Книги / Махов Л.М. Отопление учеб. для вузов

новные приборы установлены открыто и присоединены к специально предусмотренным

патрубкам на стояках.

Рис. 7.21. Расчетная схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления с

нижней разводкой обеих магистралей (с П-образными стояками): Ст.1 - проточно- регулируемый стояк; Ст.2 - стояк с замыкающими участками

Расход и температуру воды в стояках определяют по формулам (7.23) и (7.24).

Естественное циркуляционное давление в любом стояке находят как разность гидростати-

ческого давления в нисходящей и восходящей частях стояка. Например, для проточно-

где обозначения Ьз,\2 и 1ц - см. на рис. 7.20.

И в этом случае действительна формула (7.28) общего вида, причем высота 1\ зависит от

положения центров охлаждения воды (кружки в контуре приборов на стояке 1 или черные

точки в стояке 2 на рис. 7.21).

Естественное давление в малых циркуляционных кольцах приборов в стояке 2 находят по

формуле (7.30) или (7.30, а). В нисходящей (правой на рис. 7.21) части стояка 2 естествен-

ное давление в каждом малом циркуляционном кольце, как было отмечено, способствует

затеканию воды в отопительные приборы. Напротив, в восходящей (левой) части стояка,

где центры охлаждения выше соответствующих центров охлаждения воды в приборах,

оно противодействует затеканию воды и относительно уменьшает расход воды в прибо- рах, что вызывает увеличение их площади. Формула (7.31) относится также к бифилярной схеме стояков.

201

Однотрубная система отопления с "опрокинутой" циркуляцией воды (с нижней раз-

водкой подающей магистрали и верхней прокладкой обратной магистрали - см. рис. 6.3). На рис. 7.22 изображена расчетная схема части такой системы с тупиковым движением

воды в магистралях со стояками, имеющими проточные приборные узлы (стояк 1), про-

точно-регулируемые узлы с кранами типа КРТ (стояк 2) и узлы с замыкающими участка- ми и кранами типа КРП (стояк 3). Обходные и замыкающие участки делают, как правило, смещенными от оси стояков.

8A. 7.22. Расчетная схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления с "оп-

рокинутой" циркуляцией воды: Ст.1 - проточный стояк; Ст.2 - проточно-регулируемый стояк; Ст.З - стояк с замыкающими участками

Расход и температуру воды в стояках определяют по формулам (7.23) и (7.24). Естествен-

ное циркуляционное давление Арс.Пр находят по формуле (7.28) или как разность гидро-

статического давления в главном обратном стояке (Г.ст на рис. 7.22) и в рассматриваемом

202

По формуле (7.32) можно дополнительно учесть отличие плотности воды при температуре 1к+ь в рассматриваемом стояке, от плотности воды при температуре И в главном обратном

стояке.

Естественное циркуляционное давление в малом циркуляционном кольце каждого отопи-

тельного прибора стояка 3 (см. рис. 7.22) вычисляют по формуле (7.30) или (7.30, а). В

данной системе это давление противодействует затеканию воды во все вертикальные при-

боры, что приводит к относительному увеличению площади их теплоотдающей поверхно-

сти.

Для большинства рассмотренных вертикальных однотрубных систем отопления характер-

но одностороннее присоединение приборов к стоякам. Это, хотя и увеличивает число

стояков, однако позволяет унифицировать узлы обвязки приборов, как по диаметру, так и

по длине труб, что необходимо для интенсификации производства при массовом обезли-

ченном изготовлении деталей. Кроме того, отопительные приборы из гладких труб малого

диаметра (здесь им уподобляются трубы стояков) имеют повышенный коэффициент теп- лопередачи по сравнению с другими видами отопительных приборов; Следовательно, при

увеличении числа открыто прокладываемых стояков уменьшаются размеры основных

отопительных приборов.

На основании полученных формул можно сделать следующие выводы:

•- в циркуляционных кольцах вертикальных однотрубных систем водяного отопле- ния естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, возрастает 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 одно-

трубных системах с замыкающими участками возникает дополнительное естест-

венное циркуляционное давление, зависящее от высоты прибора и степени охлаж-

дения воды в нем. Это давление способствует затеканию воды в приборы при дви-

жении воды в стояке сверху вниз и противодействует ему при движении воды сни-

зу - вверх.

