Естественное циркуляционное давление возникающее вследствие охлаждения воды в отопительных приборах
Обновлено: 03.07.2024
Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление, 2002
Определение естественного циркуляционного давления, возникающего вследствие охлаждения воды в приборах (Δр е пр ) связано с видом системы отопления, и это целесообразно сделать совместно с рассмотрением их возможных конструктивных схем (§ 7.4).
При определении значения естественного циркуляционного давления, вызываемого охлаждением воды в трубах (Δр ), примем, что приборы в циркуляционном кольце отсутствуют и вода охлаждается при теплопередаче только через стенки труб.
Рассмотрим схему такого вертикального циркуляционного кольца теплопровода (рис. 7.18, а), в котором при установившемся движении воды ее плотность постепенно возрастает от значения ρ 1 , (при температуре после центра нагревания) до значения ρ 5 (при температуре перед центром нагревания). На стыках вертикальных и горизонтальных труб покажем промежуточные значения плотности воды.
Рис. 7.18. Схемы вершкального циркуляционного кольца теплопроводов без отопительных приборов с центром нагревания (ц.н) теплоносителя воды: а - при постепенном охлаждении воды в трубах; б - при введении условных центров охлаждения (ц.о) воды
Естественное давление, вызывающее движение воды в трубах, найдем как разность гидростатического давления двух столбов воды высотой h, имеющей различную среднюю плотность:
Это же значение циркуляционного давления получим в другом виде с использованием условных центров нагревания и охлаждения воды в трубах (рис. 7.18, б ), находящихся на некоторой высоте над плоскостью отсчета I-I :
В общем случае при произвольном расположении условных центров нагревания и охлаждения в вертикальном циркуляционном кольце теплопроводов (рис. 7.19) естественное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в трубах, составит
или после преобразования
Рис. 7.19. Схема вертикального циркуляционного кольца теплопроводов без отопительных приборов с произвольно расположенными центрами нагревания (ц.н) и охлаждения (ц.о) теплоносителя воды
По последнему уравнению можно установить, что для получения значения 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 ρ 1 < ρ 5 ).
Уравнение (7.21) перепишем в общем виде, используемом при проектировании систем водяного отопления:
Можно сделать вывод: значение естественного давления, возникающего вследствие охлаждения воды в трубах циркуляционного кольца, состоящего из N участков, складывается из произведений высоты h; расположения центра охлаждения или нагревания над некоторой условной плоскостью на разность плотности воды в концах участка, включающего этот центр.
Видно, что естественное циркуляционное давлением 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 рис. 7.19) естественное циркуляционное давление уменьшается.
Следовательно, в системе отопления с верхней разводкой р е.тр всегда больше, чем в системе с нижней разводкой, за счет увеличения вертикального расстояния от центров охлаждения в верхней магистрали до центра нагревания.
§ 7.4. Расчет естественного циркуляционного давления в системе водяного отопления
Общим, многократно повторяющимся элементом каждой вертикальной или горизонтальной системы является стояк или ветвь. В стояке и 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, связанного с охлаждением воды в отопительных приборах р рассмотрим при различных приборных узлах, входящих в стояки или ветви систем отопления.
1. Вертикальные однотрубные системы отопления
Однотрубная система отопления с верхней разводкой. На рис. 7.20 приведена расчет-
ная схема части однотрубной системы с верхней разводкой и тупиковым движением воды в магистралях (см. рис. 6.1). Стояки даны для трехэтажного здания с различными наиболее часто применяемыми приборными узлами. В стояке 1 (Ст.1) показаны проточные узлы, в стояке 2 (Ст.2) - проточно-регулируемые узлы со смещенными обходными участками и трехходовыми регулирующими кранами ( типа КРТ) в стояке 3 (Ст.З) - узлы со смещенными замыкающими участками и проходными регулирующими кранами (типа КРП). Присоединение приборов к стоякам принято односторонним.
Рис. 7.20. Расчетная схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления с верхней разводкой: Ст.1 - проточный стояк; Ст.2 - проточно-регулируемый стояк; Ст.З - стояк с замыкающими участками; кружки в контуре отопительных приборов -центры охлаждения воды в приборах; жирные точки на стояке 3 - центры охлаждения воды в стояке
Здесь и далее система отопления 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. Расход воды в стояке G ст , кг/ч, при заданных теплопотребности помещений, виде отопительных приборов и температуре воды определяется по формуле, аналогичной формуле (3.7),
где Q ст = ΣQ п - тепловая нагрузка стояка, равная суммарной теплопотребности помещений, обслуживаемых стояком (при Q п в Вт вводится множитель 3,6), или, иначе, суммарной тепловой нагрузке приборов; β 1 , β 2 - поправочные коэффициенты (см. формулу
(4.21)); с - удельная теплоемкость воды (4,187 кДж/(кг°С)); Δt ст - расчетный перепад температуры воды в стояке.
