Классификация систем центрального водяного отопления. Основные принципиальные схемы.
Вода широко используется как теплоноситель в системах отопления, что обусловлено ее преимуществами, подробно рассмотренными в главе I, а также развитием теплофикации, основанной на нагревании воды попутно с выработкой электрической энергии. Водяное отопление применяется почти повсеместно в гражданских зданиях и внедряется в промышленных зданиях.
Водяные системы отопления могут быть с нагревателем воды до 100°С и выше (перегретой). В настоящее время максимальное значение температуры воды принято равным 150°С. Основные преимущества систем водяного отопления заключаются в возможности поддержания умеренной температуры на поверхности нагревательных приборов, исключающей пригорание на них пыли; в простоте центрального регулирования теплоотдачи нагревательных приборов путем изменения температуры воды; в простоте обслуживания. К недостаткам этой системы относятся: большое гидростатическое давление в нижней части систем, что ограничивает высоту систем; опасность замерзания воды в трубопроводе, проложенном в неотапливаемом помещении.
По способу циркуляции воды центральные системы водяного отопления подразделяются на системы с естественной циркуляцией (благодаря разности плотностей охлажденной и горячей воды) и системы с механическим побуждением (искусственной), в которой вода перемещается при помощи насоса.
По схеме прокладки проводящих трубопроводов системы водяного отопления делятся на двухтрубные и однотрубные. В двухтрубных системах вода поступает в нагревательные приборы по одним стоякам, а отводится по другим (приборы присоединены параллельно). В однотрубных системах вода поступает в прибор и отводится из него по одному стояку (приборы присоединены последовательно).
По расположению подающих магистралей системы водяного отопления делятся на системы с верхней разводкой (при прокладке подающих магистралей по чердаку или под потолком верхнего этажа) и системы с нижней разводкой (при прокладке подающих магистралей по подвалу, над полом первого этажа или в подпольных каналах).
По направлению движения воды в подающих и обратных магистралях водяные системы отопления бывают тупиковые (при встречном движении воды) и с попутным движением (при движении воды в одном направлении).
Рассмотрим принципиальную схему водяного отопления. Ее основными частями являются генератор тепла (котел), расширительный сосуд, нагревательные приборы, подающий (горячий) трубопровод и обратный (холодный) трубопровод. Система работает следующим образом. После наполнения системы водой из водопровода и удаления из нее воздуха приступают к нагреванию воды в котле. Нагретая вода по трубопроводу поднимается вверх, затем опускается вниз и поступает под воздействием естественного давления при неразрывности потока к нагревательным приборам, которым отдает часть своего тепла. Охлажденная по выходе из прибора вода по замкнутому циркуляционному контуру поступает к источнику тепла (котлу), при этом вытесняя из него более легкую нагретую воду. Вода, восполнив в котле потери тепла, повторяет свое движение (циркулирует).
Для ускорения циркуляции нагретой воды в системе можно применять насосы, которые устанавливаются перед котлом. Такие системы называются насосными.
Вода – несжимаемая жидкость, расширяющаяся при нагревании. Система водяного отопления представляет собой замкнутый контур, заполненный водой. Поэтому даже незначительное увеличение ее объема при повышении температуры может создать давление, превышающее предел прочности отдельных элементов системы, а уменьшение объема при понижении температуры вызывает разрыв струи и нарушение циркуляции. Чтобы избежать этих явлений, в системе отопления должно быть предусмотрено устройство, воспринимающее излишек воды при повышении температуры в системе и восполняющее убыль воды при ее понижении. Наиболее простым и безотказно действующим устройством такого рода является расширительный бак. Расширительный бак представляет собой емкость, присоединенную к системе отопления и сообщающуюся с атмосферой. Устанавливается он выше самой высокой точки системы.
Конструкция и особенности работы однотрубной вертикальной системы отопления с нижней разводной магистралью. Разновидности стояков. Основные уравнения для теплогидравлического конструкторского расчёта.
Однотрубные системы отопления подразумевают подсоединение всех составляющих последовательно. Следовательно вода, которая является теплоносителем циркулирует по кругу постоянно охлаждаясь при этом. Существует множество разнообразных конструкций отопительных систем данного вида. Основным их преимуществом является невысокая стоимость, поэтому очень часто их используют в многоэтажных домах. Также немаловажным является и эстетическая привлекательность, связанная с небольшим количеством труб, что исключает визуальную загроможденность помещений.
Однотрубная схема системы отопления подразумевает отсутствие отдельных труб подачи и обратки. Теплоноситель выходит из элеваторного узла или котла и возвращается туда же по одному кольцу, опоясывающему помещение или несколько помещений по периметру.
