Гидравлическое давление в каждой точке замкнутого контура системы отопления в течение отопительного периода подвержено непрерывному изменению. Давление изменяется вследствие непостоянства плот­ности воды и циркуляционного давления, которое обусловлено качественно-количественным регулированием, т. е. изменением температуры и расхода воды при эксплуатации системы отопления.

Итак, в системе отопления наблюдается динамический процесс изменения гидравлического давления. Исходное значение давления соответствует гидростатическому давлению в каждой точке при покое воды. Наибольшее изменение давления происходит при циркуляции максимального количества воды с температурой, достигающей предельного значения при расчетной температуре наружного воздуха. Рассматривая и сравнивая крайние значения при этих двух гидравлических режимах, можно судить о динамике давления в каждой точке при действии системы отопления в течение отопительного периода.

Анализ динамики гидравлического давления делается с целью выявления в системе отопления мест с чрезмерно низким или высоким давлением, вызывающим нарушение циркуляции воды или разрушение от­дельных элементов. На основе такого анализа намечаются мероприятия, обеспечивающие нормальное действие системы отопления.

Потенциальная энергия потока воды складывается из энергии положения потока и энергии давления в потоке.

В каком-либо сечении потока воды энергия положения измеряется высотой положения сечения потока над плоскостью сравнения, энергия давления — пьезометрической высотой, на которую может подняться вода над рассматриваемым сечением. В замкнутой системе отопления проявляется энергия давления, рассматриваемая как гидростатическое давление, вызывающее циркуляцию воды.

Очевидно, что изменение гидростатического давления по высоте системы отопления даже одноэтажного здания более чем на целый порядок превышает максимальное значение гидродинамического давления. Поэтому в дальнейшем для характеристики изменения гидравлического давления в системе отопления будем учитывать изменение только гидростатического давления, приближенно считая его равным полному.

Рассмотрение динамики давления проведем в системе водяного отопления с естественной и искусственной циркуляцией воды как при наличии расширительного бака (см. рис. W.,a,6), так и без расширитель­ного бака (см. рис. IV. 1, в, г).

ДИНАМИКА ДАВЛЕНИЯ В МЕСТНОЙ СИСТЕМЕ ОТОПЛЕНИЯ С РАСШИРИТЕЛЬНЫМ БАКОМ

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

Величину избыточного гидростатического давления в трубах системы отопления нанесем на рис. IV. 11 штрихпунктнрнымн линиями в прямой зависимости от высоты столба воды к и для ясности изображения отложим давление в верхней магистрали над нею, в нижней — под нею, а в вертикальных трубах — слева и справа от них. Показанные на рисунке штрихпунктирные линии называются пьезометрическими, а их совокупность— эпюрой гидростатического давления, в данном случае в статическом режиме.

В системе отопления при циркуляции с постоянной скоростью движения воды — вязкой жидкости — энергия давления изменяется по длине теплопроводов. Вязкость и деформации потока обусловливают сопротивление движению воды. Они вызывают потерю части энергии давления, имеющейся в движущемся потоке, переходящей в результате трения (линейная потеря) и вихреобразования (местная потеря) в тепло.

Следовательно, в горизонтальной трубе гидростатическое давление уменьшается в направлении движения воды.

В вертикальной трубе при движении воды снизу вверх гидростатическое давление значительно убывает не только из-за линейной и местной потери давления, но и вследствие уменьшения высоты столба воды. В вертикальной трубе при движении воды сверху вниз гидростатическое давление возрастает по мере увеличения высоты столба воды, несмотря на попутную потерю давления. Гидростатическое давление в трубе с восходящим потоком изменяется интенсивнее, чем в трубе с нисходящим потоком.

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. IV. 12), охлаждается в другой (ц. о. — центр охлаждения). При ьтом плотность воды в левом стояке составит рг, в правом — р0. В си­стеме отопления при неравномерном распределении плотности воды должно возникнуть свободное движение — естественная циркуляция воды.

