Водяное отопление

Принцип действия и устройство системы водяного отопления с естественной циркуляцией теплоносителя

Принципиальная схема системы водяного отопления с естест­венной циркуляцией теплоносителя показана на рис.17. Вода от котла к приборам теплообменника и обратно двигается под действием гидростатического напора, возникающего благодаря различной плотности охлажденной и нагретой жидкости (теп­лоносителя).

Какая же сила заставляет воду циркулировать в системе, т. е. двигаться по трубам из котла в нагревательные приборы и обратно в котел? Эта сила возникает при нагревании воды в котле и охлаждении ее в нагревательных приборах. Вода, на­гретая в котле 1, как более легкая, поднимается по главному подающему стояку 2 вверх. Из стояка она поступает в разводя­щие магистральные трубопроводы 3, а из них через подающие стояки 4 — в нагревательные приборы. Здесь вода остывает и поэтому становится более тяжелой. Например плотность во­ды при 40° С составляет 992,24 кг/м³, при 70° С - 977,8 кг/м³, при 95° С — 961,9 кг/м³. Охлажденная вода через обратные сто­яки 5 и обратную линию 6 опускается вниз и своим весом вы­тесняет нагретую воду из котла вверх — в главный подающий стояк.

Описанный процесс непрерывно повторяется и в результате происходит постоянная циркуляция воды в системе. Сила цир­куляции, или, как принято говорить, циркуляционное давление, зависит от разности весов столба горячей и столба охлажденной (обратной) воды, следовательно, она зависит от разности темпе­ратур горячей и обратной воды.

Кроме того, циркуляционное давление обуславливается еще высотой расположения нагревательного прибора над котлом: чем выше расположен прибор, тем больше для него циркуляци­онное давление.

Это можно доказать следующим образом. В системах водя­ного отопления наибольшая температура горячей воды обычно равна 95° С, а охлажденной - 70° С. Если пренебречь охлажде­нием воды в трубах, то можно считать, что в нагревательный прибор вода поступает с температурой 95° С, а уходит из него с температурой 70° С. При этом условии определим сначала для верхнего, а затем для нижнего нагревательного прибора цирку­ляционное давление, под влиянием которого происходит через них движение воды.

Проведем на рис.17а пунктирные горизонтальные линии через центры нагревательных приборов и котла. Допустим, что эти линии являются границей между водой с температурой 95° С и водой с температурой 70° С. Очевидно, что на участке ВГДЛ Е температура воды будет одинакова и равна 95° С, следо­вательно, здесь не может возникнуть сила, которая заставила бы воду циркулировать. Одинакова и равна 70° С температура на участке АКИЗ, поэтому и тут не может быть создана необхо­димая сила. Остается рассмотреть остальные два участка - АВ и ЕЗ. На участке АВ температура воды равна 95° С, а на участке ЕЗ она составляет 70°С. При таком соотношении температур налицо необходимое условие для возникновения циркуляци­онного давления — вследствие разности весов воды на участке ЕЗ и АВ и создается циркуляция в кольце АБВГДЛЕЖЗИК. Сказанное относится к верхнему нагревательному прибору.

Для прибора, расположенного в нижнем этаже и включен­ного в кольцо АБВГДЛМЖЗИК, циркуляционное давление бу­дет создаваться разностью весов столба воды ЖЗ и столба АБ, так как на участке БГДМЖ температура одинакова и равна 95°С, а на участке АКИЗ температура тоже одинакова и равна 70°С. Но высота столбов воды АВ и ЕЗ соответственно больше высоты столбов воды АБ и ЖЗ. Следовательно, и разница в ве­се столбов АВ и ЕЗ будет больше разницы в весе столбов АБ и ЖЗ, отсюда циркуляционное давление для прибора второго этажа больше, чем для прибора первого этажа.

Этим объясняется следующее часто наблюдающееся явле­ние: в системах водяного отопления нагревательные приборы верхних этажей прогреваются лучше, чем приборы нижних этажей.

Из приведенных выше рассуждений вытекает, что в двух­трубных системах отопления нагревательные приборы, распо­ложенные на одном уровне с котлом или ниже его, работать не будут или же будут очень слабо прогреваться. Для указанных систем практикой установлено наименьшее расстояние между центром нагревательных приборов нижнего этажа и центром котла в 3 метра. В связи с этим котельные для систем отопле­ния должны иметь достаточное заглубление. Указанного недо­статка лишены однотрубные системы отопления. В этом слу­чае гидростатический напор, заставляющий циркулировать воду в системе, будет образовываться из-за охлаждения воды в трубопроводах, подводящих нагретую воду к нагреватель­ным приборам, а также отводящих охлажденную воду от при­боров к котлу.