Видно, что расход воды в однотрубном стояке прямо пропорционален тепловой нагрузке стояка Q ст и обратно пропорционален расчетному перепаду температуры воды в стояке Δt ст = t r -1 о . Температура воды на каждом участке стояка будет промежуточной между значениями t 1 и t o 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 t 3 (см. рис. 7.20)
В общем виде температура воды на i-том участке однотрубного стояка будет равна
где ZQ i - суммарная тепловая нагрузка всех отопительных приборов на стояке до рассматриваемого участка (считая по направлению движения воды).
На рис. 7.20 заштрихованы половины высоты двух приборов стояка 1, в которых температура воды условно принята постоянной и равной t 3 . Можно считать, что температура воды t 3 (и плотность ее ρ 3 ) сохраняется в стояке по высоте h 3 , а температура t 2 (и плотность ρ 2 ) - по высоте h 2 .
Гидростатическое давление в стояке при его высоте, равной h 3 +h 2 +h 1 (см. рис. 7.20), не считая части стояка выше условного центра охлаждения верхнего прибора, где температура воды принята равной температуре воды в главном стояке, составит
где ρ o - плотность воды при расчетной температуре t o обратной воды в системе.
Гидростатическое давление в главном стояке (Пет на рис. 7.20) с учетом той же высоты при температуре воды t r
где ρ г - плотность воды при расчетной температуре t r горячей воды в системе.
Естественное циркуляционное давление в вертикальной однотрубной проточной и про- точно-регулируемой системе отопления с верхней разводкой (см. стояки 1 и 2 на рис.
7.20), возникающее вследствие охлаждения воды в приборах, определяется как разность гидростатического давления в рассматриваемом и главном стояках
При увеличении числа этажей в здании число слагаемых в формуле (7.25), а следовательно, и значение р е.пр будут возрастать.
Выражение для определения р е.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 β = (ρ o - ρ г ) / (t г - t г , кг/(мЗ·°С):
Для получения более общей и краткой записи выразим разности температуры через тепловые нагрузки и расход воды в стояке:
После подстановки в формулу (7.26) найдем в скобках Q 3 (h 3 + h 2 + h 1 ) + Q 2 (h 2 + h 1 ) + Q 1 h 1 или Q 3 h III + Q 2 h II + Q 1 h 1 , так как h 3 + h 2 + h 1 = h III и т.д. (см. рис. 7.20).
Получим более короткое выражение
где h III , h II , h I - вертикальные расстояния между центрами охлаждения воды в приборах соответственно на III, И и I этажах и центром нагревания.
В общем виде при N отопительных приборах в однотрубном стояке
где Q i h i - произведение тепловой нагрузки i-того прибора на вертикальное расстояние h,- от его условного центра охлаждения до центра нагревания воды в системе отопления.
Пример 7.1. Определим естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в отопительных приборах трехэтажного однотрубного стояка (стояк 1 или 2 на рис. 7.20), если их тепловая нагрузка, включая коэффициенты P 1 и Р 2 , составляет Q 3 =1163 Вт, Q 2 =930 Вт, Q 1 =1396 Вт; высота h 3 = h 2 =3 м, h 1 =2 м; температура воды t r =95 °C, t o =70 °C; β=0,64 кг/(м 3 ·°С). Расход воды в стояке по формуле (7.23)
Температура воды на участках стояка по формуле, преобразованной из формулы (7.24)
Естественное циркуляционное давление по формуле (7.26)
Естественное циркуляционное давление по формуле (7.27) при h III = h 3 + h 2 + h 1 = 8 м, h II = h 2 + h 1 = 5 м.