2. Вертикальные двухтрубные системы отопления

Схемы двухтрубной системы отопления с верхней и нижней разводкой изображены на

рис. 6.4. В такой системе для каждого из приборов образуется отдельное циркуляционное

кольцо, т.е. число циркуляционных колец в системе равно числу приборов. На рис. 7,23

приведены расчетные схемы двухтрубных стояков с верхней разводкой для двухэтажного

(рис. 7.23, а) и с нижней разводкой для 14-этажного здания (рис. 7.23, б). Нетрудно заме- тить, что в подобных кольцах двухтрубных систем как с верхней, так и с нижней развод-

кой возникает одинаковое естественное циркуляционное давление. Его значение в каждом

циркуляционном кольце определяется вертикальным расстоянием между центрами охла-

ждения и нагревания.

В циркуляционных кольцах через отопительные приборы на первом этаже возникает есте-

ственное давление (см. вывод формулы (7.25))

203

где Ь* - вертикальное расстояние между центром охлаждения воды в приборах на первом этаже и центром ее нагревания в системе отопления.

Ц.Н

Рис. 7.23. Расчетная схема вертикальной двухтрубной системы водяного отопления: а - с

верхней разводкой подающей магистрали; б - с нижней разводкой обеих магистралей

В циркуляционных кольцах через отопительные приборы на втором этаже

где И2 - вертикальное расстояние между центрами охлаждения воды в приборах на втором и первом этажах.

При нижней разводке в кольцах через отопительные приборы на верхнем 1Ч-м этаже дей-

ствует максимальное естественное циркуляционное давление

Сравнивая написанные формулы, установим, что в циркуляционном кольце какого-либо

прибора, расположенного выше другого, возникает дополнительное естественное давле-

ние, пропорциональное вертикальному расстоянию между центрами охлаждения воды в этих приборах. Положение центра охлаждения в верхних отопительных приборах на рис. 7.23, 6 установлено по оси подводок к ним. Неоднородность плотности воды по высоте этих приборов вызывает лишь внутреннюю циркуляцию в приборах и не отражается на циркуляции воды в стояке.

204

На основании полученных формул сделаем вывод, что в вертикальных двухтрубных сис-

темах водяного отопления естественное циркуляционное давление, возникающее вследст-

вие охлаждения воды в отопительных приборах, различно по значению и независимо по

действию для циркуляционных колец приборов, находящихся на разной высоте. Следова-

тельно, в таких системах естественное давление неодинаково влияет на циркуляцию воды через каждый прибор, что в результате может нарушать заданное (расчетное) распределе-

ние по приборам воды, подаваемой в стояки насосом. В этом причина наблюдаемой на

практике вертикальной тепловой неустойчивости не отрегулированных систем отопления

с двухтрубными стояками.

3. Горизонтальные однотрубные системы отопления

В горизонтальных однотрубных системах отопления многоэтажных зданий (см. рис. 6.5)

последовательно соединенные приборы на каждом этаже, образующие ветвь, располага-

ются на одной и той же высоте над центром нагревания. Промежуточное изменение тем-

пературы и плотности в ветви по горизонтали вследствие охлаждения воды в приборах не

отражается на значении естественного циркуляционного давления, которое определяется в зависимости от разности гидростатического давления в стояках (вертикальных участ-

ках). В горизонтальных однотрубных системах с приборами, соединенными по проточной

(на рис. 7.24, а показано на первом этаже) и по проточно-регулируемой схемам (на рис.

7.24, а - на втором этаже) естественное циркуляционное давление различно в кольцах че-

рез ветви на каждом этаже (см. формулы (7.33) - (7.35)): через ветвь на первом этаже ^ре.лр.1 = еь1(Ро - рг);

через ветвь на втором этаже

^ре.пр.И = ё(Ь[ + ЬгХРо - Рг)

ит.д.

В горизонтальной однотрубной системе с замыкающими участками у приборов (на рис.

