К.т.н. В.Ф. Гершкович, Центр Энергосбережения, г. Киев

Расширительный сосуд нужен для того, чтобы поддерживать в независимом контуре циркуляции нужное давление и компенсировать изменения объема воды в этом контуре, связанные с ее температурным расширением или сжатием.

Открытые расширительные сосуды , применявшиеся прежде, справлялись с этими задачами легко и надежно. Давление в системе отопления с открытыми сосудами было относительно невелико и практически постоянно, потому что оно определялось уровнем воды, который никогда существенно не менялся.

Расширительные сосуды закрытого типа , применяющиеся теперь в новом строительстве почти повсеместно, выполняют свои функции с трудом, а надежность узлов присоединения с такими сосудами оставляет желать лучшего. Давление в системе отопления с закрытыми сосудами постоянно колеблется, и только при правильном их выборе и надежной работе автоматики системы подпитки удается ограничить колебания давления, хотя и в желаемом, но все же в достаточно широком диапазоне.

Европейский опыт, однозначно сориентированный на применение в местных системах замкнутых контуров циркуляции теплоносителя с закрытыми расширительными сосудами, исходит из многолетней практики применения автономных отопительных систем с местными котельными, где без расширительных сосудов обойтись никак невозможно. Даже теперь, когда на Западе стали широко применять централизованные системы теплоснабжения, системы отопления обычно заполняют водой из водопровода, и подпитка из тепловой сети применяется там редко.

Отечественные отопительные системы с независимым от тепловой сети контуром циркуляции традиционно заполняются и подпитываются водой из тепловой сети. Эта наша обычная и во многом более эффективная практика позволила подойти к нетрадиционному техническому решению узлов подпитки независимых контуров циркуляции, позволяющему в большинстве случаев отказаться от применения в них расширительных сосудов.

На рисунке показаны четыре схемы узла подпитки, каждой из которых соответствует показанный справа от нее условный пьезометрический график тепловой сети в точке подключения здания, показанного в виде вытянутого прямоугольника.

Рассмотрим эти схемы.

Независимый от тепловой сети 1 контур циркуляции системы отопления 2 включает в себя циркуляционный насос 3 и теплообменник 4, тепловую мощность которого задает регулятор 5. На линии подпитки устанавливают фильтр 6 и водосчетчик 7. Эти элементы обязательны для любого теплового пункта, в котором имеется независимый контур циркуляции.

В схеме А имеется ручной вентиль 8, который открывают при заполнении системы отопления водой. На обводной вокруг вентиля 8 линии, на которой не должно быть никакой запорной арматуры, устанавливают дроссельную шайбу 9.

После того, как система отопления заполнена водой, вентиль 8 закрывают. При температурном расширении воды ее избыток удаляется через отверстие (диаметром 2 мм) дроссельной шайбы 9 в тепловую сеть, а при температурном сжатии или в результате утечек из системы отопления вода из тепловой сети проникнет в систему через ту же шайбу.

Схема А будет надежно работать при условии, что давление в обратном трубопроводе тепловой сети больше статического давления (Р2>Р ст), как это показано на пьезометрическом графике.

Схема Б с клапаном подпора 10 на обратном трубопроводе должна применяться в том случае, когда статическое давление столба воды, заполняющей отопительную систему, превышает давление в обратном трубопроводе тепловой сети (Р2<Р ст). Клапан 10, поддерживая до себя давление Р3, равное Рст, поднимет давление в обратном трубопроводе на величину ЛР, и тогда узел подпитки сможет работать в режиме, описанном для схемы А.

Схема В найдет применение там, где статическое давление превышает давление в обратном трубопроводе настолько, что клапан подпора установить невозможно или нецелесообразно, потому что он будет препятствовать нормальной работе системы теплоснабжения. В этом случае, поскольку Р1>Р ст, можно организовать подпитку из подающего трубопровода теплосети. Нужно только исключить возможность (пусть даже теоретическую) подачи в систему перегретой воды из тепловой сети. С этой целью на линии подпитки установлен теплообменник 12.

И только в тех редких случаях, когда статическое давление в системе отопления превышает давление в подающем трубопроводе тепловой сети (Р1 < Р ст), приходится применять схему Г со всеми ее деталями - подпиточным насосом 12, нагнетающим воду из обратного трубопровода теплосети в систему отопления, закрытым расширительным сосудом 13, компенсирующим температурные приращения объема воды, предохранительным клапаном 14, защищающим систему отопления от повышенного давления, и автоматической системой поддержания нужного давления с датчиком давления 15, по команде которого должен открыться электрический клапан 16 и включиться насос. Весьма габаритный мембранный расширительный сосуд (в мощных отопительных системах нужно 2-3 таких сосуда) в комплекте с повысительным насосом, управляемым приборами автоматического регулирования, и предохранительным клапаном обеспечит вполне безопасную эксплуатацию системы отопления при условии безотказной работы всех многочисленных элементов подпитки - такой узел обычно применяется для автоматизированной подпитки современных систем отопления.

Действующий узел подпитки с дроссельной шайбой, выполненный по схеме В (см. рис.), находится в одном из высотных домов, недавно построенных по проекту КиевЗНИИЭП в Киеве. Узел, прямо скажем, не слишком красив, но он предельно прост и компактен, лишен какой-либо автоматики и потому абсолютно надежен. А разве не это главное?

1.
2.
3.
4.
5.
6.

Отопительная система – это целый комплекс устройств, которые объединены в единый контур при помощи трубопровода. Работа отопления в таком случае заключается в постоянном движении теплоносителя (как правило, жидкости). Нагреваясь, теплоноситель расширяется, и в закрытой отопительной системе для нейтрализации этого явления используется расширительный бак. Эти устройства делятся на два типа, и именно от них зависит, будет система закрытой или открытой. Замкнутая система отопления подразумевает наличие бака, который не контактирует с окружающей средой, а в открытой отопительной системе бак взаимодействует с воздухом.

Для циркуляции теплоносителя в закрытых отопительных системах используются насосы, которые обеспечивают постоянное движение жидкости на достаточном уровне. Использование насосов позволяет закрытой системе работать гораздо эффективнее, варьируя скорость движения теплоносителя (прочитайте: " ").

