Циркуляционный насос системы водяного отопления

Насос, действующий в замкнутых кольцах системы отопления (15.1) , заполненных водой, воду не поднимает, а только ее перемещает, создавая циркуляцию, и поэтому называется циркуляционным (15.2). В отличие от циркуляционного насоса, насос в системе водоснабжения перемещает воду, поднимая ее к точкам разбора. При таком использовании насос называют повысительным.

В процессах заполнения и возмещения потери (утечки) воды в системе отопления циркуляционный насос не участвует; заполнение происходит под воздействием давления в наружных теплопроводах, в водопроводе или, если этого давления недостаточно, с помощью специального подпиточного насоса.

Циркуляционный насос включают, как правило, в обратную магистраль системы отопления для увеличения срока службы деталей, взаимодействующих с горячей водой.

Вообще же для создания циркуляции воды в замкнутых кольцах местоположение циркуляционного насоса безразлично. При необходимости несколько понизить гидростатическое давление в теплообменнике или котле насос может быть включен и в подающую магистраль системы отопления, если, конечно, его конструкция рассчитана на перемещение более горячей воды.

Мощность циркуляционного насоса определяется количеством перемещаемой воды и развиваемым при этом давлением.

Количество воды, подаваемой насосом за данный промежуток времени, отнесенное к этому промежутку (обычно к 1 ч), называют подачей насоса Lн, м³/ч. В технике отопления объемную подачу насосом горячей воды заменяют массовым расходом Gн, не зависящим от температуры воды,

Gн=ρLн (15.1)

Для циркуляционного насоса, включенного в магистраль, расход перемещаемой воды Gн равен расходу воды в системе отопления Gc, т. е.

Gн=Gс (15.2)

Общий расход воды Gc, кг/с, составляет

(15.3)

где Qc—тепловая мощность системы отопления ,Вт; с— удельная массовая теплоемкость воды, Дж/(кг°С) ( ); tг и tо - расчетная тем­пература подающей и обратной воды в системе отопления, °С.

На практике пользуются расходом воды, перемещаемым в течение 1 ч. И общий расход воды в системе Gс, кг/ч, определяют по преобразованной формуле (15.3)

[при с=4187 Дж/(кг.°С)]

Gc=0,86Qc/(tг-to). (15,3а)

Циркуляционным давлением насоса (15.3) называют создаваемое насосом повышение давления в потоке воды, необходимое для преодоления сопротивления ее движению в системе отопления, в которую он включен. Циркуляционное давление насоса обозначают ∆Рн и выражают в ньютонах на квадратный метр (Н/м²) или, короче, в паскалях (Па). В отличие от циркуляционного давления напор насоса обозначают буквой Н и выражают в метрах (м). Численно циркуляционное давление как удельная энергия, сообщаемая насосом воде в системе отопления (отнесенная к единице объема, перемещаемого в 1 с), равняется разности полного гидравлического давления при выходе воды из нагнетательного патрубка и при входе во всасывающий патрубок насоса

(15.4)

где Рнаг, Рвс -гидростатическое давление в потоке воды, Па ( );

Wнаг, Wвс — скорость потока воды, м/с; hнаг-hвс — разность уровней выхода и входа воды в насос, м (индекс «наг» относится к нагнетательному, индекс «вс» — к всасывающему патрубку насоса).

Практически циркуляционное давление насоса (15.3) считают равным разности гидростатического давления в нагнетательном и всасывающем патрубках

∆Рн=Рнаг-Рвс

(15.4а)

пренебрегая различием в Wнаг и Wвс, hнаг и hвс

Возможны три случая определения необходимого значения ∆Рн.

В вертикальной системе насосного водяного отопления всегда действует, помимо давления, создаваемого насосом, естественное циркуляционное давление (∆Ре). Следовательно, если потери давления при циркуляции воды в системе известны (обозначим их ∆Рс), то необходимое цир­куляционное давление насоса ∆Рн должно составить

∆Рн=∆Рс-∆Ре (15.5)

В этом первом случае определения значения ∆Рн по формуле (15,5) потери давления при циркуляции воды в системе отопления ∆Рс получают из гидравлического расчета. Как известно, потери зависят от скорости движения воды в трубах, для которой существует предел повышения» связанный с экономическим и акустическим ограничениями.

Экономия капитальных вложений в систему, связанная с уменьшением диаметра труб при повышении скорости, целесообразна до определенного предела (около 1,5 м/с в жилых зданиях) — пока она перекрывает увеличение эксплуатационных затрат на электроэнергию, расходуемую насосом.

