Расчет давления в системах водяного отопления

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАСЧЕТ ДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ



1. Динамика давления в системах отопления

Гидравлическое давление в каждой точке замкнутых циркуляционных колец системы отопления в течение отопительного сезона непрерывно изменяется вследствие непостоянства плотности воды и циркуляционного давления, что обусловлено изменением температуры и расхода воды в процессе эксплуатации.

Исходное значение давления соответствует гидростатическому давлению в каждой точке в состоянии покоя. Наибольшие изменения в системе отопления происходят при циркуляции максимального количества воды, температура которой достигает предельного значения при расчетной температуре наружного воздуха. Сравнивая крайние значения при этих двух гидравлических режимах, можно судить о динамике давления в каждой точке при действии системы отопления в течение отопительного сезона.

Анализ динамики гидравлического давления делают с целью выявления в системе отопления мест с чрезмерно низким или высоким давлением, вызывающим нарушение циркуляции воды или разрушение отдельных элементов. На его основе проводят мероприятия, обеспечивающие нормальное действие системы отопления.

Для установившегося потока воды -- капельной несжимаемой жидкости - уравнение Бернулли имеет вид:

p +pgh+p=const,

где h-- высота положения оси или сечения потока воды над плоскостью сравнения, м; р -- давление и потоке воды, Па.

По уравнению Бернулли полная энергия потока состоит из кинетической и потенциальной.

Кинетическая энергия потока воды измеряется гидродинамическим давлением. Например, при скорости движения воды в теплопроводах насосной системы отопления, равн5м/с, гидродинамическое давление составляет

(111 кгс/м2).

Потенциальная энергия потока воды складывается из энергии положения потока pqh и энергии давления р в потоке.

В каком-либо сечении потока воды энергия положения измеряется высотой h положения оси или сечения потока над плоскостью сравнения, энергия давления -- пьезометрической высотой, на которую может подняться вода над рассматриваемым сечением. В замкнутой системе отопления проявляется энергия давления, рассматриваемая как гидростатическое давление в каждом сечении теплопроводов, вызывающее циркуляцию воды.

Гидростатическое давление в вертикальной трубе при изменении положения потока только на 1 м возрастает или убывает на pgh = 970*9,81 * 1 ? 9500 Па (970 кгс/м2). Очевидно, что изменение гидростатического давления по высоте системы отопления даже одноэтажного здания более чем на целый порядок превышает максимальное значение гидродинамического давления. Поэтому для характеристики изменения гидравлического давления в системе отопления достаточно учитывать изменение только гидростатического давления, приближенно считая его равным полному.

2. Динамика давления в районной системе отопления с расширительным баком

В системе водяного отопления группы зданий при теплоснабжении от собственной тепловой станции расширительный бак размещают, в самом высоком здании (с учетом рельефа местности), соединительные трубы бака подключают к наружному обратному теплопроводу, а не к местным магистралям здания, чтобы избежать отключения бака от остальной части системы при местном ремонте.

Рассмотрим динамику давления, например, в общей системе отопления четырех зданий, самое высокое из которых удалено от тепловой станции (рис. VI.1).

Гидростатическое давление в этой системе при бездействии циркуляционного насоса (штрихпунктирная линия) определяется положением уровня воды в расширительном баке, установленном в здании IV, -над рассматриваемой точкой какой-либо части системы. Наибольшим оно будет в наружных теплопроводах и во внутренних теплопроводах в подвалах зданий.

При действии насоса гидростатическое давление изменится во всех точках системы, кроме точки постоянного давления (точка О), находящейся в месте присоединения труб расширительного бака к обратному теплопроводу у здания IV. В зоне нагнетания от насоса (точка А) до точки О оно возрастет, и зоне всасывания от точки О до насоса (точка /-/ ) понизится в зависимости от потери давления в теплопроводах (сплошные наклонные линии). Для местной системы отопления здания IV возникает наименьшее насосное циркуляционное давление ?рIV, для здания / -- наибольшее.

В местной системе отопления здания / гидростатическое давление должно изменяться от давления в точке Б (на вводе подающего тепло провода в здание) от давления в точке Б (на вводе подающего теплопровода здание) до давления точке З (в обратном теплопроводе).

Давление в точке З оказывается ниже гидростатического давления в местной системе отопления здания /. Во избежание скопления воздуха и нарушения циркуляции воды необходимо повысить гидростатическое давление в обратной магистрали местной системы до давлениям точке 2. Для этого можно поднять расширительный бак в здании IV, уменьшить наклон обратной, пьезометрической линии путем увеличения диаметра обратного наружного, теплопровода (что повысит стоимость его прокладки), или установить на местной обратной магистрали регулятор давления типа «до себя». Такой регулятор давления должен быть рассчитан на понижение давления от р2 до р3 (?рРД = рг -- ps ) при пропуске расчетного расхода воды в местной системе отопления здания /.

