10513

60

Для снижения стоимости и упрощения конструкции возможна замена комбинированного отопления высотного здания одной системой водяного отопления, при которой не требуется второй первичный теплоноситель. На рис. 5.10 показано, что в здании может быть устроена гидравлически общая система с одним водо-водяным теплообменником, общими циркуляционным насосом и расширительным баком. Система по высоте здания по-прежнему делится на зо-

нальные части по приведенным выше правилам. Вода в зону II и последующие зоны подается зональными циркуляционно-повысительными насосами и воз-

вращается из каждой зоны в общий расширительный бак. Необходимое гидро-

статическое давление в главном обратном стояке каждой зональной части под-

держивается регулятором давления типа «до себя». Гидростатическое давление в оборудовании теплового пункта, в том числе и в повысительных насосах,

ограничено высотой установки открытого расширительного бака и не превы-

шает стандартного рабочего давления 1 МПа.

Для систем отопления высотных зданий характерны деление их в преде-

лах каждой зоны по сторонам горизонта (по фасадам) и автоматизация регули-

рования температуры теплоносителя.

6. РАСЧЕТ ДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Давление в каждой точке замкнутых циркуляционных колец системы отопления в течение отопительного сезона непрерывно изменяется вследствие непостоянства плотности воды и циркуляционного давления.

Исходное значение давления соответствует гидростатическому давлению в каждой точке системы в состоянии покоя. Наибольшие изменения давления в системе происходят при циркуляции максимального количества воды, темпера-

тура 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 си-

стемы отопления в течение отопительного сезона.

61

Изменение давления в системе отопления рассматривают с целью выяв-

ления мест с чрезмерно низким или высоким давлением, вызывающим наруше-

ние циркуляции воды или разрушение отдельных элементов системы. Это поз-

воляет предусматривать мероприятия, обеспечивающие нормальное функцио-

нирование системы в течение всего отопительного сезона.

6.1. Изменение давления при движении воды в трубах

Установим, как изменяется давление в горизонтальных и вертикальных трубах, заполненных движущейся водой, применительно к условиям работы вертикального циркуляционного кольца системы отопления. Запишем значение давления в любой точке потока воды. При установившемся движении потока воды полное давление по уравнению Бернулли составит:

Р = ρw2 /2 + ρgh + р, (6.1)

где ρ – плотность воды, кг/м3;

g– ускорение свободного падения, м/с2;

h– вертикальное расстояние от оси потока воды до плоскости сравнения, м;

р – дополнительное статическое давление воды, Па; w – средняя скорость движения потока воды, м/с.

По уравнению (6.1) полная энергия потока состоит из кинетической и по-

тенциальной энергии. Кинетическая энергия движения потока воды измеряется гидродинамическим давлением. Среднее значение гидродинамического давле-

ния (порядок его величины) найдем при скорости движения воды 1,5 м/с, ха-

рактерной для теплопроводов насосной системы отопления: ρw2/2 = 970 1,52/2 = 1091, Па.

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

В каком-либо сечении потока воды энергия положения ρgh зависит от по-

ложения этого сечения по отношению к плоскости сравнения. За плоскость сравнения примем свободную поверхность воды в открытом расширительном баке системы отопления, на которую действует атмосферное давление. При

62

этом будем считать уровень, на котором находится вода в баке, неизменным.

Тогда в каждом сечении потока будет определяться гидростатическое давление положения, как избыточное и пропорциональное вертикальному расстоянию h

(высоте столба воды в состоянии покоя).

Энергия давления р определяется пьезометрической высотой, на которую может подняться вода над рассматриваемым сечением потока. В замкнутой си-

стеме отопления проявляется энергия давления, рассматриваемая как гидроста-

тическое давление в каждом сечении теплопроводов, вызывающее циркуляцию воды. Сопоставим возможное изменение гидродинамического и гидростатиче-

ского давления в вертикальной системе отопления. Гидростатическое давление в вертикальной трубе при изменении положения точки потока только на 1 м

возрастает или убывает на ρgh = 970 9,81 1 ≈ 9516 Па.

Очевидно, что изменение величины гидростатического давления по высо-

те системы отопления даже одноэтажного здания более чем на целый порядок превышает максимально возможное изменение значения гидродинамического давления (1091 Па). Поэтому в дальнейшем для характеристики изменения дав-

ления воды в системе отопления будем учитывать изменение только гидроста-

тического давления (ρgh + р), приближенно считая его равным полному, т.е.

будем пренебрегать изменением гидродинамического давления (ρw2/2).

6.2.Динамика давления в системе водяного отопления

1.Динамика давления в системе водяного отопления с открытым расширительным баком

Примем свободную поверхность воды в открытом расширительном баке за плоскость отсчета для определения избыточного гидростатического давле-

ния. Будем считать уровень, на котором находится вода в баке, неизменным при определенных объеме и температуре воды в системе отопления. Тогда в потоке воды в каждой точке системы отопления можно определить избыточное гидростатическое давление в зависимости от высоты столба воды, расположен-

ного над рассматриваемой точкой (в связи с изменением положения точки).

