Нагревание и охлаждение воды в замкнутом контуре системы отопления, как уже отмечалось, вызывает неоднородное распределение ее плотности. В строго горизонтальной системе отопления это явление не вызывает циркуляции воды. В вертикальной системе под действием гравитационного поля возникает свободное движение, названное естественной, или гравитационной циркуляцией воды. Веди-чина естественного циркуляционного, или гравитационного давления, вызывающего циркуляцию воды, определяется разностью гидростатического давления двух столбов воды равной высоты.

Охлаждение воды в системе отопления при происходит непрерывно по мере удаления от теплообменника, на выходе из которого температура воды имеет максимальное значение, и заканчивается при возвращении ее к теплообменнику. Постепенное охлаждение воды в теплопроводах сочетается с резким охлаждением ее в отопительных приборах. Поэтому общее естественное циркуляционное давление в системе можно рассматривать как сумму двух величин: естественного циркуляционного давления, возникающего из-за охлаждения воды в отопительных приборах, Арепр и естественного циркуляционного давления, возникающего вследствие охлаждения воды в трубах, Дрер:

В большинстве случаев — в системах отопления многоэтажных зданий— первое слагаемое является основным по величине, второе — дополнительным. В частном случае — в одноэтажных зданиях — основным.

1. ЕСТЕСТВЕННОЕ ЦИРКУЛЯЦИОННОЕ ДАВЛЕНИЕ, ВОЗНИКАЮЩЕЕ ВСЛЕДСТВИЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ВОДЫ В ОТОПИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ

Гидростатическое давление по высоте каждого отопительного прибора изменяется из-за охлаждения воды. Запишем величину гидростатического давления, связанную с высотой отопительного прибора frnp и средней плотностью воды в нем рСр:

Согласно формуле (IV.32, а), получается, что половина отопительного прибора (например, верхняя при движении воды сверху вниз)
может считаться заполненной водой с температурой tBX и плотностью
рвх> а другая (нижняя при том же движении воды) — водой с температурой и плотностью, причем температура и плотность воды
скачкообразно изменяются на уровне середины высоты прибора. Это
дает основание представить, что в отопительном приборе имеется как
бы граница охлаждения воды. Назовем ее условным центром охлаждения воды в отопительном приборе и по аналогии подобную же
условную границу скачкообразного изменения температуры (и плотности) воды от t0 до tr в теплообменнике системы отопления — условным центром нагревания воды.

При определении естественного циркуляционного давления, возникающего из-за охлаждения воды в отопительных приборах, будем также условно считать, что вода при движении по теплопроводам не охлаждается.

Вертикальная однотрубная система отопления с верхней разводкой подающей магистрали

а) Проточная и проточно-регулируемая система отопления. Расчетная схема такой системы отопления представлена на рис. IV.32, а. Над отопительными приборами нанесена их тепловая мощность, внутри контура каждого прибора кружком помечен условный центр охлаждения воды Указано также вертикальное расстояние между центрами охлаждения (ц. о.) и центром нагревания (ц. н.) воды.

Расход воды, кг/ч, в стояке при заданных тепловой мощности приборов и температуре воды определяется по формуле (III.2)

Естественное циркуляционное давление в вертикальной однотрубной проточной и проточно-регулируемой системе отопления с верхней разводкой определяется как разность гидростатического давления.

При увеличении числа этажей в здании число слагаемых в формуле (IV.35), а следовательно, и величина &рещ> будут возрастать.

Запишем полученное выражение для определения &рещ> в другом виде (более удобном для вычисления, хотя и менее точном), обозначив среднее уменьшение плотности при увеличении температуры воды.

Однако в рассматриваемой системе температура и плотность воды изменяются не только в отопительных приборах (условные центры охлаждения — кружки внутри контура приборов), но и в точках стояка (черные точки на рисунке), где смешивается вода, подтекающая из прибора и из замыкающего участка.

При использовании в данном случае формулы (IV 36) высота hi определяется вертикальным расстоянием от центра нагревания до центра охлаждения в стояке, т. е. до той точки, где в стояке изменяется температура воды.

В стояке с замыкающими участками имеются также так называемые малые циркуляционные кольца у каждого отопительного прибора, образованные подводками к прибору и замыкающим участком. Так как уровни расположения центра охлаждения в приборе и соответствующего центра охлаждения в стояке отличаются на 0,5/гпр (см. рис. IV.32, б), то в малом циркуляционном кольце возникает собственное естественное циркуляционное давление. Величина его определяется по рисунку (в заштрихованной части прибора вода имеет температуру / вых. в замыкающем участке tBX) з

Следует отметить, что в параллельно соединенных участках малого циркуляционного кольца протекают два различных потока воды. Один поток с расходом Gnp, передавая через прибор в помещение тепло Qnp, охлаждается до температуры ^ых« Другой в количестве G3.y=GCT—Gnp сохраняет свою температуру, равную tBX. В точке смешения этих двух потоков один из них несколько нагревается (вода из прибора), второй охлаждается (вода из замыкающего участка). Поэтому температуру воды в участках стояка (например, tz) часто называют температурой смеси.

