Элеваторный узел системы отопления — назначение, виды, монтаж

Нагретая ТЭЦ вода в силу высоких напорных характеристик и температур не может быть непосредственно использована в сетях обогрева различного типа зданий, индивидуальных, коммунальных домов. Поэтому для приведения физических параметров теплового носителя к приемлемым и безопасным характеристикам перед контурами отопления размещают элеваторный узел системы отопления.

Элеваторные распределители применяются в отопительных системах десятки лет и в настоящее время являются морально устаревшими. Однако их до сих выпускают промышленные предприятия и используют в индивидуальных тепловых пунктах (ИТП) в силу простоты конструкции, невысокой стоимости, эффективной работе при стабильных параметрах теплового носителя.

Рис. 1 Элеваторный узел системы отопления — примеры размещения в теплосетях

Назначение и принцип работы элеватора в системе отопления

Тепловые станции или крупные котельные способны обеспечивать горячим теплоносителем территории большой площади. В связи с этим протяженность теплосетей может достигать десятков километров, что вызывает значительные потери тепла в магистрали. Поэтому начальная температура теплоносителя от станций и котельных выбирается с учетом этих теплопотерь. Нормативными документами установлены несколько режимов температурных параметров подачи и обратки теплосетей, основные из них – 150 / 70, 130 / 70, 95 / 70.

Так как в целях безопасности и снижения потерь температура в радиаторных теплообменниках зданий не должна быть больше 95 °С, многим потребителям тепловой энергии зданий, находящихся на небольшом расстоянии от теплостанций, приходится решать проблему частичного охлаждения нагретой до температур около 150 или 130 °С воды.

Этого можно достичь единственным методом, смешивая входящий и охлажденный обратный поток в тройниковом узле. Однако если производить смешение в обычном тройнике, в нем будет отсутствовать ток воды и соответственно движение теплового носителя по трубопроводу остановится. Поэтому в смесительном узле на пути потока подачи делают узкое сопло. Это приводит к увеличению скорости водного потока и соответственно снижению его давления в области сопла, которое напрямую связано с диаметром трубопровода. В результате турбулентный поток увлекает за собой водные массы из обратки, обеспечивая таким способом движение теплового носителя по контуру.

Тройник с внутренним зауженным соплом и является тем типом арматуры, которая получила название элеваторный узел.

Следует отметить, что элеватор одновременно выполняет функции смесителя и циркуляционного насоса, проталкивающего тепловой носитель по отопительному контуру. К перечисленным работам можно добавить его функционирование в качестве редуктора, понижающего давление, и термостата, уменьшающего температуру до требуемых параметров.

Рис. 2 Формулы расчета элеватора

Конструкция и основные фрагменты элеватора

Типичный элеватор делают из литьевого чугуна или стали, для подсоединения к трубопроводу его оснащают фланцами с трех сторон. Для защиты от коррозии деталь покрывают порошковой эпоксидной краской синего или черного цветов.

Рассматривая, что такое элеваторный узел в системе отопления, его условно разбивают на следующие составляющие:

• Выходной и входные патрубки подачи входящего (прямого) и отходящего (обратного) потоков, оснащенные фланцами.
• Сопло. Бывает встроенным или сменным, последнее имеет форму стакана с буртиком и конусным зауженным концом.
• Смесительная камера. Располагается после сопла и на выходе патрубка обратного потока. В ней происходит смешивание потоков подачи и обратки, в результате чего понижается температура отопительной жидкости.
• Горловина. Это короткий или некоторой длины участок элеваторного узла небольшого диаметра. Так как давление в любом трубопроводе напрямую связано с размерами его проходного канала, относительно узкая горловина приводит к его понижению также, как и узкое сопло.
• Диффузор. Конусный фрагмент элеватора после горловины, расширяющийся к его торцу до диаметра, необходимого для подключения узла к трубопроводной магистрали. Конечный диаметр горловины элеваторного узла больше на один типоразмер проходного канала его входного патрубка и совпадает по размеру с канальным проходом обратки.
• В зависимости от размеров трубопроводов теплосетей, физических характеристик отопительной жидкости на их входе, промышленные предприятия выпускают стандартные элеваторные узлы 7 (8) типовых размеров, которым присваиваются номера от 1(0) до 7. Их входные патрубки имеют типоразмеры условных проходов Ду 25, 40, 50 и 80 мм. При этом соответствующие им выходной и патрубок обратки больше на один типоразмер и соответствуют цифровому ряду 32, 50, 80 и 100 мм.