Принудительная циркуляция хороша еще и тем, что в такую систему можно подключать дополнительные контуры с подключенными отопительными приборами. Конечно, такие системы становятся энергозависимыми, поскольку для функционирования насосов требуется электричество, но этот недостаток компенсируется высоким КПД всей конструкции.

Насосы в замкнутой отопительной системе монтируется на трубе обратки непосредственно перед котлом. В этом же месте можно разместить и расширительный бачок. Закрытая система отопления имеет ряд плюсов, которые становятся очевидными при сравнении с другими типами отопительных систем: установка системы осуществляется без особых затруднений, поскольку не нужно соблюдать постоянный уклон. Трубопроводу не потребуется утепление, да и сам трубопровод можно сделать потоньше, что скажется не только на его эстетических качествах, но и на стоимости конструкции.

В закрытой отопительной системе теплоноситель не может испаряться, поэтому следить за его уровнем придется гораздо реже. Кроме того, использование циркуляционных насосов обеспечивает ускоренный прогрев помещений, а если установить в контуре термостаты, то появляется возможность тонкой настройки температурного режима во всем доме.

Элементы системы отопления замкнутого типа

Схема замкнутой системы отопления содержит большое количество элементов:

• отопительный котел;
• мембранный расширительный бачок;
• циркуляционный насос;
• отопительные приборы;
• трубы для прокладки контура, установки стояков и подводок;
• фитинги;
• краны;
• фильтры;
• крепежные элементы.

Принцип работы замкнутой отопительной системы

В котле происходит нагрев теплоносителя, после чего он разносится по отопительным приборам через трубопровод. Когда теплоноситель заполняет все пространство контура, к работе присоединяется расширительный бак, вмещая в себя излишки жидкости. Мембранный расширительный бачок состоит из двух полостей: в одну из них поступает лишний теплоноситель, а вторая часть заполнена газом или воздухом. Читайте также: " ".

При монтаже в закрытой отопительной системе создается давление, которое в дальнейшем задает давление всему контуру. Нагрев теплоносителя провоцирует увеличение давления в системе, и его излишки вместе с возникшим давлением поступают в бак, прогибая расположенную в нем мембрану. Дальнейший путь теплоносителя пролегает через циркуляционный насос, и работа системы продолжается в штатном режиме.

Особенности схемы замкнутой системы отопления

В закрытой отопительной системе с принудительной циркуляцией есть несколько особенностей:

1. Возможность установки расширительного бачка и циркуляционного насоса рядом с отопительным котлом, что позволяет снизить затраты на трубы и упрощает монтаж всей системы.
2. Полная герметичность бака приводит к тому, что теплоноситель не может испаряться из системы, а сам трубопровод надежно защищен от попадания воздуха.
3. Устанавливать расширительный бачок и насос нужно на трубе обратки. Эксплуатация насоса возможна лишь в том случае, когда через него проходит жидкость, имеющая низкую температуру.
4. По сравнению с открытой отопительной системой, замкнутая может располагаться в помещениях любой площади.

Плюсы и минусы замкнутой отопительной системы

Схема замкнутой системы отопления, в которой движение теплоносителя осуществляется принудительно, имеет свои преимущества и недостатки. Отрицательных моментов меньше, но они в некоторых случаях являются решающими.

Достоинства замкнутой системы отопления:

• высокий КПД;
• невозможность испарения жидкости;
• использование труб уменьшенного диаметра;
• повышение срока службы котла за счет разности температур на подающем и обратном контурах;
• снижение коррозийного влияния на трубопровод;
• возможность применения антифриза.

Недостатки замкнутой системы отопления:

• зависимость от электричества, особенно в регионах, где перебои с электроэнергией – не редкость;
• необходимость установки более сложного, вместительного и дорогого расширительного бачка.

Переоборудование открытой системы в закрытую

Замкнутая система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя используется довольно редко, но исключительно из-за своих особенностей. О каких особенностях идет речь, и как осуществляется переход от одного типа системы к другой? При монтаже открытой отопительной системы мысль о переходе на замкнутую систему приходит нечасто, но сделать это довольно просто – достаточно установить мембранный расширительный бак, и конструкция сразу же станет закрытой.

Конечно, всегда есть возможность спроектировать подобную схему, но она будет обладать некоторыми минусами двух типов систем. Для обеспечения естественного движения теплоносителя трубопровод необходимо укладывать с соблюдением постоянного уклона, что нередко приводит к появлению воздушных пробок и существенно усложняет монтаж.

Какие преимущества даст такая конструкция? Независимость от электричества в данном случае является единственным плюсом, но его необходимость можно подвергнуть сомнению: как правило, в большинстве домов электричество есть всегда. Стоимость насоса и эксплуатационные расходы, связанные с его использованием, достаточно невысоки, поэтому классическая замкнутая схема все же гораздо лучше, чем открытая.

Установка системы отопления

Перед монтажом отопительной системы составляется проект, согласно которому и будут устанавливаться все элементы. Чтобы выбранная схема оправдывала себя, необходимо грамотно подобрать устройства, которые будут работать в контуре, и начать стоит с выбора отопительного котла. Выбирая котел, нужно отталкиваться от типа котла, зависящего от используемого топлива, и его мощности.

В последние годы получают распространение твердотопливные котлы, которые практически не требуют эксплуатационных затрат, но можно выбрать и другой вариант из числа представленных на рынке.

Как рассчитывается мощность системы? При проведении усредненных расчетов обычно берется соотношение 1 кВт мощности на 10 квадратных метров помещения. Выбрав подходящий котел, можно начинать расчет отопительных приборов. Лучшим вариантом являются радиаторы, характеристики которых индивидуальны, но отличий в них обычно немного, поэтому выбирать подходящие устройства можно, исходя из личных предпочтений. Кроме котла и отопительных приборов, потребуются и остальные элементы, да и установку системы тоже нужно включать в расчеты.

Приблизительная стоимость конструкции может колебаться в пределах от 4000 до 4500 тысяч долларов, но при желании можно найти варианты дешевле или дороже. Важно помнить, что слишком дешевая конструкция может не обеспечить дом необходимым количеством тепла, а чересчур дорогие варианты часто не оправдывают возложенных надежд.