В стояках вертикальной однотрубной системы с замыкающими участками (см. стояк 3 на рис. 7.20) 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 (7.25) составит
Некоторое различие в значениях естественного циркуляционного давления по формулам (7.25) и (7.29) определяется тем, что h 1 '<h I на 0,5h пр . В формуле (7.28) при использовании ее для стояков с замыкающими участками высота h i 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 отличаются на 0,5h пр (см. стояк 3 на рис. 7.20), и в малом циркуляционном кольце возникает собственное естественное циркуляционное давление (в заштрихованной части прибора вода имеет температуру t вых , в замыкающем участке t вх )
где ρ вых и ρ вх - плотность воды, кг/м 3 , соответственно при температуре t вх и t вых (для прибора на III этаже на рис. 7.20 - t вх = t г , t вых <t 3 , 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:
где ρ ср.пр и ρ з.у - плотность воды, кг/м 3 , соответственно при средней температуре в приборе и при ее температуре в замыкающем участке.
Отметим, что в параллельно соединенных участках малого циркуляционного кольца протекают два различных потока воды. Один поток с расходом G пр , обеспечивая теплоотдачу прибора охлаждается до температуры t вых . Другой в количестве G з.у = G ст - G пр сохраняет свою температуру, равную t вх . 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, t 3 ) и называют температурой смеси.
Естественное давление в малом циркуляционном кольце при движении воды в стояке сверху вниз способствует возрастанию расхода воды в приборе или, как принято говорить, увеличению затекания воды в отопительный прибор.
Однотрубная система отопления с нижней разводкой обеих магистралей (с П-
образными стояками - см. рис. 6.2). На рис. 7.21 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 проточнорегулируемые узлы с трехходовыми кранами (типа КРТ), в стояке 2 - узлы со смещенными замыкающими участками и проходными регулирующими кранами (типа КРП), 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. Иногда стояки замоноличивают в наружные стены или во внутренние перегородки. Там, где это сделано, стояки фактически превращаются в дополнительные монолитные проточные отопительные приборы, а основные 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 - проточнорегулируемый 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 гидростатического давления в нисходящей и восходящей частях стояка. Например, для проточнорегулируемого стояка I.
где обозначения h 3 , h 2 и h 1 - см. на рис. 7.20.
И в этом случае действительна формула (7.28) общего вида, причем высота 1 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 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 (7.31) относится также к бифилярной схеме стояков.
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 участками и кранами типа КРП (стояк 3). Обходные и замыкающие участки делают, как правило, смещенными от оси стояков.
Рис. 7.22. Расчетная схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления с "опрокинутой" 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). Естественное циркуляционное давление р c.пр находят по формуле (7.28) или как разность гидростатического давления в главном обратном стояке (Г.ст на рис. 7.22) и в рассматриваемом стояке в здании, имеющем N этажей:
По формуле (7.32) можно дополнительно учесть отличие плотности воды при температуре t N+1 , в рассматриваемом стояке, от плотности воды при температуре t 0 в главном обратном стояке.
Естественное циркуляционное давление в малом циркуляционном кольце каждого отопительного 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 приборы, что приводит к относительному увеличению площади их теплоотдающей поверхности.
Вертикальная однотрубная система отопления с нижней разводкой подающей магистрали и верхней прокладкой обратной (с «опрокинутой» циркуляцией воды в стояках)
Проточная и проточно-регулируемая система отопления. Расчетная схема показана на рисунке для здания, имеющего N этажей. Расход и температура воды определяются по-прежнему по формулам Gст=(Q1+Q2+Q3)/(c*(tг-tо)) и ti=tг-(ΣQi/(c*Gст)). Естественное циркуляционное давление находят по формуле Δpепр=((β*g)/(c*Gст))*Σ1N(Qi*hi) или как разность гидростатического давления в главном обратном стояке (г. с) и в рассматриваемом стояке:
Δpепр=g*[hN+1*(ρo+ρN+1)+hN*(ρo+ρN)+…+h2*(ρo+ρ2)+h1*(ρo+ρг)].
Формула позволяет учесть отличие температуры воды tN+1, выходящей из рассматриваемого стояка, от температуры воды в главном обратном стояке.
Система отопления с замыкающими участками. Естественное циркуляционное давление в вертикальной однотрубной системе с «опрокинутой» циркуляцией воды и с замыкающими участками на стояках определяется по формуле, отличающейся от формулы выше только в связи с появлением центров охлаждения на стояке (черные точки на рисунке):
Расчетные схемы вертикальных однотрубных стояков при нижней разводке подающей магистрали и верхней прокладке обратной.
а - проточно регулируемого, б - со смещенными замыкающими участками.
Естественное циркуляционное давление в малом циркуляционном кольце каждого отопительного прибора находят по-прежнему по формуле Δpемал=g*(hпр/2)*(ρвых-ρвх) или Δpемал=g*hпр*(ρср-ρзу). Очевидно, что в данной системе оно противодействует затеканию воды во все отопительные приборы. Следовательно, в системе отопления с «опрокинутой» циркуляцией воды при наличии замыкающих участков увеличивается площадь отопительных приборов.
