Системы водяного отопления

1. Классификация систем водяного отопления.
2. Гидравлический расчет.
3. Особенности присоединения систем водяного отопления к тепловым сетям.
4. Технико-экономическое сравнение систем водяного отопления.

1 Эта система отопления наиболее широко применима.

Классификация систем водяного отопления проводится по следующим основным признакам:

а) системы с естественной (гравитационной) и искусственной (насосной) циркуляцией теплоносителя.

-В первом случае движение воды происходит за счет разности плотностей охлажденной, после отопительных приборов и горячей воды, поступающей в систему отопления.

-Во втором случае вода перемещается по трубопроводам и отопительным приборам под действием насосов.

б) Системы двух-, однотрубные.

В двухтрубных горячая вода поступает в приборы по подающим стоякам, а охлажденная вода отводится по другим трубам.

Теплоноситель протекает по отопительным приборам параллельно.

Во втором случае горячая вода последовательно обтекает прибор за прибором и тем же стояком отводится.

-Системы вертикальные и горизонтальные.

В вертикальных системах отопительные приборы на разных этажах присоединяются к одному вертикальному стояку.

При горизонтальной системе отопительные приборы одного этажа (причем всего) присоединяется к общей горизонтальной ветви этого этажа.

-Системы с верхним и нижним расположением подающих магистралей.

В системах с верхним расположением трубопровод прокладывают по чердаку или под потолком верхнего этажа.

С нижним расположением - по подвалу, над полом первого этажа.

-Системы водяного отопления по направлению движения воды подразделяются на тупиковые, когда горячая и охлажденная вода в магистралях движется в противоположных направлениях.

И с попутным движением, когда направление потоков движения воды в подающей и обратной магистралях совпадают.

Система водяного отопления гидравлически замкнута и имеет определенную вместимость отопительных приборов, теплопроводов, арматуры, то есть постоянный объем заполняющий ее воды. При повышении температуры воды, она расширяется и в замкнутой, заполненной водой системе отопления внутреннее  гидравлическое давление может превысить механическую прочность ее элементов.

Чтобы этого не произошло в системе водяного отопления имеется расширительный бак, предназначенный для вмещения прироста объема воды при ее нагревании, а также для удаления через него воздуха в атмосферу, как при заполнении системы водой, так и в период ее эксплуатации.

 -Расширительный бак устанавливают в наивысшей точке системы отопления, обычно на чердаке здания в теплоизоляции.

-При отсутствии чердака расширительный бак устанавливают в специальном боксе на чердачном перекрытии, в лестничной клетке или верхнем техническом этаже.

-К расширителю присоединяются следующие трубы:

-расширительная,

-контрольная, выведенная к раковине в котельной для наблюдения за уровнем воды,

-переливная – для слива избытка воды,

-циркуляционная, соединяющая расширительный бак с обратной магистралью для предотвращения замерзания воды в расширительном сосуде и в соединительной трубе.

-На расширительной и переливной трубах нельзя устанавливать какую-либо запорную арматуру.

-Полезная вместимость расширительного сосуда:

где =0,0006- коэффициент объемного расширения воды,

  - изменение температуры воды в системе отопления,

  - объем воды заполняющий систему;

-В системах водяного отопления с естественной циркуляцией воды и верхним расположением подающих магистралей для удаления воздуха, как правило используется расширительный сосуд.

-А в системе водяного отопления с искусственной циркуляцией скорость движения воды обычно больше скорости всплывания воздушных пузырьков (0,2 м/с) и пузырьки воздуха не могут двигаться в направлении, противоположному потоку воду. Поэтому в таких системах разводящие магистральные теплопроводы прокладываются с подъемом к крайним стоякам и в высших точках системы устанавливают воздухосборники.

Для выпуска воздуха из воздухосборника устанавливают кран, открываемый персоналом периодически.

Наибольшее распространение получили воздухосборники горизонтальные проточные, так как в них воздух отделяется гораздо лучше, чем в других конструкциях и они хорошо могут быть защищены от замерзания.

 

-В системе водяного отопления с нижним расположением магистралей воздух удаляется с помощью специальной воздухоотводящей сети, присоединяемой к расширительному баку.

-Системы водяного отопления включают в себя следующие основные элементы:

теплогенератор,

главный стояк,

магистральные теплопроводы,

стояки, подводки,

отопительные приборы,

расширительный бак,

запорно-регулирующую арматуру.

-Для регулирования теплоотдачи отопительных приборов на подводках к ним устанавливаются регулировочные краны.

-Подающую и обратную подводки чаще всего прокладывают горизонтально (при длине до 500мм) или с уклоном 5-10мм на всю длину.

-Размещение стояка производится у наружных стен. В угловых помещениях их следует устанавливать в углах, образованных наружными стенами, чтобы предохранить стены от сырости и промерзания.

-Магистральные теплопроводы размещают на чердаках и в подвалах, за исключением районов с расчетной температурой ниже 40ºС.

2 а) В безнасосных системах естественное циркуляционное давление, возникающее в системах водяного отопления, обуславливается за счет охлаждения воды в отопительных приборах  и давление , вызываемого охлаждением воды в теплопроводах.

В системах отопления многоэтажных зданий основным является первое слагаемое, а второе – дополнительным.

В одноэтажных зданиях основным является второе слагаемое.

-Естественное циркуляционное давление равно произведению ускорения свободного падения (g) на вертикальное расстояние (h) от средины котла до середины отопительного прибора и разностей плотностей холодной и горячей воды.

Атмосферное давление и высота расширительного бака не влияют на величину . Для повышения естественного давления необходимо заглублять котел (чтобы расстояние h от котла до прибора было большим).

