Figylem! Ez a cikk 12 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A különböző gyártmányok vizsgálati eredményei jobban érthetők és értékelhetők, ha ismerjük a víz-víz hőcserélővel történő vízmelegítés alapösszefüggéseit, a szabályozás működését, illetve a szabályozás minőségét meghatározó tényezőket. A fogyasztó elvárása, hogy a csapolón – azt kissé vagy teljesen megnyitva – az általa elvárt, állandó hőmérsékletű meleg víz folyjék. A felmelegítéshez szükséges teljesítmény egyenesen arányos a be- és kilépő víz hőmérséklete közötti különbséggel, a térfogatárammal és a víz fajhőjével. Ez utóbbi fizikai állandó, a hőcserélő méretezése szempontjából lényeges, a szabályozás tekintetében nem.
A különböző gyártmányok vizsgálati eredményei jobban érthetők és értékelhetők, ha ismerjük a víz-víz hőcserélővel történő vízmelegítés alapösszefüggéseit, a szabályozás működését, illetve a szabályozás minőségét meghatározó tényezőket.
A fogyasztó elvárása, hogy a csapolón – azt kissé vagy teljesen megnyitva – az általa elvárt, állandó hőmérsékletű meleg víz folyjék. A felmelegítéshez szükséges teljesítmény egyenesen arányos a be- és kilépő víz hőmérséklete közötti különbséggel, a térfogatárammal és a víz fajhőjével. Ez utóbbi fizikai állandó, a hőcserélő méretezése szempontjából lényeges, a szabályozás tekintetében nem. A víz kilépő hőmérsékletét a fogyasztó választja meg, és egy viszonylag szűk tartományról van szó. A hőcserélőre megadott névleges értéknél több nem lehet, annál sokkal kisebbre pedig nincs igény.A belépő hőmérséklet évszakfüggő. A vízhőmérséklet igazodik egyrészt a talaj, másrészt az épület hőmérsékletéhez. Nehézséget az okoz, hogy a csapoló megnyitása után előfordulhat vízhőmérséklet-csökkenés, a pangó víz hőmérsékletét felváltja a talajból érkező víz hőmérséklete.
Ezekkel teljesen ellentétes a víz térfogatáramának alakulása. A jellemző állapot, hogy minden csapoló zárva van. Egy csapoló nyitásakor ugrásszerűen megjelenik egy jelentős térfogatáram. De számítani kell bizonyos egyidejűségekkel akár a névleges érték kialakulására is. (Annak érdekében, hogy a lakáson belüli csapolóhelyek száma és vízigénye ne haladja meg a hőcserélő teljesítményét, szokás térfogatáram-korlátozót is beépíteni.) A beavatkozásnak gyorsnak kell lenni, mert a fogyasztó megkívánja, hogy minél hamarabb már az általa beállított hőmérsékletű víz érkezzen a csapolóhoz. Ugyanígy követelmény ennek a hőmérsékletnek az állandó értéken tartása a vízhasználat ideje alatt. Ebbe beleértendő az is, hogy közben máshol is meleg vizet használnak. Jellemző helyzet: a fürdőszobában zuhanyoznak, közben máshol időnként kézmosáshoz, mosogatáshoz nyitják meg a csapot. Zavaró, ha eközben a zuhanynál jelentősen megváltozik a víz hőmérséklete. A „szekunder” víz melegítésének forrása a hőcserélőn átáramló, a hőközpontból érkező „primer” víz lehűlése. A fizikai összefüggés itt is azonos, de számításba kell venni a hőcserélő hatásfokát is. Lakáshőközpontoknál nem számolhatunk szigorúan állandó belépő hőmérséklettel. Ha a lakásban nincs folyamatosan hőigény, a hőközponti vezetékben a víz kissé lehűl. Ennek mértékét lehet befolyásolni, de nem gazdaságos a vezetékben a vizet állandóan névleges hőmérsékleten tartani. Tehát egy melegvíz-csapoláskor a hőcserélőbe belépő fűtővíz hőmérséklete rendszerint egy kisebb értékről indul, majd beáll a névleges értékre.A térfogatáramot a rendszer nyomásviszonyai befolyásolják, érdemes nyomáskülönbség-szabályozást alkalmazni. Cél, hogy a fűtővíz térfogatáramát meghatározó szelepre állandó nyomáskülönbség jusson.
