Естественное циркуляционное давление

Естественное циркуляционное давление является одним из составляющих расчетного циркуляционного давления в системе водяного отопления. Причина его возникновения уже известна.

Нагревание и охлаждение воды в циркуляционных кольцах системы создают неоднородное распределение ее плотности. В горизонтальной системе отопления это явление не вызывает циркуляции воды. Естественная циркуляция воды возникает в вертикальной системе. Значение естественного давления, вызывающего циркуляцию воды, определяется разностью гидростатического

давления двух столбов воды одинаковой высоты.

Охлаждение теплоносителя воды в системе 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, возникающее в системе, можно рассматривать как сумму двух величин: давления ∆Ре.пр, образующегося вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, и давления ∆Ре.тр вызываемого охлаждением воды в трубах

Рис 16.1. Схемы вертикального циркуляционного кольца теплопроводов без отопительных приборов с центром нагревания (ц. н.)

а — при постепенном охлаждении теплоносителя воды в трубах; б — при введении условных центров охлаждения (ц. о ) воды

Pис9.2. Схема вертикального циркуляционного кольца теплопроводов с произвольно расположенными центрами нагревания (ц. н.) и охлаждения (ц. о.) теплоносителя воды

∆Ре=∆Ре.пр+∆Ре.тр Па (16.1)

В большинстве случаев — в системах отопления многоэтажных зданий — первое слагаемое является основным по значению, второе — дополнительным. В частном случае — в одноэтажных зданиях — основным является естественное давление возникающее от остывания воды в трубах ∆Ре.тр.

При рассмотрении значений естественного циркуляционного давления используют понятиео центре охлаждениятеплоносителя. В центре охлаждения действительное 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 теплообменнике системы отопления называютцентром нагревания.

Определение естественного циркуляционного давления, возникающего вследствие охлаждения воды в приборах (∆Ре.пр) связано с видом системы отопления, поэтому его целесообразно произвести совместно с рассмотрением расчетных схем.

При определении естественного циркуляционного давления, вызываемого охлаждением воды в трубах (∆Ре.тр) примем, что приборы в циркуляционном кольце отсутствуют и вода охлаждается при теплопередаче только через стенки труб.

Рассмотрим схему такого вертикального циркуляционного кольца теплопровода (рис.16.1 а), в котором при установившемся движении воды ее плотность постепенно возрастает от значения p1 (при температуре после центра нагревания) до значения р5 (при температуре перед центром нагревания). На стыках вертикальных и горизонтальных труб покажем промежуточные значения плотности воды.

Естественное давление, вызывающее движение воды в трубах, найдем как разность гидростатического давления двух столбов воды высотой h, имеющей различную среднюю плотность:

(16.2)

Это же значение циркуляционного давления получим в другом виде с использованием условных центров нагревания и охлаждения воды в трубах (рис. 16.1, б), находящихся на некоторой высоте над плоскостью отсчета I—I,

∆Ре.тр=g[(h3-h2)(p3-p2)+(h2-h1)(p4-p1) (16..3)

В более общем случае при произвольном расположении условных центров нагревания и охлаждения в вертикальном циркуляционном кольце теплопроводов (pиc. 16.2) естественное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в трубах, составит

∆Ре.тр=g[(h5-h4)(p3-p2)+(h4-h3)(p3-p1)+(h3-h2)(p4-p1)+(h2-h1)(p4-p5)]

или после преобразования

∆Ре.тр=g[h5(p3-p2)+h4(p2-p1)+h3(p4-p3)+h2(p1-p5)+h1(p5-p4)] (16.4)

По последнему уравнению можно установить, что для получения естественного давления следует вертикальные расстояния от центров охлаждения и нагревания до плоскости отсчета I—I умножать на разности плотности воды после и до каждого центра (считая по направлению движения воды). При этом охлаждение над центром нагревания увеличивает циркуляционное давление, нагревание над центром охлаждения его уменьшает (четвертое слагаемое в уравнении получает отрицательное значение, так как Р1<Р5).

Уравнение (16.4) перепишем в общем виде, используемом при проектировании систем водяного отопления:

∆Ре.тр=g∑hi(Pi+1-Pi) (16.5)

Можно сделатьвывод: естественное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в трубах циркуляционного кольца, состоящего из N участков, складывается из произведений высоты Н, расположения центра охлаждения или нагревания над некоторой плоскостью на разность плотности воды в концах участка, включающего такой центр.