Однотрубная вертикальная система отопления характерна для двух- трехэтажных домов с небольшой площадью этажа. Кольцо, по которому прокачивается теплоноситель, просто разворачивается в вертикальную плоскость. Каких-то других принципиальных отличий у этой схемы нет. Вертикальные однотрубные системы могут включать несколько параллельных колец, соединяющихся внизу в общий трубопровод, из-за чего такая система подчас не вполне правильно упоминается как однотрубная вертикальная система отопления с нижней разводкой.
Нижняя разводка однотрубной системы отопления этого типа легко регулируется и перекрывается. Трубопровод такой схемы отопления начинается от нагревательного котла, идет горизонтально, а затем поднимается к радиаторам.
В этом случае магистрали (подающая и обратная) оборудуются в подвале. Потери теплоэнергии значительно уменьшаются за счет отсутствия трубопроводов на чердаке. Для удаления воздуха из системы используются краны, которые устанавливаются на нагревательных приборах верхних этажей. В этой системе различают подъемные и пропускные стояки. Подъемный стояк поднимается до верхнего этажа, где переходит в опускной, который в подвале соединяется с обратной магистралью. В этом случае имеется возможность регулировать теплоотдачу отопительных приборов с помощью специальных кранов.
Прежде чем приступить к расчету системы отопления, необходимо сконструировать стояки, вычертить расчетную схему в аксонометрической проекции, пронумеровать стояки и расчетные участки теплопроводов.
Расчет вертикальных однотрубных систем отопления следует проводить методом характеристик сопротивления при переменном перепаде температуры воды в стояках.
В индустриальных системах отопления стояки, как правило, должны быть одного диаметра по всей высоте здания, и только в тех случаях, когда невозможно их гидравлически увязать, делают один переход с одного диаметра этажестояка на другой.
При расчете однотрубных систем отопления стояк рассматривают как самостоятельную расчетную единицу.
Используя расчетную схему, определяют характеристики сопротивления этаже стояков и узлов присоединения стояков к подающей и обратной магистралям для диаметров 15, 20 и 25 мм.
Выбирают наименее нагруженный стояк, назначают для него наименьший диаметр, т.е. 15 мм, вычисляют характеристику сопротивления стояка по сумме характеристик составляющих его этажестояков и подводок и определяют потери давления в нем при расходе воды, который принимают по разности температуры воды во всей системе отопления. Сопоставляют потери давления с располагаемым циркуляционным давлением и проверяют скорость движения воды, которая не должна превышать допустимых пределов.
В попутной системе водяного отопления перепады давления во всех стояках, при надлежащей увязке, достаточно близки по величине. Поэтому представляется возможным предварительно определить значения характеристик сопротивления всех стояков Sn по характеристике сопротивления наименее нагруженного стояка (S0);
По полученным значениям характеристик сопротивления Sn следует сконструировать стояки из типовых узлов этаже стояков и определить действительные характеристики сопротивления. При этом они не должны отличаться от расчетных более чем на 20%, так как при расчете системы отопления по переменному перепаду температуры воды в стояках допускается отклонение от расчетного перепада температур ±15%.
Конструкция и особенности работы однотрубной вертикальной системы отопления с верхней разводной подающей магистрали. Разновидности приборных узлов. Основные уравнения для теплогидравлического конструкторского расчёта.
Однотрубные системы отопления, которые функционируют посредством естественной циркуляции оборудуются только с верхней разводкой. Для обеспечения эффективности такие системы отопления оснащаются замыкающимися участками по которым циркулирует горячая вода. При таком устройстве нагретая вода поднимается из котла через главную подающую магистраль в трубопроводы стояков и распределяется по отопительным приборам начиная с верхнего этажа. Выходя из нагревательных приборов, охлажденная вода, смешивается с горячей водой прошедшей по замыкающему участку и поступает на нижний этаж и т.д. Схема данной системы отопления представлена на рисунке слева. Данные системы обустраиваются, как правило, в небольших зданиях. В связи с тем. Что в них не обеспечивается высокое циркуляционное давление, для их оборудования требуются использовать трубы большого диаметра, что экономически невыгодно.