7.24, а - на третьем этаже) также возникает различное естественное циркуляционное дав- ление в кольцах через ветви на каждом этаже (формулы те же, высота - до условных цен- тров охлаждения, изображенных на рисунке жирными точками). Кроме того, действует дополнительное естественное давление в малом циркуляционном кольце каждого прибо-

ра. Его определяют по формуле, написанной по адалогии с формулой (7.30):

^Ре.мал (Рвых " Рвх)* (7.36)

где й? - вертикальное расстояние между условными центрами охлаждения воды в приборе

и в ветви (см. рис. 7.24, а).

Формулы (7.33)-(7.35) относятся также к горизонтальной бифилярной схеме ветви, изо-

браженной на рис. 7.24, б.

В горизонтальных двухтрубных системах отопления естественное циркуляционное давле- ние, возникающее при охлаждении воды в приборах, определяют по формуле (7.33). Ве- личина этого давления незначительна и учитывается оно, прежде всего, в системах ото- пления с естественной циркуляцией воды малоэтажных зданий.

205

Рис. 7.24. Расчетная схема горизонтальной однотрубной системы водяного отопления: а -

спроточной ветвью на первом этаже, с проточно-регулируемой ветвью на втором этаже и

светвью, имеющей осевые замыкающие участки, на третьем этаже; б - с бифилярной вет-

вью

Естественное циркуляционное давление в насосной системе водяного отопления является

составной частью общего циркуляционного давления, создающего необходимую цирку-

ляцию воды. Общее циркуляционное давление, действующее в расчетных условиях цир-

куляции, называют расчетным.

§ 7.5. Расчетное циркуляционное давление в насосной системе водяного ото- пления

Под расчетным понимают то значение общего циркуляционного давления, которое вы- брано для поддержания расчетного гидравлического режима в системе отопления. Расчет- ное циркуляционное давление выражает располагаемую разность давления (насосного и естественного), которая в расчетных условиях может быть израсходована на преодоление гидравлического сопротивления движению воды в системе отопления.

206

Разность давления, создаваемая насосом (насосное циркуляционное давление), постоянна в определенной рабочей точке его характеристики (см. рис. 3.11). Естественная разность давления (естественное циркуляционное давление) переменна и подвержена непрерывно-

му изменению в течение отопительного сезона из-за возрастания или убывания различия в

плотности воды в разных частях системы. Следовательно, общее циркуляционное давле- ние также переменно, и задачей является выбор его значения в качестве расчетного.

Расчетное циркуляционное давление Арр в системе водяного отопления в общем виде можно определить по формуле

где Дрн - циркуляционное давление, создаваемое насосом (см. § 3.4) или передаваемое в

систему отопления через смесительную установку (см. § 3.5); Дре пр- Дре.тр - естественное

циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды (нагретой до рас-

четной температуры) соответственно в отопительных приборах и в трубах циркуляцион-

ного кольца системы (см. §§ 7.4 и 7.3); Б - поправочный коэффициент, учитывающий зна- чение естественного циркуляционного давления в период поддержания расчетного гид-

равлического режима в системе (Б<1).

Воздействие переменного естественного циркуляционного давления вызывает отклонение от расчетного гидравлического режима системы, что отражается на количестве проте-

кающей воды и в итоге на теплопередаче приборов.

По характеру воздействия естественного циркуляционного давления на расход воды (см.

выводы в § 7.4) все насосные системы отопления многоэтажных зданий можно разделить

на две группы:

•вертикальные однотрубные и бифилярные;

•горизонтальные однотрубные и бифилярные, двухтрубные системы. Расчетный гидравлический режим в этих группах систем приурочен к различным периодам

отопительного сезона.

