Динамика давления в системе водяного отопления

1. Динамика давления в системе водяного отопления с открытым

расширительным баком

Примем свободную поверхность воды в открытом расширительном баке за плоскость отсчета для определения избыточного гидростатического давления. Будем считать уровень, на котором находится вода в баке, неизменным при определенных объеме и температуре воды в системе отопления. Тогда в потоке воды в каждой точке системы отопления можно определить избыточное гидростатическое давление в зависимости от высоты столба воды, расположен-ного над рассматриваемой точкой (в связи с изменением положения точки).

Рис. 6.1. Эпюра гидростатического давления в системе отопления с не нагреваемой водой при бездействии циркуляционного насоса:

1 – открытый расширительный бак; 2 – циркуляционный насос

Значения избыточного гидростатического давления в трубах системы отопления нанесены на рис. 6.1 штрихпунктирными линиями в прямой зависимости от высоты столба воды h. Для ясности изображения линии давления проведены над верхней магистралью, под нижней магистралью, слева и справа от вертикальных труб. Показанные на рисунке линии называются пьезометрическими, а их совокупность – эпюрой гидростатического давления в статическом режиме. В системе отопления при циркуляции воды (вязкой жидкости) с постоянной скоростью энергия давления изменяется по длине теплопроводов. Вязкость и деформации потока обусловливают сопротивление движению воды. Они вызывают потери давления в потоке движущейся воды, переходящего в результате трения (линейная потеря) и вихреобразования (местная потеря) в теплоту. При дальнейших построениях потери давления будем считать условно равномерными по длине труб.

Рассмотрим динамику гидростатического давления в системе отопления с нагреваемой водой при бездействии насоса (рис. 6.2). Подобные процессы происходят в гравитационной системе отопления. Представим, что вода в системе отопления, нагреваемая в одной точке (ц.н – центр нагревания), охлаждается в другой (ц.о – центр охлаждения). При этом плотность воды в левом стояке составит ρ_г, в правом – ρ_о. В такой вертикальной системе отопления при неравномерном распределении плотности воды должна возникнуть неуравновешенность гидростатического давления и в результате естественная циркуляция воды.

Рис. 6.2. Эпюра гидростатического давления в системе отопления с нагреваемой водой при бездействии циркуляционного насоса:

1 – открытый расширительный бак; 2 – циркуляционный насос; ц.н – центр нагревания; ц.о – центр охлаждения; О – точка постоянного давления

g(ρ_г h₁ + ρ_о h₂), (6.2, а)

а максимальное гидростатическое давление в левом стояке с нагретой водой

g(ρ_г h₁ + ρ_г h₂). (6.2, б)

Так как ρ_о > ρ_г, то гидростатическое давление в правом стояке при отсутствии циркуляции воды будет больше, чем в левом. Штрихпунктирные линии на рис. 6.2 изображают эпюру давления в статическом режиме. Различие в полученных значениях гидростатического давления, вызывающее циркуляцию воды по направлению часовой стрелки, выражает естественное циркуляционное (гравитационное) давление:

Dр_е = ρ_оgh₂ – ρ_гgh₂, (6.3)

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

Из уравнения (6.3) можно сделать выводы:

а) естественное циркуляционное давление возникает вследствие различия в значениях гидростатического давления двух столбов охлажденной и нагретой воды равной высоты (Dр_е на рис. 6.2);

б) величина естественного циркуляционного давления не зависит от высоты расположения расширительного бака (h₁ на рис. 6.2).

В общем виде естественное циркуляционное (гравитационное) давление в системе водяного отопления равняется:

Dр_е = gh(ρ_о - ρ_г), (6.4)

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

Под влиянием естественного циркуляционного давления в замкнутом кольце системы отопления устанавливается циркуляция воды, при которой давление Dр_е, вызывающее циркуляцию, равно потерям давления при движении воды (Dр_с – потери давления в системе):

Dр_е = Dр_с. (6.5)

Гидростатическое давление в точке присоединения трубы расширительного бака к магистрали, равное ρ_гgh₁ (рис. 6.2), при постоянном объеме воды в системе изменяться не может. Эта точка называется точкой постоянного давления или «нейтральной» точкой систем отопления.

Во всех остальных точках теплопроводов системы гидростатическое давление при циркуляции воды изменяется вследствие попутной потери давления. Нанесем на рис. 6.2 вторую эпюру гидростатического давления в динамическом режиме – при естественной циркуляции воды в системе отоп-ления (сплошные линии), начав построение с точки постоянного давления О.

