Система отопления с насосной циркуляцией
Система отопления с насосной циркуляцией
Если говорить о главных недостатках системы отопления с естественной циркуляцией теплоносителя, то к таковым следует отнести низкий циркуляционный напор (особенно это касается квартирных систем) и, как следствие, увеличенный размер труб. Стоит допустить небольшую ошибку в выборе диаметра труб, как теплоноситель окажется "зажатым" и не сможет преодолеть гидравлическое сопротивление.
Для того чтобы "разжать" систему, значительной ее переделки не потребуется, достаточно лишь включения в систему циркуляционного насоса и переноса расширительного бачка с подачи на обратку.
При этом нужно отметить, что переносить расширитель на обратку не всегда обязательно. Когда делается простая переделка несложной (к примеру, квартирной) системы, бачок можно оставить на прежнем месте. Реконструкция (устройство новой системы) по всем правилам подразумевает перенос бачка на обратку и его замену с открытого на закрытый. Какова должна быть мощность циркуляционного насоса и куда и как его следует устанавливать?
Циркуляционные насосы, используемые в бытовых системах отопления, характеризуются низким потреблением электроэнергии - примерно 60-100 Вт, ведь они не обеспечивают подъем воды, а лишь служат вспомогательным инструментом для преодоления ею местного сопротивления в трубах.
Такие насосы справедливо было бы сравнить с корабельным винтом, который толкает воду, продвигая, тем самым, судно, но при этом количество воды в море не прибавляется и не убавляется: общий баланс воды сохраняется на прежнем уровне. Подключенный к трубопроводу циркуляционный насос толкает воду, но, независимо от количества вытолкнутой воды, к нему с другой стороны поступает столько же воды.
Таким образом, нет никаких оснований опасаться, что произойдет выталкивание насосом теплоносителя через открытый расширитель: система отопления является замкнутым контуром с постоянным количеством воды в нем.
В централизованные отопительные системы кроме циркуляционных, могут включаться и повысительные насосы, поднимающие давление и способные поднять воду. В принципе, именно повысительные насосы и следует называть насосами, тогда как циркуляционный насос уместно будет сравнить с вентилятором: обычный вентилятор может гонять воздух по квартире, но максимум, что он может, это создать циркуляцию воздуха, и никоим образом не в состоянии изменить атмосферное давление (даже если работает в наглухо закрытом помещении). Использование циркуляционного насоса дает возможность значительно увеличить радиус действия системы отопления, сократить диаметры трубопроводов, а также создать условия для присоединения систем к котлам, работающим с теплоносителем с повышенными параметрами.
В качестве важного параметра для обеспечения бесшумной работы водяных отопительных систем с насосной циркуляцией, выступает скорость движения теплоносителя. А именно, скорость теплоносителя не должна быть выше:
- в трубопроводах основных помещений жилых зданий, если условные проходы труб составляют 10, 15, 20 мм и более - 1.5, 1.2 и 1 м/с соответственно;
- в трубопроводах, проложенных во вспомогательных помещениях жилых домов - 1.5 м/с;
- в трубопроводах, проложенных непосредственно во вспомогательных зданиях - 2 м/с.
К примеру, с учетом того, что уже известна мощность установленных на данном отрезке радиаторов, можно рассчитать расход воды для радиаторов, устанавливаемых в одной комнате. Предположив, что установленные радиаторы имеют мощность 6 кВт, расход воды составит приблизительно 6 л/мин. Рассчитав расход воды, несложно определить диаметр трубопровода.
Указанные в таблице величины отражают принятые на практике соответствия диаметрам труб (при условии, что расход проходящего по ним теплоносителя не превышает 1.5 м в секунду). Затем определяется мощность циркуляционного насоса. Для каждых десяти метров длины циркуляционного кольца нужно 0.6 м напора насоса.
К примеру, при общей длине кольца циркуляции 90 м, напор насоса должен быть 5.4 м. Приобретаем в магазине (либо по каталогу) насос с нужным напором. При использовании труб с меньшим диаметром, чем рекомендованные в абзаце выше, мощность насоса должна быть больше, поскольку, чем тоньше труба, тем в ней больше гидравлическое сопротивление.
Следовательно, при использовании труб с большим диаметром, допустимо уменьшение мощности насоса. Для обеспечения постоянной циркуляции воды в отопительных системах, рекомендуется производить установку не менее 2-х циркуляционных насосов, при этом один будет рабочим, а другой - резервным. Как вариант можно установить один насос, а другой оставить лежать в укромном месте, и в случае поломки первого произвести быструю замену.