Заключение

Какие выводы можно сделать из всего вышесказанного? Замкнутая система отопления с принудительной циркуляцией достаточно надежна и долговечна, и такая конструкция прослужит дому на протяжении многих лет. При необходимости можно использовать в закрытой схеме и естественную циркуляцию, но этот вариант создаст некоторые неудобства, без которых вполне можно было бы обойтись.

Принцип работы циркуляционного контура

Движение продуктов сгорания по газоходам котла осуществляется за счет разряжения, создаваемого дымососом. В верхней части топки разряжение составляет не более 30 мм водяного столба, а перед дымососом 200 мм. Поэтому для устранения присосов холодного воздуха по длине газохода обмуровку котла тщательно уплотняют. Воздух необходимый для горения, через воздухоподогреватель подается в топку котла с помощью дутьевого вентилятора. Питательная вода, прошедшая предварительную подготовку подается в экономайзер, где подогревается до температуры насыщения, а затем подается в барабан котла. В барабане она смешивается с котловой водой, затем по опускным трубам попадает в нижний коллектор, из которого по подъемным экранным трубам вода, а затем пароводяная смесь, поднимается обратно в барабан. В барабане происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду. Пар скапливается в верхней части барабана, а затем направляется в пп, где нагревается до заданной температуры. Вода находящиеся в нижней части барабана, снова направляется в опускные трубы. Этот замкнутый контур состоящий из барабана опускных труб нижнего коллектора и подъемных экранных труб называется циркуляционным контуром котла

Движение воды в опускных и пароводяной смеси в испарительных обогреваемых трубах происходит за счет разности плотностей воды и пароводяной смеси. Пароводяная смесь образ в подъемных трубах за счет теплоты, излучаемым факелом и раскаленными продуктами сгорания. Поднимаясь в барабан, пароводяная смесь разделяется на пар и воду, при этом пар скапливается в верхней части барабана, а оставшая вода подается обратно в опускные трубы, по которым спускается в нижний коллектор, и далее направляется в подъемные трубы. В циркуляционном контуре вода находится в состоянии насыщения. Высота контура для котлов различной производительности сильно отличается. Для котлов низкой производительности она составляет от 3 до 5 м, для котлов средней производительности до 12 м и котлов высокой производительности 30-40 м. в результате такой значительной высоты вода в нижней части контура имеет некоторый недогрев за счет статического давления столба воды.

ПРИМЕР. Котел с давлением 13 атм, высота контура 10 м. Значит давление в нижней части будет 14 атм. Давлению 13 атм соответствует температура насыщения 194 градуса С, а давлению 14 атм – 197 градусов С. Таким образом, в нижнем коллекторе температура котловой воды будет на 3 градуса ниже температуры насыщения. Поэтому в нижней части подъемных труб происходит нагрев воды до температуры насыщения. Испарения здесь не происходит и поэтому эту часть называют экономайзерной частью. По высоте обогревательных труб становится меньше, а паросодержание растет.

Движущая сила естественной циркуляции определяется:

S дв = H*(ρ 1 – ρ пв)*g H-высота контура; ρ 1 - плотность воды в опускных трубах; ρ пв - средняя плотность пароводяной смеси

Напор естественной циркуляции может достигать до 0,5-0,8 атм. Котлы, работающие за счет разности плотностей воды и пароводяной смеси, называются котлами с естественной циркуляцией . Если движущей силы циркуляции не достаточно для обеспечения заданной кратности в котле, то тогда в циркуляционный контур устанавливают дополнительный циркуляционный насос. Такие котлы называются котлами с многократно принудительной циркуляцией . В тех случаях, когда в котлах очень высокое давление и разность плотностей воды и пароводяной смеси становится незначительной, а высокая температура не позволяет использовать циркуляционный насос для получения пара, используют прямоточные котлы, в которых отсутствует контур циркуляции.

