CZ11826U1 - Zásobník tepla kondenzačního kotle a sestava pro ohřev užitkové vody a/nebo vytápění - Google Patents

Description

Zásobník tepla kondenzačního kotle a sestava pro ohřev užitkové vody a/nebo vytápění

Oblast techniky

Technické řešení se týká zásobníku tepla kondenzačních kotlů pro ohřev užitkové vody a/nebo vytápění. Konstrukce zásobníku trvale zajišťuje maximální účinnost kondenzačního kotle.

Dosavadní stav techniky

Kondenzační kotle pracují s vysokou účinností pouze při nízkém přebytku spalovacího vzduchu a nízké teplotě vratné přívodní vody do kotle. Při proměnlivém výkonu otopné soustavy odpovídající režimu celoročního provozu vytápění je nutné regulovat výkon hořáku kotle, a to většinou za cenu zvyšování přebytku spalovacího vzduchu. Snižováním výkonu se přebytek vzduchu hořáku při spalování zvyšuje právě v době, kdy kotel má pracovat v kondenzačním režimu. To nepříznivě ovlivňuje účinnost kotle, dokonce více, než při provozu bez kondenzace.

Regulace proměnného výkonu každého kotle je většinou velmi náročná a lze ji dosáhnout vždy jen tím, že kotel spaluje palivo při regulovaném výkonu s vyšším přebytkem vzduchu a tím většinou také s vyšší produkcí škodlivin ve spalinách. U kotlů, které slouží pro vytápění a průtočnou přípravu teplé užitkové vody, kde téměř vždy výkon pro vytápění se liší od výkonu pro přípravu teplé užitkové vody, se dimenzuje kotel na vyšší výkon, odpovídající nejčastěji špičkovému odběru teplé užitkové vody. Tím je kotel pro vytápění předimenzován, což, zvláště při nižším odběru tepla pro vytápění, vede k provozu s velmi častým vypínáním a zapínáním hořáku. Použití zásobníku teplé užitkové vody na vyrovnání špičkového odběru má tu nevýhodu, že kotel je nutno provozovat s vyšší teplotou otopné vody, než jaká je používána v otopném systému, ať už teplovodním nebo vzduchotechnickém. Při použití kaskádového uspořádání kotlů, především s malým obsahem vody v kotli, je nutná k hydraulickému vyrovnání proměnlivých tlakových podmínek v kotlovém okruhu s tlakovými podmínkami ve vytápěcí soustavě vyrovnávací nebo hydraulická spojka.

Problémy stávajících systémů na vytápění a přípravu teplé užitkové vody vyplývají:

a) Z rozdílných teplot otopné vody pro vytápění, pro teplovzdušné jednotky, pro přípravu teplé užitkové vody, případně pro ohřev bazénové vody.

b) Z jiného časového harmonogramu odběru tepla pro vytápění, přípravu teplé užitkové vody a ohřev bazénové vody, případně vzduchotechniku.

c) Z nutnosti hydraulicky vyrovnat průtok vody kotlovým okruhem v závislosti na výkonu kotle ajednotlivými okruhy pro vytápění, přípravu teplé užitkové vody, ohřev bazénové vody, případně vzduchotechniku.

Tyto problémy jsou ve stávajících systémech nejčastěji řešeny náročnou regulací, která zajišťuje proměnný přívod paliva a tím proměnlivý výkon kotle. Regulace proměnného výkonu kotle přívodem paliva ke kotli vede vždy ke snížení účinnosti zdroje a ke zvýšení produkce škodlivin, především oxidů dusíku a oxidu uhelnatého. Také cena takových zařízení je příliš vysoká a odrazuje potenciální zákazníky.

Relativně jednoduché je řešení podle užitného vzoru CZ 10696. Jde o konstrukci akumulačního kombinovaného průtokového ohřívače vody s možností ohřevu vody různými zdroji energie. Ohřívač je tvořen nádrží, která je přes plnicí blok napojena na vodovodní řád, je opatřena otvory pro připojení vnějšího topného okruhu, pro připojení odběrného zařízení ohřáté vody a dále je opatřena odvzdušňovacím ventilem, přičemž uvnitř je uložen tepelný výměník, opatřený přívodem a vývodem ohřívané vody. Tepelný výměník má ve výhodném provedení tvar dvoj chodě šroubovice a v podstatě zaujímá celý vnitřní prostor nádrže ohřívače. Uvnitř nádrže může být umístěno také elektrické topné těleso.

