprohodnom kanalu sa vazdušnim zazorom 1.cevovod 2.antikoroziona zaštita 3.termoizolacija 4.mehanička zaštita

Pored U kanala izvode se i pravougaoni i poluikružni kanali sa haubom, kanal sa kosim uglovima i dr. U područjima sa visokim stanjem podzemne vode ili površinske vode, izrađuju se samo U-kanali koji su po pravilu od vodonepropustivog armiranog betona. Mora da postoji mogućnost odvođenja prodrle vode (nagibna drenažna cev). Na mestima gde se nalaze račve za razvođenje u raznim pravcima svi organi se koncentrišu u podzemne komore - šahtove. Tu dolaze ventili za puštanje ili isključivanje pojedinih organa, kondenzni lonci, uredjaji za kontrolu i dr. U šahtovima su takodje postavljeni kompenzatori radi pristupačnosti kod eventualnih popravki i zamene delova. Na glavnim vodovima i ograncima u šahtima treba da postoji mogućnost odzračivanja i pražnjenja.

Slika 14.2-4. Šaht


381

14.2.2. Beskanalni toplovodi Beskanalni toplovodi su po ulaganju i količini radova ekonomičniji od toplovoda u neprohodnim kanalima, a takođe su pouzdani u radu i jednaki po trajanju. Sve konstrukcije beskanalnih toplovoda mogu se podeliti na tri grupe:

- beskanalni toplovodi u monolitnim oblogama (predizolovane cevi) - beskanalni toplovodi u nasipnoj izolaciji - livene konstrukcije beskanalnih toplovoda

Zahtevi koje treba da ispuni izolacija beskanalnih toplovoda su isti kao i za izolaciju toplovoda u kanalima, tj. visoki i postojani, u eksploatacionim uslovima, toplotni, vazdušni i električni otpori. Beskanalni toplovodi u monolitnim oblogama - predizolovane cevi. Primena beskanalnih toplovoda u monolitnim oblogama jedan je od načina industrijalizacije izgradnje toplotnih mreža. Na čeličnu cev je fabrički postavljena obloga koja vrši istovremeno ulogu izolacije noseće konstrukcije. Takvi elementi toplovoda, dužine 6-12m, transportuju se iz fabrike na mesto montaže gde se spuštaju u pripremljeni rov ili kanal, čeono se zavaruju pojedine deonice i nanosi izolacija na mestu zavarenog spoja.

Slika 14.2-5. Predizolovane cevi

Monolitne obloge mogu biti sa adheziom ili bez u odnosu na čelične cevi Sa adhezijom su onda kada se pri toplotnoj deformaciji čelični cevovod kreće zajedno sa oblogom (koeficijent linearnog širenja cevi i obloge je približno isti). Ovim se isključuje pojava zazora izmedju cevi i obloge u procesu rada cevovoda a samim tim prodor vlage i vazduha u zazor. Kod monolitnih obloga bez adhezije, čelična cev se kreće unutar izolacione obloge poa vremenom može doći do stvaranje zazora između cevi i obloge. Poslednjih godina postignuti su izuzetno dobri rezultati sa omotačima od sintetičkih masa. Konstrukcija se zasniva na vodonepropusnoj vezanoj izolaciji bez fuga, od pene poliuretana visoke gustine sa bezšavnim polietilenskim omotačem otpornim na udare i lomove. Ovaj sistem je pogodan za fluide do maksimalne temperature od 140°C (sl. 14.2-6.). Prednosti cevi sa sintetičkim omotačem,predizolovanih cevi, su u tome što omogućavaju:

- brzu i jednostavnu montažu uz manje investicija, - sigurnost u pogonu, - uštedu u energiji, - dobru hidro i termo izolaciju,


382

- strogu fabričku kontrolu kvaliteta, - mogućnost ugradnje sistema za detekciju vlage, - mogućnost bez kompenzacionog polaganja.

Povezivanje cevi se vrši pomerljivim naglavcima od polietilena, zatim se ispunjavaju penom bez zazora i vrši zaptivanje manžetnama u toplom stanju.

Slika 14.2-6. Spajanje predizolovanih cevi

Posebno interesantan je sistem za detekciju vlage. Bez obzira što je sistem predizolovanih cevi sa dugim životnim vekom i maksimalno pouzdan, ponekad, zbog mehaničkog oštećenja, zbog eventualno nepravilno izvedene podloge, zbog nepravilnog rukovanja pri ugradnji, ili zbog skrivenih nedostataka u materijalu matične (radne) čelične cevi, postoji mogućnost da vlaga prodre u izolaciju i izazove koroziju čelične cevi. Da bi se navedeni nedostatak otklonio, razvijen je sistem za detekciju probijanja vlage u izolaciju. Ovim sistemom nije moguće sprečiti prodor vlage, odnosno koroziju, ali se pravovremenim otkrivanjem mesta proboja može preventivno delovati, kako ne bi došlo do većih oštećenja na cevnom sistemu. Sistem za detekciju vlage baziran je na principu kompenzacione metode merenja napona na specijalnoj Cr-Ni žici (otporna žica) ugrađenoj u poliuretanski izolacioni sloj, celom dužinom cevne mreže. Pored otporne žice tu je i pomoćni provodnik od bakra (sl. 14.2-7.) kao i elektronski uređaj za kontinualno merenje i digitalno prikazivanje napona kroz izolaciju, izmedju otporne žice i čelične cevi. Jedna od konstrukcija predviđa zajednički omotač za dve cevi (sl. 14.2-7.) i slobodnu pokretljivost cevi nosioca toplote. Izrađuju se gotovi elementi za toplodalekovode ≤DN250, sa omotačem od polietilena i izolacijom od PUR tvrde pene. Čelične cevi koje imaju klizni sloj omogućuju klizanje pravih cevnih deonica u izolacionom sloju pri promenama usled širenja. Beskanalni toplovodi u nasipnoj izolaciji. Imaju široku primenu. Izolacija toplovoda je pomoću hidrofobnih nasipnih materija. Prednost beskanalnih toplovoda u nasutoj izolaciji, u poređenju sa monolitnim oblogama, je u jednostavnosti izrade izolacionog sloja. Izolacioni materijal se lako transportuje na veća rastojanja železnicom ili kamionom, upakovan u polietilenske vreće. Jedna od konstrukcija ove vrste, razrađen još u nekadašnjem SSSR-u je beskanalni toplovod u nasipnom samoočvršćavajućem asfaltu.


383

Slika 14.2-7. Sistem za detekciju vlage Slika14.2-8. Šema povezivanja sistema za detekciju vlage

Osnovna komponenta ovog materijala je prirodni bitumen-asfalt ili veštački bitumen. Izrada ovakve izolacije vrši se u 2 faze:

1. zasipanje cevi u rovu asfaltom u vidu praška 2. zagrevanje cevi toplovoda do temperature topljenja asfalta (140÷150)°C i održavanje te

temperature u toku 30-40 sati.

Kao rezultat zagrevanja, neposredno na površinu cevi se obrazuje gusti sloj istopljenog asfalta koji adhezivno prianja na čeličnu cev i štiti je od vlage i korozije. Iza prvog sloja obrazuje se drugi, koji ima poroznu strukturu i koji ima ulogu osnovnog izolacionog sloja. Treći, spoljni sloj asfaltizola služi kao dopunski toplotni i hidroizolacioni sloj. Poslednjih godina se primenjuju beskanalni toplovodi sa nasipnom izolaciojom od hidrofobne sprašene krede. Livene konstrukcije beskanalnih toplovoda. Od livenih konstrukcija beskanalnih toplovoda, izvesnu primenu su dobili toplovodi u penastom betonu . Cevi, montirane i položene u rov, zalivaju se tečnom masom pripremljenom neposredno na trasi, ili donošenjem iz baze. Posle otvrdnjavanja betona ili perlitnog betona, on se zasipa zemljom. U dvocevnim toplotnim mrežama temperaturni režimi a prema tome i temperaturne deformacije polazne i povratne cevi nisu jednake. U tim uslovima adhezija betona i cevi nije dozvoljena. Radi sprečavanja adhezije sa izolacijom, cevi se spolja premazuju slojem antikorozivnog smolastog materjala (npr. asfaltnom smolom) pre zalivanja tečnim penastim ili perlitnim cementnim rastvorom. Ovakva konstrukcija ima malu otpornost na vlagu i prodiranje vazduha pa je poželjno dodatno zaštiti površinu cevi antirokozivnim materijalom.


384

14.2.3. Zaštita podzemnih toplovoda od potapanja i vlage Jedan od osnovnih ciljeva dugotrajnosti podzemnih toplovoda je zaštita od podzemnih i nadzemnih voda. Potapanje dovodi do oštećenja izolacije i korozije sa spoljne strane. Jedino rešenje pri polaganju toplovoda ispod nivoa podzemnih voda je u sniženju tog nivoa pomoću uzdužne drenaže. Konstrukcija samog toplovoda ostaje ista kao i kod suvog tla. Osnovni cilj drenaže u zoni polaganja toplovoda je da nivo podzemne vode pri radu drenaže, spusti ispod nivoa dna kanala (pri polaganju kanala) ili donje kote izolacije toplovoda pri beskanalnom polaganju. Za zaštitu toplovoda od površinskih voda neophodno je, planiranje površine zemlje iznad toplovoda. Kota površine zemlje iznad toplovoda treba da bude malo viša od kote okolnog terena. Poželjno je nanošenje na toplovod asfaltnog ili betonskog pokrivača.

14.2.4. Materijal i konstrukcija toplotne izolacije Koeficijent provođenja toplote λ jedne materije je najvažnija računska veličina u tehnici toplotne zaštite. To je svojstvo materije i pokazuje količinu toplote koja prolazi kroz sloj debljine 1m, površine 1m2 u toku 1 časa. Koeficijent provođenja toplote λ neke materije nije stalna veličina već raste sa porastom temperature. Manja je ukoliko je gustina manja. Vazduh (λ=0,023 w/mk) ima minimalnu toplotnu provodljivost. Koeficijent provođenja toplote λ, koji se odnosi na homogene materije, treba razlikovati od nešto većeg koeficijenta provođenja pri pogonu, koji uzima u obzir uticaj zaštitnog omotača, konstrukciju oslonca, preciznost izrade i koji treba da bude osnov svih proračuna.

Slika 14.2-9. Koeficijenti provođenja toplote toplotno izolacionih materjala

Slika 14.2-10. Zavisnost koeficijenta provođenja toplote mineralnevune od zapreminske

vlažnosti

U kompletnoj konstrukciji izolacije toplovoda važno mesto zauzima toplotna izolacija. Od kvaliteta konstrukcije izolacije toplovoda zavise gubici toplote i dugovečnost. Odgovarajućim kvalitetima materijala toplotna izolacija može imati i ulogu antikorozione zaštite spoljne površine cevi.


385

Osnovni zahtevi koje treba da zadovolji izolacija su sledeći: - niski koeficijent provođenja toplote kako u suvom tako i u stanju prirodne vlažnosti - malo upijanje vlage imala visina kapilarnog dizanja tečne vlage - mala koroziona aktivnost - visoki omski otpor - kisela reakcija (pH≥8,5) - dovoljna mehanička otpornost

Zahtevi koje treba da zadovolje izolacioni materijal i konstrukcija podzemnih toplovoda bitno se razlikuju od zahteva koji se postavljaju izolacionim materijalima toplovoda postavljenih u prostorije toplana, kotlarnica ili industrijskih preduzeća. Jedan od osnovnih zahteva koje treba da ispune toplotni izolacioni materijali podzemnih toplovoda je malo upijanje vlage, pa zbog toga visokoefektivni izolacioni materijali, sa velikim sadržajem vazdušnih para koji lako upijaju vlagu iz okolnog zemljišta, po pravilu nisu pogodni za podzemne toplovode. Vrlo je važno održavanje izolacionog materijala u suvom stanju. Vlaženje povećava koeficijent provođenja toplote (sl. 14.2-10.). Izbor konstrukcije toplotne izolacije i njenih dimenzija zavisi od tipa toplovoda i raspoloživih materijala i vrši se na osnovu tehničko-ekonomskih proračuna. Dobro stanje toplotne izolacije toplovoda ima izvanredno veliki značaj za ekonomiju toplifikacije. Osim smanjenja toplotnih gubitaka, toplotna izolacija olakšava opsluživanje toplovoda u uslovima snižene temperature vazduha u podzemnim komorama i prohodnim kanalima, a takođe uklanja opasnost od opekotina osoblja. Istovremeno sa smanjenjem toplotnih gubitaka, smanjuje se pad temperature predajnika toplote duž toplovoda što povećava kvalitet snabdevanja toplotom. Pri izgradnji toplovoda u kanalima kao toplotna izolacija mogu se koristiti: - mineralna vuna, kizelgur, magnezijum pluta, penasti materijali (polistirol, polietilen, poliuretan (PUR).

Slika 14.2-11. Izolacija toplovoda karubama od mineralne vune 1.mineralna vuna 2.prsten za pritezanje 3.mrežica 4.čelični oslonac 5.azbestnocementna karuba 6.čelični lim 7.prsten 8. antikorozioni sloj


386

Spoljna zaštita svih toplotnih izolacija izvodi se pomoću limenih omotača, folija, ter papira, namotavanjem zavoja i dr. Već smo pomenuli da se pri beskanalnom polaganju toplovoda primenjuje široki asortiman izolacionih materijala i proizvoda.

14.2.5. Cevi i spajanje cevi Tehnika transporta toplote postavlja sledeće osnovne zahteve cevima koje se upotrebljavaju za toplovode:

1. dovoljna mehanička čvrstoća i hermetičnost pri pritiscima i temperaturama koje se pojavljuju

2. elastičnost i postojanost na termička naprezanja pri promenljivim toplotnim režimima 3. postojanost mehaničkih osobina 4. postojanost na unutrašnju i spoljašnju koroziju 5. mala hrapavost 6. odsustvo erozije 7. mali koeficijent temperaturnih deformacija 8. visoka termoizolaciona svojstva zida cevi 9. jednostavnost, pouzdanost i hermetičnost spojeva elemenata

10. jednostavnost skladištenja, transporta i montaže.

Svi do sada poznati tipovi cevi ne zadovoljavaju istovremeno ove nabrojane zahteve. Delimično te zahteve ispunjavaju čelične cevi koje se koriste za transport pare i vrele vode. Visoka mehanička svojstva i elastičnost čeličnih cevi, kao i jednostavnost, pouzdanost i hermetičnost spojeva (var), sposobnost oblikovanja (savijanjem proširivanje i sl.), obezbedili su tim cevima prednost primena u postrojenjima centralizovanog snabdevanja toplotom. Za cevi nosioca toplote najčešće se upotrebljavaju čelične cevi bez šava, prema SRPS-u. Za veće prečnike cevi (iznad 323,9 mm) najčešće se upotrebljavaju čelične cevi sa šavom, prema SRPS-u. (elektrovarene sa podužnim i spiralnim šavom). Cevi bez šava, od ugljeničnog i niskolegiranog čelika Č1212 i Č1213, su sa propisanim mehaničkim osobinama. Cevi bez šava mogu biti i sa garantovanim mehaničkim osobinama na povišenim temperaturama ukoliko su od ugljeničnog čelika, npr. Č 1214 i Č1215,i legiranog čelika ,Č7100, Č 7400 itd. Asortiman cevi za izgradnju toplotnih mreža bira se prema nazivnom pritisku, maksimalnoj temperaturi nosioca toplote, prečniku cevi i vrsti čelika od koje se on izradjuje. Cevovodi toplotnih mreža spajaju se međusobom električnim ili gasnim zavarivanjem. Šema cevovoda i razmeštaj oslonaca i kompenzatora treba da budu izabrani tako da sumarni napon svih istovremeno dejstvujućih deformacija ni u jednom preseku cevovoda ne prelazi dopuštenu vrednost. Najslabije mesto čeličnih cevovoda po kome treba vršiti proveru napona su zavareni spojevi. Koeficijent čvrstoće zavarenog spoja ϕ ( predstavlja odnos dopuštenog naprezanja za šav, prema dopuštenom naponu za ceo zid, i usvaja se:

- za jednostrani ručni zavar............ 0,70 - za jednostrani automatski šav...... 0,80 - za dvostrani šav, ručni.................. 0,85 - za dvostrani automatski šav......... 0,90


387

Cevovodi toplotnih mreža proračunavaju se na čvrstoću po obrascima za tankozidne sudove, jer je kod njih odnos debljine zida prema prečniku b/d <1,5. Cevovodi daljinskog grejanja podležu delovanju različitih opterećenja: od unutrašnjeg pritiska, temperaturskih izduženja, od dejstva sopstvene težine, dejstva zemljinog sloja, opterećenja od saobraćaja i dr., zavisno od načina polaganja. Ova opterećenja koja deluju na cevovod proizvode u zidu cevi napone:

- u uzdužnom pravcu-aksijalni napon .... ( σa ) - po obimu - tangencijalni napon ........... ( σt ) - radijalni napon ...................................... ( σr )

Uvedene su hipoteze koje omogućavaju da se izračuna jedan uporedni napon umesto tri glavna napona a on se može upoređivati sa dozvoljenim. Za proračunavanje uporednog napona kod cevovoda upotrebljavaju se sledeće dve hipoteze:

- energetska hipoteza o čvrstoći i - hipoteza maksimalnog tangencijalnog loma.

Uporedni (svedeni) maksimalni napon ne sme da prelazi dopušteni napon za najopasniji presek cevovoda koji je u zavarenom spoju. Ako se za cevovode daljinskih vodova upotrebe čelične cevi bez šava, normalne ili povećane debljine, za nosioce toplote do 200°C, pritisak do 20 bara i prečnike do 250mm, što se najčešće sreće u praksi, nije neophodno proračunavati debljinu zida.

14.2.6. Oslonci Oslonci su odgovorni detalji toplovoda. Oni primaju sile od cevovoda i predaju ih nosećoj konstrukciji ili tlu. Pri izgradnji toplovoda primenjuju se dva tipa oslonca: slobodni i nepokretni. Slobodni oslonci primaju težinu cevovoda i obezbeđuju mu slobodno kretanje pri temperaturnim deformacijama. Pri beskanalnom polaganju se obično ne primenjuje postavljanje slobodnih oslonaca ispod cevovoda, radi izbvegavanja neravnomernih spuštanja i dopunskih napona na savijanje. Pri proračunu napona na savijanje i deformacija, cevovod koji leži na slobodnim osloncima razmatra se kao greda na više oslonaca. Po principu rada, slobodni oslonci se dele na klizne, valjkaste, kotrljajne i viseće. )

Slika1 14.2-12. Slobodni oslonci (podupirači cevi)

Horizontalna reakcija koja se javlja na slobodnom osloncu pri termičkoj deformaciji cevovoda zavisi od tipa oslonaca. Od svih tipova slobodnih oslonaca najmanju vrednost horizontalne reakcije imaju kotrljajni oslonci. Na tim osloncima trenje klizanja ne postoji.


388

U slučajevima kada, zbog razmeštaja cevi u odnosu na noseću konstrukciju, ne mogu biti postavljeni klizni i kotrljajni oslonci, postavljaju se viseći oslonci. Nepokretni oslonci fiksiraju položaj cevovoda u određenim tačkama, primaju sile koje se sastoje od neuravnoteženih sila unutrašnjeg pritiska, reakcija slobodnih oslonaca i reakcija kompenzatora temperaturnih deformacija. Te sile po pravilu deluju sa obe strane nepokretnog oslonca i u zavisnosti od pravca vektora, te sile se uzajamno uravnotežavaju (tj. oduzimaju ili sabiraju).

Slika 14.2-13. Čvrsti (nepokretni) oslonci

Od svih sila koje dejstvuju na nepokretni oslonac najznačajnija je neuravnotežena sila unutrašnjeg pritiska. U poređenju sa tom silom, ostale reakcije koje deluju na nepokretni oslonac su relativno male. Za olakšanje konstrukcije nepokretnog oslonca neophodno je težiti uravnoteženju osne sile unutrašnjeg pritiska. Osim sile, na nepokretnim osloncima često se predaju momenti savijanja i uvijanja koji deluju na cevovod a koji se odredjuju u svakom konkretnom slučaju za zadatu šemu i režim rada cevovoda. Nepokretni oslonci izvode se obično od armiranog betona ili čelika. Na slici 14.2-14. prikazan je nepokretni oslonac u komori. Sile koje se prenose na oslonac predaju se vertikalnim stubovima čiji su krajevi ubetonirani u pod i poklopac komore. Pri postavljanju nepokretnih oslonaca između komora u neprohodnim kanalima ili pri beskanalnom polaganju pogodni su armirano betonski oslonci. Takav oslonac je u stvari armirano betonska ploča. Konstrukcija ne zahteva velike temelje jer se opterećenje sa nje predaje centralno. Predizolovane cevi, takođe, moraju imati čvrste tačke. To su predizolovane fiksne tačke na betonskom temelju određenih dimenzija.

Slika 14.2.14. Čvrste tačke predizolovanih cevi


389

14.2.7. Kompenzacija temperaturnih dilatacija Kompenzacija temperaturnih dilatacija čeličnih cevovoda ima veoma veliki značaj u tehnici transporta toplote. Ako u cevovodu ne postoji kompenzacija temperaturnih dilatacija, pri zagrevanju se u zidu cevovoda javljaju veliki razarajući naponi. Vrednost tih napona može se izračunati po Hukovom zakonu:

iE ⋅=σ .............................................................................................................. (14.1)

E - modul elastičnosti i - specifična deformacija

Pri povišenju temperature za t∆ cevovod dužine l se izdužuje za:

tll ∆⋅⋅=∆ α ....................................................................................................... (14.2)

α - koeficijent linerarnog izduženja

Kod čeličnih cevi na svaka 100°C dužina cevi se promeni za oko 1,2 mm/m cevi, kod bakarnih cevi je izduženje 1,7mm/m. Ako je deonica cevi učvršćena i pri zagrevanju ne može da se izdužuje, tada je njeno specifično sabijanje jednako:

ti ∆⋅=∆

= αl

l .................................................................................................... (14.3)

Sledi da je napon sabijanja koji se javlja pri zagrevanju pravolinijskog učvršćenog cevovoda (bez kompenzatora):

t∆⋅Ε⋅=ασ Za čelik: [ ]at ΜΡ⋅∆⋅= 35,2σ ............................................... (14.4)

Zaključujemo da napon sabijanja koji se javlja u učvršćenom pravolinijskom delu cevovoda ne zavisi od prečnika, debljine zida i dužine cevovoda, već zavise od materijala (modula elastičnosti i koeficijenta linearnog izduženja) i razlike temperatura. Sila sabijanja koja se javlja pri zagrevanju u pravolinijskom cevovodu bez kompenzacije se određuje po obrascu:

fif ⋅⋅Ε=⋅=Ρ σ .............................................................................................. (14.5)

f - površina poprečnog preseka zida cevovoda; [ ]2m

Postoje različiti načini kompenzacije temperaturskih izduženja. Po svom karakteru, svi komenzatori se mogu podeliti na dve grupe: aksijalne (osne) i radijalne. Aksijalni kompenzatori. Primenjuju se za kompenzaciju temperaturnih izduženja pravolinijskih deonica cevovoda, tj. kompenzuju širenje cevi u aksijalnom pravcu. Na deonicama ispod saobraćajnica, kada su u pitanju toplovodi većeg prečnika, stavljaju se uglavnom aksijalni kompenzatori.


390

a) teleskopski

Slika 14.2-15. Aksijalni kompnzatori

b) elastični (lećasti)

U praksi nalaze primenu dve vrste aksijalnih kompenzatora: teleskopski i elastični. Teleskopski (sl. 14.2-15a.). Između čašice 1 i tela 2 kompenzatora postavlja se zaptivka 3. Zaptivač se sabija izmedju prstena 4 i 5. Zatvarač se obično izvodi od grafitnog azbesta kvadratnog preseka. Ne zahteva mnogo mesta a mogu da kompenziraju velika širenja do 600mm. Izrađuju se takođe kao rasterećeni kompenzatori, pri čemu nikakva sila ne deluje na cevni vod. Nedostatak ovih kompenzatora je zaptivač koji zahteva sistematsko i pažljivo održavanje u eksploataciji. Elastični (lećasti) kompenzatori (sl. 14.2-15b.). Takođe kompenzuju širenje u aksijalnom pravcu. Pokretljivi osnovni element je metalni meh (talasasta cev) od tombaka, bronze, čelika ili plemenitog čelika. Zauzimaju malo mesta. Pri ugrađivanju treba postaviti cevne vođice ispod i iza kompenzatora, koje sprečavaju savijanje u stranu, kao i čvrste tačke koje prihvataju sile širenja. Proizvode se praktično za sve nazivne otvore, pritiske i temperature. Za kompenzaciju većih termičkih deformacija izrađuju se sa većim brojem talasa. Ne treba ih održavati. Ugrađivanje se često vrši prednaprezanjem od 50% tj. kompenzator se izvlači za polovinu širenja koje nastaje u pogonu radi optimalnog korišćenja. Sličnih konstrukcija su kompenzatori u vidu zgloba, lateralni kompenzatori. Osnovni elementi su, u principu, dva meha koji su povezani cevima različite dužine. Ugrađivanje se vrši uglavnom u vodovima velikog preseka i to često pod uglom od 90°, dakle normalno prema glavnoj deonici. Ugaoni kompenzatori slični su izradi zglobnih kompenzatora . Imaju sposobnost da omoguće razna pomeranja, tako da kompenzacija cevovoda sa mnogo uglova postaje jednostavno rešiva a samim tim garantovan je rad bez naprezanja. Primenjuju se kod velikih cevovoda. Kompenzatori od tkanine. Sastoje se od vrlo elastičnog gumiranog tkanja različitog sastava, ili od veštačke gume različitog kvaliteta (gumeni kompenzator). Omogućavaju širenje u svim pravcima.


391

Slika 14.2-16. Dvozglobni kompenzator a)stanje pre prednaprezanja, b)stanje posle prednaprezanja, c)uticaj pomeranja h

Prigušivači vibracija - kompenzatori za pumpe i kompresore sprečavaju vibracije. Ispred i iza kompenzatora treba postaviti čvrste tačke. Radijalni kompenzatori. Radijalna kompenzacija može se iskoristiti pri bilo kojoj konfiguraciji cevovoda. Radijalni kompenzatori se primenjuju po toplovodima koji se polažu u krugu industrijskih preduzeća a sa malim prečnicima cevi (do 200mm), kao i u gradskim toplotnim mrežama. Pri radijalnoj kompenzaciji, termička deformacija cevovoda se neutrališe na račun deformacije specijalnih elastičnih delova ili pojedinih deonica cevovoda. Metod kompenzacije deformacijom pojedinih deonica cevovoda, koji je široko korišćen u praksi, naziva se prirodna kompenzacija. Prednost tog oblika kompenzacije nad drugim oblicima su: jednostavnost, pouzdanost, nepotreban nadzor i praćenje rasterećenja nepokretnih oslonaca od sila unutrašnjeg pritiska. Nedostatak prirodne kompenzacije je poprečno pomeranje delova cevovoda koji se deformiše, što zahteva povećanje širine neophodnih kanala i otežava primenu nasipne izolacije i beskanalnih konstrukcija. Proračun prirodne kompenzacije sastoji se u nalaženju sila i napona koji se javljaju u cevovodu pod dejstvom elastične deformacije, izboru dužine uzajamno delujućih deonica i određivanju poprečnog pomeranja deonica cevovoda pri kompenzaciji. Metoda proračuna bazira se na osnovnim zakonima teorije elastičnosti, koji povezuje deformacije sa delujućim silama. Deonice cevovoda koje primaju temperaturne deformacije pri prirodnoj kompenzaciji sastoje se od kolena i pravih delova. Savijena kolena povećavaju elastičnost cevovoda i povećavaju njegovu sposobnost kompenzacije, što je naročito primetno u cevovodima većeg prečnika. To je zbog toga što savijanje lukova cevi dovodi do menjanja poprečnog preseka cevi koji iz okruglog prelazi u elipsasti što smanjuje njegovu krutost .


392

Inače, radijalni kompenzator se izrađuju od istog materijala kao i cevni vodovi. Za velika širenja cevi postavljanje se vrši sa prednaprezanjem, tj. za vreme montaže se već stvara naprezanje koje omogućava širenje u pogonskom stanju.

a) 1.prednaprezanje 2.pogon 3.vođeni oslonci

4.čvrste tačke

Slika 14.2-17. Pomeranje ose cevi usled termičkih izduženja

b) max. naprezanje u U kompenzatoru

Maksimalno naprezanje se javlja u elementu cevovoda koji se nalazi na najvećem rastojanju od pravca dejstva sile, tj.

y = Ymax (14.6)

Dopušteno naprezanje za proračun kompenzacione sposobnosti određuje se za konkretne šeme i režime rada cevovoda iz uslova da svedeno zbirno naprezanje od svih vidova deformacije u opasnom preseku ne prelazi dopuštenu vrednost [ ]σϕ .

Pri proračunu prirodne kompenzacije, za prethodne procene može se usvojiti dopušteno naprezanje

( ) [ ]σϕσ 4,03,0 ÷= ............................................................................................. (14.7)

ϕ - koeficijent čvrstoće zavarenog spoja; σ - dopušteni napon

Kompenzaciona sposobnost kompenzatora može se udvostručiti prethodnim zatezanjem na montaži, na veličinu jednaku polovini toplotnog izduženja cevovoda. Postoje različiti tipovi simetričnih kompenzatora:

- U kompenzatori (ili ∏ ) - S kompenzatori - Ω kompenzatori - nesimetrični . Maksimalno naprezanje se javlja u kraćem kraku na mestu nepokretnog

oslonca - prostorni cevovodi. Kod njih se pored deformacija izduženja i savijanja, koje se javljaju

kod ravanskih cevovoda javljaju i deformacije uvijanja.


393

a) S kompenzator

b) Ω kompenzator

c) nesimetrični(ugaoni) kompenzator

Slika 14.2-18. Različiti tipovi kompenzatora

14.2.7.1. Proračun П kompenzatora Maksimalno naprezanje od savijanja u Pe-kompenzatoru (sl. 14.2-19.) je:

AmldE ⋅⋅⋅∆=σ .............................................................................................. (14.8) gde je:

[ ]3222

1

3322

33,1241

67,04,128,214,312

Π−⋅⋅+⋅⋅−++

+⋅−⋅+⋅⋅−⋅⋅=

RlRlRllk

lRlRlRkA.................................. (14.9)

k, m - korekcioni faktori

Pri maksimalnom naprezanju na savijanje javlja se tzv. leđima kompenzatora (deo 4-5) jer se ona nalaze na maksimalnom rastojanju od pravca dejstvujuće sile P(Ymax=l). Prethodnim zatezanjem kompenzatora na polovinu toplotnog izduženja cevovoda dobija se kompenzaciona sposobnost:

mldEA⋅⋅⋅⋅⋅

=∆σ2 .................................................................................................. (14.10)

Ako se na kompenzator postave kruta segmentna (neelastična) kolena, kod kojih ne dolazi do ispravljanja k=1, m=1.

14.2.7.2. Proračun S-kompenzatora Maksimalna naprezanja na savijanje u kompenazoru u obliku S (sl.14.2-20.) kao i kompenzaciona sposobnost pri prethodnom zatezanju na polovinu temperaturne dilatacije cevovoda, određuje se po obrascima:

AmldE ⋅⋅⋅∆=σ i mldE

A⋅⋅⋅⋅⋅

=∆σ2 ...................................................... (14.11)


394

Za te kompenzatore koeficijent A određuje se po obrascu:

[ ]RlRlRll

lRlRlRkA

248

33,11,256,428,612222

1

3322

−⋅⋅+⋅⋅−+

+⋅−⋅+⋅⋅−⋅⋅=................................. (14.12)

Slika 14.2-19. Šema П -kompenzatora

Slika 14.2-20. Šema S-kompenzatora

14.2.7.3. Proračun omega-kompenzatora Maksimalno naprezanje na savijanje u omega-kompenzatoru (sl. 14.2-21.) je:

2106,0R

kmdE ⋅⋅⋅∆⋅=σ ..................................................................................... (14.13)

Pri prethodnom istezanju omega-kompenzatora za polovinu toplotnog izduženja toplovoda, njegova kompenzaciona sposobnost se određuje po obrascu:

kmdER⋅⋅⋅⋅⋅

=∆28,18 σ ................................................................................................ (14.14)

Slika 14.2-21. Šema omega-kompenzatora


395

14.3. Termički proračun

14.3.1.Osnovne računske zavisnosti Zadatak termičkog proračuna je da reši sledeća pitanja:

1. određivanje toplotnih gubitaka toplovoda; 2. proračun temperaturskog polja oko toplovoda, odnosno određivanje temperature izolacije,

vazduha u kanalima, zidova kanala, zemljišta; 3. proračun pada temperature predajnika toplote uzduž toplovoda; 4. izbor debljine toplotne izolacije toplovoda.

Količina toplote koja prolazi u jedinici vremena kroz niz termičkih otpora, određuje se po formuli:

( ) Rtq 0−= τ ................................................................................................... (14.15)

ili:

Rqt ⋅=− 0τ ..................................................................................................... (14.16)

( ) qtR 0−= τ ................................................................................................... (14.17)

gde su: q - specifični toplotni gubici toplodalekovoda, τ - temperatura predajnika toplote, t0 - temperatura okolne sredina, R - ukupan termički otpor toplovoda.

Pri termičkom proračunu toplotnih mreža treba obično odrediti toplotni fluks kroz slojeve i kroz površine cilindričnog oblika. Specifični toplotni gubici q i termički otpor R donose se obično na jedinicu dužine toplovoda i izračunavaju se odgovarajuće u W/m i mK/W. U izolovanom toplovodu, okruženom spoljašnjim vazduhom, toplota prolazi kroz četiri redno spojena otpora: unutrašnja površina cevi, zid cevi, sloj izolacije i spoljašnja površina izolacije. Pošto je ukupan otpor jednak aritmetičkom zbiru redno postavljenih otpora, biće:

nitru RRRRR +++= ....................................................................................... (14.18)

ged su Ru, Rtr, Ri i Rn - termički otpori unutrašnje površine cevi, zida cevi, sloja izolacije i spoljašnje površine izolacije. Na izolovanim toplovodima osnovnu vrednost ima termički otpor sloja izolacije. U termičkom proračunu se sreću dva oblika termičkih otpora:

a) otpor površina, u razmatranom slučaju Ru i Rn; b) otpor sloja, u razmatranom slučaju Rtr i Ri.


396

14.3.2. Termički otpor površine Termički otpor cilindrične površine je:

( )απdR 1= ...................................................................................................... (14.19)

gde je πd - površina 1m dužine toplovoda, α - koeficijent prelaza toplote sa površine.

Za oređivanje termičkog otpora površine toplovoda neophodno je poznavati dve veličine: prečnik toplovoda i koeficijen prelaza toplote sa površine ili na površinu. Prečnik toplovoda je pri termičkom proračunu zadat. Koeficijent prelaza toplote α od spoljašnje površine toplovoda na okolni vazduh predstavlja zbir koeficijenata prelaza toplote zračenjem αi i konvekcijom αk:

ki ααα += ...................................................................................................... (14.20)

Koeficijent prelaza toplote zračenjem αi može se izračunati po Stefan-Boltzmanovom zakonu:

0

40

4

100273

100273

tt

tt

Ci −

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⋅=α ................................................................... (14.21)

gde je C - konstanta zračenja, t - temperatura površine koja zrači.

Konstanta zračenja apsolutno crnog tela, tj. površine koja apsorbuje sve zrake koji padaju na nju i ništa ne odbija, C=5,7W/(m2K4). Konstanta zračenja “svih” tela u koja se ubrajaju i površine golih cevovoda, izolacionih konstrukcija i slično, ima vrednost od 4,4 do 5,0 W(m2K4). Koeficijent prelaza toplote od horizontalne cevi na vazduh pri prirodnoj konvekciji, W/(m2K), može se odrediti po Nuseltovoj formuli:

( )4 016,1 dttk −⋅=α ....................................................................................... (14.22)

Pri prinudnoj konvekciji ili vetru, koeficijent prelaza toplote biće:

3,07,065,4 dwk ⋅=α ....................................................................................... (14.23)

gde je w - brzina vazduha, a d - spoljašnji prečnik toplovoda. Prethodna formula važi pri w>1m/s, d>0,3m. Pri određivanju toplotnih gubitaka izolovanih toplovoda ne mora se izvoditi kontrolni proračun, jer je termički otpor površine izolacije srazmerno neznatan u odnosu na termički otpor izolacije. Stoprocentna greška pri izboru koeficijenta prelaza toplote površine dovodi obično do greške pri određivanju toplotnih gubitaka od 3 do 5%.


397

Za prethodno određivanje koeficijenta prelaza toplote sa površine izolovanog toplovoda W/(m2K), kada je temperatura površine nepoznata, može se koristi formula:

w⋅+= 76,11α .............................................................................................. (14.24)

gde je w - brzina kretanja vazduha, m/s. Koeficijent prelaza toplote od predajnika na unutrašnju površinu cevovoda je veoma veliki, što čini termički otpor unutrašnje površine cevovoda toliko malim, da se praktično može zanemariti.

14.3.3. Termički otpor sloja Izraz za termički otpor jednoslojnog cilindričnog zida izvodi se iz Furijeove jednačine. Taj izraz je oblika:

1

2ln2

1ddR ⋅

⋅⋅=

λπ............................................................................................ (14.25)

gde je: λ - koeficijent toplotne provodljivosti zida,

d1, d2 - unutrašnji i spoljašnji prečnik zida.

Za termički proračun bitan značaj imaju samo slojevi sa većim termičkim otporima. Takvi slojevi su toplotna izolacija, zid, kanal, masiv, tlo i sl. U tom smislu pri termičkom proračunu izolovanih toplovoda obično se ne uzimaju u obzir tremički otpori metalnih zidova.

14.3.4. Termički otpor izolacije nadzemnih toplovoda Na nadzemnim toplovodima između predajnika toplote i spoljašnjeg vazduha nalaze se redom sledeći termički otpori: unutrašnja površina cevovoda, zid cevovoda, jedan ili nekoliko slojeva toplotne izolacije, spoljašnja površina toplovoda. Prva dva otpora se u praktičnim proračunima obično zanemaruju. Uzimajući u obzir samo dva poslednja termička otpora nadzemnog toplovoda, koristi se izraz:

ni RRtq

+−

= 0τ ...................................................................................................... (14.26)

Ako je toplovod neizolovan, to Ri=0. U tom slučaju je:

( ) nRtq 0−= τ .................................................................................................. (14.27)

Ponekad je toplotna višeslojna, što je posledica različitih temperatura dozvoljenih za određene izolacone materjale, ili iz ekonomskih razloga, u cilju delimične zamene skupih izolacija jeftinijim. Termički otpor višeslojne izolacije je jednak aritmetičkoj sumi termičkih otpora naizmenično poređanih u slojevima. Termički otpor cilindrične izolacije povećava se sa povećanjem odnosa spoljašnjeg i unutrašnjeg prečnika. Prema tome, pri primene višeslojne izolacije, prvi sloj je celishodno uraditi do materijala koji ima najniži koeficijent temperaturske provodljivosti, što dovodi do najefektivnijeg iskorišćenja izolacionih materijala.


398

14.3.5. Termički otpor tla U podzemnim toplovodima je jedan od rednih termičkih otpora - otpor tla. Pri proračunu toplotnih gubitaka za temperaturu okolinu To uzima se, po pravilu, prirodna temperatura tla na dubini na kojoj se nalazi osa toplovoda. Samo pri malim dubinama ukopavanja ose toplovoda (h/d<2) za temperaturu okoline uzima se prirodna temperatura površine tla (sl. 11.3-1.). Termički otpor tla se može odrediti prema Forhajmerovoj formuli:

Slika 14.3-1. Šema jednocevnog beskanalnog toplovoda

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡−

⋅+

⋅= 142ln

21

2

2

dh

dhR

grrg λπ

................................................................. (14.28)

gde je:

grλ - koeficijent toplotne provodljivosti,

h - dubina ukopavanja ose toplovoda, d - prečnik toplovoda.

Pri polaganju podzemnih toplovoda u kanale koji imaju drugačiji oblik od cilindričnog, umesto prečnika, u prethodnu formulu se uvršćuje ekvivalentni prečnik:

OFde ⋅= 4 ..................................................................................................... (14.29)

gde je F - površina preseka kanala, O - obim kanala.

U slučajevima kada je h/d>2, Forhajmerova formula se može uprostiti, uzimajući sa nekim približenjima vrednost korena jednakim 2h/d. U tom slučaju će biti:

( )gr

grdhR

λπ ⋅⋅⋅

=2

4ln .............................................................................................. (14.30)

Koeficijent toplotne provodljivosti tla grλ zavisi uglavnom od njegove vlažnosti i temperature. Pri

temperaturama tla T0=10 - 40°C, vrednost koeficijenta provođenja toplote tla srednje vlažnosti leži u granicama od 1,2 do 2,5W/(mK).


399

Pri malim dubinama ukopavanja podzemnog toplovoda (h/d<2), temperatura površine tla iznad toplovoda može znatno razlikovati od prirodne temperature površine tla. Da bi se izbegle greške, proračun toplotnih gubitaka se izvodi sa temperaturom spoljašnjeg vazduha. U tom slučaju se termički otpor tla određuje ne po stvarnoj, već po redukovanoj dubini ukopavanja ose toplovoda:

fp hhh += ....................................................................................................... (14.31)

gde je hf - debljina fiktivnog sloja tla, h - stvarna dubina ukopavanja ose toplovoda,

αλgrfh = ...................................................................................................... (14.32)

a α je koeficijent prelaza toplote na površini tla. Fiktivni sloj ima otpor jednak otporu površine.

14.3.6. Toplotni gubici i koeficijent efektivnosti Toplotni gubici mreže sastoje se iz dva dela:

a) gubici delova cevovoda koji nemaju armaturu i fazonske delove - linijski toplotni gubici b) gubici fazonskih delova armature, nosača cevovoda, prirubnica itd. - lokalni toplotni gubici.

Linijski toplotni gubici toplovoda su:

lqQl ⋅= ........................................................................................................... (14.33)

gde je q - specifični toplotni gubici, l - dužina toplovoda.

Toplotni gubici priključaka, kolena, savijenih kompenzatora i drugih detalja, obima poprečnog preseka približno kao i cevovod, izračunavaju se po formulama za prave cevi okruglog preseka. Toplotni gubici prirubnica, fazonskih delova i armature određuju se obično sa ekvivalentnom dužinom cevi istog prečnika:

em lqQ ⋅= ......................................................................................................... (14.34)

gde je Qm - lokalni toplotni gubitak,

le - ekvivalentna dužina.

Toplotni gubici od neizolovanog ventila ili zasuna jednaki su toplotnim gubicama izolovanog cevovoda dužine 12-24m istog prečnika, pri srednjem kvalitetu izolacije. Ako je ventil ili zasun neizolovan na 3/4 svoje površine, u zavisnosti od prečnika cevovoda i temperature predajnika toplote, može se uzeti ekvivalentna dužina 4-8m izolovanog cevovoda. Manja vrednost se odnosi na cevovod prečnika 100mm i temperature predajnika 100°C, a veća na cevovod prečnika 500mm i temperature 400°C. Ekvivalentna dužina neizolovane prirubnice može se uzeti da je 4-5m izolovanog cevovoda. Toplotni gubici kroz neizolovane oslonce cevovoda (zavešanja, klizači, klizni oslonci) se ocenjuju da iznose 10-15% od linijskih toplotnih gubitaka.


400

Ukupni toplotni gubici toplovoda se određuju po formuli:

( ) ( )β+⋅⋅=+⋅= 1lqllqQ e ............................................................................... (14.35)

gde je Q - ukupni toplotn gubici, a β=le/l. Za prethodni proračun toplotnih gubitaka toplovoda može se uzeti β=0,2-0,3. Za ocenu efektivnosti izolacione konstrukcije često se koristi pokazatelj koji se naziva koeficijent efektivnosti izolacije:

g

i

g

igi Q

QQ

QQ−=

−= 1η ...................................................................................... (14.36)

gde su Qg i Qi toplotni gubici izolovane cevi. Obično koeficijent efektivnosti izolacionih konstrukcija toplovoda iznosi η=0,85-0,95.

Toplotne predajne staniceToplotne predajne stanice

15.15.

403

15. Toplotne predajne stanice

15.1. Tipovi toplotnih predajnih stanica Toplotne podstanice ili potrošačke priključne (predajne) stanice su mesta u kojima se dovedeni, primarni fluid transformiše prema potrebama potrošača. Osnovna njihova namena se svodi na održavanje parametara predajnika toplote (pritisak, temperatura, protok) na određenim vrednostima, neophodnim za pouzdan i ekonomičan rad potrošača toplote, koji se napajaju preko toplotne predajne stanice. Šema i oprema toplotnih predajnih stanica zavise od vrste predajnika toplote i osobina potrošača toplote. Predajni toplotni fluid (primarni, daljinski) koji cirkuliše od toplane do podstanice može biti voda, raznih temperatura i pritisaka, i vodena para, uglavnom zasićena, različitih pritisaka. Sekundarni fluid, pored vode i pare, može biti vazduh koji se razvodi za grejanje, ventilaciju i klimatizaciju prostorija. Ako je primarni fluid voda, temperature 90 do 95°C, i ako se dovedena toplota koristi za grejanje, onda se ona može direktno koristiti u sekundarnoj, potrošačkoj mreži bez prethodnog transformisanja. Priključak kućnih postrojenja je u tom slučaju direktan, bez razmenjivača toplote, pa prema tome u toplovodu i potrošačkom postrojenju vlada isti pritisak.

Slika 15.1-1. Direktan način priključivanja

Cirkulacija vode se odvija zahvaljujući pumpama u toplani, čiji se napor koristi i u kućnim postrojenjima ukoliko nisu isuviše razgranata. Ukoliko je kućno postrojenje razgranato u tom slučaju je bolje da ono ima svoju cirkulacionu pumpu, a time se izbegava uticaj promene rada raznih potrošača na hidraulički režim celog postrojenja. Suština je u tome da toplotno postrojenje mora da obezbedi potrošaču uvek istu, određenu količinu vode bez obzira na promenu režima rada. Količina vode u sistemu zavisi od toplotnog kapaciateta a regulisanje se vrši prilagođavanjem temperature dovodne vode u toplovodu. Medjutim, uključivanjem ili isključivanjem pojedinih potrošača i promenom njihovih režima rada promeniće se raspodela pritiska u mreži što će dovesti


404

do promene protoka, tj. promeniće se dovođenje toplote pojedinim potrošačima. Pojedini potrošači će dobiti manje a drugi veće količine toplote nego što im je potrebno. Iz ovih razloga bolje je da primarna i sekundarna mreža budu hidraulički nezavisne jedna od druge čime se eliminiše međusobni uticaj rada. Priključak kućnih postrojenja je u tom slučaju indirektan. Zato se pribegava rešenjima kojima se razlika pritisaka u primarnoj mreži, na mestima priključaka u podstanicama, neutrališe a cirkulacija vode u potrošačkim postrojenjima se obezbeđuje uglavnom ugrađivanjem odvojene cirkulacione pumpe ili, gde je to sigurno izvodljivo, gravitacijom. Poništavanje razlike pritisaka može se postići postavljanjem u priključni vod potrošača odgovarajućeg dodatnog otpora ili automatskog graničnika protoka kao bolje varijante. Međutim, kada je temperatura primarnog fluida daljinskog snabdevanja toplotom viša nego što je potrebno za priključno postrojenje, onda se temperatura vode iz primarne mreže mora prilagoditi potrošačima. Sniženje se postiže mešanjem jednog dela vode iz povratne , sekundarne, mreže potrošača sa dovodnom vodom primarne mreže toplovoda. Regulisanje ove mešavine vrši se pomoću automatskih regulatora temperature, koji prema potrebnoj temperaturi sekundarne vode podešava odnos količina primarne i sekundarne vode. Regulisanje se može vršiti i na taj način što se, zadržavajući stalan odnos mešavine, reguliše temperatura dovodne vode primarne mreže. Kada je primarni fluid pregrejana voda takođe se može koristiti direktan ili indirektan način priključenja. Kod direktnog načina, postrojenje potrošača mora biti predviđeno za pritisak koji vlada u primarnoj mreži za odgovarajuću temperaturu. Pri direktnom korišćenju pregrejane vode u lokalnim sistemima može se primeniti mešanje povratne vode iz sekundarne mreže sa primarnom iz toplovoda preko injektora. Mada je direktan način priključenja jeftiniji od indirektnog, indirektno priključenje ima osetne prednosti zbog potpuno odvojene primarne i sekundarne mreže. Lokalne smetnje ili loše rukovanje u pojedinim kućnim postrojenjima nemaju uticaja na rad toplovoda. Potrošačko (kućno) postrojenje nije izloženo pritiscima i temperaturama toplovoda. Lakše se provodi kontrola rada pojedinih postrojenja. Kod ovog načina se može pregrejanom vodom iz toplovoda pomoću isparivača dobiti para u sekundarnoj mreži za parno grejanje kao i za druge potrebe. Posmatrajmo tip predajne toplotne stanice gde je predajnik topla voda (ili vrela voda) sa indirektnim priključkom. Toplotnu podstanicu možemo podeliti na dva dela:

1. deo koji pripada toplotnom dalekovodu-predajna stanica 2. deo koji pripada objektu grejanja-kućna podstanica

Zajedno ih možemo nazvati i toplotnim razvodnim postrojenjem. Predajna stanica priključena je na magistralni toplovod preko zapornih ventila na dovodnom i povratnom vodu. Osnovnu opremu ovakvog razvodnog postrojenja čine:

- sudovi za sakupljanje vazduha i smirivanje struje vode, - kratka veza između napojne i povratne vode sa zapornim ventilom, - na napojnom vodu su zaporni ventili,ventil za odmuljavanje,sigurnosni ventil, manometar,

termometar, nalegajući termostat cirkulacione pumpe,


405

- motorni ventil za regulaciju sa zapornim ventilima ispred i iza njega. Ispred ove grupe ventila je kratka veza sa zapornim i nepovratnim ventilom za usmeravanje strujana od napojne prema povratnom vodu.Motorni ventil je spojen preko upravljačke kutije sa termostatom u napojnom vodu sekundara i sa spoljnim termostatom.

- izmenjivač toplote, - na povratnoj cevi, u smeru kretanja vode, od priključka regulacionog ventila su odmuljni

ventil, termostat, manometar, kalorimetar, ventil za ograničenje protoka sa mernom blendom, nepovratni ventil i ventil.

- u kućnom delu su još ekspanziona posuda,razdelnik i sabirnik, cirkulaciona pumpa, jonski izmenjivač za pripremu vode.

Izmenjivač je snabdeven ventilima, manometrom, termometrom, graničnim termometrom (90°C) itd. Termostat na napojnom vodu sekundara daje impuls upravljačkoj kutiji za upravljanje motornim regulacionim ventilom na primarnom dovodnom vodu.

Slika 15.1-2. Principijelna šema toplotnog razvodnog postrojenja - indirektan način proključenja

1. Odmuljni sud 2. Zaporni ventil NP16 3. Manometar merni opseg 0-25bar 4. Termometar merni opseg 0-200°C 5. Odvajač nečistoće NP16 6. izmenjivač topote 7. Cevni senzor temperature 8. Cirkulaciona pumpa 9. Nepovratni ventil

10. Spoljni senzor temperature 11. Zaporni ventil DN15 NP16 12. Ventil za regulaciju protoka 13. Kalorimetar za merenje predate toplote 14. Mikroprocesorski uređaj 15. Zatvoreni ekspanzioni sud 16. Ventil sigurnosti 17. Zaporni venti NP6 18. Odvajač nečistoće NP6

Ove stanice se grade kao lokalne kada služe u jednom objektu, ili centralne kada opslužuju grupu zgrada, industrijske potrošače ili nove stambene rejone. U ovom poslednjem slučaju nisu najvažniji tehno-ekonomski uslovi, već uklanjanje pumpi iz oblasti stanovanja radi smanjenja buke


406

i vibracije, kao i praksa da se objekti ne grade sa podrumskim prostorijama. Instalacijom centralne toplotne podstanice, pojednostavljuje se, primenom opreme za regulaciju i upravljanje, snabdevanje toplotom, smanjuje pogonsko osoblje, ali pri tome rastu troškovi za komunikaciju između centralne toplotne predajne stanice i pojedinih grupnih potrošača. Osnovna namena toplotnih predajnih stanica se svodi na održavanje parametara predajnika toplote (pritisak, temperatura, i protok) na određenim vrednostima, neophodnim za pouzdan i ekonomičan rad potrošača toplote, koji se napajaju preko toplotne predajne stanice. Šema i oprema toplotnih predajnih stanica zavise od vrste predajnika toplote i osobina potrošača toplote. U slučaju da je predajnik toplote vodena para, osnovni delovi podstanice su parni razdelnici, oprema za regulisanje i kontrolu parametara predajnika toplote (pritisak, temperatura, protok), izmenjivači toplote, rezervoari kondenzata i pumpi za prebacivanje kondenzata. Ako je predajnik toplote vrela voda,osnovnu opremu podstanica čine pumpe, izmenjivači toplote voda-voda, akumulatori vrele vode, oprema i instalacija za zaštitu od korozije i zamuljenja u lokalnim postrojenjima za pripremu tople potrošne vode. Toplotne- predajne stanice imaju opremu za merenje količine toplote, kao i automatske uređaje za regulisanje predate toplote i održavanje zadatih parametara grejnog fluida kod potrošača. Ove stanice se grade kao lokalne kada služe u jednom objektu, ili centralne, kada opslužuju grupu zgrada, industrijske potrošače ili nove stambene rejone. U ovom poslednjem slučaju nisu najvažniji tehno-ekonomski uslovi, već uklapanje pumpi iz oblasti stanovanja radi smanjenja buke i vibracije, kao praksa da se objekti ne grade sa podrumskim prostorijama. Instalacijom centralne toplotne- predajne stanice, pojednostavljuje se, primenom opreme za regulaciju i upravljanje, snabdevanje toplotom, smanjuje se pogonsko osoblje, ali pri tome u stambenim blokovima rastu troškovi za komunikacije između centralne toplotne predajne stanice i pojedinih grupnih potrošača. Na slici 15.1-3. prikazana je principijelna šema centralne topl. predajne stanice stambenog bloka.

Slika 15.1-3. Principijelna šema centralne toplotne podstanice manjeg rejona

1-grejač tople potrošne vode nižeg stupnja; 2-grejač tople potrošne vode gornjeg stupnja; 3-izmenjivač toplote za grejanje; 4- pumpa za grejanje; 5-pumpa za toplu potrošnu vodu;

6-regulator temperature tople potrošne vode; 7-regulator za grejanje; 8-modelirajući regulator; 9-komandni uredjaj; 10-merač količine toplote; 11-obrada vode; 12- merač protoka vode; 13-injektor ili pumpa; 14-slavine za toplu vodu; 15- grejni elementi; 16-hvatač nečistoća.


