Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление, 2002

сит стоимость его прокладки и увеличит расход металла. Можно установить в тепловом пункте здания I на обратной магистрали (и это технически наиболее приемлемо) регулятор давления типа "до себя" (см. рис. 3.5). Такой регулятор давления должен быть рассчитан на понижение давления от Р2 до Р3 (Δррд = Р2 - рз ) при пропуске расчетного расхода воды из системы отопления здания I, т.е. на поддержание в обратной магистрали необходимого давления Р2 до регулятора.

Гидростатическое давление со стороны подающего теплопровода (в точке Б) не должно превышать предельно допустимого (рабочего) давления для всех элементов (арматуры, отопительных приборов) внутренней системы отопления. В случае необходимости гидростатическое давление в подающем теплопроводе может быть искусственно понижено до допустимого значения (например, до Р1 в точке 7), при котором обеспечивается прочность этих элементов и вместе с тем необходимая циркуляция воды в системе отопления. Циркуляция воды в здании I будет происходить благодаря разности давления Δp1 = P1 - Р2. Давление может быть понижено путем установки диафрагмы, причем расчетная разность давления для нее составит рд = РБ-Р1.

Циркуляционный насос, установленный на тепловой станции, создает давление, как видно из рис. 7.11, равное сумме потерь давления в зонах нагнетания рнаг и всасывания рвс. При значительной величине рвс давление во всасывающем патрубке насоса может понизиться настолько, что в насосе возникнет кавитация. Кавитация (лат. cavitas - пустота) - нарушение сплошности потока - заключается в появлении пузырей воздуха (переходящего из растворенного состояния в свободное) и пара (из-за вскипания воды при понижении давления до давления водяного пара при определенной температуре). Кавитационные пузыри, возникая и исчезая, вызывают многократные удары струй воды о стенки насоса. Кавитация сопровождается снижением КПД насоса, шумом и разрушением (изъязвлением) поверхности рабочего колеса и корпуса насоса.

Практически это нежелательное явление, 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 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 и гидростатическое давление составляет 0,07 МПа), то потеря давления в теплопроводах зоны всасывания (от точки О до точки И на рис. 7.11) не должна превышать 0,02 МПа. Очевидно, что при малоэтажной застройке расширительный бак следует помещать близ тепловой станции.

В районной системе отопления группы многоэтажных зданий скорее возможна не кавитация в насосе, а чрезмерное повышение гидростатического давления. Повышение давления в обратных теплопроводах, опасное для целостности отдельных элементов системы отопления, может произойти как при установке расширительного бака в ближайшем к тепловой станции высоком здании (рис. 7.12), так и при перемещении туда бака из удаленного здания.

181

Отсутствие расширительного бака с атмосферным давлением над свободной поверхностью воды заставляет по иному подойти к нахождению точки постоянного давления в системе и величины гидростатического давления в ней.

Гидростатическое давление в вертикальной системе отопления, непосредственно присоединенной к наружным теплопроводам, должно быть достаточным не только для заполнения системы водой, но и для создания в наиболее высоко расположенной точке системы некоторого избыточного давления. Это необходимо для надежного удаления воздуха из системы при температуре воды tr<100 °C и предотвращения вскипания воды при ее температуре tr> 100 °С.

Для выполнения этих условий в статическом режиме (в случае полного прекращения циркуляции воды) проведем на рис. 7.13 пьезометрическую штрихпунктирную линию на достаточной высоте h1 над верхней подающей магистралью системы отопления. Высота h1 должна соответствовать гидростатическому давлению при tr<100 °С не менее 0,01 МПа, т.е. h1≥l м вод. ст., а при tr=150 °C - 0,4 МПа. Остальные пьезометрические штрихпунктирные линии (статический режим) наносим исходя из выбранного минимального избыточного давления в верхней подающей магистрали. В результате получаем необходимое гидростатическое давление Р2 в точке Д обратной магистрали.

Если давление Р2 поддерживается на заданном уровне (например, с помощью регулятора давления "до себя"), то точка Д становится искусственной точкой постоянного давления внутренней системы отопления. Давление Р2 является исходным для построения пьезометрических линий в динамическом режиме (сплошные линии на рис. 7.13, выражающие, как и ранее, условно равномерные линейную и местные потери давления в системе отопления).

Рис. 7.13. Изменение гидростатического давления в системе водяного отопления, непосредственно присоединенной к наружным теплопроводам (без расширительного бака): Д - точка постоянного давления Р2

Найдем изменение гидростатического давления в трех характерных точках системы отопления (не считая точки Д, в которой давление Р2 - принято постоянным). Это точка Г ниж-

183

ней обратной магистрали, наиболее удаленная от наружного обратного теплопровода, точка В верхней подающей магистрали, наиболее высоко расположенная и удаленная от ввода наружного теплопровода, и точка А в начале подающей магистрали системы.

Гидростатическое давление в точке Г выражает наибольшее давление в нижней обратной магистрали и в системе отопления вообще

где рг.д - потери давления в нижней обратной магистрали при перемещении воды от точки Г до точки Д (см. рис. 7.13).

Наибольшее давление не должно превышать рабочего давления для каждого элемента системы отопления. Поэтому выражение (7.11) служит для проверки выполнения этого условия. Если, например, давление Р2 близко к 0,6 МПа, то с учетом потерь давления в обратной магистрали максимальное гидростатическое давление в чугунной арматуре и отопительных приборах, расположенных на уровне ввода наружных теплопроводов и ниже его, превысит рабочее, что может привести к их разрушению.

Гидростатическое давление в точке В выражает наименьшее давление в верхней подающей магистрали и в системе вообще в динамическом режиме

где рв-д - потери давления при перемещении води от точки В до точки Д; ρв- плотность охлажденной воды; h - высота системы отопления.

Выражение (7.12) служит для проверки условия не вскипания высокотемпературной воды, если давление Р2 принимают без учета температуры воды.

Покажем на примере необходимость проверки минимального избыточного давления в системе отопления. 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:

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 в динамическом режиме (в точке 7 на рис.7.11):

где рс = рА.д - потери давления при движении воды от точки А до точки Д, т.е. общие потери давления в системе отопления; ре = gh(ρо - ρг) - естественное циркуляционное давление, возникающее в системе по уравнению (7.4).

Переписав выражение (7.13) в виде

184

сится, а в баке 1 понизится (баки уподобятся водяным манометрам). Разность уровней воды в баках по установленной выше зависимости пропорциональна потерям давления в теплопроводе между точками Б и А (см. формулы (7.7) и (7.8)).

В частном случае, когда вместимости и площади поперечного сечения баков а1 и А2 равны и трубы к бакам и между точками Б и А одинакового диаметра, повышение уровня воды в одном баке h2 равно понижению h1 в другом, а точка постоянного давления О находится посредине участка Б-А.

При различной вместимости баков, выраженной в нашем случае различной площадью их поперечного сечения, больше изменится уровень воды в баке, имеющем меньшую площадь поперечного сечения. Понижение уровня воды в старом расширительном баке 1 (см. рис. 7.14) составит

где рБ.А - потери давления в теплопроводе от точки Б до точки А.

Аналогичный вид имеет выражение для определения величины повышения уровня воды в новом расширительном баке 2

Видно, что положение точки постоянного давления О, как и изменение уровня воды в баках, при прочих равных условиях зависит от соотношения площадей поперечного сечения расширительных баков. При дальнейшем увеличении площади бака 2 точка О будет перемещаться по направлению к точке его присоединения (к точке Б на рис. 7.14). Если бак 2 сделать столь большим, что можно пренебречь изменением уровня воды в нем, то точка О сольется с точкой Б, а поднятие уровня в баке 1 малой площади достигнет максимальной величины

Практически это случай, когда в расширительный бак, присоединенный к общей обратной магистрали, выводится воздушная труба от верхней точки подающей магистрали системы отопления (рис. 7.15). Такая воздушная труба 3 фактически является вторым расширительным баком весьма незначительной площади поперечного сечения, присоединенным в точке А зоны нагнетания. При действии насоса в воздушной трубе произойдет поднятие уровня воды, пропорциональное потерям давления от точки А до точки постоянного давления О, практически совпадающей с точкой присоединения расширительного бака. При этом потери давления могут оказаться столь большими, что в воздушной трубе вода будет не только подниматься, но и выливаться в бак, а затем по соединительной трубе 4 возвращаться в систему. Такое добавочное циркуляционное кольцо может нарушить нормальное действие системы. Следовательно, такой способ удаления воздуха из системы допустим лишь при предварительном рассмотрении изменения давления.

186

крытыми расширительными баками, параллельно присоединенными к теплопроводам: O1, O2 - точки постоянного давления; A1, A2 - площадь поперечного сечения соответственно баков 1 и 2; h1, h2 - понижение и повышение уровня воды соответственно в баках 1 и 2

На рисунке 7.16 нанесены пьезометрические линии, выражающие изменение давления в зонах нагнетания и всасывания и уровня воды в расширительных баках.