Видно, что естественное циркуляционное давление тем больше, чем выше расположены центры охлаждения над центром нагревания (обычно за плоскость отсчета принимают плоскость, проходящую через центр нагревания). При расположении хотя бы одного из центров охлаждения ниже центра нагревания (ц. О.₄ на pиc. 16.2) естественное циркуляционное давление уменьшается.

Следовательно, в системе отопления с смешанной разводкой ∆Рс.тр всегда больше, чем в системе с нижней разводкой, за счет увеличения вертикального расстояния от центров охлаждения в верхней магистрали до центра нагревания.

16.2 Расчет естественного циркуляционного давления в СИСТЕМЕ водяного отопления

Общим, многократно повторяющимся элементом каждой вертикальной или горизонтальной системы является стояк или ветвь. В стояке или ветви отдельные узлы соединения отопительных приборов с трубами (приборные узлы), объединенные промежуточными теплопроводами, создают основу системы отопления, определяющую принцип ее действия и величину естественного циркуляционного давле­ния, возникающего вследствие охлаждения воды в приборах. Поэтому расчет естественного циркуляционного давления (16.2), связанного с охлаждением воды в отопительных приборах (∆Ре.пр) рассмотрим при различных приборных узлах, входящих в стояки или ветви систем отопления.

16.2.1 ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ОДНОТРУБНЫЕ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ

Однотрубная система отопления с смешанной разводкой. На рис. 16.3 приведена расчетная схема части однотрубной системы со смешанной разводкой и тупиковым движением воды в магистралях. Стояки даны для трехэтажного здания с различными наиболее часто применяемыми приборными узлами. В стояке 1 показаны проточные узлы, в стояке 11 — проточно-регулируемые узлы со смещенными обходными участками и трехходовыми регулирующими кранами , в стояке 111 — узлы со смещенными замыкающими участками и проходными регулирующими кранами. Присоединение приборов к стоякам принято односторонним. Здесь (и далее) система условно изображена со стояками различной конструкции для наглядности при сравнении. Обычно в системе преобладает какой-либо один тип приборного узла (например, проточно-регулируемые узлы), хотя может встретиться еще и другой тип (например, проточные узлы во вспомогательных помещениях). На рисунке над отопительными приборами нанесена тепловая на­грузка, т. е. теплопотребность помещений, Вт; внутри контура каждого прибора кружком помечен центр охлаждения воды. Проставлено также вертикальное расстояние между центрами охлаждения и центром нагревания (ц. н) воды в тепловом пункте.

Рис16.З. Расчетная схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления с верхней разводкой

Ст I — проточный стояк, Ст II—проточно-регулируемый стояк, Ст III—стояк с замыкающими участками (кружки в контуре приборов — центры охлаждения воды в приборах; черные точки на стояке III—центры охлаждения воды в стояке)

Расход воды, в стояке Gст, кг/с, при заданных теплопотребностях помещений, виде отопительных приборов и температуре теплоносителя воды определяется по формуле,

(16.6)

где Qст=∑Qп—тепловая нагрузка стояка, равная суммарной теплопотребности помещений, обслуживаемых стояком, Вт, иначе, суммарной тепловой нагрузке приборов; β1 и β2 — поправочные коэффициенты с— удельная теплоемкость воды [4187 Дж/(кг·К}]; ∆tст — расчетный перепад температуры воды в стояке.

Видно, что расход воды в однотрубном стояке прямо пропорционален тепловой нагрузке стояка Qст и обратно пропорционален расчетному перепаду температуры воды в стояке ∆tст=tг-tо

Температура воды на каждом участке стояка будет промежуточной между значениями tг и to в зависимости от степени ее охлаждения в том или ином помещении. Зная, что расход воды на всех участках однотрубного стояка не изменяется, составим пропорцию для определения температуры t3 (рнс.16.3))

(16.7)

откуда

(16.8)

аналогично

(16.9)

В общем виде температура воды. на i-м участке однотрубного стояка будет равна:

(16.10)

где ∑Qi —суммарная тепловая нагрузка всех отопительных приборов на стояке до рассматриваемого участка (считая по направ­лению движения воды).

На рис. 16.3 заштрихованы половины высоты двух приборов стояка I, в которых температура воды условно принята постоянной и равной t3. Можно считать, что температура воды t3 (и плотность ее р3) сохраняется в стояке по высоте h3, а температура t2 (и плотность р2) — по высоте h2.

Гидростатическое давление в стояке при его высоте, равной h2+h2+h1 (рис. 16.3), не считая части стояка выше условного центра охлаждения верхнего прибора, где температура воды принята равной температуре воды в главном стояке, составит

g(h3p3+h2p2+h1p0) (16.11)

где p0 — плотность воды при расчетной температуре to обратной воды в системе.

Гидростатическое давление в главном стояке (Г. ст. на рис. 16.3) с учетом той же высоты при температуре воды tг)

g(h3pг+h2pг+h1pг) (16.12)

где рг — плотность воды при расчетной температуре tг горячей воды в системе.

Естественное циркуляционное давление в вертикальной однотрубной проточной и проточно-регулируемой системе отопления с смешанной разводкой (стояки 1 и 11 на рис. 16.3), возникающее вследствие охлаждения воды в приборах, определяется как разность гидростатического давления в рассматриваемом и главном стояках

∆Ре.пр=g[h3(p3-pг)+h2(p2-pг)+h1(p0-pг)] (16.13)

При увеличении числа этажей в здании число слагаемых в формуле 16.13), а следовательно, и значение ∆Pе.пр будут возрастать.

Выражение для определения ∆Pе.пр можно представить в другом виде (более удобном для вычисления, хотя и менее точном), обозначив среднее уменьшение плотности при увеличении температуры воды на 1 °С через

∆Ре.пр=βg[h3(p3-pг)+h2(p2-pг)+h1(p0-pг)] (16.14)

Для получения более общей и краткой записи выразим разности температуры через тепловые нагрузки и расход воды в стояке

; (16.15)

(16.16)

После подстановки в формулу (16.13) найдем в скобках Q3(h3+ h2+h1)+Q2(h2+h1)+Q1h1 или Q3h_III+Q2h_II+Q1h_I, так как h3+ h2+h1=h_III, и т. д. (см. рис. 16.3).

Получим более короткое выражение

(16.17)

где h_III h_II и h_I — вертикальные расстояния между центрами охлаждения воды в приборах соответственно на 111,11 и 1 этажах и центром нагревания.

В общем виде при N отопительных приборах в однотрубном стояке

(16.18)

где Qihi — произведение тепловой нагрузки i-го прибора на вертикальное расстояние hi от его условного центра охлаждения до центра нагревания воды в системе.

В стояках вертикальной однотрубной системы с замыкающими участками (стояк 111 на рис. 16.3) температура и плотность воды изменяются не только в отопительных приборах (условные центры охлаждения — кружки внутри контура приборов), но и в точках стояка (черные точки на рисунке), где смешивается вода, выходящая из прибора и из замыкающего участка.

Естественное циркуляционное давление в такой системе по аналогии с формулой 16.8) составит

∆Ре.пр=g[h3(p3-pг)+h2(p2-pг)+h1(p0-pг)] (16.19)

Некоторое различие в значениях естественного циркуляционного давления по формулам (16.12) и (16.19) определяется тем, что h’1<h1 на 0,5hпp. В формуле (16.18) при использовании ее для стояков с замыкающими участками высота hi, определяется вертикальным расстоянием между центрами нагревания и охлаждения в той точке, где в стояке изменяется температура воды.

В стояке с замыкающими участками имеются также так называемые малые циркуляционные кольца у каждого отопительного прибора, образованные самим прибором, подводками к прибору и замыкающим участком. Положение центра охлаждения в приборе и соответствующего центра охлаждения в стояке отличается на 0,5hпp (стояк111нарис. 16.3), и в малом циркуляционном кольце возникает собственное естественное циркуляционное давление (в заштрихован-ной части прибора вода имеет температуру tвых в замыкающем участке tвх )

(16.20)

где Рвых и Рвх — плотность воды, кг/м³, соответственно при температуре tвых и tвх (для прибора на 111 этаже на рис. 16.3 — tвх=tг, tвых<t3 часто называемой температурой смеси).

Можно также найти естественное давление в малом циркуляционном кольце в другом виде — как разность гидростатического давления по высоте прибора и замыкающего участка

(16.21а)

где Рср.пр и Рз.у — плотность воды, кг/м³, соответственно при средней температуре в приборе и при температуре ее в замыкающем участке.