1. ábra: A vezérlés elég egyszerűen, segédenergia nélkül megvalósítható.A hideg víz áthalad egy mérőperemen. A mérőperem két oldala között nyomás-különbség lép fel. Ezt egy membránra vezetjük. A membrán rugó ellenében szeleprudat mozdít el.
Vezérlés
A vízmelegítéssel szemben támasztott követelményeknek való megfelelés egyik lehetősége a vezérlés alkalmazása. Eltekintünk a belépő hőmérsékletek változásától, csak a térfogatáramok hatását vesszük figyelembe. Nyilvánvaló a primer és szekunder oldalon mérhető térfogatáram közötti összefüggés. Ha több hideg vizet kell felmelegíteni, ehhez több fűtővízre van szükség. Értékpárokról van szó, a két térfogatáram összetartozó értékeiről. Ez azonban mindig meghatározott belépő hőmérsékletekre vonatkozik. Ha akár az egyik, akár a másik hőmérséklet más értéket vesz fel, az eredmény hibás lesz. A meleg víz hőmérséklete vagy nagyobb, vagy kisebb lesz a szükségesnél. Ettől függetlenül a térfogatáramokra alapozva már vízhőmérséklet-vezérlést lehet készíteni. Ha a vízhőmérsékletek közelítőleg azonosak a térfogatáramokra vonatkozó összefüggésben szereplő értékekkel, akkor a vezérlés jól működik. A meleg víz hőmérséklete – rész- vagy teljes terhelésnél – közel állandó lesz. A vezérlés elég egyszerűen, segédenergia nélkül megvalósítható (1. ábra). A hideg víz áthalad egy mérőperemen. A mérőperem két oldala között nyomáskülönbség lép fel. Ezt egy membránra vezetjük. A membrán rugó ellenében szeleprudat mozdít el. A szeleprúd, illetve a hozzá tartozó, a fűtővízvezetékbe szerelt szelep helyzete határozza meg a fűtővíz térfogatáramát, végső soron a meleg víz hőmérsékletét.Ez a szerkezeti megoldás ezen túlmenően üzemmódváltó is. Ha nincs melegvíz-használat, lezárja a fűtővíz útját, csapoláskor indítja a fűtővizet. (Ismerős megoldás; az átfolyós gáz- vagy villanybojlereknél is használatos.) További előnye, hogy könnyen kialakítható vízmelegítésre előnykapcsolás. Ez úgy valósul meg, hogy csapoláskor a membrán szeleprúdja zárja a fűtési rendszerben a keringtetett víz útját. Fűtés csak akkor lehetséges, ha nincs hidegvíz-áramlás, a membránra nem jut nyomáskülönbség, ezért nem is tudja gátolni a fűtési körben a keringtetést.
Szabályozás
A kívánt, a térfogatáramtól függetlenül állandó hőmérsékletű meleg víz biztosítható szabályozó beépítésével is. A hőcserélőből kilépő víz hőmérséklete a szabályozott jellemző. A beavatkozás a fűtővíz térfogatáramának változtatásával történik. Analógiát erre is találunk: melegvíz-fűtésnél a radiátorok szabályozását. Azonban nem csak az a különbség, hogy a radiátor víz-levegő hőcserélő. Nagy az eltérés abban, hogy a helyiség hőmérsékletének változási sebességére sokkal kisebb követelmény vonatkozik. Nem várjuk el, hogy egy esetleges fűtésszüneteltetés után a helyiségben a hőmérséklet egy-két perc alatt érje el a kívánatos értéket. Ezzel szemben a használati meleg vizet előállító hőcserélőnek a csapoló megnyitása után nagyon rövid időn belül az előírt hőfokú vizet kell szolgáltatnia.A radiátorszelephez hasonlóan a feladat megoldható segédenergia nélkül működő termosztatikus szeleppel. Az érzékelő ebben az esetben nem a szeleptestben van, hanem külön, a hőcserélő csonkjánál beépítve (2. ábra).
2. ábra: A radiátorszelephez hasonlóan a feladat megoldható segédenergia nélkül működő termosztatikus szeleppel. Az érzékelő ebben az esetben nem a szeleptestben van, hanem külön, a hőcserélő csonkjánál beépítve.
