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).

Динамика давления в местной системе отопления с расширительным баком

В вертикальной системе отопления (ее замкнутый контур изображается двойными линиями) 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 (например, на уровне I-I оно равно ρghi где hi - высота столба воды или глубина погружения под уровень воды в расширительном баке 1). Наименьшее гидростатическое давление ρghi действует в верхней магистрали, наибольшее ρgh2 - в нижней, причем бездействующий насос 2 испытывает, как уже отмечалось, равное давление со стороны как всасывающего, так и нагнетательного патрубка.

Динамика давления в местной системе отопления с расширительным баком

Эпюра гидростатического давления в системе отопления с ненагреваемой водой, находящейся в покое

1 - расширительный бак; 2 - циркуляционный насос (бездействует).

Величину избыточного гидростатического давления в трубах системы отопления нанесем на рис. штрихпунктирными линиями в прямой зависимости от высоты столба воды h и для ясности изображения отложим давление в верхней магистрали над нею, в нижней - под нею, а в вертикальных трубах - слева и справа от них. Показанные на рисунке штрихпунктирные линии называются пьезометрическими, а их совокупность - эпюрой гидростатического давления, в данном случае в статическом режиме.

Динамика давления в местной системе отопления с расширительным баком

Эпюра гидростатического давления в системе отопления с нагреваемой водой при бездействии насоса

1 - расширительный бис; 2 - циркуляционный насос.

В системе отопления при циркуляции с постоянной скоростью движения воды - вязкой жидкости - энергия давления изменяется по длине теплопроводов. Вязкость и деформации потока обусловливают сопротивление 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 (ц. н. - центр нагревания), охлаждается в другой (ц. о. - центр охлаждения). При этом 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. Тогда максимальное гидростатическое давление в нижней точке правого стояка с охлажденной водой будет:

g*(ρu*h1о*h2),

а максимальное гидростатическое давление в левом стояке с нагретой водой

g*(ρг*h1г*h2),

Так как ρог, то гидростатическое давление в правом стояке при отсутствии циркуляции воды будет больше, чем в левом. Штрихпунктирные линии на рисунке изображают эпюру давления в статическом режиме. Разность полученных гидростатических давлений, вызывающая циркуляцию воды по часовой стрелке, является естественным циркуляционным (гравитационным) давлением:

Δpео*g*h2г*h2,

где h2 - вертикальное расстояние между центрами охлаждения и нагревания воды или высота двух столбов воды - охлажденной и нагретой.

Из уравнения можно сделать выводы:

а) естественное циркуляционное давление возникает из-за различия гидростатического давления двух столбов охлажденной и нагретой воды равной высоты;

б) естественное циркуляционное давление не зависит от высоты расположения расширительного бака.

В общем виде естественное циркуляционное (гравитационное) давление в системе водяного отопления равняется:

Δpе=Δρ*g*h,

и его величина зависит от разности плотности воды и вертикального расстояния между центрами охлаждения и нагревания воды.

Под влиянием естественного циркуляционного давления в замкнутом контуре системы отопления устанавливается определенная циркуляция воды, при которой давление Δpе, вызывающее- циркуляцию, равняется сопротивлению движению воды в системе Δpс:

Δpе=Δpс,

Гидростатическое давление в точке присоединения трубы расширительного бака к верхней магистрали системы отопления, равное pr*gh1, 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, нанесем на рисунок 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 - при насосной циркуляции воды в системе отопления показана на рисунке (сплошные линии). 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.

image057

Эпюра гидростатического давления в системе отопления с нагреваемой водой при действии насоса

  1. расширительный бак;
  2. 2циркуляционный насос.

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.

Общую потерю давления при движении воды в замкнутом контуре системы отопления Δрс выразим через потерю давления в зоне нагнетания (обозначим ее Δрнаг) и в зоне всасывания (Δрвс) как:

Δрс= Δрнаг+Δрвс,

С другой стороны, из формулы следует, что Δрс=Δрн+Δре. На рисунке показано, что Δрн меньше суммы Δрнаг и Δрвс на величину Δре.