Естественное циркуляционное давление в малом циркуляционном кольце при движении воды в стояке сверху вниз способствует возрастанию расхода воды в приборе или, как принято говорить, увеличению затекания воды в отопительный прибор.


Присоединение приборов верхнего этажа показано по схеме снизу — вниз, как более выгодной при значительном расходе воды (см. главу III). Расход воды в стояке определяется по формуле (IV.33), температура воды на каждом участке стояка — по формуле (IV.34).

Формула (IV.36) общего вида действительна в данном случае без изменения. Положение условного центра охлаждения в верхних отопительных приборах (кружки) устанавливается с точки зрения естественного циркуляционного давления, действующего в стояке. Имеющаяся неоднородность плотности воды по высоте этих приборов вызывает лишь внутреннюю циркуляцию и не отражается на циркуляции воды в стояке.

б) Система отопления с замыкающими участками. На расчетной схеме стояка (рис. IV.33, б) показаны условные центры охлаждения воды в отопительных приборах (кружки) и центры охлаждения воды в стояке (черные точки). Видно, что центр охлаждения воды в восходящей части стояка расположен выше, а в нисходящей — ниже соответствующего условного центра охлаждения воды в отопительном приборе.

Расход и температура воды в стояке определяются по формулам (IV.33) и (IV.34), естественное циркуляционное давление — по формуле (IV.36).

Естественное циркуляционное давление в малых циркуляционных кольцах отопительных приборов (кроме приборов верхнего этажа) определяется по формуле (IV.38) или (IV.38a). В нисходящей (правой на рис. IV.33, б) части стояка естественное циркуляционное давление в каждом малом циркуляционном кольце, как было отмечено, способствует затеканию воды в отопительные приборы. Напротив, в восходящей (левой) части стояка оно противодействует затеканию воды и относительно уменьшает расход воды в приборах, что неблагоприятно отражается на размерах нагревательной поверхности приборов, особенно высоких и во­доемких.

Формулы (IV.39) и (IV.40) относятся также к вертикальной бифилярной схеме стояка.

Вертикальная однотрубная система отопления с нижней разводкой подающей магистрали и верхней прокладкой обратной (с «опрокинутой» циркуляцией воды в стояках)

Естественное циркуляционное давление в малом циркуляционном кольце каждого отопительного прибора находят по-прежнему по формуле «(IV.38) или (IV.38a). Очевидно, что в данной системе оно противо­действует затеканию воды во все отопительные приборы. Следовательно, в системе отопления с «опрокинутой» циркуляцией воды при наличии замыкающих участков увеличивается площадь отопительных приборов.

На основании полученных формул можно сделать следующие выводы:

1. В циркуляционных кольцах вертикальных однотрубных систем водяного отопления естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, зависит от высо­ты здания, возрастает с увеличением числа последовательно соединенных отопительных приборов и действует в циркуляционных кольцах каждого стояка как единая величина, влияющая в равной степени на цирку­ляцию воды через все отопительные приборы стояка.

2. В малых циркуляционных кольцах отопительных приборов в вертикальных однотрубных системах с замыкающими участками возникает собственное естественное циркуляционное давление, зависящее от высоты прибора и степени охлаждения воды в нем Это гравитационное давление способствует затеканию воды в приборы при движении воды в стояке сверху вниз и противодействует ему при движении воды снизу вверх.

Вертикальная двухтрубная система отопления с верхней разводкой подающей магистрали

При параллельном соединении отопительных приборов в двухтрубном стояке для каждого из приборов образуется собственное циркуляционное кольцо. На рис. IV.35 для упрощения изображены всего два прибора. В циркуляционном кольце через нижний прибор двухтрубной системы возникает естественное циркуляционное давление, равное [см. вывод формулы (IV.35)]:

Естественное циркуляционное давление в обоих кольцах заметно отличается: в кольце через прибор второго этажа оно больше на величину

второго слагаемого в формуле (IV.44) в связи с увеличением на высоту второго этажа вертикального расстояния от условного центра охлаждения до центра нагревания в системе.