Естественное циркуляционное давление
Нагревание и охлаждение воды в замкнутом контуре системы отопления, как уже отмечалось, вызывает неоднородное распределение ее плотности. В строго горизонтальной системе отопления это явление не вызывает циркуляции воды. В вертикальной системе под действием гравитационного поля возникает свободное движение, названное естественной, или гравитационной циркуляцией воды. Величина естественного циркуляционного, или гравитационного давления, вызывающего циркуляцию воды, определяется разностью гидростатического давления двух столбов воды равной высоты.
Охлаждение воды в системе отопления при tT>tB происходит непрерывно по мере удаления от теплообменника, на выходе из которого температура воды имеет максимальное значение, и заканчивается при возвращении ее к теплообменнику. Постепенное охлаждение воды в теплопроводах сочетается с резким охлаждением ее в отопительных приборах. Поэтому общее естественное циркуляционное давление в системе можно рассматривать как сумму двух величин: естественного циркуляционного давления, возникающего из-за охлаждения воды в отопительных приборах, Δpе.пр и естественного циркуляционного давления, возникающего вследствие охлаждения воды в трубах, Δpе.тр:
В большинстве случаев - в системах отопления многоэтажных зданий - первое слагаемое является основным по величине, второе - дополнительным. В частном случае - в одноэтажных зданиях - основным является Δpе.тр.
Величина Δpе.пр зависит от типа приборного узла и схемы стояка. Ниже рассматривается ее определение в различных системах отопления.
Естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в отопительных приборах
Гидростатическое давление по высоте каждого отопительного прибора изменяется из-за охлаждения воды. Запишем величину гидростатического давления, связанную с высотой отопительного прибора hпp и средней плотностью воды в нем ρср:
Преобразуем это выражение, считая, что плотность воды равномерно изменяется по высоте прибора при постепенном изменении температуры от температуры воды, входящей в прибор, tвх до температуры воды, выходящей из него, tвых:
Согласно формуле, получается, что половина отопительного прибора (например, верхняя при движении воды сверху вниз) может считаться заполненной водой с температурой tвx и плотностью ρвх, а другая (нижняя при том же движении воды) - водой с температурой tвых и плотностью ρвых, причем температура и плотность воды скачкообразно изменяются на уровне середины высоты прибора. Это дает основание представить, что в отопительном приборе имеется как бы граница охлаждения воды. Назовем ее условным центром охлаждения воды в отопительном приборе и по аналогии подобную же условную границу скачкообразного изменения температуры (и плотности) воды от tо до tг в теплообменнике системы отопления - условным центром нагревания воды.
При определении естественного циркуляционного давления, возникающего из-за охлаждения воды в отопительных приборах, будем также условно считать, что вода при движении по теплопроводам не охлаждается.
Исследование естественного циркуляционного давления в системах водяного отопления
Замеры на экспериментальном контуре системы отопления и расчёты естественного циркуляционного давления позволяют сделать вывод о правильности публикации, что «всякое охлаждение воды в местах системы, лежащих выше котла, способствует созданию положительно действующего давления». Это позволяет в гравитационных системах отказаться от тепловой изоляции главного стояка, устройство которой более 80 лет рекомендуют в учебниках и справочнике проектировщика.
Естественное циркуляционное давление является основным в гравитационной системе и дополнительным в насосной системе водяного отопления. Оно возникает только в вертикальной системе и определяется как разность гидростатических давлений двух столбов (подъёмного и опускного) воды одинаковой высоты, но разной плотности.
По вопросу его определения в литературе имеются противоречивые указания. Например, в учебниках профессора Б. М. Аше утверждается, что одним из условий циркуляции воды в кольце является то, «чтобы точки нагрева и охлаждения находились на двух различных вертикальных ветвях» [1, стр. 160]; «подъёмный магистральный стояк должен быть особо тщательно изолирован» [2, стр. 473]; «охлаждение воды в восходящих горячих стояках вызывает уменьшение действующего давления» [3, стр. 472].
Эти указания противоречат публикации, что «всякое охлаждение воды в местах системы, лежащих выше котла, способствует созданию положительно действующего давления» [3, стр. 190]. То есть для трёх вертикальных систем с разным расположением охладителей естественное циркуляционное давление в них будет одинаковым.