407

Sistem snabdevanja vodom je zatvoren i nezavistan. Toplota se dovodi centralnoj . toplotnoj. predajnoj. stanici dvocevnom mrežom, a odvodi četvorocevnom mrežom. Cevi I i II (polazna i povratna) služe za snabdevanje toplom potrošnom vodom. Voda u polaznoj cevi za grejanje prolazi kroz filtar 16 iza kog je merač toplote 10 i ulazi u izmenjivač toplote za grejanje 3, u kome se zagreva voda za grejanje objekta. Cirkulacija ove vode se ostvaruje pumpom 4. U centralnoj toplotno-predajnoj stanici se ostvaruje kvantitativna regulacija potrošnje toplote za jedan region pomoću regulatora grejanja. Kao impuls za regulaciju toplotnog opterećenja grupe potošača, odnosno nekog rejona, koristi se unutrašnja temperatura u instalaciji 8, koja figuriše u modelu tplotnog režima grejanja objekta. Podsredstvom upravljačkog organa 9, impuls koji je dobijen od senzora 8 se pretvara u pogon koji deluje na ventil 7 kojim se menja protok vode u mreži. Vodovodska voda koja se koristi u sistemu tople potrošne vode, prolazi kroz vodomer 12, a zatim kroz postrojenje za obradu vode 11, u kome se, u zavisnosti od kvaliteta vode, snižava njena koroziona aktivnost, ili se štiti sistema za snabdevanje toplom potrošnom vodom od kamenca. Posle toga, voda prolazi kroz dvostepeno zagrevanje tople potrošne vode. Regulacija zagrevanja u drugom stupnju se ostvaruje regulatorom temperature 6, kojim se održava konstantna temperatura tople potrošne vode. Cirkulacija vode u sistemu snabdevanja toplom potrošnom vodom se ostvaruje cirkulacionom pumpom 5.

15.2. Izmenjivači toplote Izmenjivači toplote su osnovni element skoro svih toplotnih postrojenja. Izmenjivači (razmenjivači) toplote su termički uređaji u kojima se razmenjuje toplota izmedju dva fluida, sa ciljem da se ostvari grejanje (zagrevanje) ili pak hlađenje jednog fluida drugim, kao i promena agregatnog stanja. Kada je cilj grejanje, tada se fluid na višoj temperaturi (kojim se greje) naziva grejni fluid, a onaj na nižoj temperaturi (koji se greje) grejani fluid.

Slika 15.2-1. Izmenjivač toplote

Izmenjivači toplote su osnovni element skoro svih toplotnih postrojenja. Izmenjivači (razmenjivači) toplote su termički uređaji u kojima se razmenjuje toplota izmedju dva fluida, sa ciljem da se ostvari grejanje (zagrevanje) ili pak hlađenje jednog fluida drugim, kao i promena agregatnog stanja. Kada je cilj grejanje, tada se fluid na višoj temperaturi (kojim se greje) naziva grejni fluid, a onaj na nižoj temperaturi (koji se greje) grejani fluid. Razmenjivači toplote imaju vrlo široku primenu u postrojenjima centralnog grejanja i za pripremu potrošne tople vode (poznati kao: bojleri, radijatori, kaloriferi, protiv strujni aparati itd.), zatim u rashladnim mašinama a naročito u hemijskoj i prehrambenoj industriji.


408

Najčešće se razmenjivači toplote grade tako da su grejni i grejani fluid u toku rada odvojeni nekom površinom - grejnom površinom - kroz koju prelazi toplota od toplijeg na hladniji fluid. Već smo napomenuli da se u razmenjivačima toplote mogu koristiti različiti fluidi: voda, vodena para, gasovi, ulja, različiti rastvori, tečni metali itd. Nas pre svega interesuju rekuperativni izmenjivači toplote. To su takvi izmenjivači kod kojih se razmena toplote vrši kroz čvrst zid, što znači da spadaju u površinske. Prilikom razmene toplote fluidi se najčešće kreću kroz razmenjivač. Prema smeru njihovog kretanja, rekuperativni razmenjivači toplote se dele na:

- razmenjivače sa paralelnim tokom (istosmerne) - razmenjivače sa suprotnim tokom (protivstrujne) - razmenjivače sa unakrsnim tokom - razmenjivače sa povratnim tokom

Bez obzira na smer kretanja (strujanja) fluida, uvek će u razmenjivaču toplote topliji fluid da se rashlađuje (od njega se toplota odvodi) a hladniji fluid zagreva (jer mu se dovodi toplota).

Slika 15.2-2. Razmenjivači sa paralelnim i suprotnim tokom

'111 dtcV ⋅⋅⋅−=Φ ⋅ρδ za grejni fluid ............................................................... (15.1)

''222 dtcV ⋅⋅⋅=Φ ρδ za grejani fluid .............................................................. (15.2)

1V& (m3/h) - zapreminski protok grejnog fluida'

ρ (kg/m3) - gustina grejnog fluida, c1 (KJ/kgK) - specifična toplota grejnog fluida,

dt, (K) - elementarna promena temperature grejnog fluida ''

222 ,,, dtcV ρ& - odgovarajuće veličine grejanog fluida.

Ako označimo sa cVW ⋅⋅= ρ& , što u suštini predstavlja toplotni kapacitet fluida, nazvan "vodeni ekvivalent", tada možemo napisati:

- ''2

'1 dtWdtW ⋅=⋅ , odnosno

- ( ) ( ) ''1

''2

'2

'1

1

2''1

''22

'1

'21 tt

ttWWttWttW

−−

=⇒−⋅=− ......................................................... (15.3)

što znači da se promena temperatura grejnog i grejanog fluida, pri njihovom proticanju kroz razmenjivač, odnose obrnuto proporcionalno njihovim vodenim ekvivalentima.


409

Promene temperatura duž grejne površine date su na slici 15.2-3. za suprotan tok. Prilikom izbora i proračuna rekuperativnih razmenjivača toplote u praksi mogu da nastupe dva slučaja:

1. slučaj kada se traži grejna (rashladna) površina a znaju se temperature (razlike temperatura) i vodeni ekvivalenti (W) grejnog i grejanog fluida;

2. slučaj kada je poznata grejna površina, vodeni ekvivalent (W) i temperatura na ulazu u razmenjivač a traži se razmenjena toplota i krajnje temperature fluida.

15.2.1. Proračun grejne površine razmenjivača - suprotan tok

Slika 15.2-3. Promena temperature duž grejne površine za suprotan tok

Količina toplote koju jedan fluid preda drugom je:

dFtkdQ ⋅∆⋅= ................................................................................................... (15.4)

k - koeficijent prolaza toplote "' ttt −=∆ - razlika temperatura toplijeg i hladnijeg fluida

Ako je k=const, a umesto lokalne razlike temperatura uzmemo srednju logaritamsku razliku temperatura za čitav izmenjivač ( )mt∆ , integraljenjem se dobija

FtkQ m ⋅∆⋅= ⇒ F - površina izmenjivača toplote

[ ]2mtk

QFm∆⋅

= .................................................................................................. (15.5)

Srednja logaritamska razlika temperatura (sl.15.2-3.):

2

121

ttlu

ttF

∆∆∆−∆

= ................................................................................................ (15.6)

''2

'11 ttt −=∆ ......................................................................................................... (15.7)

''1

'22 ttt −=∆ ....................................................................................................... (15.8)


410

15.2.2. Konstrukcija razmenjivača toplote. Pri projektovanju razmenjivača toplote potrebno je uskladiti sledeće probleme:

1. tip razmenjivača 4. uslove rada izmenjivača 2. vrstu orebrenja 5. kompaktnost 3. efektivnost rebara 6. minimalnu težinu, cenu i dr.

Što se tiče brzine strujanja fluida, tu je očigledno da ukoliko se ona povećava, utoliko se pojačava razmena toplote a samim tim se smanjuju dimenzije ismenjivača. S druge strane, povećanje brzine kroz izmenjivač povećava otpore, odnosno povećava utrošak energije za savlađivanja otpora. Sličan je problem i sa primenom orebrenja. Iz izloženog se vidi da proračun optimalnih formi razmenjivača postaje vrlo kompleksan. On se ne ograničava samo na određivanje grejne površine, krajnjih temperatura i hidrodinamičkih otpora, već je potrebno odrediti i niz drugih faktora koji karakterišu razmenjivač toplote, vodeći računa o optimalnim uslovima rada.

15.2.3. Vrste izrade izmenjivača. Izmenjivač se u osnovi sastoji iz 3 dela:

- spoljnjeg kućišta (omotača) od livenog gvožđa ili čelika, - unutrašnjeg paketa sastavljenog od cevi ili ploča ,zavisno od tipa izmenjivača (grejna

površina za razmenu toplote), - komore za ulaz i izlaz grejnog sredstva

Veći broj izmenjivača se izrađuje u obliku tzv. protivstrujnih aparata, kod kojih jedno grejno sredstvo struji nasuprot drugom. Aparati koji imaju vodu na sekundarnoj strani, sastoje se od kućišta od livenog gvožđa ili čelika, u kome se nalazi snop čeličnih ili bakarnih cevi – cevni izmenjivači, sl. 15.2-4., ili paket presovanih profilisanih ploča (sa dihtunzima ili lemljenih) stegnutih između krajnjih ploča navojnim šipkama – pločasti izmenjivači, sl. 15.2-5.

Slika 15.2-4. Cevni izmenjivač. 1- Priključak za odvod vode; 2- Priključak za dovod

grejnog medijuma; 3-Priključak za dovod grejanog medijuma; 4-Priključak za dovod vode; 5- Priključak za pražnjenje.


411

Kod cevnih izmenjivača cevi mogu biti prave ili savijene, u obliku slova "U" ili spiralne, i pričvršćene su za cevne ploče. Velike temperaturne razlike između obloge i snopa cevi mogu da izazovu znatna temperaturna naprezanja, a kada se na njih naiđe onda mora da se primeni konstrukcija koja će dozvoliti nezavisno širenje bilo obloge, bilo cevi. Jedan od načina da se to reši je ugradnja pokretnog spoja u oblozi . Temperaturna naprezanja se mogu izbeći upotrebom cevi u obliku slova "U" koje su jeftinije izrade, međutim, veoma teško ih je čistiti iznutra mehaničkim sredstvima, kao i teška izmena cevi. Rebraste cevi pružaju veći kapacitet toplote. Kod dužih putanja proticanja treba izabrati U - cevne aparate sa rednom vezom ili aparate sa više strujanja . Kod pločastih izmenjivača međusobna povezanost profilisanih ploča i zaptivača omogućava suprotnosmerni protok fluida kroz dva odvojena kanala bez fizičkog kontakta. Profilisane ploče mađu sobom formiraju minimalne prostore, kanale, kroz koje prolaze fluidi sa primarne i sekundarne strane nezavisno jedan od drugog, tako što sekundarnifluid prolazi između prve druge aktivne ploče (C i B), primarni između druge treće (B i A). Prva ploča u paketu C usmerava protok i istovremeno, kao i poslednja ploča u paketu D, onemogućava dodir fluida sa krajnim pločama i curenje izmenjivača. Glavni zaptivač na svakoj ploči usmerava protok vertikalno kroz kanale između dve ploče. Odvojeni okrugli zaptivači oko otvora omogućavaju protok drugog fluida. Toplota prelazi veoma lako kroz tanke zidove koji odvajaju fluide.

Slika 15.2-5. Kretanje fluida kroz kanale izmenjivača

Paket ploča se može rastaviti radi čišćenja i promene kapaciteta. Svojom konstrukcijom izmenjivač toplote je uvek dimenzionisan tačno da zadovolji zahteve. Broj ploča se može promeniti pomeranjem krajnjih ploča. Na slici 15.2-6. prikazan je izgled ploča različitih veličina. Osim vodoravnih, postoje i vertikalni aparati kojima se ponekad daje prednost jer zauzimaju minimalnu osnovnu površinu, naročito u daljinskom grejanju. Prateći elementi izmenjivača su stubovi za pridržavanje od livenog gvožđa ili čelika, omotač od crnog lima, izolacija, kao i regulator temperature za održavanje određenih temperatura.


412

Slika 15.2-6. Pločasti izmenjivači toplote 1. krajnje ploče, 2.profilisane ploče, 3. zaptivači, 4.navojne šipke,5.noseće šipke, 6.cevni priključci, 7.postolje

Slika 15.2-7. Izgled ploča različitih veličina

Prednost pločastih izmenjivača toplote se ogleda u intenzivnijem prelazu toplote, kompaknosti oko100m2 u 1m3, i u isključenoj mogućnosti mešanja grejne i zagrevne vode. Eksploatacija pločastih izmenjivača toplote je jednostavna, što se može lako razumeti. Ploče se mogu veoma dobro čistiti ili zameniti.

15.3. Akumulatori toplote

15.3.1. Akumulatori tople vode Za sniženje početnih troškova za izgradnju sistema za grejanje i pojednostavljenje eksploatacije, primenjuju se različite metode za ublažavanje naglih promena toplotnog opterećenja potrošača sa akumulacijom toplote. Pri tome se koristi prirodna akumulaciona sposobnost pojedinih elemenata sistema za grejanje (građevinski elementi grejanih objekata, cevovod i mreža), kao i specijalni toplotni akumulatori koji se postavljaju kod potrošača ili na posebnim mestima sistema za grejanje.


413

Suština ove metode je u sledećem. Na osnovu dnevnog dijagrama potrošnje, odnosno protoka predajnika toplote izrađuje se kriva potrošnje 1 (slika 15.5-1.).

Slika 15.5-1. Grafičko određivanje kapaciteta akumulatora. a) dnevni grafik; b) integralni grafik 1-integralna kriva potrošnje 2- integralna kriva odavanja

Svaka ordinata integralne krive potrošnje je jednaka ukupnom protoku predajnika toplote od početka dana do momenta koji odgovara posmatranoj ordinati. Uz integralnu krivu podataka za dnevnu potrošnju predajniku toplote postavlja se prava 2, koja spaja koordinatni početak sa krajnjom ordinatom dnevne integralne krive potrošnje. Koeficijent ugla nagiba integralne krive snabdevanja predajnikom toplote jednak je srednjem protoku predajnika toplote:

24dnevQtg =α , .................................................................................................... (15.9)

gde je Qdnev - dnevna potrošnja predajnika toplote. Kapacitet akumulatora QA, potreban za izravnanje opterećenja, jednak je maksimalnoj razlici ordinata integralnih krivih snabdevanja i potrošnje. Akumulaciona sposobnost akumulatora tople vode, je:

)( hga ttcGQ −⋅= , ........................................................................................... (15.10)

gde je: G - maseni kapacitet akumulatora, kg; c - specifični toplotni kapacitetvode, c= 4,91 kJ/(kgK);

tg, th - temperatura tople vode, na izlazu iz akumulatora za snabdevanje toplom vodom, i hladne vode, °C.

Na slici 15.5-2. je prikazana principijelna šema za snebdevanje toplom sanitarnom vodom na toplotnu mrežu sa akumulatorom zatvorenog sistema grejanja. Šema zahteva minimalan broj automatskih regulatora. U postrojenje su ugrađena dva regulatora: regulator pritiska ''posle sebe'' 1, održavajući konstantan pritisak vodovodske vode, i regulator temperature 2, koji održava konstantnu temperaturu vode posle grejača tople potrošne vode. Cirkulaciona pumpa 5 radi neprekidno.


414

Slika 15.5-2. Šema povezivanja potorošača tople potrošne vode sa akumulatorom.

1- regulator pritiska;2- regulator temperature;3-akumulator;4-gejač sistema voda-voda; 5-pumpa;6-slavina;7-sušač peškira;8-nepovratna klapna.

Kada nema potrošnje tople vode, sve slavine 6 su zatvorene, pa hladne vodovodska voda ne ulazi u sistem. Pumpa 5 obezbeđuje cirkulaciju vode u sistemu. Voda prolazi kroz grejač sistema voda-voda 4, a zatim se razvodi u dva toka. Jedan tok se uvodi na vrh akumulatora 3 i potiskuje iz donjeg dela hladnu vodu, koja ulazi u usisnu cev pumpe 5. Pri tome se izvodi punjenje akumulatora tople vode. Drugi tok tople potrošne vode ulazi u sušače peškira (zagrevna oprema, smeštena u kupatilima) i otiskuje iz njih ohlađenu vodu, koja kroz povratnu cirkulacionu cev sistema za snabdevanje toplom potrošnom vodom, pri otvorenoj nepovratnoj klapni 8, ulazi u usisnu cev cirkulacione pumpe. Pri povremenom uključenju potrošnje tople vode, kada se otvori nekoliko slavina 6, u sistem ulazi hladna voda iz vodovoda, koja dopunjava količinu potrošene vode. Ova voda se meša sa vodom koja dolazi iz akumulatora i iz cirkulacionog sistema snabdevanja toplom potrošnom vodom, prolazi kroz pumpu 5 i grejač 4 i ulazi u sistem snabdevanja toplom potrošnom vodom. Povećanjem potrošnje vode snižava se raspoloživi napor u akumulatoru i u cirkulacionom sistemu snabdevanja toplom potrošnom vodom, zbog čega se smanjuje snabdevanje toplom vodom za punjenje akumulatora i opada protok tople vode kroz sušač peškira i cirkulacione cevi. Pri nekoj potrošnji, raspoloživi napor u akumulatoru je jednak nuli i punjenje akumulatora prestaje. Istovremeno, ili nešto ranije, prestaje cirkulacija vode kroz sušač peškira, pošto raspoloživa razlika napora u cirkulacionim vodovima pada na nulu. Nepovratna klapna 8 se zatvara. Pri daljem povećanju potrošnje tople vode rasploživi napor u akumulatoru menja znak i akumulator se počinje prazniti. Pri tom režimu hladna vodovodska voda, koja ulazi u sistem, razdvaja se posle regulatora 1 na dva toka. Jedan tok vode ide kroz pumpu 5 i grejač 4. Drugi tok vode je sa donje strane akumulatora 3 i potiskuje iz njega toplu vodu, koja se iz grejača i akumulatora meša i ulazi u sistem za snabdevanje toplom potrošnom vodom. U sušače peškira


415

topla voda u tom režimu ne ulazi, jer je rasploživi napor u cirkulacionoj liniji izmenio svoj znak i nepovratna klapna 8 je zatvorena.

15.3.2. Akumulaciona sposobnost objekta (zgrada) Korišćenje akumulacione sposobnosti objekta za regulaciju odavanja tolpote dopušta se samo u granicama kada se obezbeđuju uslovi komfora u kojima temperatura treba da se kreće od 17 do 20°C. Očekivana unutrašnja temperatura u zagrevanim objektima, pri korišćenju njihovih akumulacionih sposobnosti, odnosno režimima kada dovođenje toplote nije jednako toplotnim gubicima, može se odrediti po približnoj formuli:

β/00

'

0

0 )/(z

nvnv e

VqQttVq

Qtt −−++= , ............................................................... (15.11)

gde je: tv - unutrašnja temperatura koja se uspostavlja u prostoriji u roku z, s ili h, posle narušenja

normalnog toplotnog režima, °C; tv

' - unutrašnja temperatura, koja je bila u prostoriji u momentu narušenja normalnogtoplotnog režima, °C;

tn - srednja temperatura spoljašnjeg vazduha za period narušenja, odnosno za z, s ili h; Q0 - dovod toplote u prostoriju, J/s; V - zapremina objekta prema spoljašnjim dimenzijama, m3;

qo - specifični toplotni gubici objekta, J/(m3sK) e - osnova prirodnog logaritma (e= 2718) β - koeficijent akumulacije s ili h.

Pri potpunom prekidu grejanja i odsustvu unutrašnjih toplotnih izvora, odnosno pri Q0=0, jednačina 15.11 postaje:

β/

'

znv

nve

tttt −+= . ................................................................................................ (15.12)

Koeficijent akumulacije karakteriše akumulacionu sposobnost objekta. On se može odrediti na osnovu eksperimentalne formule:

)/()/(

ln00

00'

VqQttVqQtt

z

nv

nv

−−−−

=β . .............................................................................. (15.13)

Regulisanje i merenje

u sistemima za CST

Regulisanje i merenje

u sistemima za CST

16.16.

419

16. Regulisanje i merenje u sistemima za CST

16.1. Metode regulacije Toplotna snaga potrošača je promenjiva i ona se menja u zavisnosti od meteoroloških uslova (temperature spoljnog vazduha, vetra, insolacije), režima protoka vode za sanitarnu potrošnju, režima rada tehnoloških postrojenja i drugih faktora. Za obezbeđenje visokog kvaliteta snabdevanja toplotom, a takođe i ekonomičnih režima proizvodnje toplote u toplani i njenog transporta kroz mrežu, bira se odgovarajući metod regulacije. U zavisnosti od mesta na kome se ostvaruje regulacija, razlikuju se centralna, grupna, lokalna (mesna) i individualna regulacija. Centralna regulacija se vrši u toplani (termoelektrani ili kotlarnici); grupna - u grupnim podstanicama (GTP); mesna - u lokalnim-mesnim toplotnim podstanicama (MTP), koje se nazivaju često i potrošačkim uvodima; individualna - neposredno na grejnim priborima. Kada je toplotna snaga u rejonu jednorodna, tj. svi potrošaći imaju jedan jedini isti vid toplotnog opterećenja (npr.grejanje), može se ograničiti na jedno, centralno regulisanje toplote. U većini slučajeva je toplotna snaga u rejonu raznorodna. U jednom istom rejonu čak i na jednom istom potrošačkom priključku na toplotnu mrežu, priključuju se raznorodni potrošaći, npr. grejanje i snabdevanje toplom potrošnom vodom; grejanje, ventilacija i snabdevanje toplom potrošnom vodom itd. Radi obezbeđivanja visokog kvaliteta snabdevanja toplotom, treba primeniti kombinovanu regulaciju, koja treba da bude racionalno spajanje, u krajnjoj liniji, tri stepena regulacije - centralnog grupnog ili mesnog (lokalnog) i individualnog. Samo individualna regulacija neposredno na grejnim priborima zahteva primenu velike količine individualnih regulatora, što je povezano sa velikim početnim investicijama, i u današnje vreme nije uvek izvodljivo zbog ograničenog asortimana proizvodnje takvih regulatora. Zbog toga se u većini slučajeva regulisanje ograničava samo na dva stepena: centralno i grupno, ili mesno (lokalno). Efektna regulacija može biti ostvarena samo pomoću odgovarajućih SAR (sistem automatske regulacije), a ne ručno, kao što je to bio slučaj u početku razvoja centralizovanog snabdevanja toplotom. Centralno regulisanje se vodi po tipskom toplotnom opterećenju, koje karakteriše većinu potrošaća rejona. Takvo opterećenje može biti ili jedan vid opterećenja, npr. grejanje, ili dva različita vida pri njihovom određenom količinskom odnosu, npr. grejanje i snabdevanje potrošnom toplom vodom pri zadanom odnosu projektnih veličina tih opterećenja. U poslednje vreme široku primenu nalazi centralna regulacija po istovremenom opterećenju - grejanje i snabdevanje potrošnom toplom vodom, jer se pri tome može zadovoljiti opterećenje snabdevanja toplom potrošnom vodom, bez dopunskog povećanja, ili sa neznatnim povećanjem projektnog protoka vode u mreži, u poređenju sa projektnim protokom vode za grejanje. Smanjenje projektnog protoka vode u mreži dovodi do smanjenja prečnika cevovoda mreže grejanja, prema tome i do smanjenja ulaganja u njihovu izgradnju.


420

Pri grupnom, kao i pri mesnom, regulisanju koristi se SAR, koji upravlja predajom toplote grupi istorodnih grejnih postrojenja ili pribora. Pri takvom rešenju značajno se skraćuje broj postavljenih automatskih regulatora, jer se predaja toplote sprovodi po usrednjenom parametru za svaki oblik toplotnog opterećenja, koje se meri u jednoj ili nekoliko kontrolnih tačaka postrojenja. Ako u mesnom sistemu dođe do poremećaja koji narušava potreban temperaturni režim u pojedinim tačkama, održava se srednja vrednost regulisanog parametra u kontrolnoj tački sistema. Za visoki kvalitet snabdevanja toplotom zahteva se pažljiva početna regulacija abonentskog postrojenja, koja obezbeđuje pravilnu raspodelu nosioca toplote po pojedinim priborima mesnog sistema. Osnovna količina toplote u abonentskim sistemima troši se na grejanje, pa zbog toga toplotno opterećenje zavisi u prvom redu od režima odavanja toplote grejnih pribora. Grejni pribori abonenata su veoma različiti po svom karakteru, konstrukciji i tehničom obliku. Ovde su grejni pribori oni koji odaju toplotu zračenjem i konvekcijom; ventilacioni kaloriferi, koji zagrevaju vazduh koji se kreće velikom brzinom duž grejne površine; različiti tehnološki aparati u kojima para ili voda zagrevaju sekundarni fluid. Bez obzira na svu tu različitost, razmena toplote svih grejnih pribora može se opisati opštom jednačinom:

tnkFQ ∆= ......................................................................................................... (16.1)

gde je Q - količina toplote koju odaje grejni pribor za vreme n. Srednja razlika temperatura može se predstaviti u prvom približenju kao srednja aritmetička razlika između srednjih aritmetičkih temperatura grejnog i grejanog fluida:

222121 ttt +

−+

=∆ττ ........................................................................................ (16.2)

gde su

2t i 1t - temperature grejanog fluida na izlazu i ulazu u grejni pribor, a

1τ i 2τ - temperature grejnog (primarnog) fluida na ulazu i izlazu iz grejnog pribora.

Ako je pWQ /12 −=ττ , gde je pW - ekvivalent protoka primarnog fluida, to iz zajedničkog

rešenja (16.1) i (16.2) sledi:

pWkFnttQ

/5,0)/(12/)( 211

++−

=τ ....................................................................................... (16.3)

Kao što se vidi iz (16.3), toplotno opterećenje se može regulisati promenom pet parametara: koeficijenta prolaza toplote grejnog pribora k, uključene površine grejnog pribora F, temperature grejnog fluida na ulazu u grejni pribor 1τ , protoka grejnog fluida pW , dužine rada n. Praktično,

toplotno opterećenje se može centralno regulisati samo putem promene temperature 1τ i pW . Pri

tom treba imati u vidu da je mogući dijapazon promena 1τ i pW u realnim uslovima ogranićen

nizom okolnosti. Pri raznorodnom toplotnom opterećenju, kao donja granica se javlja temperatura potrebna za potrošnu toplu vodu (obično 60°C). Gornja granica 1τ određuje se dopuštenim pritiskom u polaznom vodu toplotne mreže iz uslova sprečavanja isparavanja vode. Gornja granica pW je


421

određena raspoloživim naporom u glavnoj i mesnoj (lokalnoj) toplotnoj podstanici i hidrauličkim otporom abonentskih postrojenja. Što se tiče parametara k, F, i n, njima se možemo koristiti po pravilu samo pri mesnom regulisanju. Osnovni metod regulacije toplotnog opterećenja grejnih tela pri korišćenju pare sastoji se u promeni temperature kondenzacije prilikom prigušivanja ili promenom vremena rada n grejnog tela, tj. rad propuštanjem. Obe metode regulacije su mesne. Pri korišćenju vode principijelno se mogu koristiti tri metode centralne regulacije:

a) kvalitativna, koja se sastoji u regulaciji otpuštene toplote putem promene temperature nosioca toplote na ulazu u grejni pribor, a pri održavanju konstantne količine (protoka) nosioca toplote koji se dovodi u postrojenje koje se reguliše;

b) kvantitativna, koja se sastoji u regulaciji otpuštene toplote putem promene protoka nosioca toplote pri njegovoj konstantnoj temperaturi na ulazu u postrojenje koje se reguliše;

c) kvalitativno - kvantitativna, koja se sastoji u regulaciji otpuštanja toplote putem istovremene promene protoka pW i temperature nosioca toplote 1τ .

Pri automatizaciji abonentskih priključaka osnovnu primenu u gradovima danas nalazi centralna kvalitativna regulacija, dopunjena u GTP i MTP kvantitativnom regulacijom propuštanjem. Kvalitetan rad postrojenja za grejanje stambenih zgrada pri primeni kvantitativne regulacije ili regulacije propuštanjem, moguć je samo pri prikljućenju tih postrojenja na toplotnu mrežu po nezavisnoj šemi, ili po zavisnoj šemi sa pumpom za mešanje, jer sa tim šemama priključenja u mesnim grejnim postrojenjima se može održavati projektni protok vode nezavisno od protoka vode iz toplotne mreže. Poremećaj regulacije u grejnim postrojenjima se javlja takođe i pri regulisanju propuštanjem, jer se pri periodičnim uključivanjima i isključivanjima cirkulacije grejnih tela koja se nalaze na različitim rastojanjima od mesta regulacije, ova nalaze u nejednakim uslovima. Pri snabdevanju toplotom iz TE-TO (TEC) kombinovana proizvodnja električne energije pri centralnom kvalitativnom regulisanju je veća u poređenju sa drugim metodama centralnog regulisanja. Centralno kvantitativno regulisanje ustupa mesto kvalitativnom, zbog stabilnosti toplotnog režima grejnih postrojenja, priključenih na toplotnu mrežu po zavisnoj šemi sa ejektorom za mešanje, bez dopunske pumpe za mešanje. Zbog promenjivog protoka vode u mreži, potrošnja elektro energije je pri kvantitativnoj regulaciji manja od one pri kvalitativnoj. Pri raznorodnom toplotnom opterećenju, kada je pri primeni jednog sistema centralne regulacije u toku čitavog grejnog perioda nemoguće spojiti zahteve različitih abonenata, koji se snabdevaju toplotom iz jedne toplotne mreže, treba izmeniti metod centralnog regulisanja u različitim dijapazonima grejnog perioda. Centralno regulisanje otpuštanja toplote principijelno se može ostvarivati i pri neprekidnom i pri periodičnom dovođenju toplote abonentima - “propuštanjem”. U poslednjem slučaju, usklađivanje grafikona predaje i korišćenja toplote se ostvaruje pomoću različitih akumulatora toplote. Za sve sisteme neprekidnog regulisanja važe sledeće zavisnosti, bazirane na jednačinama toplotnog bilansa i predaje toplote:

tkWQ ∆== τδ .................................................................................................. (16.4)


422

U nizu slučajeva, pri proračunu režima regulisanja promenjivim protokom vode, zadaje se zavisnost protoka, ili ekvivalenta protoka vode u mreži, od toplotnog opterećenja. Tu zavisnost možemo pogodno opisati empirijskom jednačinom:

mQW = ............................................................................................................. (16.5)

Principijelnu jednačinu (16.5) primenjujemo za sve sisteme regulacije: pri kvalitativnoj, tj. pri konstantnom protoku vode 0=m , 1=W , τδ=Q ; pri kvantitativnoj 1≥m ; QW ≤ ; pri

kvalitativno - kvantitativnoj 10 ≤≤ m ; QW ≥ .

16.2. Toplotne karakteristike izmenjivača toplote Toplotna oprema postrojenja u podstanicama sastoji se od različitih vrsta izmenjivača toplote, grejača, grejača voda - voda, kalorifera itd. Proračun regulacije savremenih sistema centralizovanog snabdevanja toplotom se vrši po jednačini koja opisuje rad različitih tipova izmenjvača toplote u uslovima koji se razlikuju od projektnih. U uslovima koji se razlikuju od projektnih, obično su poznate samo temperature nosilaca toplote na ulazu u pribor postrojenja koje koristi toplotu, a po pravilu nisu poznate temperature na izlazu iz postrojenja koje koristi toplotu. Zbog toga jednačina toplotnog opterećenja izmenjivača toplote u obliku tkFQ ∆= nije pogodna za proračun režima regulisanja, jer nije poznata vrednost t∆ koju u tom slučaju treba odrediti metodom postupnih približenja. Proračun regulisanja značajno je olakšan pri korišćenju tzv. toplotnih karakteristika izmenjivača toplote, u kojima kao činilac figuriše ne srednja razlika temperatura između fluida koji razmenjuju toplotu, već maksimalna V , tj. razlika temperatura grejnog i zagrevanog fluida na ulazu u aparat, koja je pri proračunu regulisanja po pravilu poznata. Toplotno opterećenje svih tipova konvektivnih izmenjivača toplote može se odrediti po jednačini karakteristike

VWQ Mε= ......................................................................................................... (16.6)

gde je ε - bezdimenzionalno specifično toplotno opterećenje, često nazivano i

koeficijentom efektivnosti; MM GcW )(= - manja vrednost ekvivalenta protoka fluida koji razmenjuju toplotu, J/(sK); G - protok nosioca toplote kg/s ili kg/h; c - specifična toplota nosioca toplote, J/(kgK):

21 tV −= τ - maksimalna razlika temperatura grejnog i zagrevanog fluida, tj. razlikatemperatura grejnog i zagrevanog fluida na ulazu u aparat, °C;

1τ - temper. grejnog fluida;

2τ - temperatura zagrevanog fluida; indeks 1 odgovara toplijem kraju nosioca toplote,tj. grejnom na ulazu u aparat, a zagrevanom na izlazu iz aparata;

Indeks 2 odgovara hladnom kraju nosioca toplote, tj. grejnom fluidu na izlazu iz aparata, a zagrevanom fluidu na ulazu u aparat.


423

Veličina ε predstavlja toplotno opterećenje aparata, koje se odnosi na jedinicu manjeg ekvivalenta protoka fluida koji razmenjuju toplotu i 1°C maksimalne razlike temperatura. Ako se pri izvođenju jednačina karakteristika izmenjivača toplote uzima srednja logaritamska razlika temperatura između grejnog i zagrevanog fluda, to izraz za proračun bezdimenzionalnog specifičnog topotnog opterećenja poprima vid eksponencijalne zavisnosti. Pri korišćenju najprostijih šema izmenjivača toplote, kada se kretanje fluida koji razmenjuju toplotu vrši po principu struja suprotnih ili istih smerova, te jednačine imaju sledeći oblik : Za izmenjivače sa sa suprotnosmernim strujanjem fluida:

)1/(1

)1/(1

−−

−−=

bMw

b

M

bMw

WWeWW

WWeε .............................................................................. (16.7)

za izmenjivače sa istosmernim strujanjem fluida:

WbWWWe

M

bMw

/1)1/(1

+−−

=ε ..................................................................................... (16.8)

gde je

MWkFw /= - koeficijent režima; kF - proizvod koeficijenta prolaza toplote izmenjivača toplote i njegove zagrevne

površine; WM, Wb - manja i veća vrednost ekvivalenta protoka fluida koji razmenjuju toplotu;

e = 2,718 - osnova prirodnih logaritama.

Za aparate sa unakrsnim tokom fluida, jednačine za proračun ε su veoma složene zavisnosti, praktično nepogodne za obične inženjerske proračune. Za neke slučajeve unakrsnog strujanja (npr. sa mešanjem fluida nosioca toplote) u literaturi uopšte i ne postoje jednačine za proračun ε . Jednačina za proračun ε značajno se uprošćava ako se pri njenom izvođenju razlika temperatura između grejnog i zagrevanog fluida opisuje linearnom zavisnošću, koja u granicama korišćenja jednačine ima karakteristiku sličnu srednjoj logaritamskoj razlici temperatura. U smislu takve linearne zavisnosti, a pri svim praktično primenjivanim šemama kretanja nosioca toplote u razmenjačima toplote (sl. 16.2-1. i 16.2-2.), može se koristiti zavisnost:

bM tbtaVt δδ −−=∆ ....................................................................................... (16.9)

gde je t∆ - srednja razlika temperature grejnog i zagrevanog fluida, °C; tδ - pad temperature nosioca toplote u aparatu, °C; za grejni fluid 21 ττδ −=t , za zagrevani

fluid 21 ttt −=δ ; indeks “b” odgovara većoj temperaturskoj razlici nosioca toplote, aindeks “M” manjoj;

a i b - konstanti koeficijenti, koji zavise od šeme kretanja nosioca toplote u izmenjivaču.

Na slici 16.2-2. prikazane su različite šeme kretanja nosioca toplote


424

Slika 16.2-1. Promena temperatura nosioca toplote u izmenjivačima toplote sa

suprotnosmernim i istosmernim strujanjem fluida.

U svim šemama kretanja nosioca toplote vrednost koeficijenta b u obrascu (16.9) je konstantna i iznosi 0,65.

Slika 16.2-2. Šeme kretanja nosioca toplote pri unakrsnom toku: a- oba nosioca toplote bez mešanja, b- dva nosioca jednog nosioca toplote bez mešanja sa suprotnim smerom i jedan prolaz drugog nosioca toplote sa mešanjem, v- jedan prolaz jednog nosioca toplote bez mešanja i jedan prolaz drugog nosioca toplote sa mešanjem, g- oba nosioca toplote sa mešanjem, d- dva prolaza jednog nosioca toplote bez mešanja, sa istosmernim strujanjem i jedan prolaz drugog nosioca toplote sa mešanjem.

Dole su navedene vrednosti koeficijenta a za razmatrane šeme kretanja nosioca toplote Šema strujanja nosioca toplote

Protivstrujna (sl. 16.2-2., a i b) 0,35 Unakrsna (sl. 16.2-2., a i b) 0,425 Isto (sl. 16.2-2., v) 0,5 Isto (sl. 16.2-2., g i d) 0,55 Paralelna (sl. 16.2-2., v i g) 0,65

Ako u (16.9) pod t∆ podrazumemo srednju aritmetičku razliku temperatura (kao što je to uobičajeno pri proračunu grejne površine radijatora i grejnih postrojenja), to je a=0,5 i b=0,5.


425

16.3. Režimi regulisanja CST

16.3.1. Zadatak i način regulisanja Sistem daljinskog grejanja snabdeva toplotom različite potrošače, kako u pogledu veličine tako i u pogledu karaktera toplotnog opterećenja. Režimi korišćenja toplote kod potrošača su različiti. Kod grejnih postrojenja toplotno opterećenje se menja u zavisnosti od meteoroloških uslova (temperature spoljnjeg vazduha, vetra, insolacije). Potrošnja toplote za potrebe tehnoloških potrošača, sanitarne tople vode, ne zavisi od temperature spoljašnjeg vazduha ali može da se menja u toku dana. Zbog toga je neophodno menjati parametre i protok nosioca toplote u skladu sa potrebama potrošača. Ovo se postiže odgovarajućom regulacijom,čime se poboljšava kvalitet snabdevanja toplotom, smanjuju gubici toplotne energije a samim tim se smanjuje potrošnja primarne energije.

16.3.2. Sistemi regulisanja 1. Centralno regulisanje, vrši se u toplani (TO), termoelektrani-toplani (TE-TO), toplani-termoelektrani (TO-TE) i kotlarnici (KO) u skladu sa promenom toplotnog opterećenja kod većine potrošača sistema kada je toplotno opterećenje u rejonu jednorodno, npr. grejanje, može se ograničiti na jedno centralno regulisanje predaje toplote. 2. Grupno regulisanje vodi se u centralnim stanicama za grupu istorodnih potrošača, obezbeđivanjem potrebnog protoka i temperature nosioca toplote.

Slika 16.3-1. Zatvoreno dvocevno toplovodno daljinsko grejanje sa centralnim regulisanjem


426

3. Lokalno regulisanje predviđa se u kućnoj stanici (na priključku potrošača), za dopunsku korekciju parametara nosioca toplote, uzimajući u obzir lokalne uslove. 4. Individualno regulisanje ostvaruje se neposredno na izmenjivaču za predaju toplote (npr. na radijatorima) i dopunjuje druge vidove regulisanja. Zahteva primenu velike količine individualnih regulatora, što povećava početne investicije. Toplotno opterećenje mnogobrojnih potrošača savremenih sistema daljinskog grejanja (DG) nije istorodno, ni po karakteru potrošnje toplote niti po parametrima nosioca toplote. Zato se centralno regulisanje dopunjuje grupnim, lokalnim i individualnim, tj. ostvaruje se kombinovano regulisanje. Kombinovano regulisanje se sastoji iz nekoliko stepeni koji se međusobno dopunjuju stvarajući na taj način najbolji odnos između odavanja toplote i stvarnih potreba potrošača. Suština metoda regulisanja proizilazi iz jednačine toplotnog bilansa.

ncGntFkQ ⋅−⋅⋅=⋅∆⋅⋅= )( 21 ττ .................................................................. (16.10)

Q - količina toplote koju odaje grejni pribor za vreme n k - koef.prolaza toplote

G (kg/s) - protok nosioca toplote F - površina izmenjivača c - specifični toplotni kapacitet nosioca toplote(KJ/KgK)

τ1,2 - temperature nosioca toplote na ulazu i izlazu izmenjivača

22

"2

"1

'2

'1 ttttt +

−+

=∆ ......................................................................................... (16.11)

'2

'1,tt - ulazna i izlazna temperatura toplijeg fluida

"2

"1,tt - ulazna i izlazna temperatura hladnijeg fluida

n - vreme rada grejnog tela

Toplotno opterećenje se može regulisati promenom pet parametara:

1. promenom koeficijenta prolaza toplote grejnog pribora k ; 2. promenom površine razmenjivača F (retko se primenjuje);

3. promenom temperature grejnog fluida na ulazu u grejni pribor '1t ;

4. promenom protoka nosioca toplote G 5. promenom dužine rada n, tj.periodičnim isključivanjem sistema.

Pri korišćenju vode principijelno se mogu koristiti sledeće metode centralnog regulisanja: a) kvalitativno regulisanje, koje se sastoji u regulaciji otpuštene toplote putem promene

temperature nosioca toplote na ulazu u grejni pribor, a pri održavanju konstantne količine (protoka) nosioca toplote koji se dovodi u postrojenje koje se reguliše;

b) kvantitativno regulisanje (količinsko), koje se sastoji u regulaciji otpuštene toplote putem promene protoka nosioca toplote pri njegovoj konstantnoj temperaturi na ulazu u postrojenje koje se reguliše;

c) kvalitativno-kvantitativna regulacija, koja se sastoji u regulaciji otpuštanja toplote putem istovremene promene protoka i temperature nosioca toplote.


427

d) prekidno regulisanje ostvaruje se isključivanjem sistema, tj. periodičnim prekidima puštanja nosioca toplote u mrežu. Centralno prekidno regulisanje moguće je samo u mrežama sa istorodnim opterećenjem.Kod raznorodnih opterećenja prekidno regulisanje koristi se za lokalno regulisanje.

Regulisanje može biti ručno, poluautomatsko i automatsko. Ručno regulisanje se sastoji u tome što rukovalac postrojenja podešava temperaturu razvodne vode odvojeno u svakoj grupi pritvaranjem ili otvaranjem prigušnog ventila u obilaznom vodu. Kod poluautomatskog regulisanja umesto ovog prigušnog ventila postavljen je regulator temperature koji automatski podešava odnos protoka i održava temperaturu razvodne vode za koje ga podesi rukovalac postrojenja. Efektna regulacija može biti ostvarena samo pomoću odgovarajućih sistema automatske regulacije (SAR) regulatora temperature.

16.3.3. Osnovi tehnike regulisanja Pod regulisanjem se podrazumeva postupak pri kome se fizička veličina (regulisana veličina) npr. temperatura vode, pritisak i dr. na osnovu merenja stalno hvata, upoređuje sa drugom veličinom (vodeća veličina) , i uprkos spoljašnjim uticajima, održava po mogućstvu konstantno ili na propisanoj vrednosti. Poremećajne veličine su one veličine zbog kojih je potrebno regulisanje. Željena vrednost regulisane veličine je zadana vrednost i ona je unapred zadana preko vodeće veličine. Kada regulisana veličina odstupi od svoje zadane vrednosti, onda regulator to utvrdjuje merenjem a zatim menja regulišuću veličinu. Pošto ovo podešavanje sa svoje strane utiče na regulisanu veličinu a regulator to ponovo meri kao promenu regulisane veličine, možemo govoriti o regulacionom kolu. Celo regulaciono kolo sadrži dve glavne grupe:

- regulacioni uređaj, koji se sastoji od: - davača - regulatora - izvršnog organa (servomotor) - regulaciono područje, koje se sastoji od: - ventil za podešavanje - izmenjivač toplote - korisnik

Vodeća veličina je veličina koja se regulacionom kolu dovodi spolja i koju regulisana veličina treba da sledi u zadanoj vrednosti. U regulacionom uređaju ona određuje zadatu vrednost regulisane veličine i može da bude konstantna ili da ima drugu vrednost koja zavisi od vremena ili drugih veličina (npr. regulisanje temperature razvodnog voda u zavisnosti od spoljašnje temperature Pomoćna regulisana veličina je dopunska veličina koja pored glavne regulisane veličine utiče na regulator; npr. regulisanje temperature razvodnog voda sa dopunskim uključivanjem davača sobne temperature, kao pomoćne regulisane veličine.


428

Treba razlikovati regulisanje i upravljanje, pod kojim se podrazumeva postupak u sistemu pri kome jedna (ili više) veličina, kao ulazna veličina, utiče na drugu, tj. izlaznu veličinu na osnovu zakonitosti koja je svojstvena sistemu.

16.3.4. Uređaji za regulisanje Uređaj za regulisanje sadrži sve sastavne delove koji su potrebni za uticanje na regulacioni sistem. To su:

1. davač - na mestu merenja 2. komparator - upoređivanje stvarne i zadane vrednosti 3. izvršni organ na mestu podešavanja - podešavajući ventil ili klapne.

Usavršeniji uređaji za regulisanje imaju dopunske sastavne delove, između ostalog: - merni pretvarač, koji izmerene vrednosti pretvara u električni ili pneumatski signal, koji se

dovodi regulatoru, - pojačavač - koji pojačava signale promena, - davač zadane vrednosti, koji je postavljen u regulatoru ili spolja na mestu pogodnom za

tehniku rukovanja.

Prenosni koeficijent uređaja za regulisanje:

xyKR ∆

∆= .......................................................................................................... (16.12)

Podela uređaja za regulisanje (regulatora) * Prema regulisanoj veličini: regulator temperatura, vlažnosti, pritiska količine itd. * prema pomoćnoj energiji:

- regulator bez pomoćne energije - električni (elektronski) - pneumatski - elektropneumatski - regulacija mikroračunarima

* prema ponašanju regulatora: - diskontinualni (regulatori sa sklopkom: dvopoložajni i više položajni - kontinualni: - P - proporcionalni - I - integralni - PI - proporcionalno integralni - PID - proporcionalno-integralno-diferencijalni

U mnogim zemljama je posebnim Uredbama o grejnim postrojenjima propisano da centralna grejanja treba opremiti centralnim automatskim uređajima za smanjenje i isključivanje dovodjenja toplote u zavisnosti od:

1. spoljne temperature ili drugih odgovarajućih veličina i 2. vremena


429

Osim toga, treba predvideti automatske uređaje za regulisanje temperature po prostorijama. Problematika regulisanja je previše kompleksna pa ćemo spomenuti samo par mogućnosti regulisanja koji su interesantni za nas. Regulisanje temperature razvodnog voda u zavisnosti od vremenskih uslova. Osetni element (davač) za spoljnu temperaturu - spoljni termostat - koji se nalazi na spoljnjem vazduhu, daje svoju mernu vrednost centralnom uređaju koji radi elektronski. Ovde podešena karakteristična kriva grejanja daje vezu između spoljne i temperature u razvodnom vodu za dovođenje toplote. Određenoj spoljnoj temperaturi odgovara određena temperatura razvodnog voda. Kontrola je preko davača temperature razvodnog voda ili davača na kotlu. Davač za spoljni vazduh se postavlja na klimatski najnepovoljnijem mestu fasade, po pravilu zaštićen od sunca na severnoj strani.

Slika 16.3-2. Šema regulisanja u zavisnosti od spoljnje temperature sa mešačkim ventilom

Slika 16.3-3. Grejne krive pri regulisanju u zavisnosti od spoljnje temperature

Redno uključivanje kotlova. Pošto se pri smanjenju opterećenja znatno umanji stepen korisnosti kotla, kod velikih postrojenja se postavljaju 2,3 ili više kotlova koji se uključuju u zavisnosti od opterećenja. Postoje sledeće regulacije:

1. Oslobađanje jednog rednog kotla preko temperature razvodnog voda. Nepovoljno je zbog znatnih oscilacija temperature. Elektronskim regulatorom se može ovaj nedostatak odstraniti uzimanjem u obzir spoljne temperature.

Slika 16.3-4. Redno uključivanje kotlova u zavisnosti od temperature povratnog voda


430

2. Oslobađanje preko spoljne temperature. Zavisno od spoljne temperature uključuju se kotlovi jedan za drugim. Svaki kotao ima svoj dopunski kotlovski termostat. Nije pogodno kao regulisanje kada postoji veliki zahtev za toplotom i u druge svrhe a ne samo za grejanje.

3. Oslobađanje preko temperature povratnog voda, pri opadanju kapaciateta raste temperatura povratnog voda. Svakom kapacitetu odgovara sasvim određena temperaturska razlika.

4. Primenom mikroprocesorske tehnike.

16.3.5. Ventili u regulacionom kolu

Slika 16.3-5. Grejno kolo sa prolaznim ventilom

Prolazni ventili. Po pravilu imaju elektromotorni pogon. Za pravilno dimenzionisanje mora se voditi računa o 3 veličine:

a) karakteristična kriva ventila (Kv - krive) - pokazuju protok tečnosti u zavisnosti od hoda pri konstantnom pritisku. U grejnoj tehnici dolazi u obzir logaritamska karakteristika.

b) Udeo pada pritiska ∆pv otvorenog ventila u ukupnom sniženju pritiska ∆p dela mreže sa promenljivom količinom vode ili razlika pritiska pri otvorenom i zatvorenom ventilu. Odnos ∆pv/∆p naziva se karakteristika ventila pv ili stepen korisnosti ventila

c) karakteristična kriva kapaciteta izmenjivača toplote tj. kriva toplotnog kapaciteta u zavisnosti od protoka.

Trokraki ventili. Oni imaju 3 priključka za dva strujanja i mogu se koristiti za razvođenje kao i za mešanje količina vode.

Slika 16.3-6. Trokraki ventil levo- za mešanje, desno-razvodni ventil A-otvor iz regulatora B-otvor u obilazni vod AB-konstantan protok


431

U grejne mreže ugrađuju se kao razvodni ventili da bi isključili promene pritiska i druge smetnje koje se javljaju pri upotrebi prolaznih ventila. Količina vode koja cirkuliše u mreži ostaje približno konstantna a isto tako i kapacitet pumpe. Mešanje se vrši van ventila.

Slika 16.3-7. Trokraki ventil kao razvodnik levo sa mešačkim dejstvom desno sa razvodnim dejstvom

Trokraki ventili se koriste kao mešački ventili, da bi se npr. mešanjem vode iz povratnog voda kotla regulisao kapacitet toplote. U kolu potrošača protok je konstantan. Mešanje se vrši unutar ventila

Slika 16.3-8. Trokraki ventil kao mešač levo sa mešačkim dejstvom, desno sa razvodnim dejstvom

Regulatori sa pretvaračima. Na ovakvim aparatima regulacioni elementi su po pravilu ventili ili klapne kojima upravljaju termostati. Mogu biti sa i bez pomoćne energije. Ovi regulatori su posebno podesni za održavanje ujednačene temperature vode u grejnom postrojenju. Mogu se koristiti prolazni ili trokraki ventili. Treba razlikovati ventile za otvaranje i ventile za zatvaranje. Regulatori koji zavise od spoljne temperature uzimaju u obzir i uticaj spoljne temperature i prilagođavaju kapacitet grejanja stvarnoj potrebi za toplotom.

Slika16.3-9. Regulisanje temperature razvodnog voda u zavisnosti od spoljnje temperature pomoću direktnog regulatora


432

Na slici imamo regulator sa direktnim dejstvom koji temperaturu razvodnog voda jednog izmenjivača reguliše u određenom odnosu prema spoljnjem vazduhu. Deo za podešavanje je prolazni ventil čijim servo motorom upravljaju dva termostata koji se nalaze na spoljnjem vazduhu i u grejnom razvodnom vodu. Određenoj spoljnjoj temperaturi odgovara odredjena temperatura razvodnog voda: grejna prava ili grejna kriva.

16.4. Automatizacija sistema CST Najcelishodniji način regulacije odavanja toplote u centralizovanom snabdevanju toplotom savremenih gradova sa raznorodnim toplotnim opterećenjem (grejanje, snabdevanje toplom potrošnom vodom, klimatizacija) je kombinacija centralnog kvalitativnog regulisanja grejnog opterećenja za grejanje i snabdevanje toplom potrošnom vodom sa grupnim ili lokalnim kvantitativnim regulisanjem posebnih oblika opterećenja. Izbor osnovnog impulsa za lokalno regulisanje zavisi od tipa i režima rada postrojenja. U postrojenjima za snabdevanje toplom potrošnom vodom kao takav impuls se obično bira temperatura vode iza grejača (u zatvorenim sistemima), ili posle uređaja za mešanje u otvorenim sistemima. U ventilacionim sistemima se kao osnovni impuls obično bira temperatura posle kalorifera. Izbor impulsa za regulisanje grejnog opterećenja je složen zadatak, jer se temperature pojedinih prostorija grejanih zgrada mogu znatno razlikovati i ne zavise toliko od količina toplote koja se dovodi objektu, već i od osobina grejnog postrojenja zgrade, uslova upotrebe pojedinih prostorija, dobitaka toplote od ljudi, insolacije, infiltracije, kao i od razmeštaja pojedinih prostorija zgrada prema stranama sveta i ruži vetrova. Prema tome, za potpuno zadovoljenje toplotnog opterećenja, neophodno je uz grupnu ili lokalnu regulaciju obezbediti dopunsko lokalno regulisanje pojedinih prostorija ili zona u svakom objektu, izloženih različitim uticajima insolacije, vetra, načinima raspodele toplote i drugim uslovima. Konfiguracija savremenih podstanica i izbor opreme treba da omogući sledeće:

- Daljinski monitoring parametara - Daljinsku kontrolu i upravljanje - Lokalnu regulaciju - Merenje utrošene toplotne energije - Izveštaj o alarmnim stanjima - Mogućnost upravljanja tehničkim sistemom

Zahteve je moguće ispuniti primenom sledećih principa: a) Izbor savremenih rešenja i opreme:

- Pločasti razmenjivači toplote, - Integrisani “kombo” i regulacioni ventili, - Ultra zvučni merači utrošene toplote, - Primena “PLC” regulatora, - Frekventna regulacija broja obrtaja, - Primena nekog od SCADA softvera

b) Povezivanje u jedinstvenu mrežu: - Optički kabl, - Bežični Ethernet.


433

Snimanje stanja toplifikacionih sistema podrazumeva određivanje parametara koji definišu efikasnost podsistema. To obuhvata:

- Uvid u stanje sistema, - Uvid u stepen efikasnosti rada sistema, - Uvid u predatu količinu toplote.