Рис.1. Изменения гидростатического давления в наружных теплопроводах общей системы отопления четырех зданий с расширительным баком в наиболее удаленном здании (IV) от тепловой станции (О -- точка постоянного давления).

Гидростатическое давление в точке Б не должно превышать предельно допустимого (рабочего) давления для всех элементов (арматуры, отопительных приборов) местной системы отопления здания /. В случае необходимости гидростатическое давление в подающем теплопроводе может быть искусственно снижено до значения в точке 1, при котором обеспечиваются прочность этих элементов и вместе с тем необходимая циркуляция воды в местных теплопроводах. Давление может быть понижено с помощью, например, регулятора давления «после себя» или диафрагмы, причем расчетная разность давления составляет



?рД = рБ -- p1

В результате понижения давления в местной подающей магистрали до р1, и повышения давления в местной обратной магистрали до р2 насосное циркуляционное давление для местной системы отопления здания / составит ?pI = р1 -- р2.

Циркуляционный насос, установленный на тепловой станции, создает давление, как видно из рис. V.I., равное сумме потери давления в зонах нагнетания ?рНАГ и всасывания ?рВС. При значительной величине ?рВС понижение гидростатического давления во всасывающем патрубке насоса может сопровождаться кавитацией. Кавитация скорее всего может возникать в циркуляционном насосе протяженной системы отопления группы малоэтажных зданий (например, в сельских населенных пунктах).

Для исключения кавитации в насосе величина ?рВС практически должна быть меньше гидростатического давления в бездействующем насосе (в статическом режиме) по крайней мере, на 0,05 МПа. Так, например, если разность уровней установки расширительного бака и насоса составляет 7 м (бак размещается в двухэтажном здании), то потеря давления в теплопроводах зоны всасывания (от точки О до точки И на рис. V. 1) не должна превышать 0,02 МПа. Очевидно, что при мило этажной застройке расширительный бак следует размещать поблизости от тепловой станции.

В процессе последовательного возведения зданий одинаковой высоты, обслуживаемых одной тепловой станцией, возможен случай, когда бак устанавливают в первоочередном здании /, ближайшем к станции (рис. V.2). Если при этом в соединительных теплопроводах между основной магистралью (точки Б и Ж) и местной системой - здания / (см. план на рис. V.2) имеют место значительные потери давления, то это может отразиться на действии местных систем отопления здания // и последующих зданий.

Потери давления в подающем ?рГ и обратном ?р0 соединительных теплопроводах выражены на рисунке вертикальными отрезками Б -- / и О -- Ж.. Значительное понижение давления в обратном теплопроводе (в точке Ж), не влияющее на циркуляцию во внутренних трубах здания /, вызовет перебои в работе отопления здания // вследствие периодического накопления воздуха в верхней части местной системы. В данном случае давление в точке Е (место присоединения обратной магистрали здания // к наружному обратному теплопроводу) оказалось меньше необходимого гидростатического давления (точка 2).

Рис.2. Изменение гидростатического давления в наружных теплопроводах системы отопления группы зданий одинаковой высоты (О-- точка постоянного давление).

Для нормального действия системы отопления здания // необходимо увеличить потерю давления па участке Е - Ж с тем, чтобы повысить давление в местной обратной магистрали до давления в точке 2, или установить регулятор давления «до себя» (см. рис. V.1). В здании /// и последующих зданиях может возникнуть то же явление, что и в здании //, если заранее не принять меры для его предотвращения на основании эпюры гидростатического давления в наружных теплопроводах.

В системе отопления группы многоэтажных здании возможно не только нежелательное понижение, но и чрезмерное повышение гидростатического давления. Повышение давления, опасное для целостности отдельных элементов системы отопления, может произойти при перемещении расширительного бака из одного здания в другое.

Перемещение расширительного бака из одного здания, ближайшего к тепловой станции, в другое, несколько более высокое и удаленное от нее, не вызывает заметного изменения гидростатического давления в местных теплопроводах как при бездействии, так и при работе циркуляционного насоса. Перемещение бака в здание, более высокое и близко расположенное к тепловой станции, может вызвать значительное повышение давления в отдельных частях - системы отопления. Это произойдет вследствие увеличения не только высоты здания, но и протяженности зоны нагнетания (если бак, как обычно, будет присоединен к обратному теплопроводу).

Рис.3. Изменение гидростатического давления в наружных теплопровод системах отопления группы здании при переносе расширительного бака из здания IV в новое здания I (О1 и О2 -- старая и новая точки постоянного давления).

