Принцип действия и устройство систем водяного отопления

СИСТЕМА ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

Процесс отопления происходит по следующей схеме. Вода, нагретая в отопительном котле, как более легкая, поднимается по стояку вверх, поступает в разводящие магистральные трубопроводы, а из них через падающие стояки - в нагревательные приборы (радиаторы). Отдавая тепло, вода в радиаторе остывает, становиться более тяжелой и через трубы обратной разводки, соединенной со стояком, опускается в низ, поступает в нагревательный котел и своей массой вытесняет нагретую воду из котла вверх - в главный подающий стояк.

Схемы устройства водяного отопления показаны на рис. 1.1 и 1.2.

Пока нагревательный котел работает, этот процесс непрерывно повторяется и в результате в системе происходит циркуляция воды. Таким образом, вода двигается под действием гидростатического напора, возникающего благодаря различной плотности охлажденной и нагретой жидкости. Например, плотность воды при 40⁰С составляет 992,24 кг/м³, при 70⁰С - 977,8 кг/м³, при 95⁰С - 961,9 кг/м³.

Циркуляционное давление зависит от разности весов столба горячей и столба охлажденной (обратной) воды, следовательно, оно зависит от разности температур горячей и охлажденной воды. Кроме того, циркуляционное давление зависти еще от высоты расположения нагревательных приборов (радиаторов) над котлом. Чем выше, расположен прибор, тем больше для него циркуляционное давление. Поэтому в системах водяного отопления нагревательные приборы, расположенные на верхнем этаже, прогреваются лучше, чем приборы на нижнем этаже. Ясно, что в двухтрубных системах отопления нагревательные приборы, расположенные на одном уровне с отопительным котлом или ниже его, нагреваться практически не будут. Для таких систем, как показывает практика, наименьшее расстояние между центром нагревательных приборов, расположенных на первом этаже, и центром отопительного котла должно быть не менее 3м. Поэтому котельная для такой системы должна располагаться в подвале. Указанного недостатка лишены однотрубные системы отопления, так как гидростатический напор, заставляющий циркулировать воду в системе, будет образовываться из-за охлаждения воды в трубопроводах, подводящих нагретую воду к радиаторам, а также отводящих охлажденную воду от радиаторов к отопительному котлу. Охлаждение указанных трубопроводов приносит двойную пользу. Во-первых, способствует созданию гидростатического напора, а во-вторых, дополнительному обогреву помещения. Поэтому трубопроводы прокладывают открыто и не изолируют. Что касается главного трубопровода (подъемного стояка горячей воды), то его, наоборот, надо тщательно теплоизолировать. Охлаждение воды в этом стояке приводит к снижению температуры и увеличению плотности воды, а это, как мы знаем, приводит к уменьшению гидростатического напора.

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 пуска определенного количества воды, и наоборот, чем меньше циркуляционное давление, тем больше должен быть диаметр трубы. Чтобы система отопления действовала нормально, требуется еще одно условие: циркуляционное давление должно быть достаточным для преодоление всех сопротивлений, которые встречает движущаяся в этой системе вода. 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, вентили и другие элементы системы отопления. Величина местного сопротивления зависит от скорости воды, а скорость воды от изменения сечений и направления движения воды в разводящих трубопроводах.

Сопротивление, вызываемое трением, зависит от диаметра и длины трубопровода и скорости воды (если скорость увеличивается в 2 раза, то сопротивление - в 4 раза). Чем меньше диаметр и больше длина трубопровода и чем выше скорость воды, тем больше сопротивление создается на пути воды и наоборот. При большой длине труб сопротивление возрастает, с увеличением диаметра труб оно падает. Часто можно заметить, что диаметр трубы дальнего от котла стояка больше, чем ближайшего. Рассчитывая расстояния и диаметры труб, можно уравнять сопротивление и количество перемещаемой в системе воды.