Veličine od interesa su: - Spoljna temperatura - Temperatura potisa primara - Temperatura povrata primara - Pritisak potisa primara - Pritisak povrata primara - Temperatura potisa sekundara - Temperatura povrata sekundara - Pritisak sekundarne strane - Trenutni protok - Predata toplota

Stanja od interesa su: - Procenat otvorenosti reg. ventila - Indikacija rada pumpe - Indikacija pritiska u eksp. sudu - Indikacija servisnih intervencija

Na slici 16.4-1. su prikazani osnovni elementi sistema, a na slici 16.4-2. moguće rešenje za podstanicu.

Slika 16.4-1. Elementi sistema (toplotni izvor–distributivna mreža–podstanica-potrošač)


434

Slika 16.4-2. Moguće tehničko rešenje podstanice

Moguće tehničko rešenje podstanice indirektnog tipa: - 150/90°C. - Pločasti izmenjivač toplote, - Regulacija elektromotornim prolaznim ventilom, - Lokalna kvalitativno kvantitativna regulacija u odnosu na spoljnu temperaturu, - Merenje predate toplotne energije ultrazvučnim meračem, - Softverska regulacija projektovanog protoka, - Akvizicija i monitoring parametara rada.

Slika 16.4-3. Upravljački sistem toplotne podstanice


435

Slika 16.4-4. Fiber optički kabl–komunikacija podstanica–nadzorni sistem

Slika 16.4-5. Moguće tehničko rešenje

Danas su u primeni sistemi za inteligentno adaptivno upravljanje sistemima toplifikacije. Oni se realizuju objektno orijentisanim softverom. Razvijaju se SCADA aplikacije i upravljački softver za periferije tipa PLC. Pored pomenutih aplikacija razvijeni su i softverski paketi za inteligentno adaptivno upravljanje. Način povezivanja SCADA sistema je prikazan na slickama 16.4-5., 16.4-6. i 16.4-7.


436

Slika 16.4-6. Konfiguracija mreže

SCADA rešenje za podstanice obuhvata: - Prikaz merenja i stanja u podstanici - Podešavanje parametara regulacije - Trend-dijagram relevantnih merenja - Mogucnost izbora ručnog ili automatskog režima rada podstanice - U ručnom režimu - upravljanje ventilom i pumpama - Prikaz alarmnih stanja - Preglednost sistema – najrelevantniji podaci na jednoj slici - Informisanost korisnika unapređena - Liste alarma, događaja, grafici – tekući i arhivski - Izveštaji u Excel-u; Excel radna sveska dinamički povezana sa bazom podataka

SCADA sistema - Jednostavno i sigurno upravljanje – uključenje/isključenje pumpi i otvaranje/zatvaranje

regulacionih ventila - Prilikom upravljanja podstanicom registruje se komanda i korisnik koji je zadao; - Optički net - Mogućnost proširenja sistema u budućnosti

Slika 16.4-7. SCADA sistem-rešenje za podstanice


437

Osobine razmatranog SCADA sistema su: - Univerzalni sistem za vizualizaciju, nadzor i upravljanje - Interfejs na srpskom jeziku - Windows i/ili Linux platforma - Jednostavna integracija u postojeće IT okruženje - Klijent/server arhitektura - Objektno-orjentisani datapoint model - Neograničeni broj datapoint-a - Direktni drajveri i OPC - Online projektovanje i inženjering - Internet/intranet integracija - WAP, SMS, e-mail, fax ili glasovne poruke

Primenom ovih savremenih rešenja ostvaruju se sledeći ciljevi: - Ušteda isporučene odnosno proizvedene toplotne energije (automatska regulacija

temperature vode sekundara u funkciji promene temperature spoljašnjeg vazduha i ograničenje maksimalnog protoka svake toplotne podstanice).

- Obezbeđenje kvalitetnog snabdevanja toplotnom energijom (daljinsko upravljanje toplotnim podstanicama sa jednog mesta – bilansiranje i ravnomerna raspodela toplotne energije).

- Smanjenje troškova eksplotacije sistema daljinskog grejanja (automatsko upravljanje i praćenje rada, funkcionalnih parametara i stanja opreme omogućava plansko preventivno održavanje, smanjenje broja havarija, duži radni vek i manje troškove održavanja).

- Povećanje raspoloživosti sistema daljinskog grejanja (stalnim automatizovanim nadzorom i izveštavanjem (statusi, upozorenja i alarmi) u dispečerskom centru smanjuje se vreme intervencija i zastoja).

- Omogućavanje boljeg stepena naplate i racionalnije potrošnje (uvođenjem sistema za individualno merenje, registraciju i obračun isporučene i potrošene toplotne energije kod svakog potrošača).

- Optimizacija investicije i očuvanje investicione vrednosti (primenom i transferom tehnologije i znanja - obukom krajnjeg korisnika – obezbeđenjem tehničke podrške i rezervnih delova (10-20 godina)).

Najbolji pokazatelj su dijagrami (trendovi) prikazani na slici 16.4-8., gde su praćene relevantne veličine i koji pokazuju da uvođenje inteligentnog adaptivnog upravljanja u sistemima toplifikacije doprinosi kako većoj efikasnosti, tako i sigurnijem odnosno stabilnijem radu sistema i u uslovima izuzetno niskih spoljnih temperatura.


438

Slika 16.4-8. Primer funkcionisanja sistema

Prate se sledeće veličine: protok na primaru, temperature polaza sekundara, spoljna temperatura, trenutna snaga i izračunata temperatura. Ostvarena je modemska veza i akvizicija podataka. Na slici 16.4-8 su prikazani relevantni rezultati mereni u vremenskom intervalu od jednog minuta.

Kombinovana proizvodnja

toplotne i električne energije

u sistemima za CST

Kombinovana proizvodnja

toplotne i električne energije

u sistemima za CST

17.17.

441

17. Kombinovana proizvodnja toplotne i električne energije u sistemima za CST

17.1. Koncept kogeneracije Kogeneracija ili CHP (Combined Heat and Power) je proces koji omogućuje simultanu proizvodnju električne i toplotne energije iz jednog energenta. Koncept kogeneracije je baziran na principu termičke kaskade, koja implicira proizvodnju električne energije na lokalitetu na kojem se esencijalan deo proizvedene otpadne toplote regeneriše za pokrivanje potrebe grejanja/hladjenja, ili industrijskog procesa, krajnjeg korisnika. Dakle, na taj način se postiže značajno uvećanje sveukupne efikasnosti transformacije primarne energije. Kombinovano generisanje toplotne i električne energije - CHP, ili "kogeneracija", je u svetu prihvaćen, priznat i atraktivan način proizvodnje električne i toplotne energije, zbog svojih niskih investicionih troškova, kraćeg perioda gradnje, smanjenja potrošnje goriva i zagađenja okoline. Osnovni razlog za "vraćanje" na sisteme kogeneracije je brzi porast potražnje električne energije, s tim povezani zahtevi za finansiranje gradnje novih elektrana, kao i alarmantna briga zbog porasta štetnih gasova vezanih za proizvodnju energije. Radi toga se danas preporučuje korišćenje sistema kogeneracije pri planiranju proširenja kapaciteta elektroenergetskog sistema, razvoju novih industrijskih zona, zamena starih – amortizovanih sistema generacije električne energije pomoću parnih turbina, ili kada su troškovi visoki, a postoji potreba za električnom energijom.

17.2. Princip rada sistema kogeneracije Kogeneracija je definisana kao kaskadno generisanje dve vrste korisne energije iz jednog jedinog izvora primarne energije, a to su tipično mehanička i toplotna energija. Mehanička energija se može koristiti za pogon generatora za proizvodnju električne energije ili za okretanje-rotaciju opreme npr. motora, kompresora, pumpi ili ventilatora, koji se koriste za različite namene. Toplotna energija se može koristiti za direktnu primenu za neki proces, ili indirektno za proizvodnju pare, vrele-tople vode, toplog vazduha ili ohlađene vode u svrhu hlađenja u nekom procesu ili klimatizaciju stambenih i/ili komercijalnih zgrada.

Slika 17.2-1. Uporedjenje konvencionalnog i kogeneracionog sistema konverzije energije


442

Kogeneracija pokriva širok spektar tehnologija za namenu u raznim privrednim delatnostima. Ukupni stepen delovanja CHP postrojenja može biti do 80 %, a katkad i iznad toga. Tipična mala turbinska CHP jedinica može uštedeti oko 40 % primarne energije u poredjenju sa klasičnom termoelektranom sa kotlom na fosilno gorivo (videti sliku 17.2-1.). Slike 17.2-1. odnosno17.2-2a. i 17.2-2b. prikazuju razdvojene sheme konvencionalnog i kogeneracijskog termoenergetskog postrojenja sa kojih se vide drastične razlike u stepenu iskorišćenja primarne energije, sa 67 % odnosno 10% gubitaka, respektivno.

Slika 17.2-2a. Konvencionalni sistem generisanja el.energije koji koristi samo 33% primarne

energije goriva dok se 67% gubi kao otpadna toplota

Slika 17.2-2b. Sistem kogeneracije koji koristi do 90% primarne energije goriva

Paralelno uz smanjenje potrošnje fosilnog goriva, kogeneracija omogućuje redukciju emitovanja štetnih gasova (posebno emisiju C02) na jedinicu proizvedene energije. Obzirom da je proizvodnja električne energije na mestu potrošnje, smanjuju se troškovi vezani za električnu mrežu komunalnog elektrodistributivnog preduzeća, a troškovi gubitaka u mreži su eliminisani. Kogeneracija ima smisla kako sa makro tako i sa mikro aspekta. Na makro nivou (društvena zajednica), omogućuje da se deo ogromnih troškova za nacionalna javna i komunalna preduzeća prebaci na privatni sektor, a dodatno, omogućuje štednju domaćih resursa, smanjujući troškove


443

uvoza goriva. Na mikro nivou (potrošač energije, korisnik), omogućuje korisniku smanjenje ukupnih troškova za energiju, posebno kada postoji istovremena potreba za električnom i toplotnom energijom na lokalitetu (industrija), a u zemlji se praktikuju racionalne energetske tarife.

17.3. Od proizvodnje samo električne energije do kogeneracije

Idealno mesto potrošnje energije i lokalitet za gradjenje sistema kogeneracije ima sledeće karakteristike:

- Pouzdane potrebe za električnom energijom, - Relativno stabilan tok električnih i toplotnih potreba, - Veće potrebe toplotne od električne energije, - Duge sate pogona tokom godine, - Nedostupnost mreže komunalno-javnog preduzeća, ili visoke cene električne energije sa

mreže.

Tipično su tri odvojene oblasti primene kogeneracije: - Preduzece komunalne javne kogeneracije: Snabdeva sistem daljinskog grejanja i/ili

hlađenja. - Industrijska kogeneracija: Primenjiva uglavnom za dva tipa industrija, neke koje toplotnu

energiju visokog temperaturnog nivoa (rafinerije, proizvodnja djubriva, čelik, cement, industrija keramike i stakla), a druge na niskom temperaturnom nivou (proizvodnja papira, predionice tekstila, proizvodnja hrane);

- Komercijalno-institucionalna kogeneracija: Posebno podesna za institucije kontinualnog pogona, kao što su hoteli, bolnice, univerzitetski kompleksi (university campus), itd.

17.4. Tehničke opcije za kogeneraciju - sistemi kogeneracije

17.4.1. Izgradnja kogenerativnih postrojenja Kod toplana-termoelektrana (TO-TE) veći deo toplote iz generatora toplote predaje se sistemu daljinskog grejanja u obliku vrele vode ili pare, kao nosioca toplote, dok se manji deo generatorske toplote u turbo-generatorskim agregatima transformiše u elektroenergiju. TO-TE se razlikuju od kondenzacione TE odvođenjem toplote iz procesa na višem temperaturskom nivou. Ta temperatura određena je pritiskom na kome se ekspandirana para odvodi iz turbine. Zavisno od potreba potrošača, ova para se direktno odvodi potrošačima ili se u TO-TE dobija vrela odnosno topla voda, koja se dalje šalje potrošačima. Osnovni proces TO-TE postavlja se najčešće sa ciljem obezbedjenja toplote. U načelu, manevarska sposobnost TE-TO u pogledu toplotnog toka, kao i u pogledu električnog opterećenja odredjena je izborom vrste turbina. Tako se protivpritisne turbine primenjuju za veliko toplotno opterećenje uz odgovarajući veliki broj sati korišćenja punog opterećenja.


444

Ovi uslovi se javljaju ako se toplota u većim količinama koristi za potrebe tehnoloških procesa s vremenom korišćenja punog kapaciteta iznad 2500 h/god. Kombinovani blokovi sa primenom protivpritisnih turbina primenjuju se za elektrosnage od 10 do 100 MW. Kondenzacione turbine sa oduzimanjem pare primenjuju se ako potrebe za toplotnom i električnom energijom treba da budu zadovoljene u medjusobno nezavisnom odnosu. Ovi kombinovani blokovi koriste se za veće elektosnage od 50 do 300 MW, pa i znatno veće.

17.4.1.1. TO-TE sa protivpritiskom

Slika 17.4-1. Principijelna šema protivpritisnog kombinovanog bloka

GP - generator toplote (vrele pare), PPT - protivpritisna turbina, GE - generator elektroenergije, RS - redukciona parna stanica (za slučaj veće potrebe toplote u sistemu daljinskog grejanja),

P - povratni vod iz SDG, R - razvod u SDG

Slika 17.4-2. T-s dijagram sa naznačenim pritiskom kondenzacije i radom napojne pumpe Pp - protivpritisak na turbini, Pk - pritisak kondenzacije, a - proces s protivpritiskom, b - proces s kondenzacijom, 4,1 ili 4k, 1k - rad napojne pumpe


445

17.4.1.2. TO-TE sa oduzimanjem i protivpritiskom

Slika 17.4-3. Principijelna šema protivpritisne turbine sa oduzimanjem pare

17.4.1.3. Kondenzaciona turbina sa oduzimanjem pare

Slika 17.4-4. Principijelna šema kondenzacionog kombinovanog bloka sa oduzimanjem pare Dt - količina oduzete pare za grejanje u SDG, Dk - količina pare koja ide u kondenzator Pgp - pritisak sveže pare, Pt - pritisak pare na oduzimanju, Pk - pritisak kondenzacije

17.4.1.4. Kondenzaciona turbina sa dva i više oduzimanja pare Kod turbine sa dvostrukim oduzimanjem pare predvidjena su dva regulisana oduzimanja. Veći broj regulisanih oduzimanja nije uobičajen, pa se para za ostale stepene pritiska dobija neregulisanim oduzimanjem. Pritisak i količina oduzimane pare reguliše se pomoću regulacionog organa (obrtni zasun, ventil). Minimalna snaga kondenzacionog režima zavisi od dimenzionisanja kondenzacionog dela. Turbine sa oduzimanjem sa kondenzacionim delom dimenzionisanim za punu električnu snagu mogu pri zatvorenim oduzimanjima pare biti opterećene sa nazivnom količinom sveže pare, i tada postižu u kondenzacionom režimu veću snagu nego u kombinovanom režimu. Na ovaj način može se van grejnog perioda ovim viškom snage eventualno zameniti manje ekonomična proizvodnja u nekoj drugoj termoelektrani. Takodje, povećana snaga kondenzacionog dela može da omogući pokrivanje električnih vrhova potrošnje, kao i rezervi za slučaj havarija u elektroenergerskom sistemu.


446

Slika 17.4-5. Termički neto-stepen korisnosti jedne turbine za kombinovanu proizvodnju Električna snaga Pe = 500 MW, Para 165 bar/540 - 0,085 bar, Temperatura vode 45-90°C, a - čisto kondenzacioni pogon, b - čisto protivpritisni pogon, c - oduzimanje bez gubitaka

Izvodjenje protivpritisnih turbina za grejanje, odnosno protivpritisnih turbina sa oduzimanjem pare sa pomoćnim hladnjakom obezbedjuje uz zadržavanje osobina jednostavne konstrukcije, veću fleksibilnost u pogledu proizvodnje električne energije i pogona u vreme malog opterećenja u sistemu DG. Specifična potrošnja energije u kondenzacijskom režimu kod ovog tipa turbine, zbog relativno visoke temperature odvodjenja toplote u proseku je oko 15 MJ/Wh, tako da je primena ovog režima rada ograničena na mali broj sati u godini, uglavnom u vreme vršnog opterećenja elektroenergetskog sistema i u vreme malog opterećenja SDG. Parametri sveže pare (pritisak, temperatura) biraju se kod TO-TE, slično kao i kod TE, u zavisnosti od količine sveže pare. Kao orijentacija za izbor može da posluži dijagram na slici 17.4-6. Visoki pritisci sveže pare omogućuju visok termički stepen korisnosti. Medjutim, za ovako dimenzionisane turbine, kod malih protoka pare dobijaju se niski unutrašnji stepeni korisnosti, a traže se veća investiciona ulaganja za opremu. Temperatura sveže pare bira se tako da para u krajnjim stupnjevima turbine nema veću vlažnost od 10-12 %, odnosno, oduzeta para treba da ima dovoljno pregrejanje zbog transporta pare na potrebnu udaljenost. Medjutim, temperatura predgrejane pare ne treba da pređe efektivne vrednosti-prelazak sa feritnih materijala na austenitne (temperature preko 520°C) može znatno da poskupi turbinu. U TO-TE povišenje parametara deluje pozitivno na specifičnu kombinovanu proizvodnju električne energije. Međupregrejanje se primenjuje samo kod većih jediničnih snaga.


447

Slika 17.4-6. Pritisci pare u zavisnosti od kapaciteta pare

Ako je nosilac toplote kod SDG voda, onda se toplota od pare iz turbine u predgrejaču (kondenzatoru za grejanje) prenosi na mrežnu vodu. Da bi se smanjili gubici nepovratnosti procesa, mrežna voda se zagreva u više stupnjeva, parom različitnog pritiska. Kod manjih turbina (do 50 MW električne snage) i temperature mrežne vode u potisu do 150°C, izvodi se ovo zagrevanje najčešće u dva stupnja, redje u tri ili četiri. Kod SDG sa kvalitativnom regulaciojom – (sistem regulacije u Toplani Niš), zadnji predgrejač mrežne vode ima ujedno i karakter vršnog predrejača.

Slika 17.4-7. Specifična kombinovana električne energije i temperatura napojne vode 1-3.5 MPa/435/150°C, 2-4, MPa/460/150°C, 2-9 MPa/535/230°C, 4-13 MPa/565/230°C 5-13 MPa/565/565/565/230°C, 6-24 MPa /565/565/260°C

σ


448

17.4.1.5. Termička korisnost kombinovane proizvodnje toplote i električne energije sa parnim turbinama

Suština kombinovane proizvodnje toplotne i električne energije je u tome da se izrađena para niske eksergije, koja je u turbini proizvela električnu energiju, koristi, s još dovoljno visokim parametrima za dobijanje toplote. Kod turbine sa prorivpritiskom, umesto da se toplota u kondenzatoru predaje okolini i zauvek izgubi, ona se (pod višim pritiskom “izrađene” pare-zavisno od parametara nosioca toplote u mreži DG) može iskoristiti za grejanje. Količina pare (protivpritisna količina) koja prolazi kroz turbinu je:

( ) mr

grp ii

QD

η43 −= ................................................................................................ (17.1)

Električna snaga : gmpp iiDP ηη)( 32 −=

gde je: Ggr (Qt) - toplota daljinskog grejanja na mestu potrošnje

ηmr - stepen korisnosti mreže DG i3 - energija na izlazu iz turbine i4 - entalpija kondenzata na izlazu grejača vrele vode SDG i2 - energija vodene pare na ulazu u turbinu ηm - meganički stepen korisnosti turbine ηg - membranski i električni stepen korisnosti generatora

Kombinacijom ovih izraza dobija se:

grmr

gmp Q

iiiiP ⋅

⋅⋅

−−

=ηηη

43

32 .................................................................................... (17.2)

Ovde se vidi da snaga elektrogeneratora direktno zavisi od količine toplote predate potrošačima. Kod kondenzacione parne turbine sa oduzimanjem pare, deo pare (Dt) se na odredjenom pritisku oduzimanja odvodi iz turbine radi zagrevanja vode u sistemu daljinskog grejanja, a drugi deo (Dk) ide kroz niže stepene turbine, i nakon iskorišćenja radne sposobnosti pare u potpunosti (do granice koju diktira pritisak kondenzacije) odlazi u kondenzator. Toplota “izrađene” (oduzete) pare (Qt) predaje se sistemu DG korisno upotrebljena, što ne bi bio slučaj da je celokupna količina pare prošla kroz turbinu i otišla u kondenzator. Naravno-ako se uporede moguća proizvodnja električne energije kad celokupna količina pare (Dt + Dk) radi u kondenzacionom pogonu, i proizvodnja električne energije pri kombinovanom pogonu-jasno je da će se u drugom slučaju dobiti manja ukupna električna snaga, jer je deo pare Dt predao turbini manji mehanički rad, zato što je para ekspandirala do pritiska Pt > Pk. Kod kombinovane proizvodnje toplotne i električne energije postoji problem definisanja stepena korisnosti. Ako se definiše termički bruto stepen korisnosti kao odnos između proizvedene električne energije i iskorišćene toplote i toplote dovedene gorivom:


449

ETB

teltb Q

QP +=η ..................................................................................................... (17.3)

ako uzmemo termički stepen korisnosti proizvodnje električne energije:

ETB

elel Q

P=η .......................................................................................................... (17.4)

imamo:

)1(el

Teltb P

Q+=ηη ............................................................................................... (17.5)

Vidi se da je ηtb veće od ηel (samo kod proizvodnje električne energije). Međutim, ovakva definicija stepena korisnosti nije najispravnija, sa gledišta drugog zakona termodinamike, jer su električna i toplotna energija dve vrste energije sastim različite vrednosti. Otuda možemo da definišemo termički neto stepen korisnosti:

TETB

eltn QQ

P−

=η .................................................................................................. (17.6)

Dijagram na slici 17.4-8. ilustruje promenu ovog stepena korisnosti za turbinu nazivne snage od 550 MWE. Vidi se da ovaj stepen korisnosti u protivpritisnom pogonu može dostići preko 80%, dok je u čisto kondenzacionom pogonu jedva nešto preko 40% kod punog opterećenja. Otuda je jedan od najispravnijih načina dokazivanja mogućne prednosti kombinovane proizvodnje električne i toplotne energije u izračunavanju uštede goriva.

17.4.1.6. Potrošnja i ušteda goriva kod kombinovane proizvodnje toplotne i električne energije

Kombinovanim procesima postižu se uštede u gorivu, koje zavise od stepena korisnosti pojedinih procesa i stepena sprezanja. Potrošnja goriva TE-TO dobija se iz odnosa:

T

VR

k

k

T

T

P

komETB

QPQPQηηηη

+++= ........................................................................... (17.7)

Ovde je: Pkom - struja dobijena iz kombinovane proizvodnje

QT - toplota oduzete pare korisno upotrebljene u sistemu DG PK - električna snaga dobijena od pare koja ide u kondenzator

QVR - eventualna količina toplote koja se uzima direktno iz generatora pare

Dakle, potrošnja goriva se sastoji iz potrošnje goriva za dobijanje električne energije i toplote.

BET = BTET + BP

ET.............................................................................................. (17.8)

BTET - potrošnja goriva za dobijanje toplotne energije

BPET - potrošnja goriva za dobijanje električne energije.


450

Ukupna ušteda u gorivu dobija se kao razlika ukupne potrošnje goriva kod odvojene proizvodnje električne energije u TE i toplote u TO, i potrošnje goriva kod kombinovane proizvodnje toplotne i električne energije u TE-TO.

∆B = BODV - BET.................................................................................................. (17.9)

Ako se ova razlika izrazi prema obliku energije, imamo:

∆B = ∆Be + ∆Bt ................................................................................................. (17.10)

∆Be - ušteda goriva na proizvodnji električne energije ∆Bt - ušteda goriva na proizvodji toplotne energije

Najveći uticaj na uštedu goriva imaju, kod kombinovane proizvodnje, udeo oduzete pare za dobijanje toplote za grejanje i udeo oduzete pare za regeneraciju. Ušteda u gorivu kod kombinovane proizvodnje električne energije, u poredjenju sa odvojenom proizvodnjom, najvećim delom proističe iz činjenice da se deo toplote umesto u kondenzator odvodi u SDG (kod proizvodnje toplote generatorima pare većih kapaciteta, veći je i stepen korisnosti).

Slika 17.4-8. Poređenje snage jedne TE-TO (a) sa TO (b) i

TE (c), za iste toplotne i električne snage. Qgub-toplotni gubici i toplota odvedena kondenzacijom,

Qb-toplota dovedena gorivom, Qt-toplota grejanja, Pel-električna snaga

Na primeru turbine čiji je dijagram rada dat na slici 17.4-8. može se zaključiti sledeće: Kod kombinovane proizvodnje imamo (za istu proizvedenu električnu i toplotnu energiju) manje gubitaka i to za 432 MW, naspram 787 MW + 116 MW kod odvojene proizvodnje. Pored toga potrošnja toplote goriva je 1400 MW, prema 1290 + 581 = 1871 MW. Iz bilansa proizvodnje električne i toplotne snage, sledi:

1. Nazivna snaga 550 MW 2. Dovedena toplotna snaga 1273 MW 3. Snaga napojne pumpe 13 MW 4. Proizvodnja samo električne energije:


451

- električna snaa 551,5 MW - termički stepen korisnosti 43,4%

5. Kombinovana proizvodnja - električna snaga kod 0% grejanja 550 MW - električna snaga kod 100% grejanja 471 MW

6. 100% snaga grejanja 705 MW 7. Termički stepen korisnosti kod 0% grejanja 43,2 % 8. Termički stepen korisnosti kod 100% grejanja 82,9%

Vidi se da se kod proizvodnje samo električne energije (TE) dobija “višak” od 79 MW, u odnosu na kombinovanu proizvodnju (TE-TO). Ako bi se ova električna snaga kod potrošača pretvorila u toplotu, na raspolaganju bi bila samo 79 MW toplotne snage. Medjutim, na račun manjka od 79 MW, kod kombinovane proizvodnje imamo na raspolaganju 705 MW toplotne snage, što je oko 9 puta više. Znači, a proizvodnju 9KW toplotne snage, “gubimo” samo 1 kW električne snage.

17.4.1.7. Rad turbine kod promenljivih uslova Promena nekog od nezavisno promenljivih parametara (električna snaga, količina sveže pare i pritiska kod regulisanog oduzimanja, količina pare kod regulisanog i neregulisanog oduzimanja) izaziva promenu ostalih parametara, naročito stepena korisnosti stupnjeva, izentropskog rada i pritiska kod neregulisanog oduzimanja.

Tabela 17-4.1. Pregled najvećih instalisanih turbina u Evropi

Bro

j

Proi

zvođ

ač

Gra

d

Zem

lja

Mak

s.top

. sn

aga

Mak

s.el.

snag

a

MPa

/°C

/°C

Bro

j stu

pnje

va

grej

anja

Pola

zna

i po

vrat

na te

mp

SDG

God

ina

ulas

ka

u po

gon

1 BBC Aarhaus Danska 488 375 24/535/540 2 125/70 1983 2 BBC Aarhaus Danska 488 375 24/535/540 2 125/70 1984 3 BBC-Stal Stocholm Švedska 384 270 17.8/535/535 2 90/50 1976 4 KWU Berlin Nemačka 372 300 19/535/535 2 82/47 1985 5 BBC-Stal Vasteras Švedska 372 270 17.8/535/535 2 90/50 1973 6 KWU Vasteras Švedska 372 265 17.8/535/535 2 90/50 1969 7 KWU Uppsala Švedska 349 197 17.8/535/535 2 85/55 1973 8 KWU Norrkoping Švedska 337 250 17.8/535/535 2 90/50 1972 9 BBC Odense Danska 326 285 17.8/530/530 1 85/45 1974

10 KWU Beč Austrija 279 377 19.6/535/535 2 129/67 1979 11 BBC Alborg Danska 267 285 17.8/530/530 2 85/45 1973 12 BBC-Lang Helsinki Finska 265 152 13/530 2 85/50 1984 13 Stal Odense Danska 262 205 17.8/535/535 2 85/45 1968 14 Stal Malme Švedska 250 160 12.5/535/535 1 120/70 1978 15 Stal Orebro Švedska 244 115 13.8/535 2 90/55 1974 16 BBC Mannheim Nemačka 241 85 1.9/530 2 90/55 1982


452

U našoj zemlji ovih postrojenja je malo. Ona čine svega oko 5% instalisanih kapaciteta. Pregled svih TE-TO u našoj zemlji dat je u tabeli 17.4-2. Kogenerativnim postrojenjima poslednjih godina u EU poklanja se velika pažnja. Do ovoga je došlo iz dva razloga. Prvi razlog je u nesigurnosti u snabdevanja gorivom, kao i porast troškova istog. Drugi razlog proističe iz dokumenta donetog na nivou EU 1997. godine, u kome je kao strateški cilj na nivou EU doneta odluka da do 2010. godine bude proizvedeno 18% električne energije u kogenerativnim postrojenjima. U tabeli 17.4-1 dat je pregled nekih od značajnijih TE-TO u Evropi. Da bi se odredile funkcionalne zavisnosti između protoka sveže pare, električne snage, odate toplote turboagregata i ostalih parametara koji određuju pogonski režim i ekonomičnost za čitavo radno područje, neophodni su obimni proračuni. Zato se ove zavisnosti najčešće daju u vidu dijagrama.

Tabela 17.4-2. Termoelektrane-toplane u sistemu elektroprivrede Srbije

KOTAO TURBINA Nom.Naziv Param. pare Param. isp. turb. Tem. °C snaga

TE-TO

Blok

Nom

inal

ni k

apac

itet

(t/h

)

Priti

sak

(bar

)

Tem

pera

tura

(°C

)

Step

en is

kori

šćen

ja

(%)

Nom

inal

na sn

aga

(MW

) Pr

itisa

k (b

ar)

Tem

pera

tura

(°C

)

Međ

upre

gr. p

are

Nap

ojna

vod

a

Ras

hlad

na v

oda

Nom

inal

ni sp

ec. u

tr.

pare

kJ/

kWh)

TE-TO

Beograd 1,2,3 - - - - 32 - 400-700 - - 20 17556 96 Novi 1 i 2 420 137.7 560 93.2 135 127.5 555 - 230 20 10163 245 Sad 3 500 137.7 560 93.4 110 127.5 555 - 270 20 9820 Zrenjanin 1 i 2 330 117.7 540 93.7 120 109 535 - 210 21 12865 120 Energana 1 40 42 450 76.5 10 36 425 - - - - Sremska 2 40 42 450 76.4 5 36 425 - - - - 50 Mitrovica 3 80 64 505 90 28 56 500 - - - -

Parametri pare u TE-TO, kako se iz prethodnih tabela i iz dosadašnjeg izlaganja može uočiti, znatno se razlikuju od onih potrebnih za rad TO. Kao odlučujući parametri pare uzimaju se parametri neophodni za rad parne turbine. Oni određuju temperaturu i pritiske u samom postrojenju. Ako pogledamo Tabele 17.4-1 i 17.4-2 možemo uočiti da se radni pritisci u kombinovanim postrojenjima u našoj zemlji kreću od 40 do 140bar, dok u svetu idu i preko 200bar-a. Kako je već rečeno, sa porastom ovih parametara raste stepen iskorišćenja samog postrojenja. Otuda se javlja i težnja za povećanjem parametara pare. Međutim, usled ovoga mogu da se jave određeni problemi. Prvi problem je u visini investicionih troškova. Sa porastom radne temperature preko 520°C, kako je već ranije pomenuto, dolazi do znatnog poskupljenja investicionih troškova usled prelaza sa feritnih na austenitne čelike koji su znatno skuplji.


453

Drugi problem javlja se otuda što visoki parametri pare, zbog povećanja stepena iskorišćenja postrojenja nameću izgradnju velikih postrojenja. Ovo međutim nije uvek opravdano. Ovako velika postrojenja zahtevaju stalni rad pod velikim opterećenjem jer pri radu sa kapacitetom koji je manji od nominalnog imaju stepen iskorišćenja koji je znatno manji od stepena iskorišćenja pri radu sa punim kapacitetom. Otuda su i troškovi rada pri radu sa smanjenim opterećenjem znatno povećani, što zahteva stalni rad ovih postrojenja sa kapacitetom koji je približno jednak nazivnom.

17.4.1.8. TO-TE sa gasnim turbinama otvorenog procesa (OGTU) Primena gasne turbine otvorenog procesa za pokrivanje vršnog električnog opterećenja i u svrhu DG problematična je zbog kratkog vremena korišćenja i potrebne elastičnosti proizvodnje (dodatno ložište ili dodatna TO sa istim gorivom), kao i zbog razlike u kretanju nivoa toplotnog i električnog opterećenja (u vezi stim, zbog neophodnosti primene akulatora toplote). Ako se pođe od toga da će postrojenje s gasnom turbinom odtvorenog procesa biti postavljena pre svega da bi se obezbedila toplotna energija u SDG, onda takva gasna turbina može imati široko polje ekonomične primena (pod pretpostavkom da se raspolaže tečnim ili gasovitim gorivom). Gasne turbine otvorenog procesa primenjene u TE-TO imaju u odnosu na parne sledeće prednosti:

- visoke ulazne i izlazne radne temperature obezbedjuju pokrivanje, u svakom slučaju, toplotnog opterećenja u oblasti niskotemperaturnih i srednjetemperaturnih procesa, kakvi se javljaju kod DG.

- visina temperature otpadnih gasova nakon odavanja toplote ne utiče na efekat procesa, što nije slučaj kod parnih turbina, gde nivo izlaznih parametara pare bitno utiče na odvajanje električne snage (gubitak snage kod gasne turbine otvorenog ciklusa je 1,5 - 2,5 % zbog pada pritiska u generatoru toplote),

- kod gasnih turbina jednostavno je prilagodjavanje potrebnom toplotom opterećenju (npr. samo delimično korišćenjem otpadne toplote),

- i kod malih jedinica mogu se postići visoke ulazne temperature, a time i visoki stepen korisnosti, pa je moguća primena gasnih turbina i kod manjih i srednjih snaga,

- gasne trubine otvorenog procesa imaju jeftinija postrojenja, zahtevaju manju površinu u odnosu na instalisanu jedinicu snage, niže dimnjake i manju potrošnju rashladne vode.

- visina parametara mreže DG ne utiče bitno na ekonomičnost TE-TO, što nije slučaj kod parnih turbina, kod kojih je proizvodnja struje u protivpritisnom pogonu zavisna od parametara nosioca toplote mreže DG.

Nedostatak OGTU je u tome što stepen korisnosti znatno opada sa smanjenjem opterećenja. Ukupno iskorišćenje toplote goriva je nešto manje nego kod parnog procesa. Sa gledišta primene gasnih turbina otvorenog procesa u sistemu DG, potrebni su drugačiji parametri nego kod gasnih turbinskih postrojenja za pokrivanje vršnog električnog opterećenja. Prednost imaju turbine sa relativno malim odnosom pritiska.

- dovedena toplota )( 23 TTcq pdov −=

- rad ))()(( 1243 TTTTcW p −−−=


454

Slika 17.4-9. Otvoreni Džulov proces: a) T-s dijagram, b) osnovna šema

Kod gasne turbine otvorenog procesa, ventilator usisava vazduh iz okoline, sabija ga u komoru za sagorevanje, gde se gorivo ubrizgava i sagoreva. Gas dobijen sagorevanjem služi za pogon turbine. Vreli otpadni gas iz turbine može ići ili direktno u atmosferu (čista proizvodnja struje) ili preko izmenjivača, i tada daje toplotu za grejanje (kombinovana proizvodnja električne i toplotne energije).

Slika 17.4-10. Stepen korisnosti gasne turbine u zavisnosti od temperature ulaznih gasova

ηη


455

Slika 17.4-11. Zavisnost snage jedne gasne turbine od temperature okoline (Pa-projektovana snaga)

Stepen korisnosti gasne turbine otvorenog procesa u velikoj meri zavisi od temperature ulaznih gasova u turbinu što je vidljivo na prethodnoj slici. Kod korišćenja gasne turbine otvorenog procesa za kombinovanu proizvodnju koristi se otpadna toplota turbine za grejne svrhe. Pri tom važna je minimalno moguća temperatura izlaznih gasova nakon zagrevanja vode u grejaču SDG, zbog pojave niskotemperaturne korozije (može se uzeti da iznosi tH = 100°C). Kod primene gasne turbine otvorenog procesa u oblasti osnovnog opterećenja, dobija se velika količina toplote u odnosu na električnu snagu (mali odnos P/QH kod relativno male dovedene toplote).

Slika 17.4-12. Iskorišćavanje toplote kod gasne turbine sa otvorenim procesom za SDG: 1,2,3,4, H-tačke stanja

Ako se toplota QH preda sistemu DG, podrazumevajući i postignutu snagu P, kod odvojene proizvodnje bilo bi potrebno dovesti toplotu:

tratgp

Hodvdov

PQQηηη

+= ......................................................................................... (17.11)

gde je: ηgp - stepen korisnosti generatora pare ηt - termički stepen korisnosti parne turbine

ηtra - stepen korisnosti transformacije energije kod dobijanja električne energije

Gasno turbinsko postrojenje otvorenog procesa traži dovedenu toplotu:


456

ks

GTUdovGTP

dovQQη

= .................................................................................................. (17.12)

gde je: ηks - stepen korisnosti komore sagorevanja

Ušteda u gorivu je: GTPdov

odvdovdov QQQ −=∆ ........................................................................................ (17.13)

Nivo iskorišćenja toplote otpadnih gasova ograničen je opasnošću pojave niskotemperaturne korozije.

17.4.1.9. TO-TE sa gasnim turbinama zatvorenog procesa Kod gasne turbine zatvorenog procesa radni medijum nisu produkti sagorevanja, već se radi o dva odvojena toka. Produkti sagorevanja (u otvorenom procesu) predaju toplotu sabijenom radnom fluidu (vazduhu ili helijumu) u izmenjivaču toplote, u komori sagorevanja. Radni fluid predaje turbini rad i hladi se pre ponovnog sabijanja, često višestepeno (gornji stepen hladjenja može se iskoristiti za potrebe daljinskog grejanja). Kod turbina zatvorenog procesa može se primeniti širi izbor goriva nego kod GTU otvorenog procesa , ali ne tako širok kao kod parnih procesa. Zbog velikog udela austenitnih materijala postoje stroži zahtevi u pogledu uticaja na koroziju i šljaku (ulje, gas, kameni i mrki ugalj, sagorevanje ugljene prašine). Postavljena šema jedne gasne turbine zatvorenog procesa data je na slici 17.4-13.

Slika 17.4-13. Pojednostavljena šema jedne gasne turbine sa zatvorenim procesom (a-turbina, b-prenos, c-elektrogenerator, d-motor za pokretanje, e-grejač vazduha, f-izmenjivač toplote, g-kompresor višeg pritiska, h-kompresor nižeg pritiska, i-prethladnjak, k-međuhladnjak)

U pogledu principa rada GTU zatvorenog procesa je unekoliko slična parnom procesu.


457

Da bi se sagledale osobine gasne turbine zatvorenog procesa, dati su uporedni dijagrami za turbinu otvorenog i parnog procesa, za turbine sličnih snaga.

Slika 17.4-14. Specifična potrošnja toplote kao funkcija električnog opterećenja (a-TU s otvorenim gasnim procesom, b-parna turbina, c-TU s zatvorenim gasnim procesom, n-nominalna potrošnja)

O postojanju TE-TO sa gasnim turbinama u našoj zemlji nemamo precizne podatke. Izrada ovakvih postrojenja ima određene prednosti navedene u prethodnom delu. Naročito su zgodna za sisteme daljinskog grejanja koji su fizički izdvojeni od sistema daljinskog grejanja i kod onih kod kojih se pored vrele vode za grejanje javlja i potreba za tehnološkom ili drugom parom. Međutim postoje i određeni nedostaci ovakvog postrojenja i to:

- veća investiciona cena (visoke radne temperature nameću i skuplje materijale-austenitne čelike).

- veće jedinična cena proizvedene toplote i električne energije zbog korišćenja skupljih vrsta goriva (gas, lož ulje i sl)

- nestabilnost cene goriva na svetskom tržištu kao i potpuna zavisnost ovih postrojenja od uvoza i dr.

Sve ove parametre treba uzeti u obzir pre donošenja eventualne odluke u izradi ovakvog postrojenja. Na osnovu navedenih podataka i izvršene delimične analize može se zaključiti da je za donošenje eventualne odluke o izgradnji TE-TO bilo sa parnom bilo sa gasnom turbinom neophodno izvršiti detaljnije analize. Pored uštede energije i zaštiti životne sredine koje postaju sve značajniji u razvoju društva, na razvoj ove tehnologije obavezuju nas i dokumenti doneti na nivou EU, koji nameću određena pravila ponašanja i nama, kao eventualnim budućim članovima EU. Sa druge strane, sva ova postrojenja zahtevaju visoke investicione troškove, i pokazuju isplativost pri određenim parametrima koji znatno prevazilaze postojeće instalisane kapacitete. Otuda je neophodno, pre eventualne odluke o izgradnji ovakvih postrojenja sve ovo uzeti u razmatranje, ali i izvršiti dodatne tehnoekonomske analize, sa oslanjanjem na postojeća domaća postrojenja i iskustva pre svega.


458

17.4.2. Alternativna goriva Tehnike generisanja toplotne energije iz klasičnih fosilnih goriva su pouzdane i dobro dokazane, dok se iskustva sa alternativnim-nekonvencionalnim gorivima tek stiču. Da bi se bolje koristila alternativna goriva (npr. biomase, agroindustrijski ostaci i sl.). učinjeno je dosta napora da se istraže specifičnosti karakteristika ovih goriva, kako bi se prevazišla tehnološka ograničenja. Područja u kojima je postignut odredjeni tehnološki napredak u tretmanu goriva su sistemi sagorevanja te oprema za smanjenje zagadjenja okoline.

17.4.3. Trigeneraciono apsorpciono parno hlađenje Trigeneracija je koncept izveden iz tri različite forme energije dobijene iz primarnog energetskog izvora, a to su za: I) grejanje, II) hladjenje i III) generisanje električne energije. Pod trigeneracijom se podrazumeva i CHCP (Combined Heating, Cooling and Power Generation). Ova opcija omogućava veću pogonsku fleksibilnost na lokalitetu koji zahteva energiju za grejanje, kao i za hlađenje. Ovo je posebno relevantno tamo gde je zgrade neophodno klimatizovati, a s druge strane niz industrija treba rashladnu energiju u nekoj od tehnologija. Takva jedna industrija je npr. proizvodnja čokolada i kandita. Naime, u ovoj industriji u procesu formiranja mešavine po određenom receptu nužna je toplotna energija, da bi u završnoj fazi pre pakovanja proizvoda, proizvode trebalo ohladiti, nakon što im je data odgovarajuća forma. Trigeneracijska postrojenja našla su svoju primenu naročito u toplijim zemljama gde su zime blage i kratke, a leta veoma topla pa je izražena potreba za rashlađivanjem stambenih i radnih prostora, a naročito ako je neophodno instalirati centralni sistem klimatizacije. Trigeneracijsko postrojenje poseduje pored gasne turbine za proizvodnju električne energije i parnog kotla na izduvne gasove (HRSG) i rashladni uređaj (hladnjak) za proizvodnju rashladne energije. Najjednostavniji i ekonomski najpovoljniji rashladni uređaj je apsorpciona rashladna mašina, koji za dobijanje rashladne energije koristi raspoloživu otpadnu toplotu - niskopritisnu paru iz kotla na izduvne gasove. Na slici 17.4-15. shematski je prikazan princip rada jednog trigeneracijskog postrojenja.

Slika 17.4-15. Shematski prikaz gasne turbine baziran na trigeneracionom postrojenju


459

Mada se hladjenje može osigurati i pomoću konvencionalne rashladne mašine na električnu energiju (kompresor pogonjen elektromotorom) u praksi se znatno više primenjuju apsorpcione rashladne mašine. Apsorpcione mašine se jednostavno integrišu u kogeneracijsko postrojenje, gde koriste otpadnu toplotnu energiju, čime se postiže:

- smanjenje potrošnje sveukupne primarne energije, - direktna ušteda u potrošnji električne energije.

17.4.4. Evolucija paketne kogeneracije Tipičan modul, kapaciteta manjeg od 1 MW, je kompaktna zvučno izolovana mono-blok paketna jedinica, koja se sastoji od sledećih elemenata:

- Motor za generisanje mehaničke energije, - Generator za proizvodnju električne energije, - Jedinica za proizvodnju toplotne energije, - Sistem automatske kontrole i upravljanja (električna zaštita i niskonaponski razdelnik), - Zvučna izolacija.

17.4.5. Kogeneracija i životna sredina Visoka efikasnost kogeneracije i efikasno korišćenje goriva garantuju značajno sniženje emisije CO2. Međutim, kogeneracija može imati okolnih implikacija u obliku emisija CO, SO2 i N0x u atmosferu. Količina svakog generisanog zagađivača uveliko zavisi o vrsti korišćenog goriva te karakteristika prihvaćene tehnologije kogeneracije. CO je otrovan gas, koji nastaje radi nepotpunog sagorevanja i može se sniziti na zanemarljive nivoe emisije, osiguravajući pouzdanu kontrolu odnosa vazduh gorivo. SO2 je kiselinski gas koji nastaje pri sagorevanju goriva koja sadrže sumpor, kao što su nafta ili ugalj. Njegovo emitovanje uzrokuje kisele kiše. Izduvni gasovi koji sadrže sumpor su glavni uzročnici korozije uređaja za iskorišćavanje toplotne energije izduvnih gasova, ako dođe do ohlađenja SO2 ispod temperature kondenzacije. NOx je mešavina azotnih oksida koji nastaju u toku sagorevanja goriva s vazduhom, a njihovo nastajanje je funkcija uslova sagorevanja, karakterisana koeficijentom viška vazduha, temperaturom sagorevanja i provedenog vremena u ložištu. Novije tehnologije su neprekidno podvrgnute razvojnim promenama, bazirane su na motorima i gasnim turbinama, ali sada koristeći prirodni gas kao gorivo. Prirodni gas se smatra najčistijim medju fosilnim gorivima, jer ne sadrži sumpor ni deliće prašine. Međutim, emisija NOx je veća, posebno za primarne pogonske motore koji rade na visokim temperaturama. Odgovarajuće projektovane komore sagorevanja i kontrola karakteristika plamena, pomažu redukciji nastajanja NOx i kod motora i kod turbina. Samo projektovanje motora ne može eliminisati stvaranje NOx, čak šta više, nastojanja da se smanji NOx mogu voditi povećanju emisija CO sa adverznim uplivom na snagu i efikasnost. Radi toga se moraju primenjivati tehnologije "kraj cevi", kao što su one bazirane na sistemima katalitičke redukcije, kako bi se osigurale veoma niske emisije.


460

17.5. Pregled inovativnih tehnologija u proizvodnji električne energije

17.5.1. Postrojenja za sagorevanje u fluidizovanom sloju Tehnologiju sagorevanja u fluidizovanom sloju pod pritiskom i primenu termoenergetskim postrojenjima prvi je razvio, u poslednjih dvadeset godina ABB. Tehnologija se zasniva na sagorevanju uglja u fluidizovanom sloju pod pritiskom i primeni i gasne i parna turbine. Shematski prikaz jednog postrojenja zasnovanog na ovoj tehnologiji je prikazan na slici 17.5-1.

Slika 17.5-1. Shematski prikaz postrojenja sa fluidizovanim slojem pod pritiskom

U postrojenju sa fluidizovanim slojem pod pritiskom kotao, cikloni ili keramički filteri i pripadajuća oprema su smešteni u posudu pod pritiskom. Ova posuda ima zapreminu koja je oko četiri puta manja od zapremine kotla sa sagorevanjem ugljene prašine istog kapaciteta. Ugalj sagoreva u sloju (koji se nalazi unutar posude pod pritiskom) na temperatura koje su znatno niže od temperatura u klasičnim kotlovima sa sagorevanjem ugljene prašine i iznese od 840-870°C i na pritiscima od 12 do 16 bara. Navedene temperature u sloju su praktično određene zahtevom da mineralni sastojci goriva ostanu u čvrstom stanju. Pored toga, na ovom nivou temperatura, formiranje azotnih oksida je znatno manje nego u kotlovima sa sagorevanjem ugljene prašine. Zajedno sa gorivom u fluidizovani sloj se dovodi i vapnenac ili dolomit kao sorbent za redukciju sumpornih oksida, tako da se u fluidizovanom sloju nalaze gorivo, sorbent i pepeo. Fluidizacija sloja se ostvaruje pomoću vazduha koji se prethodno sabija u dvostepenom kompresoru (sa


461

međuhladnjakom, koji omogućava da temperatura vazduha na ulazu u fluidizovani sloj ne bude veća od 300°C) za odgovarajući pritisak. Fluidizovani sloj je "mehurast" a brzina vazduha potrebna za fluidizaciju iznosi 0,9 - 1,2 m/s. Visina fluidizovanog sloja je 3 - 4 m i može se regulisati u zavisnosti od opterećenja. U sloj su uronjene cevi isparivača u kojem se generiše para. Produkti sagorevanja koji nastaju u fluidizovanom sloju se, nakon prečišćavanja u ciklonima i/ili keramičkim filterima, vode u gasnu turbinu. Nakon ekspanzije u gasnoj turbini, produkti sagorevanja se vode u ekonomajzer, gde deo energije predaju kondenzatu i napojnoj vodi, a zatim prolaze kroz filter i odvede se u dimnjak. Para koja se generiše u fluidizovanom sloju se vodi u parnu turbinu. Ostali deo postrojenja predstavlja klasično termoenergetsko parno postrojenje. U jednom broju postrojenja se vrši i međupregrevanje pare, koje se vrši u prostoru iznad fluidizovanog sloja. Do sada je izgrađeno nekoliko postrojenja sa sagorevanjem u fluidizovanom sloju pod pritiskom, čiji su osnovni pokazatelji dati u tabeli 17.5-1.

Tabela 17.5-1. Osnovni parametri postrojenja i goriva u postrojenjima u radu

Naziv postrojenja

God. puštanja u pogon

Snaga Tip Toplotna moć

Sadržaj pepela u

%

Sadržaj vlage u

%

Sadržaj sumpora

u %

Värtan 1990

135 MWe /

224 MWth

2 x P200 Kogeneracija

22,4-29 MJ/kg DTM

8-21 6-15 0,1-0,5

Tidd 1990 70 MWe

1 x P200 Kondenzaciona

23,3-28,5 MJ/kg GTM

12-20 5-15 3,4-4

Escatron 1990 79,5 MWe

1 x P200 Kondezaciona

8,5-19 MJ/kg GTM

23-47 14-20 2,9-9

Wakamatsu 1993 71 MWe


24,2-29 MJ/kg GTM

2-18 8-26 0,3-1,2

Cottbus 1999 71 MWe

1 x P200 Kogeneracija

19 MJ/kg DTM 5,5 8-30 <0,8

Karita 1999 365 MWe


cca 26 MJ/kg DTM

<20 19 1

Osnovne karakteristike postrojenja sa sagorevanjem u fluidizovanom sloju pod pritiskom su:

Veći stepen iskorišćenja u poređenju sa klasičnim postrojenjima sa sagorevanjem sprašenog uglja (uštede u potrošnji goriva se procenjuju na 10-15 % sa mogućnošću da se povećaju na 20-25 % u narednim godinama)

Značajna redukcija oksida sumpora i azota u produktima sagorevanja, tako da nisu potrebni uređaji za prečišćavanje gasova.


462

Mogućnost korišćenja različitih vrsta čvrstih goriva (sve vrste ugljeva i biomase). Osnovne karakteristike goriva koja se koriste u postojećim postrojenjima su date u tabeli 2.

Kompaktna postrojenja. Prema jednom projektu površina potrebna za postrojenje sa 6 P200 blokova (6 gasnih i dve parne turbine), ukupne snaga 600 MWe, uključujući i bunkere za gorivo, dovod goriva i odvod pepela, iznosi - 4150 m2 (56x74 m), a visina iznosi 55 m.

Jedinične cene postrojenja sa fluidizovanim slojem variraju i iznese 1900-3700 US $/kW, (nedavna procena investicionih troškova za postrojenje Karita je, međutim, pokazala da je jedinična cena za ovo postrojenje iznosila 1263 US $/kW. Prognozira se da bi u drugoj generaciji cena mogla iznositi 1000 US $/kW.

17.5.2. Kombinovani ciklusi sa gasifikacijom Gasifikacija1 je proces konverzije čvrstih ili tečnih supstanci (goriva) u gasovito stanje koje sadrži, najvećim delom, ugljen monoksid (CO) i vodonik (H2). Prvi procesi gasifikacije uglja, u kojima je dobijan "gradski plin" (bogat metanom - CH4), razvijeni su krajem XVIII i početkom XIX veka. U tipičnim slučajevima proces gasifikacije se realizovao zagrevanjem uglja u komori bez prisustva oksidansa i na temperaturama od oko 1100°C. Sastav "gradskog plina" zavisi od vrste uglja i nakon prečišćavanja može imati 40-56 % H2, 24-30 % CH4, 4-8 % CO, 4-10 % N2, 2-3 % teških ugljovodonika, 1-2 % C02, 1 % O2. Toplotna moć ovog gasa je iznosila do 20,5 MJ/m3. Vodeni gas može nastati pri reakciji ugljenika i vodene pare:

C + H2O → CO + H2 .

Za ovu reakciju je potrebno dovoditi toplotu, a toplotna moć nastalog vodenog gasa je relativno niska i iznosi oko 11,2 MJ/m3. Vodeni gas, koji nastaje reakcijom uglja sa kiseonikom i vodenom parom je mešavina ugljen monoksida i vodonika. Vodeni gas iz kojeg je izdvojen CO2 naziva se sintetski gas. Sintetski gas je korišten, a delom se i sada koristi, za proizvodnju tečnih goriva. Razvijeno je više tipova procesa za gasifikaciju uglja. Ovi procesi se mogu klasifikovati po režimima strujanja, tj. prema načinu strujanja goriva i oksidansa kroz gasifikator. Prema ovoj podeli postoje tri osnovna tipa: "povučeno" (entrained) strujanje, fluidizovani sloj i pokretni (ili fiksni) sloj. U gasifikatorima sa "povučenim" strujanjem sprašeni ugalj struji u istom smeru kao i oksidans (obično kiseonik - O2). U ovim gasifikatorima se može gasifikovati i čvrsto i tečno gorivo. Veličina čestica čvrstog goriva je manja od 500 µm, a vreme boravka goriva u gasifikatoru je 1 - 10 sekundi. Osnovna karakteristika ovih gasifikatora je da u njima vlada visoka i ravnomerno raspoređena temperatura (obično iznad 1100°C). Zbog ovako visokih temperatura mineralni ostatak goriva se ispušta u obliku tečne šljake. Temperature nastalog gasa na izlazu iz gasifikatora su između 900 i 1400°C. U svetu je u pogonu više od 100 ovakvih gasifikatora. U gasifikatorima sa fluidizovanim slojem čestice čvrstog goriva lebde u struji oksidansa koji struji prema gore. Temperature u gasifikatoru su niže od 1000°C da nebi došlo do topljenja mineralnih sastojaka goriva. Radi toga se kao oksidans obično koristi vazduh. Veličina čestica goriva u fluidizovanom sloju je od 0,5 - 5 mm, a vreme boravka goriva u gasifikatoru je 5 - 50 sekundi.