Акустическое ограничение скорости связано с возникно­вением шума при движении воды через арматуру систем отопления, недопустимого во многих зданиях по их назначению (например, в жилых зданиях). Поэтому в СНиП установлена предельно допустимая скорость движения воды в трубах систем отопления, связанная в назначением здания и видом применяемой в системе арматуры.

Следовательно, проводя гидравлический расчет при скорости движения воды в трубах, равной или близкой к предельно допустимой, можно получить бесшумную, достаточно экономную по капитальным затратам систему. Затем, определив потери давления в ней (включая потери в трубах и оборудование теплового пункта), найти значение ∆Рн по формуле (15.5).

Во втором случае значение ∆Рн можно получить, заранее выбрав типоразмер насоса. Тогда, добавив к нему естест­венное циркуляционное давление ∆Ре, определяют исходное значение циркуляционного давления для проведения гидравлического расчета.

Возможен и третий случай, относящийся к зависимым схемам присоединения систем отопления. В этом случае значение ∆Р, фактически задается как разность давления в наружных теплопроводах в месте ввода их в здание.

Здесь, в частности, возможно присоединение системы к наружным теплопроводам через водоструйный элеватор (14.7). Тогда ∆Рн определяют формуле (15.20). В практических расчетах для выбора значения ∆Рн, Па, часто используют соотношение

∆Р=А∑l (15.6)

где: А – средняя удельная потеря давления на трение , Па/м,

принимаемая: (80 – 100) при стальных трубах,

(100 – 250) при полимерных трубах.

Выбор насосного давления по выражению (15.6) предопределяет понижение скорости движения воды в трубах не менее чем в 3 раза против предельно допустимой. Это не только увеличивает металлоемкость и стоимость (вслед­ствие увеличения диаметра труб), но и приводит к отрицательным явлениям при действии системы отопления — нарушению гидравлического режима и понижению тепловой устойчивости. Поэтому соотношение (15.6) следует применять только для системы отопления о водоструйным эле­ватором, работающим при высоком значении коэффициента смешения.

В системах отопления применяют специальные циркуляционные насосы, перемещающие значительное количество воды и развивающие сравнительно небольшое давление. Это малошумные горизонтальные лопастные насосы центробежного, осевого или диагонального типа, соеди­ненные в единый блок с электродвигателями и закрепляемые непосредственно на трубах (без фундамента).

Примером центробежного циркуляционного насоса является насос типа ЦВЦ, разработанный для подачи от 2,5 до 25 т воды в 1 ч при максимальном гидростатическом давлении в корпусе 1 МПа. Насос сблокирован с горизонтальным электродвигателем (рис. 15.1) и развивает циркуляционное давление от 20 до 92 кПа. Вал двигателя с рабочим колесом насоса, а также ротор двигателя вращаются в подшипниках с водяной смазкой.

15.2 ХАРАКТЕРИСТИКА НАСОСА (15,4)

Каждый насос обладает собственной, только ему присущей характеристикой, получаемой в процессе стендовых испытаний опытного образца при определенной частоте вращения электродвигателя. Характеристика выражает зависимость между расходом насоса Gн и соответственно циркуляционным давлением ∆Рн КПД , ηн мощностью насоса Nн

По характеристикам насоса (рис. 15.2) можно отметить постепенное уменьшение циркуляционного давления и увеличение потребляемой мощности по мере возрастания расхода, а также существование максимального значения КПД при определенном расходе воды, перемещаемой насосом (точка Б). Часть кривой изменения ∆Рн соответствующая высоким значениям КПД (отмечена на рис.15.2 жирной линией), носит название рабочего отрезка характеристики насоса. Для обеспечения расчетных параметров, бесшумности и экономии электроэнергии при действии насоса рекомендуется при его выборе ориентироваться на одну из точек в пределах рабочего отрезка характеристики. Все такие точки также называются рабочими.

Рис. 15.1. Центробежный цир­куляционный насос типа ЦВЦ

1 — корпус; 2 — нагнетательный патрубок; 3—контрфланец для

присоединения трубы; 4 электродвигатель

Рис.15.2 Характеристики циркуляционного насоса (КПД, давление, мощность) и характеристика системы отопления (пунктирная линия)

Рабочая точка А представляет собой точку пересечения рабочего отрезка характеристики насоса (15.4) с характеристикой системы отопления (15.5), выражаемой параболой (пунктирная линия). Насос при расходе воды Gн=Gс [формула (15.3)] создает в рабочей точке А определенное циркуляционное давление ∆Рн, действует с максимальным КПДη и (точка Б) и обладает мощностью Nн (точка В). На рисунке изображен идеальный случай, когда насос не только действует с мак­симальным КПД, но и создает циркуляционное давление ∆Рн=∆Рс [без учета естественного циркуляционного дав­ления в системе отопления — см. формулу (15.5)].

