Примем, как и в § 7.1, свободную поверхность воды в от=^ крытом расширительном 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).

В системе отопления (ее замкнутый контур изображен двойными линиями на рив. 7.4) g ненагреваемой водой при бездействии насоса, т. е. g водой равномерной плотности, находящейся в покое, избыточное гидростатическое давле­ние в теплопроводах одинаково на любом рассматриваемом уровне (например, на уровне /—/ оно равно рGhit где Ht — Высота столба воды или глубина погружения под уровень воды в расширительном баке /). Наименьшее гидростати-

18 —765
ческое давление рght действует в верхней магистрали, наи­большее рgh2 — в нижней, причем бездействующий насос 2 Испытывает, как уже отмечалось, равное давление со сто­роны и всасывающего и нагнетательного патрубков.

Водой, находящейся в покое 1 — открытый расширительный бак; 2 — циркуляционный насос (бездействует)

1 — открытый расширительный бак; 2 — циркуляционный насос (бездействует)} ц. н,—центр нагревания; ц. о,—центр охлаждения; О — точка постоянного Давления

Значения избыточного гидростатического давления в Трубах системы отопления нанесем на рис. 7.4 штрихпунк-
тирными линиями в прямой зависимости от высоты столба воды H. Для ясности изображения проведем линии над верхней магистралью, под нижней магистралью, слева и справа от вертикальных труб. Показанные на рисунке штрихпунктирные линии называются пьезометрическими, А их совокупность — эпюрой гидростатического давления 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 потери давления в потоке движу­щейся воды, переходящего в результате трения (линейные потери) и вихреобразования (местные потери) в теплоту. При дальнейших построениях потери давления будем счи­тать, как и в §7.1, условно равномерными по длине труб.

Рассмотрим динамику гидростатического давления в системе отопления с нагреваемой водой при бездействии насоса — фактически в гравитационной системе отопления (рис. 7.5). Представим, что вода в системе отопления, нагре­ваемая в одной точке (ц. н. — центр нагревания), охлаж­дается в другой, выше расположенной (ц. о.— центр охлаж­дения). При этом плотность воды в левом стояке составит рг, в правом — р0. В такой вертикальной системе отопле­ния при неравномерном распределении плотности воды возникает неуравновешенность гидростатических давлений в стояках и в результате естественная циркуляция воды.

Для определения значений 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 (рис. 7.5)

G(Prfti+Pofta), (7.2а)

А максимальное гидростатическое давление в левом стояке с нагретой водой

Ff(pr*i+pr*»). (7.26)

Так как р0>Рг> то гидростатическое давление в правом стояке при отсутствии циркуляции воды будет больше, чем в левом. Штрихпунктирные линии на рис. 7.5 изображают эпюру давления в статическом режиме. Различие в полу­ченных значениях гидростатического давления, вызываю­Щее циркуляцию воды по направлению часовой стрелки, выражает естественное циркуляционное (гравитационное) давление

&Pe — Pogh2~ Prgfl2, (7-3)

Где H2 — вертикальное расстояние между центрами охлаждения и нагревания воды нлн высота двух столбов воды — охлажденной и нагретой.

Из уравнения (7.3) можно сделать выводы:

А) естественное циркуляционное давление возникает вследствие различия в значениях гидростатического давле­ния двух столбов охлажденной и нагретой воды равной высоты (Д^е на рис. 7.5);

Б) величина естественного циркуляционного давления не зависит от высоты расположения расширительного бака (hi на рис. 7.5).

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

Ape=Gh (ро—рг) (7.4)

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 Дре, вызывающее циркуляцию, равно потерям давления при движении водь; (Дрс — потери давления в системе)

Аре — &рс. (7.5;

Гидростатическое давление в точке присоединения трубь расширительного бака к магистрали, равное prg/ii (см, рис. 7.5), при постоянном объеме воды в системе измениться не может. Эта точка называется точкой постоянного давле­ния или «нейтральной» точкой системы отопления.

Во всех остальных точках теплопроводов системы гидро­статическое давление при циркуляции воды изменяется вследствие попутной потери давления. Нанесем на рие. 7.Е вторую эпюру гидростатического давления в динамическом режиме — при естественной циркуляции воды в системе отопления (сплошные линии), начав построение в 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 расши рительного 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 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 системы будет постоянным. Точка эта по-прежнему остается «нейтральной», т. е. па гидростатическое давление в ней давление, создаваемое насо­сом, не влияет (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 трубы системы от насоса до точки постоянного давления (считая по направлению движения воды) будут относиться к зоне нагнетания насоса, все трубы после эюй точки — к зоне всасывания.

