10343

70

Под влиянием естественного циркуляционного давления в замкнутом кольце системы отопления устанавливается циркуляция воды, при которой давление ре, вызывающее циркуляцию, равно потерям давления при движении воды ( рс – потери давления в системе):

расширительного бака к магистрали, равное ρгgh1 (рис. 6.2), при постоянном объеме воды в системе изменяться не может. Эта точка называется точкой постоянного давления или «нейтральной» точкой систем отопления.

Во всех остальных точках теплопроводов системы гидростатическое давление при циркуляции воды изменяется вследствие попутной потери давления. Нанесем на рис. 6.2 вторую эпюру гидростатического давления в динамическом режиме – при естественной циркуляции воды в системе отопления (сплошные линии), начав построение с точки постоянного давления

О.

Как видно, гидростатическое давление во всех остальных точках системы при циркуляции воды изменяется следующим образом: перед точкой О (считая по направлению движения воды) оно увеличивается, а после точки О -

уменьшается по сравнению с гидростатическим давлением, предполагавшимся при отсутствии циркуляции. В частности, гидростатическое давление в любой точке левого подъемного стояка (с восходящим потоком воды) возрастает, а

правого опускного стояка (с нисходящим потоком) убывает.

Можно констатировать, что при циркуляции воды в замкнутом контуре гравитационной системы отопления гидростатическое давление изменяется во всех точках, за исключением одной точки присоединения к системе трубы расширительного бака.

Перейдем к рассмотрению динамики давления в системе отопления с нагреваемой водой при действии циркуляционного насоса при насосной системе отопления. Насос, действующий в замкнутом кольце системы отопления, усиливает циркуляцию. Уровень воды в расширительном баке при

72

точках за исключением одной точки – точки присоединения трубы

расширительного бака.

Общие потери давления при движении воды в замкнутом кольце системы отопления рс выразим через потери давления в зоне нагнетания (обозначим их

гравитационное) циркуляционное давление при установившемся движении воды будет затрачиваться без остатка на преодоление линейных и местных сопротивлений в зонах нагнетания и всасывания. Сравнивая рис. 6.3 и рис. 6.1,

можно установить величину изменения гидростатического давления, связанную с потерями давления при циркуляции воды в системе отопления:

а) увеличение давления в любой точке i в зоне нагнетания насоса равно потере давления в трубах от рассматриваемой точки до точки постоянного

б) уменьшение давления в любой точке j в зоне всасывания насоса равно

потере давления в трубах от точки постоянного давления О до рассматриваемой точки, т.е.

где hi – высота столба воды от рассматриваемой точки до уровня воды в расширительном баке.

Очевидно, что в зоне нагнетания насоса следует считаться с повышением гидростатического давления по сравнению с давлением в состоянии покоя.

Напротив, в зоне всасывания насоса необходимо учитывать понижение давления. При этом возможен случай, когда гидростатическое давление не только понизится до атмосферного, но даже может стать ниже него, т.е.

возникнет разрежение. Рассмотрим такой случай. На рис. 6.4 изображено изменение давления в верхней подающей магистрали системы отопления.

73

В точке постоянного давления О гидростатическое давление равно ρgh. В

промежутке между точками О и В гидростатическое давление убывает в связи с потерей давления при движении воды по зависимости, изображенной на рисунке наклонной пьезометрической линией. Потери давления на участке О-В

рО-В = ρgh, т.е. давление в точке В рв = 0 (избыточное давление равно нулю, а

полное давление, как и на поверхности воды в расширительном баке, равно атмосферному давлению ра). В промежутке между точками В и Г дальнейшие потери давления вызывают разрежение - давление падает ниже атмосферного.

74

Рис. 6.4. Изменение гидростатического давления в верхней подающей магистрали системы водяного отопления: О – точка постоянного давления; А – точка в зоне нагнетания; Б – точка наибольшего разрежения; В-Г – зона разрежения

Наиболее заметно давление понизится и разрежение достигнет наибольшей величины в точке Б. Здесь полное давление РБ = ра + ρgh - рО-Б =

ра - рВ-Б. Затем в промежутке между точками Б и Г давление возрастает в связи с увеличением высоты столба воды от h до hг, а разрежение уменьшается. В

точке Г, где потери давления рО-Г = ρghг, избыточное давление вновь, как в точке В, равно нулю (РГ = 0), а полное давление равно атмосферному. Ниже точки Г избыточное гидростатическое давление быстро возрастает, несмотря на

последующие потери давления при движении воды.