Отметим, что в параллельно соединенных участках малого циркуляционного кольца протекают два различных потока воды. Один поток с расходом Gпр, обеспечивая теплоотдачу прибора Qпp, охлаждается до температуры tвых. Другой в количестве Gз.у=Gст – Gпр сохраняет свою температуру, равную tвх. В точке смешения этих двух потоков один из них нагревается (вода из прибора), второй — охлаждается (вода из замыкающего участка). Поэтому температуру воды в участках стояка (например, t3) и называют температурой смеси.

Рис. 16.4 Расчетная схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления нижней разводкой обеих магистралей (с П - образньми стояками)

Ст. I – проточно-регулируемый стояк; Ст. II — стояк с замыкающими участками

Естественное давление в малом циркуляционном кольце при движении воды в стояке сверху вниз способствует возрастанию расхода воды в приборе или, как принято говорить, увеличению затекання воды в отопительный прибор.

Однотрубная система отопления с нижней разводкой обеих магистралей (с П-образными стояками ). На рис. 16.4 приведена расчетная схема части такой системы с тупиковым движением воды в магистралях со стояками для трехэтажного здания при теплоснабжении деаэрированной водой. В стояке 1 применены проточно-регулируемые узлы с трехходовыми кранами , в стояке 11 — узлы со смещенными замыкающими участками и проходными регулирующими кранами. На приборах верхнего этажа установлены воздушные краны.

Число приборов на одном этаже здания часто бывает нечетным. Для непарных приборов устраивают П-образные стояки с «холостой» восходящей трубой, либо Т-образные стояки с одной восходящей и двумя нисходящими трубами. Одно время стояки замоноличивались во внутренние бетонные перегородки. Там, где это сделано, стояки фактически превращены в дополнительные проточные бетонные отопительные приборы, а основные приборы присоединены открыто к специально предусмотренным патрубкам на стояках.

Рнс.16.5. Расчетная схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления С «опрокинутой» циркуляцией воды в стояках (с нижней разводкой подающей магистрали и верхней прокладкой обратной магистрали)

Ст. I — проточный стояк; Ст. II — проточно-регулируемый стояк; Ст. Ill — стояк с замыкающими участками

Расход и температуру воды в стояках определяют по формулам (16.6) и (16.7).

Естественное циркуляционное давление в любом стояке находят как разность гидростатического давления в нисходящей и восходящей частях стояка. Например, для проточно-регулируемого стояка 1

∆Ре.пр=g[h3(p3-pг)+h2(p2-pг)+h1(p0-pг)] (16.22)

Действительна также формула (16.11) общего вида, причем высота hi зависит от положения центров охлаждения воды (кружки в контуре приборов на стояке 1 или черные точки в стояке 11 на рис 16.4).

Естественное давление в малых циркуляционных кольцах приборов в стояке 11 находят по формуле (16.13)). В нисходящей (правой на рис.16.4) части стояка 11 естественное 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 приборах, что вызывает увеличение их площади. Формула (16.14) относится также к бифилярной схеме стояков.

Однотрубная система отопления с «опрокинутой» циркуляцией воды) с нижней разводкой подающей магистрали и верхней прокладкой обратной магистрали.На рис. 16.5 изображена расчетная схема части такой системы с тупиковым движением воды в магистралях со стояками, имеющими проточные приборные узлы (стояк /), проточно-регулируемые узлы с кранами (стояк 11) и узлы с замыкающими участками и кранами (стояк 111). Обходные и замыкающие участки делают, как правило, смещенными от оси стояков.

Расход и температуру воды в стояках определяют по формулам (16.6) и (16.7). Естественное циркуляционное давление ∆Ре.пр находят по формуле (16.13) или как разность гидростатического давления в главном обратном стоя­ке (Г. ст на рис.16 .5) и в рассматриваемом стояке в здании, имеющем N этажей:

∆Ре.пр=g[h_N+1(p0-p_N+1)+h_N(p0-p_N)+…..+h2(p0-p2)+ h1(p0-p1) (16.23)

По формуле (16.23) можно дополнительно учесть отличие плотности воды при температуре t_N+1, в рассматриваемом стояке от плотности воды при температуре tо в главном обратном стояке.

Естественное циркуляционное давление в малом циркуляционном кольце каждого отопительного прибора стояка111 (рис 15.5) вычисляют по формуле (16.21а). В данной системе это давление противодействует затеканию воды во все вертикальные приборы, что приводит к относительному увеличению площади их нагревательной поверхности.