При отсутствии бесфундаментных насосов для создания циркуляции в системах водяного отопления применяют высоконапорные центробежные насосы общепромышленного назначения. Высоконапорный насос уступает бесфундаментному насосу по ряду монтажных и эксплуатационных показателей: его необходимо устанавливать на фундамент, он создает излишний шум, вызывает вибрацию труб и строительных конструкций, при его применении возрастает расход электроэнергии, требуется обводная труба для сохранения циркуляции воды при остановке насоса.

Центробежные насосы общепромышленного назначения часто не подходят по каталожным показателям для систем отопления.

Приходится искусственно изменять развиваемое ими давление для обеспечения необходимого расхода воды в системе. На рис.15.3 показан случай применения в системе отопления насоса, создающего давление ∆Рн>∆Рc. Характеристика системы, проведенная через точку Б с известными координатами Gc и ∆Рc (пунктирная линия 2), пересекает характеристику насоса 1 в рабочей точке В. В этих условиях насос будет перемещать воды Gн-=Gс' (>Gc), развивать давление ∆Рн=∆Р’с(>∆Рc) и увеличивать расход электроэнергии.

Значительное увеличение расхода воды в системе отопления против расчетного нежелательно, так как при этом в нем, помимо возрастания расхода электроэнергии, возникнет гидравлическое и тепловое разрегулирование. Поэтому путем введения дополнительного сопротивления, выраженного на рис. 6.7 ординатой А—Б (в виде, например, диафрагмы между фланцами задвижки у насоса или трубной вставки малого диаметра), характеристику системы отопления следует изменить таким образом, чтобы получить новую рабочую точку А (в месте пересечения новой характеристики системы 3 с характеристикой насоса 1). В точке А расход насоса равен расчетному расходу воды в системе (Gн=Gс), а давление насоса соответствует потерям давления в ней после регулирования. Более целесообразен в этом случае гидравлический перерасчет системы отопления с увеличением потерь давления в стояках.

Рис.15.3. Схема выбора циркуляционного насоса при ∆Рн>∆Рc

1 — характеристика давления, развиваемого насосом; 2 и 3 — характеристики системы отопления до и после регулирования

Циркуляционный насос можно также, как уже сказано, выбирать по заводским характеристикам исходя из общего расхода воды в системе отопления, и тогда давление, развиваемое насосом в рабочей точке характеристики, принимать за исходное при гидравлическом расчете системы.

В обратную магистраль системы отопления включают два одинаковых циркуляционных насоса, действующих попеременно: при работе одного из них второй находится в резерве. Присоединение труб к циркуляционным насосам различно для бесфундаментных (рис. 15.4, а) и общепромышленных (рис. 15.4, б) насосов. Во втором случае на рисунке показано дополнительное оборудование: обводная труба 6 с задвижкой, нормально закрытой, виброизолирующие вставки 5 (15.6)

неподвижные опоры 4, препятствующие осевому растяжению резиновых вставок. Фундаменты общепромышленных насосов и электродвигателей также снабжают виброизолирующими прокладками и опорами.

Задвижки до и после обоих насосов (действующего и бездействующего) постоянно открыты, особенно если предусмотрено автоматическое переключение насосов (например, после непрерывного суточного действия). Обратный клапан ( ) препятствует циркуляции воды через бездействующий насос (предотвращает, как говорят, работу насоса «на себя»).

Легко монтируемые бесфундаментные насосы иногда устанавливают в системе отопления по одному. При этом резервный насос хранят на складе близ теплового пункта и оборудуют сигнализацию о состоянии циркуляции воды в системе.

Рис. 15.4. Схемы присоединения труб к циркуляционным бесфундаментным (а) и общепромышленным (6) насосам

1 — насос. 2 — задвижка; 3 - обратный клапан; 4 — неподвижные опоры: 5 — виброизолирующие вставки; 6 — обводная труба о задвижкой (нормально закрыта)

15.3 МОЩНОСТЬ НАСОСА

Мощность насоса пропорциональна произведению секундной подачи на создаваемое циркуляционное давление. Мощность электродвигателя Nэ, Вт, определяется с учетом КПД насоса ηн и необходимого запаса мощности k по формуле

Nэ=kLн∆Pн/3600ηн (15.6)

Где Lн – подача насоса, м³/ч;

∆Pн —давление насоса, Па(Н/м²).

Коэффициент запаса k, учитывающий пусковой момент, получает наибольшее значение (до 1,5) при минимальной мощности электродвигателя.