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 строго 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 теплообмен-

Рис. 7.18. 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

Рис. 7.19. Схема вертикального циркуляционного кольца теплопроводов с произвольно расположенными центрами нагревания (ц. н.) и охлаждения (ц. о.) теплоносителя воды

ника, 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 ∆P._е.пр.. образующегося вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, и давления ∆P._е.тр.вызываемого охлаждением воды в трубах

∆P._е.= ∆P._е.пр. ∆P._е.тр.

В большинстве случаев — в системах отопления многоэтажных зданий — первое слагаемое является основным по значению, второе — дополнительным. В частном случае — в одноэтажных зданиях — основным является ∆P._е.тр.

При рассмотрении значений естественного циркуляционного давления используют понятие о центре охлаждения теплоносителя. 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 называют центром нагревания.

Определение естественного циркуляционного давления, возникающего вследствие охлаждения воды в приборах (∆P._е.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 (∆P._е.тр), примем, что приборы в циркуляционном кольце отсутствуют и вода охлаждается при теплопередаче только через стенки труб.

Рассмотрим схему такого вертикального циркуляционного кольца теплопровода, в котором при установившемся движении воды ее плотность постепенно возрастает от значения ρ1 (при температуре после центра нагревания) до значения ρ₅ (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:

(7.19)

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

(7-20)

В более общем случае при произвольном расположении в 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

(7.21)

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

Уравнение (7.21) перепишем в общем виде, используемом при проектировании систем водяного отопления:

Можно сделать вывод: естественное давление, возни­кающее вследствие охлаждения воды в трубах циркуляционного кольца, состоящего из N участков, складывается из произведений высоты, 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 рис. 7.19) естественное циркуляционное давление уменьшается.

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

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.