- 1 CZ 11826 Ul

Zveřejněná patentová přihláška FR 2 666 874 uvádí zařízení pro přípravu teplé užitkové vody a pro vytápění objektů, které zahrnuje první vyhřívaný obvod, jehož součástí je akumulační nádrž a druhý obvod s komorou, která se nachází v teplosměnném spojení s akumulační nádrží a tvoří tak alespoň část jeho ohřívacích prostředků. Akumulační nádrž může být opatřena ve své spodní části hadem, jehož jeden konec je spojen s přívodem teplonosné kapaliny a druhý konec je spojen s horní částí uvedené komory. Nádrž také může být opatřena přídavným elektrickým odporovým vytápěním.

Zveřejněná patentová přihláška EP 759 528 uvádí sestavu topného kotle pro přípravu teplé užitkové vody a pro vytápění, opatřenou zásobníkem teplé užitkové vody. Tímto zásobníkem prochází vertikálně směrem odshora dolu hořák s plamencem. Na plamenec navazuje v nej spodnější části zásobníku teplé užitkové vody kondenzátor spalin, který vyúsťuje do odtahu spalin.

I tato známá zařízení vykazují při provozu nedostatky, vyplývající v zásadě z jejich konstrukčního uspořádání. Těmito nedostatky je především snížení účinnosti kondenzačního kotle při proměnlivých požadavcích na odběr tepla, nutnost instalace hydraulické vyrovnávací spojky, neefektivní výměna tepla u výměníků pro ohřev teplé užitkové vody, hygienické problémy související se zhoršením kvality vody a další nedostatky, v závislosti na konkrétním uspořádání.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje zásobník tepla kondenzačních kotlů podle tohoto technického řešení, který je tvořen nádrží, s výhodou tepelně izolovanou, opatřenou ve spodní části výstupem ochlazené teplosměnné kapaliny do okruhu kotle a přívodem ochlazené teplosměnné kapaliny z vytápěcího okruhu, v horní části přívodem ohřáté teplosměnné kapaliny z kotle a výstupem ohřáté teplosměnné kapaliny do vytápěcího okruhu, přičemž je opatřen výměníkem ohřevu užitkové vody s nuceným oběhem, a dále vypínacím a zapínacím teploměrem.

S výhodou je přívod ohřáté teplosměnné kapaliny do výměníku ohřevu užitkové vody s nuceným oběhem umístěn u hlavy nádrže a výstup výměníku u dna nádrže. Výměník ohřevu teplé užitkové vody s nuceným oběhem je s výhodou umístěn uvnitř nádrže zásobníku, případně na této nádrži. K jedinému zásobníku tepla může být podle potřeby připojeno i několik výměníků ohřevu teplé užitkové vody s nuceným oběhem.

Výstup výměníku je výhodně opatřen teploměrem, který je spřažen s čerpadlem zajišťujícím nucený oběh teplosměnné kapaliny pro zajištění proměnlivé intensity nuceného oběhu teplosměnné kapaliny výměníkem v závislosti na teplotě teplosměnné kapaliny na výstupu z výměníku.

Trojcestný ventil na výstupu teplé užitkové vody umožňuje přimíchávat k teplé užitkové vodě studenou užitkovou vodu, čímž je zajištěna konstantní teplota teplé užitkové vody.

Zapínací teploměr je umístěn v horní části a vypínací teploměr v dolní části nádrže, přičemž vzájemná vzdálenost obou teploměrů společně s geometrickými rozměry nádrže a měrnou tepelnou kapacitou teplosměnné kapaliny, nejčastěji vody, určuje v podstatě provozní užitnou akumulační tepelnou kapacitu zásobníku. Zásobník tepla umožňuje provozovat kotel při režimu zapnuto/vypnuto, přičemž četnost zapínání závisí na akumulační kapacitě zásobníku, jmenovitém výkonu zdroje tepla a spotřebě tepla.

Zásobník tepla umožňuje připojení soustav s různou teplotou teplosměnné kapaliny i dodatečné změny výpočtových teplot otopné soustavy.

Dále zásobník tepla umožňuje připojení několika kotlových jednotek konstantních výkonů s vlastním čerpadlem, přičemž proměnný výkon zdroje je regulován stupňovitě tak, že uvedení další kotlové jednotky do provozního stavu zajišťuje zapínací teploměr při poklesu teploty teplosměnné kapaliny pod stanovenou mez. Tímto kaskádovým připojením kotlů je řešena regulovatelnost výkonu v průběhu ročních období, četnost zapínání, nárůst špičkového odběru

-2CZ 11826 Ul teplé užitkové vody, paralelnost přípravy teplé užitkové vody a vytápění, případně vzduchotechniky při zajištění stálé nízké teploty vratné teplosměnné kapaliny do kotlů. Příprava teplé užitkové vody je přitom hygieničtější, například bez nebezpečí její kontaminace Legionellou, navíc na rozdíl od zásobníků teplé užitkové vody, které jsou přetlakové, pracuje pouze s nízkým provozním tlakem teplosměnné kapaliny. Vnitřní povrch zásobníku tepla podle technického řešení nemusí být upravován proti korozi, protože soustřeďuje vhodně upravenou teplosměnnou kapalinu, nikoliv neupravenou teplou užitkovou vodu. Tím se snižují náklady na jakost použitého materiálu a tloušťku pláště. Výměník ohřevu teplé užitkové vody s nuceným oběhem umožňuje intenzivní přestup tepla a tím menší velikost a hmotnost teplosměnné plochy, tím soustředěnost do malého prostoru ve srovnání s výměníky s přirozenou konvekcí ze stavu techniky.

Je-li zásobník připojen na rozvodnou síť teplé užitkové vody s cirkulačním oběhem, je opatřen výměníkem pro ohřev cirkulační vody, který se nachází v nádrži nad zapínacím teploměrem. Nádrž zásobníku je potom opatřena také otvorem pro vstup a výstup cirkulační vody.

Sestava pro ohřev užitkové vody a/nebo vytápění zásobníku tepla a kondenzačního kotle obsahuje kotlový okruh obsahující kondenzační kotel a vedení teplosměnné kapaliny opatřené čerpadlem kotlového okruhu, okruh pro ohřev užitkové vody obsahujícím výměník ohřevu teplé užitkové vody s nuceným oběhem, popřípadě trojcestný ventil a/nebo čidlo průtoku teplé užitkové vody, dále vytápěcí okruh obsahující teplosměnné plochy, například otopná tělesa, vedení teplosměnné kapaliny opatřené čerpadlem vytápěcího okruhu a trojcestný směšovací ventil. Součástí sestavy také může být okruh k ohřevu vody pro bazén.

Sestava s výhodou obsahuje centrální regulační jednotku, která na základě signálů z teploměrů, případně teplotních a průtokových čidel, aktuálně nastavených hodnot a příslušného programového vybavení ovládá odpovídající ventily, čerpadla atd.

Konstrukcí a uspořádáním zásobníku v sestavě je dosaženo toho, že během provozu se teplosměnná kapalina s rozdílnou teplotou nepromíchává, ale ukládá se po vrstvách v závislosti na relativní teplotě. V důsledku toho se u dna nádrže zásobníku shromažďuje silně ochlazená kapalina, která po jejím odvedení do kondenzačního kotle zajišťuje jeho maximální účinnost. U hlavy nádrže se hromadí silně ohřátá kapalina.

Popis obrázku na výkrese

Na obr. 1 je schematicky znázorněn zásobník tepla, který je tvořen nádrží JO, opatřenou ve spodní části výstupem 11 ochlazené teplosměnné kapaliny do kondenzačního kotle K a přívodem 12 ochlazené teplosměnné kapaliny z vytápěcího okruhu, v horní části přívodem 13 ohřáté teplosměnné kapaliny z kondenzačního kotle K a výstupem 14 ohřáté teplosměnné kapaliny do vytápěcího okruhu a dále výstupem 15 ohřáté teplosměnné kapaliny do výměníku u ohřevu teplé užitkové vody se zařazeným čerpadlem Č3 ohřevu teplé užitkové vody. V tomto výhodném provedení je výměník SV ohřevu teplé užitkové vody umístěn uvnitř zásobníku, přičemž výstup 16 obíhající ochlazené teplosměnné kapaliny je zaústěn ke dnu nádrže 10 aje opatřen teploměrem 24 výměníku SV. Výměník SV ohřevu teplé užitkové vody může být také umístěn na zásobníku tepla, výstup 16 obíhající ochlazené teplosměnné kapaliny je v tomto případě zaústěn ke dnu nádrže ΙΌ. V dolní části nádrže 10 je umístěn vypínací teploměr v, v horní části nádrže 10 potom zapínací teploměr z. Do výměníku SV ohřevu teplé užitkové vody je v podstatě v protiproudu k obíhající teplosměnné kapalině zavedena chladná užitková voda potrubím S s ventilem 21. Potrubí T teplé užitkové vody, vystupující z horní části výměníku SV může být opatřeno trojcestným ventilem 18, který umožňuje přimíchávání chladné užitkové vody z potrubí

S. Je-li systém ohřevu teplé užitkové vody opatřen cirkulačním oběhem, je v nádrži 10 v části nad zapínacím teploměrem z uložen výměník 17 ohřevu cirkulační vody. Součástí cirkulačního oběhu je také cirkulační čerpadlo č4 oběhu teplé užitkové vody a zpětný ventil 22. Nádrž 1Ό je potom opatřena příslušnými otvory.

-3 CZ 11826 Ul

Okruh kotle K tvoří společně s kondenzačním kotlem K přívodní a výstupní vedení, opatřené čerpadlem či okruhu kotle K. V případě potřeby mohou být paralelně s kondenzačním kotlem K. připojeny další zdroje tepla, nejlépe opět kondenzační kotle K.

Vytápěcí okruh je společně s přívodním a výstupním vedením a teplosměnnými plochami OS. např. radiátory, tvořen čerpadlem č2 vytápěcího okruhu a trojcestným směšovacím ventilem 20. Funkce zásobníku tepla

Zásobník tepla je z alespoň jednoho kondenzačního kotle K nabíjen při poklesu teploty téplosměnné kapaliny, například vody v zásobníku na úrovni zapínacího teploměru z pod nastavenou nejnižší teplotu. Hořák kotle K a čerpadlo čl okruhu kotle K startuje do plného výkonu při konstantním průtoku vody a plní zásobník tepla od shora zahřátou vodou až do úrovně vypínacího teploměru v. Do kotle K je při nabíjení odváděna nejchladnější voda ze spodní části zásobníku, zajišťující kondenzační režim kotle K s maximální účinností.

Při vybíjení zásobníku je prioritně zajištěna příprava teplé užitkové vody před vytápěním. Spínání ohřevu teplé užitkové vody je zajištěno čidlem průtoku užitkové vody. Odběrem teplé užitkové vody se spíná čerpadlo č3 ohřevu užitkové vody a vypíná čerpadlo ě2 vytápěcího okruhu a případně také cirkulační čerpadlo ě4 oběhu teplé užitkové vody. Ohřátá voda z horní části zásobníku proudí pláštěm výměníku SV ohřevu teplé užitkové vody směrem ke dnu nádrže 10 zásobníku, kde se ochlazena shromažďuje. Není tedy míšena s ostatní ohřátou vodou v zásobníku. Pomocí čerpadla č3 ohřevu teplé užitkové vody je možno ve spojení s teploměrem 24, umístěným na výstupu vody z výměníku SV regulovat teplotu teplé užitkové vody, popřípadě tepelný výkon výměníku SV a pomocí regulačního členu zajistit i konstantní výkon výměníku SV.

Po ukončení odběru teplé užitkové vody a vypnutí čerpadla Č3 ohřevu teplé užitkové vody se spustí čerpadlo Č2 vytápěcího okruhu. Voda do vytápěcího okruhu je odebírána z horní části zásobníku, načež je její teplota ekvitermně regulována trojcestným směšovacím ventilem 20. Ochlazená voda z vytápěcího okruhu se vrací do spodní části tepelného zásobníku, který je ochlazovanou vodou plněn až k úrovni zapínacího teploměru z.

Při dostatečně dimenzovaném kotli K nebo sníženém odběru tepla pro vytápění je možný paralelní provoz jak přípravy teplé užitkové vody, tak vytápění.

Zásobník tepla kondenzačního kotle K podle technického řešení je rovněž možno použít pro přípravu teplé užitkové vody, vytápění a ohřev vody v bazénu. V takovém případě bude zásobník tepla obsahovat dva výměníky SV, jeden pro ohřev teplé užitkové vody a druhý pro ohřev bazénové vody. Regulací je možno zajistit, že ohřev teplé užitkové vody má prioritu před vytápěním a vytápění má prioritu před ohřevem bazénové vody. Režim ohřevu bazénové vody lze zároveň zajistit podle výkonu kotle K jako paralelní nebo jako alternativní v případě sníženého odběru tepla pro vytápění, např. v noční době.

Slouží-li zásobník tepla pouze pro vytápění, slouží jako vyrovnávací člen v tom smyslu, že umožňuje provozovat hořák přerušovaně při plném výkonu a nízkém přebytku vzduchu, tedy s maximální účinností i při požadavku na snížený výkon otopné soustavy. Současně plní funkci vyrovnávače a nahrazuje hydraulickou spojku.

Zásobník tepla podle technického řešení je možno použít ' i pro sestavu se standardním (nekondenzačním) kotlem K. V takovém případě je většinou třeba zajistit teplotu vratné vody nad teplotou rosného bodu spalin. Toho se dosáhne tak, že k ochlazené vratné vodě je např. pomocí trojcestného ventilu 20 přimíchávána výstupní ohřátá voda z kotle K.

Claims (10)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zásobník tepla kondenzačních kotlů sestávající z nádrže (10), s výhodou tepelně izolované, opatřené ve spodní části výstupem (11) ochlazené teplosměnné kapaliny do okruhu kondenzačního kotle (K) a přívodem (12) ochlazené teplosměnné kapaliny z vytápěcího okruhu, v horní části přívodem (13) teplosměnné kapaliny z okruhu kondenzačního kotle (K) a výstupem (14) ohřáté teplosměnné kapaliny do vytápěcího okruhu, vyznačující se tím, že je opatřen alespoň jedním výměníkem (SV) ohřevu teplé užitkové vody s nuceným oběhem teplosměnné kapaliny a dále vypínacím teploměrem (v) a zapínacím teploměrem (z).
2. 2. Zásobník tepla podle nároku 1, vyznačující se tím, že vstup (15) ohřáté teplosměnné kapaliny do výměníku (SV) ohřevu užitkové vody s nuceným oběhem je umístěn u hlavy nádrže (10) a výstup (16) výměníku (SV) u dna nádrže (10), přičemž výměník (SV) ohřevu teplé užitkové vody je umístěn uvnitř nádrže (10).
3. 3. Zásobník tepla podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že výstup (16) teplosměnné kapaliny výměníku (SV) je opatřen teploměrem (24) výměníku (SV).
4. 4. Zásobník tepla podle nároků laž3, vyznačující se tím, že zapínací teploměr (z) je umístěn v horní části a vypínací teploměr (v) v dolní části nádrže (10).
5. 5. Zásobník tepla podle nároků laž4, vyznačující se tím, že v nádrži (10) nad zapínacím teploměrem (z) se nachází výměník (17) okruhu cirkulace teplé užitkové vody.
6. 6. Zásobník tepla podle nároku 5, vyznačující se tím, že okruh cirkulace teplé užitkové vody obsahuje dále cirkulační čerpadlo (Č4) a zpětný ventil (22).
7. 7. Zásobník tepla podle nároku 1, vyznačující se tím, že je opatřen dvěma výměníky (SV) ohřevu teplé užitkové vody s nuceným oběhem, přičemž jeden z nich je určen k ohřevu vody pro bazén.
8. 8. Sestava pro ohřev teplé užitkové vody a/nebo vytápění kondenzačního kotle (K) a zásobníku tepla podle některého z nároků laž7, vyznačující se tím, že obsahuje kotlový okruh obsahující alespoň jeden kondenzační kotel (K) svedením teplosměnné kapaliny opatřeným čerpadlem (čl) kotlového okruhu, okruh pro ohřev užitkové vody obsahující výměník (SV) ohřevu teplé užitkové vody s nuceným oběhem, popřípadě trojcestný ventil (18) a/nebo čidlo průtoku teplé užitkové vody, dále vytápěcí okruh obsahující teplosměnné plochy (OS), například otopná tělesa, vedení teplosměnné kapaliny opatřené čerpadlem (č2) vytápěcího okruhu a trojcestný směšovací ventil (20).
9. 9. Sestava zásobníku tepla podle nároku 8, vyznačující se tím, že obsahuje okruh k ohřevu vody pro bazén.
10. 10. Sestava zásobníku tepla podle nároku 8, vyznačující se tím, že obsahuje centrální regulační jednotku.