Эпюра гидростатического давления в динамическом ре­жиме — при насосной циркуляции воды в системе отопле­
ния — показана на рис. 7.6 (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. 7.6. Эпюра гидростатического давления в системе водяного отопления при Действии насоса

1 ~ открытый расширительный бак; 2 — циркуляционный насос; О — точка постоянного давления Системы отопления О — точка постоянного давления; А точка в зоне нагнетания; Б точка нан - большего разрежения; В—Г зона разрежения

Можно расширить вывод, сделанный выше для гравита­ционной системы: при циркуляции воды в замкнутом коль­
це 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 АРс выразим через потери дав­ления в зоне нагнетания (обозначим их А/?наг) и в зоне всасывания (Арвс) как

Дрс = Дрнаг+Дрвс. (7.6)

С другой стороны, из формулы (6.9) следует, что APL— = Арн4-Аре (на рис. 7.6 показано, что Арн меньше суммы Ар наГ и Арвс на величину Аре). 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. 7.6 и 7.4, можно установить степень из­менения гидростатического давления, связанную с потеря­ми 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.

P/-Har = pgftz + Api-o; (7.7)

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

;>г-вс=РёЛг — Лро-i, (7.8)

Где ht — высота столба воды от рассматриваемой точки до уровня воды в расширительном баке.

Очевидно, что в зоне нагнетания насоса следует счи­таться (мы к этому вернемся) 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 понизится до атмосферного и ниже.

Рассмотрим такой случай. На рис. 7.7 изображено из­менение давления в верхней подающей магистрали системы отопления. 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 — потеря давления Ap0_B=Pgh, т. е. рв=0 (избыточное давление равно нулю, а полное давление, как и на поверх­ности воды в расширительном баке, равно атмосферному давлению /?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 PB—Pa+Pgh—Ар0_Б=ра—Арв-в■ Затем в промежутке меж­ду точками Б и Г давление возрастает в связи с увеличением высоты столба воды от H до Hr, а разрежение уменьшается. В точке Г, где потеря давления Apo-R=Pghr, избыточное давление вновь, как в точке В, равно нулю (рг=0), а пол­ное давление равно атмосферному. Ниже точки Г избы­точное гидростатическое давление быстро возрастает, тгё - смотря на последующую потерю давления при движении воды (§7.1).

В промежутке между точками В и Г, особенно в точке Б, при давлении ниже атмосферного и при температуре воды, близкой к 100 °С (90—95 °С), возможно вскипание и 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 I Системы отопления гидростатическое давление при действии насоса должно оставаться избыточным, т. е. р,>ра', для этого должно удовлетворяться неравенство

РGhi > APo-i- (7.9)

Возможны три способа выполнения этого правила:

— поднятие расширительного бака на достаточную вы­соту H (рис. 7.8, а);

— перемещение расширительного бака к наиболее опас­ной верхней точке с целью включения верхней магистрали в зону нагнетания (рие. 7.8, б);

Рис. 7.8. Способы присоединения труб открытого расширительного бака к системе водяного отопления

I ^ Г_______ v.

I

Мл

3}

Рис. 7.9. Изменение гидростатического давления в обратных магистралях (/) и главном стояке (2) Системы отопления с «опрокинутой^ циркуляцией

Воды и проточным расширительным баком О — точка постоянного давления; знаками «плюс» отмечено избыточное давление (5)

— присоединение труб расширительного бака близ зсасывающего патрубка насоса (рис. 7.8, в).

Применение первого способа возможно лишь в отдель­ных случаях, когда здание имеет повышенную часть, где может быть расположен бак.

А — к главному стояку системы; б — в верхней точке системы, наиболее удален­ной от центра нагревания (ц н.); в — близ всасывающего патрубка циркуляцн* оиного насоса; / — открытый расширительный бак; 2 — циркуляционный на« сос; О — точка постоянного давления

Второй способ целесообразен в системе отопления с «опрокинутой» циркуляцией воды (ем. рис. 6.4). В такой системе проточный расширительный бак размещен в выс­шей точке верхней обратной магистрали над главным об­ратным стояком. Точка постоянного давления О в этом случае находится в самом баке (рис. 7.9). 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 ат-

1 — открытый расширительный бак; 2 — главный подающий стояк; 3 — центр нагревания; 4—циркуляционный насос 5—задвижка, 6 проточный воздухо­сборник с воздушным краном

Мосферное давление даже при значительной потере давле­ния в нем (см. пьезометрические линии на рис. 7.9).

Второй способ присоединения расширительного бака приемлем также в неразветвленной системе отопления с верхней подающей магистралью (см. рис. 7.8, б). Бак при этом служит еще н воздухоогводчиком. Однако в развет­вленной системе отопления второй способ присоединения расширительного бака к верхней подающей магистрали мо­жет при определенных условиях вызвать нарушение цир­куляции воды в отдельных ее частях.

Для выявления этих условий рассмотрим динамику дав­ления в системе водяного отопления, состоящей из двух частей, с расширительным баком, присоединенным в наи­более удаленной точке от главного подающего стояка. В такой точке — выберем ее в левой части системы отоп­ления на стояке / (рис. 7.10) — возникает точка постоян­ного давления Ot. В подающей магистрали левой части, входящей в зону нагнетания, гидростатическое давление при действии насоса повысится, причем наибольшее изме­нение давления произойдет в точке А — см. сплошную ли­нию с наклоном справа налево и формулу (7.7).

