Принцип работы циркуляционного контура

Движение продуктов сгорания по газоходам котла осуществляется за счет разряжения, создаваемого дымососом. В верхней части топки разряжение составляет не более 30 мм водяного столба, а перед дымососом 200 мм. Поэтому для устранения присосов холодного воздуха по длине газохода обмуровку котла тщательно уплотняют. Воздух необходимый для горения, через воздухоподогреватель подается в топку котла с помощью дутьевого вентилятора. Питательная вода, прошедшая предварительную подготовку подается в экономайзер, где подогревается до температуры насыщения, а затем подается в барабан котла. В барабане она смешивается с котловой водой, затем по опускным трубам попадает в нижний коллектор, из которого по подъемным экранным трубам вода, а затем пароводяная смесь, поднимается обратно в барабан. В барабане происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду. Пар скапливается в верхней части барабана, а затем направляется в пп, где нагревается до заданной температуры. Вода находящиеся в нижней части барабана, снова направляется в опускные трубы. Этот замкнутый контур состоящий из барабана опускных труб нижнего коллектора и подъемных экранных труб называется циркуляционным контуром котла

Движение воды в опускных и пароводяной смеси в испарительных обогреваемых трубах происходит за счет разности плотностей воды и пароводяной смеси. Пароводяная смесь образ в подъемных трубах за счет теплоты, излучаемым факелом и раскаленными продуктами сгорания. Поднимаясь в барабан, пароводяная смесь разделяется на пар и воду, при этом пар скапливается в верхней части барабана, а оставшая вода подается обратно в опускные трубы, по которым спускается в нижний коллектор, и далее направляется в подъемные трубы. В циркуляционном контуре вода находится в состоянии насыщения. Высота контура для котлов различной производительности сильно отличается. Для котлов низкой производительности она составляет от 3 до 5 м, для котлов средней производительности до 12 м и котлов высокой производительности 30-40 м. в результате такой значительной высоты вода в нижней части контура имеет некоторый недогрев за счет статического давления столба воды.

ПРИМЕР. Котел с давлением 13 атм, высота контура 10 м. Значит давление в нижней части будет 14 атм. Давлению 13 атм соответствует температура насыщения 194 градуса С, а давлению 14 атм – 197 градусов С. Таким образом, в нижнем коллекторе температура котловой воды будет на 3 градуса ниже температуры насыщения. Поэтому в нижней части подъемных труб происходит нагрев воды до температуры насыщения. Испарения здесь не происходит и поэтому эту часть называют экономайзерной частью. По высоте обогревательных труб становится меньше, а паросодержание растет.

Движущая сила естественной циркуляции определяется:

S дв = H*(ρ 1 – ρ пв)*g H-высота контура; ρ 1 - плотность воды в опускных трубах; ρ пв - средняя плотность пароводяной смеси

Напор естественной циркуляции может достигать до 0,5-0,8 атм. Котлы, работающие за счет разности плотностей воды и пароводяной смеси, называются котлами с естественной циркуляцией . Если движущей силы циркуляции не достаточно для обеспечения заданной кратности в котле, то тогда в циркуляционный контур устанавливают дополнительный циркуляционный насос. Такие котлы называются котлами с многократно принудительной циркуляцией . В тех случаях, когда в котлах очень высокое давление и разность плотностей воды и пароводяной смеси становится незначительной, а высокая температура не позволяет использовать циркуляционный насос для получения пара, используют прямоточные котлы, в которых отсутствует контур циркуляции.

Как уже неоднократно упоминалось, главным недостатком системы отопления с естественной циркуляцией теплоносителя является низкий циркуляционный напор (особенно в квартирной системе) и вследствие этого увеличенный диаметр труб. Достаточно слегка ошибиться с выбором диаметров труб и теплоноситель уже «зажат» и не может преодолеть гидравлического сопротивления. «Разжать» систему можно без каких-либо значительных переделок: включить в нее циркуляционный насос (рис. 12) и перенести расширительный бачок с подачи на обратку. Следует заметить, что перенос расширителя на обратку не всегда обязателен. При простой переделке несложной отопительной системы, например, квартирной, бачок можно оставить там, где он стоял. При правильной реконструкции или устройстве новой системы бачок переносится на обратку и заменяется с открытого на закрытый.

Рис. 12. Циркуляционный насос

Какой мощности должен быть циркуляционный насос, как и куда его устанавливать?

Циркуляционные насосы для бытовых систем отопления имеют низкое потребление электроэнергии - около 60–100 ватт, то есть как обычная лампочка, они не поднимают воду, а лишь помогают ей преодолеть местные сопротивления в трубах. Эти насосы можно сравнить с движителем (винтом) корабля: винт толкает воду и обеспечивает продвижение судна, но при этом воды в океане не убавляется и не прибавляется, то есть общий баланс воды остается прежним. Циркуляционный насос, закрепленный к трубопроводу, толкает воду, но сколько бы он ее не вытолкнул, с другой стороны к нему поступает такое же количество воды, то есть опасения, что насос вытолкнет теплоноситель через открытый расширитель напрасны: система отопления, это замкнутый контур и количество воды в нем постоянное. Помимо циркуляционных в централизованные системы могут быть включены повысительные насосы, которые повышают давление и способны поднимать воду, их собственно и нужно называть насосами, а циркуляционные, в переводе на общепонятный язык, и насосами-то назвать трудно - так… вентиляторы. Сколько бы не гонял обычный бытовой вентилятор воздух по квартире, все на что он способен, это создать ветерок (циркуляцию воздуха), но не способен изменить атмосферное давление даже в наглухо закрытом помещении.