Рис. 3 Конструктивное устройство элеватора

Труба ВГП – размеры, формы выпуска, особенности резьбового соединения. На нашем сайте есть отдельная статья посвященная обзору водогазопроводных труб ВГП, используемые при прокладке магистральных и внутренних систем отопления. Возможно, будет интересно.

Особенности элеваторных узлов

Элеваторные узлы лет 20 — 30 назад являлись основным видом арматуры, регулирующей давление и температурные параметры теплового носителя да входе отопительных контуров различных зданий и сооружений. В настоящее время их можно считать морально устаревшими, и они не столь популярны в силу приведенных ниже особенностей:

• Зависимость выходного напора от перепадов давления теплосети. Так как в простых элеваторных узлах нет обратной связи и каких-либо построечных регулировок, то чем выше давление на их входе, тем больше оно на выходе. В некоторых ситуациях расположенные рядом здания могут потреблять пиковое количество тепловой энергии (объем теплового носителя), что приводит к подсаживанию элеватора.
• Температура среды после элеватора напрямую связана с температурными параметрами теплоносителя, поступающего на его входной патрубок из теплосетей. Если вода на его входе не слишком горячая, то и на выходе ее температура будет пониженной, и наоборот.

Рис. 4 Номера элеваторов

• Корректное функционирование элеватора напрямую связано с качеством поступающей воды. При сильных загрязнениях узкое сопло (диаметр около 6 мм) может забиваться, что приведет к неправильной работе узла.
• Любые аварийные и критические ситуации в теплосетях оказывает непосредственное влияние на корректность функционирования элеваторного узла.
• Применение стандартного элеватора является экономически невыгодным, так как не позволяет оптимизировать энергозатраты из-за отсутствия каких-либо подстроек, связанных с температурными параметрами теплового носителя.
• Учитывая, что у элеватора отопления принцип работы основан на понижении давления, для его корректного функционирования необходим высокий напор рабочего тела на входе. Если входное давление слишком мало, выходного напора может не хватить для подачи отопительной жидкости на большие расстояния или высоты.

Рис. 5 Регулируемый узел и его особенности

• Принцип работы элеваторного узла в системе отопления и режим его функционирования несовместимы с переменным потреблением тепловой энергии. То есть если в радиаторах квартир многоэтажного дома установлены термостатические клапаны (а такие регулировки присутствуют практически во всех современных зданиях), то объемы протекающего по контуру теплоносителя будут постоянно меняться при корректировке настроек. Соответственно из обратки в смесительный узел будут поступать разные объемы жидкости, что вызовет скачки температуры и давления на выходе элеватора. Иными словами, элеватор эффективен в коммунальных домах старой постройки с чугунными радиаторами без подстроек или встроенными в панели теплообменниками.
• Ограниченный диапазон применения. Система отопления с элеваторным узлом не может функционировать в высотных зданиях, если давление на его входе невелико. Также его функционирование неэффективно при изменении графика подачи тепла на теплостанциях.
• Если используют регулируемые элеваторные узлы, то при снижении давления на входе падает напор в линии обратки, и соответственно ее температура.
• Нет возможности оптимально подобрать параметры элеваторного узла под определенный отопительный контур — все выпускаемые номера рассчитаны только на несколько типовых диаметров трубопроводов.

Рис. 6 Узлы с автоматикой регулировки

Элеваторный узел системы отопления с регулировкой

Расширить возможности обычного элеватора и сделать его более гибким позволяет применение в нем регулирующих элементов. Основной принцип работы подобных устройств заключается в изменении сечения проходного канала сопла, для чего в него вводят иглу конусной формы. Механизм ввода может быть ручным или автоматическим при помощи электроприводного механизма.

В элеваторах, регулируемых механическим методом, иглу перемещает расположенный перпендикулярно относительно ее оси зубчатый шток. Ось поворачивают рукояткой, которая лежит на диске с делениями, фиксирующими положение рычага и определенные параметры настройки.