 

Приборы верхних этажей находятся под воздействием избыточного давления, в результате чего наблюдается перегрев приборов верхних этажей и недогрев приборов нижних этажей.

б) расчетное циркуляционное давление  в системах с искусственной циркуляцией складывается из давления, создаваемого насосом. и естественного давления

,

Где - циркуляционное давление, создаваемое насосом или элеватором.

Е – коэффициент, определяющий долю максимального естественного давления.

Е = 0,4-0,5 – для двухтрубной системы

Е = 1 - для однотрубной системы.

В замкнутом контуре систем водяного отопления с искусственной циркуляцией насос воду не поднимает, а только перемешивает её. Поэтому давление, развиваемое насосом относительно не велико.

 

(В качестве циркуляционных насосов в системе отопления зданий наибольшее применение получили центробежные насосы типа К, КМ, ЦНШ и ЙВЙ (малошумные)

Требуемая подача насоса (м³/ч)

где с=4,19 - удельная теплоемкость воды;

  ρ - плотность воды кг/м³;

  3,6- коэффициент перевода Вт в кДж/ч;

  - тепловая нагрузка перекачиваемой теплоты в кДж.

Потребляемая мощность электродвигателя

- давление, которое должен развивать насос (кПа),

- подача насоса (м³/ч),

- КПД насоса.

При движении жидкости по трубам всегда имеют место потери давления на преодоления сопротивления трения и местных сопротивлений.

-Потери давления на преодоление трения

где d - диаметр теплопровода (м),

  λ - коэффициент гидравлического трения,

 - скорость движения воды в теплопроводе,

R - удельные потери давления (Па/м),

 l - длина участка теплопровода (м),

ρ - плотность жидкости (кг/м³).

К местным сопротивлениям относятся тройники, крестовины, отводы, вентили, краны, отопительные приборы и так далее.

-Потери давления на преодоления местных сопротивлений

где (кси) – сумма коэффициентов местных сопротивлений в данном участке (табличные величины)

- динамическое давление воды в теплопроводе на данном участке (Па).

-Суммарные потери давления, возникающие, при движении воды в теплопроводе циркуляционного кольца должны быть меньше расчетно-циркуляционного давления устанавливаемого для данной системы с 10% запасом.

3 Система отопления при централизованном теплоснабжении подключается к теплосети с температурой воды, превышающей допустимую для системы отопления.

С целью понижения температуры воды подающего теплопровода используют гидроэлеватор.

Работа элеватора основана на использовании энергии воды подающей магистрали тепловой сети, выходящей из сопла со значительной скоростью. При этом статическое давление ее становится меньше, чем давление в обратной магистрали, в следствии чего охлажденная вода из обратной магистрали подсасывается струей воды из подающей магистрали в камеру всасывания. Образовавшийся поток воды поступает в камеру смешения, где выравниваются температуры и скорости, а давление постоянно. В диффузоре скорость потока уменьшается по мере увеличение его сечения, а статическое давление увеличивается, за счет гидростатического давления в конце диффузора и в камере всасывания элеватора создается циркуляционное давление, необходимое для действия системы отопления.

Основной расчетной характеристикой для элеватора служит коэффициент смешения И

где - температура воды, поступающей в элеватор из подающей линии тепловой сети,

- температура смешанной воды, поступающей в систему отопления после элеватора,

- система охлажденной воды, поступающей из системы отопления.

Определить величину коэффициента смешения необходимо для выявления основного размера элеватора - диаметр горловины (перехода камеры смешения в диффузор)

где G_см - количество воды, циркулирующей в системе отопления (кг/г),

- гидравлическое сопротивление системы отопления.

Количество воды, циркулирующей в системе отопления G_см.

- суммарный расход теплоты на отопление Вт, (равный теплопотерям)

с - теплоемкость воды,

3,6- коэффициент перевода Вт в кДж/ч,

 и - табличные коэффициенты.

Диаметр сопла

N элеватора
Д горловины

 

4 Основное преимущество двухтрубной системы – это поступление воды с наивысшей температурой Т_гор к каждому отопительному прибору, и следовательно минимальная площадь поверхности прибора.

Однако в двухтрубной системе, особенно с верхней прокладкой подающей магистрали, имеет место значительный расход труб и фасонных частей, усложняется монтаж.

-К основным достоинствами однотрубных горизонтальных систем относят меньший расход труб; возможность поэтажного отключения системы и стандартность узлов. Не требуется пробивка отверстий в перекрытиях. Монтаж проще. Широко применяются в производственных помещениях.

Недостаток: перерасход отопительных приборов по сравнению с двухтрубной.

-Преимущество системы с естественной циркуляцией воды:

а) простота устройства и эксплуатации;

б) отсутствие насоса и потребности в электроприводе;

в) бесшумность действия, сравнительная долговечность; (30-40 лет)

г) обеспечение равномерной температуры воздуха в помещении.

-Системы с естественной циркуляцией становится экономически неоправданным, если возможная потеря давления на трение на 1м длины главного циркуляционного кольца меньше 5Па.

-В системах с искусственной циркуляцией, особенно при большей протяженности теплопроводов, целесообразно применять попутное движение горячей и охлажденной воды (схема Чаплина).

По этой схеме длина всех циркуляционных колец почти одинакова, в следствии чего легко получить равную потерю давления в них и равномерный прогрев всех приборов.

-Недостаток схемы: по сравнению с тупиковой несколько большая общая длина теплопроводов и большая на 3-5% первоначальная стоимость.

-Потери давления в теплопроводах пропорциональны квадрату скорости движения воды, поэтому сечения магистральных теплопроводов при искусственной циркуляции получаются в 3-4 раза меньше, чем при естественной циркуляции.