Для вертикальных однотрубных и бифилярных насосных систем (а также для любого вида

систем отопления с естественной циркуляцией воды) этот период соответствует темпера-

туре наружного воздуха р, расчетной для отопления зданий в данной местности. При

этой температуре естественное циркуляционное давление в системах достигает своего

максимального значения (Б=1). Тогда формула (7.37) для определения расчетного цирку-

ляционного давления в системах отопления первой группы принимает вид

Для горизонтальных однотрубных и бифилярных, двухтрубных насосных систем отопле- ния расчетный гидравлический режим отнесен к периоду наиболее длительного стояния одной и той же температуры наружного воздуха (см. рис. 1). Для большинства районов

России это температура близка к средней температуре отопительного сезона. В Москве,

например, такая температура наружного воздуха удерживается свыше 2500 ч, т.е. около

207

половины отопительного сезона. При этой температуре наружного воздуха в системе ото-

пления возникает естественное циркуляционное давление, составляющее около 40 % мак-

симального его значения. Поэтому для второй группы насосных систем отопления в фор-

муле (7.37) принимают Б=0,4 и тогда

Выбор разных периодов отопительного сезона для гидравлического расчета двух различ- ных групп систем водяного отопления делается с целью сохранить возможно дольше не-

обходимую теплоотдачу отопительных приборов. Это одно из мероприятий, способст-

вующих эффективности отопления здания.

Эффективность отопления здания связана с поддержанием заданной температуры поме-

щений в течение требуемого периода времени при нормальных условиях эксплуатации.

Заданная температура помещений может быть обеспечена только при строгом соответст-

вии теплоотдачи отопительных приборов расчетным предположениям в течение всего

отопительного сезона. Следовательно, эффективность отопления обусловливается, прежде

всего, надежностью системы отопления.

Надежная система отопления должна отвечать условиям безотказности, ремонтопригод-

ности и долговечности. Но, кроме того, надежная система должна обладать тепловой ус-

тойчивостью.

Под тепловой устойчивостью системы, структура которой не нарушается (не проводятся

отключения частей, изменения площади приборов и т.п.), понимается ее свойство пропор-

ционально изменять теплоотдачу всех отопительных приборов при изменении температу- ры и расхода теплоносителя в течение отопительного сезона.

Большей тепловой устойчивостью отличаются системы первой группы - вертикальные однотрубные и бифилярные. Однако, чтобы обеспечить достаточно устойчивую их рабо-

ту, при эксплуатации этих систем нужно уменьшать расход циркулирующей воды одно-

временно с понижением ее температуры. Так, в теплый период отопительного сезона рас-

ход воды в стояках следует уменьшать до приблизительно 60 % расчетного (рис. 7.25).

Для такого изменения параметров теплоносителя необходимо проведение автоматическо-

го качественно-количественного регулирования в течение всего отопительного сезона.

В большинстве случаев автоматического количественного регулирования не предусмат-

ривают и роль естественного регулятора расхода воды предоставляют выполнять естест-

венному циркуляционному давлению. Его значения уменьшаются по мере уменьшения

разности температуры горячей и охлажденной воды (на рис. 7.25, например, от 25 °С при

1Н = -30 °С до 6,5 °С при 1н=10 °С). При этом сокращается расход воды во всех отопитель-

ных приборах каждого стояка (что было установлено в § 7.4). Этим объясняется, что при определении расчетного циркуляционного давления в вертикальных однотрубных и би-

филярных насосных системах отопления (см. формулу (7.38)) к насосному давлению при-

бавляется максимальное значение естественного циркуляционного давления (Б=1).

Это положение можно пояснить рис. 7.26, где показаны характеристика циркуляционного

насоса и отрезок суммарной характеристики двух "насосов" (механического и естествен-

ного), вызывающих циркуляцию воды в системе. В рабочей точке А пересечения суммар-

ной характеристики с характеристикой системы отопления (см. §3.4) под совместным

влиянием давления двух "насосов" (Арн + Дре) обеспечивается расчетный расход воды в

системе Ос (при расчетной для отопления температуре наружного воздуха). По мере по-

208

вышения температуры наружного воздуха естественное циркуляционное давление уменьшается (вследствие уменьшения Д{, см. рис. 7.25), сокращается и расход воды в сис-

теме (точка А на рис. 7.26 стремится к точке Б). В рабочей точке Б расход воды минима-

лен и равен Он (естественное давление равно нулю). Понятно, что, используя в качестве

"регулятора" изменение естественного циркуляционного давления, можно лишь прибли-

зиться (в среднем наполовину) к надлежащему количественному регулированию верти-

кальных однотрубных систем отопления, а оптимальный гидравлический режим в них

достижим только при автоматическом регулировании.