При автоматической регулировке электропривод располагается на одной оси с иглой, обеспечивая ее возвратное или поступательные движение. При этом сам элеватор состоит из двух фрагментов — непосредственно самого узла с форсункой, и предшествующей ему камеры, в которую поступают подающий (сверху) и обратный (снизу) потоки, а внутри передвигается игла, входящая через герметично закрытый торец по центральной оси.

Рис. 7 Схема монтажа и комплектация

Оцинкованная изоляция труб ППУ и инженерных коммуникаций — характеристики, монтаж. Возможно, будет интересно почитать про оцинкованную изоляцию труб, применяемых для прокладки систем отопления и ГВС.

Элеватор в системе отопления — схема монтажа

Элеваторы обычно устанавливают в индивидуальные тепловые пункты зданий по определенной типовой схеме подключения.

При размещении прибора в обычной системе отопления схема его обвязки помимо самого смесительного узла со вставным соплом включает в себя:

Запорную арматуру. Стандартный вариант — применение четырех клиновых задвижек: в общей линии подачи перед элеватором и в обратке теплосетей (отсекают сеть), а также после смесительного узла и в обратке до подсоединительного отвода (отсекают дом).

Грязевые фильтры. Обязательно присутствие одного прибора до элеваторного узла, иногда второй устанавливают в линию обратки.

Манометры. Схема подключения может содержать около четырех (обычно три) манометров, устанавливаемых до и после фильтра (позволяют отследить степень его загрязнения), а также в общую линию обратки теплосетей до и после задвижки.

Термометры. Располагаются аналогично манометрам, часто находятся рядом с ними.

Трехходовые шаровые краны. Схема подключения может содержать около 10 трехходовых кранов, служащих для технических целей — забора воды, заполнения системы, подключения через них манометров, спуска жидкости из грязевого фильтра.

Рис. 8 Примеры исполнения тепловых элеваторных узлов

Узлы тепловые элеваторные (УТЭ)

Как видно из представленной выше схемы, установка элеватора сопровождается монтажом широкого ряда дополнительной арматуры и контрольно-измерительных приборов.

Для облегчения этой процедуры производители отопительного оборудования выпускают готовые тепловые элеваторные узлы (УТЭ), включающие в себя всю необходимую арматуру и приборы.

Насчитывается 7 модификаций типовых тепловых элеваторных узлов от УТЭ 1 до УТЭ 7, которые монтируются на едином трубном каркасе. Их условные (внутренние, номинальные) диаметры проходных каналов при подключении к теплосетям для УТЭ1 – УТЭ4 — 50 мм, а на выходе прямой подачи и обратки — 80 мм. У моделей УТЭ 6,7 данные размерные параметры соответственно равны 80 и 100 мм.

Тепловые элеваторные узлы могут иметь различную комплектацию, основными элементами которой являются:

• элеваторный узел со вставным соплом;
• четыре клиновые задвижки (две чугунные в обратке и две стальные в подаче);
• один или два грязевых фильтра;
• термометры вместе с оправками для их ставки (до 4 штук);
• минимум три манометра;
• шаровые краны (до 10 штук) и отводы для них.

Рис. 9 Параметры и схема УТЭ

Хотя элеваторные узлы в силу отсутствия связанных с температурными и напорными характеристиками теплового носителя настройками являются морально устаревшими, их применение до сих пор рационально в коммунальных домах старой постройки. Принцип работы элеваторного узла системы отопления требует для его эффективной эксплуатации стабильного давления и температуры воды в теплосетях, а также неизменного объема проходящего через него жидкостного потока.

Элеваторный узел системы отопления

Подача теплоносителя в отопительные приборы жилых помещений должна производиться в соответствии с расчётными параметрами и техническими характеристиками. Большие расстояния транспортировки и особенности климата требуют создания определённого теплового режима, в большинстве случаев не позволяющего прямую подачу в квартиры. Необходима система настройки температуры теплоносителя, обеспечивающая соответствие его параметров и возможностей трубопроводов и радиаторов. Рассмотрим элеваторный узел системы отопления, являющийся основным элементом регулировки общего теплового режима многоквартирного дома.