На рис. V.3 показано изменение давления в оборудовании тепловой станции, в наружных и местных теплопроводах системы отопления четырех зданий при первоначальном положении расширительного бака (в точке /) в здании IV (сплошные пьезометрические линии) и после его перемещения (в точку 2) в новое здание / (пунктирные линии). Можно установить, что давление в элементах тепловой станции возрастает при этом на значительно большую величину ?р, чем можно было бы ожидать при увеличении высоты зданий на h, м. Давление в точке A2 может превысить рабочее давление, установленное как предельно допустимое для оборудования и арматуры станции. Из рисунка также видно возрастание давления во всех теплопроводах, причем повышение давления может оказаться недопустимым для элементов местных систем отопления старых зданий и в первую очередь здания, наиболее удаленного от станции (здания IV).

Для снижения давления в оборудовании тепловой станции в этом случае можно перенести место включения циркуляционного насоса из обратного в общий подающий теплопровод (давление не превысит тогда давления в точке Б2); в местной системе отопления здания IV может быть применена понизительная насосная подстанция или независимая схема присоединения к наружным теплопроводам.

3. Динамика давления в системе отопления без расширительного бака

Изменение давления в местных теплопроводах, непосредственно соединенных с наружными теплопроводами, рассмотрим в условиях присоединения местной системы отопления здания / на рис. V.1, когда была отмечена необходимость изменения начального давления до р1 и конечного до р2. Система отопления изображена на рис. V.4 двойными линиями и принята высотой h с верхней подающей магистралью и центром охлаждения в точке В.

Отсутствие открытого расширительного бака заставляет по-иному подойти к нахождению местной точки постоянного давления в системе отопления и величины гидростатического давления в ней. Это давление связывают с предварительным условием: оно должно быть достаточным для создания в наиболее высоко расположенной точке системы некоторого избыточного давления с целью надежного заполнения и удаления воздуха из системы с низкотемпературной водой (tГ < 100° С) и предотвращения вскипания воды в системе с высокотемпературной водой (tГ > 100° С).

Для выполнения этого условия в статическом режиме, т. е. в случае полного прекращения циркуляции воды, проводим пьезометрическую штрихпунктирную линию на достаточной высоте h1, над верхней подающей магистралью систем отопления (см. рис. V.4). Высота h1 должна соответствовать гидростатическому давлению при tГ < 100°С не менее 0,01 МПа, (0,1 кгс/см2), т. е. h1 ? 1 м, а при tГ = 150° С -- 0,4 МПа (4 кгс/см2). Остальные пьезометрические штрихпунктирные линии наносим исходя из выбранного минимального избыточного давления в подающей магистрали и в результате получаем необходимое гидростатическое давление р2, в точке Д обратной магистрали.

Если давление р2 поддерживается на заданном уровне с помощью регулятора давления «до себя» (как указывалось выше), то точка Д становится искусственной точкой постоянного давления местной системы отопления. Давление р2 является исходным для построения пьезометрических линий в динамическом режиме (сплошные наклонные линии на рис. V.4, выражающие, как и ранее, условно-равномерные линейные и местные потери давления в системе отопления).

Найдем изменение гидростатического давления в трех характерных точках системы отопления, не считая точки Д, в которой давление р2 принято постоянным. Это точка Г нижней обратной магистрали, наиболее удаленная от ввода наружных теплопроводов, точка В верхней подающей магистрали, наиболее высоко расположенная и удаленная от ввода, и точка А в начале подающей магистрали системы.

Гидростатическое давление в точке Г выражает наибольшее давление в нижней обратной магистрали (и. в системе):

рМАКС = р2 + ?рГ - Д (V.1)

где: ?рГ-Д -- потеря давления при перемещении воды от точки Г до точки Д; (см. рис. V.4).

Наибольшее давление не должно превышать рабочего давления для каждого элемента системы. Выражение (V.1) служит для проверки выполнения этого условия. Если, например, давление pt близко к 0,6 МПа, то с учетом потери давления в обратной (достаточно протяженной) магистрали максимальное гидростатическое давление в чугунной арматуре и отопительных приборах, расположенных на уровне ввода теплопроводов и ниже его, превысит рабочее, что может привести к их разрушению.

Рис.4. Эпюра гидростатического давления системе отопления, непосредственно соединенной с наружными теплопроводами (Д -- точка постоянного давления р2).

Гидростатическое давление в точке В выражает наименьшее давление в верхней подающей магистрали (и в системе) в динамическом режиме:

рМИН = р2 + ?рВ - Д -0 gh (V.2)

где: ?рВ - Д - потеря давления при движении воды от точки В до точки Д;

0 - плотность охлажденной воды.

Выражение (V.2) служит для проверки условия не вскипания высокотемпературной воды, когда давление р2 принимают без учета температуры воды. Покажем на примере необходимость проверки минимального избыточного давления в системе. Если высота системы h = 20 м, -рв-д = 0,05 МПа, а давление р2 = 0,25 МПа, то минимальное давление в верхней точке при циркуляции воды в системе составит

РВ =0,25+0,05-(977,81 9,81 20)10-6 ? 0,11 МПа (1,1 с/см2).

