Pytanie na temat możliwości zastosowania glikolu w nagrzewnicy wodnej centrali wentlacyjnej, podczas gdy pierwotnie zakładano wodę, jest jednym z często stawianych pytań, z jakimi stykam się jako przedsiębiorca i sprzedawca central wentylacyjnych.

Wstęp

Najczęściej stosowaną cieczą w instalacjach grzewczych i chłodniczych jest woda. Woda jest najtańszym medium, a zarazem ma najwyższe ciepło właściwe: 4,2 kJ/kg/K. Sprawia to, że aby przenieść określoną moc cieplną stosując wodę, potrzebujemy mniejszego przepływu niż przy glikolu.  Woda ma też niższą lepkość kinematyczną, czyli tarcie wewnętrzne wynikające z przemieszczania się względem siebie warstw płynu. Lepkość ma z kolei bezpośredni wpływ na wartość oporów liniowych i miejscowych instalacji. Powyższe właściwości przekładają się na pompy obiegowe i koszt ich pracy, które są wyższe przy glikolu niż przy wodzie. Woda jest też neutralna dla środowiska i zdrowia, nie stanowi więc problemu w przypadku wycieku.

To wszystko sprawia, że w klimacie, gdzie nie występują ujemne temperatury nie ma żadnego dylematu, czy stosować jakikolwiek czynnik inny niż woda. Do wody dodaje się conajwyżej inhibitory  korozji oraz środki zmiękczające, aby zneutralizować korozyjne właściwości wody i osadzanie się kamienia.

Problem zaczyna się gdzieś mniej więcej powyżej 40-tego równoleżnika, gdzie kończy się klimat podzwrotnikowy, a zaczyna strefa tzw, klimatu umiarkowanego…

Przy ujemnych temperaturach woda nie tylko zamarznie, ale także zniszczy instalacje i jedynym 100% pewnym zabezpieczeniem będzie zastosowanie mieszanki wody i czynników niezamarzających, czyli glikoli.

Zacznijmy od podstaw – trochę teorii o procesie ogrzewania

Aby lepiej zrozumieć istotę procesu ogrzewania przyjrzyjmy się temu procesowi od strony teoretycznej.

Oto wzór na obliczenie mocy nagrzewnicy w centrali wentylacyjnej

Q  = V * ρ* Cp * ΔT

gdzie:

Q – moc nagrzewnicy [kW]

V – strumień objętości powietrza wentylacyjnego [ m2/s]

ρ – gęstość powietrza [w temperaturze 20 ᵒC – 1,2 kg/ m3]

Cp – ciepło właściwe powietrza [1,005 kJ/kg*K]

Δ T – różnica temperatury przed i za nagrzewnicą [ᵒC]

A oto wzór na ciepło generowane przez samą nagrzewnicę:

Q = m * C * ΔT

gdzie:

Q – ciepło pobrane [J]

m – strumień masowy czynnika [kg]

ΔT –  różnica temperatur na zasilaniu i powrocie

Spójrzmy jeszcze na wzór łączący strumień masowy czynnika ze stratami ciśnienia:

ΔP = r * m2

gdzie:

r – opór hydrauliczny odniesiony do strumienia masowego (Pa * s2)/kg2  

m – strumień masowy czynnika [kg]

Powyższe wzory pokazują że bezpośredni wpływ na ciepło nagrzewnicy ma poza różnicą temperatur i masą czynnika, ma ciepło właściwe. Zatem jeśli spadnie nam ciepło właściwe, spadnie również moc nagrzewnicy. Jak to wygląda dokładnie?

ciepło właściwe wody:  4,2 kJ/kg/K

ciepło właściwe glikolu etylenowego 35% : 3,63 kJ/kg/K

ciepło właściwe glikolu propylenowego 40%:  3,77 kJ/kg/K

Zatem jeśli chcemy utrzymać tę samą wartość mocy oddawaną przez nagrzewnicę, musimy zwiększyć strumień masowy odpowiednio o 11% w przypadku glikolu propylenowego oraz ok 16% w przypadku glikolu etylenowego, aby zrównoważyć niższe ciepło właściwe glikoli.

Jeśli jednak zwiększymy strumień masowy po zamianie wody na glikol to wzrosną opory instalacji. Dwukrotna zmiana strumienia masowego powoduje 4-krotny wzrost spadku ciśnienia na instalacji.

I tutaj problem robi się znacznie większy, gdyż tylko za pewną, niedużą część tych oporów, będzie odpowiadać niższe ciepło właściwie, a za większą jego część – lepkość kinematyczna czynnika.