С целью проверки правильности этого утверждения в лаборатории отопления Ленинградского инженерно-строительного института (ЛИСИ — до 1992 года, ныне СПбГАСУ) автором были проведены экспериментальные наблюдения за циркуляцией воды в контуре из стеклянных труб высотой около 4 м (рис. 1, г и д). Для охлаждения воды в контуре на трубы были надеты стальные сосуды №1 и №2 высотой около 700 мм и диаметром 100 мм, которые заполнялись льдом. Для удаления из них талой воды дно сосудов имело отверстие. Применительно к условиям опытов сосуды могли быть перемещены по вертикали.
Скорости воды определялись в горизонтальном участке 1–4 методом поплавков. Для этого использовался секундомер и водный раствор краски нигрозина, который вводился в участок контура с помощью иглы медицинского шприца под давлением сосуда с краской выше верхней точки контура.
Температуры воды в контуре замерялись термопарами, спаи которых были установлены на поверхности стеклянных труб и в сосуде с тающим льдом.
Задачами эксперимента являлись:
- выявление возможности естественной циркуляции в схемах рис. 1, а и б в том же направлении, что и в схеме рис. 1, в;
- сопоставление скоростей циркуляции для указанных гидравлических схем.
Был проведён ряд опытов в стационарном режиме.
Опыт №1. Установка смонтирована согласно рис. 1, г. Нагревание воды осуществлялось в точке 1, что соответствует схеме рис. 1, а.
Нагревание воды в точке 1 сразу вызвало циркуляцию воды в направлении от точки 1 к точке 2. Затем оба охладителя были заполнены тающим льдом. Циркуляция воды продолжалась в том же направлении. При температурах термопар Т №1, 2 и 3, соответственно, 28,3; 23,1 и 23,0 °C скорость циркуляции от точки 1 к точке 2 составляла около 4 см/с.
Таким образом, результаты первого опыта не подтвердили указание, что одним из условий циркуляции воды в контуре является то, «чтобы точки нагрева и охлаждения находились на двух различных вертикальных ветвях» [1, стр. 160].
Интересно отметить, что после прекращения нагрева циркуляция воды от точки 1 к точке 2 замедлялась, а затем через несколько минут сменилась на противоположную — от точки 1 к точке 4.
Опыт №2. Установка смонтирована согласно рис. 1, г. Нагревание воды осуществлялось в точке 4, что соответствует схеме рис. 1, в. При нагревании возникала циркуляция от точки 4 к точке 3. Направление её оставалось прежним и при загрузке обеих охладителей льдом. При температурах в термопарах Т №1, 2 и 3, соответственно, 25,0; 30,3 и 30,5 °C скорость циркуляции от точки 4 к точке 3 составляла около 4,8 см/с.
Превышение скорости циркуляции во втором опыте объясняется тем, что в первом опыте горячая вода поступала сначала в нижний охладитель, а во втором — в верхний; температура воды была выше.
Опыт №3. Установка смонтирована согласно рис. 1, д. Нагревание воды в точке 4, что соответствует схеме рис. 1, б.
Нагревание воды начиналось после заполнения льдом охладителей. Возникала циркуляция от точки 4 к точке 3. Показания термопар Т №1, 2 и 3: 23,6; 26,3 и 29,4 °C, соответственно. Скорость циркуляции составила 5 см/с. Это больше скорости в первых опытах из-за более высокого расположения охладителя №2. После прекращения нагревания, как и в опыте №2, циркуляция продолжалась длительное время в том же направлении.
Первые три опыта выявили возможность осуществления циркуляции в одном и том же направлении для трёх разных схем, приведённых на рис. 1. В этих опытах направление циркуляции было восходящим от точки нагрева. Ниже приводится описание четвёртого и пятого опытов, в которых направление циркуляции было нисходящим от точки нагрева.
Опыт №4. Установка смонтирована согласно рис. 1, г. Охладители №1 и №2 заполнялись льдом. Возникала циркуляция от точки 1 к точке 4. Направление её не изменилось и при начале нагревания контура в точке 1.
Опыт №5. Установка по рис. 1, г. Был произведён нагрев контура в точке 1. Началась циркуляция в направлении 1–2–3–4. Затем горелку переставили от точки 1 к точке 4, и после этого оба охладителя были заполнены льдом. Направление циркуляции при этом осталось прежним: 1–2–3–4. После выключения горелки оно через несколько минут сменилось на обратное — от точки 1 к точке 4.
