Getting into Hot Water: A Practical Guide to Hot-Water Heating Systems

Nejviditelnější částí teplovodního systému je zásobník vody. Standardní zásobníky vhodné pro teplovodní topné systémy jsou k dispozici v různých velikostech, objemech a tloušťkách stěn. Podzemní nádrže mají silnější stěny než nadzemní varianty, takže se mnohem lépe svařují. Pokud máte na výběr, je lepší použít krátkou nádrž o velkém průměru než dlouhou a tenkou, protože kratší nádrž má menší povrch, čímž se snižují tepelné ztráty a náklady na izolaci. V tabulce 3 jsou uvedeny rozměry a kapacity široké škály standardních nádrží na skladování ropy.

.

Přestože je nejlepší použít novou nádrž, mnoho úspěšných systémů bylo postaveno s použitými nádržemi. Použité nádrže na skladování oleje lze často získat jednoduše za úplatu. Pokud se rozhodnete vyzkoušet použitou nádrž, důkladně ji zkontrolujte, zda v ní nejsou díry nebo tenká místa. Zajímejte se také o to, jaká kapalina byla v nádrži skladována. Pozor: Nikdy nesvařujte ani neřežte na nádrži, u které máte podezření, že obsahovala hořlavý materiál, pokud není důkladně vyčištěná a odvětraná. Jednou z metod odstranění zbytků oleje nebo benzínu z velké nádrže je smíchání asi 2 liber čisticího prostředku na tisíc galonů objemu s takovým množstvím vody, aby se rozpustil, a nalití tohoto roztoku do nádrže. Poté nádrž zcela naplňte vodou a nechte ji několik dní stát, než ji vypustíte a začnete s ní pracovat.

Heat Storage Capacity

Jak bylo uvedeno v předchozí části, jedním z měřítek kapacity systému je jeho tepelná akumulační kapacita. Voda je jednou z nejlevnějších a nejsnáze přemístitelných a kontrolovatelných látek. Je také jedním z nejlepších známých médií pro akumulaci tepla. Voda dokáže uchovat čtyřikrát až pětkrát více tepla než kámen, až desetkrát více než většina kovů a přibližně čtyřikrát více než vzduch na jednotku hmotnosti. Její jedinou nevýhodou je, že nemůže uchovávat teplo při teplotách vyšších než 212 °C, pokud není pod tlakem. To omezuje jeho použitelnost pro vysokoteplotní aplikace. Pro vytápění prostor ve sklenících a další zemědělské, komerční nebo obytné aplikace však toto omezení obvykle nepředstavuje problém.

Podle definice je jedna britská tepelná jednotka (BTU) množství tepla potřebné ke zvýšení teploty 1 libry vody o 1°F. Galon vody váží přibližně 8,3 libry, takže tepelná energie potřebná ke zvýšení teploty galonu o 100°F je:

8,3 libry x 100°F = 830 BTU

Pro srovnání, zvýšení teploty 8,3 libry štěrku o 100°F by vyžadovalo pouze asi 166 BTU.

Jak již bylo uvedeno, vodu nelze při atmosférickém tlaku ohřát na teplotu vyšší než 212°F. Tato teplota určuje horní hranici množství tepla, které může beztlaká voda uchovat. Dolní mez je stanovena požadovanou teplotou zátěže. Například pokud má být ve skleníku udržována teplota 65 °F, pak je tato teplota spodní hranicí. Rozdíl mezi horní a dolní mezí,

212°F – 65°F = 147°F

určuje, kolik využitelného tepla může daný objem vody pojmout.

V podstatě není praktické stáhnout skladovací teplotu na dolní mez. Rychlost přenosu tepla do zátěže (například z radiátorů do vzduchu uvnitř skleníku) se výrazně snižuje, jakmile se teplota ohřáté vstupní vody přiblíží teplotě vzduchu v zátěži. Z tohoto důvodu je žádoucí udržovat spodní teplotu vody v zásobníku alespoň o 35 °F vyšší, než je požadovaná teplota zátěže. V předchozím příkladu by tedy dolní mezní teplota byla 100°F a rozdíl teplot by nebyl 147°F, ale

212°F – (65°F + 35°F) = 112°F

Proto je rozsah skladovacích teplot vody omezen na 112°F. Na základě této informace můžeme nyní určit, jak velkou akumulační kapacitu potřebujeme.

Pokud je požadovaná tepelná zátěž stanovena na 200 000 BTU za hodinu a je požadováno, aby bylo k dispozici 6 hodin vytápění po vyhasnutí ohně, musí být množství vody dostatečné pro uložení:

200 000 BTU/hod x 6 hod = 1 200 000 BTU

Zvýšení jedné libry vody o 1°F vyžaduje 1 BTU. Každá libra vody pojme pouze 112 BTU. Proto je potřebné množství vody:

1 200 000 BTU ÷ 112 BTU/lb = 10 714 lb

Protože jeden galon vody váží 8,3 libry, 10 714 liber vody se rovná 1 291 galonům.

