Естественное циркуляционное давление является основным в гравитационной системе и дополнительным в насосной системе водяного отопления. Оно возникает только в вертикальной системе и определяется как разность гидростатических давлений двух столбов (подъёмного и опускного) воды одинаковой высоты, но разной плотности.

По вопросу его определения в литературе имеются противоречивые указания. Например, в учебниках профессора Б. М. Аше утверждается, что одним из условий циркуляции воды в кольце является то, «чтобы точки нагрева и охлаждения находились на двух различных вертикальных ветвях» [1, стр. 160]; «подъёмный магистральный стояк должен быть особо тщательно изолирован» [2, стр. 473]; «охлаждение воды в восходящих горячих стояках вызывает уменьшение действующего давления» [3, стр. 472].

Эти указания противоречат публикации, что «всякое охлаждение воды в местах системы, лежащих выше котла, способствует созданию положительно действующего давления» [3, стр. 190]. То есть для трёх вертикальных систем с разным расположением охладителей естественное циркуляционное давление в них будет одинаковым.

С целью проверки правильности этого утверждения в лаборатории отопления Ленинградского инженерно-строительного института (ЛИСИ — до 1992 года, ныне СПбГАСУ) автором были проведены экспериментальные наблюдения за циркуляцией воды в контуре из стеклянных труб высотой около 4 м (рис. 1, г и д). Для охлаждения воды в контуре на трубы были надеты стальные сосуды №1 и №2 высотой около 700 мм и диаметром 100 мм, которые заполнялись льдом. Для удаления из них талой воды дно сосудов имело отверстие. Применительно к условиям опытов сосуды могли быть перемещены по вертикали.

Скорости воды определялись в горизонтальном участке 1–4 методом поплавков. Для этого использовался секундомер и водный раствор краски нигрозина, который вводился в участок контура с помощью иглы медицинского шприца под давлением сосуда с краской выше верхней точки контура.

Температуры воды в контуре замерялись термопарами, спаи которых были установлены на поверхности стеклянных труб и в сосуде с тающим льдом.

Задачами эксперимента являлись:

  • выявление возможности естественной циркуляции в схемах рис. 1, а и б в том же направлении, что и в схеме рис. 1, в;
  • сопоставление скоростей циркуляции для указанных гидравлических схем.

Был проведён ряд опытов в стационарном режиме.

Опыт №1. Установка смонтирована согласно рис. 1, г. Нагревание воды осуществлялось в точке 1, что соответствует схеме рис. 1, а.

Нагревание воды в точке 1 сразу вызвало циркуляцию воды в направлении от точки 1 к точке 2. Затем оба охладителя были заполнены тающим льдом. Циркуляция воды продолжалась в том же направлении. При температурах термопар Т №1, 2 и 3, соответственно, 28,3; 23,1 и 23,0 °C скорость циркуляции от точки 1 к точке 2 составляла около 4 см/с.

Таким образом, результаты первого опыта не подтвердили указание, что одним из условий циркуляции воды в контуре является то, «чтобы точки нагрева и охлаждения находились на двух различных вертикальных ветвях» [1, стр. 160].

Интересно отметить, что после прекращения нагрева циркуляция воды от точки 1 к точке 2 замедлялась, а затем через несколько минут сменилась на противоположную — от точки 1 к точке 4. 

Опыт №2. Установка смонтирована согласно рис. 1, г. Нагревание воды осуществлялось в точке 4, что соответствует схеме рис. 1, в. При нагревании возникала циркуляция от точки 4 к точке 3. Направление её оставалось прежним и при загрузке обеих охладителей льдом. При температурах в термопарах Т №1, 2 и 3, соответственно, 25,0; 30,3 и 30,5 °C скорость циркуляции от точки 4 к точке 3 составляла около 4,8 см/с.

Превышение скорости циркуляции во втором опыте объясняется тем, что в первом опыте горячая вода поступала сначала в нижний охладитель, а во втором — в верхний; температура воды была выше.

Опыт №3. Установка смонтирована согласно рис. 1, д. Нагревание воды в точке 4, что соответствует схеме рис. 1, б.

Нагревание воды начиналось после заполнения льдом охладителей. Возникала циркуляция от точки 4 к точке 3. Показания термопар Т №1, 2 и 3: 23,6; 26,3 и 29,4 °C, соответственно. Скорость циркуляции составила 5 см/с. Это больше скорости в первых опытах из-за более высокого расположения охладителя №2. После прекращения нагревания, как и в опыте №2, циркуляция продолжалась длительное время в том же направлении.

Первые три опыта выявили возможность осуществления циркуляции в одном и том же направлении для трёх разных схем, приведённых на рис. 1. В этих опытах направление циркуляции было восходящим от точки нагрева. Ниже приводится описание четвёртого и пятого опытов, в которых направление циркуляции было нисходящим от точки нагрева.

Опыт №4. Установка смонтирована согласно рис. 1, г. Охладители №1 и №2 заполнялись льдом. Возникала циркуляция от точки 1 к точке 4. Направление её не изменилось и при начале нагревания контура в точке 1.

Опыт №5. Установка по рис. 1, г. Был произведён нагрев контура в точке 1. Началась циркуляция в направлении 1–2–3–4. Затем горелку переставили от точки 1 к точке 4, и после этого оба охладителя были заполнены льдом. Направление циркуляции при этом осталось прежним: 1–2–3–4. После выключения горелки оно через несколько минут сменилось на обратное — от точки 1 к точке 4.

Итак, результаты визуальных наблюдений выявили, что направление циркуляции в контуре и величина естественного циркуляционного давления практически не зависят от того, где находятся точки охлаждения — на подъёмном или опускном стояке кольца.

Иначе: «всякое охлаждение воды в местах системы, лежащих выше котла, способствует созданию положительно действующего давления» [3, стр. 190]. То есть для трёх вертикальных систем по рис. 1 оно будет практически одинаковым (при прочих равных условиях).

Проверим сказанное расчётным путём для трёх вариантов размещения охладителей согласно рис. 1 а, б и в. Расчётные параметры в системе отопления контура высотой 4 м условно приняты 80–60 °C с нагревом воды в точке 1.

Вариант 1. Условно принято, что в подъёмном (главном) стояке вода будет равномерно остывать от 80 до 60 °C. Остальные участки контура идеально заизолированы. То есть, в опускном вертикальном стояке по всей его высоте будет находиться вода с температурой 60 °C.

Естественное циркуляционное давление определяем по формуле:

p = gh(ρo – ρг), Па, (1) р = 9,81 × 4,0 × (983,24 – 977,81) = 213 Па,

где g = 9,81 кг/с² (ускорение свободного падения); ρо — плотность воды в опускном стояке, при 60 °C равная 983,24 кг/м³; ρг — то же в главном стояке при температуре t = (80 + 60)/2 = 70 °C — 977,81 кг/м³.

Прототипом данной системы по варианту 1 является вертикальная однотрубная насосная система водяного отопления с опрокинутой циркуляцией воды в стояках с нижней разводкой подающей магистрали.

Вариант 2. Условно принято, что в подъёмном (главном) и опускном стояках вода будет равномерно остывать, соответственно, от 80 до 70 °C и от 70 до 60 °C. Горизонтальные участки контура идеально заизолированы:

р = 9,81 × 4,0 × (980,59 – 974,89) = 223 Па,

где 980,59 кг/м³ — величина плотности воды в опускном стояке при температуре t = (70 + 60)/2 = 65 °C; 974,89 кг/м³ — плотность воды в главном стояке при температуре t = (80 + 70)/2 = 75 °C.

Прототипом системы по варианту 2 является вертикальная однотрубная насосная система с нижней разводкой обеих магистралей (с П-образными стояками).

Вариант 3. Условно принято, что подъёмный (главный) стояк и горизонтальные участки идеально заизолированы, в опускном стояке вода будет равномерно остывать от 80 до 60 °C:

р = 9,81 × 4,0 × (977,81 – 971,83) = 234 Па,

где 977,81 кг/м³ — величина плотности воды в опускном стояке при температуре t = (80 + 60)/2 = 70 °C; 971,83 кг/м³ — плотность воды в главном стояке при температуре t = 80 °C.

Прототипом системы по варианту 3 является вертикальная система водяного отопления с верхней разводкой.

Приведённые расчёты по формуле 1 подтвердили результаты визуальных наблюдений, что «всякое охлаждение воды в местах системы, лежащих выше котла, способствует созданию положительно действующего давления» [3, стр. 190].

То есть, написанное в справочной литературе: «для увеличения естественного циркуляционного давления рекомендуется уменьшать охлаждение воды в главном стояке» [4, стр. 115], приходится считать неправильным.

Выводы

1. Величина естественного циркуляционного давления и направление возникшей циркуляции не зависит от того, находятся ли точки нагрева и выше их расположенные точки охлаждения на подъёмном или опускном стояках циркуляционного контура (при прочих равных условиях).

2. В целях увеличения естественного циркуляционного давления и использования полезной теплоотдачи главного стояка от его тепловой изоляции следует отказаться. Это особенно целесообразно для гравитационных систем отопления квартир, дач, пассажирских вагонов и тогда, когда стояк проходит через отапливаемые помещения. Допустимо присоединять отопительные приборы непосредственно к главному стояку. Целесообразно повышать температуру в котле на величину остывания воды в главном стояке.