Использование: в струйной технике. Сущность изобретения: устройство отвода тепла подключено трубопроводами /ТП/ подачи и возврата жидкости соответственно к выходу пароструйного инжектора и его патрубку подвода пассивной среды. Адиабатный испаритель установлен на ТП возврата жидкости. Инжектор пускоразгрузочным ТП подключен к водосборнику. Поплавок размещен в водосборнике и жестко соединен с обратным клапаном /ОК/, установленным на конце пускоразгрузочного ТП. ТП подачи жидкости на выходе инжектора снабжен ОК. Испаритель снабжен ОК и подключен через него к пускоразгрузочному ТП. ТП возврата жидкости на участке между инжектором и испарителем снабжен ОК. ТП подпитки подключен к ТП возврата на участке между инжектором и ОК. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к струйной технике и может быть использовано в технологиях, связанных с подводом и отводом тепла при циркуляции жидкости по замкнутому контуру, например, в системах водяного отопления, пастеризации пищевых продуктов и т.п. Известны аналогичные системы , в которых циркуляция жидкости в контуре осуществляется электронасосами, а отвод и подвод тепла - поверхностными теплообменниками. Недостатками аналогичных систем являются: невозможность использования тепловой энергии источника тепла для создания напора для циркуляции, использование механических устройств для создания циркуляции жидкости в контуре. Известна система , позволяющая использовать в качестве источника энергии для циркуляции жидкости по замкнутому контуру энергию пара, отбираемого от горячей жидкости перед поступлением к теплопотребителю. Недостатком такой системы нагрева и транспортирования жидкости являются: малая эффективность использования для создания циркуляции низкопотенциального пара (при адиабатном вскипании горячей жидкости с температурой 95 о С генерируется пар с давлением ниже атмосферного на 50 кПа). При таких низких давлениях пара и при обычной, например для замкнутых контуров отопления, температуре воды ("холодной"), возвращаемой от потребителя тепла к источнику тепла, около 70 о С, работа пароструйных аппаратов становится неустойчивой. К недостаткам этой системы следует отнести необходимость увеличения расхода горячей жидкости, т.к. до потребителя тепла часть тепловой энергии жидкости будет использована для получения пара, а также невозможность превратить в контуре непосредственно часть тепловой энергии подводимой в поверхностном теплообменнике в механическую энергию движения жидкости. Для запуска этой системы необходим сторонний побудитель циркуляции жидкости. Наиболее близким аналогом является система , в которой энергия пара в паровом инжекторе обеспечивает принудительное движение - циркуляцию жидкости в танке, совмещая нагрев жидкости и создание напора для ее циркуляции. Предусмотренное системой наличие поплавкового регулятора на линии подпитки воды обеспечивает постоянство уровня жидкости в танке. Недостатками прототипа являются: паровой инжектор обеспечивает нагрев жидкости и создает напор для циркуляции жидкости в танке и не обеспечивает циркуляцию нагретой жидкости к потребителю и ее возврат; при высокой температуре жидкости в танке возможна неполная конденсация пара, что обусловит появление дополнительных энергетических потерь; так как нагрев жидкости осуществляется в объеме танка за счет многократной циркуляции жидкости через паровой инжектор, то всегда будет иметь место определенная неравномерность температуры жидкости по объему танка и следовательно температуры жидкости, направляемой к потребителю; для циркуляции нагретой жидкости к потребителю необходимо расположение танка на большей относительно потребителя высоте ("гравитационная" циркуляция предусмотрена в аналоге) либо устанавливать электронасосы; с увеличением производительности системы (расхода нагретой жидкости к потребителю) для сохранения допустимой неравномерности нагрева необходимо увеличивать объем танка; система имеет значительную тепловую инерционность, обусловленную процессами нагрева жидкости в объеме танка. Для ликвидации перечисленных недостатков необходимо: использовать энергию пара одновременно для нагрева жидкости и для транспортирования ее к потребителю и обратно по замкнутому контуру. Это позволит повысить надежность и экономичность работы системы в целом; понизить температуру жидкости, возвращаемой от теплопотребителя перед поступлением на вход пароструйного аппарата, что повысит надежность и устойчивость циркуляции; уменьшить тепловую инерционность системы. Сущность изобретения заключается в том, что подвод тепла и создание напора для циркуляции жидкости к потребителю тепла и обратно осуществляется в пароструйном инжекторе, в котором энергия пара используется одновременно для нагрева жидкости и создания напора для циркуляции в замкнутом контуре. Предлагаемая система содержит трубопровод подпитки, трубопровод подачи активной (паровой) среды, пароструйный инжектор и устройство отвода тепла, подключенное посредством трубопроводов подачи и возврата жидкости соответственно к выходу инжектора и его патрубку подвода пассивной среды, адиабатный испаритель, водосборник, пускоразгрузочный трубопровод с обратным клапаном и поплавком, при этом адиабатный испаритель установлен на трубопроводе возврата жидкости, инжектор посредством пускоразгрузочного трубопровода подключен к водосборнику, поплавок размещен в последнем и жестко соединен с обратным клапаном, установленным на конце пускоразгрузочного трубопровода, трубопровод подачи жидкости на выходе инжектора снабжен обратным клапаном, адиабатный испаритель снабжен обратным клапаном и подключен через последний к пускоразгрузочному трубопроводу, трубопровод возврата жидкости на участке между инжектором и испарителем снабжен обратным клапаном, а трубопровод подпитки подключен к трубопроводу возврата на участке между инжектором и обратным клапаном. Для систем с высокой температурой возвращаемой от потребителя тепла пассивной среды дополнительно система снабжена пароструйным эжектором, установленным на трубопроводе подачи активной среды перед инжектором, при этом патрубок подвода пассивной среды эжектора через обратный клапан подключен к адиабатному испарителю. Устойчивость работы предлагаемой системы обеспечивается понижением температуры жидкости на входе в инжектор, оснащением системы предохранительным клапаном (устройством ограничения давления жидкости в системе циркуляции), а также системой подпитки контура циркуляции, используемой при заполнении замкнутого контура жидкостью, пуске системы и при ограниченной разгерметизации контура. Для повышения надежности пуска замкнутая система циркуляции жидкости оснащается обратными клапанами на выходе нагретой жидкости из пароструйного аппарата, на выходе пара из адиабатного испарителя и между зоной сверхзвукового двухфазного течения в пароструйном аппарате и атмосферой. При этом повышение экономичности пуска системы и устранение возможности подсоса воздуха в контур циркуляции жидкости осуществляется за счет того, что обратный клапан на линии связи зоны сверхзвукового двухфазного потока пароструйного аппарата с атмосферой помещается под уровень жидкости в дополнительную емкость, в которой известными способами автоматически обеспечивается минимально допустимый уровень жидкости. При температурах жидкости на выходе из устройств отвода тепла до 70 о С достаточен отсос пара из адиабатного испарителя в инжектор, при этом будет обеспечиваться поддержание глубокого вакуума в испарителе и, следовательно, достаточного