V praxi maximální teplota vody zřídkakdy přesáhne 200 °F; proto je zapotřebí akumulační kapacita o něco větší než 1 291 galonů.

Tyto výpočty předpokládají, že nedochází k tepelným ztrátám z nádrže ani z potrubí, které přivádí vodu do a ze zátěže. Tyto ztráty mohou být značné v závislosti na tom, jak dobře je potrubí izolováno, na vzdálenosti od nádrže k zátěži a na venkovní teplotě.

Je velmi dobré instalovat do výstupního potrubí nádrže teploměr. Ten poskytne přesný údaj o teplotě vody uvnitř nádrže. Pokles teploty vody o více než 20 °F za hodinu je dobrou známkou toho, že zásobník vody je příliš malý, protože účelem teplovodního systému je zajistit stálý zdroj tepla bez nutnosti neustále přikládat do ohně.

Je také dobré instalovat teploměr do vedení na obou stranách zátěže – například na přívodní a výstupní vedení radiátoru nebo banky radiátorů. Díky tomu je možné zjistit nejen to, kolik energie se ztrácí mezi zásobníkem a zátěží, ale také to, jak účinně radiátory odebírají teplo z vody.

Pro optimální návrh systému musí kapacita zásobníku vycházet z maximálního jmenovitého výkonu hořáku, požadované tepelné zátěže a maximální požadované doby mezi přikládáním paliva. Následující diskuse ilustruje, jak se tyto tři faktory vzájemně ovlivňují.

Předpokládejme, jako ve výše uvedeném příkladu, že požadované průměrné tepelné zatížení je 200 000 BTU za hodinu. To znamená, že během typické hodiny provozu je požadováno 200 000 BTU tepla. Je pravděpodobné, že uprostřed velmi chladné noci by množství potřebného tepla tuto hodnotu překročilo. Aby však bylo k dispozici dostatečné množství tepla, musí se výkon hořáku rovnat alespoň průměrnému zatížení plus ztrátám. Z praktického hlediska je vhodné, aby byl hořák dimenzován na jedenapůlnásobek až dvojnásobek průměrného tepelného zatížení. Větší hořák může vyrábět teplo pro akumulaci i pro okamžité použití v době, kdy je zatížení průměrné.

Kromě energie uložené v teplé vodě (akumulační nádrž) je možné v systému skladovat tepelnou energii také ve formě nespáleného dřeva. Tomu se říká akumulace v topeništi. V očekávání velmi chladné noci může provozovatel skleníku během dne v systému zatopit, aby se teplota vody postupně přiblížila hodnotě 212 °F. Přestože voda již obsahuje téměř maximální množství tepla, může provozovatel těsně před odchodem na noc opět naplnit topeniště. Toto dodatečné palivo dodá systému energii. Hořící palivo by mohlo právě nahradit odcházející teplo a udržet tak vysokou teplotu vody. Pokud však dodatečné palivo dodá příliš mnoho tepla příliš rychle, voda v zásobníku se začne vařit a energie se ztratí ve formě páry.

Je nepravděpodobné, že by horkovodní systém byl během skutečného provozu vystaven velmi velkým výkyvům zatížení. Jinými slovy, nevyžadovalo by se od něj, aby jednu hodinu produkoval maximální výkon a další hodinu žádný. Spíše obvykle dochází během dne k postupnému zvyšování a snižování podle toho, jak se mění venkovní teplota a mnoho dalších faktorů. Na druhou stranu teplo dodávané do systému z ohně je obvykle spíše sporadické, v závislosti na tom, kolik a jak často se přikládá paliva. Hodnota teplovodního systému je částečně založena na jeho schopnosti rychle akumulovat tepelnou energii, ale pomalu a kontrolovaně ji uvolňovat.

Produkuje-li hořák více tepla, než se v systému spotřebuje, dodatečné teplo se uloží za předpokladu, že nebyla překročena akumulační kapacita. Překročení akumulační kapacity způsobí vyvaření vody. Když k tomu dojde, přebytečné vyrobené teplo odejde ze systému ve formě páry. Energie potřebná k převaření vody je jednoduše promarněna. Časté vaření v teplovodním systému svědčí o tom, že hořák je příliš velký nebo se příliš často zapaluje, nebo že akumulační kapacita systému je příliš malá.