63

В системе отопления (ее замкнутый контур изображен двойными линия-

ми на рис. 6.1) с не нагреваемой водой при бездействии насоса, то есть 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 над уров-

нем I-I или глубина его погружения под уровень заполнения водой расшири-

тельного бака. Наименьшее гидростатическое давление ρgh1 действует в верх-

ней магистрали, наибольшее ρgh2 – в нижней.

При этом бездействующий насос испытывает равное давление со стороны всасывающего и нагнетательного патрубков.

Рис. 6.1. Эпюра гидростатического давления в системе отопления с не нагреваемой водой при бездействии циркуляционного насоса: 1 – открытый расширительный бак; 2 – циркуляционный насос

Значения избыточного гидростатического давления в трубах системы отопления нанесены на рис. 6.1 штрихпунктирными линиями в прямой зависи-

мости от высоты столба воды h. Для ясности изображения линии давления про-

ведены над верхней магистралью, под нижней магистралью, слева и справа от вертикальных труб. Показанные на рисунке линии называются пьезометриче-

скими, а их совокупность – эпюрой гидростатического давления в статическом режиме. В системе отопления при циркуляции воды (вязкой жидкости) с посто-

64

янной скоростью энергия давления изменяется по длине теплопроводов. Вяз-

кость и деформации потока обусловливают сопротивление движению воды.

Они вызывают потери давления в потоке движущейся воды, переходящего в ре-

зультате трения (линейная потеря) и вихреобразования (местная потеря) в теп-

лоту. При дальнейших построениях потери давления будем считать условно равномерными по длине труб.

Рассмотрим динамику гидростатического давления в системе отопления с нагреваемой водой при бездействии насоса (рис. 6.2). Подобные процессы про-

исходят 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 со-

ставит ρг, в правом – ρо. В такой вертикальной системе отопления при неравно-

мерном распределении плотности воды должна возникнуть неуравновешенность гидростатического давления и в результате естественная циркуляция воды.

Рис. 6.2. Эпюра гидростатического давления в системе отопления с нагреваемой водой при бездействии циркуляционного насоса:1 – открытый расширительный бак; 2 – циркуляционный насос; ц.н – центр нагревания; ц.о – центр охлаждения; О – точка постоянного давления

Для определения значений гидростатического давления предположим,

что вода в системе на какое-то мгновение неподвижна. Тогда максимальное гидростатическое давление в нижней точке правого стояка с охлажденной во-

дой будет (рис. 6.2).

а максимальное гидростатическое давление в левом стояке с нагретой водой

Так как ρо ρг, то гидростатическое давление в правом стояке при отсут-

ствии циркуляции воды будет больше, чем в левом. Штрихпунктирные линии на рис. 6.2 изображают эпюру давления в статическом режиме. Различие в по-

лученных значениях гидростатического давления, вызывающее циркуляцию воды по направлению часовой стрелки, выражает естественное циркуляционное

где h2 – вертикальное расстояние между центрами охлаждения и нагрева-

ния воды или высота двух столбов воды – охлажденной и нагретой.

Из уравнения (6.3) можно сделать выводы:

а) естественное циркуляционное давление возникает вследствие различия

в значениях гидростатического давления двух столбов охлажденной и нагретой воды равной высоты ( ре на рис. 6.2);

б) величина естественного циркуляционного давления не зависит от вы-

и его значение зависит от разности плотности воды и вертикального рас-

стояния между центрами охлаждения и нагревания воды.

Под влиянием естественного циркуляционного давления в замкнутом кольце системы отопления устанавливается циркуляция воды, при которой дав-

ление ре, вызывающее циркуляцию, равно потерям давления при движении

Гидростатическое давление в точке присоединения трубы расширитель-

ного бака к магистрали, равное ρгgh1 (рис. 6.2), при постоянном объеме воды в

66

системе изменяться не может. Эта точка называется точкой постоянного давле-

ния или «нейтральной» точкой систем отопления.

Во всех остальных точках теплопроводов системы гидростатическое дав-

ление при циркуляции воды изменяется вследствие попутной потери давления.

Нанесем на рис. 6.2 вторую эпюру гидростатического давления 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 точкой О (считая по направлению движения воды) оно увеличивается, а после точки О - умень-

шается по сравнению с гидростатическим давлением, предполагавшимся при отсутствии циркуляции. В частности, гидростатическое давление в любой точке левого подъемного стояка (с восходящим потоком воды) возрастает, а правого опускного стояка (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 системе трубы рас-

ширительного бака.