Это охлаждение полезно, во-первых, для создания гидроста­тического напора, а во-вторых, для дополнительного обогрева помещения, поэтому указанные трубопроводы прокладывают открыто и не изолируют. Напротив, охлаждение воды в главном стояке (подъемном трубопроводе) вредно, ибо приводит к сни­жению температуры и увеличению плотности и, как следствие, к уменьшению гидростатического напора. В связи с этим подъ­емный стояк от котла необходимо тщательно теплоизолировать.

Количество тепла отдаваемого помещению нагревательны­ми приборами, зависит от количества поступающей в прибор воды и ее температуры. В свою очередь, количество воды, кото­рое может быть пропущено через трубопровод к прибору, зави­сит от циркуляционного давления, заставляющего воду дви­гаться по трубе. Чем больше циркуляционное давление, тем меньше может быть диаметр трубы для пропуска определенно­го количества воды и наоборот, чем меньше циркуляционное давление, тем больше должен быть диаметр трубы.

Но для нормального действия системы отопления требуется еще одно условие: чтобы циркуляционное давление было доста­точным для преодоления всех сопротивлений, которые встреча ет движущаяся в этой системе вода. Известно, что вода при сво­ем движении в системе отопления встречает сопротивления, вызываемые трением воды о стенки труб, а кроме них, еще и ме­стные сопротивления, к которым относятся отводы, тройники, крестовины, краны, нагревательные приборы и котлы.

Сопротивление вследствие трения зависит от диаметра и длины трубопровода, а также от скорости движения воды (ес­ли скорость увеличится в два раза, то сопротивление - в четы­ре раза, т. е. в квадратичной зависимости). Чем меньше диаметр и больше длина трубопровода и чем выше скорость воды, тем больше сопротивление создается на пути воды и наоборот. В схеме отопления, изображенной на рис. 17 а имеется два кольца: одно, проходящее через ближайший к котлу стояк, и другое, которое проходит через дальний стояк. Так как первое кольцо короче второго, то при одинаковой в обеих кольцах теп­ловой нагрузке и одинаковых диаметров труб будет проходить по короткому кольцу больше воды, чем требуется по расчету, и в результате по длинному кольцу будет проходить меньше во­ды, чем следует по расчету. Чтобы этого избежать, необходимо для дальнего стояка применять трубы большего диаметра, чем для ближайшего стояка, и таким образом уравнять сопротивле­ния в обеих кольцах. При большей длине труб сопротивление возрастает, с увеличением диаметра труб оно падает.

Величина местного сопротивления зависит, во-первых, от скорости воды, следовательно, и от изменения сечения, вы­зывающего изменение этой скорости (например, в кранах, на­гревательных приборах, котлах и т. д.), во-вторых, от измене­ния направления, по которому движется вода, и изменения количества воды (например, в отводах, тройниках, крестови­нах, вентилях).

 

Рис. 17. Системы водяного отопления с естественной циркуляцией: а - с верхней разводкой: I - котел; 2 - главный стояк; 3 - разводящая линия; 4 - горячие стояки; 5 - обратные стояки; 6 - обратная линия; 7 - расширитель­ный бак; 8 - сигнальная линия; б - с нижней разводкой: 1 - котел; 2 — воздуш­ная линия; 3 — разводящая линия; 4 — горячие стояки; 5 — обратные стояки; 6 — обратная линия; 7 — расширительный бак; 8 — сигнальная линия

Показанная на рис. 17 а система отопления — это система с верхней разводкой. Здесь горячая вода поднимается через глав­ный стояк в магистральный трубопровод, прокладываемый обычно на чердаке.

На рис. 17 б показана система отопления с нижней развод­кой. В этой системе подающая магистраль, питающая восходя щие стояки, располагается на первом этаже в подпольном кана­ле или же в подвале здания. Обратные стояки присоединяются к общей обратной магистрали.

По принципу действия система отопления с нижней развод­кой не отличается от системы с верхней разводкой. И тут, и там циркуляция создается потому, что горячая вода, как более лег­кая, вытесняется обратной водой вверх по стоякам; остывая в нагревательных приборах, эта вода опускается вниз через об­ратные стояки и снова поступает в котел.

В системах с естественным побуждением в зданиях неболь­шой этажности величина циркуляционного давления невелика, и поэтому в них нельзя допускать больших скоростей движения воды в трубах; следовательно, диаметры труб должны быть большими. Система может оказаться экономически невыгод­ной. Поэтому применение систем с естественной циркуляцией допускается лишь для небольших зданий.

Перечислим недостатки систем отопления с естественной циркуляцией воды:

• сокращен радиус действия (до 30 м по горизонтали) из-за небольшого циркуляционного давления;
• повышена стоимость (до 5—7% стоимости здания) в связи с применением труб большого диаметра;
• увеличены расход металла и затраты труда на монтаж сис­темы;
• замедлено включение системы в действие;
• повышены опасность замерзания воды в трубах, проло­женных в неотапливаемых помещениях.