Для определения гидростатического давления 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. IV.12):

Так как р0!>рг, то гидростатическое давление в правом стояке при отсутствии циркуляции воды будет больше, чем в левом. Штрихпунктирные линии на рис. IV. 12 изображают эпюру давления в статическом режиме. Разность полученных гидростатических давлений, вызывающая циркуляцию воды по часовой стрелке, является естественным циркуляционным (гравитационным) давлением:

Из уравнения (IV.18) можно сделать выводы:

а) естественное циркуляционное давление возникает из-за различия гидростатического давления двух столбов охлажденной и нагретой воды равной высоты (Аре на рис. IV.12);

б) естественное циркуляционное давление не зависит от высоты расположения расширительного бака (hi на рис. IV. 12).

В общем виде естественное циркуляционное (гравитационное) давление в системе водяного отопления равняется: и его величина зависит от разности плотности воды и вертикального расстояния между центрами охлаждения и нагревания воды.

Под влиянием естественного циркуляционного давления в замкнутом контуре системы отопления устанавливается определенная циркуляция воды, при которой давление Аре, вызывающее- циркуляцию, равняется сопротивлению движению воды в системе Дрс:

Гидростатическое давление в точке присоединения трубы расширительного бака к верхней магистрали системы отопления, равное рг-gh, при рассмотренных ранее условиях измениться не может. Эта точка называется точкой постоянного давления или «нейтральной» точкой системы.

Во всех остальных точках теплопроводов системы гидростатическое давление при циркуляции воды должно измениться из-за потери давления. Условно принимая линейную и местную потерю давления в тепло­проводах равномерной, нанесем на рис. IV. 12 вторую эпюру гидростатического давления уже в динамическом режиме — при естественной циркуляции воды в системе отопления (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 течкой 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 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 контуре гравитационной системы отопления гидростатическое давление изменяется во всех точках, за исключением одной точки присоединения к контуру трубы расширительного бака.

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

Насос, действующий в замкнутом контуре системы отопления, усиливает циркуляцию, нагнетая воду в теплопровод 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 определенную кратность циркуляции в системе неизменного количества воды, практически несжимаемой. Поскольку при этих условиях — равномерности действия насоса и постоянства объема воды в системе — уровень воды в расширительном баке сохраняется неизменным, безразлично, работает ли насос или нет, то гидростатическое давление в точке присоединения бака к трубам системы будет постоянным. Точка эта 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 будет местом, в котором давление, развиваемое насосом, меняет свой знак: до этой точки насос, создавая компрессию, воду нагнетает, после нее он, вызывая разреже­ние, воду всасывает. Все теплопроводы системы от насоса до точки постоянного давления (считая по направлению движения воды) будут относиться к зоне нагнетания насоса; все теплопроводы после этой точки — к зоне всасывания.

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.

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, увеличившихся вследствие роста скорости движения.

Сравнивая рис. IV.13 и IV.11, можно установить степень изменения гидростатического давления, связанную с потерей давления при циркуляции воды в теплопроводах системы отопления:

а) увеличение давления в любой точке теплопроводов в зоне нагнетания насоса равняется величине потери давления в трубах от рассматриваемой точки до точки постоянного давления (например, Д/0А_о на рис. IV.14);

б) уменьшение давления в любой точке теплопроводов в зоне всасывания насоса равняется величине потери давления в трубах от точки постоянного давления до рассматриваемой точки (например, Др0_Б
на рис. IV.14).

Очевидно, что в зоне нагнетания насоса следует считаться (это рассматривается ниже) 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. IV. 14 изображена динамика давления на отрезке теплопровода от точки О до точки Г в зоне всасывания насоса. В точке постоянного давления О гидростатическое давление равно pgh. В промежутке между точками О и В гидростатическое давление убывает в связи с потерей давления при движении воды по зависимости, изображенной на рисунке наклонной пьезометрической линией. В точке В pg&=APo_B и Рв=0, т. е. избыточное давление равно нулю, а полное давление, как и на поверхности воды в расширительном баке, равно атмосферному давлению р&. В промежутке между точками В к 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 pb—pa+pgh—Др0_ь=р&—Арв_Б.