Что такое элеваторный узел системы отопления

Магистральные сети теплоснабжения работают на трёх основных режимах:

Первое число обозначает температуру теплоносителя в прямом трубопроводе, второе – в обратном. Транспортировка теплоносителя производится на значительные расстояния, поэтому температура устанавливается с расчётом потерь тепловой энергии при движении и с поправками на климатические или погодные условия. Отсюда и три варианта подачи теплоносителя — если постоянно греть воду до максимального значения, увеличится расход топлива, поэтому режимы нагрева меняют в зависимости от внешних условий.

Согласно санитарным нормам и техническим характеристикам бытового теплового оборудования, верхний предел температуры теплоносителя не должен превышать 95°. Если вода нагрета до 130° или 150°, её надо охладить до установленного значения. Причин для этого имеется несколько:

• Большинство приборов отопления не способны работать с перегретой водой — чугунные радиаторы становятся хрупкими, алюминиевые могут выйти из строя или перестают держать давление системы.
• Трубопроводы, используемые для подводки теплоносителя в квартирах, также имеют ограничение по температуре, например, для пластиковых труб установлен температурный порог в 90°.
• Слишком горячие отопительные приборы опасны для людей, в особенности для детей.

Перегретая вода не превращается в пар только потому, что внутри трубопроводов нет такой возможности. Требуется отсутствие давления и наличие свободного пространства, чего в трубе не может быть. Потери температуры при транспортировке несколько меняют тепловой режим теплоносителя, но необходимость его охлаждения до рабочих значений остаётся. Вопрос решается путём подмешивания охлаждённой воды из обратного трубопровода до получения заданной температуры, подходящей для использования в приборах отопления. Смешивание воды происходит в специальных механических устройствах — элеваторах. Они работают в окружении сопутствующих элементов, называемых окружением элеватора, а весь узел смешивания называется элеваторным узлом.

Принцип работы и устройство

Элеватор представляет собой стальной или чугунный корпус, имеющий три патрубка (два входных и один выходной), напоминая обычный тройник.

Общая схема элеваторного узла

Теплоноситель поступает в корпус и проходит через сопло, отчего его давление падает. Это вызывает подсос обратки из трубопровода в камеру смешивания, обеспечивающий циркуляцию в системе отопления. Потоки, перемешиваясь, приобретают заданную температуру, затем через диффузор направляются в систему отопления квартиры. Обычный элеватор представляет собой чисто механическое устройство, что максимально упрощает его использование. Настройка производится путём изменения диаметра сопла, которое создаёт определённое давление в камере смешивания, изменяя режим подсоса обратки. При этом разница давлений прямого и обратного трубопроводов не должна превышать 2 бар. Для получения правильного результата требуется точный расчёт диаметра сопла, поскольку это единственный элемент, подлежащий каким-либо изменениям. В остальном элеватор — цельная отливка из чугуна, относительно недорогая, надёжная и очень простая в работе и обслуживании. Эти причины вызвали широкое распространение элеваторов в системах отопления многоквартирных домов.

Существуют более сложные конструкции элеваторов с возможностью изменения диаметра сопла. Эти устройства более дорогие и сложные, но позволяют на ходу изменять режим работы системы отопления в зависимости от давления и температуры теплоносителя в магистрали. Проход теплоносителя регулируется конусообразным стержнем — иглой, которая перемещается в продольном направлении и открывает или закрывает просвет сопла, изменяя режим работы элеватора и всей системы. Существуют прибор с сервоприводом, который на ходу способен регулировать просвет по сигналу с датчиков температуры или давления, что позволяет организовать точную настройку работы в автоматическом режиме. Такие устройства более дорогие и требуют повышенного внимания и ухода, но создают массу новых возможностей регулировки системы.

Схема элеваторного узла системы отопления

Самостоятельная работа элеватора невозможна. В состав элеваторного узла входят различные элементы:

• Задвижки (в последнее время на смену приходят шаровые краны, более удобные и надёжные в эксплуатации).
• Грязевики.
• Манометры.
• Термометры.
• Соединительные элементы (фланцы или переходники).

Принципиальную схему элеваторного узла можно рассмотреть на рисунке:

Элеваторный узел в системе отопления: 1- запорная арматура (задвижка); 2 — грязевик; 3 — элеватор водоструйный; 4 — манометр; 5 — термометр

Основными элементами являются задвижки, позволяющие регулировать параметры прямого и обратного потока. Грязевики — это устройства, отделяющие механические включения в виде мелкого мусора или грязи. Они подлежат периодической очистке, заполнение грязевиков опасно и может вывести из строя элементы, расположенные далее по пути следования потока. Остальные элементы — манометры и термометры — являются контрольными и позволяют вести наблюдение за текущим режимом системы отопления.