Перейдем к рассмотрению динамики давления в системе отопления с нагреваемой водой при действии циркуляционного насоса при насосной систе-

ме отопления. Насос, действующий в замкнутом кольце системы отопления,

усиливает циркуляцию. Уровень воды в расширительном баке при пуске цир-

куляционного насоса не изменится. Поскольку при указанных условиях – рав-

номерности действия насоса и постоянства объема воды в системе – уровень воды в расширительном баке сохраняется неизменным (безразлично, работает насос или нет), то гидростатическое давление в точке присоединения бака к трубам систем будет постоянным. Точка эта по-прежнему остается «нейтраль-

ной», т.е. на гидростатическое давление в ней давление, создаваемое насосом,

не влияет (давление насоса в этой точке равно нулю).

Эпюра гидростатического давления в динамическом режиме – при насос-

67

ной циркуляции воды в системе отопления – показана на рис. 6.3 (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.

Рис. 6.3. Эпюра гидростатического давления в системе отопления с нагреваемой водой при действии циркуляционного насоса (обозначения – см. рис. 6.4)

Можно расширить вывод, сделанный выше для гравитационной системы:

при циркуляции воды в замкнутом кольце системы отопления (и гравитацион-

ной, и насосной) гидростатическое давление изменяется во всех точках за ис-

ключением одной точки – точки присоединения трубы расширительного бака.

Общие потери давления при движении воды в замкнутом кольце системы отопления рс выразим через потери давления в зоне нагнетания (обозначим их

рнаг) и в зоне всасывания ( рвс) как:

рс = рнаг + рвс. (6.6)

С другой стороны, рс = рн + ре (на рис. 6.3 показано, что рн меньше суммы рнаг и рвс на величину ре). Следовательно, общее (насосное и грави-

тационное) циркуляционное давление при установившемся движении воды бу-

дет затрачиваться без остатка на преодоление линейных и местных сопротив-

68

лений в зонах нагнетания и всасывания. Сравнивая рис. 6.3 и рис. 6.1, можно установить величину изменения гидростатического давления, связанную с по-

терями давления при циркуляции воды в системе отопления:

а) увеличение давления в любой точке i в зоне нагнетания насоса равно потере давления в трубах от рассматриваемой точки до точки постоянного дав-

ления О, т.е.

б) уменьшение давления в любой точке j в зоне всасывания насоса равно

потере давления в трубах от точки постоянного давления О до рассматриваемой точки, т.е.

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

Очевидно, что в зоне нагнетания насоса следует считаться с повышением гидростатического давления по сравнению с давлением в состоянии покоя.

Напротив, в зоне всасывания насоса необходимо учитывать понижение давле-

ния. При этом возможен случай, когда гидростатическое давление не только понизится до атмосферного, но даже может стать ниже него, т.е. возникнет раз-

режение. Рассмотрим такой случай. На рис. 6.4 изображено изменение давления

вверхней подающей магистрали системы отопления.

Вточке постоянного давления О гидростатическое давление равно ρgh. В

промежутке между точками О и В гидростатическое давление убывает в связи с потерей давления при движении воды по зависимости, изображенной на рисун-

ке наклонной пьезометрической линией. Потери давления на участке О-В рО-В

= ρgh, т.е. давление в точке В рв = 0 (избыточное давление равно нулю, а пол-

ное давление, как и на поверхности воды в расширительном баке, равно атмо-

сферному давлению ра). В промежутке между точками В и Г дальнейшие поте-

ри давления вызывают разрежение - давление падает ниже атмосферного.

69

Рис. 6.4. Изменение гидростатического давления в верхней подающей магистрали системы водяного отопления: О – точка постоянного давления; А – точка в зоне нагнетания; Б

– точка наибольшего разрежения; В-Г – зона разрежения

Наиболее заметно давление понизится и разрежение достигнет наиболь-

шей величины в точке Б. Здесь полное давление РБ = ра + ρgh - рО-Б = ра - рВ-

Б. Затем в промежутке между точками Б и Г давление возрастает в связи с уве-

личением высоты столба воды от h до hг, а разрежение уменьшается. В точке Г,

где потери давления рО-Г = ρghг, избыточное давление вновь, как в точке В,

равно нулю (РГ = 0), а полное давление равно атмосферному. Ниже точки Г из-

быточное гидростатическое давление быстро возрастает, несмотря на последу-

ющие потери давления при движении воды.

В промежутке между точками В и Г, особенно в точке Б, при давлении ниже атмосферного и при температуре воды, близкой к 100 °С (90…95 °С),

возможно парообразование. При более низкой температуре воды, исключаю-

щей парообразование, возможен подсос воздуха из атмосферы через резьбовые соединения труб и арматуру. Во избежание нарушения циркуляции из-за вски-

пания воды или подсасывания воздуха, при конструировании и гидравлическом расчете системы водяного отопления должно соблюдаться правило: в зоне вса-

сывания в любой точке j системы отопления гидростатическое давление при действии насоса должно оставаться избыточным, т.е. Рj ра. Для этого должно удовлетворяться неравенство

Возможны три способа выполнения этого правила: