Má pára budoucnost? (III)
Parní spotřebiče
V praxi tepelné techniky lze pod pojmem "parní spotřebič", rozumět buď spotřebič přímý, to znamená takový, který tepelnou energii, obsaženou v páře, předává přímo prostředí, do kterého tuto energii chceme dodávat, nebo nepřímý, to znamená takový spotřebič, který předává energii z páry nejprve jiné teplonosné látce, obvykle vodě. Přímé parní spotřebiče jsou v dnešní době, pokud vůbec ještě jsou někde v provozu, nahrazovány, výjimku by snad mohly tvořit stropní sálavé panely. Důvody pro náhradu přímých parních spotřebičů jsou jednak bezpečnostní (možnost popálení osob při dotyku s teplosměnnou plochou, která má teplotu vyšší než 100 °C), jednak hygienické (přepalování prachových částic vysokou teplotou na teplosměnných plochách, vysoušení vzduchu ve vytápěných prostorech apod.) a jednak i energetické (ztráty tepelné energie v důsledku obtížné regulovatelnosti tepelného výkonu spotřebičů). Z těchto důvodů se v tomto dílu série budu věnovat pouze spotřebičům nepřímým, tj. předávacím stanicím pára - voda.
Po zkušenostech mohu říci, že při prvotním návrhu koncepce stanice pára - voda je nutno přihlížet nejen k vlastnostem páry, která je k dispozici tj. tlaku, teplotě a suchosti, tj. množství zkondenzované vody (pokud je tento údaj znám). Je nutno rovněž posoudit charakter návazné sekundární vodní soustavy. Pro takovéto posouzení je nutno znát složení odběrů tepla (vytápění, vzduchotechnika, příprava teplé užitkové vody, technologie apod.) a podíl jednotlivých odběrů na celkové spotřebě tepla. Dále je třeba znát charakter vytápěného objektu (lehká stavba s převažujícím prosklením, tradiční stavební technologie, masivní stavba s velkou akumulací tepla apod.), typ vytápění (desková tělesa, článková tělesa, sálavé vytápění, teplovzdušné vytápění apod.). To vše může ukázat, jak časté, jak rychlé a jak velké budou změny v odběru tepla a tím pádem, jaký typ předávací stanice je tedy vhodný a jaký typ naopak vhodný není.
Tepelnou energii, obsaženou v páře, chceme předat jiné teplonosné látce, tedy vodě, která má lepší vlastnosti k přímému předávání této energie do okolního prostoru. Předávání energie mezi párou a vodou se realizuje ve výměnících tepla. Při odnímání tepelné energie ve výměníku pára kondenzuje, plynná složka se mění na kapalnou, a vzniká kondenzát.
Pro předávací stanice pára - voda lze použít v zásadě dva druhy výměníků - deskové a trubkové. O speciálních výměnících pro velké tlaky a výkony se asi není, pro potřeby tepelné techniky, nutno zmiňovat.
Deskové výměníky jsou maloobjemové, s velkou přestupnou plochou a tím pádem s rychlou reakcí na veškeré změny průtoků i teplot teplonosných látek na primární i na sekundární straně teplosměnné plochy výměníku. Je proto vhodné regulovat výkon deskových výměníků pouze škrcením na přívodu páry do výměníku (výjimku mohou tvořit pouze speciální skládané výměníky, vyvinuté právě pro aplikace pára - voda, které mají objemzvětšený). Na straně odvodu kondenzátu z výměníku je nutno osadit odvaděč kondenzátu, který oddělí parní prostor ve výměníku od prostoru kondenzátního, tedy vodního, kde by již pára neměla být.
Trubkové výměníky mají větší objemy primární i sekundární teplonosné látky a menší přestupnou plochu na jednotku objemu výměníku a jsou tedy vhodné i pro regulaci tepelného výkonu škrcením na straně kondenzátu, tj. změnou výšky hladiny kondenzátu ve výměníku - zaplavováním výměníku kondenzátem, pokud tuto regulaci umožňuje charakter odběrné soustavy. Na vstupu páry do výměníku je však nutno osadit uzavírací armaturu s pohonem s havarijní funkcí ovládaným automatikou stanice.
Regulace výkonu předávacích stanic pára - voda je všeobecně velmi diskutované téma.
Regulace výkonu výměníků škrcením přívodu páry (tedy změnou tlaku a množství páry,vstupující do výměníku) má výhodu v možnosti okamžité reakce na změny odběru energie na sekundární straně a v možnosti vyššího výkonu výměníků na jednotku teplosměnné plochy (především u deskových výměníků) a tím ve zmenšení velikosti, případně počtu výměníků. Nevýhodou však bývá horší vychlazení kondenzátu, což znamená, že z výměníku odchází kondenzát o vyšší teplotě, v nejhorších případech i přes 100 °C. Při této regulaci je rovněž nutno většinou použít rychlejších pohonů regulačních armatur (především u deskových výměníků), neboť rychlé změny odběru energie na sekundární straně vyžadují rychlou reakci na primární straně, aby ve výměníku nevznikala energetická nerovnováha mezi primární a sekundární stranou.