Общее (насосное и гравитационное) циркуляционное давление при установившемся движении воды будет затрачиваться без остатка на преодоление линейных и местных сопротивлений в зонах нагнетания и всасывания, увеличившихся вследствие роста скорости движения.

Сравнивая рисунки, можно установить степень изменения гидростатического давления, связанную с потерей давления при циркуляции воды в теплопроводах системы отопления:

а) увеличение давления в любой точке теплопроводов в зоне нагнетания насоса равняется величине потери давления в трубах от рассматриваемой точки до точки постоянного давления (например, ΔрА-О);

б) уменьшение давления в любой точке теплопроводов в зоне всасывания насоса равняется величине потери давления в трубах от точки постоянного давления до рассматриваемой точки (например, ΔрО-Б).

На основании этого вывода напишем формулы для определения избыточного гидростатического давления в любой точке местной системы отопления с расширительным баком при циркуляции воды:

в зоне нагнетания

pi наг=ρ*g*hi+Δpi-o,

в зоне всасывания

pi вс=ρ*g*hi+Δpo-i,

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

image058

Изменение гидростатического давления в верхней подающей магистрали системы отопления

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 этом возможен случай, когда гидростатическое давление не только понизится до атмосферного, но даже может возникнуть разрежение.

Рассмотрим такой случай. На рисунке изображена динамика давления на отрезке теплопровода от точки О до точки Г в зоне всасывания насоса. В точке постоянного давления О гидростатическое давление равно ρgh. B 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. В точке В ρgh=Δpo-в и рв=0, т. е. избыточное давление равно нулю, а полное давление, как и на поверхности воды в расширительном баке, равно атмосферному давлению pa. B промежутке между точками В и Б дальнейшая потеря давления вызывает разрежение — давление падает ниже атмосферного (знак минус на рисунке). Наиболее заметно давление понизится и разрежение достигнет наибольшей величины в точке Б. Здесь полное давление рБа+ρgh-ΔрО-Ба-ΔрВ-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 ρ*g*hг=Δpo-r, избыточное давление вновь, как в точке В, становится равным нулю - рг=0, а полное давление - атмосферному. Ниже точки Г действует избыточное гидростатическое давление, быстро возрастающее по известной уже причине, несмотря на наследующую потерю давления при движении воды,

image059

Способы присоединения труб расширительного бака к системе водяного отопления

а - к главному стояку системы; б - в верхней точке системы, наиболее удаленной от центра нагревания (ц.н.); в - вблизи всасывающею патрубка циркуляционного насоса.

В промежутке между точками В я Г, особенно в точке Б, при давлении ниже атмосферного и при температуре воды, близкой к 100° (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 воды из-за ее вскипания или подсасывания воздуха при конструировании и гидравлическом расчете теплопроводов системы водяного отопления должно соблюдаться правило: в зоне всасывания в любой точке i теплопроводов системы отопления гидростатическое давление при действии насоса должно оставаться избыточным Рi>рa; для этого должно удовлетворяться неравенство:

ρ*g*hi>Δpo-i,

Возможны три способа выполнения этого правила:

а) поднятие расширительного бака на достаточную высоту h;

б) перемещение расширительного бака 1 к наиболее опасной верхней точке с целью включения верхней магистрали в зону нагнетания;

в) присоединение труб расширительного бака вблизи всасывающего патрубка циркуляционного насоса 2.

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. Гидростатическое давление в главном обратном стояке превышает атмосферное даже при значительной потере давления в нем (см. пьезометрические линии на рисунке).

Второй способ присоединения расширительного бака применим в одноветвевой 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 1, присоединенным в наиболее удаленной точке от главного подающего стояка 2.

image060

Изменение гидростатического давления в обратных магистрали и главном стояке системы отопления с проточным расширительным баком

В такой точке - выберем ее в левой ветви системы отопления на стояке 1 (рис.) -возникает точка постоянного давления О1. В подающей магистрали левой ветви, входящей в зону нагнетания, гидростатическое давление при действии насоса 4 повысится, причем наибольшее изменение давления произойдет в точке А.