В результате применения циркуляционного насоса значительно увеличивается радиус действия отопительной системы, сокращаются диаметры трубопроводов и создается возможность присоединения систем к котлам с повышенными параметрами теплоносителя. Чтобы обеспечить бесшумную работу водяной системы отопления с насосной циркуляцией, скорость движения теплоносителя не должна превышать: в трубопроводах, прокладываемых в основных помещениях жилых зданий, при условных проходах труб 10, 15 и 20 мм и более соответственно 1,5; 1,2 и 1 м /с; в трубопроводах, прокладываемых в вспомогательных помещениях жилых зданий - 1,5 м /с; в трубопроводах, прокладываемых в вспомогательных зданиях - 2 м /с.

Для обеспечения бесшумности системы и доставки ею требуемого объема теплоносителя необходимо произвести небольшой расчет. Мы уже знаем, как ориентировочно определить требуемую мощность котла (в киловаттах), исходя из площади отапливаемых помещений. Оптимальный расход воды, проходящий через котел, рекомендованный многими фирмами-изготовителями котельного оборудования, рассчитывается по простой эмпирической формуле: Q=P, где Q - расход теплоносителя через котел, л/мин; Р - мощность котла, кВт. Например, для котла мощностью 30 кВт расход воды составляет примерно 30 л/мин. Для определения расхода теплоносителя на любом участке циркуляционного кольца используем эту же формулу, зная мощность устанавливаемых на этом участке радиаторов, например, производим расчет расхода воды для радиаторов, установленных в одной комнате. Предположим, что мощность радиаторов составляет 6 кВт, значит и расход теплоносителя примерно составит 6 л/мин.

По расходу воды определяем диаметры трубопроводов (табл. 1). Эти величины отвечают принятым на практике соответствиям диаметров труб с расходом протекающего по ним теплоносителя со скоростью не более 1,5 метров в секунду.

Таблица 1

Далее определяем мощность циркуляционного насоса. На каждые 10 метров длины циркуляционного кольца требуется 0,6 метра напора насоса. Например, если общая длина трубопроводного кольца 90 метров, напор насоса должен быть 5,4 метра. Идем в магазин (или подбираем по каталогу) и приобретаем насос с устраивающим нас напором. Если применяются трубы меньших диаметров, чем рекомендованные в предыдущем абзаце, мощность насоса должна быть увеличена, так как чем тоньше трубы, тем больше в них гидравлическое сопротивление. И соответственно, при применении труб больших диаметров мощность насоса может быть уменьшена.

Для того чтобы обеспечить в системах отопления постоянную циркуляцию воды, желательно устанавливать не менее двух циркуляционных насосов, один из которых - рабочий, другой (на байпасе) - резервный. Либо на систему устанавливается один насос, а другой лежит в укромном месте, на случай быстрой замены при поломке первого.

Необходимо отметить, что приведенный здесь расчет системы отопления крайне примитивен и не учитывает многих факторов и особенностей индивидуальной системы отопления. Если вы строите коттедж со сложной архитектурой системы отопления, то необходимо производить точные расчеты. Это могут сделать только инженеры-теплотехники. Строить многомиллионное сооружение без исполнительной документации - проекта, учитывающего все особенности постройки, крайне не разумно.

Циркуляционный насос в отопительной системе заполнен водой и испытывает равное (если вода не нагревается) гидростатическое давление с двух сторон - со стороны входного (всасывающего) и выходного (нагнетательного) патрубков, соединенных с теплопроводами. Современные циркуляционные насосы, сделанные с водяной смазкой подшипников, можно размещать как на подающем, так и на обратном трубопроводе, но чаще всего их ставят на обратке. Изначально это было обусловлено чисто технической причиной: при размещении в более холодной воде увеличивался срок службы подшипников, ротора и сальниковой набивки, через которую проходит вал насоса. А сейчас их ставят на обратку скорее по привычке, так как с точки зрения создания искусственной циркуляции воды в замкнутом контуре местоположение циркуляционного насоса безразлично. Хотя размещение их на подающем трубопроводе, где обычно меньше гидростатическое давление, более рационально. Например, расширительный бачок установлен в вашей системе на высоте 10 м от котла, значит, он создает статическое давление 10 м водяного столба, но это утверждение верно только для нижнего трубопровода, в верхнем давление будет меньше, так как столб воды здесь будет меньшей величины. Где бы мы не расположили насос, он будет с двух сторон подвергаться одинаковому давлению, даже если его поставить на вертикальном главном подающем или обратном стояке, разница давлений между двумя патрубками насоса будет невелика, так как насосы имеют небольшие размеры.

