ДИНАМИКА ДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Гидравлическое давление в каждой точке замкнутых циркуляционных колец (17.2) 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, температура 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 системы отопления в течение отопительного сезона.

Изменение гидравлического давления рассматривают с целью выявления в системе отопления мест с низким или высоким давлением, вызывающим нарушение циркуляции воды ( 19.2 ) или разрушение отдельных элементов ( 19.3 ). Это позволяет предусматривать мероприятия, обеспечивающие нормальное действие системы.

19.2 Изменение давления при движении воды в трубах

Установим, как изменяется гидравлическое давление в горизонтальных и вертикальных трубах, заполненных движущейся водой, применительно к условиям работы вертикального участка циркуляционного кольца системы отопления.

Запишем значение гидравлического давления в любой точке потока воды — капельной несжимаемой жидкости. При установившемся движении потока воды гидравлическое давление по уравнению Бернулли составит

(19.1)

где р — плотность воды, кг/м³;

g — ускорение свободного падения, м/с²;

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

р — давление в потоке воды, Па;

w — средняя скорость движения потока воды, м/с.

По уравнению (19.1) полная энергия потока состоит из кинетической и потенциальной энергии. Кинетическая энергия движения потока воды измеряется гидродинамическим давлением. Среднее значение гидродинамического давления — порядок его величины — найдем при скорости движения воды 1,5 м/с, характерной для теплопроводов насосной системы отопления

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

В каком-либо сечении потока воды энергия положения pgh зависит от размещения 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 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 системе отопления проявляется энергия давления, рассматриваемая как гидростатическое давление в каждом сечении теплопроводов, вызывающее циркуляцию воды.

Сопоставим возможное изменение гидродинамического и гидростатического давления в вертикальной системе отопления.

Гидростатическое давление в вертикальной трубе при изменении положения потока только на 1м возрастает или убывает на

pgh=970·9,81·1 ≈ 9500 Па.

Очевидно, что изменение величины гидростатического давления по высоте системы отопления даже одноэтажного здания более чем на целый порядок превышает максимально возможное изменение значения гидродинамического давления (1090 Па). Поэтому в дальнейшем для характеристики изменения гидравлического давления в системе отопления будем учитывать изменение только гидростатического давления (pgh+p), приближенно считая его равным полному, т. е. будем пренебрегать изменением гидродинамического давления (рw²/2).

Рис.19.1. Изменение гидростатического давления в горизонтальной трубе при движении заполняющей ее воды с постоянной скоростью слева направо (давление отложено над трубой)

1 и 2— начальное и конечное течения потока; h — вертикальное расстояние от оси потока до свободной поверхности воды

Рис.19 .2. Изменение гидростатического давления в вертикальной трубе при движении заполняющей ее воды сверху вниз (давление отложено справа от отрезка трубы)

1 и 2 — начальное и конечное сечения потока; h— вертикальное расстояние от сечения до свободной поверхности воды

В горизонтальной трубе при движении воды происходит изменение давления в потоке вcледствие потерь давления на трение. На рис.19.1 показано понижение давления в отрезке трубы при движении воды слева направо, причем плотность воды р принята постоянной.

Так как вертикальное расстояние от оcи потока до свободной поверхности воды h1=h2, то гидростатическое давление положения потока составляет pgh1=pgh2 (изображено на рисунке штрихпунктирной линией). При движении воды с постоянной скоростью w от начального сечения 1, где давление в потоке p1, до конечного сечения 2 давление понижается до р2. Разность давления равна потерям дав­ления на трение — p1-р2=∆Рпот

Рис.19.3. Изменение гидростатического давления в вертикальной трубе при движении заполняющей ее воды снизу вверх (обозначения — см. рис. 8.2)

В горизонтальной трубе гидростатическое давление понижается в направлении движения воды.

В вертикальной трубе при движении воды сверху вниз происходит изменение гидростатического давления не только из-за потерь давления на трение, но и вследствие изменения положения сечений потока по отношению к свободной поверхности воды. На рис. 19.2 при тех же условиях штрихпунктирной линией изображено возрастание гидростатического давления в отрезке трубы, связанное в увеличением вертикального расстояния от h1 до h2 т. е. pgh2>pgh1. Показано, что несмотря на потери давления на трение ∆Рпот=p1 – p2 общее гидростатическое давление в сечении 2 возрастает: pgh2+p2>pgh1+p1.

