Динамика давления в трубопроводах местной и районной систем отопления с расширительным баком.

Гидравлическое давление в каждой точке замкнутых циркуля­ционных колец системы отопления в течение отопительного периода непрерывно изменяется из-за непостоянства плотности воды и цир­куляционного давления. Исходное значение давления соответствует, гидростатическому давлению в каждой точке в состоянии покоя. Наибольшее изменение давления происходит при циркуляции мак­симального количества воды наивысшей температуры. Сравнивая крайние значения при этих двух теплогидравлических режимах, можно судить о динамике давления в каждой точке при действии си­стемы в течение отопительного сезона.

Изменение гидравлического давления рассматривают с целью вы­явления в системе отопления мест с чрезмерно низким или высоким давлением, вызывающим нарушение циркуляции воды или разруше­ние отдельных элементов.

Динамика давления в системе отопления с расширительным ба­ком.В вертикальной системе отопления с открытым расширитель­ным баком с ненагреваемой водой при бездействии циркуляционного насоса избыточное гидростатическое давление одинаково на любом рассматриваемом уровне (замкнутый контур системы изображен двойными линиями на рис. V. 16). Наименьшее гидростатическое дав­ление ρgh₁ действует в верхней магистрали, наибольшее ρgh₂ — в ниж­ней. На произвольном уровне 1—1 давление равно р^ц-, где и,- — вы­сота столба воды или вертикальное расстояние от поверхности воды в расширительном баке, на которой действует атмосферное давление. На рис. V.16 построена эпюра гидростатического давления в стати­ческом режиме системы. Линии изменения давления (пьезометри­ческие линии) показаны штрихпунктирными линиями, нанесенными для ясности изображения для верхней магистрали над нею, для нижней — под нею, а для вертикальных труб—слева и справа от них.

В системе отопления при циркуляции с постоянной скоростью дви­жения давление в потоке воды изменяется по длине труб. Вязкость и деформации потока обусловливают сопротивление движению воды. Они вызывают потерю давления в потоке движущейся воды, пере­ходящего в результате трения (линейная потеря) и вихреобразования (местная потеря) в тепло. Следовательно, в любой трубе давление в потоке уменьшается в направлении движения воды.

Для характеристики изменения гидравлического давления в действующей системе отопления будем учитывать изменение только гидростатического давления (ρgh + р), пренебрегая изменением гидродинамического давления ρ(ω²/2). Давление ρgh будет выра­жать избыточное гидростатическое давление, связанное с высотой h

столба воды плотностью р, распо­ложенного над рассматриваемой осью или сеченаем потока; р — давление в потоке, вызывающее циркуляцию воды.

Рис. У.16. Эпюра гидростатического давления в системе отопления с нена­греваемой водой, находящейся в по­кое

1 — открытый расширительный бак; 2 —» циркуляционный насос (бездействует)

Рис. У.17. Эпюра гидростатического давления в системе отопления с на­греваемой водой при бездействии на­соса

ц. н — центр нагревания; ц. о — центр ох-лаждения; 0 — точка постоянного давления; 1 — открытый расширительный бак; 2 •— циркуляционный насос (бездействует)

Рассмотрим изменение гидростатического давле­ния в системе отопления с нагреваемой водой при бездействии насо­са— фактически в гравитационной системе отопления. Представим, что вода в системе отопления, нагреваемая в одной точке (ц. н. — центр нагревания на рис. У.17), охлаждается в другой (ц. о. —центр охлаждения). При этом плотность воды в левом стояке составит р_г, в правом — р₀. В системе отопления при неравномерном распре­делении плотности воды должна возникнуть неуравновешенность гидростатических давлений.

Для определения гидростатических давлений предположим, что вода в системе на какое-то мгновение неподвижна. Тогда макси­мальное гидростатическое давление в нижней точке правого стоя­ка с охлажденной водой будет (см. рис. У.17)

а максимальное гидростатическое давление в левом стояке с нагретой водой

Так как ρ₀ > ρ_г, гидростатическое давление в правом стояке при отсутствии циркуляции будет больше, чем в левом. Штрихпунктирные линии на рисунке V. 17 изображают эпюру давления в ста­тическом режиме. Разность найденных гидростатических давлений вызывает циркуляцию воды по направлению часовой стрелки, т.е. является естественным циркуляционным (гравитационным) давле­нием:

где h₂ — вертикальное расстояние между центрами охлаждения и нагревания воды или высота двух столбов воды — охлажденной и нагретой.

Из уравнения (У.18) можно сделать-выводы:

а) естественное циркуляционное давление возникает вследст­
вие различия гидростатических давлений двух столбов воды (ох­
лажденной и нагретой) равной высоты (∆р_е на рис. У.17);

б) естественное циркуляционное давление не зависит от высоты
расположения расширительного бака (h на рис. У.17).

В общем виде естественное циркуляционное (гравитационное) давлениев рассматриваемой системе водяного отопления

и его значение зависит от разности плотности вoды и вертикального расстояния между центрами охлаждения и нагревания воды.

Под влиянием естественного циркуляционного давления в зам­кнутом кольце системы отопления устанавливается определенная циркуляция воды, при которой давление ∆р_е, вызывающее цирку­ляцию, равно сопротивлению движению воды (∆р_с — потери дав­ления в системе):

Гидростатическое давление в точке присоединения трубы расши­рительного бака к магистрали, равное ρgh (см. рис. У.17), при постоянном объеме воды в системе измениться не может. Эта точка на­зывается точкой постоянного давления или «нейтральной» точкой

системы. Во всех остальных точках системы гидростатическое дав­ление при движении воды должно измениться из-за попутной по­тери давления. Условно принимая линейные,и местные потери дав­ления равномерными, нанесем на рис. У17 вторую эпюру гидроста­тического давления в динамическом режиме—при естественной циркуляции воды в системе отопления (сплошные линии).

Как видно, гидростатическое давление во всех точках системы, кроме «нейтральной» (точка 0), при циркуляции воды изменяется следующим образом: перед точкой 0 (считая по направлению движе­ния воды) оно увеличивается, а после точки 0 — уменьшается по срав­нению с гидростатическим давлением, предполагавшимся при от­сутствии циркуляции. В частности, гидростатическое давление в ле­вом подъемном стояке (с восходящим потоком воды) возрастает, а в правом опускном стояке (с нисходящим потоком) убывает.

Можно констатировать, что при циркуляции воды в замкнутом кольце гравитационной системы отопления гидростатическое давле­ние изменяется во всех точках, за исключением одной точки при­соединения к системе трубы расширительного бака.

Перейдем к рассмотрению динамики давления в системе отопле­ния с нагреваемой водой при действии циркуляционного насоса — в насосной системе отопления.

Насос, действующий в замкнутом кольце системы отопления, усиливает циркуляцию, нагнетая воду в трубы с одной стороны и засасывая с другой. Уровень воды в расширительном баке при пус­ке циркуляционного насоса не изменится, так как равномерно ра­ботающий лопастной насос обеспечивает лишь циркуляцию в си­стеме, неизменного количества практически несжимаемой воды. По­скольку при указанных условиях — равномерности действия насо­са и постоянстве объема воды в системе — уровень воды в расшири­тельном баке сохраняется неизменным (безразлично, работает на­сос или нет), то гидростатическое давление в точке присоедине­ния бака к трубам системы будет постоянным. Эта точка по-преж­нему остается «нейтральной», т. е. на гидростатическое давление в ней не влияет давление, создаваемое насосом (давление насоса в этой точке равно нулю).

Следовательно, точка постоянного давления является местом, в котором давление, развиваемо^ насосом, меняет свой знак: до этой точки насос, создавая компре&ию, воду нагнетает, после нее он, вызывая разрежение, воду всасывает. Все трубы системы от на­соса досочки постоянного давления (считая по направлению движе­ния воды) будут относиться к зоне нагнетания насоса, все трубы после этой точки — к зоне всасывания.

Эпюра гидростатического давления в динамическом режиме — при насосной циркуляции воды в системе отопления — показана на рис. У.18 (сплошные линии). Видно, что в зоне нагнетания на­соса — от нагнетательного патрубка насоса до точки постоянного давления 0 — гидростатическое давление увеличивается во всех точках, в зоне всасывания — от точки 0 до всасывающего патрубка насоса — уменьшается.

Таким образом, можно расширить вывод, сделанный ранее для гравитационной системы, — при циркуляции воды в замкнутом кон­туре системы отопления — и гравитационной и насосной — гидро­статическое давление изменяется во всех точках, за исключением одной точки — точки присоединения трубы расширительного бака.

Общую потерю давления при движении воды в замкнутом коль­це системы отопления ∆р_с выразим через потерю давления в зоне нагнетания (обозначим ее ∆р_наг) ^{и в зоне} всасывания (∆р_вс) как:

С другой стороны, из формулы (V.4) следует, что ∆р_с = ∆р_и+∆р_е (на рис. У.18 показано, что ∆р_н меньше суммы ∆р_паг и ∆р_в, на ве­личину ∆р_е). Следовательно, общее (насосное и гравитационное) цир­куляционное давление при установившемся движении воды будет затрачиваться без остатка на преодоление сопротивлений движению -воды в зонах нагнетания и всасывания.

Сравнивая рис. У.18 с рис. У.16, можно установить степень из­менения гидростатического давления, связанную с потерей давления при циркуляции воды в системе отопления:

а) увеличение давления в любой точке в зоне нагнетания насо­са равно потере давления в трубах*от рассматриваемой точки до точ­ки постоянного давления, т. е.

б) уменьшение давления в любой точке в зоне всасывания насо­са равно потере давления в трубах от точки постоянного давления до рассматриваемой точки, т. е.

где h_i — высота столба воды от рассматриваемой точки до уровня воды в рас­ширительном баке.