Итак, результаты визуальных наблюдений выявили, что направление циркуляции в контуре и величина естественного циркуляционного давления практически не зависят от того, где находятся точки охлаждения — на подъёмном или опускном стояке кольца.
Иначе: «всякое охлаждение воды в местах системы, лежащих выше котла, способствует созданию положительно действующего давления» [3, стр. 190]. То есть для трёх вертикальных систем по рис. 1 оно будет практически одинаковым (при прочих равных условиях).
Проверим сказанное расчётным путём для трёх вариантов размещения охладителей согласно рис. 1 а, б и в. Расчётные параметры в системе отопления контура высотой 4 м условно приняты 80–60 °C с нагревом воды в точке 1.
Вариант 1. Условно принято, что в подъёмном (главном) стояке вода будет равномерно остывать от 80 до 60 °C. Остальные участки контура идеально заизолированы. То есть, в опускном вертикальном стояке по всей его высоте будет находиться вода с температурой 60 °C.
Естественное циркуляционное давление определяем по формуле:
где g = 9,81 кг/с² (ускорение свободного падения); ρо — плотность воды в опускном стояке, при 60 °C равная 983,24 кг/м³; ρг — то же в главном стояке при температуре t = (80 + 60)/2 = 70 °C — 977,81 кг/м³.
Прототипом данной системы по варианту 1 является вертикальная однотрубная насосная система водяного отопления с опрокинутой циркуляцией воды в стояках с нижней разводкой подающей магистрали.
Вариант 2. Условно принято, что в подъёмном (главном) и опускном стояках вода будет равномерно остывать, соответственно, от 80 до 70 °C и от 70 до 60 °C. Горизонтальные участки контура идеально заизолированы:
где 980,59 кг/м³ — величина плотности воды в опускном стояке при температуре t = (70 + 60)/2 = 65 °C; 974,89 кг/м³ — плотность воды в главном стояке при температуре t = (80 + 70)/2 = 75 °C.
Прототипом системы по варианту 2 является вертикальная однотрубная насосная система с нижней разводкой обеих магистралей (с П-образными стояками).
Вариант 3. Условно принято, что подъёмный (главный) стояк и горизонтальные участки идеально заизолированы, в опускном стояке вода будет равномерно остывать от 80 до 60 °C:
где 977,81 кг/м³ — величина плотности воды в опускном стояке при температуре t = (80 + 60)/2 = 70 °C; 971,83 кг/м³ — плотность воды в главном стояке при температуре t = 80 °C.
Прототипом системы по варианту 3 является вертикальная система водяного отопления с верхней разводкой.
Приведённые расчёты по формуле 1 подтвердили результаты визуальных наблюдений, что «всякое охлаждение воды в местах системы, лежащих выше котла, способствует созданию положительно действующего давления» [3, стр. 190].
То есть, написанное в справочной литературе: «для увеличения естественного циркуляционного давления рекомендуется уменьшать охлаждение воды в главном стояке» [4, стр. 115], приходится считать неправильным.
Выводы
1. Величина естественного циркуляционного давления и направление возникшей циркуляции не зависит от того, находятся ли точки нагрева и выше их расположенные точки охлаждения на подъёмном или опускном стояках циркуляционного контура (при прочих равных условиях).
2. В целях увеличения естественного циркуляционного давления и использования полезной теплоотдачи главного стояка от его тепловой изоляции следует отказаться. Это особенно целесообразно для гравитационных систем отопления квартир, дач, пассажирских вагонов и тогда, когда стояк проходит через отапливаемые помещения. Допустимо присоединять отопительные приборы непосредственно к главному стояку. Целесообразно повышать температуру в котле на величину остывания воды в главном стояке.
Естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в отопительных приборах.
При определении значения естественного циркуляционного давления, вызываемого охлаждением воды в отоп. приборах ( Па), причем, что вода охлаждается при теплопередаче только ч/з стенки отопительных приборов, а трубопроводы подающей и обратной магистралей проложены горизонтально.
Рассмотрим схему вертикальной двухтрубной гравитацион- ной системы отопления (рис. 1). В схеме рассматриваемой системы можно выделить два циркуляционных кольца: кольцо через отопительный прибор, расположенном наиболее низко над котлом (прибор первого этажа) и кольцо через прибор второго этажа. Кольцом циркуляции вообще называется критический путь движения теплоносителя от водонагревателя (котла) через рассматриваемый отопительный прибор (для двухтрубной системы) или стояк (для однотрубных вертикальных систем) или ветвь (для однотрубных горизонтальных систем).