Из практики известно, что в вертикальных трубах систем отопления давление положения изменяется сильнее, чем давление в потоке, связанное в попутными потерями. Поэтому можно вделать вывод, что в вертикальных трубах систем отопления при движении воды сверху вниз гидростатическое давление возрастает.

В вертикальной трубе при движении водыснизу вверхгидростатическое давление уменьшается в результате уменьшения как вертикального расстояния (от h1 до h2) сечений потока от свободной поверхности воды, так и потерь давления на трение ∆Рпот=p1 – p2. На рис.19.З штрихпунктирной линией показано, что pgh2<pgh1 (давление по-прежнему отложено справа от отрезка трубы), и сплошной линией, что p2<.p2. Таким образом, в этом случае pgh2+p2<.pgh1+p1.

Можно сделать вывод, что в вертикальных трубах при движении воды снизу вверх происходит наиболее интенсивное падение гидростатического давления.

Перейдем к рассмотрению процесса изменения давления—динамики давления в системе водяного отопления.

19.3 Динамика давления в системе водяного отопления

Рассмотрение динамики давления проведем в системе водяного отопления g естественной и искусственной циркуляцией воды как при наличии расширительного бака, так и без расширительного бака.

19.3.1 ДИНАМИКА ДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ ОТОПЛЕНИЯ С РАСШИРИТЕЛЬНЫМ БАКОМ

Примем, как и в 19.1, свободную поверхность воды в открытом расширительном баке за плоскость отсчета для определения избыточного гидростатического давления и будем считать уровень, на котором находится вода в баке, неизменным при определенных объеме и температуре воды в системе отопления. Тогда в толще воды в каждой точке системы отопления можно определить избыточное гидростатическое давление в зависимости от высоты столба воды, расположенного над рассматриваемой точкой (в связи g изменением положения точки).

В системе отопления (ее замкнутый контур изображен двойными линиями на риc.8.4) с ненагреваемой водой при бездействии насоса, т. е. с водой равномерной плотности, находящейся в покое, избыточное

Рис.19.4. Эпюра гидростатического давления в системе отопления с ненагреваемой водой, находящейся в покое

1 — открытых расширительный бак; 2 — циркуляционный насос (бездействует)

гидростатическое давление в теплопроводах одинаково на любом рассматриваемом уровне (например, на уровне I—I оно равно pghi, где hi — высота столба воды или глубина погружения под уровень воды в расширительном баке 1). Наименьшее гидростатическое давление pgh1 действует в верхней магистрали, наибольшее pgh2 — в нижней, причем бездействующий насос 2 испытывает, как уже отмечалось, равное давление со стороны и всасывающего и нагнетательного патрубков.

Рис19.5. Эпюра гидростатического давления в системе отопления с нагреваемой водой при бездействии насоса

1 - открытый расширительный бак; 2 — циркуляционный насос (бездействует); ц. н. — центр нагревания; ц. о. — центр охлаждения, О - точка постоянного давления

Значения избыточного гидростатического давления в трубах системы отопления нанесем на pnc.19.4 штрихпунктирными линиями в прямой зависимости от высоты столба воды h. Для ясности изображения проведем линии над верхней магистралью, под нижней магистралью, слева и справа от вертикальных труб. Показанные на рисунке штрихпунктирные линии называются пьезометрическими, а их совокупность — эпюрой гидростатического давления в статическом режиме.

В системе отопления при циркуляции с постоянной скоростью движения воды — вязкой жидкости энергия давления изменяется по длине теплопроводов. Вязкость и деформации потока обусловливают сопротивление движению воды. Они вызывают потери давления в потоке движущейся воды, переходящего в результате трения (линейные потери) и вихреобразования (местные потери) в теплоту. При дальнейших построениях потери давления будем считать, как и в 19.1, условно равномерными по длине труб.