Это давление будет недостаточным для предотвращения вскипания воды, имеющей температуру более 120° С.

Наконец, гидростатическое давление в точке А (если считать, что точка А находится на одном уровне с точкой Д) выражает наибольшее давление в подающей магистрали системы в динамическом режиме:

р1 = р2 + ?рА- Д -0 gh + Г gh

или р1 = р2 + ?рС - ?рЕ (V.3)

где: ?рС = + ?рА-Д -- потеря давления при движении воды от точки А до точки Д, т. е. общее сопротивление системы отопления; ?ре = gh (0 -- Г) - по уравнению.

Переписав выражение (V.3) в виде:

р1 -- р2.= ?рС --?рЕ

или ?р1=?рС - ?рЕ (V.3a)

приходим к уравнению, которое в данном случае означает, что разность гидростатического давления в подающем и обратном наружных теплопроводах на вводе их в здание, вызывающая циркуляцию воды в местной системе отопления, меньше потерн давления при движении воды в системе па величину естественного циркуляционного давления. Графическое выражение уравнении (V.3) и (V.3a) дано на рис. V.4 слева.

Применение смесительного насоса или водоструйного элеватора на тепловом вводе в здание не влияет на рассмотренную закономерность, изменения давления в теплопроводах местной системы водяного отопления.

4. Естественное циркуляционное давление в однотрубных и двухтрубных системах отопления

Системы водяного отопления применяют, как известно, с верхним и нижним расположением магистралей, с тупиковым и попутным движением воды к них, с последовательным и параллельным (по направлению движения воды) соединением отопительных приборов. Системы устраивают вертикальными со стояками и горизонтальными с поэтажными ветвями. Схему системы отопления составляют при проектировании применительно к конкретному зданию, причем в каждой схеме различным образом сочетают магистрали и стояки или ветви с отопительными приборами.

Общим, многократно повторяющимся элементом каждой вертикальной или горизонтальной системы отопления 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. Поэтому конкретная схема системы отопления не может быть разработана без предварительного выбора схемы ее стояков или ветвей. Применяемые в настоящее время схемы систем отопления и возникающее в них естественное циркуляционное давление рассмотрим при различных приборных узлах, входящих в стояки или ветви.

5. Вертикальные однотрубные системы отопления

Вертикальную однотрубную систему отопления с верхней разводкой применяют в многоэтажных зданиях. На рис. V.5 приведена схема части такой системы с тупиковым движением воды в магистралях. Стояки даны условно для трехэтажного здания с различными наиболее часто применяемыми приборными узлами. В стояке / показаны проточные узлы, в стояке // -- проточно-регулируемые узлы со смещенными обходными участками и трехходовыми регулирующими кранами КРТ, в стояке /// -- узлы со смещенными, замыкающими участками и проходными регулирующими кранами КРП (см, рис. 1.1). На практике возможно также осевое (по оси стояков) расположение обходных и замыкающих участков и двустороннее присоединение приборов к стояку (см. рис. 1.1).

Здесь (и далее) система отопления изображается 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 рис. V.5 над отопительными приборами нанесены тепловые нагрузки, внутри контура каждого прибора кружком помечен условный центр охлаждения теплоносителя воды. Проставлено также вертикальное расстояние между центрами охлаждения (ц. о) и центром нагревания (ц. н) воды.

Расход воды в стояк. GСТ при заданных тепловых нагрузках приборов и температуре воды определяется по формуле, аналогичной формуле:

(V.4)

Температура воды на каждом участке стояка будет промежуточной между значениями tг и t0 в зависимости от степени ее охлаждения в отопительных приборах ?tпр (условно считая, что вода при движении по трубам не охлаждается). Так, на участке между приборами. III и II этажей температура воды составит

Аналогично

В общем виде температура воды на i- том участке однотрубного стояка будет равна:

, (V.5)

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

На рис. V.5 заштрихованы половины высоты двух приборов стояка /, в которых температура воды условно принята постоянной и равной t3. Можно считать, что температура воды t3 сохраняется в стояке по высоте h3 а температура t2 , по высоте h2 .

Естественное циркуляционное давление, Па, в вертикальной однотрубной проточной и проточно-регулируемой системе отопления с верхним расположением подающей магистрали (см. стояки / и // на рис.V.5), возникающее вследствие охлаждения воды в приборах, вычисляется как разность гидростатического давления в рассматриваемом и главном стояках (г. cm):

(V.6)

При увеличении числа этажей в здании число слагаемых в формуле (V.6), а следовательно, и значение ?p Е.ПР будут возрастать.