Затем в промежутке между точками Б и Г давление возрастает в связи с увеличением высоты столба воды от h до hT, а разрежение уменьшается. В точке Г, где pghr=ApQ_r , избыточное давление вновь, как в точке В, становится равным нулю — рг=0, а полное давление — атмосферному. Ниже точки Г действует избыточное гидростатическое давление, быстро возрастающее по известной уже причине, несмотря на носледующую 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° (90— 95°С), возможно парообразование. При более низкой температуре воды, исключающей парообразование, возможен подсос воздуха из атмосферы через резьбовые соединения труб и арматуру. Во избежание нарушения циркуляции воды из-за ее вскипания или подсасывания воздуха при конструировании и гидравлическом расчете теплопроводов системы водяного отопления должно соблюдаться правило: в зоне всасывания в любой точке i теплопроводов системы отопления гидростатическое давление при действии насоса должно оставаться избыточным Рг>Ра; для этого должно удовлетворяться неравенство

Возможны три способа выполнения этого правила:

а) поднятие расширительного бака на достаточную высоту h (рис. IV. 15, а);

б) перемещение расширительного бака 1 к наиболее опасной верхней точке с целью включения верхней магистрали в зону нагнетания (рис. IV. 15, б);

в) присоединение труб расширительного бака вблизи всасывающего патрубка циркуляционного насоса 2 (рис. IV.15,в).

Первый способ вызывает архитектурно-строительные затруднения и применим лишь в отдельных случаях при подходящем архитектурном облике здания. Второй способ целесообразно использовать в системе с «опрокинутой» циркуляцией воды (см. рис. 1.7, в). В такой системе используется проточный расширительный бак 1 (см. рис. III.23,в), присоединяемый в высшей точке верхней обратной магистрали 2 над глав­ным обратным стояком 3 (рис. IV. 16). Точка постоянного давления О находится в самом баке. Вся верхняя обратная магистраль входит в зону нагнетания насоса. Зона всасывания охватывает главный обратный стояк и нижнюю часть общей обратной магистрали до насоса. Гидростатическое давление в главном обратном стояке превышает атмосферное даже при значите члгой потере давления в нем (см. пьезометрические линии на рас iY«M>).

Для выявления этих условий рассмотрим динамику давления воды в двухветвевой системе отопления с расширительным баком /, присоединенным в наиболее удаленной точке от главного подающего стояка 2.

В такой точке — выберем ее в левой ветви системы отопления на стояке 1 (рис. IV.17) —возникает точка постоянного давления 0. В подающей магистрали левой ветви, входящей в зону нагнетания, гидростати­ческое давление при действии насоса 4 повысится, причем наибольшее изменение давления произойдет в точке А [см. сплошную линию с наклоном справа налево и формулу (IV.22)].

В промежуточной точке Б повышение давления равняется ДРб_01 (см. рис. IV. 17). При движении воды от точки Б по стояку // найдется точка 02, для которой справедливо равенство потери давления — АРб_о ~ А/?б_о. Точка 02, в которой компрессионное давление насоса равно нулю, является второй точкой постоянного давления системы. Гидростатическое давление в точке 02 p0i =pg{hi + h2) не изменяется как при бездействии, так и при работе насоса.

Проведем пьезометрическую линию для подающей магистрали правой ветви системы (сплошная линия с наклоном слева направо на рис. IV. 17) и убедимся, что в каждом циркуляционном кольце этой ветви (их в данном случае два —через стояк III и через стояк IV) существуют свои точки постоянного давления 03 и 04. В каждой из них действует неизменное (но отличающееся по величине) гидростатическое давление и положение их определяется удовлетворением равенству потери давления при циркуляции воды:

Это равенство может рассматриваться также как равенство потери давления давлению, создаваемому насосом в точке А. При движении воды по трубам от точки А давление насоса убывает, постепенно расходуясь на преодоление сопротивления течению воды, и, наконец, в некоторой точке в каждом циркуляционном кольце системы оно станет равным нулю. Эта точка и будет точкой постоянного давления. Очевидно, что на

теплопроводы системы до каждой такой точки распространяется зона нагнетания насоса, на теплопроводы после них — зона всасывания.

Таким образом, при присоединении расширительного бака к верхней подающей магистрали в удалении от главного стояка в системе возникают несколько точек постоянного давления. В пределе число таких точек равняется числу параллельных циркуляционных колец системы (в нашем примере — четыре точки постоянного давления в четырех циркуляционных кольцах через стояки /—IV).

В системе отопления, изображенной на рис. IV. 17, отметим еще точку Л в которой установлен воздухосборник 5 с вантузом. Точка Г находится в зоне всасывания насоса, и гидростатическое давление в ней понижается в соответствии с формулой (IV.23) на величину Д/?а_г.