I

Рис. 7.25. График изменения температуры и расхода воды в вертикальной однотрубной

системе отопления в течение отопительного сезона: расчетные значения {г=95 °С и

Г=70 °С соответствуют 1ц=-30°С

Рис. 7.26. Характеристика насоса (рабочая точка Б) и суммарная характеристика (с учетом естественного циркуляционного давления Дре, рабочая точка А) применительно к верти-

кальной однотрубной системе отопления (расход воды изменяется от Он д0 Ос)

Меньшая тепловая устойчивость присуща горизонтальным однотрубным и бифилярным

и, особенно, вертикальным двухтрубным системам отопления. В циркуляционных коль-

цах этих систем в результате изменения различного по величине естественного циркуля-

209

ционного давления заметно нарушается расчетный гидравлический режим отопительных

приборов. Вода, подаваемая циркуляционным насосом в стояки, перераспределяется меж-

ду ветвями и приборами. В холодный период отопительного сезона Вн^ср.о.с) значительно

увеличивается расход воды в верхней части систем при сокращении расхода в нижней части. В теплый период (Чн>1ср ос) возрастает расход воды в нижней части за счет верхней.

Таким образом, в этих системах неизбежно возникает вертикальное гидравлическое и, как

следствие, тепловое разрегулирование - нарушение тепловой устойчивости.

Выбор расчетного циркуляционного давления по формуле (7.39) создает условия для дли-

тельного действия отопительных приборов горизонтальных однотрубных и бифилярных,

вертикальных двухтрубных насосных систем в расчетном гидравлическом режиме с со- хранением тепловой устойчивости. Такой подход к выбору Арр способствует также уменьшению величины вертикального теплового разрегулирования при низкой и высокой

температуре наружного воздуха и сокращению продолжительности этих периодов в про-

цессе эксплуатации систем отопления.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И УПРАЖНЕНИЯ

1. Почему высота расположения открытого расширительного бака, соединенного с

системой водяного отопления двумя вертикальными трубами, не влияет на величи-

ну естественного циркуляционного давления в системе?

2. Сопоставьте изменение гидростатического давления в насосной системе водяного отопления в зависимости от точек присоединения открытого расширительного ба-

ка, традиционных для российской и германской практики.

3. Исследуйте условия, при которых в районной системе водяного отопления воз- можны в отдельных зданиях подсос воздуха в трубы или разрушение отопительных приборов. ;

4. Выведите зависимости для определения предельно целесообразного расстояния

между точками параллельного включения двух расширительных баков в различ-

ных частях районной системы водяного отопления.

5. Определите относительные значения естественного циркуляционного давления

(приняв за единицу его значение при расчетной для отопления температуре наруж-

ного воздуха) при температуре наружного воздуха в местных условиях: средней в

январе Месяце, средней в течение отопительного сезона, в начале и конце отопи-

тельного сезона.

6. Выведите формулу (7.27) с включением в нее тепловой нагрузки стояка вместо

расхода воды.

7. Установите зависимость величины естественного циркуляционного давления в ма-

лых циркуляционных кольцах вертикальной однотрубной системы водяного ото-

пления от числа последовательно включенных в стояки отопительных приборов.

8. Проанализируйте влияние естественного циркуляционного давления, возникающе-

го вследствие охлаждения воды в приборах двухтрубной насосной системы водя-

ного отопления, на распределение теплоносителя между отопительными прибора-

ми, расположенными на различных этажах многоэтажного здания.

9. Сравните в расчетных условиях величину естественного циркуляционного давле-

ния в малых циркуляционных кольцах с радиаторами, установленными в верти-

кальной и горизонтальной однотрубных системах водяного отопления.

10. Оцените относительную тепловую устойчивость вертикальной однотрубной, гори-

зонтальной однотрубной и вертикальной двухтрубной насосных систем водяного отопления многоэтажного здания.

210