Выражение для определения ?p Е.ПР можно представить в другом виде (более удобном для вычисления, хотя и менее точном), обозначив среднее уменьшение плотности при увеличении температуры воды на 10С через

, кг/(м2К );

(V.6a)

Рис. 5. Схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления с верхним расположением подающей магистрали

I -- проточный стояк; II -- проточно-регулируемый стояк; III -- стояк с замыкающими участками (кружки в контуре приборов--центры охлаждения воды в приборах; черные точки -- центры охлаждения воды в стояке).



Учитывая, что

, и

получим более короткое выражение:

(V.6б)

Где: hIII, hII, и hI -- вертикальные расстояния между центрами охлаждения и воды в приборах соответственно на III, II и I этажах и центром нагревания (см. рис.V.5).

В общем виде при N отопительных приборах в однотрубном стояке:

(V.7)

где Qi , hi -- произведение тепловой нагрузки i'-того прибора на вертикальное расстояние hi от его условного центра охлаждения до центра нагревания воды в системе.

Пример V.1. Определим естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в отопительных приборах трехэтажною стояка (стояк / или // на рис. V.5), если тепловая нагрузка отопительных приборов составляет Q3 = 1163 Вт, Q2 = 930Вт, Q1 = 1396 Вт; высота h3= h2 = 3 м, h1 = 2 м; температура воды tr = 95° С, t0 = 70° С, = 0,64 кг/(м3К).

Расход воды в стояке по формуле (V.4)

Температура воды на участках стояка по формуле (V.5)

Естественное циркуляционное давление по формуле (V.6a)

pЕ.ПР =0,64 9,813(95-86,7)+3(95-80)+2(95-70)=753,4 Па(76,8кгс/м2)

Естественное циркуляционное давление по формуле (V.7) при

hIII = h3 +h2 + h1 =8 м и hII =h2 + h1 =5 м:

Па (76,8кгс/м2).

В стояке с замыкающими участками (см. стояк /// на рис. V.5) температура и плотность воды изменяются не только в отопительных приборах (условные центры охлаждения -- кружки внутри контура приборов), но и в точках стояка (черные точки на рисунке), где смешивается вода, выходящая из прибора и из замыкающего участка.

Естественное циркуляционное давление в вертикальной однотрубной системе с замыкающими участками при верхнем расположении подающей магистрали [см. формулу (V.6) ]

(V.8)

Некоторое различие в величине естественного циркуляционного давления по формулам (V.6) и (V.8) определяется тем, что h1 > h11 на 0,5 hПР .

В формуле (V.7) при использовании ее в данном случае высота h1 - определяется вертикальным расстоянием между центрами нагревания и охлаждения в той точке, где в стояке изменяется температура воды.

В стояке с замыкающими участками имеются также так называемые малые циркуляционные кольца у каждого отопительного прибора, образованные подводками к прибору и замыкающим участком. Положения центра охлаждения в приборе и соответствующего центра охлаждения в стояке отличаются на 0,5 hПР (см. стояк /// на рис. V.5), и в малом циркуляционном кольце возникает собственное естественное циркуляционное давление (в заштрихованной части прибора вода имеет температуру tВЫХ, в замыкающем участке-- tВХ :

(V.9)

где ВЫХ и ВХ-- плотность воды, кг/м3, соответственно при температуре tВЫХ и tВХ (для прибора на III этаже на рисунке tВХ = tГ , tВЫХ < 1 часто называемой температурой смеси).

Естественное циркуляционное давление в малом циркуляционном кольце можно представить в другом виде как разность гидростатического давления по высоте прибора и замыкающего участка:

(V.9а)

где СР,ПР и З,У -- плотность воды, кг/м3, соответственно при средней температуре воды в приборе и при температуре ее в замыкающем участке

Естественное циркуляционное давление в малом циркуляционном кольце при движении воды в стояке, сверху - вниз способствует затеканию воды в прибор, особенно в малоэтажных зданиях.

Вертикальную однотрубную систему с нижним расположением обеих магистралей с так называемыми П- образными стояками (см. рис. 1.2) применяют прежде всего в бесчердачных зданиях, имеющих технические подполья и подвалы. На рис. V.6 приведена расчетная схема части такой системы со стояками для трехэтажного здания при теплоснабжении системы деаэрированной водой. В стояке / применены проточно-регулируемые приборные узлы с трехходовыми кранами КРТ, в стояке // -- узлы со смещенными замыкающими участками и проходными регулирующими кранами КРП. На приборах в верхнем этаже предусмотрены воздушные краны.

Число приборов на одном этаже часто бывает нечетным. Для непарных приборов устраивают П -образные стояки с «холостой» восходящей трубой либо Т-образные стояки с одной восходящей и двумя нисходящими трубами. Стояки часто замоноличивают во внутренние перегородки, в результате чего они превращаются в дополнительные проточные бетонные отопительные приборы. Основные приборы в этом случае присоединяют открыто к специально предусмотренным патрубкам.