1 Izraz gasifikacija je usvojen za termodinamički pojam isparavanja i konverzije čvrstih i tečnih goriva i

njihovo dovođenje u gasovito stanje


463

Temperature nastalog gasa na izlazu iz gasifikatora su 700 - 900°C. Dobro svojstvo gasifikatora sa fluidizovanim slojem je mogućnost korišćenja različitih vrsta čvrstih goriva (biomase i otpad). Relativno mali broj ovih gasifikatora je u pogonu. U gasifikatorima sa pokretnim slojem oksidans (vodena para i kiseonik) se uvodi na dnu posude gasifikatora. Nastali gas struji prema gore prolazeći kroz sloj čvrstog goriva, koji se postepeno spušta prema dole kako se odvija proces gasifikacije. Gas se pri prolazu kroz sloj goriva hladi sušeći ga i oslobađajući isparljive sastojke. Zbog ovih procesa je temperatura u gasifikatoru neravnomerna i može iznositi nešto više od 1000°C na dnu do oko 500°C na vrhu posude. Veličina čestica goriva u sloju iznosi od 5 - 50 mm, a vreme boravka goriva u gasifikatoru je 15 - 50 minuta. Temperature nastalog gasa na izlazu iz gasifikatora su izmedu 400 i 500°C. U svetu je u pogonu ili izgradnji nekoliko ovakvih gasifikatora. U prvim verzijama izrade ovih gasifikatora mineralni ostatak goriva je odvođen u čvrstom stanju. Od 1970-ih je razvijena nova verzija sa višim temperaturama, na dnu gasifikatora, pri kojima mineralni ostatak prelazi u tečno stanje. Gasifikatori se, takođe, klasifikuju i prema proizvođačima koji su razvili određeni tip tehnologije gasifikatora. Najveći broj (po kapacitetu) gasifikatora se zasniva na tehnologiji Texaco, a zatim Shell i Lurgi (sa odvodom mineralnog ostatka u čvrstem stanju).

Slika 17.5-2. Texaco gasifikator za termoelektranu Tampa u SAD

Radi ilustracije karakteristika gasifikatora navede se podaci za jedan od izvedenih Texaco gasifikatora (slika 17.5-2.). U ovom gasifikatoru mešavina uglja i vode (60 - 70 % uglja) i 95 % čistog kiseonika se uvodi na vrhu posude gasifikatora. Temperatura na kojoj se odvija reakcija


464

iznosi oko 1480°C, a mineralni ostatak se odvodi u tečnom stanju na dnu posude. Produkti gasifikacije u jednom delu posude nastrujavaju na površine izmjenjivača toplote u kojem se generiše zasićena para visokog pritiska (110 bara).

Slika 17.5-3. Prikaz gasifikacionog postrojenja

Istovremeno se nastali sintetički gas hladi i odvodi iz posude. U gasifikatoru ovoga tipa, izgrađenom za termoelektranu Tampa u SAD, neto snaga 250 MWe, dnevno se gasifikuje 2200 t/dan uglja, čiji sadržaj sumpora iznosi 2,5 - 3,5 %. Nastali sintetički gas ima gornju toplotnu moć 9950 kJ/m3. Temperatura sintetčkog gasa na izlazu iz gasifikatora iznosi 760°C, a pritisak je 30 bara. Najviše se gasifikuje ugalj, a zatim nafta, odnosno naftni ostatak. U cilju povećanja stepena iskorišćenja kao i smanjenja zagađenja okoline počeo je i razvoj termoenergetskih postrojenja sa gasifikacijom uglja. U ovim postrojenjima (slika 17.5-3.), ugalj se, nakon mlevenja, vodi u gasifikator. Nastali sintetički gas se, nakon hlađenja, prečišćavanja i izdvajanja sumpora, koristi u komori za sagorevanje gasne turbine. Produkti sagorevanja se, nakon ekspanzije u turbini, koriste u generatoru pare za proizvodnju dela pare, koja se koristi u parno-turbinskom delu postrojenja. Ukupni stepen iskorišćenja postrojenja je 43 %. Prednosti ove tehnologije:

Fleksibilnost u primeni različitih goriva Budući potencijal u povećanju efikasnosti Mogućnost povezivanja sa drugim procesima i dobijanja drugih proizvoda, ali su

investicioni troškovi još uvek dosta visoki. Očekuje se da će investiciona ulaganja za drugu generaciju postrojenja sa gasifikacijom iznositi maksimalno 1400 $/kW, a da će stepeni iskorišćenja dostići vrednosti 48 %, odnosno 50 % .


465

Još jedna od mogućnosti povećanja stepena korisnosti postrojenja sa gasifikacijom uglja je upotreba turbina sa mešavinom produkata sagorevanja i vodene pare. U ovim postrojenjima nema parne turbine, ali se dodavanjem vodene pare produktima sagorevanja, pre odvođenja u turbinu, povećava protok gasova kroz turbinu, a time i snaga turbine. Para koja se dodaje produktima sagorevanja se generiše u toku procesa gasifikacije i hlađenja produkata gasifikacije. S obzirom da se više od polovine ukupne snage postrojenja dobija u gasnoj turbini, dalji razvoj gasnih turbina, povećanjem temperature produkata sagorevanja, a time i stepena iskorišćenja, će uticati i na povećanje efikasnosti postrojenja sa gasifikacijom u celini. Poboljšanja parnog dela ciklusa i prečišćavanje sintetskog gasa na višim temperaturama će, takođe, omogućiti povećanje ukupnog stepena korisnosti postrojenja. Pored toga, uključivanje gorivnih ćelija u ova postrojenja, kao i povezivanje sa proizvodnjom vodonika i metanola mogu znatno proširiti interes za postrojenja sa gasifikacijom.

17.5.3. Gorivne ćelije Za razliku od klasičnih energetskih tehnologija sa sagorevanjem fosilnih goriva, gorivne ćelije su sistemi u kojima se hemijska energija goriva direktno transformiše u električnu energiju. Prvu gorivnu ćeliju patentirao je William Grove 1830. godine u Londonu, ali je njihov razvoj praktično započeo 1960.-ih sa primenom u vasionskim programima.

Slika 17.5-4. Shematski prikaz gorivne ćelije

U principu gorivna ćelija radi slično kao i baterija, ali za razliku od baterije, ne može se isprazniti i ne zahteva ponovno punjenje. Gorivna ćelija radi sve dok se dovodi gorivo. Sastoji se iz dve elektrode i elektrolita. Shematski prikaz jednog od tipova gorivne ćelije je prikazan na slici 17.5-4. Reakcije konverzije energije se odvijaju na elektrodama. Elektrode su porozne i vodonik ulazi u pore anode i dolazi do zona reakcije, gde se ostvaruje kontakt gasa, elektrolita i čvrste strukture. Vodonik difundira do elektrohemijski aktivnih mesta, gde ga elektrolit apsorbuje i rastvara. Na tim mestima vodonik disocira, stvarajući jone, pri čemu se oslobađaju elektroni. Kiseonik, odnosno vazduh, se dovodi na strani katode u čijim porama reaguje. Vrste reakcija su različite za različite tipove gorivnih ćelija.


466

Reakcija na anodi: 2H2 → 4H+ + 4e- Reakcija na katodi: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O(para) + Energija

Razvijeno je ili je u fazi razvoja nekoliko tipova gorivnih ćelija različitih karakteristika. Nazivi gorivnih ćelija su izvedeni iz naziva elektrolita koje koriste. Osnovni pokazatelji su dati u tabeli 17.5-2.

Tabela 17.5-2. Osnovni pokazatelji gorivnih ćelija

Tip Radna temperatura °C

Stepen iskorišćenja % Elektrolit Područije primene

AFC 60 - 90 50 - 60 35 - 50 % KOH Vasionski program / Transport

PAFC 160 - 220 55 Konc. Fosforna kiselina

Proizvodnja električne i toplotne energije

PEMFC 50 - 80 50 - 60 Polimeri Transport / Vasionski program

MCFC 620 - 660 60 - 65 Soli tečnih karbonata


SOFC 800 - 1000 55 - 65 Cirkonijumdioksid / Itrijum (keramika)


Najširu primenu u termoenergetici su do sada našle gorivne ćelije sa fosfornom kiselinom kao elektrolitom. Izgrađena su postrojenja snage od 200 kW do 11 MW. Gorivne ćelije snage 200 kWe su komercijalizovane i pokazale su se veoma pouzdanim izvorom energije. Do oktobra 2000. godine je instalisano, u različitim objektima, preko 200 ovakvih postrojenja. Ćelije koriste prirodni gas kao gorivo a potrošnja gasa je 53,8 m3/h. Pored električne energije dobija se i oko 264 kW toplotne energije (na temperaturi od oko 120°C). Neke od ovih ćelija su radile neprekidno (bez zastoja) više od 9000 sati, a ukupan broj sati rada ovih postrojenja je veći od 3 600 000. Najperspektivnijim za primenu u termoenergetici, kombinovanim ciklusima, a i za kogeneraciju, se smatraju gorivne ćelije sa keramičkim elektrolitom i gorivne ćelije sa karbonatima kao elektrolitom, zbog mogućnosti rada na višim temperaturama. Osnovne karakteristike gorivnih ćelija su:

- Visoki stepeni iskorišćenja - Modularna izrada - Mogućnost primene različitih goriva - Veoma malo zagađenje okoline i mala buka - Fleksibilnost u pogonu - Mogućnost primene u distributivnim sistemima


467

Očekuje se da bi stepen iskorišćenja kombinovanog postrojenja sa gorivnom ćelijom (tipa MCFC2

ili SOFC3) i gasnom turbinom mogao dostići vrednosti od 72 - 74%. Shema jednog takvog postrojenja, u kojem se koristi i gorivna ćelija tipa SOFC i gasna turbina (hibridni sistem), je prikazana na slikama 17.5-5. i 17.5-6.

Slika 17.5-5. Shema hibridnog postrojenja sa gasnom i gorivnom

Slika 17.5-6. SOFC gorivna ćelija

Modularna izrada znatno pojednostavljuje pripremu terena i izgradnju postrojenja i skraćuje vreme izgradnje. Prednosti ovakve proizvodnje su i u tome što svaki modul može početi rad odmah nakon instalisanja, nezavisno od stepena izgradnje drugih modula. Pošto je modul često malog kapaciteta u odnosu na ukupan kapacitet, zastoj u radu jednog modula ne utiče značajno na rad

2 MCFC – Molten Carbonate Fuel Cells 3 SOFC – Solid Oxid Fuell Cell


468

celokupnog postrojenja. Modularna izgradnja omogućava, takođe, kasnije proširenje kapaciteta i premeštanje postrojenja na drugu lokaciju, ako je to potrebno. Bitna karakteristika gorivnih ćelija je i da stepen iskorišćenja postrojenja neznatno zavisi od kapaciteta postrojenja, što nije slučaj sa najvećim brojem drugih postrojenja za proizvodnju električne energije. Stepen iskorišćenja postrojenja sa gorivnim ćelijama se veoma malo menja i sa promenom opterećenja. Poslednjih godina se ulažu značajna sredstva u dalji razvoj gorivnih ćelija. Jedan od ciljeva je smanjenje cene gorivnih ćelija za koje se predviđalo da bi do 2002. godine stigle iznos: $ 600 do $800/kW za termoelektrane na prirodni gas, $ 800 do $ 1000/kW za manja postrojenja i $1000 do $1200/kW za termoelektrane na ugalj.

17.5.4. Tehnologije sa eksternom toplotnom energijom a) Stirling-ova mašina Ciklus Stirlingove mašine je otkrio Rober Stirling 1816. god. Međutim, zbog njene male snage upotreba se nije proširila, mada je veoma podesna za pogon ventilatora i pumpi u izolovanim područjima gde nema dostupne električne energije, a na raspolaganju je eksterna toplotna energija. Princip rada mašine je kretanje klipa u cilindru napunjenom vazduhom ili nekim drugim gasom koji se alternativno širi i skuplja (kao rezultat grejanja ili hladenja), te tako potiskuje klip napred - nazad. Teorija na kojoj se bazira rad Stirling mašine je Carnot-ov ciklus, koji se sastoji od dve izoterme i dve adijabate. Međutim, u idealnom Stirling-ovom ciklusu dva procesa adijabatska (termalno izolovana) su zamenjena dvema izohorama, kao što je prikazano na slici 17.5-7.

Slika 17.5-7. Idealni Stirling-ov ciklus.

Stirling-ova mašina je nepodesna za zamenu kompaktnih benzinskih i diesel mašina za putničke automobile, ali za stacionarne aplikacije veličina mašine je nebitna. To je ujedno njena bitna prednost, tj. Stirling-ova mašina nema sagorevanje unutar cilindra kao što je slučaj sa motorima SUS, nego se to dešava izvan, u nečemu što bi se moglo nazvati kotlom. Stepen efikasnosti


469

Stirling mašina je negde između efikasnosti Otto i Diesel SUS motora. To implicira bolje sagorevanje i veću slobodu izbora goriva, između čvrstog, tečnog i gasovitog. Nadalje, najnovija istraživanja pokazuju da Stirling-ova mašina može raditi efikasno sa biogorivom, drvenom piljevinom sa sadržajem vlage i do 60%. Pored mnogih prednosti novo projektovane izvedbe Stirling-ove mašine, za potrebe postrojenja kogeneracije, je da zbog svoje hermetički zatvorene izvedbe imaju potrebe za veoma malo servisiranja (pouzdan rad preko 1 godine u poređenju sa 750 do 1000 sati za motore SUS) i održavanja. Očekivani životni vek bi trebao biti između 50 - 60 hiljada sati prema 10 hiljada za motor SUS.

Slika 17.5-8. Princip rada Stirling-ovog motora.

Zatvorena komora se na jednoj strani spolja zagreva, a na drugoj strani hladi. U komori zatvoreni gas (najčešće helijum) potiskuje klip 3 iz toplijeg ka hladnijem delu komore Gas se zagreva i ekspandira. Pritisak u komori raste. Radni klip broj 2 se potiskuje prema gore. Klip broj 1 se kreće nazad sa hladne na toplu stranu komore Gas se u komori hladi i ponovo smanjuje svoju zapreminu, pri čemu pritisak u komori opada. Radni klip se kreće prema dole. b) Termofotonaponska konverzija (TFN) generiše toplotu iz IC zračenja Mada koncept termofotonaponske ili termofotovoltične konverzije datira od 1960., nedavni prodori u grupi materijala III-V (alkalni metali) s niskim emitivnim spektrom i u spektralnim kontrolnim filterima, su podstakle ponovni interes za ovu energetsku konverziju. Namenjeni su prenosivim, malim, laganim generatorima, hibridnim elektro-vozilima, kućnim aparatima nezavisnim od mreže, i kao alternativa nuklearnim reaktorima kao generatorima energije za svemirske namene. Temperature za raznorodne aplikacije variraju između 800 - 1700°C. TFN sistemi imaju potencijalne mogućnosti dosezanja stepena efikasnosti konverzije ekvivalentnih, konvencionalnim sistemima toplotnih mašina, zbog njihove sposobnosti rekuperacije otpadne toplote. TFN sistem konverzije je jedini koncept koji funkcioniše na nivou bliskom okolnoj temperaturi, što vodi velikoj pouzdanosti sistema. Konfiguracija TFN Sistema U tipičnoj konfiguraciji TFN sistema, prikazanoj na slici 17.5-9., uređaj kontrole spektra se smešta između emitera zračenja i poluprovodničke diode, nazvane filter prednje površine. U ovakvoj konfiguraciji filter mora vršiti dve funkcije:

1. transmisiju svetla iznad uskog raspona spektra (bandgap) svetlosti i 2. refleksiju ispod ovog uskog raspona.


470

Transmisija svetla iznad uskog raspona spektra i refleksija ispod tag raspona spektra zahteva razvoj filtera širokog spektra, koji istovremeno funkcioniše za sve upadne uglove (0 do 90°). Alternativno je moguće smestiti uređaj kontrole spektra iza TFN diode i filtera, tada je u pitanju reflektor stražnje strane, čime se konceptualno pojednostavljuje izvedba filtera, ali se mora voditi računa o apsorpciji fotona ispod uskog raspona spektra. Spektralni filter je ključni uređaj efikasnog sistema zbog malog udela (20-30%) pretvorljive energije fotona. Ako se niskoenergetski fotoni ne bi vratili na emiter zračenja, njihova energija će preći na rashladnu vodu sistema kao otpadna toplota. Njihovo reflektovanje nazad na emiter zračenja (njihova reciklaža) u suštini zahteva manje energije, za održavanje emitera energije, na istoj temperaturi.

Slika 17.5-9. Shematski prikaz TFN sistema koji sadrži filter prednje površine

kao uređaj kontrole spektra

17.6. Tipične oblasti primene kogeneracije Idealno mesto potrošnje energije ili lokalitet za građenje sistema kogeneracije ima sledeće karakteristike:

- Pouzdane potrebe za električnem energijom, - Relativno stabilan tok električnih i toplotnih potreba, - Veće potrebe toplotne od električne energije, - Duge sate pogona tokom godine, - Nedostupnost mreže komunalno-javnog električnog preduzeća, ili visoke cene

električne energije sa mreže.

Tipične su tri odvojene oblasti primene kogeneracije: - Preduzeće komunalne javne kogeneracije: Snabdeva sistem daljinskog grejanja i/ili

hlađenja; - Industrijska kogeneracija: primenjiva uglavnom za dva tipa industrije, neke koje zahtevaju

toplotnu energiju visokog temperaturnog nivoa (rafinerije, proizvodnja đubriva, čelik, cement, industrija keramike i stakla), a druge na niskom temperaturnom nivou (proizvodnja papira, predionice tekstila, proizvodnja hrane i bezalkoholnih pića itd.);

- Komercijalno-institucionalna kogeneracija: posebno podesna za institucije kontinualnog pogona, kao što su hoteli, bolnice te univerzitetski kompleksi (university campus), itd..


471

17.6.1. Direktno korišćenje otpadne toplote Neophodno je ukazati da postaji vrlo rašireno i vrlo ekonomično direktno korišćenje otpadne toplote, odnosno direktno korišćenje visokotemperaturnih izduvnih gasova (450 - 500°C) iz gasne turbine. Direktno ili "suvo" korišćenje otpadne toplote predstavlja veoma jednostavno tehničko rešenje kogeneracijskog postrojenja, koje se sastoji u tome da se izduvni gasovi iz gasne turbine direktno vode u industrijski tehnološki proces tj. do mesta njihove potrošnje.

17.6.2. Pokrivanje baznog električnog opterećenja Kod ove konfiguracije, postrojenje kogeneracije se dimenzioniše da pokrije minimalne potrebe električne energije na mestu potrošnje na osnovu poznavanja krive potrošnje. Ostatak potrebne energije se kupuje iz mreže javnog-komunalnog preduzeća. Potrebe u toplotnoj energiji lokaliteta može pokriti sam sistem kogeneracije, ili iz dodatnih kotlovskih postrojenja. Ako toplotna energija generisana pri baznom električnom opterećenju prekoračuje potrebe postrojenja na lokalitetu, višak toplotne energije se može prodavati susednim potrošačima, kada to situacija dozvoljava.

Slika 17.6-1. Ciklus kogeneracije niskog-donjeg (bottoming) tipa

Ovde se sistem kogeneracije dimenzioniše da isporuči minimum potrebne toplotne energije postrojenja na lokalitetu. Stand-by kotlovi ili dodatni gorionici su u pogonu u vrijeme povećanih potreba u toplotnoj energiji. Instalisana primarna pogonska mašina radi svo vreme na punom opterećenju. Ako potrebe u električnoj energiji prevazilaze one koje osigurava primarna pogonska mašina, ostatak se može kupiti iz elektrodistributivne mreže. Skladno tome, ako lokalna zakonska regulativa to omogućava, višak električne energije može biti prodat lokalnom komunalnom preduzeću.


472

Slika 17.6-2. CHP tehnologije za industiju i komercijalni sektor potrošnje, snage u rasponu od 1 do 20 MW

17.6.3. Pokrivanje-praćenje električnog opterećenja U ovoj pogonskoj shemi postrojenje kogeneracije je potpuno nezavisno od električne mreže komunalnog poduzeća. Sve potrebe električne energije na lokalitetu, uključujući potrebne rezerve za vreme planiranih i neplaniranih održavanja, treba uzeti u obzir pri dimenzionisanju sistema. Ovom sistemu se pridružuje i pojam "sistem za sebe". Ako su toplotne potrebe potrošača lokaliteta veće od generisanih u sistemu kogeneracije, koriste se pomoćni kotlovi. S druge strane u slučaju kada je potreba za toplotnom energijom mala, deo toplotne energije se baca (gubi). Ako postoji mogućnost ovaj višak toplotne energije se može "isporučivati" susednim potrošačima.

17.6.4. Pokrivanje-praćenje toplotnog opterećenja Sistem kogeneracije se projektuje da pokrije potrebe toplotne energije u svakom trenutku. Primarne pogonske mašine rade tako da prate toplotno opterećenje. Tokom vremena, ima trenutaka kada potrebe u električnoj energiji prevazilaze proizvodnju. Deficit se može pokriti kupovinom sa mreže. Slično, ako lokalna zakonska regulativa to omogućuje, višak proizvedene električne energije se može prodati komunalnom elektro-distributivnom preduzeću. Za upotrebu, odnosno korišćenje ovog odnosno ovakvih dijagrama, neophodno je imati sledeće informacije:

17.6.5. Cene goriva Kod izračunavanja cena energije proizvedene u kogenerativnom postrojenju, odnosno, kod utvrđivanja ekonomske opravdanosti izgradnje jedne kogeneracije, bitne stavke čine cene električne energije i primarnog goriva u jednoj zemlji. Ove cene se značajno razlikuju od zemlje do zemlje. U zemljama Evropske Unije, cene električne energije i cene goriva-prirodnog gasa veoma se razlikuju za domačinstva i industriju. Isto tako veoma se razlikuje procentualno učešće


473

proizvodnje električne energije u kogeneracijskim (CHP) postrojenjima u odnosu na ukupnu proizvodnju energije u pojedinim zemljama. Generalno se može zaključiti: realne cene električne energije, koje sadrže pune troškove njene proizvodnje, susreću se u zemljama realne ekonomije, dakle u zemljama Evropske Unije, dok se nerealne cene električne energije uglavnom susreću u tranzicionim zemljama Istočne Evrope, videti tabelu 17.6-1. Objašnjenje za ovo stanje nalazi se u tome da su u zemljama tranzicije troškovi goriva još uvek ispod tržišnog nivoa, amortizacija opreme u energetskim objektima je otpisana ili na niskim polaznim osnovama (nerealnim), a kao glavni faktor za nisku cenu energije u domaćinstvima je niska platežna moć stanovništva. Za ekonomsku opravdanost izgradnje kogeneracija, odlučujući faktor je odnos cena električne i toplotne energije (prirodnog gasa) za industriju i to svedene na istu jediničnu vrednost: US cent/kWh. U tabeli 17.6-2. dat je pregled cena električne energije i prirodnog gasa u nekim zemljama Evrope za domaćinstva i industriju i odnos cena električne energije i prirodnog gasa [US cent/kWh]. Podaci: 1996-1999 god.

Tabela 17.6-1. Cene električne energije za domaćinstva i industriju u nekim zemljama Evrope u US cent/kWh

Domaćinstva Industrija Zemlja

1996 1997 1998 1999 1996 1997 1998 1999

Austria 19.40 16.12 16.77 - 8.12 8.08 7.84 - Belgium 17.09 16.76 - - 6.54 5.51 - - Czech Republik 3.83 3.69 4.96 5.12 5.93 5.17 5.17 4.83, Finland 11.07 10.04 9.78 9.14 6.18 5.18 5.01 4.58 France 16.39 13.40 12.89 - 5.66 4.88 4.67 - Germany 18.03 15.73 15.81 - 8.60 7.16 6.73 - Hungary 5.96 6.76 6.97 7.26 4.82 5.44 5.59 5.50 Italy 17.77 15.94 15.94 14.73 10.14 941 9.48 8.59 Netherlands 14.80 12.96 12.80 13.25 7.15 6.29 6.24 6.09 Norway 8.13 7.77 6.70 6.32 - - - - Poland 6.53 6.24 6.68 6.42 4.00 3.62 3.71 3.69 Romania 1.90 2.30 3.60 - - - 5.00 - Slovak Republic 3.1 2.90 2.80 3.5 5.2 5.2 5.2 5.2 Spain 19.03 16.53 15.40 14.33 7.76 6.45 5.88 5.58 Switzerland 15.95 13.55 13.49 13.05 12.03 10.18 10.11 9.57 Turkey 8.60 7.40 - - 8.53 7.73 7.54 7.94


474

Tabela 17.6-2. Pregled cena električne energije i prirodnog gasa u nekim zemljama Evrope u US cent/kWh

Prirodni gas Električna energija Zemlja

Industrija Domaćinstva Industrija Domaćinstva

Odnos cena el. energije i prirodnog gasa za industriju

Austrija 1.33 3.38 7.8 16.8 5.86 Bosna i Hercegovina 2.54 1.72 9.69 4.41 3.82

Finska 1.1 1.34 4.6 9.1 1.66 Grčka 2.94 1.56 4.9 9 1.66 Madarska 1.16 1.29 5.6 7.3 1.66 Rumunija 0.56 0.45 5 3.6 8.93 Švajcarska 1.85 3.54 9.6 13.1 5.19 Turska 1.39 1.34 4.6 9.1 3.3

Na osnovu iskustvenih pokazatelja može se reći da u jednoj zemlji postoji ekonomska opravdanost izgradnje kogeneracije ako odnos cena električne energije i prirodnog gasa iznosi minimum 2,5-3,0 ili više. Drugim rečima, izgradnja kogeneracija ima svoje opravdanje u svim zemljama sa visokom cenom električne energije i niskom cenom prirodnog gasa za industriju. Nažalost, nijedan od ovih ključnih faktora nije u rukama potrošača (industrije) nego zavisi od energetske politike zemlje. Svaka zemlja koja planira svoj razvoj, a on se u prvom redu zasniva na industrijskom razvoju, mora voditi računa da cene energije budu realne, stabilne i dugoročne. Međutim to nije slučaj sa zemljama u tranziciji! Drugi bitan uticaj na ekonomsku opravdanost kogeneracije, pored cene goriva, čine pogonski sati kogeneracijskog postrojenja. Dnevni, nedeljni, sezonski i godišnji broj sati rada postrojenja, zatim pogonski režim rada, tj. oscilacije u potrošnji električne i toplotne energije, (koji zavise od tehnološkog procesa potrošača), predstavljaju bitnu slavku u svim ekonomskim proračunima i utiču ne samo na ekonomsku opravdanost kogeneracije nego i na sam izbor sistema kogeneracije. Uopšte se smatra da je izgradnja kogeneracija ekonomski opravdana ako je minimalni godišnji broj pogonskih sati iznad 4.000. Ako je broj pogonskih sati između 3.000 - 4.000, uz određene zahvate i druge tehničke uslove i konkretna rešenja na lokalitetu (npr. izgradnja jednog kogeneracijskog postrojenja za više potrošača), kogeneracijsko postrojenje takođe može naći svoje ekonomsko opravdanje.

SNABDEVANJE

GASOM

SNABDEVANJE

GASOM

Karakteristike prirodnog i

tečnog naftnog gasa

Karakteristike prirodnog i

tečnog naftnog gasa

18.18.

479

18. Karakteristike prirodnog i tečnog naftnog gasa Kada se govori o gasovitim gorivima, najčešće se ima u vidu kao gorivo prirodni gas ili tečni naftni gas. U grupu gasovitih goriva spadaju i vodonik, acetilen, generatorski gas, biogas, ..., međutim oni se za sada ne nalaze u širokoj primeni i predmet ovog poglavlja su pre svega karakteristike prirodnog gasa, istovremeno je dat osvrt na karakteristike tečnog naftnog gasa (propan-butana), a ostala gasovita goriva se spominju radi poređenja pojedinih karakteristika.

18.1. Prirodni gas Prirodni gas je smeša gorivih i negorivih gasova sa osnovnim sastojkom: metanom (CH4) od 85 % do 98 % (-Vol.). Ostali gasovi koji sačinjavaju prirodni gas su ugljo-vodonici: etan (C2H6), propan (C3H8), butan (C4H0), pentan (C5H2) i negorivi gasovi: azot (N2), ugljen-dioksid (CO2). Prirodni gas se dobija iz čisto gasnih ležišta (porozne stene) i gasno kondenzatnih ležišta uz ili u blizini nalazišta sirove nafte, najčešće kao gasni pokrivač naftnog nalazišta. Prirodni gas se smatra „suvim" ako sadrži manje od 0,013 l/m3 tečnih ugljovodonika, odnosno iznad te granice se smatra „mokrim". Sastav prirodnog gasa zavisi od nalazišta. Prednosti u korišćenju prirodnog gasa su:

- veća produktivnost i manji gubici pri dobijanju i transportu u odnosu na druga goriva; prirodni gas ne zahteva složenu i skupu preradu; mogućnost korišćenja kao tehnološko i energetsko gorivo;

- ekološka podobnost zbog relativno malog udela štetnih sastojaka u produktima sagorevanja; ekonomičan transport na velike udaljenosti (ako se izuzmu troškovi izgradnje gasovoda i pratećih instalacija);

- mogućnost potpune automatizacije procesa sagorevanja procesa u kojima se prirodni gas koristi; visok stepen korisnosti gasnih aparata; mogućnost korišćenja kao sirovine u hemijskim procesima (proizvodnja metanola).

Nedostaci primene prirodnog gasa su: - eksplozivnost prirodnog gasa u smeši sa vazduhom; relativno visoki troškovi izgradnje

instalacija za prirodni gas (podzemna skladišta, gasovodi, stanice, gradski razvodi,...); - intenzitet predaje toplote zračenjem je nešto slabiji nego kod drugih goriva (slabosvetleći

plamen).

18.2. Termini, definicije i karakteristične veličine gasovitih goriva (SRPS H.F1.001, SRPS M.E6.300)

Gasovita goriva Gasovi i njihove smeše čija je prvenstvena namena proizvodnja toplotne energije sagorevanjem u gasnim trošilima. Osnovni gasovi Gasovita goriva koja se potrošačima isporučuju putem javnog distributivnog sistema. Gasovi za zamenu Gasovite smeše koje, i pored razlika u sastavu i karakteristikama u odnosu na osnovni gas pri istom pritisku i istoj podešenosti gasnog trošila daju na gorioniku isti učinak.

18. Karakteristike prirodnog i tečnog naftnog gasa

480

Dodatni gasovi Smeše gasova, koje su po sastavu i karakteristikama bitno različite od osnovnog gasa, ali se mogu dodavati osnovnom gasu u određenim količinama. Pri tome se mora zadržati kvalitet rada gorionika u utvrđenim granicama. Ispitni gasovi Tehnički čisti gasovi i/ili njihove smeše. koji se koriste pri ispitivanju gasnih trošila. Izgoreli gas Izgorela smeša gorivog gasa i vazduha pre potpuno predate korisne toplote. Produkti sagorevanja Izgoreli gasovi koji su potpuno predali toplotu. Normalno stanje gasa Stanje gasa u normalnim uslovima, tj. kada je: temperatura 273,15 K (0°C), apsolutni pritisak 1013 mbar. Standardno (referentno) stanje gasa Stanje kada je gas suv na temperaturi 288,13 K (15°C), apsolutnom pritisku od 1013 mbar. Pogonsko (upotrebno,radno) stanje Stanje koje je određeno stvarnim pritiskom i stvarnom temperaturom i vlažnošću gasa na mestu merenja. Količina m, V i protok Qm i Qv Količina gasa se u gasnoj tehnici iskazuje u jedinicama mase ili zapremine:

- oznaka za masenu količinu gasa, m; - jedinica mere za masenu količinu, kg - oznaka za zapreminsku količinu gasa, V; - jedinica mere za zapreminsku kol., m3.

Količina gasa iskazana zapreminom (V) zavisi od temperature i pritiska, dok količina gasa iskazana masom (m) ne zavisi od temperature i pritiska. Radi iskazivanja količine gasa u određenim stanjima (temperatura, pritisak, vlažnost) uvode se sledeći pojmovi:

- normalna zapremina Vn: zapremina gasa u normalnom stanju, - standardna zapremina Vs: zapremina gasa u standardnom stanju, - pogonska zapremina V, zapremina gasa u pogonskom stanju.

Protok gasa (Qm i Qv) je određena količina gasa (m, V) koja u određenom vremenu (t) protiče kroz gasovod i određuje se jednačinama:

rmQm = [kg/s,kg/h] ............................................................................................ (18.1)

τVQv = [ ]hmsm /,/ 33 ....................................................................................... (18.2)

Analogno normalnoj i standardnoj zapremini definišu se i normalni i standardni zapreminski protok.


481

18.3. Redukcija zapremine gasa Redukcija zapremine gasa podrazumeva proračunavanje zapremine iz pogonskog stanja u normalno. Pri tome se uzima u obzir vlažnost i kompresibilnost gasa, kada je to potrebno. Polazi se se od jednačine stanja realnog gasa prema relaciji 18.3, preko relacije 18.4 i 18.5 se dobija relacija 18.6.

nn

nne

ZTVp

TZVp

= ...................................................................................................... (18.3)

ZZ

pp

TTVV n

n

enn = ................................................................................................ (18.4)

Kpp

TT

ZZ

pp

TTf enn

n

enr

1== ................................................................................ (18.5)

VfV Rn = ............................................................................................................ (18.6)

pri čemu su: V i Vn - zapremine gasa u pogonskom i normalnom stanju [m3];

pe - efektivni pritisak gasa u pogonskom stanju prema jednačini 18.7; pn - pritisak gasa u normalnom stanju [bar, mbar];

T i Tn - temperature gasa u pogonskom i normalnom stanju [K]; Z i Zn - faktor realnog gasa u pogonskom i normalnom stanju. Faktor realnog gasa u

normalnom stanju Zn je dat u tabeli, dok se faktor realnog gasa može dobiti pomoćufaktora kompresibilteta K;

K=Z/Zn - faktor kompresibiliteta. Dijagram faktora kompresibilteta je za prirodni gas prikazan na slici 18.3-1. Za temperature prirodnog gasa do 12°C i pritiske gasa do 70 bar se K može odrediti pomoću Hemingove formule, dok se za vrednosti apsolutnog pogonskog pritiska (P0

+P) =Pn određuje uz upotrebu slika. fr - faktor redukcije [-].

Pe = Po + P - Ps 100ϕ ........................................................................................... (18.7)

pri čemu su: Po - atmosferski pritisak (barometarski) na mestu merenja [mbar.bar]; p - pritisak gasa na mernom mestu (manometarski) u pogonskom stanju [mbar,bar];

Ps - parcijalni pritisak zasićene vodene pare prema tabeli za (pogonsku) temperaturu t [mbar,bar];

ϕ - relativna vlažnost gasa [%];

4501 ppK o −−≈ ................................................................................................... (18.8)

pri čemu su: po - atmosferski pritisak (barometarski) na mestu merenja [bar]; p - pritisak gasa na mernom mestu (manometarski) u pogonskom stanju [bar]


482

Slika 18.3-1. Vrednosti faktora kompresibilteta K za prirodni gas za pa + p < 300bar

Slika 18.3-2. Vrednosti faktora kompresibilteta K za prirodni gas za po + p < 80 bar

U slučaju kada se može smatrati K>1, uvrštavanjem odgovarajućih vrednosti u jednačinu 18.5 dobija se jednačina

Apsolutni pogonski pritisak 0( )p p+ u bar


483

01325,1100

15,27315,273 0

ϕs

r

ppp

tf

−+

+= ....................................................................... (18.9)

pri čemu su: t - pogonska temperatura [°C]

po - atmosferski pritisak (barometarski) na mestu merenja [bar]; p - pritisak gasa na mernom mestu (manometarski) u pogonskom stanju [bar];

ps - parcijalni pritisak zasićene vodene pare [bar] prema tabeli za (pogonsku) temperaturu t; ϕ - relativna vlažnost gasa

18.3.1. Pritisak gasa p Pritisak gasne smeše jednak je zbiru parcijalnih pritisaka komponenata te smeše (Daltonov zakon). U gasnoj tehnici se uobičajno uz termin pritisak dodaje atribut: atmosferski, apsolutni, protočni,... . Kada se spominje samo termin „pritisak" bez dodatnih atributa najčešće se podrazumeva protočni nadpritisak u gasnoj instalaciji (relativni, manometarski). Oznaka p; Jedinica mere: Pa, kPa, MPa, bar, mbar...

18.3.2. Atmosferski prilisak p0 Atmosferski (barometrski) pritisak je prouzrokovan težinom zemljine atmosfere. Sa porastom nadmorske visine on opada. Atmosferski pritisak se meri barometrom i on oscilira u toku vremena oko određene karakteristične vrednosti za odgovarajuću nadmorsku visinu. (Karakteristična vrednost za atmosferski pritisak na nadmorskoj visini 0 - nivo mora je normalni pritisak) Oznaka p0; Jedinica mere: Pa, kPa, Mpa, bar, mbar...

18.4.3. Apsolutni pritisak pabs Apsolutni pritisak je jednak zbiru atmosferskog i relativnog (manometarskog) nadpritiska, kod nadpritiska se izračunava preko jednačine 18.10, a kod podpritiska pomoću jednačine 18.11.

Pabs =P0+P [bar,mbar]..................................................................................... (18.10)

Pabs = P0 – P [bar.mbar]................................................................................... (18.11)

pri čemu su: pabs - apsolutni pritisak [bar,mbar],

p0 - atmosferski pritisak [bar,mbar], p - relativni (manometarski) pritisak gasa [bar,mbar].

18.3.4. Pritisak gasa u mirovanju psr Pritisak gasa u mirovanju je nadpritisak gasa (manometarski, statički) kada je gas u mirovanju: zaporni organi na gasnoj instalaciji su zatvoreni. Oznaka psr Jedinica mere: Pa, kPa, Mpa, bar, mbar...


484

Slika 18.3-3. a) pritisak gasa u mirovanju, b) pritisak gasa pri proticanju

18.3.5. Pritisak gasa pri proticanju p Pritisak gasa pri proticanju ili protočni pritisak je nadpritisak gasa u gasnom vodu kada su zaporni organi otvoreni. Meri se manometrom, kao i pritisak gasa u mirovanju i ovaj pritisak je manji od pritiska gasa u mirovanju: slika 18.3-3b., i jednačina (18.12). Oznaka p; Jedinica mere: Pa, kPa, MPa, bar, mbar,...

ρ2

2g

srw

pp −= ................................................................................................ (18.12)

pri čemu su: p - pritisak gasa pri proticanju (manometarski) [Pa];

psr - statički pritisak [Pa], wg - brzina strujanja gasa [m/s], ρ - gustina gasa u pogonskom stanju [kg/m3].

18.4.6. Priključni pritisak p Priključni pritisak je protočni pritisak gasa meren na mestu priključka gasnog aparata (trošila). Oznaka p; Jedinica mere: Pa, kPa, Mpa, bar, mbar...


485

18.4.7. Toplotna vrednost - gornja Hgn Količina toplote koja se oslobađa potpunim sagorevanjem određene zapremine ili mase gasa pri konstantnom pritisku dok je voda nastala sagorevanjem u tečnom stanju. Pri tome se uzima da je temperatura produkata sagorevanja 0°C, a vazduh potreban za sagorevanje da je suv i da mu je temperatura 0°C. Gornja toplotna vrednost svodi se na l m3 suvog gasa pri 0°C i pritisku 1013 mbar ili na l kg suvog gasa. Oznaka: Hgn; Jedinica mere: MJ/m3, MJ/kg, kWh/m3,...

18.4.8. Toplotna vrednost – donja Hdn Količina toplote koja se razvija potpunim sagorevanjem određene zapremine ili mase gasa pri konstantnom pritisku. Pri tome se uzima da je temperatura produkata sagorevanja 0°C i da je voda nastala sagorevanjem u stanju pare, a vazduh potreban za sagorevanje daje suv i da mu je temperatura 0°C. Donja toplotna vrednost svodi se na l m3 suvog gasa pri 0°C i pritisku 1013 mbar ili na l kg suvog gasa. Oznaka Hdn Jedinica mere: MJ/m3, MJ/kg, kWh/m3... Veza između donje i gornje toplotne vrednosti data je jednačinom:

Hd=Hg-wr.......................................................................................................... (18.13)

pri čemu su: w - količina vodene pare u produktima sagorevanja [kg/kg, m3/m3 ], r - toplota kondenzacije, za w (pri normalnom stanju) u m3: r = 1963 kJ/m3, u kg:

r = 2442 kJ/kg.

18.3.9. Relativna gustina d Odnos gustine gasa i gustine suvog vazduha pod istim atmosferskim uslovima pritiska i temperature.

vazduha

gasadρρ

= ..................................................................................................... (18.14)

Gustina vazduha u normalnom stanju iznosi 1,293 kg/m3

18.3.10. Wobbe indeks-gornji Wgn, donji Wdn Karakteristična vrednost za toplotno opterećenje. Gorivi gasovi različitog sastava sa jednakim Wobbe indeksom i pri jednakom pritisku (pritisku mlaznice ili plamenika) daju na plameniku približno isto toplotno opterećenje. Gornji Wobbe indeks je količnik između gornje toplotne vrednosti i kvadratnog korena relativne gustine. Donji Wobbe indeks je količnik između donje toplotne vrednosti i kvadratnog korena relativne gustine.


486

d

HW gn

gn = ....................................................................................................... (18.15)

dHW dn

dn = ....................................................................................................... (18.16)

18.3.11. Maksimalna laminarna brzina plamena maxλ Najveća brzina širenja plamena pri sagorevanju, koju može postići neki gas uz mešanje sa vazduhom pri laminarnom strujanju gasa pri nekoj određenoj temperaturi.

Oznaka maxλ

Jedinica mere: m/s, cm/s...

18.3.12. Teorijska količina vazduha Lmin Količina vazduha potrebna za potpuno sagorevanje jednog kubnog metra gasovitog goriva u normalnom stanju, i to pod istim uslovima stanja. Oznaka Lmin; Jedinica mere: m3/ m3.

18.3.13. Temperatura paljenja tp Temperatura paljenja je temperatura koja u odgovarajućoj smeši gorivog gasa i vazduha omogućava otpočinjanje sagorevanja, nakon čega se uspostavlja ustaljen proces sagorevanja. Oznaka tp; Jedinica mere: K,°C.

18.3.14. Granice eksplozivnosti - donja DGE, gornja GGE Donja odnosno gornja granica eksplozivnosti pokazuje u kom je (zapreminskom) odnosu mešanja gasa i vazduha moguće sagorevanje odnosno eksplozija. Oznaka DGE, GGE; Jedinica mere: -vol % (zapreminskih procenata gorivog gasa u smeši gas-vazduh)

18.3.15. Relativna vlažnost gasa ϕ Kada gorivi gas sadrži u sebi vodenu paru, smatra se vlažnim, u suprotnom smatra se suvim. Vlažnost gasa se iskazuje kroz relativnu vlažnost ϕ

100s

p

pp

=ϕ ...................................................................................................... (18.17)


487

100s

p

ϕϕ

ϕ = ....................................................................................................... (18.18)

Pri tome su: pp - parcijalni pritisak vodene pare pri pogonskom stanju [mbar] ps - parcijalni pritisak vodene pare pri stanju zasićenja [mbar]

pϕ - apsolutna vlažnost u pogonskom stanju, tj. masa vodene pare po jedinici zapremine vlažnog gasa [kg/m3]

sϕ - apsolutna vlažnost u stanju zasićenja [kg/m3]

Ako je vlažnost gasa poznata za normalno stanje potrebno je izračunati vlažnost gasa za pogonsko stanje

TppT

n

npnp ϕϕ = .................................................................................................. (18.19)

Pri čemu su:

pnϕ - apsolutna vlažnost u stanju zasićenja pri normalnom stanju, [kg/m3]

p - apsolutni pritisak gasa u pogonskom stanju [bar] pn - apsolutni pritisak gasa u normalnom stanju pn= 1,013 bar T - temperatura gasa u pogonskom stanju [K]

Tn - temperatura gasa u normalnom stanju Tn = 273,15 K

Analogno za stanje zasićenja važi:

( )Sn

nsOH Tp

Tp2

ϕϕ = .............................................................................................. (18.20)

Pri čemu su: ϕ(H2O) - apsolutna vlažnost u stanju zasićenja pri normalnom stanju p=0,854 kg/m3;

Ts = T - temperatura zasićenja jednaka je temperaturi gasa u pogonskom stanju [K] Ps - parcijalni pritisak vodene pare pri stanju zasićenja [mbar] pri temperaturi T

Na osnovu navedenih relacija dobija se jednačina:

100854,0 s

pn

ppϕ

ϕ = .............................................................................................. (18.21)

Pri čemu su: p - apsolutni pritisak gasa u pogonskom stanju [mbar]

ps - parcijalni pritisak vodene pare pri stanju zasićenja [mbar] pri temperaturi t


488

Tabela 18.3-1. Parcijalni pritisak vodene pare ps i apsolutna vlažnost sρ u zasićenom gasu

t °C

ps bar

/* kg/m3

t °C

ps bar

ϕs kg/m3

t °C

ps bar

ϕs kg/m3

-20 0,001039 0.000884 13 0,014981 0.011355 42 0,082090 0,056608 - 18 0,001249 0,001061 14 0,015989 0,012078 44 0,091118 0,062451 - 16 0,001507 0,001270 15 0,017057 0,012840 46 0,100988 0,068797 -14 0,001812 0,001515 16 0,018188 0,013644 48 0,111764 0,075682 - 12 0,002173 0,001804 17 0,019383 0,014491 50 0,123513 0,083140 -10 0,002599 0,002141 18 0,020647 0,015384 52 0,136305 0,091210 -8 0,003100 0,002534 19 0,021982 0,016324 54 0,150215 0,099931 -6 0,003687 0,002992 20 0,023392 0,017313 56 0,165322 0,109344 -4 0,004375 0,003523 21 0,024881 0,018353 58 0,181704 0,119492 -2 0,005177 0,004139 22 0,026452 0,019447 60 0,199458 0,130418 0 0,006112 0,004851 23 0,028109 0,020596 62 0,218664 0,142170 1 0,006571 0,005196 24 0,029856 0,021804 64 0,239421 0,154795 2 0,007060 0,005563 25 0,031697 0,023073 66 0,261827 0,168344 3 0,007581 0,005952 26 0,033637 0,024404 68 0,285986 0,182869 4 0,008135 0,006365 27 0,035679 0,025801 70 0,312006 0,198423 5 0,008726 0,006802 28 0,037828 0,027266 72 0,340001 0,215063 6 0,009354 0,007265 29 0,040089 0,028802 74 0,370088 0,232846 7 0,010021 0,007756 30 0,042467 0,030412 76 0,402389 0,251832 8 0,010730 0,008276 32 0,047592 0,033864 78 0,437031 0,272083 9 0,011483 0,008825 34 0,053247 0,037647 80 0,474147 0,293663

10 0,012282 0,009407 36 0,059475 0,041785 90 0,701824 0,423882 11 0,013129 0,010021 38 0,066324 0,046306 100 1,014180 0,598136 12 0,014028 0,010670 40 0,073844 0,051237

Prirodni gas predstavlja danas jedno od osnovnih goriva koje se koristi u industriji, energetici i širokoj potrošnji. Potrošači prirodnog gasa mogu biti svi, počevši od najvećih kao što su toplane i termoelektrane do najraznovrsnijih industrijskih potrošača koji ga mogu koristiti kao energent ili kao sirovinu (hemijska industrija); za tehnološke potrebe, pa do onih najmanjih u individualnim domaćinstvima za grejanje, kuvanje i pripremu sanitarne vode. Prirodni gas predstavlja smešu gorivih i negorivih gasova, kao i određenu količinu primesa. U gorive gasove spadaju metan (CH4), čiji se sadržaj kreće do 90% zapreminskih udela, i drugi teži ugljovodonici čiji sadržaj opada sa porastom njihovih molekulskih težina, ugljenmonoksid (CO) i vodonik (H2). U negorive gasove, koji predstavljaju balast jer smanjuju transportni učinak i toplotnu moć, ubrajamo ugljendioksid (CO2) i azot (N2). Ugljendioksid je nepoželjan iz razloga što se može jediniti sa vodom, koja može biti prisutna u prirodnom gasu, i formirati ugljeničnu kiselinu koja deluje korozivno na gasovod.


489

Nepoželjne komponente predstavljaju: sumporvodonik(H2S) koji je sam po sebi toksičan, a takođe se vezuje sa vodom gradeći sumporastu kiselinu, koja je jako agresivna, i voda koja ispod tačke rose se može izdvajati iz gasa u vidu tečne faze koja može reagovati sa ugljovodonicima stvarajući kristale hidrata i dovesti do znatnog smanjenja kapaciteta gasovoda. Zbog svega navedenog transporteri i distributeri definišu zahteve u pogledu sastava prirodnog gasa, a naročito se vodi računa o količinama balasta, vlage i nepoželjnih komponenti. U dole prikazanoj tabeli dat je sastav jednog uzorka prirodnog gasa sa karakteristikama.

Tabela 18.3-2. Sastav i osnovne karakteristike prirodnog gasa

Hemijski sastav: metan

etan

propan

teži ugljovodonici

azot

ugljendioksid

CH4= 87,82 %

C2H6=7,96 %

C3H8=0,58 %

CmHn=0,03 %

N2=2,36%

CO2=1,25 % Donja kalorična moć na normalnim uslovima Hd=33340 KJ/m3

Gustina gasa na normalnim uslovima ρN=0,802 kg/m3

Relativna gustina 0,62

Prosečna vrednost granice zapaljivosti u vazduhu (zapreminski %)

4-16 %

Maksimalna brzina paljenja 0.33 m/s

Temperatura paljenja u vazduhu T=943 K (670°C)

Temperatura sagorevanja pri λ=1 T=2273 K (2000°C)

Kada je poznat sastav prirodnog gasa može se odrediti njegova gustina (na normalnim uslovima 0°C, odnosno standardnim 15°C pri pritisku od 101325 Pa) na osnovu zapreminskih (molarnih) udela i njihovih gustina:

nnrxrxrxg +++⋅=⋅ K2211ρ [kg/m3] ........................................................... (18.22)

1x - zapreminski udeo komponente u gasu

1r - gustina komponente

Gustina gasa se može odrediti na osnovu molekulske mase gasa prema jednačini :

VmMg

g =ρ , [kg/m3] ......................................................................................... (18.23)

Mg - molekulska masa gasa Vm - molekulska zapremina gasa

U mnogim proračunima pojavljuje se pojam relativne gustine prirodnog gasa koja predstavlja:


490

V

gr Mv

Mgρρ

ρ == ............................................................................................... (18.24)

Mv - molekulska masa vazduha (kg/ kmol) Vρ - gustina vazduha (kg/m3)

Širokoj primeni prirodnog gasa doprinose njegova svojstva koja ga izdvajaju u odnosu na ostala goriva:

- Visoka toplotna moć - Visok stepen korisnosti uređaja za sagorevanje (0.88 - 0,92) - Nizak sadržaj balasta (CO2, N2), mali sadržaj ili potpuno odsustvo vlage i prašine, tako

da nema prljanja gasnih instalacija, uređaja za sagorevanje, zagrevnih površina i dimnih kanala

- Lakši i jednostavniji transport - Mogućnost potpune automatizacije korišćenja gasa - Znatno smanjenje zagađenja čovekove okoline - Zanemarljiv sadržaj ili potpuno odsustvo sumpora, što bitno utiče na smanjenje korozije

zagrevnih površina - Ne traži poseban prostor za skladištenje

Zbog svih navedenih svojstava i povoljne činjenice da se gas plaća na kraju meseca distributeru, a ne unapred kao što je slučaj sa drugim energentima, prirodni gas se izdvaja kao jedno od najkvalitetnijih i najjevtinijih goriva.

18.4. Tečni naftni gas

18.4.1. Naziv Naziv Tečni naftni plin (TNP), ill Tečni naftni gas (TNG), još nije odomaćen u našem tehničkom rečniku, a upotrebljava se poslednjih nekoliko godina kao tačniji naziv za nekoliko vrsta ugljovodonika, kao što su propan, butan, izo-butan i mešavine propana-butana u raznim odnosima. Propan i butan, kao njihovi najvažniji predstavnici, na temperaturi okoline i na atmosferskom pritisku su u gasnom stanju. Naziva se tečnim zbog toga što se na relativno niskom pritisku lako pretvara u tečnost i u takvom stanju transportuje i uskladištava. Naziv naftni dobio je zbog svog porekla, jer su osnovne sirovine za njegovo dobijanje naftni zemni gas i nafta. U zemljama engleskog jezičkog područja označava se kao LPG (Liquefied Petroleum Gas), na francuskom i italijanskom se označava GPL (Gaz petrolier liquefiable, odnosno Gas di petrolio liquefatti), ili samo propan - butan. Da bi ovaj poliglotski početak poglavlja bio potpun, na ruskom se TNG zove "sžižennij uglevodorodnij gaz".

18.4.2. Osnovne osobine Tečni naftni gas (TNG), propan i butan, tek u poslednje vreme osvaja domaćinstva i industrijske potrošače u našoj zemlji, iako je, svojih izuzetnih svojstava, kao jedinstveni izvor toplotne energije, u svim razvijenijim zemljama sveta, uveliko zamenio klasična goriva. O obimu njegove


491

primene dokumentovano govore podaci o njegovoj potrošnji u nekim zemljama, navedeni u tabeli 18.4-1 Tako velike brojke o njegovoj potrošnji uslovljene su stalnim proširivanjem njegove primene, kao i razvojem industrije koja proizvodi opremu za TNG.

Tabela 18.4-1. Primena TNG-a.

Domaćinstva Industrija (Energetika) Petrohemija Motorna

vozila Razno UkupnoDržava

000tona % 000

tona % 000 tona % 000

tona % 000 tona % 000 tona

SAD 12.360 41.5 4.300 14.8 8.500 28.4 2.600 8.7 1.840 6.6 29.600 Francuska 1.710 76.0 440 19.5 - - 56 2.5 44 2.0 2.250 Nemačka 400 21.0 373 20.0 990 52.0 76 4.0 57 3.0 1.900 Italija 962 74.0 156 12.0 104 8.0 - - 78 6.0 1.300 Belgija 201 46.0 118 26.0 68 15.0 36 8.0 27 5.0 450 Holandija 130 48.0 40 15.0 27 10.0 60 22.0 13 5.0 270 V.Britanija 35 19.5 97 54.0 35 19.5 - - 13 7.0 180 Austrija 47 41.0 48.5 42.0 - - - - 19.5 17.0 115 Stara Jugoslavija

40 38.0 50.5 48.0 - - 1.6 1.5 12.9 12.5 105

Prvi potrošači bili su domaćinstva, koristeći TNG kao gorivo. Onda su na scenu stupili i industrijski potrošači. Jer, pored ekonomske računice, koja je i najprostijom algebrom pokazala da je korišćenje TNG dva do tri puta jeftinije od mnogih klasičnih goriva (el. energija, ugalj), utvrdilo se sledeće.