A működési elv egyszerű: az értéktartó szabályozás úgy valósul meg, hogy növekvő melegvíz-hőmérsékletre a szeleptest zárás, csökkenő hőmérsékletre nyitás irányba mozdul. A fűtővíz térfogatáramának csökkenése, illetve növekedése állítja helyre az egyensúlyt, stabilizálja a hőcserélőből kilépő víz hőmérsékletét. A szeleptest helyzetét a szelepszárra ellentétes irányú erővel ható rugó és töltet határozza meg. Állandósult állapotban a két erő egyenlő, a szelepszár és a szeleptest mozdulatlan (3. ábra).A töltet térfogata, ennek megfelelően az ebből eredő erő az érzékelő – a felmelegített víz – hőmérsékletétől függ. Ha megváltozik a víz és ezzel együtt az érzékelő hőmérséklete, a töltet térfogata és a rugóra ható ereje is módosul. Kisebb hőmérsékletnél a csökkenő erő kevésbé tudja a rugót összenyomni, a rugó hossza nagyobb lesz, elmozdítva a szelepszárat és a szeleptestet is. A szabályozó tehát úgy működik, hogy a hőmérsékletváltozás a szeleptest elmozdulásával jár. Ez arányos a hőmérsékletváltozással, ezért a termosztatikus szelep arányos szabályozó. Két szélső helyzete van: a teljes nyitás és a teljes zárás. A nyitáshoz és a záráshoz is tartozik egy érzékelő (meleg víz) hőmérséklet. A két hőmérsékletérték között van a szabályozó arányossági tartománya.A szeleptest változtatja a szelepen átfolyó víz térfogatáramát. Ez függ a szelep áramlási ellenállásától, de függ a rendszerben kialakuló nyomáskülönbségektől is. Szabályozási szempontból az a jó, ha a szelep külső zavaró körülményektől független működését nyomáskülönbség-szabályozással biztosítjuk.
3. ábra: Állandósult állapotban a két erő egyenlő, a szelepszár és szeleptest mozdulatlan.
A szelep és a hőcserélő jelleggörbéi együttesen határozzák meg a működést, a szabályozott szakasz jellemzőit. Ilyen értelemben a szeleptest helyzete a szakasz bemenő, a hőcserélő teljesítménye a kimenő jele. Zárt szelepnél a teljesítmény nulla, teljesen nyitott szelepnél maximális. A tényleges teljesítmény természetesen függ a fűtővíz belépő hőmérsékletétől.A szabályozóval szemben két alapvető követelményt támasztunk. Állandósult állapotban a melegvíz-hőmérséklet a csapolókon jelentkező térfogatáramoktól függetlenül állandó, és az általunk választott értékű legyen. Csapoló nyitásakor a víz hőmérséklete minél előbb érje el ezt a szintet. Az arányos szabályozó, így a termosztatikus szelep is alkalmas erre a feladatra. Azonban számolni kell egy maradó eltéréssel, szabályozási „hibával”. Ennek nagyságát befolyásolni tudjuk, azonban a maradó eltérés csökkentésének más, negatív következménye lehet. Ha megváltozik a hőcserélőben felmelegítendő víz térfogatárama, ez azonnal a kilépő víz hőmérsékletének változásában jelentkezik. Ahhoz, hogy például a kétszeres mennyiségű vizet is a kívánt hőmérsékleten szolgáltassa a hőcserélő, jelentősen növelni kell a fűtővíz menynyiségét is. A szabályozónak több fűtővizet kell átengedni, a szelepnek nagyobb nyitási helyzetet kell felvenni. Az ilyen értelmű elmozduláshoz a rugónak tágulni kell. Ez úgy valósul meg, hogy a kisebb víz- és érzékelő-hőmérséklet, a lehűlő töltet kisebb erőt fejt ki a rugóra. Az új egyensúlyi állapot szükségképpen más rugóhossznál és más hőmérsékletnél áll be.
4. ábra: Jó esetben csillapodó lengéssel éri el az állandósult állapotbeli értéket. Ez ugyan eltér az előző nyugalmi állapotban mérhetőtől, de a különbség a nagy erősítés miatt csekély.