Вместе с тем, отметим преимущества системы С естествен­ной циркуляцией воды, определяющие в отдельных случаях ее выбор:

• относительная простота устройства и эксплуатации;
• независимость действия от снабжения электрической энергией;
• отсутствие насоса, а соответственно шума и вибраций;
• сравнительная долговечность (при правильной эксплуа­тации система может действовать 35—40 лет и более без капи­тального ремонта);
• саморегулирование, обусловливающее ровную темпера­туру помещений. В системе при изменении температуры и плотности воды изменяется и расход вследствие возрастания или уменьшения естественного циркуляционного давления. Одновременное изменение температуры и расхода воды обес­печивает теплопередачу приборов, необходимую для поддержа­ния заданной температуры помещений, т.е. придает системе тепловую устойчивость.

Устройство систем водяного отопления с искусственной циркуляцией теплоносителя

В системах водяного отопления с естественной циркуляци­ей циркуляционные давления измеряются всего лишь десятка­ми миллиметров водяного столба. Столь малые давления не позволяют устраивать данные системы в зданиях, имеющих большую протяженность, кроме того, они требуют применения труб значительных диаметров, что ведет к большому расходу металла.

Перечисленных недостатков лишены системы водяного отопления с искусственной циркуляцией. В них циркуляция во­ды создается центробежными насосами. Насосы, действующие в замкнутых кольцах системы отопления, заполненных водой, воду не поднимают, а только ее перемещают, создавая циркуля­цию, и поэтому называются циркуляционными.

Циркуляционный насос включают, как правило, в обратную магистраль системы отопления для увеличения срока службы деталей, взаимодействующих с горячей водой.

На рис.18 изображены системы водяного отопления с ис­кусственной циркуляцией. Расширительный бак подсоединяют не к подающей, а к обратной магистрали.

 

Рис. 18. Системы водяного отопления с искусственной циркуляцией: а - с верхней разводкой: 1 - котел; 2 - главный стояк; 3 — расширительный бак; 4 - сигнальная линия; 5 - подающая линия; 6 - воздухосборник; 7 - по­дающие стояки; 8 - обратные стояки; 9 - обратная линия; 10 - насос; 11 - рас­ширительная труба; б - с нижней разводкой: 1 - котел; 2 - подающая линия; I - обратная линия; 4 - подающие стояки; 5 - обратные стояки; 6 - воздушная линия; 7 - воздухосборник; 8 - расширительный бак; 9 - насос; 10 - расшири­тельная труба

В системах отопления целесообразно применять специаль­ные циркуляционные насосы, перемещающие значительное количество воды и развивающие сравнительно небольшие дав­ления. Это малошумные горизонтальные лопастные насосы центробежного типа, соединенные в единый блок с электро двигателями и закрепляемые непосредственно на трубах (без фундамента), например насосы типа ЦНИПС или ЦВЦ.

Применение насосных систем отопления позволяет уве­личить протяженность трубопровода и уменьшить металло­емкость системы отопления за счет уменьшения диаметров разводящих трубопроводов. Кроме того, с установкой цирку­ляционного насоса появляется возможность применения но­вых схемных решений системы отопления, например, отказ от верхней разводки трубопроводов. Применение насосных систем отопления возможно при условии надежного электро­снабжения.

При отсутствии теплогенераторов на твердом топливе с топ­ками длительного горения могут найти применение системы водяного отопления с баком-аккумулятором и циркуляцион ным насосом типа ЦВЦ (рис.19). Такая система позволяет зна­чительно сократить эксплуатационные затраты по обслужива­нию генератора теплоты.

 

Рис. 19. Принципиальная схема системы отопления с насосной циркуляцией теплоносителя и баком-аккумулятором теплоты: 1— бак-аккумулятор; 2 - пробковый кран; 3 - расширительный бак; 4 - глав­ный стояк; 5 — теплогенератор; 6 — отопительный прибор; 7 - циркуляци­онный насос типа ЦВЦ; 8 — обратный клапан; Н-Н - центр нагрева котла; 0-0 — центр охлаждения; М-М - центр бака-аккумулятора; ТП - тройник с пробкой

Принцип подобной системы отопления состоит в том, что тепловую мощность теплогенератора выбирают в 3 раза боль­ше, чем теплопотери отапливаемого дома, за счет чего появля­ется возможность не только обеспечивать компенсацию тепло- потерь дома, но и аккумулировать теплоту в специальном баке, который начинает работать по прекращении эксплуатации теп­логенератора. Объем бака-аккумулятора подбирают с таким расчетом, чтобы время его разрядки составляло не менее 8 ча­сов (при работе теплогенераторов два раза в сутки по 4 часа). Для эффективной работы системы бак-аккумулятор должен быть тщательно теплоизолирован с целью исключения беспо­лезных потерь теплоты.

Добавить комментарий

Имя

E-Mail

Подписаться на уведомления о новых комментариях

Обновить

Отправить

Отменить