Определение естественного циркуляционного давления произведем для циркуляционного кольца через отопительный прибор, расположенный наиболее низко над котлом. Введем обозначения некоторых вертикальных расстояний, температур и плотностей воды на соответствующих участках трубопроводов (рис. 11.2).
Через середину обратной магистрали проведем плоскость А-А и в ней сечение 1-1. Естественное циркуляционное давление определим как разность гидростатических давлений двух столбов воды одинаковой высоты справа и слева от сечения 1-1.
(11.4)
После приведения подобных членов получим
(11.5)
Сгруппируем слагаемые в выражении (11.5) по признаку одинаковых высот и получим следующее выражение
(11.6)
В выражении (11.6) приведем подобные члены и получим
(11.7)
В выражении (11.7) вынесем за скобку в первом и третьем слагаемых
(11.8)
В выражении (11.8) вынесем за скобку сомножитель , получим
(11.9)
Обозначим сомножитель и покажем это вертикальное расстояние рис. 1. С учетом принятого обозначения формула (11.9) примет вид
(11.10)
Таким образом, естественное циркуляционное давление от охлаждения воды в отопительных приборах равно произведению ускорения свободного падения на разность плотностей воды при температурах в обратной и горячей магистралях на вертикальное расстояние от середины водонагревателя (котла) до середины рассматриваемого отопительного прибора.
Формула (11.10) справедлива для всех двухтрубных и горизонтальных однотрубных систем отопления. Рассмотрим из выражения (11.5) слагаемое , которое можно преобразовать следующим образом
. (11.11)
Из рассмотрения выражения (11.11) следует, что результат расчета не измениться, если считать, что остывание воды в отопительном приборе от температуры до температуры происходит не постепенно, а мгновенно по границе, проходящей через середину отопительного прибора.
Условную границу мгновенного изменения температуры воды со значения, с которым она входит в отопительный прибор на значение, с которым она выходит из отопительного прибора в отоплении принято называть «центром охлаждения».
Рассмотрев из выражения (11.5) слагаемое и преобразив его соответствующим образом, рассуждая аналогично можно ввести понятие «центра нагрева». Итак, условную границу мгновенного изменения температуры воды со значения, с которым она входит в водонагреватель на значение, с которым она выходит из водонагревателя в отоплении принято называть «центром нагрева».
Расчетное циркуляционное давление в системе
В системе отопления расчетное давление для создания циркуляции воды Dрр, Па, определяется по формулам:
- в насосной вертикальной однотрубной системе при качественном регулировании теплоносителя
- то же при автоматическом качествен-количественном регулировании теплоносителя
- в насосных двухтрубной и горизонтальной однотрубной системах
- в гравитационной системе
где Dрн – давление, создаваемое циркуляционным насосом для обеспечения необходимого расхода воды в системе;
Dре – естественное циркуляционное давление:
Естественное циркуляционное давление, возникающее в расчетном кольце системы вследствие охлаждения воды в трубах Dре.тр, Па, находят по рис. Б.1 (приложение Б). В насосных системах с нижней разводкой величиной Dре.тр можно пренебрегать.
Естественное циркуляционное давление, возникающее в расчетном кольце системы вследствие охлаждения воды в отопительных приборах Dре.пр, Па, определяется по формулам:
а) в вертикальной однотрубной системе при N приборах в стояке, входящем в расчетное кольцо:
где Qi – необходимая теплоподача теплоносителем в i–е помещение:
Qn.i – теплопотери i–го помещения, Вт;
b1 - коэффициент учета дополнительного теплового потока устанавливаемых ОП за счет округления сверх расчетной величины (табл. 5.1);
Значения коэффициентаb1
| Шаг номенклатурного ряда отопительных приборов, Вт | b1 |
| 1,02 1,03 1,04 1,06 1,08 1,13 | |
| Примечание: для ОП помещения с номинальным тепловым потоком более 2,3 Вт следует принимать вместо b1 коэффициент b1 I = 0,5(1+b1) |
b2 - коэффициент учета дополнительных потерь теплоты ОП у наружных ограждений (табл. 5.2);
Значения коэффициента b2
| Отопительный прибор | Значения b2 при установке прибора | |
| у наружной стены, в том числе под световым проемом | у остекления светового проема | |
| Радиатор чугунный секционный стальной панельный Конвектор с кожухом без кожуха | 1,02 1,04 1,02 1,03 | 1,07 1,1 1,05 1,07 |
с – удельная массовая теплоемкость воды [4187 Дж/(кг×К)];
b - среднее приращение плотности при понижение температуры воды на 1 о С, при расчетной разности температур воды в системе 95…70, о С, b=0,64;
hi – вертикальное расстояние между условными центрами охлаждения (середина высоты ОП в однотрубной проточной системе, точка присоединения нижней подводки в однотрубной системе с замыкающими участками) и нагревания (середина высоты теплообменника или котла, точка смешения воды в тепловом пункте и т.д.); расстояние hi может измеряться от уровня магистрали, прокладываемой в подвальном помещении:
Gст - расход воды в стояке, кг /с; при гидравлическом расчете системы с равными перепадами температуры воды в стояках
где Dtc = tг - tо – расчетная разность температур в системе Dtc=95–70=25 о С.