Однако все не так просто. Насос, действующий в замкнутом контуре системы отопления, усиливает циркуляцию, нагнетая воду в теплопровод с одной стороны и засасывая с другой. Уровень воды в расширительном баке при пуске циркуляционного насоса не изменится, так как равномерно работающий насос лишь обеспечивает циркуляцию при неизменном количестве воды. Поскольку при этих условиях (равномерности действия насоса и постоянства объема воды в системе) уровень воды в расширительном баке сохраняется неизменным, безразлично, работает ли насос или нет, гидростатическое давление в точке присоединения расширителя к трубам системы будет постоянным. Эту точку называют нейтральной, так как циркуляционное давление, развиваемое насосом, никак не влияет на статическое давление, создаваемое расширительным бачком. Другими словами, давление циркуляционного насоса в этой точке равно нулю.

В любой закрытой гидравлической системе циркуляционный насос использует расширительный бак как точку отсчета, в которой давление, развиваемое насосом, меняет свой знак: до этой точки насос, создавая компрессию, воду нагнетает, после нее он, вызывая разрежение, воду всасывает. Все теплопроводы системы от насоса до точки постоянного давления (считая по направлению движения воды) будут относиться к зоне нагнетания насоса. Все теплопроводы после этой точки - к зоне всасывания. Другими словами, если циркуляционный насос врезать в трубопровод сразу после точки подсоединения расширительного бачка, то он будет отсасывать воду из бачка и нагнетать ее в систему, если насос установить перед точкой подсоединения бачка, то насос будет откачивать воду из системы и нагнетать ее в бачок.

Ну и что, какая нам разница откачивает насос воду из бачка или нагнетает в него, лишь бы он крутил ее по системе. А разница есть и существенная: в работу системы вмешивается статическое давление, создаваемое расширительным бачком. В трубопроводах, расположенных в зоне нагнетания насоса, следует считаться с повышением гидростатического давления по сравнению с давлением воды в состоянии покоя. Напротив, в трубопроводах расположенных в зоне всасывания насоса, необходимо учитывать понижение давления, при этом возможен случай, когда гидростатическое давление не только понизится до атмосферного, но даже может возникнуть разрежение. То есть, в результате разности давлений в системе появляется опасность всасывания или высвобождения воздуха либо вскипания теплоносителя.

Во избежание нарушения циркуляции воды из-за ее вскипания или подсасывания воздуха при конструировании и гидравлическом расчете систем водяного отопления должно соблюдаться правило: в зоне всасывания в любой точке трубопроводов системы отопления гидростатическое давление при действии насоса должно оставаться избыточным. Возможны четыре способа выполнения этого правила (рис. 13).

Рис. 13. Принципиальные схемы систем отопления с насосной циркуляцией и открытым расширительным бачком

1. Подъем расширительного бака на достаточную высоту (обычно не менее 80 см). Это достаточно простой способ при реконструкции систем с естественной циркуляцией в циркуляцию насосную, но требует значительного по высоте чердачного помещения и тщательного утепления расширительного бачка.
2. Перемещение расширительного бака к наиболее опасной верхней точке с целью включения верхней магистрали в зону нагнетания. Здесь необходимо сделать пояснение. В новых отопительных системах подающие трубопроводы с насосной циркуляцией делаются с уклонами не от котла, а к котлу, для того чтобы воздушные пузырьки двигались попутно с водой, так как побудительная сила циркуляционного насоса не даст им выплыть «против течения», как это было в системах с естественной циркуляцией. Поэтому верхняя точка системы получается не на главном стояке, а на наиболее удаленном. Для реконструкции старой системы с естественной циркуляцией в насосную этот способ достаточно трудоемок, так как требует переделки трубопроводов, а для создания новой системы - не оправдан, так как возможны другие, более удачные варианты.
3. Присоединение трубы расширительного бака вблизи всасывающего патрубка циркуляционного насоса. Другими словами, если реконструируем старую систему с естественной циркуляцией, то просто отрезаем бачок от подающей магистрали и перестыковываем его на обратку позади циркуляционного насоса и тем самым создаем для насоса наиболее благоприятные условия.
4. Отходим от привычной схемы размещения насоса на обратке и включаем его в подающую магистраль сразу после точки подсоединения расширительного бачка. При реконструкции системы с естественной циркуляцией это самый простой способ: просто врезаем насос в трубу подачи, ничего больше не переделывая. Однако к выбору насоса нужно отнестись очень внимательно, все-таки мы размещаем его в неблагоприятные условия высоких температур. Насос должен будет долго и надежно служить, а это могут гарантировать только солидные фирмы-изготовители.

Современный рынок сантехнической и отопительной арматуры позволяет заменить расширительные бачки открытого типа на закрытые. В закрытом бачке не происходит соприкосновения жидкости системы с воздухом: теплоноситель не испаряется и не обогащается кислородом. Это снижает потери тепла и воды, уменьшает внутреннюю коррозию отопительных приборов. Из закрытого бачка жидкость никогда не выльется наружу.

Расширительный бачок закрытого типа («экспанзомат») - капсула шарообразной или овальной формы, разделенная внутри герметичной мембраной на две части: воздушную и жидкостную. В воздушную часть корпуса под определенным давлением закачивается азотосодержащая смесь. До заполнения отопительной системы водой давление газовой смеси внутри бака плотно прижимает диафрагму к водяной части бака. Нагревание воды приводит к созданию рабочего давления и увеличению объема теплоносителя - мембрана выгибается в сторону газовой части бака. При максимальном рабочем давлении и максимальном увеличении объема воды происходит заполнение водяной части бака и максимальное сжатие газовой смеси. Если давление продолжает повышаться и продолжает расти объем теплоносителя, то срабатывает предохранительный клапан сбрасывающий воду (рис. 14).