Вантуз для надежного действия должен находиться под некоторым внутренним избыточным давлением. Допустим, что это давление при конструировании вантуза принято равным 3*103 Па (напор 0,3 м вод. ст.). Тогда для обеспечения такого давления в нашем случае потеря давления от точки 04 до точки Г или, что то же, понижение гидростатического давления в точке Г может быть не более

Покажем, что это условие, выполненное при проектировании, все же может быть нарушено в процессе эксплуатации системы отопления. Действительно, ,при прекращении циркуляции воды в левой ветви (закрыта задвижка 6 на рис. IV. 17) точкой постоянного давления становится точка А, как точка, в которой система соединяется с трубой расширительного бака (попутно заметим, что все четыре точки постоянного давления сольются при этом в одну, общую для циркуляционных колец, оставшихся в действии), а давление в точке Г понижается [см. формулу (IV.23)] до величины

Это давление не только может оказаться недостаточным для действия вантуза, но может быть даже ниже атмосферного, что нарушит нормальную циркуляцию воды.

Для того чтобы исключить возможность нарушения циркуляции воды, практически широко используется третий способ присоединения труб расширительного бака к системе отопления (см. рис. IV.15,e). Точка постоянного давления при этом возникает в обратной магистрали вблизи насоса как одна, общая для всех циркуляционных колец системы. Зона нагнетания насоса распространяется почти на все теплопроводы системы, в том числе и на наиболее высоко расположенные и удаленные от насоса, 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 покое достаточно велико и существенно не уменьшается при действии насоса.

Расширительный бак, как известно, соединяется с системой отопления двумя трубами — расширительной и циркуляционной (см. рис. III.26), создающими контур циркуляции воды через бак. В нем имеется еще одна верхняя точка постоянного давления, находящаяся непосредственно в расширительном баке. Первая же — нижняя точка постоянного давления размещается между точками присоединения расширительной и циркуляционной труб к обратной магистрали. Положение нижней точки постоянного давления определяется соотношением потери давления в расширительной и циркуляционной трубах. Если их диаметр и длина равны, то точка постоянного давления находится посередине между точками присоединения труб бака. Если диаметр одной из труб больше, то точка постоянного давления смещается в сторону точки присоединения этой трубы.

Точка присоединения расширительной трубы входит в зону нагнетания насоса, и в ней происходит деление общего потока воды на два, один из которых (основной) по-прежнему протекает по обратной магистрали, а другой — по параллельному пути через бак до точки присоединения циркуляционной трубы, относящейся уже к зоне всасывания.

Если применяется несколько соединительных труб, например три, то верхняя точка постоянного давления по-прежнему находится в расширительном баке, а нижняя — между точками присоединения к магистрали системы отопления двух крайних соединительных труб. По одной из них вода из зоны нагнетания направляется в бак, по другой — возвращается из бака в зону всасывания. По средней соединительной трубе вода может двигаться и в бак и из бака в зависимости от положения нижней точки постоянного давления.

Из рассмотрения динамики давления в местной системе отопления с открытым расширительным баком следуют общие выводы: во всяком замкнутом контуре движения воды может быть только одна точка посто­янного давления, в которой зона нагнетания сменяется зоной всасывания. Двух последовательных точек постоянного давления в одном циркуляционном контуре существовать не может, ибо для движения воды в заданном направлении в системе отопления создается и поддерживается разность давления во всех точках. При этом следует оговориться, что поскольку в самом насосе разрежение переходит в компрессию и в нем существует своя «нейтральная» точка, то при рассмотрении точек постоянного давления имеются в виду лишь точки, возникающие за пределами насоса.

В зоне нагнетания циркуляционного контура, т. е. до точки постоянного давления, гидростатическое-давление увеличивается по сравнению с давлением в состоянии покоя; в зоне всасывания, т. е. после точки по­стоянного давления (по направлению движения воды), оно уменьшается.

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.

ДИНАМИКА ДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ ОТОПЛЕНИЯ ГРУППЫ ЗДАНИЙ С РАСШИРИТЕЛЬНЫМ БАКОМ

В системе водяного отопления группы зданий при теплоснабжении от собственной тепловой станции расширительный бак устанавливают в самом высоком здании (с учетом рельефа местности). Соединительные трубы бака подключают к наружному обратному теплопроводу, а не к местной магистрали здания, во избежание отключения бака от остальной части системы при ремонте местных теплопроводов.

Исследуем динамику давления, например, в общей системе отопления четырех зданий, самое высокое из которых удалено от тепловой станции (рис. IV. 18).

Гидростатическое давление в этой системе при бездействии циркуляционного насоса, находящегося на тепловой станции (штрихпунктирная

линия), определяется положением уровня воды в расширительном баке (точка О), установленном в наиболее высоком здании IV, над рассматриваемой точкой какой-либо части системы. Наибольшим оно будет в наружных теплопроводах и во внутренних теплопроводах в подвалах.

При действии насоса гидростатическое давление, как уже известно, изменяется во всех точках системы, кроме точки постоянного давления в месте присоединения труб расширительного бака; в нашем случае кроме точки О в обратном теплопроводе у здания IV. В зоне нагнетания от нагнетательного патрубка насоса (точка А) до точки О оно увеличивается, в зоне всасывания от точки О до всасывающего патрубка насоса (точка И) уменьшается в зависимости от потери давления в теплопроводах. Изменение давления показано на рис. IV. 18 сплошными наклонными пьезометрическими линиями.

Разность между гидростатическим давлением в подающем и обратном наружных теплопроводах на вводе их в каждое здание определяет насосное циркуляционное давление, как располагаемое давление для создания циркуляции воды в местных теплопроводах. На рисунке это циркуляционное давление выражается сплошными вертикальными линиями. Как видно, для местной системы отопления здания IV насосное цир­куляционное давление наименьшее — Apiv, для здания / — наибольшее.

В местной системе отопления здания / гидростатическое давление должно изменяться от давления в точке Б (на вводе подающего теплопровода в здание) до давления в точке 3 (в обратном теплопроводе). Давление в точке 3 в нашем примере оказывается ниже минимального гидростатического давления, необходимого для заполнения водой местной системы отопления здания / (давление в точке 2). Воизбежание скопления воздуха и нарушения циркуляции воды необходимо повысить гидростатическое давление в обратной магистрали местной системы до давления в точке 2. Для этого можно поднять расширительный бак (что конструктивно затруднительно), уменьшить наклон обратной пьезометрической линии, увеличив диаметр обратного теплопровода (вследствие чего повысится стоимость его прокладки), или установить на местной обратной магистрали регулятор давления типа «до себя» (см. рис. IV.3). - Такой регулятор давления должен понижать давление от р2 до Рз (АрРД = р2—Рз) при пропуске расчетного расхода воды в местной системе отопления здания /.

Гидростатическое давление в точке Б не должно превышать предельно допустимого (рабочего) давления для всех элементов (арматуры, отопительных приборов) местной системы отопления. В случае необхо­димости гидростатическое давление в подающем теплопроводе может быть искусственно снижено до некоторого значения в точке /, при котором обеспечиваются целость этих элементов и вместе с тем циркуляция воды в местных теплопроводах. Давление понижается при помощи, например, регулятора давления «после себя» или диафрагмы, причем расчетная разность давления составляет А Р%—РБ—Рь

В результате понижения давления в местной подающей магистрали до р и повышения давления в местной обратной магистрали до р2 насосное циркуляционное давление для местной системы отопления здания / составит Ар j =р—р2.

Циркуляционным насосом на тепловой станции создается давление, как видно из рис. IV. 18, равное сумме потери давления в зонах нагнетания Ар наг и всасывания Ар ВС-

При значительной величине А рВс понижение гидростатического давления во всасывающем патрубке насоса может сопровождаться кавитацией.

Кавитация (лат. cavitas — пустота)—нарушение сплошности потока — возникает в результате появления пузырей воздуха (переходящего из растворенного состояния в свободное) и пара (вследствие вскипания воды при понижении давления до давления водяного пара при определенной температуре). Кавитационные пузыри, возникая и исчезая, вызывают многократные удары струй воды о стенки насоса. Кавитация со­провождается снижением к. п. д. насоса, шумом и разрушением (изъязвлением) поверхности колеса и корпуса насоса.

Кавитация скорее всего может возникать в циркуляционном насосе протяженной системы отопления группы малоэтажных зданий (например, в сельскохозяйственном строительстве).