охлаждения жидкости в испарителе. При температурах жидкости на выходе более 70 о С для обеспечения более глубокого охлаждения жидкости отсос паров из испарителя дополнительно осуществляется пароструйным эжектором, установленным на паропроводе перед инжектором. Указанная сущность представлена на чертеже. Система включает трубопровод подачи активной среды (пара) 1, соединенный через вентиль 2 с пароструйным инжектором 3 непосредственно или через пароструйный эжектор 4 с патрубком 5. Выход из пароструйного инжектора 3 соединен трубопроводом подачи нагретой жидкости 6 с устройством отвода тепла 7 и на этом трубопроводе установлен обратный клапан 8. Выход жидкости из устройства 7 соединен трубопроводом возврата 9 с патрубком 10 инжектора 3, образуя таким образом замкнутый контур циркуляции. На трубопроводе возврата 9 после вентиля 11 размещен адиабатный испаритель 12, который трубопроводами с обратными клапанами 13, 14, 15 соединен соответственно с инжектором 3, эжектором 4 и пускоразгрузочным трубопроводом 16, соединяющим патрубок 17 инжектора 3 с водосборником 18 через обратный клапан 19, соединенный с поплавком 20. К трубопроводу возврата 9 между инжектором 3 и обратным клапаном 15 подсоединен трубопровод подпитки 21 системы с вентилем 22. На трубопроводе возврата 9 между устройством отвода тепла 7 и вентилем 11 установлен предохранительный клапан 23. На чертеже условно показаны зона I - зона сверхзвукового течения в эжекторе 4 и зона II - зона сверхзвукового двухфазного течения в инжекторе 3. При относительно невысоких температурах жидкости на выходе из устройства отвода тепла 7 (не выше 70 о С) можно упростить приведенную на чертеже систему, а именно исключить из системы пароструйный эжектор 4 и трубопровод с обратным клапаном 14, соединяющий эжектор с испарителем 12. Система при этом работает следующим образом. Для заполнения обезвоженной системы открывают вентиль 22 и по трубопроводу подпитки 21 вода под давлением через патрубок 10 поступает в пароструйный инжектор 3, оттуда через патрубок 17 по пускоразгрузочному трубопроводу 16 в водосборник 18, при этом всплывающий при повышении уровня поплавок 20 оказывает усилие на открытие обратного клапана 19. При закрытом вентиле 11 открывают вентиль 2 и по трубопроводу подачи активной среды 1 подают пар в пароструйный инжектор 3. Уже при минимальной подаче пара в инжекторе 3 формируется сверхзвуковая газожидкостная зона течения II, в которой в связи с большими скоростями течения создается вакуум. На выходе из зоны II в сверхзвуковом газожидкостном потоке происходит переход в дозвуковое течение жидкости в скачке давления с полной конденсацией пара в потоке, при этом за счет энергии пара происходит нагрев жидкости и создается напор для транспортирования потока дальше, вызывающий открытие обратного клапана 8 и заполнение всей системы до вентиля 11. Так как пускоразгрузочный трубопровод 16 оказывается при этом сообщенным с вакуумированной зоной II инжектора 3, то через принудительно открытый всплывшим при поступлении жидкости в водосборник 18 поплавком 20, обратный клапан 19 жидкость из водосборника 18 отсасывается в систему до тех пор, пока из-за падения уровня воды не прекратится воздействие поплавка 20 на клапан 19. Заполнение системы жидкостью прекратится, когда увеличение давления в системе приводит к открытию настроенного на определенное давление срабатывания предохранительного клапана 23 и жидкость из системы будет отводиться, например, в предназначенную для сбора емкость. Открывая вентиль 22 и закрывая вентиль 11, включают в работу адиабатный испаритель 12, при этом образовавшийся в испарителе пар, как пассивная для создания циркуляции среда, будет отсасываться через обратный клапан 13, трубопровод 16 и патрубок 17 в устройство 3 с последующей конденсацией в скачке давления. Охлажденная за счет адиабатного вскипания жидкость через обратный клапан 15 и трубопровод 9 подается в патрубок 10 инжектора 3. Это понижение температуры жидкости делает возможным сохранение сверхзвукового газожидкостного потока II в зоне II инжектора 3. Степень нагрева жидкости в устройстве и максимально достижимый напор для циркуляции нагретой жидкости зависит от давления пара перед инжектором 3 и регулируется вентилем 2. При наличии неплотности в контуре можно временно вентилем 22 обеспечивать подпитку системы. Роль предохранительного клапана 23 могут выполнить также и часто используемые в системах отопления расширительные баки, располагаемые на достаточной высоте. При высоких (более 70 о С) температурах жидкости в трубопроводе возврата 9 на выходе из устройства отвода тепла 7 возникает необходимость более глубокого охлаждения жидкости, поступающей в патрубок 10 инжектора 3. Это требует более интенсивного вскипания жидкости в испарителе 12 и увеличения количества пара, отводимого из испарителя. В этом случае необходимо дополнительное устройство - пароструйный эжектор 4 для отсосов паров из испарителя 12 и кроме процессов в системе, описанных выше, дополнительно будут происходить следующие процессы. При открытии вентиля 2 и подаче достаточного для работы эжектора 4 пара создается вакуумированная зона сверхзвукового течения пара 1, в которую по трубопроводу через открывающийся за счет вакуума в зоне 1 обратный клапан 14 отсасываются образовавшиеся в испарителе 12 пары, которые при этом являются пассивной средой относительно активной - пара, поступающего через вентиль 2. К инжектору 3 через вентиль 22 подается подпиточная вода с температурой не выше 40 о С и давлением не ниже 50 кПа. Вода поступает по трубопроводу 16 в водосборник 18. При открытии парового вентиля 2 и поднятия давления пара перед инжектором 3 до 100 кПа возникает сверхзвуковая зона II в инжекторе 3 и открывается обратный клапан 8, жидкость из трубопровода подпитки 21 и водосборника 18 поступает в трубопровод подачи 6, заполняя систему. Вентилем 2 увеличивают подачу пара с тем, чтобы увеличить температуру жидкости на выходе из инжектора 3 до значения близкого к номинальному - 95 о С. При давлении пара перед устройством равным 300 кПа будет достигнута эта температура. При этом в зоне I инжектора 4 создается вакуум 90 кПа. После заполнения системы и поднятия в ней давления жидкости перед предохранительным клапаном до 150 кПа, клапан открывается и начинается отвод избытка жидкости из системы. При открытии вентиля 11 жидкость из устройства для отвода тепла 7 поступает в испаритель 12, где осуществляется ее вскипание и температура ее на выходе из испарителя к инжектору 3 снизится с 75 о С до 45 о С, при этом за счет отсоса паров в эжектор 4 и через пускоразгрузочный трубопровод 16 в инжектор 3 будет поддерживаться вакуум в испарителе 90 кПа. После закрытия вентиля 22 положением вентиля 2 поддерживают температуру нагретой жидкости перед устройством отвода тепла 7 равным 95 о С. Предлагаемая система позволяет повысить надежность и экономичность работы системы за счет использования тепловой энергии пара одновременно для нагрева и создания напора для циркуляции жидкости в замкнутом контуре к потребителю тепла и обратно, исключив применение для этих целей механических устройств, металлоемких теплообменников. Повышается надежность и устойчивость циркуляции жидкости в контуре, т.к. с помощью адиабатного испарителя понижается температура жидкости, поступающей в пароструйный инжектор при создании напора циркуляции. Созданы возможности простого и надежного пуска системы без использования специальных для этого устройств (побудителей циркуляции).