Как видно, гидростатическое давление во всех остальных точках системы при циркуляции воды изменяется следующим образом: перед точкой О (считая по направлению движения воды) оно увеличивается, а после точки О - уменьшается по сравнению с гидростатическим давлением, предполагавшимся при отсутствии циркуляции. В частности, гидростатическое давление в любой точке левого подъемного стояка (с восходящим потоком воды) возрастает, а правого опускного стояка (с нисходящим потоком) убывает.

Можно констатировать, что при циркуляции воды в замкнутом контуре 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 при насосной системе отопления. Насос, действующий в замкнутом кольце системы отопления, усиливает циркуляцию. Уровень воды в расширительном баке при пуске циркуляционного насоса не изменится. Поскольку при указанных усло-виях – равномерности действия насоса и постоянства 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 систем будет постоянным. Точка эта по-прежнему остается «нейтральной», т.е. на гидростатическое давление в ней давление, создаваемое насосом, не влияет (давление насоса в этой точке равно нулю).

Эпюра гидростатического давления в динамическом режиме – при насосной циркуляции воды в системе отопления – показана на рис. 6.3 (сплошные линии). Видно, что в зоне нагнетания насоса (от нагнетательного патрубка насоса до точки постоянного давления О) гидростатическое давление за счет компрессии насоса увеличивается во всех точках, в зоне всасывания (от точки О до всасывающего патрубка насоса) уменьшается в результате разрежения, вызываемого насосом.

Рис. 6.3. Эпюра гидростатического давления в системе отопления с нагреваемой водой при действии циркуляционного насоса (обозначения – см. рис. 6.4)

Можно расширить вывод, сделанный выше для гравитационной системы: при циркуляции воды в замкнутом кольце системы отопления (и гравитационной, и насосной) гидростатическое давление изменяется во всех точках за исключением одной точки – точки присоединения трубы расширительного бака.

Общие потери давления при движении воды в замкнутом кольце системы отопления Dр_с выразим через потери давления в зоне нагнетания (обозначим их Dр_наг) и в зоне всасывания (Dр_вс) как

Dр_с = Dр_наг + Dр_вс. (6.6)

С другой стороны, Dр_с = Dр_н + Dр_е (на рис. 6.3 показано, что Dр_н меньше суммы Dр_наг и Dр_вс на величину Dр_е). Следовательно, общее (насосное и гравитационное) циркуляционное давление при установившемся движении воды будет затрачиваться без остатка на преодоление линейных и местных сопротивлений в зонах нагнетания и всасывания.

Сравнивая рис. 6.3 и рис. 6.1, можно установить величину изменения гидростатического давления, связанную с потерями давления при циркуляции воды в системе отопления:

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

Р_i.наг = ρgh_i + Dр_i-О; (6.7)

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

Р_j.вс = ρgh_i + Dр_О-j, (6.8)

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

Очевидно, что в зоне нагнетания насоса следует считаться с повышением гидростатического давления по сравнению с давлением 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 стать ниже него, т.е. возникнет разрежение.

О – точка постоянного давления; А – точка в зоне нагнетания; Б – точка наибольшего разрежения; В-Г – зона разрежения

Потери давления на участке О-В Dр_О-В = ρgh, т.е. давление в точке В р_в = 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 Г дальнейшие потери давления вызывают разрежение - давление падает ниже атмосферного. Наиболее заметно давление понизится и разрежение достигнет наибольшей величины в точке Б. Здесь полное давление Р_Б = р_а + ρgh - Dр_О-Б = р_а - Dр_В-Б. 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 потери давления Dр_О-Г = ρgh_г, избыточное давление вновь, как в точке В, равно нулю (Р_Г = 0), а полное давление равно атмосферному. Ниже точки Г избыточное гидростатическое давление быстро возрастает, несмотря на последующие потери 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^оС (90…95^оС), возможно парообразование. При более низкой температуре воды, исключающей парообразование, возможен подсос воздуха из атмосферы через резьбовые соединения труб и арматуру. Во избежание нарушения циркуляции из-за вскипания воды или подсасывания воздуха, при конструировании и гидравлическом расчете системы водяного отопления должно соблюдаться правило: в зоне всасывания в любой точке j системы отопления гидростатическое давление при действии насоса должно оставаться избыточным, т.е. Р_j > р_а. Для этого должно удовлетворяться неравенство

ρgh_j > Dр_О-j. (6.9)

Возможны три способа выполнения этого правила:

- поднятие расширительного бака на достаточную высоту h (рис. 6.5, а);

- перемещение расширительного бака к наиболее опасной верхней точке с целью включения верхней магистрали в зону нагнетания (рис. 6.5, б);

- присоединение труб расширительного бака близ всасывающего патрубка насоса (рис. 6.5, в).

а – к главному стояку системы; б – к верхней точке системы, наиболее удаленной от центра нагревания (ц.н); в – близ всасывающего патрубка циркуляционного насоса