Для устранения кавитации величина Арвс (выраженная в м вод. ст.) ограничивается: практически она должна быть меньше гидростатического давления в бездействующем насосе (в статическом режиме) по крайней мере на 5 м вод. ст. Так, например, если разность уровней установки расширительного бака и насоса составляет 7 м (бак размещается в двухэтажном здании), то потеря давления в теплопроводах зоны всасывания (от точки О до точки И на рис. IV. 18) не должна превышать 2 м вод. ст. Очевидно, что при малоэтажной застройке расширительный бак следует помещать поблизости от тепловой станции.

В системе отопления группы многоэтажных зданий скорее возможна не кавитация в насосе, а чрезмерное повышение гидростатического давления. Повышение давления, опасное для целости отдельных элементов системы отопления, может произойти при перемещении расширительного бака из одного здания в другое.

Перемещение расширительного бака из- одного здания, ближайшего к тепловой станции, в другое, несколько более высокое и удаленное от нее, не вызывает заметного изменения гидростатического давления как при бездействии, так и при работе циркуляционного насоса. Однако перемещение бака в здание более высокое и близко расположенное к тепловой станции может вызвать значительное повышение давления в отдельных частях системы отопления. Это произойдет вследствие увеличения не только высоты здания, но и протяженности зоны нагнетания (если бак, как обычно, будет присоединен к обратному теплопро­воду) .

На рис. IV. 19 показано изменение давления в оборудовании тепловой станции, в наружных и местных теплопроводах системы отопления четырех зданий при первоначальном положении расширительного бака (в точке 1) в здании IV (сплошные пьезометрические линии) и после его перемещения (в точку 2) в новое здание / (пунктирные линии). Можно установить, что давление в элементах тепловой станции возрастет при этом на значительно большую величину А р, чем можно было бы ожидать при увеличении высоты здания на h и. Давление в точке А2 может превысить рабочее давление, установленное как предельно допустимое для оборудования и арматуры станции. Из рисунка также видно увеличение давления во всех теплопроводах, причем и здесь повышение давления может оказаться недопустимым для элементов местных систем отопления зданий и прежде всего здания, наиболее удаленного от стан-пии (здание IV).

Для снижения- давления в оборудовании тепловой станции в этом случае можно перенести место включения циркуляционного насоса из обратного в общий подающий теплопровод (давление понизится до величины в точке baj; в местной системе отопления здания IV может быть

применена понизительная насосная подстанция1 или независимая схема присоединения к наружным теплопроводам (см. рис. IV. 1,6).

ДИНАМИКА ДАВЛЕНИЯ В МЕСТНОЙ СИСТЕМЕ ОТОПЛЕНИЯ БЕЗ РАСШИРИТЕЛЬНОГО БАКА

Рассмотрим динамику давления в местных теплопроводах здания, непосредственно соединенных с наружными теплопроводами, например, в условиях присоединения здания / на рис. IV. 18, для системы отопления которого выше была отмечена необходимость изменения начального давления до р и конечного до р2. Местная система отопления изображена на рис. IV.20 двойными линиями и принимается высотой h, м, с верхней подающей магистралью и центром охлаждения в точке В.

Ввиду отсутствия расширительного бака с атмосферным давлением над свободной поверхностью воды требуется иной подход к нахождению местной точки постоянного давления в системе отопления и величины гидростатического давления в ней.

Это давление связывается с предварительным условием: оно должно быть достаточным для создания в наиболее высоко расположенной точке системы некоторого избыточного давления с целью надежного заполнения и удаления воздуха из системы с низкотемпературной водой (^Г<С <100°С) и для предотвращения вскипания воды в системе с высокотемпературной водой (^г> 100° С).

Для выполнения этого условия в статическом режиме, т. е. в случае полного прекращения циркуляции воды, проводим пьезометрическую штрихпунктирную линию на достаточной высоте над верхней подающей магистралью системы отопления на рис. IV.20. Остальные пьезометрические штрихпунктирные линии наносим исходя из выбранного минимального избыточного давления в подающей магистрали и в результате получаем необходимое гидростатическое давление /?2 в точке Д обрат­ной магистрали.

Если давление р2 поддерживается на заданном уровне при помощи регулятора давления «до себя» (как уже указывалось), то в точке Д возникает искусственная точка постоянного давления местной системы отопления. Давление р2 является исходным для построения пьезометрических линий в динамическом режиме (сплошные линии на рис. IV.20, выражающие, как и ранее, условно равномерную линейную и местную потерю давления в системе отопления).