Размеры элеваторного узла

Элеваторы изготавливаются в нескольких типоразмерах, соответствующих величине и потребностям системы отопления дома или подъезда многоквартирного дома:

Таблица зависимости номера элеватора от его размера

Подбор элеватора производится по сочетанию различных параметров — температуры, давления в системе, пропускной способности трубопроводов, присоединительным размерам и т.п. Большинство приборов выбирается исходя из диаметра труб, питающих систему отопления. Важно обеспечить соответствие диаметра питающих трубопроводов и размеров патрубков элеватора, чтобы прибор не оказался своеобразной диафрагмой, снижающей пропускную способность и давление в системе. Кроме того, на эффективность работы влияет размер сопла, подлежащий тщательному расчёту. Формулы расчёта имеются в сети, но самостоятельно его производить, не имея опыта и подготовки, не рекомендуется. Проще всего использовать онлайн-калькулятор, который можно отыскать в сети Интернет. Полученный результат целесообразно проверить на другом калькуляторе, чтобы получить более корректный результат.

Как обслуживать

Работа элеватора основана на действии физических законов, поэтому каких-либо движущихся или вращающихся деталей его конструкция не предусматривает. Даже в более сложных конструкциях с изменяющимся размером сопла перемещается специальная игла, увеличивающая или уменьшающая проход для теплоносителя (по принципу действия пульверизатора), не имеющая высокой скорости перемещения. Поэтому весь уход за устройством заключается в своевременной очистке от загрязнений, удалении грязи, понемногу набивающейся из-за низкого качества теплоносителя. Периодической замене подлежат сопла, которые испытывают нагрузки при воздействии с потоком горячей воды и первыми выходят из строя. Проверка диаметра и состояния сопла производится ежегодно, замена осуществляется при наступлении необходимости — сильной изношенности детали, чрезмерном увеличении или уменьшении пропускной способности. Также необходимо следить за герметичностью фланцевых соединений, вовремя менять прокладки и сальники.

Достоинства и недостатки

К достоинствам элеваторного управления температурой в системе отопления относятся:

• Простота устройства, способность сохранять постоянный коэффициент эжекции теплоносителя, что означает постоянную температуру смеси, идущей в систему отопления.
• Надёжность, способность работать в сложных условиях.
• Малое количество деталей, подлежащих замене.
• Нет необходимости подключения электропитания.
• Совмещение двух функций — смесителя и циркуляционного насоса, при простоте конструкции.
• Бесшумность работы.

Имеются и недостатки:

• Необходимость обеспечить разницу между давлениями прямой и обратной линий в пределах 2 бар.
• Способность работать в единственном режиме без замены сопла (кроме регулируемых приборов).
• Малый КПД, вынуждающий увеличивать напор теплоносителя перед элеваторным узлом (это особенно актуально при использовании в системах отопления частных домов, действующих от собственного котла).
• При отказе на магистральной линии происходит остановка циркуляции, следствием которой может стать охлаждение и перемерзание системы.
• Нельзя использовать один узел для нескольких зданий.

Недостатки элеваторных систем компенсируются их эффективностью, простотой и надёжностью, что стало причиной повсеместного использования.

Схемы подключения

Элеваторный узел может быть использован в системах с различными специфическими особенностями — однотрубных, автономных или иных линиях теплоснабжения. Принципы подачи теплоносителя, параметры потока не всегда позволяют обеспечить неизменный и стабильный результат на выходе. Для организации нормального теплоснабжения квартир или корректировки параметров потока, поступающего из магистральной сети, используются различные схемы подключения элеваторных узлов. Все они нуждаются в наличии дополнительного оборудования, иногда в достаточно больших объёмах, но результат, который достигается вследствие этого, компенсирует понесённые расходы. Рассмотрим существующие схемы подключения:

С регулятором расхода воды

Расход воды является основным фактором, делающим возможной регулировку режима обогрева помещений. Изменения расхода вызывают колебания температуры в жилых комнатах, что недопустимо. Вопрос решается установкой перед узлом смешивания регулятора, обеспечивающего постоянный расход воды и стабилизирующего тепловой режим.

