Otevřená expanzní nádoba jako havarijní chladič

otopné soustavy

bezpečnost a zdraví

Teplovodní otopné soustavy s nuceným oběhem teplonosné kapaliny, osazené kotlem na tuhá paliva, jsou při výpadku elektrického proudu ohroženy přehřátím. Rázy způsobené přehřátím mohou způsobit destrukci kotle. Přehřátím při výpadku elektrického proudu jsou ohroženy též plynové radiační kotle s velkým obsahem keramické náplně a velkou tepelnou setrvačností. Ochranu proti přehřátí při výpadku elektrického proudu je možné řešit například záložním zdrojem elektrické energie vybaveným bezpečnostními funkcemi nebo instalací otevřené expanzní nádoby. Autor článku popisuje řešení problému přehřátí prostřednictvím instalace otevřené expanzní nádoby jako havarijního chladiče. Uvádí výpočet potřebného chladicího výkonu i názorný náčrtek instalace otevřené expanzní nádoby.

Recenzent: Jiří Matějček

Problém, jak uchladit teplovodní zdroj tepla při náhlém přerušení odběru tepla do tepelné soustavy, není nikterak nový. Již před téměř čtyřiceti lety byl vypsán státní úkol RVT (rozvoje vědy a techniky), který měl daný úkol řešit. Do zadání byly vybrány radiační kotle a kotle na tuhá paliva, protože za provozu je v nich naakumulováno největší množství tepla ve srovnání s ostatními kotli na ušlechtilá paliva.

Při přirozeném oběhu vody v otopné soustavě problém nouzového vychlazování zdroje tepla nenastane. Za havarijní stav bylo zvoleno přerušení provozu oběhových čerpadel při nuceném oběhu otopné vody. Teplota vody v otevřené expanzní nádobě v otopných soustavách 90/70 °C se za běžného provozu pohybovala od 70 do 75 °C.

S několika typy kotlů proběhly provozní zkoušky a ukázalo se, že postačí chladicí výkon 15 až 20 % jmenovitého výkonu kotle při přerušení dodávky plynu do radiačního kotle, a stejně tak při přerušení dodávky spalovacího vzduchu do kotle na tuhá paliva, aby při následujících opatřeních nepřekročila teplota na výstupu z kotle v žádném případě 115 ° C.

Pokud je otevřená expanzní nádoba připojena dvoutrubkově a otopná soustava má „klasické“ uspořádání, tj. kotel je ve sklepě či suterénu a expanzní nádoba je v posledním patře či na půdě, krátkodobé výpadky elektrického proudu se řeší samy od sebe, protože netěsnosti oběžných kol čerpadel umožní alespoň minimální samotížný oběh. Projektant ani obsluha se v tomto případě nemusí problémem vychlazení zdroje tepla zabývat.

Zcela jiná je situace u bytového (etážového) vytápění a zejména u střešních kotelen, kdy kotel je umístěn nad otopnou soustavou a jeho uchlazení je možno provést buď s využitím nouzového zdroje elektrického proudu (tehdy řešilo výrobní družstvo Inklemo), rezervním odběrem tepla nebo nejjednodušeji otevřenou expanzní nádobou. Od dopouštění studené vody do soustavy se s ohledem na článkové litinové kotle upustilo, neboť teplotní šok může způsobit jejich destrukci.

K běžným funkcím expanzní nádoby tak přistoupila i nutnost využít ji jako chladič při neobvyklých provozních stavech, kdy se voda v expanzní nádobě ohřívá nad běžný provozní stav.

K tomu, aby expanzní nádoba mohla fungovat jako řešení havarijní situace, je nutné ji správně dimenzovat včetně propojovacích potrubí a jejich uspořádání. Zjednodušené uspořádání zařízení viz následující obrázek.

Legenda:

• E – expanzní nádoba
• K – kotel (může to být i jiný spotřebič s teplovodním výměníkem připojeným do teplovodní otopné soustavy)
• h – minimální převýšení expanzní nádoby nad středem kotle [m]
• Dh – výška vody v expanzní nádobě ponechaná jako výpočtová rezerva [m]
• HV – havarijní ventil, který otevírá při přerušení dodávky elektrického proudu; jeho instalace není nutná v případě, když potrubí, na němž je instalován, zůstane volné

Výpočet

kde je:

• Q_ch – potřebný chladicí výkon [W]
• g – měrná hmotnost – hustota [kg·m^–3]
• Dg – rozdíl měrných hmotností – hustot teplonosné látky (otopné vody, nemrznoucí směsi) v kotli a v expanzní nádobě [kg·m^–3]
• Z – součet místních odporů (lze jej pro daný konkrétní případ odhadnout) [Pa]
• i – měrná tlaková ztráta pro chladicí výkon a průměr pojistného potrubí [Pa·kW^–1·m^–1]

Závěry a doporučení

• základním podkladem pro návrh zařízení je norma ČSN 06 0830
• expanzní nádoba, při použití jako havarijní chladič, musí být připojena dvoutrubkově
• vodorovné části pojistných potrubí omezit na co nejmenší míru
• s ohledem na možné nepřesnosti ve výpočtu se doporučuje u střešních kotelen použít h_min = 1,5 m
• v případě nutnosti je možné zvětšit dimenze pojistných potrubí o jednu světlost

Tato metoda byla poprvé publikována v časopise Zdravotechnika, ročník 1987. Metodu jsem s úspěchem použil i mnohem později, v roce 2010, pro chlazení krbových kamen s teplovodním výměníkem v horském objektu, kde docházelo k častým výpadkům elektrického proudu pro otopnou soustavu se spádem 80/60 °C a maximální teplotu 110 °C.

The open expansion tank as emergency cooler

The author describes how to solve the problem of overheating of the heating system by installing an open expansion tank as emergency cooler. Shows the calculation of the required cooling performance and schematic sketch of the installation open expansion tank.