Выразим изменение гидростатического давления в трех характерных точках системы отопления (не считая точки Д, в которой давление р2 принято постоянным): в точке Г нижней обратной магистрали, наиболее удаленной от ввода наружных теплопроводов, точке В верхней подающей магистрали, наиболее высоко расположенной и удаленной от ввода, и точке Л в начале подающей магистрали системы.

Наибольшее давление, как уже известно, не может превышать рабочего давления для каждого элемента системы. Поэтому выражение (IV.25) служит для проверки выполнения этого условия. Если, например, давление рч близко к 60-104 Па, то с учетом потери давления в протяжной обратной магистрали гидростатическое давление в чугунной арматуре и отопительных приборах, расположенных на уровне ввода теплопроводов и ниже его, превысит рабочее, что приведет к их разрушению.

Выражение (IV.26) служит для проверки условия невскипания высокотемпературной воды, если давление р% устанавливается без учета температуры воды.


Это давление будет недостаточным для предотвращения вскипания воды, имеющей температуру более 120° С. В частности, при расчетной температуре греющей воды 150° С давление рмин должно составлять не менее 40-104 Па (с некоторым запасом).

Применение смесительного насоса или водоструйного элеватора на тепловом вводе*в здание не изменяет рассмотренной динамики давления в теплопроводах местной системы водяного отопления.

4. ДИНАМИКА ДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ ОТОПЛЕНИЯ С ДВУМЯ РАСШИРИТЕЛЬНЫМИ БАКАМИ

Использование в системе отопления двух открытых расширительных баков может быть допущено с соблюдением определенных условий. Для выявления этих условий рассмотрим возможные случаи присоединения двух: баков к трубопроводам системы отопления.

1. Два расширительных бака присоединены к одной точке теплопроводов системы отопления. Эта точка является точкой постоянного давления, вода в обоих баках находится на одном уровне. Все ранее сделан­ные выводы в этом случае остаются в силе.

2. Два расширительных бака присоединены к двум точкам А и Б теплопровода последовательно по движению воды (рис. IV.21). На рисунке нанесены пьезометрические линии в статическом (штрихпунктирные) и динамическом (сплошные линии) режимах.

В этом случае до пуска циркуляционного насоса в действие вода в баках по закону сообщающихся сосудов находится на одном уровне. Помня
о постоянстве объема воды в системе и о существовании только одной точки постоянного давления в замкнутом циркуляционном кольце, приходим к заключению, что при работе насоса «нейтральная» точка О располагается между точками Л и Б. Тогда в точке Л, попавшей р зону нагнетания насоса, гидростатическое давление увеличивается, а в точке Б — в зоне всасывания — уменьшается. Соответственно уровень воды в баке / повышается, а в баке // понижается (баки уподобляются водяным манометрам). Разность уровней воды в баках по установленной выше зависимости пропорциональна потере давления в теплопроводе между точками А и Б [см. формулы (IV.22) и (IV.23)].

Если площади поперечных сечений баков Fj и Fn равны и трубы к бакам и между точками А и Б одинакового диаметра, то величина поднятия уровня воды в первом баке hi равна величине его понижения h2 во втором, а точка постоянного давления О находится посередине участка Л—Б.

Аналогичный вид будет иметь уравнение для определения величины h2.

Положение точки постоянного давления О, как и изменение уровня воды в баках, при прочих равных условиях зависит от» соотношения площадей поперечного сечения расширительных баков. При увеличении размеров одного из баков (например, бака //) точка О перемещается по направлению к точке его присоединения (к точке Б). Если бак // сделать столь большим, что можно пренебречь изменением уровня воды в нем, то точка О сольется с точкой Б, а поднятие уровня в баке / малых размеров достигнет максимальной величины:

Практически это случай, когда в расширительный бак, присоединенный к общей обратной магистрали, выводится воздушная труба от верхней точки подающей магистрали системы отопления (рис. IV.22). Такая воздушная труба 2 фактически является вторым расширительным баком весьма незначительного поперечного сечения, присоединенным в точке А зоны нагнетания. При действии насоса в воздушной трубе произойдет поднятие уровня воды, пропорциональное величине потери давления от точки А до точки постоянного давления О, почти совпадающей с точкой присоединения расширительного бака. При этом потеря давления может оказаться столь большой, что в воздушной трубе вода будет не только подниматься, но и выливаться в бак, а затем по соединительным трубам / возвращаться в систему. Такое добавочное циркуляционное кольцо может нарушить нормальное действие системы. Следовательно, этот способ удаления воздуха из системы допустим лишь при предварительном рассмотрении изменения давления.