Вертикальная однотрубная система водяного отопления с верхней разводкой получила распространение в нач. 50-х гг. Выполнялась с двухстор, а потом одностор. присоединением отопит. приборов к стоякам. Приборные узлы делались как проточными, так и с замыкающими и обходными участками. В конкретной системе применяется к.-л. один (иногда два) тип стояка. Замыкающие, постоянно проточные участки устраивались осевыми (пр оси стояка — стояк II) и смещенными от оси, со "сжимами", т.е. с уменьшением диаметра против диаметра осн. участка стояка, и без "сжимов"» Затем было доказано, что "сжимы" осевых замыкающих участков несущественно изменяют кол-во воды, затекающей в приборы (см. Затекание воды в отопительный прибор). В большей степени увеличивается расход воды п приборах при использовании смещенных (от оси стояков) замыкающих участков, при этом обеспечивается и компенсация удлинения труб при нагревании водой межприборных участков стояков. Обходные участки, предназнач. для пери-одич. использования при индивид, регулировании теплоотдачи приборов трехходовыми кранами (см. Арматура на трубопроводах), устраивали сначала осевыми, а затем, как правило, смещенными. Вертик. О.с.в.о. с верхней разводкой применяется со стояками всех трех типов i (проточными, с замыкающими участками и проточно-регулируемыми) в зданиях, имеющих 4—9 этажей и более.
Прежде чем приступить к расчету системы отопления, необходимо сконструировать стояки, вычертить расчетную схему в аксонометрической проекции, пронумеровать стояки и расчетные участки теплопроводов. Стояки обозначаются цифрами, которые записываются на схеме в кружках над каждым стояком. Участкам между стояками присваиваются двойные номера, соответствующие номерам стояков (например, участку между стояками 3 и 4 присваивается номер 3—4 по подающей магистрали и 4'—3' по обратной магистрали); номера этих участков на схеме не записываются. Остальные участки сети нумеруются порядковыми номерами и обозначаются по схеме.
На вычерченную схему отопления наносят тепловые нагрузки каждого отопительного прибора, а затем путем последовательного суммирования определяют тепловые нагрузки каждого стояка и каждого участка подающей и обратной магистралей. На расчетной схеме около каждого участка записывают тепловую нагрузку и длину участка. Определение тепловых нагрузок сети выполняется с точностью до 10 Вт. Общая тепловая мощность системы, полученная последовательным суммированием тепловых нагрузок параллельных участков сети, должна совпадать с суммарной величиной теплопотерь здания.
По тепловым нагрузкам выполняется гидравлический расчет отопительной системы, в результате чего определяются расход теплоносителя, диаметр теплопроводов и потери давления в системе.
Расчет вертикальных однотрубных систем отопления следует проводить методом характеристик сопротивления при переменном перепаде температуры воды в стояках.
В индустриальных системах отопления стояки, как правило, должны быть одного диаметра по всей высоте здания, и только в тех случаях, когда невозможно их гидравлически увязать, делают один переход с одного диаметра этажестояка на другой.
При расчете однотрубных систем отопления стояк рассматривают как самостоятельную расчетную единицу.
Используя расчетную схему, определяют характеристики сопротивления этаже стояков и узлов присоединения стояков к подающей и обратной магистралям для диаметров 15, 20 и 25 мм.
Выбирают наименее нагруженный стояк, назначают для него наименьший диаметр, т.е. 15 мм, вычисляют характеристику сопротивления стояка по сумме характеристик составляющих его этажестояков и подводок и определяют потери давления в нем при расходе воды, который принимают по разности температуры воды во всей системе отопления. Сопоставляют потери давления с располагаемым циркуляционным давлением и проверяют скорость движения воды, которая не должна превышать допустимых пределов.
В попутной системе водяного отопления перепады давления во всех стояках, при надлежащей увязке, достаточно близки по величине. Поэтому представляется возможным предварительно определить значения характеристик сопротивления всех стояков Sn по характеристике сопротивления наименее нагруженного стояка (S0);
По полученным значениям характеристик сопротивления Sn следует сконструировать стояки из типовых узлов этаже стояков и определить действительные характеристики сопротивления. При этом они не должны отличаться от расчетных более чем на 20%, так как при расчете системы отопления по переменному перепаду температуры воды в стояках допускается отклонение от расчетного перепада температур ±15%.
В тупиковой системе отопления, где расчетные перепады давления во всех стояках различны, потери давления в однотипных стояках одной ветви системы (полагая, что такие стояки могут быть в начале и в конце рассчитываемой ветви) могут отличаться приблизительно на 20%. Поэтому практически для надежной гидравлической увязки тупиковой системы примерно' 30% потери давления в стояке может быть израсходовано на участках между крайними стояками рассчитываемой ветви системы, а остальная часть располагаемого давления может быть израсходована в магистралях между рассчитываемой ветвью и тепловым узлом. Такая рекомендация не может охватить всего разнообразия сочетаний тепловых нагрузок, но зачастую позволяет лучше ориентироваться при распределении располагаемого давления.