Regulace výkonu výměníků zaplavováním kondenzátem má výhodu v možnosti lepšího vychlazení kondenzátu, neboť sloupec kondenzátu může dále předávat tepelnou energii vodě na sekundární straně výměníku a tím se vychlazovat a v možnosti jemnější regulace výkonu výměníků, neboť změnou výšky sloupce kondenzátu výměníku lze výkon výměníku regulovat lépe, než změna tlaku a množství páry ve výměníku.
Před vstupem páry do výměníku, a obvykle ještě před regulační (případně uzavírací s havarijním pohonem) armaturou, je nutno páru dokonale odvodnit, nejlépe za použití některého ze separátorů vlhkosti z páry. Separátory jsou charakterizovány labyrintem pro průchod páry, případně ještě zesílením materiálu v "nárazové zóně" za vstupem páry, kde dochází k maximálnímu odseparování (oddělení) kapiček, ale i tekoucího podílu kondenzátu.
 Obr.1 Příklad optimálního zapojení akumulační nádrže TUV |
Oběhové čerpadlo je vhodné volit s elektronicky řízenými otáčkami, protože tak minimalizujeme možnost náhlého přerušení průtoku sekundární topné vody výměníkem, a tedy možnost náhlého přehřátí topné vody, což by měl být jeden z poruchových (případně havarijních) stavů předávací stanice pára - voda.
Pro předávací stanici pára - voda je na vodní straně naprosto nevhodné použití hydraulického vyrovnávače dynamických tlaků (HVDT). HVDT totiž, při průchodu výstupní vody z výměníku do zpětného vedení do výměníku pára - voda, může opět způsobit náhlý nárůst teploty zpětné vody do výměníku pára - voda a tím i výskyt poruchy (případně havárie) při prudkém nárůstu teploty výstupní topné vody.
Z téhož důvodu je opět krajně nevhodné použití čtyřcestných směšovacích armatur pro regulaci teploty topné vody (TV) v jednotlivých větvích vytápění.
Pro přípravu teplé užitkové vody (TUV) ve stanicích pára - voda máme opět dvě možnosti. TUV můžeme připravovat buď přímo z páry, nebo následně, tj. z TV.
Pro první možnost, tj. přípravu TUV přímo z páry platí vše, co pro přípravu TV, s jedním, a to velice důležitým, dodatkem. Změny průtoku TUV mohou být velice rychlé (viz doba otevření výtokové armatury), což klade velké požadavky na rychlost regulačního uzlu, aby se předešlo vzniku poruch od přestoupení maximální dovolené teploty TUV. Problém rychlosti regulace lze s úspěchem řešit zařazením akumulační nádrže TUV, která umožní nezávislé nabíjení a vybíjení, například akumulační nádrž s pěti vstupy. Zařazení akumulační nádrže TUV pro přípravu TUV ve stanicích pára - voda lze prohlásit téměř za povinnou výbavu (příklad optimálního zapojení akumulační nádrže TUV - viz obrázek č. 1).
Při druhé možnosti přípravy TUV, tj. následně, z topné vody, je opět nutné zařazení akumulační nádrže TUV. Při malých odběrech TUV, tj. při malých odběrech tepla, je totiž více než pravděpodobná možnost přehřátí TV, která má opět důsledek ve výskytu poruchového stavu stanice pára - voda. Zařazení akumulační nádrže TUV eliminuje náhodné malé odběry TUV, které jsou realizovány z akumulační nádrže a nemusí tak docházet k najíždění celé stanice. Najíždění stanice při malých odběrech bez akumulační nádrže TUV by mohlo rovněž být příčinou průniku jistého množství studené vody (tzv. studené "špunty") až do výtokových baterií u odběratelů TUV, kteří tak absolvují nedobrovolné "skotské střiky". Prudké změny teploty pak mohou u některých jedinců být příčinou i přímého ohrožení života.
Odběry tepla z předávací stanice pára - voda lze opět rozdělit na dva druhy, tj. odběry trvalého charakteru s postupným najížděním a odstavováním a na odběry nahodilé, tj. s náhlým najížděním a odstavováním.
První skupina, tzn. odběry trvalého charakteru, nepřináší stanici pára - voda problémy, neboť je snadno regulovatelná a chod stanice zklidňuje a tedy spíše pomáhá.
Druhá skupina, tzn. odběry nahodilé, však přináší značné problémy a vyžaduje velice rychlou regulaci. Optimálním řešením je použití pneumatických pohonů regulačních ventilů, speciálně pak na straně páry. Naprosto nevhodná je zde regulace výkonu na straně kondenzátu.
Jak je patrno z uvedených poznatků, problematika předávacích stanic pára - voda není tak úplně jednoduchá, jak by se na první pohled mohlo zdát. Ke každé předávací stanici pára - voda je nutno přistupovat zcela individuálně, mít k dispozici maximum možných informací a v neposlední řadě i jisté zkušenosti. Doporučuji proto vřele navrhování stanic pára - voda svěřit do rukou odborníků. O možných úskalích by se totiž dalo říci daleko více, a lze se s úspěchem domnívat, že by se i tak téma zcela nevyčerpalo.