В промежуточной точке Б повышение давления равно Д/Ов-oi (Рис. 7.10). При движении воды от точки Б по стоя­к у II найдется точка 0а, для которой справедливо равен­ство потерь давления — АрБ_01=АрБ_02. Эта точка 0а, в которой компрессионное давление насоса равно нулю, является второй точкой постоянного давления системы. Гидростатическое давление в точке 0г — />o2=pg(/ii+^a) не изменяется как при бездействии, так и работе насоса. Аналогично можно найти точку постоянного давления Os. Таким образом, в трех циркуляционных кольцах левой части системы в данном случае существуют три точки по­стоянного давления.

Проведем пьезометрическую линию для подающей ма­гистрали правой части системы (сплошная линия с накло­ном слева направо на рис. 7.10) и убедимся, что в каждом циркуляционном кольце этой части (их в данном случае три — через стояки IV—VI) также возникают свои точки постоянного давления 04, 05 и О,. В каждой из них дей­ствует неизменное (но отличающееся по величине) гидро­статическое давление и положение их определяется удов­летворением равенству потерь давления при циркуляции воды

Др/4 - о, = др/4 - оъ — др/4-о0 = ар а - oi-

Это равенство может рассматриваться также как равен­ство потерь 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 гакой точки распространяется зона нагнетания насоса, на теплопроводы после них — зона всасывания.

Таким образом, в случае, когда расширительный бак присоединяется к верхней подающей магистрали в удале­нии от главного стояка, в системе возникает несколько то­чек постоянного давления. В пределе число таких точек равняется числу параллельных циркуляционных колец системы (в нашем примере — шесть точек постоянного давления в шести циркуляционных кольцах через стояки 1—V1).

В системе отопления, изображенной на рис. 7.10, отме­тим еще точку Е, в которой установлен воздухосборник 6 С воздушным краном. Точка Е находится в зоне всасывания насоса (после точки 0„), и гидростатическое давление в ней понижается в соответствии с формулой (7.8) на величину

Воздуховыпускной кран для надежного действия дол­жен находиться под некоторым внутренним избыточным давлением. Это давление рекомендуют принимать не менее 3-103 Па (напор 0,3 м). Тогда для обеспечения такого дав­ления в нашем случае потери давления от точки 0„ до точки Е или, что то же, понижение гидростатического давления в точке Е, могут быть не более

Лров-£<Ю4(й-0,3)Па, (7.10)

Где H — вертикальное расстояние от верхней точки воздуховыпуск - ного крана до уровня воды в расширительном баке, м.

Покажем, что это условие, выполненное при проекти­ровании, все же может быть нарушено в процессе эксплуа­тации системы отопления. Действительно, при прекращении циркуляции воды в левой части (закрыта задвижка 5 на рис. 7.10) точкой постоянного давления становится точка А как точка, в которой система соединяется с трубой рас­ширительного бака (попутно заметим, что все шесть точек постоянного давления сольются при этом в одну, общую для трех циркуляционных колец, оставшихся в действии), а давление в точке Е понижается [см. формулу (7.8)] до PE=PShi— Арл-в-

Это давление не только может оказаться недостаточным для выпуска воздуха из системы, но может быть даже ниже атмосферного, что нарушит нормальную циркуляцию воды.

Третий способ присоединения труб расширительного бака к системе отопления (рис. 7.8, е) 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 почш 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 веасы - вающего патрубка насоса, в котором гидростатическое дав­ление в состоянии покоя достаточно велико и практически мало уменьшается при действии наеоса.

Расширительный бак, как известно, соединяется с сис­темой отопления двумя трубами — расширительной и цир­куляционной (см. рис. 6.21, а), создающими кольцо цир­куляции воды через бак. В этом кольце имеется еще одна верхняя точка постоянного давления, находящаяся непо­средственно в расширительном баке. Первая же — ниж­няя точка постоянного давления размещается в обратной магистрали между точками присоединения к ней расшири­тельной и циркуляционной труб. Положение нижней точки постоянного давления определяется соотношением потерь давления в расширительной и циркуляционной трубах. Если их диаметр и длина равны, то точка постоянного дав­ления находится посередине между точками присоедине­ния труб бака. Если увеличивается диаметр одной из труб, 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 движется по обратной магистрали, а другой — по параллельному пути через бак до точки присоединения циркуляционной трубы, относящейся уже к зоне всасыва­ния.

Если применяются 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 системе отоп­ления с одним открытым расширительным баком следуют выводы:

1) в каждом циркуляционном кольце системы существует только одна точка постоянного давления, в которой зона нагнетания сменяется зоной всасывания. Двух последова­тельных точек постоянного давления в одном циркуля­ционном кольце быть 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 вне насоса;

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

3) точка постоянного давления может быть единственной во всей системе отопления, если расширительный ба^уйри - соединяется в 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.