Pokud je akumulační kapacita nedostatečná, jedním z řešení je přidání dalšího zásobníku. Tandemová nádrž je obvykle umístěna co nejblíže hlavní nádrži a je propojena vstupním a výstupním potrubím a čerpadlem (obr. 3). Tímto způsobem lze poměrně snadno zvýšit akumulační kapacitu bez narušení zbytku systému. Mezi oběma nádržemi musí být vždy nepřetržitě čerpána voda, aby se teplo rovnoměrně rozdělilo. Toho lze dosáhnout přidáním dalšího čerpadla nebo využitím části průtoku ze stávajícího čerpadla, pokud má přebytečnou kapacitu.

Horkovodní soustava není parní soustava; to znamená, že v soustavě není nikdy jiný tlak než ten, který vytvářejí čerpadla. Zásobník horké vody musí být odvzdušněn, aby se zabránilo vzniku tlaku, když se voda ohřívá a rozpíná nebo mění na páru. Neodvzdušněný zásobník je velmi nebezpečný. Na horní straně nádrže jsou nutné alespoň dva odvzdušňovací otvory. Ještě lepší je ponechat průlez, který se obvykle při stavbě vyřízne do horní části nádrže, otevřený, ale zakrytý kusem plechu.

Izolace

Nádrž a všechna potrubí je nutné izolovat, aby se zabránilo úniku tepla. Pro venkovní nádrže je vhodná stříkaná polyuretanová izolace, zejména pokud je natřená a chráněná před přímým působením ohně a slunečního záření. Nátěr o tloušťce 1 palec, který poskytuje izolační schopnost R-7, stojí asi 1 dolar za čtvereční stopu. Například pro nádrž o objemu 2 000 galonů o průměru 64 palců a délce 12 stop bude izolace stát přibližně 250 USD. Tabulka 4 uvádí odhadovanou izolační hodnotu různých tlouštěk polyuretanu na nádržích.

Tato tabulka ukazuje, že náklady na aplikaci minimálního množství izolace lze snadno odůvodnit úsporou nákladů na energii. Přidané náklady na izolaci o tloušťce větší než 1⁄2 palce jsou však těžko ospravedlnitelné.

Jednou z alternativ je umístění systému pod střechu pultového typu, kde může být izolován relativně levnými sklovláknitými vatami. Skelná vlákna, která mohou mít podklad z hliníkové fólie, lze udržet na místě pomocí velkého pletiva z kuřecího drátu. Náklady na přístřešek, izolaci, fólii, drát a práci mohou být vyšší než náklady na stříkanou polyuretanovou izolaci, ale tento typ izolace pravděpodobně vydrží mnohem déle a poskytne lepší hodnotu R.

Prevence proti korozi

Vhodné je použít nějaký typ opatření proti korozi, aby byl vnitřek nádrže a potrubí chráněn před korozí. K dispozici je řada komerčních chemických prostředků určených k použití především ve vysokoteplotních kotlích. Nákup některých z nich v množství potřebném k ochraně středně velkého teplovodního systému by byl poměrně nákladný.

Jednou z metod, která byla shledána jako vhodná v teplovodních systémech, je přidání některých relativně levných chemikálií ke zvýšení pH vody. Patří mezi ně uhličitan draselný, uhličitan sodný (prací soda) a hexametafosforečnan sodný (Calgon). Tyto chemikálie zabraňují korozi tím, že pokrývají kovové stěny systémů. Z výše uvedených chemikálií nejlépe funguje Calgon. Lze jej zakoupit ve většině obchodů s potravinami. Na každých 1 000 galonů vody použijte 5 liber. Za normálních podmínek žádná z těchto chemikálií nedegraduje, a proto zůstane v systému dlouho aktivní.

Žárové trubky

Přestože část tepla prochází do vody přes stěny topeniště, hlavní cesta tepla z ohně do vody vede přes žárové trubky. Většina systémů je konstruována tak, že horké plyny uvolňované ohněm procházejí řadou ohnivzdorných trubek, které vedou z jednoho konce akumulační nádrže na druhý. V mnoha systémech procházejí plyny nádrží vícekrát.

Je velmi důležité, aby počet a velikost požárních trubek byly dostatečné k tomu, aby se většina tepla předala z horkých plynů vodě dříve, než plyny uniknou. Obecně platí, že na každých 2 000 BTU jmenovitého výkonu je zapotřebí přibližně 1 čtvereční stopa teplosměnné plochy. Pokud je například systém dimenzován na produkci 200 000 BTU za hodinu, je zapotřebí přibližně 100 čtverečních stop teplosměnné plochy. Tato plocha může zahrnovat vodou chlazený povrch topeniště i samotné topné trubky. Obě tyto plochy se často nazývají plocha ohniště.

K výpočtu plochy se používá vnější průměr topných trubek. Tabulka 5 uvádí několik běžně používaných velikostí standardních trubek spolu s jejich skutečným vnějším průměrem a počtem běžných stop potřebných k získání 1 čtvereční stopy plochy.