В системах с естественной циркуляцией теплоносителя в малоэтажных домах величина циркуляционного давления невелика, и поэтому в них нельзя допускать больших скоростей движения воды в трубах, следовательно, диаметр труб должны быть большими. Применение систем с естественной циркуляцией может оказаться экономически не выгодным, они оправданы лишь для небольших домов.

Достоинства и недостатки систем отопления с естественной циркуляцией воды:

Достоинства:

• простота монтажа и ввода в эксплуатацию;
• экономичность и простота эксплуатации;
• отсутствие циркуляционного насоса, а соответственно, шума и вибрации;
• сравнительная долговечность (при правильной эксплуатации - более 40 лет без капитального ремонта);
• способность системы к саморегулированию: при изменении температуры и плотности воды изменяется и расход вследствие возрастания или уменьшения естественного циркуляционного давления. Одновременное изменение температуры и расход воды обеспечивает теплопередачу приборов, необходимую для поддерживания заданной температуры помещений, т.е. придает системе тепловую устойчивость.

Недостатки:

• замедленное включение системы в действие;
• сокращение радиуса действия системы по горизонтали до 30 м из-за небольшого циркуляционного давления;
• повышение затрат в связи с применением труб большего диаметра;
• повышение опасности замерзания воды в трубах, проложенных в неотопительных помещениях.

СИСТЕМА ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

В отличие от системы водяного отопления с естественной циркуляцией, где циркуляционное давление очень мало и зависит от разности температур горячей и охлажденной воды, в системе с искусственной циркуляцией перемещение воды по трубам создается центробежными насосами. Насосы, действующие в замкнутой кольцевой системе отопления, заполненной водой, не поднимают, а только перемещают, создавая циркуляцию, и поэтому называются циркуляционными.

Циркуляционный насос монтируют, как правило, в трубопровод обратной линии. Охлажденная вода подается в котел насосом. Такая установка исключает взаимодействие насоса с горячей водой и увеличивает срок его службы. И еще одна важная деталь этой системы. Расширительный бак подсоединен не к главному стояку, подающему горячую воду, как в системе с естественной циркуляцией, а к обратной трубе магистрали (рис. 1.3).

В системах отопления целесообразно использовать специальные малошумные с горизонтальными лопастями насосы центробежного типа, соединенный в единый блок с электродвигателями и закрепленные непосредственно на трубах. Такие насосы перемещают значительное количество воды и развивают сравнительно небольшие давления. Их применение позволяет существенно увеличить протяжность трубопровода и уменьшить диаметры разводящих трубопроводов. Кроме того, с установкой циркуляционного насоса появляется возможность изменять схемные решения системы отопления, например, отказаться от верхней разводки трубопроводов и перейти к нижней разводке (рис. 1.4). Итак, насос позволяет воде циркулировать по трубам и радиаторам с нужной скоростью. Работает насос от бытовой электросети. Насос соединен с автоматикой котла, что позволяет выбирать режим работы. Хороший насос может работать в нескольких режимах и практически бесшумно.

Движение жидкости необходимо, потому что нагретая вода, отдавая тепло, остывает. Значит, ее надо снова нагревать. Чем быстрее нужно обогреть помещение, тем сильнее нагревается котел. И, следовательно, чем больше скорость воды (сильнее работает насос), тем больше тепла «отдает» батарея за меньший промежуток времени.

Допустим, температура в комнате нагрелась до заданного значения, и теперь требуется только поддерживать ее на уровне. В этом случае система автоматически замедляет работу. Котел работает на меньшую мощность, насос качает медленнее, температура в батареях снижается. Скорость движения воды система выбирает автоматически. Но при скорости более 2,5 м/с во всех трубах начинается гудение. Этот неприятный звук «говорит» о том, что насос работает неправильно (то есть скорость движение воды слишком велика).

Выбирая насос, надо учитывать параметры отопительной системы (высоту, длину и диаметр труб, количество и вид радиаторов и т.д.). Однако применение насосных систем отопления возможно только при условии надежного электроснабжения дома.