Схема элеваторного узла смешения с регулятором расходом: 1 — подающая линия тепловой сети; 2 — обратная линия тепловой сети; 3 — элеватор; 4 — регулятор расхода; 5 — местная система отопления

Особенно важным такое решение становится в однотрубных системах, где имеется нагрузка в виде ГВС, дестабилизирующая расход горячей воды и создающая существенные колебания во время активного водоразбора (утренние и вечерние часы, праздничные и выходные дни). При этом данная схема не способна исправить ситуацию при изменениях температуры теплоносителя в магистральной линии, что является её недостатком, хоть и не слишком существенным. Падение температуры теплоносителя в питающих трубопроводах означает аварию на ТЭЦ или ином пункте нагрева, а это случается редко.

С регулирующим соплом

Схема подключения элеваторного узла с возможностью регулировки пропускной способности сопла позволяет оперативно реагировать на изменения параметров теплоносителя в магистральной линии.

Схема элеваторного узла с регулирующей иглой: 1 — подающая линия тепловой сети; 2 — обратная линия тепловой сети; 3 — элеватор; 5 — местная система отопления ; 6 — регулятор с иглой, вдвигаемой в сопло элеватора

При этом ручная регулировка малоэффективна, поскольку для этого надо постоянно подходить к элеватору, который обычно расположен в подвальном помещении. Наибольшая эффективность системы с регулируемым соплом достигается при полной автоматизации процесса, с использованием датчиков температуры и давления, подающих сигнал на сервопривод элеватора. Такая схема позволяет получить дополнительные возможности при настройке режима работы, но необходимость в ней возникает не всегда, а только в перегруженных или нестабильных системах с возможными колебаниями температуры теплоносителя.

Схема элеваторного узла с использованием датчиков температуры и давления, подающих сигнал на сервопривод элеватора

К недостаткам подобных схем принято относить необходимость изначально обеспечить высокое давление в системе, так как регулировка возможна лишь в пределах параметров потока в магистрали. Кроме того, нагрузки на механику, в частности — на сопло и иглу, создают необходимость постоянного наблюдения и своевременной замены элементов, вышедших из строя.

С регулирующим насосом

Подобные схемы используются при отсутствии достаточного для функционирования элеватора давления в питающих трубопроводах.

Схема элеваторного узла с корректирующим насосом: 1 — подающая линия тепловой сети; 2 — обратная линия тепловой сети; 3 — элеватор; 4 — регулятор расхода; 5 — местная система отопления ; 7 — регулятор температуры; 8 — смесительный насос

Увеличение давления делает возможным применение элеваторного узла в автономных тепловых сетях частного дома, позволяет обеспечить циркуляцию теплоносителя при исчезновении давления в магистрали. Насос устанавливается перед элеватором или на перемычке между прямым и обратным трубопроводами перед входом в элеватор. Для обеспечения нормального режима работы в дополнение к насосу требуется использовать регулятор температуры, а также необходимо подключение электропитания.

Основные неисправности

Возможные неисправности обычно связаны с выходом из строя сопла под агрессивным воздействием горячей воды. Также случаются засорения грязевиков, поломки запорной арматуры или регуляторов. Все эти неисправности связаны со сложными условиями работы оборудования — давление воды и её температура способствуют быстрому разрушению металла, возникновению электрохимической коррозии. При появлении признаков неисправностей, которые обычно выражаются в колебаниях температуры, изменении режима нагрева и прочих неустойчивых явлениях, необходимо произвести ревизию устройства, заменить сопло, прочистить грязевики, заменить или отрегулировать заслонки. В целом, работа элеваторных узлов вполне стабильна и особых проблем не создаёт.

Элеватор — простое и надёжное устройство, способное функционировать в стабильном режиме и не нуждающееся в использовании электроэнергии. Эти причины обусловили повсеместное использование подобного оборудования, которое понемногу начинает уступать место более современным устройствам, созданным на основе того же элеватора, но с расширенными возможностями. Однако, применение простых механических приборов не прекращается, их надёжность и дешевизна до сих пор привлекательны для пользователей.