Рассмотрим динамику гидростатического давления в системе отопления с нагреваемой водой при бездействии насоса — фактическив гравитационной системе отопления(рис. 19.5). Представим, что вода в системе отопления, нагреваемая в одной точке (ц. н. — центр нагревания), охлаждается в другой, выше расположенной (ц. о.— центр охлаж­дения). При этом плотность воды в левом стояке составит Рг, в правом — Ро. В такой вертикальной системе отопления при неравномерном распределении плотности воды возникает неуравновешенность гидростатических давлений в стояках и в результате естественная циркуляция воды.

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 водой будет (рис. 19.5)

(19,2a)

а максимальное гидростатическое давление в левом стояке с нагретой водой

(19,2б)

Так как ро>рг, то гидростатическое давление в правом стояке при отсутствии циркуляции воды будет больше, чем в левом. Штрихпунктирные линии на рис. 19.5 изображают эпюру давления в статическом режиме. Различие в полу­ченных значениях гидростатического давления, вызывающее циркуляцию воды по направлению часовой стрелки, выражает естественное циркуляционное (гравитационное) давление

∆Pe=p_ogh2 – p_гgh2 (19.3)

где h2 — вертикальное расстояние между центрами охлаждения и нагревания воды или высота двух столбов воды — охлажденной и нагретой.

Из уравнения (19.3) можно сделатьвыводы:

а) естественное циркуляционное давление возникает вследствие различия в значениях гидростатического давления двух столбов охлажденной и нагретой воды равной высоты (∆Pe на рис. 19.5);

б) величина естественного циркуляционного давления не зависит от высоты расположения расширительного бака (h1на рис.19.5).

В общем виде естественное циркуляционное (гравитационное) давление в системе водяного отопления равняется

∆Pe=gh(p_o – p_г) (19.4)

и его значение зависит от разности плотности воды и вертикального расстояния между центрами охлаждения и нагревания воды.

Под влиянием естественного циркуляционного давления в замкнутом кольце системы отопления устанавливается циркуляция воды, при которой давление ∆Pe, вызывающее циркуляцию, равно потерям давления при движении воды (∆Pс — потери давления в системе).

∆Pe=∆Pс (19.5)

Гидростатическое давление в точке присоединения трубы расширительного бака к магистрали, равное pгgh1 (см. рис. 19.5), при постоянном объеме воды в системе измениться не может. Эта точка называется точкой постоянного давления или «нейтральной» точкой системы отопления (19.4).

Во всех остальных точках теплопроводов системы гидростатическое давление при циркуляции воды изменяется вследствие попутной потери давления. Нанесем на рис. 19.5 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 — уменьшается 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 расширительного бака.

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

Насос, действующий в замкнутом кольце системы отопления, усиливает циркуляцию, нагнетая воду в трубы с одной стороны и засасывая с другой. Уровень воды в расширительном баке при пуске циркуляционного насоса не изменится, так как равномерно работающий лопастной насос обеспечивает лишь циркуляцию в системе неизменного количества практически несжимаемой воды. Поскольку при указанных условиях — равномерности 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 системы будет постоянным. Точка эта по-прежнему остается «нейтральной» (19.4), т. е. на гидростатическое давление в ней давление, создаваемое насосом, не влияет (давление насоса в этой точке равно нулю).

Следовательно, точка постоянного давления будет местом, в котором давление, развиваемое насосом, меняет свой знак: до этой точки насос, создавая компрессию, воду нагнетает, после нее он, вызывая разрежение, воду всасывает. Все трубы системы от насоса до точки постоянного давления (считая по направлению движения воды) будут относиться кзоненагнетания насоса, все трубы после этой точки — кзоне всасывания.

Эпюра гидростатического давления в динамическом режиме — при насосной циркуляции воды в системе отопления — показана на рис. 19.6 (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.19.6. Эпюра гидростатического давления в системе водяного отопления при действии насоса

1 — открытый расширительный бак, 2 — циркуляционный насос; О – точка

постоянного давления О — точка постоянного давления, А — точка в зоне нагнетания; Б — точка наибольшего разрежения, В—Г — зона разрежения

Рис. 19.7. Изменение гидростатического давления в верхней подающей магистрали системы отопления

Можно расширитьвывод, сделанный выше для гравитационной системы: при циркуляции воды в замкнутом кольце системы отопления — и гравитационной, и

насосной — гидростатическое давление изменяется во всех точках за исключением одной точки — точки присоединения трубы расширительного бака.

