Современные системы водоснабжения. Ко­лодцы, скважины и другие водные источники

Принцип действия и устройство систе­мы водяного отопления с естественной циркуляцией теплоносителя

Принципиальная схема системы водяного отопле­ния с естественной циркуляцией теплоносителя пока­зана на рис. 61, 62. Вода от котла к приборам теплооб­менника и обратно двигается под действием гидро­статического напора, возникающего благодаря раз­
личной плотности охлажденной и нагретой жидкости (теплоносителя).

Какая же сила заставляет воду циркулировать в системе, т. е. двигаться по трубам из котла в нагре­вательные приборы и обратно в котел? Эта сила воз­никает при нагревании воды в котле и охлаждении ее в нагревательных приборах. Вода, нагретая в котле 1, как более легкая, поднимается по главному подаю­щему стояку 2 вверх. Из стояка она поступает в раз­водящие магистральные трубопроводы 3, а из них через подающие стояки 4 - в нагревательные прибо­ры. Здесь вода остывает и поэтому становится более тяжелой. Например, плотность воды при 40 С сос­тавляет 992,24 кг/м3, 70 °С - 977,8 кг/м3, 95 °С - 961,9 кг/м3. Охлажденная вода через обратные стоя-

Ки 5 и обратную линию 6 опускается вниз и своим весом вытесняет нагретую воду из котла вверх - в главный подающий стояк.

Описанный процесс непрерывно повторяется и в результате происходит постоянная циркуляция воды в системе. Сила циркуляции, или, как принято гово­рить, циркуляционное давление, зависит от разности весов столба горячей и столба охлажденной (обрат­ной) воды, следовательно, она зависит от разности температур горячей и обратной воды.

Внимание

Кроме того, циркуляционное давление обуслав­ливается еще высотой расположения нагрева­тельного прибора над котлом: чем выше распо­ложен прибор, тем больше для него циркуляци­онное давление.

В системах водяного отопления наибольшая темпе­ратура горячей воды обычно равна 95 °С, а охлажден­ной - 70 °С. Если пренебречь охлаждением воды в тру­бах, то можно считать, что в нагревательный прибор вода поступает с температурой 95 °С, а уходит из него с температурой 70 С. При этом условии определим сначала для верхнего, а затем для нижнего нагрева­тельного прибора циркуляционное давление, под вли­янием которого происходит через них движение воды.

Проведем на рис. 61 пунктирные горизонтальные линии через центры нагревательных приборов и

Котла. Допустим, что эти линии являются границей

%

Между водой с температурой 95 С и водой с темпера­турой 70 С. Очевидно, что на участке БВГДЛ темпе­ратура воды будет одинакова и равна 95 °С, следова­тельно, здесь не может возникнуть сила, которая заставила бы воду циркулировать. Одинакова и равна 70 С температура на участке АКИЗ, поэтому и тут не может быть создана необходимая сила. Остается рас­смотреть остальные два участка - АВ и ЕЗ. На участ­ке АВ температура воды равна 95 °С, а на участке ЕЗ она составляет 70 °С. При таком соотношении темпе­ратур налицо необходимое условие для возникнове­ния циркуляционного давления - вследствие разно­сти весов воды на участке ЕЗ и АВ и создается цирку­ляция в кольце АБВГДЛЕЖЗИК. Сказанное относит - ся к верхнему нагревательному прибору.

Для прибора, расположенного в нижнем этаже и включенного в кольцо АБВГДЛМЖЗИК, циркуля­ционное давление будет создаваться разностью весов столба воды ЖЗ и столба АБ, так как на участке БВГДЛМ температура одинакова и равна 95 С, а на участке АКИЗ температура тоже одинакова и равна 70 °С. Но высота столбов воды АВ и ЕЗ соответственно больше высоты столбов воды АБ и ЖЗ. Следовательно, и разница в весе столбов АВ и ЕЗ будет больше разни­цы в весе столбов АБ и ЖЗ, отсюда циркуляционное давление для прибора второго этажа больше, чем для прибора первого этажа.

Этим объясняется следующее часто наблюдающее­ся явление: в системах водяного отопления нагрева­тельные приборы верхних этажей прогреваются лучше, чем приборы нижних этажей.

Из приведенных выше рассуждений вытекает, что в двухтрубных системах отопления нагревательные приборы, расположенные на одном уровне с котлом или ниже его, работать не будут или же будут очень слабо прогреваться. Для указанных систем практи­кой установлено наименьшее расстояние между цен­тром нагревательных приборов нижнего этажа и цен­тром котла в 3 метра. В связи с этим котельные для систем отопления должны иметь достаточное заглуб­ление. Указанного недостатка лишены однотрубные системы отопления. В этом случае гидростатический напор, заставляющий циркулировать воду в системе, будет образовываться из-за охлаждения воды в трубо­проводах, подводящих нагретую воду к нагреватель­ным приборам, а также отводящих охлажденную воду от приборов к котлу.