Рис. 14. Расширительный бачок мембранного типа

Объем бака подбирают таким, чтобы его полезный объем был не менее объема температурного расширения теплоносителя, а предварительное давление воздуха в газовой части бачка делают равным статическому давлению столба теплоносителя в системе. Такой подбор давления газовой смеси позволяет держать мембрану в равновесном (не в натянутом) положении при заполненной, но не включенной системе отопления.

Бачок закрытого типа можно поставить в любой точке системы, но, как правило, его устанавливают рядом с котлом, так как температура жидкости в месте установки расширительного бака должна быть по возможности минимальной. А мы уже знаем, что циркуляционный насос лучше всего устанавливать сразу за расширителем, где для него (да и для системы отопления в целом) создаются наиболее благоприятные условия (рис. 15).

Рис. 15. Принципиальные схемы систем отопления с насосной циркуляцией и расширительным бачком закрытого типа

Однако при такой схеме системы отопления мы сталкиваемся с двумя проблемами: удалением воздуха и повышенным давлением на котле.

Если в системах с открытыми расширительными бачками воздух удалялся через расширитель противотоком (в системах с естественной циркуляцией) или попутно (в системах с насосной циркуляцией), то с закрытыми бачками такого не происходит. Система полностью замкнута и воздуху попросту негде вырваться наружу. Для удаления воздушных пробок в верхней точке трубопровода устанавливаются автоматические спускники воздуха - приборы, снабженные поплавками и запорными клапанами. По мере увеличения давления клапан срабатывает и стравливает воздух в атмосферу. Либо на каждый радиатор отопления устанавливаются краны Маевского. Эта деталь, установленная на отопительные приборы, позволяет спускать воздушную пробку непосредственно из радиаторов. Кран Маевского входит в комплект некоторых моделей радиаторов, но чаще предлагается отдельно.

Рис. 16. Автоматический воздухоотводчик

Принцип действия воздухоотводчиков (рис. 16) заключается в том, что при отсутствии воздуха поплавок внутри прибора держит выпускной клапан закрытым. Когда воздух собирается в поплавковой камере, уровень воды внутри воздухоотводчика понижается. Поплавок опускается и открывается выпускной клапан, через который воздух выводится в атмосферу. После выхода воздуха уровень воды в воздухоотводчике повышается и поплавок всплывает, что приводит к закрытию выпускного клапана. Процесс продолжается до тех пор, пока воздух вновь не соберется в поплавковой камере и не понизит уровень воды, опуская поплавок. Автоматические воздухоотводчики изготавливаются разных конструкций, форм и размеров и могут устанавливаться как на магистральном трубопроводе, так и непосредственно (Г-образной формы) на радиаторах.

Кран Маевского, в отличие от автоматического воздухоотводчика, это в общем-то обычная пробка с воздухоотводным каналом и ввернутым в него конусным винтом: выворачиванием винта освобождается канал и воздух выходит наружу. Заворачивание винта закрывает канал. Также бывают воздухоотводчики, в которых вместо конусного винта используется металлический шарик, перекрывающий канал сброса воздуха.

Вместо автоматических воздухоотводчиков и кранов Маевского в систему отопления можно включить сепаратор воздуха. Этот прибор основан на применении закона Генри. Воздух, присутствующий в системах отопления, находится частично в растворенном виде, а частично в виде микропузырьков. При прохождении воды (вместе с воздухом) через систему она попадает в области различных температур и давлений. В соответствии с законом Генри в одних областях воздух будет выделяться из воды, а в других растворяться в ней. В котле теплоноситель нагревается до высокой температуры, поэтому именно в нем из содержащей воздух воды будет высвобождаться наибольшее количество воздуха в виде мельчайших пузырьков. Если их незамедлительно не отвести, то они растворятся в других местах системы, где температура меньше. Если удалить микропузырьки сразу за котлом, то на выходе сепаратора получим обезвоздушенную воду, которая будет поглощать воздух в разных местах системы. Этот эффект используется для поглощения воздуха в системе и выведения его в атмосферу посредством комбинации котла и сепаратора воздуха. Процесс продолжается постоянно до полного выведения воздуха из системы.

Рис. 17. Сепаратор воздуха

Работа сепаратора воздуха (рис. 17) основана на принципе слияния микропузырьков. Практически это означает, что маленькие пузырьки воздуха прилипают к поверхности специальных колец и собираются вместе, образуя большие пузырьки, которые могут отделиться и всплыть в воздушную камеру сепаратора. Когда поток жидкости проходит через кольца, он расходится во множестве различных направлений, а конструкция колец такова, что вся жидкость, проходящая через них, вступает в контакт с их поверхностью, делая возможным прилипание микропузырьков и их слияние.