A hőmérsékletben megmutatkozó maradó eltérés a változással arányos. Nagy térfogatáram-változás nagy maradó hőmérséklet-eltéréssel jár. Ez egy elvi törvényszerűség. De csökkenteni lehet a hiba abszolút értékét. Akkor lesz csekély a hőfokban mért eltérés, ha a szabályozó egészen kis hőmérsékletváltozásokra is nagy szeleptest-elmozdulással reagál. Az ilyen termosztatikus szelep pontosan szabályoz.A másik követelmény lényege, hogy a szabályozó gyorsan vegye fel az új egyensúlyi helyzetet, a melegvíz-hőmérséklet mielőbb érje el a kívánt értéket. Elméletileg magyarázható, gyakorlatban méréssel követhető, hogy a hőmérsékletváltozás sebessége függ az ún. erősítéstől. Ha megváltozik a hőcserélőbe belépő hideg víz térfogatárama, akkor a változás végigfut a körön. Megváltozik a meleg víz, illetve az érzékelő hőmérséklete, a töltet térfogata (nyomása), a rugó mérete, a szeleptest helyzete. Ennek hatására megváltozik a fűtővíz térfogatárama és a hőcserélő teljesítménye. Végül pedig a szabályozott jellemző, a melegvíz-hőmérséklet.
5. ábra: A jó szabályozáshoz szükséges elemeket együtt tartalmazza a vízátfolyás-kompenzált hőmérsékletszabályozó beépített nyomáskülönbség-szabályozóval 1. termosztatikus szelep; 2. hidegvíz-belépés; 3. hőcserélő; 4. fűtővíz-belépés; 5. melegvíz-kilépés hőmérséklet-érzékelő
Azt, hogy a szabályozott jellemző zavarás hatására történő megváltozását milyen mértékű visszacsatolás ellensúlyozza, azt a jelváltozások „erőssége”, a szabályozási kör erősítése határozza meg. Ha az erősítés nagy, akkor a rendszer gyorsan és erőteljesen reagál, a szabályozott jellemző változása gyors. Fordítva, kis erősítés lassú változást idéz elő. Kellően nagy erősítésnél a meleg víz hőmérséklete gyorsan változik (pl. növekszik), azonban túl is lépi a kívánt értéket. Túllendülés következik be. Jó esetben csillapodó lengéssel éri el az állandósult állapotbeli értéket (4. ábra). Ez ugyan eltér az előző nyugalmi állapotban mérhetőtől, de a különbség a nagy erősítés miatt csekély. Csökkentve az erősítést, a túllendülés mértéke is csökken. Elérkezünk ahhoz az esethez, hogy a hőmérséklet túllendülés nélkül, ún. aperiodikus függvény szerint változik. A kisebb erősítés miatt a maradó eltérés viszont nagyobb lesz. A szabályozási idő is hosszabb. Indokolt tehát az erősítést nagyra választani. Nagyra, de nem túl nagyra, abban az esetben ugyanis a túllendülés is nagy lenne, sőt a lengések nem csillapodnának. A rendszer állandó lengésben maradna, a vízhőmérséklet folyamatosan ingadozna. A szabályozó szünet nélkül mozgásban lenne, gyorsan elhasználódna, meghibásodna. Fontos feladat tehát a szabályozót és a hőcserélőt úgy méretezni, hogy az erősítés a megengedhető értéket ne lépje túl. Egyébként magának a túllendülésnek ennél az alkalmazásnál nincsen különösebb hátránya.
Integrált megoldás
A jó szabályozáshoz szükséges elemeket együtt tartalmazza a vízátfolyás-kompenzált hőmérsékletszabályozó beépített nyomáskülönbség-szabályozóval (5. ábra). Közvetlenül a hőcserélőre kerül. A primer oldalon a hideg víz egy mérőperemen áthaladva lép be a hőcserélőbe. A mérőperemen nyomásesés jön létre, ez egy membránra hat. A membrán és a membránhoz rögzített rúd elmozdul. A rúd nyitja a szekunder oldalon lévő szabályozó szelepet, a fűtővíz ezen keresztül lép be a hőcserélőbe. A termosztatikus szelep, melynek érzékelője a kilépő meleg víz hőmérsékletét érzékeli, a szeleptest mozgatásával a hőmérsékletet a kívánt értéken tartja. A szelep és a hőcserélő közé beépített nyomáskülönbség-szabályozó feladata a szabályozás számára kedvező nyomásviszony biztosítása. A meleg víz hőmérsékletét, mint szabályozási alapjelet a termosztatikus szelepen lehet beállítani.
Elektronikus szabályozás
Kifejlesztettek és alkalmaznak a lakáshőközpontokban elektronikus szabályozást is. Impulzusjelet adó érzékelő méri a térfogatáramot, ellenálláshőmérő a vízhőmérsékletet. A szabályozószelep villamos működtetésű. Az osztrák intézet nem vizsgált ilyen gyártmányokat.