- TNG se lako i ekomično transportuje (do potrošača se transportuje bilo u čeličnim bocama, bilo u većim cisternama, svim oblicima transporta).

- Ima efikasno sagorevanje (gori izvanredno čistim plamenom, a sastav produkata sagorevanja može biti potpuno definisan).

- Svi osnovni parametri (pritisak, temperatura, kalorična vrednost) lako se kontrolišu i regulišu.

- Njegov koeficijent zapremanja skladišnog prostora, prema raspoloživoj energiji koju daje, znatno je veći od istog koeficijenta drugih goriva.

- Zbog malog procenta štetnih sastojaka sumpora, na primer, idealno je gorivo tamo gde aerozagdjenje predstavlja problem.

- Energija koju daje odmah je upotrebljiva, u kompletnom obimu, bez pripremnih faza, a time i bez gubitka.

- TNG, sastavljen od ugljovodonika sa tri, odnosno četiri atoma ugljenika, hemijski je vrlo aktivan, te predstavlja značajnu sirovinsku bazu industrije sintetičkih materijala.


492

Naravno, s druge strane su njegovi nedostaci, koji se, uglavnom, svode na njegovu zapaljivost i eksplozivnost, a time i opasnost za okolinu. Ta sigurnost je orijentisana u dva glavna pravca:

- preventivne mere; - regulacija funkcionisanja opreme, a posebno čitavog kompleta instalacija.

Ozbiljnim razmatranjima pitanja sigurnosti, vrlo objektivno je pokazano da ne treba nikakva bojazan od primene TNG.

18.4.3. Sigurnost rukovanja TNG-om Sa stanovišta sigurnosti rukovanja TNG-om, njegove glavne karakteristike mogu da se svedu na sledeće:

- TNG je teži od vazduha; - parni pritisak TNG je veći od parnog pritiska benzina. Radi toga se TNG jedino sigurno

uskladištuje u zatvorenim posudama pod pritiskom, izrađenim i opremljenim prema posebnim propisima.

- Difuzija gasne faze TNG u okolnu atmosferu je vrlo spora; - Mešavina vazduh - gas pali se otvorenim plamenom, a prekidanje plamena je moguće

mešanjem sa velikim količinama inertnih gasova, kao što su azot, ugljen - dioksid ili vodena para;

- Mogućnost paljenja mešavine vazduh - gas može biti smanjena uz pomoć fino raspršene vodene pare;

- Kada temperatura okolnog vazduha raste, u skladišnom rezervoaru ekspandira tečna faza TNG. Radi toga se skladišni rezervoari za TNG nikada ne smeju puniti do samog vrha, nego se mora ostaviti odgovarajući prostor neophodan za očekivane ekspanzije TNG-a;

- TNG nije otrovan, all je u kritičnom stepenu jako narkotično sredstvo, iako jačina njegovog dejstva slabi usled vrlo male rastvorljivosti u krvi. Zato je TNG pri normalnim uslovima (atmosferski pritisak) fiziološki indiferentan. On može izazvati gušenje samo pri visokim koncentracijama i to usled smanjene količine kiseonika u vazduhu;

18.4.4. Kalorična vrednost i zapremina Kalorična vrednost nekog goriva predstavlja najvažniji podatak za njegovo ocenjivanje. Propan i butan imaju visoke kalorične vrednosti. Da bi ocena bila potpuna, napravimo "blic uporedenja", recimo, sa gradskim gasom. Po njima izlazi da:

1 mN3 propana je =6.2 a

1 mN3 butana je =8.2 puta

veće toplotne moći u odnosu na gradski gas. Medutim, interesantna su upoređenja sa stanovišta trgovine. Naime, propan i butan se prodaju u kg, a gradski gas u m3. Tako je:

1 kg propana =3.07 m3 gradskog gasa 1 kg butana =3.03 m3 gradskog gasa


493

Ili, računato sa flašom propana:

Flaša propana od 11 kg = 33,77 m3 gradskog gasa.

Ipak, u svim razmatranjima, najvažniji je odnos kalorične vrednosti i zapremine koji zaprema jedinična veličina goriva za koju se iskazuje određena kalorična vrednost. Računajući prema Avogadrovom zakonu, 1 kg tečnog propana (po kaloričnoj vrednosti) odgovara 2,9 m3 ili 3000 N litara gradskog gasa. Isto tako, po Avogadrovom zakonu 1 kg propana u gasnoj fazi daje 509 N litara (povećanje volumena za 260 puta). Rezultat:

1 kg tecnog propana: 1 kg gasovitog propana: 3 m3 gradskog gasa je kao 1,96:509:3000.

A) Dobijanje Propan i butan se dobijaju ili iz zemnog gasa, ili preradom nafte i uglja. Glavni izvori dobijanja propana i butana su iz prerade prirodnog (zemnog) gasa u postrojenjima koja se zovu degazolinaže, i iz prerade nafte u rafinerijama. U rafinerijama, u osnovnom procesu dobijanja visokokvalitetnih benzina (preko termičko-katalitičkog postupka), propan i butan se javljaju kao nuzprodukti. Međutim, kako iz dana u dan proizvodnja visokokvalitetnih benzina raste nesmanjenom brzinom, tako isto, kao njihov nuzprodukt, raste i proizvodnja propana i butana.

B) Transport Od vrste i veličine potrošača propan-butana zavisi i način njihovog korišćenja, odnosno izbor instalacija. Individualni i drugi manji potrošači koriste propan-butan iz čeličnih flaša ili malih prenosnih rezervoara. Takve flaše i prenosni rezervoari (kontejneri) se pune u specijalnim stanicama - punionicama, koje su posrednik između proizvođača propana-butana (rafinerije, degasolinaže) i potrošača. Propan-butan se u flašama nalazi pod pritiskom većim od atmosferskog i u tečnoj fazi. Za njegov prelazak iz tečne u parnu fazu, u kojoj ga potrošači i koriste, dovoljna je toplota okoline (naravno, samo za količine koje se nalaze u flašama). Da bi se troškovi transporta takvih flaša i kontejnera sveli na najmanju moguću meru, a time smanjila i cena propan-butana, skoro u svakom većem mestu postoje takve stanice za punjenje, sa specijalno organizovanim distributerskim službama, koje vrše raspodelu flaša i kontejnera do potrošača propan-butana. Za industrijske i druge velike potrošače, bilo bi skupo i tehnički neopravdano korišćenje propan-butana iz flaša ili kontejnera, pa se izgrađuju posebne stanice sa stabilnom instalacijom za uskladištenje, distribuciju i njegovo korišćenje u parnoj fazi. U takvim stanicama propan-butan se uskladištava u velikim, stabilnim rezervoarima, gde su količine tako velike, da toplota iz okoline nije dovoljna da izvrši njegovo pretvaranje iz tečne u parnu fazu, pa je neophodno dovesti sa strane potrebnu količinu toplotne energije. Transport TNG od proizvođača do industrijskih i drugih velikih potrošača vrši se svim vidovima transporta, specijalnim transportnim sredstvima (auto cisterne, vagon cisterne, tankeri za vodeni taransport) kao i specijalnim cevovodima koji direktno vezuju proizvođača i potrošača TNG.


494

C) Uskladištenje Kapacitet skladišnih rezervoara zavisi od veličine potrošača i od udaIjenosti rafinerije od stanice. Naša tipska rešenja obično se odnose na skladišne rezervoare koji obezbeđuju rezervu tečnog gasa za dve do tri sedmice, što čini obično 5 do 8% prosečne godišnje potrošnje. U zavisnosti od vrste tečnog gasa (propan, butan ili smeša propan--butana), kao i veličine skladišnog prostora rešenje rezervoarskog prostora se izvodi u dve varijante:

- kao horizontalni cilindrifini rezervoari; - kao sferni rezervoari.

Za uskladištenje propana, zbog njegovih većih parametara pritiska, obično se koriste horizontalni cilindrični rezervoari, oslonjeni na betonske temelje, sa kapacitetom od 5 do 150 m3 geometrijske zapremine. Izbor sfernih rezervoara za skladišta velikih dimenzija ekonomski je najopravdaniji, jer su uštede u težini materijala, u odnosu na skladište istog kapaciteta sa horizontalnim cilindričnim rezervoarima tako velike da pokrivaju čak i vrlo skupe stavke izuzetno kvalitetne montaže sfernih rezervoara na licu mesta. Jer, kao što je poznato, kod kugle je raspored pritisaka najpovoljniji. Sferni rezervoari su obično većeg kapaciteta, i njihovim izborom nastaju značajne uštede u smanjenoj količini opreme (armature i instrumenti) koja se normalno ugrađuje na njih.

D) Distribucija lako u skladišnim rezervoarima ispari izvesna količina tečne faze propan-butana pod uticajem toplote iz okoline, ta isparena količina nije dovoljna za potrošača. Usled toga je, kako je ranije već rečeno, potrebno dovesti sa strane neophodnu količinu toplote, kojom ce se izvršiti prelazak tečne faze propana-butana u gasnu fazu, da bi je u takvom obliku potrošač mogao konzumirati. Taj prelazak iz jedne faze u drugu, posredstvom nekog donosioca toplote, vrši se u aparatima - izmenjivačima toplote koji se zbog svoje funkcije nazivaju isparivači. Propan-butan u gasnoj fazi izlazi iz isparivača pod visokim pritiscima, dok potrošač uzima propan-butan pod relativno niskim pritiscima (zbog konstrukcije gorionika i pravilnog iskorišćenja kalorične vrednosti gasa). Radi takvih zahteva potrošača neophodno je redukovati pritisak gasa iz isparivača, sa njegovog visokog pritiska na pritisak na kojem radi potrošač. Ta redukcija se obavlja preko redukcionih ventila, specijalno namenjenih TNG-u. Postoji nekoliko tipova isparivača propana-butana. Mogu biti vertikalni i horizontalni, kao i sa direktnim i indirektnim zagrevanjem propana-butana. Nosilac toplote može biti vodena para, topla voda ili električna energija. Nakon dugogodišnjeg rada, pokazalo se da najbolje rezultate i sa tehničkog stanovišta, i sa stanovišta ekonomike daju isparivači koji rade sa toplom vodom i vodenom parom i to za isparivače kapaciteta iznad 100 kg/h. Za isparivače manjih kapaciteta od 100 kg/h najbolji je sistem rada sa električnom energijom. Nakon isparivačko redukcione stanice, gasnu fazu propan-butana očekuju potrošači. Rečeno je da potrošač diktira i rešenje redukcione stanice u vezi sa njegovim zahtevima o veličini pritiska, ili temperature gasa, a što je vezano za tehnologiju procesa. Gas sagoreva u gorionicama. Konstrukcija i kompletna oprema gorionika uslovljene su pritiskom gasa i njegovom kaloričnom vrednošću. Izvesni potrošači često traže da gas ima manju kaloričnu vrednost, jer je to uslov tehnologije procesa. To se najčešće dešava u slučajevima kada neki potrošač prelazi sa klasičnog goriva, na primer generatorskog gasa, na propan-butan.


495

Toplotna moć generatorskog gasa je mnogo manja od toplotne moći propan-butana. Izlaz je ili u izmeni ranijih gorionika, ili u prilagođavanju TNG na potrebnu kaloričnu vrednost. To je ipak jeftinije. Razvijeno je nekoliko sistema mešanja TNG i vazduha u kojima se mešaju TNG i vazduh u određenim odnosima radi dobijanja smanjene kalorične vrednosti gasa. Bez obzira na sistem, svi mešači rade na niskim pritiscima (nekoliko stotina mm VS nadpritiska), a sistem je utoliko komplikovaniji, odnosno »opremljeniji« (zavisno od zahteva potrošača), ukoliko mu je potrebna više ili manje precizna regulacija kalorične vrednosti gasa. Svi navedeni sistemi opremljeni su automatskim blok uređajima, na linijama oba fluida (TNG i vazduha), u cilju blokade, u slučaju da se smeša približila granici eksplozivnosti. Sistemi injektiranja i zapreminskih proporcionatora, pored automatskih uređaja za doziranje komponenti, moraju biti opremljeni i aparatima za pokazivanje i obeležavanje osnovnih parametara, koji rukovaocu opremom daju informacije u slučaju eventualnih korekcija.

E) Zaštita od požara Zbog svojih osobina zapaljivosti i eksplozivnosti, nedphodno je punu pažnju posvetiti sistemima zaštite od požara instalacija TNG. Sistem zaštite od požara u svom stabilnom delu sastoji se od cevovoda sa mlaznicama za raspršivanje vode i stvaranje vodene magle s ciljem hlađenja punktova ugroženih požarom. Taj sistem je sproveden po svim punktovima postrojenja za propan-butan i on se aktivira potpuno automatski. U okviru sistema za gašenje požara nalaze se aparati za gašenje vatre sa CO2, kao i ostala osnovna vatrogasna oprema (odela, šmrkovi, sekirice, krampe, pesak u otvorenim bačvama i ostalo). U slučajevima visokih dnevnih temperatura (naročito leti i u krajevima bez vegetacije), da ne bi došlo do prekoračenja dozvoljenih pritisaka, aktivira se sistem za hlađenje onih mesta koja su suviše zagrejana. U okviru ovog protivpožarnog sistema ugrađeni su i uređaji za signalizaciju (zvučnu i svetlosnu) eventualno nastalog požara.

F) Primena Postoji jos uvek mnogo razloga za nedovoljnu primenu TNG kako u nas, tako i u nekim drugim zemljama. Ti razlozi bi se mogli svesti na sledeće:

- nedovoljno poznavanje TNG kao goriva, njegovih prednosti i nedostataka; - relativno mala proizvodnja TNG u rafinerijama i degasolinažama; - nepostojanje domaćih proizvođača specijalne opreme za TNG; - nepostojanje egzaktnih ekonomskih kalkulacija o ceni utrošene energije bilo u

domacinstvima, bilo u industriji; - bojazan od nesreća, koje su vezane za primitivne ekonomsko-tehničke rezone.

Kako baš ti razlozi, naravno savremeni, ne dozvoljavaju dvoumljenje, danas je u svetu primena propana-butana tako velika, da je neophodno navesti samo njihove glavne potrošače:

- domaćinstva; - komercijalno zagrevanje (preko direktnih grejnih tela, ili preko sistema centralnog

grejanja); - rashladna tehnika; - prehrambena industrija (peći, sušare); - industrija stakla i keramike; - tekstilna industrija,


496

- kao gorivo u SUS motorima na raznim vozilima (traktori, automobili, građevinske i druge mašine);

- poljoprivredne farme (sušenje, zagrevanje, spaljivanje i sl.); - industrija sintetičkih materijala (aceton, etilenski i izopropilenski alkohol, sintetički

kaučuk i sl.); - za proizvodnju gradskog gasa.

Sumirajući ovaj kratki opis, može se reći da tamo gde je potrebna toplota, kondicioniranje vazduha, snaga ili hlađenje, tamo je moguća i primena TNG. Novo i danas već veliko područje primene ugljovodonika koji ulaze u sastav TNG (propan, n-butan, izo-butan i butadien) je petrohemija, koja se koristi za proizvodnju plastičnih masa, sintetičkih smola i sintetičkih vlakana.

G) Propisi Za sigurno i pravilno rukovanje TNG-om, odnosno za ispravno uspostavljanje - izgradnju sistema primene - instalacija TNG, neophodni su odgovarajući propisi izdati od ovlašćenih institucija. U zemljama sa velikom primenom TNG, ti propisi pokrivaju kompletno područje TNG (proizvodnja, transport, distribucija i primena), i time stvaraju osnove za pravilno i sigurno rukovanje TNG-om. To su, uglavnom, propisi na nivou državnih - nacionalnih organizacija koje se preko odgovarajućiih biroa i inspekcijskih organa brinu o njihovoj primeni.

Sistemi za snabdevanje

prirodnim gasom

Sistemi za snabdevanje

prirodnim gasom

19.19.

499

19. Sistemi za snabdevanje prirodnim gasom

19.1. Elementi sistema Cevovodni transport energenata, nafte i gasa, utiče na svakodnevni život ljudi, zasnovan u ambijentu u kome energija igra (predominantnu) ulogu. Nafta i gas su glavni energenti koji se primarno transportuju cevovodima, gaso-vodima i naftovodima. Ekstenzivna cevna mreža ide ruku pod ruku sa visokim standardom života i tehnološkim napretkom. Pored drugih načina upotrebe, nafta i gas se koriste za proizvodnju električne energije. Korišćenjem gasa direktno, kuće i stanovi se greju, spremaju se obroci, priprema se topla potrošna voda, jednom rečju ostvaruje se ambijent visokog konfora. Da bi se ispunili zahtevi potrošača u proizvodnji toplotne energije, električne energije, tehnoloških procesa i dr. potrebne količine gasa transportuju se od izvora cevovodima, odnosno gasovodima. Ovi cevovodi, odnosno gasovodi uglavnom su podzemni i rade, transportujući kontinualnim protokom ogromne količine gasa, bez ometanja normalnih radnih aktivnosti na površini. Na slici 19.1-1. prikazan je magistralni gasovodni sistem u Srbiji. Može se, sa ove slike steći predstava o mreži cevovoda koji spajaju veliki broj industrijskih potrošača u skoro svim većim gradovima. Na slici nisu vidljive gradske gasne mreže, odnosno gasovodi koji dovode gas do industrijskih potrošača niti distributivne gasne mreže, kojima se gas dovodi do svakog individualnog domaćinstva. U trendu je višestruko povezivanje evropskih zemalja gasovodima radi povećanja sigurnosti u napajanju, i radi di-verzifikacije izvora napajanja. Trenutno, gas učestvuje sa 15% u energetici Evropske unije ali se predviđa da do 2010. godini to učešće poraste na 25%. Problem je što u isto vreme proizvodnja gasa u EU opada, tako da će zavisnost EU od uvoznog gasa, sa današnjih 40% porasti na 75% do 2020. godine. I u sledećem veku, Norveška, Alžir i Rusija održaće vodeću poziciju izvoznika prirodnog gasa. Gasovodni sistem može se grubo podeliti na:

- magistralne gasovode, projektnog pritiska preko 50 bar, - gradske gasne mreže, projektnog pritiska 6 do 12 bar, - distributivne gasne mreže, projektnog pritiska do 4 bar.

Radi lakšeg praćenja daljeg teksta neophodno je jednoznačno odrediti objekte na gasovodnom sistemu prema slici 19.1-2.

1. Glavna merno - regulaciona stanica (GMRS) je ona koja redukuje magistralni pritisak (16 - 50 bar) na pritisak gradske mreže (1 - 4 bar).

2. Merno - regulaciona stanica (MRS) je ona koja redukuje pritisak gradske mreže (6 - 12 bar) na pritisak distributivne mreže (1 - 4 bar) ili industrijskog potrošača (0,1 - 4 bar), kao i sa distributivne mreže na nivo potrošača (0,1 bar).

3. Pojam gasna stanica odnosi se na stanice čiji je kapacitet Qmax veći od 10 m3/h. 4. Redukciona stanica je ona koja redukuje pritisak, a nema merenje. 5. Odorizacijska stanica je uređaj (instalacija) koja se ugrađuje na izlazu GMRS ili MRS i

služi za upuštanje odoranta u distributivnu mrežu.


500

Slika 19.1-1. Gasovodni sistem Srbije


501

6. Svi protoci koji se pominju su izraženi u m3/h na p=1.01x 105Pa i t=0°C. Svi pritisci koji se pominju su nadpritisci (manometarski pritisci).

7. Magistralni pritisak je od 16 - 50 bar. 8. Pritisak gradske mreže je od 6 - 12 bar. 9. Pritisak distributivne meže je 0,1 - 4 bar.

10. Pritisak industrijskog razvoda je 0,1 - 4 bar.

Ovde nije obuhvaćen kućni merno - regulacioni set (KMRS).

Slika 19.1-2. Tehnološka šema gasovodne mreže sa MRS i GMRS

Na sl. 19.1-2. prikazan je mogući raspored i vrste gasnih stanica za jedan veći grad sa razvijenom industrijom i distributivnom mrežom.

19.2. Magistralni gasovodi Prema „Pravilniku o tehničkim uslovima i normativima za bezbedan transport gasovitih ugljovodonika magistralnim gasovodima i gasovodima za međunarodni transport", pod magistralnim gasovodima podrazumevaju se gasovodi kojima se obavlja transport gasa od otpremnih stanica na gasnim poljima ili od proizvodnih postrojenja gasa do priključka na gasno distributivnoj mreži u gradovima ili industrijskim zonama uključujući i glavne merno regulacione stanice. Ova prilično složena definicija može se pojednostaviti i prosto reći da su magistralni gasovodi oni gasovodi visokog pritiska kojima se vrši se transport gasa od primo -predajnih stanica na granici


502

dva sistema do glavnih merno regulacionih stanica na ulazu u gradove. Takvi gasovodi u našoj zemlji su npr. gasovodi Horgoš - Batajnica - Paraćin - Niš. Projektni pritisak magistralnih gasovoda u našoj zemlji je 50 bar (Horgoš - Batajnica - Paraćin) odnosno 55 bar (izgrađen gasovod Pojate - Niš i planirani gasovodi Niš - Dimitrovgrad, Niš - Kuršumlija - Priština, Niš - Bor - Prahovo i Niš - Leskovac - Vranje). Sastavni delovi magistralnih gasovoda su:

- cevovodi, - blok stanice, - prečistačke stanice, - rezervoari i posude, - kompresorske stanice, - glavne merno regulacione stanice, - aktivna i pasivna zaštita od korozije, - daljinsko merenje i upravljanje.

Cevovodi Čelične cevi se izradjuju od 0.25% C, 0.056% S i 0.046% P. Ugljenikov ekvivalent ne sme da bude veći od 0.46. Debljina zida cevi se odredjuje na osnovu maksimalno očekivanog pritiska gasa, ali ne sme da bude manja od 3mm za podzemne, i 2mm za nadzemne cevi. Cevi se spajaju u mrežu zavarivanjem. Cevi od veštačkih materijala. Najviše se koriste cevi od polietilena visoke gustine i od polivinilhlorida specijalno napravljene za transport gasa. Obično se cevi od polietilena koriste pri pritisku gasa manjem od 0.4 MPa, a cevi od polivinilhlorida pri pritisku manjem od 0.1 MPa. Cevi od veštačkih materijala ne koriste se pri izgradnji magistralnih gasovoda. Prednosti cevi izradjenih od veštačkih materijala su:

- neosetljivost na elektrohemijske reakcije - velika korozivna stabilnost bez obzira na tip zemljišta ili transportovanog gasa - mala masa po jedinici dužine - nije potrebna antikorozivna zaštita ili dupla izolacija.

Dozvoljava se ugradnja čeličnih bešavnih ili uzdužno zavarenih cevi (preko DN300) po SRPS, DIN ili API standardima.


503

Slika 19.2.1. Prikaz cevi za gasovode

Blok stanice Blok stanice se upotrebljavaju radi zatvaranja pojedinih deonica magistralnih gasovoda i dugih deonica razvodnih gasovoda. Zatvaranje na blok stanicama je potrebno radi:

- ograničenja količine gasa koji curi u slučaju havarije gasovoda, - ograničenja količine gasa koji se mora ispustiti u atmosferu zbog izvođenja radova na liniji, - omogućavanja međusobnog povezivanje vodova različitog pritiska i/ili kvaliteta gasa u

slučaju izvođenja radova na liniji.

Prema podacima holandskog transportera gasa „Gasuni", količina gasa koja srne da iscuri u slučaju pojave curenja ili prilikom izvođenja radova, je ograničena, iz sigurnosnih razloga, na 500.000 m3 u magistralnoj mreži. Na taj način oni određuju rastojanje između dva blok ventila. Kod nas je to rastojanje propisano „Pravilnikom o tehničkim uslovima i normativima za bezbedan transport tečnih i gasovitih ugljovodonika magistralnim naftovodima i gasovodima i naftovodima i gasovodima za međunarodni transport":

- za lokaciju klase I 16 km od bilo koje tačke cevovoda do blok ventila, - za lokaciju klase II 12 km, - za lokaciju klase III 6 km, - za lokaciju klase IV 4 km.,

U kodu ANSI ASME B31.8 definisana su maksimalna rastojanja između dve blok stanice: - za lokaciju klase I 32 km, - za lokaciju klase II 24 km, - za lokaciju klase III 16 km, - za lokaciju klase IV 8 km.

Glavne komponente blok stanice prikazane su na slici 19.2-2., a šematski rad na slici 19.2-3.


504

Slika 19.2-2. Izgled bloka stanice

Slika 19.2-3. Izgled bloka stanice

Osnovni elementi su: - loptasta slavina ili zasun, dimenzija radnog gasovoda i sa punim otvorom radi prolaza

čistača, - dve slavine ili zasuna za izduvavanje, povezane sa radnim gasovodom i međusobno

spojene, radi mogućnosti izjednačavanja pritiska sa obe strane blok ventila, - dva cevovoda, sa obe strane blok ventila.


505

Kompresori Kompresori služe za komprimovanje prirodnog gasa i nadoknadu strujnih gubitaka prilikom transporta prirodnog gasa na veliku daljinu. Kapacitet (snaga) kompresora zavisi od protočnih karakteristika magistralnih gasovoda. Na slikama 19.2-4. ÷ 19.2-6. su prikazani neki kompresori različitih proizvođača.

Slika 19.2-4. Tipični poprečni presek kompresora snage 25 MW

Slika 19.2-5. Presek i fotografija kompresora tipa SPCP


506

Kompresorski agregati

Slika 19.3-6. 3-D prikaz agregata 5 MW za gasnu stanicu u Egiptu i agregat snage 15 MW za gasnu stanicu u Madjarskoj

19.3. Izbor trase magistralnih gasovoda Onog trenutka, kada se pojavi potreba povezivanja dve tačke na geografskoj karti magistralnim gasovodom, počinje prva faza prethodnih radova na projektovanju magistralnog gasovoda. Ova faza radova je složen proces multidisciplinarnih aktivnosti koje imaju za cilj optimizaci-ju izbora trase a sastoji se iz:

- preliminarnog izbora trase, - inžinjerskog istraživanja - pravničkih istraživanja, - građevinsko tehničkih istraživanja.

19.3.1. Preliminarni izbor trase Naravno, idealna trasa je prava linija između početne i krajnje tačke. Međutim nikada se ne može takva idealna trasa i realizovati zbog postojanja prirodnih i veslačkih prepreka na terenu. Prema tome, preliminarni izbor trase je proces identifikacije prepreka, izbegavanja nepoželjnih oblasti i održanje ekonomske isplativosti gasovoda. Pre odluke o konačnom izboru trase sledeći bitni faktori moraju biti razmotreni:

- investicioni troškovi, - integritet gasovoda, - uticaj gasovoda na okolinu,


507

- sigurnost, - pravo prolaza preko državne i privatne svojine.

Preliminarni izbor trase podrazumeva planiranje u projektnom birou na postojećim mapama ili aero foto snimcima u odgovarajućoj razmeri. Rad u projektnom birou zatim se proverava i potvrđuje na terenu

19.3.2. Ključni faktori kod izbora trase Za prelaze gasovoda preko vodenih prepreka, reka, bara, potoka, kanala i drugo, ključni faktori za izbor trase su:

- mogućnost izbegavanja prepreke, - površine potencijalne erozije, - obaloutvrde, - prirodna progresija meandera.

Za teren kojim ide trasa, ključni faktori za izbor trase su: - veliki nagibi, - stene, - erozivno tlo, - stenovito tlo, - peskovito tlo, - seizmičnost, - klizišta.

Za uticaj na okolinu ključni faktorii koji se razmatraju za izbor trase su: - nacionalni parkovi, - zone sa zaštićenom florom i faunom, - zone mrešćenja riba, - istorijske i arheološke lokacije.

Drugi faktori koji mogu da utiču na izbor trase su: - postojeći saobraćajni koridori, - ukrštanja sa putevima i železnicom, - naseljena mesta, - šume.

Uzimajući u obzir sve navedene ključne faktore pristupa se ucrtavanju trase na mape pogodnih razmera (l:25000 ili l :5000) između dve tačke koje se povezuju magistralnim gasovodom. Na mapi se identifikuju prepreke i oblasti koje treba zaobići i nanose se na mapu alternativne trase. Vrednuju se prednosti i mane svake alternative, uzimajući u obzir navedene ključne faktore razmatranja. Nastoji se takođe, u procesu izbora, da se kombinuju najbolja rešenja iz alternativnih predloga. Takva rešenja se zatim upoređuju po investicionim troškovima da bi se našla optimalna varijanta. Na taj način ova faza rada u birou je završena.


508

Na terenu se proveravaju pretpostavke urađene u birou i to prema sledećim ključnim faktorima: - opšta topografija terena, - stabilnost terena, - stanje i vrsta površine terena, - tokovi voda, - vegetacija (šume, nisko rastinje, agrokulture), - veštačke i prirodne prepreke, - arheološka nalazišta, - pristupni putevi, - montažni putevi, - zimski i letnji uslovi građenja, - uglovi ukrštanja sa saobraćajnicama i vodotokovima, - potrebna rastojanja od postojećih objekata, - prelomni uglovi trase.

Ponekad je potrebno izraditi posebne analize za neki detalj trase. Na primer, za prelaze većih reka, koji značajno učestvuju u investicionim troškovima. Osnovna pravila kod takve analize su:

- naći mesto sa pogodnom vrstom tla rečnog dna. Ako je rečno dno stenovito, mora se eksplozivom razbijati i formirati rov za prelaz. Rečno dno sa puno mulja, zahteva opsežna iskopavanja,

- naći mesto sa pristupačnim obalama radi izbegavanja stvaranja velikih nagiba. Reka se prelazi pod pravim uglom radi smanjenja dužine prelaza i dužine cevovoda,

- voditi računa o aktivnoj eroziji na jednoj od obala, koja može dovesti do skidanja pokrivača iznad gasovoda i izložiti ga eventualnom oštećenju,

- delove reke sa brzim vodotokom treba izbegavati jer se prelazi teško izvode, - prelaz treba uvek izvoditi na pravom delu reke da bi se smanjila aktivna erozija obale.

19.4. Gradski sistemi za snadbevanje gasom Prirodni gas je osnovni izvor energije, i naročito je važan za društveni sektor, energetiku i industriju u celom svetu. Masovno se koristi zbog sledećih prednosti:

1. Do njega se lako dolazi,i lako se transportuje. 2. Visoka specifična toplota sagorevanja(32-35MJ/m³). 3. Efektivno sagorevanje(do 93%) pri niskoj temperaturi. 4. Mogućnost decentralizovanog očitavanja potrošnje gasa. 5. Niži stepen zagađivanja okoline u odnosu na druge izvore energije.

Neravnomerni raspored izvora gasa na Zemlji uspešno se prevazilazi pomoću gasovoda. Ideja transporta i iskorišćavanja gasa do udaljenih korisnika se rodila skraja 10.veka. Tada se u Kini gas transportovao pomoću bambusovih cevi. Tek krajem 20.veka u SAD i Evropi počinje iskorišćavanje gasa.


509

Osim kopna, gasovodi premošćuju i močvare, pustinje, mora itd. Savremeni gasovodi su složeni sistemi, koji zauzimaju veliku površinu. Oni se sastoje od: nalazišta gasa, sabirnih i magistralnih gasovoda, gasoregulacionih punktova i čvorova. U odnosu na veličinu pritiska gasovodi mogu biti:

- sa niskim pritiskom p<5kPa - sa srednjim pritiskom 0,005≤p<0,3MPa - sa visokim pritiskom 0,3≤p<1,2Mpa

Stambene i poslovne zgrade uključujući i grupne kotlovske instalacije koje služe za toplifikaciju napred navedenih su priključeni na gasovod niskog i srednjeg pritiska. Gradski sistemi za snadbevanje gasom imaju hijerarhijsku strukturu. Glavni (osnovni) deo mreže čine gasovodi visokog pritiska. Njihov rad se osigurava pomoću:

- zatvorenih kontura koje dozvoljavaju menjaje pravaca toka gasa - duplirani delovi zrakaste strukture mreže.

Svaki sledeći nivo mreže snadbeva deo teritorije grada.O ni su nižeg pritiska, i povezuju se na viši nivo pomoću regulatora pritiska. Pored toga što su gasovodi podeljeni na nivoe, oni se dele i na stepene. Pa tako imamo:

- dvostepeni (obuhvataju mrežu sa niskim i srednjim pritiskom; ili niskim i visokim p<0,6 Mpa

- trostepeni (obuhvataju gasovode niskog, srednjeg i visokog pritiska) - višestepeni (gasovodi su sa različitim vrednostima pritiska u zavisnosti od potreba)

Mreža sa niskim pritiskom se sastoji od kružnih i zrakastih gasovoda. Za njih se vezuju odvodi za svaku zgradu (delovi zgrada) pojedinačno. Kompaktnost mreže se određuje tako da dužina odvoda ne bude duža od 100 metara. Velika prednost je neposredno povezivanje zgrada na mrežu, bez upotrebe regulatora pritiska. Dovoljan je samo zaustavni ventil, stabilizator pritiska i merač potrošnje gasa.

19.5. Industrijski sistemi za snadbevanje gasom Industrijska preduzeća obično se snadbevaju gasom iz gradskog gasovoda srednjeg ili visokog pritiska. Industrijski sistemi za snabdevanje gasom u zavisnosti od tipa ili veličine korisnika imaju sve ili deo sledećih elemenata: međupogonskih i unutarpogonskih gasovoda, punktova za gasoregulaciju i merenje kao i čvorova za gasoregulaciju. Jednostepeni sistem za snabdevanje gasom. Ovaj sistem se koristi u industriji tamo gde svi korisnici koriste gas približno istog pritiska. Za svaki pogon je predviđen zaustavni ventil, cevi za strujanje i merač potrošnje gasa. Gasovodi u pogonu se konsruišu u odnosu na nominalnu potrošnju agregata Vh, m³/h i koeficijenta jednovremenosti ke, koji zavise od broja i režima rada agregata. Brzina gasa se kreće od 5-30 m/s. Pri većoj brzini se stvara šum, dolazi do erozije a moguće je i stvaranje vibracija.


510

Brzina gasa pri pritisku p<1,2MPa je približna:

v=ρ0V0/ρA, [m/s],

gde je:

0ρ - gustina gasa pri normalnim uslovima (p0=101325Pa i T0=273K),[kg/m³]

0V - zapremina gasa pri normalnim uslovima, [kg/m³] ρ - gustina gasa za određeni pritisak, [kg/m³] A - poprečni presek gasovoda, [m²].

Dvostepeni sistemi za snadbevanje gasom. Koristi se za postrojenja koja koriste gas iz gasovodne mreže sa visokim pritiskom. Osnovni gasoregulacioni punkt je na glavnom ulazu fabričkog postrojenja. Tu se smanjuje pritisak do srednjih vrednosti, koje su potrebne da bi funkcionisao deo korisnika. Za ostale korisnike, koji zahtevaju još niži pritisak gasa, koriste se individualni gasoregulacioni čvorovi, u zavisnosti od tipa postrojenja. Hidraulično podešavanje-uključuje odredjivanje raspoloživog pritiska za gasoregulacioni punkt, kada se očita neophodni nominalni pritisak ispred gorionika sa srednjim pritiskom. Krajnji individualni ili grupni gasoregulacioni čvorovi se biraju zavisno od razlike pritisaka gasa iz gradske mreže i pritisaka potrebnih za krajnje potrošače.

GasovodiGasovodi

20.20.

513

20. Gasovodi 20.1. Tipovi gasovoda Razlikujemo sledeće tipove gasovoda: Podzemni gasovodi. Sastoje se od čeličnih ili PVC cevi. Stavljaju se ispod uličnih trotoara, na dubini od 0.8-1m. Minimalno rastojanje podzemnog gasovoda do drugih podzemnih instalacija je:

- do temelja zgrada 1 [m] - do spoljašnjih zidova šahti 0.3 [m] - do spoljašnje strane šine železnica 5 [m] - uporedo stavljanje sa vodovodom 0.4 [m].

Kada je nemoguće poštovati ova rastojanja vrši se izolacija cevi. Nadzemni gasovodi. U ovom slučaju koriste se samo metalne cevi. One se postavljaju na negorive uspravne oslonce. Mogu da se postavljaju zajedno sa drugim instalacijama i kablovima, ali na rastojanju od 0.4 m od istih. Nadzemni gasovodi se postavljaju na visini od 0.35 m. Postavljaju se na zemljištu koje se ne koristi za saobraćaj. Gasovod ne sme prolaziti kroz obdaništa, škole, bolnice itd.

20.2. Postavljanje podzemnih gasovoda Postavljanje u kanalu. Po već utvrdjenom projektu se kopa kanal dubine 1m. Minimalno rastojanje gornje ivice cevi do travne površine je 0.6 m, do trotoara 0.8 m, do ulice 1m. Na zemljanu podlogu se postavljaju čelične PE ili PVC cevi, posle toga cevi se pokrivaju peskom i na kraju se zatrpavaju. Prednost ovakvog postavljanja cevi je standardna tehnika za iskopavanje i transport a nedostatak je taj što se narušava površinski sloj ulica i trotoara. Horizontalno sondiranje je nova tehnologija za postavljanje podzemnog gasovoda bez rušenja površine. Postoje dve faze ovakvog postavljanja: probijanje otvora i uvlačenje cevi. Probijanje se vrši po metodi hidromehaničkog sondiranja sa ugrađenom glavom iz koje izlazi vodeno-betonska suspenzija pritiska od 1-35 MPa. U glavi je ugrađen odašiljač elektromagnetnih talasa, pomoću kojih se vrši njeno navođenje. Određuje se pravac i dubina sondiranja. Cev se izvlači u suprotnom smeru u odnosu na pravac probijanja. Tehničke mogućnosti ove metode su:

- dužina jednog dela je od 200-250 [m] - montiraju se čelične cevi maksimalnog preseka 160 [mm] - montiraju se PE-HD cevi maksimalnog preseka 190[mm] - maksimalna dubina postavljanja je 10 [m] od površine

Prednosti: - ne ruši se površina terena i infrastruktura - montaža ne zavisi od meteoroloških uslova

Nedostaci: - neophodnost posedovanja sondi za horizontalno probijanje, dizel-generatora i glava. - mehanički uticaj na spoljašnju površinu cevi

20. Gasovodi

514

20.3. Osnovni obrasci za dimenzionisanje Gas kroz magistralne gasovode protiče pod visokim pritiskom pa je uticaj hidrauličkih, termodinamičkih i tehnoloških faktora na strujanje gasa značajan. Ti faktori su zavisni od:

- svojstva gasa (gustina, viskoznost, kompresibilitet), konstrukcije gasovoda (prečnik, dužina, apsolutna hrapavost),

- radnih uslova (radni pritisak, temperatura gasa, brzina strujanja, visinska razlika trase gasovoda).

Osim ovih faktora, u proračune transporta gasa, uvedene su sledeće pretpostavke: - izotermne promene stanja između posmatranih tačaka, - konstantne vrednosti faktora kompresibilnosti u postupku integracije, - zanemarene promene kinetičke energije kod stacionarnog strujanja, - konstantne vrednosti koeficijenta trenja, - promene pritiska zbog visinskih razlika uzete su kao funkcija srednjih vrednosti gustine

gasa i radnog pritiska.

U magistralnim gasovodima sa umerenim i visokim količinama transporta, javljaju se dva režima strujanja:

- potpuno turbulentno strujanje (strujanje kroz hrapave cevi), i - delimično turbulentno strujanje (strujanje kroz glatke cevi).

Vrsta strujanja zavisi od Rejnoldsovog broja

Re=V

wD .............................................................................................................. (20.1)

gde je: Re - Rejnoldsov broj, w - brzina strujanja, [m/s], D - unutrašnji prečnik cevi, [m] v - kinematički viskozitet, [m2/s.]

Re broj može biti izražen i preko zapreminskog protoka gasa i dinamičke viskoznosti:

Re=nnQn

ηρ

1000000................................................................................................ (20.2)

gde je: Qn - zapreminski protok gasa, [m3/h] ρn - gustina gasa, [kg/m3], ηn - dinamička viskoznost, [Pa s] D - unutrašnji prečnik cevi, [m].

Indeks ,,n" označava normalno stanje. Za vrednosti Re broja manje od 2000 strujanje je laminamo, ili stabilno. Kada Re broj, pređe vrednost 2000, strujanje postaje turbulentno, odnosno nestabilno. Kod magistralnih gasovoda je u glavnom strujanje turbulentno.

20. Gasovodi

515

Zbog trenja između cevi i gasa koji struji javlja se gubitak kinetičke energije gasa. Ovaj gubitak izražava se koeficijentom trenja. Zavisno od vrste strujanja koeficijent trenja se može izraziti u funkciji Re broja, u funkciji relativne hrapavosti ili u funkciji obe veličine. Koeficijent trenja se može dobiti iz dijagrama na slici 20.3-1., u zavisnosti od vrste strujanja, odnosno Re broja i relativne hrapavosti (k/D) odnosno njene recipročne vrednosti. Za laminarno strujanje koeficijent trenja je:

Re/64=λ .......................................................................................................... (20.3)

Kod turbulentnog strujanja potrebno je odrediti relativnu hrapavost cevi, kao odnos prečnika cevi i apsolutne hrapavosti:

D/k

gde je: k - apsolutna hrapavost cevi, [mm],

D - unutrašnji prečnik cevi, [mm].

Slika 20.3-1. Određivanje koeficijenta trenja u zavisnosti od vrste strujanja

Apsolutna hrapavost cevi je:

fs kkk += ........................................................................................................ (20.4)

gde je:

sk - hrapavost površine cevi,

fk - hrapavost kolena, zavarenih spojeva, fitinga i dr.

20. Gasovodi

516

Uopšte, u visokopritisnim magistralnim gasovodima sa velikim protocima, gde je turbulentni režim protoka, a prirodni gas suv, vrednosti kf su zanemarljive u poređenju sa ks. Apsolutna hrapavost gasovoda je skoro jednaka unutrašnjoj apsolutnoj hrapavosti cevi. Vrednost apsolutne hrapavosti je važna u turbulentnom režimu strujanja, jer bez laminarnog sloja gasa na zidu cevi, hrapavost cevi igra važnu ulogu u određivanju protoka i pada pritiska. Prema podacima iz literature izmerena apsolutna hrapavost čeličnih cevi je između 650 do 750 mikroinča. Razne studije potvrdile su da se ove vrednosti mogu uvećati za 30 do 50 mikroinča godišnje usled korozije, erozije kontaminacije i drugih problema, što ima za posledicu povećanje pada pritiska u magistralnim gasovodima, odnosno povećanje snage za rad kompresora. Smanjenje apsolutne hrapavosti vrši se unutrašnjim oblaganjem cevi. Materijali koji se pri tom upotrebljavaju, kao npr. epoksidi ili poliamidi, smanjuju apsolutnu hrapavost cevi na 200 do 300 mikroinča. Istraživanja na takvim gasovodima, pokazala su da je uvećanje hrapavosti usled korozije na nivou 50 do 75 mikroinča na svakih pet godina eksploatacije, dakle mnogo niže nego kod cevi bez unutrašnje obloge. Druga, ali ne manja korist od unutrašnjih obloga je zaštita od unutrašnje korozije cevi, prouzrokovane atmosferskom oksidacijom za vreme ležanja cevi na skladištu, ili usled prisustva korozionih komponenti u transportovanom gasu. Usled, još uvek visokih cena, krajnja odluka o unutrašnjem oblaganju cevi treba da bude predmet ekonomske analize koja će obuhvatiti navedene faktore. U tabeli 20.3-1 dati su evropski podaci o apsolutnoj hrapavosti, koji se mogu upotrebiti za proračune koji ne zahtevaju optimizaciju.

Tabela 20.3-1. Apsolutna hrapavost cevi

Materijal Stanje cevi k, mm

Bešavne, nove, 0,02 0,10

Bešavne, stare, lako korodirale 0,10 0,40 Šavne, nove 0,04 0,10

Čelik Savne, stare, lako korodirale 0,20 0,40

Srednja vrednost za gasovode 0,10 0,20

Srednja vrednost za magistralne gasovode 0,30 0,50

PVC, PE 0,007 0,01

Bakar 0,0015

U američkoj praksi, uticaj trenja se prikazuje tzv. koeficijentom transmisije (l/f)0 5. Odnos faktora transmisije prema koeficijentu trenja λ je:

( )50

50 15.01 ⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=

fλ......................................................................................... (20.5)

20. Gasovodi

517

20.3.1. Faktor kompresibilnosti Realni gas se razlikuje od idealnog gasa. Odstupanje ponašanja realnog gasa od idealnog, koriguje se faktorom Z koji se naziva „faktor kompresibilnosti". Faktor kompresibilnosti može biti veći ili manji od l zavisno od vrste talasa. Kod strujanja realnih gasova pri malim razlikama pritisaka, faktor kompresibilnosti iznosi 1. U zavisnosti od redukovane vrednosti temperature i pritiska, faktor kompresibilnosti može se odrediti iz dijagrama na slici 20.3-2. Redukovane vrednosti temperature i pritiska su odnosi stvarnih veličina prema kritičnim, odnosno:

redukovana temperatura gasa: k

r TTT =

redukovani pritisak: k

r PPP =

gde su: Tr - redukovana temperatura, T - stvarna temperatura gasa u gasovodu, [K]

Tk - kritična temperatura gasa, [K] Pr - redukovani pritisak, P - stvarni pritisak gasa u gasovodu, [bar],

Pk - kritični pritisak gasa, [bar].

Slika 20.3-2. Nomogram za određivanje faktora kompresibilnosti Z

20. Gasovodi

518

Za temperaturu gasa u magistralnim gasovodima može se usvojiti srednja vrednost 10° do 12°C, dok se za stvarni pritisak gasa uzima srednja vrednost:

22

21

32

31

32

ppppPs −

−= ................................................................................................... (20.6)

gde je: ps - srednja vrednost pritiska u gasovodu, [bar], p1 - pritisak gasa na ulazu u gasovod, [bar], P2 - pritisak gasa na izlazu iz gasovoda, [bar].

Kritična temperatura i kritični pritisak mogu se izračunati, ako se zna sastav gasa, prema izrazu:

ikik Vtt ∑= .......................................................................................................... (20.7)

gde je: tki - kritična temperatura komponente sastava gasa, [K],

pki - kritični pritisak komponente sastava gasa, [bar], Vi - molsko učešće komponente, [%] .

U američkoj praksi koristi se faktor superkompresibiliteta koji je određen izrazom:

pVRTFp = ......................................................................................................... (20.8)

20.4. Protok i pad pritiska Iz opšteg oblika Bernulijeve jednačine, izvedeno je više jednačina u pogodnom obliku za proračun zapreminskog protoka u magistralnim cevovodima. Osnovna jednačina koja se dobija transformacijom opšte jednačine protoka je:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

LTdZpp

pTQ

mm

22

21

05

0

0 11514,79184λ

............................................................. (20.9)

gde je: Q - protok gasa, [m /h], D - unutrašnji prečnik gasovoda, [m], L - dužina gasovoda,[km],

Tn - temperatura u normalnom stanju [273 K], Pn - pritisak u normalnom stanju [1,01325 bar], P1 - pritisak (apsolutni) u tački l gasovoda, [bar], P2 - pritisak (apsolutni) u tački 2 gasovoda, [bar], Tm - srednja temperatura gasa u gasovodu, [K], pm - srednji pritisak gasa u gasovodu, [bar], Zm - srednji faktor kompresibilnosti,

d - relativna gustina gasa.

20. Gasovodi

519

Panhandle A jednačina za režime strujanja koji su delimično turbulentni, upotrebljava se za srednje i relativno velike prečnike gasovoda, sa umerenim protokom gasa, koji rade pod srednjim ili visokim pritiskom:

Q=13682,91366 6182,2539,0

85390

22

21

0788,1

DLTZd

pppT

mmn

n ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛.................................. (20.10)

gde je: Q - protok gasa, [m /h], D - unutrašnji prečnik gasovoda, [m], L - dužina gasovoda, [km],

Tn - temperatura u normalnom stanju [273 K], Pn - pritisak u normalnom stanju [1,01325 bar], P1 - pritisak (apsolutni) u tački l gasovoda, [bar], P2 - pritisak (apsolutni) u tački 2 gasovoda, [bar], Tm - srednja temperatura gasa u gasovodu, [K], pm - srednji pritisak gasa u gasovodu, [bar], Zm - srednji faktor kompresibilnosti,


AGA jednačina za delimično turbulentno strujanje veoma zavisi od Re broja. Koristi se za srednje prečnike, srednje protoke i visoke pritiske:

Q=38,774 5,25,02

221

14126,1log4 D

f

RFdLTZpp

pT e

mmn

n ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛....................................... (20.11)

gde je : Q - protok gasa, SCF/Day, D - unutrašnji prečnik gasovoda, [in], L - dužina gasovoda, miles,

Tn - temperatura u normalnom stanju [520 °R], Pn - pritisak u normalnom stanju [14,7 psia], P1 - pritisak u tački l gasovoda, [psia], P2 - pritisak u tački 2 gasovoda, [psia], Tm - srednja temperatura gasa u gasovodu, [°R], pm - srednji pritisak gasa u gasovodu, [psia], Zm - srednji faktor kompresibilnosti,

d - relativna gustina gasa. F - faktor korekcije strujanja (0,92 do 0,97).

20. Gasovodi

520

Weymouth jednačina normalno se upotrebljava za velike protoke, prečnike do 8" i pritiske do 50 bar. Rezultati pada pritiska koje daje ova jednačina su veći od stvarnih. U odnosu na druge jednačine, tačnost je niža. Najviše se upotrebljava u proračunima gradskih gasnih mreža zbog sigurnosti i velike rezerve u rezultatima padova pritiska:

Q=15633,95038 667,25,02

22

1 DLTdZ

pPpT

mmn

n ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛....................................................... (20.12)

gde je: Q - protok gasa, [m3/h], D - unutrašnji prečnik gasovoda,[m], L - dužina gasovoda, [km],

Tn - temperatura u normalnom stanju [273 K], Pn - pritisak u normalnom stanju [1,01325 bar] P1 - pritisak (apsolutni) u tački l gasovoda,[bar], P2 - pritisak (apsolutni) u tački 2 gasovoda, [bar], Tm - srednja temperatura gasa u gasovodu, [K], pm - srednji pritisak gasa u gasovodu, [bar]. Zm - srednji faktor kompresibilnosti, D - relativna gustina gasa.

Panhandle B jednačina za režime strujanja koji su potpuno turbulentni pogodna je za velike protoke, velike prečnike (preko 24") i visoke pritiske:

Q=16241,98053 53,251,0

961,0

22

21

02,1

DLTZd

pppT

mmn

n

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡ −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛........................................... (20.13)

gde je: Q - protok gasa, [m3/h], D - unutrašnji prečnik gasovoda,[m], L - dužina gasovoda, [km],

Tn - temperatura u normalnom stanju [273 K], Pn - pritisak u normalnom stanju [1,01325 bar] P1 - pritisak (apsolutni) u tački l gasovoda,[bar], P2 - pritisak (apsolutni) u tački 2 gasovoda, [bar], Tm - srednja temperatura gasa u gasovodu, [K], pm - srednji pritisak gasa u gasovodu, [bar]. Zm - srednji faktor kompresibilnosti,


20. Gasovodi

521

AGA jednačina za potpuno turbulentno strujanje se preporučuje i široko koristi za visoko pritisne gasovode sa velikim protocima, kod srednjih i velikih prečnika magistralnih gasovoda. Ona daje protoke i padove pritisaka sa visokim stepenom tačnosti, posebno ako je hrapavost cevi tačno izmerena:

Q=38,774 5,25,02

221 7,3log4 D

KD

dLTZpp

pT

emmn

n ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡ −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛............................................... (20.14)

Q - protok gasa , [SCF/Day], D - unutrašnji prečnik gasovoda, [in], L - dužina gasovoda, [miles],

To - temperatura u normalnom stanju [520 °R], Po - pritisak u normalnom stanju [14,7 psia], P1 - pritisak u tački l gasovoda, [psia], P2 - pritisak u tački 2 gasovoda, [psia], Tm - srednja temperatura gasa u gasovodu,[°R], pm - srednji pritisak gasa u gasovodu, [psia] Zm - srednji faktor kompresibilnosti,

d - relativna gustina gasa. Ke - efekivna hrapavost, [in].

Colebrook-White jednačina kombinuje režime delimično turbulentnog i potpuno turbulentnog strujanja gasa i pogodna je za slučajeve gde je rad gasovoda u prelaznoj zoni. Upotrebljava se u slučajevima velikih prečnika, visokih pritisaka i srednjih do velikih protoka. U rezultatima daje veće padove pritiska i manje protoke od prethodne AGA jednačine:

Q=38,774 5,25,02

221 1 D

fdLTZpp

pT

mmn

n

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡ −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛............................................................. (20.15)

gde je: Q - protok gasa , [SCF/Day], D - unutrašnji prečnik gasovoda, [in], L - dužina gasovoda, [miles],

To - temperatura u normalnom stanju [520 °R], Po - pritisak u normalnom stanju [14,7 psia], P1 - pritisak u tački l gasovoda, [psia], P2 - pritisak u tački 2 gasovoda, [psia], Tm - srednja temperatura gasa u gasovodu,[°R], pm - srednji pritisak gasa u gasovodu, [psia] Zm - srednji faktor kompresibilnosti,

d - relativna gustina gasa. fs - efekivna hrapavost, [in].

Uticaj različitih parametara gasa i cevi na transport magistralnim cevovodima dat je u tabeli 20.4-1:

20. Gasovodi

522

Tabela 20.4 -1. Uticaj raznih parametara gasovoda na protok

Parametar gasovoda

Promena parametara

Promena protoka Napomena

Unutrašnji prečnik

Promena veličine cevi 40-70% 40% je za prvu standardnu, npr. sa

48" na 42" 70% je za nekonsekutivnu

promenu npr. sa 30 na 24" Debljina zida promena < 0,5% cevi 10% Apsolutna promena od 100 1,25 do hrapavost mikroinča 1,5% Gustina gasa promena za 0,01 0,8% Kompresibilnos promena za 1,5% t 0,05 Viskozitet promena za <1°/ Promena je kod delimično 10% turbulentnih režima. Kod

potpuno turbulentnih

nema uticaja. Dubina tla promena za 50% <1% Uticaj je minimalan

20.5. Brzina gasa u gasovodu Brzina gasa se može izračunati iz izraza:

π24

DQw = .......................................................................................................... (20.16)

gde je: Q - zapreminski protok gasa na radnim uslovima, D - unutrašnji prečnik cevi.