Рис. 18. Принципиальные схемы систем отопления с насосной циркуляцией, расширительным бачком закрытого типа и сепаратором воздуха

Теперь немного отвлечемся от воздуха и вернемся обратно к циркуляционному насосу. В системах отопления с протяженными трубопроводами и, как следствие, с большими гидравлическими потерями, нередко требуются довольно мощные циркуляционные насосы, создающие давление на нагнетающем патрубке больше того, на которое рассчитан отопительный котел. Другими словами при размещении насоса на обратке непосредственно перед котлом могут потечь соединения в теплообменнике котла. Для того чтобы этого не произошло, мощные циркуляционные насосы устанавливают не перед котлом, а за ним - на подающем трубопроводе. И тут же встает вопрос: где размещать сепаратор воздуха, за насосом или перед ним? Ведущие изготовители отопительных систем решили этот вопрос и предлагают устанавливать сепаратор перед насосом (рис. 18), для предохранения его от повреждений пузырьками воздуха.

А теперь рассмотрим системы отопления с насосной циркуляцией более подробно.

Надёжная работа парового котла возможна при условии непрерывного отвода теплоты, передаваемой газами поверхности нагрева. Теплота отводится нагреваемой средой, т.е. водой, паром или пароводяной смесью. Хороший отвод теплоты нагреваемой средой обеспечивается при правильной организации циркуляции.

Циркуляция – многократное движение воды по замкнутому контуру.

Контур циркуляции – замкнутая система непрерывного движения воды и пароводяной смеси по трубам, подключённым к паровому и водяным коллекторам котла.

Непрерывное движение воды и пароводяной смеси в циркуляционном контуре водотрубного котла осуществляется вследствие разности их плотностей (естественная циркуляция ) или с помощью циркуляционных насосов (принудительная циркуляция ).

Контуры циркуляции бывают независимыми и смешанными . У независимого контура циркуляции опускные трубы обслуживают только свой контур, а у смешанного – опускные трубы питают водой подъёмные трубы нескольких контуров.

В водотрубном паровом котле (рис. 6.1) вода из пароводяного коллектора 4 по опускным трубам 2 и 5 , наиболее удалённым от топки и получающим меньше теплоты, поступает в водяные коллекторы 1 и 7 . Опускные трубы 5 являются обогреваемыми, 2 – необогреваемыми. Первые получают теплоту, идущую на подогрев воды, а вторые теплоту практически не получают. Трубы 6 конвективного пучка и трубы 3 экрана, воспринимающие больше теплоты, являются подъёмными – по ним движется в коллектор 4 образующаяся пароводяная смесь. В пароводяном коллекторе происходит разделение пара и воды, смешение питательной воды с котловой и организация поступления воды в опускные трубы. У большинства котлов все конвективные пучки труб подъёмные, а опускные необогреваемые трубы размещаются за первым рядом бокового экрана или в воздушных коробах фронта котла, т.е. вне топки.

Во вспомогательном огнетрубном котле и утилизационном газотрубном котле, относящихся к котлам с неорганизованной циркуляцией, процесс циркуляции осуществляется благодаря восходящим потокам на участках поверхностей нагрева наиболее обогреваемых и нисходящим потокам – на необогреваемых или слабообогреваемых участках.

Расход воды через циркуляционный контур превышает количество образующегося в нём пара.

Кратность циркуляции – отношение расхода циркулирующей воды к паропроизводительности контура:

Кратность циркуляции показывает, сколько раз должна пройти по контуру определённая масса воды, чтобы полностью превратиться в пар.

k ц = 20 – 70 в ГК

k ц = 20 – 40 в ВК

k ц = 2 – 10 в УК с принудительной циркуляцией.

Движущий напор циркуляции – разность масс столбов воды и пароводяной смеси соответственно в опускных и подъёмных трубах контура.

Высота подъёмной трубы складывается из экономайзерного участка h э (рис. 6.2), в котором вода, поступающая из водяного коллектора, доводится до кипения, и участка h п, называемого высотой паросодержащей части. На участке h п происходит парообразование и восходящее движение пароводяной смеси. Движущий напор зависит от высоты паросодержащей части и разности плотностей воды и пароводяной смеси, находящихся практически при одинаковой температуре.

Полезный напор циркуляции – разность между значениями движущего напора и сопротивлений движению в подъёмных трубах.

Скорость циркуляции – скорость входа воды в подъёмные трубы контура [т/ч]. В зависимости от расположения пучков труб по отношению к источнику теплоты значения скорости циркуляции составляют 0,3 – 1,5 м/с.

Застой циркуляции – замедление или прекращение движения пароводяной смеси вверх. Это явление возникает в случае неравномерного обогрева или загрязнения парообразующих труб, расположенных в одном ряду. При застое циркуляции в менее нагретых трубах образуется свободный уровень воды. По участку труб, расположенному выше свободного уровня, будет медленно двигаться пар, а не пароводяная смесь. Нормального отвода теплоты от стенки обогреваемой трубы не будет и произойдёт аварийный перегрев металла.

Опрокидывание циркуляции – явление, при котором в подъёмных трубах, получающих по сравнению с другими трубами ряда меньше теплоты, происходит выделение пара и его подъём с одновременным опусканием воды. Причины и последствия опрокидывания те же, что и при застое циркуляции.

В горизонтальных трубах и трубах с небольшим уклоном к горизонту возможно расслоение пароводяной смеси . При движении пароводяной смеси с небольшой скоростью пар, имеющий меньшую плотность, чем вода, поднимается и отделяется от воды, в результате чего возникает раздельное движение по трубе воды и пара. Это приводит к перегреву участков труб, омываемых паром. Расслоение пароводяной смеси усиливается с увеличением диаметра труб, снижением скорости движения среды, повышением давления пара.

