Sprzęgło hydrauliczne do ogrzewania: przeznaczenie + schemat instalacji + obliczenia parametrów

Systemy grzewcze w ich nowoczesnej postaci – to skomplikowane konstrukcje, wyposażone w różnorodne urządzenia. Ich efektywna praca wymaga optymalnego wyważenia wszystkich elementów wchodzących w ich skład. Sprzęgło hydrauliczne do ogrzewania ma za zadanie zapewnić równowagę. Zasadę jego działania warto poznać – czy zgadza się Pan/Pani?

Opowiemy o tym, jak działa rozdzielacz hydrauliczny, jakie zalety ma obieg grzewczy wyposażony w to urządzenie. W przedstawionym przez nas artykule opisano zasady montażu i podłączenia. Podano przydatne zalecenia dotyczące eksploatacji.

Rozdzielenie przepływów hydraulicznych

Sprzęgło hydrauliczne do ogrzewania często nazywane jest rozdzielaczem hydraulicznym. Stąd staje się jasne, że system ten jest przeznaczony do stosowania w schematach grzewczych.

W ogrzewaniu zakłada się stosowanie kilku obiegów, na przykład takich jak:

• linie z grupami grzejników;
• system ogrzewania podłogowego;
• ciepła woda użytkowa przez bojler.

W przypadku braku sprzęgła hydraulicznego dla takiego systemu grzewczego trzeba będzie albo wykonać starannie obliczony projekt każdego obiegu, albo wyposażyć każdy obieg w indywidualną pompę cyrkulacyjną.

Ale nawet w tych przypadkach nie ma pełnej pewności osiągnięcia optymalnej równowagi.

Mniej więcej taką można uznać za klasyczną konstrukcję rozdzielaczy hydraulicznych wykonanych na bazie rur okrągłych lub prostokątnych. Proste, ale skuteczne rozwiązanie, radykalnie zmieniające stan systemu grzewczego z udziałem kotła.

Tymczasem zadanie rozwiązuje się prosto. Wystarczy tylko zastosować w schemacie rozdzielacz hydrauliczny – sprzęgło hydrauliczne. W ten sposób wszystkie obiegi wchodzące w skład systemu zostaną optymalnie rozdzielone bez ryzyka strat hydraulicznych w każdym z nich.

Sprzęgło hydrauliczne – to nazwa potoczna. Właściwym określeniem jest – «rozdzielacz hydrauliczny». Z konstrukcyjnego punktu widzenia urządzenie wygląda jak kawałek zwykłej rury (o przekroju okrągłym lub prostokątnym).

Oba końcowe odcinki rury są zaślepione metalowymi denkami, a po różnych stronach korpusu znajdują się króćce wlotowe/wylotowe (po parze na każdej stronie).

Naturalny wygląd wyrobów – hydrostrzałek wykonanych z rury o przekroju prostokątnym i okrągłym. Oba warianty wykazują wysoką skuteczność. Jednakże hydrostrzałki na bazie rur okrągłych są nadal uważane za bardziej preferowany wariant.

Tradycyjnie zakończenie prac montażowych przy instalacji systemu grzewczego jest początkiem następnego procesu – testowania. Stworzona konstrukcja hydrauliczna jest napełniana wodą (T = 5–15°C), po czym uruchamiany jest kocioł grzewczy.

Do momentu, aż czynnik grzewczy nie zostanie nagrzany do wymaganej temperatury (ustawionej programem kotła), strumień wody jest cyrkulowany przez pompę obiegową obiegu pierwotnego. Pompy obiegowe obiegów wtórnych nie są włączone. Czynnik grzewczy kierowany jest przez hydrostrzałkę od strony gorącej do zimnej (Q1 > Q2).

Pod warunkiem osiągnięcia przez czynnik grzewczy zadanej temperatury, aktywowane są obiegi wtórne systemu grzewczego. Strumienie czynnika grzewczego obiegu głównego i wtórnych wyrównują się. Hydrostrzałka w takich warunkach działa tylko jako filtr i odpowietrznik (Q1 = Q2).