В промежутке между точками В и Г, особенно в точке Б, при давлении ниже атмосферного и при температуре воды, близкой к 100 °С (90…95 °С),

возможно парообразование. При более низкой температуре воды,

исключающей парообразование, возможен подсос воздуха из атмосферы через резьбовые соединения труб и арматуру. Во избежание нарушения циркуляции из-за вскипания воды или подсасывания воздуха, при конструировании и гидравлическом расчете системы водяного отопления должно соблюдаться правило: в зоне всасывания в любой точке j системы отопления гидростатическое давление при действии насоса должно оставаться

75

-поднятие расширительного бака на достаточную высоту h (рис. 6.5, а);

-перемещение расширительного бака к наиболее опасной верхней точке с целью включения верхней магистрали в зону нагнетания (рис. 6.5, б);

-присоединение труб расширительного бака близ всасывающего патрубка насоса (рис. 6.5, в).

Рис. 6.5. Способы присоединения открытого расширительного бака к системе водяного отопления (обозначения – см. рис. 6.2): а – к главному стояку системы; б – к верхней точке системы, наиболее удаленной от центра нагревания (ц.н); в – близ всасывающего патрубка циркуляционного насоса

6.3. Естественное циркуляционное давление

Естественное циркуляционное давление является одним из составляющих расчетного циркуляционного давления в системе водяного отопления.

Нагревание и охлаждение воды в циркуляционных кольцах системы создает неоднородное распределение ее плотности. В строго горизонтальной системе отопления это явление не вызывает циркуляции воды.

Естественная циркуляция воды возникает только в вертикальной системе и в ее вертикальных элементах (двухтрубных стояках, приборных узлах с замыкающим участком однотрубных стояков и пр.). Значение естественного давления, вызывающего циркуляцию воды, определяется разностью гидростатического давления двух столбов воды одинаковой высоты.

Охлаждение теплоносителя в системе водяного отопления происходит непрерывно по мере удаления от теплообменника, на выходе из которого температура воды имеет наивысшее значение, и заканчивается при

76

возвращении ее к теплообменнику. Постепенное остывание воды в теплопроводах сменяется быстрым охлаждением ее в отопительных приборах.

Поэтому общее естественное циркуляционное давление ре, возникающее в системе, можно рассматривать как сумму двух величин: давления ре.пр,

образующегося вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, и

В большинстве случаев и прежде всего в системах отопления многоэтажных

зданий первое слагаемое является основным по значению, второе – дополнительным. В частном случае (в малоэтажных зданиях) основным может быть ре.тр.

При рассмотрении значений естественного циркуляционного давления используют понятие о центре охлаждения теплоносителя. В центре охлаждения фактически постепенное изменение температуры (и плотности) воды по длине теплопровода или отопительного прибора принимают условно скачкообразным.

С введением такой условной границы охлаждения можно считать, что на каждой половине длины отрезка теплопровода или прибора вода имеет свою постоянную плотность. Определение естественного циркуляционного давления,

возникающего вследствие охлаждения воды в приборах ( ре.пр), связано с видом системы отопления, и это целесообразно сделать совместно с рассмотрением их возможных конструктивных схем. При определении значения естественного циркуляционного давления, вызываемого охлаждением воды в трубах ( ре.тр), примем, что приборы в циркуляционном кольце отсутствуют и вода охлаждается при теплопередаче только через стенки труб.

Рассмотрим схему такого вертикального циркуляционного кольца теплопровода (рис. 6.6), в котором при установившемся движении воды ее плотность постепенно возрастает от значения ρ1, (при температуре после центра нагревания) до значения ρ5 (при температуре перед центром нагревания).

На стыках вертикальных и горизонтальных труб покажем промежуточные значения плотности воды.