Lepkość kinematyczna w 50ᵒC:

Woda: 0,55 [mm2/s]

glikol etylenowy (stężenie 35%): 1,08 [mm2/s]

glikol propylenowy (stężenie 40%): 1,31 [mm2/s]

Gęstość w 50 ᵒC

Woda: 0,998 [g/cm3]

Glikol etylenowy 35%: 1,0523 [g/cm3]

Glikolu propylenowy 40%: 1,0368 [g/cm3]

Jeśli przyjmiemy założenie, że opór hydrauliczny jest w przybliżeniu wprost proporcjonalny do lepkości czynnika, oraz do gęstości, to dla temperatury 50ᵒC lepkość kinematyczna wzrasta odpowiednio:

–  dla glikolu etylenowego 195%

–  dla glikolu propylenowego 237 %

Jeśli zsumujemy zatem wzrost oporów hydraulicznych spowodowany zmianą ciepła właściwego, lepkości, gęstości i strumienia masowego otrzymamy ponad 3-krotny wzrost mocy potrzebnej do przepompowania przez taką samą nagrzewnicę glikolu propylenowego oraz blisko 2,8–krotny wzrost moc potrzebnej do przepompowania glikolu etylenowego.

Dla temperatur niższych niż 50ᵒC wzrost lepkości kinematycznej glikoli jest jeszcze większy, dlatego w niniejszych rozważaniach nie rozpatrujemy w ogóle temperatur poniżej 50ᵒC, zakładając, że ta granica wystarczy, aby można było objąć niniejszymi rozważaniami i tak zdecydowaną większość instalacji.

Jak zatem widzisz zmiana wody na glikol ma poważny wpływ na spadki ciśnień w przewodaach i jeśli zmiana ta następuje na etapie projektowym, to należy od nowa przeliczyć i dobrać przewody hydrauliczne, zawory, pompy, itp.

W niniejszym artykule przyjmujemy jednak założenie, że mamy instalację zaprojektowaną na wodzie, wszystkie elementy instalacji dobrane dla wody, instalacja jest wykonana, centrala wentylacyjna dostarczona… co wtedy???

Jak wpłynie na moc nagrzewnicy zmiana czynnika z wody na glikol?

Tak, jak powiedzieliśmy we wstępnie zastosowanie glikolu powoduje wzrost oporów czynnika i strat ciśnienia na nagrzewnicy. Teoretycznie więc na każdej nagrzewnicy możemy te staty pokonać stosując większe pompy, doprowadzając tym samym, że zmiana czynnika nie wpłynie na spadek mocy nagrzewnicy po zastosowaniu glikolu.

Jednak problem pojawia się wówczas, gdy mamy zaprojektowaną, lub nawet już częściowo lub w całości wykonaną instalację, centrala wentylacyjna jest zaprojektowana, albo już nawet zamówiona, bądź dostarczona i pojawia się pomysł, aby zamienić pierwotny czynnik, jakim była woda na mieszankę wody i glikolu. Wówczas musimy wiedzieć jak wpłynie zmiana czynnika na zdolność do zapewnienia właściwej temperatury na obiekcie bez zmiany parametru jakim jest przepływ, lub z jego niewielką tylko zmianą w zakresie na jaki pozwala zapas mocy pompy.

Tak, jak powiedzieliśmy we wstępie zmiana czynnika będzie miała wpływ na cały szereg parametrów i elementów instalacji, jak wielkość pomp, przekroje rur, wielkość zaworów, czy rodzaj zastosowanych materiałów. To wszystko projektant musi przeanalizować , jeśli zmieniamy wodę na glikol.

Jednak w tym artykule zajmujemy się wyłącznie naszym odcinkiem instalacji jakim jest nagrzewnica w centrali wentylacyjnej i nie będziemy analizować wpływu zmiany czynnika na pozostałe elementy.

O ile spadnie moc nagrzewnicy po zastosowaniu glikolu zamiast wody?

Wszystko, co powiedzieliśmy powyżej odnosiło się do teorii.

Jednak teraz musimy wprowadzić trochę praktyki, czyli uwzględnić fakt, że każda nagrzewnica ma jakąś budowę i geometrię, a także fakt, że zmienne takie jak prędkość przepływu i spadek ciśnienia są zmiennymi od siebie zależnymi. Zatem nie będziemy w stanie utrzymać takich samych prędkości i spadków ciśnień po zmianie czynnika z wody na glikol. Możemy utrzymać albo tylko przepływ – wówczas spadek mocy będzie proporcjonalny do różnicy w cieple właściwym, albo tylko straty ciśnienia – wówczas spadek mocy będzie sumą spadków mocy spowodowanych ciepłem właściwym oraz mniejszym przepływem.

W naszych rozważaniach zakładamy, że wypośrodkowujemy te 2 zmienne, starając utrzymać się je obie w miarę blisko wartości charakterystycznych dla wody.

Wartości spadków mocy nagrzewnicy po zastosowaniu glikolu zamiast wody nie będą więc danymi ścisłymi, które możesz przyjąć za pewnik, a jedynie oszacowaniami.