Вертикальная двухтрубная система отопления с нижней прокладкой обеих магистралей

На схеме двухтрубного стояка (рис. IV.36) показаны отопительные приборы первого, второго и N-oro этажей. Для каждого отопительного прибора здесь также образуется отдельное циркуляционное кольцо с собственным естественным циркуляционным давлением/

В кольце двухтрубной системы через отопительный прибор первого этажа действует естественное циркуляционное давление, определяемое по формуле (IV.43), в кольце через прибор второго этажа — давление по формуле (IV.44) и т. д., наконец, в кольце двухтрубной системы через прибор iV-ro этажа:

В вертикальных двухтрубных системах отопления как с верхней, так и с нижней разводкой в подобных циркуляционных кольцах действует одинаковое естественное циркуляционное давление Его величина в каждом циркуляционном кольце определяется вертикальным расстоянием между условными центрами охлаждения и нагревания.

На основании формул (IV.43) — (IV.45) можно сделать следующие выводы.

1. В циркуляционных кольцах вертикальных двухтрубных систем водяного отопления естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, различно для циркуляционных колец отопительных приборов одного и того же стояка, находящихся на разной высоте.

2. Естественное циркуляционное давление действует для таких приборов независимо, влияя в различной степени на циркуляцию воды через каждый отопительный прибор.

Горизонтальная однотрубная система отопления

В горизонтальной однотрубной системе отопления последовательно соединенные отопительные приборы на каждом этаже располагаются на одной высоте над центром нагревания. Промежуточное изменение температуры и плотности по горизонтали из-за охлаждения воды в приборах не отражается на величине естественного циркуляционного давления, которое, как и в двухтрубной системе, определяют по формулам (IV.43) — (IV.45) в зависимости от разности гидростатического давления в вертикальных участках стояков.

В горизонтальной однотрубной системе отопления с приборами, соединенными по проточной (рис IV 37, а — первый этаж) и по проточно-регулируемой схеме (рис IV.37,а — второй этаж), естественное циркуляционное давление различно в кольцах через приборы каждого этажа и определяется по выражениям:

Формулы (IV.43) — (IV.45) относятся также к горизонтальной бифилярной схеме, изображенной на рис. IV.37, б.

Перейдем к рассмотрению второго из слагаемых в формуле (IV.31).

ЕСТЕСТВЕННОЕ ЦИРКУЛЯЦИОННОЕ ДАВЛЕНИЕ, ВОЗНИКАЮЩЕЕ ВСЛЕДСТВИЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ВОДЫ В ТРУБАХ

Гидростатическое давление по высоте каждого участка теплопровода, как и, по высоте отопительного прибора, изменяется из-за охлаждения воды. Гидростатическое давление в вертикальном участке трубы длиной I при средней плотности воды рСр составляет;

Очевидно, как и для отопительного прибора, можно представить, что в каждом участке теплопровода имеется условный центр охлаждения воды, находящийся посередине его длины, а до и после этого центра плот­ность воды на длине 0,5 / может считаться постоянной.

При выводе формулы для определения естественного циркуляционного давления, возникающего из-за охлаждения воды в трубах, примем, что в циркуляционном кольце отопительные приборы отсутствуют и вода охлаждается только при движении по трубам.

Рассмотрим схему такого циркуляционного кольца (рис. IV.38,a), в котором при определенном расходе G плотность воды постепенно возрастает от значения pi при температуре h (после центра нагревания) до значения р5 при температуре t5 (перед центром нагревания). На стыках вертикальных и горизонтальных участков покажем промежуточные значения плотности воды. Тогда естественное циркуляционное давление, возникающее из-за охлаждения эоды в трубах, может быть найдено как
разность гидростатического давления двух столбов воды высотой h, имеющей различную среднюю плотность:

В последнем уравнении вертикальное расстояние от центра охлаждения или нагревания до плоскости отсчета /—/ умножается на разность плотности воды после и до каждого центра (считая по направлению движения воды). При этом охлаждение увеличивает циркуляционное давление, нагревание над каким-либо центром охлаждения его уменьшает (так как pi
Таким образом, можно сделать вывод: естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в трубах циркуляционного кольца, состоящего из N участков, складывается из произве­дений высоты расположения условного центра охлаждения или нагревания каждого участка над некоторой плоскостью на разность плотности воды в концах участка. Очевидно, что циркуляционное давление тем боль­ше, чем выше расположен центр охлаждения над центром нагревания (обычно за плоскость отсчета принимается плоскость, проходящая через центр нагревания), и, наоборот, при расположении центра охлаждения ниже центра нагревания (ц. о4 ria рис. IV.39) уменьшается циркуляционное давление. Следовательно, в системе отопления с верхней разводкой Аре.тр всегда больше, чем в системе с нижней прокладкой магистралей.