Учебник для вузов

Отопление

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

1. ДИНАМИКА ДАВЛЕНИЯ В МЕСТНОЙ СИСТЕМЕ ОТОПЛЕНИЯ С РАСШИРИТЕЛЬНЫМ БАКОМ

На поверхность воды в открытом расширительном баке действует давление, равное атмосферному. Примем свободную поверхность воды в баке за плоскость отсчета для определения избыточного гидростатического давления и будем считать уровень, на котором находится вода в баке неизменным при определенных объеме и температуре воды в системе отопления. Тогда в толще воды в каждой точке системы отопления можно определить избыточное гидростатическое давление в зависимости от высоты столба воды, расположенного над рассматриваемой точкой (в связи с изменением положения точки).

В вертикальной системе отопления с ненагреваемой водой при бездействии насоса, т. е. с водой равномерной плотности, находящейся в покое, избыточное гидростатическое давление в теплопроводах одинаково на любом рассматриваемом уровне

Наименьшее гидростатическое давление pgh\ действует в верхней магистрали, наибольшее pgh2 — в нижней, причем бездействующий насос 2 испытывает, как уже отмечалось, равное давление со стороны как всасывающего, так и нагнетательного патрубка.

В системе отопления при циркуляции с постоянной скоростью движения воды — вязкой жидкости — энергия давления изменяется по длине теплопроводов. Вязкость и деформации потока обусловливают соиротнвленве движению воды. Они вызывают потерю части энергии давления, имеющейся в движущемся потоке, переходящей в результате трения (линейная потеря) и вихреобразования (местная потеря) в тепло.

Следовательно, в горизонтальной трубе    гидростатическое давление уменьшается в направлении движения воды.

В вертикальной трубе при движении воды снизу вверх гидростатическое давление значительно убывает не только из-за линейной и местной потери давления, но и вследствие уменьшения высоты столба воды. В вертикальной трубе при движении воды сверху вниз гидростатическое давление возрастает по мере увеличения высоты столба воды, несмотря на попутную потерю давления.

Гидростатическое давление в трубе с восходящим потоком изменяется интенсивнее, чем в трубе с нисходящим потоком.

Рассмотрим изменение гидростатического давления в системе отопления с нагреваемой водой при бездействии насоса — фактически в гравитационной системе отопления. Представим, что вода в системе отопления, нагреваемая в одной точке, охлаждается в другой (ц. о. — центр охлаждения). При ьтом плотность воды в левом стояке составит рг, в правом — р0. В системе отопления при неравномерном распределении плотности воды должно возникнуть свободное движение — естественная циркуляция воды.

Для  определения гидростатического    давления    предположим, что вода в системе на какое-то мгновение неподвижна.

Гидростатическое давление в точке присоединения трубы расширительного бака к верхней магистрали системы отопления, равное pr-ghi, при рассмотренных ранее условиях измениться не может. Эта точка называется точкой постоянного давления или «нейтральной» точкой системы.

Во всех остальных точках теплопроводов системы гидростатическое давление при циркуляции воды должно измениться из-за потери давления. Условно принимая линейную и местную потерю давления в теплопроводах равномерной, вторую эпюру гидростатического давления уже 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 течкой 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 левом подъемном стояке (с восходящим потоком воды) возрастает, а в правом опускном стояке (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 контуру трубы расширительного бака.

Перейдем к рассмотрению динамики давления в системе отопления с нагреваемой водой при действии циркуляционного насоса — в местной насосной системе отопления.

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 лопастной насос обеспечивает лишь определенную кратность циркуляции в системе неизменного количества воды, практически несжимаемой. 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, то гидростатическое давление в точке присоединения бака к трубам системы будет постоянным. Точка эта по-прежнему остается «нейтральной», т. е. на гидростатическое давление в ней не влияет давление, создаваемое насосом (давление насоса в этой точке равно нулю).

Следовательно, точка постоянного давления будет местом, в котором 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.

Эпюра гидростатического давления в динамическом режиме. Видно, что в зоне нагнетания насоса — от нагнетательного патрубка насоса до точки постоянного давления О — гидростатическое давление за счет компрессии насоса увеличивается во всех точках, в зоне всасывания — от точки О до всасывающего патрубка насоса — уменьшается в результате разрежения, вызываемого насосом,

Таким образом, можно расширить вывод, сделанный ранее для гравитационной системы: при циркуляции воды в замкнутом контуре системы' отопления — и гравитационной и насосной — гидростатическое давление изменяется во всех точках, за исключением одной точки — точки присоединения трубы расширительного бака.

Очевидно, что в зоне нагнетания насоса следует считаться (это рассматривается ниже) с повышением гидростатического давления по сравнению с давлением воды в состоянии покоя. Напротив, в зоне всасывания насоса ^необходимо учитывать понижение давления. При STOM возможен случай, когда гидростатическое давление не только понизится до атмосферного, но даже может возникнуть разрежение.

Первый способ вызывает архитектурно-строительные затруднения и применим лишь в отдельных случаях при подходящем архитектурном облике здания. Второй способ целесообразно использовать в системе с «опрокинутой» циркуляцией воды. В такой системе используется проточный расширительный бак 1 присоединяемый в высшей точке верхней обратной магистрали 2 над главным обратным стояком 3. Точка постоянного давления О находится в самом баке. Вся верхняя обратная магистраль входит в зону нагнетания насоса. Зона всасывания охватывает главный обратный стояк и нижнюю часть общей обратной магистрали до насоса.