77

Рис. 6.6. Схемы вертикального циркуляционного кольца теплопроводов без отопительных приборов с центром нагревания (ц.н) теплоносителя воды при постепенном охлаждении воды в трубах

6.4. Расчет естественного циркуляционного давления в системе водяного отопления

Общим, многократно повторяющимся элементом каждой вертикальной или горизонтальной системы является стояк или ветвь. В стояке и ветви отдельные узлы соединения отопительных приборов с трубами (приборные узлы), объединенные промежуточными теплопроводами, создают основу системы отопления, определяющую принцип ее действия и величину естественного циркуляционного давления, возникающего вследствие охлаждения воды в приборах. Поэтому расчет естественного циркуляционного давления, связанного с охлаждением воды в отопительных приборах ре.пр

рассмотрим при различных приборных узлах, входящих в стояки или ветви систем отопления.

1. Вертикальные однотрубные системы отопления

Однотрубная система отопления с верхней разводкой. На рис. 6.7

приведена расчетная схема части однотрубной системы с верхней разводкой и тупиковым движением воды в магистралях. Стояки даны для трехэтажного здания с различными наиболее часто применяемыми приборными узлами. В

стояке 1 (ст.1) показаны проточные узлы, в стояке 2 (ст.2) – проточно-

регулируемые узлы со смещенными обходными участками и трехходовыми

78

регулирующими кранами (типа КРТ) в стояке 3 (ст.3) – узлы со смещенными замыкающими участками и проходными регулирующими кранами (типа КРП).

Присоединение приборов к стоякам принято односторонним.

Здесь и далее система отопления условно изображена со стояками различной конструкции для наглядности при сравнении. Обычно в системе преобладает какой-либо один тип приборного узла (например, проточно-

регулируемые узлы), хотя может встретиться еще и другой тип (например,

проточные узлы во вспомогательных помещениях). На рисунке над отопительными приборами нанесена тепловая нагрузка Q, т.е.

теплопотребность помещений, Вт. Внутри контура каждого прибора кружком помечен центр охлаждения воды. Проставлено также вертикальное расстояние между центрами охлаждения и центром нагревания (ц.н) воды в тепловом пункте. Расход воды в стояке Gст, кг/ч, при заданных теплопотребности помещений, виде отопительных приборов и температуре воды определяется по формуле:

множитель 3,6), или, иначе, суммарной тепловой нагрузке приборов;

1, 2 – поправочные коэффициенты;

с – удельная теплоемкость воды (4,187 кДж/кг °С);

tст – расчетный перепад температуры воды в стояке.

Видно, что расход воды в однотрубном стояке прямо пропорционален тепловой нагрузке стояка Qст и обратно пропорционален расчетному перепаду температуры воды в стояке tст = tг – tо. Температура воды на каждом участке стояка будет промежуточной между значениями tг и tо в зависимости от степени ее охлаждения в том или ином помещении. Пропорция для определения температуры t3 (рис. 6.7) Qст = (tг – tо) = Q3 /(tг – t3), откуда t3 = tг – (Q3 /Qст)(tг – tо).

Аналогично:

где Qi – суммарная тепловая нагрузка всех отопительных приборов на стояке до рассматриваемого участка (считая по направлению движения воды).

На рис. 6.7 заштрихованы половины высоты двух приборов стояка 1, в

которых температура воды условно принята постоянной и равной t3. Можно считать, что температура воды t3 (и плотность ее ρ3) сохраняется в стояке по высоте h3, а температура t2 (и плотность ρ2) – по высоте h2.

Гидростатическое давление в стояке при его высоте, равной h3+ h2+ h1

(рис. 6.7), не считая части стояка выше условного центра охлаждения верхнего прибора, где температура воды принята равной температуре воды в главном стояке, составит:

g(h3ρ3 + h2ρ2 + h1ρо),

где ρо – плотность воды при температуре tо обратной воды в системе.

Рис. 6.7. Расчетная схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления с верхней разводкой: Ст.1 – проточный стояк; Ст.2 – проточно-регулируемый стояк; Ст.3 – стояк с замыкающими участками; кружки в контуре отопительных приборов – центры охлаждения воды в приборах; жирные точки на стояке 3 – центры охлаждения воды в стояке