Общие потери давления при движении воды в замкнутом кольце системы отопления ∆Pc выразим через потери давления в зоне нагнетания (обозначим их ∆Pнаг) и в зоне всасывания (∆Pвс) как

∆Pc=∆Pнаг+∆Pс (19.6)

С другой стороны, из формулы (6.9) следует, что ∆Pс=∆Pн+∆Pe (на рис. 19.6 показано, что ∆Pн меньше суммы ∆Pнаг и ∆Pвс на величину ∆Pе). Следовательно, общее (насосное и гравитационное) циркуляционное давление при установившемся движении воды будет затрачиваться без остатка на преодоление линейных и местных сопротивлений в зонах нагнетания и всасывания.

Сравнивая рис. 19.6 и 19.4, можно установить степень изменения гидростатического давления, связанную с потерями давления при циркуляции воды в системе отопления:

а) увеличение давления в любой точке в зоне нагнетания насоса равно потере давления в трубах от рассматриваемой точки до точки постоянного давления, т. е.

p_i·наг=pgh_i+∆p_i-o (19.7)

б) уменьшение давления в любой точке в зоне всасывания насоса равно потере давления в трубах от точки постоянного давления до рассматриваемой точки, т. е.

p_i·вс=pgh_i+∆p_о-i (19.8)

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

Очевидно, что в зоне нагнетания насоса следует считаться (мы к этому вернемся) с повышением гидростатического давления по сравнению с давлением в состоянии покоя. Напротив, в зоне всасывания насоса необходимо учитывать понижение давления. При этом возможен случай, когда гидростатическое давление понизится до атмосферного и ниже.

Рассмотрим такой случай. На рис. 19,7 изображено изменение давления в верхней подающей магистрали системы отопления. В точке постоянного давления О гидростатическое давление равно pgh. В промежутке между точками О и В гидростатическое давление убывает в связи с потерей давления при движении воды по зависимости, изображенной на рисунке наклонной пьезометрической линией. В точке В — потеря давления ∆P_O-B=pgh, т. е.Pв=0 (избыточное давление равно нулю, а полное давление, как и на поверхности воды в расширительном баке, равно атмосферному давлению Pa). В промежутке между точками В и Б даль­нейшая потеря давления вызывает разрежение — давление падает ниже атмосферного (знак минус на рисунке). Наиболее заметно давление понизится и разрежение достигнет наибольшей величины в точке Б. Здесь полное давление P_B=Pa+pgh – ∆P_O-B=Pa – ∆P_B-Б. Затем в промежутке между точками Б и Г давление возрастает в связи с увеличением высоты столба воды от h до hг, а разрежение уменьшается. В точке Г, где потеря давления ∆P_O-Г=рghг, избыточное давление вновь, как в точке В, равно нулю (рг=0), а пол­ное давление равно атмосферному. Ниже точки Г избыточное гидростатическое давление быстро возрастает, не-смо1ря на последующую потерю давления при движении воды (19.1).

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 вскипание и парообразование. При более низкой температуре воды, исключающей парообразование, возможен подсос воздуха из атмосферы через резьбовые соединения труб и арматуру. Во избежание нарушения циркуляции из-за вскипания воды или подсасывания воздуха при конструировании и гидравлическом расчете системы водяного отопления должно соблюдатьсяправило: в зоне всасывания в любой точке i системы отопления гидростатическое давление при действии насоса должно оставаться избыточным, т. е. pi>pа, для этого должно удовлетворяться неравенство

Pghi>∆P_O-i (19.9)

Возможны три способа выполнения этого правила:

— поднятие расширительного бака на достаточную высоту h (рис. 19.8, а);

— перемещение расширительного бака к наиболее опасной верхней точке с целью включения верхней магистрали в зону нагнетания (рис. 19.8, б);

Рис.19.8. Способы присоединения труб открытого расширительного бака к системе водяного отопления

а — к главному стояку системы; б — в верхней точке системы, наиболее удаленной от центра нагревания (ц. н.); в — близ всасывающего патрубка циркуляционного насоса; 1 — открытый расширительный бак; 2 — циркуляционный насос; О — точка постоянного давления

Рис.19.9. Изменение гидростатического давления в обратных магистралях (1) и главном стояке (2) системы отопления с «опрокинутой» циркуляции воды и проточным расширительным баком

О — точка постоянного давления, знаками «плюс» отмечено избыточное давление (3)

присоединение труб расширительного бака близ всасывающего патрубка насоса (рис. 19.8, в).