3. Два расширительных бака присоединены к двум точкам Л и ? в системе отопления параллельно. Следовательно, точки А п Б находятся в различных циркуляционных кольцах системы. В каждом параллельном циркуляционном кольце, как уже установлено, существует своя точка постоянного давления (точки 0 и Ог на рис. IV.23). Из условия постоянства объема воды в системе следует, что если после пуска насосауровень воды в одном расширительном баке (например, в баке /) поднимется, то в другом (баке //) он опустится. Баки, как водяные манометры, присоединенные в точках А и Б, показывают создаваемое насосом дополнительное давление в точке А и разрежение в точке Б. В нашем примере это означает, что точка А находится перед точкой постоянного давления.

В частном случае при равной потере давления Дрв_Б =Лрв_А точки постоянного давления совпадут с точками Л и ? и уровень воды в баках при действии насоса не изменится, каковы бы ни были площади их поперечного сечения.

Практически возможен случай, когда при наличии одного расширительного бака потребуется параллельное присоединение второго дополнительного бака к новой ветви системы отопления. Наличие второго бака влияет на гидростатическое давление в теплопроводах ранее существовавшей системы отопления.

Рассмотрим изменение гидростатического давления в системе отопления в этом случае. На рис. IV.24 показано гидростатическое давление в теплопроводах системы отопления группы зданий в статическом режиме (штрихпунктирная линия) и в динамическом режиме, когда к ранее существовавшей ветви системы слева от тепловой станции (т. с ) с тремя зданиями /—/77 и расширительным баком / добавлена новая ветвь справа с тремя зданиями IV—VI и вторым баком 2. Первый бак установлен в здании III, изменение гидростатического давления в одной левой ветви показано сплошными линиями. Второй дополнительный бак помещен в здании VI на одном уровне с первым. Характер изменения гидростатического давления в обеих ветвях системы изображен пунктирными линиями.

Из рисунка видно, что точки постоянного давления 0 и 02 не совмещаются с точками присоединения расширительных баков к теплопроводам. При этом происходит понижение уровня воды в баке / на величину hi и повышение уровня в баке 2 на величину h2, что может привести к утечке воды через бак 2 и нарушению отопления здания .

Следует отметить недостаток установки двух расширительных баков в удалении друг от друга. При этом почти всегда происходит изменение уровня воды в них, а это вызывает уменьшение полезной емкости того бака, в котором уровень воды повышается. Потеря полезной емкости одного из баков связана с потерей давления в теплопроводах между точками присоединения к ним баков. Чем больше потеря давления в теплопроводах между двумя последовательными (по движению воды) точками присоединения [см. формулу (IV.28)] или чем больше различие в потере давления до двух параллельных точек присоединения [см. формулу (IV.30a)], тем значительнее уменьшится полезный объем одного из б а кой,

Следовательно, при использовании двух расширительных баков их суммарный объем почти всегда должен приниматься больше объема одного общего бака, и это различие в объеме будет возрастать по мере удаления второго бака от первого.

Из рассмотрения динамики давления в насосной системе водяного отопления с двумя расширительными баками можно сделать вывод о необходимости проверки изменения уровня воды в баках. Без такой пред­варительной проверки колебание уровня воды в баках, даже при точном монтаже и правильной эксплуатации системы отоплений, может вызывать нарушение циркуляции воды.

Очевидно, что предпочтение следует отдавать присоединению к системе отопления одного расширительного бака. Однако и при использовании одного открытого бака место его присоединения к теплопроводам, особенно в системе отопления группы зданий, необходимо выбирать с учетом динамики давления.

Система водяного отопления может быть и без открытого расширительного бака в том случае, когда обеспечивается необходимое гидростатическое давление во всех ее элементах при различных режимах эксплуатации. При этом на тепловой станции можно применить закрытый расширительный бак, находящийся под естественным или искусственно повышенным гидростатическим давлением, а также специальный насос или клапан, одновременно восполняющий потерю воды в системе.