Для большинства рассмотренных вертикальных однотрубных систем отопления характерно 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 обезличенном изготовлении деталей. Кроме того, отопительные приборы из гладких труб малого диаметра (здесь им уподобляются трубы стояков) имеют повышенный коэффициент теплопередачи 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:

1) в циркуляционных кольцах вертикальных однотрубных систем водяного отопления 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;

2) в малых циркуляционных кольцах отопительных приборов в вертикальных однотрубных системах с замыкающими участками возникает дополнительное естественное циркуляционное давление, зависящее от высоты прибора и степени охлаждения воды в нем. Это давление способствует затеканию воды в приборы при движении воды в стояке сверху вниз и противодействует ему при движении воды снизу вверх.

16.2.2. ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ДВУХТРУБНЫЕ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ

Схемы двухтрубной системы отопления с смешанной разводкой. В такой системе для каждого из приборов образуется отдельное циркуляционное кольцо, т. е. число циркуляционных колец в системе равно числу приборов.

На рис. 16.6 приведены расчетные схемы двухтрубных стояков с смешанной разводкой для двухэтажного (рис. 16.6 а), с нижней разводкой для N-этажного здания (рис. 16.6,б). Нетрудно заметить, что в подобных кольцах двухтрубных систем как с смешанной, так и нижней разводкой возникает одинаковое естественное циркуляционное давление. Его значение в каждом циркуляционном кольце определяется вертикальным расстоянием между центрами охлаждения и нагревания.

В циркуляционных кольцах через отопительные приборы на первом этаже возникает естественное давление [см. вывод формулы (16.8)]

∆Р^Iе.пр=gh1(po-pг) (16.24)

где h1 — вертикальное расстояние между центром охлаждения воды в приборах на первом этаже ч центром ее нагревания в системе отопления.

В циркуляционных кольцах через отопительные прибо­ры на втором этаже

∆Р^IIе.пр=g(h1+h2)(po-pг) (16.25)

где h2 — вертикальное расстояние между центрами охлаждения воды в приборах на втором и первом этажах.

При нижней разводке в кольцах через отопительные приборы на верхнем N-м этаже действует максимальное естественное циркуляционное давление

∆Р^Nе.пр=g(h1+h2+…+ h_N)(po-pг) (16.26)

Сравнивая написанные формулы, установим, что в циркуляционном кольце какого-либо прибора, расположенного выше другого, возникает дополнительное естественное давление, пропорциональное вертикальному расстоянию между центрами охлаждения воды в этих приборах. Положение центра охлаждения в верхних отопительных приборах на рис. 16.6 б 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.

Рис. 16.6 Расчетные схемы вертикальной двухтрубной системы водяного отопления с верхней разводкой (а) и нижней разводкой магистралей (б)

На основании полученных формул сделаемвывод, что в вертикальных двухтрубных системах водяного отопления естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, различно по значению и независимо по действию для циркуляционных колец приборов, находящихся на разной высоте. Следовательно, в таких системах естественное давление неодинаково влияет на циркуляцию воды через каждый прибор, что в результате может нарушать заданное (расчетное) распределение по приборам воды, подаваемой в стояки насосом. В этом причина наблюдаемой на практике вертикальной тепловой неустойчивости неотрегулированных систем отопления с двухтрубными стояками.

16.2.3 ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ОДНОТРУБНЫЕ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ

В горизонтальных однотрубных системах отопления многоэтажных зданий последовательно соединенные приборы на каждом этаже, образующие ветвь, располагаются на одной и той же высоте над центром нагревания. Промежуточное изменение температуры 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 участках).

В горизонтальных однотрубных системах с приборами, соединенными по проточной (на рис. 16.7 а, показано на первом этаже) и по проточно-регулируемой схемам (на рис. 16.7 а—на втором этаже), естественное циркуляционное давление различно в кольцах через ветви на каж­дом этаже [формулы (16.16) — (16.18)]: через ветвь на первом этаже

∆Р^Iе.пр=gh1(po-pг)

через ветвь на втором этаже

∆Р^IIе.пр=g(h1+h2)(po-pг)

и т. д.