Расход и температуру воды в стояках определяют по формулам (V.4) и (V.5). '

Естественное циркуляционное давление в стояке находят как разность гидростатического давления в нисходящей и восходящей частях стояка. Например, для проточно-регулируемого стояка

(V.10)

Формула (V.10) общего вида действительна в данном случае без изменения. Высота hi в этой формуле зависит от положения центров охлаждения воды (кружки в контуре приборов на стояке / или черные точки в стояке // на рис. V.6). На рисунке видно, что центр охлаждения воды в восходящей части стояка выше, а в нисходящей -- ниже соответствующего условного центра охлаждения воды в отопительном приборе.

Естественное циркуляционное давление в малых циркуляционных кольцах отопительных приборов определяется по формуле (V.9) или (V.9а). В нисходящей (правой на рис. V.6) части стояка // и замыкающими участками естественное циркуляционное давление в каждом малом циркуляционном кольце, как было отмечено, способствует затеканию воды в отопительные приборы. Напротив, в восходящей (левой) части стояка // оно противодействует затеканию воды и относительно уменьшает расход воды в приборах, что неблагоприятно отражается на размерах площади нагревательной поверхности приборов, особенно высоких и водоемких. Формула (V.10) относится также к бифилярной схеме стояков.

Рис.6. Схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления с нижним расположением обеих магистралей и П- образными стояками.

I - проточное - регулируемый стояк; II- стояк с замыкающими участками.

Вертикальную однотрубную систему с нижним расположением подающей магистрали и верхней прокладкой обратной магистрали с «опрокинутой» циркуляцией воды в стояках -- см. рис. 1.3) применяют в зданиях повышенной этажности (девять и более этажей). На рис. V.7 изображена расчетная схема части системы с «опрокинутой» циркуляцией воды в стояках, имеющих проточные приборные узлы (стояк /), проточно-регулируемые узлы с кранами КРТ (стояк //) и узлы с замыкающими участками и крапами КРП (стояк ///). Обходные замыкающие участки делают при этом, как правило, смещенными от оси стояков.

Расход и температуру воды определяют по формулам (V.4) и (V.5). .Естественное циркуляционное давление рЕ, ПР находят по формуле (V.7) или как разность гидростатического давления в общем обратном стояке (г. cm на рис. V.2) и в рассматриваемом стояке в здании, имеющем N этажей:

(V.11)

Формула (V.11) позволяет учесть отличие температуры воды выходящей из рассматриваемого стояка, от температуры воды в общем, обратном стояке.

Естественное циркуляционное давление в малом циркуляционном кольце каждого отопительного прибора стояка /// (см. рис. V.11) вычисляют по формуле (V .9) или (V . а). В данной системе это давление противодействует затеканию воды во все приборы, что приводит к относительному увеличению площади их нагревательной поверхности.

На основании полученных формул можно сделать следующие выводы.

В циркуляционных кольцах вертикальных однотрубных систем водяного отопления естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, возрастет с увеличением числа последовательно соединенных отопительных приборов и действует как единая величина, влияющая в равной степени на циркуляцию воды через все отопительные приборы каждого стояка.

В малых циркуляционных кольцах отопительных приборов в вертикальных однотрубных системах с замыкающими участками возникает дополнительное естественное циркуляционное давление, зависящее от высоты прибора и степени охлаждения воды в нем. Это давление способствует затеканию воды в приборы при движении воды в стояке сверху вниз и противодействует ему при движении воды снизу вверх (с увеличением числа этажей влияние этого гравитационного давления уменьшается).

Для большинства рассмотренных схем вертикальных однотрубных стояков характерно одностороннее присоединение отопительных приборов к стояку.

Рис. 7 . Схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления с нижним расположением подающей магистрали и верхней прокладкой обратной магистрали. / -- проточный стояк; II -- проточно-регулируемый стояк;. Ill -- стояк с замыкающими участками

В циркуляционных кольцах вертикальных однотрубных систем водяного отопления естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, возрастет с увеличением числа последовательно соединенных отопительных приборов и действует как единая величина, влияющая в равной степени на циркуляцию воды через все отопительные приборы каждого стояка.

В малых циркуляционных кольцах отопительных приборов и вертикальных однотрубных системах с замыкающими участками возникает дополнительное естественное циркуляционное давление, зависящее от высоты прибора и степени охлаждения воды в нем. Это давление способствует затеканию воды в приборы при движении воды в стояке сверху вниз и противодействует ему при движении воды снизу вверх (с увеличением числа этажей влияние этого гравитационного давления уменьшается).