Применение первого способа возможно лишь в отдельных случаях, когда здание имеет повышенную часть, где может быть расположен бак.

Второй способ целесообразен в системе отопления с «опрокинутой» циркуляцией воды. В такой системе проточный расширительный бак размещен в высшей точке верхней обратной магистрали над главным обратным стояком. Точка постоянного давления О в этом случае находится в самом баке (рис. 19.9). Вся верхняя обратная магистраль входит в зону нагнетания насоса. Зона всасывания охватывает главный обратный стояк и нижнюю часть общей обратной магистрали до насоса. Гидростатическое давление в главном обратном стояке превышает атмосферное давление даже при значительной потере давле­ния в нем (см. пьезометрические линии на рис.19.9).

Второй способ присоединения расширительного бака приемлем также в неразветвленной системе отопления с верхней подающей магистралью (см. рис. 19.8, б). Бак при этом служит еще и воздухоотводчиком. Однако в разветвленной системе отопления второй способ присоединения расширительного бака к верхней подающей магистрали может при определенных условиях вызвать нарушение циркуляции воды в отдельных ее частях.

Третий способ присоединения труб расширительного бака к системе отопления (рис. 19.8, в) исключает возможность нарушения циркуляции воды. Точка постоянного давления при этом возникает в обратной магистрали близ насоса как одна, общая для всех циркуляционных колец системы. Зона нагнетания насоса распространяется почти на всю систему, в том числе и на наиболее высоко расположенные и удаленные от насоса трубы, как опасные в отно­шении вскипания воды. Зона всасывания ограничивается отрезком общей обратной магистрали от точки О до всасывающего патрубка насоса, в котором гидростатическое давление в состоянии покоя достаточно велико и практически мало уменьшается при действии насоса.

Расширительный бак, как известно, соединяется с системой отопления двумя трубами — расширительной и циркуляционной, создающими кольцо циркуляции воды через бак. В этом кольце имеется еще одна верхняя точка постоянного давления, находящаяся непосредственно в расширительном баке. Первая же — нижняя точка постоянного давления размещается в обратной магистрали между точками присоединения к ней расшири­тельной и циркуляционной труб. Положение нижней точки постоянного давления определяется соотношением потерь давления в расширительной и циркуляционной трубах. Если их диаметр и длина равны, то точка постоянного давления находится посередине между точками присоединения труб бака. Если увеличивается диаметр одной из труб, то точка постоянного давления смещается в сторону точки присоединения этой трубы.

Точка присоединения расширительной трубы входит в зону нагнетания насоса и в ней происходит деление общего потока воды на два, один из которых — основной — по-прежнему движется по обратной магистрали, а другой — по параллельному пути через бак до точки присоединения циркуляционной трубы, относящейся уже к зоне всасыва­ния.

Если применяются несколько соединительных труб, например три, то верхняя точка постоянного давления по-прежнему находится в расширительном баке, а нижняя — между точками присоединения к магистрали системы отоп­ления двух крайних соединительных труб. По одной из них вода из зоны нагнетания направляется в бак, по другой — возвращается из бака в зону всасывания. По средней соединительной трубе вода может двигаться и в бак и из бака в зависимости от положения нижней точки постоянного давления.

Из рассмотрения динамики давления в системе отопления с одним открытым расширительным баком следуют выводы:

1) в каждом циркуляционном кольце системы существует только одна точка постоянного давления, в которой зона нагнетания сменяется зоной всасывания. Двух последовательных точек постоянного давления в одном циркуляционном кольце быть не может, ибо для движения воды в заданном направлении в системе отопления создается и поддерживается разность давления во всех точках. При этом следует оговориться, что поскольку в самом насосе разрежение переходит в компрессию и в нем существует своя «нейтральная» точка, то при рассмотрении точек постоянного давления имеются в виду лишь точки, возникающие вне насоса;

2) в зоне нагнетания, т. е. до точки постоянного давления, считая по направлению движения воды, гидростатическое давление увеличивается по сравнению с давлением в состоянии покоя; в зоне всасывания, т.е. после точки постоянного давления, оно уменьшается;

3) точка постоянного давления может быть единственной во всей системе отопления, если расширительный бак присоединяется в общей подающей или обратной магистрали. Тогда она принадлежит любому циркуляционному кольцу системы.