Второй способ присоединения расширительного бака применим в од-новетвевой системе отопления с верхней подающей магистралью. Бак при этом выполняет также роль воздухоотводчика. Однако в разветвленной системе отопления второй способ присоединения расширительного бака к верхней подающей магистрали может при определенных условиях вызвать нарушение циркуляции воды.

Для выявления этих условий рассмотрим динамику давления воды в двухветвевой системе отопления с расширительным баком /, присоединенным в наиболее удаленной точке от главного подающего стояка 2./

В такой точке — выберем ее в левой ветви системы отопления на стояке 1 —возникает точка постоянного давления Оь В подающей магистрали левой ветви, входящей в зону нагнетания, гидростатическое давление при действии насоса 4 повысится, причем наибольшее изменение давления произойдет в точке А [см. сплошную линию с наклоном справа налево и формулу

Это равенство может рассматриваться также как равенство потери давления давлению, создаваемому насосом в точке А. При движении воды по трубам от точки А давление насоса убывает, постепенно расходуясь на преодоление сопротивления течению воды, и, наконец, в некоторой точке в каждом циркуляционном кольце системы оно станет равным нулю. Эта точка и будет точкой постоянного давления. Очевидно, что на теплопроводы системы до каждой такой точки распространяется зона нагнетания насоса, на теплопроводы после них — зона всасывания.

Таким образом, при присоединении расширительного бака к верхней подающей магистрали в удалении от главного стояка в системе возникают несколько точек постоянного давления. В пределе число таких точек равняется числу параллельных циркуляционных колец системы

Это давление не только может оказаться недостаточным для действия вантуза, но может быть даже ниже атмосферного, что нарушит нормальную циркуляцию воды.

Для того чтобы исключить возможность нарушения циркуляции воды, практически широко используется третий способ присоединения труб расширительного бака к системе отопления. Точка постоянного давления при этом возникает в обратной магистрали вблизи насоса как одна, общая для всех циркуляционных колец системы. Зона нагнетания насоса распространяется почти на все теплопроводы системы, в том числе и на наиболее высоко расположенные и удаленные от насоса, как опасные в отношении вскипания воды. Зона всасывания ограничивается отрезком общей обратной магистрали от точки О до всасывающего патрубка насоса, в котором гидростатическое давление в покое достаточно велико и существенно не уменьшается при действии насоса.

Расширительный бак, как известно, соединяется с системой отопления двумя трубами — расширительной и циркуляционной, создающими контур циркуляции воды через бак. В нем имеется еще одна верхняя точка постоянного давления, находящаяся непосредственно в расширительном баке. Первая же — нижняя точка постоянного давления размещается между точками присоединения расширительной и циркуляционной труб к обратной магистрали. Положение нижней точки постоянного давления определяется соотношением потери давления в расширительной и циркуляционной трубах. Если их диаметр и длина равны, то точка постоянного давления находится посередине между точками присоединения труб бака. Если диаметр одной из труб больше, то точка постоянного давления смещается в сторону точки присоединения этой трубы.

Точка присоединения расширительной трубы входит в зону нагнетания насоса, и в ней происходит деление общего потока воды на два, один из которых (основной) по-прежнему протекает по обратной магистрали, а другой — по параллельному пути через бак до точки присоединения циркуляционной трубы, относящейся уже к зоне всасывания.

Если применяется несколько соединительных труб, например три, то верхняя точка постоянного давления по-прежнему находится в расширительном баке, а нижняя — между точками присоединения к магистрали системы отопления двух крайних соединительных труб. По одной из них вода из зоны нагнетания направляется в бак, по другой — возвращается из бака в зону всасывания. По средней соединительной трубе вода может двигаться и в бак и из бака в зависимости от положения нижней точки постоянного давления.

Из рассмотрения динамики давления в местной системе отопления с открытым расширительным баком следуют общие выводы: во всяком замкнутом контуре движения воды может быть только одна точка постоянного давления, в которой зона нагнетания сменяется зоной всасывания. Двух последовательных точек постоянного давления в одном циркуляционном контуре существовать не может, ибо для движения воды в заданном направлении в системе отопления создается и поддерживается разность давления во всех точках. При этом следует оговориться, что поскольку в самом насосе разрежение переходит в компрессию и в нем существует своя «нейтральная» точка, то при рассмотрении точек постоянного давления имеются в виду лишь точки, возникающие за пределами насоса.

В зоне нагнетания циркуляционного контура, т. е. до точки постоянного давления, гидростатическое-давление увеличивается по сравнению с давлением в состоянии покоя; в зоне всасывания, т. е. после точки постоянного давления (по направлению движения воды), оно уменьшается.

Точка постоянного давления может быть единственной во всей системе отопления, если расширительный бак присоединяется к общей подающей или обратной магистрали. Тогда она принадлежит любому циркуляционному кольцу системы.

В системе отопления может быть несколько точек постоянного давления, если имеются циркуляционные кольца, не включающие в себя точку присоединения расширительного бака. При этом одна из них во всяком случае находится в точке присоединения бака.