Funkcjonalny schemat działania klasycznej hydrostrzałki dla trzech różnych trybów pracy kotła. Schemat obrazowo wskazuje rozkład strumieni ciepła dla każdego z osobna trybu pracy urządzenia kotłowego.

Jeśli jakaś część (np. obieg ogrzewania podłogowego) systemu grzewczego osiągnie zadany punkt nagrzania, pobór czynnika grzewczego przez obieg wtórny zostaje chwilowo wstrzymany. Pompa obiegowa jest wyłączana przez automatykę, a strumień wody kierowany jest przez hydrostrzałkę od strony zimnej do gorącej (Q1 < Q2).

Parametry obliczeniowe sprzęgła hydraulicznego

Głównym parametrem odniesienia do obliczeń jest prędkość czynnika grzewczego na odcinku ruchu pionowego wewnątrz hydrostrzałki. Zazwyczaj zalecana wartość nie przekracza 0,1 m/s, przy każdym z dwóch warunków (Q1 = Q2 lub Q1 < Q2).

Mała wartość prędkości wynika z całkiem rozsądnych wniosków. Przy takiej prędkości zanieczyszczenia (szlam, piasek, kamień itp.) znajdujące się w strumieniu wody zdążą opaść na dno rury hydrostrzałki. Ponadto dzięki niskiej prędkości zdąża się uformować niezbędna różnica temperatur.

Dwa konstrukcyjne typy hydrostrzałek, dla których zwykle przeprowadza się obliczenia: 1 – według trzech średnic; 2 – według naprzemienności króćców. Niezależnie od przyjęcia danej metody, podstawowe parametry obliczeń są zawsze typowe – przepływ czynnika grzewczego w obiegach oraz parametr prędkości.

Mała prędkość przekazywania czynnika grzewczego sprzyja lepszemu oddzieleniu powietrza od wody w celu późniejszego usunięcia przez odpowietrznik hydraulicznego systemu separacji. Ogólnie, standardowy parametr został dobrany z uwzględnieniem wszystkich istotnych czynników.

Do obliczeń często wykorzystuje się tzw. metodę trzech średnic i naprzemiennych króćców. Tutaj końcowym parametrem obliczeniowym jest wartość średnicy separatora.

Na podstawie uzyskanej wartości oblicza się wszystkie inne wymagane wartości. Jednak aby poznać rozmiar średnicy hydroseparatora, potrzebne są dane:

• dotyczące przepływu w pierwszym obwodzie (Q1);
• dotyczące przepływu w obwodzie drugorzędnym (Q2);
• prędkość pionowego przepływu wody przez strzałkę hydrauliczną (V).

W zasadzie dane te zawsze są dostępne do obliczeń.

Na przykład przepływ w pierwszym obwodzie wynosi 50 l/min (z charakterystyki technicznej pompy 1). Przepływ w drugim obwodzie wynosi 100 l/min (z charakterystyki technicznej pompy 2). Wartość średnicy strzałki hydraulicznej oblicza się według wzoru:

Wzór do obliczania średnicy rury strzałki hydraulicznej w zależności od parametrów przepływu czynnika grzewczego (przepływ według charakterystyk pompy) i prędkości przepływu pionowego

gdzie: Q – różnica przepływów Q1 i Q2; V – prędkość przepływu pionowego wewnątrz strzałki (0,1 m/s), π – stała wartość 3,14.

Tymczasem średnicę separatora hydraulicznego (umowną) dopuszczalne jest dobierać, korzystając z tabeli przykładowych standardowych wartości.

Parametr wysokości dla urządzenia rozdzielającego strumienie ciepła nie jest krytyczny. W rzeczywistości wysokość rury można przyjąć dowolną, ale z uwzględnieniem poziomów doprowadzenia rurociągów wlotowych/wylotowych.