Кавитация – явление, при котором во входном сечении опускной трубы происходит парообразование. Оно может наступить, если статическое давление в этом сечении окажется меньше давления в пароводяном коллекторе. При кавитации нарушается нормальное поступление воды в опускные трубы, следовательно, и в подъёмные. Образующиеся паровые пузырьки и их конденсация вызывают в трубах гидравлические удары, которые могут быть причиной образования трещин в трубах. Для предотвращения кавитации следует поддерживать уровень воды в пароводяном коллекторе не менее чем на 50 ммвыше верхней кромки входного сечения опускных труб.

С целью обеспечения надёжной циркуляции необходимо содержать в чистоте поверхности нагрева, не допускать резких колебаний давления пара, поддерживать нормальный уровень воды в пароводяном коллекторе, особенно при качке, а также не допускать модернизационных мероприятий без предварительной оценки надёжности циркуляции для нового варианта котла.

К.т.н. В.Ф. Гершкович, Центр Энергосбережения, г. Киев

Расширительный сосуд нужен для того, чтобы поддерживать в независимом контуре циркуляции нужное давление и компенсировать изменения объема воды в этом контуре, связанные с ее температурным расширением или сжатием.

Открытые расширительные сосуды , применявшиеся прежде, справлялись с этими задачами легко и надежно. Давление в системе отопления с открытыми сосудами было относительно невелико и практически постоянно, потому что оно определялось уровнем воды, который никогда существенно не менялся.

Расширительные сосуды закрытого типа , применяющиеся теперь в новом строительстве почти повсеместно, выполняют свои функции с трудом, а надежность узлов присоединения с такими сосудами оставляет желать лучшего. Давление в системе отопления с закрытыми сосудами постоянно колеблется, и только при правильном их выборе и надежной работе автоматики системы подпитки удается ограничить колебания давления, хотя и в желаемом, но все же в достаточно широком диапазоне.

Европейский опыт, однозначно сориентированный на применение в местных системах замкнутых контуров циркуляции теплоносителя с закрытыми расширительными сосудами, исходит из многолетней практики применения автономных отопительных систем с местными котельными, где без расширительных сосудов обойтись никак невозможно. Даже теперь, когда на Западе стали широко применять централизованные системы теплоснабжения, системы отопления обычно заполняют водой из водопровода, и подпитка из тепловой сети применяется там редко.

Отечественные отопительные системы с независимым от тепловой сети контуром циркуляции традиционно заполняются и подпитываются водой из тепловой сети. Эта наша обычная и во многом более эффективная практика позволила подойти к нетрадиционному техническому решению узлов подпитки независимых контуров циркуляции, позволяющему в большинстве случаев отказаться от применения в них расширительных сосудов.

На рисунке показаны четыре схемы узла подпитки, каждой из которых соответствует показанный справа от нее условный пьезометрический график тепловой сети в точке подключения здания, показанного в виде вытянутого прямоугольника.

Рассмотрим эти схемы.

Независимый от тепловой сети 1 контур циркуляции системы отопления 2 включает в себя циркуляционный насос 3 и теплообменник 4, тепловую мощность которого задает регулятор 5. На линии подпитки устанавливают фильтр 6 и водосчетчик 7. Эти элементы обязательны для любого теплового пункта, в котором имеется независимый контур циркуляции.

В схеме А имеется ручной вентиль 8, который открывают при заполнении системы отопления водой. На обводной вокруг вентиля 8 линии, на которой не должно быть никакой запорной арматуры, устанавливают дроссельную шайбу 9.

После того, как система отопления заполнена водой, вентиль 8 закрывают. При температурном расширении воды ее избыток удаляется через отверстие (диаметром 2 мм) дроссельной шайбы 9 в тепловую сеть, а при температурном сжатии или в результате утечек из системы отопления вода из тепловой сети проникнет в систему через ту же шайбу.

Схема А будет надежно работать при условии, что давление в обратном трубопроводе тепловой сети больше статического давления (Р2>Р ст), как это показано на пьезометрическом графике.

Схема Б с клапаном подпора 10 на обратном трубопроводе должна применяться в том случае, когда статическое давление столба воды, заполняющей отопительную систему, превышает давление в обратном трубопроводе тепловой сети (Р2<Р ст). Клапан 10, поддерживая до себя давление Р3, равное Рст, поднимет давление в обратном трубопроводе на величину ЛР, и тогда узел подпитки сможет работать в режиме, описанном для схемы А.

Схема В найдет применение там, где статическое давление превышает давление в обратном трубопроводе настолько, что клапан подпора установить невозможно или нецелесообразно, потому что он будет препятствовать нормальной работе системы теплоснабжения. В этом случае, поскольку Р1>Р ст, можно организовать подпитку из подающего трубопровода теплосети. Нужно только исключить возможность (пусть даже теоретическую) подачи в систему перегретой воды из тепловой сети. С этой целью на линии подпитки установлен теплообменник 12.