Zapreminski protok Q odgovara radnom stanju gasa u cevovodu, odnosno radnom pritisku p i radnoj temperaturi T. Ako je protok sveden na normalno stanje, tada je:

ZpT

TpD

Qw n

02

4π

= .............................................................................................. (20.17)

Velika brzina gasa u cevovodu može izazvati vibracije i eroziju materijala cevi, što vremenom dovodi do oštećenja i značajno smanjuje vek trajanja gasovoda. Zbog toga je neophodno kontrolisati brzine gasa u magistralnim gasovodima radi sprečavanja prelaza kritične brzine. Prema američkoj literaturi, brzina gasa pri kojoj dolazi do erozije materijala, data je izrazom:

20. Gasovodi

523

ρCwe = .......................................................................................................... (20.18)

gde je:

ew - brzina pri kojoj se javlja erozija, [m/s], ρ - gustina gasa, [kg/m3], C - konstanta čija je vrednost između 75 i 150. Preporučena vrednost za magistralne gasovode

je C = 100.

Preporučene brzine u magistralnim gasovodima su normalno oko 40 do 50[%] ispod brzine pri kojoj se javlja erozija, odnosno mogu se usvojiti vrednosti od 10 do 13 [m/s]. Za razvodne i priključne gasovode (ogranke magistralnih gasovoda) mogu se prihvatiti brzine 15 do 17 [m/s]. Ako se izračuna eroziona brzina, može se izračunati i protok gasa pri kome se javlja erozija:

AwQ ee ⋅= ...................................................................................................... (20.19)

gde je: A - poprečni presek gasovoda kroz koji struji gas.

20.5.1.Optimalni pad pritiska po jedinici dužine gasovoda Jedan od važnih faktora za dimenzionisanje magistralnih gasovoda je optimalni pad pritiska po jedinici dužine gasovoda. On direktno utiče na cenu koštanja gasovoda. Održavajući optimalni pad pritiska duž svih deonica magistralnog gasovoda, minimiziraju se eksploatacioni troškovi i potrebni uređaji (dimenzije cevi, kompresori, potrošnja goriva i dr.). Studije obavljene u „Trans Canada Pipelines" dokazuju da je pad pritiska od 15 -25 [kPa/km] po jedinici dužine gasovoda optimalan, s obzirom na investicione, eksploatacione i dr. troškove magistralnih gasovoda. To znači da, kada je konačno projekat završen, pad pritiska po jedinici dužine, u svim deonicama magistralnog gasovoda, treba da bude u tim granicama. Ako je veći od 25 [kPa/km], kompresori postavljeni „nizvodno" radiće sa većim koeficijentom punjenja, imaće veću potrošnju goriva odnosno veće troškove goriva.

20.5.2.„Looping" gasovoda Ponekad je potrebno povećati kapacitet magistralnog gasovoda bez promene početnog i krajnjeg pritiska. To se postiže „loopingom", odnosno izgradnjom gasovoda koji je paralelan postojećem, čiji se kapacitet povećava. Najčešće nije neophodno uraditi kompletan luping od početne do krajnje tačke postojećeg gasovoda da bi se održao željeni pritisak u krajnjoj tački. Takav uslov može se postići izgradnjom lupinga na jednom segmentu gasovoda. Pretpostavimo da je dužina postojećeg gasovoda L, prečnik D1, ulazni pritisak p1 i izlazni pritisak p2, pri protoku Q1. Ako se želi da se poveća protok gasa na Q2 bez promene pritiska p2, treba izgraditi luping odnosno paralelan gasovod prečnika D2 na dužini:

20. Gasovodi

524

1

1

1

1

2

38

1

2

2

2

1

−

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=

DD

QQ

LX ................................................................................. (20.20)

gde je: X - dužina paralelnog gasovoda, L - ukupna dužina postojećeg gasovoda, 1Q - početni protok gasa,

2Q - željeni protok gasa,

1D - unutrašnji prečnik postojećeg gasovoda,

2D - unutrašnji prečnik paralelnog segmenta.

20.5.3. „Pipeline Packing" Gasovod kroz koji se transportuje gas od tačke l do tačke 2, sa pritiscima u tim tačkama p1 i p2, sadrži određenu količinu gasa „spakovanu" unutar gasovoda na srednjem pritisku psr. Ta količina gasa naziva se „Pipeline Packing". Ta količina gasa može se odrediti iz jednačine:

srsrTsr RTZnVp = ............................................................................................ (20.21)

gde je:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+

−+=21

21213

2pp

pppppsr ............................................................................ (20.22)

221 TTTsr

+= ................................................................................................... (20.23)

LDV4

2π= ....................................................................................................... (20.24)

Ukupan broj molova gasa, nT „upakovan" između tačaka l i 2 pri srednjim uslovima pritiska i temperature u gasovodu je:

RTZLpDn

sr

srT 4

2π= ............................................................................................ (20.25)

Iz ove vrednosti može se izračunati zapremina gasa V, koja postoji u gasovodu na normalnim uslovima (1,01325 bar i 273 K):

20. Gasovodi

525

n

nT

PRTnVn = ..................................................................................................... (20.26)

Broj molova gasa u cevovodu u vremenu r = 0 je:

1111 RTnVp = .................................................................................................... (20.27)

gde je:

1p - početni pritisak,

1V - početna zapremina,

1n - početni broj molova gasa, R - gasna konstanta,

1T početna temperatura gasa.

Ako je prečnik gasovoda D, a dužina gasovoda L, tada je:

11

2

1 4RTnLDp =

π ............................................................................................ (20.28)

Posle jednog sata, usled curenja, zapremina gasa u gasovodu se smanjuje na:

2222 RTnVp = , ................................................................................................. (20.29)

odakle je:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

2

22

2 4 RTLP

RDn π ............................................................................................. (20.30)

Količina gasa koja je iscurela iz gasovoda je tada:

21 nnn −= , ...................................................................................................... (20.31)

odnosno, zamenom:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

2

2

1

12

4 Tp

Tp

RLDn π ....................................................................................... (20.32)

Zapremina iscurelog gasa, na normalnim uslovima je tada:

n

nn p

nRTV = ........................................................................................................ (20.33)

Magistralni gasovodi mogu se koristiti i kao privremeni skladišni rezervoari za gas, kada je u normalnoj eksploataciji, potrošnja manja od dobave gasa. Ovo je naročito slučaj kod gasovoda sa većim brojem potrošača sa neravnomernim opterećenjima (npr. dnevno/noćno kod toplana sa velikim kapacitetom). U noćnom režimu rada gasovoda, potrošnja gasa se izrazito u tom slučaju smanjuje a dobava ostaje ista. Akumulaciona moć gasovoda određena je jednačinom:

20. Gasovodi

526

n

mm

mm

nmgeomakn p

ppTZTZVV 21

1

2 −= ........................................................................ (20.34)

gde je:

aknV - akumulaciona moć gasovoda (pri 0°C, 101 3,25 mbar), [m3],

geomV - geometrijska zapremina gasovoda, [m3],

uD - unutrašnji prečnik gasovoda,[ m], L - dužina gasovoda, [m], mZ - faktor kompresibilnosti pri srednjem pritisku [pm],

0T - normalna temperatura [273 K],

mT - srednja temperatura u gasovodu, [K],

mP - srednji pritisak u gasovodu, [bar],

up - početni (ulazni) pritisak, [bar],

ip - konačni (izlazni) pritisak, [bar],

np - normalni pritisak ( l,01325), [bar], indeks l - najveće (maksimalne) vrednosti, indeks 2 - najmanje (minimalne) vrednosti.

20.6. Mehanički proračun gasovoda Projektanti hidrauličkog sistema gasovoda uglavnom vode računa o optimizaciji dimenzionisanja uređaja i opreme na gasovodu i eksploatacionim troškovima. Međutim, mora se pri tom radi kompletne analize, uzeti u obzir odnos između prečnika cevi, debljine zida cevi, pritiska, snage kompresora, protoka i ekonomskih faktora. Debljina zida cevi za magistralne gasovode zavisi od dimenzija cevi, lokacije gasovoda i projetnog pritiska. Projektni pritisak ne sme biti niži od maksimalnog radnog pritiska. Debljina zida cevi i izabrani materijal gasovoda, moraju obezbediti adekvatnu čvrstoću radi sprečavanja deformacija i loma usled napona, spoljnih sila i termičkih izduženja ili kontrakcija. Projektant mora takođe da razmotri karakteristike izabranog materijala na niskim temperaturama jer gasovodi mogu biti izloženi niskim temperaturama za vreme izgradnje, ispitivanja, startovanja i rada. Prema standardima za gasovode (ANSI - ASME B31.8 ili CSA Z662 - 96) zahtevi za proračun čvrstoće ograničeni su na normalne projektne uslove, radni pritisak, termičku ekspanziju / kontrakciju i druge sile koje deluju na gasovod. Dodatna opterećenja kojima može biti izložen gasovod su: povremena ekstremna opterećenja usled zemljotresa,

- klizišta, - gubitak oslonca, - ciklična opterećenja od saobraćajnih sredstava, - mehaničke vibracije.

Ova opterećenja zahtevaju dodatne projektne kriterijume (npr. povećanje debljine zida cevi ili materijal veće čvrstoće) radi osiguranja bezbednog rada gasovoda.

20. Gasovodi

527

Projektovanje, izbor materijala i konstrukcija opreme i uređaja cevovoda vrše se prema normama i standardima koji propisuju minimalne zahteve. Svrha ovih normi i standarda je da osigura da kompletna struktura gasovoda radi sigurno pod uslovima pod kojima će biti korišćen. Najvažniji faktor koji dovodi do oštećenje gasovoda je šteta koju prouzrokuje ljudska delatnost. Oštećenje na gasovodu generalno govoreći, javlja se za vreme izgradnje drugih infrastruktura, sistema kanalizacije, saobraćajnica, vodovoda. Mogućnost oštećenja gasovoda je tim veća što je populacija u blizini gasovoda veća. Radi uzimanja u obzir rizika oštećenja, projektant određuje klasu lokacije gasovoda, pre svega, na osnovu koncentracije populacije u zaštitnom pojasu gasovoda. „Pravilnikom o tehničkim uslovima i normativima za bezbedan transport tečnih i gasovitih ugljovodonika magistralnim naftovodima i gasovodima i naftovodima i gasovo-dima za međunarodni transport, prema gustini naseljenosti u zaštitnim pojasevima magistralnog gasovoda (200 m sa svake strane ose gasovoda) definisane su klase lokacije:

I klasa - u zaštitnom pojasu cevovoda na dužini l km nalazi se do šest stambenih zgrada nižih od 4 sprata,

II klasa - u zaštitnom pojasu cevovoda na dužini l km nalazi se više od 6 a manje od 28 stambenih zgrada nižih od 4 sprata,

III klasa - u zaštitnom pojasu cevovoda na dužini l km nalazi se 28 ili više stambenih zgrada nižih od 4 sprata ili poslovne, industrijske, uslužne, školske, zdravstvene i sl. zgrade

IV javne površine kao što su: igrališta, tereni za rekreaciju, otvorene pozornice, sportski tereni, sajmišta, parkovi i sl. površine na kojima se trajno ili povremeno zadržava više od 20 ljudi, a nalaze se na udaljenju manjoj od 100 m od ose gasovoda,

V klasa - u zaštitnom pojasu cevovoda na dužini jednakoj širini pojasa preovlađuju četvorospratne ili više zgrade.

VI Klasa lokacije određuje koeficijent sigurnosti S prema tabeli

Tabela 20.6-1. Koeficijent sigurnosti

Klasa lokacije gasovoda Koeficijent sigurnosti

I

II III

IV

1,4 1,7

2,0

2,5

Osim tih vrednosti u posebnim slučajevima se uzima koeficijent sigurnosti: u pojasevima I i II klase, za gasovode koji prolaze ispod lokalnih puteva sa ili bez zaštitne cevi i pri paralelnom vođenju gasovoda uz saobraćajnice S= 1,7, u pojasevima I, II i III klase, za gasovode koji prolaze ispod regionalnih i magistralnih puteva (osim autoputeva) sa ili bez zaštitne cevi, ispod reka i kanala, kod nadzemnih prelaza, paralelnog i nadzemnog vođenja sa saobraćajnicama i za sve vrste gasnih stanica, S = 2,0, u pojasevima svih klasa, za gasovode koji prolaze ispod autoputeva sa ili bez zaštitne cevi, ispod železničkih pruga, ispod bilo koje saobraćajnice u IV klasi, za sve nadzemne delove gasovoda i gasnih stanica u IV klasi i za prelaze vodotokova i kanala ako se postavljaju na drumske i železničke mostove u pojaseviima svih klasa S = 2,5.

20. Gasovodi

528

Upoređenja radi, po ASME ANSI B31.8 klasifikacija lokacija magistralnih gasovoda data je na sledeći način:

I klasa - u zaštitnom pojasu cevovoda na dužini jenakoj l km broj stambenih jedinica < 10 II klasa - u zaštitnom pojasu cevovoda na dužini jednakoj l km broj stambenih jedinica veći

od 10 i manji od 46. III klasa - u zaštitnom pojasu cevovoda na dužini jednakoj l km broj stambenih jedinica jednak

ili veći od 46, IV klasa - u zaštitnom pojasu cevovoda na dužini jednakoj širirni pojasa zgrade sa 4 ili više

sprata, gust saobraćaj ili podzemne instalacije.

Debljina zida cevi izračunava se prema obrascu:

kVTpDSt

20= ........................................................................................................ (20.35)

gde je: t - računska debljina zida cevi, bez dodataka, mm, p - projektni pritisak, bar, D - spoljni prečnik cevi, mm, S - koeficijent sigurnosti u zavisnosti od klase lokacije, k - minimalna granica razvlačenja, N/mm2 = MPa, V - faktor uzdužnog i spiralnog zavarenog spoja (obavezno je l kod gasovoda) T - faktor temperature (do 120°C jednak je 1).

Tabela 20.6-2. Minimalne granice razvlačenja za neke materijale

Oznaka materijala Minimalna granica razvlačenja

Č1212 240 N/mm2 2400 bar Č1213 260 N/mm2 2600 bar API 5L Grade A 30000 psi 2068,5 bar API 5L Grade B 35000 psi 24 13, 2 bar API 5L Grade X42 42000 psi 2895,9 bar API 5L Grade X46 46000 psi 3171,7bar API 5L Grade X52 52000 psi 3585,4 bar API 5L Grade X56 56000 psi 386 1,2 bar API 5L Grade X60 60000 psi 4 137,0 bar API 5L Grade X65 65000 psi 448 1,8 bar API 5L Grade X70 70000 psi 4826,5 bar API 5L Grade X80 80000 psi 55 16,0 bar API 5L Grade X90 90000 psi 6205,5 bar

20. Gasovodi

529

Minimalne debljine zida cevi za magistralne gasovode i cevovode u kompresorskim stanicama data je u tabeli 20.6-3

Tabela 20.6-3. Minimalne debljine zida cevi

Magistralni gasovod Kompresorka

stanica NPS inch

Spoljni prečnik mm DN

inch mm inch mm

3 88.9 80 0.126 3.2 0.217 5.5

4 114.3 100 0.126 3.2 0.236 6.0

6 168.3 150 0.126 3.2 0.28 7.1

8 219.1 200 0.157 4.0 0.323 8.2

10 273 250 0.189 4.8 0.366 9.3

12 323.8 300 0.189 4.8 0.406 10.3

14 355.6 350 0.209 5.3 0.437 11.1

16 406.4 400 0.22 5.6 0.5 12.7

18 457.2 450 0.22 5.6 0.5 12.7

20 508 500 0.22 5.6 0.5 12.7

22 559 550 0.236 6.0 0.5 12.7

24 610 600 0.252 6.4 0.5 12.7

26 660 650 0.264 6.7 0.5 12.7

30 762 750 0.287 7.3 0.5 12.7

34 864 850 0.311 7.9 0.5 12.7

36 914 900 0.323 8.2 0.5 12.7

42 1066.8 1000 0.354 0.0 0.5 12.7

Minimalna debljina zida cevi, data je iz kanadskog standarda CAN/CSA-Z245.1-M90 za čelične cevi i određena je tako, da je cev otporna na oštećenja pri normalnom procesu ugradnje, pri savijanju na gradilištu i zavarivanju. Kod magistralnih gasovoda, troškovi metala cevi iznose 50 do 55% investicione vrednosti. Zbog toga je veoma važno da se dobro razmotri količina čelika koja je potrebna za realizaciju projekta. Iz jednačine:

( )tDLW us += ρλ ............................................................................................. (20.36)

gde je:

20. Gasovodi

530

sW - težina čelika, L - dužina gasovoda, ρ - gustina čelika, t - debljina zida cevi, uD - unutrašnji prečnik cevi,

se vidi da je uticaj debljine zida cevi na količinu metala značajan. Kod projektovanja gasovoda visokog pritiska, projektant može mnogo da uštedi ako izabere cevi od kvalitetnijeg materijala. Veći kvalitet dopušta manje debljine zida cevi, a ušteda na količini metala prevazilazi troškove zbog boljeg kvaliteta, na primer, kada se sa kvaliteta X70 pređe na kvalitet X80, poskupljenje zbog kvaliteta je 2 - 3%, dok je istovremena ušteda usled smanjenja debljine zida cevi 12- 13%.

20.6.1. Dimenzionisanje fiksnih oslonaca (anker blokova) U prečistaškim stanicama (prijemne/otpremne kutije za čistače „kracere") gasovod izlazi iz zemlje. Pre izlaska iz zemlje gasovod mora biti fiksiran odgovarajućim fiksnim osloncem („anker blokom"), koji treba da primi silu:

pu ATE

tpDpDF ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ∆−+−= αυ

24

2.................................................................... (20.37)

gde je: F - sila na fiksnom osloncu, p - projektni pritisak u gasovodu, uD - unutrašnji prečnik cevi,

D, - spoljni prečnik cevi, t, - debljina zida cevi, υ - Poasonov koeficijent (0,3 za čelik),

E - modul elastičnosti (za čelik 200 x 103 MPa), α - koeficijent toplotnog izduženja (za čelik 11,7 x 106 mm/mm °C), T∆ - razlika između maksimalne i minimalne pri, [°C], pA - površina poprečnog preseka cevi.

Sile na anker bloku mogu biti vrlo velike. Zbog toga posebnu pažnju treba obratiti na njegovo projektovanje. Radi minimiziranja dimenzija bloka, treba uzeti gornje granice bočne nosivosti tla i uzeti u obzir i trenje između bloka i tla. Takođe je potrebno da nadzemni deo cevi ima mogućnost termičkih dilatacija da bi mogao da absorbuje izvesno lateralno pomeranje. Dobro rešenje je da se prečistačke kutije postave tako da mogu da se pomeraju sa nadzemnim delom cevi a da se ne fiksiraju. Na slici 20.6-1. dat je izgled anker bloka.

20. Gasovodi

531

Slika 20.6-1. Anker blok

20.6.2 Različite debljine zida cevi Često se na magistralnim gasovodima dešava spajanje cevi istog spoljnog prečnika sa nejednakim debljinama. Uobičajena praksa je da se određena dužina deblje cevi obradi, tako da se lokalni momenti na zavarenom spoju (prouzrokovani interakcijom aksijalnog napona) i ekscentricitet različitih debljina zida cevi redukuje na zadovoljavajući nivo . Ako je razlika između debljina zida cevi istog spoljnog prečnika manja ili jednaka 1,0 [mm] nije potrebna nikakva obrada jer, u takvim slušajevima, koncentracija napona generisana malim diskontinuitetom, nije takva da može da prouzrokuje probleme. Neobrađene razlike, veće od 1,0 [mm], obično imaju za rezultat oštećenja gasovoda. Za gasovode koji rade sa visokim obodnim naponom, koji iznosi preko 80% od spesificirane minimalne zatezne čvrstoće (SMYS - vidi ASME ANSI B31.8), treba se pridržavati sledeće procedure: Kada je (t1-t2) > 0,3 r2 deblji zid cevi se obrađuje u dužini L, koja je veća ili jednaka vrednosti L0, ali ne manja od 50 [mm]. L0 se izračunava iz izraza:

2

085.0

tD

DL = ...................................................................................................... (20.38)

Ovaj način obrađivanja cevi sa većom debljinom dovodi do smanjenja lokalnih napona preko 75% na zavarenom spoju.

20. Gasovodi

532

Kada je (t1-t2) < 0,3 t2, deblja cev se obrađuje prema slici 20.6-2. Drugo razmatranje se primenjuje za zavarene spojeve različitih debljina zida na promeni smera gasovoda - krivinama. Ovakvi zavareni spojevi obično nisu locirani u oblasti velikih momenata savijanja. U takvim slučajevima spoj između cevi raznih debljina ne treba postavljati na udaljenju manjem od A"0, od tačke u kojoj je moment savijanja najveći:

X0=10

4 2

0tDX = ............................................................................................... (20.39)

Za gasovode koji rade sa obodnim naponom koji ne prelazi 60% SMYS, zavareni spojevi između cevi različitih debljina, izvode se prema slici 20.6-2. Alternativno deblja cev se može obraditi prema slici.

Slika 20.6-2. Obrada cevi različite debljine

20. Gasovodi

533

20.6.3. Naponi usled spuštanja cevi Ponekad, u praksi se dešava da se usled ozbiljne erozije pokrivke cevi ili usled potreba izgradnje drugih infrastruktura, već postavljen gasovod, bez prekida transporta gasa, mora spustiti na veću dubinu od postojeće. Ovakva aktivnost unosi dva nova napona u već opterećen gasovod; prvi je napon na savijanje usled promene pravca cevovoda a drugi je napon usled izduženja cevovoda, prouzrokovan većom dužinom trase, koju cevovod mora da prati. Profil gasovoda se može predstaviti serijom krivina jednakog poluprečnika. Posmatrajući segment sa slike 20.6-3. može se po principu lukova koji se seku, izvesti jednačina:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−

44222 llhhR ......................................................................................... (20.40)

gde je: R - poluprečnik krivine, [m], h - nova dubina na koju se spušta gasovod, [m], l - dužina na kojoj je potrebno izvršiti spuštanje, [m].

Iz jednačine izračunava se:

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

22

241 hth

R ...................................................................................... (20.41)

Napon usled savijanja, kome je tom prilikom izložen gasovod je:

REr

b =σ ........................................................................................................... (20.42)

Promena dužine gasovoda usled aksijalnih napona unetih tom prilikom u cev je:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=Λ 4

4

2

2

532

38

lh

lhll ....................................................................................... (20.43)

a aksijalni napon: 2

38

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

lhESx .................................................................................................. (20.44)

Kombinovani, odnosno rezultujući napon usled spuštanja gasovoda na veću dubinu je: 2

38

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+=

lh

RErScomb ...................................................................................... (20.45)

Usled raznih razloga (podzemnih voda, poplavljenih delova gasovoda, sleganja tla i dr.), često se javlja slučaj spuštanja tla ispod gasovoda i, na određenoj dužini, savijanje cevi. Dozvoljena promena u ugibu cevi pri tom ne srne da pređe vrednost A koja je data, pojednostavljenim izrazom:

RL2

2

2π−

=∆ ........................................................................................................ (20.46)

20. Gasovodi

534

Slika 20.6-3. Profil cevi koja se spušta

20.6.4. Ogranci (T - komadi) Tipični T komadi prikazani su na slici 20.6-4. Od prikazanih na slici, prema standardima i kodovima za magistralne gasovode, kovani T komadi su najpoželjniji za ugradnju jer ne postojanje oštrih ivica smanjuje pad pritiska pri strujanju gasa sa jedne strane a sa druge eliminiše potencijalne koncentracije lokalnih napona. Kod izrade ogranaka, treba voditi računa o potrebnoj površini ojačanja prema ASME B31.8, odnosno, ako je potrebno, uklonjenu površinu sa radne cevi, kompenzovati površinom ojačanja.

Tabela 20.6-4. Specijalni zahtevi za ogranke (ASME B31.8)

1/4 ili manje veći od 1/4 do 1/2 veći od 1/2

20% ili manji

Ojačanje nije potrebno, izuzev kod specijalnih slučajeva

Ojačanje nije obavezno, izuzev kod specijalnih slučajeva

Ako se zahteva ojačanje, zavaruje se po čitavom obimu

20% do 50%

Ne zahteva se proračun ojačanja za otvore do 2,5 in. Ako se postavlja ojačanje dozvoljeno je bilo koji tip sa specijanim zavarivanjem.

Ako se postavlja ojačanje, dozvoljen je bilo koji tip sa specijalnim zavarivanjem.

Ako se zahteva ojačanje, zavaruje se po čitavom obimu

Veći od 50%

Ne zahteva se proračun ojačanja za otvore do 2,5 in. Ako se postavlja ojačanje dozvoljen je bilo koji tip sa specijalnim zavarom ne debljim od radne cevi.

Preporučuje se fabrički izrađen T komad. Ako se radi ojačanje, uraditi zavarivanje po čitavom obimu

Preporučuje se fabrički izrađen T komad. Ako se radi ojačanje, zavarivanje po čitavom obimu

20. Gasovodi

535

Zavisno od dimenzija priključka, ojačanje može biti po ćelom obimu radne cevi ili delimično. Ako je spoljni prečnik priključka manji od 60,3 [mm] (2,5 inča) nikakvo ojačanje nije potrebno. Za druge dimenzije gasovoda i ogranaka, treba odlučiti prema kriterijumima datim u tabeli.

Slika 20.6-4. Vrste T Komada

Slika 20.6-5. Ojačanje T komada

20. Gasovodi

536

20.6.5. Armatura na ograncima Armatura na ograncima potrebna je radi zatvaranja bočnih ogranaka sa magistralnih gasovoda u situacijama kada to zahtevaju potrebe održavanja gasovoda ili u slučaju havarije gasovoda. Glavne komponente su:

- loptasta slavina ili zasun jednakih dimenzija kao i ogranak gasovoda, - slavina za izduvavanje, - dielektrična prirubnica ili izolacioni komad radi odvajanja potencijala ogranka od

magistralnog gasovoda, - slavine za potrebe hidrauličkog ispitivanja ogranka.

Generalno, za magistralne gasovode, pogon za svu armaturu bira se tako da bude ekonomičan i lak za rukovanje. Tipičan pogon je:

- ručni, za svu armaturu do DN 100 (4"), - ručni, sa reduktorom za DN 150 (6") do DN 300 (12"), - aktuatorski, za svu armaturu od DN 400 (16") i veću.

Aktuatorski pogon može biti izabran i za armaturu manjih prečnika ako je to projektom predviđeno, npr. u merno-regulacionim, primopredajnim, kompresorskim stanicama kao i tamo gde se predviđa daljinsko upravljanje sistemom. Aktuatori mogu biti pneumatski (kada se koristi gas iz gasovoda), hidraulički (ulje), pneumatske - hidraulučki, električni, što zavisi od namene armature, lokacije, raspoloživosti energije i dr. Pri izboru armature i kombinacije armatura - aktuator na magistralnom gasovodu treba razmotriti sledeće faktore:

- radne karakteristike, - funkciju, - lokaciju, - materijale, - raspoloživi prostor, - održavanje, - mogućnosti opravke, - vreme isporuke armature i rezervnih delova, - cenu.

Treba napomenuti da nema posebnih preporuka ili kodova koji daju prednost određenom tipu armature za gas. Svi tipovi armatura koji se upotrebljavaju u magistralnim gasovodima, moraju biti prilagođeni zahtevima sigurnosti, postojanosti i funkcionalnosti za rad sa gasom. U slučajevima kada je potrebno brzo otvaranje i zatvaranje ili kada su diferencijalni pritisci duž armature visoki, treba predvideti loptaste slavine.

20. Gasovodi

537

20.7. Instalacije za gas u zgradama One uključuju skretnice gasovoda za zgrade, cevne mreže, gasne aparate, opremu i cevi za odvod dimnih gasova. Za stambene, društvene i administrativne zgrade pritisak gasa je do 0,5 [kPa]. One su povezane za gradski gasovod. Način povezivanja za gradski gasovod je:

- neposredni za mreže sa niskim pritiskom - preko gasoregulacionih punktova za mreže sa srednjim pritiskom

Za gradski gasovod se vezuju zgrade visine do 80[m]. Skretnice za zgrade. To su cevi koje spajaju gradski gasovod sa unutrašnjom mrežom zgrade. Spoljašnji zid se na mestu prolaza cevi oblaže zaštitnom kožom,a pored nje se stavlja zaustavni ventil i kompenzator. Cevna mreža. Šema razvodnih gasovoda je zrakasta. Gasovodi se montiraju na otvorenom u tehničkim koridorima i podrumima, a štrangovi u kuhinjama, ostavama, predsobljima i stepeništima. Zaustavni ventili se postavljaju na početku štrangova visokih zgrada. Na svaku cevnu skretnicu ispred zgrade se postavlja ventil. Merenje potrošnje gasa je decentralizirano,tj. moguće je merenje potrošnje svakog stana pojedinačno. Potrebe i ograničenja cevnih mreža su: koriste se samo metalne cevi koje su povezane zavarivanjem. Cevi se montiraju na otvorenom (nisu u zidu). Obavezna je antikorozivna zaštita cevi kada su u kontaktu sa betonom ili gipsom. Merači potrošnje gasa se ne montiraju na stepeništu, hodniku. Dimenzionisanje mreže. Vrši se na osnovu šeme gasovoda i šeme cevne mreže i tipa gasnih uređaja. Raspoloživi pritisak za savlađivanje otpora ∆pmp je povezano sa radnim pritiskom aparata (potrošača) ∆pk izrazom:

∆pmp≤0,7 ∆pk .................................................................................................... (20.47)

gde je: ∆pmp zbir otpora u skretnicama, razvodnim cevima i štrangovima (<600 Pa) Za savlađivanje otpora skretnica za zgrade se troši 60 % od ∆pmp, a za porodične kuće do 40%. Određivanje prečnika počinje od linije sa maksimalnom dužinom (linija spaja najudaljenije uređaje i mesto spoja skretnice i glavnog gasovoda). Određivanje prečnika se vrši sledećim redosledom:

1) Određuje se protok V* za svaku cev Uređaji za spremanje hrane imaju : V*=(1,8 + 0,1na-2/na)∑Vk , [m³/h].

Uređaji za spremanje hrane i toplu vodu imaju: V*=(0,82+0,41∑Vki-0,8/na) 5+an

Uređaji za spremanje hrane, tople vode i individualno grejanje imaju:

V*=(2+∑Vki-2/na) an , [m³/h]. ...................................................................... (20.48)

Gde je: Vki - nominalna potrošnja gasa i-tog aparata u stanu na - broj stanova

2) Usvajaju se prečnici cevi

20. Gasovodi

538

3) Određuje se pad pritiska

∆p=R(l+lekv), [Pa] ili ∆p=Rl(1+b) , [Pa] .................................................... (20.49)

lekv - ekvivalentna dužina b - koeficijent lokalnih otpora

4) Gravitaciono-uzgonska sila

( ) HgHp rvgr ∆=−∆= 5,5ρρ ......................................................................... (20.50)

grd ppp −∆=∆ ................................................................................................ (20.51)

Provera: ∑ ∆≤∆ kd pp 7,0 i ∑ ∆<∆ mpd pp .

Ako ovaj uslov nije ispunjen vrši se korekcija prečnika (tj. dp∆ ).

erno - Regulacione staniceMerno - Regulacione stanice

21.21.

541

21. Merno - Regulacione stanice

21.1. Koncepcija i smeštaj gasnih stanica Pre odlučivanja o budućoj koncepciji svake stanice neophodno je znati sledeće podatke:

- Ulazni pritisak (minimalni i maksimalni) - Izlazni pritisak (minimalni i maksimalni) - Potrošnju gasa (minimalnu i maksimalnu)

Na osnovu ovih podataka pristupa se dimenzionisanju ulaznog i izlaznog cevovoda koji direktno određuju veličinu armature i cenu stanice. Proračun prečnika ulaznog i izlaznog cevovoda svodi se na proveru protoka za preporučene dozvoljene brzine strujanja. Preporučene brzine strujanja u gasnim stanicama su 20 m/s, ali se toleriše (naročito na ulaznom delu) do 22 m/s.

wQdu 3542 = ...................................................................................................... (21.1)

273273 t

pppQQ

b

bn

+⋅

+= ..................................................................................... (21.2)

pri čemu je : du (mm) - unutrašnji prečnik gasovoda w (m/s) - preporučena (usvojena) brzina gasa

Qn (m3/h) - protok gasa na normalnim uslovima (pb=1.01 bar, t0=0°C) Q (m3/h) - protok gasa na radnim uslovima (p, bar; t, K)

pb (bar) - barometarski pritisak okoline, p (bar) - nadpritisak gasa t (°C) - temperatura gasa

Pri proračunu cevovoda merodavan je minimalni ulazni pritisak i maksimalni izlazni pritisak pri maksimalnom protoku. Razlog za ovakav postupak je što investitori najčešće traže stanicu večeg kapaciteta nego što im je potrebna i pri tome još dodaju rezervu 10 - 20%. Ovo može dovesti do toga da stanice rade ispod 30% Qmax, a na stanicama za široku potrošnju slučaj može biti još drastičniji. U takvom režimu rada dovodi se u pitanje regularan rad stanice, tj. pojavljuje se problem sa regulacijom pritiska i merenjem protoka, što je detaljno obrađeno u poglavlju “Merna i regulaciona linija”. Ovakvim dimenzionisanjem izlaznog dela stanice koja u početku radi sa malim protokom na nižem izlaznom pritisku, a kasnije sa porastom potrošnje podiže se i izlazni pritisak, obezbeđuje se siguran i precizan rad gasne stanice. Dimenzija izlaznog gasovoda je znatno manja, što utiče na ukupno smanjenje cene. Kada je dimenzionisan cevovod treba obezbediti izvedbu prirubnice, odnosno njihov nazivni pritisak. Sva oprema na stanicama treba da bude klase PN16, osim ulaznog dela GMRS koji treba da je klase PN 63.


542

Neophodno je da svaka gasna stanica (slika 21.1-1.) ima sledeće delove : - Deo za pripremu gasa (filtriranje i zagrevanje) - Deo za regulaciju pritiska - Deo za merenje

a po potrebi: - Odorizator - Kontrolne uređaje…

Slika 21.1-1. Merno - regulaciona stanica

Dve osnovne celine u svakoj gasnoj stanici su regulaciona i merna linija. Merno-regulacione stanice obavezno moraju imati dve regulacione linije kapaciteta 100% Qmax kada je :

- u pitanju GMRS - potrošač takav da ne sme imati zastoj u tehnologiji, grejanju, proizvodnji tehnološke pare,

tj. postoji stalna potreba za gasom (termoelektrane, šećerane, azotare, ciglane, livnice, cementare, pekare, veće i važnije kotlarnice, staklare…)

- kod potrošača čija časovna potrošnja prelazi 160 m3/h - ako investitor tako zahteva.

Za stanice većih kapaciteta mogu postojati tri regulacione linije (po potrebi i više), pri čemu svaka od njih ima kapacitet 50% Qmax. Tada su dve linije radne, a jedna je rezervna. Ako stanice poseduju merenje protoka (što je najčešći slučaj) ono može biti na ulaznom ili izlaznom delu stanice. Preporuka je da merenje bude na izlaznom delu gde je regulisan pritisak, ali se to može izmeniti pogotovo kada su u pitanju stanice sa velikim izlaznim prečnikom (većim od DN 150). Kada se na osnovu zadatog protoka i izlaznog pritiska dobije merač DN 200 ili veći, tada bi merač bio velikih gabarita i težine, a samim tim i veoma skup, preporučuje se ugradnja merača na ulaznom delu stanice.


543

Na svim stanicama većim od 160 m3/h (dvolinijske) ugrađuje se bajpas merača protoka koji obezbeđuje nesmetan transport gasa do potrošača u slučaju kvara merača ili njegovog odnošenja na baždarenje. Ako na stanici postoji veliki raspon u potrošnji između Qmax i Qmin koji ne može da pokrije merač protoka, obavezna je ugradnja linije za malu potrošnju čiji je Qmax veći od Qmin za glavnu mernu liniju. U tom slučaju treba proveriti i regulatore pritiska da li kvalitetno rade u području malih protoka, a ako oni ne zadovoljavaju potrebno je ugraditi “malu”, regulacionu liniju. Način ugradnje i izbor merača protoka posebno je obrađen u poglavlju “Merne linije i merači”. Za stanice velikog kapaciteta (MRS gde je Qmax veće od 5000 m3/h i GMRS gde je Qmax veće od 20000 m3/h) treba predvideti dvostruku sigurnost u regulaciji pritiska ugradnjom monitor regulacije koja znatno smanjuje mogućnost ispada stanice iz rada. Ovu granicu može odrediti sam projektant, investitor, a ponekad je to uslovljeno internim standardima distributera gasa na čijem se gasovodnom sistemu stanica gradi. Kada se projektant opredeli za koncept stanice i odabere svu neophodnu opremu, uvažavajući gore navedena uputstva, prelazi na konstruktivno rešenje kojim mora da zadovolji sva funkcionalna svojstva, ali i da obezbedi uslove dobrog održavanja. Međusobna rastojanja cevi i opreme u stanici, kao i odstojanja od zidova i krova, moraju biti takva da obezbeđuju nesmetan pregled i moguće intervencije. Zato treba voditi računa o postavljanju mernih instrumenata (manometara i termometara), merača i korektora protoka gasa, kako bi se obezbedilo očitavanje merenih veličina. Od međusobnog rastojanja ugrađenih elemenata i njihovog rastojanja zidova stanice zavisi laka montaža i demontaža opreme, kao i redovno održavanje pojedinih elemenata. Merači protoka treba da su postavljeni najviše 1.5 m od betonskog postolja stanice radi lakog očitavanja protoka. Ako merači protoka prelaze težinu od 30kg, osu merača treba postaviti znatno niže zbog lakše montaže i demontaže. Generalno gledano, u stanicama u kojima pojedinačna oprema prelazi 30 kg, treba predvideti konzolnu dizalicu u blizini težih delova, a ako ih ima više predvideti malu kransku dizalicu. Na stanicama sa izuzetno teškom i gabaritnom opremom predvideti pristupne puteve za pokretne dizalice za servis, montažu i demontažu. Stanice se smeštaju u metalne kućice, zidane objekte ili pod nastrešnicom. U slučaju postavljanja pod nastrešnicu (ili čak i bez nje, što treba izbegavati) obavezno je da stanica bude postavljena na betonskom platou. Lokacija stanice i minimalna rastojanja od objekata detaljno je obrađeno u tabeli T 21.1-1, a neki specifični slučajevi mogu se naći u, “Tehničkim normativima za projektovanje i izgradnju gradskog gasovoda”. Lokacija stanice mora se uskladiti sa saglasnostima, urbanističkim uslovima, željama i potrebama samih investitora. Posle izbora koncepcije stanice, projektanti treba da vode računa pri dimenzionisanju i izboru opreme da obezbedi pouzdan rad stanici, funkcionalnost, ekonomičnost i lako održavanje. Osim sagledavanja stvarnih potreba potrošača treba razmotriti mogućnost dugoročnog povećanja potrošnje (20 - 30 godina) jednostavnim povećanjem kapaciteta ili faznim građenjem stanice.


544

Tabela 21.1-1. Lokacija merno-regulacionih stanica u odnosu na druge objekte

Merno regulaciona stanica Pod

natrstrešnicom Objekti

U objektima od čvrstog materijala i na otvorenom

do 30000 hm /3

Preko 30000 hm /3

za sve kapacitete

Stambene i poslovne zgrade 15 25 30 Fabričke zgrade i radiuonice 15 25 30 Skladišta zapaljivih tečnosti 15 25 30 Električni neizolovani nadzemni vodovi Za sve slučajeve visina stuba dalekovoda +3m

Trafo-stanice 30 30 30 Železničke pruge i objekti 30 30 30 Industrijski koloseci 15 15 25 Auto putevi 30 30 30 Magistralni putevi 20 20 30 Regionalni i lokalni putevi 10 10 10 Ostali putevi 6 10 10 Vodotoci 5 5 5 Šetališta i parkirališta 10 15 20 Ostali gradjevinski objekti 10 15 20

21.2. Oprema i elementi gasnih stanica

21.2.1. Cevi, cevni spojevi i fitinzi Dozvoljava se ugradnja čeličnih bešavnih ili uzdužno zavarenih cevi (preko DN 300) po SRPS, DIN ili API standardima. Proračun minimalne debljine zida cevi vrši se prema sledećoj formuli:

TVpsD

Kt ⋅⋅⋅⋅

=20 , [mm]...................................................................................... (21.3)

gde je: p - računski pritisak K - minimalna granica razvlačenja (N/mm2 =Mpa) D - spoljni prečnik cevi (mm) s - koeficijent sigurnosti V - faktor uzdužnog vara (obavezno 1) T - faktor temperature (za temperature do 120°C je 1)


545

Stepen sigurnosti je određen sa SRPS M.E2.250, tj. za radni pritisak s = 1.5, a za ispitni s = 1.1. U praksi pri proračunu za radni pritisak usvaja se stepen sigurnosti s = 2. Pregled cevi koje se koriste u gasnoj tehnici sa debljinama zida i težinama dat je tabelom T 21.2-1 koja je napravljena na osnovu SRPS C.B5.221. Ovaj SRPS C.B5.221. predviđa i druge dimenzije cevi, ali ove nemaju praktičnu primenu u gasnoj tehnici pa ih treba izbegavati.

Tabela 21.2-1. Veličine cevi iz SRPS C.B5.221 koje se koriste u gasnoj tehnici

Debljina zida cevi (mm) 2.6 2.9 3.2 3.6 4 5 5.6 6.3 7.1 8 8.8 10 11 12.5 13.5 14.2 15 16 17.5 18.5 19.5 20

Spolj. Preč. (mm) Težina (kg/m)

21.3 1.2 1.3 1.4 1.6 1.7 1.9 26.9 1.6 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5 2.7 33.7 2 2.2 2.6 2.7 2.9 3.2 3.5 3.9

42.4 2.6 2.8 3.1 3.5 3.8 4.2 4.6 5.1 5.6 6.2 6.858.3 2.9 3.3 3.6 4 4.4 4.9 5.3 5.9 6.5 7.2 7.9

69.5 4.1 4.5 5.1 5.6 6.2 6.8 7.5 8.6 9.3 10.3 11.1 12.8 13.4 14.876.1 5.2 5.8 6.5 7.2 7.9 8.8 9.7 10.9 12.1 13.4 14.6 16.3 17.7 19.6

88.9 6.8 6.9 7.2 7.9 8.8 9.7 10.9 12.1 14.4 15.9 17.3 19.5 21.1 23.7 25.1 26.1 27.3

114.3 9.7 11 12.1 13.5 15 16.8 18.8 21 22.8 25.7 28.3 33.5 35.1 36.7 38 41.8 43.7 45.6139.7 19.4 19.8 20.6 21.8 25.3 26 28.4 32 35 39.3 42 43.9 46.1 48 52.7 55.2 57.8168.3 18.2 20.1 22.5 25.2 28.2 31.6 34.6 39 42.8 48.2 51.5 56.7 60 65 68.4 71.6219.1 33.8 37.2 41.6 45.5 51.5 56.6 63.9 68.4 71.3 75.5 79.9 87 91.5 95.9 98.2273 41.4 46.5 48.5 57.3 64.8 71 80.3 86.4 90.6 95.4 101 110 116 122 125

323.9 55.5 63.5 68.2 77.6 85 96.2 103 109 114 121 132 139 146 150355.6

68.5 75 85.2 93.6 106.2 114 120 126 133 146 158 161 166

Maksimalna brzina strujanja gasa u cevima, na prirubnicama zaporne armature, dogrejačima gasa i filterima na ulazu i izlazu ne sme prelaziti brzinu 20 m/s, s tim što se na ulazu u stanicu dozvoljava i brzina do 22 m/s. Na prirubnicama blok ventila (ako nije integrisan sa regulatorom pritiska), preporučena je brzina do 50 m/s. Ovi podaci o preporučenim brzinama diktiraju veličinu svih ugrađenih elemenata na stanici sem regulatora pritiska i merača protoka koji se uzimaju iz preporuka proizvođača opreme.

21.2.2. Zaporni organi U gasnoj tehnici mogu se primenjivati kao zaporni organi: slavine (loptaste, cilindrične, konične), gasni ventili, zasuni i leptir ventili koji su posebno konstruisani da zadovolje uslove sigurnosti, postojanosti i funkcionalnosti za gasne instalacije. Izbor zapornog organa zavisi od uslova rada, ali se uglavnom koriste loptaste slavine, a na nižem pritisku (do 16 bara) mogu se koristiti posebno konstruisani ventili za gas.


546

Loptaste slavine su najčešće korišćeni zaporni organi i mogu biti različitih konstrukcija (dvodelne, trodelne) i različitih priključnih mera i nazivnih pritisaka. Na glavnim vodovima stanice obavezna je ugradnja prirubničkih slavina, a samo na pomoćnim vodovima (drenažnim, ispustnim…) mogu se ugrađivati navojne slavine, ali ne veće od G1 (DN 25). Sve loptaste slavine mogu biti sa redukovanim otvorom, osim slavina koje se koriste kao protivpožarne (sa punim otvorom). Na drenažnim otvorima koriste se loptaste slavine (navojne i prirubničke), ali obavezno po dve na svakom vodu, a ako se ugrađuju konične i cilindrične podmazive slavine, dovoljno je po jedna. Drenažne slavine GMRS - a se ne preporučuju ispod veličine DN 25. Ako su slavine navojne između njih je obavezno obezbediti razdvojivost veze. Loptaste slavine do veličine DN 150 ugrađuju se sa polugom (ručicom), a preko te veličine sa reduktorom. Na ulaznom delu GMRS mogu se ugrađivati slavine sa daljinskom kontrolom, tj. mogućnošću otvaranja i zatvaranja iz centra za telemetriju.

Slika 21.2-1. Navojna loptasta slavina

Slika 21.2-2. Loptasta slavina


547

Loptaste slavine su praktično potisnule sve ostale zaporne armature zbog svojih dobrih karakteristika:

- sigurnost u eksploataciji - dobra zaptivnost - velika brzina otvaranja i zatvaranja - minimalni pad pritiska na njima - laka ugradnja i male dimenzije - jednostavno održavanje - mogučnost ugradnje električnog, pneumatskog ili hidrauličnog pogona

Loptaste slavine za podzemnu ugradnju su posebno dizajnirane za ugradnju u hladnom stanju ( 2/300 mmN≤σ ). Pomoću specijalne konstrukcije, aksijalne sile koje nastaju u cevovodu usmeravaju sena spoljni deo kućišta slavine. To je razlog što sile ne utiču na vitalne delove. Na taj način nema uticaja ni na obrtni momentkoji je potreban za rukovanje slavinom, kao ni na zaptivanje. Iz tog razloga loptaste slavine su lake za rukovanje u akcidentnim situacijama. Loptaste slavine za podzemnu ugradnju su testirane na zaptivanjei lako rukovanje u uslovima jakih pritisakaod aksijalnih sila ( u skladu sa EN 488:2000, aneks B u Hanoveru, Nemačka).

Slika 21.2-3. Loptaste slavine za podzemnu ugradnju

Ventili za gas imaju primenu na instalacijama pritiska do 16 bar i odlikuju se dobrim zaptivanjem, malim silama za otvaranje i zatvaranje, kao i malim gabaritima. Njih povremeno možemo koristiti za grubu regulaciju, ali je ova namena skoro potpuno izbačena u gasnoj tehnici. Gasni ventili za razliku od ventila za vodu ili paru imaju dvostruko dihtovanje, tj. na vretenu i sa gornje strane pečurke za zatvaranje, tako da kad se ventil otvori do kraja zadihtuje i sa gornje strane pečurke.

Slika 21.2-4. Prikaz ugradnje ventila na cevovod


548

Leptir ventili se preporučuju u instalacijama pritiska do 4 bara zbog mogućih problema sa zaptivanjem. Osnovna vrlina je mala ugradbena mera i lako otvaranje i zatvaranje. Ovi ventili se mogu koristiti i kao prigušivači protoka.

Slika 21.2-5. Prikaz leptir ventila, 1-kućište; 2-zatvarač; 3-zaptivni prsten; 4-pritisna ploča; 5-zaptivno pakovanje; 6-vreteno; 7-podeona ploča; 8-ručica

Kao zaporni organi za instrumentaciju mogu se koristiti navojne slavine, igličasti ventili, a za pritske do 12 bar butanski ventili i specijalni manometarski sklopovi. Projektanti moraju voditi računa da distributeri gasa zadržavaju diskreciono pravo da zbog unifikacije opreme mogu zahtevati određene tipove zapornih organa. Veće distributivne kuće ovakve probleme definišu internim standardom kojim mogu obavezati investitora i izvođača radova.

21.2.3. Filteri Filteri su uređaji koji se ugrađuju na početku svake stanice da bi zaštitili mernu i regulacionu opremu od čvrstih čestica koje dolaze sa strujom gasa. Dozvoljava se upotreba filtera različitih konstruktivnih rešenja koji moraju posedovati promenljivi uložak stepena prečišćavanja 98% za čestice veće od 5 mµ .

Na svakoj liniji GMRS moraju se ugraditi filteri jednake kostrukcije, a na MRS je dozvoljena ugradnja grubog filtera na rezervnoj liniji čiji je stepen prečišćavanja 100% za čestice veće od 2 mm.

Slika 21.2-6. Prikaz filtera


549

Slika 21.2-7. Poprečni presek finog filtra

Tabela 21.2-2. Prikaz elemenata filtra

Poz. Naziv pozicije Materijal

1. Kućište filtera P. Al Si 10 Mg 81 2. Poklopac Č. 0361 3. Čep Č. O361 4. Podmetač NBR80

Čelično+prohromsko 412-TU 5. Filterski uložak Sita

filcano 412-IU Opis rada Fluid ulazi u kućište filtera (1) i u unutrašnjost filterskog uloška (5). Prolazeći kroz zidove uloška, nečistoće se zadržavaju dok pročišćen fluid izlazi iz filtera (prikazano strelicama). Dozvoljen smer strujanja fluida je označen na kućištu filtera. Ugradnja Filter za gas je predviđen za ugradnju na horizontalne gasovode u vertikalnom položaju (prirubničkom vezom), sa poklopcem (2) okrenut na dole. Kod manjih dimenzija filter se ugradjuje sa poklopcem okrenutim na gore. Na kućištu filtera (1) nalaze se dva navojna priključka, koji služe za ugradnju manometra diferencijalnog pritiska. Demontaža filterskog uloška (5) radi njegovog čišćenja ili zamene se vrši skidanjem poklopca (2) koji je za kućište spojen zavrtnjima. Nepropusnost filtera se obezbedjuje pomoću “O” prstena izmedju kućišta filtera (1) i poklopca (2). Na pokopcu filtera se nalazi navojni čep (3) čijim se povremenim odvrtanjem vrši ispuštanje kondenzata iz unutrašnjosti kućišta. Umesto čepa moguća je i ugradnja navojne slavine. Ovi filteri su predvidjeni za ugradnju na gasne rampe radnog pritiska do 4 bar i montiraju se izmedju standardnih pritubnica PN 16.


550

Na datim slikama prikazana su najčešća konstruktivna rešenja finog filtera sa filcanim uloškom. Ovakvi filteri su najzastupljeniji u gasnoj tehnici zbog standardizovanih veličina uložaka, što olakšava njihovo održavanje. Filteri takođe moraju imati obezbeđene priključke za priključenje instalacije sa diferencijalnim manometrom. Oni moraju posedovati na najnižoj tački drenažnu cev sa navojem minimalne veličine G 1/2 za filtere do DN 50, G 3/4 do DN 100, a preko DN100 min G1. Filteri na GMRS ne mogu imati manje odmuljenje od G1.

21.2.4. Izmenjivači toplote Zbog pojave hlađenja gasa, usled redukcije pritiska (Džul - Tompsonov efekat) postoji opasnost od pojave čestica leda u struji gasa ili mogućnosti da se delovi instalacije iz regulatora pritiska zamrznu. Ova pojava može uticati na bezbedan rad stanice. Ako je poznato da gas iz podzemnog cevovoda dolazi sa temperaturom od cca 5°C i da orijentaciono za 2 bara redukcije pritiska temperatura opadne za 1°C, zaključuje se da je na mestima gde je velika redukcija pritiska neophodno dogrevanje gasa. Zato na GMRS stanicama iza filtera za gas ugrađuje se izmenjivač toplote gas - topla voda (90/70°C). Broj izmenjivača toplote zavisi od koncepcije stanice, a za stanice preko 20000 m3/h preporučuje se ugradnja onoliko izmenjivača toplote koliko stanica ima regulacionih linija. Izmenjivači moraju biti sa U - cevima tako konstruisani da se omogući njihovo čišćenje, zamena pojedinih cevi, kao i čitavog snopa. Izbor odnosno dimenzionisanje izmenjivača svodi se na određivanje toplotne snage, a prirubničke mere sa gasne strane su iste kao i za fini filter. Određivanje potrebne toplotne snage vrši se preko sledeće formule:

( )( )gap

W ttppKcQ

Q −+−⋅

= 2110

3600 , [kW], ..................................................... (21.4)

pri čemu je: QW - koližina toplote potrebna za dogrevanje gasa (kW) Qo - maksimalni protok gasa (m3/h) K1 - 0.4°C/bar redukcija temperature usled Džul - Tompsonovog efekta P1 - merodavni ulazni pritisak (bar) P2 - merodavni izlazni pritisak (bar) ta - potrebna temperatura na izlazu iz GMRS (usvaja se 15°C) tg - ulazna temperatura gasa (5°C)

Na osnovu dobijene vrednosti QW, projektant iz kataloga proizvođača bira prvi veći izmenjivač toplote, vodeći računa da strana gasa bude projektovana za radne pritiske do 50 bara. Svi izmenjivači toplote na najvišoj tački, a na strani tople vode, trebaju da imaju ventil sigurnosti i slavinu za odvazdušenje.


551

Tabela 21.2-3. Minimalni nazivni otvor ventila sigurnosti za izmenjivač toplote

kapacitet izmenjivača toplote (KW) do 100 100-200 200-400 400-600 ≥600

nazivni otvor ventila sigurnosti (DN) 15 20 25 40 50

Slika 21.2-8. Izmenjivač toplote za gas

21.2.5. Regulaciona linija Regulaciona linija čini najvažniji deo svake stanice jer se na njoj vrši redukcija pritiska, ali i obezbeđuje bezbedan rad pomoću sigurnosnih uređaja koji se tu ugrađuju. Broj regulacionih linija zavisi od koncepcije stanice i maksimalnog protoka. Sledeća slika prikazuje standardno rešenje jedne regulacione linije sa svim neophodnim elementima i priključcima.