С учетом формулы (5.8) получено выражение
где Qст = SQn.i – тепловая нагрузка стояка;
б) в двухтрубной системе в расчетном кольце через отопительный прибор на нижнем этаже
где h1 - вертикальное расстояние между условными центрами охлаждения (середина высоты ОП) и нагревания, м.
В насосных системах допустимо не учитывать Dре, если оно составляет менее 10 % от Dрн.
Расчетные параметры теплоносителя в системе водяного отопления. (У,К, Д)
Номинируются предельно допустимые параметры теплоносителя.
Напр.: 95 о С для жилых зданий;
85 о С для детских садов;
55 о С для напольного отопления.
Расчетные параметры следует принимать ниже вышеуказанных, оговаривая конкретные зн-я в техническом задании на проектируемом объекте. При этом чем меньше, тем лучше с санитарно-гигиенической точки зрения.
Более высокая температуры поверхности отопительного прибора создает более высокую скорость конвективного потока и соответственно более высокую скорость витания пылевых частиц.
В следствии этого кол-во пыли и фракционный состав увеличивается в воздухе. Она ничем из воздуха не убирается. Именно пыль явл переносчиком вирусов. Т.о. температура пов-ти и вирусные заболевания взаимоувязаны. С этой точки зрения лучшими являются панельные с-мы отопления у которых
Понижение расчетной температуры приводит к увеличению размеров отопительных приборов, но в удельной стоимости жилья это составляет не более 5 %.
В Европе и в мире давно применяют расчетные параметры для конвекторов и радиаторов: 70-50 и 70-55 о С.
А в последние годы популярны расчетные параметры становятся 55-40, т.е. понижают до температуры теплоносителя напольного отопления, что позволяет в то же время при необходимости делать напольное отопление подсоединяемое к конвективному.
Тепловой поток от отопительного прибора пропорционален расчетной разности температур.
То во 2ом случае кол-во секций отопительных приборов будет больше в (65/40) 1,25 или 1,3 =1,88 и 65/40=1,6 - между этими цифрами.
В нормах указываются предельно-допустимые температуры теплоносителя в зависимости от типа помещений:
95 о С для жилых зданий;
85 о С для детских садов;
55 о С для напольного отопления.
Естественное циркуляционное давление, возникающее в системе водяного отопления вследствие охлаждения воды в трубах и отопительных приборах.
А – зона, в которой создается естественное циркуляционное давление от охлаждения воды в ТП. ( )
Значение определим по таблицам или номограммам (напр. Андреевский).
Естественное циркуляционное давление от охлаждения воды в приборах зависит от разности отметок h между центрами нагрева и охлаждения. (ц.н. и ц.о.)
Расчет естественного циркуляционного давления в однотрубной системе водяного отопления, возникающее вследствие охлаждения воды в отопительных приборах. Понятие циркуляционного кольца. (У,К)
Количество циркуляционных колец в однотрубной сис-ме соответствует кол-ву стояков или веток:
Эксплуатационная наладка систем водяного отопления.
Производится по отдельной заявке заказчика. При заключении договора на монтаж необходимо оговорить условия и исполнителя проведения пусковой наладки. Желательно из проектной документации указать, кто должен производить эксплуатационную наладку.
1. Обеспечивается требуемый воздухообменный режим систем, после чего начинается наладка с.о.
2. При включенных индивидуальных регуляторах проверяется расход теплоносителя по отдельным ответвлениям в течение 2 – 5 суток.
3. Измеряется температура во всех помещениях объекта.
4. На основании полученных результатов составляется план, в котором указывается:
А) качество регулирования температуры в отдельных помещениях; а дальше в зависимости от того, что будет происходить.
Читайте также: