Рис. 1. Двухтрубная система отопления с естественной циркуляцией
Рис. 2. Пример выполнения верхнего розлива с контруклоном
Рис. 3. Устройство для выпуска воздуха из верхнего розлива
Рис. 4. Схема с верхним расположением обратного трубопровода
Рис. 5. Схема с нижним расположением подающей линии
Рис. 6. Однотрубная гравитационная система с расположением радиаторов ниже котла
Рис. 7. Воздушная трубка с гидрозатвором
Рис. 8. Установка поплавкового нормально открытого обратного клапана
Несмотря на то, что отопительная техника с каждым годом совершенствуется и дополняется новыми прогрессивными техническими решениями и высокоэффективным оборудованием, системы водяного отопления с естественной циркуляции теплоносителя продолжают занимать весьма существенную долю в теплоснабжении. Они широко и успешно применяются как в индивидуальном жилищном и коттеджном строительстве, так и при сооружении объектов в районах, где электроснабжение либо отсутствует, либо осуществляется с перебоями.
Гравитационная система водяного отопления была изобретена еще в 1777 году французским инженером-физиком М. Боннеманом для обогрева инкубатора. Начиная с 1818 года, системы отопления Боннемана стали широко применяться в Европе, правда, в основном для теплиц и оранжерей. Основы методики теплового и гидравлического расчета систем с естественной циркуляцией были разработаны англичанином Худом (Hood) в 1841 году.
Именно он теоретически доказал пропорциональность скоростей циркуляции теплоносителя квадратным корням из разницы высот центра нагрева и центра охлаждения, то есть перепада высот между котлом и радиатором. Естественная циркуляция воды в системах отопления была достаточно хорошо изучена и имела мощную теоретическую поддержку. Однако с появлением насосных отопительных систем интерес ученых к «гравитационке» постепенно угасал.
Теорию естественной циркуляции бегло и поверхностно освещают в институтских курсах. При устройстве таких систем монтажники, в основном, пользуются советами «бывалых», да теми скупыми требованиями, которые изложены в нормативных документах. Но нормативные документы лишь диктуют требование, но не дают объяснения причин появления того или иного «постулата». В связи с этим, в кругу специалистов циркулирует достаточно много мифов, которые и хотелось бы немного развеять.
Для этого используем пример классической двухтрубной гравитационной системы отопления (рис. 1) со следующими исходными данными. Первоначальный объем теплоносителя в системе — 100 л. Высота от центра котла до поверхности нагретого теплоносителя в баке Н = 7 м. Расстояние от поверхности нагретого теплоносителя в баке до центра радиатора второго яруса h1 = 3 м, а до центра радиатора первого яруса — h2 = 6 м. Температура на выходе из котла — 90 °C, на входе в котел — 70 °C. Действующее циркуляционное давление для радиатора второго яруса можно определить:
Δp2 = (ρ2 – ρ1)g(H – h1) = = (977 – 965) × 9,8 × (7 – 3) = 470,4 Па.
Для радиатора первого яруса оно составит величину:
Δp1 = (ρ2 – ρ1)g(H – h2) = = (977 – 965) × 9,8 × (7 – 6) = 117,6 Па.
При более точных расчетах учитывается также остывание воды в имеющихся трубопроводах.
Миф 1. Трубопроводы должны прокладываться с уклоном по направлению движения теплоносителя. Не спорим, так было бы неплохо, но на практике это требование не всегда удается выполнить. Где-то балка покрытия мешает, где-то потолки устроены в разных уровнях и т.п. Что же будет, если выполнить подающий трубопровод с контруклоном (рис. 2)? Если грамотно подойти к решению этого вопроса, то ничего страшного не произойдет.
Циркуляционное давление если и снизится, то на ничтожно малую величину (несколько паскалей) за счет паразитного влияния остывающего в верхнем розливе теплоносителя. Воздух из системы придется удалять с помощью проточного воздухосборника и воздухоотводчика. Пример этого устройства показан на рис. 3. Дренажный кран служит для выпуска воздуха в момент заполнения системы теплоносителем. В «крейсерском» режиме этот кран закрыт. Такая система останется полностью работоспособной.
Миф 2. В системах с естественной циркуляцией охлажденный теплоноситель вверх двигаться не может. Это вовсе не так. Для циркуляционной системы понятие «верха» и «низа» очень условны. Если обратный трубопровод на каком-то участке поднимается, то где-то он на эту же высоту и опускается. То есть гравитационные силы уравновешиваются. Все дело лишь в преодолении дополнительных местных сопротивлений на поворотах и линейных участках трубопровода.