И только в тех редких случаях, когда статическое давление в системе отопления превышает давление в подающем трубопроводе тепловой сети (Р1 < Р ст), приходится применять схему Г со всеми ее деталями - подпиточным насосом 12, нагнетающим воду из обратного трубопровода теплосети в систему отопления, закрытым расширительным сосудом 13, компенсирующим температурные приращения объема воды, предохранительным клапаном 14, защищающим систему отопления от повышенного давления, и автоматической системой поддержания нужного давления с датчиком давления 15, по команде которого должен открыться электрический клапан 16 и включиться насос. Весьма габаритный мембранный расширительный сосуд (в мощных отопительных системах нужно 2-3 таких сосуда) в комплекте с повысительным насосом, управляемым приборами автоматического регулирования, и предохранительным клапаном обеспечит вполне безопасную эксплуатацию системы отопления при условии безотказной работы всех многочисленных элементов подпитки - такой узел обычно применяется для автоматизированной подпитки современных систем отопления.

Действующий узел подпитки с дроссельной шайбой, выполненный по схеме В (см. рис.), находится в одном из высотных домов, недавно построенных по проекту КиевЗНИИЭП в Киеве. Узел, прямо скажем, не слишком красив, но он предельно прост и компактен, лишен какой-либо автоматики и потому абсолютно надежен. А разве не это главное?

С насосной циркуляцией – удобный и практичный вариант решения вопроса теплоснабжения для дома. В отличие от конструкций, в которых циркуляция естественная, напор в контуре с принудительной схемой движения жидкости стабильный и достаточно сильный. Это дает возможность использовать трубы меньшего диаметра, не снижая скорость теплоносителя в системе отопления, облегчает выбор радиаторов и экономит деньги.

Системы с насосной циркуляцией — экономичный вариант отопления дома

Главная конструктивная деталь отопительного контура – циркуляционный насос. Он отвечает за водоснабжение бойлера, проталкивает нагретую воду по трубам от котла к радиаторам. Уже остывшая вода возвращается в котел по трубам обратки. В схеме обязательно присутствует расширительный бачок, который нормализует давление в трубах и принимает на себя излишний объем расширяющейся при нагреве воды. Благодаря насосу, обеспечивающему достаточную скорость движения воды, есть возможность подключить к магистрали не только горизонтальный, но и отопления. Низкие горизонтальные радиаторы отопления хорошо смотрятся в нишах под большими окнами, а вертикальный радиатор подойдет для вертикального проема, комнаты без окон.

Отопительные контуры системы с насосной циркуляцией

Отопительные контуры могут

• оснащаться горизонтальным либо вертикальным стояком
• быть двухтрубными и однотрубными
• с нижним и верхним типом разводки
• с попутной насосной циркуляцией и тупиковой

Горизонтальные и вертикальные стояки

Если трубы, соединяющие все отопительные приборы друг с другом, расположены в горизонтальной плоскости – это с горизонтальным стояком. Такой подход экономичнее, т.к. требует меньшего количества труб и требует меньше затрат в монтаже. Горизонтальный стояк отопления – магистраль, подающая горячую воду, чаще встречаются в одноэтажных зданиях с большой протяженностью, т.к. при такой планировке разумнее подключать радиаторы последовательно друг за другом.

Система отопления с горизонтальной разводкой труб

Подобная проектировка дает возможность устанавливать раздельный температурный режим комнат, использовать теплосчетчики. Минус конструкции – возникновение воздушных пробок в трубах. Для устранения этой проблемы устанавливают краны Маевского, чтобы выпускать образовавшиеся излишки воздуха.

Если схема отопления с насосом подразумевает подключение к общей магистрали радиаторов, которые располагаются на разных этажах, то это вертикальная стояковая система отопления. При такой схеме монтажа радиаторы, отапливающие одну квартиру, питаются от разных стояков, что делает затруднительным учет потребления тепла в отдельно взятой квартире. В вертикальном контуре отопления подающая магистраль проходит под потолком верхнего этажа или по чердаку, а все обогревательные приборы последовательно подключаются к главному стояку, который расположен вертикально и проходит через все этажи. Схемы этого типа применяются в многоэтажных жилых домах. К вертикальному стояку можно подключить каждый этаж отдельно, это пригодится, если дом вводится в эксплуатацию постепенно. Вертикальный стояк решает проблемы скопления воздуха в трубах, но монтаж такой конструкции более затратный.

Пример вертикальной схемы отопления частного двухэтажного дома

Стояк может проходить прямо через квартиру: пронизывая пол и потолок в каждой комнате или располагаться вне жилых помещений. При втором варианте он несет большие теплопотери, поэтому его «одевают» теплоизолирующим покрытием либо помещают в утепленную шахту. В контуре с вертикальным стояком невозможно соорудить теплые полы, сложно поддерживать требуемую температуру воздуха в разных помещениях. На верхних этажах теплее, чем на нижних, а стояки, которые расположены дальше от подающей магистрали, холоднее тех, что ближе.

Если напрямую к распределительному коллектору, и каждый из них имеет подающую трубу и трубу обратки, такая схема именуется коллекторная или лучевая. Данный подход дороже предыдущих вариантов, но используется в монтаже, т.к. дает возможность сократить использование фасонных элементов и сделать скорость теплоносителя одинаковой во всех контурах.