Следует заметить, что вышеприведенный расчет системы отопления является весьма примитивным, не учитывающим различных факторов и характерных особенностей индивидуальных отопительных систем. В частности, если вы ведете строительство коттеджа со сложной архитектурой, то это потребует производства точных расчетов, что под силу только инженерам-теплотехникам. Можно с уверенностью сказать, что крайне неразумно вести строительство многомиллионного сооружения, не имея исполнительной документации - проекта, который учитывает все особенности объекта.
Заполненный водой циркуляционный насос в системе отопления испытывает равное гидростатическое давление со стороны двух патрубков (при условии, что вода не нагревается): всасывающего (входного) и нагнетательного (выходного), соединяемых с теплопроводами. Благодаря тому, что конструкция современных циркуляционных насосов предполагает наличие подшипников с водяной смазкой, насосы можно размещать как на обратном, так и на подающем трубопроводе, хотя, как правило, ставят на обратке.
В первое время такое решение обусловливалось чисто техническими причинами: у насоса, размещенного в более холодной воде, срок службы подшипников, ротора, а также сальниковой набивки - больше. В настоящее время насосы устанавливаются на обратку скорее по привычке, поскольку в замкнутой системе местоположение циркуляционного насоса в плане создания искусственной циркуляции воды роли не играет.
Более того, учитывая, что на подающем трубопроводе гидростатическое давление обычно меньше, размещение таких насосов именно на "подаче" более рационально. К примеру, расстояние от котла, на котором установлен расширительный бачок составляет 10 м в высоту. Это означает, что он создает статическое давление десятиметрового водяного столба, однако данное утверждение корректно лишь для нижнего трубопровода.
В верхнем же давление будет меньше, поскольку и величина водяного столба здесь меньше. Таким образом, независимо от местоположения насоса он будет подвержен одинаковому давлению с обеих сторон: даже если, например, установить его на главном вертикальном подающем (либо обратном) стояке, разница давлений в обоих патрубках будет незначительной, ввиду небольших размеров насоса.
Однако, все сложнее, чем может показаться на первый взгляд. Работающий в замкнутом кольце отопительной системы насос, создает усиление циркуляции, посредством нагнетания воды в теплопровод с одной стороны, и засасывания - с другой. В результате уровень воды в расширительном баке останется неизменным после пуска циркуляционного насоса, поскольку равномерная работа насоса только создает циркуляцию при том же самом количестве воды.
В связи с тем, что в данных условиях (постоянный объем воды в системе и равномерность действия насоса) уровень воды в расширительном баке остается постоянным, независимо от того работает ли насос, в точке соединения расширителя к трубам системы гидростатическое давление также будет постоянным. Поэтому точку присоединения и называют нейтральной, ведь развиваемое насосом циркуляционное давление никоим образом не влияет на создаваемое расширительным бачком статическое давление.
Следует отметить, что расширительный бак циркуляционного насоса в закрытых гидравлических системах служит своеобразным рубежом, после которого происходит смена знака у развиваемого насосом давления: до этой точки насос посредством создания компрессии нагнетает воду, а после нее всасывает воду с помощью вызываемого насосом разрежения.
Таким образом, теплопроводы гидравлической системы на отрезке от насоса до точки постоянного давления (если считать по направлению движения воды) относятся к зоне нагнетания, а теплопроводы после данной точки - к зоне всасывания насоса.
Иными словами, если установить циркуляционный насос к трубопроводу сразу после точки присоединения расширительного бака, насосом будет производиться отсасывание воды из бака и ее нагнетание в систему, а при подключении насоса перед вышеуказанной точкой - насос будет выполнять функцию по откачиванию воды из системы и нагнетанию ее в расширительный бак.
Казалось бы, какое имеет значение, откачивается вода насосом из бачка или нагнетается в него - главное, чтобы вода крутилась по системе. Однако есть существенная разница, поскольку в работу системы включается создаваемое расширительным бачком статическое давление. В трубопроводе, расположенном в зоне нагнетания насоса, нельзя не считаться с тем, что в нем, сравнительно с давлением воды в состоянии покоя, гидростатическое давление повышено.
В свою очередь, для трубопровода, расположенного в зоне всасывания насоса, необходим учет понижения давления, памятуя о том, что не исключена ситуация, в которой гидростатическое давление может не только понизиться до атмосферного, но и возникнет разрежение. Иными словами, за счет разности давлений в системе может появиться опасность высвобождения либо всасывания воздуха, или даже вскипания теплоносителя.