Все это, а также возможное остывание теплоносителя на участках подъема должно учитываться в расчетах. Если система грамотно рассчитана, то схема, представленная на рис. 4, вполне имеет право на существование. Мало того, в начале прошлого века такие схемы достаточно широко применялись, несмотря на свою слабую гидравлическую устойчивость.
Миф 3. В гравитационных системах подающий трубопровод должен проходить над всеми ярусами радиаторов. Это тоже совсем не обязательно. Расположение подающего трубопровода с надлежащим уклоном под потолком верхнего этажа или на чердаке позволяет удалять воздух из системы через открытый расширительный бак. Однако проблему удаления воздуха можно решить и с помощью автоматических воздухоотводчиков (рис. 5) или отдельной воздушной линии.
Миф 4. При естественной циркуляции теплоносителя радиаторы обязательно должны располагаться выше центра теплогенератора (котла). Это утверждение справедливо только при расположении отопительных приборов в один ярус. При количестве ярусов два и более, радиаторы нижнего яруса можно располагать и ниже котла, что, естественно, должно быть проверено гидравлическим расчетом. В частности, для примера на рис. 6 (при величинах H = 7 м, h1 = 3 м, h2 = 8 м) действующее циркуляционное давление составит: g[H(ρ2 – ρ1) – h1(ρ3 – ρ1) – h2(ρ2 – ρ3)] = = 9,9 × [7 × (977 – 965) – 3 × (973 – 965) – – 6 × (977 – 973)] = 352,8 Па, где ρ1 = 965 кг/м3 — плотность воды при 90 °C; ρ2 = 977 кг/м3 — плотность воды при 70 °C; ρ3 = 973 кг/м3 — плотность воды при 80 °C. Циркуляционного давления вполне достаточно для работоспособности такой системы.
Миф 5. Гравитационную систему отопления, рассчитанную на водяной теплоноситель, можно безболезненно перевести на незамерзающий теплоноситель. Без расчета такая замена может привести к полному отказу системы отопления. Дело в том, что этиленгликолевые и полипропилен-гликолевые растворы обладают значительно большей вязкостью, чем вода. Кроме того, удельная теплоемкость этих смесей несколько ниже, чем у воды, что требует, при прочих равных условиях, ускоренной циркуляции теплоносителя. Вместе взятые, эти два фактора существенно увеличивают расчетное гидравлическое сопротивление системы, заполненной теплоносителями с низкой температурой замерзания.
Миф 6. В открытый расширительный бак необходимо постоянно доливать теплоноситель, так как он интенсивно испаряется. Да, это действительно большое неудобство, но его можно легко устранить. Для этого используется воздушная трубка и гидравлический затвор, устанавливаемый, как правило, ближе к нижней точке системы, рядом с котлом (рис. 7).
Воздушная трубка служит воздушным демпфером между гидравлическим затвором и уровнем теплоносителя в баке, поэтому чем больше ее диаметр, тем лучше. Тем меньше будет уровень колебаний уровня в бачке гидрозатвора. Некоторые умельцы умудряются закачивать в воздушную трубку азот или инертные газы, тем самым предохраняя систему от проникновения кислорода.
Миф 7. Насос, установленный на байпасе главного стояка, не создаст эффекта циркуляции, так как установка запорной арматуры на главном стояке между котлом и расширительным баком запрещена. Можно поставить насос на байпасе обратной линии, а между врезками насоса установить шаровой кран. Такое решение не очень удобно, так как каждый раз перед включением насоса надо не забыть перекрыть кран, а после выключения насоса — открыть.
Установка обычного пружинного обратного клапана невозможна из-за его значительного гидравлического сопротивления. Домашние мастера пытаются препарировать обратные клапаны, снимая с них пружинки совсем или устанавливая их «наоборот» (превращая в нормально открытый клапан). Такие переделанные клапаны создадут в системе неповторимые звуковые эффекты из-за постоянного «хлюпанья» с периодом, пропорциональным скорости теплоносителя.
Есть гораздо более эффективное решение: на главном стояке между врезками байпаса устанавливается поплавковый обратный клапан Valtec VT.202 (рис. 8). Поплавок клапана в режиме естественной циркуляции открыт и не мешает движению теплоносителя. При включении насоса на байпасе клапан перекрывает главный стояк, направляя весь поток через байпас с насосом.
Итак, водяные системы отопления с естественной циркуляцией окутаны еще многими мифами, которые предлагаем вам развеять самим:
- расширительный бак можно врезать только над главным стояком;
- в таких системах нельзя ставить мембранный расширительный бак;
- регулировать тепловой поток от радиаторов в гравитационных системах нельзя;
- естественная циркуляция не работает в межсезонье;
- байпасы перед радиаторами в таких системах недопустимы;
- водяные теплые полы в гравитационных системах работать не будут.