В промежуточной точке Б повышение давления равняется ΔpБ-О1 (см. рис.). При движении воды от точки Б по стояку II найдется точка O2, для которой справедливо равенство потери давления - ΔpБ-О=ΔPБ-O1. Точка O2, в которой компрессионное давление насоса равно нулю, является второй точкой постоянного давления системы. Гидростатическое давление в точке O2*pO2=p*g*{h1+h2) не изменяется как при бездействии, так и при работе насоса.

Проведем пьезометрическую линию для подающей магистрали правой ветви системы (сплошная линия с наклоном слева направо на рис.) и убедимся, что в каждом циркуляционном кольце этой ветви (их в данном случае два - через стояк III и через стояк IV) существуют свои точки постоянного давления O3 и O4. В каждой из них действует неизменное (но отличающееся по величине) гидростатическое давление и положение их определяется удовлетворением равенству потери давления при циркуляции воды:

ΔpA-O3=ΔpA-O4= ΔpA-O1.

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 (в нашем примере - четыре точки постоянного давления в четырех циркуляционных кольцах через стояки I-IV).

image061

Изменение гидростатического давления в верхней подающей магистрали двухветвевой системы отопления

1 - расширительный бак; 2- главный подающий стояк, 3 - центр нагревания; 4 - циркуляционный насос; 5 - воздухосборник с вантузом; 6 - задвижка.

В системе отопления, изображенной на рис., отметим еще точку Г, в которой установлен воздухосборник 5 с вантузом. Точка Г находится в зоне всасывания насоса, и гидростатическое давление в ней понижается в соответствии с формулой на величину ΔpO4-Г.

Вантуз для надежного действия должен находиться под некоторым внутренним избыточным давлением. Допустим, что это давление при конструировании вантуза принято равным 3*103 Па (напор 0,3 м вод. ст.). Тогда для обеспечения такого давления в нашем случае потеря давления от точки O4 до точки Г или, что то же, понижение гидростатического давления в точке Г может быть не более:

ΔpO4-Г=104*(h-0,3)Па,

где h - вертикальное расстояние от верхней точки вантуза до уровня воды в расширительном баке, м.

Покажем, что это условие, выполненное при проектировании, все же может быть нарушено в процессе эксплуатации системы отопления. Действительно, при прекращении циркуляции воды в левой ветви (закрыта задвижка 6 на рис.) точкой постоянного давления становится точка Л, как точка, в которой система соединяется с трубой расширительного бака (попутно заметим, что все четыре точки постоянного давления сольются при этом в одну, общую для циркуляционных колец, оставшихся в действии), а давление в точке Г понижается до величины:

рг=ρ*g*h1-ΔpА-Г.

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 (см. рис.), 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 дающей 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.


Похожие материалы:
Новые материалы:
Предыдущие материалы:

 

Черный цвет в интерьере - дизайн

Черный цвет в интерьере - дизайн

Существуют люди, которые предпочитают черный цвет в интерьере, но существуют и такие, которые будут его критиковать. Самым распространенным сочетанием является: черная цветовая гамма с белой.

 

Декоративные подушки в интерьере – что нужно знать

Декоративные подушки в интерьере – что нужно знать

Подушки - идеальный материал для декорирования интерьера. С их помощью можно легко и быстро преобразить пространство, придав ему особый характер и уникальность.

 

Большие идеи для маленьких кухонь

Большие идеи для маленьких кухонь

Конечно же, все мы мечтаем о прекрасных больших кухнях. Читаем о них в журналах по дизайну, а иногда видим в квартире лучшей подруги. Но наша кухня выглядит иначе, и мы должны смириться с обстоятельствами, в которых живем.