В горизонтальной однотрубной системе с замыкающими участками у приборов (на рис. 16 .7, а — на третьем этаже) также возникает различное естественное циркуляционное давление в кольцах через ветви на каждом этаже (формулы те же, высота — до условных центров охлаждения, изображенных на рисунке точками на ветви). Кроме того, действует дополнительное естественное давление в малом циркуляционном кольце каждого прибора. Его определяют по формуле, написанной по аналогии с формулой (7.30):

∆Ре.мал=gh’(Рвых-Рвх) (16.27)

где h’' — вертикальное расстояние между условными центрами охлаждения воды в приборе и в ветви (рис. 16.7).

Формулы (16 24)—(16.26) относятся также к горизонтальной бифилярной схеме ветви, изображенной на pис. 16 .7, б.

В горизонтальных двухтрубных системах отопления естественное циркуляционное давление, возникающее при охлаждении воды в приборах, определяют по формуле (16.26) Величина этого давления незначительна; оно учитывается прежде всего в квартирных системах отопления с естественной циркуляцией воды.

Рис.16 .7. Расчетные схемы горизонтальной однотрубной системы водяного отопления

а — с проточной ветвью на первом этаже, с проточно-регулируемой ветвью на втором этаже, с ветвью, имеющей замыкающие участки, на третьем этаже; б—с бифилярными ветвями

Естественное циркуляционное давление в насосной системе водяного отопления является составной частью общего циркуляционного давления, создающего необходимую циркуляцию воды. Общее циркуляционное давление, действующее в расчетных условиях циркуляции, называют расчетным.

16.3 Расчет циркуляционного давленияе в системе водяного отопления

Итак, подрасчетным понимают то значение общего циркуляционного давления, которое выбрано для поддержания расчетного гидравлического режима в системе отопления. Расчетное циркуляционное давление выражает располагаемую разность давления (насосного и естественного), которая в расчетных условиях может быть израсходована на преодоление сопротивления движению воды в системе отопления.

Разность давления, создаваемая насосом (насосное цир­куляционное давление (16.3))постоянна в определенной рабочей точке его характеристики Естественная разность давления (естественное циркуляционное давление) переменна — подвержена непрерывному изменению в течение отопительного сезона из-за возрастания или убыва­ния различия в плотности воды в разных частях системы. Следовательно, общее циркуляционное давление также переменно, и задачей является выбор его значения в качестве расчетного.

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

∆Рр=∆Рн+Б∆Ре (16.28)

или

∆Рр=∆Рн+Б(∆Ре.пр+∆Ре.тр) (16.28а)

где ∆Рн — циркуляционное давление, создаваемое насосом или передаваемое в систему отопления через смесительную установку; ∆Ре.пр и ∆Ре.тр — естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды (нагретой до расчетной температуры) соответственно в отопительных приборах и трубах циркуляционного кольца системы; Б — поправочный коэффициент, учитывающий значение естественного циркуляционного давления в период поддержания расчетного гидравлического режима в системе (Б<1).

Воздействие переменного естественного циркуляционного давления вызывает отклонение от расчетного гидравлического режима системы, что отражается на количестве протекающей воды и в итоге на теплопередаче приборов, т. е. вызывает тепловое разрегулирование системы.

По характеру воздействия естественного циркуляционного давления на расход воды все насосные системы отопления многоэтажных зданий можно разделить надве группы: 1) вертикальные однотрубные и бифилярные; 2) горизонтальные однотрубные и бифилярные, двухтрубные системы. Расчетный гидравлический режим в этих группах систем для смягчения гидравлического разрегулирования при эксплуатации приурочивают 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 относят к температуре наружного воздуха tн·р, расчетной для отопления зданий в данной местности. При этой температуре естественное циркуляционное давление в системах достигает своего максимального значения (Б=1). Тогда формула (16.28)для определения расчетного циркуляционного давления в системах отопленияпервой группы принимает вид

∆Рр=∆Рн+∆Ре (16 .29)

Для горизонтальных однотрубных и бифилярных, двухтрубных насосных систем отопления расчетный гидравлический режим относят к периоду наиболее длительного стояния одной и той же температуры наружного воздуха (см. рис. 1). Длявторой группы насосных систем отопления в формуле (16.28) принимают Б=0,4, и тогда

∆Рр=∆Рн+0,4∆Ре (16.30)

Поясним физический смысл выбора значений коэффициента Б в формуле (16.28). Выбор разных периодов отопи­тельного сезона для гидравлического расчета двух различных групп систем водяного отопления делают с целью сохранить возможно дольше необходимую теплоотдачу отопительных приборов. Это одно из мероприятий, способствующих эффективности отопления здания.