Это охлаждение полезно, во-первых, для создания гидростатического напора, а во-вторых, для дополни­тельного обогрева помещения, поэтому указанные трубопроводы прокладывают открыто и не изолиру­ют. Напротив, охлаждение воды в главном стояке (подъемном трубопроводе) вредно, ибо приводит к снижению температуры и увеличению плотности и, как следствие, к уменьшению гидростатического напора. В связи с этим подъемный стояк от котла необходимо тщательно теплоизолировать.

На заметку

Количество тепла, отдаваемого помещению нагревательными приборами, зависит от коли­чества поступающей в прибор воды и ее темпе­ратуры. В свою очередь, количество воды, кото­рое может быть пропущено через трубопровод к прибору, зависит от циркуляционного давле­ния, заставляющего воду двигаться по трубе. Чем больше циркуляционное давление, тем меньше может быть диаметр трубы для пропу­ска определенного количества воды и, наоборот, чем меньше циркуляционное давление, тем больше должен быть диаметр трубы.

Но для нормального действия системы отопления требуется еще одно условие: чтобы циркуляционное давление было достаточным для преодоления всех сопротивлений, которые встречает движущаяся в этой системе вода. Известно, что вода при своем дви­жении в системе отопления встречает сопротивле­ния, вызываемые трением воды о стенки труб, а кроме них, еще и местные сопротивления, к которым относятся отводы, тройники, крестовины, краны, нагревательные приборы и котлы.

Сопротивление вследствие трения зависит от диаме­тра и длины трубопровода, а также от скорости движе­ния воды (если скорость увеличится в два раза, то сопротивление - в четыре раза, т. е. в квадратичной зависимости). Чем меньше диаметр и больше длина трубопровода и чем выше скорость воды, тем больше сопротивление создается на пути воды, и наоборот. В схеме отопления, изображенной на рис. 61 имеется два кольца: одно, проходящее через ближайший к котлу стояк, и другое, которое проходит через дальний стояк. Так как первое кольцо короче второго, то при одинаковой в обеих кольцах тепловой нагрузке и оди­наковых диаметрах труб будет проходить по коротко­му кольцу больше воды, чем требуется по расчету, и в результате по длинному кольцу будет проходить мень­ше воды, чем следует по расчету. Чтобы этого избе­жать, необходимо для дальнего стояка применять трубы большего диаметра, чем для ближайшего стоя­ка, и таким образом уравнять сопротивления в обеих кольцах. При большей длине труб сопротивление воз­растает, с увеличением диаметра труб оно падает.

Внимание

Величина местного сопротивления зависит, во-первых, от скорости воды, следовательно, и от изменения сечения, вызывающего изменение этой скорости (например, в кранах, нагреватель­ных приборах, котлах и т. д.), во-вторых, от изменения направления, по которому движется вода, и изменения количества воды (например, в отводах, тройниках, крестовинах, вентилях).

Показанная на рис. 61 система отопления - это система с верхней разводкой. Здесь горячая вода под­нимается через главный стояк в магистральный тру­бопровод, прокладываемый обычно на чердаке.

На рис. 62 показана система отопления с нижней разводкой. В этой системе подающая магистраль, питающая восходящие стояки, располагается на пер­вом этаже в подпольном канале или же в подвале зда­ния. Обратные стояки присоединяются к общей обратной магистрали.

По принципу действия система отопления с ниж­ней разводкой не отличается от системы с верхней разводкой. И тут, и там циркуляция создается пото­му, что горячая вода, как более легкая, вытесняется обратной водой вверх по стоякам; остывая в нагрева­тельных приборах, эта вода опускается вниз через обратные стояки и снова поступает в котел.

На заметку

В системах с естественным побуждением в зда­ниях небольшой этажности величина циркуля­ционного давления невелика, и поэтому в них нельзя допускать больших скоростей движения воды в трубах; следовательно, диаметры труб должны быть большими. Система может ока­заться экономически невыгодной. Поэтому при­менение систем с естественной циркуляцией допускается лишь для небольших зданий.

Недостатки систем отопления с естественной циркуляцией воды:

• сокращен радиус действия (до 30 м по горизонта­ли) из-за небольшого циркуляционного давления;

• повышена стоимость (до 5-7% стоимости здания) в связи с применением труб большого диаметра;

• увеличены расход металла и затраты труда на монтаж системы;

• замедлено включение системы в действие;

• повышена опасность замерзания воды в трубах, проложенных в неотапливаемых помещениях.

Преимущества системы с естественной циркуля­цией воды, определяющие в отдельных случаях ее выбор:

• относительная простота устройства и эксплуата­ции;

• независимость действия от снабжения электри­ческой энергией;

• отсутствие насоса, а соответственно, шума и вибраций;

• сравнительная долговечность (при правильной эксплуатации система может действовать 35-40 лет и более без капитального ремонта);

• саморегулирование, обусловливающее ровную температуру помещений. В системе при изменении температуры и плотности воды изменяется и расход вследствие возрастания или уменьшения естествен­ного циркуляционного давления. Одновременное изменение температуры и расхода воды обеспечивает теплопередачу приборов, необходимую для поддер­жания заданной температуры помещений, т. е. при­дает системе тепловую устойчивость.