Vhodná velikost použité trubky závisí na řadě faktorů. V příkladu systému s výkonem 200 000 BTU za hodinu je zapotřebí 100 čtverečních stop teplosměnné plochy. Z tabulky 1 vyplývá, že doporučený objem topeniště je 9 stop krychlových. Vhodné topeniště s tímto objemem by bylo 11 stop dlouhé, 2 stopy široké a 3 stopy vysoké. Plocha tohoto topeniště je 27 čtverečních stop (včetně vodou chlazených dvířek). Ohniště by tedy poskytovalo 27 čtverečních stop z potřebných 100 čtverečních stop. Zbývajících 73 čtverečních stop musí zajistit topeniště.

Chcete-li zjistit délku potrubí o daném průměru potřebnou k zajištění požadované plochy, vynásobte čísla ve třetím sloupci tabulky 5. Pokud například zvolíte potrubí o průměru 11⁄2 palce, vynásobte 73 lineárních stop koeficientem 2,01:

73 stop x 2,01 stop/m2 = 146,72 stop

Přibližně 147 lineárních stop potrubí o průměru 11⁄2 palce je potřeba k získání 73 čtverečních stop teplosměnné plochy. Na druhou stranu, pokud použijete 3palcové potrubí, potřebujete jen asi 80 stop:

73 stop x 1,09 stopy/m2 = 79,73 stopy

Která velikost je lepší? Uvažováno čistě z hlediska nákladů, není velký rozdíl mezi 147 stopami 11⁄2palcové trubky a 80 stopami 3palcové trubky. Svařování větší trubky je však mnohem snazší. Také bude nutné čas od času vyčistit vnitřek potrubí, aby se odstranil popel, saze a další usazeniny. Čištění kratší délky většího potrubí je snazší. Větší počet menších trubek by však byl poněkud účinnější při přenosu tepla. Zkušenosti ukázaly, že celkově nejlépe fungují 2 až 3palcové trubky.

Nánosy popela v šamotových trubkách výrazně snižují rychlost přenosu tepla. Je dobré mít nějaký způsob, jak zjistit, jak dobře fungují. Jednou z nejlepších a nejlevnějších metod je umístění vysokoteplotního teploměru v místě, kde plyny opouštějí šamotové trubky a začínají stoupat komínem. Čím vyšší je teplota vody, tím účinněji šamotové trubky předávají teplo. Teplota plynů 300 až 350 °C svědčí o účinném přenosu tepla. Teplota plynu vyšší než 450 °F znamená, že plocha tepelné výměny je příliš malá nebo že se šamotové trubky obalily.

Stratifikace

U středních a velkých systémů někdy dochází ke zvláštnímu stavu. Přestože se v topeništi neustále topí a z horní části nádrže je vidět, jak voda vře, teplota vody odebírané z nádrže k rozvodu je pouze 170 až 180 °F. Tato situace nastává v systémech, kde jsou přívod a odvod vody blízko dna nádrže a kde není k dispozici pomocné oběhové čerpadlo, které by udržovalo vodu v pohybu. Tento stav se nazývá stratifikace a vzniká, když se voda o různých teplotách rozdělí do různých vrstev, přičemž nejteplejší voda zůstává nahoře. Ke stratifikaci může dojít v jakémkoli systému, ale obvykle je výraznější ve velkých systémech.

Hustota vody při teplotě 100 °C je asi o 3,5 % větší než při teplotě 200 °C. Stejně jako vzduch i horká voda stoupá a studená klesá. Aby se zabránilo stratifikaci, musí se voda udržovat v pohybu. Jednou z metod je připojení vratného potrubí v horní části nádrže nad topeništěm (nejteplejší část systému) a čerpání vody ze spodní části nádrže na druhém konci. Problémem tohoto přístupu je, že rozvodná čerpadla nemusí běžet neustále a při vypnutých čerpadlech může dojít ke stratifikaci.

Vhodnějším řešením je instalace nepřetržitě běžícího pomocného oběhového čerpadla, které bude přesouvat vodu z nejchladnější do nejteplejší části nádrže. Neustálé promíchávání vody zabrání stratifikaci. Oběhové čerpadlo nemusí být velké, protože je třeba překonávat velmi malé převýšení. Mělo by být schopno přečerpat 0,2 až 0,5násobek kapacity systému za hodinu. Například systém o objemu 2 000 galonů by měl mít čerpadlo schopné přečerpat 400 až 1 000 galonů za hodinu. Obvykle postačí elektrické čerpadlo o výkonu 1⁄6 až 1⁄2 koňské síly.

Obrázek 3. Přídavná nádrž zvýší skladovací kapacitu.

×

Obrázek 3. Přídavná nádrž zvýší skladovací kapacitu.

.