Эффективность отопления здания связана с поддержанием заданной температуры помещений в течение требуемого периода времени при нормальных условиях эксплуатации. Заданная температура помещений может быть обеспечена только при строгом соответствии теплоотдачи отопительных приборов расчетным предположениям в течение всего отопительного сезона. Следовательно, эффективность отопления обусловливается прежде всегонадежностью системы отопления.

Надежная система отопления, как уже известно, должна быть безотказной и ремонтопригодной. Кроме того, надежная система должна обладать тепловой устойчивостью.

Под тепловой устойчивостью системы, структура которой не нарушается (не проводятся отключения частей, изменения площади приборов и т. п.), понимается ее свойство пропорционально изменять теплоотдачу всех отопительных приборов при изменении температуры и расхода теплоносителя в течение отопительного сезона.

Большей тепловой устойчивостью отличаются системы первой группы — вертикальные однотрубные и бифилярные. Однако, чтобы обеспечить достаточно устойчивую работу их, при эксплуатации этих систем нужно уменьшать расход циркулирующей воды одновременно с понижением ее температуры. Так, в теплый период отопительного сезона расход воды в стояках следует уменьшать приблизительно до 60% расчетного (рис. 16.8). Для такого изменения параметров теплоносителя необходимо проведение автоматического качественно-количественного регулирования в течение всего отопительного сезона.

В большинстве случаев автоматического количественного регулирования еще не предусматривают, и роль естественного регулятора расхода воды предоставляют выполнять естественному циркуляционному давлению. Его значения уменьшаются по мере уменьшения разности температуры горячей и охлажденной воды (на рис. 16.8), например, от 25° при

tн=—30° до 6,5 °С при tн=10 °С). При этом сокращается расход воды во всех отопительных приборах каждого стояка. Этим объясняется то, что при определении расчетного циркуляцион­ного давления в вертикальных однотрубных и бифилярных насосных системах отопления [формула (16.28)] к насосному давлению полностью прибавляется максимальное значение естественного циркуляционного давления.

Рис. 16.8 График изменения температуры tг, tо и расхода воды Gc в вертикальной однотрубной системе отопления в течение отопительного сезона (расчетные tг= =95 °С и tо=70°С соответствуют tн.р.—ЗО °С)

Это положение можно пояснить pиc. 16.9, где показаны характеристика циркуляционного насоса и отрезок суммарной характеристики двух «насосов» (механического и естественного), вызывающих циркуляцию воды в системе. В рабочей точке А пересечения суммарной характеристики с характеристикой системы отопления под совместным влиянием давления двух «насосов» (∆Рн+∆Ре) обеспечивается расчетный расход воды в системе Gc (при расчетной для отопления температуре наружного воздуха). По мере повышения температуры наружного воздуха естественное циркуляционное давление уменьшается (вследствие уменьшения ∆t, см. рис. 9.8), сокращается и расход воды в системе (точка А на рис. 16..9 стремится к точке Б). В рабочей точке Б расход воды минимален и равен Gн (есте­ственное давление равно нулю). Используя в качестве «регулятора» изменение естественного циркуляционного давления, можно лишь приблизиться (в среднем наполовину) к надлежащему количественному регулированию вертикальных однотрубных систем отопления, и оптимальный гидравлический режим в них достижим только при автоматическом регулировании

Рис. 16.9. Характеристики — насоса (рабочая точка Б) и суммарная (рабочая точка А с учетом естественного циркуляционного давления ∆Ре) применительно к вертикальной однотрубной системе отоплении (расход воды изменяется от Gн до Gс)

Меньшая тепловая устойчивость присуща горизонталь­ным однотрубным и бифилярным, особенно вертикальным двухтрубным системам отопления. В циркуляционных кольцах этих систем в результате изменения различного по величине естественного циркуляционного давления заметно нарушается расчетный гидравлический режим отопитель­ных приборов. Вода, подаваемая циркуляционным насосом в стояки, перераспределяется между ветвями и приборами: в холодный период отопительного сезона (tн<tср.о.с) значительно увеличивается расход воды в верхней части систем при сокращении расхода в нижней части; в теплый период (tн>tср.о.с) 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 (16.28) создает условия для длительного действия отопительных приборов горизонтальных однотрубных и бифилярных, вертикальных двухтрубных насосн