Для того, чтобы не столкнуться с проблемой нарушения циркуляции воды по причине ее вскипания либо подсасывания воздуха, следует соблюдать определенное правило, конструируя и производя гидравлический расчет систем отопления: при работе насоса в зоне всасывания (во всех точках трубопровода) гидростатическое давление всегда должно быть избыточным. Для соблюдения данного правила есть 4 способа.
Схема систем отопления с насосной циркуляцией и открытым расширительным бачком
1) Поднять расширительный бачок на достаточную высоту (не ниже 80 см). Этот способ является достаточно простым в условиях, когда реконструируются системы с естественной циркуляцией в насосную циркуляцию, но в то же время требующим помещения с высоким чердаком и мер по тщательному утеплению расширительного бака.
2) Переместить расширительный бачок в наиболее опасной верхней точке, чтобы включить верхнюю магистраль в зону нагнетания. Тут следует сделать пояснение. Элементом новых систем отопления являются подающие трубопроводы с насосной циркуляцией, и они производятся с уклонами к котлу, а не от котла, с целью обеспечения движения воздушных пузырьков попутно с водой, поскольку из-за противодействия побудительной силы циркуляционного насоса они не выплывут "против течения", как это происходит в системе с естественной циркуляцией.
Следовательно, верхняя точка системы получится на максимально удаленном, а не на главном стояке. Если вы реконструируете старую систему с естественной циркуляцией в насосную, то использование данного способа является достаточно трудоемким, поскольку понадобится переделывать трубопроводы. Для создания же новой системы этот способ не оправдан в связи с наличием других, более удачных вариантов.
3) Присоединить трубу расширительного бачка рядом с всасывающим патрубком циркуляционного насоса. То есть при реконструировании старой системы с естественной циркуляцией нужно просто отрезать бачок от подающей магистрали и перестыковать на обратку позади насоса, создав для него наиболее благоприятные условия.
4) Отойти от привычной схемы, при которой насос размещается на обратке, и включить его в магистраль "подачи" сразу за точкой присоединения расширительного бачка, что является самым простым способом реконструирования системы с естественной циркуляцией: ничего больше не надо переделывать, только врезать насос в трубу подачи.
Но следует быть очень внимательным при выборе насоса, так как его придется размещать в неблагоприятных условиях высоких температур, а насосу надлежит надежно работать в течении длительного времени, что могут гарантировать лишь солидные фирмы-изготовители.
Производители современной сантехнической и отопительной арматуры дают возможность произвести замену расширительных бачков открытого типа на закрытые. Закрытый бачок не позволяет жидкости системы соприкасаться с воздухом, а это исключает испарение теплоносителя и его обогащение кислородом. Что, в свою очередь, позволяет снизить потери тепла и воды, а также способствует уменьшению внутренней коррозии отопительных приборов. Кроме того, в закрытом бачке исключено выливание жидкости наружу.
Расширительный бачок мембранного типа
Экспанзомат, или расширительный бачок закрытого типа представляет собой капсулу овальной (шарообразной) формы, герметичная мембрана внутри которой делит ее на 2 части: воздушную и жидкостную. В воздушной части корпуса находится закачанная под давлением азотосодержащая смесь. До того момента, когда отопительная система заполнится водой, давление газовой смеси внутри бачка обеспечивает плотное прижатие диафрагмы к водяной части бачка.
Нагревшаяся вода создает рабочее давление и увеличивает объем теплоносителя, в результате чего происходит выгибание мембраны бачка в сторону его газовой части. Когда рабочее давление и объем воды становятся максимальными, водяная часть бачка заполняется и газовая смесь максимально сжимается.
На случай продолжающегося повышения давления и, как следствие, растущего объема теплоносителя, предусмотрен предохранительный клапан, который и срабатывает в данной ситуации, сбрасывая воду.
Полезный объем бака должен быть как минимум равен объему температурного расширения теплоносителя, при этом необходимо уравнять статическое давление столба теплоносителя в системе и предварительное давление в газовой части бака. Данные меры по подбору давления газовой смеси дают возможность мембране находиться в равновесии при включенной, но не заполненной отопительной системе.
Установка бачка закрытого типа может производиться в любой точке системы, но обычно он устанавливается рядом с котлом, поскольку нужно, по возможности, обеспечивать минимальную температуру жидкости в точке установки расширительного бачка. А как нам уже известно, лучшая точка установки циркуляционного насоса - сразу за расширительным бачком.
В этой точке условия для работы насоса (как и в целом для отопительной системы) являются наиболее благоприятными. Однако такая схема отопительной системы имеет две проблемы: удаление воздуха и повышенное давление в котле. Конструкция систем с открытым расширительным баком предусматривает удаление воздуха противотоком через расширитель (в системе с естественной циркуляцией) либо попутно (системы с насосной циркуляцией).