Изменение уровня воды в баках 1 и 2 по-прежнему будет пропорционально потерям давления в теплопроводах от точек их присоединения А и Б до соответствующих точек О1 и О2. Положение последних и изменение уровня воды связано также с соотношением площадей поперечного сечения баков а1 и А2. Отсюда можно выразить высоту подъема воды h1 в баке 1, ближнем к общей точке В системы отопления,

или в более удобном для вычислений виде

Аналогичный вид будет иметь и формула для определения величины опускания воды h2 в баке 2.

Если площадь одного из баков (например, бака 2) весьма велика по сравнению с площадью другого, то точка постоянного давления О2 переместится к точке Б, а положение "нейтральной" точки О1 будет зависеть от разности потерь давления на отрезках теплопроводов В-Б и В-А. Когда эта разность положительна, уровень воды в баке 1 повысится, а точка О1 расположится после точки А (по направлению движения воды). Когда она отрицательна, уровень воды в баке 1 понизится, а точка О1 будет находиться перед точкой А.

В частном случае, при равных потерях давления рв-в = рв-д точки постоянного давления совпадут с точками А и Б и уровень воды в баках при действии насоса не изменится, каковы бы ни были площади их поперечного сечения.

Практически возможен случай, когда при наличии одного расширительного бака потребуется параллельная установка второго дополнительного бака вновь присоединенной системе отопления. Появление второго бака изменит гидростатическое давление в теплопроводах ранее существовавшей системы отопления.

Рассмотрим изменение гидростатического давления в районной системе теплоснабжения в этом случае. На рис. 7.17 показано гидростатическое давление в теплопроводах системы теплоснабжения группы зданий в статическом (штрихпунктирная линия) и в динамическом режимах, когда к ранее существовавшей системе слева от тепловой станции с тремя зданиями ИИ и расширительным баком 7 добавлена новая система спраэа с тремя зданиями IV-VI и вторым баком 2. Первый бак установлен в здании III, изменение гидростатического давления в одной левой системе показано сплошными линиями. Второй дополнительный бак помещен в здании VI на одном уровне с первым. Характер изменения гидростатического давления в обеих частях объединенной системы изображен пунктирными линиями.

188

Очевидно, что предпочтение следует отдавать присоединению к системе отопления одного расширительного бака. Однако и при использовании одного открытого бака место его присоединения к теплопроводам, особенно в районной системе теплоснабжения группы зданий, должно выбираться с учетом изменения давления в динамическом режиме.

Система водяного отопления может устраиваться и без открытого расширительного бака в том случае, когда обеспечивается необходимое гидростатическое давление во всех ее элементах при различных режимах эксплуатации. При этом возможно применение на тепловой станции закрытого расширительного бака, находящегося под естественным или искусственно повышенным гидростатическим давлением, а также специального насоса или клапана, одновременно осуществляющего подпитку системы.

§ 7.3. Естественное циркуляционное давление

Естественное циркуляционное давление является одним из составляющих расчетного циркуляционного давления в системе водяного отопления. Причина его возникновения выше уже рассматривалась (см. § 7.2).

Нагревание и охлаждение воды в циркуляционных кольцах системы создает неоднородное распределение ее плотности. В строго горизонтальной системе отопления это явление не вызывает циркуляции воды. Естественная циркуляция воды возникает только в вертикальной системе и в ее вертикальных элементах (двухтрубных стояках, приборных узлах с замыкающим участком однотрубных стояков и пр.). Значение естественного давления, вызывающего циркуляцию воды, определяется разностью гидростатического давления двух столбов воды одинаковой высоты.

Охлаждение теплоносителя в системе водяного отопления происходит непрерывно по мере удаления от теплообменника, на выходе из которого температура воды имеет наивысшее значение, и заканчивается при возвращении ее к теплообменнику. Постепенное остывание воды в теплопроводах сменяется быстрым охлаждением ее в отопительных приборах. Поэтому общее естественное циркуляционное давление ре, возникающее в системе,

В большинстве случаев и прежде всего в системах отопления многоэтажных зданий первое слагаемое является основным по значению, второе - дополнительным. В частном случае (в малоэтажных зданиях) основным может быть р .

При рассмотрении значений естественного циркуляционного давления используют понятие о центре охлаждения теплоносителя. В центре охлаждения фактически постепенное изменение температуры (и плотности) воды по длине теплопровода или отопительного прибора принимают условно скачкообразным. С введением такой условной границы охлаждения можно считать, что на каждой половине длины отрезка теплопровода или прибора вода имеет свою постоянную плотность. При этом гидростатическое давление не должно изменяться. Подобную условную границу изменения температуры воды в генераторе теплоты или теплообменнике системы отопления называют центром нагревания.

190