Формула изобретения

1. СИСТЕМА НАГРЕВА И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ЖИДКОСТИ В ЗАМКНУТОМ КОНТУРЕ ЦИРКУЛЯЦИИ, содержащая трубопровод подпитки, трубопровод подачи активной среды, пароструйный инжектор и устройство отвода тепла, подключенное посредством трубопроводов подачи и возврата жидкости соответственно к выходу инжектора и его патрубку подвода пассивной среды, отличающаяся тем, что система дополнительно снабжена адиабатным испарителем, водосборником и пускоразгрузочным трубопроводом с обратным клапаном и поплавком, при этом адиабатный испаритель установлен на трубопроводе возврата жидкости, инжектор посредством пускоразгрузочного трубопровода подключен к водосборнику, поплавок размещен в последнем и жестко соединен с обратным клапаном, установленным на конце пускоразгрузочного трубопровода, трубопровод подачи жидкости на выходе инжектора снабжен обратным клапаном, адиабатный испаритель снабжен обратным клапаном и подключен через последний к пускоразгрузочному трубопроводу, трубопровод возврата жидкости на участке между инжектором и испарителем снабжен обратным клапаном, а трубопровод подпитки подключен к трубопроводу возврата на участке между инжектором и обратным клапаном. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что система дополнительно снабжена пароструйным эжектором, установленным на трубопроводе подачи активной среды перед инжектором, при этом патрубок подвода пассивной среды эжектора через обратный клапан подключен к адиабатному испарителю.

Как уже неоднократно упоминалось, главным недостатком системы отопления с естественной циркуляцией теплоносителя является низкий циркуляционный напор (особенно в квартирной системе) и вследствие этого увеличенный диаметр труб. Достаточно слегка ошибиться с выбором диаметров труб и теплоноситель уже «зажат» и не может преодолеть гидравлического сопротивления. «Разжать» систему можно без каких-либо значительных переделок: включить в нее циркуляционный насос (рис. 12) и перенести расширительный бачок с подачи на обратку. Следует заметить, что перенос расширителя на обратку не всегда обязателен. При простой переделке несложной отопительной системы, например, квартирной, бачок можно оставить там, где он стоял. При правильной реконструкции или устройстве новой системы бачок переносится на обратку и заменяется с открытого на закрытый.

Рис. 12. Циркуляционный насос

Какой мощности должен быть циркуляционный насос, как и куда его устанавливать?

Циркуляционные насосы для бытовых систем отопления имеют низкое потребление электроэнергии - около 60–100 ватт, то есть как обычная лампочка, они не поднимают воду, а лишь помогают ей преодолеть местные сопротивления в трубах. Эти насосы можно сравнить с движителем (винтом) корабля: винт толкает воду и обеспечивает продвижение судна, но при этом воды в океане не убавляется и не прибавляется, то есть общий баланс воды остается прежним. Циркуляционный насос, закрепленный к трубопроводу, толкает воду, но сколько бы он ее не вытолкнул, с другой стороны к нему поступает такое же количество воды, то есть опасения, что насос вытолкнет теплоноситель через открытый расширитель напрасны: система отопления, это замкнутый контур и количество воды в нем постоянное. Помимо циркуляционных в централизованные системы могут быть включены повысительные насосы, которые повышают давление и способны поднимать воду, их собственно и нужно называть насосами, а циркуляционные, в переводе на общепонятный язык, и насосами-то назвать трудно - так… вентиляторы. Сколько бы не гонял обычный бытовой вентилятор воздух по квартире, все на что он способен, это создать ветерок (циркуляцию воздуха), но не способен изменить атмосферное давление даже в наглухо закрытом помещении.

В результате применения циркуляционного насоса значительно увеличивается радиус действия отопительной системы, сокращаются диаметры трубопроводов и создается возможность присоединения систем к котлам с повышенными параметрами теплоносителя. Чтобы обеспечить бесшумную работу водяной системы отопления с насосной циркуляцией, скорость движения теплоносителя не должна превышать: в трубопроводах, прокладываемых в основных помещениях жилых зданий, при условных проходах труб 10, 15 и 20 мм и более соответственно 1,5; 1,2 и 1 м /с; в трубопроводах, прокладываемых в вспомогательных помещениях жилых зданий - 1,5 м /с; в трубопроводах, прокладываемых в вспомогательных зданиях - 2 м /с.

Для обеспечения бесшумности системы и доставки ею требуемого объема теплоносителя необходимо произвести небольшой расчет. Мы уже знаем, как ориентировочно определить требуемую мощность котла (в киловаттах), исходя из площади отапливаемых помещений. Оптимальный расход воды, проходящий через котел, рекомендованный многими фирмами-изготовителями котельного оборудования, рассчитывается по простой эмпирической формуле: Q=P, где Q - расход теплоносителя через котел, л/мин; Р - мощность котла, кВт. Например, для котла мощностью 30 кВт расход воды составляет примерно 30 л/мин. Для определения расхода теплоносителя на любом участке циркуляционного кольца используем эту же формулу, зная мощность устанавливаемых на этом участке радиаторов, например, производим расчет расхода воды для радиаторов, установленных в одной комнате. Предположим, что мощность радиаторов составляет 6 кВт, значит и расход теплоносителя примерно составит 6 л/мин.

По расходу воды определяем диаметры трубопроводов (табл. 1). Эти величины отвечают принятым на практике соответствиям диаметров труб с расходом протекающего по ним теплоносителя со скоростью не более 1,5 метров в секунду.

Таблица 1

Далее определяем мощность циркуляционного насоса. На каждые 10 метров длины циркуляционного кольца требуется 0,6 метра напора насоса. Например, если общая длина трубопроводного кольца 90 метров, напор насоса должен быть 5,4 метра. Идем в магазин (или подбираем по каталогу) и приобретаем насос с устраивающим нас напором. Если применяются трубы меньших диаметров, чем рекомендованные в предыдущем абзаце, мощность насоса должна быть увеличена, так как чем тоньше трубы, тем больше в них гидравлическое сопротивление. И соответственно, при применении труб больших диаметров мощность насоса может быть уменьшена.

Для того чтобы обеспечить в системах отопления постоянную циркуляцию воды, желательно устанавливать не менее двух циркуляционных насосов, один из которых - рабочий, другой (на байпасе) - резервный. Либо на систему устанавливается один насос, а другой лежит в укромном месте, на случай быстрой замены при поломке первого.