Разводка (нижняя и верхняя): схема автономной циркуляции

По типам разводки схемы отопления разделяют на конструкции, где разводка нижняя и верхняя. При нижней разводке подающая магистраль прокладывается в нижней части схемы движения теплоносителя, как и труба обратки. Расположены обе магистрали ниже обогревательных приборов. Такая конструкция имеет высокую гидравлическую устойчивость, удобна тем, что позволяет вынести вертикальные трубы стояков за пределы комнат. Все регуляторы контура (вентили, запорные механизмы) при такой компоновке находятся в одном помещении, как правило, это подвал или технический этаж.

Нижний тип разводки труб системы отопления

В здании с нижней разводкой отопление можно подключать последовательно, по мере постройки, не дожидаясь завершения строительства. Радиаторы могут быть с нижним подключением, что в сочетании со стояками, вынесенными за пределы комнат, делает внешний вид помещений более эстетичным.

Нижняя разводка отопительных труб экономит тепло, т.к. они не прокладываются в чердачных помещениях или межпотолочных пространствах. Недостаток такого типа отопления – необходимость устанавливать краны для стравливания воздуха на каждую батарею, а также постоянные воздушные пробки.

При верхнем типе разводки трубопровод с теплоносителем проходит в верхней части отопительного контура. Как правило, он расположен на чердаке или в пространстве между потолком и крышей. Трубы с обраткой монтируют ниже радиаторов отопления. В самом высоком месте контура помещают расширительный бачок. Он регулирует давление внутри конструкции и исключает появление воздушных заторов. Этот вид отопления нельзя установить в доме, где нет ската у крыши. Минус верхней разводки – отрицательное гравитационное давление в вертикальных трубах. Это мешает течению воды и снижает гидравлическую устойчивость. При верхней разводке нельзя слить стояки централизованно.

Кроме нижней и верхней разводки существует также смешанная: подающая магистраль проходит сверху, а обратный трубопровод в нижней части отопительной конструкции. Такой подход разумен, если многоэтажное здание имеет собственный автономный котел, расположенный под крышей.

Однотрубная и двухтрубная система: разомкнутый и замкнутый контур

Помимо типа разводки и расположения стояка вариации схем отопления делятся еще на однотрубные и двухтрубные. Однотрубные схемы встречаются довольно редко: их используют преимущественно при проектировании помещений большой площади. В жилых домах они не встречаются практически никогда.

Однотрубная система система отопления

В однотрубной системе нет подающего и обратного трубопровода, теплоноситель циркулирует по одной единственной трубе, которую делят пополам только мысленно, считая первую часть, доставляющую воду от котла, подающей, а оставшуюся половину трубы – обраткой. В однотрубной системе горячая вода, нагретая в котле, поднимается вверх, вытесняемая холодным потоком обратки и попадает по разводке в нагревательные приборы, перетекая из одного в другой, остывая и возвращаясь в котел для нагрева. Насосная циркуляция помогает правильному потоку жидкости по схеме.

Основная проблема схемы – потеря тепла теплоносителем: к последней батарее вода доходит едва теплой. Решается эта проблема установкой насоса и большего числа радиаторов по мере удаления их от котла. Помогает сберечь тепло установка труб таким образом, чтобы первыми радиаторами, куда попадает еще не остывшая вода из нагревательного элемента, были батареи, находящиеся в наиболее прохладных комнатах, которые требует больших энергозатрат для отопления.

Двухтрубная система отопления

Хотя однотрубные системы дешевле, большей популярностью пользуются состоящие из двух трубопроводов. Один доставляет горячую воду из котла в радиаторы, а второй собирает обратный поток остывшего теплоносителя и транспортирует назад в котел. , отличаются тем, что вода попадает во все радиаторы отопления с одинаковой температурой, проблема неравномерного обогрева не возникает. На каждый элемент отопления можно установить термостат и регулировать подачу тепла, что позволяет дополнительно экономить на обогреве помещения. Трубы для монтажа тоньше и выглядят более аккуратно, аккуратнее вписываясь в интерьер.

К слабым сторонам можно отнести необходимость установки на каждый обогревательный элемент запорной арматуры и крана Маевского. Тупиковые и попутные схемы Делят отопительные контуры и по принципу движения в них теплоносителя. Попутная система отопления подразумевает движение воды в подающей и обратной магистрали совпадают в направлении. Тупиковая система отопления предполагает, что вода в обратной магистрали движется в противоположном подающей направлении.

Тупиковая схема характеризуется не одинаковой длиной контурных колец радиаторов отопления. Чем дальше размещается радиатор от стояка, тем больший путь проделывает вода, перемещаясь от котла к радиатору и обратно. Чем дальше отопительный элемент от нагревательного, тем длиннее его контур. Попутная схема отопления – схема, где реализована максимальная тождественность величины сопротивления материала, а длина труб отопления, образующих контурные кольца, одинакова. Одинаково и напряжение в контурах, что делает распределение сопротивления по отопительной . Минус попутной насосной циркуляцией – более ощутимая стоимость, потому что нужно купить большее количество труб. В завершении стоит вспомнить все положительные стороны схем с насосом, из-за которых им отдают предпочтение:

1. Такая система запускается в короткий срок
2. Контур с насосом работает без потерь, обеспечивая эффективный прогрев помещения
3. Насосы долговечны и работают без ремонта долгий срок
4. Насос не производит шума и потребляет мало электричества

ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО

Системы отопления с насосной циркуляцией очень эффективны. Преимущества систем отопления с насосом преобладаю на недостатками.