Рис, У.18. Эпюра гидростатического дав­ления в системе отопления при действии насоса

I •— открытый расширительный бак; 2 — цир­куляционный насос, 0 — точка постоянного дав­ления

Очевидно, что в зоне на­гнетания насоса следует счи­таться с повышением гидро­статического давления по сравнению с давлением воды в состоянии покоя. Напро­тив, в зоне всасывания насо­са необходимо учитывать по­нижение давления. При этом возможен случай, когда гид­ростатическое давление не только понизится до атмо­сферного, но даже может воз­никнуть разрежение.

Рассмотрим такой случай. На рис. V. 19 изображено изме-

Рис. У.19. Изменение гидростатического давления в верхней подающей маги­страли системы отопления

О— точка постоянного давления; А — точка в зоне нагнетания; Б —

точка наибольшего разрежения; В—Г — зона разрежения

нение давления в верхней подающей магистрали системы отопления. В точке О гидростатическое давление равно рgh. В промежутке меж­ду точками О и В гидростатическое давление убывает в связи с по­терей давления при движении воды. В точке В — рgh = ∆p₀-_В и рв = 0 (избыточное давление равно нулю), а полное давление, как и на поверхности воды в расширительном баке, равно атмосферно­му давлению р_а. В промежутке между точками В и Б дальнейшая потеря давления вызывает разрежение — давление падает ниже ат­мосферного (знак минус на рисунке). Наиболее заметно давление по­низится и разрежение достигнет наибольшей величины в точке Б. Здесь полное давление

Затем в промежутке между точками Б и Г давление возрастает в связи с увеличением высоты столба воды от h до h_г, а разрежение уменьшается. В точке Г, где рgh_г = ∆ро—г, избыточное давление вновь, как в точке 5, рг = 0, а полное давление равно атмосфер­ному. Ниже точки Г избыточное гидростатическое давление быстро возрастает, несмотря на последующую потерю давления при дви­жении воды.

В промежутке между точками В и Г, особенно в точке Б, при давлении ниже атмосферного и при температуре воды, близкой к 100° С, возможно парообразование. При более низкой температуре воды, исключающей парообразование, возможен подсос воздуха из атмосферы через резьбовые соединения и арматуру. Во избежа­ние нарушения циркуляции воды из-за ее вскипания или подсасы­вания воздуха при конструировании и гидравлическом расчете системы водяного отопления должно соблюдаться правило: в зоне всасывания в любой точке / системы отопления гидростатическое давление должно при действии насоса оставаться избыточным р_i >p_а; для этого должно удовлетворяться неравенство:

Возможны три способа выполнения этого правила:

а) поднятие расширительного бака на достаточную высоту
(рис. У.20, а):

б) перемещение расширительного бака к наиболее опасной верх­
ней точке с целью включения верхней магистрали в зону нагнетания
(рис. У.20, б);

в) присоединение труб расширительного бака близ всасывающе­
го патрубка насоса (рис. У.20,-в).

Применение первого способа возможно лишь в отдельных слу­чаях, когда здание имеет повышенную часть, где может быть распо­ложен бак. Второй способ применим в неразветвленной системе отоп­ления с верхней подающей магистралью. Бак при этом выполняет также роль воздухоотводчика. Однако в разветвленной системе отопления при таком способе присоединения бака возможно нару­шение циркуляции воды в отдельных частях.

Третий способ присоединения труб расширительного бака к системе отопления (см. рис. У.20, в) исключает возможность нару­шения циркуляции воды. Точка постоянного давления при этом воз­никает в обратной магистрали близ насоса как одна, общая для всех циркуляционных колец системы. Зона нагнетания насоса рас­пространяется почти на всю систему, в том числе и на наиболее вы­соко расположенные и удаленные от насоса трубы как опасные в отношении вскипания воды. Зона всасывания ограничивается от­резком общей обратной магистрали от точки О до всасывающего па­трубка насоса, в котором гидростатическое давление в состоянии покоя достаточно велико и практически мало уменьшается при дей­ствии насоса.

Рассмотрение динамики давления в насосной системе отопления с открытым расширительным баком позволяет установить, что в каж-

Рис. у.20. Способы присоединения труб открытого расширительного бака к сис­теме водяного отопления

а — к главному стояку системы; б — в верхней точке системы, наиболее удаленной от центра нагревания (ц.н); в — близ всасывающего па­трубка циркуляционного насоса; 1 — открытый расширительный бак; 2 — циркуляционный на­сос; 0 — точка постоянного давления

дом циркуляционном кольце существует только одна точка постоянного давления, в ко­торой зона нагнетания сме­няется зоной всасывания. Точка постоянного давления может быть единственной во всей системе отопления, если расширительный бак присое­диняется к общей подающей или обратной магистрали. Тогда она принадлежит лю­бому циркуляционному коль­цу системы. В системе отоп­ления может быть несколько точек постоянного давления,

если имеются циркуляционные кольца, не включающие в себя точку присоединения расширительного бака. При этом одна из них во всяком случае находится в точке присоединения бака.