В системе с закрытым баком подобного нет, она является полностью замкнутой и воздух не имеет выхода наружу. Воздушные пробки удаляются через установленный в верхней точке трубопровода автоматический прибор - спускник воздуха, снабженный поплавком и запорным клапаном.
С увеличением давления выше определенного, клапан срабатывает и происходит стравливание воздуха в атмосферу. Альтернативой является установка на каждый радиатор отопления крана Маевского: детали, установка которой на служит для удаления воздушных пробок непосредственно из радиатора. Иногда краны Маевского входят в комплект радиаторов, но обычно предлагаются отдельно.
Принцип действия воздухоотводчиков
Воздухоотводчики действуют по следующему принципу: за счет отсутствия воздуха, находящийся внутри прибора поплавок не позволяет выпускному клапану открыться. По мере увеличения количества воздуха в поплавковой камере, понижается уровень воды в воздухоотводчике, что приводит к опусканию поплавка и открытию выпускного клапана, выпускающего в результате этого процесса воздух в атмосферу.
Выход воздуха приводит к повышению уровня воды в воздухоотводчике и всплытию поплавка, в результате чего выпускной клапан закрывается. Этот процесс идет до того момента, пока снова не соберется достаточно воздуха в поплавковой камере, чтобы понизить уровень воды, опустив поплавок.
Существуют различные по конструкции, форме и размерам автоматические воздухоотводчики, в том числе и устанавливаемые как непосредственно на радиаторах (Г-образной формы), так и на магистральных трубопроводах. В сравнении с автоматическими воздухоотводчиками, кран Маевского представляет собой обычную пробку, имеющую канал для отвода воздуха и ввернутый в него конусный винт.
Путем выворачивания винта обеспечивается выход воздуха наружу через освободившийся канал. Выпускаются и воздухоотводчики с перекрывающим канал сброса воздуха металлическим шариком вместо конусного винта.
В качестве альтернативы автоматическим воздухоотводчикам и крану Маевского в отопительную систему включается сепаратор воздуха: основанный на применении закона Генри прибор. Как известно воздух в отопительных системах присутствует отчасти в растворенном виде, а отчасти - в микропузырьках. Проходящая через систему вместе с воздухом вода оказывается в областях различных температур и давлений. Согласно закону Генри, воздух в одних областях выделяется из воды, а в определенных областях - растворяется в ней.
Находясь в котле, теплоноситель подвергается нагреву до высоких температур, в результате чего именно в нем из содержащейся в воздухе воды высвобождается максимальное количество воздуха в виде микропузырьков. Если их тотчас не отвести, то произойдет их растворение на других участках системы, где температура ниже. При удалении пузырьков сразу за котлом, на выходе сепаратора получается обезвоздушенная вода, поглощающая воздух на разных участках системы.
Работа сепаратора воздуха
Комбинация котла и сепаратора воздуха позволяет использовать вышеописанный эффект, для того, чтобы поглотить воздух в системе и вывести его в атмосферу. Этот процесс идет постоянно, вплоть до полного вывода воздуха из системы. Сепаратор воздуха работает на основе принципа слияния микропузырьков. Иными словами, это значит, что происходит прилипание мельчайших пузырьков воздуха к поверхности специальных колец. Микропузырьки собираются вместе, образуя большие пузырьки, отделяющиеся и всплывающие в воздушную камеру сепаратора. Проходя через кольца, поток жидкости расходится в разных направлениях, а конструкция колец обеспечивает вступление проходящей через нее жидкости в контакт с поверхностью колец, что делает возможным прилипание мельчайших пузырьков и их слияние.
Возвращаясь к циркуляционному насосу, не лишним будет отметить следующее. В отопительных системах с протяженными трубопроводами и, как результат, большими гидропотерями, зачастую есть потребность в довольно мощных циркуляционных насосах, создающих на нагнетающем патрубке давление, превышающее то, на которое рассчитан отопительный котел.
Проще говоря, если разместить насос на обратке непосредственно перед котлом, высок риск, что потекут соединения в теплообменнике котла. Чтобы не допустить этого, мощные циркуляционные насосы устанавливаются за котлом, а не перед ним, то есть на подающем трубопроводе. В этой связи возникает вопрос: где следует установить сепаратор - перед насосом или за ним?
Ведущие изготовители систем отопления после тщательного изучения этого вопроса пришли к выводу, что сепаратор следует размещать перед насосом, чтобы предохранить его от повреждений пузырьками воздуха.