Необходимо отметить, что приведенный здесь расчет системы отопления крайне примитивен и не учитывает многих факторов и особенностей индивидуальной системы отопления. Если вы строите коттедж со сложной архитектурой системы отопления, то необходимо производить точные расчеты. Это могут сделать только инженеры-теплотехники. Строить многомиллионное сооружение без исполнительной документации - проекта, учитывающего все особенности постройки, крайне не разумно.

Циркуляционный насос в отопительной системе заполнен водой и испытывает равное (если вода не нагревается) гидростатическое давление с двух сторон - со стороны входного (всасывающего) и выходного (нагнетательного) патрубков, соединенных с теплопроводами. Современные циркуляционные насосы, сделанные с водяной смазкой подшипников, можно размещать как на подающем, так и на обратном трубопроводе, но чаще всего их ставят на обратке. Изначально это было обусловлено чисто технической причиной: при размещении в более холодной воде увеличивался срок службы подшипников, ротора и сальниковой набивки, через которую проходит вал насоса. А сейчас их ставят на обратку скорее по привычке, так как с точки зрения создания искусственной циркуляции воды в замкнутом контуре местоположение циркуляционного насоса безразлично. Хотя размещение их на подающем трубопроводе, где обычно меньше гидростатическое давление, более рационально. Например, расширительный бачок установлен в вашей системе на высоте 10 м от котла, значит, он создает статическое давление 10 м водяного столба, но это утверждение верно только для нижнего трубопровода, в верхнем давление будет меньше, так как столб воды здесь будет меньшей величины. Где бы мы не расположили насос, он будет с двух сторон подвергаться одинаковому давлению, даже если его поставить на вертикальном главном подающем или обратном стояке, разница давлений между двумя патрубками насоса будет невелика, так как насосы имеют небольшие размеры.

Однако все не так просто. 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 насос лишь обеспечивает циркуляцию при неизменном количестве воды. 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, гидростатическое давление в точке присоединения расширителя к трубам системы будет постоянным. Эту точку называют нейтральной, так как циркуляционное давление, развиваемое насосом, никак не влияет на статическое давление, создаваемое расширительным бачком. Другими словами, давление циркуляционного насоса в этой точке равно нулю.

В любой закрытой гидравлической системе циркуляционный насос использует расширительный бак как точку отсчета, в которой 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. Другими словами, если циркуляционный насос врезать в трубопровод сразу после точки подсоединения расширительного бачка, то он будет отсасывать воду из бачка и нагнетать ее в систему, если насос установить перед точкой подсоединения бачка, то насос будет откачивать воду из системы и нагнетать ее в бачок.

Ну и что, какая нам разница откачивает насос воду из бачка или нагнетает в него, лишь бы он крутил ее по системе. А разница есть и существенная: в работу системы вмешивается статическое давление, создаваемое расширительным бачком. В трубопроводах, расположенных в зоне нагнетания насоса, следует считаться с повышением гидростатического давления по сравнению с давлением воды в состоянии покоя. Напротив, в трубопроводах расположенных 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. То есть, в результате разности давлений в системе появляется опасность всасывания или высвобождения воздуха либо вскипания теплоносителя.

Во избежание нарушения циркуляции воды из-за ее вскипания или подсасывания воздуха при конструировании и гидравлическом расчете систем водяного отопления должно соблюдаться правило: в зоне всасывания в любой точке трубопроводов системы отопления гидростатическое давление при действии насоса должно оставаться избыточным. Возможны четыре способа выполнения этого правила (рис. 13).

Рис. 13. Принципиальные схемы систем отопления с насосной циркуляцией и открытым расширительным бачком

1. Подъем расширительного бака на достаточную высоту (обычно не менее 80 см). Это достаточно простой способ при реконструкции систем с естественной циркуляцией в циркуляцию насосную, но требует значительного по высоте чердачного помещения и тщательного утепления расширительного бачка.
2. Перемещение расширительного бака к наиболее опасной верхней точке с целью включения верхней магистрали в зону нагнетания. Здесь необходимо сделать пояснение. В новых отопительных системах подающие трубопроводы с насосной циркуляцией делаются с уклонами не от котла, а к котлу, для того чтобы воздушные пузырьки двигались попутно с водой, так как побудительная сила циркуляционного насоса не даст им выплыть «против течения», как это было в системах с естественной циркуляцией. Поэтому верхняя точка системы получается не на главном стояке, а на наиболее удаленном. Для реконструкции старой системы с естественной циркуляцией в насосную этот способ достаточно трудоемок, так как требует переделки трубопроводов, а для создания новой системы - не оправдан, так как возможны другие, более удачные варианты.
3. Присоединение трубы расширительного бака вблизи всасывающего патрубка циркуляционного насоса. Другими словами, если реконструируем старую систему с естественной циркуляцией, то просто отрезаем бачок от подающей магистрали и перестыковываем его на обратку позади циркуляционного насоса и тем самым создаем для насоса наиболее благоприятные условия.
4. Отходим от привычной схемы размещения насоса на обратке и включаем его в подающую магистраль сразу после точки подсоединения расширительного бачка. При реконструкции системы с естественной циркуляцией это самый простой способ: просто врезаем насос в трубу подачи, ничего больше не переделывая. Однако к выбору насоса нужно отнестись очень внимательно, все-таки мы размещаем его в неблагоприятные условия высоких температур. Насос должен будет долго и надежно служить, а это могут гарантировать только солидные фирмы-изготовители.

Современный рынок сантехнической и отопительной арматуры позволяет заменить расширительные бачки открытого типа на закрытые. В закрытом бачке не происходит соприкосновения жидкости системы с воздухом: теплоноситель не испаряется и не обогащается кислородом. Это снижает потери тепла и воды, уменьшает внутреннюю коррозию отопительных приборов. Из закрытого бачка жидкость никогда не выльется наружу.

Расширительный бачок закрытого типа («экспанзомат») - капсула шарообразной или овальной формы, разделенная внутри герметичной мембраной на две части: воздушную и жидкостную. В воздушную часть корпуса под определенным давлением закачивается азотосодержащая смесь. До заполнения отопительной системы водой давление газовой смеси внутри бака плотно прижимает диафрагму к водяной части бака. Нагревание воды приводит к созданию рабочего давления и увеличению объема теплоносителя - мембрана выгибается в сторону газовой части бака. При максимальном рабочем давлении и максимальном увеличении объема воды происходит заполнение водяной части бака и максимальное сжатие газовой смеси. Если давление продолжает повышаться и продолжает расти объем теплоносителя, то срабатывает предохранительный клапан сбрасывающий воду (рис. 14).

Рис. 14. Расширительный бачок мембранного типа

Объем бака подбирают таким, чтобы его полезный объем был не менее объема температурного расширения теплоносителя, а предварительное давление воздуха в газовой части бачка делают равным статическому давлению столба теплоносителя в системе. Такой подбор давления газовой смеси позволяет держать мембрану в равновесном (не в натянутом) положении при заполненной, но не включенной системе отопления.

Бачок закрытого типа можно поставить в любой точке системы, но, как правило, его устанавливают рядом с котлом, так как температура жидкости в месте установки расширительного бака должна быть по возможности минимальной. А мы уже знаем, что циркуляционный насос лучше всего устанавливать сразу за расширителем, где для него (да и для системы отопления в целом) создаются наиболее благоприятные условия (рис. 15).

Рис. 15. Принципиальные схемы систем отопления с насосной циркуляцией и расширительным бачком закрытого типа

Однако при такой схеме системы отопления мы сталкиваемся с двумя проблемами: удалением воздуха и повышенным давлением на котле.

Если в системах с открытыми расширительными бачками воздух удалялся через расширитель противотоком (в системах с естественной циркуляцией) или попутно (в системах с насосной циркуляцией), то с закрытыми бачками такого не происходит. Система полностью замкнута и воздуху попросту негде вырваться наружу. Для удаления воздушных пробок в верхней точке трубопровода устанавливаются автоматические спускники воздуха - приборы, снабженные поплавками и запорными клапанами. По мере увеличения давления клапан срабатывает и стравливает воздух в атмосферу. Либо на каждый радиатор отопления устанавливаются краны Маевского. Эта деталь, установленная на отопительные приборы, позволяет спускать воздушную пробку непосредственно из радиаторов. Кран Маевского входит в комплект некоторых моделей радиаторов, но чаще предлагается отдельно.

Рис. 16. Автоматический воздухоотводчик

Принцип действия воздухоотводчиков (рис. 16) заключается в том, что при отсутствии воздуха поплавок внутри прибора держит выпускной клапан закрытым. Когда воздух собирается в поплавковой камере, уровень воды внутри воздухоотводчика понижается. Поплавок опускается и открывается выпускной клапан, через который воздух выводится в атмосферу. После выхода воздуха уровень воды в воздухоотводчике повышается и поплавок всплывает, что приводит к закрытию выпускного клапана. Процесс продолжается до тех пор, пока воздух вновь не соберется в поплавковой камере и не понизит уровень воды, опуская поплавок. Автоматические воздухоотводчики изготавливаются разных конструкций, форм и размеров и могут устанавливаться как на магистральном трубопроводе, так и непосредственно (Г-образной формы) на радиаторах.

Кран Маевского, в отличие от автоматического воздухоотводчика, это в общем-то обычная пробка с воздухоотводным каналом и ввернутым в него конусным винтом: выворачиванием винта освобождается канал и воздух выходит наружу. Заворачивание винта закрывает канал. Также бывают воздухоотводчики, в которых вместо конусного винта используется металлический шарик, перекрывающий канал сброса воздуха.

Вместо автоматических воздухоотводчиков и кранов Маевского в систему отопления можно включить сепаратор воздуха. Этот прибор основан на применении закона Генри. Воздух, присутствующий в системах отопления, находится частично в растворенном виде, а частично в виде микропузырьков. При прохождении воды (вместе с воздухом) через систему она попадает в области различных температур и давлений. В соответствии с законом Генри в одних областях воздух будет выделяться из воды, а в других растворяться в ней. В котле теплоноситель нагревается до высокой температуры, поэтому именно в нем из содержащей воздух воды будет высвобождаться наибольшее количество воздуха в виде мельчайших пузырьков. Если их незамедлительно не отвести, то они растворятся в других местах системы, где температура меньше. Если удалить микропузырьки сразу за котлом, то на выходе сепаратора получим обезвоздушенную воду, которая будет поглощать воздух в разных местах системы. Этот эффект используется для поглощения воздуха в системе и выведения его в атмосферу посредством комбинации котла и сепаратора воздуха. Процесс продолжается постоянно до полного выведения воздуха из системы.

Рис. 17. Сепаратор воздуха

Работа сепаратора воздуха (рис. 17) основана на принципе слияния микропузырьков. Практически это означает, что маленькие пузырьки воздуха прилипают к поверхности специальных колец и собираются вместе, образуя большие пузырьки, которые могут отделиться и всплыть в воздушную камеру сепаратора. Когда поток жидкости проходит через кольца, он расходится во множестве различных направлений, а конструкция колец такова, что вся жидкость, проходящая через них, вступает в контакт с их поверхностью, делая возможным прилипание микропузырьков и их слияние.

Рис. 18. Принципиальные схемы систем отопления с насосной циркуляцией, расширительным бачком закрытого типа и сепаратором воздуха

Теперь немного отвлечемся от воздуха и вернемся обратно к циркуляционному насосу. В системах отопления с протяженными трубопроводами и, как следствие, с большими гидравлическими потерями, нередко требуются довольно мощные циркуляционные насосы, создающие давление на нагнетающем патрубке больше того, на которое рассчитан отопительный котел. Другими словами при размещении насоса на обратке непосредственно перед котлом могут потечь соединения в теплообменнике котла. Для того чтобы этого не произошло, мощные циркуляционные насосы устанавливают не перед котлом, а за ним - на подающем трубопроводе. И тут же встает вопрос: где размещать сепаратор воздуха, за насосом или перед ним? Ведущие изготовители отопительных систем решили этот вопрос и предлагают устанавливать сепаратор перед насосом (рис. 18), для предохранения его от повреждений пузырьками воздуха.

А теперь рассмотрим системы отопления с насосной циркуляцией более подробно.