Для большинства рассмотренных схем вертикальных однотрубных стояков характерно одностороннее присоединение отопительных приборов к стояку. Это, хотя и увеличивает число стояков, однако позволяет унифицировать узлы обвязки отопительных приборов, как по диаметру, так и по длине труб, что необходимо для интенсификации производства при массовых заготовительных работах. Кроме того, отопительные приборы из гладких труб малого диаметра (здесь им уподобляются трубы стояков) имеют повышенный коэффициент теплопередачи по сравнению с другими видами отопительных приборов. Следовательно, при увеличении числа открыто прокладываемых стояков уменьшаются размеры основных отопительных приборов.

Однотрубные системы с проточными отопительными приборами дешевле других; их используют при приборах с воздушными регулирующими клапанами (например, при конвекторах «Комфорт») или для отопления без индивидуального регулирования теплопередачи приборов.

Проточно-регулируемые однотрубные системы с трехходовыми кранами КРТ применяют при необходимости индивидуального ручного регулирования теплопередачи отопительных приборов. Эти системы можно заменять однотрубными системами с замыкающими участками у приборов для уменьшения гидравлического сопротивления приборных узлов. При этом следует иметь в виду, что узел со смещенным замыкающим участком, хотя и обладает большим гидравлическим сопротивлением, чем узел с осевым замыкающим участком, способствует затеканию воды в отопительный прибор и компенсации теплового удлинения труб.

давление отопление расширительный бак

6. Вертикальные двухтрубные системы отопления

Двухтрубные системы с верхним расположением подающей магистрали применяют в основном при естественной циркуляции воды в системе отопления. При насосной циркуляции воды из-за гидравлической и тепловой неустойчивости их используют только в малоэтажных зданиях (два -- три этажа) (см. рис. 1.5, а),

На рис. V.8 приведены схемы двухтрубных стояков при верхнем расположении подающей магистрали с односторонним (столбовая) и двусторонним (цепочечная) присоединением труб к отопительным приборам. При столбовой, более распространенной схеме подающий и обратный стояки прокладывают рядом (на рисунке -- слева), при цепочечной -- разобщенно (справа).

Расчетная схема стояка двухтрубной системы отопления с верхним расположением подающей магистрали дана на рис. V.9, а. При параллельном соединении отопительных приборов в двухтрубном стояке для каждого из приборов образуется собственное циркуляционное кольцо. В циркуляционном кольце через нижние приборы двухтрубной системы возникает естественное циркуляционное давление

(V.12)

в циркуляционном кольце через прибор второго этажа

(V.13)



Двухтрубные системы с нижним расположением обеих магистралей применяют в малоэтажных (с кранами двойного регулирования КРД у отопительных приборов) и в многоэтажных (с кранами КРП, имеющими дросселирующее устройство) зданиях. Расширенная область применения объясняется большей устойчивостью гидравлического режима и повышением тепловой устойчивости таких систем но сравнению с двухтрубными системами при верхнем расположении подающей магистрали.

Рис. 8. Столбовая (а) и цепочечная (б) схемы двухтрубного стояка системы отопления с верхним расположением подающей магистрали

Рис. 9. Расчетные схемы двухтрубных стояков системы водяного отопления с верхним расположением подающей магистрали (а) и с нижним расположением обеих магистралей (б).

Рис. 10. Схемы двухтрубного стояка системы отопления с нижним расположением обеих магистралей

а - столбовая с воздушными кранами в приборах на верхнем этаже; б - цепочечная с воздушной трубой

На рис. V.10 показаны схемы двухтрубных стояков при нижнем расположении магистралей с односторонним (столбовая) и двусторонним (цепочечная) присоединением труб к отопительным приборам. В верхнем этаже присоединение труб показано в столбовой схеме с использованием воздушных кранов, в цепочечной схеме -- при наличии воздушной трубы. Столбовая схема отличается обособлением парных стояков и применением скоб на них для отгибания горизонтальных подводок к приборам.

Расчетная схема стояка двухтрубной системы отопления с нижним расположением обеих магистралей изображена на рис. V.9, б.

На схеме показаны отопительные приборы I, II и N-го этажей. Здесь также для каждого отопительного прибора образуется отдельное циркуляционное кольцо с собственным естественным циркуляционным давлением.

В кольце двухтрубной системы через отопительный прибор первого этажа действует естественное циркуляционное давление, определяемое по формуле (V.12), в кольце через прибор II этажа -- по формуле (V.13) и т. д., наконец, в кольце двухтрубной системы через прибор N- го этажа -- по формуле

(V.14)

В вертикальных двухтрубных системах отопления как с верхним, так и с нижним расположением магистралей в подобных циркуляционных кольцах действует одинаковое естественное циркуляционное давление. Его значение в каждом циркуляционном кольце определяется вертикальным расстоянием между условными центрами охлаждения и нагревания. Положение условного центра охлаждения в верхних отопительных приборах на рис. V.9, б установлено по оси подводок. Неоднородность плотности воды по высоте этих приборов вызывает внутреннюю циркуляцию и не отражается на циркуляции воды в стояке.