Slika 21.2-9. Tehnološka šema regulatora linije 1. Ulazni zaporni organ, 2. Odušna slavina, 3. Sigurnosno-prekidni ventil, 4. Regulator pritiska gasa, 5. Manometar, 6. Odzračna slavina, 7. Ventil sigurnosti, 8. Protiv-povratna klapna, 9. Izlazni zaporni organ, 10. Stubić za impulsne vodove

Svaka regulaciona linija na MRS i GMRS, bez obzira na njihov broj, mora da sadrži sledeće elemente:

- zaporni organ na početku i na kraju regulacione linije - sigurnosno-prekidni ventil - regulator pritiska gasa


552

- sigurnosno-ispusni ventil (ventil sigurnosti) - rasteretnu slavinu koja se ugrađuje u slučaju da sigurnosno-prekidni ventil nema

ugrađen by-pass za izjednačavanje pritisaka - navarne priključke za povezivanje impulsnih vodova regulatora i sigurnosno-prekidnih

ventila - protivpovratnu klapnu - manometarski sklop sa manometrom - odušna slavina

Na ulazu i izlazu tople vode na izmenjivaču toplote preporučuje se ugradnja sigurnosno-prekidnog ventila. Ovaj sigurnosno-prekidni ventil štiti toplovodnu instalaciju da usled pucanja “U” cevi ne dođe do prodora gasa visokog pritiska u toplovodnu instalaciju. Pri ugradnji svih ovih elemenata posebno treba obratiti pažnju na sledeće preporuke:

- sigurnosno-ispusni ventil može se postaviti na kolektoru iza regulatora pritiska, ali uz ugradnju klipnog razvodnika koji obezbeđuje da je bar jedan ventil sigurnosti uvek u funkciji

- odušna slavina treba da ima dimenziju kao ulazni deo sigurnosno-ispusnog ventila.

Sigurnosno-ispusni ventil i odušna slavina mogu biti vezani na isti priključak, ali moraju imati razdvojene izlazne grane radi lakše kontrole propuštanja. Takođe, na izlaznom delu ventila sigurnosti i odušne slavine obavezna je ugradnja gasnih holendera, kako bi se obezbedila njihova montaža i demontaža

- ne dozvoljava se ugradnja slavine ispred ili iza ventila sigurnosti - između izlazne slavine i protivpovratne klapne nije obavezna ugradnja međukomada,

što isključivo zavisi od konstruktivnih karakteristika klapne (konsultovati proizvođača).

Regulator pritiska gasa i sigurnosno-prekidni ventil podatke o vrednosti izlaznog (regulisanog) pritiska dobijaju preko impulsnih vodova koji su povezani na ZMIN DL 5≥ ravnog dela cevi..

Slika 21.2-10. Priključenje impulsnih vodova na gornjoj strani cevi

Date slike, bez obzira na varijantu, pokazuju da se impulsni vodovi mogu priključivati samo u gornjoj polovini cevi. Impulsni vodovi se izrađuju od bakarnih cevi (pritisci do 6 bar) i čeličnih cevi φ 8, φ 10, φ 12 što isključivo zavisi od proizvođača opreme.


553

Slika 21.2-11. Priključenje impulsnih vodova na zajednički stubić

21.2.5.1. Regulatori pritiska Regulatori pritiska vrše obaranje ulaznog pritiska (Pulmax - Pulmin) na izlazni zadati pritisak Pi, ali se mora voditi računa da na pojedinim stanicama izlazni pritisak se kreće u zadatim granicama Pimin - Pimax. Uloga regulatora pritiska nije samo redukcija pritiska, nego i održavanje njegove veličine u zadatim granicama. Svaki regulator mora zadovoljiti SRPS M.E3. 379 koji zahteva da željeni izlazni pritisak sa dozvoljenim odstupanjem mora dati u granicama 0.1 Qmax - Qmax. Dozvoljeno odstupanje izlaznog pritiska izraženo u % definiše regulacionu grupu “RG”. Stvarne potrebe za regulaciju pritiska često izlaze iz granica protoka 0.1 Qmax - Qmax, ali za te potrebe neophodno je pogledati katalog proizvođača, koji u pojedinim slučajevima preporučuje regulatore sa zadatom regulacionom grupom za protoke od 0.05 Qmax - Qmax. Svaki proizvođač dužan je da da i podatak o zatvornoj grupi “ZG”, tj. pritisku zatvaranja regulatora na “nultom protoku”.

Slika 21.2-12. Dijagram karakteristika pritiska


554

Postoji veliki broj podela regulatora pritiska gasa, ali je jedna od osnovnih prema načinu delovanja:

- regulatori pritiska direktnog dejstva - regulatori pritiska indirektnog dejstva, tj sa pomoćnom energijom, odnosno pilot

regulatorom

Osnovne karakteristike regulatora pritiska sa direktnim dejstvom: - jednostavna konstrukcija - manja cena - brže reaguju na promenu izlaznog pritiska - nešto lošija regulaciona i zatvorna grupa - otporniji na uticaj nečistoća u instalaciji …

Regulatori pritiska sa pilotom imaju: - precizniju regulaciju (manju RG i ZG) - nešto sporije reaguju na promenu izlaznog pritiska - dobra regulacija za velike promene protoka i široke dijapazone pritiska…

Slika 21.2-13. Regulator pritiska direktnog dejstva

Slika 21.2-14. Regulator pritiska indirektnog dejstva


555

Iz svega sledi da projektant mora vrlo obazrivo birati regulator koji planira da ugradi na gasnu stanicu. Treba odabrati takav koji za promenljive veličine protoka od Qmin - Qmax treba da da izlazni pritisak u zadatim granicama (RG) pri promenljivim vrednostima ulaznog pritiska Pulmin - Pulmax. Naročitu pažnju obratiti na detalj da pritisak zatvaranja izabranog regulatora pritiska ne prelazi maksimalno dozvoljeni izlazni pritisak. Pošto postoji veliki broj kombinacija ulaznog i izlaznog pritiska, a za željeni protok, tako postoji i veliki broj regulatora koji te kombinacije i pokrivaju. Svaki proizvođač gasne opreme nudi određeno rešenje za ponuđenu kombinaciju pa je neophodno posedovati njihove kataloge.

21.2.5.2 Sigurnosni uređaji Svaka gasna stanica mora imati sigurnosne uređaje koji obezeđuju nedozvoljeni porast izlaznog pritiska iza svakog regulatora pritiska. Sigurnosni uređaji koji se ugrađuju na gasnim instalacijama moraju zadovoljiti uslove iz SRPS M.E3.381. Sigurnosni uređaji su:

1. sigurnosno-prekidni ventil 2. sigurnosno-odušni ventil

Sigurnosno-prekidni ventil je uređaj koji je u normalnom radu stalno otvoren i ima ulogu da automatski zatvori dotok gasa u slučaju da pritisak u sistemu iza regulatora dostigne gornju ili donju vrednost pritiska aktiviranja. Ovi uređaji moraju biti tako konstruisani da se ne mogu daljinski otvarati. Oni se ugrađuju neposredno ispred regulatora pritiska ili zajedno sa regulatorom. Sigurnosno prekidni ventili koji su na telemetrisanim stanicama, moraju imati on/off prekidač za očitavanje položaja. Ako blok-ventil nije integrisan sa regulatorom, za njegov proračun merodavna je maksimalno dozvoljena brzina od 50 m/s. Sigurnosno-odušni ventil je uređaj u normalnom pogonu zatvoren i ima zadatak da ispusti količinu gasa kada pritisak pređe pritisak aktiviranja i ponovo zatvori kad pritisak opadne ispod te vrednosti. Oni se ugrađuju na grani iza regulatora pritiska. Proračun, odnosno izbor ventila sigurnosti vrši se prema SRPS M.E2.170. Minimalni proračunski protok prema propisima je 1%Qmax, ali se u praksi uzima 2-10% Qmax. Proračun površine otvora sedišta ventila sigurnosti vrši se prema formuli:

( ) MT

pGA

oo ⋅

⋅+⋅⋅

=ψα 1

1791,0 , [mm2],................................................................. (21.5)

gde je: Ao (mm2) - površina otvora sedišta ventila G (kg/h) - 2-10 % Qmax po (bar) - pritisak otvaranja ventila sigurnosti

ψ - koeficijent isticanja kod nadkritičnih obima isticanja ( )473.0=ψ T (K) - temperatura gasa

M - molarna masa prirodnog gasa (M=16.6) (kg/mol)

Tada je prečnik ventila sigurnosti:

πoAd ⋅

=4 , (mm), ........................................................................................... (21.6)


556

Postoje različite konstrukcije ventila sigurnosti, a najprimenjivanije su sa membranom (za niže pritiske do 3 bar) i oprugom.

Tabela 21.2-4. Ventil sigurnosti sa membranom pritiska otvaranja 20-750 mbar

DN Ru Ri A B L Q

mm '' mm mm mm mm kg

15 ½’’ ¾’’(26.9) 170 60 200 2.3

20 ¾’’ 1’’(33.7) 170 60 200 2.5

25 1’’ 11/4’’(42.4) 170 60 205 2.8

Slika 21.2-15. Ventil sigurnosti sa membranom pritiska otvaranja 20-750 mbar

Kada je na gasnim stanicama ispunjena sledeća 2 uslova:

6.1max >− IdozU pp

6.1max >Idoz

U

pp ....................................................................................................... (21.7)

mora se obezbediti dvostruka sigurnost. Ovi uslovi dati su dijagramom na slici 21.2-16. Kao dvostruka sigurnost može se koristiti:

- još jedan sigurnosno prekidni ventil - još jedan regulator pritiska (monitor regulacije) - sigurnosno-ispustni ventil podešen na Qmax pri Pulmax

Preporučeno podešavanje sigurnosnih uređaja na stanicama, da bi se obezbedio pravilan rad, dato je tabelom:


557

Slika 21.2-16. Dijagram izbora potrebne sigurnosti

Tabela 21.2-5. Preporučene vrednosti podešavanja regulacione i sigurnosne opreme

Procenat povećanja u odnosu na maksimalni radni pritisak pri kome se aktivira Maksimalni radni pritisak

(merodavni izlazni) Ventil sigurnosti Sigurnosnoprekidni ventil

ISPOD 1bar 30% 50% Od 1 DO 2bar 25% 35%

VIŠE OD 2 BAR 15% 25%

21.2.6. Merna linija Merenje protoka na gasnim stanicama služi distributerima gasa da naplaćuju potrošene količine. Pošto potrošači imaju različit pritisak na mestu merenja neophodno je metre kubne prevesti u normalne metre kubne (m3/h pri p=1.01 bar i t=0°C) kako bi svi potrošači plačali po istoj osnovi. Potrošene količine gasa u metrima kubnim meri merač protoka, a korekciju u normalne metre kubne obavlja korektor. Merači mogu biti različitih konstruktivnih rešenja i principa merenja, a za oficijelna merenja (tačnost merenja ± 1%) koriste se: - zapreminski merači čiji se pristup merenja sastoji od naizmeničnog ubacivanja i izbacivanja gasa u posudu poznate zapremine. Zapreminski protok predstavlja proizvod zapremine posude i broja ubacivanja u jedinici vremena. Konstruktivno oni mogu biti izvedeni kao merači sa mehovima ili rotacioni merači. Ovi merači se odlikuju velikom preciznošću merenja, a i velikim odnosom Qmax/Qmin.


558

Slika 21.2-17. Membranski merač sa novojnim priključcima

Tabela 21.2-6. Membranski merač sa prirubničkim priključcima

Membranski merači sa prirubničkim priključcima minQ maxQ DN A B C D E F G Oznaka

Merača hm /3 hm /3 mm mm mm mm mmm mm mm kg

G40 0.4 65 80/65 570 420 175 494 366 634 52 G65 0.65 100 80/10 680 555 197 544 410 733 68 G100 1 160 100/125 800 620 265 720 546 895 140

Slika 21.2-18. Rotacioni merač protoka

- merači na principu merenja brzine proticanja su turbinski merači koji su pouzdani i tačni, opsega merenja najčešće Qmax/Qmin=20:1, a za više oblasti pritisaka ide i do 50:1, zavisno od proizvođača. Proticanje gasa izaziva obrtanje turbine čiji se obrtaji preko niza zupčanika i magnetnog kuplunga prenose na brojčanik koji je tako izbaždaren da određeni broj obrtaja turbine predstavlja proticanje 1m3/h na radnim uslovima. Njihov nedostatak može predstavljati nešto duža merna linija na koju se ugrađuju. - ultrazvučni merači protoka pojavili su se u novije vreme za komercijalna merenja. Kod njih se merenje obavlja tako što se u četiri različite tačke u profilu protoka puštaju ultrazvučni impulsi naizmenično u smeru protoka i suprotno od smera protoka. Razlika u vremenu prolaza u smeru prolaza i u suprotnom smeru je proporcionalna brzini protoka gasa. Ovakvi merači imaju izuzetno visoku preciznost merenja, ali zbog veće cene još se nisu pojavili u široj primeni kod nas.


559

Slika 21.2-19. Transmiter ultrazvučnog merača protoka

Slika 21.2-20. Uprošćeni poprečni presek ultrazvučnog merača protoka

Slika 21.2-21. Prikaz ultrazvučnog merača protoka


560

Princip rada ultrazvučnih merača protoka Od više poznatih metoda ultrazvučnog merenja protoka u upotrebi su najčešće tri, i to metodi koji su zasnovani na merenju:

- Vremena prolaza talasa kroz fluid - Promene faze talasa - Promene frekvencije talasa

Ovde ćemo razmotriti princip rada ultrazvučnih merača protoka koji primenjuju metod zasnovanna na merenju vremena prolaza ultrazvučnog talasa kroz fluid, jer se ovaja metod najčešće primenjuju u praksi. Brzina prostiranja ultrazvuka c u fluidu koji miruje je poznata za dati fluid. Međutim, ako se fluid kroz cevovod kreće brzinom v, ukupna brzina prostiranja ultrazvuka biće određena vektorskim zbirom ove dve brzine, c+v. Krećući se od tačke A do tačke B, tj. Nizvodno (slika 21.2-22.), ultrazvučni talas ima brzinu c+v*cosθ, dok u suprotnom smeru iznosi c-v*cosθ. Vremena prolaza ultrazvučnog talasa nizvodno (t1) i uzvodno (t2) data si uzrazima :

θcos1 vcLt

+=

θcos2 vcLt

−= ....................................................................... (21.8)

gde je L rastojanje između tačaka A i B ( L=D/sinθ, D – unutrašnji prečnik cevi) Razlika vremena prolaza nizvodno i uzvodno je:

θθθ

tgcvD

vcvLttt 22221

2coscos2

≈−

=−=∆ ................................................................... (21.9)

Pri čemu se smatra da je brzina v mnogo manja od brzine ultrazvučnog talasa c, što odgovara realnim uslovima. Može se pokazati da je protok srazmeran ovoj vremenskoj razlici, odnosno da važi relacija

2TtkQ ∆⋅

= ......................................................................................................... (21.10)

Gde je Q zapeminski protok a kalibracioni faktor, ∆t razlika vremena prolaza T, vreme prelaza ultrazvučnog talasa od tačke A do tačke B. Vrednost vremenskog intervala ∆t je veoma mala (∆t =10-6 do 10-7) i oko 1000 puta je manja od vremena T. Naime, velika razlika između dve relevantne vremenske konstante znači da je egzaktno merenje merenje vremena T, od fundamentalnog značaja u praktičnoj realizaciji ove vrste protokomera. Takođe, nelienarna zavisnost od parametra T je značajan faktor u analizi osetljivosti kod ove vrste merenja protoka.

Slika 21.2-22. Princip rada ultrazvučnog merača protoka


561

Na sledećoj šemi je prikazan izgled merne linije sa neophodnim elementima:

Slika 21.2-23. Merna linija 1. Ulazna slavina 2. Merač protoka 3. Korektor 4. Izlazna slavina 5.Navojna slavina za rasterećenje 6. Bimetalni termometar

Svaka linija mora da sadrži:

- zaporne organe na početku i kraju merne linije (poz. 1,4) - merač protoka sa elektronskim korektorom temperature i pritiska za pritiske preko 100

mbar (poz. 2,3) - zavarni navojni komad G3/4 pod uglom (latrolet)za priključenje sonde korektora - malu slavinu za rasterećenje (min. DN 15) kod merača DN 150 i većih (poz. 5) - Na GMRS treba još obezbediti: - zavarni komad sa navojem pod uglom (latrolet) za termometar sa košuljicom (G 3/4 ili

G1) (poz. 6) - rezervni zavarni komad G1 pod uglom sa čepom

Zavisno od vrste merača protoka na mernoj liniji postavljaju se zahtevi za dužine: DL 51 ≥ , odnosno 3D sa laminatorom strujanja za turbinske merače na MRS

DL 301 −= za rotacione merače

DL 101 ≥ za turbinske merače na GMRS

DL 31 ≥ za turbinske merače na MRS

DL 01 ≥ za rotacione merače

DL 51 ≥ za turbinske merače na GMRS

Neki proizvođači (kao što je Rombach) dozvoljavaju za neke turbinske merače DL 21 = bez ikakvih dodatnih elemenata (laminatora strujanja). Rotacioni i turbinski merači se ugrađuju na instalacijama gde je pritisak veći od 100 mbar.

Slika 21.2-24. Elektronski korektor


562

Da bi se izvršila naplata 1 m3 gasa njegova zapremina mora biti prevedena na standardne uslove p=1.01325 bar i T=288K (odnosno, normalne p=1.01325 bar i T=273K). Prevođenje izmerene zapremine se obavlja pomoću uređaja koji vrši to preračunavanje i naziva se korektorom. On može biti mehanički ili elektronski, s tim što se ovi prvi polako povlače iz primene. Elektronski korektor preračunava potrošene količine gasa sa radnih na normalne uslove:

Mbb

bb V

zz

TT

ppV = , [m3] ................................................................................. (21.11)

Vb - korigovana zapremina na referentni nivo VM - zapremina na radnim uslovima Tb - referentna temperatura pb - referentni pritisak p - apsolutni pritisak zb - faktor kompresibilnosti na referentnom nivou z - faktor kompresibilnosti na merenim uslovima

Merač protoka bira se na osnovu formule:

ρρ0

0QQ = , (m3/h)............................................................................................ (21.12)

gde je: Q0 (m3/h) - protok gasa na normalnim uslovima

( )30 /8.0 mkg≈ρ - gustina gasa na normalnim uslovima

ρ (kg/m3) - gustina gasa na radnim uslovima

Gustina gasa na radnim uslovima:

TT

pp 0

00ρρ = , (kg/m3)..................................................................................... (21.13)

gde je: p (bar) - apsolutni radni pritisak

p0 (bar) - atmosferski pritisak T0 - normalna temperatura T - standardna temperatura (288K)

Na osnovu izračunatog protoka bira se merač iz kataloga proizvođača. Pri izboru i ugradnji merača protoka treba povesti računa o sledećim detaljima:

- merač protoka gasa mora biti verifikovan za komercijalna merenja - ne mogu se ugrađivati merači protoka na principu diferencijalnog pritiska i prigušnica,

venturija… - preporučuje se ugradnja elektronskog korektora - korektor je obavezan na stanicama gde je pritisak na mestu merenja veći od 100 mbar - ako se predviđa ugradnja odorizatora potrebno je da on poseduje davač impulsa za

upravljanje uređajem za odorizaciju - zbog širokog opsega merenja gde god je moguće insistirati na rotacionim meračima protoka - dozvoljena greška merenja ne sme biti veća od 1%.


563

21.2.7. Merni instrumenti Svaka gasna stanica mora da sadrži instrumente za merenje:

- pritisak i temperaturu na ulazu - pritisak i temperaturu na izlazu - pritisak iza svakog stepena regulacije na svakoj regulacionoj liniji.

Svaki ugrađeni manometar ne sme biti klase tačnosti veće od 1.6, a mora biti izabran tako da maksimalna merena vrednost iznosi oko 2/3 opsega skale.

Slika 21.2-25a. Manometar

Slika 21.2-25b. Dimenzije manometra

Tabela 21.2-7. Izbor manometra

Ugradbene mere (mm) TIP D P T OK a d h I II

Opseg Merenja

(bar) 0-1

0-1.6 0-2.5 0-4

63 63 G ¼

(M12x1.5) 28 14 9 5 51 12 2

0-6 0-10 0-16 0-25 0-40

100 100 G1/2

(M20x1.5) 38 22 15.5 6 82 20 3

0-60


564

Preporučuje se ugradnja bimetalnih termometara čiji opseg merenja mora biti minimalno od -15 ÷ 50°C.

Slika 21.2-26a. Bimetalni termometar

Traka iz dva lima, jedan iza drugog, valjanjem nerazdvojiva, od metala različitih koeficijenata izduženja (bimetala) koja se kod promene temperature deformiše. Deformacija je približno proporcionalna promeni temperature. Iz bimetalnih traka razvila su se dva različita oblika mernog sastava:

- sa vijčanom oprugom - sa spiralnom oprugom

Mehaničkim preoblikovanjem bimetalne trake u gore navedenim oblicima opruga, kod promene temperature ugaono ugibljenje.

Slika 21.2-26b. Dimenzije bimetalnog termometra


565

Tabela 21.2-8. Izbor bimetalnog termometra

Bimetalni termometar TIP 1 TIP 2 TIP 3

D(mm) 80 100 160 L(mm) 100,160,250,400,600 P G ½, M20x1.5, NPT 1/2 Opsezi Pokazivanja

-20+40,-20do+60, -20do+100, 0do+60,0do100

Klasa 1.6 Na svim stanicama gde je filter veći od DN 50, obavezna je ugradnja diferencijalnog manometra opsega 0-600 mbar za MRS i 0-1 bar za GMRS klase do 5% sa slavinom ispred i iza, kao i sa slavinom na by-pass-u (ako diferencijalni manometar nema by-pas na sebi). Pri ugradnji diferencijalnog manometra voditi računa da njegovo kučište izdržava statički pritisak na mestu ugradnje.

Slika 21.2-27. Izgled diferencijalnog manometra

Slika 21.2-28. Prikaz diferencijalnog manometra


566

Na GMRS još treba ugraditi: - termometar za merenje polazne i povratne vode na toplovodnoj instalaciji - nivokazno staklo ili hidrometar na otvorenom ekspanzionom sudu, odnosno manometar

za merenje pritiska kod sistema sa zatvorenim ekspanzionim sudom - manometar na svakoj gorioničkoj lampi ispred stabilizatora pritiska - manometar iza regulatora pritiska za kotlarnicu - merač protoka gasa sa by-pass-om za kotlarnice velikog kapaciteta (klasa merača može

biti veća od 1%) ili po zahtevu distributera gasa.

Kako bi se zaštitili merni instrumenti, obezbedila njihova zamena i baždarenje, neophodno je obezbediti da:

- svi termometri budu u zaštitnoj čauri - merni instrumenti se ne smeju priključivati u donjoj polovini ose cevi - za priključenje mernih instrumenata i impulsnih vodova na GMRS koristiti isključivo

standardne zavarne komade (veldolet, tredolet…) - ispred manometra ugrađivati zaporni organ sa osiguranjem od udara pritiska (igličasti

ventil ili manometarski sklop sa prigušnicom). Gde god je moguće izbegavati navojne loptaste slavine.

21.2.8 Izolacioni komadi i prirubnice Radi razdvajanja nadzemnog od podzemnog dela gasne stanice (u elektro smislu), koji se katodno štiti, obavezna je ugradnja izolacionih prirubnica ili izolacionih komada (za podzemnu ili nadzemnu ugradnju). Ovi komadi moraju imati ateste na elektroprobojnost. Izolaciona prirubnica se ugrađuje delimičnim privarivanjem krajeva sa cevima. Nakon toga izolaciona prirubnica se potpuno rastavi i odstrane izolacioni elementi i zaptivači, da se nebi oštetili od visoke temperature pri zavarivanju. Posle završenog zavarivanja svi elementi se dovode u prvobitan položaj. Za razliku od izolacionih prirubnica izolacioni komadi se mogu ugrađivati i podzemno. Pri ugradnji izolacionih komada ne treba predvideti posebne mere. Na GMRS preporučuje se ugradnja isključivo izolacionih komada, a naročito na strani visokog pritiska.

Slika 21.2-29. Izolacioni komad


567

Slika 21.2-30. Izolaciona prirubnica

Izolaciona prirubnica tip 514 služi za električno (galvanski) odvoji nadzemni i podzemni deo čeličnog cevovoda, u cilju sprečavanja premopćenja atmosferskih pražnjenja (preko metalnih zidova cevi), nastanka požara i eksplozije gasa. Ugradjuju se u cevovod nadzemno, u horizontalnom ili vertikalnom položaju.

Slika 21.2-31. Dimenzije izolacione prirubnice

21.2.9. Protivpovratne klapne Protivpovratna klapna predstavlja cevni zatvarač koji obezbeđuje strujanje gasa u željenom smeru (sprečava strujanje u drugom smeru) i sprečava nagle oscilacije izlaznog pritiska kod potrošača koji imaju takav karakter potrošnje. Otvaranje klapne vrši se pritiskom strujanja gasa, a zatvaranje pod dejstvom težine klapne (ponekad i uz dodatnu silu opruge) i dejstvom povratnog strujanja.

Slika 21.2-32a. Protivpovratna klapna


568

Postoji zabluda da ona pomaže automatski rad stanica. Protivpovratna klapna samo omogućava da se pomoću manometra konstatuje koja je linija radna, a koja rezervna (ugradnja samo na dvolinijskim i više linijskim stanicama). Klapna može biti smeštena u posebna kućišta, kao što je prikazano na slici. Takođe može biti izrađena kao element koji se ugrađuje među prirubnice.

Slika 21.2-32b. Dimenzije klapne koja se zatvara usled gravitacije

21.2.10. Odorizacija Odorizacija se primenjuje kao bezbednosna mera na stanicama za široku potrošnju. Ova mera obezbeđuje lako otkrivanje nezaptivenosti na mreži ili u samim kućama. Odorant koji se dodaje prirodnom gasu prepoznatljivog je mirisa. Odorant mora da ispuni sledeća svojstva:

- miris mora biti karakterističan, kako se ne bi pomešao sa nekim od poznatih mirisa - hemijski postojan, kako ne bi stupio u hemijsku reakciju sa prirodnim gasom - ne sme biti otrovan i mora biti lako sagoriv - ne sme davati otrovne produkte sagorevanja - ne sme biti korozivan

Odorizatori gasa mogu biti izvedeni kao apsorpcioni ili kao automatski sa dozir-pumpom. Apsorpcioni odorizator funkcioniše tako što se deo struje gasa sprovodi do rezervoara sa odorantom, gde prolazi kroz kapilarnu pregradu, nakon čega gas zasićen odorantom se vraća u glavni vod. Apsorpcioni odorizator se isporučuje sa kompletnom opremom za regulaciju i kao takav čini celinu, pa mora biti ispitan na čvrstoću i nepropustnost. Odorizator se ugrađuje pomoću prirubničkih spojeva na merno-regulacionu stanicu. Zbog promena temperature dolazi do promene isparljivosti odoranta, pa se preporučuje podzemna ugradnja rezervoara. Kod podzemne ugradnje rezervoar se smešta u betonski šaht i ispunjava peskom. U tom slučaju odorizator mora biti minimalno zaštićen nadstrešnicom koja ga štiti od prodora vode u betonsko korito. Automatski odorizator funkcioniše tako što u zavisnosti od broja impulsa, koje dobija od korektora, elektronski regulacioni blok upravlja radom dozir pumpe i tako utiče na količinu odoranta koji se ubrizgava u struju gasa. Automatski odorizator takođe mora biti ispitan na čvrstoću i nepropustnost. Njegova veza sa stanicom se ostvaruje uvrtanjem brizgaljke u struju gasa.


569

Slika 21.2-33. Prikaz odorizatora

Pregled ključnih delova: 1. Klapna za regulaciju protoka 2. Regulator pritiska gasa 3. Rezervoar za odorant 4. Priključak za punjenje iz boce 5. Diferenijalni manometar 6. Priključak za punjenje 7. Pokazivač nivoa odoranta

Slika 21.2-34. Funkcionalna šema automatskog odorizatora

legenda : 1. Merač protoka gasa 2. Korektor zapremine gasa 3. Odorizator sa armaturom 4. Dozir pumpa 5. Brizgaljka 6. Električni regulacioni blok


570

Ako se predviđa odorizacija gasa, treba voditi računa da se za stanice do 5000m3/h ugrađuju apsorpcioni, a preko tog kapaciteta automatski odorizatori. Uz saglasnost distributera i uverenjem od proizvođača apsorpcioni odorizator se može ugrađivati i na stanicama većeg kapaciteta, ali ne većim od 10000 m3/h. Odorizatori moraju imati priključak za pretakanje odoranta ručnom ili elektropumpom.

21.2.11. Kontrola protoka Ograničivači protoka se ugrađuju da bi se u stanicama, kada ima problema sa snabdevanjem gasom, ograničila potrošnja. Postoje dve koncepcije ograničenja:

1. Ograničivači protoka se ugrađuju na GMRS. Ova koncepcija je zastarela jer nema selektivnog ograničenja, pa potrošači koji su bliži GMRS-u povlače veće količine gasa.

2. Ograničenje protoka na MRS je mnogo povoljnija varijanta, jer se svaki potrošač može ograničiti na određenu količinu. Kontrola protoka se ugrađuje na većim MRS, a granicu u potrošnji određuje distributer gasa. Uobičajeno je da se ograničivači protoka ugrađuju na izlaznom delu stanice, tj. iza merača protoka. Ugradnja i povezivanje ovog uređaja treba da bude u skladu sa preporukom proizvođača. Radi unifikacije opreme distributeri se najčešće opredeljuju za jednog proizvođača (npr. Camflex, Minitork).

Slika 21.2-35. Ograničavač protoka

Pored ugradnje ograničivača protoka kao nezavisnog elementa, u novije vreme pojavilo se savremenije, ekonomičnije i manje gabaritno rešenje. Ovo rešenje se sastoji u tome da je na regulatoru pritiska integrisan i regulator protoka. Slika 21.2-36. Ograničenje protoka sa regulacijom pritiska 1. Ulazna gasna slavina 2. Regulator pritiska 330 SPV 2a. Pilot regulatora 2b. Pilot regulatora 3. Manometarski sklop 4. Regulaciona klapna 5. Izlazna gasna slavina 6. Odušna slavina 7. Sigurnosni odušni ventil 8. Diferencijalni manometar 9. Gasna slavina diferencijalnog manometra


571

21.2.11.1 Gorioničke rampe Gorioničke rampe moraju biti usklađene sa SRPS M. E3.432, odnosno prema preporuci proizvođača gorionika. Za atmosferske gorionike manjeg kapaciteta sva oprema gorioničke rampe nalazi se u sklopu gorionika (SRPS M. E3.432 se ne odnosi na ovu vrstu gorionika). Za nadpritisne gorionike (ventilatorske gorionike) na sledećoj slici prikazan je izgled visokopritisne gasne rampe ( )barp 41.0 −≥ toplotnog opterećenja do 350kW.

Slika 21.2-37. Visokopritsna gasna rampa za gorionike do 350 kW

Minimalna oprema gasne rampe ventilatorskih gorionika, snage do 350 kW i pritiska do 100 mbar data je na sledećoj slici.

Slika 21.2-38. Niskopritisna gasna rampa za gorionike do 350 kW

Kada se ugrađuju gorionici veće snage od 350 kW, na rampama se dodatno ugrađuje još jedan elektromagnetni ventil i uređaj za kontrolu zaptivenosti između elektromagnetnih ventila.

Slika 21.2-39. Visokopritisna gasna rampa za gorionike preko 350 KW


572

Slika 21.2-40. Niskopritsna gasna rampa za gorionike preko 350 kW

Na datim slikama brojevima su označeni sledeći elementi gasnih rampi: 1. ručni zaporni organ 7. odušna slavina 2. ulazni manometar 8. izlazni manometar 3. filter za gas 9. uređaj za nadzor visokog pritiska 4. regulator pritiska gasa 10. uređaj za nadzor niskog pritiska 4a. stabilizator pritiska 11. elektromagnetni ventil 5. sigurnosno-prekidni ventil 12. uređaj za kontrolu zaptivenosti 6. sigurnosno-ispusni ventil

Svaki proizvođač gorionika daje odgovarajuće gorioničke rampe sa svim potrebnim elementima za dati gorionik. Pošto za isti gorionik postoji veći broj gorioničkih rampi, projektant je dužan da na osnovu protoka i brzine strujanja izabere najpovoljnije.

21.2.12. Termoregulacija Termoregulacija se obavlja na sledeća dva načina:

1. pomoću termoregulacionih ventila sa hvatačem nečistoća i obilaznim vodom 2. pomoću termodavača postavljenog na kolektoru iza regulacije pritiska.

Termoregulacijom se postiže približno konstantna vrednost temperature gasa posle redukcije pritiska. Kako je prvo rešenje najstandardnije ono će biti šire objašnjeno. Promena temperature izlaznog gasa se konstatuje pomoću sonde koja šalje signal do termo-regulacionog ventila koji vrši regulaciju protoka tople vode. Ako se gas hladi ventil dobija takav signal da vrši otvaranje, tj. povećava protok tople vode kroz izmenjivač toplote i tako vrši dodatno zagrevanje gasa, a za obrnutu situaciju proces se obavlja u suprotnom smeru.


573

Slika 21.2-41. Izolaciona prirubnica 1. toplovodni ventil 2. hvatač nečistoća 3. termoregulator 4. sonda termoregulatora

Za montažu ventila je bitno da bude u horizontalnom delu toplovodne instalacije, sa svom neophodnom armaturom (21.2-41), a sonda u pravcu strujanja gasa u zaštitnoj čauri (naravno iza redukcije pritiska). Regulator temperature biramo na osnovu izabranog regulacionog ventila i željenog temperaturnog opsega.

21.3. Telemetrija Telemetrija predstavlja sistem za daljinsko očitavanje parametara na gasnim stanicama kao i daljinsko upravljanje određenim izvršnim organima. Svaki distributer prirodnog gasa organizuje svoj sopstveni sistem i postavlja uslove za telemetriju. Ovaj sistem se uglavnom ugrađuje na GMRS, ali se može ugrađivati na MRS što isključivo zavisi od koncepcije i opredeljenja distributera. Nadzor i upravljanje jednim razgranatim sistemom gasovoda i potrošača svakako je gotovo ne izvodiv bez telemetrijskog sistema koji obezbeđuje da se podaci sa terena dovode u dispečerski centar, a tamo dalje obrađuju. Na osnovu prikupljenih podataka može se pratiti dinamičko ponašanje sistema, simulirati određene situacije na njemu (npr. uticaj isključenja određenih potrošača ili njihovo ograničenje potrošnje na porast pritiska u celom sistemu). Sistem telemetrije može se podeliti na tri dela:

1. Računarski sistem dispečerskog centra 2. Računarski sistem na objektima gasovoda 3. Sistem za prenos podataka

Da bi se obezbedilo prikupljanje podataka na GMRS i tako omogućio efikasan rad sistema za telemetriju neophodno je dograditi sledeće elemente (ovi zahtevi se ne razlikuju mnogo od distributera do distributera):

- status položaja ulazne slavine kao i mogućnost njenim daljinskim upravljanjem - priključak za transmiter ulaznog i izlaznog pritiska


574

- diferencijalni manometar na finom filteru za gas sa alarmom za maksimalno dozvoljenu zaprljanost uloška

- on-off prekidač sa status svakog blok ventila - priključak za transmiter pritiska iza svake redukcije pritiska - priključak za transmiter temperature na ulazu, izlazu i iza merača protoka - priključak na meraču protoka i korektoru za daljinski prenos podataka o potrošnji - kontrolni ventil za ograničenje protoka sa pozicionerom (zavisno od koncepcije kontrole

protoka)…

Na dole prikazanim slikama dati su karakteristični prikazi sistema za telemetriju uzetih iz distributivnog centra NIS “Energogas”.

Slika 21.3-1. Pregled najvažnijih merenja na gasovodu


575

Slika 21.3-2. Pregled ulaznih pritisaka duž gasovoda

Slika 21.3-3. Tipična tehnološka šema jedne GMRS


576

21.4. Zaštitne zone Pravilnikom o tehničkim uslovima i normativima za bezbedan transport tečnih i gasovitih ugljovodonika magistralnim naftovodima i gasovodima i gasovodima i naftovodima za međunarodni transport definisane su zone opasnosti u kojima može doći do pojave zapaljivo-eksplozivne smeše i pojave požara:

- zona opasnosti “0” u kojoj je trajno prisutna smeša gasa i vazduha - zona opasnosti “1” u kojoj pri normalnom radu se može pojaviti eksplozivna smeša

(odušni, odmuljni vodovi…) - zona opasnosti “2” gde se mogu pojaviti eksplozivne i zapaljive smeše u nenormalnim

uslovima (ispuštanje na prirubničkim spojevima, prskanje cevi…)

U ovim zonama zabranjeno je: - rad sa otvorenim plamenom (sem sa posebnom dozvolom i merama obezbeđenja) - rad sa alatom koji varniči - prisustvo vozila koja pri radu mogu da izazovu varnicu - odlaganje zapaljivih materijala - korišćenje elektro uređaja koji nisu “EX” izvedbi

Slika 21.4-1. MRS - sekundarni izvor opasnosti


577

Slika 21.4-2. GMRS - sekundarni izvor opasnosti

21.5. Ispitivanje i puštanje u rad Prvo ispitivanje gasne stanice vrši se po završenoj montaži i radiografskoj kontroli suočenih zavarenih spojeva u obimu 100%. Ispitivanje na čvrstoću i zaptivenost vrši proizvođač stanice prema postupku utvrđenim pravilnikom o tehničkim normativima za gasna postrojenja uz dopunu SRPS M.E3.151 (1996). Gasna stanica se ispituje na čvrstoću vazduhom ili drugim inertnim gasom, odnosno vodom pri pritisku od 1.5 pmax (za ulazni i izlazni deo) u trajanju od 60 min i na nepropustnost pritiskom pmax radnim (ali ne manje od 2 bar) u trajanju 24h, uz kontrolu pada pritiska i kontrolu svih spojeva. Nakon fabričkog ispitivanja dostavlja se izveštaj o izvršenom ispitivanju. Posle montaže na licu mesta, tj. njenog povezivanja sa dovodnim i odvodnim gasovodom, stanica se ponovo ispituje na čvrstoću i nepropustnost. Sada se ispitivanje vrši u sklopu sa dovodnim i odvodnim gasovodima. Ispitivanje se vrši u prisustvu inspektora parnih kotlova i sudova pod pritiskom. Praćenje pritiska vrši se:

- pomoću manometra klase tačnosti 0.6 mernog opsega takvog da je maksimalni pritisak 1.5 veći od ispitnog. Ovakvo ispitivanje se obavlja pod uslovom da je kompletna instalacija vidljiva i lako dostupna.

- pomoću pisača pritisaka i temperature. Ovakav način ispitivanja je zastupljeniji jer ostaje pisani trag o toku ispitivanja.

Kod ispitivanja na čvrstoću i nepropustnost voditi računa da se pod pritisak ne smeju stavljati regulatori pritiska gasa, kao i sva osetljiva oprema koju treba nakon ispitivanja ponovo vratiti. Ako se ispituje vazduhom ili inertnim gasom sa pritiscima većim od 6 bar treba preduzeti posebne mere opreznosti. Za ispitivanje vodom kada je temperatura manja od 4°C takođe se preduzimaju posebne mere (dodavanje antifriza…) kako bi se instalacija zaštitila od zamrzavanja i eventualnog oštećenja.


578

Posle završenih ispitivanja i pribavljanja potrebnih dozvola, atesta i obavljenog tehničkog prijema pristupa se puštanju u rad stanice. Pre puštanja instalacije u rad prvo se vrši izduvavanje prašine i prljavštine na filterima kojima su prethodno izvađeni ulošci. Uvođenje gasa izvršiti tako da se spreči stvaranje eksplozivne smeše gas-vazduh. To se može postići ili ubacivanjem inertnog gasa na ulazu u MRS, koji će služiti kao odeljivač gasa i vazduha, ili gas puštati u instalaciju što manjom brzinom (laganim otvaranjem slavina) da se, što je moguće više smanji mogućnost stvaranja eksplozivne smeše u kontaktnoj zoni gasa i vazduha. Na odušnim slavinama vrši se ispuštanje vazduha iz instalacije. Pri ispuštanju, kontroliše se sadržaj gasa u izlazećem vazduhu pomoću analizatora smeše gas-vazduh (detektora gasa). Kada se detektorom utvrdi da je u izlazećoj smeši sadržaj vazduha minimalan, zatvaraju se odušni ventili. Na taj način instalacija je ispunjena gasom. Pre prvog puštanja u rad stanice treba proveriti da li su svi ventili zatvoreni.

A) Puštanje stanice preko radne linije Prvo treba otvoriti protivpožarnu slavinu, u šahtu ispred stanice. Očitati temperaturu na ulaznom termometru i ulazni pritisak na manometru. Otvoriti sve slavine na impulsnim vodovima za rad regulatora pritiska gasa sa blok ventilom. Lagano, i ne potpuno, na radnoj liniji otvarati slavinu ispred filtera. Očitati pritisak gasa na manometru iza regulatora pritiska, koji treba da pokazuje željeni pritisak. Zatim lagano otvarati slavinu iza nepovratne klapne i slavinu ispred i slavinu iza merača protoka.

B) Prekid rada Prekid rada radne linije počinje zatvaranjem slavina na njenom ulazu i izlazu, a zatim se vrši kontrola pritiska na manometru.

C) Puštanje stanice preko rezervne linije Zatvoriti ulaznu i izlaznu slavinu na radnoj liniji. Po istom postupku, koji je opisan za radnu liniju, pustiti u rad rezervnu liniju. Prekid rada radne linije počinje zatvaranjem slavina na ulazu i izlazu, kao i protivpožarne slavine u šahtu ispred MRS. Zatim se vrši kontrola pritisaka na ulaznom manometru. Prekid rada rezervne linije po istom postupku koji je opisan za radnu liniju. U toku eksploatacije, potrebno je redovno kontrolisati zaprljanost filtera. Očitavanjem vrednosti pritiska na diferencijalnom manometru, može se ustanoviti stepen zaprljanosti filtera. Održavanje filtera se svodi na povremeno odmuljivanje preko ispusne slavine. Kada vrednost pada pritiska kroz filter dostigne 250 - 300 mbar za MRS i 400 - 600 mbar za GMRS, treba očistiti ili promeniti uložak filtera. Čišćenje i produvavanje uloška filtera dozvoljeno je vršiti samo na otvorenom prostoru, i to što dalje od mogućeg izvora paljenja. U slučaju požara, iz bilo kojih neželjenih situacija, kod potrošača ili u neposrednoj blizini stanice, treba:

- zatvoriti dovod gasa u protivpožarnom šahtu ispred MRS i na glavnom zapornom organu iza MRS

- prekinuti napajanje električnom energijom - upotrebiti aparate za gašenje požara - ukloniti svako lice koje nije aktivno angažovano u borbi sa vatrom.


579

21.6. Problemi vezani za buku i mere za njeno otklanjanje Na gasnim stanicama je preovlađujuća aerodinamička buka kao posledica promene strujanja (pritiska, protoka, temperature), tj. prelaska sa režima laminarnog u nelaminarno strujanje. Dozvoljena buka data je zavisno od lokacije gasnog objekta:

danju noću zona zelenila, odmora i rekreacije

- kulturno istorijski lokaliteti i bolnice 50 40 - školska zona 50 45 - stambena zona 55 45

urbana zona sa stambenim objektima - zona gradskog centra, zone duž autoputa 65 55 - zona komunalnog servisa i ind. zona 70 60 - ind. zona bez stambenih zgrada 70 70

zone odmora i rekreacije van naseljenih mesta 45 35

Radi smanjenja nivoa buke treba preduzeti sledeće korake: - udaljenje stanica na veća rastojanja od zaštićenih zona, jer buka opada sa kvadratom

rastojanja - optimizirati projektno-konstruktivne parametre - izvršiti prigušenje na mestima izvora buke.

Optimiziranje projektno-konstruktivnih parametara podrazumeva ograničenje brzine strujanja u stanicama na 20 m/s, a na regulatorima do 100 m/s. Takođe, izborom regulatora koji stvaraju manju buku (iz kataloga proizvođača), izradom više regulacionih linija može se smanjiti nivo buke. Prigušenje na mestima izvora buke podrazumeva ugradnju prigušivača iza regulatora pritiska koji mogu biti: prigušni zaslon, prigušna komora, aktivan prigušivač i rezonantni prigušivač ili zvučno izolovanje izvora buke i prostorija u kojima su smeštene stanice.

P mena tečnog naftnog gasaPrimena tečnog naftnog gasa

22.22.

583

22. Primena tečnog naftnog gasa

22.1. Proizvodnja tečnog naftnog gasa Glavne sirovine za proizvodnju TNG su zemni gas i nafta. Skoro kompletna svetska proizvodnja TNG se ostvaruje preko dva glavna izvora:

a) postrojenja za ekstrakciju TNG iz zemnog gasa; b) rafinerije nafte, uz proizvodnju osnovnih rafinerijskih produkata.

Poreklo proizvodnje TNG determiniše kako njegov osnovni hemijski sastav, tako i njegove fizičke i hemijske osobine. U našoj zemlji, kao i u drugim zemljama proizvodačima i prerađivačima nafte i gasa, najveć deo TNG se dobija iz zemnog gasa.

22.1.1. Ekstrakcija TNG iz zemnog gasa Propan i butan kao glavne komponente TNG se nalaze i u sastavu zemnog gasa. Njihova koncentracija u zemnom gasu je različita i varira od jednog do drugog gasnog polja, pa čak i od bušotine do bušotine na istom gasnom polju.

Tabela 22.1-1. Tipičan sastav zemnog gasa sa gasnog polja u Vojvodini

C1 74,8% zapreminski C2 l3,8% C3 4,4% i-C4 2,1% n-C4 2,2% i-C5 1,0% n-C5 1,7%

Najveći broj postrojenja za proizvodnju TNG danas radi na bazi apsorpcije, jer je ustanovljeno da je apsorpcija najekonomičniji metod za dobijanje većih količina butana, kao i za relativno dobro dobijanje propana. Takođe se smatra da je metod niskotemperaturne separacije ekonomičan za dobijanje većih količina propana.

22.1.2. Apsorpciono postrojenje Kako su ova postrojenja najčešća u primeni, odabrano je jedno tipsko postrojenje ovog tipa za detaljniju obradu. Ovakva postrojenja se kod nas najčešće zovu degasolinaže. U Srbiji radi jedna degasolinaža - u Elemiru kod Zrenjanina, u sastavu Naftagasa - Novi Sad. Postrojenje proizvodi normalni i izo-butan, propan i gasolin. Postrojenje se sastoji iz jedinica za dehidrataciju, apsorpciju, deeta-nizaciju, depropanizaciju, debutanizaciju, instalacije za apsorpciono ulje i pomocnih jedinica (skladišta, rashladne vode,


584

energane, instalacija za pretovar TNG i dr.). Na slici 22.1-1. je data opsta tehnoloska šema postrojenja. Sirovi gas pod pritiskom nekoliko desetina atmosfera i temperaturom 20-30°C, hemijskog sastava datog u tabeli 22.1-2, uz pretpostavku da je zasićen vodenom parom, ulazi u dehidratacionu jedinicu, gdje se posredstvom trietilen glikola otklanja vodena para. Trietilen glikol kruži u zatvorenom sistemu jedinice za dehidrataciju, a njegova regeneracija se obavlja kontinualnim postupkom u koloni za regeneraciju. Dehidrirani gas, (suvi gas) ulazi u apsorpcionu jedinicu, gde se odvija proces apsorpcije ugljovodonika pomoću apsorpcionog ulja. Ovo apsorpciono ulje je po svojim karakteristikama vrlo slično kerozinu. Ono ulazi u apsorpcionu kolonu na njenom vrhu i krećući se od vrha prema dnu kolone, preko destilacionih tanjira - platformi, dolazi u dodir sa suvim gasom koji se kreće u suprotnom pravcu (od dna prema vrhu kolone). Apsorpciono ulje se naziva »mršavim« ill »posnim« pre ulaza u vrh kolone, i »bogatim« ill »masnim« nakon izlaza sa dna kolone.

Slika 22.1-1. Opšta tehnološka šema degazolinaze.

Bogato apsorpciono ulje ulazi u jedinicu za deetanizaciju, u kojoj nastaje izdvajanje metana, etana i drugih sastojaka gasa, koji odlaze u gasovod zemnog gasa prema njegovim potrošačima. Ovo apsorpciono ulje, bez etana i metana, dakle »deetanizirano«, odlazi dalje u jedinice za frakcionaciju, gde se iz njega izdvajaju svaki posebno: propan, gasolin, n-butan i izo-butan, i šalju na uskladištenje. Izlazni, deetanizovani, gas iz degasolinaže odlazi potrošačima u sastavu datom u tabeli 22.1-2.

Tabela 22.1-2. Sastav gasa na izlazu iz degazolinaze (zapreminski)

C1 70,08% zapreminski C2 29,00% C3 0,50% i-C4 0,16% n-C4 0,26% i-C5 - n-C5 -


585

Apsorpciono ulje kruži neprekidno u zatvorenom ciklusu. Za njegovo zagrevanje služi odgovarajuća peć (F-l), ložena zemnim gasom. Čitavo postrojenje radi potpuno automatski, a kontrola procesa se vrši na centralnom komandnom punktu. Dobijeni n-C4, i-C4 i C3 se uskladištuju u posebne rezervoare, a njihovo mešanje, radi dobijanja smeše TNG, vrši se u posebnom rezervoaru pre pretakanja u sredstva za transport TNG.

22.1.3. Niskotemperaturna separacija Ovaj metod postaje sve više interesantan za dobijanje većih količina gasolina i propana iz izdvojenog kondenzata zemnog gasa. Proces se odvija na temperaturama nižim od -40°C. Ranije se ovaj proces nije upotrebljavao jer nisu postojali materijali koji su mogli bez opasnosti da rade na tako niskim temperaturama. Tragična posledica toga bila je eksplozija rezervoara za TNG u Ohaju - SAD 1938. godine. Kako je metalurgija u poslednje vreme stvorila kvalitetne čelike koji i u uslovima tako niskih ternperatura irnaju dobre osobine čvrstoće, korišćenje postrojenja za niskotemperaturnu separaciju postaje sve značajnije. Pojedine američke firme rade ova postrojenja u tipskim elementima, raznih kapaciteta, sa mogućnostima njihove dislokacije »skid mounted« nakon obavljenog zadatka na jednom gasnom polju.

22.1.4. Adsorpcija Dobijanje ugljovodonika iz zemnog gasa metodom adsorpcije, gde je kao adsorbent služio drveni ugalj, potiče još iz 30-tih godina ovog veka. Takva stara postrojenja nisu više u upotrebi zbog prevelikih troškova proizvodnje. Kao adsorbenti su se pored drvenog uglja koristili kiselgel (sili-kagel), aluminijum oksid (alumogel), ceolit (kalciium-alumunijum-silikat) i dr. Kvalitet adsorbenta se određivao preko njegovog stepena poroznosti, odnosno površine pora po jedinici težine. Dok je kod alumogela ta veličina 300-380, silikagela 580-620, drvenog uglja 700-800, kod raznih tipova ceolita ona se kreće od 800 do 1060 m2/g. Firma Linde je proizvodila jednu vrstu ceolita, tipa Linde-Sieb 5A, koji ima izvanredne osobine za dobijanje TNG, a mogao je da radi i na temperaturama od -80°C do +200°C. Mnoge firme su do danas usavršile nove metode adsorpcije za koje su naročito pogodne i ekonomične pri proizvodnji niskih koncentracija TNG.

22.1.5. Ekonomičnost proizvodnje TNG Smatra se da se približno 30% TNG iz zemnog gasa može dobiti kao sporedni produkt uz dobijanje gasolina i to uz relativno niske troškove proizvodnje. Stepen ekstrakcije većih količina TNG iz gasa zavisi od situacije na tržistu (cena i kvalitet TNG, investicione vrednosti i kapaciteta postrojenja, dakle, od troškova proizvodnje i uslova tržista. Ekstrakcija TNG u stepenu od 60 do 80% od ukupne raspoložive količine u zemnom gasu, izvodi se uz relativno ravnomernu stopu koštanja u odnosu na potrošnju i povoljne prodajne cene TNG. Dobijanje TNG u stepenu ekstrakcije većem od 80%, u odnosu na ukupnu raspoloživu količinu u zemnom gau, postaje znatno skuplje i obično je opravdano samo u slučajevima posebno povoljne potražnje. Kod odlučivanja opravdanosti postavljanja postrojenja za proizvodnju TNG na određenoj lokaciji, pored cene i potražnje TNG, igraju važnu ulogu i količina, kvalitet i rezerve zemnog gasa, kao i stepen investicionih ulaganja u postrojenje.


586

22.1.6. Proizvodnja TNG u rafinerijama nafte Sirova nafta sadrži mali postotak TNG, koji se dobija prilikom prerade nafte. U rafinerijama se nafta prvo razgrađuje u frakcije (destilacija): laki benzin, petrolej, lož ulje, gasno ulje i teški ostaci. Razgradnja se obavlja u kolonama za frakcionu destilaciju uz pomoć toplote, a za razgradnju teških frakcija, sa normalnim tačkama ključanja iznad 370°C, uz pomoc vakuuma (vakuumdestilacija). Da bi TNG, dobijen destilacijom, bio podesan za prodaju, često je potrebno znatno prečišćavanje i odstranjivanje sumpora. Radi toga se rafinerije u nekim uslovima rada, kada je potrebno značajno (i skupno) odstranjivanje sumpora, smola i drugih primesa iz TNG radije odlučuju da takav TNG koriste ili pri proizvodnji gasolina, ili za dalju preradu, ili, pak, kao energetsko sredstvo. Dalja prerada produkata destilacije, a naročito teških benzina i ostataka destilacije (jer za njih nema potražnje na tržištu vrši se raznim termohemijskim metodama, kao što su:

a) Krekovanje (razgradnja) U procesu se vrši razgradnja velikih molekula ugljovodonika sa visokom tačkom ključanja, na temperaturama od 400 do 500°C, u manje molekule. Proizvod krekinga je smeša ugljovodonika raznih tačaka ključanja, sa skoro 50% nezasićenih ugljikovodika u kojima se nalaze veće količine TNG. Da bi se reakcija ubrzala i da bi stepen iskorišćenja bio veći, procesu se dodaju katalizatori i nastaje katalitičko krekovanje.

b) Reforming Proces koji je u osnovi sličan krekingu s tom razlikom sto se odvija na višim temperaturama i pritiscima (oko 50 atp). Proizvod je smeša ugljovodonika, bogata aromatima i olefinima u kojoj se nalazi i TNG. I ovde se dodavanjem katalizatora proces ubrzava, a ako je katalizator sa materijama koje sadrže platinu, nastaje proces »platforming«, koji daje znatno poboljšan kvalitet proizvoda.

c) Hidriranje Za ugljovodonike sa visokom tačkom ključanja, koji u isto vrijeme sadrže manje vodonika, a da bi se sprečilo stvaranje većih količina olefina, katrana i koksa, u proces se dodaje vodonik pod određeniin pritiskom. Ovaj proces je pogodan za sirovine bogate sumporom, jer se preko formiranog sumpornog ugljovodonika, koji se lako odstranjuje, stvara proizvod osiromašen sumporom. TNG koji se nalazi u proizvodu ovog procesa kvalitetan je, sa vrlo malo sumpora i olefina. Svi ovi procesi služe za kvalitativno i kvantitativno poboljšanje rafinerijskih proizvoda. Kako se pri njima dobija i TNG, tako se ovi procesi mogu okarakterisati i kao procesi koji proizvode TNG. Da bi se završio ovaj enciklopedijski opis rafinerijskih procesa sa TNG, potrebno je navesti i procese u kojima se TNG koristi kao sirovina, a to su:

a) Polimerizacija Proces suprotan krekovanju, dakle proces kojim se mali molekuli sastavljaju u velike. Kao sirovine se koriste butilen i propilen, a proizvod je sastavljen iz izooktilena i visih olefina.

b) Alkilacija Proces u kome dolazi do spajanja olefina sa izoparafinima ili aromatirna. Sirovina je izobutan, etilen, propilen, butilen i dr., a proizvodi su parafinski ugljovodonici od C6 do C9. Na sl. 22.1-2., data je blok šema proizvodnje i potrošnje TNG u rafinerijskim postrojenjima.