Rozwiązanie schematyczne dotyczące przesunięcia króćców

Klasyczny wariant separatora hydraulicznego zakłada wykonanie króćców rozmieszczonych symetrycznie względem siebie. Praktykuje się jednak również wariant schematyczny o nieco innej konfiguracji, gdzie króćce są rozmieszczone niesymetrycznie. Co to daje?

Schemat wykonania separatora hydraulicznego, w którym króćce obwodu wtórnego są nieco przesunięte względem króćców obwodu pierwotnego. Według wynalazców (i potwierdzone praktyką), ten wariant wydaje się bardziej produktywny pod względem filtracji cząstek i separacji powietrza

Jak pokazuje praktyczne zastosowanie schematów niesymetrycznych, w tym przypadku następuje bardziej efektywne oddzielanie powietrza, a także osiąga się lepszą filtrację (osadzanie) zawieszonych cząstek obecnych w czynniku grzewczym.

Liczba połączeń na sprzęgle hydraulicznym

Klasyczna technika schematów określa doprowadzenie czterech rurociągów do konstrukcji separatora hydraulicznego. Stąd nieuchronnie pojawia się pytanie o możliwość zwiększenia liczby wejść/wyjść. W zasadzie takie podejście konstrukcyjne nie jest wykluczone. Jednak efektywność schematu maleje wraz ze wzrostem liczby doprowadzeń/odprowadzeń.

Rozważmy możliwy wariant z większą liczbą króćców w odróżnieniu od klasyki i dokonajmy analizy pracy hydraulicznego systemu rozdzielającego dla takich warunków montażu.

Schemat rozdzielacza wielokanałowego dystrybucji strumieni ciepła. Ta wersja pozwala obsługiwać bardziej rozbudowane systemy, jednak w przypadku gdy liczba przyłączy przekracza cztery, efektywność całego systemu gwałtownie spada.

W tym przypadku strumień ciepła Q1 jest całkowicie pochłaniany przez strumień Q2 dla stanu systemu, w którym wartości przepływu dla tych strumieni są faktycznie równoważne:

Q1=Q2.

W tym samym stanie systemu strumień ciepła Q3 pod względem wartości temperatury jest w przybliżeniu równy średnim wartościom Tśr. przepływającym przez linie powrotu (Q6, Q7, Q8). Jednocześnie zauważa się nieznaczną różnicę temperatur w liniach Q3 i Q4.

Jeśli strumień ciepła Q1 staje się równy pod względem składowej cieplnej Q2+Q3, obserwuje się rozkład ciśnienia temperaturowego w następującej zależności:

T1=T2, T4=T5,

podczas gdy

T3= T1+T5/2.

Jeżeli natomiast strumień ciepła Q1 staje się równy sumie ciepła wszystkich pozostałych strumieni Q2, Q3, Q4, w takim stanie wyrównują się wszystkie cztery ciśnienia temperaturowe (T1=T2=T3=T4).

Wielokanałowy system rozdzielający na cztery wejścia/cztery wyjścia, dość często stosowany w praktyce. Do obsługi systemów grzewczych w gospodarstwie domowym takie rozwiązanie jest w pełni satysfakcjonujące pod względem parametrów technologicznych i stabilizacji pracy kotła.

W takiej sytuacji w systemach wielokanałowych (ponad cztery) odnotowuje się następujące czynniki, które mają negatywny wpływ na działanie całego urządzenia:

• zmniejsza się naturalna konwekcja wewnątrz rozdzielacza hydraulicznego;
• zmniejsza się efekt naturalnego mieszania zasilania z powrotem;
• ogólna efektywność systemu dąży do zera.

Okazuje się, że odejście od klasycznego schematu z zwiększeniem liczby przyłączy odgałęźnych praktycznie całkowicie niweluje właściwość roboczą, którą powinna posiadać hydrostrzałka.

Rozdzielacz hydrauliczny bez filtra

Konstrukcja strzałki, w której wyklucza się obecność funkcji odpowietrznika i filtra osadnika, również nieco odbiega od przyjętego standardu. Tymczasem na takiej konstrukcji można uzyskać dwa strumienie o różnych prędkościach ruchu (dynamicznie niezależne obiegi).

Niestandardowe rozwiązanie konstrukcyjne wykonania hydrostrzałki. Różni się od klasyki tym, że nie ma tu funkcji filtracji i usuwania powietrza. Ponadto dystrybucja strumieni ciepła ma schemat transportu prostopadłego, dzięki czemu osiąga się rozdzielenie prędkości.

Na przykład istnieje strumień ciepła obiegu kotła i strumień ciepła obiegu urządzeń grzewczych (grzejników). Dzięki niestandardowej konstrukcji, gdzie kierunek przepływów jest prostopadły, prędkość przepływu w obiegu pomocniczym z urządzeniami grzewczymi znacznie wzrasta.

W obwodzie kotła, przeciwnie, ruch jest spowolniony. Jest to jednak czysto teoretyczne spojrzenie. Praktycznie konieczne jest testowanie w konkretnych warunkach.

Jakie korzyści daje sprzęgło hydrauliczne?

Konieczność zastosowania klasycznej konstrukcji rozdzielacza hydraulicznego jest oczywista. Co więcej, w systemach z kotłami wdrożenie tego elementu staje się obowiązkowym działaniem.

Instalacja strzałki hydraulicznej w systemie obsługiwanym przez kocioł zapewnia stabilność przepływów (natężenia przepływu czynnika grzewczego). W rezultacie całkowicie eliminuje się ryzyko wystąpienia uderzeń hydraulicznych i skoków temperatury.

Przykłady strzałek hydraulicznych w klasycznym prostym wykonaniu na bazie rurociągów z tworzywa sztucznego. Teraz takie konstrukcje można spotkać nawet częściej niż metalowe. Skuteczność działania jest praktycznie taka sama jak metalowych, ale fakt oszczędności na urządzeniu i wdrożeniu w system

Dla każdego zwykłego wodnego systemu grzewczego, wykonanego bez rozdzielacza hydraulicznego, wyłączenie części obiegów nieuchronnie wiąże się z gwałtownym wzrostem temperatury obwodu kotła z powodu małego przepływu. Jednocześnie ma miejsce powrót silnie schłodzonego strumienia powrotnego.

Pojawia się ryzyko powstawania uderzeń hydraulicznych. Takie zjawiska grożą szybkim uszkodzeniem kotła i znacznie skracają żywotność urządzenia.

Dla systemów domowych w większości przypadków dobrze nadają się konstrukcje plastikowe. Ten wariant zastosowania wydaje się być bardziej oszczędny w instalacji.

Ponadto zastosowanie złączek umożliwia montaż systemu z rur polimerowych i podłączenie plastikowych strzałek hydraulicznych bez spawania. Z punktu widzenia konserwacji takie rozwiązania są również mile widziane, ponieważ rozdzielacz hydrauliczny zamontowany na złączkach można łatwo zdemontować w każdej chwili.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Film o praktycznym zastosowaniu: kiedy zachodzi potrzeba zamontowania strzałki hydraulicznej, a kiedy nie jest ona potrzebna.

Znaczenia strzałki hydraulicznej w dystrybucji strumieni ciepła nie sposób przecenić. Jest to rzeczywiście niezbędne urządzenie, które należy instalować w każdym systemie indywidualnego ogrzewania i CWU.

Najważniejsze – prawidłowo obliczyć, zaprojektować, wykonać urządzenie – rozdzielacz hydrauliczny. To właśnie precyzyjne obliczenia pozwalają uzyskać maksymalną wydajność urządzenia.

Proszę pisać komentarze w znajdującym się poniżej bloku, publikować zdjęcia związane z tematem artykułu, zadawać pytania. Proszę opowiedzieć o tym, jak wyposażali Państwo system grzewczy w strzałkę hydrauliczną. Proszę opisać, jak zmieniła się praca sieci po jej zamontowaniu, jakie plusy zyskał system po włączeniu tego urządzenia do schematu.