Gdy zatem mnie ktoś pyta nas o konkretny spadek mocy, to zawsze proponujemy zatem najpierw przeliczenie konkretnego wymiennika w konkretnej centrali i wówczas możemy powiedzieć, czy dana nagrzewnica będzie miała wystarczającą powierzchnię, aby zapewnić żądaną moc po zmianie czynnika, czy nie.

Jednak gdy ktoś prosi o szybką, krótką odpowiedź, to tak, jak powiedzieliśmy wyżej możemy udzielić jej na zasadzie prawdopodobieństwa, ale musimy przy tym zaznaczyć, że może ona być obarczona dużym stopniem niedokładności.

Odpowiedź wówczas jest następująca:

Spadek mocy dla glikolu propylenowego wynosi ok 20%

Spadek mocy dla  glikolu etylenowego wynosi ok. 10%

Powyższe wartości dotyczą mieszanki glikolu i wody o temperaturze krzepnięcia na poziomie -20ᵒC, czyli ok 35% glikolu etylenowego i ok 40% glikolu propylenowego i są mniej więcej prawdziwe dla temperatury zasilania i powrotu  na poziomie od 60/40 do 80/60

Na podstawie tysięcy wykonanych doborów urządzeń z nagrzewnicami możemy również wskazać zależności, które wpływają na odchylenie od powyższych wartości spadku mocy:

1. Większe wartości spadku mocy występują przy niedużych nagrzewnicach, na niewielkie przepływy powietrza (500-2000 m3h), a znacznie niższe, przy dużych centralach na kilkadziesiąt tysięcy m3/h

2. Wartość spadku mocy nagrzewnicy wzrasta wraz ze wzrostem prędkości przepływu powietrza na wymienniku, najniższe różnice są w okolicach przepływu 2 m/s i mniej, a znacznie większe dla tego samego wymiennika przy przepływie powietrza ok. 4 m/s

3. Wartość spadku mocy jest znacznie wyższa przy niedużych, 1-rzędowych wymiennikach i może dochodzić nawet do kilkudziesięciu %, a znacznie niższa przy wymiennikach 2-3 rzędowych i większych

4. Spadki mocy mogą być znacznie wyższe od podanych, im niższa będzie temperatura zasilania i powrotu czynnika na nagrzewnicy. Powyższe wartości nie będą prawdziwe dla temperatur zasilania poniżej 60 stopni. – będą rosły tym bardziej, im niższa będzie temperatura, bowiem poniżej 50 stopni wzrasta znacząco różnica w lepkości kinematycznej między wodą a glikolami.

Podsumowanie i wnioski

Jeżeli chciałbyś na szybko oszacować, jaki będzie spadek mocy, wówczas  możesz to zrobić pomniejszając moc obliczeniową nagrzewnicy centrali o 10% w przypadku glikolu etylenowego i 20% w przypadku glikolu propylenowego.

Pamiętaj jednak, że powyższe informacje nie mogą w żadnym wypadku być podstawą do podjęcia decyzji o zmianie czynnika i uznanie za pewnik, że spadek mocy będzie podobny do wyżej określonego. Zawsze musi być to podparte obliczeniami konkretnego urządzenia i sprawdzone przez producenta urządzenia.

Jeśli jednak dopiero dobierasz urządzenie do projektu, to zawsze poproś, o co najmniej 50% zapas mocy nagrzewnicy, gdyż większa nagrzewnica nie jest dużym kosztem na etapie zakupu urządzenia i nie będzie powodowała problemów z regulacją jeśli będzie przewymiarowana.

Problemy będą wówczas, gdy nagrzewnica będzie niedowymiarowana.

Jeśli wymiennik będzie dobrany „na styk” to niezależnie od tego, czy zmienisz czynnik na glikol czy nie, możesz spodziewać się problemów wynikających z innych sytuacji, np. z niższej temperatury zasilania czynnika niż założony, czy z większych oporów hydraulicznych instalacji niż obliczeniowe.

W takim przypadku oczywiście będziesz mógł wybronić się w przypadku problemów, ale pamiętaj, że jako projektant czy instalator powinieneś wykazać się dalekowzrocznością i zawsze mieć na uwadze, że inni mogą także popełnić błędy.

Mogą być też sytuacje, szczególnie w przypadku central wentylacyjnych o bardzo wysokiej sprawności wymienników odzysku ciepła, że okresowo ta sprawność będzie niższa, np. w przypadku oblodzenia wymiennika krzyżowego, czy rotora. Wówczas przewymiarowana nagrzewnica w centrali będzie mogła wykorzystać rezerwę nie dopuszczając do nadmiernego przechłodzenia pomieszczeń.

Mam nadzieję, że powyższe informacje będą dla Ciebie przydatne.

Jeśli tak jest pozostaw poniżej swój adres e-mail, a będziemy Cię informować o kolejnych

Jeśli chciałbyś uzyskać ofertę na centralę wentylacyjną odporną na zmianę czynnika, napisz na adres: oferty@micro-clima.pl