587

Slika 22.1-2. Blok šema proizvodnje i potrošnje TNG U rafinerijskim postrojenjima

22.2. Transport i uskladištenje TNG Transport TNG cevovodima se u osnovi ne razlikuje od transporta drugih naftnih proizvoda, ali se, s obzirom na njegovu eksplozivnost u smeši sa vazduhom moraju, prilikom gradnje i eksploatacije, voditi specijalne mere osiguranja protiv njegovog propuštanja, odnosno izlaženja iz cevovoda. Transport se ostvaruje pomoću pumpi za TNG, postavljenih u pumpnim stanicama, koje su na cevovodu TNG locirane na udaljenostima koje su diktirane kapacitetom, gubicima pritiska i konfiguracijom tla. Na pumpnim stanicama su postavljeni tampon rezervoari, koji imaju zadatak, da u slučaju havarije na cevovodu, prihvate određenu količinu TNG.

22.2.1 Boce

A) Tipovi i karakteristike Boce su manje čelične posude cilindričnog oblika za smeštaj i transport TNG, a koriste se pretežno u domaćinstvu i kod manjih industrijskih i zanatskih potrošača. Napunjene TNG-om u punionicama - instalacijama za punjenje, boce se transportuju do potrošača standardnirn oblicima transporta - kamionima ill vagonima. Kod potrošača se priključuju na trošila i iz njih se direktno koristi gasna faza TNG. Boce za TNG se izrađuju prema odgovarajućim nacionalnim propisima, odnosno standardima, kojima su propisani oblik, dimenzije, materijal i izrada, oznacavanje, veličina punjenja, armatura i ispitivanje.


588

Prema SRPS-u, zavarene čelične boce za TNG se prema kapacitetima punjenja dele na sedam tipova i to na boce od 1, 2, 5, 10, 15, 25 i 35 kg i svrstane su u standarde SRPS M.Z2.515, 510 i 511. Boce od 5 i 10 kg uglavnom se koriste u domaćinstvima (karakteristike su date u tabeli 22.2-1), a tipovi od 15, 25 i 35 kg u manjirn industrijskirn pogonima, ugostiteljstvu i zanatstvu. Najčešće se upotrebljavaju boce od 10 kg oblika prikazanog na slici 22.2-1.

Tabela 22.2-1. Osnovni parametri boce za punjenje TNG-a

Nazivno punjenje(masa gasa)

kg

Spoljni Prečnik D (mm)

Visina H Najviše (mm)

Debljina Lima δ (mm)

Zapremina

(litara)

Masa boce (kg)

5 260 450 2,5 12,35 8,80

10 300 590 5 24,70 12,68

Slika 22.2-1. Boca za smeštaj TNG Legenda: 1) telo boce; 2) postolje 3) usadnik 4) ventil 5) zaštitni lim

Boce većeg kapaciteta su prečnika 260 do 350 mm, visine do 1080 mm, kako je prikazano na slici 22.2-2. Svaka boca je sastavljena od tela boce, postolja, usadnika, ventila i zaštitnog lima. Telo boce se izrađuje od čeličnog lima Č.1216, elektrolučnim zavarivanjem, za ispitni pritisak 25 bara. Zaštitni lim ima funkciju zaštite ventila boce, a služi i kao drška za nošenje.


589

Slika 22.2-2. Boca većeg kapacicteta Legenda: 1) telo boce 2) postolje 3) usadnik 4) ventil 5) zaštitna kapa 6) natpisna tablica

U usadnik, koji je postavljen u grlu tela boce, postavlja se ventil boce. U boce do 10 kg usadnik se postavlja zavarivanjem, a u boce preko 10 kg sa navojnim spojem. U grlu usadnika je urezan konični navoj (3%) za montiranje ventila boce. Najveće dozvoljeno punjenje određeno je, u zavisnosti od veličine boce, ali tako da bude osigurano najmanje:

- 2,4 1 zapremine boce za svaki kg propana ili mešavine propan-butan, - 2,12 1 zaprernine boce za svaki kg butana.

B) Ventili za boce Da bi se gas mogao koristiti, boce moraju biti snabdevene ventilima koji služe za zatvaranje, punjenje i pražnjenje. Pri svim tim procesima gas ne sme ni u najmanjim količinama prolaziti nekontrolisano kroz ventil. Konstrukcija ventila je rešena tako da ventili osiguravaju potpunu sigurnost i funkcionalnost pod normalnim uslovima rukovanja pri zameni, montaži i demontaži ventila. Na slici 22.2-3. je prikazan ventil za boce do 15 kg prema SRPS M.C.5.350

Slika 22.2-3. Ventil za boce do 15 kg


590

Ventili se montiraju na boce preko usadnika na kojem je narezan konični navoj M24x2 sa nagibom. Ovaj nagib osigurava dobro zaptivanje ventila sa bocom i svako dodatno zaptivanje gumenim ili sličnim zaptivačima pokazalo se nepotrebnim. Ventili na mestu izlaza gasa, imaju narezan navoj W 21,8x1/14" levi, a pri transportu boce na torn je mestu zavrnuta slepa navrtka kako bi se očuvao navoj u transportu i rukovanju, i pri izmeni ventila sprečio izlazak zaostalog gasa u samom ventilu. Boce čije punjenje ne prelazi 0,5 kg gas, a koriste se za punjenje "upaljača" ili za osvetljenje, moraju imati ventil koji se automatski zatvara. Boce čiji je kapacitet punjenja preko 15 kg pored ventila za zatvaranje moraju imati i ventil sigurnosti. Ventil sigurnosti na boci mora da ima konstrukciju sa oprugom, da je obezbeđen od udara, plombiran i da između njega i boce nije ugrađen bilo kakav drugi ventil.

22.2.2. Instalacije za pretakanjeTNG-a Stabilne instalacije za TNG su namjenjene za uskladištenje TNG i njegovu distribuciju potrošačima. U zavisnosti od velicine potrošača, stabilne instalacije TNG se dele prema tipu i veličini skladišnih uređaja na instalacije sa:

a) stabilnim rezervoarima, b) prenosnim rezervoarima, c) bocama

Instalacije sa stabilnim rezervoarima služe za: a) potročače TNG u parnoj fazi, b) punionice boca i prenosnih rezervoara, c) punionice auto i vagon-cisterni za distribuciju TNG.

Potrošači TNG u parnoj fazi mogu- u zavisnosti od vrste potrošača, da ga koriste: a) kao čisti TNG, b) razblaženi TNG sa vazduhom, c) mešani TNG sa prirodnim i drugim gasovima.

Kod punionica boca i prenosnih rezervoara, podela se vrši prema veličini punionica na: a) punionice manjeg kapaciteta (obično sa sistemom manuelnog punjenja), b) autornatizovane punionice velikog kapaciteta.

Instalacije sa bocama mogu biti sa: a) jednom do dve boce priključene direktno na potrošače (domaćinstva), b) baterijom boca, međusobno povezanih, za dobijanje većeg kapaciteta raspoloživog TNG

(zanatski i manji industrijski potrošači).

Kod instalacija sa stabilnim rezervoarima, moraju postojati uređaji, odnosno stanice za pretakanje TNG iz sredstava transporta u skladišne rezervoare. Na liniji veze skladišnih rezervoara sa potrošačima, da bi se obezbedio prelazak tečne faze TNG u parnu, postavljaju se uređaji za isparavanje TNG. S obzirom na niske pritiske na kojima potrošači koriste TNG, isparenom TNG se redukuje pritisak u uređajima za redukciju.


591

22.3. Regulatori pritiska

22.3.1. Zadatak i podela Osnovni zadatak regulatora pritiska je da na određenom mestu cevovodne instalacije održavaju konstantan pritisak gasa, nezavisno od promena kapaciteta i pritiska ispred regulatora. Takav konstantan pritisak je mogućno održavati preko podešavanja protoka. Na taj način regulatori pritiska obavljaju dve funkcije:

- održavaju konstantan pritisak gasa; - podešavaju količinu protoka gasa prema promenljivim zahtevima potrošača.

U zavisnosti od kapaciteta, početnog i krajnjeg pritiska, mesta postavljanja i namene, regulatori pritiska se međusobno razlikuju po svom konstruktivnom izvođenju, obliku i dimenzijama. Prema principu rada regulatori se dele na dve glavne grupe: regulatorisa direktnim i regulatori sa indirektnim delovanjem. Kod regulatora sa direktnim delovanjem promena izlaznog pritiska gasa stvara silu koja je potrebna za ostvarivanje regulacije njegove veličine. To se jasnije vidi sa slike 22.3-1. na kojoj je data pojednostavljena šema regulatora. Osnovni delovi tog regulatora su, pored njegovog kućišta, ventil (2), mernbrana (3) i mehaničko opterećenje membrane (6). Pod delovanjem opterećenja (6) i sopstvene težine, membrana se zajedno sa ventilom (vezanim sa njom) spušta i formira otvor za prolaz gasa. Usled toga iza ventila dolazi do postepenog povećanja pritiska. Takav pritisak se prenosi kroz spojnu cev (5) u prostor ispod membrane (8) i deluje na membranu dejstvom suprotnim od dejstva opterećenja i ventila. Membrana se sa ventilom spušta sve do trenutka dok se iza regulatora ne stvori pritisak koji je u stanju da se uravnoteži sa dejstvom opterećenja i ventila. Daljim povećanjem pritiska gasa iza regulatora dolazi do toga, da je dejstvo pritiska ispod membrane veće od suprotnog dejstva opterećenja i ventila, pa se radi toga membrana diže, u isto vreme smanjuje otvor ventila i zatvara ga. S druge strane, sa smanjivanjem pritiska iza regulatora, membrana se opet spušta dole i otvara ventil regulatora, čime se povećava protok gasa kroz regulator i dovodi do povećanja pritiska gasa.

Slika 22.3-1. Regulator sa direktnim delovanjem; 1- kućište regulatora; 2- ventil; 3- membrana; 4- zaptivač; 5- spojna cev; 6- opterećenje (teg ili opruga); 7- dišni otvorč 8- prostor ispod membrane


592

Na taj način, promena izlaznog pritiska se prenosi na membranu, koja podižući se ili spuštajući se, više ili manje otvara ventil i tako ostvaruje regulaciju veličine pritiska. Kod regulatora sa indirektnim delovanjem, izmena izlaznog pritiska ne utiče direktno na membranu, to jest direktno ne stvara silu potrebnu za regulaciju. Takvi regulatori rade uz pomoć spoljnjeg energetskog pneumatskog izvora (vazduh ili gas) i hidrauličkog (ulje ili tečnost). Promena izlaznog pritiska utiče na komandni element preko kojeg se uključuje dejstvo spoljnjeg izvora energije, kojim se ostvaruje tražena regulacija pritiska. Regulatori sa direktnim delovanjem su manje osetljivi od onih sa indirektnim. I pored slabijih karakteristika, ovi prvi imaju veću primenu kod manjih industrijskih i drugih potrošača zbog jednostavnosti konstrukcije, manje cene koštanja i jednostavnosti rukovanja. U zavisnosti od vrste opterećenja membrane, regulatori se dele na tri grupe: sa težinskim opterećenjem, sa oprugom i sa opterećenjem nastalim od pritiska gasa. U poslednje vreme sve veću primenu imaju regulatori treće grupe. S obzirom na veliku raznolikost tipova, konstrukcija i namene regulatora, vrlo je teško napraviti egzaktnu podelu, na primer na bazi konstrukcije, a da se bar većina regulatora obuhvati. Usled toga se autor odlučio za podelu prema radnom pritisku regulatora, odnosno prerna pritisku za koji se vrši regulacija. U torn smislu regulatori se mogu svrstati u tri grupe:

a) regulatori visokog pritiska, odnosno regulatori prvog stepena, za regulaciju, odnosno redukciju gasne faze TNG sa radnog pritiska 16 bar na pritisak od 1 bar;

b) regulatori niskog pritiska, odnosno regulatori drugog stepena za redukciju gasne faze TNG sa izlaznog pritiska regulatora I stepena na pritisak na kome rade potrošači;

c) regulatori pritiska za TNG instalacije sa flašama.

22.3.2. Regulatori prvog stepena (visoki pritisak) Na slici 22.3-2. prikazan je klasični tip regulatora visokog pritiska za instalacije većeg kapaciteta. Ovakvi regulatori nisu namenieni isključivo za 1NP, već se koriste i za prirodni gas, komprimovani vazduh, razne industrijske gasove i sl. Zbog visokog radnog pritiska, na regulator je ugrađen sigurnosni ventil (poz. 11), koji se aktivira u slučaju povećanja pritiska gasa iznad dozvoljenog. Kapacitet regulatora ovog tipa ide i do 30 000 Nm3/h gasa.

Slika 22.3-2. Regulator visokog pritiska


593

22.3.3. Regulatori II stepena (niski pritisak) Dok se regulatori I stepena postavljaju na glavnim cevovodima gasne faze TNG, iza isparivača, tj. obično servisiraju čitavu gasnu instalaciju, pa su prerna tome, najčešće većih kapaciteta, dotle se kapacitet regulatora II stepena vezuje na kapacitet jednog ili grupe potrošača. Na slici 22.3-3. dat je fotos tzv. "pilot-regulatora" namenjenog za regulaciju sistema srednjeg i niskog pritiska. Osnovna karakteristika je u izuzetno tačnoj regulaciji pritiska, koja se postiže uzajarnnom vezom osnovnog regulatora (izvršnog mehanizma) i pomočnog regulatora (komandnog uređaja ili pilota) montiranog na osnovnom regulatoru. Radi visoke preciznosti u regulaciji izlaznog pritiska, ovaj tip regulatora se upotrebljava u industrijskim instalacijama, a specijalno za napajanje peći u keramičkoj industriji, gde je tačnost regulacije jedan od osnovnih uslova dobrog rada peći. Osnovne karakteristike regulatora koje ga cine preciznim u radu su:

- elastičnost u radu i pri minimalnom i pri maksimalnom kapacitetu; - osetljivost i za male varijacije pritiska, zahvaljujući membrani velike površine,

izrađenoj od materijala otpornog na hemijsku aktivnost ugljovodonika;

Slika 22.3-3. Regulatori pritiska sa pilotom, za niske i srednje pritiske

U svojim katalozima proizvođači regulatora daju osnovne karakteristike i dimenzije svojih proizvoda. Kapacitet regulatora se obicno daje na bazi polaznih parametara pada pritiska (Ap) i specifične težine gasa γ0 za šta je dat tabelarni, odnosno nominalni kapacitet (A). Za tačno određivanje kapaciteta regulatora pri drugim padovima pritiska (manjim ili većim od onih koji su navedeni u tabeli proizvođača) i drugoj vrsti gasa (drugačije specifične težine γ), moze se koristiti sledeća jednačina:

γγϕ 0

13.3 ⋅⋅⋅⋅= PAQ ...................................................................................... (22.1)

gde su: A - nominalni (tabelarni) kapacitet (Nm3/h);

P1 - apsolutni ulazni pritisak (ata); γ0 - specificna tezina nominalnog (tabelarnog) gasa, pri normalnom pritisku (kg/Nm2); γ - specificna tezina stvarnog gasa pri normalnim uslovima (kg/Nm3); ϕ - koeflcijent, zavisan od odnosa , a koji se određuje po dijagramu


594

'2p - apsolutni izlazni pritisak (bar).

Zavisnost koeficijenta ϕ od odnosa p2/p1 pri Cp/Cv=x=1,3

Slika 22.3-4. Zavisnost koeficijenta ϕ od odnosa 12 / pp

Slika 22.3-5. Presek regulatora pritiska II stepena

Na slici je dat presek najšešće upotrebljavanog regulatora pritiska II stepena za industrijske i druge potrošače. Kapacitet im se kreće do 200 m3/h. Prema potrebi, izrađuju se i sa prirubničkim spojevima za montažu na cevovode.


595

22.3.4. Regulatori pritiska za TNG instalacije sa bocama Kod vecih TNG instalacija sa bocama, kada se boce postavljaju u baterije sastavljene od više boca, za redukciju sa radnog pritiska na pritisak od 500 mm H2O, koriste se regulatori pritiska sa membranom i oprugom, kakav je prikazan na slici 22.3-6. Ulazni pritisak od 1 do 10 bar, izlazni 500 mm H2O a kapacitet do 24 kg/h. Za potrošače u dornaćinstvima koriste se regulatori malog kapaciteta koji redukuju pritisak gasa iz boce na pritisak potrošača. Najčešće izvođenje takvih regulatora je dato na slici 22.3-6., a njihove karakteristike u tabeli 22.3-1. Oni se montiraju na samu bocu a veza sa potrosacem se ostvaruje preko gumenog crijeva navucenog na izlazni otvor regulatora Kod potrošača u domaćinstvima koja koriste sistem od dve boce, montirane izvan stana, na kolektorski vod se postavlja regulacioni uređaj sastavljen od regulatora prvog i drugog stepena i prizmatičnog pokazivača rada sa servisnom ili rezervnom bocom.

Slika 22.3-6. Regulatori pritiska za TNG instalacije sa bocama

Na pokazivaču je istaknuta površina neutralne boje kada potrošač koristi gas iz servisne boce. Kada nestane gasa u servisnoj boci, automatski se priključuje rezervna boca, a na pokazivaču se pojavljuje crvena oznaka, kojom se potrošač upozorava da pravovremeno treba izvršiti zamenu prazne boce.

22.3.5. Pogonski problemi regulatora Jedan od čestih uzroka neredovnog rada regulatora je njegovo zamrzavanje, koje je uslovljeno vodom, odnosno vlagom u TNG. Suvi TNG prolazeći kroz regulator ne može ga zamrznuti. Problemi nastaju ako u TNG ima i sasvim malih tragova vlage. Kada gas ekspandira, u regulatoru dolazi do pada temperature. Taj rashladni efekt dovodi do hladenja ventila ispod temperature okoline, pa se vlaga iz TNG pretvara u ledene kristale, koji postepeno osvajaju ventil, smanjujući otvor i na kraju zatvarajući potpuno protok gas kroz regulator. Da je taj pad temperature gas pri njegovoj ekspanziji u regulatoru znatan, vidi se iz tabele 22.3-2 koja je napravljena na bazi termodinamičkih osobina propana sa regulatorom izlaznog pritiska 275 mm H2O i maksimalnim kapacitetom. Nezgodna karakteristika TNG je u tome što gasna faza sadrži u sebi više vlage od tečne faze. To znači da kilogram parne faze TNG sadrži više vlage kao para nego kad je u tečnom stanju. Tabela 22.3-3. pokazuje rastvorIjivost vode u tečnoj fazi propana, a tabela 22.3-4. pokazuje odnos procentualnog sadržaja vode u parnoj i tečnoj fazi propana.


596

Tabela 22.3-1. Karakteristike nekih regulatora pritiska

Priključci Pritisak TIP

Ulaz bar

Izlaz mm VS

Protok kg/h Ulaz Izlaz

P-37 0,5-16 200 1,2 Holender W21,8X1/14’’levi

Reducir 10/6

P-38 0,5-16 300 1,5 Holender W21,8x1/14’’levi

Reducir 10/6

Tabela 22.3-2. Minimalna izlazna temperatura regulatora pritiska pri radu na maksimalnom kapacitetu i izlaznom pritisku od 275 mm H2O

Ulazni pritisak (bar)

Ulazna temperatura (°C)

Izlazna temperatura (°C)

12,92 6,46 4,43 2,88 1,69

+37,8 +15,6 +4,4 -6,7

-17,8

+11,7 -1,1 -7,8 -15,0 -23,3

Tabela 22.3-3. Zavisnost količine rastvorene vode u tečnoj fazi propana od temperature

Temperatura tečne faze (°C) 0 4,4 10,0 15,6 21,1 26,7 32,2 37,8

Količina vode (%) tež 0,006 0,008 0,011 0,016 0,022 0,029 0,038 0,049

Tabela 22.3-4. Odnos sadržaja vode u parnoj i tečnoj fazi propana u zavisnosti od temperature

Temperatura (°C) 4,4 10,0 15,6 21,1 26,7 32,2 37,8

% vode u parnoj fazi

% vode u tečnoj fazi 8,3 7,1 6,2 5,6 5,0 4,5 4,2

Prema poslednjoj tabeli je evidentno da na temperaturi od 4,4°C ima 8,3 puta više vode u kg parne faze od količine vode u kg tečne faze propana. Evo nekoliko osnovnih izvora vlage u TNG:

- u rafinerijskom procesu proizvodnje TNG, procenat vlage je veći nego u TNG proizvedenom iz zemnog gasa,

- voda koja se akumulira u sredstvima za transport TNG može u ozbiljnom stepenu da ovlaži TNG,


597

- voda u rezervoarima može da se nakupi od atmosferilija, - nakon hidrostatičkih ispitivanja, često se desi da u rezervoarima ostanu znatne količine

vode, - vlaga može da uđe i kroz otvorene ventile na praznim rezervoarima ill bocama i da

kasnije ovlaži suve količine gasa.

Da bi se TNG držao u suvom stanju, to jest da se ne bi vlažio i takav, dolazio do potrošača, i stvarao probleme u eksploataciji, potrebno je pridržavati se sledećih uputstava.

A. prazne rezervoare i boce treba držati sa zatvorenim ventilima; B. koristiti regulatore većih kapaciteta, jer se tako dobijaju veći ventilski otvori pa se smanjuje

mogućnost njihovog zaleđivanja; C. fleksibilne cevi za pretakanje držati zatvorenim i osigurati ih od mogućeg ulaženja kiše ili

snega; D. nove rezervoare i boce treba uvek pregledati da u njima nije ostalo vode nakon

hidrostatičkih ispitivanja; E. ako se pretpostavlja da se u TNG uskladištenom u rezervoaru nalazi voda, u TNG se

injektira suvi metil alkohol (135 cm3 na 378,5 litara t f. TNG); F. za izdvajanje vode iz TNG koristiti posuđe za dehidrataciju, napunjene silikagelom ill

drugim materijalom za apsorpciju vode, postavIjene u instalaciju između rezervoara ill boca i regulatora;

G. dvostepenom regulacijom pritiska se isto tako postiže da je mogućnost od zaleđivanja regulatora manja, jer su tako ekspanzije manjeg obima, a time i pothlađenja manja. Ponekad je dobro regulaciju I stepena izvesti sa po dva paralelno vezana regulatora (jedan radni, jedan rezervni), tako da je moguce da jedan normalno radi kada je drugi izbačen iz rada zbog zamrzavanja ill začepljenja ledom;

H. u slučajevima kada je to ekonomski opravdano, ispred skladišnog prostora se postavlja manja dehidrataciona jedinica, kojom se suše sve količine TNG koji se pretače iz transportnog sredstva u rezervoare.

Osim zamrzavanja, regulatori se mogu začepiti i mehaničkim nečistoćama, pa je pre svakog regulatora potrebno postaviti filter za izdvajanje nečistoća. Ako se sigurnosni ventil na regulatoru često uključuje, znači da je došlo do prekoračenja pritiska iznad dozvoljenog, u čemu može biti uzrok pucanje membrane ili opruge, ili začepljenje spojne cevi između izlaznog otvora i prostora ispod regulatora.

22.3.6. Opšta primena TNG Ovo poglavlje obuhvata opšte oblike primene TNG, tj. u domaćinstvu, ugostiteljstvu, u kampovima, za komercijalnu namenu i drugo. Srpski proizvođači TNG opreme, najviše su se angažovali na usvajanju i proizvodnji TNG opreme za ovu oblast primene, tako da danas imamo čitav niz proizvođača gasnih šporeta, rešoa, peći, grejalica, bojlera, restoranske opreme, kamping opreme i sl. Stoga su u ovom poglavlju prikazani samo oblici primene, zatim, osnovne i opšte karakteristike opreme, mogućnosti korišćenja TNG, prednosti, upoređenja s drugim gorivima, nedostaci i slično, ne ulazeći u detaljnije opise pojedinih proizvoda.


598

To je učinjeno i radi toga što se stalno usavršavaju razni tipovi TNG opreme, (kako po svojim karakteristikama, tako i po izgledu, veličini i ceni), stvaraju novi, odnosno potiskuju stari u jednom, neverovatno brzom tempu.

22.3.7. Domaćinstvo To je oblast života gde TNG najčešće susrećemo, upoznavajući se sa njegovim karakteristikama, komparirajući ga sa drugim energetskim izvorima, ocenjujući njegove prednosti i nedostatke. U kući TNG se koristi za kuvanje, zagrevanje vode i prostorija, sušenje, hlađenje namirnica, osvetljavanje i slično. Prema određenim statističkim podacima je utvrđeno da se u zemIjama s višim životnim standardom, troše veće količine TNG odnosno drugih vrsta gasa (prirodnog, gradskog i dr.).

Slika 22.3-7. Primena TNG-a u domaćinstvu 1. Baterija boca 2. Regulator pritiska 3. Cevni ratvod do trošila 4. Gasni šporet 5. Rešo 6. Peć za grejanje prostorija 7. Bojler 8. Sijalice

Slika 22.3-8. Šema razvoda TNG do potrošača različitih namena sa

horizontalnim cilindričnim rezervoarom


599

Tabela 22.3-5. Primena TNG-a u domaćinstvima

Potrošač Kapacitet (kW)

Potrošnja TNG (kg/h)

Šporet 7 - 20 0.64-1.82 Protočni bojler za kupatilo 18- 21 1.64-1.92 Protočni bojler za kuhinju 8- 10 0.74-0.90 Bojler kapaciteta 801 6- 8 0.54-0.74 Bojler kapaciteta 1201 10- 12 0.90-1.08 Rešo (po gorioniku) 5- 10 0.45-0.90 Zidna pec za grejanje prostorija 1- 6 0.09-0.54 Stabilna peć sa ventilacijom 1.2 - 30 0.10-2.75 Stabilna peć bez ventilacije 1.2 - 12 0.10-1.08 Pokretna grejalica 1- 4 0.09-0.36 Peć za centralno grejanje 12- 100 1.08-9.00 Mašina za praje veša (5-15 kg suvog veša) 6- 20 0.54-1.82 Mašina za sušenje veša (10kg suvog veša) 20 1.82 Gasni frižider 0.2 0.018 Svetiljka 0.5 - 0.8 0.045-0.074 Peć za spaljivanje smeća 0.5 - 10 0.045-0.90 Restoranski šporeti sa sistemom za grejanje vode 30- 35 2.75-3.20 Restoranski šporeti bez sistema za grejanje 25- 30 2.25-2.75

Tabela 22.3-6. Podaci prosečne mesečne potrošnje TNG u SAD

Kuvanje 11.4-22.8 kg TNG Zagrevanje vode 22.8-45.6 kg TNG Hlađenje hrane 18.0-27.5 kg TNG Sušenje odeće 6.8-11.4 kg TNG Spaljivanje smeća 4.5-9.2 kg TNG

Tabela 22.3-7. Potrošnja TNG sa primenama u domaćinstvu

Spremanje hrane 50-55 kg TNG Spremanje hrane i grejanje vode 60-65 kg TNG Grejanje vode za sanitetsko - higijenske potrebe 40-46 kg TNG Zagrevanje prostorija (20m2 po članu) 120-150 kg TNG

Logično je da navedeni podaci služe u informativne svrhe i ne mogu se, zbog razlike u životnom standardu u pojedinim zemljama, primenjivati u drugoj zemlji. U zemljama u kojima se tek počinje razvijati potrošnja TNG, među kojima je i Srbija, podaci navedeni u tabelama 22.3-6. i 22.3-7. mogu služiti kao dobar putokaz kako planerima tržišta gasa tako i planerima proizvodnje TNG potrošača.


600

22.3.8. Kuvanje Za kuvanje hrane danas kupcima stoje na raspolaganju razni tipovi šporeta i rešoa, različitih po veličini, obliku (dizajnu) opremljenosti i naravno ceni. Svi se oni preko gumenog creva i reduktora pritiska priključuju na TNG boce za domaćinstvo (10 kg), koje mogu stajati pored njih,

Slika 22.3-9. Gasno – električni šporet sa šest gasnih gorionika sa gasnom rernom

ili u specijalno izrađenim zatvorenim ormarićima u štednjacima. Danas su na tržištu vrlo traženi kombinovani gasno-električni šporeti kako je jedan od njih prikazan na slici 22.3-9. Da bi se rad u kući što više olakšao, proizvode se šporeti sa sistemom programiranja, koji automatski, po određenom i ranije utvrđenom programu, u određenim vremenskim intervalima, uključuju i isključuju gas, zagrevaju hranu, prema potrebama režima kuvanja hrane.

22.3.9. Zagrevanje vode Zagrevanje vode pomoću TNG sve više osvaja domaćinstva usled značajnih prednosti nad električnim (ekonomičnost, brzina, sigurnost). Ovi uređaji za zagrevanje vode, ili jednostavno bojleri, mogu se prema načinu obezbeđenja tople vode, deliti na protočne i akumulacione. Naši tehnički propisi protočne bojlere dele na veće i manje, jer od njihovog kapaciteta, kao i od prostorije u kojoj su instalirani, zavisi da li će odvođenje dimnih gasova iz njih biti putem dimnjaka ili putem ventilacionog otvora. Protočni TNG bojleri su našli veliku primenu u kuhinjama, ugostiteljskim objektima, sanitarnim čvorovima i slično. Sastoje se od niza specijalnih gorionika na kojima sagoreva TNG i odmah predaje toplotu vodi iz vodovodne mreže. Dakle, za razliku od akumulacionih, gde se voda zagreva u određenoj posudi, kod protočnih, hladna voda prolazeći kroz bojler, odmah se zagreva i izlazi iz bojlera s temperaturom 60-80°C, zavisno od tipa bojlera. Protočni bojleri se rade u kapacitetima od 5 do 20 litara na minut, a akumulacioni kapaciteta 40-150 litara. Na slici 22.3-10., je prikazan protočni bojler kapaciteta 10 l/min.


601

22.3.10. Zagrevanje prostorija Zagrevanje stambenih prostorija TNG-om ostvaruje se na dva načina:

- direktnim zagrevanjem (pomoću gasnih grejalica); i - indirektnirn zagrevanjem (sistemi toplovodnog ili parnog grejanja).

Izbor tipa uređaja za zagrevanje stambenih prostorija zavisi od više faktora, a najvažniji su: - veličina prostorije; - prosečna temperatura koju treba održavati u prostoriji; - spoljne temperature, vetrovi, vlažnost i drugi meteorološki faktori područja gde se

zgrada nalazi; - tip konstrukcije zgrade, to jest, upotrebljeni materijal za izradu, stepen i način izolacije,

broj vrata i prozora; mesto prostorije u zgradi i dr).

Kalkulisanje s napred navedenim faktorima je obrađeno u raznim poglavljima ove knjige. Suština svih kalkulacija je u određivanju toplotnih gubitaka prostorije koja treba da se zagreva i za koju se vrši izbor sisterna grejanja. Rezultat svih proračuna je u obliku količine toplote koju odabrani sistem za grejanje treba da obezbedi u prostoriji, da bi se nadoknadili toplotni gubici (kroz vrata, prozore, zidove, pod, plafon) i da bi se održavala zahtevana temperatura u prostoriji.

Slika 22.3-10. Protočni bojler kapaciteta 10 l/min

Izbor direktnog ill indirektnog sistema grejanja TNG-om je stvar subjektivne prirode, jer oba sistema imaju svoje prednosti i nedostatke, pa prema tome nisu ni predmet rasprava u ovom delu teksta. Uređaji za zagrevanje prostora TNG-om u sistemu direktnog grejanja, rade na klasičnom principu sagorevanja gasne faze TNG na gorionicima. Da bi se obezbedilo ravnomerno i sigurno sagorevanje TNG-u grejalicama u poslednje vreme su razvijena tri tipa grejalica sa direktnim grejanjem:


602

- sa infracrvenim zračenjem; - sa katalitickim dejstvom; i - sa kombinacijom katalitičkog dejstva i infracrvenog zračenja

U Srbiji se najčešće sreću ove poslednje. Tržište ih je, u potpunosti prihvatilo zbog njihove kompaktnosti, sigurnosti, mobiinosti, a iznad svega zbog ekonomicnosti.

22.3.10.1. Gasni sobni grejači Za zagrevanje pojedinačnih prostorija od oko 200 m3 zapremine pomoću gasnih grejača, preporučuje se upotreba tabele o moći zagrevanja prostorija gasnim pećima. U zgradama bez termičke izolacije sposobnost zagrevanja prostorija je znatno manja, dok je u zgradama sa boljom termičkom izolacijom svakako veća. Pri tome se razlikuju tri načina rada. Trajno grejanje sa noćnim sniženjem temperature do najviše 5 K. Vremensko grejanje - grejanje sa prekidima-sa dnevno 6...12 h rada (škole i dr.). Posebne okolnosti s obzirom na položaj i izradu prostorija, uzima se u obzir kao i kod gvozdenih peći pomoću punkt-sistema, u odnosnu na osnovnu prostoriju od 20 m2 površine. Postupak je ipak veoma neprecizan i često daje suviše visoke vrednosti, tako da se prednost daje transmisionom proračunu. Kratkotrajno grejanje - koristi se retko. Proračun za ovakvo zagrevanje mora da se izvrši prema tačnom postupku. Za trajno i povremeno zagrevanje prostorija primenjuje se uobičajeni postupak proračuna prema DIN 4701.

Tabela 22.3-8. Sposobnost zagrevanja prostorija sobnim gasnim grejanjem

Nominalni grejni učinak u kW

Način pogona Položaj prostorija 2 3 4 5 6 7

Zapremina prostorije u Trajno Povoljno 30 63 110 170 grejanje Manje povoljno 20 40 70 98 130 Grejanje Povoljno 24 51 90 140 210 sa prekidima Manje povoljno 15 31 55 78 110 140

Za kratkotrajno grejanje,npr. izložbene prostorije, kuhinje, zbornice, proračun potrebne toplote treba izvesti prema DIN 4701 u svakom slučaju, pri čemu se uzima u obzir koeficijenat provođenja toplote površina koje zaokružuju prostoriju. Od odlučujućeg značaja su, prema tome, vreme grejanja i početna temperatura 1t , koji moraju od slučaja do slučaja, prema lokalnim okolnostima, da se predpostave. Potrebna toplota (bez udela za provetravanje):

W FQ Q Q= +& & & (potrebna toplota za pokrivanje gubitaka kroz zidove + potrebna toplota za pokrivanje gubitaka kroz prozore).


603

22.3.10.2. Gasni infracrveni zračeći grejač Kod grejanja pomoću svetlih i tamnih zračećih grejača, za određivanje nazivnog toplovodnog kapaciteta koji treba da se instalira, nije dozvoljen proračun po DIN 4701, već mora da se uzme u obzir osobenost prenošenja toplote pri zračenju. Metode za tačne proračune nalaze se u upustvima DVGW 638/I za svetle i G 638/II za tamne zračeće grejače. Pri grejanju zračenjem osetna sobna temperatura Rt se dobija sabiranjem temperature vazduha Lt i temperature zračenja St . Prema Bedfordu St se računa sa faktorom 0.072 od inteziteta zračenja a SI , tj. 14 W/m2 odgovara 1°C. Na taj način se dobija

SLR Itt ⋅+= 072.0 ili ....................................................................................... (22.2)

SLR ttt +=

Dakle, da bi se postigla ugodnost npr.(sobna temperatura) od 17°C, temperatura vazduha je niža za udeo temperature zračenja. Poznato je da se pri sniženju temperature vazduha za 1°C smanji potrošnja energije za oko 6%. Pri prepotavljenoj temperaturi i u običnom pogonu realnoj srednoj temperaturi zračenja od 3°C za novije hale smanjenje troškova je značajno. Po ovome se vidi koliko je presudan stepen korisnosti zračenja, dakle ostvrena ili dobijena količina toplote u prostoru koji se greje zračenjem od infracrvenih grejača i koliko je to važno za potrebnu količinu toplote i troškove energije koji pri tom nastju. Što je zračenje jače to je niža temperatura vazduha, a time i gubici usled transmisije i provetravanja. Proračun: najpre se prema DIN 4701 odredi ukupno potrebna toplota; potom se ona koriguje sa faktorima koji, između ostalog, uzimaju u obzir geometriju prostora, instalaciju, željenu ugodnost, stepen korisnosti postrojenja i kvalitet zračenja (stepen korisnosti zračenja).

Slika 22.3-11. Osetna sobna temperatura tg u zavisnosti od temperature vazduha tL i intenziteta zračenja IS

Na osnovu toga se dobija smanjeni nominalni kapacitet u odnosnu na DIN 4701 koji mora da se instalira. Pored potpunog zagrevanja prostorija prema napred navedenim proračunskim metodama, postoji varijanta delimičnog zagrevanja radenih mesta i nekih površina pomoću toplote zračenja. Proizvođači takvih uređaja imaju iskustvene vrednosti za projektovanje. Troškovi energije su odgovarajući tome. Pri projektovnju treba uzeti u obzir sve specifičnosti građevinske konstrukcije i karakteristike korisnika. Kada se ispoštuju i sva ostala pravila i propisi dobija se broj zračećih


604

grejača koji opet može da bude promenjiv u zavisnosti od rastojanja između njih, visine i ugla pri postavljanju. Za ovaj načiin grejanja važno je egzaktno planiranje da bi se izbegle temperaturne razlike zbog različitog stepena zračenja u zoni boravka. Pored toga treba isključiti mogućnost nezadovoljene visine inteziteta zračenja odn. asimetrije zračenja. U Nemačkoj daje se granična vrednost za ovo od 200 W/m2 koja u praksi teško može da se postigne.

22.3.11. Potrošnja gasa Donja toplotna moć uH gasova različita je u oblastima za snabdevanje gasom. Ona se za gradski i daljinski gas često kreće u granicama od 4.5 do 5.5 kWh/mn

3 (odnosi se, dakle, na 0°C i 1.013 bar); kod zemnog gasa je 8 do 11 kWh/mn

3. Radna toplotna moć se odnosi na postojeću temperaturu srednjeg stanja lokalnog barometra i računa se za suvi gas iz normalne vrednosti prema sledećoj formuli:

273273 1013uB u

B pH Ht

+= ⋅

+.................................................................................... (22.3)

t - srednja temperatura, često 15°C, B - pritisak vazduha u milibarima (stanje barometra), p - nadpritisak gasa u milibarima.

Ako gas sadrži vodenu paru, treba uzeti u obzir njegov parcijalni pritisak. Zapreminski protok gasa jednog uređaja za potrošnju gasa (priključna vrednost) je

3

uB

QV u m sH η

=⋅

&& ......................................................................................... (22.4)

Q& - grejni kapacitet kW

uBH - toplotna moć kJ/m3 η - stepen korisnosti ( ≈ 0.80...0.86).

Godišnja potrošnja gasa računa se na osnovu časova punog pogona.

22.3.12. Priključak za gas Za instalacije uređaja za gas (osim tečnog gasa) niskog pritiska do 100 mbar (10000 Pa) od 1987. godine važe ''Tehnička pravila za gasne instalacije''. Šema gasovodne instalacija prikazana je na slici 23.3-12.

Slika 23.3-12. Šema vodova za gasnu instalaciju


605

Merodavna za proračun cevovoda je vrednost opterećenja, tj. protok ili maksimalni protok u jednom vodu u m3/h koji se može izračunati s obzirom na faktor istovremenosti priključnih vrednosti protošača. Priključne vrednosti pojedinih potrošača gasa videti na tabeli 22.3-9. Vrednost opterećenja jedne deonice određenog kapaciteta vidi se iz dijagrama, koji je dat kao primer na slici 23.3-13.

Tabela 22.3-9. Priključne vrednosti pojedinih potrošača gasa

1. Familija gasova 2.4=uBH kWh/m3

2. Familija gasova 6.10=uBH kWh/m3 Potrošač gasa

m3/h m3/h Šporet sa 4 plamena i pećnicom 3 1,2 Gasni protočni grejač vode 17,5 kW 5 2 Gasni protočni grejač vode 22,7 kW 6,5 2,6 Gasni protočni grejač vode 27,9 kW 8 3,2 Gasni veći grejač vode 100 l 2,3 0,9 Gasni sobni grejač 4,6 kW 1,3 0,5 Gasni sobni grejač 7,0 kW 2 0,8 Gasni sobni grejač 9,3 kW 2,8 1,1 Grejni gasni kotao 9,3 kW 2,7 1,1 Grejni gasni kotao 11,0 kW 3,1 1,2

Slika 22.3-13. Vrednost opterećenja (zapreminski protok) za dve kombnacije potrošača gradskog, odnosno zemnog gasa: a) sobni grejač od 4,65 kW b) 1 šporet, 1 grejač vode od 22,7 kW, sobni grejač od 4,65 kW

Usponski vodovi izvode se tako što će biti izjednačen pad pritiska zbog trenja u cevima preko stvaranja pritiska strujannjem lakog gasa. Pritisak snabdevanja mora da bude toliko veliki da priključni pritisak iznosi najmanje 7.5 mbar gradskog gasa, odnosno, 18.0 mbar zemnog gasa i to po odbitku padova pritiska: u suprotnom treba povećati prečnike cevi.

22.3.13. Odvođenje gasova Gasovi sagorevanja iz gasnih ložišta, izuzev već pomenutih uređaja bez dimljaka, moraju da budu odvedeni sistemom cevi i cevnih spojeva krpz dimljak napolje.Cevi za odvođenje gasova prema dimljaku sa kontrolnim otvorom po mogućnosti treba da kratke, zaštićene od korozije, često od čeličnih limova ili aluminijuma, toplotno izolovane u hladnim prostorijama.


606

Radi izbegavanja suviše velike promaje, zastoja ili povrtnog strujanja, u atmosferskim gasnim ložištima postoji strujno obezbeđenje (prekidač promaje kombinovan sa obezbeđenjem povratnog strujanja) i to između dimljaka i komore za sagorevanje, što predstavlja sastavni deo ložišta i isporučuje se od strane proizvođača uređaja slika 23.3-14. Gasna ložišta sa strujnim obezbeđenjem nazivnog toplotnog kapaciteta većeg od 7 kW za stanove i slične prostorije moraju da imaju uređaj za kontrolu odvodnih gasova koji će u slučaju zastoja ili povratnog strujanja isključiti gorionik (sl. 23.3-15.).

Slika 22.3-14. Strujno obezbeđenje gasnih ložišta

U cevima za odvođenje dimnih gasova iz gasnih ložišta dozvoljeno je, zavisno od količine vazduha u prostoriji, postvljanje klapni koje su otvorene pri radu gorionika i zatvorene kada gorionik ne radi. Klapne morju da budu pogodne za svako ložište (upustvo za ugrađivanje). Termički vođene klapne prema DIN 3388, smeju da budu ugrađene samo u atmosferskim gasnim ložištima i to iza obezbeđenja strujanja. Mehanički vođene klapne prema DIN 3388 moraju da budu priključene tako da gorionik struje tek pri potpunom otvaranju klapne i da se posle prestanka rada gorionika ponovo zatvori.

Slika 22.3-15. Električna kontrola usmeravanja odvodnih gasova PL - potrebni potisni pritisak vazduha koji ulazi, PW - potreban potisni pritisak u ložištu (samo za obezbeđenje strujanja), PFV - potrebani potisni pritisak za dimnjaču, PZ - potpritisak u delu gde dimni gasovi ulaze u dimnjak

Dimljake za odvođenje gasova treba izraditi prema DIN 18160. zidovi od opeke su manje povoljni jer kod niskih temperatura odvodnih gasova može lako da se pojavi vlaga. Bolji su profilisani komadi od šamota, betona i tome sličnog. U zidanim dimljacima mogu da se postave krute ili fleksibilne metalne cevi.


607

Sistemi za odvođenje dimnih gasova mogu da budu i za veći broj ložišta uz uslov da su ložišta iste vrste. Dakle, gasna ložišta sa gorionikom sa ventilatorom ne smeju da budu priključena na zajedničkidimljak sa atmosferskim gasnim ložištem. Kombinacije tj. priključivanje ložišta za čvrsto ili tečno gorivo na zajednički dimljak sa gasnim ložištem dozvoljeno je samo onda kada su ložišta bez ventilatora. Dimnjača za ložišta sa čvrstim ili tečnim gorivom mora da bude neposredno iza nastavka za dimne gasove u da ima vertikalnu deonicu od najmanje 1 m. Dimenzionisanje dimljaka za veći broj različitih ložišta vrši se prema DIN 4705. Pri snabdevanju ložišta treba obezbediti snabdevanje dovoljnom količinom vazduha za sagorevanje. Za ložišta nazivnog toplotnog kapaciteta od 35 kW to se po pravilu postiže preko vrata ili otvaranjem spoljnih prozora kada je zapremina prostorije najmanje 4 m3 po 1 kW ukupnog nazivnog kapaciteta svih ložišta koja bi radila istovremeno. Pod određenim uslovima mogu da se uzmu u obzir susedne prostorije, koje su preko otvora za provetravanje svetlog preseka min. 150 cm2 ili preko vrata, povezane sa prostorijama za postavljanje ložišta. Gasna ložišta sa obezbeđenim strujanjem smeju da se postavljaju u prostorijama sa zapreminom min. 1 m3 po kW ukupnog nazivnog kapaciteta, pri čemu mogu da se uzmu u obzor susedne prostorije koje su sa ovom povezane preko 2 otvora koji vode napolje sa po 75 cm2 slobodnog preseka. Za gasna ložišta nezavisna od količine sobnog vazduha nema ovih zahteva u odnosu na veličine prostorije. Izvođenje ložišta je moguće na spoljnjem zidu ili se primenjuje sistem vazduh-dimni gasovi-LAS-sistem, mada retko za individualna grejanja.

LiteraturaLiteratura

611

Literatura [1] Đorđević, B., Valent, V., Šerbanović, S.: TERMODINAMIKA I TERMOTEHNIKA,

Građevinska knjiga, Beograd, 1987.

[2] Ilić, G., Radojković, N., Stojanović I.: TERMODINAMIKA II - Osnove prostiranja toplote, Mašinski fakultet Univerziteta u Nišu, Niš, 1996.

[3] Kays, W. M.: KONVEKTIVNIJ TEOLO- I MASSOOBMEN, Energija, Moskva, 1972.

[4] Kays, W. M., Crawford, M. E.: CONVECTIVE HEAT AND MASS TRANSFER, McGraw - Hill, Inc., New York, 1993.

[5] Likov, A. V.: TEPLOMASSOOBMEN, Energija, Moskva, 1978.

[6] McAdams, W. H.: PROSTIRANJE TOPLOTE, Građevinska knjiga, Beograd, 1969.

[7] Pavlović, M.: MERENJE TEMPERATURE, Institut za dokumentaciju zaštite na radu, Niš, 1980.

[8] Voronjec, K., Kozić, Dj.: VLAŽAN VAZDUH - TERMODINAMIČKE OSOBINE I PRIMENA, SMEITS, Spec. izd. KGH, Beograd, 1980.

[9] Vušković, I.: OSNOVE TEHNIKE MERENJA, Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu, Beograd, 1977.

[10] Kameneev, P.I.: OTOPLENIE I VENTILACIA, Stroidat, Moskva, 1975.

[11] Recknagel, Sprenger: HONMANN TASCHENBUCH FUR HEIZUNG UND KLIMA TECHNIK, Oldenburg Verlag, 1988/89.

[12] Popović, S.: PRIRUČNIK ZA PROJEKTOVANJE I IZRADU MERNO-REGULACIONIH STANICA NA PRIRODNI GAS, JUGAS, Zemun, 1999.

[13] Strelec, V.: PLINARSKI PRIRUČNIK, Zagreb, 1982.

[14] Bogner, M., Isailović, M.: TEHNIČKI PROPISI U GASNOJ TEHNICI, SMEITS, Beograd, 1995.

[15] Bogner, M., Isailović, M,.: TEHNIČKI PROPISI U GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI, SMEITS, Beograd, 1995.

[16] Sokolov, J.J.: TOPLIFIKACIJA I TOPLOTNE MREŽE, Građevinska knjiga, Beograd, 1985.

[17] Vujović, Lj., Đurković, R.: DALJINSKO GREJANJE, Književne novine, Beograd, 1984.

[18] Bogner, M., Vujovć, Lj.: DALJINSKO GREJANJE, KGH (IX), 1, 2, 3 i 4/1980.

[19] Bogner, M., Gorobinski, J.: TOPLIFIKACIONI SISTEMI, III savetovanje toplana Jugoslavije, Beograd, 1979.

[20] Reknagel - Šprenger: GREJANJE I KLIMATIZACIJA, prevod 62. nemačkog izdanja, Građevinska knjiga, Beograd, 1979.

Literatura

612

[21] Zinger, N.M.: GIDRAVLIČESKIE I TEPLOVIE REŽIMI TEPLOFIKADIONIH SISTEM, Energoatomizdat, Moskva, 1986.

[22] Todorović, B.: PROJEKTOVANJE POSTROJENJA ZA CENTRALNO GREJANJE, Mašinski fakultet, Beograd, 1996.

[23] Voronjec, K., Obradović, N.: MEHANIKA FLUIDA, Građevinska knjiga, Beograd, 1970.

[24] Malć, D.: TERMODINAMIKA I TERMOTEHNIKA, Građevinska knjiga, Beograd, 1972.

[25] Kulić, E.: PRINCIPI PROJEKTOVANJA SISTEMA GREJANJA, Mašinski fakultet, Sarajevo, 1989.

[26] Radojković, M., Klem, N.: PRIMENA RAČUNARA U HIDRAULICI, Građevinska knjiga, Beograd, 1989.

[27] Đorđević, V.: DINAMIKA JEDNODIMENZIJSKIH STRUJANJA FLUIDA, Građevinska knjiga, Beograd, 1986.

[28] Đorđević, B., Valent, V., Šerbanović, S.: TERMODINAMIKA I TERMOTEHNIKA, Građevinska knjiga, Beograd, 1987.

[29] PRAVILA PROJEKTOVANJA TOPLOTNIH MREŽA I i II, KGH, 3 i 4/1986.

[30] Šašić, M.: PRORAČUN TRANSPORTA FLUIDA I ČVRSTIH MATERIJALA CEVIMA, Naučna knjiga, Beograd, 1986.

[31] Obrović, B., Šašić, M.: HIDRAULIKA, Naučna knjiga, Beograd, 1985.

[32] Đuričković, V.: TOPLOTNE MREŽE, Glas, Banja Luka, 1987.

[33] Laković, S.: TOPLOTNA POSTROJENJA, Mašinski fakultet, Niš, 1975.

[34] Pereverzev, V.A., Šumov, V.V.: SPRAVOČNIK MASTERA TOPLOVIH SETEJ, Energija, Lenjingrad, 1980.

[35] Stroj, A.F., Skaljskij, V.L.: RASČOT I PROEKTIROVANIE TEPLOVIH SETEJ, Budiveljnik, Kiev, 1981.

[36] Dinić, S.: OPTIMALNO DIMENZIONISANJE DVOCEVNE MREŽE PUMPNOG GREJANJA PRIMENOM DIGITALNOG RAČUNARA, KGH, 1/1975.

[37] Stefanović, V.: RAZVOJ MODELA MREŽE SISTEMA DALJINSKOG GREJANJA I SIMULACIJA URAVNOTEŽENJA PRI PROMENI REŽIMA RADA, Magistarski rad, Mašinski fakultet, Niš, 1992.

[38] Stefanović, V.: STUDIJA TOPLIFIKACIJE NIŠA, Mašinski fakultet, Niš, 2003.

[39] Stefanović, V.: STUDIJA TOPLIFIKACIJE PIROTA, Mašinski fakultet, Niš, 2006.

[40] Stefanović, V.: STUDIJA GASIFIKACIJE PIROTA, Mašinski fakultet, Niš, 2008.

[41] Radonjić, M.: GREJANJE I VETRENJE, Građevinska knjiga, Beograd, 1982.

[42] Zrnić, S., Ćulum, Ž.: GREJANJE I KLIMATIZACIJA, Naučna knjiga, Beograd, 1984.

[43] Milinčić, D.: PROSTIRANJE TOPLOTE, Mašinski fakultet, Beograd, 1984.

[44] Lalović, B.: NASUŠNO SUNCE, Nolit, Beograd, 1982.

[45] Čubrić, M.: PROPAN-BUTAN U PRIMENI, Naftagas - Novi Sad, Beograd, 1971.

Literatura

613

[46] Bogner, M., Isailović, M.: PRIRODNI GAS, ETA, Beograd, 2008.

[47] Vučetić, R.: PRIRUČNIK O URAVNOTEŽENJU CEVNIH MREŽA U GREJANJU, VENTILACIJI I KLIMATIZACIJI, SMEITS, Beograd, 1996.

[48] Hađiefendić, Š., Lekić, A., Kulić, E.: KOGENERACIJA I ALTERNATIVNE TEHNOLO-GIJE U PROIZVODNJI ELEKTRIČNE ENERGIJE, Bosna-S, Sarajevo, 2003.

[49] Lukuć, N., Babić, M.: SOLARNA ENERGIJA, Mašinski fakultet, Kragujevac, 2008.

[50] Bogner, M.: TERMOTEHNIČAR, SMEITS, Beograd, 2004.

[51] Stamov, S.: OTOPLENIE, TEPLO I GAZOSNABDJAVANJE, Tehnika, Sofija, 2001.

[52] Muštović, F.: TEČNI NAFTNI PLIN, Privredni pregled, Beograd, 1974.

Documents

Grejanje, Toplifikacija i Snabdevanje Gasom