В системе отопления может быть несколько точек постоянного давления, если имеются циркуляционные кольца, не включающие в себя точку присоединения расширительного бака. При этом одна из них во всяком случае находится в точке присоединения бака.

19.3.2 ДИНАМИКА ДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ ОТОПЛЕНИЯ БЕЗ РАСШИРИТЕЛЬНОГО БАКА

Рассмотрим динамику давления во внутренних теплопроводах здания, непосредственно соединенных с наружными теплопроводами. Проделаем это в условиях присоединения здания 1 на рис. 19.10 для системы отопления которого выше была отмечена необходимость изменения начального давления до р1 и конечного до Р2. Внутренняя система отопления изображена на рис.19.12 двойными линиями высотой h с верхней подающей магистралью и центром охлаждения в точке В.

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 tг<100 °С и предотвращения вскипания воды при ее температуре tг>100 °С.

Для выполнения этих условий в статическом режиме (в случае полного прекращения циркуляции воды) проведем на рис. 19.12 пьезометрическую штрихпунктирную ли­нию на достаточной высоте h1 над верхней подающей магистралью системы отопления. Высота h1 должна соответствовать гидростатическому давлению при tг<100 °С не менее 0,01 МПа, т. е. h1>l м, а при tг=150 °С — 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 P2 в точке Д обратной магистрали.

Если давление P2 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. 19.12. выражающие, как и ранее, условно равномерные линейную и местные потери давления в системе отопления).

Найдем изменение гидростатического давления в трех характерных точках системы отопления (не считая точки Д, в которой давление р2 принято постоянным). Это точка Г нижней 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.

Рис. 19.12.Эпюра гидростатического давления в системе водяного отопления, непосредственно соединенной с наружными теплопроводами (без расширительного бака)

Д – точка постоянного давления Р2,

Гидростатическое давление в точке Г выражает наибольшее давление в нижней обратной магистрали (и в системе)

р_макс=р2+∆р_г-д (19.10)

где ∆р_г-д — потери давления при перемещении воды от точки Гдо точки Д (рис. 19.12)

Наибольшее давление не должно превышать рабочего давления (19.5) для каждого элемента системы. Поэтому выражение (19.10) 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) в динамическом режиме

РВ-Д=Р2+Рмин – Роgh (19.11)

где ∆РВ-Д — потери давления при движении воды от точки В до точки Д; Ро — плотность охлажденной воды; h —высота системы.

Выражение (19.11) служит для проверки условия невскипания высокотемпературной воды, если давление p2принимают 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

Рмин=0,25+0,05-(977,81·9,81·20)10^-6≈0,11МПа

Это давление будет недостаточным для предотвращения вскипания воды, имеющей температуру более 120 °С,

Наконец, гидростатическое давление в точке А (если считать, что точка Л находится на одном уровне с точкой Д) выражает наибольшее давление в подающей магистрали в динамическом режиме (в точке 1 на рис. 19.10):

р1=p2+∆РА-Д — Pogh + Ргgh

или

р1=р2+∆Рс – ∆Ре (19.12)

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(Рo—Рг) — по уравнению (19.4).

Переписав выражение (8.12) в виде

р1—р2=∆Рс—∆Ре или ∆Рн=∆Рс —∆Ре (19.13а)

приходим к уравнению, которое в данном случае означает, что разность гидростатического давления в подающем и обратном наружных теплопроводах на вводе их в здание, вызывающая циркуляцию воды во внутренней системе отопления, меньше потерь давления при движении воды в системе на величину естественного циркуляционного давления.

Рассмотренная закономерность изменения давления в теплопроводах внутренней системы водяного отопления без расширительного бака относится к случаю применения смесительного насоса или водоструйного элеватора на тепловом вводе в здание.