На основании полученных формул можно сделать вывод, что в вертикальных двухтрубных системах естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, различно по значению и независимо по действию для циркуляционных колец приборов, находящихся на разной высоте. Следовательно, в двухтрубных стояках естественное давление неодинаково влияет на циркуляцию воды через каждый отопительный прибор, что в результате может нарушать заданное (расчетное) распределение по приборам воды, подаваемой в стояки насосом. В этом причина наблюдаемой на практике вертикальной тепловой неустойчивости не отрегулированных двухтрубных систем отопления.

7. Горизонтальные однотрубные системы отопления

Ветви горизонтальных систем можно устраивать, как и стояки вертикальных систем, однотрубными и двухтрубными. В современных насосных горизонтальных системах используют преимущественно однотрубные ветви (см. рис. 1. 4), обеспечивающие экономию труб и устойчивое отопление помещений.

Расчетные схемы горизонтальной однотрубной системы представлены па рис. V.11. Последовательно соединенные отопительные приборы на каждом этаже располагаются на одной высоте над центром нагревания. Промежуточные изменения температуры и плотности по горизонтали из-за охлаждения воды в приборах не отражаются на величине естественного циркуляционного давления, которое, как и в двухтрубной системе, определяют в зависимости от разности гидростатического давления в стояках.

В горизонтальной однотрубной системе с приборами, соединенными по проточной (рис. V. 11, а - I этаж) и по проточно-регулируемой (рис. V.11, а -- II этаж) схемам, естественное циркуляционное давление различно в кольцах через приборы каждого этажа:

и т.д.

В горизонтальной однотрубной системе с замыкающими участками у приборов (рис. V.11, а- III этаж) возникает не только различное естественное циркуляционное давление в кольцах через ветви каждого этажа (формулы те же, высота -- до условных центров охлаждения, изображенных на рисунке черными точками), но и собственное естественное циркуляционное давление в малом циркуляционном кольце каждого прибора. Его определяют по формуле, написанной по аналогии с формулой (V.9):

(V.15)

где h' - вертикальное расстояние между условными центрами охлаждения поды в приборе и ветви (см. рис. V.11, а).

Формулы (V.12) - (V.14) относятся также к горизонтальной бифилярной схеме ветви, изображенной на рис. V.11, б.

Бифилярные ветви целесообразно устраивать при автоматическом поддержании заданной температуры воздуха в помещениях путем поэтажного количественного регулирования теплопередачи отопительных приборов.

Рис.11. Расчетные схемы горизонтальной однотрубной системы водяного отопления

а-с проточными ветвями (1этаж);с проточно-регулируемыми ветвями (П этаж); с ветвями, имеющими замыкающие участки (III этаж);

б --с бифилярными ветвями.

8. Горизонтальные двухтрубные системы отопления

Горизонтальное двухтрубное распределение воды по приборам чаще осуществляют, в одноэтажных зданиях, когда требуется обеспечить независимое регулирование отопления отдельных помещений.

Рис. V.12. Приборные узлы горизонтальной двухтрубной системы водяного отопления с верхним (а) и с нижним (б) расположением подающей магистрали.

Присоединение труб к отопительным приборам выполняют преимущественно разносторонним, движение воды в приборах предусматривают по схемам сверху - вниз или снизу - вниз. На рис. V.12, а изображен фрагмент горизонтальной двухтрубной системы отопления одноэтажного здания с верхним расположением подающей магистрали, на рис. V.12, б -- с нижним. При нижней разводке греющей воды в верхней части отопительных приборов устанавливают воздушные краны.

Систему по схеме на рис. V.12, а в первую очередь используют при естественной циркуляции, возникающей в основном вследствие охлаждения воды в неизолированных разводящих теплопроводах. При насосной циркуляции гидравлическое сопротивление отопительных приборов следует увеличивать, укрупняя приборы, используя змеевиковое движение воды в них (на рисунке слева), а также краны повышенного сопротивления.

Естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, определяют по формуле (V. 12) в зависимости от положения центров охлаждения в приборах по отношению к центру нагревания в системе. Это давление допускается не учитывать, если оно составляет менее 10% располагаемого циркуляционного давления.



Литература

1. Андреевский А.К. Отопление Минск. Вышейшая школа, 1982.

2. Богословский В.И. Тепловой Режим здания М:Строй издат.,1979.

3. Отопление и вентиляция В.Н. Богословсий, В.П.Щеглов, Н.Н.Разумов. М.1980.

4. Пеклов А.А. Кондиционирование воздуха - Киев. Издат «Будивельник» 1987.

5. Сканави А.Н. Конструирование и расчет систем водяного и воздушного отопления зданий. М. Стройиздат, 1983.

6. Шекин Р.В., Березовский В.А., Потапов В.А. Расчет систем центрального отопления. Киев: Вищ. Школа. 1975.

Размещено на Allbest.ru